JP2011129653A - 計測方法及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 投影光学系の結像特性、特に露光光の角度特性を高精度に測定する。
【解決手段】 光源からの光を用いてマスクを照明する照明光学系と、マスクのパターンを基板に投影する投影光学系とを有する露光装置を用いて、基板を露光する露光光の角度分布を計測する。光源の波長をλ、投影光学系の射出側開口数をＮＡ、投影光学系の投影倍率をβとして、投影光学系の物体面にλ×１０／（ＮＡ×β）以上の線幅の特定パターンを配置し、特定パターンを照明し、投影光学系の光軸方向における複数の位置における特定パターンの像をセンサを用いて計測し、該計測結果を用いて露光光の角度特性を算出する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、計測方法及び露光装置に関する。

フォトリソグラフィー技術を用いて半導体素子を製造する際に、マスク（レチクル）に描画された回路パターンを投影光学系によってウエハ等に投影して回路パターンを転写する投影露光装置が使用されている。

リソグラフィー工程ではウエハ上に回路パターンを重ね合わせて形成する際、既にウエハ上に形成されたパターンと、その上に描写されるパターンとの重ね合わせ精度が重要である。重ね合わせ精度を向上させる対策の１つとして有効光源分布を調整する技術が注目されている（特許文献１、２参照）。有効光源分布とは、ウエハ面に入射する露光光束の角度分布を意味し、投影光学系の瞳面における光強度分布でもある。

従来は、有効光源分布の調整手段を制御しながら、所定の計測マークが形成された計測用マスクを用いてウエハの露光及び現像をし、ウエハ上に形成されるレジスト像の形状（位置、大きさ等）を計測していた。そして、計測結果を用いて、重ね合わせ精度に影響する、角度特性等の結像特性を算出するという方法がとられていた。このため、露光、現像及び計測の手間がかかる為に時間がかかっていた。また、この代替手段として、投影光学系の像面おける光強度分布（空中像）を観察する事により、重ね合わせ精度に影響する結像特性を測定する方法がある（特許文献３参照）。

特開平０５−２１７８５３号公報 特開２００７−３６０１６号公報 特開２００３−２１８０２４号公報

しかし、特許文献３に記載の方法では、投影光学系のＮＡと、計測用マスクのパターンの線幅との関係の記載がなく、投影光学系のＮＡが大きい場合など、高精度な測定を行うことができない。

そこで、本発明は、投影光学系の結像特性、特に露光光の角度特性を高精度に測定することを目的とする。

本発明の一側面としての計測方法は、光源からの光を用いてマスクを照明する照明光学系と、前記マスクのパターンを基板に投影する投影光学系とを有する露光装置を用いて、前記基板を露光する露光光の角度分布を計測する計測方法であって、前記光源の波長をλ、前記投影光学系の射出側開口数をＮＡ、前記投影光学系の投影倍率をβとして、前記投影光学系の物体面にλ×１０／（ＮＡ×β）以上の線幅の特定パターンを配置するステップと、前記特定パターンを照明し、前記投影光学系の光軸方向における複数の位置における前記特定パターンの像をセンサを用いて計測するステップと、該計測結果を用いて、露光光の角度特性を算出するステップとを有することを特徴とする。

本発明の一側面としての露光装置は、光源からの光を用いてマスクを照明する照明光学系と、前記マスクのパターンを基板に投影する投影光学系と、前記マスクのパターンの像を計測するセンサと、前記センサからの計測データを用いて露光光の角度特性を算出する制御部とを有する露光装置において、前記マスク又は前記マスクを保持するマスクステージに、互いに線幅が異なる複数の計測用パターンが形成され、前記光源の波長をλ、前記投影光学系の射出側開口数をＮＡ、前記投影光学系の投影倍率をβとして、前記制御部は、前記計測用パターンのうちλ×１０／（ＮＡ×β）以上の線幅の特定パターンが照明されるように前記マスクステージの駆動を制御し、前記投影光学系の光軸方向における複数の位置における前記特定パターンの像を前記センサが計測して得られた計測結果を用いて、前記基板を露光する露光光の角度特性を算出することを特徴とする。

