JP2004348050A - Photomask, inspection method, and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光リソグラフィ技術に関し、特に露光装置の投影レンズの複屈折の検査方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において、微細パターンの形成のために露光装置の露光光の短波長化が進められている。近年、アルゴンフロライド(ArF)エキシマレーザ露光装置(波長λ=193nm)、あるいはフッ素ガス(F2)エキシマレーザ露光装置(波長λ=157nm)が開発されている。このような短波長露光装置に用いられる投影光学系の投影レンズには、蛍石(CaF2)が使用されている。蛍石は、波長が200nm以下の光の透過性が非常に良好である。特に、波長λ=157nmの場合は、現在のところ安価に製造することができる唯一のレンズ材料である。
【0003】
しかしながら、蛍石は200nm以下の波長の光に対し複屈折を示すことが明らかになっている。複屈折を示す材質では、透過する光の偏光状態によって屈折率が変わる。複屈折を示す材質をレンズに使用すると、光の偏光状態に依存して結像特性が変化し、例えば像が二重写しになるなど、像がぼける原因となる。半導体装置の微細化のためには、露光装置の投影光学系に用いる光学材料の複屈折は結像性能を劣化させるため抑制しなければならない。そこで、光学材料の製造工程やレンズ設計・組立の工夫で複屈折の影響を抑制する努力がなされている。
【0004】
光学材料の複屈折の検査は、直線偏光光を光学材料に入射させ、透過した光の偏光状態を調べる回転検光子法や位相変調法等の測定方法により行うのが一般的である(例えば、非特許文献1)。
【0005】
【非特許文献1】
持田、光学、1989年、第127巻、p.127−134
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、露光装置の投影光学系の投影レンズの複屈折が、結像特性を劣化させないよう適切に抑制されているかどうか、露光装置組立後に検査する手段は、知られていない。露光装置の結像性能は複屈折以外の要因、例えば投影レンズの収差によっても劣化するから、半導体基板上に転写されたパターンの変形量から、その結像劣化要因としての複屈折の存在を特定することはできない。また、露光装置の光学系に複屈折計測装置等を内蔵させることは容易ではない。
【0007】
本発明は、このような課題を解決し、露光装置の投影レンズの複屈折を検査することができるフォトマスク、検査方法、及び検査方法を適用した半導体装置の製造方法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、(イ)透明基板と、(ロ)透明基板表面に窓部を有するように形成された遮光膜のパターンと、(ハ)窓部の中に配置され、照明光を第1の偏光状態に偏光させる第1の検査パターンと、(ニ)窓部の中で第1の検査パターンに対して一定の距離で分離した位置に配置され、照明光を第1の偏光状態とは異なる第2の偏光状態に偏光させる第2の検査パターンとを備えるフォトマスクであることを要旨とする。
【0009】
本発明の第2の態様は、(イ)フォトマスクの照明光から、フォトマスクの遮光膜に形成された窓部に設けられた第1の検査パターンにより第1の偏光状態に偏光された露光光で半導体基板上に塗布されたレジスト膜に第1の検査パターンを転写して第1の転写パターンを形成し、(ロ)検査マークの中で第1の検査パターンに対して一定の距離で分離した位置に形成された第2の検査パターンにより第1の偏光状態とは異なる第2の偏光状態に偏光された露光光でレジスト膜に第2の検査パターンを転写して第2の転写パターンを形成し、(ニ)第1及び第2の転写パターンの相対的な位置ずれ量を測定することを含む検査方法であることを要旨とする。
【0010】
本発明の第3の態様は、(イ)複数の露光装置のそれぞれに検査用のフォトマスクと、レジスト膜を塗布した検査用の半導体基板を装着し、(ロ)フォトマスクの照明光から、フォトマスクの遮光膜に形成された窓部に設けられた第1の検査パターンにより第1の偏光状態に偏光された露光光でレジスト膜に第1の検査パターンを転写して第1の転写パターンを形成し、(ハ)検査マークの中で第1の検査パターンに対して一定の距離で分離した位置に形成された第2の検査パターンにより第1の偏光状態とは異なる第2の偏光状態に偏光された露光光でレジスト膜に第2の検査パターンを転写して第2の転写パターンを形成し、(ニ)第1及び第2の転写パターンの位置ずれ量を測定して基準値と比較し、(ホ)位置ずれ量が基準値以下の露光装置を位置ずれ量に基いて分類し、(ヘ)分類された露光装置から対象となる製造工程のうちのリソグラフィ工程で使用可能な製造用露光装置を選択し、(ト)製造用露光装置を用いてリソグラフィ工程を実施することを含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の第1〜第3の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0012】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る投影レンズの検査の説明に用いる露光装置は、図1に示すような屈折型の露光装置(スキャナ)で、縮小比は4:1としている。光源22として波長λ=193nmのArFエキシマレーザが用いられる。照明光学系には、フライアイレンズ23、照明アパーチャ24及びコンデンサレンズ25等が含まれる。投影光学系は、投影レンズ26と開口絞り30等により構成されている。瞳27は開口絞り30で囲まれた平面である。露光光は、照明光学系と投影光学系との間のマスクステージ28上に設置されたフォトマスク3のパターンを、基板ステージ29上の半導体基板1に縮小投影する。なお、説明の便宜上、露光装置として、スキャナを示しているが、スキャナの他にも、ステッパ等が使用可能である。また、縮小比を4:1としているが、任意の縮小比でもよいことは勿論である。また、光源22として、ArFエキシマレーザを用いているが、波長λ=157nmのF2エキシマレーザ、や波長λ=248nmのクリプトンフロライド(KrF)エキシマレーザ等でもよいことは勿論である。
【0013】
フォトマスク3は、図2に示すように、溶融石英等の透明基板10の表面に堆積されたクロム(Cr)等の遮光膜11からなるパターンのマトリックス上の窓部のそれぞれに、投影レンズの複屈折を検査する複数の検査マーク12が配置されている。検査マーク12は、露光装置の一括露光領域に対してほぼ均等な間隔で配置されている。なお、図示は省略しているが、フォトマスク3には、露光装置のマスクステージ28上での位置決めに用いられるアライメントマークも配置されている。
【0014】
フォトマスク3の検査マーク12は、図3(a)に示すように、照明光を第1の偏光状態に偏光する第1の検査パターン13と、第1の検査パターン13と同心の位置に配置され、照明光を第1の偏光状態とは異なる第2の偏光状態に偏光する第2の検査パターン14とを備えている。第1の実施の形態では、第1の検査マーク13は、矩形の枠形状であり、外側の遮光膜11と内側の第1の遮光部11aとの間に配置されている。第2の検査パターン14は、矩形の枠形状で、第1の検査パターン13の内側にあり、第1の遮光部11aと第2の遮光部11bの間に配置されている。例えば、第1の検査パターン13は、外側の枠の一辺が80μm(フォトマスク3上のスケール、以下同様)の正方形で幅が8μmである。また、第2の検査パターン14は、第1の検査パターン13と同心で、外側の枠の一辺が40μmの正方形で幅が8μmである。なお、第1及び第2の検査パターン13、14は、上記した寸法に限定されるものではなく、任意の寸法でもよいことは勿論である。また、説明を簡単にするため、第1及び第2の検査パターン13、14は同心としているが、互いの中心位置は一定の距離で分離していてもよい。
【0015】
第1の検査パターン13のAA断面は、図3(b)に示すように、透明基板10の表面で遮光膜11の間に配置された複数の線状の遮光部15を有するラインアンドスペース(L/S)パターンである。遮光部15の材質は導体、例えばCrである。また、第2の検査パターン14のBB断面は、図3(c)に示すように、透明基板10の表面で第1の遮光部11aの間に配置された複数の線状の遮光部16を有するL/Sパターンである。第1及び第2の検査パターン13、14のL/Sパターンの周期Pは露光装置の光源22の波長λより短く、例えば150nmとしている。周期P方向の遮光部15及び遮光部16それぞれの線幅とスペース間隔の比はほぼ1:1である。また、遮光部15及び遮光部16のそれぞれの長手方向は、互いに直交するように配列されている。例えば、第1の検査パターン13のL/Sパターンの周期方向は図3(a)の紙面上で横方向(x軸方向)であり、第2の検査パターン14のL/Sパターンの周期方向は紙面上で縦方向(y軸方向)である。
【0016】
照明光の波長より短い周期構造格子は偏光子として機能し、ワイヤグリッド偏光子と呼ばれる(例えば、菊田及び岩田,電子情報通信学会論文誌,第J83−C巻,2000年,p173−181)。第1及び第2の検査パターン13、14のL/Sパターンの周期Pは、露光装置の光源22から出射される照明光の波長よりも短くされている。したがって、第1及び第2の検査パターン13、14は、フォトマスク3に入射する照明光に対してワイヤグリッド偏光子として機能する。ワイヤグリッド偏光子は、照明光の電場の振動面がL/Sパターンの周期方向に一致する成分を通過させ、電場の振動面がL/Sパターンの長手方向に一致する成分を反射させる特性を持つ。第1の検査パターン13を通過する照明光は、x軸方向に偏光した直線偏光光となり、一方、第2の検査パターン14を通過する照明光は、y軸方向に偏光した直線偏光光となる。フォトマスク3に入射する照明光は無偏光光であるから、x軸及びy軸方向の偏光光成分がともに存在する。このように、第1の実施の形態に係るフォトマスク3によれば、無偏光の照明光から、直交する第1及び第2の方向、例えばx軸及びy軸方向に偏光した直線偏光光が出射される。
【0017】
次に、第1の実施の形態に係る複屈折の検査方法を説明する。例えば、図4に示すように、物体面5の位置piから無偏光光が入射角θで透明材質に入射すると、通常はスネル(Snell)の法則に従って屈折角θoで屈折して透明材質内に進入する。複屈折を示す透明材質6では、光の電場の振動方向(以下、偏光方向と表記)に依存して異なる屈折率を示すから、光は透明材質6内で二つの光線に分裂する。即ち、透明材質6を屈折角θoで透過する常光線と、屈折角θeで透過する異常光線が生じる。常光線及び異常光線は、ともに出射角θで透明材質6から出射する。この結果、図4に示されているように、物体面5の位置piから像面7において常光線による本来の位置poに加えて異常光線による位置peにも光線が到達し、二重写しとなる。ここで、常光線と異常光線はそれぞれ直線偏光光であり、光の電場の振動面が互いに直交している。常光線及び異常光線に関する透明材質6の屈折率をそれぞれno、ne、空気の屈折率を1とすると、次式の関係がある。
