KR100847154B1 - 수차 결정 방법, 수차 결정 시스템, 리소그래픽 투사장치, 측정 디바이스, 테스트 대상, 수차 검색 방법, 컴퓨터 프로그램 및 디바이스 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학 이미징 시스템(PL)의 수차(aberration)를 결정하는 방법에 관한 것이며, 적어도 하나의 델타 테스트 피처(10)를 포함하는 테스트 대상(12,14)이 가공 스캐닝 검출기(an aerial scanning detector)(110) 상에서 또는 레지스트 층(7) 내에서 이미징되며 상기 레지스트 층은 가령 SEM과 같은 스캐닝 디바이스에 의해 스캐닝된다. 이 새로운 분석 방법은 가공 검출기 또는 스캐닝 디바이스에 의해 생성된 데이터 스트림으로부터 상이한 제르니크 계수(Zernike coefficient)(Zn)를 검색하는 데 사용된다.

Description

수차 결정 방법, 수차 결정 시스템, 리소그래픽 투사 장치, 측정 디바이스, 테스트 대상, 수차 검색 방법, 컴퓨터 프로그램 및 디바이스 제조 방법 {DETERMINING THE ABERRATIONS OF AN IMAGING SYSTEM}
본 발명은 광학 이미징 시스템의 수차(aberration)를 결정하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 상기 이미징 시스템의 대상 평면(object plane) 내에 테스트 대상을 배치시키는 단계와, 상기 이미징 시스템 및 이미징 빔에 의해서 각각이 상기 이미징 시스템의 상이한 초점 상태(focus state)로 형성되는 다수의 테스트 대상 이미지를 형성하는 단계와, 상기 이미징 시스템의 분해능(resolution)보다 큰 분해능을 갖는 검출 디바이스에 의해서 상기 테스트 대상 이미지를 검출하는 단계와, 상기 검출 디바이스의 출력 신호를 분석하여 상기 수차의 상이한 수차 항들(aberration terms)의 값들을 결정하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 방법을 수행하는 시스템, 상기 방법에서 사용되는 데트스 대상, 리소그래픽 투사 장치(a lithographic projection apparatus) 및 디바이스 제조 방법에 관한 것이다.
이미징 시스템의 분해능은 라인 및 점과 같은 대상 피처(object feature)를 그 이미지 내의 개별 실체로서 재현할 수 있는 능력을 의미한다. 시스템의 분해능이 높을 수록 대상 피처들 간의 분해가능한 거리가 보다 작아진다.
광학 이미징 시스템은 굴절 소자, 반사 소자 및 이들의 조합을 포함한다. 아주 많은 개수의 렌즈 또는 미러를 갖는 투사 시스템의 형태로 된 광학 이미징 시스템은 포토리소그래픽 투사 장치 내에서 사용되는데 이러한 장치는 통상적으로 웨이퍼 스텝퍼(wafer stepper) 또는 웨이퍼 스텝 앤드 스캐너(wafer step-and-scanner)로 알려져 있다. 이러한 장치는 특히 IC를 제조하는데 사용된다. 포토리소그래픽 투사 장치에서 생성 마스크 내에 존재하는 마스크 생성 패턴은 아주 많은 회수로 이미징되는데 각 회수마다 기판의 상부 상의 레지스트 층 내의 상이한 구역, 이른바 IC 구역, 쇼트 구역(shot area) 또는 다이 상에 이미징된다. 이러한 이미징은 상기 투사 시스템 및 UV 범위 내의 가령 365 nm의 파장 또는 깊은 UV 범위 내의 가령 248 nm, 193 nm 또는 157 nm의 파장을 갖는 투사 빔에 의해 수행된다.
IC 제조 기술에서의 목적은 IC 내에 계속적으로 증가하고 있는 전자 소자들을 집적시키는 것이다. 이를 위해서, IC의 표면적을 증가시키고 전자 소자들의 크기를 감소시키는 것이 바람직하다. 투사 시스템의 경우 이는 이미지 필드 및 분해능이 증가되어 계속적으로 보다 작아지고 있는 피처들 또는 라인 폭이 계속적으 로 커지고 있는 이미지 필드 내에서 양호하게 규정되는 방식으로 이미징될 수 있어야 함을 의미한다. 이를 위해서, 투사 시스템은 매우 엄격한 품질 요구 조건에 따라야 한다. 이러한 투사 시스템 설계에 부여된 많은 노력과 그 시스템 제조에 있어서의 높은 정확도에도 불구하고, 이러한 투사 시스템은 여전히 구형 수차(spherical aberration), 코마(coma), 비점 수차(astigmatism)와 같은 수차를 보이고 있으며 이러한 수차는 고려되고 있는 애플리케이션에서는 허용가능하다. 실제로, 리소그래픽 투사 시스템은 이상적인 시스템은 아니지만 여러 수차를 가지고 있다. 이러한 수차는 이미지 필드 내의 위치에 의존하며 이미지 필드를 가로질러 발생하는 이미징된 라인 폭의 편차의 중요한 원천이 되고 있다. 가령 US-A 5,217,831에서 개시된 바와 같이 위상 시프팅 마스크를 사용하는 특정 기술이 리소그래픽 투사 시스템의 분해능을 증가시키는 데 사용될 때 또는 가령 US-A 5,367,704에서 개시된 바와 같이 오프 축 조사(off-axis illumination)를 사용할 때에, 이미징된 라인 폭에 대한 수차의 영향은 증가한다.
또한, 현대의 리소그래픽 투사 시스템에서 수차는 일정하지 않다. 왜곡(distortion), 필드 만곡(field curvature), 비점 수차, 코마 및 구형 수차와 같은 저차수 수차(low-order aberration)를 최소화하기 위해서, 이들 시스템은 하나 이상의 제어되면서 이동가능한 렌즈 또는 미러 구성 요소를 포함하고 있다. 투사 빔의 파장 또는 마스크 테이블의 높이가 상기와 같은 목적을 위해서 조절될 수 있다. 이러한 조절 장치가 사용되면, 다른 보다 작은 고차수 수차가 도입될 수 있다. 또한, 투사 빔의 강도가 가능한한 커야 하기 때문에, 리소그래픽 투사 시스 템은 에이징(aging)을 받게 되어 수차의 정도가 시간에 따라서 변하게 된다.
상술된 고려 사항을 살펴보면, 신뢰할만하고 정확한 수차 측정 방법이 필요함을 알 수 있다. 생성 장소에서 보정을 가능하게 하는 현대의 리소그래픽 투사 시스템의 경우에, 이러한 측정의 결과는 상기와 같은 수차에 대해 투사 렌즈를 보정하는 데 사용된다.
문헌 "Aberration Analysis using Reconstructed Aerial Images of Isolated Contacts on Attenuated Phase Shift Masks" by Franz Zach et al in Proceedings of Spie, Vol.4346, Optical microlithography XIV (2001), pages 1362 - 1368은 서두에서 언급된 방법을 개시하고 있다. 이 문헌의 방법에 따라서, 위상 시프트 마스크 내의 서로 다른 크기를 갖는 격리된 컨택트 홀들이 레지스트 층 내에 이미징된다. 이중 노출 기술이 이미지를 재구성하는 데 사용되는데, 컨택트 홀의 단일 노출이 균일한 백그라운드 노출 상으로 슈퍼임포즈된다(superimposed). 실험에서 20 개의 레지스트 이미지가 사용되었으며 각 경우는 이른바 도즈 투 클리어(레지스트를 완전히 제어하기 위해 필요한 최소 도즈량 : Dose to Clear)에 달하는 이전의 도즈량보다 근소하게 높은 백그라운드 조사 도즈량을 갖는다. 이 백그라운드 조사는 감쇠된 위상 시프트 마스크의 투과 특성의 결과이다. 이렇게 생성된 레지스트 이미지는 디지털 이미지 수집 및 저장 능력을 갖고 있는 SEM(전자 주사 마이크로스코프)에 의해 캡쳐된다(captured). 이이서, 이 이미지는 오프 라인으로 분석된다. 범용 데이터 분석 소프트웨어 패키지 상에서 구현되는 적합한 임계 알고리즘이 저장된 이미지에 사용되어 이미지들의 세트의 강도 등고선(contour line)을 획득한다. 이 값으로부터 제르니크 항들(Zernike terms)이 유도되며 이 항들은 관측된 이미지에서의 수차 항들의 타입 및 양과 투사 시스템의 수차 항들의 타입과 양을 나타낸다.
알려진 방식에서, 측정은 컨택트 홀의 이미지의 중심 영역, 특히 컨택트 홀 이미지의 제 1 측면 로브(lobe)로 집중된다. 이 제 1 측면 로브의 위치에서의 링의 이미지 강도는 그 이미지로부터 추출되어 그의 푸리에 성분을 위해 분석된다. 이렇게 생성된 푸리에 항들의 절대적 캘리브레이션은 상기 항들을 레티클(reticle)의 감쇠된 부분의 알려진 투과율에 대해 참조함으로써 수행된다. 보다 높은 제르니크 항 및 보다 낮은 제르니크 항은 "초점 관통(through focus)" 측정에 의해서 분리될 수 있다. 이 측정 방법은 다수의 이미지가 상이한 초점 조건에서 생성된 동일한 대상(컨택트 홀)에 대한 이미지로 구성됨을 의미한다. 이미지 구역의 오직 중심 부분만이 관측되기 때문에, 초점 관통 범위는 작으며 중앙 부분으로부터 보다 멀리 떨어진 거리에서 나타나는 강도에 영향을 미치는 수차들은 관측될 수 없다. 또한, 상술된 문헌에서 명백하게 기술된 바와 같이 그 알려진 방법은 구형 수차와 같은 회전적으로 대칭적인 수차를 측정하기에는 적합하지 않다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 상기 알려진 방법으로부터 배제된 수차를 측정할 수 있는 수차 측정 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은 이미징 시스템의 분해능에 비해 작은 크기를 갖는 적어도 하나의 테스트 대상 피처(test object feature)를 포함하는 테스트 대상을 배치시키는 단계와, 상기 테스트 대상 피처의 모든 이미지에 대해 상기 테스트 대상 피처와 연관된 전체 이미지 평면 구역에 걸쳐 있는 강도 프로파일을 검출하는 단계를 포함하는 상기 테스트 대상 이미지 검출 단계━상기 이미지 평면 구역은 상기 테스트 대상 피처의 이미지의 에어리 분포(Airy distribution)의 제 1 링(ring)보다 실질적으로 큼━와, 상이한 수차 항들(different aberration terms)로부터 생성되는 포인트 확산 함수(point spread function)의 방사상 부분(radial part)을 포함하는 등식들의 적어도 하나의 세트의 해를 구해서 상기 수차 항들을 검색하는 단계를 포함하는 분석 단계를 포함한다.
이 새로운 방법은 가령 어두운 필드 이진 마스크 내의 분리된 투명한 홀과 같은 가장 간단하고 기본적인 테스트 패턴을 사용한다. 이미징 시스템의 분해능에 비해 충분하게 작은 홀 직경의 경우, 이 홀의 이미지는 이미징 시스템의 포인트 확산 함수와 근사한다. 초점을 통해 마스크를 노출시키는 것은 포인트 확산 함수의 강도가 3 차원으로 측정됨을 의미한다. 이 포인트 확산 함수는 이미징 시스템을 전적으로 특성화시키며 저차수 수차 및 고차수 수차 모두에 대한 정보를 포함한다.
이 방법은 신규한 분석 알고리즘을 사용하는데 이 알고리즘의 핵심 특징은 수차 항들과 연관된 포인트 확산 함수의 방사상 부분들의 집합을 포함하고 한 세트의 등식을 제공하는 신규한 함수이다. 하나 또는 두 개의 등식 세트의 해를 구해야 하는지의 여부는 수차의 크기, 테스트 대상 피처의 크기 및 이미징 시스템의 개구 수치와 같은 이미징 조건에 의존한다. 수차가 작고 테스트 피처가 작은 크기이면, 오직 한 등식 세트만의 해를 구하면 된다. 테스트 피처 크기 및 개구 수치가 크다면 추가적인 등식 세트들의 해를 구해야 한다.
테스트 대상 피처는 델타 테스트 피처(d delta test feature)이다. 이러한 피처는 전자기 방사의 빔(광 빔)을 조사하면 위치 함수로서 급격한 피크를 나타내는 전계 벡터를 갖는 전자기 필드를 생성하는 피처를 의미한다. 가령, 불투명한 층 내의 매우 작은 개구가 이러한 피처를 형성한다. 이와 같은 측정을 위해서는 한정적으로 작은 개구가 이상적이지만 개구가 검출가능한 이미지를 형성하기에 충분한 광을 전송해야 하기 때문에 개구는 최소 크기를 가져야 한다. 실제로, 이미징 시스템의 분해능에 대응하는 크기보다 실질적으로 작은 크기를 갖는 개구가 사용된다. 둥근 개구의 크기, 즉, 직경은 λ/(2NA) 보다 작으며 가령 λ/(3NA)이며 여기서 λ는 이미징 빔의 파장이며 NA는 이미징 시스템의 개구 수치이다. 가령, 파장이 193 nm이고 NA가 0.6 이면 개구의 직경은 100 nm 크기이다.
본 방법에 따라서 초점 관통 측정으로부터 생성되는 전체 데이터량, 즉 극좌표 r 및 θ와 초점 z의 함수로서의 이미지 강도, 즉, I(r, θ, z)가 입력되어 분석되면 이미징 장치 수차의 제르니크 항들을 유도할 수 있다. 인용된 문헌에서 상술된 방법의 단점은 처리될 데이터량이 상이한 백라운드 도즈량 및 상이한 초점 상태에서 SEM 이미지의 수가 너무 많기 때문에 매우 크다는 것이다. 그러나, 본 발명의 방법에서, 이러한 큰 데이터량은 문제가 되지 않는데 그 이유는 측정된 강도로부터 수차를 계산하는 새로운 분석 알고리즘이 사용될 수 있기 때문이며 상기 새로운 알고리즘은 본 발명의 발명자들에 의해 개발되었다.
또한, 새로운 방법에 따라서 각 이미지에 대해 이미징된 개구로부터의 방사광이 도달하는 전체 이미지 구역에 걸쳐 있는 강도가 측정되며 이로써 이미지의 중심으로부터 상대적으로 멀리 떨어져 있는 거리에서도 즉 매우 큰 r 값에 대해서도 강도가 측정된다. 이는 고차수 제르니크 항들의 측정을 가능하게 하며 이 항들은 이미지 중심으로부터 멀리 떨어진 거리에서의 방사(이후부터는 고차수 방사)를 생성한다. 고차수 수차에 의해 생성된 원하지 않는 방사는 표유 방사(stray radiation)와 유사한 특성을 가지며 이로써 이 원하지 않는 방사는 상기 항, 즉, 고차수 방사에 의해서 커버될 수 있다. 이 새로운 방법은 보다 큰 초점 범위를 통한 스캐닝을 가능하게 한다. 가령, 초점 범위는 초점으로부터 -1 ㎛ 내지 +1 ㎛까지 연장되며 이 범위는 193 nm 파장을 갖는 투사 빔을 이용하는 리소그래픽 투사 장치에 대해서 매우 큰 값이다.
