KR20090103845A - 위치 검출 장치, 위치 검출 방법, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법 - Google Patents

위치 검출 장치, 위치 검출 방법, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법

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KR20090103845A
KR20090103845A KR1020090026654A KR20090026654A KR20090103845A KR 20090103845 A KR20090103845 A KR 20090103845A KR 1020090026654 A KR1020090026654 A KR 1020090026654A KR 20090026654 A KR20090026654 A KR 20090026654A KR 20090103845 A KR20090103845 A KR 20090103845A
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light beams
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다까히로 마쯔모또
고이찌 센또꾸
사또루 오이시
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캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명에서는, 파장 폭을 갖는 광 중에서 서로 다른 파장의 복수의 광빔에 대한 결상 광학계의 결상 특성을 취득하는 제1 취득부, 복수의 광빔에 대한 피측정물의 광학상을 취득하는 제2 취득부, 제1 취득부에 의해 취득된 결상 광학계의 결상 특성에 기초하여 제2 취득부에 의해 취득된 피측정물의 광학상의 결상 광학계에 기인하는 열화를 보정함으로써 복수의 광빔에 대한 피측정물의 광학상을 복원하는 복원부, 및 복수의 광빔에 대한 피측정물의 광학상을 합성함으로써 복수의 광빔을 포함하는 광에 대한 피측정물의 광학상을 생성하는 생성부를 포함하는 위치 검출 장치를 제공한다.

Description

위치 검출 장치, 위치 검출 방법, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법{POSITION DETECTION APPARATUS, POSITION DETECTION METHOD, EXPOSURE APPARATUS, AND DEVICE FABRICATION METHOD}
본 발명은 위치 검출 장치, 위치 검출 방법, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 포토리소그래피 기술을 이용하여 반도체 메모리나 논리 회로 등의 미세 패턴의 반도체 디바이스를 제조하는 데에 투영 노광 장치를 이용하여 왔다. 투영 노광 장치는 레티클(마스크)에 형성된 회로 패턴을 투영 광학계에 의해 웨이퍼 등의 기판에 투영하여 전사한다.
반도체 디바이스의 미세 패턴화의 요구에 수반하여, 투영 노광 장치는 해상력(전사할 수 있는 최소의 피처 사이즈)을 향상시킬 것이 요구되고 있다. 이러한 추세와 함께, 노광광의 파장이 짧아지고 있으며, 많은 개구수(NA)의 투영 광학계가 개발 중에 있고(투영 광학계의 개구수(NA)의 증대), 또한 노광 영역이 넓어지고 있다.
반도체 디바이스의 미세 패턴화가 진행됨에 따라, 투영 노광 장치는 레티클과 웨이퍼를 회로 패턴의 선폭의 1/3 만큼 높은 정밀도로 얼라인(align)하는 것도 요구되고 있다. 예를 들어, 90nm 선폭을 갖도록 디자인되는 통상의 현재 회로에서는 30nm의 정밀도로 얼라인되어야 한다.
노광 장치는 회로 패턴과 함께 얼라인먼트 마크를 웨이퍼 상에 전사함으로써 얼라인먼트를 수행하고, 다음의 회로 패턴을 웨이퍼 상에 전사 시에 얼라인먼트 마크의 위치를 검출함으로써, 레티클에 대하여 웨이퍼를 정렬시킨다. 웨이퍼 상에 전사된 얼라인먼트 마크는, 예를 들어, 도 21에 도시된 바와 같은 위치 검출 장치(촬상 장치)(1000)에 의해 광학적으로 검출된다. 도 21은 종래의 위치 검출 장치(1000)의 구성을 나타낸 개략도이다.
위치 검출 장치(1000)에서, 광원(1002)으로부터 방출된 광은 빔 스플리터(1004)에서 편향되어, 결상 광학계(1006)를 통해 웨이퍼(1008)에 전사된 얼라인먼트 마크(피측정물)(1010)를 조명한다. 얼라인먼트 마크(1010)에서 반사된 광은 결상 광학계(1006)를 통해 촬상 센서(1012)에서 결상되고, 얼라인먼트 마크(1010)의 광학상(optical image)(광강도 분포)으로서 촬상 센서(1012)에 의해 센싱(sensing)된다.
공지의 기술에서는, 결상 광학계(1006)의 광학적 전달 함수를 미리 측정하고 역필터를 이용함으로써, 위치 검출 장치(1000)의 광학계에 기인하는 얼라인먼트 마크(1010)의 광학상(광강도 분포)의 열화를 보정하고, 얼라인먼트 마크(1010)의 광학상을 복원한다. 예를 들어, 얼라인먼트 마크(1010)에 의해 반사된 광의 광학상(광강도 분포)을 f(x), 촬상 센서(1012) 상의 광학상(광강도 분포)을 g(x), 결상 광학계(1006)의 광학적 전달 함수를 H(ω)라고 하면, 이하 관계식이 성립한다.
여기서, G(ω)는 g(x)의 푸리에 변환이며, F(ω)는 f(x)의 푸리에 변환이며, H(ω)는 점상 분포 함수(PSF: Point Spread Function) 또는 선상 분포 함수(LSF: Line Spread Function)의 푸리에 변환으로서, 결상 광학계(1006)의 결상 특성을 나타낸다.
수학식 1은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다:
수학식 2를 역 푸리에 변환함으로써, 위치 검출 장치(1000)의 광학계로 인해 열화되기 전의 광학상, 즉, 얼라인먼트 마크(1010)에 의해 반사된 광의 광학상 f(x)를 구한다.
위치 검출 장치의 정밀도를 증가시키기 위하여, 일본 특허공개공보 제2004-281904호에서는, 예를 들어, 위치 검출 장치의 광학적 전달 함수와 전기적 전달 함수를 미리 측정함으로써, 이러한 2개의 전달 함수를 이용하여 광학상(광강도 분포)의 열화를 보정하는 기술을 제안한다.
그러나, 종래 기술에서는, 얼라인먼트 마크 등의 피측정물의 반사율이 파장 의존성을 갖는 경우, 위치 검출 장치의 광학계에 기인하는 광학상(광강도 분포)의 열화를 충분하게 보정하는 것이 불가능하여, 피측정물의 검출 정밀도가 저하되는 결과를 가져 온다.
예를 들어, 우선, 종래 기술에서는 먼저 브로드밴드 광을 조명광으로서 이용하여, 조명광의 파장 폭 전체에 대한 PSF 또는 LSF를 측정한다. 다음, PSF 또는 LSF의 푸리에 변환으로서 광학적 전달 함수 G(ω)를 이용하여 광학상의 열화를 보정한다. 광학계에서의 수차의 영향의 정보를 포함하는 광학적 전달 함수 G(ω)는 파장 의존성을 갖는다 점에 유의하자. 이는, 광학계에서의 수차(예를 들어, 축상의 색수차)는 일반적으로 파장 사이에서 발생량(수차량)이 다르기 때문이다. 이 때문에, PSF 또는 LSF가 측정된 때와, 얼라인먼트 마크 등의 피측정물이 측정된 때의 파장 사이에서 광강도의 차가 발생한 경우에, 광학상(광강도 분포)의 열화를 충분하게 보정할 수 없다.
또한, 웨이퍼는, 레지스트 및 층간 절연막 등의 투명 박막이 적층된 적층 구조를 갖기 때문에, 도 22에 나타낸 바와 같이, 각 파장에 대한 반사율이 변한다. 도 22는 피측정물로서 기능하는 웨이퍼(얼라인먼트 마크)의 반사율의 파장 의존성을 나타낸 그래프이다. 도 22에서, 종축은 웨이퍼의 반사율을 나타내고, 횡축은 웨이퍼를 조명하는 광의 파장을 나타낸다. 이들 투명 박막에 의한 다중 반사의 영향을 줄이기 위하여, 위치 검출 장치는 파장 폭이 넓은 조명광으로 웨이퍼를 조명하고, 웨이퍼에 전사된 얼라인먼트 마크의 위치를 검출한다. 그러나, 일본 특허공개공보 제2004-281904호에서는 웨이퍼(얼라인먼트 마크)의 반사율의 파장 의존성에 관하여 고려하지 않고 있다. 따라서, 조명광의 파장 폭 전체에 대한 PSF 또는 LSF를 계산하고, 그 푸리에 변환으로서 광학적 전달 함수 G(ω)를 이용하는 경우에도, 파장에 따라 광학상(광강도 분포)이 변화한다. 이는 광학상의 열화를 충분히 보정할 수 없도록 한다.
