JP2004014764A

JP2004014764A - Wavefront aberration measuring apparatus, exposure apparatus, semiconductor device manufacturing system and manufacturing method thereof

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Publication number: JP2004014764A
Application number: JP2002165481A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Yoshitake; 吉武　康裕; Shunichi Matsumoto; 松本　俊一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: JP4327412B2; WO2003105202A1

Abstract

【課題】半導体装置の超微細化に伴って狭マージン化したとしても、露光レンズ（投影光学系）の僅かな波面収差の経時変化も考慮して高精度の露光を実現して超微細の半導体装置を高歩留りで製造できるようにした波面収差測定装置、露光装置並びに半導体装置製造システム及びその方法を提供することにある。
【解決手段】露光装置において、レチクルステージ上に、投影光学系の瞳上にほぼ均一に拡がる光を発生させるパターンを設け、投影光学系の瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、該リレーレンズで作られた投影光学系の瞳面と共役位置に主平面を配置し、投影光学系の像面に形成された前記パターンの一次像からの光を波面分割して前記パターンの二次像を多数形成するレンズアレイと、該レンズアレイにより多数形成されたパターンの二次像を撮像して多数のパターン信号を出力する撮像素子と、該撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に前記投影光学系の波面収差を算出する処理手段とを備えて構成した波面収差測定装置を設けたことを特徴とする。
【選択図】　図２[PROBLEMS] To achieve high-precision exposure in consideration of a slight temporal change in wavefront aberration of an exposure lens (projection optical system) even if a margin is narrowed due to ultra-miniaturization of a semiconductor device. An object of the present invention is to provide a wavefront aberration measuring apparatus, an exposure apparatus, a semiconductor device manufacturing system, and a method therefor, which can manufacture the apparatus at a high yield.
In an exposure apparatus, a pattern is provided on a reticle stage for generating light that spreads substantially uniformly on a pupil of a projection optical system, and a relay lens forms a conjugate position with a pupil plane of the projection optical system, and the relay lens. A main plane is arranged at a conjugate position with the pupil plane of the projection optical system made by the above, and a light from the primary image of the pattern formed on the image plane of the projection optical system is subjected to wavefront division to form a secondary image of the pattern. A lens array for forming a large number, an image sensor for imaging a secondary image of a pattern formed by the lens array to output a large number of pattern signals, and the projection based on a large number of pattern signals obtained from the image sensor A wavefront aberration measuring device including a processing unit for calculating a wavefront aberration of the optical system is provided.
[Selection] Fig. 2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波面収差測定装置と半導体露光装置と半導体デバイスの製造方法に関し、特に、露光レンズの波面収差を露光装置上で計測する技術と、計測した波面収差を活用した波面収差測定装置、露光装置並びに半導体装置（半導体デバイス）の製造システムおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの回路パターンは、基板であるウエハ上に成膜し、この上に感光剤であるレジストを塗布、レチクル上の回路パターンをレジストに露光し、現像後、膜をエッチングすることによって生成される。この一連の工程を各層で繰り返すことによって多層の回路パターンで構成される半導体デバイスが製造される。この時、下地層パターンに対し、露光時の回路パターンの位置ずれがあると回路は断線またはショートし、半導体デバイスの不良となる。このため、露光、現像後にレジストで形成された合わせマークと下地層の合わせマークの相対的位置ずれを光学顕微鏡で自動測定し、ずれ量を次回露光時、露光装置にフィードバックして補正する方法がとられている。通常この合わせマークは露光エリア端の回路パターンの無い領域に設けられている。また、合わせマークは光学的検出法で解像可能なように、回路線幅と比べて大きく、２〜４μｍの線幅で形成されている。
【０００３】
ところで、露光装置のレンズに波面収差があると回路パターンと合わせマークの位置ずれに差が生じる。波面収差は図２７に示すようにレンズ瞳（絞り）上での露光光の位相変化分布を示す。像を形成する回折光の角度θは、微細で空間周波数が高い回路パターンでは図２７（ｂ）に示すように大きくなり、回折光はレンズ瞳上の端を通るため、レンズ外周近くの波面収差の影響を受ける。
【０００４】
一方、合わせマークは空間周波数が低いため、図２７（ａ）のようにレンズ中心付近の波面収差の影響を受ける。レンズ瞳を通る光線は波面収差の傾きに比例した量だけ曲げられるので、特にコマ収差のような非対称な波面収差が存在する場合の位置ずれは、回路パターンと合わせマークで異なる。このため、回路パターン空間周波数とレンズの波面収差に応じて、合わせマークで測定した位置ずれを回路パターンの位置ずれに変換して補正する必要がある。なお、波面収差によって変化するものとして、位置ずれの他に、ベストフォーカス位置や転写倍率等もあり、これらも波面収差に応じて補正する必要がある。
【０００５】
ところで、波面収差は経時変化する。これは、レンズ内の温度、圧力によってレンズの屈折率が変化すること、レンズ筐体の熱応力によりレンズが歪むこと、および光源の波長がドリフトすることなどによって変化するためである。従って、波面収差は定期的に測定する必要がある。また、波面収差を定期的に測定できれば、露光レンズを構成する要素レンズの一部移動やレンズ内圧力、露光光源の波長を制御することにより、波面収差を一定の許容範囲に収めることも可能である。
【０００６】
定期的に波面収差を測定するためには、露光装置上で測定できることが望ましいが、そのための技術としては、位相回復法、パターン空間像位置を測定する方法、および干渉計を搭載する方法がある。
【０００７】
位相回復法は、例えば、２０００−１９５７８２（従来技術１）に公開されているように、ベストフォーカス位置とデフォーカス位置で特定パターンの像強度分布から波面収差を繰り返し計算により算出する方法である。パターン空間像位置を測定する方法は、例えば、特開平１１−２９７６１４（従来技術２）に開示されているように、特定パターンの像強度分布の位置ずれ量からコマ収差等の非対称な波面収差を算出する方法である。また、干渉計を搭載する方法は、例えば、特開平２０００−２７７４１１（従来技術３）にあるように、レンズを介してウエハ面で反射した光と参照光の干渉縞から波面収差を算出する方法である。
【０００８】
また、他の従来技術としては、特開２００２−７１５１４（従来技術４）において、露光レンズ（投影光学系）の波面収差を測定するための検査装置を備えた露光装置が知られている。該検査装置としては、上記露光レンズの物体側開口数以上の開口数で上記露光レンズの物体面に位置決めされた開口部を照明するための照明ユニットと、上記露光レンズの像面に形成された上記開口部の一次像からの光を波面分割して上記開口部の二次像を多数形成するための波面分割素子（マイクロフライアイ）と、該波面分割素子により形成された多数の二次像を光電検出するための光電検出部とを備えることが記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記装置上での波面収差測定方法には次のような問題点がある。
【００１０】
まず、従来技術１の位相回復法では、ベストフォーカス位置とデフォーカス位置の２カ所で像強度分布の検出を行う必要があるため時間がかかる。また、繰り返し計算によって位相分布を求めるにあたり、条件によっては収束しない場合もあり得る。
【００１１】
また、従来技術２のパターン空間像位置を測定する方法は、異なる空間周波数のパターン空間像の位置ずれをコマ収差係数に換算するものであるが、ベストフォーカス位置に影響する球面収差や非点収差等、コマ収差以外の収差項目が測定できない。
【００１２】
また、従来技術３の干渉計を搭載する方法は、まず精度確保のための剛性向上や装置複雑化に伴うコスト増大のため、実際に適用することは難しい。
【００１３】
また、従来技術４には、光電検出部で検出される測定用の各原点位置から開口部の各像の光量重心位置までの位置ずれ情報に基いて露光レンズの波面収差を高精度に測定する点について十分考慮されていない。
【００１４】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、半導体露光装置上で、露光レンズの波面収差の経時変化を、高精度に測定することができるようにした波面収差測定装置、露光装置並びに半導体装置製造システム及びその方法を提供することにある。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、半導体装置の超微細化に伴って狭マージン化したとしても、露光レンズ（投影光学系）の僅かな波面収差の経時変化も考慮して高精度の露光を実現して超微細の半導体装置を高歩留りで製造できるようにした半導体装置製造システム及びその方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、以下のとおりである。
【００１７】
本発明は、被測定光学系の波面収差を測定する波面収差測定装置において、前記被測定光学系の物体面に位置決めされ、前記被検査光学系の瞳上にほぼ均一に拡がる光を発生させるパターンと、該パターンに対して照明する照明光学系と、前記被測定光学系の瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、該リレーレンズで作られた前記被測定光学系の瞳面と共役位置に主平面を配置し、前記被測定光学系の像面に形成された前記パターンの一次像からの光を波面分割して前記パターンの二次像を多数形成するレンズアレイと、該レンズアレイにより多数形成されたパターンの二次像を撮像する撮像素子とを備えたことを特徴とし、これにより、レンズアレイによる波面分割が瞳面と１対１に対応させることができ、波面収差測定を正確に行うことが可能となる。
【００１８】
また、本発明は、レチクルステージ上に載置されたレチクルの回路パターンを照明する照明光学系と、該照明光学系で照明されたレチクルの回路パターンを基板ステージ上に載置された被露光基板上に投影露光する投影光学系とを備えた露光装置において、前記レチクルステージ上に、前記投影光学系の瞳上にほぼ均一に拡がる光を発生させるパターンを設け、前記投影光学系の瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、該リレーレンズで作られた前記投影光学系の瞳面と共役位置に主平面を配置し、前記投影光学系の像面に形成された前記パターンの一次像からの光を波面分割して前記パターンの二次像を多数形成するレンズアレイと、該レンズアレイにより多数形成されたパターンの二次像を撮像して多数のパターン信号を出力する撮像素子と、該撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に前記投影光学系の波面収差を算出する処理手段とを備えて構成した波面収差測定装置を設けたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、前記波面収差測定装置において、前記被測定光学系において波面収差がない場合に得られる光線と波面収差がある場合に得られる光線とが、前記レンズアレイの各レンズ要素の中心を通るように構成したことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、前記波面収差測定装置において、前記撮像素子は、前記レンズアレイの焦点位置に配置することを特徴とする。これにより、前記撮像素子上で撮像される集光スポットのコントラストが向上するため、高精度なスポット位置計測が行えるため、高精度に波面収差を求めることができる。
【００２１】
また、本発明は、前記波面収差測定装置において、前記投影光学系の像面と前記リレーレンズの主平面との間の距離は前記リレーレンズの焦点距離であることを特徴とする。これにより、波面収差がない場合、前記リレーレンズ出射後の光が平行光となり、前記レンズアレイに垂直に入射、撮像素子上の集光スポット位置が等間隔となる。この結果、スポット位置ずれの基準位置を等間隔と仮定することができるので、波面収差算出の演算を簡略化することができる。
【００２２】
また、本発明は、前記波面収差測定装置において、前記リレーレンズの入射側に制限フィルタ（例えばアパーチャ）を備えたことを特徴とする。また、本発明は、前記照明光学系において、少なくとも波面収差測定時に前記パターンに照明光を集光する集光光学系を備えたことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明は、前記波面収差測定装置の処理手段は、予め第１の状態において前記撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に計測される第１のパターン位置群（Ｘ０，Ｙ０）に応じて前記リレーレンズ及び前記レンズアレイに起因する誤差成分群（ａｘ，ａｙ）を算出し、第２の状態において前記撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に計測される第２のパターン位置群（Ｘ，Ｙ）から前記算出した誤差成分群（ａｘ，ａｙ）を除去して第２のパターンのずれ量群（ΔＸ，ΔＹ）を算出し、該算出した第２のパターンのずれ量群（ΔＸ，ΔＹ）を基に第２の状態における前記投影光学系の波面収差Ｗを算出するよう構成したことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明は、前記処理手段において、前記リレーレンズ及び前記レンズアレイに起因する誤差成分群（ａｘ，ａｙ）を算出する際、別な手段によって第１の状態における前記投影光学系の波面収差Ｗ０を計測し、該計測された波面収差Ｗ０を基に第１のパターンのずれ量群（ΔＸ０，ΔＹ０）を算出し、前記計測された第１のパターン位置群（Ｘ０，Ｙ０）から前記算出された第１のパターンのずれ量群（ΔＸ０，ΔＹ０）を減算することによって前記誤差成分群（ａｘ，ａｙ）を算出するように構成したことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明は、前記露光装置と、該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第２の状態における投影光学系の波面収差Ｗに応じて、第２の状態で第１の回路パターンおよび第１の合わせマークの上に第２の回路パターンおよび第２の合わせマークを露光する際の第１の回路パターン対する第２の回路パターン転写像の位置ずれ量と第１の合わせマークに対する第２の合わせマーク転写像の位置ずれ量との関係を算出し、合わせ検査装置で実測される第１の合わせマークに対する第２の合わせマーク転写像の位置ずれ量に応じて前記算出された回路パターン転写像の位置ずれと合わせマーク転写像の位置ずれとの関係を補正して実際の回路パターンの転写像の位置ずれ補正値を予測し、該予測された実際の回路パターンの転写像の位置補正値を前記露光装置にフィードバックする計算手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システムおよびその方法である。
【００２６】
また、本発明は、前記露光装置と、該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第２の状態における投影光学系の波面収差Ｗに応じて、フォーカス値と露光量を変化させて製品回路パターンの転写像の光強度分布を算出し、該算出された製品回路パターンの転写像の光強度分布を基に製品回路パターン寸法を算出し、これらフォーカス値、露光量および製品回路パターン寸法の関係から最適露光量および最適フォーカス値を算出する計算手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システムおよびその方法である。
【００２７】
また、本発明は、前記露光装置と、該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第２の状態における投影光学系の波面収差Ｗに応じて、第２の状態における投影光学系で露光される回路パターンの転写像を算出し、該算出された回路パターンの転写像に基いてレチクル上の回路パターンの光学特性を設計する計算手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システムおよびその方法である。
【００２８】
以上、本発明の新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る露光装置並びに半導体装置設計製造システム及びその方法の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００３０】
近年、半導体デバイスは、例えば、０．１μｍ以下の超微細なパターンになってきており、それに伴って露光において狭マージン化するため、僅かな露光レンズ（縮小投影光学系）の波面収差の経時変化も問題となり、それを頻繁に日単位とか、週単位で算出することが要求されてきている。そして、算出された露光レンズの波面収差に基づいて、露光量とフォーカスとの関係からなる露光条件の最適化、レチクルに形成された回路パターン（ＯＰＣ）の最適化、収差起因歪みによるＭｉｘ　＆　Ｍａｔｃｈ補正、および回路パターンと合わせマークとの間の位置ずれ補正をすることにより、狭マージン化、即ち高精度化に対応することが可能となる。
【００３１】
そこで、まず、本発明に係る露光装置の一実施例について、図１を用いて説明する。
【００３２】
本発明に係る露光装置は、例えば、エキシマレーザ光等の露光光を出射する光源と、該光源から出射されたほぼ平行光の光束を整形する整形光学系と、該整形光学系で整形された光束の可干渉性を低減する可干渉性低減光学系と、該可干渉性低減光学系からの光束から多数の光源を形成する第１のフライアイレンズと、該第１のフライアイレンズからの多数の光源を偏向させる偏向器と、該偏向器で偏向された多数の光源を重畳的に照明するリレー光学系と、該リレー光学系で重畳的に照明された多数の光源を後側焦点面に多数の二次光源を形成する第２のフライアイレンズ（図示せず）と、該第２のフライアイレンズで形成された多数の二次光源を制限する開口絞りと、該開口絞りを通して得られる多数の二次光源を下側面に所定の回路パターンが形成されたレチクル上に重畳的に均一に照明するコンデンサー光学系とを有する照明光学系（図示せず）を設け、ウエハ３を載置するウエハホルダ３４を設けた基板ステージ（Ｘステージ３１、Ｙステージ３２およびＺステージ３３等から構成される。）を設け、レチクルを載置するレチクルステージを設け、レチクルのパターン（回路パターン）を被露光基板であるウエハ３上に縮小投影露光する露光レンズ（縮小投影光学系）２を設け、更にウエハ３の表面を露光レンズ２の結像面に自動合焦点制御する合焦点制御系を設けて構成される。なお、本発明において、照明光学系は、上記構成に限定されるものではない。また、本発明に係る露光レンズ２は、基本構成として、第１エレメントレンズ２１、瞳２３および第２エレメントレンズ２２を有して構成される。
【００３３】
ところで、例えば、可干渉低減光学系からの光束は、第１のフライアイレンズを介してその後側焦点面に多数の光源を形成する。これら多数の光源からの光は、偏向器で偏向された後、リレー光学系を介して第２のフライアイレンズを重畳的に照明し、該第２のフライアイレンズの後側焦点面に、多数の二次光源が形成される。この二次光源からの光束は、その近傍に配置された開口絞りにより制限された後、コンデンサー光学系を介してレチクル（マスク）を重畳的に均一に照明する。
【００３４】
レチクルのパターン（回路パターン）を透過した光束は、露光レンズ（縮小投影光学系）（被測定光学系）２を通して被露光基板であるウエハ３上にパターン（回路パターン）の像を形成して縮小投影露光される。レチクル（マスク）は、レチクルホルダを介して、レチクルステージに載置される。なお、レチクルステージは、主制御系からの指令に基き、レチクルステージ制御部によって駆動される。
【００３５】
一方、ウエハ３は、基板ステージ（Ｘステージ３１、Ｙステージ３２およびＺステージ３３等から構成される。）上のウエハホルダ３４に載置されている。基板ステージ（ウエハステージ）３１〜３３は、主制御部からの指令に基づき、ウエハステージ制御部によって駆動される。このとき、ウエハステージの移動は、例えばレーザ測長器によって測定される。このように、ウエハステージ３１〜３３は、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向の移動機能、Ｚ軸、Ｘ軸及びＹ軸周りの回転若しくはチルト機能を有し、ウエハステージ制御部によりナノオーダで位置制御される。更に、ウエハ３の表面は、合焦点制御系によって露光レンズ２の結像面３００に自動合焦点制御される。
【００３６】
本発明に係る波面収差測定装置４は、例えば、ウエハステージ３１〜３３上に設けられことになる。上記波面収差測定装置４は、光線９０３をコリメートするリレーレンズ４１と、該リレーレンズ４１でコリメートされた光線９０４を撮像素子４３上に集光するレンズアレイ４２と、レンズアレイの各々で集光された光線９０４１及び９０４２の位置を撮像して信号に変換する撮像素子４３とを備え、露光レンズ２の瞳面２３と上記レンズアレイ４２の主平面とがリレーレンズ４１を介して共役になるように構成される。このように、露光レンズ（縮小投影光学系）２の瞳面２３と上記レンズアレイ４２の主平面とがリレーレンズ４１を介して共役になるように構成すると、撮像素子４３上における無収差時からのスポット位置のずれ（ΔＸ，ΔＹ）は、収差量（レンズアレイに対応する瞳２３上の波面収差の一次微分）（∂Ｗ（ξ、η）／∂ξ，∂Ｗ（ξ、η）／∂η）に比例することになり、収差量を簡単に算出することが可能となる。
【００３７】
即ち、計測用レチクル（評価用レチクル）１をレチクルステージに搭載し、上記照明光学系で計測用レチクル１を照明すると、計測用レチクル１上のピンホール１１０を通過した光９０１は、露光レンズ２の第１エレメントレンズ２１で平行光９０２となり、第２エレメントレンズ２２を介して、ウエハ３上面と同一高さの結像点Ａで、集光される。この後、光線９０３は波面収差測定器４に入射し、リレーレンズ４１でコリメートされた光線９０４はレンズアレイ４２によって、撮像素子４３上で集光される。
【００３８】
ここで、露光レンズ（縮小投影光学系）（被測定光学系）２に波面収差２０１が存在する場合を考える。波面収差２０１は露光レンズ２の瞳２３上の位相分布を表し、傾きの大きさに比例した量だけ入射した光線が曲げられる。例えば、露光レンズ２において、波面収差２０１が無い場合には、第１エレメントレンズ２１を出射した光線９０２０は光線９０２１のように直進するが、波面収差２０１がある場合には、第１エレメントレンズ２１を出射した光線９０２０は上記波面収差２０１の局所的傾きに比例して光線９０２２のように曲げられる。この結果、波面収差２０１が無い場合には、第２エレメントレンズ２２を出射した光線は光線９０３１のように進み、リレーレンズ４１とレンズアレイ４２により、光線９０４１の位置で撮像素子４３上で検出されるが、波面収差２０１がある場合には、第２エレメントレンズ２２を出射した光線は光線９０３２のように進み、撮像素子４１上において光線９０４２の位置で検出される。
【００３９】
次に、計測用レチクル１、露光レンズ２および波面収差測定器４等の光学的な配置を図２を用いて説明する。一般的な露光装置の場合、計測用レチクル１上のピンホール１１０と第１エレメントレンズ２１の距離を第１エレメントレンズ２１の焦点距離ｆ１、第１エレメントレンズ２１と瞳２３の距離をｆ１、瞳２３と第２エレメントレンズ２２の距離を第２エレメントレンズ２２の焦点距離ｆ２、第２エレメントレンズ２２とウエハ３上面である結像面３００の距離をｆ２として配置されている。この結果、ピンホール１１０と結像面３００は共役の関係となり、倍率はｆ２／ｆ１で表される。この時、波面収差２０１が無い場合には、瞳２３の中心を通る光線９０１０は、計測用レチクル１にも結像面３００にも垂直になるので、物体側、像側の両側でテレセントリックとなる。この配置の長所は、計測用レチクル１やウエハ３が上下方向にずれても、像位置がずれない、すなわち結像倍率が変わらないという点である。但し、波面収差２０１が存在する場合には、光線９０１０が結像面３００に対して垂直でなくなるため、結像倍率も変化する。
【００４０】
次に、本発明に係る波面収差測定器４の光学的配置について説明する。リレーレンズ４１は結像面３００とリレーレンズ４１の焦点距離ｆ３だけ離れた位置にあり、レンズアレイ４２も、リレーレンズ４１からｆ３の位置に置かれる。撮像素子４３はレンズアレイ４２からレンズアレイ４２の焦点距離ｆ４の位置に配置される。この結果、瞳２３とレンズアレイ４２は共役関係となり、倍率はｆ３／ｆ２となる。これにより（瞳２３とレンズアレイ４２とをリレーレンズ４１を介して共役関係となるように配置することにより）、波面収差２０１が無い場合の光線９０２１と、ある場合の光線９０２２が、レンズアレイ４２の各レンズ要素の中心を通るため、それぞれの光線がレンズアレイ４２で光路を曲げられることなく撮像素子４３に入射する。従って、撮像素子４３上での位置の差（ΔＸ，ΔＹ）は、波面収差２０１の局所的な傾きを表すことになる。波面収差２０１によって、瞳２３上で生じる角度αとレンズアレイ４２上で生じる角度βの関係は、次の（１）式で示すようになる。
【００４１】
β＝（ｆ２／ｆ３）α　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
更に、露光レンズ２の波面収差Ｗ（ξ，η）は上記角度αに比例することから、波面収差Ｗ（ξ，η）と位置の差（ΔＸ，ΔＹ）の関係は、例えば、‘Ｌａｓｅｒ　Ｒａｙ−Ｔｒａｃｉｎｇ　ｖｅｒｓｕｓ　Ｈａｒｔｍａｎｎ−Ｓｈａｃｋ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｈｕｍａｎ　Ｅｙｅ、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ　Ａ，　Ｖｏｌ．１７，　２０００’記載より、次に示す（２）式および（３）式となる。
【００４２】
ΔＸ＝（（λ／２π）・（ｆ４／Ｒ）・（ｆ２／ｆ３））（∂Ｗ（ξ，η）／∂ξ）　・・・（２）
ΔＹ＝（（λ／２π）・（ｆ４／Ｒ）・（ｆ２／ｆ３））（∂Ｗ（ξ，η）／∂η）　・・・（３）
ここに、λは露光波長、Ｒは瞳２３の半径、（ξ，η）は瞳上の座標であり、Ｒによってノーマライズされている。従って、（２）式、（３）式より偏微分の項を積分または級数展開することにより波面収差Ｗ（ξ，η）を求めることができる。
【００４３】
即ち、上記係数（（λ／２π）・（ｆ４／Ｒ）・（ｆ２／ｆ３））が定数であるため、波面収差Ｗ（ξ，η）は、撮像素子４３上でのスポット位置のずれ量（ΔＸ，ΔＹ）から容易に算出することが可能となる。また、逆に、リレーレンズ４１およびレンズアレイ４２に起因するスポット位置ずれ量（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））を算出する際において、干渉計等（別手段）を用いて計測される露光レンズ２の初期状態の波面収差Ｗ０（ξ，η）を基に、撮像素子４３上でのスポット位置のずれ量（ΔＸ，ΔＹ）を算出する際も容易となる。
【００４４】
次に、撮像素子４３の画像４３１を図３により説明する。撮像素子４３はレンズアレイ４２の焦点上にあるので、各光線は撮像素子４３上で集光されスポット状になる。ここで、スポットサイズと画素サイズに関して検討する。まず、露光レンズ２内のエレメントレンズ２１、２２の焦点距離をそれぞれｆ１＝４００ｍｍ、ｆ２＝１００ｍｍ、露光レンズ２のウエハ３側の開口数をＮＡ＝０．８、リレーレンズ４１の焦点距離をｆ３＝５ｍｍとする。リレーレンズ４１は露光レンズ２より大きな開口数をもつ必要があるため、実際には図１のような単レンズではなく、顕微鏡の対物レンズのような複数レンズからなるレンズである。露光レンズ２の瞳２３の半径Ｒは、次に示す（４）式により、Ｒ＝１００＊０．８＝８０ｍｍとなる。
【００４５】
Ｒ＝ｆ２・ＮＡ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（４）
スポットの数はレンズアレイ４２のエレメントレンズの数となるので、瞳２１の像を４０分割するとレンズアレイ４２のピッチは８／４０＝０．２ｍｍ。この結果、レンズアレイ４２のエレメントレンズ４２０の半径を０．１ｍｍ、焦点距離ｆ４＝１０ｍｍとすると、エレメントレンズ４２０の開口数はＮＡｅ＝０．１／１０＝０．０１となる。スポットサイズｄは、次に示す解像力の（５）式より、ｄ＝１．２２＊０．２４８／０．０１＝３０μｍとなる。ここにおいて、露光波長λ＝０．２４８μｍとした。
【００４６】
ｄ＝１．２２・（λ／ＮＡｅ）　　　　　　　　　　　　　　　・・・（５）
一方、撮像素子４３を対角で１／３インチ、水平および垂直方向とも１０００画素とすると、１画素の大きさｐは１／３／√２／１０００＝６μｍとなる。この結果、１つのスポットに対する画素数は、３０／６＝５画素となり、スポット位置計測には十分である。スポット位置は、一般的な画像処理を用いてスポットの重心位置（Ｘ（ｉ，ｊ），Ｙ（ｉ，ｊ））を求めることができる。この処理は図１において、制御・処理系８が撮像素子４３で取得した画像４３１に対して行う。
【００４７】
ここで、制御・処理系８の処理フローについて図４および図５を用いて説明する。まず、波面収差測定器４の撮像素子４３で取得した画像４３１を基に測定されるスポットの位置ずれ量には、計測系のリレーレンズ４１およびレンズアレイ４２に起因するスポットシフト量（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））が含まれることになる。そのため、予め、計測系のリレーレンズ４１およびレンズアレイ４２に起因するスポットシフト量（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））を求めておく必要がある。
【００４８】
そこで、予め（第１の状態で）、スポットシフト量（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））を求める方法について図４を用いて説明する。まず、制御・処理系８は、ステップ８０１において、初期状態（第１の状態）における露光レンズ２のスポット位置（Ｘ０（ｉ，ｊ），Ｙ０（ｉ，ｊ））の計測を、初期状態で撮像素子４３で取得した画像４３１を基に上述した画像処理により行う。ステップ８０２では、装置上での計測ではない、本実施例とは別の手段、例えば、ＵＳＰＮｏ．５，８２８，４５５に開示されているような手段（干渉計など）により、初期状態（第１の状態）における露光レンズ２の波面収差Ｗ（ξ、η）を計測する。次に、ステップ８０３において、入力された初期状態における露光レンズ２の波面収差Ｗ０（ξ、η）の計測値と上記比例係数（（λ／２π）・（ｆ４／Ｒ）・（ｆ２／ｆ３））とに基づいて、上記（２）式、（３）式により、初期状態（第１の状態）におけるスポットシフト（ΔＸ０（ｉ，ｊ），ΔＹ０（ｉ，ｊ））を算出する。最後に、ステップ８０１およびステップ８０３の結果を用いて、ステップ８０４により、リレーレンズ４１およびレンズアレイ４２に起因するスポットシフト位置（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））を、次に示す（６）式、（７）式から算出する。
