JP2787699B2

JP2787699B2 - 干渉パターンの強度測定方法および露光装置

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Publication number: JP2787699B2
Application number: JP1084293A
Authority: JP
Inventors: 正人浜谷; 裕市原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-04-03
Filing date: 1989-04-03
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2013-08-20
Also published as: JPH02262320A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、エキシマレーザ光等のような可干渉性ビー
ムを用いた半導体製造用露光装置等に使用されるビーム
照射装置において、スペックルと呼ばれる干渉パターン
のような細かい照明ムラの強度（コントラスト強度）を
測定する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種のスペックル強度を測定する方法として
は、必らずしも公知ではないが、例えば第２図に示すよ
うに、照明する光量を微小なピッチで変化させていき、
レジストと呼ばれる感光材質が現像後にほんの僅か残る
露光量Iaと、ほんの僅かぬける露光量Ibを求め、それよ
りスペックルによるコントラスト強度を求めることが考
えられていた。即ち、第２図（Ａ）において露光量Iaで
は、スペックルによるコントラストで最小光量I_minaの
位置で第２図（Ｂ）のようにレジストが残り、第２図
（Ｃ）において露光量Ibではスペックルによるコントラ
ストで最大光量I_maxbの位置で第２図（Ｄ）のようにレ
ジストがぬけることになる。I_mina＝I_maxb＝Itとする
と、これはレジストが残るか、残らないかの閾値であ
る。

今、求めたいスペックルによるコントラスト強度をＣ
とすると、となる。従って、 I_maxa＋I_mina＝2Ia I_maxa−I_mina＝2Ia・ＣよりI_maxaを消去してまとめると、 I_mina＝Ia・（１−Ｃ）となる。同様に、 I_maxb＋I_minb＝2Ib I_maxb−I_minb＝2Ib・ＣよりI_maxbを消去してまとめると、 I_minb＝Ib・（１＋Ｃ）となる。閾値ItではI_mina＝I_maxbであるから、結局コン
トラスト強度Ｃ（０〜１の間の少数）は、となり、レジスト像が第２図（Ｂ）、（Ｄ）になるよう
な露光量IaとIbよりスペックルのコントラストを求めて
いた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の如き従来の技術では露光量の制
御精度より小さいスペックルのコントラストが求められ
ない。また、ウェハ等の基板にスペックルを露光すると
き、露光位置を変えていくので、２つの異なった露光位
置でのスペックルのコントラストを求めることにより、
レジストのウェハ上での塗布ムラによっては、レジスト
が残るか、残らないかの閾値（第２図のIt）を特定する
ことが不安定になり、精度を悪くする。また、露光量の
制御によってスペックルのコントラストが変化する場合
には、その差が求められない。また、投影されたパター
ンとスペックルのコントラストを同時に測定できないと
いう様々な問題点があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、露光量
の制御精度、レジストの塗布ムラ等に影響されず、スペ
ックル（干渉パターン）のコントラストを測定できると
共に、露光されたパターンとスペックルのコントラスト
の相関を同時に観察可能にすることを目的とする。

〔課題を解決する為の手段〕

上記問題点の解決の為に、本発明ではデフォーカス像
（ボケ像）を用いてスペックルのコントラストを測定す
る方法を開示した。このデフォーカス像を用いたスペッ
クルのコントラスト測定法では露光量制御精度に関係な
く、正確なスペックルのコントラストを測定できる。ま
た、１回の露光でスペックルのコントラストを測定でき
る為、レジストの塗布ムラの影響を受けにくく、正確に
パターンへのスペックルの影響を確認することができ
る。

本発明で言うデフォーカス像とは、遮へい物体のエッ
ジの影をレジスト層の上で大きくぼかした像を意味し、
必らずしも投影レンズ等を用いた投影露光方式での像の
デフォーカスに限られるものではない。すなわちプロキ
シミティ方式のように、マスクと感光基板を接近させる
方式でも、故意にマスクと感光基板とのギャップを大き
く離せば、同様のぼけた影像を作ることができるし、投
影型、プロキシミティ型のいずれにおいても、マスク
（又はレチクル）をはずした状態で、感光基板の上方に
直接別の遮へい板のエッジを挿入ることによってもぼけ
た影像を作ることができる。

〔作用〕

ここでエキシマレーザ光等を用いた照明装置でのスペ
ックルの発生の様子を第３図を参照して簡単に説明す
る。

第３図（Ａ）は、KrF（フッ化クリプトン）レーザ光
源100からのビームLBを、シリンドリカルレンズを含む
ビームエクスパンダ光学系102によって正方形断面に拡
大してフライ・アイレンズ（素子数10×10程度）104に
入射させ、フライ・アイレンズ104の照射面にできる多
数（100個）の２次光源像（ここでは単なるスポットに
なる）SPからの発散光を、コンデンサーレンズ106で重
ね合わせ、被照射面IPを一様に照射する系を示す。被照
射面IPには、マスク（レチクル）、又は感光基板が配置
される。一般に、この種のレーザ光源には大別して３つ
の発振方式があり、安定共振方式、不安定共振方式、及
びインジェクションロッキング方式の３つである。これ
らは順に発振出力されるビームの空間的コヒーレンシィ
が高くなり、リアミラーとフロントミラーのみを設けた
単なる安定共振方式は最も空間的コヒーレンシィが低
く、同時に時間的なコヒーレンシィも低く、非常に多重
モードである。