본 발명은, 피측정물의 위치를 높은 정밀도로 검출하는 것이 가능한 위치 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 피측정물의 위치를 검출하는 위치 검출 장치로서, 피측정물 상에 파장 폭을 갖는 광을 방출하는 광원, 피측정물로부터의 광을 촬상 소자에 결상하는 결상 광학계, 파장 폭을 갖는 광 중에서, 서로 다른 파장의 복수의 광빔에 대한 결상 광학계의 결상 특성을 취득하는 제1 취득부, 복수의 광빔에 대한 피측정물의 광학상을 취득하는 제2 취득부, 제1 취득부에 의해 취득된 결상 광학계의 결상 특성에 기초하여, 제2 취득부에 의해 취득된 피측정물의 광학상의 결상 광학계에 기인하는 열화를 보정함으로써 복수의 광빔에 대한 피측정물의 광학상을 복원하는 복원부, 복원부에 의해 복원된 복수의 광빔에 대한 피측정물의 광학상을 합성함으로써 복수의 광빔을 포함하는 광에 대한 피측정물의 광학상을 생성하는 생성부, 및 생성부에 의해 생성된 복수의 광빔을 포함하는 광에 대한 피측정물의 광학상에 기초하여 피측정물의 위치를 결정하는 결정부를 포함하는 위치 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 그 이상의 측징들은 첨부 도면들을 참조하여 이하의 실시예들의 설명으로부터 더 명확하게 될 것이다.
본 발명에 따르면, 피측정물의 위치를 높은 정밀도로 검출하는 것이 가능한 위치 검출 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 위치 검출 장치를 나타낸 개략도.
도 2는 도 1에 나타낸 위치 검출 장치에서의 파장 선택부의 구체적인 구성을 나타낸 개략도.
도 3은 도 2에 나타낸 파장 선택부의 복수의 밴드패스 필터의 분광 특성을 나타낸 그래프.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 양태에 따른 위치 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 5는 결상 특성 취득 단계에서 취득된 결상 광학계의 선상 분포 함수(line image distribution function)의 일례를 나타낸 그래프.
도 6은 광학상 취득 단계에서 취득된 피측정 패턴의 광학상의 일례를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일 양태에 따른 노광 장치를 나타낸 개략도.
도 8은 도 1에 나타낸 노광 장치에서의 얼라인먼트 검출계의 구성을 나타낸 개략도.
도 9의 (a) 및 도 9의 (b)는 웨이퍼 상의 얼라인먼트 마크의 일례를 나타낸 도면.
도 10은 도 9의 (a) 및 도 9의 (b)에 나타낸 얼라인먼트 마크를 이용한 경우에, 라인 센서에서 촬상된 얼라인먼트 마크의 상(검출 결과)을 나타낸 도면.
도 11의 (a) 내지 도 11의 (c)는 템플릿 매칭법을 설명하기 위한 도면.
도 12는 도 1에 나타낸 노광 장치의 웨이퍼 스테이지 상의 xy 좌표계에 대하여, 웨이퍼의 샷 배열의 어긋남을 나타낸 도면.
도 13은 백터를 이용하여, 수학식 15에 나타낸 1차 좌표 변환을 모식적으로 나타낸 도면.
도 14는 도 1에 나타낸 노광 장치에서의 얼라인먼트 검출계의 또 다른 구성을 나타낸 개략도.
도 15는 도 14에 나타낸 얼라인먼트 검출계의 다이크로익(dichroic) 미러의 반사 특성을 나타낸 그래프.
도 16은 도 1에 나타낸 노광 장치에서의 얼라인먼트 검출계의 또 다른 구성을 나타낸 개략도.
도 17은 도 16에 나타낸 얼라인먼트 검출계의 밴드패스 필터의 구조를 나타낸 개략도.
도 18은 도 16에 나타낸 얼라인먼트 검출계의 에리어 센서 상에 형성된 얼라인먼트 마크의 광학상을 나타낸 도면.
도 19는 도 1에 나타낸 노광 장치에서의 얼라인먼트 검출계의 또 다른 구성을 나타낸 개략도.
도 20은 도 19에 나타낸 얼라인먼트 검출계의 회절 격자의 회절(분리) 작용을 나타낸 도면.
도 21은 종래의 위치 검출 장치를 나타낸 개략도.
도 22는 피측정물로서 기능하는 웨이퍼(얼라인먼트 마크)의 반사율의 파장 의존성의 일례를 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 위치 검출 장치
11: 광원
12: 파장 선택부
13: 빔 스플리터
14: 결상 광학계
15: 이미지 센서
16: 제1 기억부
17: 제2 기억부
18: 산출부
19: 출력부
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 각 도면에서 동일한 부재에 대하여는 동일한 참조 번호를 부여하고, 그 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 위치 검출 장치(1)를 나타낸 개략도이다. 위치 검출 장치(1)는 피측정물(T)(피측정 패턴 TP)의 위치를 검출한다.
위치 검출 장치(1)는 광원(11), 파장 선택부(12), 빔 스플리터(13), 결상 광학계(14), 이미지 센서(15), 제1 기억부(16), 제2 기억부(17), 산출부(18), 출력부(19), 스테이지(20), 및 결상 특성 취득 패턴(21)을 포함한다.
광원(11)은, 예를 들어, 할로겐 램프이며, 파장 폭을 갖는 광(즉, 브로드밴드 광)을 방출한다.
파장 선택부(12)는 광원(11)으로부터 방출된 파장 폭을 갖는 광의 소정의 파장의 광빔(서로 다른 복수의 파장의 광빔)을 선택적으로 통과시킨다. 파장 선택부(12)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 파장을 갖는 광빔들을 통과시키는 복수의 밴드패스 필터(122a 내지 122j), 밴드패스 필터(122a 내지 122j)를 광원(11)과 피측정물(T)과의 사이의 광로로 교환 가능하게 삽입하는 터렛(turret)(124)을 포함한다. 밴드패스 필터(122a 내지 122j)는, 예를 들어, 도 3에 나타낸 바와 같이, 투과 파장 폭이 약 30㎚, 투과 중심 파장이 20㎚씩 서로 시프트된 특성을 보여준다. 파장 선택부(12)에서 터렛(124)을 회전시켜, 밴드패스 필터(122a 내지 122j) 중 임의의 하나를 광로에 삽입함으로써, 임의의 파장을 갖는 광에 의해 피측정물(T)이 조명될 수가 있다. 도 2는 파장 선택부(12)의 구체적인 구성을 나타낸 개략도이다. 도 3은 파장 선택부(12)의 복수의 밴드패스 필터(122a 내지 122j)의 분광 특성을 나타낸 그래프이다.
파장 선택부(12)는 도 2에 도시된 구성에 특히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복굴절판과 강유전성 액정 셀의 조합에 의해 제작된 밴드패스 필터를 이용할 수도 있다. 또한, 가변 파장을 갖는 Ti 사파이어 레이져 또는 광주파수 콤(comb) 발생기를 광원(11)으로 이용하거나, 서로 다른 파장을 갖는 광들을 방출하는 복수의 광원으로 광원(11)을 구성함으로써, 파장 선택부(12)의 기능이 광원(11)에 부여될 수도 있다.
빔 스플리터(13)는 파장 선택부(12)를 통과한 광을 피측정물(T)(피측정 패턴 TP) 또는 결상 특성 취득 패턴(21)에 반사시킨다. 또한, 빔 스플리터(13)는 피측정물(T)(피측정 패턴 TP) 또는 결상 특성 취득 패턴(21)으로부터의 광을 이미지 센서(15)에 투과시킨다.
결상 광학계(14)는 피측정물(T) 상의 피측정 패턴 TP 및 결상 특성 취득 패턴(21)으로부터의 광을 이미지 센서(15)에 도광시켜, 이미지 센서(15) 상에 피측정 패턴 TP 또는 결상 특성 취득 패턴(21)의 광학상(광강도 분포)을 형성한다.
이미지 센서(15)는 결상 광학계(14)에 의해 형성된 피측정 패턴 TP 또는 결상 특성 취득 패턴(21)의 광학상을 센싱한다.
제1 기억부(16)는 파장 선택부(12)에 의해 선택된 서로 다른 복수의 파장(λ)에 대한 결상 광학계(14)의 결상 특성으로서, 결상 광학계(14)의 점상 분포 함수(point image distribution function) PSF(λ) 또는 선상 분포 함수(line image distribution function) LSF(λ)를 기억한다.
제2 기억부(17)는 파장 선택부(12)에 의해 선택된 서로 다른 복수의 파장(λ)에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상(optical image)들 g(λ)을 기억한다. 여기서, 제2 기억부(17)에 기억된 피측정 패턴 TP의 광학상 g(λ)은, 결상 광학계(14)에 기인하는 열화를 포함하고 있다.