고차수 방사는 기판 레벨에서 100 ㎛ 에 달하는 거리에 걸쳐서 편향될 수 있다. 가령 렌즈 또는 미러 코팅의 결함, 렌즈 물질의 결함 및 레티클 또는 웨이퍼(기판)에서의 원하지 않은 반사에 의해서 고차수 방사가 유발된다. 현재의 장치에서는 고차수 방사가 몇 퍼센트에 달하지만, 차세대 장치에서는 거기에 사용된 파장이 보다 작기 때문에 크게 증가할 수 있다. 특히 157 nm 파장을 갖는 투사 방사 또는 EUV 방사를 사용하는 장치에서는 이러한 고차수 방사량이 크게 증가되었다. 불행하게도, 이러한 고차수 방사는 일정하지 않으며 동일한 설계의 투사 시스템들에 대해서도 서로 다른데 투사 시스템의 이미지 필드에 걸쳐서 변하고 조사 상태에 의존한다. 또한, 렌즈 및/또는 미러의 오염 및 품질 저하로 인해서, 고차수 방사는 시간에 따라서 변한다. 따라서, 고차수 방사를 측정하고 모델링하는 것은 투사 장치 사용자에게 매우 필요한 사항이다. 본 발명은 에어리 분포의 중앙 링의 직경과 비슷한 직경을 갖는 델타 테스트 피처와 같은 작은 테스트 피처를 조사(illuminating)하며, 이로써 이미징 시스템의 포인트 확산 함수를 사용하여 세밀한 고차수 방사 분포를 정확하게 맵핑할 수 있다.
본 발명의 중요한 측면에서, 본 방법은 테스트 피처의 크기보다 실질적으로 큰 거리로 서로 떨어져서 위치한 테스트 대상 피처들의 매트릭스를 이미징하는 단계를 포함하는 테스트 대상 이미지 형성 단계 및 모든 테스트 피처들에 대해서 동시에 수행되는 다음 단계를 포함한다.
테스트 대상 피처들의 매트릭스를 사용하게 되면 이후에 설명될 추가적인 장점들이 획득된다. 피처들의 크기보다 실질적으로 큰 거리로 서로 떨어져 있도록 테스트 대상 피처들을 구성함으로써, 몇 개의 이미지들 간의 크로스토크, 즉, 몇 개의 피처들의 이미지들의 이미지 평면의 중첩이 방지된다.
이미지 형성 및 검출에 있어서, 본 방법은 두 개의 주요한 실시예들에 따라서 수행된다. 제 1 주요 실시예에서는 테스트 대상 이미지 형성 단계가 레지스트 층 내에 테스트 대상 이미지를 형성하는 단계를 포함하며 이 층이 현상되고 이 현상된 이미지가 스캐닝 검출 디바이스에 의해 검출된다.
이 검출 디바이스는 통상적인 SEM이지만 스캐닝 프로브 마이크로스코프(scanning probe microscope)와 같은 새로운 타입의 스캐닝 검출 디바이스일 수 있으며 이러한 디바이스는 원자력 마이크로스코프 및 광학 프로브 마 이크로스코프와 같은 몇몇 구현 시에 사용될 수 있다. 이러한 테스트 대상 피처들의 매트릭스가 사용되면, 이미지 필드 내부의 상이한 지점들에서 고차수 방사는 단일 노출에 의해서 측정될 수 있다.
이 실시예에서 바람직하게는 레지스트 층을 현상하기 이전에 레지스트 층 내에 각각의 테스트 대상 피처를 위한 기준 피처를 이미징하는 추가 단계가 존재한다.
한 노출 단계는, 예를 들어, 델타 테스트 피처와 같은 테스트 대상 피처를 통해서 이루어지며 나머지 노출 단계는 기준 피처를 통해서 이루어지는 레지스트 층의 이중 노출에 의해서, 각 테스트 대상 피처 이미지에는 강도 분포 스캐닝 동작을 위한 위치 기준이 제공되며 이로써 측정된 강도의 위치는 분명하게 상기 위치(r,θ)에 속하게 된다.
상기 제 1 주요 실시예의 제 1 하위 실시예에서 상기 추가 단계는 각 테스트 대상 피처의 이미지 필드의 중앙에서 포인트형 기준 피처(a point-shaped reference feature)를 형성하는 단계를 포함한다.
테스트 대상 피처의 이미지 필드 내의 위치 r = 0에 있는 상기 기준 피처는 원형 개구를 통해서 레지스트 층을 노출시킴으로써 형성되며 그의 위치는 이미징 시스템의 축에 의해 결정된다.
제 2 하위 실시예에서, 상기 추가 단계는 각 테스트 대상 피처의 이미지 필드의 테두리(rim)에서 원형 기준 피처를 형성하는 단계를 포함한다.
제 3 하위 실시예에서, 상기 추가 단계는 각 테스트 대상 피처의 이미지 필드 내에 서로 대향하는 직선형 기준 피처들의 쌍들을 형성하는 단계를 포함한다.
본 방법의 제 2 주요 실시예에서, 테스트 대상 이미지 형성 단계는 방사 감지 검출기(a radiation-sensitive detector) 상에 가공 이미지(an aerial image)를 형성하는 단계를 포함한다.
이로써, 고차수 방사는 중간의 매체로서 레지스트를 사용하지 않고 바로 측정되며 이로써 레지스트 층의 특성이 강도 측정에 영향을 주지 않는다.
만일 이 제 2 주요 실시예가 테스트 대상 피처들로 구성된 매트릭스와 함께 수행되면, 테스트 대상 이미지 형성 단계는 개별 검출기 구역 상에 각 테스트 대상 피처의 가공 이미지를 동시에 형성하는 단계를 포함한다.
이 실시예는 검출기 신호의 신호 대 잡음비를 증가시키는 것 또는 스캐닝을 하지 않고도 수차를 결정하는 것 또는 이미징 시스템과 검출기가 서로에 대해 이동하지 않고도 초점 관통 측정을 할 수 있는 것을 가능하게 한다.
이 방법은 특히 레지스트 층이 제공된 생성 기판 상에서, 생성 마스크 내에 존재하는, 마스크 패턴을 투사하기에 적합한 리소그래픽 투사 장치 내의 투사 시스템의 수차를 검출하는데 있어서 사용될 수 있다. 이러한 애플리케이션을 위한 이 실시예에서는 적어도 하나의 테스트 대상 피처를 갖는 마스크가 투사 장치 내의 생성 마스크 위치에 배치되며 레지스트 층 또는 방사 감지 검출 디바이스가 생성 기판의 위치에 배치된다.
여기서 생성 기판은 집적 회로와 같은 디바이스가 그 위에 또는 그 내에 형성된 기판을 말한다. 이러한 기판은 또한 웨이퍼로 지칭된다. 생성 마스크는 상기 생성 기판으로 전사될, 가령 IC 패턴과 같은 디바이스 피처들의 패턴이 제공된 마스크이다.
또한, 이 실시예에서 테스트 마스크의 일부를 형성하는 테스트 대상이 사용된다.
전용 테스트 마스크는 생성 기판으로 전사될, 가령 IC 패턴과 같은 피처들의 생성 패턴을 포함하지 않지만 측정을 수행하는데 도움을 주는 테스트 대상 및 가능하게는 피처들을 포함한다.
이와 달리, 이 실시예에서 생성 마스크의 일부를 형성하는 테스트 대상이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 테스트 대상은 디바이스 피처들의 패턴 구역 외부에서 생성 마스크 내에 위치한다. 이러한 생성 마스크는 투사 장치의 처리량, 즉, 단위 시간 당 처리될 수 있는 기판의 개수를 증가시키는 것을 가능하게 하는데, 그 이유는 테스트 마스크를 더 이상 적재하고 내릴 필요가 없기 때문이다.
본 발명은 또한 상술된 방법을 수행하는 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 상기 이미징 시스템이 자신의 일부를 형성하고 있는 장치, 적어도 하나의 테스트 대상 피처를 갖는 테스트 대상, 상기 적어도 하나의 테스트 대상 피처의 이미지 필드 내에서의 강도 분포를 검출하는 검출기 및 상기 검출기에 접속되어 상기 강도 분포를 분석하는 이미지 프로세서의 조합에 의해 구성된다. 이 시스템에서 상기 이미지 프로세서는 상기 이미징 시스템의 포인트 확산 함수(point spread function)에 의해 결정되는 상기 분포에 대한 정보를 처리하여 상기 이미징 시스템이 나타내는 상이한 타입을 갖는 수차들을 결정하는 분석 수단을 포함한다.
이 시스템에서 또한 상기 검출기는 상기 적어도 하나의 테스트 대상 피처의 이미지를 수용하는 레지스트 층 및 상기 레지스트 층 내에 형성 및 현상된 테스트 대상 피처 이미지를 스캐닝하는 스캐닝 검출 디바이스를 포함한다.
이와 달리 이 시스템에서, 상기 검출기는 상기 적어도 하나의 테스트 대상 피처의 가공 이미지를 수용하는 방사 감지 검출기를 포함한다.
상기 가공 이미지 검출기는 스캐닝 동작 동안 어느 시간에라도 테스트 피처 이미지 구역의 오직 일부분만을 관측하는 포인트 스캐닝 검출기(a scanning point detector)이다.
바람직하게는, 상기 테스트 대상은 다수의 테스트 대상 피처를 포함하며 상기 가공 검출기는 상기 테스트 대상 내의 상기 다수의 테스트 피처에 대응하는 다수의 투명한 포인트형 구역 및 방사 감지 부재(a radiation-sensitive member)를 포함하는 스캐닝 구성형 검출기(a scanning composed detector)이다. 이러한 검출기로 모든 테스트 대상 피처들의 이미지가 동시에 스캐닝된다.
만일 상기 방사 감지 부재가 상기 모든 투명한 구역을 덮는 단일 소자이면, 신호의 신호 대 잡음 비는 실질적으로 증가하는데 그 이유는 모든 투명한 구역으로부터의 방사가 적분되기 때문이다.
이 방사 감지 부재는 또한 상기 다수의 투명한 구역들에 대응하는 개수를 갖는 다수의 하위 부재(sub-member)로 구성된다.
상기 대응하는 하위 부재의 중심에 대한 상기 투명 구역의 위치가 몇 개의 투명 구역/하위 부재 쌍에 대해 다르다면, 테스트 피처의 전체 이미지 필드가 이 필드에 걸쳐서 검출기를 스캐닝하지 않고서도 측정될 수 있다.
몇 개의 투명한 구역이 이미징 시스템으로부터 서로 다른 거리로 떨어져서 위치하면, 초점 관통 스캐닝은 상기 검출기와 상기 이미징 시스템을 이미징 시스템의 광학 축을 따라서 서로에 대해 이동시키지 않고도 구현될 수 있다.
본 발명은 또한 기판 상에서 마스크 내에 존재하는 마스크 생성 패턴을 이미징하는 리소그래픽 투사 장치에 관한 것이며 이 장치는 투사 빔을 제공하는 조사 유닛, 마스크를 수용하는 마스크 홀더 및 기판을 수용하는 기판 홀더를 포함하며 이 장치는 상술된 방법을 수행하기에 적합하다. 이 장치에서 상기 이미징 시스템은 마스크 홀더와 기판 홀더 간에 위치한 투사 시스템에 의해 구성되며 상술된 방법을 수행하는 동안 상기 투사 빔이 이미징 빔으로서 사용되고 상기 조사 유닛은 상술된 방법을 수행하는 동안 상기 투사 빔 단면의 직경을 상기 마스크 생성 패턴의 투사 동안 상기 투사 빔이 갖는 단면 직경보다 작은 값으로 감소시키는 수단을 포함한다.
상기 감소 수단은 이미징 빔의 단면을 테스트 대상 피처의 크기에 맞출 수 있으며 이로써 신호의 신호 대 잡음 비가 증가한다.
본 발명의 방법에 대한 다른 실시예에서 리소그래픽 투사 장치는 상기 방법을 수행하는 시스템을 위해 상술된 바와 같은 가공 이미지 검출 방사 감지 검출기를 포함한다.
이 검출기는 상기 장치의 기판 스테이지 상에 위치한다.
이와 달리, 상술된 방법은 리소그래픽 투사 장치 내에 쉽게 내장 및 제거될 수 있는 전용 측정 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 이 전용 측정 디바이스는 생성 기판의 형상 및 크기를 가지며 전자 신호 처리 수단, 전력 공급 수단, 인터페이스 수단 및 테스트 대상 피처의 이미지의 강도 프로파일을 검출하는 적어도 하나의 검출기를 포함한다.
이 검출기는 상술된 바와 같이 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상술된 방법에서 사용되는 테스트 대상에 관한 것이다. 이 테스트 대상은 테스트 대상에 대해서 상술된 방법의 실시예에서 언급된 특징을 하나 이상 갖는다.
이 테스트 대상이 마스크 표면의 일부를 형성하는 외부 구역이 각 테스트 대상 피처를 둘러 싸는 테스트 마스크로서 구현되면, 각 외부 구역은 인식 마크(recongition mark)를 구비한다. 이로써 스캐닝 디바이스는 테스트 대상 피처의 이미지를 쉽게 찾을 수 있다.
상기 테스트 대상에서 각 테스트 대상 피처에 대해 네비게이션 마크(navigation mark)가 테스트 대상 피처와 외부 구역 간의 중간 구역에 위치한다.
또한, 상기 테스트 대상은 각 테스트 대상 피처에 대해서 이 테스트 대상 피처에 대한 정보를 포함하는 다른 마크를 포함하며 마스크 표면 상에서 그 마크의 위치는 테스트 대상 피처의 외부 구역에 존재한다.
테스트 대상은 그의 특성에 있어서 상이한 실시예들을 나타낸다.
제 1 실시예에서 테스트 대상은 진폭 구조를 갖는다.
제 2 실시예에서 테스트 대상은 위상 구조를 갖는다.
두 실시예는 투과 테스트 대상 또는 반사 테스트 대상으로서 실현될 수 있다.
본 발명의 중요한 측면은 이미징 시스템에 의해서 테스트 대상으로 형성된 이미지에서의 강도 분포를 나타내는 데이터 스트림으로부터 광학 이미징 시스템의 수차의 상이한 수차 항들을 검색하는 검색 방법에 관한 것이다. 이 방법은 직교 좌표에서 측정된 강도 분포를 극좌표 및 초점 조건의 함수로 된 강도 분포I(r,φ,f)로 변환시키는 단계와, 상기 측정된 이미지 강도의 푸리에 확장 ψ(r,f)을 결정하는 단계와, (r,f) 공간에서 상기 푸리에 확장 ψ(r,f)과 수차 위상 φ의 내적(inner product)을 결정하는 단계와, 상기 선행하는 단계들의 결과이며 상이한 수차 항들로부터 생성된 포인트 확산 함수의 방사상 부분들을 포함하는 선형 등식들의 적어도 하나의 세트의 해를 구해서 상기 수차 항들을 검색하는 단계를 포함한다.
