JP2000021732A

JP2000021732A - 露光装置の検査方法

Info

Publication number: JP2000021732A
Application number: JP10187624A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Sato; 和也佐藤; Satoshi Tanaka; 聡田中; Tadahito Fujisawa; 忠仁藤澤; Soichi Inoue; 壮一井上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1998-07-02
Publication date: 2000-01-21
Anticipated expiration: 2018-07-02
Also published as: JP3302926B2; US6317198B1

Abstract

(57)【要約】【課題】露光装置を分解せずに簡便かつ迅速に検査す
る。【解決手段】光源と、該光源から射出される光をフォト
マスクに導く照明光学系１と、該フォトマスクの縮小投
影像をウェハ５上に転写する投影光学系３から構成され
る露光装置の光源形状と、投影光学系３の瞳４の形状
と、該光源形状と瞳４の形状との同心度を検査する露光
装置の検査方法において、光源から射出される光を、有
限の周期で透光部と遮光部が繰り返された格子パターン
を含むレチクル２に照射し、レチクル２を通過した１次
以上の回折光を投影光学系３の瞳４の外縁に照射させ、
かつデフォーカス状態でレチクル２のパターン像をウェ
ハ５上に露光する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、露光装置の検査方
法に関するもので、特に露光装置の光源形状と投影光学
系の瞳形状の測定、及び照明光学系と投影光学系の軸ず
れの測定に用いられるものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの回路パターンの製造に
は、一般にリソグラフィ技術と呼ばれる工程が必要であ
る。この工程に使用される投影露光装置では、光源から
射出した光は照明光学系に入射し、照明光学系はレチク
ルをほぼ均一な照度で照らす。レチクルを通過した光は
投影光学系を経て、感光基板上にレチクル上の回路パタ
ーンを結像投影する。

【０００３】露光装置の一括露光する面積の増大に伴っ
て、露光領域内の場所によってパターン形成に差が現れ
ること、すなわちショット内の寸法ばらつきの問題が生
じる。その要因の一つとして、照明光学系の有効な大き
さを表すコヒーレンスファクタ（σ）の、一括露光領域
内での形状・光強度の変動が挙げられる。この場合、レ
チクルを照らす光強度と向きが場所により変化する。σ
は像のコントラストを支配するパラメータであるので、
σの上記の変動はすなわち露光性能の一括露光領域内で
の変動を意味する。

【０００４】この本発明の対象とする露光装置の全体構
成を図１１に示す。図１１（ａ）に示すように一般的な
露光装置は、照明光学系１・レチクル２・投影光学系３
・ウェハ５が、光学的に一直線上に配置された共軸光学
系である。しかしながら、共軸光学系であるというの
は、あくまで設計上の話である。実際には、製作上の誤
差のために、個々のレンズが基準の軸からさまざまな方
向にずれている可能性がある。もし、照明光学系１’と
投影光学系３の軸が共通でない場合、レチクル２を通過
した回折光は、全体として斜めに投影光学系３に入射す
ることになる。この場合、本来図１１（ａ）に示すよう
にウェハ５の位置が５’の位置にデフォーカスしても変
わらないはずの像の位置が、図１１（ｂ）に示すよう
に、デフォーカスによってパターンの位置が移動すると
いう現象が起きる。

【０００５】以上のように、σと光強度の一括露光領域
内での変動、および照明光学系と投影光学系の軸の不一
致は、ともに正しいパターンの形成に必要な露光量の余
裕度、および焦点深度を狭める。その結果、リソグラフ
ィ技術による微細な回路パターンの形成を困難にし、半
導体デバイス製造の歩留まり低下につながる。これを避
けるために、露光装置のσの検査及び調整と、照明光学
系・投影光学系の光軸の相対位置ずれの検査および調整
が必要となる。

【０００６】露光装置を分解して、内部に干渉計や写真
機等の測定装置を据え付ける手法を用いれば、高精度の
測定をすることが可能である。しかし、装置を分解する
ことにより装置の状態が運転時とは変わってしまい、ま
た手間がかかるという問題がある。このような理由か
ら、装置を分解しないで実行できる簡便な検査方法が要
求される。

【０００７】次に、Texas Instruments Inc.のC.Progle
r らが行った露光装置を分解せずに露光装置を検査する
方法（SPIE Vol.3051,pp.660-671）を図１２を用いて以
下説明する。まず、レチクルの裏面に図１２（ａ）及び
（ｂ）に示す手法により２種のパターンを形成する。こ
れらのパターンは同じレチクル上に形成するか、あるい
は別々のレチクル上に形成する。図１２（ａ）に示すパ
ターンは、遮光領域の中に孤立した透光領域（透光孤立
ホール１２１）の配置されたパターンであり、図１２
（ｂ）に示すパターンは、透光領域の中に孤立した遮光
領域（遮光孤立ドット１２２）が配置されたパターンで
ある。

