JP3784987B2 - 露光装置のna測定方法及びna測定用光学部材 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影露光装置のNA測定方法及びNA測定用光学部材に関するもので、特に露光装置の投影光学系の開口数NAの大きさを測定するために用いられるものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスを製作するために用いられる縮小投影型露光装置の投影光学系の開口数NAの検査を、装置全体が組み立てられた後に、装置を解体しないで行う方法は過去に殆ど行われていない。過去に行われていた唯一の方法は、レチクルの裏面に微細な孤立パターンかまたは周期パターンを描き、露光して得たレジストパターンから判断する方法である。例えば、Prog1erらにより二重露光の方法が報告されている(SPIE Proc.Vo1.3051,pp.660−671)。
【0003】
この二重露光の方法では、まず1回目の露光で、周囲が遮光領域である中に、孤立した微細なピンホールパターンを裏面に描いたマスクで露光する。次に2回目の露光では、周囲が透光領域である、孤立したドットパターンを裏面に描いて露光する。1回目のピンホールパターンと2回目のドットパターンは、マスクを入れ替えたときに同じ位置にあるように設置位置調整して露光する。その結果、光源の像がドットパターンにより転写され、投影光学系の瞳の輪郭の像がピンホールパターンにより描かれる。既知の光源の大きさを基準にして、投影光学系のNAが測定できる。
【0004】
しかしながら、この方法には以下の欠点があった。
【0005】
(1)上記の二重露光の1回目の露光で、単独のピンホールを用いて、投影光学系の瞳の全域に到達する回折光を発生させている。このような回折現象を起こすためにはピンホールの大きさを極端に小さくしなければならない。ここで半径rの円形のピンホールを例にとって考える。投影光学系の瞳全体で、あるしきい値以上の光強度を保つ条件として、瞳の端の光強度が、中心の光強度の1/e(=0.36,eは自然対数の底)になる場合を仮定する。Mをレチクルの倍率、NAを投影光学系の倍率、λを露光波長とすると、次の関係が成立する。
【0006】
r=0.41Mλ/NA
NA=0.6、M=4のKrFエキシマレーザー露光装置(λ=0.248μm)の場合、r=0.68μmとなる。レチクルの裏面に存在するこの大きさのサイズのピンホールを露光して、レジストを感光させるためには非常に長い時間を必要とする。実際の実験では、通常半導体デバイスを作成するときに設定する露光量(光のエネルギー)が約20mJ/cm2である露光装置及びフォトレジストに対して、レチクル裏面に設置したr=2.5μmのピンホールでフォトレジストの膜減り状態を作り出すためには、10000mJ/cm2という露光量が必要であった。面積が約1/27であるr=0.68μmのピンホールを使用するならば、r=2.5μmのピンホールの場合の少なくとも27倍の露光量(270000mJ/cm2)という露光量が必要であると見積もられる。このような露光量を加えることは、現実の露光装置では非常に困難である。
【0007】
(2)膜減りの観測は、コントラストのわずかな違いを見分ける必要がある。瞳の形状を判断にはコンピュータを用いた画像処理が必要であり、手間がかかる。
【0008】
(3)1回目・2回目の露光両方について、膜減り状態を作り出す必要があるため、露光量の調節が極めて微妙なものになる。以上のように、彼らの方法では、露光装置を分解しないで測定するという問題は解決しているが、簡便な方法とは言い難いものであった。
【0009】
NAの変化は露光装置の性能低下に直結するため、高精度なNAの調整が求められる。
【0010】
また、シミュレーションと実際の結果の不一致の原因になるため、正しいプロセスマージン予測、形状設計に対してもNAの正しさが要求されるようになってきている。それにもかかわらず、これまでは装置組み立て後の投影光学系のNAを定量的に測定する手軽な手段がなく、現実には行われていなかった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来の露光装置の検査方法では、NAを測定する方法はあっても2重露光が必要であり、またその露光による膜減りを測定するのは非常に困難で、露光量の調節等の手間もかかる。
【0012】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、露光装置におけるウェハ側の開口数NAを簡便に測定することのできる露光装置のNA測定方法及びNA測定用光学部材を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に係る露光装置のNA測定方法は、光源から発せられる光を照明光学系により光学部材に導き、該光学部材の像を投影光学系によりウェハ上に結像せしめる露光装置に対して、投影光学系のウェハ側の実際の開口数NAを測定する露光装置のNA測定方法において、前記光学部材の倍率をM、露光波長をλ、前記照明光学系の前記光学部材側の開口数をNAillとしたとき、少なくとも1方向に少なくとも2以上の周期を有する基本パターンが複数配置され、該基本パターンの周期の中にp1<Mλ/(NA+NAill)<p2を満たす周期p1とp2が含まれた前記光学部材をレチクル面に設置して前記ウェハに前記複数の基本パターンを露光し、該露光された転写パターンの解像の有無の境界におけるパターン周期を同定することによって、前記開口数NAを求めることを特徴とする。