본 발명은 상술된 검색 방법을 수행하기 위한 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다.
마지막으로, 본 발명은 디바이스 기판의 적어도 하나의 기판 층 내의 디바이스 피처를 포함하는 디바이스 제조 방법에 관한 것이며 이 방법은 다음과 같은 연속하는 단계들의 적어도 하나의 세트를 포함한다. 상기 연속 단계들은 상기 층 내에 구성될 디바이스 피처에 대응하는 피처를 포함하는 마스크 생성 패턴을 제공하 는 단계와, 제어형 투사 시스템에 의해서 상기 기판 상에 코팅된 레지스트 층 내에 상기 마스크 생성 패턴을 이미징하고 이 층을 현상하여 상기 마스크 생성 패턴에 대응하게 패터닝된 코팅부를 형성하는 단계와, 상기 패터닝된 코팅부의 패턴에 의해 윤곽이 규정되는 상기 기판 층의 구역들로부터 물질을 제거하거나 물질을 부가하는 단계를 포함하며, 이로써 상기 투사 시스템의 제어 단계는 상기 투사 시스템의 수차를 검출하는 단계 및 이 검출 결과에 따라서 상기 시스템의 소자들를 리셋하는 단계를 포함한다. 이 방법에서 상기 검출 단계는 상술된 방법에 의해서 수행된다.
본 발명의 이러한 측면 및 다른 측면은 이후에 기술되는 실시예들을 참조하여 비제한적 예시에 의해 설명될 것이다.
도 1은 본 방법이 수행되게 하는 포토리소그래피 투사 장치의 실시예의 도면,
도 2는 이미징 시스템에 의해 생성된 강도 분포도,
도 3은 본 방법을 수행하는 시스템의 블록도,
도 4는 델타 테스트 피처의 제 1 실시예 및 완전 이미징 시스템에 의해 생성되는 상기 피처의 강도를 나타낸 도면,
도 5는 델타 테스트 피처의 제 2 실시예의 도면,
도 6은 델타 테스트 피처의 제 3 실시예의 도면,
도 7는 델타 테스트 피처의 제 4 실시예의 도면,
도 8는 델타 테스트 피처의 제 5 실시예의 도면,
도 9는 델타 테스트 피처의 제 6 실시예의 도면,
도 10a 및 도 10b는 델타 테스트 피처의 SEM 화상 및 이에 의해 생성된 이미지 분포를 나타낸 도면,
도 11은 표면에 걸쳐서 분포된 다수의 델타 테스트 피처 이미지를 갖는 웨이퍼 레지스트 층을 나타낸 도면,
도 12a 및 도 12b 및 도 12c는 각 델타 테스트 피처를 위해 사용될 기준 마크의 상이한 실시예들의 도면,
도 13은 단일 델타 테스트 피처를 갖는 테스트 대상 및 상기 피처에 의해 생성되는 강도 분포를 스캐닝하는 가공 검출기의 도면,
도 14는 다수의 델타 테스트 피처를 갖는 테스트 대상 및 이 테스트 대상에서 사용되는 구성형 가공 검출기의 제 1 실시예의 도면,
도 15는 구성형 가공 검출기의 제 2 실시예의 도면,
도 16은 구성형 가공 검출기의 제 3 실시예의 도면,
도 17은 상기 검출기의 검출 소자들의 한 행의 단면도,
도 18은 광학 측정 웨이퍼의 실시예의 도면,
도 19는 비점수차의 변화를 방사상 위치 및 초점 흐림 정도(defocus)의 함수로서 도시한 그래프,
도 20은 델타 테스트 피처 및 기준 마크가 제공된 테스트 마스크의 작은 부 분의 도면,
도 21은 미러 투사 시스템을 갖는 리소그래픽 투사 장치의 실시예의 도면.
도 1은 기판 상의 마스크 패턴을 반복적으로 이미징하는 리소그래픽 투사 장치의 실시예의 오직 가장 중요한 광학 소자들만을 개략적으로 도시하고 있다. 이 장치는 투사 렌즈 시스템 PL을 수용하는 투사 열(a projection column)을 포함한다. 이 시스템 상에 마스크 MA를 수용하는 마스크 홀더 MH가 배치되며 이 마스크 내에 이미징될 IC 패턴과 같은 마스크 패턴 C가 제공된다. 마스크 홀더는 마스크 테이블 MT 내에 존재한다. 기판 테이블 WT는 투사 열 내의 투사 렌즈 시스템 PL 아래에 위치한다. 이 기판 테이블은 가령 반도체 기판 또는 웨이퍼와 같은 기판 W을 수용하는 기판 홀더 WH를 지지한다. 이 기판에는 방사 감지 또는 레지스트 층 PR이 제공되며 이 층 상에서 마스크 패턴은 여러번 이미징되며 각 회수 마다 상이한 IC 구역 Wd 내에서 이미징된다. 기판 테이블은 도면에서 X 및 Y 방향으로 이동가능하며 이로써 IC 구역 상에 마스크 패턴을 이미징한 후에 후속하는 IC 구역이 마스크 패턴 아래에 위치할 수 있게 된다.
이 장치는 조사 시스템을 더 포함하는데, 이 시스템에는 가령 크립톤 플루오르 엑시머 레이저(a krypton-fluoride excimer laser) 또는 수은 램프와 같은 방사 소스 LA, 렌즈 시스템 LS, 반사기 RE 및 집광 렌즈 CO가 제공된다. 이 조사 시스템에 의해 제공된 투사 빔 PB는 마스크 패턴 C를 조사한다. 이 패턴은 기판 W의 IC 구역 상의 투사 렌즈 시스템 PL에 의해 이미징된다. 이 조사 시스템은 EP-A 0 658 810에 개시된 바와 같이 구현된다. 이 조사 시스템은 가령 배율 M = 1/4, 개구 수치 NA = 0.6 및 22 mm의 직경을 갖는 회절 한정 이미지 필드(a diffraction-limited image field)를 갖는다.
이 장치는 다수의 측정 시스템들을 더 구비한다. 이들 시스템 중 하나는 XY 면에서 마스크 MA와 기판 W의 서로에 대한 정렬도를 측정하는 정렬 검출 시스템이다. 다른 측정 시스템은 기판 홀더 및 기판의 X 위치 및 Y 위치 및 배향을 결정하는 간섭계(interferometer)이다. 또한, 초점 오차 검출 시스템도 존재한다. 이 시스템은 투사 렌즈 시스템 PL의 초점 또는 이미지 평면과 레지스트 층 PR의 표면 간의 편차를 결정한다. 이 측정 시스템들은 전자 신호 처리 회로 및 제어 회로 및 구동기 또는 작동기를 포함하는 서보 시스템(servo system)들의 일부를 형성한다. 이러한 회로 및 구동기에 의해서 기판의 위치 및 배향과 초점 일치 정도가 상기 측정 시스템들에 의해 제공된 신호들을 참조하여 보정될 수 있다.
정렬 시스템은 도 1의 상부 우측 부분에 도시된 마스크 MA 내에 두 개의 정렬 마크 M1 및 M2 를 사용한다. 이 마크들은 바람직하게는 회절 격자로 구성된다. 이와 달리, 이들은 그들 주위 환경과 광학적으로 다른 정방형 또는 스트립 형상의 다른 마크로 구성될 수 있다. 이 정렬 마크는 바람직하게는 2 차원인데, 즉, 이들은 도 1에서 X 및 Y 방향인 두 개의 서로 수직인 방향으로 연장된다. 기판 W은 적어도 두 개의 정렬 마크, 바람직하게는 2 차원 회절 격자를 가지며 이들 중 2 개가 도 1에서 P1 및 P2 로 도시된다. 이 마크 P1 및 P2는 패턴 C의 이미지가 형성되어야 하는 위치인 기판 W의 구역 외부에 위치한다. 이 격자 마크 P1 및 P2 는 바람직하게는 위상 격자로서 구현되며 상기 격자 마크 M1 및 M2는 바람직하게는 진폭 격자로서 구현된다. 이 정렬 시스템은 두 개의 정렬 빔 b 및 b' 이 기판 정렬 마크 P2 및 마스크 정렬 마크 M2 또는 기판 정렬 마크 P1 및 마스크 정렬 마크 M1를 서로 대해서 이미징하는 데 사용되는 이중 정렬 시스템일 수 있다. 정렬 빔이 정렬 시스템을 통과한 후에, 대칭적으로 구성된 방사 감지 검출기들(13,13') 상으로 입사된다. 이들 검출기는 관련 빔을 기판 마크가 마스크 마크에 대해서 정렬된 정도를 나타내는 전기 신호로 변환시키며 이로써 이 기판은 마스크에 대해서 정렬된다. 이중 정렬 시스템은 본 시스템의 세부 사항을 위해서 참조되는 US-A 4,778,275에 개시되어 있다.
기판의 X 위치 및 Y 위치를 정확하게 결정하기 위해서, 리소그래픽 장치에는 다중 축 간섭계 시스템이 제공되며 이 간섭계 시스템은 도 1에서 블록 IF에 의해서 도식적으로 도시된다. 2 축 간섭계 시스템은 US-A 4,251,160에 개시되어 있으며 3 축 간섭계 시스템은 US-A 4,737,823에 개시되어 있다. 5 축 간섭계 시스템은 EP-A 0 498 499 에 개시되어 있으며 이 간섭계에 의해서 X 축 및 Y 축을 따르는 기판의 변이 및 Z 축을 두른 회전 및 X 축 및 Y 축에 대한 틸트(tilt)가 매우 정확하게 측정될 수 있다.
스텝 앤드 스캐닝 리소그래픽 장치는 기판 간섭계 시스템 뿐만 아니라 마스 크 간섭계 시스템도 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기판 간섭계 시스템의 출력 신호 Si 및 정렬 시스템의 검출기(13,13')의 신호 S13, S13' 는 가령 마이크로컴퓨터와 같은 신호 처리 유닛 SPU에 인가된다. 이 유닛은 상기 신호들을 처리하여 XY 면에서 기판 테이블 WT을 통해 기판 홀더를 이동시키는 작동기 AC를 위한 신호 SAC를 제어한다.
이 투사 장치는 초점면과 투사 렌즈 시스템 PL과 레지스트 층 PR의 면 간의 편차를 검출하는 초점 오차 검출 디바이스(도 1에 도시되지 않음)를 더 포함한다. 이러한 편차는 가령 렌즈 시스템과 기판을 서로에 대해서 Z 방향으로 이동시키거나 투사 렌지 시스템의 하나 이상의 렌즈 소자를 Z 방향으로 이동시킴으로써 보정될 수 있다. 가령 투사 렌즈 시스템에 고정될 수 있는 이러한 검출 디바이스는 US-A 4,356,392에 개시되어 있다. 초점 오차 및 기판의 국부적 틸트를 검출할 수 있는 검출 디바이스는 US-A 5,191,200에 개시되어 있다.
매우 엄격한 요구 사항이 투사 렌즈 시스템에 부여된다. 가령 0.35 ㎛ 또는 이 보다 작은 라인 폭을 갖는 피처들이 이 시스템으로 세밀하게 이미징되어야 하며 이로써 이 시스템은 가령 23 mm 직경을 갖는 상대적으로 큰 양호하게 보정된 이미지 필드를 가져야 한다. 이러한 엄격한 요구 사항을 만족시키기 위해서, 투사 렌즈 시스템은 가령 수 십개의 렌즈 소자를 가져야 한다. 이 각 렌즈 소자는 매우 정확하게 제조되어야 하며 이 시스템도 매우 정확하게 조립되어야 한다. 이 시스템이 그 장치 내부로 내장되기에 적합하게 할 뿐만 아니라 이 장치의 수명 동안 수차의 검출을 허용할 수 있을 만큼 이 투사 시스템의 수차가 충분하게 작은 지의 여부를 결정하는 방법은 매우 필수적인 사항이다. 이러한 수차들은 상이한 요인들을 갖는다. 수차 및 이들의 크기가 알려지면, 가령 렌즈 소자의 위치를 적응시키거나 투사 시스템의 구획부들 내의 압력을 조절함으로써 상기 수차를 보상해야 한다.
도 2는 고차수 수차를 보이는 이미징 시스템에 의해서 포인트 소스가 이미징되는 경우에 계산된 이미지 공간 강도 분포 IP를 예시적으로 도시한다. 제조 에러로 인해 발생한 이러한 수차들은 이미징 시스템으로부터 여기되는 파면에서 고차수 제르니크 계수를 생성한다. 중앙 로브 외부의 계산된 패턴의 낮은 강도 부분은 일정한 강도 구역을 규정하는 다수의 등고선을 포함한다. 등고선의 패턴은 스펙클 패턴(speckle pattern)과 유사하다. 이는 고차수 제르니크 계수의 비상관된 성질에 의해 설명될 수 있다. 등고선에 부착된 번호는 중앙 로브에서의 최대 강도에 대해 백분율로 된 상대 강도를 표시한다. 너무 많은 등고선이 패턴의 중심 부분에서 발생하여 이 중심 부분이 블랙 상태로 표시되는 것을 방지하기 위해서, 중앙 최대치는 가령 실제 최대치의 3%로 한정된다. 회절된 강도는 이미지 평면 강도 함수 내에 존재하는 최고차수 베셀 함수(Bessel)의 정도인 v = n + 3 만큼 주어진 원 CI 내부에서 집중된다. 문자 v는 점 방사 좌표(dimensionless radial coordinate)를 나타내며 n은 예상 최고차수 제르니크 계수이다.
본 발명에 따라서, 투사 시스템의 수차를 결정하기 위해서 광학 임펄스 응답 또는 포인트 확산 함수를 사용한다. 또한, 관측된 이미지를 분석하기 위해서, 새롭고 독특한 분석 방법이 고차수 수차에 대해서 사용된다. 본 발명의 핵심 특징부에 따라서, 이미징 시스템의 분해능보다 작은 크기를 갖는 소형 테스트 대상 피처가 조사된다. 이 테스트 피처는 델타 피처이다. 델타 피처는 테스트 대상으로부터의 방사가 레지스트 층 또는 가공 방사 검출기 내에 집중되는 광학 시스템의 분해능보다 실질적으로 작은 직경을 갖는 테스트 피처이다. 이러한 델타 테스트 피처의 실례는 핀홀이다. 작은 테스트 피처가 사용되면 강도 분포의 고차수 수차를 포함하는 세밀한 구조가 관측가능하다.
