KR20150005612A - 위치 측정 방법, 위치 측정 장치, 리소그래피 장치 및 디바이스 제조 방법, 광학 요소 - Google Patents

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에이에스엠엘 네델란즈 비.브이.
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Abstract

장치(AS)가 리소그래피 기판(W) 상의 마크들(202)의 위치들을 측정한다. 조명 구성부(940, 962, 964)는 적어도 제 1 및 제 2 구역들로부터 오프-액시스 방사선을 제공한다. 제 1 및 제 2 소스 구역들은 광학 축선(O)에 대해 서로 정반대에 있고, 각도 크기에 있어서 제한된다. 상기 구역들은 측정되는 마크들의 주기성의 방향에 따라 선택되는 작은 스폿들, 또는 더 큰 세그먼트들일 수 있다. 소스 구역들의 선택된 쌍에서의 방사선은 단일 소스 공급 위치에서의 방사선을 자기-참조 간섭계로 공급함으로써 생성될 수 있다. 변형된 반파장판이 간섭계의 하류에 위치되고, 이는 위치 측정 장치에서 사용될 수 있다. 변형된 반파장판은 정반대에 있는 또 다른 부분에서의 빠른 축에 대해 45 °로 배치된 한 부분에서의 빠른 축을 갖는다.

Description

위치 측정 방법, 위치 측정 장치, 리소그래피 장치 및 디바이스 제조 방법, 광학 요소{POSITION MEASURING METHOD, POSITION MEASURING APPARATUS, LITHOGRAPHIC APPARATUS AND DEVICE MANUFACTURING METHOD, OPTICAL ELEMENT}
본 출원은 2012년 4월 12일에 출원된 미국 가출원 61/623,391의 이익을 주장하며, 이는 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다.
본 발명은 위치 측정 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 방법 및 장치는 기판 상의 마크들의 위치들을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 다른 측면들에서 리소그래피 장치 및 디바이스 제조 방법을 제공하고, 또한 광학 요소를 제공한다.
리소그래피 장치는 기판 상에, 통상적으로는 기판의 타겟부 상에 원하는 패턴을 적용시키는 기계이다. 리소그래피 장치는, 예를 들어 집적 회로(IC)의 제조 시에 사용될 수 있다. 그 경우, 대안적으로 마스크 또는 레티클이라 칭하는 패터닝 디바이스가 IC의 개별층 상에 형성될 회로 패턴을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이 패턴은 기판(예컨대, 실리콘 웨이퍼) 상의 (예를 들어, 다이의 부분, 한 개 또는 수 개의 다이를 포함하는) 타겟부 상으로 전사(transfer)될 수 있다. 패턴의 전사는 통상적으로 기판 상에 제공된 방사선-감응재(레지스트)층 상으로의 이미징(imaging)을 통해 수행된다. 일반적으로, 단일 기판은 연속하여 패터닝되는 인접한 타겟부들의 네트워크를 포함할 것이다. 알려진 리소그래피 장치는, 한번에 타겟부 상으로 전체 패턴을 노광함으로써 각각의 타겟부가 조사(irradiate)되는 소위 스테퍼, 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 스캐너를 포함한다. 또한, 기판 상에 패턴을 임프린트(imprint)함으로써 패터닝 디바이스로부터 기판으로 패턴을 전사할 수도 있다.
기판 상에 디바이스 피처(device feature)들을 정확히 배치하도록 리소그래피 공정들을 제어하기 위해, 일반적으로 정렬 마크들이 기판 상에 제공되며, 리소그래피 장치는 1 이상의 정렬 센서들을 포함하고, 이로 인해 기판 상의 마크들의 위치들이 정확히 측정될 것이다. 이 정렬 센서들은 효과적으로 위치를 측정하는 장치들이다. 상이한 형태의 마크들 및 상이한 형태의 정렬 센서들이 상이한 시기 및 상이한 제조자들로부터 알려져 있다. 현재 리소그래피 장치에서 폭넓게 사용되는 센서의 한 형태는 US 6961116(den Boef 외)에 설명된 바와 같은 자기-참조 간섭계(self-referencing interferometer)에 기초한다. 일반적으로, 마크들이 X-위치 및 Y-위치를 얻기 위해 개별적으로 측정된다. 하지만, 공개된 특허 출원 US 2009/195768 A(Bijnen 외)에 설명된 기술들을 이용하여 조합된 X- 및 Y-측정이 수행될 수 있다. 이 두 출원들의 기재내용들은 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다.
계속해서 더 정확한 위치 측정들을 제공하고, 특히 제품 피처들이 점점 더 작아짐에 따라 오버레이 오차를 제어할 필요가 있다. 이를 위해, 정렬 마크들에 사용되는 격자 라인(grating line)들의 피치를 감소시키는 것이 고려된다. 동시에, 이는 새로운 기구들을 필요로 하고, 잠재적으로 기존 노하우(know-how) 및 기반 구조를 와해시킨다. 여하한의 새로운 센서가 새로운 마크들만이 아닌 기존 형태의 마크들과도 호환되어야 하고, 사용 시 정확해야 한다. 새로운 센서의 처리 요건들은 스루풋에 관하여 성능을 떨어뜨리지 않아야 한다.
제 1 실시형태에서의 본 발명의 목적은 감소된 피치의 마크들 및 종래의 마크들과 호환이 되고, 장치의 기본적 재설계(radical redesign)를 필요로 하지 않는 위치 측정 장치, 예를 들어 리소그래피 장치 내의 정렬 센서를 제공하는 것이다.
제 1 실시형태에서, 본 발명은 기판 상의 마크의 위치를 측정하는 방법을 제공하고, 상기 마크는 적어도 제 1 방향으로 주기적인 피처들을 포함하며, 상기 방법은:
대물 렌즈를 통해 방사선의 스폿으로 마크를 조명하고, 동일한 대물 렌즈를 통해 마크에 의해 회절된 방사선을 수용하는 단계;
자기-참조 간섭계에서 회절된 방사선을 처리하는 단계;
방사선의 스폿으로 마크를 스캐닝하면서, 간섭계에 의해 출력된 방사선의 세기 변동들을 검출하는 단계; 및
검출된 변동들로부터 적어도 제 1 측정 방향으로 마크의 위치를 계산하는 단계를 포함하고,
상기 방사선의 스폿은 상기 대물 렌즈의 퓨필 내에서 주변부(peripheral portion)에 한정된 소스 구역들로부터의 방사선을 이용하여 형성되며, 상기 소스 구역들은 적어도 대물 렌즈의 광학 축선에 대해 서로 정반대에 있는 제 1 및 제 2 구역들을 포함하고, 상기 광학 축선에 대해 각도 크기(angular extent)에 있어서 제한된다.
제 2 실시형태에서, 본 발명은 기판 상의 마크들의 위치를 측정하는 장치를 제공하고, 상기 장치는:
장치의 퓨필을 가로질러 사전설정된 조명 프로파일을 갖는 방사선을 공급하는 조명 구성부(arrangement);
상기 조명 구성부에 의해 공급된 방사선을 이용하여 마크 상에 방사선의 스폿을 형성하는 한편, 스캐닝 방향으로 마크를 가로질러 상기 방사선의 스폿으로 스캐닝하는 대물 렌즈;
마크에 의해 회절되고 상기 대물 렌즈에 다시 들어오는 방사선을 처리하는 자기-참조 간섭계; 및
상기 스캐닝 동안 간섭계에 의해 출력된 방사선의 세기 변동들을 검출하고, 검출된 변동들로부터 적어도 제 1 측정 방향으로 마크의 위치를 계산하는 검출 구성부를 포함하고,
적어도 제 1 방향으로 주기적인 피처들을 포함한 마크의 위치를 측정하기 위해, 상기 조명 프로파일은 상기 대물 렌즈의 퓨필 내에서 주변부에 한정된 소스 구역들로부터의 방사선을 포함하며, 상기 소스 구역들은 적어도 대물 렌즈의 광학 축선에 대해 서로 정반대에 있는 제 1 및 제 2 구역들을 포함하고, 상기 광학 축선에 대해 각도 크기에 있어서 제한된다.
본 발명의 실시예들에서, 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들은 마크의 주기성의 상기 제 1 방향을 가로지르는 방향으로 서로 오프셋(offset)될 수 있다.
상기 소스 구역들 각각에 대응하는 거울부(mirrored portion)를 갖는 빔 스플리터(beam splitter)가 상기 소스 구역으로부터 상기 대물 렌즈로 방사선을 방향전환(divert)하는 데 사용될 수 있으며, 이로 인해 각각의 소스 구역에 대한 거울부는 마크로부터 0차 반사 후 간섭계에 들어가는 정반대에 있는 소스 구역으로부터의 방사선을 차단하는 역할을 한다.
몇몇 실시예들에서, 조명 구성부는 제 2 자기-참조 간섭계를 포함하고, 이는 단일 소스 공급 위치(source feed position)에서의 제 2 간섭계에 공급된 방사선으로부터 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들에서의 간섭성 방사선(coherent radiation)을 생성하도록 배치되며, 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들은 상기 소스 공급 위치에 의해 결정된다. 제 2 자기-참조 간섭계는 처리 단계에서 사용되는 자기-참조 간섭계와 공동으로 1 이상의 광학 요소를 가질 수 있다(즉, 두 간섭계들로부터의 광이 동일한 광학 요소들 또는 심지어 사용되는 모든 광학 요소들을 통과할 수 있음). 광학 축선에 대해 대칭적으로 2 개의 간섭성 소스들을 생성하는 이 광학 구성부는 정렬 센서들 또는 리소그래피 장치로 제한되지 않고, 다른 기술 분야들에서 주장되고 사용될 수 있다.
이러한 일 실시예에서, 상기 조명 구성부는 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들에서의 방사선이 상기 제 2 간섭계로부터 상이한 편광들로 나오는 경우, 상기 구역들 중 하나에서의 방사선의 편광(polarization)을 조정하여 다른 위치에서의 편광에 매칭시키는 디바이스를 더 포함할 수 있다. 상기 디바이스는 변형된 반파장판(modified half wave plate)을 포함할 수 있고, 상기 반파장판의 빠른 축(fast axis)은 퓨필의 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들에 대응하는 부분들에서 상이하게 방위된다. 상기 변형된 반파장판은 제 1 부분에서 제 2 간섭계의 주축에 평행한 빠른 축을 가질 수 있고, 제 2 부분에서 상기 주축에 대해 45 도인 빠른 축을 가질 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 부분들은 광학 축선에 대해 서로 정반대에 위치된다.
제 3 실시형태에서, 본 발명은 광학 시스템의 퓨필 내의 상이한 위치들에서 방사선의 편광을 선택적으로 조정하는 광학 요소를 제공하고, 상기 요소는 상기 퓨필의 상이한 구역들에서 상이하게 방위된 빠른 축을 갖는 반파장판을 효과적으로 포함한다. 상기 변형된 반파장판의 상기 제 1 및 제 2 부분들은 퓨필을 절반씩 덮을 수 있으며, 상기 절반 사이의 경계는 상기 소스 구역들과 간섭하지 않도록 위치된다.
또한, 본 발명은 패터닝 디바이스로부터 기판 상으로 패턴을 전사하도록 배치된 리소그래피 장치를 제공하고, 상기 장치는 기판을 유지하도록 구성된 기판 테이블 및 리소그래피 장치의 기준 프레임에 대해 기판 상의 마크들의 위치들을 측정하는 정렬 센서를 포함하며, 정렬 센서는 앞서 설명된 바와 같은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 측정 장치를 포함한다.
또한, 본 발명은 패터닝 디바이스로부터 기판 상으로 패턴을 전사하기 위해 리소그래피 공정이 사용되는 디바이스를 제조하는 방법을 제공하고, 기판 상으로의 패턴의 전사는 앞서 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 방법을 이용하여 측정된 기판 상의 마크들의 위치들을 참조하여 제어된다.
이제 대응하는 참조 부호들이 대응하는 부분들을 나타내는 첨부된 개략적인 도면들을 참조하여, 단지 예시의 방식으로만 본 발명의 실시예들을 설명할 것이다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 형성하는 정렬 센서를 포함하는 예시적인 리소그래피 장치를 도시하는 도면;
도 2 -도 2(a) 및 도 2(b)를 포함함- 는 도 1의 장치 내의 기판 상에 제공될 수 있는 정렬 마크의 다양한 형태를 예시하는 도면;
도 3은 도 1의 장치 내의 정렬 마크를 스캐닝하는 알려진 정렬 센서의 개략적인 블록도;
도 4는 분할(segment)된 조명 프로파일을 이용하는 변형된 정렬 센서의 광학 시스템을 나타내는 더 상세한 예시적인 개략도;
도 5는 도 1의 장치 내의 정렬 센서로서 이용가능하고, 본 발명의 실시예들을 형성하는 신규한 위치 측정 장치들에서의 다양한 오프-액시스(off-axis) 조명 프로파일들, 결과적인 회절 신호들, 및 결과적인 자기-참조 간섭계 출력을 예시하는 도면;
도 6은 감소된-피치의 마크로의 다양한 오프-액시스 조명 프로파일들, 결과적인 회절 신호들, 및 결과적인 자기-참조 간섭계 출력을 예시하는 도 5와 유사한 도면;
도 7 및 도 8은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예들에 따른 오프-액시스 조명을 구현하는 위치 측정 장치의 개략도;
도 9는 도 7 및 도 8의 실시예들에서 이용할 수 있는 회전가능한 시야 조리개(field stop)의 형태 및 기능을 예시하는 도면;
도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 오프-액시스 조명을 구현하는 위치 측정 장치의 개략도;
도 11은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 오프-액시스 조명을 구현하는 위치 측정 장치의 개략도;
도 12 및 도 13은 마크의 격자 라인들에 대해 상이한 편광들을 갖는 X 방향 마크의 위치를 판독하기 위한 도 11의 장치의 작동을 예시하는 도면;
도 14는 도 11의 장치를 이용한 8 개의 상이한 조명 프로파일들의 생성을 예시하는 도면;
도 15는 도 11의 장치의 변형예를 예시하는 도면;
도 16은 도 11의 장치의 또 다른 변형예에 따른 위치설정 장치의 개략도; 및
도 17은 마크에서의 비대칭을 측정하기 위해 도 11의 장치를 이용하는 경우의 조명 프로파일들 및 회절 신호들을 예시하는 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 장치를 개략적으로 도시한다. 상기 장치는:
- 방사선 빔(B)(예를 들어, UV 방사선 또는 EUV 방사선)을 컨디셔닝(condition)하도록 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 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)(WTa 또는 WTb); 및
- 기판(W)의 (예를 들어, 1 이상의 다이를 포함하는) 타겟부(C) 상으로 패터닝 디바이스(MA)에 의해 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 다른 타입의 광학 구성요소들, 또는 여하한의 그 조합과 같은 다양한 타입들의 광학 구성요소들을 포함할 수 있다.
