KR100830140B1 - 오버레이 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

리소그래픽 투사 장치를 사용하는 리소그래팩 제조 공정에서, 마스크 패턴(C)이 투영되는 레지스트 층(RL) 및 기판(W) 사이의 오버레이를 측정하는 방법에서, 장치의 일부 및 상기 기판 및 레지스트 층에서 특정 오버레이 마크(P10, P11)의 일부를 형성하는 정렬-측정 디바이스(AS1, AS2)가 사용된다. 이 마크들은 정렬 디바이스에 의해서 분석될 수 없는 주기(PE10, PE11)를 가진 주기적인 구조를 가지지만, 정렬 디바이스의 기준 마크(M1; M2)의 주기에 대응하는 주기(PEb)를 가지는 간섭 패턴(Pb)을 생성한다.

Description

오버레이 측정 방법{METHOD OF MEASURING OVERLAY}
본 발명은 리소그래픽 투사 장치를 사용하는 리소그래픽 제조 공정에서, 마스크 패턴이 투영되는(imaged) 레지스트 층과 기판 사이의 오버레이를 측정하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 주기 p1의 주기적인 구조를 가지는 적어도 하나의 기판 오버레이 마크 및 주기 p2의 주기적인 구조를 가지는 대응하는 레지스트 오버레이 마크를 사용한다.
본 발명은 또한 리소그래픽 투사 장치에 의해서 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 오버레이를 측정하는 방법을 포함한다.
리소그래픽 투사 장치는 확산 및 마스킹 기술에 의한 집적 회로(IC)의 제조에 필수적인 툴이다. 이 장치에 의해서, 다른 마스크 패턴을 가지는 다수의 마스크를 반도체 기판 상의 동일한 위치에 연속적으로 투영한다.
기판은 그 내부에 IC와 같은 완전한 디바이스가 다수의 연속적인 프로세싱 단계의 세트들에 의해서 레벨별로(level-wise) 형성되는, 예를 들면, 실리콘과 같은 재료의 플레이트를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이런 세트들의 각각은 주 프로세싱 단계로서 기판 상에 레지스트 층을 도포하는 단계와, 마스크로 기판을 정렬하는 단계와, 레지스트 층 내부에 이 마스크의 패턴을 투영하는 단계와, 레지스트 층을 현상하는 단계와, 레지스트 층을 통하여 기판을 에칭하는 단계와, 또한 세정하는 단계 및 기타 프로세싱 단계들을 포함한다. 기판이라는 용어는 디바이스-제조 공정 중 다른 단계에서의 기판들, 즉, 디바이스 피쳐의 단 하나의 층을 포함하는 기판과 디바이스 피쳐의 단 하나의 층만 제외한 전부를 포함하는 기판, 그리고 모든 중간 과정의 기판들을 포함한다.
이 기판은 다른 마스크 패턴의 연속적인 투사 사이에서 원하는 물리적이고 화학적인 변화를 받게 된다. 이런 목적으로, 이 기판은 마스크 패턴을 이용하여 노출된 후에 장치에서 제거되어야 한다. 원하는 처리 단계를 진행한 후에, 이 기판은 두 번째 마스크 패턴을 이용하여 노출시키도록 장치의 동일한 위치에 다시 배치되어야 한다. 그 다음 두 번째 및 후속 마스크 패턴들이 그 기판에 이미 형성된 디바이스 피쳐에 대하여 정확하게 배치되도록 보장하여야 한다. 이를 위해, 리소그래픽 투사 장치에는 기판 상의 정렬 마크들을 마스크 상의 정렬 마크들에 대하여 정렬시키는 정렬 시스템이 제공된다. 이 정렬 시스템은 정렬 편차를 측정하기 위하여 광학적 정렬-측정 장치를 포함한다.
여기서, 정렬은 웨이퍼가 투사 장치에 있을 때 마스크-대-기판의 위치 맞춤을 보장하는 처리 공정을 의미한다. 오버레이는 주어진 레벨의 마스크 패턴 및 후속 레벨의 마스크 패턴의 노출 후(after-the-exposure) 위치 맞춤의 정도를 의미한 다. 정렬은 마스크 정렬 마크 및 기판 정렬 마크에 의해서 실행된다. 정렬은 IC와 같은 디바이스의 제조 공정에서 필수적인 단계이지만, 수반된 많은 에러 팩터 때문에 기판에 형성된 제 1 차 레벨 패턴 및 제 2 차 레벨 패턴의 충분한 오버레이를 보증하지는 않는다. 오버레이 정확도는 주로 웨이퍼 스테이지 정확도, 정렬-측정 디바이스의 정확도, 기판 변형에 의해서 생긴 확대 에러, 마스크에서의 패턴 배치 정확도에 의존한다. 디바이스 피쳐의 크기가 감소함에 따라 더 높은 오버레이 정확도가 요구된다. 따라서 정확하고 신뢰할만한 오버레이 측정이 오버레이 에러를 정정하기 위해서 더욱 중요하게 되었다.
종래의 오버레이 에러 정정 절차에서, 제 1 차 기판 레벨이 요구된 패턴으로 주어진 후에, 후속 기판 레벨을 위한 패턴이 기판 상에 증착된 레지스트에 투영된다. 그런 다음 기판은 투사 장치로부터 제거되고 레지스트는 현상되며 현상된 패턴 이미지 및 제 1 차 기판 레벨의 패턴 사이의 오버레이가 독립형 정밀 측정 시스템, 일반적으로 주사 전자 현미경(SEM)에서 측정된다. 오버레이 에러 정정 팩터는 오버레이를 정정하기 위해서 계산되어 노출 장치로 불리는 투사 장치에 제공된다. 오버레이 에러 정정이 실행된 후에, 모든 웨이퍼가 노출된다.
오버레이를 측정하기 위해서, 통상적으로 "KLA 방법"으로 알려진 방법이 사용된다. 이 방법에서는, 박스-인-박스(box-in-box) 타입의 오버레이 마크가 사용된다. 제 1 차 레벨의 오버레이 마크 및 레지스트 층에서의 오버레이 마크는 동일한 형태, 일반적으로 정방형과 같은 닫힌 외곽선(a close contour)을 갖지만, 마크 하나의 크기는 다른 마크의 크기보다 더 작아서 제 1 차 마크는 다른 마크 내부에 끼워 넣을 수 있다. 서로에 대한 마크의 방향 및 두 마크의 대응하는 외곽선 사이의 거리가 측정되어 오버레이 정확도를 결정한다.
SPIE 제 1343 호에 실린 논문 "Submicrometer lithographic alignment and overlay strategies", "X-ray/EUV Optics for Astronomy, Microscopy, Polarimetry and Projection Lithography"(1990)의 245-255 페이지에 광학적 Moir 기술이 오버레이 정확도 뿐만 아니라 정렬 측정에 사용될 수 있다고 발표되어 있다. Moir 패턴은 격자 스트립의 방향 또는 주기가 다른 2 개의 격자에 의해서 생성된다. 이 격자들을 중첩시키고 그것들을 조명시킬 때의 효과를 관찰는 하나의 실험이 기술되어 있다. 2 개의 격자들은 노출 사이에 레지스트를 현상하지 않고 동일한 레지스트 층 내에 차례로 투영된다. 오버레이 측정에 관해서는, 더 큰 주기의 발생된 Moir 줄무늬(fringes)에 의해서 제공되는 작은 주기의 격자들 사이의 쉬프트의 중복이 두 격자들 사이의 오버레이를 측정하는 강력한 기술이라고 언급되어 있을 뿐이다. 또한, 격자 마크의 에지와 같은 외부 기준에 관한 다른 줄무늬 패턴, 즉 Moir 패턴의 위상이 오버레이에 대한 직접적인 척도라고 구체적 설명없이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 독립형 측정 시스템을 필요로 하지 않으며 리소그래픽 투사 장치의 포텐셜(potential)을 효과적으로 이용하는 오버레이 측정 방법을 제공하는 것이다. 이 방법의 특징은 장치의 일부를 구성하고, 정렬-측정 디바이스를 사 용하고 주기 ps에 맞춰진, 주기 pr의 주기적인 구조를 갖는 기준 마크에 대한 주기 p1 및 p2보다 실질적으로 더 큰 주기 ps의 주기적인 구조를 갖는 기판 정렬 마크의 정렬을 측정하는 정렬 측정 디바이스를 사용하는 점과 기판 오버레이 마크 및 레지스트 오버레이 마크의 조명시에 발생되어 주기 pr로 맞춰진 주기 pb의 간섭 패턴이 정렬 빔 방사에 의해서 기준 마크 상에 투영되는 점이다.
