KR20140139080A

KR20140139080A - 메트롤로지 방법 및 장치, 리소그래피 시스템 및 디바이스 제조 방법

Info

Publication number: KR20140139080A
Application number: KR1020147029966A
Authority: KR
Inventors: 헨드릭 스밀데; 오메르 아담
Original assignee: 에이에스엠엘 네델란즈 비.브이.
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-12-04
Also published as: IL234539B; US20130258310A1; KR101761735B1; US9134256B2; NL2010401A; US9719945B2; US20150346116A1; WO2013143814A1

Abstract

리소그래피 공정은 기판(W)에 복수의 타겟 구조체들(T)을 형성하기 위해 사용된다. 각각의 타겟 구조체는 오버레이된 격자들을 포함하고, 각각은 특정 오버레이 바이어스를 갖는다. 스캐터로메트리에 의해 측정된 각 격자의 비대칭(A)은, (i) 오버레이 바이어스, (ⅱ) 리소그래피 공정의 오버레이 오차(OV), 및 (ⅲ) 오버레이된 격자들 내의 최하부 격자 비대칭으로 인한 기여를 포함한다. 비대칭 측정들은 오버레이 바이어스(예를 들어, -d, 0, +d)의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 3 이상의 타겟 구조체들에 대해 얻어진다. 이 3 개의 상이한 오버레이 바이어스 값 및 오버레이 오차와 비대칭 간의 이론적 곡선 관계를 알면, 오버레이 오차(OV)가 계산될 수 있는 한편, 최하부 격자 비대칭의 영향을 보정할 수 있다. 3 개 및 4 개의 상이한 바이어스들을 갖는 바이어스 방식들이 예시들로서 개시되어 있다. 상이한 방향들 및 바이어스들을 갖는 격자들은 복합 타겟 구조체에 개재될 수 있다.

Description

메트롤로지 방법 및 장치, 리소그래피 시스템 및 디바이스 제조 방법{METROLOGY METHOD AND APPARATUS, LITHOGRAPHIC SYSTEM AND DEVICE MANUFACTURING METHOD}

본 출원은 2012년 3월 27일에 출원된 미국 가출원 61/616,398의 이익을 주장하며, 이는 본 명세서에서 전문이 인용 참조된다.

본 발명은, 예를 들어 리소그래피 기술들에 의한 디바이스의 제조에 사용가능한 메트롤로지용 방법들 및 장치들, 그리고 리소그래피 기술들을 이용하는 디바이스 제조 방법들에 관한 것이다.

리소그래피 장치는 기판 상으로, 통상적으로는 기판의 타겟부 상으로 원하는 패턴을 적용시키는 기계이다. 리소그래피 장치는, 예를 들어 집적 회로(IC)의 제조시에 사용될 수 있다. 이 경우, 대안적으로 마스크 또는 레티클이라 칭하는 패터닝 디바이스가 IC의 개별 층에 형성될 회로 패턴을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이 패턴은 기판(예컨대, 실리콘 웨이퍼)의 (예를 들어, 다이의 일부분, 한 개 또는 수 개의 다이들을 포함하는) 타겟부 상으로 전사(transfer)될 수 있다. 패턴의 전사는 통상적으로 기판에 제공된 방사선-감응재(레지스트)층 상으로의 이미징(imaging)을 통해 수행된다. 일반적으로, 단일 기판은 연속하여 패터닝되는 인접한 타겟부들의 네트워크를 포함할 것이다. 공지된 리소그래피 장치는, 한번에 타겟부 상으로 전체 패턴을 노광함으로써 각각의 타겟부가 조사(irradiate)되는, 소위 스테퍼들, 및 방사선 빔을 통해 주어진 방향("스캐닝"- 방향)으로 패턴을 스캐닝하는 한편, 이 방향과 평행한 방향(같은 방향으로 평행한 방향) 또는 역-평행 방향(반대 방향으로 평행한 방향)으로 기판을 동기적으로 스캐닝함으로써 각각의 타겟부가 조사되는, 소위 스캐너들을 포함한다. 또한, 기판 상으로 패턴을 임프린트(imprint)함으로써, 패터닝 디바이스로부터 기판으로 패턴을 전사할 수도 있다.

리소그래피 공정들에서는, 예를 들어 공정 제어 및 검증을 위해, 생성된 구조체들의 측정을 자주 수행하는 것이 바람직하다. 주사 전자 현미경(scanning electron microscope)- 흔히 임계 치수(CD)를 측정하는데 사용됨 - 을 포함하여, 이러한 측정들을 수행하기 위한 다양한 툴들이 알려져 있으며, 또한 오버레이, 즉 디바이스에서 2 개의 층들의 정렬 정확성을 측정하기 위한 전문 툴들이 알려져 있다. 최근, 리소그래피 분야에서의 사용을 위해 다양한 형태의 스캐터로미터(scatterometer)들이 개발되었다. 이러한 디바이스들은 타겟 상으로 방사선 빔을 지향시키고, 산란된 방사선의 1 이상의 특성들 - 예를 들어, 파장의 함수로서 단일 반사 각에서의 세기; 반사된 각도의 함수로서 1 이상의 파장들에서의 세기; 또는 반사된 각도의 함수로서 편광 - 을 측정하여 "스펙트럼"을 얻어, 이 스펙트럼으로부터 타겟의 관심 특성(property of interest)이 결정될 수 있다. 관심 특성의 결정은 다양한 기술들: 예를 들어, 주성분분석(principal component analysis); 라이브러리 검색들; 유한 요소법(finite element methods) 또는 RCWA(rigorous coupled wave analysis)와 같은 반복적 접근들에 의한 타겟 구조체의 재구성에 의하여 수행될 수 있다.

종래의 스캐터로메트리들에 의해 사용되는 타겟들은 비교적 큰, 예를 들어 40 ㎛ x 40 ㎛ 격자들이며, 측정 빔은 격자보다 작은 스폿(spot)을 생성한다[즉, 격자가 언더필된다(underfilled)]. 이것이 무한대로서 간주될 수 있음에 따라, 이는 타겟의 수학적 재구성을 단순화한다. 하지만, 타겟들의 크기를, 예를 들어 10 ㎛ x 10 ㎛ 이하로 감소시켜, 예를 들어 타겟들이 스크라이브 레인(scribe lane)이라기보다 제품 피처(product feature)들 사이에 위치될 수 있도록 하기 위해, 격자가 측정 스폿보다 작게 만들어지는 메트롤로지가 제안되었다 [즉, 격자가 오버필된다(overfilled)]. 통상적으로, 이러한 타겟들은 다크 필드 스캐터로메트리(dark field scatterometry)를 이용하여 측정되고, 이때 (정반사에 대응하는) 0차 회절 차수(zeroth order of diffraction)가 차단되며, 고차(higher orders)만이 처리된다. 회절 차수의 다크-필드 검출을 이용하는 회절-기반 오버레이는 더 작은 타겟들의 오버레이 측정들을 가능하게 한다. 이러한 타겟들은 조명 스폿보다 작을 수 있으며, 웨이퍼의 제품 구조체들에 의해 둘러싸일 수 있다. 다수의 타겟들이 하나의 이미지로 측정될 수 있다.

알려진 메트롤로지 기술에서는, 정해진 조건들 하에서 타겟을 두 번 측정함으로써 오버레이 측정 결과들이 얻어지는 한편, 타겟을 회전시키거나 조명 모드 또는 이미징 모드를 변경시켜 -1 및 +1 회절 차수 세기를 별도로 얻는다. 주어진 격자에 대해 이러한 세기를 비교하는 것은 격자의 비대칭의 측정을 제공하며, 오버레이 격자의 비대칭은 오버레이 오차의 지표(indicator)로서 사용될 수 있다.

알려진 다크-필드 이미지-기반 오버레이 측정들은 (일단, 캘리브레이션되면) 연산적으로 매우 단순하고 빠르지만, 이 측정들은 오버레이만이 타겟 구조체의 비대칭을 유도한다는 가정에 의존한다. 또한, 오버레이된 격자들 중 하나 또는 둘 모두 내의 피처들의 비대칭과 같은 스택의 여타의 비대칭도 1차 차수(1st orders)의 비대칭을 유도한다. 오버레이와 관련되지 않은 이 비대칭은 오버레이 측정을 명백히 섭동시켜(clearly perturbs), 부정확한 오버레이 결과를 야기한다. 오버레이 격자의 최하부 격자의 비대칭은 보편적인 형태의 피처 비대칭이다. 이는 최하부 격자가 원래 형성된 후에 수행되는 화학-기계적 폴리싱(chemical-mechanical polishing: CMP)과 같은 웨이퍼 처리 단계들에서 발생할(original) 수 있다.

따라서, 이때 당업자는, 일 측면에서 오버레이 측정들을 제공하지만 비대칭의 다른 원인들이 존재할 때 부정확성을 겪게 될 단순하고 빠른 측정 공정과, 다른 측면에서 통상적으로 재구성(reconstruction)을 방해하는 오버레이 격자의 환경으로부터의 신호로 오염된(polluted) 퓨필 이미지를 회피하기 위해 크고 언더필된 격자들의 수 회 측정을 요구하고 연산 집중적인(computationally intensive) 종래의 기술들 사이에서 선택해야 한다.

그러므로, 더 직접적이고 단순한 방식으로 오버레이 및 다른 영향들에 의해 유도된 타겟 구조체 비대칭에 대한 기여(contributions)를 구별하는 것이 바람직하다.

종래에 공개된 기술들을 넘어서는 스루풋(throughput) 및 정확성이 개선될 수 있는, 타겟 구조체들을 이용하는 오버레이 메트롤로지를 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 이것으로 제한되지 않지만, 이것이 다크-필드 이미지-기반 기술으로 판독될 수 있는 작은 타겟 구조체들에 적용될 수 있다면, 이는 큰 장점이 될 것이다.

본 발명의 제 1 실시예는 리소그래피 공정의 파라미터를 측정하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 리소그래피 공정을 이용하여 기판에 복수의 타겟 구조체들을 형성하는 단계 - 각 타겟 구조체는 오버레이된 주기성 구조체들을 포함하고, 각각은 특정 오버레이 바이어스를 가짐 -, 타겟 구조체에 대해 전체 비대칭 - 상기 전체 비대칭은 (i) 오버레이 바이어스, (ⅱ) 리소그래피 공정의 오버레이 오차, 및 (ⅲ) 주기성 구조체들 중 1 이상 내의 피처 비대칭으로 인한 기여를 포함함 - 을 나타내는 측정(measurement)을 얻기 위해, 타겟들을 조명하고 각 타겟 구조체에 의해 산란된 방사선을 검출하는 단계, 오버레이 바이어스의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 3 이상의 타겟 구조체들에 대한 전체 비대칭 측정들을 이용하여, 오버레이 오차의 측정을 계산하는 단계 - 상기 계산은 3 개의 상이한 오버레이 바이어스 값들, 및 오버레이 오차와 타겟 비대칭 간의 가정된 비-선형 관계의 지식을 이용하여 수행되며, 이에 의해 피처 비대칭으로 인한 기여를 배제시킴 - 를 포함한다.

