JP2004247495A - 検査方法、プロセッサ及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】局所的な欠陥を有する照明光学系を簡便、且つ短時間に行なうことができる検査方法を提供する。
【解決手段】被露光基板の表面にレジスト膜を塗布し、レジスト膜表面と光学的に共役となる位置からずらして複数のピンホール（結像手段）２４ａ〜２４ｈを設置し、複数のピンホール（結像手段）２４ａ〜２４ｈを通して、複数の二次光源２２ａ〜２２ｅから出射された露光光をレジスト膜に投影して形成した複数の開口部を有する複数の検査レジストパターンを転写し、複数の検査レジストパターンの一つを参照画像として測定して画像処理により参照画像データを取得し、複数の検査レジストパターンの検査画像を測定して画像処理により取得した複数の検査画像データを参照画像データと比較して異常検査画像を判定する。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光リソグラフィ技術に関し，特に露光装置の照明光学系の検査に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造技術の進歩、特に微細化・高集積化に伴い微細パターンを半導体基板上に転写する露光装置に要求される性能仕様は厳しくなりつつある。半導体デバイスを構成するパターンの寸法ばらつきはデバイス動作速度に影響するから、露光工程で形成されるレジストパターンの寸法が、一括露光領域内で高精度に均一であることが要求される。
【０００３】
フォトリソグラフィの露光工程では、透光部、遮光部、及び半透明部等から構成されるマスクパターンが描かれたフォトマスクを照明光学系からの照明光で均一に照明し、投影光学系を介して半導体基板上の一括露光領域にマスクパターンの像を投影する。半導体基板上にはフォトレジストが塗布されており、露光後、現像工程を経て、半導体基板上にレジストパターンが形成される。
【０００４】
露光装置の照明光学系には、フライアイレンズと、コンデンサレンズが備えられている。フライアイレンズは、光源からの光を受け、フライアイレンズの出射側に二次光源を形成する。コンデンサレンズはフライアイレンズから出射した光を集光し、フォトマスクのマスクパターンが描かれた領域を均一に照明する。
【０００５】
露光装置の照明光学系の様々な特性によって、同じ寸法に仕上げるべきパターンの寸法が一括露光領域内でばらつくことがある。その原因として、例えばフォトマスクを照明する照明光の強度（露光量）が場所によって異なる照度むら等がある。パターン寸法が照明光の波長程度かそれ以下になる場合、最適露光量からずれた露光量で露光すると転写されるレジストパターンの寸法が変動する。所望寸法のレジストパターンが形成される露光量条件の範囲（露光量余裕度）はパターン寸法が微細なほど狭くなるから、照度むらを厳しく管理しなければならない。照度むらは、例えばフライアイレンズ表面に付着したダストや、フライアイレンズ内部の傷等の局所的な欠陥によって発生する。
【０００６】
一括露光領域内のレジストパターン寸法の変動を発生させる別の要因として、二次光源の形状のばらつき、特に大きさ（σ値）のばらつきがある。σ値はレンズの結像特性を決定する因子の一つで、σ値のばらつきは解像力と露光量余裕度の変化となる。また最近では、解像力向上の目的で輪帯照明などの変形照明が積極的に活用されているが、この場合はσ値だけでなく輪帯遮蔽率が一括露光領域内でばらつくこともレジストパターンの寸法変動につながる。例えば、二次光源とフォトマスクの間に存在するコンデンサレンズの局所的な収差によりσ値がばらつき、レジストパターン寸法の変動が発生する（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
露光装置の検査方法として、照明光の投影光学系の開口絞り上または開口絞りと共役な位置で照度分布を求める方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特許第２９２８２７７号公報（第３−４頁、第１図）
【０００９】
【非特許文献１】
プロシーディングズ・オブ・エス・ピー・アイ・イー（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ），１９９９年３月，第３６７９巻，ｐ．８７−９８
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
一括露光領域内のレジストパターン寸法のばらつきは、照明光学系の局所的な欠陥だけでなく、例えば、投影光学系の収差、迷光、フォトマスク上のマスクパターン自身の寸法誤差、レジスト塗布膜厚の不均一性、あるいは現像の不均一性等、様々な原因でも発生する。したがって、レジストパターンの寸法ばらつきの原因が露光装置の照明光学系にあるのかどうかは、半導体装置製造のために転写されたレジストパターンを観察するだけでは判明しない。
【００１１】
特許文献１に開示されている方法では、露光装置内部の適切な位置に照度分布検出ユニットを設置しなければならず、露光装置の構成が複雑となる。また、照度分布検出ユニットが設置されていない露光装置では検査が実施できない。
【００１２】
本発明は、このような課題を解決し、局所的な欠陥を有する照明光学系を簡便、且つ短時間に検査することができる検査方法を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、局所的な欠陥を有する照明光学系の検査を、容易に、且つ短時間に実施するプロセッサを提供することである。
【００１４】
