KR100282098B1 - 결상장치 - Google Patents

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KR100282098B1 KR1019920003594A KR920003594A KR100282098B1 KR 100282098 B1 KR100282098 B1 KR 100282098B1 KR 1019920003594 A KR1019920003594 A KR 1019920003594A KR 920003594 A KR920003594 A KR 920003594A KR 100282098 B1 KR100282098 B1 KR 100282098B1
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마리누스아르트반덴브링크
헨크프레데릭디르크린데르스
요한네스마르쿠스마리아베르만
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에이에스엠 리소그라피 비.브이.
요트.게.아. 롤페즈
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 결상 시스템의 결상면과 결상이 이루어질 제 2 평면(WS)사이의 편차를 결정하기 위한 결상 시스템(PL)과 초점 검출 장치를 포함하는 결상 장치에 관한 것이다. 초점 에러 검출 시스템은 넓은 파장 대역을 갖는 빔(bf)을 공급하는 방사원(S)과, 제 2 평면을 거쳐 서로의 위에 결상되는 대물측 그레이팅(G1)과 결상 그레이팅(G2)을 포함한다. 초점 검출 시스템에서 결상 시스템의 외면(RP)에 의해 반사되는 기준 빔(br)은 광대역 빔 및 그레이팅과 조합으로 또는 조합되지 않고 사용될 수 있다. 다수의 그러한 초점 검출 시스템을 사용하여 검사 검출 장치는 결상면에 대한 제 2 평면(WS)의 위치를 검출하기 위해 실현될 수 있다.

Description

결상 장치
제1도는 초점 검출 장치를 포함하여, 기판상에 마스크 패턴을 반복적으로 결상시키는 장치의 실시예의 도시도.
제2도는 그레이팅 및 광대역 빔과 함께, 본 발명에 따른 초점 검출 장치의 제 1 실시예의 개략도.
제3도는 동적 초점 에러 신호를 발생시키는 수단과 함께, 이 실시예를 더욱 상세히 도시하는 도시도.
제4도, 제5a도, 제5b도, 제6a도 및 제6b도는 동적 초점 에러 신호를 발생시키기 위해 이 실시예에 사용된 시스템의 원리를 설명하는 도시도.
제7도는 역반사기가 사용된 그레이팅과 함께 초점 검출 장치의 실시예의 도시도.
제8도, 제9도, 제9a도, 제10도, 제11도, 제12도, 제13도 및 제14도는 기준 빔과 함께, 그레이팅과 반사기를 포함하거나 포함하지 않은 초점 검출 장치의 실시예의 도시도.
제15도는 그레이팅 상의 그레이팅 상을 사용하는 경사 검출 장치의 원리를 도시하는 도시도.
제16a도 및 제16b도는 다중 초점 에러 검출에 기초한 경사 검출 방법의 원리를 설명한 도시도.
제17도는 상기 방법을 수행하기 위한 장치의 원리를 설명하는 도시도.
제18a도, 제18b도, 제19a도, 제19b도, 제20a도 및 제20b도는 그러한 경사 검출 장치의 실시예를 조합하여 도시하는 도시도.
제21도는 이 장치에 사용된 그레이팅판의 실시예의 도시도.
제22도는 이 장치에 사용된 방사 감지 검출기의 실시예의 도시도.
제23도는 큰 초점 에러에 대한 레이저 검출 시스템의 상호간에 결상된 애퍼쳐와 관련 검출기의 조합을 도시하는 도시도.
제24도는 초점 에러 및 경사 검출 장치를 포함하는 패턴 투사 장치의 일부분의 기계적 구성을 도시하는 도시도.
제25도는 투사 렌즈 시스템과 기판사이의 공간의 상태 조절을 위한 공기의 흐름과 본 장치의 일부를 도시하는 도시도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
PL : 결상 시스템 WS : 제 2 평면
LA : 방사원 WT : 기판 테이블
MA : 마스크 RE : 거울
LS : 렌즈 시스템 CO : 콘덴서 렌즈
MT : 마스크 테이블
본 발명은 결상 시스템(imaging system)과, 결상 시스템의 결상면과 결상이 이루어지는 제 2 평면 사이의 편차를 결정하는 광전자 초점 검출 시스템(opto-electronic focus detection system)을 구비하는 결상 장치(imaging apparatus)에 관한 것으로, 상기 초점 검출 시스템은 초점 검출 빔을 공급하는 방사원(radiation source), 제 2 평면의 방사원과 동일한 측면에 배열된 방사 감지 검출기, 및 제 2 평면에 대한 소정의 작은 각도로 초점 검출 빔을 상기 제 2 평면상에 지향시키고(directing) 상기 초점 검출 빔의 경사방향(vergency)과 제 2 평면에 의해 반사된 빔의 경사방향을 변경시키며 또한 상기 반사된 빔을 상기 검출기로 지향(direct)시키는 광학 소자들을 구비한다.
이러한 형태의 결상 장치는 실례로 미합중국 특허 제 4,866,262 호에 공지되어 있다. 이러한 종래의 특허에 기술된 장치는 광 방사에 의해 기판 예컨대 실리콘 기판에 마스크 패턴을 반복적으로 결상하기 위한 "웨이퍼 스테퍼"로 통상적으로 지칭되는 기계의 일부인데, 그 기계는 예컨대 간단히 IC 로 지칭되는 집적 회로의 제조에 사용된다. 패턴은 투사 렌즈 시스템에 의해 기판의 제 1 서브 영역 또는 필드상에 결상되며, 다음으로 기판은 정확히 규정된 거리만큼 이동되고, 그 후에 패턴은 제 2 기판 필드에 결상되며, 이후 기판은 다시 이동되어, 패턴이 모든 기판 필드들에 결상될때까지 반복된다.
결상되어야 할 상세 사항의 정교성으로 인하여, 투사 렌즈 시스템은 다수의 애퍼쳐(aperture)를 가져야 한다. 그러나, 그러한 렌즈 시스템은 작은 초점 깊이를 가지므로, 투사 렌즈 시스템의 결상면과 기판 표면 사이의 편차는 정확히 측정되어야만 하고 또한 교정되어야 한다. 상기 측정은 일반적으로 초점 검출이라고 지칭된다. 다른 문제는 기판 표면이 기판 전체의 경사로 인하여 또는 기판의 두께 변화로 인하여 경사지게 배열될 수 있다는 것이다. 또한, 기판 표면은 국부적 비균일성을 가질 수 있다. 따라서, 각각의 기판 필드에 대해 초점 검출을 실행할 필요가 있다.
미합중국 특허 제 4,866,262 호에 기술된 장치에서, 초점 검출은 레이저 빔이 제 1 방사 스폿을 형성하는 표면상의 법선에 대해 예로서 80°의 각도로 기판 표면에 입사하는 레이저 빔에 의해 수행된다. 기판 표면은 2개의 검출기 셀을 포함하는 방사 감지 검출기로 향해 빔을 반사하고, 검출기의 면에 제 2 방사 스폿을 형성하며, 그러한 스폿은 제 1 방사 스폿의 상(image)이 된다. 기판 표면이 투사렌즈 시스템의 결상면과 일치한다면, 제 2 방사 스폿은 검출기 셀들에 대해 대칭적으로 위치되고, 검출기 셀들의 출력 신호들 사이의 차이는 0과 같다. 기판 표면이 상기 결상면과 일치하지 않으면, 제 2 방사 스폿은 검출기 셀들에 대해 대칭적으로 위치되지 않게 되며, 상기 차 신호는 0 이 되지 않는다. 기판 표면과 투사렌즈 시스템의 결상면 사이의 편차의 크기와 방향은 이러한 차 신호의 진폭 및 부호로부터 얻어질 수 있다.
본 발명의 목적은 기존의 장치보다 정확하고 신뢰성있는 새로운 초점 검출 장치를 제공하고, 또한 기판 표면의 국부적 경사를 검출할 수 있는 형태의 장치를 제공하는 것이다. 본 발명은 그 자체로서 새로운 여러 가지 특징을 가지며, 초점 검출을 현저히 개선하지만, 그 결합을 통하여 새로운 초점 검출 장치와 국부적 경사 검출 장치를 제공하게 된다.
여러 실시예들을 통하여 문제의 해결책을 제공하는 본 발명의 여러 특징들이 기술된다.
첫 번째 특징은 초점 검출 빔에 관한 것이다. 미합중국 특허 제 4,866,262호에 기술된 바와 같은 공지의 초점 검출 장치에 있어서는, 빔을 단색 레이저 빔으로서 그 파장이 빔이 노출된 기판 표면에 영향을 주지 않도록 선택되는 레이저 빔이 된다. 그러나, 이러한 기판은 초점 검출 빔이 다시 반사되도록 관통할 수 있는 여러 개의 층을 갖는다. 기판층 패킷에 의해 발생되는 간섭(interferences)으로 인하여 초점 검출 빔에 변화가 발생하는데, 그 변화는 기판 표면과 투사 렌즈 시스템의 상 필드 사이의 거리와 무관하여, 잘못된 초점 검출 신호가 얻어진다. 초점 검출 빔이 기판 표면을 스쳐지나가게 함으로써, 즉, 이러한 표면에 대해 작은 각도로 입사하게 함으로써, 기판 표면상의 반사가 비교적 크게 되고 초점 검출 빔에 대한 기판층 패킷의 영향은 비교적 작게 되도록 하지만, 초점 검출 빔에 대한 기판층 패킷의 남아있는 영향도 오늘날 요구되는 초점 검출 정확도에 중요한 역할을 한다.
이러한 영향을 감소시키기 위해서, 본 발명의 첫 번째 특징에 따른 결상 장치의 첫 번째 실시예는 초점 검출 빔이 넓은 파장 대역을 갖고, 제 1 및 제 2 그레이팅(grating)이 제공되며, 제 1 그레이팅은 방사원(radiation source)과 제 2 평면 사이의 방사 경로(radiation path)내에 배열되고, 제 2 그레이팅은 제 2 평면과 검출기 사이에 배열되는 것을 특징으로 한다.
초점 검출 빔의 방사가 넓은 스펙트럼을 가지며 상기 간섭 현상이 각각의 파장에 대해 다르기 때문에, 간섭은 전체 빔에 대해 평균화되어, 초점 검출 빔이 기판층 패킷에 의해 영향을 받지 않게 된다. 넓은 스펙트럼을 갖는 방사선의 사용으로 기판상에 형성될 수 있는 가장 작은 방사 스폿의 치수는 단색 방사선을 사용할때의 치수 보다 크기 때문에, 또한 초점 검출 장치의 감도 또는 해상도는 상기 크기에 비례하기 때문에, 다른 수단을 강구하지 않을 경우 해상도는 감소될 것이다. 본 발명에 따라, 이것을 것을 방지 위해 2 개의 그레이팅이 사용되는데, 그 중 하나는 기판에서의 반사를 통해 다른 그레이팅에 결상된다. 그에 따라 그 감도가 그레이팅의 주기에 비례하고, 그로써 매우 정확한 측정이 실행될 수 있는 그레이팅 변위 시스템이 발생된다.
미합중국 특허 제 4,650,983 은 그레이팅 이미지상의 그레이팅이 사용된 IC 투사 장치용 초점 검출 장치의 실시예를 기술한다. 그러나, 이러한 장치는 각각 초점 정보를 개별적으로 공급하는 2 개의 독립적으로 작동하는 부분들을 포함한다. 제 1 부분은 투사 렌즈 시스템 밖으로 확장되어 있고 기판 표면상에 경사 입사되며 광대역 빔으로 지칭되지 않는 빔으로 작동되고, 어떠한 그레이팅도 포함하지 않는 다. 초점 검출 장치의 제 2 부분은 텔레비젼 카메라 및 텔레비젼 모니터를 통한 초점 상태의 시각적 관찰을 위한 것이며, 마스크 그레이팅 마크(mask grating mark)를 거쳐 투사 렌즈 시스템에 들어가는 빔으로 작동된다. 마스크 마크는 기판 표면상에 결상되고 이어서 기판 표면상의 반사를 거쳐 그 자체에 재 결상된다. 상기 빔은 마스크 패턴을 기판상에 투사시키는데 사용되는 빔과 같은 파장을 갖고 기판 표면내에 어떠한 변화도 발생시키지 않아야 하기 때문에, 낮은 강도를 가져야하며 따라서 초점 에러 검출의 품질은 치명적 영향을 받는다.
첫 번째 양호한 실시예는 검출기에 의해 감지된 제 1 및 제 2 그레이팅의 이미지를 서로에 대해 주기적으로 이동시키는 수단이 제공되는 것을 특징으로 한다. 따라서 검출기 신호는 새로운 주기적 신호가 되며, 동적이고 훨씬 더 신뢰성 있는 초점 에러 신호가 얻어진다.
기판의 높이를 주기적으로 변경시키거나 그레이팅들 중 하나 또는 다른 광학 소자를 주기적으로 이동시킴으로써 상기 주기적 이동이 실현될 수 있다. 그러나, 본 발명 장치의 첫 번째 실시예는 주기적 전기 신호에 의해 제어되는 광학 소자는 초점 검출 빔의 경로내에 배열되며, 상기 소자의 광학적 특성은 전기 신호의 영향하에 주기적으로 변한다.
따라서 동적 초점 에러 신호를 얻기 위한 추가적인 기계적 운동을 실행할 필요가 없게 된다.
미합중국 특허 제 4,614,864 호는 투사 렌즈 시스템 및 기판상의 반사를 통해 제 2 상보적 패턴상의 패턴의 이미지가 동적 초점 에러 신호를 얻기 위해 진동 되는 IC 투사 장치를 위한 초점 검출 장치를 기술한다. 이 장치에서 초점 검출 빔은 투사 렌즈 시스템을 이동시키고, 기판에 수직 입사된다. 그러나 제 1 및 제 2 패턴은 별개의 그레이팅이 아니고 마스크 패턴과 그에 상보적인 패턴이 된다.