このような多重モードのレーザ光源から発振された光
の性質は、公知の水銀ランプからのスペクトルと似てい
る。このため半導体リソグラフィへの応用が期待されて
いる。しかしながら、この種の安定共振方式のレーザ光
源からのビームは、投影露光する場合の投影レンズにと
っては極めて大きな負担となっている。すなわち、KrF
レーザビームは遠紫外域であるため、投影レンズの実用
的な硝材として石英のみしか使えず、色消し（色収差の
補正）が難しいことである。このため、発振スペクトル
に幅があると、色収差のために所望の解像力が得られな
いことになる。そこで安定共振器の内部に、エタロン、
グレイティング、プリズム等の波長選択素子（分光素
子）を設け、発振出力されるビームのスペクトル幅を極
めて狭く（例えば半値全幅で0.003nm程度）する手法が
考えられた。

この手法を採用したレーザ光源を用いれば、時間的な
コヒーレンシィは上げて、空間的コヒーレンシィは極め
て低い強力な紫外パルス光が得られるものと考えられて
いた。ところが、波長スペクトルの狭帯化に用いる素子
によって、空間的コヒーレンシィが高まることが確認で
きた。

もちろん、他の不安定共振方式、インジェクションロ
ッキング方式では、それよりもはるかに空間的コヒーレ
ンシィが高い。

このようなビームが第３図（Ａ）に示すようにフライ
・アイ・レンズ104に入射すると、フライ・アイ・レン
ズ104のレンズエレメントのピッチが可干渉距離よりも
小さくなっている場合には、例えば隣り合った２次光源
像SPからの光同志が干渉し合い、被照射面IPに顕著な干
渉縞が生じる。この干渉縞は１次元のみの場合もある
し、２次元になることもある。被照射面IPでの照度分布
は第３図（Ｂ）に示すように、平均的には一様のレベル
になるものの、干渉縞によるリップル状の細かなゆらぎ
が重畳している。この干渉縞のコントラスト強度Ｃは、
この種の装置で要求される照度ムラの一様性の規格±１
％よりははるかに大きく、サブ・ミクロン領域の線幅解
像にはそのままでは使用できない。

そこで本発明では、干渉縞のコントラストを定量的に
測定するために、例えばコンデンサー光学系106と被照
射面IPの間に、遮光性パターンを挿入し、被照射面IP上
に遮光性パターンのエッジのぼけた影像を作り、これを
レジスト層で被覆されたベア・シリコンウェハに露光す
る。エッジのぼけた影像の光強度分布はビームに干渉性
がないときは、なだらかな傾斜をもって零に落ちる直線
状であるが、ビームに干渉性があると、その直線状の強
度分布に干渉縞のコントラストが重畳したものになる。

本発明では、そのぼけた影像を露光して食刻したとき
に得られるレジスト像に着目し、レジストの厚みが減少
し始める点を起点として、そこから最初にレジスト厚が
零になった点（すなわちレジストがぬけた点）までの距
離X₁と、起点からレジストの残存が認められる最長の点
までの距離X₂とを実測する。そして（X₁＋X₂）と（X₂−
X₁）との比を、干渉縞（干渉パターン）のコントラスト
値として求めるようにした。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例による方法を模式的に
表わしたフローチャート図、第４図は本実施例に好適な
投影露光装置（ステッパー）の概略的な構成を示す斜視
図、第５図は本実施例におけるコントラスト強度の計測
方法の原理を説明する図である。

まず、第４図を用いて、エキシマステッパーの構成を
説明する。第４図でエキシマレーザ光源10を出射したビ
ームは、紫外用反射ミラーM₁、M₂、M₃、M₄を介してシリ
ンドリカルレンズを含む光学系11に入射し、断面形状が
長方形のビームLB₀からほぼ正方形なビームLBに整形さ
れる。そのビームLBは紫外用反射ミラーM₅で曲折されて
ビームエクスパンダー（又はズームレンズ）15に入射
し、所定の断面寸法まで拡大される。

ビームエクスパンダー15を射出したほぼ正方形断面の
平行ビームは、第４図のフライアイレンズ３、レンズ４
を介して走査ミラー17に入射する。走査ミラー17はガル
バノ、ピエゾ或いはねじれ振動子等の振動源（偏向源）
19に接続されている。

次に、走査ミラー17によって振られたビームは、レン
ズ21を通って、第２のフライアイレンズ５に入射し、多
数の３次光源（スポット光）として集光した後に発散
し、集光レンズ25Aによって照明視野絞りとしてのレチ
クルブラインド26上で重畳される。ブラインド26の透過
光は結像レンズ25Aを通り、紫外用反射ミラー27で曲折
されてメイン・コンデンサーレンズ２に入る。メイン・
コンデンサーレンズ２によって適度に集光された多数の
３次光源の夫々からの光は、レチクルＲ上で再び重畳さ
れ、一様な照度分布となってレチクルＲを照射する。レ
チクルブラインド26は４辺が可動であり、レチクルＲと
共役に配置される。これによりレチクルＲ上の回路パタ
ーン領域が、例えば石英から成る両側テレセントリック
な投影レンズPLによってウェハＷ上に投影露光される。