本発明によれば、投影光学系の結像特性、特に露光光の角度特性を高精度に測定することができる。

本発明の第１実施例における露光装置の概略図である。 計測用パターンを表す図である。 計測用パターンを表す図である。 デフォーカス距離により変化する光強度分布の図である。 位置ずれ量の算出を説明するための光強度分布の図である。 ＮＡが変化した場合における光強度分布を説明する図である。 パターンの線幅と角度特性との関係を説明する図である。 角度特性の測定フローチャートである。

（実施例１）
図１を用いて本発明の第１の実施例を説明する。図１は本実施例における露光装置の概略図である。

光源１は例えば、波長が約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーや約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーである。引き回し光学系２は光源１からの光束を回折光学素子３に導く。

回折光学素子３は複数のスロットを有するターレットに搭載されており、アクチュエーター４によって、任意の回折光学素子を光軸上に移動することが可能である。回折光学素子３の射出光は、コンデンサーレンズ５によって集光され、回折パターン面６に回折パターンを形成する。回折パターンは、アクチュエーター４により光軸上に位置する回折光学素子を交換することにより、変更することができる。回折パターン面６に形成された回折パターンは、プリズム７及びズームレンズ８によって光束断面形状（輪帯率や外径など）が調整された後、ミラー９に入射する。

ミラー９によって反射した光束は光強度分布形成手段１０に入射する。本実施例では光強度分布形成手段１０はレンズアレイである。プリズム７はズーミングすることが可能であり、プリズム７ａと７ｂの距離が十分に小さい場合、プリズム７ａと７ｂは一体化した一枚の平行平板ガラスとみなすことができる。このとき、回折パターン面６に形成された回折パターンは、ほぼ相似形状を保ちながらズームレンズ８の拡大縮小により光束径（σ値）が調整され、光強度分布形成手段１０の入射面に結像される。また、プリズム７ａと７ｂの位置を離すことによって、回折パターン面６に形成された回折パターンが調整される。

光強度分布形成手段１０の射出光束はコンデンサーレンズ１１で集光されて、遮光部材１３が配置されている面（被照射面と共役な面）を所望の光強度分布で照明する。遮光部材１３は、被照射面に配置されるマスク１７の照明範囲を規定し、マスク１７を保持するマスクステージ２１およびウエハを保持したウエハステージ１９の走査に同期して動作が制御される。

遮光部材１２は、遮光部材１３が配置されている面からデフォーカスされた位置に配置されており、遮光部材１３のある面に台形状の光強度分布（縦軸：光強度、横軸：光束断面における位置）を形成する。光強度分布を台形状にすることで、ウエハを露光する際に、パルスの不連続性に起因する走査方向の積算露光量のムラを避ける事ができる。また、遮光部材１２の、ステージの走査方向に対応する方向の開口幅を変更することにより、Ｘ方向（走査方向と垂直な方向）の像高毎の、走査方向に積算した積算露光量のムラを避けることができる。

遮光部材１３を通過した光は、レンズ１４、ミラー１５、レンズ１６を経て、マスク１７を照明する。マスク１７のパターンの像は投影光学系１８によって、ウエハステージ１９に保持されるウエハに露光される。

センサ２０は光量を検知することが出来るＣＣＤセンサやフォトダイオードセンサである。センサ２０は、ウエハステージ１９上に配置され、投影光学系１８の像面、又は、像面からデフォーカスした位置に位置決めされて、投影光学系からの光を受光し、露光光の光強度（照度）を測定することができる。

次に、露光光の角度特性を計測するための計測用パターンを説明する。計測用パターンは、計測用マスクまたはマスクステージ２１に形成される。

図２に計測用マスクに形成される計測用パターンの一例を示す。図２において、黒は遮光部を、白は光透過部（開口部）を表す。ただし、逆でもよい。図２（ａ）に示すパターンは、ウエハを照射する照射光のＸ方向（走査方向と垂直な方向）の角度分布特性を計測するためのパターンであり、それぞれ線幅が異なる複数の光透過部を含む。なお、計測用パターンという用語は、複数の光透過部から成るものに限らず、１つの光透過部のみをも意味するものとして用いる。

