图形轮廓的检查装置和检查方法、曝光装置 【技术领域】
本发明一般地说涉及检测具有凹凸剖面的图形的轮廓(プロフアイル)误差(偏差)的图形检查装置，说得更详细点，涉及判定在晶片等的基板上边形成的光致抗蚀剂(光刻胶)图形是否有形成不良的检查装置和检查方法。
背景技术
在半导体元件的制造工序中，作为用来形成电路图形的掩模，要在晶片上边形成光致抗蚀剂图形(以下，简称为抗蚀剂图形)。抗蚀剂图形，可采用对于已涂敷到晶片上边的抗蚀剂使用步进投影式或扫描式曝光机，对掩模图形曝光，除去被曝光的部分或未被曝光地部分(显影)的办法形成。尽可能按照设计尺寸精度良好地制作该抗蚀剂图形，在进行半导体的各种图形的微细加工方面是特别重要的。
由于曝光时的散焦(焦点不对)等，常常不能按照设计正确地形成抗蚀剂图形。就是说，由于散焦，抗蚀剂图形被制作成从设计尺寸偏移开来。该散焦，在例如把晶片载置吸附到台上以平面地保持晶片上表面进行曝光时，在由于晶片背面与台表面间的灰尘或尘埃等异物，使得晶片表面不能成为平面的情况下，或归因于抗蚀剂的涂敷不均匀等的种种的原因而使得抗蚀剂表面的高度变成为不均匀的情况下，就会发生。
以往由散焦产生的抗蚀剂图形的形成不良(轮廓误差)一直采用把抗蚀剂图形看作是衍射光栅，利用在向抗蚀剂图形照射光时发生的衍射光的办法进行检查。例如，日本的公开专利公报、特开2001-141657，把从抗蚀剂图形在散焦部分和正常部分上产生的衍射光的衍射角度的差异当作色差取出来，进行散焦部分的有无的检查。
随着半导体的微细化的进步，要在晶片上边形成的图形的间距，要借助于可见光产生衍射光，就变得过于小了。例如，为了用已进步到0.1微米(100nm)左右的微细化的晶片产生衍射光，例如，就如在日本的公开专利公报、特开2000-338049所述的那样，作为光源就必须使用波长比可见光更短的紫外区(400nm或以下)的光。但是，若使用紫外光，则抗蚀剂图形就会被曝光。此外，由于人对紫外光没有视觉灵敏度，故进行光学系统的设定或衍射光的测定就要花费大量劳力和时间。此外，作为受光器使用的紫外线传感器价格昂贵，而大面积的紫外线传感器有时候就连搞到手也是困难的。
此外，所说的利用衍射光，意味着衍射角度依赖于晶片上边的图形的不同而变化。就是说，必须进行从所有的角度、方向观察由散焦造成的抗蚀剂图形的形成不良的宏观观察，这对于检查时间的缩短、宏观检查的自动化来说，就变成为一个大缺点。
【发明内容】
本发明的目的在于简易且高精度地检测具有凹凸剖面的图形的轮廓误差(偏差)。
本发明的目的在于简易地判定有无抗蚀剂图形的散焦。
本发明以来自具有凹凸剖面的图形的上面(顶面)与侧面之间的边沿的反射光量为监控器，检测图形的轮廓误差。就是说，本发明在来自用受光器受光的图形的边沿的反射光量多的情况下，就把包括该边沿的图形的轮廓误差当作是小，反之，来自边沿的反射光量小的情况下，就把包括该边沿的图形的轮廓误差当作大，来检测图形的轮廓误差。
本发明提供用来以来自具有凹凸剖面的图形的上面与侧面之间的边沿的反射光量为监控器、检测图形的轮廓误差的新的光学系统。这时，本发明具有这样的特征：通过不使用紫外光或衍射光而使用一般可以使用的可见光的简易的光学系统宏观地精度良好地检测微细的图形的轮廓误差。
【附图说明】
图1是对散焦部分的抗蚀剂图形和正常的抗蚀剂图形的边沿的形状进行比较的图。
图2示出了散焦部分的抗蚀剂图形和正常的抗蚀剂图形的照射光的入射角度的不同。
图3是本发明的抗蚀剂图形检查装置和检查方法的图，(a)是抗蚀剂图形检查的概略图，(b)是的(a)的主要部分扩大图。
图4是示出了包括照射光的扩散角度α在内的照明周围情况的图。
图5示出了抗蚀剂图形的等效模型。
图6示出了不能目视照射光的光源与眼睛的配置。