本発明の更に他の目的は、局所的な欠陥を有する照明光学系を簡便、且つ短時間に検査することができる検査方法を適用した半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の特徴は、（イ）被露光基板の表面にレジスト膜を塗布し、（ロ）レジスト膜表面と光学的に共役となる位置からずらして複数の結像手段を設置し、（ハ）複数の結像手段を通して、複数の二次光源から出射された露光光をレジスト膜に投影して形成した複数の開口部を有する複数の検査レジストパターンを転写し、（ニ）複数の検査レジストパターンの一つを参照画像として測定して画像処理により参照画像データを取得し、（ホ）複数の検査レジストパターンの検査画像を測定して画像処理により取得した複数の検査画像データを参照画像データと比較して異常検査画像を判定することを含む検査方法であることを要旨とする。
【００１６】
本発明の第１の特徴によれば、局所的な欠陥を有する照明光学系を簡便、且つ短時間に検査することができる。
【００１７】
本発明の第２の特徴は、（イ）被露光基板の表面に塗布したレジスト膜に、レジスト膜表面と光学的に共役となる位置からずらして設置した複数の結像手段を通して、複数の二次光源から出射された露光光をレジスト膜に投影して転写した複数の開口部を有する複数の検査レジストパターンの参照画像及び検査画像を取得するデータ入力モジュールと、（ロ）参照画像及び検査画像から参照画像データ及び検査画像データを算出する画像処理モジュールと、（ニ）参照画像データ及び検査画像データを比較して検査画像データに異常があるかを判定する判定モジュールとを備えるプロセッサであることを要旨とする。
【００１８】
本発明の第２の特徴によれば、局所的な欠陥を有する照明光学系の検査を、容易に、且つ短時間に実施するプロセッサを提供することができる。
【００１９】
本発明の第３の特徴は、（イ）検査用基板の表面に検査用レジスト膜を塗布するステップ、検査用レジスト膜表面と光学的に共役となる位置からずらして複数の結像手段を設置するステップ、複数の結像手段を通して、複数の二次光源から出射された露光光を検査用レジスト膜に投影して転写した複数の開口部を有する複数の検査レジストパターンを形成するステップ、複数の検査レジストパターンの一つを参照画像として測定して画像処理により参照画像データを取得するステップ、複数の検査レジストパターンの検査画像を測定して画像処理により取得した複数の検査画像データを参照画像データと比較して異常検査画像を判定するステップにより、露光装置の検査を行う工程と、（ロ）異常検査画像があると判定された場合、異常検査画像より欠陥の種類を取得して露光装置の調整を行う工程と、（ハ）半導体基板に製造用レジスト膜を塗付する工程と、（ニ）製造用フォトマスクと半導体基板を露光装置に装着する工程と、（ホ）半導体基板に半導体装置製造プロセスを実施する工程とを含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。
【００２０】
本発明の第３の特徴によれば、局所的な欠陥を有する照明光学系を簡便、且つ短時間に検査することができる検査方法を適用した半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００２１】
本発明の第１及び第３の特徴において、参照画像データ及び検査画像データが、少なくとも二次光源の輝度データ及び検査レジストパターンの形状のいずれかであることが好ましい。また、二次光源を形成する照明光学系の欠陥は、照明光学系の内部のダストと傷、及び照明光学系のコンデンサレンズの収差を含む。また、複数の結像手段が、遮光膜に設けられた複数のピンホールであることが好ましい。あるいは、複数のレンズを備えたレンズアレイであっても良い。また、検査フォトマスクのピンホールの中に、半透明膜と透過部とを格子状に配列した回折格子が構成されてもよい。この場合、更に、参照画像データ及び検査画像データが、回折格子の０次回折光からなる検査レジストパターンと複数の１次回折光からなる外縁との中心位置のずれ、及び外縁の大きさを含むことにより、投影光学系の開口数の変動が検査可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００２３】
本発明の実施の形態に係る検査方法の説明に用いる露光装置は、図１に示すような屈折型の露光装置（スキャナ）で、縮小比は４：１としている。光源１０として波長λ＝２４８ｎｍのクリプトンフロライド（ＫｒＦ）エキシマレーザが用いられる。照明光学系１３には、フライアイレンズ１１やコンデンサレンズ１２等が含まれる。投影光学系１５には、開口絞り１６が配置されている。光源１０から出射された露光光は、照明光学系１３、マスクステージ１４上に設置された検査フォトマスク４、及び投影光学系１５を介して、基板ステージ１８上の半導体基板１に照射される。なお、説明の便宜上、露光装置として、スキャナを示しているが、スキャナの他にも、ステッパ等が使用可能である。また、縮小比を４：１としているが、任意の縮小比でもよいことは勿論である。また、光源１０として、ＫｒＦエキシマレーザを用いているが、他のアルゴンフロライド（ＡｒＦ）等のエキシマレーザ、あるいは、ｉ線やｇ線等の紫外線等を用いてもよいことは勿論である。
【００２４】
本発明の実施の形態に係る検査方法の説明に用いる検査フォトマスク４には、図２（ａ）及び図２（ｂ）のＡ−Ａ断面に示すように、溶融石英等の透明基板２８の表面に設けられたクロム（Ｃｒ）や酸化クロム（ＣｒＯ）等の遮光膜２６に複数のピンホール（結像手段）２４ａ〜２４ｄ、・・・、２４ｚが配置されている。例えば、透明基板２８は厚さが６．３ｍｍで、ピンホール２４ａ〜２４ｄ、・・・、２４ｚは、直径Ｄが５５μｍ、ピッチＳが５００μｍで、検査フォトマスク４の１００×１４０ｍｍのパターン領域全面に設けられている。遮光膜２６が設けられた表面に対向する透明基板２８の裏面には、勿論、遮光膜は設けられていない。
【００２５】
