JP2001230180A - 露光装置の検査方法及び露光装置検査用フォトマスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡便且つ短時間で露光装置の２次光源を検査す
る。 【解決手段】光源から射出した光を、有限の周期で透光
部と遮光部が繰り返され、かつ該透光部と遮光部の比が
複数与えられた回折格子パターンであって周囲を遮光領
域で遮られたピンホールパターン２１及びグレーティン
グピンホールパターン２２〜２９を含む光学部材により
パターンが形成されたフォトマスク３に照明光学系２に
より導き、フォトマスク３を通過した０次回折光を投影
光学系４に照射させ、該フォトマスク３のパターン像を
ウェハ５上に転写し、ウェハ５上に転写された０次回折
光のパターン像に基づいて、照明光学系２内に形成され
る２次光源内の光強度分布を測定するものであって、フ
ォトマスク３とウェハ５が投影光学系４に関して非共役
な状態で転写する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子製造に
使用する投影露光装置の検査方法及び該露光装置の検査
用フォトマスクに係わり、特に露光装置の照明光学系の
性能を検査するための露光装置の検査方法及び露光装置
検査用フォトマスクに関する。

【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、リソグラフィ技術が一般に使用される。リソグラフ
ィ工程に使用される投影露光装置では、照明光学系から
射出された波長λの単色光が、回路パターンが描画され
たフォトマスクに入射する。そして、フォトマスクを通
過した光は投影光学系により集光される。そして、一般
にはフォトレジストが塗布された感光基板、具体的には
例えばシリコンウェハ上にフォトマスクの回路パターン
が結像投影される。照明光学系内に形成される２次光
源、すなわちフォトマスク側から照明光学系側を見たと
きの光源としての２次光源によりフォトマスクが照射さ
れるといえる。ここで、２次光源は有限の大きさを持つ
ものであり、その大きさはコヒーレンスファクタ（σ）
で表される。また、露光装置の分解能は投影光学系のウ
ェハ側開口数（ＮＡ）、λ及びσにより定まる。

【０００３】ところで、形成すべき半導体デバイスパタ
ーンが微細になってくると露光装置に求められる性能も
厳しくなる。露光装置の性能は、その装置を構成する種
々の光学部品により定まるものではあるが、例えば、２
次光源の大きさや形状が変化すると、パターンのフォー
カス裕度あるいは露光量裕度が変化することはよく知ら
れている。また、照明光学系にごみ等が付着して２次光
源の内部に明るさのむらができた場合も、上記裕度は光
学系が正常な場合とは異なってくる。

【０００４】シミュレーションを駆使したリソグラフィ
設計が半導体素子製造の上で重要な意味を有する現在に
おいては、このような予想外の不具合が露光装置に存在
することは、レジストパターン形状やフォーカス裕度あ
るいは露光量裕度の計算を不正確にするため好ましくな
い。露光装置の組立の過程で問題となる箇所を取り除い
ておくか、あるいは露光装置を使用する前にその不具合
量を予め測定しておき、シミュレーションに取り込む必
要が生じる。

【０００５】そこで、露光装置の２次光源形状を測定す
る方法として、ＩＢＭ社（米国）のＫｉｒｋ等により提
案された方法がある。この方法の場合、フォトマスク面
のうち、投影光学系に関してウェハと共役でない側の面
にピンホールを配置し、ピンホールカメラとして用いる
ことによりウェハ上に光源形状を転写する。これによ
り、稼働中の露光装置であっても装置を分解せずに測定
を行うことができるという利点を有する。

【０００６】しかしながら、この方法では露光量を変え
て同一パターンを複数回露光しウェハ上に形成されたレ
ジストパターンを撮影した写真をした画像をそれぞれ重
ね合わせ、２次光源内の光強度分布の等高強度線図を得
る必要がある。従って、精度の高い検査を行うには、露
光量を少しずつ変えながら多数回露光を行わなければな
らない。この作業は繁雑であるばかりか検査時間が非常
に長くなる。

【０００７】

【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、２次光源形状を測定するのに
稼働中の露光装置を分解せずに測定する方法が提案され
ている。しかしながら、この方法では、同一パターンを
複数回露光する必要があるため、作業が繁雑となるばか
りか長時間の検査が必要となる。

【０００８】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、簡便且つ短時間で
露光装置の２次光源を検査する露光装置の検査方法を提
供することにある。

【０００９】また、本発明の別の目的は、簡便且つ短時
間で露光装置の２次光源を検査する露光装置用フォトマ
スクを提供することにある。

【００１０】

【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、照明光学系から射出した光を、有限の周期
で透光部と遮光部が繰り返され、かつ該透光部と遮光部
の比が複数与えられた回折格子パターンであって周囲を
遮光領域で遮られた光透過パターンを含む光学部材によ
りパターンが形成されたフォトマスクに照明光学系によ
り導き、前記フォトマスクを通過した０次回折光を投影
光学系に照射させてウェハ上に転写し、前記ウェハ上に
転写された０次回折光のパターン像に基づいて、前記フ
ォトマスクから前記照明光学系を見た２次光源内の光強
度分布を測定するものであって、前記フォトマスクと前
記ウェハが前記投影光学系に関して非共役な状態で転写
することを特徴とする。

