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発明の名称 表面形状検出方法および投影露光装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−244081
公開日 平成6年(1994)9月2日
出願番号 特願平5−28064
出願日 平成5年(1993)2月17日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 明夫 (外1名)
発明者 中山 保彦 / 渡辺 正浩 / 押田 良忠 / 吉田 実 / 藤井 憲
要約 目的
2分割した可干渉性単色光の一方(物体光)を試料面に照射して得られる反射光と上記他方の光ビ−ム(参照光)とを重畳させて得た干渉縞より算出する試料面の傾き、高さ等の検出精度を向上する。

構成
試料面からの反射光を試料面と共役の位置にて結像させ、この結像光を再度試料面に照射してその反射光を試料に対して共役な位置に設けた光検出器に導き、光検出器上で上記参照光と重畳して干渉縞を得、この情報により試料面の傾き、高さ等を算出して試料面の位置を補正する。
特許請求の範囲
【請求項1】 所定の形状に整形した可干渉性単色光源の光ビ−ムを2分割し、その一方の光ビ−ム(物体光)を試料面に照射して得られる反射光と上記他方の光ビ−ム(参照光)とを重畳させて得られる干渉縞情報より上記試料面の傾き、高さ等を検出する表面形状検出方法において、上記試料面からの反射光を上記試料面と共役の位置にて結像させ、この結像光を再度上記試料面に照射してその反射光を上記試料に対して共役な位置に設けた光検出器に導き、上記光検出器上にて上記参照光と重畳して得られる干渉縞情報より上記試料面の傾き、高さ等を検出するようにしたことを特徴とする表面形状検出方法。
【請求項2】 所定の形状に整形した可干渉性単色光源の光ビ−ムを2分割し、その一方の光ビ−ム(物体光)を試料面に照射して得られる反射光と上記他方の光ビ−ム(参照光)とを重畳させて得られる干渉縞情報より上記試料面の傾き、高さ等を検出して上記試料の傾きと高さを補正するようにした投影露光装置において、上記試料面からの反射光を上記試料面と共役の位置にて結像させる結像光学系と、上記結像光学系の結像光を上記試料面に再照射する反射手段と、上記再照射光の上記試料面における反射光を上記試料とは共役な位置に設けた光検出器に導く検出光学系と、上記参照光を上記光検出器面に導かれた反射光に重畳させる参照光学系と、上記光検出器が検出する干渉縞情報より上記試料面の傾き、高さ等を検出する信号処理回路と、上記信号処理回路の出力により上記試料面の傾き、高さ等を制御する手段を備えたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項3】 請求項2において、上記結像光学系を少なくとも焦点距離がそれぞれf1とf2である第1および第2のレンズにより構成し、第1のレンズを試料面から距離f1だけ離して配置し、第2のレンズを第1のレンズから距離(f1+f2)だけ離して配置し、さらに上記反射手段を第2のレンズから距離f2だけ離して配置するようにしたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項4】 請求項2において、上記結像光学系を少なくとも焦点距離がf1であるレンズにより構成し、上記レンズを試料面から距離f1だけ離して配置し、上記反射手段を上記レンズから距離f1だけ離して配置するようにしたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項5】 請求項2において、上記光検出器上における上記物体光と参照光の交叉角を調整する手段を設けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項6】 