DE10212931A1

DE10212931A1 - Brennweiten-Überwachungsverfahren, Brennweiten-Überwachungssystem und Vorrichtungsherstellungsverfahren

Info

Publication number: DE10212931A1
Application number: DE10212931A
Authority: DE
Inventors: Shuji Nakao; Yuki Miyamoto; Shinroku Maejima
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2003-03-06
Also published as: KR20030014336A; US20030031943A1; US6811939B2; TW528926B; JP2003057800A

Abstract

Ein Brennweiten-Überwachungsverfahren ist gekennzeichnet durch das Übertragen des Musters einer Photomaske (5) für den Phasenverschiebungs-Brennweitenüberwacher auf einen Photoresist (21b) auf einem Halbleitersubstrat (21a) unter Verwendung einer abgeänderten Beleuchtung. Die Photomaske (5) für den Phasenverschiebungs-Brennweitenüberwacher besitzt einen ersten und einen zweiten Lichtdurchlaßabschnitt (5c) und (5d), die benachbart zueinander sind, während ein Abdeckmuster (5b) dazwischenliegt, und ist so konstruiert, daß zwischen dem durch den ersten Lichtdurchlaßabschnitt (5c) gehenden Belichtungslicht und dem durch den zweiten Lichtdurchlaßabschnitt (5d) gehenden Belichtungslicht eine von 180 DEG verschiedene Phasendifferenz auftritt. Folglich können ein Brennweiten-Überwachungsverfahren, ein Brennweiten-Überwachungssystem und ein Halbleiterherstellungsverfahren mit hoher Erfassungsempfindlichkeit in z-Richtung geschaffen werden, die keine Änderung einer Beleuchtungsblende erfordern.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Brennweiten-Überwachungsverfahren, der Brennweiten-Überwachungssysteme und der Vorrichtungsherstellungsverfahren und insbesondere ein Brennweiten-Überwachungsverfahren, ein Brennweiten-Überwachungssystem und ein Vorrichtungsherstellungsverfahren für die Verwendung bei der Erzeugung eines Musters einer Vorrichtung.

Die Zunahme der Packungsdichte und die Verringerung der Größe einer integrierten Halbleiterschaltung in den vergangenen Jahren sind bemerkenswert. Im Zusammenhang damit wird ein auf einem (hier einfach Wafer genannten) Halbleitersubstrat erzeugtes Schaltungsmuster rasch immer feiner.

Insbesondere ist die Photolithographietechnik als Grundtechnik zur Erzeugung eines Musters umfassend anerkannt. Somit wurde sie bis heute verschiedenartig entwickelt und abgeändert. Das Muster wird immer feiner, wobei die Anforderung an eine Verbesserung der Auflösung des Musters ständig wächst.

Die Photolithographietechnik ist eine Technik zum Übertragen eines auf einer Photomaske vorhandenen Musters (Originalbild) auf einen Photoresist, der auf einen Wafer aufgetragen ist, und des Strukturierens einer zu ätzenden darunterliegenden Schicht unter Verwendung des übertragenen Photoresists.

Zum Zeitpunkt des Übertragens des Photoresists wird dieser einem Entwicklungsprozeß unterworfen. In einem positiven Photoresist wiLd der mit Licht bestrahlte Photoresist in dem Entwicklungsprozeß entfernt. In einem negativen Photoresist wird der nicht mit Licht bestrahlte Photoresist entfernt.

Allgemein wird eine Auflösungsgrenze R (nm) in der Photolithographietechnik unter Verwendung eines Stepper-Verfahrens wie folgt ausgedrückt:
R = k₁.λ/(NA),
wobei λ eine Wellenlänge (nm) des verwendeten Lichts, NA die numerische Apertur eines Projektionsoptiksystems mit einer Linse und k₁ eine Konstante, die von den Bilderzeugungsbedingungen und dem Resistprozeß abhängt, sind.

Anhand des Ausdrucks kann zur Verbesserung der Auflösungsgrenze R, d. h. zum Erhalten eines feineren Musters, ein Verfahren betrachtet werden, bei dem sowohl k₁ als auch λ auf einen kleineren Wert eingestellt werden, während NA auf einen größeren Wert eingestellt wird. Das heißt, es ist ausreichend, eine kleinere vom Resistprozeß abhängige Konstante einzustellen, die Wellenlänge zu verkürzen und ein größeres NA einzustellen.

Allerdings ist es vom technischen Standpunkt aus schwierig, eine Lichtquelle und eine Linse zu verbessern. Durch Verkürzen der Wellenlänge und Einstellen eines größeren NA sinkt eine Schärfentiefe δ (δ = k₂.λ/(NA)²) des Lichts, was zu einer Verschlechterung der Auflösung führt.

Zur Belichtung und Übertragung des Musters auf einer Photomaske auf einen Photoresist mit hoher Auflösung muß die Photomaske in der Photolithographietechnik in einem Zustand belichtet werden, in dem der Photoresist in den Bereich der Schärfentiefe in bezug auf die beste Brennebene des Projektionsoptiksystems eingepaßt ist. Zu diesem Zweck muß mit einem Verfahren die Stelle der besten Brennebene des Projektionsoptiksystems, d. h. die Stelle der besten Brennweite, berechnet werden.

Ein Beispiel eines herkömmlichen Brennweitenüberwachers zur Messung der Stelle der besten Brennweite ist ein von Brunner von der IBM Corporation entwickelter und von der Benchmark Technology Co., USA, verkaufter Phasenverschiebungs-Brennweitenüberwacher.

Fig. 16 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Phasenverschiebungs-Brennweiten-Überwachungsverfahrens. Mit Bezug auf Fig. 16 verwendet das Phasenverschiebungs-Brennweiten-Überwachungsverfahren eine Phasenverschiebungsmaske 105. Die Phasenverschiebungsmaske 105 enthält ein durchsichtiges Substrat 105a, einen Abdeckfilm 105b mit einem vorgegebenen Muster und einen auf dem vorgegebenen Muster erzeugten Phasenschieber 105c.