【００１１】ここで、光透過パターンには、その内部が
透光部のみで回折パターンの形成されていないホールパ
ターンも含むものとする。

【００１２】本発明の望ましい形態を以下に示す。

【００１３】（１）投影光学系の射出側の開口数をＮ
Ａ，露光装置のコヒーレンスファクタをσ、露光波長を
λ、マスクの倍率をＭとしたとき、回折格子パターンの
周期は、ｐ＜Ｍλ／２ＮＡ・σを満たす。

【００１４】（２）フォトマスクとウェハの投影光学系
に関する非共役な状態は、パターン露光に用いられるフ
ォトマスクの光学部材が配置される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。

【００１５】（３）フォトマスクとウェハの投影光学系
に関する非共役な状態は、フォトマスク又はウェハの少
なくとも一方の位置を共役な位置から光軸方向に移動さ
せることにより実現する。

【００１６】（４）光透過パターンは半径ｒの円形をな
し、フォトマスクの膜厚をｄ、露光波長をλ、露光波長
λにおけるフォトマスクの屈折率をｎとすると、０．４
（ｎｄλ）^1/2≦ｒ≦（ｎｄλ）^1/2を満たす。

【００１７】（５）光透過パターンは複数形成され、各
光透過パターンの透光部と遮光部の比が異なるようにそ
れぞれ設けられてなる。

【００１８】（６）光透過パターン内に透光部と遮光部
の比が異なる部分が配置されてなる。

【００１９】（７）光強度分布の測定は、複数の光透過
パターンそれぞれから得られるレジストパターンのレジ
ストの形成領域と非形成領域との境界線を等高強度線と
し、各等高強度線を重ね合わせることにより等高強度線
図を得ることにより測定される。

【００２０】（８）フォトマスクには、透光部のみから
なり、周囲を遮光領域で遮られた光透過パターンが形成
されてなる。

【００２１】また、本発明に係る露光装置検査用フォト
マスクは、有限の周期で透光部と遮光部が繰り返され、
かつ該透光部と遮光部の比が複数与えられた回折格子パ
ターンであって周囲を遮光領域でさえぎられた光透過パ
ターンを含む光学部材によりパターンが形成された露光
装置検査用フォトマスクであって、検査に用いられる露
光装置内の投影光学系の射出側の開口数をＮＡ、前記露
光装置のコヒーレンスファクタをσ、露光波長をλ、マ
スクの倍率をＭとしたとき、前記回折格子パターンの周
期は、ｐ＜Ｍλ／２ＮＡ・σを満たすことを特徴とす
る。

【００２２】本発明の望ましい形態を以下に示す。

【００２３】（１）前記光透過パターンは半径ｒの円形
をなし、前記フォトマスクの膜厚をｄ、露光波長をλ、
露光波長λにおける前記フォトマスクの屈折率をｎとす
ると、０．４（ｎｄλ）^1/2≦ｒ≦（ｎｄλ）^1/2を満た
す。

【００２４】（２）前記回折格子はライン＆スペースパ
ターンである。

【００２５】（３）前記回折格子は、遮光領域内に正方
格子状の透過領域が設けられた正方格子パターンからな
る。

【００２６】（４）回折格子パターンはライン＆スペー
スパターンであり、あるいは遮光領域内に正方格子状の
透過領域が設けられた正方格子パターンからなる。

【００２７】（作用）本発明では、露光装置の２次光源
の検査において、通常のパターン露光と同様に、光源か
ら射出した光をフォトマスクに導き、該フォトマスクを
通過した回折光を投影光学系に照射させ、回折光の強度
分布をウェハ上に転写する。

【００２８】本発明のパターン転写では、フォトマスク
に有限の周期で透光部と遮光部が繰り返された回折パタ
ーンの周囲を遮光領域で遮った光透過パターンが形成さ
れているため、２次光源からの光をフォトマスクに通す
ことにより、回折光が得られる。

【００２９】また、フォトマスクとウェハが投影光学系
に関して非共役な状態である。これにより、回折光を０
次からそれ以上の高次回折光まで分離した状態での光強
度分布をレジストパターンとして得ることができ、かつ
０次回折光のみを得ることにより、２次光源の形状を特
定できる。

【００３０】さらに、回折格子パターンの透光部と遮光
部の比が複数与えられたフォトマスクを用いることによ
り、２次光源の分布について露光量を変えて複数回露光
したのと同様の情報を得ることができる。すなわち、透
光部と遮光部の比が異なる回折格子を通過した回折光
は、それぞれの０次回折光が光強度を有するからであ
る。

