JPS63132428A - 投射アライナー用最適焦点の決定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ウェーハを処理してその上に集積回路（ＩＣ
）を製造する際、通常用いるステップアントリピー１・
（これは一般にＳ＆Ｒまたはその装置がステプバーと略
称されている）投射アライナ−に関し、特に、ウェーハ
上のパターン・レジスト・フィルムを露光するウェーハ
の処理過程において用いられる最適焦点の決定方法に関
する。

（従来の技術とその問題点） レンズ特性のために、ステッパーのレンズを横切る相対
的な最適焦点は、フォトリソグラフィ処理の焦点束を減
少するレンズ系およびシステムの問題（これはフィール
ドの傾きや曲率または非点収差）を測定することで決め
られる。

ステッパー・アライナー・システムの構成は通常、光源
、開口ブレード、レチクル（または拡大マスク）。

レンズそして最後にウェーハなどが整然と配列されてい
る。調整できる開口ブレードまたはブラインドが、最大
フィールドより小さいフィールドをウェーハ上に露出で
きるように、レチクルおよびレンズの各部を通過する光
を遮断する。

ここで、“最適焦点”とは、最も急なレジスト側壁の勾
配、したがって最適の解像度および線幅の制御を与える
ステップアンドリピート投射アライチー上で用いられる
焦点設定（これはピント合わせともいう）をいう。なお
、ステッパーの焦点設定は、ウェーハ表面とレチクル／
レンズとの間の調整可能な距離に対応する。

従来の焦点決定では、２５〜８０フイールドのそれに評
価される。そして最小に解像された地形の公称寸法はデ
ータシート上に記録される。畑＃数字のマトリックスは
、その低露光頂点が“最適焦点”を決める←−梧ネスト
（ｎｅｓｔｅｄ）された放物線（これは一定寸法の曲線
である）を形成する。正のホトレジストの露光不足は、
検討のためにいくつかの放物線を与える。この方法の誤
差は、±０．７５μｍと見積もられる。この制限を完了
し、そして、最適焦点値を決定するのに要する通常の時
間は、約２５〜３０分である。

このような焦点／露先のマトリックスを解釈するのによ
り正確な方法は、各フィールドの臨メ的寸法のバーを正
確に測定することである。ここで、最適焦点は解像され
た最小バーの中心に見出だされる。しかし、この方法は
上述した方法よりもさらに時間がかかる。

上記の手順は、通常工程塵えの最初に行なわれ、そして
最適焦点の決定を保留して、生産が休止される。また、
最適焦点を変化させるであろうところの前記工程変えの
間に生じる全ての変化（たとえば、気圧の変化や一定の
装置保持の手続）は、最適焦点を再決定する必要がある
。

レンズ特性化のための手順は、最大寸法のフィールドが
種々の焦点設定で露光されることを除いて同じであり、
そして解像バーは各フィールドにつき５個所以上で読ま
れる。各位置に対して、最小の解像バーの公１’Ｆ上の
寸法対焦点を含むデータは、その頂部がその位置の最適
焦点にある放物線を形成する。種々の領域に対する最適
焦点値の差異は、フィールドの湾曲およびレンズの傾斜
によって生じる。ここで、水平および垂直線に対する最
適焦点値の差は、非点収差に起因する。両　ともプロセ
スの焦点束に適応しなければならない。

従来のレンズ特性化方法の限界は次のようなものに関連
する。すなわち、 （１）レジスト、その下のフィルムおよび解像バー位置
の露光の局所変化で限定される精度、（２）テストする
位置の数で決まるオペレータの疲労、これにより完全な
レンズマツプは推測することしかできない、 （３）方法を実施し、そしてテストを繰り返して結果を
確認する時間、である。

そこで、ひとつまたは複数位置における最適焦点をより
速く決定する方法が要請されている。

（発明の目的） 本発明は上述の従来技術の問題点を解消し、新規な最適
焦点の決定方法を提供することを目的とする。

（発明の概要） 本発明によれば、焦点／露出のマトリックスから最適焦
点を決定する方法が提供される。この方法は、一つの次
元で露光が代わり、そして他の次元で焦点が変わるウェ
ーハの表面上に、ｌノジストのフィールドの二次元マト
リックスを形成することを含む。このようなパターンは
通常、焦点露光マトリックスと呼ばれる。