图7示出了本发明的使用CCD的自动检查装置的例子。
图8示出了台上的晶片的旋转。
图9示出了要向抗蚀剂图形上照射照射光的方向。
图10示出了图7的检查用PC的控制流程。
图11示出了用图7的本发明的系统测定的晶片的测定结果。
图12示出了向抗蚀剂图形的上面照射的照射光和向边沿照射的照射光。
图13示是出了向边沿照射的照射光的比率的曲线图。
图14示出了散焦部分的抗蚀剂图形和正常的抗蚀剂图形的反射光的不同。
【具体实施方式】
在以下的说明中，虽然主要使用了抗蚀剂图形，但是，本发明的适用对象并不限于此，对于连续的至少具有多个凹凸的(具有厚度的)所有的图形都可以应用。例如，在半导体上的微细的电路图形、半导体激光器用的光栅、滤色器等的光学用图形等中也可以应用。
在说明本发明的实施方式的详情之前，先对本发明的检测原理进行说明。图形的轮廓误差，在该图形的上面与侧面之间的边沿(以下，简称为边沿)上显著地表现出来。当有了轮廓误差(偏移)时，边沿的形状就会从原本应有的形状偏离开来。例如，如图1所示，抗蚀剂图形12b的边沿18b，就变成为比正常的12a的边沿更陡急的曲线。就是说，边沿更偏向内侧。这是因为由于曝光时的散焦把模糊的像(掩模图形)复制到了抗蚀剂上的缘故。
因此，如图2所示，在正常的12a的边沿18a和散焦的12b的边沿18b处，由于照射光Li对边沿的入射角度θ和φ不同，故反射光Lr对照射光Li的角度也不同。就是说，在向图形入射的入射光之内，在边沿处的反射光的反射角度与边沿的倾斜情况(角度)相对应地变化。在把反射光的受光器的位置(例如对图形上面的角度)固定为恒定的位置(角度)的情况下，要进入受光器的来自边沿的反射光的量则与边沿的倾斜情况(角度)相对应地变化。就是说，边沿的倾斜情况(角度)越大，换句话说，散焦越大，则要进入受光器的来自边沿的反射光量就变得越小。其结果是可以采用检测来自边沿的反射光量的办法来检测图形的轮廓误差。
采用对各个边沿中的每一个或对每一个恒定的区域相对地比较来自边沿的反射光量的办法，就可以宏观地得到2维配置的图形中的轮廓误差的有无及其分布。换句话说，即便是在图形以2维且宽面积地形成的情况下，采用对每一个适当的面积一边扫描一边测定的办法，就可以作为2维分布(宏观)得到图形的轮廓误差。
在本发明中，检测原理与以往的使用衍射光或相干(干涉)光的方法根本不同。就是说，在本发明中，变成为要尽可能地排除衍射光或相干光(变成为不进行检测)以便可以尽可能多地检测来自边沿的反射光量。为此，在本发明中，要使用与以往的方式不同的光学系统的配置或光学元件的特性等。在本发明中，为了最大限度地发挥检测灵敏度，要使用例如以下所示的那样的与以往的方式不同的光学系统的配置、光学元件的特性等。
(a)作为光源，理想的是均匀的面发光的光源。
(b)理想的是把光源配置在要向抗蚀剂的边沿部分照射光的位置上。或者，理想的是配置为使得可以用受光器观察该均匀的面发光的光源。
此外，理想的是使光从对于图形的上面和侧面之间的边沿大致垂直的方向入射。
(c)理想的是使光源变成为具有小于等于规定的角度(例如约35度)的方向性的光束。
(d)为了具有方向性，理想的是使光源变成为像20mm×300mm那样横长状(条状)的形状。
(e)作为受光器虽然可以利用例如CCD，但是理想的是可以检测具有方向性的光的线传感器型而不是面传感器型。
以下，用附图详细地对本发明的一个实施方式的图形检查装置和检查方法进行说明。在本说明书中，作为一个例子，说明对使用硅的晶片作为基板，在使用扫描型曝光器对已涂敷到该晶片上边的正型的抗蚀剂进行了曝光后，除去不要的抗蚀剂而产生的抗蚀剂图形进行检查的情况。此外，抗蚀剂图形，例如具有0.6到0.7微米(μm)的厚度。另外，即便是抗蚀剂的厚度更薄，例如，在0.1微米(μm)以下，也是可以检测的。