【００３１】このようにして得られたウェハ上のパター
ンを観察することにより、２次光源内の光強度分布を測
定することができる。

【００３２】具体的には、透光部と遮光部の比を変えて
転写されたパターンをそれぞれ重ね合わせ、光強度分布
の等高強度線図を得ることにより、２次光源の光強度分
布を検査することができる。

【００３３】さらに本発明では、投影光学系の射出側の
開口数をＮＡ，露光装置のコヒーレンスファクタをσ、
露光波長をλ、マスクの倍率をＭとしたとき、回折格子
パターンの周期をｐ＜Ｍλ／２ＮＡ・σとする。これに
より、０次回折光と１次回折光を分離してウェハ上に転
写することができるため、１次回折光に干渉されずに光
強度分布を検査することができる。

【００３４】さらに望ましくは、回折パターンの周期を
ｐ＜Ｍλ／｛（１＋σ）×ＮＡ｝とする。これにより、
１次以上の高次回折光は瞳の外縁よりも外側に照射され
るため、投影光学系内の絞りにより遮られる。従って、
０次回折光のみにより形成されるパターンにより光強度
分布が観察できるため、より高精度の検査が可能とな
る。

【００３５】また、フォトマスクをウェハの投影光学系
に関する非共役な状態を、パターン露光に用いられる前
記フォトマスクの光学部材が配置される表面とは反対側
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。すなわち、フォトマスクをパターン露光の場
合とは表裏逆にして用いることにより、パターン露光に
用いられる露光装置の構成をそのままにして、非常に簡
便に非共役状態を発生させることができる。もちろん、
フォトマスク又はウェハの少なくとも一方の位置を共役
な位置から光軸方向に移動させてもよい。

【００３６】また、光透過パターンを半径ｒの円形と
し、前記フォトマスクの膜厚をｄ、露光波長をλ、露光
波長λにおける前記フォトマスクの屈折率をｎとする
と、 ０．４（ｎｄλ）^1/2≦ｒ≦（ｎｄλ）^1/2 を満たすような条件に設定する。これにより、光透過パ
ターンをピンホールと見た場合のピンホールカメラとし
ての分解能を高めることができる。

【００３７】

【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。

【００３８】（第１実施形態）図１〜図７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、ＫｒＦエキシマレーザ縮小
投影露光装置（λ：２４８ｎｍ、ＮＡ：０．６，σ：
０．３，マスクの倍率Ｍ：４）の検査を行う場合を例に
とって説明する。

【００３９】図１は本実施形態の検査対象とする縮小投
影露光装置の全体構成を示す図である。図１に示すよう
に、光源１と、照明光学系２と、フォトマスク３と、投
影光学系４と、ウェハ５とが、これらの順に露光光の光
路に沿って配列されて露光装置を構成している。

【００４０】このように構成された縮小投影露光装置に
おいて、フォトマスク３の位置から照明光学系２を見た
光源は、２次光源又は有効光源と呼ばれる。この２次光
源の大きさは、投影光学系瞳の半径との比、すなわちコ
ヒーレンスファクタσで表される。σの大きさにより解
像特性等が大きく変化するため、理想的にはフォトマス
ク３上のすべての面において同一のσで照明するような
構成の照明光学系として、一括露光領域内において均一
な解像特性を実現する。

【００４１】図２は上記露光装置に組み込まれるフォト
マスク３の全体構成を示す図である。図２に示すよう
に、フォトマスク３は光透過パターンとしてのピンホー
ルパターン２１及びグレーティングピンホールパターン
２２〜２９を有する。これら光透過パターン２１〜２９
はそれぞれ直径８０μｍであり、互いに１２００μｍ離
間して配置されている。また、各グレーティングピンホ
ールパターン２２〜２９内にはそれぞれ回折パターンが
設けられている。グレーティングピンホールパターンと
は、ピンホール内に回折格子が形成されたパターのこと
を指す。

【００４２】光透過パターン２１〜２９の詳細な構成を
図３に示す。図３（ａ）は各光透過パターン２１〜２９
を拡大して示したもので、各光透過パターン２２〜２９
の内部にはそれぞれライン＆スペースパターンからなる
回折格子が設けられている。図３（ｂ）は一例としてグ
レーティングピンホールパターン２９の回折格子の一部
をさらに拡大して示したものである。

【００４３】図３（ｂ）に示すように、グレーティング
ピンホールパターン２９はライン状の遮光部２９１とラ
イン状の透光部２９２からなり、これら２９１及び２９
２によりライン＆スペースパターンを構成している。こ
こで、透光部２９２のライン幅をａ、回折格子の周期を
ｐで表す。また、回折格子の周期ｐに対する透光部のラ
イン幅ａの比（デューティー比）をεとする。すなわ
ち、ε＝ａ／ｐとする。グレーティングピンホールパタ
ーン２９においては、ε＝０．２である。他の光透過パ
ターン２１〜２８はグレーティングピンホールパターン
２９と同じ回折格子の周期ｐを有し、ｐ＝０．８μｍで
ある。一方、他の光透過パターン２１〜２８はそれぞれ
異なるデューティー比を有しており、グレーティングパ
ターン２２から２８まで順にεは０．９から０．３まで
０．１刻みに設定されている。ピンホールパターン２１
はε＝１であり、周期ｐに対して透光部のライン幅ａの
比は１である。すなわち、ピンホールパターン２１内は
すべて透光部からなり、遮光部は存在せず、回折格子は
配置されていない。

