JP2009042234A - 光学系の特徴を測定する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特に半導体製造等におけるフォトリソグラフィーにおいて、光学系の特性を短時間で容易に測定できる方法及び測定を提供する。
【解決手段】レチクルと像面を互いに直交して配置する。レチクル上の複数のパターンは容積空間内に投影される。前記空間内で検出ないし記録された像を度量衡的手段で分析し、光学系の投影特性を求める。フォーカス、像湾曲、非点収差、球面収差、コマ収差、及び／又はフォーカス面ずれが測定される。
【選択図】図１

Description

本発明は概して光学系の像データを測定する方法と装置に関し、より詳細には、フォーカス、像面湾曲、非点収差、球面収差、コマ収差、焦点面ずれ等の光学系の特性を、高速かつ正確に測定するための方法と装置に関する。

半導体装置及びその他の電子機器の製造において、フォトリソグラフィーが多くの場合使用される。フォトリソグラフィーでは、高品質の投影レンズにより、レチクル上のパターンが、レジストで覆われたウェーハ等の感光性基板上に転写される。転写したいパターン寸法が小さくなるに従い、光学系又は投影レンズ系を常にメンテナンスすること及び、その像品質を検査することが必要である。多くの場合、光学系又は投影レンズ系の性能を発揮するためには、時間のかかる手段を用いなければならない。一般的に、光学系の特性を測定するためには、感光性基板の像フィールド内の様々な位置、及び様々な焦点深度において複数露光することが必要である。そして、光学系は、複数処理像の検査から得られた情報を整理することにより特徴付けられる。複数露光のそれぞれと、対応する処理像は連続的に得られる。その結果、測定中の焦点誤差、スキャン誤差、及び光学系パラメータに関する時間的変動が複雑化する。スキャン及び焦点誤差の場合、有効データは回復不能である。さらに、データはパラメータ範囲にわたって連続的にではなく、不連続にサンプルされる。その結果、隣接するサンプル間にあるデータ値の計算から量子化誤差が生ずる。スループットの向上に対する要求、及び、より小さいパターン寸法を転写可能なように投影レンズ系の性能を向上させることが望まれている現状に鑑みて、光学系の特性を測定するために使用される装置及び方法を改善することが必要である。光学系の性能特性を短時間で容易に測定するために使用される高精度データないし情報を短時間で容易に得ることのでき、かつ、複数の像を複数回露光及び処理することなくデータを同時に取り込み・処理できる、装置及び方法を開発する必要がある。

本発明の課題は、光学系特性情報を短時間で一回の露光又は転写動作内で得、抽出し、分析することのできる装置及び方法を提供することである。

本発明は、比較的短時間又は１回の露光においてある一定の容積空間を利用することにより複数の光学系特性情報を同時に得るための方法と装置を提供する。様々な方向性、寸法、及び線種から構成された複数のパターンを有した試験用レチクルが、測定対象である光学系により投影される。レチクルが配設される物体面か、又は特性データが得られる像面のいずれかが、対応の３次元空間内で傾斜ないし角度付けされる。複数のパターンを有するレチクルは、特性測定対象の光学系を使用して投影される。特定容積空間内で、一定の焦点深度において、フォーカスを介したパターン品質の包絡線が得られる。このパターン品質包絡線は、レチクル面に対して傾斜している面内のレチクルの像データを得ると同時に得られる。得られたレチクル及び対応パターン像は干渉計装置等の度量衡的手段により分析され、光学系特性が得られる。得られる光学系特性はフォーカス、像湾曲、非点収差、コマ収差、歪曲収差、テレセントリシティー、焦点面ずれ等、及び、球面収差及びコヒーレンスの変動に関する情報を含む。

本発明によれば、光学系の特性測定に必要なデータが短時間で得られる。

本発明によれば、公知手段において見られるフォーカス、スキャン、及び時間的誤差に左右されないデータを短時間で得ることができる。

本発明では、情報ないしデータは所定の容積の像空間を介して得られる。

本発明では、レチクルは、像空間においてデータが得られる面とは異なる面に存在する。

本発明では、レチクル及び／又は像面に直交している遮蔽物が、光学系の軸と同一線上にないという特徴を有する。

図１は本発明の概略を示す。フォトリソグラフィー装置１０が略示されている。光源１２はレチクル又は物体空間ないし容積１４内のレチクル１６の像を、光学系又は投影レンズ系１８を介して、感光性基板又は像空間２０内において感光性基板２２上に投影する。レチクル１６は感光性基板２２に対して傾斜を有する面内に配置される。レチクル１６及び感光性基板２２は様々な態様で傾斜させることができる。好適には、レチクル１６又はウェーハ２２の配置は、レチクル１６又はウェーハ２２の何れかが、光学系又は投影レンズ系１８の物体容積又は焦点深度を介して延在するように行われる。感光性基板２２により記録された像データからは、光学系又は投影レンズ系１８の特性を示す情報が得られる。フォーカス、像湾曲、非点収差、コマ収差、焦点面ずれ、及び球面収差とコヒーレンス変動を測定するための情報等の転写特性が得られる。フォーカスを介しての像フィールド全体の像品質を、比較的短時間で一回の投影又は露光動作で得ることができる。レチクルの全体像を度量衡的手段により分析して、光学系又は投影レンズ系１８の特性を求めることができる。そして、光学系又は投影レンズ１８は、ｘ及びｙフィールド方向において、及びｚ方向の焦点深度に関してその特性が測定される。感光性基板２２を、レチクル１６を通過する電磁放射を記録するための手段として示したが、その他のあらゆる電磁放射検出手段を使用することができる。例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）アレー等の光電センサ、位置感応検出器（ＰＳＤ）、又は同等の検出器を使用することができる。

