JPH0997760A - 照度均一性測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レジストパターンの膜厚の測定により、露光
装置光学系全体の反射光分布を測定し、照度測定器によ
る測定結果を合わせて、本来の露光状態での照度均一性
が得られるようにする照度均一性測定方法を提供する。 【解決手段】 基板上にレジスト層を形成したのち、露
光サイズ全面に非遮光パターン12と遮光パターン13を市
松状に並べて配列して構成した専用テストマスク11を用
いて基板を露光する第一のステップと、前記基板を現像
し前記専用テストマスクのパターンを基板上へレジスト
パターンとして転写形成する第二のステップと、前記レ
ジストパターンの膜厚を、転写形成した露光チップ領域
内において測定し、その膜厚の減少及び均一性から前記
露光チップ領域内の照度均一性を算出する第三のステッ
プとで露光装置の照度均一性測定方法を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体集積回路
の製造工程、特にウエハ上に回路パターンを形成するリ
ソグラフィ工程において用いられる露光装置の所定の露
光領域における照度均一性を測定する方法、及びその測
定に際して基準とされる測定用マスクに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の製造におけるリソグラ
フィ工程において、光露光装置としては、等倍型一括露
光装置、等倍型ステップ＆リピート露光装置、縮小型ス
テップ＆リピート露光装置があるが、上記各露光装置は
原板となるマスクを用い、マスク上に形成された回路パ
ターンをウエハ基板上へ露光形成するようになってい
る。そして、上記露光装置の光学系による照度均一性
は、露光領域内で発生する回路パターンの寸法均一性に
大きく影響を及ぼし、近年その均一性はますます厳しい
方向へ向かっている。

【０００３】従来、上記露光装置の照度均一性は、露光
光路よりマスクを取り外した後、露光シャッタを開閉
し、次にピンホールを備えた受光器を用い、ウエハステ
ージ又は何らかの移動ステージを用い露光領域を分割し
て各分割点へ受光ピンホールを移動し、各分割点の照度
を測定することにより上記露光領域の照度均一性を測定
している。

【０００４】図８はステップ＆リピート方式の従来の露
光装置の構成例を示す図である。図において、112 は水
銀ランプで、該水銀ランプ112 から発光された照明光
は、楕円ミラー113 により集光され、次いで第１平面鏡
111 により光路が曲げられる。通常、この照明光はシャ
ッター110 によって遮光されているが、照度測定時には
シャッター110 は開放され、フライアイレンズ109 によ
って多点光源として均一化される。フライアイレンズ10
9 により均一化された照明光は、第１コンデンサレンズ
108 ，第２平面鏡107 及び第２コンデンサレンズ106 に
より照明光として整えられ、照射面すなわちマスク101
上に均一に照射される。通常、露光装置として使用され
る場合は、マスク101 は当然配置されているが、マスク
101 にマスクパターンがある場合は、パターンが露光光
を遮光するため、露光装置照度の均一性を照度検出セン
サーを備えた照度測定器で測定することはできず、従来
は照度測定時にマスク101 を光路から抜き取っていた。
したがって、マスク101 面上に照射される光は、本来マ
スクがレイアウトされる面上すべてを通り抜け、縮小レ
ンズ102 によって照度測定器103 上に結像される。この
場合の照度測定器は、通常φ0.5 〜φ1.0 mm程度のピン
ホールを持ち、そのピンホール内にフォトセンサーを設
置してピンホール内に入射する照度を測定することがで
きるようになっている。

