(57)【要約】【課題】  変調度の高い計測信号が得られ、再現性が高く、高速、高精度な計測を可能にする。【解決手段】  波長より短い幅のスリットと、スリットスキャン信号を得るための第１受光部と、波長より大きな幅を有するアライメント開口と、アライメント信号を得るための第２受光部を備え、かつアライメント信号を信号処理することで、スリット長手方向と、一次元空間光強度分布の強度が変動しない方向を同じにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影光学系によって投影されたマスクのパターンの空中像に対し、スリットをスキャンし、該スリットを透過した第１透過光を第１受光部で光電変換して得られるスリットスキャン信号から前記空中像の光強度分布を計測する方法であって、
前記空中像からの光のうち、アライメント開口を透過した第２透過光を第２受光部で光電変換する工程と、
第２受光部からの出力信号に基づいて前記スリットの位置を調整する調整工程と、
を有することを特徴とする空中像計測方法。
【請求項２】
前記スリットの幅は、前記マスクを照明する光の波長以下であり、
前記アライメント開口の幅は、前記マスクを照明する光の波長より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の空中像計測方法。
【請求項３】
前記スリットと前記アライメント開口は同一基板上に形成された遮光膜に設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の空中像計測方法。
【請求項４】
前記第１受光部と前記第２受光部は二次元受光素子アレイ上に形成されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の空中像計測方法。
【請求項５】
前記アライメント開口上に減光膜を形成したことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の空中像計測方法。
【請求項６】
前記スリットスキャン信号と、あらかじめ記憶しておいたスリット透過特性とを信号処理する工程を有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の空中像計測方法。
【請求項７】
前記スリットスキャン信号と、コンピュータにより計算で求めたスリット透過特性とを信号処理する工程を有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の空中像計測方法。
【請求項８】
空中像の光強度分布を計測する計測装置であって、
スリットおよびアライメント開口が設けられた遮光膜を表面に持つ透明基板と、
前記空中像からの光のうち、前記スリットを透過した透過光を光電変換して信号を出力する第１受光部と、
前記空中像からの光のうち、前記アライメント開口を透過した透過光を光電変換して信号を出力する第２受光部と、
を有することを特徴とする空中像計測装置。
【請求項９】
請求項８に記載の空中像計測装置を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップを有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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中像計測方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、露光装置の投影光学系の性能を、露光装置本体に投影光学系を搭載した状態で評価するためには、レジストを塗布したウエハを用いて、マスクパターンをウエハ上に露光することを行っていた。さらに、この評価方法では、露光した後、レジストを現像し、現像して形成されたレジスト像をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などで計測する必要があった。この評価方法は、レジスト塗布、現像、計測という工程が必要なため、一回の評価につき、長い時間と多くのコストが必要であるという課題があった。
【０００３】
そこで、実際に露光を行うことなく、マスクパターン、あるいは計測用パターンをウエハ面に対応する空中に結像させ、その光強度分布を直接計測器で計測する方法（以下、空中像計測法と呼ぶ）が行われている。この方法の一例として、光源の光の波長よりも小さいサイズの光強度分布を計測するため、波長よりも短い幅のスリットをスキャンし、スリットを透過した光を受光素子で計測するスリットスキャン方式が用いられている（非特許文献１）。
【０００４】