【００４９】
ａｘ（ｉ，ｊ）＝Ｘ０（ｉ，ｊ）−ΔＸ０（ｉ，ｊ）　　　　　　　　　　　　・・・（６）
ａｙ（ｉ，ｊ）＝Ｙ０（ｉ，ｊ）−ΔＹ０（ｉ，ｊ）　　　　　　　　　　　　・・・（７）
上記算出されたスポットシフト位置（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））は、露光レンズ２が無収差である場合における波面収差測定器４で測定されるスポット位置を示し、この処理により露光レンズ２の波面収差２を測定する準備が完了することになる。
【００５０】
ところで、当然、制御・処理系８は、初期状態における露光レンズ２の波面収差Ｗ（ξ、η）の計測値を入力し、上記比例係数（（λ／２π）・（ｆ４／Ｒ）・（ｆ２／ｆ３））を入力して記憶しておけば、初期状態におけるスポットシフト（ΔＸ０（ｉ，ｊ），ΔＹ０（ｉ，ｊ））を算出することが可能となる。その結果、制御・処理系８は、上記スポットシフト位置（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））も、上記（６）式および（７）式に基づいて算出することが可能となる。なお、初期状態におけるスポットシフト（ΔＸ０（ｉ，ｊ），ΔＹ０（ｉ，ｊ））の算出は、別の処理系で算出して制御・処理系８に入力してもよい。また、スポットシフト位置（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））の算出も、別の処理系で算出して制御・処理系８に入力してもよい。
【００５１】
次に、露光レンズ２の波面収差の経時変化を算出する方法について図５を用いて説明する。例えば、０．１μｍ以下の超微細なパターンに伴って狭マージン化するため、僅かな露光レンズ２の波面収差の経時変化も問題となり、それを頻繁に（例えば日単位とか、週単位で）算出する必要がある。そこで、制御・処理系８が、予め求めて記憶しておいたリレーレンズ４１およびレンズアレイ４２に起因するスポットシフト位置（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））を用いて、露光レンズ２の波面収差を算出するフローについて、図５を用いて説明する。露光レンズ２の波面収差を算出する必要が生じた際、まず、ステップ８０５において、計測用レチクル１をレチクルステージに設置し、ウエハステージを移動させて波面収差測定器４を所定の位置に位置付け、制御・処理系８は、波面収差測定器４の撮像素子４３で取得した画像４３１を基にスポット位置（Ｘ（ｉ，ｊ），Ｙ（ｉ，ｊ））を計測する。次に、制御・処理系８は、ステップ８０６において、次の（８）式および（９）式によりリレーレンズ４１およびレンズアレイ４２起因のシフトを補正した、露光レンズ２のみに起因するシフト量（ΔＸ（ｉ，ｊ），ΔＹ（ｉ，ｊ））を算出する。
【００５２】
ΔＸ（ｉ，ｊ）＝Ｘ（ｉ，ｊ）−ａｘ（ｉ，ｊ）　　　　　　　　　　　　　　　・・・（８）
ΔＹ（ｉ，ｊ）＝Ｙ（ｉ，ｊ）−ａｙ（ｉ，ｊ）　　　　　　　　　　　　　　　・・・（９）
次に、制御・処理系８は、上記比例係数（（λ／２π）・（ｆ４／Ｒ）・（ｆ２／ｆ３））が入力されて記憶されているので、ステップ８０７において、算出されたシフト量（ΔＸ（ｉ，ｊ），ΔＹ（ｉ，ｊ））を用いて、上記（２）式および（３）式より露光レンズ２の波面収差Ｗ（ξ、η）を算出する。以上の処理によって、計測系の収差を含まない、露光レンズ２のみの波面収差を正確に算出することが可能となる。
【００５３】
ところで、露光レンズ２の波面収差２０１は、計測用レチクル１上のピンホール１１０の位置によって、変化する。従って、露光レンズ２の波面収差は複数のピンホール１１１、１１２でも測定する必要がある。この時、隣接するピンホールの光が波面収差測定器４に入射すると、スポット位置算出時に誤差が発生し得る。そこで、波面収差測定器４の入射口にもアパーチャ４０を設ける。図６にアパーチャ４０を示す。制限フィルタ（例えばアパーチャ）４０の半径ｒｐは、デフォーカス許容量Δｚを１μｍとすると、ｒｐ＝Δｚ＊ＮＡ＝１＊０．８＝０．８μｍとなる。制御・処理系８は、計測用レチクル１上のピンホール１１０、１１１、１１２他の結像位置に波面収差測定器４が来るよう、Ｘステージ３２およびＹステージ３３を制御し、露光レンズ２と波面収差測定器４の距離が一定となるようＺステージ３１を制御する。
【００５４】
一方、計測用レチクル１上のピンホール１１０を通過した光を用いて計測するため、撮像素子４３が十分なＳＮで検出できるだけの時間をかけ、光量を稼ぐ必要がある。これは波面収差測定のスループットに繋がる。これを解決するため、計測用レチクル１のピンホール１１０の上方に集光レンズ１２０を設ける。これを図７に示す。集光レンズ１２０の半径ｒｃは、集光レンズ１２０の焦点距離ｆｃと露光レンズ２の開口率ＮＡおよび、縮小率Ｍ＝ｆ２／ｆ１＝０．２５を用いると、次の（１０）式となる。
【００５５】
ｒｃ＝ｆｃ・ＮＡ・Ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１０）
ｆｃ＝５ｍｍとすると、ｒｃ＝５＊０．８＊０．２５＝１ｍｍとなる。集光レンズ１２０は計測用レチクル１の各ピンホール上に焦点距離ｆｃだけ離れた位置に設置される。しかし、実際露光するときには、集光レンズ１２が計測用レチクル１と一緒に退避されることになる。勿論、集光レンズ１２は、計測用レチクル１と別に退避されてもよい。
【００５６】
次に、本発明に係る波面収差測定装置を用いて、回路パターンと合わせパターンの位置ずれを補正する方法について、図８を参照して説明する。この波面収差測定装置は、例えば、図１、図６又は図７に示す露光装置の制御・処理系８に接続される上位コンピュータ（制御部）７１又は７２（勿論ホストコンピュータ６でもよい。）によって構成される。まず、第１の露光工程で露光装置を用いて露光・現像して形成された第１の回路パターン（下層回路パターン）の上に第２の露光工程によって露光装置を用いて第２の回路パターン（上層回路パターン）を重ね合わせて露光しようとする場合である。
【００５７】
まず、上位コンピュータ７１又は７２は、ステップ８１０１において、第１の露光工程における製品レチクル上の第１の回路パターンの寸法データを製造ライン管理システム（図示せず）から例えばネットワークを介して読み込む。次に、上位コンピュータは、ステップ８１０２において、第１の工程（露光工程）における製品レチクルの合わせマーク寸法を製造ライン管理システム（ホストコンピュータ）６から例えばネットワークを介して読み込む。上記寸法には回路パターンおよび合わせマークの幅とピッチを含む。さらに、上位コンピュータ７１又は７２は、ステップ８１０３において、第１の工程における露光装置の照明条件を製造ライン管理システムまたは第１の工程の露光装置の制御・処理系８から例えばバス若しくはネットワークを介して読み込む。照明条件の例および定義方法については後述する。また、上位コンピュータは、ステップ８１０４において、第１の工程の露光装置における上記第１の回路パターン部像高の波面収差データを第１の工程の露光装置の制御・処理系８から例えばバス若しくはネットワークを介して読み込む。波面収差データの測定方法は後述する。次に、上位コンピュータは、ステップ８１０５において、第１の工程の露光装置における上記合わせマーク部像高の波面収差データを第１の工程の露光装置の制御・処理系８から例えばバス若しくはネットワークを介して読み込む。当然、第１の工程の露光装置の制御・処理系８からは、第１の工程における第１の回路パターン部像高の波面収差データと合わせマーク部像高の波面収差データとが波面収差測定器４で測定されて得られるものとする。次に、上位コンピュータ７１又は７２は、ステップ８１０６において、読み込まれた第１の工程における回路パターン寸法、合わせマーク寸法、照明条件（瞳上照度分布も含む）、回路パターン部像高の波面収差および合わせマーク部像高の波面収差に基づいて、回路パターンと合わせマークの転写像の算出を行う。転写像の算出方法は後述する。
【００５８】
また、上位コンピュータ７１又は７２は、ステップ８２０１から８２０５で、第１の工程に対するステップ８１０１から８１０５と同様に、第２の工程における第２の回路パターン寸法、合わせマーク寸法、照明条件（瞳上照度分布も含む）、回路パターン部像高の波面収差および合わせマーク部像高の波面収差を製造ライン管理システムまたは第２の工程の露光装置の制御・処理系８から例えばバス若しくはネットワークを介して読み込む。当然、第２の工程の露光装置の制御・処理系８からは、第２の工程における第２の回路パターン部像高の波面収差データと合わせマーク部像高の波面収差データとが波面収差測定器４で測定されて得られるものとする。次に、上位コンピュータ７１又は７２は、ステップ８２０６において、読み込まれた第２の工程における回路パターン寸法、合わせマーク寸法、照明条件、回路パターン部像高の波面収差および合わせマーク部像高の波面収差に基づいて、回路パターンと合わせマークの転写像の算出を行う。
【００５９】
次に、上位コンピュータ７１は、ステップ８３０１において、算出された第１の工程と第２の工程との間の回路パターン転写像の位置ずれと、第１の工程と第２の工程との間の合わせマークの位置ずれを算出する。位置ずれ算出方法については後述する。さらに、上位コンピュータ７１は、ステップ８３０２で、回路パターン転写像位置ずれと合わせマーク転写像位置ずれの関係を求める。次に、上位コンピュータ７１は、ステップ８３０３で、第２の工程における試し露光または前回の露光によって、図１６（ｂ）に示す如く、第１の合わせマークの上に第２の合わせマークが重ねて形成されたウエハに対して合わせ検査装置２０で実測された第１の合わせマークと第２の合わせマークとの位置ずれ（Δξ，Δη）が入力され、該入力された合わせマークの位置ずれ量（Δξ，Δη）から、上記回路パターン転写像位置ずれと合わせマーク転写像位置ずれの関係によって、図１６（ａ）に示す如く、実際の回路パターンの位置ずれ量（ΔＥｘ，ΔＥｙ）を予測し、該予測される実際の回路パターンの位置ずれ量を例えばネットワークを介して第２の工程の露光装置に送信し（フィードバックし）、第２の工程の露光装置は、ステップ８３０４で、フィードバックされた予測される実際の回路パターンの位置ずれ量に応じた補正量（オフセット量）（Ｃｘ，Ｃｙ）で補正して正式の露光または次回の露光が行われることになる。
なお、図８に示す読み込み、算出、予測については、上位コンピュータ７１ではなく、第２の工程の露光装置の制御・処理系８で行ってもよい。
【００６０】
ここで、図９により転写像の計算方法について説明する。まず、対象となる回路パターンのウエハ３への転写像の計算を行うためには、照明条件（瞳上照度分布も含む）２０００、製品レチクル１０上の回路パターン１０１および露光レンズ２の波面収差２０１のデータが必要となる。波面収差２０１は、上述の波面収差測定器４によって測定される。これらのデータを用いた像計算の方法については、例えば、‘Ｙ．Ｙｏｓｈｉｔａｋｅ　ｅｔ　ａｌ，　ＳＰＩＥ　Ｖｏｌ．１４６３，　１９９１，　ｐｐ６７８−６７９’に開示されている。
【００６１】
ここで、図１０を用いて、照明条件２０００の具体例について説明する。図１０（ａ）は一般的な照明であり、パラメータとしては照明光源像２０１０の直径Ｄ１および露光レンズ２の絞り２３の像２３’の直径Ｄｅｐで表すことができる。図１０（ｂ）は、回路パターン１０１として白黒情報以外に位相情報をもつ場合、いわゆる位相シフトレチクルを用いる場合に使われる照明条件であり、Ｄｅｐに対する照明光源像の直径Ｄ２の比が図１０（ａ）に比べて小さい。図１０（ｃ）は輪帯照明と呼ばれるもので、照明光源像２０３０の外径Ｄ４および内径Ｄ３とＤｅｐで表すことができる。なお、図１０の照明光源像は、理想状態を示すものであるが、実際の光源像には光量の不均一な分布がある。実際の光源像を、例えば、‘Ｊ．Ｐ．Ｋｉｒｋ　ａｎｄ　Ｃ．Ｊ．Ｐｒｏｇｌｅｒ，　ＳＰＩＥ　Ｖｏｌ．３３３４，　１９９８，　ｐｐ２８１−２８８’に開示されている方法で実測し、これを実際の照明光源像のデータとして用いれば、転写像の計算精度はさらに向上する。
【００６２】
次に、図９の回路パターン１０１の具体例を図１１により説明する。まず、図１１（ａ）は第１の工程のライン＆スペースパターンであり、透明部１０１１と遮光部１０１２で構成される。ライン＆スペースパターンのパラメータとしては、遮光部１０１２であるラインの幅Ｌ１とライン＆スペースのピッチＰ１で表すことができる。また、図１１（ｂ）は第２の工程におけるホールパターンの例であり、遮光部１０１４と開口部１０１３で構成される。ｘ方向の開口幅Ｓｘ、ピッチＰｘ、ｙ方向の開口幅Ｓｙ、ピッチＰｙとして表すことができる。
【００６３】
ここで、パターンの座標で波面収差２０１が異なる理由を図１２を用いて説明する。図１２（ａ）のレチクル１１の点１９１ａから出た光９００１ａは露光レンズ２を介してウエハ３に結像される。点１９１ａはレンズ中心２００１からｈ１の座標位置にある。図１２（ｂ）のレチクル１１の点１９１ｂから出た光９００１ｂは露光レンズ２を介してウエハ３に結像される。点１９１ｂはレンズ中心２００１からｈ２の座標位置にある。光線９００１ａと光線９００１ｂでは露光レンズ２内のエレメントレンズ２１への入射角が異なるため、発生する波面収差２０１ａ、２０１ｂは異なったものになる。
【００６４】
次に、図１３に波面収差２０１の例を示す。波面収差Ｗ（ｘ，ｙ）２０１はｘ方向に非対称なコマ収差の例であり、３次元的なデータである。波面収差２０１は、本発明である、上述の波面収差測定器４によって測定される。
【００６５】
次に、図１４および図１５により、製品レチクル１０上での回路パターンと合わせマークの配置について説明する。図１４は第１の工程における製品レチクルの例である。図１５は第２の工程における製品レチクル上の回路パターン１００２と合わせマーク１０１２を示し、それぞれの中心座標は回路パターン１００１および合わせマーク１０１１と同じである。
【００６６】
ここで、図１６に、第１の工程と第２の工程における回路パターン１００１、１００２の位置ずれ（ΔＥｘ，ΔＥｙ）と、合わせマーク１０１１、１０１２の位置ずれ（Δξ，Δη）を示す。位置ずれ（（ΔＥｘ，ΔＥｙ）、（Δξ，Δη））は、上述の転写像シフト量を第１および第２の工程の回路パターンと合わせマークについて算出し、第１の工程と第２の工程の差分を取ることによって得られる。
【００６７】
次に、合わせマークと回路パターンの位置ずれの関係の求め方について説明する。Ｘ方向およびＹ方向について、次の（１１）式および（１２）式によってオフセット（εｘ，εｙ）を求める。
【００６８】
εｘ＝ΔＥｘ−Δξ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１１）
εｙ＝ΔＥｙ−Δη　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１２）
図１７にΔＥｘとΔξの関係を示す。第１の工程と第２の工程の合わせずれであるΔＥｘとΔξは、通常０．２μｍ以下と微小範囲なので波面収差は変化せず、位置ずれ関係はオフセットεｘだけで決まる。Ｙ方向に関してもＸ方向と同様である。
【００６９】
合わせ検査の結果を露光装置にフィードバックする場合の補正量算出法について図１８を用いて説明する。まず、過去の合わせ検査データ（Δξ，Δη）の平均値（Ａｘ，Ａｙ）を算出する。次の（１３）式および（１４）式により回路パターン位置ずれの補正量（Ｃｘ，Ｃｙ）を求める。
【００７０】
Ｃｘ＝Ａｘ＋εｘ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１３）
Ｃｙ＝Ａｙ＋εｙ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１４）
次回、第２の工程露光時の補正量としては（Ｃｘ，Ｃｙ）を露光装置にフィードバックする。
【００７１】
次に、本発明に係る露光レンズ２の波面収差２０１の別の利用法（露光量とフォーカスとの関係からなる露光条件の最適化）について述べる。新しい製品の着工時、または既に着工している製品を別の露光装置に展開する場合、回路パターンを規格内に抑えるための、露光量、フォーカス位置の条件出しを行う。これは、これらの最適条件が製品、露光装置によって異なるためである。通常は、露光量とフォーカスを変えながら回路パターンの転写を行い、これを電子線顕微鏡等で線幅測定することにより、最適な露光量とフォーカスを判断する。しかし、この作業は１工程行うのに約５時間要するため、生産性の隘路となっている。
【００７２】
上述の製品と露光装置の最適条件に対する影響は、製品レチクル上の回路パターンと露光装置の波面収差によっている。そこで、本発明に係る波面収差測定装置のデータと回路パターンの情報から、シミュレーションによる露光の最適条件の予測がこの課題の解決に有効となる。
【００７３】
ここで、図１９から図２２を参照して、露光装置等を接続する上位コンピュータ７２または露光装置の制御・処理系８が行う露光の最適条件の予測方法について述べる。まず、図１９および図２５に示すように、露光装置等を接続する上位コンピュータ７２または露光装置の制御・処理系８は、ステップ８８０１で照明条件を読み込んで照明条件記憶手段７１０２に記憶し、ステップ８８０２で製品回路パターン寸法を読み込んでレチクルデータ記憶手段７１０１に記憶し、ステップ８８０３で、製品回路パターンの座標に相当する波面収差を読み込んで波面収差データ記憶手段７１０４に記憶する。
【００７４】
次に、ステップ８８０４でフォーカス値Ｆを設定し、ステップ８８０５で、前述した方法により製品回路パターンの転写像の算出を行う。即ち、フォーカス値Ｆを変化させた際の製品回路パターンの転写像の光強度分布９９００の算出を行って瞳上照度分布記憶手段７１０３に記憶する。
【００７５】
次に、上位コンピュータ７２である最適露光量・フォーカス値算出手段７２２１は、次に説明することを実行する。即ち、ステップ８８０６により露光量Ｊを設定し、ステップ８８０７により製品回路パターンの寸法であるＣＤの算出を行う。即ち、露光量Ｊを変化させた際の製品回路パターンの寸法であるＣＤの算出を行う。ここで、ＣＤの算出方法を図２０を用いて説明する。ステップ８８０５で算出した転写像の光強度分布９９００に対し、設定された露光量Ｊに応じたしきい値Ｊｔｈを与えることにより、現像後の寸法、ＣＤを求める。
【００７６】
なお、転写像の光強度分布９９００から、例えば「Ｉｎｓｉｄｅ　ＰＲＯＬＩＴＨ，クリス　Ａ．マック著，１９９７　１２４−１３５頁」に記載のような現像シミュレーションを行い、現像後の断面プロファイルから現像後の寸法、ＣＤを求めても良い。
【００７７】
次に、ステップ８８０８により、所定の露光量変化、フォーカス変化の条件が終了したかをチェックし、露光量変化が終了してない場合は、ステップ８８０６へ、フォーカス変化が終了してない場合は、ステップ８８０４へ戻る。全ての条件が終了した場合は、ステップ８８０９により、ＣＤ、フォーカスＦ、露光量Ｅの関係をマッピングする。
【００７８】
マッピングの実施例を図２１に示す。ここに、横軸はフォーカスＦ、縦軸は寸法ＣＤであり、ＦとＣＤの関係を各露光量Ｅに関してプロットしている。ここに、ＣＬはＣＤの規格中心、ＣＬ＋１０％はＣＬに対して＋１０％のＣＤ、ＣＬ−１０％はＣＬに対して−１０％のＣＤを示す。ＣＬ＋１０％、およびＣＬ−１０％をよぎる線から、それぞれのＣＤを与える露光量ＥおよびフォーカスＦの関係がプロットできる。この様子を図２１に示す。図２２において、ＣＬ＋１０％およびＣＬ−１０％の線に囲まれた領域が、いわゆるプロセスウインドウである。
【００７９】
上位コンピュータ７２または露光装置の制御・処理系８は、ステップ８８１０において、図２２に示したプロセスウインドウを求め、ステップ８８１１でプロセスウインドウに内接する四角３０１を算出し、ステップ８８１２で四角１０１の中心１０２を求める。ステップ８８１３では、四角１０１の中心３０２を求め、最適露光量Ｊｏｐｔおよび最適フォーカス値Ｆｏｐｔを最適条件として算出して、最適露光量・フォーカス値記憶手段７１０５に記憶する。そして、露光装置２は、最適条件として算出された最適露光量Ｊｏｐｔおよび最適フォーカス値Ｆｏｐｔに基いて露光されることになる。
【００８０】
次に、本発明に係る露光レンズ２の波面収差２０１のさらに別の利用法（収差起因歪みによるＭｉｘ　＆　Ｍａｔｃｈ補正）について述べる。図１３のような非対称なコマ収差が存在する場合、連続するライン＆スペースの左端と右端のラインに線幅差（Ｌ１−Ｌ２）が生じる場合がある。この様子を図２３に示す。本発明の波面収差測定装置４で露光装置の波面収差データを蓄積しておくことにより、過去数回測定値の平均、または最新のデータを用いて、上述の方法によりパターン線幅を算出することができる。これにより、左端と右端の線幅差を予測することが可能で、この結果から製品レチクルの回路パターン描画時に、線幅差が無くなるようパターン幅を補正することができる。
【００８１】
次に、本発明に係る露光レンズ２の波面収差２０１のさらに別の利用法（レチクルに形成された回路パターン（ＯＰＣ）の最適化）について述べる。微細パターンの場合、転写像の設計寸法からのずれを修正するために、製品レチクル上のパターンに対してＯＰＣ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）が施されている。これはパターンのコーナーに微少な四角パターンを付加してコーナーの丸まりや、パターン長さの短小化を防ぐものである。ＯＰＣも波面収差の影響を受けるため、同様な方法で転写像を予測し、ＯＰＣパターンの大きさ、位置の補正をすることにより、露光装置に最適、かつ高精度なパターン補正が可能になる。
【００８２】
次に、本発明の実施例である図８に示す処理を実行する合わせずれ補正システムに関して、図２４を参照して説明する。
即ち、半導体装置は成膜装置５１によってウエハ３が成膜され、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）装置５２によって膜が平坦化された後、塗布現像装置５３により感光剤であるレジストが塗布される。次に露光装置２によって回路パターンがウエハ３上の感光剤に転写され、再び塗布現像装置５３によって感光剤の現像が行われた後、合わせ検査装置２０によって合わせ検査が行われる。次にエッチング装置５４によってエッチングが施された後、レジスト除去装置５５によってレジストが除去され、再び次の層の膜が成膜装置５１によって生成される。このようなプロセスを繰り返すことによって半導体装置（半導体デバイス）は製造される。
【００８３】
ホストコンピュータ（製造ライン管理システム）６には、ネットワーク６１を介して上述の製造装置２、２０、５１〜５５から被露光基板３の処理の来歴データが送られている。例えば、露光装置２からはウエハ３の品種、工程、ロット番号と処理に使われた号機、照明条件等のレシピデータ、製品レチクル名等が送信され、ホストコンピュータ６の来歴記憶部６０１に保存される。
【００８４】
本発明に係る合わせずれ補正システム（上位コンピュータ）７１では、まず、回路パターン、合わせマークの幅やピッチといった寸法や座標のデータは製品レチクル名と共に製品レチクルデータ記憶手段７１０１に登録される。手動かまたは図示しない別なコンピュータからデータを入力することができる。登録する回路パターンは、同一製品レチクル内で一番合わせ裕度の厳しい部分を選択することにより、歩留まりの維持、向上に結びつく補正量を設定することができる。また、露光時の照明条件はホストコンピュータ６の来歴記憶部６０１からデータを得、照明条件記憶手段７１０２に記憶する。また、露光装置２の露光レンズ瞳上照度分布の測定値は、手動かまたは図示しない別なコンピュータからデータを入力し、瞳上照度分布記憶手段７１０３に保存される。照明条件と瞳上照度分布が、回路パターンと合わせマークの転写像算出に必要な照明に関する入力データとなる。一方、波面収差データ記憶手段７１０４には、上述の波面収差測定装置により測定されて算出された波面収差データが、複数ある露光装置毎に、製品レチクル上の座標（ｉ，ｊ）毎に登録しおく。これらのデータが新規に登録されたタイミングで制御手段７１０は、位置ずれ量算出指示を位置ずれ量算出手段７１２１に対して行う。特に、波面収差データ記憶手段７１０４には、露光レンズ２の波面収差の経時変化が波面収差測定装置により測定されて記憶されることになるため、上位コンピュータ７１である位置ずれ量算出手段７１２１は、波面収差が測定する度に、回路パターン転写像位置ずれと合わせマーク転写像位置ずれの関係を求めて位置ずれ関係記憶手段７１０５などに記憶できることになる。
【００８５】
上位コンピュータ７１である位置ずれ量算出手段７１２１は、製品レチクルデータ記憶手段７１０１から回路パターンと合わせマークの寸法、座標データを、照明条件記憶手段７１０２と瞳上照度分布記憶手段７１０３から照明に関する入力データを、波面収差データ記憶手段７１０４から対象となる回路パターン、合わせマークの座標に相当する波面収差データを入手し、上述した方法により、露光レンズ２の波面収差の経時変化に伴って算出されて記憶された回路パターン転写像位置ずれと合わせマーク転写像位置ずれの関係を基に、第１の工程（下層を露光した工程）と第２の工程（今度露光しようとする工程）との間の回路パターンの位置ずれ量（ΔＥｘ，ΔＥｙ）と合わせマークの位置ずれ量（Δξ，Δη）を算出して位置ずれ関係記憶手段７１０５などに記憶する。次に、上位コンピュータ７１である位置ずれ関係算出手段７１２２は、算出した位置ずれ量から回路パターンと合わせマークの位置ずれ関係（例えば上記（１１）式および（１２）式で示すオフセット（εｘ，εｙ）の関係）を算出して、位置ずれ関係記憶手段７１０５等に登録する。ここまでの処理は、ウエハ３を着工する前に予め行われる。
【００８６】
次に、第１の工程で露光されたウエハ３の下層パターンの上に第２の工程において上層パターンが露光され、図１６（ｂ）に示すように合わせマークについて検査する合わせ検査装置２０から合わせ検査データ（Δξ，Δη）が制御手段７１０に送信された時の処理について説明する。まず、制御手段７１０は、ホストコンピュータ６に問い合わせを行い、来歴記憶部６０１に登録されている第１の工程および第２の工程における露光装置、製品レチクル、照明条件を得る。第１の工程と第２の工程の露光装置、照明条件、製品レチクルの来歴情報から、該当する位置ずれ関係を位置ずれ関係記憶手段７１０５から読み出す。尚、制御手段７１０は、合わせ検査装置２０で検査された合わせ検査データ（合わせ検査装置２０で実測された第１の合わせマークと第２の合わせマークとの位置ずれ（Δξ，Δη））を合わせ検査データ記憶手段７１６に登録する。補正量算出手段７１２３は、上述の位置ずれ関係（（ΔＥｘ，ΔＥｙ）と（Δξ，Δη）との間のオフセット（εｘ，εｙ）の関係）を用いて、例えば上記（１３）式および（１４）式に基いて補正量（Ｃｘ，Ｃｙ）を算出し、このデータを制御手段７１０がホストコンピュータ８に送信し、ホストコンピュータ６は次回露光時に露光装置２に、この補正量（Ｃｘ，Ｃｙ）を送信する。その結果、該露光装置２において、送信を受けた補正量に基いて補正されて次回の露光がなされることになる。ここで、補正量算出手段７１２３は、合わせ検査データ記憶手段７１０６に照会し、該当する過去のデータに対して、図１８に示したように、例えば平均値算出のような処理を施して求めても良い。このような処理によって、合わせ検査データのノイズ成分に影響されない高精度な補正量を算出することができる。
【００８７】
次に、本発明の別の実施例である、図１９に示す処理を実行する波面収差測定装置を用いた露光条件予測システム７２について、図２５を参照して説明する。
【００８８】
大部分は図２４の合わせずれ補正システム７１と同様であるが、露光条件予測システム７２である最露光量・フォーカス値算出手段７２２１は、ステップ８８０１〜８８０８において、レチクルデータ、照明条件、瞳上照度分布、波面収差を用いた転写像の線幅（ＣＤ）をフォーカスおよび露光量を変えながら求め、ステップ８８０９〜８８１３において、上記求められたＣＤとその時のフォーカスおよび露光量を基に図２２に示すプロセスウインドウを算出するなどして最適条件（製品回路パターンの露光量Ｊｏｐｔ、フォーカス最適値Ｆｏｐｔ）３０２を算出し、この算出された最適条件値を製品、工程、露光装置毎に保存する最適露光量・フォーカス値記憶手段７２０１を有する点が異なる。この値（最適露光量・フォーカス値）を、新製品の着工や露光装置の複数展開時の初期条件データとして制御手段７２０からホストコンピュータ６を経由して露光装置２へ送られる。その結果、該露光装置２において、送信を受けた最適露光量・フォーカス値に基いて次回の露光がなされることになる。
【００８９】
次に本発明の別の実施例である回路パターン設計システムを図２６により説明する。制御手段７３０が露光装置２で測定された瞳上照度分布および波面収差をそれぞれ瞳上照度分布記憶手段７１０３と波面収差データ記憶手段７１０４に保存しておき、ＣＡＤ端末７３１からの要求に伴い、瞳上照度分布と波面収差を読み出し、ＣＡＤ端末７３１で設定された回路パターンと照明条件を用いて、前述の方法により転写像の算出を行う。その結果をＣＡＴ端末７３１上に、回路パターンとともに表示する。このシステムによれば、露光装置２の特性に応じた最適なパターン修正が可能になるので、転写時に所望の回路パターンを得ることが可能になる。
【００９０】
以上、前述した実施の形態によれば、波面収差測定装置として、評価用レチクル１上のピンホール１１０とリレーレンズ４１とレンズアレイ（露光レンズの瞳と共役な位置に設置）４２、および撮像素子４３を組み合わせることにより、露光装置上で露光レンズの波面収差を、低コストで、全ての収差項目の測定が可能となる。
【００９１】
また、波面収差測定装置として、入射口にアパーチャ４０を、評価用レチクル１上に集光レンズ１２０を設けることにより、隣接ピンホールの影響を受けることなく、十分な光量で測定できるので、露光レンズの波面収差を高精度に測定することが可能となる。
【００９２】
また、前述した実施の形態によれば、波面収差測定装置で測定した波面収差データにより、回路パターンと合わせマーク位置ずれの差を考慮した、高精度な露光装置合わせずれ補正システムや、露光条件予測システム、さらには露光装置に応じた回路パターン設計システムを構築することができ、超微細な半導体装置を高歩留りで製造することができる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体露光装置上で、露光レンズの波面収差の経時変化を、高精度に測定することができる効果を奏する。
また、本発明によれば、半導体装置の超微細化に伴って狭マージン化したとしても、露光レンズ（縮小投影光学系）の僅かな波面収差の経時変化も考慮して高精度の露光を実現して超微細の半導体装置を高歩留りで製造できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る波面収差測定装置を備えた露光装置の一実施の形態を示す図。
【図２】本発明に係る波面収差測定装置の光学系の配置を説明するための図。
【図３】本発明に係る撮像素子上のスポットを説明するための図。
【図４】本発明に係る計測系起因のスポットシフト位置を求めるフローを説明するための図。
【図５】本発明に係る波面収差の求め方を説明するための図。
【図６】本発明に係る制限フィルタ（アパーチャ）を具備した波面収差測定装置を説明するための図。
【図７】本発明に係る集光レンズを具備した計測用レチクル（評価用レチクル）を説明するための図。
【図８】本発明に係る露光装置補正のフローを説明するための図。
【図９】本発明に係る転写像算出に必要なパラメータを説明するための図。
【図１０】本発明に係る照明条件を説明するための図。
【図１１】本発明に係る第１の工程と第２の工程の回路パターンを説明するための図。
【図１２】本発明に係るパターン位置による波面収差の違いを説明するための図。
【図１３】本発明に係る波面収差の例を示す図。
【図１４】本発明に係る第１の工程の回路パターンと合わせマークの配置を示す図。
【図１５】本発明に係る第２の工程の回路パターンと合わせマークの配置を示す図。
【図１６】本発明に係る第１と第２の工程の重ね合わせ後の回路パターンと合わせマークを示す図。
【図１７】本発明に係る合わせマークの位置ずれΔξと回路パターンの位置ずれΔＥｘの関係を示す図。
【図１８】本発明に係る合わせ検査データΔξの経時変化を示す図。
【図１９】本発明に係る最適露光量およびフォーカス値の算出フローを示す図。
【図２０】本発明に係る転写像の光強度分布を示す図。
【図２１】本発明に係るフォーカス値Ｆと線幅ＣＤおよび露光量Ｅの関係を示す図。
【図２２】本発明に係るプロセスウインドウを説明する図。
【図２３】本発明に係るライン＆スペース両端の寸法差を説明するための図。
【図２４】本発明に係る波面収差を用いた合わせずれ補正システムを説明するための図。
【図２５】本発明に係る波面収差を用いた露光条件予測システムを説明するための図。
【図２６】本発明に係る波面収差を用いた回路パターン設計システムを説明するための図。
【図２７】本発明に係るパターンの空間周波数による光路の違いと波面収差の関係を説明するための図。
【符号の説明】