次に、レジストが現像されると、その頂部が高であるか
、または頂部が行間にある場合は補間法を用いる。

最適焦点の近くにあるこれらのマトリックス行そしてよ
り大きな露光線量（ｅｘｐｏｓｕｒｅ　ｄｏｓｅｓ）で
は、投射された像で上記線およびスペースを解像するに
はコントラストが不十分だから、全てのレジストが露光
され、そして現像されて除去される。現像の後で、生成
された放物線（その頂部は高い露光を受ける）は、レジ
ストの存、否によってマクロ的に画定される。

レジスト／アライナー・システムの解像度限界より幾分
広い幅を持つ複数の不透明線およびスペースを含むレチ
クル・パターンもここで提供される。

０．２５μｍまでの焦点選択の解像度が、０．５μｍ焦
点ステップのマトリックスで容易に達成できる。

そして本発明の方法によれば、最適焦点の短時間でのマ
クロ的（巨視的）評価ができる。すなわち、１６Ｘ１６
アレイ上の最適焦点をマクロ的に選択するのに要する通
常の時間は、約３０〜６０秒である。大きなアレイを露
光するのに要する時間は、従来の方法よりも約２．５分
長くなるが、全体の時間を節約しているので（９Ｓ分対
ミクロ的方法による２５分〜３０分）、追加される露光
時間を補償して余りある。

また本発明により、フィールドを横切る焦点変化を計量
する同しレチクル・パターンを用いて、上記方法の拡張
が与えられる。すなわち、フィールド上の多異なった位
置で最適焦点を測定するために、レチクルをマスクしそ
してテストされるべきフィールドの領域だけをプリント
する。かくして、露光過度の焦点／露光マトリックスが
プリントされる。そしてマスキングを変化させた後で手
順を繰り返すことにより、レンズの異なった領域を露光
する。かくして、各ウェーハはその位置に対する最適焦
点値を与える。また、レチクルは、る両者間の差である
。

ここで、フィールド全体を横切る相対的な焦点の全体“
象”を得る方法は、このフィールド全体がプリントされ
るようにレチクルを露出し、そして一定の高露光τ′焦
点マトリックスをプリントするものである。現像された
ウェーハは、異なった焦点設定で焦点か合っている、ま
たは合っていない（これは、残っているホトレジストの
、壜によって明示される）一連の領域をマクロ的に表示
する。

別々の焦点値で露出されたブイールに′リオーハーレイ
は、フィールドの回りの地形情報を含む。この方法はＳ
ＥＭ（これは走査型電子顕微鏡の略称である）または他
の技術でさらにテストするための間麗領゛域を識別する
のに用いることができる。

（発明の実施例） 、　以下、図面を用いて本発明を説明する。なお、その
前に最適焦点について従来の方法を説明する。

ここで、各図において同じ参照番号は同じ要素を示す。

まず、第５図は従来のミクロ的技術によるレジスト・フ
ィールドの８Ｘ７マトリツクス配列を示すウェーハの平
面図である。図において、ウェーハ１０は、８×７アレ
イのレジスト・フィールド（っ町ｄ〜 す要素１４のマトリックス１２を支持している。このフ
ィールドのマトリックス１２は、露光線量をＸ方向（水
平方向）に変化させ、そして焦点をＹ方向（垂直方向）
に変化させ、現像した後従来のステップアンドリピート
アライナ−（図示せず）と同じように露光されている。

従来のように、ウェーハ１０は“ステップ“して、別の
組の焦点、露光条件を用いながら隣接位置におけるレジ
ストのフィールド１４の露光を可能にする。

この従来の方法では、便利なように用いられたレチクル
が、それらのいくつかの位置で標準化された解像バー・
セル１６を含む。このようなセル１６の一部の例が第６
図の拡大図に示されており、そこでは、三組のネストに
なったし型バー１８の各組が、図示のようにその間隔を
１．３〜０．７μｍで減少している。

