JP2587456B2 - 走査投射アライナ用焦点面測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ウェーハ上に集積回路を製造するためにウ
ェーハを処理するのに通常用いられる走査投射アライナ
に関し、より特定的には、半導体素子の製造についてウ
ェーハ上のレジストフィルムのパターンを露光するよう
にアライナの準備を整えるのに用いられる、投射像の最
適な焦点面の位置の測定に関するものである。

〔従来の技術〕

走査投射アライナは典型的には、光源、集光レンズ、
及び一連のミラー又はレンズを順次含んでおり、像はこ
れらを介して、ウェーハに到達するまで投射される。用
語「走査」は、マスター像を有するマスク及びフォトレ
ジストでコーティングされたウェーハが、移動するキャ
リッジに取着されて、定常強度の光のアーク及びミラー
又はレンズシステムを通過して走査を受けるという事実
を指している。このようにして、フォトレジストの各部
分は一度に一部分ずつ、マスクパターンで露光される。
引き続いての現像処理により、レジストの幾らかの部分
が除去されて、パターンが残されることになる。レジス
トがポジ又はネガの何れのレジストであるかによって、
露光部分又は露光されない部分のそれぞれが除去され
る。

マスクとウェーハは通常、物理的には約23cm（９イン
チ）離れている。しかしながら、この直接的な距離から
光を長さ数10cm（数フィート）の光路へとそらすために
ミラーが使用されている。この長い焦点長において、像
がレジスト上に忠実に複製されるように、マスクの像は
フォトレジストの平面において焦点が合っていなければ
ならない。像の焦点が合っていない場合には、照射は拡
散し、レジストの像の鮮明度及び臨界寸法の制御が失わ
れることになる。像の焦点がレジストに合うことを確実
ならしめるためには、アライナの焦点面の位置を日常的
に測定し、アライナを使用に適合させねばならない。

幾つかの問題点により、焦点面の位置が狂わせられう
る。マイクロメートルのオーダーの変位であっても、細
かいラインの平板印刷がうまくいかなくなってしまう。
例えば、ウェーハ又はマスクの何れかがシステムの光学
軸に対して垂直でなかった場合には、それらは相互に平
行ではない。このことは、ウェーハの異なる部位におい
てマスクとウェーハの対応する領域の間の光路長の相違
を導く。この結果、幾つかの領域では像の焦点は合う
が、他の領域では像は焦点がずれることになる。このよ
うなことは、位置の調整ミスや、マスク（パターン側）
接触平面又はウェーハ（フロント側）接触平面上の汚染
生成によって生じうる。

光学系を通る光路長もまた重要である。ミラー又はレ
ンズ素子の位置は、熱による影響、機械的調節、及びこ
れらの取り付けの性質によるドリフトに敏感である。こ
れにより、最適の焦点面がレジストのターゲットの位置
から離れる可能性が存在する。

一つの素子の他の素子に対する、或いは光学系に対す
る照射アークのミスアラインメントにより生ずる光学的
諸問題は、幾つかの位置において非点収差を結果として
生じうる。そこではサジタルラインと接線（タンジェン
シャルライン）とが、同時に焦点合わせできなくなる。
最終的には、ミラー又はレンズの収差により、焦点面の
位置の変動が生じる。

上記のような問題点は、マスクとウェーハとの間の光
路長を意図的に変化させて焦点の中心を位置決めするこ
とにより、検出することが可能である。ミラー又はレン
ズ素子の取り付けの性質、及び何らかの意図的な焦点調
整に関連するステリシス及びドリフトの故に、ステップ
アンドリピート式投射アライナについて通常行われてい
るようにして、種々の公称焦点設定でもって解像パター
ンを印刷することは望ましくない。それよりも寧ろ、く
さび形のパターン化された領域を含んだ特別のマスクが
使用されるのである。このくさび形は、繰り返しの目標
パターンを、ウェーハからの種々の既知の光路長の範囲
に位置決めする。