양호한 실시예는 또한, 편광 감응 소자가 제 2 그레이팅의 면내에 제 1 그레이팅의 이미지를 형성하는 2 개의 서브-빔으로 초점 검출 빔을 분리시키기 위해 제 2 그레이팅 앞에 배열되며, 상기 이미지는 제 2 그레이팅의 그레이팅 주기의 1/2과 동일한 거리만큼 상호 이동되고, 편광 회전자가 제 2 그레이팅과 검출기 사이에 배열되며, 상기 회전자는 서브-빔의 편광 방향을 주기적으로 변화시키는 주기적 신호에 의해 제어되고, 편광 분석기는 편광 회전자와 검출기 사이에 배열되며, 주기적 신호는 검출기의 출력 신호를 처리하여 초점 제어 신호를 형성하는 전자 회로에 인가되는 것을 특징으로 한다.
이러한 전자-광학 변조기 대신에, 자기 광학 또는 음향 광학 변조기와 같은 다른 광학 변조기가 사용될 수 있다.
본 발명 장치의 특정 실시예는, 역반사기가 제 2 평면에 의해 처음 반사된 초점 검출 빔의 경로내에 배치되고, 이러한 역반사기는 그에 따라 상기 빔을 반사시키며, 빔 분리 소자는 제 2 평면에 의해 두 번째 반사된 초점 검출 빔의 경로내에서 제 2 평면과 방사원 사이에 배열되고, 상기 빔 분리 소자는 제 2 그레이팅과 그 뒤에 배열된 검출기를 향하여 두 번째 반사된 빔을 결합하여 보내는 것을 특징으로 한다.
제 2 평면 또는 기판의 동일 위치에서의 초점 검출 빔의 이중 반사로 인해서, 기판 반사의 국부적 차이는 초점 에러 신호에 어떠한 영향도 주지 않으며, 초점 검출 장치의 감도는 두 배로 증가된다.
미합중국 특허 제 4,866,262 호로부터 공지된 결상 장치에서, 제 2 평면 또는 기판 표면의 높이의 위치는 방사원, 검출기 및 초점 검출 장치의 다른 부분이 고착된 장착부분에 대해 결정된다. 이러한 장착부분은 투사 렌즈 시스템의 홀더에 연결된다. 홀더를 장착부분에 대해 이동시키거나, 광학 소자를 장착부분내에서 이동시킴으로써, 초점 검출 빔에 의해 형성된 방사 스폿은 투사 렌즈 시스템의 결상 필드에 대해 이동될 수 있다. 본 발명의 제 2 특징은 상기 불안정성으로 인하여 발생된 잘못된 초점 에러 신호가 방지될 수 있는 방법에 관한 것이다.
이미지 투사 장치의 제 2 실시예는 제 2 평면에 대향 위치된 결상 시스템의 표면상으로 지향(direct)하고 상기 표면에 대해 소정의 작은 각도로 확장(extend)하는 기준 빔(reference beam)이 제공되며, 제 2 검출기가 상기 표면에 의해 반사된 기준 빔의 경로에 배열되고, 제 1 및 제 2 그레이팅이 기준 빔의 경로에 배열되며, 상기 경사방향을 지향하고 변화하도록 제 1 그레이팅과 제 2 그레이팅 사이에 배열된 광학 수단이 두 빔들에 대해 공통으로 적용되는 것을 특징으로 한다.
2 개의 검출기의 출력신호 사이의 차이를 정의하므로써, 상기 렌즈 표면과 제 2 평면사이의 거리에만 의존하고, 초점 검출 빔과 기준 빔이 검출 장치의 동일 소자를 이동시키기 때문에 검출 장치의 불안정성에 의해 영향받지 않는 신호가 얻어진다.
SPIE, Vol.1264, 옵티컬/레이저 마이크로리소그래피 Ⅲ(1990), PP.244-251에 기술된 "Chip Levelling and Focusing with Laser Interferometry"는 기층에 의해 반사되는 초점 검출 빔에 추가하여 기준 빔이 사용되는 기층의 국부적 초점 검출과 경사 검출용 장치를 기술한다. 그러나, 처음 언급된 빔은 투사 렌즈 시스템의 표면에 의해 반사되지 않아서, 측정되는 것은 렌즈 표면과 기판사이의 거리가 아니다.
제 2 실시예는 양호하게 또한 관련 빔을 위한 검출기에 의해 감지되는 제 1 및 제 2 그레이팅의 상(image)들을 서로에 대해 주기적으로 이동시키기 위한 기준빔과 초점 검출 빔을 위한 수단이 제공되는 것을 특징으로 한다.
제 1 실시예와 관련하여 언급된 이점은 다시 얻을 수 있다. 상기 수단은 청구범위 제 8 항 및 9 항에 기술된 방법으로 구성될 수 있다.
제 2 실시예는 또한 기준 빔을 공급하기 위한 별개의 방사원(radiation source)이 제공되고, 제 1 빔 편향 소자가 초점 검출 빔 및 기준 빔을 결상 시스템의 제 2 평면 및 표면에 각각 지향하도록 초점 검출 빔 및 기준 빔의 경로에서 방사원들과 제 2 평면 사이에 배열되며, 제 2 빔 편향 소자가 상기 초점 검출 빔 및 기준 빔을 제 1 및 제 2 검출기에 각각 지향하도록 초점 검출 빔 및 기준 빔의 경로에서의 제 2 표면과 두 검출기들 사이에 배열되는 것을 특징으로 한다.
장치는 편향 소자를 사용하여 소형화될 수 있다.
제 2 실시예는 또한 기준 빔을 공급하기 위한 별개의 방사원이 제공되며, 빔 편향 소자가 초점 검출 빔 및 기준 빔의 경로에서 방사원들과 제 2 평면 사이에 배열되며, 역반사기(retroreflector)가 제 2 평면에 의해 처음 반사된 초점 검출 빔과 결상 시스템의 표면에 의해 처음 반사된 기준 빔의 경로에 배치되고, 제 1 검출기를 향해 초점 검출 빔을 결합하여 보내는 제 1 빔 분리 소자가 제 2 평면에 의해 두 번째로 반사된 상기 빔의 경로에 배열되고, 제 2 검출기를 향해 기준 빔을 결합하여 보내는 제 2 빔 분리 소자가 결상 시스템의 표면에 의해 두 번째로 반사된 상기 빔의 경로에 배열되는 것을 특징으로 한다.
제 2 평면과 결상 시스템의 표면상의 이중 반사로 인해서, 초점 검출 정확도는 제 2 평면과 결상 시스템의 표면의 국부적 반사 차이와 무관하게 2배로 증가된다.
검출 장치는 또한 한 방사원만 가질 수도 있다.
상기 경우에 해당하는 제 2 실시예의 제 3 예는 제 1 복굴절 소자(birefringent element)가 상기 빔을 제 1 편광 방향을 갖는 초점 검출 빔과 제 2 편광 방향을 갖는 기준 빔으로 분리하고 상기 빔들을 제 2 평면과 결상 시스템의 표면상으로 각각 지향하도록 방사원에 의해 공급된 빔의 경로에 배열되며, 제 2 복굴절 소자가 두 빔들을 서로를 향해 편향시키고 빔들을 제 1 검출기 및 제 2 검출기상으로 각각 지향하도록 제 2 평면과 결상 시스템의 표면에 의해 각각 편향된 빔들의 경로들에 배열되는 것을 특징으로 한다.
2 개의 복굴절 소자가 사용되므로, 한 방사원만 사용해도 충분하고 장치는 소형화될 수 있다.
제 2 실시예의 제 4 예는 복합 반사기(composite reflector)가 제 2 평면에 의해 반사된 초점 검출 빔의 경로에 배열되고, 기준 빔은 반사기에 의해 반사되어 결상 시스템의 표면상으로 지향된 빔에 의해 형성되며, 제 1 및 제 2 검출기는 한 검출기로 결합되는 것을 특징으로 한다.
이 검출기에 입사되는 빔은 제 2 평면 및 외부 렌즈 표면과 접촉되므로, 이 빔은 이 면사이의 거리에 관한 정보를 포함한다. 앞의 실시예에서와 같이 전자 미분 대신에 광학 미분이 수행된다. 또한, 예로서 이중 기능 빔이 전파되는 매질의 와류로 인한 국부적 편향율 차이는 측정 신호에 영향을 주지 않는다.
상기 제 2 실시예의 제 4 예는 방사원에 의해 공급되는 빔을 제 2 평면을 향해 편향시키고 또한 결상 시스템의 표면에 의해 반사되는 빔을 검출기로 향해 편향시키기 위해서, 상기 방사원에 의해 공급되는 빔과 결상 시스템의 표면에 의해 반사되는 빔의 공통 경로내에 빔 편향 소자가 배열되는 것을 또한 특징으로 한다.
그 장치는 빔 편향 소자를 사용하여 소형화될 수 있다.
제 2 실시예의 제 5 예는 제 1 복굴절 소자가 방사원에 의해 공급된 빔의 경로에 배열되어, 상기 빔을 초점 검출 빔으로서 제 2 평면 쪽으로 통과시키고, 제 2 복굴절 소자가 상기 평면에 의해 반사된 빔의 경로에 배열되어 반사된 빔을 통과시키며, 빔을 제 2 복굴절 소자 쪽으로 반사하는 역반사기가 상기 통과된 빔의 경로에 배열되고, 상기 제 2 복굴절 소자는 상기 빔을 기준 빔으로서 결상 시스템의 표면 쪽으로 편향시키며, 제 1 복굴절 소자는 상기 표면에 의해 반사된 빔을 방사원에 의해 공급된 빔의 방향으로 편향시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 매우 바람직한 초점 검출 장치는 제 1 실시예의 특징과 제 2 실시예의 특징을 결합시켜 얻을 수 있다.
제 2 실시예에 기초한 그러한 장치는 초점 검출 빔이 넓은 파장 대역을 가지며, 제 1 그레이팅은 초점 검출 빔과 기준 빔의 방사 경로에서 관련 빔을 공급하는 방사원과 상기 빔이 처음 반사되는 평면 사이에 배열되고, 제 2 그레이팅은 관련 빔에 대한 검출기와 상기 빔을 검출기 쪽으로 반사시키는 평면 사이에 배열되는 것을 특징으로 한다.
이 장치의 여러가지 실시예가 있는데, 이 실시예는 제 2 실시예의 제 5 예와 유사하며, 추가적 소자로서 청구범위 17항 내지 21항에 기술된 바와 같이 여러가지 위치에 다수의 그레이팅을 갖는다.
본 발명에 따른 초점 검출 장치의 실시예는 조정가능 광학 소자가, 초점 에러와 무관하게 제 2 평면에 형성된 방사 스폿을 변위시켜 발생된 초점 에러 신호의 제로 값을 변화하도록 초점 검출 빔의 방사 경로의 제 2 평면 앞에 배열되는 것을 특징으로 한다.
예로서 경사가능 평면-평행 판 또는 이동가능 보조 렌즈일 수도 있는 조정가능 소자는 공기 압력과 같은 주위 변수의 변화로부터 발생되는 결상 시스템의 결상면의 이동을 보상할 수 있다. 더구나 결상 장치의 작동자는 실험 결과를 참조하여 수동으로 초점 에러 신호의 0 을 설정할 수 있게 되었다. 조정가능 소자의 사용은 공지되었고 미합중국 특허 제 4,866,262 호에 상세히 기술되었다.
본 발명의 제 3 특징은 결상 렌즈 시스템의 결상면에 대한 제 2 평면의 경사를 검출하기 위한 경사 검출 장치에 관한 것이며, 그 장치에서 상기 특징이 사용되었다.
본 발명의 제 1 특징만을 사용하는 경사 검출 장치는 각각의 검출 유닛은 방사원, 제 1 및 제 2 그레이팅 및 검출기를 구비하며, 제 1 유닛의 광학축은 XZ 평면내에 위치되고 제 2 유닛의 광학축은 YZ 평면내에 위치되는 상기 제 1 및 제 2 검출 유닛을 구비하며, 각각의 유닛에는, 그레이팅으로부터의 빔을 평행 빔으로 변환하도록 제 1 그레이팅과 제 2 평면 사이에 제 1 렌즈 시스템이 배열되고, 평행 빔을 집속 빔으로 변환하도록 제 2 평면과 제 2 그레이팅 사이에 제 2 렌즈 시스템이 배열되는 것을 특징으로 한다.
빔이 제 2 평면 영역에서 평행 빔이기 때문에, Z 축을 따른 제 2 평면의 이동은 그에 평행한 반사 빔의 이동을 발생시킨다. 그 결과 제 1 그레이팅의 상은 제 2 그레이팅에 대해 이동되고 검출 신호가 바뀐다.
이 경사 검출 장치는 각각의 검출 유닛이 제 2 평면에 대향하여 위치되는 결상 시스템의 표면으로 향하고 상기 표면에 소정의 작은 각도로 확장되는 기준 빔을 형성하는 수단과, 결상 시스템의 표면에 의해 반사된 기준 빔의 경로내에 배열된 제 2 검출기를 포함하는 것을 또한 특징으로 한다.
그러면 결상 시스템의 상기 표면의 경사는 또한 결정될 수 있다. 기준 빔 형성 수단은 제 2 실시예를 참조하여 별도의 방사원 또는 빔 분리기에 의해 형성될 수 있다.
제 2 평면에 집중된 빔으로 작동되는 경사 검출 장치의 제 2 실시예는 상기 초점 검출 빔과 유사한 적어도 2 개의 여분의 초점 검출 빔들을 공급하는 수단이 결상면의 2 개의 상호 직교하는 X 및 Y 축들에 대해 제 2 평면의 경사들을 검출하기 위해 제공되고, 각각의 초점 검출 빔은 제 2 평면의 별개의 지점 상으로 지향되어, 적어도 2 개의 지점이 다른 X 위치들을 점유하고, 적어도 2 개의 지점이 다른 Y 위치들을 점유하는 것을 특징으로 한다.
