(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハの表面上に、レジストを塗布する工程と、
前記レジストを露光する工程であって、前記露光は、焦点を前記レジストから前記表面の垂線方向に一定距離ずらした位置から行い、かつ、大長方形の各４辺にそれぞれ前記露光装置の解像限界よりも細い幅を有する複数の小長方形を、前記大長方形の前記４辺の延在方向に沿って該小長方形の短辺側が整列配置してなる図形を有するマスクを用いて行う工程と、
前記露光工程後、前記レジストを現像して、レジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンの長さから、前記レジストに対する焦点ずれを求める工程を有することを特徴とする焦点ずれ測定方法。
【請求項２】
前記露光は、前記焦点の位置の変化に対する前記レジストパターンの形状の変化が直線的である領域に、前記焦点を合わせて行うことを特徴とする請求項１記載の焦点ずれ測定方法。
【請求項３】
複数のショットを有する半導体ウェハの表面上に、レジストを塗布する工程と、
前記レジストに対する焦点位置を測定する工程と、
焦点を前記焦点位置から前記表面の垂線方向にずらして前記各ショットを露光する工程であって、前記露光は、焦点を前記レジストから前記表面の垂線方向に一定距離ずらした位置から行い、かつ、大長方形の各４辺にそれぞれ前記露光装置の解像限界よりも細い幅を有する複数の小長方形を、前記大長方形の前記４辺の延在方向に沿って該小長方形の短辺側が整列配置してなる図形を有するマスクを用いて行う工程と、
前記露光工程後、前記レジストを現像して、前記各ショットにレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンの寸法から、前記各ショットにおける前記焦点位置に対する焦点ずれを求める工程と、
前記焦点位置と前記焦点ずれに基づいて、前記レジストに対する焦点合わせを行う工程を有することを特徴とする焦点位置合わせ方法。
【請求項４】
前記露光は、前記焦点の位置の変化に対する前記レジストパターンの形状の変化が直線的である領域に、前記焦点を合わせて行うことを特徴とする請求項３記載の焦点位置合わせ方法。
【請求項５】
前記焦点ずれ測定方法を、異なるウェハを用いて複数回実行し、各実行毎に求められた焦点ずれ距離の平均を求めることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の焦点すれ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レジストが塗布された半導体ウェハを露光するときの、半導体ウェハに照射される光の焦点ずれ距離を測定する方法と、半導体ウェハに照射される光の焦点位置合わせ方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
露光装置を用いてレジストが塗布された半導体ウェハを露光するとき、半導体ウェハに対して焦点を合わせて露光する。このとき、半導体ウェハは露光装置のステージに載せて露光されるが、このステージの傾きまたは半導体ウェハの凹凸などによって半導体ウェハの各領域（以下ショット）ごとに微妙に焦点がずれるため、ショットごとに焦点を合わせる必要がある。
【０００３】
焦点を合わせるためには、ショットごとの焦点ずれ距離を測定する必要がある。従来、焦点ずれ距離の測定は、露光装置に付属しているフォーカスセンサを用いて行っていた。フォーカスセンサを用いて行う焦点ずれ距離の測定は、例えば次のようにして行う。まず、位置を固定された第１の絞りを通した光を半導体ウェハに当てる。次に、半導体ウェハに当たって反射した光を位置を固定された第２の絞りに当てる。半導体ウェハの位置によって、反射した光の進路が変わるので、第２の絞りを通過する光の量も変わる。そして、この第２の絞りを通過した光の量から、半導体ウェハが焦点位置にあるときの第２の絞りを通過する光の量を基準にして、光が反射した半導体ウェハのショットにおける焦点ずれ距離を算出する。
【０００４】
そして、焦点合わせは、フォーカスセンサを用いて求めた焦点ずれ距離に基づいて、半導体ウェハが載せられたステージの位置を調節することで行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の測定方法では、焦点ずれが僅かなものである場合、焦点が上下どちらの方向にずれているのかを調べることが困難である。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決できる焦点ずれ測定方法及び焦点位置合わせ方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、半導体ウェハ上に、レジストを塗布し、露光装置を用いて焦点をレジストから一定距離ずらしてレジストを露光し、その露光は、大長方形の各４辺にそれぞれ露光装置の解像限界よりも細い幅を有する複数の小長方形を大長方形の各４辺に対して長さ方向に垂直かつ幅方向に平行に並べてなる図形を有するマスクを用いて行い、露光工程後、レジストを現像してレジストパターンを形成し、レジストパターンの長さから、レジストに対する焦点ずれを求める。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
