KR100542832B1

KR100542832B1 - 간섭계 시스템 및 이를 포함하는 리소그래피장치

Info

Publication number: KR100542832B1
Application number: KR1019997006918A
Authority: KR
Inventors: 루프스트라에릭로엘로프; 스트라아이저알렉산더
Original assignee: 에이에스엠엘 네델란즈 비.브이.
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2006-01-11
Also published as: EP0956518A1; DE69820856D1; EP1347336A1; EP0956518B1; JP2001510577A; US6020964A; TW380202B; KR20000070669A; WO1999028790A1; JP4216348B2; DE69820856T2

Abstract

대상물(WH) 위에 배열된 X 및/또는 Y 측정미러(R₁, R₂)와 함께 작동하는 다수의 X 및/또는 Y 측정축(MAX,1, MAX,2, MAX,3, MAX,4, MAX,5)을 갖는 복합 간섭계 시스템이 설명된다. 이 간섭계 시스템은 대상물 위에 배열된 Z 측정미러(R'₃, R'₄)와 함께 작동하고 XY 평면에서 부분적으로 연장되는 최소 하나의 Z 측정축(MAX,7, MAX,9) 및 Z 반사기(164, 168)를 더 구비한다. 이와 같이 단순한 수단을 이용하여, 좀 더 정확하고 신뢰성 있는 다수의 측정이 간섭계 시스템으로 실행될 수 있다.

Description

간섭계 시스템 및 이를 포함하는 리소그래피장치{INTERFEROMETER SYSTEM AND LITHOGRAPHIC APPARATUS COMPRISING SUCH A SYSTEM}

본 발명은 대상물의 홀더에 배열된 X 및 Y 측정미러를 이용하여 XYZ 좌표계의 XY 평면에 평행한 평면에서 대상물의 위치 및 변위를 측정하는 간섭계(干涉計) 시스템(interferometer system)에 관련된 것으로서, 상기 시스템은, 다수의 측정빔(measuring beam)을 생성하고, XY 평면에 평행하고 측정미러로 그리고 측정미러로부터 연장되는 다수의 측정축을 따라 상기 측정빔을 방향짓는 수단, 및 측정미러에 의해 반사된 측정 빔을 전기측정신호로 변환하는 감광 검출기(radiation-sensitive detector)를 구비하고, X 및 Y 측정축의 수는 간섭계로서(interferometrically) 측정될 대상물의 이동(movement)의 수와 적어도 동일하다.

또한, 본 발명은 이러한 간섭계 시스템을 포함하는 리소그래피 투영장치에도 관련된다. 이러한 장치는 스테퍼(stepper) 또는 스텝 앤드 스캐너(step-and-scanner)이다.

간섭계 시스템의 측정축은 대상물의 소정 지점의 소정 방향(X 또는 Y)으로의 변위의 위치가 측정되는 축을 뜻하는 것으로 이해된다. 이러한 측정축은 측정에 사용되는 측정빔의 주광선(chief ray)과 일치할 필요는 없다. 측정빔이 이 시스템을 통해 2회 보내져 대상물에 의해 실질적으로 동일한 지점에서 2회 반사된다면, 측정축은 제 1 통로상의 측정빔의 주광선과 제 2 통로상의 이 빔의 주광선 사이에 위치한다.

EP-A 0 498 499는 이러한 간섭계 시스템과 이러한 시스템을 포함하여 마스크패턴 예를 들면, 감광층이 제공된 기판 위의 집적회로(IC)패턴을 반복적으로 축소 묘화(imaging)하는 광학 리소그래피투영장치를 설명한다. 동일 기판 상의 마스크 패턴의 연속적인 2개의 이미지 사이에서 기판 평면과 마스크 평면은 XY 평면에 평행한 반면, 기판과 마스크는 예를 들어, XYZ 좌표계의 X 또는 Y 방향에 평행하게 상호 관련하여 이동한다.

투영장치는 집적회로를 제조하는 마스킹(masking) 및 확산(diffusion)기술과 조합하여 사용된다. 이러한 방법으로, 제 1 마스크 패턴은 예를 들어 100개씩 대량으로 기판의 IC영역에 묘화된다. 그 후에, 기판은 투영장치로부터 제거되어 소정의 물리 및/또는 화학적 공정 단계를 거치게 된다. 결과적으로, 기판은 동일하거나 유사한 다른 투영장치에 배열되어, 기판의 다른 IC영역에 제 2 마스크 패턴의 이미지를 형성하게 된다. 마스크 패턴의 이미지가 기판필드에 대하여 매우 정확히 위치하는 것이 보장되어야 한다.

이를 위해, 현재 사용되는 투영장치는:

- 기판 테이블의 이동과 이로 인한 기판홀더와 기판의 이동이 정확히 추종되고 기판의 위치가 정확히 결정될 수 있도록 하는 기판테이블용 간섭계 시스템;

- 기판에 대해 마스크가 정렬되도록 하며, 간섭계 시스템과 밀접하게 협력하여 작동하는 정렬 시스템;

- 기판의 IC영역에 형성된 마스크 패턴의 이미지가 항상 선명하도록 보장하는 초점 에러 검출 시스템(focus error detection system); 및

- 초점 에러 검출 시스템과 조합될 수 있어 초점 및 레벨(focus-and-level) 검출 시스템으로 지칭되며, 마스크 패턴의 이미지와 기판의 경사(tilt)를 상호 관련하여 검출하는 경사 검출 시스템을 포함한다.

공지의 복합 간섭계 시스템은, X 방향 및 Y 방향으로의 기판의 이동 및 투영시스템의 광축인 Z축에 대한 기판의 회전(φ_z)을 측정할 수 있는 3개의 측정축을 가질 수 있다. EP-A 0 498 499에 따른 간섭계 시스템의 고유한 특징은 5개의 측정축을 가지며, X 축 및 Y 축을 따르는 기판의 변위 및 Z축에 대한 회전뿐 아니라, X 축에 대한 경사(φ_x) 및 Y 축에 대한 경사(φ_y) 역시 매우 정확하게 측정될 수 있는 점이다. 이 간섭계 시스템이 사용되는 경우, 기판의 각 필드는 필드마다 개별적인 정렬을 필요로 하지 않고도 마스크 패턴에 대하여 매우 정확하게 위치될 수 있다. 따라서, 기판을 조명하는데 요구되는 시간이 상당히 감소될 수 있다.

이후에 포토리소그래피(photolithographic) 장치로 지칭되기도 하는 광학 리소그래피투영장치에 있어서, 투영시스템의 이미지 필드는 기판 표면과 일치해야 한다, 즉, 이미지 평면의 Z위치와 기판홀더 표면의 Z위치 사이에는 소정 관계가 존재해야 한다. 기판테이블이 항상 투영렌즈 시스템의 하부에 위치하고 최대 기판 크기 정도의 거리를 횡단하여 이동하는 현행 사용되는 포토리소그래피장치에 있어서, 이러한 관계는, 투영시스템에 견고하게 접속된 플레이트 형태의 측정 프레임내에 그들의 요소가 배열되는 상기 초점 및 레벨 검출 시스템에 의해 제어된다. 전술한 검출 시스템 및 이들이 일부분을 형성하는 서보시스템의 도움으로, 기판 및 마스크 패턴은 서로에 대하여 전체적으로(globally) 위치될 수 있을뿐아니라, 각 필드에 대해서도 충분히 정확하게 위치될 수 있다. 현재 개발중에 있는 차세대 포토리소그래피 투영장치에 있어서는, 다수의 구성요소를 갖는 IC가 제조되어야 하고, 즉 더 작은 세목(details)이 기판 필드에 묘화되어야 하고, 기판테이블이 기판 크기보다 큰 거리를 횡단하여 이동하여야 하므로, 새로운 문제점이 나타난다. 한편으로는, 좀 더 정확한 정렬의 필요성의 문제가 있으며, 다른 한편으로는, 상기 관계가 상술된 상기 방법으로는 더 이상 제어될 수 없다는 문제점이 있다. 따라서, 투영 시스템 및 척(chuck)으로 지칭되기도 하는 기판홀더 사이의 Z방향으로의 거리를 측정하는 또 다른 모드가 필요하다.

소망하는 측정이 실행될 수 있고, 특히 기판 및 마스크 패턴을 상호 정렬할 목적으로 포토리소그래피 장치내에 매우 정확하고 신뢰성 있는 기판 변위의 측정을 허용하는 간섭계 시스템을 제공하고자 하는 것이 본 발명의 목적이다. 이러한 간섭계 시스템은, XY 평면에 대해 예각으로 대상물의 홀더 상에 배열된 Z 측정미러에 의해 대상물의 Z 위치를 측정하도록 적용되는 것을 특징으로 하고, 이를 목적으로, 간섭계 시스템은 Z 측정축을 가지며, Z 측정빔을 생성하고 상기 측정빔을 Z 측정미러 상으로 방향짓는 수단, 및 Z 측정미러로부터의 Z 측정 빔을 대상물의 Z 위치에 대한 정보를 포함하는 신호로 변환하는 Z 검출기를 구비한다.

본 발명은, X 및 Y 방향에서 정확하고 신뢰성 있는 간섭계 측정을 위해, Z 방향의 기판 변위가 고려되고 보상되어야 하며, Z 변위가 공지의 간섭계 시스템을 확장하여 Z 측정 빔을 공급하도록 하는 간단한 방식으로 측정될 수 있고, 방사원으로부터 Z 측정미러까지의 이 측정 빔은 XY 평면에 평행하며 Z 측정미러에 의해 반사 기준 요소(reflecting reference element)로 반사되고, 이 요소에 대하여 기판의 Z 위치가 측정되어야 한다는 인식에 근거한다.

Z 측정미러를 이용함으로써, 소망하는 Z 위치 측정은, 확장된 XY 간섭계 시스템으로 수행될 수 있는 X 또는 Y 위치 측정으로 변환된다. 따라서, Z 위치 측정 및 기판의 경사 위치 측정을 위해 투영렌즈 시스템 아래에 개별적인 광학 경사 검출 시스템을 배열할 필요가 더 이상 없다. Z 위치 및 경사 위치는 예를 들면, 용량형(capacitive) 또는 유도형 센서(inductive sensors)에 의해 측정될 수도 있다. 하지만, 위치가 측정되어야 하는 대상물의 전체 2차원 표면 영역은, 실제로는 실현할 수 없거나 실현하기 어려운 평탄(planeness) 요건을 따라야 한다. Z 측정축을 갖는 간섭계 시스템이 사용되는 경우, Z 측정미러는, 대상물 홀더가 이동하는 방향을 횡단하는 거리 정도의 길이를 가질 필요만 있는 반면, 이 방향에 수직한 방향으로는 측정미러의 위치에서의 Z 측정빔 단면 정도의 폭만 가지면 된다. 따라서, 평탄 요건이 쉽게 충족될 수 있는 스트립-형상 미러(strip-shaped mirror)를 사용하면 충분하다.

기판 테이블의 X, Y 및 Z 위치를 결정하는 복합 간섭계 시스템은 일본 특허출원 4-179115의 영문 초록에 기재되어 있음에 주의하여야 한다. 측정미러는 기판테이블의 일부분인 기판홀더 대신에 기판테이블의 측면 상에 배열된다. 이들 측정미러는, 각각 반사 측면 및 하부 면을 갖는 4개의 요소에 의해 형성되고, 하부 면은 Z 위치의 측정에 사용되고, 측면은 X 및 Y 위치의 측정에 사용된다. 공지의 시스템은 4개의 통상적인 미켈슨 간섭계(Michelson interferometer)를 포함하는데, 이중 첫번째 것은 X 위치의 측정에만 사용되고, 두번째 것은 Y 위치의 측정에만 사용되며, 나머지 두개는 Z 위치의 측정에만 사용된다. Z 간섭계는 잉여 공간을 요하므로 기판테이블 아래에 배치된다. 상기 공지의 시스템에서는, 대상물상에 배열된 Z 반사기와 관련한 기판홀더의 Z 위치 대신에, 기판테이블의 Z위치가 Z 간섭계와 관련하여 측정되고 이와 관련하여 기판홀더의 Z위치가 측정되어야 한다.

본 발명에 따른 간섭계 시스템은, 마스크 패턴을 통한 기판의 조명이 아닌 다른 순간에 기판의 위치 측정이 발생하는 경우에만 적용가능한 것은 아니다. 명백히 이 경우에는 Z 위치의 양호한 재생가능 측정이 매우 중요하다. 다른 순간에서의 기판의 측정 및 조명은, 단일 기판테이블이 있는 포토리소그래피 장치에서 수행될 수 있으나, 명백히 조명스테이션 및 개별적인 정렬스테이션, 그리고 2개의 기판테이블이 구비된 포토리소그래피장치에 적절한 절차이다. 이러한 장치를 사용하는 동안 제 1 기판홀더 상에 제공된 제 1 기판의 모든 IC 영역이 조명스테이션에서 마스크패턴으로 조명되는 한편, 제 2 기판의 정렬마크가 제 2 기판테이블 상에 제공된 정렬마크에 대하여 정렬스테이션에서 조명된다. 제 1 기판이 완전히 조명된 뒤, 기판테이블은 조명스테이션으로부터 제거되고, 그 후에 제 1 기판이 기판테이블로부터 제거되며, 제 1 기판테이블상에 제 3 기판이 제공되어, 계속하여 이 기판이 정렬스테이션에서 제 1 기판테이블에 대하여 정렬된다. 그동안, 제 2 기판테이블은 조명스테이션으로 이동되고, 이 테이블의 정렬마크는 마스크 마크에 대하여 정렬되어, 제 1 기판테이블에 대한 제 3 기판의 정렬동안 제 2 기판이 조명될수 있도록 기판 마크 역시 마스크 마크에 대하여 정렬된다. 이리하여, 정렬절차의 더많은 부분이 조명스테이션 외부에서 발생하고, 이 스테이션이 실제 조명 또는 투영에 적합한 동안의 시간 주기가 최대가 되고, 장치에 의해 조명될 수 있는 단위 시간당 기판의 수가 최대가 되는데, 이는 IC 에 대한 포토리소그래피 제조기술에서 중요한 측면이다.

본 발명에 따른 간섭계 시스템의 바람직한 실시예는 Z 측정미러가 XY 평면에 대해 거의 45°각도로 대상물의 홀더 상에 배열되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

기준미러(reference mirror)가 XY 평면에 평행하면, Z 측정 빔이 Z 반사기로 및 Z반사기로부터(to and from the Z reflector) 동일 경로를 가로지르게 되므로 Z 측정미러는 최소 폭을 갖게 된다.

본 발명에 따른 간섭계 시스템의 바람직한 실시예는 Z 측정미러가 X 또는 Y 측정미러의 경사부(beveled portion)로 구성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

Z 방향에서 보면, 본 목적에 적합한 대상물홀더 측면은 직선부(straight portion) 및 이 직선부에 대해 바람직하게 45°각도인 사선부(oblique portion)로 나뉘어 지고, 양 부분 모두 미러로써 구현된다.