이 새로운 방법은 약간 다른 격자 주기를 가지는 2 개의 작은 주기 격자 사이의 오버레이를 측정하기 위한 기존의 정렬 측정 시스템의 새로운 사용을 포함한다.
기판 오버레이 마크 및 레지스트 오버레이 마크 각각의 주기 p1 및 p2는 바람직하게는 투사 시스템의 분해능의 차수이다. 작은 주기 때문에, 작은 오버레이 에러가 새로운 방법으로 측정될 수 있다. 간섭 패턴, 또는 Moir 패턴의 주기는 기판 정렬 마크 및 레지스트 정렬 마크의 주기에 의해서 결정된다. 이 방법이 보통의 정렬 디바이스를 이용하여 실행될 수 있도록, 주기 p1 및 p2를 적당하게 선택하여, 간섭 패턴의 주기는 보통의 기판 정렬 마크의 주기와 동일하게 할 수 있다. 실제 오버레이 에러는 새로운 방법에 의해서 확대되고 작은 오버레이 에러는 결국 기준 정렬 마크에 대한 간섭 패턴 변위를 더 크게 만들고 정렬 유닛으로부터의 오버레이 신호를 더 크게 변경시킨다. 이것은 훨씬 더 정확한 측정이 가능하게 하기 위해 디텍터 신호를 덜 보간(interpolation)해도 된다는 것을 의미한다. 새 방법으로 제공된 오버레이 에러 신호는 비교적 넓은 영역에 걸쳐서 구해진 평균화된 신호이기 때문에, 이 신호는 국부적인 표면 변형에 덜 민감하다.
Jpn. J. Appl. Phys. 35 호(1996) 55-60 페이지에 실린 논문 "Overlay Accuracy Measurement Technique Using the Latent Image on a Chemically Amplified Resist" 에는 노출 장치에 포함된 정렬 센서를 사용하여 오버레이 정확도를 측정함으로써 장치의 처리량을 감소시키지 않을 수 있다고 발표하고 있다. 그러나, 단지 하나의 오버레이 격자 마크만이 사용된다. 2 개의 레이저 빔이 이 마크에 투사되어 서로 간섭하여 비트 신호를 생성한다. 오버레이 마크이 변위에 대한 정보인 이 비트 신호의 위상은 위상 쉬프트를 기준 비트 신호의 위상과 비교함으로써 검출된다.
오버레이를 측정하기 위해 사용된 정렬-측정 디바이스는 기판 정렬 마크가 장치의 투사 시스템, 예를 들면 투사 렌즈 시스템을 통해 마스크 정렬 마크에 직접 투영되는 소위 온-축(on-axis) 디바이스일 수 있다. 이 디바이스는 또한 스루-더-렌즈(through-the-lens)(TTL) 정렬 디바이스로 알려져 있다. 정렬 디바이스는 또한 오프-축(off-axis) 디바이스일 수 있다. 이 디바이스에서, 기판 정렬 마크는 장치의 투사 시스템의 필드 외부에 구성된 기준 정렬 마크에 투영된다. 오프-축 디바이스의 매우 유망한 실시예에서, 기판 정렬 마크는 투사 칼럼 외부에 구성된 기준 마크를 통하여 기판 홀더 상의 정렬 마크에 대하여 정렬된다. 이런 제 1 차 정렬 단계 동안 기판과 함께 기판 홀더는 투사 칼럼 외부에 위치한다. 제 1 차 정렬 단계가 수행된 후에, 기판 홀더는 투사 칼럼 내에 위치하고, 제 2 차 정렬 단계 에서 기판 정렬 마크가 투사 렌즈를 통하여 마스크 정렬 마스크 상에 투영된다.
리소그래픽 투사 장치는 IC의 제조에 사용될 뿐만 아니라 1 ㎛ 이하의 차수의 구조 세부를 갖는 다른 구조의 제조에 사용될 수 있다. 그 예로는 집적, 또는 평면 광 시스템의 구조, 자기 영역 메모리의 안내 및 검출 패턴, 액정 디스플레이 패널 및 자기 헤드의 구조가 있다. 이런 구조들의 제조에서도 마스크 패턴의 투영은 기판에 대하여 매우 정확하게 배열된다.
리소그래픽 투사 장치는 스테핑 장치 또는 스텝-앤-스캔(step-and-scan) 장치일 수도 있다. 스테핑 장치에서, 마스크 패턴은 기판의 IC 영역에서 한번의 실행으로 투영된다. 후속적으로, 기판은 후속 IC 영역이 마스크 패턴 및 투사 렌즈 시스템 하에 위치될 방식으로 마스크에 대하여 이동되고 그 마스크 패턴은 후속 IC 영역 상에서 투영된다. 이 처리 과정은 기판의 모든 IC 영역이 마스크 패턴 이미지로 제공될 때까지 반복된다. 스텝-앤-스캔 장치에서, 상술한 스테핑 절차가 또한 따르지만, 마스크 패턴은 한 번에 투영되는 것이 아니라 스캐닝 이동을 통하여 투영된다. 마스크 패턴의 투영 동안, 기판은 투사 시스템의 배율을 고려하여, 투사 시스템 및 투사 빔에 대하여 마스크와 동시에 이동된다. 마스크 패턴의 연속적으로 노출된 부분의 병렬로 놓여진 일련의 부분적인 이미지들은 IC 영역 내부에서 투영된다. 이 마스크 패턴이 IC 영역 내부에서 완전히 투영된 후에, 후속하는 IC 영역으로 단계가 실행된다. 가능한 스캐닝 절차는 "Semiconductors International" 1986년 5월 호의 137-142 페이지에서 D.A. Markle의 "Sub-micron 1:1 Optical Lithography"라는 논문에 기술되어 있다.
미국 특허 제 4,251,160호는 단일 온-축 정렬 장치가 제공된 IC 제조용 광 리소그래픽 투사 장치를 개시하고 있다. 기판 및 마스크 정렬 마크는 격자들이다. 제 1 및 제 2 마스크 정렬 마크에 대하여 각각 제 1 및 제 2 기판 정렬 마크를 위한 이중 온-축 정렬 장치가 미국 특허 제 4,778,275 호에 개시되어 있다. 특허 출원 제 WO 98/39689 호는 오프-축 정렬 장치를 개시하고 미국 특허 제 5,243,195 호는 온-축 정렬 장치 및 오프-축 정렬 장치 둘 모두를 포함하는 정렬 시스템을 개시하고 있다.
기준 정렬 마크에 대하여 간섭 패턴의 이미지의 위치로부터 오버레이 에러를 결정하기 위하여, 후속 기준 마크가 필요하다. 상기 후속 기준 마크가 사용되는 측정 방법의 실시예는 간섭 패턴과 실제로 동일한 주기를 갖는 기판 기준 마크가 사용되고, 기판 기준 마크가 기준 마크에 투영되며, 간섭 패턴의 이미지의 위치 및 기준 정렬 마크에 대한 기판 기준 마크의 위치 사이의 차이가 결정되는 것을 특징으로 한다.
위치들 사이의 상기 차이는 기판 오버레이 마크 및 레지스트 오버레이 마크 사이의 쉬프트의 측정이다. 기판 기준 마크는 전역 정렬 마크에 의해서 구성될 수 있다.
