KR20110016400A

KR20110016400A - 측정 장치, 노광 장치 및 디바이스 제조 방법

Info

Publication number: KR20110016400A
Application number: KR1020100074657A
Authority: KR
Inventors: 료 사사끼
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2011-02-17
Also published as: US8593615B2; TW201107905A; US20110032504A1; JP2011040548A; JP5406623B2; TWI427433B

Abstract

본 발명은 테스트면의 높이를 측정하는 측정 장치를 제공하며, 이러한 측정 장치는, 테스트면으로부터의 측정광과 참조면으로부터의 참조광에 의해 형성되는 간섭광을 검출하도록 구성되는 복수의 검출 유닛을 포함하는 촬상 디바이스, 및 측정광 및 참조광을 복수의 검출 유닛으로 유도하도록 구성되는 광학 시스템을 포함하고, 복수의 검출 유닛에 각각 입사하는 참조광 빔과 측정광 빔 간의 광로차 중에서 차이가 발생되도록 참조면이 배치된다.

Description

측정 장치, 노광 장치 및 디바이스 제조 방법{MEASUREMENT APPARATUS, EXPOSURE APPARATUS, AND DEVICE FABRICATION METHOD}

본 발명은, 측정 장치, 노광 장치 및 디바이스 제조 방법에 관한 것이다.

포토리소그래피를 사용하여 미세하게 패터닝된 반도체 디바이스를 제조하는 노광 장치가 채용된다. 노광 장치는 레티클(마스크)에 형성된 패턴을, 투영 광학 시스템을 통해 웨이퍼와 같은 기판 상에 투영하여 패턴을 전사한다. 최근에, 스텝 앤드 리피트 방식(step & repeat scheme)의 노광 장치(스테퍼(stepper)) 대신 스텝 앤드 스캔 방식(step & scan scheme)의 노광 장치가 주류가 되었다.

이러한 유형들 각각의 노광 장치는 노광 전(또는 노광 중)에, 광 경사 입사 시스템(light oblique incidence system)의 표면 형상(표면 위치) 측정 수단을 사용하여 기판에 대해 한정된 소정의 위치에 있어서 기판의 표면 위치를 측정하고, 소정의 위치에서 기판을 노광할 시에 최적의 결상 위치에 기판 표면을 정렬시키는 보정을 수행한다. 이러한 보정은 노광 슬릿의 길이 방향(즉, 주사 방향에 수직인 방향)에서 기판 표면 위치의 높이(초점) 뿐만 아니라, 그 방향에 대한 표면 기울기도 측정하는 스캐너에 대해 가장 중요하다. 미국 특허 제4340306호 및 미국 특허 출원 공보 제2007/0086013호는 이러한 기술의 상세 사항을 제안한다.

소위 백색광 간섭 신호 방식이 노광 장치에서 기판의 표면 형상을 측정하는 데 광범위하게 사용된다. 백색광 간섭 신호 방식에서, 광원으로부터 발광된 백색광은 2개의 광 빔으로 분리되어, 하나의 광 빔을 테스트면(test surface)(기판)에 유도하고, 나머지 광 빔을 참조면에 유도한다. 테스트면에 의해 반사된 측정광 및 참조면에 의해 반사된 참조광은 합성되고, 측정광과 참조광 사이의 간섭에 의해 형성된 간섭 패턴(간섭 신호)이 검출된다. 이 때, 테스트면의 높이 위치(Z축 방향의 위치)가 변하면, 참조광과 측정광 사이의 광로차(OPD: optical path difference)가 변하고, 참조광과 측정광 사이의 간섭 신호가 그에 따라 변한다. 이것은 간섭 신호의 변화로부터 테스트면의 표면 형상을 얻을 수 있게 한다. 종래의 백색광 간섭 신호 방식은 각각의 측정점에서 테스트 표면을 높이 방향으로 구동(스캐닝)시키면서 간섭 신호를 검출하는 것을 필요로 하였다는 것에 유의해야 한다. 따라서, 이러한 방식에서는, 3차원 형상의 테스트면을 측정하는 데 비교적 긴 시간이 필요하였다.

미국 특허 제4340306호는 간섭 신호를 검출하는 화소를 2차원으로 배치시킴으로써 1회의 스캐닝 동작에 의해 측정될 수 있는 측정 영역을 넓혀 측정 시간을 단축시키는 기술을 개시한다. 그러나, 화소들이 2차원으로 배치되고, 테스트면이 2차원 측정 영역보다 큰 경우, 테스트면을 복수의 영역으로 분할하고 복수의 영역의 각각에 대해 스캐닝을 할 필요가 있다. 따라서, 이 기술에서는, 분할 개수와 각각의 스캐닝에 필요한 시간의 곱과 동등한 측정 시간이 소요된다. 테스트면이 한번에 측정될 수 있도록 화소들을 배치할 수 있지만, 이 경우 측정 장치의 광학 시스템의 사이즈 및 화소들의 수 모두가 증가하고, 비용 및 배치와 연관된 문제들을 일으킨다. 또한, 그 소형화를 위해 축소 광학 시스템이 측정 장치의 광학 시스템에 적용되는 경우, 화소 해상도가 감소하고, 이는 측정 정밀도를 저하시킨다.

미국 특허 출원 공보 제2007/0086013호는 촬상 디바이스의 입사측에 분광 장치를 배치하고, 촬상 디바이스 상에서 각각의 파장에 대한 간섭 강도를 검출함으로써 간섭 신호를 얻는, 테스트면의 높이 위치를 측정하는 기술을 개시한다. 미국 특허 출원 공보 제2007/0086013호에 개시된 기술은 높이 방향으로 테스트면의 스캐닝을 필요로 하지 않으므로, 짧은 기간에 테스트면을 측정할 수 있다. 그러나, 높은 측정 정밀도를 얻기 위해, 파장 해상도를 증가시키는 것이 필요하다. 이러한 요건을 충족하기 위해서, 고정밀도의 분광 장치와 고화소 밀도의 촬상 디바이스가 필요하며, 이는 비용과 연관된 문제를 일으킨다.

본 발명은 저비용을 유지하면서 짧은 기간에 테스트면의 표면 형상을 측정할 수 있는 기술을 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 테스트면의 높이를 측정하는 측정 장치가 제공되며, 이러한 장치는, 테스트면으로부터의 측정광과 참조면으로부터의 참조광에 의해 형성되는 간섭광을 검출하도록 구성되는 복수의 검출 유닛을 포함하는 촬상 디바이스, 및 측정광 및 참조광을 복수의 검출 유닛으로 유도하도록 구성되는 광학 시스템을 포함하고, 복수의 검출 유닛에 각각 입사하는 참조광 빔과 측정광 빔 간의 광로차 중에서 차이가 발생되도록 참조면이 배치되고, 테스트면 상의 복수의 측정점에서 반사되는 측정광 빔과 참조면 상의 복수의 참조점에서 반사되는 참조광 빔이 복수의 검출 유닛에 각각 입사하도록, 복수의 검출 유닛은 테스트면과, 촬상 디바이스 및 광학 시스템을 포함하는 측정 유닛 간의 상대적인 위치를 이동시킴으로써 간섭광을 검출한다.

이하, 본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예의 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 측정 장치를 제공하여, 저비용을 유지하면서 짧은 기간에 테스트면의 표면 형상을 측정할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 측정 장치의 구성을 도시하는 개략도.
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시한 측정 장치에 있어서 기판의 표면 형상을 측정하기 위한 기판의 구동을 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 1에 도시한 측정 장치에 의해 얻어지는 강도 신호의 일례를 나타낸 그래프.
도 4a 내지 도 4c는 도 1에 도시한 측정 장치가 짧은 기간에 테스트면의 표면 형상을 측정할 수 있는 이유를 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 1에 도시한 측정 장치에서 OPD 오차의 보정을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 일 양태에 따른 측정 장치의 다른 구성을 도시하는 개략도.
도 7은 도 1 및 도 6에 도시한 측정 장치에 적용할 수 있는 참조면의 구성을 도시하는 개략도.
도 8은 도 1 및 도 6에 도시한 측정 장치에 적용할 수 있는 또 다른 참조면의 구성을 도시하는 개략도.
도 9는 본 발명의 일 양태에 따른 노광 장치의 구성을 도시하는 개략도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이다. 도면 전체에서 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타내는 것에 유의해야 하며, 그 반복적인 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 측정 장치(1)의 구성을 도시하는 개략도이다. 측정 장치(1)는 테스트면으로서의 기판(SB) 표면의 높이(Z축 방향의 위치)를 그 표면(X-Y 평면) 상에 한정된 각각의 측정점에서 측정하고, 그 표면 상에 한정된 소정의 영역 내의 기판(SB)의 표면의 평균 높이 및 평균 기울기(ωx, ωy)를 측정한다. 바꾸어 말하면, 측정 장치(1)는 테스트면으로서의 기판(SB)의 표면 형상을 측정한다. 또한, 복수의 박막이 기판(SB) 상에 형성되는 경우, 측정 장치(1)는 최상의 박막 표면, 각 박막의 계면 및 기판(SB)의 높이, 또는 각 박막의 두께를 측정한다. 본 실시예에서, 기판(SB)은 노광 장치에서 레티클의 패턴이 전사되는 웨이퍼이다.

