KR20090107969A - 측정 방법, 측정 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법 - Google Patents

측정 방법, 측정 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 레티클 패턴을 기판 상에 투영하는 투영 광학계의 결상 성능을 측정하는 측정 방법으로서, 상기 투영 광학계의 결상 성능을 측정하는 측정 단계, 및 상기 투영 광학계의 결상 성능을 변화시키는 물리량에 대한 상기 투영 광학계의 결상 성능의 변화율을 나타내는 정보, 측정 환경에서의 물리량, 미리 정해진 환경에서의 물리량, 및 상기 측정 단계에서 측정된 투영 광학계의 결상 성능에 기초하여, 상기 측정 단계가 수행되는 측정 환경과는 상이한 미리 정해진 환경에서의 투영 광학계의 결상 성능을 산출하는 산출 단계를 포함하는 측정 방법을 제공한다.
노광 장치, 레티클 패턴, 투영 광학계, 결상 성능

Description

측정 방법, 측정 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법{MEASUREMENT METHOD, MEASUREMENT APPARATUS, EXPOSURE APPARATUS, AND DEVICE FABRICATION METHOD}
본 발명은 측정 방법, 측정 장치, 노광 장치, 및 디바이스 제조 방법에 관한 것이다.
포토리소그래피 기술을 이용하여 반도체 메모리 및 논리 회로 등의 미세한 반도체 디바이스를 제조하는 경우에, 통상적으로 투영 노광 장치가 사용되어 왔다. 이 투영 노광 장치에서, 레티클(포토마스크)에 형성된 회로 패턴을 투영 광학계가 웨이퍼 등의 기판에 투영함으로써, 회로 패턴을 전사한다.
최근에, 반도체 디바이스의 미세 패턴화가 진행되고 있기 때문에, 투영 노광 장치는, 레티클 패턴을 소정의 배율로 정확하게 웨이퍼 상에 전사하는 것이 요구되고 있다. 따라서, 높은 결상 성능을 갖는 투영 광학계를 이용하는 것이 중요하고, 투영 광학계의 결상 성능(예컨대, 파면 수차 등)을 정확하게 측정하는 것이 필요하다.
도 7은 투영 광학계 PO의 결상 성능을 측정하는 종래의 측정 장치(1000)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면, 광원(1002)에 의해 방출된 광빔(light beam)은, 집광 렌즈(1004)를 통해 투과 파면을 정형하는 파면 정형 핀홀(1006)을 통과한다. 파면 정형 핀홀(1006)을 통과한 광빔은 확산하면서 웨이퍼 미러(1008)를 투과하고, 콜리미터(collimator) 렌즈(1010)를 통해 평행 빔으로 된다. 콜리미터 렌즈(1010)를 통과한 광빔은 역반사기(retroreflector)(1012)를 통해 TS 렌즈(1014)에 입사된다. TS 렌즈(1014)의 최종면의 곡률 반경은 자신의 집점 위치까지의 거리와 동일하다. 광빔의 일부는 TS 렌즈(1014)의 최종면에 의해 반사되고, 나머지 광빔은 TS 렌즈(1014)를 투과하여 투영 광학계 PO에 입사된다. 이하에서는, TS 렌즈(1014)의 최종면에 의해 반사된 광빔을 참조 광빔으로 칭할 것이다.
투영 광학계 PO를 투과한 광빔은 투영 광학계 PO를 통해 RS 미러(1016)에 의해 반사된다. RS 미러(1016)의 곡률 중심은 TS 렌즈(1014)의 집점 위치와 광학적으로 공역인 위치에 설정되어 있다. RS 미러(1016)에 의해 반사된 광빔은 투영 광학계 PO에서의 순방향 전파(forward propagation)와 동일한 광로를 통과하고, TS 렌즈(1014)를 투과한다. 이하에서는, RS 미러(1016)에 의해 반사되고, 투영 광학계 PO를 통해 TS 렌즈(1014)를 투과하는 광빔을 피검 광빔이라 칭한다.
참조 광빔 및 피검 광빔은 하프 미러(1008)에 의해 반사되고, 공간 필터(1018)를 투과하고, 동결상 렌즈(pupil imaging lens)(1020)에 의해 평행 광빔으로 된 후 촬상(image sensing) 소자(1022)에 입사된다. 참조 광빔 및 피검 광빔은 촬상 소자(1022) 상에서 서로 간섭하기 때문에, 촬상 소자(1022)는 투영 광학계 PO 의 파면 수차에 대응하는 간섭 패턴을 촬상한다.
산출부(1024)는 TS 렌즈(1014)를 구동하는 압전 소자(1026)를 통해 피검 광빔과 참조 광빔의 광로 길이 차를 제어한다. 또한, 산출부(1024)는 촬상 소자(1022)에 의해 복수의 광로 길이 차에 대해 얻어진 화상(간섭 패턴)으로부터의 위상 회복에 의해 투영 광학계 PO의 파면 수차를 산출한다.
투영 광학계 PO의 파면 수차는, 투영 광학계 PO가 설치되는 환경, 또는 투영 광학계 PO의 상태(예컨대, 투영 광학계 PO를 형성하는 광학 소자의 위치)에 따라 변화하는 것에 유념하자. 예를 들면, 투영 광학계 PO의 파면 수차는 기압에 따라 변한다. 따라서, 투영 광학계 PO의 내부의 기압이 변동하여도, 소정의 기압(즉, 노광 환경(노광 상태)의 기압)에서 투영 광학계 PO의 파면 수차를 측정할 필요가 있다. 따라서, 제어부(1030)는, 기압계(1028)에 의해 검출되는, 투영 광학계 PO의 내부의 기압에 기초하여 광원(1002)으로부터 방출되는 광빔의 파장을 조정하고, 의사적으로, 소정의 기압에서 투영 광학계 PO의 파면 수차가 측정되는 상태를 얻는다. 이는, 투영 광학계 PO의 내부 기압의 변동에 관계없이, 소정의 기압에서 투영 광학계 PO의 파면 수차(즉, 노광 환경에서의 투영 광학계 PO의 파면 수차)를 측정할 수 있다.