지지 구조체는 패터닝 디바이스를 지지, 즉 그 무게를 견딘다. 이는 패터닝 디바이스의 방위, 리소그래피 장치의 디자인, 및 예를 들어 패터닝 디바이스가 진공 환경에서 유지되는지의 여부와 같은 다른 조건들에 의존하는 방식으로 패터닝 디바이스를 유지한다. 지지 구조체는 패터닝 디바이스를 유지하기 위해 기계적, 진공, 정전기, 또는 다른 클램핑 기술들을 이용할 수 있다. 지지 구조체는, 예를 들어 필요에 따라 고정되거나 이동가능할 수 있는 프레임 또는 테이블일 수 있다. 지지 구조체는, 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 부여하는 데 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 타겟부 내의 원하는 패턴과 정확히 일치하지 않을 수도 있다는 것을 유의하여야 한다. 일반적으로, 방사선 빔에 부여된 패턴은 집적 회로와 같이 타겟부에 생성될 디바이스 내의 특정 기능 층에 해당할 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 타입, 및 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 여하한 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 바와 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. 도 1의 예시에서의 2 개의 기판 테이블들(WTa 및 WTb)이 이를 예시한 도면이다. 본 명세서에 기재된 본 발명은 독립적으로 사용될 수 있으며, 특히 단일- 또는 다수-스테이지 장치들의 노광전(pre-exposure) 측정 스테이지에서 추가 기능들을 제공할 수 있다.
또한, 리소그래피 장치는 투영 시스템과 기판 사이의 공간을 채우기 위해서, 기판의 전체 또는 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 증가시키는 기술로 당업계에 잘 알려져 있다. 본 명세서에서 사용되는 "침지"라는 용어는 기판과 같은 구조체가 액체 내에 담그어져야 함을 의미하는 것이라기보다는, 노광 시 액체가 투영 시스템과 기판 사이에 놓이기만 하면 된다는 것을 의미한다.
도 1을 참조하면, 일루미네이터(IL)는 방사선 소스(SO)로부터 방사선 빔을 수용한다. 예를 들어, 소스가 엑시머 레이저(excimer laser)인 경우, 상기 소스 및 리소그래피 장치는 별도의 개체일 수 있다. 이러한 경우, 소스는 리소그래피 장치의 일부분을 형성하는 것으로 간주되지 않으며, 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 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 시스템이라고도 칭해질 수 있다.
일루미네이터(IL)는 방사선 빔의 각도 세기 분포를 조정하는 조정기(AD)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 일루미네이터의 퓨필 평면 내의 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(IN) 및 콘덴서(CO)와 같이, 다양한 다른 구성요소들을 포함할 수도 있다. 일루미네이터는 방사선 빔의 단면에 원하는 균일성(uniformity) 및 세기 분포를 갖기 위해, 방사선 빔을 컨디셔닝하는 데 사용될 수 있다.
방사선 빔(B)은 지지 구조체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT) 상에 유지되어 있는 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA) 상에 입사되며, 패터닝 디바이스에 의해 패터닝된다. 상기 마스크(MA)를 가로질렀으면, 상기 방사선 빔(B)은 투영 시스템(PS)을 통과하며, 이는 기판(W)의 타겟부(C) 상에 상기 빔을 포커스한다. 제 2 위치설정기(PW) 및 위치 센서(IF)(예를 들어, 간섭계 디바이스, 리니어 인코더, 또는 용량성 센서)의 도움으로, 기판 테이블(WTa/WTb)은 예를 들어 방사선 빔(B)의 경로 내에 상이한 타겟부(C)들을 위치시키도록 정확하게 이동될 수 있다. 이와 유사하게, 제 1 위치설정기(PM) 및 (도 1에 명확히 도시되지 않은) 또 다른 위치 센서는, 예를 들어 마스크 라이브러리(mask library)로부터의 기계적인 회수 후에, 또는 스캔하는 동안, 방사선 빔(B)의 경로에 대해 마스크(MA)를 정확히 위치시키는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 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(WTa/WTb)의 이동은 장-행정 모듈 및 단-행정 모듈을 이용하여 실현될 수 있으며, 이는 제 2 위치설정기(PW)의 일부분을 형성한다. (스캐너와는 대조적으로) 스테퍼의 경우, 마스크 테이블(MT)은 단-행정 액추에이터에만 연결되거나 고정될 수 있다. 마스크(MA) 및 기판(W)은 마스크 정렬 마크들(M1 및 M2) 및 기판 정렬 마크들(P1 및 P2)을 이용하여 정렬될 수 있다. 비록, 예시된 기판 정렬 마크들은 지정된(dedicated) 타겟부들을 차지하고 있지만, 그들은 타겟부들 사이의 공간들 내에 위치될 수도 있다[이들은 스크라이브-레인 정렬 마크(scribe-lane alignment mark)들로 알려져 있음]. 이와 유사하게, 마스크(MA) 상에 1 이상의 다이가 제공되는 상황들에서, 마스크 정렬 마크들은 다이들 사이에 위치될 수 있다.
도시된 장치는 다음 모드들 중 적어도 1 이상에서 사용될 수 있다:
1. 스텝 모드에서, 마스크 테이블(MT) 및 기판 테이블(WTa/WTb)은 기본적으로 정지 상태로 유지되는 한편, 방사선 빔에 부여된 전체 패턴은 한번에 타겟부(C) 상에 투영된다[즉, 단일 정적 노광(single static exposure)]. 그 후, 기판 테이블(WTa/WTb)은 상이한 타겟부(C)가 노광될 수 있도록 X 및/또는 Y 방향으로 시프트된다. 스텝 모드에서, 노광 필드의 최대 크기는 단일 정적 노광 시에 이미징되는 타겟부(C)의 크기를 제한한다.
2. 스캔 모드에서, 마스크 테이블(MT) 및 기판 테이블(WTa/WTb)은 방사선 빔에 부여된 패턴이 타겟부(C) 상에 투영되는 동안에 동기적으로 스캐닝된다[즉, 단일 동적 노광(single dynamic exposure)]. 마스크 테이블(MT)에 대한 기판 테이블(WTa/WTb)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 노광 시 타겟부의 (스캐닝 되지 않는 방향으로의) 폭을 제한하는 반면, 스캐닝 동작의 길이는 타겟부의 (스캐닝 방향으로의) 높이를 결정한다.
3. 또 다른 모드에서, 마스크 테이블(MT)은 프로그램가능한 패터닝 디바이스를 유지하여 기본적으로 정지된 상태로 유지되며, 방사선 빔에 부여된 패턴이 타겟부(C) 상에 투영되는 동안 기판 테이블(WTa/WTb)이 이동되거나 스캐닝된다. 이 모드에서는, 일반적으로 펄스화된 방사선 소스(pulsed radiation source)가 채택되며, 프로그램가능한 패터닝 디바이스는 기판 테이블(WTa/WTb)이 각각 이동한 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 및 WTb), 및 기판 테이블들이 교환될 수 있는 2 개의 스테이션(station) -노광 스테이션 및 측정 스테이션- 을 갖는 소위 듀얼 스테이지 타입으로 이루어진다. 하나의 기판 테이블 상의 하나의 기판이 노광 스테이션에서 노광되고 있는 동안, 또 다른 기판은 측정 스테이션에서 다른 기판 테이블 상에 로딩되어 다양한 준비작업 단계들이 수행되도록 할 수 있다. 준비작업 단계들은 레벨 센서(LS)를 이용하여 기판의 표면을 매핑(map)하는 단계, 및 정렬 센서(AS)를 이용하여 기판 상의 정렬 마커들의 위치를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 상기 장치의 스루풋을 상당히 증가시킬 수 있다. 위치 센서(IF)가 노광 스테이션뿐 아니라 측정 스테이션에 있는 동안 기판 테이블의 위치를 측정할 수 없는 경우, 두 스테이션들에서 기판 테이블의 위치들이 추적될 수 있도록 제 2 위치 센서가 제공될 수 있다.
또한, 상기 장치는 설명된 다양한 액추에이터들 및 센서들의 이동들 및 측정들을 모두 제어하는 리소그래피 장치 제어 유닛(LACU)을 포함한다. 또한, LACU는 상기 장치의 작동에 관련된 바람직한 계산들을 실행하기 위한 신호 처리 및 데이터 처리 능력을 포함한다. 실제로, 제어 유닛(LACU)은 각각 장치 내의 서브시스템 또는 구성요소의 실시간 데이터 수집, 처리, 및 제어를 다루는 많은 서브-유닛들의 시스템으로서 실현될 것이다. 예를 들어, 하나의 처리 서브시스템이 기판 위치설정기(PW)의 서보 제어(servo control)에 지정될 수 있다. 별도의 유닛들이 개략 및 미세 액추에이터들, 또는 상이한 축선들을 다룰 수도 있다. 또 다른 유닛은 위치 센서(IF)의 판독(readout)에 지정될 수 있다. 상기 장치의 전체 제어는 이 서브-시스템들의 처리 유닛들, 조작자들, 및 리소그래피 제조 공정에 관련된 다른 장치들과 통신하는 중앙 처리 유닛에 의해 제어될 수 있다.
도 2(a)는 각각 X-위치 및 Y-위치의 측정을 위해 기판(W) 상에 제공된 정렬 마크들(202, 204)의 예시들을 나타낸다. 이 예시에서의 각 마크는 기판에 적용되거나 기판으로 에칭된 제품 층 또는 다른 층에 형성된 일련의 바아(bar)들을 포함한다. 바아들은 규칙적으로 이격되고, 마크가 잘 알려진 공간 주기(피치)를 갖는 회절 격자로서 간주될 수 있도록 격자 라인들로서 작용한다. X-방향 마크(202) 상의 바아들은 Y-축선에 평행하여 X 방향으로 주기성을 제공하는 한편, Y-방향 마크(204) 상의 바아들은 X-축선에 평행하여 Y 방향으로 주기성을 제공한다. 정렬 센서(AS)(도 1에 도시됨)는 방사선의 스폿(206, 208)으로 각각의 마크를 광학적으로 스캐닝하여, 사인파(sine wave)와 같은 주기적으로 변하는 신호를 얻는다. 이 신호의 위상은, 상기 장치의 기준 프레임(RF)에 대해 고정되는 정렬 센서에 대해 마크의 위치, 및 이에 따른 기판(W)의 위치를 측정하도록 분석된다. 스캐닝 움직임은 굵은 화살표에 의해 개략적으로 도시되며, 스폿(206 또는 208)의 진행 위치들이 점선 윤곽으로 도시된다. 정렬 패턴에서의 바아들(격자 라인들)의 피치는 통상적으로 기판 상에 형성될 제품 피처들의 피치보다 훨씬 더 크며, 정렬 센서(AS)는 기판에 패턴들을 적용하는 데 사용될 노광 방사선보다 훨씬 더 긴 방사선의 파장(또는 일반적으로 복수의 파장들)을 사용한다. 하지만, 다수의 바아들이 반복 신호의 위상으로 하여금 정확히 측정되게 하기 때문에, 미세 위치 정보가 얻어질 수 있다.
개략 및 미세 마크들이 제공되어, 정렬 센서가 주기적 신호의 상이한 사이클들, 및 사이클 내의 정확한 위치(위상)를 구별할 수 있도록 한다. 이를 위해, 상이한 피치들의 마크들이 사용될 수도 있다. 이 기술들도 당업자에게 잘 알려져 있으며, 본 명세서에서 상세히 설명되지 않을 것이다. 이러한 센서들의 디자인 및 작동은 당업계에 잘 알려져 있으며, 각각의 리소그래피 장치가 그 자체의 센서 디자인을 가질 수 있다. 본 발명의 설명을 위해서는, 정렬 센서(AS)가 일반적으로 US 6961116(den Boef 외)에 설명된 형태로 이루어진다고 가정할 것이다. 도 2(b)는 유사한 정렬 시스템과 사용되는 변형된 마크를 나타내며, 이 X-위치 및 Y-위치는 조명 스폿(206)으로의 단일 광학 스캔을 통해 얻어질 수 있다. 마크(210)는 X-축 및 Y-축 모두에 대해 45 도로 배치된 바아들을 갖는다. 이 조합된 X- 및 Y-측정은 공개된 특허 출원 US 2009/195768 A(Bijinen 외)에 설명된 기술들을 이용하여 수행될 수 있으며, 이 기재내용들은 본 명세서에서 인용참조된다.
도 3은 알려진 정렬 센서(AS)의 개략적인 블록도이다. 조명 소스(220)가 1 이상의 파장들의 방사선 빔(222)을 제공하고, 이는 스폿 거울(spot mirror: 223)에 의하여 대물 렌즈(224)를 통해 기판(W) 상에 위치된 마크 202와 같은 마크 상으로 방향전환된다. 도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 앞서 언급된 US 6961116에 기초한 본 발명의 정렬 센서의 예시에서, 마크(202)를 조명하는 조명 스폿(206)은 마크 자체의 폭보다 직경이 약간 더 작을 수 있다.
