检查方法和光掩模的制作方法

专利名称：检查方法和光掩模的制作方法
技术领域：
本发明涉及光刻工艺，本发明特别是涉及曝光装置的投影光学系统的性能检查方法和检查用的光掩模。
背景技术：
随着构成半导体器件的图案的最小线宽度、最小周期逐年微细化，目前对该图案进行分辩的曝光装置所要求的最小分辩像线宽度已小于100nm。曝光装置的最小分辩像周期由曝光波长λ和投影透镜的开口数量(NA)确定。为了形成更微小的的图案，可使曝光波长λ形成较短的波长，增加NA。为了实现该目的，对曝光光的波长进行减短处理。近年，氟化氩(ArF)准分子激光曝光装置(λ＝193nm)投入实用，另外，氟气(F2)准分子激光曝光装置(λ＝157nm)正为在数年后被投入实用而进行开发。由于波长需小于193nm，故能够作为光刻处理用透镜而使用的光学材料的种类受到限制，在现有技术中，对于波长193nm的光，虽然可采用氟石(氟化钙单晶体)和溶融石英，但是对于波长为157nm的光，不能够只采用氟石。
当使用透镜时，造成问题的现象之一是双折射。由于折射率为支配光的折射角、相位速度的物理量，故在投影透镜呈现双折射的场合，投影透镜的成像特性伴随光的偏光状态而变化。如果具有双折射，则比如在每个曝光光的偏光状态不同的位置上进行成像，由此造成了成像模糊、像对比度和分辩率降低，从而产生了不能形成微细图案的担心。
最近的研究表明，氟石在特定的结晶轴方向上具有较大的双折射。即，即使不以呈现氟石双折射的结晶轴为光轴方向制造透镜，在沿着与光轴不平行的方向的光路上也会呈现双折射。其结果是，如果应转印的图案是微细的，越有这样的图案，在不与光轴相平行的方向上越会产生大量的衍射光，越容易受到双折射的影响。作为透镜整体，为了抑制双折射的影响，按照相互改变相应的结晶轴向的方式设置多个氟石透镜，由此，无法按照某种程度抵消双折射的影响，无法将影响集中于特定的光路。但是，在该场合下，按照现有技术也难于完全抑制双折射的影响。
由于曝光装置的投影光学系统所采用的透镜材料的双折射使成像性能变差，故必须对其进行抑制，但是，即使观察到成像性能变差的状态，也无法分辨是否是由于双折射而产生了该情况。为了对半导体器件进行微细处理，必须将双折率较小的透镜用于投影光学系统，从而需要一种与其它成像性能变差的原因相区分地检查双折射是否尽可能地受到抑制的方法。

发明内容
本发明的目的在于为解决上述问题而提供一种投影光学系统的检查方法，该方法与其它成像性能变差原因相区分地检查双折射的影响。
本发明的另一目的在于提供投影光学系统的检查方法所采用的光掩模。
为了解决上述课题，本发明的第1特征方案的实质内容涉及下述检查方法，该方法包括下述步骤(a)通过已偏振的第1曝光光，在涂敷于晶片上的抗蚀剂上转印光掩模的曝光标记，并求出投影光学系统的第1光学特性；(b)通过其偏光状态与上述第1曝光光不同的第2曝光光，在涂敷于晶片上的新的抗蚀剂上，转印上述光掩模的曝光标记，并求出上述投影光学系统的第2光学特性；(c)计算上述第1和第2光学特性之差。
按照本发明的第1特征方案，可提供用于检查双折射影响的投影光学系统检查方法。
在本发明的第1特征方案中，第1曝光光最好为直线偏振光，而上述第2曝光光最好为与上述第1曝光光的偏振光相垂直的偏振光。此外，上述第2曝光光也可以为非偏振光。还有，上述曝光光通过偏振镜实现偏振，该偏振镜按照与上述光掩模的曝光标记相对的方式形成。象这样，通过偏光状态不同的曝光光，测定光学特性，进行投影光学系统的性能检查。另外，上述曝光光也可通过形成于表膜上的偏振镜实现偏振。其原因在于曝光光的偏光状态即使在从光掩模中透过的情况下，也不变化。另外，光学特性最好为投影光学系统的投影透镜的象差。上述投影透镜的象差采用彗形象差、球面象差、象散、3θ象差中的任何一种。最好，象差由泽尔尼克多项式的象差系数表示。还有，上述象差测定最好在三光束干涉条件下进行。
本发明的第2特征方案的实质内容涉及一种光掩模，其包括(a)透明衬底，该透明衬底具有第1表面以及与第1表面相对的第2表面；(b)曝光标记，该曝光标记设置于上述第1表面上；(c)偏振镜，该偏振镜按照与上述曝光标记相对的方式设置于第2表面上。
按照本发明的第2特征方案，可提供用于检查投影光学系统的双折射影响的光掩模。
本发明的第3特征方案的实质内容涉及一种光掩模，该光掩模包括(a)第1透明衬底，该第1透明衬底具有第1表面；(b)曝光标记，该曝光标记设置于上述第1表面上；(c)表膜，该表膜由第2透明衬底形成，该第2透明衬底按照与上述第1表面相对的方式设置，其具有第2表面；(d)偏振镜，该偏振镜按照与上述曝光标记相对的方式设置于上述第2表面上。
按照本发明的第3特征方案，可提供用于检查投影光学系统的双折射影响的光掩膜。
在本发明的第2和第3特征方案中，最好，上述偏振镜由下述第1偏振镜和第2偏振镜构成，该第1偏振镜使曝光光在第1偏光状态下偏振，该第2偏振镜使曝光光在不同于第1偏光状态的第2偏光状态下偏振。另外，第1偏光状态最好为直线偏振光。而第2偏光状态下的偏振面与第1偏光状态相垂直。再有，上述第2偏光状态也可为非偏光状态。上述偏振镜最好为由线与间隙图案形成的线栅型偏振镜。如果线栅型偏振镜的线与间隙图案的周期在曝光光的波长以下，可使光形成直线偏振光。另外，曝光标记最好包括投影透镜的象差测定图案。