산출부(18)는 점상 분포 함수 PSF(λ) 또는 선상 분포 함수 LSF(λ)에 기초하여 결상 광학계(14)에 기인하는 광학상들 g(λ)에서의 열화를 보정하여, 복수의 파장(λ)에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상들 f(λ)를 복원시킨다. 또한, 산출부(18)는 복원된 광학상들 f(λ)를 합성하여, 복수의 파장(λ)을 포함하는 광에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상을 생성하고, 피측정 패턴 TP의 광학상에 기초하여 피측정물(T)(피측정 패턴 TP)의 위치를 결정한다. 이러한 방식으로, 산출부(18)는 피측정 패턴 TP의 광학상을 복원하는 복원부, 임의의 파장의 광에 대한 피측정 패턴의 광학상을 생성하는 생성부, 및 피측정 패턴 TP(피측정물(T))의 위치를 결정하는 결정부로서 기능한다.
출력부(19)는 산출부(18)에 의해 생성(연산)된 피측정 패턴 TP의 광학상을 출력 또는 표시한다.
스테이지(20)는 피측정물(T) 및 결상 특성 취득 패턴(21)을 유지하며, 피측정물(T)(피측정 패턴 TP) 또는 결상 특성 취득 패턴(21)을 결상 광학계(14)의 아래에서 구동한다.
결상 특성 취득 패턴(21)은 결상 광학계(14)의 결상 특성(결상 광학계(14)의 점상 분포 함수 PSF(λ) 또는 선상 분포 함수 LSF(λ))를 취득하기 위한 패턴이며, 예컨대 슬릿 패턴이나 핀홀 패턴을 포함한다. 예를 들어, 피측정 패턴 TP이 2차원 패턴인 경우, 결상 광학계(14)의 결상 특성으로서 점상 분포 함수 PSF(λ)를 취득하기 위하여 결상 특성 취득 패턴(21)으로서 핀홀 패턴이 사용된다. 피측정 패턴 TP이 1차원 패턴(x축을 따라 변화하며, y축을 따라 일정한 패턴)인 경우에는, 결상 광학계(14)의 결상 특성으로서 선상 분포 함수 LSF(λ)를 취득하기 위하여, 슬릿 폭방향이 x축 방향인 슬릿 패턴이 사용된다.
결상 광학계(14)의 점상 분포 함수 PSF(λ) 또는 선상 분포 함수 LSF(λ)는 당업계에서 주지된 방법으로 취득(측정)될 수 있다. 점상 분포 함수 PSF(λ)를 취득하기 위하여는, 결상 특성 취득 패턴(21)으로서 기능하는 핀홀 패턴에 의해 반사된 광 또는 핀홀 패턴을 투과한 광을, 결상 광학계(14)를 통해 이미지 센서(15) 상에 형성하고, 광학상(광강도 분포)을 센싱하면 된다. 선상 분포 함수 LSF(λ)를 취득하기 위하여는, 결상 특성 취득 패턴(21)으로서 기능하는 슬릿 패턴에 의해 반사된 광 또는 슬릿 패턴을 투과한 광을, 결상 광학계(14)를 통해 이미지 센서(15) 상에 형성하고, 광학상(광강도 분포)을 센싱하면 된다. 결상 특성 취득 패턴(21)으로서 사용되는 핀홀 패턴의 직경(d) 또는 슬릿 패턴의 슬릿 폭(d), 및 결상 광학계(14)의 개구수(NA)는, 이하의 수학식 3을 만족한다.
설명을 용이하게 하기 위하여, 본 실시예에서는 피측정 패턴 TP이 1차원 패턴이며, 결상 광학계(14)의 결상 특성으로서 선상 분포 함수 LSF(λ)가 사용되는 경우에 대하여 설명한다. 피측정 패턴 TP이 2차원 패턴인 경우, 이하의 설명은 x축 뿐만 아니라 y축을 가정한 점상 분포 함수 PSF(λ)에 대해서만 적용될 필요가 있다.
여깃서는, 위치 검출 장치(1)의 동작, 즉, 위치 검출 장치(1)에서의 위치 검출 방법에 대하여 설명한다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 양태에 따른 위치 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
위치 검출 장치(1)에서의 위치 검출 방법은, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 결상 특성 취득 단계(S600), 광학상 취득 단계(S700), 및 광학상 복원 단계(S800)의 3개의 단계로 크게 나누어진다. 제1 취득 단계로서의 결상 특성 취득 단계(S600)에서는, 결상 광학계(14)의 결상 특성(본 실시예에서는, 선상 분포 함수 LSF(λ))가 취득(측정)된다. 제2 취득 단계로서의 광학상 취득 단계(S700)에서는, 피측정물(T) 상에 피측정 패턴 TP의 광학상이 취득(측정)된다. 광학상 복원 단계(S800)에서는, 피측정 패턴 TP의 광학상의 결상 광학계(14)에 기인하는 열화를 보정하여, 피측정 패턴 TP의 광학상이 복원된다.
이하, 도 4b를 참조하여, 전술한 3개의 단계(결상 특성 취득 단계(S600), 광학상 취득 단계(S700), 및 광학상 복원 단계(S800))를 상세하게 설명한다.
결상 특성 취득 단계(S600)에서는, 결상 광학계(14)의 선상 분포 함수 LSF(λ)를 취득(측정)하기 위하여, 스테이지(20)를 통해 결상 특성 취득 패턴(21)으로서 기능하는 반사형 슬릿 패턴이 결상 광학계(14)의 아래에 배치된다. 따라서, 광원(11), 파장 선택부(12), 빔 스플리터(13), 결상 광학계(14), 이미지 센서(15), 및 결상 특성 취득 패턴(21)은 결상 광학계(14)의 결상 특성을 취득하기 위한 제1 취득부로서 기능한다.
단계 S602에서는, 결상 특성 취득 패턴(21)으로서 기능하는 슬릿 패턴을 조명하는 광(조명광)의 파장 λ1이 파장 선택부(12)에 의해 선택된다.
단계 S604에서는, 단계 S602에서 선택된 파장 λ1을 갖는 광빔에 의해 슬릿 패턴이 조명되고, 슬릿 패턴의 광학상이 이미지 센서(15)에 의해 센싱되어, 선상 분포 함수 LSF(λ1)를 취득한다.
단계 S606에서는, 단계 S604에서 취득된 선상 분포 함수 LSF(λ1)가 제1 기억부(16)에 기억된다.
단계 S608에서는, 파장 선택부(12)에 의해 선택 가능한 서로 다른 파장을 갖는 광빔(본 실시예에서는, 밴드패스 필터(122a 내지 122j)를 통과한 광빔)들 모두에 대한 선상 분포 함수들 LSF가 취득되었는지의 여부가 판정된다. 파장 선택부(12)에 의해 선택 가능한 서로 다른 파장을 갖는 광빔들 모두에 대한 선상 분포 함수들 LSF가 취득된 것으로 판정된 경우에는, 처리는 광학상 취득 단계(S700)로 진행한다. 한편, 파장 선택부(12)에 의해 선택 가능한 서로 다른 파장을 갖는 광빔들 모두에 대한 선상 분포 함수들 LSF가 취득되지 않는 것으로 판정된 경우에는, 처리는 단계 S602로 복귀하고, 파장 선택부(12)에 의해 다음의 파장(λ2)이 선택되고, 단계 S604 및 S606이 실행된다.
도 5는 이와 같이 결상 특성 취득 단계(S600)에서 취득된 결상 광학계(14)의 선상 분포 함수 LSF(x, λ)의 일례를 도시한다. 도 5는 파장 λ1 내지 λ3을 갖는 광빔들에 대한 선상 분포 함수들 LSF(x, λ)를 나타내고 있지만, 제1 기억부(16)에는 파장 λ1 내지 λn (본 실시예에서는, n은 10)을 갖는 광빔들에 대한 선상 분포 함수들 LSF(x, λ)가 기억된다. 도 5를 참조하면, x축에 따른 선상 분포 함수 LSF(x, λ)가 각 파장에 대해 변하는 것이 명백하다.
광학상 취득 단계(S700)에서는, 피측정 패턴 TP의 광학상을 취득(측정)하기 위하여, 스테이지(20)를 통해 피측정 패턴 TP가 결상 광학계(14)의 아래에 배치된다. 따라서, 광원(11), 파장 선택부(12), 빔 스플리터(13), 결상 광학계(14), 이미지 센서(15), 및 피측정 패턴 TP은 피측정 패턴 TP의 광학상을 취득하기 위한 제2 취득부로서 기능한다.
단계 S702에서는, 피측정 패턴 TP을 조명한 광(조명광)의 파장 λ1이 파장 선택부(12)에 의해 선택된다.
단계 S704에서는, 단계 S702에서 선택된 파장 λ1을 갖는 광빔에 의해 피측정 패턴 TP이 조명되고, 피측정 패턴 TP의 광학상이 이미지 센서(15)에 의해 센싱되어, 피측정 패턴 TP의 광학상 g(λ1)이 취득된다.
단계 S706에서는, 단계 S704에서 취득된 피측정 패턴 TP의 광학상 g(λ1)이 제2 기억부(17)에 기억된다.