投影レンズPLの瞳（入射瞳）epには、第２のフライア
イレンズ５の３次光源のスポット群が結像し、所謂ケー
ラー照明法が採用されている。また走査ミラー17の振動
は、ウェハＷ上の１ショットの露光中に必要なエキシマ
レーザ光のパルス数Ｎの発振の間に、一定角度だけ傾斜
する程度でよい。詳しい制御方法については、例えば特
開昭63−159837号公報に開示されている。この走査ミラ
ー17の傾斜によって、第３図（Ｂ）に示した干渉縞が各
パルス発光毎に縞のピッチ方向にピッチ/Nパルス分だけ
微動することになり、最終的に露光されたレジスト上で
は干渉縞が平均化されて、照度ムラは±１％程度に押え
られる。

またレチクルＲの装置に対するアライメントのため
に、レチクルＲの周辺にはマークRMx、RMyが形成され、
コンデンサーレンズ２とレチクルＲとの間の空間には、
各マークRMx、RMyの位置に対応してレチクルアライメン
ト光学系30x、30yが配置されている。アライメント光学
系30x、30yの先端には45゜に斜設されたミラーが位置
し、このミラーによって水平に折り曲げられた光路中に
は対物レンズが配置され、これらは保持金物内に固定さ
れている。

このアライメント光学系30x、30yは、例えば特開昭57
−142612号公報に開示されている様に、マーク位置変更
に対応して可動するように構成してもよい。

一方、ウェハＷはステップアンドリピート方式で移動
するステージSTG上に載置される。ステージSTGはＸ、Ｙ
方向にステッピング移動するとともに、フォーカス合わ
せのためにウェハＷをＺ方向に微動させる。Ｚ方向のこ
の微動ストロークは1mm前後であるが、投影レンズPLの
焦点深度は、開口数（N.A.）にもよるが±２μｍ程度で
あり、露光中のフォーカス合わせのためのＺ方向の位置
決め精度は±0.5〜±１μｍ程度が必要である。またＺ
方向の微動ステージ上には基準スリットマーク板FMが設
けられ、このマーク板FMの下面にはスリット透過光を受
光する光電素子が埋設されている。このマーク板FMと光
電素子の具体的な構成や使い方は、例えば特開昭60−26
343号公報に詳しく開示されている。マーク板FMのスリ
ットは、例えばＹ方向に細長く伸びた幅１〜２μｍ程度
のものである。さらに第４図のステッパーには、投影レ
ンズPLに近接してウェハＷ上のマークを観察するめのオ
フ・アクシス方式のアライメント顕微鏡40が固定されて
いる。このアライメント顕微鏡40（以下、オフ・アクシ
ス・アライメント系40と呼ぶ）は、ウェハＷ上の微小な
マークを高分解像に観察するために、ハロゲンランプ等
の広帯域な波長の光源を自己照明系として備えている。
その広帯域光は、レジスト層を感光させる波長帯域のみ
が色フィルターでカットされ、緑色から赤色にかけての
波長分布を有する。尚、色フィルターは適宜交換可能に
しておき、照明光の波長帯域を選択できるようにしてお
くとよい。

オフ・アクシス・アライメント系40の内部には、顕微
鏡対物レンズを介して得られたウェハ表面の像を撮像す
るCCD、iTV等のカラー撮像素子が組み込まれており、不
図示のカラーモニターブラウン管上にウェハ表面のカラ
ー画像が表示される。

次に第１図も参照して、干渉パターンのコントラスト
計測の手順を説明する。本実施例では、解像力等をテス
トするためのテストレチクルＲを同時に用い、遮へい物
体としてアライメント系30x、30yの先端部のエッジを用
いるものとする。アライメント系30x、30yの金物先端部
は、レチクルＲの位置から10〜30mm程度上方に離れてお
り、投影レンズPLの倍率を1/5とすると、その先端部の
エッジはウェハ面では200μｍ前後のぼけ幅を有する。
また先端金物のエッジは、像面（レチクル面）上での干
渉縞の方向と同じ方向に直線的に伸びているものとす
る。すなわちエッジのぼけた像の幅方向を干渉縞のピッ
チ方向と一致させる。

まず第１図中のステップ50で、ステッパーの初期設定
を行ない、テストレチクルＲのセットとアライメント、
レチクルブラインド26の開口部の全開、コーターデベロ
ッパー（C/D）からのウェハＷの搬入とステージSTG上へ
のプラアライメント、及び適正露光量が得られるドーズ
量のセット（エキシマレーザ光源10からの各パルスの光
量調整等）を行なう。

ここでレチクルブラインド26を全開にするのは、テス
トレチクルＲのパターン領域の外側に、アライメント系
30x、30yの先端金物のエッジが位置しているからであ
り、先端のエッジにも照明光が照射されるように照明視
野を広げるためである。