본 발명의 제 2 실시예는 리소그래피 공정의 파라미터를 측정하는 검사 장치를 제공하고, 상기 검사 장치는 복수의 타겟 구조체들을 갖는 기판에 대한 지지체 - 각 타겟 구조체는 오버레이된 주기성 구조체들을 포함하고, 각각은 특정 오버레이 바이어스를 가짐 -, 타겟 구조체에 대해 전체 비대칭 - 상기 전체 비대칭은 (i) 오버레이 바이어스, (ⅱ) 리소그래피 공정의 오버레이 오차, 및 (ⅲ) 주기성 구조체들 중 1 이상 내의 피처 비대칭으로 인한 기여를 포함함 - 을 나타내는 측정을 얻기 위해, 타겟들을 조명하고 각 타겟 구조체에 의해 산란된 방사선을 검출하는 광학 시스템, 오버레이 바이어스의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 3 이상의 타겟 구조체들에 대한 전체 비대칭 측정들을 이용하여 오버레이 오차의 측정을 계산하도록 배치된 프로세서 - 상기 계산은 3 개의 상이한 오버레이 바이어스 값들, 및 오버레이 오차와 타겟 비대칭 간의 가정된 비-선형 관계의 지식을 이용하여 수행되며, 이에 의해 피처 비대칭으로 인한 기여를 배제시킴 - 를 포함한다.

가정된 비-선형 관계는, 예를 들어 사인 함수, 또는 선택적으로 서로 고조파적으로(harmonically) 관계된 사인 함수들의 조합일 수 있다. 이 계산은 피처 비대칭으로 인한 기여가 오버레이의 모든 값들에 대해 일정하다는 가정 하에 수행될 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예들에서, 3 개의 상이한 오버레이 바이어스 값들이 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 4 개의 상이한 오버레이 바이어스 값들이 사용된다. 상이한 오버레이 바이어스 값들은 주기성 구조체들의 피치(pitch)의 5 %, 10 % 이상, 선택적으로는 15 % 또는 20 % 이상의 범위를 갖는다(span).

몇몇 실시예들에서, 3 이상의 타겟 구조체들에 대한 비대칭 측정들은 이미지 센서의 상이한 부분들 상에 상이한 타겟 구조체들로부터 산란된 방사선을 포획함으로써 병렬적으로(in parallel) 수행된다.

본 발명의 제 3 실시예는 앞서 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 방법 또는 장치에 사용하기 위한 기판을 제공한다. 리소그래피 공정에 의해 기판에 형성된 복수의 타겟 구조체들을 갖는 기판 - 각 타겟 구조체는 오버레이된 주기성 구조체들을 포함하고, 각각은 특정한 오버레이 바이어스를 가짐 - 은 오버레이 바이어스의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 제 1 방향으로 주기성을 갖는 타겟 구조체들, 및 오버레이 바이어스의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 제 2 방향으로 주기성을 갖는 타겟 구조체들을 포함한다. 타겟 구조체들은 교번 패턴으로 복합 타겟 구조체(composite target structure)에 배치되어, 제 1 방향으로 주기성을 갖는 구조체들이 제 2 방향으로 주기성을 갖는 구조체들에 의해 분리된다.

일 실시예에서는, 2 개의 상이한 방향들의 각각으로 3 개의 상이한 바이어스들을 갖는 6 개의 직사각형 타겟 구조체들이 2 x 3 어레이로 배치되어 복합 타겟 구조체를 형성한다. 또 다른 실시예에서는, 2 개의 상이한 방향들의 각각으로 4 개의 상이한 바이어스들을 갖는 8 개의 직사각형 타겟 구조체들이 2 x 4 어레이로 배치되어 복합 타겟 구조체를 형성한다. 본 발명은 3 개 또는 4 개의 상이한 바이어스들을 갖는 예시들로 제한되지 않는다.

본 발명의 또 다른 실시예는 앞서 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 방법 또는 장치에 사용하기 위한 기판을 제공한다. 리소그래피 공정에 의해 기판에 형성된 복수의 타겟 구조체들을 갖는 기판 - 각 타겟 구조체는 오버레이된 주기성 구조체들을 포함하고, 각각은 특정한 오버레이 바이어스를 가짐 - 은 오버레이 바이어스의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 타겟 구조체들을 포함한다. 오버레이 바이어스 값들은 주기성 구조체들의 피치의 10 % 이상, 선택적으로는 15 % 또는 20 % 이상의 범위를 갖는다. 넓은 범위의 바이어스 값들을 제공하는 것은, 특히 비대칭 측정들이 상당한 잡음도를 겪게 되는 경우, 곡선화된 형태의 가정된 관계를 구별하기 위한 계산에 도움을 준다.

본 발명의 또 다른 실시예는 앞서 설명된 바와 같은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기판을 형성하는데 사용하기 위한 한 쌍의 패터닝 디바이스들을 제공하며, 패터닝 디바이스들은 함께 적어도 3 개의 오버레이 바이어스들을 갖는 타겟 구조체들을 형성하는데 사용하도록 구성된다(adapted).

본 발명의 또 다른 실시예는 프로세서가 앞서 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 방법의 처리 단계 (c)를 수행하게 하도록 기계-판독가능한 명령어들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품을 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 중첩 방식(overlying manner)으로 패터닝 디바이스들로부터 기판 상으로 패턴들의 시퀀스를 전사(transfer)하도록 배치된 리소그래피 장치, 및 앞서 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 검사 장치를 포함하는 리소그래피 시스템을 제공한다. 리소그래피 장치는 또 다른 기판들에 패턴들의 시퀀스를 적용할 때 검사 장치로부터 계산된 오버레이 값들을 이용하도록 배치된다.

디바이스 제조 방법에서 디바이스 패턴들의 시퀀스가 리소그래피 공정을 이용하여 중첩 방식으로 일련의 기판들에 적용되며, 상기 방법은 앞서 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 검사 방법을 이용하여 기판들 중 적어도 하나에 디바이스 패턴들의 일부분으로서 또는 디바이스 패턴들 외에 별도로 형성된 적어도 하나의 주기성 구조체들을 검사하는 단계, 및 계산된 오버레이 오차에 따라 이후의 기판들에 대해 리소그래피 공정을 제어하는 단계를 포함한다.

첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예들의 구조 및 작동뿐만 아니라, 본 발명의 또 다른 특징들 및 장점들이 아래에 자세히 설명된다. 본 발명은 여기에 설명된 특정 실시예들로 제한되지 않음을 유의한다. 이러한 실시예들은 본 명세서에서 단지 예시의 목적으로만 제시된다. 관련 기술(들)의 당업자라면, 본 명세서에 담긴 기술적 내용에 기초하여 추가 실시예들이 행해질 수 있음을 알 수 있을 것이다.

본 명세서에 포함되며 명세서의 일부분을 형성하는 첨부된 도면들은 본 발명을 예시하며, 또한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명하고, 관련 기술(들)의 당업자가 본 발명을 실시 및 이용할 수 있게 하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 장치를 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 셀 또는 클러스터를 도시한 도면;
도 3a 내지 도 3d는 (a) 제 1 쌍의 조명 어퍼처들을 이용하는 본 발명의 실시예들에 따른 타겟들을 측정하는데 사용하기 위한 다크 필드 스캐터로미터의 개략도, (b) 주어진 조명 방향에 대한 타겟 격자의 회절 스펙트럼의 상세도, (c) 회절 기반 오버레이 측정들에 대해 스캐터로미터를 이용하는데 있어 추가 조명 모드들을 제공하는 제 2 쌍의 조명 어퍼처들, 및 (d) 제 1 및 제 2 쌍의 어퍼처들을 조합한 제 3 쌍의 조명 어퍼처들을 포함하는 도면;
도 4는 기판의 측정 스폿의 아웃라인 및 일 형태의 다중 격자 타겟을 도시한 도면;
도 5는 도 3의 스캐터로미터에서 얻어진 도 4의 타겟들의 이미지를 도시한 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시예를 형성하도록 구성가능하고(adaptable), 도 3의 스캐터로미터를 이용하는 오버레이 측정 방법의 단계들을 나타내는 흐름도;
도 7은 피처 비대칭을 겪지 않는 이상적인 타겟 구조체의 오버레이 측정의 원리들을 예시한 도면;
도 8은 본 발명의 일 실시예를 이용하는 피처 비대칭의 보정으로, 비-이상적인 타겟 구조체의 오버레이 측정의 신규한 원리들을 예시한 도면;
도 9a 내지 도 9d는 오버레이 측정의 단일 방향에 대해 본 발명의 실시예들에 사용될 수 있는 바이어스 방식(bias schemes)을 갖는 수 개의 복합 격자 구조체들 (a) 내지 (d)를 예시한 도면; 및
도 10a 및 도 10b는 오버레이 측정의 2 개의 직교 방향들에 대해 구성요소 격자들(component gratings)을 조합한, 본 발명의 실시예들에 사용될 수 있는 바이어스 방식을 갖는 2 개의 복합 격자 구조체들 (a) 및 (b)를 예시한 도면이다.
본 발명의 특징들 및 장점들은 도면들과 연계될 때 아래에 설명된 상세한 설명으로부터 더 잘 이해할 수 있을 것이며, 동일한 참조 부호들은 전반에 걸쳐 대응하는 요소들과 동일하게 취급된다. 도면들에서, 동일한 참조 번호들은 일반적으로 동일한, 기능적으로 유사한, 및/또는 구조적으로 유사한 요소들을 나타낸다. 요소가 가장 먼저 나타난 도면은 대응하는 참조 번호의 맨 앞자리 수(들)에 의해 나타내어진다.

본 명세서는 본 발명의 특징들을 포함하는 1 이상의 실시예들을 개시한다. 개시된 실시예(들)는 단지 본 발명을 예시한다. 본 발명의 범위는 개시된 실시예(들)로 제한되지 않는다. 본 발명은 본 명세서에 첨부된 청구항들에 의해 정의된다.

본 명세서에서, "하나의 실시예", "일 실시예", "예시적인 실시예" 등으로 설명된 실시예(들) 및 이러한 언급들은, 설명된 실시예(들)가 특정한 특징, 구조 또는 특성을 포함할 수 있지만, 모든 실시예가 특정한 특징, 구조 또는 특성을 반드시 포함하는 것은 아닐 수 있음을 나타낸다. 또한, 이러한 어구들이 반드시 동일한 실시예를 칭하는 것은 아니다. 또한, 특정한 특징, 구조 또는 특성이 일 실시예와 연계하여 설명되는 경우, 이러한 특징, 구조 또는 특성의 다른 실시예들에 대한 연계성은 명시적으로 설명되든지 그렇지 않든지 간에 당업자의 지식 내에 있음을 이해한다.

본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이의 여하한의 조합으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 1 이상의 프로세서들에 의해 판독 및 실행될 수 있는 기계-판독가능한 매체에 저장된 명령어들로서 구현될 수 있다. 기계-판독가능한 매체는 기계(예를 들어, 컴퓨팅 디바이스)에 의해 판독가능한 형태로 정보를 저장하거나 전송하는 여하한의 메커니즘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기계-판독가능한 매체는 ROM(read only memory); RAM(random access memory); 자기 디스크 저장 매체; 광학 저장 매체; 플래시 메모리 디바이스; 전기적, 광학적, 음향적 또는 다른 형태의 전파 신호[예를 들어, 반송파(carrier wave), 적외 신호, 디지털 신호 등] 등을 포함할 수 있다. 더욱이, 펌웨어, 소프트웨어, 루틴, 명령어들은 본 명세서에서 소정 작업을 수행하는 것으로서 설명될 수 있다. 하지만, 이러한 설명들은 단지 편의를 위한 것이며, 이러한 작업들은 실제로 컴퓨팅 디바이스, 프로세서, 제어기, 또는 펌웨어, 소프트웨어, 루틴, 명령어 등을 실행하는 다른 디바이스들에 기인한다는 것을 이해하여야 한다.

하지만, 이러한 실시예들을 더 상세히 설명하기 전에, 본 발명의 실시예들이 구현될 수 있는 예시적인 환경을 제시하는 것이 유익하다.