【００４４】このようなフォトマスク３を、光透過パタ
ーン２１〜２９が形成された面が２次光源側に配置され
るように露光装置に設置する。実パターンの露光の場合
には投影光学系４側にパターン形成面が配置されるが、
この露光装置の検査の場合は実パターン露光とは表裏逆
に設置することとなる。露光装置は実パターン露光の場
合のフォトマスク３の配置により共役な状態が作り出さ
れる。フォトマスク３は所定の厚さを有している。従っ
て、実パターン露光の場合とは表裏逆に配置することに
より、フォトマスク３の膜厚分だけフォトマスク３とウ
ェハ５が投影光学系４に関して非共役な状態とすること
ができる。

【００４５】以上のような構成の露光装置を用いて露光
を行う。露光量は３０００ｍＪ／ｃｍ²とし、１回だけ
露光を行う。得られたレジストパターンの平面図を図４
に示す。図４に示すように、ウェハ５上の１チップ領域
に対応するレジストパターン形成領域４０には、光透過
パターン２１〜２９に対応して、転写パターン４１〜４
９が形成される。すなわち、ピンホールパターン２１を
介して投影されたレジストパターンが転写パターン４
１，グレーティングピンホールパターン２２を介して投
影されたレジストパターンが転写パターン４２というよ
うに対応している。転写パターン４１が最も光照射量が
多く、転写パターン４９が最も光照射量が少なくなって
いる。これは、転写パターン４９には２次光源の中で最
も明るい部分のみが転写されており、光照射量が多くな
るにつれて２次光源の中の暗い部分が転写パターン内に
現れてくることを示している。このようにして、各光透
過パターンごとに、それぞれの回折格子のデューティー
比に対応したレジストパターンが得られる。

【００４６】次に、このように得られた各転写パターン
４１〜４９をそれぞれ画像処理し、各画像を重ね合わせ
る。具体的には、各転写パターン４１〜４９を、レジス
トが残存した領域とレジストが除去された領域で境界線
を引く。そして、各パターンごとに得られた境界線をそ
れぞれ重ね合わせる。これにより、２次光源の形状の等
高強度線図を得ることができる。

【００４７】このようにデューティー比の異なるピンホ
ールパターン及びグレーティングピンホールパターンを
用いて２次光源の光強度分布の等高強度線図が得られる
原理を図５〜図７を用いて以下説明する。

【００４８】孤立したピンホールパターンの中に回折パ
ターンがなければ、通常のピンホールカメラと同じ原理
により、ウェハ５上に転写される像は光源の像のみであ
る。上記のようにピンホールパターン内に周期的な形状
のライン＆スペースパターンが配置されると、２次光源
からの露光光５１は、光の回折現象により０次回折光５
２と１次回折光５３を生じる。なお、２次以上の高次の
回折光は省略する。０次回折光５２は回折パターンを通
過しても直進する回折光成分であり、一般的には回折光
の中で最も強度が大きい。１次回折光５３は光軸から遠
ざかる方向に進む。瞳４ａの内側に到達した光はウェハ
５に達するが、瞳４ａの外側に到達した光は遮蔽され、
ウェハ５に達しない。すなわち、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となる。本実施形態で
は、０次回折光５２により２次光源の像を観察するた
め、０次回折光５２のみが瞳４ａの内側を通過し、１次
回折光５３は瞳４ａの外側に照射されるような条件に設
定する。その条件は後述する。

【００４９】また、各回折光はそれぞれが２次光源と相
似な像であるため、０次回折光５２から光源の形状が分
かる。なお、通常のパターン露光のように、フォトマス
ク３とウェハ５が共役な状態で露光を行う場合には、ウ
ェハ５上でフォトマスク３のパターン像が結像され、光
源の像を観察することができない。これに対して本実施
形態では、フォトマスク３のパターン形成面が光源側に
配置されるように設定する。これにより、ウェハ５上で
フォトマスク３に形成されたパターン像が結像されず、
デフォーカス状態でウェハ５上に光が到達する。従っ
て、２次光源の像を示す０次回折光５２を充分な大きさ
で観察することが可能となる。