オペレータは顕微鏡（ｓｏｏ　ｘの倍率）の下で各フィ
ールド１４内の一組の解像バーを調べ、そして各バーの
間に何らレジスト材料が存在しない最も小さい組の解像
バー１８を見つける。第６図に示された例では、０．９
Ｊｔｍにある組である。

オペレータはこれらの値を、第５図における独特なフィ
ールドのアレイに一致して配列された第７図図示のテー
ブル・マトリックス２０に入れる。

図において５６個のフィールド】４のそれぞれからのデ
ータを調べ、これをテーブル化した後、一定の現像パタ
ーン寸法でネストされた一つの放物線パターンが認識さ
れる。なお、前記の各放物線の頂部は同一の最適焦点を
示す。第７図に示された例では、矢印”Ａ“で示されて
いるように、最適焦点は２６０にあることがわかる。そ
こでオペレータは投射アライナ−の列の焦点をその値に
設定し、そしてオペレータが何らかの原因（これはたと
えば、気圧の変化または装置の保守作業が考えられる）
で、焦点が移動したということを疑わなければ、その日
−日中ウェーハの処理は、その値（装置およびプロセス
・レベルに固有の小さなオフセラ）・を除く）で実行さ
れるであろう。次に、前述の手順が再び行なわれる。

従来の８Ｘ７焦点／露先のマトリックスをミクロ的に解
釈し、そして最適の焦点値を取り出すのに必要な通常の
時間は約１５〜２０分である。これに対して処理全体の
時間（レチクル・ローディングやウェーハのステッピン
グおよびレジスト露光やレジスト現像またはウェーハの
読み取り）は約１５〜２０分程度である。

これに対して本発明によれば、第２図に示すようにフィ
ールド１４゛からなるアレイ２２は、ウェーハ１０上に
上述したと同じステップアンドリピート法によって、一
方向（Ｙ方向）に沿って焦点を、また、他方向（Ｘ方向
）に沿って露光を変えながら形成される。ここで、上述
したように、焦点が垂直方向（Ｙ方向）に沿って変化す
る間、露光は水平方向（Ｘ方向）にそって変化する。図
示されたアレイは、便宜−、ｈｉｓｘｌａであるが、所
望の解像度の程度によっては他の大きさのアレイを用い
てもよい。

本発明の実施において用いられるウェーハ１０の性質は
重要でない。いま最適焦点が決定されると、残っている
レジストは種々の方法ではぎ取ることができ、そしてウ
ェーハは最適焦点を決定するために再び用いてもよく、
またはその上にＩＣを形成するために処理してらよい。

ここで、生産に用いたものと同じものでよいレジスト層
がウェーハ上に付着される。このレジスト層は従来のス
ピニング法によって、約ｇｏｏｏへ〜１、５０００人の
範囲の厚さ、通常は１．２０００エソ度の厚さまで付着
するのがよい。ここで前記のレジスト層が厚すぎると、
小さな寸法を解像するのが困難となる。したがってｉη
記レジストの厚さは、生産に用いたものと同じ範囲に選
ぶのがよい。

次に、レチクルはレジストをパターン形成するのに用い
られ、そして開口ブレードまたはブラインドが、投射ア
ライナ−のフィールドを所望のフィールド寸法でマスク
する。たとえば、４ｍｍステップで、５ｍｍ角のフィー
ルドを用いることもできる。

各ステップが小さい程、良い焦点解像度が達成できるが
、ウェーハの露光時間は長くなる。

レチクル・レイアウトは本発明の実施に用いられるよう
に現像される。これは第１図に示されるように、レチク
ル・パターンが、レジスト／アライナー・システムの解
像度限界を少し越える幅の複数個の不透明線３０（これ
はクロムがよい）とスペース３２とからなる。そしてそ
の幅は上記解像度限界を１〜２５％越えるのがよい。こ
こで前記不透明線３０およびスペース３２の線幅は、そ
れぞれウェーハ上に１〜１．２μｍの範囲の線および０
．８〜１．０μｍの範囲のスペースを与えるようになっ
ている。もっとら、技術が発展して、より小さな線幅お
よびスペースが印刷できれば、線幅およびスペースの下
限もこれにつれて減少できる。

