JP5039578B2 - 計測装置及び光強度分布計測方法、露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、光強度分布を計測する計測装置及び光強度分布計測方法、露光装置に関する。

従来、半導体露光装置においては、光学系を搭載した状態で光学系の性能を評価する方法が提案されている。この評価は、例えば、レジストを塗布したウエハを用いて、マスクパターンをウエハ上に露光した後、レジストを現像し、現像により形成されたレジスト像をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）等で計測することで行なわれていた。

しかし、この評価方法では、レジスト塗布、現像、計測という工程が必要となるため、評価時間がかかるのに加えて、多くのコストが必要となっていた。そこで、露光を行わずに、マスクパターン、或いは計測用パターンをウエハ面に対応する空中に結像させ、その光強度分布を直接計測器で計測する、評価方法（以下、空中像計測法と呼ぶ）が提案されている。

空中像計測法では、例えば、光源の波長よりも小さいサイズの光強度分布を計測するため、波長よりも短い幅のスリットを走査（スキャン）し、スリットを透過した光を受光素子で計測するスリットスキャン方式が採用されることが多い（非特許文献１）。

従来のスリットスキャン方式は、例えば、図１０に示すような遮光膜５１に形成されたスリット５４を用いている。図１１に図１０のＡ０とＢ０を結んだ断面でのスリットスキャン方式の計測装置断面摸式図を示す。ラインアンドスペース（以下、Ｌ／Ｓと呼ぶ）パターンを照明し、結像させることにより周期的な光強度分布を有する空中像４０が形成される。形成された空中像４０の一部の光が、スリット５４を透過すると、その透過光は、遮光膜５１を支える透明基板５２を透過した後、受光部５３に入射する。そして、受光部５３に入射した光が光電変換され、スリット信号ＳＳとして出力される。遮光膜５１、透明基板５２、受光部５３で構成されたセンサ５０をステージでｘ方向（Ｌ／Ｓパターンと直交方向）にスキャンし、スキャンステップ毎にスリット信号ＳＳをモニターする。このスリットをスキャンし、モニターした信号（以下、スリットスキャン信号と呼ぶ）を用いて空中像を計測する。
Ｗ． Ｎ． Ｐａｒｔｌｏ， Ｃ． Ｈ． Ｆｉｅｌｄｓ ａｎｄ Ｗ． Ｇ． Ｏｌｄｈａｍ，"Ｄｉｒｅｃｔ ａｅｒｉａｌ ｉｍａｇｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｅｓｔｉｎｇ ｈｉｇｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｍｉｃｒｏｌｉｈｏｇｒａｐｈｉｃ ｌｅｎｓｅｓ"， Ｊ． Ｖａｃ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｂ， Ｖｏｌ． １１， ｐｐ． ２６８６−２６９１

