KR930011884B1

KR930011884B1 - 투영 노출 장치 및 투영 노출 방법

Info

Publication number: KR930011884B1
Application number: KR1019900702643A
Authority: KR
Inventors: 요시따다 오시다; 데쯔조 다니모또; 미노루 다나까
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다찌세이사꾸쇼; 미다 가쓰시게
Priority date: 1989-04-21
Filing date: 1990-04-20
Publication date: 1993-12-22
Also published as: KR920700389A

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

투영 노출 장치 및 투영 노출 방법

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명의 1 실시예에 따른 리턴 검출 광학 시스템으로 되는 구성을 도시한 도면.

제2도는 검출 패턴 신호 파형을 도시한 도면.

제3도는 리턴 검출 광학 시스템의 효과를 설명하는 도면.

제4도는 처리회로의 1실시예를 도시한 도면.

제5도, 제6도 및 제7도는 입사각과 난사 및 굴절복소진폭 사이의 관계 및 잡음 성분의 특성을 각각 도시한 도면.

제8도는 본 발명의 1실시예에 따른 2파장을 사용하는 구성을 도시한 도면.

제9도는 높이의 변화에 따른 검출 패턴 신호의 변화를 도시한 도면.

제10도는 2파장 λ₁, λ₂에 의한 검출시에 높이 변화 △Z에 따른 설정점에서의 신호의 변화를 나타낸 도면.

제11도 및 제12도는 노출 영역에서 반사된 광과 연산처리영역을 도시한 도면.

제13도는 본 발명의 실시예에 따른 2파장에 의한 2차원적인 검출의 구조를 도시한 도면.

제14도는 제13도에 도시한 실시예에 따른 노출 영역에 대한 연산처리영역을 도시한 도면.

제15도는 본 발명의 실시예에 따른 단일의 검출 시스템에 의해 2방향의 기울기를 검출하는 수단을 도시한 도면.

제16도는 그의 검출 패턴을 도시한 도면.

제17도는 조사검출광의 진폭 성분을 설명하는 도면.

제18도는 본 발명의 1실시예에 따른 광학 시스템의 더한층의 개선을 위하여 에어마이크로미터를 사용한 구조를 도시한 도면.

제19도 및 제20도는 각각 본 발명에 관한 조명 방법의 효과를 설명하는 도면.

제21도는 본 발명에 따른 에어마이크로미터의 원리를 도시한 도면.

제22도, 제23도 및 제24도는 각각 본 발명에 따른 노출 영역의 대각선 방향에 따라 광빔이 조사된 경우를 설명하는 도면.

제25도 및 제26도는 각각 본 발명의 실시예에 따른 장치의 구조를 도시한 도면.

제27도는 종래 기술의 문제점을 설명하는 도면.

제28도 및 제29도는 종래 기술을 설명하는 도면.

제30도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조를 도시한 도면.

제31도는 제30도에 도시한 실시예를 설명하는 도면.

제32도는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 구조를 도시한 도면.

제33도는 제32도에 도시한 실시예를 설명하는 도면.

제34도는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 구조를 도시한 도면.

제35도 및 제36도는 제33도에 도시한 실시예를 설명하는 도면.

제37도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면.

제38도는 본 발명의 원리를 설명하는 표면에서의 광의 반사와 굴절을 도시한 도면.

제39도, 제40도 및 제41도는 각각 바닥이 알루미늄으로 되는 경우에 반사광의 복소진폭을 도시한 도면.

제42도는 본 발명에 따른 간섭무늬 피치로 변화된 기울기 각도 및 높이의 변화를 도시한 도면.

제43도는 바닥 반사율과 최대 오차사이의 관계를 도시한 도면.

제44도 a, 제44도 b 및 제44도 c는 레지스트 두께 변화에 따른 위상 변화에 의한 반사광의 위상, 반사광의 진폭의 관계를 도시한 도면.

제45도는 본 발명의 실시예를 도시한 도면.

제46도는 변화된 검출 파장에 의해 허용 검출 오차 이상으로 되는 레지스트 두께를 도시한 도면.