従来のスリットスキャン方式は、例えば、図１０に示すような遮光膜５１に形成されたスリット５４０を用いている。図１１に図１０中のＡ０とＢ０を結んだ断面での、スリットスキャン方式の計測装置の断面摸式図を示す。ラインアンドスペース（以下Ｌ／Ｓ）パターンを照明し、結像させることにより周期的な強度分布を有する空中像４０が形成される。形成された空中像４０の一部の光が、スリット５４０を透過し、スリットを透過した透過光は、遮光膜５１を支える透明基板５２を透過した後に、受光素子５３に照射される。受光素子５３に照射された光が光電変換され、スリット信号ＳＳとして出力される。遮光膜５１、透明基板５２、受光素子５３で構成されているセンサ５０をステージ６０でｘ方向にスキャンし、スキャンステップ毎にスリット信号ＳＳをモニタする。このスリットをスキャンし、モニタした信号（以下、スリットスキャン信号と呼ぶ）を用いて、空中像を計測する。スリットスキャン信号は、スキャンしたセンサ５０の位置に依存して、スリット信号ＳＳが変調した信号である。
【非特許文献１】Ｗ．Ｎ．Ｐａｒｔｌｏ，  ｃ．Ｈ．Ｆｉｅｌｄｓ  ａｎｄ  Ｗ．Ｇ．Ｏｌｄｈａｍ，“Ｄｉｒｅｃｔ  ａｅｒｉａｌ  ｉｍａｇｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ａｓ  ａ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｔｅｓｔｉｎｇ  ｈｉｇｈ  ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｍｉｃｒｏｌｉｈｏｇｒａｐｈｉｃ  ｌｅｎｓｅｓ”，  Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ，  Ｖｏｌ．１１，  ｐｐ．２６８６−２６９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のスリットスキャン方式では、空中像の強度分布変動の周期が短くなった場合に、スリットの長手方向が空中像のＬ／Ｓパターンのラインの延びる方向とずれていると、スリットスキャン信号の変調度が大きく低下する問題がある。ここで、変調度は信号または光強度の（最大値−最小値）／（最大値）を意味する。図１２に、スリットの長手方向と、Ｌ／Ｓパターンの空中像が形成される方向を示す。空中像４０はｙ方向に平行に形成されるＬ／Ｓパターンの像であり、光強度分布はｘ方向に半周期ＨＰで変調している。また、空中像４０のＬ／Ｓパターンに平行な方向（ｙ方向）と、遮光膜５１上に形成されたスリット５４０の長手方向は、角度θだけｘｙ面内で回転方向に位置ずれがある。理想的には、θが０であれば、高い変調度のスリットスキャン信号を得ることが可能であるが、実際には、アライメント誤差などで、θは厳密に０とはならない。
【０００６】
このような状態で、スリットをｘ方向にスキャンすると、スリットスキャン信号の変調度は、空中像４０の変調度より低下する。さらに、スリットの位置が、空中像のＬ／Ｓパターン周期にまたがるような角度までずれていると、スリットをスキャンしても、スリットに照射される光量が変化しない。そのため、もはやスリットスキャン信号の変調度がほとんどなくなってしまい、計測が不可能となる。このときのスリットとＬ／Ｓパターンのなす角度をθｃとすると、
θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（２ＨＰ／ＳＬ）
と表わすことが出来る。ここでＳＬはスリットの長手方向の長さで、ＨＰは空中像の光強度分布変動の半周期である。スリットとＬ／Ｓパターンのなす角度がθｃより小さければ、スリットに照射される光量は、スリットをスキャンすることで変調する。
【０００７】
この関数を、ＨＰとＳＬについてプロットしたものが図１３であり、縦軸はθｃである。図１３からわかるように、スリット長ＳＬが５０μｍ程度の場合では、ＨＰが２００ｎｍではθｃは１４ｍｒａｄ程度であるが、ＨＰが４５ｎｍになるとθｃは２ｍｒａｄ程度と大幅に小さくなる。すなわち、ＨＰが小さくなると、θｃが小さくなる。すなわち、位置ずれの許容度が小さくなり、高い変調度のスリットスキャン信号を得るためには、少なくともθｃより位置ズレ角θを小さくするような高いアライメント精度が要求されることを示している。
【０００８】
すなわち、空間的変動周期が光源からの光の波長より短い光強度分布をスリットスキャン法で計測する際に、スリット長手方向と、一次元空間光強度分布が変動しない方向が異なっていると、計測した信号の変調度が低下するという門題があった。
本発明の課題は、上記の問題を解決することであり、高い再現性で、高い変調度のスリットスキャン信号を得ることを可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の一側面としての空中像計測方法は、投影光学系によって投影されたマスクのパターンの空中像に対し、スリットをスキャンし、該スリットを透過した第１透過光を第１受光部で光電変換して得られるスリットスキャン信号から前記空中像の光強度分布を計測する方法であって、前記空中像からの光のうち、アライメント開口を透過した第２透過光を第２受光部で光電変換する工程と、第２受光部からの出力信号に基づいて前記スリットの位置を調整する調整工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡便かつ高速にスリットと空中像の相対位置を制御することが可能であるため、高い変調度のスリットスキャン信号を得られる。それにより、高精度な空中像計測が可能となり、高精度に投影光学系の評価を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１２】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る露光装置において、投影光学系の光学性能を計測する様子を模式的に示す説明図である。同図において、２０はマスク、１０は不図示の光源からの光でマスク２０を照明する照明光学系、３０は投影光学系、４０は空中像である。また、５０はセンサ、６０はセンサ５０を駆動させるためのステージ、７０はセンサからの信号を処理する信号処理部、８０は信号処理部から出力される信号を参照してステージを駆動させる駆動部である。