図２は、物体空間又はレチクル空間１１４を示す。物体又はレチクル空間１１４内には、レチクル１１６が配設される。レチクル１１６は複数の異なる周期的パターン１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｅから構成される。複数の異なる周期的パターンないし形状１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄ，１１６ｅは様々な線種、形状、寸法及び方向性の格子パターンを有することができ、従って、光学系を特徴付けるための様々な転写情報ないしデータが得られる。周期的パターンないし形状は周期的であればよく、格子である必要はない。レチクル１１６には物体又はレチクル空間１１４内で角度１２４だけ傾斜が与えられる。従って、レチクル１１６はレチクル又は物体空間１１４内で深さＺ1の範囲にわたって配設される。

図３は感光性基板像又は空間１２０のデータ捕捉面内に角度を有して配設された感光性基板１２２の斜視図である。感光性基板１２２は、感光性基板又は像空間１２０内で角度１２６を付けて配設されている。感光性基板１２２は、深さＺ2の範囲にわたって延在する。この深さＺ2の範囲は、光学系又は投影レンズの焦点深度の範囲内である。感光性基板１２２は、図２のレチクル１１６の傾斜角１２４に対応する角度１２６において傾斜が設けられている。レチクル１１６と感光性基板１２２は互いに様々な態様で角度を付けるないし傾斜させることができ、図２及び３に示した傾斜は本発明において使用できる傾斜の単なる例示である。本発明に従い光学系の特徴データを得る場合には、一方の面を他方の面に対して傾斜させるだけでよく、２つの面の傾斜配置の角度及び態様は所望の特性データの種類及び量のみによって決定される。例えば、レチクル面は傾斜させる必要はなく、他方、感光性基板の面はレチクル面に対して傾斜させる。

図４は複数の異なる周期的形状、パターン、構造体ないし格子を上部に有するレチクル２１６の平面図である。異なる周期的形状をグループ化して異なる形状セットを形成し、光学系を特徴付ける様々な転写情報を得るために使用することができる。例えば、レチクル２１６は複数の異なる線種、形、大きさ、及び方向性から構成され、４つの形状セットを有することができる。例えば第１形状セット２１６ａはバスケット編みパターンを有し、第２形状セット２１６ｂは複数の水平及び垂直ラインを有し、第３形状セット２１６ｃは複数の水平及び垂直ラインを有し、該ラインは第２形状セット２１６ｂとは異なる間隔又は大きさを有し、第４形状セット２１６ｅはバスケット編みを有し、該バスケット編みは第１形状セット２１６ａと同じか又は異なるように構成することができる。レチクル２１６は複数の異なる形状セットを有し、それらのセットは、物体空間内の傾斜面上に転写するための、像フィールドの全体にわたって異なるライン及び間隔ないし格子を含むことができる。像空間を横切る面内における像の検出及び分析から、光学系を特徴付けるデータが得られ、そのデータを使用して光学系の性能ないし転写特性を決定することができる。

図５Ａは、レチクルの一部上に置いて感光性基板上に転写できる、別の形状セット３１６ｃの一例である。形状セット３１６ｃは、形状を形成する多重又は交差する行ないしストライプから構成される、幅ｗ1を有した中央フィールドから構成することができる。例えば行３３０は、上部に間隔の設けられた垂直ラインを有し、行３３２は間隔の設けられた水平行を有し、行３３４は間隔の設けられたマイナス４５゜に傾斜したラインを上部に有し、行３３６はプラス４５゜に傾斜したラインを上部に有する。ストライプ又は行３３０，３３２，３３６，３３６は、図５Ａに示すように、例の一部上に形成された形状セット３１６Ｃの長さＬに装置って延在するパターンを形成することができる。形状セット３１６ｃのエッジは、列又は垂直ストライプ３２８から形成することができる。列３２８内にはバスケット編みパターンが形成される。列３２８内のバスケット編みは部分的に透光性の領域又は部分から形成できる。形状セット３１６ｃの全体幅はＷ2である。例えば形状セット３１６ｃは長さＬが約２７ｍｍ、幅約５ｍｍ、及び中央の幅Ｗ1が約４．５ｍｍの寸法を有することができる。個々の行又はストライプは高さないし幅が約５０ミクロンである。行内のライン幅はそれぞれ、２００ナノメートル程度である。３１６ｃ内に示された形状セットは単に例示である。その他の公知の形状セットを使用しても光学系の特徴を測定することができる。

図５Ｂは、レチクルの一部上で使用可能な形状セット３１６ｄの別の例である。形状セット３１６ｄは、水平、垂直、及び傾斜ラインのパターンを有する。ストライプないし列３３０’は上部に垂直ラインパターンを有する。行ないしストライプ３３２’は複数の水平方向に間隔が設けられたラインを有する。行ないしストライプ３３４’は複数の、マイナス４５゜に傾斜付けられたラインを有し、行ないしストライプ３３６’は複数の、プラス４５゜に傾斜されたラインを有する。複数の行ないしストライプは水平、垂直、マイナス４５゜、プラス４５゜から成るパターンで、形状セット３１６ｄの長さにわたって繰り返す。検出ないし測定対象である光学系の特性に応じて、その他の行ないしパターンを、形状セット３１６ｄ内に配置することもできる。

図６は特徴付けたい光学系又は投影レンズを用いてレチクルを転写して得られた情報の処理を示す。像面４２０は感光性基板上において検出ないし記録される。像面は複数の、図４に示されたようなレチクルにより転写された形状セット像４２０ａ，４２０ｂ，４２０ｃ，４２０ｄ，４２０ｅから構成された像を有する。レチクル面に対して傾斜が設けられた像面４２０から得られたデータは、像フィールド面の全体にわたって度量衡手段４０により抽出される。該像フィールド面は好適には感光性基板上に記録される。度量衡手段４０は好適には干渉計である。度量衡手段４０は干渉縞等の、レチクル上の形状セット像から測定ないし検出された情報を検出ないし抽出することができる。像は像面４２０上に形成され、感光性基板上に記録することができる。信号処理装置４２は度量衡手段４０に結合され、異なる形状セット４２０ａ，４２０ｂ，４２０ｃ，４２０ｄ，４２０ｅの異なる像を分析及び処理する。信号処理装置４２からの処理信号は光学系キャラクタライザ４４に送られる。光学系の様々な収差が測定できる。例えば、非点収差を、周期パターン又は格子配列の関数として測定できる。コマ収差は、フォーカスに対する２次歪みシグネチュアの関数として測定できる。球面収差は、対フィールド位置に対するライン寸法間のベストフォーカス差の関数として測定できる。記録されたデータは様々な度量衡手段により分析できる。該度量衡手段は例えば、白色光、暗視野顕微鏡、大開口干渉計、レーザ顕微鏡干渉計、干渉顕微鏡である。

