KR100544356B1

KR100544356B1 - 리소그래피 투영 장치

Info

Publication number: KR100544356B1
Application number: KR1020000005176A
Authority: KR
Inventors: 아리에제프리 덴보에프
Original assignee: 에이에스엠엘 네델란즈 비.브이.
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2006-01-23
Also published as: JP3949868B2; TW569083B; DE60020620D1; KR20000057889A; US6384899B1; JP2000228359A; DE60020620T2

Abstract

리소그래피 투영 장치에서, 간섭계 정렬 시스템은 레티클(10)을 웨이퍼(12)와 반복재생적으로 맞추는 정렬 신호를 제공한다. 간섭계용 조명원인 레이저(50)의 방사선은 위상 변조기(52)에 의하여 변조되어 정렬 신호의 의사 노이즈를 제거한다.

Description

리소그래피 투영 장치{LITHOGRAPHIC PROJECTION APPARATUS}

도 1은 본 발명이 구현된 리소그래피 투영 장치의 개략도이고;

도 2는 본 발명이 적용된 리소그래피 투영 장치의 관련 구성요소의 개략도이고;

도 3a와 도 3b는 본 발명에 의하여 지적된 장치의 문제점을 도시하고;

도 4a, 4b, 및 4c는 검출된 정렬 신호와 그 문제점의 예를 도시하고;

도 5a와 5b는 어떤 노이즈가 소정 정렬 신호에 존재할 수 있고, 노이즈 문제를 완화하는 본 발명의 효과를 나타내는 주파수 스펙트럼이고;

도 6, 7, 및 8은 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 대한 감소된 무늬 콘트라스트(fringe contrast), 및 노이즈 간섭 억제 효과를 도시하며;

도 9는 본 발명의 일실시예를 따른 위상 변조기 배열을 각각 나타낸다.

본 발명은,

- 방사선 투영 빔을 공급하는 방사선 시스템;

- 마스크를 고정하는 마스크 홀더를 구비한 마스크 테이블("레티클 테이블");

- 기판을 고정하는 기판 홀더를 구비한 기판 테이블;

- 기판의 목표부에 마스크의 조사부를 묘화하는 투영 시스템을 포함하는 리소그래피 투영 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 예를 들어 레이저에 의해 생성된 코히런트 광선빔(coherent light beam)을 채택하는 상기 장치의 서브시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 본질적으로 예컨대 정렬시스템, 레벨링시스템 또는 스테이지·위치 측정시스템에 채택되는 간섭계 측정 시스템에 관한 것이다.

리소그래피 투영 장치는, 예를 들면, 집적회로(ICs)의 제조에 사용될 수 있다. 그와 같은 경우, 마스크(레티클)는 집적회로의 각 층에 대응하는 회로패턴을 포함하고, 이 패턴은 이 후에 감광물질(레지스트)층이 도포된 기판(실리콘 웨이퍼)위의 목표영역(다이) 위로 묘화될 수 있다. 대개 단일 웨이퍼는 레티클을 통해 한번에 하나씩 연속적으로 조사되는 인접한 다이들의 전체적인 네트워크를 갖는다. 일 형태의 리소그래피투영장치에서는 전체 레티클 패턴을 다이 위로 한번에 노광함으로써 각 다이가 조사되며, 이러한 장치를 통상 웨이퍼스테퍼(wafer stepper)라 칭한다. 이와 달리, 통상 스텝-앤드-스캔 장치(step-and-scan apparatus)로 불리워지는 대체장치에서는 투영 빔 하에서 소정의 기준방향("스캐닝"방향)으로 레티클 패턴을 점진적으로 스캐닝하면서 상기 스캐닝방향에 평행 또는 평행하지 않게 웨이퍼 테이블을 동시에 스캐닝함으로써 각 다이가 조사되며, 일반적으로 투영계는 배율인자(magnification factor:Ｍ)(대개<1)를 가지므로 웨이퍼테이블이 스캐닝되는 속도(v)는 레티클 테이블이 스캐닝되는 속도의 Ｍ배가 된다. 여기에서 설명된 리소그래피장치에 관한 상세한 정보는 국제특허출원 WO97/33205에서 찾을 수 있다.

최근까지, 이러한 형태의 장치는 단일 마스크테이블과 단일 기판테이블을 포함하였으나, 지금은 예를 들면 국제특허출원 WO98/28665 및 WO98/40791에 기술된 다중 스테이지장치와 같이 최소 2개의 독립적으로 이동가능한 기판테이블을 장착한 기계도 이용가능하다. 이러한 다중 스테이지장치의 기본적인 작동원리는, 제 1 기판테이블 상에 위치하는 제 1 기판의 노광을 허용하도록 제 1 기판테이블이 투영계 하부에 있는 동안 제 2 기판테이블은 로딩위치로 이동가능하고, 노광된 기판을 방출하고, 새로운 기판을 선택하여, 새 기판상에서 몇몇 초기 정렬측정을 수행하고 나서, 제 1 기판의 노광이 완료하는 대로 투영계 하부의 노광위치로 이 새 기판을 이송시키기 위해 대기하며, 상기 싸이클이 반복된다. 이러한 방법으로, 기계의 스루풋을 높힘으로써 기계 소유주의 비용(cost)을 점차로 개선하는 것이 가능하다.

현재 리소그래피장치에서 투영 방사선은 일반적으로 365nm, 248nm 또는 193nm의 파장을 갖는 자외(UV: Ultra Violet)선이다．　그러나，반도체　산업에서　설계　규격의　계속적인　축소로　새로운　방사선　형태에　대한　요구가　증가하고　있다．　가까운　장래의　후보로서는　예를 들어, 157nm 또는 126nm의 파장을 갖는 자외(UV)광, 극자외(EUV)광, (예를 들어, 이온 빔 또는 전자 빔 등과 같은) 입자빔이 포함되어 있다.