图3(a)、(b)示出了本发明的一个实施方式的图形检查装置的光的照射和反射的样子。包括用来向在晶片1上形成的抗蚀剂图形12照射照射光Li的光源S，和用来接受照射光Li被抗蚀剂图形12的边沿反射后的反射光Lr的受光装置P。向抗蚀剂图形12的全体或部分上照射照射光Li。用受光装置受光的，是被边沿反射后的反射光Lr，要使得尽可能不接受在上面处反射的光等。采用更多地接受被边沿反射的反射光Lr的办法，来提高检测灵敏度。
在图3中，设置晶片14的台16是圆形的，以垂直地贯通圆的中心点的线为轴，使得可以自由地在圆周方向上旋转。
为了改善在受光装置接受反射光Lr时的灵敏度或视认性，照射光Li理想的是单色光。但是，在检测上则并不限于此。也可以是含有某一波长和接近该波长的多个波长的光。例如，光源S，使用把多个发光二极管(LED)纵横地排列起来构成阵列的面发光光源，使得可以向抗蚀剂图形12全体照射照射光Li。
为了接受在边沿处反射的反射光Lr，照射光Li的波长，理想的是从可见光的约400至700纳米(nm)。这是因为在可见光的情况下，可以借助于目视，借助于反射光Lr的亮度(明度)，来识别反射光量。但是，并不限定于可见光，只要是不含有使抗蚀剂曝光的波长(紫外光)的光，例如即便是红外光之类的别的波长区域的光也没有问题。
图4示出了本发明的一个实施方式的光源周围的情况。在图4中，在LED的前面配置扩散板13，使来自光源S的照射光Li的扩散角度γ(最上光或最下光对中心光的角度)变成为小于等于35度。使扩散角度γ变成为小于等于35度的理由，是因为进行种种实验的结果，得到了这样的见解：这样做对于除去来自边沿以外的反射光、衍射光、散射光等的多余的光，提高检测灵敏度是最合适的。以下说明在本发明中使用的LED和扩散板的构成的例子。但是。不言而喻也可以是其它的波长的LED。
<LED和扩散板的构成的例子>
LED：主波长：535nm，发光强度：3.4cd，方向特性：±15度，个数：240个，尺寸：250mm×48mm
扩散板：透过率：60％
使用LED的面发光光源，对于使发光面的辉度变成为均匀、以提高照射光的方向性是合适的。面发光光源可以对宽的区域同时照射照射光Li。因此，在用受光装置接受反射光Lr时，就可以良好地识别来自正常部分和散焦部分的反射光的不同。此外，由于可以向宽的范围照射照射光Li，故具有在进行检查时即便是不使光源S或基板14移动也可以测定的优点。
来自光源S的光，必须以对于抗蚀剂图形12的上面倾斜15度至75度的角度，更为理想的是以30度至50度的角度进行照射。此外，受光装置的反射光的受光，也希望以对抗蚀剂图形12的上面倾斜15度至75度的角度进行。其根据如下。
由实验结果可知，由光照射产生的来自抗蚀剂边沿的反射光，可采用用图5所示的等效模型对抗蚀剂的形状进行近似的办法宏观地进行计算。就是说，对光照射(入射)角度的反射角度，可用下式近似地求出。
θ＝180-θin-2θo......(1)
其中，θ：反射角度，θin：光照射角度，θo：抗蚀剂的边沿角度。
此外，由用SEM等得到的多个线条宽度的抗蚀剂的剖面形状可知，边沿部分的倾斜角度θo可以代表在30度到70度的范围内所有的抗蚀剂形状。此外，用式(1)求从最大光照射角度70度到最小光照射角度15度的反射角度与抗蚀剂边沿倾斜角度的关系的结果，发现：抗蚀剂边沿倾斜角度30度到70度中的反射光，对于光照射角度15度到75度来说，反射角度也全部可以收拢到15度到75度的范围。即，如果想要接受来自所有的形状的抗蚀剂边沿部分的反射光，则可知只要光源可以覆盖照射角度15度到75度，此外，受光器也可以覆盖受光角度15度到75度即可。换句话说，若角度变成为15度以下，则照射光Li就要向受光器P(图3)的相反一侧反射，若变成为75度以上，则照射光Li就要向基板14的方向反射，所以就变成为不能用受光器接受反射光Lr。