图1为用于说明依据本发明实施例的投影光学系统检查方法的流程图；图2为依据本发明实施例的曝光装置的外形组成图；图3为说明依据本发明实施例的光掩模的组成的一个实例的图；图4为说明依据本发明实施例的线栅偏振镜的结构的一个实例的图；图5为说明依据本发明实施例的线栅偏振镜的制造步骤图；图6为表示依据本发明实施例的象差测定曝光标记图案的图；图7为表示依据本发明实施例的奇函数象差曝光标记图案的图；图8为表示依据本发明实施例的奇函数象差曝光标记的另一图案的图；图9为说明依据本发明实施例的奇函数象差曝光标记用的抗蚀剂图案的图；图10为说明依据本发明实施例的奇函数象差曝光标记用的另一抗蚀剂图案的图；图11为说明依据本发明实施例的通过光瞳面的衍射光的图；图12为说明依据本发明实施例的偶函数象差曝光标记用的抗蚀剂图案的图；图13为表示依据本发明实施例的泽尔尼克象差系数测定结果的图；图14为说明依据本发明实施例的2光束干涉的图；图15为说明本发明另一实施例的光掩模的组成实例的图；图16为说明本发明另一实施例的光掩模组成的另一实例的图；图17为说明本发明又一实施例的光掩模和表膜的组成的实例图；图18为本发明又一实施例的表膜剖面结构图。
具体实施例方式
下面参照附图，对本发明的实施例进行描述。在下面的附图描述中，同一或类似的部分采用同一或类似的标号。但是，应注意到，附图是示意性的，厚度与平面尺寸之间的关系、各层的厚度的比例等与现实中的不同。于是，具体的厚度和尺寸应参照下面的说明而定。另外，在附图之间，显然也包括相互的尺寸关系、比例不尽相同的部分。
在本发明实施例的投影光学系统性能检查方法说明中所采用的曝光装置1在图2所示的那样的折射型曝光装置(扫描仪)中，缩小比为4∶1。光源2采用波长为193nm的氟化氩(ArF)准分子激光。在照明光学系统3中，包括蝇眼透镜和聚焦透镜等。投影光学系统9由投影透镜5和光瞳6等构成。曝光光将设置于照明光学系统3与投影光学系统9之间的掩模台4上的光掩模33的图案投影缩小到晶片台7上的晶片10上。设置表膜8，以便防止灰尘附着于光掩模33上，该表膜8由与光掩模33相同的材料的透明衬底形成。另外，虽然为了便于说明，将扫描仪表示为曝光装置1，但是除了扫描仪以外，也可采用分档器等。另外，此例中缩小比为4∶1，但是显然也可为任意的缩小比。
本发明实施例中的光掩模33象图3(a)所示的那样，按照使受表膜保护的第1表面15朝下的方式设置于曝光装置1的掩模台4上。在光掩模33的第1表面15上，象图3(b)所示的那样，象差测定单元36a～36i和37a～37i分别设置于第1象差测定单元区域34和第2象差测定单元区域35，该象差测定单元36a～36i和37a～37i测定投影光学系统9的各种透镜象差，比如，慧形象差、3θ象差等奇函数象差以及球面象差、象散等偶函数象差。在光掩模33的第2表面16上，象图3(c)所示的那样，设置有2种线栅型偏振镜。与第1象差测定单元区域34相对设置的第1偏振镜31和与第2象差测定单元区域35相对设置的第2偏振镜32的线栅图案的周期方向相互垂直。比如，第1偏振镜31的线栅图案的周期方向与图3(c)所示的光掩模33的左右方向的边平行，第2偏振镜32的线栅图案的周期方向为与第1偏振镜31的线栅图案的周期方向垂直相交的方向。
设置于依据本发明实施例的光掩模33的第2表面16上的线栅型偏振镜11象图4(a)的平面图所示的那样，为在规定方向上具有周期性的线与间隙(L/S)图案。在线栅型偏振镜11中的L/S图案在周期方向上的剖面结构如图4(b)所示，比如，在由透明石英形成的透明衬底12上，由铬(Cr)等金属膜形成的挡光部13a～13c按照一定的挡光部宽度W20nm、一定的周期P100nm排列。线栅型偏振镜11具有仅仅使已入射的光中的、沿L/S图案的周期方向具有电场振动面的直线偏振光通过的功能。
本发明实施例的光掩模33按照第2表面16朝向曝光光的入射侧的方式设置于曝光装置1的掩模台4上。在这里，第1，第2象差测定单元区域34，35的相应尺寸被设置为与曝光装置1的静止曝光中的总曝光区域相一致。射入光掩模33中的曝光光首先在第1，或第2偏振镜31，32的作用下，形成偏振面相互垂直的直线偏振光，射入第1，或第2象差测定单元区域34，35。由于采用2个直线偏振光，利用经过曝光的图案进行象差测定，故可判断投影光学系统9的投影透镜5的双折射的大小。另外，在本发明的实施例中，使具有第1和第2偏振镜31，32的第2表面16朝向曝光光的入射侧，但是，也可与此相反，使之朝向曝光光的射出侧设置，其原因在于在通过光掩模33的象差测定单元36a～36i和37a～37i时，曝光光的偏光状态不变化，通过第1和第2偏振镜31，32仅有选择地获取相应的直线偏振光分量。
线栅型偏振镜11的形成方法与用于半导体器件制造的光掩模的制造方法相同。首先，象图5(a)所示的那样，在相对于曝光光基本透明的透明衬底12上，通过蒸镀诸如铬之类的金属的方式，形成挡光性膜23。接着，在该挡光性膜23的表面上涂敷抗蚀剂，通过电子束印刷装置印刷线栅图案，通过显影步骤，象图5(b)所示的那样，在挡光性膜23上形成抗蚀剂图案14。然后，通过反应性离子蚀刻处理(RIE)步骤等，有选择地对挡光性膜23进行蚀刻，象图5(c)所示的那样，在透明衬底12上形成挡光部13a～13c，从而制成线栅型偏振镜11。另外，对于用于依据本发明实施例的象差测定中的象差测定用标记，也象后面将要描述的那样，基本结构为具有规定周期P的线与间隙(L/S)图案，该标记按照与图5所示的线栅型偏振镜11的形成方法相同的方式制作。