간섭계 측정 시스템은 리소그래피 투영 장치내의 다양한 형태의 서브 시스템으로 채용될 수 있다: 예를 들어,

- 기판에 대한 마스크의 정확한 정렬을 위하여;

- 기판의 특정 목표 영역상에 향할 때, 투영빔에 대한 기판 및/또는 마스크의 정확한 레벨링을 위하여;

- 기판 및/또는 마스크 스테이지의 위치, 속도 및/또는 가속도의 정확한 결정을 위한 것이다.

간섭계 측정 시스템의 일실시예로서, 코히런트 광선 빔은 제 1구성요소(예를 들어, 레티클)에 구비된 회절 격자에 의하여 두개의 빔으로 나뉘어진다. 다음으로, 두개의 빔은 제 2구성요소(예를 들어, 웨이퍼)에 구비된 투과 격자에 충돌하는 간섭패턴을 형성하도록 재결합된다. 간섭 패턴과 제 2격자가 동시에 존재하는 것(coincidence)은 모와레 패턴(Moire pattern)을 생성시킨다. 전체 투과 세기는 제 1 및 제 2 구성요소의 상대적 변위의 함수인 모와레 패턴의 위상에 따라 다양하다. 그러므로, 구성요소의 상대적 위치는 전체 투과 세기를 검출함으로써 고해상도로 결정될 수 있다.

리소그래피 투영 장치에 사용된 투영 방사선은 상기에서 기술한 것처럼 간섭계 측정 시스템에서 사용된 코히런트 광선빔과는 다른 형태 또는 파장일 수 있다는 것에 명백히 주목해야한다. 예를 들어, DUV 투영 장치의 경우에, 투영 파장은 248nm이지만, 정렬 시스템, 레벨링 시스템 및 스테이지-위치-측정 시스템은 예를 들어, HeNe 레이저(파장=632nm), 다이오드 레이저의 방사선을 종종 채용한다.

여기서 기술된 바와 같이 간섭계 측정 시스템에서, 상기 제 1 및 제 2 구성요소의 위치가 재생적으로(예를 들어, 등록 마크가 다른 노광을 위해 올바르게 정렬되도록) 결정될 수 있다는 것이 중요하다. 그러나, 시스템에 의하여 생성된 측정 신호에서의 노이즈의 존재에 의하여 상당한 문제가 유발될 수 있고, 이는 재생성(reproductibility)을 나쁘게 하고 측정 정확성을 떨어뜨린다.(바꿔 말하면, 오버레이 수행, 초점, 및 스캔 동기화와 같은 요소에서 상당한 에러를 일으킨다.)

본 발명의 목적은 이러한 문제를 완화하는 것이다.

따라서, 본 발명은

- 실질적으로 코히런트한 방사선원;

- 상기 방사선원에서 나온 빔들 사이의 간섭으로 발생된 소정 신호를 검출하는 검출기,

상기 방사선원에 의하여 방출된 방사선의 위상을 변조하는 위상변조기를 포함하여, 광학 측정 시스템내의 적어도 하나의 의사(spurios) 빔으로부터의 간섭에 의하여 유발되는 적어도 하나의 의사 신호의 검출이 억제되는 것을 특징으로 하는 광학 측정 시스템을 제공한다.

본 발명을 도출한 실험에서, 본 발명자들은, 그와 같은 광학 측정 시스템의 측정 신호에서 노이즈는, 예를 들어,

- 리소그래피 투영 장치의 (전형적인) 복합 투영 렌즈, 또는, 예를 들어, 방사선 시스템 또는 정렬 시스템에서 사용되는 것과 같은 다른 광학 시스템내의 공기/유리 인터페이스에서 마스크되지 않은 반사;

- 레티클에서 발생한 유사 반사;에서 기인한 의사 방사선 빔의 존재에 의하여 유발될 수 있다고 결론지었다. 그러나, 그와 같은 반사의 정확한 위치는 일반적으로 결정하기 어렵다. 더욱이, 장치의 광학 구성요소상에 비반사 코팅을 제공해도 일반적으로 이러한 문제의 효과적인 치유책을 제공하지 못한다.

다행스럽게도, 본원 발명은 노이즈 신호를 검출 시스템에서 어떤 변형없이 실질적으로 제거시킨다: 방사선 빔 경로에서 위상 변조기를 제공하는 것은 필수적이다.

바람직하게는, 위상 변조기는 복수의 변조 진폭에서 방사선을 순차적으로 변조하는 제어가능한 감쇠기를 포함한다. 이는 추가적인 의사 신호가 억제될 수 있고 광학 측정 시스템내의 다른 범위의 위치에서의 의사 반사에 의하여 유발된 노이즈 신호를 억제하는 장점을 갖는다.

바람직하게는, 위상 변조기는 예를 들어 LiNbO₃요소와 같은 전자 광학 요소를 포함한다. 여기서 논의된 변조기는 예를 들어, 참고 문헌인 미국 특허 제 5,189,547호에 기재되어 있다.

본원의 상기의 측면은 아래의 실시예들로 자세히 설명될 것이다.

본 발명에 따른 리소그래피 투영 장치를 사용하는 제조 공정에서, 마스크의 패턴은 에너지 감지 물질(레지스트)층에 의하여 적어도 부분적으로 도포된 기판상에 묘화된다. 이 묘화단계에 앞서, 기판은 준비작업(priming), 레지스트 코팅 및 소프트 베이크와 같은 다양한 공정을 거친다. 노광후에, 기판은 노광후 베이크(PEB), 현상, 하드 베이크 및 묘화된 피처의 측정/검사와 같은 다른 공정을 거칠 수 있다. 공정의 이러한 배열은 예를 들어 IC와 같은 소자의 개별 층을 패턴화하는 기초로서 사용된다. 그와 같은 패턴화된 층은 식각, 이온 주입(도핑), 금속화, 산화, 화학-기계적 연마등 개별 층을 마무리하는 데 의도된 모든 다양한 공정을 거친다. 여러 층이 요구된다면, 전체 공정 또는 그 변형은 각 새로운 층에 반복되어야만 할 것이다. 결국, 소자의 배열이 기판(웨이퍼)상에 존재하게 될 것이다. 이들 소자는 캐리어에 장착되고 핀에 접속될 수 있다. 그와 같은 공정에 관한 추가 정보는 예를 들어, "Microchip Fabrication: A Practical Guide to Semiconductor Processing (3판, 저자 Peter van Zant, 맥그로힐출판사, 1997, ISBN 0-07-067250-4)" 으로부터 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 사용에 대해 본 명세서에서 집적회로의 제조에 대해서만 언급하였으나, 이러한 장치가 다른 곳에 적용될 수도 있음은 명백히 이해될 것이다. 예를 들어, 상기 장치는 집적 광학 시스템, 자기영역 메모리용의 유도 및 검출패턴, 액정표시패널, 박막 자기헤드 등의 제조에도 이용될 수 있다. 당업자라면, 전술한 기타 응용분야들을 고려할 때, 본 명세서에서 사용된 "레티클", "웨이퍼" 또는 "다이"와 같은 용어가 "마스크", "기판" 및 "목표위치" 등과 같은 좀 더 일반적인 용어로 각각 대체될 수 있음이 이해될 것이다.