Wie konkret in Fig. 17 gezeigt ist, besitzt die Phasenverschiebungsmaske 105 ein Muster, in dem zwischen den ausreichend dicken Durchlaßabschnitten 105d und 105e ein schmales Abdeckmuster 105b vorgesehen ist. Der Phasenschieber 105c liegt nicht im Durchlaßabschnitt 105d, sondern im Durchlaßabschnitt 105e.

Gemäß dem Phasenverschiebungs-Brennweiten-Überwachungsverfahren wird zunächst mit Bezug auf Fig. 16 die Phasenverschiebungsmaske 105 mit Licht bestrahlt. Da der Phasenschieber 105c so konstruiert ist, daß er die Phase des durchgehenden Lichts um etwa 90 Grad verschiebt, verstärkt sich das Licht, falls das durch den Durchlaßabschnitt 105e gehende Licht um eine optische Wegdifferenz von 1/4λ, 5/4λ weiter als das durch den Durchlaßabschnitt 105d gehende Licht ist oder falls das durch den Durchlaßabschnitt 105e gehende Licht um eine optische Wegdifferenz von 3/4λ, 7/4λ hinter dem durch den Durchlaßabschnitt 105d gehenden Licht läuft. Folglich besitzt das durch die Phasenverschiebungsmaske 105 gehende Licht eine in bezug auf die z-Achse (optische Achse) asymmetrische Intensitätsverteilung. Das durch die Phasenverschiebungsmaske 105 gehende Licht wird durch die Projektionslinsen 119a und 119b gesammelt und damit auf einem Photoresist 121b auf einem Halbleitersubstrat 121a ein Bild erzeugt.

Durch den Phasenverschiebungs-Brennweitenüberwacher wird ein Bild auf dem Photoresist 121b in einem Zustand erzeugt, in dem die Intensitätsverteilung des gebeugten Lichts asymmetrisch in bezug auf die z-Achse ist. Bei einer Bewegung eines Wafers 121 in z-Richtung bewegt sich somit ein Bild eines Musters auf dem Wafer 121 in der zur z-Achse (der vertikalen Richtung in der Zeichnung) senkrechten Richtung (der x-y- Richtung, d. h. in Querrichtung der Zeichnung. Durch Messen des Verschiebungsbetrags des Bildes des Musters in x-y-Richtung kann die Stelle in z-Richtung, d. h. die Brennweite, gemessen werden.

Um eine hohe Erfassungsempfindlichkeit in z-Richtung (das Verhältnis des Verschiebungsbetrags in x-y-Richtung zum Verschiebungsbetrag in z-Richtung) zu erhalten, muß in dem herkömmlichen Phasenverschiebungs-Brennweiten-Überwachungssystem eine isotrope Beleuchtung unter einem kleinen Winkel (kreisförmig in einer Pupillenebene), d. h. eine Beleuchtung mit einem kleinen σ-Wert, verwendet werden. Dies ist beschrieben in T. A. Brunner u. a., "Simulations and experiments with the phase shift focus monitor", SPIE, Bd. 2726, S. 236-243.

Fig. 4 dieser Literatur lehrt, daß der Verschiebungsbetrag (δer Brennweitenüberwachungs-Überlagerungsfehler) in x-y- Richtung eines Musters für den σ-Wert 0,3 am größten ist, wobei die Erfassungsempfindlichkeit in z-Richtung steigt.

Um die obenbeschriebene Beleuchtung mit einem kleinen σ-Wert zu erhalten, muß beispielsweise, wie in Fig. 18 gezeigt ist, der Durchmesser des offenen Abschnitts 14d einer Beleuchtungsblende 14 verringert werden.

Wenn aber das Vorrichtungsmuster mit einer Beleuchtung erzeugt wird, die einen so kleinen σ-Wert wie etwa 0,3 besitzt, ist die Kohärenz des Lichts zu stark, so daß die Verformung eines auf den Photoresist übertragenen zweidimensionalen Musters beachtlich ist. Zur Unterdrückung dieser Verformung eines zweidimensionalen Musters wird der Durchmesser der zum Zeitpunkt der Erzeugung eines Vorrichtungsmusters verwendeten Beleuchtungsblende 14 größer als der Durchmesser der zum Zeitpunkt der Überwachung einer Brennweite verwendeten Beleuchtungsblende 14 eingestellt, wobei der σ-Wert beispielsweise auf 0,6 oder mehr eingestellt werden muß. Folglich müssen zur Überwachung einer Brennweite und zum Erzeugen eines Vorrichtungsmusters verschiedene Beleuchtungsblenden 14 verwendet werden. Somit besteht ein Problem, daß ein Aufwand und ein Management zum Ändern der Beleuchtungsblende 14 erforderlich sind.

Wenn der zum Zeitpunkt der Änderung in das Beleuchtungsoptiksystem eingetretene Sauerstoff verbleibt, trübt sich die Linse. Folglich muß der Sauerstoff durch Einführen von Stickstoff über eine lange Zeit nach der Änderung abgeführt werden, wobei ein Problem entsteht, daß sich die Arbeit verkompliziert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennweiten-Überwachungsverfahren, ein Brennweiten-Überwachungssystem und ein Vorrichtungsherstellungsverfahren mit hoher Erfassungsempfindlichkeit in z-Richtung zu schaffen, wobei eine Beleuchtungsblende nicht geändert zu werden braucht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Brennweiten-Überwachungsverfahren nach Anspruch 1 bzw. durch ein Brennweiten-Überwachungssystem nach Anspruch 7. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung wird ein Brennweiten-Überwachungsverfahren zur Verwendung beim Erzeugen eines Musters einer Vorrichtung geschaffen, bei dem ein Muster einer Photomaske für einen Phasenverschiebungs-Brennweitenüberwacher unter Verwendung einer abgeänderten Beleuchtung auf ein lichtempfindliches Element auf einem Substrat übertragen wird, wobei die Photomaske einen ersten und einen zweiten Lichtdurchlaßbereich besitzt, die benachbart zueinander sind, und zwischen denen ein Abdeckfilm liegt, wobei das Muster so konstruiert ist, daß zwischen dem Belichtungslicht, das durch den ersten Lichtdurchlaßbereich geht, und dem Belichtungslicht, das durch den zweiten Lichtdurchlaßbereich geht, eine von 180 Grad verschiedene Phasendifferenz auftritt.

