KR20070094543A - 노광장치 및 상면검출방법 - Google Patents

노광장치 및 상면검출방법 Download PDF

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Abstract

광원으로부터의 복수 파장의 노광광으로 원판을 조명하는 조명 광학계; 상기 원판의 패턴의 상을 기판 위에 투영하는 투영 광학계; 상기 투영 광학계의 원판 측에 배치된 원판측 기준 패턴; 상기 투영 광학계의 기판측에 배치된 기판측 기준 패턴; 및 상기 원판측 기준 패턴을 상기 노광광 또는 상기 노광광과 파장 성분 비율이 등가인 광에 의해 조명해서, 상기 투영 광학계에 의해 상기 원판측 기준패턴의 상을 상기 기판측 기준 패턴 위에 투영하여, 상기 기판측 기준 패턴을 통해 투과되거나 해당 기판측 기준 패턴에 의해 반사된 광량에 의거해서 상기 투영 광학계의 상면위치를 검출하는 상면검출수단을 구비하고, 상기 상면검출수단이 상기 투영 광학계의 축외 상 높이에서의 상기 상면위치를 검출할 때에 이용하는 상기 원판측 기준 패턴 및 기판측 기준 패턴은 상기 투영 광학계의 새지틀 방향으로 배열된 복수의 슬릿 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 노광장치가 개시되어 있다.

Description

노광장치 및 상면검출방법{EXPOSURE APPARATUS AND IMAGE PLANE DETECTING METHOD}
도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 주사형 노광장치의 전체적인 구성을 나타낸 개략도;
도 2A는 레티클측 기준 차트의 구성예를 예시한 도면;
도 2B는 웨이퍼측 기준 차트의 구성예를 예시한 도면;
도 3은 2 파장 노광시의 상면위치 계측 신호의 일례를 나타낸 신호 파형도;
도 4는 노광 영역 내의 상면계측의 일례를 설명하는 개략도;
도 5A는 2 파장 노광시의 상강도 분포의 일례를 나타낸 도면;
도 5B는 2 파장 노광시의 상강도 분포의 다른 예를 나타낸 도면;
도 6A는 2 파장 노광시의 상면위치 계측 신호의 일례를 도 5A의 예와 관련해서 표시한 신호 파형도;
도 6B는 2 파장 노광시의 상면위치 계측 신호의 일례를 도 5B의 예와 관련해서 표시한 신호 파형도;
도 7A는 단일 파장 노광시의 결상 상태의 일례를 나타낸 설명도;
도 7B는 2 파장 노광시의 결상 상태의 일례를 나타낸 설명도;
도 7C는 2 파장 노광시의 결상 상태의 다른 예를 나타낸 설명도;
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 주사형 노광장치의 일반적인 구성을 나타낸 개략도;
도 9는 본 발명의 또 다른 실시형태에 의한 주사형 노광장치의 일반적인 구성의 개략도;
도 10은 노광장치를 사용한 디바이스 제조의 일실시형태를 설명하는 순서도;
도 11은 도 10의 순서도에서의 스텝 4의 웨이퍼 프로세스의 상세를 설명하는 순서도;
도 12는 종래의 주사형 노광장치의 일반적인 구성의 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
AS: TTL관찰현미경 및 광량 검출 수단 FS: 포커스 검출계
IL: 조명 광학계 LS: 노광 광원
PO: 투영 광학계 RFP: 레티클측 기준 플레이트
RT: 레티클 RS: 레티클 스테이지
WF: 웨이퍼 WFP: 웨이퍼측 기준 플레이트
WS: 웨이퍼 스테이지
Cx, Cy; L1x, Lly; L2x, L2y; R1x, R1y; R2x, R2y: (레티클측 기준 플레이트 위의) 슬릿 형상 차트
Sx, Sy: (웨이퍼측 기준 플레이트 위의) 슬릿 형상 차트
본 발명은 복수 파장을 지닌 혼합 광을 이용해서 원판의 패턴의 상을 기판 위에 투영하는 노광장치 및 투영 광학계의 상면 위치를 검출하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 예를 들어 반도체소자, 액정 표시 소자 또는 박막 자기 헤드의 제조를 위하여, 투영 광학계의 상면위치를 계측해서 보정하기 위해 리소그래피 공정에 사용되는 투영 노광장치에 적합하게 적용가능하다.
반도체소자 등의 마이크로디바이스의 제조에는 스텝-앤드-리피트 노광장치와 같은 일괄 노광형의 노광장치 또는 스텝-앤드-스캔 노광장치와 같은 주사형 노광장치를 사용하고 있다.
도 12는 노광장치의 일반적인 구성의 개략도이다.
예를 들어, 극단 자외광인 KrF 엑시머 레이저나 훨씬 좁은 파장의 ArF 엑시머 레이저 등의 단일 파장(싱글 라인) 레이저를 포함할 수 있는 노광 광원(LS)이 있다. 광원으로부터 출사된 광속은 조명 광학계(IL)를 통과해서, 패턴 원판인 레티클(마스크)(RT) 위의 소정의 영역을 조명한다. 레티클(RT)에는 전사해야 할 매우 미세한 회로 패턴이 형성되어 있고, 그 패턴의 상은 투영 광학계(PO)에 의해서 웨이퍼(WF) 위에 투영된다.
이런 종류의 투영 노광장치의 투영 광학계에서는 한계에 가까운 해상력이 요구되고 있기 때문에, 일반적으로 해상력에 영향을 주는 압력이나 온도 등의 요인을 측정하고, 그 측정 결과에 따라서 결상 특성을 보정하는 기구가 갖춰져 있다. 한편, 높은 해상력을 얻도록 투영 광학계에 대해서는 큰 개구수를 설정하고, 이것에 의해 초점심도가 상당히 얕아진다.