(제 1실시예)

더 구체적인 실시예를 더 상세히 논의하기에 앞서, 본 발명이 우선 일반적인 용어로 논의될 것이다.

검출된 간섭 신호에서 노이즈는 간섭계 측정 시스템의 성능을 심각하게 저하시킬 수 있다. 분명한 노이즈의 원인은 장치내의 의사 반사일 가능성이 있다는 것이 연구를 통하여 발견되었다. 의사 반사 빔은 노이즈 신호를 생성하도록 소정 간섭 빔과 간섭할 수 있다. 레이저 광선과 같은 간섭계 방사선을 위상 변조하는 효과가 본 발명자에 의하여 연구되었다. 간섭계 측정 시스템에서, 측정 신호 세기(I)는 복소수 진폭(E₁와 E₂)을 갖는 두개의 코히런트 레이저 빔의 간섭에 의하여 형성된다:

여기서,

와

는 두 간섭 빔의 위상이고, 그 차이는

로 주어진다. 여기서 υ_L은 레이저 광선의 평균 광각 주파수(optical angular frequency)이고, t₁₂는 빔사이의 시간차이고,

은 각 주파수 Ω와 진폭

에서 레이저 광선의 위상변조로서 다음과 같이 주어진다.

수학식 (2)를 수학식(1)에 대입하면, 간섭 빔사이의 위상차에 대한 다음 식이 나온다.

여기서, 간섭 빔사이의 위상차의 변조 진폭 a₁₂는 다음과 같이 주어진다.

여기서, PD₁₂는 두개의 간섭 빔사이에 광학 경로 차이고, c는 광속이다. 수학식(4)는 레이저 광선의 위상 변조 진폭(

)과 간섭 패턴의 위상 변조 진폭(a₁₂)사이의 관계를 설정한다. 수학식(3)을 수학식(1)에 대입하면, 검출된 간섭 신호가 주어진다.:

이 표현식을 푸리에 급수(즉, 주파수 스펙트럼)으로 전개하면

이 된다.

여기서, J_i(a)는 제 1종이고 i차인 베셀(Bessel)함수이다.

이 표현식의 중요한 특징은 J_i(a)를 갖는 i번째 하모닉 스케일(hamonic scales)의 진폭이다. 이리하여, a의 특정 값에 대하여 소위 "베이스 밴드(bace band) 신호"의 진폭

는 영이 된다.

실제 시스템에서, 광학 구성요소는 유리-공기 인터페이스와 같이, 의사 반사를 최소화하도록 비반사(AR:anti-reflection) 코팅을 갖는다. 그러나, 최상의 AR 코팅에서도 작은 복소수 진폭(E₃)와 위상(

)를 갖는 부가 빔을 발생시키는 작은 잔류 반사를 나타낸다. 측정된 신호는 다음과 같다:

이 방정식의 우변상의 마지막 두 항은 물론 측정될 소정 간섭 신호인

를 결정하는 데 에러를 일으키는 노이즈 항이다. E₁와 E₂사이의 경로차가 실제적으로 (수 100㎛와 같이) 작은 경우, 위상 변조(

)은 소정 간섭항에 중요한 영향을 주지 않을 것이다. 그러나, 이와 같은 경우, 의사 반사는 처음 2개의 빔에 대하여 상당한 경로차를 갖게 되고, 따라서 두개의 의사 간섭항은 수학식(4)에 의하여 주어진 진폭으로 상당한 위상 변조를 나타낼 것이다. 즉,

여기서, PDs는 의사 빔과 주 빔중 하나사이의 광학 경로차이다.

베이스 밴드 신호를 억제하기 위하여, a의 값은 J₀(a)=0이 되도록 하여야 한다. 베셀 함수는 다수의 zero를 갖고, 그 중의 하나는 a

2.4에 있다. 이를 수학식(5)에 대입하면, 베이스 밴드 신호를 억제하는 위상변조의 변조 진폭(

)과 주파수(Ω)사이의 관계가 주어진다:

이리하여, 간섭계용 방사선원으로부터의 방사선을 위상변조하고, 변조 주파수와 변조 진폭을 적절히 선택하여, 측정 신호내의 노이즈를 실질적으로 줄이는 것이 가능하다. 예를 들어, 총 경로차가 약 60mm이고 변조 주파수가 500MHz인 경우, 위상 변조의 진폭은 약 1.4rad(

81^o)이어야 한다.