【００５０】また、周期ｐ＝０．８μｍとした理由を図
６を用いて以下説明する。

【００５１】投影光学系４の瞳４ａの大きさ６１を規準
とした量で表すと、各回折光の照射領域６２，６３は光
源形状と同じになり、回折光照射領域６２，６３の半径
はσで表される。なお、６１ａは瞳の大きさを表す仮想
的な線であり、半径１の円である。０次回折光は直進す
る成分なので周期ｐが変化してもその位置は変わらない
のに対して、１次回折光の位置は周期ｐにより変化し、
その照射領域６３は図６（ａ）の矢印に示す方向に変動
する。周期ｐの周期的回折パターンによる回折を考える
と、０次回折光と１次回折光の間の距離はλ／（ｐ×Ｎ
Ａ）で表される。ウェハ５上に０次回折光と１次回折光
を分離して投影するためには、０次回折光照射領域６２
と１次回折光照射領域６３はオーバーラップしない必要
がある。従って、少なくとも図６（ｂ）に示すように、
０次回折光照射領域６２と１次回折光照射領域６３が接
しているか、あるいはそれよりも離れている必要があ
る。これを周期ｐについて式で表すと、ｐ＜Ｍ・λ（２
ＮＡ・σ）となる。なお、２次以上の高次回折光は、１
次回折光よりもさらに回折角が大きいため、１次回折光
照射領域よりも瞳の中心からさらに外れる。従って、１
次回折光のみを考慮すれば２次以上の高次回折光は０次
回折光と分離される。

【００５２】また、さらに望ましくは、観察するのは０
次回折光のみであるため、１次回折光は瞳４ａを通過し
ない方がよい。この場合、０次回折光照射領域６２と１
次回折光照射領域６３の境界条件での位置関係は図６
（ｃ）に示すようになる。すなわち、１次回折光照射領
域６３の外縁が瞳の外縁に接しているか、あるいは離れ
ている必要がある。これを周期ｐについて式で表すと、 ｐ＜Ｍ・λ／｛（１＋σ）×ＮＡ｝ となる。ここで、本実施形態に用いた露光装置では、λ
＝２４８ｎｍ、ＮＡ＝０．６，σ＝０．３，Ｍ＝４であ
るため、周期ｐ＝０．８μｍは上記式を満たすこととな
る。

【００５３】図７はピンホール２２〜２９に配置される
回折格子のデューティー比と露光光の相対強度の関係を
示す図である。横軸はデューティー比、縦軸は露光光の
相対強度である。実線で示したのが本実施形態のライン
＆スペースパターンにより得られる関係曲線である。図
７に示すように、デューティー比を変化させることによ
り露光光の相対強度が変化するのが分かる。なお、露光
光の相対強度は、回折格子が形成されないピンホール２
１の露光光強度を１とした場合の強度を表す。

【００５４】このように、回折格子のデューティー比を
変えることにより、露光光強度が変化する。具体的に
は、０次回折光の相対強度はε²で表され、０次回折光
の強度はデューティー比εの増加と共に単調増加する。
従って、複数のデューティー比で露光したパターンを比
較すると、２次光源内の光強度の大小に応じてそれぞれ
パターンが形成される領域が異なってくる。具体的に
は、デューティー比が高い透光部の多いパターン（２１
や２２等）によれば、相対強度は高く、パターンが形成
される領域も大きくなる。一方、デューティー比が低い
透光部の少ないパターン（２９や２８等）によれば、相
対強度は低く、パターンが形成される領域は小さくな
る。従って、複数のデューティー比で露光したパターン
を得ることにより、露光量を複数変えて複数回露光した
のと同じ情報を得ることができる。

【００５５】具体的には、各パターン２１〜２９により
得られるレジストパターンを、パターンが形成された領
域とパターンが形成されない領域とで境界線を引き、こ
れを等高強度線としてそれぞれ重ね合わせることによ
り、等高強度線図が得られる。なお、１のレジストパタ
ーンから、パターンが形成された領域とパターンが形成
されない領域の２分割により等高強度線図を得るのみな
らず、３分割や４分割等、複数に分割して複数の等高強
度線を得てもよい。

【００５６】また、図７のデューティー比と相対強度の
関係曲線から、図４の各転写パターンから得られた各等
高強度線が意味する光強度を、回折格子のないピンホー
ルパターン２１を用いて得られた転写パターンの等高強
度線の位置における光を基準（＝１）とした相対地とし
て得ることができる。すなわち、転写パターン４１の露
光の境界の位置（に対応する２次光源上）の光強度を１
とすると、転写パターン４１の露光の境界位置に対応す
る２次光源上の光強度はε²で表され、回折格子のデュ
ーティー比ε＝０．９であることから、ε²＝０．８１
である。同様に転写パターン４３〜４９においても、得
られる等高強度線の位置における光強度がそれぞれ０．
６４，０．４９，…，０．０４であることが分かる。こ
うして得られた実際の２次光源における光強度の等高強
度線図、すなわち光強度分布を、設計上の２次光源、又
は理想的な２次光源の光強度分布と比較することによ
り、２次光源に異常があるか否かが判断できる。

