(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体に塗布された感光体に光学系を介して周期的パターンを感光させることにより形成された感光パターンの形成状態を検出する装置において、
該感光パターンに光束を照射する照射手段と、
該感光パターンからの光束を受光する受光手段と、
該受光手段により受光される光束の偏光状態の変化を検出し、該検出結果に基づき該感光パターンの形成状態を求める処理手段と、
該照明手段により該感光パターンに照射する光束の入射角又は波長又は入射方位角の少なくとも一つを変化させる入射条件変更手段と、
を有していることを特徴とするパターン形成状態検出装置。
【請求項２】
前記処理手段は、任意の入射条件で前記照射手段が光束を照射して得られる前記偏光状態の変化の検出結果に基づき入射条件を決定する機能を有することを特徴とする請求項１記載のパターン形成状態検出装置。
【請求項３】
前記感光パターンの形成状態は該感光パターンのデューティであることを特徴とする請求項１乃至２記載のパターン形成状態検出装置。
【請求項４】
前記感光パターンの形成状態は該感光パターンの断面形状であることを特徴とする請求項１乃至６記載のパターン形成状態検出装置。
【請求項５】
前記偏光状態の変化は前記パターンに照射される光束に対する前記受光手段により受光される光束の偏光状態の変化であることを特徴とする請求項１乃至４記載のパターン形成状態検出装置。
【請求項６】
前記感光パターンは現像処理前の潜像パターンであることを特徴とする請求項１乃至５記載のパターン形成状態検出装置。
【請求項７】
前記感光パターンは現像処理後の現像パターンであることを特徴とする請求項１乃至５記載のパターン形成状態検出装置。
【請求項８】
露光光で照明した第１物体面上のパターンを投影光学系により感光体を塗布した第２物体面上に投影露光し、感光パターンを形成する投影露光装置であって、請求項１乃至７記載のパターン形成状態検出装置を有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項９】
請求項８記載の投影露光装置を用いて第１物体面上のパターンを投影光学系により感光体を塗布した第２物体面上に投影露光することを特徴とする露光方法。
【請求項１０】
請求項９記載の露光方法を用いてデバイスを製造することを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パターン形成状態検出装置及びそれを用いて投影露光装置に関し、例えばＩＣやＬＳＩ等の半導体デバイスやＣＣＤ等の撮像デバイスや液晶パネル等の表示デバイスや磁気ヘッド等のデバイスを製造する工程のうち、リソグラフィー工程において使用される投影露光装置の露光状態を測定し、リアルタイム又は迅速に最適な露光条件を決定し、露光する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体デバイスの高集積化がますます加速度を増しており、これに伴う半導体ウエハの微細加工技術の進展も著しい。この微細加工技術としてマスク（レチクル）の回路パターン像を投影光学系（投影レンズ）により感光基板上に形成し、感光基板をステップ＆リピート方式で露光する縮小投影露光装置（ステッパー）が種々と提案されている。
【０００３】
このステッパーにおいては、レチクル上の回路パターンを所定の縮小倍率を持った投影光学系を介してウエハ面上の所定の位置に縮小投影して転写を行い、１回の投影転写終了後、ウエハが載ったステージを所定の量、移動して再び転写を行うステップを繰り返してウエハ全面の露光を行っている。
【０００４】
一般に投影光学系を有したステッパーを用いて微細な回路パターンの転写を行うにはウエハ面への露光量やウエハのフォーカス位置（投影光学系の光軸方向の位置）等の露光条件を適切に設定することが重要になってくる。
【０００５】
このため、従来のステッパーでは、量産工程に入る前の試し焼き工程（センドアヘッド）で１ショット毎に露光条件、即ちフォーカス位置と露光量（シャッター時間）の少なくとも一方を変えながら、感光基板に焼付け後、感光基板を現像して直線上のパターンの線幅を、光学顕微鏡や線幅測定装置で計測することで最適な露光条件を決定している。
【０００６】
例えばウエハ上のショット領域の配列の横方向についてはフォーカス値を一定にして露光量（シャッター時間）を一定量ずつ変えて露光を行い、ショット配列の縦方向には、露光量を一定にしてフォーカス値を一定量ずつ変えて露光している。
【０００７】
