JP3067695B2

JP3067695B2 - 投影露光装置の検査方法

Info

Publication number: JP3067695B2
Application number: JP9149584A
Authority: JP
Inventors: 和樹横田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 2000-07-17
Anticipated expiration: 2017-06-06
Also published as: JPH10340842A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造等に用
いられる投影露光装置の検査方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に半導体素子を製造する際のリソグ
ラフィ工程には、レチクル上のパターンをウェハ上に縮
小転写する縮小投影光学系を備えた投影露光装置が使用
されている。通常、この投影光学系には収差が存在する
が、この収差量が大きい場合にはレチクル上の回路パタ
ーンはウェハ上に正確に転写されなくなり、製造された
半導体素子の特性劣化や動作不良の原因となる。これを
防止するためには、投影光学系の収差量を定量的に検出
し補正することが必要となる。

【０００３】光学系に存在する収差のうち、コマ収差や
偏心によるコマ収差などの非対称収差は、ウェハ上に転
写されるパターンの空間像を非対称に変形させる。そこ
で、従来この非対称収差の検出は、実際にレチクル上の
パターンを投影光学系を介しウェハ上に転写し、そのウ
ェハ上のパターンの変形量を計測することによって、そ
のパターン転写に使用した投影光学系の非対称収差量を
検出していた。

【０００４】非対称収差によるウェハ上の転写パターン
変形量の計測例をあげる。複数本の直線パターン、例え
ば図１３（ａ）に示すような一定の太さの５本のライン
が一定間隔で並んだ検査用のパターンｌを用い、投影光
学系によりレジストを塗布したウェハ上に転写してレジ
ストパターンを形成した場合、その投影光学系にコマ収
差が存在していれば、図１３（ｂ）に示すようにウェハ
上に転写されたパターンｌ’は非対称にゆがんでおり、
両端のラインｌ1’、ｌ5’の幅ｗ1’、ｗ5’に寸法差が
生まれる（ｗ1’−ｗ5’≠０）。そこで、この幅ｗ
1’、ｗ5’を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等を用いて計
測し、その寸法差｜ｗ1’−ｗ5’｜の大小で投影光学系
の収差を求め、その投影光学系の優劣を評価する方法が
採用されている。

【０００５】また、非対称収差を計測する他の例が、特
開平５−２１７８７２号に開示されている。レジストを
塗布した基板上に、例えば図１４（ａ）に示すような左
右対称に傾いたラインからなるパターン１１と、図１４
（ｂ）に示すようなパターン１１に対し傾いた左右対称
の形状のパターン１２とを重ねて転写し、両パターンが
重なった像（図１４（ｃ）にハッチングにて示す。）を
形成する。そして、その中の２箇所のパターン、例えば
像１３、１４のみを対象として光スポットを照射し、所
定の方向の回折光を求めることにより寸法ｄ1、ｄ2を測
定する。そして、両者の寸法差｜ｄ1−ｄ2｜を検出して
非対称収差を求める方法である。この方法は、非対称収
差によるライン幅方向の微少な線幅変化量を、ラインの
長手方向に増幅変換して、さらに計測に使用するパター
ン（前記の例では２箇所）のみを抽出するので、光ビー
ム走査等の光学的手法によりｄ1、ｄ2の寸法差を検出す
ることが出来るものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記した二つの従来技
術は、計測方法の違いはあるが、いずれもウェハ上の転
写パターンの変形量の大小を評価することで露光装置の
良悪を判定していただけに過ぎず、ウェハ上の転写パタ
ーンの変形を引き起こしている収差の要因分析は困難で
ある。そのため、従来の検査方法では、露光波長と同程
度の微細なパターンをウェハ上に転写する際に問題とな
るような、投影光学系の僅かな収差まで精度よく検知す
ることは困難である。さらに、光学系の収差量のデフォ
ーカス特性は定量的に評価されていないため、その露光
装置を使用する際の最適合焦条件での収差評価が適切に
行われない。また、収差の一般的な例として知られてい
る外向きコマ収差、内向きコマ収差、偏心コマ収差およ
び光軸の傾斜に伴うコマ収差等の、露光領域内における
分布および量などの定量化ができない。