本发明实施例的光掩模按照下述方式制作在第1表面15上，将包含用于测定投影光学系统9的各种象差的象差测定用标记的象差测定单元36a～36i和37a～37i形成于第1和第2象差测定单元区域34，35上，另外，在第2表面16上，具有相互垂直的图案的线栅型第1和第2偏振镜31，32以相对的方式形成。
依据本发明实施例的象差测定采用比如，本申请发明人在日本第3256678号专利中所公开的透镜象差测定用标记。在象差测定用标记中，包括具有规定周期P的线与间隙(L/S)图案。全部L/S图案的线宽度/周期之比为0.5。周期P与曝光装置的相干因数σ、曝光波长λ、投影透镜开口数量NA之间，满足下述关系。
3·λ/(NA·(1+σ))≥P≥λ/(NA·(1-σ)) (1)公式(1)的条件为L/S图案的像通过0次衍射光与±1次衍射光的干涉而形成的条件，称其为“3光束干涉条件”即，指1次衍射光不与投影光学系统9的光瞳6脱开，3次以上的高次衍射光不通过光瞳6的面的条件。另外，由于L/S图案的线宽度/周期比为0.5，故不产生2次衍射光。在3光束干涉条件下的象差测定中，测定+1次衍射光通路上的波面象差与-1次衍射光通路上的波面象差之和以及之差。
用于测定彗形象差、3θ象差等奇函数象差的象差测定用标记的基本结构象图6(a)所示的那样，由均为多个正方形图案的一对曝光标43和剪切曝光标44形成。曝光标记43包括具有周期均匀的微细L/S图案的L/S内框图案41和包围L/S内框图案、在光掩模上线宽为2μm的外框图案42。L/S内框图案41的微细L/S图案的周期P满足上述公式(1)的条件。剪切曝光标44包括内框剪切图案46和外框剪切图案45。通过使曝光标记43与剪切曝光标记44的中心之间的距离为50μm，使其按照相互重叠的方式设置。曝光标记43与剪切曝光标记44比如沿图(6a)的左右方向，在光掩模上错开50μm，使相应的正方形的中心对准，此时内框剪切图案46与L/S内框图案41的一部分重合，而外框剪切图案45将外框图案42全部覆盖。
在奇函数象差的测定中，象图7所示的那样，与图6(a)所示的基本结构的曝光标43和剪切曝光标44相同，曝光标记121与剪切曝光标记124形成一对，沿顺时针方向旋转30度的第1旋转曝光标记122与第1旋转剪切曝光标记125形成一对，另外，沿顺时针方向旋转60度的第2旋转曝光标记123和第2旋转剪切标记126形成一对。在曝光标记121和剪切曝光标记124中，设置有L/S内框图案121a与外框图案121b，以及内框剪切图案124a与外框剪切图案124b。同样，在第1和第2旋转曝光标记122，123中，设置有L/S内框图案122a，123a，以及外框图案122b，123b，在第1和第2旋转剪切曝光标记125，126中，设置有内框剪切图案125a，126a，以及外框剪切图案125b，126b。另外，象图8所示的那样，第1曝光标记61和第1剪切曝光标记64，第2曝光标记62和第2剪切曝光标记65，以及第3曝光标记63和第3剪切曝光标记66分别成对地用于奇函数象差的测定。在这里，第1～第3曝光标记61～63的外框图案61b～63b为相同尺寸的图案，第1～第3剪切曝光标记64～66为相同的图案。L/S内框图案61a～63a在满足上述公式(1)的三光束干涉条件的范围内，由周期P不同的L/S图案形成。另外，不但设置有图7所示的第1和第2旋转曝光标记122，123，而且还设有配置使L/S图案的周期P在满足上述公式(1)的三光束干涉条件的范围内变化的L/S内框图案的旋转曝光标记对。
用于测定球面象差、象散等偶函数象差的曝光标记象图6(b)所示的那样，为周期P满足公式(1)的三光束干涉条件的微细L/S图案，纵向L/S标47、横向L/S标48、第1倾斜L/S标记49、第2倾斜L/S标记50 种形成一组。如果将纵向L/S标记47的L/S图案的周期P的朝向作为基准，则横向L/S标记48形成90°的朝向、第1倾斜L/S标49形成135°的朝向、第2倾斜L/S标记50形成45°的朝向。另外，与奇函数象差的情况相同，设置多个由在满足公式(1)的三光束干涉条件的范围内周期P不同的L/S图案形成的偶函数象差测定用曝光标记。
象这样，在第1和第2象差测定单元36a～36i和37a～37i中，彼此邻近地设置多个周期和朝向分别不同的奇函数和偶函数象差测定用的曝光标记。设置于该第1和第2象差测定单元36a～36i和37a～37i上的各曝光标记的排列是相同的。
下面对本发明实施例中的象差测定进行描述。曝光装置1的静止曝光区域为图3(b)所示的第1或第2象差测定单元区域34，35。于是，比如，首先，在光掩模33上的第1象差测定单元区域34，借助通过第1偏振镜31进行了直线偏振光处理的曝光光，将象差测定单元36a～36i的曝光标记图案转印到晶片10上。然后，在光掩模33上的第2象差测定单元区域35，借助通过第2偏振镜32进行了直线偏振光处理的曝光光，将象差测定单元37a～37i的曝光标记图案转印到晶片10上。此时，相对投影透镜5的第1象差测定单元区域34中的各曝光标记的相对位置，与相对投影透镜5的第2象差测定单元区域35中的各曝光标记的相对位置基本保持一致。即，2次象差测定对应于基本相同的像位置而进行。另外，由于奇函数和偶函数象差测定的曝光方法各不相同，故分别进行象差测定。