本発明の実施の形態に係る検査の対象の一つとなる照明光学系１３のフライアイレンズ１１は、図３に示すように、複数のロッドレンズ２１を縦横に配列した構造を有する。光源１０から出射された露光光は、図４に示すように、フライアイレンズ１１及びコンデンサレンズ１２を介して検査フォトマスク４を照明する。検査フォトマスク４は、ピンホール２４ａ〜２４ｈを配置した表面が照明光学系１３に対面するように上向きに設置されている。即ち、検査フォトマスク４の表面は、ピンホール２４ａ〜２４ｈが被露光基板（半導体基板）１の表面に転写される位置、即ち、光学的に共役な位置から外れ、検査フォトマスク４の裏面が半導体基板１と共役な位置になっている。したがって、ピンホール２４ａ〜２４ｈは、露光光により半導体基板１表面には結像しない。更に、ピンホール２４ａ〜２４ｄ、・・・、２４ｚの直径Ｄは、ピンホール２４ａ〜２４ｄ、・・・、２４ｚに入射した露光光が検査フォトマスク４の透明基板２８裏面で焦点を結ぶような大きさに設計されている。即ち、ピンホール２４ａ〜２４ｄ、・・・、２４ｚは、ピンホールカメラの結像手段として機能する。
【００２６】
例えば、図４に示したように、フライアイレンズ１１のロッドレンズ２１ａの一断面の左右端に対して入射する露光光をＢ１ｒ及びＢ１ｌ、ロッドレンズ２１ｂの一断面の左右端に対して入射する露光光をＢ２ｒ及びＢ２ｌ、以下同様に、ロッドレンズ２１ｃに対してＢ３ｒ及びＢ３ｌ、ロッドレンズ２１ｄに対してＢ４ｒ及びＢ４ｌ、ロッドレンズ２１ｅに対してＢ５ｒ及びＢ５ｌとする。フライアイレンズ１１に入射した各露光光Ｂ１ｒ、Ｂ１ｌ、Ｂ２ｒ、Ｂ２ｌ、Ｂ３ｒ、Ｂ３ｌ、Ｂ４ｒ、Ｂ４ｌ、Ｂ５ｒ、及びＢ５ｌは、それぞれ各ロッドレンズ２１ａ〜２１ｅにより集光されて出射側にそれぞれ点光源からなる二次光源２２ａ、２２ｂ、・・・、２２ｅを形成する。二次光源２２ａ、２２ｂ、・・・、２２ｅを通過した露光光Ｂ１ｒ、Ｂ１ｌ、Ｂ２ｒ、Ｂ２ｌ、Ｂ３ｒ、Ｂ３ｌ、Ｂ４ｒ、Ｂ４ｌ、Ｂ５ｒ、及びＢ５ｌは、コンデンサレンズ１２により光路を曲げられ検査フォトマスク４のピンホール２４ａ、２４ｂ、・・・、２４ｈのいずれかに入射する。例えば、各ロッドレンズ２１ａ〜２１ｅの左端に入射した露光光Ｂ１ｌ、Ｂ２ｌ、Ｂ３ｌ、Ｂ４ｌ、及びＢ５ｌは、検査フォトマスク４の右端のピンホール２４ａに入射して、検査フォトマスク４の透明基板２８裏面に二次光源像４４ａ〜４４ｅを形成する。一方、各ロッドレンズ２１ａ〜２１ｅの右端に入射した露光光Ｂ１ｒ、Ｂ２ｒ、Ｂ３ｒ、Ｂ４ｒ、及びＢ５ｒは、検査フォトマスク４の左端のピンホール２４ｈに入射して、検査フォトマスク４の透明基板２８裏面に二次光源像４４ａ〜４４ｅを形成する。また、同様に、各ロッドレンズ２１ａ〜２１ｅの左端から右端にわたる中間領域に入射した露光光は、入射位置に従ってコンデンサレンズ１２を介して、検査フォトマスク４の右端から左端にわたる中間に配置されているピンホール２４ｂ〜２４ｇのいずれかに順に入射し、それぞれ検査フォトマスク４の透明基板２８裏面に二次光源像４４ａ〜４４ｅを同様に形成する。本発明の実施の形態においては、上述したように、検査フォトマスク４のピンホール２４ａ〜２４ｈをレンズとして機能させることにより露光光から二次光源像４４ａ〜４４ｅを検査フォトマスク４の透明基板２８裏面に形成させている。即ち、二次光源２２ａ〜２２ｅと光学的に共役となるのは、検査フォトマスク４の裏面である。したがって、検査フォトマスク４のピンホール２４ａ〜２４ｈを透過する露光光は、二次光源２２ａ〜２２ｅ及び検査フォトマスク４の透明基板２８裏面と光学的に共役な半導体基板１表面にフライアイレンズ１１により形成された二次光源２２ａ〜２２ｅの二次光源像４４ａ〜４４ｅを、投影光学系１５を通して縮小投影する。
【００２７】
例えば、ポジ型フォトレジストを表面に塗布した半導体基板１が、図１及び図４に示した配置で露光されるとする。現像処理後、図５（ａ）に示すように、半導体基板１の表面上のレジスト膜３６の露光領域３０に、検査フォトマスク４のピンホール２４ａ、２４ｂ、・・・、２４ｚの位置に対応して二次光源２２ａ〜２２ｅの二次光源像４４ａ〜４４ｅが縮小投影され、検査レジストパターン３４ａ、３４ｂ、・・・、３４ｚが転写される。例えば、検査レジストパターン３４ａのＢＢ断面には、図５（ｂ）に示すように、複数の二次光源２２ａ〜２２ｅに対応する複数の開口部３５ａ〜３５ｅが形成される。したがって、レジスト膜３６には、例えば図６に示すように、フライアイレンズ１１のロッドレンズ２１に対応して二次元的に配列された複数の開口部３５からなる検査レジストパターン３４が形成される。
【００２８】
次に、照明光学系１３に局所的な欠陥がある場合について説明する。図７に示すように、例えば、フライアイレンズ１１のロッドレンズ２１ａ〜２１ｅのなかで、ロッドレンズ２１ｂの光源１０側にダスト等の欠陥７が存在しているとする。ロッドレンズ２１ｂに入射する露光光Ｂ２ａ〜Ｂ２ｈは、例えば、照明光学系１３を介して検査フォトマスク４のピンホール２４ａ〜２４ｅに入射する。ここで、図７において、露光光Ｂ２ａ〜Ｂ２ｈは点光源２２ｂで左右が反転されてコンデンサレンズ１２に入射するため、ピンホール２４ａには露光光Ｂ２ｈが入射し、ピンホール２４ｂには露光光Ｂ２ｇが入射する。以下同様に、ピンホール２４ｃに露光光Ｂ２ｆ、・・・、ピンホール２４ｈに露光光Ｂ２ａがそれぞれ入射する。欠陥７の位置が露光光Ｂ２ｃの入射位置であるため、露光光Ｂ２ｃはロッドレンズ２１ｂに入射できない。したがって、ピンホール２４ｆにはロッドレンズ２１ｂを経由する露光光Ｂ２ｃが入射されない。その結果、図８に示すように、ピンホール２４ｆに対応するレジスト膜３６の検査レジストパターン３４ｆには、二次光源２２ａ、２２ｃ、２２ｄ、及び２２ｅに対応して開口部３５ａ、３５ｃ、３５ｄ、及び３５ｅが形成されるが、二次光源２２ｂに対応する位置には開口部がない欠陥像３７が発生する。なお、上記説明においては欠陥７の位置をフライアイレンズ１１の入射側表面としたが、欠陥７の位置はフライアイレンズ１１の出射側表面、あるいは、コンデンサレンズ１２表面であってもよいことは、勿論である。また、欠陥７としては、ダストだけでなく、例えば、フライアイレンズ１１あるいはコンデンサレンズ１２に発生した傷等のように、露光光の光路を変化させるものであれば、同様の欠陥像を発生させることは、勿論である。また、照明光学系１３の局所的な欠陥７が、１個の検査レジストパターン３４ｆに転写される場合について説明したが、局所的な欠陥７の大きさによっては、複数の検査レジストパターンに転写される場合も生じる。例えば、欠陥がロッドレンズ２１ｂ全体を覆っている場合、点光源２２ｂは形成されないため、点光源２２ｂが欠落した二次光源２２ａ〜２２ｅが投影されることになる。したがって、全ての検査レジストパターンには共通欠陥が転写される。