しかしながら、上述した従来のスリットスキャン方式では、空中像の光強度分布変動の周期が短くなった場合に、スリットの長軸方向が空中像のＬ／Ｓパターンの平行方向とずれていると、スリットスキャン信号の変調度が低下してしまう。図１２に、スリット５４の長軸方向とＬ／Ｓパターンの長手方向の空中像が形成される方向とを示す。空中像４０は、ｙ方向に平行に形成されるＬ／Ｓパターンで形成され、また、その光強度分布はｘ方向に半周期で変調する。空中像４０のＬ／Ｓパターンに平行な方向と、遮光膜５１上に形成されたスリット５４の長軸方向は、角度θだけｘｙ面内で回転方向に位置ずれしている。理想的には、θが０であれば、高い変調度のスリットスキャン信号を得られるが、実際には、アライメント誤差などでθは０とならない。このような状態でスリットスキャンを行うと、スリットスキャン信号の変調度は、空中像４０の変調度より低下する。更に、スリットの位置が、空中像のＬ／Ｓパターン周期にまたがるような角度までずれていると、スリットをスキャンしても、スリットに入射される光量が変化しない。そのため、スリットスキャン信号の変調度がほとんどなくなってしまい、計測が不可能となる。このときのスリットとＬ／Ｓパターンのなす角度をθｃとすると、
θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（２ＨＰ／ＳＬ）
とあらわすことができる。ここでＳＬはスリットの長手方向の長さで、ＨＰ（ハーフピッチ）は空中像の光強度分布変動の半周期である。スリットとＬ／Ｓパターンのなす角度がθｃより小さければ、スリットに入射される光量は、スリットをスキャンすることで変調できる。この関数をＨＰとＳＬについてプロットしたものが図１３であり、縦軸はθｃである。図１３から分かるように、スリット長ＳＬが５０ｕｍ程度の場合、ＨＰが２００ｎｍのときθｃは１４ｍｒａｄ程度となるが、ＨＰが４５ｎｍのときθｃが２ｍｒａｄ程度となり、大幅に小さくなる。ＨＰが小さくなるとθｃが小さくなる。すなわち、位置ずれの許容度が小さくなり、高い変調度のスリットスキャン信号を得るためには、少なくともθｃより位置ズレ角θを小さくするような高いアライメント精度が要求される。

従来は、スリットの角度を変化させながらスリットをスキャンし、最もスキャン信号の変調度が高くなるようにアライメントを調整等する手法が用いられていた。しかしながら、この手法は、アライメントの調整時間が長くなる上、変調度がある程度まで高くなると、変調度の変化が少なくなるために、アライメント精度が低下してしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光強度分布を高精度に測定することができる計測装置及び光強度分布計測方法、露光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様は、光学系の物体面に配置されたパターンを照明し、前記光学系の像面に形成された前記パターンに対応する光強度分布を計測する計測装置であって、前記光学系の像面に配置され、スリットが設けられた遮光部材と、前記スリットを透過した光を受光する複数の受光部とを含むセンサと、前記遮光部材を走査することによって前記複数の受光部で検出された信号の位相差と前記複数の受光部の位置関係とに基づいて、前記遮光部材の回転を制御する制御部とを具備することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、光学系の物体面に配置されたパターンを照明し、前記光学系の像面に形成された前記パターンに対応する光強度分布を計測する光強度分布計測方法であって、前記光学系の像面に配置され、スリットが設けられた遮光部材と、前記スリットを透過した光を受光する複数の受光部とを含むセンサを用いて前記スリットを透過した光を受光する受光工程と、前記遮光部材を走査することによって前記複数の受光部で検出された信号の位相差と前記複数の受光部の位置関係とに基づいて、前記遮光部材の回転を制御する制御工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明の一態様は、光学系の物体面に配置された原版のパターンを該光学系によって基板に投影し該基板を露光する露光装置であって、前記光学系の物体面に配置されたパターンを照明する照明光学系と、前記光学系の像面に該パターンに対応する光強度分布を形成する投影光学系と、前記照明光学系による照明により前記像面に配置された遮光部材のスリットを通して前記光強度分布を計測する計測部とを具備し、前記計測部は、前記スリットを透過した光を受光する複数の受光部を含むセンサと、前記遮光部材を走査することによって前記複数の受光部で検出された信号の位相差と前記複数の受光部の位置関係とに基づいて、前記遮光部材の回転を制御する制御部とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、光強度分布を高精度に測定することができる。

以下、本発明に係わる計測装置及び光強度分布計測方法、露光装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本実施形態においては、本発明に係わる計測装置を露光装置に適用し、当該露光装置に設けられた投影光学系の性能を評価する場合を例に挙げて説明する。