【0014】
本発明の望ましい形態を以下に示す。
【0015】
(1)光学部材の基本パターンは、2次元格子上に透光部又は遮光部を有する繰り返しパターンであり、該2次元格子の縦軸及び横軸が直交する2方向上に繰り返しパターンが構成されてなる。
【0016】
(2)光学部材は、2次元格子の縦軸及び横軸がウェハのノッチ又はオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ直線に対して平行な方向又は垂直な方向に設定された繰り返しパターンを有する。
【0017】
(3)光学部材は、2次元格子の縦軸及び横軸がウェハのノッチ又はオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ直線に対して±45°の角度で交わる二つの直線に平行な方向に設定された繰り返しパターンを有する。
【0018】
(4)光学部材の繰り返しパターンの2次元格子の縦軸方向及び横軸方向の繰り返し周期が異なる。
【0019】
(5)光学部材の基本パターンはライン&スペースパターンである。
【0020】
(6)複数の基本パターンは、光学部材上にラインの長手方向の角度を少なくとも2種類以上に変えて配置されてなる。
【0021】
(7)ラインの長手方向の角度は、ウェハのノッチまたはオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ直線に対して平行、直交または±45°の角度を持つ。
【0022】
(8)少なくとも2以上の周期を持つ周期パターンが配置されてなり、該周期パターンの周期の刻み幅は0.090×Mμm以下である。Mはレチクルの倍率を示す。
【0023】
また、本発明の請求項9に係るNA測定用光学部材は、所定の方向に所定の周期を有する基本パターンが複数配置されてなり、かつ複数の基本パターンはそれぞれ0.009×Mμm(M:レチクルの倍率)以下の刻み幅でそれぞれ異なる周期を有していることを特徴とする。
【0024】
(作用)
本発明の対象とする露光装置は、照明光学系、光学部材、投影光学系から構成される。ここで、開口数をNAillとしたとき、光源から出た光は光学部材に到達する。光学部材上には異なる周期を有する基本パターンが複数配置されており、この光学部材上のパターンにより光は回折し、投影光学系に入射する。投影光学系の開口数は有限であるため、回折光の高次成分は投影光学系の絞りによって止められ、低次の回折光のみが投影光学系を通り抜けてウェハに到達する。
【0025】
周期的なパターンが光学部材上に描画されているため、回折光は離散的になる。また、光源が有限の大きさを持つため、各回折光の断面形状は光源の形状を反映した面積を持つ。1次回折光は、0次回折光の断面の中央からある一定の距離だけ離れた位置に到達する。
【0026】
ここで、ウェハ上に光学部材のパターン像が形成されるためには、2個以上の回折光を必要とする。その理由は、像のコントラストは複数の回折光の干渉により発生するからである。回折光の位置は周期によって定まり、投影光学系の瞳において、瞳の半径を1、開口数をNA、光の波長をλ、光学部材の倍率をMとすると、回折光間の距離は、
(1/p)・(Mλ/NA)
で表される。また、各回折光の大きさ、すなわち半径はNAillとなる。周期が十分に小さく、1次回折光が絞り(瞳)から外れる場合を考える。この場合、ウェハ上に転写される像にはコントラストが無く、光が当たった部分のレジストが一様に感光されるだけである。このような状態に該当する場合の周期の条件は、幾何学的考察により
p<Mλ/(NA+NAill) (1)
で表される。次に、周期pが上の状態よりも緩和され、1次回折光が少しでも絞りの内部に入る場合を考える。照明光の多くの部分から発した光は0次回折光しかウェハに到達しない。一般の露光装置の光学系においては、同一の点光源から発した光同士は干渉してウェハ上にコントラストを発生させ、異なる点光源から発した光同士は干渉しないことから、この0次回折光しかウェハに到達しないところの光源から発した光は干渉を起こさず、像の形成に寄与しない。しかし、わずかでも1次回折光が瞳を通過したところの光源から発した光は、同一光源から発した0次回折光と1次回折光との干渉によりコントラストを生じさせ、その結果ウェハ上にパターンが転写される。
【0027】
