JP4055827B2 - リソグラフィ装置の放射線量決定方法、及び該方法実施用テストマスク及び装置 - Google Patents
リソグラフィ装置の放射線量決定方法、及び該方法実施用テストマスク及び装置 Download PDFInfo
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Description
本発明は、基板テーブルに設けられた基板上にパターンを形成する装置内の製造放射線量を測定する方法に関するものであり、この方法は、
放射感応層を有する基板を基板テーブルに設けるステップと、
少なくとも１つの基板テストマークを放射感応層に製造放射により付与するステップと、
基板テストマークを、基板アライメントマークを基準アライメントマークに対しアライメントさせる光学アライメント装置により検出するステップとを具え、
基板テストマークは、基準アライメントマークの周期に実効的に等しい周期を有するとともに照射ストリップと無照射ストリップの非対称分布を有する周期構造を有し、前記テストマークの検出ステップは、
最初に、基板テストマークを基準アライメントマークに対しアライメントさせるステップと、
次に、製造放射線量に依存する基板テストマークの非対称性を、アライメント装置により基板テストマークのオフセットとして検出するステップとからなる。
本発明は、この方法に使用するのに特に好適なテストマーク、及びこの方法を実行することができるパターン形成装置にも関するものである。
パターンの形成はここではこのようなパターン、例えばＩＣパターン、を放射感応層に付与することを意味する。これは、対応するマスクパターンを放射感応層に、投影システム、光学リソグラフィの場合には投影レンズ系、を用いて投影することにより実現することができる。マスクパターンの像は、マスクを放射感応層に数μmの距離に密接させ、このマスクを製造放射で照明することにより実現することもできる。また、放射感応層を所望のパターンに従って細いビームで走査することによりテストマークを放射感応層に直接書き込むこともできる。
製造放射は、放射線量測定のような検査測定及び試験の実行後に、ＩＣパターンのような所望のパターンを製造基板に付与するのに使用される放射である。製造放射は、ＩＣマスクパターンの像を基板上にステップ原理に従って、又はステップアンドスキャン原理に従って繰り返し形成する光学リソグラフィ装置に使用される電磁放射、例えば遠紫外線にすることができる。ステップ法では、ＩＣマスクパターンを基板上の第１ＩＣ区域に結像する。次に、基板をマスクパターンに対し移動させて、基板の第２ＩＣ区域をマスクパターンの下に位置させ、このパターンをこの区域に結像する。次に基板を再び移動させ、以下同様にして、マスクパターンの像を基板の全ＩＣ区域に形成する。ステップアンドスキャン法では、ＩＣパターンを１動作で結像しないで、例えば細い投影ビームを用いてビーム断面に対応するパターンの部分を結像するとともに、マスクパターンと基板をこのビームに対し移動させ、このビームがＩＣパターンを走査し、ＩＣパターンの完全な像を基板の第１区域に形成する。次に、基板を、第２ＩＣ区域がマスクパターンの下に位置するまで移動させ、走査結像のプロセスを繰り返し、以下同様にする。
製造放射は光ビームのみならず、電子ビーム又はイオンビームのような荷電粒子ビームにすることもでき、この場合には、適当な投影システムを用いて、又は用いないで、マスクパターンの像をこの放射に感応する層に形成することができる。即ち、このようなビームはこの層内に、光学的に検出可能な変化に変換することができる屈折率変化又は化学変化のような材料変化を生ぜしめる。
以上から明らかなように、投影システムは光学レンズ系にすることができるが、電子ビーム結像に使用される電子レンズ系のような異なるシステムにすることもできる。
論文"Latent Image Metrology for Production Wafer Steppers", SPIE, Vol. 2440, p.701, 1995に、頭書に記載したステップを具え、フォトリソグラフィ装置内の投影レンズ系の最適フォーカス設定を決定するとともに装置の他の種々のパラメータを決定する方法が開示されている。この論文においては、原理的に、得られた検出信号を最適露光線量を決定するのに使用しうる点に注意されたい。その理由は、固定のフォーカス設定における検出信号は露光線量の変化に応じて変化するためである。同時に、この目的のために最適テストマークがサーチされる点にも注意されたい。
前記論文に記載されているように、既知のマスクアライメントマークから取り出されるがここでは非対称にされるマスクテストマークを基板の光感応層に、製造プロセスにも使用される素子、即ち投影レンズ系及び投影ビームの形態の製造放射により結像する。この場合には、このテストマークの潜像、即ち未現像の像が装置内に存在する光学アライメント装置により検出される。
潜像検出の利点は、像を製造装置自体内で測定することができ、基板テストマークを有する基板を、例えば走査電子顕微鏡により検査するために装置から取り出す必要がない点にある。前記テストマークの使用の利点は、装置に別個の像検出装置を設ける必要がない点にある。
最適フォーカス設定を決定するのに最適なテストマークはアライメントマークに対応する透明及び不透明中間ストリップ構造を有するが、テストマークの透明ストリップは、部分的に透明であり、投影ビーム放射に対し交互に透明及び不透明の複数のサブストリップからなるストリップと置換する。
この方法では、アライメント装置が、２つの対称アライメントマークが互いにアライメントした状態において、２つの対称アライメントマークの一方の中心が他方の対称アライメントマークの中心と一致することを決定するとともに、この装置が、非対称基板テストマークが対称マスクアライメントマークに対しアライメントした状態において、非対称基板テストマークの中心が対称マスクアライメントマークの中心又は重心に対しオフセットすることを示すという事実を利用する。
原理的には、上述の非対称テストマークは露光線量を決定するのに使用することもできる。しかし、こうして得られる露光線量信号はかなり弱く、製造装置に使用するには好ましくない。本発明の目的は、上述の原理に基づく放射線量測定を最適化するとともに最適なテストマークを提供することにある。本発明方法は、基板テストマークが、周期毎に、少なくとも２つの異なるサブ製造放射線量により形成された少なくとも２つの照射ストリップを有することを特徴とする。
基板テストマークの各周期内に、無照射ストリップに加えて、異なる放射線量を受信した２以上の照射ストリップ（互いに隣接する又は隣接しない）が存在するため、このテストマークは非対称である。テストマークはアライメント装置の基準アライメントマークと実効的に同一の周期を有するため、このテストマークはこの装置により検出することができ、その非対称性を決定することができる。テストマークの周期と基準マークの周期が実効的に同一であることは、テストマークを基準マーク上に結像する倍率だけ増倍したテストマークの周期が基準マークの周期に等しいことを意味する。テストマークからの放射のうち、テストマークにより回折された一次放射のみを検出器に通す次数フィルタをアライメント装置内に使用することができる。アライメント装置は基準アライメントマークの周期により決まる周期を有する正弦波信号を出力する。テストマークの検出時に、このような正弦波信号の移相を測定する。この移相はテストマークの非対称性に依存する。
基板へのテストマークの付与に関するかぎり、本発明方法には種々の実施例が存在する。第１の実施例では、基板テストマークは、このマークを放射感応層に荷電粒子放射の細いビームで書き込むことにより形成することを特徴とする。
イオン、電子又はＸ線放射を製造放射として使用するリソグラフィ装置には、この目的のために、ＡＳＭリソグラフィ社がウエファステッパとして知られているリソグラフィ装置に使用しているような、光学アライメント装置が設けられている。荷電粒子放射によれば極めて微細なパターンを書き込むことができるため、この放射は基板テストマークを直接書き込むのにも好適である。この放射は基板上の感応層に局部的材料変化を生ぜしめ、この変化が屈折率変化のような光学的変化を生ずる。これらの変化のパターンは、このパターンと実効的に同一の周期を有する基準アライメントマークが設けられた光学アライメント装置により検出することができる。
本発明の第２の実施例では、基板テストマークは、少なくとも１つのマスクテストマーク及び１つのマスクアライメントマークが存在するマスクを結像することにより形成し、マスクアライメントマークは基準アライメントマークを構成し、マスクテストマークは製造放射に対し交互に透過性ストリップ及び非透過性中間ストリップを有するとともにマスクアライメントマークの周期に等しい周期を有する周期構造からなり、前記透過性ストリップは１／４周期以下の幅を有し、且つ前記マスクの結像は、マスクテストマークのｎ個のサブ像を、マスクと基板を順次のサブ像形成間にストリップと直交する方向に、放射感応層内の照射ストリップの幅に少なくとも等しい距離だけ相対的に移動させるながら、ｎ個の異なるサブ放射線量でそれぞれ形成することにより実行し、ｎは２以上の整数であることを特徴とする。
各放射線量測定において、比較的狭い透過性ストリップを有するマスクテストマークがｎ回結像されるため、マスクアライメントマークと同一周期を有するが受信放射分布に非対称を示す、従って材料変化に非対称性を示す基板テストマークが得られる。マスクテストマークの総合像に対する放射線量が変化すると、この非対称性が変化し、換言すれば基板テストマーク内の、例えば屈折率分布の重心が変位する。
この方法は、更に、マスクテストマークの結像のために、マスクを基板に近接配置し、マスクを製造放射で照射することができる。
この場合、マスクテストマークの等倍コピーが基板上の放射感応層に形成される。
この実施例は、マスクテストマークの結像に、マスクと基板との間に配置された投影システムを使用するようにすることもできる。
この場合には、マスクテストマークを基板の放射感応層に投影する。フォトリソグラフィでは、投影像を使用するのが好ましい。その理由は、この場合には製造マスクパターンの縮小像を形成することができるので、マスクパターンの細部を基板パターンの対応する細部より大きくすることができるからである。このようなマスクパターンは、等倍コピーを形成する１対１結像用に好適なマスクパターンより容易に且つ低コストに実現することができる。これはマスクテストマークにもあてはまること勿論である。
既に述べたように、アライメント装置が基板テストマークを検出する際、このマークの非対称性の変化は基準に対するこのマークのオフセットとして解釈される。この基準は、テストマークの検出前に、例えば基板とマスクを、マスク及び基板に予め存在するグローバルアライメントマークとアライメント装置とにより互いに精密のアライメントさせ、次にテストマークを、マスクテーブルに対する基板テーブルの移動を測定するために光学リソグラフィ装置内に予め存在する多軸干渉計システムにより精密な変位測定及び検査を実行しながら、アライメントビームに向け移動させることにより得られる。テストマーク像の検出位置と前記基準位置との比較により、テストマーク像の見かけの変位がアライメント信号のゼロオフセットの効果を得る。このゼロオフセットは製造放射線量に依存する。
本発明方法は潜像にのみならず、現像処理で位相構造に変換された現像像にも有利に使用することができる。現像像の検出は、０．２５μm程度の極めて細い線幅を有するＩＣマスク像を実現しうる遠紫外領域内の波長の照射に対し特に好適な光感応層を使用する際に特に重要である。
”潜像”は、放射のみにより得られる屈折率変化のような材料変化のパターンを含むのみならず、より強い材料変化が化学反応により発生し、より強い光学効果が発生するように放射後に加熱したこのようなパターンも含む。この加熱潜像を露光後ベーク（ＰＥＢ）像という。
基板テストマークをマスクテストマークの投影により得る本発明方法の好適実施例では、ｎ＝２とし、順次のサブ像形成間においてマスクと基板を基板テストマークの周期の１／４に等しい距離だけ相対的に移動させることを特徴とする。
この場合には、照射ストリップが無照射ストリップと同一の幅を有し、アライメントマークと同一の幾何形状を有するが、非対称の受信放射分布を有する基板テストマークが得られる。
この場合にはサブ像の数が最少になるとともに、放射線量測定に要する時間も最少になるが、測定は依然として十分に精密である。ｎは３、４、５等にすることもできる。ｎを増大すると、放射分布のより精密な調整が可能になり、より精密な測定値が得られるが、放射線量測定に要する間が増大する。
