KR20080059037A - 형상측정장치, 형상측정방법, 및 노광장치 - Google Patents

Abstract

피측정물의 표면 형상을 측정하는 형상측정방법은, 광원으로부터의 빛을 측정광과 참조광으로 분할하고, 상기 측정광을 상기 피측정물의 표면에 비스듬히 입사시키고, 상기 참조광을 참조 미러에 입사시키는 것과, 상기 피측정물에서 반사한 상기 측정광과 상기 참조 미러에서 반사한 상기 참조광을 광전변환소자로 인도하는 것과, 상기 측정광과 상기 참조광으로 형성되는 간섭광을, 상기 피측정물을 이동시키면서 상기 광전변환소자로 검출하는 것과, 상기 피측정물의 표면상의 같은 위치에서 반사한 상기 측정광으로부터 얻은 간섭 신호에 근거해, 상기 피측정물의 표면 형상을 취득하는 것을 포함한다.

형상측정, 참조광, 측정광, 광전변환소자, 노광장치

Description

형상측정장치, 형상측정방법, 및 노광장치{SHAPE MEASURING APPARATUS, SHAPE MEASURING METHOD, AND EXPOSURE APPARATUS}

본 발명은, 피측정물의 표면 형상(모양 도는 프로파일)을 측정하는 형상측정장치, 피측정물의 표면 형상을 측정하는 형상측정방법, 및 그 형상측정장치를 갖는 노광장치에 관한 것이다.

형상측정장치와 그 형상측정장치를 갖는 노광장치의 배경 기술로서, 특히, 표면 형상의 측정 정밀도가 어려운 반도체 노광장치의 예를 이용해 설명한다.

포토리소그래피 기술을 이용해 반도체 소자 또는 액정표시소자를 제조할 때에, 레티클에 묘화된 회로 패턴을 투영 광학계에 의해 웨이퍼에 투영해 노광하는 투영 노광장치가 사용되고 있다.

투영 노광장치에 있어서는, 반도체 소자의 고집적화에 수반해, 보다 높은 해상력으로 레티클에 묘화된 회로 패턴을 웨이퍼에 투영 노광하는 것이 요구되고 있다. 투영 노광장치로 전사할 수 있는 최소의 치수(해상도)는, 노광에 이용하는 빛의 파장에 비례하고, 투영 광학계의 개구수(NA)에 반비례한다. 따라서, 노광 광의 파장을 짧게 하면 할수록 해상력은 좋아진다. 이 때문에, 최근에는 파장이 짧은 KrF 엑시머 레이저(파장 약 248nm)나 ArF 엑시머 레이저(파장 약 193nm) 등의 광원이 사용되고 있다. 또한, 액침 노광의 실용화 검토도 진행되고 있다. 또한, 노광 영역의 한층 더한 확대도 요구되고 있다.

이러한 요구를 달성하기 위해서, 대략 정방형 형상의 노광 영역을 웨이퍼에 축소(비례 축소)해 일괄 노광하는 스텝·앤드·리피트 방식의 노광장치("스텝퍼"라고도 불린다. ) 대신에, 스캐너가 주로 사용되고 있다. 스캐너는, 노광 영역을 구형 형상의 슬릿으로서 형상하고, 레티클과 웨이퍼를 상대적으로 고속 주사해, 대화면을 고정밀도하게 노광하는 스텝·앤드·스캔 방식의 노광장치이다.

스캐너에서는, 웨이퍼의 소정의 위치가 노광 슬릿 영역에 도달하기 전에, 광 경사 입사계의 표면 위치 측정장치(포커스 제어용 센서)로, 그 웨이퍼의 소정의 위치에 있어서의 표면 위치를 측정한다. 그리고, 웨이퍼의 측정된 표면 위치에 근거해, 웨이퍼의 소정의 위치를 노광할 때에, 웨이퍼 표면을 최선 결상면에 맞추기 위한 보정을 수행하고 있다.

특히, 노광 슬릿의 긴 방향(즉, 주사 방향과 수직인 방향)을 따라 웨이퍼의 표면 위치의 높이(즉, "포커스")뿐만 아니라, 웨이퍼 표면의 경사(즉, "틸트")도 측정하기 위해서, 노광 슬릿 영역에 복수의 측정점을 설정하고 있다. 이러한 포커스 및 틸트의 측정 방법으로서는, 광학 센서를 사용하는 방법(일본국 공개특허공보 특개평 6－260391호 및 미국특허 제6249351호 참조)이나, 가스 게이지 센서를 사용하는 방법(국제공개 WO2005/022082호의 팜플렛 참조)이나, 정전 용량 센서를 사용 하는 방법 등이 알려져 있다.

그러나, 근래에는 노광 광의 단파장화 및 투영 광학계의 고 NA화가 진행되어, 초점심도가 매우 작아져, 노광해야 할 웨이퍼 표면을 최적의 결상면에 맞추는 만족 정밀도, 소위, 포커스 정밀도를 실현하는 것이 더욱더 어려워지고 있다. 특히, 웨이퍼상의 패턴의 영향이나 웨이퍼에 도포된 레지스트의 두께 불균일에 기인하는 표면 위치 측정장치의 측정 오차를 포함하는 일부 요인이 무시할 수가 없게 되고 있다.

예를 들면, 레지스트의 두께 불균일에 의해, 주변 회로 패턴이나 스크라이브 라인 근방에는, 초점심도와 비교하면 작지만, 포커스 측정에 있어서는 큰 단차가 발생하고 있다. 이 때문에, 레지스트 표면의 경사 각도가 커져, 표면 위치 측정장치가 검출하는 반사광이 반사 및/또는 굴절에 의해 정반사 각도로부터 어긋나게 된다. 또, 웨이퍼상의 패턴의 조밀의 차에 따라, 패턴이 조밀한 영역과 패턴이 엉성한 영역 사이에서는, 반사율에 차이가 생긴다. 이와 같이, 표면 위치 측정장치가 검출하는 반사광의 반사각이나 반가 강도가 변화하기 때문에, 이러한 반사광을 검출함으로써 얻은 신호의 파형에 비대칭성이 발생해 측정 오차를 일으키게 된다.

도 18은, 일본국 공개특허공보 특개평 6－260391호에 개시된 광학 센서를 사용하는 경우에, 반사율에 차이가 있는 웨이퍼 SB상에 측정광(MM)이 조사되어 있는 경우의 개략도다. 이 도면에서, 측정광(MM)은, 각도 A만큼 반사율이 다른 2개의 영역 사이의 경계선에 대해서 기울어져 있고, 측정 방향은 α'로 표시된 방향이 된다. 도 19는, β'로 표시된 방향으로 서로 이격한 3개의 단면, 즉, AA' 단면, BB' 단면, CC' 단면에 있어서의 반사광의 강도 분포를 나타낸다. 도 19와 같이, AA' 단면과 CC'단면에 있어서는, 반사광의 대칭성은 좋지만, 비 반사광은, 반사율이 다른 영역을 포함하는 BB＇면에서 비대칭인 프로파일을 갖는다. 이러한 비대칭의 프로파일은, 반사광의 분포에서 그 중심이 어긋나 있어, 측정 오차를 일으키게 된다. 이것에 의해, 웨이퍼 표면을 고정밀하게 측정할 수 없어, 큰 디포커스를 일으켜, 칩 불량을 발생시키게 된다.

도 15는, 미국특허 제 6249351호에 기재된, 기판에 비스듬히 빛을 조사하고, 그 간섭 신호에 근거하여 기판의 형상을 측정하는 형상측정장치를 나타낸다. 이 형상측정장치는, 광원(101), 렌즈(103), 빔 스플리터(105), 참조 미러(130), 구동 기구(397), 회절 격자형 빔 콘바이너(170), 렌즈 171, 173 및 촬상소자(190)를 포함한다. 광원(101)으로부터의 광대역 광(백색광)을 렌즈(103)에 의해 빔 스플리터(105)로 인도해, 참조광과 측정광으로 분할한다. 참조광은 참조 미러(130)에 의해 반사되고, 측정광은 샘플로서의 웨이퍼(360)에 의해 반사된다. 그러한 반사된 빛이 회절 격자형 빔 콘바이너(170)에 의해 함께 결합된다. 참조광과 측정광은 서로 간섭하고, 그 간섭광은, 렌즈 171 및 173에 의해, 촬상소자(190)로 인도된다.

이 형상측정장치에 있어서도, 웨이퍼(360)의 회로 패턴의 영향으로, 표면 형상을 오측정하는 문제가 있다. 도 16, 도 17a, 및 도 17b를 이용해, 이 문제를 상세하게 설명한다.

도 16은, 도 15의 형상측정장치에서, 구동 기구(397)에 의해, 웨이퍼 표면에 수직인 방향으로 웨이퍼(360)를 이동시켰을 경우에 얻은 소위 "백색 간섭 신호"의 강도를 나타낸 것이다. 도 16의 케이스 1의 신호는, 도 17a에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼(360)상에 패턴이 없고, 레지스트만 도포된 구조를 갖는 웨이퍼(360)를 측정했을 경우를 나타낸다. 한편, 도 16의 케이스 2의 신호는, 도 17b에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼(360)상에 패턴이 형성되어 있고, 그 패턴에 레지스트가 도포된, 보다 일반적인 구조의 웨이퍼(360)를 측정했을 경우를 나타낸다.

도 16을 보면, 케이스 1의 신호에 비해, 케이스 2의 신호는, 웨이퍼(360)상의 패턴의 영향을 받아, 간섭 신호에 일부 일그러짐이 발생하고 있다. 이 간섭 신호의 일그러짐은, 도 17b에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼(360)의 표면에 비스듬하게 빛을 조사하고, 그 웨이퍼 표면으로부터의 반사광을 수광하는 도 15의 형상측정장치의 특정 방식에 기인한다. 좀더 구체적으로, 웨이퍼(360)를, 웨이퍼(360)의 표면에 수직인 방향으로 주사하면, 웨이퍼(360)상의 측정광의 조사 위치가 어긋나 웨이퍼(360)상의 측정점이 변화한다. 그 때문에, 웨이퍼상의 회로 패턴의 영향으로 반사광의 강도가 변화하고, 정확한 간섭 신호를 얻을 수 없다. 도 17a 및 17b에 나타낸 광선은, 레지스트 표면을 투과해 웨이퍼 표면에서 반사되는 빛만을 나타내고 있다. 도 16의 케이스 2의 경우는, 반사율이 부분적으로 높아지기 때문에, 백색 간섭 신호의 피크 위치가 변화하고, 결국, 웨이퍼의 형상 프로파일을 측정함으로써 얻은 값에 오차를 발생시키게 된다.

또, 국제공개 WO2005/022082의 팜플렛에 가재된 것과 같은 가스 게이지 센서를 사용하는 방법은, 가스에 혼합된 미소한 파티클을 웨이퍼쪽으로 분사한다고 하는 문제가 있다. 또 다른 문제로서, 이 방법은, EUV(Extreme Ultraviolet) 노광장치 등, 진공 중에서 동작하는 노광장치에서는, 가스에 의해 진공도를 떨어뜨리기 때문에 사용될 수 없다.

본 발명은, 측정장치, 형성측정방법, 및 노광장치를 지향한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 피측정물의 표면의 반사율 분포의 영향을 저감 하고, 고정밀도하게 피측정물의 표면 형상을 측정할 수 있는 형상측정방법이 제공된다.