１…計測用レチクル（評価用レチクル）、１１０、１１１、１１２…ピンホール（パターン）、１２０…集光レンズ、２…露光レンズ（投影光学系：被測定光学系）、２０…合わせ検査装置、２１…第１のエレメントレンズ、２…第２のエレメントレンズ、２３…瞳、２０１…波面収差、３…ウエハ（被露光基板）、３１…Ｚステージ、３２…Ｘステージ、３３…Ｙステージ、４…波面収差測定器、４０…制限フィルタ（アパーチャ）、４１…リレーレンズ、４２…レンズアレイ、４３…撮像素子、４３１…撮像した画像、５１…成膜装置、５２…ＣＭＰ装置、５３…塗布現像装置、５４…エッチング装置、５５…レジスト除去装置、６…ホストコンピュータ、７１…合わせずれ補正システム（上位コンピュータ）、７２…露光条件予測システム（上位コンピュータ）、７３…回路パターン設計システム、。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavefront aberration measuring apparatus, a semiconductor exposure apparatus, and a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a technique for measuring a wavefront aberration of an exposure lens on an exposure apparatus, a wavefront aberration measuring apparatus using the measured wavefront aberration, and an exposure method. The present invention relates to a device, a semiconductor device (semiconductor device) manufacturing system, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
The circuit pattern of a semiconductor device is generated by forming a film on a wafer, which is a substrate, applying a resist, which is a photosensitive agent, exposing the circuit pattern on the reticle to the resist, developing, and etching the film. You. By repeating this series of steps for each layer, a semiconductor device having a multilayer circuit pattern is manufactured. At this time, if there is a displacement of the circuit pattern at the time of exposure with respect to the underlying layer pattern, the circuit is disconnected or short-circuited, resulting in a semiconductor device failure. For this reason, a method of automatically measuring the relative positional deviation between the alignment mark formed of the resist and the alignment mark of the base layer after exposure and development with an optical microscope and feeding back the amount of the deviation to the exposure apparatus at the next exposure to correct it. Has been taken. Usually, the alignment mark is provided in an area of the end of the exposure area where there is no circuit pattern. The alignment mark is formed with a line width of 2 to 4 μm, which is larger than the circuit line width so that the alignment mark can be resolved by an optical detection method.
[0003]
By the way, if the lens of the exposure apparatus has a wavefront aberration, a difference occurs between the circuit pattern and the alignment mark. The wavefront aberration indicates a phase change distribution of exposure light on a lens pupil (aperture) as shown in FIG. The angle θ of the diffracted light forming an image becomes large as shown in FIG. 27B in a fine circuit pattern having a high spatial frequency, and the diffracted light passes through the end on the lens pupil, so that the wavefront aberration near the outer periphery of the lens is obtained. Affected by
[0004]
On the other hand, since the alignment mark has a low spatial frequency, it is affected by the wavefront aberration near the lens center as shown in FIG. Since the light beam passing through the lens pupil is bent by an amount proportional to the inclination of the wavefront aberration, the position shift particularly when there is an asymmetric wavefront aberration such as coma aberration differs between the circuit pattern and the alignment mark. For this reason, it is necessary to convert the position shift measured by the alignment mark into the position shift of the circuit pattern and correct it according to the circuit pattern spatial frequency and the wavefront aberration of the lens. In addition to the positional shift, the best focus position, the transfer magnification, and the like, which change due to the wavefront aberration, need to be corrected according to the wavefront aberration.
[0005]
By the way, the wavefront aberration changes with time. This is because the refractive index of the lens changes due to the temperature and pressure inside the lens, the lens is distorted due to the thermal stress of the lens housing, and the wavelength of the light source drifts. Therefore, the wavefront aberration needs to be measured periodically. Also, if the wavefront aberration can be measured regularly, it is possible to keep the wavefront aberration within a certain allowable range by controlling the partial movement of the element lens that constitutes the exposure lens, the pressure inside the lens, and the wavelength of the exposure light source. is there.
[0006]
In order to periodically measure the wavefront aberration, it is desirable that the measurement can be performed on an exposure apparatus. Techniques for that purpose include a phase recovery method, a method of measuring a pattern space image position, and a method of mounting an interferometer. .
[0007]
The phase recovery method is a method of repeatedly calculating a wavefront aberration from an image intensity distribution of a specific pattern at a best focus position and a defocus position, as disclosed in, for example, 2000-195782 (prior art 1). For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-297614 (Prior Art 2), a method of measuring an image position of a pattern space is based on an asymmetric wavefront aberration such as a coma aberration based on a positional shift amount of an image intensity distribution of a specific pattern. This is the calculation method. A method of mounting an interferometer is, for example, a method of calculating a wavefront aberration from interference fringes of light reflected on a wafer surface via a lens and reference light as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-277411 (prior art 3). It is.
[0008]
As another conventional technique, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-71514 (Prior Art 4) discloses an exposure apparatus including an inspection device for measuring a wavefront aberration of an exposure lens (projection optical system). As the inspection device, an illumination unit for illuminating an opening positioned on the object surface of the exposure lens with a numerical aperture equal to or larger than the object-side numerical aperture of the exposure lens, and an illumination unit formed on the image surface of the exposure lens A wavefront splitting element (micro fly's eye) for splitting light from the primary image of the opening into a wavefront to form a large number of secondary images of the opening, and a number of secondary images formed by the wavefront splitting element And a photoelectric detection unit for photoelectrically detecting the image.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the wavefront aberration measuring method on the above-mentioned apparatus has the following problems.
[0010]
First, in the phase recovery method of the related art 1, it is necessary to detect the image intensity distribution at two positions, that is, the best focus position and the defocus position, so that it takes time. Further, when obtaining the phase distribution by repeated calculation, it may not converge depending on conditions.
[0011]
Further, the method of measuring the pattern space image position according to the prior art 2 is to convert the displacement of the pattern space image having different spatial frequencies into a coma aberration coefficient. However, spherical aberration or astigmatism affecting the best focus position is obtained. And other aberration items other than coma aberration cannot be measured.
[0012]
In addition, the method of mounting the interferometer according to the prior art 3 is difficult to actually apply, first of all, due to an increase in rigidity for securing accuracy and an increase in cost due to complexity of the apparatus.
[0013]
Further, in the prior art 4, the wavefront aberration of the exposure lens is measured with high accuracy based on displacement information from each measurement origin position detected by the photoelectric detection unit to the light amount centroid position of each image of the aperture. Points are not fully considered.
[0014]
An object of the present invention is to provide a wavefront aberration measuring apparatus, an exposure apparatus, and a semiconductor device capable of measuring a change with time of a wavefront aberration of an exposure lens with high accuracy on a semiconductor exposure apparatus. It is to provide a manufacturing system and a method thereof.
[0015]
Another object of the present invention is to provide high-precision exposure in consideration of slight temporal changes in wavefront aberration of an exposure lens (projection optical system) even if a margin is narrowed due to ultra-miniaturization of a semiconductor device. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device manufacturing system and a method thereof that can be realized to manufacture an ultra-fine semiconductor device at a high yield.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The outline of a typical one of the present invention is as follows.
[0017]
The present invention relates to a wavefront aberration measuring apparatus for measuring a wavefront aberration of an optical system to be measured, a pattern for generating light which is positioned on an object plane of the optical system to be measured and spreads almost uniformly on a pupil of the optical system to be inspected. An illumination optical system that illuminates the pattern, a relay lens that forms a conjugate position with the pupil plane of the measured optical system, and a conjugate position with the pupil plane of the measured optical system that is formed by the relay lens. A lens array that arranges a main plane, splits light from a primary image of the pattern formed on an image plane of the optical system to be measured into a wavefront, and forms a large number of secondary images of the pattern; An image pickup element for picking up a secondary image of the formed pattern, whereby the wavefront division by the lens array can be made to correspond one-to-one with the pupil plane, and the wavefront aberration measurement can be accurately performed. What to do It can become.
[0018]
Further, the present invention provides an illumination optical system for illuminating a circuit pattern of a reticle mounted on a reticle stage, and a substrate to be exposed on which a circuit pattern of the reticle illuminated by the illumination optical system is mounted on a substrate stage. In an exposure apparatus having a projection optical system for projecting and exposing on the reticle stage, a pattern for generating light that spreads almost uniformly on a pupil of the projection optical system is provided, and a pupil plane of the projection optical system is provided. A relay lens that forms a conjugate position, and a principal plane is arranged at a conjugate position with a pupil plane of the projection optical system made by the relay lens, and a primary image of the pattern formed on an image plane of the projection optical system is formed. A lens array that forms a large number of secondary images of the pattern by dividing light into a wavefront, and an imaging element that captures secondary images of a large number of patterns formed by the lens array and outputs a large number of pattern signals When, characterized in that a wavefront aberration measuring apparatus constructed and a processing means for calculating a wavefront aberration of the projection optical system based on the number of pattern signals obtained from the image sensor.
[0019]
Further, in the wavefront aberration measuring apparatus, the light beam obtained when there is no wavefront aberration and the light beam obtained when there is wavefront aberration in the optical system to be measured are centered on each lens element of the lens array. Characterized in that it is configured to pass through.
[0020]
Further, according to the present invention, in the wavefront aberration measuring device, the imaging element is arranged at a focal position of the lens array. Thereby, the contrast of the condensed spot imaged on the image pickup device is improved, and highly accurate spot position measurement can be performed, so that the wavefront aberration can be obtained with high accuracy.
[0021]
Further, in the wavefront aberration measuring apparatus according to the present invention, a distance between an image plane of the projection optical system and a main plane of the relay lens is a focal length of the relay lens. Accordingly, when there is no wavefront aberration, the light emitted from the relay lens becomes parallel light, is incident perpendicularly on the lens array, and the condensed spot positions on the image sensor are equally spaced. As a result, the reference position of the spot position deviation can be assumed to be at equal intervals, so that the calculation of the wavefront aberration calculation can be simplified.
[0022]
Further, the present invention is characterized in that in the wavefront aberration measuring device, a limiting filter (for example, an aperture) is provided on an incident side of the relay lens. Further, the present invention is characterized in that the illumination optical system includes a condensing optical system that condenses the illumination light on the pattern at least when measuring the wavefront aberration.
[0023]
Further, according to the present invention, the processing means of the wavefront aberration measuring apparatus includes a first pattern position group (X0, Y0) measured in advance in the first state based on a large number of pattern signals obtained from the image sensor. The error component group (ax, ay) caused by the relay lens and the lens array is calculated accordingly, and a second pattern position measured based on a large number of pattern signals obtained from the image sensor in the second state. The calculated error component group (ax, ay) is removed from the group (X, Y) to calculate a second pattern shift amount group (ΔX, ΔY), and the calculated second pattern shift amount group is calculated. The wavefront aberration W of the projection optical system in the second state is calculated based on (ΔX, ΔY).
[0024]
Further, according to the present invention, when the processing means calculates the error component group (ax, ay) caused by the relay lens and the lens array, the wavefront aberration of the projection optical system in the first state by another means is calculated. W0 is measured, a first pattern shift amount group (ΔX0, ΔY0) is calculated based on the measured wavefront aberration W0, and the calculation is performed from the measured first pattern position group (X0, Y0). The error component group (ax, ay) is calculated by subtracting the deviation amount group (ΔX0, ΔY0) of the first pattern.
[0025]
