KR100697277B1 - 각도-분해 분광 리소그래피 특성화를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

각도-분해 분광 리소그래피 특성화를 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 높은 개구수 렌즈의 퓨필 평면에서, 방사선이 기판에서 반사된 결과로서, 각도-분해 스펙트럼을 측정함으로써, 기판의 특성을 결정하는 장치 및 방법이 개시된다. 상기 특성은, 각도 및 파장에 의존적일 수 있으며, TM- 및 TE-편광된 광의 세기 및 그들의 관련 위상차를 포함할 수도 있다.

Description

각도-분해 분광 리소그래피 특성화를 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ANGULAR-RESOLVED SPECTROSCOPIC LITHOGRAPHY CHARACTERIZATION}
이하, 대응하는 참조 부호들이 대응하는 부분들을 나타내는 첨부된 개략적인 도면들을 참조하여, 단지 예시의 방식으로만, 본 발명의 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 수행하는데 사용될 수 있는 리소그래피 투영장치를 도시하는 도면;
도 2는 스캐터로미터(scatterometer)를 도시하는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 높은 NA 렌즈의 퓨필 평면에서, 각도 분해 스펙트럼(angle resolved spectrum)을 측정하는 일반적인 작동 원리를 도시하는 도면;
도 4a 및 도 4b는 오버레이를 결정하는데 있어서 본 발명의 일 실시예의 사용을 도시하는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 방사선 빔의 일부분을 커플링(coupling off)하는 비-편광 빔 분할기(non-polarizing beam splitter)의 사용을 도시하는 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 다중화기(wavelength multiplexer)를 도시하는 도면;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 비-다중화기(wavelength demultiplexer)를 도시하는 도면;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 중간 대물 평면에 있는 나이프 에지(knife edge)를 도시하는 도면;
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 검사 빔내의 형상화된 차폐부(shaped obscuration)를 도시하는 도면;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 스캐터링된 스펙트럼들의 상이한 회절 차수들의 검출된 이미지를 도시하는 도면;
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 2개의 조명 스폿들을 갖는 스캐터로미터를 도시하는 도면;
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘립소미터(ellipsometer)를 도시하는 도면;
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 퓨필 평면 및 이미지 평면에서의 이미지들을 검출하는 스캐터로미터를 도시하는 도면; 및
도 14는 격자의 피치(pitch)가 두배인 격자 오버레이(grating overlay)를 도시하는 도면이다.
본 발명은, 리소그래피 기술들을 이용하여 예를 들어 디바이스들의 제조시에 사용될 수 있는 검사 방법, 및 리소그래피 기술을 이용하여 디바이스들을 제조하는 방법에 관한 것이다.
리소그래피 투영장치를 이용하는 제조 공정에서는, 레지스트의 광학 특성들 또는 표면 물리적 특성들 중 어느 하나의 변화들에 의해서, 방사선 감응재(레지스트)층에 의해 적어도 부분적으로 덮인 기판상에 (예를 들어, 마스크의) 패턴이 이미징(imaging)된다. 대안적으로, 이미징 단계는 에칭된 격자 또는 나노-임프린트 기술(nano-imprint technology)과 같은 레지스트없는 공정(resistless process)을 이용할 수도 있다. 이 이미징 단계에 앞서, 기판은, 전처리(priming), 레지스트 코팅 및 소프트 베이크와 같은 여러가지 과정들을 거치게 될 수도 있다. 노광 후, 상기 기판은, 노광 후 베이크(post-exposure bake; PEB), 현상, 하드 베이크 및 이미징된 피처들의 측정/검사와 같은 다른 과정들을 거치게 될 수도 있다. 이러한 일련의 과정들은, 디바이스, 예컨대 IC의 개별층을 패터닝하는 것에 대한 기초로서 사용된다. 그 후, 이러한 패터닝된 층은, 개별층을 마무르기(finish off) 위해서, 에칭, 이온-주입(도핑), 금속화(metallization), 산화, 화학적-기계적 폴리싱 등과 같은 다양한 공정들을 거치게 될 수도 있다. 여러 개의 층들이 요구되는 경우, 각각의 새로운 층마다 전체 과정 또는 그 변형이 반복어야만 할 것이다. 최종적으로, 기판(웨이퍼)상에는 디바이스들의 어레이가 존재할 것이다. 그 후, 이들 디바이스들은 다이싱(dicing) 또는 소잉(sawing)과 같은 기술을 이용하여 서로 분리되므로, 개개의 디바이스들이 캐리어들 위에 장착되고 핀들에 연결될 수 있다.
레지스트(또는, 에칭의 경우에는 기판면) 현상 후의 측정 및 검사 단계(인- 라인(in-line)이라고도 함)는, 생산 기판(production substrate)들을 처리하는 정상적인 과정에서 수행되기 때문에, 통상적으로 두가지 목적을 제공한다. 첫번째로, 현상된 레지스트내의 패턴은 결함이 있는 여하한의 타겟 영역들을 검출하는 것이 바람직하다. 상당한 수의 타겟 영역들이 결함이 있는 경우, 결함이 있는 패턴을 가지고 그 결함을 지속시키기 보다는, 에칭과 같은 공정 단계를 수행함으로써 기판으로부터 패터닝된 레지스트를 벗겨내고 기판이 올바르게 재-노광(re-expose)될 수 있는 것이 바람직하다. 두번째로, 그 측정들이 후속되는 노광들을 위하여, 리소그래피 장치, 예컨대 조명 세팅들 또는 노광 도즈의 오차들이 검출되고 보정될 수 있다. 하지만, 리소그래피 장치내의 많은 오차들은 레지스트에 프린트된 패턴으로부터 쉽게 검출될 수 없거나 정량화(quantify)될 수 없다. 결함을 검출한다고 해도, 항상 그 원인을 곧 바로 찾아낼 수 있는 것은 아니다. 따라서, 리소그래피 장치내의 오차들을 검출하고 측정하기 위한 다양한 오프-라인 과정들이 알려져 있다. 이들은 기판을 측정 디바이스와 교체하거나, 예를 들어 다양하고 상이한 기계 세팅들에서 특정 테스트 패턴들의 노광들을 수행하는 것을 수반할 수도 있다. 이러한 오프-라인 기술들은, 거의 대부분 많은 시간이 소요되며, 그 시간 동안에 상기 장치의 최종 생산물들은, 측정 결과들이 이용가능하게 될 때까지 품질의 상태를 알 수 없을 것이다. 그러므로, 리소그래피 장치내의 오차들을 검출하고 측정하기 위해서는, 통상적으로, 인-라인 기술들, 즉 생산 노광(production exposure)들과 동시에 수행될 수 있는 기술들이 바람직하다.
스캐터로메트리(scatterometry)는 CD 및 오버레이의 인-라인 측정들에 사용 될 수 있는 광학 메트롤로지 기술(optical metrology technique)의 일례이다. 크게 2개의 스캐터로메트리 기술이 존재한다:
(1) 분광적 스캐터로메트리(spectroscopic scatterometry)는, 통상적으로 제논, 듀테늄 또는 할로겐-계 광원, 예컨대 제논 아크 램프(xenon arc lamp)와 같은 광대역 광원을 이용하여, 파장의 함수로서, 고정된 각도(fixed angle)로 스캐터링된 광의 특성들을 측정한다. 상기 고정된 각도는 수직으로 입사(normally incident)되거나 사선으로 입사될 수 있다.
(2) 각도-분해 스캐터로메트리는, 통상적으로 단 파장 광원인 레이저를 이용하여, 입사각의 함수로서, 고정된 파장에서 스캐터링된 광의 특성들을 측정한다.
반사된 스펙트럼으로 인해 생성된 구조체는, 예를 들어 실시간 회귀(real-time regression)를 이용하여, 또는 시뮬레이션에 의해 유도된 패턴들의 라이브러리와 비교하여 재구성(reconstruct)된다. 재구성은 비용 함수(cost function)의 최소화를 수반한다. 두가지 접근법은 주기적인 구조체들에 의한 광의 스캐터링을 계산한다. FDTD(Finite Difference Time Domain) 또는 적분 방정식 기술(Intergral Equation technique)들과 같은 여타의 기술들에 의해서도 광 스캐너링이 계산될 수 있지만, 가장 많이 통용되는 기술은 RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)이다.
기존의 각도 분해 스캐터로메트리 기술들의 문제점은, 소정 시간에 오직 하나의 파장만을 검출함에 따라, 1이상의 파장을 갖는 스펙트럼들의 파장들이 시간-다중화(time-multiplexing)되므로, 상기 스펙트럼을 검출하고 처리하는데 걸리는 전체 소요 시간이 증가된다는 것에 있다. 분광적 스캐터로메트리에서는, 큰 너비 (etendue)를 갖는 연장된 광원이 사용된다. 작은 격자들이 입사각내에 있는 작은 스프레드(spread)로 조명되어야 하기 때문에, 이 연장된 광원으로부터 다량의 광이 낭비된다. 이는, 스루풋에 부정적인 영향을 주는 긴 획득 시간(acquisition time)을 초래하는, 검출기상에 낮은 광 레벨들을 유도하게 된다. 획득 시간을 짧게 선택한 경우, 측정 결과값들이 안정하지 않을 수도 있다.
따라서, 예를 들어, 리소그래피 기술들을 이용한 디바이스들의 제조 시에, 오버레이 및 격자형 파라미터들(예컨대, 격자 비대칭 및 정렬)을 측정하고, 또한 높은 NA(개구수) 렌즈의 퓨필 평면(또는 후방 촛점 평면)에서, 각도 분해 스펙트럼을 측정하는 방법을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 투영시스템 수차(aberration)들 등이 측정되어 보정되거나 보상될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 다 파장들에서 각도-분해 스펙트럼들을 동시에 측정할 수 있고, 각도 분해 스캐터로미터용 포커스 측정 방법 및 침지 스캐터로메트리(immersion scatterometry)를 수행할 수 있으며, 또한 2-D 검출기 어레이를 이용하여 방사선 소스의 세기 잡음(intensity noise)을 측정할 수 있는 하드웨어를 포함할 수도 있다. 더욱이, 본 발명의 실시예들은, 스캐터링된 광의 비대칭성 측정을 통해 오버레이를 측정하는 것과, 스캐터링된 광의 높은 회절 차수들 및 레일리 이형들(Rayleigh anomalies)을 통해, 작은 라인형 변화들을 측정하는 것을 포함하는 하드웨어의 응용예들을 포함할 수 있다.
