JP2008066543A - レチクル平坦度計測装置、およびレチクル平坦度計測装置を搭載した露光装置、並びにレチクル平坦度計測方法、およびレチクル平坦度計測方法を用いた露光方法、並びに露光装置を用いたデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】露光装置に設置された状態のレチクルのパターン面の面形状を高精度に計測するレチクル平坦度計測装置を提供する。
【解決手段】レチクル１０１のパターン面とは反対側の面（裏面）に照射部１０８から検出光を斜入射し、その反射光を受光部１０９で受光し、その受光部１０９の出力を基に演算部１１０がレチクル１０１の裏面の垂直方向の位置を検出する。格納部１１１にはレチクル１０１の厚みの情報が格納されており、制御部１１２は、演算部１１０が検出したレチクル１０１の裏面の垂直方向の位置の情報にレチクル１０１の厚みの情報を加算して、レチクル１０１のパターン面の面形状を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、リソグラフィ技術を用いてレチクルパターンをウェハ等の基板上に露光する際に使用するレチクル平坦度計測装置、およびレチクル平坦度計測装置を搭載した露光装置、並びにレチクル平坦度計測方法、およびレチクル平坦度計測方法を用いた露光方法、並びに露光装置を用いたデバイスの製造方法に関する。

半導体装置（デバイス）の製造工程においては、一般的にフォトリソグラフィ技術が回路パターンの形成のために用いられている。フォトリソグラフィ技術は、被処理膜の上にレジスト膜を形成し、これを露光、現像処理してレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをマスクに使用して被処理膜をエッチングした後、使用済みのレジスト膜を除去する技術である。

また、一般的に、レチクルパターンをウェハ等の基板上に露光するのに、ステッパーのような一括露光型の投影露光装置や、ステップ・アンド・スキャン方式のような走査型の投影露光装置（走査型露光装置）が使用される。露光装置は、ガラス基板上にクロム膜などでパターンが形成されたレチクルを、そのパターンが形成されたパターン面を下にして保持し、パターン面とは反対側の面（裏面）に露光光を照射し、投影光学系を通してウェハ上へパターン（レチクルパターン）を転写する。

一方、近年、要求されているパターンサイズが解像限界付近まできており、そのため露光装置において露光波長の短波長化やレンズの開口数（ＮＡ）の大口径化が進められており、結果として焦点深度が浅くなり安定したレジストパターンの形成が困難となってきている。

焦点深度が浅くなることへの対応として、ウェハ等の基板の平坦度を可能な限りフラットにすることを行ってきたが、最近ではレチクル自身の変形を原因とする焦点誤差（結像誤差）も無視できなくなってきている。レチクルの変形は主に、レチクルのガラス基板自身の平坦度や、レチクルを露光装置に設置した際の自重による変形等が原因で発生する。この変形量はウェハ上換算で数十ｎｍにもなり無視できない値となっている。

そこで、従来より、レチクルを露光装置に設置した状態でパターン面の面形状を計測し、その計測結果に従って結像誤差を補正する手法が提案されている。その従来の手法では、レチクルのパターン面に検出光を斜入射し、その反射光の情報を用いてパターン面の面形状を計測している。そのときに問題となるのは、パターン面の反射率の違い（クロムとガラスの反射率の違い）による計測誤差が発生することである。また、レチクルのパターン面側には、通常、ごみが付着するのを防止するペリクル（防塵膜）を張設するために金属枠が設けられているが、その金属枠によりパターン面への検出光の入射角度が限定され、パターン面全面の面形状を計測できないという問題もある。これら問題に対して、従来は、パターン面への検出光の入射角度を限定することでパターン面の反射率の違いによる計測誤差を低減するとともに、計測可能な範囲からパターン面全面の面形状を推測していた（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、従来の手法では、レチクルのパターン面へ検出光を斜入射するので、パターン面の反射率の違いによる計測誤差を完全に除去することは原理的に不可能であった。また、パターン面の特定領域の計測結果からパターン面全面の形状を推測することになるため、誤差が生じる可能性があった。
特開２００３−２６４１３６号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、レチクルのパターン面とは反対側の面に光を斜入射し、その反射光を基に前記反対側の面の、その前記反対側の面と略垂直な方向の垂直位置を検出し、前記反対側の面の垂直位置の検出結果とレチクルの厚みの情報を基にパターン面の面形状を計測することにより、露光装置に設置された状態のレチクルのパターン面の面形状計測を良好に行うことを可能とするレチクル平坦度計測装置、およびレチクル平坦度計測装置を搭載した露光装置、並びにレチクル平坦度計測方法、およびレチクル平坦度計測方法を用いた露光方法、並びに露光装置を用いたデバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載のレチクル平坦度計測装置は、レチクルのパターン面とは反対側の面に光を斜入射する照射部と、前記反対側の面からの反射光を受光する受光部と、前記受光部の出力を基に前記反対側の面の、その前記反対側の面と略垂直な方向の垂直位置を検出する検出部と、前記レチクルの厚みの情報が予め格納される格納部と、前記検出部により検出された垂直位置の情報と前記格納部に格納された厚みの情報を基に前記パターン面の面形状を計測する計測部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載のレチクル平坦度計測装置は、請求項１記載のレチクル平坦度計測装置であって、前記照射部は、前記反対側の面上の複数の検出点へ光を斜入射し、前記検出部は、前記受光部の前記各検出点ごとの出力を基に前記各検出点の垂直位置を検出する、ことを特徴とする。