【0018】
sinθo = (sinθ)/no、sinθe = (sinθ)/ne ・・・ (1)
ここで垂直入射の場合は屈折角θo及びθeは、ともに0度であるから、光線の分裂は観測されない。また、屈折率no、neの差が小さい場合、屈折角θo及びθeはほぼ等しく、光線の分裂を観測することは困難となる。
【0019】
透明材質6の複屈折を検査するには、無偏光の照明光を用いて図4に示すような物体面5の像の位置piに対して、像面7で分裂した結像位置po及びpeを観測すればよい。しかし、露光装置に使用される透明材質の複屈折は小さく、通常のマスクパターンが結像位置で分離するほど光線の分裂は大きくない。したがって、透明材質を透過した後の常光線及び異常光線による像はずれて重なり合い、常光線及び異常光線の結像位置を分離して観測することが困難となり、複屈折の検査には適用できない。
【0020】
第1の実施の形態では、直交する直線偏光光を透明材質に入射させて複屈折の検査を行う。直線偏光光は、複屈折を示す透明材質に入射すると偏光方向が互いに直交する二つの光束に分けられる。直交する偏光方向は、進相軸及び遅相軸と呼ばれる。進相軸及び遅相軸は透明材質に特有のものであり、例えば透明材質の結晶軸方向、または透明材質に加わる応力の方向により定まる。進相軸を偏光方向とする光は速度が速く単位距離の間の位相変化が小さい。一方、遅相軸を偏光方向とする光は速度が遅く単位距離の間の位相変化が大きい。第1の実施の形態においては、前者を常光線、後者を異常光線としているが、透明材質の複屈折特性により逆の関係となる場合もある。透明材質を透過した光は、速度差により位相差が生じる。出射光は、異なる位相で振動する常光線と異常光線の重ね合わせ、即ち楕円偏光光となる。なお、入射光の偏光方向が進相軸方向または遅相軸方向に平行な場合、光線の偏光状態は変化しない。
【0021】
上述したように、フォトマスク3の照明光は、例えば、第1及び第2の検査パターン13、14を透過して直交する第1及び第2の方向の直線偏光光となる。図5に示すように、第1及び第2の検査パターン13、14を透過した第1の偏光光線Lp1及び第2の偏光光線Lp2は、直交する進相軸及び遅相軸からずれているものとする。例えば、図5(a)の第1の偏光光線Lp1の進相軸成分の常光線Lp1oの振幅A1oは、遅相軸成分の異常光線Lp1eの振幅A1eより大きく、また、図5(b)の第2の偏光光線Lp2の進相軸成分の常光線Lp2oの振幅A2oは、遅相軸成分の異常光線Lp2eの振幅A2eより小さい。
【0022】
図6(a)に示すように、フォトマスク3の第1の検査パターン13から出射された第1の偏光光線Lp1は、複屈折を示す投影レンズ26の中で常光線Lp1oと異常光線Lp1eに分裂する。分裂した常光線Lp1oと異常光線Lp1eは投影レンズ26の出射面で屈折し、半導体基板1表面の異なる位置p1o及びp1eに投影される。また、図6(b)に示すように、第2の検査パターン14から出射された第2の偏光光線Lp2は、複屈折を示す投影レンズ26の中で常光線Lp2oと異常光線Lp2eに分裂する。分裂した常光線Lp2oと異常光線Lp2eは、半導体基板1表面の異なる位置p2o及びp2eに投影される。ここで、第1及び第2の偏光光線Lp1、Lp2の常光線Lp1o及びLp2oの光路は殆ど同じであるため、半導体基板1表面に投影される位置p1o及びp2oはほぼ一致する。同様に、異常光線Lp1e及びLp2eの光路も殆ど同じであるから、位置p1e及びp2eもほぼ一致する。
【0023】
半導体基板1上に形成される光強度分布は、図7に示すように、点線で示す常光線Lp1oあるいはLp2oと、異常光線Lp1eあるいはLp2eの光強度分布が重なり合って実線で示したように非対称な形状となる。図6に示したように、第1及び第2の偏光光線Lp1、Lp2の常光線Lp1o及びLp2oの光路は同様であり、また、異常光線Lp1e、Lp2eの光路も同様である。しかし、図5に示したように、第1の偏光光線Lp1では、常光線Lp1oの振幅A1oが異常光線Lp1eの振幅A1eより大きく、第2の偏光光線Lp2dでは,常光線Lp2oの振幅A2oが異常光線Lp2eの振幅A2eより小さい。したがって、図7(a)の第1の偏光光線Lp1による光強度分布は、図7(b)の第2の偏光光線Lp2に比べて、常光線Lp1oの光強度の異常光線Lp1e側へのずれが小さな分布形状となる。半導体基板1表面に塗布されているフォトレジストは、閾値Ithを上回る光強度に対して感光する。したがって、図7に示すように、第1及び第2の検査パターン13、14が投影されてレジスト膜31に形成される第1及び第2の転写パターン33、34のそれぞれの中心位置cp1、cp2は、常光線Lp1o及びLp2oによる本来の結像のそれぞれの中心位置p1o、p2oからそれぞれ変位D1、D2だけ紙面の左側にずれる。光強度分布は、第1の偏光光線Lp1より第2の偏光光線Lp2のほうがより異常光線側にずれるため、変位D2のほうが変位D1より大きくなる。なお、第1及び第2の検査パターン13、14のL/Sパターンの周期Pは、照明光の波長より短いため、半導体基板1上では解像しない。したがって、第1及び第2の転写パターン33、34は開口部となる。
【0024】
図1に示した露光装置のマスクステージ28にフォトマスク3を設置して、ポジ型フォトレジストを塗布した半導体基板1の表面に投影露光する。光源22からフォトマスク3に入射する照明光は無偏光光であり、フォトマスク3の表面を垂直に照明する。第1及び第2の検査パターン13、14から出射された第1及び第2の偏光光線Lp1、Lp2により検査マーク12がレジスト膜に投影される。投影露光後、半導体基板1を現像することにより、図8(a)に示すように、半導体基板1の表面に検査マーク12が転写された検査レジストパターン32が形成される。検査レジストパターン32は、第1及び第2の検査パターン13、14に対応してレジスト膜31に形成された第1及び第2の転写パターン33、34を有している。第1及び第2の転写パターン33、34のパターンのそれぞれの中心位置C1、C2は投影レンズ26の複屈折により、例えば、紙面左上方にずれる。第1及び第2の偏光光線Lp1、Lp2の偏光状態が相違するため、例えば、紙面左右方向(x軸方向)について図8(b)に示すように、半導体基板1上のレジスト膜31に形成された第1の転写パターン33の中心位置C1と、第2の転写パターン34の中心位置C2とはΔxずれる。また、第1及び第2の転写パターン33、34の中心位置C1、C2は、紙面上下方向(y軸方向)にΔyだけずれる。
【0025】
半導体基板1上に形成された検査レジストパターン32に対して、例えば、光学式の合わせずれ検査装置を用いて第1及び第2の転写パターン33、34のそれぞれの中心位置C1、C2の測定が行われる。測定された第1及び第2の転写パターン33、34の中心位置C1、C2の位置ずれ量{(Δx)2+(Δy)2}1/2を、基準値と比較することによって、投影レンズ26の複屈折の有無を判定する。
【0026】
第1の実施の形態に係る複屈折の検査では、フォトマスク3の照明光を検査マーク12の第1及び第2の検査パターン13、14により直交する第1及び第2の偏光光線Lp1、Lp2に偏光して投影レンズ26に入射させる。投影レンズ26が複屈折を示す場合、第1及び第2の偏光光線Lp1、Lp2の進相軸及び遅相軸成分の比率は、相違する。したがって、第1及び第2の検査パターン13、14がフォトレジストに転写された第1及び第2の転写パターン33、34それぞれのパターン中心がずれる。このように、第1の実施の形態に係る複屈折の検査方法によれば、第1及び第2の転写パターン33、34の中心位置の位置ずれ量を測定することにより露光装置に組み込まれた投影レンズ26の複屈折を検査することができる。
【0027】
投影レンズ26を構成する要素レンズの中に、複屈折材質からなる要素レンズが複数含まれている場合は、光線が複屈折を示す要素レンズを通過するごとに分裂する。一般には、光線の進行方向に対する各要素レンズの進相軸・遅相軸の方向が異なるからである。したがって、複屈折を示すn枚の要素レンズを通過した光線は、最大2n本の直線偏光光に分裂する。このような場合でも、1枚の要素レンズの場合同様、フォトレジストに転写される検査レジストパターン32の位置ずれ量は測定できるため、上記の方法で複屈折の検査を行うことが可能となる。
【0028】
また、検査マーク12の第1及び第2の検査パターン13、14のいずれか一方がワイヤグリッド偏光子でない場合であってもよい。その場合、ワイヤグリッド偏光子でないパターンからの透過光は、ほぼ同一振幅の常光線及び異常光線に分裂する。したがって、位置ずれ量が小さくなり感度は落ちるが、複屈折の検査を行うことができることは勿論である。
【0029】
また、第1の実施の形態では、フォトマスク3表面を垂直に照明する照明光を使用しており、光は投影レンズ26の瞳27の中央付近を通過して基板に到達する。投影レンズ26の瞳27の端を通る光路に関する複屈折を検査するため、図9に示すように、照明アパーチャ24aを用いてフォトマスク3表面を斜めから照明する照明光を使用する。照明アパーチャ24aは、図10に示すように、遮光板41の中心からずれた位置に設けられた照明孔42を有している。フライアイレンズ23から照明アパーチャ24aを通過した照明光は、コンデンサレンズ25により光路を曲げられ斜めにフォトマスク3を照明する。したがって、フォトマスク3から出射される露光光は、投影レンズ26の瞳27の端を透過して半導体基板1を露光する。このように、照明アパーチャ24aを用いることにより、投影レンズ26の瞳27の端を通る光路に関する複屈折の検査が可能となる。
【0030】
次に、第1の実施の形態に係る複屈折の検査方法で検査された複数の露光装置を用いる半導体装置の製造方法を、図11に示すフローチャートに従って説明する。
【0031】
(イ)まず、半導体装置の製造工程で使用する複数の検査対象の露光装置に、図2で示した複屈折の検査用のフォトマスク3を設置する。検査対象の露光装置により、ステップS101で、検査用の半導体基板1に塗布したレジスト膜にフォトマスク3の検査マーク12の第1及び第2の検査パターン13、14を転写する。
【0032】
(ロ)ステップS102で、半導体基板1上に転写された検査レジストパターン32の第1及び第2の転写パターン33、34(図8参照)の位置ずれ量を合わせずれ検査装置を用いて測定する。
【0033】
(ハ)ステップS103で、検査対象の露光装置から測定された位置ずれ量を基準値と比較して、投影レンズの複屈折の有無を判定する。