하지만, 간섭계 시스템의 바람직한 실시예는, Z 측정미러가, X 또는 Y 측정미러 역시 배열되는 대상물홀더의 측면 상에 제공된 경사진 바(beveled bar)로 구성되는 것을 특징으로 하고, 상기 바는 상기 측면의 작은 부분만을 걸쳐 Z 방향으로 연장하고, 측면 전체를 걸쳐 그에 수직한 방향으로 연장한다.

기준 반사기가 투영렌즈 홀더에 대하여 배열되지 않기 때문에, 상기 포토리소그래피 장치에는 소정 거리, 예를 들면 70mm 정도의 거리가 투영 렌즈의 축 및 이 반사기의 일단 사이에서 존재하게 된다. Z 측정미러에 의해 반사된 측정 빔이 z 반사기에 도달하도록 하기 위하여, 기판홀더의 말단 X 위치에서도 투영 렌즈의 축과 Z 측정미러 중심 사이의 상기 위치에서의 거리는 최소한 상기 거리와 동등해야 한다. 이는 Z 측정을 위해 기판홀더가 확장되어야 함을 의미한다. 이 홀더가 소정 높이를 가져야 하고, 또한 X 또는 Y 측정미러 역시 Z 측정미러가 제공되어야 하는 측면 상에 제공되어야 하므로, Z 측정미러에 대한 기판홀더 크기의 증가로 그의 중량이 상당히 늘게 된다. 기판홀더에 고정적으로 접속된 얇은 바 상에 Z 측정미러를 제공함으로써, 이 홀더의 중량이 상당히 상당히 감소될 수 있다.

Z 측정미러는 바람직하게 대상물로부터 떨어져 대상물홀더의 일부분 상에 배열된다. Z 측정미러를 홀더의 하부측에 배치하고, X 또는 Y 측정미러를 그의 상부에 배치함으로써, 아베 에러(Abbe errors)의 발생 위험이 감소될 수 있다. 게다가, 대상물홀더의 관련 측면의 최대부 및 Z 측정미러와 투영 시스템 사이의 최대 공간은 기타의 측정에도 유용하다.

간섭계 시스템에서, 개별적인 기준미러(reference mirror)가 Z 측정빔과 연관 기준빔에 대해 제공될 수 있다. Z 측정 빔 및 Z 기준빔을 받아들이는 Z 검출기는, Z 측정미러가 X 측정 위치와 동일한 대상물홀더의 측면 상에 배열되는 경우에는 X 위치에 대한 정보, 또는 Z 측정미러가 Y 측정미러와 동일한 측면 상에 배열되는 경우에는 Y 위치에 대한 정보와 Z 위치에 대한 정보가 혼합된 신호를 공급한다. X 위치 신호 또는 Y 위치 신호와의 전자 미분(electronic differentiation)은 이 신호 상에서 실행, 즉 이 신호는 순수한 Z 위치를 얻기 위해 X 위치 또는 Y 위치신호와 조합되어야 한다.

하지만, 간섭계 시스템은 바람직하게 Z 측정 빔과 연관 기준빔에 대한 기준미러가, Z 측정미러도 배열되는 대상물홀더의 그 측면 상에 배열되는 X 또는 Y 측정미러에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다.

그다음, 광학적 미분(optical differentiation)이 수행되고, Z 검출기의 출력신호는 순수한 Z 위치 정보를 포함한다. 그리하여, 전자미분을 수행할 필요가 없다. 광학 미분은 전자회로의 처리 속도에 더 이상 종속되지 않게 되는 장점을 갖는다.

Z 측정 축에 대해, 빔 스플리터(beam splitter)는, 측정 빔 및 관련 기준빔이 측정미러 및 기준미러에 의해 각각 반사된 후에 이들을 조합하여 Z 검출기의 평면에서 이들 빔에 의해 형성된 방사선 스폿(radiation spot)들이 가능한 한 만족스럽게 일치하도록 한다. 이 검출기에 의해 공급된 신호는 최대 진폭(amplitude)을 갖는다. 하지만, 이들 방사선 스폿들은 이들 빔과 관련 측정미러의 원하지 않는 경사에 기인하여 검출기에 대하여 옵셋(offset)되어, 이들 빔의 방향이 변화된다. 이러한 현상은 빔 이반(beam walk-off)으로 알려져 있다. Z 측정 빔이 Z 기준 요소와 Z 측정미러에 의해 반사되므로, Z 측정 빔에 대한 빔 이반이 Z 기준 빔에 대한 것보다 크다. 전술한 광학 미분법이 사용되는 경우, 즉 Z 기준 빔이 X 또는 Y 측정미러로 보내면, 빔 이반이 감소될 수 있다. 실제로, 그 후에 빔 이반은 양 빔 모두에 대해 동일한 방향으로 연장된다. 따라서, 광학 미분법은 제 2의 장점을 제공한다.

빔 이반을 더 감소시키기 위해 상기 간섭계 시스템은 바람직하게 Z 측정 빔의 경로가, 측정미러에 의해 반사되고 검출기를 향하는 Z 측정 빔을 다른 반사를 위해 측정미러로 반사시키는 역반사기(retroreflector)를 통합(incorporate)하는 것을 특징으로 한다.

측정미러 상의 Z 측정 빔의 이러한 잉여 반사에 기인하여, 이 빔의 경로에서 미러의 가능한 경사와 독립하여 측정 빔의 원래 방향이 유지된다.

간섭계 시스템의 X 및 Y 측정축의 수는 시스템의 적용에 따라 달라질 수 있다. 하지만, 이 시스템은 바람직하게, Z 측정축에 부가하여 적어도 5개의 또 다른 측정축을 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.

이 시스템에서, X 및 Y 방향에서 최대 측정 정확도의 장점이 잉여 측정설비, 즉 Z 측정의 장점과 조합된다.

측정 빔이 전파되는 매체의 굴절율(refractive index)의 변화와 무관하게 간섭계 측정을 행하기 위해, 간섭계 시스템은 또한 다른 파장의 두 측정 빔이 전파되는 하나의 측정 축을 가지는 것을 특징으로 한다.

파장이 다른 두 빔으로 동일한 거리가 측정되고, 매체의 굴절율이 파장에 종속되므로, 가능한 굴절율 변화가 측정될 수 있고, 간섭계 시스템의 측정 결과는 그에 대해 보상될 수 있다. 상기 측정 축은 별도의 기준 측정축이거나, 또는 기타 측정축중 하나로 구성될 수도 있다.

본 발명은 또한 기판 상의 마스크패턴을 반복적으로 투영하는 투영장치에 관련된 것으로서, 이 장치는 투영 빔을 공급하는 조명 유닛, 마스크홀더가 있는 마스크테이블, 기판홀더가 있는 기판테이블, 투영 빔의 경로에 배열된 투영 시스템, 및 기판의 측정 위치와 방향을 측정하는 광학 측정 시스템을 포함한다. 이 투영장치는 광학 측정 시스템이 전술한 간섭계 시스템이고, 대상물 및 대상물홀더가 각각 기판 및 기판홀더인 것을 특징으로 한다.

본 장치의 정확도는 투영장치에서 간섭계 시스템을 이용함으로써, 특히 본 장치에 전술한 목적을 달성하기 위한 2개의 기판테이블이 제공된 경우 상당히 개선된다.

이 투영장치는 바람직하게는, 측정미러를 제외하고 Z 반사기뿐만 아니라 간섭계 시스템의 구성요소가, 투영시스템 역시 견고하게 고정되는 견고한 프레임에 배열되는 것을 또한 특징으로 하는데, 이 프레임은 현가되어 장치의 기타 구성요소로부터 동적으로 격리된다.

이러한 조치는 소망하는 측정 정확도의 실현에 상당히 기여한다. 간섭계 유닛은 외란(disturbance)없이 견고하게 투영시스템에 결합된다. 도량형 프레임 (metrology frame)으로 지칭되기도 하는 상기 프레임이 동적으로 격리된 방식 또는 무진동으로 상기 장치내에 현가되어 있으므로, 그 내부에 존재하는 간섭계 유닛의 위치는 기판테이블 및 마스크테이블에 대한 구동력과 같은 외부력에 의한 영향을 더 이상 받지 않게 된다. Z 반사기는, 투영시스템에 고정되고 Z 측정미러로부터 의 Z 측정 빔을 반사하는 반사기이다.

이 투영장치는 X 및 Y 측정빔과 관련 기준빔에 대한 기준미러가 투영시스템의 홀더 상에 배열된 것을 또한 특징으로 한다.

기판의 X 및 Y 위치는 더 이상 간섭계 요소와 관련하여 측정되지 않고, 투영시스템에 대하여 측정된다. 따라서 도량형 프레임의 가능한 변형은 위치 측정에 있어 무시할만큼의 작은 영향만을 갖는다.

상기 투영장치는, 마스크의 위치 및 방위(orientation)를 측정하는 광학 측정시스템이 더 제공되는데, 이 광학 측정시스템이 전술한 간섭계 시스템이고, 대상물 및 대상물홀더가 각각 마스크 및 마스크홀더인 것을 특징으로 한다.

이러한 장치에서, 마스크 역시 매우 정확하게 위치될 수 있다.

본 발명의 이들 및 기타의 측면은 이후에 설명되는 실시예를 참조하여 명백하게 될 것이다.

도 1은 기판 위에 마스크패턴을 반복적으로 묘화하는 포토리소그래피장치의 실시예를 모식적으로 나타내고;

도 2는 본 장치에 사용되는 3개의 측정축을 구비한 공지의 간섭계 시스템을 나타내고;

도 3은 1축 간섭계 시스템의 원리를 나타내고;

도 4는 5개의 측정축을 갖는 공지의 간섭계 시스템의 사시도이고;

도 5는 Z 측정이 수행되는 리소그래피장치의 실시예를 나타내고;

도 6 및 도 7은 2개의 Z 측정이 수행되는 리소그래피장치의 제 1 및 제 2 실시예를 나타내고;

도 8은 개조된(adapted) Z 측정미러가 있는 리소그래피장치의 일 실시예를 나타내고;

도 9는 3개의 Z 측정미러 및 3개의 Z 측정축이 있는 기판홀더를 나타내고;

도 10은 Z 측정축이 있는 간섭계 유닛의 제 1 실시예의 제 1 부분을 나타내고;

도 11은 이러한 간섭계 유닛의 제 2 실시예를 나타내고;

도 12는 제 1 부분을 나타내는 도 10의 간섭계 유닛의 제 2 부분을 나타내고;

도 13은 이러한 유닛에 사용된 반사기 시스템을 나타내고;

도 14는 기판홀더 상에 배열된 측정미러에 충돌하는 간섭계 유닛의 측정축 및 측정빔의 위치를 나타내고;

도 15는 2개의 Z 측정축이 있는 간섭계 유닛의 다른 실시예를 나타내고;

도 16은 도량형 프레임 및 작동기 프레임이 있는 리소그래피장치를 나타내고;

도 17은 2개의 기판홀더 및 하나의 개별적인 정렬스테이션이 있는 리소그래피장치를 나타내고;

도 18은 이 장치의 정렬스테이션 및 조명스테이션에서 기판 상에 수행되는 간섭계 측정의 서베이(survey)이고;

도 19는 스텝 앤 스캐너내에서 마스크 상에 실행되는 간섭계 측정을 나타내고;

도 20은 도 17의 장치에서 2개의 기판홀더에 의해 실행되는 이동을 나타낸다.

도 1은 기판 위에 마스크패턴을 반복적으로 묘화하는 포토리소그래피장치의 일 실시예의 광학요소를 모식적으로 나타낸다. 이 장치의 주요 구성요소는 투영렌즈 시스템(PL)을 수용하는 투영칼럼이다. 묘화되어질 마스크패턴(C)이 제공되는 마스크(MA)의 마스크홀더(MH)는 이 시스템 상부에 배열된다. 마스크홀더는 마스크테이블(MT)에 존재한다. 기판테이블(WT)은 투영렌즈 시스템(PL) 하부에 배열된다. 이 테이블은, 매번 다른 IC 영역(Wd)으로 마스크패턴이 여러번 묘화되고 감광층이 제공된 기판(W)에 대한 기판홀더(WH)를 수용한다. 기판테이블은 X 및 Y 방향으로 이동이 가능하여, 하나의 IC 영역 위에 마스크패턴을 묘화한 후에 뒤에 오는 IC 영역이 마스크패턴 아래에 위치할 수 있다.

이 장치는 예를 들면, 크립톤 플루오르(Krypton-Fluoride) 엑시머 레이저 또는 수은램프와 같은 방사원(LA), 렌즈 시스템(LS), 반사기(RE), 및 콘덴서렌즈(CO) 등을 포함하는 조명시스템을 더 포함한다. 조명 시스템에 의해 공급된 투영 빔(PB)은 마스크패턴(C)을 조명한다. 이 패턴은 투영렌즈 시스템(PL)에 의해 기판(W)의 IC 영역 위로 묘화된다. 조명 시스템은 대안적으로 EP-A 0 658 810에 설명된 바와 같이 구현될 수도 있다. 투영렌즈 시스템은 예를 들면, 배율 M = 1/4, 개구수 NA = 0.6, 그리고 22 mm인 직경을 갖는 회절한계(diffraction-limited) 이미지 필드를 갖는다.

본 장치는 복수의 측정시스템, 즉 XY 평면에서 기판(W)에 대한 마스크(MA)의 정렬을 위한 측정 시스템, 기판홀더 및 따라서 기판의 X,Y 위치와 방위를 결정하는 간섭계 시스템, 및 투영 렌즈 시스템(PL)의 초점 혹은 이미지 평면과 기판(W)위의 감광층 표면 사이의 편차를 결정하는 초점 에러 검출시스템을 더욱 포함한다 . 이들 측정 시스템은, 전자 신호 처리 및 제어 회로와 구동기(driver) 또는 작동기(actuator)를 포함하는 서보시스템의 일부이며, 이에 의하여 기판의 위치와 방위 및 포커싱이 측정 시스템에 의해 공급된 신호를 참조하여 수정(correct)될 수 있다.

본 정렬 시스템은 도 1의 우측 상단에 보이는 마스크(MA) 내에 두개의 정렬 마크(M1, M2)를 이용한다. 이들 마크는 바람직하게는 회절 격자(diffraction grating)로 이루어져 있으나, 대안적으로 주위와는 광학적으로 다른 사각 혹은 스트립 형태의 다른 마크로 형성된다. 정렬 마크는 바람직하게는 2차원, 즉 도 1에서의 X 및Y 방향과 같이 서로 수직으로 연장된다. 기판(W)은 적어도 2개의 정렬 마크를 갖고, 바람직하게는 역시 도 1에서 보이는 2차원 회절 격자 P₁ 및 P₂를 갖는다. 마크 P₁및 P₂는 패턴 이미지(C)가 형성되어있는 기판(W)영역의 외각에 위치한다. 격자마크 P_1.및P₂는 바람직하게는 위상격자이고, 격자마크 M₁및 M₂는 바람직하게는 진폭 격자이다.