Further, according to the present invention, in accordance with the wavefront aberration W of the projection optical system in the second state obtained from the exposure apparatus and the processing means of the wavefront aberration measuring apparatus in the exposure apparatus, the first circuit in the second state When exposing the second circuit pattern and the second alignment mark on the pattern and the first alignment mark, the amount of positional deviation of the second circuit pattern transfer image with respect to the first circuit pattern and the first alignment mark The relationship between the second alignment mark transfer image and the positional shift amount of the second alignment mark transfer image is calculated, and the calculated circuit is calculated according to the amount of positional shift of the second alignment mark transfer image with respect to the first alignment mark actually measured by the alignment inspection device. By correcting the relationship between the position shift of the pattern transfer image and the position shift of the alignment mark transfer image, a position shift correction value of the transfer image of the actual circuit pattern is predicted, and the predicted actual pattern of the circuit pattern is corrected. The position correction value of the mapping and a calculating means for feedback to the exposure apparatus is a manufacturing system and method wherein a.
[0026]
Further, according to the present invention, the focus value and the exposure amount are changed according to the wavefront aberration W of the projection optical system in the second state obtained from the exposure apparatus and the processing unit of the wavefront aberration measurement apparatus in the exposure apparatus. The light intensity distribution of the transferred image of the product circuit pattern is calculated, and the product circuit pattern dimensions are calculated based on the calculated light intensity distribution of the transferred image of the product circuit pattern. And a calculation means for calculating an optimum exposure amount and an optimum focus value from the relationship described above.
[0027]
Further, according to the present invention, there is provided an exposure apparatus and a projection optical system in a second state according to a wavefront aberration W of a projection optical system in a second state obtained from processing means of a wavefront aberration measuring apparatus in the exposure apparatus. Calculating a transfer image of the circuit pattern to be exposed, and calculating the optical characteristics of the circuit pattern on the reticle based on the calculated transfer image of the circuit pattern. System and method.
[0028]
The novel features of the present invention will be apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of an exposure apparatus, a semiconductor device design / manufacturing system and a method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
In recent years, semiconductor devices have become ultra-fine patterns of, for example, 0.1 μm or less. Accordingly, margins in exposure are narrowed. Therefore, a slight change in the wavefront aberration of an exposure lens (reduction projection optical system) with time. Is also a problem, and it is often required to calculate it on a daily or weekly basis. Then, based on the calculated wavefront aberration of the exposure lens, optimization of exposure conditions including a relationship between an exposure amount and focus, optimization of a circuit pattern (OPC) formed on a reticle, and Mix & Match due to aberration-induced distortion By performing the correction and the positional deviation between the circuit pattern and the alignment mark, it is possible to cope with a narrow margin, that is, a high precision.
[0031]
Therefore, first, an embodiment of the exposure apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
[0032]
An exposure apparatus according to the present invention includes, for example, a light source that emits exposure light such as excimer laser light, a shaping optical system that shapes a light beam of substantially parallel light emitted from the light source, and a light beam that is shaped by the shaping optical system. A coherence reducing optical system that reduces coherence of a light beam, a first fly-eye lens that forms a large number of light sources from light beams from the coherence reducing optical system, A deflector for deflecting a large number of light sources, a relay optical system for illuminating the multiple light sources deflected by the deflector in a superimposed manner, and a rear focal plane for a large number of light sources superimposedly illuminated by the relay optical system. A second fly-eye lens (not shown) for forming a number of secondary light sources, an aperture stop for limiting the number of secondary light sources formed by the second fly-eye lens, and an aperture stop formed through the aperture stop. A large number of secondary light sources Optical system (not shown) having a condenser optical system for uniformly illuminating the reticle on which the wafer 3 is formed, and a substrate stage (X stage 31) having a wafer holder 34 for mounting the wafer 3 thereon. , A Y stage 32, a Z stage 33, etc.), a reticle stage on which a reticle is mounted, and an exposure for reducing and exposing a reticle pattern (circuit pattern) onto a wafer 3 as a substrate to be exposed. A lens (reduction projection optical system) 2 is provided, and a focusing control system for automatically focusing the surface of the wafer 3 on the image forming surface of the exposure lens 2 is provided. In the present invention, the illumination optical system is not limited to the above configuration. Further, the exposure lens 2 according to the present invention has a first element lens 21, a pupil 23, and a second element lens 22 as a basic configuration.
[0033]
By the way, for example, the light beam from the coherence reduction optical system forms a large number of light sources on the rear focal plane via the first fly-eye lens. After being deflected by the deflector, the lights from these many light sources illuminate the second fly-eye lens in a superimposed manner via the relay optical system, and on the rear focal plane of the second fly-eye lens, A number of secondary light sources are formed. The light beam from the secondary light source is limited by an aperture stop arranged near the light source, and then uniformly illuminates the reticle (mask) through a condenser optical system.
[0034]
The light beam transmitted through the reticle pattern (circuit pattern) is reduced by forming an image of the pattern (circuit pattern) on a wafer 3 as a substrate to be exposed through an exposure lens (reduction projection optical system) (measurement optical system) 2. It is projected and exposed. The reticle (mask) is placed on a reticle stage via a reticle holder. The reticle stage is driven by a reticle stage control unit based on a command from the main control system.
[0035]
On the other hand, the wafer 3 is placed on a wafer holder 34 on a substrate stage (including an X stage 31, a Y stage 32, a Z stage 33, and the like). The substrate stages (wafer stages) 31 to 33 are driven by the wafer stage control unit based on a command from the main control unit. At this time, the movement of the wafer stage is measured by, for example, a laser length measuring device. As described above, the wafer stages 31 to 33 have a movement function in the XYZ directions, a rotation or tilt function around the Z-axis, the X-axis, and the Y-axis, and their positions are controlled in nano-order by the wafer stage control unit. . Further, the surface of the wafer 3 is automatically focused on the image forming plane 300 of the exposure lens 2 by a focusing control system.
[0036]
The wavefront aberration measuring device 4 according to the present invention is provided, for example, on the wafer stages 31 to 33. The wavefront aberration measuring device 4 includes a relay lens 41 that collimates the light beam 903, a lens array 42 that collects the light beam 904 collimated by the relay lens 41 on the image sensor 43, and a light beam that is collected by each of the lens arrays. An image pickup device 43 that images the positions of the light beams 9041 and 9042 and converts the image into a signal so that the pupil plane 23 of the exposure lens 2 and the main plane of the lens array 42 are conjugated via the relay lens 41. Be composed. When the pupil plane 23 of the exposure lens (reduction projection optical system) 2 and the main plane of the lens array 42 are conjugated via the relay lens 41 in this manner, the aberration on the image sensor 43 is reduced. (ΔX, ΔY) is the amount of aberration (the first derivative of the wavefront aberration on the pupil 23 corresponding to the lens array) (∂W (ξ, η) / ∂ξ, ∂W (ξ, η) / ∂η), and the aberration amount can be easily calculated.
[0037]
That is, when the measurement reticle (evaluation reticle) 1 is mounted on a reticle stage and the measurement reticle 1 is illuminated by the illumination optical system, light 901 passing through the pinhole 110 on the measurement reticle 1 is exposed to the exposure lens 2. Are converted into parallel light 902 by the first element lens 21 and are condensed via the second element lens 22 at the image forming point A at the same height as the upper surface of the wafer 3. Thereafter, the light beam 903 enters the wavefront aberration measuring device 4, and the light beam 904 collimated by the relay lens 41 is collected on the image sensor 43 by the lens array 42.
[0038]
Here, the case where the exposure lens (reduction projection optical system) (measured optical system) 2 has the wavefront aberration 201 is considered. The wavefront aberration 201 represents the phase distribution on the pupil 23 of the exposure lens 2, and the incident light beam is bent by an amount proportional to the magnitude of the inclination. For example, in the exposure lens 2, when there is no wavefront aberration 201, the light beam 9020 emitted from the first element lens 21 goes straight like a light beam 9021, but when there is the wavefront aberration 201, the first element lens 21 Are bent like a light beam 9022 in proportion to the local inclination of the wavefront aberration 201. As a result, when there is no wavefront aberration 201, the light beam emitted from the second element lens 22 proceeds as a light beam 9031, and is detected by the relay lens 41 and the lens array 42 on the image sensor 43 at the position of the light beam 9041. However, when there is a wavefront aberration 201, the light beam emitted from the second element lens 22 travels like a light beam 9032 and is detected on the image sensor 41 at the position of the light beam 9042.
[0039]
Next, the optical arrangement of the measurement reticle 1, the exposure lens 2, the wavefront aberration measuring device 4, and the like will be described with reference to FIG. In the case of a general exposure apparatus, the distance between the pinhole 110 on the measurement reticle 1 and the first element lens 21 is the focal length f1 of the first element lens 21, the distance between the first element lens 21 and the pupil 23 is f1, and the pupil is The distance between the second element lens 22 and the second element lens 22 is defined as a focal length f2 of the second element lens 22, and the distance between the second element lens 22 and the imaging surface 300 as the upper surface of the wafer 3 is defined as f2. As a result, the pinhole 110 and the imaging plane 300 have a conjugate relationship, and the magnification is represented by f2 / f1. At this time, if there is no wavefront aberration 201, the light ray 9010 passing through the center of the pupil 23 is perpendicular to both the measurement reticle 1 and the imaging plane 300, and thus becomes telecentric on both the object side and the image side. . The advantage of this arrangement is that the image position does not shift even if the measurement reticle 1 or the wafer 3 shifts in the vertical direction, that is, the imaging magnification does not change. However, when the wavefront aberration 201 exists, the light beam 9010 is no longer perpendicular to the image plane 300, so that the image magnification also changes.
[0040]
Next, the optical arrangement of the wavefront aberration measuring device 4 according to the present invention will be described. The relay lens 41 is located at a position apart from the imaging plane 300 by the focal length f3 of the relay lens 41, and the lens array 42 is also located at a position f3 from the relay lens 41. The imaging element 43 is disposed at a position between the lens array 42 and the focal length f4 of the lens array 42. As a result, the pupil 23 and the lens array 42 have a conjugate relationship, and the magnification is f3 / f2. Thereby (by arranging the pupil 23 and the lens array 42 in a conjugate relationship via the relay lens 41), the light beam 9021 without the wavefront aberration 201 and the light beam 9022 in the certain case are converted into the lens array 42. Passes through the center of each lens element, the respective light rays enter the image sensor 43 without the optical path being bent by the lens array 42. Therefore, the difference (ΔX, ΔY) between the positions on the image sensor 43 indicates the local inclination of the wavefront aberration 201. The relationship between the angle α generated on the pupil 23 and the angle β generated on the lens array 42 due to the wavefront aberration 201 is expressed by the following equation (1).
[0041]
β = (f2 / f3) α (1)
Further, since the wavefront aberration W (ξ, η) of the exposure lens 2 is proportional to the angle α, the relationship between the wavefront aberration W (ξ, η) and the difference between the positions (ΔX, ΔY) is, for example, 'Laser Ray -Tracing versus Hartmann-Shack Sensor for Measuring Optical Aversions in the Human Eye, Journal of Optical Society of America A, Vol. 17, 2000 ', the following equations (2) and (3) are obtained.
[0042]
ΔX = ((λ / 2π) · (f4 / R) · (f2 / f3)) (∂W (ξ, η) / ∂ξ) (2)
ΔY = ((λ / 2π) · (f4 / R) · (f2 / f3)) (∂W (ξ, η) / ∂η) (3)
Here, λ is the exposure wavelength, R is the radius of the pupil 23, (ξ, η) is the coordinates on the pupil, and is normalized by R. Accordingly, the wavefront aberration W (ξ, η) can be obtained by integrating or expanding the term of the partial differential from the equations (2) and (3).
[0043]
That is, since the coefficient ((λ / 2π) · (f4 / R) · (f2 / f3)) is a constant, the wavefront aberration W (ξ, η) is the amount of deviation of the spot position on the image sensor 43. It can be easily calculated from (ΔX, ΔY). Conversely, when calculating the spot displacement amount (ax (i, j), ay (i, j)) caused by the relay lens 41 and the lens array 42, an interferometer or the like (another means) is used. It is also easy to calculate the deviation amount (ΔX, ΔY) of the spot position on the image sensor 43 based on the measured wavefront aberration W0 (ξ, η) of the exposure lens 2 in the initial state.
[0044]