【０００８】透光孤立ホール１２１の大きさが小さいほ
ど、ホール１２１を通過する光１２３の回折角が大きく
なる。この現象を利用し、ホール１２１のサイズを調節
して回折光が投影光学系の瞳４の外縁を含む全面を照ら
すようにする。これに対して、遮光孤立ドット１２２の
サイズは回折現象が目立たない程度の大きめのサイズに
する。まず、透光孤立ホール１２１を露光する。孤立ホ
ール１２１で回折した光が投影系レンズの瞳４の全面を
照射する。瞳４を通過した光は露光領域１２５を形成す
る。次に、ウェハをそのまま動かさずにレチクル２を操
作し、直前に孤立ホール１２１があった場所に、遮光孤
立ドット１２２を置いて露光する。このパターンは、図
１２（ａ）の透光孤立ホール１２１の透過部と遮光部を
入れ替えたもので、ウェハ５に転写される像も明部と暗
部が反転する。遮光部が十分に大きく、回折の影響が少
ないので、ウェハ５上には光源の像１２８（光源の大き
さσを表す像）が浮き彫りになる。またこのときに、露
光量を微小量にして、レチクル２上にパターンがない部
位のフォトレジストの現像状態を、膜減りの状態で止ま
る程度にする。この二重露光の後に現像を行うと、図１
２（ｃ）に示す形状のフォトレジストパターンが得られ
る。これにより、光源の形状１２９と、投影光学系の瞳
の形状１３０、及び光源の形状１２９と瞳の形状１３０
との間の位置ずれ量が測定できる。

【０００９】しかしながら、彼らの方法によると以下の
問題点が生ずる。第一に、上記の二重露光のうちの一回
目で、単独のピンホールを用いて投影光学系の瞳全体を
照らす回折光を発生させている。このような現象を起こ
すためには、ピンホールサイズを極端に小さくする必要
がある。例えば、直径ｄの円形のピンホールの回折光
は、同心円状の光強度分布を持ち、中央の光強度が最も
大きい。点光源の場合、λを光の波長とし、投影光学系
の開口数をＮＡ、レチクルの倍率をＭとしたとき、投影
光学系の瞳における回折光のエネルギーは、Airy Disk
と呼ばれる、半径Ｒが（１）式で表される円盤状の領域
に集中する。

【００１０】Ｒ＝０．６１Ｍλ／（ＮＡ・ｄ）（１）（１）式で、座標系を、瞳の中心を原点とし、原点から
瞳の縁までの距離を１とした。光源が大きさσを持つ場
合は、この円盤領域の半径Ｒ’は、（２）式で表され
る。

【００１１】Ｒ’＝０．６１Ｍλ／（ＮＡ・ｄ）＋σ （２）回折光を利用して瞳の形状を観測するためには、投影光
学系の瞳の全域にわたって、フォトレジストが感光する
しきい値以上の光強度が保たれなければならない。そこ
で、瞳全体が、（２）式で表される領域に入っている場
合、すなわち、Ｒ’＞１の場合を考える。典型的な値と
してλ＝０．２４８μｍ、ＮＡ＝０．６、Ｍ＝０．４、
σ＝０．７５とすると、この条件を満たすピンホール直
径ｄは、４．０μｍ以下となる。

【００１２】レチクルの裏面に存在するこのサイズのピ
ンホールを、実際に露光しようとすると、ピンホールを
通過してウェハに到達する光は非常に弱く、所望のパタ
ーンを得るには非常に長い時間がかかる。ピンホールの
サイズをこれより大きくすると、ピンホールを通過する
光の全体量は増加するが、投影光学系の瞳の端での強度
はかえって低下し、目的は達成されない。

【００１３】第二に、膜減りの観測は、コントラストの
わずかな違いを見分ける必要がある。従って、瞳の大き
さを表す像の形状の判断にはコンピュータを用いた画像
処理が必要である。

【００１４】第三に、二重露光する際に合わせずれの誤
差が入ってしまう。位置ずれ量の測定値はこの誤差を含
んだものとなる。第四に、一回目、二回目の露光両方に
ついて、膜減り状態を作り出す必要があるため、露光量
の調節が極めて微妙なものになる。以上のように、従来
の検査方法では、露光装置を分解しないで測定するとい
う問題は解決しているが、簡便な方法とは言い難いもの
であった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
露光装置の検査方法では、露光装置を分解して、装置内
部に測定装置を据え付ければ高精度の測定が可能となる
が、手間がかかり、また装置を分解することにより装置
の状態が運転時とは変わってしまう。

【００１６】また、この問題点を解決すべく、２種のパ
ターンをレチクルの裏面に形成し、これら２種のパター
ンを露光して膜減りの状態でパターンを形成し、この２
重露光によりできあがったパターンから、光源を表す像
の形状と投影光学系の瞳を表す像の形状と、それぞれの
中心軸の相対位置を求める検査方法が考案されている。
しかしながら、この方法では、投影レンズ全体を照らす
回折光を発生させるべくピンホールサイズを極端に小さ
くしなければならず、またこのピンホールサイズを通過
した光は、強度が非常に弱くなる。また、膜減りの観測
は、コントラストのわずかな違いを見分ける必要があ
る。さらに、二重露光する際に合わせずれの誤差が入る
恐れがあり、また膜減り状態を作り出すためには露光量
の調節が極めて微妙となる。