도 1은 정렬 시스템의 특정 실시예, 즉 마스크 정렬마크(M₂)에 대한 기판 정렬마크(P₂)의 정렬과 마스크 정렬마크(M₁)에 대한 기판 정렬마크(P₁)의 정렬을 위해 두개의 정렬빔(b,b')이 각각 사용되는 이중 정렬 시스템을 보이고 있다. 상기 빔(b)은 반사요소(30), 예를 들면, 미러에 의해 프리즘(26)의 반사면(27)으로 반사된다. 상기 면(27)은, 마크(P₂)가 형성되는 관련 마스크 정렬마크(M₂)로 방사선의 일부분을 빔(b'₁)으로서 통과시키는 기판 정렬마크(P₂)로 빔(b)을 반사시킨다. 예를 들면 프리즘인 반사요소(11)는 상기 마크(M₂)위에 배열되어, 감광 검출기(13)를 향하여 상기 마크(M₂)를 통과한 방사선을 방향짓는다(direct). 상기 제 2 정렬빔(b')은 미러(31)에 의해 투영 렌즈 시스템(PL)내 반사기(29)로 반사된다. 반사기(29)는 상기 빔(b')을 상기 프리즘(26)의 제 2 반사면(28)으로 통과시키고, 상기 반사면은 기판 정렬마크(P₁) 상으로 빔(b')을 방향짓는다. 이 마크는, 상기 마크(P₁)의 이미지가 형성되는 마스크 정렬마크(M₁)로 빔(b₁')으로서 빔(b')의 일부 방사선을 반사시킨다. 빔(b₁)의 방사선은 상기 마크(M₁)을 관통하여 지나가고 반사기(11')에 의해 감광 검출기(13')를 향하게 된다. 이중 정렬 시스템의 작동은 이 시스템을 더 세밀히 언급하고 있는 미국 특허 4,778,275에 기재되어 있다.

도 1에서의 정렬 시스템의 실시예는, 정렬 빔은 예를 들면, 633nm의 상당히 긴 파장을 갖는 반면, 투영빔(PB)은 예를 들면, 248nm의 짧은 파장을 갖도록 투영 렌즈 시스템(PL)이 그 내부에 설계된 장치에 특별히 알맞은 것이다. 사실, 이 시스템은 투영 칼럼(projection column)에서 잉여 렌즈 혹은 수정(correction)렌즈(25)를 결합하고 있다. 이 렌즈는, 투영 렌즈 시스템이 정렬빔의 파장을 위해 최적화되지 않음에도 불구하고 기판 정렬마크가 마스크 정렬마크의 평면에 수정 배율로써 묘화(imaging)되는 것을 보장한다. 수정렌즈는 투영칼럼내에, 한편으로는, 기판 정렬마크에 의해 만들어지는 정렬빔의 다른 회절 차수의 서브 빔들이 수정렌즈 평면에서 이들 서브빔들에 개별적으로 영향을 줄수 있을 만큼 충분히 분리되고, 또 다른 한편으로는 수정렌즈가 투영빔 및 이에 의해 형성된 마스크 패턴(C)의 이미지에 무시할 수 있는 영향을 미치는 높이에 배열되어 있다. 상기 수정렌즈(25)는 바람직하게는 투영 렌즈 시스템의 푸리에(Fourier) 평면내에 배열된다. 정렬 빔(b,b₁)의 주 광선이 도 1에서와 같이 서로 교차(intersect)하는 평면에 수정렌즈가 배열된다면, 이 렌즈는 두 정렬빔을 수정하는데 이용될 수 있다. 수정렌즈(25)의 더 자세한 작동과 목적은 미국 특허 5,100,237에 언급되어 있다.

회절 요소와 같은 웨지(wedge) 또는 다른 편향(deflection) 요소는 바람직하게는 정렬빔(들)의 경로에서 정렬마크에 근접하여 배열된다. 그러한 편향요소(도 1에는 나타나 있지 않지만)로써, 검출기(13 또는 13')에 의해 포획되는 선택된 정렬빔부 내의 의도하지 않은 위상차의 결과인 정렬 에러는 방지될 것이다. 이들 위상차는, 기판 정렬마크로부터 오는 정렬빔부의 대칭축이 마스크 플레이트와 수직이 아니라면 발생하여, 잘못된 반사가 이 플레이트에서 발생하는 것이다. 그러한 편향요소를 제공하는 정렬 장치는 미국 특허 제5,481,362호에 나타나 있다.

전체(global) 정렬로 언급되는 마스크에 대한 전체 기판의 정렬을 위해 사용되는 도 1에서 보이는 전체 정렬마크(P₁,P₂)에 더하여, 기판에는 각 집적회로 영역의 마스크 패턴에 대해 관련된 영역을 정렬하기 위한 추가 정렬마크, 예를 들면 집적회로 영역당 하나의 마크가 제공될 것이다. 마스크는 두 개보다 많은 정렬마크를 가지는 반면, 추가 정렬 마크는, 예를 들면, Z축에 대한 마스크의 회전을 측정하는데 사용되어 그에 대해 수정할 수 있게 한다.

본 투영장치는 더 나아가 초점에러 검출 시스템을 포함하며, 이는 투영 렌즈 시스템(PL)의 초점면과 기판(W)의 표면 사이의 편차를 결정하며, 이 편차는, 예를 들면, 기판 테이블에 제공되는 Z 작동기로 기판면의 높이를 제어함으로써 수정될 수 있다. 초점에러 검출 시스템은, 투영렌즈 시스템에 고정되어 연결된 홀더(보이지 않음)에 배열되어 있던가, 또는 투영 시스템도 배열되어 있는 도량형 프레임(metrology frame)에 배열되어 있는 요소(40,41,42,43,44,45,46)에 의해 구성되어 있다. 요소(40)는, 예를 들면, 포커싱빔(b3)를 방출하는 다이오드 레이저 방사원이다. 이 빔은 반사형 프리즘(42)에 의해서 매우 작은 각으로 기판위로 향하게 된다. 이 면에 의해 반사된 빔은 프리즘(43)에 의해 역반사기(44)로 향하게 된다. 요소(44)는 그 내부에서 빔을 반사시키고 반사된 빔(b'₃)는 프리즘(43) 기판면 및 프리즘(42)에서의 반사를 경유하여 동일한 다시 한번 통과한다. 빔(b'₃)은 부분 반사요소(41)와 반사요소(45)를 경유하여 감광 검출 시스템(46)에 다다른다. 이 시스템은, 예를 들면, 위치종속형 검출기 또는 두개의 별도 검출기로 구성된다. 이 시스템에서 빔(b'₃)에 의해 형성되는 방사선 스폿의 위치는, 투영렌즈 시스템의 초점면이 기판(W)의 표면과 일치하는 정도에 종속적이다. 초점 에러 검출 시스템은 미국특허 제4,356,392호에 더 자세히 기재되어 있다.

기판 테이블(WT)의 X,Y의 위치에 대한 정밀한 결정을 위해서, 공지된 투영 장치는 다중축 간섭계 시스템을 포함하고 있다. 미국특허 제4,251,160호에는 2축 시스템이 기재되어 있고, 미국특허 제4,737,283호에는 3축 시스템이 기재되어 있다. 도 1에서는, 측정축이 X축 하나인 것으로 보이지만, 요소(50,51,52,53)에 의해 그러한 간섭계 시스템이 도식적으로 표현된다. 예를 들면 레이저와 같은, 방사원(50)에 의해 방출되는 빔(b4)은, 빔 스플리터(51)에 의해 측정빔(b_4,m)과 기준 빔(b_4,r)으로 나뉜다. 측정빔은 기판홀더(WH)의 반사측면(54)에 도달하고, 이 측면에 의해 반사된 측정빔은 고정된 반사기(52), 예를 들면 "코너 큐브"(corner cube) 반사기에 의해 반사되는 기준빔과 함께 빔 스플리터에 의해 결합된다. 이 결합 빔의 강도는 검출기(53)로 측정되며, 기판홀더(WH)의 변위(이 경우에는 X방향으로의 변위)는 이 검출기의 출력 신호로부터 유도될 수 있으며, 또한 이 홀더의 순간 위치가 확립될 수 있다.

도식적으로 보이는 도 1에 따르면, 간략하게 표현하기 위하여 하나의 신호(S53)로 표현되는 간섭신호와 정렬 시스템 신호(S13, S13')는, 기판테이블(WT)을 경유하여 X,Y 평면에서 기판홀더를 움직이게 하는 작동기(AC)에 대한 제어신호(SAC)로 상기 신호들을 처리하는 신호처리단위(SPU), 예를 들면 마이크로 컴퓨터에 인가된다.

도 1에 도시된 X 측정축만을 포함하는 것 뿐만 아니라 Y측정축과 제 3의 측정축을 포함하는 간섭계 시스템에 의해서는, 정렬마크(P₁,P₂,M₁,M₂)의 위치 및 이들 상호간의 거리들이 기판에 대한 마스크의 초기 혹은 전체 정렬시 고정 간섭계 시스템에 의해 규정되는 좌표계 내에 놓일 수 있다. 이러한 간섭계시스템은 기판테이블을 매우 정확하게 스텝(step)되는 것, 즉 미리 설정된 거리 및 방향으로 이동시키는 것을 가능하도록 하는데 이용된다. 이러한 스텝은, 제 1 집적회로 영역 또는 필드에 한번(혹은 그 이상)의 플래시(들)로 마스크 패턴이 묘화된 후에 후속되는 집적회로 필드를 투영렌즈 시스템 및 마스크 패턴 아래에 위치시키도록 수행되어, 마스크 패턴이 상기 필드에도 묘화될 수 있다. 이들 스텝과 묘화 작업은 마스크패턴 이미지가 모든 집적회로 필드에 제공될 때까지 계속된다. 이러한 방식의 리소그래피장치 작업은 스테퍼로 언급되어진다.

한편으로는 집적회로 필드의 단위 면적당 더 많은 전자 소자에 대한 요구와 다른 한편으로는 더 큰 집적회로 필드의 요구에 기인하여, 더 엄격한 요구 조건이 투영 렌즈 시스템의 분해능과 이미지 필드에 부가된다. 이러한 기술적으로 모순되는 요구를 완화하기 위하여, 이미 스텝 앤 스캐너를 사용하도록 제안되었다. 이러한 장치에 있어서는, 스테퍼에서와 같은 스테핑 이동이 수행되지만, 집적회로 필드상에 마스크패턴을 묘화시킬 때, 매번 마스크패턴의 작은 부분만이 대응하는 집적회로 필드의 서브필드에 묘화된다. 집적회로 영역의 연속되는 서브필드에 마스크패턴의 연속 부분이 묘화되므로, 집적회로 필드상에 전체 마스크패턴의 이미지가 포함되게 된다. 이를 위해, 마스크패턴의 위치에서의 작은 피처 예를 들면 사각 혹은 아치형의 조명스폿을 형성하는 투영빔으로 마스크 패턴이 조명되고, 기판테이블은 투영 빔과 투영 렌즈 시스템에 대한 소정 방향 즉, 스캔방향으로 이동되고, 마스크테이블은 그와 동일 혹은 반대 방향으로 이동되는 반면, 기판테이블의 속도(rate)는 마스크테이블의 속도의 M배이다. M은 마스크패턴이 묘화되는 배율이다. 마스크와 기판은 어느 순간에도, 마스크와 기판의 이동의 매우 정확한 동기화에 의해 실현되는 정확한 상호 위치를 갖는다는 것이 확신되어야 한다. 즉, 기판의 속도(V_sub)는 항상 마스크의 속도(V_MA)의 M배와 같다.

V_sub=M·V_MA의 조건을 점검하기 위해서 스텝 앤 스캐너 방식은 기판 간섭계 시스템 뿐만 아니라, 마스크의 위치 및 이동이 정확하게 측정되어지는 마스크 간섭계 시스템을 포함하여야 한다. 마지막으로 언급된 시스템의 측정미러는 바람직하게는 마스크홀더에 고정되어 있다. 마스크 간섭계 시스템은, 도 1에서 기판 간섭계 시스템의 요소(50,51,52,53,54)와 같은 기능을 갖는 요소(60,61,62,63,64)에 의해 나타난다. 도 1에서는 단순화를 위해 하나의 신호(S₆₃)로 표현된 마스크 간섭계 시스템 신호들은, 기판 간섭계 시스템의 대응하는 신호와 비교되는 신호처리단위(SPU)에 인가된다. 따라서, 마스크와 기판이 상호 정확한 위치를 갖거나/갖고 동기적으로 이동하는지의 여부를 확인할 수 있다.

마스크의 X 및 Y 방향에서의 측정 위치가 Xr 및 Yr로 표시되고, 기판에 대한 그 위치가 Xw 및 Yw로, Z축에 대한 회전이 φz,r, φz,w로 표현되는 경우, 마스크와 기판이 서로에 대하여 정확하게 위치된다면, 아래의 조건이 만족될 것이다.

여기서 M은 투영 렌즈 시스템의 배율이다. 마스크와 기판은 서로 반대로 이동한다고 가정하였다. 이들요소가 서로 동일한 방향으로 이동한다면, 앞서 언급된 조건에서 뺄셈 부호는 덧셈 부호로 바뀌어야 할 것이다.

이들 조건이 충족될 것인지를 확인하기 위해서, 기판을 위한 간섭계 및 마스크를 위한 간섭계 모두가 세개의 측정축을 가지고 있다면 충분하다. 하지만, 기판 간섭계 시스템은 바람직하게는 5개의 측정축을 갖는다. EP-A 0 498 499에 기재된 바와 같이 X,Y와 φz,w뿐만 아니라 φx,w 및 φy,w, 즉 X축과 Y축에 대한 기판의 경사가 측정될 수 있다. 5축 간섭계 시스템으로 구성되어 있는 간섭계 유닛의 다른 실시예에 대해서는 EP-A 0 498 499에 언급되어 있다. 마스크에 대한 X,Y축의 경사를 측정하기 위해서는 5축 마스크 간섭계 시스템이 이용될 수 있다. 하지만, X,Y축의 경사를 측정하기 위해 대안적으로 용량성 센서와 같은 다른 센서와 3축 마스크 간섭계 시스템을 결합시키는 것도 가능하다.

삭제

만약, Xw, Yw, φx,w, φy,w, Xr, Yr, φx,r, φy,r이 측정되고, 초점 검출시스템의 도움으로, Zw 및 Zr, 즉 기판과 마스크의 Z축을 따른 위치가 측정된다면, 수학식(1),(2),(3)뿐만 아니라 다음의 조건이 만족하는지의 여부, 다시말해 마스크와 기판면의 Z 방향으로의 상호 거리가 정확한지의 여부(수학식 4) 및 마스크와 기판이 서로 X축과 Y축에 대하여 서로 기울어지지 않는지의 여부(수학식 5, 6)가 확인될 수 있다.

