KR101032180B1 - 표면 형상 계측 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법 - Google Patents

표면 형상 계측 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법 Download PDF

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Abstract

표면 형상 계측 장치는 조사계 및 수광계를 포함한다. 조사계는 광원으로부터의 광대역 광을 계측광 및 참조광으로 분할하하고, 막의 표면에 비스듬히 진입하도록 계측광을 조사하고, 참조 미러에 비스듬이 진입하도록 참조광을 조사한다. 수광계는 막의 표면에 의해 반사된 계측광과 상기 참조 미러에 의해 반사된 참조광을 서로 합성하고, 상기 합성된 광을 광전 변환 소자에 유도한다. 상기 막의 표면에 대한 상기 계측광의 입사각 및 상기 참조 미러에 대한 상기 참조광의 입사각은, 각각 브루스터 각(Brewster's angle)보다 크다. 상기 기판의 표면에 입사하는 계측광에 포함되는 s-편광과 p-편광은 상기 광전 변환 소자 상에서와 동일한 강도를 갖는다.
Figure R1020090017080
표면 형상 계측 장치, 노광 장치, 수광계, 브루스터 각

Description

표면 형상 계측 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법{SURFACE SHAPE MEASURING APPARATUS, EXPOSURE APPARATUS, AND DEVICE MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 표면 형상 계측 장치들 및 노광 장치들에 관한 것이다.
표면 형상 계측 장치 및 그것을 이용하는 노광 장치와 관련된 종래 기술이, 표면 형상 계측에 있어서 높은 정밀도를 요구하는 반도체 노광 장치와 관련하여 설명된다.
반도체 메모리 또는 논리 회로와 같은 미세구조 반도체 디바이스 또는 액정 디스플레이 디바이스가 포토리소그래피(인쇄) 기술들을 이용하여 제조되는 경우, 투영 노광 장치가 이용되어, 레티클(마스크) 상에 그려진 회로 패턴을 투영 광학계를 통해 웨이퍼 등에 투영하고 전사한다.
투영 노광 장치에서, 반도체 디바이스의 더 높은 팩킹 밀도(packing density)로 인하여 레티클 상의 회로 패턴은 노광용 웨이퍼에 더 높은 해상력으로 투영되도록 요구된다. 투영 노광 장치에서 전사가능한 최소 임계 치수(해상도)는 노광에 이용된 광의 파장에 비례하고, 투영 광학계의 개구수(numerical aperture)(NA)에 반비례한다. 따라서, 노광 파장이 짧은 값으로 설정될수록, 더 높은 해상력이 획득된다. 그러한 이유로 인해, 투영 노광 장치에 이용된 광원은 최근에 초고압 수은 램프(즉, g 선(약 436㎚ 파장) 또는 i 선(약 436㎚ 파장))으로부터, 짧은 파장으로 광을 방사하는 KrF 엑시머 레이저(약 193㎚ 파장) 또는 ArF 엑시머 레이저(약 193㎚ 파장)로 변화하여 왔다. 액침 노광의 실제적 이용 또한 연구되고 있다. 또한, 더 넓은 노광 영역도 요구된다.
이러한 요구들을 만족시키기 위해, 실질적으로 정방형 노광 영역이 일괄 노광에 의해 웨이퍼 상에 축소되어 인쇄되는 스텝 앤 리피트(step-and-repeat) 유형("스텝퍼(stepper)"라고도 함)으로부터, 노광 영역이 사각형의 슬릿 형상을 갖고, 레티클과 웨이퍼를 상대적으로 고속으로 주사하여, 더 넓은 영역이 더 높은 정밀도로 노광될 수 있는 스텝 앤 스캔(step-and-scan) 유형으로 변화하고 있다.
스캐너에서는, 노광 동안에, 웨이퍼 상의 미리 결정된 위치가 노광 슬릿 영역에 도달하기 전에, 미리 결정된 웨이퍼 위치에서의 웨이퍼 표면 위치(즉, 투영 광학계의 광축 방향으로서의 위치)가 광사 입사계(light oblique-incidence system)의 형식의 표면 위치 검출부에 의해 계측된다. 계측 결과에 따라, 미리 결정된 웨이퍼 위치가 노광되는 경우에, 웨이퍼 표면이 노광에 최적의 포커스 위치와 정렬되도록 보정이 행해진다.
특히, 웨이퍼 표면의 기울기뿐만 아니라. 웨이퍼 표면 위치의 높이(포커스)를 계측하기 위해 노광 슬릿의 길이 방향(주사 방향으로 수직 방향)에서의 노광 슬릿 영역에 복수의 계측 포인트들이 설정된다. 포커스 및 기울기를 계측하기 위해 다수의 방법들이 제안되어있다. 웨이퍼 표면 위치를 계측하는 방법으로서, 예를 들어, 일본 특허공개공보 제06-260391호 및 미국 특허번호 제6,249,351호는 광학 센서의 이용을 제안한다. PCT 특허 국내공개공보 제2006-514744호는 웨이퍼에 공기를 내뿜고, 웨이퍼 표면 위치를 계측하도록 구성된 가스 게이지 센서(gas guage sensor)를 제안한다. 정전 용량 센서를 이용하는 또 다른 방법도 제안된다.
그러나, 최근에, 노광 광의 단파장화 경향성 및 투영 광학계의 고 NA화와 더불어, 초점 심도가 매우 작아지고, 노광될 웨이퍼 표면과 최적의 포커스 평면과 정렬하는데 요구되는 정밀도, 즉, 소위 초점 정밀도가 더 높은 레벨까지 증가하였다. 특히, 웨이퍼 상의 패턴의 영향 및 웨이퍼 상에 도포된 레지스트의 두께의 변동에 의해 계측 오차들이 야기되는 경우에도, 표면 위치 검출부의 계측 오차들은 무시할 수 없게 된다.
레지스트의 두께의 변동으로 인하여, 예를 들어, 주변 회로 패턴들 및 스크라이브 라인들 근방에, 초점 심도와 비교시 작지만, 포커스 계측에는 주목할만한 정도로 스텝형 단차(step-like level difference)가 발생된다. 따라서, 레지스트 표면의 기울기 각도가 증가하고, 표면 위치 검출부에 의해 검출된 반사광들 중, 레지스트의 이면(rear surface)으로부터의 반사광은, 반사되거나 굴절된 후에 정반사 각도로부터 어긋나게 된다. 또한, 웨이퍼 상의 패턴의 밀도의 차이로 인하여, 패턴이 밀한 영역과, 패턴이 소한 영역 간에 반사율이 상이하다. 따라서, 표면 위치 검출부에 의해 검출된 반사광들 중, 레지스트의 이면으로부터의 반사광은 반사각 및 반사 강도가 변화하고, 그러한 반사광을 검출함으로써 획득된 파형은 비대칭적이며 계측 오차들이 생성된다.
도 19는, 일본 특허공개공보 제06-260391호에서 제안된 광학 센서에서, 상이한 영역들에 있어서 상이한 반사율을 갖는 기판 SB에 계측광 MM이 조사되는 경우를 도시한다. 도시된 경우에서, 계측광 MM은, 반사율이 다른 영역들 간의 경계선에 대해 각도 A로 경사져서, α'으로 표시된 방향으로 계측이 행해진다. 도 20은 β'에 의해 표시된 방향으로서 서로 이격된 3개의 단면들, 즉, 단면 AA', BB' 및 CC'에서의 반사광들의 강도 분포를 도시한다. 반사광은 단면 AA' 및 CC'에서 좋은 대칭성을 가진다. 반사율에 차이가 있는 영역들을 포함하는 단면 BB'에서는 반사광은 비대칭 프로파일을 갖는다. 다시 말하여, 반사광의 중심은 미리 결정된 위치로부터 어긋나고, 계측 오차들이 발생된다. 따라서, 반사광을 수신함으로써 검출된 신호의 파형은 비대칭적이 되고, 검출된 신호 파형의 콘트라스트는 현저하게 저하되므로, 웨이퍼 표면 위치를 정확하게 계측하는데 어려움을 야기한다. 그러한 어려움은 넓은 디포커스(defocus) 및 칩 불량(chip failure)을 만들어낸다.
전술한 바와 같이, 반사광의 강도는, 웨이퍼 상의 패턴들에 따라 레지스트의 표리면들(front and rear surfaces)로부터 반사된 광에 의해 발생된 간섭으로 인하여 변화된다. 따라서, 일부 경우들에 있어서, 반사광을 수신함으로써 웨이퍼 표면 상의 위치를 정확하게 검출하는 것은 어렵다.
도 23은 미국 특허번호 제6,249,351에 개시된 표면 형상 계측 장치의 구성을 도시한다. 개시된 표면 형상 계측 장치는 광원(101), 렌즈(103), 빔 스플리 터(105), 참조 미러(130), 회절 격자형 빔 컴바이너(170), 렌즈(171), 렌즈(173) 및 광전 변환 소자(175)를 포함한다. 그러한 표면 형상 계측 장치에서, 광은 샘플(360)에 비스듬히 조사되고, 샘플(360)의 형상이, 광전 변환 소자(175)에 의해 검출된 간섭 신호로부터 판정된다. 광전 변환 소자(175)에 의해 수신된 광은 레지스트의 표면으로부터의 반사광 및 레지스트의 이면으로부터의 반사광을 포함한다. 이것은 레지스트 표면의 형상을 정확하게 계측하는데 어려움을 일으킨다. 도 21은, 샘플(360)이 액튜에이터(397)에 의해 샘플 표면(360)에 대해 수직 방향으로 조사되는 경우, 도 23에 도시된 공지된 장치에서 획득된 간섭 신호를 도시한다. 도 21에서의 간섭 신호는, 도 22에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 상에 패턴을 갖지 않고, 오직 레지스트만 도포된 샘플을 계측하는 경우에 획득된다. 수신광은 레지스트의 표면으로부터의 반사광 및 레지스트의 이면으로부터의 반사광을 포함하므로, 결과적인 간섭 신호는, 레지스트의 이면으로부터의 반사광에 의해 발생된 간섭이 레지스트의 표면으로부터의 반사광에 의해 발생된 간섭에 중첩되는 방식으로 영향을 미치게 되는 상태에서 계측된다. 이것은, 레지스트의 표면으로부터의 반사광만을 이용하여 레지스트 표면의 높이 정보를 정확하게 검출하는데 있어서 어려움을 야기한다. 레지스트의 표리면들로부터의 반사광들을 분리하면서 간섭 신호를 계측하기 위해, 미국 특허번호 제6,249,351호에는 기판에 대한 입사각을 증가시킴으로써 레지스트의 표면에서의 반사율을 증가시키는 방법을 제안한다. 미국 특허번호 제6,249,351호는, 제안된 방법이 레지스트의 이면으로부터의 반사광과 비교하여 기판 상의 레지스트의 표면으로부터의 반사광을 상대적으로 증강시키는데 효과적이라고 설명한다.