(실시예 2)

본 발명에 따른 리소그래피 투영 장치가 다음에 기술될 것이다. 이와 관련하여,

도 1은 본 발명에 따른 리소그래피 투영 장치를 개략적으로 도시하고 있다. 이 장치는

- (예를 들어, 자외(UV)선 또는 극자외(EUV)선, 전자 또는 이온) 방사선 투영 빔(PB)을 공급하는 방사선 시스템(LA, Ex, IN, CO);

- 마스크(레티클)(MA)를 고정하는 마스크홀더가 제공되고, 아이템(PL)에 대하여 마스크를 정확하게 위치시키는 마스크 스테이지 위치설정수단(PM)과 접속된 가동 마스크 스테이지(레티클 스테이지)(MT);

- (예를 들어, 레지스트 도포된 실리콘 웨이퍼와 같은) 기판(W)를 고정하는 기판홀더가 구비되고, 아이템(PL)에 대하여 기판을 정확하게 위치시키는 기판 스테이지 위치설정수단(PW)과 접속된 가동 기판 스테이지(웨이퍼 스테이지)(WT);

- 기판(W)의 목표영역(C)(다이) 위에 마스크(MA)의 조사부를 묘화하는 투영시스템(PL)(예를 들어, 굴절 또는 카타디오프트릭(catadioptric) 시스템, 필드 디플렉터 어레이 또는 미러군)을 포함한다. 간단히, 아이템(PL)은 "렌즈"로 지칭할 것이다.

방사선 시스템은 방사선 빔을 생성하는 방사선원(LA)(예를 들면, 수은 램프 또는 엑시머 레이저, 또는 EUV원이나 특정 방사선원)을 포함한다. 이 빔은 - 예를 들면, 빔 성형 광학요소(beam shaping optics)(E_X), 인티그레이터(IN) 및 콘덴서(CO) - 등과 같은 다양한 광학 구성요소를 따라 통과하여, 최종적인 빔(PB)은 그 단면에서 소망 형상 및 세기 프로파일을 갖는다.

그 후, 빔(PB)은 마스크 테이블(MT)위의 마스크 홀더에 고정되어 있는 마스크(MA)로 충돌한다. 마스크(MA)를 통과하여, 빔(PB)은 기판(W)의 목표영역(C) 위로 빔(PB)을 집속하는 렌즈(PL)를 통과한다. 간섭계 변위 및 측정 수단(PW)의 도움으로, 기판 스테이지(WT)은 예를 들면, 빔(PB)의 경로에 상이한 목표영역(C)을 위치시키도록 정확하게 움직일 수 있다. 이와 유사하게, 예를 들면 마스크 라이브러리로부터 마스크(MA)를 기계적으로 회수한 후 또는 마스크 스캔시에, 마스크(MA)를 빔(PB)의 경로에 대해 정확하게 위치시키기 위해 위치설정수단(도시되지 않음)이 사용될 수 있다. 일반적으로, 스테이지(MT,WT)의 이동은, 도 1에 명확히 도시되지 않았지만 긴 스트로크 모듈(대략적인 위치설정)과 짧은 스트로크 모듈(미세한 위치 설정)의 도움으로 이루어진다. (스텝-앤드-스캔 장치와는 대조적으로) 웨이퍼스테퍼의 경우에는 마스크 테이블(MT)에, 미세한 위치설정을 위하여, 짧은 스트로크 모듈만 제공될 것이다.

예시된 장치는 두 개의 다른 모드로 이용될 수 있다:

- 스텝 모드에서는, 마스크 스테이지(MT)가 기본적으로 고정되어 있으며, 전체 마스크 이미지가 목표영역(C) 위로 한번(즉, 단일 "플래쉬")에 투영된다. 그 다음, 기판 스테이지(WT)가 x 및/또는 y 방향으로 이동하여 다른 목표 영역(C)이 빔(PB)에 의해 조사될 수 있다;

- 스캔 모드에서는, 소정의 목표영역(C)이 단일 "플래쉬"에 노광되지 않는 것을 제외하고는 기본적으로 스텝모드와 동일한 방법이 적용된다. 대신에, 마스크스테이지(MT)가 소정방향(소위 "스캔 방향", 예를 들면 X 방향)으로 속도(υ)로 이동이 가능하기 때문에 투영 빔(PB)이 마스크 이미지를 스캔하게 된다; 이와 병행하여, 기판 테이블(WT)은 V = Mυ 의 속도로 동일한 방향 혹은 반대 방향으로 동시에 이동하고, 이때의 M은 렌즈(PL)의 배율 (일반적으로, M = 1/4 또는 1/5)이다. 이러한 방식으로, 비교적 큰 목표영역(C)이 해상도에 구애받지 않고 노광될 수 있다.

일반적으로, 기판(W)의 각각의 목표 영역(C)은 연속 조사 세션에서 다양한 노광을 받을 수 있다. 이들 노광은 전형적으로 (종종 나노 미터 정도의 소위 "오버레이 정확도(overlay precision)"로) 서로 정확하게 오버레이되어야 할 패턴화된 층(예를 들어, IC의 다양한 반도체 층에서 회로 패턴)을 형성할 것이다. 본 명세서에서, 기판 테이블(WT)과 마스크 테이블(MT)의 매우 정확한 (재)위치설정이 특별하게 중요하다는 것을 인식해야 할 것이다. 이 때문에, 리스그래피 투영장치의 정렬 시스템, 레벨링 시스템 및 스테이지-위치-측정 시스템은 정확하고 반복가능한 측정이 가능해야 한다. 그러한 시스템은 투영 리소그래피 분야에서 공지되어 있으므로, 그 작동 원리의 상세한 논의를 여기서 하지 않을 것이다; 더 상세한 정보는 본원의 참고 문헌으로 미국 특허 출원 번호 09/114,748(WO 99/32940에 대응)에 나타나 있다.

(실시예 3)

도 2는 도 1의 리소그래피 투영 장치용 간섭계 광학 정렬 시스템의 실시예를 개략적으로 나타낸다. 이 장치는 레티클(10)상의 패턴을 웨이퍼(12)에 투영하여, 웨이퍼에 코팅된 광감지 레지스트를 소정의 패턴으로 노광시킨다. 특히, 앞서 노광되고 패턴화된 웨이퍼에 새로운 패턴을 오버레이할 때, 레티클(10)과 웨이퍼(12)사이에 반복재생가능한 인쇄정합(registration)을 얻는 것이 중요하다. 도시된 정렬 시스템은 리소그래피 투영 장치의 노광 시스템과 같은 몇개의 광학 기기, 특히 투영 렌즈 시스템(14)를 사용하는 점에서 스루-더-렌즈(TTL: through-the-lens) 시스템이다.