X,Y축을 따른 기판 또는 마스크의 이동과 위치가 측정될 수 있고, Z축에 대한 마스크 또는 기판의 회전이 측정될수 있는 세개의 측정측을 갖는 간섭계 시스템의 일 실시예는, 논문 "Linear/anglular displacement interferometer for wafer stage metrology" in SPIE, vo1. 1088:Optica1/Laser Microlithography, pp.268-272에 기재되어 있다. 도2는 기판홀더(WT)와 함께 그러한 간섭계 시스템의 다이어그램이 도시되어 있다. 복합 간섭계 시스템은 레이저(70), 예를 들면 헬륨-네온 레이저와 두개의 빔 스플리터(71,72)와 세개의 간섭계 유닛(73,74,75)으로 구성되어 있다. 레이저로부터 나온 빔(b₅)의 일부는, 빔(b₆)으로서 빔 스플리터(71)로부터 기판홀더(WT)의 미러(R₁)와 상호작동하는 간섭계 유닛(73)으로 반사된다. 빔 스플리터(71)을 통과한 빔(b₇)은 빔 스플리터(72)에 의해 간섭계 유닛(74)으로 반사되는 빔(b₈)과 간섭계 유닛(75)으로 통과되는 빔(b₉)로 나뉜다. 간섭계 유닛(75)이 측정미러(R2)와 상호 작동하는 쓰이는 반면, 간섭계 유닛(74)은 측정미러(R_l)와 상호작동(co-operate)한다.

도 3은 간섭계 유닛(73)의 원리를 도시하고 있다. 이 유닛은, 예를 들면 입사빔(b₆)을 측정빔(b_6,m)과 기준빔(b_6,r)으로 분리하는 부분적으로 투명한 미러인 빔 스플리터(80)를 포함하고 있다. 측정빔은 기판홀더 미러(R₁)로 통과되고, 기판홀더 미러(R₁)는 이 빔을 빔 스플리터(80)로 반사시키고, 빔 스플리터(80)는 빔(b_6,m)의 일부를 검출기(76)으로 반사시킨다. 빔 스플리터(80)에 의해 반사된 기준빔(b_6,r)은, 이 빔의 일부를 검출기(76)로 통과시키는 고정적 배치 기준미러(81)에 의해 빔 스플리터(80)로 반사된다. 기판홀더 미러가 X방향으로 이동시에, 보강 및 상쇄 간섭이 검출기(76)에 입사하는 빔(b_6,r)과 빔(b_6,m)사이에서 교대로 발생하여, 검출기의 출력 신호는 기판 홀더가 λ/4 거리 만큼 변위될 때마다 최대값에서 최소값으로 및 그 반대로 바뀐다. 여기서 λ는 빔(b₆)의 파장이다. 측정된 검출신호(S₇₆)의 최대 최소치는 X방향으로의 기판홀더의 변위의 측정치이다. λ/4 보다 훨씬 작은, 예를 들면, λ/128또는 λ/512 이하까지의 미러(R₁)의 이동이, 간섭계 기술에서 알려진 전자보간법(electronic interpolation)을 이용해서 측정될 수 있다.

간섭계 유닛(74,75)은 간섭 유닛(73)과 동일한 구조를 갖고 동일한 방식으로 작동된다. Y방향으로의 마스크 홀더의 이동은 간섭계 유닛(75) 및 이에 관련된 검출기(78)에 의해 측정된다. X방향으로의 제 2 측정은 간섭계 유닛(74) 및 이에 관련된 검출기(77)에 의해 수행된다. Z축에 대한 홀더의 회전은 신호(S₇₆, S₇₇)로부터 계산된다. 이 회전은 다음과 같이 주어진다.

이때의 d는 측정빔(b_6,m, b_6,r)의 주광선들이 미러( R₁)에 충돌하는 지점 사이의 거리이다.

도 3에는 간섭계 유닛의 원리만 도시되어 있다는 점에 주의한다. 도 3에는 요소(82,83)로 나타나 있으나, 실제적으로는 편광 감지(polarization-sensitive) 빔 스플리터(80) 및 다수의 λ/4 플레이트가 빔 분할 및 조합을 위해 사용될 것이다. 그러면 방사선 손실이 최소화되는데, 이것은 오직 하나의 레이저(70)가 다른 간섭계 유닛들을 위해 사용되는 경우에 특히 중요시된다. 바람직하게는 두개의 상호 수직으로 편광된 구성요소들과 서로 다른 주파수를 가진 빔을 방출하는 방사원으로서 제만(Zeeman) 레이저가 사용된다. 따라서 빔 구성요소들은 측정빔과 기준 빔으로 구성되며, 측정은 위상측정에 근거한다. 또한 SPIE, vo1 1088:Optica1/Laser MicrolithographyII, pp.268-272의 상기 논문에 기재된 것과 같은 역반사기는 간섭계 유닛내에 통합되어 측정 미러에 의해 반사된 측정빔을 측정 미러로 다시 반사시켜서, 관련 간섭계로 수행되는 측정이 관련 측정 미러의 경사에 독립적이 되게 한다.

3축 간섭계 시스템을 이용하여 요구되는 정확도로 기판상의 X,Y, 및 φz 측정을 이행 가능하도록 하기 위해서는 다음의 두가지 조건을 만족 시켜야 한다.

1. 간섭계 빔들의 주광선들은 기판면과 동일 면에 존재하여야 한다.

2. X축과 Y축을 따른 변위 그리고 Z축에 대한 가능한 회전시, 기판홀더는 다른 자유도

에서는 고정되어야 한다.

EP-A 0498 499에 기재된 바와 같이, 실제적으로 만족되기 쉽지 않은 이들 조건들은, 더 많은 기판의 이동이 측정될 수 있는 5축 간섭계 시스템을 사용하여 회피될 수 있기 때문에, 이것은 더 정확하게 X 및 Y 이동을 측정할수 있는 가능성을 제공한다.

도 4에서는 기판홀더에 2개의 미러(R₁,R₂)로 구성된 집적미러블록이 제공되는, 5개의 자유도(

)를 측정하기 위한 이러한 시스템의 원리를 보이고 있다. 본 시스템은, 예를 들면, 빔(b₂₀,b₃₀)이 제공되는 2개의 간섭 유닛(100,150)을 포함한다. 이들 빔은, 예를 들면 제만 타입이거나 또는 제만 타입이 아닌 헬륨-네온 레이저와 같은 레이저(50)에 의해 방출된다. 이 레이저로부터 나온 빔(b₁₀)은 렌즈(90)에 의해 도식적으로 나타나는 빔 확장(beam-widening) 광학 시스템을 통과하고, 계속해서 빔 스플리터(92)에 의해 두개의 빔(b₂₀,b₃₀)으로 나뉜다. 요소(91,93,94)는 반사기로서, 정확한 각도로 간섭계 유닛(100,150) 상에 입사되는 방법으로 빔들이 편향되는 것을 보장한다. 간섭계 유닛(100)은, 측정미러(R₁)를 향해 측정축 MAX1,MAX2,MAX3를 따라서 세개의 측정빔을 방출하는 방식으로 구현되어, 상기 미러로부터 이들 빔을 받아들인다. 이들 빔을 이용하여 기판홀더의, MAX1,MAX2축 중 하나에 의한 신호로부터 제동된 X 방향으로의 변위와, 측정축 MAX3에 의해 제공되는 신호와 측정축 MAA1,MAX2 중 하나의 신호의 차이로부터의 Y축에 대한 경사, 및 측정축 MAA1,MAX2의 신호의 차이의 Z축에 대한 회전이 측정되어질 수 있다. 두번째 간섭계 유닛은 측정축 MAX4,MAX5을 따라 두개의 측정빔을 미러(R₂)에 방출시키고, 미러(R₂)로부터 이들 빔을 받아들인다. 이들 빔을 이용하여, 기판홀더와 이에 따른 기판의 Y축으로의 변위는 MAX4 및 MAX5 중 하나의 신호로부터 측정되고 X축에 대한 경사는 이들 측정축의 신호 차이로부터 측정될 수 있다. 측정축 MAX2에 대해 측정축 MAX1은 Y방향으로 변위되는 반면, 측정축 MAX5와 MAX3은 측정축 MAX4와 측정축 MAX1, MAX2에 대해 Z방향으로 변위된다. 측정축 MAX1,MAX2,MAX4는 기판홀더의 표면에 최대한으로 근접 위치하여, 아베에러(Abbe error)가 최소화되고, 측정된 X,Y 변위는 기판의 실제 변위와 최적으로 동일하게 된다.

간섭계 유닛(100,150)은 다양한 방법으로 구현된다. 더욱 자세한 사항은 본 명세서에 참조로 인용되는 EP-A 0 489 499가 참조된다.

본 발명에 따르면, 기판 간섭계 시스템은 또한 기판홀더에 견고하게 고정된 Z 측정미러와 상호작동되는 적어도 하나의 Z측정축을 갖는다. 따라서, 기판의 Z위치는 간섭계 시스템을 이용하여 측정될 수 있다. 이러한 Z 측정은, 초점 에러 검출 시스템 또는 초점 및 레벨 검출 시스템에 의해, 상기 언급된 Z측정을 보충하거나 대체할 수 있다.

새로운 간섭계 시스템의 Z 측정축은 별도의 간섭계 유닛의 측정축일 수도 있다. 하지만, Z 측정축은 바람직하게는 이미 제공된 간섭계 유닛, 예를 들면 도5에서 정면 입면도로 도시되어진 간섭계 유닛(100)의 잉여 측정축(extra measuring axis)이다. 본 실시예에서는, 기판홀더(WH) 한쪽면(159)에 경사진(beveled) 반사부(160)가 제공되어진다. 이 부분은 Z 측정미러(R₃)를 구성한다. 측면의 직반사부(reflective straight portion)(161)는 도 4에서 직선형 미러(R₁)와 동일한 기능을 갖는다. 간섭계 유닛(100)은 측정축 MAX2와 MAX3뿐만 아니라 기판홀더의 윗면에 가장 근접한 위치에 있는 Z측정축(MAX7)도 포함한다. 측정미러(R₃)는 측정축 MAX7의 측정 빔을, 투영시스템의 홀더(LH)에 견고하게 고정되어 보다 큰 도량형 프레임의 일부분을 형성할 수 있는 플레이트(163)에 배열된 추가 반사기, 즉 Z반사기(164)로 반사시킨다. Z반사기는, 측정빔을 간섭계유닛(100)으로 다시 반사시키는 측정미러(R₃)로 측정빔을 반사시킨다. 이 유닛은 Z측정빔을 위한 별도의 검출기를 수용하며 이것의 출력신호는 Z측정신호를 형성하기 위해 다른 신호와 함께 처리된다.

Z측정미러(160)(도 5에서의 R₃)는, X와 Y측정빔이 전파되는 XY평면에 대해 45도의 각을 가지고 배치된다. 원칙적으로 Z측정미러는 또한 XY평면에 대해 다른 예각으로 연장될 수도 있다. 하지만 Z측정빔이 Z반사기(164)로 그리고 Z반사기(164)로부터 동일한 경로를 가로지르고 따라서 Z측정미러가 최소폭을 가질 수 있기 때문에, 45도의 각은 바람직하다.

측정축 MAX2, MAX3 그리고 MAX7로부터 나오는 신호가 X₂, X₃, Z₁로 각각 표시된다면, Y축에 대한 경사(

)도 측정되는 시스템내의 X위치와 Z위치는 아래 식에 의하여 측정된다.

여기서

는

이며, 여기서

a는 2개의 X측정축 사이의 거리;

b는 기판홀더의 윗면 (162)와 2개의 X측정축의 중심사이의 거리, 및

c는 Z측정축과 윗면 (162)사이의 거리이다.

간섭계 시스템의 본실시예에서, Z측정빔이 기판홀더의 윗면에 근접한, 따라서 기판에 근접한 위치에서 Z측정미러상에 충돌하며, 기판의 가능한 경사는 기판의 측정된 Z지점에 거의 영향을 미치지 않는다.

Z측정빔과 이에 연관된 기준빔은, 기준미러에 의해 반사된 후에, Z측정미러(160)와 Z반사기(163)에 의해 반사된 측정빔과 함께 Z검출기상에서 조합된다. 이 기준미러는 간섭계 유닛(100)내에 고정된 미러일 수 있다. Z검출기에 의해 제공된 신호는 순수한 Z위치 정보를 포함하지 않고 Z위치 정보가 X위치 정보와 섞여있다. 순수 Z위치 신호를 얻기 위해서는 검출기 신호로부터 X위치 정보가 제거, 즉 이 신호로부터 빼져야 한다. 다시 말하면 전자미분을 이용하여야 한다.

별도의 그리고 고정된 Z기준미러 대신, 도 5에서 보이는 것과 같이 바람직하게는 X측정미러(161)가 Z측정을 위한 기준미러로서 사용된다. 이 미러에 의해 반사된 기준빔(b_z,r)은 X위치정보를 포함하므로, Z검출기에서 Z측정빔과 이 기준빔의 검출기상에서의 조합으로 이 검출기의 출력신호는 순수 Z위치 신호가 된다. 전자미분과 비교하여 광학미분이 수행되면 전자회로의 처리속도에 의해 제한되지 않는다는 장점을 갖는다. 광학미분 그리고 이에 따른 즉 Z측정에 대한 기준 미러로서의 X 또는 Y측정미러의 이용은 다음에 기재될 실시예에서도 이용될 수 있다.

도 6은 두 개의 Z측정을 이용하는 간섭계 시스템의 일실시예를 도시한다. 이를 위해 제1 Z측정미러(R₃ )에 대향하는 기판홀더(WH)의 측면(165)은 경사져 있으며, 제 2 Z측정 미러(R₄)가 제공된다. 이 미러는 Z측정축 MAX8을 따라 연장되는 제 2 Z측정빔과 상호작용한다. 제2 Z측정빔은 측정미러(R₄)에 의해 플레이트(163)의 하부면에 배치된 제 2 Z반사기(168)로 반사된다. 제 2 Z측정빔은 Z반사기(168)에 의해, 측정축 MAX8과 연관된 검출기로 측정빔을 다시 반사시키는 측정미러(R₄)로 반사된다. 측정축 MAX7과 MAX8에 의해 제공되는 신호를 더함으로써 기판의 평균 Z위치가 결정되어 질 수 있다. 그렇게 얻어진 Z위치의 값은 기판홀더의 X위치에 독립적이다.

도 6에 나타낸 실시예로서, Y 축에 대한 기판의 경사를 지시하는 신호를 얻을 수 있다. 이 신호는 MAX,7 및 MAX,8 측정축에 의해 공급된 신호의 차이에 비례한다.

도 6의 실시예에서, 잉여 방사원이 제공되고 제 2의 Z 검출기를 수용하는 개별적인 간섭계 유닛(180)이 요구된다. 도 7은 잉여 간섭계 유닛이 요구되지 않는 간섭계 시스템의 일 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서, MAX,8 측정축에 대한 측정 빔은 제 2의 Z 검출기를 더 포함하는 간섭계 유닛(100)에 의해 공급된다. MAX,8 측정축에 대한 측정 빔은 기판 및 투영렌즈 사이의 공간을 횡단하고, 2개의 반사면(171 및 172)을 구비하는 루프 반사기(roof reflector)(170)에 의해 Z 측정미러(R₄)로 반사된다. 측정미러(R₄)는 Z 반사기(168)로 측정 빔을 반사하고, Z 반사기(168)는 다시 측정빔을 측정미러(R₄)로 반사하고, 그 후에 이 빔은 검출기 유닛(100)에 대해 역경로를 횡단한다. 이 유닛에서, 측정 빔은 전술한 제 2 검출기에 의해 수용된다.