正しい放射線量を比較により決定可能にするために、本発明方法では、更に、同一のテストマークを基板上の異なる位置にｍ回付与し、ｍ個のテストマークの形成のために、各々ｎ個のサブ放射線量を有するｍ個の異なる放射線量を使用し、且つ正しい放射線量をｍ個の基板テストマークの非対称性を比較することにより決定することを特徴とする。
この方法は、更に、受信サブ放射線量間の比をｍ個の基板テストマークに対し一定にすることを特徴とする。
この場合、ｎ個のサブ放射線量をｍ個の像の放射線量の変化に従って変化させることができる。
或いは又、この方法においては、更に、ｍ個の基板テストマークに対するサブ放射線量の１つを変化させるが、他のサブ放射線量は一定にすることもできる。
テストマーク検出に関し、本発明方法は種々の実施例が存在する。この方法の第１の実施例では、放射感応層へのテストマークの付与後に、この層に形成された潜像をアライメント装置により検出することを特徴とする。
第２の実施例では、更に、放射感応層へのテストマークの付与後に、基板を基板テーブルから取り外し、現像した後に、再び基板テーブル上に配置し、その後に現像基板テストマークをアライメント装置により検出することを特徴とする。
このようにすると、大きな振幅を有する検出信号を得ることができる。
両実施例とも、基板テストマークが、これらのテストマークを形成した装置と同一又は類似の装置内で測定され、且つ測定を光学顕微鏡又は電子顕微鏡を使用する場合より遙に高速に実行することができる利点を有する。また、基板テストマーク第１装置内で付与し、これらのテストマークを同一タイプの第２装置内で検出することもできる。
テストマークに対する良好な基準信号が得られる本発明方法の実施例では、更に、放射感応層に、前記テストマークと、同一の幅の照射ストリップ及び無照射ストリップを交互に有するとともにテストマークの周期に等しい周期を有する周期構造を有する関連するアライメントマークとからなるダブルマークを設けることを特徴とする。
基準信号が取り出されるアライメントマークはテストマークに近接して位置するため、基準信号はテストマークから大きく離れて存在するアライメントマークから取り出される場合より遙に信頼できるものとなる。
マスクテストマークの投影により得られる基板テストマークを限定数の測定に使用するだけである場合には、本発明方法においては、更に、少なくとも１つのテストマークが設けられた製造マスクを使用することができる。
基板上のテストマーク像の位置の選択に大きな自由度を得るため及び従って測定の可能性に大きな自由度を得るために、本発明方法においては、更に、少なくとも１つのテストマークが設けられたテストマスクを使用することができる。
本発明は上述した方法用の新規なテストマスクにも関するものである。このテストマスクは、少なくとも１つのテストマークと、少なくとも１つのアライメントマークとを具え、アライメントマークとテストマークが製造ビーム照射に対し透過性のストリップと不透明の中間ストリップとを交互に有する周期構造を有し、両者の周期が等しいものにおいて、テストマークの透過性ストリップが最大で１／４周期の幅を有することを特徴とする。
前記アライメントマークは、投影すべき製造マスクのＩＣパターンの外部に存在する、該マスクの基板に対するアライメント用のグローバルアライメントマークにより形成することができる。このアライメントマークと、基板テーブルを規定の如く移動させる極めて精密な干渉計システムとを用いて、アライメントさせた状態でテストマークをアライメント装置の測定ビーム内に案内することができる。
しかし、テストマスクが、更に、前記のタイプの別のアライメントマークをテストマークに近接して具えている場合には、一層精密且つ高速のテストマーク検出を実現することができる。
ここで、近接とは、基板のレベルにおけるアライメントマークとテストマークとの間の距離がＩＣ区域の寸法より小さい、即ち投影リソグラフィの場合には、投影レンズのイメージフィールドの寸法の一部分であることを意味する。投影レンズが歪みを示す場合には、歪みは両マークの像に対しほぼ同一になる。
テストマスクは、更に、中心に加えて、少なくとも４隅にもテストマークを具えることを特徴とする。
このテストマスクは、基板上のＩＣ区域全域の放射の均一性を測定する可能性をもたらし、投影リソグラフィの場合には、投影レンズのイメージフィールド内の均一性を測定する可能性をもたらす。
テストマスクの他の実施例では、各テストマークが複数の部分を具える格子であり、１つの部分の格子ストリップの方向が他の部分の格子ストリップの方向と直交することを特徴とする。
このようなテストマスクの場合には、互いに直交する２方向に測定することができる。
他の特徴によよるテストマスクでは、更に、テストマークは、製造放射により形成されたその像が、製造マスクパターンを結像すべき２つの区域間に位置する基板上の中間区域に適合するサイズを有することを特徴とする。
短持続時間の放射線量測定に特に好適なテストマスクは、更に、テストマークのストリップの幅が構造周期の１／４に等しいことを特徴とする。
本発明は上述した本発明方法を実行する装置にも関するものである。本発明は、製造放射を供給する放射源ユニットと、基板テーブルと、基板マークを基準アライメントマークに対しアライメントさせる光学アライメント装置と、放射線量測定装置とを具える装置において、前記放射線量測定装置を前記アライメント装置により構成し、且つ前記放射線量測定装置は、各放射線量測定中に、基板テストマークと基板アライメントマークの両マークの像を検出するよう構成するとともに、前記放射線量測定装置に両マークの像の観測アライメント位置間の差を決定する手段を設けたことを特徴とする。
この装置は、更に、テストマスクを収納するマスクテーブルと、マスクテーブルと基板テーブルとの間に配置された投影システムとを具えることを特徴とする。
本発明のこれらの特徴及び他の特徴は以下に記載する実施例の説明から一層明らかになる。図面において、
図１はマスクパターンを基板上に繰り返し結像する光学装置の一実施例を線図的に示し、
図２はこのような装置に使用される既知のアライメントマークの一実施例を示し、
図３はこのような装置に使用される既知のアライメント装置の一実施例を示し、
図４は本発明による非対称テストマークの一実施例を示し、
図５は基板に形成されたこのテストマークの像を示し、
図６は使用露光線量の関数としての潜像検出信号の変化を示し、
図７はテストマスクの一実施例を示し、
図８はテストマーク及びこれと反対の非対称性を有する関連する基準マークを示し、
図９はＩＣのスクライブライン内に設けるのに好適なテストマークを示す。
図１はマスクパターンを基板上にステップ原理に従って繰り返し結像する装置の既知の一実施例を線図的に示す。この装置の主要な構成素子は、結像すべきマスクパターンＣを投影する投影コラム及び基板をマスクパターンＣに対し位置決めしうる可動基板テーブルＷＴである。
投影コラムは、例えばレーザＬＡ，ビームエクスパンダーＥx、投影ビームＰＢ内の光分布を一様にする積分器とも称される素子ＩＮと、コンデンサレンズＣＯとを具える照明系を収納する。投影ビームＰＢはマスクテーブルＭＴ上に配置されたマスクＭＡ内に存在するマスクパターンＣを照明する。
マスクパターンＣを通過したビームＰＢは投影コラム内に配置された投影レンズ系ＰＬ（線図的にのみ示す）を通過し、この投影レンズ系がパターンＣの像を基板Ｗ上に形成する。投影レンズ系は、例えば倍率Ｍ＝１／５又はＭ＝１／４、開口数ＮＡ＝０．６及び２２ｍｍの直径を有する回折制限イメージフィールドを有する。
基板Ｗは、例えばエアーベアリングにより支持された基板テーブルＷＴ上に配置される。投影レンズ系ＰＬと基板テーブルＷＴはハウジングＨＯ内に配置され、その底面は、例えば花崗岩製の底板ＢＰにより閉じられ、その上面はマスクテーブルＭＴにより閉じられている。
図１に示すように、マスクＭＡは、例えば２つのアライメントマークＭ1及びＭ2を具える。これらのマークは回折格子で構成するのが好ましいが、対称構造を有する他のマークで構成することもできる。これらのアライメントマークは２次元構造にするのが好ましく、即ちそれらの格子ストリップが互いに直交する２方向（図１のＸ及びＹ方向）に延在するものとするのが好ましい。基板Ｗ、例えばパターンＣを互いに隣接して次々に多数回結像する必要がある半導体基板は、複数のアライメントマーク（同様に２次元回折格子が好ましい）を具え、これらのアライメントマークのうちの２つＰ1及びＰ2が図１に示されている。マークＰ1及びＰ2はパターンＣの像を形成する必要がある製造基板Ｗの区域の外部に位置する。格子マークＰ1及びＰ2は位相格子として構成するのが好ましく、格子マークＭ1及びＭ2は振幅格子として構成するのが好ましい。
図２は２つの同一の基板位相格子の一つの一例を拡大して示す。この位相格子は４つのサブ格子を具え、そのうちの２つ、Ｐ1b及びＰ1d、がＸ方向のアライメントに使用され、他の２つ、Ｐ1a及びＰ1c、がＹ方向のアライメントに使用される。２つのサブ格子Ｐ1b及びＰ1cは、例えば１６μmの格子周期を有し、サブ格子Ｐ1a及びＰ1dは、例えば１７．６μmの格子周期を有する。各サブ格子は、例えば２００×２００μmの大きさにすることができる。この格子と、好適な光学系とによれば、原理的には０．１μm以下のアライメント精度を達成することができる。アライメント装置のキャプチャレンジを増大するように異なる格子周期が選択されている。
図３は製造マスクを製造基板に対し位置合わせするのに使用される装置の光学素子を示す。この装置は投影レンズ系ＰＬの光軸ＡＡ’に対し対称に配置された２つの個別の同一のアライメントシステムＡＳ1及びＡＳ2からなるダブルアライメント検出システムを具える。アライメントシステムＡＳ1はマスクアライメントマークＭ2と関連し、アライメントシステムＡＳ2はマスクアライメントマークＭ1と関連する。２つのアライメントシステムの対応する素子は同一の番号で示すが、システムＡＳ2の素子はプライム符号によりシステムＡＳ1の素子と区別している。
アライメントシステムＡＳ1の構造を以下に説明するとともに、マスクアライメントマークＭ2と例えば基板アライメントマークＰ1との相互位置をこのシステムにより決定する方法を以下に説明する。
アライメントシステムＡＳ1はアライメントビームｂを放出する光源１、例えばヘイリウム−ネオンレーザを具える。このビームはビームスプリッタ２により基板Ｗに向け反射される。ビームスプリッタは半透鏡又は半透過性プリズムで構成することができるが、λ／４板３（λはビームｂの波長）が後置された偏光分割プリズムで構成するのが好ましい。投影レンズ系ＰＬはビームｂを基板Ｗ上に１ｍｍ程度の直径を有する小さな光スポットＶに収束する。この基板はこのビームの一部分をビームｂ1としてマスクＭＡに向け反射する。このビームｂ1は投影レンズ系ＰＬを通過し、このレンズ系が光スポットＶをマスク上に結像する。基板を照明装置内に配置する前に、装置に結合されたプリアライメントステーション、例えば欧州特許出願０１６４１６５に開示されているようなステーション内において光スポットＶが基板マークＰ2上に位置するようにプリアライメントしておく。この場合このマークがビームｂ1によりマスクマークＭ2上に結像される。投影レンズ系の倍率Ｍを考慮に入れると、マスクマークＭ2の寸法が基板マークＰ2の寸法に適合し、両マークが互いに正しく位置するときはマークＰ2の像がマークＭ2と正確に一致する。
ビームｂ及びｂ1は基板Ｗへの及びからのその光路上でλ／４板３を２回通過し、このλ／４板は光源１により放出される直線偏光ビームｂの偏光方向に対し４５°の角度をなす光軸を有する。この場合、λ／４板を通過するビームｂ1はビームｂに対し９０°回転した偏光方向を有するため、ビームｂ1は偏光分割プリズム２を通過する。偏光分割プリズムとλ／４板の組合せの使用は、アライメントビームをアライメントシステムの光路に結合する際の光損失が最少になる利点をもたらす。
アライメントマークＭ2を通過したビームｂ1はプリズム１１により反射され、更に例えば他の反射プリズム１２により光感応検出器１３に向け反射される。この検出器は、例えば図２のサブ格子の数に従って４つの個別の光感応区域を有する複合フォトダイオードとする。これらの検出器の出力信号はマークＭ2と基板マークＰ2の像との一致の尺度である。これらの信号を電子的に処理して、駆動システム（図示せず）によりマスクを基板に対し、マークＰ2の像がマークＭ2と一致するように移動させるのに使用することができる。こうして自動アライメント装置が得られる。