Gemäß dem Brennweiten-Überwachungsverfahren der Erfindung kann unter Verwendung der abgeänderten Beleuchtung ohne Einstellung eines niedrigen σ-Wertes eine so hohe Erfassungsempfindlichkeit in z-Richtung wie im Fall der Verwendung der Standardbeleuchtung und eines eingestellten niedrigen σ-Wertes erhalten werden. Da kein niedriger σ-Wert eingestellt zu werden braucht, braucht die Beleuchtungsblende zwischen der Zeit der Brennweitenüberwachung und der Zeit der Erzeugung eines Vorrichtungsmusters nicht geändert zu werden.

Vorzugsweise ist in dem Brennweiten-Überwachungsverfahren die abgeänderte Beleuchtung eine Quadrupolbeleuchtung, durch die eine Form eines Lichtabschnitts in einer Pupillenebene, die durch Weglassen eines kreuzförmigen Abschnitts aus einer Kreisform erhalten wird, erzeugt wird.

Unter Verwendung der Quadrupolbeleuchtung als abgeänderte Beleuchtung kann eine so hohe Erfassungsempfindlichkeit in z- Richtung wie im Fall der Verwendung der Standardbeleuchtung und eines eingestellten niedrigen σ-Wertes erhalten werden.

Vorzugsweise ist in dem Brennweiten-Überwachungsverfahren die abgeänderte Beleuchtung eine Zonenbeleuchtung, durch die eine Form eines Lichtabschnitts in einer Pupillenebene, d. h. eine Zonenform, die zwischen zwei konzentrischen Kreisen liegt, erhalten wird.

Wie oben beschrieben wurde, kann auch unter Verwendung der von der Quadrupolbeleuchtung verschiedenen Zonenbeleuchtung als abgeänderte Beleuchtung die Erfassungsempfindlichkeit in z-Richtung so hoch wie im Fall der Verwendung der Standardbeleuchtung und eines eingestellten niedrigen σ-Wertes erhalten werden.

Vorzugsweise ist in dem Brennweiten-Überwachungsverfahren, wenn ein Verkleinerungsverhältnis r ist, ein Verhältnis (a/R) zwischen einem Sinus (a) eines maximalen Einfallswinkels des durch ein Beleuchtungsoptiksystem erzeugten Beleuchtungslichts auf die Photomaske und einem Sinus (R) eines maximalen Einfallswinkels in einem durch ein Projektionsoptiksystem auf dem Substrat erzeugten Bild 0,9/r oder mehr.

Mit dieser Konfiguration kann eine bevorzugte Erfassungscharakteristik in z-Richtung erreicht werden.

Vorzugsweise ist in dem Brennweiten-Überwachungsverfahren ein Verhältnis (b/R) zwischen einer Breite (2b) des kreuzförmigen Abschnitts und einem Durchmesser (2R) einer Pupille 0,30 oder mehr.

Mit dieser Konfiguration kann zum Zeitpunkt der Erzeugung eines Vorrichtungsmusters mit der Standardbeleuchtung ein ausgezeichnetes Muster erzeugt werden.

Vorzugsweise ist in dem Brennweiten-Überwachungsverfahren ein Verhältnis (b/R) zwischen einem Durchmesser (2b) eines Innenkreises in einer Pupillenebene in den zwei konzentrischen Kreisen und einem Durchmesser (2R) einer Pupille 0,50 oder mehr.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Brennweiten-Überwachersystem zur Verwendung zur Erzeugung eines Musters einer Vorrichtung geschaffen, mit: einem Beleuchtungsoptiksystem zum Beleuchten eines Musters einer Photomaske zur Phasenverschiebungs-Brennweitenüberwachung mit einer abgeänderten Beleuchtung, wobei die Photomaske einen ersten und einen zweiten Lichtdurchlaßbereich besitzt, die benachbart zueinander sind, während ein Abdeckfilm dazwischenliegt, und das so konstruiert ist, daß zwischen dem durch den ersten Lichtdurchlaßbereich gehenden Belichtungslicht und dem durch den zweiten Lichtdurchlaßbereich gehenden Belichtungslicht eine von 180 Grad verschiedene Phasendifferenz auftritt; und einem Projektionsoptiksystem zum Projizieren eines Bildes des Musters der Photomaske auf ein lichtempfindliches Element. Gemäß dem Brennweiten-Überwachersystem der Erfindung kann unter Verwendung der abgeänderten Beleuchtung ohne Einstellung eines niedrigen σ-Wertes eine so hohe Erfassungsempfindlichkeit in z-Richtung wie im Fall der Verwendung der Standardbeleuchtung und eines eingestellten niedrigen σ-Wertes erhalten werden. Da kein niedriger σ-Wert eingestellt zu werden braucht, braucht die Beleuchtungsblende zwischen der Zeit der Brennweitenüberwachung und der Zeit des Erzeugens eines Vorrichtungsmusters nicht geändert zu werden.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung ist durch die Verwendung eines der Brennweiten-Überwachungsverfahren gekennzeichnet.