본 발명의 일 측면에 따른, 피측정물의 표면 형상을 측정하는 형상측정방법은, 광원으로부터의 빛을 측정광과 참조광으로 분할하고, 상기 측정광을 상기 피측정물의 표면에 비스듬하게 입사시키고, 상기 참조광을 참조 미러에 입사시키는 것과, 상기 피측정물에서 반사한 상기 측정광과 상기 참조 미러에서 반사한 상기 참조광을 광전변환소자로 인도하는 것과, 상기 측정광과 상기 참조광으로 형성되는 간섭광을, 상기 피측정물을 이동시키면서 상기 광전변환소자로 검출하는 것과, 상기 피측정물의 표면상의 같은 위치에서 반사한 상기 측정광으로부터 얻은 간섭 신호에 근거해, 상기 피측정물의 표면 형상을 측정하는 것을 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 피측정물의 표면 형상을 측정하도록 구성된 형상측정장치가 제공된다. 상기 장치는, 광원으로부터의 빛을 측정광과 참조광으로 분할하고, 상기 측정광을 상기 피측정물의 표면에 비스듬하게 입사시키고, 상기 참조광을 참조 미러에 입사시키도록 구성된 송광 광학계와, 상기 피측정물에서 반사한 상기 측정광과 상기 참조 미러에서 반사한 상기 참조광을 광전변환소자로 인도하도록 구성된 수광 광학계와, 상기 피측정물을 이동시키도록 구성된 구동 기구를 구비한다. 상기 광전변환소자는, 상기 피측정물이 이동하고 있는 동안에, 상기 측정광과 상기 참조광으로 형성되는 간섭광을 검출한다. 상기 피측정물의 표면상의 같은 위치에서 반사한 상기 측정광으로부터 얻은 간섭 신호에 근거해, 상기 피측정물의 표면 형상을 측정한다.

본 발명의 또 다른 목적 및 특징들은, 이하, 첨부 도면을 참조해 설명되는 바람직한 실시 예에 의해 밝혀진다.

이하, 첨부 도면을 참조해, 본 발명의 매우 바람직한 실시 예에 대해 설명한다. 덧붙여 각 도면에 있어서, 동일한 부재에 대해서는 동일한 참조 번호를 교부해, 중복하는 설명은 생략한다.

[제 1 예시적인 실시 예]

도 1은, 본 발명의 제 1 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치(200)를 나타내는 개략도이다. 이 형상측정장치(200)는, 피측정물인 기판(6)의 표면 형상, 즉 XY면 내의 각 측정점에서의 높이 정보(Z위치)를 계측한다. 또, 이 형상측정장치(200)는, XY면 내의 소정 영역의 평균적인 높이와, 평균적인 틸트 정보(ωx,ωy)를 계측한다. 더욱, 기판(6)상에 복수의 박막이 형성되어 있는 경우에는, 이 형상측정장치(200)는 최상면의 박막의 표면, 인접하는 박막의 계면, 및 기판(6) 자체의 표면 중 어느 것인가의 높이 정보를 계측한다.

이 형상측정장치(200)는, 송광 광학계, 스테이지계, 수광 광학계, 및 데이터 처리계로 구성된다.

이 송광 광학계는, 광원(1)과, 광원(1)으로부터 방출된 빛을 집광하는 콘덴서 렌즈(2)와, 기판(6)에 평행광을 조사시키기 위한 핀홀(3) 및 렌즈 4와, 빛을 분기시키기 위한 빔 스플리터 5a를 포함한다. 광원(1)은, 넓은 파장 폭을 갖는 광대역의 빛을 방출하는 LED(소위 백색 LED를 포함) 또는 할로겐 램프이다. 빔 스플리터 5a는, 광원(1)으로부터의 광대역 빛을 복수의 광속으로 분할한다.

스테이지계는, 피측정물(기판; 6)을 보유하는 기판 척(CK)과, 피측정물의 위치를 위치 맞춤(정확히 맞추다)하는 구동 기구로 구성된다. 구동 기구는, Z스테이지(8), Y스테이지(9), 및 X스테이지(10)를 포함한다.

수광 광학계는, 빔 스플리터(5b)와, CCD나 CMOS 센서 등의 촬상소자(광전변환소자; 14)와, 기판(6)의 표면을 촬상소자(14)에 결상시키기 위한 렌즈 11 및 13으로 구성되는 결상 광학계와, 개구 조리개(12)로 구성된다. 빔 스플리터 5b는, 참조 미러(7)에서 반사한 빛과 기판(6)에서 반사한 빛을 결합시킨다.

데이터 처리계는, 처리부(50), 데이터 보존용의 기억부(51), 측정 결과 및 측정 조건을 표시하는 표시장치(52)로 구성된다.

이하, 제 1 예시적인 실시 예에 있어서의 각 구성요소의 기능을 상세히 설명한다. 도 1에 있어서, 광원(1)으로부터 방출된 빛은, 콘덴서 렌즈(2)에 의해 핀홀(3)에 집광되어, 렌즈(4)를 통해서 평행광으로 정형된다. 평행광으로 정형된 광속은, 기판(6)에 입사각도 θ로 입사한다. 그 평행광의 광로의 도중에는, 빔 스플리터 5a가 배치되어 있기 때문에, 총 광량의 거의 절반의 광속은, 빔 스플리터 5a 에 의해 반사되어, 참조 미러(7)에 기판(6)과 같은 입사각도 θ로 입사한다.

여기서, 광원(1)으로부터 방출된 빛은, 400nm 내지 800nm의 파장 대역을 갖는 것이 바람직하다. 단, 방출된 빛의 파장 대역은, 이 범위에 한정되지 않고, 100nm이상의 범위로 설정될 수도 있다. 기판(6)상에 레지스트가 도포되어 있는 경우에는, 레지스트의 감광을 막기 위해서, 자외선(350nm 이하)의 파장의 빛을, 기판(6)에는 조사하지 않는 것이 바람직하다. 빛의 편광 상태는, 무편광 또는 원형의 편광 상태로 설정되어 있다. 기판에의 빛의 입사각도 θ가 커지면, 기판(6)상의 박막 표면으로부터의 반사율이, 박막의 이면으로부터의 반사율에 비해서, 상대적으로 강해진다. 그러므로, 박막 표면의 형상을 측정하는 경우에는, 입사각도 θ가 가능한 한 크게 설정되는 것이 바람직하다. 한편, 입사각도 θ가 90도 근처가 되면, 광학계의 조립이 어려워진다. 이 때문에, 실제의 예에서는, 70도 내지 85도의 범위로 입사각도 θ가 설정되는 것이 바람직하다.

빔 스플리터 5a로서는, 금속막이나, 유전체 다층막 등을 스플리트막(splitting film)으로서 사용한 큐브형의 빔 스플리터를 사용할 수가 있다. 1㎛ 내지 5㎛의 두께를 갖는 박막(SiC나 SiN 등)으로 구성되는 펠리클(pellicle)형 빔 스플리터를 빔 스플리터 5a로서 사용할 수도 있다.

빔 스플리터 5a를 투과한 빛은, 기판(6)에 조사되고, 기판(6)으로부터 반사한 빛("측정광"이라고 부르기로 한다)은, 빔 스플리터 5b에 입사한다. 한편, 빔 스플리터 5a에서 반사한 빛은, 참조 미러(7)에 조사되고, 참조 미러(7)로부터 반사한 빛("참조광"이라고 부른다)은, 빔 스플리터 5b에 입사한다. 참조 미러(7)로서는, 면 정밀도가 10nm 내지 20nm인 알루미늄 평면 미러나, 같은 면 정밀도를 갖는 유리 평면 미러 등을 사용할 수 있다.

기판(6)에서 반사한 측정광과 참조 미러(7)에서 반사한 참조광은, 빔 스플리터 5b에 의해 합성되고, 간섭광으로서 촬상소자(14)에 의해 검출된다. 빔 스플리터 5b는, 빔 스플리터 5a와 같은 것으로 형성될 수가 있다. 합성된 광의 광로의 도중에는, 렌즈 11, 13 및 개구 조리개(12)가 배치되어 이하의 기능을 담당한다. 즉, 렌즈 11 및 13은, 양측 텔레센트릭(telecentric) 결상 광학계(16)를 형성한다. 이 결상 광학계(16)에 관해서, 기판(6)과 촬상소자(14)의 수광면이 샤임플러그(Scheimpflug)의 관계를 이루도록 구성되어 있다. 이것에 의해, 기판(6)의 표면이, 촬상소자(14)의 수광면에 결상하게 된다. 결상 광학계(16)의 동공 위치에 배치한 개구 조리개(12)는, 결상 광학계(16)의 개구수(NA)를 규정하는 역할을 하고 있어, NA는 sin(0.5°)이상 sin(5°)이하의 범위의 매우 작은 값으로 설정되어 있다. 촬상소자(14)의 수광면에서는, 측정광과 참조광이 겹쳐, 빛의 간섭이 생김으로써, 간섭 줄무늬가 형성된다.

계속해서, 제 1 예시적인 실시 예의 중요한 포인트가 되는 간섭 신호의 취득 방법에 대해 설명한다. 도 1에 있어서, 기판(6)은 기판 척(CK)에 의해 유지되고, Z스테이지(8), Y스테이지(9), 및 X스테이지(10)상에 설치되어 있다. 도 6과 같은 백색 간섭 신호를 촬상소자(14)에서 얻기 위해서, Z스테이지(8) 및 Y스테이지(9)를 구동시킨다. 이때, 기판(6)으로부터의 반사광이 진행되는 방향(즉, 입사각도 θ과 동일한 각도로 빛이 반사되는 방향)으로 기판(6)이 이동하도록 Z스테이지(8)와 Y스 테이지(9)를 동시에 구동시킨다. 즉, Z스테이지 구동량 Zs와 Y스테이지 구동량 Ys가, 항상 Ys/Zs=tanθ의 관계를 충족하도록 Z스테이지(8)와 Y스테이지(9)를 구동시킨다. 기판(6)상의 각 반사점에 대응하는 촬상소자(14)의 각 화소의 광 강도를 기억부(51)에 기억한다. 덧붙여, 기판(6)의 측정 영역을 변경시키는 경우에는, X스테이지(10) 및 Y스테이지(9)를 구동시켜, 기판(6)의 소망한 영역이 촬상소자(14)의 수광 영역과 위치 맞춤하도록 이동한 후에, 상술의 측정을 행하고 있다. 덧붙여 X스테이지(10), Y스테이지(9), 및 Z스테이지(8)의 위치를 고정밀하게 제어하기 위해서, 5개의 간섭계를 3개의 X, Y, Z축 및 2개의 틸트 축 ωy,ωy에 대하여 1대1 관계로 설치하고, 그 간섭계의 출력에 의거해서 클로즈드(closed) 루프 제어를 실행한다. 그렇게 하면, 보다 형상 측정의 정밀도를 증가시킬 수가 있다. 특히, 기판(6)을, 복수 영역으로 나누고, 기판(6) 전체의 형상을 측정해야 하는 경우에는, 간섭계를 사용하는 편이, 보다 정확하게 복수의 형상 데이터를 스티치(stitch)할 수 있다.

계속해서, 촬상소자(14)에 의해 측정되어 메모리에 기억되는 백색 간섭 신호를 신호 처리해, 기판(6)의 형상을 얻는 방법에 대해 설명한다. 촬상소자(14)의 어떤 특정 화소에서 얻은 백색 간섭 신호를 도 6에 나타낸다.

이 백색 간섭 신호는 인터페로그램(interferogram)이라고도 불리고 있다. 도 6에 있어서, 횡축이 Z스테이지 및 Y스테이지 구동 후의 Z축 측장 간섭계에 의한 측정치를 나타내고, 종축이 촬상소자(14)의 출력을 나타낸다. 덧붙여, 측장 센서로서는, 간섭계 대신에, 정전 용량 센서를 이용해도 좋다. 백색 간섭 신호의 피크 위치 를 산출해, 이 피크 위치에 대응한 Z축 측장 간섭계에 의한 측정치를 결정함으로써, 높이 측정치를 얻는다. 촬상소자(14)의 모든 화소로 높이를 측정하는 것으로, 기판(6)의 3차원 형상 측정이 가능해진다. 신호 피크 위치는, 신호 피크 위치 및 그 전후의 몇 점의 데이터에 근거해 곡선(예를 들면 2차 함수)을 이용한 근사에 의해 산출될 수 있다. 이러한 근사에 의해, 도 6의 횡축인 Z축의 샘플링 피치 Zp의 1/10 이상 1/50 이하의 범위의 분해능에서 신호 피크 위치의 산출이 가능하다. 실제로, 샘플링 피치 Zp는, Zp의 등 피치로 Z스테이지를 단계적으로 구동시킴으로써(동시에 Y스테이지도 단계적으로 구동시키면서) 실현될 수 있다. 그렇지만, 측정 속도를 증가시키기 위해서는, Z스테이지의 구동속도를 Zsp, Y스테이지의 구동속도를 Ysp로 하고, Ysp/Zsp=tanθ(θ는 입사각도)의 관계를 유지하면서 등속도로 Z스테이지와 Y스테이지가 구동시키는 것이 바람직하다. 그때, 촬상소자(14)의 출력의 취득 타이밍에 동기해, Z축 측장 간섭계의 출력(Z위치)을 취득한다.