また、通常の露光時には、ステップ50で走査ミラー17
の振れ角とエキシマレーザのパルス発振のタイミングと
を同期させるための初期設定も必要であるが、本実施例
では走査ミラー17を固定したままで、干渉パターンのコ
ントラストを計測するから、同期のための初期設定は行
なわない。

次にステップ52において、ウェハＷに対してテストレ
チクルＲの投影像をフォーカス合わせ（必要に応じてレ
ベリング調整）した後、ウェハＷ上の１つの領域に露光
を行なう。尚、このときアライメント系30x、30yの先端
エッジの影は、テストレチクル周辺の透明部を丁度通る
ように設定される。また、通常露光では走査ミラー17の
振動によって像面上での干渉縞のビジビリティを低減さ
せるために、必要最低限のエキシマパルス数が定まって
いるが、ここでの露光モードではそのような制限がない
ので、より少ないパルス数で適正露光量が得られるよう
にしてもよい。

次に、ステップ54において、ウェハＷをステッピング
させるか否かを判断し、ウェハＷ上の別の領域を同様に
露光する場合には、ステップ56でステージSTGをＸ、又
はＹ方向にステッピングさせた後、ステップ52に戻る。
ウェハＷ上に１ショットのみ露光する場合、あるいは複
数ショットの全てが露光された場合、ステップ58でレジ
ストの性質から次のステップ60での現像工程の有無を選
ぶ。現在、エキシマステッパーに使用されるレジスト
は、ほとんどの場合、コーターデベロッパー（C/D）等
による現像が必要である。ところが近年、紫外域の光の
照射を受けると、受けた部分のみが紫外線と反応して自
動的に除去される自己現像タイプのレジストも開発され
はじめた。従って自己現像タイプのレジストでは、C/D
へ送ることなく直ちにレジスト像（食刻されたレジスト
層）の測定に入れる。

次に、ステップ62で、別の測定器によるオフ・ライン
計測にするかステッパーによるオン・ライン計測にする
かを選ぶ。オフ・ライン計測の場合は、白色光を自己照
明する光学顕微鏡と、レジスト像の２点間の距離をミク
ロンオーダで計測できる測長器（又は目盛り板）とを組
み合わせたものが望ましい。

オン・ライン計測の場合は、ステップ64において、エ
ッジのぼけたレジスト像の部分を、オフ・アクシス・ア
ライメント系40の下に移動させ、撮像素子による観察及
び計測モードにセットする。

そして、ステップ66において、ぼけたレジスト像の特
徴点の位置を実測し、その位置から干渉パターンのコン
トラストを求める。その具体的な計測方法を第５図を用
いて説明する。

第５図（Ａ）は、干渉縞が生じない照明光のときにウ
ェハ上で得られるぼけたエッジ像の露光量分布を表わ
し、第５図（Ｂ）は第５図（Ａ）の場合に得られる現像
のレジスト像の膜厚変化を表わす。第５図（Ｂ）のレジ
ストはポジ型としてある。

第５図（Ｃ）は、干渉縞（スペックル）が重畳したと
きのばけ像の露光量分布を表わし、第５図（Ｄ）は第５
図（Ｃ）の場合に得られるレジスト像の膜厚変化を表わ
す。

第５図においてI₀は設定露光量（または適正露光
量）、Itはレジストが完全にはく離するか否かのしきい
値に対応した閾値露光量、x_tはレジストの厚みが減少し
始める点から、レジストが完全にはく離している点まで
の距離である。第５図（Ａ）のように、デフォーカスし
た位置に遮光体の直線エッジがあると、エッジのぼけ像
の光量分布はエッジと直交する方向にほぼ一定の傾きを
もつ。これに干渉縞の強度分布が重畳すると、設定露光
量I₀のところでは、その値をほぼ中心として、スペック
ルコントラストによる露光量の最大値I_maxと、最小値I
_minとの間でゆらいだ分布になる。第５図（Ｃ）におい
て、I₂は干渉縞コントラストによる露光量の最小点が閾
値露光量Itとなる露光量、I₁は干渉縞コントラストによ
る露光量の最大点が閾値露光量Itとなる露光量を表わ
す。このような光量分布のもとでポジ型レジストが露光
されると、第５図（Ｄ）のようにレジスト残膜厚が減少
し始める点を起点として、そこから干渉縞のピッチ方向
（直線エッジと直交する方向）に距離X₁のところで、初
めてレジスト層が完全にぬけた点が現われ、さらに起点
から距離X₂（X₂＞X₁）のところに最後のレジスト残りが
現われる。

ここで干渉パターンのコントラスト値Ｃは、先に説明
した通り、であるから、分母、分子を設定露光量I₀で割ると、次の
（１）式となる。

第５図（Ｃ）からも明らかなように、設定露光量I₀の
とき、コントラストの最大値がI_maxで、最小点がI_minで
あるから、露光量I₂のときのコントラストの最小点が閾
値露光量Itに相当し、露光量I₁のときのコントラストの
最大点が閾値露光量Itに相当する。従って式（１）は次
の式（２）に置きかえられる。