受光器，例如包括作为受光元件使用CDD的照相机P。CCD所接受到的反射光Lr，就如要在后边详细地说明的那样，要被变换成图像数据。通过再对图像数据进行图像处理来检测散焦部分。例如，作为图像处理可以采用把由于在边沿处的反射光量而图像数据急剧地变化的部分当作亮度(明度)差进行检测的办法，来区别正常部分和散焦部分。在使用照相机的情况下，如后所述，检查装置10的自动化就是可能的。此外，也可以不使用照相机而代之以使用人的眼睛。在该情况下，目视反射光Lr，并根据反射光Lr的不同来区别正常部分和散焦部分。
如上所述，照相机P，一般的说可配置在对于抗蚀剂图形12的上面在上方从15度到75度的范围的位置上。此外，在即便是在15度到75度的角度下也可以接受反射光Lr的情况下，也可以在该角度的范围内配置照相机P。但是，如图6所示，如果光源S和照相机P配置在照射光Li的同一条线上，则照相机P不能确认反射光Lr。因此，光源S和照相机P，虽然必须使角度位置错开，但是就抗蚀剂图形12来说却必须配置在同一侧。在光源S相对于抗蚀剂图形12的上面配置在从15度到75度的位置上的情况下，照射光Li和反射光Lr所构成的角度β，对于照射光Li可以在大致正或负60度的角度的范围变化。
光源S与抗蚀剂图形12之间的距离，理想的是例如300mm至600mm的范围。这是因为如果光源S与抗蚀剂图形12之间的距离离开得过大，则抗蚀剂图形12上边的照度就要降低，反射光Lr的对比度恶化，结果变成为看漏了散焦。反之，如果光源S与抗蚀剂图形12之间的距离过近，则反射光Lr的对比度恶化，抗蚀剂图形12上的照度过高，在用人眼目视的情况下眼睛易于疲劳，照射光Li向抗蚀剂图形12上照射的照射面积就要变窄。
抗蚀剂图形12与照相机(或眼)P之间的距离，理想的是也是例如300mm至600mm的范围。这是因为如果照相机P离抗蚀剂图形12过近，则视野变窄，而如果离得过远，则反射光Lr的对比度就要恶化的缘故。
光源S与照相机(或眼)P在位置，也可以在上述的范围内固定。这是为了使反射光Lr对照射光Li的角度恒定。因此，本发明可以在使用被认为是今后需要的CCD的自动检查装置中利用。
图7示出了本发明的一个实施方式的使用CCD的自动检查装置。在图7中，在圆形的台(工作台)30上载置具有作为测定对象的图形的基板(晶片)32。台30，可借助于受控制器控制的线性马达34旋转移动或在水平或垂直方向上移动。如图8所示，使台30在圆周方向上旋转90度，就可以从另外的方向进行检查。这是因为如图9所示，在抗蚀剂图形12朝向X方向或Y方向的情况下，在从A点照射光时，朝向Y方向的抗蚀剂图形12的检查虽然可以用上述的方法进行，但是朝向X方向的抗蚀剂图形12，由于所照射的光不能向A点的方向反射，所以必须从多个方向进行检查。
作为光源，可以使用照射角度不同的照明(光)A、B、C这3个照明40、42、44。各个照明，可通过由控制器48控制的马达46，沿着规定的圆弧改变位置。各个照明的角度，可在相对于工作台上的图形上面15度～75度的范围内改变。另外，照明的个数之所以定为3个，是为了要提高检测灵敏度，只要为最底1个或以上就可以进行检查。照明的至少一个，可定位使得对于晶片上边的抗蚀剂图形的边沿成为大致垂直。在图7中，照明A(40)被设置在48度至52度的位置上，照明C(44)被设置在16度至18度的位置上，照明B(42)则被设置在与CCD线传感器大致同轴上。照明的亮度(明度)可由照明用的电源50进行调整。