以上により、照明光学系の開口数NAill、レチクルの倍率M及び光の波長λが正確にわかっていれば、像のコントラストの有無から投影光学系の開口数NAが求められることが説明される。例えば周期p1のライン&スペースパターンの転写像にはコントラストがなく、p1をわずかに変えたp2の周期のライン&スペースパターンの転写像にコントラストがある場合(ここで、p1<p2)は、式(1)を用いてNAが次のように求められる。
【0028】
Mλ/p2−NAill<NA<Mλ/p1−NAill
これによって、従来のように2重露光の手間を必要とせず1回の露光でNAの測定が可能となり、また膜減りの観察等のように手間のかかる画像処理も必要なく、露光量の調節の微妙な調節も必要なくコントラストの解像の有無のみの観察によりNAを定量的に測定することができる。この測定は、露光装置を分解する必要なく、普段稼働しているそのままの状態を測定することができるので、比較的簡便かつ迅速に高精度の測定値を得ることができる。
【0029】
また、この測定値により露光の解像力や公称値とのずれが分かるので、投影光学系に修正を加えるか否かの判断が可能となる。また、シミュレーションにパラメータとして導入することによりデバイスパターンのプロセスマージン予測を精密に行うことが可能になる。
【0030】
また、上記条件におけるNAの誤差の範囲は、次式で表される。
【0031】
Mλ/p1−Mλ/p2 (2)
従って、測定誤差は、p1とp2の差を小さくすることができれば、いくらでも小さくできる。ここで、投影光学系のNAの値を測定する際に、少なくとも±0.01の精度で測定しなければならない。なぜなら、この程度の誤差が露光装置の光学系に存在すると、露光装置のパターン結像性能において無視できない影響が発生すると考えられるからである。
【0032】
従ってこの測定誤差から光学部材に必要とされる基本パターンの周期の刻み幅が上記式より逆算できる。露光波長の相違より、i線露光装置、KrF露光装置、ArF露光装置において、必要とされる刻み幅は0.0132μm以下、0.0120μm以下、0.090μm以下となる。この値は、実現可能と考えられるNAill、すなわち光源の大きさを規定する絞りの大きさ(σ値)を全て考慮して最も緩くなる場合を示す。従って、パターン周期の刻み幅、すなわちパターンピッチの増加分を0.090μm以下にしておけば、全ての露光装置に対して適用可能である。
【0033】
以上説明したように、パターン周期の刻み幅を0.090μm以下に設定したパターンを有する光学部材を用いることにより、誤差±0.01以下の精度で投影光学系のNAの測定が可能となる。
【0034】
また、光学部材の基本パターンが、2次元格子上に透光部又は遮光部を有する繰り返しパターンである場合には、2方向上に繰り返しパターンが形成されるため、2方向の開口数NAを同時に測定することが可能となる。このことは、基本パターンがライン&スペースパターンであり、かつライン幅方向の角度を少なくとも2種類に変えて配置されたパターンを有する光学部材を用いた場合にも同様の効果を奏する。さらにラインの長手方向の角度を3種類以上に変えて配置することにより、さらに多方向のNAの同時測定が可能となり、原理的には全ての向きのNAの測定が可能とである。
【0035】
また、2次元格子上のパターンを用いれば、1回の露光で直交する2方向のNAの大きさを測定できるため、検査の効率が向上する。さらに、2次元格子パターンであって縦方向と横方向のパターン周期を異なる値にした基本パターンを配置することにより、投影光学系の瞳の形状が円ではなく歪んだ形状をしている場合でも、角度の関数としてのNAの高精度の測定が可能となる。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【0037】
(第1実施形態)
図1〜図5は本発明の第1実施形態に係る露光装置のNA測定方法を説明するための図である。本実施形態においてはKrFエキシマレーザー露光装置(λ:0.248μm、NAill:0.45、公称NA:0.6)に対して本発明を適用した場合を示し、図1は本実施形態において用いられるレチクルの平面図であり、図1(a)はそのレチクルに用いられる基本パターンを示す図であり、図1(b)はレチクルの構成を示す図である。
【0038】
図1(a)に示すように、レチクルの基本パターンは遮光部1と透光部2からなる20μm角のライン&スペースパターンであり、寸法比は1:1である。このライン&スペースパターンは、矢印の方向がノッチの方向に合わせて配置される。このようなライン&スペースの基本パターンを図1(b)に示すようにウェハのノッチを下向きにして、ライン長方向を横向きに合わせ、レチクル(倍率M:4)上に11個配置する。
【0039】
レチクルに配置されたこれら11個の基本パターンは、それぞれ周期を変えている。図1(b)の左端に示す基本パターンの周期は0.904μmで、右へ向かうにつれて0.008μmずつ周期を増加させており、右端の基本パターンでは周期が0.984μmである。このようなパターンを描いたレチクルを、デフォーカスを少しずつ変えて露光を行う。