이에 부응하기 위해서, 도 12에 표시한 노광장치는 웨이퍼의 표면을 투영 광학계의 상면에 일치시키기 위한, 포커스 검출계(FS)와 TTL 캘리브레이션(Through-The-Lens 캘리브레이션) 계측계(IS)를 지닌 오토 포커스 기구를 구비하고 있다. 여기서, 포커스 검출계(FS)는 웨이퍼(WF) 표면의 투영 광학계(PO)의 광축 방향에 대한 위치를 검출하는 경사 입사방식의 포커스 검출계이다. 한편, TTL 캘리브레이션 계측계(IS)는 투영 노광 광학계(P0)의 상면위치를 투영 광학계(P0)를 개입시켜 검출하고, 포커스 검출계(FS)의 원점을 보정하도록 배열되어 있다.
캘리브레이션(교정) 검출 시스템의 일례로서, 도 12의 경우에는 레티클측 기준 플레이트(RFP) 위에 형성된 복수의 슬릿형상 패턴이 주기적으로 배열된 슬릿형상 차트를 웨이퍼 스테이지측 기준 플레이트(WFP) 위에 형성된 슬릿형상 차트 상에 투영해서, 그 투과광량을 센서(IS)를 사용해서 검출하고 있다. 레티클측 기준 플레이트(RFP)는 레티클 스테이지(RS) 위에 놓인 레티클과 등가인 높이에 배치되어, 웨이퍼 스테이지측 기준 플레이트(WFP)는 웨이퍼측의 스테이지 위에 배치되어 있다.
구체적으로는 도 2A에 도시한 바와 같이 레티클측 기준 플레이트(RFP) 위에는 노광영역 내에서 상이한 상 높이에서 측정가능하도록 설치된 복수의 슬릿형상 차트(L1x), (Lly); (L2x), (L2y); (Cx), (Cy); (R2x), (R2y); (R1x), (R1y)가 형성되어 있다. 한편, 웨이퍼측 기준 플레이트 위에도 도 2B에 도시된 바와 같이, 슬릿 형상 차트(Sx), (Sy)가 형성되어 있다. 기준 플레이트(RFP)의 슬릿 형상 차트 의 상을 도 2B에 나타낸 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP) 위에 투영해서, 웨이퍼측 기준 플레이트의 슬릿 형상 차트를 투과한 광을 검출한다.
도 3은 상면 위치 검출신호의 일례를 나타내고 있다. 레티클측 슬릿 형상차트와 웨이퍼측 슬릿 형상 차트 간의 상대 위치 관계를 광축 방향에 대해서 변화시키면서 투과 광량을 검출해서, 최대 광량점을 투영 노광 광학계(P0)의 상면위치로서 결정하고 있다.
근년, 노광 해상도의 향상의 관점으로부터 초점 심도의 더 한층의 저하가 문제로서 여겨지고 있고, 초점심도를 확대하는 각종 노광 방법이 제안되어 있다.
예를 들면, 단일의 중심 파장을 지닌 광원을 사용하는 대신에, 복수의 중심 파장을 가지는 광원(복수 파장의 광원)을 사용하는 것이 제안되어 있다(일본국 특허 등록 제 2619473호 공보 및 미국특허 제 6,853,653호 참조). 이 방법에 의하면, 노광 광원으로서 복수 파장의 광원을 사용하는 결과로서, 투영 광학계에 길이방향(축상) 색수차가 발생하고, 이것으로 인해 허용 초점심도가 커진다.
도 7A 내지 도 7C는 상의 결상 상태를 나타내는 모식도이다.
도 7B는 단일 파장에 의해 노광이 수행되는 결상 상태를 표시하고 있으며, 상은 단일 점에 결상된다. 한편, 도 7A는 2 파장에 의해 노광이 수행되는 결상 상태를 나타내고 있다. 다른 파장을 사용하는 것에 기인하는 길이방향 색수차에 의해, 광축 방향(Z 방향)에서 상호 어긋난 상이한 지점에서 결상된다. 초점 근방에서는 상의 강도 분포가 광축 방향에 대해서 평균화되기 때문에, 원하는 선폭에 대한 허용 초점심도를 증가시키는 효과가 있다.
노광 광원으로서 복수 파장의 광원을 이용하면, 투영 광학계에는 길이방향 색수차에 부가해서, 축외(abaxial) 상 높이에서 배율 색수차가 발생하고, 이에 의해 상의 흐림이 생긴다(도 7C). 실제의 노광 처리에 있어서는, 상면 위치 근방에서 화상 흐림이 최소가 되도록, 조명계나 노광 조건을 조정함으로써 그 영향을 감소시킬 수 있다. 그러나, TTL 캘리브레이션 계측시, 특히 상면 위치 검출에 대해서, 포커스 허용 심도 외의 영역까지도 계측 신호 검출을 수행할 필요가 있다. 따라서, 신호 형상의 비대칭성의 악영향이 발생하여, 투영 광학계의 상면 위치를 검출할 때에 오차 요인으로 되는 불편이 있다.
구체적으로는, 캘리브레이션 계측계(IS)는 웨이퍼측 기준플레이트(WFP)를 광축 방향으로 스캔할 때의 신호의 변화를 모니터하도록 배치되어서, 강도가 최대가 되는 점 또는 신호의 무게중심 위치를 검출함으로써 투영광학계의 상면 위치를 검출하고 있다. 도 3은 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP)를 광축 방향으로 스캔했을 때의 신호의 변화를 나타낸다.
그러나, 2 파장 노광 방법에 의거한 상면 위치 검출 신호에서는 우선 본질적으로 초점심도를 확대하고 있으며, 이 때문에, 신호의 피크 위치를 검출하는 데 어려움이 있다. 이 관점으로부터, 신호의 무게 중심 위치에 의거해서 상면 위치를 판단하는 것이 바람직하다.
그렇지만, 노광 영역 내의 축외 상 높이의 계측시에 있어서, 투영 광학계(P0)의 메리디오널(meridional) 방향(렌즈의 반경 방향)으로 복수의 슬릿형상 패턴이 주기적으로 배열된 슬릿 형상 차트의 상은 도 5A에 나타낸 바와 같이 비대칭 인 강도 분포를 지니게 된다. 이것은 배율 색수차와 축상 색수차의 영향에 의한다. 그 때문에, 상면 위치 검출 신호도 도 6A에 나타낸 바와 같이 비대칭인 형상을 지녀, 무게 중심 위치도 어긋나 버리게 된다. 이것은 상면위치의 계측치에 오차를 일으키는 불편이 있다. 또, 웨이퍼측의 슬릿 형상 차트에 대한 주사 위치가 약간 어긋나는 경우에는 신호의 비대칭 형상도 변화하게 되어, 상면 위치의 계측치의 오차 요인이 되는 불편이 있다.