【0034】
(ニ)検査対象の露光装置の位置ずれ量が基準値より大きいと判定された場合、ステップS104で、検査対象の露光装置の投影レンズの調整を行う。調整後、再度ステップS101〜S103を繰り返す。投影レンズの調整だけでは、位置ずれ量が基準値以下にならない場合は、投影レンズの交換等の修理を行う。
【0035】
(ホ)検査対象の露光装置の位置ずれ量が基準値以下と判定された場合、半導体装置の製造工程のうちのリソグラフィ工程に使用可能な露光装置とされる。ステップS101〜S104の検査を複数の検査対象の露光装置に対して繰り返し、ステップS105で、位置ずれ量を基に複数の使用可能な露光装置を結像性能に基いて分類する。
【0036】
(ヘ)ステップS106で、使用可能な露光装置を選択して、半導体装置のリソグラフィ工程を実施する。例えば、分類された使用可能な露光装置の中から、製造工程で形成するパターンの許容寸法誤差以下の結像性能に分類された露光装置が選択される。
【0037】
微細パターンを有する半導体装置の製造に使用される露光装置において、仕様上の寸法精度は同じであっても露光装置間には露光装置の製造誤差等により機差がある。リソグラフィ工程に使用する露光装置により、製造される半導体装置の性能にばらつきが生じることになる。第1の実施の形態によれば、露光装置に組み込まれた投影レンズ26の複屈折を検査して、露光装置を結像性能により分類している。半導体装置の製造工程に要求される許容寸法誤差以下の寸法精度を実現することが可能な露光装置を選択してリソグラフィ工程を実施することができる。したがって、性能のばらつきが抑制された半導体装置の製造が可能となる。
【0038】
(第1の実施の形態の変形例)
本発明の第1の実施の形態の変形例に係るフォトマスク3aは、図12に示すように、検査マーク12と、検査マーク12aを有している点が第1の実施の形態と異なる。検査マーク12の第1の検査マーク13は、矩形の枠形状であり、外側の遮光膜11と内側の第1の遮光部11aとの間に配置され、照明光を第1の偏光状態に偏光する。第2の検査パターン14は、矩形の枠形状で、第1の検査パターン13の内側にあり、第1の遮光部11aと第2の遮光部11bの間に配置され、照明光を第1の偏光状態と直交する第2の偏光状態に偏光する。検査マーク12aの第1の検査マーク13aは、矩形の枠形状であり、外側の遮光膜11と内側の第1の遮光部11cとの間に配置され、照明光を第3の偏光状態に偏光する。第2の検査パターン14aは、矩形の枠形状で、第1の検査パターン13aの内側にあり、第1の遮光部11cと第2の遮光部11dの間に配置され、照明光を第3の偏光状態と直交する第4の偏光状態に偏光する。検査マーク12aの第1及び第2の検査パターン13a、14aは、検査マーク12の第1及び第2の検査パターン13、14の互いに直交するL/Sパターンに対して、それぞれ45°斜めになるようにL/Sパターンが配列されてる点が異なる。他の構成は第1の実施の形態と同様なので、重複した説明は省略する。
【0039】
第1の実施の形態で図3に示したパターンと同様の検査マーク12だけでは、第1及び第2の偏光光線Lp1、Lp2が進相軸及び遅相軸に対して略45°の方向を向いていると、常光線と異常光線の光強度が等しくなる。常光線と異常光線の光強度が等しいと、第1及び第2の転写パターン33、34の中心位置のずれはほぼ等しくなり、複屈折がないと判定されてしまう。
【0040】
第1の実施の形態の変形例に係るフォトマスク3aでは、例えば、検査マーク12の第1及び第2の検査パターン13、14のL/Sパターンが、y軸及びx軸方向に平行に配列されていれば、検査マーク12aの第1及び第2の検査パターン13a、13bのL/Sパターンは、それぞれy軸から半時計回りに45°及び時計回りに45°斜め方向に配列される。検査マーク12及び12aを用いれば、一方の検査マークで第1及び第2の偏光光線Lp1、Lp2が進相軸及び遅相軸に対して略45°の方向を向いていて常光線と異常光線の光強度がほぼ等しくなっても、他方の検査マークで常光線と異常光線の光強度が相違することになる。したがって、検査マーク12、12aの第1の検査パターン13、13a及び第2の検査パターン14、14aが転写された検査用レジストパターンの少なくとも一方から位置ずれ量を測定することができる。
【0041】
本発明の第1の実施の形態の変形例に係るフォトマスク3aによれば、更に精度よく投影レンズの複屈折の検査が可能となる。
【0042】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係るフォトマスク3bは、図13(a)に示すように、遮光膜51に配置され透光部を有する第1の検査マーク52と、第1の検査マーク52に対応して配置された第2の検査マーク62を有している。第2の実施の形態では、フォトマスク3bが第1の実施の形態と異なり、使用する露光装置は同様であるので、重複した説明は省略する。
【0043】
第1の検査マーク52は、同心の正方形枠形状のL/Sパターンの第1及び第2の検査パターン53、54を備えている。例えば、枠形状のL/Sパターンはそれぞれx軸あるいはy軸に平行に配置されている。第2の実施の形態では、第1の検査パターン53の外周は一辺が100μmで、第2の検査パターン54の外周は一辺が50μmである。
【0044】
例えば、第1の検査パターン53の一部のDD断面は、図13(b)に示すように、透明基板50の表面で遮光膜51の間に複数の線状の遮光部58a〜58jが互いに平行に配列された複数の第1のL/Sパターン58と、第1のL/Sパターン58の間に平行に配列された複数の遮光部57a〜57cを有している。また、第1のL/Sパターン58は、後述するように、半導体基板上で解像しないパターンであるので、透光部とみなすことができる。したがって、互いに平行に配列された第1のL/Sパターン58と遮光部57a〜57cは、第2のL/Sパターン57とみなすことができる。第1及び第2のL/Sパターンのピッチはそれぞれ、Ps及びPtである。第2の検査パターン54も、同様にピッチPs及びPtの第1及び第2のL/Sパターン58、57を有するが、図14に示すように、第1のL/Sパターン58の方向が相違している。図14(a)に示す第1の検査パターン53では、第1のL/Sパターン58は、周期方向がx軸方向であり、第2のL/Sパターン57の枠形状の遮光部57a〜57dの間に配置されている。図14(b)に示す第2の検査パターン54では、第1のL/Sパターン58は、周期方向がy軸方向であり、第2のL/Sパターン57の枠形状の遮光部57e〜57hの間に配置されている。このように、第1及び第2の検査パターン53、54の第1のL/Sパターン58の周期方向は互いに直交している。第1のL/Sパターン58の周期Psは、図1の露光装置の光源22の波長λより短く、例えば150nmとしている。したがって、第1のL/Sパターン58は、ワイヤグリッド偏光子として機能する。周期Ps方向の遮光部58a〜58jの幅と遮光部58a〜58j間のスペース幅の比はほぼ1:1である。したがって、例えば、第1の検査パターン53を通過した照明光は、x軸方向に偏光した直線偏光光となり、一方、第2の検査パターン54を通過した照明光は、y軸方向に偏光した直線偏光光となる。
【0045】
また、第2のL/Sパターン57の周期Ptは、
M*λ/{NA*(1−σ)} ≦ Pt ≦ 3*M*λ/{NA*(1+σ)} ・・・ (1)
の3光束干渉条件を満たすように設定されている。ここで、Mは露光装置の縮小率、NAは投影レンズ射出側開口数、λは照明光の波長、σはコヒーレンスファクタを表す。「3光束干渉条件」とは、L/Sパターンの像が、0次回折光と±1次回折光の干渉により形成される条件である。なお、回折は第2のL/Sパターン57の周期方向に向かって発生する。例えば、M=4、λ=193nm、NA=0.65、σ=0.25とすると、3光束干渉条件を満たす周期Ptの範囲は、1584nm〜2850nmとなる。第2の実施の形態では、周期Ptとして、2000nmとしているが、上記した3光束干渉条件を満たす範囲であれば任意の値であってもよいことは勿論である。第1のL/Sパターン58のパターン幅と、第1のL/Sパターン58の間に配置された遮光部57a〜57hの線幅の比はほぼ1:1である。
【0046】
第2の検査マーク62は、図13(a)及び図13(c)に示すように、透明基板50上の遮光膜51に設けられている。第1の遮光部63は、正方形枠形状を有し、第1及び第2の透明部61a、61bの間に配置されている。第2の遮光部64は、正方形枠形状を有し、第1の遮光部63の内側にあり第2及び第3の透明部61b、61cの間に配置されている。例えば、第1の透明部61aの外周は一辺が100μmの正方形である。第1の遮光部63は、枠形状の外周の一辺が80μmの正方形で幅が8μmである。また、第2の遮光部64は、第1の遮光部63と同心で、枠形状の外周の一辺が40μmの正方形で幅が8μmである。第2の実施の形態では、第2の検査マーク62の中心は、対応する第1の検査マーク52の中心とx軸方向に200μmの間隔で配置されている。第2の検査マーク62をx軸方向に200μm移動して第1の検査マーク52と合わせる場合、第1及び第2の遮光部63、64の枠形状の外周辺は、第1の検査マーク52の隣り合う遮光部57a〜57lの間の第1のL/Sパターン58の中央近傍に位置するように設計されている。
【0047】
フォトマスク3bの照明光は、第1の検査マーク52の第1及び第2の検査パターン53、54を通過して直線偏光光となり、かつ回折される。直線偏光した0次回折光DL、+1次回折光DL+及び−1次回折光DL−の3光束が投影レンズ26に入射する。図14に示したように、第1及び第2の検査パターン53、54の第1及び第2のL/Sパターン57、58の周期方向は、それぞれ異なるので、回折光の偏光方向及び回折方向の組み合わせも異なる。例えば、第1の検査マーク52の外側に位置する第1の検査パターン53では、図15(a)、(b)に示すように、投影レンズ26の瞳27に対応する瞳面80において、矢印で示した偏光方向はx軸方向である。第1の検査パターン53の回折方向は、第2のL/Sパターン57の周期方向に従い、x軸に沿って対向する2領域では、紙面左側から右側へ−1次回折光DL−、0次回折光DL及び+1次回折光DL+のようにx軸方向となり、また、y軸に沿って対向する領域では、紙面上側から下側へ−1次回折光DL−、0次回折光DL及び+1次回折光DL+のようにy軸方向となる。第1の検査マーク52の内側に位置する第2の検査パターン54では、図15(c)、(d)に示すように、瞳面80において、偏光方向はy軸方向である。第2の検査パターン54の回折方向は、第2のL/Sパターン57の周期方向に従い、x軸に沿って対向する2領域では、紙面左側から右側へ−1次回折光DL−、0次回折光DL及び+1次回折光DL+のようにx軸方向となり、y軸に沿って対向する領域では、紙面上側から下側へ−1次回折光DL−、0次回折光DL及び+1次回折光DL+のようにy軸方向となる。このように、第2の実施の形態によれば、互いに直交する偏光光線が回折された0次回折光と±1次回折光とにより、投影レンズ26の中央付近だけでなく瞳面80の端付近も複屈折の検査が可能となる。