【0040】
このようなパターン露光により得られるレジストパターンの平面図を図2に示す。図2に示すように、レジストパターンは光学顕微鏡の暗視野照明での像を示している。縦に並んだ数値は、露光装置で設定したデフォーカス量を示し、横に並んだ数値はレチクル上のライン&スペースパターンの周期を示している。
【0041】
デフォーカスが0.0μmであるとは、露光装置の事前チェックの結果得られた、フォーカスチェックパターンにおけるベストフォーカスの位置を表している。ベストフォーカスは、気圧や気温の変化等で容易に変動するため、事前チェックを行って日々のベストフォーカスの値をあらかじめ求めている。さらに、実際の露光装置では、レンズの収差等の影響でベストフォーカス位置がパターンサイズや形状に依存して変わるため、図2のデフォーカス0.0μmの位置は必ずしも真のベストフォーカスとは限らない。
【0042】
図中、21に示した空白パターンとは、像のコントラストが現れていないこと、すなわち一様にレジストが残っているか、または一様に感光して無くなっていることを表す。逆に、22に示したライン&スペースパターンは、像のコントラストが現れていることを表し、従って、基本パターンであるライン&スペースパターンが形成される。
【0043】
今回得られたレジストパターンから判断したベストフォーカスは0.0μmであり、このとき、ライン&スペースパターン22は周期が0.952μm以上に限られ、0.944μm以下のパターンは見られない。
【0044】
次に、図2に示す露光結果からNAを算出する手法を露光原理に基づいて図3を用いて説明する。
【0045】
図3は本発明の露光原理を説明するための図であり、本発明の対象とする露光装置の全体構成を概略的に示す模式図である。光源からの光31はレチクル32,投影光学系の瞳33を介してウェハ34に入射する。光源からの光31がレチクル32を通過する際に、レチクル32に描画された微細パターンにより光は回折し、0次回折光35,1次回折光36,0次・1次回折光35,36よりもさらに高次の高次回折光37が生じる。
【0046】
これら種々の回折光35〜37は、高次回折光37の一部を除いて投影光学系の瞳33に入射する。すなわち、投影光学系のNAは有限であるため、回折光のうち高次回折光37の一部は投影光学系の瞳33によって止められ、低次の回折光35,36のみが投影光学系を通り抜けてウェハ34に到達する。レチクル32とウェハ34は投影光学系に関して共役の位置にあるため、ウェハ34上にはレチクル32に描画されたパターンが再現される。
【0047】
周期的なパターンがレチクル32上に描画されている場合は、回折光は離散的になる。離散的な回折光がウェハ34上に転写される様子を図4に示す。図4では、レチクル32に周期的なパターンとしてライン&スペースパターン41が描かれている場合を示す。
【0048】
このライン&スペースパターン41は、周期がp、透光部と遮光部の寸法比が1:1である。このレチクル32を通過した回折光は、0次回折光、±1次回折光、±2次回折光、±3次回折光、…が生じるが、0次回折光により0次回折パターン42が、±1次回折光により±1次回折パターン43が、±2次回折光により±1次回折パターン44が、±3次回折光により±3次回折パターン45がそれぞれライン&スペースパターン41のライン長方向の向きと直行する直線上に離散的に生じる。
【0049】
光源の大きさが点である場合には各回折光は点になるが、実際の露光装置では光源が有限の大きさ(開口数はNAillと表記する)を持つため、各回折光の形状はその大きさを反映した面積を持つ。0次回折光はレチクル32を通過して直進する成分で、一般には全ての回折光の中で最も強度が大きい。本実施形態で用いる露光装置は共軸光学系であるため、投影光学系の瞳33において0次回折パターン42の位置は中央になる。
【0050】
1次回折光は、その中央がライン&スペースパターンの向きに直交する直線上にあり、0次回折パターン42の中央からある一定の距離だけ離れた位置に到達する。回折光の符号は、投影光学系の瞳33の中心を対称の原点として、点対称の位置に2つの回折光が存在していることを表す。
【0051】
次に、図5を用いてレチクルパターンの像が形成されるための条件を説明する。図5は0次回折光及び1次回折光と瞳の位置関係を示す図であり、図5(a)はパターン像が形成されない場合を、図5(b)はパターン像が形成される場合を示す。図3に示すウェハ34上でレチクルパターンの像が形成されるためには、少なくとも2個以上の回折光を必要とする。その理由は、像のコントラストの発生は、複数の回折光の干渉により生じるためである。
【0052】
ライン&スペースパターンの回折光の位置はその周期pによって定まる。ここで、投影光学系の瞳33において、瞳の半径を1、開口数をNA、光の波長をλとすると、回折光間の距離は、
1/p・λ/NAで表される。また、各回折光の大きさ、すなわち回折光の半径はNAillとなる。
【0053】
