专利名称：检查曝光装置、补正焦点位置和制造半导体装置的方法
技术领域：
本发明涉及在半导体光蚀刻(リングラフイ一)步骤中使用的检查曝光装置的光学系统状态的方法、补正焦点位置的曝光方法，以及使用曝光装置的半导体装置的制造方法。
例如，在设计标准是0.13μm的半导体器件中，焦点深度是不足0.5μm。这种情况下，焦点位置的设定精度，希望可以用比焦点深度的10分之1更高的精度设定。因而，至少需要以0.05μm的精度设定焦点位置。另外，不用说，该设定不仅仅是重复精度好，而且如果不能高精度地测定真的焦点位置则没有意义。这样，在制造设计标准是0.13μm的半导体器件的情况下，重要的是至少可以以0.05μm的精度测定曝光装置的焦点位置，或者可以监视焦点位置。
如以上所举例子简单地说明那样，开发了各种例如根据通过曝光的复制图案，正确地监视曝光装置的焦点位置的技术。
例如，其中之一是，使用相位偏移图案(シフトパタ一ン)的监视技术。其代表性的例子由International Business Machine Corporation(IBM公司)的Timothy Brunner等，发表在Prco。SPIE vol.2726(’96)的第236页上。
该方法是使用具有图30所示那样的断面构造的底版掩膜401的方法。底版掩膜401，由具有光透过性的掩膜主体402以及铬制的遮光体403等构成，在掩膜主体402的一主面上，形成通过曝光复制在半导体基片上的未图示的监视用的掩膜图案。掩膜主体402，如在图30展示其断面构造那样，具有基准面402a、与其相位差90°(偏移后)的面(相位偏移)402b，在这些基准面402a和相位偏移面402b的边界区域上配置有遮光体403。进而，在基准面402a上配置有未图示的基准图案。
用以上简单说明的底版掩膜401，把掩膜图案曝光在半导体基片上。这时，半导体基片的位置，即未图示的曝光装置的焦点如果从最佳的焦点位置偏离，则被形成在基准面402a和相位偏移面402b的边界区域上的掩膜图案(遮光体)403，和在基准面402a上的未图示的基准图案的被复制在半导体基片上的相对位置变化。这种情况下，从半导体基片的最佳焦点位置的偏移量，和上述相对位置偏移量，已知相互具有大致线性的关系。由Timothy Brunner等提出的该方法，企图通过用例如所谓的对准偏移(合ゎせずれ)检查装置等读取各复制图案的位置偏移量，把其结果适用在上述的线性关系中，正确地监视曝光装置的焦点位置。
如果采用此方法，则通过检查在半导体基片位置的各种变化后曝光的多个复制图案，不需要进行求曝光装置的最佳聚焦位置的操作。即，用一次曝光形成测定曝光装置的聚焦位置的检查图案，通过测定该检查图案可以求曝光装置的最佳的聚光位置。
另外最近，和上述的Timothy Brunner等的监视方法一样，通过用对准偏移检查装置测定图案的位置偏差量，监视曝光装置的聚焦位置的技术，由三菱电气株式会社的中尾修治等人，发表在第48届应用物理学会关系联合会讲演预稿集No.2(2001年3月)的第733页上。该技术，是不使用如上述那样形成有相位偏器402b的特殊的掩膜，而使用只采用通常的铬的遮光膜图案形成检查用的掩膜图案的一般的掩膜，监视曝光装置的聚焦位置的技术。
此方法是使用，如果用曝光装置的照明光源的相干性σ(コヒ一レンシ一σ)光学性标准化，则是使用可以模式化表示为图31所示那样大小以及形状的照明孔径501的方法。首先，在曝光装置的二次光源面一侧上配置照明孔径501，使得未图示的曝光装置的照明光源的中心到达实际上从曝光装置的光轴偏移的，所谓的轴偏移位置。在这样的轴偏移的照明条件下，曝光比较大的尺寸，例如2μm的图案。另外，照明光源的中心在实际上来到光轴的中心的位置的照明条件下同样地曝光2μm的图案。但是，在这2种不同的照明条件下曝光时，进行双重曝光，使得已曝光的各图案，变为所谓的箱中箱(ボツクス·ィン·ボツクス)的检查图案。如果更详细地说，则是以在轴偏移的照明条件下形成的图案变为内侧箱，另外在轴中心的照明条件下形成的图案变为外侧那样的设定条件下进行双重曝光。
在轴偏移的照明条件下曝光的图案，在对应焦点位置的偏移量保持大致线性关系的同时引起位置偏移，与此相对，在轴中心的照明条件下曝光的图案，即使焦点位置变化也不引起位置偏移。因而，在该方法中，通过用对准偏移检查装置测定箱中箱的检查图案的内侧图案和外侧图案的相对位置偏移量，就可以测定在曝光时的曝光装置的焦点位置。
该方法可以执行的原因是，在投影比较粗的图案的情况下，照射掩膜上的粗的图案的光线，因为在透过掩膜时几乎没有角度扩大并衍射的现象，所以可以只以大致主光线附近的衍射光投影。另外，在该方法中，形成在掩膜上的图案用由通常使用的遮光膜组成的图案就足够，不需要特殊的相位偏移图案。
在上述的Timothy Brunner等的监视方法中，在底版掩膜401上，需要形成引起不是通常使用的90°的相位偏移的相位移相器402b。因此，掩膜的制造成本增加。
另外，在上述的三菱电气株式会社的中尾修治等的监视方法中，如果不进行双重曝光就不能复制检查图案(测定用图案)。因而，如果在批量生产现场适用采用该方法的聚焦监视器，则因为花费在曝光中的时间增加，所以生产性下降。另外，在该方法中为了高精度地测定聚焦位置，需要以数nm的精度读取测定用图案的位置偏移量。因此，在进行双重曝光时，在第1次曝光和第2次曝光之间需要掩膜以及复制基片不动。在需要以这种数nm的精度读取的情况下，为了确保测定所需要的精度，进一步需要以其数分之一的位置精度，即以1nm以下的位置精度持续保持掩膜以及复制基片的位置。可是，在这种精度下持续保持掩膜以及复制基片(显像体)的位置，即使具有目前高的控制技术也是非常困难的。
进而，如果存在以上说明的问题，则以适宜的形状复制掩膜图案变得困难，而且制造可以发挥所希望的性能的优良的半导体装置也很困难。
为了解决上述问题，本发明的曝光装置的检查方法的特征在于在从由曝光装置的光轴偏移的方向上照明形成有至少包含一组相互形状不同的第1掩膜图案以及第2掩膜图案的掩膜图案的掩膜，向显像体曝光投影上述掩膜图案的像，通过测定曝光投影在上述显像体上的上述第1以及第2的各掩膜图案的像之间的相对距离，调查上述曝光装置的光学系统的状态。
在该曝光装置的检查方法中，从由曝光装置的光轴偏移的方向照明，测定被曝光投影在显像体上的相互形状不同的第1以及第2的各掩膜图案的像之间的相对距离。因而，不需要使用特殊的掩膜，或者进行双重曝光等的繁杂的曝光操作。另外，在可以排除掩膜以及基片的位置确定误差的同时，使用所谓的对准偏移检查装置等的一般的检查装置，测定第1以及第2的各掩膜图案的像之间的相对距离，由此可以调查曝光装置的光学系统的状态。
另外，为了解决上述问题，本发明的补正焦点位置的曝光方法的特征在于用本发明的曝光装置的检查方法测定上述曝光装置具备的投影光学系统的焦点位置，根据该测定结果使上述半导体基片沿着上述曝光装置的光轴方向移动，在配置在上述投影光学系统的适宜的焦点位置上后，在上述感光性材料上曝光投影上述掩膜图案的像进行复制。
在补正该焦点位置的曝光方法中，用本发明的曝光装置的检查方法测定投影光学系统的焦点位置，在根据该测定结果把半导体基片配置在投影光学系统的适宜的焦点位置上后，在感光性材料上曝光投影掩膜图案的像进行复制。因而，不需要使用特殊的掩膜，或者进行双重曝光等繁杂的曝光操作。另外，在可以排除掩膜以及基片的位置确定误差的同时，可以使用所谓的对准偏移检查装置等的一般的检查装置把焦点位置补正在适宜的状态下曝光。
另外，为了解决上述问题，本发明的半导体装置的制造方法的特征在于包含，用本发明的曝光装置的检查方法调查上述曝光装置的光学系统的状态，在根据该结果把上述曝光装置的光学系统设定在适宜的状态下的同时，在把在一主面上设置有感光性材料的半导体基片配置在上述曝光装置具备的投影光学系统的适宜的焦点位置上后，在上述感光性材料上复制半导体装置制造用的掩膜图案的像，形成抗蚀剂图案的步骤。