【０００７】そこで本発明の目的は、投影光学系の収差
検出精度を向上させることにより、投影光学系の性能向
上および投影露光装置の正確な良否判断を可能にするこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、投影露光装置
の光学系の特性の検査方法において、周期的に同一形状
が並んで形成されている検査用パターンを有するマスク
を使用し、被検査対象である前記投影露光装置を介して
前記検査用パターンの像を感光性基板上に転写した後
に、前記感光性基板上に転写されたパターンのうち、少
なくとも両端部と中央部との合計３ヶ所の転写パターン
の寸法を検出する一連の工程を、ベストフォーカス状態
にて転写を行った場合と、デフォーカス状態にて転写を
行った場合とについてそれぞれ行って、前記光学系の特
性を調べることを特徴とする。これによって、デフォー
カス時に転写パターンの両端部の寸法差が変化してしま
う場合も考慮した上で、光学系の特性を定量的に求める
ことができる。

【０００９】具体的には、前記転写パターンの両端部の
寸法差を、複数のフォーカス状態について求め、その平
均値を非対称収差量として前記光学系の特性を調べるこ
とができる。

【００１０】また、前記マスクの露光領域内の複数箇所
に前記検査用パターンがそれぞれ形成されており、各箇
所において、転写パターンの寸法を検出するための前記
一連の工程をそれぞれ行って、少なくとも２方向の収差
量をそれぞれ検出し、該収差量を前記露光量域内で一様
なシフト成分と前記露光領域中心からの放射方向成分と
に分離することにより、光学系の非対称収差を光学系の
偏心によるコマ収差とその他のコマ収差とに分離して前
記光学系の特性を調べることができる。そうすると、投
影露光装置の非対称収差の量および方向の分布を露光領
域全域にわたって調べることができる。そして、内向き
コマ、外向きコマ、偏心のコマ収差に分類定量化するこ
とができる。

【００１１】さらに、前記光学系の投影レンズを最大の
開口数に設定することが好ましい。

【００１２】また、被検査対象である前記投影露光装置
のコヒーレンスファクターを０．５未満に設定すること
が好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態について図面を
参照して説明する。

【００１４】図１は投影露光装置の概略を示す正面図で
ある。この投影露光装置は、台１上に置かれた感光性基
板（ポジレジストが塗布されたウェハ）２に対し、図示
しない光源からレチクル（マスク）３および投影光学系
４を介して露光するものである。レチクル３には、図２
（ａ）に示すような検査用パターン、すなわち一定の太
さの複数（本実施形態では５本）の暗線（黒いライン）
Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4、Ｌ5が一定間隔（本実施形態では
ラインと同幅）で平行に並んだパターンＬが形成されて
いる。

【００１５】本実施形態の投影露光装置の検査方法は、
まず、露光光源として水銀ランプ等を用いｉ線（波長：
３６５ｎｍ）が照射され、レチクル３のパターンが投影
光学系４により縮小されて基板２に投影され、露光され
る。露光が完了すると、現像を行うことにより、縮小投
影された転写パターンＬ’が基板２上に形成される。こ
のとき、投影光学系４に収差が存在すると、レチクル３
のパターンが非対称変形された形状でパターン形成され
る。例えば、図２（ａ）に示すレチクル３上のパターン
Ｌが、図２（ｂ）に示すような転写パターンＬ’に投影
される。この条件における変形量は、転写パターンのう
ち中央と左端と右端とのラインＬ1’、Ｌ3’、Ｌ5’の
幅Ｗ1、Ｗ3、Ｗ5を検出し、左端のラインＬ1’と右端の
ラインＬ5’との幅の差Ｗ1−Ｗ5を求めることによって
定量化できる。ライン幅検出方法は、前記した二つの従
来例のいずれかと同様な方法で構わない。なお、ここま
での工程は、前記第１の従来例と実質的に同様である
が、最適合焦点において投影（露光）が行われているの
で、この合焦状態（ベストフォーカス状態）における投
影系の収差が求められる。しかし、これだけの検査で
は、合焦点からずれたデフォーカス状態において投影系
によりいかなる変形が生じるかは不明であり、被検査対
象である光学系の特性を十分認識したとは言えない。