제47도 a, 제47도 b 및 제47도 c는 본 발명의 실시예에 따른 파장을 선택하고, 검출된 간섭무늬 정보를 처리하는 방법을 도시한 도면.

제48도는 본 발명의 실시예를 도시한 도면.

제49도는 본 발명의 실시예에 따른 구조를 도시한 도면.

제50도 및 제51도는 본 발명의 원리를 설명하는 도면.

제52도는 제49도의 처리회로의 일부의 구성을 개략적으로 도시한 도면.

제53도, 제54도, 제55도, 제56도 및 제57도는 각각 본 발명의 효과를 도시한 도면.

제58도는 오목볼록 패턴에 대해서 큰 각도로 입사되어 반사된 광을 도시한 도면.

제59도는 제58도의 부분적인 확대도.

제60도는 제49도와 다른 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조를 도시한 도면.

제61도, 제62도, 제63도 및 제64도는 각각 본 발명의 효과를 도시한 도면.

제65도는 제60도의 처리 회로의 일부의 구조를 개략적으로 도시한 도면.

제66도는 제52도는 및 제65도에 도시한 연산 수단(2), (2′)의 연산 흐름을 도시한 도면.

제67도는 본 발명에 따른 정현파의 주기와 위상을 검출하는 장치 및 방법을 도시한 블록도.

제68도는 본 발명의 실시예에 따른 정현파의 주기와 위상을 검출하는 장치 및 방법을 사용한 실시예에 따른 표면의 기울기 및 높이를 측정하는 장치를 도시한 블록도.

제69도는 주기파의 이산 푸리에 변환후의 스펙트럼의 예를 도시한 도면.

제70도 및 제71도는 주기파의 이산 푸리에 변환후의 2개의 스펙트럼의 예를 도시한 도면.

제72도는 실제의 최대 스펙트럼의 위치를 검출하는 스펙트럼의 다른 예를 도시한 도면.

[발명의 상세한 설명]

[기술 분야]

본 발명은 반도체 회로 패턴 또는 액정 표시 장치 패턴등의 미세패턴을 위한 투영 노출 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 광에 의해 노출되어야할 물체의 기울기 및 높이를 검출하는 것에 의해 고해상도로 노출 영역의 전면을 노출할 수 있는 투영 노출 장치 및 방법에 관한 것이다.

[배경 기술]

반도체 집적회로의 미세패턴 또는 TFT(Thin Film Transistor) 액정 텔레비젼등으로써 대표되는 표시장치의 대시야에서의 구동회로 패턴의 노출에서는 노출 영역의 전면에 걸쳐서 작은 선폭 변동을 갖는 원래 화상에 대해서 충실하게 패턴을 노출시킬 필요가 있다. 특히, 반도체 집적회로의 분야에서는 금후 0.5㎛이하의 선폭을 갖는 패턴을 15mm에 가까운 영역의 전면에 걸쳐서 노출시킬 필요가 있다. 그러나, 패턴의 미세화에 따라서 결상의 범위(초점의 깊이)가 ±1㎛이하로 된다. 이 때문에, 패턴의 화상이 형성되는 면에 웨이퍼상의 포토레지스트면을 정확하게 일치시키는 것이 불가결하게 된다. 이것을 실현하기 위해서는 노출 영역에서의 웨이퍼 표면(포토레지스트 표면)의 기울기와 높이를 정확하게 검출하는 것이 필요하게 된다.