경사 검출은 제 2 평면의 여러 점에서의 측정을 위한 여러개의 정확한 초점 검출 장치를 사용하여 매우 정확히 수행될 수 있다.
미합중국 특허 제 4,504,144호는 기판상에 마스크 패턴을 반복적으로 결상 시키는 투사 장치를 기술하는데, 기판의 경사는 기판의 3 개의 점에서 초점 에러 검출을 수행하고 3 개의 측정을 비교하므로써 측정된다. 투사 렌즈 시스템을 통하는 빔에 의해 검출기상의 기판을 거쳐 마스크의 결상의 도움을 받는 공지의 장치의 초점 검출은 본 발명에 따른 것과 다르다.
본 발명에 따른 장치의 마지막으로 기술된 실시예에서, 기판 또는 제 2 평면의 경사를 한정하기 위해 3 개의 별도의 초점 에러 검출 시스템을 사용하는 것이 가능하다. 그러나, 이 장치는 각각 2 개의 초점 검출 빔을 갖는 2 개의 별도의 초점 검출 유닛을 특징으로 하며 2 개의 초점 검출 유닛의 검출 신호는 함께 X 축 및 Y 축에 대한 제 2 평면의 경사에 대한 정보를 포함한다.
측정점의 수 대 장치의 복잡성에 관한 적정한 상태가 얻어질 수 있다.
광대역 초점 검출 빔을 그레이팅과 조합하여 사용할때, 초점 에러가 검출될 수 있는 범위는 그레이팅의 주기에 의해 한정되며, 그 주기는 초점 에러를 매우 정확히 측정하기 위해 가능한 작아야 한다.
상기 범위를 증가시키는 첫 번째 가능성은 각각의 그레이팅이 다른 그레이팅 주기를 갖는 2 개의 서브 그레이팅으로 분리된 것을 특징으로 하는 실시예에서 실현된다.
서브 그레이팅의 주기는 예로서 다른 서브 그레이팅의 주기보다 10% 크다. IEEE Transactions on Electron Devices Vo..ED-26, No.4, 1979, PP.723-8 에서의 "Automatic Alignment System for Optical Projection Printing"에 기술된 바와 같이, 신호는 2 개의 그레이팅에 의해 얻어지며, 단일 그레이팅으로 얻어지는 신호의 주기보다 10 배 큰 주기를 갖는다.
큰 측정 범위를 제공하며, 시험과 보정이 수행될 수 있는 제 2 실시예는 추가적 밝은 방사원이 제 2 평면에 여분의 방사 스폿을 형성하기 위한 여분의 단색 초점 검출 빔을 제공하기 위해 제공되는 것을 특징으로 한다. 여분의 방사 스폿은 예로서 다른 방사 스폿 사이에서 대칭으로 위치된다.
시험에 필요한 고해상도가 얻어질 수 있는 작은 방사 스폿은 단색 빔으로 형성될 수 있다.
밝은 여분의 빔을 제공하는 장치는 추가적 밝은 단색 기준 빔으로 특징된다.
결상 시스템과 제 2 평면 사이의 거리는 여분의 빔에 의해 측정되고, 단색 빔으로 발생되는 초점 에러 신호에 대한 불안정성의 영향은 최소화된다.
결상 렌즈 시스템과 제 2 평면사이의 광학 소자의 수를 제한하기 위해서 이 장치는 각각의 검출 유닛내에서 그레이팅 사이의 방사 경로내의 광학 소자는 모든 초점 검출 빔과 기준 빔에 대해 공통이다.
초점 검출 및 기준 빔의 넓은 파장 대역으로 인해서, 이러한 소자는 색수차에 대해 수정되어야 한다. 이러한 소자의 수정 요구사항의 수를 제한하기 위해서 초점 및 경사 검출 장치는 또한 단색 초점 검출 빔과 기준 빔의 파장이 다른 초점 검출 빔과 기준 빔의 파장 대역내에 위치되는 것을 특징으로 한다.
4 개의 광대역을 갖는 초점 및 경사 검출 장치와 한 단색 초점 검출 빔과 기준 빔은 청구범위 32 항 및 33 항에 기술된 특징을 갖는다.
본 발명은 또한 마스크 패턴을 기층상에 반복적으로 결상시키기 위한 투사 장치에 관한 것이며, 장치는 앞에 기술한 결상 장치를 포함하며, 그 장치에서 결상 렌즈 시스템은 패턴이 기층에 투사되는 광학 투사 렌즈 시스템에 의해 형성되고 제 2 평면은 노출될 기층의 표면에 의해 형성되며, 초점 검출 시스템의 신호는 기층과 투사 렌즈 시스템 사이의 거리 또는 렌즈 시스템의 결상면과 상기 표면 사이의 각도를 설정하기 위해 사용된다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제 1 도는 마스크 패턴을 기판 상에 반복적으로 결상시키기 위한 장치의 실시예의 광학 소자를 도시한다. 이 장치의 주요 부품은 결상될 마스크 패턴(c)이 제공되는 투사 칼럼과 기판이 마스크 패턴(c)에 대해 위치될 수 있는 이동가능 기판 테이블(WT)이다. 장치는 또한 방사원(LA) 예로서 Kryton-Fluoride 엑사이머 레이저, 렌즈 시스템(LS), 거울(RE) 및 콘덴서 렌즈(CO)를 포함하는 조명 시스템을 갖는다. 투사 빔은 마스크(MA)내에 존재하는 마스크 패턴(C)을 조명하고, 마스크는 마스크 테이블(MT)상에 배열된다.
마스크 패턴(4)을 통과하는 빔(PB)은 투사 칼럼내에 배열되고 개략적으로 도시되며 기층(W)상에 패턴(C)의 상(image)을 형성하는 투사 렌즈 시스템(PL)을 통과한다. 투사 렌즈 시스템은 예로서 M = 1/5 의 배율과, 수치 에퍼쳐 NA = 0.48 과 직경이 21.2mm 의 회절 제한 결상 필드를 갖는다. 기판은 개략적으로 도시된 기판 테이블(W)의 일부를 형성하는 기판 지지부(WC)에 의해 유지된다.
장치는 또한 마스크(MA)를 XY 평면내에서 기판(W)에 대해 정렬시키는 장치인 다수의 측정 디바이스와, 기판 홀더 및 기판의 위치와 방향을 결정하는 간섭계 시스템과, 투사 렌즈 시스템(PL)의 초점 평면 또는 결상면과 기판(W)의 표면사이의 편차를 결정하기 위한 초점 에러 검출 장치를 포함한다. 이러한 측정 장치는 전자 신호 프로세싱 및 제어 회로와, 기판의 위치 및 방향과 집중이 측정 장치에 의해 공급된 신호에 대해 수정될 수 있는 드라이버 또는 작동기를 포함하는 서보 시스템의 일부이다.
정렬 장치는 제 1 도의 우측 상부 모서리에 표시된 마스크(MA)내의 2 개의 정렬 마크(M1, M2)를 사용한다. 이러한 마크는 양호하게 회절 그레이팅으로 구성되지만, 주위(surroundings)와 광학적으로 다른 사각형 또는 스트립과 같은 다른 마크로 형성될 수도 있다. 정렬 마크는 양호하게 2 차원이며, 즉 제 1 도의 X 및 Y 방향으로 확장된다. 예로서 패턴(C)이 여러 차례 나란히 결상되는 반도체 기판인 기판(W)은 다수의 정렬 마크와 2 차원 회절 그레이팅을 갖는데, 그 중 2 개, 즉 P1및 P2가 제 1 도에 도시되었다. 마크(P1,P2)는 패턴(C)의 상이 형성되는 기판(W)상의 영역밖에 위치된다. 그레이팅 마크(P1,P2)는 위상 그레이팅이고, 그레이팅 마크(M1,M2)는 진폭 그레이팅이다.
제 1 도는 기판 정렬 마크(P2)를 마스크 정렬 마크(M2)상에 정렬시키고 기판 정렬 마크(P1)를 마스크 정렬 마크(M1)상에 정렬시키기 위해 2 개의 정렬 빔(b, b')이 사용되는 이중 정렬 장치인 정렬 장치의 특정 실시예를 도시한다. 빔(b)은 반사 소자(30), 예컨대 프리즘(26)의 반사 표면(27)의 거울에 의해 반사된다. 표면(27)은 빔(b)을 기판 정렬 마크(P2)에 반사시키며, 마크(P2)는 방사의 일부를 마크(P2)의 상이 형성되는 연관 마스크 정렬 마크(M2)에 빔(b1)으로서 통과시킨다. 반사 소자(11), 예컨대 프리즘은 마크(M2) 위에 배열되고, 프리즘은 마크(M2)에 의해 통과된 방사를 방사 감지 검출기(13)로 향하게 한다.
제 2 정렬 빔(b')은 거울(31)에 의해 투사 렌즈 시스템(PL)내의 반사기(29)로 반사된다. 이 반사기(29)는 빔(b)을 프리즘(26)의 제 2 반사 표면(28)으로 통과시키며, 그 표면은 빔(b)을 기판 정렬 마크(P1)상으로 향하게 한다. 이 마크는 빔(b')의 방사의 일부를, 마크(P1)의 상이 형성되는 마스크 정렬 마크(M2)에 빔(b1')으로서 반사시킨다. 마크(M1)를 통과하는 빔(b1')의 방사는 반사기(11')에 의해 방사 감지 검출기(13')로 향한다.
검출기(13, 13')는, 예컨대 마크(P1, P2, M1, M2)의 그레이팅 영역의 수와 일치하는 4 개의 별개의 방사 감지 영역을 갖는 예로서 복합 광다이오드이다. 이러한 검출기의 출력 신호는 마크(M2, M1)와 기판 마크(P2, P1)의 상을 일치시키는 수단이다. 이러한 신호는 전자적으로 프로세스되며, 구동 시스템(도시되지 않음)에 의해 기판에 대하여 마스크를 이동시키기 위해 사용되는데, 마크(P2, P1)는 마크(M2, M1)와 각각 일치된다. 그래서 자동 정렬 장치가 얻어진다.
정렬 시스템에 의한 정렬 절차에 대한 상세 사항을 위해 미합중국 특허 제 4,778,275 호를 참조하였다.
제 1 도에 따른 정렬 장치의 실시예는 미합중국 특허 제 4,778,275 호에 기술되지 않았는데, 예컨대 248nm 의 짧은 파장을 갖는 조명 빔과, 예컨대 633nm의 긴 파장을 갖는 정렬 빔이 사용되는 장치에 특히 적합하다. 이것은 정렬 동안에 투사 빔(PB)의 파장을 위해 설계된 투사 렌즈 시스템에 의해 정렬 마크(P1, P2, M1, M2)가 정렬 빔에 의해 초점 에러나 배율 에러없이 서로의 위에 결상되는 것을 보장하는 교정 렌즈(25)에 기인한다.
기판 테이블(WT)의 X 및 Y 위치를 정확히 결정하기 위해서 공지의 투사 장치는 다중축 간섭계 시스템을 포함한다. 미국특허 제4,251,160호에는 2 축 시스템에 대해 서술되어 있고 미국특허 제4,737,283호에는 3 축 시스템에 대해 서술되어 있다. 제 1 도에는 그러한 간섭계 시스템이 소자(50, 51, 52, 53)에 의해 도시되었는데 한 측정 축만을 도시하고 있다. 레이저 형태의 방사원(50)에 의해 방출된 빔(b4)은 빔 분리기(51)에 의해 측정 빔(b4,m) 및 기준 빔(b4,r)으로 분리된다. 측정 빔은 기판 지지부(WC)의 반사 측면에 도달하고, 반사된 측정 빔은, 예컨대 코너 큐브(corner cube)인 고정 역반사기(52)에 의해 반사된 기준 빔과 빔 분리기에 의해 결합된다. 결합된 빔의 강도는 검출기(53)의 도움으로 측정되며, 이 경우의 X 방향으로의 기판 지지부(WC)의 변위는 이 검출기의 출력 신호로부터 도출될 수 있으며, 또한 상기 기판 지지부의 순간적 위치가 설정될 수 있다.
제 1 도에 개략 도시된 바와 같이, 단순화를 위해 한 신호(S53)로 대표되는 간섭계 신호와 정렬 검출 장치의 신호(S13, S13')는, 그 신호를 기판 지지부가 기판 홀더(WH)를 거쳐 XY 평면내에서 이동되는 작동기(AC)를 위한 신호(SAC)로 프로세스 하는 신호 프로세싱 유닛(SPU), 예컨대 마이크로 컴퓨터에 제공된다.
X-Y 간섭계 시스템을 사용하여 정렬 마크(P1, P2, M1, M2)의 위치와 그 사이의 상호 거리는 정렬 절차동안에 고정 간섭계 시스템에 의하여 한정된 좌표 시스템 내에 설정될 수 있다.
네델란드왕국 특허원 제 9100215 호에 기술된 바와 같은 5 개의 측정 축을 가진 간섭계 시스템이 사용된다. 그러한 시스템에 의해 기판의 X 및 Y 위치와 Z 축에 관한 회전, 또한 X 및 Y 축에 관한 기판의 경사를 측정하는 것이 가능하다. 이러한 간섭계 시스템은 간섭계 빔이 전파되는 매질내의 굴절률 변화를 수정할 수 있도록 기준 측정축으로 확장될 수 있다.
상기 투사 장치는 초점 에러 검출 시스템(FDS)를 더 포함하며, 상기 시스템은 투사 렌즈 시스템(PL)의 결상면과 기판(W)의 표면사이의 편차를 결정해서, Z 축을 따라 투사 렌즈 시스템에 대해 기판을 이동함으로써 상기 편차를 교정할 수 있다. FDS 의 출력신호 또는 초점 에러 신호(Sf)는 신호 프로세싱 유닛(SPU)에 제공되며, 신호(SAC)중의 하나는 렌즈 시스템(PL)과 기판(W) 사이의 거리를 높이 작동자를 거쳐 설정할 수 있는 제어 신호이다.