在奇函数象差测定中，分别对第1和第2象差测定单元区域34，35进行二次曝光。在采用图8的曝光标记61～66进行奇函数象差测定的场合，比如，首先进行第1次曝光，接着，使晶片台7沿第1～第3曝光标记61～63与第1～第3剪切曝光标记64～66重叠的方向移动12.5μm(在光掩模33上为50μm)，进行第2次曝光。通过二次曝光，第1 第3曝光标记61～63的L/S内框图案61a～63a和外框图案61b～63b以切出与第1～第3剪切曝光标记64～66重叠的部分的图案，转印到晶片10上，象图9所示的那样，通过显影步骤而形成第1～第3抗蚀剂图案67～69。第1～第3抗蚀剂图案67～69的L/S内框抗蚀剂图案67a～69a形成内框剪切图案64a～66a宽度的L/S图案，外框抗蚀剂图案67b～69b形成0.5μm宽度的图案。同样，图7所示的曝光标记121、第1和第2旋转曝光标记122，123通过切取剪切曝光标记124、第1和第2旋转剪切曝光标记125，126，象图10所示的那样，而形成由L/S内框抗蚀剂图案131a～133a和外框抗蚀剂图案131b～133b构成的抗蚀剂图案131、第1和第2旋转抗蚀剂图案132，133。图9和图10所示的L/S内框抗蚀剂图案67a～69a，131a～133a与外框抗蚀剂图案67b～69b，131b～133b的相对转印位置的偏移量采用错位检查装置而进行测定。
下面对通过奇函数象差测定获得的相对转印位置偏移量与奇函数象差量之间的关系进行描述。考虑下述状态，在该状态，通过接近σ＝0的相干照明，使沿x方向具有周期p的周期性、满足公式(1)的三光束干涉条件的L/S图案成像。象图11(a)所示的那样，在来自光源2的曝光光射入掩模图案21而发生衍射的场合，0次衍射光以垂直状态射入衬底面，±1次衍射光按照以入射面作为x-z平面、与0次衍射光成角度θ、并夹持0次衍射光的方式，射入光瞳面70，并在晶片上形成掩膜图案像22。在这里，以坐标系的原点为无象差透镜情况下呈现干涉波极大值的理想像点。另外，光的行进方向为正z方向的各衍射光的电场矢量由E0，E1，E1表示，曝光波长由λ表示，0次衍射光的振幅由A表示，±1次衍射光的振幅由B表示。另外，以0次衍射光的相位为基准，±1次衍射光的相位分别由Ф1、Ф-1表示。一般，省略时间依赖部分的光的电场矢量通过下述公式表示。
E＝A·exp(i·k·x)(2)在这里，i表示虚数单位，k表示波数矢量，x表示位置矢量。于是，各衍射光的电场矢量由下述公式表示。
数学公式(1)E0(x，y，z)＝A·exp(i·k·z)(3)E1(x，y，z)＝B·exp{i·(-k·x·sinθ+k·z·cosθ+φ1)}(4)E1(x，y，z)＝B·exp{i·(k·x·sinθ+k·z·cosθ+φ-1)} (5)在晶片上形成的干涉波I为I＝|E0+E1+E-1|2(6)如果将公式(6)展开，则数学公式(2)I＝A2+2·B2+2A·B·cos(S·k·x-φodd)·cos(C·k·z-φeven)+2·B2·cos{2·(S·k·x-φodd)}(7)
在这里，为了简化起见，采用S＝sinθ，C＝1-cosθ，φeven＝(φ1+φ-1)/2，φodd＝(φ1-φ-1)/2的置换关系。φeven表示偶函数象差分量，φodd表示奇函数象差分量。如果考虑将z固定，x y平面的动作，则知道，原点附近处的干涉波的极大位置存在于S·k·x-φodd＝0，即，x＝φodd/(S·k) (8)如果考虑±1次衍射光的入射角θ与L/S图案周期P和曝光波长λ之间，具有sinθ＝λ/P (9)的关系，则L/S图案的相对转印位置偏移量δx由下述公式表示δx＝P·φodd/(2·π) (10)另一方面，比如，图6(a)所示的外框图案42为相对于曝光波长λ而言宽度足够大的图案，通过投影透镜的曝光光通过光瞳面70的中央。通常，由于对投影透镜的中央进行良好地调整，故可认为在光瞳面70中央的波面象差为0。于是，外框图案42的位置在大部分场合不发生变化，从而可作为位置基准标记。即，根据采用错位检查装置测定的相对转印位置偏移量δx，由下述公式导出奇函数象差φodd。
φodd＝2·π·δx/P (11)在这里，象差用相位因次来表示。在以曝光波长λ为单位的表述下，变成了
φodd＝δx/P(12)该φodd(R，θ)表示投影光学系统9的光瞳6的光瞳面70内的坐标(R，θ)处的波面象差的奇函数分量。光瞳面70由半径为1的单位圆限定，光瞳面70的矢径R满足0≤R≤1。当对周期P的L/S图案进行曝光时，0次衍射光通过光瞳面70的中央，±1次衍射光通过在L/S图案的周期方向相对于光瞳面70的中央偏离了λ/(P·NA)的位置。衍射光通过位置距光瞳面70中心的距离与L/S图案的周期P成反比，因此在周期P较大的场合，象图11(b)所示的那样，通过相对于光瞳面70的中心偏离R1的内侧位置，在周期P较小的场合，象图11(c)所示的那样，通过相对于光瞳面70中心偏离R2的外侧位置。换言之，以单位圆限定的光瞳面70上(R，θ)处的奇函数象差分量为φodd，而(R，θ+180°)处的奇函数象差分量为-φodd。即，φodd(R，θ)＝δx/P (13)φodd(R，θ+180°)＝-δx/P (14)另外，矢径R与λ、P、NA之间，具有下述的关系。
