KR20060024450A

KR20060024450A - 포커스 테스트 마스크, 포커스 측정 방법, 및 노광 장치

Info

Publication number: KR20060024450A
Application number: KR1020057025527A
Authority: KR
Inventors: 신지로 곤도
Original assignee: 가부시키가이샤 니콘
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-03-16
Also published as: WO2005004211A1; EP1643542A1; CN1813338A; JPWO2005004211A1; KR100815096B1; US7426017B2; SG138616A1; EP1643542A4; US20060103825A1

Abstract

이 포커스 테스트 마스크에는, 투영 광학계 (PL) 를 통해 웨이퍼 (W) 상에 투영되는 테스트 패턴이 형성되어 있고, 이 테스트 패턴은 계측 방향으로 나열되어 배치된 복수의 라인 패턴 (12a∼12f) 과, 복수의 라인 패턴의 각각의 근방 영역에 형성되어, 통과하는 광의 위상을 어긋나게 하기 위한 위상 시프트부 (13) 와, 라인 패턴의 이미지의 어긋남을 측정할 때의 기준이 되는 이미지를 얻기 위한 기준 패턴 (11a∼11d) 을 갖고, 이들 복수의 라인 패턴의 간격이, 각각의 라인 패턴을 고립선과 등가라고 간주할 수 있는 간격으로 설정되어 있다.

포커스 테스트 마스크, 투영 광학계, 레티클 스테이지, 테스트 패턴, 위상 시프트부

Description

포커스 테스트 마스크, 포커스 측정 방법, 및 노광 장치{FOCUS TEST MASK, FOCUS MEASUREING METHOD, AND EXPOSURE DEVICE}

기술분야

본 발명은 반도체 분야에서 사용되는 노광 마스크, 포커스의 측정 방법, 및 노광 장치에 관한 것이다.

본출원은 2003년 07월 03일에 출원된 일본 특허출원공보 2003-190791호에 대해서 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

배경기술

종래부터, 테스트 레티클에 형성된 테스트 패턴을 투영 광학계를 통해 기판 상에 형성하고, 그 형성된 마크를 계측함으로써 투영 광학계의 결상 특성을 계측하는 것이 행해지고 있다. 최근에는 보다 엄격한 포커스 정밀도가 요구되고 있고, 투영 광학계의 포커스 위치도, 보다 고정밀도인 측정 방법이 요구되고 있다.

종래의 포커스 측정 방법, 및 포커스 테스트 패턴으로서는 U.S.Patent No.5300786, 일본국 특허공보 제3297423호의 2개의 문헌에 개시된 기술이 알려져 있다.

U.S.Patent No.5300786 에 있어서의 포커스 측정 방법은 이른바 레벤슨형 위상 시프트 마스크를 사용하여, 고립선 (孤立線) 형상의 패턴을 디포커스 상태에서 노광함으로써 그 고립선 형상의 패턴의 이미지가 가로 방향 (투영 광학계의 광축에 수직인 방향) 으로 이동하는 현상을 이용한 포커스 측정 방법이다.

도 7 은 이 측정 방법으로 포커스 위치를 측정할 때에 사용되는 포커스 측정 패턴의 일례를 나타낸다. 이 패턴을 노광하면, 일반적으로 박스 인 박스 마크 형상의 패턴이 형성된다. 이 패턴을 디포커스 상태에서 노광하면, 내측의 직사각 형상 패턴 (박스 패턴) 의 위치와 외측의 직사각 형상 패턴 (박스 패턴) 의 위치가 역방향으로 어긋난다. 이들의 박스 패턴의 상대적인 위치 관계를 계측함으로써, 노광시의 디포커스량을 측정할 수 있다.

그러나, 이 박스 패턴의 계측에서는, 측정하는 패턴의 개수가 직교하는 2 방향에 있어서 각각 2개씩 밖에 없어, 노광 장치 내에 배치된 얼라인먼트계의 촬상 소자로 계측하면, 계측 정밀도가 낮다고 인식되고 있다. 이를 해결하기 위해서, 측정 패턴의 다수개화가 행해지고 있다. 구체적으로는 박스 인 박스 마크와 같이 에지로 측정 마크를 만드는 것이 아니고, 라인을 복수개 나열한 형상의 바 인 바 마크를 들 수 있다. 그럼으로써 박스 인 박스의 2배의 개수의 측정 패턴을 계측할 수 있게 된다.

그러나, 이 측정 방법에서는 실제로는 2회 노광을 행하여, 다수의 회절 격자 패턴의 일부를 잘라내어 측정 패턴을 형성하고 있다. 이 때문에, 디포커스량이 크고 위치 어긋남이 회절 격자 피치의 반을 초과하면 측정할 수 없게 되는 결점이 있다.

일본국 특허공보 제3297423호에 있어서의 포커스 측정 방법은, 회절 격자 패턴에 있어서의 +1차광과 -1차광의 회절 효율을 상이하게 하여 (이상적으로는 일방 을 0 으로 한다) 비대칭 회절 격자 패턴으로 하는 것으로, 이 비대칭 회절 격자 패턴을 디포커스 상태에서 노광하면, 비대칭 회절 격자 패턴의 이미지가 가로 방향으로 이동하는 현상을 이용한 것이다.

이 측정 방법에서 포커스 위치를 측정할 때에 사용되는 포커스 측정 패턴의 일례를 도 8a 에 나타낸다. 기준 패턴이 큰 고립 패턴 (21a, 21b) 인 경우, 비대칭 회절 격자 패턴 (10) 을 디포커스 상태에서 노광하면, 비대칭 회절 격자 패턴 (10) 의 이미지의 위치가, 고립 패턴 (21a, 21b) 의 이미지의 위치에 대하여 예를 들어 화살표 방향으로 어긋난다. 또한, 도 8b 에 나타내는 바와 같이, 기준 패턴이 회절 격자 패턴 (22a, 22b) 이어도 되고, 도 8c 에 나타내는 바와 같이, 기준 패턴이 비대칭 회절 격자 패턴 (23a, 23b) 이어도 무방하다.