제 2 도는 투사 렌즈 시스템(PL)의 하부와 본 발명의 초점 검출 시스템의 제 1 실시예를 개략 도시한다. 이 시스템의 최종 렌즈 소자(PLE)만 도시된다. 초점 검출 시스템은 초점 검출 빔(b2)을 공급하는 방사원(S)을 포함한다. 이 빔은 기판(W)상의 방사 스폿(SP)내의 렌즈 소자(L1)에 의해 표시되는 렌즈 시스템에 의해 집중된다. 기판상의 빔(b2)의 입사각(α)은 예로서 80°정도로 비교적 크다. 기판은 빔(b2)을 반사시키고, 반사된 빔(b2')은 제 2 렌즈 시스템(L2)에 의해 전기 신호(Sf)를 공급하는 방사 감지 검출기(DE)에 의해 포착되는 수렴 빔으로 변환된다.
본 발명에 따라, 빔(b2)은 비교적 넓은 스펙트럼의 파장을 갖는다. 기판의 여러 층에서의 다중 반사에 의해 발생되는 간섭이 평균화되어 그러한 간섭은 검출기 신호(Sf)에 영향을 줄 수 없게 된다. 광대역 반사원(S)은, 예컨대 할로겐 램프, 다른 백열 램프 또는 여러 가지 파장을 방출하는 다수의 광방출 다이오드의 조합이다. 그러나 그러한 소스는 현재까지 사용되는 레이저보다 강도가 덜하다. 따라서, 초점 에러 신호는 감소된 신호대잡음비를 갖는다. 또한, 기판상에 형성될 수 있는 가장 작은 방사 스폿의 크기는 레이저 빔의 사용과 비교하여 넓은 스펙트럼을 갖는 방사를 사용할 때 더욱 크다. 따라서, 초점 검출 장치의 감도, 즉 검출될 수 있고 그 감도가 방사 스폿의 크기에 비례하는 최소 초점 에러는 감소될 것이다. 신규의 장치로 필요한 감도와 필요한 신호대잡음비를 얻기 위해서, 빔내에 그레이팅이 배열되는데, 그레이팅은 기판 표면(WS)상에 결상된다. 그레이팅 라인이 예로서 제 2 도의 도면의 평면에 수직인 Y 방향으로 확장되는 그레이팅은 G1으로 표시된다. 그레이팅(G1)과 같은 주기를 갖는 제 2 그레이팅(G2)은 상측면에 배열된다. 그레이팅(G1)은 기판 표면상의 반사를 거쳐서 렌즈 시스템(L1)에 의해 또한 렌즈 시스템(L2)에 의해 그레이팅(G2)상에 결상된다. 기판 표면이 투사 렌즈 시스템(PL)으로부터 정확한 거리에 위치되면, 그레이팅(G1)의 상의 밝고 어두운 스트립은 정확하게 그레이팅(G2)의 상과 일치된다는 것이 보장되었다. 그러면 검출기(DE)는 최대 방사량을 수용하며, 검출기의 출력 신호는 최대이다. 기판 표면을 시스템(PL)에 대해 Z 방향으로 이동시킬때 결상된 그레이팅의 어두운 스트립은 다른 그레이팅의 밝은 스트립을 점점 덮을 것이며 검출 신호는 점점 작아진다. 따라서, 초점 에러의 크기는 검출기 신호로부터 도출될 수 있다.
원칙적으로 초점 에러가 결정될 수 있는 정확도는 그레이팅의 주기에 의해 결정된다. 검출기 신호를 프로세스할 때 내삽 기술이 사용된다면, 이 주기는 0.1㎛의 초점 오차가 측정될 수 있는 40㎛ 이다. 기판 표면의 큰 면적이 초점 검출에 사용되기 때문에, 이 표면의 국부적 반사 차이 또는 불균일성은 초점 에러 신호에 보다 적은 영향을 미칠 것이다.
동적 초점 에러 신호가 발생되며, 즉 초점 에러가 반주기들(period halves) 사이의 진폭 또는 비율과 같은 신호 변수중의 하나에 변화를 초래하는 주기적 변화 신호가 발생된다. 그러한 신호는 전자 신호 프로세싱 장치내의 옵셋과 무관하여 보다 정확한 검출을 가능하게 한다. 또한, 초점 에러의 부호가 결정될 수 있다.
동적 초점 에러 신호는 초점 검출 빔의 방사 경로내의 한 소자를 주기적으로 이동시키므로써 발생될 수 있다. 예로서, 기판도 Z 방향으로 적은 거리만큼 주기적으로 이동될 수 있다. 그러나, 실제적 이유로 동적 초점 에러 신호를 발생시키는 전기-광학 수단을 사용하는 것이 바람직하다. 제 3 도는 그러한 수단이 제공된 검출 장치의 실시예를 도시한다. 이 도면은 또한 광학 시스템을 보다 상세히 도시한다.
이 시스템은 대물측에 5 개의 렌즈(L3- L7)와 결상측에 4 개의 렌즈(L8- L11)를 포함한다. 제 3 도는 2 개의 빔을 도시한다. 방사원은 램프의 필라멘트에 의해 설명된다. 이 램프는 실선과 화살표로 도시된 빔(b5)을 공급하는데, 그 빔은 렌즈(L4, L5)사이에 위치된 퓨필(pupil)(ST2)을 통과한다. 이 퓨필은 렌즈(L6, L7)사이에 재결상되며, 빔(b5)은 기판 표면상에 평행 빔으로서 입사된다. 반사된 빔(b'5)은 렌즈(L8, L9)사이에 퓨필의 상을 형성하고 렌즈(L10, L11)사이에 제 2 상을 형성한다. 그레이팅(G1, G2)의 영역에서 빔(b5, b5')은 각각 평행 빔이다.
점선과 2 중 화살표로 도시된 빔(b6)은 소스(S)가 제 1 그레이팅(G1)에 어떻게 결상되고 이 그레이팅이 기판상에 어떻게 결상되는지 도시한다. 도면은 또한 반사된 빔(b'6)이 제 2 그레이팅상에 제 1 그레이팅의 상을 형성하는 방법과 이 상과 그레이팅이 검출기(DE)상에 결상되는 방법을 보여준다.
동적 초점 검출 신호를 발생하는 수단은 편광기(60), 복굴절 소자(61), 전기-광학 변조기(66) 및 분석기(67)로 구성된다. 이러한 수단의 작동은 제 4 도, 5 도 및 6 도를 참조하여 더욱 상세히 기술될 것이다. 제 4 도는 상기 소자와, 점선으로 표시된 바와 같이 그레이팅 구조물(G1)에 의해 변조된 빔(b'5)의 선을 사시측면도로 도시한다. 복굴절 소자(61)는 사바트 판(Savart palte)일수 있다. 이 판은 광축(64, 65)이 평행 평면에 45°의 각도로 확장되며 상호 교차되는 2 개의 동일 두께 평행 평면 석영판(62, 63)으로 구성된다. 편광기(60)는 입사 빔(b'5)중에서 사바트 판의 광학축에 45°로 편광 방향을 갖는 방사만이 이 판을 향해 통과되는 것을 보장한다. 사바트 판의 평행판상의 수직 입사하는 빔의 제 1 석영판(62)에서 정규 빔과 비정규 빔으로 분리되는데, 이 빔들은 제 1 및 제 2 석영판의 경계면에서 각각 비정규 빔과 정규 빔으로 변환된다. 실제로, 2 개의 판의 광학축은 상호 수직이다. 상호 이동되는 2 개의 상호 수직 편광된 서브 빔은 제 4 도와 같이 사바트 판(26)으로부터 나온다.
편광 변조기(66)와 분석기(67)는 방사 감지 검출기(DE) 앞에 배열된다. 변조기는 발생기(68)에 의해 공급되는 전압(Vb)으로 제어된다. 변조기를 통과하는 방사 빔의 편광 방향은 교대로 전환된다. 분석기의 통로 방향은 사바트 판으로부터의 정규 및 비정규 빔의 편광 방향의 하나에 평행하다. 그 결과 정규 빔 또는 비정규 빔 중 어느 하나는 임의의 순간에 검출기로 통과된다. 이 검출기는 정규 빔에 의해 형성된 그레이팅(G1)의 정규 상(image) 또는 비정규 빔에 의해 형성된 그레이팅의 비정규 상을 소정의 순간에 "보며", 정규 및 비정규 상은 그레이팅(G2)으로 중첩된다. 사바트 판의 굴절률과 복합 평행판의 두께는 정규 및 비정규 상이 그레이팅의 반의 주기에 걸쳐 상호 이동되도록 선택되었다. 그레이팅(G2)이 그레이팅(G1)의 정규 및 비정규 상 사이에 정확히 배열된다면, 검출기(DE)가 포착하는 방사의 강도는 시간에 따라 일정할 것이다.
제 5a 도는 이러한 상황을 보여준다. 그레이팅(G1)의 정규 상(G'1,0)과 비정규의 상(G'1,e)의 그레이팅 (G2)의 스트립은 도면의 평면에 대해 수직이다. 시간 간격(t1) 동안에 검출기는 G'1,o및 G2(제 5b 도 참조)에 의해 통과된 방사 강도를 수용하며, 다음의 시간 간격(t2) 동안에 그것은 G'1,e 및 G2에 의해 통과된 방사 강도를 수용한다. 이 강도는 동일하며, 검출기 신호(Sd)는 시간에 대해 일정하다.
그레이팅(G2)이 G'1,o와 G'1,e 사이에 정확히 위치되지 않으면(제 6a 도 참조), 검출기 신호는 제 6b 도와 같이 시간에 대해 일정하지 않다. 신호(Sd)에서의 차이는 정확히 검출될 수 있다. 이것은 그레이팅(G2)에 대한 그레이팅의 상(G'1)의 변위를 측정할 수 있게 하며, 그 변위는 초점 에러에 의해 아주 정확히 발생된다. 신호 처리에서 내삽법을 사용하면 그레이팅 주기의 1/200 크기의 초점 에러가 여전히 측정될 수 있다.
그레이팅의 상(G'1)이 그레이팅(G2)에 대해 좌로 이동되는 제 6b 도의 경우에, 시간 간격(t1)내의 검출기 신호는 시간 간격(t2)내의 검출기 신호보다 크다. 그레이팅의 상이 그레이팅(G2)에 대해 우측으로 이동되면 시간 간격(t1)내의 검출기 신호는 시간 간격(t2)내의 것보다 작을 것이다.
제 3 도와 같이, 검출기(DE)의 신호는 전자 프로세싱 회로(70)에 인가된다. 발생기(68)의 신호는 회로(70)에 인가된다. 시간 간격(t1, t2)중에서 어느 시간 간격에 검출기 신호가 가장 큰지 비교함으로써, 가능한 초점 에러의 방향이 검출된다. 얻어진 초점 에러 신호는, 고전압 증폭기를 거쳐 작동기(73), 예컨대 초점 에러가 더 이상 발생하지 않도록 기판 지지부와 기판을 Z 축을 따라 원하는 거리만큼 원하는 방향으로 이동시키는 하나 이상의 압전 소자에 제공된다.
사바트 판 대신에 제 3 도에 61 로 표시된 월래스톤 프리즘(Wollaston prism)을 사용할 수도 있다. 그러한 프리즘은 단일축 복굴절 수정의 2 개의 일치 하는 서브 프리즘을 포함한다. 서브 프리즘의 광학축은 상호 수직이다. 프리즘(61)의 한 평행면에 입사하는 방사 빔은 프리즘내에서 편광의 상호 수직 방향을 갖는 2 개의 서브 빔으로 분리된다. 프리즘(61) 변수의 적절한 선택에 의해서 서브 빔에 의해 형성되는 그레이팅 (G12)의 위치에서의 그레이팅(G1)의 상은 그레이팅 주기의 반만큼 이동되는 것이 보장된다.
제 7 도는 초점 검출 장치의 한 실시예를 도시하는데, 역반사기(RR)는 기판 표면에 의해 한번 반사된 초점 검출 빔의 통로 내에 배열된다. 이 반사기는 제 7 도와 같이 중공 거울(hollow mirror), 코너 큐브 프리즘(corner cube prism) 또는 렌즈(L12)와 이 렌즈의 초점 평면내의 반사기(RE)의 조합일 수 있다. 이 역반사기는 빔을 그 자체를 따라 반사시키는데, 즉 반사기에 입사하는 빔의 주축은 반사된 빔(b"2)의 주축과 일치한다. 빔의 반부는 상호 교환된다. 미국 특허 제4,356,392 호에 기술된 바와 같이, 이것은 기판의 국부적 반사 차이가 검출기(DE)상에 형성된 방사 스폿내의 강도 분포에 영향을 줄 수 없다는 이점을 갖는다. 기판 표면에 의해 두 번 째 반사되는 빔(b2"')은 빔 분리 소자(BS)에 의해서 제 2 그레이팅(G2)과 그 뒤에 배열된 검출기(DE)로 분해된다. 제 7 도의 실시예에서도 동적 초점 에러 신호는 제 3 도를 참조하여 설명한 바와 같은 방법으로 발생될 수 있다. 이것은 또한 이후에 설명될 실시예에도 적용된다.