そして現像後に形成された各ショット内のライン（Ｌ）＆スペース（Ｓ）のレジストパターン（Ｌ＆Ｓパターン）の線幅を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測長して検出し、これにより投影レンズの最適焦点位置と最適露光量を算出している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のステッパーにおいて最適な露光条件（露光量やフォーカス位置）を設定するにはウエハ上に形成したレジストパターンの線幅をＳＥＭ等で計測しているため、処理時間がかるという問題点があった。
【０００９】
本発明は、露光によるレジストの感光状態（潜像）あるいは現像後のＬ＆Ｓ等の感光パターンの形成状態を複数の入射条件で入射した入射光束の変化、例えば反射光の強度の変化や偏光状態の変化を利用して測定し、その測定値から最適な露光条件を決定し、その最適露光条件でウエハーを量産露光していくことにより短時間で最適な露光条件を設定することができ、高集積度の投影パターンが容易に得られるパターン形成状態検出装置及びそれを用いた投影露光装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のパターン形成状態検出装置は、物体に塗布された感光体に光学系を介して周期的パターンを感光させることにより形成された感光パターンの形成状態を検出する装置において、該感光パターンに光束を照射する照射手段と、該感光パターンからの光束を受光する受光手段と、該受光手段により受光される光束の偏光状態の変化を検出し、該検出結果に基づき該感光パターンの形成状態を求める処理手段と、該照明手段により該感光パターンに照射する光束の入射角又は波長又は入射方位角の少なくとも一つを変化させる入射条件変更手段とを有することを特徴としている。
【００４７】
【発明の実施の形態】
まず本発明において第１物体（レチクル）面上のパターンを第２物体（ウエハ）に投影露光するときの最適な露光条件の設定方法の特徴について説明する。
【００４８】
本発明ではパターンをレジストに転写した場合、
（イ）フォーカス位置
（ロ）露光量
の変化に伴ってレジストパターンの屈折率平均値あるいは実効値が変化する原理を利用している。
【００４９】
そこで本発明においては、レチクル（Ｒ）に例えば一方向に周期を持つＬ＆Ｓの露光条件測定用パターンを形成したマスクを用いて、その基準パターンの像をウエハ（Ｗ）へ露光量とフォーカスの少なくとも一方の条件を変えてウエハ上に順次露光している。
【００５０】
そして、この露光によりできたウエハー上のレジスト内の潜像（露光により化学変化等を起こして屈折率が変化した部分で構成された像）もしくは現像後の凹凸パターンに対し、光束入射手段より複数の入射条件で入射光束を照射し、該感光パターンからの信号光束を受光手段で受光している。受光手段からの信号を用いて入射光束の変化（入射光束の偏光状態の変化や強度の変化等）を検出し、複数の入射条件に対応した複数の光束の変化の検出によって感光パターンの形成状態を処理手段で求めている。そして処理手段からの信号に基づいて制御手段によりウエハ面への露光条件（露光量やウエハの光軸方向の位置など）を制御している。
【００５１】
次に光束の変化として入射光束の偏光状態の変化を用いて場合を例にとり説明する。
【００５２】
感光パターンに対し、所定の波長と所定の偏光状態を持つ光束を所定の入射角でレジストに入射させている。その光束がレジスト内を透過し、ウエハ基板上で反射し、さらにレジストを再び透過して出射してきた光束、及びレジスト表面で直接反射した光束とが合波したできた光束の偏光状態を測定する。
【００５３】
凹凸パターン位相型回折格子に対し、そのピッチ以上の波長では回折光を生じず、複屈折特性をもつことが知られている。
【００５４】
本発明の実施形態では反射光を検出する場合を中心に示すが、レジストパターンのピッチが波長より大きいときは回折光を生じ、この回折光でも同様の測定ができる。
【００５５】
次に本発明で用いている偏光解析法について説明する。
【００５６】
今、格子厚をｄ、デューティ比（周期に対する残存レジスト部分の比）をｔとし、周期以上の波長を持つレーザー光が複屈折素子に垂直に入射したと仮定する。このとき、入射光の偏光状態が格子の溝に平行であるか垂直であるかによって複屈折素子の周期構造部分での屈折率ｎ‖、ｎ⊥は、それぞれ次式で与えられることが知られている（光学の原理ＩＩＩ：ボルン・ウォルフ著）。今、格子の溝に平行な光に対する実効屈折率をｎ‖、垂直な光に対する実効屈折率をｎ⊥とすると、
【００５７】
【外１】
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ここでｎ１、ｎ２はそれぞれ格子のＬ（ライン部分）とＳ（スペース相当部分）の屈折率である。ライン部分Ｌとスペース部分Ｓは、レジストの潜像の場合、Ｌがレジスト、Ｓが露光されたレジストであり、レジストを現像した場合、ＬがレジストでＳが空気等の気体である。