본 발명은 그의 일측면에 있어서 투영 광학계의 상면위치를 매우 정밀하게 계측할 수 있는, 복수 파장의 광원을 지닌 노광장치를 제공한다.
본 발명의 일측면에 의하면, 노광장치는 광원으로부터의 복수 파장의 노광광으로 원판을 조명하는 조명 광학계; 상기 원판의 패턴의 상을 기판 위에 투영하는 투영 광학계; 상기 투영 광학계의 원판 측에 배치된 원판측 기준 패턴; 상기 투영 광학계의 기판측에 배치된 기판측 기준 패턴; 및 상기 원판측 기준 패턴을 상기 노광광 또는 상기 노광광과 파장 성분 비율이 등가인 광에 의해 조명해서, 상기 투영 광학계에 의해 상기 원판측 기준패턴의 상을 상기 기판측 기준 패턴 위에 투영하여, 상기 기판측 기준 패턴을 통해 투과되거나 해당 기판측 기준 패턴에 의해 반사된 광량에 의거해서 상기 투영 광학계의 상면위치를 검출하는 상면검출수단을 구비하고, 상기 상면검출수단이 상기 투영 광학계의 축외 상 높이에서의 상기 상면위치를 검출할 때에 이용하는 상기 원판측 기준 패턴 및 기판측 기준 패턴은 상기 투영 광학계의 새지틀(sagittal) 방향으로 배열된 복수의 슬릿 형상을 포함하는 것을 특 징으로 한다.
본 발명의 이들 및 기타 목적과, 특징, 그리고 이점은 첨부 도면과 관련하여 취한 본 발명의 바람직한 실시형태의 이하의 설명을 고려하면 더욱 명백해질 것이다.
이하, 첨부도면을 참조해서 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.
본 발명의 바람직한 제 1 실시형태에서는 2 파장을 지닌 자외광을 이용해서 투영 광학계를 개입시켜 레티클의 회로 패턴을 웨이퍼 위에 전사하고, 경사 입사 방식 등의 축외(off-axis) 포커스 계측계의 상면 위치 캘리브레이션 계측을 투영 광학계를 통해 실시하는 노광장치에 관한 것이다. 이 상면 위치 캘리브레이션 계측을 2 파장 발사에 의해 수행한 경우, 캘리브레이션용 패턴은 투영 광학계의 새지틀 방향(렌즈의 원주 방향)에 복수의 슬릿 형상의 패턴이 주기적으로 배열된 제 1 기준 패턴(이하, "새지틀 패턴"이라고도 칭함)을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 제 2 실시형태에서는 2 파장을 지닌 자외광을 이용해서 투영 광학계를 개입시켜 레티클의 회로 패턴을 웨이퍼 위에 전사하고, 경사 입사 포커스 계측계의 상면 위치 캘리브레이션 계측을 투영 광학계를 통해 실시하는 노광장치에 관한 것이다. 이 상면위치 캘리브레이션 계측을 2 파장 발사에 의해 실시할 때, 축외 상 높이에 관해서는 새지틀 패턴(Y패턴)을 이용해서 계측하고, 축상 계측에 관해서는, 메리디오널 패턴 및 새지틀 패턴의 양쪽 모두를 이용한다. 게다가, 이들 축외 상 높이 계측치 및 축상 계측치에 의거해서 상면 만곡량을 측정하 여, 경사 입사 포커스 계측계의 원점을 보정한다.
노광 과정에서의 주사 방향을 Y방향으로 취하면, 새지틀 패턴은 Y방향으로 복수의 슬릿 형상의 패턴이 주기적으로 배열된 기준 패턴을 포함할 수 있다. 이 경우, 새지틀 패턴은 "Y패턴"이라고 칭할 수 있다. 한편, 메리디오널 패턴은 투영광학계의 메리디오널 방향으로 복수의 슬릿 형상의 패턴이 주기적으로 배열된 기준 패턴을 포함할 수 있다. 주사형 노광장치에 있어서, 메리디오널 패턴은 X방향으로 복수의 슬릿 형상의 패턴이 주기적으로 배열된 기준 패턴을 포함할 수도 있으며, 이것은 "X패턴"이라고도 칭할 수 있다.
본 발명의 바람직한 제 3 실시형태에서는 축외 상 높이 및 축상의 상면 위치의 계측을 제 2 실시형태와 마찬가지로 행한다. 그래서, 이들 축외 상 높이 계측치 및 축상 계측치를 이용한 캘리브레이션에 의해 메리디오널 상면만곡량을 추정하여, 상기 경사 입사 포커스 계측계의 원점을 보정한다.
본 발명의 제 4 실시의 형태는 2 파장 노광 방법과 1 파장 노광 방법을 서로 교체가능하게 하여 노광을 행할 수 있는 노광장치에 관한 것이다. 즉, 투영 광학계를 통해 상면 위치 캘리브레이션 계측을 실시할 때에 이용하는 기준 패턴을 사용된 노광 파장에 따라 교체한다. 예를 들어, 1 파장 노광시에는 메리디오널 패턴과 새지틀 패턴의 양쪽 모두를 이용해서 계측을 행할 수 있는 한편, 2 파장 노광 시에는 새지틀 패턴(Y패턴)만을 이용해서 축외 상 높이 계측을 행할 수 있다.
전술한 본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 노광 영역 내의 축외 상 높이에서의 기준 패턴에 의거해서 상면 위치 검출을 하기 위해서, 투영 광학계(P0)의 새 지틀 방향의 패턴을 이용해서 상면위치를 검출하고 있다. 이와 같이 함으로써, 배율 색수차에 의한 상 흐림의 영향을 효과적으로 저감할 수 있다.