비록, 본 명세서에서는 IC의 제조에 있어서 본 발명에 따른 장치의 특정 사 용예에 대하여 언급되지만, 이러한 장치는 여타의 가능한 응용예들을 가질 수도 있음을 명확히 이해하여야 한다. 예를 들어, 상기 장치는 집적 광학 시스템, 자기 도메인 메모리용 유도 및 검출 패턴, 액정 디스플레이 패널, 박막 자기 헤드 등의 제조시에 채택될 수도 있다. 당업자라면, 이러한 대안적인 적용예와 관련하여, 본 명세서에서의 "레티클", "웨이퍼" 또는 "다이"와 같은 어떠한 용어의 사용도 각각 "마스크", "기판" 또는 "타겟부"와 같은 좀 더 일반적인 용어로 대체된 것으로 간주될 수도 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서에서, "방사선" 및 "빔"이란 용어는 (예를 들어, 파장이 365, 248, 193, 157 또는 126㎚인) 자외선, 및 EUV(예를 들어, 파장이 5 내지 20㎚인 극자외선)를 포함하는 모든 형태의 전자기방사선 뿐만 아니라, 이온 빔 또는 전자 빔과 같은 입자 빔을 포괄하는데 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법에서 이용될 수 있는 리소그래피 투영장치를 개략적으로 도시한다. 상기 장치는;
ㆍ 방사선(예를 들어, DUV 방사선)의 투영빔(PB)을 공급하는 방사선시스템(Ex, IL)(특별히 이 경우에는, 방사선 소스(LA)도 포함한다);
ㆍ 마스크(MA)(예를 들어, 레티클)를 잡아주는 마스크 홀더가 제공되고, 아이템 PL에 대하여 마스크를 정확히 위치시키는 제 1 위치설정 디바이스에 연결된 제 1 대물테이블(마스크테이블)(MT);
ㆍ 기판(W)(예를 들어, 레지스트-코팅된 실리콘 웨이퍼)을 잡아주는 기판 홀 더가 제공되고, 아이템 PL에 대하여 기판을 정확히 위치시키는 제 2 위치설정 디바이스에 연결된 제 2 대물테이블(기판테이블)(WT); 및
ㆍ 기판(W)의 타겟부(C)(1이상의 다이를 포함)에 마스크(MA)의 조사된 부분을 이미징하는 투영시스템("투영 렌즈")(PL)(예를 들어, 굴절 렌즈 시스템)을 포함한다.
도시된 바와 같이, 상기 장치는 (투과 마스크를 구비한) 투과형으로 구성되어 있다. 하지만, 일반적으로는, 예를 들어 (반사 마스크를 구비한) 반사형으로 구성될 수도 있다. 대안적으로, 상기 장치는 또 다른 종류의 패터닝 디바이스, 예컨대 위에서 언급한 바와 같은 형태의 프로그램가능한 거울 어레이를 채택할 수도 있다.
방사선 소스(LA)(예를 들어, 엑시머 레이저)은 방사선의 빔을 생성한다. 이 빔은 곧 바로 조명시스템(일루미네이터)(IL)에 들어 가거나, 예를 들어 빔 익스팬더(beam expander)(Ex)와 같은 컨디셔닝 수단을 거친 이후에 조명시스템(일루미네이터)(IL)으로 들어간다. 일루미네이터(IL)는 빔내의 세기 분포의 외반경 및/또는 내반경 크기(통상 각각 외측-σ 및 내측-σ라 함)를 설정하는 조정 수단(AM)을 포함할 수도 있다. 또한, 이는 일반적으로 인티그레이터(IN) 및 콘덴서(CO)와 같은 다양한 다른 구성요소들을 포함할 것이다. 이러한 방식으로, 마스크(MA)에 도달하는 빔(PB)은 그 단면에 원하는 균일성과 세기 분포를 갖게 된다.
도 1과 관련하여, 상기 소스(LA)는 리소그패피 투영장치의 하우징내에 놓일 수도 있지만(상기 소스(LA)가 예컨대 수은 램프인 경우에 흔함), 리소그래피 투영 장치로부터 멀리 떨어져 있을 수도 있으며, 그것이 생성한 방사선 빔은 (가령, 적절한 지향 거울들에 의해) 상기 장치 내부로 들어오게 할 수도 있다; 후자의 시나리오는 방사선 소스(LA)가 엑시머 레이저인 경우에 흔하다. 본 발명과 청구 범위는 이들 시나리오 둘 모두를 포함한다.
이후, 상기 빔(PB)은 마스크테이블(MT)상에 잡혀있는 마스크(MA)를 통과한다(intercept). 마스크(MA)를 가로질렀으면, 상기 빔(PB)은 투영 렌즈(PL)를 통과하여 기판(W)의 타겟부(C)위에 빔(PB)을 포커스한다. 제 2 위치설정 디바이스(및 간섭계 측정 디바이스(IF))에 의하여, 기판테이블(WT)은, 예를 들어 빔(PB)의 경로내에 상이한 타겟부(C)를 위치시키도록 정확하게 이동될 수 있다. 이와 유사하게, 제 1 위치설정 디바이스는, 예를 들어 마스크 라이브러리로부터 마스크(MA)를 기계적으로 회수한 후에, 또는 스캔하는 동안, 상기 빔(PB)의 경로에 대하여 마스크(MA)를 정확히 위치시키도록 사용될 수 있다. 일반적으로 대물테이블(MT, WT)의 이동은, 도 1에 명확히 도시되지는 않았지만, 긴-행정 모듈(long-stroke module)(개략 위치설정) 및 짧은-행정 모듈(미세 위치설정)의 도움을 받아 실현될 것이다. 하지만, (스텝-앤드-스캔 장치와는 대조적으로) 스테퍼의 경우, 마스크테이블(MT)은 단지 짧은 행정 액츄에이터에만 연결되거나 고정될 수도 있다.
상술된 장치는 두가지 상이한 모드로 사용될 수 있다.
1. 스텝 모드에서는, 마스크테이블(MT)은 기본적으로 정지상태로 유지되며, 전체 마스크 이미지가 한번에(즉, 단일 "섬광(flash")) 타겟부(C)상으로 투영된다. 그 후, 기판테이블(WT)은 다른 타겟부(C)가 빔(PB)에 의하여 조사될 수 있도록 X 및/또는 Y 방향으로 시프트된다.
2. 스캔 모드에서는, 주어진 타겟부(C)가 단일 "섬광"으로 노광되지 않는다는 것을 제외하고는 기본적으로 동일한 시나리오가 적용된다. 그 대신에, 마스크테이블(MT)이 v의 속도로 주어진 방향(소위 "스캐닝 방향", 예를 들어 y 방향)으로 이동 가능해서, 투영빔(PB)이 전체 마스크 이미지를 스캐닝하도록 되고; 동시발생적으로, 기판테이블(WT)은 속도 V=Mv로, 동일한 방향 또는 그 반대 방향으로 동시에 이동하는 데, 이 때 M은 투영시스템(PL)의 배율(통상 M = 1/4 또는 1/5)이다. 이러한 방식으로, 분해능(resolution)을 떨어뜨리지 않고도 비교적 넓은 타겟부(C)가 노광될 수 있다.
기판(6) 표면의 1이상의 특성들은 도 2에 도시된 것과 같은 스캐터로미터를 이용하여 결정될 수도 있다. 일 실시예에서, 스캐터로미터는 기판(6)상으로 방사선을 지향시키는 광대역(백색 광) 방사선 소스(2)를 포함한다. 연장된 광대역 방사선 소스는 기판면에 대해 적어도 50nm의 파장을 가진 방사선 빔을 제공하도록 구성될 수도 있다. 반사된 방사선은 정반사된 방사선(specular reflected radiation)의 스펙트럼(10)(파장의 함수로서 세기)을 측정하는 분광계 검출기(4)로 통과된다. 이 데이터로부터, 검출된 스펙트럼에 의해 생성된 프로파일 또는 구조체는, 예를 들어 RCWA 및 비-선형 회귀(non-linear regression)에 의해, 또는 도 2의 저부에 도시된 바와 같은 시뮬레이션된 스펙트럼들의 라이브러리와 비교함으로써, 재구성될 수도 있다. 일반적으로, 재구성을 위해서, 상기 구조체의 일반적인 형태가 공지되며, 상기 구조체가 만들어진 공정의 정보(knowledge)로부터 몇몇 파라미터들이 가정되므 로, 스캐터로메트리 데이터로부터 결정될 구조체의 몇몇 파라미터들만이 남게 된다.
스캐터로미터는 수직-입사 스캐터로미터 또는 사선-입사 스캐터로미터일 수도 있다. 또한, 파장들의 소정 범위의 단일 각도에서 반사가 측정되기 보다는, 단 파장의 각도들의 소정 범위에서 반사가 측정되는 스캐터로메트리의 변형예들이 사용될 수도 있다.
하기에 서술된 1이상의 실시예들에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 높은 NA 렌즈의 퓨필 평면(40)에서, 복수의 각도들 및 파장들에서 기판면(6)으로부터 반사된 각도-분해 스펙트럼의 특성을 측정함으로써, 기판의 특성을 측정하도록 구성된 스캐터로미터가 사용된다. 스캐터로미터는 기판상으로 방사선을 투영시키도록 구성된 방사선 소스(2) 및 그 반사된 스펙트럼들을 검출하도록 구성된 검출기(32)를 포함한다. 퓨필 평면은, 방사선의 방사 위치(radial position)가 입사각을 정의하고 그 각도 위치가 방사선의 방위각(azimuth angle)과 어떤 실질적인 켤레면(conjugate plane)을 정의하는 평면이다. 검출기(32)는 높은 NA 렌즈의 퓨필 평면에 배치된다. NA는 높으며, 일 실시예에서는 0.9이상 또는 0.95이상이다. 침지 스캐터로미터들은, 심지어 NA가 1이 넘는 렌즈들을 구비할 수도 있다.
이전의 각도-분해 스캐터로미터들은 스캐터링된 광의 세기만을 측정하였다. 본 발명의 일 실시예는, 여러개의 파장들이 소정 각도들의 범위에서 동시에 측정될 수 있다. 상이한 파장들 및 각도들에 대해서, 스캐터로미터에 의해 측정된 특성들은, 횡자기적(transverse magnetic; TM) 및 횡전기적(transverse electric; TE) 편 광된 광의 세기 및 TM 및 TE 편광된 광간의 위상차를 포함할 수도 있다.
광대역 광원(즉, 광 주파수들 또는 파장들, 따라서 컬러들이 광범위한 광원)을 이용하는 것이 가능하며, 이는 넓은 너비를 제공하여 다 파장들의 믹싱(mixing)을 허용한다. 일 실시예에서, 광대역 광의 복수의 파장들은, 각각 소위 δλ의 대역폭을 가지며, 그에 따라 2δλ(즉, 파장의 두배)이상의 간격을 가진다. 방사선의 여러개의 "소스"들은, 소위 말하는 섬유 다발(fiber bundle)을 이용하여 분할(split)된 연장된 방사선 소스의 상이한 부분들일 수 있다. 이러한 방식으로, 각도 분해 스캐터 스펙트럼들은 다 파장들에서 병렬로(in parallel) 측정될 수 있다. 2-D 스펙트럼보다 더 많은 정보를 포함하는 3-D 스펙트럼(파장 및 2개의 상이한 각도들)이 측정될 수도 있다. 이는 메트롤로지 프로세스 로버스트니스(metrology process robustness)를 증가시키는 보다 많은 정보가 측정될 수 있게 한다.