R＝λ/(P·NA)(15)如果考虑上述方面，通过对由周期P和旋转角度不同的曝光标记构成的象差测定用图案进行测定，可求出光瞳面70上不同位置处的奇函数象差分量φodd(R，θ)。比如，根据对由周期为Po、旋转30°的曝光标记构成的象差测定用图案的测定，求出φodd(λ/(Po·NA)，30°)与φodd(λ/(Po·NA)，-150°) ＝-φodd(λ/(Po·NA)，30°)。下面，根据求出的φodd，计算出奇函数象差的泽尔尼克象差系数，通过在光学评论(OPTICAL REVIEW)，第7卷，(2000年)，525页～534页中所描述的下述矩阵计算，将奇函数象差分为1θ分量，3θ分量，5θ分量。
数学公式3 接着，将奇函数象差的1θ分量，3θ分量代入矢径函数，求出系数。
数学公式4φcosθ(R)＝a2·Z2(R)+a7·Z7(R)+a14·Z14(R)+…(17)φsinθ(R)＝a3·Z3(R)+a8·Z8(R)+a15·Z15(R)+…(18)φcos3θ(R)＝a10·Z10(R)+a19·Z19( R)+…(19)φcos3θ(R)＝a11·Z11(R)+a20·Z20(R)+…(20)在这里，an(n为整数)表示第n项的泽尔尼克象差系数，Zn(R)表示第n项的泽尔尼克多项式的矢径R依赖部分。象这样，求出彗形象差a7，a8，3θ象差a10，a11，及其高次分量a14，a15，a19，a20。
下相对偶函数象差测定进行描述。一边慢慢地改变曝光量固定的焦点位置和转印位置，一边使图6(b)所示的4种L/S标记47～50曝光在涂敷了抗蚀剂的晶片10上。采用扫描型显微镜(SEM)等，测定象这样使聚焦状态变化而转印的L/S抗蚀剂图案。各L/S抗蚀剂图案的线宽度随聚焦状态的变化而具有极大值。线宽度为极大值的聚焦状态为在3光束干涉中形成的干涉波的对比度为极大值的状态，即，最佳焦点。针对周期或朝向不同的各图案，确定最佳焦点。具体来说，对于每个焦点位置，即，在曝光装置中设定的各焦距，取L/S抗蚀剂图案线宽度的极大值或间隙宽度的极小值的位置形成最佳焦点的位置。比如，象图12所示的那样，纵向L/S抗蚀剂图案111a～111g在散焦距离为-0.2～0.4μm的范围内转印图案，且最佳焦点为0.1μm的位置。同样，横向L/S抗蚀剂图案112a～112g、第1倾斜L/S抗蚀剂图案113a～113g和第2倾斜L/S抗蚀剂图案114a～114g，其相应的最佳焦点分别位于0，-0.1，0的散焦距离位置处。在上述实例中，取线宽度为极大值或间隙宽度为极小值的位置为最佳焦点，但在曝光量较小的场合，也可使线宽度为极小值或间隙宽度为极大值的位置为最佳焦点。另外，对于散焦距离为0的位置，可以比如，通过图6(a)所示的曝光标43的外框图案42，预先求出不同图案之间的平均最佳焦点位置，并将该位置设定为散焦的基准位置。于是，图12中散焦距离为0.0的状态表示所使用的曝光装置1中的散焦基准位置，而非表示没有象差时的焦点位置。
下相对最佳焦点偏移与偶函数象差量之间的关系进行描述。对于通过3光束干涉而形成于晶片上的干涉波的公式(7)，考虑到晶片10沿光的行进方向(z方向)而偏移的情况。由于确定对比度的公式(7)的右边第2项对z具有依赖性，故形成最佳焦点的条件由下述公式表示。
C·k·Z-φeven＝0 (21)即，最佳焦点相对于无象差时的偏移量δ z与偶函数象差分量φeven成比例。具体来说，±1次衍射光的入射角θ与L/S周期P与曝光波长λ之间，具有下述公式(9)的关系φeven＝C·k·δz＝2·π·κ(λ，P)·δz/λ(22)
在这里，κ(λ，P)＝1-(1-λ2/P2)1/2。在公式(22)中，象差由相位因次表示。在以波长为单位的表述中，φeven＝κ(λ，P)·δz/λ(23)φeven(R，θ)表示投影透镜5的光瞳面坐标(R，θ)处的波面象差的偶函数分量。换言之，在由单位圆限定的光瞳面70上，(R，θ)和(R，θ+180°)处的偶函数象差分量为φeven。即数学公式5φeven(R，θ)＝φeven(R，θ+180°)＝κ(λ，P)·δz/λ(24)如果考虑上述方面，则通过由周期P和角度不同的曝光标记形成的L/S抗蚀剂图案的测定，求出光瞳面70上的不同的位置的偶函数象差分量φeven(R，θ)。比如，通过由周期为Po，旋转45°的标记形成的L/S抗蚀剂图案的测定，求出数学公式6φeven(λ/(Po·NA)，45°)＝φeven(λ(Po·NA)，-135°) (25)接着，根据最佳焦点的偏移量，计算偶函数象差的泽尔尼克象差系数。通过上述光学评论(optical review)中描述的下述矩阵计算，将偶函数象差分为0θ分量φsym(R)、2θ分量φcos2θ(R)、φsin2θ(R)等。
数学公式7
接着，将0θ分量φsym(R)、2θ分量φcos2θ(R)、φsin2θ(R)代入到矢径函数中，计算系数。
数学公式8φsym(R)＝a4·Z4(R)+a9·Z9(R)+a16·Z16(R)+…(27)φcos2θ(R)＝a5·Z5(R)+a12·Z12(R)+… (28)φsin2θ(R)＝a6·Z6(R)+a13·Z13(R)+… (29)象这样，求出球面象差a4、象散a5，a6及其高次分量a16，a12，a13。另外，在到公式(21)～(25)为止的描述中，对应于无象差透镜时的最佳焦点偏移量由δz表示，但是在实际测定中，无象差透镜时的最佳焦点位置是不明确的。于是，象以图12为例所描述的那样，以适当的散焦位置作为散焦的基准位置，采用与其相对应的最佳焦点偏移量δz’来代替δz。如果采用最佳焦点偏移量δz’进行公式(26)，(27)的计算，则表示散焦的系数a4发生变化，但表示偶函数象差的其它系数a5，a6，a9等均未变化。于是，即使在采用最佳焦点偏移量δz’的情况下，仍可测定偶函数象差。