신호 피크 위치는, 공지의 기술 중 하나인 FDA법(참조：미국특허 제5398113호)에 의해 측정될 수 있다. FDA법에서는, 푸리에 스펙트럼의 위상 구배를 이용해 콘트라스트의 피크 위치를 결정하고 있다.

이와 같이, 이 측정 방식에 있어서는, 그 분해능과 정밀도를 결정하는 열쇠는, 참조광과 측정광 간의 광로 길이 차가 0(제로)가 되는 위치를 얼마나 정확하게 얻는가에 있다. 가능한 한 높은 정밀도를 달성하기 위해서, FDA법 이외에도, 위상 시프트법이나 푸리에 변환법에 의해 백색 간섭 줄무늬의 포락선을 결정해 줄무늬 콘트라스트의 최대 위치로부터 광로 차의 제로점을 얻는 방법이나, 위상 크로스법 등, 다른 다양한 방법이 제안되어 있다.

이 신호 처리를, 처리부(50)에 의해 행하여, 기판(6)의 표면 형상을 나타내는 데이터를 취득한다. 이 취득한 형상 데이터를 기억부(51)에 보존하고, 그 형상 데이터를 표시장치(52)에 표시하고 있다.

계속해서, 제 1 예시적인 실시 예의 효과를, 도 2를 이용해 설명한다. 도 2는, 도 1의 형상측정장치의 일부를 확대 표시한 것이다. 도 2에 있어서는, Z축 측장 간섭계에 의해 측정되는 기판(6)의 표면에 3개의 측정점 A1, B1, C1이 존재하고, 그 측정점에 대응하는 측정점의 3개의 상 A, B, C가 촬상소자(14)에 존재한다. 또, 도 2는, Z스테이지가, Z좌표 Z1의 위치로부터, Z좌표 Z2의 위치로 이동하도록 구동되었을 경우의 기판(6) 위의 측정점 A1, B1, C1의 각 위치를 나타내고 있다. 이와 같이, 빛이 기판(6)에서 반사되는 방향과 평행하게 Z스테이지 및 Y스테이지를 구동시키는 것으로, 기판 위의 측정점과 촬상소자(14) 위의 측정점의 상(像)과의 위치 관계가 변경되지 않는다. 이 특징에 의해, Z스테이지가 구동했을 경우의 기판(6) 위의 패턴 분포(즉, 반사율 분포)의 영향을 받지 않는 측정이 가능해진다.

[제 2 예시적인 실시 예]

계속해서, 본 발명의 제 2 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치(200)에 대해 상세하게 설명한다. 도 3은, 본 발명의 또 다른 측면(제 2 예시적인 실시 예)에 따른 형상측정장치(200)를 나타내는 개략도이다.

제 2 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치(200)는, 송광 광학계, 스테이지계, 수광 광학계, 및 데이터 처리계로 구성된다. 송광 광학계는, 광원(1)과 콘덴서 렌즈(2)를 포함한다. 게다가, 송광 광학계는, 슬릿판(30)과, 렌즈 4 및 23으로 구성되는 결상 광학계(24)와, 개구 조리개(22)와, 빔 스플리터 5a를 포함한다.

스테이지계는, 피측정물로서의 기판(6)을 유지하는 기판 척(CK)과 Z스테이지(8), Y스테이지(9), 및 X스테이지(10)를 포함하는 구동기구로 구성된다.

수광 광학계는, 빔 스플리터 5b와, 촬상소자(14)와, 기판(6)의 표면을 촬상소자(14)에 결상시키기 위한 렌즈 11 및 13으로 구성되는 결상 광학계와, 개구 조리개(12)로 구성된다.

데이터 처리계는, 처리부(50), 데이터 보존용의 기억부(51), 측정 결과 및 측정 조건을 표시하는 표시장치(52)로 구성된다.

이하, 제 2 예시적인 실시 예에 있어서의 각 구성요소의 기능에 대해 상세하게 설명한다. 도 3에 있어서, 광원(1)으로부터 방출한 빛은, 콘덴서 렌즈(2)에 의해 슬릿판(30) 위에 집광된다. 슬릿판(30)에는, 50㎛의 슬릿 폭과 X축 방향으로의 길이 700㎛의 구형 형상의 투과(슬릿) 영역이 있어, 결상 광학계(24)에 의해 기판(6) 및 참조 미러(7) 위에 구형 형상의 상이 결상된다. 결상 광학계(24)를 투과하는 빛의 주 광선은, 기판(6)에 입사각도 θ로 입사한다. 그 결상 광학계(24)의 광로의 도중에는, 빔 스플리터 5a가 배치되어 있기 때문에, 총 광량의 거의 절반의 광선은, 빔 스플리터 5a에 의해 반사되어, 참조 미러(7)에, 기판(6)과 같은 입사각도 θ로 입사한다.

빔 스플리터 5a를 투과한 빛은, 기판(6)에 조사되고, 기판(6)으로부터 반사한 빛("측정광"이라고 부르기로 한다)은, 빔 스플리터 5b에 입사한다. 한편, 빔 스 플리터 5a에서 반사한 빛은, 참조 미러(7)에 조사되고, 참조 미러(7)로부터 반사한 빛("참조광"이라고 부른다)은, 빔 스플리터 5b에 입사한다. 여기서, 광원(1), 빛의 편광 상태, 입사각도 θ, 빔 스플리터, 참조 미러 등은 제 1 예시적인 실시 예와 같아서, 그 구성요소의 상세한 설명은 생략한다.

기판(6)에서 반사한 측정광과 참조 미러(7)에서 반사한 참조광은, 빔 스플리터(8)에 의해 합성되어, 모두 촬상소자(14)에 의해 검출된다. 빔 스플리터 5b는, 빔 스플리터 5b는 빔 스플리터 5a와 같은 것으로 형성될 수가 있다. 합성된 빛의 광로의 도중에는, 렌즈 11, 13 및 개구 조리개(12)가 배치되어 있어, 이하의 기능을 담당한다. 렌즈 11 및 13은, 양측 텔레센트릭 결상 광학계(16)를 구성하여, 기판(6)의 표면이, 촬상소자(14)의 수광면에 결상하게 된다. 따라서, 제 2 예시적인 실시 예에서는, 슬릿판(30)의 투과 영역(슬릿)이, 결상 광학계(24)에 의해 슬릿 상 30i으로서 기판(6) 및 참조 미러(7)상에 결상하고, 더욱, 결상 광학계(16)에 의해 촬상소자(14)에 재결상한다.

결상 광학계(16)의 동공 위치에 배치한 개구 조리개(12)는, 결상 광학계(16)의 개구수(NA)를 규정하는 역할을 하고 있어, NA는 sin(0.5°) 이상 sin(5°) 이하의 범위의 매우 작은 값으로 설정되어 있다. 촬상소자(14)의 수광면에서는, 측정광과 참조광이 겹쳐, 빛의 간섭이 생긴다.

이하, 간섭 신호의 취득 방법과 간섭 신호의 처리 방법에 관해서는, 제 1 예시적인 실시 예에서 설명한 방법을, 그대로 적용할 수 있으므로, 여기에서는, 그 방법의 설명은 생략한다.

제 2 예시적인 실시 예에서는, 슬릿판(30)의 투과가능한 슬릿 영역에 빛을 집중시키고 있기 때문에, 제 1 예시적인 실시 예에 비해 광강도의 밀도가 높아, S/N비가 높은 형상 측정이 가능해진다. 제 2 예시적인 실시 예는, 광속마다의 측정가능한 영역이 투과가능한 슬릿 영역에 한정되기 때문에 제 1 예시적인 실시 예의 것보다 좁다고 하는 단점이 있지만, 이 제 2 예시적인 실시 예는, 기판(6)상의 측정점이 비교적 작은 면적을 갖고, 이산적으로 배치되어 있는 경우에는, 효과적이다. 기판(6) 위의 복수의 영역의 형상을 측정하는 경우에는, 제 1 예시적인 실시 예와 같이, X스테이지 및 Y스테이지를 구동해 기판(6)상의 소망의 영역에 투과가능한 슬릿 영역을 위치 맞춤한 후에, 간섭 신호의 취득 및 처리 동작을 행한다.

[제 3 예시적인 실시 예]

계속해서, 본 발명의 제 3 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치(200)에 대해 설명한다. 도 4는, 본 발명의 또 다른 측면(제 3 예시적인 실시 예)에 따른 형상측정장치(200)를 나타내는 개략도이다.

제 3 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치(200)의 구성은, 제 2 예시적인 실시 예와 같기 때문에, 그 설명은 생략한다. 제 1 및 제 2 예시적인 실시 예에서는, 간섭 신호 취득시에, 기판(6)에 의해 빛이 반사되는 방향과 평행하게 기판(6)을 이동시키도록 Z스테이지 및 Y스테이지를 구동한다. 한편, 제 3 예시적인 실시 예에서는, 간섭 신호 취득시에는, Z스테이지만을 구동(즉, 기판(6)의 표면에 대해서 수직으로 기판 척(CK)을 구동)한다.

도 5a는, 도 4의 형성측정장치의 일부의 확대도이다. 기판(6)에의 빛의 입사 각도를 θ로 한다. 만약 기판(6)상의 측정점 P에 주목했을 경우에, Z스테이지를 거리 Z1만큼 구동시켰을 경우의 측정점 P(초기 위치를 P1로 하고, Z방향으로의 구동 후를 P2로 하고 있다)로부터의 반사광은, 거리 Z1sinθ만큼 시프트하게 된다. 촬상소자(14)의 수광면(초기 위치에 있어서의 측정점 P1의 상 위치를 P1'로 하고, Z방향으로의 구동 후의 측정점 P2의 상 위치를 P2'로 하고 있다)에서는, 결상 광학계(16)의 배율 M과 상기 시프트를 곱해서 얻은 거리 M·Z1sinθ만큼 반사광을 시프트한다. 이와 같이, 입사각도 θ와 결상 광학계(16)의 배율 M를 이용하는 것으로, Z스테이지의 구동에 수반해 이동하는 촬상소자(14)상에서의 측정점 상(像)의 궤적을 결정할 수가 있다. 즉, 거리 Z1만큼의 스테이지의 구동에 따라 백색 간섭 신호를 생성할 때에 선택된 화소를 순차 시프트시켜서, 기판(6)의 표면상의 동일 측정점 P로부터 백색 간섭 신호를 취득할 수 있게 된다. 도 7b는 촬상소자(14)의 수광면 위의 상(像)을 나타낸 것이다. 도 7b에 나타낸 바와 같이, 촬상소자(14) 위에는, 참조광의 슬릿 상 30r과 측정광의 슬릿 상 30m이 대략 서로 겹쳐 있어, 슬릿 상 30m 내에는 측정점 P의 상 P'가 존재한다. 또한, 측정점 P의 상 P'는 도 7b에 나타낸 바와 같이, 기판(6)이 Z방향으로 이동할 때, 슬릿 상 30m과 동시에 β방향으로 이동한다. 한편, 참조광의 슬릿 상 30r는 부동이다.