【００２９】
また、コンデンサレンズ１２に収差がある場合にも、露光光の光路に変動が生じ、半導体基板１に投影される二次光源像に変化が発生する。例えば、図９に示すように、コンデンサレンズ１２に、紙面に向かって左側に局所的に収差があるとする。フライアイレンズ１１に入射した各露光光Ｂ１ｒ、Ｂ１ｌ、Ｂ２ｒ、Ｂ２ｌ、Ｂ３ｒ、Ｂ３ｌ、Ｂ４ｒ、Ｂ４ｌ、Ｂ５ｒ、及びＢ５ｌは、それぞれ各ロッドレンズ２１ａ〜２１ｅにより集光されて出射側に二次光源２２ａ〜２２ｅを形成する。二次光源２２ａ〜２２ｅを通過した露光光Ｂ１ｌ、Ｂ２ｌ、Ｂ３ｌ、Ｂ４ｌ、及びＢ５ｌは、コンデンサレンズ１２を経由して検査フォトマスク４のピンホール２４ａに角度幅αで入射する。一方、露光光Ｂ１ｒ、Ｂ２ｒ、Ｂ３ｒ、Ｂ４ｒ、及びＢ５ｒは、コンデンサレンズ１２の収差のため光路を曲げられ検査フォトマスク４のピンホール２４ｈに、角度幅αより狭められた角度幅βで入射する。その結果、図９に示すように、ピンホール２４ｈに対応する二次光源像４５ａ〜４５ｅの直径ｄ２は、コンデンサレンズ１２の収差の無い正常な部分を経由して形成されるピンホール２４ａに対応する二次光源像４４ａ〜４４ｅの直径ｄ１よりも小さくなる。ピンホール２４ａ及び２４ｈを透過して形成された二次光源像４４ａ〜４４ｅ及び４５ａ〜４５ｅが、図１０に示すように、投影光学系１５でレジスト膜３６に縮小投影され、複数の開口部３５を有する検査レジストパターン３４ａ及び３４ｈが転写される。検査レジストパターン３４ａ及び３４ｈは、露光装置の縮小率に応じて直径が、二次光源像４４ａ〜４４ｅ及び４５ａ〜４５ｅの直径ｄ１及びｄ２に対応してそれぞれｄｐ１及びｄｐ２となる。したがって、検査レジストパターン３４ｈの直径ｄｐ２は、正常な検査レジストパターン３４ａの直径ｄｐ１より小さい。このように、コンデンサレンズ１２の局所的な収差により、レジスト膜３６に転写された検査レジストパターン３４ｈに形状変動を伴う欠陥像が発生する。
【００３０】
上述のように、照明光学系１３の局所的な欠陥が、１個の検査レジストパターンに転写される場合について説明したが、局所的な欠陥の大きさによっては、複数の検査レジストパターンに転写される場合も生じる。また、転写された欠陥像３７、あるいは二次光源像直径の変動分（ｄｐ１−ｄｐ２）は微小であるが、光学顕微鏡で観測可能な大きさを有している。しかし、検査フォトマスク４には、実際には、数万個のピンホール２４ａ、２４ｂ、・・・、２４ｚが配置されているため、レジスト膜３６に転写された数万個の検査レジストパターン３４ａ、３４ｂ、・・・、３４ｚを一つ一つ調査し、微小な欠陥像３７、あるいは二次光源像直径の変動分（ｄｐ１−ｄｐ２）を有する検査レジストパターン３４ｆ、あるいは３４ｈを抽出することは困難であり、長時間を要する。
【００３１】
本発明の実施の形態においては、検査フォトマスク４の複数のピンホール２４ａ、２４ｂ、・・・、２４ｚをレジスト膜３６と光学的に共役となる位置からはずして設置する。そして、露光装置の照明光学系１３が形成する二次光源２２ａ〜２２ｅを、複数のピンホール２４ａ、２４ｂ、・・・、２４ｚに対応するレジスト膜３６上の位置に複数の検査レジストパターン３４ａ、３４ｂ、・・・、３４ｚに転写する。そして、複数の検査レジストパターン３４ａ、３４ｂ、・・・、３４ｚの一つを参照画像として測定して、画像処理により参照画像データを取得する。更に、複数の検査レジストパターン３４ａ、３４ｂ、・・・、３４ｚの検査画像を測定して画像処理により取得した複数の検査画像データを参照画像データと比較する。検査画像データは、例えば、検査レジストパターンの検査画像の輝度、あるいは検査レジストパターンの検査画像の直径等を含む形状等である。例えば、参照画像として正常な検査レジストパターンが選択されている場合、参照画像データと有意差のある検査画像データが異常と判定される。逆に、異常な検査レジストパターンが参照画像とされている場合は、大部分の検査画像データが有意差ありと判定されるため、参照画像データと有意差の無い少数の検査画像データを異常と判定すればよい。このように、本発明の実施の形態によれば、微小な欠陥像３７、あるいは二次光源像直径の変動分（ｄ１−ｄ２）を有する検査レジストパターン３４ｆ、３４ｈを容易に検出することができる。また、全ての検査画像データが正常と判定されても、全ての画像に共通欠陥が含まれるばあいがある。その場合は、参照画像又は検査画像の一つを調査して共通欠陥の有無を調べる。
【００３２】
本発明の実施の形態に係る検査方法に用いる検査システムは、図１０に示すように、光学的に検査レジストパターンを計測して画像に変換する検査装置５１と、検査装置５１で計測された画像を取得して画像処理を行うプロセッサ６０と、検査装置５１及びプロセッサ６０から出力される画像や画像処理された画像データ等の情報を格納する外部メモリユニット５５を備えている。
【００３３】
検査装置５１は、例えば、照明装置により半導体基板１のレジスト膜３６に転写された検査レジストパターンを照明し、反射光を結像レンズ等を含む検出光学系で電荷結合素子（ＣＣＤ）等の光電変換素子に結像させて得た電気信号を画像に変換する。
【００３４】