【０００５】通常、ステップ＆リピート方式露光装置の
露光エリアは、10〜20mm□程度の大きさを持ち、この露
光エリアをピンホールを用いて測定するため、照度測定
器103 はウエハ基板105 を載置したウエハステージ104
上に設置されており、露光シャッタ110 を開いたままウ
エハステージ104 をステップ移動し、露光エリア内を照
度測定器のピンホールにより分割測定を行うようになっ
ており、また測定されるデータはピンホールの径とステ
ップ移動の単位により細分化されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の露光装置における照度測定方法においては、露光光
路内からマスクを取り外した後、ピンホールを備えた照
度計を用い照度を測定するようになっているため、照明
系の基本的な均一性を測定することはできるが、マスク
及び基板が設置された実際の露光状態での照度均一性を
測定することはできない。そのため、実際の露光におい
ては、従来の方法によって得られる照度均一性からは推
測できない露光パターンの不均一性が確認される。

【０００７】通常、露光エネルギーとしては、レジスト
感度すなわちレジスト感光反応の終了するエネルギー以
上から２倍程度の強さのエネルギーを用い、レジストパ
ターンを転写し現像処理を行う。したがって、パターン
を露光する領域すなわちマスクを通過する領域には、基
板上で上記の露光エネルギーが与えられ、マスク上で遮
光される領域は基板上では零の露光エネルギーとなるは
ずである。しかし実際は、マスク面での反射光、基板面
での反射光が、露光装置の照明光学系、縮小光学系内で
多重反射を起こし、本来の露光光路とは全く異なった光
路を通った光線が、基板上へ再入射される。これらの正
規露光光以外の光線すなわち迷光は、感光される領域に
入射する場合は問題ないが、露光されてはいけないマス
ク遮光領域すなわち零の露光エネルギーであるレジスト
パターン面に入射した場合、そのパターンは全体に感光
され、パターンの後退、寸法の縮小が起こり、露光領域
内の寸法均一性低下につながる。

【０００８】図９は上記問題点を表した説明図で、上記
露光装置によってポジ型レジストを露光形成する場合を
示している。まずウエハ基板208 上にポジレジストを塗
布しポジレジスト面203 が形成される。次に露光装置光
学系によりマスクパターンが、レジスト面203 及びウエ
ハ基板208 上に結像転写される。この時マスクパターン
によりウエハ基板上に露光光が到達する露光領域201 へ
結像される正規の露光光202 は、レジスト面203 又は基
板面204 で、基板上部光学系すなわち露光装置光学系へ
向けて戻り光206 として反射される。次に、これらの反
射光（戻り光）206 は縮小レンズ、マスク、照明光学系
へ到達し、それらの各反射面で反射され、再び基板上へ
迷光205 として再入射されてしまう。この再入射光（迷
光）205は通常の露光光路とは異なり露光領域、非露光
領域全てに到達するため、非露光部レジスト207 の膜減
り、更には露光回路パターンの寸法縮小となる。

【０００９】また、特にステップ＆リピート方式露光装
置の場合、迷光は露光チップ非露光部へ露光光を照射す
るばかりでなく、露光領域を越えた隣り合ったチップへ
漏れ光として露光光を与えてしまう。図10はその状態を
示した一例を示す図であるが、ウエハ基板303 上に露光
エリアのチップ301 を図のように配列して露光する場
合、ステッパによる露光エリアは本来はチップ301 の大
きさであるが、前述した基板面による露光光の反射及び
露光装置の光学系による反射のため、ウエハ基板303 上
へは露光エリアの照射サイズ（チップ301 ）とは別に反
射光による迷光エリア302 が発生し、図10に示すよう
に、ウエハ基板303 のセンターチップを露光する場合、
通常の露光エリア（チップ301 ）とは別に、迷光エリア
302 を含む大きな領域全体に光を照射してしまう。この
迷光量は露光照度に比べ低い光量であり、通常露光光の
数％程度ではあるが、露光パターンの明暗に関係なく全
体を照明してしまう。