도 7a는, 제 3 예시적인 실시 예로 얻은 백색 간섭 신호를 나타내는 차트이다. 제 3 예시적인 실시 예에서는, 도 7b에 나타낸 측정점의 상 P'가 존재하는 복수의 화소로부터의 신호를, 기판(6)의 Z방향으로의 이동에 동기시켜 순차 취득하는 것으로, 도 7a에 나타낸 백색 간섭 신호를 취득하고 있다. 구체적으로는, Z축 방향 의 샘플링 피치 Zp에 대해서, 거리 M·Zpsinθ만큼 β방향으로 시프트한 위치에 있어서의 각 화소의 광 강도를 순차 취득한다. 그렇게 함으로써, 피측정물인 기판(6)의 표면에 대해서 비스듬하게 측정광을 입사시키는 광학 구성에도 불구하고, 기판(6)상의 동일 측정점으로부터 백색 간섭 신호를 얻을 수 있다. 제 3 예시적인 실시 예에서는, Z축 방향의 샘플링 피치 Zp에 대응하는 측정점의 촬상소자(14)상에서의 변위량을, 촬상소자(14)의 β방향의 화소 피치 Gp에 맞추도록 설정되어 있다. 즉, Gp=｜M｜·Zpsinθ의 관계를 충족하도록, 화소 피치 Gp, 결상 광학계(16)의 배율 M, 입사각도θ, 및 Z축 방향의 샘플링 피치 Zp를 결정하고 있다. 수치 예로 설명하면, 화소 피치 Gp=4㎛를 갖는 촬상소자를 사용하고, 입사각도θ를 80도로 하며, 결상 광학계(16)의 배율 M를 -40로 하고, Z축 방향의 샘플링 피치 Zp를 102nm로 하고 있다. 제 1 예시적인 실시 예에서도 설명한 것처럼, Z스테이지를 등속도로 구동시켜, 촬상소자(14)의 화상 취득의 샘플링에 동기해 Z축 측장 간섭계의 측정치를 취득하는 편이, 스루풋의 관점에서 더 유리하다. 그러한 경우, 촬상소자(14)의 화상 취득의 샘플링의 주기를 10msec로 했을 경우, 102nm/10msec = 10㎛/sec의 등속도로 Z스테이지를 구동하면서 화상을 취득하게 된다. 더욱, 샘플링마다, β방향으로 1화소에 대응하는 거리만큼 시프트한 각 화소의 휘도(광 강도)를, Z축 측장 간섭계의 측정치와 대응시켜 기억부에 기억시킨다. 백색 간섭 신호의 취득 후의 처리 방법에 관해서는, 제 1 예시적인 실시 예에 기재된 방법을, 그대로 적용할 수 있으므로, 그 설명은 생략한다.

더욱, 제 3 예시적인 실시 예에 있어서는, 스테이지의 주사 방향은 Z방향에 한정되는 것은 아니고, Z축으로부터φ만큼 기울어진 방향으로 기판을 주사할 수도 있다. 이 구성 예를 도 5a 및 도 5b를 참조하면서 설명한다. 도 5b는, 도 5a에 나타낸 기판(6)의 부분의 확대도를 나타내는 것이다. 여기에서는, 기판(6)으로부터 빛이 반사하는 방향을 각도 θ로 하고(기판(6)에의 빛의 입사각 θ와 동일), Z스테이지 및 Y스테이지를 사용해 도 5b의 화살표로 나타낸 방향으로, 기판(6)을 주사하는 경우를 생각한다. 만일, 기판(6)상의 측정점 P에 주목했을 경우, Z스테이지를 거리 Z1만큼 구동시켰을 때, 기판(6)상에 있어서의 같은 측정점 P로부터의 반사광은, 초기의 위치로부터 거리 Z1·sin(θ-φ)/cosφ만큼 시프트하게 된다. 따라서, 촬상소자(14)의 수광면에서는, 결상 광학계(16)의 배율 M과 상기 거리를 곱해서 얻은 거리 M·Z1·sin(θ-φ)/cosφ만큼 반사광을 시프트한다. 이와 같이, 입사각도 θ, 결상 광학계(16)의 배율 M, 및 주사방향 φ을 이용하는 것으로, Z스테이지 및 Y스테이지의 구동에 의존해 이동하는 촬상 소자(14)상에서의 측정점 상(像)의 궤적을 결정할 수가 있다. 즉, 거리 Z1만큼의 Z 스테이지의 구동에 따라, 백색 간섭 신호를 생성할 때에 사용하는 화소를 순차 시프트시키는 것으로, 기판(6)의 표면상의 동일 측정점 P로부터 항상 백색 간섭 신호를 취득할 수 있게 된다.

[제 4 예시적인 실시 예]

도 8은, 본 발명의 제 4 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치를 구비한 노광장치를 나타낸 블럭도이다. 제 4 예시적인 실시 예에 따른 노광장치는, 조명장치 800-801과, 레티클(마스크; 31)을 탑재하는 레티클 스테이지(RS)와, 투영 광학계(32)와, 웨이퍼(기판; 6)를 탑재하는 웨이퍼 스테이지(WS)와, 포커스 제어용 센 서(33)와, 형상측정장치(200)를 포함한다. 또, 웨이퍼 스테이지(WS)상에는, 기준 플레이트(39)가 배치되어 있다. 이 노광장치는, 포커스 제어용 센서(33)의 처리부 400과 형상측정장치(200)의 처리부 410을 더 구비한다.

형상측정장치(200)는, 제 1 내지 제 3 예시적인 실시 예의 어느 것이든 이용할 수가 있다. 덧붙여, 포커스 제어용 센서(33)와 형상측정장치(200)는, 모두 웨이퍼(6)의 형상을 측정하는 기능을 갖지만, 이하의 특징도 갖는다. 포커스 제어용 센서(33)는, 응답성이 빠르지만, 웨이퍼 패턴에 의한 영향을 더 많이 받는 센서이다. 형상계측장치(200)는 응답성이 늦지만, 웨이퍼 패턴에 의한 영향을 덜 받는 센서이다.

제어부(1100)는, CPU 및 메모리를 포함한다. 제어부(1100)는, 조명장치 800-801, 레티클 스테이지(RS), 웨이퍼 스테이지(WS), 포커스 제어용 센서(33), 및 형상측정장치(200)에 전기적으로 접속되어, 노광장치의 동작을 제어한다. 제어부(1100)는, 제 4 예시적인 실시 예에서는, 포커스 제어용 센서(33)가 웨이퍼(6)의 표면 위치를 검출할 때의 측정치의 보정 연산 및 필요한 제어도 실행한다. 참조번호 1000은, 제어부(1100)로부터의 지령에 따라 웨이퍼 스테이지(WS)의 구동 프로파일을 제어하는 기능을 갖는 웨이퍼 스테이지(WS) 제어부를 나타낸다.

조명장치 800-801은, 전사용의 회로 패턴이 형성된 레티클(31)을 조명하도록 구성된 광원부(800)와 조명 광학계(801)를 포함한다.

광원부(800)는, 예를 들면, 레이저로 구성된다. 레이저는, 파장 약 193nm의 ArF 엑시머 레이저 또는 파장 약 248nm의 KrF 엑시머 레이저 등일 수가 있다. 광원 의 사용가능한 종류는, 엑시머 레이저에 한정되지 않는다. 예를 들면, 파장 약 157nm의 F2 레이저나 파장 20nm이하의 EUV(Extreme　Ultraviolet) 광을 사용해도 괜찮다.

조명 광학계(801)는, 광원부(800)로부터 방출된 광속을 이용해 피조명면을 조명하도록 구성된 광학계이다. 제 4 예시적인 실시 예에서는, 광속을 노광에 최적인 소정의 형상을 갖는 노광 슬릿으로 성형해, 레티클(31)에 조명한다.

레티클(31)은, 원판이며, 이 레티클 위에는 전사되어야 할 회로 패턴이 형성되어 있고, 이 레티클은, 레티클 스테이지(RS)에 지지되고, 레티클 스테이지에 의해 구동된다. 레티클(31)로부터의 회절광은, 투영 광학계(32)를 지나, 웨이퍼(6)상에 투영된다. 레티클(31)과 웨이퍼(6)는, 광학적으로 공역의 관계로 배치된다. 레티클(31)과 웨이퍼(6)를 축소 배율비에 대응하는 속도비로 주사함으로써 레티클(31)상의 회로패턴을 웨이퍼(6)상에 전사한다. 덧붙여, 노광장치에는, 미도시의 광경사 입사계를 갖는 레티클 검출부가 설치되어 있다. 레티클 검출부에 의해 레이클 위치가 검출되어, 소정의 위치에 레티클(31)이 배치된다.

레티클 스테이지(RS)는, (도시하지 않은) 레티클 척을 통해서 레티클(31)을 지지하고, (도시하지 않은) 구동기구에 접속되어 있다. 구동기구는, 리니어 모터 등으로 구성되고, X축 방향, Y축 방향, Z축 방향 및 각 축의 회전 방향으로 레티클 스테이지(RS)를 구동하는 것이 가능하므로, 레티클(31)을 소망하는 위치로 이동시킬 수가 있다.

투영 광학계(32)는, 물체면으로부터의 광속을 상면(像面)에 결상하는 기능을 갖는다. 제 4 예시적인 실시 예에서는, 투영 광학계(32)는 레티클(31)상에 형성된 회로패턴을 웨이퍼(6)상에 결상한다. 이 투영 광학계(32)는, 굴절계, 반사 굴절계, 또는 반사계로 구성된다.

웨이퍼(6)상에는, 감광제로서의 레지스트가 도포되어 있다. 덧붙여, 제 4 예시적인 실시 예에서는, 웨이퍼(6)는, 포커스 제어용 센서(33) 및 형상측정장치(200)의 피측정물이기도 하다. 본 예시적인 실시 예에서는, 기판으로서 웨이퍼(6)를 이용했지만, 글래스 플레이트를 대신 이용할 수도 있다.

웨이퍼 스테이지(WS)는, (도시하지 않은) 웨이퍼 척에 의해 웨이퍼(6)를 지지한다. 웨이퍼 스테이지(WS)는, 레티클 스테이지(RS)와 같이, 리니어 모터를 이용해, X축 방향, Y축 방향, Z축 방향 및 각 축의 회전 방향으로 웨이퍼(6)를 이동시킬 수 있다. 또, 레티클 스테이지(RS)의 위치와 웨이퍼 스테이지(WS)의 위치는, 예를 들면, 6축의 레이저 간섭계(81) 등에 의해 감시되어, 양자의 스테이지가 일정한 속도 비율로 구동된다.

계속해서, 웨이퍼(6)의 표면 위치(포커스)의 측정점에 대해 설명한다. 제 4 예시적인 실시 예에서는, 웨이퍼(6)의 전역에 걸쳐, 스캔 방향(Y방향)으로 웨이퍼 스테이지(WS)를 스캔하면서, 포커스 제어용 센서(33)로 웨이퍼 면형상을 측정한다. 더 나아가서, 스캔 방향과 수직인 방향(X방향)으로 스테이지 WS를 거리 ΔX만큼 스텝한 후에, 스캔 방향으로 웨이퍼의 표면 위치를 측정하는 동작을 반복한다. 그 결과, 웨이퍼(6) 전면의 프로파일 측정을 행한다. 덧붙여, 스루풋을 증가시키기 위해서, 포커스 제어용 센서(33)를 복수 이용해, 웨이퍼(6)상의 다른 점에서의 웨이 퍼(6)의 표면 위치를 동시에 측정할 수도 있다.

이 포커스 제어용 센서(33)는 광학적인 높이 측정 시스템을 사용하고 있다. 즉, 포커스 제어용 센서(33)는, 웨이퍼 표면에 높은 입사각도로 광을 입사시켜, 반사광의 상 어긋남을 CCD 센서 등의 위치검출소자를 이용해 검출하는 방법을 이용하고 있다. 특히, 웨이퍼상의 복수의 측정해야 할 점에 광속을 입사시켜, 각각의 광속을 개별의 센서로 인도한다. 서로 다른 위치에서 측정된 높이 정보로부터 노광해야 할 면의 틸트를 산출한다.