CCD线传感器照相机52，与照明同样，可借助于受控制器48控制的马达46，沿着圆弧改变位置。照相机52的受光角度，可在相对于工作台上的图形上面15度～75度的范围内改变。照相机52带有马达用的照相机54。马达的控制器36、48，照明用的电源50，照相机50、52的输出，连接到检查用个人计算机(PC)56上。检查用PC56，根据规定的自动测定程序，对各个控制器和照明用电源等进行控制。借助于由检查用PC56发出的指令，可根据对象任意地设定摄像光学系统(照明和线传感器照相机的位置关系)。
图7的摄像光学系统(照明和线传感器照相机的位置关系)和角度的设定，可如下那样地设定。就是说，要设定为使得除去不要的散射光或衍射光，灵敏度良好地检测抗蚀剂的微妙的形状变化。在这里，在设计系统方面最重要的，是要使来自检查晶片的衍射光不会返回线传感器照相机52的设置角度，以便对比度良好地仅仅取出来自抗蚀剂边沿部分的反射光。于是，在用反射型光栅模型计算把晶片上的图形当作衍射光栅发生的衍射光，使用专用原版(レテイクル)时，设定了衍射光不会返回CCD线传感器所存在的角度的位置关系。另外，在进行设定时，必须留意的是最佳的摄像角度也会随着抗蚀剂的形状而改变。
图10示出了用图7的检查用PC56进行控制的控制流程图(自动测定流程)。接通3个照明(ON)(步骤60)。用照相机52接受来自晶片32上的图形的反射光(步骤62)。用PC56内的捕捉卡接收照相机52的输出，把该值(数字值)当作图像数据存储到存储器内(步骤64)。该数字值的大小，与反射光量的大小对应。对马达进行控制以改变照相机的角度(步骤66)。反复进行步骤62至步骤66，将在各个角度下的图像数据(数字值)存储在存储器内。PC56以得到的数字值为基础决定使检测灵敏度(图像的浓淡(明暗))成为最大的照相机52的角度(步骤68)。照相机52可用所决定的角度固定下来。
对马达34进行控制以设定晶片上的测定位置(步骤70)。在移动到最初的测定位置上后，与步骤62、64相同地进行测定，把图像数据存储到存储器内(步骤72)。反复进行步骤70和72，边对晶片上的测定位置进行扫描边依次进行测定。这时，由于照相机52是线传感器照相机，所以一边以规定的间隔每次1条线地进行移动一边对晶片进行测定。测定一直进行到在所有的测定点(线)上的测定都结束为止。PC根据测定数据把在晶片上的各个位置处的图像数据作为2维的图像进行映射(步骤76)。根据映射后的图像信息中的明暗(颜色的浓淡)，就可以检测晶片上的图形有无轮廓误差(散焦)。
图11示出了用图7的本发明的一个实施方式的系统进行实际测定的晶片的测定结果。图11是对线宽度为0.3微米的抗蚀剂图形进行测定的测定结果。图11中的图像的大致正方形的暗的部分(浓的部分)表示有轮廓误差(图形边沿的塌边)的部分。该轮廓误差，是归因于使抗蚀剂图形曝光的步进曝光(ステツパ)装置的扫描时的同步偏差(正误差)产生的。由于所使用的步进曝光装置把3×4的12个芯片当作1个原版，用该1个原版单位获取同步，故在每一个原版区域内都会产生轮廓误差。该轮廓误差在步进曝光机的扫描时的同步的精度方面是不可避免地要产生的。在本发明者进行的实验中，若使用以往的利用衍射的方法，则几乎不能测定该不可避免地产生的轮廓误差。但是，用图7的本发明的一个实施方式的装置，如图11所示，可以作为鲜明的图像对轮廓误差进行检测。