マスク上に形成された回路パタ−ンを投影レンズにより基板上に投影露光する投影露光装置において、投影レンズと基板との間の側方よりほぼ平行なるビ−ムを上記基板上に所望の形状で照射する照射手段と、該照射手段で照射された基板上からの反射物体光を上記基板表面と共役の位置に結像させる結像光学系と、該結像光学系で結像された光像を受光して信号に変換する検出器と、該検出器から検出される信号に基づいて基板の表面形状を検出して基板の傾き若しくは高さを制御して基板の表面を投影レンズの結像面にほぼ合せる制御手段とを備えたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項7】 マスク上に形成された回路パタ−ンを投影レンズにより基板上に投影露光する投影露光装置において、投影レンズと基板との間の側方よりほぼ平行なるビ−ムを上記基板上に所望の形状で照射し、該照射された基板上からの反射物体光を上記基板表面と共役の位置に結像させ、該結像された光像を検出器で受光して信号に変換し、該信号に基づいて基板の表面形状を検出して基板の傾き若しくは高さを制御して基板の表面を投影レンズの結像面にほぼ合せることを特徴とする表面形状検出方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウエハのような平坦な基板の表面形状を検出する方法ならびに投影露光装置に関し、とくに、FFTにより光学的干渉縞情報からレジストの表面形状を算出して表面の傾きや高さ等を求める表面形状検出方法と、この方法により焦点合わせを行う投影露光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】微細化された半導体集積回路や液晶ディスプレイ等のパタ−ン露光工程では、ウエハや基板表面の傾きや高さを精度よく検出して露光面の位置合わせを正確に行う必要がある。例えば半導体集積回路にて水銀ランプのi線を用いて線幅0.5μmのパタ−ンを露光する場合には、ウエハのそり、表面の凹凸を考慮して焦点深度を±1μm以下とし、ウエハの傾きを約10μrad、ウエハ面の高さを0.1μmの以下にする必要がある。
【0003】特願平1−100026号公報には、レ−ザ光のS偏光をウエハ表面に斜め入射してその反射光を参照光と干渉させて得られる干渉縞よりレジスト表面の高さ、傾き等を検出する方法が開示されている。すなわち、干渉縞のピッチよりウエハ表面の傾きを求め、干渉縞の位相よりウエハ面の高さを求めるようにしていた。
【0004】この方法ではレ−ザ光のビ−ムサイズを極めて細くできるので集束角を大きくする必要がなく、また、干渉縞を用いるので、集光レンズを用いたことによるセンサ上のスポット径の広がりも発生しないので、入射光の入射角を85°以上、例えば88°等に設定してフォトレジスト内への侵入光量を低減することができた。
【0005】また、ウエハからの反射光をミラ−により反射してウエハ面に再入射するようにして反射光と参照光間の位相差を拡大しするようにして干渉縞の強度分布を精度良く検出できるようにしていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特願平1−100026号公報に開示の方法ではウエハ面と干渉縞検出位置とを共役な位置関係に保つ必要があるものの、2度目の入射においてはミラ−が干渉縞検出位置と共役な位置関係になるのでウエハ面と干渉縞検出位置とを共役な位置関係に保てないことが問題であった。このため、2度目の入射光がウェハ表面でデフォ−カスしてオフセットが発生し、このオフセットを測定の都度補正する必要があった。
【007】図8は上記従来の干渉縞検出方法を説明する図である。図8(a)はウエハ面にて入射光を1回反射させた場合、同図(b)は2回反射させた場合である。基準面40に対してウエハ表面41が図示のような突起部を持っている場合を想定する。可干渉性のレ−ザ光を2分してその一方を検出照明光16としてウエハ表面41に照射し、他方を参照光17にする。