도 1은 리소그래피 장치(LA)를 개략적으로 도시한다. 상기 장치는 방사선 빔(B)(예를 들어, UV 방사선 또는 DUV 방사선)을 컨디셔닝하도록 구성된 조명 시스템(일루미네이터)(IL); 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)를 지지하도록 구성되고, 소정 파라미터들에 따라 패터닝 디바이스를 정확히 위치시키도록 구성된 제 1 위치설정기(PM)에 연결된 패터닝 디바이스 지지체 또는 지지 구조체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT); 기판(예를 들어, 레지스트-코팅된 웨이퍼)(W)을 유지하도록 구성되고, 소정 파라미터들에 따라 기판을 정확히 위치시키도록 구성된 제 2 위치설정기(PW)에 연결된 기판 테이블(예를 들어, 웨이퍼 테이블)(WT); 및 기판(W)의 타겟부(C)(1 이상의 다이를 포함) 상으로 패터닝 디바이스(MA)에 의하여 방사선 빔(B)에 부여된 패턴을 투영하도록 구성된 투영 시스템(예를 들어, 굴절 투영 렌즈 시스템)(PS)을 포함한다.

조명 시스템은 방사선을 지향, 성형 또는 제어하기 위하여, 굴절, 반사, 자기, 전자기, 정전기 또는 여하한의 타입의 광학 구성요소들, 또는 그 조합과 같은 다양한 타입의 광학 구성요소를 포함할 수 있다.

패터닝 디바이스 지지체는 패터닝 디바이스의 방위, 리소그래피 장치의 디자인, 및 예를 들어 패터닝 디바이스가 진공 환경에서 유지되는지의 여부와 같은 다른 조건들에 의존하는 방식으로 패터닝 디바이스를 유지한다. 패터닝 디바이스 지지체는 패터닝 디바이스를 유지하기 위해 기계적, 진공, 정전기, 또는 다른 클램핑 기술들을 이용할 수 있다. 패터닝 디바이스 지지체는, 예를 들어 필요에 따라 고정되거나 이동가능할 수 있는 프레임 또는 테이블일 수 있다. 패터닝 디바이스 지지체는, 패터닝 디바이스가 예를 들어 투영 시스템에 대해 원하는 위치에 있을 것을 보장할 수 있다. 본 명세서의 "레티클" 또는 "마스크"라는 용어의 어떠한 사용도 "패터닝 디바이스"라는 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 "패터닝 디바이스"라는 용어는, 기판의 타겟부에 패턴을 생성하기 위해서, 방사선 빔의 단면에 패턴을 부여하는데 사용될 수 있는 여하한의 디바이스를 언급하는 것으로 폭넓게 해석되어야 한다. 방사선 빔에 부여된 패턴은, 예를 들어 상기 패턴이 위상-시프팅 피처(phase-shifting feature)들 또는 소위 어시스트 피처(assist feature)들을 포함하는 경우, 기판의 타겟부의 원하는 패턴에 정확히 대응하지 않을 수도 있다는 것을 유의하여야 한다. 일반적으로, 방사선 빔에 부여된 패턴은 집적 회로와 같이 타겟부에 생성될 디바이스 내의 특정 기능 층에 대응할 것이다.

패터닝 디바이스는 투과형 또는 반사형일 수 있다. 패터닝 디바이스의 예로는 마스크, 프로그램가능한 거울 어레이, 및 프로그램가능한 LCD 패널들을 포함한다. 마스크는 리소그래피 분야에서 잘 알려져 있으며, 바이너리(binary)형, 교번 위상-시프트형 및 감쇠 위상-시프트형과 같은 마스크 타입뿐만 아니라, 다양한 하이브리드(hybrid) 마스크 타입들을 포함한다. 프로그램가능한 거울 어레이의 일 예시는 작은 거울들의 매트릭스 구성을 채택하며, 그 각각은 입사하는 방사선 빔을 상이한 방향으로 반사시키도록 개별적으로 기울어질 수 있다. 기울어진 거울들은 거울 매트릭스에 의해 반사되는 방사선 빔에 패턴을 부여한다.

본 명세서에서 사용되는 "투영 시스템"이라는 용어는, 사용되는 노광 방사선에 대하여, 또는 침지 액체의 사용 또는 진공의 사용과 같은 다른 인자들에 대하여 적절하다면, 굴절, 반사, 카타디옵트릭(catadioptric), 자기, 전자기 및 정전기 광학 시스템, 또는 여하한의 그 조합을 포함하는 여하한의 타입의 투영 시스템을 내포하는 것으로서 폭넓게 해석되어야 한다. 본 명세서의 "투영 렌즈"라는 용어의 어떠한 사용도 "투영 시스템"이라는 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수 있다.

본 명세서에 도시된 바와 같이, 상기 장치는 (예를 들어, 투과 마스크를 채택하는) 투과형으로 구성된다. 대안적으로, 상기 장치는 (예를 들어, 앞서 언급된 것과 같은 타입의 프로그램가능한 거울 어레이를 채택하거나, 반사 마스크를 채택하는) 반사형으로 구성될 수 있다.

리소그래피 장치는 2 개(듀얼 스테이지) 이상의 기판 테이블(및/또는 2 이상의 마스크 테이블)을 갖는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 "다수 스테이지" 기계에서는 추가 테이블이 병행하여 사용될 수 있으며, 또는 1 이상의 테이블이 노광에 사용되고 있는 동안 1 이상의 다른 테이블에서는 준비작업 단계가 수행될 수 있다.

또한, 리소그래피 장치는 투영 시스템과 기판 사이의 공간을 채우기 위해서, 기판의 적어도 일부분이 비교적 높은 굴절률을 갖는 액체, 예컨대 물로 덮일 수 있는 형태로도 구성될 수 있다. 또한, 침지 액체는 리소그래피 장치 내의 다른 공간들, 예를 들어 마스크와 투영 시스템 사이에도 적용될 수 있다. 침지 기술은 투영 시스템의 개구수(numerical aperture)를 증가시키기 위한 기술로 잘 알려져 있다. 본 명세서에서 사용되는 "침지"라는 용어는 기판과 같은 구조체가 액체에 잠겨야 함을 의미하는 것이라기보다는, 노광시 액체가 예를 들어 투영 시스템과 기판 사이에 놓이기만 하면 된다는 것을 의미한다.

도 1을 참조하면, 일루미네이터(IL)는 방사선 소스(SO)로부터 방사선 빔을 수용한다. 예를 들어, 상기 소스가 엑시머 레이저인 경우, 상기 소스 및 리소그래피 장치는 별도의 개체일 수 있다. 이러한 경우, 상기 소스는 리소그래피 장치의 일부분을 형성하는 것으로 간주되지 않으며, 상기 방사선 빔은 예를 들어 적절한 지향 거울 및/또는 빔 익스팬더(beam expander)를 포함하는 빔 전달 시스템(BD)의 도움으로, 소스(SO)로부터 일루미네이터(IL)로 통과된다. 다른 경우, 예를 들어 상기 소스가 수은 램프인 경우, 상기 소스는 리소그래피 장치의 통합부일 수 있다. 상기 소스(SO) 및 일루미네이터(IL)는, 필요에 따라 빔 전달 시스템(BD)과 함께 방사선 시스템이라고 칭해질 수 있다.

상기 일루미네이터(IL)는 방사선 빔의 각도 세기 분포를 조정하기 위한 조정기(AD)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 일루미네이터의 퓨필 평면의 세기 분포의 적어도 외반경 및/또는 내반경 크기(통상적으로, 각각 외측-σ 및 내측-σ라 함)가 조정될 수 있다. 또한, 일루미네이터(IL)는 인티그레이터(integrator: IN) 및 콘덴서(condenser: CO)와 같이, 다양한 다른 구성요소들을 포함할 수도 있다. 일루미네이터는 방사선 빔의 단면에 원하는 균일성(uniformity) 및 세기 분포를 갖기 위해, 방사선 빔을 컨디셔닝하는데 사용될 수 있다.

상기 방사선 빔(B)은 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT)에 유지되어 있는 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)에 입사되며, 패터닝 디바이스에 의해 패터닝된다. 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)를 가로질렀으면, 상기 방사선 빔(B)은 투영 시스템(PS)을 통과하여 기판(W)의 타겟부(C) 상으로 상기 빔을 포커스한다. 제 2 위치설정기(PW) 및 위치 센서(IF)[예를 들어, 간섭계 디바이스(interferometric device), 리니어 인코더(linear encoder), 2-D 인코더 또는 용량성 센서(capacitive sensor)]의 도움으로, 기판 테이블(WT)은 예를 들어 방사선 빔(B)의 경로에 상이한 타겟부(C)들을 위치시키도록 정확하게 이동될 수 있다. 이와 유사하게, 제 1 위치설정기(PM) 및 또 다른 위치 센서(도 1에 명확히 도시되지 않음)는, 예를 들어 마스크 라이브러리(mask library)로부터의 기계적인 회수 후에, 또는 스캔하는 동안, 방사선 빔(B)의 경로에 대해 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)를 정확히 위치시키는데 사용될 수 있다. 일반적으로, 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT)의 이동은 장-행정 모듈(long-stroke module: 개략 위치설정) 및 단-행정 모듈(short-stroke module: 미세 위치설정)의 도움으로 실현될 수 있으며, 이는 제 1 위치설정기(PM)의 일부분을 형성한다. 이와 유사하게, 기판 테이블(WT)의 이동은 장-행정 모듈 및 단-행정 모듈을 이용하여 실현될 수 있으며, 이는 제 2 위치설정기(PW)의 일부분을 형성한다. (스캐너와는 달리) 스테퍼의 경우, 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT)는 단-행정 액추에이터에만 연결되거나 고정될 수 있다.

패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA) 및 기판(W)은 마스크 정렬 마크들(M1, M2) 및 기판 정렬 마크들(P1, P2)을 이용하여 정렬될 수 있다. 비록, 예시된 기판 정렬 마크들은 지정된(dedicated) 타겟부들을 차지하고 있지만, 그것들은 타겟부들 사이의 공간들에 위치될 수도 있다[이들은 스크라이브-레인 정렬 마크들로 알려져 있다]. 이와 유사하게, 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)에 1 이상의 다이가 제공되는 상황들에서, 마스크 정렬 마크들은 다이들 사이에 위치될 수 있다. 작은 정렬 마커들은 디바이스 피처들 사이에서 다이들 내에 포함될 수 있으며, 이 경우 마커들이 가능한 한 작아, 인접한 피처들과 상이한 어떠한 이미징 또는 공정 조건들도 요구하지 않는 것이 바람직하다. 정렬 마커들을 검출하는 정렬 시스템은 아래에 자세히 설명된다.

도시된 장치는 다음 모드들 중 적어도 하나에서 사용될 수 있다:

1. 스텝 모드에서, 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT) 및 기판 테이블(WT)은 본질적으로 정지 상태로 유지되는 한편, 방사선 빔에 부여되는 전체 패턴은 한번에 타겟부(C) 상에 투영된다[즉, 단일 정적 노광(single static exposure)]. 그 후, 기판 테이블(WT)은 상이한 타겟부(C)가 노광될 수 있도록 X 및/또는 Y 방향으로 시프트된다. 스텝 모드에서, 노광 필드의 최대 크기는 단일 정적 노광시에 이미징되는 타겟부(C)의 크기를 제한한다.

2. 스캔 모드에서, 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT) 및 기판 테이블(WT)은 방사선 빔에 부여된 패턴이 타겟부(C) 상에 투영되는 동안에 동기적으로 스캐닝된다[즉, 단일 동적 노광(single dynamic exposure)]. 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT)에 대한 기판 테이블(WT)의 속도 및 방향은 투영 시스템(PS)의 확대(축소) 및 이미지 반전 특성에 의하여 결정될 수 있다. 스캔 모드에서, 노광 필드의 최대 크기는 단일 동적 노광시 타겟부의 (스캐닝 되지 않는 방향으로의) 폭을 제한하는 반면, 스캐닝 동작의 길이는 타겟부의 (스캐닝 방향으로의) 높이를 결정한다.