Folglich wird die hohe Erfassungsempfindlichkeit in z-Richtung erreicht, während die Änderung der Beleuchtungsblende überflüssig wird, so daß ein sehr genaues Muster erzeugt werden kann, ohne daß das Management und der Aufwand einer Änderungsarbeit erforderlich sind.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines Brennweiten-Überwachungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm einer Lichtintensitätsverteilung eines mit einem rechten Beleuchtungsstrahl erzeugten Bildes, eines mit einem linken Beleuchtungsstrahl erzeugten Bildes und eines Gesamtbildes zum Zeitpunkt der besten Brennweite;
Fig. 3 ein Diagramm einer Lichtintensitätsverteilung eines mit einem rechten Beleuchtungsstrahl erzeugten Bildes, eines mit einem linken Beleuchtungsstrahl beleuchteten Bildes und eines Gesamtbildes in einem Zustand, in dem die Brennweite nicht erreicht wird;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm der Konfiguration eines Brennweiten-Überwachersystems zur Ausführung des Brennweiten-Überwachungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 ein Diagramm der Konfiguration einer Quadrupolbeleuchtungsblende für das Brennweiten-Überwachersystem aus Fig. 4;
Fig. 6 eine schematische Draufsicht der Konfiguration einer Photomaske für das Brennweiten-Überwachersystem aus Fig. 4;
Fig. 7 einen schematischen Querschnitt längs der Linie VII- VII in Fig. 6;
Fig. 8 eine erste Prozeßzeichnung zur Erläuterung eines konkreten Brennweiten-Überwachungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, die die Schnittkonfiguration einer Photomaske und eines Wafers zeigt;
Fig. 9 eine zweite Prozeßzeichnung zur Erläuterung eines konkreten Brennweiten-Überwachungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, die die Schnittkonfiguration des Wafers zeigt;
Fig. 10 eine dritte Prozeßzeichnung zur Erläuterung eines konkreten Brennweiten-Überwachungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, die die Struktur des Wafers in der Draufsicht zeigt;
Fig. 11 ein Diagramm einer Änderung des Verschiebungsbetrags in Querrichtung in bezug auf die Brennweite unter Verwendung der Quadrupolbeleuchtung und einer NA von 0,73 in dem Brennweiten-Überwachungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 12 ein Diagramm einer Änderung des Verschiebungsbetrags in Querrichtung in bezug auf die Brennweite bei Verwendung der Quadrupolbeleuchtung und einer NA von 0,68 in dem Brennweiten-Überwachungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 13 ein Diagramm einer Änderung des Verschiebungsbetrags in Querrichtung in bezug auf die Brennweite für NA gleich 0,68 und eine Einstellung von σ auf 0,3 in einem herkömmlichen Brennweiten-Überwachungsverfahren;
Fig. 14 ein Diagramm der Konfiguration einer Zonenbeleuchtungsblende für das Brennweiten-Überwachersystem aus Fig. 4;
Fig. 15 ein Diagramm zur Erläuterung der Definition von Teilen in einer abgeänderten Beleuchtung;
Fig. 16 das bereits erwähnte Diagramm zur Erläuterung eines herkömmlichen Phasenverschiebungs-Brennweiten-Überwachungsverfahrens;
Fig. 17 das bereits erwähnte Diagramm der Konfiguration einer Photomaske für das herkömmliche Phasenverschiebungs- Brennweiten-Überwachungsverfahren; und
Fig. 18 das bereits erwähnte Diagramm der Konfiguration einer Beleuchtungsblende für das herkömmliche Phasenverschiebungs-Brennweiten-Überwachungsverfahren.