図７は、本発明の方法の各ステップを示すブロック図である。ブロック５１０は、レチクル面に対して傾斜を有した面内で周期格子ないしパターンを有するレチクルを、測定対象である光学系を用いて投影するステップを示す。周期パターンは様々な格子パターンから構成することができ、個々の格子パターンは光学系の所定の特性を測定できるよう設計される。ブロック５１２は、レチクル面に対して傾斜を有する面内で検出された周期的パターンないし格子の像を表すデータを記録するステップである。周期パターンないし格子の像は感光性基板を使用して、又はデータに電子的手段により記録できる。ブロック５１４は干渉計を用いて記録データを分析し、光学系の転写特性を決定するステップである。周期的パターン、格子、又は複数の格子を表すデータは干渉計を使用した手段により分析され、光学系の特性が得られる。光学系はフィールド全体にわたって、一回の動作で異なる焦点深度において特徴付けられる。

図８〜１３は本発明の構成を応用したその他の実施例である。これらの実施例では、像湾曲や、非点収差及び球面収差等の様々な収差等の光学的特性を測定することにより、光学系の特性を測定する。

図８Ａはある一定の容積を有する空間６２０を示す。空間６２０内で、像を表す電磁放射を検出することができる。例えば、感光性基板６２２は一般的に、空間６２０内で一定の角度を有して配置される。図示しない光学系からの像が感光性基板６２２上に投影される。感光性基板６２２上に投影された像は、既述の図に示されたような、レチクル上に配置された複数の形状セットないし間隔の設けられたラインの像である。感光性基板６２２の使用は好適な一例であり、空間６２０内に配置される受光手段は、レチクルの像を表す電磁放射を受光ないし検出することができるものであればその種類を問わない。

図８Ｂは、図８Ａに示されたように配置された感光性基板６２２を使用した像面湾曲の検出を示す。ライン６３１は特性検出対象の光学系の像面湾曲を表し、ライン６３１の幅ｄは同光学系の焦点深度を表す。従って、感光性基板６２２を空間６２０内で傾けること、及び、感光性基板に転写される複数の形状を有するレチクルを使用して、像面湾曲及び焦点深度を短時間で容易に測定できる。レチクル上で適切な形状及び方向性を選択する事により、光学系を特徴付ける付加的情報を一回の感光性基板の露光又は該空間内での電磁放射の受け取りの一回のデータ捕捉において、得ることができる。

ライン６３１は、周期的パターン又は格子レチクルが、傾斜された感光性基板６２２又は弓なりになった感光性基板上に転写されることにより形成される。周期パターン又は格子ストライプ又はライン６３１はフィールドの中央に沿って形成される。ライン６３１は、フィールドの中央ストライプを規定できる程度に狭く、かつ、水平方向においていくつかの解像可能な点を含む程度に広くなければならない。これは、ストライプないしライン６３１を見るために使用される検出器アレー、ＣＣＤ、又はＰＳＤのピクセル密度の関数である。位相シフト干渉計を使用することができる。データは感光性基板６２２を、位相シフト干渉計に対してリトロー角度で配置することにより得られる。リトロー角度は、干渉計からの電磁放射が逆回折(retro-diffraction)して干渉計に戻るような角度である。位相シフト干渉計により捕捉された強度マップのピークは、特性測定対象の光学系のベストフォーカス点である。これらのピークは垂直方向に稜線(ridge)を有する。この稜線は、フィールドが上から下へと移動するにつれて水平方向にうねり、像面湾曲を表す。この方法の有効性は強度データの並列捕捉に依存する。データの較正、スケーリング、及び抽出は簡単である。この方法は逆回折の強度を使用する。像面湾曲はまた、逆反射の位相を使用して検出することもできる。この方法では、感光性基板は、位相シフト干渉計軸に直交して配置される。捕捉した位相マップは、感光性基板上の個々の点の形状レジスト高さから構成される。左から右に、がフォーカス曲線の関数としての形状の品質である。上から下は、個々の形状寸法と方向性に関しての、フィールド位置の関数としてのベストフォーカスのシフトである。像面湾曲と非点収差は、直交形状方向性の関数としての湾曲シフトの比較から抽出できる。

図９Ａ及び９Ｂは、本発明による非点収差の検出を示す。図９Ａは非点収差を検出するために使用するレチクル又はマスク上に繰り返し複製できるパターンの略図である。部分７１６は直交格子又はラインパターンを含む。垂直ライン７３０は、水平ライン７３２と交互に存在する。垂直ライン７３０と水平ライン７３２は互いに直交している。

図９Ｂは図８Ａに示すように容積空間内で傾斜された感光性基板上に形成される像を表す。感光性基板上に転写された形状セットないし周期パターン又は格子７１６の部分は、フィールド深度を表す水平寸法ｆを有する。寸法ｆ、即ちフィールドの深さにわたって、異なる像品質が得られ、最良の像は寸法ｆの最高点に位置する。包絡線７３５が形成される。包絡線７３５は、図９Ａに示された水平ライン７３２の記録像７３２‘の焦点深度に沿った寸法Ｆにおける像品質を表す。同様に、図９Ａに示された垂直ライン７３０は、記録される像７３０’により表される。包絡線７３３が形成され、図９Ａに示されたレチクルの部分７１６上の垂直ライン７３０の記録像７３０’に対する焦点深度の像品質を表す。最良の像品質は包絡線７３３と７３５に沿った最高点により図形的に表される。像位置における光学系内の非点収差は距離ａにより表され、それは水平及び垂直ラインの異なる転写を表す。接線方向及びサジタル像面の軸方向分離は、包絡線７３３と７３５により表される、異なる焦点により検出され得る。これらの異なる焦点の水平方向シフトは、距離ａにより表される。

