JP2009088246A - 露光装置およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】投影光学系または照明系の光学特性を測定するための新規かつ有用な技術を提供する。
【解決手段】露光装置は、投影光学系４の像面からのデフォーカス量と投影光学系４によって形成される像の位置との関係に基づいて投影光学系４の光学特性を示す情報を演算する演算部４３を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、露光装置およびデバイス製造方法に関する。

半導体デバイス等のデバイスのパターンの微細化に伴って、露光装置の投影光学系の高ＮＡ（ＮＡは開口数）化が求められている。高ＮＡ化に伴って、露光装置間でのＮＡのマッチングが重要になり、高精度なＮＡ計測およびＮＡ調整のニーズが高まっている。特許文献１には、投影光学系の開口絞りを通過した光に基づいて、開口絞りの位置における光強度分布に対応する光強度分布を測定し、その光強度分布から開口数を求める方法が開示されている。

また、照明系に関しても、高σ化や、デバイスに最適化した特殊な有効光源分布が求められている。また、高ＮＡ化は、感光剤への反射率が高くなる現象への対応として偏光照明の最適化を要求する。そのため、様々な偏光状態における有効光源分布を精度よく形成する必要がある。これには、有効光源分布を高精度に計測することが不可欠である。特許文献２には、露光量を変えながら有効光源をウエハに投影して該ウエハを露光し、現像を経て得られるパターンに基づいて有効光源の強度分布を得ることが開示されている。
特開２００５−３２２８５６号公報 米国特許第６７４１３３８号明細書

特許文献１、２には、投影光学系の像面からのデフォーカス量または該投影光学系の収差量と該投影光学系によって形成される像の位置との関係に基づいて該投影光学系または照明系の光学特性を得ることについて開示も示唆もされていない。

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、投影光学系または照明系の光学特性を測定するための新規かつ有用な技術を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、レチクルのパターンを投影光学系によって基板に投影して該基板を露光する露光装置に係り、前記露光装置は、前記投影光学系の像面からのデフォーカス量と前記投影光学系によって形成される像の位置との関係に基づいて前記投影光学系の光学特性を示す情報を演算する演算部を備える。

本発明の第２の側面は、レチクルのパターンを投影光学系によって基板に投影して該基板を露光する露光装置に係り、前記露光装置は、前記投影光学系の収差量と前記投影光学系によって形成される像の位置との関係に基づいて前記投影光学系の光学特性を示す情報を演算する演算部を備える。

本発明の第３の側面は、照明系によってレチクルを照明し、該レチクルのパターンを投影光学系によって基板に投影して該基板を露光する露光装置に係り、前記露光装置は、前記投影光学系の像面からのデフォーカス量と前記投影光学系によって形成される像の位置との関係に基づいて前記照明系の光学特性を示す情報を演算する演算部を備える。

本発明の第４の側面は、照明系によってレチクルを照明し、該レチクルのパターンを投影光学系によって基板に投影して該基板を露光する露光装置に係り、前記露光装置は、前記投影光学系の収差量と前記投影光学系によって形成される像の位置との関係に基づいて前記照明系の光学特性を示す情報を演算する演算部を備える。

本発明によれば、投影光学系または照明系の光学特性を測定するための新規かつ有用な技術が提供される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の原理を説明するための概念図である。マスクＭの１つの点から光軸ＡＸに対して斜めに射出された光束ＢＢは、投影光学系ＰＯ内にある瞳面ＰＵのある一部の領域のみ通過し、像面Ｗの１つの点に結像する。像面Ｗにおける所定位置（例えば、光軸ＡＸ）からの像の位置ずれ量と、像面Ｗを光軸ＡＸに沿ってデフォーカスさせた面Ｗ'における前記所定位置からの像の位置ずれ量は、光束ＢＢの主光線の入射角度θに依存して変化する。像面Ｗに平行な複数の異なる面における前記所定位置からの像の位置ずれ量を計測し、光軸方向の位置変化量に対する位置ずれ量の変化（傾き）を演算することで、投影光学系ＰＯの光学特性を示す情報を求めることができる。投影光学系ＰＯの光学特性としては、例えば、投影光学系ＰＯのＮＡ（瞳の大きさ）、または、投影光学系ＰＯの瞳の形状を挙げることができる。

ここで、主光線の傾きはＴａｎθに相当し、一方、空気中での投影光学系ＰＯのＮＡはＳｉｎθに相当する。したがって、主光線の傾きとＮＡとの関係は、ＴａｎθとＳｉｎθの関係である。図２の曲線Ａは、主光線の傾きとＮＡとの関係を示している。但し、実際の光束ＢＢは幅を有する。したがって、ある角度以上の入射角θで投影光学系ＰＯに入射した光束ＢＢの一部は、投影光学系ＰＯの瞳絞りＰＵによりけられてしまう。そのために、実際の主光線ＢＢの傾きは、曲線Ａよりも小さくなる。図２の曲線Ｂは、実際の主光線ＢＢの傾きを示している。

このような関係は、実験または光学シミュレーションを通して得ることができる。予め求めておいた主光線ＢＢの傾きと投影光学系ＰＯの瞳絞りＰＵの大きさとの関係から、主光線ＢＢの傾きを計測することで、投影光学系ＰＯの瞳絞りＰＵの大きさ、即ち投影光学系ＰＯのＮＡを求めることができる。