例えば半透過性プリズムの形態のビームスプリッタ１４をプリズム１１と検出器１３との間に配置し、このプリズムでビームｂ1の一部分をビームｂ2として分割することができる。この分割ビームｂ2は、例えば２つのレンズ１５及び１６を経てモニタ（図示せず）に結合されたテレビジョンカメラ１７に入射し、そのモニタ上にアライメントマークＰ2及びＭ2を投影装置の使用者のために可視表示する。この場合、使用者は２つのマークが一致するかどうか確かめ、マニュピレータにより基板Ｗを移動させて両マークを一致させることができる。
マークＭ2及びＰ2につき述べたと同様にして、マークＭ1及びＰ2、及びマークＭ1及びＰ1を互いに整列させることができる。最後の２つのアライメントにはアライメントシステムＡＳ2を使用する。
これらのアライメントシステムによるアライメントプロシージャの詳細については米国特許４，７７８，２７５を参照されたい。この特許にも記載されているように、アライメントシステムＡＳ1及びＡＳ2はアライメントプロシージャ中のマスクに対する基板の変位を測定する極めて精密な２次元変位測定システムと極めて密接に協働する。この場合、アライメントマークＰ1及びＰ2、Ｍ1及びＭ2の位置及びそれらの相互間隔は変位測定システムにより決まる座標系内で固定することができる。図１にＩＦで示す変位測定システムは、例えば米国特許４，２５１，１６０に記載されている干渉計システムである。
投影レンズ系ＰＬは、所望の大きな分解能のためにできるだけ短くする必要があり、従ってアライメントビームの波長と大きく相違しうる投影ビームＰＢの波長に対し設計されるため、アライメントマークＰ1、Ｐ2及びＭ1、Ｍ2を互いの上に結像するためにこのレンズ系ＰＬを使用すると、偏差が発生しうる。この場合には、基板アライメントマークＰ1、Ｐ2がマスクアライメントマークが位置するマスクパターンの平面に結像されないでそこから所定の距離の位置に結像され、この距離は投影ビームの波長とアライメントビームの波長との差及び両波長に対する投影レンズ素子の材料の屈折率の差に依存する。例えば、投影ビームが２４８ｎｍの波長を有し、アライメントビームが６３３ｎｍの波長を有する場合、この距離は２ｎｍになりうる。更に、前記波長の差のために、基板アライメントマークがマスクアライメントマーク上に所望の倍率と相違する倍率で結像され、この偏差は波長の差の増大につれて増大する。
前記偏差を補正するために、追加のレンズ、又は補正レンズ２５を投影コラムＰＬ内に配置することができる。図３に示すものと異なり、この場合にはアライメントビームは投影レンズの上方で装置内に結合しないで、レンズホルダの窓を通し、くさびのような屈折素子により補正レンズの下及びそのすぐ近くで結合する。補正レンズは、一方では、補正レンズの平面における基板アライメントマークにより形成されたアライメントビームの種々の回折次数のサブビームがこれらのサブビームを個別に制御しうるように十分に離間され、他方ではこの補正レンズが投影ビーム及びこれにより形成されるマスク像に無視しうる影響を与えるように、投影コラム内に所定の高さに配置する。投影レンズは投影レンズ系の後焦点面に位置させるのが好ましい。このレンズ系が基板側でテレセントリック系である場合には、この焦点面はこのレンズ系の射出瞳の平面と一致する。図３に示すように、補正レンズ２５が、アライメントビームｂ及びｂ’の主光線が互いに交差する平面２４内に位置する場合には、このレンズを両アライメントビームの補正に同時に使用することができる。
補正レンズは、格子により回折された一次のサブビームの方向を、これらのサブビームの主光線がマスクアライメントマークＭ2の平面で互いに交差するように変化させる度を有する。更に、補正レンズは、マークＰ2により一次のサブビームより大きな角度に偏向された高次のサブビームがこのレンズを通らないように小さい直径にする。補正レンズは、更に、零次のサブビームｂ（0），b'（0）が補正レンズを通過しないようにする素子も具える。この素子はアライメントビームを投影レンズ系内に結合するのに使用するくさびにより構成することができる。これらの手段により、一次のサブビームのみを格子Ｐ2を格子Ｍ2上に結像するのに使用することが達成されるので、幾つかの追加の利点が得られる。
零次のサブビームを抑圧することにより、Ｐ2の像のコントラストを増大させることができる。これにより、アライメント装置が後述する潜像検出用に特に好適なものとなる。その理由は、潜像自体は比較的低いコントラストを有するためである。また、二次以上のサブビームが抑圧されるため、格子Ｐ2内の不規則性がアライメント信号に何の影響も与えない。一次のサブビームのみを使用すると、格子Ｐ2の第２高調波がそのまま結像される。換言すれば、投影レンズ系ＰＬの倍率Ｍは別にして、Ｐ2の像は格子Ｐ2の周期の１／２の周期を有する。格子Ｍ2の格子周期をＰ2の像の周期、即ち格子Ｐ2の格子周期のＭ／２倍に等しくすれば、格子Ｍ2とＰ2とのアライメント精度がフルビームｂを用いて像を形成する場合の２倍になる。
マスクアライメントマークＭ2を基板アライメントマークに対しアライメントするのに使用されるアライメントシステムＡＳ1について説明したので、マスクアライメントマークＭ1を基板アライメントマークに対しアライメントするのに使用されるアライメントシステムＡＳ2についてはこれ以上説明しない。システムＡＳ2はシステムＡＳ1と同様の素子を具え、同一の動作する。図３に既に示したように、システムＡＳ1及びシステムＡＳ2は補正レンズ２５を共通に有している。ダブルアライメント装置の代わりに、この投影装置は、例えばＵＳＰ４，２５１，１６０に記載されているような単一アライメント装置を具えるものとすることもできる。
投影装置は、更に、フォーカスサーボ装置を具え、このサーボ装置は製造マスクを製造基板上に繰り返し結像する間中投影レンズ系の像面と製造基板の平面との偏差を検出するフォーカスエラー検出装置を具える。このような偏差が発生すると、フォーカスエラー検出装置により供給される信号により、例えば投影レンズをその光軸に沿って変位させることによりフォーカシングを補正することができる。
基板テーブルのＸ及びＹ位置を極めて精密に決定するために、投影装置は、例えば２つのユニットからなる複合干渉計システムを具える。ユニットＩＦ1が１以上のビームをＹ方向に基板テーブルの反射側面に向け放射するとともに反射ビームを受信する。これによりテーブルのＸ位置を決定することができる。同様に、基板テーブルのＹ位置は第２干渉計ユニットにより検出することができる。干渉計システムはＵＳＰ４，２５１，１６０に記載されているように実現することができ、この場合には２ビームで動作する。この２軸干渉計システムの代わりに、ＵＳＰ４，７３７，８２３に記載されているような３軸システム又は欧州特許出願０４９８４９９に記載されているような多軸システムを使用することもできる。
基板テーブル位置検出装置又は干渉計システムを用いて、アライメントマークＰ1及びＰ2及びＭ1及びＭ2の位置及びそれらの相互間隔をアライメント中に干渉計システムにより決まる座標系内で固定することができる。この場合、投影装置の枠又はこの枠の一部分を基準にする必要がないので、例えば温度変化、機械的クリープ等によるこの枠の変化が測定結果に影響を与えることがない。
所定の厚さの光感応層では、この光感応層に形成されるＩＣマスクパターンの像のコントラストは、光感応層により吸収されこの層を活性化する光エネルギーの量に依存する。この層に供給されるエネルギーの量は放射源ＬＡ（図１）の放射パワーと、投影装置内に存在するシャッターの開放時間とに依存する。光感応層により吸収されるこのエネルギーの量は、一般に複数のサブ層からなるこの層の組成に依存し、例えば光感応層の厚さ及び反射係数に依存する。この反射係数が大きいと、この層内の光活性成分を活性化するのに有効なエネルギーが少なくなる。この層の光学的厚さ、即ちその物理的厚さとその屈折率との積によっても反射係数が決まる。投影装置によりマスクパターンの満足な像を形成可能にするには、露光線量及び従って光感応層により吸収されるエネルギーの量を満足に設定するとともに周期的に測定する必要がある。
この測定を実行するために、少なくとも１つのテストマークを有するマスクを投影装置内に設け、このテストマークを基板の光感応層に結像させる。このマスクは特別のテストマークとすることができる。しかし、テストマークは製造マスクのＩＣマスクパターンＣの外部に設けることもできる。
本発明では、テストマークＭ３は非対称パターンを有するものとし、その一例を図４に示す。このパターンＴＭは図４の右上部にＡＭで示すアライメントマークのパターンと相違し、光透過ストリップ３６は中間ストリップの幅ｄ2より小さい幅ｄ1を有する。図４の実施例では、幅ｄ1はテストマークの周期ＰＥの１／４に等しい。このパターンを基板上に、幅ｄ1と周期ＰＥとの比により決まる回数結像し、順次の結像間においてマスクと基板をストリップの幅方向に、例えば幅ｄ1に等しい距離だけ相対的に移動させるとともに、順次の像の形成に異なるサブ露光線量を用いる。図４の実施例では、２つの異なるサブ露光線量Ｅ１及びＥ２により２つの像を形成する。従って、光感応層に形成される総合像４０（図５）はアライメントマークと同一の幾何形状を有するが、アライメントマークのストリップ３５に対応するこの像内のストリップ４１は異なるサブ露光線量Ｅ１及びＥ２を受光した２つのサブストリップ４２及び４３からなる。従って、この像４０はアライメントマークに対し非対称性を示す。
Ｅ１がＥ２より大きい場合、Ｅ１及びＥ２が低い間はストリップ４２の材料がストリップ４３の材料より強く活性化されるため、屈折率変化のような材料変化の重心はストリップ４２に位置する。Ｅ１／Ｅ２＝一定の条件を維持したまま露光線量を増大させると、ストリップ４２の材料は飽和し、ストリップ４３の材料はまだ飽和しない状態になる。露光線量を更に増大させると、ストリップ４３の材料も飽和し、重心はストリップ４２と４３との間の中心に変位する。従って、露光線量は光感応層に形成されるテストマークの像内の屈折率分布の重心の位置に変換され、従ってこの像の見かけの変位に変換され、この変位はアライメント装置により検出することができる。
テストマークの光透過トリップ３６の幅は周期ＰＥの１／４の代わりに１／６、１／８等にすることもできる。この場合には、このテストマークの像をそれぞれ３回、４回等を形成する必要がある。順次のサブ像形成間の移動は、例えばストリップ３６の幅に常に等しくする。サブ像の数を増大すると、一方では、総合像内に一層細かいサブ分布が得られるため、測定を高感度で実行することができるが、他方では、総合像の形成に必要とされる時間が増大する。
サブ像形成間の移動はストリップ３６の幅に等しくする必要はなく、それより大きくすることもできる。この場合には、照射ストリップ３６間に非照明ストリップが位置する像が得られる。２以上のサブ露光により結像するとき、順次のサブ露光線量は増大する強度又は減少する強度を有するものとするが、異なる強度分布も可能である。サブ露光の強度分布、サブ露光の数及び照射ストリップ３６の位置は自由に選択することができる。形成される総合像の周期をアライメントマークの周期に等しくすることのみが重要である
テストマークの総合像を得るための順次のサブ露光間における基板に対するマスクの極めて精密な移動を実現するには、装置内に既に存在する極めて精密な干渉計システムを使用するのが有利である。
テストマークのすべてのストリップ３６は同一の縮小幅を有すること勿論である。原理的には、露光線量を決定するには一方向に測定する必要があるだけであり、テストマークは図４の格子部分Ｐ1,dのような線形格子で構成することができる。直交する２方向に測定するためにテストマークが図４の格子部分Ｐ1,a及びＰ1,dのような２つの線形格子を具える場合には、両格子部分のストリップを同一の縮小幅を有するものとする。４つの格子部分Ｐ1,a、Ｐ1,b、Ｐ1,c及びＰ1,dからなるテストマークを使用する場合には、すべての格子部分のすべてのストリップを同一の縮小幅を有するものとする。
２次元構造を有するテストマークを使用する場合には、サブ像形成間の移動をテストマークパターンに対し対角方向に変化させることができる。
アライメント装置の第１の機能は基板アライメントマークの位置をマスクアライメントマークに対し固定することにある。投影レンズ系の倍率及び一次絞りの存在（もしあれば）を考慮すると、これらのアライメントマークが同一の周期構造を有し、且つこれらのアライメントマークが互いに満足にアライメントしている場合には、アライメント検出器１３、１３’により供給される信号は、例えば最少になる。図４のテストマークの潜像のような基板マークが非対称構造を有する場合には、このマークはもはやマスクマークと合致しないため、この基板マークがマスクマークに対し正しくアライメントしても、アライメント信号はもはや最少にならない。この潜像の非対称性が、アライメント装置によりその基準マーク、従ってアライメントマークに対するこの像のオフセットとして解釈される。非対称のためにアライメント信号又は潜像検出信号が一般にオフセットというゼロオフセットを受ける。