리소그래픽 투사 장치의 투사 시스템의 이미지 평면 내에서의 도 2의 강도 분포를 측정하는 경우에 이 장치는 측정 시스템의 일부로서 사용될 수 있다. 가령 핀홀의 형태로 된 델타 테스트 피처와 같은 적어도 하나의 테스트 대상 피처를 갖는 테스트 마스크는 마스크 홀 내에 배치된다. 이 핀홀은 마스크 생성 패턴이 생성 프로세스 동안 레지스트 층 내에서 이미징되는 방식과 동일한 방식으로 레지스트 층 내에서 이미징된다. 이후에, 기판이 장치로부터 제거되고 현상 및 에칭되어 핀홀의 이미지가 기판 내에서 릴리프 이미지 패턴(a relief image pattern)으로 전사된다. 이 릴리프 이미지는 가령 SEM과 같은 스캐닝 검출 디바이스에 의해서 스캐닝된다. 이 SEM은 관측된 이미지를 이미지 데이터로 변환시키며 이 데이터는 특정 분석형 이미지 처리 알고리즘을 사용하는 이미지 처리 디바이스에 의해서 처리되며 이로써 이미지 데이터는 도면 또는 그래프로 볼 수 있게 된다. 이와 달리, SEM에 의해 관측된 이미지 구조를 가령 모니터 상에 나타낼 수도 있다.
도 3은 레지스트 층 내에 델타 피처의 이미지를 생성하는 방법 및 이 이미지 의 강도 분포를 결정하는 방법을 나타내는 블록도이다. 이 도면에서, 측정될 이미징 품질을 갖는 투사 장치는 블록 PA로 표시된다. 현상 장치 및 에칭 장치는 블록 DE로 표시된다. 블록 SEM은 스캐닝 전자 마이크로스코프 또는 일반적으로 스캐닝 검출 디바이스를 포함한다. SEM 내의 블록 IP는 이미지 처리 디바이스를 나타내고 블록 MO는 모니터를 나타낸다.
도 4의 수직 단면으로 도시된 바와 같이, 테스트 대상의 델타 테스트 피처는 투명 기판(14) 상의 불투명한 판 또는 층(12) 내의 미세한 투명 개구(10) 또는 핀홀로 구성된다. 기판은 유리 또는 석영이며 불투명한 층은 크롬 층이다. 본 방법을 실행하기 위해서 개구는 전자기 방사의 빔인 투사 빔 PB에 의해 조사된다. 개구(10)를 통과한 후에, 전자계는 전계 벡터 E를 가지며 그의 크기는 그래프(16)에서 도시된 바와 같이 위치 p의 함수로서 가변한다. 도 4에서 개략적으로 단일 렌즈로 표시된 투사 렌즈 시스템 PL을 통과한 후에, 전자계는 에어리 분포(Airy distribution)로 지칭되는 강도 분포(18)를 갖는다. 이 강도는 진폭, 즉, 투사 렌즈 시스템의 이미지 측면에서의 전계 벡터 E'의 크기의 제곱이다. 그래프(16)의 수직 경사는 비탈진 경사로 변환되며 이 그래프의 바늘 형상 전계는 양측에서 다수의 측면 로브를 갖는 중심 로브(20) 내에서 변한다. 강도 분포(18)는 심지어 수차가 존재하지 않을 때에도 투사 렌즈 시스템이 이상적인 시스템이 아니라 포인트 확산 함수를 가지기 때문에 유발된다. 이는 포인트가 도 4에서 점선 그래프(26)로 표시된 포인트로서 이미징되지는 않지만 그 포인트의 방사가 에어리 패턴을 가로질러 다소간에 분포되어 있음을 의미한다. 중앙 로브(20)의 폭 wi 및 이에 따른 반값 폭(half-value) wi(1/2)은 투사 렌즈의 포인트 확산 함수에 의해서 결정된다. 이 반값 폭은 강도가 최대 강도의 절반이 되는 위치에서의 로브의 폭을 의미한다.
에어리 강도 분포(18)는 이상적인 렌즈 시스템, 즉 수차를 가지지 않는 렌즈 시스템에 대해서만 오직 적용되는 이론적 상황을 나타낸다. 렌즈 수차로 인해서 방사 에너지가 에어리 패턴의 중심 로브에서 이 로브를 둘러싸는 링으로 이동한다. 수차 차수가 클수록, 즉, 제르니트 항의 수가 높을 수록 이 수차에 의해서 유발되는 강도의 거리는 중앙으로부터 더 멀리 떨어지게 된다. 가령 에어리 중심 로브의 반값 폭보다 작은 가령 1/3에 대응하는 크기를 갖는 델타 테스트 피처를 사용하게 되면 상대적으로 큰 전계에서 매우 큰 크기의 수차, 즉 가령 169의 제르니트 항의 수와 같은 매우 높은 제르니크 항의 수에 의해 유발되는 미세한 강도 분포도 측정될 수 있다. 상기 용어 "대응하는"은 렌즈 시스템의 배율이 고려되어야 함을 나타내는 데 사용되었다.
불투명한 구역 내의 투명 개구의 조사는 어두운 필드 조사(dark-field illumination)로서 광학 분야에 알려져 있다. 본 발명의 측정은 또한 밝은 필드 조사에 의해서도 수행될 수 있다. 여기서 델타 테스트 피처는 도 5에 도시된 바와 같이 가령 석영 또는 유리로 된 투명 기판(14) 상에 또는 투명 층(30) 내의 가령 크롬 도트와 같은 미세한 불투명한 구역(28)이다.
도 4 및 도 5의 투명/불투명 구조, 즉, 진폭 구조를 사용하는 대신에, 위상 구조가 테스트 대상으로서 사용될 수 있다. 이러한 위상 구조를 갖는 델타 피처는 도 6에 도시된다. 이는 투명 기판(14) 내에서 깊이 d를 갖는 세밀한 구역의 리세스(32)로 구성된다. 리세스 대신에, 상기 리세스와 같이 기판의 나머지 부분에 대해 동일한 높이 차이 및 동일한 구역 크기를 갖는 미세한 구역의 돌출 부분이 사용될 수 있다. 가령 테스트 마스크와 같은 판이 테스트 피처를 이미징하는 투사 빔에 대해서 충분하게 투명하기 때문에, 이 피처는 이 빔에 대해서 위상 구조를 형성한다. 이는 판을 관통한 후에 구역(30)으로 입사하는 투사 빔(30)의 일부가 빔의 나머지 부분과 다른 위상을 획득함을 의미한다. 이 위상 차 φ(라디안)는 다음과 같다.
φ= (n2 - n1)*d*2π/λ,
여기서, n2는 판 물질의 굴절율이며 n1은 일반적으로 공기인 주위 매체의 굴절율이며 1 값을 가지며 λ는 투사 빔 PB의 파장이다.
이미지 평면에서 양호한 콘트라스트를 획득하기 위해서, 빔의 구역(32)과 나머지 구역을 통과한 빔 부분들의 위상 차이 φ는 π라디안이어야 한다. 이는 만일 마스크 물질의 굴절율이 1.5이며 주위 매체인 공기의 굴절율이 1인 경우에 투사 빔 PB의 파장과 리세스의 최적 깊이 d가 동일함을 의미한다. 유용한 결과는 상기 최적 깊이와 다른 깊이에서도 획득될 수 있다.
도 4 내지 도 6에 도시된 투과성 대상 대신에, 테스트 대상은 반사성 대상일 수 있다. 이 반사성 테스트 대상은 이미징 또는 투사 빔의 파장이 아주 작아서 이 파장의 방사에 대해서 충분하게 투명한 물질이 이용될 수 없는 측정 장치에서 사용될 수 있다. 여기서 이미징 시스템은 여러 미러들로 구성되며 테스트 대상은 반사성 대상이다. 가령 13 nm의 파장을 갖는 EUV(초자외선) 방사가 투사 빔 방사로서 사용되는 리소그래픽 투사 장치를 측정하는 데 이러한 반사성 대상이 사용될 수 있다.
도 7은 비반사성 층(42) 내의 또는 비반사성 판 또는 마스크 기판(44) 상의 미세한 반사성 구역(40)으로 구성된 반사성 델타 테스트 피처의 제 1 실시예를 도시한다. 이는 도 4의 어두운 필드 투과 피처의 반사성 변형이다.
도 8은 반사성 층(50) 내의 미세한 비반사성 구역(48)으로 구성된 반사성 델타 테스트 피처의 제 2 실시예를 도시한다. 이는 도 5의 밝은 필드 투과 피처의 반사성 변형이다.
도 9는 반사성 층(54) 내의 미세한 구역의 리세스(52)로 구성된 반사성 델타 테스트 피처의 제 3 실시예이다. 이는 도 6의 투과 위상 피처의 반사성 변형이다. 리세스(52)는 또한 돌출부로 대체될 수 있다.
이러한 반사성 델타 테스트 피처의 경우 최적 깊이 또는 높이는 투사 빔 PB의 파장의 1/4이다.
도 4 내지 도 9의 델타 테스트 피처 각각을 조사한 후에, 이러한 피처로부터 렌즈 또는 미러 또는 이들의 조합으로 된 투사 시스템을 통과한 방사광은 레지스트 층 내에 강도 분포를 생성한다. 이상적인 경우에, 즉 수차를 갖지 않는 투사 시스템의 경우에, 이 강도 분포는 도 4의 강도 분포(18)와 같은 에어리 분포(Airy distribution)이다. 실제로, 이 분포는 보다 확장되며 투사 시스템의 수차의 종 류가 상이하기 때문에 불규칙적이다.
도 10a는 석영 기판 상의 크롬 층(35) 내의 개구(34)로 구성된 델타 테스트 피처의 SEM 화상을 도시한다. 개구의 직경은 이미징 시스템이 1/4 배율을 갖는 경우에 웨이퍼 스케일에 대해서는 약 0.1 ㎛가 되며 이로써 마스크 스케일에 대해서는 0.4 ㎛가 되도록 선택된다. 도 10b는 레지스트 층 내의 상기 테스트 피처의 SEM 화상이다. 이 이미지는 0.60 개구 수치를 갖는 이미징 시스템 및 193 nm의 파장을 갖는 방사광을 사용하여 획득된다. 이미지 내의 중심 영역(64)은 제로가 아닌 강도를 갖는 중앙 구역으로부터 매우 멀리 떨어진 완전하게 환형이 아닌 영역(65-70)에 의해 둘러 싸이며 이는 사용된 이미징 시스템이 높은 차수의 수차를 가짐을 의미한다.
일반적으로, 코마, 비점수차, 3 포인트 수차 및 구형 수차와 같은 수차들은 저차수 제르니크 계수 및 고차수 제르니크 계수로 구성된다. 이러한 저차수 제르니크 계수 및 고차수 제르니크 계수로 인해서 강도는 에어리 분포의 중앙 로브에 보다 가깝게 그리고 보다 멀리에서 나타난다. 소정 수차의 소정 제르니크 계수는 다른 수차의 다른 제르니크 계수가 동일한 위치에서 강도를 생성한다. 소정 위치에서 어느 수차로부터 강도가 생성되는가를 결정하기 위해서 초점 관통 스캐닝이 사용된다. 이로써, 초정 관통 스캐닝, 즉 투사 렌즈 시스템의 광학 축을 따라서 + Z 방향 및 -Z 방향으로 테스트 피처의 이미지를 이동시키는 기술이 사용될 때에는 상이한 수차들은 상이한 방식으로 변한다. 이러한 이동은 투사 시스템의 초점을 변화시킴으로써 또는 이 시스템과 레지스트 층을 서로에 대해서 Z 방향으로 이동시킴으로써 실현될 수 있다. 실제로, 초점 관통 스캐닝의 경우 레지스트 층이 이동되는데 그 이유는 광학 리소그래피에서 사용되는 기판 스테이지에는 이 기판을 Z 방향으로 매우 정확하게 이동시키는 수단이 제공되기 때문이다. 본 측정 방법의 특성은 Z 범위에 걸쳐서 스캐닝을 하는 것을 가능하게 하며 상기 Z 범위는 가령 ±1 ㎛ 범위이며 리소그래픽 장치에서 통상적으로 사용되고 있는 Z 범위보다는 실질적으로 크다. 193 nm 또는 157 nm의 파장을 갖는 투사 방사광이 사용되는 리소그래픽 투사 장치에서 사용될 초점 범위는 ±0.1 ㎛ 범위이다.
각 초점 상태에 대해서 개별 강도 분포가 필요하다. 조사 도즈량의 영향 정도를 결정하기 위해서, 각 초점 상태에 대해서 테스트 피처는 여러 회수로 이미징되어야하며 각 회수 마다 낮은 도즈량 내지 높은 도즈량의 범위 내의 상이한 사전결정된 조사 도즈량이 적용된다. 따라서, 각 초점 상태에 대해 다수의 강도 분포가 레지스트 층에서 생성된다. 레지스트 층 내에 이러한 초점 노출 매트릭스(FEM)를 생성함으로써 현상된 레지스트 이미지에서는 볼 수 없는 강도 레벨들이 재구성된다. 이는 도 11에 도시되어 있으며 이 도면은 웨이퍼(도시되지 않음)의 상부 상의 레지스트 층(71) 내의 노출된 구역(72-80)의 어레이의 평면도이다. 이 연속하는 구역들은 델타 테스트 피처를 통해 조사되었으며 이로써 각 구역에 대해서 다른 초점 세팅이 선택되었다. 중심 구역(80)은 최적의 초점 상태로 조사되었다. 경계 구역(72)은 가령 +1 ㎛의 초점 흐림 정도(defocus)로 조사되었으며 구역(73-75)은 연속하여 보다 작은 + 의 초점 흐림 정도로 조사되었다. 어레이 내의 구역의 수는 도 11에 도시된 몇 개의 구역보다 더 많다. 각 초점 상태에 대해 사용된 상이한 도즈량은 구역(80)에서의 이미징 동안의 초점 상태에 대해서 일련의 구역(82-89)으로 표현된다. 구역(82)은 작은 도즈량으로 조사되었으며 구역(89)은 높은 도즈량으로 조사되었다. 구역(72-79) 각각에 대해서 구역(82-89)과 같은 일련의 구역은 레지스트 층 내에 생성된다. 도 11에 도시된 모든 노출된 구역들에는 구역(62)에 대해 도시된 강도 분포(90)가 제공되며 이로써 상이한 구역들에서의 강도 분포는 서로 상이하다.
구역(72-80) 및 구역(82-89) 이외에, 다수의 구역들이 상이한 초점 세팅 및/또는 도즈량으로 노출될 수 있다. 이로써 측정의 정확도와 신뢰도가 개선된다.