측정 장치(1)는 조명 시스템, 검출 시스템, 처리 시스템, 참조면(40) 및 스테이지(50)를 포함한다. 조명 시스템은 광원(10), 광원(10)으로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈(12) 및 슬릿판(14)을 포함한다. 검출 시스템은 기판(SB) 상의 측정점에 광을 유도하는 렌즈(16a, 16b), 개구 조리개(aperture stop)(18), 광(측정광 및 참조광)을 분리 및 합성하는 빔 스플리터(20), 렌즈(22a, 22b), 및 CCD 또는 CMOS 센서와 같은 촬상 디바이스(24)를 포함한다. 그러나, 촬상 디바이스(24)는 포토디텍터(photodetector)와 같은 복수의 광량 검출 디바이스의 어레이에 의해 치환될 수도 있다. 처리 시스템은 산출 처리 유닛(26), 데이터를 저장하는 저장 유닛(28), 및 예를 들어 측정 장치(1)에 의해 얻어진 측정 결과 및 그 측정 조건을 표시하는 표시 유닛(30)을 포함한다. 스테이지(50)는 기판 척(substrate chuck)을 통해 기판(SB)을 유지하고, 예를 들어 선형 모터를 이용하여 X축, Y축 및 Z축 방향 및 각축 둘레의 회전 방향으로 기판(SB)을 구동한다.

본 실시예에서, 광원(10)은 예를 들어, 넓은 파장 범위의 광 빔을 발광하는 LED(예를 들어, 백색광 LED), 할로겐 램프, 또는 좁은 범위의 다른 파장의 광 빔을 발광하는 복수의 레이저의 조합인 광원이다. 광원(10)으로부터의 광의 파장 범위는 100nm 이상, 보다 구체적으로는, 대략 400nm 내지 800nm이다. 그러나, 기판(SB)이 레지스트(감광제)로 코팅되는 경우, 광원(10)은 레지스트가 광에 노광되지 않도록, 자외선(350nm) 이하의 파장 범위의 광으로 기판(SB)에 조사하지 않도록 구성된다. 본 실시예에서, 광원(10)으로부터의 광은 편광되지 않거나 원형으로 편광된다.

광원(10)으로부터의 광은 집광 렌즈(12)를 통해 슬릿판(14)에 집광된다. 슬릿판(14)은 직사각형 형상(예를 들어, 50㎛의 슬릿폭 및 700㎛의 슬릿 길이)을 갖는 투과 영역 또는 가변 개구를 갖는 기계적 조리개를 포함하고, 슬릿판(14)의 투과 영역을 통해 통과한 광은 렌즈(16a, 16b) 및 개구 조리개(18)를 통해 기판(SB) 및 참조면(40)에 화상을 형성한다. 그러나, 슬릿판(14)의 투과 영역은 직사각형 형상(슬릿)에 한정되지 않고, 원형 형상(핀홀)을 가질 수도 있다. 또한, 개구 조리개(18)는 검출 시스템의 동공 위치에 배치되어 개구수(NA)를 규정한다. 본 실시예에서, 개구 조리개(18)는 대략 sin(0.1°) 내지 sin(5°)에서 NA를 규정한다.

렌즈(16b)를 통과한 광의 주 광선은 렌즈(16b)와 기판(SB) 사이에 개재된 빔 스플리터(20)에 입사한다. 렌즈(16b)를 통과한 광의 거의 절반은 빔 스플리터(20)를 통해 투과되고, 기판(SB)에 거의 수직하게 입사한다. 또한, 렌즈(16b)를 통과한 광의 거의 나머지 절반은 빔 스플리터(20)에 의해 반사되어 참조면(40)에 거의 수직하게 입사한다. 빔 스플리터(20)는, 예를 들어, 금속막, 유전체 다층막 또는 분리막(split film)과 같은 다른 막으로 형성된 프리즘형 빔 스플리터, 또는, 대략 1㎛ 내지 5㎛만큼 얇은(예를 들어, SiC 또는 SiN으로 이루어진) 막으로 형성되는 펠리클형(pellicle type) 빔 스플리터이다.

빔 스플리터(20)를 투과하여 기판(SB)에 입사한 광(이하, "측정광"이라 함)은 기판(SB)에 의해 반사되어서 빔 스플리터(20)에 입사한다. 한편, 빔 스플리터(20)에 의해 반사되어 참조면(40)에 입사한 광(이하, "참조광"이라 함)은 참조면(40)에 의해 반사되어 빔 스플리터(20)에 입사한다. 참조면(40)은 예를 들어, 대략 10nm 내지 20nm의 표면 정밀도를 갖는 알루미늄 평면 미러 또는 유리 평면 미러인 것에 유의해야 한다.

기판(SB)에 의해 반사된 측정광 및 참조면(40)에 의해 반사된 참조광은 빔 스플리터(20)에 의해 합성되어 렌즈(22a, 22b)를 통해 촬상 디바이스(24)에서 수광된다. 촬상 디바이스(24)에서, 측정광과 참조광이 서로 겹쳐(즉, 서로 간섭하여), 측정광과 참조광에 의해 형성되는 간섭광의 강도가 촬상 디바이스(24)에 의해 검출된다. 기판(SB)과 참조면(40)과 촬상 디바이스(24)는 결상 관계로 배치된다. 본 실시예에서는, 슬릿판(14)과 기판(SB)이 결상 관계로 배치되지만, 각각 동공면과 화상면으로서의 역할을 하도록 배치될 수도 있다.

기판(SB)을 유지하는 스테이지(50)의 위치를 고정밀도로 제어하기 위해서, 본 실시예에서는, X축, Y축, Z축과 ωx, ωy의 기울기축의 5축에 레이저 간섭계(도시하지 않음)가 배치된다. 이러한 레이저 간섭계로부터의 출력에 기초하여 스테이지(50) 위치의 폐루프 제어를 행함으로써, 기판(SB)의 표면 형상이 보다 높은 정밀도로 측정될 수 있다. 기판(SB)을 복수의 영역으로 분할하여 이렇게 분할된 영역을 측정함으로써 기판(SB)의 전체 표면 형상이 얻어지는 경우, 레이저 간섭계의 사용이 특히 유리한데, 이는 형상 데이터의 보다 정밀한 연결(스티칭(stitching))을 가능하게 하기 때문이다.

여기에서, 측정 장치(1)에 있어서 참조면(40)의 배치와 참조광과 측정광 간의 광로차(OPD)에 대해서 설명한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 빔 스플리터(20)에 의해 분리될 주 광선이 주광선 ray2로 규정되고, 주광선 ray2로부터 Y축 방향으로 -δy만큼 이격된 광의 빔이 광 빔 ray1로 규정되고, 주 광선 ray2로부터 Y축 방향으로 +δy만큼 이격된 광의 빔이 광 빔 ray3로 규정된다. 이 경우, 빔 스플리터(20)는 주 광선 ray2를 참조 광 빔 ray_r2와 측정광 빔 ray_m2로 분리한다. 또한, 빔 스플리터(20)는 광 빔 ray1을 참조광 빔 ray_r1과 측정광 빔 ray_m1로 분리한다. 또한, 빔 스플리터(20)는 광 빔 ray3을 참조광 빔 ray_r3과 측정광 빔 ray_m3으로 분리한다.