倘采用图7的检查装置，由于可以根据检测出的图形的轮廓误差调整抗蚀剂的曝光条件，故可以作为曝光装置或步进曝光装置的一部分组装进来使用。就是说，通过把根据用图7所示的检查装置检测出的图形的轮廓误差调整光致抗蚀剂的曝光条件的手段(流程)设置到曝光装置或步进曝光装置中去，具有在半导体的制造工艺线中可以用在线方式调整曝光条件(散焦)的优点。此外，具有曝光装置或步进曝光装置的晶片与原版的扫描时的同步偏差(正误差)、自动聚焦的跟踪性能、水平调节机构的误差、透镜的失真等的特性也可以检测。最后，再次对可以有效地使用本发明的检查装置的情况进行说明。如上所述，本发明的检查装置，如图3所示，采用向抗蚀剂图形12的边沿照射照射光Li，用照相机P的CCD接受反射光Lr的办法，检查由散焦产生的抗蚀剂图形12的轮廓误差(形成不良)。因此，抗蚀剂图形12中的边沿的面积的比率越大，则可以用照相机P的CDD接受越多的反射光Lr，越可以有效地使用检查装置10。
如图12所示，如果设要向抗蚀剂图形12的上面20照射的照射光Li的宽度为a，设要向边沿18照射的照射光Li的宽度为b，则照射光Li之内要向边沿18照射的比率A，就可以用下式表示。
A＝b/(a+b)×100
图13示出了求出抗蚀剂图形12的间距(图形宽度与图形间隔的和)与要向边沿18照射的照射光Li的比率的关系的曲线。如图13所示，在间距为0.8μm(图形宽度/图形间隔＝0.40μm/0.40μm)与0.6μm(图形宽度/图形间隔＝0.29μm/0.31μm)之间，上述照射光Li的比率将急剧地增大。在间距比0.6μm更微细化的抗蚀剂图形12的检查中，虽然可以有效地使用本发明的检查装置10，但是，根据本发明人等的实验，由于只要是可向边沿18照射的照射光的比率在50％或以上的抗蚀剂图形12的检查就可以确认反射光Lr，故可以使用。这是因为归因于抗蚀剂图形12的微细化，占抗蚀剂图形12全体的边沿18的比率增大，在从光源S看抗蚀剂图形12时，边沿18已变成为镜面那样的状态的缘故。因此，当存在着由于散焦而产生的抗蚀剂图形12的形成不良时，如图14所示，由于仅仅该部分(图中斜线部分的抗蚀剂图形12b)反射光Lr的角度不同，故可以区别正常部分和散焦部分。这是因为可以在配置在规定的角度上的受光器接受到的受光量中出现不同的缘故。
虽然对本发明的实施方式进行了说明，但是，本发明却并不限定于上述实施方式。例如，采用使得可以在上边所说的范围内改变光源S与照相机P的位置的办法，除去可以接收由抗蚀剂图形12的边沿18反射的反射光Lr之外，取决于光源S与照相机P的位置，也可以使得以抗蚀剂图形12为衍射光栅，接受衍射光。在该情况下，由于接受衍射光，故要构成为使得以通过载置台16的中心的线为轴使载置台16任意的角度地倾斜。通过以上那样的构成，上述的检查装置和以往的检查装置不同，即便是存在着多个抗蚀剂图形12的图形宽度的情况下，也可以确实地进行检查。
此外，通过根据要向边沿18照射的照射光Li的比率，分开使用本发明的检查装置10和以往的利用衍射光的检查装置，可以确实地检查散焦部分。在存在着多个抗蚀剂图形12的图形宽度的情况下，通过使用本申请和以往的检查装置，就可以确实地进行检查。
光源S虽然使用的是LED，但是也可以作成为不使用LED而代之以使用具备卤素灯和滤光器的结构。借助于从卤素灯的光中切断第1波长(短波长)以下的光的滤光器和切断第2波长(长波长)以上的光的滤光器，取出含有从第1至2波长的光。第1和第2波长，是合乎上边所说的LED的条件的波长。也可以不使用2个滤光器代之以使用仅仅使含有第1至2波长的光通过的滤光器
除此之外，本发明在不违背其宗旨的范围内也可以以根据本专业人员的知识加以种种的改良、修正、变形后的形态进行实施。
倘采用本发明，则可以简易且高精度地检测具有凹凸剖面的图形的轮廓误差(偏差)。倘采用本发明，则可以简易地检测抗蚀剂图形的曝光时有无散焦。倘采用本发明，则也可以简易地检测那些若用利用衍射光的以往的方法所不能检测的、具有0.1微米左右或其以下的图形宽度的微细化的抗蚀剂图形的轮廓误差(偏差)的有无。