ここで、図5により回折光の半径NAill、瞳の半径NA、レチクル上のパターンの周期pの各パラメータと、像コントラストの発生の関係について考える。図5(a)に示すように、周期が小さく
NA+NAill<λ/p1 (1)
の条件を満たすp1の場合、幾何学的考察により1次回折光36が投影光学系の瞳33の外に到達し、絞りにより遮られることが分かる。これに対して周期が充分大きく、
NA+NAill>λ/p2 (2)
の条件を満たすp2の場合、同様の考察で1次回折光36の一部分が投影光学系の瞳33の内側に到達し、瞳を通り抜けることが分かる。
【0054】
前述の通り、像コントラストが発生するためには少なくとも2個以上の回折光を必要とするところ、図5(a)に示すように1次回折光36が投影光学系の瞳33に入らない条件では、像コントラストが生ずることなくパターンが形成されない。
【0055】
これに対して図5(b)に示すように0次回折光35とともに1次回折光36がわずかでも投影光学系の瞳33に入る場合には、照明光の多くの部分から発した光は、0次回折光35しかウェハ34に到達しない。しかし、わずかながら同一点光源から発して0次及び1次回折光がともにウェハに到達するところの照明光成分が、レチクルに描かれているライン&スペースパターンと同じ縞々のコントラストを生じさせる。従ってウェハ34上にライン&スペースパターンが転写される。この微小なコントラストのある状態は、通常用いられているSEMでは観察し難いが、光学顕微鏡の暗視野照明を利用すれば容易に観察することができる。
【0056】
以上のことから、照明光学系の大きさNAillと、光の波長λが正確にわかっていれば、ライン&スペースパターンの像コントラストの有無から、投影光学系の開口数NAが容易に求められることが説明される。すなわち、(1)式と(2)式より
λ/p 2 −NAill<NA<λ/p 1 −NAill (3)
となる。ここで、p1<p2である。この条件を満たすNAが正確なNAとなり、真のNAの値はこの条件を満たしているから、p1とp2の差が小さければ小さいほど、NAをより精度良く測定できることになる。
【0057】
次に、基本パターンの周期の刻み幅、すなわち基本パターンの増加分を0.008μmに設定した理由を説明する。
【0058】
、上記条件におけるNAの誤差の範囲は、次式で表される。
【0059】
Mλ/p1−Mλ/p2 (2)
従って、測定誤差は、p1とp2の差を小さくすることができれば、いくらでも小さくできる。ここで、投影光学系のNAの値を測定する際に、少なくとも±0.01の精度で測定しなければならない。なぜなら、この程度の誤差が露光装置の光学系に存在すると、露光装置のパターン結像性能において無視できない影響が発生すると考えられるからである。
【0060】
従ってこの測定誤差から光学部材に必要とされる基本パターンの周期の刻み幅が上記式より逆算できる。露光波長の相違より、KrF露光装置において、必要とされる刻み幅は0.0120μm以下となる。この値は、実現可能と考えられるσ絞り、すなわち光源の大きさを規定する絞りの大きさ(σ値)を全て考慮して最も緩くなる場合を示す。従って、パターン周期の刻み幅、すなわちパターンピッチの増加分を0.0120μm以下にしておけば、全ての露光装置に対して適用可能である。
【0061】
以上説明したように、パターン周期の刻み幅を0.0120μm以下に設定したパターンを有する光学部材を用いることにより、±0.01以下の精度で投影光学系の開口数NAの測定が可能となる。
【0062】
なお、以上に示した(1)〜(3)式は、レチクルの倍率を考慮しない場合、すなわちレチクルが1倍の場合で説明したが、λをM倍することにより、上記の条件が同様に成立する。
【0063】
また、像の微妙なコントラストを転写するために、ベストフォーカスの状態で露光しなければならず、デフォーカスした状態では像のコントラスト低下により、1次回折光が投影光学系の瞳33に入っている場合でも入っていないと判断しかねない。従って、ベストフォーカスが時間とともに変化する事情に対応するため、実際に本実施形態を実施するためにはフォーカスの値を何種類か変えて露光し、その中でコントラストが生じる最小周期のパターンを判断基準としなければならない。
【0064】
以上に示した露光原理を本実施形態に適用して考えると、次のことが分かる。図2に示すように、ベストフォーカスの状態において、像コントラストの発生の境界におけるライン&スペースパターンの周期は、0.944μmと0.952μmである。すなわち、0.944μmのライン&スペースパターンでは、1次回折光36は全て投影光学系の瞳33の外側にあり、像コントラストが発生しない。従って、図5(a)に示した回折光の位置関係を考慮して
NA<Mλ/0.944−NAill=0.601
が成り立つ。一方、0.952μmのライン&スペースパターンでは、1次回折光36の一部分が瞳33の内側にあると考えられる。図5(b)に示した回折光の位置関係を考慮して、
NA>Mλ/0.952−NAill=0.592