【0008】図8(a)において、検出照明光16はウエハ表面41で反射し、反射光46は面x上で参照光17と重なって同図(c)の実線で示すような干渉縞を発生する。これにたいして突起部がない場合には、検出照明光16は点線で示したようにウエハ表面41で反射するので、上記xからずれた位置で参照光17と重なり同図(c)の点線で示すような干渉縞を発生する。
【0009】同図(c)の実線と点線間の位相差φは式(1)のように導かれるので、基準面40よりの干渉縞とウエハ面からの干渉縞の位相差φを計測することによりウエハ面41の突起部の高さz(y)を求めることができる。
φ=4πm・cosθ・z(y)/λ (1)
なお、mは反射の回数で同図(a)の場合は1である。θは検出照明光16の入射角度、λは同波長である。
【0010】また、mが1では位相差φが小さ過ぎて計測精度が低いので、同図(b)に示すように反射光46をミラ−40によりほぼ元の光路に折り返してウエハ面で再度反射させ、この2回目の反射光を面x上で参照光17と重ねて干渉縞を発生するようにすると、式(1)のmが2となり上記位相差φを2倍に増大することができるので、計測精度を2倍に高めることができる。
【0011】しかし、ウエハ面41の反射面位置と面xが共役になるように光学系を構成できれば上記干渉縞情報よりウエハの各反射面位置の高さを対応づけ、ウエハの傾き等も正確に検出できるものの、上記2度目の入射においてはミラ−が干渉縞検出位置と共役な位置関係になるのでウエハ面と面xとは共役な位置関係から外れ、これにより反射面位置の高さを正確に検出できないことが問題であった。
【0012】すなわち図9に示すように、上記干渉縞強度の位相は同図(a)に示すウエハ面の高さの急激な変化に対応して上記干渉縞強度の位相が同図(b)に示すように急激に変化すべきところ、上記共役関係のずれにより同図(c)のように位相変化がなだらかになるので、これから算出されるウエハ面の高さは同図(d)のようになだらかななものとなっていた。本発明の目的は上記の問題を解消することのできるウェハの表面形状の検出方法とこの情報に基づいて露光装置の高さ及び傾きを制御することのできる投影露光装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、所定の形状に整形した可干渉性単色光源の光ビ−ムを2分割し、その一方の光ビ−ム(物体光)を試料面に照射して得られる反射光と上記他方の光ビ−ム(参照光)とを重畳させて得られる干渉縞情報より上記試料面の傾き、高さ等を検出する表面形状検出方法において、上記試料面からの反射光を上記試料面と共役の位置にて結像させ、この結像光を再度上記試料面に照射してその反射光を上記試料に対して共役な位置に設けた光検出器に導き、上記光検出器上で上記参照光と重畳して得られる干渉縞情報より上記試料面の傾き、高さ等を検出するようにする。
【0014】このため、上記試料面からの反射光を上記試料面と共役の位置にて結像させる結像光学系と、上記結像光学系の結像光を上記試料面に再照射する反射手段と、上記再照射光の上記試料面における反射光を上記試料とは共役な位置に設けた光検出器に導く検出光学系と、上記参照光を上記光検出器面に導かれた反射光に重畳させる参照光学系と、上記光検出器が検出する干渉縞情報より上記試料面の傾き、高さ等を検出する信号処理回路とを設け、上記信号処理回路の出力により上記試料面の傾き、高さ等を制御する手段により試料面の位置を適正に補正するようにする。
【0015】また、上記結像光学系を少なくとも焦点距離がそれぞれf1とf2である第1および第2のレンズにより構成し、第1のレンズを試料面から距離f1だけ離して配置し、第2のレンズを第1のレンズから距離(f1+f2)だけ離して配置し、さらに上記反射手段を第2のレンズから距離f2だけ離して配置するようにする。また、上記結像光学系を少なくとも焦点距離がf1であるレンズにより構成し、上記レンズを試料面から距離f1だけ離して配置し、上記反射手段を上記レンズから距離f1だけ離して配置するようにする。また、上記光検出器上における上記物体光と参照光の交叉角を調整する手段を設けるようにする。