Next, an image 431 of the image sensor 43 will be described with reference to FIG. Since the image sensor 43 is located at the focal point of the lens array 42, each light beam is condensed on the image sensor 43 to form a spot. Here, the spot size and the pixel size will be considered. First, the focal lengths of the element lenses 21 and 22 in the exposure lens 2 are respectively f1 = 400 mm and f2 = 100 mm, the numerical aperture of the exposure lens 2 on the wafer 3 side is NA = 0.8, and the focal length of the relay lens 41 is f3. = 5 mm. Since the relay lens 41 needs to have a numerical aperture larger than that of the exposure lens 2, the relay lens 41 is not actually a single lens as shown in FIG. 1 but a lens composed of a plurality of lenses such as an objective lens of a microscope. The radius R of the pupil 23 of the exposure lens 2 is R = 100 * 0.8 = 80 mm according to the following equation (4).
[0045]
R = f2 · NA (4)
Since the number of spots is equal to the number of element lenses of the lens array 42, when the image of the pupil 21 is divided into 40, the pitch of the lens array 42 is 8/40 = 0.2 mm. As a result, if the radius of the element lens 420 of the lens array 42 is 0.1 mm and the focal length f4 is 10 mm, the numerical aperture of the element lens 420 is NAe = 0.1 / 10 = 0.01. The spot size d is d = 1.22 * 0.248 / 0.01 = 30 μm from the following expression (5) of the resolving power. Here, the exposure wavelength λ = 0.248 μm.
[0046]
d = 1.22 · (λ / NAe) (5)
On the other hand, if the image sensor 43 is 1/3 inch diagonally and has 1000 pixels in both the horizontal and vertical directions, the size p of one pixel is 1/3 / √2 / 1000 = 6 μm. As a result, the number of pixels for one spot is 30/6 = 5 pixels, which is sufficient for spot position measurement. As for the spot position, the barycentric position (X (i, j), Y (i, j)) of the spot can be obtained by using general image processing. This processing is performed on the image 431 acquired by the control / processing system 8 by the image sensor 43 in FIG.
[0047]
Here, the processing flow of the control / processing system 8 will be described with reference to FIGS. First, the position shift amount of the spot measured based on the image 431 acquired by the image sensor 43 of the wavefront aberration measuring device 4 includes the spot shift amount (ax (i (i)) caused by the relay lens 41 and the lens array 42 of the measurement system. , J), ay (i, j)). Therefore, the spot shift amounts (ax (i, j), ay (i, j)) caused by the relay lens 41 and the lens array 42 of the measurement system need to be obtained in advance.
[0048]
Therefore, a method of obtaining the spot shift amount (ax (i, j), ay (i, j)) in advance (in the first state) will be described with reference to FIG. First, in step 801, the control / processing system 8 measures the spot position (X0 (i, j), Y0 (i, j)) of the exposure lens 2 in the initial state (first state) in the initial state. The image processing is performed by the above-described image processing based on the image 431 acquired by the image sensor 43. In step 802, the measurement is not performed on the apparatus, but is performed by another means such as USP No. The wavefront aberration W (ξ, η) of the exposure lens 2 in the initial state (first state) is measured by means (such as an interferometer) as disclosed in US Pat. No. 5,828,455. Next, in step 803, the measured value of the wavefront aberration W0 (ξ, η) of the exposure lens 2 in the input initial state and the proportional coefficient ((λ / 2π) · (f4 / R) · (f2 / f3) ), The spot shift (ΔX0 (i, j), ΔY0 (i, j)) in the initial state (first state) is calculated by the above equations (2) and (3). Finally, using the results of Steps 801 and 803, in Step 804, the spot shift position (ax (i, j), ay (i, j)) caused by the relay lens 41 and the lens array 42 is calculated. It is calculated from equations (6) and (7) shown below.
[0049]
ax (i, j) = X0 (i, j) −ΔX0 (i, j) (6)
ay (i, j) = Y0 (i, j) -ΔY0 (i, j) (7)
The calculated spot shift position (ax (i, j), ay (i, j)) indicates a spot position measured by the wavefront aberration measuring device 4 when the exposure lens 2 has no aberration. Thus, the preparation for measuring the wavefront aberration 2 of the exposure lens 2 is completed.
[0050]
By the way, the control / processing system 8 naturally inputs the measured value of the wavefront aberration W (ξ, η) of the exposure lens 2 in the initial state, and receives the proportional coefficient ((λ / 2π) · (f4 / R) · ( f2 / f3)), the spot shift (ΔX0 (i, j), ΔY0 (i, j)) in the initial state can be calculated. As a result, the control / processing system 8 can also calculate the spot shift position (ax (i, j), ay (i, j)) based on the above equations (6) and (7). Become. The calculation of the spot shift (ΔX0 (i, j), ΔY0 (i, j)) in the initial state may be calculated by another processing system and input to the control / processing system 8. The calculation of the spot shift position (ax (i, j), ay (i, j)) may be calculated by another processing system and input to the control / processing system 8.
[0051]
Next, a method of calculating the change over time of the wavefront aberration of the exposure lens 2 will be described with reference to FIG. For example, since the margin becomes narrower with an ultra-fine pattern of 0.1 μm or less, a slight temporal change of the wavefront aberration of the exposure lens 2 also becomes a problem, and it is frequently calculated (for example, on a daily basis or on a weekly basis). There is a need to. Then, the control / processing system 8 uses the spot shift position (ax (i, j), ay (i, j)) caused by the relay lens 41 and the lens array 42 obtained and stored in advance to perform exposure. A flow for calculating the wavefront aberration of the lens 2 will be described with reference to FIG. When it becomes necessary to calculate the wavefront aberration of the exposure lens 2, first, in step 805, the measurement reticle 1 is set on the reticle stage, and the wafer stage is moved to position the wavefront aberration measuring device 4 at a predetermined position. The control / processing system 8 measures the spot position (X (i, j), Y (i, j)) based on the image 431 acquired by the image sensor 43 of the wavefront aberration measuring device 4. Next, in step 806, the control / processing system 8 corrects the shift caused by the relay lens 41 and the lens array 42 according to the following equations (8) and (9), and the shift amount caused only by the exposure lens 2 ( ΔX (i, j), ΔY (i, j)) are calculated.
[0052]
ΔX (i, j) = X (i, j) −ax (i, j) (8)
ΔY (i, j) = Y (i, j) −ay (i, j) (9)
Next, the control / processing system 8 receives and stores the proportionality coefficient ((λ / 2π) · (f4 / R) · (f2 / f3)), so that the shift calculated in step 807 is calculated. Using the quantities (ΔX (i, j), ΔY (i, j)), the wavefront aberration W (ξ, η) of the exposure lens 2 is calculated from the above equations (2) and (3). With the above processing, it is possible to accurately calculate the wavefront aberration of only the exposure lens 2 that does not include the aberration of the measurement system.
[0053]
The wavefront aberration 201 of the exposure lens 2 changes depending on the position of the pinhole 110 on the reticle 1 for measurement. Therefore, it is necessary to measure the wavefront aberration of the exposure lens 2 also at the plurality of pinholes 111 and 112. At this time, if light from an adjacent pinhole is incident on the wavefront aberration measuring device 4, an error may occur when calculating the spot position. Therefore, the aperture 40 is also provided at the entrance of the wavefront aberration measuring device 4. FIG. 6 shows the aperture 40. The radius rp of the limiting filter (for example, the aperture) 40 is rp = Δz * NA = 1 * 0.8 = 0.8 μm, where the allowable defocus amount Δz is 1 μm. The control / processing system 8 controls the X stage 32 and the Y stage 33 so that the wavefront aberration measuring device 4 comes to the other imaging positions of the pinholes 110, 111, 112 on the measurement reticle 1. The Z stage 31 is controlled so that the distance of the wavefront aberration measuring device 4 becomes constant.
[0054]
On the other hand, since measurement is performed using light that has passed through the pinhole 110 on the measurement reticle 1, it is necessary to take enough time for the image sensor 43 to detect with sufficient SN, and to increase the amount of light. This leads to a throughput of wavefront aberration measurement. In order to solve this, a condenser lens 120 is provided above the pinhole 110 of the measurement reticle 1. This is shown in FIG. Using the focal length fc of the condenser lens 120, the aperture ratio NA of the exposure lens 2, and the reduction ratio M = f2 / f1 = 0.25, the radius rc of the condenser lens 120 is expressed by the following equation (10). .
[0055]
rc = fc · NA · M (10)
If fc = 5 mm, rc = 5 * 0.8 * 0.25 = 1 mm. The condenser lens 120 is installed on each pinhole of the measurement reticle 1 at a position separated by the focal length fc. However, during actual exposure, the condenser lens 12 is retracted together with the measurement reticle 1. Of course, the condenser lens 12 may be retracted separately from the measurement reticle 1.
[0056]
Next, a method of correcting a positional shift between a circuit pattern and a matching pattern using the wavefront aberration measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. This wavefront aberration measuring apparatus is, for example, a host computer (control section) 71 or 72 (of course, the host computer 6 may be connected) connected to the control / processing system 8 of the exposure apparatus shown in FIG. 1, FIG. 6 or FIG. Be composed. First, a second circuit pattern is formed on a first circuit pattern (lower circuit pattern) formed by exposing and developing using an exposure apparatus in a first exposure step, using an exposure apparatus in a second exposure step. This is the case where the (upper circuit pattern) is to be overlaid and exposed.
[0057]
First, in step 8101, the host computer 71 or 72 reads dimensional data of a first circuit pattern on a product reticle in a first exposure step from a manufacturing line management system (not shown) via, for example, a network. Next, in step 8102, the host computer reads the alignment mark size of the product reticle in the first step (exposure step) from the production line management system (host computer) 6 via, for example, a network. The dimensions include the width and pitch of the circuit pattern and alignment mark. Further, in step 8103, the host computer 71 or 72 changes the illumination condition of the exposure apparatus in the first step from the manufacturing line management system or the control / processing system 8 of the exposure apparatus in the first step via, for example, a bus or a network. Read. An example of an illumination condition and a definition method will be described later. In step 8104, the host computer transmits the wavefront aberration data of the image height of the first circuit pattern portion in the exposure apparatus in the first step from the control / processing system 8 of the exposure apparatus in the first step, for example, via a bus or a network. Read through. The method of measuring the wavefront aberration data will be described later. Next, in step 8105, the host computer transmits the wavefront aberration data of the alignment mark image height in the exposure apparatus in the first step from the control / processing system 8 of the exposure apparatus in the first step via, for example, a bus or a network. Read. Naturally, the wavefront aberration data of the image height of the first circuit pattern portion and the wavefront aberration data of the image height of the alignment mark portion in the first step are measured from the control / processing system 8 of the exposure apparatus in the first step. It shall be obtained by measuring with the measuring device 4. Next, in step 8106, the host computer 71 or 72 reads the circuit pattern dimensions, alignment mark dimensions, illumination conditions (including pupil illuminance distribution), the wavefront aberration of the circuit pattern image height and A transfer image of the circuit pattern and the alignment mark is calculated based on the wavefront aberration of the alignment mark image height. The method of calculating the transfer image will be described later.
[0058]
Also, in steps 8201 to 8205, the host computer 71 or 72 executes the second circuit pattern dimension, the alignment mark dimension, the illumination condition (the illuminance above the pupil) in the second step, similarly to the steps 8101 to 8105 for the first step. And the wavefront aberration of the image height of the circuit pattern portion and the wavefront aberration of the image height of the alignment mark portion are read from the production line management system or the control / processing system 8 of the exposure apparatus in the second step via, for example, a bus or a network. . Naturally, the control / processing system 8 of the exposure apparatus in the second step obtains the wavefront aberration data of the image height of the second circuit pattern portion and the wavefront aberration data of the image height of the alignment mark portion in the second step. It shall be obtained by measuring with the measuring device 4. Next, in step 8206, the host computer 71 or 72 reads the circuit pattern dimensions, alignment mark dimensions, illumination conditions, the wavefront aberration of the image height of the circuit pattern portion, and the wavefront aberration of the image height of the alignment mark portion in the read second process. , The transfer image of the circuit pattern and the alignment mark is calculated.
[0059]
Next, in step 8301, the host computer 71 determines the calculated positional shift of the circuit pattern transfer image between the first step and the second step, and determines the position difference between the first step and the second step. Calculate the displacement of the alignment mark. The method of calculating the displacement will be described later. Further, in step 8302, the host computer 71 obtains the relationship between the circuit pattern transfer image position shift and the alignment mark transfer image position shift. Next, in step 8303, the host computer 71 superimposes the second alignment mark on the first alignment mark by the test exposure or the previous exposure in the second step, as shown in FIG. The positional deviation (Δξ, Δη) between the first alignment mark and the second alignment mark actually measured by the alignment inspection device 20 with respect to the formed wafer is input, and the positional deviation amount of the input alignment mark (Δξ, Δη) is input. From Δξ, Δη), based on the relationship between the circuit pattern transfer image position shift and the alignment mark transfer image position shift, the actual circuit pattern position shift amounts (ΔEx, ΔEy) are predicted as shown in FIG. The predicted actual displacement amount of the circuit pattern is transmitted (feedback) to the exposure apparatus in the second step via, for example, a network, and the exposure apparatus in the second step performs step 8. 04, so that the correction amount corresponding to the displacement amount of the actual circuit pattern to be predicted is fed back (offset) (Cx, Cy) correcting the formal exposure or subsequent exposure in is performed.