【００１３】
光源からの光は照明光学系１０で整形され、マスク２０に照射される。マスク２０には、クロムなどの遮光膜でパターンが形成されている。パターンが形成されたマスク２０に光が照射されることにより、パターンに依存した透過光および回折光が発生する。発生した透過光および回折光は、投影光学系３０に照射され、投影光学系３０は、マスク２０のパターンを結像面に結像させる。結像面では、光源、照明光学系１０、マスク２０のパターン、投影光学系３０、これらを保持する機構、露光装置が設置される環境など、これらすべての影響を含んだ空中像４０が形成される。
【００１４】
センサ５０は空中像計測装置であり、図１１に示すように、遮光膜５１と、透明基板５２と、受光素子５３とで構成されている。
図２に、センサ５０の上面図を示す。センサ５０の遮光膜５１には、計測の分解能に対応する幅（短手方向の長さ）を有するスリット５４０とスリット５４０より大きな幅を有するアライメント開口５４１、５４２が形成されている。「計測の分解能に対応する幅」とは、空中像の強度分布変動の最小周期と同程度か、それより狭い幅である。
【００１５】
センサ５０は、スリット５４０とアライメント開口５４１から透過した光を受光素子（受光部）５３により受光し、光電変換して得られる信号を信号処理部７０に出力する。信号処理部７０では、センサ５０から出力されるスリットからの信号とアライメント開口からの信号とを処理し、駆動部８０に駆動信号を出力する。駆動部８０では、信号処理部７０からの出力信号をもとに、ステージ６０を駆動させる信号をステージ６０に出力する。
【００１６】
図３に、スリット５４０の拡大図を示す。スリットの短手方向（スキャン方向）の幅をＷｓとすると、波長以下のサイズの解像度を得るような高精度な空中像計測を行うためには、Ｗｓは、
Ｗｓ≦λ
とする必要がある。ここで、λは光源の波長である。
さらに、図２中のアライメント開口５４１と５４２は、円形開口の場合、図４に示す、スリットのスキャン方向の幅Ｗａが
Ｗａ≧１０×λ
となっている。このように、波長より大きい開口サイズにすることで、アライメント開口から透過した光が、スリットから透過した光と干渉することなく計測することが可能となり、正確なスリット透過光を計測することができる。開口が矩形の場合は、円形にくらべて透過光の広がり角が小さいため、円形開口と同様に、図５に示すＷａが
Ｗａ≧１０×λ
であれば、スリット透過光とアライメント開口透過光が干渉することなく、スリット透過光を計測することが可能である。
【００１７】
また、アライメント開口はスリットより大きいため、透過光量が大きくなり、アライメント開口透過光の受光部上での照度は、スリット透過光の照度より高くなる。ここで、アライメント開口の透過率を、スリットの透過率より低くするように、アライメント開口上に減光膜を形成することで、アライメント開口透過光の照度と、スリット透過光の照度の差を小さくすることが出来る。このようにすれば、受光素子のダイナミックレンジを有効に使用した高精度な計測を行うことが可能である。
【００１８】
ここで、本実施例の計測方法に用いるアライメントについて説明する。図６は、スリット５４０の透過光とアライメント開口５４１、５４２の透過光が受光素子５３の受光面でどのように検出されるかを示した上面模式図である。ここでは、空中像４０を２光束干渉で形成した場合を考える。受光素子５３はここでは、二次元アレイ状に分割されているものとする。
【００１９】
スリット５４０から透過した光は、受光素子５３においては、回折の影響で、スリット短手方向に拡がったスリット透過光分布Ｌ０のように分布する。この分布を形成する透過光を第１透過光とする。図７に図６の上面図におけるスリット５４０の位置でのｙｚ面断面図を示す。第１透過光Ｌ０は、波長より短いスリットを透過するために、受光素子５３上で拡がっている。この第１透過光が照射された受光素子の領域の一部を第１受光部とする。
【００２０】
アライメント開口５４１と５４２から透過した光は、サイズが波長よりも大きいために、回折の影響をそれほど受けずに、受光素子５３上でアライメント透過光分布Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２１、Ｌ２２を形成する。これらの分布を形成する透過光を第２透過光とする。Ｌ１１とＬ１２、Ｌ２１とＬ２２は、それぞれ、２つの平面波の透過光に対応する。図８に図６の上面図におけるアライメント開口５４１の位置でのｙｚ面断面図を示す。アライメント開口は波長よりも十分大きいため、空中像４０を形成する平面波の進行方向にしたがった分布Ｌ１１、Ｌ１２を受光素子５３上に形成する。これら、この第２透過光が照射された受光素子の領域の一部を第２受光部とする。
