JP2006332561A - ベストフォーカス位置測定方法及び非点隔差測定方法 - Google Patents

Abstract

【解決課題】
半導体装置の線幅の縮小に伴って、投影光学系のベストフォーカス位置の測定をより高精度に行う必要がある。また、非点隔差の測定も同様である。
【解決手段】
ライン・アンド・スペースパターンの空間像を投影光学系を介し形成し、この像の光強度分布を開口スリット等により走査して電気信号パターンに変換する。この電気信号パターンを光軸上の複数の位置において測定し、得られた電気信号パターンをフーリエ級数展開して３次の係数を求める。３次の係数の大きさを光軸上の位置の関数として曲線近似して求め、その最大値をとる位置を求める。
【選択図】
図１

Description

本発明は投影光学系の結像特性及び収差の測定法に関し、特には投影光学系のベストフォーカス位置及び非点隔差を高精度に測定する技術に関するものである。

従来、半導体素子又は液晶表示素子等を製造するためにフォトリソグラフィ技術が用いられている。この技術では、表面にフォトレジスト等の感光剤が塗布されたウェハ又はガラスプレート等の基板上に、レチクルパターンを投影光学系により転写する工程が最重要工程であり、パターンの転写のために投影露光装置、例えばステップ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置や、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置等が用いられている。
パターンを忠実に転写するためには投影光学系をベストフォーカスに調整する必要がある。また、投影光学系の非点隔差を測定する場合にもベストフォーカスの位置を検出することが重要である。

投影光学系のベストフォーカス位置を決定する方法として従来行われている方法は、ウェハ焼き込み方法と空間像解析法である。特許文献１（特開平１０−２８４４１４号公報）や特許文献２（特開２００２−１４００５号公報）にはこれらの従来技術が要約して紹介されている。前者の方法はレジストが塗布されたウェハ上にテストパターンを露光し、現像後にレジストのパターンを観察する方法である。一方、後者の方法は投影光学系の物面近傍にテストパターンの空間像を形成し、この空間像をナイフエッジやスリット開口により走査して空間像の強度変化を光電変換し、得られた信号を解析する方法である。
前者の方法に比して後者の方法は測定が容易であるので、より広く使用されている。この方法を実施する場合、以下のような工程を採る。

（詳細は特許文献１又は２参照）
１． 投影光学系の物面にライン・アンド・スペースのテストパターンを置き、投影光学系により空間像を像面の近傍に形成する。
２． スリット開口により空間像を走査して光電変換し、像の電気信号パターンを得る。
３． 像の電気信号パターンをフーリエ級数展開し、その１次の係数と０次の係数の比を像のコントラストとして求める。
４． 空間像を走査する位置を光軸上で変化させて、軸上での物面からの距離の関数としてコントラストを求める。
５． コントラストが最高になる位置をベストフォーカス位置とする。

この方法を用いて、異なる方向に並んだライン・アンド・スペースのテストパターンを用いて測定を行うと、投影光学系の非対称な結像特性の測定が可能になり、９０度回転したパターンを使用すると非点隔差が求められる。また、コントラストを定める場合、信号のノイズレベルによってはフーリエ級数の高次係数の比をとってもよい。

ここで、非点隔差の定義を確認のために記しておく。非点隔差はメリディオナル面及びサジタル面のベストフォーカス差に基づく収差である。一般に、光軸外物点から出た光線の中で、メリディオナル面内の光線の結ぶ像の位置と、サジタル面内の光線が結ぶ像の位置は、異なる位置になることが普通である。この収差を、像が点にならないという意味で非点収差といい、この位置の差を非点隔差と呼ぶ。図９に示すように横軸をフォーカス位置（測定位置）、縦軸にメリジオナル面の像強度及びサジタル面の像強度をプロットすると、夫々二次曲線となる。前記二次曲線の夫々のピーク値はメリジオナル面及びサジタル面の焦点位置となり、前記ピーク位置の差が非点隔差となる。非点隔差ΔZ [ nm ]、開口数NA、非点収差Ast.[ nm rms]とすると、非点隔差は(1)式で表記することができる。(1)式より非点隔差ΔZ及び開口数NAが既知となれば、非点収差を求めることが可能となる。
従って従来の技術を用いてメリジオナル面及びサジタル面のベストフォーカス位置を求めれば非点隔差を求めることができる。