구체적으로는, 주사 방향에 대해서 수직인 방향으로 길이 방향이 뻗어 있는 장방형 형상의 노광 영역을 사용하는 노광장치(특히 주사형 노광장치)의 경우에, 축외 상 높이(X 상 높이)에서의 상면 위치 계측에 Y패턴을 이용할 수 있다. 다음에, 도 5B에 나타낸 바와 같이 캘리브레이션 신호 파형의 비대칭성이 소거된다. Y패턴으로부터의 회절광은 새지틀면 내에 퍼져, Y패턴이 축상에 위치하기 때문에, Y패턴의 상은 배율 색수차의 영향을 받지 않는다. 이 주사형 노광장치에서는, 도 2A에 나타낸 것과 같은 슬릿 형상 노광 영역 내의 좌측 및 우측 패턴(Ly), (Ry)의 새지틀 상면 위치 계측 정보에 의거해서 상면기울기(틸트)를 계측한다.
또, 전술한 제 3 실시형태는, 메리디오널 방향 패턴을 실제로 계측하는 대신에, 새지틀 패턴의 정보에 의거한 계산에 의해서 축외 메리디오널 패턴의 결상 위치를 추정하도록 구성되어 있다.
특히, 노광을 반복해서 행할 경우, 렌즈에 노광열이 축적되어, 상면 만곡을 일으킨다. 광학 결상의 특성상, 새지틀 패턴의 변화에 비해서 메리디오널 패턴에서는 3배 이상 변화하는 것이 알려져 있다. 따라서, 일단 새지틀 패턴을 측정하면, 그것에 의거한 계산에 의해서 메리디오널 패턴의 상면위치를 추정하는 것이 가능하다.
한편, 틸트 정보 또는 상면 형상을 측정할 필요가 없는 경우에는 축상, 즉, 렌즈의 광축상의 노광 영역에서는 X=0, Y=0의 상 높이의 X패턴과 Y패턴만을 측정해 서, 투영 광학계의 상면위치를 매우 정밀하게 계측할 수 있다.
전술한 본 발명의 바람직한 실시 형태에 의하면, 2 파장 노광 방법에 있어서도, 노광시의 실제 파장 상태로 노광 상면 위치를 매우 정밀하게 검출함으로써 확대된 노광 초점심도 내에서의 상면위치를 상당히 정밀하게 결정할 수 있다. 그 결과, 2 파장 노광 방법의 초점심도 확대 효과를 충분히 활용할 수 있다.
또한, 1 파장 노광과 2 파장 노광을 교체할 수 있고, 그 경우에도 선택에 따라 캘리브레이션 계측 패턴으로서 X, Y패턴의 양쪽 모두 또는 Y패턴만을 선택할 수 있다. 이것에 의해, 반도체 노광 공정의 요구에 가장 적합한 최적의 노광 방법의 선택성을 확대할 수 있다.
다음에, 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 주사형 노광장치의 일반적인 구성의 모식도이다.
도 1에 있어서, 레티클(RT)과 웨이퍼(WF)는 투영 광학계(PO)에 대해서 서로 광학적으로 거의 공액인 위치에 배치되어 있다. 노광용 조명 광학계(IL)를 통해서 X방향으로 뻗은 슬릿 형상의 노광 영역이 레티클(RT) 위에 규정되어 있다. 그리고, 투영 광학계(PO)에 대해서 레티클 스테이지(RS)와 웨이퍼 스테이지(WS)의 쌍방을 투영 광학계(P0)의 배율에 응한 속도비로 구동시킴으로써, 레티클(RT)의 패턴은 웨이퍼 스테이지(WS)에 유지된 웨이퍼(WF)에 대해서 투영 노광된다.
이하에, 도 1의 주사형 노광장치의 구성에 대해서 더욱 상세히 설명한다.
레티클(RT)은 도면에 도시하지 않은 레티클 스테이지용의 레이저 간섭계와 구동제어 수단에 의해 도 1에 표시된 Y방향으로 구동 제어되는 레티클 스테이지(RS)에 유지된다. 레티클(RT) 근방에는 레티클측 기준 플레이트(RFP)가 레티클 스테이지(RS)의 소정의 범위 내에 고정 설치되어 있다. 상기 레티클측 기준 플레이트(RFP)의 패턴면은 레티클(RT)의 반사면 높이와 대략 동일한 높이에 설정되어 있다. 또, 레티클측 기준 플레이트(RFP)의 반사면에는 예를 들어, Cr 또는 Al의 금속면에 의해 규정된 복수의 위치계측용 차트가 설치되어 있다.
도 2A는 레티클 스테이지(RS) 위에 배치된 레티클측 기준 플레이트(RFP)의 상면도이다. 레티클측 기준 차트가 레티클측 플레이트(RFP)의 길이 방향(X방향)으로 뻗어 있는 라인을 따라 배치되어 있다. 이들 레티클측 기준 차트는 예를 들어 도 2A에 나타낸 바와 같은 노광 해상 선폭 부근의 크기의 복수의 슬릿 형상의 개구를 가지는 라인-앤드-스페이스 패턴을 포함한다.
도 1에 있어서, 레티클 스테이지(RS)는 도면 중 Z방향의 위치를 투영광학계(P0)에 대해서 일정하게 유지한 상태로 구동된다. 레티클 스테이지(RS)에는 레이저 간섭계(도시생략)로부터의 광빔을 반사하는 이동거울(도시 생략)이 고정되어 있다. 이 레이저 간섭계에 의해, 레티클 스테지(RS)의 위치 및 이동량은 차례로 모니터된다.
한편, 웨이퍼(WF) 근방에는 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP)가 웨이퍼 스테이지(WS)의 소정의 범위에 고정 설치되어 있다. 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP)의 반사면은 웨이퍼(WF)의 표면과 거의 동일한 높이에 설정되고, 이 반사면에는 예를 들 어 Cr 또는 Al의 금속면에 의해서 규정된 복수의 웨이퍼측 기준 차트가 형성되어 있다. 또, 웨이퍼 스테이지(WS)는 투영 광학계(P0)의 광축 방향(Z방향) 및 광축 방향에 대해서 직교하는 평면(X-Y평면)을 따라 이동할 수 있다. 또한, 광축 주위의 회전(θ방향) 및 상면에 대한 기울기 조정(틸트)이 가능하다. 따라서, 6축에 대해서 이동가능하다.