また、本発明の請求項３記載の露光装置は、レチクルのパターン面に形成されたパターンを基板に投影露光する露光装置であって、請求項１もしくは２のいずれかに記載のレチクル平坦度計測装置と、前記レチクル平坦度計測装置の計測結果に従って前記基板への前記パターンの結像誤差を補正する機構と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項４記載のレチクル平坦度計測方法は、レチクルのパターン面とは反対側の面に光を斜入射する照射工程と、前記反対側の面からの反射光を基に前記反対側の面の、その前記反対側の面と略垂直な方向の垂直位置を検出する検出工程と、前記反対側の面の垂直位置の検出結果と前記レチクルの厚みの情報とを基に前記パターン面の面形状を計測する計測工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明の請求項５記載のレチクル平坦度計測方法は、請求項４記載のレチクル平坦度計測方法であって、前記照射工程では前記反対側の面上の複数の検出点へ光を斜入射し、前記検出工程では前記各検出点ごとの反射光を基に前記各検出点の垂直位置を検出する、ことを特徴とする。

また、本発明の請求項６記載の露光方法は、レチクルのパターン面に形成されたパターンを基板に投影露光する露光方法であって、請求項４もしくは５のいずれかに記載のレチクル平坦度計測方法によって計測した前記パターン面の面形状に従って前記基板への前記パターンの結像誤差を補正して、露光を行うことを特徴とする。

また、本発明の請求項７記載のデバイスの製造方法は、請求項３記載の露光装置を用いて、レジストが塗布された基板を露光する工程と、前記基板を現像する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、露光装置に設置された状態のレチクルのパターン面の面形状を高精度に計測することができる。

以下、本発明の実施の形態におけるレチクル平坦度計測装置、およびレチクル平坦度計測装置を搭載した露光装置、並びにレチクル平坦度計測方法、およびレチクル平坦度計測方法を用いた露光方法、並びに露光装置を用いたデバイスの製造方法について、図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態におけるレチクル平坦度計測装置を搭載した露光装置の主要部を示す概略図である。なお、本実施の形態では、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置を例に説明を行う。

図１において、ガラス基板の一方の面にクロム膜で所望のパターンが形成されたレチクル１０１は、そのパターン面を下にして、紙面と直行方向に駆動可能なレチクル支持部１０２によって真空吸着により固定される。レチクル支持部１０２はパターンが形成されている領域の周辺部を吸着している。このレチクル支持部１０２の動作は制御部１１２により制御される。

また、レチクル１０１の上方に露光用の光（露光光）を出射する光源１０３が設けられており、この光源１０３とレチクル１０１との間に照明光学系ユニット１０４が設けられている。

また、レチクル１０１の下方に投影光学系ユニット１０５とウェハステージ１０６が設けられており、ウェハステージ１０６上に露光対象であるウェハ（シリコン基板）１０７が載置されている。ウェハステージ１０６は、ウェハ全面の露光、スキャン露光、フォーカス補正が可能なようにＸＹＺ方向および傾きが駆動可能な構成となっている。このウェハステージ１０６の動作は制御部１１２により制御される。

続いて、この露光装置の動作について説明する。この露光装置の動作は一般的な露光装置と同様である。すなわち、光源１０３から出射された露光光は、装置内の照明光学系ユニット１０４内を通過してレチクル１０１上に照射される。そして、レチクル１０１に描画されている所望のパターンの像は、露光光により、投影光学系ユニット１０５を通じてウェハステージ１０６上に保持されたウェハ１０７に投影される。レチクル１０１とウェハ１０７は相対的に紙面と直行方向に走査されることにより露光される。このウェハ１０７にレジスト膜等を形成しておけば、現像処理を施すことにより、投影されたパターンに対応するレジストパターンを形成することができるので、そのレジストパターンをマスクに使用して被処理膜をエッチングした後、使用済みのレジスト膜を除去する工程を経て、ウェハ１０７上に所望の回路パターンを形成することができる。