図１は、本発明に係わる光強度分布計測方法を説明するための摸式的な等測投影図である。ここで、図１には、露光装置１００の構成の一部が示される。

露光装置１００は、照明光学系１０と、投影光学系３０と、センサ５０と、ステージ６０と、制御部７０と、駆動部８０とを具備して構成される。

照明光学系１０は、光源（不図示）からの光をマスク（原版とも呼ばれる）２０に照射させる。マスク２０は、投影光学系３０の物体面に配置される。投影光学系３０は、マスク２０を透過した光を結像させる。センサ５０は、ステージ６０に配されており、投影光学系３０により結像された光の強度分布を計測する。制御部７０は、センサ５０からの信号を処理する。駆動部８０は、制御部７０から出力される信号に基づきステージ６０を駆動し、ステージ６０をｘ、ｙ、ｚ方向に移動させる。ステージ６０の移動に伴いセンサ５０も移動することになる。

光源からの光は照明光学系１０で屈折、反射、回折などされ、マスク２０に照射される。マスク２０には、クロムなどの遮光膜でパターンが形成されている。パターンが形成されたマスク２０に光が照射されることにより、パターンに依存した透過光及び回折光が発生する。発生した透過光及び回折光は、投影光学系３０に照射される。投影光学系３０は、マスク２０のパターンを結像面に結像させる。結像面では、光源、照明光学系１０、マスク２０のパターン、投影光学系３０、これらを保持する機構や露光装置１００が設置される環境等、これら全ての影響を含んだ空中像４０が形成される。なお、本実施形態におけるマスク２０には、計測用パターンとして、例えば、周期パターン（例えば、Ｌ／Ｓパターン）などが形成されている。このマスク２０を透過し、投影光学系３０により結像される空中像は、当該周期パターンに対応する周期的な光強度分布を有する。

センサ５０に形成されたスリットを透過した空中像４０の一部の光は、センサ５０の受光素子（後述する受光部に相当）で受光される。このスリットを通した受光が行なわれると、受光素子により光電変換が行なわれた後、電気信号が制御部７０に出力される。制御部７０では、センサ５０から出力されるスリットからの信号を処理し、駆動部８０に処理した信号を出力する。駆動部８０では、制御部７０からの出力信号をもとにステージ６０を駆動させる信号を出力し、ステージ６０を移動させる。このステージ６０の移動により、周期パターンに対するスリットのずれ（例えば、回転方向のずれ）が低減されるように調整される。

図２に、センサ５０の上面図の一例を示す。センサ５０には、遮光膜５１が取り付けられており、遮光膜５１には、例えば、矩形形状からなるスリット５４が形成されている。スリットの短軸方向の幅をＷｓとすると、波長以下のサイズの解像度を得るような高精度な空中像計測を行うには、Ｗｓは、
Ｗｓ≦λ
とする必要がある。ここで、λは光源の波長である。
更に、図２に示すスリット５４の長手方向の長さは、
Ｌｓ≧１０×λ
とする。このようにスリット長を波長に比較して大きくすることで、スリット５４から透過した光は、スリット短手方向よりスリット長手方向の方が回折の効果が少なくなる。よって、スリット５４からの光の広がり角は、スリット長手方向の方が狭くなる。本実施形態においては、スリット５４をスキャンしながら、スリット５４から広がった光を複数の受光部（少なくとも２つの受光部）で光電変換し、複数の受光部からの当該光電変換に基づく信号の位相差を用いて、スリット５４と空中像の相対位置を調整する。

図３には、センサ５０のスリット短手方向の断面図の一例が示される。ここでは、空中像４０を２光束干渉で形成する場合を考える。光を透過する透明基板５２上に光を遮光する遮光部材からなる遮光膜５１が形成されており、空中像４０はスリット５４を透過した後、受光部５３に入射される。なお、ここでは、受光部５３は、２次元状に配列された画素アレイに配置される。受光部５３からの信号は、制御部７０に入力されるとともに、ここには図示されていないメモリに記憶される。その後、ステージ６０により、センサ５０はサンプリング定理を満たすように、空中像４０の空間周波数より２倍以上高い空間周波数に相当する距離だけｘ方向に移動される。この動作を繰り返し行うことで、ｘ方向の光強度分布を計測することが可能となる。この動作を繰り返し行うことをスリットスキャン計測とする。このときに、スリット５４と空中像４０の縞の方向が平行になっていないと、スリットスキャン計測信号の変調度が低下する。