웨이퍼 스테이지(WS)에도 웨이퍼 스테이지용 레이저 간섭계(도시 생략)로부터의 광빔을 반사하는 이동거울(도시 생략)이 고정되어 있다. 이 레이저 간섭계에 의해, 웨이퍼 스테이지의 위치 및 이동량이 차례로 모니터된다. 웨이퍼 스테이지(WS)는 이 계측 결과에 의거해서 도면에 도시되지 않은 구동 제어 수단을 이용해서 6축에 대해 구동된다. 웨이퍼측 기준 차트는 예를 들어 도 2B에 나타낸 바와 같은 노광 해상 선폭에 가까운 크기의 치수의 슬릿 형상 개구를 가지는 라인-앤드-스페이스 패턴이다.
다음에, 웨이퍼(WF)의 표면의 위치 및 기울기를 검출하는 웨이퍼면 위치검출 수단(FS)에 관해서 설명한다.
도 1에 표시된 바와 같이, 웨이퍼면 위치 검출 수단으로서 기능하는 경사 입사 방식의 포커스 검출계(FS)가 구성되어 있다. 포커스 검출계(FS)는 투영 광학계(PO)에 의해, 레티클(RT)의 패턴이 전사되게 될 웨이퍼(WF) 면(또는 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP)면)에 대해서 광빔이 비스듬히 투영되도록 배열되어 있다. 그리고, 웨이퍼(WS) 면(또는 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP)면)으로부터 비스듬하게 반사되는 반사광을 검출한다.
포커스 검출계(FS)는 반사광에 대응하는 위치 검출용의 수광 소자를 지니는 검출부를 포함한다. 이 수광 소자는, 그 수광면이 웨이퍼(WF)의 광 반사점과 거의 공역이 되도록 배치되어 있다. 그 결과, 웨이퍼(WF)(또는 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP))의 투영 광학계(PO)의 광축 방향에 대한 임의의 위치 이탈은 상기 검출부 내의 위치 검출용 수광 소자 상에서 위치 이탈로서 계측될 수 있다. 특히, 표면의 위치 검출뿐만 아니라 기울기의 검출에 대해서도 복수의 광빔 및 복수개의 위치 검출용의 수광 소자가 설치되어 있다. 그러므로, 이들 위치검출 수광 소자는 그들의 수광면이 웨이퍼(WF)의 각 광빔의 반사점과 거의 공액이 되도록 배치되어 있다. 각각의 계측점에서 행해진 표면 위치의 계측 결과로부터, 웨이퍼(WF)(또는 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP))의 표면의 기울기가 계측된다.
포커스 검출계(FS)의 원점이 어긋나면, 노광 상면에 대한 웨이퍼(WF) 면의 부정합을 일으킨다. 따라서, 주기적으로 계측점의 자동 교정을 수행한다.
이 오차를 계측하기 위해서, TTL 계측계가 있다. TTL 계측계는 레티클측 기준 플레이트(RFP), 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP) 및 센서(IS)를 포함한다. 레티클측 기준 플레이트(RFP)는 위에서 설명한 바와 같이 레티클 스테이지(RS) 위에 설치되어, 레티클(RT)과 거의 같은 높이의 면에 형성된 소정의 계측용 차트를 지닌다. 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP)는 위에서 설명한 바와 같이, 웨이퍼 스테이지 위에 설치되고, 웨이퍼 면과 거의 같은 높이의 면 위에 기준 차트가 형성되어 있다. 센서(IS)는 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP) 아래에 설치되어, 기준 차트를 투과한 광량을 검출한다.
도 2A에 나타낸 바와 같이, 레티클측 기준 플레이트(RFP)는 노광 영역 내의 상이한 상 높이에서의 상면 위치 계측이 가능하도록 그 위에 형성된 복수의 기준 차트를 지닌다. 본 실시예에서는, 레티클측 기준 차트 및 웨이퍼측 기준차트는 도 2A 및 도 2B에 나타낸 바와 같이 개구에 의해 규정된 슬릿 형상의 패턴을 포함한다. 따라서, 각 차트는 배열된 개구에 의해 형성된다. 도 2B는 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP)와 웨이퍼측 기준 차트를 나타내고 있다. 웨이퍼측 기준 차트는 X패턴(Sx)과 Y패턴(Sy)을 포함한다. 이들 패턴(Sx), (Sy)에 대응하는 개별의 센서(IS)를 사용하면, 개별적으로 상면 위치 계측이 가능하다. 또, 기준 차트는 투영 광학계의 광축에 직교하는 2 차원 방향(X 및 Y방향)의 위치검출을 투영광학계를 개입시켜 행할 때에도 이용된다. X패턴(Sx)은 X방향에 대한 위치 검출용의 패턴이며, Y패턴(Sy)는 Y방향에 대한 위치 검출용의 패턴이다.
다음에, 상면 위치 계측의 예를 설명한다. 우선, 노광 영역 내의 소정의 상 높이에서 레티클측 기준 차트가 설정되도록 레티클 스테이지(RS)를 구동한다. 다음에, 웨이퍼측 기준 차트가 레티클측 기준 차트의 결상 위치에 또는 그 근방에 놓이되도록 웨이퍼 스테이지(WS)를 구동한다. 웨이퍼 스테이지(WS)를 투영 광학계(PO)의 광축 방향으로 구동하면서, 웨이퍼측 기준 차트를 투과하는 광량을 모니터해서 광량이 최대가 되는 위치를 검출한다. 이것에 의해서, 그 상 높이에 대한 투영 광학계의 최상의 결상 위치를 결정할 수 있다.
도 3은 최상의 상면 위치 검출 신호의 일례를 나타내고 있다. 여기서, 측정은 다음과 같이 행한다: 레티클측 기준 차트(슬릿 형상 패턴)와 웨이퍼측 기준 차트의 광축 방향(Z방향)에 대한 상대 위치 관계를 변화시키면서, 투과광량을 검출해서, 최대 광량점을 투영 광학계(P0)의 상면 위치로서 결정한다.