이러한 강도 분포는 이 분포가 프로파일 구조로 변환되도록 레지스트 층을 현상 및 에칭하고 이러한 구조를 스캐닝함으로써 관측될 수 있다. 이러한 스캐닝은 투사 시스템의 λ/NA이 비례하는 투사 시스템의 분해능보다 큰 분해능을 갖는 스캐닝 마이크로스코프에 의해서 수행된다. 100,000 배율을 가지며 3.5 nm의 피처까지 관측할 수 있는 SEM이 특히 다수의 이미지가 측정되어야 한다면 상기의 목적을 위해서 적합하다. 이와 달리, 가령 광학 프로브 마이크로프로세서 또는 AFM(Atomic Force Microscope) 또는 이들의 혼성 형태와 같은 프로브 마이크로스코프의 형태로 된 다른 스캐닝 마이크로스코프를 사용할 수도 있다.
레지스트 층 내의 노출된 구역들 각각에 대해서 강도 I가 극좌표 ρ(반지름) 및 θ(방위각) 및 f(초점 상태)의 함수로서 결정되는데, 즉, I(ρ, θ, f)가 결정되며 상이한 구역들에 대한 데이터가 동시에 처리된다.
몇 개의 노출된 구역에서의 강도 분포들을 비교하기 위해서 각 구역에서 위 치 기준이 필요하다. 이러한 위치 기준은 레지스트 층을 운반하는 웨이퍼 내에 에칭된 패턴에 의해서 구성된다. 또한, 이중 노출 과정을 통해서 레지스트 층에 기준 마크를 제공할 수 있다. 이로써, 먼저 기준 마크가 델타 테스트 피처의 이미지를 위해서 지정된 레지스트 구역 내에 이미징되며 이어서 델타 테스트 피처가 그 구역 내에 이미징된다.
위치 기준은 도 12a에 도시된 바와 같이 구역(80)과 같은 델타 테스트 피처의 이미지 구역의 중심 부분 내의 작은 점(100)으로 구성된다. 이 점은 측정될 이미징 시스템의 분해능보다 큰 직경을 갖는 마스크 개구를 통해서 구역(80)을 노출시킴으로써 획득된다.
도 12b는 위치 기준 마크의 제 2 실시예를 도시한다. 이 마크는 테스트 피처의 강도 분포의 이미지 구역(80) 내의 서로 대향하는 경계 위치에서의 가령 4 개의 점(102-105)으로 구성된다.
도 12c는 위치 기준 마크의 제 3 실시예를 도시한다. 이 마크는 강도 등고선들이 나타날 것으로 예상되는 이미지 구역(80)의 영역(109)을 둘러 싸는 원(107)으로 구성된다.
델타 테스트 피처로부터 이미징 시스템에 의해 생성된 강도 분포는 또한 방사 감지 검출기에 의해서 바로 관측될 수 있다. 측정에 대한 저항 특성의 영향이 여기서는 배제된다. 가공 이미지(an aerial image)를 관측하는 검출기는 가공 검출기로 지칭된다. 도 13은 이러한 가공 검출기를 사용하는 측정 시스템을 도시한다. 이 도면에서, 참조 부호(10,12,14)는 도 4의 테스트 대상을 표시한다. 델타 테스트 피처(10)는 가령 100 nm의 직경을 갖는다. 이 피처, 즉, 개구는 에어리 분포(18)로 표시되는 포인트 확산 함수로서 투사 시스템 PL에 의해 이미징된다. 가공 검출기(110)는 투사 시스템의 이미지 평면에 근접하여 배치된다. 이 검출기는 리드(114) 및 커버 층(118) 내의 작은 개구(116)를 갖는 통상적인 방사 감지 검출기(112)로 구성될 수 있다. 개구(16)는 가령 100 nm의 직경을 갖는다. 가령 300*300 ㎛2 의 크기를 갖는 구역인 테스트 피처의 이미지 구역에서의 강도 분포를 측정하기 위해, 가공 검출기는 화살표(120)로 표시된 바와 같이 상기 이미지 구역을 가로질러 스캐닝한다.
이 가공 검출기는 검출기 신호의 신호 대 잡음 비 및 측정 시간에 있어서 측정 시스템의 성능을 크게 개선시킨다.
측정된 강도를 증가시키기 위해서, 가공 검출기에는 x 방향으로 가령 30 개의 개구를 가지며 y 방향으로 30 개구를 갖는 총 900 개의 개구를 갖는 매트릭스가 제공된다. 도 14는 상기 검출기(130)의 25 개의 개구(116)를 갖는 일부분을 도시하며 또한 이러한 검출기와 함께 사용되는 테스트 대상을 도시한다. 이 도면은 도 13과 유사하지만 그 차이점은 강도 분포 및 투사 시스템이 설명의 명료성을 위해서 생략되었다는 것이다. 도 14 내의 각 개구는 도 13 내의 개구(116)과 동일하며 100 nm의 직경을 갖는다. 이 개구들은 가령 2 ㎛로 서로 떨어져 있다. 모든 개구들을 통과한 방사광은 공통 방사 감지기(112)에 의해서 캡쳐된다. 이러한 검출기에 의해서 델타 테스트 피처(10)(도 13의 테스트 피처(10)와 모두가 동일함)에 대응하는 개수를 갖는 테스트 대상에 의해 생성된 강도 분포는 동시에 스캐닝될 수 있다. 이로써, 각 개구는 그 테스트 대상 내의 대응하는 델타 테스트 피처(10)에 속하는 개별 이미지 필드를 스캐닝한다. 이렇게 이미징된 필드는 참조 부호(132)로 표시되며 x 방향 및 y 방향에서 각기 점선(134,136)으로 그의 윤곽이 규정된다. 검출기(112)는 모든 개구들로부터의 방사를 동시에 수신할 수 있는데 이는 각 시점에 모든 이미지 필드(132) 내의 모든 동일한 위치에서의 강도들이 적분될 수 있음을 의미한다. 이로써, n 개의 델타 테스트 피처를 갖는 테스트 대상 및 n 개의 개구를 갖는 가공 검출기를 갖는 실시예에 의해서 단일 개구를 갖는 검출기 및 단일 테스트 피처로 획득되는 신호 진폭의 n 배인 진폭을 갖는 이미지 신호가 획득된다. 이 이미지 신호는 이미지 필드(132) 내에서 순간적으로 스캐닝된 위치에서의 강도를 나타내는 신호를 의미한다.
다수의 델타 테스트 피처를 갖는 테스트 대상이 개별적인 작은 검출 소자를 갖는 다수의 개구를 갖는 가공 검출기와 함께 사용될 수 있다. 도 15는 이러한 구성형 검출기(140)의 일부를 도시하며 이 부분은 16 개의 검출 소자(141-156)를 포함한다. 각 검출 소자의 개구(116)는 도 13 및 도 14의 개구(116)와 동일하다. 모든 검출 소자에 대해서 이 검출 소자의 중심에 대한 개구의 위치는 상이하다. 도 15에 도시된 바와 같이, 모든 행 내의 연속하는 소자(제 1 행 내의 소자(141-144) 및 최종 행 내의 소자(153-156))의 개구들이 좌측에서 우측으로 시프트되며 모든 열 내의 연속하는 소자(제 1 열 내의 소자(141,145,149,153) 및 최종 열 내의 소자(144,148,152,156))의 개구들이 위에서 아래로 시프트된다. 도 15의 가공 검출기는 가령 30 개의 행 및 열, 즉 900 개의 소자를 포함하며 개구들의 시프트 정도는 도 15에 도시된 것보다 아주 작을 수 있다. 이러한 구성형 검출기의 각 검출 소자는 동일한 강도 분포의 상이한 지점에 존재한다. 이로써, 단일 측정 단계로 델타 테스트 피처의 전체 강도 분포를 관측할 수 있다. 구성형 검출기가 사용된 실시예에서, 개구(116)를 통과하는 방사빔은 도 14의 실시예에서와 같이 적분되지 않으며 이로써 이 구성형 검출기(140)는 도 14의 검출기(130)보다 작은 방사광을 수신한다. 이는 측정 시간 증가로 보상될 수 있으며 이로써 시간에 걸친 방사광 적분이 획득된다. 측정 동작 동안 검출기는 x 및 y 방향에서 정지되어 있다.
구성형 가공 검출기의 다른 실시예에서는 투사 시스템과 검출기를 서로에 대해서 이동시키지 않고도 초점 관통 측정이 가능하다. 도 16은 이러한 검출기(160)의 일부를 도시한다. 명료성을 위해서, 검출 소자의 상부 행 및 좌측 열만이 도시된다. 이 행 및 열은 가령 30 개의 검출 소자를 포함할 수 있으며 이들 중 오직 각기 4 개의 소자, 즉 소자(161-164)와 소자(161,165-167)만이 도시된다. 이 검출 소자의 개구들은 모두가 가령 그 소자의 중심 부분에서 동일한 위치로 존재한다. 이 검출 소자들은 상이한 높이를 갖는데 제 1 행에서는 좌측에서 우측으로 갈수록 높이가 감소하며 좌측 열에서는 위에서 아래로 갈수록 높이가 감소한다. 이 각 검출 소자는 따라서 투사 시스템에 대해서 상이한 거리로 떨어져서 존재한다. 이 검출 소자의 개수에 대응하는 개수를 갖는 다수의 델타 테스트 피처를 포함하는 테스트 대상이 구성형 검출기(160) 상에서 이미징될 때에, 모든 테스트 피처들에 대한 초점 상태는 서로 다르다. 이로써, 개구(116)를 바라보고 있는 강도 분포 지점에 대해서 초점 통과 스캐닝은 시간에 걸쳐서 수행되는 것이 아니라 공간에 걸쳐서 수행되며 검출기와 투사 시스템 간의 서로 간의 이동이 존재하지 않는다. 델타 테스트 피처에 의해서 생성된 전체 강도 분포를 측정하기 위해서, 구성형 검출기(160)는 화살표(120,121)로 표시된 바와 같이 X 및 Y 방향으로 스캐닝된다.
이러한 계단형 검출기(160)는 가령 실리콘 기판을 상이한 높이로 에칭하고 이렇게 상이한 높이를 갖는 각 기판 구역(170-174)상에 반도체 방사 센서(175)를 구축함으로써 제조될 수 있으며 이에 대한 도시는 도 16의 행들 중 한 행에 대해서 도 17에 도시되어 있다.
리소그래픽 투사 장치의 수차를 검출하는데 있어서, 특정 광학 측정 디바이스가 본 발명의 방법을 수행하는 데 사용될 수 있다. 도 18은 이 디바이스(180)의 실시예를 도시한다. 이 디바이스는 기판(182)을 포함하는데 이 기판은 측정될 수차를 갖는 투사 시스템이 포함된 장치 내에서 사용되기 위한 생성 웨이퍼의 형상 및 크기를 갖는다. 적어도 하나의 센서를 포함하고 광학 측정 웨이퍼 또는 웨이퍼 센서로 지칭되는 디바이스의 장점은 생성 웨이퍼와 같이 상기 장치 내부로 쉽게 적재되고 그로부터 내려질 수 있다는 것이다. 또한, 그 장치 내부로 적재될 때, 광학 측정 웨이퍼는 올바른 위치에 자동적으로 위치한다. 도 18의 실시예는 5 개의 센서(184-188)를 포함한다. 이 센서들 중 적어도 하나는 도 13에 도시된 바와 같은 단일 검출기 또는 도 15 내지 도 17에 도시된 바와 같은 구성형 검출기이다. 이 센서들은 전체 웨이퍼 표면 상에 분포되며 상이한 높이로 배치된다. 센서 신호가 웨이퍼 상에 구성된 마이크로프로세서로 제공되기 이전에 그 센서 신호를 증폭하기 위해 증폭기가 상기 센서들에게 제공된다. 이 마이크로프로세서의 기능은 센서 신호를 a/o 처리하고 센서들을 제어하는 것이다. 그 측정 웨이퍼는 a/o 신호 데이터를 임시 저장하기 위한 메모리(192)를 포함한다. 블록(194)은 입력/출력 인터페이스이며 이는 마이크로프로세서에 접속되며 주위 환경과의 무선 또는 유선 접속을 제공한다. 가령 광학 수단 또는 FM 송신부를 갖는 무선 접속이 제공된다. 인터페이스는 출력 데이터를 주위 환경에 제공하고/하거나 측정 프로그램을 마이크로프로세서 내부로 로딩하는 데 사용된다. 전원(196)에 의해서 측정 웨이퍼로 전력이 제공되며 이 전원은 주위 환경으로부터 전력을 무선 수신하는 유도성 디바이스 또는 배터리이다. 측정 웨이퍼는 두 개 이상의 정렬 마크를 포함하여 측정이 시작되기 이전에 리소그래픽 투사 장치 내에 웨이퍼를 정렬시킨다.
일반적으로 이미징 시스템 또는 투사 시스템의 수차를 유도하기 위해서, 강도 분포를 스캐닝함으로써 생성된 이미지 데이터가 처리되어야 한다. 이 데이터 처리 방법은 다음과 같이 두 개의 그룹으로 분리되는 다수의 단계들을 포함한다. 제 1 단계 그룹은 입력 이미지 데이터로부터 잡음을 제거하는 단계와, 가령 미분에 의해서 또는 각 관측된 픽셀의 강도가 소정의 임계치로부터 어느 정도 차이가 나는가를 결정함으로써 이미지의 등고선을 결정하는 단계와, 관측된 이미지의 강도 분포의 중심을 결정하는 단계를 포함한다.
제 2 단계 그룹은 새로운 분석 방법과 연관된다. 이 방법은 May 2002 Volume of Journal of the Optical Society of America에서 J.Braat 등에 의한 문헌 "Assessment of an extended Nijboer-Zernike approach for the computation of optical point spread functions"에 개시된 바와 같은 다양한 조사 조건에서 연장된 대상 및 포인트형 대상에 대한 광학 확산 함수의 계산에 대한 이론을 사용한다. 이 문헌에서 연장된 Nijboer-Zernike 방식은 초점을 통해서 스캐닝할 때에 상이한 타입의 수차를 갖는 이미징 시스템의 포인트 확산 함수를 계산하는 데 사용된다. 이 새로운 분석 방법에서 상기 연장된 Nijboer-Zernike 방식은 초점을 통해 스캐닝할 때에 시스템의 위상 결함, 즉 수차를 강도로부터 검색하는 방식이다. 이 Nijboer-Zernike 이론이 몇몇 가정을 기반으로 하고 있으며 이 가정은 실제로 그의 값을 매우 한정시키기 때문에 이 연장된 Nijboer-Zernike 방식은 보다 큰 편차에 대해서 확실하게 소용이 없게 된다. 또한, 이 이론은 초점 흐림 정도 항(defocus term)을 도입하는 것을 허용하지 않는다. 그러나, 이 연장된 Nijboer-Zernike 방식을 사용하는 새로운 분석 방법은 통상적인 연장된 Nijboer-Zernike 방식이 고유하게 가지고 있는 문제를 극복할 수 있으며 매우 큰 수차 및 매우 작은 수차에 대해서도 상기 계산을 할 수 있으며 또한 고차수 수차 항의 계산을 가능하게 한다. 새로운 이론에서 용어 "연장된"은 이 이론이 초점 흐림 정도 항의 도입을 가능하게 함을 의미한다. 이 초점 흐림 정도 효과는 독립 파라미터로서 취해지며 이 효과, 즉, 초점을 통한 스캐닝은 상이한 타입의 수차를 계산하는데 있어서 효과적으로 사용될 수 있다.