그러나, 이 비대칭 회절 격자 패턴에 있어서는 ±1차 회절광의 어느 일방을 거의 0 으로 하기 때문에, 패턴을 기판 상에 노광할 때의 노광량이 부족해질 가능성이 있다. 예를 들어, 마스크와 기판을 상대 주사하여 노광하는 주사형 노광 장치의 경우, 스캔 스피드를 느리게 할 필요가 있어, 통상의 회로 패턴의 노광 조건과는 달라지기 때문에, 실제의 노광시의 상태와는 다른 결과가 생길 우려가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 실제의 노광 조건과 같은 조건에서 패턴을 노광할 수 있고, 또한 노광 장치 내에 형성된 촬상 소자에 의해서 계측가능한 테스트 패턴을 갖는 포커스 테스트 마스크, 그것을 사용한 측정 방법, 및 노광 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 개시

상기 기술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 투영 광학계를 통해 기판 상에 투영되는 테스트 패턴이 형성된 포커스 테스트 마스크로서, 이 테스트 패턴은 계측 방향으로 나열되어 배치된 복수의 라인 패턴, 복수의 라인 패턴의 각각의 근방 영역에 형성되고, 통과하는 광의 위상을 어긋나게 하기 위한 위상 시프트부, 및 라인 패턴의 이미지의 어긋남을 측정할 때의 기준이 되는 이미지를 얻기 위한 기준 패턴을 갖고, 복수의 라인 패턴의 간격이, 각각의 라인 패턴을 고립선과 등가라고 간주할 수 있는 크기로 설정되어 있는 포커스 테스트 마스크를 제공한다.

본 발명에 의하면, 복수의 라인 패턴을 각각 고립선으로서 형성할 수 있고, 복수의 라인 패턴의 이미지의 위치를 검출함으로써 고정밀도로 기준 패턴의 이미지와의 위치어긋남을 계측할 수 있다.

또, 복수의 라인 패턴은 상이한 복수의 간격을 두고 배치되어 있어도 되고, 전부가 등 간격으로 나열되어 배치되어 있어도 된다.

또한, 복수의 라인 패턴은, 간격 (d2) 으로 배치된 2개의 라인 패턴으로 이루어지는 한 쌍의 라인 패턴이 간격 (d2) 보다 큰 간격 (d3) 으로 복수 배치된 구성으로 해도 된다.

또한, 라인 패턴의 간격은 라인 패턴의 폭의 10배보다 크게 설정되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 라인 패턴의 간격은 라인 패턴으로부터의 2차 이상의 회절광도 투영 광학계를 통한 결상에 사용되는 크기를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 포커스 테스트 마스크는 복수 종류의 테스트 패턴을 구비하고, 테스트 패턴을 구성하는 라인 패턴의 선폭이, 테스트 패턴의 종류마다 각각 상이한 것이 바람직하다. 그럼으로써, 사용되는 노광 장치의 조건 (예를 들어 투영 광학계의 NA 등) 에 따라 최적인 선폭의 라인 패턴을 선택할 수 있다.

또한, 본 발명은 포커스 테스트 마스크 상의 패턴을, 노광 장치의 투영 광학계를 통해 투영하고, 그 투영 이미지의 어긋남을 측정함으로써 투영 광학계의 포커스 위치를 측정하는 포커스 측정 방법으로서, 포커스 테스트 마스크로서 상기한 바와 같은 특징을 갖는 포커스 테스트 마스크를 준비하는 준비 공정과, 투영된 라인 패턴의 이미지와 기준 패턴의 이미지의 상대적인 거리를 측정하는 측정 공정을 갖는 포커스 측정 방법을 제공한다.

본 발명의 포커스 측정 방법은 측정 공정에 앞서, 포커스 테스트 마스크의 패턴의 투영 이미지를 기판 상에 노광하는 노광 공정을 갖고, 측정 공정은 기판 상에 형성된 라인 패턴의 이미지와 기준 패턴의 이미지의 상대적인 거리를 측정하는 것이 바람직하다.

이 때, 측정 공정은 노광 장치 내에 형성된 촬상 소자에 의해서 기판 상에 형성된 라인 패턴의 이미지를 촬상하여, 화상 처리함으로써 행해지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 포커스 테스트 마스크에 형성된 패턴을 투영 광학계를 통해 투영하고, 그 투영 이미지의 어긋남을 측정함으로써 투영 광학계의 포커스 위치를 측정하는 노광 장치로서, 투영 광학계를 통해 투영된 상기한 바와 같은 특징을 갖는 포커스 테스트 마스크의 이미지를 검출하여, 라인 패턴의 이미지와 기준 패턴의 이미지의 상대적인 거리를 측정하는 측정 장치를 갖는다.

또, 포커스 테스트 마스크는 회로 패턴이 형성된 마스크를 유지하는 마스크 스테이지 상에, 마스크를 유지하는 유지부와는 상이한 위치에 형성된 기준판이어도 된다.

또한, 측정 장치는 투영 광학계를 통해 기판 상에 투영되어 기판 상에 형성된 패턴의 이미지를 검출하는 것이 바람직하다.

또한, 측정 장치는 투영 광학계를 통해 투영된 패턴의 공간 이미지를 검출하는 것이 바람직하다.

본원 발명에 의하면, 실제의 노광 조건과 같은 조건에서 패턴을 노광할 수 있고, 또한 노광 장치 내에 형성되어 있는 얼라인먼트 현미경에 의해서 계측가능한 테스트 패턴을 갖는 포커스 테스트 마스크, 그것을 사용한 측정 방법, 및 노광 장치를 제공할 수 있다.

도면의 간단한 설명

도 1 은 본 발명의 실시형태에 있어서의 노광 장치의 개략 구성도를 나타내는 평면도이다.

도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 테스트 레티클의 평면도이다.