빔 스플리터(20)에 의해 분리되어 다시 합성되는 참조광과 측정광의 광로 길이에 대해서 고려한다. 주 광선 ray2로부터 분리된 참조광 빔 ray_r2와 측정광 빔 ray_m2가 동일한 광로 길이를 갖는(광로차(OPD)=0) 기판(SB) 평면의 Z축 방향의 위치를 z0라 한다. 또한, (x0, y1, z0), (x0, y2, z0) 및 (x0, y3, z0)을 각각 측정광 빔 ray_m1 내지 ray_m3과 Z축 방향의 위치 z0의 X-Y 평면 간의 교점(X-Y-Z 좌표계에서 한정된 점)으로 한다. 그러면, 광 빔 ray1 및 ray3의 규정으로부터, y1-y2=-δy 및 y3-y2=+δy가 된다. 또한, 참조광 빔 ray_r1과 측정광 빔 ray_m1이 유도되는 촬상 디바이스(24)의 영역(화소 위치)이 제1 영역 pix1(제1 검출 유닛)로서 규정된다. 마찬가지로, 참조광 빔 ray_r2와 측정광 빔 ray_m2가 유도되는 촬상 디바이스(24)의 영역은 제2 영역 pix2(제2 검출 유닛)로서 규정되고, 참조광 빔 ray_r3과 측정광 빔 ray__m3이 유도되는 촬상 디바이스(24)의 영역은 제3 영역 pix3(제3 검출 유닛)으로서 규정된다.

참조면(40)은 촬상 디바이스(24)의 복수의 영역에 입사하는 측정광 빔 및 참조광 빔 간에 각각의 광로 길이 중에서 차이가 발생하게 되도록 배치된다. 본 실시예에서, 참조면(40)은 X-Z 평면과 각도(기울기각) φ를 형성하도록 기울어진다. 따라서, 참조면(40)에 의해 반사된 참조광 빔과 Z축 방향의 위치 z0의 X-Y 평면에 의해 반사된 측정광 빔이 촬상 디바이스(24)에서 서로 간섭하는 경우 이들 간의 광로차 OPD는 이하와 같다:

참조광 빔 ray_r1과 측정광 빔 ray_m1 간의 광로차 OPD1=-2×δy×tanφ

참조광 빔 ray_r2와 측정광 빔 ray_m2 간의 광로차 OPD2=0

참조광 빔 ray_r3과 측정광 빔 ray_m3 간의 광로차 OPD3=+2×δy×tanφ

참조면(40)은 작은 기울기각 φ를 갖는 것으로 가정하고, 빔 스플리터(20)로부터 참조면(40)까지의 포워드 경로와 참조면(40)으로부터 빔 스플리터(20)까지의 백워드 경로는 서로 동일한 것이라고 가정한다. 그러나, 엄밀하게는, 참조면(40)의 기울기각 φ의 영향에 의해, 빔 스플리터(20)로부터 참조면(40)까지의 포워드 경로와 참조면(40)으로부터 빔 스플리터(20)까지의 백워드 경로는 서로 상이하다. 따라서, 빔 스플리터(20)의 하류측의 광학 시스템에서 참조광과 측정광은 자연히 다른 광로를 가지므로, 정밀한 광로차를 산출하기 위해서는 광학 시뮬레이션을 사용할 필요가 있다. 한편, 참조면(40)이 작은 기울기각 φ를 갖는 경우, 기울기각 φ는 빔 스플리터(20)로부터 참조면(40)까지의 포워드 경로, 참조면(40)으로부터 빔 스플리터(20)까지의 백워드 경로 및 빔 스플리터(20)의 하류측의 광학 시스템에서의 광로에 대해 작은 영향을 갖기 때문에, 광로차는 상술한 식으로서 개략적으로 간략화될 수 있다.

본 실시예에서, 기판(SB)의 표면 형상을 측정하기 위해서, 기판(SB) 상의 측정점에서 반사된 측정광 및 이러한 측정점에 대응하는 참조면(40) 상의 참조점에서 반사된 참조광 빔이 촬상 디바이스(24)의 복수의 영역에 순차적으로 입사하도록 기판(SB)이 구동된다. 우선, Z축 방향의 위치 z0의 X-Y 평면에서 기판(SB) 상의 측정점(xx1, yy1)이 이동하도록, 기판(SB)이 구동되는 메커니즘을 고려한다. 보다 구체적으로, 도 2a 내지 2c에 도시한 바와 같이, 기판(SB) 상의 측정점(xx1, yy1)이 시간 t1에는 점(x0, y1, z0)에 위치하고, 시간 t2에는 점(x0, y2, z0)에 위치하고 시간 t3에는 점(x0, y3, z0)에 위치하도록 기판(SB)이 구동된다.

시간 t1에서, 기판(SB) 상의 측정점(xx1, yy1)에서 반사된 측정광 빔 ray_m1과 측정점(xx1, yy1)(그 위치)에 대응하는 참조면(40) 상의 참조점에서 반사된 참조광 빔 ray_r1은 촬상 디바이스(24)의 제1 영역 pix1에 입사한다. 그리고, 측정광 빔 ray_m1과 참조광 빔 ray_r1에 의해 형성되는 간섭광 빔의 강도가 촬상 디바이스(24) 상의 제1 영역 pix1에서 검출된다. 시간t2에서, 기판(SB) 상의 측정점(xx1, yy1)에서 반사된 측정광 빔 ray_m2와 측정점(xx1, yy1)(시간 t2에서의 그 위치)에 대응하는 참조면(40) 상의 참조점에서 반사된 참조광 빔 ray_r2는 촬상 디바이스(24)의 제2 영역 pix2에 입사한다. 그리고, 측정광 ray_m2와 참조광 ray_r2에 의해 형성되는 간섭광의 강도가 촬상 디바이스(24)의 제2 영역 pix2에서 검출된다. 시간 t3에서, 기판(SB) 상의 측정점(xx1, yy1)에서 반사된 측정광 빔 ray_m3과 측정점(xx1, yy1)(시간 t3에서의 그 위치)에 대응하는 참조면(40) 상의 참조점에서 반사된 참조광 빔 ray_r3은 촬상 디바이스(24)의 제3 영역 pix3에 입사한다. 그리고, 측정광 빔 ray_m3과 참조광 빔 ray_r3에 의해 형성되는 간섭광 빔의 강도가 촬상 디바이스(24)의 제3 영역 pix3에서 검출된다.

참조광 빔 ray_r1과 측정광 빔 ray_m1 간, 참조광 빔 ray_r2와 측정광 빔 ray_m2 간, 및 참조광 빔 ray_r3과 측정광 빔 ray_m3 간에는 광로차 OPD1, OPD2 및 OPD3이 각각 발생된다. 따라서, 도 3에 도시한 바와 같이, 촬상 디바이스(24)의 제1 영역 pix1, 제2 영역 pix2 및 제3 영역 pix3에, 간섭광 빔의 강도 I1, I2 및 I3이 순차적으로 각각 검출된다. 도 3에서, 점선은 종래의 백색광 간섭 신호 방식(즉, 테스트면의 높이 위치(Z축 방향의 위치)를 변화시키는 방식)을 사용하여 얻어지는 간섭 신호를 나타낸다. 도 3을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 촬상 디바이스(24)의 제1 영역 pix1, 제2 영역 pix2 및 제3 영역 pix3의 각각에서 검출되는 간섭광 빔의 강도 I1, I2 및 I3은 종래의 백색광 간섭 신호 방식을 사용하여 얻어지는 간섭 신호 상에 있다.

이러한 관점에서, 기판(SB)을 Z축 방향으로 구동할 시에 참조광 빔과 측정광 빔 간의 광로차가 발생되도록 참조면(40)이 경사지게 된다. 종래의 백색광 간섭 신호 방식을 사용하여 간섭 신호가 취득되는 경우, 측정점의 수에 대응하는 촬상 디바이스(24)의 각 영역(화소)에서 간섭광 빔의 강도가 검출된다. 이 때, 참조광 빔과 측정광 빔에 의해 형성되는 간섭광 빔의 강도가 검출되고, 촬상 디바이스(24)의 Z축 방향(제1 방향)으로 배치된 복수의 영역에, 측정광 빔 및 참조광 빔이 Z축을 따라 이동하면서 순차적으로 입사하도록, 기판(SB)이 구동된다. 이러한 방식으로, 기판(SB) 상의 측정점(xx1, yy1)에서 반사된 측정광 빔이 촬상 디바이스(24)의 다른 영역에서 검출된다. 따라서, 기판(SB)의 Y축 방향의 좌표 위치에 대응하는 촬상 디바이스(24)의 영역에서 간섭광 빔의 강도를 검출함으로써, 종래의 백색광 간섭 신호 방식을 사용하여 얻어지는 간섭 신호와 동등한 신호(강도 신호)가 얻어질 수 있다.