この式（２）の分母、分子をItで割ると、となる。

ここでX₁:I₁＝X₂:I₂であるから、式（３）は式（４）
に置きかえることができる。

従って、この式（４）を利用すれば、コントラスト値
Ｃは、ウェハＷ上のレジスト像の特徴点の距離（幅）で
求められることがわかる。ここではポジ型レジストとし
たが、ネガ型レジストでも全く同じ方法で測定できる。

さて、レジスト像の特徴点（起点、ぬけ位置、最長残
存位置）は、白色照明光又は広帯域波長の照明光を用い
ると、レジスト残膜厚の変化に伴なう干渉色のちがいで
容易に判別できる。

そこで代表して、ステッパーのオフ・アクシス系40を
用いた距離X₁、X₂の２通りの求め方を説明するが、ま
ず、撮像素子の水平方向の画素数を利用した求め方を述
べる。

撮像素子の水平走査線を干渉縞のピッチ方向と平行に
して、カラーブラウン管上で第５図（Ｄ）のレジスト像
を観察する。このときブラウン管上では起点から左側
（レジスト残膜厚が一定の部分）においては一定の色に
みえ、起点からレジストぬけ位置にかけては色が順次変
化し、レジストぬけ位置では細い帯状となってウェハの
下地の色がみえはじめ、最長残存位置から右側ではレジ
ストによる干渉色が認められず、ウェハ下地の色のみと
なる。そこで、画像信号処理回路を介して、ブラウン管
上に２本のカーソル線を垂直に表示し、そのうち１本の
カーソル線はジョイスティック等の操作によって水平方
向に移動させて、起点の位置に合わせる。そしてもう１
本のカーソル線はレジストぬけ位置に合わせる。そして
この２本のカーソル線の間隔（すなわち水平方向の画素
数）を、各カーソル線の位置設定カウンタの設定値の差
として読み取り、距離X₁として記憶する。次に、レジス
トぬけ位置のカーソル線を最長残存位置に合わせ、同様
にしてカウンタの設定値の差として読み取り、距離X₂と
して記憶する。次に、式（４）の演算を実行してコント
ラスト値Ｃ（０≦Ｃ≦１）を算出する。この結果は、例
えばブラウン管の画面の一部に数値として表示される。

もう１つの求め方は、オフ・アクシス・アライメント
系40内に設けられた指標マーク、もしくは１本のカーソ
ル線を使う方法である。まず、モニター画面上で指標マ
ーク（又はカーソル線）が起点位置と合致するようにス
テージSTGをマニュアルで位置決めし、この位置をステ
ージSTGの測長器（レーザ干渉計）から読み取り、D₀と
して記憶する。次にステージSTGをモニター画面中で水
平方向に移動させて、指標マーク（カーソル線）とレジ
ストぬけ位置とを合致させ、その位置D₁を読み取る。さ
らにステージSTGを移動させて指標マーク（カーソル
線）と最長残存位置とを合致させ、その位置D₂を読み取
る。そして、X₁＝D₁−D₀、X₂＝D₂−D₀の計算をしてか
ら、式（４）によってコントラスト値Ｃを求める。

以上のようなコントラスト計測は、ウェハＷ上の１シ
ョットのみについて行なえば、それで十分であるが、複
数（例えば３〜５）ショットの夫々について計測したコ
ントラスト値Ｃの平均を求めるようにしてもよい。

以上、本実施例によると、露光量制御精度に関係なく
スペックルのコントラストが測定できる効果がある。す
なわち第２図で示した従来の方法では、スペックルコン
トラストＣは、より求めていた。これは、２ショットの露光量によって
求めたもので、Ia、Ibの設定露光量からのずれがそのま
ま誤差となって現われてしまう。即ち、設定露光量の精
度より小さなスペクトルコントラストを測定することは
不可能となる。本実施例では式（３）が従来の方法と同
じ式に対応するが、露光量I₂、I₁は、１ショットの露光
中で定義されたものであり、設定露光量I₀からの誤差分
を打ち消すことができる。すなわち式（４）において、
設定露光量I₀の誤差によりX₂が変化しても、X₁が打ち消
す方向に動き、正確なスペックルコントラストを測定す
ることができる。

また、レジストの塗りムラ（厚みムラ）に伴う閾値露
光量Itの変化も、ウェハＷの微小な位置の差（200μｍ
程）になるので、実用上ほとんど影響しない。また例え
ば第４図中のビームエクスパンダ15のズーム比調整によ
ってビームを拡大すると、被照射面（ブラインド26、レ
チクルＲ、又はウェハＷ）での照明光の可干渉性が強く
なり、スペックルコントラストが強まる。

本実施例では１ショットの焼きつけでスペックルコン
トラストが計測されるため、ビームエクスパンダ15によ
るビーム断面の拡大によって露光量制御を行う（パルス
光のピークレベルを調整する）場合でも、１ショットの
スペックルコントラストを正確に測定することが可能で
ある。従来の方法では、設定露光量によってスペックル
コントラストＣが変化してしまうと、誤差になってしま
う。また、本実施例で説明したようにレチクルＲに遮光
性のパターンが刻まれている場合でも、例えばレチクル
Ｒの外周部に遮光されていないガラス部があれば、そこ
を通してボケ像を作り、スペックルコントラストの測定
が可能であるため、レジストに対する適正露光量で、ぼ
け像とレチクルパターンとを同時に焼き付けて、レチク
ルパターンに対するスペックルの影響とスペックルコン
トラストとの相関を正確に把握することが可能である。
この手法は、デバイス製造用の実際のレチクルでも同様
に実施可能であり、実デバイス上の微細パターンのスペ
ックルによる解像不良を、より定量的につかむことがで
きる。