【００５８】
また上記屈折率の式は周期構造の周期が波長に対して十分小さい場合の近似式であり、厳密に電界を計算することで周期が波長同等の場合や、周期構造以外の屈折率も計算できる。
【００５９】
偏光解析のモデルはウエハ基板上の所定の厚みの複屈折媒質の複屈折率を測定することに相当する。偏光解析法とは、このウエハ基板上に、Ｐ／Ｓ（Ｐ偏光／Ｓ偏光）の位相差０、振幅比１の直線偏光光を所定の角度θで入射させ、その反射光の位相差（Δ）と振幅比（ψ）を測定し、ｎ‖、ｎ⊥を求めることができるものである。そして、予め測定したライン部分Ｌとスペース部分Ｓの屈折率ｎ１、ｎ２及びレジスト厚ｄと、この偏光解析法により求まったｎ‖、ｎ⊥の値から、上記式や厳密に解いた式を用いてデューティｔを求めている。またこの偏光解析法は公知であるので詳細は省略する。
【００６０】
入射光束の条件（入射角、パターン方向に対する方位角、波長）についてはレジストの屈折率や、膜厚、パターンの形状などで最適な条件が異なる。現像レジストパターンの測定と、潜像レジストパターンの測定とでも条件は異なる。更に潜像の場合、被露光部と未露光部との屈折率差が小さいため、露光条件の微小な変化でパターンの形状に発生する微小な変化を光束の微小な違いで分解検出するためには露光条件によって光束の変化が大きい入射条件で測定している。
【００６１】
そのために本発明の一実施形態は複数の入射条件で入射可能な装置であり、上記のように偏光解析法を利用してレジスト内の潜像パターン、もしくは現像後の凹凸パターンのデューティを測定している。
【００６２】
本発明の一実施形態ではある入射条件で測定した値から最適な入射条件を計算し、この最適な入射条件で測定することで分解能を高めて測定している。
【００６３】
偏光解析法では入射条件によっては異なるレジスト膜厚やレジストパターン形状においても同じ偏光状態が再現されることがある。そのため、本発明の一実施形態では複数の入射条件で反射光の変化を検出することで、ある入射条件では重なっていたレジスト形状を別の入射条件で分解して測定値を求めている。
【００６４】
本発明の一実施形態はＬ＆Ｓのパターンを異なる露光条件で感光基板上に転写して複数の感光パターンを形成する工程と、前記複数の感光パターンに対し、順次、前記光束を照射し、その反射光の偏光状態を検出し、前記偏光状態から感光パターンのデューティを算出する工程と、前記デューティが所望になる露光条件を決定する工程と、その露光条件でその後、複数のウエハに焼き付ける工程を含み、前記光束入射手段は入射光束の入射条件を可変であることを特徴とする。
【００６５】
（実施例１）
次に本発明の実施形態を図を用いて説明する。図１は本発明の実施例１の要部概略図、図２〜図５は図１の一部分を抽出したときの説明図である。
【００６６】
本実施例は感光パターンを介した入射光束の変化として偏光状態の変化を利用した場合である。
【００６７】
図１において１０１は縮小投影レンズであり、後述する露光用の光源１０７からの露光光で照明したレチクル１０２面上の回路パターン１０２ａをウエハ１０３上に投影している。１０４はウエハチャックであり、ウエハ１０３を吸着している。１０５は粗微動ステージであり、ウエハチャック１０４をＺ方向の粗微動させている。１０６はＸＹステージであり、ＸＹ方向にウエハチャック１０４を移動させている。１０７は露光用の光源である。１０８は構造体であり、光源１０７、レチクル１０２、鏡筒１０１及びウエハステージ１０６、アーチ３０６を支えている。
【００６８】
次に本実施形態で用いているウエハ１０３の投影レンズ１０１の光軸方向の位置、即ちフォーカス位置を検出する為のフォーカス位置制御装置とレチクル１０２を露光光で照明する際の露光量制御装置とを有する制御手段について図４を参照して説明する。
【００６９】
図３において２０１は半導体レーザ等の高輝度の光源である。光源２０１から出たレーザ光は折曲げミラー２０８により方向を変えられた後、ウエハ１０３の表面に入射する。ウエハ１０３の測定点Ｐ１で反射した後、光束は折曲げミラー２０９で方向を変えられた後、入射光束の２次元位置を検出する検出素子２０２に入射する。検出素子２０２は、例えばＣＣＤ等から成り、光束の入射位置を検知している。ウエハ１０３の表面のＺ方向（投影レンズ１０１の光軸方向）の位置変化が検出素子２０２上の入射位置の位置ずれとなるように検出している。この検出素子２０２からの信号に基づいてフォーカス制御装置２０３はウエハ１０３のＺ方向の位置、即ちフォーカス位置を粗微動ステージ１０５で制御している。
【００７０】