本実施例では、後述するように、複数の光透過部の中から、λ×１０／（ＮＡ×β）以上となる線幅の光透過部（パターン）が選択され、照明される。なお、光源１の波長をλ、投影光学系１８の射出側開口数をＮＡ、投影光学系１８の投影倍率をβとする。そのため、投影光学系１８のＮＡが変更されると、投影光学系１８のＮＡに応じて、選択されるパターンが変更される。

図２（ｂ）に示すパターンは、ウエハを照射する照射光のＹ方向（走査方向）の角度分布特性を計測するためのパターンであり、それぞれ線幅が異なる複数の光透過部（開口部）を有する。図２に示す計測用パターンと同様に、投影光学系のＮＡに応じて、λ×１０／（ＮＡ×β）以上となる線幅の光透過部が選択される。

図３（ａ）に計測用パターンの別の例を示す。図３（ａ）に示すパターンは、ウエハを照射する照射光のＸ方向（走査方向と垂直な方向）の角度分布特性を計測するためのパターンである。図３（ａ）に示すパターンは、同一線幅の複数の光透過部（開口部）を１つの群（パターン）として、群毎に線幅の異なる複数の群を含む。この場合も、投影光学系のＮＡに応じて、λ×１０／（ＮＡ×β）以上となる線幅のパターンが選択される。

図２に示すパターンの代わりに、図３（ａ）に示す計測用パターンを用いると、センサで検出される総光量が向上し、ノイズの影響を低減できる。また、光透過部の製造による線幅誤差の影響も低減できる。

なお、計測用パターンの光透過部は、図２、３（ａ）に示した長方形に限らず、正方形でもよい。正方形の場合は、１つのマスク（マスクステージ）に形成された正方形のパターンのみでＸ方向の角度分布特性とＹ方向の角度分布特性を取得することができる。

マスクに配置するスペースの大きさ（光透過部同士の間隔）は、光透過部に相当する空中像同士が重なりあわない程度でなければならず、最低でも、（ＮＡ／β×測定位置を表す像面からのデフォーカス距離）以上でなければならない。なお、デフォーカス距離は、投影光学系の光軸方向における、像面からの距離を表す。

露光光の角度特性の測定を行う場合は、被照射面（投影光学系１８の物体面）に計測用パターンを配置して、光源１からの光を用いて、照明光学系２〜１６が計測用パターンを照明する。計測用パターンの像が投影光学系１８によって像面に投影され、像面に光強度分布（空中像）が形成される。その際、空中像は、像面または像面近傍の複数の位置（投影光学系１８の光軸方向の複数の位置）でセンサ２０を用いて計測される。そして、計測結果を用いて露光光の角度特性を算出する。

なお、センサ２０がＣＣＤセンサである場合、レーザー光源からのパルス光を複数回発光して、その複数の光強度分布の平均値を算出することにより、計測精度を向上させることができる。センサ２０がフォトダイオードの場合、像面上にスリットを置きスキャンすることにより波形を取得する事ができる。但し、スキャン時にステージの振動やステージの動作誤差により、測定値に誤差が乗ってしまうため、複数回スキャンして得られた測定結果を平均した値を用いることが望ましい。

図３（ａ）に示す計測用パターンを用い、センサ２０としてフォトダイオードを用いる場合に、像面上に配置されるスリットの例を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示す部材には、図３（ａ）に示す計測用パターンの位置に対応してスリット（白色部）が形成されている。スリットの幅は、小さいほど空中像を分解能よく測定することができるが、小さすぎるとフォトダイオードに入射する光量が小さくなる為に、センサのノイズによる誤差を受けてしまう。

センサ２０で取得される光強度分布の例を図４に示す。光強度分布は、計測用パターンの線幅、露光光の角度分布、及び、センサ２０の測定位置（デフォーカス距離）に応じて異なる。図４は、デフォーカス距離だけを変更した場合の光強度分布の変化を表す。ベストフォーカス位置では、ＸＹ平面上位置５μｍで急峻な曲線となっているが、デフォーカス距離が大きくなるにしたがって、その曲線がなだらかになっている。

また、露光光の角度分布が変化すると、デフォーカス位置で、光強度分布全体のＸＹ平面内位置がずれる（シフトする）。そのため、位置ずれ量及びデフォーカス距離を用いて、露光光の角度分布を算出することができる。