3. 또 다른 모드에서, 패터닝 디바이스 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT)는 프로그램가능한 패터닝 디바이스를 유지하여 본질적으로 정지된 상태로 유지되며, 방사선 빔에 부여된 패턴이 타겟부(C) 상에 투영되는 동안, 기판 테이블(WT)이 이동되거나 스캐닝된다. 이 모드에서는, 일반적으로 펄스화된 방사선 소스(pulsed radiation source)가 채택되며, 프로그램가능한 패터닝 디바이스는 기판 테이블(WT)의 매 이동 후, 또는 스캔 중에 계속되는 방사선 펄스 사이사이에 필요에 따라 업데이트된다. 이 작동 모드는 앞서 언급된 바와 같은 타입의 프로그램가능한 거울 어레이와 같은 프로그램가능한 패터닝 디바이스를 이용하는 마스크없는 리소그래피(maskless lithography)에 용이하게 적용될 수 있다.

또한, 상술된 사용 모드들의 조합 및/또는 변형, 또는 완전히 다른 사용 모드들이 채택될 수도 있다.

리소그래피 장치(LA)는 2 개의 기판 테이블들(WTa, WTb), 그리고 기판 테이블들이 교체될 수 있는 2 개의 스테이션들 - 노광 스테이션 및 측정 스테이션을 갖는, 소위 듀얼 스테이지 타입(dual stage type)으로 구성된다. 하나의 기판 테이블의 하나의 기판이 노광 스테이션에서 노광되는 동안, 다른 기판이 측정 스테이션에서 다른 기판 테이블 상으로 로딩될 수 있고, 다양한 준비 단계들이 수행될 수 있다. 준비 단계들은 레벨 센서(LS)를 이용하여 기판의 표면 제어를 맵핑(mapping)하는 단계, 및 정렬 센서(AS)를 이용하여 기판의 정렬 마커들의 위치를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 장치의 스루풋의 실질적인 증가를 가능하게 한다. 기판 테이블이 노광 스테이션과 측정 스테이션에 있는 동안 위치 센서(IF)가 기판 테이블의 위치를 측정할 수 없는 경우, 기판 테이블의 위치들이 두 스테이션들에서 추적될(tracked) 수 있도록 제 2 위치 센서가 제공될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 리소그래피 장치(LA)는 때때로 리소셀 또는 클러스터라고도 칭하는 리소그래피 셀(LC)의 일부분을 형성하며, 이는 기판에 전- 및 후-노광 공정들(pre- and post-exposure processes)을 수행하기 위한 장치를 포함한다. 통상적으로, 이들은 레지스트 층들을 증착시키는 스핀 코터(spin coater: SC), 노광된 레지스트를 현상하는 현상기(developer: DE), 칠 플레이트(chill plate: CH) 및 베이크 플레이트(bake plate: BK)를 포함한다. 기판 핸들러 또는 로봇(RO)은 입력/출력 포트들(I/O1, I/O2)로부터 기판들을 집어올리고, 기판들을 상이한 공정 장치 사이로 이동시킨 후, 리소그래피 장치의 로딩 베이(loading bay: LB)로 전달한다. 흔히, 집합적으로 트랙이라고도 하는 이러한 디바이스들은 리소그래피 제어 유닛(LACU)을 통해 리소그래피 장치를 제어하는 감독 제어 시스템(SCS)에 의해 자체적으로 제어되는 트랙 제어 유닛(TCU)의 제어를 받는다. 따라서, 스루풋(throughput)과 처리 효율성을 최대화하기 위해 상이한 장치가 작동될 수 있다.

다크 필드 메트롤로지의 예시들은 국제 특허 출원 WO 2009/078708 및 WO 2009/106279에서 찾을 수 있으며, 이 문서들은 본 명세서에서 전문이 인용 참조된다. 이 기술의 추가 실시형태들은 특허 공보 US20110027704A 및 US20110043791A에 그리고 2011년 11월 9일에 출원된 미국 특허 출원 13/293,116에 개시되었다. 이 모든 출원의 내용은 본 명세서에서 전문이 인용 참조된다.

본 발명의 실시예들에 사용하기에 적합한 다크 필드 메트롤로지 장치가 도 3a에 도시되어 있다. 타겟 격자(T) 및 회절 광선은 도 3b에 더 자세히 예시되어 있다. 다크 필드 메트롤로지 장치는 독립형 디바이스(stand-alone device)일 수 있거나, 예를 들어 측정 스테이션에서의 리소그래피 장치(LA) 또는 리소그래피 셀(LC) 중 어느 하나에 통합될 수 있다. 장치 전반에 걸쳐 수 개의 브랜치들을 갖는 광축은 점선(O)으로 나타나 있다. 이 장치에서, 소스(11)(예를 들어, 크세논 램프)에 의해 방출된 광은 렌즈들(12, 14) 및 대물 렌즈(16)를 포함하는 광학 시스템에 의하여 빔 스플리터(15)를 통해 기판(W) 상으로 지향된다. 이 렌즈들은 4F 구성의 더블 시퀀스(double sequence of a 4F arrangement)로 배치된다. 검출기 상으로 기판 이미지를 여전히 제공하고, 이와 동시에 공간-주파수 필터링을 위한 중간 퓨필-평면의 접근을 허용한다면, 상이한 렌즈 구성이 사용될 수 있다. 그러므로, 기판 평면[여기서는, (켤레) 퓨필 평면이라고도 함]의 공간 스펙트럼을 나타내는 평면의 공간 세기 분포를 정의함으로써, 방사선이 기판에 입사하는 각도 범위가 선택될 수 있다. 특히, 이는 대물 렌즈 퓨필 평면의 후방-투영된 이미지(back-projected image)가 있는 평면에, 렌즈들(12 및 14) 사이에 적절한 형태의 어퍼처 플레이트(13)를 삽입함으로써 수행될 수 있다. 나타낸 예시에서, 어퍼처 플레이트(13)는 13N 및 13S로 표시된 상이한 형태들을 가지므로, 상이한 조명 모드들이 선택될 수 있다. 본 예시들의 조명 시스템은 오프-액시스 조명 모드(off-axis illumination mode)를 형성한다. 제 1 조명 모드에서, 어퍼처 플레이트(13N)는 단지 설명을 위해 '북쪽'으로 지정된 방향으로부터 오프-액시스를 제공한다. 제 2 조명 모드에서, 어퍼처 플레이트(13S)는 '남쪽'으로 표시된 반대 방향으로부터 유사한 조명을 제공하는데 사용된다. 상이한 어퍼처들을 이용하여 다른 조명 모드들이 가능하다. 요구되는 조명 모드 외부의 여하한의 불필요한 광은 요구되는 측정 신호들을 간섭할 것임에 따라, 퓨필 평면의 나머지는 어두운 것이 바람직하다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 타겟 격자(T)는 대물 렌즈(16)의 광축(O)에 수직인 기판(W)에 대해 배치된다. 광축(O)을 벗어난(off the axis) 각도로부터 격자(T)에 입사하는 조명 광선(I)은 0차 광선(실선 0) 및 2 개의 1차 광선들[1점 쇄선(dot-chain line) +1 및 2점 쇄선(double dot-chain line) -1]을 유도한다. 오버필된 작은 타겟 격자와 함께, 이 광선들은 메트롤로지 타겟 격자(T) 및 다른 피처들을 포함하는 기판의 영역을 커버하는 다수의 평행한 광선들 중 하나일 뿐임을 유념하여야 한다. 플레이트(13)의 어퍼처는 (유용한 양의 광을 수용하는데 필요한) 유한 폭을 갖기 때문에, 입사 광선(I)들은 사실상 일정 각도 범위를 점유할 것이며, 회절된 광선들 0 및 +1/-1은 다소 확산될 것이다. 작은 타겟의 점 확산 함수에 따라, 각각의 차수 +1 및 -1은 도시된 바와 같은 이상적인 단일 광선이 아니라, 일정 각도 범위에 걸쳐 더욱 확산될 것이다. 대물 렌즈에 들어가는 1차 광선들이 중심 광축과 근접하게 정렬되도록 격자 피치(grating pitches) 및 조명 각도가 디자인 또는 조정될 수 있음을 유의한다. 도 3a 및 도 3b에 예시된 광선들은 순전히 도면에서 더 쉽게 구별될 수 있도록 하기 위하여 다소 축을 벗어난 것으로 도시되어 있다.

기판(W)의 타겟에 의하여 회절된 적어도 0차 및 +1차 차수들은 대물 렌즈(16)에 의해 수집되며, 빔 스플리터(15)를 통해 다시 지향된다. 다시 도 3a를 참조하면, 북(N) 및 남(S)으로서 표시된 정반대의 어퍼처들을 나타냄으로써, 제 1 및 제 2 조명 모드 둘 모두가 예시되어 있다. 입사 광선(I)이 광축의 북측으로부터 입사할 때, 다시 말해 제 1 조명 모드가 어퍼처 플레이트(13N)를 이용하여 적용될 때, +1(N)으로 표시된 +1 회절 광선들이 대물 렌즈(16)에 들어간다. 반대로, 제 2 조명 모드가 어퍼처 플레이트(13S)를 이용하여 적용될 때, [-1(S)로 표시된] -1 회절 광선들이 렌즈(16)에 들어간 광선들이다.

제 2 빔 스플리터(17)는 회절된 빔들을 2 개의 측정 브랜치들로 분할한다. 제 1 측정 브랜치에서, 광학 시스템(18)은 0차 및 1차 회절 빔들을 이용하여 제 1 센서(19)(예를 들어, CCD 또는 CMOS 센서)에 타겟의 회절 스펙트럼(퓨필 평면 이미지)를 형성한다. 각각의 회절 차수가 센서의 상이한 지점에 도달하므로, 이미지 처리는 차수들을 비교하고 대조할 수 있다. 센서(19)에 의해 캡처된 퓨필 평면 이미지는 메트롤로지 장치를 포커싱하고 및/또는 1차 빔의 세기 측정을 정규화하는데 사용될 수 있다. 또한, 퓨필 평면 이미지는 재구성과 같은 다수의 측정 목적들을 위해 사용될 수 있으나, 이는 본 명세서의 대상이 아니다.

제 2 측정 브랜치에서, 광학 시스템(20, 22)은 센서(23)(예를 들어, CCD 또는 CMOS 센서)에 기판(W)의 타겟 이미지를 형성한다. 제 2 측정 브랜치에서는, 어퍼처 스톱(aperture stop: 21)이 퓨필-평면과 켤레인 평면에 제공된다. 어퍼처 스톱(21)은 0차 회절 빔을 차단하는 기능을 하여, 센서(23)에 형성된 타겟의 이미지가 오직 -1차 또는 +1차 빔으로부터 형성되게 한다. 센서들(19 및 23)에 의해 캡처된 이미지들은 이미지 프로세서 및 제어기(PU)로 출력되며, 이의 기능은 수행되고 있는 특정 타입의 측정들에 따라 달라질 것이다. '이미지'라는 용어는 여기서 광범위한 의미로 사용됨을 유의한다. -1차 및 +1차 중 하나만이 존재하는 경우에는, 이와 같은 격자 라인들의 이미지가 형성되지 않을 것이다.

도 3에 도시된 어퍼처 플레이트(13) 및 필드 스톱(21)의 특정 형태들은 순전히 예시에 지나지 않는다. 본 발명의 다른 실시예들에서는, 타겟들의 온-액시스 조명이 사용되고, 오프-액시스 어퍼처를 갖는 어퍼처 스톱이 사용되어, 회절된 광의 실질적으로 단지 하나의 1차 차수를 센서로 통과시킨다. 다른 실시예들에서는, 1차 차수 빔들 대신에 또는 이에 추가하여, 2차, 3차 및 고차 차수 빔들(도 3에는 도시되지 않음)이 측정들에 사용될 수 있다.