従来のパターンは、くさびを横切る幾つかの列に繰り
返し現れる、微視的解像度の目標（ターゲット）の組を
含んでいた。このパターンがウェーハ上に結像すると、
焦点の程度が異なる解像度バーが印刷される。ウェーハ
が現像された後には、パターンは顕微鏡によって検査さ
れて、その相対解像度が位置ごとに記録される。像の焦
点合わせが不十分であると、寸法制御が不十分で、レジ
ストの側壁の傾斜が浅く、またレジストが特徴をなす部
分の間に跨がっているような解像ターゲットが印刷され
ることになってしまう。適切な焦点合わせされた像の場
合には、個々のマスクの特徴が明瞭である鮮明なパター
ンが印刷される。最も良く解像されたパターンの中心は
最適焦点であり、従って最良の光路長を画定する。この
中心の位置からは、くさびにより公称平面からの偏差が
知れる。このようにして、照射アークに沿った幾つかの
位置におけるサジタルラインと接線（又は垂直及び水平
ライン）の最適な焦点の偏差が測定され、プロットされ
る。これらの焦点の中心の相対的な位置は、上に議論し
た種々の問題点に特徴的なパターンを形成することがで
きる。

実際には、中心のクロムでパターン化された領域が、
アライナのマスク基準平面と接触するマスクエッジ平面
と交差する平面にずらされているマスクが使用される。
くさび形領域は殆どがクロムであり、微視的解像ターゲ
ットが例えばマスクを横切って３乃至５列でもって繰り
返されている。

これらの列の間の領域はテストされないが、これは必
要とされる検査の量が増大するからである。中間領域に
おける焦点は、測定された位置におけるよりも悪くない
ものと仮定され、調節可能な問題点の殆どは、一次特性
から検出することができる。

ウェーハがパターンによって露光されると、レジスト
／アライナシステムの焦点深度内にあるターゲットのみ
がレジストに解像される。これよりも近い、或いはこれ
よりも遠いターゲットは焦点からずれることになり、従
ってレジストに解像されることはない。走査アライナが
正確に調整され、ミラー又はレンズが比較的収差のない
ものである場合には、サジタルライン及び接線の焦点の
中心は、マスクのターゲットの近くになる。中心におい
ては、くさびはマスクのエッジと同じ深さになる。最適
な焦点面からの偏差の量は、どのターゲットが良好な焦
点で印刷され、それらがくさび上のどこにあるかを知る
ことによって判定することができる。

従来の焦点くさびウェーハからのデータを解釈するた
めには、オペレータによって約100組の解像バーが顕微
鏡的に検査される。解像されたターゲットは、ウェーハ
の中心からカウントされる。解像されたターゲットにつ
いての位置は、プラス記号や斜線のようなある種のマー
クを記入することにより、データシート上に表示され
る。解像の基準に合わない位置は「０」の如き別の形式
の記号でもって示される。次いでデータシートにおい
て、解像されたターゲットの中心が、各々の列及び方向
ごとに選択されて、規格限界及び他の中心の位置に対し
て比較される。このテストにより、焦点、非点収差、平
行度、及び種々のミラー／レンズの収差並びにミスアラ
インメントが検出される。

〔発明が解決しようとする課題〕

このようにしてウェーハを露光し現像するためには、
装置の種類にもよるが約５分から10分を必要とする。デ
ータを読み取り、記録し、解釈し、そしてそのデータを
規格限界と比較するためには、さらに４分（おおよそ）
が必要である。

装置を所望の状態、即ち最適な焦点面がレジストの平
面にある状態へと復帰させるために、有能な技術者によ
って実行されうるクリーニング及び調整は数多く存在す
る。しかしどのような調整の後でも、修正を検証するた
めに焦点くさび試験が繰り返されなければならない。こ
れは時間を空費するものであり、また調整後のドリフト
の可能性があるために後になって実施せねばならないさ
らなる検査も必要となる。

より大きな領域を横切って、走査投射アライナの焦点
面の位置をより迅速に測定することに対するニーズも残
存している。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、最適な焦点面の位置を測定するため
の方法が提供される。この方法は従来のように、くさび
形のパターン化された表面を有するマスクを使用するこ
とを含んでいるが、顕微鏡的な微視的パターンは、肉眼
で解釈されうるパターンによって置き換えられている。

この新しいパターンは、一連のラインとスペースを含
んでおり、これらの寸法はアライナ／レジストシステム
の解像限界に近くなっている。このようなパターンは、
種々の焦点／露光条件でもって露光された場合に、ステ
ップアンドリピート投射アライナの最適な焦点状態につ
いての非常に明確な表示を与えるものであることが実証
された。