另外，为了解决上述问题，本发明的半导体装置的制造方法的特征在于包含，用本发明的曝光装置的检查方法测定上述投影光学系统的焦点位置，在根据其测定结果把上述投影光学系统的焦点位置设定在适宜的状态的同时，在把在一主面上设置有感光性材料的半导体基片配置在上述投影光学系统的适宜的焦点位置上后，在上述感光性材料上复制半导体装置制造用的掩膜图案的像，形成抗蚀剂图案的步骤。
进而，为了解决上述问题，本发明的半导体装置的制造方法的特征在于包含，在用本发明的补正焦点位置的曝光方法把上述投影光学系统的焦点位置补正在适宜的状态下的同时，在把在一主面上设置有感光性材料的半导体基片配置在上述投影光学系统的适宜的焦点位置上后，在上述感光性材料上复制半导体装置制造用的掩膜图案的像，形成抗蚀剂图案的步骤。
在这些半导体装置的制造方法中，用本发明的曝光装置的检查方法或者本发明的补正焦点位置的曝光方法，把投影光学系统的焦点位置设定在适宜的状态，或者补正等，在把曝光装置的光学系统设定在适宜的状态的同时，把半导体基片配置在投影光学系统的适宜的焦点位置上，在感光性材料上复制半导体装置制造用的掩膜图案的像，形成抗蚀剂图案。因而，可以以低成本、迅速、高精度，并且容易地把曝光装置的光学系统的状态设定在适宜的状态，可以在适宜的曝光状态下形成抗蚀剂图案。
图2是模式化展示本发明的第1以及第2实施方式的照明光的轴偏移量的图。
图3是展示在本发明的实施方式1的曝光装置的检查方法中使用的掩膜的平面图。
图4是展示使用图3的掩膜形成在基片上的抗蚀剂图案的平面图。
图5是以图案的每一种粗细展示使用图3的掩膜形成的细的抗蚀剂图案的位置偏移量和从基片的焦点位置开始的偏移量的相关关系的特性图。
图6是以图案的每一种粗细展示使用图3的掩膜形成的粗的抗蚀剂图案的位置偏移量和从基片的焦点位置开始的偏移量的相关关系的特性图。
图7是模式化展示本发明的各实施方式的曝光装置的检查方法的测定原理的图。
图8是为每一轴偏移量展示用图3的掩膜形成的2种抗蚀剂图案的相对位置偏移量和从基片的焦点位置开始的偏移量的相关关系的特性图。
图9是展示图3的掩膜的变形例子的平面图。
图10是展示使用图9的掩膜形成在基片上的抗蚀剂图案的平面图。
图11是展示图3的掩膜的另一变形例子的平面图。
图12是展示图3的掩膜的再一变形例子的平面图。
图13是展示在本发明的实施方式2的曝光装置的检查方法中使用的掩膜的平面图。
图14是展示使用图13的掩膜形成在基片上的抗蚀剂图案的平面图。
图15是模式化展示入射到掩膜的照明光和由形成在掩膜上的掩膜图案产生的衍射光的衍射角度的关系的模式图。
图16是为每一图案的粗细展示采用图13的掩膜的孤立线的抗蚀剂图案的位置偏移量和从基片的焦点位置开始的偏移量的相关关系的特性图。
图17是为每一间距的大小展示采用图13掩膜的L/S的抗蚀剂图案的位置偏移量和从基片的焦点位置开始的偏移量的相关关系的特性图。
图18是展示采用图13掩膜的L/S以及孤立线的两抗蚀剂图案的相对的位置偏移量和从基片的焦点位置开始的偏移量的相关关系的特性图。
图19是放大展示在提高本发明的实施方式2的曝光装置的检查方法精度时使用的掩膜的特征部分的平面图。
图20是放大展示使用图19的掩膜形成在基片上的抗蚀剂图案的特征部分的平面图。
图21是展示图13的掩膜的变形例子的平面图。
图22是展示使用图21的掩膜形成在基片上的抗蚀剂图案的平面图。
图23是展示采用图21的掩膜的间距不同的2种L/S的抗蚀剂图案的相对的位置偏移量和从基片的焦点位置开始的偏移量的相关关系的特性图。
图24是图13的掩膜的另一变形例子的平面图。
图25是展示使用图24的掩膜形成在基片上的抗蚀剂图案的平面图。
图26是展示图13的掩膜的另一变形例子的平面图。
图27是展示图13的掩膜的再一变形例子的平面图。
图28是模式化展示本发明的实施方式3的曝光装置的检查方法的图。
图29是模式化展示本发明的实施方式4的曝光装置的检查方法的图。
图30是模式化展示在以往技术的曝光装置的检查方法中使用的掩膜的图。
图31是模式化展示在以往技术的曝光装置的检查方法中使用的照明孔径的平面图。附号的说明1，21，31，41，51，61，71，81，91，101掩模4，24，34，44，55，75，85，95，105掩模图案4a，23a，33a，43a，53，73，83，93，103第1掩模图案4b，23b，33b，43b，54，74，84，94，104第2掩模图案5曝光装置6照明光源(曝光光源)7曝光光7a照明光7b透过光7c投影光8照明光学系统(曝光装置的光学系统)9投影光学系统(曝光装置的光学系统)10照明透镜11投影透镜12照明孔径13半导体基片(显像体)14，25，58，78，88掩模图案的像14a，25a，56，64，76，86第1抗蚀剂图案(第1掩模图案的像)14b，25b，57，77，87第2抗蚀剂图案(第2掩模图案的像)15曝光光的主光线
16光轴17光致抗蚀剂(感光性材料)201，302遮光带(遮光部分材料)
(实施方式1)首先，在详细叙述本发明的实施方式1之前，参照图1说明一般的曝光装置构成的概略。在图1中，从各种曝光装置中，以具有所谓的远心(テレセントリツク)光学系统的缩小投影型的曝光装置(分档器)5为例图示。
曝光装置5，如图1所示，由发射包含规定波长λ的曝光光7的光源(曝光光源，照明光源)6、把该照明光源6发射的曝光光7(照明光7a)导入到形成有掩膜图案4的掩膜(分度线，レチクル)1的照明光学系统8、把透过掩膜1的曝光光7(透过光7b)产生的掩膜图案4的像导入到显像体13的一主面13a上的投影光学系统9等构成。另外，在照明光源6和照明光学系统8之间，即曝光装置5的二次光源一侧，为了制造出实际上从曝光装置5的光轴16偏移的方向上照明掩膜1(掩膜图案4)的状态，配置由后述的大小以及形状组成的照明孔径12。
在是具有远心光学系统的曝光装置5的情况下，如图1中用点划线表示的那样，曝光装置5的光轴16变为一直线形状。显像体13，以掩膜图案4的像14曝光投影的一主面13a与投影透镜11相对的姿态，被配置在曝光装置5(投影光学系统9)的焦点位置(f＝0)附近，即投影透镜11的焦点位置附近。进而，在图1等中，为了易于理解曝光光7的光线状态，曝光光7的光线状态几何光学地并且模式化地展示。
以下，参照图1～图12说明本发明的实施方式1的曝光装置的检查方法。
首先，说明曝光装置5的掩膜1的照明。在本实施方式中，作为曝光光7(照明光7a)，使用波长λ是246nm的KrF激态复合物(エキシマ)激光光。另外，假设把曝光装置5的投影光学系统9的数值孔径NAP被设定为0.68。
照明光学系统8的相干性(コヒ一レンシ一)σ，如果把照明光学系统8的数值孔径设置为NAi，则可以用以下的所示的式子(1)求得。
σ＝NAi/NAp......(1)在本实施方式中，曝光装置5的照明相干性σ，可以扩大至最大0.85σ。另外，在本发明的曝光装置的检查方法中，从沿着曝光装置5的光轴16的方向偏移的方向照明被形成在掩膜1上的掩膜图案4。在本实施方式中设置成，作为实现这种所谓的偏轴状态下的照明(曝光)时的σ，使用0.3σ的值。如果光学性地标准化在该偏轴状态下的照明，则从照明光源6的光轴16的偏移量(偏轴量)和照明光源6的大小的关系，可以如图2模式化展示的那样定义。
为了实现在图1以及图2中模式化展示的偏轴状态下的照明，在本实施方式中，使用照明孔径12。照明孔径12，由遮挡照明光源6发射的照明光7a的遮光部分12a，和贯通该遮光部分12a设置的，照明光源6发射的照明光7a可以通过的光通过孔12b构成。遮光部分12a，被形成为其半径的大小和曝光装置5的照明相干性σ的最大值0.85σ同等大小的圆形，使得可以遮挡照明光源6发射的照明光7a的大部分。另外，光通过孔12b，被形成为其半径的大小和成为在偏轴状态下的曝光装置5的实际的照明相干性σ的值的0.3σ同等大小的圆形，使得照明光7a的一部分可以通过。
进而，如图2所示，光通过孔12b，其中心C2被设置在从遮光部分12a的中心C1开始偏移规定量Dc的位置上。该光通过孔12b的偏移量Dc，被设定得比光通过孔12b的半径还大，使得在光通过孔12b中不包含遮光部分12a的中心C1。