Z 측정미러(R₃및 R₄)는 기판홀더의 전체 길이에 걸쳐, 도 5, 도 6 및 도 7의 평면에 수직한 방향인 Y 방향에서 연장한다. 리소그래피장치가 스텝 앤 스캐너이면, Y 방향은 스캐닝(scanning) 길이 전체에 걸쳐 Z측정이 실행될 수 있는 스캐닝 방향이다.

원칙적으로, Z 측정미러의 폭은 이 미러의 영역에서 Z 측정 빔 단면의 직경과 대등하거나, 또는 이 빔이 Z 반사기에 대한 경로를 2회 횡단한다면 약간 크게 된다. 이는, 이 폭이 제한될 수 있고, Z 측정미러의 표면이 작게 유지될 수 있음을 의미한다. 그들의 작은 총 표면에 기인하여, 측정미러는 원하는 표면 정확도로 실제적으로 제조될 수 있다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 투영렌즈 시스템(PL)의 주축(AA') 및 Z 반사기(168)의 단부 사이에는 소정 거리(f)가 존재한다. 이 거리는 예를 들면, 70 mm 정도이다. 기판의 우측 말단부가 조명되고, 기판홀더(WH)의 말단 X 위치에서 Z 측정 역시 실행되도록 하기 위해서는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 축(AA') 및 측정미러(R₄) 사이의 거리(h)는 그 위치에 대한 거리(f)와 적어도 동등해야 한다. 이는, Z 측정의 목적으로, X 방향으로 기판홀더의 폭이 소정치로 증가되어야 함을 의미한다. 만일, MAX,8 측정축을 통한 Z 측정에 부가하여 MAX,7 측정축을 경유하는 Z 측정 역시 실행된다면, 기판홀더의 폭은 이 값의 2배로 증가되어야 한다. Z 측정미러(들) 및 X 및 Y 측정미러 모두가 그의 측면에 배열되도록 하기 위해 기판홀더 역시 소정 높이를 가져야 하므로, X 방향으로의 더 큰 치수는 홀더의 중량을 상당히 증가시키게 된다. 이는 홀더에 요구되는 구동력 및 안정성 요건에 불리하게 작용한다. 따라서, Z 측정미러는 바람직하게는 경사진 측면을 갖는 바 형상의 요소 상에 배열되고, 이 요소는 기판홀더에 견고하게 접속된다.

도 8은 바 형상의 요소(191, 192) 상에 배열된 2개의 Z 측정미러(R₃및 R₄)를 구비하는 간섭계 시스템의 일 실시예를 나타낸다. 이제, 측정미러의 소요 폭이 이 미러의 영역에서 측정 빔 단면의 직경보다 약간 크거나 대등하므로, 바 형상 요소의 Z 방향 치수가 제한될 수 있다. 전술한 Z 측정을 실행하는데 적합하게 되도록 하기 위하여 기판홀더에 부가된 잉여 중량은 이에 의해 제한된다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 2개의 Z 측정미러가 기판홀더의 하부에 배열된다. 따라서, 간섭계 유닛(100)과 이와 관련된 X 측정축은 기판홀더의 상부면에 인접하여 위치할 수 있어, 이들 측정축에 대한 아베 에러의 위험이 감소될 수 있다. 아울러, 기판홀더 측면의 최대부 및 기판홀더와 투영시스템 사이의 최대 공간은, 전술한 측정 외의 본 발명과 무관한 측정을 수행하는데 유용하게 된다.

도 8에서 MAX,4 및 MAX,5로 표시된 기판홀더(WH) 상의 스폿은, 측정축 MAX,4 및 MAX,5 및 이와 관련된 간섭계 유닛(150)(도 4)의 측정 빔이 기판홀더의 이 측면 상에배열된 X 측정미러에 충돌하는 위치이다.

도 8에서, Z 측정축 MAX,7 및 MAX,8과 연관되고 측정미러(190 및 193)에 이르는 기준빔이 b_z,1,r 및 b_z,2,r 로 표시되었다. 전술한 바와 같이, 이들 기준빔은 광학 미분을 행하는데 사용된다. 이 광학 미분은, 실제에 있어서 기판홀더가 빠른 속도 및 가속도로 이동하는 경우 특히 중요하다. 따라서, 검출기 신호가 매우 빠르게 변화한다. 충분히 정확하고 신뢰할만한 측정을 얻기 위해서는, X 또는 Y 측정미러에 이르지 않는 Z 기준 빔을 사용하는 경우 간섭계 시스템에 매우 빠른 신호처리 회로가 제공되어야 한다. 광학 미분이 제공된다면 이는 반드시 필수적이지는 않다.

도 8 역시 투영 빔(PB)를 나타낸다. 스텝 앤 스캐닝 리소그래피장치의 경우에 있어서, 이러한 빔은 기판영역에서 장방형, 예를 들어 직사각형의 단면을 가지며, 그 길이 방향(longitudinal direction)은 X방향에 평행하다. 마스크와 기판을 투영 빔과 투영 렌즈시스템에 대해 Y 방향으로 이동시킴으로써, 기판의 IC필드 상에 있는 마스크 패턴의 각각의 이미지 위에서, 이러한 빔은 기판을 따라 Y 방향으로 움직인다.

다른 실시 예에서, 간섭계 시스템은 3개의 Z 측정축을 포함하여 이루어지고 기판 홀더는 3개의 Z 측정미러를 제공한다. 도 9는 3개의 Z 측정미러(R₃, R₄, R₅)와 이에 관련된 Z 측정 축 MAX,7, MAX,8, MAX,10 를 갖는 기판 홀더를 매우 도식적으로 나타낸 평면도이다. 기판의 Z위치가, 하나의 동일한 기준인 플레이트(163)의 반사 저부에 대해 3개의 점에서 측정되기 때문에, 결합(joint) Z 측정축은 Z 위치와 기판의 X 축과 Y축에 대한 가능한 경사에 대한 정보를 제공할 수 있다. 이러한 경사 측정은 측정 축 MAX,3, MAX,5 의 도움으로 이들 측정을 대신할 수도 있어서, 측정 축의 전체 개수를 6개로 줄일 수 있다. 그러나, 예를 들면 MAX,3 및 MAX,4 측정축을 수단으로 하여 경사측정을 점검하기 위한 부가적 측정으로서 Z측정축들을 수단으로 하여 경사측정을 활용하는 것도 대안적으로 가능하다.

도 10은 간섭계 유닛의 실시예를 나타낸 것으로서, 도 4에서 Z 측정축이 제공된 유닛(100)으로 나타낸 바 있다. 이러한 유닛이 포함하고 있는 것은 편광-감지 빔 스플리터(201)와, 2개의 λ/4 플레리트(203, 204)와, 기준 반사기(205)와, 2개의 역반사기(206, 207)와, 복합 프리즘(208)과, 2개의 검출기(213, 215)이다. 여기서 2 개의 검출기는 도 4에서 나타낸 간섭계 유닛(100)의 평면(95) 위에 배열될 수도 있다. 이 간섭계 유닛은 헤테로다인 형이다. 따라서 빔(b₂₀)은 제만 레이저로 구현된 헬륨-네온 레이저로부터 나온다. 이러한 레이저는 예로서 6MHz의 광학적 주파수차를 갖는 서로 수직인 2개의 편광 성분을 갖는 빔을 공급한다. 이러한 2개의 성분은 도 10에서 각각 실선과 점선으로 나타낸다. 이러한 방사선 성분은 US-A 5,485,272(PHN 14.702)에 공지된 빔 스플리터 및 음파 광학 변조기(acousto-optical modulator)와 같은, 일반 레이저의 조합으로도 얻을 수 있다.

프리즘(201)으로 입사하는 빔(b₂₀)은 편광-감지 인터페이스(202)에 의해서 측정 빔(b_20,m)과 기준 빔(b_20,r)으로 나눠진다. 기준빔(b_20,m)은 기판 홀더의 측정미러(R₁)로 통과되며 이 미러에 의해 위치(P_x,1)에서 반사된다. λ/4 플레이트(203)를 2회 횡단하는 반사된 측정 빔의 편광 방향이 입사 빔(b₂₀)의 편광 방향에 대해 90°회전되도록 하는 λ/4 플레이트(203)는 프리즘(201)과 미러(R₁) 사이에 배열된다. 이 반사 측정 빔은 인터페이스(202)에 의해, 예를 들어, 3차원 코너 규브 프리즘의 형태인 역반사기(206)로 반사된다. 이 프리즘에 의해 반사된 빔은 인터페이스(202)에 의해 후속하여 반사되고 측정 빔(b'_20,m)으로서, 측정미러(R₁)로 다시 보내지고 이 미러에 의해 위치(P_x,2)에서 프리즘(201)으로 다시 반사된다. 이러한 빔은 다시 λ/4 플레이트(203)를 두 번 통과하여 그의 편광방향이 다시 90° 회전되어 인터페이스(202)를 통과한다. 후속하여 이 빔(b'_20,m)은 프리즘 시스템(208)에 도달하여 그 표면(209)에 의해 반사되고 편광 분석기(212)를 거쳐 최종적으로 감광 검출기(213)에 도달한다.

인터페이스(202)에 의해 반사된 기준빔(b_20,r)은 λ/4 플레이트(204)를 횡단하고, 기준 반사기(205)에 의해 반사되어 λ/4 플레이트를 두 번째로 통과한다. 인터페이스(202)로 입사된 빔(b_20,r)의 편광 방향은 90° 회전하고, 이 빔은 역반사기(206)를 통과한다. 역반사기(206)에 의해 반사된 빔(b'_20,r)은 기준빔으로서 기준 반사기(205)로 다시 보내지고 기준반사기(205)에 의해 인터페이스(202)로 반사되고, 다시 90°회전된 편광방향으로 된다. 인터페이스(202)는 후속하여 빔을 프리즘시스템(208)으로 반사하고, 이 시스템의 표면(209)은 빔(b'_20,r)을 검출기(213)로 반사한다. 분석기(212)의 편광 방향은 45도의 각도에서 빔(b'_20,m, b'_20,r)의 상호 수직한 두 편광 방향들까지 미친다. 분석기에 의해 통과된 이러한 빔의 성분은 동일한 편광 방향을 갖고 상호 간섭한다. 검출기(213)의 출력 신호(S₂₁₃)는, 제만 주파수 차(Zeeman frequency difference)에 X 방향으로의 측정미러(R₁)의 변위에 종속적인 주파수 시프트가 더해지거나 빼진 주파수에서 세기 변조(intensity modulation)를 갖는다.

원칙적으로, 역반사기(206)은 또한 기판 측정미러(R1)에 의해 검출기(213)에 입사하는 측정빔 및 기준빔이 오직 한번만 반사될 수 있도록 생략될 수 있다. 역반사기(206)가 측정빔을 측정미러상에 빔(b_20,m, b'_20,m)의 두번 반사하는 도 10의 간섭계 유닛(100)의 특별한 실시예는, 궁극적으로 검출기(213)에 입사하는 측정빔(b'_20,m)의 방향이 X축에 직각인 축에 대한 미러(R₁)의 가능한 회전과 무관하다는 장점을 갖는다. 신호(S₂₁₃)는 오직 순수한 X 변위정보만을 포함한다. 동일한 이유로, 가능한 기준 반사미러(205)의 회전은 신호(S₂₁₃)에 대해 어떠한 영향도 미치지 않는다.

도 10의 도면의 평면에 직각인 Z축에 대한 기판홀더의 회전 또한 도 10의 간섭계 유닛에 의해 측정될 수 있다. 이는 제 1 X측정이 수행되는 위치(P_x,1(P_x,2))로부터 최대거리의 위치(P_x,3(P_x,4))에서의 제 2 X측정에 의해 달성된다. 이를 위해 프리즘 시스템(208)의 면(210)은, 일부분의 측정빔(b'_20,m) 및 기준빔(b'_20,r)을 새로운 기준빔(b_21,r) 및 새로운 측정빔(b_21,m)으로서 빔스플리팅 프리즘(201)에 각각 보내는 부분 투명미러로서 구현된다. 두 빔의 편광방향은 먼저 λ/2 플레이트에 의해 90°회전하여 이들 빔의 기능은 서로 바뀌게 된다. 측정빔(b_21,m)은 편광감지 인터페이스(202)에 의해 기판 측정미러(R₁)로 통과되고, 기준빔(b_21,r)은 기준 반사기(205)로 반사된다. 빔 (b_21,m,b_21,r)에 의해 횡단되는 경로는 빔(b_20,m,b_20,r)에 의해 횡단되는 경로와 동일하다. 바람직하게는, 측정빔 및 기준빔이 빔(b'_21,m,b'_21,r)처럼 기판측정미러(R₁) 및 기준 반사기(205)로 각각 2번째로 보내지는 것을 보장하기 위해 제 2역반사기(207)가 제공된다. 프리즘 시스템(208) 및 제 2 편광분석기(214)를 경유하여, 2번째 반사된 측정빔(b'_21,m) 및 기준빔(b'_21,r)은 이들 빔이 서로 간섭하는 제 2검출기(215)에 도달한다.

이 검출기의 출력신호(S₂₁₅)는, 제만 차 주파수(Zeeman difference frequency)와, 이제는 Z축에 대한 측정미러(R1)의 가능한 회전에 종속하는 주파수 시프트와의 합 또는 차와 동일한 주파수에서 세기변조를 갖는다. 사실, 이러한 회전이 발생하면, 위치(P_X,1, P_X,2)에서 반사가 발생하는, 시스템을 관통하는 제 1 통로에서의 측정빔 및 기준빔 사이의 주파수 시프트가, 위치(P_X,3, P_X,4)에서 반사가 발생하는, 시스템을 관통하는 제 2 통로에서의 주파수 시프트와 다르다. 검출기(215)에 의해 측정된 주파수차는 상기 주파수 시프트 사이의 차이다. 만약 기판 측정미러(R1)가 Z축에 대해 회전을 하지 않는다면, 결과적인 주파수차는 영이다. 주파수 시프트로부터 기판홀더의 Z축에 대한 X변위 및 회전(φ_Z)을 유도하도록 신호(S₂₁₃, S₂₁₅)가 전자적으로 처리되기 위해, 참조문헌 에스 피 아이 이(SPIE), vol. 1088 "광학/레이저 마이크로리소그래피(Optical/Laser Microlithography)", Ⅱ, 1989, pp.268-272 논문이 참조될 수 있다.

2개의 주파수 성분을 가지는 빔(b₂₀)대신, 하나의 주파수 성분만을 가지는 빔이 사용될 수도 있으며, 측정빔 및 기준빔 사이의 위상차를 판정함으로써 측정미러(R₁)의 변위 또는 회전이 측정된다.

본 발명에 따르면, 간섭계 유닛(100)은 Z측정을 수행할 수 있도록 확장된다. 도 11은 Z 측정축이 제공된 간섭계 유닛(101)의 일실시예의 XZ평면상에서의 단면을 도시한다. 예를 들어, 이 간섭계 유닛(101)은 X 측정축(MAX,1, MAX,2)용 빔(b₂₀)을 공급하는 제 1 방사원(225) 및 Z측정축(MAX,7)용 빔(b₂₅)을 제공하는 제 2 방사원(229)을 포함한다.