도 3a 는 본 발명의 포커스 테스트 패턴의 일 실시형태를 나타내는 평면도이고, 도 3b 는 도 3a 에 나타내는 패턴의 단면도이고, 도 3c 는 도 3a 에 나타내는 패턴을 광전 검출 장치로 검출하였을 때의 검출 신호를 나타내는 도면이다.

도 4a 는 본 발명의 포커스 테스트 패턴의 별도의 실시형태를 나타내는 평면도이고, 도 4b 는 도 4a 에 나타내는 패턴의 단면도이다.

도 5 는 본 발명의 포커스 테스트 패턴의 별도의 실시형태를 나타내는 평면도이다.

도 6 은 본 발명의 포커스 테스트 패턴의 별도의 실시형태를 나타내는 평면도이다.

도 7 은 종래의 포커스 테스트 패턴의 일례를 나타내는 평면도이다.

도 8a 는 기준 패턴이 큰 고립 패턴인 경우의 포커스 테스트 패턴의 일례를 나타내는 평면도이고, 도 8b 는 기준 패턴이 회절 격자 패턴인 경우의 포커스 테스트 패턴의 일례를 나타내는 평면도이고, 도 8c 는 기준 패턴이 비대칭 회절 격자 패턴인 경우의 포커스 테스트 패턴의 일례를 나타내는 평면도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명을 반도체 소자 제조에 사용되는 주사 노광 방식의 노광 장치로 구체화한 일 실시형태에 대해서, 도 1 내지 도 6 에 기초하여 설명한다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 노광 장치 (EX) 는 마스크로서의 레티클 (R) 상에 묘화된 회로 패턴을 기판으로서의 웨이퍼 (W) 상에 투영 전사하는 것이다. 노광 광원, 콜리메이터 렌즈, 간섭 필터, 플라이아이 렌즈 및 개구 조리개 (σ 조리개) 등을 포함하는 조명 광학계 (29) 로부터 조사된 노광광 (EL) 은 빔 스플리터 (30) 에 의해 반사된다. 노광광 (EL) 은 예를 들어 KrF, ArF, F2 등의 엑시머 레이저광, 금속 증기 레이저나 YAG 레이저의 고조파, 또는 g선, h선, i선 등의 초고압 수은 램프의 휘선이다. 빔 스플리터 (30) 에 의해 반사된 노광광 (EL) 은 릴레이 렌즈 (31a, 31b), 레티클 블라인드 (32), 미러 (33), 콘덴서 렌즈 (34) 를 통해 반도체 소자 등의 회로 패턴 등이 그려진 레티클 (R; 또는 포커스 테스트 패턴이 그려진 포커스 테스트 레티클 (TR)) 에 입사하여, 레티클 (R) 의 조명 영역을 거의 균일한 조도로 조명한다.

레티클 (R) 은 베이스 (38) 상에 형성된 마스크 스테이지로서의 레티클 스테이지 (RST) 에 진공 흡착되어 있다. 이 레티클 스테이지 (RST) 는 노광광 (EL) 의 광축에 대하여 직교하는 평면 내에서 레티클 (R) 을 위치 결정하기 위해서, 베이스 (38) 상을 에어 베어링 등을 통해 2차원 방향으로 미동가능하게 유지되어 있다.

레티클 스테이지 (RST) 의 단부에는, 간섭계 (40) 로부터의 레이저 빔을 반사하는 이동 거울 (41) 이 고정되어 있다. 이 간섭계 (40) 에 의해서, 레티클 스테이지 (RST) 의 스캔 방향의 위치가, 예를 들어 0.01μm 정도의 분해능으로 상시 검출되고, 그 위치 정보는 레티클 스테이지 제어부 (42) 로 전송된다. 레티클 스테이지 제어부 (42) 는 레티클 스테이지 (RST) 의 위치 정보에 기초하여 도시하지 않은 레티클 스테이지 구동부를 제어하여, 레티클 스테이지 (RST) 를 이동시킨다.

또한, 레티클 스테이지 (RST) 상에는 투영 광학계 (PL) 의 결상 특성을 계측하기 위한 테스트 패턴이 형성된 기준판 (43) 이 형성되어 있다. 이 기준판 (43) 의 패턴 형성면은 레티클 (R) 의 패턴 형성면과 거의 같은 높이가 되도록 형성되어 있다.

레티클 (R) 을 통과한 노광광 (EL) 은 예를 들어 양측 텔레센트릭한 투영 광학계 (PL) 에 입사한다. 투영 광학계 (PL) 는 그 레티클 (R) 상의 회로 패턴을 예를 들어 1/5 또는 1/4 로 축소한 투영 이미지를, 표면에 노광광 (EL) 에 대하여 감광성을 갖는 포토 레지스트가 도포된 웨이퍼 (W) 상에 형성한다.

여기서, 레티클 (R) 상의 조명 영역이, 레티클 블라인드 (32) 에 의해 직사각 (슬릿) 형상으로 정형된다. 그리고, 레티클 (R) 을 노광시에 +Y 방향으로 속도 (Vr) 로 주사함으로써, 레티클 (R) 상의 회로 패턴을 슬릿 형상의 조명 영역에서 일단측에서 타단측으로 향하여 차차 조명한다. 여기서, 웨이퍼 (W) 는 레티클 (R) 과는 도립 결상 관계에 있기 때문에, 레티클 (R) 과는 반대 방향 (-Y 방향) 으로 속도 (Vw) 로 레티클 (R) 의 주사에 동기하여 주사된다. 그럼으로써, 웨이퍼 (W) 의 쇼트 영역의 전체면을 노광할 수 있게 된다. 주사 속도의 비 (Vw/Vr) 는 투영 광학계 (PL) 의 축소 배율에 따른 것으로 되어 있고, 레티클 (R) 상의 회로 패턴이 웨이퍼 (W) 상의 각 쇼트 영역 상에 정확히 축소 전사된다.