以下に非点隔差を求める一例を示す。図６は投影光学系の物面上に配置してある、開口部と遮光部のライン・アンド・スペース・パターンで、デューティー比を１：１とし、前記パターン線幅Ｗを５０[ nm ]とした際の像面近傍にシミュレーションにより得られる空間像を示す。シミュレーション条件は前記投影光学系の開口数NA = ０．２５、倍率＝１、波長１３．５[ nm ]、前記コヒーレンスファクターσ= 0とした。前記シュミレーション条件において50[ nm ]ライン・アンド・スペースとすると0次光及び±1次光のみが瞳上を通過することができ、図６に示されるような空間像となる。図６の空間像から非点隔差ΔZを算出する方法を説明する。０．１[ nmrms ]の非点収差が瞳面上にある場合のメリジオナル像面及びサジタル像面の空間像を等間隔でデフォーカスさせて夫々の空間像を得る。得られた空間像データに強度0.1〜1%のばらつきが与えた。この空間像をフーリエ級数展開し、1次、０次の係数比をパラメータとして抽出する。デフォーカスに対してメリジオナル像面及びサジタル像面夫々のフーリエ1次係数を用いたコントラストに対してプロットを行うと、図７のようなメリジオナル像面の非点カーブ７１及びサジタル像面の非点カーブ７２を描くことができる。夫々の非点カーブのデータは像面位置から-100[ nm ] 〜 +100[ nm ]の範囲で10[ nm ]間隔でフォーカス（測定位置）を変化させ、フーリエ1次成分の振幅比をプロットしているために離散的な値となる。従って前記夫々の非点カーブを2次曲線でフィッティングしピーク値を求める。フィッティングを行った結果、2次の係数は1e-5となる。夫々の非点カーブのピーク値間差が非点隔差ΔZとなる。得られた非点隔差ΔZ、開口数NA、及び波長を(1)式に代入すれば、非点収差を求めることができる。解析結果は空間像強度が０．１％ばらつくと非点収差０．１[ nmrms ]に対して０．０２[nmrms]の精度となる。同様にして空間像が１%ばらつきと非点収差０．１[ nmrms ]に対して０．１[nmrms]の精度となる。
特開平１０−２８４４１４号公報 特開２００２−１４００５号公報

しかしながら、半導体露光装置の短波長化及び高NA化に伴い、要求される仕様は益々厳しくなっており、光学特性計測方法もより高精度を必要とする。またEUVLに用いられる次世代露光機においては、極めて厳しい精度の光学特性計測を必要とする。現在EUVLに求められる波面収差は0.45[ nmrms ]である。この極めて小さい波面収差を計測するには0.01[ nmrms ]の測定精度が必要となる。前記測定精度を達成することは極めて困難である。
本発明は、かかる事情の下になされたもので、その目的は、特にEUVLのような高精度な露光装置において十分な測定精度でベストフォーカス位置及び非点隔差計測方法及び解析方法を提供することにある。

本願発明はテストパターンのフーリエ級数展開係数の３次の係数の軸方向変化が従来の係数比の変化よりシャープな極値を取ることを本願発明者が見出したことに起因して着想されたものである。