그러나, 기판이 Al 또는 Cu로 이루지고, 고반사율을 갖는 경우, 레지스트의 이면(즉, 레지스트/기판 인터페이스)은, 기판에 대한 광의 입사각이 큰 값으로 설정된 경우에도, 레지스트의 이면으로부터의 반사광은 충분히 억제될 수 없는 정도의 고반사율을 갖는다. 따라서, 레지스트 표면 계측으로부터 생성되는 값에 오차들이 발생된다.
또한, PCT 특허 국내공개공보 제2006-514744에서 설명된 바와 같이 가스 게이지 센서가 이용된 경우, 가스에 혼입된 미세 파티클들이 또한 웨이퍼 상에 내뿜어지고, 내뿜어진 가스로 진공도(degree of vacuum)가 저하되기 때문에, 가스 게이지 센서는, 예를 들어, 극단 자외광을 이용하는 EUV(Extreme Ultraviolet) 노광 장치 등의, 진공중에서 동작하는 노광 장치에 이용될 수 없다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 표면 형상 계측 장치는 기판의 반사율 분포 및 박막에 의해 야기되는 간섭에 영향받지 않고 표면 형상을 높은 정밀도로 계측할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 기판 상에 형성된 막의 표면 형상을 계측하도록 구성된 표면 형상 계측 장치가 제공된다. 표면 형상 계측 장치는, 광원으로부터의 광대역 광을 계측광 및 참조광으로 분할하도록 구성된 조사계 - 상기 계측광은 상기 막의 표면에 비스듬히 진입하도록 조사되고, 상기 참조광은 참조 미러에 비스듬이 진입하도록 조사됨 - , 상기 막의 표면에 의해 반사된 계측광과 상기 참 조 미러에 의해 반사된 참조광을 서로 합성하고, 상기 합성된 광을 광전 변환 소자에 유도하도록 구성된 수광계, 및 상기 광전 변환 소자에 의해 검지된 간섭 신호에 기초하여, 상기 막의 표면 형상을 연산하도록 구성된 처리부를 포함한다. 상기 막의 표면에 대한 상기 계측광의 입사각 및 상기 참조 미러에 대한 상기 참조광의 입사각은, 각각 브루스터 각(Brewster's angle)보다 크다. 상기 기판의 표면에 입사하는 계측광에 포함되는 s-편광과 p-편광은 상기 광전 변환 소자 상에서와 동일한 강도를 갖는다.
본 발명의 일 양태에 따른 표면 형상 계측 장치를 이용하면, 입사각이 브루스터의 각보다 큰 경우에, p-편광의 위상이 변화한다는 특성에 기초하여 레지스트(막)의 이면으로부터의 반사광의 영향을 억제함으로써 광학 계측에서 발생된 오차들이 감소될 수 있다. 따라서, 레지스트와 같은, 막의 표면 위치를 정확하게 계측할 수 있는 표면 형상 계측 장치가 제공된다. 또한, 작은 초점 심도에 대하여 높은 포커스 정밀도를 실현하고, 수율을 증가시킬 수 있는 노광 장치가 제공된다.
본 발명의 추가의 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여 이하의 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.
첨부하는 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들이 이하에 설명될 것이다. 도면들에 걸쳐서, 동일한 구성 요소들은 동일한 참조 숫자들로 표시되며, 중복 기재는 생략된다는 것을 유의한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 형상 계측 장치(200)의 블럭도이 다. 표면 형상 계측 장치(200)는, 기판(3), 즉, 자신의 표면상에 막을 갖는 계측 대상 상의 막의 표면 위치를 높이 방향(Z 방향)에서 검출하도록 구성된 장치이다. 더욱 구체적으로는, 표면 형상 계측 장치(200)는 각각 광대역 광을 방사하는 할로겐 램프 또는 LED(소위 백색 LED를 포함함)로서 제공된 광원(1), 광을 분기시키도록 구성된 빔 스플리터 (BS)(2a), 및 계측 대상(3)을 유지하도록 구성된 기판 척(substrate chuck) CK을 포함한다. 또한, 표면 형상 계측 장치(200)는 계측 대상의 위치를 정렬하도록 구성된 Z-스테이지(5), Y-스테이지(6), 및 X-스테이지(7), 참조 미러(4), 참조 미러(4)에 의해 반사된 광과 기판(3)에 의해 반사된 광을 서로 결합하도록 구성된 빔 스플리터 (BS)(2b), 및, 예를 들어, CCD 또는 CMOS 센서 등의 촬상 소자를 포함한다. 이 실시예에서, 레지스트는 기판(3)의 표면 상에 막으로서 형성된다.
다양한 구성 요소들의 기능들 및 예들이 이하에 설명될 것이다. 도 1에서, 광원(1)으로부터 방사된 광은 빔 스플리터(2a)에 의해, 방사된 광의 광량의 실질적으로 절반의 광량을 각각 갖는 2개의 광속들로 분할된다. 2개의 광속들은 동일한 입사각 θ에서 기판(3) 및 참조 미러(4)로 입사한다.
광원(1)의 파장 대역은, 400㎚에서 800㎚까지의 파장을 포함하도록 설정될 수 있다. 그러나, 파장 대역은 그러한 범위로 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 100㎚보다 낮게 설정되지 않는다. 기판(3) 상에 레지스트가 형성된 경우, 자외선보다 크지 않은 파장들을 갖는 광은 레지스트의 감광을 방지하기 위해 기판(3)에 조사되지 않아야 한다.
빔 스플리터(2a)는, 금속막 또는 유전체 다중층 막 등의 두꺼운 막을 스플리트 막으로서 이용하여 큐브형 빔 스플리터 또는 약 1㎛ 내지 5㎛의 두께를 갖는 얇은 막(SiC 또는 SiN으로 구성됨)으로 형성된 페리클 빔 스플리터(pellicle beam splitter)로서 형성될 수 있다.
빔 스플리터(2a)에 의해 분할된 계측광과 참조광 중, 계측광은 기판(3)에 조사되고, 기판(3)에 의해 반사된 후 빔스플리터(2b)로 입사한다. 한편, 참조광은 참조 미러(4)에 조사되고, 참조 미러(4)에 의해 반사된 후 빔 스플리터(2b)로 입사한다. 참조 미러(4)는 약 10㎚ 내지 20㎚의 표면 정밀도를 갖는 글래스 평면 미러(glass plane mirror)로 형성될 수 있다.
기판(3)에 의해 반사된 계측광 및 참조 미러(4)에 의해 반사된 참조광은 빔 스플리터(2b)를 통해 서로 결합되고, 촬상 소자(8)에 의해 수광된다. 기판(3)에 의해 반사된 계측광과 참조 미러(4)에 의해 반사된 참조광의 중첩에 의해 생성된 간섭광은 촬상 소자(8)의 수광 표면으로 입사한다. 빔 스플리터(2b)는 빔 스플리터(2a)와 동일할 수 있다.
이러한 제1 실시예에서, 기판(3) 및 참조 미러(4)에 대한 입사각들, 참조 미러(4)의 물리적 특성들, 편광 상태들이, 기판 상의 막의 이면으로부터의 반사광의 영향을 억제하기 위한 3개의 중요점들이다. 이러한 점들이 이하에 상세하게 설명될 것이다.
우선, 이러한 제1 실시예에서, 참조광 및 계측광이 참조 미러(4) 및 기판(3) 상의 막의 표면에 브루스터의 각(편광 각도라고도 함)보다 큰 입사각으로 입사하도 록 조사된다. 입사광의 입사각이 브루스터의 각보다 큰 경우, 반사광의 p-편광 성분의 위상이 반전된다. 그러한 특징이 도 2를 참조하여 설명된다. 도 2는 도 3의 구조에서의 입사각에 대하여 s-편광 및 p-편광 각각에 대한 진폭 반사율의 변화들을 도시하는 그래프이다. 여기서, 레지스트의 반사율(550㎚의 파장을 갖는 광에 대한 값을 나타냄)은 1.5로 가정한다. 도 2로부터 보여지는 바와 같이, s-편광의 진폭 반사율은, 레지스트에 대한 입사각의 전체 변화들에 대해 네거티브이다. 한편, p-편광의 진폭 반사율은 약 57도의 입사각 θ에서 0이 되며, 더 큰 입사각에서는 그 부호가 포지티브에서 네거티브로 변화한다. p-편광의 진폭 반사율이 0이 되는 입사각을 브루스터의 각 또는 편광각이라 한다. 따라서, 입사각이 브루스터의 각보다 큰 경우, s-편광 및 p-편광은 진폭 반사율의 부호에 있어서 모두 네거티브이며 동상이다.
도 4는 Al 도는 Cu로 구성된 고 반사율 기판의 구조를 도시한다. "고반사율 기판"이라는 용어는 Si 기판상에 고반사율을 갖는 막이 형성된 기판뿐만 아니라 자체적으로 고반사율을 갖는 기판을 의미한다. 도 5a 및 도 5b는, 고반사율 기판이 도 4의 구조를 갖는 경우, 반사광에 포함된 s-편광 및 p-편광의 위상 변화들을 도시하는 그래프들이다. 도 5a로부터 보여지는 바와 같이, 레지스트 표면에 대한 입사각 θ가 브루스터의 각보다 큰 경우, 레지스트 표면으로부터의 반사광의 p-편광 성분의 위상이 반전되며, s-편광 및 p-편광은 동상이다. 한편, 레지스트의 굴절각 θ'은 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라서 레지스트 표면에 대한 입사각보다 작기 때문에, 기판에 대한 입사각은 브루스터의 각보다 작게 된다. 따라서, 도 5b에서 보여지는 바와 같이, 레지스트 이면(즉, 레지스트/기판 인터페이스)으로부터의 반사광에 포함된 s-편광 성분과 p-편광 성분간에 약 π의 위상차가 생성된다.
광은 브루스터의 각보다 큰 입사각으로 참조 미러(4)로 입사하도록 되어, 도 5a에 도시된 바와 같이, 반사광에 포함된 s-편광 성분 및 p-편광 성분은 모두 동상이다. 또한, 간섭 신호의 콘트라스트의 관점에서, 참조 미러(4)의 기판 및 기판상에 형성된 막은 바람직하게는 특정 물질들로 구성된다. 예를 들어, 막은 SiO2, SiN 또는 SiC와 같이 기판(3) 상의 레지스트의 굴절율에 근접하는 굴절율을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 백색광 간섭에 대한 가간섭 거리는 수㎛로 짧기 때문에, 참조 미러의 이면으로부터의 반사광에 의해 야기된 간섭을 방지하기 위해 참조 미러(4)는 바람직하게는 수 마이크로미터 보다 작지 않은 두께를 갖는 기판으로 구성된다. 대안적으로, 계측 대상 기판상의 막의 굴절율에 근접하는 굴절율을 갖는 막이 수 마이크로미터 또는 그 보다 큰 두께로 참조 미러(4)의 기판 상에 형성될 수 있다.