【００１０】また、この光は時によっては影として現れ
る。図10の図示例では、センターチップ露光時に隣接す
る上下左右のチップに漏れ光として円弧状の露光光を与
えてしまう。更に同様にセンターチップは、センターチ
ップの上下左右のチップ露光時において上下左右のチッ
プの円弧状の漏れ光を４回受けてしまう。またこの迷光
エリア302 の大きさは露光装置固有のものであり、露光
しようとするエリアサイズに関係なく一定である。した
がって、露光チップが小さくなった場合、この迷光エリ
アの影響は大きくなり、場合によっては隣り合ったチッ
プの露光時の迷光同志が重なり、入射する迷光照度が倍
以上になることがある。

【００１１】したがって、上記迷光の割合を定量的に測
定することが、実露光時の均一性を表すこととなり得
る。しかし、上記迷光量は従来のピンホール受光器を用
いた測定方法では、通常の露光状態とは異なった状況で
の測定であるため測定不可能であり、露光時に使用する
マスク、露光時のチップサイズ等によって異なる露光時
の本来の照度均一性を評価することはできなかった。

【００１２】本発明は、従来の露光装置の照度均一性の
測定方法における上記問題点を解決するためになされた
もので、請求項１記載の発明は、露光装置照明光学系、
縮小光学系の反射特性を明確に示して、従来の照度測定
方法では不可能であった実露光時の照明光の振る舞いを
正確に測定し照度均一性を測定する方法を提供すること
を目的とする。また請求項２記載の発明は、レジスト膜
減りの変化を安定的に精度良く測定することにより、測
定精度を向上させることができるようにした照度均一性
の測定方法を提供することを目的とする。また請求項３
記載の発明は、照度均一性の定量的評価結果を示すこと
ができる照度均一性の測定方法を提供することを目的と
する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、請求項１記載の発明は、基板上にレジスト層を形成
したのち、予め透過領域と遮光領域を調整した測定用専
用マスクを用いて前記基板を露光する第一のステップ
と、前記基板を現像し、前記専用マスクのマスクパター
ンを基板上へレジストパターンとして転写形成する第二
のステップと、前記レジストパターンの膜厚を、該レジ
ストパターンを転写形成した露光チップ領域内において
測定し、その膜厚の減少及び均一性から前記露光チップ
領域内の照度均一性を算出する第三のステップとで、基
板上にマスクパターンを露光する装置における基板上の
照度均一性を測定する方法を構成するものである。この
ような測定方法により、本来露光されない領域すなわち
非露光領域のレジストパターンの膜厚を測定し、露光装
置光学系全体の反射光量を測定することができ、露光装
置に取り付けるピンホール式照度測定方式による測定デ
ータと合わせることにより、本来の露光状態における照
度分布を算出することができる。

【００１４】また請求項２記載の発明は、請求項１記載
の照度均一測定方法において、前記第一のステップにお
ける、前記レジスト層を形成した基板を露光する露光エ
ネルギーを、レジスト感度の数十倍とするものである。
これによりレジストパターンの膜厚の変化量を増大させ
ることができ、照度均一性のデータの精度を向上させる
ことができる。

【００１５】また請求項３記載の発明は、前記測定用専
用マスクとして、透過領域と遮光領域を市松状に交互に
レイアウトし透過光の割合を露光チップ領域内で調整し
たマスクを用いるものである。これにより照度測定のデ
ータが定量的に得られ、測定データの細分化も任意に設
定することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】通常、基板を露光する場合、与え
た露光エネルギーの数％は露光装置光学系により反射さ
れた迷光として基板面に再入射される。この再入射光は
非露光領域レジスト表面にも入射するため、レジスト表
面は感光され、その後の現像処理により膜減りを起こ
す。この膜減り量を測定することにより迷光として再入
射されるエネルギー量が逆算され、露光装置で発生する
迷光反射量が算出される。更にこの膜減り量の分布を露
光チップ領域内で測定することにより、反射光分布が算
出され、照度測定器による測定結果と合わせて本来の露
光状態での照度分布が算出される。