【００１７】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的とするところは、露光装置を分解せ
ずに簡便かつ迅速に検査することができる露光装置の検
査方法を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る露光装置の
検査方法は、光源と、該光源から射出される光をフォト
マスクに導く照明光学系と、該フォトマスクの縮小投影
像をウェハ上に転写する投影光学系から構成される露光
装置の前記光源形状と、前記投影光学系の瞳形状と、該
光源形状と瞳形状との同心度を検査する露光装置の検査
方法において、有限の周期で透光部と遮光部が繰り返さ
れた周期パターンを含む光学部材を通過した１次以上の
回折光が前記投影光学系の瞳外縁に照射するように前記
格子パターンの周期を設定し、かつ前記ウェハ上に転写
されるパターン像をデフォーカスさせて露光することを
特徴とする。

【００１９】ここで、光学部材の周期パターンには、ラ
イン＆スペースパターン、遮光部に孤立した方形パター
ンをマトリクス状に配置した透光部を持つ格子パター
ン、遮光部に孤立した円形パターンをマトリクス状に配
置した透光部を持つホールパターン、市松格子状のパタ
ーン、これら種々のパターンの透光部と遮光部を反転さ
せたパターンを含む。

【００２０】本発明の望ましい形態を以下に示す。（１）光学部材は、フォトマスクの倍率をＭ、露光波長
をλ、投影光学系のウェハ側の開口数をＮＡ、照明光学
系のコヒーレンスファクタをσとしたとき、Ｍλ／
｛（１＋σ）×ＮＡ｝＜ｐ＜Ｍλ／｛（１−σ）×Ｎ
Ａ｝なる周期で透光部と遮光部が繰り返された周期パタ
ーンを含む。（２）光学部材が市松格子状のパターンの場合、フォト
マスクの倍率をＭ、露光波長をλ、投影光学系のウェハ
側の開口数をＮＡ、照明光学系のコヒーレンスファクタ
をσとしたとき、２^1/2 Ｍλ／｛（１＋σ）×ＮＡ｝＜
ｐ＜２^1/2 Ｍλ／｛（１−σ）×ＮＡ｝なる周期で透光
部と遮光部が繰り返された有限周期の周期パターンを含
む光学部材を用いる。（３）デフォーカスは、光学部材又はウェハの少なくと
も一方の位置をフォーカス位置から移動させることによ
り実現する。（４）デフォーカスは、パターン露光に用いるフォトマ
スクの遮光部の配置された表面とは反対側の表面に、光
学部材の遮光部を配置することにより実現する。（５）光学部材の遮光部は半透明膜であり、透光部を通
過する光と半透明膜を通過する光の位相差が１８０°に
設定されてなる。（６）光学部材の遮光部のパターン幅が透光部のパター
ン幅に対して広く設定されてなる。

【００２１】（作用）本発明では、露光装置の検査方法
として、有限の周期で透光部と遮光部が繰り返された周
期パターンを含む光学部材又はウェハをデフォーカスさ
せてウェハ上に光学部材の像を露光する。この周期パタ
ーンを露光することにより、０次回折光のみならず、１
次以上の回折光を発生させることができる。

【００２２】また、１次以上の回折光が投影光学系の瞳
外縁に照射するように露光するので、０次回折光により
光源の形状を、１次以上の回折光により瞳の形状を観測
することができ、かつこれら光源及び瞳の形状の双方を
一回の露光で露光装置を分解することなく通常の露光時
と同じ状態で簡便に測定することができる。従って、従
来の二重露光を用いる方法のように光源の形状と瞳の形
状を二種類の光学部材を入れ替えてそれぞれの光学部材
について露光する手間が省ける。

【００２３】また、光源形状と瞳形状はフォトレジスト
に重ねて描画されるので、それらのずれによる同心度も
合わせずれなどによる測定誤差が生じることなく高精度
で測定できる。

【００２４】また、孤立点を用いてパターンを形成する
従来の方法と異なり周期的なパターンを用いて１次以上
の回折光を発生させているので、瞳の像の縁を際立たせ
る働きをする光強度が大きく、露光時間が短くてすむ。
また、高コントラストの像が得られるため、画像処理の
必要がない。従って、測定のために特別な装置構成は必
要としない。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。（第１実施形態）図１及び図２は本発明の第１実施形態
に係る露光装置の検査方法を説明するための図である。
本実施形態では、ＡｒＦエキシマレーザ露光装置（λ：
１９３ｎｍ、ＮＡ：０．５５、σ：０．６、Ｍ：２０）
を用いて検査を行う場合を示す。

【００２６】図１は本実施形態に係る検査の対象とする
露光装置の構成を示す図である。図１に示すように、こ
の露光装置は光源から射出される光をレチクル２に導く
照明光学系１と、レチクル２の縮小投影像をウェハ５上
に転写する投影光学系３から構成される。なお、図１
（ａ）はフォーカス位置にレチクル２を配置した場合、
図１（ｂ）はレチクル２を上方にデフォーカスさせた場
合を示す。