【００５７】また、光透過パターン２１〜２９の直径を
８０μｍ、各光透過パターン２１〜２９同士の距離を１
２００μｍとした理由を説明する。

【００５８】本実施形態におけるピンホールパターン２
１及びグレーティングピンホールパターン２２〜２９
は、原理的にはピンホールカメラと同じである。ピンホ
ールカメラの分解能はピンホールの半径をｒ、ピンホー
ルから像を写す面までの光路長をｌ、光の波長をλとし
たとき、 ｒ＝（ｌλ）^1/2 を満たす場合に最適になることは広く知られている。本
実施形態の場合、ウェハ５上に転写されるパターン像
は、投影光学系に関して共役な位置、すなわちマスクの
表側において高い分解能であればよい。従って、上記の
光路長ｌとして、フォトマスク３の厚さｄとフォトマス
ク３本体を構成するガラスの屈折率ｎの積を取ることに
より、２次光源の高分解能の像が得られる。但し、本実
施形態では必ずしも分解能が最高である必要はなく、次
式を満たしていれば充分である。

【００５９】０．４（ｎｄλ）^1/2≦ｒ≦（ｎｄλ）^1/2 本実施形態の場合、ｎ＝１．５、ｄ＝６．３５ｍｍ、λ
＝２４８ｎｍであるため、光透過パターン２１〜２９の
直径＝８０μｍ（ｒ＝４０μｍ）は上式を満たしている
ことが分かる。

【００６０】このように本実施形態によれば、複数のデ
ューティー比を有する回折格子を持つピンホールパター
ンを複数フォトマスクに配置し、投影光学系に関して非
共役な状態で２次光源の光強度分布を測定する。これに
より、１回の露光で異なる複数回の露光で得られるのと
同じ２次光源の光強度分布の情報を得ることができ、２
次光源の測定時間を大幅に減少させることができる。

【００６１】なお、本実施形態では説明の便宜上９種類
のデューティー比を有するピンホールパターンを用いた
が、その数には限定されないことはもちろんである。従
って、より精度の高い光強度分布を得るためにより多く
のピンホールパターンをフォトマスク３上に配置しても
よい。また、非共役な状態は実パターン露光の場合とは
表裏逆に配置することにより実現したが、フォトマスク
３又はウェハ５の少なくとも一方の位置を共役な位置か
ら光軸方向に移動させることにより実現させてもよい。

【００６２】（第２実施形態）図８及び図９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。本実施形態では、第１実施形態と同様に、
ＫｒＦエキシマレーザ縮小投影露光装置（λ：２４８ｎ
ｍ、ＮＡ：０．６，σ：０．３，マスクの倍率Ｍ：４）
の検査を行う場合を例にとって説明する。従って、露光
装置の構成についての詳細な説明は省略する。本実施形
態の特徴点は、検査に用いられるフォトマスクに描画さ
れたピンホール中の回折格子の形状にある。第１実施形
態ではピンホールパターン内にライン＆スペースパター
ンが配置されたが、本実施形態では正方格子パターンが
配置される。

【００６３】図８は本実施形態で使用されるフォトマス
ク８０の全体構成を示す図である。なお、第１実施形態
で用いられるフォトマスク３の代わりにフォトマスク８
０を配置することにより図１に示す露光装置に本実施形
態を適用することができる。図８に示すように、フォト
マスク８０の露光領域８０ａ内には、ピンホールパター
ン８１及び複数のグレーティングピンホールパターン８
２〜９３がそれぞれ等間隔に配置されている。各光透過
パターン８１〜９３の半径は第１実施形態と同じく、直
径８０μｍであり、互いに１２００μｍ離間して配置さ
れている。

【００６４】図９は本実施形態で使用されるフォトマス
ク８０に配置されるグレーティングピンホールパターン
８２〜９３の一例としてグレーティングピンホールパタ
ーン９３を例にとって拡大して示した図であり、図９
（ａ）はグレーティングピンホールパターン９３の全体
構成を、図９（ｂ）はその一部をさらに拡大して示した
図である。図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、このグ
レーティングピンホールパターン９３は遮光部９３１と
方形の透光部９３２からなる。

【００６５】遮光部９３１はマトリクス状に配置された
透光部９３２がそれぞれ離間して配置されるようにライ
ン状に図の上下方向及び左右方向に延び、格子形状をな
している。これにより、Ｘ方向及びＹ方向の２方向に対
して回折格子としての機能を有する。透光部９３２の１
辺の長さをａ、周期をｐで表し、デューティー比をεと
すると、第１実施形態と同様にε＝ａ／ｐで表される。
グレーティングピンホールパターン９３の場合、周期ｐ
＝０．８μｍ、ε＝０．２に設定される。

