KR100528745B1 - 광학 결상 시스템의 수차 검출 방법, 시스템 및리소그래픽 투사 장치 - Google Patents

광학 결상 시스템의 수차 검출 방법, 시스템 및리소그래픽 투사 장치 Download PDF

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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
에이에스엠엘 네덜란드 비.브이.
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Abstract

본 발명에 따르면, 결상 시스템(PL)의 수차들은 상기 결상 시스템에 의해 포토레지스트(PR) 상에 원형 위상 구조(22)를 결상하고, 상기 레지스터를 현상하고, 이것을 이미지 처리기(1P)에 결합되는 스캐닝 검출 장치(SEM)로 스캐닝함으로써 정확하고 신뢰할 수 있는 방법으로 검출될 수 있다. 상기 원형 위상 구조는 링 구조(25)로 결상되고, 비대칭 수차, 비점 수차, 3점 수차 등의 각 유형의 수차는 가능한 몇개의 수차는 상기 링의 내부 외형선(CI) 및 외부 외형선(CE)의 형상에 있어서의 특정 변화 및/또는 이러한 외형선 사이의 거리의 변화를 발생시키며, 따라서 수차들은 서로 독립적으로 검출될 수 있다. 각 유형의 수차는 특정 퓨리에 고조파(Z-)로 표현되며, 이 고조파는 특정한 저차 또는 고차 부 수차(lower or higher order sub-aberration)을 각각 나타내는 져니크 계수(Z-)로 이루어진다. 이러한 새로운 방법은 이들 부 수차들을 결정할 수 있다.
새로운 방법은 리소그래픽 투사 장치용 투사 시스템을 측정하는데 사용될 수도 있다.

Description

광학 결상 시스템의 수차 검출 방법, 시스템 및 리소그래픽 투사 장치{METHOD OF DETECTING ABERRATIONS OF AN OPTICAL IMAGING SYSTEM}
본 발명은 광학 결상 시스템의 수차를 검출하는 방법에 관한 것으로써, 광학 결상 시스템의 객체 평면(object plane)에 테스트 객체(a test object)를 정렬하는 단계와, 상기 시스템의 이미지 평면(image plane)에 포토레지스트층을 제공하는 단계와, 상기 시스템 및 결상 빔에 의해 상기 테스트 객체를 결상하는 단계와, 상기 포토레지스트층을 현상하는 단계와, 상기 결상 시스템의 해상도보다 상당히 큰 해상도를 갖는 스캐닝 검출 장치에 의해 상기 현상 이미지를 검출하는 단계를 포함한다.
상기 스캐닝 검출 장치의 해상도가 상기 결상 시스템의 해상도보다 상당히 크다는 사실은 상기 결상 시스템에 의해 개별적으로 결상될 수 있는 세부 사항보다 상당히 작은 세부 사항을 상기 검출 장치가 관측할 수 있다는 것을 의미한다.
복수의 렌즈 소자로 구성된 투사 렌즈 시스템의 형태인 광학 결상 시스템은 웨이퍼 스테퍼(wafer stepper) 또는 웨이퍼 스텝 앤드 스캐너(wafer step-and-scanner)로서 공지되어 있는 포토리소그래픽 투사 장치에 이용된다. 특히 이러한 장치는 집적회로 또는 IC를 제조하는데 이용된다. 포토리소그래픽 투사 장치에서, 상기 마스크의 마스크 패턴은 매우 여러번 결상되는데, 매번 예컨데, UV 범위에서 365㎚ 의 파장 또는 딥(deep) UV 범위에서 248㎚ 의 파장을 갖는 투사 빔에 의해 상기 기판의 다른 영역(IC 영역) 상에 결상된다.
상기 언급된 방법은 유럽특허 제0,849,638호에 공지되어 있는데, 이 특허는 리스그래픽 투사 장치에서 투사 렌즈 시스템의 수차를 측정하는 방법에 관한 것이다.
그 목적은 IC 안에 많은 전자 부품을 집적화하는 것이다. 이러한 집적화를 실현하기 위하여, IC의 표면 영역을 증가시키고 그 부품의 크기를 작게 하는 것이 바람직하다. 상기 투사 렌즈 시스템에 있어서, 이것은, 이미지 필드 및 해상도가 모두 증가되어, 명확하게 정의된 방법으로 보다 큰 이미지 필드에 더욱 작은 세부사항 또는 선폭이 결상될 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 매우 엄격한 품질 요건을 충족시키는 투사 렌즈 시스템을 요구한다. 상기 투사 렌즈 시스템을 설계하는데 있어 많은 주의를 기울이고 높은 정확도로 시스템을 제조한다 하더라도, 상기 시스템은 실제 적용에 있어서는 받아들일 수 없는 구면 수차, 코마(coma) 및 비점 수차와 같은 수차가 여전히 나타날 수 있다. 실제로, 리소그래픽 투사 렌즈 시스템은 이상적인 회절 제한 시스템이 아니라 수차 제한 시스템이다. 상기 수차는 이미지 필드의 위치에 의존하고 그 이미지 필드 양단에 발생하는 결상된 선폭을 변화시키는 중요한 요인이 된다. 미국특허 제5,217,831호에 기재된 바와 같이 위상 변이 마스크를 이용하여 리소그래픽 투사 장치의 해상력 또는 해상도를 향상시키기 위해 새로운 기술을 이용하는 경우, 또는 미국특허 제5,367,404호에 기재된 바와 같이 오프 축 조도를 제공할 때, 상기 결상된 선폭에 있어서의 수차의 영향은 여전히 크다.
또한, 상기 수차는 현대의 리소그래픽 투사 렌즈 시스템에서 일정하지 않다. 왜곡, 상기 이미지 필드의 곡률, 비점 수차, 코마 및 구면 수차와 같은 저차(low-order) 수차를 최소화하기 위하여, 상기 시스템들은 한 개 이상의 이동 가능한 렌즈 소자를 포함한다. 동일한 목적을 위해 상기 투사 빔의 파장 또는 상기 마스크 테이블의 높이가 조정될 수 있다. 이러한 조정 장치들을 이용하면, 다른 작은 수차가 유입된다. 또한, 상기 투사 빔의 세기가 가능한 크게 되어야 하기 때문에, 리소그래픽 투사 렌즈 시스템이 노화되어 수차의 범위가 시간에 따라 변할 수 있다.
상술한 내용을 토대로, 수차를 측정하는 정확하고 신뢰할 수 있는 방법에 대한 필요성이 증가하고 있다.
또한, EUV(extreme UV) 방사, 즉, 수 ㎚ 내지 수십 ㎚의 파장의 방사 빔을 상기 투사 빔에 이용하는 것이 제안되었다. 따라서 상기 투사 렌즈 시스템의 해상도는 상기 시스템의 개구 수(NA)를 증가시키지 않고도 상당히 향상될 수 있다. 상기 EUV 방사에 이용할 수 있는 적합한 렌즈 재료가 없기 때문에, 렌즈 투사 시스템 대신에 미러 투사 시스템이 이용된다. 리소그래픽 미러 투사 시스템은 유럽 특허 제0,779,258호에 기술되어 있다. 상기 렌즈 투사 시스템에 대한 이유와 비슷한 이유 때문에, 이러한 EUV 미러 투사 시스템에 대한 수차를 측정하는 정확하고 신뢰할 수 있는 방법이 마찬가지로 필요하다.
상기 유럽 특허 제 0,849,638호의 서두는 포토레지스트층에 형성된 테스트 마스크의 이미지를 스캐닝 전자 현미경의 형태로 스캐닝 검출 장치로 주사하는 방법을 제외하고 있다. 대신에, 광학 수단으로 상기 이미지를 검출하는 것이 제안되었다. 이 목적을 위하여, 택일적으로 방사를 투과 및 차단할 수 있는(즉, 진폭 구조) 스트립의 한 개 이상의 패턴을 갖는 테스트 마스크가 이용된다. 투사 시스템의 코마 수차는 상기 패턴으로 검출될 수 있다. 이러한 검출은 형성된 이미지의 밝거나 어두운 스트립 폭을 측정 및/또는 상기 패턴의 이미지의 끝에서의 스트립간에 비대칭을 측정하는 것에 기초한다.
본 발명의 목적은 상이한 원리를 토대로 서로 독립적으로 상이한 수차를 측정할 수 있는 서두에 기술된 방법을 제공하는 것이다.
이러한 방법은 광학 결상 시스템의 수차 검출 방법에 있어서,상기 시스템의 객체 평면에, 위상 구조를 갖는 적어도 하나의 닫힌 단일 도형을 포함하는 테스트 객체를 배치하는 단계와, 상기 시스템의 이미지 평면에 포토레지스트층을 제공하는 단계와, 상기 시스템 및 결상 빔에 의해 상기 테스트 객체를 결상하는 단계와, 상기 포토레지스트층을 현상하는 단계와, 상기 결상 시스템의 해상도보다 훨씬 더 큰 해상도를 갖는 스캐닝 검출 디바이스에 의해 상기 현상된 이미지를 관측하는 단계와, 상기 단일 도형의 이미지 내의 상이한 유형의 형상 변화들 중 적어도 하나를 확인하기 위하여 상기 관측된 이미지를 퓨리에 해석하는 단계 -각 유형의 형상 변화는 주어진 유형의 수차를 나타내고, 이 수차는 그 앞에 가중 인자를 갖는 복수의 져니크 다항식(Zernike polynominal)의 조합인 특정 퓨리에 고조파로 표현됨- 를 포함하고, 상기 져니크 다항식의 측정은 조도 변수들 중 적어도 하나를 복수의 상이한 값으로 연속적으로 설정하는 단계로서, 그 수는 결정될 져니크 다항식의 수와 적어도 같게되는 조도 변수 설정 단계와, 상기 각각의 상이한 값에 대하여 동일한 퓨리에 고조파를 측정하는 단계와, 상기 퓨리에 고조파에 대하여 측정된 값 및 이전에 실행된 시뮬레이션 프로그램에 의해 얻어진 기억된 가중 인자에 의해 상기 져니크 변수를 계산하는 단계에 의해 행해지는 방법에 의해 달성된다.
단일 도형은 그 자체가 닫혀있는 단일 외형선을 갖는 도형을 의미하는 것으로 이해된다. 외형선은 도형과 그 주위 간의 경계선이다.
상기 방법은 위상 구조를 갖는 도형의 외형선이 단일 라인에 결상되지 않고 제 1 및 제 2 이미지 라인에 결상되며, 제 2 이미지 라인은 제 1 이미지 라인 내에 위치하고, 제 1 및 제 2 이미지 라인은 포인트 스프레드 함수 또는 결상 시스템의 아이리(Airy) 분포에 의해 결정된다는 사실을 이용한다. 상기 방법에서는, 결상 시스템의 포인트 스프레드 함수 또는 아이리 분포를 유용하게 이용한다. 만약 이 시스템이 소정의 수차를 가지면, 이미지 라인 그 자체의 형상의 편향 및/또는 두 이미지 라인의 상호 위치의 변화와 같은, 이상적인 이미지의 소정의 편향이 발생한다. 따라서 상기 방법에 의하면, 진폭 또는 블랙-화이트 구조의 형태로 테스트 객체를 사용할 때 검출될 수 없는 수차를 검출할 수 있게 된다. 진폭 구조를 갖는 테스트 객체를 사용하면, 그 외형선은 단일 라인에 결상된다. 따라서, 그러한 테스트 객체를 사용하면 결상된 단일 외형선을 편향시키는 결상 시스템의 수차만이 검출될 수 있으며, 이것은 훨씬 덜 정확하다. 위상 구조를 갖는 테스트 객체를 이용하면, 상이한 수차들의 효과가 형성된 이미지 내에 잘 구별할 수 있도록 남아있기 때문에, 즉 상이한 수차가 어떠한 상호 혼선을 나타내지 않기 때문에, 동시에 발생하는 상이한 수차가 개별적으로 검출될 수 있다. 상기 방법은, 사인 및 코사인 함수로 동작하며 이미지의 외형선을 직접 분석하는데 아주 적합한 퓨리에 해석을 이용한다. 비점 수차와 같은 각각의 수차는 낮은 차수 및 높은 차수의 다수의 부 수차(sub-aberration)로 이루어진다. 각각의 이들 부 수차는 일반적으로 져니크 계수, 즉 최대 37개의 다항식을 갖는 "프린지 져니크 코드(fringe Zernike code)"로부터의 특정 져니크 다항식의 총계로 표현된다. 상기 신규한 방법은, 소정의 수차의 져니크 계수들이 상이한 조도 조건에 대해 이 수차와 관련된 퓨리에 고조파를 결정함으로써 결정될 수 있다는 사상에 기초한다. 따라서 부 수차를 측정하는 것이 가능하게 된다. 이에 따라 측정 방법의 선형성이 이용된다.