本発明の第１の実施例は、レジストが塗布された半導体ウェハを露光するときにおける、半導体ウェハに照射される光の焦点ずれ距離を測定する方法である。以下、本発明の第１の実施例について、図１〜図４を用いて説明する。図１は、露光装置を用いて半導体ウェハを露光している様子を露光装置の側面から見た図である。図２は、露光に使用するフォトマスクの上面図である。図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、露光後の半導体ウェハを示す図であり、図３（Ａ）は、露光後の半導体ウェハの全面を示す上面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の一部を拡大した図、図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）を、点線ＸＸ’に沿って切断した時の断面図である。図４は、現像後の計測用レジストパターン１０６の長さＬｍを縦軸、露光時の半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍを横軸にとって描いたグラフである。
【０００９】
まず、図１に示すように、露光装置１００のステージ１０１上に、レジストが塗布された半導体ウェハ１０２をセットする。そして、露光装置１００に固定された縮小投影レンズ１０４に対するステージ１０１の上下方向の位置を調節し、露光装置１００の焦点を半導体ウェハ１０２の表面からずらす。ずらす方向は、半導体ウェハ１０２の表面の垂線方向である。具体的には、縮小投影レンズ１０４の下端Ａと、レジストが塗布された半導体ウェハ１０２の表面Ｂとの距離を調節して、半導体ウェハ１０２の表面Ｂを、焦点位置Ｆ０から一定距離離れた点Ｆｍに移動させる。実際には、レジストにも厚さがあり、焦点位置Ｆ０が半導体ウェハ１０２の表面Ｂと一致したときに最適の露光ができるとは限らない。最適の露光をするためには、焦点位置Ｆ０は、半導体ウェハ１０２の表面Ｂから半導体ウェハ１０２に塗布されたレジストの表面にかけてのいずれかの位置に合わせることになる。また、焦点位置Ｆ０をレジストの厚さ方向のどの位置に合わせればいいのかは、レジストの種類や厚さによる。今までの説明では、焦点位置Ｆ０と合わせた時に最適の露光が行われる基準位置を、半導体ウェハ１０２の表面Ｂとしたが、正確には、先に説明した通り、半導体ウェハ１０２の表面Ｂから半導体ウェハ１０２に塗布されたレジストの表面にかけてのいずれかの位置となる。また、ステージ１０１の傾きや半導体ウェハ１０２の凹凸などの理由により、半導体ウェハ１０２の表面の位置を正確に定義することは困難である。しかし、便宜上、焦点位置Ｆ０と合わせた時に最適の露光ができる基準位置は半導体ウェハ１０２の表面であり、また、半導体ウェハ１０２の表面は水平であるとして、しばらく説明を続ける。
【００１０】
次に、ステージ１０１を水平移動させながら、フォトマスク１０３及び縮小投影レンズ１０４を通して半導体ウェハ１０２に光を当てることによって、レジストが塗布された半導体ウェハ１０２をその各領域（以下ショット）ごとに露光する。
【００１１】
ここで、フォトマスク１０３は、図２に示すように、大長方形の各４辺にそれぞれ露光装置１００の解像限界よりも細い幅を有する複数の小長方形を大長方形の各４辺に対して長さ方向に垂直かつ幅方向に平行に並べてなる計測用パターン１０５を有する。したがって、フォトマスク１０３を用いてレジストが塗布された半導体ウェハ１０２を露光すると、各ショットにそれぞれ計測用レジストパターンの潜像が形成される。
【００１２】
次に、計測用レジストパターンの潜像を形成したレジストを現像する。すると、図３に示すように、半導体ウェハ１０２の各ショットごとに、フォトマスク１０３の計測用パターン１０５に対応する計測用レジストパターン１０６が形成される。ここで、露光時に使用したフォトマスク１０３のレジストパターンは、先に述べたように、露光装置１００の解像限界よりも細い幅を有する図形からなっているので、各ショットに形成された計測用レジストパターン１０６は、フォトマスク１０３のレジストパターンと同じ形状ではなく、図３に示すような形状になる。そして、各計測用レジストパターン１０６の長さＬｍを測定する。
【００１３】