上記着想に基づき、本願発明では、上記課題を解決するために以下の手段を用いている。
投影光学系のストフォーカス位置を測定するベストフォーカス位置測定方法であって、
物面上の所定のパターンの空間像を前記投影光学系を介して像面近傍に形成する工程、
該空間像をナイフエッジ又は開口スリットにより走査して光電変換し、空間像の光強度分布を電気信号パターンとして得る工程、
上記電気信号パターンを得る工程を光軸上の位置を変えて複数回行う工程、
得られた複数の電気信号パターンをフーリエ級数展開し、その３次の係数を光軸上の位置の関数として求める工程、
該３次の係数が最大となる光軸上の位置を求める工程、
を有し、
前記所定のパターンはライン・アンド・スペースであり、ピッチＰが３×λ／ＮＡ≦Ｐ≦４．２×λ／ＮＡ、好ましくは３．３×λ／ＮＡ≦Ｐ≦４．２×λ／ＮＡを満足するベストフォーカス測定方法である。（ただし、ここにNAは投影光学系の物面での開口数である。）
本願発明の他の手段は、
投影光学系の非点隔差を測定する非点隔差測定方法であって、
第１のライン・アンド・スペースパターンの空間像を前記投影光学系を介して像面近傍に形成する工程、
該空間像をナイフエッジ又は開口スリットにより走査して光電変換し、空間像の光強度分布を第１の電気信号パターンとして得る工程、
該第１の電気信号パターンを得る工程を光軸上の位置を変えて複数回行って複数の第１の電気信号パターンを得る工程、
得られた複数の電気信号パターンをフーリエ級数展開し、それぞれの第１の３次の係数を光軸上の位置の関数として求める工程、
第１の３次の係数が最大となる光軸上の第１の位置を求める工程、
第１のライン・アンド・スペースパターンとは並び方向が９０度回転した第２のライン・アンド・スペースパターンを用いて上記工程を繰り返して複数の第２の電気信号パターン及び第２の３次の係数を得る工程、
第２の３次の係数が最大となる光軸上の第２の位置を求める工程、
第１の位置と第２の位置の差より非点隔差を求める工程、
を有し、
前記所定のパターンはライン・アンド・スペースであり、ピッチＰが３×λ／ＮＡ≦Ｐ≦４．２×λ／ＮＡ、好ましくは３．３×λ／ＮＡ≦Ｐ≦４．２×λ／ＮＡを満足する非点隔差測定方法である。（ただし、ここにNAは投影光学系の物面での開口数である。）
なお、上記手段中で、複数の電気信号パターンを得てから、各パターンの３次の係数を求めても、測定した電気信号パターンより３次の係数を求め、その後に測定位置の変更を行っても良いことは記すまでもない。

ベストフォーカス位置を求める場合、空間像をデフォーカス状態の数点で観察し、そのフーリエ級数の１次の係数を用いた測定では測定精度が不十分であるが、本願発明のように３次の係数を用いると、測定精度を格段に向上させることが可能になる。

また、同様に非点隔差の測定精度も格段に向上させることが可能になる。

先ず、本願発明のベストフォーカス計測方法を説明する。
図１は測定の手順を模式的に示したものである。
Ｐ１：空間像の形成
本工程では、テストパターンとしてライン・アンド・スペースのパターンを投影光学系の物面に配し、投影光学系により像面に空間像を形成する。この時、テストパターンのピッチＰが３×λ／ＮＡ≦Ｐ≦４．２×λ／ＮＡ、好ましくは３．３×λ／ＮＡ≦Ｐ≦４．２×λ／ＮＡを満足するようにしておく。ここに、ＮＡは投影光学系の物面での開口数であり、λは投影光学系に用いられている波長である。
Ｐ２：空間像の走査
本工程では空間像をナイフエッジ又は開口スリットをラインと平行に配置して、相対的に移動させて、走査する。走査された空間像はフォトマルチプライヤ等により光電変換され、電気信号パターンに変換される。ここで走査時には空間像を静止させてナイフエッジ等を移動させても良いし、逆にナイフエッジ等を静止させてマスクステージ等を移動させることにより空間像を移動させても良い。更に、開口には、一次元のラインセンサも含まれる。

この工程を光軸上で異なる複数の位置で行い、異なるデフォーカス状態での光強度分布の電気信号パターンを得る。なお、この工程をナイフエッジを用いて行う場合には、走査して得られた電気信号を微分したものが電気信号パターンとなる。
Ｐ３：電気信号パターンの３次の係数の計算
本工程では電気信号パターンをフーリエ級数展開して３次の係数を求める。この手法は慣用技術で行える。
Ｐ４：３次の係数が最大値をとる位置の計算
本工程では光軸上の複数の位置に対して得られた３次の係数の最大値を求め、その時の光軸上の位置を求める。まず、離散的に得られた３次の係数の値を基にして曲線のフィッティングにより、光軸上の位置の関数として連続的な曲線を得る。得られた曲線の最大値を計算することは容易であり、最大値を取る光軸上の位置が定まる。