도 3에는, 본 발명의 일 실시예의 스캐터로미터가 도시되어 있다. 광원(2)은 렌즈 시스템(L2)를 이용하여 간섭 필터(interference filter; 30)를 통해 포커스되고 현미경 대물 렌즈(L1)를 통해 기판(6)상으로 포커스된다. 그 후, 방사선은 스캐터 스펙트럼(scatter spectrum)을 검출하기 위해서, 부분 반사면(34)을 통해 역-투영(back projected) 퓨필 평면(40)에서 CCD 검출기로 반사된다. 퓨필 평면(40)은 렌즈 시스템(L1)의 초점 길이에 존재한다. 검출기 및 높은 NA 렌즈는 퓨필 평면에 배치된다. 통상적으로, 높은 NA 렌즈의 퓨필 평면이 상기 렌즈 내부에 위치되기 때문에, 상기 퓨필 평면은 보조 광학기를 이용하여 재-이미징(re-image)될 수도 있다.
반사기 광의 퓨필 평면은, 예를 들어, 프레임당 40 밀리초(millisecond)의 통합 시간(integration time)에 걸쳐 CCD 검출기상에 이미징된다. 이러한 방식으로, 기판 타겟의 2차원 각도 스캐터 스펙트럼이 검출기상에 이미징된다. 검출기는, 예를 들어, CCD 검출기들 또는 CMOS 검출기들의 어레이일 수도 있다. 스펙트럼의 처리는 대칭적 검출 구성(symmetrical detection configuration)을 제공하므로, 센서들이 회전적으로 대칭되게 할 수 있다. 이는, 기판상의 소정 타겟이 상기 센서에 대해 여하한의 회전 방위로 측정될 수 있기 때문에, 콤팩트한 기판테이블(a compact substrate table)이 사용될 수 있다. 기판상의 모든 타겟부들은 기판의 회전 및 병진(translation)의 조합에 의해 측정될 수 있다.
소위 405 내지 790nm의 범위, 또는 그보다 훨씬 낮은, 예컨대 200 내지 300nm의 범위에 해당하는 파장을 선택하기 위해, 간섭 필터(30)들의 일 세트가 이용될 수도 있다. 간섭 필터는 상이한 필터들의 일 세트를 포함한다기 보다는 튜닝될(tunable) 수도 있다. 1이상의 간섭 필터들 대신에 격자가 사용될 수도 있다.
상기 기판(6)(또는 심지어는 반사면(34))이 격자일 수도 있다. 상기 격자는, 현상 후, 일련의 바아(bar)들이 실선의 레지스트 라인(solid resist line)들로 형성되도록 프린트될 수도 있다. 대안적으로, 상기 바아들은 기판 안으로 에칭될 수도 있다. 이 패턴은 리소그래피 투영장치, 특히 투영시스템(PL)내의 코마 수차(comatic aberration)들에 민감하며, 이러한 수차들의 존재 및 조명 대칭성은 프린트된 격자의 변화에 수차들을 나타낼 것이다. 이에 따라, 프린트된 격자들의 스캐터로메트리 데이터는 상기 격자들을 재구성하는데 사용된다. 상기 격자들의 1이상 의 파라미터들, 예컨대 라인 폭들 및 형상들은 프린팅 단계 및/또는 여타의 스캐터로메트리 공정들의 정보로부터 재구성 공정으로 입력될 수도 있다.
직사각형 슬릿들을 갖는 투과 금속성 격자(transmission metallic grating)들에는, 우드-레일리 이형들(Wood-Rayleigh anomalies)상에 위치되는 강한 불연속부(strong discontinuity)들을 나타내고 2가지 타입의 공진(resonance)(수평 및 수직 표면-플라즈몬(surface-plasmon) 공진이라고도 함)을 나타내기 위해서, 복잡한 광자 띠 구조체(complex photonic band structure; CPBS)가 도시되어 있다. 상기 스펙트럼내의 피크들의 정 위치와 폭(spectral position and width)은, 수평과 수직 공진들 둘 모두에 대해 CPBS로부터 바로 추출(extract)될 수 있다. 이러한 방식으로, 투과 금속성 격자로 들어오는 방사선은 그 스펙트럼이 분석되게 할 수 있으며, 상기 격자의 1이상의 특성들이 우드-레일리 이형들상에 위치된 강한 불연속부들에 의해서 결정될 수 있게 한다. 우드-레일리 이형들은, 파장 또는 입사각의 변화에 따라 생성되므로, 더 많은 전파 회절 차수(propagating diffraction order)가 생기게 한다. 빔의 폭이 클수록 상기 빔의 가로방향 변위(lateral displacement)도 커진다.
본 발명의 일 실시예는, 스펙트럼을 검출하고, 불연속부들이 측정될 수 있으며, 따라서 1이상의 격자 특성들이 계산될 수 있는 수 있는 대칭 퓨필 평면 이미지를 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스캐터로미터는 반사된 스펙트럼의 비대칭성을 측정함으로써, 2개의 오정렬된 주기적 구조체들의 오버레이를 측정하도록 순응 (adapt)될 수도 있으며, 이 비대칭성은 오버레이의 크기(extent)와 관련된다.
일 실시예에서, 스캐터로미터는 검출 구성(detection configuration) 및/또는 반사된 스펙트럼의 비대칭성을 측정함으로써, 2개의 오정렬된 격자들 또는 주기적 구조체들의 오버레이를 측정하도록 순응되며, 이 비대칭성은 오버레이의 크기와 관련된다. 대칭적 검출 구성으로 인해, 여하한의 비대칭성이 명확히 구별될 수 있다. 이는, 상기 격자들내의 오정렬을 측정하는 가장 좋은 방법을 제공한다.
도 4에는, 사용되는 기판 패턴의 일 형태가 도시되어 있다. 제 1 격자(14)는 그 최상부상에 프린트된 제 2 격자(12)를 가진다. 제 1 격자(14)에 대해 상기 제 2 격자가 오프셋(offset)되는 양이 오버레이(22)로서 알려져 있다.
도 4a에 도시된 실시예에서는, 방사선 소스(2)가 수직한 표면에 대해 물체를 대칭적으로 조명하고, 스캐터로메트리 검출기가 스캐터 방사선을 여러 각도로 측정하지만, 사선의 각도로 상기 물체를 조명하는 소스도 가능함을 유의한다.
오버레이 메트롤로지는 각도 스캐터 스펙트럼의 비대칭성의 측정에 기초한다. 대칭 구조체들은 대칭 각도 스펙트럼들을 생기게 하며, 타겟의 비대칭성은 각도 스캐터 스펙트럼의 비대칭성으로서 나타난다. 이러한 특성은 각도-분해 스캐터로메트리를 이용한 오버레이 메트롤로지에 기초한다.
오버랩(overlap)되나 오정렬된, 폭(20)을 갖는 바아들로 만들어진 2개의 격자(12, 14)들은 1개의 합성 비대칭 타겟(composite asymmetric target)을 형성한다. 각도 스캐터 스펙트럼의 그 결과적인 비대칭성은, 도 3에 도시된 각도-분해 스캐터로미터(4)로 검출되며, 다음과 같은 방식으로 오버레이(22)를 유도하는데 사용 된다:
2개의 격자 쌍들, 각각 제 1 쌍 및 제 2 쌍은 +d 및 -d의 의도적인 바이어스(deliberate bias)와 함께 사용된다. 다시 말해, 상기 격자(12)는 하나의 쌍의 소정 방향(도 4에 도시됨)으로 그리고 다른 하나의 쌍의 반대 방향(미도시됨)으로 시프트된다. 그러므로, 각 쌍의 격자들간의 실제 횡방향 시프트(transverse shift)는 X 1 = OV + d 및 X 2 = OV - d이며, 여기서 OV는 오버레이(22)이다.
격자 쌍들이 정렬되는 경우에는, 오버레이가 0이고, 상기 격자들상에 입사되는 조명의 세기가 I ill 이며, 상기 격자들에서 반사된 방사선의 세기가 제1방향으로는 I +1이고, 방대 방향이나 동일한 평면에서는 I -1이라 한다면,
OV(오버레이) = 0인 경우,
Figure 112005044889103-pat00001
이다.
하지만,
OV ≠ 0이면,
Figure 112005044889103-pat00002
이다.
작은 오버레이의 경우, 세기차는 그 오버레이에 비례한다:
Figure 112005044889103-pat00003
.
K는 상수이고, 공정에 의존하며, 따라서 미지수이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스캐터로미터를 이용하여 오버레이 메트롤로지를 캘리브레이션하기 위해서, 2개의 격자 타겟들이 사용된다; 하나는 도 4b에 도시된 오버레이를 이용하며, 다른 하나는 정확한 리버스 오버레이(exact reverse overlay)를 이용하므로, 상부 격자(12)는 저부 격자(14)에 대해 우측 보다는 좌측으로 변위(displace)된다. 제 1 셋-업에서의 오버레이는 OV + d(도 4b에서의 거리(22))이고 제 2 셋-업에서의 오버레이는 OV - d이다.
그러므로, OV + d인 경우,
비대칭은,
Figure 112005044889103-pat00004
이며,
OV - d인 경우,
비대칭은,
Figure 112005044889103-pat00005
이다.
스케일링 팩터(scaling factor; K)는 소거될 수 있다:
Figure 112005044889103-pat00006
.
그러므로, 오버레이는 각도 분해 스캐터 스펙트럼의 비대칭의 측정값들을 이 용하여 계산될 수 있다.
이전에 공지된 방법들에 비해 본 발명의 장점은, 2개의 격자만이 요구된다는 사실이다. 더욱이, 일반적으로, 상기 방법은 2-D 격자들에 대해서도 사용할 수 있다: 이 경우, 완전한 (x, y) 오버레이 측정에 대해 오직 2개의 격자들만이 요구된다. 이는, 분광적 스캐터로메트리 방법들을 이용하는, 소위 6개의 격자들에 비해 상당한 개선이다.
2-D 격자들을 이용하는 xy 오버레이 메트롤로지의 분석은 다음과 같다:
2개의 격자들은 f(x, y) 및 g(x, y)의 진폭 투과율(amplitude transmission)을 가진다. 이들 격자들은 2개의 방향들로 주기성이 있으며, 그러므로 그들의 투과율은 푸리에 급수로 표현될 수 있다:
Figure 112005044889103-pat00007
.
두 격자들은 주기가 같으며, 간단히 하기 위해서, 상기 격자들의 주기들은 다음의 계산들에 대해 2π로 정규화(normalize)되었다. 상수(F n,m 및 G p,q )들은, 격자 형상, 파장 및 편광(polarization)에 의존하는 회절 효율성들(diffraction efficienceis)로 해석될 수 있다. 2개의 격자들은, 각각 x 0 및 y 0 의 상대 오버레이(relative overlay)를 가지고, x 및 y 방향들로 오버랩된다. 총 투과율(t)은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112005044889103-pat00008
여기서,
Figure 112005044889103-pat00009
이다.