632.8nm의 파장을 갖는 적외선(red light)을 방출하는 HeNe 레이저같은 레이저원의 조명 빔(15)은 정렬 마커라고도 불리우는 웨이퍼 격자(16)에 떨어지나, 레지스트가 자외선에만 민감하기 때문에 레지스트 코팅을 노광하지 않는다. 이 경우에 웨이퍼 격자(16)는 16㎛의 주기를 갖고, 반사된 회절 차수를 생성한다. +1과 -1 회절 차수를 제외하고, 모든 회절 빔은 투영 렌즈(14)내에 세워진 공간 필터(18)에 의하여 차단된다. 투영 렌즈(14)에 의하여 투과된 +1과 -1 회절 차수(E₊₁과 E_-1로 표시됨)는 레티클(10)상의 레티클 격자(20)의 근방에서 사인파 세기 간섭 패턴을 형성한다. 레티클 격자(20)는, 예를 들어, 32㎛의 주기를 갖는 투과 격자이다. 간섭 무늬와 레티클 격자(20)는 모와레 패턴을 형성하고, 이리하여 격자(20)을 통하여 투과된 광선의 세기는 웨이퍼 격자(16)의 위치에 따라 조화파적으로(harmonically) 변한다. 모와레 패턴의 위상(즉, 투과된 세기)을 측정하여, 웨이퍼 격자(16)의 위치가 측정될 수 있다. 세기는 검출기(24)에 의하여 정렬 검출 블록(22)에서 측정된다. 정렬 검출 블록(22)에 세워진 공간 필터(26)는 레티클 격자(20)의 보다 높은 회절 차수를 차단하는 데 사용된다.

실질적으로, 투영 렌즈 시스템 내, 일루미네이터 내, 정렬 시스템의 광학 소자 내, 그리고 레티클 상 등에는 의사 반사가 일어날 수 있는 많은 유리-공기 인터페이스가 있다. 어떤 인터페이스가 문제있는 반사를 일으키는지를 정확하게 결정하는 것은 어려우나, 예를 들어 투영 렌즈 소자(28)에서 조명 빔의 특정 부분 반사가 도 3에 개략적으로 도시된다. 반사된 빔은 E_L로 표시되고, 이것은 -1 차 회절된 빔과 실질적으로 일치하기 때문에 공간 필터(18)을 통과할 수 있다는 것이 연구로 밝혀졌다. E_L의 방향은 E_-1에 대하여 약간 평행하게 시프트되어 레티클 격자(20)상에 떨어진다는 것을 또한 의미한다. 레이저 광의 아주 코히런트한 성질 때문에 의사 반사빔(E_L)은 레티클(10)에서 E₊₁ 및 E_-1과 간섭할 것이다.

검출기(24)에 의하여 측정된 세기의 형태는 레티클 격자(20)에 의하여 회절된 빔(E_a와 E_b)(도 2 참조)사이의 간섭을 고려하여 계산될 수 있다. 빔(E_a와 E_b)은 각각의 입사 빔(E₊₁, E_-1 및 E_L)에서 나온 성분을 갖는다. E₊₁, E_-1은, 장치의 광축(30), 즉, 도 2와 도 3에서 수직방향을 횡단하는 x방향으로의 웨이퍼 격자(16)의 위치에 비례한 위상 시프트를 갖는다. 의사 반사 빔(E_L)은 이러한 x 종속 위상 시프트를 갖지 않으나, 투영 렌즈(28)에서 웨이퍼(12)까지의 거리(Z)의 약 2배인 광학 경로에 비례하는, 다른 두개의 빔에 대한 상대적인 위상 시프트를 갖는다.

투과 격자의 프로파일과 다른 차수의 회절 효율에 대하여 몇몇 가정을 하면 검출기(24)에서 상대적인 세기에 대한 다음과 같은 대략적 수학식을 얻는다:

각 심볼들은 다음과 같은 뜻을 갖고 있다:

I₁검출기에서 총세기

I 레티클에 입사된 +1과 -1 회절차수의 세기

R 웨이퍼 격자(정렬 마커)(16)의 회절 효율에 정규화된 의사 반사의 반사 계수

x 웨이퍼 격자/마커(16)(따라서, 웨이퍼(12))의 위치

Xp 웨이퍼 격자(16)의 주기(이 특정 경우에 16㎛)

의사 반사빔(E_L)과 제 1차 회절빔 E₊₁과 E_-1사이의 (Z과 λ의 함수로 나타낸) 위상차

Z 웨이퍼와 반사 렌즈 요소사이의 거리

λ 레이저 광선의 파장

이상적인 상황에서, 반사 빔은 없고, 즉, R=0이고, 검출기에서 검출된 세기 신호가 x에 따라 조화파적으로(harmonically) 단순히 변화한다는 것은 수학식(7)로부터 알 수 있다. 실제적으로, 웨이퍼 격자(16)은 유한 폭을 갖고, 레티클 격자(20)와 웨이퍼 격자의 이미지가 동일한 폭을 갖는 경우, 검출된 세기는 삼각형 프로파일을 갖는다. 삼각형의 전체 폭은 마커(격자(16))폭과 동등하다. 실제 결과적인 정렬 신호 세기는 도 4a에서 위치 x에 대하여 수직으로 도시되어 있다.

R이 영이 아닐 때, x에 따라 변화하는, 그러나 소정 신호의 주파수의 반의 주파수에서

에 비례하는 항이 있는 것을 수학식(7)로 부터 알 수 있다. 도 4b는, R=0.1이고

=0(또는 nπ)이어서 cos(

)가 1이 되고 0.6rad의 진폭을 갖는 추가 백색 위상 노이즈를 갖는 검출 정렬 신호를 나타낸다. 서브 조화 신호(sub-harmonic signal)의 존재는 명백하게 볼 수 있으나, 노이즈는 거의 나타나지 않는다. 도 4C는, R=0.1이나, 평균위상

=(π/2)+nπ이고, 또한

에 추가된 0.6rad 백색 노이즈를 갖는 경우에 대한 정렬 신호를 나타낸다. 이 경우에, 서브 조화 파의 평균 진폭은 영이다. 그러나, 이 평균 위상에 대하여, 위상 노이즈를 진폭 노이즈로 변환하면 최대가 되고, 노이즈가 보여진다.