전역 정렬 마크는 마스크 정렬 마크와 같은 기준 정렬 마크에 대하여 기판을 정렬하기 위한 주기적인 구조를 가지는 정렬 마크를 의미한다. 전역 정렬 마크의 주기는, 원칙적으로, 전역 정렬 마크인 웨이퍼 정렬 마크에 전역 기판 정렬 마크가 투영되는 것으로 투사 시스템의 분해 한계보다 실제로 더 크다.
만약 마크들이 주기적이라면, 측정 방법으로 사용된 정렬 마크는 다른 구조를 가질 수 있다. 소위 지멘스 스타(Siemens star)는 광 리소그래픽 기술에서 이미 사용될 정도로 주기적인 정렬 마크이다.
바람직하게는, 이 방법은 기판 오버레이 마크, 레지스트 오버레이 마크 및 기준 마크를 위한 격자가 사용되는 것을 특징으로 한다.
격자 구조는 정렬 마크로서 매우 적합하다.
레지스트 오버레이 마크는 리소그래픽 장치에 의해서 레지스트 층 내부의 마스크 패턴 외부의 마스크 상에 제공되는 대응하는 마크를 투영함으로써 레지스트 층에 형성된다. 마크 이미지가 위치한 기판 층의 영역은 현상되어 현상된 마크 이미지는 측정 방법을 실행하기 위해 사용될 수 있다.
바람직하게는, 이 방법은 레지스트 오버레이 마크가 잠재 마크(a latent mark)인 것을 특징으로 한다.
잠재 마크는 잠재적인, 즉 현상되지 않은 마스크 마크의 이미지를 의미한다. 이러한 잠재적인 이미지를 가진 레지스트 층은 영역을 포함하며, 이 영역은 격자 마크의 경우에는 선형 영역이고, 입사 빔에 대하여 그 주변과는 다른 위상 효과를 가진다. 이 효과는 마스크를 투영하는 빔에서의 세기 변화에 기인하며, 이 변화는 층에서의 굴절률의 국부적인 변화 및 이 층의 국부적인 수축을 일으킨다. 이런 위상 효과에 기인하여, 잠재적인 오버레이 마크는 정렬 빔에 의해서 식별할 수 있다. 잠재적인 오버레이 마크의 사용 이점은 레지스트 층에 마크 이미지를 가진 기판이 이 이미지를 현상하기 위한 리소그래픽 장치로부터 제거될 필요가 없다는 것이다.
본 발명은 상이한 방법으로 구현되어 측정 방법의 상이한 실시예를 가져올 수도 있다.
제 1 실시예는 온-축 정렬 디바이스가 사용되는 특징 및 기준 마크가 마스크 정렬 마크인 것을 특징으로 한다.
이 실시예에서, 간섭 패턴은 기판 상으로의 투사 마스크 패턴용으로 고안된 투사 시스템에 의해서 마스크 정렬 마크 상에 투영된다.
이 실시예는 바람직하게는 간섭 패턴이 오버레이 마크로부터 상기 마스크 정렬 마크로 진행하는 방사의 회절 차수를 선택하는 광 필터를 통하여 마스크 정렬 마크 상에 투영되는 것을 특징으로 한다.
이 광 필터 또는 조리개는 예를 들면 장치 내부의 구성 요소에서 잘못된 반사에 의해서 발생된 노이즈 방사가 디텍터에 도달하는 것을 방지한다. 예를 들면, 마스크 정렬 마크 상에 간섭 패턴을 투영하기 위해 단지 제 1 차 회절 차수를 선택함으로써, 오버레이 측정의 정확도를 2 배로 증가시킬 수 있다.
본 방법의 제 2 실시예는 오프-축 정렬 디바이스가 사용되는 것을 특징으로 한다.
간섭 패턴은 투사 렌즈 다음에 위치한 오프-축 정렬 디바이스의 일부를 구성하는 기준 정렬 마크 상에 투영된다. 이 디바이스를 사용하여, 기판으로부터 정렬 방사의 다수의 회절 차수, 예를 들면 제 1 차에서 7차 차수까지가 분리되어 감지될 수 있다. 마스크는 또한 오프-축 정렬 디바이스에 대하여 정렬되어, 기판 및 마스크가 간접적인 또는 2-단계 방식으로 정렬되도록 할 수 있다. 오프-축 정렬 방법 을 사용하면 CMP 프로세스 파라미터에 영향을 받지 않는다.
본 발명은 또한 기판의 적어도 하나의 층에서 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 다음의 연속적인 단계 중 적어도 하나의 세트, 즉,
제 1 기판에 대하여 적어도 하나의 오버레이 마크가 제공되는 마스크를 정렬하는 단계와,
투사 방사에 의해서 기판 상이 레지스트 층에 오버레이 마크를 투영하는 단계와,
레지스트 층에 형성된 오버레이 마크 및 기판에서의 오버레이 마크 사이의 오버레이를 결정하고 오버레이 에러를 수정하는 단계와,
투사 방사에 의해서, 디바이스 피쳐가 형성될 각각의 기판 상의 레지스트 층 내에 있는 상기 층에 구성되도록 디바이스 피쳐에 대응하는 패턴 피쳐를 포함하는 마스크 패턴을 투영하는 단계와,
상기 층의 영역으로부터 재료를 제거하거나 영역 -이 영역은 마스크 패턴 이미지에 의해서 윤곽이 그려진다- 에 재료를 추가하는 단계를 포함한다. 본 방법은 오버레이가 본 명세서에서 앞에서 기술한 바와 같은 방법에 의해서 결정되는 특징을 가진다.
도 1은 기판 상에 마스크 패턴을 반복해서 투영하기 위한 리소그래릭 투사 장치의 실시예를 도시한 도면.
도 2는 전역 기판 정렬 마크의 실시예를 도시한 도면.
도 3은 새로운 오버레이 측정 방법이 실행될 수 있는 수단에 의해서 이중 정렬-측정 디바이스의 실시예를 도시한 도면.
도 4는 기판 오버레이 마크 및 레지스트 오버레이 마크의 실시예를 도시한 도면.
도 5는 이런 마크들의 확대된 단면도.
도 6은 온-축 정렬 측정 디바이스이 차수 필터 및 오버레이 마크에 의해서 발생된 제 1 차 서브-빔을 도시한 도면.
도 7은 새로운 오버레이 측정 방법이 실행될 수 있는 수단에 의해서 오프-축 정렬-측정 디바이스의 실시예를 도시한 도면.
도 1은 기판 상에 마스크 패턴을 반복적으로 투영하기 위한 리소그래픽 투사 장치의 원리 및 실시예를 도시하고 있다. 이 장치의 주 구성 요소는 투영될 수 있도록 마스크 패턴(C)이 제공되는 마스크(MA)가 배열된 투사 칼럼 및 이동 가능한 기판 테이블(WT)이며, 이것에 의해서 기판(W)은 마스크 패턴에 대하여 배치될 수 있다. 이 장치는 또한 방사 소스(LA), 예를 들면 크립톤 플루라이드(Krypton-Fluoride) 레이저, 렌즈 시스템(LS), 반사기(RE) 및 콘덴서 렌즈(CO)로 구성된 조명 유닛을 포함한다. 조명 유닛에 의해서 제공되는 투사 빔(PB)은 마스크 테이블(MT)에서 마스크 홀더 상에 (도시되지 않음) 배치된 현재 마스크(MA) 내부의 마스크 패턴(C)을 조명한다.
마스크 패턴(C)을 통과하는 투사 빔(PB)은 투사 칼럼에 배치된 투사 렌즈 시스템(PL)을 관통하는데, 개략적으로만 도시되어 있다. 이 투사 시스템은 기판(W)의 IC 영역, 또는 기판 필드의 각각에 연속적으로 패턴(C)의 이미지를 형성한다. 투사 렌즈 시스템은 예를 들면 1/4 의 배율(M), 0.5 또는 그 이상의 차수의 수치 개구, 및 0.25 차수의 직경을 가지는 회절-제한 이미지 필드를 갖는다. 이런 수치들은 임의적이며 모든 차세대 투사 장치에 따라서 변할 수 있다. 이 기판(W)은 예를 들면, 에어 베어링에서 지지되는 기판 테이블(WT)의 일부를 형성하는 기판 홀더에 (도시되어 있지 않음) 배치된다. 투사 렌즈 시스템(PL) 및 기판 테이블(WT)은 예를 들면 견고한 베이스 플레이트(BP)에 의해서 하부측에 그리고 마스크 테이블(MT)에 의해서 상부측에 근접한 하우징(HO) 내부에 배치된다.