先に行った露光は、ステージ１０１の上下方向の位置を固定して行う。しかし、先にも記載した通り、ステージ１０１の傾きや半導体ウェハ１０２の凹凸などによって、半導体ウェハ１０２の各ショットごとに微妙に焦点がずれる。そのため、ショットごとに露光時の半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍは微妙に異なる。したがって、露光時に照射される光の収束の度合いが各ショットごとに異なるので、計測用レジストパターン１０６の長さＬｍも、ショットごとに異なるものになる。
【００１４】
現像後の計測用レジストパターン１０６の長さＬｍを縦軸、露光時の半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍを横軸にとってグラフを描くと、図４のようなグラフが得られる。このグラフは、同じ露光装置を用いた場合は、レジストの材質、レジストパターンの形状、露光強度、露光時間がそれぞれ等しければ、グラフの形状がほとんど変化しない。図４から分かるように、露光時の半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍが焦点位置Ｆ０付近にある場合は、半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍの変化に対する計測用レジストパターン１０６の長さＬｍの変化は僅かである。
【００１５】
しかしながら、露光時の半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍが、焦点位置Ｆ０からある程度離れた領域に位置する場合、例えば半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍが図４におけるＣの領域にある場合は、半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍの変化に対して、計測用レジストパターン１０６の長さＬｍは直線的に大きく変化する。したがって、露光時には、半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍが領域Ｃ付近になるように露光装置１００のステージ１０１の位置を調節する。
【００１６】
最後に、図４のグラフを利用して、各ショットに形成された計測用レジストパターン１０６の長さＬｍから、各ショットにおける、露光時の半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍを求める。各ショットにおける露光時の半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍは、各ショットにおける焦点ずれ距離から一定の値を増減させたものとなる。
【００１７】
以上のように、本発明の第１の実施例を用いると、焦点ずれが僅かなものであっても、半導体ウェハにおける各ショットごとの焦点ずれ距離を、上下どちらの方向にずれているのかも含めて、相対的な分布として求めることができる。
【００１８】
ただし、本発明を用いて求められた焦点ずれ距離は、ウェハに起因する焦点ずれと、露光装置に起因する焦点ずれとが合算された値となるため、少なくとも１回の操作だけでは、本発明で測定した焦点ずれ距離が、露光装置に起因するものであるか、あるいは半導体ウェハに起因するものであるのかを調べることはできない。露光装置に起因する焦点ずれ距離を調べるためには、異なるウェハを用いて上記の操作を何度も繰り返し、焦点ずれ距離の平均を計算する必要がある。
【００１９】
（第２の実施例）
本発明の第２の実施例は、レジストが塗布された半導体ウェハを露光するときにおける、半導体ウェハに照射される光の焦点位置合わせ方法に関するものである。本発明の第２の実施例について、図１〜図４を用いて説明する。図１は、露光装置を用いて半導体ウェハを露光している様子を露光装置の側面から見た図である。図２は、露光に使用するフォトマスクの上面図である。図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、露光後の半導体ウェハを示す図であり、図３（Ａ）は、露光後の半導体ウェハの前面を示す上面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の一部を拡大した図、図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）を、点線ＸＸ’に沿って切断した時の断面図である。図４は、現像後の計測用レジストパターン１０６の長さＬｍを縦軸、露光時の半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍを横軸にとって描いたグラフである。本発明の第２の実施例は、本発明の第１の実施例を応用した、焦点位置合わせ方法である。