たとえば、用いられた一つのレチクル・バター゛ンが６
７１ｍ幅で５μｍｆｉれたクロム線からなり、５Ｘステ
ツパー（公称露光にある）上に約１．１μｍ幅の線を印
刷した。この場合におけるレジスト／アライナで延びる
ので、直径２０ＩｌｌＩｎ程度までの任意の寸法のフィ
ールドが応用分野に応じて５Ｘステツパー上に印刷でき
る。無論、ＩＸまたはＩＯＸステッパーに対して、レチ
クル線寸法のスペースおよび最大フィールド寸法は、そ
れに応じて変わる。いずれにしても、不透明線幅および
スペース幅は、レジスト／アライナ−両性能に依存し、
そして簡単な実験によって特定組の条件に対する最適の
組合わせが明らかになる。

任意的に、第６図に示されたものと類似した解像バー・
セルは、解像度のミクロ的計量のために含まれてもよい
。もつと６、このようなバー・セルは本発明の実施に必
要ない。なぜならミクロ的な検査は最適焦点の決定に何
ら含まれないからである。

段階的露光に続いて、レジストは従来の現像液で現像さ
れる。もし十分な相用点ステップお上び高露光が用いら
れる場合は、現像前に明らかな潜像が、最適焦点を判断
するの１こ十分である。たとえば、＾２１５１２正のホ
トレジストに対しては、従来通り、カセイソーダの水溶
液が用いられる。再び言うと、現像液は、現像方法（た
とえば、スプレーまたはディップ）の場合と同じく、生
産において用いられるものに合わせられる。

前述した処理工程の結果として、第２図において２４で
示したものに類似した放物線状パターンが観的な評価で
はなく、ウェーハの各部におけるレジストの存、否によ
って決定される。本発明の方法は、マクロ的な高コント
ラスト・プロフィルを生じさせるパラメータとして焦点
を用いるもののように１Ｅる。そこで、この方法は、最
適焦点を決定する“マクロ焦点法′と呼ばれる。

基本的な考えは、最適焦点近くのこれらのマド露光は公
称値から公称値の数倍でよい。

最適焦点からはずれ、そして大きな露光線量で投射され
た像は、線およびスペースを解像するには不十分なコン
トラストをもつことになるので、全てのレジストが露光
され、そして現像、除去される。次に現像後生じた放物
線２４（その頂ｆｆ１２６は高露光にある）は、第２図
に示されているように、レジスＩ・の存、否によってマ
クロ的に画定される。

定である。その頂部が行間にある場合は、補間法が用い
られる。たとえば、０．２５μｍまでの電点選択におけ
る解像度は、０．５μｍ焦点ステップのマトリックスで
容易に達成できる。

なお、選択される特定の焦点範囲は、生産に要求される
精度に依存する。ここで選択された特定の露光範囲は、
線およびスペースの寸法および現像パラメータに依存す
る。線／スペースの寸法が印刷可能な最小値に近付く程
、放物線２４を頂部２６に終端させるに必要な露光過度
は少なくなる。

１６ＸＩ６アレイ上で最適焦点をマクロ的に選択するに
要する通常の時間は、約３０〜６０秒である。これに対
して処理全体の従来の時間は９．５分程度、または最適
焦点をミクロ的に決定する全時間の約１７３である。

本発明の方法は速さの他にいくつかの利点がある。その
第１は、顕微鏡が必要ないので、単調な仕事は必要なく
なる。第２に、本方法は主観的要素が少ないから、人員
の訓練が簡単である。第３に、ここに述べた方法は、焦
点決定における解像度を増大することを可能にする。す
なわち、より小さな焦点ステップを、評価時間または努
力の増大を伴わないで容易に用いることができる。第４
には大面積を考慮しているので、局部のレジスト厚さ、
フィルム変化、汚れなどに対する感度が減少する。その
ために、従来のミクロ的方法に比べてデータ精度が改良
される。