Note that the reading, calculation, and prediction shown in FIG. 8 may be performed by the control / processing system 8 of the exposure apparatus in the second step instead of the host computer 71.
[0060]
Here, a method of calculating a transferred image will be described with reference to FIG. First, in order to calculate the transfer image of the target circuit pattern onto the wafer 3, the illumination condition (including the illuminance distribution on the pupil) 2000, the circuit pattern 101 on the product reticle 10, and the wavefront aberration 201 of the exposure lens 2 Data is required. The wavefront aberration 201 is measured by the wavefront aberration measuring device 4 described above. An image calculation method using these data is described in, for example, 'Y. Yoshitake et al, SPIE Vol. 1463, 1991, pp678-679 '.
[0061]
Here, a specific example of the illumination condition 2000 will be described with reference to FIG. FIG. 10A shows general illumination, and the parameters can be represented by the diameter D1 of the illumination light source image 2010 and the diameter Dep of the image 23 'of the stop 23 of the exposure lens 2. FIG. 10B shows an illumination condition used when the circuit pattern 101 has phase information other than monochrome information, that is, when a so-called phase shift reticle is used. The ratio of the diameter D2 of the illumination light source image to Dep is shown in FIG. Smaller than a). FIG. 10C shows what is called annular illumination, and can be represented by the outer diameter D4, the inner diameter D3, and Dep of the illumination light source image 2030. Although the illumination light source image in FIG. 10 shows an ideal state, an actual light source image has a non-uniform distribution of light amount. An actual light source image is described in, for example, 'J. P. Kirk and C.I. J. Progler, SPIE Vol. 3334, 1998, pp 281-288 ', the accuracy of the transfer image calculation can be further improved by using the measured data as the data of the actual illumination light source image.
[0062]
Next, a specific example of the circuit pattern 101 in FIG. 9 will be described with reference to FIG. First, FIG. 11A shows a line & space pattern in the first step, which is composed of a transparent part 1011 and a light shielding part 1012. The parameters of the line & space pattern can be represented by the line width L1 of the light shielding portion 1012 and the line & space pitch P1. FIG. 11B shows an example of a hole pattern in the second step, which includes a light-shielding portion 1014 and an opening 1013. It can be expressed as an opening width Sx in the x direction, a pitch Px, an opening width Sy in the y direction, and a pitch Py.
[0063]
Here, the reason why the wavefront aberration 201 differs depending on the coordinates of the pattern will be described with reference to FIG. Light 9001a emitted from the point 191a of the reticle 11 in FIG. 12A is formed on the wafer 3 through the exposure lens 2. The point 191a is located at a coordinate position h1 from the lens center 2001. Light 9001 b emitted from a point 191 b of the reticle 11 in FIG. 12B is imaged on the wafer 3 via the exposure lens 2. The point 191b is located at a coordinate position h2 from the lens center 2001. Since the light beam 9001a and the light beam 9001b have different incident angles to the element lens 21 in the exposure lens 2, the generated wavefront aberrations 201a and 201b are different.
[0064]
Next, FIG. 13 shows an example of the wavefront aberration 201. The wavefront aberration W (x, y) 201 is an example of coma aberration that is asymmetric in the x direction, and is three-dimensional data. The wavefront aberration 201 is measured by the above-described wavefront aberration measuring device 4 of the present invention.
[0065]
Next, the arrangement of the circuit pattern and the alignment mark on the product reticle 10 will be described with reference to FIGS. FIG. 14 is an example of a product reticle in the first step. FIG. 15 shows the circuit pattern 1002 and the alignment mark 1012 on the product reticle in the second step, and the respective center coordinates are the same as the circuit pattern 1001 and the alignment mark 1011.
[0066]
Here, FIG. 16 shows the positional deviations (ΔEx, ΔEy) of the circuit patterns 1001 and 1002 and the positional deviations (Δξ, Δη) of the alignment marks 1011 and 1012 in the first step and the second step. The positional deviation ((ΔEx, ΔEy), (Δξ, Δη)) is calculated by calculating the above-described transfer image shift amount for the circuit pattern and the alignment mark in the first and second steps, and calculating the first step and the second step. By taking the difference
[0067]
Next, a method for obtaining the relationship between the alignment mark and the positional deviation between the circuit patterns will be described. In the X direction and the Y direction, the offsets (εx, εy) are obtained by the following equations (11) and (12).
[0068]
εx = ΔEx−Δξ (11)
εy = ΔEy−Δη (12)
FIG. 17 shows the relationship between ΔEx and Δξ. Since ΔEx and Δξ, which are misalignments between the first step and the second step, are usually within a small range of 0.2 μm or less, the wavefront aberration does not change, and the positional shift relationship is determined only by the offset εx. The same applies to the Y direction as to the X direction.
[0069]
A method of calculating a correction amount when the result of the alignment inspection is fed back to the exposure apparatus will be described with reference to FIG. First, the average value (Ax, Ay) of the past matching inspection data (Δξ, Δη) is calculated. The correction amount (Cx, Cy) of the circuit pattern position shift is obtained by the following equations (13) and (14).
[0070]
Cx = Ax + εx (13)
Cy = Ay + εy (14)
Next, (Cx, Cy) is fed back to the exposure apparatus as a correction amount at the time of the second step exposure.
[0071]
Next, another method of using the wavefront aberration 201 of the exposure lens 2 according to the present invention (optimization of the exposure condition based on the relationship between the exposure amount and the focus) will be described. When a new product is started, or when a product that has already begun to be developed in another exposure apparatus, the conditions of the exposure amount and the focus position are set to keep the circuit pattern within the standard. This is because these optimum conditions differ depending on the product and the exposure apparatus. Usually, the circuit pattern is transferred while changing the exposure amount and the focus, and the line width is measured with an electron beam microscope or the like, so that the optimum exposure amount and the focus are determined. However, this operation takes about 5 hours to perform one process, which is a bottleneck in productivity.
[0072]
The influence on the optimum conditions of the product and the exposure apparatus described above depends on the circuit pattern on the product reticle and the wavefront aberration of the exposure apparatus. Therefore, the prediction of the optimal exposure condition by simulation from the data of the wavefront aberration measuring apparatus according to the present invention and the information of the circuit pattern is effective for solving this problem.
[0073]
Here, with reference to FIGS. 19 to 22, a description will be given of a method of estimating the optimum conditions of exposure performed by the host computer 72 connected to the exposure apparatus or the like or the control / processing system 8 of the exposure apparatus. First, as shown in FIGS. 19 and 25, the host computer 72 or the control / processing system 8 of the exposure apparatus for connecting the exposure apparatus or the like reads the illumination conditions in step 8801 and stores them in the illumination condition storage means 7102. At 8802, the product circuit pattern dimensions are read and stored in the reticle data storage means 7101. At step 8803, the wavefront aberration corresponding to the coordinates of the product circuit pattern is read and stored in the wavefront aberration data storage means 7104.
[0074]
Next, in step 8804, the focus value F is set, and in step 8805, the transfer image of the product circuit pattern is calculated by the method described above. That is, the light intensity distribution 9900 of the transfer image of the product circuit pattern when the focus value F is changed is calculated and stored in the pupil illuminance distribution storage unit 7103.
[0075]
Next, the optimum exposure amount / focus value calculation means 7221, which is the host computer 72, executes the following. That is, the exposure amount J is set in step 8806, and the CD which is the dimension of the product circuit pattern is calculated in step 8807. That is, the CD which is the size of the product circuit pattern when the exposure amount J is changed is calculated. Here, the method of calculating the CD will be described with reference to FIG. By giving a threshold value Jth corresponding to the set exposure amount J to the light intensity distribution 9900 of the transferred image calculated in step 8805, the dimensions and CD after development are obtained.
[0076]
A development simulation as described in, for example, “Inside PROLITH, Chris A. Mack, 1997, pp. 124-135” was performed from the light intensity distribution 9900 of the transferred image, and the cross-sectional profile after development and the dimensions after development, CD You may ask.
[0077]
Next, in step 8808, it is checked whether predetermined exposure amount change and focus change conditions have been completed. If the exposure amount change has not been completed, the process proceeds to step 8806. If the focus change has not been completed, the process proceeds to step 8806. It returns to step 8804. If all the conditions are completed, the relationship between the CD, the focus F, and the exposure E is mapped in step 8809.
[0078]
FIG. 21 shows an example of the mapping. Here, the horizontal axis is the focus F and the vertical axis is the dimension CD, and the relationship between F and CD is plotted for each exposure amount E. Here, CL is the standard center of CD, CL + 10% indicates CD of + 10% with respect to CL, and CL-10% indicates CD of -10% with respect to CL. From the lines crossing CL + 10% and CL−10%, the relationship between the exposure amount E and the focus F giving each CD can be plotted. This is shown in FIG. In FIG. 22, a region surrounded by lines of CL + 10% and CL−10% is a so-called process window.
[0079]
The host computer 72 or the control / processing system 8 of the exposure apparatus obtains the process window shown in FIG. 22 in step 8810, calculates the square 301 inscribed in the process window in step 8811, and calculates the center 102 of the square 101 in step 8812. Ask for. In step 8813, the center 302 of the square 101 is obtained, the optimum exposure amount Jopt and the optimum focus value Fopt are calculated as optimum conditions, and stored in the optimum exposure amount / focus value storage unit 7105. Then, the exposure apparatus 2 performs exposure based on the optimum exposure amount Jopt and the optimum focus value Fopt calculated as the optimum conditions.
[0080]
Next, another method of using the wavefront aberration 201 of the exposure lens 2 according to the present invention (Mix & Match correction by aberration-induced distortion) will be described. When an asymmetric coma aberration as shown in FIG. 13 exists, a line width difference (L1−L2) may occur between the left and right ends of a continuous line & space. This is shown in FIG. By accumulating the wavefront aberration data of the exposure apparatus in the wavefront aberration measurement apparatus 4 of the present invention, it is possible to calculate the pattern line width by the above method using the average of the past several measured values or the latest data. Can be. As a result, the line width difference between the left end and the right end can be predicted, and from this result, the pattern width can be corrected so as to eliminate the line width difference when drawing the circuit pattern of the product reticle.
[0081]
Next, another use of the wavefront aberration 201 of the exposure lens 2 according to the present invention (optimization of a circuit pattern (OPC) formed on a reticle) will be described. In the case of a fine pattern, an OPC (Optical Proximity Correction) is applied to a pattern on a product reticle in order to correct a deviation of a transferred image from a design dimension. This is to add a minute square pattern to the corner of the pattern to prevent the corner from being rounded and the pattern length from being shortened. Since the OPC is also affected by the wavefront aberration, the transfer image is predicted by the same method, and the size and the position of the OPC pattern are corrected, so that the pattern correction optimal for the exposure apparatus and highly accurate can be performed.
[0082]
Next, a misalignment correction system that executes the processing shown in FIG. 8 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
That is, in the semiconductor device, the wafer 3 is formed into a film by the film forming apparatus 51, the film is flattened by the CMP (Chemical Mechanical Polishing) apparatus 52, and then a resist as a photosensitive agent is applied by the coating and developing apparatus 53. Next, the circuit pattern is transferred to the photosensitive agent on the wafer 3 by the exposure device 2, the photosensitive agent is developed again by the coating and developing device 53, and the alignment inspection is performed by the alignment inspection device 20. Next, after the etching is performed by the etching device 54, the resist is removed by the resist removing device 55, and the film of the next layer is generated again by the film forming device 51. A semiconductor device (semiconductor device) is manufactured by repeating such a process.
[0083]
To the host computer (manufacturing line management system) 6, the history data of the processing of the substrate 3 to be exposed is sent from the manufacturing apparatuses 2, 20, 51 to 55 via the network 61. For example, the type, process, lot number and recipe data such as illumination conditions, product reticle name, etc. of the wafer 3 are transmitted from the exposure apparatus 2 and stored in the history storage unit 601 of the host computer 6. You.