図３は、本発明の露光装置の代表的な実施形態を概略的に示す図である。露光装置は、ウエハチャック１７に保持されたウエハ（基板）の露光するように構成される。具体的には、露光装置は、レチクルステージ１６によって保持されたレチクルを照明系１によって照明し、該レチクルのパターンを投影光学系４によってウエハに投影して該ウエハを露光する。

以下では、露光装置の付加的な機能である投影光学系４のＮＡの測定機能に関して説明する。光源２が発生する光を使ってレチクル（原版）を照明する照明系１は、投影光学系４の瞳面と共役な位置に配置された開口プレート５を有する。開口プレート５は、照明系１のＮＡが投影光学系４の開口絞りの大きさまで光を広げて供給できない場合には、拡散効果をもった光学素子を有する開口プレート３と交換されうる。開口プレート３は、投影光学系４のＮＡの計測に最適な有効光源形状を形成可能な光学部材、例えばＣＧＨ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）で置き換えられてもよい。

照明系１から射出された光は、レチクルステージ１６に保持された計測マスク７を照明する。計測マスク７は、図４に例示するように、物体面（パターン面）とは反対の面（裏面）に遮光膜２５を有し、遮光膜２５に開口８が形成されている。開口８の上部または内部には、拡散光学素子９が配置されている。拡散光学素子９は、前述の拡散効果をもった光学素子を有する開口プレート３と同様の効果を奏する。

この実施形態では、投影光学系４の瞳の絞り境界をカバーする領域の光束を投影光学系４の像面に対して斜入射させることにより投影光学系４のＮＡが計測される。図１２を参照して説明すると、ＮＡ計測のために使用される光束の外側の境界は、投影光学系４の瞳面における絞り境界ＮＡＲよりも外側に規定された照明開口境界Ｒに一致する。また、ＮＡ計測のために使用される光束は、投影光学系４に斜入射させる必要がある。ＮＡ計測のために使用される光束としては、例えば、照明開口境界Ｒで囲まれた領域が瞳中心Ｃを通る２つのラインＫで４分割されてなる各分割領域を通る光束が利用されうる。図１２は、照明開口境界Ｒで囲まれた領域を４分割してなる各分割領域ＤＲを通る光束をＮＡ計測のための光束として使用する例を説明しているが、分割の方法は、これに限定されない。例えば、分割数は４以外の複数としてもよい。図１２において、Ｃは投影光学系４の瞳中心を示す。

図１１は、計測マスク７の裏面に設けられた開口８の一例を示す図である。この例では、開口８は、４つの部分開口８１を含む。１つの部分開口８１を通る光束が図１２を参照して説明した１つの分割された光束に対応する。

更に、計測マスク７のパターン面に設けられた計測マーク１０は、図６に（Ａ）または（Ｂ）として例示されたマークＴＰを各部分開口８１に対応する位置に配置してなる。各マークＴＰは、基準点ＣＣの直下の位置に配置される。マークＴＰは、例えば、ライン間またはスペース間のピッチ（間隔）がほぼ等しい周期パターンであり、かつ光が透過する個々のスペース幅が周期パターンの中心ラインまたは中心スペースのパターンから外側のパターンに向かって減少するパターンからなるものでありうる。或いは、マークＴＰは、ある幅をもったラインの両エッジ部に細いラインを施したものでありうる。このようなマークＴＰは、高次回折光を低減させる効果をもったパターンであり、これを用いることでより精度を上げることができる。そして、このようなマークＴＰを１つのラインと見なし、このようなマークＴＰを投影光学系を介し結像させたパターン像の光強度分布は、その内部のライン間が解像しない歪の少ない１つの大きなパターンと見なし得るものであり、これにより精度の高い位置ずれ計測が可能となる。このようなマーク（パターン）については、国際公開第０３／０２１３５２号（米国特許第７１９０４４３号）において詳述されている。

マークＴＰのＸＹ面内における回転方向の向きについては、図１１の左右に配置された２つの部分開口８１に対応する位置に配置されるマークＴＰは、図６と同じ向き（縦にラインが延びる向き）とされる。一方、図１１の上下に配置された２つの部分開口８１に対応する位置に配置されるマークＴＰは、図６に示すマークＴＰを９０°回転させた向き（横向き）とされる。これにより、部分開口８１を通り抜けた光束は、マークＴＰ（回折を無視すれば）を通過することで、投影光学系４の瞳面の４つの分割領域ＤＲ（図１２参照）のうちの対応する１つの分割領域だけを通過して像面に達する。

ここで、計測マーク１０を構成するマークＴＰは、図６に例示するようにラインアンドスペースパターンでありうる。マークＴＰとしては、種々のパターンを使用しうる。

上記のような構成において、計測マーク１０（マークＴＰ）の像を投影光学系４によってウエハステージ（基板ステージ）１８の上に設けられた検出部２９の遮光部材２７の表面に形成する。遮光部材２７は、スリット（開口部）Ｓを有し、スリットＳを透過した光がセンサ２８によって検出される。センサ２８は、例えば、入射する光の強度または光量を検出して検出結果を出力する。