【００６６】他のグレーティングピンホールパターン８
２〜９２は、グレーティングピンホールパターン９３と
同様に共通の周期ｐ＝０．８μｍである。また、各パタ
ーン８２〜９２それぞれデューティー比εは順にε＝
０．９から順に単調に減少する。また、ピンホールパタ
ーン８１は回折格子が配置されていない透光部のみから
なるパターンであり、ε＝１であると言える。従って、
１３個の光透過パターン８１〜９３により、ε＝１から
ε＝０．２までεが単調に減少するように各パターン８
１〜９３のεが定められる。従って、パターン８１から
順にεが１／１．３刻みで設定される。

【００６７】以上のような構成のフォトマスク８０を用
いて第１実施形態と同様の手法により露光を行う。露光
量は３０００ｍＪ／ｃｍ²、露光は１回だけ行う。この
ような露光により、第１実施形態と同様にデューティー
比の異なるパターンにより得られる複数のレジストパタ
ーンが得られる。これら複数のレジストパターンを第１
実施形態と同様の手法により重ね合わせることにより、
２次光源の光強度の分布の等高強度線図が得られる。な
お、本実施形態の場合は、０次回折光の相対強度はε⁴
で表され、図７ではデューティー比と露光光の相対強度
が点線で示される点が第１実施形態と異なる。

【００６８】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はない。ＫｒＦエキシマレーザを光源として用いたが、
例えばｉ線あるいはＡｒＦエキシマレーザ、Ｆ₂エキシ
マレーザ等を光源とした場合でも本発明と同様の効果を
奏することはもちろんである。また、マスクの倍率Ｍ
や、ＮＡも本実施形態に示す値に限定されない。また、
露光装置の検査用マスクとしてフォトマスク３を説明し
たが、実際のパターン露光に用いられる実パターンを検
査用の光透過パターン２１〜２９とは表裏逆の面に配置
してもよい。このようにすることにより、実際のパター
ン露光を行いその都度検査用パターンを用いてリアルタ
イムで簡便に２次光源の光強度を観察することができ
る。この場合、光透過パターン２１〜２９と実パターン
は干渉し合わない程度に離間して配置するのが望まし
い。

【００６９】さらに、１次回折光が瞳の外側に照射さ
れ、ウェハに到達しない場合について説明したが、必ず
しもそのようにする必要はなく、０次回折光と１次回折
光が分離してウェハ上に到達されればよい。この場合、
レジストパターン上に１次以上の回折光を投影させた
後、写真又はコンピュータの画像として得る際に１次以
上の回折光を消せばよい。

【００７０】さらに、上記実施形態では光強度分布を得
る手法として各デューティー比ごとの転写パターンを画
像処理し、各画像を重ね合わせることにより等高強度線
図を得たが、これに限定されるものではない。例えば、
検査露光により得られたレジストパターンの膜厚から光
強度分布を求め、このように得られる各パターンの強度
分布を重ね合わせることにより光強度分布の等高強度線
図を得ることもできる。なお、この手法による場合には
露光量とレジストパターンの膜厚が比例関係、あるいは
それに近い関係のレジストを用いるのが好ましい。

【００７１】さらに、ピンホールパターンとして円形の
ものを用いたが、面積が同等な形状であればこれに限定
されるものではない。フォトマスクの変形例を図１０に
示す。図１０（ａ）に示すように、フォトマスク１０１
ａ内に三角形のホールパターン１０２が形成されたもの
や、（ｂ）に示すように、フォトマスク１０１ｂ内に四
角形のホールパターン１０３が形成されたもの、さらに
は図１０（ｃ）に示すようにフォトマスク１０１ｃ内に
楕円形のホールパターン１０４が形成されたもの等、所
定の距離だけ周囲が遮光部で遮られた光透過パターンで
あれば何でもよい。また、ピンホールパターン内部に配
置される回折格子としてライン＆スペースパターン及び
正方格子パターンの場合を示したが、これらに限定され
るものではない。例えば市松格子状パターン、正六角形
の遮光部が蜂の巣状に配置された六方格子状パターン
や、これらパターンの遮光部と透光部を反転させたピラ
ーパターン等、回折光を生じさせる回折パターンであれ
ば何でもよい。

【００７２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、検
査対象とする露光装置を用い、複数のデューティー比の
回折格子が配置された光透過パターンを通過して得られ
る０次回折光をウェハ上に転写することにより、複数の
光強度分布を有するパターンが得られ、これらを合成す
ることにより、露光装置の２次光源を簡便且つ短時間に
検査することができる。