Erste Ausführungsform

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, besitzt eine Photomaske 5 in einem Brennweiten-Überwachungsverfahren einer Ausführungsform die Form einer Photomaske für einen Phasenverschiebungs-Brennweitenüberwacher. Die Photomaske 5 für den Phasenverschiebungs- Brennweitenüberwacher besitzt wenigstens zwei Lichtdurchlaßabschnitte 5c und 5d, zwischen denen, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, ein Abdeckmuster 5b liegt. Die beiden Lichtdurchlaßabschnitte 5c und 5d sind so angeordnet, daß zwischen dem durch den Lichtdurchlaßabschnitt 5c gehenden Belichtungslicht und dem durch den Lichtdurchlaßabschnitt 5d gehenden Belichtungslicht eine von 180 Grad verschiedene Phasendifferenz auftritt.
In dem Brennweiten-Überwachungsverfahren der Erfindung wird das Abdeckmuster 5b der Photomaske 5 für den Phasenverschiebungs-Brennweitenüberwacher durch eine abgeänderte Beleuchtung auf ein lichtempfindliches Element (wie etwa auf einen Photoresist) 21b auf einem Halbleitersubstrat 21a übertragen. Das durch das Abdeckmuster 5b gebeugte Licht erzeugt über die Projektionslinsen 19a und 19b und über eine Pupillenebenenblende 25 auf dem lichtempfindlichen Element 21b ein Bild.
Um eine Querverschiebung eines Musters bei Änderung der Brennweite zu vermeiden, wird die zur Zeit der Erzeugung eines Vorrichtungsmusters verwendete abgeänderte Beleuchtung in der Weise eingestellt, daß stets in bezug auf die optische Achse symmetrische Strahlen existieren. In Fig. 1 sind ein mit einem schwarzen Pfeil bezeichneter Strahl und ein mit einem weißen Pfeil bezeichneter Strahl, die in die Photomaske 5eintreten, in der Weise eingestellt, daß sie symmetrisch in bezug auf die optische Achse eintreten.
In der Ausführungsform wird die Photomaske 5 für den Phasenverschiebungs-Brennweitenüberwacher verwendet. Wie in der herkömmlichen Technik beschrieben wurde, wird folglich der durch das Abdeckmuster 5b gebeugte Strahl 0-ter Ordnung in einer durch die Phasenverschiebung um einen vorgegebenen Winkel gegenüber dem einfallenden Strahl abgelenkten Richtung erzeugt, während um den Strahl 0-ter Ordnung gebeugtes Licht hoher Ordnung erzeugt wird. Das gebeugte Licht um das einfallende Licht des schwarzen Pfeils und um das einfallende Licht des weißen Pfeils in der Zeichnung wird ähnlich erzeugt.
Durch Beugung der Photomaske 5 für den Phasenverschiebungs- Brennweitenüberwacher wird eine Gruppe der Strahlen (der weißen Pfeile) in Richtung außerhalb der Pupillenebenenblende 25 gebeugt, während die andere Gruppe der Strahlen (der schwarzen Pfeile) ins Innere der Pupillenebenenblende 25 gebeugt wird. In einem durch die Gruppe der außerhalb der Pupillenebenenblende 25 gebeugten Strahlen erzeugten Bild nimmt die Amplitude des Bildes (die Energiedichte) wegen der Abnahme des Betrages des gebeugten Lichts, das zur Erzeugung eines Bildes beiträgt, ab. Andererseits besitzt ein durch die Gruppe der ins Innere der Pupillenebenenblende 25 gebeugten Strahlengruppe erzeugtes Bild wegen der Zunahme der Menge des zur Erzeugung eines Bildes beitragenden gebeugten Lichts eine große Amplitude.
Bei der Erzeugung eines Bildes stören sich die elektrischen Felder verschiedener Bilder nicht. Folglich wird als Summe der Intensitätsverteilungen des elektrischen Feldes der durch die Strahlengruppe der schwarzen Pfeile und der durch die Strahlengruppe der weißen Pfeile erzeugten Bilder ein Gesamtbild erzeugt. Genauer wird, wenn sich der Wafer 21 in z-Richtung nach oben bewegt, ein Bild als Summe eines nach links verschobenen Bildes (des durch die gebeugten Strahlen der weißen Pfeile erzeugten Bildes) und eines nach rechts verschobenen Bildes (des durch die gebeugten Strahlen der schwarzen Pfeile erzeugten Bildes) erzeugt. Wenn die Amplituden (Intensitäten) der beiden Bilder gleich sind, wird das Bild wegen der Verschiebungen der Bilder unscharf, während sich die Stelle des Bildes aber nicht ändert. Dagegen verschiebt sich das Bild aber in ein Bild mit höherer Intensität, wenn sich die Intensitäten der mit der rechten und linken Beleuchtung erzeugten Bilder voneinander unterscheiden. Dies wird unter Verwendung der Intensitätsverteilungen der Bilder aus den Fig. 2 und 3 beschrieben.
In einem Zustand, in dem die Brennweite erreicht ist, gibt es in Fig. 1 keine Lageabweichung zwischen dem mit den gebeugten Strahlen der weißen Pfeile erzeugten Bild und dem mit den gebeugten Strahlen der schwarzen Pfeile erzeugten Bild. Folglich liegen die Spitzen der Intensitätsverteilungen 51 und 52 der beiden mit den rechten und linken gebeugten Strahlen erzeugten Bilder wie in Fig. 2 gezeigt an der gleichen Stelle. Auch die Spitzen einer Intensitätsverteilung 53 des Gesamtbildes befinden sich an der gleichen Stelle.