상기 변수들은 다음과 같이 조정될 수 있다:
p + n = a ⇒ p = a - n
q + m = b ⇒ q = b - m.
푸리에 급수(t(x, y))에 이들 식을 치환하면, 다음과 같은 식을 얻게 된다:
Figure 112005044889103-pat00010
여기서,
Figure 112005044889103-pat00011
이다.
T a,b 는 회절 차수(a, b)의 진폭으로서 해석될 수 있다. 이 진폭은, 일반적으로 x 및 y 방향으로의 오버레이에 의존한다는 것을 알 수 있다.
간단히 하기 위해서, x-방향으로 진행되는 회절 차수들만을 고려한다. 또한, 후속되는 분석은 y-방향으로의 회절 차수들에 대해 행해질 수 있다. 이는 단지 변수들의 조정만을 요구 할 것이다.
x-방향으로 진행되는 회절 차수들의 경우에는, b=0이므로, 2개의 회절 차수(a 및 -a)의 진폭에 대해서는:
Figure 112005044889103-pat00012
이며,
그 합(summation) 앞에 팩터(
Figure 112005044889103-pat00013
)를 취하면, 다음과 같은 식을 얻게 된다:
Figure 112005044889103-pat00014
.
두 격자들이 x-방향으로 대칭이라고 가정하면:
Figure 112005044889103-pat00015
.
이 특성을 이용하면, 회절된 진폭들에 대해 다음과 같은 식을 얻게 된다:
Figure 112005044889103-pat00016
.
스캐터로미터는 회절된 필드들의 세기를 측정하며, 상기 세기는 다음과 같이 주어진다:
Figure 112005044889103-pat00017
.
상기 식의 값은, 상기 세기가 다음과 같은 형태로 표현될 수 있다는 것을 나타낸다:
Figure 112005044889103-pat00018
,
여기서,
진폭들(B n,m ) 및 위상들(ε n,m )은 회절 형상, 조명 파장 및 조명 편광에 따라 좌우된다. +1 및 -1 차수의 차이를 취하면, x-방향으로 진행되는 비대칭(A x )은 다음과 같이 표현된다:
Figure 112005044889103-pat00019
.
실제로, 오버레이는 격자들의 피치(pitch)에 비해 작다. 예를 들어, 피치는 대체적으로 1㎛급으로 되어 있으며, 최대 오버레이는 60nm급으로 되어 있다. 그러 므로, 상기 식은 선형화(linearize)될 수 있으며, 따라서 x 0 및 y 0 의 선형 항들(linear terms)만을 보유할 수 있다:
Figure 112005044889103-pat00020
여기서,
Figure 112005044889103-pat00021
이다.
결합 항(coupling term)이 존재한다는 것을 알 수 있다: 또한, x-방향으로의 비대칭성은 결합 항(K xy )을 매개로 하는 y-오버레이의 함수이다. 2-D 격자가 90° 회전 대칭을 가지는 경우와, 광이 45°로 편광된 경우에는, x 및 y 방향으로의 비대칭성을 다음과 같이 표현할 수 있다:
Figure 112005044889103-pat00022
.
이들 식은 2개의 2-D 격자 쌍들을 갖는 xy 오버레이 메트롤로지에 대한 기초이다. 제 1 격자 쌍에서는, +d의 바이어스가 상부 격자에 도입되며, 제 2 격자 쌍 에서는, -d의 바이어스가 도입된다. 이 바이어스는 x 방향과 y 방향에 모두 인가된다. 이후, 4개의 비대칭 항들이 측정될 수 있다: 제 1 격자 쌍의 x 및 y 비대칭성과, 제 2 격자 쌍의 x 및 y 비대칭성은 다음과 같이 나타내어진다:
Figure 112005044889103-pat00023
.
이는, 오버레이를 제공하기 위해 해결될 수 있는 4개의 미지수(K 0 , K xy , OV x 및 OV y )들을 갖는 비-선형 방정식들을 제공한다.
일 실시예에서는, 격자 패턴(들)이 생성되었을 때에, 리소그래피 노광 조건들과 흡사(mimic)하도록 1이상의 어퍼처들이 스캐터로미터에 제공될 수도 있다. 그 후, 상기 상기 어퍼처들은 스캐터로미터를 이용한 상기 격자 패턴(들)의 각도-분해 분광 이미지의 생성에 사용될 수도 있다.
일 실시예에서, 기판과 검출기 사이의 공간, 더욱 상세하게는, 도 3에 도시된 바와 같이 렌즈(L1)와 기판(6) 사이의 공간의 적어도 일부분을 액체내에 침지시킬 수 있다. 상기 액체는 물일수도 있다. 이는, 기판(6)과 렌즈(L1) 사이에 있는 매질의 공간 대역폭을 증가시키는 장점을 가진다. 이는, 예를 들어 공기내에서는 무한소(evanescent)일 수 있는 소정 회절이 전파되고 렌즈에 의해 캡처(capture)될 수 있다는 것을 의미한다. 그러므로, 상기 공간을 침지시키면, 상기 공간이 공기로 채워져 있을 때보다, 조사(investigation) 시, 격자에 관한 보다 상세한 정보를 포함하는 더 높은 회절 차수를 검출할 수 있게 된다.
스캐터로미터의 개구수(NA)는 0.9이상, 심지어는 0.95이상 또는 1이상인 것이 바람직하다.
L1과 물체 사이의 공간을 높은 굴절률을 갖는 유체로 채우면, 매질의 공간 대역폭이 증가하고, 보다 작은 피치들에 보다 높은 회절 차수가 전파된다. 전파되는 1차 스펙트럼을 생성하는 가장 작은 피치는
Figure 112005044889103-pat00024
이다. NA가 1.3이고 λ가 400nm라고 가정한다면, 이는 154nm의 최소 피치를 갖게 된다. 이는 임계 치수(CD) 또는 20 내지 80nm 정도의 재구성된 격자 폭에 대응한다. 도 2에 도시된 프로파일을 보면, 임계 치수는 피크의 평균 폭이며, 피치는 소정 피크에서 다음 피크까지의 거리이다.
침지 유체는, 예컨대 기판(6)상에 존재하는 레지스트에 대해 큰 인덱스 스텝(index step)을 가져야 한다. 이는 검출기 이미지의 최대 콘트라스트를 허용할 수도 있다. 이러한 요건들을 만족시킬 수 있는 액체는 물이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도 5는, 스캐터링된 방사선의 세기 및 소스 출력 세기를 모니터링하기 위해 동일한 검출기의 사용을 도시하며, 이는 동기화 문제들(synchronization problem)을 회피하고 소스 출력 변화들에 대한 실시간 보상을 허용한다.
스캐터로미터는, 동일한 검출기를 이용한 별도의 측정을 위해, 방사선 소스 로부터 방출된 방사선 빔의 일부분을 커플링(coupling off)하도록 경사진 거울 및 비-편광 빔 분할기를 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 방사선 빔의 일부분은 방사선 빔의 세기를 측정하는데 사용되며, 스캐터로미터는 방사선 빔의 세기의 변동들(fluctuation)을 보상하기 위해서 순응될 수도 있다. 메인 측정과 함께, 세기 측정 빔에 대해 동일한 CCD 검출기를 이용하는 장점들은, 여분의 검출기가 필요 없고, 또한 기준 센서와 메트롤로지 센서 간의 광학적 열적 특성들의 차이가 존재하지 않으며; 기준 신호를 트리거링(trigger)하고, 판독하며, 저장하기 위한 여분의 일렉트로닉스(electronics)가 요구되지 않는다는 것이다. 여하한의 세기 변화들이 측정되고 보상될 수 있다.
방사선 경로내의 비-편광 빔 분할기(50)는 2차원 검출기(32)상에 스캐터링된 방사선을 이미징한다. 여분의 렌즈는 CCD 검출기상으로 퓨필 평면을 재-이미징한다. 검출기상에 입사된 세기는 이미지(36)으로서 도시되어 있다. 또한, 비-편광 빔 분할기(50)는, 세기 잡음을 모니터링하기 위해서, 그것을 이용하도록 방사선 빔의 일부분을 커플링한다. 별도의 검출기로 상기 방사선의 일부분을 측정하는 대신에, 경사진 거울(52)을 이용하여 광이 역-반사(retro-reflect)되고 동일한 검출기(32)의 별도의 부분들로 전달(transmit)된다. 선택적 퓨필 스톱(pupil stop; 54)은 방사선의 일부분의 크기를 제한하며, 거울 경사는 메인 방사선 빔과 함께 방사선의 일부분이 투영되는 것을 보장한다. 스펙트럼은 L1의 퓨필 평면에서 검출기(32)상으로 이미징된다.
이전의 방법들에서, 각도-분해 스캐터로메트리는 단 파장에서 수행되었다. 상이한 파장들에서의 측정들은 순차대로(sequentially) 행해졌으며 그 상이한 파장들은 시간 다중화되었을 것이다. 하지만, 파장들의 시간 다중화는 스루풋을 저하시킬 수도 있다.
일 실시예에서, 스캐터로미터는 방사선 소스와 기판 사이에 있는 파장 다중화기 및 기판과 검출기 사이에 있는 비-다중화기를 포함한다. 이는, 여러개의 상이한 파장들(또는 컬러들)이 동시에 측정되도록 하므로, 보다 짧은 시간에 보다 많은 정보를 제공하고, 따라서 상술된 로버스트니스를 제공한다. 파장 다중화기는 역-투영 대물 평면에 배치된 분산 요소(dispersive element) 또는 퓨필 평면에 배치된 분산 요소를 포함할 수도 있다.
방사선 소스의 표면적은, 파장 다중화기에 각각 커플링되는 N개의 부분들로 분할되는 것이 바람직하며, 여기서 N은 이산 파장(discrete wavelength)들의 개수이다. 이 분할은, 예를 들어 섬유 다발 등을 이용하여 행해질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 다중화기는 역-투영 대물 평면에 배치되는 분산 요소를 포함한다. 상기 분산 요소는, 각각 대역폭이 δλ이고 간격이 상기 대역폭의 2배, 즉 2δλ이상인 N개의 이산 파장들을 수용하도록 순응된 격자 또는 프리즘일 수도 있다. 이는 연장된 광원의 용도를 최대화할 수도 있다. 상이한 파장들의 측정이 동시에 행해질 수 있기 때문에, 더이상 시간-다중화될 될 필요가 없으므로, 스루풋이 증가되는 것이 가장 큰 장점이다.
일 실시예에서, 비-다중화기는 퓨필 평면에 배치된 분산 요소를 포함한다. 퓨필 평면내의 각도-분해 스펙트럼들의 양호하게 정의된 거리(well-defined separation)를 얻기 위해서, 1이상의 광학 웨지(optical wedge)들이 대물 평면내에 삽입될 수 있다.
일 실시예에서, 연장된 광대역 방사선 소스, 예컨대 제논, 듀테늄 또는 쿼츠 텅스텐 할로겐 광원이 사용된다. 이들 광원들은, 이산 파장들로 분할될 수 있는 소정 표면적을 제공하는 넓은 너비를 가지며, 상술된 바와 같이 보다 많은 정보를 제공한다. 이들 파장들은 193nm 내지 800nm 사이의 범위내에 있을 수 있다.