이하에, 포커스 및 틸트의 검출에 대해서 상세히 설명한다. 처음에, 포커스 제어용 센서(33)의 구성 및 동작에 대해 설명한다. 도 9에 있어서, 검출계는, 광원(105), 콘덴서 렌즈(106), 복수의 직사각형의 투과 슬릿이 나란히 형성된 패턴판(107), 렌즈 108 및 111, 웨이퍼(6), 웨이퍼 스테이지(WS), 미러 109 및 110, CCD 등의 수광소자를 포함한다. 덧붙여, 참조번호 32는 레티클(미도시)을 웨이퍼(6)상에 투영 노광하기 위한 축소 투영 렌즈이다. 광원(105)으로부터 방출된 빛은, 콘덴서 렌즈(106)에 의해 집광되어, 패턴판(107)을 조명한다. 패턴판(107)의 슬릿을 투과한 빛은 렌즈 108 및 미러 109를 통해서 웨이퍼(6)에 소정 각도로 조사된다. 패턴판(107) 및 웨이퍼(6)는 렌즈 108에 관해서 결상 관계로 배치되어 있어, 패턴판(107)의 각 슬릿의 공중 상(像)이 웨이퍼 위에 형성된다. 웨이퍼(6)로부터 반사한 빛은, 미러 110 및 렌즈 111을 통해서 CCD 센서(112)에 의해 수광된다. 웨이퍼(6) 위의 슬릿 상은, 렌즈 111에 의해 CCD 센서(112) 위에 재결상된다. CCD 센서(112)는 107i로 표시된 것과 같은 패턴판(107)의 각 슬릿에 대응한 슬릿 상을 나 타내는 신호를 생성한다. 이 생성된 신호의 CCD 센서 위에서의 위치 어긋남을 검출함으로써, 웨이퍼(6)의 Z방향의 위치를 측정하고 있다. 웨이퍼 표면이 Z방향의 위치 w1~w2로부터 dZ만큼 변화되었을 경우에, 웨이퍼(6)상의 광축의 시프트량 m1는, 입사각도를 θin로 하여 이하의 식으로 표현될 수가 있다.

m1 = 2·dZ·tanθin　　　　　 (1)

예를 들면, 입사각 θin를 84도로 하면, m1 = 19×dZ가 된다. 이것은, 광축의 변위량이 웨이퍼의 변위의 19배로 확대된 것을 의미한다. 수광소자상에서의 변위량은 식 (1)의 m1에, 광학계의 배율(렌즈 111에 의한 결상 배율)을 곱함으로써 얻어진다.

이하, 제 4 예시적인 실시 예에 따른 노광장치를 이용한 노광 방법에 대해 상세히 설명한다. 도 11은 제 4 예시적인 실시 예에 따른 노광장치를 사용하는 경우의 노광 방법의 전체의 시퀀스를 나타내는 플로차트이다. 우선, 스텝 S1에서, 웨이퍼(6)를 노광장치에 반입한다. 그리고, 스텝 S10에서, 이 웨이퍼(6)에 대해서, 포커스 제어용 센서(33)를 이용해 포커스 교정을 행할지 여부를 판단한다. "대상 웨이퍼가 로트(lot)의 선두에 있는 웨이퍼인지, 복수 로트의 선두 로트의 웨이퍼인지, 포커스 정밀도가 엄격하게 요구되는 공정의 웨이퍼인지"에 관한 정보에 근거해 자동으로 판단하도록 하고 있다. 이 정보는 유저가 미리 노광장치에 등록해 둔 것이다. 스텝 S10에서 포커스 교정이 불필요하다고 판단되면, 처리는 스텝 S1000로 진행되어, 웨이퍼에 대하여 통상의 노광 시퀀스를 수행한다. 한편, 스텝 S10에서, 포커스 교정이 필요하다고 판단되었을 경우에는, 처리가 스텝 S100로 진행되어, 포 커스 교정 시퀀스가 실행된다.

스텝 S100에서는, 도 12에 나타낸 플로차트가 실행된다. 우선, 웨이퍼 스테이지(WS)를 구동시켜, 포커스 제어용 센서(33) 아래에 기준 플레이트(39)를 정확히 위치 결정한다. 기준 플레이트(39)는, 옵티컬 플랫(optical flat)이라고 불리는 면 정밀도가 우수한 글래스판 등으로 구성된다. 기준 플레이트(39)의 표면은 포커스 제어용 센서(33)에 의한 측정시에 오차가 발생하지 않도록, 반사율 분포가 없는 균일한 반사율을 가진 영역을 갖는다. 이 균일한 반사율을 가진 영역을 이용해 측정을 행하고 있다. 덧붙여, 노광장치에 필요한 다른 캘리브레이션(예를 들면, 얼라이먼트 검출계용이나 투영 광학계의 평가용)에 사용된 각종 교정용 마크를 포함한 플레이트의 일부를 기준 플레이트(39)로서 사용할 수도 있다.

도 12를 참조하면, 스텝 S101에서는, 포커스 제어용 센서(33)에 의해 기준 플레이트(39)의 Z방향의 위치를 검출한다. 스텝 102에서, 그 측정치 Om를 노광장치에 격납한다. 다음에, 스텝 S103에서, 웨이퍼 스테이지(WS)를 구동시켜, 형상측정장치(200) 아래에 기준 플레이트(39)를 정확히 위치 결정한다. 그 후, 포커스 제어용 센서(33)의 측정 영역과 같은 측정 영역(XY면 내에서)에 있어서의 기준 플레이트 형상을 형상측정장치(200)에 의해 측정한다. 스텝 S104에서는, 그 측정된 형상 데이터 Pm를 형상측정장치에 격납한다. 스텝 S105에서, 제 1 오프셋(Offset 1)을 산출한다.

좀더 구체적으로, 도 14에 나타낸 바와 같이, 형상측정장치(200)의 측정치 Pm와 포커스 제어용 센서(33)의 측정치 Om과의 차로서 Offset 1을 얻는다. 이 Offset 1은, 기준 플레이트(39)의 광학적으로 균일한 면을 측정한 결과를 나타내기 때문에 또 포커스 제어용 센서(33)의 측정 오차가 발생하지 않기 때문에, 이 Offset 1은 이상적인 조건에서는 제로가 되어야 한다. 그렇지만, 웨이퍼 스테이지(WS)의 주사 방향의 시스템적인 오프셋과, 포커스 제어용 센서(33) 또는 형상측정장치(200)의 장기적인 드리프트 등에 의해 에러 요인이 생길 수 있다. 따라서, 정기적으로 Offset 1을 측정하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 에러 요인이 거의 발생하지 않거나, 별도로 관리할 수 있는 경우에는, 한 번 Offset 1을 측정하는 것만으로도 좋다. 이것으로, 기준 플레이트(39)를 이용한 포커스 교정 시퀀스 S100를 완료한다.

스텝 S100에 이어, 웨이퍼(6)의 포커스 교정 시퀀스 S200를 실행한다. 도 12의 스텝 S201에서, 웨이퍼 스테이지(WS)를 구동시켜, 포커스 제어용 센서(33)의 측정점 Wp에 웨이퍼(6)를 정확히 위치 결정한다. 웨이퍼(6)상의 측정점 Wp(웨이퍼면 내)는, 후술하는 노광 시퀀스에 사용된 측정점과 일치하게 설정되어 있다. 스텝 S201에서, 포커스 제어용 센서(33)에 의해 웨이퍼(6)상의 측정점 Wp의 Z방향 위치를 검출한다. 스텝 202에서는, 그 측정치 Ow를 노광장치에 격납한다. 다음에, 스텝 S203에서는, 웨이퍼 스테이지 WS를 구동시켜, 형상측정장치(200) 아래에 웨이퍼(6)를 정확히 위치 결정한다. 그 후, 웨이퍼(6)상의 측정점 Wp에서의 웨이퍼 형상을 형상측정장치(200)에 의해 측정한다. 스텝 S204에서는, 그 측정된 형상 데이터 Pw를 노광장치에 격납한다. 덧붙여, 웨이퍼(6)상의 측정점 Wp는, 웨이퍼 내의 1점, 1샷 내의 1점, 1샷 내의 모든 점, 복수 샷 내의 모든 점, 웨이퍼 내의 모든 점 등을 설정하는 모드들을 포함한 각종 모드로부터 선택될 수 있다.

스텝 S205에서는, 제 2 오프셋(Offset 2)을 산출한다. 좀더 구체적으로, 도 14에 나타낸 바와 같이, 형상측정장치(200)의 측정치 Pw와 포커스 제어용 센서(33)의 측정치 Ow와의 차로서 Offset 2를, 웨이퍼(6)상의 측정점 Wp마다 취득한다.

스텝 S206에서, 웨이퍼상의 측정점마다 Offset 2와 Offset 1과의 차분을 취득하고, 그 결과의 데이터를 노광장치에 격납한다. 웨이퍼(6)상의 각 측정점에 있어서의 오프셋량 Op는, 아래와 같은 식에 의해 산출될 수가 있다.

Op(i) =［Ow(i)－Pw(i)］－(Om－Pm)　　 (2)

여기서, i는 웨이퍼(6)상의 측정점을 나타내는 포인트 번호이다.

오프셋량 Op로서는, 노광 샷의 단위(스텝퍼의 경우에) 혹은 노광 슬릿의 단위(스캐너의 경우)로, 평균적 높이 오프셋(Z)과 평균 틸트 오프셋(ωz,ωy)을 보존할 수도 있다. 더욱, 웨이퍼상의 회로패턴은, 샷(다이)마다 각각 형성되기 때문에, 웨이퍼상의 각 샷의 평균치로서 오프셋량 Op를 취득해 보존할 수도 있다. 이것으로, 웨이퍼(6)의 포커스 교정 시퀀스 S200를 완료한다.

계속해서, 교정 시퀀스 S100 및 S200가 종료한 후에 행해지는 노광 시퀀스 S1000에 대해 설명한다. 도 13은, 노광 시퀀스 S1000의 상세를 나타낸 것이다.

도 13을 참조하면, 스텝 S1010에서, 웨이퍼 얼라이먼트를 실행한다. 웨이퍼 얼라이먼트는, 얼라이먼트 스코프(미도시)를 이용해 웨이퍼상의 마크의 위치를 검출해, 노광장치에 대해서 웨이퍼의 XY평면의 위치맞춤을 행하는 스텝을 통해서 행해진다. 그 후, 스텝 S1011에서, 포커스 제어용 센서(33)에 의해, 웨이퍼(6)상의 소정 영역의 표면 위치를 측정한다. 이 소정영역은, 상술한 웨이퍼(6)의 교정 시퀀스에 사용된 측정점을 포함한다. 따라서, 식 (2)에 따른 오프셋량 Op(i)에 근거해, 측정치를 보정해 웨이퍼 전면의 형상을 측정한다. 노광장치에는, 이 보정 후의 면 형상 데이터가 보존된다.

스텝 S1012에서는, 웨이퍼(6)는 웨이퍼 스테이지(WS)에 의해, 포커스 제어용 센서(33) 아래의 위치로부터, 투영 렌즈(32) 아래의 노광 위치에 웨이퍼(6)상의 제 1 노광 샷이 위치하도록 이동된다. 동시에, 노광장치의 처리부는, 웨이퍼(6)의 면 형상 데이터에 근거해 제 1 노광 샷의 면 형상 데이터를 작성하고, 노광 상의 면에 대한 웨이퍼(6) 표면의 시프트량이 최소가 되도록 Z방향 및 틸트 방향으로의 스테이지 구동에 의해 보정을 행한다. 이와 같이, 거의 노광 슬릿의 단위로 노광 상의 면과 웨이퍼 표면을 정확히 맞추는 동작을 행한다.

스텝 S1013에서는, 노광 및 웨이퍼 스테이지 WS의 Y방향 스캔을 행한다. 이렇게 해, 제 1 샷이 노광을 종료하면 스텝 S1014에서 미노광 샷의 유무를 판단한다. 미노광 샷이 있는 경우에는, 처리가 스텝 S1012로 돌아온다. 그 후에, 다음의 노광 샷의 면 형상 데이터를 작성하고, Z방향 및 틸트 방향으로의 스테이지 구동에 의해, 노광 슬릿 단위로 노광 상의 면과 웨이퍼 표면을 정확히 맞추는 동작을 행하면서 노광을 행한다. 이와 같이, 스텝 S1014에서, 노광해야 할 샷(즉, 미노광 샷)이 있는지 없는지를 판단한다. "yes"이면, 미노광 샷이 없어질 때까지, 상술한 동작을 반복한다. 모든 노광 샷의 노광이 종료하면, 스텝 S1015에서 웨이퍼(6)를 회수해, 처리를 종료한다.

이와 같이, 본 제 4 예시적인 실시 예에서는, 각 샷의 노광 직전에, 노광 샷의 면 형상 데이터를 작성하고, 노광 상의 면으로부터의 시프트량을 산출하며, 웨이퍼 스테이지의 구동량을 산출하고 있다. 다른 방법으로서, 제 1 샷의 노광 전에, 모든 노광 샷에 관해서, 면 형상 데이터를 작성하고, 노광 상의 면으로부터의 시프트량을 산출하며, 웨이퍼 스테이지의 구동량을 산출하는 것도 가능하다.