【００１６】そこで、本実施形態では、前記した合焦状
態（ベストフォーカス状態）における収差検出工程に加
えて、非合焦状態（デフォーカス状態）における収差検
出を行う。すなわち、投影光学系４を調整して僅かに合
焦点からずれた状態として、レチクル３および投影光学
系４を介して再度露光を行う。そして、現像を行った
後、ベストフォーカス時と同様に、転写パターンＬ’の
中央と左端と右端とのラインＬ1’、Ｌ3’、Ｌ5’の幅
Ｗ1、Ｗ3、Ｗ5を検出し、左端のラインＬ1’と右端のラ
インＬ5’との幅Ｗ1、Ｗ5に基づいて収差を示す値を求
める。以上の工程を、デフォーカス量を僅かに変えなが
ら繰り返し行う。その結果をプロットして図３、４に示
している。なお、合焦状態及びデフォーカス量を僅かに
変えながらの露光は同一基板上で行う。

【００１７】図３において、左端のラインＬ1’の検出
幅Ｗ1と中央のラインＬ3’の検出幅Ｗ3と右端のライン
Ｌ5’の検出幅Ｗ5とをプロットした線を見ることによ
り、各デフォーカス量におけるパターンの非対称変形量
を直感的に評価することができる。さらに、図４に示す
ように（Ｗ1−Ｗ5）／（Ｗ1＋Ｗ5）の値を求めると、非
対称変形量がより明確に認識できる。例えば、デフォー
カス量０μｍ（ベストフォーカス）では、像の非対称変
形はほとんどなく非対称収差なしと判断できるが、デフ
ォーカス量が約０．５μｍ以上では像の非対称変形が大
きく非対称収差ありと判断される。また、デフォーカス
量がマイナスの場合は、さらに像の非対称変形が大きく
非対称収差が大きいことが分かる。また、中央のライン
Ｌ3’の幅Ｗ3と左右のラインＬ1’、Ｌ5’の幅Ｗ1、Ｗ5
との寸法差から、近接効果の評価を行うことができる。
すなわち、中央のラインＬ3’を、露光範囲の中央付近
に形成される繰り返しパターンの一例とみなし、両端の
ラインＬ1’、Ｌ5’を、繰り返しパターンから離れて形
成される孤立パターンの一例とみなすと、図３のグラフ
から各デフォーカス条件の下で繰り返しパターンと孤立
パターンとの寸法差がどの程度になるのか評価可能であ
る。

【００１８】そして、（Ｗ1−Ｗ5）／（Ｗ1＋Ｗ5）の値
を、ベストフォーカス前後の一定のフォーカス範囲（例
えば本実施例では図４に示されている全範囲）にわたっ
て平均することにより、被検査対象の露光装置の投影光
学系の非対称収差量を示す値を得ることができる。もち
ろん、この値が小さいほど非対称収差の小さい高性能の
投影光学系および露光装置であるといえる。このよう
に、本実施形態では、様々なデフォーカス状態における
投影像の非対称性の観察を行うため、ある特定の条件
（ベストフォーカス状態）における観察だけでは知るこ
とのできない投影光学系の特性が求められる。従って、
従来よりもきめ細かく露光装置の性能評価を行うことが
できる。また、こうして求めた特性に基づいてこの光学
系の補正データを作成することができる。

【００１９】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。本実施形態では、縦縞状のパターン５に加え
て、横縞状のパターン６が用いられる（図５参照）。縦
縞状のパターン５だけを用いるとｘ方向の非対称収差量
が求められるが、本実施形態ではそれに加えて横縞状の
パターン６も用いてｙ方向の非対称収差量も求められ
る。

【００２０】具体的には、この縦縞パターン５と横縞パ
ターン６とを１組として検査を行うため、図６に示す５
点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ（中央および上下左右）に、それ
ぞれ縦縞状のパターン５と横縞状のパターン６（図５参
照）とが並置されているレチクル７を用いて露光を行
う。なお、縦縞状のパターン５と横縞状のパターン６と
は互いに影響を及ぼさない範囲で近接して配設されてい
る。このレチクル７を用いて露光し、現像を行った後、
転写された各ラインの幅の測定を行う。そして、投影光
学系４のベストフォーカス状態だけでなく、デフォーカ
ス状態においても露光、現像および測定を行う。その測
定結果に基づいて、縦縞状のパターン５については左端
のラインＬ1”の幅Ｗ1”と右端のラインＬ5”の幅Ｗ5”
とから（Ｗ1”−Ｗ5”）／（Ｗ1”＋Ｗ5”）の値を求
め、横縞状のパターン６については上端のラインＬ6”
の幅Ｗ6”と下端のラインＬ10”の幅Ｗ10”とから（Ｗ
6”−Ｗ10”）／（Ｗ6”＋Ｗ10”）の値を求め、図７、
８にそれぞれ示している。また、各点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、
Ｅにおける平均値を算出している。ここでは、ベストフ
ォーカス点とその前後２点ずつのデフォーカス点との合
計５点における平均値ｄｖ1、ｄｖ2、ｄｖ3、ｄｖ4、ｄ
ｖ5、ｄｈ1、ｄｈ2、ｄｈ3、ｄｈ4、ｄｈ5を求め、図
７、８中にそれぞれ点線で示している。