【0016】
【作用】上記試料面からの反射光は上記試料面と共役の位置にて結像した後、試料面に再照射されその反射光は試料に対して共役な位置にある光検出器に導かれて参照光と重畳され、位相誤差のない干渉縞パタ−ンを形成する。光検出器はこの干渉縞パタ−ンを検出し、信号処理回路は光検出器の出力信号より試料面の傾き、高さ等を算出し、試料面の傾き、高さ等を補正する。また、上記結像光学系のレンズ系は試料面からの反射光を試料面に対して共役の位置に結像し、上記反射手段はこの結像を反射し上記レンズ系を介して上記試料面に結像させる。
【0017】
【実施例】図1は本発明による縮小投影露光装置実施例の構成図である。露光照明系81によりレチクル9を照明してその回路パタ−ンを縮小レンズ8によりステージ7上のウエハ(被検物)4面に結像し、表面検出系2はウェハの表面形状情報を検出して処理する。本発明では例えば上記ウエハ4上の回路パタ−ンの線幅が0.35μmのときには、ウエハ上の焦点深度を±1μm以下としてウエハ4の傾きと高さをそれぞれ5μrad、0.05μmに制御する。なお、図1にはウェハの傾き検出の1軸分のみを示したが、実際には紙面に垂直方向のウェハの傾きを検出する系が存在する。
【0018】レ−ザ(可干渉光源)1の出射光はシャッタ5を通過し、そのs偏光(直線偏光)成分が偏光ビ−ムスプリッタ6により抽出され、レンズ10,12によりビ−ム径を拡大され、プリズム13により二つの平行ビ−ムに分離される。また、開口11はウェハ4の反射面と共役な位置にありその形状がウェハ面のスポット形状を決定する。プリズム15は上記二つの平行ビ−ムにそれぞれ所定の角度を与える。このプリズム15からの出射光の一方は物体光16としてウエハ4に照射され、他方は参照光17となる。
【0019】物体光16は入射角88°(ウエハ4に立てた垂線に対して88°)でウェハ4に照射され、その反射光と参照光17はミラ−19で反射され、レンズ20,21を介してミラ−22で再反射されて元の光路を逆進し、ビ−ムスプリッタ14によりプリズム23,23’方向に反射される。プリズム23および同23’は上記ビ−ムの間隔を広げ、同時に所定の角度を与えてレンズ24に入射する。レンズ24を出射した二つのビ−ムはウェハ4の反射面と共役な位置Aで交わりそこで干渉する。
【0020】また、上記位置Aには絞り25が設けられ、その通過光はレンズ26を介してシリンドリカルレンズ27により一方向に圧縮され、CCDセンサ28面に干渉縞を形成する。従来装置においては、レンズ20、21とミラ−22等が省略され、ウェハ4からの反射光は原理的に取付角を変えたミラ−19により反射されてウェハ4に再入射され、その反射光が同様に他の角度から入射される参照光と干渉するように構成されていた。しかし、本発明ではウェハ4の像をミラ−22上に結像して反射するようにするので、ミラ−22をウエハ4の反射面に対して共役な位置に設定することができる。
【0021】図2は上記ウェハ4とレンズ20,21、及びミラ−22の位置関係を表わす図である。図2(a)に示すように、レンズ20、21の焦点距離をそれぞれf1,f2とし、ウェハ4とレンズ20までの距離をf1、レンズ20とレンズ21までの距離を(f1+f2)、レンズ21とミラ−22間の距離をf2に設定する。
【0022】同図(b)はウェハ4が角度ψだけ傾斜した場合を示している。物体光16はウエハ4で(a)の場合に比べて角度が2ψだけ傾斜して反射する。この反射光162はレンズ20により(a)の場合の反射光161と平行となりレンズ21によりミラ−22の(a)の場合と同一の場所に集光され、その反射光163は光161に平行となり、レンズ20によりウェハ4上の反射光162と同一の反射位置にて反射する。この結果、2度目の反射光164に対してウエハ4の反射位置を共役の位置とすることができる。