本発明によれば、多くの異なる形状セット又は周期パターンないし格子を使用することができる。図１０Ａと１０Ｂは、別の形状セット、周期パターン、ないし格子を示し、それらは光学系の非点収差の測定に利用できる。図１０Ａは、複数のストライプ８１６を有するレチクルないしマスク８１７の平面図である。個々のストライプ８１６はレチクルパターンないし形状セットを含む。図１０Ｂは、図１０Ａのレチクル８１７が形成される土台となる、レチクル周期パターンないし格子８１６の略図である。形状セット、周期パターン、又は格子８１６は複数の周期パターンないし格子の列から形成される。周期パターンないし格子の列は、直交するラインの対から形成される。例えば、列８３０は垂直ラインから形成され、列８３２は水平ラインから形成される。水平及び垂直ラインは直交している。列８３６は、プラス４５°、列８３４はマイナス４５°に傾斜されたラインから形成される。従って、列８３６と８３４内のラインは直交している。図１０Ｂに示すように、異なるライン方向性を有する列が交互に配設されることにより、対象の光学系内の非点収差に関する情報が得られる。本発明によれば、フィールドの大部分における様々な非点収差が同時に検出できる。

図１１Ａと１１Ｂには、本発明のこの実施例が略示されている。この実施例では、ライン又は形状セットは行ではなく列において配列される。図１１Ａはレチクルパターン９１６の一部の平面図である。レチクルパターンは、複数の形状セット又はラインから形成され、その一部は、水平及び垂直方向において交互に配置されたラインの列から形成される。列９３０は複数の垂直ラインから形成され、列９３２は複数の水平ラインから形成される。レチクルの部分９１６から形成された像は、像空間に投影された場合、非点収差を検出するために使用できる。この実施例では、レチクル部分９１６の像を記録するために使用される感光性基板は、レチクル部分９１６に対して傾斜されており、Ｘ−Ｙ平面から外れており、Ｙ軸を中心として回転されている。図１１Ｂはフィールド位置において非点収差を測定するために、像空間内での検出と分析を略示したものである。像が記録される感光性基板は回転されＸ−Ｙ平面から外れており、Ｙ軸を中心として回転されているため、図１１Ｂに示すように、Ｘ軸は焦点深度を表す。図１１ＢにおいてＺ方向の高さは、異なる焦点深度における像品質を表す。図１１Ｂの矩形９３０’は、図１１Ａの垂直ラインの交互の列９３０の像品質を表す。像品質は焦点深度に沿って増大又は減少し、最大像品質はおよそ中央に位置する。従って、包絡線３３が形成され、垂直ラインの列９３０の像品質を表す。同様に図１１Ｂには、水平ラインの列９３２の像品質が、矩形９３２’により表され、Ｚ方向におけるその高さが像品質を表している。象品質はＸ方向における焦点深度に沿って増大又は減少する。従って、矩形９３２’の包絡線９３５が決定され、図１１Ａに示すレチクル部分９１６上の水平ラインの列９３２の像品質が表される。矩形９３０’により表される垂直ラインの列９３０の像は、矩形９３２’により表される水平ラインの列９３２の像間に交互に位置する。測定中の光学系のフィールド位置において非点収差が無い場合、包絡線９３３と９３５は一致する。しかし、非点収差があれば、距離ａ’により表される、包絡線９３３と９３５のシフトにより検出される。

図９Ａと９Ｂ、及び図１１Ａと１１Ｂは、本発明の異なる実施例において、同じ情報を得るための異なる方法を示す。本発明によれば、レチクル上の複数の形状セット、周期パターン、または格子が同時に転写され、容積空間内で得られた像をを記録する。従って、一回のステップないし露光で光学系の非点収差の検出と特徴付けを行うことができる。本発明によれば、光学系における様々な非点収差を、レチクルの部分上で使用される様々な形状セット、周期パターン、ないし格子に応じて、測定できる。

図１２は、球面収差を検出するために使用される形状セットないしラインパターンを有した、レチクル１０１６の一部を示す。レチクル部分１０１６は、異なるライン間隔又は幅を有する交互ラインの行１０３０と１０３２を表す。例えば、行１０３０のライン間隔は３００ナノメートルであり、行１０３２のライン間隔は１００ナノメートルである。図１２に示すレチクルパターン部分１０１６は、図９Ａのレチクルパターン部分７１６に類似する。しかし、レチクルパターン部分７１６がライン方向性を利用して非点収差を検出するのに対し、レチクルパターン部分１０１６はライン幅又は間隔を利用して球面収差を検出する。いずれも、容積空間内のそれぞれのレチクルパターン部分の像を異なる焦点深度において検出する。異なる焦点深度は、例えば、感光性基板が像容積空間内で傾斜された時に生ずる。さらに、いずれも、一回のステップで干渉計を使用して、光学系の非点収差を表す情報を含む、異なって転写されたラインを読み取ることができる。レチクルパターン部分１０１６の場合、像品質は異なるライン幅に対して焦点深度に沿って変化する。従って、それぞれのライン幅領域に関して焦点深度の関数として像品質を表す包絡線は、球面収差に依存してシフトする。異なるラインパターンを有する異なるレチクル部分を、レチクルの部分毎に使用して、フィールドの異なる位置における様々な非点収差を検出することもできる。レチクルパターンのこれら異なる部分は一個のレチクル内に組み込んで、像湾曲及び様々な非点収差を同時に検出及び測定することができる。