２０６はシャッター開閉機構、２０７はハーフミラー、２０５は照度センサーであり、ハーフミラー２０７で反射した光源１０７からの光束の露光量を検出している。積算露光制御装置２０４は照度センサー２０５からの信号に基づいてシャッターの開閉機構２０６を制御して光源１０７からの光束の積算光量を制御している。これによりレチクル１０２を照射する露光量が予め設定した値となるように調整している。
【００７１】
本実施例では、このような露光量制御装置とフォーカス位置制御装置より成る制御手段を利用してレチクル１０２面上のパターンをウエハ１０３面上に投影する際の露光条件を制御している。
【００７２】
次に光源１０７からの露光光で照明したレチクル１０２面上のパターンをウエハ１０３面上に投影する場合について説明する。
【００７３】
図４はレチクル１０２面上の基準パターン（以下「パターン」という）１０２ｐの説明図である。パターン１０２ｐはライン（Ｌ）とスペース（Ｓ）より成るＬ＆Ｓのパターン１０２１、１０２２を互いに直交させて構成している。
【００７４】
本実施形態ではＬ＆Ｓのパターン１０２１、１０２２より成るパターン１０２ｐを描画したレチクル１０２をレチクルステージ１０２ａにセットし、レジストを塗布したウエハ１０３をウエハチャック１０４にセットし、レチクル１０２のパターン１０２ｐをステップ＆リピート方式でウエハ１０３上に順次露光していく。このとき前述したフォーカス制御装置２０３及び積算露光制御装置２０４を用いて図６に示すように１ショットである領域１０３１を順次焼き付け、パターン１０２１、１０２２の潜像１０３１２および１０３１１を焼き付ける。
【００７５】
そしてＸ方向のショット位置に応じて、フォーカスオフセットを予想最適位置（予想ベストフォーカス位置）を中心に一定量ずつ変えながらステップ移動し、Ｙ方向のショットに対しては同様に、最適露光量（シャッター時間）を中心に露光量を変えながら露光していく。図５の例では説明の都合上、３×３のマトリックスであるが、このショット数は多い方が条件を出し易くなる。
【００７６】
図６は、このように順次露光したときのウエハ１０３のレジストの断面の説明図である。露光後のウエハ１０３のレジストは図６に示すようにレジスト内に潜像を形成する。潜像は露光光によってレジストが化学変化等で性質が変化して構成されたもので、この斜線で示した部分が露光した部分であり、一般的に屈折率が変化している。図６のマトリックス番地は図５のそれぞれに対応した位置での断面であり、（１）、（２）、（３）はそれぞれのチップのパターン像１０３１２の断面を表している。
【００７７】
次に、露光後のウエハ１０３のレジストは、図６に示す様に潜像を、ウエハチャック１０４から外すことなく、光源部３０１、受光部３０２、ドライバー３０３、そして偏光処理装置３０４で構成される偏光解析装置３００により入射光に対する反射光の振幅比ψと位相差Δを測定する。
【００７８】
図２は、この時の図１の偏光解析装置３００の主要部分を抽出した概略図である。図１０は図２の光路を展開した説明図である。図２、図１０において光源部（光束入射手段）３０１は光源３０１１（ウエハ１０３上のＬ＆Ｓピッチ以上の波長でＨｅＮｅレーザや半導体レーザばかりでなく分光器の単色光でも良い）と偏光素子３０１２（グラントムソン等）からなる。偏光素子３０１２はウエハ１０３に対し、Ｐ偏光成分（紙面に平行）とＳ偏光成分（紙面に垂直）が等量になるように紙面と偏光面が４５度になるように設置している。従ってこの光束Ｐ，Ｓの位相差Δは０で、振幅比ψは１である。
【００７９】
受光部（受光手段）３０２は、異方性の軸が光束３０５に直交したλ／４波長板３０２４、アナライザーであるところの偏光素子３０２２（グラントムソン等）、光電変換素子３０２１とを有している。更にλ／４板３０２４は光束３０５方向を回転軸とする回転機構３０２３内に保持され、ドライバー３０３の指令により一定速度で回転している。
【００８０】
今、光源部３０１からの射出光３０５がウエハ１０３上のレジスト表面とウエハ表面で反射し、その合波光束がウエハ１０３上のレジストの複屈折率ｎ１、ｎ２等に応じてＰ、Ｓ偏光の位相差Δと振幅比ψが変化する。
【００８１】
その光束を回転するλ／４板３０２４とアナライザー３０２２を通してディテクタ３０２１で検出し、位相差Δと振幅比ψに応じた正弦波の電気信号を得て、その振幅と直流成分の大きさ正弦波の位相情報から、上記Δ、ψを求めている。
【００８２】
そして、偏光解析法で測定されたΔ、ψより求められた  ｎ‖、ｎ⊥と、予め測定されているレジストの未露光部分の屈折率ｎ１、被露光部分の屈折率ｎ２、レジストの厚みｄ、および基板の複素屈折率ｎｓより、デューティｔ⊥（  ｎ⊥を用いたときのデューティ）を以下の式で求めている。
【００８３】