따라서, 투영 광학계의 결상 성능을 측정하는 경우에는, 도 8에 도시한 바와 같이, 우선, 투영 광학계를 사용 환경(노광 환경)과 동일한 상태로 설정하고(단계 S2002), 그 후 이 상태에서 투영 광학계의 결상 성능을 측정할(단계 S2004) 필요가 있다. 이는, 측정 장치(1000)에 의해 측정된 투영 광학계의 결상 성능이, 노광 환 경에서의 투영 광학계의 결상 성능과 일치하게 한다.
전술한 투영 광학계(피검 광학계)의 결상 성능을 측정(보정)하는 기술에 관하여는 일본 특허공개공보 제1-123238호에 개시되어 있다.
그러나, 투영 광학계를 사용 환경(노광 환경)과 동일한 상태로 설정하여 결상 성능을 측정하는 종래 기술에서는, 노광 장치의 정밀도가 증가함에 따라, 이하와 같은 문제점이 야기되었다.
예를 들면, 노광 장치의 정밀도가 증가함에 따라, 노광 장치(투영 광학계)에 설정가능한 파라미터가 복잡해지고, 이는 노광 환경과 동일한 상태를 측정 장치에서 재현하는 것을 매우 어렵게 한다. 따라서, 노광 환경과 동일한 상태를 재현하는 데에 많은 시간이 걸리고, 투영 광학계의 결상 성능을 측정하는 데에 장시간이 수요된다. 또한, 노광 환경과 동일한 상태를 재현할 수 없는 경우에는, 측정 정밀도가 저하된다.
또한, 측정 장치에서 투영 광학계가 노광 환경과 동일한 상태로 제어되는 경우라도, 제어 오차(예컨대, 투영 광학계를 형성하는 렌즈의 구동 오차)가 측정 오차를 야기하는 경우에는 측정 정밀도가 감소된다.
본 발명은 사용 환경(노광 환경)에서 투영 광학계의 결상 성능을 정확하게 측정할 수 있는 측정 방법 및 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 레티클 패턴을 기판 상에 투영하는 투영 광학계의 결상 성능을 측정하는 측정 방법으로서, 상기 투영 광학계의 결상 성능을 측정하는 측정 단계, 및 상기 투영 광학계의 결상 성능을 변화시키는 물리량에 대한 상기 투영 광학계의 결상 성능의 변화율을 나타내는 정보, 측정 환경에서의 물리량, 미리 정해진 환경에서의 물리량, 및 상기 측정 단계에서 측정된 투영 광학계의 결상 성능에 기초하여, 상기 측정 단계가 수행되는 측정 환경과는 상이한 미리 정해진 환경에서의 투영 광학계의 결상 성능을 산출하는 산출 단계를 포함하는 측정 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양태들 및 특징들은 첨부 도면을 참조하여 이하의 예시적인 실시예들로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 따르면, 사용 환경(노광 환경)에서 투영 광학계의 결상 성능을 정확하게 측정할 수 있는 측정 방법 및 측정 장치를 제공할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 이들 도면에서, 동일한 부분에 대하여는 동일한 참조 번호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.
[제1 실시예]
도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 측정 장치(1)의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시예에서, 측정 장치(1)는 사용 환경(레티클 패턴을 기판에 전사하는 노광 환경 등의 소정의 환경)에서의 투영 광학계(투영 광학 시스템)의 결상 성능을 측정한다. 측정 장치(1)의 측정 대상(즉, 피검 광학계)으로서의 투영 광학계 PO는, 노광 환경에서의 결상 성능을 조정(최적화)하기 위해, 투영 광학계 PO의 거울통(barrel)의 기준면에 대해 광학 소자 OE를 구동시키는 구동 소자 DE를 구비한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 측정 장치(1)는 광원(102), 집광 렌즈(104), 파면 정형 핀홀(106), 하프 미러(108), 콜리미터 렌즈(110), 역반사기(112), TS 렌즈(114), 및 RS 미러(116)를 포함한다. 또한, 측정 장치(1)는 공간 필터(118), 동결상 렌즈(120), 촬상 소자(122), 산출부(124), 압전 소자(126), 인코더(128), 광학 소자 제어부(130), 온도계(132), 온도계 앰프(134), 및 압력계(136)를 포함한다.
측정 장치(1)에서, 인코더(128), 광학 소자 제어부(130), 온도계(132), 온도계 앰프(134) 및 압력계(136)를 제외한 구성 요소는, 투영 광학계 PO의 결상 성능을 측정하는 측정부로서 기능한다.
광원(102)은, 투영 광학게 PO의 결상 성능을 측정하기 위한 광빔(측정광)을 방출하는 기능, 광빔의 파장을 검출하는 기능, 및 광빔의 검출된 파장을 산출부(124)에 송신하는 기능을 갖는다.
인코더(128)는, 투영 광학계 PO에서 광학 소자 OE의 변위(투영 광학계 PO의 거울통의 기준면에 대한 위치 또는 자세)를 검출한다. 인코더(128)는 광학 소자 제어부(130)에 검출 결과를 입력한다. 광학 소자 제어부(130)는 필요에 따라 구동 소자 DE를 제어하고, 광학 소자 OE의 위치 정보를 산출부(124)에 송신한다.
온도계(132)는 투영 광학계 PO의 내부(거울통 내)의 온도를 검출한다. 온도계(132)는 검출 결과를 온도계 앰프(134)를 통해 산출부(124)에 송신한다.
압력계(136)는 투영 광학계 PO의 내부(거울통 내)의 압력을 검출한다. 압력계(136)는 검출 결과를 산출부(124)에 송신한다.