プロセッサ６０は、レジスト膜３６に転写された検査レジストパターンの参照画像及び検査画像を検査装置５１から取得するデータ入力モジュール６１と、参照画像及び検査画像から参照画像データ及び検査画像データを算出する画像処理モジュール６２と、参照画像データ及び検査画像データを比較して検査画像データに異常があるかを判定する判定モジュール６３と、判定結果を検査データファイルとして出力する出力モジュール６４と、検査データファイルを格納する内部メモリ６５とを備えている。プロセッサ６０は、コンピューターの中央演算処理装置（ＣＰＵ）等で実現されている。なお、検査データファイルは外部メモリユニット５５に格納されても良い。このように、本発明の実施の形態に係る検査システムにおいては、微小な欠陥像３７、あるいは二次光源像直径の変動分（ｄ１−ｄ２）を有する検査レジストパターン３４ｆ、３４ｈの検出がＣＰＵ等を用いたプロセッサ６０で自動的に実施されるため、照明光学系１３の検査処理を短時間で行なえる。
【００３５】
次に、本発明の実施の形態に係る検査方法を、図１２に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３６】
（イ）まず、ステップＳ２０１で、被露光基板（半導体基板）１の表面にレジスト膜３６を塗布し、図１に示した露光装置に装着する。検査フォトマスク４の複数のピンホール２４ａ〜２４ｚをレジスト膜３６の表面と光学的に共役となる位置からずらして設置し、複数のピンホール２４ａ〜２４ｚを通して、複数の二次光源２２ａ〜２２ｅから出射された露光光をレジスト膜３６に投影して転写した複数の開口部を有する複数の検査レジストパターン３４ａ〜３４ｚを形成する。検査フォトマスク４の露光は、図１３に示すように、表面にフォトレジストを塗布した半導体基板１の複数の露光領域３０ａ、３０ｂ、・・・、３０ｋ、・・・毎に一括静止露光で、順次露光量を変えながら行う。露光した半導体基板１を現像処理した後、光学顕微鏡を用いて転写像を観察し、最適露光領域を選定し検査に供する。
【００３７】
（ロ）次に、ステップＳ２０２で、検査装置５１に半導体基板１を装着し、検査レジストパターン３４ａ、３４ｂ、・・・の画像を測定する。
【００３８】
（ハ）ステップＳ２０３で、プロセッサ６０のデータ入力モジュール６１に検査装置５１から画像が入力される。
【００３９】
（ニ）ステップＳ２０４で、画像処理モジュール６２で入力モジュール６１から取得した画像の一つを選択して参照画像とし、他を検査画像とする。参照画像、及び検査画像を画像処理して、輝度あるいは形状等のデータを含む参照画像データ、及び検査画像データを作成する。
【００４０】
（ホ）ステップＳ２０５で、判定モジュール６３で参照画像データと検査画像データとを比較して、有意差のある異常検査画像データがあるか判定する。
【００４１】
（ヘ）異常検査画像データがあると判定された場合は、ステップＳ２０６で、異常検査画像の欠陥像を基に露光装置の照明光学系の調整を行い、ステップＳ２０１から再び検査を実施する。
【００４２】
（ト）異常検査画像データがないと判定された場合は、ステップＳ２０７で、参照画像データ又は検査画像データの一つの画像を検査し、ステップＳ２０８で、共通欠陥の有無を判定する。
【００４３】
（チ）共通欠陥があると判定された場合は、ステップＳ２０９で、画像の検査結果を基に露光装置の照明光学系の調整を行い、ステップＳ２０１から再び検査を実施する。
【００４４】
（リ）検査画像に欠陥像及び共通欠陥がないと判定された場合、露光装置の照明光学系の検査が終了し、半導体装置の製造工程に使用可能な状態となる。例えば、ステップＳ２１０で、半導体装置製造用の半導体基板のレジスト膜に回路パターンを転写し、ステップＳ２１１で、転写された回路レジストパターンをマスクとして半導体装置の製造プロセスを実施する。
【００４５】
このように、本発明の実施の形態に係る検査方法においては、微小な欠陥像３７、あるいは二次光源像直径の変動分（ｄ１−ｄ２）を有する検査レジストパターン３４ｆ、３４ｈの検出が、プロセッサ６０により、検査画像データを任意に抽出した参照画像データと比較して自動的に行なわれるため、照明光学系１３の検査処理を短時間で実施することができる。
【００４６】
また、本発明の実施の形態に係る検査方法においては、照明光学系１３で形成される二次光源２２ａ〜２２ｅの転写像である開口部３５ａ〜３５ｅを有する検査レジストパターン３４ａ〜３４ｚが検査の対象とされているため、照明光学系１３に対する局所的な欠陥の検査を、直接的に実施することができる。
【００４７】
（第１の変形例）
本発明の実施の形態の第１の変形例に係る検査方法においては、結像手段として、検査フォトマスク表面に配置したピンホールの代わりに、図１４に示すように、レンズアレイ６を用いる。マスクステージ１４には、検査フォトマスクの代わりに遮光膜を有しない透明基板８が設置される。レンズアレイ６は、透明基板８と照明光学系１３の間に設置される。本発明の実施の形態の第１の変形例では、ピンホールの代わりにレンズアレイ６を用いる点が異なり、他は本発明の実施の形態と同様なので、重複した説明は省略する。
【００４８】
本発明の実施の形態の第１の変形例に係るレンズアレイ６は、図１５に示すように、溶融石英等の透明材料からなるレンズ支持基板４２表面に、複数のレンズ４１が二次元的に周期的に配列されている。レンズアレイ６は、半導体基板１表面と光学的に共役な面からずれた位置に設置され、複数のレンズ４１の焦点が半導体基板１表面と光学的に共役な面に一致するように設置されている。したがって、照明光学系１３の二次光源と複数のレンズ４１の焦点位置が光学的に共役となり、複数のレンズ４１により複数の二次光源の像が半導体基板１の表面に投影される。このように、半導体基板１上のレジスト膜に転写された検査レジストパターンを用いることにより、露光装置の照明光学系の局所的な欠陥が検出可能となる。
【００４９】
本発明の実施の形態の第１の変形例に係る検査方法によれば、局所的な欠陥を有する照明光学系の検査を、簡便に、且つ短時間に実施することができる。