非対称の程度、従ってアライメント信号のオフセットは露光線量に依存することが確かめられた。図６から明らかなように、低線量では、このオフセットが大きく、高線量ではこのオフセットが低い。この図には、オフセットＯＡの値（ｎｍ単位）が所定の投影装置及び所定の基板に対する露光線量Ｅ１（ｍｊ／ｃｍ単位）の関数として示されている。
図６の曲線は、光透過ストリップの幅が周期の１／４であるテストマークを２つの露光ステップにおいてそれぞれ露光線量Ｅ１及びＥ２で結像した場合（比Ｅ１／Ｅ２は一定）に相当する。Ｅ１，Ｅ２に対し与えられる値はそれぞれ比Ｅ１／Ｅ２＝一定の条件を満足する。
しかし、Ｅ２を一定に維持し、Ｅ１のみを変化させることもできる。
３以上のサブ像を使用する場合には、これらのサブ露光線量間の比を一定に維持することができ、また１つのサブ露光の線量を一定に維持し、他のサブ露光の線量を総合露光線量の変化に従って変化させることができる。
極めて多数の素子を有するＩＣの製造においては、投影ビームは極めて短い波長、例えば２４０ｎｍ程度の波長を有する必要がある。このような波長を有する放射は遠紫外線と称されている。遠紫外線用レジストとして既知の特殊のフォトレジストが開発されており、これらのフォトレジストは、例えば３６５ｎｍのような長波長の投影ビーム光に対し使用される慣例のフォトレジストと異なる組成を有する。遠紫外線用レジスト層に満足な潜像を得るには、このようなフォトレジストを照明後に加熱して、所望の屈折率の差、従って光学距離の差がフォトレジストに一層強い程度に発生しうるようにするのが好ましい。この処理は”露光後ベーク”（ＰＢＥ）として既知であり、得られる像（まだ潜像である）はＰＥＢ像として知られている。本発明の方法はこのようなＰＥＢ像に対し使用することもできる。
本発明は、基板を照明後に投影装置から取り出し、現像して照明による屈折率変化を高低プロファイル、従って位相構造に変換し、次にこれを装置内に再び配置することにより得られるテストマーク像にも使用することができ、かかる後にテストマーク像を検出し、検査することができる。この場合には、テストマーク像を、この像を形成したのと同一の装置内で測定することができる利点が維持される。この処理は、例えば光学顕微鏡又は電子顕微鏡を用いる慣例の測定処理より遙に高速である。現像テストマーク像を測定する場合には、潜像テストマークを測定する場合に得られる信号より大きな振幅を有する検出信号が得られる。現像テストマーク像の測定は、遠紫外線用レジストを使用する場合に特に重要である。
テストマーク像の非対称度を検出する前に、この像を、最初に、アライメント装置内に正しく位置させる、即ちアライメントさせる必要がある。マスク内のテストマークの位置が既知である場合には、マスク内のグローバルアライメントマークＭ1，Ｍ2及び基板内のグローバルアライメントマーク及びＰ1，Ｐ2をこのアライメントに使用することができる。マスクと基板をこれらのマークを用いて図３につき述べたように互いにアライメントさせた後に、テストマークをフォトレジスト層に結像する。次に、基板テーブルを極めて精密な干渉計システムの制御の下で、アライメント状態で形成された（潜像又は現像された）テストマーク像がマスクのグローバルアライメントマークの下方に位置するように移動させる。
しかし、テストマークの例えば潜像をアライメントさせるには、テストマークに近接して位置するテストマークと関連する追加のアライメントマークを使用するのが好ましい。この追加のアライメントマークをテストマークと同時に結像して、テストマークの潜像のみならず追加のアライメントマークの潜像（潜在アライメントマーク）もフォトレジスト層に形成する。この潜在アライメントマークをマスク内の関連する追加のアライメントマークに対しアライメントさせた後に、基板テーブルを１ｍｍ程度の小距離に亘って移動させてテストマークの潜像を前記追加のアライメントマークに対し正しく位置させればよい。この処理も現像された又はＰＥＢテストマーク像とアライメントマーク像を用いて実行することができること勿論である。
図７はテストマークＴＭに近接して追加のアライメントマークＡＭが設けられたテストマスクＴＭＡを示す。これらのマークは例えばマスクの中心部ＣＥに設ける。
潜像検出信号ＡＯＳの所定値、従ってアライメント信号のオフセットＡＯの所定値が各露光線量と関連することを定期的測定に利用し、必要に応じ、製造投影プロセス中の露光線量を補正する。この目的のために、マスクパターンのテスト像を異なる露光線量でフォトレジスト層に形成し、このレジスト層を現像し、この像をＳＥＭにより検出することにより慣例の方法で得られる最適露光線量を基準として用いる。この場合、アライメント信号のどのオフセットＡＯが最適露光線量と関連するか確かめることができる。製造投影プロセス中に、このオフセットが達成されたか否かを規則正しい瞬時に検査することができる。達成されない場合には、露光線量を既知のように調整することができる。
特に潜像検出信号が小さい場合に露光線量のもっと高信頼度の測定を得るには、慣例のテスト像測定においてＳＥＭにより得られたデータから種々の露光線量及び像内の関連する線幅のテーブルを作成し、投影装置の信号処理ユニット内に記憶することができる。このようなテーブルを使用すれば、潜像検出により得られたオフセット値に露光線量を割り当て、所望の露光線量に対する偏差を決定することができる。
潜像検出の利点の一つは、これらの像を形成した装置内でこれらの像を測定する点にある。この利点は、フォトレジスト付き基板をテストマークの像の形成後に現像し、再び投影装置内に配置して現像した像をアライメント装置により測定するする場合にも維持される。このプロセスは、一方では、慣例の測定プロセスより高速であり、他方では、純粋な潜像からの信号より大きい振幅を有する検出信号を供給する。
テストマーク像を第１装置で形成し、その潜像又は現像した像を第２の同様の装置により検出することもできる。
テストマーク用の基準マークは上述した追加の対称アライメントマークのみならず、テストマークの非対称性と反対の非対称性を有する非対称マークにすることもできる。図８は基板に形成されたこのような基準マークＲＭ及び関連するテストマークＴＭを示す。図に線影を付して示すように照射ストリップ４１及び４１ａがそれぞれ２つのサブストリップ４２ａ，４３ａ及び４２，４３からなる場合には、基準マークのストリップ構造はテストマークのストリップ構造のＹ軸に対し鏡面対称構造である。像検出において、これらの各マークを最初に対称アライメントマーク、例えばグローバルアライメントマークに対しアライメントし、次にアライメント信号のオフセットを各マークに対し決定する。２つの非対称マークの検出信号を減算することにより、テストマークの非対称による変化がテストマークのみを非対称にする場合より、原理的に２倍大きい信号が得られる。テストマークが１周期につき３以上の照射サブストリップを有する場合にも、非対称基準マークを使用することができる。
図９は基板のスクライブラインに結像するのが特に好適なテストマークの例を示す。このマークは方形の代わりに細長形状であり、Ｙ方向よりＸ方向に又はその逆に大寸法を有する。基板テストマークは、例えば長さ２２０μm及び幅８０μmにして、この像がスクライブラインに満足に合致するようにする。１／５縮小の投影では、マスクテストマークを５倍の大きさにする。
二次元テストマークをこのマークがスクライブラインに合致するように実現することもできる。
以上、本発明を光学投影装置に適用した場合について説明した。しかし、本発明は、基板上のマスクパターンの像を投影によらずに接触転写又は近接結像により得る光学リソグラフィ装置に使用することもできる。この場合には、投影レンズを使用せず、マスクを基板上に置き、又は密接させ、このマスクを原理的には平行な幅広ビームにより照明する。本発明を使用可能にするためには、このような装置に上述したような光学アライメント装置を設ける必要がある。電磁放射ではなく荷電粒子放射（電子、イオン又はＸ線放射）をマスクパターンの結像に使用するリソグラフィ装置にも、上述したような光学アライメント装置を付加すれば、本発明を使用することができる。この場合にも像形成は接触転写、近接印刷又は投影により実現することができる。後者の場合には、適応した投影系、例えば電子レンズ系、を使用する必要があること勿論である。これらのすべての場合において、マスクアライメントマークを基準アライメントマークとして使用する。本発明を、所望のパターンを基板に直接書き込み、マスクを使用しないリソグラフィ装置にも使用することができる。このタイプの装置では、主として荷電粒子放射が使用されている。本発明を使用する場合には、テストマークも基板に直接書き込み、上述の光学アライメント装置を付加して基板テストマークを検出する。この場合には、基準アライメントマークをアライメント装置に組み込む。
本発明は集積回路を製造するためにマスクパターンを基板上に繰り返し結像する及び／又は走査する装置に使用する場合について説明した。このような装置は集積光学装置又はプレーナ光学装置、磁気ドメインメモリ用の導波及び検出パターン又は液晶ディスプレイパネルの構造を製造するのに使用することもできる。本発明は主としてこれらの装置に使用するが、これらに限定されない。本発明は、一般に、所定のパネルを精密に規定された放射線量を用いて形成する必要がある装置に使用することができる。
放射感応層を有する基板を基板テーブルに設けるステップと、
少なくとも１つの基板テストマークを放射感応層に製造放射により付与するステップと、
基板テストマークを、基板アライメントマークを基準アライメントマークに対しアライメントさせる光学アライメント装置により検出するステップとを具え、
基板テストマークは、基準アライメントマークの周期に実効的に等しい周期を有するとともに照射ストリップと無照射ストリップの非対称分布を有する周期構造を有し、前記テストマークの検出ステップは、
最初に、基板テストマークを基準アライメントマークに対しアライメントさせるステップと、
次に、製造放射線量に依存する基板テストマークの非対称性を、アライメント装置により基板テストマークのオフセットとして検出するステップとからなる。
本発明は、この方法に使用するのに特に好適なテストマーク、及びこの方法を実行することができるパターン形成装置にも関するものである。
パターンの形成はここではこのようなパターン、例えばＩＣパターン、を放射感応層に付与することを意味する。これは、対応するマスクパターンを放射感応層に、投影システム、光学リソグラフィの場合には投影レンズ系、を用いて投影することにより実現することができる。マスクパターンの像は、マスクを放射感応層に数μmの距離に密接させ、このマスクを製造放射で照明することにより実現することもできる。また、放射感応層を所望のパターンに従って細いビームで走査することによりテストマークを放射感応層に直接書き込むこともできる。
製造放射は、放射線量測定のような検査測定及び試験の実行後に、ＩＣパターンのような所望のパターンを製造基板に付与するのに使用される放射である。製造放射は、ＩＣマスクパターンの像を基板上にステップ原理に従って、又はステップアンドスキャン原理に従って繰り返し形成する光学リソグラフィ装置に使用される電磁放射、例えば遠紫外線にすることができる。ステップ法では、ＩＣマスクパターンを基板上の第１ＩＣ区域に結像する。次に、基板をマスクパターンに対し移動させて、基板の第２ＩＣ区域をマスクパターンの下に位置させ、このパターンをこの区域に結像する。次に基板を再び移動させ、以下同様にして、マスクパターンの像を基板の全ＩＣ区域に形成する。ステップアンドスキャン法では、ＩＣパターンを１動作で結像しないで、例えば細い投影ビームを用いてビーム断面に対応するパターンの部分を結像するとともに、マスクパターンと基板をこのビームに対し移動させ、このビームがＩＣパターンを走査し、ＩＣパターンの完全な像を基板の第１区域に形成する。次に、基板を、第２ＩＣ区域がマスクパターンの下に位置するまで移動させ、走査結像のプロセスを繰り返し、以下同様にする。
製造放射は光ビームのみならず、電子ビーム又はイオンビームのような荷電粒子ビームにすることもでき、この場合には、適当な投影システムを用いて、又は用いないで、マスクパターンの像をこの放射に感応する層に形成することができる。即ち、このようなビームはこの層内に、光学的に検出可能な変化に変換することができる屈折率変化又は化学変化のような材料変化を生ぜしめる。