"연장된 Nijboer-Zernike 알고리즘"으로 지칭되는 새로운 분석 방법의 계산 방식에서 필수적인 것은 포인트 확산 함수에 대한 표현식에 있어서의 새로운 함수이다. 방사형 좌표 및 초점 흐림 정도 파라미터에 의존하는 이 새로운 함수는 특정 수차에 대해 특정 베셀 시리즈(a specfic Bessel series)를 포함한다. "연장된 Nijboer-Zernike 알고리즘"으로 실제 문제가 되는 모든 경우를 감당할 수 있다. 이 알고리즘에서 사용되는 공식들의 분석적 특성으로 인해서, 강인한 적분 방법(brute force integration method)을 기반으로 하는 통상적으로 사용되는 수치적 패키지와는 반대로 정확성을 제한하는 어떠한 판별 효과도 존재하지 않는다.
본 발명에 따라서, 수차 결정 방법은 직교 좌표에서 측정된 강도 분포를 극좌표 및 초점 조건(focus condition)의 함수로 된 강도 분포 I (r, φ, f)로 변환시키는 단계와, 상기 측정된 이미지 강도의 푸리에 확장 ψ(r,f)을 결정하는 단계와, (r,f) 공간에서 상기 푸리에 확장 ψ(r,f)과 수차 위상( φ)의 내적(inner product)을 결정하는 단계와, 상기 선행하는 단계들의 결과이며 상이한 수차 항들로부터 생성된 포인트 확산 함수의 방사상 부분들을 포함하는 선형 등식들의 적어도 하나의 세트의 해를 구해서 상기 수차 항들을 검색하는 단계를 포함한다.
이러한 계산은 이하에서 첨부되는 부록 "Basic formula's for the computation of electrical field of the point spread function"(이후부터는 부록 A), "Determination of aberrations"(이후부터는 부록 B)에서 설명되어 있다. 부록 A는 상기 계산과 연관된 상술된 문헌으로부터의 기본 공식들을 요약한다. 부록 B는 측정된 강도로부터 수차를 계산하는 새로운 방법을 개시한다.
상술된 새로운 함수는 등식 10 및 등식 11 간의 라인 상의 포인트 확산 함수의 표현식으로 부록 B에 나타나 있는 Vnm(r,f)이다. 이 함수 Vnm(r,f)는 부록 A의 등식 3에 나타나는 함수 Vnm(r,f)의 특정 경우이다(이후부터는 제 1 Vnm). 제 2 Vnm(r,f)는 이미징 시스템의 수차가 상대적으로 작고 이 시스템의 개구 수치가 크지 않으며 테스트 피처, 즉, 핀홀이 이미징 시스템의 분해능보다 실질적으로 작은 직경을 갖는 경우에 적용된다. 이러한 조건의 경우에 상기 "기본적인" Vnm에 속하는 제르니크 계수 αnm 은 작은 실수 계수이고 등식 3에서의 대응하는 계수 βnm 은 일반적으로 복소수 계수이다. 이후에 설명될 바와 같이, 상기 기본적인 Vnm의 수정인 Vnm 함수들은 상술된 조건들이 성취되지 않는다면 여전히 사용될 수 있다.
일반적으로, 엑시트 푸필(exit pupil)로부터의 파면에서의 단일 수차 Rnm(ρ, θ)*cos(m,θ)는 포인트 확산 함수 Fnm(r,f)*cos(m,φ)를 생성한다. 이 파면이 보다 많은 수차를 보인다면, 대응하는 개수의 포인트 확산이 발생한다. 포인트 확산 함수의 복잡성은 측정되고 있는 이미징 시스템의 지정 사항 및 이 측정을 위해서 사용되는 테스트 피처에 의존한다. 이미징 시스템의 모든 수차들은 다소 복잡하지만 상대적으로 용이한 방식으로 계산될 수 있는 Vnm 함수들로 표현될 수 있다. 요구된 정확도를 얻기 위해서 한정 베셀 시리즈로 20 개의 항을 포함하면 충분하다. 강도 분포 분석에 있어서 중요한 역할을 하는 Vnm 함수는 초점 흐름 정도 f에서 (n,m) 번째 기본 포인트 확산 함수의 방사성 부분으로서 규정될 수 있다.
부록 A의 등식 10은 시스템의 수차가 작을 경우(보정된 시스템의 경우) 상기 방법에 따라서 검색될 수 있는 이미징 시스템의 위상 오차 즉 수차 위상 φ과 연관된다. 초점 통과 포인트 확산 함수(the through-focus point-spread function)는 기본 함수들의 조합으로 표현된다. 이 기본 함수들의 계수들은 제리니크 계수와 동일하며 몇 개의 값의 점 흐름 파라미터에서 측정된 강도 패턴과 이론적 강도 간의 일치 정도를 최적화함으로서 추정될 수 있다. 그러나, 이 새로운 방법은 위상 오차의 검색으로만 한정되지 않고 보다 일반적인 수차에 대해서도 적용될 수 있다. 부록 A에서, 전체 수차 함수 A*exp(iφ)는 다음과 같이 기록될 수 있다.
Figure 112004027244445-pct00001
여기서, A(ρ,θ)는 푸필의 진폭 또는 투과율이며 φ(ρ,θ)는 이미징 시스템의 위상 오차이다. 연장된 Nijboer-Zernike 알고리즘을 사용하는 본 방법은 이미징 시스템의 위상 오차 뿐만 아니라 투과율 또는 진폭 오차도 검색할 수 있으며 후자의 검색 능력은 본 발명의 특정 사항이다.
작게 될 필요가 없는 진폭 수차 및 위상 수차를 결정하기 위해서, 부록 A의 등식 3이 사용된다. 이 등식은 새로운 함수 Vnm(r,f)를 사용하여 시리즈 확장와 같은 일반적인 수차를 포함하는 파면의 전계 U(x,y)를 표현한다. 계수 βnm은 하나의 기본 함수 세트를 규정하는 대신에 다음과 같이 두 개의 기본 함수 세트를 규정 함으로써 검색될 수 있다.
Figure 112004027244445-pct00002
여기서, * 는 복소수 켤레(complex conjugation)를 표시한다. 여기서도, 다시 이론적 값과 관측된 강도 패턴 간의 일치 정도가 최적화된다. 상기 두 개의 선형 등식 세트를 품으로써, 계수 βnm의 허수 부분과 실수 부분이 검색될 수 있다.
부록 B에서 테스트 피처, 즉 핀홀의 직경이 이미징 시스템의 분해능보다 실질적으로 작아서 이 테스트 피처는 수학적 델타 함수에 근사하며 이 시스템의 NA는 작지만, 새로운 방법은 이러한 조건으로만 한정되는 것은 아니다. 한정 핀홀 직경은 다음과 같이 초점 파라미터 f를 수정함으로써 분석적으로 고려될 수 있다.
Figure 112004027244445-pct00003
여기서, d = 2πNA/λ*D 는 스케일링된 즉 정규화된 홀 직경 D이다. 이 등식은 테스트 피처 반지름이 이미징 빔의 반지름에 비해서 작으며 이로써 이 빔에 의해 조사된 이미징 시스템의 푸필의 일부의 반지름에 비해 작을 경우에 적용된다. 리소그래픽 투사 장치에서 이러한 반지름은 상기 조건이 쉽게 만족될 수 있도록 쉽게 설정될 수 있다.
보다 큰 테스트 피처 반지름의 경우에 초점 파라미터 f는 다음과 같이 수정될 수 있다.
Figure 112004027244445-pct00004
또한, 보다 양호하게는 다음과 같다.
Figure 112004027244445-pct00005
여기서 방사 함수 Vnm (r,f)는
Figure 112004027244445-pct00006
로 수정되지만 위상 검색 절차는 상술된 바와 동일하다. 새로운 함수 Vnm은 복소수 초점 흐름 정도 값의 처리를 가능하게 한다. 이로써, 상대적으로 큰 직경을 갖는 테스트 피처가 사용될 수 있다. 이는 충분한 신호 대 잡음 비를 획득하기 위해 필요한 노출 도즈량이 작게 유지되어서 이 측정 방법이 실제로 쉽게 실행될 수 있음을 의미한다.
보다 일반적으로, 초점 파라미터 f는 큰 테스트 피처 크기 및 이미징 시스템의 높은 개구 수치 가령 0.7 보다 큰 수치에 대한 추가 보정을 수용하도록 수정된다. 일반적으로, 초점 파라미터는 f는
Figure 112004027244445-pct00007
로 수정될 수 있으며 여기서 함수 b(z)는 파장 λ, 개구 수치 NA 및 테스트 피처 크기 D에 의존하는 복소수 함수이며 이에 대해서는 분명한 분석 절차가 존재한다. 특히, 파장 λ, 개구 수치 NA 및 테스트 피처 크기 D는 물리적 초점 흐름 정도 값 z에 대해서 선형으로 의존한다.
가령 0.8 이상의 큰 개구 수치를 갖는 이미징 시스템의 경우, 입사하는 빔 부분은 시스템 표면과의 비교적 큰 각을 만든다. 이러한 큰 각의 경우 시스템의 구성 요소의 동작은 이미징 빔의 극성 상태에 의존한다. 이러한 구성 요소는 특히 단파장 장치의 경우 렌즈 코팅부 또는 미러 코팅부 및 렌즈 물질이다. 157 nm 파장 방사와 함께 사용되는 칼슘 플루오르 렌즈는 이중 굴절성(birefringent)이며 그의 광학 특성은 그로 입사하는 방사 빔의 극성 상태에 의존한다. 큰 개구 수치 를 갖는 이미징 시스템의 수차를 측정하기 위해서, 새로운 방법은 서로 수직으로 된 극성 상태를 갖는 두 개의 빔과 함께 수행되어야 한다. 높은 NA 이미징 시스템이 측정되는 경우에 어느 극성 상태가 사용될지가 알려진다면, 수차 측정은 상기 극성 상태를 갖는 이미징 빔으로 수행될 수 있다.
투사 렌즈 시스템의 주요한 수차는 코마, 비점수차, 3 포인트(3 리프 : 3 leaf) 수차 및 구형 수차이다. 이 각 수차는 통상적으로 제르니크 계수 즉 "프린지 제르니크 코드(fringe Zernike code)"로부터의 특정 제르니크 다항식의 크기에 의해서 표현된다. 그들의 다항식을 갖는 37 개의 제리니크 항들 Z의 리스트가 표 1에 주어진다. 이 표는 시그마 C 사의 광학 리소그래피 시뮬레이션 프로그램 "Solid C"를 위한 메뉴얼에 알려져 있다. 이 표는 또한 Born & Wolf에 의한 핸드북 "Principles of Optics"으로부터 유도될 수 있다. 표 1에서, 구형 수차의 경우 저차수 제르니크 계수는 Z9이며 고차수 제르니크 계수는 Z16, Z25, Z36 및 Z37이다. X 코마의 경우 저차수 제르니크 계수는 Z7이며 고차수 계수는 Z14, Z23, Z34이며 Y 코마의 경우 이들 계수는 각기 Z8 및 Z15, Z24, Z35이다. 비점수차의 경우, 즉 H/V 또는 수평/수직 비점수차의 경우, 저차수 계수는 Z5이며 고차수 계수는 Z12, Z21 및 Z32이며 45°에서의 비점수차의 경우 이들 계수는 각기 Z6 및 Z13, Z22, Z33이다. x 방향에서의 3 포인트 수차의 경우, 저차수 계수는 Z10이며 고차수 계수는 Z19 및 Z30이며, y 방향에서의 3 포인트 수차의 경우, 이들 계수들은 각기 Z11 및 Z20, Z31이다.
도 19는 델타 테스트 피처의 이미지 필드를 가로지르는 비점수차 제르니크 계수 Z5의 실험적으로 획득된 편차를 나타내는 3 차원 표면의 2 차원적 표현을 도시한다. 이 도면에서, △f는 초점축을 표시하며 △3은 방사 방향 축을 표시한다. 도 19는 초점 FA를 통과할 때 수차 즉 비점수차의 부호가 변하는 것을 도시한다.
본 설명은 단일 테스트 대상을 기반으로 하였다. 그러나, 테스트 마스크는 다수의 테스트 대상 패턴을 가질 수 있는데 가령 x 방향으로 3 개 및 y 방향으로 15 개를 가질 수 있다. 이 테스트 대상은 이들이 가령 스텝 앤드 스캐닝 장치의 전체 이미지 필드를 커버할 수 있도록 구성될 수 있으며 상기 필드는 통상적으로 x 방향에서는 8 mm이며 y 방향에서는 26 mm이다. 이로써 전체 스캐닝된 이미지 필드에서의 수차를 결정할 수 있다. 테스트 대상의 개수는 보다 커질 수 있거나 보다 작아질 수 있다. 수차 검출이 가공 검출기 기술에 의해 수행되면, 각 테스트 대상에 대해서 개별 가공 검출기가 제공되어야 한다. 테스트 대상이 가령 100*100 개의 다수의 델타 테스트 피처를 포함하면, 각 구성형 가공 검출기는 이에 대응하는 개수의 개구를 포함해야 한다. 수차 검출이 레지스트 층 내에 이미징함으로써 수행되면, 각 테스트 대상은 하나의 델타 테스트 피처를 포함한다.
테스트 패턴이 너무 작기 때문에, 이 패턴은 생성 마스크 내에 즉 IC 패턴을 갖는 마스크 내에 제공되되 관련 IC 패턴의 피처들을 희생시키지는 않는다. 이로써, 수차 측정을 위해서 개별 테스트 마스크를 제조하고 마스크를 교환할 필요가 없다.
리소그래픽 투사 장치에 의한 검출 방법을 수행할 경우, 투사 빔은 바람직하게는 투사 광의 최대량이 테스트 대상에 집중되어 선명한 이미지가 획득될 수 있도 록 마스크의 위치에서 작은 빔 단면을 가져야 한다. 차세대 리소그래픽 투사 장치는 빔의 총 방사 에너지가 유지되면서 투사 빔의 단면을 조절할 수 있는 특정 조사 시스템을 갖는다. 이러한 조사 시스템은 가령 문헌 "Photolithography using the AERIAL illuminator in a variable NA wafer stepper" SPIE Vol.2726, Optical Microlithography IX, 13-15 March 1996, pp. 54-70에 개시되어 있다. 투사 빔의 단면과 푸필 단면 간의 비율은 코히어런스(coherence)의 정도 σ에 의해 표시된다. 마스크 패턴을 투사하는 경우에, 1 내지 0.3 범위의 σ값이 현재 사용되고 있다. 본 발명에 따라서, 이러한 리소그래픽 장치는 빔 단면을 한정하는 수단이 σ값이 0.2 또는 그 이하의 값에서 설정될 수 있도록 구현될 경우에 수차를 측정하는 새로운 방법을 수행하는데 특히 적합하다. 이는 투사 빔의 단면이 기판 상의 마스크 패턴을 투사하는 데 사용되는 빔의 단면보다 크게 작게 될 수 있도록 상기 리소그래픽 장치 내에 존재하는 빔 한정 수단을 조절함으로써 구현될 수 있다. 이러한 빔 단면 감소는 빔에서의 총 에너지를 유지하면서 실현될 수 있다. 수차 측정의 경우, 이와 달리 방사 소스와 마스크 홀더 간의 방사 경로 내에 추가 조리개(an extra diaphragm)를 배치시킬 수 있으며 여기서 이 조리개의 개구는 σ값이 1 내지 가령 0.1 범위에서 조절될 수 있도록 조절될 수 있다.