【0023】また、反射光164は入射光16に対して角度が4ψだけ傾斜するので参照光17との交叉角も4ψだけ変化する。干渉縞の周期変化よりこの交叉角の変化を求め、これよりウエハ4の傾き角ψを算出ることができる。図2(c)はウェハ4の高さがdだけ変化した場合である。物体光16に対する反射光165は図(a)の反射光161と平行に進んでレンズ20からf1の離れた位置に集光し、レンズ21により反射光161と再び平行になりミラ−21にて反射される。この反射光は165と同一の光路を逆進してウェハ4で反射するので、2度目の反射光166は物体光16と同じ光路を逆進することになる。
【0024】また、高さの変化dによる光路差は4dsinθとなり、これに応じて干渉縞の位相が変化するのでこれより高さの変化dを算出してウエハの断面プロファイルを算出することができる。なお、高さの変化dの他に上記傾き角が存在する場合には、まず、傾き角ψの補正を行った後に高さの変化dを導くようにする。図2(d)は上記(a)〜(c)における結像関係の展開図である。右側のウェハ像はレンズ20,21によりミラ−22上で反転するので等価的には左側のウェハ像として結像する。
【0025】さらに、ミラ−22で反射された上記左側のウェハ像はレンズ21,20によりウェハ4上の同一位置で反転するのでこの2度目の反射像は一度目の反射像と同一になる。したがって、この2度目の反射像を検出すればウエハ像を検出することができる。
【0026】図1においては、上記図2に示した2度目の反射光に参照光17が当てられて干渉縞が形成され、その波形をCCDセンサ28が検出し、信号処理回路3でA/D変換されてデジタル信号化され、この表面形状情報より高さ/傾き制御部50がチップの高さ、傾き等を算出してステ−ジ7を制御し、ウエハ4の高さ傾きが焦点面に一致するようにする。また、ウエハ面における物体光16の形状は開口11により与えられる。
【0027】図3は上記ウエハ面における物体光16の形状例を示している。開口11の形状が円形の場合には斜め照射によりウェハ4上では同図(a)に示すように照明方向に伸びる楕円光32となる。ウェハ4上のチップ33、および露光領域34を図示のようにすると、楕円光32はチップ33の対角方向に照射される。この場合は小さな円形ビ-ムであるため光学系の調整が容易になる。
【0028】図3(b)は開口11が細長い矩形の場合である。ウエハ4には照明方向と直角の方向に伸びた矩形光35が照明される。この場合には焦点深度を小さくできるため表面形状の横方向分解能を高めることができる。図3(c)は開口11が矩形の場合である。この光はウェハ4上で広がった矩形光36となるので露光領域34の全面に照射することができるので2次元のCCDセンサ28によりチップ33の表面形状を検出することができる。
【0029】図4は本発明による他の投影露光装置実施例の構成図である。図4では図1に示したレンズ20,21、ミラ−22等をレンズ29、コ−ナ−キュ−ブ30、ミラ−31に置き換えている。ウェハ4で反射した物体光16はミラ−19で反射し、レンズ29を介してウェハ4の反射面と共役の位置にあるコ−ナ−キュ−ブ30の反射面上にウェハ像を結像する。コ−ナ−キュ−ブ30からの反射光は上記光路上を折り返してウェハの上記ウエハの反射位置に再び結像して再反射する。なお、参照光17は折り返しミラ−31で反射して元の光路を逆進する。
【0030】図5は図4におけるウェハ4とレンズ29,コ−ナ−キュ−ブ30、ミラ−31の位置関係を表わす図である。これらは図5(a)に示すように、レンズ29に対するウェハ4の反射面およびプリズム30までの距離を共にレンズ29の焦点距離f1に設定する。図5(b)はウェハ4の角度がψだけ傾斜した場合である。ウエハ4で反射した光162はレンズ29により(a)図の反射光161と平行して進む光162となってコ−ナ−キュ−ブ31により反射される。この反射光163も光161と平行して進みレンズ29によりウェハ4上の物体光16と同一の反射位置にて反射する。この結果、2度目の反射光164に対してウエハ4の反射位置を共役の位置とすることができる。