【００２１】これによって、露光領域内の５点Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ、Ｅにおける非対称収差量とその発生方向が求め
られ、非対称収差の生じる傾向がより詳細に分かる。具
体的には、数式より、露光領域内の縦方向および横
方向に分解した偏心コマ収差を求めることができ、また
露光領域からの放射方向成分を算出する数式よりコマ
収差が求められる。

【００２２】

【数１】

【００２３】なお、図５に示す縦縞状のパターン５と横
縞状のパターン６とは重なってはいないが近接して設け
られているので、同一点に形成されたものとみなすこと
ができる。

【００２４】次に、投影レンズの開口数（ＮＡ）を変え
ながら、図２に示すパターンＬを用い、前記第１の実施
形態と同様な検査を行った。その結果を図９に示してい
る。これにより明らかなように、ＮＡが大きいほど左端
のラインＬ1’の幅Ｗ1と右端のラインＬ5’の幅との差
が大きく、非対称収差の影響が顕著に表れている。従っ
て、このような方法で投影光学系の収差を求める場合、
微細な収差も正確に検出するために、より高いＮＡの投
影レンズでパターンを基板に露光することが望ましい。

【００２５】また、投影レンズのＮＡは一定にして露光
機のコヒーレンスファクター（σ値）を変えながら、前
記第１の実施形態と同様な検査を行った。その結果を図
１０に示している。さらに、σ値と（Ｗ1−Ｗ5）／（Ｗ
1＋Ｗ5）の値との関係を図１１に示している。これによ
り明らかなように、σ値が小さい方が左端のラインＬ
1’の幅Ｗ1と右端のラインＬ5’の幅Ｗ5との差が大き
く、非対称収差の影響が顕著に表れている。特に、σ値
が０．５以上になると（Ｗ1−Ｗ5）／（Ｗ1＋Ｗ5）の値
が約０．０１以下となっているが、現在実用的に使用可
能な測定器においては、（Ｗ1−Ｗ5）／（Ｗ1＋Ｗ5）の
値が０．０１より小さい場合、十分な計測再現性が得ら
れず、信頼性の高い計測を行うことができない。したが
って、前記のように偏心のコマ収差量を求めるために
は、露光機のσ値を０．５未満に設定することが望まし
い。

【００２６】第２の実施形態では、図５に示す縦縞状の
パターン５と横縞状のパターン６とを用い、ｘ方向とｙ
方向の非対称収差を式１〜３により露光領域内で一様な
シフト成分（ｘ方向とｙ方向）と露光領域中心からの放
射方向成分、すなわち偏心コマ収差分およびコマ収差分
とに分けている。ただし、このようにｘ方向とｙ方向と
に限定する必要はない。

【００２７】例えば、図１２には第３の実施形態におい
て用いられる検査用パターン１０が示されている。これ
は、４５度の角度で傾斜したライン群８とそれに直交す
るライン群９とが近接して設けられたパターンである。
これを用いて、第２の実施形態と実質的に同じ方法で、
投影光学系および露光装置の検査を行うこともできる。

【００２８】なお、投影光学系を含む露光装置の自体の
構成やレチクルおよび基板等の構成は図１に示す構成に
限られず、レチクル上のパターンを転写した空間像の非
対称な変形を計測できる構成であれば、本発明の方法で
特性検査を行うことができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によると、ベストフォーカス状態
のみならずデフォーカス状態の投影露光装置の光学系収
差も検出し、様々な状態における収差が高精度かつ定量
的に評価可能となる。これによって、投影露光装置の正
確な収差調整および良否判定が可能になる。

【００３０】検査用パターンをマスクの露光領域内の複
数箇所に設け、それぞれについて転写パターンの寸法測
定を行うと、よりきめ細かな特性検査が行える。

【００３１】また、収差検査時の光学系の開口数やコヒ
ーレンスファクターを最適な値に設定することにより、
収差検出の精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の被検査対象となる投影露光装置の概略
を示す正面図である。