【００５０】
（第２の変形例）
本発明の実施の形態の第２の変形例に係る検査方法においては、図１６に示すように、検査フォトマスク４ａは、検査フォトマスク４ａのピンホールが配置された表面が照明光学系１３に形成される二次光源と光学的に共役となるように投影光学系１５に対面して設置されている。そして、半導体基板１は、半導体基板１表面が検査フォトマスク４ａのピンホールが配置された表面と光学的に共役な面から距離Ｌｄｆ下方にずれるように設置されている。本発明の実施の形態の第２の変形例においては、検査フォトマスク４ａと半導体基板１の設置位置が本発明の実施の形態と異なる。他は本発明の実施の形態と同様であるので、重複した説明は省略する。
【００５１】
本発明の実施の形態の第２の変形例に係る検査方法に用いる検査フォトマスク４ａには、遮光膜に直径Ｄが３μｍで、間隔Ｓが３０μｍのピンホールを、検査フォトマスク４ａの１００×１４０ｍｍのパターン領域全面に設けている。このとき、半導体基板１の表面は、検査フォトマスク４ａのピンホールが配置された表面と光学的に共役な位置から投影光学系１５に対して離れる方向に距離Ｌｄｆ、例えば、３０μｍずらすことにより、照明光学系１３の二次光源と半導体基板１表面を光学的に共役とすることができる。したがって、照明光学系１３の二次光源像が半導体基板１に投影される。その結果、半導体基板１上のレジスト膜に検査レジストパターンが転写され、露光装置の照明光学系の局所的な欠陥が検出可能となる。
【００５２】
本発明の実施の形態の第２の変形例に係る検査方法によれば、局所的な欠陥を有する照明光学系の検査を、簡便に、且つ短時間に実施することができる。
【００５３】
（第３の変形例）
本発明の実施の形態の第３の変形例に係る検査方法に用いる検査フォトマスク４ｂは、図１７（ａ）に示すように、遮光膜１２６中に、複数の円形の透光部１２９を有する半透明膜１２４からなる複数のピンホール１２７が配置されている。ピンホール１２７のＣ−Ｃ断面は、図１７（ｂ）に示すように、透明基板１２８と遮光膜１２６の間に配置された半透明膜１２４の中に、円形の透光部１２９が二次元的に繰り返し配列された回折格子である。半透明膜１２４は強度透過率が６％で、半透明膜１２４を通過する光と透光部１２９を通過する光との間に１８０度の位相差を生じさせる。本発明の実施の形態の第３の変形例においては、検査フォトマスク４ｂのピンホール１２７が半透明膜１２４と透光部１２９からなる回折格子である点が異なり、他は本発明の実施の形態と同様であるので、重複した説明は省略する。
【００５４】
本発明の実施の形態の第３の変形例に係る検査フォトマスク４ｂを用いて、図１に示す露光装置により露光を行うと、露光光はピンホール１２７の回折格子により回折され、複数の二次光源像が半導体基板１の表面のレジスト膜に投影される。例えば、図１８（ａ）に示すように、０次回折光から転写される検査レジストパターン１３０と、検査レジストパターン１３０の周囲に４個の１次回折光から転写される第１〜第４の１次回折像１３１〜１３４が形成される。検査レジストパターン１３０は、本発明の実施の形態に係る検査フォトマスク４から転写された検査レジストパターンと同様に、ピンホール１２７を介して転写される照明光学系１３の二次光源像である。したがって、検査レジストパターン１３０を用いて照明光学系１３に対する局所的な欠陥の検査ができる。一方、対向する第１及び第２の１次回折像１３１、１３２と、第１及び第２の１次回折像１３１、１３２の対向する方向に対して直交する方向で対向する第３及び第４の１次回折像１３３、１３４は、投影光学系１５の円形の開口絞り１６に対応する円形の外縁１３５によって部分的に遮光された１次回折光による二次光源像の一部である。ここで、外縁１３５は、開口絞り１６の境界を表わし、投影光学系１５の開口絞り１６の大きさを反映している。したがって、外縁１３５の半径は、投影光学系１５の出射側の開口数（ＮＡ）に比例する値である。
【００５５】
照明光学系１３や投影光学系１５が正常であれば、図１８（ａ）に示すように、外縁１３５の中心Ｃと検査レジストパターン１３０の中心は一致している。例えば、図１７（ｂ）に示すように、外縁１３５の中心Ｃと検査レジストパターン１３０ａの中心Ｃ０の位置がずれる場合があり、照明テレセンずれと呼ばれている。照明テレセンずれは、例えば、非特許文献１で説明されているように、コンデンサレンズ１２の収差によって発生し、結像特性劣化の原因となる。図１８（ｂ）に示した例では、検査レジストパターン１３０ａの中心Ｃ０の位置が第１の１次回折像１３１ａから第１の１次回折像１３１ａと対面する第２の１次回折像１３２ａに向かう方向に照明テレセンずれが発生しているが、照明テレセンずれは、コンデンサレンズ１２の収差に依存して、検査レジストパターン１３０ａ及び第１〜第４の１次回折像１３１ａ〜１３４ａの形成する面内の任意の方向に発生する。１次回折光による第１〜第４の１次回折像１３１ａ〜１３４ａの外周から求まる外縁１３５の中心Ｃと、検査レジストパターン１３０ａの中心Ｃ０との差を画像処理から求めて画像データとして用いれば、照明テレセンずれを発生させるコンデンサレンズ１２の収差の検査が可能となる。
【００５６】
また、投影光学系１５の出射側の開口数ＮＡが、露光装置の製造誤差のために変動する場合がある。投影光学系１５の出射側の開口数ＮＡは、露光装置の解像力や焦点深度に関係し、転写レジストパターンの寸法変動の発生源となる。投影光学系１５の出射側の開口数ＮＡの大きさは、外縁１３５に対応する。したがって、外縁１３５の直径を画像処理で求めて画像データとして用いることにより、投影光学系１５の出射側の開口数ＮＡの大きさの変動を検査することが可能となる。
【００５７】
本発明の実施の形態の第３の変形例に係る検査方法によれば、局所的な欠陥を有する照明光学系１３の検査を、容易に、且つ短時間に実施することができる。また、本発明の実施の形態の第３の変形例に係る検査方法によれば、照明光学系１３のコンデンサレンズ１２の収差、あるいは投影光学系１５の出射側の開口数ＮＡの大きさの変動の検査を、簡便に、且つ短時間に実施することができる。