図１３は複数の異なる領域に分割されたレチクル１１１７を表し、例として領域１１１９Ａ，１１１９Ｂ，１１１９Ｃ、及び１１１９Ｄを有する。各領域は、フィールド上で様々な非点収差を同時に検出して光学系を特徴付けるため、異なるレチクルパターンを有する。例えば倍率は逆回折の角度として測定できる。通常のパターンピッチ及び関連する公称回折ビーム角度は、較正公称ピッチ基板又は較正プリズム又は面間の公称角度から、異なって測定できる。倍率除去後の残留歪みが、スケール化位相マップ残留として測定可能である。スケーリングは、面内歪み、ＩＰＤ、及び通常周期パターンないし格子ピッチの幾何学的制限、干渉計波長、及び局所逆回折ビーム角度間の関係を反映する。コマ収差は、光学系の焦点深度を通って傾斜されたフィールドにわたる２次歪みとして見られる、フォーカスを介して誘発された像シフトにより測定される。

図１４は、バスケット編み、交互パターン、交差周期パターン又は格子の像に露光されたレジスト塗布又は感光性基板の干渉計分析又はマップの斜視図である。バスケット編みないし交差周期パターンないし格子は、フィールド全体にわたって直交ラインを有するレチクルである。光学系のフィールド全体は、フィールドにわたるレチクルを、傾斜された感光性基板に露光することにより特徴付けられる。感光性基板は傾斜させて、フィールド全体が光学系の焦点深度内に入るようにしなければならない。傾斜のため、図１４のＸ軸は、Ｘ方向におけるフォーカスとフィールド位置を表す。ｙ軸はｙ方向におけるフィールド位置を表す。ｚ軸は、光学系の非点収差ないし歪みの結果として、周期パターンないし格子内のライン間のピッチ変動を表す。表面形状１２２１からは、光学系の投影特性に関する情報が得られる。光学系は全体のフィールドを解釈することにより全体的に、又はフィールドの所望部分を解釈することにより局所的に特徴付けることができる。

図１５は、本発明の実施例において、光学系を特徴付けるために得ることのできる、様々な投影特性及び歪みないし非点収差を表す図である。矢印１２０２はコマ収差を表し、図１４において概して又は全体的に湾曲を有する表面形状により示されている。矢印１２０４はテレセントリシティを表し、図１４において、ｘ−ｙ面における、表面形状１２２１のｙ軸を中心とした傾斜として示されている。矢印１２０６は全体的又は平均倍率を示し、図１４の表面形状１２２１のｘ軸を中心としたｘ−ｙ面内の傾斜として表されている。矢印１２０８は倍率におけるｙ歪みないし局所変動を表し、図１４では表面形状１２２１内の局所変動として表されている。フィールド全体にわたって非点収差も歪みも無い場合、干渉計マップはフラットな傾斜の無い面となる。

図１６Ａ〜１６Ｄは、図１５に示された対象光学系の様々な歪みないし非点収差の斜視図である。図１６Ａは、ｘ軸を中心としてｘ−ｙ面内で傾斜を有するラインを表す。この傾斜はグローバルないし全体的な倍率を表す。従って、フィールド内にグローバルないし全体的な倍率が存在しない場合、ｘ軸を中心としたｘーｙ面内の傾斜も存在しない。図１６Ｂはフォーカスを介した湾曲ないし２次湾曲を有するラインを表す。この湾曲は、フィールド位置の関数としての倍率におけるｙ歪シグネチュアないし局所変動を表す。これらの形状ないし特性は全て、図１４の干渉計マップから独立して抽出できる。従って、光学系の全体フィールドを一回のステップで、すなわち複数の露光ないし別個の分析無しに、特徴付けることができる。

図１７は本発明の実施例において光学系のベストフォーカスを決定するための露光された感光性基板の平面図である。レチクル像は、光学系のフィールドにわたって、感光性基板１３２２上に投影される。レチクルはバスケット編み周期パターンないし格子パターンを、矩形フィールドの２つの長軸方向エッジ１３２８に沿って投影する。感光性基板１３２２は復合傾斜を有し、すなわち長軸を中心とした第１の傾斜と、水平軸を中心とした第２の傾斜ないし湾曲を有する。従って、比較的狭い第１バンド１３３１が、第１露光中に、２個の長軸方向エッジ１３２８内で感光性基板の水平方向にわたって転写される。感光性基板１３２２はその後、光軸すなわちｚ軸に沿って既知の距離だけシフトされ、その結果、比較的狭い第２バンド１３３１’が、第２露光中に、２個の長軸方向エッジ１３２８内で感光性基板の水平方向にわたって転写される。光学系のベストフォーカス位置は、第１と第２の転写バンド１３３１，１３３１’の位置を分析することにより決定される。この分析は、既知のシフト距離に基づいて、容易に決定ないし求めることのできる形状を使用して行うことができる。例えば、位置Ｍにおけるフィールドの中心のフォーカス位置は、距離ＯＡとＯ’Ａ’を測定することにより得られる。これらの数値からは、既知のフィールド中心Ｍに対する露光された第１転写バンドの位置がわかる。第１及び第２バンド１３３１，１３３１’を形成する２つの露光のフォーカス値を補間することにより、フィールド中心Ｍにおけるフォーカス値が求められる。このフォーカス値は、光軸のみに沿っている。水平軸を中心とした傾斜誤差は、基板に沿った距離ＡＢを測定することにより較正される。傾斜角はナノメートル単位で、２つの露光間における、距離ＡＢにより決定されるフォーカス差である、基板のミリメートル当たりのフォーカスシフトである。この傾斜角値を使用して、長軸誤差を中心とした湾曲ないし傾斜が、距離ＯＡとＯ’Ａ’又は距離ＯＢとＯ’Ｂ’間の距離差の測定を介してラインＡ−Ａ’又はＢ−Ｂ’の角度を測定することにより決定される。これら４つの距離の測定から、基板は測定誤差補正ないし平均化により、ベストフォーカス面に位置合わせされる。又は、値は以下の公式から抽出することもできる。