が成り立つ。
【0065】
以上より、ノッチを下に見た場合の左右方向のNAは、
0.952<NA<0.601
であることがわかる。
【0066】
このように本実施形態によれば、露光装置の投影光学系のウェハ側の開口数を定量的に精密に測定することができる。従って、得られた開口数より、公称値とのずれを算出し、投影光学系に修正を加える必要があるか否かの判断が可能となる。
【0067】
(第2実施形態)
図6〜図9は本発明の第2実施形態に係る露光装置のNA測定方法を説明するための図である。KrFエキシマレーザー露光装置(λ:0.248μm、NAill:0.45、公称NA:0.6)に対して本発明を適用する場合を示す。なお、以下の実施形態では、第1実施形態と共通する部分についての詳細な説明は省略する。
【0068】
図6は本実施形態で用いられるレチクルの基本パターンを示す図である。図6に示した縦、横、右上左下対角、右下左上対角の4種のライン&スペースパターンが基本パターンとなる。また、これら4種類の方向を持つ基本パターンを、第1実施形態と同様にレチクル(M:4)上にそれぞれ周期を変えて配置する。周期を変えて配置されるレチクルの構成を図7に示す。図7に示すように、方向の異なる4種類の基本パターンが、それぞれ異なる周期で11個ごと配置される。この複数のライン&スペースパターンを描いたレチクルを、デフォーカス毎に転写位置を変えて露光を行う。
【0069】
このようなパターン露光により得られるレジストパターンの平面図を図8に示す。図8には各基本パターンのベストフォーカスの図を抽出したものであり、図2と同様のパターンが得られる。21に示した空白パターンは、像のコントラストが現れていないことを表し、逆に、ライン&スペースパターンは、像のコントラストが現れていることを表し、従って基本パターンであるライン&スペースパターンが形成される。
【0070】
レチクル上の周期パターンの向きを変えれば、それに応じて1次回折光の位置も変わる。従って、上で用いたライン&スペースパターンの任意の向きに向けて配置すれば、投影光学系の全ての向きの開口数が測定できる。これは、すなわち投影光学系の瞳の形状を測定することと同じ意味である。
【0071】
従って、本実施形態に示した露光結果から、ノッチを下に見た場合の右上左下対角方向のNAは、
0.592<NA<0.601
ノッチを下に見た場合の左右方向のNAの大きさは、
0.583<NA<0.592
ノッチを下に見た場合の右下左上対角方向のNAの大きさは、
9.592<NA<0.601
ノッチを下に見た場合の上下方向のNAの大きさは、
0.601<NA<0.610
であることがわかる。この投影光学系の瞳の形状を図9に示す。図9(a)は理想的な投影光学系の瞳の形状を、図9(b)は本実施形態の測定の結果得られた投影光学系の瞳の形状を示す。図9(a)に示すように、理想的な、すなわち公称の投影光学系の瞳の形状は、直径0.6μmの完全な円の形状をしているのに対し、本実施形態の測定の結果、実際の投影光学系の瞳は縦方向の直径が0.603μm、横方向の直径が0.593μmという上下に長い楕円形となっていることが分かる。
【0072】
このように本実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を奏するとともに、投影光学系のウェハ側の開口数NAを一方向のみならず多方向について同時に求められるため、瞳の形状の概形を知ることができる。
【0073】
(第3実施形態)
図10〜図13は本発明の第3実施形態に係る露光装置のNA測定方法を説明するための図である。KrFエキシマレーザー露光装置(NA:0.6、σ:0.75、公称NA:0.6)に対して本発明を適用する場合を示す。
【0074】
図10は本実施形態で用いられるレチクルの基本パターンを示す図である。この図10に示す基本パターンを、レチクル(M:4)上に配置する。この基本パターンは横方向と縦方向で異なる周期を持つ2次元周期パターンである。この周期の縦横比を保ったまま、サイズを変えたパターンを、第1実施形態と同様に周期を変えて配置する。周期を変えて配置されるレチクルの構成を図11に示す。
【0075】
図11に示すように、レチクル上に一列に異なる周期のパターンが配置される。数値は、縦と横のレチクル上の周期を表す。このようなパターンを描いたレチクルを、デフォーカス毎に転写位置を変えて露光を行う。フォーカスの値はベストフォーカス近辺で、デフォーカスの刻み幅を0.05μmとする。
【0076】
このようなパターン露光により得られるレジストパターンの平面図を図12に示す。図12に示すように、各周期の2次元周期パターンについて、図2と同様のパターンが得られる。図12は露光した結果得られたパターンを示す図である。
【0077】