단계 S708에서는, 파장 선택부(12)에 의해 선택 가능한 서로 다른 파장을 갖는 광빔(본 실시예에서는, 밴드패스 필터(122a 내지 122j)를 통과한 광빔)들 모두에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상이 취득되었는지의 여부가 판정된다. 파장 선택부(12)에 의해 선택 가능한 서로 다른 파장을 갖는 광빈들 모두에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상이 취득된 것으로 판정되는 경우에는, 처리는 복원 단계(S800)로 진행한다. 한편, 파장 선택부(12)에 의해 선택 가능한 서로 다른 파장을 갖는 광빔들 모두에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상이 취득되지 않은 것으로 판정되는 경우에는, 처리는 단계 S702에 복귀하고, 파장 선택부(12)에 의해 다음의 파장 λ2이 선택되고, 단계들 S704 내지 S706이 실행된다.
도 6은 이러한 방식으로 광학상 취득 단계(S700)에서 취득된 피측정 패턴 TP의 광학상 g(x,λ)의 일례를 나타낸다. 도 6은 파장 λ1 내지 λ3을 갖는 광빔들에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상들 g(x, λ) 만을 나타내고 있지만, 제2 기억부(17)에는 파장 λ1 내지 λn(본 실시예에서는, n = 10)을 갖는 광빔들에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상들 g(x,λ)이 기억된다. 도 6을 참조하면, x축에 따른 피측정 패턴 TP의 광학상 g(x,λ)이 각 파장에 대해 변하고 있는 것이 명백하다.
광학상 복원 단계(S800)는 산출부(18)에 의해 주로 실행된다.
단계 S802에서는, 제1 기억부(16)에 기억된 선상 분포 함수 LSF(x, λ)를 이용하여, 제2 기억부(17)에 기억된 피측정 패턴 TP의 광학상 g(x, λ)의 결상 광학계(14)에 기인하는 열화가 보정되어, 피측정 패턴 TP의 광학상 f(λ)을 복원한다. 단계 S802에서는, 복수의 파장 λ(본 실시예에서는, λ1 내지 λ10)의 광빔에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상 f(λ)이 복원된다. 더 구체적으로는, 산출부(18)는 이하의 연산 처리를 실행한다.
먼저, 제1 기억부(16)에 기억된 선상 분포 함수 LSF(x,λ)가 다음 식에 의해 푸리에 변환된다.
또한, 제2 기억부(17)에 기억된 피측정 패턴 TP의 광학상 g(x,λ)이 다음 식에 의해 푸리에 변환된다.
다음, 역 필터 H(ω,λ)-1 을 이용하여, 복수의 파장 λ을 갖는 광빔들에 대하여 이하의 수학식 6이 계산된다.
다음의 식에 의해 수학식 6을 역 푸리에 변환함으로써, 복수의 파장 λ을 갖는 광빔들에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상 f(x,λ)이 복원된다.
단계 S804에서는, 단계 S802에서 복원된 피측정 패턴 TP의 광학상 f(x,λ)을 합성하여, 복수의 파장 λ를 포함하는 광에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상을 생성한다. 이와 같이 하여 생성된 피측정 패턴 TP의 광학상은 출력부(19)로부터 출력되거나, 출력부(19) 상에 표시된다.
단계 S804의 처리에서는, 예를 들어, 복수의 파장 λ의 광빔에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상 f(x,λ)를 이용하여 컬러 화상에 대응하는 피측정 패턴 TP의 광학상이 생성될 수 있다. 보다 구체적으로, 피측정 패턴 TP의 광학상을 생성하기 위해서는, 수학식 7로부터 구한 각 점(이미지 센서(15) 상의 각 화소)에 대해 컬러 필터의 파장 영역(예를 들어, R(red), G(green), B(blue))에 속하는 파장들에서의 광강도 값(휘도)들을 적분하기만 하면 된다. 피측정 패턴 TP의 광학상을 출력부(19)로서 기능하는 액정 디바이스에 보냄으로써 컬러 화상으로서 표시될 수 있다.
그레이(gray) 화상에 대응하는 피측정 패턴 TP의 광학상이 생성되는 경우에는, 복수의 파장 λ(본 실시예에서는, λ1 내지 λ10)를 갖는 광빔들에 대한 피측정 패턴 TP의 평균 광학상 ff(x)이 생성될 수 있다.
단계 S902에서는, 단계 S804에서 생성된 피측정 패턴 TP의 광학상(예를 들어, 수학식 8에 의해 주어짐)으로부터 당업자에게 공지된 방법을 이용하여 피측정 패턴 TP(피측정물(T))의 위치가 결정된다.
단계 S904에서는, 다른 측정 대상이 존재하는지 여부가 체크된다. 다른 측정 대상이 존재하는 것으로 판정되는 경우에는, 처리는 단계 S702로 복귀하고, 단계 S702 내지 S804가 반복된다. 한편, 다른 측정 대상이 존재하지 않는 것으로 판정되는 경우에는, 위치 검출 장치(1)에서의 위치 검출 방법이 종료된다.
이미지 센서(15)의 분광 감도 특성은 각 파장에 대해 변하기 때문에, 이미지 센서(15)의 감도는 미리 교정되는 것이 바람직하다. 파장 선택부(12)에서 사용되는 밴드패스 필터(122a 내지 122j)의 투과율의 파장 간 차이 역시 보정되는 것이 바람직하다.
광학적 전달 함수 H(ω)의 값은 고주파수 측에서 제로에 가깝기 때문에, 1/H(ω)의 고주파수 측에서의 파워가 상대적으로 증가한다. 이는 복원된 피측정 패턴 TP의 광학상(화상)에 고주파수의 리플(ripple)을 발생시킨다. 이 경우, 광학적 전달 함수 H(ω)의 값이 0에 가까운 주파수에서, 1/H(ω) = 0로 설정될 수 있으며, 0 주파수에 대하여 대칭인 윈도우 함수를 이용하여 고주파수 측의 진폭 성분이 상대적으로 감소될 수도 있다. 윈도우 함수로서는, 예를 들어, 직사각형 윈도우, 해닝(Hanning) 윈도우, 또는 가우시안(Gaussian) 윈도우를 사용할 수 있다.
본 실시예에서는 푸리에 변환을 이용하여 복수의 파장을 갖는 광빔들에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상 f(λ)이 복원되고 있지만, 푸리에 변환없이 복원될 수도 있다. 수학식 1의 우변은 주파수 영역에서의 산출이다. 푸리에 변환의 특성으로부터, 수학식 1은 이하의 수학식에 나타낸 바와 같은 실공간 영역에서의 콘볼루션과 등가이다.
여기서, *는 콘볼루션 연산의 기호이며, h(x)는 결상 광학계(14)의 광학적 전달 함수의 역 푸리에 변환, 즉, 점상 분포 함수 PSF 또는 선상 분포 함수 LSF이다.
수학식 9에서, 단계 S604에서 취득된 선상 분포 함수 LSF(x,λ)를 h(x)로 치환함으로써, 단계 S704에서 취득된 피측정 패턴 TP의 광학상 g(x,λ)를 이용하여 디콘볼루션이 실행될 필요가 있다. 이는 결상 광학계(14)에 기인하는 열화가 보정된 피측정 패턴 TP의 광학상 f(λ)를 복원하는 것을 가능하게 한다.
본 실시예에 따른 위상 검출 장치(1)는, 피측정 패턴 TP의 광학상에서의 결상 광학계(14)에 기인하는 열화를 각각의 파장에 대하여 보정할 수 있다. 즉, 피측정 패턴 TP의 반사율이 각 파장에 대해 변하는 경우에서도, 위치 검출 장치(1)는 복수의 파장을 갖는 광빔들에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상들을 정확하게 복원할 수 있다. 따라서, 위치 검출 장치(1)는 정확하게 복원한 피측정 패턴 TP의 광학상을 합성하여 복수의 파장을 포함하는 광에 대한 피측정 패턴 TP의 광학상을 생성하여, 피측정 패턴 TP(피측정물(T))의 위치를 정확하게 검출할 수 있다.
다음, 전술한 위치 검출 장치(1)가 적용되는 노광 장치에 대하여 설명한다. 노광 장치에서, 위치 검출 장치(1)는, 예를 들어, 웨이퍼 등의 기판에 형성되어 있는 얼라인먼트 마크의 위치를 검출하는 얼라인먼트 검출계(위치 검출계)에 적용된다.
도 7은 본 발명의 일 양태에 따른 노광 장치(300)를 나타낸 개략도이다. 노광 장치(300)는 스텝 & 스캔 방식 또는 스탭 & 리피트 방식을 이용하여 레티클의 패턴을 웨이퍼에 전사하는 투영 노광 장치이다. 그러나, 노광 장치(300)는 나노임프린트(nanoimprint) 장치에도 적용할 수 있다.