Ｍ’ ラインＡ−Ａ’とラインＢ−Ｂ’間の中間のラインの中心点にある；ＩＦＳ ２つの露光間の、ｚ軸ないし光軸に沿った誘起フォーカスシフトないし意図的シフトである；ＩＴ 水平軸を中心とした誘起傾斜又は意図的シフトである。

次に、傾き（Ｓ）はＨ／Ｗに等しい；フォーカス誤差（ＦＥ）はＩＦＳ／ＡＢ ｘ ＭＭ’に等しい；長軸を中心とした傾斜誤差（ＴＥ）は（ＩＦＳ／ＡＢ）−ＩＴに等しい；水平軸を注しとした傾斜ないし湾曲誤差（ＢＥ）はＳ ｘ ＩＦＳ／ＡＢに等しい。

図１８は本発明の実施例における球面収差の検出を示す。曲線ないしライン１４０２は、フォーカスの関数としてのレジスト深さを表す。感光性基板を露光するときのフォーカスを介した傾斜のため、処理レジストにより感光性基板上に形成された周期パターンないし格子は様々な深さを有する。深さはベストフォーカスにおいて最大であり、フォーカスがずれるに従い小さくなる。領域１４０４により示された湾曲ないしライン１４０２における非対称性は、球面収差を表す。従って、本発明は光学系における球面収差の検出にも応用できる。

図１９Ａと１９Ｂは本発明の別の実施例であり、最適化投影を得るための光学系におけるレチクルの初期配置を決定する方法を示している。図１９Ａ及び１９Ｂにおいて、感光性基板１５２２はレチクル１５１６により露光される。レチクルはｘ軸を中心としてｘ−ｙ物体面に対して傾斜している。感光性基板１５２２は好適にはｙ軸を中心としてｘ−ｙ面から外れている。従って、レチクル１５１６及び感光性基板１５２２は互いに直交して傾斜している。これはすなわち、図１と同様である。レチクル１５１６は複数の直交した交互ラインを有し、各ラインは異なる幅を有する。例えばライン１５３１は比較的狭い垂直ライン幅を有し、ライン１５３３は比較的広い垂直ライン幅を有する。垂直ライン１５３１と１５３３はｘ方向において交互に存在する。比較的狭い水平ライン１５３４と比較的広い水平ライン１５３６はｙ軸方向において交互に存在している。従って、様々な幅を有した、交互の水平及び垂直ラインの格子パターンが形成される。レチクル１５２２上の格子パターンは、レチクル１５２２の傾斜のため、レチクル位置を介して投影され、露光時には感光性基板１５２２の傾斜のために、感光性基板１５２２にフォーカスして投影される。処理された感光性基板１５２２は、ライン幅ないしパターンサイズの関数としてベストフォーカス位置の軌跡を有する。この軌跡はレジスト深さを含む像を検査することにより決定される。一般的に、最大レジスト深さがベストフォーカスを決定する。すなわちベストフォーカスにおいて、レジストはより完全に露光され、従ってより大きな深さを有する。個々のライン幅に関してベストフォーカス位置の軌跡が交差する位置が、非点収差を最小限にするためのレチクルの好適な位置を表す。前記非点収差としては特に、球面収差である。図１９Ａにおいて、ライン１５０２と１５０４の交差点が、球面収差を最小限にするためのレチクル１５０６の最適位置を表す。ライン１５０６は最良像ないし最小の非点収差を得るためのレチクル１５１６の最適位置の場所ないし面を表す。例えば、図１９Ａの感光性基板の左側長軸方向エッジに沿って示されたように、図１９Ｂのレチクル１５１６がｘ軸を中心として１単位量だけ傾斜された場合、ライン１５０６は、最良ないし最適投影を得るためには０．４単位の位置にレチクルを置く必要があることを示す。ライン１５０６はレチクルの傾斜軸ないしｘ軸に平行に描かれている。図では２本のライン幅のみが交差しているように示されているが、交差ライン幅の数はいくつでもかまわない。

上記の説明における様々な実施例や形状セットないしラインパターン以外にも様々な形状セットないしラインパターンを様々な態様で使用して光学系を特徴付けることが可能である。しかし、本発明の実施例はいずれも、様々なパターン部分を、容積空間内で様々な焦点深度において同時に投影している。異なる深さにおける複数のパターン部分の記録像は干渉計により分析して、光学系を特徴付けることが可能である。この干渉計による分析は好適には一回のステップで実行され、レチクルの記録像の干渉計分析から得られたデータのみで、ほぼ光学系の特徴付けを完了することができる。本発明は従って、光学系のフィールド内において異なる位置を順次選択して分析する必要がない。その結果、本発明によれば、光学系を非常に短時間で特性測定することができる。