【0048】
図16に示すように、フォトマスク3bの照明光Lは、図13(a)に示した第1の検査マーク52により偏光した0次及び±1次回折光DL、DL+及びDL−となる。投影レンズ26が複屈折を示す場合、投影レンズ26に入射した0次及び±1次回折光のそれぞれの常光線DLo、DLo+及びDLo−と、0次及び±1次回折のそれぞれの異常光線DLe、DLe+及びDLe−とに分かれる。複屈折があまり大きくない場合は光線の分裂は非常に小さいが、光線の位相速度の違いは波面の誤差となって現れる。その結果、常光線がレンズ通過後に作る波面と、異常光線がレンズ通過後に作る波面は異なる。回折光の干渉は、偏光方向が同じ光束間で発生し、偏光方向が直交する光束間では発生しない。即ち、常光線同士、異常光線同士が干渉して像を作り、常光線と異常光線の間では干渉はおきない。したがって、半導体基板1上には0次及び±1次回折光のそれぞれの常光線DLo、DLo+及びDLo−が作る干渉波と、0次及び±1次回折光のそれぞれの異常光線DLe、DLe+及びDLe−が作る干渉波が形成される。全体としての光強度分布は、常光線干渉波と異常光線干渉波の強度の重ね合わせとなる。したがって、波の山の位置を結像位置と定義すると、結像位置は常光線干渉波の山の位置pboと異常光線干渉波の山の位置pbe間のいずれかの位置になる。結像位置は、常光線干渉波と異常光線干渉波の強度の大小関係によって定まり、強度の大きな干渉波の山の位置に近くなる。
【0049】
上述したように、第1の検査マーク52の外側に位置する第1の検査パターン53と内側に位置する第2の検査パターン54では、回折光の偏光方向が直交している。したがって、第1の検査パターン53を通過した光から形成される常光線及び異常光線の強度比と、第2の検査パターン54を通過した光から形成される常光線及び異常光線の強度比は異なる。即ち、第1の検査パターン53を通過した光から形成される常光線干渉波と異常光線干渉波の強度の大小関係は、第2の検査パターン54を通過した光から形成される常光線干渉波と異常光線干渉波の強度の大小関係は異なり、その結果、第1の検査パターン53に対応する投影パターンと、第2の検査パターン54に対応する投影パターンの間には相対的な位置ずれが生じる。このように、第2の実施の形態に係るフォトマスク3bによれば、±1次回折光は瞳27近傍を透過するため、投影レンズ26の中央部と瞳27の近傍部の複屈折を測定することが可能となる。
【0050】
また、投影レンズ26が複屈折を示す場合、常光線と異常光線の位相は異なる。更に、0次及び±1次回折光のそれぞれの常光線または異常光線同士でも位相の差が生じる。
【0051】
一般に、互いに位相差がある光束同士の干渉においては、干渉波が歪んだり、波の位置が横方向にずれたりする。この現象は、レンズの収差と呼ばれている。収差は瞳面内の波面誤差であり、瞳面内で定義される2次元の関数で表記される。収差は投影レンズ26の結像特性を表す指標の一つであり、大きな収差をもつレンズの結像では、像が変形したり、ぼけたりする。
【0052】
複屈折を示す投影レンズ26の常光線と異常光線は位相が異なるから、常光線と異常光線のそれぞれが作る干渉波は、別のレンズ収差に従って振舞うと考えることが出来る。常光線または異常光線の、0次及び±1次回折光の干渉を考える。瞳面の中心を通る0次回折光を位相の基準として、−1次回折光及び+1次回折光の位相差をそれぞれ、φ−1及びφ+1と表す。このとき、干渉波の横ずれ量は、
Δxs = (φ−1−φ+1)*Pt ・・・ (2)
と表される(例えば、オプティカルレビュー(Optical Review)、2000年、第7巻、p525−534参照)。
【0053】
このように、複屈折を示すレンズにおいては、常光線が作る干渉波と異常光線が作る干渉波に横方向ずれが生じる場合がある。
【0054】
一方、投影レンズ26には一般に収差が存在する。この収差は複屈折とは関係ないもので、結像特性への影響が露光光の偏光状態によらない。この収差によって、第1及び第2の検査パターン54それぞれの第2のL/Sパターン57から転写される転写パターンの間には結像位置の横ずれが生じる。即ち、結像位置の横ずれは投影レンズ26の複屈折によっても、投影レンズ26の収差によっても発生するので、横ずれの絶対値を計測したとしてもその原因は特定できない。しかし、第1及び第2の検査パターン53、54の結像位置の相対的なずれを計測すれば、複屈折だけの影響を取り出すことができる。即ち、第1及び第2の検査パターン53、54の第2のL/Sパターン57から入射する偏光光が投影レンズ26内部を通過する光路は、複屈折が極端に大きい場合を除けば、ほぼ共通である。したがって、二つの偏光光に対する、複屈折に無関係な収差の影響は共通である。収差は、第1及び第2の検査パターン53、54を投影する光に等しい波面誤差を発生させるので、収差が存在する場合でも結像位置の互いの関係は変わらず、計測される相対位置ずれ量はゼロである。
【0055】
したがって、第1及び第2の転写パターン73、74に相対位置ずれが生じ、位置ずれ量が有意の値を示せば、投影レンズ26に複屈折があると判定できる。
【0056】
第2の実施の形態に係る複屈折の検査方法では、フォトマスク3bを図1の露光装置のマスクステージ28に設置して、ポジ型フォトレジストを塗布した半導体基板1上に投影露光する。このとき、同一半導体基板1に対してフォトマスク3bと半導体基板1の相対位置を変えて2重露光を行う。1回目の露光で第1の検査マーク52が投影された半導体基板1上の位置に重ね合わせて、第2の検査マーク62が投影されるよう、2回目の露光では半導体基板1をx軸方向に200μmだけシフトさせる。また、露光装置の照明光は無偏光光であり、フォトマスク3b表面を垂直に照明する。
【0057】
2重露光後、半導体基板1を現像することにより、図17(a)、(b)に示すように、第1及び第2の検査マーク52、62が半導体基板1上のレジスト膜71に転写された検査レジストパターン72が形成される。第1の検査マーク52の外側に位置する第1の検査パターン53と内側に位置する第2の検査パターン54の投影像は2回目の露光で、第2の検査マーク62の対応する第1の遮光部63と第2の遮光部64の部分以外は、第1〜第3の透明部61a〜61cにより露光される。したがって、検査レジストパターン72では、第1の検査パターン53に対応する第1の転写パターン73、及び第2の検査パターン54に対応する第2の転写パターン74が開口部75の中に形成される。ここで、第1及び第2の転写パターン73、74は、それぞれ第2のL/Sパターン57が転写されたL/Sレジストパターンである。上述したように、第1及び第2の検査パターン53、54では、回折光の偏光方向が直交している。したがって、投影レンズ26の複屈折に従って、第1の転写パターン73及び第2の転写パターン74の中心C1及びC2の間にはx軸方向にΔx、y軸方向にΔyの位置ずれが生じる。
【0058】
半導体基板1上に形成された検査レジストパターン72は、例えば、光学式の合わせずれ検査装置を用いて第1及び第2の転写パターン73、74の中心位置C1、C2の測定が行われる。測定された中心位置C1、C2の位置ずれ量{(Δx)2+(Δy)2}1/2を、基準値と比較することによって、投影レンズ26の複屈折の有無を判定する。
【0059】
このように、第2の実施の形態に係る複屈折の検査方法によれば、露光装置に組み込まれた投影レンズ26の中央部及び端部の光路について複屈折を検査することができる。
【0060】
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係るフォトマスク3cは、図18(a)に示すように、遮光膜51の中に配置された透光部を有する第1の検査マーク52aと、第1の検査マーク52aのそれぞれに対応して配置された第2の検査マーク62を有している。第1の検査マーク52aは、同心の正方形枠形状のL/Sパターンの第1及び第2の検査パターン53a、54aを備えている。例えば、枠形状のL/Sパターンはそれぞれx軸あるいはy軸に平行に配置されている。第2の実施の形態では、第1の検査パターン53aの外周は一辺が100μmで、第2の検査パターン54aの外周は一辺が50μmである。
【0061】
例えば、第1の検査パターン53aは、図18(b)のFF断面に示すように、透明基板50の表面で一端が遮光膜51に接するように配置され、複数の線状の遮光部68a〜68jが配置された複数の第1のL/Sパターン68と、複数の第1のL/Sパターン68の間に複数の線状の遮光部67a、67bが配置された第2のL/Sパターン67を有する。第1のL/Sパターン68と、遮光部67a、67bの幅は同一としている。第1のL/Sパターン68が配置された領域のうち、例えば図18の紙面の左側の略1/2の領域で透明基板50を掘り込んで遮光部68a〜68eが配置された位相シフト部89が設けられている。ここで、位相シフト部89の透明基板50の掘り込み深さは、遮光部68f〜68jが配置されている非位相シフト部88に対して、透過する光の位相差が180度となるようにしてある。また、第1及び第2のL/Sパターン68、67の周期は、それぞれPs、Pbである。周期Psは、第1及び第2の実施の形態と同様に、150nmとしている。したがって、第1のL/Sパターン68はワイヤグリッド偏光子として機能する。
【0062】
第1及び第2の検査パターン53a、54aでは、図19に示すように、第1のL/Sパターン68の方向が相違している。図19(a)に示す第1の検査パターン53aでは、第1のL/Sパターン68は、周期方向がx軸方向であり、第2のL/Sパターン67の枠形状の遮光部67a〜67dの間に配置されている。図14(b)に示す第2の検査パターン54aでは、第1のL/Sパターン68は、周期方向がy軸方向であり、第2のL/Sパターン67の枠形状の遮光部67e〜67hの間に配置されている。また、第1及び第2の検査パターン53a、54aそれぞれの第1のL/Sパターン68には、位相シフト部89と非位相シフト部88が配置されている。位相シフト部89と非位相シフト部88の長手方向は、第2のL/Sパターン67に平行となっている。位相シフト部89は、第2のL/Sパターン67の周期方向が、x軸方向の領域では図19の紙面の左側に配置され、y軸方向の領域では紙面の上側に配置されている。
【0063】
上記したように、第1及び第2の検査パターン53a、54aの第1のL/Sパターン68の周期方向は互いに直交している。したがって、例えば、第1の検査パターン53aを通過した照明光は、x軸方向に偏光した直線偏光光となり、一方、第2の検査パターン54aを通過した照明光は、y軸方向に偏光した直線偏光光となる。