【００２０】
まず、図１に示すように、露光装置１００のステージ１０１上に、レジストが塗布された半導体ウェハ１０２をセットする。このとき、半導体ウェハ１０２に対する焦点位置Ｆ０を求めておく。Ｆ０は、図３のグラフにおける頂点から求めた半導体ウェハ１０２に対する平均の焦点位置でもよい。また、半導体ウェハ１０２における特定のショットの焦点位置でもよい。ここでは、Ｆ０は、特定のショットの焦点位置であるとして説明する。
【００２１】
次に、焦点位置Ｆ０を定めたショットにおいて、半導体ウェハ１０２の表面が焦点位置Ｆ０から特定の距離だけ離れた位置Ｆｍに移動するように、ステージ１０１の上下方向の位置を調節する。
【００２２】
さらに、ステージ１０１を水平移動させながら、フォトマスク１０３及び縮小投影レンズ１０４を通して半導体ウェハ１０２に光を当てることによって、レジストが塗布された半導体ウェハ１０２をショットごとに露光する。フォトマスク１０３は、第１の実施例と同様、図２に示すような、大長方形の各４辺にそれぞれ露光装置１００の解像限界よりも細い幅を有する複数の小長方形を大長方形の各４辺に対して長さ方向に垂直かつ幅方向に平行に並べてなる計測用パターン１０５を有するものを用いる。
【００２３】
この後、露光したレジストを現像することで、各ショットに図３に示すような計測用レジストパターン１０６を形成する。そして、各ショットにおける計測用レジストパターン１０６の長さＬｍを測定する。焦点位置Ｆ０をあらかじめ求めておくこと以外、ここまでの工程は、第１の実施例と全く同じである。
【００２４】
露光時には、ステージ１０１の上下方向の位置を固定する。しかし、ステージ１０１の傾きや凹凸などによって半導体ウェハ１０２の各ショットごとに微妙に焦点がずれるため、各ショットによって、露光時の半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍは微妙に異なる。そのため、計測用レジストパターン１０６の長さＬｍも、ショットごとに異なるものになる。この工程も、第１の実施例と同じである。
【００２５】
そして、あるショットにおける計測用レジストパターンの長さＬｍ１を用いて、そのショットにおける焦点ずれ距離Ｆｍ１を、以下の式によって求める。なお、Ｆ０は特定のショットにおける焦点位置、Ｌｍはその特定のショットにおける計測用レジストパターン１０６の長さ、Ｆｍはその特定のショットにおける露光時の半導体ウェハ１０２の表面の位置である。
【００２６】
焦点ずれ距離Ｆｍ１＝Ｆｍ−Ｆ０＋（ΔＦ／ΔＬ）×（Ｌｍ１−Ｌｍ）
なお、ΔＦ／ΔＬは、計測用レジストパターンの長さＬｍの変化に対する焦点ずれ距離の変化である。これは、露光時の半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍを横軸に、その露光において形成された計測用レジストパターンの長さＬｍを縦軸にとったグラフ（図４）上に描かれる点を直線近似して求められる直線の傾きの逆数に相当する。
【００２７】
最後に、焦点位置Ｆ０から、求めた焦点ずれ距離Ｆｍ１だけ半導体ウェハ１０２の表面の位置Ｆｍをずらして、焦点位置合わせは完了する。
【００２８】
本発明の第２の実施例は、本発明の第１の実施例を焦点合わせに利用した応用例である。本発明の第２の実施例では、焦点合わせに、第１の実施例を利用しているため、正確な焦点合わせ容易にを行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、露光によってできるレジストパターンの形状から、焦点ずれを求める。そして、その露光は、焦点の位置をわざとずらして行う。したがって、焦点ずれが上下どちらの方向へのずれであるのかも含めて、焦点ずれを容易に調べることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】露光装置を用いて、レジストが塗布された半導体ウェハを露光している状態を示す側面図である。
【図２】本発明において使用するフォトマスクに形成する計測用パターンを示す上面図である。
【図３】計測用レジストパターンが形成された半導体ウェハを示す上面図及び断面図である。
【図４】露光時の焦点ずれ距離と、その露光によって形成される計測用レジストパターンの長さの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００  露光装置
１０１  ステージ
１０２  半導体ウェハ
１０３  フォトマスク
１０４  縮小投影レンズ
１０５  計測用パターン
１０６  計測用レジストパターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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