노광 장치(300)는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 조명 장치(310), 레티클(320)을 지지하는 레티클 스테이지(도시 생략), 투영 광학계(330), 웨이퍼(340)를 지지하는 웨이퍼 스테이지(350), 제어부(360), 및 얼라인먼트 검출계(400)를 포함한다.
조명 장치(310)는 ArF 엑시머 레이저, KrF 엑시머 레이저, F2 레이저, 또는 EUV(Extreme Ultra Violet) 광원, 및 광원으로부터의 광에 의해 레티클(320)을 조명하는 조명 광학계를 포함한다.
레티클(320)은 회로 패턴을 가지며, 레티클 스테이지(도시 생략)에 의해 지지 및 구동된다.
투영 광학계(330)는 레티클(320)의 패턴을 웨이퍼(340)에 투영한다.
웨이퍼(340)는 레티클(320)의 패턴이 투영(전사)된 기판이다. 웨이퍼(340) 상에는 전처리에 의해 하지(underlying) 패턴 및 얼라인먼트 마크가 형성된다. 또한, 웨이퍼(340) 대신에 글래스 플레이트 또는 다른 기판을 이용할 수도 있다.
웨이퍼 스테이지(350)는 웨이퍼 쳐크(chuck)(355)를 통해 웨이퍼(340)를 지지하며, 웨이퍼(340)를 구동하여 이를 소정의 위치에 정렬시킨다.
제어부(360)는, 예를 들어, CPU 및 메모리를 포함하며, 노광 장치(300)의 전체(동작)를 제어한다. 본 실시예에서, 제어부(360)는 얼라인먼트 검출계(400)에 의해 취득되는 검출 결과(웨이퍼(340) 또는 얼라인먼트 마크 AM의 위치)에 기초하여 웨이퍼 스테이지(350)를 통해 웨이퍼(340)의 위치를 조정하는 조정부로서도 기능한다.
얼라인먼트 검출계(400)는 웨이퍼(340) 상의 얼라인먼트 마크를 검출한다. 또한, 얼라인먼트 검출계(400)는 얼라인먼트 마크의 검출 결과에 기초하여 웨이퍼(340)의 위치를 검출(결정)한다.
여기서, 얼라인먼트 검출계(400)의 구성 및 원리에 대하여 상세하게 설명한다. 도 8은 얼라인먼트 검출계(400)를 나타낸 개략도이다. 얼라인먼트 검출계(400)는 도 8에 도시된 바와 같이 조명계(400A) 및 결상계(400B)를 포함한다. 도 8은 x축 방향으로의 위치를 검출하는 얼라인먼트 검출계(400)의 일례를 나타내고 있다. y축 방향으로의 위치를 검출하기 위해서는, 도 8에 도시된 얼라인먼트 검출계(400)를 z축 주위로 90도 회전하여 설정된 얼라인먼트 검출계 및 x축 방향으로의 마크를 z 축 주위로 90도 회전시켜 설정된 얼라인먼트 마크를 이용하기만 하면 된다.
할로겐 램프 등의 광원(402)으로부터의 광은 렌즈(404)에 의해 확대되어 평행광으로 되고, 임의의 파장을 선택적으로 통과시키는 파장 선택부(12)를 통해 개구 조리개(406)에 입사된다. 개구 조리개(406)는 광원(402)으로부터의 광의 코히어런스 σ를 조정하는 기능을 가지며, 통상 광원(402)로부터의 광의 코히어런스 σ를 0.9로 조정한다.
개구 조리개(406)를 통과한 광은 렌즈(408)에 의해 집광되며, 웨이퍼(340)와 광학적으로 공역(conjugate)인 위치에 배치된 애퍼처(aperture)(410)에 입사한다. 애퍼처(410)는, 웨이퍼(340) 상의 얼라인먼트 마크 AM의 주변 영역에 불필요한 광이 조명된 것을 방지하는 시야 조리개(field stop)로서 기능한다.
애퍼처(410)를 통과한 광은 렌즈(412)에 의해 확대되어 평행광으로 되며, 빔 스플리터(414)에 의해 반사된다. 빔 스플리터(414)에 의해 반사된 광은 렌즈(416)를 통해 웨이퍼(340) 상의 얼라인먼트 마크 AM을 조명한다.
얼라인먼트 마크 AM에 의해 반사된 광은 렌즈(416), 빔 스플리터(414), 및 렌즈(418 및 420)를 통해 결상계(400B)의 개구수(NA)를 조정하는 개구 조리개(422)에 입사한다. 개구 조리개(422)를 통과한 광은 렌즈(424)에서 집광되어, 라인 센서(426)에 센싱(수광)된다. 얼라인먼트 마크 AM은 결상계(400B)에서 약 100배 정도의 결상 배율로 확대되어 라인 센서(426) 상에 결상된다.
얼라인먼트 마크 AM는, 도 9a에 나타낸 바와 같이, 위치 검출 방향으로서 x축 방향으로 4㎛의 길이를 가지며, 비위치 검출 방향으로서 y축 방향으로 20㎛의 길이를 갖는 4개의 직사각형의 마크 AM1 내지 AM4 를 포함한다. 얼라인먼트 마크 AM의 마크들 AM1 내지 AM4 는 도 9b에 나타낸 바와 같이, 에칭에 의해 오목 형상의 단면 구조를 갖는다. 도 9a 및 도 9b에는 도시되어 있지 않지만, 실제에서는 얼라인먼트 마크 AM 상에 레지스트가 도포된다. 도 9a 및 도 9b는 얼라인먼트 마크 AM의 일례를 나타내는 도면이며, 도 9a는 평면도, 도 9b는 단면도이다.
도 9a 및 도 9b에 나타낸 얼라인먼트 마크 AM가 이용되는 경우, 얼라인먼트 검출계(400)의 렌즈의 NA에 속하지 않을 정도의 큰 각도로 산란된 광이 엣지부에서 주로 발생되거나, 또는 엣지부에서 발생된 산란광이 주로 상호 간섭하기 때문에, 라인 센서(426)는 도 10에 도시된 바와 같은 광학상을 센싱한다. 도 10은 도 9a 및 도 9b에 나타낸 얼라인먼트 마크 AM가 이용되는 경우, 라인 센서(426)에 의해 센싱되는 얼라이인먼트 마크 AM의 광학상(검출 결과)을 나타낸 도면이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 라인 센서(426)에 의해 센싱된 얼라인먼트 마크 AM의 광학상은 비대칭성을 가지며, 이는 얼라인먼트 마크 AM를 조명하는 광의 각 파장에 대해 변하는 것으로 알려져 있다.
비대칭성을 감소시키기 위하여, 도 4a 및 도 4b에 도시된 위치 검출 방법에 기초하여, 파장 선택부(12)에 의해 선택 가능한 복수의 파장을 갖는 광빔들에 대한 선상 분포 함수들 및 얼라인먼트 마크 AM의 광학상들을 취득한다. x축 방향으로의 선상 분포 함수를 취득하기 위해서는, 얼라인먼트 검출계(400)가, 웨이퍼(340)의 표면과 동일한 높이가 되도록 웨이퍼 스테이지(350)에 배치된 기준 플레이트 상에 x축 방향으로 자신의 슬릿 폭을 갖는 슬릿 패턴을 센싱하면 된다. 마찬가지로, y축 방향으로의 선상 분포 함수를 취득하기 위해서는, 얼라인먼트 검출계(400)가, 웨이퍼(340)의 표면과 동일한 높이가 되도록 웨이퍼 스테이지(350)에 배치된 기준 플레이트 상에 y축 방향으로 슬릿 폭을 갖는 슬릿 패턴을 센싱하면 된다. x축 방향으로의 얼라인먼트 마크의 광학상은 x축 방향으로의 선상 분포 함수를 사용하여 처리되며, y축 방향으로의 얼라인먼트 마크의 광학상은 y축 방향으로의 선상 분포 함수를 사용하여 처리된다.
이렇게 하여 취득된 선상 분포 함수 및 얼라인먼트 마크 AM의 광학상은 제1 기억부(16) 및 제2 기억부(17)에 각각 기억된다. 산출부(18)는 제1 기억부(16) 및 제2 기억부(17)에 각각 기억된 선상 분포 함수 및 얼라인먼트 마크 AM의 광학상을 이용하여, 수학식 4 내지 수학식 8 (또는 수학식 9)에 나타낸 연산 처리를 실행한다. 이 연산에 의해, 복수의 파장을 갖는 광빔들에 대한 얼라인먼트 마크 AM의 광학상이 복원되어, 비대칭성이 저감된 얼라인먼트 마크 AM의 광학상(수학식 8 참조)이 생성된다. 이 처리는 웨이퍼(340) 상의 각 샷(shot)에 형성되어 있는 얼라인먼트 마크에 대하여 수행된다.