웨이퍼 (W) 는 웨이퍼 홀더 (45) 에 진공 흡착되어, 웨이퍼 홀더 (45) 를 통해 기판 스테이지로서의 웨이퍼 스테이지 (WST) 상에 유지되어 있다. 웨이퍼 홀더 (45) 는 도시하지 않은 구동부에 의해, 투영 광학계 (PL) 의 최적 결상면에 대하여, 임의 방향으로 경사가능하고, 또한 투영 광학계 (PL) 의 광축 (AX) 방향 (Z 방향) 으로 미동가능하게 되어 있다. 또한, 웨이퍼 스테이지 (WST) 는 모터 등으로 이루어지는 웨이퍼 스테이지 구동부 (46) 에 의해, 주사 방향 (Y 방향) 의 이동뿐만 아니라, 복수의 쇼트 영역에 대하여 임의로 이동할 수 있도록 주사 방향에 수직인 방향 (X 방향) 으로도 이동가능하게 구성되어 있다. 그럼으로써, 웨이퍼 (W) 상의 각 쇼트 영역을 주사 노광하는 동작과, 다음 주사 노광의 개시 위치까지 이동하는 동작을 반복하는 스텝·앤드·스캔 동작이 가능하게 되어 있다.

웨이퍼 스테이지 (WST) 의 단부에는 간섭계 (47) 로부터의 레이저 빔을 반사하는 이동 거울 (48) 이 고정되어 있고, 웨이퍼 스테이지 (WST) 의 XY 방향의 위치는 간섭계 (47) 에 의해서, 예를 들어 0.01μm 정도의 분해능으로 상시 검출된다. 웨이퍼 스테이지 (WST) 의 위치 정보 (또는 속도 정보) 는 웨이퍼 스테이지 제어부 (49) 로 전송되고, 웨이퍼 스테이지 제어부 (49) 는 이 위치 정보 (또는 속도 정보) 에 기초하여 웨이퍼 스테이지 구동부 (46) 를 제어한다.

또한, 웨이퍼 스테이지 (WST) 상에는 전사 노광의 기준 위치, 여기서는 투영 광학계 (PL) 의 노광 필드의 중심에 대한 레티클 (R) 의 상대 위치를 검출하기 위한 기준 마크를 구비한 기준판 (50) 이 형성되어 있다. 이 기준판 (50) 은 웨이퍼 (W) 의 표면과 거의 같은 높이가 되도록 형성되어 있다.

투영 광학계 (PL) 의 근방 양측에는 투광계 (57) 및 수광계 (58) 로 구성되고, 웨이퍼 (W) 의 높이 위치 (투영 광학계 (PL) 의 광축 (AX) 방향에서의 위치) 정보를 얻는 초점 위치 검출계 (57, 58) 가 형성되어 있다. 투광계 (57) 로부터의 계측 빔은 웨이퍼 (W) 상에 조사되고, 웨이퍼 (W) 에서 반사된 계측 빔은 수광계 (58) 내의 광전 검출기에 의해서 수광된다. 수광계 (58) 는 광전 검출기 의 검출 신호에 기초하여 웨이퍼 (W) 의 높이 위치 정보를 검출하여, 주제어계 (70) 에 공급한다. 주제어계 (70) 는 이 높이 위치 정보에 기초하여, 웨이퍼 스테이지 (WST) 의 높이 위치 및 기울기를 조정하여, 웨이퍼 (W) 의 표면을 투영 광학계의 결상면에 합치시킨다. 또한, 주제어계는 소정 오프셋량을 초점 검출계 (57, 58) 에 대하여 부여할 수 있다.

투영 광학계 (PL) 의 측방에는 웨이퍼 (W) 상에 투영되는 패턴 이미지의 결상 상태 및 기준판 (50) 상의 WA 기준 마크를 검출하기 위한 광전 검출 장치 (51) 가 형성되어 있다. 이 광전 검출 장치 (51) 는 디스토션에 관한 정보를 계측하는 계측 디바이스 및 광전 검출 디바이스를 구성하여, 촬상 소자 (52) 에 의해 웨이퍼 (W) 상의 패턴 이미지 및 기준판 (50) 상의 기준 마크를 촬상하여 검출하는 촬상 방식으로 되어 있다.

이 광전 검출 장치 (51) 는 할로겐 램프, 콘덴서 렌즈, 광섬유, 간섭 필터, 및 렌즈계 등을 포함하는 조명 광학계 (54) 를 갖는다. 할로겐 램프로부터 조사된 광대역의 조명광 (IL) 은 간섭 필터에 의해 포토 레지스트층의 감광 파장역 및 적외 파장역의 광이 커트된다. 그리고, 조명 광학계 (54) 로부터 조사된 조명광 (IL) 은 빔 스플리터 (55), 미러, 프리즘, 및 대물 렌즈로 이루어지는 대물 광학계 (56) 에 입사한다. 대물 광학계 (56) 로부터 사출된 조명광 (IL) 이, 투영 광학계 (PL) 의 조명 시야를 차광하지 않도록 웨이퍼 (W) 를 거의 수직으로 조사한다.

이 조사에 의해 웨이퍼 (W) 상의 투영 영역이 조명되고, 그 조명에 따라 당 해 영역에서 반사된 반사광 (RL) 은 대물 광학계 (56), 빔 스플리터 (55) 를 통해 촬상 소자 (52) 에 유도된다. 촬상 소자 (52) 내에는 도시하지 않은 투명창 및 렌즈계가 형성되어 있고, 반사광 (RL) 은 투명창 내에 결상되고, 그 결상은 렌즈계를 통해 촬영된 후에 촬상 신호로 광전 변환된다. 이 촬상 신호는 주제어계 (70) 에 공급되어, 그 촬상 신호를 파형 처리함으로써, 웨이퍼 (W) 상에 형성된 패턴 이미지의 위치 정보가 산출된다. 또, 이 광전 검출 장치 (51) 는 웨이퍼 (W) 상에 형성된 얼라인먼트 마크나, 테스트 레티클 (R) 에 형성된 테스트 패턴을 웨이퍼 (W) 상에 노광하였을 때의 테스트 패턴 이미지의 계측에도 사용된다.