把以上说明的照明孔径12配置成其遮光部分12a的中心C1和曝光装置5的光轴16(光轴16的中心)一致。于是，从照明光源6发出的曝光光7，其大部分被遮光部分12a遮挡，只有通过了光通过孔12b的曝光光7成为照明光7a，达到照明光学系统8的照明透镜10的光瞳中。这种情况下，照明光源6，被设定在其中心从曝光装置5的光轴16的中心实际上偏移规定量Dc的状态下。由此，可以从由沿着曝光装置5的光轴16的方向偏移的方向照明被形成在掩膜1上的掩膜图案4。具体地说，如图1中白色箭头所示，可以从由光轴偏移的方向对掩膜图案4照射曝光光7(照明光7a)的主光线15。在偏轴的照明状态下照射的主光线15，大致沿着图1中白色箭头所示的光路，作为曝光光7(投影光7c)的一部分达到显像体13。
在本实施方式中，假设作为曝光投影掩膜图案4的像14的显像体，使用在一主面(表面)13a上涂布感光性材料(光致抗蚀剂)17的半导体基片13。因而，假设作为测定的掩膜图案4的像，测定通过曝光投影复制在光致抗蚀剂(フオトレジスト)17上形成的抗蚀剂图案14。
以下，说明在本实施方式中使用的掩膜1，以及被形成在该掩膜1的一主面上的掩膜图案4。掩膜1，由例如具有由玻璃等的透光性的材料形成的掩膜基片(掩膜主体)2，以及例如用具有铬(Cr)等的遮光性的材料形成的遮光体3等构成。掩膜图案4，如图3所示，由一组相互形状不同的第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b构成。在本实施方式中，这些一组第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b，由相互宽度不同的2条平行线4a、4b构成。
具体地说，第1掩膜图案4a，如图3所示，形成为具有规定的大小的宽度WT的比较细的线形状(带形状)。与此相对第2掩膜图案4b，在具有和第1掩膜图案4a同等长度的同时，形成为具有比第1掩膜图案4a的宽度WT还宽的规定大小的宽度WF的比较粗的线形状(带形状)。另外，第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b，把在这些掩膜基片2上的相对间隔(相对距离)D1M，以离开规定大小的状态平行配置。该相对距离D1M的大小，至少是被曝光投影在光致抗蚀剂17上的第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b的各自的像14之间，预先被设定为具有相互不重合的大小。实际上，第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b的相对距离D1M，理想的是比比较粗线的第2掩膜图案4b的宽度WF还大。由此，可以忽视在第1以及第2的两个掩膜图案4a、4b的像14之间的，在光致抗蚀剂17上的干涉。
使用曝光装置5在上述的偏轴状态下照明形成有以上说明那样的掩膜图案4的掩膜1，把第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b各自的像14曝光投影在光致抗蚀剂17上。以下，说明曝光投影在光致抗蚀剂17上的第1以及第2的两个掩膜图案4a、4b各自的像14。
进而，如上所述曝光装置5是缩小投影型的曝光装置，一般，掩膜上的掩膜图案，和实际投影曝光的掩膜图案的像，不能直接比较它们的大小。因而，在以下的说明中叙述，为了容易进行掩膜图案4和掩膜图案4的像14的比较，把它们的尺寸等设定(修正)为同样倍率(缩小率)。
图4，如上所述，是展示在把来自照明光源6的光轴16的偏轴量Dc的大小设定为0.3σ的偏轴状态下，照明掩膜图案4时的，形成在光致抗蚀剂17上的抗蚀剂图案14的图。即，是展示相对第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b各自的第1抗蚀剂图案14a以及第2抗蚀剂图案14b的图。在此，把第1抗蚀剂图案14a以及第2抗蚀剂图案14b的相对间隔(相对距离)设置为D1W。
图5以及图6展示把照明光源6的偏轴量Dc是0.3σ情况下的，从半导体基片13(光致抗蚀剂17的表面)的投影光学系统9(曝光装置5)的焦点位置(f＝0)开始的位置偏移量d(散焦量d)，和从被投影在光致抗蚀剂17的表面上的一般的线状的掩膜图案(孤立线图案)的像的所希望的投影位置开始的位置偏移量的相关关系，展示成每一孤立线的线宽度的大小的曲线图。图5是展示孤立线的线宽度在0.2μm以下的情况下的图，图6是展示孤立线的线宽度在0.25μm以上情况下的图。从图5可知，孤立线的线宽度在0.2μm以下的掩膜图案的像，不管从半导体基片13的焦点位置(f＝0)开始的位置偏移量d的大小如何，其位置偏移量极小，在几乎可以忽略的测定误差范围内。例如即使最大也只有0.02μm左右。与此相对，孤立线的线宽度在0.25μm以上的掩膜图案的像，从图6可知，与孤立线的宽度在0.2μm以下的掩膜图案的像相比，引起其4～5倍量的位置偏移。
本发明的曝光装置的检查方法的特征在于使用对应以上说明的孤立线的线宽度的大小的位置偏移现象，和从半导体基片13的焦点位置(f＝0)开始的位置偏移量d的相关关系，调查曝光装置5的光学系统的状态。特别是，该第1实施方式的曝光装置的检查方法，利用那样的相关关系，调查投影光学系统9(曝光装置5)的焦点位置(f＝0)。因而，在本实施方式中，把形成为具有比较细的线宽度的孤立线的第1掩膜图案4a的线宽度WT设置为0.2μm以下，把形成为具有比较粗的线宽度的孤立线的第2掩膜图案4b的线宽度WF设置在0.25μm以上。把形成为这种尺寸的第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b，分别在掩膜基片2上如图3所示那样配置曝光。具体地说，分别把第1掩膜图案4a的宽度WT设置为0.15μm，另外把第2掩膜图案4b的宽度WF设置为1.0μm。
如上所述，当使用由相互不同线宽度组成的一组掩膜图案4a、4b的情况下，如果在偏轴状态下照明是比较粗的掩膜图案的，具有1.0μm的线宽度的第2掩膜图案，则如图7(a)所示，在曝光光7中，用只在大致主光线15附近的衍射光16形成第2抗蚀剂图案14b。因而，半导体基片(投影基片)13，如图1中实线所示，如果被配置在投影光学系统9的焦点位置(f＝0)，理想的是从最佳的焦点位置(最佳焦点位置Fb)开始偏移规定量d的位置(散焦位置Fd)，则对应该散焦量d，形成第2抗蚀剂图案14b的位置也偏移。进而，在本实施方式中为了简单地说明，如图1所示，把投影光学系统9的焦点位置(f＝0)和最佳焦点位置Fb设置为同一位置。
另一方面，如果在偏轴状态下照明作为比较细的掩膜图案的，具有0.15μm的线宽度的第1掩膜图案4a，则如图7(b)所示，衍射光16以主光线15为中心向其周围扩散。即，不只是投影透镜11的光瞳的一部分，而且用从其大致全面开始到达光致抗蚀剂17的曝光光7(投影光7c)，形成第1抗蚀剂图案14a。因而，即使把半导体基片13配置在散焦位置Fd上，形成有第1抗蚀剂图案14a的位置也没有偏移的可能。
因而，通过测定作为由比较粗的孤立线组成的第2掩膜图案4b以及由比较细的孤立线组成的第1掩膜图案4a的各自的曝光投影后的像14的第2抗蚀剂图案14b以及第1抗蚀剂图案14a的位置，可以测定从半导体基片13的最佳的焦点位置Fb开始的散焦量d。
在此，使用曝光光7的波长λ，以及投影光学系统的数值孔径NAP，用下式(2)定义所谓的光学性的标准化量K。
K＝λ/NAP......(2)用以由上述式(2)定义的标准化量K除算后标准化的值的，所谓的标准化尺寸表示第1以及第2的各掩膜图案4a、4b的各自的线宽度WT、WF。由此，能够容易把本发明的曝光装置的检查方法的各种设定条件，适用(扩展)到由和该第1实施方式不同的照明波长和数值孔径组成的曝光装置。同样，第1抗蚀剂图案14a以及第2抗蚀剂图案14b的各自的位置偏移量，或者投影光学系统9的焦点位置(f＝0)等的各种光学性的量，也可以用以K除算后标准化的值表示。例如，分别地，上述的线宽度在0.2μm以下的比较细的孤立线，其标准化尺寸可以表示为0.55以下的线，另外线宽度在0.25μm以上的比较粗的孤立线，其标准化尺寸可以表示为0.69以上的线。