도 1의 상부 우측 코너에 도시된 바와 같이, 마스크는 두 개의 정렬 마크 M1 및 M2를 가진다. 이 마크들은 바람직하게는 회절 격자로 이루어져 있지만, 대신에 다른 주기의 구조에 의해서 형성될 수도 있다. 정렬 마크는 바람직하게는 2 차원이다. 즉 도 1의 X 및 Y 방향인, 두 개의 상호 수직인 방향으로 연장되어 있다. 기판(W), 예를 들면 반도체 기판 또는 웨이퍼는 다수의 정렬 마크를 포함하며, 바람직하게는 2차원 회절 격자를 포함하는데, 그 중 두개인 P1 및 P2가 도 1에 도시되어 있다. 마크 P1 및 P2 는 마스크 패턴의 이미지가 형성될 기판 필드의 외부에 위 치한다. 바람직하게는 기판 정렬 마크 P1 및 P2는 위상 격자로서 형성되고 마스크 정렬 마크 M1 및 M2는 바람직하게는 진폭 격자로서 형성된다.
도 2는 더 큰 규모에서 두 개의 동일한 기판 위상 격자 중 하나를 도시하고 있다. 이런 격자는 4개의 부격자 P1,a, P1,b, P1,c 및 P1,d를 포함하고, 두 개의 P1,b 및 P1,d는 X 방향으로 정렬을 측정하는 데 사용되고, 다른 두 개의 부격자 P1,a 및 P1,c는 Y 방향으로의 정렬을 측정하는 데 사용된다. 두 개의 부격자 P1,b 및 P1,c 는 예를 들면, 16 ㎛ 의 격자 주기를 가지고 부격자 P1,a 및 P1,d는 예를 들면, 17.6 ㎛의 격자 주기를 갖는다. 각각의 부격자는 예를 들면, 200 x 200 ㎛2의 표면 영역을 커버한다. 이런 격자 마크 및 적합한 광 시스템을 이용하면, 원칙적으로 0.1 ㎛ 이하인 정렬 정확도를 얻을 수 있다. 정렬-측정 디바이스의 캡쳐 범위를 증가시키도록 부격자들에 대해 서로 다른 격자 주기가 선택된다.
도 1은 정렬-측정 디바이스의 제 1 실시예, 즉 이중 정렬-측정 디바이스를 도시한다. 이 디바이스에서, 두 개의 정렬 빔 b 및 b'가 마스크 정렬 마크 M2에 대하여 기판 정렬 마크 P2, 마스크 정렬 마크 M1에 대한 기판 정렬 마크 P1의 정렬을 측정하도록 각각 사용된다. 정렬-측정 빔 b는 예를 들면, 거울과 같은 반사 요소(30)에 의해서 프리즘(26)의 반사 표면(27)으로 반사된다. 표면(27)은 마크 P2의 이미지가 형성되는 관련 마스크 마크 M2로 방사의 일부를 빔 b1로서 전송하는 기 판 정렬 마크 P2로 빔 b를 반사한다. 방사-감지 디텍터(13)로 마크 M2에 의해서 통과되는 방사를 조향하는 반사 요소(11), 예를 들면 프리즘은 마크 M2 위에 배치된다.
제 2 정렬-측정 빔 b'는 거울(31)에 의해서 투사 렌즈 시스템(PL) 내부의 반사기(29)로 반사된다. 이 반사기는 빔 b'을 프리즘(26)의 제 2 반사 표면(28)으로 전송하며, 이 표면은 기판 정렬 마크 P1 상으로 빔 b'을 공급한다. 이 마크는 마크 P1의 이미지가 형성되는 마스크 정렬 마크 M1로 빔 b'의 일부 방사를 빔 b1'으로서 반사한다. 마크 M1을 통과하는 빔 b1'의 방사는 반사기(11')에 의해서 방사-감지 디텍터(13')로 향한다. 이중 정렬-측정 디바이스의 작동은 상기 장치의 후속 실시예를 도시하고 있는 도 3에서 더 기술될 것이다.
투사 장치는 투사 렌즈 시스템(PL) 및 기판(W)의 표면의 이미지 평면 사이의 편차를 결정하기 위하여 초점 에러 감지 시스템을 더 포함한다. 측정된 편차는, 예를 들면, 투사 렌즈 시스템의 광 축을 따라 기판 홀더에 대하여 투사 렌즈 시스템을 이동시킴으로써 수정될 수 있다. 초점 에러 감지 시스템은 요소(40에서 46)에 의해서 구성되고, 투사 렌즈 시스템이 홀더에 고정된 홀더 (도시되어 있지 않음) 내부에 배치된다. 요소(40)는 초점-감지 빔 b3을 방출하는 방사 소스, 예를 들면, 다이오드 레이저이다. 이 빔은 반사 프리즘(42)에 의해서 작은 각도로 기판(W)에 감지된다. 기판에 의해서 반사된 초점-감지 빔은 프리즘(43)에 의해서 역반사체(retroreflector)(44)로 공급된다. 역반사체는 그 자체로서 빔을 반사하여, 초점-감지 빔이 빔 b3'으로서 한번 더 프리즘(43)의 반사에 의해서 기판으로, 그리고 이 기판으로부터 프리즘(42)으로 동일한 경로를 통과하도록 한다. 그런 다음 반사된 초점-감지 빔은 빔 분할기(41)에 도달하여, 후속 반사기(45)로 빔을 반사한다. 이 반사기는 초점-감지 빔을 방사-감지 디텍터 시스템(46)으로 전송한다. 이 감지 시스템은, 예를 들면 포지티브-감지 디텍터 또는 두 개의 분리된 디텍터로 이루어져 있다. 빔 b3'에 의해서 형성된 이 감지 시스템 상의 방사 지점의 위치는 투사 렌즈 시스템의 이미지 평면이 기판(W)이 표면과 일치하는 정도에 의존한다. 초점 에러 감지 시스템의 광범위한 기술을 위해서, 미국 특허 제 A 4,356,392호가 참조된다.
단파장의 초점-감지 빔을 가지는 이 초점 감지 시스템 대신, 바람직하게는 광대역 빔을 가진 초점-및-기울기 감지 시스템이 사용된다. 이런 광대역 초점-감지 시스템은 미국 특허 제 A 5,191,200 호에 기술되어 있다.
기판의 X 및 Y 위치를 매우 정확하게 결정하기 위하여, 장치는 다수의 측정 축을 가지는 복합 간섭계 시스템을 포함하며, 도 1에 하나의 단축 부시스템만 도시되어 있다. 이 부시스템은 방사 소스(50), 예를 들면 레이저, 빔 분할기(51), 고정 기준 거울(52) 및 방사-감지 디텍터(53)를 포함한다. 소스(50)에서 방출된 빔 b4은 빔 분할기에 의해서 측정 빔 b4,m 및 b4,r로 분할된다. 측정 빔은 기판 테이블의 반사 표면, 또는 바람직하게는 기판 테이블의 일부를 형성하고 그 위에 기판이 단단하게 고정되는 기판 홀더의 반사측 표면 형태로 측정 거울에 도달한다. 측정 거울에 의해서 반사된 측정 빔은 빔 분할기(51)에 의해서 기준 거울(52)에 의해서 반사된 기준 빔과 결합하여 디텍터(53)의 위치에서 간섭 패턴을 형성한다. 복합 간섭계 시스템은 미국 특허 제 A 4,251,160 호에 기술된 바와 같이 구현되며, 따라서 두 개의 측정 축을 포함한다. 이와는 달리 간섭계 시스템은 미국 특허 제 A 4,737, 823 호에 기술된 바와 같이 3 개의 측정 축을 포함할 수 있지만, 바람직하게는 EP-A 0 498 499 호에 기술된 바와 같이 최소한 5 개의 측정 축을 가진 시스템을 선호한다.