리소그래픽 투사 시스템의 비대칭 수차를 측정하는 방법 및 장치와 관련된 미국특허 제5,754,299호에 개시된 일실시예에서는, 상기 테스트 객체가 위상 패턴으로 표시되어 있다. 그러나, 이러한 패턴은 닫혀있는 단일 도형이 아니라 위상 격자, 예컨데, 정렬 마스크이다. 이러한 격자에 형성된 이미지는 상기 격자 자체와 동일한 외형을 갖는다. 즉, 각 격자 라인은 단일 라인에 결상된다. 또한, 상기 수차를 측정하기 위하여, 상기 격자의 이미지는 상이한 촛점 설정시마다 형성되고, 그 검출은 이미지 자체의 형상 및/또는 위치의 변화 검출시보다는 오히려 이러한 이미지들 간의 비대칭 측정에 기초한다.
본 발명에 따르면, 전술한 목적은 광학 결상 시스템의 수차 검출 방법에 있어서, 상기 시스템의 객체 평면에, 위상 구조를 갖는 적어도 하나의 닫힌 단일 도형을 포함하는 테스트 객체를 배치하는 단계와, 상기 시스템의 이미지 평면에 포토레지스트층을 제공하는 단계와, 상기 시스템 및 결상 빔에 의해 상기 테스트 객체를 결상하는 단계와, 상기 포토레지스트층을 현상하는 단계와, 상기 결상 시스템의 해상도보다 훨씬 더 큰 해상도를 갖는 스캐닝 검출 디바이스에 의해 상기 현상된 이미지를 관측하는 단계와, 상기 단일 도형의 이미지 내의 상이한 유형의 형상 변화들 중 적어도 하나를 확인하기 위하여 상기 관측된 이미지를 퓨리에 해석하는 단계 -각 유형의 형상 변화는 주어진 유형의 수차를 나타내고, 이 수차는 져니크 계수들의 조합으로 각각 이루어진 퓨리에 고조파들로 표현됨- 와, 상기 관측된 이미지를, 룩업 테이블 내에 져니크 계수들에 대한 데이터와 함께 저장되는 다수의 참조 이미지와 비교함으로써 관측된 이미지의 상기 져니크 계수를 결정하여 상기 참조 이미지들 중 어느 이미지가 상기 관측된 이미지와 가장 잘 맞는지를 결정하는 단계 -상기 룩업 테이블은 사전에 행해진 시뮬레이션 프로그램에 의 얻어짐- 를 포함하는 다른 방법에 의해 달성될 수도 있다.
상기 방법들은 스캐닝 전자 현미경을 스캐닝 검출 장치로써 이용하는 것을 특징으로 한다.
리소그래픽 공정에서 흔히 이용되고 있는 상기 현미경은 이러한 애플리케이션에 대하여 충분한 해상도를 갖는다. 다른 새로운 타입의 스캐닝 검출 장치로는 상기 원자 현미경(atomic force microscope)(AFM) 및 스캐닝 광학 프로브 현미경와 같은 몇몇 실시예에 이용할 수 있는 스캐닝 프로브 현미경이 있다.
상기 테스트 객체의 위상 구조는 다양한 방법으로 실현될 수 있다. 예컨데, 상기 단일 도형은 굴절률을 갖는 투명판의 한 영역이 그 투명판의 나머지 영역의 회절률과 다른 영역으로 이루어질 수도 있다.
상기 새로운 방법의 양호한 실시예는, 모든 단일 도형이 상기 투명판의 나머지 영역보다 다른 높이에 위치된 판의 영역에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 영역은 상기 투명판 내에서 원추형이거나 상기 투명판으로부터 돌출될 수 있다. 이러한 투명판은 상기 결상 빔의 방사에 투명하거나 반사적일 수도 있다.
상기 단일 도형은 사각형 또는 삼각형과 같은 다양한 형상을 갖는다. 상기 신규한 방법의 양호한 실시예는 상기 영역이 원형인 것을 특징으로 한다.
그러면, 상기 단일 도형의 형상은 상기 결상 시스템의 원형 대칭에 최적으로 적합화되고, 이러한 도형의 이미지는 2개의 원형 이미지 라인으로 구성된다. 이러한 이미지 라인의 형상 및 상호 오프셋의 변경은 쉽게 관측될 수 있다. 정방형 단일 도형을 이용할지라도, 상기 신규의 방법은 양호한 결과를 이끌어내는데, 그 이유는 상기 투사 시스템에 의해 형성된 이러한 도형의 이미지 라인이 상기 원형과 매우 유사하기 때문이다.
또한, 각각의 단일 도형은, 180°의 위상차가 상기 결상 빔에 유도되도록 이러한 도형의 영역과 판의 나머지 사이의 높이의 차이가 있는 것을 특징으로 한다.
전송하거나 반사하는 테스트 객체에 대하여, 이것이 의미하는 것은 그 높이의 차이가 λ/(2(n2-n1)) 또는 λ/4n 정도여야 한다는 것인데, 여기서, λ는 결상 빔의 파장이고, n2는 상기 테스트 객체의 재료의 굴절률이며, n1은 주변 매체의 굴절률이다. 이러한 높이 차에서, 상기 단일 도형의 영역으로부터 생기는 결상 빔의 일부와 이러한 영역의 주변으로부터 생기는 결상 빔의 일부 사이의 위상차는 최대이고, 상기 형성된 이미지의 콘트라스트는 최대이다. 상기 영역의 직경이 상기 결상 빔의 파장 정도이거나 크다면, 최적의 높이 차는 λ/(2(n2-n1)) 또는 λ/4n 과 같다. 작은 직경에서는, 편광 효과가 고려되어야 하며, 최적의 높이 차는 마지막 언급한 값의 몇 퍼센트 만큼 벗어난다.
또한, 양호한 실시예에 따르면, 상기 영역의 직경은 λ(NA,M)에 비례하는데, 여기서, λ는 상기 결상 빔의 파장이고, NA는 이미지 측에서의 투사 시스템의 개구 수를 나타내며, M은 이러한 시스템의 배율이다.
상기 테스트 객체의 크기는 상기 투사 시스템으로 만들어 질 수 있는 가장 작은 이미지의 수차를 측정할 수 있는 상기 투사 시스템의 해상도에 적합화된다.
상기 방법은 특히 포토레지스트층을 구비하는 제조 기판 상에 제조 마스크에 있는 마스크 패턴을 결상하기 위한 리소그래픽 장치에서 투사 시스템의 수차를 검출하는데 이용된다. 이러한 방법은 위상 구조를 갖는 최소한 단일 도형을 갖는 마스크를 테스트 객체로서 이용하며, 그 마스크는 투사 장치에서 제조 마스크의 위치에 배열되고, 지지대를 갖는 포토레지스트층이 제조 기판의 위치에 제공되는 것을 특징으로 한다.
이러한 방법은, 이 투사 시스템이 의도하는 환경에 대응하는 환경하에서, 투사 시스템의 수차를 검출할 수 있다는 장점을 제공한다. 단일 도형의 갯수는 한개에서 수십개로 변할 수 있다. 이러한 도형이 상기 투사 시스템의 이미지 필드 내의 다른 위치에 결상되기 때문에, 상기 이미지 필드에 걸쳐서 수차가 변화한다. 상기 단일 도형들이 작기 때문에, 이 도형들은 상기 마스크 패턴의 세부의 밖의 위치에서 상기 제조 마스크에 제공될 수 있다.
그러나, 상기 방법은 최소한 단일 도형을 갖는 빈 테스트 마스크를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 테스트 객체는 제조 마스크와 동일한 재료로 그리고 동일한 두께를 가지며, 마스크 패턴 또는 그 일부가 없는 투명판의 오목부 또는 돌출부로 구성되는데, 그 평판은 빈 테스트 마스크로서 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 방법을 실행하는 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 상기 결상 시스템이 일부를 형성하는 광학 장치, 위상 구조를 갖는 최소한 단일 도형을 갖는 테스트 객체, 상기 결상 시스템에 의해 형성된 적어도 테스트 객체 이미지를 스케닝하는 스캐닝 검출 장치, 및 상기 스캐닝 투사 장치에 결합되어 상기 관측된 이미지를 기억하고 분석하는 이미지 프로세서를 포함하고, 상기 이미지 프로세서는 적어도 한 개의 다른 종류의 상기 이미지의 형상의 변화를 검출하는 분석 수단을 포함한다.
또한, 본 발명은 기판상에 마스크에 존재하는 마스크 패턴을 결상하는 리소그패픽 투사 장치에 관한 것으로서, 그 장치는 투사 빔을 제공하는 조도 장치, 상기 마스크를 수용하는 마스크 홀더, 상기 기판을 수용하는 기판 홀더, 및 상기 마스크 홀더와 기판 홀더 사이에 배열된 투사 시스템을 포함하는데, 상기 장치는 상술한 방법을 수행하는데 적합하다. 이러한 장치는, 상기 방법을 실행하는데 있어서 상기 투사 빔이 결상 빔으로서 이용되고, 상기 조도 장치가 상기 방법에 대한 투사 빔 단부의 직경을 상기 기판상에 마스크 패턴을 투사하는 동안 투사빔 단부의 직경보다 작은 값으로 줄이는 수단을 포함한다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징들은 후술하는 실시예들로부터 명확해질 것이다.
도 1은 기판상에 마스크 패턴을 반복하여 결상하는 리소그래픽 장치의 실례에 대한 가장 중요한 광학 소자를 도식적으로 도시하고 있다. 이 장치는 투사 렌즈 시스템(PL)을 수용하는 투사 컬럼을 포함한다. 이러한 시스템 상에는 상기 마스크 패턴, 예컨데, 결상될 IC 패턴을 제공하는 마스크 MA를 수용하는 마스크 홀더 MH 가 배치되어 있다. 상기 마스크 홀더는 마스크 테이블 MT에 존재한다. 기판 테이블 WT는 상기 투사 컬럼의 투사 렌즈 시스템 PL 아래에 배열된다. 이러한 기판 테이블은 기판, 예컨데, 웨어퍼로도 지칭되는 반도체 기판을 수용하는 기판 홀더 WH를 지지한다. 이 기판은, 매번 상이한 IC 영역 Wd에 마스크 패턴이 다수회 결상되어야 하는 방사 감지층, 예컨데, 포토레지스트층을 구비한다. 상기 기판 테이블은 X 및 Y 방향으로 이동할 수 있어서, IC 영역상에 마스크 패턴을 결상한 후에, 후속 IC 영역이 그 마스크 패턴 아래에 위치될 수 있다.
또한, 상기 장치는 방사원 LA, 예컨데, 크립톤-플로라이드 엑시머 레이저 또는 머큐리 램프를 구비하는 조도 시스템, 렌즈 시스템 LS, 반사기 RE 및 집광 렌즈 CO를 포함한다. 상기 조도 시스템에 의해 공급된 상기 투사 빔 PB는 마스크 패턴 C를 조사한다. 이 패턴은 상기 기판 W의 IC 영역상에 투사 렌즈 시스템 PL에 의해 결상된다. 상기 조도 시스템은 유럽 특허 제 0,658,810에 기술된 바와 같이 실시될 수 있다. 예컨데, 상기 투사 시스템은 배율 M=1/4, 개구 수 NA=0.6 및 직경 22㎜의 편향 제한 이미지 필드를 갖는다.