ｔ⊥＝ｎ１＊＊２・（ｎ２＊＊２−ｎ⊥＊＊２）／（ｎ⊥＊＊２・（ｎ２＊＊２−ｎ１＊＊２））
また、デューティｔ‖（  ｎ‖を用いたときのデューティ）は、
ｔ‖＝（ｎ‖＊＊２−ｎ２＊＊２）／（ｎ１＊＊２−ｎ２＊＊２）
となる。この２値を次のように平均化してデューティｔの精度を高めている。
【００８４】
ｔ＝（ｔ⊥＋ｔ‖）／２
【００８５】
図２で光源部３０２と受光部３０１はアーチ３０６に固定されており、ドライバー３０３１が駆動部３０７を稼動してこのアーチ３０６の上を円弧状に動き、入射角を変えることができる。例えば測定対象が現像処理前の潜像である場合、デューティを精度高く測定できる最適な入射角はレジストによって差があり、未露光部分と被露光部分の屈折率差や、膜厚などによって最適な角度を選んでいる。また、測定対象が現像処理前の潜像である場合と、現像処理後の現像パターンである場合とでも最適入射角は大きく異なる為、コンピューター３０４からの司令により測定対象に応じた入射角に変更している。
【００８６】
一方、図７はサンプルのＬ＆Ｓを偏光解析によって得られたデューティとそのサンプルを現像し、ＳＥＭで測定した値を比較することにより最適露光条件を見出す方法の説明図である。これにより偏光解析法で発生する下地の構造等で発生するデューティのオフセットを計り、以降の測定ではこのオフセット値を差し引いた値を補正された正しい測定値とする。このＳＥＭとの比較はプロセス等の条件がかわる最初に一度だけすれば良く、以後はＳＥＭは必要としない。
【００８７】
次に図８、図９に示す露光条件の最適化のフローチャートを説明する。図８は１枚のウエハに８×６個のチップ露光をし、その偏光解析結果をΔ−ψマップ上に表した例である。例えば、ライン４１０上の測定点は露光量が一定でフォーカスが変化しているものであり、一方ライン４０１上の測定点は逆にフォーカスが一定で露光量が変化している。
【００８８】
このΔ−ψのマップ上の四角枠ＡＸ内に示されたショットは、前述したようなＳＥＭ測定との対応により最適なデューティになっている範囲を示している。従って露光ショットを偏光解析法により測定し、Δ、ψがこの枠ＡＸに入れば、最適デューティをしめしていることになる。
【００８９】
以上をフロー化したフローチャートが図９である。まず、ウエハにレジストをコートする。レジストの厚みがわかっていなければ、このとき測定する。次に前述したようにステージをステップ移動しながら、フォーカスと露光量（シャッター時間）を変えて試し焼きをする。入射角θを基板の複素屈折率ｎｓ、レジストの未露光部、被露光部の屈折率ｎ１、ｎ２、厚さｄ、波長λなどによって測定感度が高くなる最適な入射角に固定する。
【００９０】
次にウエハをウエハチャックから取り外すことなく、同様にステージを移動しながら偏光解析法で次々にショットを変えてΔ、ψを測定する。偏光解析結果が図８で示された所定の範囲のΔ、ψであれば、そのショットを焼き付けた露光条件を量産焼きの最適露光条件とする。
【００９１】
この偏光解析方法によるデューティチェックををウエハの量産焼付け工程内の途中で随時行い、歩留を上げている。本実施形態では以上のようにして最適な露光条件を設定した後にウエハを所定の現像処理工程を介して、これにより高集積度のデバイスを製造している。
【００９２】
ここまでは現像を行う前の潜像を測定対象とした場合を中心に説明したが、本実施例では入射角可変である為、レジストを現像した現像パターンの偏光解析を行うこともできる。図１３は本実施例に関わるレジスト現像後の感光パターンの断面形状の説明図である。図１３から明らかのように、潜像パターンの測定に比べて屈折率ｎ２が略１．０の気体である為、Ｌ＆Ｓの屈折率差が大きく取れるので、デューティの測定精度が有利であり、条件が厳しい場合、現像パターンを測定することが望ましい。
【００９３】
図１４は本実施例で現像パターンを測定する場合のフローチャートである。図１５は本実施例で現像パターンで測定する場合の説明図である。ここではレジストの現像用のデベロッパーとＳＥＭを更に同居させ、潜像ではなく現像で測定を行うとともに、ＳＥＭを偏光解析法によるパターン形状測定の校正用として現像したレジスト像を確認する必要が生じた時に使用している。図１４のフローチャートで測定を行う前に入射角θを基板の複素屈折率ｎｓ、レジストの屈折率ｎ１、厚さｄ、波長λなどによって測定感度が高くなる最適な入射角に固定してから測定を行っている。
【００９４】
（実施例２）