복합 간섭계 시스템의 형태로 기판 위치 감지 시스템을 사용함으로써, 정렬 마크 P1 및 P2 및 마크 M1 및 M2 사이의 위치 및 상호 거리는 이 간섭계 시스템에 의해서 정의된 좌표의 시스템에서 정렬 동안 고정될 수 있다. 따라서 투사 장치의 프레임 또는 이 프레임의 구성 요소에 유의할 필요는 없는데, 예를 들면 온도 변화, 기계적 변형 등에 기인한 이 프레임의 변화는 측정에 영향을 미치지 않는다.
도 3은 정렬 빔 b 및 b' 을 투사 렌즈 시스템 내부로 결합시키는 방식에 있어 도 1의 실시예와 구별되는 실시예에 대하여 이중 정렬 시스템의 원리를 도시하고 있다. 이중 정렬 디바이스는 투사 렌즈 시스템(PL)의 광축 AA'에 대하여 대칭으로 위치하는 2 개의 동일한 별개의 정렬 시스템 AS1 및 AS2를 포함한다. 정렬 시스템 AS1는 마스크 정렬 마크 M2와 관련하고 정렬 시스템 AS2는 마스크 정렬 마크 M1과 관련한다. 2 개의 정렬 시스템의 대응하는 요소는 프라임으로 표기되어 구분되 는 시스템 AS2의 요소의 번호인 동일한 참조 번호로 표기된다.
마스크 정렬 마크 M2의 상호 위치 및 예를 들면, 부기판 정렬 마크 P2가 결정되는 방식뿐만 아니라 시스템 AS1의 구조가 먼저 기술될 것이다.
정렬 시스템 AS1은 정렬 빔 b을 방출하는 방사 소스(1)를 포함한다. 이 빔은 빔 분할기(2)에 의해서 기판 쪽으로 반사된다. 빔 분할기는 부분적으로 투명한 반사시 또는 부분적으로 투명한 프리즘일 수 있지만, 바람직하게는 분극-감지 분할 프리즘으로서, 4분의 1-파장 플레이트(3)로 이어진다. 투사 렌즈 시스템(PL)은 기판(W)에 1 ㎜ 의 치수의 직경을 갖는 작은 방사 지점(V)로 정렬 빔 b의 초점을 맞춘다. 이 기판은 마스크(MA) 방향으로 정렬 빔의 일부를 빔 b1으로서 반사한다. 빔 b1은 투사 렌즈 시스템(PL)을 가로지르고, 이 시스템은 마스크 상에 방사 지점을 투영한다. 기판이 투사 칼럼에 배열되기 전에, 예를 들면 미국 특허 제 A 5,026,166 호에 기술된 스테이션인 사전-정렬 스테이션에 사전-정렬되어, 방사 지점(V)이 기판 정렬 마크 P2에 위치된다. 그런 다음 이 마크는 빔 b1에 의해서 마스크 정렬 마크 M2에 투영된다. 마스크 정렬 마크 M2의 크기는 투사 렌즈의 배율(M)을 고려하여, 기판 정렬 마크 P2의 크기에 따라서 조정된다. 그런 다음 마크 P2의 이미지는 만약 두 마크가 정확한 방식으로 서로 위치된다면 마크 M2와 정확하게 일치한다.
기판(W)으로 및 기판으로부터의 경로에서, 정렬-측정 빔 b 및 b1은 광축이 소스(1)로부터 발생하는 선형적으로 분극화된 빔의 분극 방향으로 45°의 각도로 연장된 4분의 1-파장 플레이트(3)을 2 회 가로지른다. 그런 다음 플레이트(3)를 통과하는 빔은 빔 b의 방향에 대하여 90°로 회전된 분극 방향을 가짐으로서, 빔 b1은 분극-감지 프리즘(2)에 의해서 통과될 수 있다. 4분의 1-파장 플레이트와 결합한 분극-감지 프리즘의 사용으로 정렬-측정 빔을 정렬 시스템의 방사 경로로 결합할 때 최소한의 방사 손실을 할 수 있다.
정렬 마크 M2에 의해서 통과된 빔 b1은 프리즘(11)에 의해서 반사되고, 예를 들면, 방사-감지 디텍터(13)로 향하는 후속 반사 프리즘(12)에 의해서 감지된다. 예를 들면, 이 디텍터는 도 2에 따라서 부격자의 수와 일치하여 4 개의 분리된 방사-감지 영역을 포함하는 복합 포토다이오드이다. 서브-디텍터의 출력 신호는 마크 M2가 마크 P2의 이미지에 일치하는 정도에 대한 정보를 포함한다. 이 신호들은 전기적으로 처리되어 기판 정렬 마크 P2의 이미지가 마스크 정렬 마크 M2와 일치하도록 구동 시스템 (도시되어 있지 않음)에 의해서 기판에 대하여 마스크를 이동시키는 데 사용된다.
빔 b1의 일부를 빔 b2로 분할하는 빔 분할기(4)는 프리즘(11) 및 디텍터(13) 사이에 구성된다. 그런 다음 분할-오프 빔은 정렬 마크 P2 및 M2가 리소그래픽 장치의 운영자에게 가시적인 모니터 (도시되어 있지 않음)에 결합된 텔레비젼 카메라 상의 2 개의 렌즈(15 및 16)를 통해서 입사된다.
정렬 마크 P2 및 M2에 대하여 상술한 바와 같이 유사하게, 각각의 마크 M1 및 P1 및 M1 및 P2는 서로에 대하여 정렬될 수 있다. 정렬-측정 시스템 AS 2는 직전에 상술한 정렬을 위해 사용된다.
바람직하게는, 소위 차수 조리개(order diaphragm)는 기판 및 마스크 사이의 정렬 방사의 경로에 구성된다. 도 3에서 참조 번호 25로 표기된, 이 다이어그램은 측정 동작을 위해 요구된 방사만을 통과시키고 예를 들면, 시스템에서의 구성 요소에서 잘못된 반사로부터 다른 방사를 차단함으로서, 디텍터 신호의 신호 대 노이즈 비율을 개선시킬 수 있다. 격자 또는 다른 회절 요소 형태인 정렬 마크 P1 및 P2는 정렬-측정 빔 입사를 굴절되지 않은 0 차 서브-빔 및 다수의 굴절된 1차 및 고차 서브-빔으로 분할한다. 이런 서브-빔에 대하여, 단지 동일한 회절 차수를 가지는 서브-빔들은 차수 조리개에 의해서 선택된다. 이 조리개가 예를 들면, 투사 시스템의 서로 다른 회절 차수로 회절된 서브-빔이 Fourier 평면에서 충분히 공간적으로 분리되는 위치에서 투사 렌즈 시스템 내에 배치된다. 이런 차수 조리개(25)는 플레이트를 구성하며, 정렬-측정 방사는 전달하지 않고 다수의 방사-전송 장치 또는 영역을 포함한다. 만약 정렬 마크가 2-차원 구조라면, 플레이트는 양 및 음의 X 방향으로 적절한 차수로 회절된 서브-빔을 위한 2개의 개구 및 양 및 음의 Y 방향으로 적절한 차수로 회절된 서브-빔을 위한 2 개의 개구인 4 개의 개구를 가진다. 또한, 원하는 차수의 선택을 향상시키는 추가 차수 조리개는 바람직하게는 즉, 마스크 정렬 마크로부터 디텍터(13, 13')로의 방사 경로의 일부인 분기 방향으로 구성된다. 1 차로 회절된 서브-빔은 정렬 측정에 사용된다. 마스크 마크 상의 기판 마크를 투영하기 위해 제 1 차 차수만 사용할 경우, 투사 렌즈 시스템의 배율을 무시하면, 기판 마크의 이미지의 주기는 기판 격자 자체의 주기의 반이된다. 그 결과, 격자 P2의 특정 주기에 대하여 격자가 정렬된 정확도는 제 0-차 서브-빔이 사용되는 경우보다 2배 높다.