상기 조명을 이러한 상이한 타입의 측정에 구성가능하게 만들기 위하여, 어퍼처 플레이트(13)는 디스크 주위에 형성된 다수의 어퍼처 패턴들을 포함할 수 있으며, 이는 원하는 패턴을 자리로 가져오기 위해 회전한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 동일한 효과를 달성하기 위해 한 세트의 플레이트들(13)이 제공되고 교체될 수 있다. 또한, 변형가능한 거울 어레이 또는 투과성 공간 광 변조기와 같은 프로그램가능한 조명 디바이스가 사용될 수도 있다. 조명 모드를 조정하기 위한 또 다른 방식으로서 이동식 거울들 및 프리즘들이 사용될 수 있다.

어퍼처 플레이트(13)와 관련하여 방금 설명된 바와 같이, 이미징을 위한 회절 차수들의 선택은, 대안적으로 퓨필-스톱(21)을 변경하거나, 상이한 패턴을 갖는 퓨필-스톱으로 대체하거나, 또는 고정된 필드 스톱을 프로그램가능한 공간 광 변조기로 교체함에 의하여 달성될 수 있다. 그 경우, 측정 광학 시스템의 조명 측은 일정하게 유지될 수 있는 한편, 제 1 및 제 2 모드들을 갖는 것은 이미징 측이다. 그러므로, 본 명세서에서는 실제적으로 세 가지 타입의 측정 방법이 존재하며, 각각은 그 자체의 장점들 및 단점들을 갖는다. 일 방법에서는, 상이한 차수들을 측정하기 위해 조명 모드가 변화된다. 또 다른 방법에서는, 이미징 모드가 변화된다. 세 번째 방법에서는, 조명 및 이미징 모드들이 변화되지 않은 채로 유지되지만, 타겟이 180°회전된다. 각각의 경우, 원하는 효과는 동일하며, 즉 타겟의 회절 스펙트럼에서 서로 대칭적으로 반대인 0이 아닌 차수의 회절 방사선의 제 1 및 제 2 부분들을 선택하는 것이다. 원칙적으로, 원하는 차수의 선택은 조명 모드 및 이미징 모드의 동시적인 변화의 조합에 의하여 얻어질 수 있지만, 이는 별다른 장점 없이 단점들을 가져오기 쉬우므로, 이는 추후에 설명되지 않을 것이다.

본 예시들에서 이미징을 위해 사용되는 광학 시스템은 필드 스톱(21)에 의해 제한되는 넓은 입사동(entrance pupil)을 갖지만, 다른 실시예들 또는 적용들에서는 이미징 시스템 자체의 입사동 크기가 원하는 차수로 제한할 만큼 충분히 작을 수 있으며, 따라서 필드 스톱으로도 기능할 수 있다. 아래에 자세히 설명되는 바와 같이, 사용될 수 있는 상이한 어퍼처 플레이트들이 도 3c 및 도 3d에 도시되어 있다.

통상적으로, 타겟 격자는 북-남 또는 동-서 중 어느 하나로 이어진(running) 격자 라인들로 정렬될 것이다. 부연하면, 기판(W)의 X 방향 또는 Y 방향으로 격자가 정렬될 것이다. 일 방향(설정에 따라 X 또는 Y)으로 방위가 잡힌 격자들을 측정하기 위해 어퍼처 플레이트(13N 또는 13S)만이 사용될 수 있음을 유의한다. 직교 격자의 측정에 대하여, 90° 및 270°타겟 회전이 구현될 수 있다. 하지만, 더욱 편리하게는, 도 3c에 도시된 어퍼처 플레이트(13E 또는 13W)를 이용하여 동측 또는 서측으로부터의 조명이 조명 광학기에 제공된다. 어퍼처 플레이트들(13N 내지 13W)은 별도로 형성될 수 있고 상호교환될 수 있거나, 90, 180 또는 270°로 회전될 수 있는 단일 어퍼처 플레이트일 수 있다. 이미 언급된 바와 같이, 조명 어퍼처 플레이트(13) 대신 필드 스톱(21)에 도 3c에 예시된 오프-액시스 어퍼처들이 제공될 수 있다. 그 경우, 조명은 온 액시스일 것이다.

도 3d는 제 1 및 제 2 쌍의 조명 모드들을 조합하는데 사용될 수 있는 제 3 쌍의 어퍼처 플레이트들을 도시하고 있다. 어퍼처 플레이트(13NW)는 북측 및 서측에 어퍼처들을 갖는 한편, 어퍼처 플레이트(13SE)는 남측 및 동측에 어퍼처들을 갖는다. 이러한 상이한 회절 신호들 간의 크로스토크(cross-talk)가 너무 크지 않다면, 조명 모드를 바꾸지 않고 X 및 Y 격자 둘 모두의 측정이 수행될 수 있다.

도 4는 알려진 실시방식에 따라 기판에 형성된 복합 타겟(composite target)을 도시한다. 복합 타겟은 서로 긴밀하게 위치된 4 개의 격자들(32 내지 35)을 포함하여, 이들은 모두 메트롤로지 장치의 조명 빔에 의해 형성되는 측정 스폿(31) 내에 있을 것이다. 따라서, 4 개의 타겟들은 모두 센서들(19 및 23)에 동시에 조명되고 동시에 이미징된다. 오버레이 측정을 위해 제공된 예시들에서, 격자들(32 내지 35)은 그 자체가 기판(W)에 형성된 반도체 디바이스의 상이한 층들에 패터닝된 격자들을 중첩시킴으로써 형성된 복합 격자들이다. 복합 격자들의 상이한 부분들이 형성되는 층들 간의 오버레이 측정을 용이하게 하기 위해, 격자들(32 내지 35)이 상이하게 바이어싱될 수 있다. 또한, 입사하는 방사선을 X 및 Y 방향들로 회절시키기 위해, 도시된 바와 같이 격자들(32 내지 35)은 그들의 방위가 상이할 수 있다. 일 예시에서, 격자들(32 및 34)은 각각 +d, -d의 바이어스들을 갖는 X-방향 격자이다. 이는, 격자(32)가 그 중첩 구성요소들을 배치시켜, 구성요소들이 그들의 공칭 위치들(nominal locations)에 둘 모두 정확히 프린트된 경우, 구성요소들 중 하나가 다른 하나에 대해 거리 d만큼 오프셋됨을 의미한다. 격자(34)가 그 구성요소들을 배치시켜, 완벽히 프린트된 경우, d만큼의 오프셋이 존재하지만, 이는 제 1 격자에 대해 반대 방향이다. 격자들(33 및 35)은 각각 +d 및 -d 오프셋을 갖는 Y-방향 격자들이다. 4 개의 격자들이 예시되어 있지만, 또 다른 실시예는 원하는 정확성을 얻기 위해 더 큰 매트릭스를 요구할 수 있다. 예를 들어, 3 x 3 어레이의 9 개의 복합 격자들은 -4d, -3d, -2d, -d, 0, +d, +2d, +3d, +4d의 바이어스를 가질 수 있다. 이러한 격자들의 별개의 이미지들은 센서(23)에 의해 캡처된 이미지에서 식별될 수 있다.

도 5는 도 3d로부터 어퍼처 플레이트들(13NW 또는 13SE)을 이용하고, 도 3의 장치에서 도 4의 타겟을 이용하여, 센서(23)에 형성될 수 있고 센서(23)에 의해 검출될 수 있는 이미지의 일 예시를 나타낸다. 퓨필 평면 이미지 센서(19)는 상이한 개별 격자들(32 내지 35)을 분해(resolve)할 수 없지만, 이미지 센서(23)는 가능할 수 있다. 어두운 직사각형은 센서 상의 이미지 필드를 나타내며, 이 안에 기판의 조명된 스폿(31)이 대응하는 원형 영역(41) 내로 이미징된다. 이 안의 직사각형 영역들(42 내지 45)은 작은 타겟 격자들(32 내지 35)의 이미지들을 나타낸다. 격자들이 제품 영역들에 위치되는 경우, 제품 피처들이 이 이미지 필드의 외주에 나타날 수 있다. 이미지 프로세서 및 제어기(PU)는 패턴 인식을 이용해 이 이미지들을 처리하여 격자들(32 내지 35)의 별개의 이미지들(42 내지 45)을 식별한다. 이러한 방식으로, 이미지들이 센서 프레임 내의 특정 위치에 매우 정확하게 정렬되지 않아도 되며, 이는 전반적으로 측정 장치의 스루풋을 크게 개선시킨다. 하지만, 이미징 공정이 이미지 필드에 걸쳐 비-균일성을 겪는 경우, 정확한 정렬에 대한 필요성이 유지된다. 본 발명의 일 실시예에서는, 4 개의 위치들(P1 내지 P4)이 식별되며, 격자들은 이 알려진 위치들과 가능한 한 많이 정렬된다.

격자들의 별개의 이미지들이 식별되었으면, 예를 들어 식별된 영역들 내의 선택된 픽셀 세기 값들을 평균내거나 합산함으로써 이러한 개별 이미지들의 세기가 측정될 수 있다. 이미지들의 세기 및/또는 다른 특성들은 서로 비교될 수 있다. 이 결과들은 리소그래피 공정의 상이한 파라미터들을 측정하기 위해 조합될 수 있다. 오버레이 성능은 이러한 파라미터의 중요한 예시이다.

도 6은, 예를 들어 출원 WO 2011/012624에 개시된 방법을 이용하여, +1차 및 -1차 다크 필드 이미지들의 세기를 비교함에 의해 알 수 있는 바와 같이, 구성요소 격자들(32 내지 35)을 포함하는 2 개의 층들 사이의 오버레이 오차가 격자들의 비대칭을 통해 어떻게 측정되는지를 예시한다. 단계(S1)에서, 기판, 예를 들어 반도체 웨이퍼가 도 2의 리소그래피 셀을 통해 한 번 이상 처리되어, 오버레이 타겟들(32 내지 35)을 포함하는 구조체를 생성한다. S2에서, 도 3의 메트롤로지 장치를 이용하여, 1차 회절 빔들(즉, -1) 중 하나만을 이용해 격자들(32 내지 35)의 이미지가 얻어진다. 그 후, 조명 모드를 변경하거나, 이미지 모드를 변경함으로써, 또는 메트롤로지 장치의 시야에서 기판(W)을 180°회전시킴으로써, 다른 1차 회절 빔(+1)을 이용하여 격자들의 제 2 이미지가 얻어질 수 있다[단계(S3)]. 결과적으로, +1차 회절 방사선이 제 2 이미지에 캡처된다.

각각의 이미지에 1차 회절 방사선의 절반만을 포함함에 의하여, 여기서 언급되는 '이미지들'은 종래의 다크 필드 현미경 이미지들이 아님을 유의한다. 개별 격자 라인들은 분해되지 않을 것이다. 각각의 격자는 단순히 소정 세기 레벨의 영역에 의해 나타내어질 것이다. 단계(S4)에서, 관심 영역(region of interest: ROI)이 각 구성요소 격자의 이미지 내에서 주의 깊게 식별되며, 이로부터 세기 레벨이 측정될 것이다. 이것이 수행되는 이유는, 특히 개별 격자 이미지들의 에지들 주위에서, 세기 값들이 일반적으로 레지스트 두께, 조성, 라인 형상, 그리고 에지 영향들과 같은 공정 변수들에 강하게 의존할 수 있기 때문이다.