산출부(18)에 의해 생성된 얼라이먼트 마크 AM의 광학상은 제어부(360)에 보내진다. 제어부(360)는 얼라인먼트 마크 AM의 위치를 검출하는 처리를 실행한다. 본 실시예에서, 제어부(360)는 템플릿(template) 매칭법을 이용하여 얼라인먼트 마크 AM의 위치를 검출한다. 그러나, 산출부(18) 역시 얼라인먼트 마크 AM의 위치를 검출하는 처리를 실행할 수 있다. 또한, 제어부(360)는 산출부(18)의 기능을 구비할 수 있다.
템플릿 매칭법은, 도 11b에 나타낸 얼라인먼트 마크의 광학상에 대응하는 신호(S)와 미리 장치에 제공되는 도 11a에 나타낸 모델 신호(템플릿)(T)와의 상관 연산을 수행하고, 가장 높은 상관을 갖는 위치를 얼라인먼트 마크의 중심으로서 검출한다. 도 11c에 도시된 상관값을 나타내는 함수(E)에서, 피크로부터 좌우 모두에 수 개의 화소 영역의 중심 화소 위치를 연산함으로써, 1/10 화소 내지 1/50 화소의 분해능이 달성될 수 있다. 여기서, 도 11a 내지 도 11c는 템플릿 매칭법을 설명하기 위한 도면이다.
템플릿 매칭법은, 이하의 수학식 10으로 표현된다.
여기서, S는 산출부(18)에 의해 생성된 얼라인먼트 마크 AM의 광학상에 대응하는 신호, T는 모델 신호이며, E는 상관값이다. 신호 S, 모델 신호 T, 및 상관값 E의 관계는 도 11a 내지 도 11c와 같이 된다. 도 11a 내지 도 11c는 얼라인먼트 마크 AM의 4개의 마크(AM1 내지 AM4) 중 1개의 마크에 대한 처리 방법을 나타낸다. 마찬가지로, 라인 센서(426) 상에서 나머지 3개의 마크의 위치가 템플릿 매칭법을 이용하여 검출된다.
이와 같이, 템플릿 매칭법을 이용하여 얼라인먼트 마크 AM의 4개의 마크(AM1 내지 AM4)의 중심 위치 X1(n), X2(n), X3(n) 및 X4(n)가 산출된다(단위: 화소). 여기서, n은 템플릿 번호이다. 4개의 마크(AM1 내지 AM4)의 중심 위치 X1(n) 내지 X4(n)을 평균화하는 것으로, 얼라인먼트 마크 AM의 전체의 중심 위치 Xa(n)를 구한다:
웨이퍼(340) 상의 얼라인먼트 마크 AM의 위치 어긋남(misalignment) Xw(n)이 다음 식에 의해 주어진다.
여기서, M은 얼라인먼트 검출계(400)의 결상 배율이며, Px는 라인센서(426)의 위치 검출 방향의 화소 피치(pitch)이다.
다음, 얼라인먼트 마크의 검출 결과(위치 어긋남)에 기초하여 웨이퍼(349)를 정렬시키는 방법에 대하여 설명한다. 본 실시예에서는 글로벌 얼라인먼트(AGA: Advanced Global Alignment)를 적용한다. 글로벌 얼라인먼트는 웨이퍼(340) 상의 전체 샷(칩) 중 수 개의 샷을 선택하고, 선택된 샷 내의 얼라인먼트 마크의 위치를 검출함으로써 수행된다. 이하에서, 선택된 샷을 "샘플 샷"으로 명명할 것이다.
도 12는 노광 장치(300)의 웨이퍼 스테이지(350) 상의 x-y 좌표계에 대하여 웨이퍼(340) 상의 샷 배열의 위치 어긋남을 나타낸 도면이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(340)의 위치 어긋남은 x축 방향으로의 시프트(Sx), y축 방향으로의 시프트(Sy), x축에 대한 기울기(θx), y축에 대한 기울기(θy), x축 방향으로의 배율(Bx) 및 y축 방향으로의 배율(By)의 6개의 파라미터로 나타낼 수 있다. x축 방향으로의 배율 Bx 및 y축 방향으로의 배율 By 각각은, 노광 장치(300)에서의 웨이퍼 스테이지의 이송을 기준으로 웨이퍼(304)의 확장/축소를 나타내는데, 이는, 예를 들어, 반도체 프로세스에서의 막 형성이나 에칭에서 웨이퍼(340)를 가열하는 경우에 발생한다.
AGA의 각 샘플 샷의 검출값(Ai) 및 샘플 샷에서의 얼라인먼트 마크 AM의 설계 위치 좌표(Di)는 다음 식에 의해 정의된다:
여기서, i는 검출 샷 번호이다.
AGA에서, 웨이퍼(340)의 위치 어긋남을 나타내는 6개의 파라미터(Sx, Sy, θx, θy, Bx, 및 By)를 이용하여 이하와 같이 1차의 좌표 변환 D'i가 계산된다:
수학식 15에서, θx 및 θy는 작은값(≒0)이고, Bx 및 By는 Bx = By ≒ 1이므로, cosθ = 1, sinθ = 0, θx × Bx = θx, θy × By ≒ θy 등의 근사가 이용된다.
도 13은 수학식 15에 나타낸 1차 좌표 변환 D'i를, 백터를 이용하여 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 13에서, W로 나타낸 위치에 웨이퍼(340) 상의 얼라인먼트 마크가 놓여 있고, 얼라인먼트 마크는 설계상의 위치 M으로부터 Ai만큼 어긋나 있다. 이 경우, 1차 좌표 변환 D'i를 계산하면, 웨이퍼(340) 상의 얼라인먼트 마크의 위치 어긋남(Ri)가 구해진다:
AGA는 각 샘플 샷에서의 나머지 Ri가 최소로 되도록 최소 2승법(least squares method)을 이용한다. 더 구체적으로, 이하에 나타낸 바와 같이, 나머지 Ri의 평균 제곱합을 최소로 하는 6개의 파라미터(Sx, Sy, θx, θy, Bx, 및 By)가 산출된다.
각 샘플 샷에서의 검출값(xi, yi) 및 얼라인먼트 마크의 설계 위치(Xi, Yi)를 수학식 17 및 18에 대입함으로써, 6개의 파라미터(Sx, Sy, θx, θy, Bx, 및 By)가 산출된다. 상기 6개의 파라미터에 기초하여 웨이퍼(340) 상의 각 샷이 정렬되고, 그 후 노광이 수행된다.
본 실시예에서는, 복수의 파장을 갖는 광빔들에 대한 얼라인먼트 마크의 광학상을 복원하고 합성함으로써(수학식 8 참조), 얼라인먼트 마크의 광학상이 생성된다. 그러나, 얼라인먼트 마크의 복원된 광학상에 대하여 그 콘트라스트 C(λ)에 비례하여 가중치를 부여함으로써 얼라인인먼트 마크의 광학상 ff(x)이 생성될 수 있다:
이는, 높은 콘트라스트를 갖는 광학상(에 대응하는 신호)들을 강조할 수 있어, S/N비를 향상시킨다.
본 실시예에서는, 콘트라스트의 2승을 이용하여 가중치 부여가 수행되지만, 가중치 부여 방법은 이에 한정되는 것이 아니라, 또 다른 방법이 채용될 수도 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 얼라인먼트 검출계(400)는 얼라인먼트 마크의 광학상에서의 비대칭성을 저감할 수 있으므로, 얼라인먼트 마크의 위치를 정확하게 검출할 수가 있다. 따라서, 노광 장치(300)는 높은 스루풋 및 우수한 경제적 효율성을 갖는 고품위 디바이스(예컨대, 반도체 집적 회로 디바이스 및 액정 표시 디바이스)를 제공할 수가 있다. 이 디바이스들은 노광 장치(300)를 이용하여 레지스트(감광제)가 도포된 기판(예컨대, 웨이퍼 또는 글래스 플레이트 등)을 노광하는 단계, 노광된 기판을 현상하는 단계, 및 그외 다른 주지의 단계에 의해 제조된다.
또한, 본 실시예에서, 파장 선택부(12)는 조명계(400A)에서 얼라인먼트 마크를 조명하는 광의 파장을 시계열적으로 선택한다. 그러나, 조명계(400A)는 복수의 파장을 갖는 광빔들로 얼라인먼트 마크를 조명하고, 결상계(400B)는 얼라인먼트 마크에 의해 반사된 광과는 다른 파장을 갖는 광빔들을 분리할 수 있다. 이 경우, 결상계(400B)는 얼라인먼트 마크(피측정물 또는 피측정 패턴)에 의해 반사된 광으로부터 복수의 파장을 갖는 광빔들을 분할하는 광 분할부를 포함한다.