일 실시예에서는, 상기 파장들을 공간적으로 분리시키기 위해서, 조명 브랜치(illumination branch)(또는, 도 2의 소스(2)와 기판(2) 사이의 방사선 경로)내에는, N개의 이산 파장들을 조합하는 분산 프리즘 또는 격자가 사용되며, 검출 브랜치(또는, 기판(6)과 검출기(4) 사이의 방사선 경로 사이의 공간)내에는, 격자 또는 프리즘이 사용된다.
도 6에는, 다중화 격자의 일례가 도시되어 있다. 2개의 광원(S1, S2)들은, 렌즈 시스템(L2)을 통해 전달되고, 대물 평면(42)내에 존재하는 리트로 장착 격자(Littrow mounted grating)에 부딪히며, 렌즈 시스템(L1)을 통해 또 다른 대물 평면(42)으로, 또한 선택적으로는, 조명 섬유(60)내로 전달되기 이전에, 퓨필 평면(40)상에 포커스된다. 퓨필 평면은 적절한 치수(격자상에 입사되는 광의 각도 범위를 결정하는 폭)로 된 직사각형 어퍼처들을 포함한다. 이 각도 범위 및 격자 피치는, 어퍼처를 통해 퓨필 평면으로 전달되는 복귀 광(returning light)의 대역폭을 결정한다. 예를 들어, 밀리미터당 1200개의 라인들을 갖는 격자는, 약 1.2mrad/nm의 분산 간격(dispersion)을 가진다. 4nm의 유효 대역폭은 3.33mrad의 조명 빔의 전체 각도 폭에 대응한다. 기판(6)의 스폿 크기는 약 40㎛ 정도이며, 그 NA는 0.95이다. 그러므로, 격자상의 빔 직경은 약 23mm이다. 렌즈(L1)의 초점 길이가 100mm인 경우, 퓨필 평면내의 어퍼처 홀들의 폭은 333㎛이어야 한다. 조명 섬유가 사용되는 경우, 조명 NA는 약 0.22이어야 한다.
(상이한 파장들을 갖는) 2이상의 방사선 소스들이 동시에 사용될 수 있음은 분명하다.
도 7은 검출 브랜치내의 파장 비-다중화기의 일례를 도시한다. 간명함을 위해서, 오직 2개의 파장들의 거리만이 도시되어 있다. 비-다중화기는, 격자가 퓨필 평면에 배치되고 대물 평면에는 배치되지 않는 것을 제외하고는 다중화기와 유사하다. 리트로 장착 격자(16)내의 격자에 의해 회절되는 광은, 파장(λ1, λ2)들로 대물 평면내에 2개의 대물 이미지를 생성하는 렌즈(L2)로 전달된다. 이 평면은 n개(이 경우, n=2)의 홀들을 갖는 필드 스톱(field stop)을 포함할 수도 있으며, 이는 공간 필터링을 회피하여 스펙트럼을 교란(disturb)시키는 것을 회피하기 위해서 충분히 넓어야 한다. 또한, 필드 스톱(40)의 각각의 홀은 독특한 웨지 각도를 갖는 웨지(62)를 가진다. 이 웨지(62)는, 각각의 파장에 대한 각도 분해 스캐터 스펙트럼이 CCD 검출기(32)의 상이한 부분상에 이미징되는 것을 보장한다. CCD 검출기는 제 2 퓨필 평면(40)에 기초한다.
웨지(62)가 2개의 방향들로 광을 편향시키기 때문에, 다수의 각도 분해 스펙트럼을 갖는 CCD 검출기의 효율적인 필링(filling)을 실현할 수 있다.
재현가능한 결과(reproducible result)들을 얻기 위해서, 타겟들이 양호하게 포커스되어야 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이를 달성하기 위해서, 높은 NA 대물 렌즈(objective)의 퓨필 평면(40)은, 도 8에 도시된 바와 같은 더블 텔레센트릭 시스템(double telecentric system)을 이용하여 검출기상에 이미징된다. 모든 실시예에서, NA가 높으며; 0.9이상인 것이 바람직하다.
중간 대물 평면(42)내의 나이프 에지(knife edge; 70)는 중간 대물 이미지의 절반을 차단한다. 상기 에지는 푸코 나이프-에지(Foucault knife edge)일 수도 있다.
상기 나이프-에지는 기판상으로 방사선의 이미지를 포커스하는 것을 돕는다. 각각의 방위에 대해, 퓨필 평면(40)의 외측 영역들(또는, 실제적으로 말하면, 2개의 절반부들)내의 세기가 샘플링된다. 디포커스(defocus)의 경우, I1 및 I2의 세기차가 생성된다. 포커스(F)는 다음과 같이 주어진다:
Figure 112005044889103-pat00025
.
비례 팩터(proportionality factor; k)는, 이미지와 무관하며, 통합 피드백 루프(integrating feedback loop)에 포커스 센서가 사용될 수 있기 때문에, k의 정확한 값이 중요한 것은 아니지만, 꼭 한번은 결정될 필요가 있다.
조명 소스들은, 항상 균질(homogeneous)하지는 않으며, 기판들의 정확한 노광을 보증하기 위해서 캘리브레이션(calibrate)되고 보정되어야만 한다. 비균질성은 조명 소스들 자체에 의해, 또는 조명 경로내에 있는 반사기들의 표면 코팅의 거 침성(roughness)으로 인해 유도될 수 있다. 이전에는, 알루미늄 거울을 이용하여 조명 빔의 정규화가 행해졌었다. 하지만, 이 정규화는, 측정될 물체가 보다 높은 회절 차수들을 생성하는 경우에 수행될 수 없다. 이들은 오버레이 적용들에 툴 유도된 시프트 오차들(tool induced shift errors)이 유발시킨다.
그러므로, 일 실시예에서, 스캐터로메트리 시스템은 조명 빔내에 1이상의 거울들을 더 포함한다. 더욱 상세하게는, 상기 거울들은 기판테이블상의 일 기점(fiducial)일 수도 있으며 알루미늄으로 만들어질 수도 있다. 이들 거울들은, 상이한 각도들로 반사된 2개 이상의 이미지들을 생성하기 위해서, 경사지거나 상이한 경사 각도들에 존재한다. 각각의 격사 각도에 대해서, 검출된 스펙트럼은 경사 방향과 동일한 방향으로 시프트된다. 이들 이미지가 검출되며, 또한 미분 방정식으로 조합되는데, 이로부터 방사선 빔의 조명 프로파일이 결정될 수도 있다. 그 결과적인 조명 프로파일은, 보다 높은 회절 차수들에서의 반사된 스펙트럼의 특성의 측정들을 보장하기 위해서 사용된다.
측정된 신호(M 0 (k))는 다음과 같이 표현된다:
Figure 112005044889103-pat00026
여기서,
A(k)는 퓨필 평면내의 소정 위치(k)에서의 미지의 조명 세기이고;
B(k)는 센서의 검출 브랜치에서의 미지의 광학 손실이며;
R ±N 은 격자 물체(grating object)의 NTH 차수의 회절 효율성이다.
실제로, 서서히 변하는 비균질한 조명 및 그 조명 경로내의 광학기와 코팅들의 표면 거칠기로 인해, 조명 세기가 변화된다. 일반적으로, 광학 코팅들의 표면 거칠기는 퓨필 평면내의 조명 빔의 입자형 겉보기(grainy appearance)를 생기게 한다.
기준 측정은 고반사 알루미늄 거울상에서 수행될 수도 있으며, 이는 다음의 측정된 신호를 제공한다:
Figure 112005044889103-pat00027
.
그 기준을 이용하여 상기 물체의 측정을 정규화하면 다음과 같다:
Figure 112005044889103-pat00028
.
검출 브랜치내의 손실들이 이 정규화에 의해 제거된다는 것을 알 수 있다.
하지만, 조명내의 비균질성들은 0의 회절 차수(즉, 정반사)에 대해서만 제거된다. 그 보다 높은 회절 차수들은 다음 수식내에 미지의 오차 항을 가지고 있다:
Figure 112005044889103-pat00029
.
이 항을 제거하기 위해서는, 하기에 서술되는 바와 같이 조명 프로파일 (A(k))이 캘리브레이션되어야만 한다.
거울은 1개의 볼록 또는 오목 거울일 수도 있거나, 검출 시, 각도들의 범위에 걸쳐 능동적으로(actively) 경사지는 평면 거울일 수도 있다. 대안적으로, 상이한 경사 각도들에서 거울들의 범위가 존재할 수도 있다. 방사 방향(경사의 크기를 변화시킴)으로 또는 방위각 방향(azimuthal direction)(경사의 방향을 변화시킴)으로 측정된 반사 각도가 존재할 수도 있다.
이후, 미분 방정식을 결정하는데 사용되는 방법은 1-차원으로 설명될 것이다. 2 차원으로의 확장이 통상적이다(trivial).
기준 거울은 1mrad 급의 2개의 작은 대향 거울 경사들(±θ M )에 대해 측정된다. 이 경사의 결과로, 측정된 퓨필 이미지가 시프트될 것이다. 그러므로, 약간 시프트된 2개의 이미지들이 측정된다:
Figure 112005044889103-pat00030
.
여기서, Δ는 퓨필 평면내의 시프트이며, 이는 일반적으로 퓨필 평면내의 위치(k)에 의존한다. 구면 수차가 없는 시스템(aplanatic system)에 대해서는,
Figure 112005044889103-pat00031
.
수학식 28에서의 C는, 반사된 세기의 재분포 및 구면 수차가 없는 시스템을 설명한다:
Figure 112005044889103-pat00032
Figure 112005044889103-pat00033
여기서, N+θ 및 M-θ는 각각 작은 양의 경사 및 작은 음의 경사에서 측정된 스펙트럼들이다.
여기서, Q의 아래첨자 'M'은 그것이 측정된 데이터와 관계가 있다는 것을 강조하기 위해서 사용된다. 작은 경사에 대해서는, 다음과 같은 근사값이 존재할 수도 있다:
Figure 112005044889103-pat00034
.
이 선형화를 이용하면 Q에 대한 미분 방정식을 얻게 된다:
Figure 112005044889103-pat00035
.
이 방정식을 풀면 다음과 같이 된다;
Figure 112005044889103-pat00036
.
상기의 유도는 2차원에 대해서도 쉽게 확장될 수 있다. 실제로, 측정된 데이터는 연속적인 것이 아니라 디지털화된 샘플링 데이터(digitized sampled data)이다. 하지만, 이는 상기 유도된 개념(concept)을 변화시키지 않는다.
실제로, 액추에이터들을 이용하여 기계적으로 경사지는 평면 거울이 채택될 수도 있다. 보다 멋있고 간단한 접근법은, 곡률 반경(R) 및 가로방향 위치(x)를 갖는 오목 또는 볼록 거울을 사용하는 것이다. 곡면 거울의 국부적 높이(z)는 다음과 같이 표현된다:
Figure 112005044889103-pat00037
.