【００２７】図２は検査方法に用いるレチクル２の具体
的なパターンを示す平面図である。レチクル２は遮光領
域２１と透光領域２２からなり、周囲が遮光領域２１で
ある１辺２００μｍの正方形の透光領域２２を、格子状
にレチクル２上に描くことにより回折パターンを構成す
る。この回折パターンの周期を５．５μｍとし、遮光部
と透光部のパターン幅の比を３：２とする。

【００２８】このレチクル２上のパターン面を、投影光
学系３に関してウェハ５と共役である通常のレチクル２
表面の位置から光源側に５ｃｍ移動した位置に配置し、
デフォーカス状態で露光を実施する。露光量は通常の２
０倍とし、感光材としてポジ型のフォトレジストを用い
る。フォトレジストを塗布したウェハ５を、通常パター
ン露光すべき位置に配置する。露光の後に現像を行い、
所望のレジストパターンを得る。

【００２９】この作成されたレジストパターンの平面図
を図３に示す。図３（ａ）はレジストパターン３１を示
す平面図であり、図３（ｂ）はレジストパターン３１に
おけるパターン形状を模式的に表した図である。図３
（ａ）に示すようにこのレジストパターン３１は、ウェ
ハ５上寸法で横３ｍｍ×縦３ｍｍの一括露光領域内で、
像同士が重ならない間隔をおいて８０点用意されてお
り、通常の光学顕微鏡を用いて測定する。０次回折光の
照射された中央部３２はレジストが全てなくなってい
る。この中央部３２の輪郭３３は光源の大きさσを表す
像の形状（以下、単に光源の形状と呼ぶ）を表す。この
中央部３２の周囲に形成された周辺部３４は１次回折光
が当たった領域で、ここではフォトレジストの表面のみ
がなくなり、薄くなっている。さらに周辺部３４の外側
の領域の斜線で示す部分はフォトレジストが残っている
部分である。周辺部３４の外縁をなぞる円は、投影光学
系の瞳（以下、単に瞳と呼ぶ）の形状を表している。こ
の場合、光源の中心３６（光源の大きさσを表す円形の
像の中心）と、瞳の中心３７（瞳の大きさＮＡを表す円
形の像の中心）との間にずれはないことが分かる。

【００３０】このように光源の形状と瞳の形状、光源と
瞳の同心度を検査する原理を以下説明する。孤立したホ
ールパターンの中に、周期的な回折パターンがなけれ
ば、従来技術に示す図１２（ａ）のピンホールカメラと
同じになり、ウェハ上に転写される像は光源の像（光源
の出口の光強度分布）のみである。ピンホールカメラの
分解能はピンホールのサイズにより規定されるので、回
折現象が目立たない範囲でピンホールのサイズを小さく
すれば、光源の形状をより忠実に投影することができ
る。反面、投影に必要な露光量が増大する。ホールサイ
ズとして、一辺が５０μｍ〜５００μｍの正方形か、ま
たは、直径が５０〜５００μｍの円にすれば、露光量は
通常使用される値の１０〜２０倍程度で十分であり、こ
れは実現可能な値である。

【００３１】瞳の形状と位置を測定するために、孤立し
た透光領域内（あるいは遮光部と透光部を入れ替えた場
合には、孤立した遮光領域内）に、周期的な格子状のパ
ターンを配置する。周期が十分に小さければ、図１に示
すとおり、このパターンは光の回折を引き起こし、０次
回折光７と１次回折光８が生じる。０次回折光７は、格
子パターンを通過しても直進する回折光成分で、最も強
度が大きい。１次回折光８は光軸から遠ざかる方向に進
み、投影光学系３の瞳４の縁の近辺を照らす。１次回折
光の中で瞳４の内側、すなわちＮＡに到達した光９はウ
ェハ５に達するが、瞳４の外側に到達した１次回折光８
は遮蔽され、ウェハ５に達しない。つまり、瞳を通過し
た光がウェハ５上にパターンを形成することになり、パ
ターン形成する／しないの境界線が瞳の縁の形状を表
す。この１次回折光８の境界から、瞳の形状と位置が求
められる。また各回折光は、それぞれが光源の像である
ので、０次回折光７から光源の中心と位置が分かる。す
なわち、ウェハ５にレジストパターンとして転写される
像から、一括露光領域内の任意の点における、実効的な
瞳と光源の形状と大きさ、その二つの相対位置が分か
る。また、位置ずれ量を測定することで、露光装置の照
明及び投影光学系３の間の軸ずれ量が決定される。な
お、これら瞳及び光源の形状と大きさの測定を可能にす
べく、レチクル２上のパターンをウェハ５上に投影結像
させずにそのパターン像を十分な大きさを持ってウェハ
５上に描く。具体的には、図１（ａ）のフォーカス位置
に置いたレチクル２を図１（ｂ）に示すように上方にデ
フォーカスさせて露光を行う。このデフォーカスは、レ
チクル２を移動させるのみならず、ウェハ５を移動さ
せ、あるいはレチクル２とウェハ５の双方を移動させて
もよい。