上記のライン／スペースのパターンは、くさびを横切
るストライプへと分割され、各々のストライプは、テス
トされるウェーハ上に結像された場合に肉眼で観察さ
れ、解釈されるのに充分な幅を備えている。ストライプ
は、サジタルライン及び接点（又は垂直及び水平ライ
ン）が交互になっている。

焦点テスト用のウェーハが回転塗布され、露光され、
現像された後、印刷された特徴の方向についての最適な
焦点は、パターンが目視可能なストライプの領域の中心
にくる。最適な焦点は、ウェーハの各部上におけるレジ
ストの存在又は欠如によって判定されるものであり、測
定や「解像度」の何らかの主観的な評価によって判定さ
れるものではない。

本発明の方法は、肉眼で観察可能でありコントラスト
の強い輪郭を生ずるパラメータとして焦点を利用するも
のである。これを統括している概念は、最適な焦点の公
称平面がレジストにあるくさびパターン中の領域のみ
が、解像されたライン及びスペースを実際に印刷すると
いうことである。くさびにおける焦点により近い、或い
はより遠い領域は、解像には不十分なコントラストをな
す像をレジストに投射する。従って照射エネルギーはレ
ジストを通って拡散し、そのレジストは現像時に洗い流
されることになる。

本発明の手順を用いてウェーハを露光し現像するのに
必要とされる時間の量は、従来技術による手順における
時間量と大体同等である。しかしながら、従来技術の手
順における微視的な読み取り及に記録という段階は不要
のものとなる。また、装置が規格外のものであり、問題
点を確認して調整をチェックするために幾つかの試験が
必要な場合には、かなりの時間の節約が実現される。さ
らに、顕微鏡の使用が排除されることから、本発明の方
法によれば、微視的評価に伴う装置の必要性、及びオペ
レータの疲労を回避せしめるものである。

〔実施例〕

さて図面を参照すると、同じ参照番号は全体を通して
同種のものを示している。ウェーハ10が示されており、
その主表面12は少なくとも部分的に、飽和性感光媒体、
即ちフォトレジストからなるコーティング14によって被
膜加工されている。ウェーハは走査投射アライナ（図示
せず）中に配置されており、該アライナは、技術的に一
般的な照射手段16及び種々のミラー／レンズ（図示せ
ず）を備えている。照射源即ち照射手段16とこれに付随
するミラー／レンズとの間には、くさび形マスク18が配
置されており、その中心領域にはラインのパターン22を
備えたくさび部分20が形成されている。

明確化のために、コーティング14、パターン22の厚
み、及びくさびの傾斜の程度は大幅に誇張されている。
実際には、「Ａ」として示された一対の矢印によって示
されているように、くさびはマスク18の一方の側の上部
表面18aの上方に約50マイクロメートル突出し、マスク
の反射側においても下側表面18bの下側に同じ量だけ突
出しているのが普通である。

好ましく使用されるパターン22は、第２図に示されて
いるように、微視的ターゲットの代わりに、水平ライン
26及び垂直ライン28からなる交互になった幅広のストラ
イプ24よりなっている。このパターン22は、照射される
波長に対して不透明な材料、通常はクロム又は反射防止
性クロムからなっている。このような材料は、技術的に
周知である。

ストライプの配置は、水平ライン及び垂直ラインが交
互になったもの、或いはサジタル（半径方向）ラインと
接線（タンジェンシャルライン）とが交互になったもも
の何れでもよい。これらの用語の組み合わせは正確に同
じものではなく、それらがレンズ上のどこにあるかによ
って定まるものである。本質的には、互い違いになった
ラインの組は、隣接するラインの組に対して垂直をな
す。

不透明材料は約800から1300Åの厚みに形成され、ラ
インの幅及びスペースは、レジスト／アライナシステム
の最小解像特性よりも僅かに大きくされる。不透明材料
のこうした形成は、該材料の薄層をくさび形基板上にス
パッタリングし、該材料をレジスト及び電子ビーム又は
光学的放射線によりパターン付けし、パターンを画定す
るようエッチングすることによって都合よく行われる。