尚、上記の実施例ではレチクルＲも同時露光するとし
たが、コントラスト値Ｃのみを計測する場合は、レチク
ルＲをはずした状態にしてもよい。

次に第６図、第７図、第８図を参照して、第２の実施
例を説明する。

第６図はコンデンサーレンズ２と投影レンズPLとの間
の構成を示し、遮光物体としての真ちゅう板、紫外線の
吸収率が高いアクリル板等の板31、又は32の配置を示
す。板31はレチクルＲの上方20mm程度のところで、レチ
クルＲのパターン領域の最大範囲P₁、P₂の外側に固定的
に設けられている。第４図でILbはレチクルブラインド2
6のエッジからの結像光束を表わし、RSはレチクルステ
ージである。また板32の場合はレチクルＲと投影レンズ
PLとの間でレチクルＲから20mm程離して配置され、同様
のデフォーカス像が得られる。これら板31、32の影像を
投影するためには、ブラインド26の開口エッジの位置を
P₁、P₂よりも外側に広げればよい。第７図はレチクルＲ
の上方に板31を４ケ所に設けた場合の平面図であり、レ
チクルＲの４辺の各位置に直線エッジを有する板31a、3
1b、31c、31dを固設する。第７図で円形の領域IFは投影
レンズPLの最大視野を表わし、この内側に納まるように
レチクルＲには一定幅の遮光帯SBが形成されている。遮
光帯SBの外側は透明であって、レチクルブラインド26の
４辺の開口エッジは、この遮光帯SBに合わせて結像され
る。例えばウェハＷ上で21.2mmφの投影視野（レチクル
上でのIFの直径は５倍の126mmφ）をもつステッパーで
あれば、通常、ウェハＷ上では15mm角（レチクル上では
75mm角）のパターン領域となるので、遮光板SBの４辺の
外側の円弧状の領域内に、板31a、31b、31c、31dのエッ
ジを固定配置することができる。また15mm角でなく、長
方形の回路パターン領域が設定される場合もあるが、こ
のときは板31a、31b、31c、31dの先端のエッジを極力短
いものにし、視野領域IF内の外周にぎりぎりに配置して
おけば支障はない。

尚、板31、32のレチクルＲからの距離は20mmとした
が、これは、第５図（Ｄ）で示した距離X₂が十分に長く
とれること、すなわちレジストぬけ位置と最長残存位置
とが明瞭に認識できる程度に定めればよく、特別に限定
された数値ではない。またデバイス等の実露光時には、
レチクルブラインド26は遮光板SBの位置P₁、P₂まで閉じ
てしまうので、板31、32の存在は何ら問題とはならな
い。従って、コントラスト値を測定したいときに、ブラ
インド26の開閉のみで自由にためし焼きができる。

また１ショット内の場所によるスペックルコントラス
トを測定する時には、全面透過レチクル（全面ガラスの
レチクル）を使うか、レチクルを挿入しない状態にし
て、レチクル位置の上方20mmのところにあらい格子パタ
ーンを全面に入れてやればよい。

以上の各実施例では、レチクル側でボケ像を作成する
ことについて記述したが、第８図に示すようにウェハＷ
側を上下にΔＺ（800μｍ程度）だけ大きくデフォーカ
スさせてやっても同様の効果が得られる。その場合、レ
チクルパターンは、ベストフォーカス露光ができない
が、その代りにレチクルパターン自体が本発明の遮へい
物として機能して同様にスペックルコントラストが測定
できるため、全面（ショット内の任意の点）のスペック
ルコントラストを容易に判定することができる。

また、本実施例では、投影型露光装置について説明し
たが、この方法は、干渉性の強い光を用いている照明光
学装置（プロキシミティ露光装置等）のすべてに適用で
きる方法である。

プロキシミティ露光装置では、マスクとウェハとを一
定のギャップ（10〜300μｍ程度）で対向させるが、本
来の設定ギャップよりも大きなギャップで遮へい体を配
置させれば、同様の計測が可能である。

尚、フライアイレンズと走査ミラーを組み合わせた照
明系をもつものでは、走査ミラーを揺動させて干渉縞を
平滑するモードでデフォーカス像を露光すれば、干渉縞
の平滑化が正確に行なわれているか否かをチェックする
ことができる。この場合、正確に平滑化されれば、X₁≒
X₂になる。