【００１７】上記反射光量の算出は、レジストの感度曲
線より求める。図１はレジストの感度曲線の一例である
が、基板上にレジストを塗布し露光エネルギーを徐々に
上げていった場合の現像後の残膜量の変化、すなわち未
反応レジストの厚さを示しており、残膜量が零となる露
光エネルギーをレジストの感度Ｅthとしている。上記感
度曲線と前述の非露光領域のレジスト厚さより、非露光
領域へ入射してしまうエネルギー量を算出する。しか
し、ここで通常の露光に使用されるエネルギー量では反
射光量が数％程度であるため、前述の非露光領域の膜減
り量は非常に小さい。したがって、この程度の少ない膜
減り量では、膜厚測定時の誤差が大きく入り込み、正確
な反射光量が求められないため、本発明では露光エネル
ギーはレジスト感度の数十倍以上与える。この照射エネ
ルギーの増加によって、非露光部の膜減りは助長され
る。また露光装置光学系の反射防止特性が悪いときに
は、反射光により照度均一性が大きく低下し、非露光部
が完全に反応してしまう場合もある。このように各点の
非露光部残膜厚とレジスト感度データより、露光領域内
の反射率分布が得られる。各点の反射率は、そのポイン
トの残膜と感度データとにより、そのポイントに入射し
た迷光エネルギーＥｒが求められ、そのとき与えた露光
エネルギーＥｍとすると、そのポイントの迷光入射率す
なわち露光反射光入射率Ｒｍは、次式（１）で表され
る。 Ｒｍ（％）＝（Ｅｒ／Ｅｍ）×100 ・・・・・（１）

【００１８】

【実施例】次に実施例について説明する。図２は、本発
明に係る照度均一性測定方法に用いる専用テストマスク
の一例を示す図である。この構成例のテストマスク11
は、露光サイズ全面に、非遮光パターン12と遮光パター
ン13を市松状に並べて配列し構成している。パターンサ
イズはレジストパターンを形成したときに、そのレジス
トパターンの膜厚を測定できるサイズであればかまわな
い。図２に示した構成例では、100 μｍ□のパターンを
示しているが、パターンサイズはあまり大きくなると、
迷光がパターンセンターまで入射しない場合もあり、こ
の場合は一つの遮光パターン13内での膜厚差も生じてし
まうため、膜厚測定が可能なまでの小さなサイズの方が
良い。また非遮光パターンと遮光パターンの比率は、論
議すべき工程のマスク上の非遮光領域と遮光領域の比率
に合わせるが、単に光学系の特性として論議するとき
は、例えば１：１など一定の比率で固定し、反射特性を
定量化する。図３は同様に非遮光領域と遮光領域の割合
を変化させた場合の専用テストマスク21の他の構成例を
示す図であり、22は非遮光パターンを、23は遮光パター
ンを示している

【００１９】図４は上記テストマスクを用いレジスト感
度Ｅthの数十倍の露光エネルギーを基板上のレジストへ
照射して、現像後の非露光部残膜厚を露光領域センター
Ｘ方向について測定した結果を示す。図４の結果は、露
光領域のセンターと左右周辺部に迷光が入り込み、非露
光部レジスト表面が反応していることを示している。図
５は同様に露光エネルギーを更に高めていって、非露光
部が完全に露光反応した状態を示している。この場合の
与えた露光エネルギーＥｍより、この基板とレジストを
用い上記測定に使用した露光装置光学系の最大反射率を
求めることができ、このときの最大反射率Ｒmax は前述
の（１）式と同様に、次式（２）で表すことができる。 Ｒmax （％）＝（Ｅth／Ｅｍ）×100 ・・・・・（２）

【００２０】以上述べた方法により非露光部の残膜を多
数点測定し、露光領域内の残膜分布を得る。更に得られ
た残膜分布とレジスト感度曲線より露光領域内各点の反
射率が算出され、非露光部への反射光入射率が明確にな
る。以上のデータと照度測定器の照度分布データを組み
合わせ、本来の照度分布を算出することが可能となる。
図６は照度測定器で得られた照度分布データを示し、図
７は図６に示した照度分布データと上記のようにして得
られた迷光入射分布データとによって、本来の照度分布
を算出した結果の一例を表している。