【００３２】次に、回折パターンの周期が限定される理
由を図４を用いて説明する。図４は回折パターンがウェ
ハ上に転写される位置を示す図である。図４（ａ）に示
すように、投影光学系３の瞳４の大きさ４１を、ＮＡで
規格化した量で表すと、各回折光は光源形状と同じであ
り、回折光の半径４２はσで表される。また、周期ｐの
周期的回折パターンによる回折を考えると、回折光間の
距離４３はλ／（ｐ×ＮＡ）で表される。瞳の形状と位
置をウェハ５上に投影させるには、１次回折光８が照射
される１次回折パターン４４が瞳の縁３５と交わってい
る必要がある。すなわち、図４（ｂ）のように１次回折
光８が完全に瞳の中に入ってしまったり、逆に図４
（ｃ）のように１次回折光８が完全に瞳の外に出てしま
ったりすると、瞳の位置を観測することができない。ウ
ェハ５上に瞳の像が形成されるための条件は、レチクル
２の倍率をＭ、露光波長をλとすると、レチクル２上の
回折パターンの周期ｐが次式を満たす場合である。

【００３３】Ｍλ／｛（１＋σ）×ＮＡ｝＜ｐ＜Ｍλ／
｛（１−σ）×ＮＡ｝この式の左側の不等式は、１次回折光８の全てが瞳の縁
３５からはみ出ない条件、右側の不等式は、１次回折光
８が瞳の縁３５に完全に入りきらない条件である。

【００３４】（第２実施形態）図５及び図６は本発明の
第２実施形態に係る露光装置の検査方法を説明するため
の図である。本実施形態は、第１実施形態における検査
方法で用いたレチクル２のパターンをライン＆スペース
パターンに適用する。また、ＫｒＦエキシマレーザ露光
装置（λ：０．２４８ｎｍ，ＮＡ：０．６，σ：０．
３，Ｍ：４）を用いて検査を行う場合を示す。以下の実
施形態において第１実施形態と共通する部分は説明を省
略する。

【００３５】周囲が遮光領域５１ａ〜５４ａで、１辺８
０μｍの正方形のレチクル５１〜５４に、ライン状の透
光領域５１ｂ〜５４ｂを設けて遮光部：透光部＝１：１
のライン＆スペースパターンとなるパターンをレチクル
５１〜５４裏面に描画する。ライン＆スペースパターン
の周期は１．６μｍ、１．８μｍ、２．０μｍ、２．２
μｍの４種類とし、また、ライン＆スペースパターンの
向きを変えて、それぞれのレチクル５１〜５４について
４種類作成する。それら１６種類のパターンを、像同士
が重ならないように少なくとも５ｍｍの間隔を置いて、
一括露光領域内に複数配置する。そして、この１６種類
のパターンを含むレチクル５１〜５４の遮光部が設けら
れた面を、通常のパターン露光に用いるフォトマスクの
遮光部が設けられた面とは表裏反対側の面に装着して露
光を行う。このように通常のパターン露光とは表裏反対
にレチクル５１〜５４を装着することにより、レチクル
５１〜５４，ウェハ５等を移動させることなく、通常の
パターン露光と同一の配置でレチクル５１〜５４の露光
をデフォーカス状態で簡便に行うことができる。なお、
露光量は通常の２０倍の条件で露光を行う。

【００３６】レチクル５１〜５４を用いた露光により、
図６に示すように、０次回折光及び１次回折光の像がウ
ェハ５上に塗布されたフォトレジストに転写され、レジ
ストパターン５５〜５８を得る。０次回折光が投影され
た０次回折領域５９ではフォトレジストが完全になくな
る。１次回折光が投影された１次回折領域６０ではフォ
トレジストの表面だけがなくなり、薄くなった膜減り状
態である。図中斜線で示した領域は、光が当たらなかっ
たのでフォトレジストが残っているレジスト残存領域６
１である。

【００３７】４種類の周期を設けたレチクル５１〜５４
により得られるレジストパターンは、その回折パターン
の周期の縮小とともに１次回折領域６０は０次回折領域
５９から遠ざかる方向に移動する。そこで、この４種類
の周期のうち、瞳の形状を広範囲に観測するのに最も適
当な周期のライン＆スペースパターンを決定し、画像デ
ータとしてコンピュータに取り込む。

【００３８】図６は図５に示したレジストパターン５５
のみの画像処理（図６（ａ）、（ｂ）に示す）と、レジ
ストパターン５５〜５８を含めた画像処理（図６
（ｃ）、（ｄ）に示す）を示す図である。また、図６
（ｂ）及び（ｄ）は図６（ａ）及び（ｃ）に示したレジ
ストパターン５５，６３に基づいて画像処理を行った後
の画像データを示す図である。