次に、第３の実施例による方法を説明するが、ここで
は第４図に示したマーク板FMのスリットと干渉縞とを相
対走査して、投影レンズPLの結像面上でのコントラスト
を直接計測する場合を述べる。この場合第５図（Ｃ）に
示した露光量の最大点I_maxと最小点I_minをマーク板FMの
下の光電素子で検知すればよい。従ってマーク板FMのス
リット幅は干渉縞のピッチよりも十分小さいことが必要
である。またマーク板FMの走査（ステージSTGの移動）
の代りに走査ミラー17を振って干渉縞自体を、そのスリ
ットに対して移動させてもよい。

マーク板FMを使う場合、エキシマレーザ光源10の発光
トリガは、ステージSTGの位置計測用のレーザ干渉計か
らの単位移動毎の計測パルスに応答させるか、走査ミラ
ー17の単位振れ角毎の角度計測パルスに応答させればよ
い。

さらに、最大点I_maxと最小点I_minの差が小さくなる
と、光電素子のリニアリティ特性、S/N比等によって所
望の計測精度が得られないこともある。そのときは、第
４図に示したビームエクスパンダー15によって、予め定
められたズーム比だけビームの断面寸法を拡大して、フ
ライアイレンズ３に入射するビームの空間的コヒーレン
シィを高めておく。このようにすると、像面での全体的
な照度は低下するものの、干渉縞のコントラスト値、す
なわちI_max−I_minの値がズーム比に応じて大きくなるの
で、計測精度が維持しやすくなる。そして実測されたコ
ントラスト値を、ズーム比に応じて補正すると、本来の
コントラスト値が得られる。尚、マーク板FMのところに
ガラス板（石英）を設け、その下に数倍の拡大率をもつ
対物レンズ（石英）を埋め込み、ガラス板上にできた干
渉縞の像を、対物レンズを介してリニアアレイ等の撮像
素子で受光して、コントラストを求めてもよい。このと
きも、ビームエクスパンダー15によるズームを使うとよ
い。本実施例では照明光路中に遮へい物を設ける必要が
ない。

以上、各実施例の他に、第４図中に示したレチクルブ
ラインド26の近傍に遮へい物を突出させるようにしても
よい。このとき、レチクルブラインド26からレチクルＲ
までの拡大倍率が、例えば２であるときは、レチクルブ
ラインド26から遮へい物までの光軸AX方向の間隔は5mm
程度でよい。またレチクルブラインド26が光軸AX方向に
移動可能になっているときは、ブラインドの開口エッジ
そのものを遮へい物として、デフォーカス像を得ること
もできる。

また第４図に示したステッパーのアライメント系30
x、30yがレチクルＲ上の任意の位置に可動になっている
場合は、１ショット内の任意の点でコントラストの値の
計測ができる。さらに本発明の各実施例では主に１次元
（又は２次元）の干渉縞のことをスペックルパターンと
して扱ったが、あまり周期性のない干渉パターンのコン
トラストについても同様に計測できる。

干渉パターンのコントラスト値Ｃが定量的に、正確に
求められると、このコントラスト値Ｃに基づいて、第４
図中の走査ミラー17の最適な振り方、最適（必要最低
限）なパルス数が設定できることにより、より効率の高
い露光シーケンスが組めることになる。