또한, 상기 장치는 복수의 측정 시스템, 즉, XY 평면에서 서로에 관하여 마스크 MA 및 기판 W를 정렬하는 정렬 시스템, 기판 홀더 및 그 기판의 XY 위치와 방향을 결정하는 간섭계 시스템 및 상기 투사 렌즈 시스템 PL의 촛점면 또는 이미지 면과 상기 기판 W 상의 포토레지스트층 PR의 표면 사이에 편차를 결정하는 촛점 에러 검출 시스템을 구비한다. 이들 측정 시스템은 전자 신호 처리 및 제어 회로, 및 구동기 또는 작동기를 포함하는 서보시스템의 일부인데, 이 시스템에 의하면 상기 기판의 위치 및 방향과 포커싱이 상기 측정 시스템에 의해 제공된 신호를 참조하여 수정될 수 있다.
상기 정렬 시스템은 도 1의 우측 상부에 나타낸 마스크 MA 내의 2개의 정렬 마크(M1 및 M2)를 이용한다. 이들 마크는 회절 격자로 이루어지지만, 이들 환경과는 광적으로 상이한 정방형 또는 스트립 등의 다른 마크에 의해 구성될 수 있다. 상기 정렬 마크는 양호하게는 2차원, 즉, 2개의 상호 수직 방향, 즉, 도 1의 XY방향으로 연장된다. 상기 기판 W는 적어도 2개의 정렬 마크, 양호하게는, 도 1에 P1 및 P2로 도시된 2차원 회절 격자를 갖는다. 상기 마크 P1 및 P2는 상기 패턴 C의 이미지가 형성되어야 하는 기판 W의 영역 밖에 위치된다. 상기 격자 마크 P1 및 P2는 위상 격자로서 양호하게 실시되고, 상기 격자 마크 M1 및 M2는 진폭 격자로서 양호하게 실시된다. 상기 정렬 시스템은 상기 기판 정렬 마크 P2와 마스크 정렬 마크 M2 또는 상기 기판 정렬 마크 P1과 마스크 정렬 마크 M1 서로에 대해 결상하는데 2개의 정렬 빔(6 및 6')을 이용하는 2중 정렬 시스템일 수도 있다. 상기 정렬 빔이 상기 정렬 시스템을 통과한 후, 상기 정렬 빔은 방사 감지 검출기(13 또는 13')에 의해 수신되거나, 상기 관련 빔을, 상기 마스크 마크에 관하여 기판 마크가 되어 기판이 상기 마스크에 관하여 정렬되는 범위를 나타내는 전기 신호로 변환한다. 2중 정렬 시스템은 이 시스템의 또 다른 세부사항에 대하여 언급되는 미국특허 제4,778,275호에 기술되어 있다.
기판의 XY 위치를 정확히 결정하기 위하여, 리소그래픽 장치는 도 1의 블록 1F에 의해 도시되는 다축 간섭계 시스템을 구비한다. 2축 간섭계 시스템은 미국특허 제4,251,16호에 기재되어 있고, 3축 시스템은 미국특허 제4,737,823호에 기재되어 있다. 5축 간섭계 시스템은 XY 축에 따른 기판의 변위, Z축에 관한 회전 변위 및 XY축에 관한 틸트가 매우 정확하게 측정될 수 있는 유럽특허 제0,498,499호에 기재되어 있다.
스텝 앤드 스캔 리소그래픽 장치는 기판 간섭계 시스템과 마스크 간섭계 시스템을 포함한다.
도 1에 도식적으로 도시된 바와 같이, 상기 간섭계 시스템의 출력 신호(Si) 및 상기 정렬 시스템의 신호(S13 및 S'13)는 신호 처리 장치(SPU), 예컨데, 상기 기판 테이블 WT를 경유하여 XY 평면에서 기판 홀더를 이동시키는 작동기 AC용 제어신호(SAC)로 상기 신호를 처리하는 마이크로컴퓨터에 제공된다.
또한, 상기 투사 장치는 상기 촛점면, 투사 렌즈 시스템 PL과 상기 포토레지스트층 PR의 평면 사이의 편차를 검출하는 촛점 에러 검출 장치(도 1에 도시 안함)를 포함한다. 상기 편차는 예를 들어 상기 Z 방향으로 서로에 관하여 렌즈 시스템과 기판을 이동시킴으로써, 또는, 상기 Z 방향으로 투사 렌즈 시스템의 한 개 이상의 렌즈 소자를 이동시킴으로써 수정될 수 있다. 상기 투사 렌즈 시스템에 고정될 수 있는 상기 검출장치는 미국특허 제4,356,392호에 기재되어 있다. 상기 기판의 촛점 에러와 국부적인 틸트를 검출할 수 있는 검출 장치는 미국특허 제5,191,200호에 기재되어 있다.
상기 투사 시스템상에는 매우 엄격한 요건들이 부과된다. 예컨데, 0.35㎛ 또는 이 보다 작은 선폭을 갖는 세부는 이러한 시스템으로 예리하게 결상되어, 상기 시스템은 상당히 큰 NA(예컨데, 0.6)를 가져야 한다. 또한, 이러한 시스템은 23㎜ 의 직경을 갖는 비교적 크고 잘 수정된 이미지 필드를 가져야 한다. 이렇게 엄격한 요건을 충족시키기 위하여, 상기 투사 렌즈 시스템은 수십 개의 렌즈 소자로 이루어지고, 그 렌즈 소자는 매우 정확하게 만들어져야 하며, 매우 정확하게 조립되어야 한다. 상기 투사 시스템을 양호하게 제어하는 것은 상기 시스템이 수차가 충분히 없고 상기 투사 장치에 적합하게 내장되는지 여부를 결정하고, 모든 종류의 원인으로 인해 수차가 발생하여 이러한 수차를 보상하기 위하여 측정이 이루어질 수 있는지 여부를 확힌하는 것는 필수적인 것이다.
상기 수차를 검출하기 위하여, 상기 투사 장치는 검출 방법을 실행하는 일부 측정 시스템으로써 이용될 수 있다. 이러한 방법에 따르면, 소정의 테스트 패턴을 갖는 테스트 마스크는 마스크 홀더에 정렬되고, 이러한 테스트 패턴은 상기 생산 공정동안 방사 감지층에 제조 마스크 패턴의 상을 결상하는 방법과 동일한 방법으로 방사 감지층 또는 포토레지스트층에 그려진다. 결과적으로, 상기 기판은 상기 장치로부터 제거되어 현상되고 에칭됨으로써 상기 기판에서 신뢰할 만한 패턴 형태의 테스트 패턴 이미지를 얻을 수 있다. 이러힌 신뢰할 만한 이미지는 스캐닝 검출 장치, 예컨데, 스캐닝 현미경에 의해 다음에 주사된다. 상기 전자 현미경은 특정 이미지 처리 프로그램을 이용하여 상기 관측한 이미지를 이미지 처리 장치에서 처리되는 이미지 데이터로 변환한다. 그 결과는 다이어그램 또는 그래프로 보여진다. 상기 전자 현미경에 의해 관측된 구조의 가시 이미지를 볼 수 있다.
이러한 방법은 도 2에 도시된다. 이러한 도면에서, 상기 투사 장치는 PA로 표시되고, 현상 및 에칭 장치는 ED로 표시되고, 전자 현미경은 SEM으로 표시되고, 이미지 처리장치는 IP로 표시되며, 그 모니터는 MO로 표시된다.
테스트 객체는 위상 구조를 가지며, 이 테스트 객체의 적은 부분이 도 3a의 저면 및 도 3b의 단면으로 도시되어 있다. 이러한 테스트 객체는 석영의 투명 테스트 마스크에서 원형 리세스의 형태로 위상 구조를 갖는 적어도 한 개의 닫혀있는 도형을 포함한다. 이러한 리세스는 직경 D 및 깊이 d를 갖는다. 리세스 대신에 상기 테스트 객체의 도형은 상기 리세스와 상기 마스크의 나머지에 대하여 동일한 직경 및 높이 차이를 갖는 상승부로 구성된다. 상기 포토레지스트층 상에 테스트 도형이 결상되는 투사 빔에 만족할 수 있게 테스트 마스크가 투명하기 때문에, 이러한 도면은 상기 빔에 대한 위상 구조를 형성한다. 이것이 의미하는 것은 상기 테스트 마스크를 통과한 후에, 상기 원형 영역(22)상에 발생하는 투사 빔 PB의 일부가 상기 빔의 나머지와 다른 위상을 얻는다는 것이다. 상기 빔 부분사이에 위차 차 ф는 다음식으로 정의 된다.
상기 등식에서, n2는 마스크 재료의 회절률이고, n1은 n=1인 일반적인 공기로 이루어진 주변 매체의 회절률이며, λ는 투사 빔 PB의 파장이고, 상기 원(22)은 도 4에 도시된 링(24)안에 투사 렌즈 시스템에 의해 결상된다. 이러한 링이 얻어지는 방법은 도 5를 참조로 설명될 수 있다.
이러한 도형에서, 참조번호 22는 상기 투사 빔 PB, 즉, 전자기 방사 빔이 발생하는 테스트 마스크의 원형 영역을 나타낸다. 상기 위상 패턴(22)을 통과한 후에, 이러한 빔의 전기장 벡터(E)의 크기는 그래프(25)의 위치(P)의 함수로서 변화를 도시한다. 이 그래프에서 수직 경사는 위상 패턴(22)의 외곽선의 위치에 위치된다. 도 5의 단일 렌즈에 의해 도식적으로 도시된 투사 렌즈 시스템 PL을 통과한 후에, 전기장 벡터(E')의 크기는 그래프(29)에서 그 위치의 함수로 그 변화를 도시한다. 상기 수직 경사는 비스듬한 경사로 변한다. 이것은 상기 투사 렌즈 시스템이 이상적인 시스템은 아니지만 포인트 확산 기능을 갖고, 즉, 한 포인트가 한 포인트에 결상되지는 않지만 상기 결상하는 동안 Airy 패턴 양단에 다소 확산이 있다는 사실의 결과이다. 상기 투사 시스템이 이상적이라면, 그 전기장 벡터는 파선 그래프(30)로 도시된 것과 같은 변화를 할 것이다. 전기장 벡터의 크기는 투사 빔의 진폭을 나타내고, 그 결과, 상기 그래프(29)는 포토레지스트층 PR의 평면에 위치의 함수로서 빔의 진폭을 나타낸다. 상기 빔의 강도(I)가 상기 진폭의 제곱과 같기 때문에(I=E2), 이러한 강도는 그래프(31)에서 위치의 함수와 같이 변화를 도시한다. 상기 그래프 (29)에서 각 에지는 반대 경사를 갖는 2개의 에지에 걸쳐 변하는데, 이것은 2개의 외곽선에 위상 패턴의 단일 외곽선이 결상되는 것을 의미하고, 즉, 상기 원이 도 4에 도시된 링(24)에 결상되는 것을 의미한다. 이러한 링의 폭(W:)은 포인 확산 기능에 의해 결정되고, 그 직경(d:)은 투사 렌즈 시스템의 해상도에 의해 결정된다. 상기 투사 렌즈 시스템이 어떠한 토인트 확산을 하지 않으면, 상기 포터레지스터층에서 투사 빔의 강도는 상기 파선 그래프(32)에 도시된 바와 같이 변하고, 그 위상 패턴(22)은 원형으로 결상된다. 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 투사 렌즈 시스템의 포인트 확산이 적어지는 것을 통하여 섬세하게 이용된다.
상기 투사 장치에서 이러한 방법을 이용할 때, 상기 링(24)은 80㎚의 폭(W:)및 350㎚의 직경을 갖는다. 상기 투사 렌즈 시스템은 M=1/4의 배율을 가짐으로서, 상기 마스크에서 위상 패턴은 직경이 D=1.4㎛를 갖는다. 상기 350㎚의 직경(d:)은 최적 값이 되고, 투사 렌즈 시스템이 0.63의 NA를 갖고 투사 빔이 248㎜의 파장을 갖는 장치의 해상도에 해당한다. 다른 투사 장치에 대하여, d:는 다른 최적 값을 가질 것이다. d:가 최적 값과 다른 값을 가질지라도, 여전히 수차는 측정될 것이다.