도 1을 참조하면, 광원(102)에 의해 방출된 광빔은 집광 렌즈(104)를 통해 투과 파면을 정형하는 파면 정형 핀홀(106)을 통과한다. 파면 정형 핀홀(106)을 통과한 광빔은 확산하면서 하프 미러(108)를 투과하고, 콜리메이터 렌즈(110)를 통과하여 평행 빔이 된다.
콜리메이터 렌즈(110)를 통과한 광빔은 역반사기(112)를 통해 TS 렌즈(114)에 입사된다. TS 렌즈(114)의 최종면의 곡률 반경은 자신의 초점 위치까지의 거리와 동일하다. 역반사기(112) 및 TS 렌즈(114)는 상호 동기하여 구동되는 스테이지들 상에 배치되어 있다.
광빔의 일부는 TS 렌즈(114)의 최종면에 의해 반사되고, 나머지 광빔은 TS 렌즈(114)를 투과하여 투영 광학계 PO에 입사된다. 이하에서는, TS 렌즈(114)의 최종면에 의해 반사되는 광빔을 참조 광빔이라 칭할 것이다.
투영 광학계 PO를 통과한 광빔은 투영 광학계 PO를 통해 RS 미러(116)에 의해 반사된다. RS 미러(116)의 곡률 중심은 TS 렌즈(114)의 초점 위치와 광학적으로 공액의 위치로 설정되어 있다. RS 미러(116)에 의해 반사된 광빔은 투영 광학계 PO에서의 순방향 전파와 동일 광로를 통과하고, TS 렌즈(114)를 투과한다. 이하에서는, RS 미러(116)에 의해 반사되어 투영 광학계 PO를 통해 TS 렌즈(114)를 투과하는 광빔을 피검출 광빔이라 칭한다.
참조 광빔 및 피검출 광빔은 하프 미러(108)에 의해 반사되고, 공간 필터(118)를 통과하고, 동결상 렌즈(120)에 의해 평행 광빔이 된 후 촬상 소자(122)에 입사된다. 참조 광빔 및 피검출 광빔은 촬상 소자(122) 상에서 서로 간섭하기 때문에, 촬상 소자(122)는 투영 광학계 PO의 파면 수차에 대응하는 간섭 패턴을 촬상한다.
이하, 측정 장치(1)에서의 투영 광학계 P0의 결상 성능의 측정 방법에 대하여 설명한다. 본 실시예에서, 산출부(124)는 이하에서 설명할 산출 처리를 실행함으로써 투영 광학계 P0의 결상 성능을 산출(측정)한다. 본 실시예의 산출부(124)는 CPU 및 메모리(도시하지 않음)를 포함하고, 또한 측정 장치(1)의 전체(동작)을 제어하는 제어부의 기능도 갖는다.
산출부(124)는 TS 렌즈(114)를 구동하는 압전 소자(126)를 통해 피검출 광빔과 참조 광빔 간의 광로 길이 차를 제어하고, 복수의 광로 길이 차에 의해 얻어지는 간섭 패턴(촬상 화상)을 촬상 소자(122)로부터 취득한다. 즉, 복수의 광로 길이 차에 의해 얻어지는 간섭 패턴의 촬상에 동기하여, 광원(102) 및 인코더(128)는 각각 광원(102)으로부터 방출된 광빔의 파장 및 투영 광학계 PO에서의 광학 소자 OE의 변위를 검출한다. 마찬가지로, 복수의 광로 길이 차에 의해 얻어지는 간섭 패턴의 촬상에 동기하여, 온도계(132) 및 압력계(136)의 각각은 투영 광학계 PO의 내부 온도 및 압력을 검출한다. 산출부(124)는 광원(102)로부터 방출된 광빔의 파장, 투영 광학계 PO에서의 광학 소자 OE의 변위, 및 투영 광학계 PO의 내부 온도 및 압력을 취득하는데, 이들 모두는 복수의 광로 길이 차에 의해 얻어지는 간섭 패턴의 촬상에 동기하여 검출된다.
본 실시예에서, 산출부(124)는 투영 광학계 PO의 결상 성능으로서, 파면 수차, 디스토션, 및 상면 만곡(image field deviation)을 산출한다. 일본 특허공개공보 제1-123238호에 개시되어 있는 바와 같이, 결상 성능은 TS 렌즈(114)의 초점 및 RS 미러(116)의 곡률 중심에 기초하여 산출될 수 있는데, 양자 모두 프린지 스캔(fringe scan)에 의해 행해지는 파면 수차의 측정에 동기하여 검출된다.
전술한 처리를 TS 렌즈(114) 및 RS 미러(116)의 N개의 상 높이에서 행함으로써, 산출부(124)는 이하의 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 투영 광학계 PO의 결상 성능을 산출할 수 있다.
Figure 112009021487544-PAT00001
여기서, Wx(i) 및 Wy(i)는 i번째의 측정 상 높이(image height)를 나타내고, Wf는 투영 광학계 P0의 파면 수차의 측정 결과를 나타낸다. Σj는 인덱스 변수 j에 대한 합을 나타내고, Z1(i) 내지 Z36(i)는 i번째의 측정 상 높이에서의 파면 수차의 측정 결과의 Zernike 계수를 나타낸다. 본 실시예에서는 36항의 Zernike 계수를 이용한다. dX(i) 및 dY(i)는 각각 i번째의 측정 상 높이에서의 X 방향 및 Y 방향으로의 디스토션을 나타낸다. dZ(i)는 i번째의 측정 상 높이에서의 상면 만곡을 나타낸다.