표면의 국부적 기울기(θ)는 가로방향 위치(x)를 이용하여 선형으로 스케일링(scale)된다:
Figure 112005044889103-pat00038
.
그러므로, 기판 스테이지상의 오목한 또는 볼록한 구면 알루미늄 기점은 캘리브레이션이 곧 바로 되게 하는데, 그 이유는 검출기 하의 적절한 위치에 대해 상기 기점을 이동함으로써, 적절한 경사가 쉽게 얻어지기 때문이다. 본 발명의 일 실시예는 기판과의 켤레면에서 고리형 세기 분포(annular intensity distribution)를 갖는 방사선 빔을 이용한다. 고리형 세기 분포를 생성하기 위해서, 방사선 소스는 기계적 블레이드(mechanical blade)들, 공간 광 변조기들 또는 공간 간섭성 광대역 레이저(spatially coherent broadband laser), 및 줌-액시콘(zoom-axicon)(즉, 레이저 광의 링을 형성하기 위함)을 포함할 수도 있다. 고리형 방사선 빔은 작은-φ 조명을 포함하는 것이 바람직하다.
이른바 블레이드를 삽입함으로써 고리형 방사선을 구현하게 되면, 거의 모든 광자들이 "사용"되기 때문에, 광 손실이 존재하지 않으므로 여러가지 장점을 가지게 된다. 이는, UV 또는 DUV와 같은 광원들이 사용되는 경우에 특히 유용한데, 그 이유는 상기 광원들이 보다 풍부한 광원들(more abundant light sources)보다 더 적은 광자들을 방출하며, 따라서 그들 광자들의 많은 수를 손실시키는 것이 보다 더 눈에 띌 수 있기 때문이다. 특히, 낮은 광 세기가 존재하는 경우, 리소그래피 툴은 약간의의 딜레이를 겪기 때문에, 이는 신호 수집시 두드러질 수 있다. 고리형 광원들은, 블레이들에서처럼 내부 반사들을 유도하지 않는 또 다른 장점을 가진다. 내부 반사들은 광 인공물들(light artefacts)을 회피하도록 차단될 것을 요구한다. 동일한 장점들을 제공하는 여타의 조명 기술들, 예컨대 4극 조명(quadrupole illumination)이 사용될 수도 있음은 물론이다.
고리형 방사선의 고리가 높은 NA 렌즈의 퓨필 평면내에 배치되는 것이 이상적이다. 하지만, 퓨필 평면은 직접 접근할 수 없으며, 실제로는, 스캐터로미터의 조명 브랜치내의 퓨필 평면의 역-투영 이미지내에 고리가 배치된다. 고리형 조명의 장점은, λ/NA의 급의 작은 피치를 갖는 소정 격자의 +1/-1 회절 차수의 세기가 별도로 측정될 수도 있다는 것에 있다.
이 실시예는, 방사선 빔내에 형상화된 차폐부를 배치하고, 기판 경사의 변화들로 인해 유도된 기판상에 존재하는 상기 형상화된 차폐부의 형상 및 폭의 변화들을 검출함으로써 기판 경사의 변화들을 계산하는데 사용될 수 있다. 형상화된 차폐부는, 예를 들어 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같은 십자형(cross-hair)일 수도 있다. 이는, 여하한의 다른 형상일 수도 있음은 물론이며, 또한 반드시 퓨필 평면의 중심에 존재할 필요는 없다.
웨이퍼 경사를 측정하는 개념은, 웨이퍼 평면내의 경사가 퓨필 평면내에서 소정 시프트를 유발한다는 근본적인 관계(fundamental relation)에 기초한다. 본 실시예에서는, 조명 빔의 중심에 십자형 차폐부가 배치되어 있다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 이는 퓨필 평면내의 스캐터링된 광에 검은색 십자형을 생성한다.
이 십자형의 위치는 기판 경사가 변화함에 따라 변화될 것이다. 그 결과로, 도 9b에 도시된 바와 같은 이미지를 얻기 위해서, (0의 경사에서의) 이 패턴과 미지의 경사에서의 실제 측정간의 차이가 측정될 수도 있다. 기판의 작은 경사는, 광의 고리의 실질적인 형상 변화를 유도한다기 보다는, 퓨필 평면 이미지의 시프트를 유도한다. 이 시프트는 일반적으로 작으며 0.1 픽셀 정도이다. 이러한 작은 시프트를 검출할 수 있기 위해서, 픽셀들간의 값들은, 예를 들어 곡선 근사화(curve fitting)에 의해서 보간(interpolate)될 수도 있다. 고리의 에지에서 생기는 어두운-광 전이(dark-light transition)를 통해 곡선을 근사화함으로써, 고리의 서브-픽셀 변위들이 측정될 수 있다.
이들 전이들의 폭 및 표시(sign)는 2차원에서의 기판 경사를 계산하고 보정 하는데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 기판은 일정한 (0의) 경사에서 측정될 수 있다.
도 10은 기판과의 켤레면에서 고리형 세기 분포를 갖는 방사선을 이용하여 검출된 작은 피치화된 격자(small pitched grating)의 회절 차수들을 도시한다. 고리형 세기 분포를 이용하면, 도 10에 도시된 바와 같은 이미지들의 형상을 허용하며, 따라서 기판 경사의 보다 명확하고 보다 정확한 측정을 허용한다. 0으로 표시된 이미지는 검출기내에 이미징된 중심 0차 회절 차수이다. -2, -1, 1 및 2로 표시된 이미지들은 보다 높은 회절 차수들이다. 이들 보다 높은 회절 차수들은 보다 낮은 회절차수에 대해 시프트되며, 따라서 고립된(isolated) 1-D 및 2-D 피처들의 오버레이 메트롤로지의 측정을 보다 쉽게 한다.
계산 시간을 가속화하기 위해서, 퓨필 평면내의 단일 위치에서마다의 시뮬레이션된 신호를 계산할 필요는 없는 경우들, 특히 평활한 변화들(smooth variation)이 예상되는 경우가 존재한다. 이들 경우들에서, 개략적 그리드(coarse grid)가 측정될 수도 있으며, 퓨필 평면에서의 전체 형상을 보간하기 위해 픽셀 보간 기술이 사용될 수도 있다. 또한, 이 경우에는, 오직 1차 회절로부터 광을 수용하는 퓨필 평면내의 영역들이 존재하기 때문에 고리형 빔이 더욱 유익하다. 블록 빔(block beam)이 사용된다면, 퓨필 평면내의 각각의 지점은, 0차 또는 0차와 1차의 조합 중 어느 하나로부터 광을 수용하므로, 퓨필 평면에서의 측정에 오차들을 유발하게 될 것이다.
스캐터로미터를 이용하는 통상적인 측정들(normal measurement)은, 단일 편 광을 이용하여 단일 기판상의 단일 타겟부의 특성을 한번에 측정한다. 이는 스캐터로메트리를 통해 기판들의 스루풋을 제한하며; 잠재적으로는 노광 단계들을 제한한다. 본 발명의 일 실시예는 기판상으로 복수의 조명 스폿들을 투영하기 위해 조명 소스를 사용한다. 스캐터로미터의 검출기는, 기판의 표면으로부터 반사된 복수의 조명 스폿들의 각도-분해 스펙트럼을 동시에 검출한다. 복수의 조명 스폿들은, 2개의 직교 편광된 조명 스폿들을 생성하기 위해, 이중 조명 섬유(double illumination fiber) 또는 Wollaston 프리즘을 이용하여 생성될 수도 있다.
도 11은 스캐터로미터 하드웨어의 일부분을 도시한다. 2개의 조명 스폿들(70)은, 퓨필 평면(40)내에 위치된 높은 개구수 대물 렌즈를 통해 아래의 기판(6)상으로 전달되기 이전에 빔 분할기(50)에서 분할된다. 반사된 빔은 퓨필 평면에서 각도 분해된 2개의 스펙트럼을 분리하는 2개의 웨지(62)들을 통해 위로 전달되며, 상기 웨지들 자체는 중간 이미지 평면(42)내에 위치된다. 그 후, 조명 빔들은 CCD에 의해 도 11의 최상부의 재-이미징된 퓨필 평면(40)상에서 검출된다. 따라서, 2개, 또는 그 보다 많은 수의 평행한 측정들; 예를 들어, 단일 편광에 대해 수평 및 수직 라인들의 측정들; 심지어는 TE 및 TM 편광 양자 모두에 대한 수평 및 수직 라인들의 측정들이 행해질 수도 있다.
본 발명의 일 실시예는 스캐터로미터를 엘립소미터로 컨버트한다. 이를 행하기 위해서, 조명 브랜치는 방사선 빔을 선형으로 편광시키도록 구성된 제 1 편광기; 방사선 빔을 2개의 직교 성분들(ETE 및 ETH)로 분할시키도록 구성된 빔 분할기; 스캐터링된 빔을 편광하도록 구성된 제 2 편광기; 상기 제 1 편광기와 상기 제 2 편광기 사이에 위치된 가변 보상기(Pockells Cell, Wollaston 프리즘 쌍, 또는 Soleil-Babinet 보상기)를 더 포함하되, 상기 가변 보상기는 직교 편광된 성분들간의(및 선택적으로는, 빔 분할기와 높은 개구수 렌즈간의) 광학 경로차를 변화시키도록 구성되고; 및 그 결과적인 빔 성분들의 사인곡선 세기 변화를 검출하는 2차원 검출기를 더 포함한다. 상기 보상기는 스캐터로미터의 메인 조명 브랜치내에 존재하는 것이 가장 일반적이지만, 제 2 조명 브랜치내에도 존재할 수 있음은 물론이다.
상보적 금속 산화물 반도체(CMOS) 검출기와 같은 2차원 검출기는 높은 프레임 속도, 즉 초당 1000개의 프레임들의 영역내에 존재할 수 있는 속도를 가진다.
도 12는 각도-분해 분광적 개념이 각도-분해 분광적 엘립소미터로 변환되는 방법을 도시한다. 2개의 파장들(λ1 및 λ2)을 갖는 조명 빔은 45°편광기(72)를 통해 전달되고, 기판(6)에서 반사되며, 다시 편광되기 이전에 가변 보상기(74)를 통해 전달된다. 빔 분할기와 가변 보상기(74) 사이에서, 조명 빔은 TE와 TM 편광된 빔들간의 위상차(Δ)를 갖는 2개의 빔들로 분할된다. 도 12에서의 그리드(36)는 2-D 검출기 어레이 및 상기 어레이 중 1개의 픽셀에서의 시간-의존적 세기 변화를 도시한다. 다른 픽셀들은 그에 필적할만한 변화(comparable variation)를 도시할 것이다. 상기 빔들은, λ1 및 λ2의 조명 프로파일을 얻기 위해서, 2개의 대역 통과 필터(76)를 통해 통과된다. 그 결과적인 엘립소메트릭 파라미터들(cos(Δ), sin( Δ) 및 tan(ψ))은 내부 센서 스캐터링(internal sensor scattering)에 대해 실제로 민감하지 않으며, 따라서 신호 대 잡음 비(signal to noise ratio)가 개선될 수 있다. 이 작업은, 수학적 모델들에 광학 성분들의 불완전성들을 포함할 수 있게 하는 Mueller 행렬들을 이용하여 모델링될 수도 있지만, Jones 벡터 및 아래의 행렬들을 이용하여 모델링될 수 있다 .