ライン及びスペースの幅は、レジスト／アライナシス
テムの解像限界を約１から25％上回る範囲にあるのが好
ましい。ライン及びスペースは、ウェーハ10上に約２マ
イクロメートルのラインと、約２マイクロメートルのス
ペースを形成するような大きさとされる。しかしなが
ら、アライナの解像能力に応じて、技術が進歩しより細
いライン幅及びスペースが印刷可能となるにつれて、よ
り細いライン幅及びスペースを使用することができる。

走査投射アライナ上で露光した。レジストでコーティ
ングされたウェーハを現像した後には、第３図に示すよ
うに、種々のアーク位置及びライン方向についての最適
な焦点位置が肉眼で見て明らかになる。焦点深度内にあ
る領域は焦点が合っているので、レジストパターンは解
像されて明確になっている。焦点中心から段々と離れる
につれて、領域のパターンは徐々にぼやけていく。これ
はつまり、焦点が不十分な像はレジストにおいてコント
ラストが低く、従ってそこにおける総てのレジストがあ
る程度露光されて、現像過程において使用される現像液
によって後に多くが洗い流されてしまうためである。各
々の位置及び方向についての焦点の中心は、レジストが
残っている領域の中心にある。従って、ライン26,28の
列すなわちストライプ24についての焦点中心を肉眼で選
ぶことができる。このことは微視的な判定の必要性を排
除し、また面積が大きいため局部的な処理のバラツキに
よる影響を受けにくいことから、判定の精度をも増大す
るものである。

焦点の中心は、前述した従来の方法におけるように、
装置の適正な状態にするために、規格に対して比較さ
れ、また相互に比較される。例えば、アライナについて
の日常的な適正化テストは、24時間に一度だけ必要とさ
れることが分かっている。週末又はその他の運転停止の
後には、アライナを使用可能とする前に適正化を行わね
ばならない。装置がこのテストについての規格に合致し
ない場合には、修正作業が行われテストが繰り返され
る。従って、本発明の方法による時間の節約、並びにテ
ストの複雑さの緩和が、重要なものであることが理解さ
れるであろう。例えば三回のテストが必要な場合には、
時間の節約は従来技術の手順に対して10分程度にもなり
うるものである。

ウェーハ10は、製造工程において使用される手順にお
いて典型的なフォトレジスト14で回転塗布される。或い
はまた、より厚いレジストを用いる装置の特性を描写す
るために、より薄いレジストを使用することも可能であ
るが、この場合には示される焦点状態の間の偏差が分か
っていることが必要である。フォトレジスト14の厚みは
通常、約8000から12000Å程度である。

用語「フォトレジスト」と「レジスト」は、ここでは
互換性のあるものとして使用されており、光学的波長そ
の他の波長であって、ウェーハに素子や回路を形成する
過程において半導体ウェーハ上で当該材料の一部を露光
するのに使用される放射線に感応する材料を指すもので
ある。

ウェーハ10は、前述したくさび形レチクル即ちマスク
18を使用して、公称定常露光走査速度で露光され、そし
て現像される。ウェーハ10は顕微鏡の助けを借りずに検
査される。各々のストライプのパターン化された領域の
中心の位置が判定され、それぞれについての規格限界、
及び他のストライプの中心の位置との比較が行われる。

例えば第３図に示されているように、「Ｂ」で示され
た矢印は水平ライン26の焦点の中心を示し、「Ｃ」で示
された矢印は垂直ライン28の焦点の中心を示している。

第３図に示されたウェーハは、幾つかの非点収差と反
りを明示している。「ａ」の部分の長さ（所望とする焦
点の中心位置「CL」から実際の焦点中心「Ｃ」までの距
離）は、規格判定基準の一部である。範囲「ｒ」は、焦
点中心について許容可能な規格の範囲である。ここで
は、焦点中心は総て、所望とする規格の範囲内にある。
また、関連する水平ラインの中心と垂直ラインの中心の
間の最大許容距離も、印刷された像の非点収差を制限す
るために別個に規格化されている。