在此，图8是对照明光源6的每一偏轴量(轴偏移量)的大小，展示从半导体基片13的投影光学系统9的焦点位置(f＝0)开始的散焦量d，和被形成在光致抗蚀剂17上的第1抗蚀剂图案14a以及第2抗蚀剂图案14b的相对位置偏移量(D1W-D1M)的相关关系的图。从图8可知，当照明光源6的偏轴量的大小是0.3σ以上的情况下，半导体基片13的散焦量d，和第1抗蚀剂图案14a以及第2抗蚀剂图案14b的相对位置偏移量(D1W-D1M)的相关关系大致相同。可是，当照明光源6的偏轴量的大小为0.1σ的情况下，它们两者的相关关系表示明显不同的现象。
这意味着，在例如即使把照明光源6的中心设定在从光轴16的中心开始偏移的偏轴状态下，照明光源6实际上也包含光轴16的状态中，检测投影光学系统9的焦点位置(f＝0)的灵敏度大幅度降低。因而，从偏轴状态的照明光源6的光轴开始的偏轴量Dc，理想的是被设定在比其照明相干性σ的值还大的值。如果具体地说，则在本实施方式中，偏轴状态的照明光源6的照明相干性σ的值因为被设定在0.3σ，所以照明光源6的偏轴量Dc理想的是被设定为比0.3σ大的值。
在本实施方式的曝光装置的检测方法中，如上所述，形成与第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b的分别对应的第1抗蚀剂图案14a以及第2抗蚀剂图案14b，测定它们的相对距离D1W。而后，使用该D1W的值，和掩膜1上的第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b的相对距离D1M的值，求第1抗蚀剂图案14a以及第2抗蚀剂图案14b的相对位置偏移量(D1W-D1M)。把该位置偏移量(D1W-D1M)，根据照明光源6的偏轴量等，曝光装置5的各种曝光条件等，与图8所示的各特性曲线对照一致。由此，可以把测定误差抑制在实际上可以忽略的范围内中，求从半导体基片13的投影光学系统9的焦点位置(f＝0)开始的散焦量d。另外，在测定第1抗蚀剂图案14a以及第2抗蚀剂图案14b的相对距离D1W时，可以使用在一般的曝光装置的检查中使用的，所谓的对准偏移检查装置等的一般的检查装置。
如上所述，如果采用本发明的曝光装置的检查方法，则不需要使用特殊的掩膜，或者进行双重曝光等的繁杂的曝光操作。另外，在可以排除掩膜1以及半导体基片13的位置认定差等的同时，使用所谓的对准偏移检查装置等的一般的检查装置，测定与第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b分别对应的第1抗蚀剂图案14a以及第2抗蚀剂图案14b的相对距离D1W，可以调查曝光装置5的光学系统的状态。因而，可以以低成本、迅速、高精度，并且容易地测定曝光移装置5的光学系统的状态。特别是在该第1实施方式的曝光装置的检查方法中，可以以低成本、迅速、高精度，并且容易地测定曝光装置5(投影光学系统)的焦点位置(f＝0)。
以下，说明补正本发明的实施方式1的焦点位置的曝光方法。
根据用上述本发明的第1实施方式的曝光装置的检查方法求得的，从半导体基片13的投影光学系统9的焦点位置(f＝0)开始的散焦量d，使半导体基片13沿着光轴16的方向移动，配置成使光致抗蚀剂17的表面与投影光学系统9的最佳焦点位置Fb一致。即，通过把半导体基片13配置在适宜的焦点位置(f＝0)上，实际补正投影光学系统9的焦点位置(f＝0)。由此，可以在焦点一致的适宜状态下把掩膜图案4的像14曝光在光致抗蚀剂17上复制。因而，可以进行良好的图案复制。
如上所述，如果采用本发明的补正焦点位置的曝光方法，则不需要使用特殊的掩膜，或者进行双重曝光等的繁杂的曝光操作。另外，在可以排除掩膜1以及半导体基片13的位置认定误差等的同时，使用所谓的对准偏移检查装置等的一般的检查装置，可以补正焦点位置后曝光。因而，可以以低成本、迅速、高精度，并且容易地复制适宜的形状的掩膜图案4的像14。进而，用本发明的补正焦点位置的曝光方法复制像的掩膜图案，不只是检查用的掩膜图案4，即使包含在制造作为实际的制品的半导体装置时被复制的掩膜图案也可以是自然的。
以下，说明本发明的半导体装置的制造方法。
该半导体装置的制造方法，是以包含以下步骤为前提的，即，用本发明的曝光装置的检查方法调查曝光装置5的光学系统的状态，在根据该结果把曝光装置5的光学系统设定在适宜的状态的同时，在把在一主面13a上设置有感光性材料(光致抗蚀剂)17的半导体基片13配置在曝光装置5具有的投影光学系统9的适宜的焦点位置(f＝0)上后，在光致抗蚀剂17上复制未图示的半导体装置制造用的掩膜图案的像，形成抗蚀剂图案。
特别是本发明的第1实施方式的半导体装置的制造方法以包含以下步骤为特征，即，用上述本发明的第1实施方式的补正焦点位置的曝光方法，在把投影光学系统9的焦点位置补正在适宜的状态的同时，在把在一主面13a上设置有光致抗蚀剂17的半导体基片13配置在投影光学系统9的适宜的焦点位置(f＝0)上后，在光致抗蚀剂17上复制未图示的半导体装置制造用的掩膜图案的像，形成抗蚀剂图案。
如果采用补正上述本发明的第1实施方式的焦点位置的曝光方法，可以以低成本、迅速、高精度，并且容易地把适宜形状的掩膜图案4的像复制在光致抗蚀剂17上。因而，如果采用本发明的第1实施方式的半导体装置的制造方法，则可以以低成本、迅速、高精度，并且容易地在适宜的曝光状态下形成适宜形状的半导体装置制造用的抗蚀剂图案。其结果，可以以低成本、高效率、并且容易地制造优质的半导体装置。
另外，在本实施方式1中使用的掩膜，并不限定于形成有由上述第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b的一组构成的掩膜图案4的掩膜1。例如，如图9所示，即使使用形成有至少包含一对掩膜图案构成的掩膜图案24的掩膜21也可以，而这对掩膜就是把上述第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b，配置在掩膜基片22上相对它们的宽度方向成镜面对称。
在该掩膜图案24中，例如把由一对细的孤立线组成的第1掩膜图案23a之间的中心位置设置为TM，另外把由一对粗的孤立线组成的第2掩膜图案23b之间的中心位置设置为FM。如图9所示，在掩膜基片22上，如TM和FM一致那样，形成掩膜图案24。而后，和上述的曝光装置的检查方法一样，把掩膜图案24的像复制到光致抗蚀剂17上，如图10所示，形成抗蚀剂图案25。在此，把与一对第1掩膜图案23a对应的第1抗蚀剂图案25a之间的中心位置设置为TW，另外把与一对第2掩膜图案23b对应的第2抗蚀剂图案25b之间的中心位置设置为FW。
根据上述的原理，一对第1抗蚀剂图案25a它们的位置几乎不偏移，而一对第2抗蚀剂图案25b它们的位置偏移。因而，一对第2抗蚀剂图案25b的中心位置FW也偏移。通过这样测定未引起位置偏移的一对第1抗蚀剂图案25a以及引起位置偏移的一对第2抗蚀剂图案25b的各自的中心位置TW以及FW，根据其测定结果求该两中心位置TW以及FW的相对的间隔(相对距离)ΔX1的大小。此两中心位置TW以及FW的相对距离ΔX1，相当于两抗蚀剂图案25a、25b的相对的位置偏移量。即，相对距离ΔX1，相当于上述的第1抗蚀剂图案14a以及第2抗蚀剂图案14b的相对的位置偏移量(D1W-D1M)。
因而，通过求此位置偏移量ΔX1，和上述的曝光装置的检查方法一样，可以高精度地求出从投影光学系统9的焦点位置(f＝0)开始的，半导体基片13的散焦量d。并且，通过使用形成镜面对称的掩膜图案24的掩膜21，可以进一步提高散焦量d的测定精度。进而，可以进一步提高采用本发明的半导体装置的制造方法制造的半导体装置的品质。