【００２１】
ここで、第１受光部からの出力と第２受光部からの信号を信号処理部に出力し、信号処理部において、Ｌ１１の位置をＰ１１、Ｌ１２の位置をＰ１２、Ｌ２１の位置をＰ２１、Ｌ２２の位置をＰ２２と算出する。本実施例の方法を用いれば、Ｐ１１とＰ１２を結ぶ線分Ｐ１１、Ｐ１２は、空中像４０の明暗強度分布の縞に対して直交する。同様に、線分Ｐ２１Ｐ２２も、空中像４０の明暗強度分布の縞に対して直交する。空中像４０の縞方向とスリットの長手方向を平行にするためには、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ２２、Ｐ２１を結んで形成される四角形の内角を直角にする、すなわち四角形を長方形にするようにスリット位置を調整すればよい。スリットのθｚ（ｘｙ面内での回転方向）軸の調整方向は、四角形Ｐ１１Ｐ１２Ｐ２２Ｐ２１の内角のうち、角度θ２（∠Ｐ１２Ｐ１１Ｐ２１）が鋭角であれば、時計回りに調整すればよいことがすぐに算出できる。求める調整量は、図６において、スリットと縞のなす角θ０とθ１は同じ角度であるため、θ１であることがわかる。例えば、θ１が鋭角であれば、調整量θ１は、θ１＝９０°−θ２、で求めることが出来る。その他にも、Ｐ１１から線分Ｐ２１Ｐ２２を含む直線と、その直線に対して直交するようにＰ１１から垂線を下ろしたときに交わる交点Ｐ００を用いて簡易に算出することが出来る。この場合は、線分Ｐ１１Ｐ００、線分Ｐ１１Ｐ２１、線分Ｐ２１Ｐ００のうちの２つを用いて逆三角関数の演算をすることで、高速に調整量に相当するθ１を求めることが出来る。
【００２２】
以上の処理を、信号処理部７０で行うことで、スリット位置の調整方向、調整量を同時に求めることが出来るため、高速かつ高精度に空中像に対してスリットを位置合わせすることが可能となる。その結果、高い変調度のスリットスキャン信号が得られ、高精度な空中像計測方法を提供することが可能となる。
【００２３】
本実施例において、複数のアライメント開口５４１，５４２は、スリット長手方向と平行に配置した。しかし、アライメント開口が平行に配置されていなくとも、スリットとアライメント開口の相対位置を記憶しておくことで、同様なアライメント手法を用いることが出来る。すなわち、本発明においては、スリットとアライメント開口の相対位置が予め定まっていれば、スリットとアライメント開口とはいかなる関係に設けても良い。
【００２４】
また、図２に示すような、スリット５４０とアライメント開口５４１と５４２は、高精度なステージを搭載したＥＢ描画装置などを用いて、同一基板上に形成することで、スリットとアライメント開口の相対位置をステージ精度で決定することが出来る。さらには、同一基板上に形成することで、スリットとアライメント開口の相対位置も経時的に変化することがない。よって、スリットとアライメント開口の相対位置が精度よく求めることが出来るため、本発明の計測方法のアライメント精度が向上する。その結果、経時変化が少なく、再現性の高い、高精度な空中像計測方法と提供することが可能となる。
【００２５】
図６におけるセンサの受光素子としては、ＣＣＤやＣＯＭＳイメージセンサのような二次元アレイ状の受光素子（二次元受光素子アレイ）を用いることができる。その場合、第１受光部及び第２受光部はこの二次元受光素子アレイ上に形成されることになる。そして、図６のアライメント開口５４１と５４２の透過光Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２１、Ｌ２２の位置Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ２１、Ｐ２２を重心検出などの画像処理を行って精度良く求めることが出来るため、調整量を正確に算出することが可能となる。さらに、スリット透過光Ｌ０の検出と受光素子を兼用することが可能であるため、装置の低コスト化が可能である。その結果、高精度、低コストな空中像計測方法を提供することが可能となる。
【００２６】
図９は一般化したスリットスキャン信号の模式図を示す。投影光学系により形成される縞状の空中像強度分布断面図がＩｎｔ０であった場合、スリットと空中像のアライメントが合っていない場合には、出力されるスリットスキャン信号は、ＳＳ２のように、元の空中像と比較して大きく変調度が低下した信号となる。しかし、本実施例の測定方法を用いて、空中像とスリットのアライメントを合わせることで、ＳＳ０のような変調度の高い信号を得ることが出来る。しかしながら、スリットスキャン信号は、有限な厚みを有する遮光膜に形成されたスリットを透過した信号を検出するため、実際の空中像強度分布にスリット透過特性がコンボリューションされた信号となる。この信号を、あらかじめ記憶しておいたスリット透過特性を参照するか、あるいはコンピュータでスリット透過特性を計算して、デコンボリューションなどの回復処理を行うことで、実際の空中像に近い信号ＳＳ１が計測可能となる。以上の方法により、スリット形状に依存することのない、高精度な空中像計測方法を提供することが可能となる。