ある範囲のライン／スペース幅を、すべて一つのレチ
クル（マスク）上で使用して、一つのものが各種の処理
またはレジストの厚みについても確実に機能するように
しうる。重要なのは解像されたパターンの中心の位置で
あるため、マスク上のライン幅や露光値及びフォトレジ
ストのパラメータ等のような種々の変数によって左右さ
れる、ウェーハ上でのストライプの明らかにパターン化
された領域の幅は、中心の位置に相違をもたらすことな
く変化させることができる。

ストライプは、ライン／スペースを含む一連の枠に仕
切って、測定用の「物差し」を与えるようにすることが
できる。パターンには、位置又はラインの方向について
の識別ラベルを加えることができる。

或いはまた、二組のライン／スペースが直交するよう
重ねられて形成された「格子」パターンを使用すること
もできるが、この場合には水平ライン対垂直ラインの挙
動に関する一部の情報が失われることもある。

ラインのストライプは、従来の如く３乃至５列ではな
く、くさびの全体をカバーするように形成することがで
きる。微視的方法の場合にはデータをある数の列に制限
することは合理的であったが、本発明の方法によればデ
ータの収集が非常に容易であるため、そのように限定す
る理由は何もない。このことによる利点は、露光領域の
全体が焦点に関して特徴付けられるということにある。
このことは、恐らくは焦点に関する問題の検査を行った
り、購入前に売り手の工場で装置を即座に特徴付けた
り、或いは臨界的なパターン化レベルに合わせて一群の
中から最良の装置を選択したりといったことについて、
マスクを価値あるエンジニアリングツールとする。

〔発明の効果〕

ウェーハ上に生成されるパターンが肉眼で観察される
性質のものであるが故に、本発明の方法は以下の利点を
もたらすものである： （１） 顕微鏡は不要になる； （２） 焦点中心の判定は、従来技術の方法に比べて迅
速である； （３） 焦点テストの複雑性が緩和され、オペレータを
訓練したり結果を検証したりすることが容易になる； （４） 記録付け（ロギング）及びペーパーの必要性が
減少し、所望の場合にはウェーハ全体をフォトコピーす
るだけで、それまでに施された処理を記録することがで
きる； （５） 焦点テストが失敗した場合の調整に続く、メン
テナンスのための休止時間が減少される； （６） 技術的特徴付け及び検査が強化される；及び （７） 評価される領域が増大し、オペレータの疲労が
減少するために、精度を増すことが可能になる。

日常的の焦点の適正化という上記した用途に加えて、
本発明の手法によれば、他の診断特性表示作業が可能、
すなわち現実化され、また適正化作業が合理化されるこ
とになる。

ミラーの全結像部分のテスト 現在では、光学システムの３乃至５個所のみしかテス
トされていない。評価が容易になったことによって、ミ
ラーの結像領域の全体を、くさびを全体的にラインで覆
うことにより簡単にテストできるようになる。

不十分な焦点 どのような処理又は状態についてもテストを迅速且つ
簡単に行うことができるため、焦点の問題は簡単に検討
することができる。

臨界寸法（CDs） ステップアンドリピート式投射アライナに同様のマス
クを用いるCDs処理は、肉眼用パターンを使用してモニ
ターすることができる。この手法は、走査アライナにつ
いても可能である。或いはまた、マスクのCDs及びレジ
ストのパラメータを充分厳密に制御することができるの
であれば、露光テストを露光線量及び線量の均一性の検
証に使用することができ、それによってアライナの露光
線量を日常的に較正する必要性を減少させることが可能
となる。

産業上の利用性 本発明の肉眼的な方法は、走査投射アライナについて
焦点面を判定するのに有用である。この方法は、パター
ン付けされたマスクによって形成されたパターン化され
たフォトレジスト層を使用してウェーハ上に半導体素子
の処理を施すのに用いられるアライナを適正化（qualif
ying）するにつれて用途を有するものである。