【0064】
また、第2のL/Sパターン67の周期Pbは、
M*λ/{NA*(1−σ)} ≦ Pb≦ 2*M*λ/{NA*(1+σ)} ・・・ (3)
の2光束干渉条件を満たすように設定されている。ここで、「2光束干渉条件」とは、L/Sパターンの像が、0次回折光と、±1次回折光のいずれか一方との干渉により形成される条件である。遮光部67a、67b、位相シフト部89及び非位相シフト部88の周期方向の幅の比は、略2:1:1となっている。したがって、フォトマスク3cを照明すると、第2のL/Sパターン67を透過して発生する±1次回折光のうち、例えば−1次回折光の強度が0となり、0次及び+1次回折光の二光束が得られる(例えば、特許第3297423号公報参照)。
【0065】
第2の実施の形態では、軸対称な3光束干渉条件により検査を行うが、例えば、投影レンズ26の複屈折に軸対称性がある場合は、±1次回折光による位置ずれが打ち消しあうため複屈折の検知が困難となる。第3の実施の形態では、位相シフト部89と非位相シフト部88を有する第1のL/Sパターン68が配置されたフォトマスク3cを用いて、非対称な2光束干渉条件により複屈折の検査を行う点が第2の実施の形態と異なり、他は同様であるので、重複した説明は省略する。
【0066】
例えば、図20(a)、(b)に示すように、フォトマスク3cのパターン面を投影レンズ26に向けて露光装置にセットする。第2のL/Sパターン67の遮光膜67a、67bの間に、第1のL/Sパターン68の位相シフト部89と非位相シフト部88が、図20の紙面左側から順に配列されている。フォトマスク3cの照明光Lは、第1の検査マーク52aにより偏光した0次及び+1次回折光DL及びDL+となる。投影レンズ26が複屈折を示す場合、投影レンズ26に入射した0次及び+1次回折光DL、DL+は、それぞれ0次及び+1次回折光の常光線DLo、DLo+と、0次及び+1次回折光の異常光線DLe、DLe+とに分かれる。複屈折があまり大きくない場合は光線の分裂は非常に小さいが、光線の位相速度の違いは波面の誤差となって現れる。その結果、常光線がレンズ通過後に作る波面と、異常光線がレンズ通過後に作る波面は異なる。一方、回折光の干渉は、偏光方向が同じ光束間で発生し、偏光方向が直交する光束間では発生しない。半導体基板1上には0次及び+1次回折光の常光線DLo、DLo+の干渉波と、0次及び+1次回折光の異常光線DLe、DLe+の干渉波が形成される。0次及び+1次回折光の常光線DLo、DLo+の作る波面と、0次及び+1次回折光の異常光線DLe、DLe+の作る波面が異なるから、常光線干渉波と異常光線干渉波は位置がずれる。光強度分布は二つの干渉波の強度の足し合わせとなり、波の山の位置を結像位置と定義すると、結像位置は常光線干渉波の山の位置pcoと異常光線干渉波の山の位置pceの間のいずれかの位置になる結像位置は、常光線干渉波と異常光線干渉波の強度の大小関係によって定まり、強度の大きな干渉波の山の位置に近くなる。。
【0067】
上記の説明では、0次及び+1次回折光の組み合わせを用いたが、0次及び−1次回折光の組み合わせであってもよいことは勿論である。例えば、図21(a)、(b)に示すように、フォトマスク3dのパターン面を投影レンズ26に向けて露光装置にセットする。第2のL/Sパターン67の遮光膜67a、67bの間に、0次及び+1次回折光の組み合わせを用いる場合とは逆に、第1のL/Sパターン68の非位相シフト部88と位相シフト部89が、図21の紙面左側から順に配列されている。フォトマスク3dの照明光Lは、第1の検査マーク52aにより偏光した0次及び−1次回折光DL及びDL−となる。投影レンズ26が複屈折を示す場合、投影レンズ26に入射した0次及び−1次回折光DL、DL−は、それぞれ0次及び−1次回折光の常光線DLo、DLo−と、0次及び−1次回折光の異常光線DLe、DLe−とに分かれる。半導体基板1上には0次及び−1次回折光の常光線DLo、DLo−の干渉波と、0次及び−1次回折光の異常光線DLe、DLe−の干渉波が形成される。光強度分布は2つの干渉波の足し合わせとなり、結像位置は常光線干渉波の山の位置pdoと異常光線干渉波の山の位置pdeの間のいずれかの位置になる。結像位置は、常光線干渉波と異常光線干渉波の強度の大小関係によって定まり、強度の大きな干渉波の山の位置に近くなる。
【0068】
第3の実施の形態では、軸対称な±1次回折光のいずれか一方を用いて非対称な光路を通過する2光束により複屈折の検査が行われるため、軸対称な複屈折を示す投影レンズの検査が可能となる。
【0069】
また、投影レンズの収差のために、2光束干渉条件でも0次回折光と+1次又は−1次回折光との干渉波に横ずれが生じる。例えば、0次及び+1次回折光による干渉波の横ずれ量Δxtは、
Δxt = (φ+1+Δz)*Pt ・・・ (4)
と表わされる(例えば、オプティカルレビュー(Optical Review)、2001年、第8巻、p184−190参照)。ここで、Δzは半導体基板1の表面でのデフォーカス量である。第2の実施の形態と同様に、収差による横ずれは第1及び第2の検査パターン53a、54aに対して同一方向に生じる。一方、複屈折による位置ずれは第1及び第2の検査パターン53a、54aでは相違しているため相対的な位置ずれが生じる。したがって、第3の実施の形態によっても、投影レンズの複屈折を収差と区別して検査することができる。
【0070】
第3の実施の形態に係る複屈折の検査方法では、フォトマスク3cを図1の露光装置のマスクステージ28に設置して、ポジ型フォトレジストを塗布した半導体基板1上に投影露光する。このとき、同一半導体基板1に対してフォトマスク3cと半導体基板1の相対位置を変えて2重露光を行う。1回目の露光で第1の検査マーク52aが投影された半導体基板1上の位置に重ね合わせて、第2の検査マーク62が投影されるよう、2回目の露光では半導体基板1をx軸方向に200μmだけシフトさせる。また、露光装置の照明光は無偏光光であり、フォトマスク3c表面を垂直に照明する。
【0071】
2重露光後、半導体基板1を現像することにより、図22に示すように、第1及び第2の検査マーク52a、62aが半導体基板1上のレジスト膜71に重ねあわされて転写された検査レジストパターン72aが形成される。第1の検査マーク52aの外側に位置する第1の検査パターン53aと内側に位置する第2の検査パターン54aの投影像は2回目の露光で、第2の検査マーク62の第1の遮光部63と第2の遮光部64に対応する部分以外は、第1〜第3の透明部61a〜61cにより露光される。したがって、検査レジストパターン72aでは、第1及び第2の検査パターン53a、54aに対応する第1及び第2の転写パターン73a、74aが開口部75の中に形成される。上述したように、第1及び第2の検査パターン53a、54aでは、回折光の偏光方向が直交している。したがって、投影レンズ26の複屈折に従って、第1の転写パターン73a及び第2の転写パターン74aの中心C1及びC2の間にはx軸方向にΔx、y軸方向にΔyの位置ずれが生じる。
【0072】
半導体基板1上に形成された検査レジストパターン72aは、例えば、光学式の合わせずれ検査装置を用いて第1及び第2の転写パターン73a、74aの中心位置C1、C2の測定が行われる。測定された中心位置C1、C2の位置ずれ量{(Δx)2+(Δy)2}1/2を、基準値と比較することによって、投影レンズ26の複屈折の有無を判定する。
【0073】
このように、第3の実施の形態に係る複屈折の検査方法によれば、露光装置に組み込まれた投影レンズ26の中央部及び端部の光路について複屈折を検査することができる。また、非対称な2光束干渉条件を用いることにより、軸対称な複屈折を示す投影レンズ26の検査が可能となる。
【0074】
上述の説明においては、第1のL/Sパターン68の位相シフト部89は、透明基板50を掘り込んで形成している。しかし、非位相シフト部88に対して180度の位相差が生じる構造であれば使用することができる。例えば、図23(a)に示すように、透明基板50の掘り込み部に屈折率の異なる透明膜90を埋め込んで位相シフト部89aを形成してもよい。遮光膜68a〜68jは透明膜90の埋め込み後形成される。また、図23(b)に示すように、遮光部68a〜68jを形成後に、位相シフタ部89bに透明膜90aを選択的に堆積してもよい。また、図23(c)に示すように、位相シフタ部89cに透明膜90bを選択的に堆積した後、遮光膜68a〜68jを形成してもよい。なお、透明膜90a、90bとしては、透明基板50と同一の材料であっても、あるいは透明基板50と異なる屈折率の透明材料であってもよい。
【0075】
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明の第1〜第3の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【0076】
本発明の第1の実施の形態の変形例において説明したように、第1及び第2の偏光光線が進相軸及び遅相軸に対して略45°の方向を向いていると、常光線と異常光線の光強度が等しくなり、複屈折の検査ができなくなる。第1の実施の形態の変形例においては、図12に示したように第1及び第2の検査パターン13a、14aのワイヤグリッド偏光子のL/Sパターンを45°傾けた検査マーク12aを用いているが、例えば、検査マーク12を45°回転させて用いてもよいことは勿論である。また、上述の説明から明らかなように、第1及び第2の偏光光線が進相軸及び遅相軸の方向を向く場合が、最も位置ずれ量が大きくなる。したがって、種々の角度に回転させた検査マーク12を配置したフォトマスクを用いれば、更に複屈折の検査が容易にできることはいうまでもない。また、上記と同様に、第2あるいは第3の実施の形態に係る第1及び第2の検査マーク52、62、あるいは52a、62にも適用ができることは勿論である。
【0077】
また、第1〜第3の実施の形態では、検査マークの第1及び第2の検査パターンは同心の正方形を用いているが、検査マークの形状は、例えば長方形、あるいは多角形でもよく、正方形に限定されないことは勿論である。更に、第1及び第2の検査パターンは同心でなくてもよい。第1及び第2の検査パターンの中心位置が異なる場合は、予めマスクパターンのレイアウトデータあるいは複屈折を示さない露光装置による転写パターンから第1及び第2の検査パターンそれぞれの中心位置の基準距離を求めておく。第1及び第2の転写パターンの中心位置の距離と、求めた基準距離の差を位置ずれ量とすればよい。また、第1及び第2の検査パターンは、枠形状でなく、例えば箱形状であってもよいことは勿論である。
【0078】
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【0079】