전술한 바와 같이, 산출부(124)는 측정 환경을 나타내는 정보(예컨대, 광원(102)에 의해 방출된 광빔의 파장, 및 투영 광학계 P0의 내부 온도 및 압력), 및 투영 광학계 PO에서의 광학 소자 OE의 변위를 수신한다. 이들 물리량은 투영 광학계 P0의 결상 성능을 변화시킨다(즉, 영향을 준다). 일반적으로, 측정 환경에서의 물리량은 투영 광학계 P0의 사용 환경(노광 환경)에서의 물리량과 상이하다. 따라서, 수학식 1에 의해 산출되는 투영 광학계 P0의 결상 성능은 노광 환경에서의 투영 광학계 P0의 결상 성능과 상이하다. 따라서, 본 실시예에서, 산출부(124)는 결상 성능을 변화시키는 물리량에 기인하는 투영 광학계 PO의 결상 성능의 변화를 보정하고, 노광 환경에서의 투영 광학계 P0의 결상 성능을 정확하게 산출한다. 예를 들면, 결상 성능을 변화시키는 물리량에 대응하는, 투영 광학계 PO의 결상 성능의 변화율을 나타내는 정보, 노광 환경에서의 물리량, 및 측정 환경에서의 물리량에 기초하여, 산출부(124)는 이하의 수학식 2에 의해 나타낸 바와 같이, 노광 환경에서의 투영 광학계 PO의 결상 성능을 산출한다.
Figure 112009021487544-PAT00002
여기서, P0, λ0, T0, 및 r0의 각각은 투영 광학계 PO의 내부 기압, 광원(102)에 의해 방출되는 광빔의 파장, 투영 광학계 PO의 내부 온도, 및 투영 광학계 PO에서의 광학 소자 OE의 변위의 이상적인 값을 나타낸다. 즉, P0, λ0, T0, 및 r0는 노광 환경에서의 물리량을 나타낸다.
또한, P(i), λ(i), T(i) 및 r(i)는 i번째 측정 상 높이에서 측정을 수행하는 경우에 검출되는, 투영 광학계 PO의 내부의 기압, 광원(102)으로부터 방출되는 광빔의 파장, 투영 광학계 PO의 내부 온도, 및 투영 광학계 PO에서의 광학 소자 OE의 변위를 나타낸다. 즉, P(i), λ(i), T(i), 및 r(i)는 측정 환경에서의 물리량을 나타낸다. 광학 소자 OE의 변위 r은 투영 광학계 PO에서의 광학 소자 OE의 위치 및 자세의 변화의 6개의 자유도를 포함한다.
또한, dZj(i)/dP은 i번째의 측정 상 높이에서의 j번째 항의 Zernike 계수의 투영 광학계 PO의 내부 압력에 대한 민감도(즉, 결상 성능의 변화율을 나타내는 정보)를 나타낸다. 또한, dZj(i)/dλ, dZj(i)/dT 및 dZj(i)/dr의 각각은, i번째의 측정 상 높이에서의 j번째 항의 Zernike 계수의, 광원(102)에 의해 방출되는 광빔의 파장, 투영 광학계 P0의 내부 온도, 및 투영 광학계 P0에서의 광학 소자 OE의 변위의 민감도를 나타낸다. 유사한 기호들은 디스토션 및 상면 만곡에 대한 민감도를 나타낸다는 것에 유념하자. 이들 민감도(결상 성능의 변화율을 나타내는 정보)는 투영 광학계 PO의 설계값을 이용하여 광학 CAD 등에 의해 미리 산출되고, 산출부(124)의 메모리(도시되지 않음) 등의 기억부에 미리 기억되어 있다. 투영 광학계 P0의 설계값으로부터 민감도를 산출할 수 없는(또는, 산출 정밀도가 불충분한) 경우에는, 서로 다른 복수의 측정 환경에서 투영 광학계 PO의 결상 성능을 실제로 측정하고, 그 측정 결과에 기초하여 민감도를 산출할 수도 있다.
도 2는, 측정 장치(1)에서의 투영 광학계 PO의 결상 성능의 측정 방법의 상세를 나타내는 흐름도이다.
우선, 단계 S202에서, 투영 광학계 P0는 측정 장치(1)의 측정 조건에 대응하는 측정 환경이 되도록 제어한다. 측정 장치(1)의 측정 조건에 대응하는 측정 환경은 투영 광학계 P0의 사용 환경(노광 환경)과 항상 일치하는 것은 아니다.
다음, 단계 S204에서, 단계 S202에서 제어되는 측정 환경에서 투영 광학계 PO의 결상 성능을 측정한다. 또한, 단계 S206에서, 단계 S202에서 제어되는 측정 환경에서 투영 광학계 PO의 결상 성능을 변화시키는 물리량(즉, 측정 환경에서의 물리량)을 검출한다. 보다 구체적으로, 측정 환경에서의 물리량으로서, 전술한 바 와 같이, 광원(102)에 의해 방출된 광빔의 파장, 투영 광학계 P0의 내부 온도 및 압력, 및 투영 광학계 P0에서의 광학 소자 OE의 위치 등을 검출한다.
다음, 단계 S208에서, 단계 S206에서 검출되는 측정 환경에서의 물리량, 미리 취득되어 있는 노광 환경에서의 물리량, 및 미리 취득되어 있는 물리량에 대한 민감도에 기초하여, 단계 S204로 측정된 결상 성능을 보정한다. 즉, 수학식 2에 따라, 노광 환경에서의 투영 광학계 PO의 결상 성능을 산출한다. 보다 구체적으로, 전술한 바와 같이, 측정 환경에서의 물리량과 노광 환경에서의 물리량의 차이에 기초하여, 노광 환경에서의 투영 광학계 P0의 결상 성능에 대한 측정 환경에서의 투영 광학계 P0의 결상 성능의 변화량을 산출한다. 측정 환경에서 측정된 투영 광학계 P0의 결상 성능에 변화량을 가산하거나 또는 변화량을 감산함으로써, 노광 환경에서의 투영 광학계 P0의 결상 성능을 산출한다.
전술한 바와 같이 본 실시예에서는, 측정 장치(1)에서 노광 환경과 동일한 상태를 재현하기 위한 복잡한 제어 없이, 또한 예컨대, 측정 환경(환경 변동)에 의한 영향을 받지 않고, 투영 광학계 P0의 결상 성능을 측정하는 것이 가능하다. 따라서, 본 실시예에서는 사용 환경(노광 환경)에서의 투영 광학계 P0의 결상 성능을 단시간 내에 정확히 측정할 수 있다.