続いて、本実施の形態におけるレチクル平坦度計測装置について説明する。本実施の形態では、照明部１０８、受光部１０９、演算部１１０、格納部１１１、制御部１１２によりレチクル平坦度計測措置が構成される。

具体的には、レチクル１０１のパターン面とは反対側に、レチクルのパターン面とは反対側の面（裏面）の垂直位置（該裏面と略垂直方向の位置）を検出するための照明部１０８と受光部１０９が設置されている。

この検出系は、ウェハの露光面を投影光学系の結像面（露光焦点位置）に合わせ込むための斜入射タイプのフォーカスセンサーと同様の構成、機能を備えている。すなわち、照射部１０８からレチクル１０１の裏面（計測面）に検出光を斜入射し、その反射光を受光部１０９で受光する。

なお、照射部１０８には、例えば発光ダイオードなどの光源を用いればよい。また、照射部１０８の前方に、投影マーク用スリットや投影レンズ等を設置してもよい。一方、受光部１０９には、例えばＣＣＤセンサなどのディテクタを用いればよい。また、受光部１０９の前方に、受光レンズなどを設置してもよい。本実施の形態では、レチクル走査方向（紙面と垂直な方向）とレチクル走査方向と直交する方向（紙面の左右方向）に複数の検出系を配置した上でこのレチクル１０１を走査することによりレチクル裏面上の複数の検出点の垂直位置を検出する構成としている。なお、レチクル走査方向とそれに直交する非レチクル走査方向へレチクルを動作させることで、レチクル裏面上の複数の検出点の垂直位置を検出する構成としてもよい。

受光部１０９の出力は演算部１１０に入力される。本実施の形態では、演算部１１０が受光部１０９の出力を基にレチクル裏面（計測面）の垂直位置を検出する。図２（ａ）に受光部１０９の出力の一例を示す。受光部１０９の出力は図２（ａ）に示すような波形情報となる。この波形の重心位置が計側面（検出点）の垂直位置に相当する。例えば図２（ｂ）に示すように計測面の高さ（垂直位置）が変化すると、図２（ｃ）に示すように波形の重心位置が変化する。この変化量により計測面の高さを検出することができる。

但し、この検出方法では、計測面が反射率の異なる材質で構成されていると、その反射率の違いにより計測面の高さを誤検出してしまうおそれがある。例えば、レチクルのパターン面は、パターンを形成するクロムが塗布されている部分と光透過部を形成するガラス基材表面の部分とで反射率が異なるため、検出光がクロム部とガラス部の両方へ照射されると、受光部からの波形が崩れて、計測面の高さを誤検出してしまう。この影響を防ぐためには検出光の入射角度を大きくすることが必要になるが、レチクルのパターン面側には金属枠を介して塵付着防止膜（ペリクル）が張設されることがあり、その金属枠が邪魔となり、入射角度を大きくすると検出範囲が狭くなる。そこで、レチクルのパターン面に検出光を斜入射して該パターン面の面形状を計測する従来の手法では、先述したように、検出光の入射角度を限定して反射率の違いによる計測誤差を低減するとともに、計測可能な範囲からパターン面の面形状を推測していた。

これ対して、本実施の形態では、材質が一様なレチクルの裏面へ検出光を斜入射するので、上記のような反射率の違いによる計測誤差が原理的に生じることはない。また、レチクルの上部にはペリクルが装着されていないため、検出光の入射角度を大きく取ることができ、レチクル裏面の全面（露光領域）を検出範囲とすることができる。そのため、計測再現性がレチクルのパターン面へ検出光を斜入射する場合に比べて向上する。

本実施の形態では、計測精度は、ウェハの露光面を投影光学系の結像面（露光焦点位置）に合わせ込むためのフォーカス計測精度と同程度となるので、２０ｎｍ程度と良好な値を得ることができる。この値はレチクル裏面の垂直位置検出精度の値であるので、実際のウェハ上での焦点誤差（結像誤差）は１／４縮小露光装置の場合その１／１６となるため、更に影響は少なくなる。