【発明の効果】
本発明によれば、露光装置に組み込まれた投影レンズの複屈折を検査するフォトマスク、検査方法、及び検査方法を適用した半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る露光装置の概略構成図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係るフォトマスクの一例を説明する斜視図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係るフォトマスクの構成の一例を説明する図である。
【図4】透明材質の複屈折の一例を説明する図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係る偏光光線の偏光方向の一例を説明する図である。
【図6】本発明の実施の第1の形態に係る偏光光線の結像特性の一例を示す図である。
【図7】本発明の第1の実施の形態に係る偏光光線と半導体基板上での光強度の関係を示す図である。
【図8】本発明の第1の実施の形態に係る検査マークの半導体基板上の転写パターンを示す図である。
【図9】本発明の第1の実施の形態に係る他の露光装置の概略構成図である。
【図10】本発明の第1の実施の形態に係る他の露光装置に使用する照明アパーチャの概略構成図である。
【図11】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の説明に用いるフローチャートである。
【図12】本発明の第1の実施の形態の変形例に係るフォトマスクを説明する図である。
【図13】本発明の第2の実施の形態に係るフォトマスクの構成の一例を説明する図である。
【図14】本発明の第2の実施の形態に係るフォトマスクの第1及び第2の検査パターンのL/Sパターンの組み合わせを説明する図である。
【図15】本発明の第2の実施の形態に係る瞳面を通過する回折光を説明する図である。
【図16】本発明の第2の実施の形態に係る3光束干渉の一例を説明する図である。
【図17】本発明の第2の実施の形態に係る検査マークの半導体基板上の転写パターンを示す図である。
【図18】本発明の第3の実施の形態に係るフォトマスクの構成の一例を説明する図である。
【図19】本発明の第3の実施の形態に係るフォトマスクの第1及び第2の検査パターンのL/Sパターンの組み合わせを説明する図である。
【図20】本発明の第3の実施の形態に係る2光束干渉の一例を説明する図である。
【図21】本発明の第3の実施の形態に係る2光束干渉の他の例を説明する図である。
【図22】本発明の第3の実施の形態に係る検査マークの半導体基板上の転写パターンを示す図である。
【図23】本発明の第3の実施の形態に係るフォトマスクの構成の他の例を説明する図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
3、3a〜3d フォトマスク
5 物体面
6 透明材質
7 像面
10、50 透明基板
11、51 遮光膜
11a、11c、63 第1の遮光部
11b、11d、64 第2の遮光部
12、12a 検査マーク
13、13a、53、53a 第1の検査パターン
14、14a、54、54a 第2の検査パターン
15、16、57a〜57h、58a〜58j、67a〜67h、68a〜68j 遮光部
22 光源
23 フライアイレンズ
24、24a 照明アパーチャ
25 コンデンサレンズ
26 投影レンズ
27 瞳
28 マスクステージ
29 基板ステージ
30 開口絞り
31、71 レジスト膜
32、72、72a 検査レジストパターン
33、73、73a 第1の転写パターン
34、74、74a 第2の転写パターン
41 遮光板
42 照明孔
43 露光マーク
52、52a 第1の検査マーク
57、67 第2のL/Sパターン
58、68 第1のL/Sパターン
61a 第1の透明部
61b 第2の遮明部
61c 第3の遮明部
62 第2の検査マーク
75 開口部
80 瞳面
88 非位相シフト部
89、89a〜89c 位相シフト部
90、90a、90b 透明膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical lithography technique, and more particularly, to a method for inspecting a birefringence of a projection lens of an exposure apparatus.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a manufacturing process of a semiconductor device, the wavelength of exposure light of an exposure apparatus has been reduced for forming a fine pattern. In recent years, an argon fluoride (ArF) excimer laser exposure apparatus (wavelength λ = 193 nm) or a fluorine gas (F 2 2.) An excimer laser exposure apparatus (wavelength λ = 157 nm) has been developed. The projection lens of the projection optical system used in such a short wavelength exposure apparatus includes fluorite (CaF 2 ) Is used. Fluorite has a very good transmission of light having a wavelength of 200 nm or less. In particular, the case where the wavelength λ is 157 nm is the only lens material that can be manufactured at low cost at present.
[0003]
However, it has been found that fluorite exhibits birefringence for light having a wavelength of 200 nm or less. In a material exhibiting birefringence, the refractive index changes depending on the polarization state of transmitted light. When a material exhibiting birefringence is used for a lens, the imaging characteristic changes depending on the polarization state of light, and this causes blurring of the image, for example, double image formation. In order to miniaturize a semiconductor device, the birefringence of an optical material used for a projection optical system of an exposure apparatus must be suppressed since the imaging performance is deteriorated. Therefore, efforts have been made to suppress the influence of birefringence by devising the manufacturing process of optical materials and designing and assembling lenses.
[0004]
Inspection of the birefringence of an optical material is generally performed by a method such as a rotation analyzer method or a phase modulation method in which linearly polarized light is incident on the optical material and the polarization state of transmitted light is examined. Non-patent document 1).
[0005]
[Non-patent document 1]
Mochida, Optics, 1989, Vol. 127, p. 127-134
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is no known means for inspecting, after assembling the exposure apparatus, whether the birefringence of the projection lens of the projection optical system of the exposure apparatus is appropriately suppressed so as not to degrade the imaging characteristics. Since the imaging performance of an exposure apparatus is also degraded by factors other than birefringence, for example, aberrations of a projection lens, the presence of birefringence as a factor of image degradation is specified from the amount of deformation of the pattern transferred onto the semiconductor substrate. I can't. Further, it is not easy to incorporate a birefringence measuring device or the like into the optical system of the exposure device.