Z축 방향의 위치(즉, 참조광과 측정광 간의 광로차)는 종래의 백색광 간섭 신호 방식을 사용하여 얻어지는 간섭 신호의 횡축 상에서 나타내어지며, 촬상 디바이스(24) 상의 위치(영역)는 도 3에 나타낸 바와 같이 본 실시예에서 얻어지는 강도 신호의 횡축 상에 나타내어진다. 도 3에서, 촬상 디바이스(24) 상의 위치(영역)를 광로차로 변환하기 위해, 이러한 위치에 입사하는 참조광 빔과 측정광 빔 간의 광로차가 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 참조광 빔 ray_r1과 측정광 빔 ray_m1 간, 참조광 빔 ray_r2와 측정광 빔 ray_m2 간, 참조광 빔 ray_r3과 측정광 빔 ray_m3 간의 각각에는, 광로차 OPD1, OPD2 및 OPD3이 발생된다. 이는 촬상 디바이스(24) 상의 위치를 광로차로 변환할 수 있게 한다.

Z축 방향의 위치 z0의 X-Y 평면을 따라, 기판(SB)이 Y축 방향으로 구동되는 경우, 구동 오차로 인해 기판(SB)이 Y축 방향 뿐만 아니라, Z축 방향으로도 종종 구동된다. 이 경우, 기판(SB)의 구동 오차로 인해, 참조광과 측정광 간의 광로차가 Z축 방향으로 구동된 양만큼 설정값으로부터 변한다. 기판(SB)의 대부분의 구동 오차는 스테이지(50)의 위치를 제어하는 레이저 간섭계의 불량한 조정에 기인하여 발생된다. 이러한 관점에서, 기판(SB)의 구동 오차에 기인하는 참조광과 측정광 간의 광로차의 변화를 검출하는 검출 유닛이, 검출 유닛에 의해 검출된 광로차의 변화에 기초하여, 도 3에 나타낸 강도 신호를 보정하는 데에 사용되면 된다.

도 3에 나타내는 강도 신호의 피크값인 강도 I2가 검출되는 촬상 디바이스(24)의 영역(화소 위치)을 특정함으로써, 기판 상에 한정되는 측정점에서의 기판(SB)의 높이(Z축 방향의 위치)가 얻어질 수 있다. 또한, 강도 신호에 대하여, 포락선 피크 검출 또는 최대 콘트라스트 검출을 수행함으로써, 기판(SB)의 표면 위치가 얻어질 수 있다. 또한, 강도 신호의 중심의 간섭 무늬(이하, "중심 무늬"라 함)에 대하여, 강도 피크, 무게중심(centroid) 계산 또는 2차 근사와 같은 함수 피팅(function fitting)을 수행함으로써 중심 무늬 피크 검출을 가능하게 하여 기판(SB)의 표면 위치가 구해질 수 있다. 또한, 강도 신호의 강도값에 대하여 이동 평균 또는 함수 피팅을 수행함으로써, 도 3의 횡축에 대응하는 샘플링 피치의 대략 1/10 내지 1/50의 해상도로 기판(SB)의 표면 위치가 검출될 수 있다.

산출 처리 유닛(26)은 상술한 처리(즉, 기판(SB)의 표면 형상을 측정하는 데 필요한 기판(SB)의 구동(즉, 기판(SB)을 유지 및 구동하는 스테이지의 제어) 및 산출 처리)를 수행한다. 산출 처리 유닛(26)에 의해 산출된 기판(SB)의 표면 형상은, 예를 들어, 저장 유닛(28)에 저장되거나, 표시 유닛(30)에 표시된다.

여기에서, 촬상 디바이스(24)의 영역(화소수와 화소 사이즈) 및 참조면(40)의 기울기각 φ의 설정에 대해 상세하게 설명한다. 촬상 디바이스(24)의 영역과 참조면(40)의 기울기각 φ를 설정하기 위해서, 측정에 필요한 참조광과 측정광 간의 광로차를 결정할 필요가 있다. 종래의 백색광 간섭 신호 방식에서는, 테스트면이 Z축 방향으로 구동되어 참조광과 측정광 간의 광로차를 변화시킴으로써 간섭 신호를 얻는다. 측정 장치(1)에서, 종래의 백색광 간섭 신호 방식을 사용하여 얻어지는 간섭 신호와 동등한 강도 신호를 얻기 위해서, 종래의 백색광 간섭 신호 방식을 사용하여 얻어진 것과 동등한 광로차가 촬상 디바이스(24)의 영역 내에서 발생되도록, 참조면(40)의 기울기각 φ만 설정하면 된다.

예를 들어, 종래의 백색광 간섭 신호 방식에서 참조광과 측정광 간의 광로차가 10㎛이고, 측정점의 수가 100인 경우를 고려한다. 이 경우, 100 화소(유효 화소 사이즈: 1,000㎛) 및 10㎛의 화소 사이즈를 갖는 촬상 디바이스(24)에 대하여, 참조면(40)이 atan(10/1000)=0.57°의 기울기각 φ를 갖도록 참조면(40)이 배치되기만 하면 된다. 또한, 기울기각 φ에 대하여, 보다 많은 화소수를 갖는 촬상 디바이스가 채택되는 경우, 참조광과 측정광 간의 광로차를 증가시켜 검출 범위를 확장할 수 있다. 또한, 스테이지에 설치된 테스트면이 설치 상태에 따라 변하는 기울기를 갖는 경우, 기울기의 변화량을 고려하여 비교적 큰 기울기각 φ를 설정함으로써 필요한 광로차가 확보될 수 있다.

종래의 백색광 간섭 신호 방식에서, 테스트면 상에 한정된 하나의 측정점에서의 테스트면의 높이를 측정하기 위해서, 촬상 디바이스(24)의 하나의 영역(화소)을 사용하여 간섭 신호가 생성된다. 반대로, 본 실시예에서는, 테스트면 상에 한정된 하나의 측정점에서의 테스트면의 높이를 측정하기 위해 촬상 디바이스(24)의 복수의 영역(화소)을 사용해서 강도 신호가 생성된다. 따라서, 촬상 디바이스(24)의 각 영역이 다른 특성을 갖는 경우, 이는 강도 신호의 형상을 왜곡하거나 강도 신호의 콘트라스트를 저하시킬 수 있다. 이 경우, 촬상 디바이스(24)의 각 영역에 대해 페데스털값(pedestal value)이 보정되기만 하면 되거나, 촬상 디바이스(24)의 각 영역에 대해 광량에 대한 검출값의 선형성(linearity)이 보정되기만 하면 된다.

다음으로, 촬상 디바이스(24)의 각 영역에서의 간섭광의 강도를 검출하는 타이밍과 기판(SB)의 구동(구동 속도) 간의 관계에 대해 상세하게 설명한다. 본 실시예에서는, 스테이지(50)는 기판(SB) 상의 측정점에서 반사된 측정광 빔을 촬상 디바이스(24)의 각 영역(각 화소)에 걸쳐 이동시키도록 구동된다. 이러한 이유로, 기판(SB) 상의 측정점에서 반사된 측정광 빔이 촬상 디바이스(24)의 인접하는 2개 영역 간을 이동하는 시간이 촬상 디바이스(24)의 복수의 영역을 검출하는 타이밍과 일치하거나 더 빨라지도록 기판(SB)을 구동할 필요가 있다.

예를 들어, 10㎛의 화소 사이즈를 갖는 촬상 디바이스(24)에 대하여, 기판(SB)(스테이지(50))이 1,000mm/sec로 구동되는 경우를 고려한다. 이 경우, 기판(SB) 상의 측정점이 촬상 디바이스(24)의 특정 영역으로부터 인접 영역으로 이동하는 시간 t는, t=10[㎛]/1000 [mm /sec]=0.01[msec]이므로, 간섭광 빔의 강도는 이러한 시간 t의 간격으로 검출되기만 하면 된다.