마크(202)에 의해 산란된 방사선이 대물 렌즈(224)에 의해 수집(pick up)되고, 정보-전달 빔(information-carrying beam: 226)으로 시준(collimate)된다. 자기-참조 간섭계(228)가 앞서 언급된 US'116에 기재된 형태로 이루어지며, 빔(226)을 처리하고 센서 어레이(230) 상으로 개별적인 빔들을 출력한다. 이 시점에, 정보-전달 빔(226)이 마크(202)로부터의 고차 회절 방사선만을 포함하도록, 편리하게는 스폿 거울(223)이 0차 차단부(zero order stop)의 역할을 한다(이는 측정에 필수적인 것이 아니라, 신호 대 잡음비를 개선한다). 센서 그리드(230)의 개별적인 센서들로부터의 세기 신호들(232)이 처리 유닛(PU)으로 제공된다. 블록(228)에서의 광학 처리 및 유닛(PU)에서의 전산 처리(computational processing)의 조합에 의해, 기준 프레임(RF)에 대한 기판 상의 X- 및 Y-위치에 대한 값들이 출력된다. 처리 유닛(PU)은 도 1에 나타낸 제어 유닛(LACU)과 별개일 수 있으며, 또는 이들은 디자인 선택 및 편의상 동일한 처리 하드웨어를 공유할 수 있다. 유닛 PU가 별개인 경우, 신호 처리의 일부분은 유닛 PU에서 수행되고 또 다른 부분은 유닛 LACU에서 수행될 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 예시된 형태의 신호 측정은 단지 마크의 한 피치에 대응하는 소정 범위 내에서 마크의 위치를 고정한다. 이와 함께 더 개략적인 측정 기술들이 사용되어, 사인파의 어느 주기가 마크 위치를 포함한 주기인지를 식별한다. 마크를 이루는 재료 및 마크가 놓이는 재료에 관계없이 마크의 견실(robust)한 검출을 위해, 및 증가된 정확성을 위해, 개략 및/또는 미세 레벨에서의 동일한 과정이 상이한 파장들로 반복될 수 있다. 파장들은 동시에 처리되도록 광학적으로 다중화(multiplex) 및 역다중화(demultiplex)될 수 있으며, 및/또는 이들은 시간 분할 또는 주파수 분할에 의해 다중화될 수 있다. 본 기재내용의 예시들은 한 파장에서의 하나의 측정만을 언급할 것이며, 당업자라면 실용적이고 견실한 측정 장치(정렬 센서)를 제공하기 위해 그 기술내용을 확장하는 데 필요한 변형예들을 쉽게 이해할 수 있다.
측정 공정을 더 상세히 언급하면, 도 3에서 vw로 표시된 화살표는 스폿(206)이 마크(202)의 길이(L)를 가로지르는 스캐닝 속도를 예시한다. 이 예시에서, 정렬 센서(AS) 및 스폿(206)은 실제로는 정지상태로 유지되는 한편, 기판(W)이 속도 vw로 이동한다. 따라서, 정렬 센서는 기준 프레임(RF)(도 1)에 견고하고 정확하게 장착되는 한편, 사실상 기판(W)의 이동 방향의 반대 방향으로 마크(202)를 스캐닝할 수 있다. 기판은 이 이동에 있어서 기판 테이블(WT) 및 기판 위치설정 시스템(PW) 상에 장착됨으로써 제어된다.
본 발명의 우선일에 공개되지 않은 선특허출원 US 13/369,614에 설명된 바와 같이, 리소그래피 장치에 요구되는 높은 생산성 요건들은 기판 상의 다수 위치들에서 정렬 마크들의 측정이 가능한 한 신속하게 수행될 것을 요구하며, 이는 스캐닝 속도(vw)가 빠르고 대응하여 각 마크 위치의 취득에 이용가능한 시간(TACQ)이 짧아야 한다는 것을 함축한다. 단순히 말하면, 공식 TACQ = L/vw가 적용된다. 선출원 US 13/369,614는 취득 시간을 연장하기 위해 상반되는 스폿의 스캐닝 동작을 부여하는 기술을 설명한다. 동일한 스캐닝 스폿 기술들이 필요에 따라 본 명세서에 새롭게 기재된 형태의 센서들 및 방법들에 적용될 수 있다.
더 작은 격자 피치들을 갖는 마크들에 정렬시키는 것에 대한 관심이 존재한다. 실제 생산에서의 오버레이가, 일반적으로 테스트 조건들에서보다 상당히 더 많다. 조사(investigation)에 따르면, 이는 처리 동안 비대칭이 되는 제품 웨이퍼들 상의 정렬 마크들로 인한 것이다. 정렬 마크들의 피치를 감소시키는 것이 측정되는 정렬 위치에 대한 비대칭 효과를 감소시킨다.
당업자라면, 정렬 격자의 피치를 감소시키기 위한 몇몇 선택사항들이: (ⅰ) 사용되는 방사선의 파장을 단축하는 것, (ⅱ) 정렬 센서 광학기의 NA를 증가시키는 것, 및 (ⅲ) 오프-액시스 조명을 이용하는 것임을 알 것이다. 더 짧은 파장이 항상 가능하지는 않은데, 이는 정렬 격자들이 흔히 흡수성 막(예를 들어, 비결정성 탄소 하드마스크) 아래에 위치되기 때문이다. NA를 증가시키는 것은 일반적으로 가능하지만, 웨이퍼로부터 안전 거리를 갖는 컴팩트 대물렌즈(compact objective)의 필요성 때문에 바람직하지 않다. 그러므로, 오프-액시스 조명을 이용하는 것이 매력적이다.
분할된 조명 프로파일을 이용한 위치 측정
도 4는 앞서 언급된 이전 공개문서 US 6,961,116에서 설명되는 정렬 센서의 광학 시스템(500)을 예시한다. 이는 무엇보다도 더 큰 정확성을 위해 정렬 마크의 감소된 피치를 허용하고 스케터로메트리 타입 측정들로 하여금 별도의 스케터로미터 기구보다는 정렬 센서로 수행되게 하는 특정한 분할된 조명 모드를 도입한다. X- 및 Y-위치의 동시 측정이 수행될 수 있도록 또 다른 변형예가 앞서 언급된 공개문서 US 2009/195768의 기재내용에 기초하여 수행될 수 있다. 본 예시의 목적을 위해, 위치 측정이 한 방향으로만 수행된다고 가정할 것이다.
도 3의 개략도와 비교하기 쉽도록, 광학 시스템(500)의 몇몇 부분들은 도 3에서 사용된 것과 유사한 참조 기호들로 표시되며, 앞자리 수는 "2" 대신에 "5"이다. 따라서, 광 소스(520), 조명 빔(522), 대물렌즈(524), 정보 전달 빔(526), 자기-참조 간섭계(528), 및 검출기들(530a 및 530b)을 알 수 있다. 이 검출기들로부터의 신호들(532a 및 532b)이 처리 유닛(PU)에 의해 처리되고, 이는 아래에 설명되는 신규한 특징들을 구현하도록 적절히 변형된다. 수 개의 브랜치들을 갖는 광학 축선(O)이 광학 시스템(500) 전체에 걸쳐 파선(broken line)에 의해 도시된다. 이 더 상세한 개략도에 예시된 추가 구성요소들은 다음과 같다. 조명 서브시스템(540)에서, 소스(520)로부터의 방사선이 광섬유(542)를 통해 렌즈들(544 및 546)을 포함하는 광학 시스템에 들어가는 지점으로 전달된다. 물론, 각각의 렌즈가 단일 요소로 개략적으로 예시되는 경우, 실제 실시예는 실제로 요소들의 그룹들을 포함할 수 있다. 또한, 반사 광학 요소들이 사용될 수도 있다. 렌즈들(544 및 546) 사이에서, 소스로부터의 방사선에 의해 형성된 빔은 평행하고 평면 P'를 통과하며, 이는 대물렌즈(524)의 퓨필 평면(P)의 배면-투영(back-projection)이다. 고정되거나 구성가능한 조명 어퍼처(548)가 이 평면에 제공되어, 도 5(j)에 예시된 대칭적인 분할된 조명 패턴과 같은 특정 조명 모드들을 허용한다. a 및 b로 표시된 서로 정반대의 두 사분원(quadrant)이 이 어퍼처 패턴에서 밝은 한편(투명함), 다른 두 사분원은 어둡다(불투명함). 이 형태의 어퍼처는 공개된 특허 출원 US 2010/201963으로부터 스케터로메트리 장치에서 알려져 있다. 이 변형된 조명 어퍼처의 장점들은 아래에서 더 설명될 것이다. 고정된 거울(550)에 의한 회절 및 렌즈(552)에 의한 시준 후, 조명 빔(522)은 조명 서브시스템(540)으로부터 빔 스플리터(554) -이는 정보 전달 빔(526)으로부터 조명 빔(522)을 분리시킴- 로 전달되고, 이는 대물렌즈(524)를 통해 바로 기판(W)으로, 및 기판으로부터 이동한다.
이제 정보-전달 빔(526)의 처리를 언급하면, 이는 US 6,961,116의 알려진 정렬 센서와 동일한 방식으로 자기-참조 간섭계(528)로 통과한다. 간섭계(528)는 간소화된 2-차원 구성으로 도시되지만, 사실상 이는 상기 선행 특허에서 설명된 바와 같이 프리즘들 및 다른 요소들의 3-차원 구성을 포함한다. 이와 유사하게, 간섭계의 일부분인 편광 요소들은 명확함을 위해 여기에서 생략된다. 알려진 예시에서와 같은 자기-참조 간섭계(528)의 기능은 정보-전달 빔(526)을 수용하고, 이를 2 개의 동일부(equal part)로 나누며, 이 부분들을 서로에 대해 180 °회전시키고, 이 부분들을 다시 출력 빔(582)으로 조합하는 것이다. 고정된 편향 거울(deflecting mirror: 588)과 함께 추가 렌즈들(584 및 586)이 이 빔을, 편광 빔 스플리터(592) 및 검출기들(530a 및 530b)을 포함한 검출 서브시스템(590)으로 전달한다.
빔 스플리터(592)는 서로 역-위상(anti-phase)인 2 개의 간섭 패턴들을 생성한다. 따라서, 간섭계(528)가 검출기(530a) 상의 한 지점에서 상쇄 간섭을 생성하는 경우, 검출기(530b) 상의 대응하는 지점에서 보강 간섭이 존재할 것이다. 두 검출기들(530a 및 530b)로부터의 신호들을 감산함으로써, 공통-모드 세기 잡음의 영향이 감소되어, 전체로서 정렬 센서로부터 더 정확한 출력이 얻어질 수 있다.
도 3의 알려진 정렬 센서에서는 검출기(230)들이 기판(W)의 평면에 대응하는 이미지 평면에 배치되는 반면, 변형된 광학 시스템(500)의 검출기들(530a 및 530b)은 대물렌즈(524)의 퓨필 평면(P)과 켤레(conjugate)인 평면 P"에 위치된다. 각각의 검출기(530a 및 530b)는 이미지 센서, 예를 들어 CCD 카메라 센서일 수 있다. 대안적으로, 530a'/530b'로 표시된 삽입 상세도에 나타낸 바와 같이, 이미지 센서들 대신에 개별 지점 검출기들이 배치될 수 있다. 어느 한 경우, 평면 P"에서의 방사선 필드는 기판의 이미지가 아니라, 조명 어퍼처(548)와 켤레인 마크(202)의 회절 스펙트럼이다. 이 형태의 검출 시스템에서는, 마크(202)의 위치 정보를 얻는 데 필요한 정렬 신호들이 여전히 얻어질 수 있으며, 추가적으로 검출기들(530a 및 530b)에 의해 검출된 퓨필 평면 이미지들이 스케터로메트리를 수행하기 위해 마크 또는 기판(W) 상의 다른 특징부들의 추가 특성들을 분석하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 정렬 및/또는 오버레이 타겟들의 비대칭이 분석될 수 있으며, 이는 예를 들어 디바이스 층들 간의 오버레이 오차의 측정을 용이하게 한다.
공개되지 않은 선출원 US 13/369,614에 설명된 바와 같이, 타겟 비대칭을 측정하기 위해 별도의 기구보다는 정렬 센서를 이용하는 것의 장점은 정렬 센서와 오버레이 측정 장치 간의 위치설정 오차들이 제거된다는 것이다. 또 다른 장점은 마크들의 비대칭에 관한 정보가 센서를 이용하여 수행되는 위치 측정들의 정확성을 개선하는 데 사용될 수 있다는 것이다. 이는 비대칭이 보고된 위치에서 계통적 오차들을 도입할 수 있기 때문이며, 이는 적절한 공식 및 비대칭의 정보(knowledge)를 이용하여 보정될 수 있다.
어퍼처(548)에 의해 제공된 조명 패턴은 도 4에서 a 및 b로 표시된 밝은 사분원을 갖는 한편, 주어진 방향으로 정렬 마크(202)의 라인들에 의한 회절로부터 발생한 회절 패턴은 548'의 패턴으로 나타내어진다. 이 패턴에는, a0 및 b0으로 표시된 0차 반사들 이외에도, a-1, a+1, b-1 및 b+1로 표시되어 관찰되는 1차 회절 신호들이 존재한다. 조명 어퍼처의 다른 사분원들이 어둡기 때문에, 더 일반적으로는 조명 패턴이 180 °회전 대칭을 갖기 때문에, 회절 차수 a-1 및 b+1은 "프리(free)"하며 조명 어퍼처의 다른 부분들로부터의 0차 또는 고차 신호들과 오버랩되지 않음을 의미한다. 분할된 조명 패턴의 이 특성은, 종래의 원형-대칭 조명 어퍼처가 사용되는 경우에 이미징될 수 있는 최소 피치의 절반인 피치를 갖는 회절 격자(정렬 마크)로부터 분명한(clear) 1차 신호들을 얻기 위해 활용될 수 있다. 이 회절 패턴(548') 및 스케터로메트리를 위해 이를 활용할 수 있는 방식이 알려진 출원 US 2010/201963에서 설명된다. 정렬 센서 광학 시스템(500)의 간섭계(528)에서, 도 4에 548"로 예시되고 표시된 회절 패턴(548')의 180 °회전된 복사체(copy)가 형성되고, 패턴 548'와 혼합된다. 이 패턴들은 정렬 마크(202)의 스캐닝 동안 서로 간섭하여, 위치 신호를 제공할 것이다.