제 1 편광기 이후의 조명 필드는 45°편광되며 Jones 벡터에 의해 다음과 같이 표현된다:
Figure 112005044889103-pat00039
.
기본 벡터(basis vector)들은 샘플의 타겟부상에 입사되는 TE 및 TM 편광된 광에 대응한다. 상기 샘플에서 반사됨으로써, 스캐터링된 TE 및 TM 성분들의 진폭 및 위상이 변화되게 된다. 이는 Jones 행렬로 표현될 수 있다:
Figure 112005044889103-pat00040
여기서, Δ는 스캐터링된 필드들의 TE 성분과 TM 성분간의 위상차이며, R TE 및 R TM 은 각각 스캐터링된 TE 및 TM 필드들의 진폭이다.
이들 파라미터들은 입사각과 파장의 함수이다. 높은-NA 렌즈 및 빔 분할기에 의해 도입된 여하한의 위상 및 진폭 변화들을 무시하면, 보상기상의 입사 필드는;
Figure 112005044889103-pat00041
이다.
상기 보상기는 TE 성분과 TM 성분간의 시간-변동적 광학 경로차(OPD)-변위를 도입한다. 광의 파장이 λ이면, 보상기의 Jones 행렬에 대해서는:
Figure 112005044889103-pat00042
이고,
따라서, 보상기 이후의 필드는 다음과 같다:
Figure 112005044889103-pat00043
.
편광기는 45°로 방위가 잡혀져 있으며 Jones 행렬을 가진다:
Figure 112005044889103-pat00044
그러므로, 편광기 이후의 필드는 다음과 같다:
Figure 112005044889103-pat00045
.
검출기 어레이상에 입사된 세기는 다음과 같다:
Figure 112005044889103-pat00046
.
측정 시간 간격에 걸쳐 OPD가 선형으로 증가하는 경우에는,
OPD = Kt.
이로 인해, 시간-조화 세기 변화(time-harmonic intensity variation)가 산출된다:
Figure 112005044889103-pat00047
여기서,
Figure 112005044889103-pat00048
이다.
세기 변화의 콘트라스트는 엘립소메트릭 파라미터(tan(ψ))와 직접적으로 관련되고, 사인곡선 변화의 위상은 엘립소메트릭 파라미터들(cos(Δ) 및 sin(Δ))을 직접적으로 제공한다. 표준 엘립소메트릭 스캐터로미터에서, tan(ψ) 및 cos(Δ)은 프로파일 정보를 얻기 위해서 측정되고 시뮬레이션된 신호들이다. 그 경우에, tan(ψ) 및 cos(Δ)은 파장으로 함수로서 표현된다. 본 발명에서, tan(ψ) 및 cos(Δ)은 퓨필 평면에서의 위치의 함수로서 얻어지며 유사한 분석들에도 이용될 수 있다. 특히, 엘립소메트릭 파라미터들은 인버스 스캐터링 문제(inverse scattering problem)를 해결함으로써 층 두께를 측정하는데 사용되는데, 다시 말해, 측정된 파라미터들을 모델링된 파라미터들과 비교하고, 그 측정된 파라미터와 모델링된 파라미터간의 (또는 여타의 적절한 메트릭(metric)간의) 평균제곱근 차이(root-mean-square difference)를 최소화함으로써 스택 파라미터(stack parameter)들이 결정된다.
그 변화의 주파수가 파장에 의존하기 때문에, 대역 통과 필터를 이용하여 다양한 파장들이 분리될 수 있다. 이는 신호 처리를 통해, 예컨대 이산 푸리에 변환 기술(discrete Fourier Transform technique)을 이용하여 용이하게 실현될 수 있다.
또한, 보상기는 조명 브랜치내에 배치될 수 있다. 더욱이, 이는 빔 분할기와 높은 개구수 대물 렌즈 사이에 배치될 수 있다. 이는 OPD가 배가되는 장점을 가진다.
2-D 검출기는 본 개념의 중요한 부분이며; 충분히 짧은 측정 시간들을 보장하기 위해서, 이는 높은 프레임 속도를 가져야만 한다. CMOS 검출기들은 매우 높은 프레임 속도들, 예컨대 초당 1000개의 프레임들을 달성할 수 있다.
상기에 서술된 오버레이를 측정하는 것은, 큰 오버레이 오차들, 특히 정수와 격자 피치의 곱과 같은 오버레이 오차들의 측정을 허용하지 않는다. 분명하게는, 격자 라인들이 서로 일렬로 되어 있으나, 여러개의 격자 피치 폭들에 의해 시프트된다는 것을 의미하는 오버레이 오차가 존재하는 경우, 격자 피치보다 작은 오버레 이 오차들만을 검출할 수 있는 능력은 아무런 쓸모가 없다.
그러므로, 본 발명의 일 실시예는, 개략적 오버레이 측정들을 수행하여, 개략적 오차들이 존재하는지, 예컨대 격자 오버레이 오차가 격자의 피치보다 실제로 더 큰지를 결정하기 위해서, 스캐터로미터에 이미 존재하는(또한, 상술된) 제 2 검출기 브랜치를 이용한다. 개략적 오버레이 측정은 이미징-기반 기술이며, 제 2 카메라가 2개의 오버랩된 격자들의 소정 이미지를 바라보고, 기판상의 마커들의 에지들의 위치들을 비교함으로써 큰 변위들이 존재하는지를 결정한다. 완벽한 오버레이는 마커 에지들을 완벽히 정렬했을 것이다. 패턴 인식 알고리즘들은 프로세스 층내의 격자의 에지 및 레지스트 층내의 격자의 에지를 결정하기 위해 사용된다. 이 측정은 격자 쌍의 4개의 측면 또는 코너들상에서 행해진다. 그 측정된 에지 위치들은 프로세스 층내의 격자의 위치에 대해 레지스트 격자의 위치를 계산함으로써 사용된다.
본 측정 원리는 격자 피치와 주기적으로 변화되는 격자 커플링에 기초하기 때문에, 스캐터로메트리가 단독으로 다수의 격자 피치와 같은 오버레이를 측정할 수 없다는 사실이 근본적인 한계이다. 다시 말해, 0의 오버레이 및 피치와 같은 오버레이는 동일한 결과들을 갖게 된다.
본 발명의 스캐터로미터는 매우 간단한 해결책을 제공한다. 스캐터로미터는 CCD 카메라상에 기판면을 이미징하는 별도의 이미징 브랜치를 포함한다. 이 제 2 카메라는 정렬 및 패턴 인식 단계를 통해 기판의 위치를 측정하기 위해 필요하다. 도 13에는, 제2브랜치가 개략적으로 도시되어 있다.
퓨필 평면(40) 측정(실제 각도 분해 측정)은 대물 평면(42)에서 타겟을 언더필(underfill)하는 조명 소스를 필요로 한다(즉, 측정 스폿이 측정 타겟보다 작다). 퓨필 평면 이미징 조명 빔들은 도 13에 실선으로 도시되어 있다. 이 경우, 타겟의 일 부분만이 측정되며, 그 타겟 외부의 구조체들은 조명되지 않는다. 측정 스폿이 측정 타겟을 필(fill) 또는 오버필(overfill)하는 경우, 측정 신호는 타겟을 둘러싸는 영역에 의해 교란되며, 데이터 해석 및 신호 분석이 불필요하게 복잡해지게 된다.
한편, 이미지 평면 측정은, 완전한 퓨필 평면 및 타겟의 외형(contour)들이 샘플링되어야만 하기 때문에, 정렬을 검출하기 위해서는 그 타겟을 오버필해야만 한다. 이미지 평면 측정들을 위한 광선들은 점선으로 도시되어 있다. 대물 평면의 이미지는 제 1 CCD 카메라(80)상에 형성되며, 퓨필 평면의 이미지는 제 2 CCD 카메라(82)상에 형성된다.
도 14는 0의 오버레이(좌측 도면) 및 격자 피치의 두배인 X-오버레이(우측 도면)에 대한 오버레이 타겟의 가능한 일례를 도시한다. 퓨필 평면 측정은, 신뢰성없는 측정이 되게 하는 두 상황 모두에 대해 동일하게 측정된 0의 오버레이를 얻게 될 수도 있다. 하지만, 이미지 평면 측정은 이들 2가지 상황들 간의 차이를 명확히 구별할 수 있다. 이러한 방식으로, 로버스트한 2-스테이지 메트롤로지 방법(robust two-stage metrology scheme)이 다음과 같이 수행될 수 있다:
(1) 2개의 이미지 평면 측정들은 큰 오버레이 오차들이 존재하지 않는다는 것을 입증하기 위해 수행된다.
(2) 이전의 측정에서, 오버레이가 약 200nm보다 작다는 것을 알 수 있는 경우에는, 퓨필 평면 측정들이 수행된다.
200nm 기준(criterion)은 일례이다. 이는 여하한의 분별 있는 임계값(sensible threshold)에 대해 행해질 수도 있다. 이미지 평면 CCD가 1000 × 1000 픽셀들을 가진다고 가정하고, 또한 기판 레벨에서 픽셀 피치가 100nm이라고 가정한다면, 총 필드 오브 뷰(field of view)는, 20 내지 50nm 급의 정확성을 갖는 개략적 오버레이 측정들을 여전히 허용하면서, 패턴 인식 및 정렬에 적당한 100 × 100㎛2이 될 것이다.
개략적 오버레이는 전체 정렬 마커가 CCD에 가시(visible)되는 경우에만 측정될 수 있다. 예를 들어, 마커의 중심부만이 가시되는 경우, 개략적 오버레이의 측정을 가능하게 하기 위해서, 기판테이블은 마커의 에지로 이동될 필요가 있다. 이는 상기 테이블의 추가 이동을 요구하며, 따라서 측정 수행 프로세스(measurement taking process)를 느려지게 한다. 보다 큰 필드 오브 뷰는, 제 2 카메라가 퓨필 평면상의 이미지를 캡쳐하고 상세화된 오버레이 정보를 얻을 수 있게 하면서 일 "행정(stroke)"으로의 마커의 캡처 및 개략적 측정이 신속하게 수행되도록 한다.