まず、投影光学系４の像面に検出部２９の表面が一致するようにウエハステージ１８のＺ方向（投影光学系４の光軸方向）の位置を調整する。この際、フォーカス計測部１９によって検出部２９の表面位置を計測し、その計測結果に基づいてウエハステージ１８が駆動されうる。

次いで、投影光学系４の光軸方向（Ｚ方向）と直交する面内（Ｘ，Ｙ方向）においてマークＴＰ（計測マーク１０）のラインと直交する方向にウエハステージ１８を移動させながらスリットＳを透過した光をセンサ２８によって検出する。このときのウエハステージ１８のＸ方向（またはＹ方向）における位置とセンサ２８の出力（例えば、光の強度）とに基づいて図８に例示するような検出信号が得られる。図８に示す例において、縦軸が光の強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）、横軸がＸ方向またはＹ方向の検出部２９（ウエハステージ）の位置（Ｘ，Ｙ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）である。演算部４３は、このような検出信号に基づいてマークＴＰ（計測マーク１０）の像の中心位置を検出する。

スリットＳの幅は、図８に例示される空中像（ピーク部分）の幅の半分以下であることが望ましい。また、図６に例示するように、マークＴＰを構成するラインの本数を増やすと共にそれに対応するようにスリットＳの本数も増やすことにより、センサ２８に入射する光の量を増加させるとともに平均化効果によって精度を向上させることができる。なお、マークＴＰのラインの方向（縦ライン、横ライン）に応じて、スリットＳの方向を切り替えるために、縦ライン用のスリットＳおよびセンサ２８と、横ライン用のスリットＳおよびセンサ２８が設けられうる。

更に、ウエハステージ１８をＺ方向（投影光学系４の光軸方向）に移動させて、所定のデフォーカス位置で同様にウエハステージ１８をＸ，Ｙ移動させながら上記と同様にスリットＳを透過する光がセンサ２８によって検出される。これによって、図８に例示するような検出信号が得られ、この検出信号に基づいてマークＴＰ（計測マーク１０）の像の中心位置が検出される。

これにより、演算部４３は、図９に例示するように、投影光学系４の光軸方向における検出部２９の位置（デフォーカス量）とマークＴＰ（計測マーク１０）の像の中心位置のずれ量（位置ずれ量）との関係を示す特性曲線を得る。ここで、ずれ量は、所定の基準位置からのずれ量であり、例えば、検出部２９の表面が投影光学系４の像面に位置決めされたときのマークＴＰ（計測マーク１０）の像の中心位置、または、光軸が基準位置とされうる。ここで、複数の異なるデフォーカス位置（光軸方向位置）で位置ずれ量を検出する代わりに、例えば、投影光学系４の補正光学系１８４を駆動機構１８３によって駆動することにより投影光学系４の収差量を変化させて、各収差量において位置ずれ量を検出してもよい。あるいは、光源２が発生する光の波長を波長制御器１７１で変更することにより、収差量を変化させて、各収差量において位置ずれ量を検出してもよい。ここで、投影光学系の収差としては、例えば、球面収差、非点収差、または、コマ収差を挙げることができる。

次いで、演算部４３は、図９に例示するような特性曲線の傾きｍを演算する。演算部４３は、例えば、特性曲線を直線で近似し、その直線の傾きｍを演算する。次いで、演算部４３は、図２に例示するＮＡと傾きとの関係に基づいて、投影光学系の光学特性を示す情報として、演算によって得た傾きｍに対応するＮＡの値を演算する。ここで、図２に例示するＮＡと傾きとの関係は、テーブルとして、または、近似式として、演算部４３に予め登録されうる。以上の処理を４つのマークＴＰのそれぞれについて実行することにより、投影光学系４の光学特性を示す情報として、投影光学系４の瞳の形状を得ることができる。

ここで、図１３に例示するように、投影光学系４の瞳内に遮光される領域ＲＲを設けて、開口絞りＮＡＲ付近のみ光を透過させることにより、特性曲線の傾きｍを大きくすることができる。傾きｍが大きくなると敏感度が上がり、その結果、投影光学系４の光学特性を高精度に求めることができる。

図１４は、計測マスク７の裏面に設けられる開口８の他の配置例である。図１４に示す配置例では、開口８は、円弧状の４つの部分開口８１'を有する。このような部分開口８１'の配置が採用される場合においても、図１１に示す配置例における場合と同様に、各マークＴＰは、基準点ＣＣの直下の位置に配置される。 上記の計測に関する処理、例えば、ウエハステージ１８の駆動、検出部２９の制御等は、演算部４３によって制御される。演算部４３は、例えば、投影光学系４の瞳における透過率分布や照明時の有効光源分布等のパラメータを保持しうる。このようなパラメータは、ＮＡの演算時に考慮されうる。演算部４３は、次式にしたがってＮＡを演算することもできる。

演算部４３は、ＮＡの計測結果に基づいて、投影光学系４のＮＡ絞りを駆動する絞り駆動部２０を制御して投影光学系４のＮＡを調整することができる。

図１０は、演算部４３によって制御される上記の処理の流れを概略的に示す図である。なお、演算部４３は、制御部または処理部として把握しされてもよい。ステップＳ１０において、演算部４３は、デフォーカス量または収差量を調整する。デフォーカス量の調整は、前述のように、ウエハステージ１８を投影光学系４の光軸方向に駆動することによって行うことができる。収差量の調整は、前述のように、補正光学系１８４を駆動機構１８３によって駆動すること、または、光源２が発生する光の波長を波長制御器１７１によって変更することによって行うことができる。