상업적으로 폭넓게 사용되는 US'116의 센서와 비교하면, 도 4의 변형된 센서는 어퍼처(548)의 변화뿐 아니라 간섭계(528)의 하류에서 완전히 상이한 검출 구성을 필요로 한다. 알려진 정렬 센서는 전체 광 필드를 단일 세기 값으로 간단히 통합할 수 있는 반면, 평면들 P"에서의 세기들은 퓨필 평면 이미지의 상이한 부분들에 존재하는 고차 신호들을 분리하고 0차 신호들을 무시하기 위해 공간적으로 분해되어야 한다. 검출 광학기의 재설계는 기존 설계들과의 호환성을 감소시킨다. 센서들(530a 및 530b)이 이미지 센서들인 버전에서, 이는 스루풋을 유지하는 데 필요한 성능 레벨들을 갖는 센서들 및 전자기기를 제공하기에 복잡하고 고가이다. 퓨필 이미지 평면(P")의 영역 내 소정 지점들에서만 방사선을 수집하는 검출기들(530a' 및 530b')이 사용되는 경우에는, 검출기에서의 공간 분해능을 제공하기 위해 광학 시스템이 여전히 재설계되어야 한다. 또한, 소정 위치들에서만의 세기 샘플링(sampling)은 많은 광이 버려져서 정확성 및/또는 작동 속도를 감소시키거나, 더 비싼 검출기를 필요로 한다는 것을 함축한다. 또한, 도 4의 장치의 작동은 각각이 약간 상이한 센서 수차(aberration)를 겪는 폭넓은 범위의 입사각들로부터 마크 상에 입사하는 방사선을 조합하기 때문에, 전체 측정 결과들이 공정 변동들에 대해 더 민감하다. 추가적으로, 분할된 조명 프로파일은 감소된-피치 마크들에 적절하지만, 현재 사용되는 바와 같은 개략 피치 마크들에는 적절하지 않다. 이는 개략 피치 마크에 대한 다양한 고차 +1, +2 등이 함께 더 가까이 놓이고 오버랩되기 시작하기 때문이다. 결과적으로, 실제로 분할된 어퍼처를 사용하는 것은 통상적인 마크들을 측정하는 경우 기계적 구성들에게 어퍼처를 바꾸도록(swap out) 설치될 것을 요구할 것이다.
이제부터 도 5를 참조하여 설명될 예시들에서는, 검출기 측에서 공간 분해능을 필요로 하지 않고 감소된 격자 피치들의 사용을 허용하는 정렬 센서들(더 일반적으로는, 위치 측정 장치들)이 도시된다. 신규한 조명 모드들의 사용에 의해, 이 장치들이 조명 프로파일을 변화시키지 않고, 또한 현재 검출기 디자인을 변화시키지 않고 폭넓은 범위의 상이한 피치들, 예를 들어 1 ㎛ 미만으로부터 20 미크론까지의 피치들을 갖는 마크들의 위치들을 측정할 수 있다.
설명될 예시들에 대해 공통인 제 1 특징은 제한된 범위의 입사각들(퓨필 평면에서 제한된 반경방향 크기)에서의 오프-액시스 조명의 사용이다. 오프-액시스 조명은 방사선의 소스 구역들이 퓨필의 주변부에 한정되는 것, 즉 광학 축선으로부터 약간 떨어지는 것을 의미한다. 조명을 퓨필의 극단적인 주변에 한정하는 것은 실질적으로 λ/NA로부터 실질적으로 λ/2NA로 정렬 마크의 가능한 최소 피치를 감소시키며, 이때 λ는 사용되는 방사선의 파장이고 NA는 기구(예를 들어, 정렬 센서 또는 더 일반적으로는 위치 측정 장치)의 대물렌즈의 개구수이다. 또한, 설명될 예시들은 장치의 빔 스플리터에서 특정한 분포의 스폿 거울들을 사용하며, 이는 원하는 조명을 제공할 수도 있고 0차 회절 방사선에 대한 필드 차단부로서 작용할 수도 있다. 조명 모드를 변화시키지 않고 여하한의 X, Y 및 XY 마크들 상에서의 정렬을 허용하는 '보편적(universal)' 조명 프로파일이 설계될 수 있지만, 이는 불가피하게 약간의 장치의 복잡함 및/또는 약간의 성능 약화를 가져온다. 대안적으로, 전용 모드(dedicated mode)들이 설계될 수 있으며, 상이한 마크 타입들과 사용하기 위해 선택가능하도록 이루어질 수 있다. 또한, 상이한 조명 편광들이 선택될 수 있다.
설명될 모든 프로파일들에서, 조명 프로파일은 대물렌즈의 퓨필 내에서 적어도 제 1 및 제 2 소스 구역들로부터 간섭성 방사선을 공급하기 위한 것이다. 제 1 및 제 2 구역들은 (적어도 광학 축선으로부터 떨어져 있다는 의미에서) 상기 퓨필의 주변부로 한정된다. 이들은 각각 각도 크기에 있어서 제한되고, 광학 축선에 대해 서로 정반대에 위치된다. 예시들로부터 알 수 있는 바와 같이, 소스 구역들은 매우 작은 스폿들의 형태를 취할 수 있거나, 또는 형태에 있어서 더 확장될 수 있다. 추가 소스 구역들이 제공될 수 있으며, 특히 제 3 및 제 4 소스 구역들이 제 1 및 제 2 구역들로부터 90 °회전되어 제공될 수 있다. 상기 장치는 전체로서 이 특정 조명 프로파일들을 제공하는 것에 제한될 필요는 없다. 이는 알려지거나 아직 개발되지 않은 다른 사용 모드들을 가질 수 있으며, 이는 상이한 프로파일들의 사용에 유리하다. 일 예시는 기존 마크들 및 측정 방법들과의 호환성을 위한 온-액시스(on-axis) 조명 프로파일이다.
우선 도 5 및 도 6을 참조하면, 도 2(a) 및 (b)에 나타낸 상이한 마크 타입들에 대한 오프-액시스 조명 모드들의 선택을 설명한다. 도 3의 알려진 센서에서는, 기판에 수직인 조명을 이용함으로써, 격자 피치가 λ/NA 또는 이보다 작은 한 여하한의 방향(X, Y 및 XY)으로 발생하는 회절 스폿들이 광학 시스템의 퓨필 내에 안전하게 포함될 것이다. +n 차수가 -n 차수와 오버랩하고 있는 경우에 정렬 신호가 추출될 수 있다. 이는 자기-참조 간섭계(228)를 이용하여 행해진다. 본 발명에서와 같은 오프-액시스 조명을 사용하고자 하는 경우에는, 단일 조명 모드에서 또는 하드웨어에서 쉽게 선택가능한 모드들에 의해 3 격자 방향들이 모두 지원되어야 한다.
도 5는 (a) 바람직한 오프-액시스 조명 프로파일, (b) 결과적인 회절 스폿들, 및 (c) X-축 방위[도 2(a)에서 202]를 갖는 마크에 대한 간섭계 이후 바람직한 퓨필 평면 이미지를 개략적으로 나타낸다. 도 5에서의 마크는 알려진 정렬 센서들과 호환될 수 있는 피치를 갖는다. 각각의 도표에서의 원은 광학 시스템의 퓨필을 나타내는 한편, 마크의 주기성의 방향은 원을 가로지르는 점선으로 나타내어진다. (a)에서, 2 개의 조명 스폿이 서로 정반대에 위치되어, 광학 축선(O, 도시되지 않음)에 대해 180 °대칭을 갖는 조명 프로파일을 제공한다. (당업자라면, 이 스폿들이 퓨필 평면에 존재하고 마크의 이미지 안이나 마크 자체 상의 스폿과 혼동되지 않아야 함을 이해할 것이다. 다른 한편으로, 퓨필 평면 내에서의 180 °는 이미지 평면에서의 180 °회전과 균등하다.) 스폿들은 X 축(점섬) 상에 위치되는 것이 아니라, 오히려 작은 각도만큼 이로부터 오프셋된다. 결과적으로, 스폿들은 X 축을 가로지르는 방향, 즉 격자 주기성의 방향을 가로지르는 방향으로 서로로부터 오프셋된다. (b)에서, 정렬 마크(202)의 격자에 의해 야기된 결과적인 회절 패턴이 관찰된다. 한 스폿에 대해, +1 및 +2 회절 차수들이 퓨필 내에 있다. 다른 스폿에 대해, +1 및 +2 차수들로부터 180 °회전된 위치들에서 -1 및 -2 회절 차수들이 퓨필 내에 있다. 각 스폿의 0차 회절(정반사)은 다른 스폿의 위치와 정확히 일치한다.
앞서 언급된 오프셋으로 인해, 각 스폿의 회절 차수들이 격자의 피치에 관계없이 다른 스폿의 차수들과 분리된 채로 유지된다. 오프셋이 존재하지 않은 장치가 예상될 수 있으며, 조명 스폿들은 X, Y, 및/또는 XY 축선들 상에 정확히 놓인다. 하지만, 이러한 장치는 회절 차수들 간의 원치 않는 오버랩들 및 원하는 회절 차수들의 차단을 회피하고자 하는 경우, 사용될 수 있는 방사선 파장들 및 마크 피치들의 조합들에 많은 제약들을 가한다. 광대역 또는 다색 방사선(polychromatic radiation)이 사용되는 실시예들에서, 고차 회절 신호들은 본 명세서에 나타낸 바와 같이 단일 스폿이 아니라, 1차 스펙트럼, 2차 스펙트럼 등으로 확산될 것이다. 이로 인해, 차수들 간의 원치 않는 오버랩들이 발생할 가능성이 더 크다. 본 명세서에서, 차수들은 단지 간명함을 위해 스폿들로서 표현될 것이다.
도 5(c)는 마크 이미지의 180 °회전된 복사체들을 혼합하는 간섭계를 통해 (b)에서의 회절 신호를 통과시킨 결과를 나타낸다. 0차 스폿들은 필드 차단부에 의해 차단된다고 가정된다. 이러한 필드 차단부의 간단한 구현은 아래의 예시들에서 설명될 것이다. 각각의 고차에 대한 양 및 음의 신호들은 중첩(superimpose)되고, +1/-1, +2/-2 등으로 나타낸 바와 같이 혼합된다. 원래의 조명 스폿들이 서로 간섭성이라면, 상기 효과는 단일 조명 스폿의 양 및 음의 차수들을 혼합하는 것과 동일하다. 따라서, 위치 측정 장치의 간섭계, 검출 광학기 및 검출 전자기기는 도 3의 알려진 장치에서와 동일할 수 있다.
도 6(a), (b) 및 (c)는 도 5에서 사용된 마크의 피치의 절반을 갖는 X-방향 마크에 대한 대응하는 조명 프로파일, 회절 패턴 및 간섭계 출력을 나타낸다. 이 경우, +1 및 -1 차수들만이 퓨필 내에 포함되지만, 이는 마크 위치의 인식을 위해 충분하며, 실질적으로 λ/2NA, 즉 알려진 기구에서 적용되는 것의 절반인 격자 피치에 대한 하한(lower limit)을 나타낸다.
도 5 및 도 6에서, (d), (e) 및 (f) 부분들이 유사하게 Y-방향 마크[도 2(a)에서 204]에 대해 설계된 조명 모드에 대한 조명 프로파일, 회절 패턴 및 간섭계 출력을 나타낸다. 도 5 및 도 6의 (a), (b) 및 (c) 부분들에 대해 상술된 모든 내용이 이 부분들에 동등하게 적용된다.
도 5 및 도 6에서, (g), (h) 및 (i) 부분들이 XY 마크[도 2(b)에서 210]에 대한 조명 프로파일들을 나타낸다. 마크가 각각 X 및 Y 축선들에 대해 45 °인 격자 라인들의 상이한 방위들을 갖는 부분들을 갖기 때문에, 조명 프로파일에서 두 쌍의 스폿들이 제공된다. X 및 Y 경우들에서와 같이, 각 쌍의 스폿들은 서로 정반대에 위치되고 격자 주기성의 방향을 가로지르는 방향으로 서로로부터 약간 오프셋된다. 두 쌍의 스폿들은 XY 마크를 스캐닝하는 경우 동시에 존재할 필요는 없다는 것에 유의한다: 각 쌍이 대응하는 주기성의 방향을 갖는 마크의 부분을 스캐닝하기 위해 스위칭온(switch on)될 수 있다. 두 쌍의 스폿들 모두 동시에 조명되는 경우에도, 기판으로부터 대물렌즈에 의해 수용되는 회절 차수들은 스캐닝되는 마크의 부분에서의 주기성의 방향에 대응하는 것들뿐일 것이다. 그러므로, (g), (h) 및 (i)에 나타낸 스폿들은 XY 마크의 두 부분들로부터의 조명 및 회절 신호들의 조합이다.
도 5 및 도 6으로부터, 최소 피치를 허용하는 이상적인 조명 프로파일은 3 개의 마크 타입들 모두에 대해 상이함이 분명할 것이다. 이후 도 11을 참조하여 아래에서 더 설명될 예시들에서, 조명 시스템은 마크 타입에 따라 선택가능하게 실질적으로 이 이상적인 조명 모드들을 제공하도록 구성된다. 그 시스템을 설명하기에 앞서, 도 7 내지 도 10의 예시들이 설명되며, 이를 위해 어느정도 절충되어 3 개의 격자 방향들 모두에 적절한 다목적 조명 프로파일이 구성된다.