本発明の実施例２は図２において入射方向可変とする実施例である。入射方向とは、感光パターン面上のある方向に対して、入射光束光軸と感光パターンの法線によって定義される入射面がなす入射方位角である。図２においてウエハチャック１０４の下のＸＹステージの下に不図示の回転ステージを有し、ＸＹステージが測定対象の感光パターンを入射スポットに移動した後、レジストの下地、レジストの未露光部、被露光部の屈折率ｎ１、ｎ２、厚みｄ、露光したパターンの周期、角度、本数などに応じた最適な入射方向に回転ステージが感光パターンを光源部、受光部に対して回転する。こうして測定を感度良く行える最適な入射方向での偏光解析の測定を行っている。その他の構成は実施例１と同様である。
【００９５】
同様の効果はウエハのＸＹステージの下の回転ステージの替わりに図２のアーチ３０６を入射点を通るウエハの法線を軸に回転する駆動系を用いても得られる。
【００９６】
（実施例３）
本発明の実施例３は図２において入射波長可変とする実施例である。例えば光源部３０１の光源をハロゲンランプと分光器による構成にしたものである。潜像レジストパターンを測定対象とする場合、レジストの感光波長に近い短波長で測定を行うと未露光部が感光し、パターンが変化する可能性があるため、レジストが感度を持たない十分長い波長で測定している。一方現像レジストパターンを測定対象とする場合、現像処理後のパターンであるため、精度の高い測定を行うときには感度の高い短波長で測定を行っている。
【００９７】
また、レジストの下地、レジストの未露光部、被露光部の屈折率ｎ１、ｎ２、厚みｄ、露光したパターンの周期、角度、本数などに応じて最適な入射波長は異なるため、測定対象に適した最適な入射波長で測定することが望ましい。
【００９８】
その他の構成は実施例１と同様である。
【００９９】
同様の入射波長可変の効果はハロゲンランプからの光を分光器に通し、分光器の射出口から光ファイバーで光源部に光を導くことでも得られる。ハロゲンランプと分光器以外にもチューナブルレーザーや複数の半導体レーザーなどを導入することでも得られる。
【０１００】
（実施例４）
図１１は本発明の実施例４の説明図である。本実施例では実施例１に比べて露光装置上に物理的制約等がある場合に、偏光解析装置を露光装置のウエハステージ上とは別に設けている点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。図１２は、本実施例の変形例の説明図である。実施例４ではウエハ面上のレジストを現像しない潜像のままで偏光解析していたが、この変形例ではレジストを現像してから偏光解析を行っている。
【０１０１】
（実施例５）
本発明の実施例５は１つの感光パターンについて複数入射角で測定を行うものである。実施例１では予め測定してある未露光部と被露光部の屈折率ｎ１，ｎ２，レジスト厚みｄ、基板の複素屈折率ｎｓを用いて一つの最適入射角を合わせたのに対して、本実施例では複数の入射角で入射して光束の変化を検出し、複数の入射角での検出値を使ってより高精度に測定を行うことを特徴とする。
【０１０２】
本実施例によると予め測定してある未露光部と被露光部の屈折率ｎ１，ｎ２，レジスト厚みｄ、基板の複素屈折率ｎｓを用いて最適な入射角の近傍の複数の入射角を選び、これらの入射角で測定を行う。感光パターンのある形状を仮定すると所望の入射角で光束を入射したときの光束の変化を計算できる。測定した入射角のそれぞれに対して、あるデューティｔを仮定した計算による光束の変化と、実際に測定で得られた光束の変化を比較し、例えば３つの入射角θ１、θ２、θ３で測定している場合、測定で得られたＰ偏光、Ｓ偏光の比、ψ１、ψ２、ψ３、とＰ偏光、Ｓ偏光の位相差、Δ１、Δ２、Δ３、と計算で得られたＰ偏光、Ｓ偏光の比、ψ１’（ｔ）、ψ２’（ｔ）、ψ３’（ｔ）、Ｐ偏光、Ｓ偏光の位相差、Δ１’（ｔ）、Δ２’（ｔ）、Δ３’（ｔ）を用いた関数、
Ｄ（ｔ）＝（ψ１−ψ１’（ｔ））＋（ψ２−ψ２’（ｔ））＋（ψ３−ψ３’（ｔ））＋（Δ１−Δ１’（ｔ））＋（Δ２−Δ２’（ｔ））＋（Δ３−Δ３’（ｔ））
が最小に成るようにｔを決定することでより高精度にデューティｔを求めている。
【０１０３】
また、レジストは露光や現像によって膜厚が変化することが知られている為、予め測定した厚みｄで入射角の最適化をしても必ずしも最適な入射角とは限らない。膜厚によって偏光状態も変化する為、デューティの決定の場合は更に計算のパラメターとして厚みｄを加え、関数
Ｄ（ｔ）＝（ψ１−ψ１’（ｔ，ｄ））＋（ψ２−ψ２’（ｔ，ｄ））＋（ψ３−ψ３’（ｔ，ｄ））＋（Δ１−Δ１’（ｔ，ｄ））＋（Δ２−Δ２’（ｔ，ｄ））＋（Δ３−Δ３’（ｔ，ｄ））
が最小になるようにデューティｔと厚みｄを決定することで感光パターンの形状がより厳密に測定される。このように実際のレジストの形状を決定する場合、パラメターが多いため、複数の入射角による検出値で測定することが望ましい。その他の構成は実施例１と同様である。
【０１０４】
（実施例６）