예를 들어, 상면 만곡 계측을 위해서, 노광 영역 내의 복수의 상 높이에 대해서 상면 위치 계측을 수행하고자 할 경우에는, 도 4에 나타낸 바와 같이 웨이퍼 스테이지(WS)를 X방향으로 구동시킬 수 있고, 웨이퍼측 기준 차트를 레티클측 기준 플레이트(RFP) 위의 임의의 상 높이의 레티클측 기준 차트에 맞추어서 계측을 수행할 수 있다.
본 실시예의 특징으로서는 초점심도를 확대하기 위한 수단으로서, 노광 광원에 파장이 서로 약간 어긋난 2 파장의 노광광을 발사하도록 구성된 레이저(MLS)를 사용하고 있다.
또, 노광 영역 내의 축외 상 높이를 지닌 패턴을 이용해서 상면 위치 검출을 행할 경우, 투영 광학계(PO)의 새지틀 방향(렌즈의 원주 방향)으로 복수의 슬릿이 배열된 기준 패턴을 이용해서, 상면위치를 검출한다. 이렇게 함으로써, 배율 색수차에 의한 상 흐림의 영향을 제거하고 있다. 축외 상 높이(X상 높이)에서의 상면 위치의 계측을 위해서, Y(새지틀 방향) 패턴을 이용하고, 이렇게 함으로써, 상면위치 검출 신호 파형의 임의의 비대칭성을 피할 수 있다. 배율 색수차의 영향은 Y패턴을 구성하는 슬릿의 길이 방향에서 나타나므로, 상면 위치 계측용의 콘트라스트 계측에 유효한 선폭 방향에 대해서는 영향을 받지 않는다.
구체적으로는, 도 2A에 나타낸 노광 영역 내의 패턴군 중에서, 새지틀 방향 패턴인 패턴(L1y), (L2y), (R1y), (R2y)을 선택한다. 2차원 형상을 지닌 상면만 곡의 계측에 대해서는 최소 3점이 충분하기 때문에, (L1y), (Cx), (Cy), (R1y)의 3개의 상 높이를 선택할 수 있다. 여기서, 패턴(Cx)은 메리디오널 방향의 패턴이다.
한편, 상면과 포커스 검출계(FS)의 1차원 기울기, 즉 틸트 계측을 실시하고자 할 경우에는, (Lly)와 (Rly)의 2상 높이의 상면 위치 계측 결과로부터 산출해도 된다.
패턴(Cx), (Cy)은 투영 광학계의 거의 광축에 상당하기 때문에, X 및 Y 양 방향에 있어서, 2 파장의 색수차에 의한 영향은 받지 않는다. 틸트 정보 및 상면 형상을 측정할 필요가 없는 경우에는, 축 근방, 즉 렌즈의 광축(X=0, Y=0) 근방의 상 높이의 X패턴과 Y패턴만을 측정해서, 상면위치를 정밀하게 검출해도 된다.
또, 2 파장 노광에 있어서의 상면 만곡량을 계측하기 위해서는, 축외 상 높이 계측은 새지틀 방향 패턴(Ly), (Ry)을 이용해서 수행하고, 축상 계측은 메리디오널 및 새지틀 패턴(Cx), (Cy)을 모두 이용해서 수행하는 것이 효과적이다.
또한, 축외 상 높이 계측을 새지틀 방향 패턴을 이용해서 행하고, 새지틀 방향과 메리디오널 방향 간의 상면 변화량의 관계에 대해서 미리 정해진 관계에 의거해서 메리디오널상의 상면량을 추정해서 보정하는 것도 효과적이다.
특히, 노광을 반복해서 행하는 경우, 렌즈에 노광열이 축적되어 상면 만곡을 일으킨다. 광학 결상의 특성상, 새지틀 패턴의 변화에 비해서 메리디오널 패턴에서는 3배 이상 변화하는 것이 알려져 있다. 따라서, 일단 새지틀 패턴을 측정하면, 그것에 의거한 산출에 의해서 메리디오널 패턴의 상면위치를 추정하는 것이 가 능하다.
또, 레이저 광원(노광 광원)의 발광 파장을 2 파장 발광과 단일 파장 발광 간에 전환할 수 있는 경우에는, 노광 공정에서 요구하는 것에 따라 2 파장 노광 방법과 1 파장 노광 방법을 교체하면서 노광을 수행하는 것이 효과적이다. 그러한 경우, 도 2A에 나타낸 바와 같이, 축상 및 축외 계측 모두에 대해 X 및 Y 패턴의 양쪽을 상이한 상 높이에 대해서 준비된 차트군으로부터 선택하는 것도 효과적이다. 구체적으로는 1 파장 노광시에는 메리디오널 방향 패턴과 새지틀 방향 패턴을 모두 이용해서 계측을 행하는 한편, 2 파장 노광시에는 축외 상 높이는 새지틀 방향 패턴을 이용해서 계측하도록, 캘리브레이션 계측 수단을 교체하기 위한 선택 수단을 구비해도 된다.
상기 설명한 TTL 계측계의 다른 구성예로서는 도 8에 나타낸 바와 같이 레티클측으로부터 웨이퍼측 기준 플레이트(WFP) 위의 기준 차트를 검출하는 것도 가능하다. (AS)는 노광 파장과 동등한 파장의 광을 이용하는 TTL 관찰현미경 및 광량 검출 수단이다. 현미경의 경우에는, 연직 조명에 의해 상기 차트를 조명해도 되고, 반사광의 콘트라스트를 TTL 관찰현미경 및 광량 검출 수단(AS) 내에 설치된 CCD카메라 등의 촬상 소자를 이용해서 계측해도 된다. 관찰 광원은 노광 광원으로부터 광을 유도해서 형성해도 되고, 또는 별도의 광원을 이용해도 된다.