【００３９】０次回折領域５９が光源の形状を表し、得
られた像の一番外側において１次回折領域６０が切られ
ている部分は、図６（ｂ）及び（ｄ）に示した瞳の輪郭
６２の一部分を表している。一括露光領域内において、
近接する位置では光学系の大きな変化がないと仮定し、
図６（ｃ）の近接しておかれた４つの向きのライン＆ス
ペースパターンの回折像を図６（ｄ）に示すように画像
データ上で合成させる。

【００４０】このように画像データを合成する理由は以
下の通りである。すなわち、周期パターンは、その向き
により回折光の発生する向きが変わる。第１実施形態に
示した格子状パターンでは４方向に１次回折光が発生す
るのに対し、本実施形態のライン＆スペースパターンの
場合、２方向にのみ１次回折光が発生する。従って、１
つの周期パターンのみでは瞳の形状が部分的にしか測定
できないため、複数の方向を持つ周期パターンによる露
光により得られる回折像を合成させることにより、瞳の
輪郭６２がほぼ一周分得られる。このように回折像を合
成することにより、瞳の形状及び光源と瞳の同心度を高
精度に測定することができる。こうして得られた光源の
位置と瞳の位置の比較から、露光領域内のそれぞれの位
置における光学系の軸ずれ量を決定する。

【００４１】なお、本実施形態に示した周期パターンの
向き以外の任意の向きに回転させた周期パターンを用い
ても、同様の効果を奏する。このように、本実施形態に
よれば、第１実施形態に示した格子状パターンでは４方
向に１次回折光が発生するのに対し、ライン＆スペース
パターンでは２方向に発生する。この場合、瞳の形状が
部分的にしか測定できないが、１次回折光が分散しない
で狭い領域に集中する。瞳の形状を浮き彫りにする光強
度が上昇するので、格子状パターンを用いた場合より低
い露光量でも、瞳の位置が測定可能である。

【００４２】（第３実施形態）図７及び図８は本発明の
第３実施形態に係る露光装置の検査方法を説明するため
の図である。本実施形態は、ＫｒＦエキシマレーザを光
源とする露光装置（ＮＡ：０．６，σ：０．７５，Ｍ：
４）を用いて検査を行う場合を示す。

【００４３】本実施形態では、周囲が透光領域７２で、
一辺１００μｍの正方形のレチクル７１裏面に、図７に
示す透光領域７２の幅と遮光領域７３の比が１：２であ
る格子状の回折パターンを配置する。このように回折パ
ターンの透光領域７２と遮光領域７３のパターン幅の比
を設定する理由は、以下の通りである。すなわち、回折
パターン上の遮光部と透光部のパターン幅の比率を変え
ることにより、０次・１次回折光の強度比を調節するこ
とができ、回折パターンの周期をｐ、透光部の幅をｑと
し、０次回折光の強度を１とすると、１次回折光の強度
はｓｉｎｃ² （ｑ／ｐ）で表されることが知られてい
る。この式から、透光部：遮光部＝１：１の場合は、１
次回折光は０次回折光の４０％程度であることが分か
る。また、遮光部の割合を増加させれば、それに応じて
１次回折光の相対強度が高まることが分かる。従って、
本実施形態のように透光部に対して遮光部のパターン幅
を広く設定することにより、０次回折光と１次回折光の
光強度の差を低減することができ、瞳の輪郭がより明確
になる。すなわち、必要に応じて透光・遮光比を最適化
することが可能である。

【００４４】このレチクル７１は、第１実施形態に示し
たレチクル２のパターンにおいて透光領域と遮光領域を
入れ替えた、全面遮光領域の中に透光領域孤立点を配置
したものである。回折パターンの周期は２．０μｍとす
る。レチクル７１を少なくとも５ｍｍの間隔を置いて、
一括露光領域内に複数配置する。

【００４５】露光量は次のようにして決定する。まず、
全面が透光領域であるレチクルを使用して、露光量を変
えて露光を行う。回折パターンがないため一括露光領域
全体が感光する。露光量を通常より低めに落としていく
と、レジストがすべてなくなる露光量のしきい値が現れ
る。本実施形態の回折パターンは透光部分がほとんど
で、遮光部分が非常に少ない。したがって、露光量をこ
のしきい値をはるかに越える量にすると、回折の効果
で、パターンの影に当たる部分にも、しきい値以上の光
が当たることになり、パターンが形成できない。そこ
で、露光量をしきい値付近にして露光すると、所望の回
折パターンがウェハ上に残る。

【００４６】このようにして決定した露光量で露光した
後に現像を行う。得られたレジストパターンを図８に示
す。第１実施形態のレジストパターンと比較して、感光
部と非感光部が反転した像が得られる。光強度が弱いＮ
Ａ及びσの部分がレジスト残りとなってウェハ上に表さ
れる。このレジストパターン８１を光学顕微鏡で測定し
た。中央部８２は光源の形状を表し、その周囲の周辺部
８３は、レジストが薄くなって残っている領域で、瞳の
形状を表す。これら中央部８２及び周辺部８３の輪郭に
より得られる光源の形状及び瞳の形状から、光源と瞳の
軸ずれを測定する。