상기 이미지에서 양호한 대비를 얻기 위하여, 상기 원형 영역(22)을 통과한 빔 부분과 그 빔의 나머지 부분사이의 위상 차는 Ф=π rad가 되어야 한다. 이것은 상기 마스크 재료의 회절률이 1.5이고, 주변 매체가 1의 회절률을 갖는 공기인 경우에, 상기 리세스의 깊이(d)가 빔(PB)의 파장과 같게 되어야 한다는 것을 의미한다. 특정 실시예에 대하여, 예컨데, 최적의 깊이(d)는 233mm 이다. 여전히, 상기 최적의 깊이와 다른 깊이에서는 이용 불가능한 결과가 얻어질 수 있다.
상기 원형 영역(22)과 그 주변이 반사하는 테스트 마스크를 이용하여 만들어지면, 상기 원형 영역의 최적의 깊이 또는 높이는 파장의 1/4과 같다.
상기 투사 렌즈 시스템에 어떠한 수차도 나타나지 않으면, 도 4의 링의 내부 원(ci)과 외부 원(ce)은 동심원이고, 촛점을 통해 스캐닝하는 동안, 이러한 링은 대칭 기능을 갖는다. 촛점을 통한 스캐닝은 상기 포토레지스트층에 관하여 +Z 방향과 -Z 방향으로 투사 렌즈 시스템의 광축을 따라 이미지가 이동하는 의미가 있다. 상기 층에 관한 이미지의 이러한 이동은 투사 시스템의 촛점을 변경하거나 이러한 시스템을 이동시킴으로써 실행될 수 있고, 상기 포토레지스트층은 2방향으로 서로에 관하여 이동시킬 수 있다.
수차가 발생할 때, 상기 대칭은 방해된다. 각 종류의 수차는 이후에 설명될 링의 특성 변형의 결과이다.
서로 근접하게 위치되는 내부 원(ci) 및 외부 원(ce)을 만족스럽게 관측하기 위하여, 스캐닝 마스크로스코프는 상기 투사 시스템의 해상도(λ/NA)보다 큰 해상도에 이용될 수 있다.
100,000 정도의 배율을 갖고, 3,5㎜ 정도의 세부 항목을 관측할 수 있는 스캐닝 전자 현미경은 이러한 목적에 매우 적합하고, 특히, 다수의 이미지가 검출되는 경우에 적합하다. 광 프로브 현미경 또는 AFM(원자력 현미경)와 같은 프로브 현미경의 형태 또는 소수의 이미지가 검출되는 경우의 하이브리드 형태로 다른 스캐닝 현미경은 택일적ㅇ로 이용할 수 있다.
스캐닝에 의해 얻어진 이미지 데이터는 특정 이미지 처리 방법에 제공된다. 이러한 방법은 2개의 동작으로 이루어진다. 제1 동작은 다음과 같은 단계에 따라 링의 외곽을 결정한다.
- 상기 들어오는 이미지 데이터에서 잡음을 제거하는 단계.
- 식별에 의해 이미지의 외곽을 결정하거나, 각 관측된 화소의 세기가 어느 정도 소정의 임계치 이하인지를 결정하는 단계,
- 상기 관측 이미지의 강도 분포에 대한 인력점을 결정하는 단계,
- 상기 화소와 인력점사이의 거리를 측정하는 단계,
- 2개의 피크, 즉, 작은 거리에 모인 피크의 내부 에지를 도시하는 히스코그램으로 측정한 거리를 설계하고, 보다 큰 거리에 모인 링의 내부 외각 및 피크의 외부 에지를 나타내며, 외부 내각을 나타내는 단계.
제2 동작은 다음과 같은 단계를 포함하는 퓨리에 분석으로 이루어진다.
- X축에 다른 각도에서 연장한 시간마다 이러한 외각의 반경을 이들 각의 싸인 함수 및 코사인 함수로 분해하여 그 외각을 필터링하는 단계,
- 그래프로 얻은 퓨리에 성분의 강도를 볼 수 있는 단계.
이러한 퓨리에 분석과 다른 분석 방법은 대신 이용될 수 있다. 상기 외곽의 반경을 각(Θ)의 함수로 측정하는 것은 필수적이며, 퓨리에 분석의 장점은 기본 함수로서 싸인 함수 및 코사인 함수를 갖는다는 것이다. 각 Θ의 함수와 같이 그 외각의 반경을 결정하는 것은 사인 함수 및 코사인 함수에 의해 가장 쉽게 실행될 수 있다. 그럼으로써, 직접적인 방법으로 수차를 검출할 수 있다. 더 많은 동작은 다른 분석 방법으로 실행되어야 한다.
상기 투사 렌즈 시스템에 어떤 수차도 없다면, 상기 원통 이미지의 안쪽 외각 및 바깥쪽 외각은 만족스러운 원형이고, 그 원형은 도 6에 도시된 바와 같이 원주를 따라 있는 동심이다. 더욱더, 상기 회전 대칭은 촛점을 통한 스캐닝상에 유지된다.
도 6은 수차 없는 렌즈 시스템의 수단에 의해 얻어진 SEM 이미지를 도시하고, 간섭 정도로 언급된 δ, λ=248㎚, NA=0.63㎚, δ=0.3, 포토레지스트층의 두께=280㎚과 같은 조건에 따라, 상기 결상 빔이 상기 렌즈 시스템의 동공을 채우는 범위를 지시한다. δ=0.3는 상기 결상 빔이 상기 동공 절단부의 0.3과 같은 절단부를 갖는다는 것을 의미한다.
상기 투사 렌즈 시스템의 주요 수차에는 코마, 비점 수차, 3점 또는 3개 리브(leaf) 수차 및 구면 수차가 있다. 상기 투사 렌즈 시스템이 코마를 가지면, 상기 SEM에 의해 관측되고 형성된 이미지는 도 7에 도시된 형태를 갖는다. 이러한 예에서 코마는 상기 결상 빔의 파장을 어느 정도 변경함으로써 인위적으로 얻어진다. 상기 다른 결상 조건은 도 6을 참조로 언급된 조건과 같다. 도 7에 형성된 이미지는 이러한 이미지가 이후에 설명될 도 15와 유사하게 도면의 평면과 일치한다면 상기 이미지 평면의 우각 상부에 형성된 이미지이다. 이러한 이미지는 45°의 코마를 갖는다. 상기 안쪽 외곽 및 바깥쪽 외곽은 서로에 관하여 모이지 않았지만 코마의 방향, 나아가서, 45°의 방향에서 서로에 관하여 오프셋인 원이다.
도 8은 수차를 갖는 투사 렌즈 시스템에 의해 형성된 이미지를 도시한다. 그 다른 결상 조건은 도 6을 참조로 언급된 조건과 같다. 상기 비점 수차 외곽선의 이미지는 타원형인 반면, 이러한 라인간의 거리, 즉, 상기 링의 폭(wi)은 주변을 통하여 일정하다. 상기 타원형의 주요 축은 비점 수차의 방향과 평행하다. 도 8의 이미지가 상기 이미지 평면의 우각 상부에 형성된 이미지이기 때문에, 상기 타원형의 주요축은 45°이하 이다. 상기 투사 렌즈 시스템의 비점 수차는 정상적인 위치에 관하여 약간 연장하여 이러한 시스템의 이동가능한 렌즈 소자를 변위시킴으로써 인위적으로 얻어진다.
일반적으로, 상기 외곽선의 포인트는 직선으로 나타낼 수 있다.
상기 등식에서, rm(r)은 상기 이미지의 중심으로 관련 점의 정상적인 거리이고, c는 그 관련 점이 상기 안쪽 외곽 또는 바깥쪽 외곽중 하나와 관련이 있는지 여부를 지시하고, cos(mΘ) 및 sin(mΘ)은 상기 관련 점과 중심사이의 각 의존도 이고, m은 수차의 종류에 의해 결정된다.
구면 수차에 대하여, m=0 이다. 이러한 수차는 각 Θ에 의존하지 않고, 구면 수차를 갖는 결상 시스템에 형성된 이미지는 상기 결상 시스템의 광축 주위에, 즉, 도 1의 Z축 주위에 회전가능한 대칭이다. 구면 수차에 의한 이미지의 변경은 상기 Z축에 따른 위치에 의존한다.
코마에 대하여, m=1 이다. 이러한 수차를 갖는 결상 시스템에 형성된 이미지는 도 7에 예시된 바와 같이 서로에 관하여 원들이 변위되는 45° 이하의 축인 단일 대칭 축을 갖는다.
비점 수차에 대하여, m=2 이다. 이러한 수차가 발생할 때, 그 형성된 타원형 이미지는 2개의 대칭축, 즉, 상기 타원형의 주요축 및 소수축을 갖는다.
상기 3개의 리브 또는 3점 수차에 대하여, 이러한 수차가 발생할 때, 상기 이미지는 3개의 대칭축을 도시한다. 도 7의 이미지는 코마 뿐만 아니라 작은 3점 수차를 갖는다. 큰 3개의 3점 수차를 갖는 이미지는 도 9에 도시된다.
이러한 설명은 단일 테스트 패턴을 기초로 되었다. 그러나, 테스터 마스크는 많은 테스트 패턴, 예컨데, 121개의 테스트 패턴을 가짐으로써, 그 수차는 상기 투사 렌즈 시스템의 이미지 필드에서 동일한 많은 위치에서 측정된다. 실제로, 모든 이러한 테스트 패턴이 아니라 작은 수의 테스트 패턴이 이용되는데, 예컨데 21에 대하여, 이러한 테스트 패턴은 수차에 관한 대부분의 정보가 얻어질 수 있는 위치에 위치된다. 상기 테스트 패턴이 너무 작기 때문에, 관련 IC 패턴의 세부사항에 낭비됨이 없이 IC 패턴을 갖는 마스크에 제공된다. 다음, 개별적으로 테스트 마스크를 제조하고 수차를 측정하기 위하여 마스크를 교환할 필요가 없다.
리소그래픽 투사 장치의 수단에 의해 신귀의 방법을 실행하기 위하여, 상기 투사 빔은 상기 마스크의 위치에 작은 빔 절단부를 가짐으로써, 최대량의 투사 방사가 테스트 패턴상에 집중되어 선명한 이미지가 얻어진다. 리소그래픽 투사 장치의 신세대는 유지되는 빔의 전체 방사 에너지를 갖는 투사 빔의 절단부를 채택할 가능성을 제공하는 특정 조도 시스템을 갖는다. 상기 조도 시스템은 논문[Photoli thography using the AERIAL illuminator in a variable NA wafer stepper" SPIE Vol. 2726, Optical Microlithography LX, 13-15 March 1996,pp.54-70]에 개시되어 있다. 상기 투사 빔의 절단부와 동공 절단부 사이의 비율은 σ또는 간섭도로 표시된다. 상기 마스크 패턴을 투사하기 위하여, 1과 0.3사이의 σ값이 현재 이용된다. 본 발명에 따르면, 상기 리소그래픽 장치는 상기 빔 절단부를 제한하는 수단이 0. 2 이하로 σ값을 설정하는 방법으로 실행되는 경우에 수차를 측정하는 방법을 매우 적합하게 실행할 수 있게 만들어 질 수 있다. 또한, 이러한 빔의 절단부의 축소는 상기 빔의 전체 에너지를 유지하는 동안 실현될 수 있다. 상기 수차를 측정하기 위하여, 상기 방사원과 마스크 홀더 사이의 방사 경로에 여분의 다이어프램을 배열할 수 있는데, 상기 디이어프램의 구멍은 1과 0.1 사이의 σ값이 조정될 수 있는 방법으로 조정된다.