각각의 개별 격자에 대해 ROI를 식별하고 그 세기를 측정하였으면, 격자 구조체의 비대칭 및 이에 따른 오버레이 오차가 결정될 수 있다. 이는, 이미지 프로세서 및 제어기(PU)에 의해 단계(S5)에서 수행되고, 각각의 격자(32 내지 35)에 대하여 +1 및 -1차에 대해 얻어진 세기 값들을 비교하고 세기 차이를 식별하며, 격자들의 오버레이 바이어스들의 지식으로부터 타겟(T) 부근의 오버레이 오차를 결정하게 된다(S6).

앞서 언급된 종래의 적용예들에서는, 앞서 언급된 기본 방법을 이용하여 오버레이 측정의 품질을 개선하기 위해 다양한 기술들이 개시된다. 예를 들어, 이미지들 간의 세기 차이는 상이한 측정들에 사용된 광학 경로들의 차이에 기인할 수 있으며, 순전히 타겟의 비대칭에 기인하지 않는다. 조명 소스(11)는, 조명 스폿(31)의 세기 및/또는 위상이 균일하지 않도록 할 수 있다. 예를 들어, 센서(23)의 이미지 필드의 타겟 이미지의 위치를 참조하여, 이러한 오차들을 최소화하기 위해 보정들이 결정되고 적용될 수 있다. 이 기술들은 종래의 적용예들에 설명되어 있으므로, 여기서 더 자세히 설명되지 않을 것이다. 이 기술들은 본 출원에 새롭게 개시된 기술들과 조합하여 사용될 수 있으며, 이는 이제 설명될 것이다.

본 출원에서는, 도 6의 방법에 의해 오버레이를 측정하기 위해 3 이상의 구성요소 격자들의 사용을 제안한다. 적어도 3 개의 상이한 바이어스들을 갖는 격자들에 대한 비대칭을 측정함으로써, 실제 리소그래피 공정에서 최하부 격자 비대칭에 의해 유도되는 것과 같은 타겟 격자들의 피처 비대칭을 보정하기 위해, 단계(S6)에서 계산값들이 수정될 수 있다.

도 7에서, 곡선(702)은 0의 오프셋을 갖고 오버레이 격자를 형성하는 개별 격자들 내에 피처 비대칭을 갖지 않는 '이상적인' 타겟에 대해 측정된 비대칭(A)과 오버레이 오차(OV) 간의 관계를 예시한다. 이 그래프들은 단지 본 발명의 원리들을 예시하기 위한 것이며, 각각의 그래프에서, 측정된 비대칭(A)과 오버레이 오차(OV)의 단위는 임의적이다. 실제 치수의 예시들은 아래에 자세히 주어질 것이다.

도 7의 '이상적인' 상황에서, 곡선(702)은 측정된 비대칭(A)이 오버레이와 사인 관계를 가짐을 나타낸다. 사인 변동의 주기(P)는 격자들의 주기에 대응한다. 사인 형태는 이 예시에서 전형적이지만(pure), 다른 환경들에서는 고조파를 포함할 수 있다. 간명함을 위해, 이 예시에서는 (a) 타겟들로부터 1차 회절 방사선만이 이미지 센서(23)(또는 주어진 실시예에서 이의 등가물)에 도달하고, (b) 실험적인 타겟 디자인은 이 1차 차수들 내에서 최상부와 최하부 격자 사이의 오버레이와 세기 간의 순수 사인 관계가 유도되게 한다고 가정한다. 그러하다면, 실제로 광학 시스템 디자인, 조명 방사선의 파장, 격자의 피치(P), 및 타겟의 디자인 및 스택의 함수이다. 2차, 3차, 또는 고차 차수가 센서(23)에 의해 측정된 세기에 기여하거나, 타겟 디자인이 1차 차수의 고조파를 도입하는 실시예에서, 당업자는 존재하는 고차 차수를 허용하기 위에 본 출원의 기술내용을 쉽게 구성할 수 있다.

앞서 언급된 바와 같이, 단일 측정에 의존하기보다 오버레이를 측정하기 위해 바이어스된 격자들이 사용될 수 있다. 이 바이어스는 측정된 신호에 대응하는 오버레이의 온-웨이퍼 캘리브레이션(on-wafer calibration)으로서 역할하는, 패터닝 디바이스(예를 들어, 레티클)에 정의된 알려진 값을 갖는다(패터닝 디바이스로부터 이 값이 만들어짐). 도면에, 계산이 그래프로 예시된다. 단계들(S1 내지 S5)에서, 비대칭 측정들 A(+d) 및 A(-d)는 각각 +d 및 -d를 갖는 구성요소 격자들에 대해 얻어진다. 사인 곡선에 이 측정들을 피팅(fitting)하면, 도시된 바와 같은 지점들(704 및 706)을 제공한다. 바이어스들을 알면, 실제 오버레이 오차(OV)가 측정될 수 있다. 사인 곡선의 피치(P)는 타겟의 디자인으로부터 알려져 있다. 곡선(702)의 수직 스케일(vertical scale)은 시작이 알려져 있지 않지만, 1차 고조파 비례 상수(1st harmonic proportionality constant: Kl)를 호출할 수 있는 미지 인자(unknown factor)이다. 알려진 상이한 바이어스들을 갖는 격자들의 2 개의 측정들을 이용하면, 2 개의 수학식들을 풀 수 있어 미지수(K1) 및 오버레이(OV)를 계산할 수 있다.

도 8은 피처 비대칭을 도입함에 따른 영향, 예를 들어 최하부 격자 층의 처리 단계들에 따른 영향을 나타낸다. '이상적인' 사인 곡선(702)은 더 이상 적용되지 않는다. 하지만, 본 발명자들은, 적어도 대략적으로, 최하부 격자 비대칭 또는 다른 피처 비대칭이 비대칭 값(A)에 오프셋을 더한 영향을 가지며, 이는 모든 오버레이 값들에 걸쳐 비교적 일정하다는 것을 알아냈다. 결과적인 곡선은 도면에 712로 나타나 있으며, 라벨 A_BGA는 피처 비대칭으로 인한 오프셋을 나타낸다. 다중 격자들에 3 이상의 상이한 바이어스 값들을 갖는 바이어싱 방식(biasing scheme)을 제공함으로써, 오프-셋 사인 곡선(712)에 측정들을 피팅하고 상수를 제거함에 의해 정확한 오버레이 측정들이 여전히 얻어질 수 있다.

수정된 측정 및 계산들의 상세한 예시들이 다양하고 상이한 바이어싱 방식에 대해 아래에 제공될 것이다. 원리를 설명하기 위한 단순한 예시를 위해, 도 8은 곡선(712)에 피팅된 3 개의 측정 지점들(714, 716, 및 718)을 나타낸다. 이 지점들(714 및 716)은 바이어스 +d 및 -d를 갖는 격자들로부터 측정되며, 도 7에서 지점들(704 및 706)에 대한 것과 동일하다. (이 예시에서) 0의 바이어스를 갖는 격자로부터의 제 3 비대칭 측정은 718에 플롯되어 있다. 3 개의 지점들에 곡선을 피팅하면, 피처 비대칭으로 인한 일정한 비대칭 값 A_BGA가 오버레이 오차로 인한 사인 기여 A_OV로부터 분리될 수 있어, 오버레이 오차가 더 정확히 계산될 수 있다.

이미 언급된 바와 같이, 수정된 단계(S6)의 오버레이 계산들은 몇 가지 가정들에 의존한다. 먼저, 피처 비대칭(예를 들어, BGA)으로 인한 1차 세기 비대칭은 관심 오버레이 범위에 대해 오버레이와 독립적이며, 그 결과 일정한 오프셋(K0)에 의해 설명될 수 있다고 가정한다. 이 가정의 유효성(validity)은 모델-기반 시뮬레이션들에서 테스트되었다. 또 다른 가정은, 세기 비대칭이 오버레이의 사인 함수처럼 행동(behave)하며, 주기(P)가 격자 피치에 대응한다는 것이다. 고조파들의 수는 YS DBO 경우 작게 디자인될 수 있는데, 이는 작은 피치-파장 비(small pitch-wavelength ratio)가 격자로부터의 작은 수의 전파 회절 차수만을 허용하기 때문이다. 그러므로, 세기-비대칭에 대한 오버레이 기여는 단지 1차 고조파, 그리고 필요하다면, 2차 고조파를 갖는 사인곡선이라고 가정된다.

도 9는 앞서 설명된 원리들을 이용하여 BGA 보정으로 오버레이 측정을 구현하는데 사용될 수 있는 4 개의 예시적인 타겟 디자인들 (a) 내지 (d)을 나타낸다. 오버레이에 대해 풀기(solve) 위해서는, 3 개의 미지수: K0, K1 및 오버레이로 인해 적어도 3 개의 격자들이 요구된다. 제안된 복합 타겟 디자인은 3 개의, 하지만 예를 들어 4 개의 격자들도 포함할 수 있다. 각각의 디자인 (a) 내지 (d)는 일 방향으로 보정된 오버레이 측정을 수행하는 제안된 복합 타겟 레이아웃들을 나타낸다. 각각의 복합 타겟 레이아웃은 복수의 구성요소 격자들을 포함하며, 각각은 도입부 및 청구항들에 언급되는 타겟 구조체들 중 하나를 형성한다.

각각의 복합 타겟 (a) 내지 (d)은 나타낸 바와 같은 전체 치수(3a, 2a 등) 및 주기성의 방향에 대해 횡방향인(transverse) 기본 치수를 갖는 구성요소 격자들을 갖는다. 빗금은 단지 예시 (a)의 제 1 격자의 격자 라인들의 방향을 나타낸다. 도시된 모든 구성요소 격자들은 동일한 방향(예를 들어, X 방향)으로 격자 라인들을 갖는다. 요구된다면, 다른 방향(Y 방향)으로 측정하기 위해 90°회전된 유사한 구조체가 제공되어, 격자들의 제 1 및 제 2 그룹들을 제공할 것이다. 도 10을 참조하여 아래에 더 자세히 예시되고 설명되는 일 실시예에서는, X- 및 Y-방향 격자 둘 모두를 조합한 복합 격자 타겟이 제공될 수 있다. 순전히 예시를 위한 예로서, 제 1 타겟 (a)는 a= 4 ㎛ 또는 5 ㎛의 치수를 가질 수 있어, 12 × 12 ㎛² 또는 15 × 15 ㎛²의 전체 타겟 크기를 유도한다. 제 2 타겟 (b)는 16 × 16 ㎛² 정도(order)의 치수를 가질 수 있는 한편, 타겟 (c)에서는, 예를 들어 16 × 8 ㎛²로 크기가 감소된다. 마지막 타겟 (d)는 5 × 5 ㎛² 격자 크기(a = 5 ㎛)에 대해 10 × 10 ㎛²의 치수를 가질 수 있다.

바이어스-방식들이 도 9에 나타나 있다. 타겟 (a)는 도 8을 참조하여 앞서 설명된 바이어스들 +d, 0, -d를 갖는 3 개의 격자들을 갖는다. 바이어스 방식들 (b), (c) 및 (d)는 각각 바이어스 값(d) 및 서브-바이어스 값(Δd)의 상이한 순열(permutations)을 갖는 4 개의 격자들에 대해 갖는다. 바이어스와 서브-바이어스 값들 간의 구별은 편리한 표기법상의 문제이다. 4 개의 격자들에 대한 바이어스들은 ±d1, ±d2로서 다시 쓸 수 있으며, 여기서 ±d1 = ±(d-Δd)이고, ±d2 = ±(d+Δd)이다.