ベストフォーカスである−0.15μmに着目すると、(k)から(h)までは縦横の格子パターン50が見えるが、それより周期の小さい(g)〜(d)では横のラインのみ現れており、ライン&スペースパターン22が見える。さらに周期の小さい(c)〜(a)では像のコントラストが見られず、空白パターン21となる。縦のラインが0.944μm周期以上では見え、0.936μm周期以下では見られなかったことから、ノッチを下にして横方向の開口数は次のように求められる。
【0078】
0.601<NA<0.610
同様に、横のラインが0.960μm周期以上では見え、0.952μm周期以下では見られなかったことから、ノッチを下にして縦方向の開口数は次のように求められる。
【0079】
0.583<NA<0.592
すなわち、この装置の投影光学系のウェハ側の開口数は、横に長く縦が短い楕円に近い形状をしていることが分かる。このウェハ側の開口数を図13に概略的に示す。
【0080】
このように、本実施形態では、第2実施形態と同様に縦方向と横方向のNAを測定できる。また、これら縦方向と横方向のNAを複数の方向を持つ周期パターンを配置することなく、1つの周期パターンから同時に測定できるため、第2実施形態のように複数の方向を持つ周期パターンを配置する必要が無く、簡便に測定することが可能となる。また、縦方向と横方向のパターン周期を変えて配置することにより、縦方向と横方向で開口数NAが異なる楕円形状をしている場合にも高精度のNAの測定が可能となる。
【0081】
(第4実施形態)
図14〜図16は本発明の第4実施形態に係る露光装置のNA測定方法を説明するための図である。KrFエキシマレーザー露光装置(NA:0.6、σ:0.75、公称NA:0.6)に対して本発明を適用する場合を示す。
【0082】
図14は本実施形態で用いられるレチクルのパターンを示す図である。図14に示すように、遮光部1と透光部2の比が1:1の市松格子の基本パターンがレチクル上に配置される。この基本パターンは縦と横で異なる周期を持つパターンである。この図14に示す市松格子の基本パターンを縦横比を保ったままサイズを変えたパターンを、第1実施形態と同様に周期を変えて配置する。
【0083】
このような市松格子のパターンを通過した回折光による回折パターンと投影光学系の瞳の模式図を図15に示す。図15に示すように、投影光学系の瞳33と同心円上に0次回折パターン42が現れ、この0次回折パターン42の中心から4方向に、かつこの0次回折パターン42を囲むように、1次回折パターン43が現れる。ノッチを矢印に示す下向きにした場合、1次回折光は斜めの4方向に現れる。また、0次回折光の中心と1次回折光の中心の間の距離は、ライン&スペースパターンの場合の√2倍になるという特徴がある。
【0084】
第1〜第3実施形態と同様に、周期を少しずつ変えたパターンをレチクル上に一列に並べて露光する。ベストフォーカス条件で得られたレジストパターンと、それぞれのパターンで使用した市松格子パターンの周期を図16に示す。像のコントラストが現れたのは1.332μm周期以上のパターンであった。またこの像のコントラストがなくなる直前まで、縦横のコントラストの現れかたの差は見られなかった。
【0085】
以上から言えることは、まず、右下左上対角方向の開口数と、右上左下対角方向の開口数に差がないことである。また、1.332μm周期の市松格子パターンのときにコントラストが見えたことより、
NA>√2Mλ/1.332−NAill=0.603
であり、また、1.328μm周期の市松格子パターンのときにコントラストが見えなかったことより、
NA<√2Mλ/1.328−NAill=0.606
以上から、この露光装置の投影光学系のウェハ側の開口数は、
0.603<NA<0.606
であることが分かる。すなわち、公称値より0.8%程度大きい。
【0086】
本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば露光装置としてKrF露光装置を用いる場合で示したが、i線露光装置やArF露光装置であっても同様に適用可能であることはもちろんである。このように露光装置を他の露光装置で置換して本発明を適用する場合には、露光波長の相違により、必要とされる基本パターンの周期の刻み幅が異なる。例えばi線露光装置の場合、0.0132μm以下、ArF露光装置の場合、0.090μm以下の刻み幅であれば、開口数NAを測定誤差±0.01以下で測定することができる。
【0087】
また、ライン&スペースパターンと2次元格子パターン等により実施形態を説明したが、任意の方向に異なる周期を持つ基本パターンが複数配置されているものであれば、これらパターン種には限定されない。また、2方向あるいは4方向のNAを測定する場合を示したが、基本パターンの周期的に並ぶ方向をさらに複数設定した光学部材を用いることにより、さらに多方向のNAを測定できることはもちろんである。
【0088】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、露光装置の投影光学系のウェハ側の開口数NAを露光装置を分解することなく定量的に精密かつ簡便に測定でき、得られた測定値に基づいて投影光学系に修正を加えるか否かの判断が可能となる