以上から明らかなように、投影システムは光学レンズ系にすることができるが、電子ビーム結像に使用される電子レンズ系のような異なるシステムにすることもできる。
論文"Latent Image Metrology for Production Wafer Steppers", SPIE, Vol. 2440, p.701, 1995に、頭書に記載したステップを具え、フォトリソグラフィ装置内の投影レンズ系の最適フォーカス設定を決定するとともに装置の他の種々のパラメータを決定する方法が開示されている。この論文においては、原理的に、得られた検出信号を最適露光線量を決定するのに使用しうる点に注意されたい。その理由は、固定のフォーカス設定における検出信号は露光線量の変化に応じて変化するためである。同時に、この目的のために最適テストマークがサーチされる点にも注意されたい。
前記論文に記載されているように、既知のマスクアライメントマークから取り出されるがここでは非対称にされるマスクテストマークを基板の光感応層に、製造プロセスにも使用される素子、即ち投影レンズ系及び投影ビームの形態の製造放射により結像する。この場合には、このテストマークの潜像、即ち未現像の像が装置内に存在する光学アライメント装置により検出される。
潜像検出の利点は、像を製造装置自体内で測定することができ、基板テストマークを有する基板を、例えば走査電子顕微鏡により検査するために装置から取り出す必要がない点にある。前記テストマークの使用の利点は、装置に別個の像検出装置を設ける必要がない点にある。
最適フォーカス設定を決定するのに最適なテストマークはアライメントマークに対応する透明及び不透明中間ストリップ構造を有するが、テストマークの透明ストリップは、部分的に透明であり、投影ビーム放射に対し交互に透明及び不透明の複数のサブストリップからなるストリップと置換する。
この方法では、アライメント装置が、２つの対称アライメントマークが互いにアライメントした状態において、２つの対称アライメントマークの一方の中心が他方の対称アライメントマークの中心と一致することを決定するとともに、この装置が、非対称基板テストマークが対称マスクアライメントマークに対しアライメントした状態において、非対称基板テストマークの中心が対称マスクアライメントマークの中心又は重心に対しオフセットすることを示すという事実を利用する。
原理的には、上述の非対称テストマークは露光線量を決定するのに使用することもできる。しかし、こうして得られる露光線量信号はかなり弱く、製造装置に使用するには好ましくない。本発明の目的は、上述の原理に基づく放射線量測定を最適化するとともに最適なテストマークを提供することにある。本発明方法は、基板テストマークが、周期毎に、少なくとも２つの異なるサブ製造放射線量により形成された少なくとも２つの照射ストリップを有することを特徴とする。
基板テストマークの各周期内に、無照射ストリップに加えて、異なる放射線量を受信した２以上の照射ストリップ（互いに隣接する又は隣接しない）が存在するため、このテストマークは非対称である。テストマークはアライメント装置の基準アライメントマークと実効的に同一の周期を有するため、このテストマークはこの装置により検出することができ、その非対称性を決定することができる。テストマークの周期と基準マークの周期が実効的に同一であることは、テストマークを基準マーク上に結像する倍率だけ増倍したテストマークの周期が基準マークの周期に等しいことを意味する。テストマークからの放射のうち、テストマークにより回折された一次放射のみを検出器に通す次数フィルタをアライメント装置内に使用することができる。アライメント装置は基準アライメントマークの周期により決まる周期を有する正弦波信号を出力する。テストマークの検出時に、このような正弦波信号の移相を測定する。この移相はテストマークの非対称性に依存する。
基板へのテストマークの付与に関するかぎり、本発明方法には種々の実施例が存在する。第１の実施例では、基板テストマークは、このマークを放射感応層に荷電粒子放射の細いビームで書き込むことにより形成することを特徴とする。
イオン、電子又はＸ線放射を製造放射として使用するリソグラフィ装置には、この目的のために、ＡＳＭリソグラフィ社がウエファステッパとして知られているリソグラフィ装置に使用しているような、光学アライメント装置が設けられている。荷電粒子放射によれば極めて微細なパターンを書き込むことができるため、この放射は基板テストマークを直接書き込むのにも好適である。この放射は基板上の感応層に局部的材料変化を生ぜしめ、この変化が屈折率変化のような光学的変化を生ずる。これらの変化のパターンは、このパターンと実効的に同一の周期を有する基準アライメントマークが設けられた光学アライメント装置により検出することができる。
本発明の第２の実施例では、基板テストマークは、少なくとも１つのマスクテストマーク及び１つのマスクアライメントマークが存在するマスクを結像することにより形成し、マスクアライメントマークは基準アライメントマークを構成し、マスクテストマークは製造放射に対し交互に透過性ストリップ及び非透過性中間ストリップを有するとともにマスクアライメントマークの周期に等しい周期を有する周期構造からなり、前記透過性ストリップは１／４周期以下の幅を有し、且つ前記マスクの結像は、マスクテストマークのｎ個のサブ像を、マスクと基板を順次のサブ像形成間にストリップと直交する方向に、放射感応層内の照射ストリップの幅に少なくとも等しい距離だけ相対的に移動させるながら、ｎ個の異なるサブ放射線量でそれぞれ形成することにより実行し、ｎは２以上の整数であることを特徴とする。
各放射線量測定において、比較的狭い透過性ストリップを有するマスクテストマークがｎ回結像されるため、マスクアライメントマークと同一周期を有するが受信放射分布に非対称を示す、従って材料変化に非対称性を示す基板テストマークが得られる。マスクテストマークの総合像に対する放射線量が変化すると、この非対称性が変化し、換言すれば基板テストマーク内の、例えば屈折率分布の重心が変位する。
この方法は、更に、マスクテストマークの結像のために、マスクを基板に近接配置し、マスクを製造放射で照射することができる。
この場合、マスクテストマークの等倍コピーが基板上の放射感応層に形成される。
この実施例は、マスクテストマークの結像に、マスクと基板との間に配置された投影システムを使用するようにすることもできる。
この場合には、マスクテストマークを基板の放射感応層に投影する。フォトリソグラフィでは、投影像を使用するのが好ましい。その理由は、この場合には製造マスクパターンの縮小像を形成することができるので、マスクパターンの細部を基板パターンの対応する細部より大きくすることができるからである。このようなマスクパターンは、等倍コピーを形成する１対１結像用に好適なマスクパターンより容易に且つ低コストに実現することができる。これはマスクテストマークにもあてはまること勿論である。
既に述べたように、アライメント装置が基板テストマークを検出する際、このマークの非対称性の変化は基準に対するこのマークのオフセットとして解釈される。この基準は、テストマークの検出前に、例えば基板とマスクを、マスク及び基板に予め存在するグローバルアライメントマークとアライメント装置とにより互いに精密のアライメントさせ、次にテストマークを、マスクテーブルに対する基板テーブルの移動を測定するために光学リソグラフィ装置内に予め存在する多軸干渉計システムにより精密な変位測定及び検査を実行しながら、アライメントビームに向け移動させることにより得られる。テストマーク像の検出位置と前記基準位置との比較により、テストマーク像の見かけの変位がアライメント信号のゼロオフセットの効果を得る。このゼロオフセットは製造放射線量に依存する。
本発明方法は潜像にのみならず、現像処理で位相構造に変換された現像像にも有利に使用することができる。現像像の検出は、０．２５μm程度の極めて細い線幅を有するＩＣマスク像を実現しうる遠紫外領域内の波長の照射に対し特に好適な光感応層を使用する際に特に重要である。
”潜像”は、放射のみにより得られる屈折率変化のような材料変化のパターンを含むのみならず、より強い材料変化が化学反応により発生し、より強い光学効果が発生するように放射後に加熱したこのようなパターンも含む。この加熱潜像を露光後ベーク（ＰＥＢ）像という。
基板テストマークをマスクテストマークの投影により得る本発明方法の好適実施例では、ｎ＝２とし、順次のサブ像形成間においてマスクと基板を基板テストマークの周期の１／４に等しい距離だけ相対的に移動させることを特徴とする。
この場合には、照射ストリップが無照射ストリップと同一の幅を有し、アライメントマークと同一の幾何形状を有するが、非対称の受信放射分布を有する基板テストマークが得られる。
この場合にはサブ像の数が最少になるとともに、放射線量測定に要する時間も最少になるが、測定は依然として十分に精密である。ｎは３、４、５等にすることもできる。ｎを増大すると、放射分布のより精密な調整が可能になり、より精密な測定値が得られるが、放射線量測定に要する間が増大する。
正しい放射線量を比較により決定可能にするために、本発明方法では、更に、同一のテストマークを基板上の異なる位置にｍ回付与し、ｍ個のテストマークの形成のために、各々ｎ個のサブ放射線量を有するｍ個の異なる放射線量を使用し、且つ正しい放射線量をｍ個の基板テストマークの非対称性を比較することにより決定することを特徴とする。
この方法は、更に、受信サブ放射線量間の比をｍ個の基板テストマークに対し一定にすることを特徴とする。
この場合、ｎ個のサブ放射線量をｍ個の像の放射線量の変化に従って変化させることができる。
或いは又、この方法においては、更に、ｍ個の基板テストマークに対するサブ放射線量の１つを変化させるが、他のサブ放射線量は一定にすることもできる。
テストマーク検出に関し、本発明方法は種々の実施例が存在する。この方法の第１の実施例では、放射感応層へのテストマークの付与後に、この層に形成された潜像をアライメント装置により検出することを特徴とする。
第２の実施例では、更に、放射感応層へのテストマークの付与後に、基板を基板テーブルから取り外し、現像した後に、再び基板テーブル上に配置し、その後に現像基板テストマークをアライメント装置により検出することを特徴とする。
このようにすると、大きな振幅を有する検出信号を得ることができる。
両実施例とも、基板テストマークが、これらのテストマークを形成した装置と同一又は類似の装置内で測定され、且つ測定を光学顕微鏡又は電子顕微鏡を使用する場合より遙に高速に実行することができる利点を有する。また、基板テストマーク第１装置内で付与し、これらのテストマークを同一タイプの第２装置内で検出することもできる。
テストマークに対する良好な基準信号が得られる本発明方法の実施例では、更に、放射感応層に、前記テストマークと、同一の幅の照射ストリップ及び無照射ストリップを交互に有するとともにテストマークの周期に等しい周期を有する周期構造を有する関連するアライメントマークとからなるダブルマークを設けることを特徴とする。
基準信号が取り出されるアライメントマークはテストマークに近接して位置するため、基準信号はテストマークから大きく離れて存在するアライメントマークから取り出される場合より遙に信頼できるものとなる。
マスクテストマークの投影により得られる基板テストマークを限定数の測定に使用するだけである場合には、本発明方法においては、更に、少なくとも１つのテストマークが設けられた製造マスクを使用することができる。
基板上のテストマーク像の位置の選択に大きな自由度を得るため及び従って測定の可能性に大きな自由度を得るために、本発明方法においては、更に、少なくとも１つのテストマークが設けられたテストマスクを使用することができる。
本発明は上述した方法用の新規なテストマスクにも関するものである。このテストマスクは、少なくとも１つのテストマークと、少なくとも１つのアライメントマークとを具え、アライメントマークとテストマークが製造ビーム照射に対し透過性のストリップと不透明の中間ストリップとを交互に有する周期構造を有し、両者の周期が等しいものにおいて、テストマークの透過性ストリップが最大で１／４周期の幅を有することを特徴とする。
前記アライメントマークは、投影すべき製造マスクのＩＣパターンの外部に存在する、該マスクの基板に対するアライメント用のグローバルアライメントマークにより形成することができる。このアライメントマークと、基板テーブルを規定の如く移動させる極めて精密な干渉計システムとを用いて、アライメントさせた状態でテストマークをアライメント装置の測定ビーム内に案内することができる。
しかし、テストマスクが、更に、前記のタイプの別のアライメントマークをテストマークに近接して具えている場合には、一層精密且つ高速のテストマーク検出を実現することができる。