본 발명은 스텝핑 리소그래픽 투사 장치 및 스텝 앤드 스캐닝 리스그래픽 투사 장치 모두에서 사용될 수 있다. 스텝핑 장치에서 전체 마스크 패턴이 제 1 IC 구역에서 조사 및 이미징된다. 이어서, 마스크 패턴 및 기판이 다음의 IC 구역이 마스크 패턴 및 투사 시스템 아래에 놓일 때까지 서로에 대해서 이동되며 이로써 한 스텝이 이루어진다. 이어서, 그 IC 구역이 마스크 패턴과 함께 조사되고 다른 스텝이 이루어지며 이러한 절차는 마스크 패턴이 기판의 모든 IC 구역 상에서 이미징될 때까지 계속된다. 투사 렌즈 시스템에 부여되는 요구 사항인 큰 NA 값 및 큰 이미지 필드를 줄이고 상기 장치의 분해능 및 이미지 필드를 증가시키기 위해서, 스텝 앤드 스캐닝 장치가 바람직하다. 이 장치에서, 마스크 패턴은 한 단계로 전체적으로 이미징되지 않는다. 마스크 패턴은 좁은 직사각형 또는 원형 세그먼트 형상의 빔 단면을 갖는 빔에 의해서 조사된다. 마스크 패턴 및 기판은 투사 시스템의 배율을 고려하면서 상기 시스템에 대해서 동시적으로 이동하며 이로써 마스크 패턴의 모든 하위 구역들이 기판의 대응하는 하위 구역 상에서 연속적으로 이미징된다. 한 방향에서의 가령 X 방향에서의 투사 빔의 단면은 상기 장치에서 이미 작기 때문에, 다른 방향에서의 가령 Y 방향에서의 빔 단면만이 본 새로운 방법을 위한 최적 조사량을 획득하도록 감소되어야 한다.
테스트 대상은 마스크 표면 구역의 오직 작은 부분만을 커버한다. 만일 전체적으로 투명한 테스트 마스크가 사용되면, 테스트 대상 구역 외부에서 상기 마스크에 의해 통과된 방사광은 간섭 방사의 효과를 가지며 이로써 위상 구조물의 이미지의 품질을 저하시킨다. 이를 방지하기 위해서, 바람직하게는 오직 테스트 대상 피처만이 투명하고 외부 구역으로 지칭되는 마스크의 나머지 부분은 가령 크롬으로 코팅함으로써 불투명하게 되는 테스트 마스크가 사용된다. 도 20은 불투명 구역(12) 내의 투명 개구의 형태로 된 단일 테스트 대상 피처(10)를 포함하는 테스트 대상이 제공된 테스트 마스크(200)의 일부를 도시한다. 이 구역 및 외부 구역(202)은 크롬 층으로 코팅된다.
SEM 또는 다른 스캐닝 검출 디바이스가 작은 테스트 대상을 쉽게 찾을 수 있도록 하기 위해서, 인식 마크(203)가 도 20에 도시된 바와 같이 각 테스트 대상의 외부 구역 및 테스트 마스크 내에 제공된다. 도시된 실례에서는 크름 층 내의 F 형상 개구로 형성된 이 마크는 만일 이 마크가 x 방향 및 y 방향으로 연장된 미세한 부분을 가진다면 임의의 마스크일 수 있다. 도 20에 도시된 바와 같이, 이 인식 마크의 x 방향으로 연장된 스트립 및 y 방향으로 연장된 스트립은 델타 테스트 피처(10)보다 매우 길다. 따라서 이 마크는 쉽게 관측될 수 있으며 검출 디바이스의 네비게이션을 위해 적합하다. 이 마크가 관측되면, 검출 디바이스는 테스트 마스크의 외부 구역(202)에 대응하는 기판 상의 구역 내부에서 이동될 수 있다. 이 검출 디바이스는 테스트 피처(10)의 이미지를 탐색하기 시작하며 그의 강도 분포를 스캐닝한다. 구역(12)에서 x 방향으로의 투명한 스트립(204) 및 y 방향으로의 투명한 스트립(206)은 구역(12) 내부에서의 검출 디바이스의 네비게이션을 단순화시키도록 존재한다.
테스트 대상의 외부 구역(202) 내에 다른 정보(208)가 제공될 수 있다. 이 정보는 테스트 대상의 파라미터 또는 위치 정보에 관한 것이며 테스트 마스크 상의 관련 테스트 대상의 x 및 y 좌표를 표시한다. 본 발명의 방법을 수행하기 위해서 사용되는 이 다른 정보는 인식 마크(203) 내에 제공될 수 있다.
마크(203,208)가 상대적으로 큰 미세한 부분을 가지기 때문에, 이 미세 부분은 심지어 이미징 환경이 이상적이지 않는 경우에도 가령 사용된 조사량이 최적 상 태가 아닐 경우에도 스캐닝 검출 디바이스가 적절하게 인식할 수 있도록 항상 이미징될 것이다. 가령 아주 작은 조사량이 사용되면, 테스트 피처(10)의 이미지의 품질은 본 방법이 만족할만하게 구현될 수 없을 정도로 감소될 것이다. 마크(203,208)를 관측함으로써, 빈약한 이미지 품질의 원인이 확인될 수 있으며 이로써 위상 패턴의 사용가능한 이미지가 여전히 획득되면서 본 방법도 여전히 구현될 수 있도록 환경 조건이 적응될 수 있다.
테스트 대상의 테스트 피처는 불투명 구역 내의 투명 개구이다. 그러나, 테스트 피처는 보다 큰 투명 구역 내부의 미세한 불투명 구역으로 구성될 수 있다. 또한, 테스트 피처는 주위 구역과는 상이한 레벨로 미세한 구역으로 구성된 위상 구조물이다. 반사성 생성 마스크가 리소그래픽 투사 장치에서 사용되면, 검출 방법은 반사성 테스트 마스크로 수행된다. 투명 테스트 대상에 대한 상술된 3 가지 대안은 또한 반사성 테스트 대상에 대해서도 적용될 수 있다. 이러한 테스트 대상에 대해 투명 테스트 대상을 위해 사용된 용어 "투명" 및 "불투명"은 각기 용어 "반사성" 및 "비반사성"으로 대체된다.
이전에 기술된 텍스트는 오직 리소그래픽 장치를 위한 투사 렌즈 시스템 상의 측정을 기술하였다. 그러나, 이러한 장치를 위한 투사 시스템은 또한 미러 투사 시스템일 수 있다. 이러한 투사 시스템은 EUV 방사가 투사 광으로서 사용되는 경우에 사용되어야 한다. EUV 방사는 수 nm 내지 수십 nm 범위의 파장의 방사를 의미한다. 이 방사는 또는 소프트 X 레이 방사로서 지칭된다. EUV 방사의 사용은 0.1 ㎛ 이하의 극히 작은 미세 부분들이 만족할만하게 이미징될 수 있다는 장점을 제공한다. 달리 말하면, EUV 방사가 사용되는 이미징 시스템은 시스템의 NA 값이 그 시스템의 초점의 깊이가 적절하게 큰 값을 갖도록 극히 클 필요가 없이 매우 높은 분해능을 갖는다. 충분하게 투명하고 렌즈를 만들기에 적합한 어떠한 합당한 물질도 EUV 방사에 대해서는 이용될 수 없기 때문에, 통상적인 투사 렌즈 시스템 대신에 미러 투사 시스템이 기판 상의 마스크 패턴을 이미징하기 위해서 사용된다. 3 개 내지 6 개까지 미러를 포함하는 미러 투사 시스템의 상이한 실시예들이 알려져 있다. 미러의 수가 증가함에 따라서, 이미지의 품질은 개선되지만 반사 손실로 인해서 기판 상의 방사량이 감소된다. 6 개의 미러를 갖는 미러 투사 시스템은 가령 EP-A 0 779 528에 개시되어 있다.
도 21은 스텝 앤드 스캐닝 리소그래픽 투사 장치를 위한 6 개의 미러를 갖는 다른 타입의 미러 투사 시스템의 실시예를 도시한다. 이 장치는 0.25 배율, 0.20의 개구 수치(이미지 측에서의 NA), 1.5 mm 폭을 갖는 원형 세그먼트 형상 이미지 필드 및 상대적으로 큰 자유 작동 거리 fwd를 갖는다. 이 장치는 원형 세그먼트 형상의 단면을 갖는 투사 빔 PB을 형성하기 위한 광학 시스템과 EUV 방사 소스를 수용하는 조사 유닛(210)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 조사 유닛은 기판 테이블 WT 및 투사 시스템의 이미징 섹션(219,220)에 근접하여 배치되며 이로써 투사 빔 PB가 상기 요소들들 근접하게 따라서 투사 열을 입사시킬 수 있다. 본 실례에서 반사성 마스크인 이미징될 마스크 MA'는 마스크 홀더 MH 내에 배치된다. 이 홀더는 마스크 테이블 MT의 일부를 형성하며 이 마스크 테이블에 의해서 마스크가 스캐닝 방향(212)으로 그리고 가능하게는 스캐닝 방향에 대해 수직 방향으로 이 동될 수 있으며 이로써 마스크 패턴의 모든 구역들은 투사 빔 PB에 의해 형성된 조사 지점 아래에 위치된다. 마스크 홀더 및 테이블은 오직 도식적으로 도시되었으며 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 이 기판 W은 기판 홀더 WH 상에 위치하며 이 홀더는 기판 테이블 WT에 의해 지지된다. 이 테이블은 기판을 스캐닝 방향으로 x 방향으로 이동시키며 또한 이 방향에 수직인 y 방향으로도 이동시킨다. 이 실시예에서, 마스크와 기판은 스캐닝 동안 동일한 방향으로 이동된다. 블록(214)은 기판 테이블을 지지한다.
투사 빔은 반사성 마스크 MA에 의해서 1 오목 미러(215)에 대해 반사된다. 이 미러는 빔을 수렴하는 빔으로서 약간 오목하게 된 제 2 미러(216)로 반사시킨다. 이 미러(216)는 빔을 보다 강하게 수렴하는 빔으로서 제 3 미러(217)로 반사시킨다. 이 제 3 미러는 볼록 미러이며 빔을 근소하게 발산하는 빔으로서 제 4 미러(218)에 반사시킨다. 제 4 미러는 오목형이며 빔을 수렴하는 빔으로서 제 5 미러(219)로 반사시킨다. 이 미러는 볼록 미러이며 빔을 발산하는 빔으로서 제 6 미러(220)로 반사시킨다. 이 미러는 오목형이며 빔을 기판 W 상에 코팅된 레지스트 층 PR 상으로 집중시킨다. 미러(215-218)는 함께 마스크의 중간의 이미지를 형성한다. 미러(69,70)는 이 중간 이미지의 요구된 텔레센트릭 이미지(telecentric image)를 레지스트 층 PR 상에 생성한다.
또한, 상술된 미러 투사 시스템 및 다른 투사 시스템들은 구형 수차, 코마, 비점수차, 3 포인트 수차 및 가능하게는 다른 수차를 가지며 이들 수차는 상술된 새로운 방법에 의해서 정확하고 신뢰할만하게 측정될 수 있다.
본 발명은 리소그래픽 투사 장치의 투사 렌즈 시스템 또는 미러 투사 시스템 상의 측정에 대해서 기술되었지만 본 발명은 여기에만 적용되는 것은 아니다. 본 발명은 이미징 시스템의 수차들이 서로 무관하게 높은 정확도와 신뢰도로 측정될 필요가 있는 모든 경우에 사용될 수 있다. 이러한 이미징 시스템의 실례는 공간 텔레스코프이다. 리소그래픽 투사 장치에서 상술된 새로운 방법을 사용할 때에 이 장치는 그 자체로 기판 상의 패턴을 이미징하고 이 장치의 이미징 시스템 및 서보 시스템도 또한 상술된 새로운 방법을 수행하기 위해서 사용될 수 있다. 또한, 상기 추가 조리개와 같은 상술된 방법을 수행하기 위해 필요한 가능한 수단이 상기 장치 내에 쉽게 배치될 수 있다.
부록 A
포인트 확산 함수의 전계의 계산을 위한 기본 공식들
포인트 확산 함수의 전계는 U(x,y)이다. 정규화된 좌표 (x,y), 초점 흐름 정도 파라미터 f와 횡 방향 및 축 방향에서의 실수 공간 이미지 좌표(X,Y,Z) 간의 관계는 다음과 같다.
Figure 112004027244445-pct00008
(1)
일반성을 손실시키지 않으면서, 대칭 가정이 이루어질 수 있다. 전체 수차 함수 A*exp(iφ)는 다음과 같이 제르니크 다항식의 항들로 표현될 수 있다.
Figure 112004027244445-pct00009
(2)
일반적으로, 계수 βnm(n≥m≥0, n-m 짝수)은 복소수이다. 포인트 확산 함수 U의 전계는 다음과 같다.
Figure 112004027244445-pct00010
(3)
여기서,
Figure 112004027244445-pct00011
(4)
여기서, 정수 n,m ≥0 이며 n-m ≥0 이며 짝수이다. Vnm에 대한 베셀 시리즈는 다음과 같다.
Figure 112004027244445-pct00012
(5)
여기서, vlj는 다음과 같다.
Figure 112004027244445-pct00013
(6)
여기서, l = 1, 2, 3,... j = 0, 1, ... , p. 등식 (5)에서 다음과 같이 설정한다.
Figure 112004027244445-pct00014
(7)
L 개의 항이 l에 대해 한정 시리즈 내에 포함되는 경우, 다음과 같은 규칙지 사용된다. L이 초점 흐름 정도 파라미터의 세 배이면, 절대 절단 오차(absoulute truncation error)는 10-6 크기이다.

부록 B
수차 결정
관측된 양은 이미지 강도 I(x,y,f) = ┃U(x,y,f)┃2 이다. 통상적으로 이미지 강도는 직교 좌표로 규정된다. 수차의 검색을 위해서 다음과 같은 단계들이 수행된다.
1. 관측된 이미지 강도가 극좌표 I(r, θ,f)로 변환된다.