도 9는 또 다른 구성예이다. 상기 TTL 관찰현미경 및 광량 검출 수단(AS)에 의해 차트를 조명해도 되고, 웨이퍼측 캘리브레이션 센서(IS)에 의해 광량 변화를 검출해도 된다. 이 경우, 상면 위치 계측에는 상기 TTL 관찰현미경 및 광량 검출 수단(AS)내의 TTL 관찰 현미경은 사용하지 않는다.
본 발명의 원리를 효과적으로 적용할 수 있는 구성예이면 어느 것이라도 사용할 수 있음은 물론이다.
상기 실시예에 의하면, 2 파장 노광 방식 등의 복수 파장을 이용한 노광 공정의 실제의 파장 상태에서 투영 광학계의 상면 위치를 매우 정밀하게 계측할 수 있다. 그 결과, 확대된 노광 초점심도 내에서의 상면 위치를 매우 정밀하게 결정할 수 있다. 따라서, 2 파장 노광 방법에 기인한 초점심도 확대 효과를 충분히 활용할 수 있다. 또, 1 파장 노광 방법과 2 파장 노광 방법을 교체가능하게 이용할 수 있고, 그 경우에도, 노광 방법에 따라 메리디오널 방향 패턴과 새지틀 방향 패턴의 양쪽 모두 또는 한쪽만을 자유롭게 선택할 수 있다. 그러므로, 반도체 노광 공정의 요구에 부응하는 최적 노광 방법의 선택성이 확대된다.
다음에, 도 10 및 도 11을 참조해서, 상기 설명한 노광장치를 이용한 디바이스의 제조 방법의 실시예를 설명한다.
도 10은 예를 들면 반도체 칩(예를 들어, IC나 LSI 등), 액정 디바이스 또는 CCD 등의 각종 마이크로디바이스의 제조절차를 설명하기 위한 순서도이다. 여기서는, 반도체 제조를 일례로서 설명한다.
스텝 1은 반도체 디바이스의 회로를 설계하는 회로설계 공정이고, 스텝 2는 설계한 회로패턴에 의거해서 마스크를 작성하는 공정이며, 스텝 3은 실리콘 등의 재료를 이용해서 웨이퍼를 제조하는 공정이다. 스텝 4는 전(前)공정이라 불리는 웨이퍼 프로세스이며, 여기서, 상기와 같이 해서 제작된 마스크와 웨이퍼를 이용해서 리소그래피에 따라 웨이퍼 위에 실제로 회로를 형성한다. 이어서, 스텝 5는 후공정이라고 불리는 조립공정이며, 여기서 스텝 4에서 처리된 웨이퍼를 반도체칩으로 형성하고, 또한, 이 공정은 어셈블리(예를 들면, 다이싱, 본딩) 공정과 패키징(칩봉인) 공정을 포함한다. 스텝 6은 스텝 5에서 작성된 반도체 디바이스에 대해 동작확인시험 및 내구성 시험 등의 검사를 행하는 검사 공정이다. 이들 공정을 통해서, 반도체 디바이스가 완성되어 출하된다(스텝 7).
도 11은 웨이퍼 프로세스의 상세를 설명하는 순서도이다. 스텝 11은 웨이퍼 표면을 산화하는 산화공정이고, 스텝 12는 웨이퍼 표면에 절연막을 형성하는 CVD 공정이고, 스텝 13은 증착에 의해 웨이퍼 위에 전극을 형성하는 전극형성공정이다. 스텝 14는 웨이퍼에 이온을 주입하는 이온주입공정이고, 스텝 15는 웨이퍼에 레지스트(감광재)를 도포하는 레지스트 처리공정이다. 스텝 16은 상기 노광장치를 이용해서 웨이퍼 위에 마스크의 회로 패턴을 노광에 의해 프린트하는 노광공정이다. 스텝 17은 노광된 웨이퍼를 현상하는 현상공정이고, 스텝 18은 현상된 레지스트상 이외의 부분을 제거하는 에칭공정이고, 스텝 19는 에칭 공정 후 웨이퍼에 남아 있는 레지스트재를 박리하는 레지스트 박리공정이다. 이들 공정을 반복함으로써, 웨이퍼 위에 다층의 회로패턴이 형성된다.
상기 설명한 실시예에서는, 본 발명을 주사형 노광장치에 적용하였으나, 본 발명은 스테퍼 등의 동시 노광형 노광장치에도 적용가능하다. 또, 상기 설명한 실시예에 대해서는, 본 발명을 경사 입사 방식의 초점 위치 검출계용의 캘리브레이 션 계측계에 관해서 적용하고 있지만, 실제 디바이스 노광을 위한 초점 위치 검출을 위해서 이용해도 된다. 이 경우, TTL계측계용의 기준 패턴은 피노광 기판의 실제의 소자 패턴에 영향을 주지 않는 위치, 예를 들어 스크라이브 라인(scribe line) 위치와 그에 대응하는 원판의 위치에 형성해도 된다. 또한, 상기 설명한 실시예는 복수 파장의 광원으로서 2 파장 광원을 이용한 예에 관한 것이지만, 본 발명은 3 파장 이상을 지닌 광원을 이용하는 노광장치에도 적용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 복수 파장의 광원을 지닌 노광장치에 의하면, 투영 광학계의 상면위치를 매우 정밀하게 계측할 수 있다.
이상, 본 발명은 본 명세서에 개시된 구성을 참조해서 설명하였으나, 본 발명은 전술한 상세한 설명으로 구속되지 않고, 본 출원은 이하의 청구범위의 범주나 개량의 목적 내에 들어갈 수 있는 그러한 변형이나 변경도 망라하도록 의도되어 있다.