ステップＳ１２では、演算部４３は、検出部２９によってマークＴＰの像の位置ずれ量を検出する。ステップＳ１４では、演算部４３は、ステップＳ１０およびＳ１２からなる処理が設定回数だけ実行されたか否かを判断し、設定回数だけ実行された場合にはステップＳ１６に処理を進め、設定回数だけ実行されていない場合にはステップＳ１０に処理を戻す。

ステップＳ１６では、演算部４３は、ステップＳ１０およびＳ１２からなる処理の繰り返しによって得られた図９に例示される特性曲線の傾きｍを演算する。ステップＳ１８では、演算部４３は、図２に例示するＮＡと傾きとの関係に基づいて、演算によって得た傾きｍに対応するＮＡの値を演算する。

ステップＳ２０では、演算部４３は、演算によって得られたＮＡの値に基づいて、投影光学系４の絞りを駆動する絞り駆動部２０を制御して投影光学系４のＮＡを調整する。

以上の方法は、投影光学系４によって形成される計測マークの空中像を計測する方法であるが、このような方法に代えて、露光工程の実施によって基板上に計測マークを転写し、これによって基板に形成されるマークの位置を計測する方法を採用してもよい。

この場合は、計測マスク７には、図７に例示されるような計測マーク３５が使用されうる。計測マーク３５は、例えば、フレーム形状を有しうる。フレームの１辺のバーは、図６の（Ａ）または（Ｂ）に例示するように複数のラインからなるパターンで構成されうる。このようなフレーム形状の計測マーク３５を使用することにより、Ｘ，Ｙ方向のいずれの方向の位置ずれについても計測することができる。しかしながら、位置ずれの計測方向に応じて、図６のように縦ラインだけのマークが使用されてもよいし、それを９０°回転させたような横ラインだけのマークが使用されてもよい。

更に、計測マスク７のパターン面における計測マーク３５とは異なる領域にレファレンスマーク３６が配置されうる。計測マスク７の裏面におけるレファレンスマーク３６に対向する部分には開口が設けられる。

レファレンスマーク３６は、計測マーク３５との相対的な位置ずれを計測するために使用され、その形状は任意である。例えば、２μｍ線幅のラインを含む計測マーク３５と、当該計測マーク３５とはサイズの異なるフレームマーク３６とが使用されうる。図１５は、計測マークとレファレンスマークの配置例が示されている。

図１６は、基板にマークを転写することによって投影光学系のＮＡを計測する方法の手順を示す図である。ステップＳ３０では、デフォーカス量または収差量が調整される。ステップＳ３２では、露光工程によって、基板に塗布された感光剤に計測マーク３５が転写される（即ち、計測マーク３５の像が潜像として感光剤に形成される）。なお、２回目以降のステップＳ３２の実行に先立って、ウエハステージ１８がＸ、Ｙ方向に駆動され、基板の露光領域が変更される。ステップＳ３４では、ステップＳ３０およびＳ３２からなる処理が設定回数だけ実行されたか否かを判断し、設定回数だけ実行された場合にはステップＳ３６に進み、設定回数だけ実行されてない場合にはステップ３０に戻る。

ステップＳ３６では、デフォーカス量または収差量を基準値に調整した後に、転写された各計測マーク３５の潜像に重なるように、露光工程によってレファレンスマーク３６が基板に転写される。

ステップＳ３８では、基板の感光剤に露光によって形成された潜像が現像され、複数のデフォーカス量または収差量の下で転写されたすべての計測マーク３５の像について、レファレンスマーク３６の像に対する計測マーク３５の像の位置ずれが計測される。

ステップＳ４０では、ステップＳ３８における計測結果に基づいて、図９に例示される特性曲線を生成し、ステップＳ４２では、該特性曲線の傾きｍが演算される。ステップＳ４２では、図２に例示するＮＡと傾きとの関係に基づいて、演算によって得た傾きｍに対応するＮＡの値が演算される。

図１６に示す処理では、潜像を現像した後に計測がなされるが、感光剤に形成された潜像を計測してもよい。例えば、ホトクロ材料基板にマークを転写して潜像を形成し、その潜像の位置を露光装置のオフアクシスアライメント検出系１４で検出してもよい。測定することも可能である。

また、図１１または図１４に例示されるユニットを同一の計測マスク７の数箇所に配置しておけば、上記の方法で露光を行って、各像高毎にＮＡを計測することができる。

［第２実施形態］
この実施形態は、計測マスクの他の構成例を提供する。図５は、本発明の第２実施形態としての計測マスクの構成を示す図である。計測マスク７の裏面（上面；照明系側の面）に遮光膜２５を有し、遮光膜２５に開口３２が形成されている。開口３２の内部または上部には、拡散光学素子３１が配置されている。

計測マスク７のパターン面には、計測マーク３３が設けられていて、計測マーク３３の下方（投影光学系側）には、中心位置が計測マーク３３の中心位置からずれた位置に開口３４を有する遮光部材２６は配置されている。