以上がベストフォーカス位置の計測手順であるが、非点隔差を求める場合には、この手順を異なる方向に並んだライン・アンド・スペースのパターンを用いて繰り返すことにより実施できる。この点を図２を参照しながら簡単に説明しておく。

図２（ａ）は物面上の光学フィールド２２を投影光学系側より見た図である。テストパターンは位置２４に置かれるが、第１のテストパターンが図２（ｂ）のような配置であると、第２のテストパターンは図２（ｃ）の様なライン配置のものが用いられる。

以下にシミュレーッションの実施例を、非点隔差の測定に対して示す。

実施例１のシュミレーション条件は前記投影光学系の開口数NA = 0.25、波長13.5[ nm ]、前記コヒーレンスファクターσ= 0とした。0.1[ nmrms ]の非点収差が瞳面上にある場合のメリジオナル像面及びサジタル像面の空間像を等間隔でデフォーカスさせて夫々の空間像を得た。得られた空間像データに強度0.1〜1%のばらつきを与えた。何故ならば電気信号はノイズの影響を受ける。より厳密なシュミレーションを行うためには、ばらつきを前記空間像データに与えることにより達成される。得られた空間像に対してフーリエ解析を行い、3次ピークの振幅をパラメータとして選択する。像面位置から-100[ nm ] 〜 +100[ nm ]の範囲で10[ nm ]間隔でフォーカス状態を変動させ（測定位置を変化させること）、メリジオナル像面の空間像及びサジタル像面の空間像夫々に対して、フーリエ解析の3次ピークの振幅をプロットすると、図３に示されるようにメリジオナル像面に起因する非点カーブ３３及びサジタル像面に起因する非点カーブ３４を得る。夫々の非点カーブは10[ nm ]毎にフーリエ解析の3次ピークをプロットしている。2次曲線でフィッティングを行った。フィッティング後の３３及び３４のピーク位置間差が非点隔差となる。線幅Ｗ50[ nm ]ライン・アンド・スペースと線幅Ｗ100[ nm ]ライン・アンド・スペースの非点カーブの急峻さの違いを図４に示す。図４の100[ nm ]ライン・アンド・スペースの非点カーブ４３，４４、及び50[ nm ]ライン・アンド・スペースの非点カーブ４６，４８は夫々の最大強度を1として規格化している。100[ nm ]ライン・アンド・スペースの非点カーブは50[ nm ]ライン・アンド・スペースの非点カーブより急峻なカーブである結果となった。つまりこの結果は、±1次光よりも±3次光の方がよりデフォーカスに対して敏感であるということを意味する。50[ nm ]ライン・アンド・スペースの解析結果は空間像強度が0.1％ばらつくと非点収差0.1[ nmrms ]に対して0.014[ nmrms ]の精度となる。同様にして空間像が1%ばらつきと非点収差0.1[ nmrms ]に対して0.1[nmrms]の精度となる。一方、100[ nm ]ライン・アンド・スペースの解析結果は空間像強度が0.1％ばらつくと非点収差0.001[ nmrms ]に対して0.014[ nmrms ]の精度となる。同様にして空間像が1%ばらつくと非点収差0.1[ nmrms ]に対して0.010[nmrms]の精度となる。実際の計測データには幾種ものノイズが入り込むため、計測精度を低下させるわけであるが、本発明による±3次光をパラメータとして解析を行えば、よりノイズに対して強い解析が行えるわけであり、計測精度の向上へと繋がる。本実施形態の非点隔差計測方法及び解析方法を用いれば、投影光学系が有する非点収差を0.001[ nmrms ]の精度で計測することが可能となる。これは従来技術と比較して10の1の精度であるため、飛躍的に計測精度が向上したと言える。