従って、本発明の方法と装置によれば、光学系の特性測定において、一回の露光又は投影動作で、光学系のフォーカス、像湾曲、非点収差、コマ収差、及び／又はフォーカス面ずれを測定することができる。本発明は特にマスクないしレチクルパターンを感光性基板に転写する際に使用される感光性レンズの特徴付けに使用可能である。本発明はベストフォーカスを、個別のサンプル点ｘ、ｙ及びフォーカスの３次元アレー内の像品質ないしライン品質の評価を介してではなく、フォーカスを介したパターン品質の包絡線を検出することにより決定している。本発明によれば、フォーカス及びレチクル物体位置を介する連続データが得られる。従って、本発明は、自動フォーカス追従であるという特徴を有する。すなわち、本発明は通常の焦点面位置誤差にあまり左右されず、露光されるウェーハ又は感光性基板が焦点深度を横切る場合、常にベストフォーカス領域が転写される。本発明は非常に感度が高く、低ノイズで、一回の露光により特性パラメータが短時間で得られる。本発明によれば、時間のかかる複数回露光を伴う焦点面スライシングが不必要である。試験の結果、感度とノイズレベルがコンスタントに５ナノメートル以下であった。これらの低レベルは公知の手段では得られ愛。公知の手段は概してライン幅が低減するにつれて性能が低下する。しかし、本発明では、ライン幅が低下するにつれてその能力が発揮される。本発明はまた、秒単位という比較的短時間で完全なフィールドデータが得られる。これは深ＵＶ以上の波長を使用するリソグラフィー装置においては、ライン幅の小ささ及び熱的に変動する時間定数のため、重要な特徴である。本発明では一回の露光ないし動作で完全なフィールド露光を得られるため、データのスキャン捕捉による位置合わせタイミング誤差が除去される。複数の、多重化されたパラメータ方向性、寸法、及び線種を有する様々な形状セットが使用されるため、焦点位置、非点収差、像湾曲及び焦点深度を測定することができる。さらに、本発明ではコマ収差、球面収差、コヒーレンスの変動に関する情報が得られる。本発明では、試験対象である投影装置により投影される多重周期パターンと、転写された像を分析するための、度量衡手段を含むリソグラフィー記録プロセスが使用され、その結果、光学系を短時間で特徴付けることが可能である。形状セットはグループ化された又は個別の様々なライン種類、形、寸法及び方向性を有する。本発明では一回の露光で、これらの形状セットが投影装置の焦点深度を介して及び越えて投影される。包絡線すなわちフォーカスを介したパターン品質が転写され、分析される。この分析では、自動補正及び相関分析の場合と同様に、フォーカス全深度データ評価を行うことができる。又は、この包絡線の最大値又は最小値又は傾きを特定することができる。これは、個別の形状を所定の、従って最適でない非連続焦点位置において分析する公知の方法とは全く異なる。フォーカスを介した特定の形状セットの品質は、選択されたパターン種類方向性及び／又はサイズに依存して、フラットフォーカス、像湾曲、非点収差、球面収差、部分的コヒーレンス、歪み、及びコマ収差を装置するために使用することができる。非点収差の場合は、フィールド上に異なるライン方向性を交互に配置し、暗視野又は干渉計顕微鏡で読みとることができる。又は、異なるライン方向性をフィールドを横切って交互に配置し、干渉計顕微鏡又は原始力顕微鏡で読みとることができる。歪み場合、パターンは全フィールド干渉計を使用して読みとることができる。

従って、本発明によれば、光学系、特に半導体ウェーハの製造におけるフォトリソグラフィーにおいて使用される投影レンズ系を短時間で容易に特徴付ける能力が向上される。一回の露光又はデータ捕捉ステップから、ある１時点における光学系を特徴付ける重要な情報が得られる。これにより、スループット及び歩留まりが大幅に向上し、投影性能を高く維持することができる。

フォトリソグラフィー装置の略図である。 レチクルないし物体空間の斜視図である。 感光性基板又は像空間の斜視図である。 複数の周期的形状ないしパターンを上部に有した試験用レチクルの平面図である。 Ａは格子ないし周期パターンないし構造体の一例を示す平面図である。Ｂは格子ないし周期パターンないし構造体の別の例を示す平面図である。 光学系を特徴付けるために使用されるデータの捕捉を示す図である。 本発明の方法の各ステップを示すブロック図である。 Ａは容積空間の略図である。Ｂは感光性基板上に形成された像の平面略図である。 Ａはレチクル上のパターンの一部の一例の平面図である。ＢはＡに示された例に基づく非点収差の検出を示す斜視図である。 Ａはレチクルの平面図である。Ｂはレチクルパターンの一部の平面図である。 Ａはレチクル上のパターンの一部の別の例の平面図である。ＢはＡに示された例に基づく非点収差の検出を占めウォルシュ斜視図である。 球面収差の検出において使用されるレチクルパターンの一部の平面図である。 光学系の特徴付けに使用される様々な非点収差を検出するために、異なる形状セットないしパターン部分に分割されたレチクルの平面図である。 本発明の実施例において、光学系の歪みないし非点収差を検出するための干渉計マップの斜視図である。 本発明の実施例において検出される様々な歪みないし非点収差を示すグラフである。 Ａ〜Ｄは図１５に示された様々な歪みないし非点収差を斜視的に示した図である。 光学系のベストフォーカスを得るために使用される、本発明の実施例における感光性基板の平面図である。 本発明の実施例における、球面収差の検出を示すグラフである。 Ａは投影を改善するためのレチクル最適配置を決定するための、本発明の実施例を示す平面図である。Ｂは、Ａにおける本発明の実施例において使用されるレチクルの平面図である。

符号の説明

１０ フォトリソグラフィー装置
１２ 光源
１４ 空間
１６、１１６、 レチクル
１８ 投影レンズ
２０、１２０ 像空間
２２、１２２ 感光性基板
１１４ レチクル空間
１１６ａ〜１１６ｅ 周期パターンないし形状

Claims (38)