【0031】また、反射光164は入射光16に対して角度が4ψだけ傾斜するので参照光17との交叉角も4ψだけ変化する。干渉縞の周期変化よりこの交叉角の変化を求め、これよりウエハ4の傾き角ψを算出ることができる。図5(c)はウェハ4の高さがdだけ変化した場合である。物体光16に対する反射光165は図(a)における反射光161と平行に進んでコ−ナ−キュ−ブ31上に結像され、その反射光166は元の光路上を逆進する。
【0032】このとき高さの変化dによって生じる光路差は4dsinθとなるのでこれに応じて干渉縞の位相が変化する。これより高さの変化dを算出してウエハの断面プロファイルを算出することができる。なお、高さの変化dの他に上記傾き角が存在する場合には、まず、傾き角ψの補正を行った後に高さの変化dを導くようにする。
【0033】図5(d)は上記(a)〜(c)における結像関係の展開図である。右側のウェハ像はレンズ29によりコ−ナ−キュ−ブ31上で反転するので等価的には左側のウェハ像として結像する。さらに、上記左側のウェハ像はレンズ29によりウェハ4上の同一位置で反射するのでこの2度目の反射像は一度目の反射像と同一になる。したがって、この2度目の反射像を検出すればウエハ像を検出することができる。
【0034】図6は上記ウエハの表面形状を算出するアルゴリズムの説明図である。(a)に示す干渉縞波形を高速フ−リェ変換(FFT)して(b)に示すスペクトルを得る。このとき、周波数f=0付近のスペクトルが干渉縞波形のDC成分b(x)に対応し、f0と−f0の位置のスペクトルが干渉縞の位相の揺らぎφ(x)と振幅a(x)に対応する。
【0035】(c)に示すように上記f0に対応するスペクトルを周波数原点に移動させた後、逆FFTをかけると(d)の波形が得られる。このp(x)の絶対値が干渉縞の振幅a(x)、位相が干渉縞の位相の揺らぎφ(x)を表す。なお、この位相にはπ単位の不確定性があり、さらに(f0−f1)に対応するだけ傾きオフセットがあるので、まずこの位相をxに沿って追跡して位相を接続する。
【0036】ついで、上記f0は反射光と参照光17との交差角により定まるので、傾きオフセットを補正し(f)に示す位相の揺らぎφ(x)を得る。このφ(x)を式(1)に代入して式(2)に示すようにウエハ4の断面プロファイルz(y)を求めることができる。
z(y)=λφ(x)/4πm cosθ (2)
なお、CCD28上の座標xはウェハ上の座標yに対応する。
【0037】また、光学系の波面収差により生じる干渉縞位相の揺らぎは、予め光学的に平面度な参照試料のφ(x)データを記憶しておき、これを上記ウェハのφ(x)から引いて補正するようにする。これにより波面収差測定時とウェハ面測定時の傾き補正量が同一であるため、上記図6の(e)と(f)で行った傾き補正処理を省略することができる。また図7に示すように、干渉波形s(x)の1周期分のデ−タを正弦波(a0+a1 sinω0t+a2 cosω0t)と最小二乗法によりマッチングさせて上記φ(x)を算出することもできる。以上のようにして算出した表面形状データよりウエハ面の傾きと高さを求め、ウエハ面を焦点面に一致させるようにステージ機構7を制御する。また、表面形状情報の取捨選択により焦点合わせを精度良く、機能的に行うことができる。
【0038】
【発明の効果】本発明により、投影露光装置における半導体ウエハ表面の傾き、凹凸等の検出精度を高めることができる。この結果、ウエハステ−ジを制御してウエハ面を投影レンズの焦点マージン内に正確に収めることができるので、今後のパタ−ンの微細化によりウエハ面に照射する光ビ−ムの焦点深度が浅くなることに対応することができる。また、設計データやレチクルのパターン密度を参照して露光するパターンの細かい領域に焦点を合わせたり、表面形状の検出値が不安定な領域を除外して、その周辺部の情報よりウエハの傾き、高さ等を求め、補正することができる。




 

 


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