【００５８】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００５９】
本発明の実施の形態にかかる検査方法においては、検査フォトマスク４は、ピンホール２４ａ〜２４ｈを配置した表面が照明光学系１３に対面するように上向きに設置されているが、ピンホールを、フォトマスク表面以外の位置に設置してもよい。例えば、フォトマスクの表面保護用に用いるペリクルを遮光材料とし、ペリクルにピンホールを設けることによって実現することができる。あるいは、マスクステージ１４と照明光学系１３又は投影光学系１５の間の空間や、投影光学系１５と基板ステージ１８の間の空間のいずれかに設置したピンホールを用いてもよい。このような場合でも、ピンホールの位置は、半導体基板表面とは光学的に共役な位置からずれているため、本発明の実施の形態と同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００６０】
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、局所的な欠陥を有する照明光学系を簡便、且つ短時間に検査することができる検査方法を提供することができる。
【００６２】
また、本発明によれば、局所的な欠陥を有する照明光学系の検査を、簡便、且つ短時間に実施するプロセッサを提供することができる。
【００６３】
また、本発明によれば、局所的な欠陥を有する照明光学系を簡便、且つ短時間に検査することができる検査方法を適用した半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る検査方法に用いる露光装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る検査方法に用いる検査フォトマスクの一例を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る検査方法に用いる露光装置のフライアイレンズの一例を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る検査方法に用いる検査フォトマスクを照明する露光光の、照明光学系内の光路の一例を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る検査方法に用いる検査フォトマスクから半導体基板に転写された検査レジストパターンの一例を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る検査方法に用いる検査フォトマスクから半導体基板に転写された検査レジストパターンの形状の一例を説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る検査フォトマスクを照明する露光光の、局所的な欠陥を有する照明光学系内での光路の一例を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る検査方法に用いる検査フォトマスクから、局所的な欠陥を有する照明光学系を介して半導体基板に転写された検査レジストパターンの一例を説明する図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る検査フォトマスクを照明する露光光の、局所的な欠陥を有する照明光学系内での光路の他の例を説明する図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る検査方法に用いる検査フォトマスクから、局所的な欠陥を有する照明光学系を介して半導体基板に転写された検査レジストパターンの他の例を説明する図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る検査システムの構成の概略を説明する図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る検査方法の説明に用いるフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態に係る検査方法に用いる半導体基板の露光領域の一例を説明する図である。
【図１４】本発明の実施の形態の第１の変形例に係る検査方法に用いる露光装置の概略構成図である。
【図１５】本発明の実施の形態の第１の変形例に係る検査方法に用いるレンズアレイの一例を説明する図である。
【図１６】本発明の実施の形態の第２の変形例に係る検査方法に用いる露光装置の概略構成図である。
【図１７】本発明の実施の形態の第３の変形例に係る検査方法に用いる検査フォトマスクの一例を説明する図である。
【図１８】本発明の実施の形態の第３の変形例に係る検査方法に用いる検査フォトマスクから、半導体基板に転写された検査レジストパターンの一例を説明する図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
４、４ａ、４ｂ 検査フォトマスク
６ レンズアレイ
７ 欠陥
８、２８ 透明基板
１０ 光源
１１ フライアイレンズ
１２ コンデンサレンズ
１３ 照明光学系
１４ マスクステージ
１５ 投影光学系
１６ 開口絞り
１８ 基板ステージ
２１、２１ａ〜２１ｅ ロッドレンズ
２２ａ〜２２ｅ 二次光源
２４ａ〜２４ｈ、２４ｚ、１２７ ピンホール（結像手段）
２６、１２６ 遮光膜
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｋ 露光領域
３４、３４ａ〜３４ｄ、３４ｆ〜３４ｈ、３４ｚ、１３０、１３０ａ 検査レジストパターン
３５、３５ａ〜３５ｅ 開口部
３６ レジスト膜
３７ 欠陥像
４１ レンズ
４２ レンズ支持基板