図５に、あるデフォーカス距離において測定された光強度分布を示す。まず、光強度分布の特徴を表し、センサのノイズの影響を低減できる指定範囲（例えば、図５の太線四角枠で囲まれた範囲）、光強度が第１の指定値以上及び第２の指定値以下の範囲において、光強度分布の重心位置を求める。その重心位置をＸＹ平面内における位置ずれ量とする。次に、デフォーカス距離を変更して、同様に光強度分布を測定し、重心位置を求める。そして、位置ずれ量の差分を、デフォーカス距離の差分で割ることにより、角度特性Ｔを算出する。式で表すと、Ｔ＝（位置ずれ量１−位置ずれ量２）／（デフォーカス距離１―デフォーカス距離２）となる。なお、位置ずれ量は、重心位置に限らず、それ以外の指標も用いることができる。

ここで、位置ずれ量の計測誤差としてステージの振動、センサの測定誤差、その他の装置の振動等が考えられる。位置ずれ量の計測誤差を低減する為には、センサのデフォーカス距離を大きく取る事が必要であり、そのためにはセンサをデフォーカスした位置での空中像が測定できる線幅の計測用パターンが必要である。

また、λ×１０／（ＮＡ×β）以下の線幅の場合、測定に用いるデフォーカス距離が小さくなり、投影光学系の収差の影響による像の位置ずれ量が大きいために精度良く角度特性の計測をすることができない。

さらに、投影光学系のＮＡが大きい程、デフォーカス距離に対して空中像の形状変化が大きいので、より大きな線幅の計測パターンを使用した方が良い。

図６に投影光学系のＮＡ（ウエハの照射光のＮＡ）と空中像の形状変化を示す。図６（ａ）はλ＝１９３ｎｍ、ＮＡ＝０．３、デフォーカス距離を０〜７μｍの条件で、マスク１７に形成された線幅１０μｍの光透過部（開口部）を照明した時に、像面のセンサ２０で検出される信号波形である。図６（ｂ）は、ＮＡ以外が図６（ａ）に示す条件と同じで、ＮＡを０．８５とした場合の信号波形である。図６より、ＮＡが大きいほどデフォーカス距離の変化に対して波形の変化が大きいことが分かる。

図７は、光透過部の線幅と、算出されたＴの関係を示すグラフである。図７のデータを得るための測定では、照明光学装置の照射角度分布に不均一性をもたせて角度特性Ｔの値を設定し、光透過部の線幅（μｍ）を変化させた。測定条件は、λ＝１９３ｎｍ、ＮＡ＝０．９３、β＝１／４である。

図７から、角度特性Ｔは線幅が小さくなるほど、大きくなり、真の値からずれていることが分かる。なお、線幅が２μｍのときのＴの絶対値は、線幅がλ×１０／（ＮＡ×β）＝８．３μｍのときのＴの絶対値の１／４程度である。線幅がλ×１０／（ＮＡ×β）以下である場合、ステージの振動、センサの測定誤差、装置の振動等の測定誤差を受けやすくなることにより、Ｔの測定誤差が大きくなってしまう。

したがって、λ×１０／（ＮＡ×β）以上の線幅の光透過部を用いることにより、デフォーカス距離を大きくとることができ、角度特性を高精度に測定することができる。

そこで、本実施例では、計測用パターンとして、マスク又はマスクステージに形成された複数の光透過部（パターン）の中から、λ×１０／（ＮＡ×β）以上となる線幅の光透過部（パターン）を選択して、照明する。

図７の測定フロー図を用いて、上述の計測用パターンを用いた、露光光の角度特性の測定方法を説明する。まず、制御部２２は、光源の波長、投影光学系のＮＡ及び倍率のデータを取得する（Ｓ１０１）。そして、計測用パターンのうち、λ×１０／（ＮＡ×β）以上となる線幅のパターンを選択して、該選択されたパターン（特定パターン）が照明領域に入るように、制御部２２がマスクステージ２１の駆動（アクチュエータ）を制御する。また、制御部２２はウエハステージ１９の駆動を制御して、センサ２０を露光領域に配置する（Ｓ１０２）。そして、λ×１０／（ＮＡ×β）以上となる線幅のパターンを照明し（Ｓ１０３）、投影光学系１８により投影された空中像を、あるデフォーカス距離においてセンサ２０で測定する。次に、デフォーカス距離を変更して、同様の測定を行う。つまり、複数の位置（デフォーカス距離）で空中像の計測を行う（Ｓ１０４）。センサ２０で得られた測定データ及びデフォーカス距離のデータは制御部２２へ出力される。制御部２２の演算処理部は、測定データを用いて光強度分布の位置ずれ量を算出し、さらにデフォーカス距離のデータを用いて、上記の式から角度特性Ｔを算出する（Ｓ１０５）。