ここで、本検出系で検出しているものはレチクル裏面の垂直位置であり、実際に必要としているものはレチクルパターン面の垂直位置である。そのため、当該露光装置は、格納部１１１にレチクル１０１のガラスの厚みの情報を予め格納しておき、当該露光装置全体の制御を司る制御部（計測部）１１２が、演算部１１０で検出したレチクル裏面の垂直位置の情報と格納部１１１に格納された厚みの情報を基にパターン面の面形状を計測する。具体的には、制御部１１２は、演算部１１０で検出したレチクル裏面の垂直位置の情報に上記厚みの情報を加算して、パターン面の垂直位置情報（パターン面の面形状）を得る。

このようにして計測した面形状に従いレチクルの平坦度を起因とする焦点誤差（結像誤差）を補正することにより、安定したレジストパターンを形成することができるようになる。当該露光装置は、レチクルの平坦度を起因とする、パターンのウェハ（基板）への結像誤差を補正する機構として、圧電素子やアクチュエータなどを用いてレチクルを物理的に変形させる機構、あるいは、露光機のウエハステージの位置および傾きを調整してレジスト像の結像位置を補正する機構、あるいは、ウェハの位置および傾きを調整して光学的に補正する機構、あるいは、投影光学系の光学素子を移動させるなどして光学的に補正する機構を備える。なお、補正を行っても結像誤差を許容範囲内に低減できないほどレチクルが撓んでいる場合にレチクルの交換を指示する構成を具備せしめてもよい。

続いて、レチクル平坦度計測方法を用いた露光方法について説明する。
使用するレチクルを露光装置に設置し、レチクル支持部によって真空吸着によりスキャン露光時にレチクルが動かないように固定する。その後、先に述べたように、照射部からレチクル裏面上の複数の検出点へ検出光を斜入射し（照射工程）、各検出点の垂直位置を検出し（検出工程）、その検出結果とレチクルの厚みの情報を基にパターン面の面形状を計測する（計測工程）。

図３に検出点の一例を図示する。図３において、３０１はレチクル全体、３０２は露光領域、３０３は露光領域外、３０４は検出点を示している。露光領域３０２に対応するパターン面側の領域にパターンが形成されている。また、露光領域３０２と露光領域外３０３は通常はブラインドと呼ばれる遮光金属で領域を分けられている。本実施の形態では、スキャン方向と垂直な方向に５点、スキャン方向に９点の検出点を設定している。検出点の最外部は露光領域３０２の最外部に設定することが望ましい。また、露光領域３０２の全面において点対称となるように検出点を設定するのが好適である。

レチクル３０１のガラスの厚みの情報は、図示しない入力部より情報として予め入力して、格納部に格納しておく。この厚みの情報は、各検出点３０４と同じ場所の厚みの情報であることが望ましいが、実際には同じ場所でなくても各検出点３０４の周りのガラスの厚みがわかっていれば必要な部分の厚みの情報を近似値として求めることは可能である。このガラスの厚みの情報を各検出点３０４の垂直位置の情報に加算して、パターン面の面形状を計測する。

なお、オフラインで測定したレチクルのガラスの厚みの情報だけでは露光装置に設置された状態のレチクルのパターン面の垂直位置を検出することはできない。前述したように露光装置はレチクルを真空吸着して固定するが、その影響によりレチクルが変形したり、レチクルの自重によりレチクルが変形するためである。本実施の形態では、露光装置に設置された状態のレチクルの裏面の垂直位置を検出し、それにレチクルの厚み量を加えて、レチクルのパターン面の垂直位置を検出する。露光装置に設置したときのレチクルの変形は曲げの力であり、その部分のガラスの厚みが変化しているわけではないため、レチクルが変形したとしても、レチクルの厚みを加えることでパターン面の垂直位置を検出できる。

レチクルの厚みの情報に関しては、レチクル作成メーカーからガラス基板の厚み情報を入手することも可能である。また、最近ではレーザ干渉計を用いた測定方法によりレチクルにパターンがついた状態でもガラスの厚みを測定することが可能となっている。これらの測定方法での測定精度は２０ｎｍ程度である。斜入射光を用いたレチクル裏面の垂直位置の検出精度が約２０ｎｍ程度なので、パターン面の垂直位置の検出精度は自乗和で計算すると約３０ｎｍである。これはレチクル上での誤差であり、ウェハ上では数ｎｍ程度の影響となり、問題のない値である。

この計測の結果、露光の結像性能を低下させるほどの面形状が計測された場合、その計測結果に従って、レチクルの平坦度に起因する結像誤差を補正した後、レチクルパターンをウェハ上１０７に露光する。または、この面形状計測結果から露光の結像性能に支障があると判断した場合に、レチクルの交換を操作者に指示するようにすれば、パターン面の撓みや平坦度の悪さによる露光性能の悪化に伴う歩留りの低下を未然に防ぐことができる。