開口３２と拡散光学素子３１とは、パターン面に設けられた計測マーク３３にσ＞１の十分な入射角度の光束を与えている。計測マーク３３は、例えば、図６または図７に例示されたマークを含みうる。開口３４は、図１１または図１４に例示された形状を有しうる。計測マーク３３を通過した光束が開口３４を通過することにより、投影光学系４の瞳面において、図１２に示す境界Ｒの内側の領域または図１３に示す絞り境界ＮＡＲ付近の領域に光束が提供される。

更に、図５に例示されたユニットを同一像高とみなせる複数の領域にそれぞれ配置することによって、投影光学系４の瞳の形状を測定することができる。

［第３実施形態］
この実施形態は、計測マスクの更に他の構成例を提供する。この実施形態では、計測マスクとして位相シフトマスク（ＰＳＧ；Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｇｒａｔｉｎｇ）が使用される。

位相シフトマスクについては、特開２００２−５５４３５号公報において説明されている。これらに記載された方法は、２光束干渉を用いて波面の異なる２箇所のそれぞれ光束が通過する部分の位相差を計測することで光学特性を求める方法である。

具体的には、図１８に示す位相シフトマスクのラインアンドスペースマークのスペース部（透明部）は２つの異なる段差からなっていて、当該２つの異なる段差を通過した光の位相差が９０度になるよう設計されている。

通常の小σ照明条件で当該ラインアンドスペースマークを照明すると、通常のバイナリーマスクを用いたラインアンドスペースマークの０次、±１次回折光による３光束干渉とは異なり、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光とによる２光束干渉となる。ただし、ラインアンドスペースマークのピッチは、＋１次回折光または−１次回折光は投影学系４のＮＡ絞りを通過するが、それ以外の高次回折光は投影光学系４のＮＡ絞りによってけられて結像に寄与しないように決定される。

投影光学系４に波面収差があると、前記２光束干渉によって像面に形成される像は、２本の光束がそれぞれ通過する部分で生じる位相差の影響を受けることになる。この位相差によって、像面に形成される像の位置がシフトする。したがって、この像の位置シフトと２本の光束が通過する部分とを知ることで、前記位相差を求めることができる。

更に、ラインアンドスペースマークのピッチを変えたり、該マークを回転させて配置したりすることにより、回折光が進行方向を制御することができる。つまり、２本の光束が通過する部分を任意に制御することができる。

図１９は、位相シフトを計測するためのマークを示す図である。図１９に示されたマーク２００とマーク（トリムパターン）２０１とを使って基板を重ね焼き（トリム露光）すると、図２０に例示するようにマーク２００の一部分だけが残ったＢｏｘ ｔｏ Ｂｏｘ形状が得られる。このＢｏｘ ｔｏ Ｂｏｘ形状において、内側Ｂｏｘと外側Ｂｏｘとの位置ずれが計測器によって計測される。Ｂｏｘマークの詳細に関しては、特開２００２−５５４３５号公報に記載されている。

上記の計測方法の具体例を以下で説明する。図２３は、計測マスクとして位相シフトマスクを使って投影光学系のＮＡを計測する方法の手順を示す図である。まず、ステップＳ５０では、デフォーカス量または収差量が調整される。ステップＳ５２では、小σ照明条件で、図２１のマーク群２０２が基板に塗布された感光剤に転写される。なお、２回目以降のステップＳ３２の実行に先立って、ウエハステージ１８がＸ、Ｙ方向に駆動され、基板の露光領域が変更される。

ここで、図２１において、マーク群２０２は、マーク２００が、種々の配列ピッチおよび回転方向で、１つの像高とみなせる領域内に配置されたものである。マーク群２０３は、マーク（トリムパターン）２０１が、マーク群２０２を構成するマークの位置および回転方向に合わせて配置されたものである。

ステップＳ５４では、ステップＳ５０およびＳ５２からなる処理が設定回数だけ実行されたか否かを判断し、設定回数だけ実行された場合にはステップＳ５６に進み、設定回数だけ実行されてない場合にはステップ５０に戻る。

ステップＳ５６では、マーク群２０２を構成するマーク２００の潜像にマーク群２０３を構成するマーク（トリムパターン）２０１の像が重なるようにウエハステージ１８またはレチクルステージ１６が駆動される。そして、通常の照明条件で、マーク群２０３が基板に転写される。

ステップＳ５８では、基板の感光剤に露光によって形成された潜像が現像され、複数のデフォーカス量または収差量の下で転写されたマークの内側Ｂｏｘと外側Ｂｏｘとの位置ずれが測定機によって計測される。ここで、計測すべきマークとして、図２２に示すような投影光学系の瞳面におけるＮＡ絞り近傍に回折光を飛ばすものが選択される。なお、潜像を現像することなく該潜像を計測してもよい。

ステップＳ６０では、ステップＳ５８における計測結果に基づいて、回転方向ごとに、図９に例示される特性曲線を生成し、ステップＳ４２では、回転方向ごとに、特性曲線の傾きｍが演算される。

ステップＳ６２では、図２に例示するＮＡと傾きとの関係に基づいて、回転方向ごとに、傾きｍに対応するＮＡの値が演算される。これにより、投影光学系４の瞳（ＮＡ絞り）の形状も決定される。