また本発明の他の実施例2では前記パターンのピッチＰを３．３〜４．４とした。実施例2におけるシュミレーション条件は前記投影光学系の開口数NA = 0.25、波長13.5[ nm ]、コヒーレンスファクターσ= 0とした。得られる空間像は図５に示すように特異形状を有する。前記投影光学系の瞳面上を通過する回折光は０次光、±1次光及び±3次光である。本願発明者は空間像の特異形状が、フーリエ級数展開の３次係数利用の効果の基になっている、と推測している。０．１[ nmrms ]の非点収差が瞳面上にある場合のメリジオナル像面及びサジタル像面の空間像を像面位置から-100[ nm ] 〜 +100[ nm ]の範囲でフォーカス10[ nm ]毎にデフォーカスさせて夫々の空間像を得る。得られた空間像データに強度0.1〜1%のばらつきが与えた。得られた空間像に対してフーリエ解析を行い、3次ピークの振幅をパラメータとして解析を行った。図８に示すように、結果として、ピッチにより３次係数の軸上での変化には大きな差が有り、３．３×λ／ＮＡ≦Ｐ≦４．２×λ／ＮＡが特に好ましいことが判明した。
以上説明した本実施形態の非点隔差計測方法及び解析方法を用いれば、投影光学系が有する非点収差を従来技術と比べて10の1の精度で測定することが可能になる。

半導体装置の高密度化に伴う製造装置の高精度化は必至の技術である。製造装置の高精度化には必然的に装置の精度保証のための測定技術の改良が必要である。本願発明はその意味で産業上の利用の可能性は大きい。

ベストフォーカス位置の測定手順を示す。 非点隔差の測定に利用するテストパターンを示す。 非点隔差の測定手順を示す。 従来の測定方法と本願発明の方法での測定感度の差を示す。 ３次の高調波まで含む空間像の光強度分布を示す。 ライン・アンド・スペースの空間像の光強度分布を示す。 非点隔差の測定手順を示す。 ピッチの違いによる３次の係数の変化が違うことを示す図である。 非点隔差の定義を示す。

符号の説明

４３、４４ ・・・・ 本発明の測定曲線
４６、４８ ・・・・ 従来の測定曲線

Claims (3)

1. 投影光学系のベストフォース位置を測定するベストフォーカス位置測定方法であって、
   物面上の所定のパターンの空間像を前記投影光学系を介して像面近傍に形成する工程、
   該空間像をナイフエッジ又は開口スリットにより走査して光電変換し、空間像の光強度分布を電気信号パターンとして得る工程、
   上記電気信号パターンを得る工程を光軸上の位置を変えて複数回行う工程、
   得られた複数の電気信号パターンをフーリエ級数展開し、その３次の係数を光軸上の位置の関数として求める工程、
   該３次の係数が最大となる光軸上の位置を求める工程、
   を有し、
   前記所定のパターンはライン・アンド・スペースであり、ピッチＰが３×λ／ＮＡ≦Ｐ≦４．２×λ／ＮＡを満足することを特徴とするベストフォーカス測定方法。
   ただし、ここにNAは投影光学系の物面での開口数である。
2. 投影光学系の非点隔差を測定する非点隔差測定方法であって、
   第１のライン・アンド・スペースパターンの空間像を前記投影光学系を介して像面近傍に形成する工程、
   該空間像をナイフエッジ又は開口スリットにより走査して光電変換し、空間像の光強度分布を第１の電気信号パターンとして得る工程、
   該第１の電気信号パターンを得る工程を光軸上の位置を変えて複数回行って複数の第１の電気信号パターンを得る工程、
   得られた複数の電気信号パターンをフーリエ級数展開し、それぞれの第１の３次の係数を光軸上の位置の関数として求める工程、
   第１の３次の係数が最大となる光軸上の第１の位置を求める工程、
   第１のライン・アンド・スペースパターンとは並び方向が９０度回転した第２のライン・アンド・スペースパターンを用いて上記工程を繰り返して複数の第２の電気信号パターン及び第２の３次の係数を得る工程、
   第２の３次の係数が最大となる光軸上の第２の位置を求める工程、
   第１の位置と第２の位置の差より非点隔差を求める工程、
   を有し、
   前記ライン・アンド・スペースのピッチＰが３×λ／ＮＡ≦Ｐ≦４．２×λ／ＮＡを満足する
   ことを特徴とする非点隔差測定方法。
   ただし、ここにNAは投影光学系の物面での開口数である。
3. 請求項１又は２記載の測定方法であって、
   前記ピッチＰが３．３×λ／ＮＡ≦Ｐ≦４．２×λ／ＮＡであることを特徴とする測定方法。

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