另外，构成掩膜图案24的一对第1掩膜图案23a以及一对第2掩膜图案23b，即使沿着它们的宽度方向改换内侧和外侧地配置也可以。具体地说，如图11所示，如一对第1掩膜图案33a以及一对第2掩膜33b分别为镜面对称那样，在一对第1掩膜图案33a的宽度方向的内侧配置一对第2掩膜图案33b，在掩膜基片32上形成掩膜图案34。即使用具有这种掩膜图案34的掩膜31，实施本发明的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法，也可以得到和使用上述的掩膜21时同样的效果。
进而，掩膜图案，并不限于如上述的掩膜图案24、34那样，只沿着它们的宽度方向的一个方向成为镜面对称的构成。例如，如图12所示，把一对第1掩膜图案43a以及一对第2掩膜图案43b配置成在各自宽度方向上为镜面对称。与此同时，把另一对第1掩膜图案43a以及一对第2掩膜图案43b配置成同样在各自的宽度方向上成为镜面对称，并且，相对上述一对的两个掩膜图案43a、43b的宽度方向正交。这样，即使把至少包含二对镜面对称的掩膜图案的构成的掩膜图案44形成在掩膜基片43上也可以。即，即使把掩膜图案44形成为所谓的线中线(バ一·イソ·バ一)图案也可以。
如该掩膜图案44那样，当使用形成有所谓的线中线图案的掩膜图案的掩膜41的情况下，如图12中的白色箭头所示，可以设定为相对于构成线中线图案44的掩膜图案43a、43b，从斜方向照射曝光光7的主光线15。由此，在散焦时，因为可以测定由二对镜面对称的掩膜图案形成的像在相互直行的二个方向上的位置偏移量，所以可以进一步提高散焦量d的测定精度。因而，可以以更高的精度求出从投影光学系统9的焦点位置(f＝0)开始的，半导体基片13的散焦量d。进而，可以进一步提高用本发明的半导体装置的制造方法制造的半导体装置的品质。
(实施方式2)以下，参照图13～27说明本发明的实施方式2的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法。
该实施方式2的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法，只有在执行它们时使用的被形成在掩膜上的掩膜图案，和在执行上述的实施方式1的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法时使用的被形成在掩膜上的掩膜图案不同，其他的构成以及步骤等相同。因而，在说明这些不同部分的同时，对于和上述的实施方式1相同的构成部分等标注相同符号并省略它们的说明。
另外，即使在后述的本发明的实施方式3以及实施方式4的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法的说明中，也和该实施方式2的说明一样，主要说明和上述的本发明实施方式1不同之处。
在该实施方式2的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法中，在掩膜基片52上，使用形成有图13所示那样的掩膜图案55的掩膜51。掩膜图案55，由一组相互形状不同的第1掩膜图案53以及第2掩膜图案54构成。这些一组的第1掩膜图案4a以及第2掩膜图案4b被配置成相互平行。
具体地说，第1掩膜图案53，如图13所示，把具有规定大小的宽度WL的比较细的线(带)53a以比较窄的间隔WL相互等间隔隔开，并且相互平行并列配置，构成多条平行线53a的集合体。在以下的说明中，把由多条比较细的线组成的平行线53a统称为线部分53a，与此同时把线部分53a之间的间隔称为间隔部分53b。另外，把由线部分53a以及间隔部分53b组成的，该第1掩膜图案53称为线和间隔(ラトソ·アソド·スペ一ス)图案(L/S图案)53。该L/S图案53的所谓的间距(图案间距)P，可以使用线部分53a的宽度的大小WL以及间隔部分53b的间隔的大小WL，表示为(WL+WS)。
与此相对第2掩膜图案54b，如图13所示，在具有和第1掩膜图案(L/S图案)53的线部分53a同等的长度的同时，形成比第1掩膜图案4a的线部分53a宽度WL还宽的规定大小的宽度WF的比较粗的孤立线(IsolatedLine)(带)形成。在以下的说明中，把该第2掩膜图案54b称为孤立线图案(孤立线图案，1L图案)54。
另外，第1掩膜图案53以及第2掩膜图案54，在这些掩膜基板52上离开相对距离D2M规定大小的状态下，相互平行地配置。该相对距离D2M的大小，被预先设定为至少是被曝光投影在光致抗蚀剂17上的第1掩膜图案53以及第2掩膜图案54的各自的像56、57之间相互不重合的程度。
图14是展示在把例如从照明光源6的光轴16开始的偏轴量Dc的大小设定为0.3σ的偏轴状态下照明掩膜图案55的情况下的，形成在光致抗蚀剂17上的抗蚀剂图案14的图。即，是展示作为第1掩膜图案53以及第2掩膜图案54的各自的投影像的，第1抗蚀剂图案56以及第2抗蚀剂图案57的图。第1掩膜抗蚀剂图案(L/S抗蚀剂图案)56，和第1掩膜图案(L/S图案)53一样，作为线部分56a以及间隔部分56b形成。在半导体基片13的表面13a上，把第1抗蚀剂图案56以及第2抗蚀剂图案57的相对距离设置为D2W。
以下，详细说明L/S图案53的尺寸等。在实施本发明的实施方式2时，L/S图案53的间距P(WL+WS)需要满足以下的条件。
为了形成适宜散焦量d的测定的适宜形状的第1抗蚀剂图案56以及第2抗蚀剂图案57，在曝光光7(照明光7a)通过L/S图案53时产生的0次衍射光以及1次衍射光，都必须入射到投影透镜11的光瞳中。以下，参照图15说明这些衍射光的状态。以入射角α达到掩膜1的照明光7a，由间距P的L/S图案53衍射，成为衍射角α+β的衍射光(透过光)7b并向投影透镜11射出。这时，sinβ如果变得比投影透镜11的数值孔径NAP还大，衍射光7b不能入射到投影透镜11。因而，sinα与照明透镜10的数值孔径NAi相等，并且，在sinβ与投影透镜11的数值孔径NAP相等时成为最大的衍射角。由此，如果使用投影透镜11的数值孔径NAP，以及曝光光7(照明光7a)的波长λ，则L/S图案53的间距P，必须满足以下所示的式子(3)的关系。
P＜λ/(NAP+NAi)......(3)在此，α以及β的角度，在照明光源6(在图15中省略其图示)有扩展的情况下，需要考虑取比光轴16近的角度。
另外，在本实施方式中，由等间隔的平行线组成的L/S图案53，希望即使是半导体基片13位于散焦位置Fd(即使焦点偏移)，也以该像56的位置未从所希望的位置偏移(未变化)的条件形成。因此，在图15中，最好是使角度α和角度β大致相等。即，希望间距P满足以下所示的式子(4)的关系。
P＝λ/2sinα......(4)当满足用该式子(4)表示的关系的情况下，因为0次衍射光和1次衍射光相对光轴16成为对称关系，所以即使成像位置在从投影光学系统9的焦点位置(f＝0)开始偏移的位置上，像56的位置也始终为一定。另外，这种情况下，当在照明光源6中有扩展的情况下，如上所述，考虑α在光源6的中心位置。
以下，图16以及图17是为每一掩膜图案的形状，展示把照明光源6的偏轴量Dc是0.5σ情况下的，从半导体基片13的投影光学系统9的焦点位置(f＝0)开始的散焦量d，和从被投影在光致抗蚀剂17的表面上的一般的掩膜图案的像的，所希望的投影位置开始的位置偏移量的相关关系的曲线图。图16是孤立线图案54的情况，图17是L/S图案53的情况。
根据图16，展示随着散焦量d的增大，孤立线图案54的曝光投影像(第2抗蚀剂图案)57的位置偏差量增大的情况。另外，当孤立线图案54的线宽度WF在0.4μm以上的情况下，可知该像57的位置偏移量，不依赖于孤立线图案54的图案大小，大致一定。另外，当孤立线图案54的线宽度WF在0.2μm以下的情况下，与比其还大的尺寸的图案相比可知像57的位置偏移量比较小。与此相对，当孤立线图案54的线宽度WF比0.25μm还粗的情况下，与孤立线图案54的线宽度WF是0.2μm的情况相比，散焦时的像(图案)57的位置偏移量为2倍以上。因而，在设定成散焦时的第2图案的曝光投影像引起位置偏移的第2实施方式中，希望孤立线图案54的线宽度WF形成的比0.25μm还粗。