촬상 디바이스(24)의 각 영역에서의 검출 타이밍이 조정될 수 없는 경우, 기판(SB)(스테이지(50))의 구동 속도 또는 촬상 디바이스(24)의 화소 사이즈가 대신 조정될 수 있다. 예를 들어, 촬상 디바이스(24)의 각 영역에서의 검출 타이밍이 0.5msec인 경우, 기판(SB)(스테이지(50))의 구동 속도가 20mm/sec로 설정될 수 있거나, 촬상 디바이스(24)의 화소 사이즈가 500㎛로 설정될 수 있다. 이는, 기판(SB) 상의 측정점에서 반사된 측정광 빔이 촬상 디바이스(24)의 각 영역(각 화소)에 걸쳐 이동하는 시간보다 촬상 디바이스(24)의 각 영역에서의 검출 타이밍을 더 빨리 할 수 있게 한다.

이하, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 본 실시예에 따른 측정 장치(1)가 비용을 낮게 유지하면서 테스트면의 표면 형상을 짧은 기간 내에 측정할 수 있는 이유에 대해서 설명한다. 도 2a 내지 도 2c를 참조하여, 기판(SB) 상의 측정점(xx1, yy1)만에 주목해서 기판(SB)의 표면 형상의 측정에 대해 설명했다. 도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 측정점(xx1, yy1) 뿐만 아니라 측정점(xx1, yy1)으로부터 Y축 방향으로 -δy만큼 이격된 측정점(xx1, yy2)에도 주목해서 기판(SB)의 표면 형상의 측정에 대해 설명한다. 도 4a는 시간 t2에서의 상태를 나타내고, 도 4b는 시간 t3에서의 상태를 나타내고, 도 4c는 시간 t4에서의 상태를 나타낸다. 기판(SB)은 시간 t2로부터 시간 t3까지의 구간에서 +δy만큼 구동되는 것으로 하고, 시간 t3으로부터 시간 t4까지의 구간에서 +δy만큼 구동되는 것으로 한다. 측정점(xx1, yy1)은 제1 측정점으로서 규정되고, 측정점(xx1, yy2)은 제2 측정점으로서 규정된다.

시간 t2에서, 기판(SB) 상의 제1 측정점에서 반사된 측정광 빔 ray_m2와 제1 측정점에 대응하는 참조면(40) 상의 제1 참조점에서 반사된 참조광 빔 ray_r2에 의해 형성되는 간섭광 빔의 강도는 촬상 디바이스(24)의 제2 영역 pix2에서 검출된다. 상술한 바와 같이, 기판(SB) 상의 제2 측정점은 제1 측정점으로부터 Y축 방향으로 -δy만큼 이격되어 있다. 따라서, 시간 t2에서, 기판(SB) 상의 제2 측정점에서 반사된 측정광 빔 ray_m1과 제2 측정점에 대응하는 참조면(40) 상의 제2 참조점에서 반사된 참조광 빔 ray_r1에 의해 형성되는 간섭광의 강도는 동시에 촬상 디바이스(24)의 제1 영역 pix1에서 검출된다.

시간 t3에서, 기판(SB) 상의 제1 측정점에서 반사된 측정광 빔 ray_m3과 제1 측정점에 대응하는 참조면(40) 상의 제1 참조점에서 반사된 참조광 빔 ray_r3에 의해 형성되는 간섭광의 강도는 촬상 디바이스(24)의 제3영역 pix3에서 검출된다. 시간 t3에서, 기판(SB) 상의 제2 측정점에서 반사된 측정광 빔 ray_m2와 제2 측정점에 대응하는 참조면(40) 상의 제2 참조점에서 반사된 참조광 빔 ray_r2에 의해 형성되는 간섭광 빔의 강도는 촬상 디바이스(24)의 제2 영역 pix2에서 동시에 검출된다.

시간 t4에서, 기판(SB) 상의 제2 측정점에서 반사된 측정광 빔 ray_m3과 제2 측정점에 대응하는 참조면(40) 상의 제2 참조점에서 반사된 참조광 빔 ray_r3에 의해 형성되는 간섭광 빔의 강도는 촬상 디바이스(24)의 제3 영역 pix3에서 검출된다.

이러한 방식으로, 기판(SB) 상의 제1 측정점에 대응하는 강도 신호는 시간 t1로부터 시간 t3까지의 구간에서 얻어지고, 기판(SB) 상의 제2 측정점에 대응하는 강도 신호는 시간 t2로부터 시간 t4까지에서 얻어진다.

따라서, i를 기판(SB) 상의 Y축 방향의 측정점의 수(즉, 측정점(xx1, yy1) 내지(xx1, yyi))라 하면, 이러한 측정점에 대응하는 강도 신호를 얻는 데 필요한 시간은 시간 t1로부터 시간 tk까지이다. k=i+j이며, j는 강도 신호를 생성하는 데 필요한 샘플링수인 것에 유의해야 한다.

본 실시예에서, 기판(SB) 상의 Y축 방향으로 배열된 복수의 측정점에 대응하는 강도 신호를 얻기 위해, 기판(SB)은 Z축 방향으로 구동될 필요가 없고, Y축 방향(일방향) 단독으로 구동되기만 하면 된다.

종래의 백색광 간섭 신호 방식을 사용하여 테스트면의 표면 형상을 측정하기 위하여, 테스트면 상의 측정점이 측정가능한 위치에 배치되도록 테스트면을 X축 방향 및 Y축 방향으로 구동하는 동작과, 간섭 신호를 얻기 위해서 테스트면을 Z축 방향으로 구동하는 동작이 반복된다. Z축 방향으로 구동하는 1회 동작에 의해 측정될 수 있는 영역은 한정되므로, 전체 테스트면을 측정하기 위해서, 테스트면을 X축 방향 및 Y축 방향으로 구동하는 동작이 복수회 반복된다. 노광 장치의 웨이퍼 상에, 대략 100개의 "샷(shots)"이라고 하는 노광 영역이 존재하고 있고, Z축 방향으로 구동하는 1회의 동작에 의해 측정될 수 있는 영역은 일반적으로 대략 1 또는 2개의 샷을 포함한다. 따라서, X축 방향 및 Y축 방향으로의 구동은 대략 50 내지 100회 필요하다. 또한, Z축 방향으로 구동하는 1회의 동작에 의해 측정될 수 있는 영역을 확대함으로써, X축 방향 및 Y축 방향으로의 구동 횟수가 저감될 수 있지만, 이는 광학 시스템의 사이즈를 증가시키는 배치와 연관된 문제와 높은 화소 밀도의 촬상 디바이스의 필요성과 같은 비용과 연관된 문제를 야기한다.

반대로, 본 실시예에 따른 측정 장치(1)는, 테스트면 상의 측정점이 측정가능한 위치에 배치되도록 테스트면을 구동하고, 예를 들어, Y축 방향으로 배열된 측정점에 대응하는 강도 신호를 얻기 위해서 테스트면을 Y축 방향으로 구동한다. 그리고, 측정 장치(1)는 테스트면 상의 다음 측정점을 측정하기 위해서 테스트면을 X축 방향으로 구동하는 동작과, 이러한 측정점에 대응하는 강도 신호를 얻기 위해서 테스트면을 Y축 방향으로 구동하는 동작을 반복한다. 이러한 방식으로, 측정 장치(1)는, 테스트면을 Z축 방향으로 구동할 필요가 없고, 테스트면 상의 Y축 방향으로 배열된 복수의 측정점을 Y축 방향으로 구동하는 1회 동작에 의해 검출할 수 있으므로, 테스트면의 표면 형상을 짧은 기간 내에 측정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 노광 장치의 웨이퍼 상에 대략 100개의 샷이 나란히 놓이므로, X축 방향으로 대략 10열로 샷이 존재한다. 따라서, 본 실시예에 따른 측정 장치(1)가 샷을 측정하는 경우, 다음 샷을 측정하기 위해 X축 방향으로 테스트면을 대략 10회 구동할 필요가 있다.