또한, 주제어계 (70) 에는 키보드나 바코드 리더 등의 입력 디바이스 (71) 가 접속되어 있다. 이 입력 디바이스 (71) 를 통해, 웨이퍼 (W) 의 사이즈, 투영 배율, 레티클 블라인드 (32) 의 개방도 (조명 슬릿폭) 의 값, 목표 노광량, 주사 속도, 표준 패턴 이미지 (디스토션을 갖지 않는 정상인 패턴 이미지) 에 관한 정보, 광전 검출 장치 (51) 에 의한 계측 조건 등의 각종 정보를 주제어계 (70) 에 입력할 수 있게 되어 있다.

또한, 주제어계 (70) 에는 기억 디바이스 및 파라미터 산출 디바이스로서의 하드 디스크부 (72) 가 접속되어 있다. 주제어계 (70) 는 광전 검출 장치 (51) 에 의해 산출된 테스트 패턴 이미지의 위치어긋남에 관한 정보에 기초하여, 투영 광학계의 최적 결상면 (베스트 포커스면) 에 관한 정보를 얻고, 이것을 기판 상의 위치에 대응하여 하드 디스크부 (72) 에 기억시킨다. 그리고, 이와 같이 산출된 베스트 포커스면의 위치에 관한 정보는 하드 디스크부 (72) 내에서 쇼트 영역마 다 구획된 기준 데이터 파일에 저장되도록 되어 있다.

다음으로, 본 실시형태의 포커스 테스트 마스크, 및 그것을 사용한 측정 방법에 관해서, 도 2∼도 4 에 기초하여 설명한다.

도 2 는 본 발명에 있어서의 포커스 테스트 레티클 (TR) 을 나타낸다. 포커스 테스트 레티클 (TR) 의 패턴 에어리어 내에는 3행×3열의 포커스 테스트 패턴 (FTP11, FTP12, FTP13, FTP21, FTP22, FTP23, FTP31, FTP32, FTP33) 이 형성되어 있다. 각각의 포커스 테스트 패턴 (FTP11∼33) 은 X 방향으로 신장되는 패턴과 Y 방향으로 신장되는 패턴으로 구성되어 있다. 여기서 예를 들어 포커스 테스트 패턴 (FTP11) 의 X 방향으로 신장되는 패턴을 도 3a, 그 단면도를 도 3b 에 나타낸다.

도 3a 에 나타내는 바와 같이, 포커스 테스트 패턴 (FTP11) 은 양단에 주척 (主尺) (1a, 1b) 이 형성되고, 그 사이에 부척 (副尺) (1c) 이 형성되어 있다. 도 3a 에서의 좌측의 주척 (1a) 은 4개의 라인 패턴 (11a, 11b, 11c, 11d) 이 나열되어 형성되어 있고, 패턴 (11a) 과 패턴 (11b) 이 일방의 페어, 패턴 (11c) 과 패턴 (11d) 이 타방의 페어로 되어 있다. 각 페어에 있어서의 라인 패턴의 간격 (d2) 과, 각 페어 사이의 간격 (d3) 은 상이한 값으로 되어 있다. 우측의 주척 (1b) 도 동일한 구성이므로 여기서는 설명을 생략한다.

또한, 부척 (1c) 은 6개의 라인 패턴 (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f) 이 나열되어 형성되어 있고, 패턴 (12a) 과 패턴 (12b) 이 제 1 페어, 패턴 (12c) 과 패턴 (12d) 이 제 2 페어, 패턴 (12e) 과 패턴 (12f) 이 제 3 페어로 되어 있다. 각 페어에 있어서의 라인 패턴의 간격 (d2) 과, 각 페어 사이의 간격 (d3) 은 상이한 값으로 되어 있다.

다음으로, 구체적인 치수를 이하에 설명한다. 각 라인 패턴 (11a∼11d, 12a∼12f) 은 각각 같은 폭 (d1) 을 갖고, d1=0.1μm (마이크로미터) 이다. 각 페어의 패턴 간격 (d2) 은 약 5μm (마이크로미터) 이고, 각 페어 사이의 간격 (d3) 은 약 12μm (마이크로미터) 로 되어 있다. 이와 같이, 패턴의 선폭에 비하여, 패턴 사이나 페어 사이의 간격은 매우 커져 있고, 각 라인 패턴이 각각 고립 패턴과 거의 등가로 되어 있다. 각 라인 패턴을 독립 패턴과 거의 등가로 하기 위해서는 예를 들어, 각 패턴의 간격을 패턴 선폭 (d1) 의 10배 이상으로 하면 된다. 이렇게 함으로써, 각 라인 패턴이 독립된 하나의 패턴이 되어, 각 라인 패턴의 2차 이상의 회절광도, 투영 광학계 (PL) 를 통해 라인 패턴 이미지로서 결상된다.

또, 본 실시형태에 있어서, 주척 (1a, 1b) 및 부척 (1c) 을 동일한 선폭 (d1) 으로 형성하고 있는 이유는, 이와 같이 구성함으로써 보다 높은 감도로 디포커스량을 검출할 수 있기 때문이다. 그러나, 주척 (1a, 1b) 을 구성하는 라인 패턴의 선폭과, 부척 (1c) 을 구성하는 라인 패턴의 선폭을 상이하게 해도 무방하다.

도 3a, 도 3b 에 있어서, 주척 (1a, 1b) 의 각 라인 패턴의 우측에는 각각 위상 시프트부 (13) 가 형성되어 있다. 이들의 위상 시프트부 (13) 는 통과하는 광의 위상을 90°어긋나게 하도록 구성되어 있다. 또한, 부척 (1c) 의 각 라인 패턴의 좌측에도 마찬가지로, 통과하는 광의 위상을 90°어긋나게 하는 위상 시프트부 (13) 가 형성되어 있다. 이와 같이, 주척 (1a, 1b) 과 부척 (1c) 에 형성된 위상 시프트부 (13) 의 위치가 반대이기 때문에, 디포커스한 상태에서 포커스 테스트 패턴 (FTP11∼33) 을 노광하면, 위치가 시프트되는 방향이 각각 역방향으로 된다.