Wenn sich der Wafer 21 dagegen an einer Stelle oberhalb der Stelle der Brennweite in z-Richtung in Fig. 1 befindet, befindet sich ein mit den gebeugten Strahlen der weißen Pfeile erzeugtes Bild dagegen auf der linken Seite, während sich ein mit den gebeugten Strahlen der schwarzen Pfeile erzeugtes Bild auf der rechten Seite befindet. Somit liegt die Spitze der Intensitätsverteilung 51 des linken Bildes wie in Fig. 3 gezeigt auf der linken Seite, während die Spitze der Intensitätsverteilung 52 des rechten Bildes auf der rechten Seite liegt. Im Ergebnis ist die Spitze der Intensitätsverteilung 53 des Gesamtbildes zu der Seite eines Bildes mit der höheren Intensität (in der Zeichnung zur rechten Seite) verschoben.
Wenn der Wafer 21 in z-Richtung (in Richtung der optischen Achse) bewegt wird, um den Brennpunkt des Bildes des Musters zu verschieben, bewegt sich das Gesamtbild, wie oben beschrieben wurde, ebenfalls in Querrichtung (in x-y-Richtung) in der Ebene des Wafers 21. Durch Messung der Verschiebung in x-y-Richtung kann ein Abweichungsbetrag in z-Richtung gegenüber der Stelle der Brennebene des Wafers 21 berechnet werden. Durch Bewegen des Wafers 21 in z-Richtung lediglich um den Abweichungsbetrag kann der Wafer 21 auf die Stelle der Brennebene eingestellt werden.
Die Phasendifferenz zwischen dem durch den Lichtdurchlaßabschnitt 5c gehenden Belichtungslicht und dem durch den Lichtdurchlaßabschnitt 5d gehenden Belichtungslicht kann irgendein Winkel mit Ausnahme von 180 Grad sein, wobei er vorzugsweise etwa 90 Grad beträgt.
Das Brennweiten-Überwachungsverfahren gemäß der Ausführungsform kann beispielsweise durch ein in den Fig. 4 bis 7 gezeigtes System realisiert werden.
Mit Bezug auf Fig. 4 besitzt dieses Brennweiten-Überwachersystem eine ähnliche Konfiguration wie einen Stepper, wobei es ein Muster auf der Photomaske 5 verkleinert und das verkleinerte Muster auf den Photoresist 21b auf der Oberfläche des Wafers 21 projiziert. Das Brennweiten-Überwachersystem enthält ein Beleuchtungsoptiksystem, das sich von einer Lichtquelle 11 bis zum Muster der Photomaske 5 erstreckt, sowie ein Projektionsoptiksystem, das sich vom Muster der Photomaske 5 bis zum Wafer 21 erstreckt.
Das Beleuchtungsoptiksystem enthält eine Quecksilberlampe 11 als Lichtquelle, einen Reflektor 12, eine Kondensorlinse 18, eine Fliegenaugenlinse 13, eine Blende 14, die Kondensorlinsen 16a, 16b und 16c, eine Blendenöffnung 15 und einen Reflektor 17. Das Projektionsoptiksystem enthält die Projektionslinsen 19a und 19b und die Pupillenebenenblende 25.
In der Belichtungsoperation wird zunächst das Licht 11a von der Quecksilberlampe 11 ausgesendet. Beispielsweise wird im Licht 11a lediglich ein g-Strahl (mit einer Wellenlänge von 436 µm) durch den Reflektor 12 reflektiert, wobei das resultierende Licht eine einzige Wellenlänge besitzt. Anschließend geht das Licht 11a durch die Kondensorlinse 18, tritt es in die Linsen 13a ein, die die Fliegenaugenlinse 13 bilden, und geht es durch die Blende 14.
Das Licht 11b gibt einen durch eine der Linsen 13a, die das Fliegenauge bilden, gebildeten optischen Weg an. Das Licht 11c gibt einen durch die Fliegenaugenlinse 13 gebildeten optischen Weg an.
Das Licht 11a geht durch die Blende 14, durch die Kondensorlinse 16a, durch die Blendenöffnung 15 und durch die Kondensorlinse 16b und wird durch den Reflektor 17 um einen vorgegebenen Winkel abgelenkt.
Das durch den Reflektor 17 abgelenkte Licht 11a geht durch die Kondensorlinse 16c und fällt gleichförmig auf die gesamte Oberfläche der Photomaske 5, auf der ein vorgegebenes Muster erzeugt ist, auf. Anschließend wird das Licht 11a durch die Projektionslinsen 19a und 19b auf einen vorgegebenen Maßstab gesammelt. Der Photoresist 21b auf dem Halbleitersubstrat 21a wird mit dem resultierenden Licht belichtet.
Da das Brennweiten-Überwachersystem eine abgeänderte Beleuchtung verwendet, wird als Blende 14 in einer Sekundärlichtquellenebene des Steppers mit Bezug auf Fig. 5 eine Quadrupolbeleuchtungsblende verwendet. Die Quadrupolbeleuchtungsblende 14 besitzt eine Blendenform 14a, die dadurch erhalten wird, daß von der Kreisblende ein kreuzförmiger Abschnitt 14b weggelassen ist. Somit besitzt die abgeänderte Beleuchtung unter Verwendung der Quadrupolbeleuchtungsblende 14 eine Form eines durch Weglassen des kreuzförmigen Abschnitts von der Kreisblende erzeugten Lichtabschnitts in der Pupillenebene. Mit Bezug auf die Fig. 6 und 7 wird in dem Brennweiten-Überwachersystem eine Photomaske 5 mit einer ähnlichen Konfiguration wie bei der Photomaske für den Phasenverschiebungs- Brennweitenüberwacher verwendet. Die Photomaske 5 enthält ein durchsichtiges Substrat 5a und ein Abdeckmuster 5b. Längs der quadratischen Außenmarkierungsränder und der Innenmarkierungsränder liegen mehrere Linien des Abdeckmusters 5b. Auf einer Seite jeder Linie des Abdeckmusters 5b liegt ein Lichtdurchlaßabschnitt 5c. Auf der anderen Seite liegt ein Lichtdurchlaßabschnitt 5d. Die Photomaske 5 ist so konstruiert, daß die Phase des durch den Lichtdurchlaßabschnitt 5c gehenden Lichts gegenüber der Phase des durch den Lichtdurchlaßabschnitt 5d gehenden Lichts beispielsweise um 90 Grad verschoben ist.