심지어는, 노광 툴에서의 에지 예비-정렬(edge pre-alignment) 및 개략적 웨이퍼 정렬의 결과들이 사용되는 경우에도, 그 관련 이미지를 캡처하는데 요구되는 필드 오브 뷰가 감소될 수 있다. 이들 데이터를 이용하면, 오버레이 메트롤로지 모 듈내의 에지 예비-정렬이 완료된 후, ㎛ 정확성을 가지고 기판상의 마커들의 위치를 예측할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 격자들 또는 여타의 주기적 구조체들상의 CD 메트롤로지를 위해 배치된 스캐터로미터를 이용하여, 오버레이 오차들 뿐만 아니라 손상된 격자들을 검출한다. 통상적으로, 스캐터로미터는 정입사 광(specular light), 즉 격자에 곧 바로 반사된 가장 낮은 차수의 광을 검출한다. 격자내의 국부적 왜곡들은 그 격자의 주기성을 파괴하여 정방향이 아닌 방향(non-specular direction)으로 스캐터링되게 한다. 스캐터로미터는 정방향 이외의 다양한 각도들에서의 스캐터링된 빔의 각도-분해 스펙트럼을 검출하는데 사용될 수 있다. 고리형 세기 분포를 갖는 방사선, 또는 작은-φ 조명은, 보다 큰 정확성과 판독을 쉽게 하는 이미지들을 위해 사용될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 상술된 바와 같이 투영시스템과 기판사이에 액체가 도입된 침지 리소그래피 장치내의 버블 결함(bubble defect)들을 검출하는데 사용될 수도 있다. 이전에는, 오프-라인 결함 검사 툴들을 이용하여 버블 결함들이 측정되었다. 오프-라인 툴들은, 결과들을 생성하기 위해서, 생산 라인으로부터 기판들을 가져 오고 또한 대기(queued)시켜야 하기 때문에, 온-라인 툴들보다 더 많은 시간이 소요된다. 액체내의 버블들은 기판상에 표면 결함을 유도하며, 이는 그 표면이 광에 노출되는 때에 광이 스캐터링되게 할 것이다. 이 스캐터링된 방사선은 본 발명의 스캐터로미터를 이용하여 측정되며, 따라서 버블 결함들에 다시 외삽(extrapolate)되는 스캐터링의 원인을 밝힐 수 있다.
이상, 특정 실시예들이 서술되었지만, 본 발명은 서술된 것과 다르게 실시될 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 상기 서술내용은 본 발명을 제한하려는 것이 아니다. 상세히 설명된 실시예들은 일반적인 작동 원리에 대해 확장될 수 있으며, 서로 배타적일 필요는 없다; 상기 실시예들은, 상술된 바와 같은 검출기에서 얻어지는 결과들에 기초하여 그 유효성을 증가시키도록 하나의 메트롤로지 툴에서 조합될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들은, 리소그래피의 적용예에 관한 것지만, 하드웨어 및 적용예들은 이것으로 제한되지 아니한다. 상기 실시예들은 에칭 공정 단계들 등과 같은 다른 적용예들에도 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 다 파장들에서 각도-분해 스펙트럼들을 동시에 측정할 수 있고, 각도 분해 스캐터로미터용 포커스 측정 방법 및 침지 스캐터로메트리를 수행할 수 있으며, 또한 2-D 검출기 어레이를 이용하여 방사선 소스의 세기 잡음을 측정할 수 있는 하드웨어가 제공된다.

Claims (56)

  1. 기판의 특성을 측정하도록 구성된 스캐터로미터에 있어서,
    높은 개구수 렌즈;
    상기 기판의 표면으로부터 반사된 방사선 빔의 각도-분해 스펙트럼을 검출하도록 구성된 검출기; 및
    상기 검출기를 이용한 별도의 측정을 위해, 방사선 소스로부터 방출된 방사선 빔의 일부분을 커플링하도록 구성된 경사진 거울 및 비-편광 빔 분할기를 포함하여 이루어지고,
    상기 높은 개구수 렌즈의 퓨필 평면에서, 복수의 각도들에서의 반사된 스펙트럼의 특성을 동시에 측정함으로써, 상기 기판의 특성이 측정될 수 있는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈의 상기 개구수는 0.9 이상인 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사된 스펙트럼의 특성은, (a) 횡자기적 및 횡전기적 편광된 광의 세기, (b) 횡자기적 편광된 광과 횡전기적 편광된 광간의 위상차, 또는 (a)와 (b) 양자 모두를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 높은 개구수 렌즈의 퓨필 평면에서, 복수의 파장들에서의 반사된 스펙 트럼의 특성을 측정함으로써, 상기 기판의 특성이 측정되는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 파장들 각각은 δλ의 대역폭 및 2δλ이상의 간격을 가지는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  6. 제1항에 있어서,
    반사된 스펙트럼내의 비대칭성을 측정함으로써, 오정렬된 2개의 주기적 구조체들의 오버레이가 측정될 수 있으며, 상기 비대칭성은 상기 오버레이의 크기와 관련되는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  7. 제1항에 있어서,
    방사선 빔을 제공하도록 구성된 방사선 소스와 상기 기판 사이의 파장 다중화기; 및
    상기 기판과 상기 검출기 사이의 비-다중화기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 파장 다중화기는, 각각 대역폭이 δλ이고 간격이 2δλ인 N개의 이산 파장들을 수용하도록 순응된 분산 요소, 예컨대 격자 또는 프리즘인 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 방사선 소스의 표면적이, 상기 파장 다중화기에 각각 커플링된 N개의 부분들로 분할되며, 여기서 N은 이산 파장들의 개수인 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  10. 제1항에 있어서,
    퓨필 평면에서의 각도-분해 스펙트럼들의 정의된 거리를 얻기 위해서, 대물 평면에 광학 에지를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 방사선 빔의 일부분은, 상기 방사선 빔의 세기를 측정하고, 상기 방사선 빔의 세기의 변동들을 보상하기 위해서 사용되는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 방사선 빔의 일부분의 크기를 제한하고 상기 방사선 빔의 일부분이 상기 방사선 빔의 나머지 부분에 대해 평행한 것을 보장하도록 구성된 퓨필 스톱을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 높은 개구수 렌즈 사이에 액체를 포함하는 공간을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제1항에 있어서,
    중간 대물 평면의 반대 절반부들(opposite halves) 중 하나에 배치되도록 순응된 에지를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 검사 방법에 있어서,
    평행하게 층을 이루지만(layered in parallel) 오정렬된 2개의 격자들을 포함하는 패턴을 기판상에 프린팅하여, 하나의 격자에 대해 다른 하나의 격자의 오버레이를 생성하는 단계;
    스캐터로미터를 이용하여 상기 격자들의 반사된 스펙트럼을 측정하는 단계;
    상기 반사된 스펙트럼의 비대칭성으로부터 상기 오버레이의 크기를 유도하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 검사 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 반사된 스펙트럼을 측정하는 단계는, (a) 복수의 각도들에서의 상기 반사된 스펙트럼의 특성, (b) 복수의 파장들에서의 상기 반사된 스펙트럼의 특성, 또는 (a)와 (b)를 동시에 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 검사 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 반사된 스펙트럼의 특성은, (i) 횡자기적 및 횡전기적 편광된 광의 세기, (ii) 횡자기적 편광된 광과 횡전기적 편광된 광간의 위상차, 또는 (i)와 (ii) 양자 모두를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 검사 방법.
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 제1항에 있어서,
    1이상의 반사기;
    1이상의 거울으로부터 반사되는 2개 이상의 이미지들을 검출하고 조합하도록 구성된 검출기; 및
    방사선 빔의 조명 프로파일이 검출될 수 있는 상기 이미지들에 기초하여 미분 방정식을 생성하도록 구성된 프로세서를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 조명 프로파일은, 보다 높은 회절 차수들에서의 반사된 스펙트럼의 특성의 측정들을 보정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 반사기는 오목 거울을 포함하여 이루어지고, 상기 스캐터로미터는 상기 거울의 표면에 걸쳐 방사선 빔을 이동시키는 기구를 포함하여, 복수의 반사 각도들을 얻는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  34. 제31항에 있어서,
    상기 반사기는 볼록 거울을 포함하여 이루어지고, 상기 스캐터로미터는 상기 거울의 표면에 걸쳐 방사선 빔을 이동시키는 기구를 포함하여, 복수의 반사 각도들을 얻는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  35. 제31항에 있어서,
    상기 반사기들은 평탄한 거울을 포함하여 이루어지고, 상기 스캐터로미터는 복수의 각도들을 통해 상기 거울을 경사지게 하는 기구를 포함하여 이루어지는 것 을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  36. 제31항에 있어서,
    상이한 경사 각도들을 갖는 복수의 거울들을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  37. 제31항에 있어서,
    측정된 반사 각도는 방사 방향내에 있는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  38. 제31항에 있어서,
    측정된 반사 각도는 방위각 방향내에 있는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  39. 삭제
  40. 제1항에 있어서,
    상기 방사선 빔을 선형으로 편광시키도록 구성된 제 1 편광기;
    상기 방사선 빔을 2개의 직교 성분들(ETE 및 ETH)로 분할시키도록 구성된 빔 분할기;
    스캐터링된 광을 편광시키도록 구성된 제 2 편광기;
    상기 제 1 편광기와 상기 제 2 편광기 사이에 위치되며, 직교 편광된 성분들간의 광학 경로차를 변화시키도록 구성된 가변 보상기; 및
    그 결과적인 빔 성분들의 사인곡선 세기 변화를 검출하는 2차원 검출기를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 보상기는 스캐터로미터의 조명 브랜치내에 위치되는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  42. 제40항에 있어서,
    상기 보상기는 상기 빔 분할기와 상기 높은 개구수 렌즈 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  43. 제1항에 있어서,
    개략적 오버레이 측정들을 수행하는 제 2 검출기 브랜치를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  44. 제43항에 있어서,
    제 2 검출기 브랜치는 상기 기판의 이미지 평면내에 존재하는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  45. 제43항에 있어서,
    상기 제 2 검출기 브랜치는 기판상의 오버레이 오차들을 측정하도록 구성되며, 상기 오차들은 정수와 기판 격자의 피치의 곱과 같은 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  46. 제26항에 있어서,
    상기 격자들의 개략적 오버레이 측정을 수행하여, 상기 오버레이가 격자 피치 폭보다 더 큰지를 결정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 검사 방법.
  47. 제46항에 있어서,
    i) 방사선 빔의 2개의 이미지 평면 측정들을 수행하여, 격자 피치보다 더 큰 오버레이 오차의 존재를 결정하는 단계; 및
    ii) 결정된 오버레이가 사전설정된 임계값 이하인 경우, 방사선 빔의 퓨필 평면 측정을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 검사 방법.
  48. 삭제
  49. 삭제
  50. 제1항에 있어서,
    기판상으로 복수의 조명 스폿들을 투영시키도록 구성된 투영기를 더욱 포함하여 이루어지며,
    상기 검출기는 상기 기판의 표면으로부터 반사된 복수의 방사선 스폿들의 각도-분해 스펙트럼을 동시에 검출하도록 더욱 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  51. 제50항에 있어서,
    동일하게 편광된 2개의 조명 스폿들을 생성하는 분리기(divider)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스캐터로미터.
  52. 삭제
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  55. 삭제
  56. 삭제
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