下面根据图1，对依据本发明实施例的投影透镜的性能检查方法进行描述。
(a)首先，将光掩模33和途敷有第1抗蚀剂的晶片10安装于曝光装置1的晶片台7上。在步骤S101，采用比如，第1象差测定单元区域34的、如图6(a)，图7和图8所示的奇函数象差测定用曝光标记，进行二次曝光，并由通过第1偏振镜31进行了直线偏振处理的曝光光将相应的L/S图案转印到晶片10上的第1抗蚀剂上。在第1抗蚀剂显影之后，测定相对于图9和图10所示的L/S抗蚀剂图案的横向偏移量δx。
(b)将涂敷有第2抗蚀剂的晶片10安装于曝光装置上。在步骤S102，采用第1象差测定单元区域34的、如图6(b)所示的偶函数象差测定用曝光图案，在改变曝光量固定的原焦点位置和转印位置的同时，由通过第1偏振镜31进行了直线偏振处理的曝光光将各L/S图案转印于晶片10上的第2抗蚀剂上。在第2抗蚀剂显影之后，测定相对于图12所示的L/S抗蚀剂图案的最佳焦点偏移量δz。
(c)在步骤S103，根据由通过第1偏振镜31进行直线偏振处理的曝光光造成的横向偏移量δx和最佳焦点偏移量δz，计算第1泽尔尼克象差系数。比如，计算彗形象差的泽尔尼克系数a7，a8以及3θ象差的泽尔尼克系数a10，a11作为奇函数象差，另外，计算象散的泽尔尼克系数a5，a6以及球面象差的泽尔尼克系数a9作为偶函数象差。
(d)接着，在步骤S104，将涂敷有第3抗蚀剂的晶片10安装于曝光装置上。采用第2象差测定单元区域35的、如图6(a)、图7和图8所示的奇函数象差测定用曝光标记，进行二次曝光，通过借助第2偏振镜32进行直线偏振处理的曝光光，将各L/S图案转印于晶片10上的第3抗蚀剂上。在第3抗蚀剂显影之后，测定相对于图9和图10所示的L/S抗蚀剂图案的横向偏移量δx。
(e)将涂敷有第4抗蚀剂的晶片10安装于曝光装置上。在步骤S105，采用第2象差测定单元区域35的、如图6(b)所示的偶函数象差测定用曝光标记，在改变曝光量固定的原焦点位置和转印位置的同时，由通过第2偏振镜32进行直线偏振处理的曝光光将各L/S图案转印于晶片10上的第4抗蚀剂上。在第4抗蚀剂显影之后，测定相对于图12所示的L/S抗蚀剂图案的最佳集点偏移量δz。
(f)在步骤S106，根据由通过第2偏振镜32进行直线偏振处理的曝光光造成的横向偏移量δx和最佳焦点偏移量δz，计算第2泽尔尼克象差系数。与步骤S103相同，计算彗形象差的泽尔尼克系数a7，a8以及3θ象差的泽尔尼克系数a10，a11作为奇函数象差，计算象散的泽尔尼克系数a5，a6以及球面象差的泽尔尼克系数a9作为偶函数象差。
(g)在步骤S107，求出计算出的第1和第2泽尔尼克象差系数之差。根据所求出的泽尔尼克象差系数差，在步骤S108，判断投影透镜5的性能，并进行投影透镜5的区分。
图13表示作为检查1和2而计算出的第1和第2泽尔尼克象差系数，以及该泽尔尼克象差系数之差。如果对投影透镜5的双折射进行充分抑制，则在检查1的结果与检查2的结果之间就没有差别。另一方面，在投影透镜5的双折射较大的场合，由于投影透镜5的有效象差随光的偏光状态而变化，故改变曝光光的偏光状态而2次曝光的曝光测定结果是不同的。在图13中，通过2次检查计算出的泽尔尼克象差系数之差为在检查1中计算出的泽尔尼克象差系数的10％以上，从而投影透镜5呈现较大的双折射率。
如果投影透镜不呈现双折射，则入射光的偏光状态与射出光的偏光状态相同。另一方面，在采用呈现双折射的材料时，入射光与射出光的偏振光状态发生变化。在偏振光入射到呈现双折射的光透射材料中时，射出光的偏光状态由下述公式表示。
数学公式9Ep′ES′=MEPES--------(30)]]>在这里，(Ep，Es)表示入射光的电场矢量的p偏振光分量和s偏振光分量，(Ep’，Es’)表示射出光的电场矢量的p偏振光分量和s偏振光分量，M表示与光透射材料内的光路有关的琼斯(Jones)矩阵。
用作曝光装置1的透镜材料的萤石的双折率的值随结晶方向而不同。于是，接收随曝光光所通过的通路而不同的偏光状态的变化。该状态可通过在光瞳6上的任意点而定义的2×2的矩阵M表示。矩阵M为光瞳坐标和像面坐标的函数。另外，当考虑某一个像点的成像时，矩阵M为光瞳坐标的函数。
在曝光装置1中，从光掩模33射出的衍射光入射到投影透镜5，通过投影透镜5的光到达晶片10。在晶片10的表面，由2个以上的光束进行干涉而成像。在光束的干涉中，相互垂直的偏振光之间不干涉，从而不产生像的反差(contrast)。于是，在干涉光处于相互不同的偏光状态时，像的对比度降低，因此难于形成正常的图案。