도 5 및 도 6에서의 (j) 부분들이 방금 언급된 다목적 조명 프로파일(648)을 도시한다. 도 4에 나타낸 프로파일(548)과 비교하면, 프로파일 648은 2 개가 아닌 4 개의 조명 세그먼트(illuminated segment)를 포함한다. 또한, 각 세그먼트는 반경방향 크기에 있어서 제한되고 퓨필의 주변부에만 놓인다. 예를 들어, 각 세그먼트는 퓨필의 반경방향 크기의 10 % 미만 또는 5 % 미만인 반경방향 크기를 가질 수 있다(이로부터 도면이 정확한 축척으로 도시되지 않음을 이해할 것이다). 절대적 관점에서, 조명의 반경방향 크기는 1 mm 미만, 예를 들어 약 0.5 mm일 수 있는 한편, 퓨필 크기는 1 내지 3 cm 정도일 수 있다. 각 세그먼트는 광학 축선(Z 축선)으로부터의 퓨필의 반경의 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 또는 0.9보다 더 멀리 놓이는 퓨필의 주변부에 한정될 수 있다. 이 예시에서 세그먼트들은 부분-환형(part-annular)으로서 설명될 수 있으며, 각각은 광학 축선에 대해 45 °또는 약간 적은 각도에 대응한다(subtend). 그러므로, 각 세그먼트는 각각 90 °에 대응하는 도 4에 나타낸 조명의 사분원들에 비해 제한된 각도 크기를 갖는다. 도 5 및 도 6의 (j) 부분들에서 작은 원들로 나타낸 바와 같이, 이 4 개의 세그먼트들은 도 5 및 도 6의 (a), (d) 및 (g) 부분들에 나타나는 조명 스폿 위치들을 모두 포괄하며, 이는 마크 타입들 모두가 동일한 '보편적' 조명 프로파일로 적절히 조명될 수 있다는 것을 입증한다.
도 5의 (j) 부분의 조명 프로파일은, 마주하는 세그먼트들이 간섭계(528)가 바람직한 신호를 생성하도록 간섭성이어야 함을 명심하여 실용적인 기구를 형성하도록 다수 방식으로 생성될 수 있다. 특히 광대역 소스가 수반되는 경우, 소스 방사선의 간섭성 길이/시간은 매우 짧을 것이다. 단색 레이저 소스를 이용하더라도, US'116은 예를 들어 다중 반사들로부터의 간섭을 제거하도록 짧은 간섭성 시간이 바람직하다고 가르친다. 결과적으로, 소스로부터 각 세그먼트까지의 광학 경로 길이들이 매우 긴밀하게 매칭되어야 한다. 바람직한 프로파일에 바로 대응하는 어퍼처가 넓고 평행한 빔에 배치될 수 있지만, 비교적 큰 광 손실을 발생시킬 것이다. 광 손실을 회피하기 위해, 다양한 대안적인 해결책들이 제안된다.
도 7은 조명 프로파일(648)을 갖는 측정 장치의 제 1 예시를 나타낸다. 알려진 정렬 센서 및 도 4의 예시로부터 많은 요소들이 이월되었음을 인식할 것이다. 동일한 참조 번호들이 사용되지만, 앞자리 수 '2' 또는 '5'는 '6'으로 변화되었다. 따라서, 조명 서브시스템(640)은 방사선 소스(620) 및 섬유(642)를 포함한다. 입력 빔(622)이 렌즈(652) 및 빔 스플리터(654)를 통해 퓨필 평면(P)을 갖는 대물렌즈(624)로 전달된다. 대물렌즈(624)는 웨이퍼(W)의 정렬 마크(202/204/210) 상에 스폿(606)을 형성한다. 정보-전달 빔(626)이 빔 스플리터(654)를 통해 자기-참조 간섭계(628)로 통과한다. 간섭계(628)는 방사선 필드를 2 개의 동일부로 나누며, 이 부분들을 서로에 대해 180 °회전시키고, 이 부분들을 다시 출력 빔(682)으로 조합한다. 렌즈(684)가 전체 필드를 검출기(630) 상에 포커스하고, 이는 도 3의 알려진 정렬 센서와 유사한 구성이다. 검출기(630)에서의 공간 분해능은 필요하지 않지만, 다른 목적들을 위해 제공될 수 있다.
대물렌즈(624)로의 입구에서 바람직한 조명 프로파일(648)을 달성하기 위해, 섬유(642)로부터의 조명이 이것에 환형 분포를 제공하는 소위 액시콘 거울(axicon mirror: 702)로 전달된다. 기울어진 환형 형태로 이루어진 제 2 거울(704)이 이 방사선을 렌즈(652)로 보낸다. 결과적으로, 입력 빔(622)이 706에 나타낸 바와 같은 환형 방사선 프로파일을 갖는다. 빔 스플리터(654) 내에서, 개별 거울 세그먼트들(710)이 그 내부 계면(interface) 상에 바람직한 조명 프로파일(648)에 대응하는 패턴으로 형성된다. 실제로, 이 패턴은 입력 및 출력 방향들에서 볼 때 나타낸 바와 같이 보이도록 왜곡된 형태로 계면에 적용되어야 한다. 환형 프로파일(706)의 반경방향 크기는 바람직한 세그먼트들(648)의 크기에 매칭되어 방사선 손실을 감소시킨다. 하지만, 방사선의 50 %는 방사선이 빔 스플리터를 곧바로 통과함에 따라 거울 세그먼트들이 없는 각도 위치들에서 손실된다.
환형 프로파일(706) 및 분할된 환형 거울(710)의 결과로서, 바람직한 조명 프로파일(648)이 달성된다. 환형 프로파일(706)의 반경방향 크기는 바람직한 세그먼트들의 크기에 매칭되어 방사선 손실을 감소시킨다. 하지만, 방사선의 50 %는 방사선이 빔 스플리터를 곧바로 통과함에 따라 거울 세그먼트들이 없는 곳에서 손실된다. 하지만, 이는 도 4의 빔 스플리터(554)에서 필요한 종래의 반-도금(half-silvered) 계면보다는 나쁘지 않다. 분할된 거울은 0차 회절 방사선에 대한 필드 차단부로서 제 2 기능을 수행한다. 하지만, 도 3의 알려진 정렬 센서에서의 스폿 거울(223)과 달리, 0차 회절 방사선이 그 입사각의 180 °반대인 각도로 대물렌즈에 다시 들어가도록 타겟에 의해 반사되기 때문에, 각각의 거울 세그먼트가 그 자신의 필드 차단부 역할을 할 수는 없다. 하지만, 거울(710)은 180 °대칭인 패턴을 갖기 때문에, 거울(710)의 각 세그먼트가 정반대에 있는 세그먼트에 대한 0차 신호를 차단하는 필드 차단부 역할을 할 수 있다. 이 방식으로, 어떠한 추가적인 구성요소들 없이도 0차 신호들이 간섭계(628)에 들어가기 전에 정보-전달 빔(626)으로부터 제거된다. 위치 신호(변동)가 여전히 0차를 차단하지 않고 추출될 수 있지만, 그 경우 0차는 잡음의 형태를 이루는 배경 세기(background intensity)(DC 성분)를 제공한다.
도 8은 도 7의 장치의 약간 변형된 버전을 나타내며, 이때 기울어진 환형 거울(704)이 원뿔대 거울(frustoconical mirror)로 대체된다. 도 7 및 도 8의 두 예시에서, 액시콘 렌즈는 유사한 효과를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 액시콘 거울(702)은 색수차의 문제가 더 적다.
도 9는 '절충된' 조명 프로파일(648) 및 잠재적 해결책의 몇몇 한계들을 예시한다. 새로운 위치 측정 장치를 개발하는 것의 주요 목적은 더 작은 격자 피치를 갖는 마크들의 측정들을 허용하는 것이지만, 중요하게는 새로운 장치가 더 넓은 피치의 기존 마크들과도 잘 기능하여야 한다. 도 9(a)는 개략 피치를 갖는 X 마크에 대한 회절 패턴을 나타낸다. 마크의 피치 및 방사선의 파장에 따라, 하부 사분원의 -1차가 오른쪽 사분원의 +1차와 오버랩될 수 있음을 관찰할 수 있다. 이는 원치 않은 효과이다. 또한, 간섭계 이후, 오버랩된 하부 -1차 및 상부 +1차가 정렬 센서에 존재하는 가능한 수차들로 인해 원치 않은 추가 간섭 패턴을 생성한다. 또한, 이 도표는 간명함을 위해 0차 및 1차만을 나타내며, 고차가 존재할 것이다. 0차들은 스폿 거울들(710)에 의해 차단되지만, 개략 마크들에 대해 1차뿐 아니라 2차, 3차 및 고차 모두가 퓨필 내에 포함되어, 추가 간섭을 훨씬 더 복잡하게 만들 수 있다.
도 9(b)는 이 간섭 문제에 대한 해결책을 나타낸다. 퓨필의 부분들이 나타낸 바와 같이 필드 차단부(720)로 차단된다. 이 필드 차단부는 예를 들어 도 7에 나타낸 바와 같이 간섭계(628) 이후에 배치될 수 있으며, 또는 간섭계 이전에 정보-전달 빔(626)에 배치될 수 있다.
도 9(c)는 유사한 개략 피치를 갖는 Y 마크에 대한 회절 패턴을 나타낸다. 도 9(b)에 나타낸 바와 같은 필드 차단부(720)는 도 9(d)에 나타낸 바와 같이 90 °회전된다(또는 다른 것으로 대체됨). 따라서, 필드 차단부는 X, Y 및 XY 마크들에 대해 조정가능할 수 있다(각각 상부 및 하부, 왼쪽 및 오른쪽, 및 45 °더하거나 뺀 곳을 차단함). US'116에서 앞서 유의되는 바와 같이, 간섭계의 하류에 위치된 필드 차단부(720)의 정렬 및 광학 품질은 특별히 치명적이진 않으며, 이는 그 지점에 의해 빔에서 위치 정보가 이미 인코딩되었기 때문이다. 필드 차단부의 회전은 실제로 전자 제어에 의해 불투명하거나 투명하게 만들 수 있는 세그먼트들을 갖는 LCD 디바이스와 같은 프로그램가능한 공간 광 변조기에 의해 실현될 수 있다. 2 개의 상이한 방위를 갖는 XY 마크(210)에 대해, 필드 차단부의 방위는 나타낸 것에 대해 45 °로 있을 것이며, 마크의 스캐닝 동안 스위칭되도록 제어될 수 있다.
작은 피치의 정렬 타겟들에 대해서는, 원치 않는 간섭 패턴들을 야기하는 고차들이 대물렌즈의 NA 외부에 있고 이에 따라 퓨필 평면 내에 존재하지 않기 때문에, 이 필드 차단부들(720)이 필요하지 않다. 필드 차단부(720)들은 여하한의 경우에 증가된 공정-감도를 대가로 생략될 수 있다는 것을 유의한다. 이는 큰 범위의 입사각들이 사용되고 약간 상이한 입사각을 갖는 광이 약간 상이한 센서 수차를 겪기 때문이다.
도 10은 상이한 '보편적' 조명 프로파일(848)을 이용하는 또 다른 위치 측정 장치를 예시한다. 각도 크기를 감소시키고 도 9(a)에 예시된 문제들 중 일부를 회피하는 한편, 광의 지나친 손실량을 회피하기 위해, 몇몇 쿼드러플 렌즈(quadruple lens: 802 및 804)가 입사하는 방사선을 프로파일(806)을 갖는 4 개의 밝은 스폿들로 집중시키는 데 사용된다. 이 스폿들은 스폿 거울들(810)에 의해 매칭되어, 대물렌즈(624)의 퓨필 평면(P)에서 바람직한 조명 프로파일(848)을 형성한다. 프로파일(848) 내의 스폿들은 두 쌍이며, 각 쌍에서 180 °대칭이다. 쌍들은 서로 90 °이며, X 및 Y 축선들에 대해 22.5 °로 위치된다. 스폿들은 프로파일 648의 환형 세그먼트들보다 작으며, 이는 차수들 간의 간섭 위험을 감소시킨다. 스폿들은 퓨필 평면에서 제한된 각도 크기 및 제한된 반경방향 크기를 갖는다. 예를 들어, 각 스폿은 퓨필의 반경방향 크기의 20 % 미만, 10 % 미만 또는 5 % 미만인 반경방향 크기를 가질 수 있다(이로부터 도면 내의 스폿들이 정확한 축척으로 도시되지 않음을 이해할 것이다). 절대적 관점에서, 조명의 반경방향 크기는 1 mm 미만, 예를 들어 약 0.5 mm일 수 있는 한편, 퓨필 크기는 1 내지 5 cm 정도일 수 있다. 각 스폿은 광학 축선에서 떨어져 있으며, 광학 축선(Z 축선)으로부터의 퓨필의 반경의 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 또는 0.9보다 더 멀리 놓일 수 있다. 각 스폿의 각도 크기는 10 °미만 또는 5 °미만일 수 있다.
고차 스폿들이 회절 방사선 필드에서 발견될 방향들은 X, Y 및 XY 마크들에 대해 프로파일(848) 상의 흰 점선들로 도시된다. 조명 프로파일(806)은 다시 다음 특성들을 갖는다: (ⅰ) 각각의 스폿은 반경방향 및 각도 크기에 있어서 제한되고, (ⅱ) 각 스폿 쌍 내에서 스폿들은 X, Y, 또는 XY 마크들의 주기성의 여하한 방향들을 가로지르는 방향으로 서로로부터 오프셋된다. 따라서, 이 회절 방향들을 따라 놓이는 고차 스폿들이 적어도 필드의 중간 부분에서는 서로 간섭하지 않을 것이다. 특히 개략 마크들이 측정되고 있는 경우, 앞선 예시들에서와 같이 조정가능한 필드 차단부(720)가 제공될 수 있다.
도 5 내지 도 10을 참조하여 앞서 설명된 예시들은 그대로 현재 정렬 센서의 검출기 측을 남기는 한편, 제한된 광 손실(대략 4 배)로 더 작은 피치의 정렬 마크들을 측정하는 능력을 추가한 장점을 갖는다. 도 10의 구성은 조명 스폿들이 주기성의 방향들에 대해 이러한 극단적인 위치들에 있지 않기 때문에, 최소 피치의 관점에서 약간 절충된다. 상기 구성을 갖는 경우, 검출기 어레이를 이용함으로써 퓨필 기반 검출을 수행하는 것이 여전히 가능하다. 상기 구성의 한가지 장점은 정렬 센서로 각도-분해된 스케터로메트리를 수행할 수 있다는 것이다. 특수화된 스케터로미터가 예를 들어 더 폭넓은 범위의 입사각들로 이러한 측정을 더 우수하게 수행할 수 있지만, 별도의 메트롤로지 툴보다는 리소그래피 툴에 존재하는 정렬 센서 하드웨어를 이용하여 이러한 측정들을 수행할 수 있다는 장점들이 존재한다.