かくして、走査投射アライナのための焦点面の判定に
ついての、肉眼的な方法が開示された。当該技術分野の
当業者には明らかなように、自明な種々の変更及び修正
を行うことが可能である。そのような変更及び修正はす
べて、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲内に含
まれるものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は投射アライナの光源、くさび形のパターン化さ
れた領域を有するマスク、及びフォトレジストのコーテ
ィングを施されたウェーハを示す概略的な断面図； 第２図はくさびを横切る一連のストライプに配列された
水平及び垂直ラインの肉眼的パターンを示す、第１図の
マスクの平面図；及び 第３図は残存しているフォトレジストの領域及び各々の
位置について焦点中心の判定を示している、露光及び現
像後のレジストコートされたウェーハの平面図である。 10……ウェーハ、12……主表面 14……コーティング、16……照射手段 18……マスク、18a……上側表面 18b……下側表面、20……くさび部分 22……パターン、24……ストライプ 26……水平ライン、28……垂直ライン

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】最小解像特性を有する走査投射レジスト／
   アライナシステムの最適な焦点面の位置の測定方法であ
   って、 （ａ）おおよそレジスト／アライナシステムの最小解像
   特性の大きさの幅の、複数の不透明なライン、及び透明
   なスペースによりパターン付けされたくさび形マスクを
   介して、ウェーハの研磨された側に形成されたレジスト
   層に像を露光するステップと、 （ｂ）レジストを現像するステップと、 （ｃ）その結果生じたパターンの中心を選択することに
   より、最適焦点平面又は最適焦点表面の位置を測定する
   ステップと、 を含む方法。
2. 【請求項２】前記結果的に生じたパターンの前記中心
   が、前記くさび形マスクによって既知の量だけ変位さ
   れ、かくして前記最適焦点表面の前記位置を画定する、
   請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】ウェーハ上のレジスト層にパターン付けさ
   れた場合に、アライナの光学的状態の迅速な肉眼による
   評価を可能ならしめる、最小解像特性及び集光／光学シ
   ステムを有する走査投射アライナで使用するための、通
   常のくさび形マスク基体上に配置されるマスクパターン
   配列であって、該マスクパターンが、 （ａ）おおよそアライナの最小解像特性の大きさの幅
   の、複数の不透明なライン、及び透明なスペースと、 （ｂ）前記パターンが前記くさび形マスクを横切るスト
   ライプ状に配列されており、そのためストライプの各々
   が、前記アライナ集光／光学システムのほぼ一セグメン
   ト分の情報をもたらすことと、 からなるマスクパターン配列。
4. 【請求項４】前記ストライプは、（ａ）サジタルライン
   及び接線とスペースの交互のセットか、又は（ｂ）水平
   及び垂直ラインとスペースの交互のセットの何れかを含
   む、請求項３記載の配列。
5. 【請求項５】測定のための物差しを提供するために、前
   記ストライプは、仕切られ、ないしは分割される、請求
   項３記載の配列。
6. 【請求項６】結果的に生じたパターンの中心の前記位置
   は、相互に及び特定の範囲に対して比較された場合に、
   特定の装置の問題点を含んでいる特性パターンを形成す
   る、請求項３記載の配列。
7. 【請求項７】前記ライン及びスペースは、アライナ／レ
   ジストシステムの最小解像特性を約１から25％上回る範
   囲で変動する、請求項３記載の配列。
8. 【請求項８】前記マスク上の前記不透明なラインは、ク
   ロム又は反射防止性クロムを含む、請求項３記載の配
   列。
9. 【請求項９】印刷において使用されるミラー及びレンズ
   部分の全体を、焦点、非点収差、システムのミスアライ
   ンメント、収差、及び総ての関連する表面の機械的アラ
   インメントから生ずる問題点に関して、顕微鏡の助けな
   しに特徴付けることが可能なように、ウェーハが、ライ
   ン及びスペースのストライプによって完全に覆われる、
   請求項３記載の配列。
10. 【請求項１０】走査投射アライナにおいてレンズを診断
    し、特徴付ける方法であって、 （ａ）平坦なウェーハの研磨された側に、複数のレジス
    トのストライプを形成し、該ストライプが、同様にパタ
    ーン付けされたくさび形マスクを介して露光により形成
    される、サジタルライン及び接線、又は水平及び垂直ラ
    インのストリップから構成されるステップと、 （ｂ）各々のストライプにおける領域を肉眼により画定
    するために、前記レジストを現像するステップと、 （ｃ）前記領域の各々の中心を測定するステップと、 （ｄ）前記中心の位置を、各々のストライプについて所
    定の規格、及び他のストライプの中心の位置と比較する
    ステップと、 を含む方法。