Es wird nun ein konkretes Brennweiten-Überwachungsverfahren gemäß der Ausführungsform beschrieben.
In dem Brennweiten-Überwachungsverfahren der Ausführungsform wird der Photoresist 21b in dem Brennweiten-Überwachersystem aus Fig. 4 einmal unter Verwendung der in Fig. 5 gezeigten Quadrupolbeleuchtungsblende 14 und der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Photomaske 5 belichtet. Da die abgeänderte Beleuchtung und die Photomaske für den Phasenverschiebungs-Brennweitenüberwacher für die Belichtung verwendet werden, wird die Belichtung gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Prinzip ausgeführt. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, wird die Fläche in dem Photoresist 21b mit Ausnahme der dem Abdeckmuster 5b der Photomaske 5 entsprechenden Fläche belichtet. Anschließend wird der Photoresist 21b entwickelt.
Mit Bezug auf Fig. 9 werden, falls der Photoresist 21b ein positiver Photoresist ist, zum Zeitpunkt der Entwicklung lediglich die belichteten Abschnitte entfernt, so daß der Photoresist 21b in der dem Abdeckmuster 5b entsprechenden Fläche verbleibt.
Wenn der Wafer 21 zum Zeitpunkt der Belichtung mit Bezug auf Fig. 10 in z-Richtung gegenüber der Stelle der Brennebene abweicht, wird das Resistmuster 21b an einer Stelle erzeugt, die gegenüber der (mit Strichlinien gezeigten) inhärenten Stelle in x-y-Richtung abweicht. Es werden die Zwischenräume x1 und x2 jeweils zwischen zwei Linien in dem Resistmuster 21b gemessen. Aus den Zwischenräumen x1 und x2 kann ein Zwischenraum x3 (= (x1 + x2)/2) in der besten Brennebene der zwei Linien im Resistmuster 21b berechnet werden. Durch Erhalten der Differenz zwischen den Zwischenräumen x3 und x1 oder x2 kann der Querverschiebungsbetrag (der Betrag der Lageabweichung) in x-y-Richtung der Formationsstelle des tatsächlichen Musters gegenüber der Formationsstelle des Musters mit der besten Brennweite gewonnen werden. Durch Überprüfen des Querverschiebungsbetrags mit der Beziehung zwischen dem vorläufig gemessenen Querverschiebungsbetrag und der Brennweite kann ein Brennweitenfehler erfaßt werden. Durch Anpassen der Stelle des Wafers 21 anhand des Brennweitenfehlers kann die beste Brennweite erreicht werden.
Der Photoresist auf der Oberfläche des Wafers wird mit der durch das Brennweiten-Überwachungsverfahren erhaltenen besten Brennweite belichtet und entwickelt und dadurch ein Resistmuster erzeugt. Unter Verwendung des Resistmusters werden Prozesse wie etwa das Ätzen und die Ionenimplantation an einer Unterschicht ausgeführt, wodurch die Herstellung einer gewünschten Halbleitervorrichtung mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird.
Es werden die Erfassungsempfindlichkeit des Brennweiten-Überwachungsverfahrens der Ausführungsform und die Erfassungsempfindlichkeit des herkömmlichen Brennweiten-Überwachungsverfahrens untersucht. Das Ergebnis ist wie folgt.
Fig. 11 zeigt eine Änderung des Querverschiebungsbetrags in bezug auf die Brennweite, wenn die in Fig. 5 gezeigte Quadrupolbeleuchtungsblende 14 verwendet wird und NA auf 0,73 eingestellt ist. Fig. 12 zeigt eine Änderung des Querverschiebungsbetrags in bezug auf die Brennweite, wenn die in Fig. 5 gezeigte Quadrupolbeleuchtungsblende 14 verwendet wird und NA auf 0,68 eingestellt ist. Fig. 13 zeigt eine Änderung des Querverschiebungsbetrags in bezug auf die Brennweite, wenn in der herkömmlichen Technik unter Verwendung der in Fig. 19 gezeigten Standardbeleuchtung NA auf 0,68 und σ (die Kohärenz) auf 0,3 eingestellt ist.
Selbstverständlich kann mit dem Brennweiten-Überwachungsverfahren der in den Fig. 11 und 12 gezeigten Ausführungsform eine so hohe Überwachungsempfindlichkeit in z-Richtung wie in der in Fig. 13 gezeigten herkömmlichen Technik erhalten werden.
Durch Einstellen eines kleinen NA und dadurch, daß die Stelle der Beleuchtung in der Pupille relativ enger zum Umfang der Pupille gemacht wird, kann die Differenz zwischen der Bildintensität der rechten Beleuchtung und der linken Beleuchtung in der Ausführungsform verbreitert werden. Wie in Fig. 12 gezeigt ist, wird selbstverständlich eine hohe Erfassungsempfindlichkeit in z-Richtung erreicht.
Gemäß der wie obenbeschriebenen Ausführungsform kann unter Verwendung der abgeänderten Beleuchtung ohne Einstellung des σ-Wertes auf einen niedrigen Wert eine Erfassungsempfindlichkeit in z-Richtung erhalten werden, die so hoch ist wie in dem Fall, daß ein niedriger σ-Wert eingestellt und die Standardbeleuchtung verwendet wird. Da σ keinen kleinen Wert zu haben braucht, brauchen für die Brennweitenüberwachung und für die Erzeugung eines Vorrichtungsmusters keine verschiedenen Beleuchtungsblenden 14 verwendet zu werden.