위상 차는 다음과 같이 쓸 수 있다:

여기서, 광학 경로 차 PDs=2Z.

이것과, 정렬 신호에서 노이즈가 nπ마다 최대라는 상기 분석으로부터, 정렬 신호에서 노이즈가 레이저 광선의 파장의 1/4(이 예에서 λ/4

158nm)의 주기로, Z의 함수로서 주기적으로 변화해야 한다. 이 주기성은 웨이퍼(12)의 Z 위치(디포커스)의 함수로서 정렬 재생성을 도시하여 실험적으로 관찰했다. 이는 노이즈가 장치내의 의사 반사에 기인한다는 것에 실제로 확증을 주었다.

수학식(8)은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다:

여기서, f는 레이저 주파수이다. 항 Z과 f는 시간의 함수로서 기재되고, 정렬 노이즈를 일으키는 것은 이러한 순간 변화이다. Z에서의 변동은 웨이퍼 스테이지의 진동(vibration)에 의하여 일어날 수 있다. 예를 들어, z방향 자체에서의 웨이퍼 스테이지의 진동은 전형적으로 30nm의 크기일 수 있고, 그 결과

에서 0.6rad 위상 노이즈가 발생되고, y축에 대한 발진(oscillation)은 약 1μrad일 수 있는데, 이는

에서 0.3rad 위상 노이즈를 유도하여, 주어진 노이즈 값은 3 표준 편차 범위를 나타낸다. 이들 웨이퍼 스테이지의 진동의 통계적 조합은

에서 0.67rad 위상 노이즈를 발생시킨다. 레이저 주파수는 (i)(10 MHz 급의 )단일 길이방향 레이저 모드의 부파수 변동과 (ii)(전형적으로 300MHz 떨어진 모드인) 두개의 길이방향 모드(longitudinal mode)사이의 모드-호핑(mode-hopping)에 의하여 일어나는 변동을 또한 나타낸다. 웨이퍼 테이블의 진동은 일반적으로 더 중요하나, 주파수 변동는 특정 상황에서 중요할 수 있다.

위상차(

)는, 웨이퍼 테이블 진동(

)에서 기인한 노이즈 항과, 레이저 광선(

)으로 의도적으로 도입된 위상 변조로 분해될 수 있다:

여기서,

위상 변조(

)는 수학식(2)에 의하여 주어지고, 유사 조작으로 다음을 얻는다:

여기서, α는 무시될 수 있는 상수 위상항이다.

수학식(7)의 우측 노이즈 항은 cos(

)에 비례한다; cos(

)에 수학식(9)의

를 대입하여 전개하면 다음식이 된다.

앞에서 논의한 바와 같이, J₀항은, 조명 광선의 위상 변조의 주파수와 진폭의 적절한 선택, 따라서 수학식(5)로 주어진 a의 적절한 값에 의하여, 영으로 감소될 수 있다. 하나의 해는 a=2.4로 주어지고 의사 반사와 웨이퍼 마커사이에 거리(Z)와 위상 변조 Ω=2πF의 주파수 F의 측면에서 명백하게 주어진 관계는 다음과 같다:

물론, a=2.4외의 다른 해도 있다.

수학식(10)은 본 발명의 또 다른 특징을 나타낸다. 실제적으로 웨이퍼 격자의 위치는 가령 125Hz의 주파수로 스캔되고, 검출된 정렬 신호의 위상은 웨이퍼 위치를 나타낸다. 수학식(7)로부터 노이즈 신호는 정규적으로 정렬 신호의 서브-조화파(즉 62.5Hz)에 있으나, 위상 노이즈는 소정 정렬 신호로 "유출(leak)"하는 것을 의미하는 폭을 갖는다. 입사 광선을 위상 변조함으로써, 위상 노이즈는 변조 주파수(Ω)의 조화파(수학식(7)에서

노이즈 항으로 곱해진 수학식(10)의 우측상의 마지막 두항) 주위에 중심이 있다. 이는 도 5에 개략적으로 도시되고, 위상 노이즈(40)의 주파수 스펙트럼이 고주파 영역을 향하여 시프트되어, 정렬 신호(42)가 더이상 열화될 수 없다는 것을 나타낸다. 필요한 경우, 검출 신호는 필터링될 수 있다.

위상 변조의 사용은 정렬 시스템의 중요한 재설계를 요하지 않기 때문에 매력적이다. 검출기측에서 복조가 필요없다; 다만, 소스측상에서 조명 빔에 위상 변조기를 포함하는 것이 필요하다. 위상 변조기의 선택은 특정 응용에 달려 있다. 예를 들어, 수학식(11)로부터, 수 십 mm의 Z을 갖는 시스템에서, 수 라디안의 위상 진폭 변조를 얻을 수 있는 변조기에 대하여, 변조 주파수는 수 GHz급이어야 한다. 이는 LiNbO₃위상 변조기 같은 전자-광학 요소로 달성할 수 있다. 조명원은 HeNe 레이저일 필요는 없으나, 레이저 다이오드와 같은 고체(solid-state) 레이저일 수 있고, 직접 위상 변조 가능할 수 있다. 예시적인 시스템으로, RF 신호 발생기는 간섭계 입사 방사선이 통과되는 전자-광학 위상 변조기를 구동하는 RF 전력 증폭기에 공급되는 GHz 신호를 발생시킨다.