예를 들어, 각 측정점에서의 샘플링 수를 100이라 하고, 각 샷 내의 Y축 방향의 측정점의 수를 100이라 하고, 다음 측정점으로 테스트면을 구동하는 데 드는 시간을 10msec라 하고, Z축 방향으로 가속/감속 구동하는 데 드는 시간을 10msec라 한다. 종래의 백색광 간섭 신호 방식은, 다음 측정점으로 99회(990msec) 구동하는 것을 필요로 하고, Z축 방향으로 100회(1sec) 구동하는 것을 필요로 하므로, 대략 1.99sec의 측정 시간을 필요로 한다. 반대로, 본 실시예에 따른 측정 장치(1)는, 다음 측정점으로 단지 9회(90msec) 구동하는 것을 필요로 하며, Z축 방향으로 구동하는 것을 필요로 하지 않으므로, 종래의 백색광 간섭 신호 방식에 비해 대략 1sec만큼 측정 시간을 단축할 수 있다.

본 실시예에서는, 참조면(40)이 작은 기울기각 φ를 갖는 경우에 대해 설명했지만, 참조면(40)은 때로는 상당히 큰 기울기각 φ를 가져 상술한 식을 사용하여 광로차를 근사적으로 간략화할 수 없다. 이 경우, 각 측정점에서 테스트면을 Z축 방향으로 구동하고, 종래의 백색광 간섭 신호 방식을 사용하여 실제의 광로차를 얻고, 얻어진 광로차에 기초하여 OPD 오차를 보정할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 우선 기판(SB) 상의 측정점(xx1, yy1)이 X-Y-Z 좌표계의 점(x0, y1, z0)에 배치된다. 그 다음에, 종래의 백색광 간섭 신호 방식에서와 같이, 기판(SB)이 Z축 방향으로 구동되어 간섭 신호를 취득하고, 간섭 신호의 피크가 검출된다. 이러한 방식으로, 측정광 빔 ray_m1을 수광하는 촬상 디바이스(24)의 제1 영역 pix1에서의 참조광 빔 ray_r1과 측정광 빔 ray_m1 간의 광로차 OPD가 0(제로)이 되는 Z축 방향으로의 기판(SB)의 평면 위치가 산출된다. 또한, 간섭 신호로부터 측정점(xx1, yy1)에서의 Z축 방향의 기판(SB)의 각 위치에서의 광로차 OPD가 산출될 수 있다.

또한, 참조면(40)의 기울기각 φ로부터(즉, 본 실시예에서 얻어진 강도 신호로부터) 측정광 빔 ray_m1을 수광하는 촬상 디바이스(24)의 제1 영역 pix1에서의 참조광 빔 ray_r1과 측정광 빔 ray_m1 간의 광로차 OPD가 산출될 수 있다. 그리고, 종래의 백색광 간섭 신호 방식을 사용하여 얻어진 간섭 신호로부터 산출되는 광로차 OPD와, 본 실시예에서 얻어진 강도 신호로부터 산출되는 광로차 간의 차이가 X-Y-Z 좌표계의 점(x0, y1, z0)에서의 OPD 오차이다.

측정광으로 조사되는 전역(도 5에서 측정광 빔 ray_m1 내지 ray_m3으로 조사되는 영역)에서 OPD 오차를 구하는 것에 의해, 참조면(40)이 큰 기울기각 φ를 갖는 경우의 OPD 오차가 보정될 수 있다. OPD 오차가 한번 구해지면, 다음의 측정시에는 다시 구할 필요는 없다.

OPD 오차 산출은, 주로 측정 장치(1)의 광학 시스템 내부의 광로차를 구하고자 하는 것이며, 테스트면의 재료에 연관된 요소로 인한 광로차를 구하고자 하는 것은 아니다. 그러나, 테스트면 상에 다층 구조가 형성되는 경우, OPD 오차 산출에 있어서 측정 오차가 증가할 수 있다. 이를 방지하기 위해서는, OPD 오차를 산출하기 위해 테스트면으로서 예를 들어, BaSi 웨이퍼, 유리 웨이퍼, 두꺼운 단일 레지스트로 코팅된 웨이퍼, 또는 참조판이 사용되는 것이 바람직하다.

도 1에 나타내는 측정 장치(1)가 테스트면으로서의 기판(SB)을 측정광으로 수직으로 조사하지만, 기판(SB)을 측정광으로 비스듬하게 조사할 수도 있다. 이 경우, 기판(SB)의 상부에 도포되는 레지스트층의 반사율이 증가하고, 이는 예를 들어, 레지스트층의 하부에 있는 금속층에 의해 반사되는 광의 영향을 저감시킨다. 이는 기판(SB)의 표면 형상을 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있게 한다.

도 1에 나타낸 측정 장치(1)는 조명 시스템 및 검출 시스템으로서 광굴절(dioptric) 시스템을 채용하지만, 광반사(catoptric) 시스템을 채용할 수도 있다. 광반사 시스템을 사용하면 광학 시스템의 수차(aberration)를 저감시킬 수 있다. 이는 기판(SB)의 표면 형상을 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있게 한다. 예를 들어, 광원(10)이 넓은 파장 범위에서 백색광을 발광한다고 가정한다. 이 경우, 광학 시스템의 수차를 저감시키기 위해서 보통은 렌즈의 수가 증가될 필요가 있지만, 광반사 시스템을 사용하면 렌즈의 수를 증가시키지 않고도 수차를 저감시킬 수 있다. 바꾸어 말하면, 광반사 시스템은 광굴절 시스템과 비교해서 성능 및 비용에서 유리하다.

도 6은 기판(SB)을 측정광으로 비스듬하게 조사하고, 조명 시스템 및 검출 시스템으로서 광반사 시스템을 채용하는 측정 장치(1A)의 구성을 나타내는 개략도이다. 측정 장치(1A)는 조명 시스템을 구성하는 평면 미러(61), 오목 미러(62), 볼록 미러(63) 및 개구 조리개(64)를 포함한다. 또한, 측정 장치(1A)는 검출 시스템을 구성하는 오목 미러(66), 볼록 미러(67), 평면 미러(68) 및 개구 조리개(69)를 포함한다. 이러한 시스템을 수용하는 충분한 공간이 확보되면, 평면 미러(61, 68)는 사용될 필요가 없다.

오목 미러(62) 및 볼록 미러(63)는 조명 시스템에서 결상 광학 시스템을 형성한다. 본 실시예에서, 오목 미러(62) 및 볼록 미러(63)는 동일한 곡률 중심을 갖도록(동심원의 곡률을 갖도록) 배치된다. 바꾸어 말하면, 오목 미러(62) 및 볼록 미러(63)는 오프너(Offner) 구성이라고 하는 관계로 배치된다. 그러나, 볼록 미러(63)의 곡률(볼록 곡률)을 오목 미러(62)의 곡률(오목 곡률)의 2배로 설정함으로써(즉, 볼록 곡률=2×(오목 곡률)), 오목 미러(62) 및 볼록 미러(63)는 다른 곡률 중심을 갖도록 배치될 수도 있다. 개구 조리개(64)는 오목 미러(62) 및 볼록 미러(63)로부터 형성되는 결상 광학 시스템의 동공 위치에 배치되어, 결상 광학 시스템의 개구수(NA)를 규정한다.

오목 미러(66) 및 볼록 미러(67)는 검출 시스템에서 결상 광학 시스템을 형성한다. 오목 미러(66) 및 볼록 미러(67)는 조명 시스템에서의 오목 미러(62) 및 볼록 미러(63)와 마찬가지로, 동일한 곡률 중심을 갖도록(오프너 구성을 갖도록) 배치된다. 그러나, 볼록 미러(67)의 곡률을 오목 미러(66)의 곡률의 2배로 설정함으로써 오목 미러(66)와 볼록 미러(67)가 다른 곡률 중심을 갖도록 배치될 수도 있다. 개구 조리개(69)는 오목 미러(66) 및 볼록 미러(67)로부터 형성되는 결상 광학 시스템의 동공 위치에 배치되어, 결상 광학 시스템의 개구수(NA)를 규정한다. 본 실시예에서, 개구 조리개(69)는 대략 sin(0.1°) 내지 sin(5°)의 매우 작은 NA로 결상 광학 시스템을 스톱 다운(stop down)한다.

각각의 빔 스플리터(20a, 20b)는 상술한 바와 같이, 금속막, 유전체 다층막, 또는 분리막과 같은 다른 막으로부터 형성되는 프리즘형 빔 스플리터, 또는 대략 1㎛ 내지 5㎛의 얇은 막으로부터 형성되는 펠리클형 빔 스플리터이다.