최종적으로, 앞선 도 4, 도 7, 도 8 및 도 10에 나타낸 예시들에서는 실제로 간섭계 주위에 요구되는 몇몇 편광 요소들이 생략되었다는 것을 유의하여야 한다. 이는 단지 이 개념의 설명을 간소화하기 위해 행해진다. 실제 구현에서는 이들이 포함되어야 한다. 추가적으로, 마크 타입에 따라 상이한 편광들로 측정들을 수행하고, 및/또는 각각의 마크 상에서 1 이상의 편광으로 측정들을 수행하는 것이 일반적이다. 당업자라면, 바람직한 편광들을 달성하기 위한 특징들을 쉽게 예상할 수 있다.
이제 도 11은 단일 '절충' 조명 프로파일에서 모든 마크 타입들을 포함하려 하지 않고, 도 5 및 도 6에 나타낸 조명 패턴들의 원리들에 기초하는 위치 측정 장치들의 예시들을 설명한다. 이들은 각각의 마크 타입에 대해 '이상적인' 조명 프로파일이 선택되게 하므로, 필드 차단부들의 회전 또는 필드 차단부들의 대체를 회피한다. 또한, 이들은 액시콘들 및 매칭되는 렌즈들과 연계된 비용 및 제조 어려움들을 회피한다. 이 구성요소들 대신에, 이 추가 예시들은 프리즘들을 이용하여 오프-액시스 스폿 쌍들을 생성한다. 특히, 위치 측정 자체에 사용되는 것과 동일한 타입의 자기-참조 간섭계가 짧은 간섭성 길이 또는 시간을 갖는 방사선으로부터 대칭적인 간섭성 스폿 쌍들을 생성하는 방식을 제공한다. 특수한 기술들 및/또는 구성요소들이 제시되며, 이는 각 쌍에서의 스폿들의 편광들이 매칭되고 선택가능할 것을 보장한다. 이 기술들이 설명될 것이다.
도 11은 마크 타입에 따른 다양한 모드들에서 이용가능한 장치의 개략적인 도면을 나타내며, 편광이 제안된 조립체가 조명 브랜치에서 자기-참조 간섭계를 이용하여 오프-액시스 조명을 가능하게 한다. 상기 장치는 먼저 빔을 나타내지 않고 광학 축선(O)만으로 설명될 것이다. 마찬가지로, 상기 장치의 주요 구성요소들에 대한 참조 번호들은 앞선 도면들에서 사용된 것들에 대응하며, 이 경우 이전과 상이한 구성요소들에 대해서는 앞자리 수가 '9'이다. 따라서, 조명 서브시스템(940)이 관찰되며, 이는 아래에서 더 상세히 설명될 특수한 특성들을 갖는다. 본질적으로 변화되지 않은 구성요소들은 빔 스플리터(654), 퓨필 평면(P)을 갖는 대물렌즈(624), 및 자기-참조 간섭계(628)이다. 간섭계(628)는 방사선 필드를 2 개의 동일부로 나누며, 이 부분들을 서로에 대해 180 °회전시키고, 이 부분들을 다시 출력 빔(682)으로 조합한다. 간섭계는 앞선 예시들과 비교하여 약간 상이하게 도시되지만, 여하한의 경우 이는 단지 복잡한 3-차원 형상의 2-차원 표현이다. 렌즈(684)가 전체 필드를 검출기(630) 상에 포커스하고, 이는 도 3의 알려진 정렬 센서와 유사한 구성이다.
도 11은 상기 장치에 제공될 수 있는 다양한 선택적 특징들을 나타낸다. 검출기(630)에서의 공간 분해능은 위치 측정들에 필요하지 않지만, 이는 다른 목적들을 위해 제공될 수 있다. 도 11의 장치는 정보-전달 방사선의 일부(fraction)를 카메라 구성부(932)로 방향전환하는 추가 빔 스플리터(930)를 선택적으로 포함한다. 이 카메라는 각도-분해된 스케터로메트리 및 다른 목적들을 위해 방사선의 퓨필 평면 이미지들을 기록할 수 있다. 또 다른 선택사항은 빔 스플리터(654)와 대물렌즈(624) 사이에 1/4 파장판(936)을 포함하는 것이다. 이 기능은 이후 설명될 것이다.
앞서 언급된 바와 같이, 도 11의 장치는 도 5 또는 도 6의 (a), (d), 및 (g)에 예시된 조명 프로파일들을 갖는 선택가능한 조명 모드들을 직접 구현하도록 설계된다. 또한, 나타낸 예시는 대안적인 편광들을 이용하여, 실질적으로 이동하는 부분들 없이 이 프로파일들 중 어느 하나를 구현할 수 있다. 다양한 구성요소들이 이를 달성하도록 작동한다. 우선, 조명 소스(942)가 모든 이용가능한 조명을 실질적으로 빔 스플리터(654) 아래 조명 프로파일에 바람직한 각도 및 반경방향 크기들을 갖는 미세 스폿(944)으로 집중시키도록 설계된다. 스폿(944)의 위치는 광학 시스템의 입구 퓨필(954) 내에서 이동가능하며, 본 명세서에서 소스 공급 위치들이라고 칭하는 9 개의 사전설정된 위치들로부터 이동되거나, 이 예시에서는 선택될 수 있다. 이들은 퓨필의 주변부 주위에 45 °간격으로 이격되어 1 내지 8로 표시된 위치들 및 중심 위치이다. 스위칭가능한 광섬유들이 이들을 제공하기에 적절하지만, 위치들 사이에서 물리적으로 이동하는 단일 섬유가 예상될 수도 있다. 도 5의 모든 조명 모드들을 생성하기 위해, 알 수 있는 바와 같이 실제로 4 개의 소스 공급 위치들만이 필요하다(예를 들어, 1 내지 4). 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 8 개의 위치들을 배치(populate)하는 것이 2 개의 교번하는 편광 모드들로 하여금 편광기 구성요소들을 이동시키지 않고 선택되게 한다. 중심 스폿은 단순히, 필요한 경우 온-액시스 조명이 사용되게 하도록 제공된다.
조명 소스(942)로부터 나오는 조명은 단색일 수 있지만, 통상적으로 사실상 광대역이며, 예를 들어 백색광이다. 빔 내의 파장들의 다양성은 알려진 바와 같이 측정의 견실성을 증가시킨다. 하지만, 그 광대역 성질로 인해 소스 방사선은 짧은 간섭성 길이를 갖는다. 소스 공급 위치들(1 내지 8)은 X, Y 및 XY 축선들 바로 위에 있는 것이 아니라, 도 5 및 도 6을 참조하여 앞서 설명된 이유들로 오프셋된다. 이들은 바람직하다면 축선들 상에 배치될 수 있다. 이는 단지 파장 및 격자 피치의 소정 조합들에서 회절 차수들 간의 간섭 위험을 도입한다.
조명 시스템의 추가 구성요소들은 반파장판(960), 프리즘 디바이스(962) 및 변형된 반파장판(964)이다. 프리즘 디바이스(962)는 예를 들어 자기-참조 간섭계(628)와 동일할 수 있으며, 결과로서 소스(942)에서 선택된 단일 스폿의 위치에 의해 위치들이 결정되는 서로 정반대에 있는 스폿들의 간섭성 쌍을 생성하는 데 효과적이다. 즉, 적절한 소스 공급 위치를 선택함으로써 소스 구역들의 바람직한 쌍에서 방사선이 공급될 수 있다. 프리즘 디바이스(962)는 이후, 마크로부터의 정보-전달 방사선을 처리하는 간섭계(628)와 구분하도록 "입력 간섭계"(962)라고 칭해질 것이다. 입력 간섭계(962)는 퓨필의 X 축 및 Y 축과 정렬되는 주축을 가지며, 45 °편광에서 방사선이 공급되는 경우 그 회전-및-조합 기능을 수행하도록 설계된다. 반파장판(960)은 X 또는 Y 축에 대해 22.5 °로 방위된 빠른 축을 갖고, X 또는 Y 편광을 갖는 소스로부터 나온 방사선을 45 °편광을 갖는 방사선으로 변화시키는 역할을 한다. 들어오는 광의 편광이 빠른 축과 정렬되는 경우, 반파장판의 효과는 없다(nil). 그렇지 않은 경우, 그 효과는 빠른 축의 방향으로 편광 방향을 반사시키는 것이다. 반파장판(960)은 소스(942)의 적절한 디자인에 의해 45 °편광된 광이 직접 방출되는 경우 생략될 수 있다.
입력 간섭계의 하류에 위치된 변형된 반파장판(964)은 구체적으로 이 적용예를 위해 설계된 신규한 구성요소이지만, 잠재적으로는 폭넓은 유용성을 갖는다. 그 신규한 특성은, 이것이 광학 축선 주위의 상이한 지점들에서 빠른 축의 상이한 방위를 갖는다는 것이다. 상기 예시는 특히, 하나의 절반이 X 축 및 Y 축 중 하나에 평행하게 방위된 빠른 축을 갖는 한편, 다른 절반이 X 축 및 Y 축에 대해 45 °인 빠른 축을 갖도록 스플릿(split: 966)을 갖는다. 더 일반적으로는, 제 1 위치에서의 빠른 축이 제 1 위치의 정반대인 제 2 위치에서의 빠른 축에 대해 45 °인 것이 반파장판(964)의 특징이다. 이 조건은 더 많은 세그먼트들에 만족할 수 있지만, 이 예시에서는 단순한 스플릿(966)이 충분하다. 스플릿(966)은 Y 축에 대해 22.5 °로 기울어진다. 이 각도를 선택함으로써, 스플릿이 여하한의 소스 공급 위치들과의 간섭을 회피하게 되고, 변형된 판의 제조가 용이해진다. 구체적으로, 나타낸 바와 같은 스플릿 판은 단일의 균일한 반파장판으로부터, 이를 빠른 축에 대해 22.5 °인 라인을 따라 두 개로 절단하고, 절반들 중 하나를 뒤집어서 다시 이들을 함께 장착함으로써 형성될 수 있다. Y 축에 대한 22.5 °의 선택은, 빠른 축의 방위가 들어오는 방사선의 편광 방향에 적절하여 아래에서 더 충분히 설명되는 기능을 달성하는 한 임의적이다. 홀(968)이 광학 축선에 형성되어, 온-액시스 조명이 방해받지 않고 통과하게 된다. 물론, 피스(piece)들은 서로 평행한 위치에, 적절하게는 광학 축선 주위의 위치들에 유지되는 한, 피스들이 함께 장착되는 방식은 중요하지 않다. 실제 실시예에서, 이들은 지지를 위한 평유리판에 접합(cement)되거나, 입력 간섭계(962)의 출력 면에 직접 접합될 수 있다.
빔 스플리터(654)에서, 스폿 거울(910)은 바람직한 오프-액시스 조명 스폿 위치들을 모두 제공하도록 8 개의 주변 위치들에 놓인다. 중심의 스폿 거울이 제공되어, 온-액시스 조명을 이용한 다른 작동 모드들을 허용한다. 이 스폿들의 각도 및 반경방향 크기들은 매우 작으며, 예를 들어 퓨필 반경 크기의 2 내지 5 %이고, 이와 유사하게 각도 크기가 작다(예를 들어, 10 도 미만 또는 5 도 미만, 예를 들어 1 내지 3 도). 예를 들어, 1 cm 내지 3 cm의 퓨필 직경을 갖는 예시적인 장치에서, 각각의 스폿은 약 0.5 mm의 직경을 가질 수 있다.
다음의 설명을 위해, 다양한 평면(1) 내지 (7)이 도표에 표시된다. 이들은 물리적 성분들이 아니다. 이 평면들의 정밀한 위치들은 중요하지 않은데, 이는 이들이 모든 광선들이 평행해야 하는 장소들에 위치되기 때문이다.
도 12(a)는 소스 공급 위치(1)가 선택되고 조명되는 제 1 조명 모드에서 작동하는 도 11의 장치를 예시한다. 이 섬유만을 스위칭온하는 경우, 평면(1)에서 도 12(b)에 도시된 바와 같은 퓨필 평면이 생성된다. 점(dot)은 조명의 위치를 나타내고, 화살표는 편광 방향을 나타낸다. 빔이 제 1 반파장판(960)을 강타하는 경우, 편광이 (2)에 도시된 바와 같이 45 °회전된다. 그 후, 빔은 입력 간섭계(962)에 들어가고 이때 2 개의 복사체로 나누어지며, 복사체들은 서로에 대해 180 °회전하고 재조합된다. 따라서, (3)에서 직교 편광된 2 개의 광선들이 얻어지고, 이는 그 다음 스플릿 반파장판(964)을 강타한다. 분리된 파장판들 사이의 계면(966)의 방위가 (3)에서 라인으로 도시되었다. 입사하는 광의 편광이 빠른 축과 정렬되는 경우, 반파장판의 효과는 없다. 그렇지 않은 경우, 상기 효과는 빠른 축의 방향으로 편광 방향을 반사시키는 것이다. 따라서, 빠른 축이 입사하는 편광에 대해 45 °인 경우, 편광은 90 °회전될 것이다. 오른쪽 광선의 편광은 스플릿 반파장판(964)에 의해 90 °회전되는 한편, 왼쪽 광선의 편광은 변하지 않고 유지되는데, 이는 그 편광이 빠른 축에 직교이기 때문이다. 따라서, (4)에서 도 5(d) 중 하나와 유사한 조명 프로파일이 생성되고, 이는 격자 라인들에 직교인 편광을 갖는 X 마크(202)를 조명하기에 적절하다.
도 13은 격자 라인들에 평행인 편광을 갖는 X 마크(202)를 조명하기에 적절한 조명 프로파일을 생성할 수 있는 방식을 나타낸다. 이를 위해, 도 13(a)에 도시된 바와 같이 간단히 하부 섬유(소스 공급 위치 5)가 스위칭온된다. 하부 섬유를 스위칭온하는 경우, 도 13(b)의 (1)에 도시된 바와 같은 퓨필 평면이 생성된다. 점 안의 화살표는 마찬가지로 편광 방향을 나타내고, 이는 소스 공급 위치 1[도 12(b)의 (1) 참조]에서 가졌던 것과 동일한 편광이다. 빔이 제 1 반파장판(960)을 강타하는 경우, 편광이 (2)에 도시된 바와 같이 45 °회전된다. 그 후, 빔은 입력 간섭계(962)에 들어가고, 나타나는 것은 (3)에 도시된다. 다시, 서로에 대해 직교 편광된 2 개의 광선들이 관찰된다. 소스 공급 위치들(1 및 5)이 서로 정반대에 있기 때문에, 이 광선들은 도 12(b)에서와 동일한 위치들에 있지만, 편광들은 도 12(b)의 (3)에서의 편광들과 직교이다.