なお、本実施の形態では、検出点を非スキャン方向に５点、スキャン方向に９点としたが、これに限定されるものではない。また、レチクルの基板や塗布する材料は、ガラスやクロムに限るものではなく、別の材料を用いても構わない。また前述の検出系において誤差を小さくするために検出光に偏光を用いてもよい。

また、本実施の形態では走査型露光装置を用いて説明したが、走査型以外の露光装置にも適用できる。走査型露光装置以外の露光装置に適用した場合、上記においてスキャン方向と定義していた方向は、レチクルにおいてパターンが形成されている実質的に長方形の領域のいずれか一辺と置き換えればよい。

さらに、一般的な装置を用いてレジストを塗布する工程と、以上のような露光装置によりウェハを露光する工程と、公知の装置を用いて現像する工程等を有するデバイス（半導体装置）の製造方法に適用することも可能である。

本発明にかかるレチクル平坦度計測装置、およびレチクル平坦度計測装置を搭載した露光装置、並びにレチクル平坦度計測方法、およびレチクル平坦度計測方法を用いた露光方法、並びに露光装置を用いたデバイスの製造方法は、露光装置で用いられるレチクルの面形状を高精度に計測することができ、デバイスの製造に有用である。

本発明の実施の形態におけるレチクル平坦度計測装置を搭載した露光装置の主要部を示す概略図 本発明の実施の形態における受光部の出力の一例を示す図 本発明の実施の形態における検出点の一例を示す平面図

符号の説明

１０１ レチクル
１０２ レチクル支持部
１０３ 光源
１０４ 照明光学系ユニット
１０５ 投影光学系ユニット
１０６ ウェハステージ
１０７ ウェハ
１０８ 照射部
１０９ 受光部
１１０ 演算部
１１１ 格納部
１１２ 制御部
３０１ レチクル
３０２ 露光領域
３０３ 露光領域外
３０４ 検出点

Claims (7)

1. レチクルのパターン面とは反対側の面に光を斜入射する照射部と、
   前記反対側の面からの反射光を受光する受光部と、
   前記受光部の出力を基に前記反対側の面の、その前記反対側の面と略垂直な方向の垂直位置を検出する検出部と、
   前記レチクルの厚みの情報が予め格納される格納部と、
   前記検出部により検出された垂直位置の情報と前記格納部に格納された厚みの情報を基に前記パターン面の面形状を計測する計測部と、
   を備えることを特徴とするレチクル平坦度計測装置。
2. 請求項１記載のレチクル平坦度計測装置であって、
   前記照射部は、前記反対側の面上の複数の検出点へ光を斜入射し、
   前記検出部は、前記受光部の前記各検出点ごとの出力を基に前記各検出点の垂直位置を検出する、
   ことを特徴とするレチクル平坦度計測装置。
3. レチクルのパターン面に形成されたパターンを基板に投影露光する露光装置であって、
   請求項１もしくは２のいずれかに記載のレチクル平坦度計測装置と、
   前記レチクル平坦度計測装置の計測結果に従って前記基板への前記パターンの結像誤差を補正する機構と、
   を備えることを特徴とする露光装置。
4. レチクルのパターン面とは反対側の面に光を斜入射する照射工程と、
   前記反対側の面からの反射光を基に前記反対側の面の、その前記反対側の面と略垂直な方向の垂直位置を検出する検出工程と、
   前記反対側の面の垂直位置の検出結果と前記レチクルの厚みの情報とを基に前記パターン面の面形状を計測する計測工程と、
   を有することを特徴とするレチクル平坦度計測方法。
5. 請求項４記載のレチクル平坦度計測方法であって、
   前記照射工程では前記反対側の面上の複数の検出点へ光を斜入射し、
   前記検出工程では前記各検出点ごとの反射光を基に前記各検出点の垂直位置を検出する、
   ことを特徴とするレチクル平坦度計測方法。
6. レチクルのパターン面に形成されたパターンを基板に投影露光する露光方法であって、請求項４もしくは５のいずれかに記載のレチクル平坦度計測方法によって計測した前記パターン面の面形状に従って前記基板への前記パターンの結像誤差を補正して、露光を行うことを特徴とする露光方法。
7. 請求項３記載の露光装置を用いて、レジストが塗布された基板を露光する工程と、
   前記基板を現像する工程と、
   を有することを特徴とするデバイスの製造方法。

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