본 발명에 따라서, 도 1 및 도 3의 정렬-측정 시스템 또는 다른 유사한 시스템이 기판에 이전에 형성된 패턴 및 기판에 제공된 레지스트 층에 투영된 패턴의 오버레이를 감지하도록 사용된다. 오버레이 측정에 사용된 기판 패턴 및 레지스트 패턴은 지금까지 사용된 기판 정렬 마크의 주기보다 훨씬 작은 주기의 주기적인 구조를 가지는 특정 오버레이 마크들이다. 도 4는 기판 오버레이 마크 P10를 포함하는 기판(W) 및 레지스트 오버레이 마크 P11을 포함하는 기판의 상부 상의 레지스트 층(RL)의 작은 일부에 대한 단면도를 도시하고 있다. 기판 오버레이 마크 및 레지스트 오버레이 마크는 각각 격자 주기 PE10 및 PE11을 가지며, 이는 바람직하게 투사 렌즈 시스템의 분해, 또는 분해능의 차수이다.
도 5의 상부는 단면도에서의 오버레이 마크의 일부를 확대 도시하고 있다. 이 오버레이 마크는 예를 들면, 위상 격자와 같은 위상 구조에 의해서 구성된다. 기판 오버레이 마크의 격자 주기 PE10은 레지스트 오버레이의 격자 주기 P11 보다 크거나 또는 반대이다. 정렬-측정 디바이스의 빔과 같은 방사 빔에 의해서 오버레이 마크를 조명할 때, 빔 상에서의 이런 마크의 위상 효과는 간섭 위상 패턴, 또는 위상 이미지가 발생되도록 간섭한다. 이 위상 패턴은, 또한 비트 패턴 또는 비트 격 자로 불리며, 다음의 식에 의해서 주어지는 비트 주기 PEb를 갖는다:
Figure 112006091829627-pct00001
도 5의 하부의 그래프(60)는 x 방향을 따라, 즉, 미세 기판 격자 및 추가 정렬 격자의 격자 스트립에 직각인 위상 패턴의 평균 위상 깊이(average phase depth) APD의 변화를 도시하고 있다. 위상 변화 또는 비트 패턴의 최대 및 최소의 위치는 오버레이 격자의 상호 위치에 의해서 결정된다. 오버레이 격자의 X 방향으로의 상호 위치 또는 상호 쉬프트를 측정하기 위하여, 비트 위상 패턴은 방사-감지 디텍터의 전면부에 구성된 온-축 또는 오프-축 측정 격자 또는 측정 마크 상에 투영된다. 만약, 이런 투영을 위하여, 주기 PE10 및 PE11을 가진 미세 오버레이 마크 대신 주기 PEb를 가진 거친 비트 패턴을 분석할 수 있는 광 시스템이 사용된다면, 단지 위상 패턴이 사인과 같은(sine-like) 변화, 즉, 비트 패턴이 위치가 감지될 것이다. 비트 패턴의 위치로부터 미세 오버레이 마크의 상호 쉬프트를 결정하기 위하여, 측정 마크에 대한 나중의 위치가 동일한 측정 마크에 대한 기판 기준 마크의 위치와 비교될 수 있다. 기판 기준 마크는 미세 정렬 마크의 근처의 기판 내부에 구성된 전역 정렬 마크에 의해서 구성될 수 있다. 측정 마크는 만약 온-축 정렬-측정 디바이스가 사용된다면 전역 마스크 정렬 마크이다. 오버레이의 상호 위치는 기판 기준 마크 및 비트 패턴의 상호 위치로부터 간단하게 결정될 수 있다. 미세 기판 마크에 관하여 PE11/2를 넘는 오버레이 마크의 상호 쉬프트는 결국 Pb/2를 넘는 비트 패턴의 쉬프트를 일으킨다.
따라서 오버레이 마크의 작은 쉬프트는 비트 패턴의 더 큰 쉬프트로 변환된다. 즉, 이 쉬프트는 확대된다. 배율 팩터 Mf 는 다음과 같이 주어진다:
Figure 112006091829627-pct00002
배율 때문에, 오버레이 신호 처리를 위해 디텍터 신호는 덜 보간(interpolate)해도 측정은 더욱 정확할 수 있다. 또한 배율은 PICO, RICO 및 WICO와 같은 부산물에 대한 정렬 방법의 민감도를 감소시킨다. 이런 부산물은 측정 레이저 빔, 예를 들면 He-Ne 레이저 빔의 큰 코히어런스 길이(coherence length)에 의해서 발생된 오버레이 신호에서 오프셋이다. 큰 코히어런스 길이(coherence length) 때문에, 시스템 내부의 광 소자에 의해서 영향을 받은 레이저 방사는 원하는 신호 방사, 즉 상술된 실시예에서 양의 차수 및 음의 차수의 방사를 방해할 수도 있다. 결국의 부산물은 레티클 또는 마스크의 분극 효과(분극-유도 코히어런스 오프셋:PICO), 레티클의 두께(레티클-유도 코히어런스 오프셋:RICO), 기판 또는 웨이퍼의 Z-위치(웨이퍼-유도 코히어런스 오프셋:WICO)에 의해서 유도될 수 있다. 배율로 인해, 비트 패턴(beat pattern)의 위치의 측정은 그리 중요하지 않다. 만약 비트 패턴 위치의 결정에서 에러 Δ가 발생하면, 이것은 결국 미세 마크의 결정에서 (1/Mf).Δ의 보다 훨씬 더 작게 발생할 것이다. 배율 팩터는 10 또는 20의 차수를 갖는다.
측정 신호는 비교적 넓은 기판 표면 영역으로부터 취해진 평균화된 신호이기 때문에 국부적인 표면 변형에 덜 민감하다.
비트 주기 PEb는 전역 정렬 마크, 즉, 온-축 정렬 마크의 주기에 적합하도록 선택될 수 있어서, 오버레이 방법은 도 3의 온-축 정렬 디바이스와 함께 구현될 수 있다. 비트 주기를 선택한 후에, 오버레이 마크의 특성 치수, 즉 격자 마크의 경우에 격자의 주기를 선택할 수 있다. 따라서 프로세스-유도 변형에 대한 최소 민감도를 위해서 오버레이 마크를 최적화할 수 있다. 격자 마크의 경우에, 이것은 예를 들면, 격자 주기가 리소그래픽 장치에 의해서 기판 상에 투사될 IC 디바이스 형상의 치수의 차수인 것을 의미한다. 매우 작은 주기를 가진 격자 마크는 상기 프로세스-유도 변형에 덜 약하게 될 것이다.
기판 오버레이 마크는 위상 마크 및/또는 진폭 마크일 수 있다. 위상 마크일 경우, 이 마크는 기판의 층 내부에 에칭된다. 레지스트 오버레이 마크는 바람직하게는 위상 마크이다. 이 마크는 현상된 레지스트 층에서 마크에 의해서 구성된다. 이런 마크의 위상 깊이는 레지스트의 굴절률 및 주변 매질, 일반적으로 공기의 굴절률, 그리고 레지스트의 두께에서의 차이에 의해서 결정된다. 굴절률에서의 이런 차이는 아주 크기 때문에, 레지스트 두께 및 정렬 신호의 신호 세기 사이에 강한 관계가 있다. 레지스트 오버레이 마크는 또한 소위 잠재 마크, 즉, 현상되지 않은 레지스트에서 미세 정렬 마크의 이미지일 수 있다. 이런 이미지는 투사 빔 방사가 입사된 제 1 영역 및 그렇지 않은 제 2 영역을 포함한다. 이런 제 1 및 제 2 영역들은 그 영역들을 통과하는 정렬-결정 빔에 대한 다른 광 경로 길이를 제공한다. 이런 차이는 제 1 영역에서는 영역에서 굴절률의 변화를 일으키는 화학적 인 변화에 기인하거나, 제 1 및 제 2 영역 사이에서의 큰 차이를 일으키는 재료의 수축에 기인하다. 이런 효과는 별로 크지 않고, 보통의 레지스트 두께에 대해서는 레지스트 두께에 따른 정렬 신호의 진동 변화는 발생하지 않을 것이다. 잠재 오버레이 마크를 사용하면 레지스트 층을 가진 기판은 레지스트의 현상을 위해서 리소그래픽 장치로부터 제거될 필요가 없다.