【００２７】
本実施例の空中像計測装置は、高速かつ高精度な空中像計測が可能であるため、それを露光装置のウエハステージに搭載することで、高精度な投影光学系の評価が可能となり、露光装置の製造コストの低減や、結像性能の高精度化が可能になる。また、この空中像計測装置は、ウエハステージに搭載するのではなく、露光装置内ではあるが、ウエハステージとは別の位置に搭載されていてもよい。さらに、露光装置に搭載されていなくとも、ウエハ面に相当する位置に、計測のときだけ空中像計測装置を設置し、計測が終了したのちに取り外す構成でもよい。
【００２８】
本発明の空中像計測方法は、簡便な方法でスリットのアライメントを、誤差が少なく高速に行うことができる。
【００２９】
［デバイス製造方法の実施例］
次に、図１４および図１５を参照して、上述の露光装置を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図１４は、デバイス（半導体デバイス、液晶デバイス等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体デバイスの製造方法を例に説明する。
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う。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンに基づいてマスク（原版またはレチクルともいう）を製作する。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（基板ともいう）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、マスクとウエハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィ技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組立）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）等の組立工程を含む。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う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、それが出荷（ステップ７）される。
【００３０】
図１５は、ステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。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、ウエハの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、露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに露光する。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。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例に係る露光装置において空中像計測を行う様子を示す模式的説明図である。
【図２】図１におけるセンサの上面図である。
【図３】図２におけるスリットの上面図である。
【図４】図２におけるアライメント開口の上面図である。
【図５】アライメント開口の別の例を示す上面図である。
【図６】アライメント方法の原理を説明するための図である。
【図７】センサのスリット位置を示す断面図である。
【図８】センサのアライメント開口位置を示す断面図である。
【図９】空中像のスリットスキャン信号の例を示す模式図である。
【図１０】従来例におけるスリットの上面図である。
【図１１】従来例におけるセンサの断面図である。
【図１２】従来例におけるスリット位置誤差の説明図である。
【図１３】従来例におけるスリット位置誤差と検出光量の説明図である。
【図１４】露光装置を使用したデバイスの製造を説明するためのフローチャートである。
【図１５】図１４に示すフローチャートにおけるステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
１０  照明光学系
２０  マスク
３０  投影光学系
４０  空中像
５０  空中像計測センサ
５１  遮光膜
５２  透明基板
５３  受光素子
５４０  スリット
５４１  アライメント開口
５４２  アライメント開口
６０  ステージ
７０  信号処理部
８０  ステージ駆動部
【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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