도 6은, 도 4의 기판을 갖는 기판으로 입사광이 80도의 입사각으로 입사하는 경우에 계측된 간섭 신호의 시뮬레이션된 파형을 도시한다. 시뮬레이션에서, 레지스트의 막 두께는 2㎛로 설정되어, 레지스트 표면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호 및 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호가 서로 분리된다. 레지스트 표면으로부터의 반사광 및 참조 미러로부터의 반사광은 동상이므로, 레지스트 표면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호의 s-편광 성분 및 p-편광 성분 간에는 위상 시프트(phase shift)가 존재하지 않는 다. 한편, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호는, 레지스트 이면으로부터의 반사광 및 참조 미러로부터의 반사광 간에 위상 차 π를 포함하기 때문에, s-편광 성분 및 p-편광 성분에 대한 간섭 신호들은 서로 반전된 위상들을 갖는다. 따라서, 계측광 및 참조광이 동일한 강도에서 s-편광 및 p-편광을 갖도록 조정을 행함으로써, 레지스트 이면으로부터의 반사광의 s-편광 성분 및 p-편광 성분은 서로 상쇄된다. 결과로서, 레지스트 이면으로부터의 반사광의 신호 강도가 감소될 수 있다.
따라서, 기판 표면의 위치는 3개의 조건들, 즉, 브루스터의 각보다 큰 입사각 θ, 레지스트의 굴절률에 근접하는 굴절률을 갖는 물질을 이용하는 참조 미러(4), 및 무편광을 만족시킴으로써 정확하게 계측될 수 있다.
일반적으로, 광원으로부터의 광은 편광을 갖는다. 간섭계에서는, 광원으로부터의 광에 포함된 s-편광 및 p-편광이 동일한 강도를 갖는 경우에도, 빔 스플리터는 편광 광들 간의 반사율 및 투과율에 있어서 차이를 갖는다. 이것은 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어진 간섭 신호의 s-편광 및 p-편광의 강도들을 서로 정확하게 일치하도록 만드는데 있어서 어려움을 일으킨다. 달리 말하면, 예를 들어, 무편광 상태로 광이 도입되는 경우, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호의 s-편광 및 p-편광은 서로 완전하게 상쇄되지 않으며, 일부 경우들에 있어서 레지스트 표면의 위치의 정확한 계측을 방해한다. 제1 실시예에 따라 광 편광 상태를 조정하는 방법이 이하에 설명될 것이다.
수 마이크로미터의 두께로 형성된 막을 갖는 기판이 준비되며, 막은 계측 대 상 기판 상의 얇은 막(이 경우에는 레지스트)과 동일하거나, 얇은 막과 동일한 굴절율을 갖는 막이다. 준비된 기판은 계측 장치에 배치되고, s-편광 대 p-편광의 강도 비는, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호의 영향이 최소가 되도록 조정된다. s-편광 대 p-편광의 강도 비를 조정하는데 이용되는 기판은 실제 반도체 공정에서 실제로 이용되는 물질로 구성될 필요가 있다. 구체적으로는, Si, Al, W 및 Cu들이 현재 이용되는 물질들이다. 본 발명의 실시예에서, 계측 대상 기판이 반도체 공정에서 현재 이용되는 물질로 구성되는 경우, 조정을 행하기 위해 Si 기판 등을 이용함으로써, 본 발명의 장점들이 획득된다. 미래에 Si 이외의 상이한 물질이 반도체 공정에서 기판의 물질로서 이용되면, 본 발명은, 상이한 물질이 기판에 이용된다 하더라도, 조정을 행함으로써 구현될 수 있다. 그러나, 기판이 Si 이외의 물질로 구성되는 경우, s-편광 대 p-편광의 강도 비의 조정된 상태가 변화될 가능성이 존재한다. 그러한 경우에, 본 발명은 선택적으로 변경가능한 2개 이상의 편광 조정 소자들을 배치하고, 이용된 기판에 따라 편광 조정 구성 소자들을 삽입하는 단계들을 통해 강도 비를 조정함으로써 구현될 수 있다.
도 1에 도시되지 않았으나, 아크로매틱(achromatic) λ/2 판이 광원(1)으로부터 방사된 광의 편광 상태를 조정하는 유닛으로서 광원(1)과 빔 스플리터(2a) 간에 배치된다. 아크로매틱 λ/2 판은, 상이한 리타데이션(retardation) 특성들을 갖는 2 종류의 결정 물질과 그 사이의 빈 공간의 결합으로 형성되며, 광원(1)의 파장 범위에서 직교하는 2개의 편광 성분들 간의 λ/2의 위상 차를 제공하도록 기능 한다. 아크로매틱 λ/2 판은 상업적으로 이용가능한 판들 중 하나로서 제공될 수 있다. 또한, 회전 구동부(도시되지 않음)가 아크로매틱 λ/2 판에 장착되어 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어진 간섭 신호에서의 s-편광 대 p-편광의 강도 비를 아크로매틱 λ/2 판을 회전시킴으로써 조정할 수 있다. 그러한 조정 방법을 이용하면, 두꺼운 레지스트 구조를 갖는 기판이 이용되므로, 레지스트 표면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호와, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호는 경사 입사 백색광 간섭계에서 서로 분리될 수 있다. 기판을 배치하는 대신에, 계측 대상 기판 상의 막의 굴절율에 근접하는 굴절율을 갖는 막이, 웨이퍼 스테이지 상에 배치된 기준 마크(39) 상에 수 마이크로미터의 두께로 형성된 구조(도 13)를 준비하고, 그러한 구조를 갖는 기준 마크를 이용함으로써 조정될 수 있다. 따라서, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는, 분리된 간섭 신호에서 전술된 강도 비를 조정함으로써, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호의 영향이 억제될 수 있다. 얇은 막의 표면 형상이 계측되는 경우, 막 표면은 더 넓은 입사각에서 더 높은 반사율을 보인다. 따라서, 입사각은 가능한 넓게 설정되는 것이 바람직하다. 실례에서는, 입사각은 70도 이상으로 설정된다. 그러나, 입사각이 90도에 근접하는 경우, 광학계를 조립하는데 어려움이 일어난다.
간섭 신호를 획득하는 방법이 이하에 설명될 것이다. 도 1에서, 기판(3)은 기판 척 Ck에 의해 유지되고, Z-스테이지(5), Y-스테이지(6), 및 X-스테이지(7) 상에 배치된다. Z-스테이지(5)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 촬상 소자(8)를 이용하 여 간섭 신호를 획득하도록 구동되며, 기판(3) 상의 반사점에 대응하는, 촬상 소자(8)의 각각의 화소들에서의 광 강도는 기억 장치(도시되지 않음)에 기억된다. 기판(3) 상의 계측 영역이 변경된 경우, X-스테이지(7) 또는 Y-스테이지(6)를 조작함으로써, 바람직한 계측 영역이 촬상 소자(8)의 수광 영역과 정렬되도록 위치결정한 후, 전술된 계측이 행해진다. X-스테이지, Y-스테이지 및 Z-스테이지의 위치들을 정확하게 제어하기 위해, 도 1에는 도시되지 않았으나, 5개의 축들 각각에 대해, 즉, X-축, Y-축 및 Z-축의 3개 축들과, ωx 및 ωy의 2개의 경사 축들에 대해 레이저 간섭계가 배치된다. 레이저 간섭계들의 출력들에 기초하여 폐루프 제어를 실행함으로써 더 높은 정밀도로 형상 계측이 행해질 수 있다. 기판(3)을 복수의 영역들로 분할함으로써 기판(3) 전체의 글로벌 형상 계측이 행해지는 경우, 형상 데이터의 보다 정확한 스티칭(stitching)이 레이저 간섭계를 이용하여 실현될 수 있다.
촬상 소자(8)에 의해 획득되어 기억장치에 기억된 간섭 신호를 처리함으로써 기판(3)의 형상을 계측하는 방법이 이제 설명된다. 도 7은 촬상 소자(8)에 의해 특정 화소에서 획득된 간섭 신호를 도시한다. 도시된 간섭 신호는 또한 인터페로그램(interferogram)으로 지칭된다. 도 7의 그래프에서, 수평 축은 Z-축 측정 간섭계(gauge interferometer)(또는 정전 용량 센서등과 같은 그외의 측정 센서들 중 하나)에 의해 계측된 값(Z-스테이지의 위치)을 나타내며, 수직 축은 촬상 소자(8)의 출력을 나타낸다. 간섭 신호의 피크의 위치를 산출함으로써, 신호 피크의 위치에 대응하는, Z-축 측정 간섭계에 의해 계측된 값은 관련 화소에서의 높이의 계측 값을 제공한다. 기판(3)의 3차원 형상은, 촬상 소자(8)의 모든 화소들 각각에서 높이를 계측함으로써 결정될 수 있다. 신호 피크의 위치는, 신호 피크의 위치 및 그 근방의 몇몇 점들에서 획득된 데이터를 기초로 하여 곡선 근사를 이용하여(예를 들어, 2차 함수의 곡선을 이용하여) 산출될 수 있다. 곡선 근사를 이용하면, Z-축, 즉, 도 7의 횡축을 따라 샘플링 피치 Zp의 1/10 이하의 분해능으로 피크 위치가 산출될 수 있다. 샘플링 피치 Zp는, 실제로 Z-스테이지(5)를 Zp의 등 피치(constant pitch)에서 단계 방식으로 구동할지 또는 Z-스테이지(5)를 등속도로 구동시키고 샘플링 피치 Zp를 제공하는 샘플링 시간 동안 간섭 신호를 받아들일지에 의해 설정될 수 있다. 주지된 FDA 방법(미국 특허번호 제5,398,113호에 기술됨)은 또한 피크 위치를 계측하는 방법으로서 이용될 수 있다. FDA 방법에 따라, 콘트라스트의 피크 위치는 푸리에 스펙트럼의 위상 구배(phase gradient)를 이용하여 결정된다.
백색 간섭 프로세스에서, 분해능에 영향을 미치는 주 요인은, 참조광과 계측광 사이의 광로의 차가 0인 위치를 결정하는데 있어서의 정밀도이다. 그러한 목적을 위해, FDA 방법 이외에, 위상 시프트법 또는 푸리에 변환법을 이용하여 백색 간섭 줄무늬들의 포락선을 획득하고, 최대 줄무늬 콘트라스트 위치로부터 광로의 차가 0인 위치를 결정하는 방법 및 위상 교차법을 포함하는 주지된 기술들로서 몇가지 줄무늬 해석(fringe analysis) 방법들이 제안된다.
본 발명의 제2 실시예가 제1 실시예의 구성과는 상이한 구성을 갖는 표면 형상 계측 장치와 연계하여 이하에 설명될 것이다. 도 8은 본 발명의 표면 형상 계 측 장치(200)의 블럭도이다. 표면 형상 계측 장치(200)는 기판(3)의 표면의 Z-방향 위치, 즉, 계측 대상을 검출하도록 구성된 장치이다. 더욱 구체적으로는, 표면 형상 계측 장치(200)는 광원(1), 제1 편광판(9a), 광을 분기하도록 구성된 빔 스플리터(2a) 및 계측 대상(3)을 유지하도록 구성된 기판 척 CK과, 계측 대상의 위치를 정렬하도록 구성된 Z-스테이지(5), Y-스테이지(6) 및 X-스테이지(7)를 포함한다. 표면 형상 계측 장치(200)는 참조 미러(4), 참조 미러(4)에 의해 반사된 광 및 기판(3)에 의해 반사된 광을 서로 중첩하도록 구성된 빔 스플리터(2b), 제2 편광판(9b), 및, 예를 들어, CCD 또는 CMOS 센서 등의 촬상 소자(8)를 더 포함한다. 기판(3)은 그 표면 상에 형성된 레지스트 막을 갖는 웨이퍼이다.