[0084]
In the misalignment correction system (upper computer) 71 according to the present invention, first, the data of the dimensions and coordinates such as the circuit pattern and the width and pitch of the alignment mark are registered in the product reticle data storage means 7101 together with the product reticle name. The data can be input manually or from another computer not shown. As a circuit pattern to be registered, a correction amount that leads to maintenance and improvement of the yield can be set by selecting a portion having the tightest matching tolerance in the same product reticle. The illumination conditions at the time of exposure are obtained from the history storage unit 601 of the host computer 6 and stored in the illumination condition storage unit 7102. Further, the measured value of the illuminance distribution on the pupil of the exposure lens of the exposure apparatus 2 is stored in the pupil illuminance distribution storage unit 7103 manually or by inputting data from another computer (not shown). The illumination condition and the illuminance distribution on the pupil are input data relating to illumination necessary for calculating a transfer image of the circuit pattern and the alignment mark. On the other hand, in the wavefront aberration data storage means 7104, the wavefront aberration data measured and calculated by the above-mentioned wavefront aberration measurement device is registered for each of a plurality of exposure devices for each coordinate (i, j) on the product reticle. deep. At the timing when these data are newly registered, the control unit 710 issues a position shift amount calculation instruction to the position shift amount calculation unit 7121. In particular, since the change over time of the wavefront aberration of the exposure lens 2 is measured and stored in the wavefront aberration data storage unit 7104 by the wavefront aberration measurement device, the position shift amount calculation unit 7121 as the host computer 71 Each time the wavefront aberration is measured, the relationship between the circuit pattern transfer image position shift and the alignment mark transfer image position shift can be obtained and stored in the position shift relation storage unit 7105 or the like.
[0085]
The position shift amount calculating means 7121 which is the host computer 71 stores the dimensions and coordinate data of the circuit pattern and the alignment mark from the product reticle data storing means 7101 and the input data relating to the illumination from the illumination condition storing means 7102 and the pupil illuminance distribution storing means 7103. Is obtained from the wavefront aberration data storage means 7104 by obtaining the wavefront aberration data corresponding to the coordinates of the target circuit pattern and the alignment mark, and calculating and storing the wavefront aberration of the exposure lens 2 with time with the above-described method. Circuit between the first step (the step of exposing the lower layer) and the second step (the step to be exposed) based on the relationship between the circuit pattern transfer image position shift and the alignment mark transfer image position shift. The positional deviation amount (ΔEx, ΔEy) of the pattern and the positional deviation amount (Δξ, Δη) of the alignment mark are calculated, and the positional deviation relation is described. And stores, such as the means 7105. Next, the positional deviation relation calculating means 7122, which is the host computer 71, calculates the positional deviation relation between the circuit pattern and the alignment mark from the calculated positional deviation amount (for example, the offset (εx, εy shown in the above equations (11) and (12)). ) Is calculated and registered in the displacement relationship storage unit 7105 or the like. The processing up to this point is performed in advance before the wafer 3 is started.
[0086]
Next, the upper layer pattern is exposed in the second step on the lower layer pattern of the wafer 3 exposed in the first step, and the alignment is performed by the alignment inspection device 20 for inspecting the alignment mark as shown in FIG. A process when the inspection data (Δξ, Δη) is transmitted to the control unit 710 will be described. First, the control unit 710 makes an inquiry to the host computer 6 to obtain the exposure apparatus, the product reticle, and the illumination conditions registered in the history storage unit 601 in the first step and the second step. Based on the exposure apparatus, illumination conditions, and product reticle history information in the first and second steps, the corresponding positional shift relationship is read from the positional shift relationship storage unit 7105. The control unit 710 compares the alignment inspection data inspected by the alignment inspection device 20 (the positional deviation (Δξ, Δη) between the first alignment mark and the second alignment mark actually measured by the alignment inspection device 20). It is registered in the test data storage unit 716. The correction amount calculating unit 7123 uses the above-described positional deviation relationship (the relationship of the offset (εx, εy) between (ΔEx, ΔEy) and (Δξ, Δη)), for example, by using the above equation (13) and (14). ) Is calculated based on the expression (Cx, Cy), and the control means 710 transmits the data to the host computer 8, and the host computer 6 sends the correction amount (Cx, Cy) to the exposure apparatus 2 at the next exposure. Send As a result, the exposure apparatus 2 performs correction based on the received correction amount and performs the next exposure. Here, the correction amount calculation means 7123 inquires the matching inspection data storage means 7106, and performs processing such as, for example, average value calculation on the corresponding past data as shown in FIG. Is also good. Through such processing, a highly accurate correction amount that is not affected by the noise component of the alignment inspection data can be calculated.
[0087]
Next, another embodiment of the present invention, that is, an exposure condition predicting system 72 using a wavefront aberration measuring apparatus for executing the processing shown in FIG. 19 will be described with reference to FIG.
[0088]
Most of the steps are the same as the misalignment correction system 71 in FIG. 24, but the maximum exposure amount / focus value calculation means 7221 which is the exposure condition prediction system 72 performs the reticle data, the illumination condition, and the illuminance on the pupil in steps 8801 to 8808. The line width (CD) of the transferred image using the distribution and the wavefront aberration is obtained while changing the focus and the exposure amount, and in steps 8809 to 8813, the obtained CD and the focus and the exposure amount at that time are shown in FIG. Optimum conditions (exposure amount Jopt of product circuit pattern, optimum focus value Fopt) 302 are calculated by calculating a process window, etc., and the calculated optimum condition value is stored for each product, process, and exposure apparatus. The difference is that a focus value storage means 7201 is provided. This value (optimal exposure amount / focus value) is sent from the control means 720 to the exposure apparatus 2 via the host computer 6 as initial condition data when a new product is started or a plurality of exposure apparatuses are developed. As a result, the exposure apparatus 2 performs the next exposure based on the transmitted optimum exposure amount and focus value.
[0089]
Next, a circuit pattern design system according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The control unit 730 stores the illuminance distribution on the pupil and the wavefront aberration measured by the exposure apparatus 2 in the illuminance distribution on the pupil storage unit 7103 and the wavefront aberration data storage unit 7104, respectively. The upper illuminance distribution and the wavefront aberration are read, and the transfer image is calculated by the above-described method using the circuit pattern and the illumination conditions set by the CAD terminal 731. The result is displayed on the CAT terminal 731 together with the circuit pattern. According to this system, it is possible to perform optimal pattern correction according to the characteristics of the exposure apparatus 2, so that a desired circuit pattern can be obtained at the time of transfer.
[0090]
According to the above-described embodiment, as the wavefront aberration measuring device, the pinhole 110 on the evaluation reticle 1, the relay lens 41, the lens array (installed at a position conjugate with the pupil of the exposure lens) 42, and the image sensor By combining 43, the wavefront aberration of the exposure lens on the exposure apparatus can be measured at low cost for all aberration items.
[0091]
Further, by providing an aperture 40 at the entrance and a condenser lens 120 on the evaluation reticle 1 as a wavefront aberration measuring device, it is possible to perform measurement with a sufficient amount of light without being affected by adjacent pinholes. Can be measured with high accuracy.
[0092]
Further, according to the above-described embodiment, a high-accuracy exposure apparatus misalignment correction system that considers a difference between a circuit pattern and an alignment mark position shift based on the wavefront aberration data measured by the wavefront aberration measurement apparatus, and an exposure condition prediction method A system and a circuit pattern design system according to an exposure apparatus can be constructed, and an ultrafine semiconductor device can be manufactured at a high yield.
[0093]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is an effect that a change with time of the wavefront aberration of an exposure lens can be measured with high accuracy on a semiconductor exposure apparatus.
Further, according to the present invention, even if the margin is narrowed due to the ultra-miniaturization of the semiconductor device, high-precision exposure is realized in consideration of a slight temporal change of the wavefront aberration of the exposure lens (reduction projection optical system). As a result, there is an effect that an ultrafine semiconductor device can be manufactured with a high yield.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing an embodiment of an exposure apparatus provided with a wavefront aberration measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining an arrangement of an optical system of the wavefront aberration measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining spots on an image sensor according to the present invention.
FIG. 4 is a view for explaining a flow for obtaining a spot shift position caused by a measurement system according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining a method of obtaining wavefront aberration according to the present invention.
FIG. 6 is a view for explaining a wavefront aberration measuring apparatus including a limiting filter (aperture) according to the present invention.
FIG. 7 is a view for explaining a measurement reticle (evaluation reticle) including the condenser lens according to the present invention.
FIG. 8 is a view for explaining a flow of exposure apparatus correction according to the present invention.
FIG. 9 is a view for explaining parameters necessary for calculating a transferred image according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining lighting conditions according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram for explaining a circuit pattern in a first step and a second step according to the present invention.
FIG. 12 is a diagram for explaining a difference in wavefront aberration depending on a pattern position according to the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of wavefront aberration according to the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing an arrangement of circuit patterns and alignment marks in a first step according to the present invention.
FIG. 15 is a view showing the arrangement of circuit patterns and alignment marks in a second step according to the present invention.
FIG. 16 is a view showing a circuit pattern and a registration mark after the superposition in the first and second steps according to the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing a relationship between a positional deviation Δξ of an alignment mark and a positional deviation ΔEx of a circuit pattern according to the present invention.
FIG. 18 is a diagram showing a temporal change of alignment inspection data Δξ according to the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing a calculation flow of an optimum exposure amount and a focus value according to the present invention.
FIG. 20 is a diagram showing a light intensity distribution of a transferred image according to the present invention.
FIG. 21 is a diagram showing a relationship between a focus value F, a line width CD, and an exposure amount E according to the present invention.
FIG. 22 is a diagram illustrating a process window according to the present invention.
FIG. 23 is a view for explaining a dimensional difference between both ends of the line & space according to the present invention.
FIG. 24 is a view for explaining a misalignment correction system using wavefront aberration according to the present invention.
FIG. 25 is a diagram for explaining an exposure condition prediction system using wavefront aberration according to the present invention.
FIG. 26 is a diagram for explaining a circuit pattern design system using wavefront aberration according to the present invention.
FIG. 27 is a diagram for explaining a relationship between a difference in an optical path due to a spatial frequency of a pattern and a wavefront aberration according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Reticle for measurement (reticle for evaluation), 110, 111, 112 ... Pinhole (pattern), 120 ... Condensing lens, 2 ... Exposure lens (projection optical system: optical system to be measured), 20 ... Registration inspection apparatus, 21: first element lens, 2: second element lens, 23: pupil, 201: wavefront aberration, 3: wafer (substrate to be exposed), 31: Z stage, 32: X stage, 33: Y stage, 4 ... wavefront aberration measuring device, 40 ... restriction filter (aperture), 41 ... relay lens, 42 ... lens array, 43 ... image sensor, 431 ... imaged image, 51 ... film forming device, 52 ... CMP device, 53 ... coating and developing Apparatus, 54: Etching apparatus, 55: Resist removing apparatus, 6: Host computer, 71: Misalignment correction system (upper computer), 72: Exposure condition prediction system None (host computer), 73 ... circuit pattern design system,.