ここで、近接とは、基板のレベルにおけるアライメントマークとテストマークとの間の距離がＩＣ区域の寸法より小さい、即ち投影リソグラフィの場合には、投影レンズのイメージフィールドの寸法の一部分であることを意味する。投影レンズが歪みを示す場合には、歪みは両マークの像に対しほぼ同一になる。
テストマスクは、更に、中心に加えて、少なくとも４隅にもテストマークを具えることを特徴とする。
このテストマスクは、基板上のＩＣ区域全域の放射の均一性を測定する可能性をもたらし、投影リソグラフィの場合には、投影レンズのイメージフィールド内の均一性を測定する可能性をもたらす。
テストマスクの他の実施例では、各テストマークが複数の部分を具える格子であり、１つの部分の格子ストリップの方向が他の部分の格子ストリップの方向と直交することを特徴とする。
このようなテストマスクの場合には、互いに直交する２方向に測定することができる。
他の特徴によよるテストマスクでは、更に、テストマークは、製造放射により形成されたその像が、製造マスクパターンを結像すべき２つの区域間に位置する基板上の中間区域に適合するサイズを有することを特徴とする。
短持続時間の放射線量測定に特に好適なテストマスクは、更に、テストマークのストリップの幅が構造周期の１／４に等しいことを特徴とする。
本発明は上述した本発明方法を実行する装置にも関するものである。本発明は、製造放射を供給する放射源ユニットと、基板テーブルと、基板マークを基準アライメントマークに対しアライメントさせる光学アライメント装置と、放射線量測定装置とを具える装置において、前記放射線量測定装置を前記アライメント装置により構成し、且つ前記放射線量測定装置は、各放射線量測定中に、基板テストマークと基板アライメントマークの両マークの像を検出するよう構成するとともに、前記放射線量測定装置に両マークの像の観測アライメント位置間の差を決定する手段を設けたことを特徴とする。
この装置は、更に、テストマスクを収納するマスクテーブルと、マスクテーブルと基板テーブルとの間に配置された投影システムとを具えることを特徴とする。
本発明のこれらの特徴及び他の特徴は以下に記載する実施例の説明から一層明らかになる。図面において、
図１はマスクパターンを基板上に繰り返し結像する光学装置の一実施例を線図的に示し、
図２はこのような装置に使用される既知のアライメントマークの一実施例を示し、
図３はこのような装置に使用される既知のアライメント装置の一実施例を示し、
図４は本発明による非対称テストマークの一実施例を示し、
図５は基板に形成されたこのテストマークの像を示し、
図６は使用露光線量の関数としての潜像検出信号の変化を示し、
図７はテストマスクの一実施例を示し、
図８はテストマーク及びこれと反対の非対称性を有する関連する基準マークを示し、
図９はＩＣのスクライブライン内に設けるのに好適なテストマークを示す。
図１はマスクパターンを基板上にステップ原理に従って繰り返し結像する装置の既知の一実施例を線図的に示す。この装置の主要な構成素子は、結像すべきマスクパターンＣを投影する投影コラム及び基板をマスクパターンＣに対し位置決めしうる可動基板テーブルＷＴである。
投影コラムは、例えばレーザＬＡ，ビームエクスパンダーＥx、投影ビームＰＢ内の光分布を一様にする積分器とも称される素子ＩＮと、コンデンサレンズＣＯとを具える照明系を収納する。投影ビームＰＢはマスクテーブルＭＴ上に配置されたマスクＭＡ内に存在するマスクパターンＣを照明する。
マスクパターンＣを通過したビームＰＢは投影コラム内に配置された投影レンズ系ＰＬ（線図的にのみ示す）を通過し、この投影レンズ系がパターンＣの像を基板Ｗ上に形成する。投影レンズ系は、例えば倍率Ｍ＝１／５又はＭ＝１／４、開口数ＮＡ＝０．６及び２２ｍｍの直径を有する回折制限イメージフィールドを有する。
基板Ｗは、例えばエアーベアリングにより支持された基板テーブルＷＴ上に配置される。投影レンズ系ＰＬと基板テーブルＷＴはハウジングＨＯ内に配置され、その底面は、例えば花崗岩製の底板ＢＰにより閉じられ、その上面はマスクテーブルＭＴにより閉じられている。
図１に示すように、マスクＭＡは、例えば２つのアライメントマークＭ1及びＭ2を具える。これらのマークは回折格子で構成するのが好ましいが、対称構造を有する他のマークで構成することもできる。これらのアライメントマークは２次元構造にするのが好ましく、即ちそれらの格子ストリップが互いに直交する２方向（図１のＸ及びＹ方向）に延在するものとするのが好ましい。基板Ｗ、例えばパターンＣを互いに隣接して次々に多数回結像する必要がある半導体基板は、複数のアライメントマーク（同様に２次元回折格子が好ましい）を具え、これらのアライメントマークのうちの２つＰ1及びＰ2が図１に示されている。マークＰ1及びＰ2はパターンＣの像を形成する必要がある製造基板Ｗの区域の外部に位置する。格子マークＰ1及びＰ2は位相格子として構成するのが好ましく、格子マークＭ1及びＭ2は振幅格子として構成するのが好ましい。
図２は２つの同一の基板位相格子の一つの一例を拡大して示す。この位相格子は４つのサブ格子を具え、そのうちの２つ、Ｐ1b及びＰ1d、がＸ方向のアライメントに使用され、他の２つ、Ｐ1a及びＰ1c、がＹ方向のアライメントに使用される。２つのサブ格子Ｐ1b及びＰ1cは、例えば１６μmの格子周期を有し、サブ格子Ｐ1a及びＰ1dは、例えば１７．６μmの格子周期を有する。各サブ格子は、例えば２００×２００μmの大きさにすることができる。この格子と、好適な光学系とによれば、原理的には０．１μm以下のアライメント精度を達成することができる。アライメント装置のキャプチャレンジを増大するように異なる格子周期が選択されている。
図３は製造マスクを製造基板に対し位置合わせするのに使用される装置の光学素子を示す。この装置は投影レンズ系ＰＬの光軸ＡＡ’に対し対称に配置された２つの個別の同一のアライメントシステムＡＳ1及びＡＳ2からなるダブルアライメント検出システムを具える。アライメントシステムＡＳ1はマスクアライメントマークＭ2と関連し、アライメントシステムＡＳ2はマスクアライメントマークＭ1と関連する。２つのアライメントシステムの対応する素子は同一の番号で示すが、システムＡＳ2の素子はプライム符号によりシステムＡＳ1の素子と区別している。
アライメントシステムＡＳ1の構造を以下に説明するとともに、マスクアライメントマークＭ2と例えば基板アライメントマークＰ1との相互位置をこのシステムにより決定する方法を以下に説明する。
アライメントシステムＡＳ1はアライメントビームｂを放出する光源１、例えばヘイリウム−ネオンレーザを具える。このビームはビームスプリッタ２により基板Ｗに向け反射される。ビームスプリッタは半透鏡又は半透過性プリズムで構成することができるが、λ／４板３（λはビームｂの波長）が後置された偏光分割プリズムで構成するのが好ましい。投影レンズ系ＰＬはビームｂを基板Ｗ上に１ｍｍ程度の直径を有する小さな光スポットＶに収束する。この基板はこのビームの一部分をビームｂ1としてマスクＭＡに向け反射する。このビームｂ1は投影レンズ系ＰＬを通過し、このレンズ系が光スポットＶをマスク上に結像する。基板を照明装置内に配置する前に、装置に結合されたプリアライメントステーション、例えば欧州特許出願０１６４１６５に開示されているようなステーション内において光スポットＶが基板マークＰ2上に位置するようにプリアライメントしておく。この場合このマークがビームｂ1によりマスクマークＭ2上に結像される。投影レンズ系の倍率Ｍを考慮に入れると、マスクマークＭ2の寸法が基板マークＰ2の寸法に適合し、両マークが互いに正しく位置するときはマークＰ2の像がマークＭ2と正確に一致する。
ビームｂ及びｂ1は基板Ｗへの及びからのその光路上でλ／４板３を２回通過し、このλ／４板は光源１により放出される直線偏光ビームｂの偏光方向に対し４５°の角度をなす光軸を有する。この場合、λ／４板を通過するビームｂ1はビームｂに対し９０°回転した偏光方向を有するため、ビームｂ1は偏光分割プリズム２を通過する。偏光分割プリズムとλ／４板の組合せの使用は、アライメントビームをアライメントシステムの光路に結合する際の光損失が最少になる利点をもたらす。
アライメントマークＭ2を通過したビームｂ1はプリズム１１により反射され、更に例えば他の反射プリズム１２により光感応検出器１３に向け反射される。この検出器は、例えば図２のサブ格子の数に従って４つの個別の光感応区域を有する複合フォトダイオードとする。これらの検出器の出力信号はマークＭ2と基板マークＰ2の像との一致の尺度である。これらの信号を電子的に処理して、駆動システム（図示せず）によりマスクを基板に対し、マークＰ2の像がマークＭ2と一致するように移動させるのに使用することができる。こうして自動アライメント装置が得られる。
例えば半透過性プリズムの形態のビームスプリッタ１４をプリズム１１と検出器１３との間に配置し、このプリズムでビームｂ1の一部分をビームｂ2として分割することができる。この分割ビームｂ2は、例えば２つのレンズ１５及び１６を経てモニタ（図示せず）に結合されたテレビジョンカメラ１７に入射し、そのモニタ上にアライメントマークＰ2及びＭ2を投影装置の使用者のために可視表示する。この場合、使用者は２つのマークが一致するかどうか確かめ、マニュピレータにより基板Ｗを移動させて両マークを一致させることができる。
マークＭ2及びＰ2につき述べたと同様にして、マークＭ1及びＰ2、及びマークＭ1及びＰ1を互いに整列させることができる。最後の２つのアライメントにはアライメントシステムＡＳ2を使用する。
これらのアライメントシステムによるアライメントプロシージャの詳細については米国特許４，７７８，２７５を参照されたい。この特許にも記載されているように、アライメントシステムＡＳ1及びＡＳ2はアライメントプロシージャ中のマスクに対する基板の変位を測定する極めて精密な２次元変位測定システムと極めて密接に協働する。この場合、アライメントマークＰ1及びＰ2、Ｍ1及びＭ2の位置及びそれらの相互間隔は変位測定システムにより決まる座標系内で固定することができる。図１にＩＦで示す変位測定システムは、例えば米国特許４，２５１，１６０に記載されている干渉計システムである。
投影レンズ系ＰＬは、所望の大きな分解能のためにできるだけ短くする必要があり、従ってアライメントビームの波長と大きく相違しうる投影ビームＰＢの波長に対し設計されるため、アライメントマークＰ1、Ｐ2及びＭ1、Ｍ2を互いの上に結像するためにこのレンズ系ＰＬを使用すると、偏差が発生しうる。この場合には、基板アライメントマークＰ1、Ｐ2がマスクアライメントマークが位置するマスクパターンの平面に結像されないでそこから所定の距離の位置に結像され、この距離は投影ビームの波長とアライメントビームの波長との差及び両波長に対する投影レンズ素子の材料の屈折率の差に依存する。例えば、投影ビームが２４８ｎｍの波長を有し、アライメントビームが６３３ｎｍの波長を有する場合、この距離は２ｎｍになりうる。更に、前記波長の差のために、基板アライメントマークがマスクアライメントマーク上に所望の倍率と相違する倍率で結像され、この偏差は波長の差の増大につれて増大する。
前記偏差を補正するために、追加のレンズ、又は補正レンズ２５を投影コラムＰＬ内に配置することができる。図３に示すものと異なり、この場合にはアライメントビームは投影レンズの上方で装置内に結合しないで、レンズホルダの窓を通し、くさびのような屈折素子により補正レンズの下及びそのすぐ近くで結合する。補正レンズは、一方では、補正レンズの平面における基板アライメントマークにより形成されたアライメントビームの種々の回折次数のサブビームがこれらのサブビームを個別に制御しうるように十分に離間され、他方ではこの補正レンズが投影ビーム及びこれにより形成されるマスク像に無視しうる影響を与えるように、投影コラム内に所定の高さに配置する。投影レンズは投影レンズ系の後焦点面に位置させるのが好ましい。このレンズ系が基板側でテレセントリック系である場合には、この焦点面はこのレンズ系の射出瞳の平面と一致する。図３に示すように、補正レンズ２５が、アライメントビームｂ及びｂ’の主光線が互いに交差する平面２４内に位置する場合には、このレンズを両アライメントビームの補正に同時に使用することができる。
補正レンズは、格子により回折された一次のサブビームの方向を、これらのサブビームの主光線がマスクアライメントマークＭ2の平面で互いに交差するように変化させる度を有する。更に、補正レンズは、マークＰ2により一次のサブビームより大きな角度に偏向された高次のサブビームがこのレンズを通らないように小さい直径にする。補正レンズは、更に、零次のサブビームｂ（0），b'（0）が補正レンズを通過しないようにする素子も具える。この素子はアライメントビームを投影レンズ系内に結合するのに使用するくさびにより構成することができる。これらの手段により、一次のサブビームのみを格子Ｐ2を格子Ｍ2上に結像するのに使用することが達成されるので、幾つかの追加の利点が得られる。