오목 미러(62) 및 볼록 미러(63)를 통과한 광의 주 광선은 오목 미러(62)와 기판(SB) 사이에 개재된 빔 스플리터(20a)에 입사한다. 따라서, 오목 미러(62) 및 볼록 미러(63)를 통과한 광의 대략 절반(측정광)은 빔 스플리터(20a)를 투과하고, 입사각 θ로 기판(SB)에 입사한다. 또한, 오목 미러(62) 및 볼록 미러(63)를 통과한 광의 대략 나머지 절반(참조광)은 빔 스플리터(20a)에 의해 반사되어, 입사각 θ로 참조면(40)에 입사한다.

기판(SB)에 입사하는 측정광의 입사각 θ가 커지면, 기판(SB)에 도포된 박막(레지스트) 상부면의 반사율이 박막의 하부면의 반사율보다 강해진다. 이러한 관점에서, 입사각 θ가 커질수록, 기판(SB)에 도포된 박막의 표면 형상의 측정 정밀도가 높아진다. 하지만, 입사각 θ가 90°에 가까이 되면, 광학 시스템을 조립하는 것이 더욱 어려워지므로 입사각 θ는 70°내지 85°인 것이 바람직하다.

빔 스플리터(20a)를 투과하여 기판(SB)에 입사한 측정광은 기판(SB)에 의해 반사되어 빔 스플리터(20b)에 입사한다. 한편, 빔 스플리터(20a)에 의해 반사되어 참조면(40)에 입사한 참조광은 참조면(40)에 의해 반사되어 빔 스플리터(20b)에 입사한다.

기판(SB)에 의해 반사된 측정광과 참조면(40)에 의해 반사된 참조광은 빔 스플리터(20b)에 의해 합성되어, 촬상 디바이스(24)에서 수광된다. 오목 미러(66) 및 볼록 미러(67)는 양측 텔리센트릭(bilateral telecentric) 결상 광학 시스템을 형성하고, 이러한 양측 텔리센트릭 결상 광학 시스템은 기판(SB)의 표면을 촬상 디바이스(24)에 결상시킨다. 따라서, 본 실시예에서는, 슬릿판(14)의 투과 영역이 오목 미러(62) 및 볼록 미러(63)에 의해 기판(SB) 및 참조면(40)에 결상되고, 오목 미러(66) 및 볼록 미러(67)에 의해 촬상 디바이스(24)에 재결상된다. 측정광과 참조광이 촬상 디바이스(24)에서 서로 겹쳐(즉, 서로 간섭해), 측정광과 참조광에 의해 형성되는 간섭광의 강도가 촬상 디바이스(24)에 의해 검출된다. 측정 장치(1A)에서, 참조면(40)의 배치(참조면(40)의 기울기각 φ의 설정), 촬상 디바이스(24)의 구성, 산출 처리 유닛(26)에 의한 기판(SB)의 표면 형상을 산출하는 처리, 및 다른 특징들은 측정 장치(1)과 마찬가지이다.

도 1에 나타내는 측정 장치(1)와 도 6에 나타내는 측정 장치(1A) 각각은 참조면(40)으로서, 평면(평평한 면) 형상을 갖는 미러를 사용하지만, 도 7에 나타낸 바와 같이, 비평면 형상을 갖는 미러(40A)가 사용될 수도 있다. 도 7을 참조하면, 비평면 형상을 갖는 미러(40A)는 참조광 빔 ray_r1과 측정광 빔 ray_m1 간의 광로차를 발생시키는데, 이는 평면 형상을 갖는 미러에 의해 발생되는 광로차보다 δOPD1만큼 짧다. 마찬가지로, 미러(40A)는 참조광 빔 ray_r3과 측정광 빔 ray_m3 간의 광로차를 발생시키며, 이는 평면 형상을 갖는 미러에 의해 발생된 광로차보다 δOPD3만큼 짧다. 이는, 기판(SB)을 Y축 방향으로 등속으로 구동할 시에 참조광과 측정광 간의 광로차를 다른 양만큼 변화시킬 수 있게 한다. 이에 따라, 이는 강도 신호에 대한 샘플링점의 간격을 변화시킬 수 있게 한다. 상술한 바와 같이, 본 실시예에서는, 강도 신호에 대한 포락선 피크 검출, 또는 강도 신호의 중심 무늬에 대한 무게중심 계산 또는 함수 피팅을 수행함으로써, 기판 상에 한정된 측정점에서 기판(SB)의 높이가 산출된다. 이 때, 강도 신호의 강도가 최대로 되는 부분의 근방이 무게중심 계산이나 함수 피팅에 종종 영향을 미친다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 비평면 형상을 갖는 미러(40A)를 사용하면, 강도가 비교적 낮은 부분의 샘플링수를 감소시켜 강도가 최대로 되는 부분의 샘플링수를 증가시킬 수 있게 한다. 이는, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있게 한다.

또한, 참조면(40)으로서 도 8에 나타낸 바와 같이, 촬상 디바이스(24)의 각 영역에 대응해서 다른 단차를 갖는 계단 형상의 미러(40B)가 사용될 수도 있다. 도 8을 참조하면, 미러(40B)는 참조광 빔 ray_r1과 측정광 빔 ray_m1 간의 광로차를 발생시키는 단차를 가지며, 이러한 광로차는 평면 형상을 갖는 미러에 의해 발생된 광로차보다 δOPD1만큼 더 짧다. 마찬가지로, 미러(40B)는 참조광 빔 ray_r3과 측정광 빔 ray_m3 간의 광로차를 발생시키는 단차를 가지며, 이러한 광로차는 평면 형상을 갖는 미러에 의해 발생되는 광로차보다 δOPD3만큼 더 짧다.

평면 형상을 갖는 미러(도 1 및 도 6) 및 비평면 형상을 갖는 미러(도 7)의 각각은 촬상 디바이스(24)의 1 화소(1 영역)에 있어서 일정하지 않은 광로차를 발생시키므로, 간섭광의 평균 강도가 검출된다. 반대로, 계단 형상을 갖는 미러(도 8)는 촬상 디바이스(24)의 1 화소(1 영역)에서 일정한 광로차를 발생시킨다. 따라서, 계단 형상을 갖는 미러는 보다 높은 콘트라스트를 갖는 강도 신호를 발생시키고, 그에 따라 측정 재현성이 우수하다.

또한, 도 7에 나타낸 비평면 형상이나 도 8에 나타낸 계단 형상은 평면 형상을 갖는 미러에 외력을 가함으로써(즉, 평면 형상을 변형시킴으로써) 형성될 수 있다.

또한, 도 1에 나타낸 측정 장치(1) 및 도 6에 나타낸 측정 장치(1A)의 각각은, 참조면(40)을 경사지게 사용하거나, 비평면 형상을 갖는 미러나 계단 형상을 갖는 미러를 참조면(40)으로서 사용하여 참조광과 측정광 간의 광로차를 변화시킨다. 그러나, 참조광과 측정광 간의 광로차는 참조면(40) 대신에 기판(SB)을 경사지게 함으로써 변화될 수도 있다.

다음으로, 도 9를 참조하여 측정 장치(1 또는 1A)를 포함하는 노광 장치(100)에 대해 설명한다. 도 9는 본 발명의 일 양태에 따른 노광 장치(100)의 구성을 도시하는 개략도이다.

본 실시예에서, 노광 장치(100)는, 스텝 앤드 스캔 방식을 사용하는 노광에 의해 레티클(120)의 패턴을 웨이퍼(140)에 전사하는 투영 노광 장치이다. 그러나, 노광 장치(100)는 스텝 앤드 리피트 방식 또는 다른 노광 방식을 채용할 수도 있다.

노광 장치(100)는 도 9에 나타낸 바와 같이, 조명 장치(110), 레티클(120)을 적재하는 레티클 스테이지(125), 투영 광학 시스템(130), 웨이퍼(140)를 적재하는 웨이퍼 스테이지(145), 제어 유닛(160) 및 측정 장치(1)를 포함한다.

조명 장치(110)는, 전사될 패턴이 형성되는 레티클(120)을 조명하고, 광원(112)과 조명 광학 시스템(114)을 포함한다. 조명 광학 시스템(114)은 광원(112)으로부터의 광으로 레티클(120)을 조명한다. 본 실시예에서, 조명 광학 시스템(114)은 노광에 최적인 형상을 갖는 노광 슬릿을 형성한다.