또, 웨이퍼 스테이지(WS)는, 싱글 스테이지에 한정되지 않고, 노광시에 사용하는 노광 스테이지와, 웨이퍼의 얼라이먼트나 웨이퍼 면 형상의 측정을 행하기 위해 사용하는 측정 스테이지를 포함하는 소위, 트윈 스테이지로서 구성될 수도 있다. 이 경우, 포커스 제어용 센서(33) 및 형상측정장치(200)는, 측정 스테이지에 가까운 측에 배치된다.

반도체 노광장치의 측정 및/또는 가공 대상인 웨이퍼 상에는, 복잡한 회로 패턴이나 스크라이브 라인 등이 존재하므로, 반사율 분포나 로컬 틸트 등의 발생률이 높다. 그 때문에, 본 예시적인 실시 예는 반사율 분포나 로컬 틸트에 의한 측정 오차를 저감하는 데에 있어 매우 유익한 이점을 가지고 있다. 웨이퍼의 표면 위치를 정확하게 측정할 수 있게 되면, 최적 노광면과 웨이퍼 표면과의 포커스 얼라이먼트의 정밀도가 향상하게 된다. 그래서, 반도체소자의 성능 향상이나, 제조 수율의 향상에도 연결된다고 하는 효과도 있다.

[제 5 예시적인 실시 예]

계속해서, 본 발명의 제 5 예시적인 실시 예를 설명한다. 도 20은, 제 5 예시적인 실시 예에 따른 노광장치를 나타낸다.

도 20에 나타낸 바와 같이, 본 제 5 예시적인 실시 예에 따른 노광장치는, 조명장치(광원;800)와, 조명 광학계(801)와, 레티클 스테이지(RS)와, 투영 광학계(32)와, 웨이퍼 스테이지(WS)와, 기준 플레이트(39)와, 형상측정장치(200)와, 그 형상측정장치(200)의 처리부(410)를 구비한다. 레티클 스테이지(RS)는, 그 위에 레티클을 지지하고 있고, 웨이퍼 스테이지(WS)는, 그 위에 웨이퍼(기판;6)를 지지하고 있다. 기준 플레이트(39)는, 웨이퍼 스테이지(WS)상에 배치되어 있다.

형상측정장치(200)는, 제 1 및 제 2 예시적인 실시 예의 어느 쪽이든 이용할 수가 있다. 덧붙여, 상기의 예시적인 실시 예에서는, 포커스 제어용 센서(33)를 별도 설치하고, 형상측정장치(200)를 포커스 제어용 센서(33)의 교정용 센서로서 사용 경우와 관련해서 설명했다. 한편, 본 제 5 예시적인 실시 예는, 포커스 제어용 센서(33)를 생략하고, 형상측정장치(200)로 웨이퍼(6)의 표면 위치를 계측하는 점에 특징이 있다. 제어부(1100)는, CPU 및 메모리를 포함한다. 제어부(1100)는, 조명장치(800), 레티클 스테이지(RS), 웨이퍼 스테이지(WS), 포커스 제어용 센서(33), 및 형상측정(포커스 교정)장치(200)에 전기적으로 접속되어, 노광장치의 동작을 제어한다. 특히, 참조번호 1000은 웨이퍼 스테이지(WS) 제어부이며, 제어부(1100)의 지령에 따라 웨이퍼 스테이지(WS)의 구동 프로파일을 제어하는 기능을 갖는다. 노광장치의 구성 및 기능은, 포커스 제어용 센서(33)가 없다고 하는 것 이외는, 제 4 예시적인 실시 예와 거의 같으므로, 여기에서는 그 설명은 생략하고, 이하에서, 형상측정장치(200)를 이용한 포커스 측정방법에 대해서 상세히 설명한다.

형상측정장치(200)를 사용해 웨이퍼(6)의 레지스트 표면 위치를 측정하는 방법에 대해, 도 21을 이용해 설명한다. 도 21은, 웨이퍼 스테이지(WS)에 의해 웨이퍼(6)를 이동시키도록 설정된 구동 프로파일과 형상측정장치(200)에 의한 간섭 줄무늬(신호)의 취득과의 관계를 나타낸 차트다.

도 21에서는, 횡축에 Y스테이지의 위치를 나타내고, 종축에, Z스테이지 위치를 나타내고 있다. Y스테이지는, 기판(6)을 Y방향, 즉 형상측정장치(200)의 측정광의 입사면 및 반사면(즉, 웨이퍼(6)의 표면)에 평행한 방향으로 이동시킨다. Z스테이지는, 기판(6)을 Z방향, 즉 웨이퍼(6)의 표면에 수직인 방향으로 이동시킨다. 여기서, "입사면"이란, 반사면과 수직의 관계이며, 입사광과 반사광을 포함하는 면을 나타낸다.

Y스테이지는 등속으로 구동되고, Z스테이지는, 소정의 범위에 걸쳐 주기적으로 구동된다. 이때, Z스테이지를, 도 21에 나타낸 바와 같이, 등속으로 구동시키는 범위를 포함하도록 Z스테이지의 구동 프로파일이 설정되어 있다. θ을 형상측정장치(200)의 웨이퍼(6)에의 입사각도라고 가정하면, Y스테이지 속도 Vy와 Z스테이지 속도 Vz와의 관계는, Vy/Vz=tanθ의 상대 속도비가 되도록 설정된다. 더욱, 이 Z스테이지가 등속으로 구동하고 있는 타이밍에서, 형상측정장치(200)는, 백색 간섭 신호를 검출하고 있다. 즉, 제어부(1100)는, 스테이지 제어부(1000)로부터의 구동 프로파일 정보에 근거해, 처리부(410)에 의해 간섭 신호를 취득하는 타이밍을, 웨이퍼(6)의 구동 방향과 웨이퍼(6)로부터의 반사광의 방향이 일치하는 타이밍과 일치시키도록 설정하고 있다. 구동 프로파일 정보는, 레이저 간섭계(81)에 의해, 정확 하게 관리되고, 레이저 간섭계(81)의 정보에 근거해 간섭 신호를 취득하는 시간에 있어서의 웨이퍼(6)의 위치 정보도 정확하게 관리될 수가 있다. 덧붙여, 도 20은, 간소화를 위해, Y축 측장 간섭계로서 레이저 간섭계(81)를 나타내고 있지만, 실제로는, X축, Z축,ωx,ωy,ωz을 포함한 합계 6축의 측장 레이저 간섭계가 제공되어 있다.

Vy/Vz=tanθ의 상대 속도비로 Y 및 Z스테이지를 주사하고 있는 범위에 있어서는, 도 22에 나타낸 바와 같이, 형상측정장치(200)에 있어서의 웨이퍼(6)에 입사한 빛으로 생성된 반사광과 웨이퍼 주사 방향이 일치한다. 따라서, 전술한 대로, 웨이퍼(6)상의 같은 점으로부터 반사한 빛을 사용해 백색 간섭 신호를 취득할 수 있으므로, 웨이퍼(6)상의 회로 패턴에 의한 반사율 분포에 영향을 받지 않고 정확히 웨이퍼의 표면 위치를 계측할 수가 있다.

계속해서, 도 21에 돌아와, 형상측정장치(200)를 사용해 계측할 수 있는 Y방향의 계측 피치에 대해 설명한다.

Y방향에서는 Y스테이지가 등속으로 구동하고, Z방향에서는 Z스테이지가 주기적으로 구동하고 있으므로, 1주기마다, Y스테이지 속도 Vy와 Z스테이지 속도 Vz와의 관계가, Vy/Vz=tanθ를 충족하게 된다. 이 1주기에 상당하는 시간에, 웨이퍼(6)가 Y방향으로 이동한 거리는 Y방향의 계측 피치로서 정의된다.

이하, 구체적인 수치 예를 들어 설명한다. 형상측정장치(200)의 웨이퍼(6)에의 입사각도 θ를 75도로 하고, Z스테이지의 등속도의 속도를 Vz=10mm/sec로 하면, Y스테이지의 속도는, Vy=10×tan(75°)=37.3mm/sec가 된다. Z스테이지의 구동주기 를 50msec로 한 경우, Y방향의 계측 피치는, 37.3mm/sec×50msec=1.9mm으로서 계산된다.

다음에, 이들 조건에 있어서의 간섭 신호에 대해 설명한다. 웨이퍼의 높이 위치를 Zw로 하고, 입사각도를 θ로 했을 경우, 빛의 광로 길이의 변화는, 2Zw×cosθ로 표현될 수가 있다. 이것을 이용해, 백색 간섭 신호의 Z축에 대한 기본 주기 Zp는, 형상측정장치(200)에 사용하는 광대역 광원의 중심 파장 λc를 이용해 Zp=λc/(2cosθ)로 근사할 수 있다. 여기서, λc=600nm로 하면, 예를 들면, Zp=1.16㎛가 계산된다. 또한, 간섭 신호의 취득 시간을 1msec로 하면, Z방향으로의 10㎛의 이동한 범위로부터 간섭 신호를 취득할 수 있다. 간섭 신호의 기본 주기 Zp는 1.16㎛이므로, 8개 정도의 간섭 줄무늬를 검출할 수 있다. 더욱, 형상측정장치(200)에 사용하는 광전변환소자로서, 포토다이오드 또는 포토다이오드 어레이를 사용하면, 응답 속도가 빠르기 때문에, 0.01msec 정도의 샘플링 시간에 간섭 신호의 강도를 계측할 수 있다. 이러한 샘플링 시간을 Z방향에서 환산하면, 0.01msec×10mm/sec=100nm의 거리가 된다. 즉, 간섭 신호의 개수가 8개 있으므로, 백색 간섭 신호를 충분히 인식할 수 있고, 또 그 Z방향의 샘플링 피치를, 100nm로 설정할 수 있다. 전술한 예시적인 실시 예에서도 설명한 것처럼, 신호 처리를 행하는 것에 의해, 간섭 신호의 피크 위치를, Z방향의 샘플링 피치 100nm의 약 1/50, 즉, 2nm정도의 분해능으로 계측할 수 있게 된다. 피크 위치를 2nm의 분해능으로 검출 가능하기 때문에, 형상 계측도 2nm의 분해능으로 달성할 수 있다.

계속해서, 도 24를 이용해, 웨이퍼(6)상의 높이 방향의 계측점과 웨이퍼 스 테이지(WS)의 XY방향의 구동 방법에 대해 설명한다. 도 24는, 형상측정장치(200)와, 그 형상측정장치(200)의 측정점과, 웨이퍼 스테이지(WS)의 XY방향에의 구동 패턴 간의 관계를 나타낸 것이다. 도 24에서는, 예를 들면 웨이퍼(6)상의 A점으로부터 계측이 시작되고, B점, C점, D점, E점을 순차적으로 경유한 후에, 현재 F점에서 계측을 행하고 있다. 도 24의 Y방향의 계측 피치는, 상술한 수치 예에서는 1.9mm이다. 좀더 구체적으로, A점에서 형상측정장치(200)로 측정을 행한 후, Y스테이지를 등속도 Vy에서 Y플러스 방향으로 주사해, 웨이퍼(6)의 하부 에지 부근의 B점에 도달할 때까지 연속하는 점에서 측정을 행한다. 웨이퍼의 에지를 통과하면, 도 24에 나타낸 바와 같이, X방향으로 스텝하도록 X스테이지를 구동시키는 것과 동시에, Y스테이지를 감속한 후에, Y 마이너스 방향으로 가속한다. 웨이퍼 에지 부근의 측정점 C가, 형상측정장치(200)의 측정 위치에 오기 전에, 가속을 종료한다. 그 후에, Y 마이너스 방향으로 등속도 Vy에서 다시 Y스페이지를 구동시킨다. C점으로부터 웨이퍼(6)의 상부 에지 부근에 위치된 D점까지 다음 측정점에 대한 측정이 끝나면, 똑같이 X 방향으로 스텝하도록 X스테이지를 다시 구동시키고, 다음의 측정점 E, 즉 E점에 도달할 때까지, Y 플러스 방향으로 등속도 Vy로 Y스테이지를 구동시키도록 Y스테이지를 제어한다. 덧붙여, Y스테이지가 Y 플러스 방향 혹은 Y 마이너스 방향으로 등속(Vy)로 구동하고 있는 기간 동안, Z스테이지는 Vy/Vz=tanθ를 충족하도록 Z 플러스 방향 혹은 Z 마이너스 방향으로 등속도 Vz로 구동될 필요가 있다.