용어 "위상 변조"는 방사선 빔의 복소수 진폭과 그 위상이 변하는 항을 곱한 효과를 나타내는 데 사용된다. 그와 같은 항의 예가 위상 변조가 조화파이고 특정 주파수와 진폭을 갖는 수학식(2)에 주어진다. 그러나, 방사선의 편광 상태(state-of-polarization)를 변조하는 것은 사실 그와 같은 위상 변조의 일반화라는 것을 알 수 있고, 그리하여 여기서 "위상 변조"라는 표현은 넓은 의미로 이해되어야 한다. 편광 상태를 변화시키는 것은 (수평과 수직 성분, 빔에 대한 존스 벡터(Jones vector)의 요소와 같은) 다른 편광 성분의 위상을 서로에 대하여 변조한다. 복굴절(birefringent) 전자-광학 요소와 같은 것으로 편광 상태를 조화파적으로 변화시키는 것은 위에서 분석한 것과 동일한 결과를 낳는다.

(실시예 4)

수학식(11)에서 볼 수 있는 바와 같이, 의사 노이즈항을 삭제하는 데 필요한 위상 변조는 Z 값에 달려 있다; 이리하여, 상기 특정 해는 특정 의사 반사에 대해서만 100% 효과적이다. 실질적으로, 직접 Z을 측정하는 것이 필요하지 않을 지라도, 대신에 상기 장치가 설치되어, 노이즈를 최소화하게 위상 변조가 조정될 수 있다. 사실, 두개의 자유도, 즉 위상 변조 진폭과 변조 주파수가 있기 때문에, 두개의 다른 의사 반사를 완전하게 제거하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 실시예는 다음과 같이 설명될 것이다; 첫째 더 많은 수의 의사 반사 신호를 제거하는 것이 가능한 일실시예와, 둘째 의사 신호가 Z값의 범위로 제거될 수 있는 일실시예에 의하여, 각 의사 반사가 발생하는 인터페이스의 위치를 알 필요가 제거되고, 본 발명이 사용되는 각 특정 시스템에 대한 위상 변조가 주문받아 생산될(customize) 필요를 제거한다.

간섭계에서 레이저 빔이 진폭 m₁으로 위상 변조되는 경우 간섭 패턴의 무늬 콘트라스트(C)(fringe contrast)는 다음과 같이 주어진다:

여기서, z는 (도 2와 도 3의 장치에서 z

2Z) 간섭 빔의 광학 경로차(PD)이다. 광속과 각변조 주파수는 각각 c와 Ω이다. J₀는 영차 베셀 함수이다. C(z)의 플롯이 Ω/2π=4.7GHz와 m₁=1.2rad에 대하여 도 6에 주어져 있다. 무늬 콘트라스트는 z=32mm에 대하여 영으로 줄어드는 것을 볼 수 있다. 다른 말로 하면, 32mm의 PD를 갖는 두개의 빔사이에 의사 간섭은 보이지 않는다.

변조 깊이(m₁)가 2.75 rad로 증가하는 경우, 도 7에 나타난 콘트라스트 C(z)가 얻어진다. 9와 54mm사이의 PD에 대하여, 무늬의 콘트라스트는 실질적으로 역전된다: C(z)＜0.

두개의 변조 진폭(m₁와 m₂)사이의 변조 진폭을 주기적으로 스위칭하는 것은 콘트라스트 C가 두개의 대응 값(C₁와 C₂)사이를 또한 스위칭되게 한다. 스위칭 주파수가 충분하게 높은 경우(예를 들어

1 MHz), 검출기의 응답이 현저하게 더 느리기 때문에, 실제 관찰되는 콘트라스트는 두개의 콘트라스트 값의 가중 평균이다. 그래서 블록형 스위칭 주파수(block-shaped switching frequency)의 듀티 사이클이 d인 경우, 관측된 콘트라스트 C는 다음이 된다:

이러한 "진폭 스위칭"기술에는, 두개의 다른 자유도가 있다:

1. 제 2위상 변조의 진폭 m₂

2. 가중 펙터(즉, 스위칭 신호의 듀티 사이클) d.

진폭-스위칭된 위상 변조기를 사용하는 결과 무늬 콘트라스트의 일예가 m₁=1.0rad, m₂=2.45rad 및 d=0.48에 대하여 도 8에 나타나 있다. 이러한 특정 예에서, 약 16 내지 48mm의 범위의 PD들을 갖는 의사 반사는 거의 전적으로 제거된다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 이러한 위상 변조 진폭 스위칭 측면을 구현하는 것은 앞서 기술된 위상 변조기보다 더 복잡하다. 도 9를 참조하면, 본 발명인 위상 변조기의 일실시예가 레이저(50)와 레이저 빔이 투과된 LiNbO₃ 전자-광학 위상 변조기(52)를 갖는다. 위상 변조기(52)는, RF 전력 증폭기(56)을 경유하는 4.7GHz RF 신호 발생기(54)의 신호에 의하여 구동된다. 이 기본 시스템은 스위칭 신호원(60)의 신호에 의하여 구동되는 전류 제어 감쇠기(58)을 통하여 RF 신호를 통과시켜 진폭 스위칭을 달성하여 변형된다. 스위칭 신호원(60)은 구형파 패턴을 출력하는 프로그램가능한 듀티 사이클을 갖는 1MHz 신호 발생기이다.

상기한 진폭 스위칭이 매우 고주파일지라도, 공명 LiNbO₃ 위상 변조기의 대역폭은 4.7GHz 변조주파수에서 25MHz정도이므로, 1MHz 스위칭 주파수는 이들 광학 구성요소로 달성할 수 있다.

(실시예 5)

특정 응용으로, 위상 변조기를 통한 코히런트 광선 빔의 단일 통과(pass)는 위상 변조의 소정 진폭을 생성하기에는 불충분할 수 있다. 그 경우에, 다수의 대안적 예가 고려될 수 있다. 예를 들어:

(1) 위상 변조기를 통하여 두번 이상 광선 빔을 통과시키는 것을 고려할 수 있다. 이는 예를 들어, 단순 미러로 위상 변조된 빔을 역반사하여 달성될 수 있다; 제 2경로가 적절하게 지연되는 경우, 위상 변조의 진폭은 배가될 것이다.