【図２】（ａ）は本発明の第１の実施形態において用い
られるレチクルの検査用パターンを示す平面図、（ｂ）
は検査用パターンが感光性基板へ転写された転写パター
ンを示す平面図である。

【図３】光学系のフォーカス状態と転写パターンの中央
および左右両端のライン幅との関係を示す図である。

【図４】光学系のフォーカス状態と転写パターンの左右
両端のライン幅の差との関係を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施形態において用いられるレ
チクルの検査用パターンを示す平面図である。

【図６】レチクルの露光領域を示す平面図である。

【図７】第２の実施例における光学系のフォーカス状態
と縦縞状パターンの転写パターンの左右両端のライン幅
の差との関係を示す図である。

【図８】第２の実施例における光学系のフォーカス状態
と横縞状パターンの転写パターンの上下両端のライン幅
の差との関係を示す図である。

【図９】様々な開口数における光学系のフォーカス状態
と転写パターンの中央および左右両端のライン幅との関
係を示す図である。

【図１０】様々なコヒーレンスファクターにおける光学
系のフォーカス状態と転写パターンの中央および左右両
端のライン幅との関係を示す図である。

【図１１】コヒーレンスファクターと転写パターンの左
右両端のライン幅の差との関係を示す図である。

【図１２】本発明の第３の実施形態において用いられる
レチクルの検査用パターンを示す平面図である。

【図１３】（ａ）は第１の従来例において用いられるレ
チクルの検査用パターンを示す平面図、（ｂ）は検査用
パターンが感光性基板へ転写された転写パターンを示す
平面図である。

【図１４】（ａ）は第２の従来例において用いられるレ
チクルの第１の検査用パターンを示す平面図、（ｂ）は
第２の検査用パターンを示す平面図、（ｃ）は重ね合わ
せて転写された転写パターンを示す平面図、（ｄ）は寸
法測定状態を示す平面図である。

【符号の説明】

１台２感光性基板（ウェハ）３レチクル（マスク）４投影光学系５縦縞状のパターン（検査用パターン）６横縞状のパターン（検査用パターン）７レチクル（マスク）８、９ライン群Ｌ検査用パターンＬ’ 転写パターンＬ1’ 左端のラインＬ3’ 中央のラインＬ5’ 右端のラインＷ1、Ｗ3、Ｗ5 ラインの幅Ｌ1” 左端のラインＬ3” 中央のラインＬ5” 右端のラインＷ1”、Ｗ3”、Ｗ5” ラインの幅Ｌ6” 上端のラインＬ10” 下端のラインＷ6”、Ｗ10” ラインの幅

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周期的に同一形状が並んで形成されてい
る検査用パターンを有するマスクを使用し、被検査対象
である前記投影露光装置を介して前記検査用パターンの
像を感光性基板上に転写した後に、前記感光性基板上に
転写されたパターンのうち、少なくとも両端部と中央部
との合計３ヶ所の転写パターンの寸法を検出する一連の
工程を、ベストフォーカス状態にて転写を行った場合
と、デフォーカス状態にて転写を行った場合とについて
それぞれ行って、前記光学系の特性を調べる、投影露光
装置の光学系の特性の検査方法であって、前記転写パターンの両端部の寸法差を、複数のフォーカ
ス状態について求め、その平均値を非対称収差量として
前記光学系の特性を調べることを特徴とする投影露光装
置の検査方法。
【請求項２】前記マスクの露光領域内の複数箇所に前
記検査用パターンがそれぞれ形成されており、各箇所に
おいて、転写パターンの寸法を検出するための前記一連
の工程をそれぞれ行って、少なくとも２方向の収差量を
それぞれ検出し、該収差量を前記露光量域内で一様なシ
フト成分と前記露光領域中心からの放射方向成分とに分
離することにより、光学系の非対称収差を光学系の偏心
によるコマ収差とその他のコマ収差とに分離して前記光
学系の特性を調べる請求項１に記載の投影露光装置の検
査方法
【請求項３】前記光学系の投影レンズを最大の開口数
に設定する請求項１または２に記載の投影露光装置の検
査方法。
【請求項４】被検査対象である前記投影露光装置のコ
ヒーレンスファクターを０．５未満に設定する請求項１
〜３のいずれか１項に記載の投影露光装置の検査方法。