在此，用在实施方式1中用式子(2)定义的标准化量K，以标准化尺寸表示孤立线图案54的线宽度WF。在该实施方式2中，曝光光7的波长λ是0.248μm，投影透镜11(投影光学系统9)的数值孔径NAP是0.68。因而，标准化量K大致变为0.365，具有上述的0.25μm以上宽度的线，在标准化尺寸中变为0.69以上。
以下，参照图17考察L/S图案53的掩膜图案的情况。如果采用图17，则可知根据L/S图案53的间距P的大小，从半导体基片13的投影光学系统9的焦点位置(f＝0)开始的散焦量d，和L/S图案53的曝光投影像(第1抗蚀剂图案)56的位置偏移量的相关关系大为不同。特别是在把间距P的大小设置为0.36μm的情况下，可知与其他大小的间距P相比散焦时的像56的位置偏移量变得非常小。这是因为透过L/S图案53的曝光光7(透过光7b)的衍射光，大致满足式子(4)所示的条件的缘故。
如上所述，这种情况下的投影透镜11的数值孔径NAP是0.68，在照明光源6的偏轴状态下的照明相干性σ是0.5。由此，sinα＝0.34。另外，如果把波长λ＝248nm代入式子(4)，则变为P＝364.7nm，可知大致与L/S图案53的间距P相等。即，如果把L/S图案53的间距P的大小设定为大致满足式子(4)的关系，则即使半导体基片13散焦，L/S图案53的像56的位置也几乎不动(不偏移)。因而，在设定为散焦时的第1掩膜图案的曝光投影像几乎不引起位置偏移的第2实施方式中，希望把L/S图案53的间距P的大小形成为大致0.36μm。
以下，说明把作为第1掩膜图案的L/S图案53，以及作为第2掩膜图案的孤立线图案54的尺寸，分别设定为具体大小的情况。在孤立线图案54中，其像57的散焦时的位置偏移量，和半导体基片13的散焦量d，作为如具有大致一定的相关关系那样引起位置偏移的区域的图案尺寸，选择线宽度WF是1μm的掩膜图案。另外，在L/S图案53中，作为即使其像56散焦时也几乎不引起位置偏移(像56的位置不偏移)那样大小的间距P，选择0.36μm的大小的间距P。即，把L/S图案53的线部分53的宽度WL以及间隔部分53b的宽度WS分别设定为0.18μm。把由以上说明的尺寸组成的L/S图案53以及孤立线图案54，如图13所示，使相对距离D2M隔开，相互平行地配置(形成)在掩膜基片52上。
使用掩膜51，把由L/S图案53以及孤立线图案54组成的掩膜图案55的像，如图14所示，曝光投影在被设置在半导体基片13的表面13a上的光致抗蚀剂17上复制，形成抗蚀剂图案58。
图18展示在这种情况下，相对L/S图案53和孤立线图案54的相对距离D2M，作为各自的像的第1抗蚀剂图案56以及第2抗蚀剂图案57的相对距离D2W的差，即位置偏移量(D2W-D2M)。图18是以半导体基片13在投影光学系统9的焦点位置(f＝0)上的情况下的两抗蚀剂图案56、57的相对距离D2W为基准，以曲线图表示第1抗蚀剂图案56以及第2抗蚀剂图案57的相对位置的偏移量(D2W-D2M)。即图18是表示以第1抗蚀剂图案56以及第2抗蚀剂图案57都不引起位置偏移(D2W-D2M＝0)的情况为基准的两图案56、57的相对距离D2W的变化的曲线图。
从图18可知，半导体基片13的散焦量d，和第1抗蚀剂图案56以及第2抗蚀剂图案57的相对的位置偏移量(D2W-D2M)，具有大致一定的相关关系。因而，通过将第1抗蚀剂图案56以及第2抗蚀剂图案57的相对的位置偏移量(D2W-D2M)对照图18所示的特性曲线，就可以以高精度求出半导体基片13的散焦量d。
进而，在本实施方式2中，作为第1掩膜图案53，选择其曝光投影的像(图案)56的位置，即使在半导体基片13的散焦时也不偏移的条件的掩膜图案。但是，根据情况也有可能不能选择这样的掩膜图案。例如，L/S图案53的像56以及孤立线图案54的像57，也有可能必须选择都偏移了的掩膜图案。即使在这种情况下，只要把L/S图案53以及孤立线图案54的各自的尺寸(间距以及形状等)，形成为这些像56、57的偏移量的大小相互不同即可。由此，当然也可以通过测定孤立线图案54的像57和周期性的某一特定间距P的L/S图案53的像56的相对距离D2W，求出半导体基片13的散焦量d。
另外，当使用在第1掩膜图案53，或者第2掩膜图案54中有周期性的规定的间距P的图案(L/S图案)的情况下，因为各个掩膜图案群的宽度方向两外侧的图案没有周期性，所以其像的位置偏移量不同。因此，在希望更正确测定的情况下，希望把周期图案(L/S图案)的宽度方向两外侧的掩膜图案的像，从位置测定区域除去。
作为其中一种方法，例如如图19(a)以及(b)所示，和形成有作为掩膜图案A的周期图案53的掩膜51的同时，在由具有遮光性的材料形成的掩膜基片62上，准备设置有作为对周期图案53的宽度方向两外侧部分的线部分59a、59b照射光那样的掩膜图案B的开口部分60a、60b的掩膜61。而后，在半导体基片13上曝光周期图案53后，在显像前用掩膜61把其开口部分60a、60b重合在周期图案53上，进行曝光。其后，显像两掩膜图案A、B的像。于是，在半导体基片13的表面13a上，得到作为图20所示那样的像64的抗蚀剂图案C。如图20中虚线所示，与周期图案53的宽度方向两外侧部分的线部分59a、59b对应的抗蚀剂图案63a、63b，通过曝光开口部分60a、60b，在显像时溶解消失。因而，其结果，在周期图案53中，只有与周期性的中央部分对应的抗蚀剂图案56残留下来。
通过使用这种方法，例如在必须进行重合曝光的情况下，即使在载片台(ステ一ジ)的位置精度上包含一些误差，该误差也几乎不会对曝光的像(图案)的位置精度有影象。因而，可以实现形成可以完全忽略在双重曝光时容易产生的载片台位置确定误差的散焦位置测定用抗蚀剂图案的目的。
另外，在实施以上说明的本发明的实施方式2时使用的掩膜，并不限定于形成有由上述的L/S图案53以及孤立线图案54的一组构成的掩膜图案55的掩膜51。例如，即使使用由第1掩膜图案以及第2掩膜图案都以规定的间距形成的周期图案(L/S图案)构成的掩膜图案也可以。
例如，如图21所示，作为第1掩膜图案73，线部分73a的线宽度WL1以及间隔部分73b的间隔WS1，都被形成为0.18μm的大小，形成作为具有0.36μm间距P1(WL1+WS1)的L/S图案73。另外，作为第2掩膜图案74，线部分74a的线宽度WL2以及间隔部分74b的间隔WS2，都被形成为0.21μm大小，形成作为具有0.42μm间距P2(WL2+WS2)的L/S图案74。把这些2个L/S图案73以及L/S图案74，以相对距离为D3M的间隔状态，相互平行地配置在掩膜基片72上。
这样，使用形成有由相互间距不同的2种L/S图案73、74构成的掩膜图案75的掩膜71，如图22所示，形成测定用抗蚀剂图案78。和使用掩膜51的情况一样，作为第1的L/S图案73的像的第1抗蚀剂图案(第1L/S抗蚀剂图案)76，形成为线部分76a以及间隔部分76b。同样，作为第2L/S图案74的像的第2抗蚀剂图案(第2L/S抗蚀剂图案)77，形成为线部分77a以及间隔部分77b。把在半导体基片13的表面13a上的第1L/S抗蚀剂图案56以及第2L/S抗蚀剂图案57的相对距离设置为D3W。
在使用掩膜71的情况下，可知半导体基片13的散焦量d，和第1抗蚀剂图案76以及第2抗蚀剂图案77的相对位置偏移量(D3W-D3M)，如图23所示，具有大致一定的相关关系。因而，通过使第1L/S抗蚀剂图案76以及第2L/S抗蚀剂图案77的相对位置偏移量(D3W-D3M)，对照图23所示的特性曲线一致，就可以高精度地求出半导体基片13的散焦量d。
或者，即使使用形成有如图24所示那样的掩膜图案85的掩膜81也可以。被形成在该掩膜81上的掩膜图案85，是把形成在上述的掩膜51上的一组掩膜图案55，如相对它们的宽度方向镜面对称那样地配置在掩膜基片82上。