2. 관측된 이미지 강도의 푸리에 확장이 다음과 같이 수행된다.
Figure 112004027244445-pct00015
` (8)
3. (r,f) 공간에서 내적이 다음과 같이 규정된다.
Figure 112004027244445-pct00016
(9)
양호하게 보정된 렌즈의 경우, 등식 (2)에서 A는 1이 되고 수차 위상 φ은 충분하게 작으며 이로써 제 1 차 근사법에서 다음과 같이 된다.
Figure 112004027244445-pct00017
(10)
Figure 112004027244445-pct00018
(11)
여기서, σnm 은 φ에서 단일 수차 Rn m( ρ)*cosmφ의 계수이며 I로부터 추정된다. 그래서, 다음과 같이 표현된다.
Figure 112004027244445-pct00019
(12)
여기서, n = m + 2l이며 l = 0, 1, .... 이로써, 다음이 성립된다.
Figure 112004027244445-pct00020
(13)
ψm m + 2k 를 갖는 등식 (13)의 상술된 내적을 취함으로써, 양 σnm 및 이에 따른 제르니크 계수는 등식의 선형계를 해결함으로써 발견될 수 있다. 등식 (13)의 좌측의 합산이 O,...,L로 제한될 때에, (L+1)*(L+1) 선형계를 해결함으로써 획득된 ψm m + 2I 의 선형 조합이 l = 0,...,L 일 때의 ψm m + 2I 의 선형 조합으로서 ψm 최소 제곱 근사치를 제공한다. 이 해법은 등식 (13)에서 L + 1 개의 항을 이용하여 실험적으로 관측된 강도 프로파일로부터 획득할 수 있는 최상의 선형 조합이다.
Figure 112004027244445-pct00021

Claims (41)

  1. 광학 이미징 시스템의 수차(aberration)를 결정하는 방법에 있어서,
    상기 이미징 시스템의 대상 평면(object plane) 내에 테스트 대상을 배치시키는 단계와,
    상기 이미징 시스템 및 이미징 빔에 의해서 각각이 상기 이미징 시스템의 상이한 초점 상태(focus state)로 형성되는 다수의 테스트 대상 이미지를 형성하는 단계와,
    상기 이미징 시스템의 분해능(resolution)보다 큰 분해능을 갖는 검출 디바이스에 의해서 상기 테스트 대상 이미지를 검출하는 단계와,
    상기 수차의 상이한 수차 항들(aberration terms)의 값들을 결정하기 위해 상기 검출 디바이스의 출력 신호를 분석하는 단계를 포함하되,
    상기 테스트 대상 배치 단계는 상기 이미징 시스템의 분해능에 비해 작은 크기를 갖는 적어도 하나의 테스트 대상 피처(test object feature)를 포함하는 단계를 포함하며,
    상기 테스트 대상 이미지 검출 단계는 상기 테스트 대상 피처의 모든 이미지에 대해 상기 테스트 대상 피처와 연관된 전체 이미지 평면 구역에 걸쳐 있는 강도 프로파일(intensity profile)을 검출하는 단계━상기 이미지 평면 구역은 상기 테스트 대상 피처의 이미지의 에어리 분포(Airy distribution)의 제 1 링(ring)보다 실질적으로 더 큼━를 포함하고,
    상기 분석 단계는 상기 상이한 수차 항들로부터 생성되는 포인트 확산 함수(point spread function)의 방사상 부분들(radial parts)을 포함하는 적어도 하나의 등식 세트의 해를 구해서 상기 수차 항들을 검색하는 단계를 포함하는
    수차 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 테스트 대상 이미지 형성 단계는 상기 테스트 대상 피처의 크기보다 실질적으로 큰 거리로 서로 떨어져서 위치한 테스트 대상 피처들의 매트릭스(matrix)를 이미징하는 단계를 포함하는
    수차 결정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 테스트 대상 이미지 형성 단계는 레지스트 층 내에 테스트 대상 이미지를 형성하는 단계를 포함하며,
    이어서 상기 레지스트 층이 현상되고 상기 현상된 이미지가 스캐닝 검출 디바이스에 의해 검출되는
    수차 결정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 레지스트 층을 현상하기 이전에 상기 레지스트 층 내에 각각의 테스트 대상 피처를 위한 기준 피처(a reference feature)를 이미징하는 추가 단계를 포함하는
    수차 결정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 추가 단계는 각 테스트 대상 피처의 이미지 필드의 중앙에 포인트형 기준 피처(a point-shaped reference feature)를 형성하는 단계를 포함하는
    수차 결정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 추가 단계는 각 테스트 대상 피처의 이미지 필드의 테두리(rim)에 원형 기준 피처(a circle-shaped reference feature)를 형성하는 단계를 포함하는
    수차 결정 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 추가 단계는 각 테스트 대상 피처의 이미지 필드 내에 서로 대향하는 직선형 기준 피처들(opposite line-shaped reference feature)의 쌍들을 형성하는 단계를 포함하는
    수차 결정 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 테스트 대상 이미지 형성 단계는 방사 감지 검출기(a radiation-sensitive detector) 상에 가공 이미지(an aerial image)를 형성하는 단계를 포함하는
    수차 결정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 테스트 대상 이미지 형성 단계는 별도의 검출기 구역 상에 각 테스트 대상 피처의 가공 이미지를 동시에 형성하는 단계를 포함하는
    수차 결정 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    레지스트 층이 제공된 생성 기판 상에서, 생성 마스크 내에 존재하는, 마스크 패턴을 투사하기에 적합한 리소그래픽 투사 장치(a lithograhpic projection apparatus)에서의 수차를 검출하기 위해, 적어도 하나의 테스트 대상 피처를 갖는 마스크가 상기 투사 장치 내의 상기 생성 마스크의 위치에 배치되고 레지스트 층 또는 방사 감지 검출 디바이스가 상기 생성 기판의 위치에 배치되는
    수차 결정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    테스트 마스크의 일부를 형성하는 테스트 대상이 사용되는
    수차 결정 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    생성 마스크의 일부를 형성하는 테스트 대상이 사용되는
    수차 결정 방법.
  13. 제 1 항에 따른 방법을 수행하는 시스템에 있어서,
    상기 시스템은,
    상기 이미징 시스템이 자신의 일부를 형성하고 있는 장치와,
    적어도 하나의 테스트 대상 피처를 갖는 테스트 대상과,
    상기 적어도 하나의 테스트 대상 피처의 이미지 필드에서의 강도 분포를 검출하는 검출 수단과,
    상기 검출 수단에 접속되어 상기 강도 분포를 분석하는 이미지 프로세서를 포함하며,
    상기 이미지 프로세서는 상기 이미징 시스템의 상기 포인트 확산 함수에 의해 결정되는 상기 강도 분포에 대한 정보를 처리하여 상기 이미징 시스템이 나타내는 상이한 타입을 갖는 수차들을 결정하는 분석 수단을 포함하는
    수차 결정 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 검출 수단은 상기 적어도 하나의 테스트 대상 피처의 이미지를 수용하는 레지스트 층 및 상기 레지스트 층 내에 형성 및 현상된 테스트 대상 피처 이미지를 스캐닝하는 스캐닝 검출 디바이스를 포함하는
    수차 결정 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 검출 수단은 상기 적어도 하나의 테스트 대상 피처의 가공 이미지를 수용하는 방사 감지 검출기를 포함하는
    수차 결정 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 검출기는 포인트 스캐닝 검출기(a scanning point detector)인
    수차 결정 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 테스트 대상은 다수의 테스트 대상 피처를 포함하며,
    상기 검출기는 상기 테스트 대상 내의 상기 다수의 테스트 피처에 대응하는 다수의 투명한 포인트형 구역 및 방사 감지 부재(a radiation-sensitive member)를 포함하는 스캐닝 구성형 검출기(a scanning composed detector)인
    수차 결정 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 방사 감지 부재가 상기 모든 투명한 구역을 덮는 단일 소자인
    수차 결정 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 방사 감지 부재가 상기 다수의 투명한 구역들에 대응하는 개수를 갖는 다수의 하위 부재(sub-member)로 구성된
    수차 결정 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 대응하는 하위 부재의 중심에 대한 상기 투명 구역의 위치가 몇 개의 투명 구역/하위 부재 쌍들에 대해 서로 다른
    수차 결정 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 몇 개의 투명 구역들이 상기 이미징 시스템으로부터 서로 다른 거리로 떨어져서 위치하는
    수차 결정 시스템.
  22. 마스크 내에 존재하는 마스크 생성 패턴(a production mask pattern)을 기판 상에 이미징하는 리소그래픽 투사 장치에 있어서,
    투사 빔을 제공하는 조사 유닛(an illumination unit)과,
    상기 마스크를 수용하는 마스크 홀더와,
    상기 기판을 수용하는 기판 홀더를 포함하며,
    상기 장치는 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법을 수행할 수 있고,
    상기 이미징 시스템은 상기 마스크 홀더와 상기 기판 홀더 간에 위치한 투사 시스템에 의해 구성되며,
    상기 방법을 수행하는 동안 상기 투사 빔이 이미징 빔으로서 사용되고,
    상기 조사 유닛은 상기 방법을 수행하는 동안 상기 투사 빔 단면의 직경을 상기 마스크 생성 패턴의 투사 동안 상기 투사 빔이 갖는 단면 직경보다 작은 값으로 감소시키는 수단을 포함하는
    리소그래픽 투사 장치.
  23. 마스크 내에 존재하는 마스크 생성 패턴을 기판 상에 이미징하는 리소그래픽 투사 장치에 있어서,
    투사 빔을 제공하는 조사 유닛(an illumination unit)과,
    상기 마스크를 수용하는 마스크 홀더와,
    상기 기판을 수용하는 기판 홀더를 포함하며,
    상기 마스크 홀더와 상기 기판 홀더 간에 위치한 투사 시스템을 포함하고,
    상기 장치는 제 1 항에 따른 방법을 수행하며,
    상기 장치는 제 17 항에 따른 가공 이미지 수신 방사 감지 검출기를 포함하는
    리소그래픽 투사 장치.
  24. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법에서 사용되는 측정 디바이스에 있어서,
    생성 기판의 형상 및 크기를 가지며,
    전자 신호 처리 수단, 전력 공급 수단, 인터페이스 수단 및 델타 테스트 피처(delta test feature)의 이미지의 강도 프로파일을 검출하는 적어도 하나의 검출기를 포함하는
    측정 디바이스.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 검출기는 포인트 스캐닝 검출기(a scanning point detector)인
    측정 디바이스.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 검출기는 다수의 투명한 포인트형 구역 및 방사 감지 부재를 포함하는 구성형 검출기인
    측정 디바이스.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 방사 감지 부재가 상기 모든 투명한 구역을 덮는 단일 소자인
    측정 디바이스.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 방사 감지 부재가 상기 다수의 투명한 구역들에 대응하는 개수를 갖는 다수의 하위 부재로 구성된
    측정 디바이스.
  29. 제 26 항에 있어서,
    몇 개의 투명 구역/하위 부재 쌍들에 대해 상기 대응하는 하위 부재의 중심에 대한 상기 투명 구역의 위치가 서로 다른
    측정 디바이스.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 몇 개의 투명 구역들은 서로 다른 높이로 위치하는
    측정 디바이스.
  31. 테스트 대상으로서,
    상기 테스트 대상과 관련하여 제 1 항에서 특정된 하나 이상의 피처를 갖는
    테스트 대상.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 테스트 대상이 테스트 마스크로서 구현되며,
    마스크 표면의 일부를 형성하는 외부 구역이 각 테스트 대상 피처를 둘러 싸고,
    상기 각 외부 구역은 인식 마크(recongition mark)를 구비하는
    테스트 대상.
  33. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    각 테스트 대상 피처에 대해 네비게이션 마크(navigation mark)가 상기 테스트 대상 피처와 상기 외부 구역 간의 중간 구역에 위치하는
    테스트 대상.
  34. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    각 테스트 대상 피처에 대해서 상기 마스크 표면 상의 상기 테스트 대상 피처 또는 그의 위치에 대한 정보를 포함하는 다른 마크들(further marks)이 상기 테스트 대상 피처의 외부 구역에 배치되는
    테스트 대상.
  35. 제 31 항에 있어서,
    상기 테스트 대상은 진폭 구조(a amplitude structure)를 갖는
    테스트 대상.
  36. 제 31 항에 있어서,
    상기 테스트 대상은 위상 구조(a phase structure)를 갖는
    테스트 대상.
  37. 제 35 항 또는 제 36 항에 있어서,
    상기 테스트 대상은 투과성 대상(a transmission object)인
    테스트 대상.
  38. 제 35 항 또는 제 36 항에 있어서,
    상기 테스트 대상은 반사성 대상(a reflective object)인
    테스트 대상.
  39. 이미징 시스템에 의해서 테스트 대상으로 형성된 이미지의 강도 분포를 나타내는 데이터 스트림으로부터 상기 이미징 시스템의 수차의 상이한 수차 항들을 검색하는 검색 방법에 있어서,
    직교 좌표에서 측정된 강도 분포를 극좌표 및 초점 조건(focus condition)의 함수로 된 강도 분포 I(r, φ, f)로 변환시키는 단계와,
    상기 측정된 이미지 강도의 푸리에 확장 ψ(r,f)을 결정하는 단계와,
    (r,f) 공간에서 상기 푸리에 확장 ψ(r,f)과 수차 위상( φ)의 내적(inner product)을 결정하는 단계와,
    상기 선행하는 단계들의 결과이며 상이한 수차 항들로부터 생성된 포인트 확산 함수의 방사상 부분들(radial parts)을 포함하는 적어도 하나의 선형 등식(linear equation) 세트의 해를 구해서 상기 수차 항들을 검색하는 단계를 포함하는
    수차 검색 방법.
  40. 제 39 항에 따른 방법을 수행하기 위한 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
  41. 디바이스 기판의 적어도 하나의 기판 층 내에 디바이스 피처를 포함하는 디바이스 제조 방법에 있어서,
    상기 층 내에 구성될 디바이스 피처에 대응하는 피처를 포함하는 마스크 생성 패턴을 제공하는 단계와,
    제어형 투사 시스템에 의해서 상기 기판 상에 코팅된 레지스트 층 내에 상기 마스크 생성 패턴을 이미징하고 이 층을 현상하여 상기 마스크 생성 패턴에 대응하게 패터닝된 코팅부를 형성하는 단계와,
    상기 패터닝된 코팅부의 패턴에 의해 윤곽이 규정되는 상기 기판 층의 구역들로부터 물질을 제거하거나 그 구역에 물질을 부가하는 단계를 포함하며,
    상기 투사 시스템의 제어는 상기 투사 시스템의 수차를 검출하는 단계 및 이 검출 결과에 따라서 상기 시스템의 구성 요소를 리셋하는 단계를 포함하고,
    상기 검출 단계는 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법에 의해 수행되는
    디바이스 제조 방법.
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