다양한 구성 요소들의 기능들 및 예들이 이하에 설명될 것이다.
도 8에서, 광원(1)으로부터 방사된 광은 기판(3) 및 참조 미러(4)로 입사하기 전에 제1 편광판(9a)을 통과한다. 빔 스플리터(2a)에 의해 분할된 2개의 광속들은 동일한 입사각 θ에서 기판(3) 및 참조 미러(4)에 각각 입사한다. 기판(3)에 의해 반사된 계측광 및 참조 미러(4)에 의해 반사된 참조광은 빔 스플리터(2b)로 입사한다. 광원(1), 입사각 θ, 빔 스플리터들(2a 및 2b), 및 참조 미러(4)는 제1 실시예에서의 것과 동일하므로, 이들 구성 요소들의 설명은 여기서 반복되지 않는다. 빔 스플리터(2b)는 빔 스플리터(2a)와 동일할 수 있다. 계측광 및 참조광은 제2 편광판(9b)을 통과한 후 촬상 소자(8)에 의해 수광된다. 기판(3) 및 참조 미러(4)에 의해 각각 반사된 후, 계측광 및 참조광은 빔 스플리터(2b)를 통해 서로 중첩되어, 촬상 소자(8) 수광 표면으로 입사하는 간섭광을 생성한다.
광원으로부터의 광을 이용하여 간섭 신호를 획득하는 방법 및 간섭 신호를 처리하는 방법은 제1 실시예에서의 것과 동일하다. 따라서, 이들 방법들의 설명은 여기서 반복되지 않는다.
이러한 제2 실시예는, 편광판들(9a 및 9b)이 기판(3) 및 참조 미러(4)의 광로 상향(upstream) 및 하향(downstream)에 각각 배치된다는 점에 있어서 제1 실시예와 상이하다. 그러한 구성으로, 광원(1)으로부터 방사된 광의 편광 상태가 직선 편광으로 변화된 후, 광은 기판(3) 및 참조 미러(4) 각각에 브루스터의 각보다 큰 각도로 입사하게 된다. 기판(3) 및 참조 미러(4)로부터의 반사광은, 기판(3) 및 참조 미러(4)에 대해 입사하는 편광들의 상태와 동일한 직선 편광 상태로 촬상 소자(8)에 의해 수광된다.
이러한 제2 실시예에서 촬상 소자(8)에 의해 수신되기까지의 광원으로부터 방사된 광의 편광 상태의 변화들은 도 9를 참조하여 이하에 설명될 것이다. 광원(1)으로부터 방사된 광의 편광 상태는 제1 편광판(9a)에 의해 직선 편광으로 변화된다. 도 9는 광원(1)으로부터 방사되고 제1 편광판(9a)을 통과한 광의 편광 상태가 +45°방향인 경우를 도시한다.
기판(3) 및 참조 미러(4)로부터의 반사광들의 위상들은 도 2, 5a 및 5b에 도시된 바와 같이 입사각과 관련하여 변경된다. 따라서, 막 표면으로부터의 반사광의 편광의 방위는 변화하지 않으며, 그 반사광은 +45°방향의 직선 편광으로 남아있다. 한편, 막/기판 인터페이스로부터의 반사광과 참조 미러(4)로부터의 반사광 사이에는 위상 차 π가 발생되므로, 막/기판으로부터의 반사광은 -45°방향의 직선 편광으로 변화한다. 결과로서, 막 표면 및 막/기판 인터페이스로부터의 반사광들로부터 만들어지는 간섭 신호들은, 2개의 직교하는 +45°및 -45°방향의 직선 편광 성분들을 갖는다. 따라서, 기판(3) 및 참조 미러(4)에 의한 반사 후에, 제2 편광판(9b)를 통해 +45° 방향의 직선 편광을 갖는 성분만을 추출함으로써, 막/기판 인터페이스로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호의 성분만이 취해질 수 있다. 마찬가지로, 광원(1)으로부터 방사되고, 제1 편광판(9a)을 통과한 광의 편광 상태가 -45° 방향의 직선 편광인 경우, 막/기판 인터페이스로부터의 반사광과 참조 미러(4)로부터의 반사광 사이에 위상 차 π가 발생되며, 막 표면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호의 성분만이 취해질 수 있다. 다시 말하여, 막/기판 인터페이스로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호의 영향은, 전술된 참조 미러(4)를 이용하여, 입사각 θ을 브루스터의 각보다 크게 설정하고, 직선 편광의 편광 상태로 입사광을 조사함으로써 억제될 수 있다. 편광판들을 이용하기 때문에 제1 실시예에서의 것보다 더 큰 광량이 요구되지만, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호는 효과적으로 제거될 수 있고, 웨이퍼 상에 도포된 레지스트의 표면 형상이 정확하게 계측될 수 있다.
제2 실시예에서의 광 편광 상태를 조정하는 방법이 이하에 설명될 것이다.
수 마이크로미터의 두께로 형성된 막을 갖고, 계측 대상 기판 상의 얇은 막과 동일하거나, 그 얇은 막의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 기판이 준비된다. 준비된 기판은 계측 장치에 배치되고, s-편광 대 p-편광의 강도 비는, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호의 영향이 최소화되도록 조정된 다. 편광판들(9a 및 9b)을 회전시킴으로써, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호에서의 전술된 강도비가 조정될 수 있도록 도 8의 편광판들(9a 및 9b) 각각에 회전 구동부(도시되지 않음)가 장착된다. 그러한 조정 방법을 이용하면, 두꺼운 레지스트 구조를 갖는 기판이 이용되므로, 레지스트 표면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호와 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호는 경사 입사 백색 광 간섭계에서 서로 분리될 수 있다. 기판을 배치하는 대신에, 계측 대상 기판 상의 막의 굴절률에 근접하는 굴절률을 갖는 막이 웨이퍼 스테이지 상에 배치된 기준 마크(39) 상에 수 마이크로미터의 두께로 형성되는 구조를 준비하고 그러한 구조를 갖는 기준 마크를 이용함으로써, 편광 상태는 조정될 수도 있다. 따라서, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는, 분리된 간섭 신호에서의 전술된 강도 비를 조정함으로써, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호의 영향이 억제될 수 있다.
편광판을 회전시키는 대신에, 광원으로부터의 광의 편광 상태는, 편광판의 하향에 회전 구동부를 포함하는 λ/2 판을 구성하고, 그 λ/2 판을 회전시킴으로써 조정될 수도 있다. 레지스트 표면의 위치를 계측함에 있어서, 레지스트 표면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호는, 계측될 신호(S)를 제공하고, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호는 잡음(N)이 된다. 레지스트 표면의 형상 계측은 더 넓은 S/N 비에서 더 높은 정밀도로 수행될 수 있기 때문에, 전술된 강도 비는 형상 계측에서 요구되는 정밀도에 따라 조정된다. 예를 들어, 강도 비는 바람직하게는 10보다 작지 않은 S/N 비를 제공하는 값 등으로 조정된다. 보다 정밀한 계측이 요구되는 경우, S/N 비는 20 또는 30보다 작지 않도록 설정될 수 있다. 그러한 목적으로, 이 제2 실시예에서는, 편광판(9a)을 통과한 직선 편광이 +45°의 방향 및 -45°의 방향으로 대해 ±1° 내에 들어오도록 조정된다. 그 이유는, 직선 편광이 ±45° 이외의 각도로 발생된 경우, 막 표면 및 막/기판 인터페이스로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호들은 서로 직교하지 않는다는 것이다. 따라서, 레지스트 이면으로부터의 반사광과의 간섭을 야기하는 성분의 존재로 인하여, S/N 비가 감소하고, 표면 형상 계측을 행하는데 있어서 높은 정밀도로 어려움이 일어난다.
편광 상태를 조정하는 빈도는, 예를 들어, 장치의 배송시에 조정을 행한 후에, 장치의 일부분, 예를 들어, 광원이 교체된 경우에만 행해진다. 또한, 계측 대상 기판의 막 표면 형상은 계측 대상 기판에 따라 비교적 큰 두께(수 마이크로미터)를 갖는 막을 개별적으로 준비하고, 그 위에 형성된 상대적으로 두꺼운 막을 포함하는 기판을 이용함으로써 편광 상태를 조정한 후, 계측될 수도 있다.
제2 편광판(9b)이 배치되지 않은 경우에도, 레지스트 표면 및 레지스트 이면으로부터의 반사광들은 2개의 직선 편광 성분들로서 수광된다. 그러한 경우에, 수광된 광들이 2개의 직교하는 직선 편광 성분들인 경우, 동위상의 참조광과 레지스트 표면으로부터의 반사광에 의하여만 간섭이 발생되므로, 레지스트 이면으로부터의 반사광으로부터 만들어지는 간섭 신호의 영향이 억제될 수 있다. 간섭 신호의 콘트라스트의 관점에서, 수광된 광들은 바람직하게는 2개의 직교하는 직선 편광 성 분들이다. 그러나, 실제로는, 빔 스플리터 등의 영향으로 인하여 위상 변화들이 어긋나며, 수광된 광을 완벽한 직선 편광 상태로 획득하는 것은 쉽지 않다. 그러한 이유로 인해, 이러한 제2 실시예에서는 제2 편광판(9b)이 이용되어 레지스트 이면으로부터의 반사광의 영향을 더 억제한다.
형상 계측이 기판(3) 상의 복수의 계측 영역들에서 행해지는 경우, X-스테이지 및 Y-스테이지를 구동하여, 미리 정해진 영역들 각각과의 정렬을 위해 웨이퍼 스테이지가 이동된 후에, 제1 실시예와 마찬가지로 간섭 신호가 획득되고 처리된다.
제1 및 제2 실시예들에서의 것과는 상이한 구조를 갖는 표면 형상 계측 장치와 연계하여 본 발명의 제3 실시예가 이하에 설명된다. 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 표면 형상 계측 장치(200)의 블럭도이다. 표면 형상 계측 장치(200)는 기판(3), 즉, 계측 대상의 표면의 Z-방향의 위치를 검출하도록 구성된 장치이다. 더욱 구체적으로는, 표면 형상 계측 장치(200)는 광원(1), 제1 편광판(9a), 제1 파장판(10a), 광을 분기하도록 구성된 빔 스플리터(2a), 및 계측 대상(3)을 유지하도록 구성된 기판 척 CK과, 계측 대상의 위치를 정렬하도록 구성된 Z-스테이지(5), Y-스테이지(6) 및 X-스테이지(7)를 포함한다. 표면 형상 계측 장치(200)는 참조 미러(4), 참조 미러(4)에 의해 반사된 광과 기판(3)에 의해 반사된 광을 서로 결합하도록 구성된 빔 스플리터(2b), 제2 편광판(9b), 제2 파장판(10b), 및, 예를 들어, CCD 또는 CMOS 센서 등의 촬상 소자(8)를 더 포함한다.