제 2 도, 3 도 및 7 도의 실시예에서, 초점 에러는 간접적 방법으로 측정되는데, 즉, 기판만이 이동 소자이므로 기판과 투사 렌즈 시스템 사이의 거리가 알려져 있다는 가정 하에서 기판의 Z 위치가 측정된다. 초점 검출 장치내의 요구되는 안정성과 투사 렌즈 시스템에 대한 이 장치의 안정성을 얻기 위해서, 방사원으로부터 검출기로의 초점 검출 빔의 방사 통로내의 광학 소자는 미국특허 제4,356,392호와 같이 홀더내에 또는 장착판내에 고정될 수 있는데, 그 홀더 또는 판은 투사 렌즈 시스템에 연결된다. 보다 작은 상세사항(smaller details)이 결상되고 초점이 보다 정확히 검출 조정되면, 달성될 안정성의 정도는 너무 적을 것이다. 광학 소자의 피팅(fitting)에 있어서 상기 광학 소자의 클리어런스(clearance) 및 홀더 또는 장착판에서의 상기 피팅의 클리어런스에 의해 다른 불안정성이 발생되며 또한 상기 홀더 또는 장착판을 투사 렌즈 시스템의 홀더에 접속시의 클리어런스에 의해서도 발생된다.
본 발명의 제 2 특징에 따라서, 상기 문제는 기준 빔을 사용하여 방지될 수 있으며, 기준 빔은 기판, 예컨대 기준 빔을 반사시키기 위해 투사 렌즈 시스템에 배열된 투명 기준판의 외면에 평행한 투사 렌즈 시스템의 하측의 평면으로 향한다. 상기 평면은 기준 빔을 제 2 검출기로 반사시킨다. 기판과 투사 렌즈 시스템 사이의 실제 거리는 제 2 검출기와 초점 검출 빔을 수용하는 제 1 검출기의 신호 차이로부터 측정될 수 있다. 상기 기준 빔의 사용은 초검 검출빔의 그레이팅을 구비하는 실시예에 제한되지 않는다. 또한 상기 기준 빔을 사용하면 그레이팅이 없는 종래의 다양한 초점 검출 디바이스에서 상당한 이점이 생긴다.
제 8 도는 기준 빔(br)을 가진 초점 검출 장치의 제 1 실시예를 도시한다. 기준판(RP)은 투사 렌즈 시스템의 마지막 렌즈소자(PLE) 아래에 배열된다. 기준 빔은 이 판을 살짝 스치는데, 즉 입사각(β)은, 예컨대 기판(W)상의 입사각(α)만큼 크다. 기준 빔은 판(RP)에 의해 반사되고, 반사된 빔은 검출기(DE2), 예컨대 광 다이오드에 의해 포착된다. 제 2 광 다이오드(DE1)는 이 광 다이오드와 직렬로 배열될 수 있다. 측정기(ME)로 심벌화하여 도시한 바와 같이, 광다이오드의 출력 신호의 차이가 측정된다. 상기 차이 신호는 판(RP)과 기판(W) 사이의 거리의 척도이다. 차이 신호는 전자 신호 처리 회로에서 기준 신호와 비교되고, 제어 신호는 기판을 Z 방향으로 이동시키는 작동기를 위해 발생된다. 방사원(S)은 2 개의 방사 방출 소자, 예컨대 LED(S1, S2)를 포함한다.
제 1 그레이팅은 대물측에 배치되고 제 2 그레이팅은 초점 검출 빔과 기준 빔의 방사 경로내에 상측에 배열되며, 상기 그레이팅들은 렌즈 시스템(L1, L2) 및 기판상의 반사 및 기준판에 의해 서로의 위에 결상된다. 결상측에서의 그레이팅들을 통과한 방사는 검출기(DE1, DE2)에 의해 포착된다. 초점 검출 빔과 기준 빔내의 그레이팅은 렌즈 시스템(L1, L2)의 소자들과 마찬가지로 별개의 소자이다. 그러나 대물측의 그레이팅(G1)과 결상측의 그레이팅(G2)과 렌즈 시스템은 2 개의 빔에 있어서 공통이다.
제 8 도의 실시예에서, 편광기와 복굴절 소자를 그레이팅(G2) 앞에 위치시키고 편광 변조기를 이 그레이팅 뒤에 배열함으로써 동적 초점 에러 신호를 발생할 수 있다.
제 9 도는 초점 검출 장치의 실시예를 도시하는데, 그것은 소형이며, 왜냐하면 렌즈 소자가 위에 배열되는 단일 쐐기형 소자(WO1, WO2)로 표시되는 광학 시스템을 사용하기 때문이다. 시스템(WO1)은 초점 검출 빔(bf)과 기준 빔(br)을 편향시키는데, 상기 빔들이 기판과 기준판을 스쳐가고 또한 발산 빔을 수렴 빔으로 전환시키는 방식으로 편향시킨다. 광학 시스템 (W02)은 발산 반사된 빔(bf, br)을 수렴 빔으로 변환시키고 빔들을 검출기(DE, DE2)로 향해 편향시킨다. 제 9 도의 장치는 그레이팅(G1, G2)을 가지거나 또는 가지지 않고 형성될 수 있다.
제 9a 도는 제 9 도의 원리에 기초한다. 쐐기와 렌즈를 가진 특수 광학 시스템(WO)만이 사용된다. 중공 거울의 형태인 역반사기(RE)는 기판(W)과 기준판(RP)에 의해 반사되는 초점 검출 빔(b'f)과 기준 빔(b'r)의 경로내에 각각 배열된다. 이 거울은 기판과 기준판에 의해 두번째 반사되도록 빔을 반사한다. 초점 검출 빔은 빔을 제 1 검출 그레이팅(G2,1)과 검출기(DE1)로 향해 반사시키는 빔 분리기(77)상에 입사된다. 기준 빔은 빔을 제 2 검출 그레이팅(G2,2)과 검출기(DE2)로 향해 반사시키는 빔 분리기(78)상에 입사한다.
제 10 도 및 11 도는 다른 편광 방향을 갖는 빔을 사용한 초점 검출 장치를 도시한다. 제 10 도에서 도면부호 80는 편광 감지 인터페이스(81)를 갖는 복합 프리즘을 나타낸다. 이 면은 기판(W)을 향해 초점 검출 빔으로서 도면의 평면에 수직한 편광 방향을 갖는 빔 성분을 반사시킨다. 도면의 평면에 평행한 편광 방향을 갖는 제 2 빔 성분은 인터페이스(81)를 통과하고 투사 렌즈 시스템(PL)의 기준판(RP)을 향해 프리즘의 후면(82)에 의해 기준 빔(br)으로서 반사된다. 빔(br)은 인터페이스(81)에 다른 각도로 입사되기 때문에 이 빔은 통과된다. 프리즘(80)과 유사한 제 2 복합 프리즘(85)은 반사된 빔(b'f, b'r)의 경로내에 배열된다. 프리즘(85)의 편광 감지면(86)은 빔(b'f)을 빔(b"f)으로서 검출기(DE1)로 향해 반사시키고, 이 프리즘의 후면(87)은 빔(b'r)을 빔(b"r)으로서 검출기(DE2)로 향해 반사시킨다. 프리즘(85)의 기하학적 구조는 프리즘(80)의 구조와는 약간 달라서 빔(b"f, b"r)은 공간적으로 분리된다.
제 11 도에서, 월라스톤 프리즘 또는 로콘(Rochon) 프리즘과 같은 복합 복굴절 소자는 빔(b)의 상호 수직 편광된 성분을 공간적으로 분리시키기 위해 사용된다. 이 빔 성분은 프리즘(92)에 의해 빔((bf, br)으로서 기판(W)과 기준판을 향해 반사된다. 프리즘(92)과 유사한 프리즘(93)과 소자(90)와 유사한 복굴절 소자(91)는 반사된 빔(b'f, b'r)의 경로내에 배열된다. 여기에서도 상기 소자들은 소자(91)를 떠나는 빔(b"f, b"r)이 공간적으로 분리되어 있는 만큼 서로 다르다.
제 10 도 및 11 도의 장치는 또한 광대역 방사원과 그레이팅을 포함할 수 있으며, 동적 초점 에러 신호 발생 수단도 포함할 수 있다.
제 12 도는 초점 에러 검출 빔과 기준 빔으로서 상이하게 편광된 빔이 사용되는 실시예를 나타낸다. 인터페이스(101)에 의해 분리된 2 개의 서브 프리즘을 포함하는 복합 프리즘(100)은 소스(S)에 의해 방사된 빔의 경로에 배열된다. 제 1 편광 방향을 갖는 빔 성분은 인터페이스(101)를 통과하고 초점 검출 빔(bf)으로서 기판(W)에 경사 입사된다. 제 2 편광 방향을 갖는 빔 성분은 제 1 서브 프리즘과 제 2 서브 프리즘 사이의 인터페이스(101)에서 편향되고 기준 빔(br) 으로서 투사 렌즈 시스템의 기준판에 경사 입사된다. 기판과 기준판에 의한 반사 후, 빔(b'f, b'r)은 프리즘(100)과는 역의 방법으로 작동하는 2 개의 복굴절 서브 프리즘과 인터페이스(103)를 포함하는 제 2 복합 프리즘(102)에 의해 결합된다. 프리즘(102)은 프리즘(100)과 약간 다른 기하학적 구조를 가지고 있어서, 빔(b"f, b"r)은 분리 검출기(DE1, DE2)에 충분히 입사되도록 공간적으로 분리된다. 광대역 소스(S)와 그레이팅(G1, G2)의 사용은, 동적 초점 에러 신호의 발생에서와 마찬가지로, 선택가능하다.
초점 검출 빔과 기준 빔을 갖는 초점 검출 디바이스의 개념은, 두 개의 분리 빔을 사용하는 대신에 단일의 빔을 사용해서도 구현될 수 있으며, 상기 단일의 빔은 기판과 기준판에 연속적으로 반사된다. 실시예가 도 13 및 도 14에 도시되어 있다.
제 13 도의 디바이스에서, 소스(S)로부터의 빔(bf)은 광학 쐐기와 렌즈로 표시된 광학 시스템(110)에 의해 수렴되고, 기판(W)을 스쳐가도록 편향된다. 편향된 빔(b'f)은 반사기(112)에 도달하고 인터페이스(113, 114)에 의해 반사된다. 이 빔은 투사 렌즈 시스템(PL)의 기준판을 스치는 기준 빔(br)으로서 작용한다. 반사된 기준 빔은 광학 시스템(110)에 의해 검출기(DE)로 향해 편향되고 수렴된다. 기준 판과 기판사이의 거리가 정확하면, 소스가 검출기상에 결상되는 빔으로 덮이는 광학 경로는 이러한 상이 검출기(DE)에 관해 정확하게 위치되도록 된다. 판(RP)과 기판사이의 거리를 변경시키면 광학 경로 길이는 변하고 상기 상(image)은 검출기에 대해 이동된다.
제 14 도의 실시예에서는 다른 복굴절 재료의 2 개의 서브 프리즘을 포함하는 프리즘(120)이 사용된다. 소스(S)에 의해 방출된 빔(bf)은 그러한 편광 방향을 가지며, 이 빔이 기판(W)으로 향해 통과되도록 하는 각도로 인터페이스(121)에 입사된다. 프리즘(120)과 유사한 제 2 프리즘(122)은 반사된 빔(b'f)의 경로내에 배열되고, 이 프리즘은 이 빔을, 예컨대 초점면내에의 렌즈(127)와 거울(128)을 포함하는 역반사기(125)로 향해 통과시킨다. 빔은 자체를 따라 반사되며, 제 1 통로에서의 방향에 대향되는 방향으로 제 2 프리즘에 입사한다. 그러면 빔은 기준판(RP)을 향해 편향되며 기준 빔(br)으로서 작용한다. 판(RP)에 의해 반사된 빔(b'r)은 원래의 빔(bf)과 일치되도록 프리즘(120)에 의해 편향된다. 빔(b'r)의 일부를 검출기(DE)로 결합시키는 빔 분리 소자(126)는 상기 일치된 빔의 경로내에 배열된다.
실시예에서, 그레이팅(G1, G2)은 큰 파장 대역을 갖는 빔과 조합하여 사용될 수 있다. 그러면 제 13 도의 소자(110, 112)와 제 14 도의 소자(L1, 120, 122, L2)는 상이한 파장에 대해 만족되도록 수정되어야 한다. 동적 초점 에러는 다시 제 3 도, 4 도 및 5 도와 같이 발생될 수 있다.
마스크 패턴이 투사되는 기판의 각각의 필드에 대해 초점 에러는 현재까지 기술된 장치의 도움으로 이 필드의 한 점에서 측정될 수 있다. 기판은 전체로서 쐐기형이거나 경사 배치될 수 있거나, 기판은 국부적 불균일성을 가질 수 있어서 초점 에러가 측정되는 점밖의 필드의 점은 집중되지 않은 상태로 되어 이 점에서 부정확한 상을 발생시킨다. 기판상에 마스크 패턴을 반복적으로 결상시키는 장치에서, 국부적 경사 또는 필드 당 경사를 결정하고 이 경사를, 예를 들어 기판용 다수의 높이 작동기를 이용해서 수정하는 것이 바람직하다.
그레이팅 개념은 경사를 구현하는데 사용될 수 있다. 그 원리가 제 15 도에 도시된다. 방사원(S1)에 의해 공급되고 그레이팅(G1)을 통과하는 발산 빔(bs)은 렌즈 시스템(L15)에 의해 평행 빔으로 전환된다. 이 빔은 기판(W)에 의해 반사되고 제 2 렌즈 시스템(L16)에 의해 수렴된다. 렌즈 시스템(L15, L16)은 함께 그레이팅(G1)의 상을 그레이팅(G2)상에 형성한다. 수평 기판면의 경우에, 결상된 그레이팅의 그레이팅 선들은 그레이팅(G2) 선들과 일치한다. 기판(W)에 입사되는 빔은 평행빔이므로, 반사된 빔(b's)은 기판이 경사될 때 다른 방향을 취해서, G1의 상은 G2에 대해 이동되고 검출기는 다소간의 방사를 수신한다.