이러한 포커스 테스트 패턴 (FTP11) 을 웨이퍼 (W) 상에 노광하여 생성된 이미지를, 도 1 에 나타내는 노광 장치 내의 광전 검출 장치 (51) 로 검출한다. 그 때의 검출 신호를 도 3c 에 나타낸다. 도 3c 는 광전 검출 장치 (51) 의 촬상 소자 (52) 로 촬상된 포커스 테스트 패턴의 화상을, 소정 주사선으로 주사하였을 때의 신호 강도의 분포이다. 도 3c 로 알 수 있는 바와 같이, 각 라인 패턴의 부분에서 검출 신호의 강도가 낮게 되어 있다. 본 예에서는 주척이 합계 8개, 부척이 합계 6개이므로, 이들의 보텀 (B1∼B14) 부분의 위치를 각각 검출함으로써, 평균화 효과에 의해서 주척과 부척의 상대적인 위치 관계를 고정밀도로 검출할 수 있게 된다. 주제어계 (70) 는 이 주척 (1a, 1b) 과 부척 (1c) 의 위치어긋남 정보로부터, 베스트 포커스 위치로부터 얼마만큼 벗어난 위치에서 포커스 테스트 패턴을 노광하였는지, 즉 베스트 포커스 위치가 어디인지를 산출한다.

도 2 로 되돌아가, 포커스 테스트 레티클 (TR) 에는 각 포커스 테스트 패턴 (FTP11∼33) 의 근방에, 박스 패턴 (BP11, BP12, BP13, BP21, BP22, BP23, BP31, BP32, BP33) 이 형성되어 있다. 이 박스 패턴도 상기 포커스 테스트 패턴 (FTP11∼33) 과 마찬가지로, 투영 광학계의 베스트 포커스 위치를 계측하기 위한 것이다. 박스 패턴 (BP11) 을 도 4a, 그 단면도를 도 4b 에 나타낸다.

도 4a, 도 4b 에 나타내는 바와 같이, 외측의 박스 패턴 (2a) 과 내측의 박스 패턴 (2c) 은, 각각 2개의 라인 패턴 (14a, 14b, 14c, 14d) 으로 구성되어 있다. 각 페어에 있어서의 라인 패턴의 간격 (d2) 과, 각 페어 사이의 간격 (d3) 은 상기 도 3a 와 같은 값이다. 또한, 외측의 박스 패턴 (2a) 에서는 각 라인 패턴 (14 a, 14b) 의 우측에 위상 시프트부 (13) 가 형성되고, 내측의 박스 패턴 (2b) 에서는 각 라인 패턴 (14c, 14d) 의 좌측에 위상 시프트부 (13) 가 형성되어 있다.

이러한 박스 패턴에 있어서도, 디포커스 상태에서 패턴을 노광하면, 외측의 박스 패턴 (2a) 의 위치어긋남 방향과 내측의 박스 패턴 (2b) 의 위치어긋남 방향이 역방향이 되므로, 이들의 박스 패턴의 상대 위치 관계를 광전 검출 장치 (51) 로 검출함으로써, 투영 광학계 (PL) 의 베스트 포커스 위치를 계측할 수 있다.

또, 도 2 내지 도 4 에 있어서는 라인 패턴의 선폭을 1종류밖에 개시하지 않고 있지만, 복수의 선폭의 패턴을 각각 형성해 두는 것이 바람직하다. 즉, 라인 패턴의 선폭이 각각 상이한 복수 종류의 포커스 테스트 패턴을 포커스 테스트 레티클 (TR) 에 형성해 둔다. 이렇게 함으로써, 예를 들어, 포커스 계측하는 노광 장치의 조건 (예를 들어, 투영 광학계의 NA 의 값 등) 에 따라, 계측하는 패턴의 선폭을 선택할 수 있어, 디포커스량에 따른 위치어긋남의 감도가 가장 높은 선폭의 라인 패턴을 사용할 수 있다. 그리고, 라인 패턴의 선폭에 따라, 라인 패턴 간격 (d2, d3) 을 변경해도 된다.

다음으로, 이 포커스 테스트 레티클 (TR) 을 사용하여 투영 광학계의 베스트 포커스 위치를 계측하는 시퀀스에 관해서 설명한다.

우선, 포커스 테스트 레티클 (TR) 을 레티클 스테이지 (RST) 상에 배치한다. 다음으로, 초점 검출 장치 (57, 58) 로 테스트 웨이퍼를 소정 Z 위치에 배치하고, 테스트 웨이퍼 상의 복수의 쇼트 영역에 대하여, 순차 테스트 레티클 (TR) 상의 포커스 테스트 패턴 (FTP11∼33), 및 박스 패턴 (BT11∼33) 을 노광한다.

다음으로, 이 테스트 웨이퍼를 도시하지 않은 코터 디벨로퍼로 현상 처리하여, 각 테스트 패턴을 형성한다. 그 후, 다시 테스트 웨이퍼를 노광 장치에 반송하여, 웨이퍼 스테이지 (WST) 상에 탑재한다. 주제어계 (70) 는 테스트 웨이퍼의 전체면에 베이킹된 임의의 테스트 패턴 (예를 들어, 포커스 테스트 패턴 (FTP11∼33)) 을, 각 쇼트마다 순차 광전 검출 장치 (51) 의 촬상 소자 (52) 로 촬상한다. 촬상된 테스트 패턴의 위치 정보 (주척과 부척의 상대 위치 관계) 는 주제어계 (70) 에 보내진다.