다양한 구성 요소들의 기능들 및 예들이 이하에 상세하게 설명된다.
도 10에서는, 광원(1)으로부터 방사된 광은 기판(3) 및 참조 미러(4)로 입사하기 전에, 제1 편광판(9a) 및 제1 파장판(10a)을 통과한다. 빔 스플리터(2a)에 의해 분할된 2개의 광속들은 각각 기판(3) 및 참조 미러(4)로 동일한 입사각 θ에서 입사한다. 기판(3)에 조사되고 기판(3)에 의해 반사된 계측광 및 참조 미러(4)에 조사되고 참조 미러(4)에 의해 반사된 참조광은 빔 스플리터(2b)로 입사한다. 광원(1), 입사각 θ, 빔 스플리터(2a 및 2b), 및 참조 미러(4)는 제1 실시예에서의 것과 동일할 수 있으므로, 이들 구성요소들의 설명은 여기서 반복되지 않는다. 빔 스플리터(2b)는 빔 스플리터(2a)와 동일할 수 있다. 계측광 및 참조광은 제2 파장판(10b) 및 제2 편광판(9b)을 통과한 후, 촬상 소자(8)에 의해 수광된다. 기판(3) 및 참조 미러(4)에 의해 각각 반사된 후, 계측광 및 참조광은 촬상 소자(8)의 수광 표면 상에서 서로 중첩되어 광 간섭을 발생시킨다.
파장판은 아크로매틱 λ/4 판이다. 아크로매틱 λ/4 판은 상이한 리타데이션 특성들을 갖는 2 종류의 결정 물질들과 그 사이의 빈 공간의 결합으로 형성되며, 광대역의 파장 범위에 있어서 2개의 직교하는 편광 성분들 사이에 λ/4의 위상 차를 제공하도록 기능한다. 아크로매틱 λ/4 판은 상업적으로 이용가능한 판들 중 하나로서 제공될 수 있다.
광원으로부터의 광을 이용하여 간섭 신호를 획득하는 방법 및 간섭 신호를 처리하는 방법은 제1 실시예에서의 것과 동일하다. 따라서, 이들 방법들의 설명은 여기서 반복되지 않는다.
이 제3 실시예는 편광판(9a)과 파장판(10a)의 세트와, 편광판(9b)과 파장 판(10b)의 세트가 기판(3) 및 참조 미러(4)의 광로들 상향 및 하향에 각각 배치된다는 점에 있어서 제1 실시예와 상이하다. 그러한 구성을 이용하면, 광원(1)으로부터 방사된 광의 편광 상태는 직선 편광(예를 들어, p-편광)으로부터 원 편광(circular polarization)으로 변화되며, 광은 기판(3) 및 참조 미러(4) 각각으로 입사각 θ에서 입사하게 된다. 기판(3) 및 참조 미러(4)로부터의 반사광들 중, 전술된 직선 편광의 방향과 동일한 방향으로 발진하는 광 성분들 만이 촬상 소자(8)에 의해 수광된다.
이하에서는, 도 11을 이용하여 본 제3 실시예에서의 광의 편광 상태의 변화를 설명한다. 광원(1)으로 방출된 광의 편광 상태는, 편광판(9a)에 의해 직선 편광으로 변하고, 그 후 파장판(10a)에 의해 원 편광으로 변한다. 도 11은, 광원(1)을 방출되고 편광판(9a) 및 파장판(wavelength plate)(10a)을 통과한 광의 편광 상태가 우회전(right-hand) 원 편광인 경우를 나타낸다.
참조 미러(4)를 이용하는 경우, 기판(3)과 참조 미러(4)로부터 반사된 광의 위상은 입사각에 대하여 도 2, 도 5a, 및 도 5b에 도시한 바와 같이 변한다. 따라서, 막 표면으로부터 반사된 광의 편광의 회전 방향은 변하지 않고, 그 반사된 광은 우회전의 원 편광인 채로 잔존한다. 한편， 막/기판 계면으로부터 반사된 광과 참조 미러(4)로 반사된 광 사이에는 위상차 π이 생기기 때문에, 막/기판 계면으로부터 반사된 광은 좌회전(left-hand) 원 편광으로 변한다. 그 결과, 막 표면과 막/기판 계면으로부터의 반사광에 기인하는 간섭 신호는, 파장판(10b)을 통해 원 편광을 직선 편광으로 변환한 후에, 우회전의 원 편광과 좌회전의 원 편광을 각각 p- 편광 성분과 s-편광 성분으로 변환된 상태를 얻을 수 있다. 이에 따라, 편광판(9b)을 통해 p-편광 성분만을 추출함으로써, 막 표면 계면으로부터 반사된 광에 기인하는 간섭 신호의 성분만을 얻을 수 있다. 즉, 전술한 참조 미러(4)를 이용하여, 원 편광의 편광 상태에서 브루스터 각보다 큰 입사각 θ로 입사광을 조사하고, 파장판을 통해 원 편광 성분을 직선 편광 성분으로 변환하고, 편광판을 통해 레지스트 표면으로부터의 반사광의 성분을 추출함으로써, 레지스트 이면으로부터의 반사광에 기인하는 간섭 신호의 영향을 억제할 수 있다. 편광판과 파장판을 사용하기 때문에, 제1 실시예의 경우보다 많은 광량이 필요하지만, 레지스트 이면으로부터의 반사광에 기인하는 간섭 신호를 효과적으로 제거할 수 있고, 웨이퍼 상에 도포된 레지스트의 표면 형상을 정확하게 계측할 수 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 표면 신호(레지스트 표면으로부터의 반사광에 기인하는 간섭 신호)와 이면 신호(레지스트 이면으로부터의 반사광에 기인하는 간섭 신호)를 서로 충분히 분리하는 정도의 두께의 막을 기판 상에 형성하고, 표면 신호에 대하여 이면 신호의 상대 강도가 최소가 되도록 편광판(9a ,9b)과 파장판(10a ,10b)의 각각의 각도를 조정함으로써 조정 방법을 행할 수 있다.
본 제3 실시예에서 제2 편광판(9b)을 배치하지 않는 경우라도, 레지스트 표면과 레지스트 이면으로부터의 반사광은 직교하는 두 개의 직선 편광 성분으로서 수광되고, 동위상인 참조광과 레지스트 표면으로부터의 반사광에 의하여만 간섭이 발생한다. 따라서，레지스트 이면으로부터의 반사광에 기인하는 간섭 신호의 영향을 억제할 수 있다. 그러나, 실제로는, 빔 스플리터 등의 영향에 의해 위상 변화 에 시프트이 생기고, 완전한 직선 편광의 상태의 수광을 얻는 것은 용이하지 않다. 이 때문에, 본 제3 실시예에서는 제2 편광판(9b)을 이용하여 레지스트 이면으로부터의 반사광의 영향을 보다 억제한다.
광의 편광 상태의 조정 방법은 편광판(9a ,9b) 또는 파장판(10a ,10b)에 회전 구동부를 설치함으로써, 전술한 실시예들과 마찬가지로 행할 수 있다. 보다 구체적으로, 계측 대상 기판 상에 박막(이 경우, 레지스트)과 동일하거나 또는 그 박막과 동일한 굴절률을 갖는, 수 마이크로미터의 두께로 성막한 기판을 준비한다. 준비된 기판은 측정 장치에 배치한다. 그 후, 편광판(9a ,9b) 또는 파장판(10a ,10b)을 회전시켜, 레지스트 이면으로부터의 반사광에 기인하는 간섭 신호의 영향을 최소화하도록 s-편광과 p-편광의 강도비를 조정한다.
기판(3) 상의 복수의 측정 영역에서 형상의 계측이 행해지는 경우에는, 제1 실시예와 마찬가지로 X-스테이지 및 Y-스테이지를 구동하여, 소정의 영역들의 각각에 웨이퍼 스테이지가 얼라인먼트를 위해 이동한 후에, 간섭 신호가 취득되고 처리된다.
이상, 3개의 실시예에서는 설명의 간략화를 위해, 렌즈 등을 사용하지 않은 경우의 실시예로서 설명하였다. 도 12는 본 발명의 다른 양태에 따른 표면 형상 계측 장치(200)의 블럭도이다. 이하에서는, 렌즈 등으로 구성되는 광학계를 사용한 실시예에 대하여 도 12를 이용하여 설명한다. 광원(1)으로부터 방출된 광은 컨덴서 렌즈(11)에 의해 집광되고, 투과 슬릿판(30)을 통과한다. 집광된 광은 빔 스플리터(2a)에 의해 2개의 광속으로 분기된 후에 렌즈(12, 42)를 포함하는 결상 광 학계(16)를 통해 기판(3)과 참조 미러(4)의 각각의 면 상에 결상된다． 기판(3)과 참조 미러(4)로부터의 반사광은 빔 스플리터(2b)를 통해 서로 중첩되고, 렌즈(52, 62)를 포함하는 결상 광학계(24)를 통해 촬상 소자(8)에 결상된다. 이에 따라, 기판(3)의 표면은 촬상 소자(8)에 결상될 수 있다. 투과 슬릿판(30)은 계측 범위를 정의하는 데 이용된다.
또한，전술한 3개의 실시예에서는 기판(3)과 참조 미러(4)에 대해 입사각이 동일한 경우에 대해 설명했지만, 참조 미러(4)가 전술한 조건들을 충족시킨다면, 기판(3)과 참조 미러(4)에 대해 입사각을 반드시 일치시킬 필요는 없다. 또한， 간섭 신호의 콘트라스트 향상시키기 위해, 기판(3)과 참조 미러(4)에 대한 입사각을 조정함으로써, 기판(3)과 참조 미러(4)로부터의 반사광에 기인하는 간섭 신호들의 각각의 강도를 변화시킬 수 있다.
도 13은, 본 발명의 제4 실시예에 따른 표면 형상 계측 장치를 포함하는 반도체 노광 장치의 블록도이다． 도 13에 도시한 바와 같이, 노광 장치는 조명 장치(800), 레티클(31)이 배치되는 레티클 스테이지 RS, 투영 광학계(32), 웨이퍼(3)가 배치되는 웨이퍼 스테이지 WS, 및 웨이퍼 스테이지 WS 상에 배치되는 기준 플레이트(마스크)(39)를 포함한다. 또한, 노광 장치는 표면 위치 계측 장치(33), 표면 위치 계측 장치(33)와 연관된 연산 처리부(400), 표면 형상 계측 장치(200), 표면 형상 계측 장치(200)와 연관된 연산 처리부(410)를 포함한다. 표면 형상 계측 장치(200)는, 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 장치들 중 하나일 수 있다. 본 제4 실시예에서, 기능을 보다 명확히 하기 위하여, 표면 위치 계측 장치(33) 및 표면 형상 계측 장치(200)를 각각 포커스 계측 장치(33) 및 포커스 교정 장치(200)로 명명하기로 한다. 제어부(1100)는 CPU 및 메모리를 포함하며, 노광 장치의 동작을 제어하기 위하여 조명 장치(800), 레티클 스테이지 RS, 웨이퍼 스테이지 WS, 포커스 계측 장치(33), 포커스 교정 장치(200)에 전기적으로 접속되어 있다. 본 제4 실시예에서, 제어부(1100)는 포커스 계측 장치(33)가 웨이퍼(3)의 표면 위치를 검출하는 경우에 계측된 값을 보정하기 위한 연산 및 제어를 더 실행한다.