제 15 도와 같이 기준 빔(br)이 양호하게 사용된다. 이 빔으로 그레이팅(G1)은 기준판(RP)상의 반사를 거쳐 그레이팅(G2)에 결상되며, 그 후에는 빔은 제 2 검출기(DE2)에 입사된다. 그레이팅(G2) 위의 그레이팅(G1)의 상의 위치 및 검출기(DE2)의 출력 신호는 기준판(RP)의 위치에 의해 결정된다. 그래서 이 판의 경사는 측정될 수 있다.
제 15 도의 실시예는 변형될 수 있다. 예로서, 2 개의 별도의 방사원은 빔 분리 수단과 조합으로 한 방사원에 의해 대치될 수 있다.
국부적 경사 검출은 제 16a 도와 같이 필드의 3 개의 점에서 초점 에러 측정을 수행함으로써 실행될 수 있다. 이 도면은 초점 검출이 수행된 점이 a, b, c 로 표시된 필드(Wv)를 가진 기판(W)을 도시한다. 각각의 초점 측정에 대해 별개의 초점 검출 장치는 상기 실시예 중 한 실시예에서 사용될 수 있다. 점(a, b)에서의 초점 측정 신호(Sfa, Sfb)를 비교하여 X 축에 대한 경사(θx)가 결정되며, 점(C)에서의 초점 측정 신호(Sfc)를 Sfa및/또는 Sfb와 비교하여 Y 축에 대한 경사(θy)가 결정된다. 3 개의 측정점 및 더 많은 측정점의 신호는 다른 방법으로 조합될 수 있고, 측정점은 다른 상호 위치를 가질 수 있다.
본 발명에 따라, 상기 원리에 따른 2 개의 초점 검출 장치는 국부 경사를 측정하는데에 사용되며 각각 2 개의 초점 검출 빔을 공급한다. 이 빔으로, 경사 검출 장치가 그다지 복잡하지 않아도 여러 점에서의 측정이 가능하다. 제 16b 도는 기판 필드(Mv)내의 측정점(a, b, c, d)의 위치를 도시한다. 사각형(SP1, SP2, SP3, SP4)은 4 개의 초점 검출 빔으로 형성된 방사 스폿이다. 이들 스폿은 2 x 2mm2의 표면적을 갖는다. 방사 스폿은 경사를 가능한 정확히 측정하기 위해 기판 필드의 가장자리에 가까이 위치된다. 각도 γ1및 γ2는 예를 들어 20°및 25°이다.
초점 검출 장치가 광대역 빔과 그레이팅으로 작동되면, 방사 스폿(SP1, SP2, SP3, SP4)은 제 16a 도 및 제 16b 도에 도시된 것보다 크다. 덜 강한 광대역의 방사원이 사용되면, 빔 단면 및 노출된 기판 표면은, 장치가 충분한 감도를 갖도록 검출기상의 충분한 방사 에너지를 얻기 위해 더욱 커야한다. 이 감도로 인해 그레이팅이 또한 사용된다. 반사 효과의 위험성을 감소시키기 위해 그레이팅은 많은 수의 그레이팅 선을 가져야 하며, 그것은 기판상의 방사 스폿이 커야 하는 것을 뜻한다.
제 17 도는 2 개의 이중 초점 검출 장치를 포함하는 경사 검출 장치의 원리 를 도시한다. 제 1 초점 검출 장치의 주요선(h1, h2)은 실선으로 표시되고, 제 2 초점 검출 장치의 주요선(h3, h4)은 점선으로 표시된다. 도면부호 (a, b, c, d)는 주요 선이 기판(W)상에 입사되는 점이다. 도면은 이 기판의 작은 부분만 도시한다. 초점 검출 빔이 기판을 스쳐 가는 것을 보장하는 소자는 단순화를 위해 거울(M1, M2)로 표시된다. 각각의 이중 초점 검출 장치는 조명블록(B1), 결상블록(B2) 및 검출블록(B3)의 3 개 블록으로 분할되며, 이 블록들에 대해서는 다음의 실시예를 참조하여 기술된다. 이것은 단순화를 위해 제 17 도에 도시되지는 않았지만, 경사 검출 장치는 이하 기술하는 바와 같이 투사 렌즈 시스템의 기준판에서 반사되는 그레이팅 및/또는 기준 빔을 포함한다.
제 17 도에 도시된 경사 검출 장치는 제 18 도, 19 도 및 20 도에 도시되었는데, 그 도면은 하나씩 차례로 배열된 블록(B1, B2, B3)을 도시한다. a 자를 첨가한 도면은 수직 단면도이고 b 자를 첨가한 도면은 수평 단면도이다.
제 18a 도 및 제 18b 도에서, 도면부호(130)는 방사원, 즉 할로겐 램프의 필라멘트를 나타내는데, 이 램프는 725nm 내지 1050nm 파장 범위의 연속 스펙트럼을 방출한다. 필라멘트는, 예컨대 3.6 x 1.8mm2의 크기를 갖는다. 램프가 방출하는 빔(b)은 비구형 렌즈인 콘덴서 렌즈(131)에 의해 포착되고, 평행 빔으로 변환된다. 계속해서, 상기 빔은 비구형 렌즈인 제 2 콘덴서 렌즈(133)에 의해 수렴된다. 조합된 렌즈(131, 133)는 필라멘트의 상을 형성한다.
파랑색 필터는 할로겐 램프에 의해 방출된 파랑색 방사를 기판에 도달하지 못하게 하고 또한 그러한 방사가 투사 장치의 다른 측정 시스템에 도달하지 못하게 하기 위해서 렌즈(131, 133)사이에 배열되며, 상기 다른 시스템은 이 단파 방사로 작동하는 된다.
광 섬유(134)가 사용된다. 검출 장치를 램프의 열 방사에 의한 열을 받지 않도록 하기 위해, 램프는 검출 장치로부터 예컨대 1.5m 의 거리에 위치된다. 또한, 섬유는 필라멘트의 폭-높이 비를 그레이팅 크기에 적용할 수 있다. 섬유(134)의 입구 평면은 렌즈 시스템(131, 133)으로 형성된 필라멘트 상과 일치된다. 시스템에 부과되는 요구 사항을 고려할 때, 섬유는 예를 들어 0.22 의 비교적 작은 수치 애퍼쳐를 갖는다.
측정 그레이팅(157)과 기준 그레이팅(158)을 각각 조명하기 위해, 섬유는 2 개의 섬유 단부(135, 136), 즉 조명 빔(bi,m)을 공급하는 제 1 단부와, 조명 빔(bi, r)을 공급하는 제 2 단부로 분기된다. 이 그레이팅은 투명 지지판(150)의 평평한 후면에 배열된다. 섬유(135)의 출구 평면을 그레이팅(157)상에 결상시키기 위해서, 예를 들어 텔레센트릭(telecentric)이고 콘덴서 렌즈(137)와 볼록렌즈(139)를 포함하는 렌즈 시스템이 사용된다. 그레이팅(157)의 균일한 조명을 얻기 위해서, 섬유 출구 평면의 상은 그레이팅 평면의 약간 밖에 형성된다. 섬유(136)의 출구 평면은 시스템(137, 139)과 동일한 렌즈 시스템(138, 140)에 의해 그레이팅(158)상에 결상된다.
이용가능한 공간과 관련하여, 축이 그레이팅 평면에 수직인 것을 보장하기 위해 조명 시스템의 광학 축을 굴절시키는 것이 필요하다. 이 굴절은 개략적으로 도시된 거울(160)에 의해 실현될 수 있다.
수직 평면에서 조명 빔(bi,m)은 광학축에 대해 예를 들어 -6.5°의 작은 각도로 확장되어야 하며, 조명 빔(bi,r)은 이 축에 대해 예를 들어 +6.5°의 반대각 으로 확장되어야 한다. 이 목적을 위해서 판(150)의 전면은 2 개의 경사 단부(152, 153)를 가지고, 판 단부를 쇄기형으로 만들며 빔을 직각으로 굴절시킨다. 수평 평면에서 조명 빔(bi,m, bi,r)은 광학축에 평행하다.
제 19a 도 및 19b 도는 텔레센트릭 시스템(170)에 의해 기판(W)과 렌즈 시스템의 기준판 상에 결상된다. 렌즈 소자(171, 172)로 표시된 이 시스템은 초점 검출 빔(bf)과 기준 빔(br)에 의해 그레이팅의 상을 형성할 뿐만 아니라, 그레이팅 판(150)의 쐐기형 단부가 굴절되는 각도와 크기가 같고 반대인 각도로 광학축에 대해 이 빔을 굴절시킨다. 기판(W)과 기준판(RP)에 의해 반사되는 빔은 시스템(170)과 유사한 제 2 텔레센트릭 시스템(175)을 통과한다. 시스템(175)은 기판과 기준판상에 형성된 측정 그레이팅과 기준 그레이팅의 상의 재영상을 보장한다. 이들 재영 상은 검출 측정 그레이팅(187)과 검출 기준 그레이팅(188)상에 형성된다. 이들 그레이팅은 투명 지지부(180)의 평평한 전면(186)상에 배열되고, 1 대 1 상의 경우에 그것들은 그레이팅(157, 158)과 동일한 기하학적 구조를 갖는다. 그레이팅판(180)은 판(150)과 동일 형상을 가지지만, 도면의 평면내에 있고 광학축에 수직인 축에 대해 180°회전되어, 쐐기들이 빔을 광학축으로부터 멀리 편향시킨다.
필요하다면 이용가능한 공간을 고려하여, 제 1 및 제 2 거울(190, 191)은 빔을 기판 및 기준판을 향해 굴절시키기 위해서 초점 검출 빔(bf)의 경로내에 배치되고, 제 3 및 제 4 거울(192, 193)은 빔을 기판 및 기준판으로부터 재굴절시키기 위해 배치될 수 있다.
예를 들어, 석영의 복굴절판(200)은 그레이팅 판(180)의 앞에 배열되고, 그판은 그레이팅(157, 158)의 정규 및 비정규의 상이 제 3 도 및 제 4 도를 참고로 설명된 것같이 그레이팅(187, 188)에 형성되는 것을 보장하는데, 제 3 도 및 제 4 도에서 비정규의 상은 그레이팅(187, 188)에 대해 그레이팅 주기의 반에 걸쳐 이동 된다. 제 3 도 및 4 도에 도시된 바와 같이 복굴절 판은 편광기 앞에 있어야 한다. 이 편광기는, 하나의 판(205)을 형성하는 2 개의 평행판사이에 제공된 편광박(foil)에 의해 형성될 수 있다. 판(200, 205)은 각각의 판이 관련 빔에 수직인 2 개의 부분(201, 202), (206, 207)으로 분할되도록 빔(b'f, b'r)에 수직이어야 한다.
제 20a 도와 20b 도는 이중 초점 검출 장치의 검출 블록을 수직 및 수평 단면으로 도시한다. 이 블록은 그레이팅(187, 188)을 검출기(215)의 여러 부분상에 결상시키는 텔레센트릭 시스템을 함께 형성하는 렌즈(210, 211)를 포함한다. 필요하면 거울(212)이 제공되는데, 이 거울은 빔을 위로(Z 방향) 굴절시키고 그래서 거울(160)의 기능과 반대의 기능을 갖는다(제 18 도 참조).
빔의 편광 방향을 90°전환시키는 편광 변조기(220)와, 소정 방향의 편광의 방사만을 검출기(215)로 통과시키는 분석기(225)를 렌즈(210, 211)사이에 배열한다. 변조기는 그 양측에 λ/4 판(222, 223)을 갖는 석영 결정(221)에 의해 형성된다. 이 변조기는 렌즈 시스템(210, 211)의 퓨필내에 배열된다.
제 18 도, 19 도 및 20 도에서 초점 검출 빔과 기준 빔은 상이한 그레이팅(157, 158, 187, 188) 위에 입사되는 것으로 도시되었다. 그레이팅(157, 158, 187, 188)은 제 1 복합 그레이팅과 제 2 복합 그레이팅의 2 개의 별개의 부분이다. 판(150)상에 배열된 그러한 복합 그레이팅(230)이 제 21 도에 도시되었다. 판(180)상의 그레이팅은 동일한 기하학적 구조를 갖는다. 제 21 도와 같이 그레이팅부(157, 158)는 좌측부와 우측부로 분할되어 전체 4 개의 그레이팅부가 있다. 그레이팅부(231, 232)는 초점 검출 빔과 협동하고, 그레이팅부(233, 234)는 기준 빔과 협동한다. 복합 그레이팅(230)의 길이 1은, 기판의 상의 길이가 기판 필드의 길이보다 약간 작도록 되고, 따라서 그레이팅부가 이 기판 필드의 가장자리에 가능한 많이 결상되도록 하는 것이다.
제 1 그레이팅(157, 158)과 제 2 그레이팅(187, 188)의 그레이팅부가 위에 결상되는 검출기(215)는 제 22 도에 도시된 바와 같이 4 개의 사분면(240, 241, 242, 243)으로 분할된다. 제 1 도의 X 축에 대한 기판의 경사는 검출기부(240, 241)의 신호를 비교하여 결정될 수 있으며, X 축에 대한 기준판(RP)의 경사는 검출기부(242, 243)의 신호를 비교함으로써 결정될 수 있다. Y 축에 대한 기판과 기준판의 경사를 결정하기 위해서 제 18 도, 19 도 및 20 도에 도시된 것과 유사한 제 2 이중 초점 검출 장치가 사용되어야 한다. 이 제 2 장치는 제 1 장치에 대해 90°의 각도로 양호하게 배열된다. 이때 2 개의 초점 검출 빔과 2 개의 기준 빔의 전체 수는 제 17 도의 4 개의 초점 검출 빔대신에 사용된다. 제 17 도에는 기준 빔도 도시하지 않는다.