[제2 실시예]
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 측정 장치(1A)의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시예에서, 측정 장치(1A)는 사용 환경(노광 환경)에서의 투영 광학계의 결상 성능을 측정한다. 본 실시예에서, 측정 장치(1A)의 측정 대상(즉, 피검 광학계)으로서의 투영 광학계 P0은, 투영 광학계 PO의 거울통의 기준면에 대하여 광학 소자 OE를 구동시키는 구동 소자 DE를 구비하고 있지 않다.
측정 장치(1A)는 광원(102), 집광 렌즈(104), 파면 정형 핀홀(106), 하프 미러(108), 콜리메이터 렌즈(110), 역반사기(112), TS 렌즈(114), 및 RS 렌즈(116)를 포함한다. 또한, 측정 장치(1A)는 공간 필터(118), 동결상 렌즈(120), 촬상 소자(122), 산출부(124), 압전 소자(126), 온도계(132), 온도계 앰프(134), 압력계(136), 및 유지부(140)를 포함한다.
유지부(140)는 투영 광학계 PO를 구성하는 광학 소자 OE를 유지하고, 투영 광학계 P0의 거울통(기준면)에 대하여 미리 정해진 위치(즉, 일정한 위치)에 광학 소자 OE를 고정한다. 따라서, 유지부(140)에 의해 유지 및 고정되는 광학 소자 OE의 변위는 일정하기 때문에, 측정 장치(1A)는 광학 소자 OE의 변위를 검출하는 기구를 구비할 필요가 없다. 즉, 유지부(140)에 의해 유지 및 고정되는 광학 소자 OE의 변위는 투영 광학계 PO의 결상 성능을 변화시키는 물리량으로서 이용될 수 있다. 유지부(140)에 의해 유지 및 고정되는 광학 소자 OE의 변위는 미리 측정되고, 예를 들어, 산출부(124)의 메모리(도시하지 않음) 등의 기억부에 미리 기억되어 있다.
전술한 바와 같이, 측정 장치(1A)는 광학 소자 OE의 변위를 검출하는 기구(인코더(128))나 투영 광학계 PO의 광학 소자 OE를 구동하는 제어계(광학 소자 제어부(130))를 필요로 하지 않는다. 이는 간단한 구성을 실현한다.
산출부(124)는 측정 환경을 나타내는 정보(광원(102)으로부터 방출된 광빔의 파장, 및 투영 광학계 PO의 내부 온도 및 압력)를 수신한다. 전술한 바와 같이, 투영 광학계 PO에서의 광학 소자 OE의 변위는 산출부(124)의 메모리에 미리 저장되어 있다. 투영 광학계 PO의 결상 성능을 변화시키는 물리량에 대한 결상 성능의 변화율을 나타내는 정보, 노광 환경에서의 물리량, 및 측정 환경에서의 물리량에 기초하여, 산출부(124)는 이하의 수학식 3에 나타낸 바와 같이, 노광 환경에서의 투영 광학계 P0의 결상 성능을 산출한다.
Figure 112009021487544-PAT00003
여기서, rtool은 유지부(140)에 의해 유지 및 고정되는 광학 소자 OE의 변위를 나타낸다.
도 4는 측정 장치(1A)에서의 투영 광학계 PO의 결상 성능의 측정 방법을 구체적으로 나타내는 흐름도이다.
우선, 단계 S302에서, 측정 장치(1A)의 측정 조건에 대응하는 측정 환경이 되도록 투영 광학계 PO를 제어한다. 측정 장치(1A)의 측정 조건에 대응하는 측정 환경은 투영 광학계 P0의 사용 환경(노광 환경)과 반드시 일치하지는 않는다는 점에 유념하자.
다음, 단계 S304에서, 단계 S302에서 제어되는 측정 환경에서 투영 광학계 PO의 결상 성능을 측정한다. 또한, 단계 S306에서, 단계 S302에서 제어되는 측정 환경에서 투영 광학계 PO의 결상 성능을 변화시키는 물리량(즉, 측정 환경에서의 물리량)을 검출한다. 보다 구체적으로, 측정 환경에서의 물리량으로서, 전술한 바와 같이, 광원(102)으로부터 방출된 광빔의 파장, 투영 광학계 PO의 내부 온도 및 압력 등을 검출한다. 또한, 단계 S308에서, 산출부(124)의 메모리로부터 유지부(140)에 의해 유지 및 고정되는 광학 소자 OE의 변위(즉, 단계 S306에서 검출되지 않은 물리량)를 취득한다.
다음, 단계 S310에서, 단계 S304에서 측정된 투영 광학계 PO의 결상 성능을 보정한다. 보다 구체적으로, 단계 S306 및 S308에서 검출 및 취득된 측정 환경에서의 물리량, 미리 취득되어 있는 노광 환경에서의 물리량, 및 미리 취득되어 있는 물리량에 대한 민감도에 기초하여, 단계 S304에서 측정된 결상 성능을 보정한다.즉, 수학식 3에 따라, 노광 환경에서의 투영 광학계 P0의 결상 성능을 산출한다.
전술한 바와 같이 본 실시예에서, 측정 장치(1A)에서 노광 환경과 동일한 상태를 재현하기 위한 복잡한 제어 없이, 또한 예컨대, 측정 환경(환경 변동)에 의한 영향을 받지 않고, 투영 광학계 PO의 결상 성능을 측정할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 사용 환경(노광 환경)에서의 투영 광학계 P0의 결상 성능을 단시간 내 에 정확하게 측정할 수 있다.
[제3 실시예]
도 5는 본 발명의 제3의 실시예에 따른 노광 장치(400)의 구성을 나타내는 도면이다． 본 실시예에서는, 제1 실시예 및 제2 실시예에서의 투영 광학계의 결상 성능의 측정 방법을 노광 장치(400)에서 실행하는 경우의 예를 이하 설명한다.