조명 장치(800)는 전사될 회로 패턴이 형성된 레티클(31)을 조명하고, 광원부(800) 및 조명 광학계(801)를 포함한다. 조명 광학계(801)는 레티클(31)을 균일하게 조명하는 기능과 편광 조명 기능을 갖는다.
광원부(800)는, 예컨대 레이저를 사용한다. 레이저는, 예컨대 파장이 약 193nm인 ArF 엑시머 레이저, 파장이 약 248nm인 KrF 엑시머 레이저 등일 수 있다. 광원의 종류는 엑시머 레이저에 한정되지 않는다. 구체적으로는，파장이 약 157nm인 F2 레이저 및 파장이 20nm 이하인 EUV(Extreme Ultraviloet) 광을 사용할 수도 있다.
조명 광학계(801)는 광원부(800)로부터 방출된 광속을 이용하여 피 조명면을 조명하도록 구성된 광학계이다. 본 제4 실시예에서는, 광속을 노광에 최적인 소정의 형상을 갖는 노광 슬릿을 통해 성형하고, 광속은 레티클(21)에 조명된다. 조명 광학계(801)는 렌즈, 미러, 옵티컬 인터그레이터, 스톱(stop) 등을 포함한다. 예를 들면, 조명 광학계(801)에는 콘덴서 렌즈, 파리의 눈 렌즈, 개구 스톱(aperture stop), 콘덴서 렌즈, 슬릿, 및 결상 광학계가 순서대로 배치된다.
레티클(31)은, 예컨대 석영(quartz)으로 이루어지며, 레티클(31) 상에는 전사될 회로 패턴이 형성된다. 레티클(31)은 레티클 스테이지 RS에 의해 지지 및 구동된다. 레티클(31)로부터 출사되는 회절광은 투영 광학계(32)를 통과하고, 웨이퍼(3) 상에 투영된다. 레티클(31)과 웨이퍼(3)는 광학적으로 공액의 관계로 배치된다. 레티클(31)과 웨이퍼(3)를 원하는 축소 배율비에 대응하는 속도비로 주사함으로써 레티클(31) 상의 패턴을 웨이퍼(3) 상에 전사한다. 노광 장치는 광 경사 입사계에 기초한 레티클 검출부(도시하지 않음)를 포함한다. 레티클(31)은 소정의 위치에 배치되며, 레티클(31)의 위치는 레티클 검출부에 의해 검출된다.
레티클 스테이지 RS는, 레티클 척(chuck)(도시하지 않음)을 통해 레티클(31)을 지지하고, 이동 기구(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 이동 기구는, 예컨대 선형 모터로 구성되고, X축 방향, Y축 방향, Z축 방향 및 이들 축들의 각각에 대한 회전 방향으로 레티클 스테이지 RS를 구동함으로써 레티클(31)을 이동시킨다.
투영 광학계(32)는 물체면으로부터 나오는 광속을 상(image) 면에 결상하는 기능을 갖는다. 본 제4 실시예에서는, 레티클(31) 상에 형성되는 회로 패턴으로부터의 회절광을 웨이퍼(3) 상에 결상한다. 투영 광학계(32)는 복수의 렌즈 소자를 포함하는 광학계, 복수의 렌즈 소자 및 적어도 하나의 요면 거울을 포함하는 광학계(카타디옵트 시스템(catadioptric system)), 또는 복수의 렌즈 소자 및 적어도 하나의 예컨대 키노폼(kinoform)의 회절 광학 소자를 포함하는 광학계로서 제공될 수 있다.
웨이퍼(3)는 처리 대상이며, 포토레지스트가 기판 상에 도포되어 있다. 본 제4 실시예에서, 웨이퍼(3)는 포커스 계측 장치(33) 및 포커스 교정 장치(200)에 의해 면 위치가 검출되는 피검출체이기도 하다． 다른 실시예에서, 웨이퍼(3)는 액정 기판이나 그 외의 피처리체이다.
웨이퍼 스테이지 WS는 웨이퍼 척(도시하지 않음)을 통해 웨이퍼(3)를 지지한다. 레티클 스테이지 RS와 마찬가지로，웨이퍼 스테이지 WS는 선형 모터를 이용하여, X축 방향, Y축 방향, Z축 방향 및 이들 축들의 각각에 대한 회전 방향으로 웨이퍼(3)를 이동시킨다. 또한，레티클 스테이지 RS의 위치와 웨이퍼 스테이지 WS의 위치는, 예를 들면, 6축의 레이저 간섭계(81)에 의해 모니터링되며, 양 스테이지 모두 일정한 속도 비율로 구동된다.
이하, 웨이퍼(3)의 표면 위치(즉, 포커스)의 계측 포인트에 대하여 설명한다.본 제4 실시예에서, 웨이퍼(3)의 전체 영역에 걸쳐 스캔 방향(Y 방향)으로 웨이퍼 스테이지 WS를 스캔하면서, 포커스 계측 장치(33)에 의해 웨이퍼 면 형상을 계측한다. 또한, 스캔 방향으로 수직인 방향(X 방향)으로 웨이퍼 스테이지 WS를 △X 만큼 이동한다. 다음, 스캔 방향으로 웨이퍼의 표면 위치를 계측하는 동작을 반복함으로써, 웨이퍼(3)의 전체 면 상에 형상 계측을 수행한다. 스루풋을 향상시키기 위하여, 포커스 계측 장치(33)를 복수개 이용하여, 웨이퍼(3) 상의 서로 다른 면 위치를 동시에 계측할 수 있다．
포커스 계측 장치(33)는 광학적인 높이 계측 시스템을 이용한다． 즉, 포커스 계측 장치(33)는 웨이퍼 표면에 대하여 큰 입사각으로 광속을 도입하고, 웨이퍼 면으로부터의 반사광의 상 시프트(image shift)를 CCD 등의 위치 검출 소자에 의해 검출하는 방법을 이용한다. 특히, 웨이퍼 상에서 계측해야 할 복수의 포인트에 광속을 입사시키고, 이들 포인트으로부터 반사되는 광속을 개별의 센서에 유도하여, 복수의 다른 위치에서 얻어지는 높이 계측 정보에 기초하여 노광 대상 면의 틸트를 산출한다.
이하, 포커스 및 틸트 검출계에 대해 설명한다. 우선, 포커스 계측 장치(33)의 구성 및 동작을 설명한다. 도 14를 참조하면, 포커스 계측 장치(33)는 광원(105), 컨덴서 렌즈(106), 복수의 직사각형 투과 슬릿이 사이드 단위로 배열된 패턴판(107), 렌즈(108, 111), 웨이퍼(103), 웨이퍼 스테이지(WS)(104), 미러(109, 110), CCD 센서 등의 광 검출 소자(112)를 포함한다. 참조 번호 102는 레티클(도시하지 않음)을 웨이퍼(103) 상에 노광을 위해 투광하는 축소 투영 렌즈를 나타낸다. 광원(105)으로부터 방출된 광은 컨덴서 렌즈(106)에 의해 집광되고, 패턴판 (107)에 조명된다. 패턴판(107)의 슬릿을 투과한 광은 렌즈(108) 및 미러(109)를 통해 웨이퍼(103)에 소정 각도로 조사된다. 패턴판(107)과 웨이퍼(103)는 렌즈(108)에 대하여 결상관계에 있으며, 패턴판(107)의 각 슬릿의 공중 상(aerial image)이 웨이퍼 상에 형성된다. 웨이퍼(103)로부터의 반사광은 미러(110) 및 렌즈(111)를 통해 CCD 센서(112)에 의해 수광된다. 웨이퍼(103)의 슬릿 상은 렌즈(111)에 의해 CCD 센서(112) 상에 재결상 되고, 107i로 나타낸 바와 같이 패턴판(107)의 슬릿들에 대응하는 슬릿 상 신호들이 얻어진다. CCD 센서(112) 상의 이 신호의 위치 시프트를 검출함으로써, 웨이퍼(103)의 Z 방향의 위치를 계측한다. 입사각을 θin으로 가정하고, 웨이퍼 표면이 Z 방향으로 위치 w1으로부터 w2로 dZ 만큼 변화한 경우 웨이퍼(3) 상의 광축의 시프트량 m1은, 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
m1 = 2 ㆍdZ ㆍtanθin
예를 들어, 입사각 θin을 84도라고 가정하면, m1 = 19ㆍdZ가 된다. 이것은, 웨이퍼의 변위를 19배로 확대한 변위량이라는 것을 의미한다. 광 검출 소자 상에서의 변위량은 수학식 (1)의 값을 광학계의 배율(즉, 렌즈(111)에 의한 결상 배율)로 곱하여 얻어진다.
이하, 본 발명의 제4 실시예에 따른 전술한 노광 장치를 이용한 노광 방법에 대하 설명한다. 도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 노광 장치를 이용한 경우의 노광 방법의 전체 시퀀스를 나타내는 흐름도이다. 우선，단계 S1에서, 웨이퍼(3)를 장치에 반입한다. 다음, 단계 S10에서, 포커스 계측 장치(33)에 의한 포커스 교정을 행할지의 여부를 판정한다. 이 판정은, 예를 들어, "관련 웨이퍼가 로트(lot)의 선두 웨이퍼인지의 여부", "관련 웨이퍼가 복수의 로트 중 선두 로트의 웨이퍼인지의 여부", 및 "관련 웨이퍼가 포커스 정밀도가 엄격하게 요청되는 공정의 웨이퍼인지의 여부" 등의 정보에 기초하여 자동적으로 이루어진다. 이러한 정보는 사용자에 의해 노광 장치에 미리 저장된다. 단계 S10에서 포커스 교정이 불필요하다고 판정되는 경우, 처리는 단계 S1000으로 진행하여, 웨이퍼 상에서 통상 의 노광 시퀀스가 행해진다. 한편，단계 S10에서, 포커스 교정이 필요한 것으로 판정된 경우, 처리는 단계 S100의 포커스 교정 시퀀스로 진행한다.