빔(b₂₅)은 편광-감지 빔스플리팅 프리즘(201)에 의해 측정빔(b_25,m) 및 기준빔(b_25,r)으로 분할된다. 측정빔(b_25,m)은 이 인터페이스에 의해 Z 측정미러(R₃)로 통과된다. 이 미러는, 빔을 측정미러(R₃)에 다시 되돌려 보내는 Z반사기(164)로 측정빔을 반사한다. 이 미러는 다시 인터페이스(202)로 빔(b_25,m)을 반사한다. 인터페이스상으로의 두번째 도달시에, 빔(b_25,m)은 λ/4플레이트(203)를 두번 횡단하므로, 편광의 방향은 이 빔의 최초의 편광방향에 대해 90°회전하고, 빔(b_25,m)은 인터페이스에 의해 Z검출기(235)쪽으로 반사된다.

기준빔(b_25,r)은 인터페이스(202)에 의해 기준 반사기(205)로 반사되고, 이 반사기에 의해 이 빔이 λ/4플레이트(204)를 두번째 지나게 하는 인터페이스쪽으로 반사된다. 인터페이스(202)에 도달시에, 빔(b_25,r)의 편광방향은 이 빔의 최초 편광방향에 대해 90°회전하고, 빔(b_25,r)은 인터페이스에 의해 검출기(235)쪽으로 통과된다. 편광 분석기(234)가 이 검출기에 선행하여, 빔(b_25,m,b_25,r)의 성분이 검출기(235)의 영역에서 서로 간섭할 수 있다. 이 검출기의 출력신호(S₂₃₅)는 제만 주파수에 Z 반사기(164)에 대한 Z측정미러의 Z방향의 변위에 종속하는 주파수 성분을 더하거나 뺀값과 같은 주파수에서 세기변조를 갖는다. 순수 Z위치신호를 얻기 위해, 검출기(213 또는 215)의 X위치신호 또는 이들 신호의 조합은 검출기(235)의 출력신호로부터 빼져야 한다.

도 11의 지점(P_X,1, P_X,3)은 X 측정축이 X 측정미러와 교차하는 지점이다. 이 실시예에서는 역반사기가 사용되지 않고 X측정빔은 측정미러(R₁)에 의해 한번만 반사되기 때문에, 측정축(MAX,1, MAX,2)은 이들 측정빔의 주축과 일치한다. 이들 측정빔은 인터페이스(202)에 의해, 기준 반사기(205)에 의해 반사되고 난 후 관련 기준빔이 도달하는 검출기(213, 215)로 각각 반사된다. 또한 이 실시예에 있어서는, Z측정빔이 Z 측정미러를 경유하여 오직 한번 Z반사기(164)쪽으로 및 그 반대로의 경로를 횡단하므로, 측정축(MAX,7) 또한 Z 측정빔의 주축과 일치한다.

2개의 별도의 방사원 대신, 방사원과 편광-중성(polarization-neutral) 빔 스플리터의 조합이 빔(b₂₀, b₂₅)을 공급하는 Z측정축을 구비하는 간섭계 유닛에 대안적으로 사용될 수 있다. 2개의 주파수 성분을 갖는 빔 대신, 하나의 주파수 성분만을 갖는 하나의 빔이 각 빔(b₂₀, b₂₅)을 위해 사용될 수 있다. 이 경우에 관련 측정미러의 변위는 관련 측정빔 및 기준빔의 위상차를 판정함으로써 측정된다.

도 10에 블럭(22)에 의해 개략적으로 도시되듯이, 미러(R₁)에 의해 반사된 X측정빔(b'_20,m)은 또한 Z 측정빔으로서 사용될 수 있다. 이 목적을 위해, 프리즘 시스템(208)의 표면(209)은 빔(b'_20,m,b'_20,r)의 일부분을 통과시키는 부분 투명 반사기(partially transparent reflector)로 구현된다. 반사기 시스템(220)은, Z 측정빔 및 기준빔(b_26,m,b_26,r)으로서 사용되는 통과된 빔성분의 경로내에 배치된다. 이 시스템이 빔(b_26,m, b_26,r)을 빔 스플리터(201)로 반사하고 Z방향으로 서로에 대해 평행하게 변위시켜, 빔들을 도 10의 평면의 전방에 위치한 제 2 XY평면내로 연장하게 하여, Z 측정빔이 Z 측정미러(R₃)에 도달할 수 있다. 상기 제 2 XY평면은 Z 측정빔(b_26,m) 및 Z 기준빔(b_26,r)과 함께 도 12에 도시된다.

빔(b_26,m,b_26,r)의 경로는 빔 스플리터(201)의 전방에서 이들 빔의 편광방향을 90°회전시키는 λ/2 플레이트(224)를 통합하여, 기준빔 및 측정빔의 기능이 서로 교체된다. 바람직하게는, 역반사기(228)가 Z측정빔을 위해 제공되고, 이 빔은 위치(P_X,7, P_X,8)에서 Z 측정미러에 의해 빔(b_26,m,b'_26,r)으로써 2번째로 Z 반사기(164)에 각각 반사되고, 기준빔은 기준미러(205)에 의해 빔(b_26,r,b'_26,r)으로써 2번째로 반사된다. Z 측정빔및 간섭계 유닛을 관통하는 Z 기준빔에 의해 횡단되는 경로는 X 측정빔 및 X 기준빔에 의해 횡단되는 통로와 유사하다.

빔(b'_26,m,b'_26,r)은 결국 이들 빔의 편광방향과 동일한 방향을 가지고 서로 간섭하는 성분을 검출기(227)로 통과시키는 편광 분석기(226)에 도달한다. 이 검출기의 출력신호(S₂₂₇)는 제만 차 주파수에 Z 방향으로의 Z 측정미러의 변위에 종속하는 주파수 성분을 합하거나 뺀값과 동일한 주파수에서 세기변조를 갖는다. 사실, 만약 이러한 변위가 발생하면, 측정빔(b'_26,m)및 기준빔(b'_26,r)사이의 주파수 시프트는 측정빔(b'_20,m)및 기준빔(b'_20,r) 사이의 주파수 시프트와 다르다. 검출기(227)에 측정된 주파수 차이값은 이들 주파수 시프트사이의 차이값이다. 만일 Z 방향으로의 변위가 없다면, 결과적인 주파수 차이는 영이다.

도 13은 반사기 시스템(220)의 실시예를 자세히 도시한다. 이 시스템은 X 축과 평행하게 연장하는 빔(b'_20,m,b'_20,r)을 Z 축방향으로 반사하는 제 1 반사기(221) 및 이들 빔을 다시 X 축에 평행한 방향으로 반사하는 제 2 반사기(222)를 포함한다. 한쌍의 반사기(221, 222)는 Z 축을 따라 평행하게 빔을 변위시킨다.

설명된 실시예에 있어서, 측정빔 및 관련 기준빔은, 바람직하게는 단일 방사스폿 대신 간섭패턴이 관련 검출기의 위치에서 발생하는 것을 방지하도록 각 측정축에 대해 서로 평행하다. 빔 스플리터(201), 프리즘 시스템(208) 및 반사기 시스템(220)의 표면의 평탄함과, 프리즘 시스템(208)의 표면(209, 210) 사이의 각도 및 반사기 시스템의 표면(221, 222) 사이의 각도에 의해 결정되는 이러한 평행은, 상기 표면들이 3초의 각도(3 angle seconds)내로 정확히 평탄하게 될 수 있고 상기 각도는 정확히 90°로 될 수 있기 때문에, 실제적으로 충분하게 실현될 수 있다. 반사기 시스템(220)은 조립동안의 정렬문제를 피하고 시간이 지남에 따른 안정성을 보장하도록 바람직하게는 프리즘 시스템(208)에 합체된다.

도 10, 11 및 12에 도시된 간섭계 유닛은 측정빔 및 측정축과 연관된 기준빔이 빔 스플리터(201)에 대해 대칭이고 이 빔 스플리터를 관통하는 동일한 경로길이를 갖는 장점이 있다. 이로 인해 불안정성의 위험이 상당히 제거된다.

도 10 및 12에 따른 장치에 있어서, Z축 및 Z위치에 대한 회전을 측정하는데 필요한, 측정축(MAX,1, MAX,2 및 MAX,7)과 연관된 신호사이의 차이값은 광학적으로 결정된다. 만약 이들 측정축을 통해 얻어진 정보가 I_MAX,1, I_MAX,2및 I_MAX,3로 표현된다면, 도 10 및 12의 실시예에 있어서의 검출신호 S₂₁₃, S₂₁₅및 S₂₂₇는 다음과 같다.

X축 및 Z축에 대한 변위의 크기 및 방향에 대한 정보 및 Z축에 대한 회전정보를 포함하는 신호 S(X), S(Z) 및 S(φ₂)는 다음과 같다.

변수 g 및 h 는 도 14에 설명된다. 이 도에 있어서, 측정빔(b_20,m,b'_20,m,b_21,m,b'_21,m, b_26,m및b'_26,m)의 주광선이 미러(R₁, R₃)에 입사되는 지점은 원(P_X,1, P_X,2 , P_X,3, P_X,4, P_X,7, P_X,8)에 의해 각각 표시된다. 앞의 도면에서 MAX,1, MAX,2 및 MAX,7에 의해 표시된 측정축은 측정빔의 각 쌍과 연관된다. 이 측정축이 미러(R₁, R₂)에 입사되는 지점은 도 14에서 Q₁, Q₂, Q₃로 표시된다. 이러한 신호의 도움과 아베에러(Abbe error)와 관련된 캘리브레이션 변수(calibration parameter)를 고려함으로써, X위치, Z위치 및 Z축에 대한 회전이 결정될 수 있다.

이미 언급했듯이, 다른 측정축과 연관된 신호사이의 차이값은 광학적으로, 즉, 도 10, 12 및 13을 참고하여 설명된 광학적 미분을 사용하여 결정되는 것이 바람직하다. 이러한 상황에서, 전자적 미분은 대안으로서 사용될 수 있다. 이때, 세개의 분리된 빔은 도 15에 도시되듯이 빔 스플리터에 공급되어야 한다.

빔(b₂₀)의 경로는 편광감지 빔 스플리터(201)의 전방에서, 주축이 도 14의 평면인 제 1 XY평면에 위치한 제 1 및 제 2 빔(b₄₁, b₄₂)과, 주축이 도 14의 평면의 전방의 제 2 XY평면에 위치한 제 3빔(b₄₃)으로 빔(b₂₀)을 분할하는 편광-중성 빔 스플리터(230)를 통합한다. 빔 스플리터(230)는 부분적인 또는 부분적이 아닌 투명 반사기의 조합을 포함하고, 다양한 방식으로 구현될 것이다. 예를 들어, 반사기는 평면평행(plane-parallel) 플레이트의 면이어서, 빔(b₄₁, b₄₂, b₄₃)은 충분하게 평행하다. 이들 빔의 각각은 인터페이스(202)에 의해 측정빔 및 기준빔(b_41,m,b_41,r,b_42,m,b_42,r, b_43,m및b_43,r)으로 각각 분할된다. 명료성을 위해 오직 방사선 경로의 일부분만이 기준빔(b_41,r)으로서 도시된다.

바람직하게는, 역반사기(206, 207 및 228)가 빔(b₄₁, b₄₂및 b₄₃)의 경로내에 배치되어, 빔 스플리터(201)를 떠나는 측정빔(b'_41m, b'_42m및 b'_43m)은 관련 측정미러(R₁, R₃)에 의해 두번 반사된다. 관련 기준빔과 함께 각각의 측정빔은 분석기(212, 214 및 226)에 의해 별도의 검출기(213, 215 또는 227)상에 입사된다.

도 15의 실시예에 있어서, 검출신호(S₂₁₃, S₂₁₅및 S₂₂₇) 및 측정축을 통해 얻어진 정보사이의 관계는 다음과 같다.

측정신호 S(_X), S(₂) 및 S(Z)는 다음과 같다.

3개의 종속 측정축을 구비한 장치 및 3개의 결합된 측정축을 구비한 장치사이의 선택은, 한편으로는 기판홀더의 이동속도, 따라서 측정축의 정보가 변하는 속도(rate), 다른 한편으로는 신호처리 전자적 유닛의 속도에 의해 결정된다. 기판홀더의 빠른 속도에서는, 결합된 측정축을 구비한 장치가 선택될 것이다. 이 선택은 간섭계 유닛이 측정신호 S(X), S(φ₂) 및 S(Z)에 영향을 주는 정도에 의해 더욱 결정된다. 간섭계 에러는 검출기 신호(S₂₁₃, S₂₁₅및 S₂₂₇)에 있어서 간섭계 자체에 의해 야기된 에러이다. 이러한 에러가 각 검출기 신호에서 발생할때, 3개의 종속 측정축의 경우의 측정신호에 있어서의 에러는 다음과 같고,

3개의 결합된 측정축의 경우엔 다음과 같다.

EP-A 0498499에 설명된 바와 같이, 간섭계 유닛(100)에 별도의 X 측정축이 제공될 수 있다. Y축에 대한 기판의 경사(φ_ij)를 나타내는 신호는, MAX,1 측정축에 의해 제공되는 정보와 조합하여 이 측정축 MAX,3의 정보로부터 얻어진다. 도 14에 있어서, 만약 이 측정빔이 역반사기를 통해 미러(R₁)에 두번 통과된다면, 참조번호 P_X,9 및 P_X,10은 측정축 MAX,3과 관련된 측정빔이 X측정미러(R₁)에 연속적으로 부딪히는 지점을 나타낸다.

MAX,3 측정축용 측정빔은 별도의 방사원에 의해 제공될 것이다. 하지만, 이 측정빔은 대안적으로 Z측정빔을 얻기위해 도 10, 12 및 13을 참조하여 설명된 것과 유사한 방식으로 얻어질 것이다. 그 다음 측정미러(R₁) 및 프리즘 시스템(208)에 의해 통과되는 측정빔(b'_20,m)의 경로는 시스템(220)과 유사한 반사기 시스템을 통합한다. 이 시스템은 측정빔 및 관련 기준빔을 측정미러(R₁)로 반사하고, 빔이 도 10의 평면과 상이한 XY평면내로 연장하는 것을 보장한다. 이 XY평면에서 빔들은, Z측정빔 및 관련 기준빔에 대해 도 12에 도시된 것과 유사한 경로를 횡단한다. 하지만, 측정축 MAX,3의 측정빔이 연장하는 XY평면은 도면의 평면의 전방이 아닌 후방에 위치된다. 간섭계 유닛은 MAX,3 측정축용 별도의 검출기를 포함한다.

신호가 MAX,3 측정축에 의해 얻어질 수 있는 방법에 대해, 3개의 X측정축을 구비한 간섭계 유닛이 설명된 EP-A 0489499가 참조된다. 본 발명을 이러한 유닛으로 구현하기 위해, 중성 빔 스플리터가 프리즘 시스템(208) 및 반사기 시스템(220) 사이에 배치되고, 도 13에 도시된 반사기 시스템은 이 빔 스플리터에 의해 형성된 각 측정빔의 방사선경로에 위치될 것이다.