[0007]
An object of the present invention is to solve such a problem and to provide a photomask capable of inspecting birefringence of a projection lens of an exposure apparatus, an inspection method, and a method of manufacturing a semiconductor device to which the inspection method is applied.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention includes (a) a transparent substrate, (b) a pattern of a light-shielding film formed so as to have a window on the surface of the transparent substrate, and (c) a window. And a first inspection pattern that polarizes the illumination light to a first polarization state, and (d) is disposed at a position separated by a certain distance from the first inspection pattern in the window. And a second inspection pattern that polarizes the illumination light into a second polarization state different from the first polarization state.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, there is provided (a) exposure light polarized in a first polarization state from illumination light of a photomask by a first inspection pattern provided in a window formed in a light shielding film of the photomask. The first inspection pattern is transferred to the resist film applied on the semiconductor substrate by light to form a first transfer pattern, and (b) a predetermined distance from the first inspection pattern in the inspection mark. The second inspection pattern is transferred to the resist film with exposure light polarized to a second polarization state different from the first polarization state by the second inspection pattern formed at the separated position, and the second transfer pattern is formed. And (d) measuring an amount of relative displacement between the first and second transfer patterns.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, (a) a photomask for inspection and a semiconductor substrate for inspection coated with a resist film are mounted on each of a plurality of exposure apparatuses. The first inspection pattern is transferred to the resist film with the exposure light polarized in the first polarization state by the first inspection pattern provided in the window formed in the light-shielding film of the photomask. And (c) a second polarization state different from the first polarization state by a second inspection pattern formed at a position separated by a fixed distance from the first inspection pattern in the inspection mark. The second inspection pattern is transferred to the resist film with the exposure light polarized to form a second transfer pattern, and (d) the amount of displacement between the first and second transfer patterns is measured to obtain a reference value and a reference value. And (e) the amount of displacement is below the reference value The optical devices are classified based on the amount of misalignment, and (f) a manufacturing exposure device that can be used in the lithography step of the target manufacturing process is selected from the classified exposure devices, and (g) a manufacturing exposure device. The gist of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device including performing a lithography step using a semiconductor device.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, first to third embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimension, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. In addition, it goes without saying that parts having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
[0012]
(First Embodiment)
The exposure apparatus used for explaining the inspection of the projection lens according to the first embodiment of the present invention is a refraction type exposure apparatus (scanner) as shown in FIG. 1, and the reduction ratio is 4: 1. An ArF excimer laser having a wavelength λ = 193 nm is used as the
[0013]
As shown in FIG. 2, the photomask 3 is provided with a projection lens on each of windows on a matrix of a pattern of a light-shielding
[0014]
As shown in FIG. 3A, the inspection mark 12 of the photomask 3 is disposed at a
[0015]
As shown in FIG. 3B, the AA cross section of the
[0016]
A periodic structure grating shorter than the wavelength of the illumination light functions as a polarizer, and is called a wire grid polarizer (for example, Kikuta and Iwata, Transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, vol. J83-C, 2000, p173-181). The period P of the L / S pattern of the first and
[0017]
Next, a method of inspecting birefringence according to the first embodiment will be described. For example, as shown in FIG. i When unpolarized light is incident on a transparent material at an incident angle θ, the refraction angle θ usually follows Snell's law. o Refraction and enter the transparent material. Since the transparent material 6 that exhibits birefringence has a different refractive index depending on the direction of oscillation of the electric field of light (hereinafter referred to as polarization direction), the light is split into two light beams in the transparent material 6. That is, the transparent material 6 is converted to the refraction angle θ. o And the refraction angle θ e An extraordinary ray that is transmitted at the point occurs. Both the ordinary ray and the extraordinary ray exit from the transparent material 6 at the exit angle θ. As a result, as shown in FIG. i From the original position p by the ordinary ray on the image plane 7 o And the position p due to the extraordinary ray e The light beam also reaches the object, resulting in double copying. Here, the ordinary ray and the extraordinary ray are each linearly polarized light, and the vibration planes of the electric field of the light are orthogonal to each other. The refractive index of the transparent material 6 for ordinary rays and extraordinary rays is n o , N e Assuming that the refractive index of air is 1, the following relationship is established.
[0018]
sin θ o = (Sinθ) / n o , Sin θ e = (Sinθ) / n e ... (1)
Here, for normal incidence, the refraction angle θ o And θ e Are both 0 degrees, no light splitting is observed. Also, the refractive index n o , N e Is small, the refraction angle θ o And θ e Are almost equal, making it difficult to observe the splitting of light rays.
[0019]
In order to inspect the birefringence of the transparent material 6, the position p of the image on the object plane 5 as shown in FIG. i , The imaging position p split at the image plane 7 o And p e Should be observed. However, the birefringence of the transparent material used in the exposure apparatus is small, and the splitting of the light beam is not so large that a normal mask pattern is separated at the image forming position. Therefore, the images of the ordinary ray and the extraordinary ray after passing through the transparent material are displaced and overlapped, and it is difficult to observe the imaging positions of the ordinary ray and the extraordinary ray separately, and cannot be applied to the inspection of birefringence.
[0020]
In the first embodiment, birefringence inspection is performed by making orthogonal linearly polarized light incident on a transparent material. Linearly polarized light, when incident on a transparent material exhibiting birefringence, is split into two light beams whose polarization directions are orthogonal to each other. The orthogonal polarization directions are called the fast axis and the slow axis. The fast axis and the slow axis are specific to the transparent material, and are determined by, for example, the crystal axis direction of the transparent material or the direction of the stress applied to the transparent material. Light whose polarization direction is the fast axis has a high speed and a small phase change during a unit distance. On the other hand, light whose polarization direction is the slow axis has a low speed and a large phase change during a unit distance. In the first embodiment, the former is an ordinary ray and the latter is an extraordinary ray. However, the relationship may be reversed depending on the birefringence characteristics of the transparent material. Light transmitted through the transparent material has a phase difference due to a speed difference. The emitted light is a superposition of an ordinary ray and an extraordinary ray vibrating at different phases, that is, elliptically polarized light. When the polarization direction of the incident light is parallel to the fast axis direction or the slow axis direction, the polarization state of the light beam does not change.
[0021]
As described above, the illumination light of the photomask 3 is, for example, linearly polarized light that passes through the first and
[0022]
As shown in FIG. 6A, the first polarized light beam Lp1 emitted from the
[0023]
As shown in FIG. 7, the light intensity distribution formed on the
[0024]
The photomask 3 is set on the mask stage 28 of the exposure apparatus shown in FIG. 1, and the surface of the
[0025]
With respect to the inspection resist pattern 32 formed on the
[0026]
In the inspection of birefringence according to the first embodiment, the first and second polarized light beams Lp1 and Lp2 which cross the illumination light of the photomask 3 by the first and
[0027]
In the case where a plurality of element lenses made of a birefringent material are included in the element lenses constituting the
[0028]
Further, one of the first and
[0029]
In the first embodiment, illumination light for vertically illuminating the surface of the photomask 3 is used, and the light passes through the vicinity of the center of the pupil 27 of the
[0030]
Next, a method for manufacturing a semiconductor device using a plurality of exposure apparatuses inspected by the inspection method for birefringence according to the first embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0031]
(A) First, the photomask 3 for birefringence inspection shown in FIG. 2 is installed in a plurality of exposure apparatuses to be inspected used in the manufacturing process of the semiconductor device. In step S101, the first and
[0032]
(B) In step S102, the amount of positional deviation of the first and
[0033]
(C) In step S103, the presence / absence of birefringence of the projection lens is determined by comparing the amount of displacement measured from the exposure apparatus to be inspected with a reference value.
[0034]
(D) If it is determined that the displacement amount of the exposure apparatus to be inspected is larger than the reference value, the projection lens of the exposure apparatus to be inspected is adjusted in step S104. After the adjustment, steps S101 to S103 are repeated again. If the displacement does not fall below the reference value only by adjusting the projection lens, repair such as replacement of the projection lens is performed.
[0035]
(E) When it is determined that the displacement amount of the exposure apparatus to be inspected is equal to or less than the reference value, the exposure apparatus is determined to be an exposure apparatus that can be used in a lithography step in a semiconductor device manufacturing process. The inspections in steps S101 to S104 are repeated for a plurality of exposure apparatuses to be inspected, and in step S105, a plurality of available exposure apparatuses are classified based on the imaging performance based on the amount of displacement.
[0036]
(F) In step S106, a usable exposure apparatus is selected, and a lithography process for a semiconductor device is performed. For example, an exposure apparatus classified into an imaging performance equal to or smaller than an allowable dimensional error of a pattern formed in a manufacturing process is selected from the classified available exposure apparatuses.
[0037]
2. Description of the Related Art In an exposure apparatus used for manufacturing a semiconductor device having a fine pattern, even if the dimensional accuracy in specifications is the same, there is a machine difference between the exposure apparatuses due to a manufacturing error of the exposure apparatus. Depending on the exposure apparatus used in the lithography process, the performance of the manufactured semiconductor device varies. According to the first embodiment, the birefringence of the
[0038]
(Modification of First Embodiment)
As shown in FIG. 12, a photomask 3a according to a modification of the first embodiment of the present invention differs from the first embodiment in having an inspection mark 12 and an inspection mark 12a. The
[0039]
With only the inspection mark 12 similar to the pattern shown in FIG. 3 in the first embodiment, the first and second polarized light beams Lp1 and Lp2 are oriented at approximately 45 ° with respect to the fast axis and the slow axis. When they are oriented, the light intensities of the ordinary ray and the extraordinary ray become equal. If the light intensities of the ordinary ray and the extraordinary ray are equal, the shifts of the center positions of the first and
[0040]
In the photomask 3 a according to the modification of the first embodiment, for example, the L / S patterns of the first and
[0041]
According to the photomask 3a according to the modified example of the first embodiment of the present invention, it is possible to inspect the birefringence of the projection lens with higher accuracy.
[0042]
(Second embodiment)
As shown in FIG. 13A, the photomask 3b according to the second embodiment of the present invention includes a first inspection mark 52 disposed on the
[0043]
The first inspection mark 52 includes first and
[0044]
For example, in the DD cross section of a part of the
[0045]
The period Pt of the second L /
M * λ / {NA * (1-σ)} ≦ Pt ≦ 3 * M * λ / {NA * (1 + σ)} (1)
Are set so as to satisfy the three light beam interference conditions. Here, M is the reduction ratio of the exposure apparatus, NA is the numerical aperture on the exit side of the projection lens, λ is the wavelength of the illumination light, and σ is the coherence factor. The “three-beam interference condition” is a condition under which an image of the L / S pattern is formed by interference between the zero-order diffracted light and the ± first-order diffracted light. Note that diffraction occurs in the periodic direction of the second L /
[0046]
The second inspection mark 62 is provided on the light-shielding
[0047]
The illumination light of the photomask 3b passes through the first and
[0048]
As shown in FIG. 16, the illumination light L of the photomask 3b is the 0th-order and ± 1st-order diffracted lights DL, DL polarized by the first inspection mark 52 shown in FIG. + And DL − It becomes. When the
[0049]
As described above, the polarization directions of the diffracted light are orthogonal to each other in the
[0050]
When the
[0051]
Generally, in interference between light beams having a phase difference from each other, an interference wave is distorted or the position of the wave is shifted in a horizontal direction. This phenomenon is called lens aberration. Aberration is a wavefront error in the pupil plane, and is represented by a two-dimensional function defined in the pupil plane. Aberration is one of the indices indicating the imaging characteristics of the
[0052]
Since the ordinary ray and the extraordinary ray of the
Δxs = (φ -1 −φ +1 ) * Pt (2)
(See, for example, Optical Review, 2000, Vol. 7, p525-534).
[0053]
As described above, in a lens exhibiting birefringence, a lateral shift may occur between the interference wave generated by the ordinary ray and the interference wave generated by the extraordinary ray.