이 2 개의 광선들이 스플릿 반파장판(964)을 강타하는 경우[마찬가지로 계면 라인의 방위가 (3)에서 라인으로 도시되었음], 오른쪽 광선의 편광은 스플릿 반파장판(964)에 의해 90 °회전되는 한편, (3)에서 왼쪽 광선의 편광 방향은 변하지 않고 유지된다. 따라서, 이 방식으로 격자 라인들에 평행인 편광을 갖는 X 마크를 조명하기에 적절한 조명 모드가 생성된다.
도 12 및 도 13으로부터, 소스 방사선의 편광을 변화시키기보다는 단지 소스 공급 위치를 스위칭함으로써, 신규한 조명 시스템(940)이 두 편광들에서 주어진 마크에 적절한 조명 프로파일들을 생성하게 하는 방식을 알았다. 2 개의 스폿들은 단일 입력 광선으로부터 만들어지며, 그러므로 소스 방사선이 매우 짧은 간섭성 길이/간섭성 시간을 갖는 경우에도 간섭성이다.
도 14는 (a) 내지 (h)에서, 단순히 소스 공급 위치들(1 내지 8) 중 적절한 하나를 선택함으로써, 어느 한 편광에서 도 5 및 도 6에 제안된 조명 프로파일들 중 어느 하나가 생성될 수 있는 방식을 나타낸다. 도 14(a)는 도 12(b)에 대응하고, 도 14(b)는 도 13(b)에 대응하며, 이 도면들은 단순히 완전성(completeness)을 위해 반복된다. XY 마크에 관해서는, 2 개의 소스 공급 위치들이 차례로 가동되어 도 5(g)에 나타낸 조명 프로파일의 두 쌍의 스폿들을 달성할 수 있다. XY 마크의 상이한 부분들에 대한 선택들은 도 14의 (e)/(f) 및 (g)/(h)에서 도시된다.
도 11 내지 도 14는 조명 소스(942)에 의해 제 1 평면(1)에 설정된 후 평면(2)에서 45 °회전되는 각각의 소스 공급 위치에서의 방사선의 편광을 나타내지만, 이는 방사선이 조명 소스(942)로부터 나오는 경우 평면(2)에서 바람직한 편광이 이미 존재하고, 반파장판(960)이 생략될 수 있는 것으로 구성될 수 있다. 각 소스 공급 위치에서의 바람직한 편광을 갖는 방사선의 전달은 광의 편광을 보존하는 알려진 타입의 광섬유들을 이용하여 구성될 수 있다. 적절한 회전을 갖는 섬유 단부들을 장착함으로써, 바람직한 각도에서 편광된 방사선이 바람직한 소스 공급 위치들 각각에서 제 2 간섭계(962)로 전달될 수 있다.
이상, 한번에 하나의 조명 공급 위치만을 조명하는 것이 제안되지만, 이는 예를 들어 2 개의 상이한 편광들을 이용하여 위치를 측정하기 원하는 경우, 마크가 한번 이상 스캐닝되도록 요구한다. 또한, 이는 XY 마크를 스캐닝하는 동안 조명 모드의 스위칭을 필요로 한다. 두 측정들이 동시에 수행될 수 있도록 광학 신호들을 다중화하기 위한 선택사항들이 존재한다. 이와 유사하게, 다중화는 조명 모드를 스위칭하지 않고 XY 마크의 상이한 위치들이 스캐닝 및 측정될 수 있도록 적용될 수 있다. 이러한 다중화를 수행하는 간단한 방식은 주파수 분할 다중화에 의한 것이다. 이 기술에서는, 각 소스 공급 위치로부터의 방사선이 위치 정보를 전달하는 시변 신호의 주파수보다 훨씬 더 높게 선택된 특성 주파수와 변조된다. 이러한 변조를 이용하여, (예를 들어, 도 12 및 도 13에서와 같이) 예를 들어 동일하지만 상이한 편광들을 갖는 조명 프로파일들을 제공하기 위해 2 개의 소스 공급 위치들이 가동될 수 있다. 검출기(630)에 도달하는 회절되고 처리된 광학 신호들은 두 편광들의 혼합일 것이며, 이들은 소스 방사선의 각 주파수들에 맞춰진 필터들을 이용하여 전자적으로 분리될 수 있다. 또한, 시간 분할 다중화가 사용될 수 있지만, 이는 소스와 검출기 사이에 정확한 동기화를 필요로 할 것이다. 각 주파수에서의 변조는, 예를 들어 단순한 사인파 또는 구형파일 수 있다.
위치 감지를 위해서든 어떤 다른 형태의 메트롤로지를 위해서든, 원형 편광으로 마크를 조명하는 것이 바람직한 경우, 1/4 파장판(936)이 삽입될 수 있다. 이는 도 11에서 선택적 특징으로서 도시되었으며, 선형 편광을 원형 편광으로 바꾸는(그리고 이를 다시 되돌리는) 효과를 갖는다. 스폿 위치들은 올바른 소스 공급 위치에서 섬유를 가동시킴으로써 이전과 같이 선택된다. 원형 편광의 방향(시계방향/반시계방향)은 도 14에서 상이한 선형 편광들을 선택하는 것과 동일한 방식으로 반대편 소스 공급 위치를 선택함으로써 변화될 수 있다.
도 15는 단일 조명 섬유가 퓨필 평면에서 선택된 위치로 이동하도록 기계적으로 옮겨지는(translate) 대안적인 구성을 나타낸다. 이 구현은 단지 사전설정된 선택보다는 여하한의 입사각으로부터 격자를 조명하는 것이 가능하다는 장점을 갖는다. 하지만, 계속해서 변동가능한 위치들을 허용하기 위해, 빔 스플리터(654)는 몇몇 정의된 위치들에서만 고반사 스폿 거울들을 갖기보다는 전체에 걸쳐 반-도금되어야 할 것이다. 그러므로, 이러한 장치는 측정 오차들(및 리소그래피 공정에서의 결과적인 정렬 오차들)의 야기를 회피하도록 신중한 구현을 필요로 하며, 반-도금된 빔 스플리터를 두 번 통과시킴으로써 방사선의 75 %가 손실된다.
도 16은 도 11의 장치의 기능을 갖지만 특수한 스플릿 반파장판(964)은 이용하지 않는 장치를 나타낸다. 그 대신, 나타낸 바와 같이 X 또는 Y 축에 대해 22.5 °로 방위된 빠른 축을 갖는 단순한 반파장판(970)이 제공된다. 결과적으로, 직교 편광들[(3)에서]을 갖는 한 쌍의 광선들이 입력 간섭계(962)로부터 나오는 경우, 반파장판(970)은 그 편광들이 (4)에 나타낸 바와 같이 되도록 이들을 둘 다 45 °회전시킬 것이다. 마크의 주기성에 평행이거나 직교인 바람직한 대안적인 편광들을 생성하기 위해, 편광기(972)가 제공되어 (4')에 나타낸 바와 같이 정렬된 두 편광들을 갖는 방사선 필드를 산출한다. 이 다음에, 편광기 이후 편광을 선택적으로 회전시킬 수 있는 능동 요소(active element: 974)가 제공되어, 실제로 요구되는 선택가능한 편광을 달성한다. 이 능동 요소는 예를 들어 전자적으로 제어되는 액정(liquid crystal), 또는 회전할 수 있는 반파장판일 수 있다.
또 다른 대안예는 편광-중립(polarization-neutral) 자기-참조 간섭계를 사용하는 것이며, 이 또한 US'116에서 설명되는 변형예이다. 하지만, 배면 반사(back reflection), 50 %보다 큰 광 손실, 및 흡수를 고려하여야 한다.
앞서 설명된 여러 가지 신규한 위치 측정 장치들의 장점들을 요약하면:
- 작은 피치들을 갖는 정렬 마크들이 기존 자기-참조 간섭계 및 검출기 노하우 및 기반구조를 변경하지 않고 측정될 수 있다.
- 조명 모드를 변화시키지 않고 X, Y 및 XY 격자들의 측정을 허용하는 몇몇 '보편적' 조명 프로파일들이 입증된다. 개략 마크들 상에서의 회절 차수들 간의 원치 않는 간섭으로 인해, 간섭계 이후 필드-차단부가 모드들 사이에서 조정가능하여야 하지만, 이 차단부의 정렬은 간섭계 이전 어퍼처의 정렬보다 덜 중대하다.
- 다른 예시들이, 다른 이동하거나 능동적인 부분들 없이 단지 소스 공급 위치를 변화시킴으로써 선택될 수 있는 마크-특정적(mark-specific) 조명 모드들을 제공한다. 변형된 반파장판을 이용하여, 이 방식으로 편광들이 스위칭될 수도 있다. 넓은 범위의, 예를 들어 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛의 피치들을 갖는 마크들로부터 정렬 신호가 추출될 수 있다.
- 정렬 마크들에 대해 지원되는 가능한 최소 피치는 λ/NA로부터 거의 λ/2NA까지 단축된다. 작은 피치의 정렬 마크들 상에서 얻어진 정렬 신호는 마크 변형에 덜 민감하다. 마크 변형은 일반적으로 웨이퍼의 에지에서 더 주요(dominant)하다. 앞으로, 450 mm와 같은 더 큰 기판들이 처리되고 측정될 것으로 기대되는 경우, 이 에지 효과들은 더 심각해질 수 있다. 이 효과들은 작은 피치의 정렬 마크들을 이용함으로써 감소될 수 있다.
- 스폿 거울들에 의해 구현된 조명 스폿들(더 일반적으로는 소스 구역들)을 포함하는 조명 프로파일들은, 한 스폿의 스폿 거울이 반대편 스폿의 0차에 대한 필드 차단부로서 작용하도록 쌍을 이루어(in pairs) 배치될 수 있다.
- 조명 프로파일의 생성 동안 제한된 양의 광자들이 손실된다. 몇몇 예시들에서는, 사실상 조명 시스템에 들어가는 모든 광자들이 사용된다.
- 공간 분해능을 갖는 검출기를 추가하면, 주로 정렬 센서로서(즉, 위치 측정을 위해) 설계된 장치가 퓨필 평면 검출을 행하도록 확장될 수 있다. 이는 각도 분해된 스케터로메트리 및 이에 따른 마크 재구성을 허용하지만, 제한된 범위의 입사각들을 갖는다.
비대칭 측정에 대한 적용
지금까지 설명된 바와 같이, 위치 측정 장치는 예를 들어 도 1에 나타낸 바와 같은 리소그래피 장치에서 정렬 위치를 얻기 위해 사용된다. 정렬 마크가 비대칭인 경우 오차가 생긴다. 비대칭 정렬 마크들에 의해 야기된 정렬 오차는 리소그래피 장치의 작동 시 측정들을 이용하여 구성되는 디바이스들 내의 오버레이 오차에 기여한다. 오프-액시스 위치 측정 장치가 작동되는 방식을 변형함으로써, 동일한 하드웨어를 사용하여 간략히 설명되는 바와 같이 직접 마크의 비대칭을 측정할 수 있다. 이는 리소그래피 장치의 정렬 동안, 비대칭에 의해 야기된 정렬 오차를 측정하고 보정할 가능성을 높인다.
도 17(a) 및 (b)는 도 11의 광학 시스템에서 (1)에서의 조명 입력(소스 942)의 편광을 조절하여, 입력 간섭계(962)의 복사-및-회전 동작을 '턴오프(turn off)'하는 효과를 나타낸다. 앞서 언급된 바와 같이, 사용되는 특정 간섭계의 특징적 동작(characteristic behavior)은 입사하는 광선이 45 °에서 편광되도록 요구한다. 따라서, 복사-및-회전 동작의 턴오프는 오프-액시스 조명이 한 측으로부터만 나오는 조명 프로파일을 초래하여, 장치로 하여금 서로 분리되어 +1차 및 -1차의 세기를 측정하게 한다. 도 17(a) 및 (b)에서, 도 11의 장치에서의 다양한 평면들 (2), (3), (4), (6) 및 (7)의 프로파일들이 2 개의 상이한 입력 편광들에 대해 도시된다. -1차 및 +1차의 세기 간의 차이는 비대칭 마크에 의해 야기된 세기 비대칭에 대한 측정치이다. 비대칭을 알면, 대칭적인 조명 프로파일들이 유사한 처리를 거친 동일한 마크 또는 마크들 상에서 사용되는 경우 장치에 의해 측정된 위치들에 보정이 적용된다.
정렬 타겟의 가장 정확한 재구성을 위해, 광대역 예를 들어 백색광 소스를 사용하는 것이 제안된다. 도 17에서, 1차 차수들은 스폿들이 아닌 긴 스펙트럼들(elongated spectra)로서 (6) 및 (7)에 도시되며, 이는 파장에 따라 확산하는 고차 회절 차수들의 효과이다. 입력 편광 방향은 편광을 회전시키는 능동 구성요소를 추가함으로써 조절될 수 있다. 이전과 같이, 단지 적절한 소스 공급 위치들 및 필요에 따라 적절한 필드 차단부를 선택함으로써, 유사한 방식으로 X, Y, 및 XY 마크들 상에서의 세기 비대칭을 결정하는 것이 가능하다. 또한, 비대칭 측정들 및 보정들은 한번에 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들 중 하나로부터의 방사선을 사용하도록 도 7 내지 도 9의 장치들의 적절한 변형예들로 행해질 수 있다.