零次のサブビームを抑圧することにより、Ｐ2の像のコントラストを増大させることができる。これにより、アライメント装置が後述する潜像検出用に特に好適なものとなる。その理由は、潜像自体は比較的低いコントラストを有するためである。また、二次以上のサブビームが抑圧されるため、格子Ｐ2内の不規則性がアライメント信号に何の影響も与えない。一次のサブビームのみを使用すると、格子Ｐ2の第２高調波がそのまま結像される。換言すれば、投影レンズ系ＰＬの倍率Ｍは別にして、Ｐ2の像は格子Ｐ2の周期の１／２の周期を有する。格子Ｍ2の格子周期をＰ2の像の周期、即ち格子Ｐ2の格子周期のＭ／２倍に等しくすれば、格子Ｍ2とＰ2とのアライメント精度がフルビームｂを用いて像を形成する場合の２倍になる。
マスクアライメントマークＭ2を基板アライメントマークに対しアライメントするのに使用されるアライメントシステムＡＳ1について説明したので、マスクアライメントマークＭ1を基板アライメントマークに対しアライメントするのに使用されるアライメントシステムＡＳ2についてはこれ以上説明しない。システムＡＳ2はシステムＡＳ1と同様の素子を具え、同一の動作する。図３に既に示したように、システムＡＳ1及びシステムＡＳ2は補正レンズ２５を共通に有している。ダブルアライメント装置の代わりに、この投影装置は、例えばＵＳＰ４，２５１，１６０に記載されているような単一アライメント装置を具えるものとすることもできる。
投影装置は、更に、フォーカスサーボ装置を具え、このサーボ装置は製造マスクを製造基板上に繰り返し結像する間中投影レンズ系の像面と製造基板の平面との偏差を検出するフォーカスエラー検出装置を具える。このような偏差が発生すると、フォーカスエラー検出装置により供給される信号により、例えば投影レンズをその光軸に沿って変位させることによりフォーカシングを補正することができる。
基板テーブルのＸ及びＹ位置を極めて精密に決定するために、投影装置は、例えば２つのユニットからなる複合干渉計システムを具える。ユニットＩＦ1が１以上のビームをＹ方向に基板テーブルの反射側面に向け放射するとともに反射ビームを受信する。これによりテーブルのＸ位置を決定することができる。同様に、基板テーブルのＹ位置は第２干渉計ユニットにより検出することができる。干渉計システムはＵＳＰ４，２５１，１６０に記載されているように実現することができ、この場合には２ビームで動作する。この２軸干渉計システムの代わりに、ＵＳＰ４，７３７，８２３に記載されているような３軸システム又は欧州特許出願０４９８４９９に記載されているような多軸システムを使用することもできる。
基板テーブル位置検出装置又は干渉計システムを用いて、アライメントマークＰ1及びＰ2及びＭ1及びＭ2の位置及びそれらの相互間隔をアライメント中に干渉計システムにより決まる座標系内で固定することができる。この場合、投影装置の枠又はこの枠の一部分を基準にする必要がないので、例えば温度変化、機械的クリープ等によるこの枠の変化が測定結果に影響を与えることがない。
所定の厚さの光感応層では、この光感応層に形成されるＩＣマスクパターンの像のコントラストは、光感応層により吸収されこの層を活性化する光エネルギーの量に依存する。この層に供給されるエネルギーの量は放射源ＬＡ（図１）の放射パワーと、投影装置内に存在するシャッターの開放時間とに依存する。光感応層により吸収されるこのエネルギーの量は、一般に複数のサブ層からなるこの層の組成に依存し、例えば光感応層の厚さ及び反射係数に依存する。この反射係数が大きいと、この層内の光活性成分を活性化するのに有効なエネルギーが少なくなる。この層の光学的厚さ、即ちその物理的厚さとその屈折率との積によっても反射係数が決まる。投影装置によりマスクパターンの満足な像を形成可能にするには、露光線量及び従って光感応層により吸収されるエネルギーの量を満足に設定するとともに周期的に測定する必要がある。
この測定を実行するために、少なくとも１つのテストマークを有するマスクを投影装置内に設け、このテストマークを基板の光感応層に結像させる。このマスクは特別のテストマークとすることができる。しかし、テストマークは製造マスクのＩＣマスクパターンＣの外部に設けることもできる。
本発明では、テストマークＭ３は非対称パターンを有するものとし、その一例を図４に示す。このパターンＴＭは図４の右上部にＡＭで示すアライメントマークのパターンと相違し、光透過ストリップ３６は中間ストリップの幅ｄ2より小さい幅ｄ1を有する。図４の実施例では、幅ｄ1はテストマークの周期ＰＥの１／４に等しい。このパターンを基板上に、幅ｄ1と周期ＰＥとの比により決まる回数結像し、順次の結像間においてマスクと基板をストリップの幅方向に、例えば幅ｄ1に等しい距離だけ相対的に移動させるとともに、順次の像の形成に異なるサブ露光線量を用いる。図４の実施例では、２つの異なるサブ露光線量Ｅ１及びＥ２により２つの像を形成する。従って、光感応層に形成される総合像４０（図５）はアライメントマークと同一の幾何形状を有するが、アライメントマークのストリップ３５に対応するこの像内のストリップ４１は異なるサブ露光線量Ｅ１及びＥ２を受光した２つのサブストリップ４２及び４３からなる。従って、この像４０はアライメントマークに対し非対称性を示す。
Ｅ１がＥ２より大きい場合、Ｅ１及びＥ２が低い間はストリップ４２の材料がストリップ４３の材料より強く活性化されるため、屈折率変化のような材料変化の重心はストリップ４２に位置する。Ｅ１／Ｅ２＝一定の条件を維持したまま露光線量を増大させると、ストリップ４２の材料は飽和し、ストリップ４３の材料はまだ飽和しない状態になる。露光線量を更に増大させると、ストリップ４３の材料も飽和し、重心はストリップ４２と４３との間の中心に変位する。従って、露光線量は光感応層に形成されるテストマークの像内の屈折率分布の重心の位置に変換され、従ってこの像の見かけの変位に変換され、この変位はアライメント装置により検出することができる。
テストマークの光透過トリップ３６の幅は周期ＰＥの１／４の代わりに１／６、１／８等にすることもできる。この場合には、このテストマークの像をそれぞれ３回、４回等を形成する必要がある。順次のサブ像形成間の移動は、例えばストリップ３６の幅に常に等しくする。サブ像の数を増大すると、一方では、総合像内に一層細かいサブ分布が得られるため、測定を高感度で実行することができるが、他方では、総合像の形成に必要とされる時間が増大する。
サブ像形成間の移動はストリップ３６の幅に等しくする必要はなく、それより大きくすることもできる。この場合には、照射ストリップ３６間に非照明ストリップが位置する像が得られる。２以上のサブ露光により結像するとき、順次のサブ露光線量は増大する強度又は減少する強度を有するものとするが、異なる強度分布も可能である。サブ露光の強度分布、サブ露光の数及び照射ストリップ３６の位置は自由に選択することができる。形成される総合像の周期をアライメントマークの周期に等しくすることのみが重要である
テストマークの総合像を得るための順次のサブ露光間における基板に対するマスクの極めて精密な移動を実現するには、装置内に既に存在する極めて精密な干渉計システムを使用するのが有利である。
テストマークのすべてのストリップ３６は同一の縮小幅を有すること勿論である。原理的には、露光線量を決定するには一方向に測定する必要があるだけであり、テストマークは図４の格子部分Ｐ1,dのような線形格子で構成することができる。直交する２方向に測定するためにテストマークが図４の格子部分Ｐ1,a及びＰ1,dのような２つの線形格子を具える場合には、両格子部分のストリップを同一の縮小幅を有するものとする。４つの格子部分Ｐ1,a、Ｐ1,b、Ｐ1,c及びＰ1,dからなるテストマークを使用する場合には、すべての格子部分のすべてのストリップを同一の縮小幅を有するものとする。
２次元構造を有するテストマークを使用する場合には、サブ像形成間の移動をテストマークパターンに対し対角方向に変化させることができる。
アライメント装置の第１の機能は基板アライメントマークの位置をマスクアライメントマークに対し固定することにある。投影レンズ系の倍率及び一次絞りの存在（もしあれば）を考慮すると、これらのアライメントマークが同一の周期構造を有し、且つこれらのアライメントマークが互いに満足にアライメントしている場合には、アライメント検出器１３、１３’により供給される信号は、例えば最少になる。図４のテストマークの潜像のような基板マークが非対称構造を有する場合には、このマークはもはやマスクマークと合致しないため、この基板マークがマスクマークに対し正しくアライメントしても、アライメント信号はもはや最少にならない。この潜像の非対称性が、アライメント装置によりその基準マーク、従ってアライメントマークに対するこの像のオフセットとして解釈される。非対称のためにアライメント信号又は潜像検出信号が一般にオフセットというゼロオフセットを受ける。
非対称の程度、従ってアライメント信号のオフセットは露光線量に依存することが確かめられた。図６から明らかなように、低線量では、このオフセットが大きく、高線量ではこのオフセットが低い。この図には、オフセットＯＡの値（ｎｍ単位）が所定の投影装置及び所定の基板に対する露光線量Ｅ１（ｍｊ／ｃｍ単位）の関数として示されている。
図６の曲線は、光透過ストリップの幅が周期の１／４であるテストマークを２つの露光ステップにおいてそれぞれ露光線量Ｅ１及びＥ２で結像した場合（比Ｅ１／Ｅ２は一定）に相当する。Ｅ１，Ｅ２に対し与えられる値はそれぞれ比Ｅ１／Ｅ２＝一定の条件を満足する。
しかし、Ｅ２を一定に維持し、Ｅ１のみを変化させることもできる。
３以上のサブ像を使用する場合には、これらのサブ露光線量間の比を一定に維持することができ、また１つのサブ露光の線量を一定に維持し、他のサブ露光の線量を総合露光線量の変化に従って変化させることができる。
極めて多数の素子を有するＩＣの製造においては、投影ビームは極めて短い波長、例えば２４０ｎｍ程度の波長を有する必要がある。このような波長を有する放射は遠紫外線と称されている。遠紫外線用レジストとして既知の特殊のフォトレジストが開発されており、これらのフォトレジストは、例えば３６５ｎｍのような長波長の投影ビーム光に対し使用される慣例のフォトレジストと異なる組成を有する。遠紫外線用レジスト層に満足な潜像を得るには、このようなフォトレジストを照明後に加熱して、所望の屈折率の差、従って光学距離の差がフォトレジストに一層強い程度に発生しうるようにするのが好ましい。この処理は”露光後ベーク”（ＰＢＥ）として既知であり、得られる像（まだ潜像である）はＰＥＢ像として知られている。本発明の方法はこのようなＰＥＢ像に対し使用することもできる。
本発明は、基板を照明後に投影装置から取り出し、現像して照明による屈折率変化を高低プロファイル、従って位相構造に変換し、次にこれを装置内に再び配置することにより得られるテストマーク像にも使用することができ、かかる後にテストマーク像を検出し、検査することができる。この場合には、テストマーク像を、この像を形成したのと同一の装置内で測定することができる利点が維持される。この処理は、例えば光学顕微鏡又は電子顕微鏡を用いる慣例の測定処理より遙に高速である。現像テストマーク像を測定する場合には、潜像テストマークを測定する場合に得られる信号より大きな振幅を有する検出信号が得られる。現像テストマーク像の測定は、遠紫外線用レジストを使用する場合に特に重要である。
テストマーク像の非対称度を検出する前に、この像を、最初に、アライメント装置内に正しく位置させる、即ちアライメントさせる必要がある。マスク内のテストマークの位置が既知である場合には、マスク内のグローバルアライメントマークＭ1，Ｍ2及び基板内のグローバルアライメントマーク及びＰ1，Ｐ2をこのアライメントに使用することができる。マスクと基板をこれらのマークを用いて図３につき述べたように互いにアライメントさせた後に、テストマークをフォトレジスト層に結像する。次に、基板テーブルを極めて精密な干渉計システムの制御の下で、アライメント状態で形成された（潜像又は現像された）テストマーク像がマスクのグローバルアライメントマークの下方に位置するように移動させる。