일본국 특허 공개 공보 소화 63-7626호에 기재된 제1의 공지예에서는 레이저 다이오드 빔을 웨이퍼 표면상에 비스듬한 방향에서 집광하고, 집광위치를 검출하는 것에 의해 높이를 검출하고 있다. 또한 이 공지예에 의하면, 웨이퍼의 다층 구조에 따르는 다중반사는 비스듬한 입사방향과 직각인 방향에 따라서 변경된 집광점을 갖는 3파장 반도체 레이저를 사용해서 대처하는 것에 의해 웨이퍼상의 다른 장소의 높이를 구하고 있다. 이 공지예는 높이를 검출하는 것을 주로하고 있으며, 비스듬한 입사방향과 직각인 방향을 따라서 변경된 위치에서 측정하는 것에 의해 기울기를 검출할 수 있다. 그러나, 약 20mm의 직경의 좁은 영역에서 2개의 위치를 측정하더라도 기울기의 정확한 값은 얻기가 곤란하다. 이 공지에서 고정 밀도의 높이 검출을 실현하기 위해서는 웨이퍼상의 집광을 충분하게, 즉 집광의 직경을 가능한 한 작게 할 필요가 있다. 그러나, 집광의 직경을 작게 하기 위해서는 집광빔의 집광각(주광빔에 대한 집광속의 가장 바깥쪽의 빔에 의해 형성된 각)을 크게 할 필요가 있고, 그 결과 주광선의 입사 각도를 작게 해야 한다. 이 각도의 저감(웨이퍼 면과 수직인 선에서 각도를 저감)에 의해 웨이퍼의 다층 구조에 의한 다중간섭의 영향이 다음에 기술하는 이유에 의해 증대된다. 이 공지예에서는 이 문제점에 대처하기 위하여 3파장을 사용하고 있다. 그러나, 각각의 파장은 간섭에 의해 영향을 받고 있으므로, 이 문제점을 근본적으로 해결할 수는 없었다.

한편, 종래의 기울기 검출의 방법으로써 일본국 특허 공개 공보 소화 63-199420호에 기재된 제2의 공지예에서는 투영 렌즈를 거쳐서 노출 파장과 다른 파장을 갖는 기울기 검출용 광빔을 조사하고, 반사된 광빔을 집광하고, 집광 위치에서 기울기를 검출하고 있다. 그러나, 광빔은 대략 수직 방향 또는 작은 경사 각도로 웨이퍼에 입사되므로, 다음에 기술하는 이유에 의해 바닥에서 반사된 광빔과의 간섭의 영향을 무시할 수 없게 되어 정확한 검출이 곤란하게 된다.

또, 종래의 다층 구조에 대한 높이를 검출하는 방법으로써 일본국 특허 공개 공보 소화 63-247741호에 기재된 제3의 공지계에서는 바닥막에서 반사된 광빔이 분리된다. 그러나, 이와같은 방법은 반도체 회로의 제조 공정에 사용된 박막에는 실제로 적용하기가 곤란하다.

상술한 종래 기술은 노출 영역내의 기울기와 높이의 정보를 반도체 회로 패턴을 갖는 웨이퍼등의 다층 구조에 대하여 정확하게 얻는 점에 대해서 고려가 되어 있지 않았으므로, 금후의 0.5㎛ 이하의 회로 패턴노출에 요구되는 고정 밀도로 기울기 및 높이를 제어하는데 문제점이 있었다..

또한, 종래의 반도체 웨이퍼등의 광학적 다층 구조의 기울기를 검출하는 장치는 제1의 공지예인 일본국 특허 공개 공보 소화 61-170605호에 기재된 바와 같이, 제28도의 레이저다이오드(2002)에서 발사된 광빔을 렌즈(2014)에 의해 지향성 빔으로 집광하고, 웨이퍼(2004)상으로 위쪽에서 조사하고, 반사된 광의 위치를 2차원 위치 검출기(2020)에 의해 검출하고 있다.

또한, 광학적 다층 구조에 한정되지 않고 일반적인 계측 대상의 거리(높이) 및 기울기를 계측하는 기기가 제2의 공지예인 제29도의 일본국 특허 공개 공보 소화 62-218802호에 기재되어 있다. 이 공지예에서는 기울기를 제1의 공지예와 같이 수직 방향으로 입사하는 광빔에 대해서 제2의 광검출기에 의해 구하고, 거리(측정 대상 물체(2106)의 면과 수직 방향)는 제1의 광로(2109)에서 약 60도의 입사각도로 조사된 광스폿이 제1의 검출기상에 결상되는 위치에서 구하고 있다. 제29도에서, (2101)은 광원, (2106)은 측정물체, (2108)은 제1의 광 검출기, (2118)은 제2의 광 검출기이고, (2119)는 제2의 광로이다.