레티클(120)은 전사될 패턴을 갖고, 레티클 스테이지(125)에 의해 지지 및 구동된다. 레티클(120)에 의해 회절된 광은 투영 광학 시스템(130)을 통해 웨이퍼(140)에 투영된다. 레티클(120)과 웨이퍼(140)는 광학적으로 서로 공액(conjugate)의 관계로 배치된다. 노광 장치(100)는 (도시하지 않은) 광 경사 입사 시스템의 레티클 검출 유닛을 포함하고, 레티클(120)은 레티클 검출 유닛에 검출되는 그 위치를 가지며 소정의 위치에 배치된다.

레티클 스테이지(125)는 (도시하지 않은) 레티클 척을 통해 레티클(120)을 지지하고, (도시하지 않은) 이동 메커니즘에 접속된다. 이동 메커니즘은 예를 들어, 선형 모터를 포함하며, X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향 및 각축 둘레의 회전 방향으로 레티클 스테이지(125)를 구동한다.

투영 광학 시스템(130)은 레티클(120)의 패턴을 웨이퍼(140)에 투영한다. 투영 광학 시스템(130)은, 광굴절 시스템, 광반사굴절 시스템, 또는 광반사 시스템일 수 있다.

웨이퍼(140)는 레티클(120)의 패턴이 투영(전사)되는 기판이며, 웨이퍼 스테이지(145)에 의해 지지 및 구동된다. 그러나, 웨이퍼(140) 대신에, 유리판 또는 다른 기판이 사용될 수도 있다. 웨이퍼(140)는 레지스트로 코팅된다.

웨이퍼 스테이지(145)는 (도시하지 않은) 웨이퍼 척을 통해 웨이퍼(140)를 지지한다. 웨이퍼 스테이지(145)는 레티클 스테이지(125)와 마찬가지로, 선형 모터를 이용하여 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향 및 각축 둘레의 회전 방향으로 웨이퍼(140)를 이동시킨다. 또한, 웨이퍼 스테이지(145)에는 기준판(149)이 배치된다.

측정 장치(1)는 웨이퍼(140)의 표면 형상을 측정하는 기능을 갖고, 상술한 바와 같은 임의의 양식을 취할 수 있다. 또한, 노광 장치(100)가 측정 장치(1) 외에 초점 제어 센서를 포함하는 경우, 측정 장치(1)가 초점 제어 센서를 교정하는 데 사용될 수도 있다.

제어 유닛(160)은 CPU 및 메모리를 포함하고, 노광 장치(100)의 동작을 제어한다. 본 실시예에서, 제어 유닛(160)은 측정 장치(1)에 의해 측정된 웨이퍼(140)의 표면 형상에 기초하여, 웨이퍼(140)의 위치를 조정한다. 제어 유닛(160)은 측정 장치(1)의 산출 처리 유닛(26)의 기능을 가질 수도 있다.

노광시에, 광원(112)으로부터 발광된 광은 조명 광학 시스템(114)에 의해 레티클(120)을 조명한다. 레티클(120)의 패턴의 정보를 갖는 광은, 투영 광학 시스템(130)에 의해 웨이퍼(140) 상에 화상을 형성한다. 이때, 웨이퍼(140)는 정렬될 필요가 있다. 측정 장치(1)는 상술한 바와 같이, 웨이퍼(140)의 표면 형상을 짧은 기간 내에 측정할 수 있으므로, 노광 장치(100)는 웨이퍼(140)를 짧은 기간 내에 정렬할 수 있다. 따라서, 노광 장치(100)는 높은 처리량과 우수한 경제적 효과를 갖는 고품질의 장치(예를 들어, 반도체 장치, LCD 장치, 촬상 디바이스(예를 들어, CCD), 및 박막 자기 헤드)를 제공할 수 있다. 이러한 장치는 노광 장치(100)를 사용하여 감광제로 코팅된 기판(예를 들어, 웨이퍼 또는 유리판)을 노광하는 단계와, 노광된 기판(감광제)을 현상하는 단계와, 그 다음의 알려진 단계에 의해 제조된다.

예시적인 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시예에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 이하의 청구항의 범위는 이러한 모든 수정 및 동등한 구성 및 기능을 포함하도록 최광의 해석에 따라야 한다.

10: 광원
12: 집광 렌즈
14: 슬릿판
16a, 16b: 렌즈
18: 개구 조리개
20: 빔 스플리터
22a, 22b: 렌즈
24: 촬상 디바이스
26: 산출 처리 유닛
28: 저장 유닛
30: 표시 유닛
40: 참조면
50: 스테이지

Claims

테스트면의 높이를 측정하는 측정 장치로서,
테스트면으로부터의 측정광과 참조면으로부터의 참조광에 의해 형성되는 간섭광을 검출하도록 구성되는 복수의 검출 유닛을 포함하는 촬상 디바이스; 및
측정광 및 참조광을 상기 복수의 검출 유닛으로 유도하도록 구성되는 광학 시스템
을 포함하고,
상기 복수의 검출 유닛에 각각 입사하는 참조광 빔과 측정광 빔 간의 광로차 중에서 차이가 발생되도록 참조면이 배치되고,
테스트면 상의 복수의 측정점에서 반사되는 측정광 빔과 참조면 상의 복수의 참조점에서 반사되는 참조광 빔이 상기 복수의 검출 유닛에 각각 입사하도록, 상기 복수의 검출 유닛은 테스트면과, 상기 촬상 디바이스 및 상기 광학 시스템을 포함하는 측정 유닛 간의 상대적인 위치를 이동시킴으로써 간섭광을 검출하는, 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 검출 유닛에 의해 검출되는 간섭광의 강도에 대한 데이터를 사용하여 산술 처리를 수행함으로써 테스트면의 높이를 산출하도록 구성되는 처리 유닛을 더 포함하는, 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 참조면은, 참조면 상에 한정된 복수의 참조점 사이에 단차를 갖고,
상기 단차는 상기 복수의 검출 유닛에 각각 입사하는 참조광 빔과 측정광 빔 간의 광로차 중에서 차이를 발생시키는, 측정 장치.
노광 장치로서,
레티클의 패턴을 기판에 투영하도록 구성되는 투영 광학 시스템;
기판의 높이를 측정하여 기판의 표면 형상을 얻도록 구성되는 측정 장치; 및
상기 측정 장치에 의해 측정되는 기판의 표면 형상에 기초하여, 기판의 위치를 조정하도록 구성되는 스테이지
를 포함하고,
상기 측정 장치는 제1항에 기재된 측정 장치를 포함하는, 노광 장치.
디바이스 제조 방법으로서,
노광 장치를 사용하여 기판을 노광하는 단계; 및
노광된 기판에 대해 현상 처리를 수행하는 단계
를 포함하고,
상기 노광 장치는,
레티클의 패턴을 기판에 투영하도록 구성되는 투영 광학 시스템;
기판의 높이를 측정하여 기판의 표면 형상을 얻도록 구성되는 측정 장치; 및
상기 측정 장치에 의해 측정되는 기판의 표면 형상에 기초하여, 기판의 위치를 조정하도록 구성되는 스테이지를 포함하고,
상기 측정 장치는,
기판으로부터의 측정광과 참조면으로부터의 참조광에 의해 형성되는 간섭광을 검출하도록 구성되는 복수의 검출 유닛을 포함하는 촬상 디바이스; 및
측정광 및 참조광을 상기 복수의 검출 유닛으로 유도하도록 구성되는 광학 시스템을 포함하고,
상기 복수의 검출 유닛에 각각 입사하는 참조광 빔과 측정광 빔 간의 광로차 중에서 차이가 발생되도록 참조면이 배치되고,
기판 상의 복수의 측정점에서 반사되는 측정광 빔과 참조면 상의 복수의 참조점에서 반사되는 참조광 빔이 상기 복수의 검출 유닛에 각각 입사하도록, 상기 복수의 검출 유닛은 기판과, 상기 촬상 디바이스 및 상기 광학 시스템을 포함하는 측정 유닛 간의 상대적인 위치를 이동시킴으로써 간섭광을 검출하는, 디바이스 제조 방법.