【００２１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、測定用専用マスクの使用及び非露光部のレジスト
パターンの膜厚測定によって、従来不可能であった基板
面及びマスク面の露光光反射のため発生する迷光量を測
定することができ、露光装置光学系全体としての反射特
性が定量化できる。この測定により従来の照度測定では
分かり得なかったパターン寸法不均一の不具合が明確に
でき、反射光を含んだ実際の露光状態での照度均一性を
評価することができる。また前記基板の露光エネルギー
の強度を大幅に上げることにより、膜厚測定時の精度を
格段に向上させることができ、照度分布の最小読み値が
１％以下の照度均一性も十分測定可能となる。更に市松
状にレイアウトした専用マスクを用いることにより、分
布測定の分解能も任意に設定でき、透過光線の定量化に
より照度均一性を定量的に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レジストの反応状態を示す感度曲線である。

【図２】本発明に係る照度均一性測定方法に用いる測定
用専用マスクの構成例を示す図である。

【図３】測定用専用マスクの他の構成例を示す図であ
る。

【図４】本発明に係る照度均一性測定方法において、レ
ジストパターンの膜厚（残膜量）を測定したデータの一
例を示す図である。

【図５】レジストパターンの膜厚（残膜量）を測定した
他のデータ例を示す図である。

【図６】従来のピンホール照度測定器により測定した照
度分布を示す図である。

【図７】図６に示した照度分布データに、本発明に係る
照度均一性測定方法により測定した反射分布（迷光入射
分布）データを加えて求めた照度分布を示す図である。

【図８】従来のステップ＆リピート方式の露光装置を示
す図である。

【図９】基板面でのパターン転写状態と露光光及び反射
光の振る舞いを示す図である。

【図10】基板上の露光チップ配列と露光光の反射光領域
（迷光エリア）を示す図である。

【符号の説明】

11，21 テストマスク 12，22 非遮光パターン 13，23 遮光パターン 101 マスク 102 縮小レンズ 103 照度測定器 104 ウエハステージ 105 ウエハ基板 106 第２コンデンサレンズ 107 第２平面鏡 108 第１コンデンサレンズ 109 フライアイレンズ 110 露光シャッタ 111 第１平面鏡 112 水銀ランプ 113 楕円ミラー 201 露光領域 202 露光光 203 ポジレジスト面 204 基板面 205 迷光 206 反射光 207 非露光部レジスト 208 ウエハ基板 301 露光チップ 302 迷光エリア 303 ウエハ基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上にマスクパターンを露光する装置
   の前記基板上における照度均一性を測定する方法におい
   て、前記基板上にレジスト層を形成したのち、予め透過
   領域と遮光領域を調整した測定用専用マスクを用いて前
   記基板を露光する第一のステップと、前記基板を現像
   し、前記専用マスクのマスクパターンを基板上へレジス
   トパターンとして転写形成する第二のステップと、前記
   レジストパターンの膜厚を、該レジストパターンを転写
   形成した露光チップ領域内において測定し、その膜厚の
   減少及び均一性から前記露光チップ領域内の照度均一性
   を算出する第三のステップとを含むことを特徴とする照
   度均一性測定方法。
2. 【請求項２】 前記第一のステップにおいて、前記レジ
   スト層を形成した基板を露光する露光エネルギーをレジ
   スト感度の数十倍とすることを特徴とする請求項１記載
   の照度均一性測定方法。
3. 【請求項３】 前記測定用専用マスクとして、透過領域
   と遮光領域を市松状に交互にレイアウトし透過光の割合
   を露光チップ領域内で調整したマスクを用いることを特
   徴とする請求項１又は２記載の照度均一性測定方法。