なお、露光光の角度特性の測定結果は、露光装置の調整に用いることができる。例えば、角度特性の測定結果に基づき、所望の角度特性を目標値として、角度照明光学系及び投影光学系の少なくとも一方の光学素子の位置や角度を調整してもよい。また、露光装置（照明光学系、投影光学系など）を異なる複数の状態に設定して、照射光の角度特性を測定し、角度特性の値が小さい方の状態に、露光装置を調整する。調整の方法は、特許文献１又は２に記載の方法も用いることができる。

以上より、本実施例によれば、露光光の角度特性を高精度に測定することができる。

（実施例２）
次に、前述の露光装置を利用したデバイス（半導体ＩＣ素子、液晶表示素子等）の製造方法を説明する。

まず、前述の露光装置を用いて、露光光の角度分布を測定する。そして、測定結果を用いて、露光装置の各光学系を制御することにより露光光の角度分布が調整される。そして、調整済みの露光装置を使用して、前述の露光装置を使用して、感光剤が塗布された基板（ウエハ、ガラス基板等）を露光する工程と、その基板（感光剤）を現像する工程と、他の周知の工程と、を経ることにより、デバイスが製造される。他の周知の工程には、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等が含まれる。本デバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。

１７ マスク
１８ 投影光学系
１９ ウエハステージ
２０ センサ
２１ マスクステージ
２２ 制御部

Claims (6)

1. 光源からの光を用いてマスクを照明する照明光学系と、前記マスクのパターンを基板に投影する投影光学系とを有する露光装置を用いて、前記基板を露光する露光光の角度分布を計測する計測方法であって、
   前記光源の波長をλ、前記投影光学系の射出側開口数をＮＡ、前記投影光学系の倍率をβとして、前記投影光学系の物体面にλ×１０／（ＮＡ×β）以上の線幅の特定パターンを配置するステップと、
   前記照明光学系を用いて前記特定パターンを照明し、前記投影光学系の光軸方向における複数の位置における前記特定パターンの像をセンサを用いて計測するステップと、
   該計測結果を用いて、露光光の角度特性を算出するステップとを有することを特徴とする計測方法。
2. 前記照明光学系を互いに異なる複数の状態に設定して、請求項１に記載の計測方法を行い、該計測結果を用いて前記照明光学系を調整することを特徴とする照明光学系の調整方法。
3. 前記投影光学系を互いに異なる複数の状態に設定して、請求項１に記載の計測方法を行い、該計測結果を用いて前記投影光学系を調整することを特徴とする投影光学系の調整方法。
4. 光源からの光を用いてマスクを照明する照明光学系と、前記マスクのパターンを基板に投影する投影光学系と、前記投影光学系からの光を受光するセンサとを有する露光装置において、
   前記マスクを保持するマスクステージ又は計測用マスクに、互いに線幅が異なる複数の計測用パターンが形成され、
   前記露光装置は、
   前記光源の波長をλ、前記投影光学系の射出側開口数をＮＡ、前記投影光学系の倍率をβとして、前記計測用パターンのうちλ×１０／（ＮＡ×β）以上の線幅の特定パターンを照明した状態で前記投影光学系の光軸方向における複数の位置における前記特定パターンの像を前記センサが計測して得られた計測結果、を用いて、前記基板を露光する露光光の角度特性を算出する制御部を有することを特徴とする露光装置。
5. 該算出された角度特性を用いて、前記照明光学系及び前記投影光学系の少なくとも一方を調整することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
6. 請求項５に記載の露光装置を用いて、基板を露光するステップと、
   該露光された基板を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。

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