단계 S100에서, 도 16에 도시된 흐름도가 실행된다. 우선，웨이퍼 스테이지 WS를 구동시켜, 포커스 계측 장치(33) 아래에 기준 플레이트(39)를 위치시킨다. 기준 플레이트(39)는 높은 면 정밀도를 갖는, 즉 소위 옵티컬 플랫이라 불리는 유리판으로 형성된다. 기준 플레이트(39)의 표면은, 포커스 계측 장치(33)에 의해 야기되는 계측 오차가 발생하지 않도록 반사율이 균일한 영역을 갖는다. 계측은 상기 영역 상에서 행해진다. 또한, 기준 플레이트(39)는, 노광 장치에서 실행되는, 다른 교정용(예를 들면, 얼라인먼트 검출계 및 투영 광학계의 평가용)에 필요한 각종 교정용 마크를 포함하는 플레이트의 일부로서 제공될 수 있다． 단계 S101에서, 포커스 계측 장치(33)에 의해 기준 플레이트(39)의 Z 방향 위치가 검출되며, 단계 S102에서, 그 계측 값 Om이 장치에 저장된다. 다음, 단계 S103에서, 웨이퍼 스테이지 WS를 구동시켜, 포커스 교정 장치(200) 아래에 위치 기준 플레이트(39)를 적절히 위치시키며, 포커스 계측 장치(33)에 의해 계측되는 영역으로서 기준 플레이트(39) 상의 XY 면의 동일한 장소에서 포커스 교정 장치(200)에 의해 형상 계측을 실행한다. 단계 S104에서, 장치에는 형상 계측 데이터 Pm가 저장된다. 단계 S105에서, 제1 오프셋 1이 산출된다. 도 17에 도시된 바와 같이, 오프셋 1은 포커스 교정 장치(200)의 측정 값 Pm과 포커스 계측 장치(33)의 측정 값 Om 간의 차로서 얻어진다. 기준 플레이트(39)의 광학적으로 균일한 면 상에서 계측이 실행되기 때문에, 오프셋 1은 포커스 계측 장치(33)의 계측 오차로부터 자유롭다. 따라 서, 오프셋 1은 이상적인 조건에서는 제로여야 한다. 그러나, 오프셋 1은 포커스 계측 장치(33) 또는 포커스 교정 장치(200)의 웨이퍼 스테이지 WS 및 롱텀 드리프트의 주사 방향으로의, 예컨대 시스템 오프셋에 의해 발생한다. 이러한 이유로, 오프셋 1은 주기적으로 측정하는 것이 바람직하다.
기준 플레이트(39)를 이용한 포커스 교정 시퀀스 S100는 전술한 단계들을 통해 완성된다. 포커스 교정 시퀀스 S100에 이어서, 웨이퍼(3)를 이용한 포커스 교정 시퀀스 S200가 실행된다. 도 16의 단계 S201에서, 웨이퍼 스테이지 WS를 구동시켜, 포커스 계측 장치(33)의 계측 위치에서 웨이퍼(3)을 적절히 위치시킨다. 웨이퍼(3) 상의 (웨이퍼 면) 계측 위치 Wp를, 후술할 노광 시퀀스에서 계측 위치와 일치되는 것으로 가정한다. 또한, 단계 S201에서 포커스 계측 장치(33)에 의해 웨이퍼(3) 상의 계측 위치 Wp에서 Z 방향의 위치가 검출되며, 계측된 값 Ow는 단계 S202에서 장치 내에 저장된다. 단계 S203에서, 웨이퍼 스테이지 WS를 구동시켜, 웨이퍼(3)를 포커스 교정 장치(200) 아래에 적절히 위치시키고, 포커스 교정 장치(200)에 의해 웨이퍼(3) 상의 측정 위치 Wp에서 형상 계측을 실행한다. 단계 S204에서, 장치에 형상 계측 데이터 Pw가 저장된다. 웨이퍼(3) 상의 계측 위치 Wp는, 예컨대 웨이퍼 당 하나의 포인트, 샷 당 하나의 포인트, 샷 내의 모든 포인트, 복수의 샷 내의 모든 포인트, 및 웨이퍼 내의 모든 포인트을 포함하는 각종 모드들로부터 선택될 수 있다.
단계 S205에서, 제2 오프셋이 산출된다. 도 17에 도시된 바와 같이, 오프셋 2는, 웨이퍼(3) 상의 각 계측 위치 Wp에 대하여 포커스 교정 장치(200)으 측정값 Pw와 포커스 계측 장치(33)의 측정값 Qw 간의 차로서 산출된다.
단계 S206에서, 웨이퍼(3) 상의 각 계측 포인트에 대하여, 오프셋(2)과 오프셋(1)의 차를 산출하고 장치에 저장한다. 웨이퍼(3) 상의 각 계측 포인트에서의 오프셋량 Op는, 다음의 수학식 (2)으로부터 얻어질 수 있다.
Op(i) = [Ow(i) - Pw(i)] - (Om - Pm)
여기서, i는 웨이퍼(3) 상의 계측 위치를 나타내는 포인트 번호를 나타낸다. 이에 따라, 웨이퍼(3)를 이용한 포커스 교정 시퀀스 S200가 완료된다.
이하, 포커스 교정 시퀀스 S100 및 S200 모두가 완료된 후 실행되는 노광 시퀀스 S1000에 대하여 설명한다. 도 18은, 노광 시퀀스 S1000의 설명을 나타낸 흐름도이다. 도 18을 참조하면, 단계 S1010에서 웨이퍼 얼라인먼트가 실행된다. 웨이퍼 얼라인먼트는, 얼라인먼트 스코프(도시하지 않음)에 의해 웨이퍼 상의 마크의 위치를 검출하고, 노광 장치에 대하여 웨이퍼를 XY 평면에서 위치 맞춤을 행함으로써 실행된다. 단계 S1011에서, 포커스 계측 장치(33)에 의해 웨이퍼(3) 상의 소정 위치에서의 면 위치를 계측한다. 이 소정 위치는, 웨이퍼(3)를 이용한 교정 시퀀스에 의해 계측된 지점을 포함한다. 따라서, 수학식(2)에 따라 산출된 오프셋량 Op(i)에 기초하여, 각 계측값을 보정함으로써 웨이퍼 전체 면의 형상이 계측된다. 노광 장치에는, 보정 후의 표면 형상 데이터가 저장된다. 단계 S1012에서, 웨이퍼(3)는 제1 노광 샷을 위하여, 웨이퍼 스테이지 WS에 의해 포커스 계측 장치(33) 아래의 위치로부터 투광 렌즈(32) 아래의 노광 위치로 이동된다. 동시에, 노광 장 치와 관련된 처리 수단은, 웨이퍼(3)의 면 형상 데이터에 기초한 제1 노광 샷에 대한 면 형상 데이터를 작성하고, 노광 형상 면으로부터의 시프트량을 산출한다. 그 후, 노광 상(image) 면으로부터의 산출된 시프트량에 따라 Z 방향 및 틸트 방향으로의 웨이퍼 스테이지를 구동하여, 거의 노광 슬릿 단위로 높이 방향으로 웨이퍼 표면의 형상과 일치시키기 위한 동작을 행한다. 단계 S1103에서, 노광 및 웨이퍼 스테이지 WS의 Y 방향 스캔이 행해진다. 이러한 방식으로, 제1 노광 샷이 종료된 후, 단계 S1014에서 미실행 노광 샷이 잔존하는지의 여부를 판정한다. 미실행 노광 샷이 잔존하는 경우, 처리는 단계 S1012로 복귀한다. 그 후, 제1 노광 샷의 경우와 마찬가지로, 다음의 노광 샷에 대한 면 형상 데이터를 작성하고, Z 방향 및 틸트 방향으로 웨이퍼 스테이지를 구동하여 거의 노광 슬릿 단위로 높이 방향으로 웨이퍼 표면의 형상과 일치시키기 위한 동작을 행하면서 노광이 행해진다. 단계 S1014에서, 실행되어야 할 노광 샷(즉, 미실행 노광 샷)이 잔존하는지의 여부를 다시 판정한다. 그 후, 미실행 노광 샷이 더 이상 존재하지 않게 될 때까지, 전술한 동작을 반복한다. 모든 노광 샷의 노광이 종료된 후, 단계 S1015에서 웨이퍼(3)를 장치로부터 회수하고, 노광 시퀀스는 종료한다.
본 제4 실시예에서는, 각 샷에 대한 노광 직전에, 관련 노광 샷에 대한 면 형상 데이터를 작성하고, 노광 상 면으로부터의 시프트량을 산출하여, 웨이퍼 스테이지의 구동량을 결정한다. 그러나, 개별 단계에서의 타이밍은 제1 샷의 노광 전에, 모든 노광 샷에 대하여 면 형상 데이터를 작성하고, 노광 형상 면으로부터의 시프트량을 산출하여, 웨이퍼 스테이지의 구동량을 산출하도록 변경될 수 있다.
또한, 웨이퍼 스테이지 WS는, 싱글 스테이지에 한정되지 않는다. 예를 들면, 2개의 스테이지, 즉 노광시에 사용되는 노광 스테이지와 웨이퍼의 얼라인먼트 및 면 형상을 계측하는 데 사용되는 계측 스테이지를 포함하는, 소위 트윈-스테이지로 구성될 수도 있다. 후자의 경우, 포커스 계측 장치(33) 및 포커스 교정 장치(200)는 계측 스테이지 측에 탑재된다.
이하, 본 제4 실시예에서와 같이, 노광 장치에 표면 형상 계측 장치(200)를 설치한 경우, 표면 형상 계측 장치(포커스 교정 장치)(200)에서의 광의 편광 상태를 조정하는 방법에 대해 설명한다. 제2 실시예에서 설명한 바와 같이, 수 마이크로미터의 두꺼운 레지스트를 도포한 기판을 이용하여, 광의 편광 상태의 조정을 행할 수도 있지만, 이하에서는, 노광 장치에 사용되는 노광 광의 편광에 기초하여 조정 방법이 행해지는 방법에 대해 설명한다. 노광 장치의 조명 광학계(801)는, 통상적으로, 레티클에 조명되는 광의 편광 상태를 특정하기 위한 편광 조명 수단을 포함한다. 따라서, 노광 장치의 출하 시에, 노광 광의 편광에 기초하여, 표면 형상 계측 장치(200)에서의 편광 상태를 조정한다. 보다 구체적으로, 우선, 노광 광에 대하여 조명 광학계(801) 내의 편광 조명 수단을 이용하여, 소정의 상태(예컨대, p-편광)에서의 직선 편광을 형성한다. 그 후, 소정의 선형 편광 상태에서의 노광 광은 회전 구동부를 포함하는 편광판에 수직으로 입사되게 된다. 또한, 편광판는 회전하여 투과도가 최대 또는 최소화되는 위치를 결정한다. 이는, 노광 광으로서 사용되는 p-편광 광 또는 s-편광 광에 대응하는 편광 상태가 되게 한다. 그 후, 포커스 교정 장치(200)에서 광원으로부터의 광이 편광판에 수직으로 입사하도 록 편광판가 탑재된다. 이러한 조정 방법이 도 8에 도시된 제2 실시예에 따른 표면 형상 계측 장치에 적용되는 경우, 상기 조정은 회전 구동부에 의해 편광판를 45도 회전시킴으로써 종료된다. 따라서, 편광 상태의 조정은 특정 기판의 제공 없이 노광 장치를 이용함으로써 수행될 수 있다.