공기압, 온도 및 습기와 같은 주위 변수의 변화로 인해서, 투사 렌즈 시스템의 소자가 있는 매질의 굴절률이 변화된다. 그 결과 결상평면의 결상 품질과 위치 가 변한다. 이러한 변화를 보상하고 장치의 작동자가 상기 위치를, 수행된 실험에 따라 설정할 수 있게 하기 위해서, 초점 검출 장치에 조정가능 보상판(250)이 제공된다(제 19 도 참조). 이 판은 제 1 그레이팅판(150) 바로 뒤에 초점 검출 빔내에 배열된다. 판(250)은 예를 들어 유리판이고, 그 두께는 판(200, 205)의 두께에 의해 결정된다. 제 19a 도의 도면의 평면에 수직인 축에 대해 판을 회전시킴으로써, 그레이팅(157)의 좌측 및 우측부의 상의 위치는, 기판의 Z 위치와 무관하게, 검출기 위치에 대해 이동될 수 있다. 그래서 검출기 신호로부터 도출된 초점 에러 신호의 0 이 설정될 수 있다.
그레이팅 측정 시스템에 있어서, 초점 에러가 검출될 수 있는 범위는 그레이팅의 주기에 의해 결정된다. 예를 들어 40㎛의 그레이팅 주기에 있어서, 포착 범위는 -20㎛ 내지 +20㎛로 확장된다.
포착 범위를 증가시키기 위해서 초점 검출 장치 또는 경사 검출 장치의 각각의 그레이팅, 예컨대 제 21 도의 그레이팅(231-234) 각각은, 주기가 예를 들어 10% 다른 2개의 서브 그레이팅으로 분할된다. IEEE Transactions on Electron Devices Vol. ED-26, No.4, 1979, PP.723-728의 "Automatic Alignment System for Optical Projection Printing"의 정렬 장치에 대해 기술된 유사한 방법으로, 예를 들어 10 배 큰 주기를 갖는 신호가 초점 검출 장치와 경사 검출 장치에 대해 얻어질 수 있으며, 그 신호는 10 배 큰 에러를 검출하는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 시험 또는 보정하는 것이 가능한 포착 범위를 증가시키는 가능성을 제공한다. 이 목적을 위해, 본 발명에 따른 장치에는 그레이팅은 없이 작동하면서, 예컨대 레이저 빔인 여분의 빔으로 작동하는 제 2 초점 검출 시스템이 제공된다. 이 빔으로 기판상에 여분의 방사 스폿이 형성되며, 그 스폿은 작으며 그래서 시험(testing)에 적합하다. 이 시스템을 이후 보조 검출 시스템으로 칭한다. 이 시스템은 또한 제 1 빔과 제 2 빔의 이중 구조를 양호하게 가지며, 제 1 빔은 기판에 의해 반사되고, 제 2 빔은 투사 렌즈 시스템의 기준판에 의해 투사된다. 보조 검출 시스템의 소자가 제 18 도, 19 도 및 20 도에 도시되어 있으며, 제 20 도만 명확성을 위해, 일점 쇄선으로 2 개의 보조 빔(b1, b1,1)의 주요 선을 도시한다.
보조 검출 시스템의 제 1 부분은 방사원(260), 예컨대 콜리메이터 렌즈와 결합된 다이오드 렌즈를 포함한다. 보조 빔(b1)은 삽통식 렌즈 시스템(261, 262)에 의해 구성되고 쐐기(263)에 의해 그레이팅 판(150) 쪽으로 굴절된다. 이 판은 이 빔을 위해 틈새 형상 애퍼쳐를 가지며, 그 애퍼쳐는 제 21 도 에서 264 로 표시되어 있다. 애퍼쳐(264)는 빔 단면보다 작아서 애퍼쳐는 새로운 방사원으로서 작용한다. 틈새 형상 애퍼쳐의 폭-높이 비는, 예를 들어 기판상에서 상기 애퍼쳐의 상이 사각형이 되도록 선택되어, 그레이팅(157, 158)과 상이 기판상에서 유지된다.
애퍼쳐(264)로부터의 빔이 특정 각도로 기판(W)에 입사되는 것을 보장하기 위해 여분의 쐐기(154)가 그레이팅 판에 제공된다. 빔(b1)은 기판으로 가는 도중에 초점 검출 빔(bf)과 동일한 소자(250, 170, 190, 191)를 만난다. 기판으로부터 제 2 그레이팅 판(180)까지에서, 빔(b'1)은 반사된 초점 검출 빔(b'f)과 동일한 소자(193, 192, 175, 205, 200)를 만난다. 보조 빔(b'1)은 특별한 애퍼쳐 구조물을 통하여 그레이팅판으로부터 나오며 렌즈 시스템(271, 272)에 의해 검출기(273)상에 결상된다. 빔에 올바른 방향을 주는 광학적 쐐기(270)는 상기 렌즈 시스템의 앞에 배열된다. 그레이팅판(150)상의 쐐기(154)에 비교될 수 있는 다른 쐐기(184)가 그레이팅판상에 배열될 수 있다.
그레이팅판(180)상의 빔(b'1)을 위한 특수 애퍼쳐 구조물이 제 23 도와 같이 2 개의 장방형 애퍼쳐(300, 301)로 형성된다. 그 위에 형성된 애퍼쳐(264)의 상은 도면부호 302 로 표시된다. 각각의 애퍼쳐를 통과한 방사는 검출기(273)의 별개의 검출기부에 의해 포착된다. 이러한 검출기부(274, 275)는 제 23 도에서 파선으로 도시된다. 검출기부 (274, 275)의 신호를 비교하여 초점 에러 신호가 얻어진다. 바이-셀(bi-cell) 검출기로 통상 지칭되는 검출기(273)는, 방사 감지 영역(274, 275)은 비교적 크고 스트립 사이의 거리는 비교적 작은 것을 특징으로 한다. 그레이팅판(180)상의 상기 애퍼쳐 구조물과 바이-셀 검출기를 갖는 보조 검출 시스템은 소자의 허용 오차 또는 안정성에 엄격한 요구 사항을 부과하지 않는다는 이점을 갖는다.
투사 렌즈 시스템의 기준판에 의해 반사된 빔(b1,r)으로 작동되는 보조 검출기 시스템의 제 2 부분은, 이 시스템의 제 1 부분의 소자(260, 261, 262, 263, 154, 170, 175, 206, 201, 270, 271, 272, 273)와 동일하고 동일한 기능을 하는 소자(280, 281, 282, 283, 155, 170, 175, 207, 202, 185, 290, 291, 292, 293)를 포함한다. 기판과 투사 렌즈 시스템 사이의 거리는 2 개의 보조 검출 시스템의 출력 신호를 비교하여 결정될 수 있다.
기판 필드 당 평균 초점 에러는 점(a, b, c, d)에서 측정된 초점 에러를 평균화하여 제 18 도 내지 20 도의 경사 검출 장치에서 결정될 수 있다.
제 1 도의 기판상에 마스크 패턴을 반복적으로 결상시키기 위한 장치를 보충 설명하기 위해서, 제 24 도는 초점 및 경사 검출 장치의 기계적 구조와 투사 렌즈 시스템(PL)에 이 장치가 연결되는 방법에 대해 상세하게 도시한다. 이 시스템은 홀더(H1, H2)가 조명부와 검출부를 위해 좌우에 배열되는 판(PT)내에 고정된다. 조명부는 광대역 빔의 공급을 위한 섬유 단부(135, 136)와, 이 빔을 위한 렌즈(137, 138, 139, 140)와, 다이오드 레이저(260, 280)와, 렌즈(261, 262, 281, 282)와 다이오드 레이저 빔을 위한 쐐기(263, 283)를 수용한다. 텔레센트릭 렌즈 시스템(170)(도시되지 않음), 그레이팅판(150), 절첩식 거울(160) 및 거울(190, 191)은 판(PT)에 연결된 장착판(MP)에 고정된 홀더(H3)내에 존재한다.
유사한 홀더(H4)가 좌측에 배열되며, 거울(192, 193)과, 텔레센트릭 렌즈 시스템(175)(도시되지 않음)과, 그레이팅 판(180) 및 절첩식 거울(212)을 수용한다. 판(PT)에 고정된 홀더(H4)는 광대역 빔을 위해 변조기(221), 분석기(225) 및 검출기를 수용한다. 쐐기(270, 290)와, 렌즈(271, 272, 291, 292)와, 검출기(273, 293)는 레이저 빔을 위해 제공된다.
상기 장치는, 제 2 초점 에러 및 경사 검출 장치를 포함하는데, 이 장치는 제 2 세트의 4 개 홀더를 구비하며, 이 홀더들은, 제 24 도의 도면의 평면 전후에, 양호하게는, 도면의 평면에 수직한 평면에 배열된다. 제 2 장치에 의해서, Y 축에 관한 기판의 경사만 측정된다. 제 2 장치의 홀더는 광대역 빔의 경로내에 있는 제 24 도의 광학 소자만을 수용한다.
기판상에 마스크 패턴을 반복적으로 결상시키기 위한 장치에 있어서, 투사 렌즈 시스템과 기판사이의 공간에 일정한 환경이 조성되는 것을 보장할 수 있다. 이것은 이 공간을 통해 일정한 층류의 공기를 통과시켜 실현될 수 있다. 이것이 제 25 도에 설명되어 있다. 이 도면은 투사 렌즈 시스템(PL)과 기판 지지부(WC)의 일부를 도시한다. 기판 지지부는 미합중국 특허 제 4,665,594 호에 기술된 H 구조내의 작동기 시스템의 제어 하에 공기 쿠션(AB)을 통해 베이스판(BP)을 가로질러 이동할 수 있는 기판 테이블(WT)의 일부를 형성하며, 그 성분은 제 25 도에서 MO1및 MO2로 표시되어 있다. 제 25 도는 장착판(MP)에 고정되어 있는 홀더(H1, H2)를 도시하고, 상기 장착판 상에는, 제 1 도에 도시되고 제 25 도에 IFS 로 개략적으로만 도시된 간섭계 시스템이 양호하게 고정된다. 상기 공기 스트림은 화살표(AF)에 의해 표시된다. 이 공기 스트림은 공기 스트림 유도판(FGP)을 통과한다. 이 판은 조명될 기판 위의 공간이 덮여지는 치수로 형성되어, 초점 에러 및 경사 검출 장치의 빔과 상기 기판이 양호하게 조절된 공간내에 있게 된다.
공급된 공기의 순도 및 온도는 조절될 수 있다. 이 공기는 예컨대 순도 등급이 1 이며, 온도는 예컨대 0.1℃ 내에서 안정하다. 온도는 기판 지지부 부근에 열교환기를 배열함으로써 달성될 수 있다.
본 발명은, 예컨대 집적회로(ICs), 집적 광 시스템 또는 평면 광학 시스템, 자기 영역 메모리용 안내 및 검출 패턴의 제작을 위해, 또는 액정 디스플레이 패널의 구조물의 제작을 위해, 기판상에 마스크 패턴을 반복적으로 결상시키기 위한 장치에 있어서 그 사용에 관해 기술되었다. 본 발명은 우선 이러한 용도를 위한 것이지만 그에 한정되지 않는다. 그것은 또한 일반적으로 결상 렌즈 시스템의 위치 또는 이 표면의 다른 기준 또는 경사가 매우 정확히 결정되어야 하는 광학 측정 및 조사 장치에 사용될 수 있다. 이 장치들은, 레이저 빔 또는 전자 빔으로 작동되는 IC 패턴, LCD 패턴 등의 패턴을 제조하기 위한 장치와, X 레이 방사로 작동되는 패턴 투사 장치와, 또는 정확한 측정 장치 예컨대 마스크 또는 기판의 측정을 위해 사용되는 정확한 측정 장치가 될 수 있다.