〔発明の効果〕

以上の様に、本発明によれば、露光量制御精度、レジ
ストの塗りムラの影響を受けずに精度良くスペックルコ
ントラストを測定でき、又、１ショットで正確なスペッ
クルコントラストを測定できるため、露光量制御による
スペックルコントラストの差、スペックルコントラスト
と適正露光で焼き付けられたパターンとの相関を同時に
検証出来る効果もある。さらに、スペックルコントラス
トが定量的に把握できることから、スペックル消去のた
めのミラー走査等の制御がより正確にできるといった効
果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による方法の手順を説明
するフローチャート図、第２図（Ａ）、（Ｂ）、
（Ｃ）、（Ｄ）は従来より考えられていたコントラスト
の計測方法の原理を説明する図、第３図（Ａ）は可干渉
性ビームを使った照明光学系の概略的な構成を示す図、
第３図（Ｂ）は第３図（Ａ）の光学系によって得られる
照度分布の一例を表わす図、第４図は本発明による方法
を実施するのに好適なステッパーの構成を示す斜視図、
第５図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は第１の実施例
によるコントラストの計測方法を説明する図、第６図は
他の実施例によるステッパーの部分構成を示す図、第７
図はレチクルと遮へい体との配置を示す平面図、第８図
はさらに他の実施例による露光方法を説明する図であ
る。〔主要部分の符号の説明〕Ｒ……レチクル、 PL……投影レンズ、Ｗ……ウェハ、２……コンデンサーレンズ、３、５……フライアイレンズ、 10……レーザ光源、 11……ビーム成形光学系 15……ビームエクスパンダー、 17……走査ミラー、 26……レチクルブラインド、 30x、30y……アライメント系、 31、31a、31b、31c、31d、32……遮光板。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの可干渉性ビームで被照射面を照
射したときに該被照射面に生じる干渉パターンのコント
ラストの強度を測定する方法において、前記ビームに感応するレジスト層が被覆された基板を前
記ビームの光路上の所定面内に配置し；前記光源と前記基板との間に遮へい部材を設け、該遮へ
い部材のエッジのぼけた影像のレジスト像を前記基板上
に形成し；前記基板上に形成されたレジスト像に基づいて前記干渉
パターンのコントラストの強度を測定することを特徴と
する干渉パターンの強度測定方法。
【請求項２】前記遮へい部材のエッジは、前記被照射面
に生じる干渉パターンの縞の方向と同じ方向に伸びてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方
法。
【請求項３】前記基板上に形成されたレジスト像の特異
点の位置を計測し、該計測結果に基づいて前記干渉パタ
ーンのコントラストの強度を測定することを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項４】前記レジスト像の特異点として、前記レジ
ストの厚みが減少し始める起点、前記レジストの厚みが
最初にほぼ零になる点、および前記レジスト像の残存が
認められる最長点の位置を計測し、前記起点から前記レジストの厚みが最初にほぼ零になる
点までの距離をX₁と、前記起点から前記最長点までの距
離をX₂とを求め、前記距離X₁、X₂に基づいて、（X₁＋X₂）と（X₂−X₁）と
の比を、前記コントラストの強度として求めることを特
徴とする特許請求の範囲第３項に記載の方法。
【請求項５】光源からの可干渉ビームで照明されたマス
クのパターンの像で感光基板を露光するための露光装置
で、前記可干渉ビームの被照射面に生じる干渉パターン
のコントラストの強度を測定する方法において、前記可干渉ビームに感応するレジストが被覆された被測
定基板を前記可干渉ビームの光路中に配置し；前記光源と前記被測定基板との間に遮へい部材を設け
て、該遮へい部材のデフォーカス像を前記被測定基板上
に形成し；前記被測定基板上の形成された前記遮へい部材のデフォ
ーカス像に基づいて前記干渉パターンのコントラストの
強度を測定することを特徴とする干渉パターンの強度測
定方法。
【請求項６】前記遮へい部材のエッジは、前記被照射面
に生じる干渉パターンの縞の方向と同じ方向に伸びてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の方
法。
【請求項７】前記遮へい部材は、前記被照射面とは光学
的に非共役な位置に設けられていることを特徴とする特
許請求の範囲第５項に記載の方法。
【請求項８】前記露光装置は、マスクのパターンの像を
投影光学系を介して感光基板上に結像する投影露光装
置、もしくはマスクと感光基板とを微小ギャップだけ離
したプロキシミティ露光装置のいずれか一方であり、前
記被照射面との間に配置されたアライメント系の一部を
前記遮へい部材として利用することを特徴とする特許請
求の範囲第５項に記載の方法。
【請求項９】前記可干渉ビームの光路中の所定位置に前
記マスクを配置し、当該マスクと光学的にほぼ共役な位置に前記被測定基板
を配置し、前記被測定基板上に前記マスクのパターンの像を、前記
遮へい部材のデフォーカス像といっしょに形成し、前記被測定基板上に形成された、前記遮へい部材のデフ
ォーカス像と前記マスクのパターンの像とに基づいて、
前記マスクのパターンに対する前記干渉パターンの影響
と前記干渉パターンのコントラストの相関を求めること
を特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の方法。
【請求項１０】前記可干渉ビームの光路中の所定位置に
前記マスクを配置し、当該マスクと光学的に非共役な位置に前記被測定基板を
配置し、当該マスクのパターンのデフォーカス像を前記遮へい部
材のデフォーカス像として前記被測定基板上に形成し、該被測定基板上に形成されたパターンのデフォーカス像
に基づいて前記干渉パターンのコントラストの強度を測
定することを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の
方法。
【請求項１１】前記マスクに対する照明領域を規定する
視野絞りを前記遮へい部材として利用することを特徴と
する特許請求の範囲第５項記載の方法。
【請求項１２】光源からの可干渉性ビームで被照射面を
照射したときに該被照射面に生じる干渉パターンのコン
トラストの強度を測定する方法において、前記可干渉ビームの光路中に遮へい部材を設け、該遮へ
い部材のぼけた影像を形成し；該遮へい部材のぼけた影像に基づいて前記干渉パターン
のコントラストの強度を測定することを特徴とする干渉
パターンの強度測定方法。
【請求項１３】前記遮へい部材のぼけた影像の特異点を
検出し、該検出結果に基づいて前記干渉パターンのコン
トラストの強度を測定することを特徴とする特許請求の
範囲第12項に記載の方法。
【請求項１４】前記遮へい部材のぼけた影像の光強度分
布を測定することを特徴とする特許請求の範囲第12項ま
たは第13項に記載の方法。
【請求項１５】前記露光装置は、前記被測定基板上に形
成された前記遮へい部材のデフォーカス像を装置内部で
自己測定することを特徴とする特許請求の範囲第５項に
記載の方法。
【請求項１６】光源からの可干渉ビームで照明されたマ
スクのパターンの像で感光基板を露光する露光装置にお
いて、前記マスクのパターンの像を前記感光基板上に投影する
ための投影光学系と、該投影光学系を介して形成された、前記可干渉ビームの
光路中に配置された遮へい部材のぼけた影像を検出する
検出手段とを備え、該検出手段の検出結果に基づいて前記可干渉ビームの被
照射面に生じる干渉パターンのコントラストの強度を求
めることを特徴とする露光装置。