스태핑 리스그래피 장치에서 본 발명의 사용은 이전에 기술되었고, 즉, 처음 IC 영역에서 전체의 마스크 패턴을 조도하고 상을 결상하는 장치에서 개시되었고, 상기 마스크 패턴 및 기판은 상기 마스크 패턴 및 투사 시스템 아래에 다음 IC 영역이 위치될 때 까지 서로에 관하여 이동되고, 나아가서, 한 단계가 이루어진 후, 이러한 IC 영역은 상기 마스크 패턴을 조도되어, 다른 단계로 진행하여, 상기 기판의 모든 IC 영역상에 마스크 패턴이 결상될 때까지 진행한다. 상기 투사 렌즈 시스템상에 부과된 커다란 NA 및 이미지 필드의 요건을 완화하기 위하여, 그리고, 상기 장치의 해상도 및 이미지 필드를 증가시키기 위하여, 스탭 앤드 스캐닝 장치가 이용된다. 이 장치에서, 마스크 패턴은 한 단계에서 전체의 이미지가 결상되지는 않지만, 상기 마스크 패턴은 협소하고 직사각형 또는 원형 세그먼트형 빔 절단부를 갖는 빔에 의해 조도되고, 상기 마스크 패턴 및 기판은 상기 투사 시스템의 배율을 고려하는 동안 상기 시스템에 관하여 동기적으로 이동됨으로서, 상기 마스크 패턴의 모든 서브 영역은 상기 기판의 대응하는 서브 영역상에 확실하게 결상된다. 일방향, 예컨데, X 방향으로 투사 빔의 절단부가 상기 투사 장치에서 작아지기 때문에, 다른 방향, 예컨데, Y 방향으로 빔의 절단부는 감소되어 상기 신귀 방법으로 최대의 조도를 얻는다.
도 10-25는 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 결과를 측정하는 예를 도시한다.
도 10-14는 구면 수차에 관한 것이다. 이미 주목된 바와 같이, 원형 이미지(25)는 이러한 수차가 발생할 때 회전시켜 대칭으로 남지만, 상기 링의 폭 (wi)은 디포커싱의 범위에 의존한다. 실험을 행함에 있어서, 구면 수차는 정상적이 높이에 관하여 40㎛ 만큼 마스크 테이블의 높이, 즉, Z 위치를 조정함으로써 인위적으로 유도된다. 도 10은 정상적인 촛점에 관하여 -0.3㎛ 내지 +0.3㎛ 까지의 투사 렌즈 시스템의 촛점을 조정함으로써 얻어진 원형 이미지를 도시한다. 도 11은 그래픽 형태로 링의 폭이 변하는 것을 도시한다. 이러한 도형에서, 상기 디포커싱 DEF는 수평축에 ㎛ 로 설계되고, 링 폭(wi)은 수직축에 설계된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 정상적인 촛점 설정에서 링 폭은 상기 언급된 80㎛ 에서 약 130㎛ 까지 증가되는 반면, 80㎛의 링 폭은 0.4㎛의 디포키싱에서 얻어진다.
도 12는 최상의 촛점 위치에서 원형 이미지의 XY 평면의 위치 및 형상을 도시한다. 공동 세로좌표의 원점은 상기 투사 시스템의 광 축상에 위치된다. 도 13은 이러한 이미지의 퓨리에 분석 데이터를 도시한다. 각 Θ의 주파수로 표현된 퓨리에 용어 FT는 수평축에 설계된다. 상기 위치(1)에서 퓨리에 용어는 cos2Θ에 비례하는 비점 수차를 나타내고, 위치(3)은 cos3Θ에 비례하는 3점 수차를 나타내며, 위치 (4,5,6)는 상기 예에 비하여 작은 다른 수차를 나타낸다. 상기 원의 굴곡의 진폭은 수직 축에 ㎚로 설계된다. 도 12에 도시된 예에 대하여, 각 Θ=124°에서 약간의 코마가 있고, Θ=178°에서 약간의 비점 수차가 있으며, Θ=-2°에서 약간의 3점 수차가 있다.
도 14의 3차원은 이러한 20 x 20 크기에서 구면 수차의 이미지 필드를 통과하는 변화의 예를 도시한다. 상기 이미지 필드에서 XY 위치는 베이스 평면의 축상에 설계되고, 상기 구면 수차는 수직 축상에 설계된다. 이러한 수차는 상기 촛점의 ㎚당 링폭의 ㎚ 변화 갯수를 나타낸다. 상기 이미지 필드 양단의 평균 구면 수차는 이러한 예에서 -85㎚/㎛와 같다.
도 15 내지 18도는 정상적인 파장, 즉, 투사 시스템에 설계된 파장의 방사를 하는 테스트 객체를 결상함으로써 인위적으로 유도된다. 도 15는 상기 이미지 필드의 다른 위치에 형성되는 원형 이미지를 도시한다. 이미 주목한 바와 같이, 안쪽 외곽 및 바깥쪽 외각은 코마가 발생할 때 서로에 관하여 오프셋됨으로써, 이러한 외각은 서로 더이상 집중되지 않는다. 상기 코마는 상기 중심 이미지(40)에 의해 도시된 바와 같이 상기 이미지 필드의 중심에서 상당히 작다. 상기 중심에서 변위할 때, 상기 코마는 증가하는 반면, 상기 코마의 방향은 상기 변위의 방향과 일치한다. 상기 비대칭 방향은 상기 이미지 45,46,47 및 48 각각에 대하여 약 +45°,+135°,-135° 및 -45°이다.
상기 코마는 상기 이미지 필드의 위치 뿐만 아니라 상기 포토레지스트층상에 결상 빔을 포커싱하는 범위에 의존한다. 상기 이미지 필드의 일정 위치에서 포커싱을 통한 스캐닝이 일어난다면, 상기 코마는 최적의 포커싱이 발생하는 가장 작은 코마를 갖는 상기 디포커싱의 함수로서 다양한 변화를 한다.
도 17은 도 16의 이미지와 관련된 퓨리에 그래프를 도시한다. 도 17에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 코마의 방향은 -48°고, 그 진폭은 30㎚이다. 이러한 이미지가 만들어지는 투사 시스템은 118도의 각Θ에서 약 7㎚의 비점 수차 및 17도의 각Θ에서 약 5㎚의 3점 수차를 갖는다.
도 18은 상기 이미지 필드의 21 다른 위치에서 상기 테스트 패턴을 XY 평면에 결상함으로써 얻어진 코마 챠트를 도시한다. 측정된 위치에서 상기 코마의 방향은 상기 위치에 도시된 밑줄 그어진 번호에 의해 지시된다. 도 18의 각 번호는 촛점을 통해 스캐닝함으로써 얻어지고 관련 필드 위치와 관련된 비대칭 번호의 평균이다. 도 18에 도시된 예의 이미지 필드를 통한 평균 코마는 18㎚이다.
도 19-22는 코마에 관한 것이다. 단일 촛점대신에, 비점 수차를 갖는 결상 시스템은 제1 및 제2 비점 수차 촛점 라인을 갖는데, 그 촛점 라인은 서로 수직이다. 이러한 촛점 라인의 길이는 상기 결상 시스템의 광축에 따른 위치에 의존한다. 상기 빔이 가장 협소하게 제한하는 위치에서, 상기 촛점 라인은 동일한 길이이고 그 이미지는 원형이다. 가장 협소하게 제한한 위치 앞에 위치된 위치에서, 상기 제1 촛점 라인은 제2 촛점 라인보다 길고, 그 이미지는 상기 제1 촛점 라인의 방향으로 타원의 주축을 갖는 타원형이다. 렌즈 시스템의 비점 수차를 결정하기 위하여, 상기 비점 수차는 상기 디포커싱의 함수로서 제2 고조파(2Θ)의 변화를 결정함으로써 검출된다. 상기 비점 수차는 ㎛당 디포커싱으로 표현된다.
도 19는 비점 수차를 갖는 투사 시스템에 의해 이미지 필드에서 9개의 다른 위치에 형성되는 이미지 50-58을 도시한다. 이러한 비점 수차는 정상적인 위치에 관하여 40㎛만큼 투사 위치의 이동가능한 렌즈 소자를 변위 시킴으로써 인위적으로 유도된다. 상기 이미지 필드의 중심에서, 상기 비점 수차는 상기 중심 이미지 (50)에 의해 도시된 바와 같이 상당히 작다. 상기 중심에서 변위할 때, 상기 비점 수차는 상기 변위의 방향과 일치하는 비점 수차의 방향으로 증가한다. 상기 비점 수차의 방향은 상기 이미지 55, 56, 57 및 58에 대하여 +45도, +135도, -135도 및 -45도이다.
도 20은 상기 이미지 58의 배율을 도시하고, 도 21은 그 관련된 퓨리에 그래프를 도시한다, 상기 비점 수차의 방향이 136도이고, 그 크기가 약 18㎚/㎛이라는 것은 도 21에서 명백히 알 수 있다. 이러한 이미지가 형성되는 투사 시스템은 51도의 θ각에서 11의 코마, 11도의 θ각에서 4㎚의 3점 수차 및 3도의 θ각에서 cos4θ에 비례하는 6㎚의 4점 수차를 갖는다. 4점 수차를 갖는 투사 렌즈 시스템에 의해 형성도니 이미지는 대칭인 4개의 축을 갖는다.
도 22는 상기 이미지 필드의 21 다른 위치에서 테스트 패턴의 이미지를 XY 평면상에 형성함으로써 얻어진 비점 수차를 도시한다. 측정된 위치에서 비점 수차의 방향은 그 위치에서 화살표의 방향에 의해 지시되고, 상기 비점 수차의 양은 상기 위치에서 밑줄 그어진 번호에 의해 지시된다. 도 22의 각 번호는 상기 관련 위치와 관련되고 촛점을 통하여 스캐닝함으로써 얻어진 비대칭 수의 평균이다. 주어진 예에 대하여, 상기 이미지 필드의 평균 코마, 즉, 도 22의 평균 수는 31.1㎚이다.
측정된 3점 비점 수차의 예는 도 23에 3차원으로 도시된다. 상기 이미지 필드의 XY 위치는 이러한 도면의 기본 평면의 축을 따라 설계되고, 상기 비점 수차의 크기는 수직 축상에 ㎚로 구성된다. 또한, 이러한 비점 수차는 상기 이미지 필드의 각에서 최대이고, 상기 비점 수차는 상당히 작고, 이러한 예에서 이러한 비점 수차의 평균 값은 4,7㎚ 이다.
도 24 및 25는 동시에 발생하는 다른 타입의 수차가 본 발명에 따른 방법에 이해 개별적으로 측정될 수 있는 것을 도시한다. 도 24는 도 18의 코마와 비슷한 코마 챠트를 도시한다. 상기 코마를 나타내는 제1 화살표가 이미지 필드의 다른 위치(21)에 되시될 뿐만 아니라, 구면 수차의 존재로 측정된 코마를 나타내는 제2 화살표 및 비점 수차의 존재로 측정된 코마를 나타내는 제3 화살표를 도시한다. 도면으로 알 수 있는 바와 같이, 상기 측정된 코마 크기 및 방향은 일반적으로 상기 2개의 다른 수차가 발생할 때의 작은 정도 변한다.
도 25는 도 22의 챠트와 비슷한 비점 수차를 도시한다. 상기 비점 수차를 나타내는 제1 화살표는 상기 이미지 필드의 다른 위치(21)에 도시될 뿐만 아니라, 구면 수차의 존재료 코마를 나타내는 제2 화살표 및 코마의 존재료 상기 비점 수차를 나타내는 제3 화살표를 나타낸다. 이러한 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 비점 수차의 측정 크기 및 방향은 구면 수차 및 코마가 발생할 때 일반적으로 적게 변한다.
상기 설명된 바와 같이, 상기 3개의 코마, 비점 수차 및 3점 수차는 서로에 독립적으로 측정될 수 있고, 이러한 각각의 수차는 퓨리에 스텍트럼의 특정 고조파로 나타낸다. 중심 외각을 갖는 완정한 링에 대하여, 상기 퓨리에 스펙트럼은 평균 반경과 같은 제로 주파수를 포함한다. 상기 링의 외부 외곽, 상기 테스트 원의 구형 이미지에 대하여, 표현식을 다음과 같이 쓰여질 수 있다.