정렬-측정 방법과 동일한 방법으로, 새로운 오버레이-측정 방법이 공간적 또는 회절 차수, 필터, 또는 조리개를 사용하여 향상될 수 있다. 예를 들면, 이 필터는 비트 패턴으로부터 단지 제 1 차 차수의 서브-빔만을 전송한다. 이 필터는 도 3의 필터(25)와 유사하다. 정렬-측정 디바이스에서 발생할 수도 있는 노이즈 및 다른 장애에 대한 오버레이-측정 방법의 민감도는 상기 필터에 의해서 훨씬 감소될 수 있다. 마스크 격자에 비트 패턴을 투영하기 이해 단지 제 1 차의 서브-빔을 사용하는 잇점은 패턴 이미지의 주기가 투사 렌즈 시스템의 배율과는 무관하게 패턴 자체 주기의 절반이라는 것이다. 결국, 정렬 정확도는 0 차 차수의 서브-빔이 투영에 사용된 경우보다 2 배 높다.
도 6은 차수 필터(25')가 사용되는 방법을 개략적으로 기술하고 있다. 도 6에서, b는 오버레이 측정 빔이고 75는 빔 b를 리소그래픽 장치의 투사렌즈 시스템(도시되어 있지 않음)을 포함하는 투사 칼럼에 결합시키는 반사기이다. 투사 렌즈 시스템의 광 축은 빔 b의 경로 중 수직 부와 일치한다. 기판 오버레이 마크와 레지스트 오버레이 마크 및 그것들에 의해서 발생된 비트 패턴은 복합 구조인 격자 구조 Pc에 의해서 개략적으로 도시되어 있다. 서브-빔 bpb(+1) 및 bpb(-1)는 각각 양인 1차 회절 차수 및 음인 1차 회절 차수인 격자 구조에 의해서 회절된 오버레이 빔 위치들이다. 이런 서브-빔은 공간적, 차수, 필터에서의 통로를 통하여 마스크 정렬 마크 및 디텍터를 통과한다. 다른 회절 차수의 서브-빔은 필터에 의해서 차단되어 디텍터에 도달할 수 없다.
또한 도 6은 단독의 미세 레지스트 오버레이 격자 P11에 의해서 양 및 음인 1차수로 회절되는 서브-빔 bp11(+1) 및 bp10(-1) 뿐만 아니라, 단독의 미세 기판 격자 P10에 의해서 양 및 음인 1차수로 회절되는 서브-빔 bp10(+1) 및 bp10(-1)을 도시하고 있다. 이런 미세 격자의 작은 주기 때문에 회절 각은 이런 서브빔들이 투사 렌즈 시스템에 들어갈 수 없을 만큼 크다. 이것은 정렬 디바이스가 개별적인 미세 오버레이 마크보다 바람직하게는 비트 패턴을 투영한다는 것을 의미한다.
새로운 방법은 또한 2-차원 정렬, 즉 X 방향 및 Y 방향으로의 정렬에 사용될 수 있다. 기판 미세 정렬 마크 및 추가 정렬 마크는 도 2에서 도시된 바와 같은 유사한 방식으로, Y 방향으로 연장된 격자 스트립 및 X 방향으로 연장된 격자 스트립 둘 모두를 포함해야 한다.
도 1 및 3에 도시된 온-축 정렬-측정 디바이스를 사용하는 대신에, 다른 온-축 정렬-측정 디바이스가 오버레이-측정 방법을 실행하는 데 사용될 수 있다.
특히, 마스크 정렬 마크에 비트 패턴을 투영하기 위해, 사용되는 투사 시스템은 렌즈 투사 시스템이 아니라 미러 시스템 또는 렌즈 및 미러를 포함하는 시스 템일 수 있다. 미러 투사 시스템은 투사 빔이 적당한 렌즈 재료를 사용할 수 없을 정도로 작은 파장을 가지는 EUV 장치와 같은 장치에 사용될 것이다.
또한 새로운 방법은 온-축 정렬 측정 디바이스, 예를 들면, 기준에 대한 기판 마크의 정렬이 결정되고 고차 서브-빔, 즉 1차보다 큰 회절 차수를 가지는 서브-빔이 사용되는 디바이스를 이용하여 구현될 수 있다. 오버레이 측정은 투사 시스템에서 더 이상 발생하지 않기 때문에, 더 많은 서브-빔, 특히, 고차 서브-빔을 사용하는 것이 더 허용된다. 일반적으로, 정렬-측정 디바이스의 분해능은 서브-빔의 차수가 증가함에 따라 증가하기 때문에, 오버레이 측정의 정확도는 실제로 개선될 수 있다. 또한, 하나 이상의 파장을 갖는 오버레이-측정 방사를 사용하는 것이 가능하여, 격자 그루브의 깊이에 부과되는 제한은 매우 경감될 수 있다.
도 7은 온-축 정렬-측정 디바이스의 회로도이다. 도 7에서, 비트 패턴을 포함하는 복합 기판 격자 구조는 PC로 표기된다. 이 구조에 입사하는 파장 λ를 가지는 병렬 오버레이-측정 빔 b는 격자의 법선(normal)에 대해 다른 각도 αn(도시되지 않음)으로 연장하는 다수의 서브-빔으로 분할되고, 이 각은 알려진 격자 공식에 의해서 정의된다:
Figure 112006091829627-pct00003
여기서 N은 회절 차수이며 P는 격자 주기이다. 복합 격자 구조에 의해서 반사된 서브-빔이 경로는 렌즈 시스템 L1을 포함하는데, 이느 서로 다른 방향의 서브- 빔을 평면(78)에서 다른 위치 un으로 변환시킨다:
Figure 112006091829627-pct00004
평면(78)에서, 다른 서브-빔을 후속적으로 분리하기 위한 수단이 제공된다. 이를 위해, 예를 들면, 쐐기(wedges) 형태의 굴절 요소가 제공되는 평면에 구성된다. 도 4에서, 쐐기 플레이트는 WEP로 표기된다. 쐐기는 예를 들면, 플레이트의 후면에 제공된다. 그런 다음 프리즘(77)은 플레이트의 전면에 제공될 수 있고, 이를 이용하여 예를 들면 He-Ne 레이저와 같은, 방사 소스(76)로부터 발생하는 오버레이-측정 빔은 오버레이-측정 디바이스로 결합될 수 있다. 또한 이 프리즘은 0-차 서브-빔이 디텍터에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 쐐기의 수는 사용되는 서브-빔의 수에 대응한다. 도시된 실시예에서는, 7-차까지 포함하는 서브-빔이 오버레이-측정에 사용될 수 있도록 양 차수에 대한 측정 방향당 6 개의 쐐기가 있다. 모든 쐐기는 다른 쐐기 각을 갖고 있어서 서브-빔이 최적으로 분리된다.
제 2 렌즈 시스템 L2는 쐐기 플레이트의 뒤에 배치된다. 이 렌즈 시스템은 평면 기준 플레이트(RGP)에 격자 구조 PC를 투영한다. 쐐기 플레이트가 없을 경우에, 모든 서브-빔은 기준 플레이트 상에 부가된다. 다른 서브-빔들은 쐐기 플레이트에 의해서 다른 각도로 굴절되기 때문에, 서브-빔에 의해서 형성된 이미지들은 기준 플레이트 상의 다른 위치에 놓여진다. 이런 위치들 xn은 다음 공식으로 주어진다:
Figure 112006091829627-pct00005
여기서 γ는 서브-빔이 쐐기 플레이트에 의해서 굴절되는 각도이며 f2는 렌즈 시스템 L2의 초점 길이이다. (도시되어 있지 않은) 기준 격자 G90-G96이 이 위치에 제공될 수 있고, 이들 각각의 뒤에 별개의 디텍터(90 에서 96)가 배치된다. 각각의 디텍터의 출력 신호는 패턴 PC의 이미지가 관련된 기준 격자와 일치하는 정도에 의존한다. 따라서, 오버레이의 범위는 각각의 디텍터(90 에서 96)로 측정될 수 있다. 그러나, 측정이 발생하는 정확도는 서브-빔의 차수에 의존하는데, 이 차수가 클수록 정확도도 커진다. 각각의 기준 격자의 격자 주기는 관련 서브-빔의 차수에 적용된다. 차수가 더 커질수록 격자 주기는 더욱 작아지고 더 작은 정렬 에러가 감지될 수 있다.