在该掩膜图案85中，例如把L/S图案83之间的中心位置设置为CM，另外把由粗的孤立线组成的图案84之间的中心位置设置为SM。如图24所示，在掩膜基片82上，如CM和SM一致那样地形成掩膜图案85。而后，和上述的曝光装置的检查方法一样，把掩膜图案85的像复制在被设置在半导体基片13的表面13a上的光致抗蚀剂17上，如图25所示，形成抗蚀剂图案88。在此，把由一对L/S图案83形成的抗蚀剂图案86之间的中心位置设置为CW，另外把由一对粗的孤立线组成的图案84形成的抗蚀剂图案87之间的中心位置设置为SW。
根据上述的原理，虽然一对抗蚀剂图案86它们的位置几乎没有偏移，但一对抗蚀剂图案87它们的位置偏移。因而，一对抗蚀剂图案87的中心位置也偏移SW。这样，测定不引起位置偏移的一对抗蚀剂图案86以及引起位置偏移的一对抗蚀剂图案87的各自的中心位置CW以及SW，根据其测定结果求出这两个中心位置CW以及SW的相对的间隔(相对距离)ΔX2的大小。这两个中心位置CW以及SW的相对距离ΔX2，相当于两抗蚀剂图案86、87的相对的位置偏移。即，相对距离ΔX2，相当于上述的第1抗蚀剂图案56以及第2抗蚀剂图案57的相对的位置偏移量(D2W-D2M)。
因而，通过求该位置偏移量ΔX2，和上述的曝光装置的检查方法一样，可以更高精度地求出从投影光学系统9的焦点位置(f＝0)开始的，半导体基片13的散焦量d。进而，可以进一步提高用本发明的半导体装置的制造方法制造的半导体装置的品质。
另外，即使构成掩膜图案85的一对L/S图案83以及由一对粗的孤立线组成的图案84，沿着它们的宽度方向替换内侧和外侧地配置也可以。具体地说，如图26所示，在由一对粗的孤立线组成的图案94的宽度方向的内侧上配置一对L/S图案93，在掩膜基片92上形成掩膜图案95，使得一对L/S图案93以及由一对粗的孤立线组成的图案94分别为镜面对称。即使使用具有这种掩膜图案95的掩膜91，实施本发明的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法，也可以得到和使用上述的掩膜81的情况一样的效果。
进而，掩膜图案，如上述的掩膜图案85、95那样，并不限于只在沿着它们的宽度方向上的一方上为镜面对称的构成。例如，如图27所示，把一对L/S图案103以及由一对粗的孤立线组成的图案104，配置成在各自的宽度方向上为镜面对称。与此同时，把另一对L/S图案103以及由一对粗的孤立线组成的图案104，同样地配置成在各自的宽度方向上为镜面对称，并且相对上述一对的两图案103、104的宽度方向正交。这样，即使把至少包含二对镜面对称的图案构成的掩膜图案105，形成在掩膜基片102上也可以。即，把掩膜图案105形成为所谓的线中线图案也可以。
如该掩膜图案105所示，当使用形成有所谓的线中线图案的掩膜图案的掩膜101的情况下，如图27中白色箭头所示，可以设定为对构成线中线图案105的各图案103、104，从斜方向照射曝光光7的主光线15。由此，在散焦时，因为可以测定由两对镜面对称的图案形成的像的相互直行的方向上的位置偏移量，所以可以进一步提高散焦量d的测定精度。因而，可以高精度地求出从投影光学系统9的焦点位置(f＝0)开始的，半导体基片13的散焦量d。进而，可以进一步提高用本发明的半导体装置的制造方法制造的半导体装置的品质。
在此，如上所述，图24～27所示的粗的图案84、87、94、104，如在图21等中说明的那样，即使是L/S图案也没有任何问题。
本实施方式2的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法，除了以上说明的方面以外，和实施方式1的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法一样，当然可以解决本发明要解决的问题。
(实施方式3)以下，参照图28说明本发明的实施方式3的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法。
本实施方式3，在实行上述本发明的第1以及第2实施方式的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法时，不使用照明孔径，可以把照明光源设定在实际上从光轴偏移的偏轴状态下照明掩膜。
如图28所示，在与掩膜图案4对应的掩膜基片2的背面(图案面的里侧的面，照明光源侧主面)上的平面上，或者其附近上配置作为遮光部件的遮光带201。通过该遮光带201，在从照明光源6发出的曝光光7(照明光7a)中，遮挡沿着光轴照明掩膜图案4的曝光光7(照明光7a)。遮光带201，配置在形成有掩膜图案(测定图案)4的区域的对面，即配置成实际上从背面一侧隐藏掩膜图案4。通过这样配置遮光带201，可以遮挡向着掩膜图案4，从沿着其光轴方向的正上方向入射的照明光7a。与此同时，可以设定成向着掩膜图案4，从其斜方向入射的照明光7a，也只有其中一方向的成分可以到达掩膜图案4的状态。因而，不使用照明孔径12，就可以把照明光7a设定在从光轴中心开始实际上偏移的状态，可以实现在偏轴的状态下照明掩膜图案4。
(实施方式4的形态)以下，参照图29说明本发明的实施方式4的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法。
该实施方式4，和上述的实施方式3一样，不使用照明孔径，可以把照明光源设定成在实际中从光轴偏移的偏轴状态下照明掩膜。
如图29所示，配置和掩膜基片2的背面(图案面的里侧的面，照明光源侧主面)光学性地大致共轭的遮光面301，或者在其附近作为遮光部件的遮光带302。通过在此状态下照明测定用的掩膜图案4，可以得到和实施方式3相同的效果。即，可以遮挡向着掩膜图案4，从沿着其光轴方向的正上方向入射的照明光7a。与此同时，可以把向着掩膜图案4从其斜方向入射的照明光7a也设定在只有其一方向的成分可以到达掩膜图案4的状态下。因而，不使用照明孔径12，就可以把照明光7a设定在从光轴中心实际上偏移的状态，可以实现在偏轴的状态下照明掩膜图案4。
另外，在上述第3以及第4两个实施方式中，虽然说明了把遮光带配置在与图案面相比在照明一侧的情况，但即使把遮光带配置在与图案面相比在投影光学系统的一方也可以。即使进行这样的配置，通过遮挡透过图案的衍射光的一部分也可以实际上制作出偏轴照明的状态。
进而，本发明的曝光装置的检查方法、补正焦点位置的曝光方法，以及半导体装置的制造方法，并不限于上述实施方式1～4。在不脱离本发明主旨的范围中，可以实施对这些构成，或者步骤等的一部分进行各种设定变更，或者组合各种设定使用。
例如，可以适用本发明的曝光装置，并不限于远心光学系统的曝光装置。
另外，在位置偏移测定用的掩膜图案的像的相对位置的测定时，作为其测定装置也可以使用电子显微镜，或者使用光学的测定装置。特别是如果使用上述所谓的对准偏移检查装置，则可以迅速并且容易地进行测定。
另外，投影掩膜图案的显像体，并不限于设置有上述的光致抗蚀剂的半导体基片。例如，即使是CCD等的受光元件也可以用同样的原理测定。这种情况下，即使在受光元件前设置有滤光器(フイルタ一)那样的元件，也可以基本上与对半导体基片的曝光投影同样地使用。
另外，本发明以曝光装置(投影光学系统)的焦点位置的检测为中心叙述，但已知粗线和细线的位置偏移，由光学系统的象差等产生。例如，本发明者们，在Jpn.J.Appl.Phys.VOL.37(1998)的第3553页上报告。进而，有关周期性图案的位置偏移和象差的关系，本发明者们也在Applied Optics，VOL.38，No.13(1999)的第2800页上报告。因而，本发明不只可以进行曝光装置(投影光学系统)的焦点位置的测定，而且光学系统的象差的测定也一样可以适用。
这种情况下的本发明的曝光装置的检查方法，可以表现为具有如下特征的曝光装置的检查方法从曝光装置的光轴偏移的方向上照明形成有掩膜图案的掩膜，该掩膜图案包含至少一组相互形状不同的第1掩膜图案以及第2掩膜图案，向显像体曝光投影上述掩膜图案的像，通过测定被曝光投影在上述显像体上的上述第1以及第2各掩膜图案的像之间的相对距离，调查曝光装置具备的光学系统的象差。