상기 등식에서, 그 합계는 M=1 부터 M 이상이다. 이 표현식에서, r은 상기 이미지의 중심으로 관련 외곽점의 정상적인 거리이고, z는 상기 결상 시스템의 축에 따라 있는 위치이고, φ는 외곽점의 각 위치이며, 아래에 쓰인 m은 퓨리에 고조파의 수이며, 상기 아래에 쓰인 c 및 s는 싸인 및 코싸인 함수에 관한 것이다. 상기 링의 내부 외곽은 비슷하게 표현될 수 있다. 그 결과, 그 원점은 내부 외곽의 전체의 중심과 일치하게 선택될 수 있다. 이러한 조건하에, x =y=0 이고, 정의에 의해, 상기 내부 외각의 제2 고조파는 제로이다.
구면 수차는 상기 등식에 관하여 표현될 수 있는데, 그 이유는 이러한 수차를 가진 상기 이미지는 회전 대칭으로 남아 있기 때문이다. 코마는 r1에 관한 것이고, 비점 수차는 r2에 관한 것이고, 3점 수차는 r3에 관한 것이다. 그러나, 동일한 cos(mφ)기간은 퓨리에 고조파에 기여할 것이고, 즉, 각 타입의 수차는 저차 또는 고차의 번호 또는 서브 수차로 구성된다. 이러한 각각의 서브 수차는 일반적으로 Zernike 변수로 나타내고, 즉, 37 다항식의 최대를 갖는 "프린지 Zernike 코드"로부터 특정 Zernike 다항식 량으로 나타낸다. 그 다항식을 갖는 Zernike 용어의 리스트는 테이블 I 에 제공된다. 이러한 테이블은 광학 리소그래피 시뮬레이션 프로그램"solid c"에 대한 매뉴얼에 공지되어 있다. 상기 테이블은 핸드북 [Principles of Optics" of Born & Wolf]에서 유추될 수 있다. 상기 Zernike 변수가 전체의 수차에 기여하는 것은 이러한 변수의 수가 증가함으로서 감소한다. 구면 수차(m=0)에 대하여, 상기 저차 Zernike 변수는 Z9이고, 고차 변수는 Z16,Z25,Z36 및 Z34 인 반면, Y 코마에 대하여, 이러한 변수는 Z8, Z15,Z24,Z35이다. 비점 수차에 대하여, 즉, H/V 또는 수평 /수직 수차에 대하여, 저차 변수는 Z5 이고, 고차 변수는 Z6,Z13,Z22,Z33 이다. 상기 X 방향에서 3점 수차에 대하여, 저차 변수는 Z10 이고, 고차 변수는 Z19 및 Z30 인 반면, y 방향에서 3점 수차에 대하여, 이러한 변수는 Z11 및 Z20,Z31 이다,
상기 이미지 필드에서 다른 포인트에 대한 이러한 수차를 도시하는 도 18, 도 22 및 도 23 중에서 상기 기술된 방법의 코마, 비점 수차 및 3점 수차를 측정 할 때, 이러한 수차의 저차 및 고차 Zernike 변수의 합은 결정되고 개별적인 Zernike 변수는 아니다. 다르게 말해서, 얻어진 것은 이러한 수차의 각각이 mλ로 표현된 파장의 전방 수차의 기간에 개별적인 서브 수차(Zernike 변수)보다 오히려 nm 또는 nm/㎛로 표현된 위상 패턴의 형상 굴록에 의한 서브 수차의 합이다.
본 발명에 따르면, 또한 개별 Zernike 변수가 결정될 수 있다. 그 결과, 상기 결상 시스템의 숫자 구멍 NA, 상기 마스크상에 테스트 원의 간섭도 및 직경 Φ과 같은 결상 변수에 의존한다는 사실이다. 상기 간섭도는 상기 결상 시스템의 들어오는 퓨필 및 이러한 퓨필의 반경의 평면에 결상 빔의 절단부의 반경의 비율이다. 일반적으로, 퓨리에 고조파는 모든 Zernike 변수의 결합이고, 이러한 결합은 테일러 시리즈로 표현된다. 리소그래픽 투사 렌즈 시스템의 제조를 상기 높은 정밀도로 수행하기 때문에, 이러한 종류의 렌즈 시스템의 수차가 오히려 작아짐으로써, 테일러 시리즈는 퓨리에 고조파와 Zernike 변수 사이의 선형 관계를 줄인다. Zernike 변수를 결정하는 방법이 퓨리에 고조파 및 져니크 변수 사이가 선형 관계인 경우가 여기에 기술되며, 이러한 방법은 최고의 방법과 결합하여 일반적으로 적용될 수 있다. 현대의 리소그래픽 장치는 간섭도를 변경할 수 있는 조도 시스템 및 다른 값으로 설정될 수 있는 결상 시스템 NA를 가진다. 상기 장치에서, NA와 간섭도 사이의 관계는 있다. 예컨데, NA 및 δ의 발생은 일정하다. 져니크 변수를 결정하는 예시 변수를 결정하기 위하여 조도 변수를 설정하는 시나리오는 NA가 선택되고 간섭도 δ가 그 선택된 NA에 적용되는 것이다. 가능한 민감하고 정확한 수차 링 테스트 방법을 만들기 위하여, 상기 마스크 상에 테스트 원의 직경 Φ및 상기 기판상에 테스트 링의 직경은 상기 조도 시스템의 NA에 적용된다. 그러나, 1-2개의 조도 변수가 상기 져니크 변수를 결정할 때 변화될 수 있다.
특정 종류의 수차 및 그에 대응하는 서브 수차사이의 선형 관계는 X 방향의 코마가다.
그리고, y 방향에서 코마에 대하여,
이러한 등식에서, FI(x) 및 FI(y)는 상기 특정된 퓨리에 기간 Z7,Z14,Z23 및 Z8, Z15 이고, Z24는 주어진 결상 시스템에 대하여 특정하는 공지되지 않는 Zernike 변수이다. 상기 인자 α,β,r는 상기 결상 시스템의 값 및 δ,Φ 의 값에 의존하는 가중 인자이다. 예컨데, 상기 NA 값에 부가하여, δ,Φ 의 값이 변경되면, 나중의 변화는 독립적이지도 NA 변화에 의존하여 동시에 이루어지지도 않는다. 등식 3 및 4에 있어서, 고차 져니크 기간은 상기 결상 시스템에 거의 나타나지 않는다. 그 이유는 져니크 기간(Z34 및 Z35)이 등식 3 및 4에 나타나지 않기 때문이다.
져니크 변수 Z7, Z14, 및 Z23을 측정하기 위하여, 예컨데, NA는 변화하고, FI(X)는 NA:NA1,NA2,NA3의 최소한 3개의 다른 값으로 측정된다. 이러한 값에 대한 등식으로부터,
상기 개별 져니크 변수 Z7,Z14 및 Z23은 NA1, NA2 및 NA3에 대한 가중 인자 α,β,r의 값은 공지되어 있다.
상기 다른 NA의 가중 인자는 공지된 광학 리소그래피 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램의 한 개를 이용하는 시뮬레이션 공정에 의해 결정될 수 있다. 일반적으로, 상기 프로그램은 NA,δ,촛점과 같이 상기 웨이퍼 스테퍼 또는 스캐너의 변수, 상기 웨이퍼의 변수 및 상기 현상 공정의 데이터에 제공된다, 이러한 데이터는 퓨리에 고조파를 계산하는 다른 컴퓨터 프로그램에 제공된다. NA의 다른 값에 대하여 가중 인자(α)의 값을 결정하기 위하여, 져니크 변수의 소정 값 및 NA의 다른 값은 상기프로그램에 제공된 다른 변수를 일정하게 유지하는 동안 시뮬레이션 프로그램에 제공되고, NA의 각 값에 대하여, 상기 제1 퓨리에 고조파 FI의 값은 결정된다. 동일한 방법으로, 다른 NA 값에 대한 β의 값은 주어진 져니크 변수 Z14 및 연속하는 다른 NA 값을 갖는 시뮬레이션 프로그램을 제공함으로써 결정될 수 있다. 다른 NA의에 대한 δ의 값을 얻기 위하여, 주어진 져니크 변수 Z 23 값 및 다른 NA 값은 상기 프로그램에 제공되어야 한다.
따라서, 얻어진 다른 NA에 대한 α-,β-,r값은 져니크 변수를 결정하는 전자 처리기에 기억될 수 있는 테이블에 넣어질 수 있다. 상기 테이블은 리소그래픽 투사 렌즈 또는 결상 시스템의 수차를 측정하는데 이용될 수 있다.
져니크 변수 Z34 및 Z35가 코마에 무시할 수 없는 기여를 했다고 예상된다면, 제4 가중 인자(δ)는 이용될 것이고, 다른 NA 값에 대한 이러한 인자의 다른 값은 시뮬레이션 프로그램으로 결정될 수 있다. 상기 져니크 변수의 결정동안, NA에 부가하는 대신에, δ,Φ와 같은 다른 변수는 변하고, 상기 변수 로부터 가중 인자 α,β,r는의 의존성은 NA에 대하여 기술된 것과 동일하게 δ,Φ의 연속적인 다른 값으로 시뮬레이션 프로그램을 제공함으로서 결정될 수 있다.
원칙적으로, 3 또는 일반적으로 n인 가중 인자는 3 또는 일반적으로 n, 즉, NA 또는 δ에 대한 다른 값을 이용함으로써 결정될 수 있다. 그러나, 3개 이상, 예컨데, 6, 또는 일반적으로 2n, 즉, NA 및/또는 δ에 대하여 다른 값을 이용하는 것이 가능하다. 이러한 결과는 상기 가중 인자를 더욱 정확하고 신뢰할 수 있게 결정할 수 있다.
일 예로서, 도 26에는 각각의 변수가 50mλ의 값으로 제공되는 경우, 수직 축상에 설계되고 nm로 표현된 제1 퓨리에 고조파에 상기 수평 축에 설계된 다른 NA에 대한 져니크 변수 Z7, Z14 및 Z23이 기여하는 것을 지시하고 있다. 다른 NA 값에대한 가중 인자 β의 값은 NA에 대한 Z7 값을 50mλ만큼 분할하여 얻어질 수 있다. 동일한 방법으로, 다른 가중 인자 β,r의 값은 Z14 및 Z23에 대한 값을 50mλ만큼 분할함으로서 얻어질 수 있다. 상기 제2 및 제3 퓨리에 고조파 F2 및 F3에 대한 가중 인자는 퓨리에 고조파 F1의 가중 인자에 대하여 도 26에 도시된 의존성과 오히려 유사한 NA상에 의존성을 도시한다. 상기 퓨리에 변수 F2(y)의 져니크 변수 Z8, Z15, Z24는 등식(3)으로부터 퓨리에 고조파 F1(X)의 변수 Z8,Z15,Z24와 비슷한 방법으로 등식(4)에서 결정된다.
예로서, 도 27은 NA의 6개의 다른 값에 대한 이미지 필드의 주어진 위치에서 2개의 비대칭 용어 F1(x) 및 F1(y)에 대한 측정 값을 도시한다. 이러한 비대칭 변수에 속하고 mλ로 표현된 상기 져니크 변수는 다음과 같다.
Z7=19,Z14=-10, Z23 = -20, Z8 = 17, Z15 =13 및 Z24 =-23
H/V 비점 수차에 대하여, 제2 퓨리에 고조파 F2(H/V)에 의해 표현되고, 이러한 고조파와 져니크 변수와의 관계는 다음과 같다.
F2(H/V) = a...Z5 + b.Z12 + c.Z21
그리고, 45도 비점 수차에 대하여, 제2 퓨리에 고조파 F2(H/V)에 의해 표현되고, 이러한 관계는 다음과 같다.