Zweite Ausführungsform

In der vorstehenden ersten Ausführungsform wurde der Fall der Verwendung der in Fig. 5 gezeigten Quadrupolbeleuchtung als abgeänderte Beleuchtung beschrieben. Anstelle der Quadrupolbeleuchtung kann eine Zonenbeleuchtung verwendet werden. Die Zonenbeleuchtung kann unter Verwendung einer wie in Fig. 14 gezeigten Zonenbeleuchtungsblende 14 als Beleuchtungsblende 14 des Brennweiten-Überwachersystems aus Fig. 4 realisiert werden. Die Zonenbeleuchtungsblende 14 besitzt eine zonenförmige Öffnung 14c, die zwischen zwei konzentrischen Kreisen liegt. Mit der Zonenbeleuchtung wird die Form eines Lichtabschnitts in der Pupillenebene zu einer Zonenform, die zwischen zwei konzentrischen Kreisen liegt.
Da das Brennweiten-Überwachersystem, das Brehnweiten-Überwachungsverfahren und das Halbleitervorrichtungs-Herstellungsverfahren ähnlich jenen der ersten Ausführungsform sind, wird die Beschreibung nicht wiederholt.
Wie in Fig. 15 gezeigt ist, ist der Radius R der Pupillenebenenblende 25 in der vorstehenden ersten und zweiten Ausführungsform proportional zum Sinus (= NA) des maximalen Einfallswinkels eines Strahls in einem erzeugten Bild. Eine Stelle (a) in der Pupille des Beleuchtungslichts bei dem maximalen Einfallswinkel auf die Photomaske 5 ist proportional zum Sinus des maximalen Einfallswinkels der Beleuchtung. Eine Stelle (b) in der Pupille des Beleuchtungslichts bei dem minimalen Einfallswinkel auf die Photomaske 5 ist proportional zum Sinus des minimalen Einfallswinkels der Beleuchtung. Die Kohärenz a eines Kohärenzindex der Beleuchtung ist im Fall der Standardbeleuchtung gleich a/R. Die Form der abgeänderten Beleuchtung wird ebenfalls durch ein Verhältnis zwischen dem Sinus des maximalen/minimalen Einfallswinkels und NA und somit als σ_out = a/R und σ_in = b/R ausgedrückt. In der Beschreibung wird eine gleichvielfache Projektion ausgeführt, wobei ein Verkleinerungsverhältnis (r) des Projektionsoptiksystems 1 ist.
Wenn das Verkleinerungsverhältnis in der abgeänderten Beleuchtung r ist, ist das Verhältnis (a/R) zwischen dem Sinus (a) des maximalen Einfallswinkels und dem Sinus (R) des maximalen Einfallswinkels des Projektionsoptiksystems vorzugsweise 0,9/r oder mehr. Bei Belichtung unter Verwendung der Quadrupolbeleuchtungsblende aus Fig. 5 ist das Verhältnis (b/R) der Breite 2b des Querschnittsabschnitts in der Pupillenebene und des Durchmessers 2R der Pupille vorzugsweise 0,30 oder mehr. Bei Belichtung unter Verwendung der Zonenbeleuchtungsblende aus Fig. 14 beträgt das Verhältnis (b/R) zwischen dem Radius 2b der Pupillenebene des Innenkreises in den zwei konzentrischen Kreisen und dem Durchmesser 2R der Pupille vorzugsweise 0,50 oder mehr.
In der vorstehenden ersten und zweiten Ausführungsform wurden die Fälle der Verwendung der Beleuchtungsblenden 14 wie etwa der wie in den Fig. 5 und 14 gezeigten Quadrupolbeleuchtungsblende und Zonenbeleuchtungsblende zum Erhalten der Quadrupolbeleuchtung und der Zonenbeleuchtung beschrieben. Die Quadrupolbeleuchtung oder die Zonenbeleuchtung können anstatt durch die Beleuchtungsblende durch eine Linse oder mit einem anderen optischen Verfahren realisiert werden.
In der obenbeschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform sind ein Verfahren zur Erzeugung eines Musters auf einem Halbleitersubstrat durch ein Brennweiten-Überwachungsverfahren und durch ein Brennweiten-Überwachungssystem beschrieben worden. Die Anwendung ist aber nicht auf das obige beschränkt, wobei Muster von Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen, eines Dünnfilm-Magnetkopfs und anderer elektronischer Vorrichtungen erzeugt werden kann.
Die hier offenbarten Ausführungsformen sollen in sämtlichen Aspekten als Erläuterung und nicht als Beschränkung betrachtet werden. Der Umfang der Erfindung ist nicht durch die vorstehende Beschreibung, sondern durch die beigefügten Ansprüche angegeben, wobei sämtliche Änderungen, die in die Bedeutung und in den Bereich der Entsprechung der Ansprüche fallen, somit in ihr enthalten sein sollen.
Obgleich die vorstehende Erfindung ausführlich beschrieben und gezeigt wurde, dient dies selbstverständlich lediglich der Erläuterung und als Beispiel und soll nicht als Beschränkung verstanden werden, wobei der Erfindungsgedanke und der Umfang der Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sind.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung der Brennweite, das bei der Erzeugung eines Musters einer Vorrichtung verwendet wird und bei dem
ein Muster einer Photomaske (5) für einen Phasenverschiebungs-Brennweitenüberwacher unter Verwendung einer abgeänderten Beleuchtung auf ein lichtempfindliches Element (21b) auf einem Substrat (21) übertragen wird,
wobei die Photomaske (5) einen ersten und einen zweiten Lichtdurchlaßbereich (5c und 5d) besitzt, die zueinander benachbart sind und zwischen denen ein Abdeckfilm (5b) liegt, und das Muster so konstruiert ist, daß zwischen dem Belichtungslicht, das durch den ersten Lichtdurchlaßbereich (5c) geht, und dem Belichtungslicht, das durch den zweiten Lichtdurchlaßbereich (5d) geht, eine von 180 Grad verschiedene Phasendifferenz vorhanden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeänderte Beleuchtung eine Quadrupolbeleuchtung (14) ist, durch die eine Form eines Lichtabschnitts in einer Pupillenebene, die durch Weglassen eines kreuzförmigen Abschnitts aus einer Kreisform erhalten wird, erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeänderte Beleuchtung eine Zonenbeleuchtung (14) ist, durch die eine Form eines Lichtabschnitts in einer Pupillenebene, d. h. eine Zonenform, die zwischen zwei konzentrischen Kreisen liegt, erhalten wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn ein Verkleinerungsverhältnis r ist, ein Verhältnis (a/R) zwischen einem Sinus (a) eines maximalen Einfallswinkels des durch ein Beleuchtungsoptiksystem erzeugten Beleuchtungslichts auf die Photomaske (5) und einem Sinus (R) eines maximalen Einfallswinkels in einem durch ein Projektionsoptiksystem auf dem Substrat (21) erzeugten Bild 0,9/r oder mehr ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis (b/R) zwischen einer Breite (2b) des kreuzförmigen Abschnitts und einem Durchmesser (2R) einer Pupille 0,30 oder mehr ist.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis (b/R) zwischen einem Durchmesser (2b) eines Innenkreises in einer Pupillenebene in den zwei konzentrischen Kreisen und einem Durchmesser (2R) einer Pupille 0,50 oder mehr ist.

7. System zur Überwachung der Brennweite, das für die Erzeugung eines Musters einer Vorrichtung verwendet wird und das umfaßt:
ein Beleuchtungsoptiksystem zum Beleuchten eines Musters einer Photomaske (5) zur Phasenverschiebungs-Brennweitenüberwachung mit einer abgeänderten Beleuchtung, wobei die Photomaske (5) einen ersten und einen zweiten Lichtdurchlaßbereich (5c und 5d) besitzt, die zueinander benachbart sind, und dazwischen ein Abdeckfilm (5b) liegt, und wobei das Beleuchtungsoptiksystem so konstruiert ist, daß zwischen dem durch den ersten Lichtdurchlaßbereich (5c) gehenden Belichtungslicht und dem durch den zweiten Lichtdurchlaßbereich (5d) gehenden Belichtungslicht eine von 180 Grad verschiedene Phasendifferenz auftritt; und
ein Projektionsoptiksystem zum Projizieren eines Bildes des Musters der Photomaske (5) auf ein lichtempfindliches Element (21b).

8. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennweiten-Überwachungsverfahren nach Anspruch 1 verwendet wird.