４４ａ〜４４ｅ、４５ａ〜４５ｅ 二次光源像
５１ 検査装置
５５ 外部メモリユニット
６０ プロセッサ
６１ データ入力モジュール
６２ 画像処理モジュール
６３ 判定モジュール
６４ 出力モジュール
６５ 内部メモリ
１２４ 半透明膜
１２９ 透光部
１３１、１３１ａ 第１の１次回折像
１３２、１３２ａ 第２の１次回折像
１３３、１３３ａ 第３の１次回折像
１３４、１３４ａ 第４の１次回折像
１３５ 外縁

Claims (15)

1. 被露光基板の表面にレジスト膜を塗布し、
   前記レジスト膜表面と光学的に共役となる位置からずらして複数の結像手段を設置し、
   前記複数の結像手段を通して、複数の二次光源から出射された露光光を前記レジスト膜に投影して形成した複数の開口部を有する複数の検査レジストパターンを転写し、
   前記複数の検査レジストパターンの一つを参照画像として測定して画像処理により参照画像データを取得し、
   前記複数の検査レジストパターンの検査画像を測定して前記画像処理により取得した複数の検査画像データを前記参照画像データと比較して異常検査画像を判定する
   ことを含むことを特徴とする検査方法。
2. 前記参照画像データ及び前記検査画像データが、少なくとも前記検査レジストパターンの輝度データ及び前記検査レジストパターンの形状のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の検査方法。
3. 前記異常検査画像が、前記二次光源を形成する照明光学系の内部のダストと傷、及び前記照明光学系の収差を含む欠陥より形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の検査方法。
4. 前記複数の結像手段が、遮光膜に設けられた複数のピンホールであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の検査方法。
5. 前記複数の結像手段が、レンズアレイであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の検査方法。
6. 前記ピンホールが、半透明膜と透光部とを格子状に配列した回折格子からなることを特徴とする請求項４に記載の検査方法。
7. 前記参照画像データ及び前記検査画像データが、前記回折格子の０次回折光からなる検査レジストパターンと複数の１次回折光からなる外縁との中心位置のずれ、及び前記外縁の大きさを、更に含むことを特徴とする請求項６に記載の検査方法。
8. 被露光基板の表面に塗布したレジスト膜に、前記レジスト膜表面と光学的に共役となる位置からずらして設置した複数の結像手段を通して、複数の二次光源から出射された露光光を前記レジスト膜に投影して転写した複数の開口部を有する複数の検査レジストパターンの参照画像及び検査画像を取得するデータ入力モジュールと、
   前記参照画像及び前記検査画像から参照画像データ及び検査画像データを算出する画像処理モジュールと、
   前記参照画像データ及び前記検査画像データを比較して前記検査画像データに異常があるかを判定する判定モジュール
   とを備えることを特徴とするプロセッサ。
9. 検査用基板の表面に検査用レジスト膜を塗布するステップ、前記検査用レジスト膜表面と光学的に共役となる位置からずらして複数の結像手段を設置するステップ、前記複数の結像手段を通して、複数の二次光源から出射された露光光を前記検査用レジスト膜に投影して転写した複数の開口部を有する複数の検査レジストパターンを形成するステップ、前記複数の検査レジストパターンの一つを参照画像として測定して画像処理により参照画像データを取得するステップ、前記複数の検査レジストパターンの検査画像を測定して前記画像処理により取得した複数の検査画像データを前記参照画像データと比較して異常検査画像を判定するステップにより、前記露光装置の検査を行う工程と、
   前記異常検査画像があると判定された場合、前記異常検査画像より欠陥の種類を取得して前記露光装置の調整を行う工程と、
   半導体基板に製造用レジスト膜を塗付する工程と、
   製造用フォトマスクと前記半導体基板を前記露光装置に装着する工程と、
   前記半導体基板に半導体装置製造プロセスを実施する工程
   とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 前記参照画像データ及び前記検査画像データが、少なくとも前記二次光源の輝度データ及び前記検査レジストパターンの形状のいずれかであることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記異常検査画像が、前記二次光源を形成する照明光学系の内部のダストと傷、及び前記照明光学系の収差を含む欠陥より形成されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記複数の結像手段が、遮光膜に設けられた複数のピンホールであることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記複数の結像手段が、レンズアレイであることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記ピンホールが、半透明膜と透光部とを格子状に配列した回折格子からなることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記参照画像データ及び前記検査画像データが、前記回折格子の０次回折光からなる検査レジストパターンと複数の１次回折光からなる外縁との中心位置のずれ、及び前記外縁の大きさを、更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。

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