Claims

In a wavefront aberration measuring device for measuring a wavefront aberration of an optical system to be measured,
A pattern that is positioned on the object plane of the measured optical system and generates light that spreads almost uniformly on a pupil of the inspected optical system;
An illumination optical system for illuminating the pattern,
A relay lens that forms a conjugate position with a pupil plane of the measured optical system;
A main plane is arranged at a conjugate position with a pupil plane of the optical system to be measured formed by the relay lens, and light from a primary image of the pattern formed on an image plane of the optical system to be measured is divided into wavefronts. A lens array that forms a number of secondary images of the pattern;
An image pickup device for picking up secondary images of a large number of patterns formed by the lens array.

The light beam obtained when there is no wavefront aberration in the measured optical system and the light beam obtained when there is wavefront aberration pass through the center of each lens element of the lens array. 2. The wavefront aberration measuring device according to 1.

An illumination optical system for illuminating a circuit pattern of the reticle mounted on the reticle stage, and a projection for projecting and exposing the circuit pattern of the reticle illuminated by the illumination optical system onto a substrate to be exposed mounted on the substrate stage In an exposure apparatus including an optical system, on the reticle stage, provided a pattern that generates light that spreads substantially uniformly on a pupil of the projection optical system,
A relay lens that forms a conjugate position with a pupil plane of the projection optical system,
A main plane is arranged at a conjugate position with a pupil plane of the projection optical system formed by the relay lens, and light from a primary image of the pattern formed on an image plane of the projection optical system is wavefront-divided to form the pattern. A lens array that forms a large number of secondary images of
An image sensor that captures a secondary image of a pattern formed by the lens array and outputs a number of pattern signals;
An exposure apparatus provided with a wavefront aberration measuring device including: processing means for calculating a wavefront aberration of the projection optical system based on a large number of pattern signals obtained from the image sensor.

In the wavefront aberration measuring apparatus, a light beam obtained when there is no wavefront aberration and a light beam obtained when there is a wavefront aberration in the optical system to be measured pass through the center of each lens element of the lens array. The exposure apparatus according to claim 3, wherein:

4. The exposure apparatus according to claim 3, wherein in the wavefront aberration measurement device, the imaging device is disposed at a focal position of the lens array. 5.

4. The exposure apparatus according to claim 3, wherein in the wavefront aberration measuring device, a distance between an image plane of the projection optical system and a main plane of the relay lens is a focal length of the relay lens.

4. The exposure apparatus according to claim 3, wherein the wavefront aberration measurement device includes a limiting filter on an incident side of the relay lens.

4. The exposure apparatus according to claim 3, wherein the illumination optical system includes a condensing optical system that condenses the illumination light on the pattern at least when measuring the wavefront aberration.

The processing means of the wavefront aberration measuring apparatus is configured to determine whether the relay lens and the relay lens correspond to a first pattern position group (X0, Y0) measured in advance in a first state based on a large number of pattern signals obtained from the image sensor. An error component group (ax, ay) due to the lens array is calculated, and a second pattern position group (X, Y) is measured based on a large number of pattern signals obtained from the image sensor in the second state. From the calculated error component group (ax, ay) to calculate the second pattern shift amount group (ΔX, ΔY), and calculate the second pattern shift amount group (ΔX, ΔY). 4. The exposure apparatus according to claim 3, wherein a wavefront aberration W of the projection optical system in the second state is calculated based on the second state.

When the processing means calculates an error component group (ax, ay) due to the relay lens and the lens array, another means measures the wavefront aberration W0 of the projection optical system in the first state, A first pattern shift amount group (ΔX0, ΔY0) is calculated based on the measured wavefront aberration W0, and the calculated first pattern is calculated from the measured first pattern position group (X0, Y0). 10. The exposure apparatus according to claim 9, wherein the error component group (ax, ay) is calculated by subtracting the shift amount group (ΔX0, ΔY0).

An exposure apparatus according to claim 3 or 9,
According to the wavefront aberration W of the projection optical system in the second state obtained from the processing means of the wavefront aberration measuring device in the exposure apparatus, the second state is overlaid on the first circuit pattern and the first alignment mark in the second state. When exposing the second circuit pattern and the second alignment mark, the positional deviation amount of the second circuit pattern transfer image with respect to the first circuit pattern and the positional deviation amount of the second alignment mark transfer image with respect to the first alignment mark And the calculated positional deviation of the circuit pattern transfer image and the alignment mark transfer image in accordance with the amount of positional shift of the second alignment mark transfer image with respect to the first alignment mark actually measured by the alignment inspection device. The position of the transfer image of the actual circuit pattern is predicted by correcting the relationship between the position and the position of the transfer image of the actual circuit pattern. Manufacturing system for a semiconductor device characterized by comprising a calculating means for feedback.

An exposure apparatus according to claim 3 or 9,
The focus value and the exposure amount are changed according to the wavefront aberration W of the projection optical system in the second state obtained from the processing means of the wavefront aberration measurement device in the exposure device to change the light intensity distribution of the transferred image of the product circuit pattern. The product circuit pattern dimensions are calculated based on the calculated light intensity distribution of the transferred image of the product circuit pattern, and the optimum exposure amount and the optimum focus value are calculated from the relationship between the focus value, the exposure amount and the product circuit pattern size. A manufacturing system for a semiconductor device, comprising: calculating means for calculating.

An exposure apparatus according to claim 3 or 9,
A transfer image of a circuit pattern exposed by the projection optical system in the second state is calculated according to the wavefront aberration W of the projection optical system in the second state obtained from the processing means of the wavefront aberration measurement device in the exposure apparatus. A calculating means for designing optical characteristics of the circuit pattern on the reticle based on the calculated transfer image of the circuit pattern.

A wavefront aberration calculating step of calculating a wavefront aberration W of the projection optical system in the exposure apparatus;
According to the wavefront aberration W of the projection optical system in the second state calculated in the wavefront aberration calculation step, the second circuit pattern and the second circuit pattern are placed on the first circuit pattern and the first alignment mark in the second state. Calculating the relationship between the amount of misalignment of the second circuit pattern transfer image with respect to the first circuit pattern and the amount of misalignment of the second alignment mark transfer image with respect to the first alignment mark when exposing the second alignment mark Calculating a relationship,
The position shift of the circuit pattern transfer image and the position of the alignment mark transfer image calculated in the relation calculating step according to the amount of position shift of the second alignment mark transfer image with respect to the first alignment mark measured by the alignment inspection device. A prediction step of correcting the relationship with the deviation to predict a position deviation correction value of the actual transfer image of the circuit pattern;
Feeding back a semiconductor substrate using an exposure system having a step of feeding back a position correction value of a transfer image of an actual circuit pattern predicted in the prediction step to the exposure apparatus. Manufacturing method of a semiconductor device.

A wavefront aberration calculating step of calculating a wavefront aberration W of the projection optical system in the exposure apparatus;
The focus value and the exposure amount are changed according to the wavefront aberration W of the projection optical system in the second state calculated in the wavefront aberration calculation step to calculate the light intensity distribution of the transfer image of the product circuit pattern. Light intensity distribution calculation step;
A product circuit pattern dimension step of calculating a product circuit pattern dimension based on the light intensity distribution of the transfer image of the product circuit pattern calculated in the light intensity distribution calculation step of the transferred image;
Calculating the optimum exposure amount and the optimum focus value from the relationship between the focus value, the exposure amount, and the dimensions of the product circuit pattern, and manufacturing a semiconductor device by exposing the semiconductor substrate using an exposure system. Semiconductor device manufacturing method.

A wavefront aberration calculating step of calculating a wavefront aberration W of the projection optical system in the exposure apparatus;
Calculating a transfer image of a circuit pattern exposed by the projection optical system in the second state according to the wavefront aberration W of the projection optical system in the second state calculated in the wavefront aberration calculation step;
Designing the optical characteristics of the circuit pattern on the reticle based on the transferred image of the circuit pattern calculated in the step; and manufacturing a semiconductor device by exposing the semiconductor substrate using an exposure system. Manufacturing method of a semiconductor device.