【００４７】このように本実施形態によれば、遮光部と
透光部のパターン幅の比率を最適化することにより、０
次回折光と１次回折光の強度比を最適に調整することが
でき、１：１のパターン幅の比率を持つ場合に生じる瞳
の形状の輪郭のぼけを低減し、より高精度な検査が可能
となる。

【００４８】（第４実施形態）図９及び図１０は本発明
の第４実施形態に係る露光装置の検査方法を説明するた
めの図である。本実施形態は、検査に用いるレチクルと
してハーフトーンマスクを用いるもので、またＫｒＦエ
キシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を光源とする露光装置
（ＮＡ：０．６，σ：０．７５，Ｍ：４）を用いて検査
を行う場合を示す。

【００４９】図９は本実施形態の検査方法に用いるレチ
クル９１の平面図である。図９に示すように、遮光領域
９２を構成する遮光膜には、強度透過率が６％で、透光
部と遮光部の光の位相差が１８０°となる半透明（ハー
フトーン）の膜を使用する。レチクル９１上に、周囲が
ハーフトーン領域である一辺１００μｍの正方形の透光
領域と、その内部に、図９に示すような市松格子状、す
なわち遮光領域９２と透光領域９３を互い違いに碁盤縞
を並べた模様を持つハーフトーン回折パターンを描く。
回折パターンの周期を１．８μｍとし、遮光領域９２と
透光領域９３の幅の比を７：１１とした。このレチクル
９１を、通常のパターン露光とは表裏反対に図１に示す
露光装置に装着し、フォトレジストを塗布したウェハ５
を、通常のパターン露光で使用する位置に配置して露光
を行う。露光量は通常の約２０倍とし、感光材としてポ
ジ型のフォトレジストを用いる。露光の後に現像を行
い、レジストパターンを得る。

【００５０】得られたレジストパターンの平面図を図１
０に示す。図１０（ａ）に示すように、このレジストパ
ターンは、ウェハ上寸法で横８ｍｍ×縦２５ｍｍの一括
露光領域内で、像同士が重ならない間隔を置いて３３点
用意されており、通常の光学顕微鏡を用いて測定するこ
とができる。斜線で示した領域がフォトレジストが感光
せず、もとのまま残っている領域である。中央部１０１
とこの中央部１０１に隣接し、その周囲の４カ所に形成
された周辺部１０２に、二次光源の構造がある。

【００５１】図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示すレジス
トパターンの構成を説明するための図である。図１０
（ａ）のパターンは、図１０（ｂ）に示した６個の円に
より構成されるものである。中央部１０１の外縁により
構成される円１１１は０次回折光の位置と形状を表し、
周辺部１０２の外縁は一次回折光により形成される１次
回折パターン１１２と瞳の縁１１３を表す。

【００５２】ハーフトーンのレチクル９１を用いた本実
施形態の結果は、第１〜第３実施形態と異なり、０次回
折光と１次回折光の強度はほぼ同じとなる。そのため、
０次回折光の像がつぶれず、０次回折光と１次回折光の
両方の構造が比較的鮮明に見える。すなわち、光源の内
部の光強度むらと、瞳、光源の相対位置ずれを、一回の
露光だけで測定することができる。

【００５３】このように、遮光膜として半透明のものを
使用したハーフトーンマスクを用いることにより、０次
回折光の強度を１次回折光の強度以下にし、また０次回
折光の強度を０にして、投影光学系の瞳のみを測定する
ことが可能である。

【００５４】次に、０次回折光と１次回折光の強度比を
最適にする透光部と遮光部のパターン比の導出手法を説
明する。本実施形態では、市松格子状のパターンをレチ
クルとして用いる場合を示したが、強度透過率及び位相
差を前述の形態と同じくしたハーフトーンのライン＆ス
ペースパターンの場合を考える。ライン＆スペースパタ
ーンの周期をｐ、透光部の幅をｑとし、０次回折光の強
度を１とすると、１次回折光の強度は次式で表される。
なお、ｘ＝ｑ／ｐを示す。

【００５５】０．２４２ｓｉｎ（πｘ）／（−０．２４
＋０．７６ｘ）この式で、ｘ＝０．６１４とすれば、０次回折光と１次
回折光の強度がほぼ等しくなり、光源と瞳が同じ強度で
測定できる。格子パターン、市松格子パターンに対して
も同様に、０次回折光強度と１次回折光強度がほぼ同じ
になる場合があり、その透光・遮光比を持つ回折パター
ンを使用することができる。

【００５６】なお、市松格子パターンに上記実施形態を
適用する場合は、１次回折光の位置が図１１のようにな
るため、周期の条件が若干変わる。この場合、ウェハ上
に瞳の像が形成されるための条件は次式で表される。