これ以外にも、図１７に示す１本のラインパターン（遮光ライン）の左右の位相が０°と１８０°以外の異なる位相で形成されたマークを持つ位相シフトマスク（ＰＳＦＭ；Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｆｏｃｕｓ Ｍｏｎｉｔｏｒ）が使用されうる。このようなＰＳＦＭは、通常は、９０°の位相差を発生するように構成されうる。

このようなＰＳＦＭも、ＰＳＧと同様に、フォーカスモニターとして市販されていて、原理的にはＰＳＧと同様に収差に対し位置ずれが発生するが、グレーチングによる２光束干渉とは異なり１本ライン（通常は、限界解像付近の線幅が使用される）である。よって、投影光学系の瞳面の全面に広がった回折光が波面全体の平均的な収差の影響を受けて像の位置ずれを生じるため、敏感度が低い。

ＰＳＦＭを用いてもＰＳＧと同様なＮＡ計測が可能であることは自明であるため、詳細な説明は省略する。

［第４実施形態］
ここまでは、投影光学系のＮＡまたは瞳の形状の計測について説明した。同様な手法で、照明系の有効光源形状に関する計測を行うことができる。

図３を参照して代表的な実施形態を説明する。照明系１から射出された光は、レチクルステージ１６によって保持された計測マスク７を通過する。計測マスク７は、図２４に示すように物体面とは反対の面に設けられた遮光膜２５に開口８が形成されている。図２６に示すように、照明開口境界Ｒは、投影光学系の瞳面における絞り境界ＮＡＲによりも外側に規定されている。通常は、照明系の有効光源の大きさはσ＜１内に収まるため、照明開口境界Ｒは、投影光学系の絞り境界ＮＡＲより外側にあれば十分である。

斜入射によって光束を結像させるために、この実施形態では、境界Ｒで囲まれた光束は、瞳中心Ｃを通るラインＫで４分割される。なお、分割の方法はこれに限られない。

図１１は、図２６に示される４分割された光束を計測マスク７の裏面に設けられた部分開口８１の位置にそれぞれ独立させて配置させたレイアウト例を示している。なお、レイアウトはこれに限られるものではなく、投影光学系４の同一像高とみなせる領域内に各光束が配置されればよい。

更に、計測マスク７のパターン面にはマークＴＰ（計測マーク１０）（図６）が各部分開口８１に対応するように配置される。各マークＴＰは、基準点ＣＣの直下の位置に配置される。

マークＴＰのＸＹ面内における回転方向の向きについては、図１１の左右に配置された２つの部分開口８１に対応する位置に配置されるマークＴＰは、図６と同じ向き（縦にラインが延びる向き）とされる。一方、図１１の上下に配置された２つの部分開口８１に対応する位置に配置されるマークＴＰは、図６に示すマークＴＰを９０°回転させた向き（横向き）とされる。これにより、部分開口８１を通り抜けた光束は、マークＴＰ（回折を無視すれば）を通過することで、投影光学系４の瞳面の４つの分割領域ＤＲ（図１２参照）のうちの対応する１つの分割領域だけを通過して像面に達する。

上記のような構成において、計測マーク１０（マークＴＰ）の像を投影光学系４によってウエハステージ（基板ステージ）１８の上に設けられた検出部２９のスリット部材２７の表面に形成する。スリット部材２７は、スリットＳを有し、スリットＳを透過した光がセンサ２８によって検出される。

まず、投影光学系４の像面に検出部２９の表面が一致するようにウエハステージ１８のＺ方向（投影光学系４の光軸方向）の位置を調整する。この際、フォーカス計測部１９によって検出部２９の表面位置を計測し、その計測結果に基づいてウエハステージ１８が駆動されうる。

次いで、投影光学系４の光軸方向（Ｚ方向）と直交する面内（Ｘ，Ｙ方向）において計測マークＴＰ（計測マーク）のラインと直交する方向にウエハステージ１８を移動させながらスリットＳを透過した光をセンサ２８によって検出する。このときのウエハステージ１８のＸ方向（またはＹ方向）における位置とセンサ２８の出力（例えば、光の強度）とに基づいて図８に例示するような検出信号が得られる。図８に示す例において、縦軸が光の強度、横軸がＸ方向またはＹ方向の検出部２９（ウエハステージ）の位置である。演算部４３は、このような検出信号に基づいてマークＴＰ（計測マーク１０）の像の中心位置を検出する。

スリットＳの幅は、図８に例示される空中像（ピーク部分）の幅の半分以下であることが望ましい。また、図６に例示するように、マークＴＰを構成するラインの本数を増やすと共にそれに対応するようにスリットＳの本数も増やすことにより、センサ２８に入射する光の量を増加させるとともに平均化効果によって精度を向上させることができる。なお、マークＴＰのラインの方向（縦ライン、横ライン）に応じて、スリットＳの方向を切り替えるために、縦ライン用のスリットＳおよびセンサ２８と、横ライン用のスリットＳおよびセンサ２８が設けられうる。