1. レチクル面に配置され、上部に周期パターンを有したレチクルの像を、光学系により投影し、レチクル面と直交する面内で前記周期パターンを検出し、周期パターンを分析することにより、前記光学系を特徴付ける情報を得るステップを有した、光学系の特性を測定する方法。
2. 前記周期パターンが格子である、請求項１記載の方法。
3. 周期パターンが複数の格子から構成された、請求項１記載の方法。
4. 複数の格子が、バスケット編み、垂直ライン、水平ライン、及び傾斜ラインを有する、請求項３記載の方法。
5. 中央部が、垂直ライン、水平ライン、及び傾斜ラインの繰り返しから構成されている、請求項４記載の方法。
6. 中央部がバスケット編みにより占められている、請求項５記載の方法。
7. 像が、感光性基板上に記録される、請求項１記載の方法。
8. 光軸を有する光学系の特性を測定する方法において、周期パターンを上部に有したレチクルの像を光学系により投影し、レチクルの像を異なる位置で同時に、かつ光軸と同軸方向で検出し、像を分析することにより光学系を特徴付けることを特徴とする方法。
9. 周期パターンが複数の、垂直、水平、及び傾斜ラインの行を有する、請求項８記載の方法。
10. 分析ステップにおいて干渉計が使用される、請求項８記載の方法。
11. 光軸を有する光学系から光学パラメータを抽出する方法において、光学系の物体面内の周期パターンに照明を当て、光学系の像空間内の周期パターンの像を遮断及び記録し、像空間内で形成された周期パターンの記録像を分析することにより、光学系パターンを抽出するよう構成された方法。
12. 記録像が像空間内で傾斜されている、請求項１１記載の方法。
13. 物体面が、光軸に対して傾斜されており、物体位置が連続的に、フィールド位置の関数として得られるよう構成された、請求項１１記載の方法。
14. 記録像が、光軸に対して傾斜されている、請求項１３記載の方法。
15. 物体面と記録像が互いに直交しており、一方の軸において連続する物体位置が得られ、他方の直交する軸においてフォーカス位置が得られる、請求項１１記載の方法。
16. フォーカスを介するパターン解像度の包絡線が抽出される、請求項１２記載の方法。
17. 光学系の非点収差が、周期パターン方向性の関数として抽出される、請求項１２記載の方法。
18. 光学系のコマ収差が、フィールドを横切ってマッピングされたフォーカスに対する２次歪みシグネチュアとして抽出される、請求項１２記載の方法。
19. 光学系の球面収差が、フィールド位置に対する、周期パターンのライン寸法間のベストフォーカス差の関数として抽出される、請求項１２記載の方法。
20. 最適レチクルないし物体位置が、ライン寸法間の最小ベストフォーカス差から見た最小球面収差のフィールド位置の関数として抽出される、請求項１２記載の方法。
21. 記録像が、暗視野顕微鏡を使用して分析される、請求項１１記載の方法。
22. 記録像が白色光を使用して分析される、請求項１１記載の方法。
23. 記録像が、レーザ顕微鏡干渉計を使用して分析される、請求項１１記載の方法。
24. 記録像が、一回の露光で、大開口の干渉計を使用して分析される、請求項１１記載の方法。
25. 分析ステップにおいて、ベストフォーカス位置が計算される、請求項１１記載の方法。
26. 分析ステップにおいて、球面収差が計算される、請求項１１記載の方法。
27. 光学系と、周期パターンを上部に有したレチクルの像を、像空間内に投影する照明手段と、像容積空間内の様々な焦点深度を含む異なる位置において像を検出する手段と、像を分析し、光学系の投影特性を決定する手段を備えた、光学系の特性を測定するための装置。
28. 像を分析し光学系の投影特性を決定する前記手段が、像により作られた干渉パターンを分析するよう構成された、請求項２７記載の装置。
29. 照明装置と、レチクルと、像空間と、感光性基板と、干渉計と、光学系キャラクタライザとを有した、レチクル像を感光性基板に投影するためにフォトリソグラフィーにおいて使用される、投影レンズ系の特性を測定するための装置において、前記レチクルはレチクル面におかれ、複数の、周期パターンを含む行を上部に有し、該パターンはバスケット編み、垂直ライン、水平ライン、及び傾斜ラインを有し、前記感光性基板は前記像空間内の像面に配置され、前記像面はレチクル面に対して直交しており、前記干渉計は、前記複数の、周期パターンを有する行の、感光性基板上の記録像を測定できるように配置されており、前記光学系キャラクタライザは前記干渉計に結合され、投影レンズ系の投影パラメータが一回の露光及び捕捉ステップで得られるよう構成された装置。
30. 光学系の特性を検出し測定するための方法において、光学系の像空間の容積内の異なる焦点位置に感光性受光手段を配置し、この光学系により投影された複数の周期パターンを感光性受光手段に投影し、複数の周期パターンの像を記録し、干渉計により、記録された複数の周期パターンを検出し、前記記録された複数の周期パターンの検出ステップに基づいて、光学系の特性を計算することにより、光学系をフィールド内の複数の位置において同時に特徴付けるよう構成した方法。
31. 前記特性は、異なる位置にマッピングされた光学系の収差である、請求項３０記載の方法。
32. 光学系内の歪みを検出及び測定する方法において、光学系により、交差周期パターンをフォーカスを介して容積空間内に投影し、干渉計により、フォーカスを介して投影されたクロス周期パターンを分析し、交差周期パターンのピッチの変化を検出することにより、光学系を特徴付けるよう構成された方法。
33. 光学系内のベストフォーカス位置を決定するための方法において、感光性基板を第１の面において第１の角度で傾斜することにより、光学系の焦点深度を第１位置において遮断し、感光性基板をパターンで露光して、基板面を横断する第１露光バンドを形成し、感光性基板を既知の距離だけ第２位置までシフトし、感光性基板をパターンで露光して、基板面を横断する第２露光バンドを形成し、基板を横断して延在する第１及び第２の露光バンドの第１と第２の位置に基づいてベストフォーカスの位置を計算するよう構成された方法。
34. 光学系の球面収差を検出する方法において、光学系により、周期パターンを、レジストで覆われ、フォーカスを介して傾斜された基板に投影し、前記周期パターンに露光された、処理レジストの高さフロファイルを検出し、処理レジストの高さプロファイルにおける非対称性を検出し、前記非対称性が光学系の球面収差を表している、球面収差の検出方法。
35. 上部に異なるライン幅を有する第１の面内のレチクルを第１軸を中心としてで傾斜させ、第２面内の感光性基板を、第１軸に対して傾斜した第２軸を中心として傾斜させ、光学系を介して前記感光性基板をレチクル像で露光し、ここのライン幅に対するベストフォーカスの軌跡を決定し、個々のライン幅に対するベストフォーカスの軌跡の交差点に基づいて、レチクルの配置を決定するよう構成された、光学系内のレチクルの配置を決定する方法。
36. 第１軸が第２軸に対して直交している、請求項３５記載の方法。
37. 前記異なるライン幅が交互に配置されている、請求項３５記載の方法。
38. 前記異なるライン幅が、交互に配置されかつ、直交している、３５記載の方法。

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