釈をなすこともできる。それは、ウェーハの裏面ヂャソ
クまたはレチクルの傾きや平坦でないウェーハは、部分
的なフィールド・クリアリングの・ギザギザ・パターン
によって明らかｌ；なる。レーザ・スクライブ同定のよ
うな、システム問題またはウェーハの不規則による自動
焦点の不一致は、隣接フィールドに対する論理的類似性
を示さないフィールドとして現れる。

次にレンズの特性化について、部分フィールド（定量的
）を説明する。まず、本発明によれば、最適焦点を決定
する際に使用すると述べた前記の方法を発展させて、中
央以外のフィールド領域の特性化を可能にすることがで
きる。これは通常、。

“最適焦点”を決定するのに用いられる。

ウェーハの型や処理は、」二連したレチクルの使用の態
様を除いて上述したものと同様である。

また、フィールドの曲率および傾きを測定するために、
レンズの一部だけを用いることによって、レチクルがマ
スクされる。焦点露光マトリックスが上述したように露
出され、そしてその領域に対する最適焦点が選択される
。次に、レンズの異なった部分が露出され、そしてそれ
ぞれが別々のつ工−ハ上にあり、全体で最低５個のレン
ズ位置で手順が繰り返される。かくして、最適な焦点は
レンズの各部について決定される。傾きの大きさは、レ
ンズを横切る最適焦点値の線形変化を探査することによ
って取り出される。フィールド曲率の大きさは、線形要
素を除いた後、レンズを横切る最適焦点値における二次
小変化を探査することによって取り出される。

任意の位置における非点収差を測定するには、個々の最
適焦点値かサジタル方向および接線方向の線について得
られるように、２つの直交方向（たとえば、水平、垂直
の各方向）で、レチクルを用いることが上記手順に付加
される。サジタル線および接線に対する最適焦点間の各
位置での差は、そこの非点収差の大きさである。

フィールドが大きくなればなる程、生産におけるウェー
ハのハ理千も大きくなることは公知である。しかし、フ
ィールＹが大きくなる程、大きなレンズ面積が用いられ
、そして理想の平坦な焦点向が大きくなる。上記分析は
、このようなレンズ問題が存在するかどうか、またはど
こに存在するかを判別できるので、フィールドａ傾きの
問題を訂正し、または、フィールド湾曲または非点収差
のような訂正できない収差を有する領域を補正または避
けるためのステップをとることができる。

また、全体フィールド（定量的／定性的）について、本
発明によれば、フィールド全体は、所望のレヂクル配向
につき■ウェーハ上で、焦点は変化するが、露光を一定
値に維持することによって同時にテストすることができ
る。この処理は、最適焦点決定のために用いられる放物
線を通って垂直スライス（一定の露光列）をとるのと等
価である。

ウェーハの形や処理は、上述したレチクルの使用の聾様
を除いて上述と同様である。

利用可能なレンズ領域全体を通して、最大フィで、９個
程度の全体フィールド３４（直径２０ｎ＋＋ｎ）が第３
図お・よび第４図に示されるように便利に露光できる。

ウェーハを現像した後、焦点近くの区域はレジストを有
し、そして焦点をはずれた区域はレジストをもたない（
テストされる焦点範囲にわたってこのコン）・ラストを
明らかにする適当な露光みを強調する。このようなひず
みの例は、点画が仏縁を表すのに用いられている第３図
に示されている。

一連のフィールドが重ねられると、Ｉノンズを横切る焦
点の地形マツプが生じる。らし、非点収差が存在する場
合、一方向に走るレチクル線で露光されたウェーハは、
レチクル線がＣ交方向に走るように、そのレチクルが回
転されることを除けば、同様に処理されたウェーハとは
異なったパターンを示す。かくして、２つのウェーハを
露光すること７こよって非点収差が分離、強調される。