更に、ウエハステージ１８をＺ方向（投影光学系４の光軸方向）に移動させて、所定のデフォーカス位置で同様にウエハステージ１８をＸ，Ｙ移動させながら上記と同様にスリットＳを透過する光がセンサ２８によって検出される。これに基づいて、図８に例示するような検出信号が得られ、この検出信号に基づいてマークＴＰ（計測マーク１０）の像の中心位置を検出する。

これにより、演算部４３は、図９に例示するように、投影光学系４の光軸方向における検出部２９の位置（デフォーカス量）とマークＴＰ（計測マーク１０）の像の中心位置のずれ量（位置ずれ量）との関係を示す特性曲線を得る。ここで、ずれ量は、所定の基準位置からのずれ量であり、例えば、検出部２９の表面が投影光学系４の像面に位置決めされたときのマークＴＰ（計測マーク１０）の像の中心位置、または、光軸が基準位置とされうる。この際、複数の異なるデフォーカス位置（光軸方向位置）で位置ずれ量を検出する代わりに、例えば、投影光学系４の補正光学系１８４を駆動機構１８３によって駆動することにより投影光学系４の収差量を変化させて、各収差量において位置ずれ量を検出してもよい。あるいは、光源２が発生する光の波長を波長制御器１７１で変更することにより、収差量を変化させて、各収差量において位置ずれ量を検出してもよい。

次いで、演算部４３は、図９に例示するような特性曲線の傾きｍを演算する。演算部４３は、例えば、特性曲線を直線で近似し、その直線の傾きｍを演算する。

次いで、演算部４３は、図２５に例示する有効光源サイズと傾きとの関係に基づいて、演算によって得た傾きｍに対応する有効光源サイズを演算する。図２５に例示する有効光源サイズと傾きとの関係は、テーブルとして、または、近似式として、演算部４３に予め登録されうる。

ここで、図２５に例示する有効光源サイズと傾きとの関係について説明する。ＮＡ計測と同様に、傾きと有効光源サイズとの関係は、ＴａｎθとＳｉｎθとの関係であると言える。したがって、有効光源サイズの計測の場合には、得られた傾きは、照明系の有効光源からの光束を分割した光束の主光線の傾きであり、言い換えると実効的な有効光源のサイズである。

上記の処理を４つのマークＴＰのそれぞれについて実行することにより、実効的な有効光源の形状についても計測が可能となる。

上記の計測に関する処理、例えば、ウエハステージ１８の駆動、検出部２９の制御等は、演算部４３によって制御される。演算部４３は、次式にしたがって有効光源のサイズを演算することもできる。ここで、演算部４３は、ｒ２を変数として最外郭を求めることも可能である。

演算部４３は、例えば、投影光学系４の瞳における透過率分布や照明時の有効光源分布等のパラメータを保持しうる。このようなパラメータは、ＮＡの演算時に考慮されうる。更に、演算部４３は、演算によって得られた有効光源サイズのより照明系１内の補正光学系１８２を駆動機構１８１によって駆動することで、有効光源を調整することができる。

図２７は、演算部４３によって制御される上記の処理の流れを概略的に示す図である。ステップＳ７０において、演算部４３は、デフォーカス量または収差量を調整する。デフォーカス量の調整は、前述のように、ウエハステージ１８を投影光学系４の光軸方向に駆動することによって行うことができる。収差量の調整は、前述のように、補正光学系１８４を駆動機構１８３によって駆動すること、または、光源２が発生する光の波長を波長制御器１７１によって変更することによって行うことができる。

ステップＳ７２では、演算部４３は、検出部２９によってマークＴＰの像の位置ずれ量を検出する。ステップＳ７４では、演算部４３は、ステップＳ７０およびＳ７２からなる処理が設定回数だけ実行されたか否かを判断し、設定回数だけ実行された場合にはステップＳ７６に処理を進め、設定回数だけ実行されていない場合にはステップＳ７０に処理を戻す。

ステップＳ７６では、演算部４３は、ステップＳ７０およびＳ７２からなる処理の繰り返しによって得られた図９に例示される特性曲線の傾きｍを演算する。ステップＳ７８では、演算部４３は、照明系の光学特性を示す情報として、図２５に例示する有効光源サイズと傾きとの関係に基づいて、演算によって得た傾きｍに対応する有効光源サイズを演算する。

ステップＳ８０では、演算部４３は、演算によって得られた有効光源サイズの値に基づいて照明系１内の補正光学系１８２を駆動機構１８１によって駆動することで、有効光源を調整することができる。

以上の方法は、投影光学系４によって形成される計測マークの空中像を計測する方法であるが、このような方法に代えて、露光によって基板上の感光剤に計測マークの潜像を形成し、この潜像、または、これを現像したパターンの位置を計測してんもよい。

また、図１１に例示されるユニットを同一の計測マスク７の数箇所に配置しておけば、上記の方法で露光を行って、各像高毎に有効光源サイズを計測することができる。これにより、照明系１の光学特性を示す情報として、有効光源の形状を得ることができる。