【図面の簡単な説明】

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

【図２】同実施形態に係る露光装置の検査に用いられる
フォトマスクの全体構成を示す平面図。

【図３】同実施形態に係るフォトマスク内の光透過パタ
ーンの詳細な構成を示す図。

【図４】同実施形態に係る露光装置の検査における露光
で得られたレジストパターンを示す平面図。

【図５】同実施形態に係る露光装置の検査方法の原理を
説明するための図。

【図６】同実施形態に係る露光装置の検査方法の原理を
説明するための図。

【図７】同実施形態に係るデューティー比と露光光の相
対強度の関係を示す図。

【図８】本発明の第２実施形態に係る露光装置の検査に
用いられるフォトマスクの全体構成を示す平面図。

【図９】同実施形態に係るフォトマスク内のグレーティ
ングピンホールパターンの詳細な構成を示す図。

【図１０】本発明のフォトマスクの光透過パターンの変
形例を示す図。

【符号の説明】

１…光源 ２…照明光学系 ３，８０…フォトマスク ４…投影光学系 ４ａ…瞳 ５…ウェハ ２１，８１…ピンホールパターン ２２〜２９，８２〜９３…グレーティングピンホールパ
ターン ２９１，９３１…遮光部 ２９２，９３２…透光部 ４１〜４９…転写パターン ５１…露光光 ５２…０次回折光 ５３…１次回折光 ６１…瞳の大きさ ６２…０次回折光照射領域 ６３…１次回折光照射領域

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Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 照明光学系から射出した光を、有限の周
   期で透光部と遮光部が繰り返され、かつ該透光部と遮光
   部の比が複数与えられた回折格子パターンであって周囲
   を遮光領域で遮られた光透過パターンを含む光学部材に
   よりパターンが形成されたフォトマスクに導き、 前記フォトマスクを通過して発生した０次回折光を投影
   光学系を通してウェハ上に転写し、 前記ウェハ上に転写された０次回折光のパターン像に基
   づいて、前記フォトマスクから前記照明光学系を見た２
   次光源内の光強度分布を測定するものであって、 前記フォトマスクと前記ウェハが前記投影光学系に関し
   て非共役な状態で転写することを特徴とする露光装置の
   検査方法。
2. 【請求項２】 前記投影光学系の射出側の開口数をＮ
   Ａ，前記露光装置のコヒーレンスファクタをσ、露光波
   長をλ、前記フォトマスクの倍率をＭとしたとき、前記
   回折格子パターンの周期は、 ｐ＜Ｍλ／２ＮＡ・σ を満たす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。
3. 【請求項３】 前記フォトマスクと前記ウェハの前記投
   影光学系に関する非共役な状態は、パターン露光に用い
   られる前記フォトマスクの光学部材が配置される表面と
   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２に記載の露
   光装置の検査方法。
4. 【請求項４】 前記フォトマスクと前記ウェハの前記投
   影光学系に関する非共役な状態は、前記フォトマスク又
   は前記ウェハの少なくとも一方の位置を共役な位置から
   光軸方向に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３に記載の露光装置の検査方法。
5. 【請求項５】 前記光透過パターンは半径ｒの円形をな
   し、前記フォトマスクの膜厚をｄ、露光波長をλ、露光
   波長λにおける前記フォトマスクの屈折率をｎとする
   と、 ０．４（ｎｄλ）^1/2≦ｒ≦（ｎｄλ）^1/2 を満たす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。
6. 【請求項６】 前記光透過パターンは複数形成され、各
   光透過パターンの透光部と遮光部の比が各透過パターン
   毎に異なるように設けら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。
7. 【請求項７】 前記光透過パターン内に透光部と遮光部
   の比が異なる部分が配置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。
8. 【請求項８】 前記光強度分布の測定は、前記複数の光
   透過パターンそれぞれから得られるレジストパターンの
   レジストの形成領域と非形成領域との境界線を等高強度
   線とし、各等高強度線を重ね合わせることにより等高強
   度線図を得ることにより測定され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。
9. 【請求項９】 有限の周期で透光部と遮光部が繰り返さ
   れ、かつ該透光部と遮光部の比が複数与えられた回折格
   子パターンであって周囲を遮光領域でさえぎられた光透
   過パターンを含む光学部材によりパターンが形成された
   露光装置検査用フォトマスクであって、 検査に用いられる露光装置内の投影光学系の射出側の開
   口数をＮＡ、前記露光装置のコヒーレンスファクタを
   σ、露光波長をλ、マスクの倍率をＭとしたとき、前記
   回折格子パターンの周期は、 ｐ＜Ｍλ／２ＮＡ・σ を満たすことを特徴とする露光装置検査用フォトマス
   ク。
10. 【請求項１０】 前記光透過パターンは半径ｒの円形を
    なし、前記フォトマスクの膜厚をｄ、露光波長をλ、露
    光波長λにおける前記フォトマスクの屈折率をｎとする
    と、 ０．４（ｎｄλ）^1/2≦ｒ≦（ｎｄλ）^1/2 を満たすことを特徴とする請求項９に記載の露光装置検
    査用フォトマスク。
11. 【請求項１１】 前記回折格子はライン＆スペースパタ
    ーンであることを特徴とする請求項９に記載の露光装置
    検査用フォトマスク。
12. 【請求項１２】 前記回折格子は、遮光領域内に正方格
    子状の透過領域が設けられた正方格子パターンからなる
    ことを特徴とする請求項９に記載の露光装置検査用フォ
    トマスク。