Claims (34)

  1. 결상 시스템(imaging system)과, 결상 시스템의 결상면과 결상이 이루어지는 제 2 평면 사이의 편차를 결정하는 광전자 초점 검출 시스템(opto-electronic focus detection system)을 구비하는 결상 장치(imaging apparatus)로서, 상기 초점 검출 시스템은 초점 검출 빔을 공급하는 방사원(radiation source), 제 2 평면의 방사원과 동일한 측면에 배열된 방사 감지 검출기, 및 제 2 평면에 대한 소정의 작은 각도로 초점 검출 빔을 상기 제 2 평면상에 지향시키고(directing) 상기 초점 검출 빔의 경사방향(vergency)과 제 2 평면에 의해 반사된 빔의 경사방향을 변경시키며 또한 상기 반사된 빔을 상기 검출기로 지향(direct)시키는 광학 소자들을 구비하는, 상기 결상 장치에 있어서, 초점 검출 빔은 넓은 파장 대역을 가지며, 제 1 및 제 2 그레이팅(grating)이 제공되어, 제 1 그레이팅은 방사원과 제 2 평면 사이의 방사 경로(radiation path)에 배열되고, 제 2 그레이팅은 상기 제 2 평면과 검출기 사이에서 제 2 그레이팅의 상(image)이 형성되는 위치에 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  2. 제1항에 있어서, 검출기에 의해 감지된 제 1 그레이팅 및 제 2 그레이팅의 상(image)들을 서로에 대해 주기적으로 이동시키기 위한 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  3. 제2항에 있어서, 주기적 전기 신호에 의해 제어되는 광학 소자는 초점 검출 빔의 경로에 배열되며, 상기 소자의 광학적 특성은 상기 전기 신호의 영향하에 주기적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  4. 제3항에 있어서, 편광 감응 소자는 초점 검출 빔을 제 2 그레이팅의 평면에 제 1 그레이팅의 상들을 형성하는 2 개의 서브-빔들로 분리하기 위해 제 2 그레이팅 앞에 배열되며, 상기 상들은 제 2 그레이팅의 그레이팅 주기의 1/2과 같은 거리만큼 서로에 대해 이동되고, 편광 회전자는 제 2 그레이팅과 검출기 사이에 배열되어, 서브-빔들의 편광 방향을 주기적으로 변화하도록 주기적 신호에 의해 제어되며, 편광 분석기는 편광 회전자와 검출기 사이에 배열되고, 또한 주기적 신호가 초점 제어 신호에 대한 검출기의 출력 신호를 처리하는 전자 회로에 인가되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 역반사기(retroreflector)가 제 2 평면에 의해 처음 반사된 초점 검출 빔의 경로에 배치되고, 상기 역반사기는 상기 빔을 그 자체를 따라 반사시키며, 빔 분리 소자는 제 2 평면에 의해 두 번째 반사된 초점 검출 빔의 경로내에 제 2 평면과 방사원 사이에 배열되고, 상기 빔 분리 소자는 두 번째 반사된 빔을 제 2 그레이팅과 그 뒤에 배열된 검출기를 향하여 결합하여 보내는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  6. 결상 시스템(imaging system)과, 결상 시스템의 결상면과 결상이 이루어지는 제 2 평면 사이의 편차를 결정하는 광전자 초점 검출 시스템(opto-electronic focus detection system)을 구비하는 결상 장치(imaging apparatus)로서, 상기 초점 검출 시스템은 초점 검출 빔을 공급하는 방사원(radiation source), 제 2 평면의 방사원과 동일한 측면에 배열된 방사 감지 검출기, 및 제 2 평면에 대한 소정의 작은 각도로 초점 검출 빔을 상기 제 2 평면상에 지향시키고(directing) 상기 초점 검출 빔의 경사방향(vergency)과 제 2 평면에 의해 반사된 빔의 경사방향을 변경시키며 또한 상기 반사된 빔을 상기 검출기로 지향(direct)시키는 광학 소자들을 구비하는, 상기 결상 장치에 있어서, 제 2 평면에 대향 위치된 결상 시스템의 표면상으로 지향(direct)하고 상기 표면에 대해 소정의 작은 각도로 확장(extend)하는 기준 빔(reference beam)이 제공되며, 제 2 검출기가 상기 표면에 의해 반사된 기준 빔의 경로에 배열되고, 제 1 및 제 2 그레이팅이 기준 빔의 경로에 배열되며, 상기 경사방향을 지향하고 변화하도록 제 1 그레이팅과 제 1 그레이팅의 상(image)이 형성되는 위치에 있는 제 2 그레이팅 사이에 배열된 광학 수단은 상기 두 빔들에 대해 공통인 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  7. 제6항에 있어서, 기준 빔과 초점 검출 빔에 대하여 검출기에 의해 감지된 제 1 그레이팅 및 제 2 그레이팅의 상들을 서로에 대해 주기적으로 이동시키기 위한 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  8. 제7항에 있어서, 주기적 전기 신호에 의해 제어되는 광학 소자는 초점 검출 빔의 경로에 배열되며, 상기 소자의 광학적 특성은 전기 신호의 영향하에 주기적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  9. 제8항에 있어서, 편광 감응 소자는 각각의 초점 검출 빔 및 기준 빔을 제 2 그레이팅의 평면에 제 1 그레이팅의 상들을 형성하는 2 개의 서브-빔들로 분리하기 위해 초점 검출 빔 및 기준 빔 경로들 내의 제 2 그레이팅 앞에 배열되며, 상기 상들은 제 2 그레이팅의 그레이팅 주기의 1/2과 같은 거리만큼 서로에 대해 이동되고, 편광 회전자는 제 2 그레이팅과 검출기 사이에 배열되어, 서브-빔들의 편광 방향을 주기적으로 변화하며, 편광 분석기는 편광 회전자와 검출기 사이에 배열되고, 또한 주기적 신호가 초점 제어 신호에 대한 검출기의 출력 신호를 처리하는 전자 회로에 인가되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 빔을 공급하기 위한 별개의 방사원(radiation source)이 제공되고, 제 1 빔 편향 소자가 초점 검출 빔 및 기준 빔을 결상 시스템의 제 2 평면 및 표면에 각각 지향하도록 초점 검출 빔 및 기준 빔의 경로에서 방사원들과 제 2 평면 사이에 배열되며, 제 2 빔 편향 소자가 상기 초점 검출 빔 및 기준 빔을 제 1 및 제 2 검출기에 각각 지향하도록 초점 검출 빔 및 기준 빔의 경로에서의 제 2 표면과 두 검출기들 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  11. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 빔을 공급하기 위한 별개의 방사원이 제공되며, 빔 편향 소자가 초점 빔 및 기준 검출 빔의 경로에서 방사원들과 제 2 평면 사이에 배열되며, 역반사기(retroreflector)가 제 2 평면에 의해 처음 반사된 초점 검출 빔과 결상 시스템의 표면에 의해 처음 반사된 기준 빔의 경로에 배치되고, 제 1 검출기를 향해 초점 검출 빔을 결합하여 보내는 제 1 빔 분리 소자가 제 2 평면에 의해 두 번째로 반사된 상기 빔의 경로에 배열되고, 제 2 검출기를 향해 기준 빔을 결합하여 보내는 제 2 빔 분리 소자가 결상 시스템의 표면에 의해 두번째로 반사된 상기 빔의 경로에 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  12. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 복굴절 소자(birefringent element)가 상기 빔을 제 1 편광 방향을 갖는 초점 검출 빔과 제 2 편광 방향을 갖는 기준 빔으로 분리하고 상기 빔들을 제 2 평면과 결상 시스템의 표면상으로 각각 지향하도록 방사원에 의해 공급된 빔의 경로에 배열되며, 제 2 복굴절 소자가 두 빔들을 서로를 향해 편향시키고 빔들을 제 1 검출기 및 제 2 검출기상으로 각각 지향하도록 제 2 평면과 결상 시스템의 표면에 의해 각각 편향된 빔들의 경로들에 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  13. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서. 복합 반사기(composite reflector)가 제 2 평면에 의해 반사된 초점 검출 빔의 경로에 배열되고, 기준 빔은 반사기에 의해 반사되어 결상 시스템의 표면상으로 지향된 빔에 의해 형성되며, 제 1 및 제 2 검출기는 한 검출기로 결합되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  14. 제13항에 있어서, 빔 편향 소자가 방사원에 의해 공급된 빔을 제 2 평면 쪽으로 편향시키고 결상 시스템의 표면에 의해 반사된 빔을 검출기 쪽으로 편향시키도록 방사원에 의해 공급된 빔과 결상 시스템의 표면에 의해 반사된 빔의 공통 경로에 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  15. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 복굴절 소자가 방사원에 의해 공급된 빔의 경로에 배열되어, 상기 빔을 초점 검출 빔으로서 제 2 평면 쪽으로 통과시키고, 제 2 복굴절 소자가 상기 평면에 의해 반사된 빔의 경로에 배열되어 반사된 빔을 통과시키며, 빔을 제 2 복굴절 소자 쪽으로 반사하는 역반사기가 상기 통과된 빔의 경로에 배열되고, 상기 제 2 복굴절 소자는 상기 빔을 기준 빔으로서 결상 시스템의 표면 쪽으로 편향시키며, 제 1 복굴절 소자는 상기 표면에 의해 반사된 빔을 방사원에 의해 공급된 빔의 방향으로 편향시키는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  16. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 초점 검출 빔이 넓은 파장 대역을 가지며, 제 1 그레이팅은 초점 검출 빔과 기준 빔의 방사 경로에서 관련 빔을 공급하는 방사원과 상기 빔이 처음 반사되는 평면 사이에 배열되고, 제 2 그레이팅은 관련 빔에 대한 검출기와 상기 빔을 검출기 쪽으로 반사시키는 평면 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  17. 제10항에 있어서, 방사원은 넓은 파장 대역을 갖는 빔을 공급하며, 제 1 그레이팅은 상기 방사원과 제 1 편향 소자 사이에 배열되고, 제 2 그레이팅은 제 2 편향 소자와 검출기 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  18. 제11항에 있어서, 초점 검출 빔은 넓은 파장 대역을 가지며, 제 1 그레이팅은 방사원과 제 1 편향 소자 사이에 배열되고, 제 2 그레이팅은 반사된 초점 검출 빔의 방사 경로의 빔 편향 소자와 제 1 검출기 사이에 배열되며, 제 3 그레이팅이 반사된 기준 빔의 방사 경로의 빔 편향 소자와 제 2 검출기 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  19. 제12항에 있어서, 방사원은 넓은 파장 대역을 갖는 빔을 공급하며, 제 1 그레이팅은 방사원과 제 1 복굴절 소자 사이에 배열되고, 제 2 그레이팅은 제 2 복굴절 소자와 검출기 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  20. 제14항에 있어서, 방사원은 넓은 파장 대역을 갖는 빔을 공급하며, 제 1 그레이팅은 상기 빔의 방사 경로의 방사원과 제 2 평면 사이에 배열되고, 제 2 그레이팅은 결상 시스템의 표면과 검출기 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  21. 제15항에 있어서, 방사원은 넓은 파장 대역을 갖는 빔을 공급하며, 제 1 그레이팅은 상기 빔의 방사 경로의 방사원과 제 1 복굴절 소자 사이에 배열되고, 제 2 그레이팅은 상기 소자와 검출기 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  22. 제1항에 있어서, 조정가능 광학 소자가, 초점 에러와 무관하게 제 2 평면에 형성된 방사 스폿을 변위시켜 발생된 초점 에러 신호의 제로 값을 변화하도록 초점 검출 빔의 방사 경로의 제 2 평면 앞에 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  23. 제1항에 있어서, 2 개의 상호 직교하는 X 및 Y 축들에 대한 제 2 평면의 경사를 결정하는 제 1 및 제 2 검출 유닛으로서, 각각의 검출 유닛은 방사원, 제 1 및 제 2 그레이팅 및 검출기를 구비하며, 제 1 유닛의 광학축은 XZ 평면내에 위치되고 제 2 유닛의 광학축은 YZ 평면내에 위치되는 상기 제 1 및 제 2 검출 유닛을 구비하며, 각각의 유닛에는, 그레이팅으로부터의 빔을 평행 빔으로 변환하도록 제 1 그레이팅과 제 2 평면 사이에 제 1 렌즈 시스템이 배열되고, 평행 빔을 집속 빔으로 변환하도록 제 2 평면과 제 2 그레이팅 사이에 제 2 렌즈 시스템이 배열되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  24. 제23항에 있어서, 각각의 검출 유닛은 제 2 평면에 대향하여 위치된 결상 시스템의 표면상으로 지향되고 상기 표면에 대해 소정의 작은 각도로 확장(extend)하는 기준 빔을 형성하는 수단과, 결상 시스템의 표면에 의해 반사된 기준 빔의 경로에 배열된 제 2 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 초점 검출 빔과 유사한 적어도 2 개의 여분의 초점 검출 빔들을 공급하는 수단이 결상면의 2 개의 상호 직교하는 X 및 Y 축들에 대해 제 2 평면의 경사들을 검출하기 위해 제공되고, 각각의 초점 검출 빔은 제 2 평면에 별개의 지점 상으로 지향되어, 적어도 2 개의 지점이 다른 X 위치들을 점유하고, 적어도 2 개의 지점이 다른 Y 위치들을 점유하는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  26. 제25항에 있어서, 각각 2개의 초점 검출 빔들을 갖는 2 개의 별개의 초점 검출 유닛을 구비하며, 2 개의 초점 검출 유닛들의 검출 신호들은 결합하여 X 축 및 Y 축에 대한 제 2 평면의 경사에 대한 정보를 구비하는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  27. 제1항, 제23항, 제24항, 25항 또는 제26항에 있어서, 각각의 그레이팅은 다른 그레이팅 주기들을 갖는 2개의 서브 그레이팅들로 분할되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  28. 제1항, 제23항, 제24항, 25항 또는 제26항에 있어서, 초점 검출 빔들은 넓은 대역들을 가지며 그레이팅들을 통과하고, 추가적인 밝은 방사원이 제 2 평면에 여분의 방사 스폿을 형성하도록 여분의 단색 초점 검출 빔을 제공하기 위해 공급되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  29. 제28항에 있어서, 추가적인 밝은 단색 기준 빔이 결상 시스템의 표면상에 여분의 방사 스폿을 형성하는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  30. 제23항, 제24항, 25항 또는 제26항에 있어서, 각각의 검출 유닛에서 그레이팅들 사이의 방사 경로의 광학 소자들은 모든 초점 검출 빔들과 기준 빔들에 대해 공통인 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  31. 제30항에 있어서, 단색 초점 검출 빔과 기준 빔의 파장은 다른 초점 검출 빔들과 기준 빔들의 파장 대역에 위치되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  32. 제25항 또는 제26항에 있어서, 초점 검출 유닛 내에서 2 개의 집속 빔들은 한 빔으로 형성되고, 그 2 개의 부분들이 2 개의 다른 그레이팅 부분에 입사되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  33. 제32항에 있어서, 제 1 그레이팅 및 제 2 그레이팅의 2 개의 그레이팅 부분은 각각 제 1 그레이팅 판 및 제 2 그레이팅 판에 각각 배열되며, 제 1 그레이팅 판은 단색 빔에 대한 하나의 제 1 애퍼쳐를 갖고, 제 2 그레이팅 판은 상기 빔에 대해 2 개의 제 2 애퍼쳐들을 가지며, 상기 제 2 애퍼쳐는 제 1 애퍼쳐에 대해 대칭적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 결상 장치.
  34. 제1항, 제23항 또는 제25항에 청구된 결상 장치를 구비하는, 기판상에 마스크 패턴을 반복적으로 결상하기 위한 투사 장치에 있어서, 결상 렌즈 시스템은 패턴을 기판상에 투사하는 광학 투사 렌즈 시스템에 의해 형성되고, 제 2 평면은 노출된 기판층의 표면에 의해 형성되며, 초점 검출 시스템의 신호들은 기판과 투사 렌즈 시스템 사이의 거리와 상기 렌즈 시스템의 결상면과 상기 표면 사이의 각도를 설정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 투사 장치.
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