이러한 동작을 웨이퍼 전면에 대해서 반복함으로써, 웨이퍼(6)의 전면의 높이 정보가, X 및 Y 방향에 대하여 소정 피치로 취득될 수 있다.

이상의 설명과 같이, 웨이퍼(6)의 높이 정보를 얻은 후에는, 그 측정된 웨이퍼 형상에 근거해, 도 20의 투영 렌즈(32)의 최적 결상면과 웨이퍼(6)의 높이 위치가 일치하도록 웨이퍼를 정확히 위치 결정하면서, 노광 시퀀스를 실행한다. 실제로는, 1회에 노광할 수 있는 영역(스텝퍼에서는 약 22mm 스퀘어, 스캐너에서는 노약 8mm×25 mm정도의 노광 슬릿 폭)에서, 형상측정장치(200)로 측정된 높이 정보에 근거해, 근사 평면을 최소 이승법(least square method)으로 산출한다. 그 후, 그 산출한 근사 평면이 투영 렌즈(32)의 최적의 상 면과 일치하도록, Z 방향 및 틸트 방향(ωx,ωy)으로 웨이퍼를 정확히 위치 결정하면서 노광을 행한다.

덧붙여 노광시의 스테이지 주사 속도는, 웨이퍼(6)의 형상 계측시의 주사 속도와 반드시 일치할 필요는 없고, 실질적으로 허용가능한 범위에서 가능한 한 높은 값으로 주사 속도를 설정하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 것처럼, 본 제 5 예시적인 실시 예의 형상계측장치에 의하면, Y방향 및 Z방향으로 웨이퍼(6)를 주사하면서, 웨이퍼(6)의 형상 계측이 가능해진다. 따라서, 제 5 예시적인 실시 예는, 측정점마다 XYZ 방향의 위치 결정을 행한 후에, Y방향 및 Z방향으로 웨이퍼를 주사하는 방법에 비해, 스루풋이 현격히 향상한다고 하는 효과가 있다.

[제 6 예시적인 실시 예]

계속해서, 본 발명의 제 6 예시적인 실시 예를 설명한다. 본 제 6 예시적인 실시 예는, 제 5 예시적인 실시 예의 개량이며, 제 5 예시적인 실시 예의 형상측정장치를 구성하는 간섭계 200A(도 22)와, 그 형상측정장치의 측정광의 입사 방향을 역방향으로 한 간섭계 200B(도 23)로, 형상측정장치를 구성하고 있다는 점에 특징이다. 즉, 도 26에 나타낸 바와 같이, 간섭계 200A 및 200B이 교대로 역방향으로 되도록 간섭계 200A 및 200B이 X방향으로 나란히 배열되어 있다. 간섭계 200A 및 200B의 각각으로서, 제 1 예시적인 실시 예 및 제 2 예시적인 실시 예 중 어느 하나에 따른 구성을 이용할 수가 있다.

이하, 도 25를 이용해, 제 6 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치를 이용한 측정 방법을 설명한다. 도 25는, 웨이퍼 스테이지(WS)에 의해 웨이퍼(6)를 이동시키도록 설정된 구동 프로파일과 간섭계 200A 및 간섭계 200B에 의한 간섭 줄무늬 취득 타이밍과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 25에서는, 횡축에 Y스테이지의 위치를 나타내고, 종축에, Z스테이지의 위치를 나타내고 있다. Y스테이지는 등속도로 구동되고, Z스테이지는, 소정의 범위에 걸쳐 주기적으로 구동된다. 이때, Z스테이지의 구동 프로파일은, 도 25에 나타낸 바와 같이, Z스테이지가 등속도로 구동되는 범위를 포함하도록 설정되어 있다. θ을 형상측정장치(200)의 웨이퍼(6)에의 입사각도라고 가정하면, Y스테이지 속도 Vy와 Z스테이지 속도 Vz와의 관계는, Vy/Vz=tanθ의 상대 속도비가 되도록 설정되어 있다. 더욱, 이 Z스테이지가 등속도로 구동하고 있는 타이밍에서, 간섭계 200A와 간섭계 200B는, 백색 간섭 신호를 각각 검출하고 있다. 또, 간섭계 200A와 간섭계 200B는, 웨이퍼(6)로부터의 반사광의 방향과 스테이지 주사 방향이 일치할 때의 타이밍에서 백색 간섭 신호를 각각 검출하고 있다.

좀더 구체적으로, 간섭계 200A는, Y스테이지가 Y 플러스 방향으로, Z스테이 지가 Y 플러스 방향으로 등속도로 구동하고 있을 때에 간섭 신호를 검출한다. 한편, 간섭계 200B는, Y스테이지가 Y 플러스 방향으로, Z스테이지가 Z 마이너스 방향으로 등속도로 구동하고 있을 때에 간섭 신호를 검출한다. 또, 간섭계 200A는, Y스테이지가 Y 마이너스 방향으로 Z스테이지가 Z 마이너스 방향으로 등속도로 구동하고 있을 때에, 간섭 신호를 검출하고, 간섭계 200B는, Y스테이지가 Y 마이너스 방향으로 Z스테이지가 Z 플러스 방향으로 등속도로 구동하고 있을 때에 간섭 신호를 검출한다.

그런데, 이와 같이 측정광의 입사 방향이 간섭계의 입사방향과 역으로 되어 있는 다른 간섭계와 결합하여 간섭계를 사용하면, 도 25에 나타낸 바와 같이, Y방향의 계측 피치를 줄일 수가 있다. 도 27은, 도 26에 나타낸 바와 같이 간섭계 A(200A)와 간섭계 B(200B)를 조합한 경우의, 웨이퍼(6)상의 측정점을 나타낸 도면이다. 도 27에 나타낸 바와 같이, 제 5 예시적인 실시 예에서보다 작은 Y방향의 샘플링 피치에서, 즉 절반의 피치에서 웨이퍼(6) 표면의 높이 정보를 계측할 수 있게 된다.

덧붙여, 웨이퍼(6) 표면 전체의 측정 방법은, 상술한 예시적인 실시 예와 같아서 여기에서는 그 방법의 설명은 생략한다. 또, 제 5 예시적인 실시 예와 같이, 노광장치의 포커스 검출계로서 본 제 6 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치를 이용할 수도 있다.

더욱, 도 26에 나타낸 간섭계 A(200A)와 간섭계 B(200B)의 조합은, 일례이며, 이들 간섭계는 어떤 다른 적절한 배열로 배치될 수도 있다. Y방향으로 복수의 간섭계를 배치하면, 더욱 작은 Y방향의 피치로 웨이퍼(6)의 형상을 측정할 수가 있다.

[제 7 예시적인 실시 예]

계속해서, 본 발명의 제 7 예시적인 실시 예에 대해, 도 28을 이용해 설명한다. 제 7 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치(200)는, 측정 대상물인 기판(웨이퍼; 6)의 표면의 Z방향 위치를 검출하는 장치이며, 이하와 같이 구성된다.

도 28을 참조하면, 형상측정장치(200)는, 광원 1A 및 1B와, 콘덴서 렌즈 2A 및 2B와, 슬릿판 30A 및 30B와, 결상 광학계 24A 및 24B와, 빛을 분할·합성시키기 위한 빔 스플리터 5a 및 5b를 포함한다. 광원 1A 및 1B로서는, 넓은 파장 폭을 가진 광대역의 빛을 발하는 LED(소위 백색 LED를 포함한다) 또는 할로겐 램프를 사용한다.

또, 형상측정장치(200)는 측정 대상물(기판;6)을 보유하는 기판 척(CK)과, 측정 대상물의 위치를 위치 맞춤하는 Z스테이지(8), Y스테이지(9), 및 X스테이지(10)와, 참조 미러(7)와, 검출기 14A 및 14B를 포함한다. 검출기 14A 및 14B는, 광전 변환 소자이며, CCD나 CMOS 센서 등의 촬상소자 또는 포토 다이오드로 형성될 수가 있다.

더욱, 형상측정장치(200)는 기판(6)의 표면을 검출기 14A에 결상시키기 위해 배치된 렌즈 25 및 13A로 구성되는 결상 광학계 29A와, 기판(6)의 표면을 검출기 14B에 결상시키기 위해 배치된 렌즈 23 및 13B로 구성되는 결상 광학계 29B를 포함한다.

이하, 제 7 예시적인 실시 예에 있어서의 각 구성요소의 기능에 대해 상세하게 설명한다. 도 28에 있어서, 광원 1A로부터 방출된 빛은, 콘덴서 렌즈 2A로 슬릿판 30A상에 집광된다. 슬릿판 30A에는, 50㎛의 슬릿폭과 길이 700㎛(X축방향)의 구형 형상의 투과(슬릿) 영역이 있어, 결상 광학계 24A에 의해 기판(6) 및 참조 미러(7)상에 구형 형상의 상을 결상시키고 있다. 결상 광학계 24A를 통과한 빛의 주 광선은, 입사각도 θ로 기판(6)에 입사한다. 그 결상 광학계 24A의 광로의 도중에는, 빔 스플리터 5a가 배치되어 있기 때문에, 전체 광량의 거의 절반의 광속은, 빔 스플리터 5a에 의해 반사되고, 참조 미러(7)에, 기판(6)과 같은 입사각도 θ로 입사한다.

빔 스플리터 5a를 투과한 빛은, 기판(6)에 조사되고, 기판(6)으로부터 반사한 빛("측정광"이라고 부르기로 한다)은, 빔 스플리터 5b에 입사한다. 한편, 빔 스플리터 5a에서 반사한 빛은, 참조 미러(7)에 조사되고, 참조 미러(7)로부터 반사한 빛("참조광"이라고 부른다)은, 빔 스플리터 5b에 입사한다. 여기서, 광원 1A, 빛의 편광 상태, 입사각도 θ, 빔 스플리터, 참조 미러 등은 제1 예시적인 실시 예와 같아서, 여기에서는 이들 구성요소의 상세한 설명은 생략한다.

기판(6)에서 반사한 측정광과 참조 미러(7)에서 반사한 참조광은, 빔 스플리터 5b로 합성되고, 빔 스플리터 27A에서 반사된 후에, 모두 촬상소자(검출기) 14A에 의해 검출된다. 이때, 본 제 7 예시적인 실시 예에서는, 슬릿판 30A의 투과 영역이, 결상 광학계 24A에 의해 기판(6) 및 참조 미러(7)상에 결상하고, 더욱, 결상 광학계 29A에 의해, 촬상소자 14A의 수광면에 재결상한다.

결상 광학계 29A의 동공 위치 부근에 배치한 개구 조리개(미도시)는, 결상 광학계 29A의 개구수(NA)가, sin(0.5°)로부터 sin(5°)까지의 매우 작은 값으로 설정되도록 그 개구수(NA)를 특정하는 역할을 한다. 촬상소자 14A의 수광면에서는, 측정광과 참조광이 서로 겹쳐, 빛의 간섭이 생긴다. 이상이, 도 28의 좌측으로부터 입사시킨 빛을 이용한 간섭계 A의 구성의 설명이다.

이하, 도 28의 우측으로부터 입사시킨 빛을 이용한 간섭계 B의 구성에 대해 설명한다. 도 28에 있어서, 광원 1B에서 발하는 빛은, 콘덴서 렌즈 2B에 의해 슬릿판 30B상에 집광된다. 슬릿판 30B에는, 50㎛의 슬릿폭과 길이 700㎛(X축방향)의 구형 형상의 투과(슬릿) 영역이 있어, 결상 광학계 24B에 의해 기판(6) 및 참조 미러(7)상에 구형 형상의 상을 결상시키고 있다. 결상 광학계 24B를 투과한 빛의 주 광선은, 기판(6)에 입사각도 θ로 입사한다. 그 결상 광학계 24B의 광로의 도중에는, 빔 스플리터 5b가 배치되어 있기 때문에, 총 광량의 거의 절반의 광속은, 빔 스플리터 5b에 의해 반사되고, 참조 미러(7)에, 기판(6)과 같은 입사각도θ로 입사한다.