进而，即使把由上述的第1掩膜图案以及第2掩膜图案组成的位置偏移测定用(检查用)的掩膜图案，与形成有实际的半导体装置的制造用的掩膜图案的掩膜形成一体也可以。这种情况下，只要把位置偏移测定用的掩膜图案，和半导体装置制造用的掩膜图案，设定只离开规定的间隔，使得由各个掩膜图案产生的像不相互干涉即可。
通过把掩膜设置成上述那样的构成，可以用1张掩膜进行曝光装置的光学系统的检查以及补正焦点位置的曝光方法、和实际的曝光操作(光刻步骤)。具体地说，在实际的曝光操作前，用上述实施方式1～4的任意方法，用掩膜检查曝光装置的光学系统是否满足预先设定的条件。如果满足设定条件则接着转移到实际的曝光操作。如果不满足设定条件，则在调整曝光装置的光学系统以满足设定条件后，转移到实际的曝光操作。如果采用这样的方法，则在进行实际的曝光操作前，因为曝光装置的光学系统被设定在适宜的状态下，所以可以容易地把高精度的电路图案复制在晶片上。进而，可以更迅速，并且容易地制造高性能的半导体装置。
如果采用本发明的曝光装置的检查方法，则不需要使用特殊的掩膜，或者进行双重曝光等繁杂的曝光操作。另外，在可以排除掩膜以及基片的位置确定误差的同时，使用所谓的对准偏移检查装置等的一般的检查装置，测定第1以及第2各掩膜图案的像之间的相对距离，可以调查曝光装置的光学系统的状态。因而，可以以低成本、迅速、高精度、并且容易地测定曝光装置的光学系统的状态。
另外，如果采用本发明的补正焦点位置的曝光方法，则不需要使用特殊的掩膜，或者进行双重曝光等繁杂的曝光操作。另外，在可以排除掩膜以及基片的位置确定误差的同时，可以用所谓的对准偏移检查装置等的一般的检查装置把焦点位置补正为适宜的状态，曝光。因而，可以以低成本迅速、高精度、并且容易地复制适宜形状的掩膜图案。
进而，如果采用本发明的半导体装置的制造方法，则可以以低成本、迅速、高精度、并且容易地把曝光装置的光学系统的状态设定在适宜的状态，因为可以在适宜的曝光状态下形成抗蚀剂图案，所以可以以低成本、高效率、并且容易地制造优质的半导体装置。
权利要求
1.一种曝光装置的检查方法，其特征在于从曝光装置的光轴偏移的方向照射形成有掩膜图案的掩膜，该掩膜图案包含至少一组相互形状不同的第1掩膜图案以及第2掩膜图案，向显像体曝光投影上述掩膜图案的像，通过测定被曝光投影在上述显像体上的上述第1以及第2各掩膜图案的像之间的相对距离，调查上述曝光装置的光学系统的状态。
2.权利要求1所述的曝光装置的检查方法，其特征在于上述第1以及第2掩膜图案，在分别被形成为相互宽度不同的一条线形状的同时，被配置成相互平行。
3.权利要求2所述的曝光装置的检查方法，其特征在于上述第1以及第2掩膜图案被形成为，使用用上述曝光装置具备的投影光学系统的数值孔径除上述曝光装置具备的光源发出的曝光光的波长得到的值，除去构成上述第1以及第2掩膜图案的各线的像的宽度得到的值，对于构成一方的掩膜图案的线为0.69以上，并且对于构成另一方的掩膜图案的线为0.55以下。
4.权利要求3所述的曝光装置的检查方法，其特征在于从照明上述掩膜时的上述曝光装置的光轴开始的偏移量，比用上述曝光装置具备的投影光学系统的数值孔径除上述曝光装置具备的照明光学系统的数值孔径得到的值还大。
5.权利要求1所述的曝光装置的检查方法，其特征在于上述第1以及第2掩膜图案，在一方被形成为一条线形状的同时，另一方被形成为多条线相互隔开配置的形状，并且，在上述第1以及第2掩膜图案的线被形成相互不同宽度的同时，被配置成相互平行。
6.权利要求1所述的曝光装置的检查方法，其特征在于上述第1以及第2掩膜图案，分别被形成为多条线相互隔开配置的形状，并且在上述第1以及第2掩膜图案的线的宽度以及线之间的间隔被形成为相互不同大小的同时，被配置成相互平行。
7.权利要求1所述的曝光装置的检查方法，其特征在于上述掩膜图案，包含由上述一组的第1以及第2掩膜图案、与形成了相对这些一组的掩膜图案的宽度方向成镜面对称的另一组第1以及第2掩膜图案构成的至少一对掩膜图案。
8.权利要求7所述的曝光装置的检查方法，其特征在于对于上述一对掩膜图案，分别求出上述第1掩膜图案的像之间的中心位置，和上述第2掩膜图案的像之间的中心位置，通过测定它们各中心位置之间的相对距离，测定上述第1以及第2掩膜图案的各自的像之间的相对距离。
9.权利要求7所述的曝光装置的检查方法，其特征在于上述掩膜图案，包含由上述一对掩膜图案、与形成了相对上述一对掩膜图案的宽度方向正交的另一对掩膜图案构成的至少两对掩膜图案。
10.权利要求9所述的曝光装置的检查方法，其特征在于对于上述两对各自的掩膜图案，分别求出上述第1掩膜图案的像之间的中心位置，和上述第2掩膜图案的像之间的中心位置，通过测定它们各中心位置之间的相对距离，在相互正交的两方向上测定上述第1以及第2掩膜图案的各自的像之间的相对距离。
11.权利要求1所述的曝光装置的检查方法，其特征在于在把上述显像体作为在曝光投影上述掩膜图案的像的一主面上设置有感光性材料的半导体基片的同时，作为上述第1以及第2各掩膜图案的像之间的相对距离，根据曝光投影后的上述掩膜图案的像测定相对被形成在上述感光性材料上的上述第1以及第2各掩膜图案的抗蚀剂图案之间的相对距离。
12.权利要求1所述的曝光装置的检查方法，其特征在于在和设置有上述掩膜的上述掩膜图案一侧相反侧的面上，或者该面附近，设置遮光部件使得与上述掩膜图案相对。
13.权利要求1所述的曝光装置的检查方法，其特征在于在和与设置有上述掩膜的上述掩膜图案一侧相反一侧的面光学性大致共轭的位置上，或者该位置附近，设置遮光部件，使得遮挡从照明上述掩膜的曝光光中沿着上述曝光装置的光轴的方向，向上述掩膜图案入射的曝光光，并且，使上述曝光光只从由沿着上述曝光装置的光轴的方向开始偏移的一方向，向上述掩膜图案入射。
14.权利要求1～13所述的曝光装置的检查方法，其特征在于通过测定上述第1以及第2各掩膜图案的像之间的相对距离，测定上述曝光装置具备的投影光学系统的焦点位置。
15.一种补正焦点位置的曝光方法，其特征在于用权利要求14所述的曝光装置的检查方法测定上述曝光装置具备的投影光学系统的焦点位置，根据其测定结果使上述半导体基片向着上述曝光装置的光轴方向移动，在配置到上述投影光学系统的适宜的焦点位置上后，在上述感光性材料上曝光投影上述掩膜图案的像进行复制。
16.一种半导体装置的制造方法，其特征在于包含，用权利要求1～13中的任意一项所述的曝光装置的检查方法调查上述曝光装置的光学系统的状态，在根据其结果把上述曝光装置的光学系统设定在适宜的状态的同时，把在一主面上设置有感光性材料的半导体基片配置在上述曝光装置具备的投影光学系统的适宜的焦点位置上之后，在上述感光性材料上复制半导体装置制造用的掩膜图案的像，形成抗蚀剂图案的步骤。
17.一种半导体装置的制造方法，其特征在于包含，用权利要求14所述的曝光装置的检查方法测定上述投影光学系统的焦点位置，在根据其测定结果把上述投影光学系统的焦点位置设定在适宜的状态下的同时，在把在一主面上设置有感光性材料的半导体基片配置在上述投影光学系统的适宜的焦点位置上之后，在上述感光性材料上复制半导体装置制造用的掩膜图案的像，形成抗蚀剂图案的步骤。
18.一种半导体装置的制造方法，其特征在于包含，在用权利要求15所述的补正焦点位置的曝光方法，把上述投影光学系统的焦点位置补正在适宜的状态下的同时，在把在一主面上设置有感光性材料的半导体基片配置在上述投影光学系统的适宜的焦点位置上之后，在上述感光性材料上复制半导体装置制造用的掩膜图案的像，形成抗蚀剂图案的步骤。
全文摘要
提供一种能够以低成本、快速、高精度、并且容易地调查曝光装置的光学系统的状态的曝光装置的检查方法。在掩膜1上，形成由线宽度W
文档编号G03F1/44GK1417646SQ0214922
公开日2003年5月14日 申请日期2002年11月6日 优先权日2001年11月6日
发明者佐藤隆, 三本木省次, 池田隆洋, 井上壮一 申请人:株式会社东芝