図４には、センサ５０のスリット長手方向の断面図の一例が示される。スリット５４を透過した光は、二次元状に配列された画素アレイ上に配置された複数の受光部５３に入射される。このときに、ｙ方向（空中像４０の周期的な光強度分布における周期の方向と直交した方向）の位置が異なった第１の受光部５３１及び第２の受光部５３２において光電変換された信号各々を信号Ｓ１、信号Ｓ２とする。

図５は、センサ５０の上面図の一例であり、スリット５４と二次元状に配列された画素アレイ上に配置された受光部（５３１、５３２）、空中像４０の相対位置を示している。スリット５４の長さはＬｓとなる。また、二次元状に配列された画素アレイ上に配置された第１の受光部５３１と第２の受光部５３２は、ｙ方向にピッチＰＰ離れて配置されている。スリット５４から透過した光は、第１の受光部５３１と第２の受光部５３２で光電変換され、その変換された信号各々は、信号Ｓ１、信号Ｓ２となる。ここで、スリット長手方向と空中像の縞の方向とは、角度θだけずれているとする。

このような場合、例えば、ピッチが２００ｎｍの２光束干渉の空中像（干渉縞）に対してスリットスキャン計測を行ったときに記憶された信号Ｓ１と信号Ｓ２を図６に示す。スリット長手方向と空中像の縞の方向とがずれていると、図６に示すように、信号Ｓ１と信号Ｓ２の位相が異なる。このときの位相差をΔｐとする。すると、スリットと空中像の縞とがなす角θは、
θ＝ａｒｃｔａｎ（Δｐ/ＰＰ）
で求めることができる。ある程度の範囲まで粗調整を行っておけば、Δｐを、Ｓ１を基準としたＳ２の遅れとして算出し、θの極性も算出することが可能となる。このようにして両受光部からの信号の位相差（Δｐ）と両受光部が配置される位置関係（両受光部間の距離ＰＰ）とに基づき算出されたアライメント誤差量（θ）をアライメント信号としてステージ６０を移動させる。なお、距離（ＰＰ）は、例えば、不図示のメモリ等に予め記憶させておく等すればよい。このようにしてスリットをアライメント調整した後、再びスリットスキャン計測を行った結果を図７に示す。図７では、信号Ｓ１と信号Ｓ２とがほぼ同位相となっている。すなわち、スリットと空中像の縞とが平行に配置されていることが分かる。この状態では、高い変調度のスリットスキャン計測信号を得ることができ、また、スリットの位置ずれによる計測信号のコントラスト低下を最小限に抑えることができる。この構成により、高速かつ高精度な空中像計測が可能となる。そして、マスクからの回折光を像面に結像する光学系の結像特性などを評価することができる。

なお、アライメント信号を検出するスリット長は、第１の受光部５３１と第２の受光部５３２の中心間距離よりも長ければ、第１の受光部５３１と第２の受光部５３２の広い範囲でスリット透過光を光電変換することが可能となる。これにより、高精度なアライメント信号を算出することが可能となる。更に、本実施形態では、アライメント信号を、２つの受光部からの信号Ｓ１と信号Ｓ２とから求める場合を例に挙げて説明したが、３つ以上の受光部からの信号を求めて処理するようにしてもよい。

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は、上記及び図面に示す実施形態に限定することなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施できるものである。

なお、本実施形態においては、センサ５０に形成されるスリットが１本である場合を例に挙げて説明したが、空中像が周期的なパターンである場合、スリットの本数を空中像の周期と一致した距離だけ複数離して配置してもよい。こうすることで、スリットからの透過光量が増加し、スリットスキャンの信号雑音比を向上させることができる。また、光強度分布が周期パターンではなく、１方向に伸びた孤立パターンの場合にも上述の光強度分布計測を適用することができる。