Y 방향으로의 기판홀더의 변위 및 X축에 대한 홀더의 가능한 경사를 측정하기 위해, 복합의 간섭계 시스템은 도 4에서 150으로 표시된 제 2 간섭계 유닛을 포함한다. 주로, 이 간섭계 유닛은 두개의 측정축(MAX,4 및 MAX,5)을 구비한다. 간섭계 유닛(100)과 동일한 원리로 제작된 이 간섭계 유닛의 구성 및 작동의 설명을 위해 EP-A 0489499가 참조된다. 간섭계 유닛(100) 대신, 또는 유사하게, 이 간섭계 유닛은 또한 도 10, 11, 12, 13 및 15를 참조하여 설명된 것과 동일한 방식으로 Z측정축 및 관련 검출기로 확장될 수 있을 것이다.

간섭계 유닛(100 및 150)에 있어서, 유닛(100)내의 검출기(213, 215 및 227)가 유닛(100)내의 분석기(212, 214 및 226)뒤에 직접적으로 배치될 필요는 없지만, 원한다면, 이 검출기들은 먼 거리에서 가능한한 서로 가깝게 배치될 것이다. 광학파이버(optical fiber)는 빔을 검출기로 안내하는데 사용될 수 있다. 파이버의 입구평면상에 빔을 포커싱시키는 렌즈는 분석기 및 파이버 사이에 배치될 것이다.

도 10, 12 및 15에 도시된 프리즘 역반사기 또는 3차원 "코너 규브"는 또한 고양이 눈 역반사기(cat's eye retroreflector)로 교체될 수 있다. 이러한 역반사기는 초점평면내에 배치된 미러를 구비한 렌즈로 구성되며, 반사된 빔의 주축이 입사빔의 주축과 평행할뿐만 아니라, 이들 주축이 일치함을 보장한다.

복합 간섭계 시스템의 요구되는 정밀성의 관점에서 볼때, 온도, 공기압, 습도와 같은 주위변수(ambient parameter)의 변화는 중요한 역할을 할것이다. 이러한 변화는 간섭계 빔이 전파되는 매체의 굴절율의 변화를 일으킨다. 이러한 변동는 또한 매체내의 요동(turbulence)에 의해 기인될 것이다. 이러한 변동을 판정하여 이 변동이 수정될 수 있게 하기 위해, EP-A 0498499는 빔이 그것을 따라 연장하는 기준축으로서 이용되는, 예를 들어 별도의 제 6의 측정축을 구비한 간섭계 시스템을 제공하는 것을 제안하고 있으며, 이 제 6의 측정축은 고정 기준반사기와 상호작동한다. 도 4에 있어서, 이 반사기는 참조번호 170으로 표시되고, 기준 측정축의 측정빔은 b_50,m으로 표시된다. 이 빔은 바람직하게는, 최소의 측정축을 구비하는 간섭계 유닛, 예를 들어 설명된 실시예에 있어서는 유닛(150)에 의해 공급되고, 이 유닛으로부터 들어오는 빔은 반사기(171)에 의해 반사기(170)로 보내진다. 간섭계 유닛은 기준 반사기에 의해 반사된 빔(b_50,m) 및 관련 기준빔을 수용하고 이들을 전기적 신호로 변환하기 위해 별도의 검출기를 포함한다.

측정빔(b_50,m)은 일정한 기하학적 경로길이를 횡단한다. 하지만, 기하학적 경로길이와 횡단된 매체의 굴절율의 곱(product)인 광학적 경로길이는 굴절율의 변화에 의해 영향을 받는다. 이 변화는 또한 측정빔(b_50,m) 및 관련 기준빔 사이의 경로길이차에 영향을 미친다. 경로길이차의 변화는 상기 별도의 검출기에 의해 측정되고, 그것의 출력신호는 요동 및 주위변수의 변화로 인한 굴절율 변화에 대한 다른 측정축을 통해 얻어지는 정보를 수정하는데 이용될 수 있다.

도 4에 도시되듯이, 기준 반사기(170)는 플레이트(190), 바람직하게는 "제로듀어(Zerodure) 또는 인바(Invar)"와 같은 매우 안정된 물질을 통해 간섭계 유닛(150)에 연결된다. 따라서, 기준 측정축용의 매우 안정된 구조가 얻어진다.

기준 측정축의 정보는 또한, 만약 이들 측정 시스템의 빔이 간섭계 빔의 공간과 동일한 공간(space)를 횡단한다면, 초점에러 검출 시스템 및/또는 초점 및 레벨 검출 시스템과 같은 다른 광학적 측정 시스템으로부터의 측정정보를 수정하는데 사용될 것이다.

굴절율 변화를 측정하기 위해 하나의 측정빔을 사용하는 것만으로도 충분하 다. 하지만, 원한다면 이중 측정빔 및 이중 기준빔이 또한 기준 측정축을 위해 다른 축정축용으로 앞서 설명된 방식으로 실현될 수 있다.

굴절율 변화는, 또한 예를 들어 팩터 2만큼 상당히 다른 파장길이를 갖고 간섭계 빔이 전파되는 매체내의 동일한 경로를 횡단하는 두개의 측정빔에 의해 측정될 수 있다. 빔에 대한 굴절율이 이 빔의 파장에 종속되기 때문에, 이들 빔에 대한 광학적 경로길이는 빔에 대해 동일한 기하학적 경로길이에도 불구하고 상이하여, 이들 빔은 검출기에 도달할때 다른 위상을 갖게된다. 굴절율 변화의 경우에 있어서, 이 위상차의 변동도 존재하므로 굴절율 변화를 가리키는 신호가 얻어진다. 예를 들어 US-A 5404222에 개시된 굴절율 변화의 측정은 도 4의 b_50,m으로 표시된 기준 측정축을 따라 수행될 수 있지만, 또한 Z 측정축을 포함하여 상술된 측정축의 어느것을 따라서도 수행될 수 있다.

간섭계 빔이 전파되는 전 공간에 걸쳐 동일한 환경이 보장된다면 복합 간섭계 시스템의 보다 정확한 정밀성이 얻어질 수 있다. 이는, 이 공간에 걸쳐 조절된(conditioned) 공기의 일정한, 바람직하게는 층상의 스트림(laminar stream)을 통과시킴으로써 실현될 수 있다. 여기서 언급된 공기 샤워(air shower)의 실시예는 구조적 데이터에 대해 참조가 행해진 EP-A 0489499에 설명된다.

본 발명은 5개 또는 6개축의 간섭계 시스템의 상술된 실시예에 사용될 뿐만 아니라, 이런 간섭계 시스템의 다른 실시예에서도 사용되며, 다른 실시예의 일부분이 EP-A 0489499에서 설명되어 있고 그 구조에 대해 자세히 참조된다. 5개 또는 6개 축의 간섭계 시스템에 추가하여, 본 발명은 예를 들어 도 2에 도시된 실시예처럼 두개의 간섭계 유닛을 구비한 3개 축의 간섭계 시스템과 같이 보다 적은수의 측정축을 갖는 간섭계 시스템에 사용된다.

스텝 앤 스캔(step and scan) 포토리소그래피장치에 있어서, 마스크 홀더는 또한 매우 정밀하게 이동되어야 한다. 이러한 이동을 확인하기 위해, 다중축 간섭계 시스템이 사용될 것이다. 또한 이 간섭계 시스템은 본 발명에 따른 시스템이어서, 매우 정밀하고 신뢰할만한 측정결과가 얻어질 수 있는, 하나 이상의 Z 측정축을 구비한 간섭계 시스템이다.

기판에 대해 스루풋 피드스루율(high throughput feed-through rate)을 갖는 리소그래피장치에 있어서 마스크 및 기판이 집적회로 영역의 조명동안 아주 정밀하게 서로에 대해 위치되는 것을 보장하기 위해서는, 기판홀더 및 마스크 홀더용 작동기의 힘이 기판 홀더용 간섭계 시스템의 구성요소에, 스텝 앤 스캐너(step and scanner)의 경우엔 마스크 홀더용 간섭계 시스템에 전달되는 것이 방지되어야 한다. 이러한 목적을 위해, 측정미러를 제외하고 간섭계 시스템(들)의 구성요소는 투영 시스템이 견고하게 고정된 견고한 프레임내에 배치될 것이고, 이 프레임은 장치의 다른 구성요소로부터 동적으로 격리되어 현수(suspend)된다. 간섭계 구성요소는 외란을 받지 않게 투영 시스템에 견고히 결합된다. 도량형 프레임으로도 언급된 상기 프레임은 장치에 있어서 동적으로 격리거나 진동으로부터 영향을 받지 않게 현수되기 때문에, 그 안의 간섭계 구성요소의 위치는 기판 테이블 및 마스크 테이블용 구동력같은 외력에 의해 더이상 영향을 받지 않는다.

도 16은 도량형 프레임이 제공된 스텝 앤 스캐닝 광학 리소그래피장치를 개략적으로 도시한다. 이러한 장치는 기판용 간섭계 시스템(ISW) 뿐만 아니라, 마스크의 X 및 Y 변위를 측정하는 간섭계 시스템(ISM)도 포함한다. 이들 간섭계 시스템 및 투영 시스템(PL)은 도량형 프레임(MF)내에 배치되기 때문에, 이들 시스템은 서로에 대해 견고하게 고정되고, 투영 시스템에 의해 형성된 마스크 패턴의 이미지는 간섭계 시스템에 결합된다.

도입부에서 언급되었듯이, 만약 장치에 마스크의 높이를 측정하는 용량형 또는 다른 센서와 함께 초점에러 검출 시스템이 제공된다면, 이들 검출시스템은 또한 도량형 프레임에 합체된다. 기판 간섭계 시스템의 측정미러(R_1.W 및 R3_.W)와 마스크 간섭계 시스템의 측정미러(R_1.r)가 각각 기판 및 마스크가 견고하게 고정된 기판홀더(WH) 및 마스크 홀더(MH)의 일부분이기 때문에, 기판 및 마스크의 이동은 이들 시스템과 함께 직접적으로 측정된다. 결과적으로, 이들 이동 및 형성된 마스크 패턴 이미지는, Z축에 따라 기판 및 마스크의 상호위치를 조절하는 작동기 등과 같은 상기 장치의 다른 구성요소의 이동에 의해 영향을 받지 않는다.

도 16의 로드에 의해서는 X 작동기(XA_W,XA_r)만이 예시되었으나, 마스크 및 기판을 X 및 Y 방향으로 변위시키는 작동기는 작동기 프레임(AF)의 일부분을 형성한다.

도량형 프레임은 개략적으로 도시된 동적 격리기(dynamic isolator)(SU₁, SU₂,SU₃및 SU₄)에 의해 작동기 프레임에 현수되어, 이 프레임은 장치의 나머지 부분으로부터 동적으로 분리(decouple)된다. 마스크 테이블(MT) 및 기판 테이블(WT)은 작동기 프레임내에 배치된다. 기판 테이블은 3개의 Z 작동기(2개의 작동기(ZA_W,₁, ZA_W,₂)가 도시됨)를 구비하고, 이 작동기에 의해 기판의 Z위치는 3개의 작동기의 동일한 활성(energization)에 의해 조절될 수 있고, 기판의 경사는 3개의 작동기의 비동일한 활성에 의해 실현될 수 있다. 만약 마스크 테이블에 3개의 Z작동기(2개의 작동기(ZA_r,1, ZA_r,2)가 도시됨)가 또한 제공된다면, 이들 이동은 비슷한 방식으로 마스크에 대해 실현될 수 있다.

투영렌즈 시스템에 대한 기판의 수직위치는 Z 측정축이 제공된 복합 기판 간섭계 시스템(ISW)를 구비한 본 발명에 따라 측정될 수 있다. 이에 추가하여, 도 1에서 요소(40-46)로 예시되듯이 초점에러 검출 시스템이 상기 장치에 제공될 것이다. 초점에러 검출 시스템 및 시스템(ISW)의 Z 측정축에 의해 제공된 정보에 의해, 기판 테이블내의 Z 작동기는, 기판이 수정된 높이 또는 Z위치로 조절되는 방식으로 제어된다.

더욱이, 플레이트(163)가 제공되어 투영렌즈 홀더의 하부에 견고하게 고정된다. 이미 언급했듯이, 이 플레이트의 반사 하부측(164)은 간섭계 시스템(ISW)의 Z측정축용 Z 반사기를 구성한다. 초점에러 검출시스템 또는 초점 및 수평 검출 시스템의 요소는 이 플레이트의 내에 또는 이 플레이트상에 배치될 것이다.

도량형 프레임 및 작동기 프레임을 구비한 도 16에 도시된 구조는 또한, 본 발명에 따라 Z측정이 수행되는 스테핑형(stepping type)의 리소그래피장치에 사용될 것이다. 이러한 장치는 마스크 간섭계 시스템을 포함하지 않는다.

도량형 프레임은 견고성 및 안정성이 매우 요구되고, 이 프레임의 재료는 매우 적은 온도팽창계수를 가져야 한다. 하지만, 만약 기판 간섭계 시스템 및 혹은 마스크 간섭계 시스템의 X 및 Y 측정축용 기준미러가 투영렌즈 시스템(PL)의 홀더 또는 도량형 플레이트(163)상에 고정된다면, 도량형 프레임에 대한 이들 요구는 경감될 수 있을 것이다. 간섭계 시스템 및 투영렌즈 시스템은 광학적으로 결합되어 있고, 상호운동은 더이상 측정에 영향을 미치지 않을 수 있다. 이 설비는 플레이트(163)하의 두개의 기준미러(180 및 181)와 함께 도 16에 개략적으로 도시된다. 이 기준빔은 기판 간섭계 시스템으로부터 반사기를 거쳐 이들 기준미러로 안내될 것이다. 또한 마스크 간섭계 시스템에 대해, 기준미러는 투영렌즈 시스템의 홀더에 고정될 것이다.

명확히 알수있듯이, 도량형 프레임이 없는 리소그래피투영장치에 있어서는 기판 간섭계 시스템 및 마스크 간섭계 시스템의 X 및 Y 기준미러는 동일한 장점을 얻기 위해 투영렌즈 시스템의 홀더에 고정될 것이다. 기준미러가 투영렌즈 시스템의 홀더에 고정된 다중축 간섭계 시스템이 제공된 포토리소그래피 투영장치는 PCT WO 97/33205에 개시되어 있다.

본 발명은 도입부에서 언급한 바와 같은 매우 큰 장점을 제공하고, 특히 도 1 및 16에 도시된 바와 같은 마스크 및 투영 시스템이 제공되고, 기판이 기판 테이블에 대해 정렬되는 하나 또는 그 이상의 별도의 정렬 스테이션이 제공된 조명 시스템 사이에서 이동하는 두개 또는 그 이상의 기판 테이블이 제공된 리소그래피장치에서 특히 큰 장점을 제공한다. 이러한 장치에 있어서 기판홀더는 비교적 큰 거리를 이동하기 때문에, 초점에러 검출 시스템 또는 초점 및 레벨 검출 시스템을 사용하는 것은 더이상 충분하지 않고, 기판의 Z위치의 별도의 측정이 요구된다.