在这里，以通过2光束干涉而成像为实例，对双折射的影响进行说明。象图14所示的那样，曝光光B通过光掩模33的偏振镜和L/S曝光标记而被偏振、衍射成为第1和第2偏振光线B1，B2。在射入投影透镜之前，处于同一强度和偏光状态的第1和第2偏振光线B1，B2这2条光束表现为通过投影透镜5内的另一通路，在同一入射面(图14的x-z平面)上，以与晶片10的法线成θ角的倾斜角度射入晶片10表面的状态。在这里，采用与入射面平行的分量(p偏振光分量)和与入射面相垂直的分量(s偏振光分量)来表示射入晶片10表面的第1和第2偏振光线B1，B2的偏光状态。第1偏振光线B1的偏光状态和第2偏振光光线B2的偏光状态分别被表示为(E1p，E1s)、(E2p，E2s)。如果p偏振光与s偏振光的相位差为φγb(γ为1或2)，则光的电场矢量的p偏振光分量、s偏振光分量表示如下。但是，其中省略了依赖于时间的项。
Eγp＝Aγb·exp{i·(kγ·x+φγ+φγb/2)}(31)Eγs＝Aγs·exp{i·(kγ·x+φγ-φγb/2)}(32)φγ表示s偏振光、p偏振光的平均相位，i表示虚数单位，x表示位置矢量。Aγb、Aγs分别表示电场的p偏振光分量、s偏振光分量的振幅。kγ表示波数矢量，具体来说，由下述公式表示。
k1＝2·π/λ(sinθ，0，cosθ) (33)k2＝2·π/λ(-sinθ，0，cosθ) (34)在这样的条件下，如果考虑到电场的振动面相互垂直的p偏振光和s偏振光互不干涉的情况，则晶片表面上的干涉波I由p偏振光的干涉波Ip和s偏振光的干涉波Is之和表示。即，数学公式10Ip＝|E1p+E2p|2＝|A1p|2+|A2p|2+2·A1p·A2p·(2·k·x·sinθ+Δφ+Δφb) (35)Is＝|E1s+E2s|2＝|A1s|2+|A2s|2+2·A1s·A2s·(2·k·x·sinθ+Δφ-Δφb) (36)I＝Ip+Is＝I1+I2+Ap·cos(2·k·x·sinθ+Δφ+Δφb)+A s·cos(2·k·x·sinθ+Δφ-Δφb) (37)其中，I1，I2分别表示光线1和光线2的强度，Ap＝2·A1p·A2p·cos(2·θ)表示p偏振光之间的干涉波振幅，As＝2·A1s·A2s表示s偏振光之间的干涉波振幅。k表示波数矢量的大小，Δφ＝φ1-φ2表示与偏振光无关的2个光束的相位差，Δφb＝φ1b-φ2b表示依赖于偏振光的大小的2个光束的相位差。另外，由于在各干涉波中，象差是不同的，故p偏振光分量的象差和s偏振光分量的象差分别为φb＝Δφ+Δφb(38)φs＝Δφ-Δφb(39)作为像整体的象差φ采用p偏振光的干涉波的振动分量Ap、p偏振光的象差φp、s偏振光的干涉波的振动分量As、s偏振光的象差φs，可近似为下述公式。
数学公式11φ(Ap·φp+As·φs)/(Ap+As)＝Δφ+Δφb·(Ap-As)/(Ap+As)(40)Ap，As为通过二个光束的偏光状态而确定的值，象公式(30)所示的那样，Ap，As为将表示入射光的偏光状态的矢量，与依赖于光瞳坐标的矩阵M相乘而获得的矢量的各分量的大小。即，2个光束的偏光状态随入射到投影透镜5的光的偏光状态而变。于是通过在射入投影透镜5之前改变光的偏光状态，对晶片10面上的像的象差影响是不同的。即，通过测定形成于晶片10面上的象差测定用抗蚀剂图案而计算出的象差值随入射侧的光的偏光状态而变化。在投影透镜5的双折射足够小的场合，通过投影透镜5的光的偏光状态不变化。此时，矩阵M为不依赖于光瞳坐标的单位矩阵。于是，由于φ1b＝φ2b，Δφb＝0，故不依赖于入射侧的偏光状态的公式(40)中的φ为恒定值。即，通过测定形成于晶片10面上的象差测定用抗蚀剂图案而求出的象差值如果随入射侧光的偏光状态而变化，则可判定投影透镜5的双折率足够小。
在这里，以2光束干涉为实例进行描述，但是，在3光束干涉的场合，也同样论述成立。即，通过改变入射光的偏光状态，进行曝光后测定象差，能够对投影透镜5的双折率大小进行分析。
(其它实施例)象上述那样，对本发明的实施例进行了描述，但是，不应理解为构成该公开内容一部分的描述和附图是对本发明的限定。根据该公开内容，本领域的普通技术人员应当理解各种替代的实施形式、实施例和运用技术。
在依据本发明实施例的光掩模33中，线栅型第1和第2偏振镜31，32平行地设置在光掩模33的端面上，但是，也可象图15所示的那样，按照与设置于光掩模33a的第1表面15a上的第1和第2象差测定单元区域34a，35a相对的方式设置于第2表面16a上的第1和第2偏振镜161，162的线栅型图案的方向也可以被设置成在相对于光掩模33a的端面而倾斜方向不同的方向上相互垂直。在这样的场合下，由于通过第1和第2偏振光161，162而获得了相互垂直的直线偏振光，故也可以获得与上述实施例相同的效果。
另外，也可以象图16所示的那样，在与光掩模33b的第1表面15b上的第1象差测定单元区域34b相对的第2表面16b上，设置偏振镜172，而在与第2象差测定单元区域35b相对的第2表面16b的区域，不设置栅型偏振镜。此时，利用偏振光与非偏振光的状态，根据投影透镜5的象差之差，进行检查。
此外，在本发明的实施例中，线栅型偏振镜设置于光掩模33的第2表面16上，但是，线栅型偏振镜也可以不设置于光掩模33上，而设置于表膜8上。象图17(a)所示的那样，设置表膜8a，以便防止灰尘附着于光掩模33c上。如图17(b)所示，在光掩模33c的第1表面15c上，设置第1和第2象差测定单元区域34c，35c。第1和第2偏振镜31a，32a如图17(c)所示，设置于表膜8上、与第1表面15c的第1和第2象差测定单元区域34c，35c相对的位置。表膜8a的构造象图18所示的那样，在与光掩模33c相同的透明衬底18上，以L/S图案的周期P设置挡光部宽度为W的挡光部19a～19c。由于从光掩模33c透射的曝光光的偏光状态不变化，故即使线栅型偏振镜位于表膜8上，仍可获得与上述本发明的实施例相同的效果。另外，即使第1和第2偏振镜31a，32a位于与光掩模33C相对的、表膜8a的相反面上，也能获得同样的效果。