また、実際に空中像から光強度分布を計測する光強度分布計測用のスリットと、アライメント（スリットの位置制御用）に用いるスリットとを異なるスリットで構成してもよい。このように構成した場合、例えば、アライメントに用いるアライメントスリットを実際の空中像の計測に用いる計測スリットよりも長くすることで、高いアライメント精度を実現することができる。更には、計測スリットと空中像の縞とのずれを低減させられる。

図８は、スリットを複数配置したスリット基板の上面図の一例である。本実施形態におけるアライメント手法を第２のスリット５４１、第３のスリット５４２を用いて行うことにより、上記説明した場合よりも更に、アライメント精度を高められる。

また、アライメントスリットを、計測スリットと異なった角度で配置し、予め記憶しておいたアライメントスリットの配置した角度にしたがってアライメント信号を求めてもよい。この場合には、計測スリットが空中像の縞とほぼ平行となっている場合でも、アライメントスリットにおいて高い敏感度のアライメント信号を得ることができるため、光強度分布の計測を高精度に行なえる。更に、計測スリットの代わりにピンホールを用いて、ピンホールを２次元的にスキャンすることで、２次元パターンの空中像を計測することもできる。

また、異なる長さのアライメントスリットを形成し、長いアライメントスリットを粗調整に用い、短いアライメントスリットを微調整に用いるようにしてもよい。

また、図９に一般化したスリットスキャン信号の模式図を示す。光学系により形成される空中像強度分布断面図がＩｎｔ０であった場合、スリットと空中像のアライメントが合っていない場合には、出力されるスリットスキャン信号は、ＳＳ２のように、元の空中像と比較して大きく変調度が低下した信号となる。しかし、本実施形態に係わる光強度分布計測方法を用いて、スリットと空中像のアライメントを行なった場合には、ＳＳ０のような変調度の高い信号を得ることができる。しかしながら、この場合、有限な厚みを有する遮光膜に形成されたスリットを透過したスリットスキャン信号を検出するため、実際の空中像の光強度分布にスリット透過特性がコンボリューションされた信号となる。この信号を、予めメモリ等に記憶しておいたスリット透過特性、或いはコンピュータにより計算されたスリット透過特性によりデコンボリューションなどの回復処理を行うことで、実際の空中像に近い信号ＳＳ１が計測可能となる。すなわち、検出されたスリットスキャン信号をスリット透過特性を考慮して補正してもよい。以上の方法により、スリット形状に依存することのない、高精度な光強度分布計測方法を提供することが可能となる。

本実施形態に係わる光強度分布計測方法を適用した装置は、半導体露光装置などのステージに例えば、計測部として搭載することで、高精度な空中像計測及び光学系の評価が可能となり、半導体露光装置の製造コストの低減や結像性能の高精度化が可能になる。また、この計測部は、ステージに搭載する構成ではなく、ステージとは別の位置に搭載されていてもよい。更に、常時搭載せずに、ウエハ面に相当する位置に仮設置し、計測が終了した後に取り外す構成であってもよい。

露光装置１００の構成の一部を示す等測投影図である。 図１に示すセンサ５０（スリット基板）上面の一例を示す図である。 図１に示すセンサ５０のスリット短手方向の断面の一例を示す図である。 図１に示すセンサ５０のスリット長手方向の断面の一例を示す図である。 図１に示すセンサ５０上面の一例を示す図である。 第１の受光部５３１及び第２の受光部５３２から出力される信号の一例を示す図である。 第１の受光部５３１及び第２の受光部５３２から出力される信号の一例を示す図である。 スリット基板の上面の一例を示す図である。 スリットスキャン信号の一例を示す図である。 従来のスリット基板の上面の一例を示す図である。 従来のセンサの断面の一例を示す図である。 従来のスリット位置の誤差を説明する第１の図である。 従来のスリット位置の誤差を説明する第２の図である。