노광 장치(400)는 스텝-앤드-스캔 방식, 스텝-앤드-리피트 방식, 또는 그 외 노광 방식에 의해 레티클 패턴을 웨이퍼 등의 기판에 전사하는 투영 노광 장치이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 노광 장치(400)는 노광 광원(402), 인코히어런트 광학계(incoherent optics)(404), 조명 광학계(406), 투영 광학계(410), 물체면 측 측정 마스크(422), 및 회절 격자(424)를 포함한다. 또한, 노광 장치(400)는 상면(image plane)측 측정 마스크(426), 촬상 소자(122), 산출부(124), 인코더(128), 광학 소자 제어부(130), 온도계(132), 온도계 앰프(134), 및 압력계(136)를 포함한다.
노광 광원(402)은 광빔을 방출하는 기능, 광빔의 파장을 검출하는 기능, 및 검츨된 광빔의 파장을 산출부(124)에 송신하는 기능을 갖는다. 노광 광원(402)으로부터 방출되는 광빔은 웨이퍼(412)를 노광하기 위한 노광 광, 또는 투영 광학계(410)의 결상 성능을 측정하기 위한 측정 광으로서 이용된다.
인코히어런트 광학계(404)는 노광 광원(402)로부터의 광빔을 인코히어런트화한다(즉, 광빔의 공간 코히어런스를 저감한다).
조명 광학계(406)는 투영 광학계(410)의 물체면에 배치되는 레티클(408) 및 물체면측 측정 마스크(422)를 조명한다. 조명 광학계(406)는 렌즈, 미러, 옵티컬 인터그레이터(optical integrator), 및 조리개를 포함한다.
레티클(408)은 웨이퍼(412) 상에 전사해야 할 패턴(회로 패턴)을 갖고, 레티클 스테이지(도시하지 않음)에 의해 지지 및 구동된다. 이 레티클 스테이지(도시하지 않음)는 레티클(408)및 물체면측 측정 마스크(422)를 지지하고, 레티클(408) 및 물체면측 측정 마스크(422)를 투영 광학계(410)의 물체면 상에 교환 가능하게 배치한다.
투영 광학계(410)는 레티클(408)의 패턴을 웨이퍼(412) 상에 투영한다. 투영 광학계(410)는 결상 성능을 조정(최적화)하기 위하여, 거울통의 기준면에 대하여 광학 소자 OE를 구동시키는 구동 소자 DE를 갖는다.
웨이퍼(412)는 레티클(408)의 패턴이 투영(전사)되는 기판이며, 웨이퍼 스테이지(도시하지 않음)에 의해 지지 및 구동된다. 이 웨이퍼 스테이지(도시하지 않음)는 웨이퍼(412) 및 이미지 면측 측정 마스크(426)를 지지하고, 웨이퍼(412) 및 이미지 면측 측정 마스크(426)를 투영 광학계(410)의 이미지 면에 교환 가능하게 배치한다.
노광 중에, 노광 광원(402)에 의해 방출된 광빔은 인코히어런트 광학계(404) 및 조명 광학계(406)을 통해 레티클(408)을 조명한다. 레티클(408)을 통과하여 레티클(408)의 패턴을 반영하는 광빔은 투영 광학계(410)을 통해 웨이퍼(412) 상에 결상된다.
이하, 노광 장치(400)에서의 투영 광학계(410)의 결상 성능의 측정에 대하여 설명한다. 본 실시예에서는, 투영 광학계(410)의 결상 성능으로서 파면 수차를 측정 하는 경우를 일례로 설명한다.
노광 광원(402)에 의해 방출된 광빔은, 인코히어런트 광학계(404)에 의해 공간 코히어런스가 저감된 후에 조명 광학계(406)에 입사된다. 조명 광학계(406)에 입사한 광빔은 적절한 조명 모드에 의해 투영 광학계(410)의 물체면을 조명한다.
투영 광학계(410)의 파면 수차를 측정하는 경우, 측정 물체 높이 위치에 핀홀 및 개구를 갖는 물체면측 측정 마스크(422)는 투영 광학계(410)의 물체면에 배치된다. 또한, 물체면측 측정 마스크(422)의 상부에는, 조명 광학계(406)로부터의 광빔을 분기되기 위한 회절 격자(424)가 배치된다. 물체면측 측정 마스크(422) 및 회절 격자(424)는, 회절 격자(424)에 의해 회절된 2개의 회절광 성분(서로 다른 차수를 갖는 회절광 성분)이 물체면측 측정 마스크(422)의 개구와 핀홀을 통과하는 위치 관계를 갖는다. 물체면측 측정 마스크(422)의 핀홀은 투영 광학계(410)의 회절 한계 이하의 개구 직경을 갖도록 형성된다. 이 핀홀을 통과한 광은 이상 구면파로 정형된 후 투영 광학계(410)에 입사된다.
투영 광학계(410)를 통과한 2개의 회절광 성분은, 투영 광학계(410)의 이미지 면에 배치된 이미지 면측 측정 마스크(426)에 입사된다. 이미지 면측 측정 마스크(426)는 핀홀 및 개구를 갖는다. 물체면측 측정 마스크(422)의 개구를 통과한 회절광 성분은 이미지 면측 측정 마스크(426)의 핀홀을 통과하고, 참조 광빔이 된다. 한편, 물체면측 측정 마스크(422)의 핀홀을 통과한 회절광 성분은 이미지 면 측 측정 마스크(426)의 개구를 통과하고, 피검출 광빔이 된다.
이미지 면측 측정 마스크(426)의 핀홀은 투영 광학계(410)의 회절 한계 이하의 개구 직경을 갖도록 형성되고, 참조 광빔의 파면을 이상 구면파로 정형한다. 또한, 이미지 면측 측정 마스크(426)의 개구는 투영 광학계(410)에 의해 형성되는 점상(point image) 강도 분포보다 충분히 큰 개구 직경을 갖는다. 따라서, 광은 투영 광학계(410)의 파면 수차 정보를 소실하지 않고 개구를 통과할 수 있다. 따라서, 피검출 광빔은 투영 광학계(410)에 입사하기 전에 이상 구면파로 정형되고, 파면 수차 정보를 소실하지 않고 투영 광학계(410)를 통해 개구를 통과한다. 이는, 피검출 광빔의 파면이 투영 광학계(410)의 파면 수차와 동일해지도록 한다.