［デバイス製造方法］
次に上記の露光装置を利用したデバイス製造方法を説明する。図２８は、半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（レチクル作製）では設計した回路パターンに基づいてレチクル（原版またはマスクともいう）を作製する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハ（基板ともいう）を製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記のレチクルとウエハを用いて、リソグラフィー技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これを出荷（ステップ７）する。 図２９は、上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す図である。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を成膜する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（ＣＭＰ）ではＣＭＰ工程によって絶縁膜を平坦化する。ステップ１６（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１７（露光）では上記の露光装置を用いて、回路パターンが形成されたマスクを介し感光剤が塗布されたウエハを露光してレジストに潜像パターンを形成する。ステップ１８（現像）ではウエハ上のレジストに形成された潜像パターンを現像してレジストパターンを形成する。ステップ１９（エッチング）ではレジストパターンが開口した部分を通してレジストパターンの下にある層又は基板をエッチングする。ステップ２０（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。

本発明の原理を説明するための概念図である。 主光線の傾きとＮＡとの関係を示す図である。 本発明の露光装置の代表的な実施形態を概略的に示す図である。 計測マスクの一例を示す図である。 計測マスクの一例を示す図である。 計測マークを例を示す図である。 計測マークを例を示す図である。 検出信号の一例を示す図である。 傾きの一例を示す図である。 演算部によって制御される処理の流れを概略的に示す図である。 開口の一例を示す図である。 投影光学系の瞳を示す図である。 投影光学系の瞳を示す図である。 計測マスクの開口の一例を示す図である。 計測マスクの一例を示す図である。 基板にマークを転写することによって投影光学系のＮＡを計測する方法の手順を示す図である。 位相シフトマスクの一例を示す図である。 位相シフトマスクの一例を示す図である。 計測マークの一例を示す図である。 ウエハに形成されるマークの一例を示す図である。 マーク群の例を示す図である。 計測マスクの説明図である。 計測マスクとして位相シフトマスクを使って投影光学系のＮＡを計測する方法の手順を示す図である。 計測マスクの一例を示す図である。 有効光源サイズと傾きとの関係を示す図である。 投影光学系の瞳を示す図である。 演算部によって制御される処理の流れを概略的に示す図である。 デバイス製造方法を説明する図である。 デバイス製造方法を説明する図である。

符号の説明

１ 照明系
２ 光源
３ 開口プレート
４ 投影光学系
５ 開口プレート
６ 開口絞り
７ 計測マスク
８ 開口
９ 拡散光学素子
１０ 計測マーク
１４ アライメント検出系
１６ レチクルステージ
１７ ウエハチャック
１８ ウエハステージ
１９ フォーカス計測系
２０ ＮＡ絞り駆動系
２７ 遮光部材
２８ センサ
２９ 検出部
３１ 拡散光学素子
３２ 開口
３３ 計測マーク
３４ 開口
３５ 計測マーク
３６ レファレンスマーク
４３ 演算部
１７１ 波長制御器
１８１ 駆動機構
１８２ 補正光学系
１８３ 駆動機構
２００ マーク
２０１ マーク
２０２ マーク群
２０３ マーク群
Ｃ 瞳中心
ＣＣ 開口基準点
ＮＡ ＮＡ開口境界
Ｒ 照明開口境界
Ｋ 照明開口分割ライン
ＲＲ 照明遮光領域
ＳＯ 有効光源
ＰＵ 瞳面
Ｗ 像面
Ｍ 物体面
ＰＯ 投影光学系
ＢＢ 光束
ＡＸ 光軸
Ｉ 瞳透過率分布
ＴＰ マーク
Ｄ０ ０次回折光
Ｄ１ １次回折光

Claims (10)

1. レチクルのパターンを投影光学系によって基板に投影して該基板を露光する露光装置であって、
   前記投影光学系の像面からのデフォーカス量と前記投影光学系によって形成される像の位置との関係に基づいて前記投影光学系の光学特性を示す情報を演算する演算部を備えることを特徴とする露光装置。
2. レチクルのパターンを投影光学系によって基板に投影して該基板を露光する露光装置であって、
   前記投影光学系の収差量と前記投影光学系によって形成される像の位置との関係に基づいて前記投影光学系の光学特性を示す情報を演算する演算部を備えることを特徴とする露光装置。
3. 前記投影光学系の光学特性は、前記投影光学系のＮＡを含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
4. 前記投影光学系の光学特性は、前記投影光学系の瞳の形状を含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
5. 照明系によってレチクルを照明し、該レチクルのパターンを投影光学系によって基板に投影して該基板を露光する露光装置であって、
   前記投影光学系の像面からのデフォーカス量と前記投影光学系によって形成される像の位置との関係に基づいて前記照明系の光学特性を示す情報を演算する演算部を備えることを特徴とする露光装置。
6. 照明系によってレチクルを照明し、該レチクルのパターンを投影光学系によって基板に投影して該基板を露光する露光装置であって、
   前記投影光学系の収差量と前記投影光学系によって形成される像の位置との関係に基づいて前記照明系の光学特性を示す情報を演算する演算部を備えることを特徴とする露光装置。
7. 前記照明系の光学特性は、前記照明系のＮＡを含む、ことを特徴とする請求項５または６に記載の露光装置。
8. 前記照明系の光学特性は、前記照明系の瞳の形状を含む、ことを特徴とする請求項５または６に記載の露光装置。
9. 前記像は、レチクルステージによって保持される計測のマークの像である、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の露光装置。
10. デバイス製造方法であって、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の露光装置によって基板を露光する工程と、
    該基板を現像する工程と、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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