도 17은 두개의 기판 홀더를 구비한 장치의 기계적 요소를 개략적으로 도시한다. 이 장치는, 수직 Z방향으로 볼 때 위치결정 장치(303), 마스크 홀더(307), 및 방사원(309)이 제공된 조명유닛(308)을 연속적으로 포함하는 프레임(301)을 포함한다. 위치결정 장치(303)는 제 1 기판 홀더(311) 및 이와 동일한 제 2 기판홀더(313)을 포함한다. 투영렌즈 홀더(305)는 마스크 홀더 및 기판홀더 사이에 제공된다. 기판홀더(311 및 313)는 Z방향에 직각으로 연장하는 제 1 및 2 지지면(317 및 319)을 포함하고, 제 1 및 2 지지면(317 및 319)위에 제 1 기판(320) 및 제 2 기판(321)이 각각 배치된다. 제 1 및 2 기판홀더(311 및 313)는 위치결정장치(303)의 제 1 변위유닛(323) 및 제 2 변위유닛(325)에 의해 프레임(301)에 대해 Z방향에 직각인 X방향에 평행한 제 1 방향, 그리고 Z방향 및 X방향에 직각인 Y방향에 평행한 제 2 방향으로 이동 가능하다. 마스크 홀더(307)는 Z방향에 직각으로 연장하고 그 위에 마스크(329)가 배치될 수 있는 지지면(329)을 구비한다.

조명되어야 할 기판들은 장치내에 설치된 매거진(magazine)내에 배열된다. 이 매거진으로부터, 운송(transfer) 메카니즘에 의해 기판들이 연속적으로 정렬스테이션 내로 도입된다. 도 17에 나타내지는 않았지만, 상기 매거진과 운송 메카니즘은 그 자체로 공지되어 있다. 도 17에서 모식적으로 나타낸 정렬스테이션 역시 측정유닛(333)에 의해 프레임(301)에 고정된다. 도 17에 나타낸 장치의 상태에서, 제 1 기판홀더(311)는 조명스테이션에 존재하고, 제 1 기판(320)은, 조명 유닛(308)에 의해 방출되고 마스크(329)를 경유하며 홀더(305)에 존재하는 투영시스템에 의해 포커싱된 방사선에 의해 조명된다. 이 투영시스템의 광학 축(331)만을 나타내었다. 제 2 기판홀더(313)는 정렬스테이션에 존재한다. 이 스테이션에서, 기판홀더 상에 제공된 제 2 기판(321)에 대한 하나 이상의 정렬 마크의 위치는, 유닛(333)에 의해 기판홀더 상에서 하나 이상의 대응 정렬 마크에 대하여 결정되고, 이 위치는 기계적 수단(도시되지 않음)의 도움으로 수정된다. 기판(319)의 조명이 완료된 후에, 제 1 기판홀더(311)는 위치결정 디바이스에 의해 조명스테이션으로부터 정렬스테이션으로 변위된다. 이 스테이션으로부터 제 1 기판(320)은 상기 운송 메카니즘에 의해 상기 매거진으로 이동된다. 동시에, 제 2 기판홀더는 위치결정 디바이스(303)에 의해 정렬스테이션으로부터 조명스테이션으로 이동된다. 정렬스테이션의 제 2 기판(321)이 이미 제 2 기판홀더에 대하여 정확하게 위치되어 있으므로, 기판홀더의 하나 또는 그 이상인 정렬마크의 위치만이 측정되고, 조명스테이션의 마스크에서 대응 마크에 대하여 수정된다. 이러한 측정 및 수정은 신속하게 실행될 수 있는 비교적 단순한 공정이다. 기판홀더에 대한 제 2 기판의 더욱 어렵고 시간이 더 많이 소모되는 정렬이 정렬스테이션에서 수행되고 제 1 기판의 조명과 더불어 시간병행(time-parallel)적이므로, 시간의 최대주기동안 조명스테이션이 조명 자체를 위해 사용될 수 있어 단위시간 당 더 많은 수의 기판이 조명될 수 있다.

2개의 기판테이블을 구비하는 포토리소그래피 장치의 원리 및 장점이 특히 EP-A 0 687 957 및 JP-A 57-183031 의 영문 초록에서 이러한 장치의 실시예와 더불어 설명되어 있다.

전술한 바와 같이, 간섭계 시스템에 의해 형성된 좌표계에서 기판이 정렬되는 동안 정렬마크의 위치는 고정된다. 조명스테이션에 부가하여 정렬스테이션을 포함하는 리소그래피장치에 있어서, 두 스테이션 모두에 간섭계 시스템이 제공되어야 한다. 도 18은 조명스테이션 및 정렬스테이션의 기판 상에 본 장치의 소정 실시예에서 실행되는 간섭계 측정의 개략도이다. 이 도면은, X 측정미러(R₁, R'₁), Y 측정미러(R₂, R'₂) 및 Z 측정미러(R_3.1, R_3.2, R'_3.1, R'_3.2) 를 구비하는 2개의 기판홀더(311 및 313)를 나타낸다. 도 18의 중앙부는 XY 평면 상에서 취한 단면이고, 상부는 XZ 평면 상에서 취한 단면이고, 그리고 좌측부는 YZ 평면 상에서 취한 단면이다. 참조번호 350 및 360은 조명스테이션 및 정렬스테이션의 측정영역을 나타낸다. 각각의 측정축은 2개의 문자와 1개의 숫자로 지시된다. 제 1 문자는 관련 측정축과 더불어 측정이 수행되는 방향(X, Y 또는 Z)을 가리키고, 숫자는 이 방향에서 측정축의 갯수를 나타내고, 그리고 제 2 문자는 측정이 정렬스테이션(M)에서 혹은 조명스테이션 (E)에서 발생하는지를 지시한다. 도 18의 실시예에서, X 방향 및 Y 방향에서 3개의 측정축을 따라 측정이 실행되고, 2개의 Z 측정이 행해진다. 동일한 측정이 양 스테이션에서 행해진다. 하지만, 대안적으로 두 스테이션에서 서로 다른 숫자 및 다른 형태의 측정을 실행하는 것도 가능하다. 각 스테이션에서 실행되는 측정의 숫자 및 형태는 원하는 정확도 및 원하는 위치정보에 달려있다.

기판과 더불어 동시에 이동되는 마스크를 구비하는 스텝 앤 스캐닝(step-and-scanning) 리소그래피장치에 있어서는, 마스크를 묘화하는 배율을 고려하여 기판의 변위와 비교할 수 있도록 마스크의 변위 또한 정확하게 측정되어야 한다. 완성을 기하기 위해, 도 19는 조명스테이션의 마스크 상에서 실행되는 간섭계 측정의 개략도이다. 도 19는 도 18과 유사하게 3개의 다른 단면을 나타낸다. 이 역시 마스크는 MA로, 마스크홀더는 MH로, 그리고 마스크테이블은 MT로 나타낸다. 참조부호 PB는 마스크 영역에서 조명 빔의 직사각형 단면을 나타낸다. 이 빔은 IC 영역의 조명동안 마스크 및 기판에 대해 Y 방향으로 이동된다. 간섭계 유닛(370)은 2개의 X 측정축(X₁, X₂)을 포함하여, X 위치뿐 아니라 마스크의 Z 축에 대한 회전도 측정될 수 있다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 2개의 Y 측정축(Y₁, Y₂)을 포함하는 간섭계 시스템은 2개의 개별적인 간섭계 유닛(381, 382)과 결합될 수 있고, 또는 하나의 간섭계 유닛과 결합될 수도 있다. 이들 두 측정축으로 Y 위치뿐만 아니라 Z 축에 대한 회전도 측정될 수 있다. 마스크는 X 방향에서 짧게 이동하기만 하면 되므로, 반사기를 마스크홀더의 측면(390)을 관통하도록 배열할 필요는 없으며, 측정축의 영역에서 2개의 작은 반사기(391, 392)를 이용하는 것으로도 충분하다. 도면에 나타낸 바와 같이, 이들 반사기는 바람직하게 코너 큐브 반사기(corner cube reflector)이다.

본 발명이 아주 유리하게 사용될 수 있는 리소그래피장치내에서 2개의 기판테이블 및 이와 관련된 기판홀더가 정렬스테이션으로부터 조명스테이션으로 그리고 그 반대로 이동되기 위해서, 공통 회전(common rotation)을 통해 기판을 제 1 스테이션 또는 제 2 스테이션에 가져갈 수 있도록 이동시 2개의 기판테이블은 공통 회전 아암에 고정될 수 있다. 하지만, 이러한 이동을 수행하기 위해, 기판테이블들은 바람직하게 XY 평면에서 직진이동(rectilinear movement)을 하는 것과 같은 방식으로 개별적으로 구동된다. 도 20은 이 경우 기판홀더(311 및 313) 및 관련 테이블(도시되지 않음)이 조명스테이션(350)과 정렬스테이션(360)에 대하여 어떻게 이동하는지를 보여준다. 이 도면에서, 좌측에서 우측으로 4개의 다른 상태가 SIT1 - SIT4로 표시되었다. SIT1에서, 기판홀더(311)는 조명스테이션에 위치하고, 이 홀더 위의 기판은 기판홀더(313)가 정렬스테이션에 있는 동안 조명되고, 이 홀더 내의 기판은 기판홀더에 대하여 정렬된다. SIT2에서, 조명공정 및 정렬공정이 완료되며, 2개의 기판홀더는 관련 스테이션을 떠난다. SIT3에서, 2개의 기판홀더는 상호 통과하고, 기판홀더(311)는 정렬스테이션(360)으로 가는 도중에 있으며, 기판홀더(313)는 조명스테이션(350)으로 가는 중에 있다. SIT4에서,기판홀더(313)는 조명스테이션에 위치하여, 그의 기판이 제거된 후에 새로운 기판이 제공되는 기판홀더(311)가 새로운 기판이 홀더에 대하여 정렬될 수 있도록 정렬스테이션에 위치하는 한편 이 홀더 상의 기판이 조명될 수 있다.

IC 구조를 제조하는 포토리소그래피 축소 장치에서의 사용을 참조하여 최신 간섭계 시스템이 앞서 설명되었다. 하지만, 본 발명은 집적 광학 시스템용 구조 및 자기 도메인 메모리의 유도 및 검출패턴, 또는 액정 표시 패널구조 등과 같은 기타 구조의 제조를 위한 포토리소그래피 장치에도 역시 이용될 수 있다. 본 발명이 해결책을 제공하는 문제점은, 이온 방사선, 전자 방사선 또는 X 선 방사선 등과 같은 광학 방사선이외의 방사선을 축소 또는 비축소로 묘화하는데 이용하는 다른 리소그래피장치에서도 발생될 수 있어, 본 발명은 이들 리소그래피장치에서도 이용될 수 있다. 이미지는 투영 이미지 또는 근사 이미지일 수 있다. 본 발명은 또한 예를 들면, 마스크를 검사하기 위해 매우 정확하게 X, Y 및 Z 위치를 측정하는 장치와 같은 기타의 리소그래피장치에도 사용될 수 있다.

Claims

대상물의 홀더에 배열된 X 및 Y 측정미러를 이용하여 XYZ 좌표계의 XY 평면에 평행한 평면에서 대상물의 위치 및 변위를 측정하는 간섭계(干涉計) 시스템에 있어서,

다수의 측정빔(measuring beam)을 생성하고, XY 평면에 평행하고 상기 측정미러로 및 상기 측정미러로부터 연장하는 다수의 측정축을 따르도록 상기 측정빔을 방향짓는 수단; 및

상기 측정미러에 의해 반사된 측정 빔을 전기측정신호로 변환하는 감광 검출기(radiation-sensitive detector)를 구비하고,

X 및 Y 측정축의 수는 간섭계로 측정될 대상물 이동의 수와 적어도 동일하며,

상기 시스템은, 상기 XY 평면에 대해 예각으로 대상물의 홀더 상에 배열된 Z 측정미러에 의해 대상물의 Z 위치를 측정하도록 적용될 Z 측정축을 가지며, Z 측정빔을 생성하고 이 측정빔을 Z 측정미러 상으로 방향짓는 수단, 및 상기 Z 측정미러로부터의 Z 측정빔을 상기 대상물의 Z 위치에 대한 정보를 포함하는 신호로 변환하는 Z 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 간섭계 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 Z 측정미러는 상기 XY 평면에 대해 실질적으로 45°각도로 상기 대상물의 홀더 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 간섭계 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 Z 측정미러는 상기 X 측정미러 또는 상기 Y 측정미러의 경사부(beveled portion)로 구성되는 것을 특징으로 하는 간섭계 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 Z 측정미러는, 상기 X 측정미러 또는 상기 Y 측정미러 역시 배열되는 상기 대상물 홀더의 측면 상에 제공된 경사진 바(beveled bar)로 구성되고,

상기 바는 상기 측면의 작은 부분만을 결쳐 Z 방향으로 연장하고, 그에 수직한 방향으로 상기 측면 전체에 걸쳐 연장하는 것을 특징으로 하는 간섭계 시스템.
제 4항에 있어서,

상기 Z 측정미러는 상기 대상물로부터 떨어져 상기 대상물홀더의 부분 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 간섭계 시스템.
제 5항에 있어서,

상기 Z 측정 빔과 관련된 기준빔에 대한 기준미러는, 상기 Z 측정미러도 배열되는 상기 대상물 홀더의 상기 측면 상에 배열되는 X 또는 Y 측정미러로 구성되는 것을 특징으로 하는 간섭계 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 Z 측정 빔의 경로는, 상기 측정미러에 의해 반사되고 상기 검출기 쪽으로 방향지어진 Z 측정 빔을 상기 미러 상에서의 추가 반사를 위한 상기 Z 측정미러로 반사되는 역반사기를 통합하는 것을 특징으로 하는 간섭계 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 시스템은 Z 측정축에 부가하여 적어도 5개의 추가 측정축을 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 시스템은 다른 파장의 두 측정 빔이 전파되는 측정 축을 가지는 것을 특징으로 하는 간섭계 시스템.
기판 상에 마스크패턴을 반복적으로 투영하는 투영장치에 있어서,

투영 빔을 공급하는 조명 유닛;

마스크홀더를 구비하는 마스크테이블;

기판홀더를 구비하는 기판테이블;

투영 빔의 경로에 배열된 투영 시스템; 및

상기 기판의 측정 위치와 방위를 측정하는 광학 측정 시스템을 포함하고,

상기 광학 측정 시스템은 제 1항 또는 제 2항에 따른 간섭계 시스템이고, 상기 대상물 및 대상물홀더가 각각 기판 및 기판홀더인 것을 특징으로 하는 투영장치.
제 10항에 있어서,

측정미러를 제외하고, Z 반사기 뿐만 아니라 간섭계 시스템의 구성요소는, 투영시스템 역시 견고하게 고정되는 견고한 프레임에 배열되고,

상기 프레임은 상기 장치의 기타 구성요소로부터 격리되어 동적으로 현수되는 것을 특징으로 하는 투영장치.
제 10항에 있어서,

X 및 Y 측정빔과 연관된 기준 빔에 대한 기준미러가 상기 투영시스템상의 홀더 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 투영장치.
제 10항에 있어서,

상기 기판의 위치 및 방위를 측정하는 광학 측정시스템을 포함하고,

상기 광학 측정시스템은 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 간섭계 시스템이고, 상기 대상물 및 대상물홀더가 각각 마스크 및 마스크홀더인 것을 특징으로 하는 투영장치.