도 14는 얼라인먼트 검출계(400)의 또 다른 구성을 나타낸 개략도이다. 도 14를 참조하면, 광원(402)로부터의 광은 렌즈(404)에 의해 확대되어 평행광으로 되며, 개구 조리개(406)에 입사된다. 개구 조리개(406)를 통과한 광은 렌즈(408)에 의해 집광되어, 애퍼처(410)에 입사된다.
애퍼처(410)를 통과한 광은 렌즈(412)에 의해 확대되어 평행광으로 되며, 빔 스플리터(414)에 의해 반사된다. 빔 스플리터(414)에 의해 반사된 광은 렌즈(416)를 통해 웨이퍼(340) 상의 얼라인먼트 마크 AM를 조명한다. 얼라인먼트 마크 AM에 의해 반사된 광은 렌즈(416), 빔 스플리터(414), 및 렌즈(418 및 420)를 통해 개구 조리개(422)에 입사된다.
개구 조리개(422)의 후단의 결상계(400B)의 광로에는 다이크로익 미러(432 및 434)가 삽입되어 있다. 다이크로익 미러(432)에 의해 반사된 광은 렌즈(436)에 의해 집광되고, 라인 센서(438)에 의해 센싱(수광)된다. 마찬가지로, 다이크로익 미러(434)에 의해 반사된 광은 렌즈(440)에 의해 집광되고, 라인 센서(442)에 의해 센싱(수광)된다.
다이크로익 미러(432)는 도 15의 RL이 나타내는 반사율 특성을 갖는다. 중심 파장 λc 1 = 0.5 ㎛ 및 파장 폭 50 ㎚를 갖는 광을 효과적으로 반사하고, 보다 긴 파장을 갖는 광을 효과적으로 투과시킨다. 따라서, 라인 센서(438)는 중심 파장 λc1 = 0.5㎛ 및 파장 폭 50 ㎚를 갖는 광에 의해 형성된 얼라인먼트 마크 AM의 광학상을 센싱한다.
다이크로익 미러(434)는 도 15의 RL'이 나타내는 반사 특성을 갖는다. 다이크로익 미러(434)는 중심 파장 λc3 = 0.61 ㎛ 및 파장 폭 0.5 ㎚를 갖는 광을 효과적으로 반사시키며, 보다 긴 파장을 갖는 광을 효과적으로 투과시킨다. 따라서, 라인 센서(442)는 중심 파장 λc3 = 0.61 ㎛ 및 파장 폭 50 ㎚를 갖는 광에 의해 형성된 얼라인먼트 마크 AM의 광학상을 센싱한다.
다이크로익 미퍼(432 및 434)를 투과하여 렌즈(424)를 통해 라인 센서(426)에 입사한 광은, 도 15의 ML에 나타낸 바와 같이, 중심 파장 λc2 = 0.555 ㎛ 및 파장 폭 50 ㎚을 갖는다.
전술한 바와 같이, 도 14에 나타낸 얼라인먼트 검출계(400)는 3개의 라인 센서(426, 438, 및 442)에 의해 각각 0.555 ㎛, 0.5 ㎛, 및 0.61 ㎛의 파장을 갖는 광빔들을 수광할 수가 있다. 이는, 복수의 파장을 갖는 광빔(본 실시예에서는, 0.555 ㎛, 0.5 ㎛, 및 0.61 ㎛의 파장을 갖는 광빔)들에 대한 얼라인먼트 마크의 광학상 및 선상 분포 함수(점상 분포 함수)를 동시에 취득할 수가 있다.
도 14에 나타낸 얼라인먼트 검출계(400)는 도 8에 나타낸 얼라인먼트 검출계(400)에 비하여, 보다 복잡한 결상계(400B)를 갖는다. 그러나, 도 14에 나타낸 얼라인먼트 검출계(400)는 복수의 파장을 갖는 광빔들에 대한 얼라인먼트 마크 AM의 광학상 및 선상 분포 함수(점상 분포 함수)를 동시에 취득할 수 있으므로, 스루풋이 우수하다. 또한, 도 14에 나타낸 얼라인먼트 검출계(400)는 다이크로익 미러를 이용하여 분리된 광의 파장 폭을 한정하고 있으므로, 분리된 후의 광로상에 한정된 파장 폭에만 대응하는 색수차 보정부를 배치하는 것이 가능하여, 색수차의 보정이 용이하게 된다. 본 실시예에서는, 3개의 다이크로익 미러를 사용하고 있지만, 다이크로익 미러의 수를 증가시킴으로써 얼라인먼트 마크 AM에 의해 반사된 광으로부터 보다 작은 파장 피치로 보다 많은 수의 파장의 광빔을 분리할 수가 있다.
도 16은 얼라인먼트 검출계(400)의 또 다른 구성을 나타낸 개략도이다. 도 16에 나타낸 얼라인먼트 검출계(400)는 2차원 에리어 센서 및 밴드패스 필터를 이용하여 얼라인먼트 마크 AM에 의해 반사된 광을 위치 검출 방향에 대하여 수직인 방향으로 분리한다.
도 16을 참조하면, 광원(402)으로부터의 광은 렌즈(404)에 의해 확대되어 평행광으로 되어, 개구 조리개(406)에 입사된다. 개구 조리개(406)를 통과한 광은 렌즈(408)에 의해 집광되어, 애퍼처(410)에 입사된다. 애퍼처(410)를 통과한 광은 렌즈(412)에 의해 확대되어 평행광으로 되며, 빔 스플리터(414)에 의해 반사된다.
빔 스플리터(414)에 의해 반사된 광은 렌즈(416)를 통해 웨이퍼(340) 상의 얼라인먼트 마크 AM를 조명한다. 얼라인먼트 마크 AM에 의해 반사된 광은 렌즈(416), 빔 스플리터(414), 및 렌즈(418)를 통해 렌즈(418)의 후단의 결상계(400B)의 광로에 삽입된 밴드패스 필터(450)에 입사된다.
도 17은 밴드패스 필터(450)의 구조를 나타낸 개략도이다. 밴드패스 필터(450)는 도 17에 나타낸 바와 같이, 투명 기판 상에 얼라인먼트 마크 AM의 위치 검출 방향에 수직인 방향을 따라 밴드 형의 3종류의 다층막(450a, 450b, 및 450c)을 형성함으로써 구성된다. 본 실시예에서는, 다층막(450a, 450b, 및 450c)의 투명 파장 대역들은 각각 480 ㎚ 내지 520 ㎚, 520 ㎚ 내지 560 ㎚, 560 ㎚ 내지 600 ㎚이다. 밴드패스 필터(450)는 얼라인먼트 마크 AM과 광학적으로 공역인 위치에 배치되어 있으므로, 밴드패스 필터(450) 상에는 얼라인먼트 마크 AM의 광학상 AM'이 형성된다.
또한, 에리어 센서(452) 또한 얼라인먼트 마크 AM 및 밴드패스 필터(450)와 광학적으로 공역인 위치에 배치되어 있으므로, 도 18에 나타낸 바와 같이, 얼라인먼트 마크 AM의 광학상 AM''이 에리어 센서(452) 상에 형성된다. 따라서, 에리어 센서(452)는 얼라인먼트 마크 AM의 위치 검출 방향에 수직인 방향으로 다른 파장을 갖는 광빔에 의해 얼라인먼트 마크 AM이 조명되는 경우, 얼라인먼트 마크 AM의 광학상 AM''을 취득할 수 있다. 그 결과, 에리어 센서(452)의 판독 라인(readout line)을 선택함으로써, 복수의 파장을 갖는 광빔들에 대한 얼라인먼트 마크 AM의 광학상을 취득할 수 있다. 도 18은 에리어 센서(452) 상에 형성된 얼라인먼트 마크 AM의 광학상 AM''을 나타낸 도면이다.
본 실시예에서, 밴드패스 필터는 3개의 다층막을 포함하지만, 밴드패스 필터의 다층막의 수를 증가시킴으로써, 얼라인먼트 마크 AM에 의해 반사된 광으로부터 보다 작은 파장 피치로 보다 많은 수의 파장을 갖는 광빔들을 분리할 수 있다.
밴드패스 필터(450)는 조명계(400A)에 배치될 수 있으며, 예를 들어, 얼라인먼트 마크 AM과 광학적으로 공역인 위치인 애퍼처(410)의 위치에 배치될 수 있다. 이 경우, 밴드패스 필터(450)는 애퍼처(410)의 투과부(즉, 개구부)에 배치되며, 또한 시야 조리개로 기능할 수 있다.
도 19는 얼라인먼트 검출계(400)의 또 다른 구성을 나타낸 개략도이다. 도 19에 나타낸 얼라인먼트 검출계(400)는 2차원의 에리어 센서 및 회절 격자를 이용하여, 얼라인먼트 마크 AM에 의해 반사된 광을 위치 검출 방향에 수직인 방향으로 분리한다.