[0054]
On the other hand, the
[0055]
Therefore, if the relative displacement occurs between the first and
[0056]
In the method of inspecting birefringence according to the second embodiment, the photomask 3b is set on the mask stage 28 of the exposure apparatus shown in FIG. 1 and is projected and exposed on the
[0057]
After the double exposure, the first and second inspection marks 52 and 62 are transferred to the resist
[0058]
For the inspection resist pattern 72 formed on the
[0059]
As described above, according to the birefringence inspection method according to the second embodiment, it is possible to inspect the birefringence of the optical path at the center and the end of the
[0060]
(Third embodiment)
As shown in FIG. 18A, the
[0061]
For example, the first inspection pattern 53a is arranged such that one end thereof is in contact with the light-shielding
[0062]
As shown in FIG. 19, the direction of the first L /
[0063]
As described above, the periodic directions of the first L /
[0064]
The period Pb of the second L /
M * λ / {NA * (1-σ)} ≦ Pb ≦ 2 * M * λ / {NA * (1 + σ)} (3)
Are set to satisfy the two-beam interference condition. Here, the “two-beam interference condition” is a condition under which an image of the L / S pattern is formed by interference with either the 0th-order diffracted light or the ± 1st-order diffracted light. The ratio of the width in the periodic direction of the light-shielding
[0065]
In the second embodiment, the inspection is performed under the three-beam interference condition that is symmetric with respect to the axis. For example, when the birefringence of the
[0066]
For example, as shown in FIGS. 20A and 20B, the pattern surface of the
[0067]
In the above description, a combination of the 0th-order and + 1st-order diffracted light is used. For example, as shown in FIGS. 21A and 21B, the pattern surface of the
[0068]
In the third embodiment, the birefringence is inspected by two light beams that pass through an asymmetric optical path using one of the axially symmetric ± first-order diffracted lights. Inspection becomes possible.
[0069]
Also, due to the aberration of the projection lens, the interference wave between the 0th-order diffracted light and the + 1st-order or -1st-order diffracted light is shifted laterally even under the two-beam interference condition. For example, the lateral shift amount Δxt of the interference wave due to the 0th and + 1st order diffracted light is
Δxt = (φ +1 + Δz) * Pt (4)
(See, for example, Optical Review, 2001, Vol. 8, p184-190). Here, Δz is the defocus amount on the surface of the
[0070]
In the birefringence inspection method according to the third embodiment, the
[0071]
After the double exposure, the
[0072]
For the inspection resist pattern 72a formed on the
[0073]
As described above, according to the birefringence inspection method according to the third embodiment, it is possible to inspect the birefringence of the optical path at the center and the end of the
[0074]
In the above description, the
[0075]
(Other embodiments)
As described above, the first to third embodiments of the present invention have been described. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operation techniques will be apparent to those skilled in the art.
[0076]
As described in the modification of the first embodiment of the present invention, if the first and second polarized light beams are oriented at approximately 45 ° with respect to the fast axis and the slow axis, the ordinary ray And the intensity of the extraordinary ray become equal, making it impossible to inspect birefringence. In the modification of the first embodiment, as shown in FIG. 12, an inspection mark 12a in which the L / S pattern of the wire grid polarizer of the first and second inspection patterns 13a and 14a is inclined by 45 ° is used. However, it goes without saying that, for example, the inspection mark 12 may be used after being rotated by 45 °. Further, as is clear from the above description, the position displacement amount is largest when the first and second polarized light beams are directed in the directions of the fast axis and the slow axis. Therefore, it goes without saying that the use of a photomask in which the inspection marks 12 rotated at various angles are arranged can further facilitate the inspection of birefringence. Further, similarly to the above, it is needless to say that the present invention can be applied to the first and second inspection marks 52 and 62 or 52a and 62 according to the second or third embodiment.
[0077]
Further, in the first to third embodiments, the first and second inspection patterns of the inspection mark use concentric squares. However, the shape of the inspection mark may be, for example, a rectangle or a polygon. Of course, it is not limited to. Further, the first and second inspection patterns need not be concentric. When the center positions of the first and second inspection patterns are different, the reference distance between the center position of each of the first and second inspection patterns is determined in advance from the layout data of the mask pattern or the transfer pattern by the exposure device that does not show birefringence. Ask for it. The difference between the distance between the center positions of the first and second transfer patterns and the obtained reference distance may be used as the positional deviation amount. Also, the first and second inspection patterns need not be frame-shaped but may be box-shaped, for example.
[0078]
As described above, the present invention naturally includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is determined only by the invention specifying matters according to the claims that are appropriate from the above description.
[0079]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a photomask for inspecting birefringence of a projection lens incorporated in an exposure apparatus, an inspection method, and a method for manufacturing a semiconductor device to which the inspection method is applied.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exposure apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view illustrating an example of a photomask according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a configuration of a photomask according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of birefringence of a transparent material.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a polarization direction of a polarized light beam according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an imaging characteristic of a polarized light beam according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between a polarized light beam and light intensity on a semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a transfer pattern of the inspection mark on the semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of another exposure apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of an illumination aperture used in another exposure apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a flowchart used to explain the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram illustrating a photomask according to a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a configuration of a photomask according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram illustrating a combination of L / S patterns of first and second inspection patterns of a photomask according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram illustrating diffracted light passing through a pupil plane according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a diagram illustrating an example of three-beam interference according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing a transfer pattern of an inspection mark on a semiconductor substrate according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a configuration of a photomask according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram illustrating a combination of L / S patterns of first and second inspection patterns of a photomask according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a diagram illustrating an example of two-beam interference according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a diagram illustrating another example of two-beam interference according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing a transfer pattern of an inspection mark on a semiconductor substrate according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a diagram illustrating another example of the configuration of the photomask according to the third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate
3, 3a-3d Photomask
5 Object plane
6 Transparent material
7 Image plane
10,50 transparent substrate
11,51 Light shielding film
11a, 11c, 63 1st light shielding part
11b, 11d, 64 Second light shielding unit
12, 12a Inspection mark
13, 13a, 53, 53a First inspection pattern
14, 14a, 54, 54a Second inspection pattern
15, 16, 57a to 57h, 58a to 58j, 67a to 67h, 68a to 68j
22 light source
23 Fly Eye Lens
24, 24a Lighting aperture
25 Condenser lens
26 Projection lens
27 eyes
28 Mask Stage
29 Substrate stage
30 aperture stop
31, 71 resist film
32, 72, 72a Inspection resist pattern
33, 73, 73a First transfer pattern
34, 74, 74a Second transfer pattern
41 Shade plate
42 Illumination hole
43 Exposure mark
52, 52a First inspection mark
57, 67 Second L / S pattern
58, 68 First L / S pattern
61a first transparent part
61b 2nd shade part
61c Third light shield
62 Second inspection mark
75 Opening
80 Eye plane
88 Non-phase shift section
89, 89a to 89c Phase shift unit
90, 90a, 90b Transparent film
Claims (19)
前記透明基板表面に窓部を有するように形成された遮光膜のパターンと、
前記窓部の中に配置され、照明光を第1の偏光状態に偏光させる第1の検査パターンと、
前記窓部の中で前記第1の検査パターンに対して一定の距離で分離した位置に配置され、前記照明光を前記第1の偏光状態とは異なる第2の偏光状態に偏光させる第2の検査パターン
とを備えることを特徴とするフォトマスク。A transparent substrate,
A pattern of a light-shielding film formed so as to have a window on the surface of the transparent substrate,
A first inspection pattern disposed in the window, for polarizing illumination light to a first polarization state;
A second polarization unit that is disposed at a position separated by a fixed distance from the first inspection pattern in the window unit and polarizes the illumination light to a second polarization state different from the first polarization state; A photomask comprising an inspection pattern.
前記窓部の中で前記第1の検査パターンに対して一定の距離で分離した位置に形成された第2の検査パターンにより前記第1の偏光状態とは異なる第2の偏光状態に偏光された露光光で前記レジスト膜に前記第2の検査パターンを転写して第2の転写パターンを形成し、
前記第1及び第2の転写パターンの相対的な位置ずれ量を測定する
ことを含むことを特徴とする検査方法。A resist film applied on a semiconductor substrate with exposure light polarized in a first polarization state by a first inspection pattern provided in a window formed in a light shielding film of the photomask from illumination light of the photomask Transferring the first inspection pattern to form a first transfer pattern,
Polarized to a second polarization state different from the first polarization state by a second inspection pattern formed at a position separated by a fixed distance from the first inspection pattern in the window portion. Transferring the second inspection pattern to the resist film with exposure light to form a second transfer pattern,
An inspection method comprising measuring a relative displacement amount of the first and second transfer patterns.
前記フォトマスクの照明光から、前記フォトマスクの遮光膜に形成された窓部に設けられた第1の検査パターンにより第1の偏光状態に偏光された露光光で前記レジスト膜に前記第1の検査パターンを転写して第1の転写パターンを形成し、
前記窓部の中で前記第1の検査パターンに対して一定の距離で分離した位置に形成された第2の検査パターンにより前記第1の偏光状態とは異なる第2の偏光状態に偏光された露光光で前記レジスト膜に前記第2の検査パターンを転写して第2の転写パターンを形成し、
前記第1及び第2の転写パターンの相対的な位置ずれ量を測定して基準値と比較し、
前記位置ずれ量が前記基準値以下の前記露光装置を前記位置ずれ量に基いて分類し、
分類された前記露光装置から対象となる製造工程のうちのリソグラフィ工程で使用可能な製造用露光装置を選択し、
前記製造用露光装置を用いて前記リソグラフィ工程を実施する
ことを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。A photomask for inspection and a semiconductor substrate for inspection coated with a resist film are mounted on each of the plurality of exposure apparatuses,
From the illumination light of the photomask, the resist film is exposed to the first light by the first inspection pattern provided in the window formed in the light shielding film of the photomask. Transferring the inspection pattern to form a first transfer pattern,
Polarized to a second polarization state different from the first polarization state by a second inspection pattern formed at a position separated by a fixed distance from the first inspection pattern in the window portion. Transferring the second inspection pattern to the resist film with exposure light to form a second transfer pattern,
Measuring a relative displacement amount of the first and second transfer patterns and comparing with a reference value;
Classifying the exposure apparatus in which the displacement amount is equal to or less than the reference value based on the displacement amount,
Select a manufacturing exposure apparatus that can be used in the lithography step among the manufacturing steps targeted from the classified exposure apparatus,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: performing the lithography step using the manufacturing exposure apparatus.
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