本発明の実施例６は１つの感光パターンについて複数入射方向で測定を行うものである。入射方向とは、感光パターン面上のある方向に対して、入射光束光軸と感光パターンの法線によって定義される入射面がなす入射方位角である。本実施例は実施例２と同様に図２においてウエハチャック１０４の下のＸＹステージの下に不図示の回転ステージを有し、ＸＹステージが測定対象の感光パターンを入射スポットに移動した後、偏光解析の測定を行っている。
【０１０５】
パターンに対してＸの方向に入射して測定を行い、その後回転ステージを駆動して光の入射点を中心に感光パターンを９０°ＸＹ平面内で回転することで前の測定とは直交した入射方向による測定を行っている。
【０１０６】
本実施例は例えばレジストむらや下地の構造等による測定値の変動がある場合に対応したもので、ある方向からの偏光解析測定に対し、それに直交した入射方向により前記測定した測定点と略同一点を測定することにより以下のようにして精度向上を図っている。
【０１０７】
この場合も実施例１でｔを求めた時と同様に
ｔ（９０°）＝（ｔ⊥＋ｔ‖）／２
となり、実施例１で求めたｔ（０°）をつかって
ｔ＝（ｔ（０°）＋ｔ（９０°））／２
と平均することにより、デューティｔの測定精度を高める事もできる。
【０１０８】
又、パターンの細部に渡る形状を測定する場合は感光パターンの溝に平行な入射面とそれに直交する入射面の２方向のみでなく、その中間の入射方向で測定した値を解析することが要求される。
【０１０９】
同様の効果はウエハのＸＹステージの下の回転ステージの替わりに図２のアーチ３０６を入射点を通るウエハの法線を軸に回転する駆動系を用いても得られる。その他の構成は実施例１と同様である。
【０１１０】
（実施例７）
本発明の実施例７は１つの感光パターンについて複数波長で測定を行うものである。本実施例は実施例３と同様に図２において例えば光源部３０１の光源をハロゲンランプと分光器による構成にしたものである。
【０１１１】
実施例３では予め測定してあるレジストの下地、レジストの未露光部、被露光部の屈折率ｎ１、ｎ２、厚みｄ、露光したパターンの周期、角度、本数などの測定対象の値に応じた一つの最適な入射波長で測定を行ったのに対して、本実施例では複数の波長で入射して光束の変化を検出し、複数の波長での検出値を使ってより高精度に測定を行うことを特徴とする。
【０１１２】
本実施例によると予め測定してある、レジストの下地、レジストの未露光部、被露光部の屈折率ｎ１、ｎ２、厚みｄ、露光したパターンの周期、角度、本数などの測定対象の値を用いて最適な波長の近傍の複数の波長を選び、これらの波長で測定を行う。
【０１１３】
実施例５と同様に感光パターンのある形状を仮定すると所望の波長での光束を入射したときの光束の変化を計算できる。入射した波長のそれぞれに対して、あるデューティｔを仮定した計算による光束の変化と、実際に測定で得られた光束の変化を比較し、例えば３つの波長λ１、λ２、λ３で偏光状態の変化を測定している場合、測定で得られたＰ偏光、Ｓ偏光の比、ψ１、ψ２、ψ３、とＰ偏光、Ｓ偏光の位相差、Δ１、Δ２、Δ３、と計算で得られたＰ偏光、Ｓ偏光の比、ψ１’（ｔ）、ψ２’（ｔ）、ψ３’（ｔ）、Ｐ偏光、Ｓ偏光の位相差、Δ１’（ｔ）、Δ２’（ｔ）、Δ３’（ｔ）を用いた関数、
Ｄ（ｔ）＝（ψ１−ψ１’（ｔ））＋（ψ２−ψ２’（ｔ））＋（ψ３−ψ３’（ｔ））＋（Δ１−Δ１’（ｔ））＋（Δ２−Δ２’（ｔ））＋（Δ３−Δ３’（ｔ））
が最小に成るようにｔを決定することでより高精度にデューティｔを求めている。
【０１１４】
レジストは露光や現像によって膜厚が変化することが知られている為、パターンがない部位で予め測定したレジスト厚みｄでは計算が適当ではない場合がある。そのため本実施形態によれば、複数の波長によって測定することでデューティやレジスト形状の他にパターン位置でのレジスト膜厚も同時に測定するものである。
【０１１５】
また、レジストは露光や現像によって膜厚が変化することが知られている為、パターンがない部位で予め測定した厚みｄでの計算が適当ではない場合がある。そのため本実施形態によれば、複数の波長によって測定することでデューティやレジスト形状の他にパターン位置でのレジスト膜厚も同時に測定するものである。
【０１１６】
膜厚によって偏光状態が変化する為、上記のようなデューティの決定の場合は、更に計算のパラメターとして厚みｄを加え、関数
Ｄ（ｔ）＝（ψ１−ψ１’（ｔ，ｄ））＋（ψ２−ψ２’（ｔ，ｄ））＋（ψ３−ψ３’（ｔ，ｄ））＋（Δ１−Δ１’（ｔ，ｄ））＋（Δ２−Δ２’（ｔ，ｄ））＋（Δ３−Δ３’（ｔ，ｄ））
が最小になるようにデューティｔと厚みｄを決定することで感光パターンの形状がより厳密に測定される。このように実際のレジストの形状を決定する場合、パラメターが多いため、複数の波長による検出値で測定することが望ましい。