【００５７】２^1/2 Ｍλ／｛（１＋σ）×ＮＡ｝＜ｐ＜
２^1/2 Ｍλ／｛（１−σ）×ＮＡ｝なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではな
い。周期パターンは格子状パターン、ライン＆スペース
パターン、市松格子状パターン、透光部と遮光部を反転
させたピラーパターン以外にも、方形ではなく円形やそ
れに近いコンタクトホールパターン等、透光部と遮光部
が周期的に配列されたパターンであって１次回折光を生
じるものであれば何でもよい。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、露
光装置の検査方法として、有限の周期で透光部と遮光部
が繰り返された周期パターンを含む光学部材を通過した
１次以上の回折光が投影光学系の瞳外縁を照射すること
によりウェハ上に瞳外縁の像を転写させ、かつ前記ウェ
ハ上に転写させるパターン像をデフォーカスさせて露光
するするので、０次回折光により光源形状を、１次以上
の回折光により瞳の形状を観測することができ、かつこ
れら光源及び瞳の形状の双方を一回の露光で露光装置を
分解することなく通常の露光時と同じ状態で簡便に測定
することができる。また、瞳形状と光源形状はフォトレ
ジストに重ねて描画されるので、それらのずれによる同
心度の測定も合わせずれによる誤差が生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る検査対象とする露
光装置の全体構成を示す図。

【図２】同実施形態における露光装置の検査方法に用い
られるレチクルの全体構成を示す図。

【図３】同実施形態におけるレチクルにより転写された
パターンの平面図。

【図４】同実施形態における回折パターンの周期が限定
される理由を説明するための図。

【図５】本発明の第２実施形態に係る露光装置の検査方
法に用いられるレチクルの全体構成を示す図。

【図６】同実施形態におけるレチクルと転写パターンを
示す図。

【図７】本発明の第３実施形態に係る露光装置の検査方
法に用いられるレチクルの全体構成を示す図。

【図８】同実施形態におけるレチクルにより転写された
パターンの平面図。

【図９】本発明の第４実施形態に係る露光装置の検査方
法に用いられるレチクルの全体構成を示す図。

【図１０】同実施形態におけるレチクルにより転写され
たパターンの平面図。

【図１１】本発明の対象とする露光装置の動作を示す
図。

【図１２】従来の露光装置の検査方法を説明するための
図。

【符号の説明】

１…照明光学系２，５１〜５４，７１，９１…レチクル３…投影光学系４…瞳５…ウェハ２１，５１ａ〜５４ａ，７３，９２…遮光領域２２，５１ｂ〜５４ｂ，７２，９３…透光領域３１，５５〜５８，６３…レジストパターン３２，８２，１０１…中央部３３…輪郭３４，８３，１０２…周辺部３５，１１３…瞳の縁４１…瞳の大きさ４２…回折光の半径４３…回折光間の距離４４，１１２…１次回折パターン５９…０次回折領域６０…１次回折領域６１…レジスト残存領域６２…瞳の輪郭１１１…円

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤澤忠仁神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者井上壮一神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内Ｆターム(参考） 5F046 AA28 CA04 CB22 CB25 DA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、該光源から射出される光をフォ
トマスクに導く照明光学系と、該フォトマスクの縮小投
影像をウェハ上に転写する投影光学系とから構成される
露光装置に対し、前記光源形状と、前記投影光学系の瞳
形状と、該光源形状と瞳形状との同心度を検査する露光
装置の検査方法において、前記光源から射出される光を、有限の周期で透光部と遮
光部が繰り返された周期パターンを含む光学部材に照射
し、該光学部材を通過した１次以上の回折光を前記投影
光学系の瞳外縁に照射させ、かつデフォーカス状態で前
記光学部材のパターン像を前記ウェハ上に露光すること
を特徴とする露光装置の検査方法。
【請求項２】前記光学部材は、前記フォトマスクの倍
率をＭ、露光波長をλ、前記投影光学系のウェハ側の開
口数をＮＡ、前記照明光学系のコヒーレンスファクタを
σとしたとき、Ｍλ／｛（１＋σ）×ＮＡ｝＜ｐ＜Ｍλ
／｛（１−σ）×ＮＡ｝なる周期で透光部と遮光部が繰
り返された周期パターンを含むことを特徴とする請求項
１に記載の露光装置の検査方法。
【請求項３】前記デフォーカスは、前記光学部材又は
前記ウェハの少なくとも一方の位置をフォーカス位置か
ら移動させることにより実現することを特徴とする請求
項１に記載の露光装置の検査方法。
【請求項４】前記デフォーカスは、パターン露光に用
いるフォトマスクの遮光部の配置された表面とは反対側
の表面に、前記光学部材の遮光部を配置することにより
実現することを特徴とする請求項１に記載の露光装置の
検査方法。
【請求項５】前記光学部材の遮光部は半透明膜であ
り、前記透光部を通過する光と前記半透明膜を通過する
光の位相差が１８０°に設定されてなることを特徴とす
る請求項１に記載の露光装置の検査方法。
【請求項６】前記光学部材の前記遮光部のパターン幅
が前記透光部のパターン幅に対して広く設定されてなる
ことを特徴とする請求項１に記載の露光装置の検査方
法。