웨이퍼 스테이지에 의해 지지되는 촬상 소자(122)는 이미지 면측 측정 마스크(426)의 하부에 배치되고, 피검출 광빔과 참조 광빔의 간섭 패턴을 촬상한다. 피검출 광빔과 참조 광빔은 서로 다른 이미지 포인트 위치를 갖기 때문에, 촬상 소자(122)에 의해 촬상되는 간섭 패턴은 틸트 프린지(fringe)를 갖는다. 이 틸트 프린지를 이용함으로써, 산출부(124)는 전자 모아레(electronic moire) 방식, FFT 방식 등을 이용하여 간섭 패턴으로부터 투영 광학계(410)의 파면 수차를 산출한다.
이렇게 하여 산출된 투영 광학계(410)의 파면 수차는 측정 환경에서의 투영 광학계(410)의 파면 수차이다. 일반적으로, 투영 광학계(410)가 노광 장치(400)에 탑재된 초기 상태에서의 물리량 및 투영 광학계(410)의 결상 성능에 관련된 부재가 교환된 직후의 상태에서의 물리량은, 투영 광학계(410)의 결상 성능을 최적화하는 (노광 환경에서의) 물리량과 상이하다. 따라서, 산출부(124)는, 공칭(nominal) 환 경에서의 투영 광학계의 결상 성능, 결상 성능을 변화시키는 물리량에 대한 결상 성능의 변화율을 나타내는 정보, 및 공칭 환경에서의 물리량에 기초하여, 투영 광학계(410)의 결상 성능을 최적화하는 물리량을 산출한다.
도 6은 노광 장치(400)에서의 투영 광학계(410)의 파면 수차의 측정 방법을 구체적으로 나타내는 흐름도이다.
우선, 단계 S502에서, 공칭 환경이 되도록 투영 광학계(410)를 제어한다. 본 실시예에서, 투영 광학계(410)의 광학 소자 OE의 위치 및 노광 광원(402)으로부터 방출되는 광빔의 파장은 미리 정해진 공칭값으로 일정하게 되도록 제어된다. 공칭 환경은 투영 광학계(410)의 사용 환경(노광 환경)과 항상 일치하는 것은 아니다.
다음, 단계 S504에서, 단계 S502에서 제어되는 공칭 환경에서 투영 광학계(410)의 파면 오차를 측정한다. 또한, 단계 S506에서, 단계 S502에서 제어되는 공칭 환경에서 투영 광학계(410)의 결상 성능을 변화시키는 물리량(즉, 공칭 환경에서의 물리량)을 검출한다. 보다 구체적으로, 공칭 환경에서의 물리량으로서, 투영 광학계(410)의 내부 온도 및 압력, 투영 광학계(410)에서의 광학 소자 OE의 위치 등을 검출한다.
다음, 단계 S508에서, 투영 광학계(410)의 파면 수차가 최적의 값이 되게 하는 물리량(노광 환경에서의 물리량)을 산출한다. 보다 구체적으로, 단계 S504에서 측정된 투영 광학계(410)의 파면 수차, 단계 S506에서 검출된 공칭 환경에서의 물리량, 및 미리 취득되어 있는 물리량에 대한 민감도에 기초하여, 노광 환경에서의 물리량을 산출한다. 본 실시예에서, 노광 환경에서의 물리량으로서, 투영 광학계(410)의 파면 수차가 최적의 값이 되게 하는, 노광 광원(402)에 의해 방출되는 노광 광의 파장 및 투영 광학계(410)의 광학 소자 OE의 위치를 산출한다. 파면 수차의 최적값은, 예를 들어 노광 광의 파장 및 광학 소자의 위치가 조정 가능한 범위 내의 최소값이 될 수 있다.
노광 광의 파장 및 광학 소자의 위치를 산출하는 경우, 노광 광의 파장 및 광학 소자의 위치의 변화에 대한 결상 성능의 민감도로서 투영 광학계의 설계값에 기초하여 산출된 값들을 사용할 수 있다. 또한, 노광 광의 파장 및 광학 소자의 위치를 산출하는 경우, 단계 S506에서 검출된 공칭 환경에서 투영 광학계의 내부 온도 및 압력과 노광 환경에서의 투영 광학계의 내부 온도 및 압력 간의 차에 의해 발생하는 결상 성능의 변화를 고려할 필요가 있다． 노광 환경에서의 노광 광의 파장 및 광학 소자의 위치를 산출하는 경우, 노광 환경에서의 투영 광학계(410)의 파면 수차도 산출한다.
노광 장치(400)는 단계 S508에서 산출된 물리량에 기초하여 물리량을 조정한다. 보다 구체적으로, 투영 광학계(410)의 파면 수차가 최적인 값이 되도록 노광 광원(402) 및 광학 소자 제어부(130)를 제어함으로써, 노광 광원(402)로부터 방출되는 광빔의 파장 및 투영 광학계(410)의 광학 소자 OE의 변위를 조정한다. 따라서, 노광 광원(402) 및 광학 소자 제어부(130)는 투영 광학계(410)의 결상 성능을 조정하는 조정부로서 기능한다. 이에 따라 노광 장치(400)에 의해 사용되는 투영 광학계(410)의 파면 수차(결상 성능)이 정확히 조정되기 때문에, 우수한 결상 성능 을 얻을 수 있다. 그 결과, 노광 장치(400)는 높은 스루풋을 갖는 고품위 디바이스(예컨대, 반도체 디바이스 및 액정 표시 디바이스)를 경제적으로 제공할 수 있다. 상기 디바이스는, 노광 장치(400)을 이용하여, 포토레지스트(감광제)가 도포된 기판(예컨대, 웨이퍼 또는 글래스 플레이트)을 노광하는 공정, 노광된 기판을 현상하는 공정, 그 외 공지의 공정들을 통해 제조된다.