정렬 센서를 제어하고, 이에 의해 검출된 신호들을 처리하고, 이 신호들로부터 리소그래피 패터닝 공정을 제어하는 데 사용하기에 적절한 위치 측정들을 계산하는 처리 유닛(PU)은, 통상적으로 상세히 설명되지 않은 어떠한 종류의 컴퓨터 조립체를 수반할 것임을 이해하여야 한다. 컴퓨터 조립체는 상기 장치 외부의 전용 컴퓨터일 수 있으며, 정렬 센서 전용의 처리 유닛 또는 유닛들일 수 있고, 또는 대안적으로 전체로서 리소그래피 장치를 제어하는 중앙 제어 유닛(LACU)일 수 있다. 컴퓨터 조립체는 컴퓨터 실행가능한 코드를 포함한 컴퓨터 프로그램 제품을 로딩하기 위해 배치될 수 있다. 이는 컴퓨터 프로그램 제품이 다운로딩되는 경우, 컴퓨터 조립체가 정렬 센서(AS)를 갖는 리소그래피 장치의 앞서 언급된 사용들을 제어할 수 있게 한다.
본 명세서에서는, IC 제조에 있어서 리소그래피 장치의 특정 사용예에 대하여 언급되지만, 본 명세서에 서술된 리소그래피 장치는 집적 광학 시스템, 자기 도메인 메모리용 안내 및 검출 패턴, 평판 디스플레이(flat-panel display), 액정 디스플레이(LCD), 박막 자기 헤드 등의 제조와 같이 다른 적용예들을 가질 수도 있음을 이해하여야 한다. 당업자라면, 이러한 대안적인 적용예와 관련하여, 본 명세서의 "웨이퍼" 또는 "다이"라는 용어의 어떠한 사용도 각각 "기판" 또는 "타겟부"라는 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수도 있음을 이해할 것이다. 본 명세서에서 언급되는 기판은 노광 전후에, 예를 들어 트랙(전형적으로, 기판에 레지스트 층을 도포하고 노광된 레지스트를 현상하는 툴), 메트롤로지 툴 및/또는 검사 툴에서 처리될 수 있다. 적용가능하다면, 이러한 기판 처리 툴과 다른 기판 처리 툴에 본 명세서의 기재내용이 적용될 수 있다. 또한, 예를 들어 다층 IC를 생성하기 위하여 기판이 한번 이상 처리될 수 있으므로, 본 명세서에 사용되는 기판이라는 용어는 이미 여러번 처리된 층들을 포함한 기판을 칭할 수도 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 디바이스 내의 토포그래피(topography)는 기판 상에 생성된 패턴을 정의한다. 패터닝 디바이스의 토포그래피는 전자기 방사선, 열, 압력 또는 그 조합을 인가함으로써 레지스트가 경화되는 기판에 공급된 레지스트 층으로 가압될 수 있다. 패터닝 디바이스는 레지스트가 경화된 후에 그 안에 패턴을 남기는 레지스트로부터 이동된다.
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.
이상, 본 발명의 특정 실시예가 설명되었지만, 본 발명은 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 발명은 앞서 개시된 바와 같은 방법을 구현하는 기계-판독가능한 명령어의 1 이상의 시퀀스를 포함하는 컴퓨터 프로그램, 또는 이러한 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있는 데이터 저장 매체(예를 들어, 반도체 메모리, 자기 또는 광학 디스크)의 형태를 취할 수 있다.
앞선 서술내용은 예시를 위한 것이지, 제한하려는 것이 아니다. 따라서, 당업자라면 아래에 설명되는 청구항들의 범위를 벗어나지 않고 서술된 본 발명에 대한 변형예가 행해질 수 있다는 것을 분명히 알 것이다.

Claims (23)

  1. 기판 상의 마크의 위치를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 마크는 적어도 제 1 방향으로 주기적인 피처(feature)들을 포함하며, 상기 방법은:
    대물 렌즈를 통해 방사선의 스폿(spot)으로 상기 마크를 조명하고, 동일한 대물 렌즈를 통해 상기 마크에 의해 회절된 방사선을 수용하는 단계;
    자기-참조 간섭계(self-referencing interferometer)에서 상기 회절된 방사선을 처리하는 단계;
    상기 방사선의 스폿으로 상기 마크를 스캐닝하면서, 상기 간섭계에 의해 출력된 방사선의 세기 변동들을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 변동들로부터 적어도 제 1 측정 방향으로 상기 마크의 위치를 계산하는 단계
    를 포함하고,
    상기 방사선의 스폿은 상기 대물 렌즈의 퓨필 내에서 주변부(peripheral portion)에 한정된 소스 구역들로부터의 방사선을 이용하여 형성되며, 상기 소스 구역들은, 적어도 상기 대물 렌즈의 광학 축선에 대해 서로 정반대에 있는(diametrically opposite) 제 1 및 제 2 구역들을 포함하고, 상기 광학 축선에 대해 각도 크기(angular extent)에 있어서 제한되는 위치 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 소스 구역들은 상기 마크의 주기성의 상기 제 1 방향을 가로지르는 방향으로 서로 오프셋(offset)되는 위치 측정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    적어도 상기 퓨필 평면의 제 3 및 제 4 소스 구역들로부터의 방사선을 이용하여 조명하는 단계 및 처리하는 단계를 더 수행하는 단계 -상기 제 3 및 제 4 소스 구역들은, 상기 광학 축선에 대해 서로 정반대에 있고, 각도 및 반경방향 크기(radial extent)에 있어서 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들과 유사하지만 상기 광학 축선에 대해 90 도 회전됨- ;
    상기 제 1 방향에 직교인 제 2 방향으로 주기적인 피처들을 갖는 마크를 스캐닝하면서 세기의 변동들을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 변동들로부터 적어도 제 2 측정 방향으로 상기 마크의 위치를 계산하는 단계
    를 더 포함하는 위치 측정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 소스 구역들로부터의 방사선은 상기 방사선 스폿을 형성하기 위해 동시에 사용되고, 상기 회절된 방사선의 부분들은 현재 스캐닝되고 있는 마크 또는 마크의 일부분이 상기 제 1 방향으로 주기적인 피처들을 갖는지 상기 제 2 방향으로 주기적인 피처들을 갖는지의 여부에 따라 선택적으로 차폐(mask)되는 위치 측정 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    방사선은, 현재 스캐닝되고 있는 마크 또는 마크의 일부분이 상기 제 1 방향으로 주기적인 피처들을 갖는지 상기 제 2 방향으로 주기적인 피처들을 갖는지의 여부에 따라 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들에서, 또는 상기 제 3 및 제 4 소스 구역들에서 선택적으로 공급되는 위치 측정 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 소스 구역들로부터의 방사선은 상기 방사선 스폿을 형성하기 위해 동시에 사용되지만, 세기의 고주파수 변조(high frequency modulation)들로 상기 검출 단계에서, 상기 변조들의 정보를 이용하여 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들로부터 발생하는 방사선이 상기 제 3 및 제 4 소스 구역들로부터 발생하는 방사선과 구분되어, 상기 계산하는 단계에서 사용되는 세기 변동들이 현재 스캐닝되고 있는 마크 또는 마크의 일부분이 상기 제 1 방향으로 주기적인 피처들을 갖는지 상기 제 2 방향으로 주기적인 피처들을 갖는지의 여부에 따라 선택되는 위치 측정 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 소스 구역들에서의 간섭성 방사선(coherent radiation)은 단일 소스 공급 위치(source feed position)에서의 방사선을 제 2 자기-참조 간섭계로 공급함으로써 발생되고, 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들은 상기 소스 공급 위치에 의해 결정되는 위치 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 조명 단계에서 상기 제 2 간섭계로 공급된 방사선은 상기 제 2 간섭계의 주축들에 대해 45 도로 편광되는 위치 측정 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 소스 구역들에서의 방사선은 상이한 편광들로 상기 제 2 간섭계로부터 나오고, 각각의 편광은 상기 주축들 중 상이한 하나에 평행하며, 상기 조명 단계는 상기 소스 구역들 중 하나에서의 방사선의 편광을 다른 소스 구역에서의 편광에 매칭하도록 조정하는 단계를 더 포함하는 위치 측정 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 자기-참조 간섭계는 상기 처리하는 단계에서 사용되는 것과 실질적으로 동일한 구성으로 이루어지는 위치 측정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 자기-참조 간섭계는 상기 처리하는 단계에서 사용되는 것과 공통으로 1 이상의 광학 요소들을 갖는 위치 측정 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마크 또는 유사한 처리를 거친 마크의 비대칭을 측정하는 단계; 및
    상기 계산하는 단계에서 상기 측정된 비대칭을 이용하여, 측정된 위치에 보정을 적용하는 단계
    를 더 포함하고, 상기 비대칭은 한번에 하나씩 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들 각각으로부터의 방사선을 이용하여 방사선의 스폿으로 상기 마크를 조명하면서, 상기 간섭계에 의해 출력된 방사선의 세기들을 비교함으로써 측정되는 위치 측정 방법.
  13. 기판 상의 마크들의 위치들을 측정하는 장치에 있어서:
    상기 장치의 퓨필을 가로질러 사전설정된 조명 프로파일을 갖는 방사선을 공급하는 조명 구성부(illumination arrangement);
    상기 조명 구성부에 의해 공급된 방사선을 이용하여 마크 상에 방사선의 스폿을 형성하는 한편, 스캐닝 방향으로 상기 마크를 가로질러 상기 방사선의 스폿으로 스캐닝하는 대물 렌즈;
    상기 마크에 의해 회절되고 상기 대물 렌즈에 다시 들어오는 방사선을 처리하는 자기-참조 간섭계; 및
    상기 스캐닝 동안 상기 간섭계에 의해 출력된 방사선의 세기 변동들을 검출하고, 상기 검출된 변동들로부터 적어도 제 1 측정 방향으로 상기 마크의 위치를 계산하는 검출 구성부
    를 포함하고,
    적어도 제 1 방향으로 주기적인 피처들을 포함한 마크의 위치를 측정하기 위해, 상기 조명 프로파일은 상기 대물 렌즈의 퓨필 내에서 주변부에 한정된 소스 구역들로부터의 방사선을 포함하며, 상기 소스 구역들은, 적어도 상기 대물 렌즈의 광학 축선에 대해 서로 정반대에 있는 제 1 및 제 2 구역들을 포함하고, 상기 광학 축선에 대해 각도 크기에 있어서 제한되는 위치 측정 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 소스 구역들은 상기 마크의 주기성의 상기 제 1 방향을 가로지르는 방향으로 서로 오프셋되는 위치 측정 장치.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 방향에 직교인 제 2 방향으로 주기적인 피처들을 포함한 마크의 위치를 측정하기 위해, 상기 조명 구성부는 적어도 상기 퓨필 평면의 제 3 및 제 4 소스 구역들로부터의 방사선을 공급하도록 더 작동가능하며, 상기 제 3 및 제 4 소스 구역들은, 상기 광학 축선에 대해 서로 정반대에 있고, 각도 및 반경방향 크기에 있어서 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들과 유사하지만 상기 광학 축선에 대해 90 도 회전되는 위치 측정 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 조명 구성부는, 현재 스캐닝되고 있는 마크 또는 마크의 일부분이 상기 제 1 방향으로 주기적인 피처들을 갖는지 상기 제 2 방향으로 주기적인 피처들을 갖는지의 여부에 따라, 방사선이 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들에서, 또는 상기 제 3 및 제 4 소스 구역들에서 선택적으로 공급되도록 작동가능한 위치 측정 장치.
  17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소스 구역으로부터 상기 대물 렌즈로 방사선을 방향전환(divert)하기 위해 상기 소스 구역들 각각에 대응하는 거울부(mirrored portion)를 갖는 빔 스플리터(beam splitter)를 더 포함하고, 각각의 소스 구역에 대한 상기 거울부는 상기 마크로부터 0차 반사 후 상기 간섭계에 들어가는 정반대에 있는 소스 구역으로부터의 방사선을 차단(stop)하는 역할을 하는 위치 측정 장치.
  18. 제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조명 구성부는 제 2 자기-참조 간섭계를 포함하고, 상기 제 2 간섭계는 단일 소스 공급 위치에서 상기 제 2 간섭계로 공급된 방사선으로부터 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들에서의 간섭성 방사선을 발생시키기 위해 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들은 상기 소스 공급 위치에 의해 결정되는 위치 측정 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 자기-참조 간섭계는 방사선을 처리하는 상기 자기-참조 간섭계와 공통으로 1 이상의 광학 요소들을 갖는 위치 측정 장치.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 조명 구성부는 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들에서의 방사선이 상이한 편광들로 상기 제 2 간섭계로부터 나오는 경우, 상기 구역들 중 하나에서의 방사선의 편광을 다른 위치에서의 편광에 매칭하도록 조정하는 디바이스를 더 포함하는 위치 측정 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    편광을 조정하는 상기 디바이스는 변형된 반파장판(modified half wave plate)을 포함하고, 상기 변형된 반파장판의 빠른 축(fast axis)은 상기 퓨필의 상기 제 1 및 제 2 소스 구역들에 대응하는 부분들에서 상이하게 방위되는 위치 측정 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 변형된 반파장판은 제 1 부분에서 상기 제 2 간섭계의 주축에 평행한 빠른 축을 갖고, 제 2 부분에서 상기 주축에 대해 45 도인 빠른 축을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 부분들은 상기 광학 축선에 대해 서로 정반대에 위치되는 위치 측정 장치.
  23. 광학 장치에서, 상기 장치의 퓨필 내에서 서로 정반대에 있는 제 1 및 제 2 위치들에서 오프-액시스(off-axis) 조명을 생성하는 구성부에 있어서,
    지점들에서의 조명은 편광이 동일하고 간섭성이며, 상기 구성부는:
    단일 오프-액시스 위치에서 사전설정된 편광의 방사선을 생성하는 방사선 소스;
    상기 제 1 및 제 2 위치들에서 방사선을 생성하기 위해, 상기 소스로부터의 방사선을 수용하고 나누는(split) 자기-참조 간섭계; 및
    상기 간섭계로부터 나온 후의 상기 위치들 중 하나에서의 방사선의 편광을 다른 위치에서의 편광에 매칭하도록 조정하는 요소
    를 포함하고, 상기 요소는 상기 제 1 및 제 2 위치들에서 빠른 축이 상이하게 방위되는 반파장판을 포함하는 구성부.
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