빔 스플리터 5b를 투과한 빛은, 기판(6)에 조사되고, 기판(6)으로부터 반사한 빛("측정광"이라고 부르기로 한다)은, 빔 스플리터 5a에 입사한다. 한편, 빔 스플리터 5b에서 반사한 빛은, 참조 미러(7)에 조사되고, 참조 미러(7)로부터 반사한 빛("참조광"이라고 부른다)은, 빔 스플리터 5a에 입사한다. 여기서, 광원 1B, 빛의 편광 상태, 입사각도 θ, 빔 스플리터, 참조 미러 등은 제 1 예시적인 실시 예와 같으므로, 여기에서는 이들 구성요소의 상세한 설명은 생략한다.

기판(6)에서 반사한 측정광과 참조 미러(7)에서 반사한 참조광은, 빔 스플리터 5a에 의해 합성되고, 빔 스플리터 27B에 의해 반사된 후, 모두 촬상소자(검출기) 14B에 의해 검출된다. 이때, 슬릿판 30B의 투과 영역이, 결상 광학계 24B에 의해 기판(6) 및 참조 미러(7)에 결상하고, 더욱, 결상 광학계 29B에 의해 촬상소자 14B의 수광면에 재결상하고 있다.

결상 광학계 29B의 동공 위치 부근에 배치한 개구 조리개(미도시)는, 결상 광학계 29B의 개구수(NA)가, sin(0.5°) 이상 sin(5°) 이하의 매우 작은 값으로 설정되도록 개구수(NA)를 특정하는 역할을 하고 있다. 촬상소자 14B의 수광면에서는, 측정광과 참조광이 겹쳐, 빛의 간섭이 생긴다.

백색 간섭 신호의 취득 방법과 백색 간섭 신호의 처리 방법은, 좌측에서 입사하는 빛을 이용한 간섭계 A와 우측에서 입사하는 빛을 이용한 간섭계 B의 각각에, 제 5 예시적인 실시 예에 기재된 방법이 그대로 적용될 수 있으므로, 여기에서는 그 방법의 설명은 생략한다.

본 제 7 예시적인 실시 예에 따른 형상계측장치는, 제 6 예시적인 실시 예에 따른 간섭계 A(200A)와 간섭계 B(200B)를 조합한 구성으로 되어 있다. 즉, 제 6 예시적인 실시 예에 있어서의 간섭계 A와 간섭계 B가 X방향으로 시프트한 서로 다른 점들을 계측하도록 조합되고, 제 7 예시적인 실시 예에 있어서의 간섭계 A와 간섭계 B가 X방향의 같은 점을 계측하는 것이 가능하다. 더욱, 부재의 일부를 2개의 간섭계가 공유할 수 있으므로, 장치의 콤팩트화나 비용의 절감에 있어서 효과적이다.

덧붙여 기판(6)이 웨이퍼인 경우에 웨이퍼(6)의 표면 전체를 측정하는 방법 은, 제 5 예시적인 실시 예와 같으므로, 여기에서는 그 방법의 설명은 생략한다. 또, 제 5 및 제 6 실시 예와 같이, 노광장치의 포커스 검출계로서는 본 제 7 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치를 이용할 수도 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명했지만, 본 발명은 이러한 실시 예에 한정되지 않고, 그 요지의 범위 내에서 여러 가지의 변형 및 변경이 가능하다.

도 1은　본 발명의 제 1 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치의 예를 나타내는 개략도다.

도 2는　본 발명의 제 1 예시적인 실시 예에 따른 형상측정의 검출 원리를 설명하는 도면이다.

도 3은　본 발명의 제 2 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치의 예를 나타내는 개략도이다.

도 4는　본 발명의 제 3 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치의 예를 나타내는 개략도이다.

도 5a는　본 발명의 제 3 예시적인 실시 예에 따른 형상측정장치의 부분 확대도이다.

도 5b는　본 발명의 제 3 예시적인 실시 예의 변형 예로서의 형상측정장치의 부분 확대도이다.

도 6은 본 발명의 제 1 및 제 2 예시적인 실시 예에서 얻은 간섭 신호를 나타내는 차트다.

도 7a는　본 발명의 제 3 예시적인 실시 예에서 얻은 간섭 신호를 나타내는 차트이다.

도 7b는　촬상소자의 수광면을 나타낸 도면이다.

도 8은　본 발명의 제 4 예시적인 실시 예에 따른 노광장치를 나타내는 블럭도다.

도 9는　본 발명의 제 4 예시적인 실시 예에 있어서의 포커스 제어용 센서(표면 위치 측정장치)를 나타내는 개략도이다.

도 10은　본 발명의 제 4 예시적인 실시 예에 있어서의 교정방법을 설명하는 블럭도이다.

도 11은　본 발명의 제 4 예시적인 실시 예에 있어서의 노광 시퀀스의 플로차트다.

도 12는　본 발명의 제 4 예시적인 실시 예에 있어서의 교정방법을 나타내는 플로차트다.

도 13은　본 발명의 제 4 예시적인 실시 예에 있어서의 노광방법의 플로차트다.

도 14는　본 발명의 제 4 예시적인 실시 예에 있어서의 교정방법을 설명하는 도면이다.

도 15는　종래의 형상측정장치를 나타내는 개략도이다.

도 16은　종래의 형상측정장치의 문제를 설명하기 위한 도면이다.

도 17a는　종래의 형상측정장치에 있어서 웨이퍼상에 패턴이 없는 경우(케이스 1)의 측정 위치를 나타내는 개략도이다.

도 17b는　종래의 형상측정장치에 있어서 웨이퍼상에 패턴이 있는 경우(케이스 2)의 측정 위치를 나타내는 개략도이다.

도 18은　종래의 표면 위치 측정장치의 문제를 설명하기 위한 도면이다.

도 19는　도 18의 종래의 표면 위치 측정 장치에서 측정되는 신호 프로파일 의 예를 나타내는 차트다.

도 20은 본 발명의 제 5 예시적인 실시 예에 따른 노광장치의 예를 나타내는 블록도이다.

도 21은 본 발명의 제 5 예시적인 실시 예에서의 스테이지 구동 프로파일과 간섭 신호의 취득과의 관계를 나타내는 차트다.

도 22는 본 발명의 제 5 예시적인 실시 예에서의 형상측정장치와 스테이지 주사 방향을 나타내는 설명도이다.

도 23은 형상측정장치의 빛의 입사 방향을 반대로 했을 경우의 스테이지의 주사 방향을 나타내는 설명도이다.

도 24는 도 22에 나타낸 제 5 예시적인 실시 예에서의 XY 스테이지 구동 방법과 측정점과의 관계를 나타내는 도면이다.

도 25는 본 발명의 제 6 예시적인 실시 예에서의 스테이지 구동 프로파일과 간섭 신호의 취득과의 관계를 나타내는 차트이다.

도 26은 본 발명의 제 6 예시적인 실시 예에 따른 (형상계측장치를 구성하는) 간섭계의 배치를 설명하는 도면이다.

도 27은 본 발명의 제 6 예시적인 실시 예에서의 계측점을 설명하는 도면이다.

도 28은 본 발명의 제 7 예시적인 실시 예에 따른 형상계측장치의 구성을 나타내는 개략도이다.

Claims (9)

1. 피측정물의 표면 형상을 측정하는 형상측정방법으로서,

   광원으로부터의 빛을 측정광과 참조광으로 분할하고, 상기 측정광을 상기 피측정물의 표면에 비스듬히 입사시키며, 상기 참조광을 참조 미러에 입사시키는 것과,

   상기 피측정물에서 반사한 상기 측정광과 상기 참조 미러에서 반사한 상기 참조광을 광전변환소자로 인도하는 것과,

   상기 측정광과 상기 참조광으로 형성되는 간섭광을, 상기 피측정물을 이동시키면서 상기 광전변환소자로 검출하는 것과,

   상기 피측정물의 표면상의 같은 위치에서 반사한 상기 측정광으로부터 얻은 간섭 신호에 근거해 상기 피측정물의 표면 형상을 측정하는 것을 포함한 것을 특징으로 하는 형상측정방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 간섭 신호는, 상기 측정광이 반사하는 방향과 평행한 방향으로 상기 피측정물을 이동시키고 있을 때에 상기 간섭광을 상기 광전변환소자로 검출함으로써 취득되는 것을 특징으로 하는 형상측정방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 피측정물을, 상기 측정광의 입사면 및 상기 피측정물의 표면에 평행한 방향으로는 등속으로 이동시키고, 상기 피측정물의 표면과 수직인 방향으로는 주기적으로 상기 피측정물을 이동시키는 것을 더 포함하고,

   상기 간섭 신호는, 상기 측정광이 반사하는 방향과 평행한 방향으로 상기 피측정물이 이동하는 타이밍에서, 상기 간섭광을 상기 광전변환소자로 검출함으로써 취득되는 것을 특징으로 하는 형상측정방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 간섭 신호는, 그 간섭 신호를 검출하기 위해 사용되는 상기 광전변환소자의 화소를 상기 피측정물의 이동에 동기시켜 변경함으로써 취득되는 것을 특징으로 하는 형상측정방법.
5. 피측정물의 표면 형상을 측정하는 형상측정장치로서,

   광원으로부터의 빛을 측정광과 참조광으로 분할하고, 상기 측정광을 상기 피측정물의 표면에 비스듬히 입사시키며, 상기 참조광을 참조 미러에 입사시키도록 구성된 송광 광학계와,

   상기 피측정물에서 반사한 상기 측정광과 상기 참조 미러에서 반사한 상기 참조광을 광전변환소자로 인도하도록 구성된 수광 광학계와,

   상기 피측정물을 이동시키도록 구성된 구동 기구를 구비하고,

   상기 광전변환소자는, 상기 피측정물이 이동하고 있는 동안에, 상기 측정광과 상기 참조광으로 형성되는 간섭광을 검출하고,

   상기 피측정물의 표면상의 같은 위치에서 반사한 상기 측정광으로부터 얻은 간섭 신호에 근거해, 상기 피측정물의 표면 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 형상측정장치.
6. 피측정물의 표면 형상을 측정하는 형상측정장치로서,

   광원으로부터의 빛을 측정광과 참조광으로 분할하고, 상기 측정광을 상기 피측정물의 표면에 비스듬히 입사시키며, 상기 참조광을 참조 미러에 입사시키도록 구성된 송광 광학계와,

   상기 피측정물에서 반사한 상기 측정광과 상기 참조 미러에서 반사한 상기 참조광을 광전변환소자로 인도하도록 구성된 수광 광학계와,

   상기 피측정물을 이동시키도록 구성된 구동 기구를 구비하고,

   상기 광전변환소자는, 상기 측정광이 반사하는 방향과 평행한 방향으로 상기 피측정물이 이동하고 있을 때에 상기 측정광과 상기 참조광으로 형성되는 간섭광을 검출하고,

   상기 광전변환소자로 취득한 간섭 신호에 근거해, 상기 피측정물의 표면 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 형상측정장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 구동 기구는, 상기 피측정물을, 상기 측정광의 입사면 및 상기 피측정물의 표면에 평행한 방향으로는 등속으로 이동시키고, 상기 피측정물의 표면과 수직인 방향으로는 주기적으로 상기 피측정물을 이동시키며,

   상기 간섭 신호는, 상기 측정광이 반사하는 방향과 평행한 방향으로 상기 피측정물이 이동하는 타이밍에서 상기 광전변환소자로 상기 간섭광을 검출함으로써 취득되는 것을 특징으로 하는 형상측정장치.
8. 피측정물의 표면 형상을 측정하는 형상측정장치로서,

   제 1 간섭계와,

   제 2 간섭계를 구비하고,

   상기 제 1 간섭계 및 상기 제 2 간섭계는, 청구항 7에 기재된 형상측정장치로 각각 구성되며,

   상기 제 1 간섭계에의 측정광의 입사 방향은 상기 제 2 간섭계에의 측정광의 입사 방향과 반대인 것을 특징으로 하는 형상측정장치.
9. 원판의 패턴에 따라 기판을 노광하는 노광장치로서,

   청구항 5에 기재된 형상측정장치를 구비하고,

   상기 기판의 표면에는 레지스트가 도포되어 있으며,

   상기 형상측정장치는, 상기 기판 또는 상기 레지스트의 표면 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 노광장치.

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