(2) 두개의 편광 빔스플리터(PBS)들사이에 샌드위치된 회전자로 이루어진 패러데이 아이솔레이터(Faraday Isolator)를 채용할 수 있다. 서로에 대하여 45^o로 두 개의 편광 빔스플리터(PBS)들을 배향시킴으로써, 패러데이 아이솔레이터가 광다이오드로 작동할 것이다. 코히런트원으로부터의 광선은 위상 변조기로의 경로상의 패러데이 아이솔레이터를 통과한다; 위상 변조기를 통과한 후에, 광선은 2번째로 위상 변조기와 패러데이 아이솔레이터로 다시 반사되고, 방출 광선은 "이중-변조(double-modulated)"된다.

본 발명은 당연히 예를 들어, 다른 스위칭 파형, 더 많은 스위칭 레벨등을 사용하여 더 많은 자유도로 확장할 수 있다.

본 발명의 특정 실시예가 상기에서 기술되었지만, 본 발명은 그 외의 것에도 실시될 수 있다는 것을 인식하여야 할 것이다.

리소그래피 투영 장치에서, 간섭계 정렬 시스템은 레티클(10)을 웨이퍼(12)와 반복재생적으로 맞추는 정렬 신호를 제공하여, 간섭계용 조명원인 레이저(50)의 방사선은 위상 변조기(52)에 의하여 변조되어 정렬 신호의 의사 노이즈를 제거하는 우수한 효과를 나타낸다.

Claims

- 방사선 투영 빔을 공급하는 방사선 시스템;

- 마스크를 고정하는 마스크 홀더를 구비하는 마스크 테이블;

- 기판을 고정하는 기판 홀더를 구비하는 기판 테이블;

- 상기 기판의 목표부에 마스크의 조사부를 묘화하는 투영 시스템을 포함하는 리소그래피 투영장치에 있어서,

- 코히런트 방사선원;

- 상기 코히런트 방사선원에서 나오는 빔사이의 간섭으로 발생된 소정의 신호를 검출하는 검출기를 구비하는 광학 측정 시스템을 더 포함하고,

상기 코히런트 방사선원에 의하여 방출된 방사선의 위상을 변조하는 위상 변조기에 의하여, 상기 장치내의 하나 이상의 의사 빔으로부터의 간섭에 의하여 유발된 하나 이상의 의사 신호의 검출이 억제되는 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
제 1항에 있어서,

상기 위상 변조의 주파수는, 상기 소정 신호의 주파수에 대해 상기 의사 신호의 주파수를 시프트하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 위상 변조의 변조 진폭과 주파수는 상기 의사 신호의 진폭을 감소시키게 선택되는 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 위상 변조기는 편광 상태 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 위상 변조기는, 복수의 변조 진폭으로 상기 코히런트 방사선을 순차적으로 변조하는 제어가능한 감쇠기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
제 5항에 있어서,

상기 위상 변조기는, 소정의 듀티 사이클로 상기 복수의 변조 진폭사이에서 순차적으로 스위칭하는 스위칭 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 위상 변조의 변조 주파수(F)와 변조 진폭(
)은 다음 관계:

여기서, Z은 장치에 특정된 거리

를 만족하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 위상 변조 주파수는 상기 소정 신호의 주파수보다 높은 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 위상 변조 주파수는 1GHz이상인 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 위상 변조기는 전자-광학 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 광학 측정 시스템은 마스크와 기판을 상호 정렬하는 정렬 시스템에 포함되는 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 광학 측정 시스템은 투영 빔에 대하여 마스크와 기판중 적어도 하나를 레벨링하는 레벨링 시스템에 포함되는 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 광학 측정 시스템은 마스크와 기판 테이블중 하나 이상의 위치, 속도 및 가속도 중 하나 이상을 결정하는 스테이지-위치-측정 시스템에 포함되는 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영 장치.
- 코히런트 방사선원;

- 상기 방사선원으로부터 나온 빔사이의 간섭으로 발생된 소정 신호를 검출하는 검출기를 포함하는 광학 측정 시스템에 있어서,

상기 방사선원에 의하여 방출된 방사선의 위상을 변조하는 위상 변조기에 의하여, 상기 시스템내의 하나 이상의 의사 빔으로부터의 간섭에 의하여 유발된 하나 이상의 의사 신호의 검출이 억제되는 것을 특징으로 하는 광학 측정 시스템.
- 방사선 감지 물질층에 의하여 적어도 부분적으로 도포된 기판을 제공하는 단계;

- 패턴을 포함하는 마스크를 제공하는 단계;

- 상기 방사선 감지 물질층의 목표 영역상에 적어도 일부의 마스크 패턴의 이미지를 투영하도록 투영 방사선빔을 사용하는 단계를 포함하는 디바이스 제조 방법에 있어서,

- 코히런트 방사선원;

상기 코히런트 방사선원에서 나오는 빔사이의 간섭으로 발생된 소정의 신호를 검출하는 검출기를 구비하는 광학 측정 시스템을 포함하는 장치를 사용하여 상기 방법이 수행되며,

위상 변조기가 상기 코히런트 방사선원에 의하여 방출된 방사선의 위상을 변조하는 데 사용되어, 상기 장치내의 하나 이상의 의사 빔으로부터의 간섭에 의하여 유발된 하나 이상의 의사 신호의 검출이 억제되는 것을 특징으로 하는 디바이스 제조 방법.
- 방사선 투영 빔을 공급하는 방사선 시스템;

- 마스크를 고정하는 마스크 홀더를 구비하는 마스크 테이블;

- 기판을 고정하는 기판 홀더를 구비하는 기판 테이블;

- 상기 기판의 목표부에 마스크의 조사부를 묘화하는 투영 시스템을 포함하는 리소그래피 투영장치에 있어서,

- 코히런트 방사선원;

- 상기 코히런트 방사선원에서 나오는 빔사이의 간섭으로 발생된 소정의 신호를 검출하는 검출기를 구비하는 광학 측정 시스템을 더 포함하고,

전자-광학 변조기가, 상기 코히런트 방사선원과 상기 검출기 사이에서, 상기 코히런트 방사선의 경로에 구비되는 것을 특징으로 하는 리소그래피 투영장치.