F2(45) = a.Z6 + b.Z13 + c.Z22
F2(45)에 대한 Z33 및 F2에 대한 변수 Z32는 생략했다. 그 이유는 퓨리에 고조파에 기여하는 것을 무시할 수 있기 때문이다. 상기 가중 인자 a, b,c는 NA,δ,Φ에 의존하고, 코마에 대하여는 인자 α,β,r와 같이 비슷한 방법으로 시뮬레이션 공정에 의해 결정될 수 있다. 결상 변수에 대하여 적어도 3개의 다른 값을 선택함으로써, 예컨데, 상기 결상 시스템의 NA 및 이러한 값에 대한 F2 및 F2(45)에 대하여, 비점 수차의 져니크 변수 Z5,Z12,Z21,Z6,Z13,Z22는 코마의 져니크 변수와 동일한 방법으로 결정될 수 있다.
코마 및 비점 수차에 대하여 기술된 것과 동일한 방법으로, 상기 X-3점 수차에 대한 져니크 변수 Z10,Z19,Z30 및 Y 3점 수차 F3(y)에 대한 Z11, Z20,Z31은 상기 관계식에 의해 결정될 수 있다.
F3(x)= e.Z10 + f.Z19 + g.Z30
F3(y)= e.Z11 + f.Z20 + g.Z31
상기 등식에서, 가중 인자 e,f,g는 NA에 종속되고, 코마에 대한 인자 α,β,r 및 비점 수차에 대한 a,b,c와 비슷한 방법의 δ,Φ가 있다.
상기 가중 인자를 얻는 도구로서 시뮬레이션 프로그램의 등식 (3) 및 (4)과 같은 퓨리에 고조파에 대한 선형 등식에 의해 개별 져니크 변수를 결정하는 대신에, 링형 이미지에서 시작하는 져니크 변수에 대하여 많은값을 갖는 시뮬레이션 프로그램을 제공하고, 상기 져니크 변수의 다른 값에 기인하는 프로필을 계산할 수 있다. 이러한 프로필은 상기 프로필을 설명하는 데이터 또는 그래픽 설명의 형태중 한 개의 룩업 테이블에 기억될 수 있는데, 그 룩업 테이블은 스캐닝 장치에 결합되어 상기 관측된 링형 이미지를 기억하고 처리하는 이미지 처리기에 넣어질 수 있다. 다음, 결상 시스템의 수차 및 관측된 링형 이미지를 검출하는 동안,상기 룩업 테이블의 기준 이미지와 비교하여 어떤 기준 이미지가 실제의 이미지와 가장 일치하는지를 결정한다. 가장 일치하는 기준 이미지의 져니크 변수는 공지되어 있다. 그 이미지의 져니크 변수도 공지되어 있다.
상기 원형 위상 구조는 상기 마스크 표면 영역의 매우 작은 부분을 차지한다. 전체의 투명 테스트 마스크를 이용하면, 상기 위상 구조의 영역 밖에 마스크를 통과한 방사는 간섭 방사의 효과를 갖고, 상기 위상 구조의 이미지 품질을 떨어뜨린다. 이것을 예방하기 위하여, 테스트 마스크는 상기 도면에 참조되고, 도면에 참조된 바와 같이 상대적으로 적은 영역을 차지하는 원형 위상 구조가 투명한 반면, 외부 영역에 언급된 마스크의 나머지 부분은 크롬으로 코팅됨으로서 불투명한 것을 이용한다. 도 26은 우너형 위상 구조 또는 영역(26)을 갖는 테스트 마스크 TM의 일부분을 도시한다. 이러한 영역은 투명한 마스크 재료(도 3b)로 이루어진다. 상기 도형 영역의 외부에, 상기 마스크는 크롬층(82)으로 코팅된다.
스캐닝 전자 현미경 또는 다른 스캐닝 검출 장치가 도 22의 작은 이미지를 손쉽게 찾기 위하여, 인식 마스크(84)는 도 26의 도면에 도시된 바와 같이 상기 테스트 마스크 및 각 위상 패턴의 외부 영역에 제공된다. 예로서 도시된 크롬층에서 F형 개구에 의해 형성되는 이러한 마스크는 X축의 세부사항 및 Y축의 세부사항을 갖는다면 임의의 마스크가 될 수 있다. 도 26에 도시된 바와 같이, 인식 마스크의 X 방향의 스트립 및 Y 방향의 스트립은 도 22보다 상당히 커짐으로서, 이 마스크는 상기 검출 장치의 항해에 적합하다. 이러한 마스크가 관측되자마자, 상기 검출장치는 상기 테스트 마스크의 외부 영역(82)에 해당하는 기판의 영역내에 상기 도형 영역(80)의 이미지로 지시되고, 이러한 영역내에 위치된 상기 도형(22)의 이미지를 검색하기 시작한다. X 방향의 불투명한 크롬 코팅 스트립(86) 및 Y 방향의 스트립(88)은 상기 도형 영역(80)내에 나타나서 상기 도면 영역(80)에 해당하는 기판상의 영역내에 상기 검출장치의 항해를 단순화시킬 수 있다.
또한, 상기 테스트 마스크의 각 외부 영역(82)에서 참조번호 90으로 표시된 정보가 제공될 수 있다. 이러한 예로서, 상기 정보는 그 관련 영역(82)에 대하여 선택된 결상 링(도 4의 d)의 직경에 관한 것이다. 이러한 정보는 상기 마스크상에 관련 도형 영역(80)의 X 및 Y 좌표평면을 지시하고, 위치 정보가 될 수 있다. 또한, 상기 방법을 실행하는데 유용한 정보는 인식 마스크(84)에 제공될 수 있다.
상기 마스크(84 및 90)이 상당히 많은 세부사항을 갖기 때문에, 이러한 세부사항은 사용된 조도의 품질이 최적이 아니라면, 상기 결상 환경이 이상적이기 아닐 때 조차도, 상기 스캐닝 검출장치가 합리적으로 인식하는 방법으로 결상될 수 있다. 예컨데, 조도의 품질이 너무 낮은 것을 이용하면, 상기 위상 도형(22)의 이미지 품질은 상기 방법을 더 이상 만족스럽게 이용할 수 없을 정도로 줄어들 수 있다. 상기 마스크(84 및 90)을 관측함으로써, 이것은 낮은 이미지 품질을 탐지할 수 있고, 그럼으로서, 상기 환경은 상기 위상 도형의 사용가능한 이미지가 얻어지는 그러한 방법으로 채택되고, 이용될 수 있다.
여기서, 상기 위상 도형(22)을 상기 평판 도는 테스트 마스크(20)의 나머지 보다 높거나 낮은 위치의 영역에 형성한다고 가정한다. 그러나, 상기 위상 패턴은 상기 평판보다 다른 회절률을 갖는 영역으로 이루어진다. 그러한 영역은 상기 평판을 통과하는 빔의 위상 점프를 유도한다. 상기 리소그래픽 장치에 반사 발생 마스크를 이용하면, 그리고 상기 검출 방법이 반사 테스트 마스크로 실행되면, 상기 도형(22) 및 도형 영역(80)은 이러한 테스트 마스크로 투명해짐으로써 이러한 도형(22)이 굴록 회전률을 갖는 위상 구조로서 활성된다. 도형 22 및 도형 영역 80의 위치에서 상기 테스트 마스크를 통과하는 결상 빔을 반사하기 위하여, 상기 테스트 마스크는 상기 관련 위치에서 반사 수단에 제공될 수 있다.
상기 텍스트는 리소그래픽 장치에 대한 투사 렌즈 시스템상에 측정을 기술한다. 그러나, 상기 장치에 대한 투사 시스템은 미러 투사 시스템이 될 수 있다. 상기 투사 시스템은 EUV 방사를 투사 방사로서 이용하는 경우에 이용되어야 한다. EUV는 수 nm에서 수십 nm 까지의 파장으로 방사하는 것을 의미한다. EUV 방사의 이용은 0.1㎛ 정도의 작은 세부가 만족스럽게 결상될 수 있는 커다란 장점을 제공한다. 다르게 말해서, EUV 방사를 이용하는 결상 시스템은 매우 큰 시스템의 NA 없이 고 해상도를 가짐으로서, 상기 시스템의 촛점의 깊이가 합리적인 값을 가질 수 있다. 렌즈를 만드는데 적합하고 투명한 재료를 EUV 방사에 이용할 수 없기 때문에, 종래의 투사 렌즈 시스템 대신에 미러 투사 시스템은 상기 기판상에 마스크 패턴을 결상하는데 이용되어야 한다. 상기 미러 투사 시스템의 다른 실시예가 공지되어 있는데, 이것은 3 대 6 미러를 포함할 수 있다. 미러의 갯수가 증가함으로써, 상기 이미지의 품질은 향상되지만, 반사 손실 때문에, 이것은 상기 기판의 방사 품질을 낭비한다. 6개의 미러를 갖는 미러 투사 시스템은 유럽 특허 제0.779,528호에 기재된다.
도 29은 0.20 정도의 NA(이미지 측에서), 0.25의 배율 M, 1.5mm의 폭을 갖고 작업 거리(fwd)가 거의 없는 원형 세그먼트형 이미지 필드를 갖는 스텝 앤드 스캐닝 리소그래픽 투사 장치에 대하여 6개의 미러를 가진 다른 종류의 미러 투사 시스템에 대한 실예를 도시한다. 이러한 장치는 EUV 방사원을 수용하는 조도 장치(60) 및 절단부가 원형 세그먼트형을 갖는 투사빔(PB)을 형성하는 광학 시스템을 포함한다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 조도 장치는 상기 투사 시스템의 기판 테이블 WT 및 결상 부(69,70)에 인접하게 위치시켜, 상기 투사 빔 PB가 이러한 소자를 따라 입접하게 투사 컬럼에 들어갈 수 있다. 이러한 예에서 반사 마스크인 상기 마스크 MA는 상기 스캐닝 방향에 수직방향으로 그리고 상기 스캐닝 방향(62)으로 이동될 수 있는 수단에 의해 마스크 테이블 MT의 일부를 형성하는 마스크 홀더 MH에 배열됨으로써, 상기 마스크 패턴의 모든 영역은 상기 투사 빔 PB에 의해 형성된 조도 점 아래에 배치될 수 있다. 상기 마스크 홀더 및 마스크 테이블은 도식적으로만 도시되고, 다양한 방법으로 실행될 수 있다. 상기 기판 W는 기판 테이블 WT에 의해 지지되는 기판 홀도 WH 상에 배열된다. 이러한 테이블은 상기 스캐닝 방향, 즉, X 방향으로 상기 기판을 이동시킬 수 있지만, 그 방향에 수직인 Y 방향으로는 이동시킬 수 없다. 이러한 실시예에서, 상기 마스크 및 기판은 스캐닝동안 동일한 방향으로 이동한다. 상기 기판 테이블은 블록(64)에 의해 지지된다.
상기 반사 마스크 MA에 의해 반사된 투사 빔은 제 1 오목 미러(65)상에 발생한다. 이러한 미러는 약간의 오목면인 제2 미러(66)로 집중 빔과 같은 빔을 반사한다. 이러한 미러(66)는 매우 강한 집중 빔과 같은 빔을 제3 미러(67)로 반사한다. 이러한 미러는 볼록하고 상기 집중 빔을 복록한 제5 미러(69)로 반사하고, 상기 빗나가는 빔을 제6 미러(70)로 반사한다. 이러한 미러는 복록하고, 상기 기판 W 상에 제공된 포토레지스트층 PR상에 모인다. 상기 미러(65,66,67,68)는 상기 마스크의 중간 이미지를 형성하고, 상기 미러(69,70)는 상기 포토레지스트층 PR 상에 이러한 중간 이미지의 텔레비젼 방송의 이미지를 발생한다.