예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시예에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 이하 특허청구범위는 그러한 변경 및 등가의 구조 및 기능을 모두 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 측정 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 측정 장치에서 투영 광학계의 결상 성능을 측정하는 방법의 상세를 나타내는 흐름도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 측정 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 4는 도 3에 도시된 측정 장치에서 투영 광학계의 결상 성능을 측정하는 방법의 상세를 나타내는 흐름도.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 노광 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 6은 노광 장치에서 투영 광학계의 파면 수차를 측정하는 방법의 상세를 나타내는 흐름도.
도 7은 종래의 측정 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 8은 종래의 측정 방법을 설명하는 흐름도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 측정 장치
102: 광원
104: 집광 렌즈
106: 파면 정형 핀홀
108: 하프 미러
110: 콜리미터 렌즈

Claims (11)

  1. 레티클 패턴을 기판에 투영하는 투영 광학계의 결상 성능을 측정하는 측정 방법으로서,
    상기 투영 광학계의 결상 성능을 측정하는 측정 단계; 및
    상기 투영 광학계의 결상 성능을 변화시키는 물리량에 대한 상기 투영 광학계의 결상 성능의 변화율을 나타내는 정보, 측정 환경에서의 물리량, 미리 정해진 환경에서의 물리량, 및 상기 측정 단계에서 측정된 상기 투영 광학계의 결상 성능에 기초하여, 상기 측정 단계가 수행되는 측정 환경과는 상이한 상기 미리 정해진 환경에서의 상기 투영 광학계의 결상 성능을 산출하는 산출 단계
    를 포함하는 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정 환경에서의 물리량을 검출하는 검출 단계를 더 포함하는 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산출 단계에서는, 상기 측정 환경에서의 물리량과 상기 미리 정해진 환경에서의 물리량의 차이에 기초하여, 상기 미리 정해진 환경에서의 투영 광학계의 결상 성능에 대한 상기 측정 환경에서의 투영 광학계의 결상 성능의 변화량을 산출 하고, 상기 측정 단계에서 측정된 상기 투영 광학계의 결상 성능에 상기 변화량을 가산하거나 또는 상기 결상 성능으로부터 상기 변화량을 감산함으로써, 상기 미리 정해진 환경에서의 투영 광학계의 결상 성능을 산출하는 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투영 광학계의 결상 성능을 변화시키는 물리량은, 상기 투영 광학계에 입사하는 광의 파장, 상기 투영 광학계의 내부 기압, 상기 투영 광학계의 내부 온도, 및 상기 투영 광학계를 구성하는 광학 소자의 변위 중 적어도 하나를 포함하는 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    미리 정해진 위치에 광학 소자를 고정하는 유지부에 의해, 상기 투영 광학계를 구성하는 광학 소자를 유지시키는 유지 단계를 더 포함하고,
    상기 유지부에 의해 유지된 상기 광학 소자의 위치는 상기 투영 광학계의 결상 성능을 변화시키는 물리량으로서 이용되는 측정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투영 광학계의 결상 성능을 변화시키는 물리량에 대한 상기 투영 광학계의 결상 성능의 변화율을 나타내는 정보는, 상기 투영 광학계의 설계값으로부터 산출되는 측정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 투영 광학계의 결상 성능을 변화시키는 물리량에 대한 상기 투영 광학계의 결상 성능의 변화율을 나타내는 정보는, 상기 투영 광학계의 결상 성능을 변화시키는 물리량을 변화시키면서 상기 투영 광학계의 결상 성능의 변화량을 측정함으로써 얻어지는 측정 방법.
  8. 레티클 패턴을 기판에 투영하는 투영 광학계의 결상 성능을 측정하는 측정 장치로서,
    상기 투영 광학계의 결상 성능을 측정하도록 구성되는 측정부; 및
    상기 투영 광학계의 결상 성능을 변화시키는 물리량에 대한 상기 투영 광학계의 결상 성능의 변화율을 나타내는 정보, 측정 환경에서의 물리량, 미리 정해진 환경에서의 물리량, 및 상기 측정부에 의해 측정된 상기 투영 광학계의 결상 성능에 기초하여, 상기 측정부에 의해 측정이 수행되는 측정 환경과는 상이한 상기 미리 정해진 환경에서의 투영 광학계의 결상 성능을 산출하도록 구성되는 산출부
    를 포함하는 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 투영 광학계의 결상 성능을 변화시키는 물리량에 대한 상기 투영 광학계의 결상 성능의 변화율을 나타내는 정보를 기억하도록 구성되는 기억부를 더 포 함하는 측정 장치.
  10. 노광 장치로서,
    레티클 패턴을 기판에 투영하도록 구성되는 투영 광학계;
    상기 투영 광학계의 결상 성능을 측정하도록 구성되는 측정부;
    노광 환경에서, 상기 투영 광학계의 결상 성능을 변화시키는 물리량을, 상기 물리량에 대한 상기 투영 광학계의 결상 성능의 변화율을 나타내는 정보, 상기 측정부가 측정을 실시하는 측정 환경에서의 물리량, 및 상기 측정부에 의해 측정된 상기 투영 광학계의 결상 성능에 기초하여 산출하도록 구성되는 산출부; 및
    상기 산출부에 의해 산출된 상기 노광 환경에서의 물리량에 기초하여, 상기 투영 광학계에 입사하는 광의 파장 또는 상기 투영 광학계를 구성하는 광학 소자의 변위를 조정하도록 구성되는 조정부
    를 포함하는 노광 장치.
  11. 디바이스 제조 방법으로서,
    제10항에 따른 노광 장치를 이용하여 기판을 노광하는 단계; 및
    노광된 상기 기판에 대해 현상 처리를 수행하는 단계
    를 포함하는 디바이스 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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