上記したレチクル線の２回の半時間直交露光で１つのウ
ェーハを露光するか、または１ウエーハ上に重ねられた
両方向の線を有するレチクルでそのウェーハを露光すれ
ばミ平均の最適焦点を示すウェーハが生じるので、非点
収差は決定できなくなる。

レジストおよび明るい仏縁の存、否は、数時間（従来の
方法によって要求される時間は、テストされる位置の数
に依存する）に対して本発明によれば数分であり、これ
は量的なフィールドのひずみを取出すのに用いることが
できる。

理想的な場合、平坦なレンズの特性化でレジストのｎｌ
は、任意の所定の焦点設定でフィールド３４を横切って
均一となり、そしてフィールド全体は同じ焦点設定で焦
点が合っているから、縁は明らかでなくなる。次のフィ
ールドで、焦点が理想状態からさらにはずれると、レジ
ストの量は次第にぼんやりと均一に減少する。この場合
最適焦点は、第４図の点画の最高の密度、または同等の
量のレジストを有するフィールドの中心によって示され
ているように、多くのレジストが残っζいるフィールド
にある。

“、′ 本発明の方法は、集積回路を生産するためウェーハを処
理するのに用いるステップアンドリピート投射アライナ
−において最適焦点を決定し、またこの上うなアライナ
−においてレンズを特性化するのに有用である。

かくして本明細書には、ステップアンドリピート投射ア
ライナ−に対して最適焦点および相対的な最適焦点を決
定する方法が開示されている。そしてレチクルの設計は
、本発明を実施するために与えられる。なお、多くの変
形、修正が当業者には明らかであろうし、また本発明の
精神、範囲から離れることなくなし得るであろう。そし
て、これら全ての変形、修正は上記特許請求の範囲によ
って画定された本発明の範囲内にあると考えられる。

（発明の効果） °以上詳述するように、本発明のマクロ的観点によれば
極めて短時間でステッパーの最適焦点が決定できるので
、ステップアンドリピート投射アライナ−に実施してそ
の効果大である。

イアウドの一部を示す平面図、第２図は本発明の方法に
よるレジスト・フィールドの１６Ｘ１６マトリツクスを
用いて最適焦点の決定例を示すウェーハの平面図、第３
閣はステップアンドリピート投射アライナ−の特性を評
価するために、３Ｘ３マトリツクスの存在を示すウェー
ハの平面図、第４図は前記第３図と同じであるが、フィ
ールドに曲率や傾きのない理想的な状態を示すウェーハ
の平面図、第５図は従来のミクロ的な技術によって、レ
ジスト・フィールドの８Ｘ７マトリツクス配列を示すウ
ェーハの平面図、第６図は解像バーを示すフィールドの
一部の拡大図（５００Ｘ）、第７図は第５図に示したウ
ェーハ上におけるレジスト・フィールドのマトリックス
に対応したマトリックスで、最小の解像バーを表わす数
のマトリックス図である。

図において、■０：ウェーハ、１４°、３４：フィール
ド、２２ニアレイ、２４：放物線状パターン、２６．頂
部、３０：不透明線、３２ニスペースである。

出願人　横河・ヒユーレット・パッカード株式会社代理
人　弁理士　　長　谷　川　次　男ｉｇ　　１ Ｆｉｇ　３ Ｆｉｇ　５ Ｆｉｇ　Ｇ Ｆｉｇ　ｆ７

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）焦点／露光のマトリックスから投射アライナーの
   最適焦点を決定する方法で次を含む。 （イ）ウェーハの平らな面の磨かれた側におけるレジス
   ト・フィールドの２次元マトリックスが、一つの次元で
   露光を変化し、他方の次元で焦点を変化させて露光し、
   そしてレチクルは、レジスト／アライナー・システムの
   分解能限界よりわずかに広い幅の複数の不透明線とスペ
   ースを用いていること、 （ロ）放物線の頂部の焦点値により前記最適焦点を決定
   すること。