또한, 상기 기술된 미러 투사 시스템 및 다른 투사 시스템은 상기 수차, 즉, 구면 수차, 코마, 비점 수차, 3점 수차 및 가능한 다른 수차를 가질 수 있고, 또한, 이러한 수차는 신귀한 방법에 의해 정확하고 신뢰할 수 있게 측정될 수 있다. EUV 리소그래피에서, 반사 마스크가 적합하게 이용되는데, 그 이유는 상기 마스크가 전송 마스크보다 더 좋게 지지되기 때문이다. 반사 테스트 마스크 또는 제조 마스크에서 신귀한 방법에 필요한 테스트 패턴은 주변 매체가 공기인 경우 파장의 1/4과 같은 깊이를 갖는다. 이것은 3.25 nm의 깊이가 EUV 리소그래피에 적합한 13nm의 파장에 필요하다는 것을 암시하는데, 그 깊이는 매우 작다. 이러한 경우에, 상기 위상 구조를 갖는 도형(22)은 이러한 평판의 나머지와 다른 회절률을 갖는 평판 또는 테스트 패턴(20)으로 이루어질 수 있다.
상기 기술된 예로 알 수 있는 바와 같이, 상기 수차는 상기 측정된 리소그래피 투사 시스템에 대하여 매우 작다. 특히, 고차 수차를 측정할 필요가 없다. 그러나, 도 13,17 및 21의 퓨리에 그래프로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 상기 신귀한 방법은 이러한 고차 수차를 측정하는데 적합하다.
본 발명을 리소그래픽 장치에 대한 투사 렌즈 시스템 또는 미러 투사 시스템의 측정을 참조하여 설명한 사실은 본 출원이 여기에 국한되는 것을 의미하는 것은 아니다. 본 발명은 결상 시스템의 수차가 서로 독립적으로 매우 정확하게 측정되는 장소에 어디든지 이용된다. 상기 결상 시스템의 예는 공간 텔레스코프이다. 상기 리소그래픽 장치에 신귀한 방법을 이용할 때, 이러한 장치 자체가 기판상에 패턴을 결상하기 위한 목적이고, 이러한 장치의 결상이 신규한 방법을 실행하는데 이용될 수 있다는 사실에 의해 가장 좋게 이용될 수 있다. 또한, 여분의 다이어프램과 같이 상기 방법을 실행하는데 바람직한 가능한 수단은 상기 장치에 손쉽게 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상이한 원리를 토대로 서로 독립적으로 상이한 수차를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 상기 방법을 실행하는 포토리소그래픽 투사 장치의 실시예를 도식적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 수행하는 시스템의 블록도.
도 3a는 리세스 형태의 단일 도형의 테스트 객체에 대한 저면도.
도 3b는 이러한 테스트 객체의 단면도.
도 4는 리세스로 형성된 환형 이미지를 도시한 도면.
도 5는 이미지 형성의 이론을 도시한 도면.
도 6은 수차없는 원형 이미지를 도시한 도면.
도 7은 코마를 가진 원형 이미지를 도시한 도면.
도 8은 비점 수차를 갖는 원형 이미지를 도시한 도면.
도 9는 3점 수차를 갖는 원형 이미지를 도시한 도면.
도 10은 다른 촛점을 설정하기 위하여 구면 수차를 갖는 원형 이미지의 링 폭에 대한 변화를 도시한 도면.
도 11은 그래픽 형태로 이러한 변화를 도시한 도면.
도 12는 최상의 촛점 상태하에 얻어진 원형 이미지를 도시한 도면.
도 13은 이러한 이미지와 관련되 다른 퓨리에 용어를 도시한 도면.
도 14는 투사 시스템의 이미지 필드 양단에 구면 수차의 변화를 도시한 도면.
도 15는 이미지 필드에서 다른 위치에 형성된 코마를 갖는 원형 이미지를 도시한 도면.
도 16은 이미지 필드의 각도에서 형성된 이러한 이미지를 확대한 도면.
도 17은 이러한 이미지와 관련된 다른 퓨리에 용어를 도시한 도면.
도 18은 이미지 필드의 21개의 위치에서 측정된 코마의 챠트를 도시한 도면.
도 19는 이미지 필드에서 다른 위치에 형성된 비점 수차를 갖는 원형 이미지를 도시한 도면.
도 20은 이미지 필드의 각도에서 형성된 이러한 이미지를 확대한 도면.
도 21은 이러한 이미지와 관련된 다른 퓨리에 용어를 도시한 도면.
도 22는 이미지 필드의 21개의 위치에서 측정된 비점 수차의 챠트를 도시한 도면.
도 23은 투사 시스템의 이미지 필드 양단에 3점 수차의 변화를 도시한 도면.
도 24는 상기 이미지 필드 양단에 상기 측정된 코마상에 구면 수차 및 비점 수차의 영향을 도시한 도면.
도 25는 상기 이미지 필드 양단에 상기 측정된 비점 수차 상에 구형 수차 및 비점 수차의 영향을 도시한 도면.
도 26은 상기 결상 시스템의 다른 NA 값에 대하여 상기 x-코마로 다른 저니케 계수의 분포를 도시한 도면.
도 27은 상기 결상 시스템의 NA 변화에 의해 x 및 y 코마의 변화예를 도시한 도면.
도 28은 검출 마크 및 다른 마크를 갖는 테스크 마크의 실시예에 대한 소부분을 도시한 도면.
도 29는 미러 투사 시스템를 갖는 리소그래픽 투사 장치의 실례를 도시한 도면.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 테스트 마스크 22 : 위상 패턴
C : 마스크 패턴 M1, M2 : 정렬 마크
PL : 투사 렌즈 시스템 MA : 마스크
MT : 마스크 테이블 LA : 방사선
LS : 렌즈 시스템 RE : 반사판
CO : 집광 렌즈

Claims (10)

  1. 광학 결상 시스템의 수차 검출 방법에 있어서,
    상기 시스템의 객체 평면에, 위상 구조를 갖는 적어도 하나의 닫힌 단일 도형(closed single figure)을 포함하는 테스트 객체를 배치하는 단계와,
    상기 시스템의 이미지 평면에 포토레지스트층을 제공하는 단계와,
    상기 시스템 및 결상 빔에 의해 상기 테스트 객체를 결상하는 단계와,
    상기 포토레지스트층을 현상하는 단계와,
    상기 결상 시스템의 해상도보다 훨씬 더 큰 해상도를 갖는 스캐닝 검출 디바이스에 의해 상기 현상된 이미지를 관측하는 단계와,
    상기 단일 도형의 이미지 내의 상이한 유형의 형상 변화들 중 적어도 하나를 확인하기 위하여 상기 관측된 이미지를 퓨리에 해석하는 단계 -각 유형의 형상 변화는 주어진 유형의 수차를 나타내고, 이 수차는 그 앞에 가중 인자를 갖는 복수의 져니크 다항식(Zernike polynominal)의 조합인 특정 퓨리에 고조파로 표현됨- 를 포함하고,
    상기 져니크 계수의 측정은,
    조도 변수들(illumination parameters) 중 적어도 하나를 복수의 상이한 값으로 연속적으로 설정하는 단계로서, 그 수는 결정될 져니크 다항식의 수와 적어도 같게 되는 조도 변수 설정 단계와,
    상기 각각의 상이한 값에 대하여 동일한 퓨리에 고조파를 측정하는 단계와,
    상기 퓨리에 고조파에 대하여 측정된 값 및 이전에 실행된 시뮬레이션 프로그램에 의해 얻어진 기억된 가중 인자에 의해 상기 져니크 변수를 계산하는 단계에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는
    광학 결상 시스템의 수차 검출 방법.
  2. 광학 결상 시스템의 수차 검출 방법에 있어서,
    상기 시스템의 객체 평면에, 위상 구조를 갖는 적어도 하나의 닫힌 단일 도형을 포함하는 테스트 객체를 배치하는 단계와,
    상기 시스템의 이미지 평면에 포토레지스트층을 제공하는 단계와,
    상기 시스템 및 결상 빔에 의해 상기 테스트 객체를 결상하는 단계와,
    상기 포토레지스트층을 현상하는 단계와,
    상기 결상 시스템의 해상도보다 훨씬 더 큰 해상도를 갖는 스캐닝 검출 디바이스에 의해 상기 현상된 이미지를 관측하는 단계와,
    상기 단일 도형의 이미지 내의 상이한 유형의 형상 변화들 중 적어도 하나를 확인하기 위하여 상기 관측된 이미지를 퓨리에 해석하는 단계 -각 유형의 형상 변화는 주어진 유형의 수차를 나타내고, 이 수차는 져니크 계수들의 조합으로 각각 이루어진 퓨리에 고조파들로 표현됨- 와,
    상기 관측된 이미지를, 룩업 테이블 내에 져니크 계수들에 대한 데이터와 함께 저장되는 다수의 참조 이미지와 비교함으로써 관측된 이미지의 상기 져니크 계수를 결정하여 상기 참조 이미지들 중 어느 이미지가 상기 관측된 이미지와 가장 잘 맞는지를 결정하는 단계 -상기 룩업 테이블은 사전에 행해진 시뮬레이션 프로그램에 의해 얻어짐- 를 포함하는
    광학 결상 시스템의 수차 검출 방법.
  3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서,
    상기 스캐닝 검출 장치로써 스캐닝 전자 현미경을 이용하는 것을 특징으로 하는 광학 결상 시스템의 수차 검출 방법.
  4. 제 1 항 또는 2 항에 있어서,
    모든 단일 도형(every single figure)이 상기 평판의 나머지 영역과 상이한 높이에 위치된 평판 내의 영역에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 결상 시스템의 수차 검출 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 단일 도형의 상기 영역과 상기 평판의 상기 나머지 영역 사이의 높이 차는 180°의 위상차가 상기 결상 빔에 유입되도록 정해지는 것을 특징으로 하는 광학 결상 시스템의 수차 검출 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 닫힌 단일 도형의 외형선은 λ/(NA.M)(여기서, λ는 상기 결상 빔의 파장이고, NA는 상기 이미지 측에서의 상기 결상 시스템의 개구 수이며, M은 상기 결상 시스템의 배율)에 비례하는 직경을 갖는 원형인 것을 특징으로 하는 광학 결상 시스템의 수차 검출 방법.
  7. 제조 마스크에 존재하는 마스크 패턴을 포토레지스트층이 마련되어 있는 제조 기판 상에 투사하는 것을 목적으로 하는 리소그래픽 투사 장치에서 투사 시스템의 수차를 검출하는 제 1 항 또는 2 항에 청구된 방법에 있어서,
    상기 투사 장치 내의 상기 제조 마스크의 위치에 위상 구조를 갖는 단일 도형을 적어도 갖는 마스크가 배치되고, 상기 제조 기판의 위치에 지지부를 갖는 포토레지스트층이 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    위상 구조를 갖는 단일 영역을 적어도 갖는 빈 테스트 마스크가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 결상 시스템이 일부를 형성하는 장치와,
    위상 구조를 갖는 적어도 하나의 단일 도형을 갖는 테스트 객체와,
    상기 테스트 객체가 결상되는 포토레지스트층과,
    상기 포토레지스트층에 형성되어 현상된 적어도 한개의 테스트 객체 이미지를 스캐닝하는 스캐닝 검출 장치와,
    상기 스캐닝 검출 장치에 결합되어 상기 관측된 이미지를 기억하고 분석하는 이미지 처리기의 결합으로 구성되는 제 1 항 또는 2 항에 청구된 방법을 실행하는 시스템에 있어서,
    상기 이미지 처리기는 상기 단일 도형의 상기 형성된 이미지의 상이한 유형의 형상 변화들 중 적어도 하나를 검출하는 분석 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 마스크에 존재하는 마스크 패턴을 기판 상에 결상하는 리소그래픽 투사 장치로서, 투사 빔을 공급하는 조사 유닛, 상기 마스크를 수용하는 마스크 홀더, 상기 기판을 수용하는 기판 홀더 및 상기 기판 홀더와 마스크 홀더 사이에 배치되는 투사 시스템을 포함하며, 제 1 항 또는 2 항에 청구된 방법을 실행하는데 적합한 상기 리소그래픽 투사 장치에 있어서,
    상기 방법을 실행할 때, 상기 투사 빔은 결상 빔으로서 이용되고, 상기 조사 유닛은 상기 기판 상에 상기 마스크 패턴을 투사하는 동안 상기 방법을 위한 상기 투사 빔 단부의 직경을 상기 투사 빔 단부의 직경보다 작은 값으로 줄이는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투사 장치.
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