이러한 타겟들의 보편적인 특성은, 이러한 타겟들이 앞서 언급된 이전 특허 출원들로부터 알려진 다크-필드 이미지-기반 기술을 이용하여 오버레이에 대해서도 모두 판독될 수 있다는 점이다. 이는 스택-재구성(stack-reconstruction) 없이 작은 타겟들에서 BGA-보정된 오버레이를 가능하게 한다. 수정된 단계(S6)의 계산들은 예시된 다양한 타겟들을 이용하여 3 개의 예시들에 대해 자세히 설명될 것이다.

도 10은 (a) 3 개의 상이한 바이어스 및 (b) 4 개의 상이한 바이어스를 갖는 복합 격자 타겟들을 나타내며, 이때 두 X- 및 Y-방향 격자들은 단일 타겟 영역에 제공된다. 빗금은 격자 라인들의 방향을 나타낸다. 각 방향에 대한 바이어스 방식들은 도 9a 및 도 9b에서와 동일하지만, 개별 타겟 구조체들 사이에 적어도 3 개의 상이한 바이어스들이 포함된다면, 다른 방식들이 고려될 수 있음은 물론이다. 각각의 바이어스 값을 갖는 X 및 Y 격자들은 나란히 있지만(side-by-side), 이는 필수적이지 않다. X 및 Y 격자들은 교번 패턴으로 서로 이산되어(interspersed), 상이한 X 격자들이 서로 나란하지 않고 대각선으로 이격되고, Y 격자들이 서로 나란하지 않고 대각선으로 이격될 수 있다. 이 구성은 상이한 바이어싱 격자들의 회절 신호들 간의 크로스-토크를 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 따라서, 전체 구성은 양호한 성능 없이 콤팩트한 타겟 디자인을 허용한다. 도 10에서 구성요소 격자들은 정사각형이지만, X 및 Y 구성요소 격자들을 갖는 복합 격자 타겟들은 장방형 격자들(elongate gratings)로 만들어질 수도 있다. 예를 들어, 공개된 특허 출원 US20120044470에 예시들이 개시되어 있으며, 이는 본 명세서에서 전문이 인용 참조된다.

예시 1: 3 개의 격자들을 갖는 K0, K1 및 ov에 대한 풀이

도 9에서 타겟 (a)는 대칭적인 바이어스 방식(-d, 0 및 +d)을 갖는 3 개의 구성요소 격자들을 포함한다. 최하부-격자 비대칭(BGA)으로부터 비롯된 일정한 비대칭 신호에 대해 그리고 1차 고조파에 대해 풀기 위해, 다음과 같이 쓸 수 있으며:

여기서, ΔI는 측정된 비대칭을 나타내는 세기 차이이고, 첨자(suffix) '+', '0' 또는 '-'는 바이어스를 나타낸다.

이러한 세트의 수학식들의 해는 다음과 같이 쓸 수 있다:

이는, BGA 또는 다른 피처 비대칭에 대한 일정한 비대칭 오프셋을 고려하여 오버레이의 직접 계산을 제공한다. 이때, 격자 피치(P)의 상당 부분인 바이어스 범위를 이용하여, 사인 함수의 곡률이 3 개의 샘플 지점들에 의해 얻어지고 세기 측정들에 불가피하게 존재하는 잡음으로부터 구별가능함을 보장하는 것을 제안한다. 넓은 바이어스 범위는, 예를 들어 500 nm의 피치(P)에 대해 d = 40 nm를 설정함으로써 얻어질 수 있다. 이때, 2d의 바이어스 범위는 80 nm이며, 이는 피치의 5 % 이상, 이 경우 10 % 이상, 하지만 20 % 미만을 나타낸다. 하지만, 잡음이 문제가 되지 않는 경우, 더 작은 오버레이 범위에서 정확성을 향상시키기 위해 더 작은 바이어스-방식들이 선택될 수 있다. 바이어스는, 바이어스와 오버레이 오차의 조합이 전체 오버레이를 상이한 사이클의 사인 함수로 강요할 만큼 크지 않아야 한다.

예시 2: 4 개의 격자들을 갖는 K0, K1 및 ov에 대한 풀이

도 9b, 도 9c 및 도 9d에 도시된 4 개의 바이어스된 격자들을 갖는 타겟들에 대해, 다음과 같이 수학식들을 쓸 수 있다.

미지의 파라미터들에 대해 풀면 다음과 같다:

또한, 바이어스들의 범위는 격자 피치(P)의 상당 부분이어야 한다. 예를 들어, 이 경우 바이어스 d = 40 nm 및 서브-바이어스 Δd = 20 nm를 이용하는 것이 제안되며, 여기서 피치 P=500 nm이다. 따라서, 바이어스들은 +60 nm에서 -60 nm 사이의 범위를 가지며, 즉 전체 범위는 120 nm이다. 여기에서도, 이는 비교적 크고, 피치의 20 % 이상 하지만 30 % 미만을 나타내며, 사인 거동(sine behavior)이 세기 잡음 상에서 관찰가능하도록 보장하는데 도움을 줄 것이다. 또한 여기에서도, 잡음이 문제가 되지 않는다면, 더 작은 오버레이 범위에서 정확성을 향상시키기 위해 작은 바이어스 방식들이 선택될 수 있다. 바이어스는, 바이어스와 오버레이 오차의 조합이 전체 오버레이를 상이한 사이클의 사인 함수로 강요할 만큼 크지 않아야 한다.

예시 3: 4 개의 격자들 및 2차 고조파를 갖는 K0, K1, K2 및 ov에 대한 풀이

상기의 타겟 경우에 대한 4-격자들에 대해, 광학 시스템 및 격자들의 디자인이 2차 고조파를 필요로 한다면, 2차 고조파가 포함될 수 있다. 다음과 같이 쓸 수 있다:

이 세트의 수학식들을 풀기 위해, 다음과 같이 새로운 몇몇 파라미터들을 정의한다:

여기서,

그리고

이후, 상기 수학식들이 풀어질 수 있으며, 가능한 3 개의 해를 산출한다:

이 결과들 중에서, 세 번째 해 ov3가 통상적으로 올바른 해일 것이며, 이는 오버레이가 실제로 격자 피치와 비교해 보통 작기 때문이다.

알 수 있는 바와 같이, 최상부 & 최하부 격자들을 모델링하거나 BARC(반사방지 코팅)와 같은 여하한의 개재 층들(intervening layers)을 필요로 하지 않고, 이러한 계산들 중 어느 하나가 BGA-보정된 오버레이 측정을 산출할 것이다. 이 예시들은 파장 대 피치의 비가 작은 격자 구조들을 이용할 때 최적으로 작용하여, 매우 제한된 수의 고차 회절 차수들이 측정들에 사용된다. 정확한 결과들은, 오버레이로 인해, 알려진 피치의 사인-형 주기로부터 BGA로 인한 일정한 오프셋을 구별하는 것에 의존한다. 그러므로, 격자 피치 및 바이어싱 방식들은, 오버레이가 1차 차수 세기 차이(ΔI)와 완벽한 선형 관계를 생성하지 않도록 디자인되어야 한다. 이는 오버레이에 삼각형 의존성(triangular dependence)을 생성하는 거시적인 격자들에 대한 경우일 수 있다. 일반적으로, 원하는 사인 관계는 도 3 내지 도 6의 장치 및 방법들에 통상적으로 이용되는 작은 피치-파장 비에 대해 얻어진 경우일 수 있다.

또한, 오버레이 방향마다 3 개 또는 4 개 이상의 구성요소 격자들을 이용하는 본 명세서에 개시된 기술은 오버레이 방향마다 1 개 또는 2 개의 추가 바이어스 격자들을 통합하도록 수정되는 표준 타겟이라고도 하는 큰 스캐터로미터 타겟에 적용될 수 있음을 주의한다. 예를 들어, 도 3의 장치를 이용하면, 이러한 더 큰 타겟들의 오버레이는 다크-필드 이미징 브랜치 및 센서(23)로 행해진 측정들 대신 또는 이에 추가로 퓨필 이미지 센서(19)를 이용하여 각도-분해 스캐터로메트리(angle-resolved scatterometry)에 의해 측정될 수 있다.

또한, 이 제안에서, 타겟들은 BGA를 고려하지 않는 표준 오버레이 계산 방법들('선형'- 및 'ATAN'-방법)이 이 측정으로부터 적용되게 한다.

앞서 설명된 타겟 구조체들은 측정을 위해 특별히 디자인되고 형성된 메트롤로지 타겟들이지만, 다른 실시예들에서는 기판에 형성된 디바이스들의 기능성 부분들인 타겟들 상에서 여러 특성들이 측정될 수 있다. 다수의 디바이스들은 규칙적인 격자-형 구조체들을 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 '타겟 격자' 및 '타겟 구조체'라는 용어는 이러한 구조체가 수행되는 측정을 위해 특별히 제공되었음을 요구하지 않는다.

기판들 및 패터닝 디바이스들에 실현되는 바와 같은 타겟들의 물리적인 격자 구조체들과 연계하여, 일 실시예는 기판에 타겟들을 생성하는 단계, 기판의 타겟들을 측정하는 단계, 및/또는 리소그래피 공정에 관한 정보를 얻기 위해 측정들을 분석하는 단계를 포함하는 방법을 구현하는 기계-판독가능한 명령어들의 1 이상의 시퀀스들을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 포함할 수 있다. 이 컴퓨터 프로그램은, 예를 들어 도 3의 장치의 유닛(PU) 및/또는 도 2의 제어 유닛(LACU) 내에서 실행될 수 있다. 또한, 이러한 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있는 데이터 저장 매체(예를 들어, 반도체 메모리, 자기 또는 광학 디스크)가 제공될 수도 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 타입의 기존의 메트롤로지 장치가 이미 생산 및/또는 사용되고 있다면, 본 발명은 프로세서가 수정된 단계(S6)를 수행하게 하여 피처 비대칭에 대해 감소된 민감도로 오버레이 오차를 계산하도록 하는 업데이트된 컴퓨터 프로그램 제품들의 제공에 의해 구현될 수 있다. 이 프로그램은 선택적으로 광학 시스템, 기판 지지체 등을 제어하여, 적합한 복수의 타겟 구조체들 상의 비대칭의 측정을 위해 단계들(S2 내지 S5)을 수행하도록 구성될 수 있다.

이상, 광학 리소그래피와 관련하여 본 발명의 실시예들의 특정 사용예를 언급하였지만, 본 발명은 다른 적용예들, 예를 들어 임프린트 리소그래피에 사용될 수 있으며, 본 명세서가 허용한다면 광학 리소그래피로 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 임프린트 리소그래피에서, 패터닝 디바이스의 토포그래피(topography)는 기판에 생성될 패턴을 정의한다. 패터닝 디바이스의 토포그래피는 기판에 공급된 레지스트 층으로 가압될 수 있고, 레지스트는 전자기 방사선, 열, 압력 또는 그 조합을 인가함으로써 경화된다. 패터닝 디바이스는 레지스트로부터 이동되고 레지스트가 경화된 후에 그 안에 패턴을 남긴다.

본 명세서에서 사용된 "방사선" 및 "빔"이라는 용어는 이온 빔 또는 전자 빔과 같은 입자 빔뿐만 아니라, (예를 들어, 365, 355, 248, 193, 157 또는 126 nm, 또는 그 정도의 파장을 갖는) 자외(UV)방사선 및 (예를 들어, 5 내지 20 nm 범위 내의 파장을 갖는) 극자외(EUV)방사선을 포함하는 모든 형태의 전자기 방사선을 포괄한다.

본 명세서가 허용하는 "렌즈"라는 용어는, 굴절, 반사, 자기, 전자기 및 정전기 광학 구성요소들을 포함하는 다양한 형태의 광학 구성요소들 중 어느 하나 또는 그 조합으로 언급될 수 있다.