주제어계 (70) 는 각 쇼트 영역 내에 배치된 각각의 테스트 패턴의 위치 정보로부터 쇼트 영역 내의 각각의 위치에 있어서의 포커스 오프셋량을 검출한다. 또한, 주제어계 (70) 는 이 쇼트 영역 내의 각각의 위치에 있어서의 포커스 오프셋량의 검출 결과로부터, 투영 광학계 (PL) 의 최적 결상면에 대한 웨이퍼 (W) 의 피노광면의 위치어긋남 (결상면 어긋남량) 을 검출하여, 하드 디스크 (72) 에 기억시킨다. 그리고, 실제의 회로 패턴을 노광 처리할 때에는 하드 디스크 (72) 에 기억되어 있는 포커스 오프셋량 및 결상면 어긋남량을 불러내어, 이것을 사용하여 웨이퍼 (W) 의 Z 방향 위치 및 자세를 보정함으로써, 웨이퍼 (W) 를 진정한 베스트 포커스 위치 및 최적 결상면에 배치할 수 있게 된다.

또한, 주제어계 (70) 는 쇼트 영역 내의 각각의 위치에 있어서의 포커스 오프셋량과, 그 포커스 오프셋량을 검출하기 위해서 사용한 포커스 테스트 패턴의 종류를 대응시켜 하드 디스크 (72) 에 기억시켜 둔다. 그리고, 포커스 테스트 패턴의 종류마다 검출 결과를 분류하고, 나아가 그 포커스 테스트 패턴의 쇼트 영역 내의 위치도 가미하여, 투영 광학계 (PL) 의 성능 계측을 행한다. 예를 들어, 주제어계 (70) 는 X축 방향으로 평행한 라인 패턴을 갖는 포커스 테스트 패턴을 사용한 검출 결과와, Y축 방향으로 평행한 라인 패턴을 갖는 포커스 테스트 패턴을 사용한 검출 결과의 2종류로 검출 결과를 분류하고, 그 결과에 쇼트 영역 내에서의 위치 정보를 가하여, 쇼트 영역 내에서의 비점수차의 상태를 검출한다. 또는 주제어계 (70) 는 하드 디스크 (72) 에 기억시킨 쇼트 영역 내의 각각의 위치에 있어서의 포커스 오프셋량의 검출 결과로부터, 투영 광학계 (PL) 의 결상면의 형상 (이미지면 만곡이나 이미지면 경사) 을 검출할 수도 있다. 이와 같이, 주제어계 (70) 는 포커스 테스트 레티클 (TR) 과 협동하여, 노광 장치 (EX), 특히 투영 광학계 (PL) 의 성능을 계측할 수 있다.

본 실시형태에 있어서의 포커스 테스트 패턴은 도 2 내지 도 4 에 나타내는 것에 한정되지 않고, 예를 들어 도 5 에 나타내는 바와 같이, 주척 (3a, 3b), 및 부척 (3c) 의 각 라인 패턴이, 모두 같은 피치로 나열되어 있어도 된다. 이 경우에도, 각 라인 패턴이 고립선과 등가가 되도록, 라인 패턴 간격을 충분히 띄워 두어야 한다. 또한, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 주척 (4a, 4b) 의 라인 패턴에 위상 시프트부가 형성되어 있지 않아도 된다. 그리고, 도 5, 도 6 에 있어서는 도 2∼도 4 와 같은 부재에 대하여 동일한 부호를 붙이고 있다.

또, 본 실시형태에 있어서는 테스트 레티클 (TR) 상에 포커스 테스트 패턴 (FTP11∼33) 이나 박스 패턴 (BP11∼33) 이 형성되어 있는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들어 도 1 에 나타내는 레티클 스테이지 (RST) 상에 형성된 기준판 (43) 상에 이들 패턴이 형성되어 있어도 된다. 즉, 테스트 레티클이 레티클 스테이지에 미리 형성되어 있는 구성이어도 된다. 이러한 구성에 의하면, 회로 패턴이 형성된 실제 레티클로부터 테스트 레티클로 교환하는 작업이 필요 없게 되어, 임의의 타이밍으로 기준판 (43) 을 사용하여 베스트 포커스 위치를 체크할 수 있어, 스루풋 관점에서 유리해진다.

또한, 본 실시형태에 있어서는 웨이퍼 (W) 에 노광된 테스트 패턴의 레지스트 이미지를 광전 검출 장치 (51) 로 검출하여, 테스트 패턴의 위치 정보를 검출하는 예를 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 다른 검출 방법을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 광이 투과하는 슬릿과, 슬릿을 투과한 광을 검출하는 광전 센서로 구성된 공간 이미지 계측 장치를 투영 광학계 (PL) 의 결상면 근방, 예를 들어 웨이퍼 스테이지 (WST) 상에 형성하고, 이것을 사용하여 테스트 패턴의 공간 이미지를 계측함으로써 테스트 패턴의 위치 정보 (주척과 부척의 상대 위치 관계) 를 구하도록 해도 된다. 이렇게 하면, 테스트 패턴의 위치 검출시에, 웨이퍼 (W) 를 노광하여 현상할 필요가 없다.

이상, 본 발명의 실시형태를 설명하였지만, 본 발명은 상기 기술한 실시형태에 한정되지 않고, 특허청구의 범위에 기재되어 있는 범위 내에서, 예를 들어 패턴 선폭의 치수, 형상, 및 배치 등, 구성의 부가, 생략, 치환, 및 그 밖의 변경이 가능하다. 본 발명은 전술한 설명에 의해서 한정되지 않고, 첨부된 클레임의 범위에 의해서만 한정된다.

산업상이용가능성

본 발명은 투영 광학계를 통해 기판 상에 투영되는 패턴이 형성된 포커스 테스트 마스크로서, 계측 방향으로 나열되어 배치된 복수의 라인 패턴, 상기 복수의 라인 패턴의 각각의 근방 영역에 형성되고, 통과하는 광의 위상을 어긋나게 하기 위한 위상 시프트부, 및 상기 라인 패턴의 이미지의 어긋남을 측정할 때의 기준이 되는 이미지를 얻기 위한 기준 패턴을 갖고, 상기 복수의 라인 패턴의 간격이, 상기 라인 패턴의 폭보다 충분히 큰 포커스 테스트 마스크에 관한 것이다.