しかし、テストマークの例えば潜像をアライメントさせるには、テストマークに近接して位置するテストマークと関連する追加のアライメントマークを使用するのが好ましい。この追加のアライメントマークをテストマークと同時に結像して、テストマークの潜像のみならず追加のアライメントマークの潜像（潜在アライメントマーク）もフォトレジスト層に形成する。この潜在アライメントマークをマスク内の関連する追加のアライメントマークに対しアライメントさせた後に、基板テーブルを１ｍｍ程度の小距離に亘って移動させてテストマークの潜像を前記追加のアライメントマークに対し正しく位置させればよい。この処理も現像された又はＰＥＢテストマーク像とアライメントマーク像を用いて実行することができること勿論である。
図７はテストマークＴＭに近接して追加のアライメントマークＡＭが設けられたテストマスクＴＭＡを示す。これらのマークは例えばマスクの中心部ＣＥに設ける。
潜像検出信号ＡＯＳの所定値、従ってアライメント信号のオフセットＡＯの所定値が各露光線量と関連することを定期的測定に利用し、必要に応じ、製造投影プロセス中の露光線量を補正する。この目的のために、マスクパターンのテスト像を異なる露光線量でフォトレジスト層に形成し、このレジスト層を現像し、この像をＳＥＭにより検出することにより慣例の方法で得られる最適露光線量を基準として用いる。この場合、アライメント信号のどのオフセットＡＯが最適露光線量と関連するか確かめることができる。製造投影プロセス中に、このオフセットが達成されたか否かを規則正しい瞬時に検査することができる。達成されない場合には、露光線量を既知のように調整することができる。
特に潜像検出信号が小さい場合に露光線量のもっと高信頼度の測定を得るには、慣例のテスト像測定においてＳＥＭにより得られたデータから種々の露光線量及び像内の関連する線幅のテーブルを作成し、投影装置の信号処理ユニット内に記憶することができる。このようなテーブルを使用すれば、潜像検出により得られたオフセット値に露光線量を割り当て、所望の露光線量に対する偏差を決定することができる。
潜像検出の利点の一つは、これらの像を形成した装置内でこれらの像を測定する点にある。この利点は、フォトレジスト付き基板をテストマークの像の形成後に現像し、再び投影装置内に配置して現像した像をアライメント装置により測定するする場合にも維持される。このプロセスは、一方では、慣例の測定プロセスより高速であり、他方では、純粋な潜像からの信号より大きい振幅を有する検出信号を供給する。
テストマーク像を第１装置で形成し、その潜像又は現像した像を第２の同様の装置により検出することもできる。
テストマーク用の基準マークは上述した追加の対称アライメントマークのみならず、テストマークの非対称性と反対の非対称性を有する非対称マークにすることもできる。図８は基板に形成されたこのような基準マークＲＭ及び関連するテストマークＴＭを示す。図に線影を付して示すように照射ストリップ４１及び４１ａがそれぞれ２つのサブストリップ４２ａ，４３ａ及び４２，４３からなる場合には、基準マークのストリップ構造はテストマークのストリップ構造のＹ軸に対し鏡面対称構造である。像検出において、これらの各マークを最初に対称アライメントマーク、例えばグローバルアライメントマークに対しアライメントし、次にアライメント信号のオフセットを各マークに対し決定する。２つの非対称マークの検出信号を減算することにより、テストマークの非対称による変化がテストマークのみを非対称にする場合より、原理的に２倍大きい信号が得られる。テストマークが１周期につき３以上の照射サブストリップを有する場合にも、非対称基準マークを使用することができる。
図９は基板のスクライブラインに結像するのが特に好適なテストマークの例を示す。このマークは方形の代わりに細長形状であり、Ｙ方向よりＸ方向に又はその逆に大寸法を有する。基板テストマークは、例えば長さ２２０μm及び幅８０μmにして、この像がスクライブラインに満足に合致するようにする。１／５縮小の投影では、マスクテストマークを５倍の大きさにする。
二次元テストマークをこのマークがスクライブラインに合致するように実現することもできる。
以上、本発明を光学投影装置に適用した場合について説明した。しかし、本発明は、基板上のマスクパターンの像を投影によらずに接触転写又は近接結像により得る光学リソグラフィ装置に使用することもできる。この場合には、投影レンズを使用せず、マスクを基板上に置き、又は密接させ、このマスクを原理的には平行な幅広ビームにより照明する。本発明を使用可能にするためには、このような装置に上述したような光学アライメント装置を設ける必要がある。電磁放射ではなく荷電粒子放射（電子、イオン又はＸ線放射）をマスクパターンの結像に使用するリソグラフィ装置にも、上述したような光学アライメント装置を付加すれば、本発明を使用することができる。この場合にも像形成は接触転写、近接印刷又は投影により実現することができる。後者の場合には、適応した投影系、例えば電子レンズ系、を使用する必要があること勿論である。これらのすべての場合において、マスクアライメントマークを基準アライメントマークとして使用する。本発明を、所望のパターンを基板に直接書き込み、マスクを使用しないリソグラフィ装置にも使用することができる。このタイプの装置では、主として荷電粒子放射が使用されている。本発明を使用する場合には、テストマークも基板に直接書き込み、上述の光学アライメント装置を付加して基板テストマークを検出する。この場合には、基準アライメントマークをアライメント装置に組み込む。
本発明は集積回路を製造するためにマスクパターンを基板上に繰り返し結像する及び／又は走査する装置に使用する場合について説明した。このような装置は集積光学装置又はプレーナ光学装置、磁気ドメインメモリ用の導波及び検出パターン又は液晶ディスプレイパネルの構造を製造するのに使用することもできる。本発明は主としてこれらの装置に使用するが、これらに限定されない。本発明は、一般に、所定のパネルを精密に規定された放射線量を用いて形成する必要がある装置に使用することができる。
Claims (22)
- 基板テーブルに設けられた基板上にパターンを形成する装置内の製造放射線量を測定する方法であって、
放射感応層を有する基板を基板テーブルに設けるステップと、
少なくとも１つの基板テストマークを放射感応層に製造放射により付与するステップと、
前記付与された基板テストマークを、基板アライメントマークを基準アライメントマークに対しアライメントさせる光学アライメント装置によって検出するステップとを具え、
前記付与された基板テストマークは、基準アライメントマークの周期に実効的に等しい周期を有するとともに、それぞれ異なるサブ製造放射線量により形成された少なくとも２つの照射ストリップと少なくとも１つの無照射ストリップとを周期毎に有し、前記基板テストマークの検出ステップは、
最初に、前記付与された基板テストマークを基準アライメントマークに対しアライメントさせるステップと、
次に、製造放射線量に依存する前記付与された基板テストマークの非対称性を、アライメント装置により、当該基板テストマークのオフセットとして検出するステップとからなることを特徴とする製造放射線量測定方法。 - 基板テストマークは、前記マークを細い荷電粒子放射ビームにより放射感応層に直接書き込むことにより付与することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 基板テストマークは、少なくとも１つのマスクテストマーク及び１つのマスクアライメントマークが存在するマスクを結像することにより付与し、マスクアライメントマークは基準アライメントマークを構成し、マスクテストマークは製造放射に対し交互に透過性ストリップ及び非透過性中間ストリップを有するとともにマスクアライメントマークの周期に等しい周期を有する周期構造からなり、前記透過性ストリップは多くとも１／４周期の幅を有し、且つ前記マスクの結像は、マスクテストマークのｎ個のサブ像（ｎは２以上の整数）を、マスクと基板を順次のサブ像形成間にストリップと直交する方向に、放射感応層内の照射ストリップの幅に少なくとも等しい距離だけ相対的に移動させながら、ｎ個の異なるサブ放射線量で形成することにより実現することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- マスクテストマークの結像のために、マスクを基板に近接配置し、マスクを製造放射で照射することを特徴とする請求項３に記載の方法。
- マスクテストマークの結像に、マスクと基板との間に配置された投影系を使用することを特徴とする請求項３に記載の方法。
- ｎ＝２であり、順次のサブ像形成間においてマスクと基板を基板テストマークの周期の１／４に等しい距離だけ相対的に移動させることを特徴とする請求項３、４又は５に記載の方法。
- 同一のテストマークを基板上の異なる位置にｍ回付与し、ｍ個のテストマークの形成のために、各々ｎ個のサブ放射線量を有するｍ個の異なる放射線量を使用し、且つ正しい放射線量をｍ個の基板テストマークの非対称性を比較することにより決定することを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６に記載の方法。
- 受信サブ放射線量間の比をｍ個の基板テストマークに対し一定にすることを特徴とする請求項７に記載の方法。
- ｍ個の基板テストマークに対するサブ放射線量の１つを変化させるが、他のサブ放射線量は一定にすることを特徴とする請求項７に記載の方法。
- 放射感応層へのテストマークの付与後に、この層に形成された潜像をアライメント装置により検出することを特徴とする請求項１−９の何れかに記載の方法。
- 放射感応層へのテストマークの付与後に、基板を基板テーブルから取り外し、現像した後に、再び基板テーブル上に配置し、その後に現像基板テストマークをアライメント装置により検出することを特徴とする請求項１−９の何れかに記載の方法。
- 放射感応層に、前記テストマークと、同一の幅の照射ストリップ及び無照射ストリップを交互に有するとともにテストマークの周期に等しい周期を有する周期構造を有する関連するアライメントマークとからなるダブルマークを付与することを特徴とする請求項１−１１の何れかに記載の方法。
- 少なくとも１つのテストマークが設けられた製造マスクを使用することを特徴とする請求項３−１２の何れかに記載の方法。
- 少なくとも１つのテストマークが設けられたテストマスクを使用することを特徴とする請求項３−１２の何れかに記載の方法。
- 少なくとも１つのテストマークと、少なくとも１つのアライメントマークとを具え、アライメントマークとテストマークが製造ビーム照射に対し透過性のストリップと不透明の中間ストリップとを交互に有する周期構造を有し、両周期構造の周期が互いに等しい請求項３に記載の方法に使用するテストマスクにおいて、テストマークの透過性ストリップが多くとも１／４周期の幅を有することを特徴とするテストマスク。
- 前記周期構造を有するアラインメントマークをテストマークに近接してさらに具えていることを特徴とする請求項１５に記載のテストマスク。
- テストマスクは、中心のテストマークに加えて、少なくとも４隅にもテストマークを具えることを特徴とする請求項１５又は１６に記載のテストマスク。
- 各テストマークが複数の部分を具える格子であり、１つの部分の格子ストリップの方向が他の部分の格子ストリップの方向と直交することを特徴とする請求項１５、１６又は１７に記載のテストマスク。
- テストマークは、投影ビームにより形成されるその像が、製造マスクパターンを結像すべき２つの区域間に位置する基板上の中間区域に適合するサイズを有することを特徴とする請求項１５、１６、１７又は１８に記載のテストマスク。
- テストマークのストリップの幅が構造周期の１／４に等しいことを特徴とする請求項１５−１９の何れかに記載のテストマスク。
- 製造放射を供給する放射源ユニットと、基板テーブルとを順に具え、更に基板アライメントマークを基準アライメントマークに対しアライメントさせる光学アライメント装置と、放射線量測定装置とを具え、前記放射線量測定装置は前記アライメント装置により構成され、且つ前記放射線量測定装置は、各放射線量測定中に、製造放射により基板の放射感応層に付与された基板テストマークを、基準アライメントマークに対しアライメントさせる手段と、製造放射線量に依存する前記付与された基板テストマークの非対称性を、当該基板テストマークのオフセットとして検出する手段とが設けられていることを特徴とする請求項１記載の方法を実行する装置。
- マスクテーブルと、マスクテーブルと基板テーブルとの間に配置された投影系とを更に具えることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
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