Claims (10)

  1. 광원으로부터의 복수 파장의 노광광으로 원판을 조명하는 조명 광학계;
    상기 원판의 패턴의 상을 기판 위에 투영하는 투영 광학계;
    상기 투영 광학계의 원판 측에 배치된 원판측 기준 패턴;
    상기 투영 광학계의 기판측에 배치된 기판측 기준 패턴; 및
    상기 원판측 기준 패턴을 상기 노광광 또는 상기 노광광과 파장 성분 비율이 등가인 광에 의해 조명해서, 상기 투영 광학계에 의해 상기 원판측 기준패턴의 상을 상기 기판측 기준 패턴 위에 투영하여, 상기 기판측 기준 패턴을 통해 투과되거나 해당 기판측 기준 패턴에 의해 반사된 광량에 의거해서 상기 투영 광학계의 상면위치를 검출하는 상면검출수단을 구비하고,
    상기 상면검출수단이 상기 투영 광학계의 축외 상 높이에서의 상기 상면위치를 검출할 때에 이용하는 상기 원판측 기준 패턴 및 기판측 기준 패턴은 상기 투영 광학계의 새지틀 방향으로 배열된 복수의 슬릿 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 노광장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 투영 광학계의 새지틀 방향으로 배열된 복수의 슬릿 형상의 패턴을 포함하는 제 1 기준 패턴과 상기 투영 광학계의 메리디오널 방향으로 배열된 복수의 슬릿 형상의 패턴을 포함하는 제 2 기준 패턴의 양쪽을 이용해서 상기 상면검출수단에 의한 상기 투영 광학계의 축상 상면위치검출을 수행하여, 상 기 축상 상면위치 검출 결과와 상기 축외 상 높이에서의 상면위치 검출 결과에 의거해서 상기 새지틀 방향의 상면만곡량을 측정하는 새지틀 상면만곡 측정 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 노광장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 투영 광학계의 새지틀 방향으로 배열된 복수의 슬릿 형상의 패턴을 포함하는 제 1 기준 패턴과 상기 투영 광학계의 메리디오널 방향으로 배열된 복수의 슬릿 형상의 패턴을 포함하는 제 2 기준 패턴을 이용해서 상기 상면검출수단에 의한 상기 투영 광학계의 축상 상면위치검출을 수행하고, 상기 축상 상면위치 검출 결과와 상기 축외 상 높이에서의 상면위치 검출 결과에 의거해서 상기 메리디오널 방향의 상면만곡량을 측정하는 메리디오널 상면만곡 측정 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 노광장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 기판의 피노광면에 비스듬하게 계측광을 투영하고, 상기 피노광면으로부터의 반사광의 위치에 의거해서 상기 피노광면의 위치를 검출하는 피노광면 위치검출수단 및 상기 상면검출수단에 의해 계측된 상면위치에 의거해서 상기 피노광면위치검출수단에 의해 검출된 위치를 교정하는 교정 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 노광장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 광원은 상기 복수 파장의 노광광과 단일 파장의 노광광을 교체가능하게 출사하도록 구성되고, 상기 상면검출수단은 상기 투영 광학계의 축외 상 높이에서의 상기 상면위치를 검출할 때에 이용하는 상기 기준 패턴을 상기 광원으로부터 출사된 광에 따라서 교체하도록 구성된 것을 특징으로 하는 노광장치.
  6. 광원으로부터의 복수 파장의 노광광에 의해 원판을 조명하는 조명 광학계 및 상기 원판의 패턴의 상을 기판상에 투영하는 투영 광학계를 갖춘 노광장치에 사용되는, 상기 투영 광학계의 상면위치를 검출하는 상면검출방법에 있어서,
    상기 투영 광학계의 상기 원판 측에 원판측 기준 패턴을 배치하는 단계;
    상기 투영 광학계의 상기 기판측에 기판측 기준 패턴을 배치하는 단계;
    상기 원판측 기준 패턴을 상기 노광광 또는 상기 노광광과 파장 성분비율이 등가인 광에 의해 조명해서, 상기 투영 광학계에 의해 상기 원판측 기준패턴의 상을 상기 기판측 기준 패턴 위에 투영하는 단계; 및
    상기 기판측 기준 패턴을 상기 광축 방향으로 이동시켰을 때 발생되는 상기 기판측 기준 패턴을 통해 투과되거나 또는 해당 기판측 기준 패턴에 의해 반사된 광량의 변화에 의거해서 상기 투영광학계의 상면위치를 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 투영 광학계의 축외 상 높이에서의 상면 위치를 검출하는 데 이용될 상기 원판측 기준 패턴 및 기판측 기준 패턴은 상기 투영 광학계의 새지틀 방향으로 배열된 복수의 슬릿 형상의 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 상면검출방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 상면위치를 검출하는 단계는 상기 투영 광학계의 새 지틀 방향으로 배열된 복수의 슬릿형상의 패턴을 포함하는 제 1 기준 패턴과 상기 투영 광학계의 메리디오널 방향으로 배열된 복수의 슬릿 형상의 패턴을 포함하는 제 2 기준 패턴의 양쪽 모두를 이용해서 상기 투영 광학계의 축상 상면위치 검출을 수행하고, 상기 축상 상면위치검출 결과와 상기 축외 상 높이에서의 상면위치 검출 결과에 의거해서, 상기 새지틀 방향의 상면만곡량을 측정하는 새지틀 상면만곡 측정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상면검출방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 상면위치를 검출하는 단계는 상기 투영 광학계의 새지틀 방향으로 배열된 복수의 슬릿형상 패턴을 포함하는 제 1 기준 패턴과 상기 투영 광학계의 메리디오널 방향으로 배열된 복수의 슬릿 형상의 패턴을 포함하는 제 2 기준 패턴의 양쪽 모두를 이용해서 상기 투영 광학계의 축상 상면위치 검출을 수행하고, 상기 축상 상면위치검출 결과와 상기 축외 상 높이에서의 상면위치 검출 결과에 의거해서 상기 메리디오널 방향의 상면만곡량을 산출하는 메리디오널 상면만곡 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상면검출방법.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 광원은 상기 복수 파장의 노광광과 단일 파장의 노광광을 교체가능하게 출사하도록 구성되고, 상기 투영 광학계의 축외 상 높이에서의 상기 상면위치의 검출에 이용하는 상기 기준 패턴을 상기 광원으로부터 출사된 광에 따라서 교체하는 것을 특징으로 하는 상면검출방법.
  10. 제 1항의 노광장치를 이용해서 기판을 노광하는 공정; 및
    노광된 기판을 현상하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스의 제조 방법.
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