본 발명은 포커스 테스트 마스크 상의 패턴을 노광 장치의 투영 광학계를 통해 기판 상에 투영하고, 그 투영 이미지의 어긋남을 측정함으로써 기판의 디포커스량을 측정하는 포커스 측정 방법으로서, 상기 포커스 테스트 마스크로서 상기 특징을 갖는 포커스 테스트 마스크를 준비하여, 상기 기판 상에 형성된 상기 라인 패턴의 이미지와 상기 기준 패턴의 이미지의 상대적인 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 포커스 측정 방법에 관한 것이다.

본 발명은 포커스 테스트 마스크에 형성된 패턴을 투영 광학계를 통해 기판 상에 투영하고, 그 투영 이미지의 어긋남을 측정함으로써 기판의 디포커스량을 측 정하는 노광 장치로서, 상기 구성을 갖는 포커스 테스트 마스크와, 기판 상에 형성된 라인 패턴의 이미지와 기준 패턴의 이미지의 상대적인 거리를 측정하는 측정 장치를 갖는 노광 장치에 관한 것이다.

본원 발명에 의하면, 실제의 노광 조건과 같은 조건으로 패턴을 노광할 수 있고, 또한 노광 장치 내에 형성되어 있는 얼라인먼트 현미경에 의해서 계측가능한 테스트 패턴을 갖는 포커스 테스트 마스크, 그것을 사용한 측정 방법, 및 노광 장치를 제공할 수 있다.

Claims

투영 광학계를 통해 기판 상에 투영되는 테스트 패턴이 형성된 포커스 테스트 마스크로서,

상기 테스트 패턴은,

계측 방향으로 나열되어 배치된 복수의 라인 패턴,

상기 복수의 라인 패턴의 각각의 근방 영역에 형성되어, 통과하는 광의 위상을 어긋나게 하기 위한 위상 시프트부, 및

상기 라인 패턴의 이미지의 어긋남을 측정할 때의 기준이 되는 이미지를 얻기 위한 기준 패턴을 갖고,

상기 복수의 라인 패턴의 간격은 각각의 라인 패턴을 고립선과 등가라고 간주할 수 있는 크기로 설정되어 있는, 포커스 테스트 마스크.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 라인 패턴은 상이한 복수의 간격을 두고 배치되어 있는, 포커스 테스트 마스크.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 라인 패턴은 전부가 등간격으로 나열되어 배치되어 있는, 포커스 테스트 마스크.
제 2 항에 있어서,

상기 복수의 라인 패턴은, 간격 (d2) 으로 배치된 2개의 라인 패턴으로 이루어지는 한 쌍의 라인 패턴이 간격 (d2) 보다 큰 간격 (d3) 으로 복수 배치되어 구성된, 포커스 테스트 마스크.
제 1 항에 있어서,

상기 라인 패턴의 간격은 상기 라인 패턴의 폭의 10배보다 크게 설정되어 있는, 포커스 테스트 마스크.
제 1 항에 있어서,

상기 라인 패턴의 간격은 상기 라인 패턴으로부터의 2차 이상의 회절광도 상기 투영 광학계를 통한 결상에 사용되는 크기를 갖는, 포커스 테스트 마스크.
제 1 항에 있어서,

상기 포커스 테스트 마스크는 복수 종류의 상기 테스트 패턴을 구비하고,

상기 테스트 패턴을 구성하는 상기 라인 패턴의 선폭은 상기 테스트 패턴의 종류마다 각각 상이한, 포커스 테스트 마스크.
포커스 테스트 마스크 상의 패턴을, 노광 장치의 투영 광학계를 통해 투영하 고, 그 투영 이미지의 어긋남을 측정함으로써 상기 투영 광학계의 포커스 위치를 측정하는 포커스 측정 방법으로서,

상기 포커스 테스트 마스크로서, 제 1 항에 기재된 포커스 테스트 마스크를 준비하는 준비 공정, 및

상기 투영된 상기 라인 패턴의 이미지와 상기 기준 패턴의 이미지의 상대적인 거리를 측정하는 측정 공정을 갖는, 포커스 측정 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 측정 공정에 앞서, 상기 포커스 테스트 마스크의 패턴의 투영 이미지를 기판 상에 노광하는 노광 공정을 갖고,

상기 측정 공정은 상기 기판 상에 형성된 상기 라인 패턴의 이미지와 상기 기준 패턴의 이미지의 상대적인 거리를 측정하는, 포커스 측정 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 측정 공정은 상기 노광 장치 내에 형성된 촬상 소자에 의해서 상기 기판 상에 형성된 상기 라인 패턴의 이미지를 촬상하여, 화상 처리함으로써 행해지는, 포커스 측정 방법.
포커스 테스트 마스크에 형성된 패턴을 투영 광학계를 통해 투영하고, 그 투영 이미지의 어긋남을 측정함으로써 상기 투영 광학계의 포커스 위치를 측정하는 노광 장치로서,

상기 투영 광학계를 통해 투영된, 제 1 항에 기재된 포커스 테스트 마스크의 이미지를 검출하여, 상기 라인 패턴의 이미지와 상기 기준 패턴의 이미지의 상대적인 거리를 측정하는 측정 장치를 갖는, 노광 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 포커스 테스트 마스크는 회로 패턴이 형성된 마스크를 유지하는 마스크 스테이지 상에, 상기 마스크를 유지하는 유지부와는 상이한 위치에 형성된 기준판인, 노광 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 측정 장치는 상기 투영 광학계를 통해 기판 상에 투영되어 상기 기판 상에 형성된 상기 패턴의 이미지를 검출하는, 노광 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 측정 장치는 상기 투영 광학계를 통해 투영된 상기 패턴의 공간 이미지를 검출하는, 노광 장치.