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る露光装置のNA測定方法に用いられるレチクルの平面図。
【図2】同実施形態におけるパターン露光により得られるレジストパターンの平面図。
【図3】本発明の露光原理を説明するための図。
【図4】離散的な回折光がウェハ上に転写される様子を示す図。
【図5】0次回折光及び1次回折光と瞳の位置関係を示す図。
【図6】本発明の第2実施形態に係る露光装置のNA測定方法に用いられるレチクルの平面図。
【図7】同実施形態において周期を変えて配置されるレチクルパターンを示す図。
【図8】同実施形態における露光により得られるレジストパターンの平面図。
【図9】同実施形態における瞳の形状を示す図。
【図10】本発明の第3実施形態に係る露光装置のNA測定方法に用いられるレチクルの平面図。
【図11】同実施形態において周期を変えて配置されるレチクルパターンを示す図。
【図12】同実施形態における露光により得られるレジストパターンの平面図。
【図13】本実施形態で検査された投影光学系のウェハ側の開口数を示す図。
【図14】本発明の第4実施形態に係る露光装置のNA測定方法に用いられるレチクルの平面図。
【図15】同実施形態における市松格子のパターンを通過した回折光による回折パターンと投影光学系の瞳の模式図。
【図16】同実施形態におけるレチクル上のパターンの周期及び露光により得られるレジストパターンの平面図。
【符号の説明】
1…遮光部
2…透光部
21…空白パターン
22…ライン&スペースパターン
31…光源からの光
32…レチクル
33…投影光学系の瞳
34…ウェハ
35…0次回折光
36…1次回折光
37…高次回折光
41…ライン&スペースパターン
42…0次回折パターン
43…±1次回折パターン
44…±2次回折パターン
45…±3次回折パターン
50…格子パターン
51…市松格子パターン
Claims (9)
- 光源から発せられる光を照明光学系により光学部材に導き、該光学部材の像を投影光学系によりウェハ上に結像せしめる露光装置に対して、投影光学系のウェハ側の実際の開口数NAを測定する露光装置のNA測定方法において、
前記光学部材の倍率をM、露光波長をλ、前記照明光学系の前記光学部材側の開口数をNAillとしたとき、少なくとも1方向に少なくとも2以上の周期を有する基本パターンが複数配置され、該基本パターンの周期の中に
p1<Mλ/(NA+NAill)<p2
を満たす周期p1とp2が含まれた前記光学部材をレチクル面に設置して前記ウェハに前記複数の基本パターンを露光し、該露光された転写パターンの解像の有無の境界におけるパターン周期を同定することによって、前記開口数NAを求めることを特徴とする露光装置のNA測定方法。 - 前記光学部材の基本パターンは、2次元格子上に透光部又は遮光部を有する繰り返しパターンであり、該2次元格子の縦軸及び横軸が直交する2方向上に前記繰り返しパターンが構成されてなることを特徴とする請求項1に記載の露光装置のNA測定方法。
- 前記光学部材は、前記2次元格子の縦軸及び横軸が前記ウェハのノッチ又はオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ直線に対して平行な方向又は垂直な方向に設定された繰り返しパターンを有することを特徴とする請求項2に記載の露光装置のNA測定方法。
- 前記光学部材は、前記2次元格子の縦軸及び横軸が前記ウェハのノッチ又はオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ直線に対して±45°の角度で交わる二つの直線に平行な方向に設定された繰り返しパターンを有することを特徴とする請求項2に記載の露光装置のNA測定方法。
- 前記光学部材の繰り返しパターンの2次元格子の縦軸方向及び横軸方向の繰り返し周期が異なることを特徴とする請求項2に記載の露光装置のNA測定方法。
- 前記光学部材の基本パターンはライン&スペースパターンであることを特徴とする請求項1に記載の露光装置のNA測定方法。
- 前記複数の基本パターンは、前記光学部材上にラインの長手方向の角度を少なくとも2種類以上に変えて配置されてなることを特徴とする請求項6に記載の露光装置のNA測定方法。
- 前記ラインの長手方向の角度は、前記ウェハのノッチまたはオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ直線に対して平行、直交または±45°の角度を持つことを特徴とする請求項6に記載の露光装置のNA測定方法。
- 所定の方向に所定の周期を有する基本パターンが複数配置されてなり、かつレチクルの倍率をMとすると、前記複数の基本パターンはそれぞれ0.009×Mμm以下の刻み幅でそれぞれ異なる周期を有していることを特徴とするNA測定用光学部材。
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