符号の説明

１０ 照明光学系
２０ マスク
３０ 投影光学系
４０ 空中像
５０ センサ
５１ 遮光膜
５２ 透明基板
５３ 受光部
５３１ 第１の受光部
５３２ 第２の受光部
５４ スリット
５４１ 第２のスリット
５４２ 第３のスリット
６０ ステージ
７０ 制御部
８０ 駆動部
１００ 露光装置

Claims (8)

1. 光学系の物体面に配置されたパターンを照明し、前記光学系の像面に形成された前記パターンに対応する光強度分布を計測する計測装置であって、
   前記光学系の像面に配置され、スリットが設けられた遮光部材と、前記スリットを透過した光を受光する複数の受光部とを含むセンサと、
   前記遮光部材を走査することによって前記複数の受光部で検出された信号の位相差と前記複数の受光部の位置関係とに基づいて、前記遮光部材の回転を制御する制御部と
   を具備することを特徴とする計測装置。
2. 前記スリットの長さは、前記複数の受光部の中心間距離よりも長い
   ことを特徴とする請求項１記載の計測装置。
3. 前記複数の受光部は、２次元状に配列された画素アレイである
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の計測装置。
4. 前記遮光部材は、
   前記光強度分布を計測するための計測スリットと、
   前記計測スリットと異なった角度で配置されたアライメントスリットと
   を有し、
   前記制御部は、
   前記アライメントスリットを用いて前記複数の受光部により信号の検出を行なわせ、前記複数の受光部で検出された信号の位相差と前記複数の受光部の位置関係とに基づいて前記遮光部材の回転を制御した後、前記計測スリットを用いて前記光強度分布の計測を行なう
   ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の計測装置。
5. 前記遮光部材は、
   前記光強度分布を計測するための計測スリットと、
   前記計測スリットよりも長手方向に長い形状を有するアライメントスリットと
   を有し、
   前記制御部は、
   前記アライメントスリットを用いて前記複数の受光部により信号の検出を行なわせ、前記複数の受光部で検出された信号の位相差と前記複数の受光部の位置関係とに基づいて前記遮光部材の回転を制御した後、前記計測スリットを用いて前記光強度分布の計測を行なう
   ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の計測装置。
6. 前記スリットを通した受光により得られたスリットスキャン信号を該スリットの透過特性を用いて補正する
   ことを特徴とする請求項１乃至５いずれか一項に記載の計測装置。
7. 光学系の物体面に配置されたパターンを照明し、前記光学系の像面に形成された前記パターンに対応する光強度分布を計測する光強度分布計測方法であって、
   前記光学系の像面に配置され、スリットが設けられた遮光部材と、前記スリットを透過した光を受光する複数の受光部とを含むセンサを用いて前記スリットを透過した光を受光する受光工程と、
   前記遮光部材を走査することによって前記複数の受光部で検出された信号の位相差と前記複数の受光部の位置関係とに基づいて、前記遮光部材の回転を制御する制御工程と
   を含むことを特徴とする光強度分布計測方法。
8. 光学系の物体面に配置された原版のパターンを該光学系によって基板に投影し該基板を露光する露光装置であって、
   前記光学系の物体面に配置されたパターンを照明する照明光学系と、
   前記光学系の像面に該パターンに対応する光強度分布を形成する投影光学系と、
   前記照明光学系による照明により前記像面に配置された遮光部材のスリットを通して前記光強度分布を計測する計測部と
   を具備し、
   前記計測部は、
   前記スリットを透過した光を受光する複数の受光部を含むセンサと、
   前記遮光部材を走査することによって前記複数の受光部で検出された信号の位相差と前記複数の受光部の位置関係とに基づいて、前記遮光部材の回転を制御する制御部と
   を具備することを特徴とする露光装置。

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