노광 장치 출하 시에, 표면 형상 계측 장치의 편광 상태를 노광 광의 편광에 기초하여 조정한 후에, 두꺼운 레지스트를 갖는 기판을 제공하고, 처리될 웨이퍼 구조에 따른 회전 구동부를 이용함으로써, 편광 상태를 미세 조정할 수 있다.
웨이퍼, 즉 반도체 노광 장치에 의해 계측 및 가공될 기판 상에는, 복잡한 회로 패턴, 스크라이브(scribe) 라인 등이 존재하기 때문에, 반사율 분포, 로컬 틸트 등이 비교적 높은 확률로 발생한다. 따라서, 본 발명은 반사율 분포, 로컬 틸트 등에 의한 계측 오차를 저감시키는 데에 매우 효과적이다. 웨이퍼 표면의 위치의 보다 정확한 계측은 최적 노광 면과 웨이퍼 표면의 포커스 얼라인먼트의 정밀도를 향상시킴으로써, 반도체 소자의 성능을 향상시키고 수율을 증가시킨다.
예를 들어, 전술한 실시예들 중 하나에 따른 노광 장치를 이용하여 포토레지스트로 도포되는 기판(웨이퍼 또는 유리판 등)을 노광하는 단계, 노광된 기판을 현상하는 단계, 및 공지의 다른 단계들을 통해 디바이스(반도체 집적 회로 또는 액정 표시 장치 등)를 제조할 수 있다.
실시예들을 참조하여 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 개시된 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 이하 특허청구범위는 변형물 및 균등한 구조 및 기능들을 모두 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표면 형상 계측 장치의 블럭도.
도 2는 입사각에 대한 진폭 반사율의 변화(즉, 프레즈넬의 관계식(Fresnel's relation))들을 도시하는 그래프.
도 3은 도 2에 도시된 시뮬레이션에 이용된 모델을 도시한 도면.
도 4는 도 5a 및 도 5b에 도시된 시뮬레이션에 이용된 모델을 도시한 도면.
도 5a는 입사각에 대한, 레지스트의 표면(즉, 공기/레지스트 인터페이스)으로부터의 반사광의 위상 변화들을 도시하는 그래프.
도 5b는 입사각에 대한, 레지스트의 이면(즉, 레지스트/Al 인터페이스)으로 부터의 반사광의 위상 변화들을 도시하는 그래프.
도 6은 레지스트의 표리면들로부터의 반사광 각각으로부터 만들어지는 간섭 신호를 도시하는 그래프.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에서 획득된 간섭 신호를 도시하는 그래프.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 형상 계측 장치의 블럭도.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면 형상 계측 장치에 있어서 다양한 점들에서의 편광 상태들을 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 표면 형상 계측 장치의 블럭도.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 표면 형상 계측 장치에 있어서 다양한 점들에서의 편광 상태들을 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 또 다른 양태에 따른 표면 형상 계측 장치의 블럭도.
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른, 표면 형상 계측 장치를 포함하는 반도체 노광 장치의 블럭도.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 이용된 표면 위치 계측 장치의 블럭도.
도 15는 본 발명의 제4 실시예에서의 노광 시퀀스의 흐름도.
도 16은 본 발명의 제4 실시예에서의 교정 방법의 흐름도이다.
도 17은 본 발명의 제4 실시예에서의 교정 방법을 도시하는 설명도.
도 18은 본 발명의 제4 실시예에서의 노광 방법의 흐름도.
도 19는 주지된 표면 위치 계측 장치와 관련된 문제를 설명하는 도면.
도 20은 도 19의 주지된 표면 위치 계측 장치에서 계측된 신호 파일의 예를 도시하는 그래프.
도 21은 주지된 표면 형상 계측 장치와 관련된 문제를 설명하는 도면.
도 22는 주지된 표면 형상 계측 장치와 관련된 문제를 설명하는 도면.
도 23은 주지된 표면 형상 계측 장치의 블럭도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200: 표면 형상 계측 장치
1: 광원
3: 기판
4: 참조 미러
5: Z-스테이지
6: Y-스테이지
7: X-스테이지

Claims (12)

  1. 기판 상에 형성된 막의 표면 형상을 계측하도록 구성된 표면 형상 계측 장치로서,
    광원으로부터의 광대역 광을 계측광(measurement light) 및 참조광(reference light)으로 분할하도록 구성된 조사계(illumination system) - 상기 계측광은 상기 막의 표면에 비스듬히 진입하도록 조사되고, 상기 참조광은 참조 미러에 비스듬이 진입하도록 조사됨 - ;
    상기 막의 표면에 의해 반사된 계측광과 상기 참조 미러에 의해 반사된 참조광을 서로 합성(combine)하고, 그 합성된 광을 광전 변환 소자에 유도하도록 구성된 수광계; 및
    상기 광전 변환 소자에 의해 검지된 간섭 신호에 기초하여, 상기 막의 표면 형상을 연산하도록 구성된 처리부
    를 포함하며,
    상기 막의 표면에 대한 상기 계측광의 입사각 및 상기 참조 미러에 대한 상기 참조광의 입사각은, 각각 브루스터 각(Brewster's angle)보다 크고,
    상기 기판의 표면에 입사하는 계측광에 포함되는 s-편광과 p-편광은 상기 광전 변환 소자 상에서 동일한 강도를 갖는 표면 형상 계측 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원으로부터의 광대역 광에 포함되는 ｓ-편광과 p-편광과의 강도비를 조정하도록 구성된 편광 조정부를 더 포함하고,
    상기 편광 조정부는, 상기 기판의 표면에 입사하는 계측광에 포함되는 ｓ-편광과 p-편광이 동일한 강도를 갖도록 상기 강도비를 조정하는 표면 형상 계측 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 조사계는 편광판 및 위상판(phase plate) 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 편광 조정부는, 상기 편광판 및 상기 위상판 중 적어도 하나를 회전시키도록 구성된 구동부를 포함하며, 상기 구동부에 의해 상기 편광판 및 상기 위상판 중 적어도 하나를 회전시킴으로써 상기 강도비를 조정하는 표면 형상 계측 장치.
  4. 기판 상에 형성된 막의 표면 형상을 계측하도록 구성된 표면 형상 계측 장치로서,
    광원으로부터의 광대역 광을 계측광 및 참조광으로 분할하도록 구성된 조사계 - 상기 계측광은 상기 막의 표면에 비스듬히 진입하도록 조사되고, 상기 참조광은 참조 미러에 비스듬이 진입하도록 조사됨 - ;
    상기 막의 표면에 의해 반사된 계측광과 상기 참조 미러에 의해 반사된 참조광을 서로 합성하고, 그 합성된 광을 광전 변환 소자에 유도하도록 구성된 수광계; 및
    상기 광전 변환 소자에 의해 검지된 간섭 신호에 기초하여, 상기 막의 표면 형상을 연산하도록 구성된 처리부
    를 포함하며,
    상기 막의 표면에 대한 상기 계측광의 입사각 및 상기 참조 미러에 대한 상기 참조광의 입사각은, 각각 브루스터 각(Brewster's angle)보다 크고,
    상기 조사계는, 상기 광원으로부터의 광대역 광에 포함되는 미리 정해진 방향으로의 직선 편광을 투과하는 것을 가능하게 하는 제1 편광판을 포함하고,
    상기 수광계는, 상기 막의 표면에 의해 반사된 계측광, 상기 기판의 표면에 의해 반사된 계측광, 및 상기 참조 미러에 의해 반사된 참조광 중 적어도 하나에 포함되는, 상기 미리 정해진 방향으로의 직선 편광을 투과하는 것을 가능하게 하는 제2 편광판을 포함하며,
    상기 미리 정해진 방향으로의 직선 편광은 s-편광과 p-편광을 포함하는 표면 형상 계측 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 미리 정해진 방향은 +45°의 방향 또는 -45°의 방향인 표면 형상 계측 장치.
  6. 기판 상에 형성된 막의 표면 형상을 계측하도록 구성된 표면 형상 계측 장치 로서,
    광원으로부터의 광대역 광을 계측광 및 참조광으로 분할하도록 구성된 조사계 - 상기 계측광은 상기 막의 표면에 비스듬히 진입하도록 조사되고, 상기 참조광은 참조 미러에 비스듬이 진입하도록 조사됨 - ;
    상기 막의 표면에 의해 반사된 계측광과 상기 참조 미러에 의해 반사된 참조광을 서로 합성하고, 그 합성된 광을 광전 변환 소자에 유도하도록 구성된 수광계; 및
    상기 광전 변환 소자에 의해 검지된 간섭 신호에 기초하여, 상기 막의 표면 형상을 연산하도록 구성된 처리부
    를 포함하며,
    상기 막의 표면에 대한 상기 계측광의 입사각 및 상기 참조 미러에 대한 상기 참조광의 입사각은, 각각 브루스터 각(Brewster's angle)보다 크고,
    상기 조사계는, 상기 광원으로부터의 광대역 광에 포함되는 미리 정해진 방향으로의 직선 편광을 투과하는 것을 가능하게 하는 제1 편광판, 및 상기 제1 편광판을 통과한 광의 투과를 가능하게 하는 제1 파장판(wavelength plate)을 포함하고,
    상기 수광계는, 상기 막의 표면에 의해 반사된 계측광, 상기 기판의 표면에 의해 반사된 계측광, 및 상기 참조 미러에 의해 반사된 참조광 중 적어도 하나에 포함되는, 상기 미리 정해진 방향으로의 직선 편광을 투과하는 것을 가능하게 하는 제2 파장판을 포함하는 표면 형상 계측 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수광계는, 상기 제2 파장판을 투과한 광에 포함되는, 상기 미리 정해진 방향으로의 직선 편광을 투과하는 것을 가능하게 하는 제2 편광판을 포함하는 표면 형상 계측 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 파장판은 λ/4 판(plate)인 표면 형상 계측 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 참조 미러는 상기 광원으로부터의 광대역 광에 대하여, 1.4 이상 2.5 미만의 굴절율을 갖는 표면 형상 계측 장치.
  10. 원판 상의 패턴을 통해 기판을 노광하도록 구성된 노광 장치로서,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 표면 형상 계측 장치를 포함하는 노광 장치.
  11. 원판 상의 패턴을 통해 기판을 노광하도록 구성된 노광 장치로서,
    상기 노광 장치는,
    막의 표면에 비스듬히 진입하도록 광을 조사하고, 상기 막의 표면으로부터 반사된 광의 위치를 검출함으로써, 상기 기판 상에 형성된 막의 표면 형상을 계측하도록 구성된 제1 표면 형상 계측 유닛; 및
    제2 표면 형상 계측 유닛으로서, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 표면 형상 계측 장치
    를 포함하고,
    상기 제1 표면 형상 계측 유닛의 계측 결과는, 상기 제2 표면 형상 계측 유닛의 계측 결과에 기초하여 교정되는 노광 장치.
  12. 제10항에 기재된 노광 장치를 이용하여 기판을 노광하는 단계; 및
    상기 노광된 기판을 현상하는 단계
    를 포함하는 디바이스 제조 방법.
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