지금까지는 한 세트의 회절 차수만 고려되었다. 그러나, 회절 구조 PC는 +1, +2, +3 등등의 차수 서브-빔뿐만 아니라, 회절 차수가 -1, -2. -3 등등인 서브-빔을 형성한다. 플러스-차수 및 마이너스-차수 서브-빔 모두 패턴 이미지를 형성하는 데 사용될 수 있다. 즉, 패턴의 제 1 이미지는 +1 및 -1 차수를 공동으로 사용하여 형성되고, 제 2 이미지는 +2 및 -2 차수 서브-빔을 공동으로 사용하여 형성되고, 다른 것도 마찬가지이다. +1 차수 및 -1 차수 서브-빔에 대하여 쐐기는 사용될 필요가 없지만, 경로-길이 차이를 보충하는 평면-병렬 플레이트가 쐐기 플레이트의 평면 내의 이들 서브-빔의 위치에 제공될 수 있다. 따라서, 양인 차수 및 음인 차수에 대하여, 6 개의 쐐기가 차수 2에서 7까지 요구된다. 또한 Y 방향으로의 오버레이 측정을 위해서, 7 개의 서브-빔이 7개의 후속 기준 격자와 함께 사용될 수 있다. 그런 다음, 제 2의 일련의 12 개의 쐐기가 도 7의 실시예에서 Y 방향으로 쐐기 플레이트 상에 구성된다.
다른 회절 차수가 사용되는 오프-축 정렬 디바이스에 대한 더 자세한 상세 및 실시예를 위하여, WO 98/39689 호가 참조된다. 또한 이 특허 출원은 이 상황하에서 다른 회절 차수가 사용되고, 2 개의 파장을 가지는 정렬 방사가 오프-축 정렬 디바이스에서 사용되는 경우를 기술하고 있다. 후자는 기판 정렬 마크의 그루브 깊이에 대하여 어떠한 엄격한 제한도 부가될 필요가 없다는 잇점을 제공한다.
실제로, 본 발명의 오버레이-측정 방법은 특히 정렬 디바이스의 성능을 규칙적으로 검사하기 위한 기판의 적어도 하나의 층에서 디바이스를 제조하는 공정에서 하나의 단계로서 적용될 것이다. 오버레이가 측정되고, 필요한 경우, 특히, 정렬 디바이스의 수정이 배치의 하나의 기판에서 실행된 후에, 마스크 패턴이 배치(batch)의 다른 기판 상의 레지스트 층에서 투영된다. 이 이미지가 현상된 후에, 재료는 상기 기판 층으로부터 제거되거나 상기 기판 층에 추가될 수 있으며, 이 영역은 인화된 이미지에 의해서 윤곽이 그려진다. 투영 및 재료 제거 또는 재료 추가의 이런 공정 단계들은 모든 디바이스가 완성될 때까지 모든 층에 대하여 반복되고, 여기서 더 많은 오버레이-측정 단계들이 실행될 수 있다.
본 발명은 IC 제조용 기판 상에 마스크 패턴을 투영하기 위한 장치로 사용하는 것에 관하여 기술되어 있지만, 이에 제한되는 것을 의미하지 않는다. 또한 본 발명은 집적, 평면, 광 시스템, 자기 헤드 또는 액정 표시 장치를 제조하기 위한 장치로 사용될 수도 있다. 투사 장치는 투사 빔이 전자기 방사의 빔이고 투사 시 스템이 광학 렌즈 또는 미러 시스템인 광학 장치일 뿐만 아니라, 투사 빔이 전자 빔, 이온 빔, 또는 X-레이 빔과 같은 충전-입자 빔이고, 예를 들면 전자 렌즈 시스템과 같은 관련 투사 시스템이 사용되는 장치일 수도 있다. 일반적으로, 본 발명은 매우 작은 상세를 가지는 이미지가 형성되어야 하는 투영 시스템에서 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 리소그래픽 투사 장치를 사용하는 리소그래픽 제조 공정에서, 마스크 패턴이 투영되는(imaged) 레지스트 층과, 기판 사이의 오버레이를 측정하는 방법 -상기 방법은 주기 p1의 주기적인 구조를 갖는 적어도 하나의 기판 오버레이 마크 및 주기 p2의 주기적인 구조를 갖는 대응하는 레지스트 오버레이 마크를 이용함- 에 있어서,
    장치의 일부를 형성하고, 주기 ps에 맞춰진, 주기 p1 및 p2 보다 실질적으로 더 큰 주기 ps의 주기적인 구조를 가지는 기판 정렬 마크의 주기 pr의 주기적인 구조를 갖는 기준 마크에 대한 정렬을 측정하기 위한 정렬-측정 디바이스를 사용하며,
    기판 오버레이 마크 및 레지스트 오버레이 마크의 조명 시에 발생되는 주기 pr로 맞춰진 주기 pb의 간섭 패턴이 정렬 빔 방사에 의해서 상기 기준 마크 상에 투영되는
    오버레이 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭 패턴과 실질적으로 동일한 주기를 갖는 기판 기준 마크가 사용되 고, 상기 기판 기준 마크는 상기 기준 마크 상에 투영되며, 상기 기준 마크에 대한 상기 기판 기준 마크의 위치와 상기 간섭 패턴의 이미지의 위치 사이의 차이가 결정되는
    오버레이 측정 방법.
  3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서,
    상기 레지스트 오버레이 마크와 상기 기준 마크 및 상기 기판 오버레이 마크를 위한 격자(gratings)가 사용되는
    오버레이 측정 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레지스트 오버레이 마크는 잠재 마크(a latent mark)인
    오버레이 측정 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    온-축(on-axis) 정렬 측정 디바이스가 사용되고,
    상기 기준 마크가 마스크 정렬 마크인
    오버레이 측정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 간섭 패턴이 오버레이 마크로부터 상기 마스크 정렬 마크로 진행하는 방사의 회절 차수를 선택하는 광 필터를 통하여 마스크 정렬 마크 상에 투영되는
    오버레이 측정 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    오프-축(off-axis) 정렬 디바이스가 사용되는
    오버레이 측정 방법.
  8. 기판의 적어도 한 층에서 디바이스를 제조하는 방법에 있어서,
    제 1 기판에 대하여 적어도 하나의 오버레이 마크가 제공된 마스크를 정렬하는 단계와,
    투사 방사(projection radiation)에 의해 상기 기판 상의 레지스트 층에 상기 오버레이 마크를 투영하는 단계와,
    상기 레지스트 층 내에 형성된 상기 오버레이 마크 및 기판 내의 오버레이 마크 사이의 오버레이를 결정하고 오버레이 에러를 정정하는 단계와,
    투사 방사에 의해 디바이스 피쳐가 형성될 각각의 기판 상의 레지스트 층 내에 상기 층 내에 구성될, 상기 디바이스 피쳐에 대응하는 패턴 피쳐를 포함하는 마스크 패턴을 투영하는 단계와,
    마스크 패턴 이미지에 의해서 윤곽이 그려지는 상기 층의 영역으로부터 재료를 제거하거나, 상기 층의 영역에 재료를 추가하는 단계
    로 이루어진 적어도 하나의 세트를 포함하되,
    상기 오버레이는 제 1 항 또는 제 2 항의 방법에 의해 결정되는
    디바이스 제조 방법.
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