도 19를 참조하면, 광원(402)으로부터의 광은 렌즈(404)에 의해 확대되어 평행광이 되며, 개구 조리개(406)로 입사된다. 개구 조리개(406)를 통과한 광은 렌즈(408)에서 집광되고, 애퍼처(410)에 입사된다. 애퍼처(410)를 통과한 광은 렌즈(412)에 의해 확대되어 평행광이 되며, 빔 스플리터(414)에 의해 반사된다.
빔 스플리터(414)에 의해 반사된 광은 렌즈(416)를 통해 웨이퍼(340) 상의 얼라인먼트 마크 AM를 조명한다. 얼라인먼트 마크 AM에 의해 반사된 광은 렌즈(416), 빔 스플리터(414), 렌즈(418), 렌즈(420), 및 렌즈(424)를 통해 렌즈(424)의 후단의 결상계(400B)의 광로 상에 삽입된 회절 격자(460)에 입사된다.
본 실시예에서, 회절 격자(460)는 렌즈(424)와 에리어 센서(452)의 사이에 삽입된다. 회절 격자(460)는 얼라인먼트 마크 AM의 위치 검출 방향에 수직인 방향으로 연장되는 격자를 갖는다. 회절 격자(460)는, 도 20에 나타낸 바와 같이, 회절 격자(460)에 의해 회절된 회절광(0차 회절광 및 1차 회절광 빔들)을 에리어 센서(452)가 수광하도록 구성되어 있다. 이 구성에 의해, 에리어 센서(452) 상에는 회절 격자(460)의 회절(분리) 작용에 의해 얼라인먼트 마크 AM의 위치 검출 방향에 수직인 방향으로 연속하는 서로 다른 파장을 갖는 광빔에 의해 얼라인먼트 마크 AM의 광학상이 형성된다. 이러한 작용에 의해, 에리어 센서(452)의 판독 라인을 얼라인먼트 마크 AM의 위치 검출 방향에 수직인 방향으로 임의로 선택하여 평균화함으로써, 임의의 파장 및 파장 폭을 갖는 광에 대한 얼라인먼트 마크 AM의 광학상을 취득할 수 있다. 도 19에 나타낸 얼라인먼트 검출계(400)는 에리어 센서(452)의 판독 라인의 수를 적절하게 선택함으로써 서로 다른 파장 및 파장 폭을 갖는 광빔을 자유롭게 선택할 수 있다. 도 20은 도 19에 나타낸 얼라인먼트 검출계(400)의 회절 격자(460)의 회절(분리) 작용을 나타낸 도면이다.
예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예들에 한하지 않음을 이해해야 한다. 이하의 청구범위는 이러한 모든 변형예 및 균등 구조 및 기능을 포괄하도록 최광의로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 피측정물의 위치를 검출하는 위치 검출 장치로서,
    상기 피측정물 상에 파장 폭을 갖는 광을 방출하도록 구성되는 광원;
    상기 피측정물로부터의 광을 이미지 센서에 결상되도록 구성되는 결상 광학계;
    상기 파장 폭을 갖는 광 중에서, 서로 다른 파장을 갖는 복수의 광빔에 대한 상기 결상 광학계의 결상 특성을 취득하도록 구성되는 제1 취득부;
    상기 복수의 광빔에 대한 상기 피측정물의 광학상들을 취득하도록 구성되는 제2 취득부;
    상기 제1 취득부에 의해 취득된 상기 결상 광학계의 결상 특성에 기초하여, 상기 제2 취득부에 의해 취득된 상기 피측정물의 광학상들의 상기 결상 광학계에 기인하는 열화를 보정함으로써, 상기 복수의 광빔에 대한 상기 피측정물의 광학상을 복원하도록 구성되는 복원부;
    상기 복원부에 의해 복원된, 상기 복수의 광빔에 대한 상기 피측정물의 광학상을 합성함으로써 상기 복수의 광빔을 포함하는 광에 대한 상기 피측정물의 광학상을 생성하도록 구성되는 생성부; 및
    상기 생성부에 의해 생성된, 상기 복수의 광빔을 포함하는 광에 대한 상기 피측정물의 광학상에 기초하여 상기 피측정물의 위치를 결정하도록 구성되는 결정부
    를 포함하는 위치 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결상 광학계의 결상 특성은, 상기 결상 광학계의 점상 분포 함수(point image distribution function)들, 상기 결상 광학계의 선상 분포 함수(line image distribution function)들, 및 상기 결상 광학계의 전달 함수(transfer function)들 중 하나인 위치 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복원부는, 상기 제2 취득부에 의해 취득된, 상기 복수의 광빔에 대한 상기 피측정물의 광학상들과, 상기 결상 광학계의 점상 분포 함수들 및 상기 결상 광학계의 선상 분포 함수들 중 하나를 디콘볼루션(deconvolution)하는 위치 검출 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 취득부에 의해 취득되는, 상기 복수의 광빔에 대한 상기 피측정물의 광학상들을 g(λ), 상기 피측정물의 광학상들 g(λ)의 푸리에 변환을 G(ω,λ), 상기 결상 광학계의 전달 함수들을 H(λ)로 하면, 상기 복원부에 의해 복원되는, 상기 복수의 광빔에 대한 상기 피측정물의 광학상들 f(λ)는,
    로 주어지는 위치 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피측정물을 조명하는 광으로서, 상기 파장 폭을 갖는 광으로부터 복수의 광빔을 선택하도록 구성되는 파장 선택부를 더 포함하며,
    상기 파장 선택부는,
    서로 다른 파장을 갖는 광을 통과시키도록 구성되는 복수의 밴드패스 필터; 및
    상기 복수의 밴드패스 필터를 상기 광원과 상기 피측정물 사이의 광로에 교환가능하게 삽입하도록 구성되는 터렛(turret)
    을 포함하는 위치 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 피측정물로부터의 광을 복수의 광빔으로 분할하도록 구성되는 광 분할부를 더 포함하며,
    상기 광 분할부는 상기 복수의 광빔을 복수의 이미지 센서에 반사하도록 구성되는 다이크로익 미러(dichroic mirror)들을 포함하는 위치 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피측정물로부터의 광을 상기 복수의 광빔으로 분할하도록 구성되는 광 분할부를 더 포함하며,
    상기 광 분할부는 상기 광빔들 각각을 상기 이미지 센서 상의 각각의 대응하는 영역에 회절시키도록 구성되는 회절 격자를 포함하는 위치 검출 장치.
  8. 피측정물 상에 파장 폭을 갖는 광을 방출하는 광원 및 상기 피측정물로부터의 광을 이미지 센서에 결상하는 결상 광학계를 포함하는 위치 검출 장치를 이용한 위치 검출 방법으로서,
    상기 파장 폭을 갖는 광 중에서, 서로 다른 파장을 갖는, 복수의 광빔에 대한 상기 결상 광학계의 결상 특성을 취득하는 제1 취득 단계;
    상기 복수의 광빔에 대한 상기 피측정물의 광학상들을 취득하는 제2 취득 단계;
    상기 제1 취득 단계에서 취득된 상기 결상 광학계의 결상 특성에 기초하여, 상기 제2 취득 단계에서 취득된 상기 피측정물의 광학상의 상기 결상 광학계에 기인하는 열화를 보정함으로써, 상기 복수의 광빔에 대한 상기 피측정물의 광학상을 복원하는 복원 단계;
    상기 복원 단계에서 복원된, 상기 복수의 광빔에 대한 상기 피측정물의 광학상들을 합성함으로써 상기 복수의 광빔을 포함하는 광에 대한 상기 피측정물의 광학상을 생성하는 생성 단계; 및
    상기 생성 단계에서 생성된, 상기 복수의 광빔을 포함하는 광에 대한 상기 피측정물의 광학상에 기초하여 상기 피측정물의 위치를 결정하는 결정 단계
    를 포함하는 위치 검출 방법.
  9. 레티클의 패턴을 기판에 투영하도록 구성되는 투영 광학계, 및
    제1항의 위치 검출 장치
    를 포함하는 노광 장치.
  10. 제9항의 노광 장치를 이용하여 기판을 노광하는 단계; 및
    노광된 기판에 대하여 현상 공정을 수행하는 단계
    를 포함하는 디바이스 제조 방법.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101219385B1 (ko) * 2011-07-22 2013-01-09 한국항공우주연구원 광학계 이미지센서의 위치 정렬장치
KR101390624B1 (ko) * 2011-06-21 2014-04-29 캐논 가부시끼가이샤 위치 검출 장치, 임프린트 장치 및 위치 검출 방법
JP2023019695A (ja) * 2021-07-29 2023-02-09 キヤノン株式会社 計測装置、計測方法、基板処理装置、および物品の製造方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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