还有，在本发明的实施例中，采用彗形象差、3θ象差的奇函数象差球面象差、象散的偶函数象差作为投影透镜5的象差，但是，利用4种象差中的任何一种都可进行对投影透镜的正确检查。或者，也可采用奇函数象差、偶函数象差之一。另外，投影透镜5的象差测定方法不限于所描述的方法，显然其它方法也同样适用。
显然，本发明还包括在这里未描述的各种实施例等。于是，本发明的技术范围仅仅由根据上面描述的适当权利要求所限定的请求保护范围确定。
本发明的效果依据本发明，可提供以与其它成像变差因素相区分的方式，检查双折射的影响的投影光学系统的检查方法。
另外，依据本发明，可提供投影光学系统的检查方法所使用的光掩模。
权利要求
1.一种检查方法，其特征在于该检查方法包括下述步骤通过已偏振的第1曝光光，在涂敷于晶片上的抗蚀剂上转印光掩模的曝光标记，并求出投影光学系统的第1光学特性；通过其偏光状态与上述第1曝光光不同的第2曝光光，在涂敷于晶片上的新的抗蚀剂上转印上述光掩模的曝光标记，并求出上述投影光学系统的第2光学特性；计算上述第1和第2光学特性之差。
2.根据权利要求1所述的检查方法，其特征在于上述第1曝光光为直线偏振光。
3.根据权利要求1所述的检查方法，其特征在于上述第2曝光光为与上述第1曝光光的偏振光相垂直的偏振光。
4.根据权利要求1所述的检查方法，其特征在于上述第2曝光光为非偏振光。
5.根据权利要求1所述的检查方法，其特征在于上述曝光光通过与上述光掩模的曝光标记相对设置的偏振镜实现偏振。
6.根据权利要求1所述的检查方法，其特征在于上述曝光光通过形成于表膜上的偏振镜实现偏振。
7.根据权利要求1所述的检查方法，其特征在于上述光学特性为上述投影光学系统的投影透镜的象差。
8.根据权利要求7所述的检查方法，其特征在于上述投影透镜的象差为彗形象差、球面象差、象散、3θ象差中的任意组合。
9.根据权利要求7所述的检查方法，其特征在于上述象差测定在三光束干涉条件下进行。
10.根据权利要求7～9中的任何一项所述的检查方法，其特征在于上述象差由泽尔尼克多项式的象差系数表示。
11.一种光掩模，其特征在于该光掩模包括透明衬底，该透明衬底具有第1表面和与该第1表面相对的第2表面；曝光标记，该曝光标记设置于上述第1表面上；偏振镜，该偏振镜按照与上述曝光标记相对地设置于第2表面上。
12.根据权利要求11所述的光掩模，其特征在于上述偏振镜由下述第1偏振镜和第2偏振镜构成，该第1偏振镜使曝光光在第1偏光状态下偏振，该第2偏振镜使曝光光在不同于上述第1偏光状态的第2偏光状态下偏振。
13.根据权利要求12所述的光掩模，其特征在于上述第1偏光状态为直线偏振光。
14.根据权利要求12所述的光掩模，其特征在于上述第2偏光状态的偏振面与第1偏光状态相垂直。
15.根据权利要求12所述的光掩模，其特征在于上述第2偏光状态为非偏光状态。
16.根据权利要求11所述的光掩模，其特征在于上述偏振镜为线与间隙图案。
17.根据权利要求16所述的光掩模，其特征在于上述偏振镜的线与间隙图案的周期为曝光光波长以下。
18.根据权利要求11～17中的任何一项所述的光掩模，其特征在于上述曝光标记包括投影透镜的象差测定图案。
19.一种光掩模，其特征在于该光掩模包括第1透明衬底，该第1透明衬底具有第1表面；曝光标记，该曝光标记设置于上述第1表面上；表膜，该表膜由第2透明衬底形成，该第2透明衬底具有与上述第1表面相对设置的第2表面；偏振镜，该偏振镜与上述曝光标记相对地设置于上述第2表面上。
20.根据权利要求19所述的光掩模，其特征在于上述偏振镜由下述第1偏振镜和第2偏振镜构成，该第1偏振镜使曝光光在第1偏光状态下偏振，该第2偏振镜使曝光光在不同于上述第一偏振状态的第2偏光状态下偏振。
21.根据权利要求20所述的光掩模，其特征在于上述第1偏光状态为直线偏振光。
22.根据权利要求20所述的光掩模，其特征在于上述第2偏光状态下的偏振面与第1偏光状态相垂直。
23.根据权利要求20所述的光掩模，其特征在于上述第2偏光状态为非偏光状态。
24.根据权利要求19所述的光掩模，其特征在于上述偏振镜为线与间隙图案。
25.根据权利要求24所述的光掩模，其特征在于上述偏振镜的线与间隙图案的周期为曝光光波长以下。
26.根据权利要求19～25中的任何一项所述的光掩模，其特征在于上述曝光标记包括投影透镜的象差测定图案。
全文摘要
本发明提供一种投影光学系统的高精度的检查方法。通过经偏振的第1曝光光，在涂敷于晶片(10)上的抗蚀剂上转印光掩模(33)的曝光标记，并求出投影光学系统(9)的光学特性。接着，通过其偏光状态与第1曝光光不同的第2曝光光，在涂敷于晶片(10)上的抗蚀剂上转印光掩模(33)的曝光标记，并求出投影光学系统(9)的光学特性。然后，计算通过第1和第2曝光光求出的光学特性之差，进行投影光学系统(9)的性能检查。
文档编号G03F1/44GK1493923SQ03147290
公开日2004年5月5日 申请日期2003年7月11日 优先权日2002年7月11日
发明者福原和也, 一, 田中聪, 井上壮一 申请人:株式会社东芝