특정 실시예들의 앞선 설명은, 당업계의 지식을 적용함으로써, 다양한 적용들을 위해 본 발명의 일반적인 개념을 벗어나지 않고 지나친 실험 없이 이러한 특정 실시예들을 쉽게 수정하고, 및/또는 구성할 수 있도록 본 발명의 일반적인 성질을 충분히 보여줄 것이다. 그러므로, 이러한 변경예 및 변형예들은 본 명세서에 나타낸 기술내용 및 안내에 기초하여, 개시된 실시예들의 균등물의 의미 및 범위 내에 있도록 의도된다. 본 명세서에서, 어구 또는 전문 용어는 설명을 위한 것이며 제한하려는 것이 아니므로, 당업자라면 본 명세서의 전문 용어 또는 어구가 기술내용 및 안내를 고려하여 해석되어야 한다는 것을 이해하여야 한다.

본 발명의 범위와 폭은 상술된 예시적인 실시예들 중 어느 것에 의해서도 제한되지 않아야 하며, 다음의 청구항 및 그 균등물에 따라서만 정의되어야 한다.

요약 및 초록 부분(Summary and Abstract sectons)이 아닌, 발명의 상세한 설명 부분(Detailed Description section)이 청구항을 해석하는데 사용되도록 의도된다는 것을 이해하여야 한다. 요약 및 초록 부분은 1 이상을 설명할 수 있지만, 발명자(들)에 의해 의도된(contemplated) 본 발명의 모든 예시적인 실시예를 설명하지는 않으므로, 어떠한 방식으로도 본 발명 및 첨부된 청구항을 제한하지는 않는다.

이상, 본 발명은 특정화된 기능들 및 그 관계들의 구현을 예시하는 기능 구성 요소(functional building block)들의 도움으로 설명되었다. 본 명세서에서, 이 기능 구성 요소들의 경계들은 설명의 편의를 위해 임의로 정의되었다. 특정화된 기능들 및 그 관계들이 적절히 수행되는 한, 대안적인 경계들이 정의될 수 있다.

특정 실시예들의 앞선 설명은, 당업계의 지식을 적용함으로써, 다양한 적용들을 위해 본 발명의 일반적인 개념을 벗어나지 않고 지나친 실험 없이 이러한 특정 실시예들을 쉽게 수정하고, 및/또는 적응시킬 수 있도록 본 발명의 일반적인 성질을 전부 드러낼 것이다. 그러므로, 이러한 적응예 및 변형예들은 본 명세서에 나타낸 기술내용 및 안내에 기초하여, 개시된 실시예들의 균등물의 의미 및 범위 내에 있도록 의도된다. 본 명세서에서, 어구 또는 전문 용어는 설명을 위한 것이며 제한하려는 것이 아니므로, 당업자라면 본 명세서의 전문 용어 또는 어구가 기술내용 및 안내를 고려하여 해석되어야 한다는 것을 이해하여야 한다.

Claims

리소그래피 공정의 파라미터를 측정하는 방법에 있어서,
(a) 상기 리소그래피 공정을 이용하여, 기판에 복수의 타겟 구조체들을 형성하는 단계 - 각 타겟 구조체는 오버레이된 주기성 구조체들(overlaid periodic structures)을 포함하고, 각각은 특정 오버레이 바이어스를 가짐 -;
(b) 타겟 구조체에 대한 전체 비대칭 - 상기 전체 비대칭은 (i) 상기 오버레이 바이어스, (ⅱ) 상기 리소그래피 공정의 오버레이 오차, 및 (ⅲ) 상기 주기성 구조체들 중 1 이상 내의 피처 비대칭으로 인한 기여(contributions)를 포함함 - 을 나타내는 측정(measurement)을 얻기 위해, 타겟들을 조명하고 각 타겟 구조체에 의해 산란된 방사선을 검출하는 단계; 및
(c) 오버레이 바이어스의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 3 이상의 타겟 구조체들에 대한 전체 비대칭 측정들을 이용하여, 오버레이 오차의 측정을 계산하는 단계 - 상기 계산은 3 개의 상이한 오버레이 바이어스 값들, 및 오버레이 오차와 타겟 비대칭 간의 가정된 비-선형 관계의 지식(knowledge)을 이용하여 수행되며, 이에 의해 피처 비대칭으로 인한 기여를 배제시킴 - 를 포함하는 파라미터 측정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 가정된 비-선형 관계는 사인 함수, 또는 선택적으로 서로 고조파적으로(harmonically) 관련된 사인 함수들의 조합인 파라미터 측정 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 계산은, 피처 비대칭으로 인한 기여가 모든 오버레이 값들에 대해 일정하다는 가정 하에 수행되는 파라미터 측정 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
3 개의 상이한 오버레이 바이어스 값들을 갖는 타겟 구조체들에 대한 비대칭 측정들은 오버레이 오차의 계산에 사용되는 파라미터 측정 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
4 개의 상이한 오버레이 바이어스 값들을 갖는 타겟 구조체들에 대한 비대칭 측정들은 오버레이 오차의 계산에 사용되는 파라미터 측정 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상이한 오버레이 바이어스 값들은 상기 주기성 구조체들의 피치의 5 % 이상, 10 % 이상, 선택적으로는 15 % 또는 20 % 이상의 범위를 갖는(span) 파라미터 측정 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (b)에서, 상기 3 이상의 타겟 구조체들에 대한 비대칭 측정들은, 이미지 센서의 상이한 부분들 상에 상이한 타겟 구조체들로부터 산란된 방사선을 포획함으로써 병렬적으로(in parallel) 수행되는 파라미터 측정 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
오버레이 바이어스의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 복수의 제 1 타겟 구조체들에 제 1 방향으로 주기성(periodicity)이 제공되고, 오버레이 바이어스의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 복수의 제 2 타겟 구조체들에 제 2 방향으로 주기성이 제공되며,
상기 방법은 상기 제 1 및 제 2 방향들로의 오버레이 오차를 별도로 계산하기 위해 상기 복수의 제 1 및 제 2 타겟 구조체들을 이용하여 수행되고, 상기 복수의 제 1 및 제 2 타겟 구조체들은 함께 교번 패턴으로 복합 타겟 구조체(composite target structure)에 배치되어, 상기 제 1 방향으로 주기성을 갖는 구조체들이 상기 제 2 방향으로 주기성을 갖는 구조체들에 의해 분리되는 파라미터 측정 방법.
리소그래피 공정의 파라미터를 측정하는 검사 장치에 있어서,
- 복수의 타겟 구조체들을 갖는 기판에 대한 지지체 - 각 타겟 구조체는 오버레이된 주기성 구조체들을 포함하고, 각각은 특정 오버레이 바이어스를 가짐 -;
- 타겟 구조체에 대해 전체 비대칭 - 상기 전체 비대칭은 (i) 상기 오버레이 바이어스, (ⅱ) 상기 리소그래피 공정의 오버레이 오차, 및 (ⅲ) 상기 주기성 구조체들 중 1 이상 내의 피처 비대칭으로 인한 기여를 포함함 - 을 나타내는 측정을 얻기 위해, 타겟들을 조명하고 각 타겟 구조체에 의해 산란된 방사선을 검출하는 광학 시스템; 및
- 오버레이 바이어스의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 3 이상의 타겟 구조체들에 대한 전체 비대칭 측정들을 이용하여, 오버레이 오차의 측정을 계산하도록 배치된 프로세서 - 상기 계산은 3 개의 상이한 오버레이 바이어스 값들, 및 오버레이 오차와 타겟 비대칭 간의 가정된 비-선형 관계의 지식을 이용하여 수행되며, 이에 의해 피처 비대칭으로 인한 기여를 배제시킴 - 를 포함하는 검사 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 가정된 비-선형 관계는 사인 함수, 또는 선택적으로 서로 고조파적으로 관련된 사인 함수들의 조합인 검사 장치.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 프로세서는, 피처 비대칭으로 인한 기여가 모든 오버레이 값들에 대해 일정하다는 가정 하에 계산을 수행하도록 배치되는 검사 장치.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세서는, 오버레이 오차의 계산에 3 개의 상이한 오버레이 바이어스 값들을 갖는 타겟 구조체들에 대한 비대칭 측정들을 사용하도록 배치되는 검사 장치.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세서는, 오버레이 오차의 계산에 4 개의 상이한 오버레이 바이어스 값들을 갖는 타겟 구조체들에 대한 비대칭 측정들을 사용하도록 배치되는 검사 장치.
제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 시스템은, 이미지 센서를 포함하고, 상기 이미지 센서의 상이한 부분들 상에 상이한 타겟 구조체들로부터 산란된 방사선을 동시에 포획하도록 작동가능한 검사 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 사용하기 위한 기판에 있어서,
상기 기판은:
리소그래피 공정에 의해 상기 기판에 형성된 복수의 타겟 구조체들을 갖고, 각 타겟 구조체는 오버레이된 주기성 구조체들을 포함하며, 각각은 특정한 오버레이 바이어스를 갖고,
오버레이 바이어스의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 제 1 방향으로 주기성을 갖는 타겟 구조체들, 및 오버레이 바이어스의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 제 2 방향으로 주기성을 갖는 타겟 구조체들을 포함하며, 상기 타겟 구조체들은 교번 패턴으로 복합 타겟 구조체에 배치되어, 상기 제 1 방향으로 주기성을 갖는 구조체들이 상기 제 2 방향으로 주기성을 갖는 구조체들에 의해 분리되는 기판.
제 15 항에 있어서,
2 개의 상이한 방향들의 각각으로 3 개의 상이한 바이어스들을 갖는 6 개의 직사각형 타겟 구조체들이 2 x 3 어레이로 배치되어, 복합 타겟 구조체를 형성하는 기판.
제 15 항에 있어서,
2 개의 상이한 방향들의 각각으로 4 개의 상이한 바이어스들을 갖는 8 개의 직사각형 타겟 구조체들이 2 x 4 어레이로 배치되어, 복합 타겟 구조체를 형성하는 기판.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법에서 사용하기 위한 기판에 있어서,
상기 기판은:
리소그래피 공정에 의해 상기 기판에 형성된 복수의 타겟 구조체들을 갖고, 각 타겟 구조체는 오버레이된 주기성 구조체들을 포함하며, 각각은 특정한 오버레이 바이어스를 갖고,
오버레이 바이어스의 3 이상의 상이한 값들을 갖는 타겟 구조체들을 포함하며, 상기 오버레이 바이어스 값들은 상기 주기성 구조체들의 피치의 10 % 이상, 선택적으로는 15 % 또는 20 % 이상의 범위를 갖는 기판.
프로세서가 상기 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 청구된 방법의 처리 단계 (c)를 수행하게 하도록 기계-판독가능한 명령어들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product).
리소그래피 시스템에 있어서,
리소그래피 장치 - 상기 리소그래피 장치는:
패턴을 조명하도록 배치된 조명 광학 시스템; 및
기판 상으로 상기 패턴의 이미지를 투영하도록 배치된 투영 광학 시스템을 포함함 - ; 및
제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 검사 장치를 포함하고,
상기 리소그래피 장치는 또 다른 기판들에 상기 패턴을 적용할 때 상기 검사 장치로부터의 측정 결과들을 이용하도록 배치되는 리소그래피 시스템.
디바이스 제조 방법에 있어서,
디바이스 패턴은 리소그래피 공정을 이용하여 일련의 기판들에 적용되고,
상기 방법은:
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 방법을 이용하여 기판들 중 적어도 하나에 디바이스 패턴들의 일부분으로서 또는 디바이스 패턴들 외에 별도로 형성된 적어도 하나의 주기성 구조체들을 검사하는 단계, 및 상기 검사 단계의 결과에 따라 이후의 기판들에 대해 리소그래피 공정을 제어하는 단계를 포함하는 디바이스 제조 방법.