【０１１７】
同様の複数入射波長による測定はハロゲンランプからの光を分光器に通し、分光器の射出口から光ファイバーで光源部に光を導く構成でも得られる。また、チューナブルレーザーなどの複数波長光源あるいは異なる波長の光源を複数備えることでも同じ効果は得られる。その他の構成は実施例１と同様である。
【０１１８】
（実施例８）
本発明の実施例８は１つの感光パターンについて任意の入射条件で光源が入射光束を照射し、その光束の変化の検出値から、処理手段によって最適な入射条件を算出し、この最適な入射条件で光源が入射光束を照射し、感光パターンの形成状態を求めるものである。
【０１１９】
前述の通り、レジストは露光や現像処理により膜厚などが変動し、測定の誤差要因となる。そこで予め測定してある、レジストの下地の屈折率ｎｓ、レジストの未露光部、被露光部の屈折率ｎ１、ｎ２、厚みｄ、露光したパターンの周期、角度、本数などの測定対象の値を用いて計算した最適な入射条件で一度測定を行い、その測定結果と計算値の比較によって、大きく予備値と異なる数値（例えば膜厚）を補正して最適な入射条件を計算し直す。その新たな最適入射条件に光源を合わせ、光束を入射して変化を受光系で検出してレジストパターンを測定している。
【０１２０】
この入射条件とは入射角であり、入射方向であり、入射波長である。
【０１２１】
次に上記説明した露光方法を利用したデバイスの生産方法の実施例を説明する。
【０１２２】
図１６は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【０１２３】
図１７は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【０１２４】
本実施例の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを低コストに製造することができる。
【０１２５】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、露光によるレジストの感光状態（潜像）あるいは現像後のＬ＆Ｓ等の感光パターンの形成状態を入射光束の変化、例えば反射光の強度の変化や偏光状態の変化を利用して測定し、その測定値から最適な露光条件を決定し、その最適露光条件でウエハを量産露光していくことにより短時間で最適な露光条件を設定することができ、高集積度の投影パターンが容易に得られるパターン形成状態検出装置及びそれを用いた投影露光装置を達成することができる。
【０１２６】
特に従来のＳＥＭを用いる方法に比べて、周期性を持つパターン、例えばＬ＆Ｓパターンをレチクルに構成した露光条件測定用のレチクルを用いて、このパターンのレジスト像（現像する場合、もしくは現像しない潜像の場合）のデューティを反射光の情報を用いることにより最適露光条件を、高精度でしかも短時間で得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の要部断面図
【図２】図１の偏光解析装置一部分の説明図
【図３】露光装置における、フォーカス検出と露光量制御の一部分の概略図
【図４】露光条件測定用レチクルパターンの説明図
【図５】露光条件を振って焼いたウェハ上のレジスト潜像の説明図
【図６】図５のウエハのレジスト潜像の断面図
【図７】偏光解析装置による測定値のＳＥＭによる校正の説明図
【図８】Δ−ψマップを示す図
【図９】偏光解析法を露光条件設定に適用した場合のフローチャートの説明図
【図１０】偏光解析法の説明図
【図１１】偏光解析装置を別置きした実施例４の説明図
【図１２】偏光解析装置を別置きした実施例４の変形例の説明図
【図１３】レジスト現像後の断面形状の例を示す図
【図１４】現像工程をいれたフローチャートの説明図
【図１５】現像工程をいれる場合の実施例１の説明図
【図１６】デバイスの製造フローを現の説明図
【図１７】ウエハプロセスの説明図
【符号の説明】
１０１  縮小型の投影レンズ
１０２  レチクル
１０３  ウエハ
１０４  ウエハチャック
１０５  粗微動チルトＺステージ
１０７  光源
１０８  フレーム
１０９  中央処理装置
２０１  フォーカス検知用光源
２０２  フォーカス検知用光電変換器
２０３１  フォーカス制御装置
２０４１  積算露光量検出回路
２０４２  積算露光量制御回路
３０１  偏光解析光源部
３０２  偏光解析受光部
３０３  回転ステージドライバー
３０４  偏光解析処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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