또, 종래의 반도체 웨이퍼등의 광학적 다층 구조의 기울기를 검출하는 장치는 제1의 공지예인 일본국 특허 공개 공보 소화 63-146013호의 제2도에 기재되어 있는 비와 같이 기울기와 초점을 검출하고 있다. 이 공지예에서는 초점의 검출에 대해서, 집속광을 웨이퍼상에 조사하고, 그 반사광의 위치를 결상렌즈에 의해 위치 센서상에 결상하여 그 특정 위치에서 높이를 검출하고 있었다. 한편, 기울기에 대해서는 웨이퍼상에 평행 광선을 조사하고, 그 반사광을 집광 렌즈에 의해 위치센서상에 집광하고, 그 검출 위치에서 검출하고 있었다. 이 두 개의 검출방법에서는 웨이퍼에 대해서 85도 이상의 입사각도를 취하는 것이 곤란하고, 레지스트가 도포된 막내로 들어가는 다량의 반사광에 의해 진짜 레지스트 표면을 검출하는 것이 곤란하다. 이 때문에, 바닥의 반사율 또는 레지스트 두께에 의해 진짜 레지스트 표면의 위치에서 검출위치가 크게 어긋나게 된다. 따라서, 웨이퍼 노출의 각 공정마다 시험 노출에 의해 오프셋 값을 설정해야할 필요가 있었다.

또, 배선 패턴의 노출 공정등의 대규모 LSI 노출 공정의 후단에서는 웨이퍼 표면의 오목볼록이 크게 되어 그 위에 도포된 포토레지스트도 본래의 웨이퍼 표면만큼은 아니지만, 큰 오목볼록을 갖게 된다. 이와 같은 구조에 상술한 종래 방법을 적용하면, 오목볼록이 있는 포토레지스트의 부분에 대한 기울기 또는 높이를 계측하고 있는가가 알 수 없게 되어 정밀도가 저하하게 된다.

상술한 종래 기술은 노출 영역내의 기울기와 높이의 정보를 반도체 회로 패턴을 갖는 웨이퍼등의 다층 구조에 대해서 정확하게 얻는 점에 대해서 고려가 되어 있지 않았으므로, 금후의 0.5㎛ 이하의 회로 패턴의 노출에 요구되는 고정 밀도로 기울기 및 높이를 제어하는데 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 반도체 제조의 어떠한 공정에서의 웨이퍼에 대해서도 노출 영역에서의 포토레지스트 표면의 기울기 및 높이를 정확하게 검출하고, 항상 결상면을 레지스트 표면 또는 그 근방의 최적 위치에 일치시켜서 작은 선폭 변동만을 갖는 고해상의 패턴을 노출하는 투영 노출 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 코히어런트 광원에서 발사된 광을 평행한 조사광선으로 집광하여 웨이퍼상의 포토레지스트 표면상의 광학 시스템의 노출 영역에 입사각 θ로 비스듬하게 조사한다. 이 반사광학 광원에서 발사된 광을 분리하는 것에 의해 얻어진 참조광은 패턴 검출기상에서 서로 바라는 각도로 입사되어 간섭무늬가 검출된다. 이 간섭무늬와 위상 변화는 웨이퍼상의 포토레지스트 표면의 기울기 및 높이의 변화를 결정하는데 사용될 수 있다. 또한, 평행 광속을 사용하는 본 발명에 따르면, 입사각을 85도 이상으로 할 수가 있다. 입사각이 크기 때문에, 포토레지스트 표면에서의 반사가 대부분으로 되어 바닥구조의 각 층에서의 반사에 의해 발생된 간섭의 영향을 실질적으로 무시할 수 있게 된다. 또한, 포토레지스트로 입사하는 광을 S 편광이라고 하면, 표면상에서의 반사가 더욱 크게 되어 정밀도가 향상된다.

또, 상기 포토레지스트 표면에서 반사된 광을 평면 미러에 수직 방향으로 입사하고, 이렇게 반사된 광을 다시 포토레지스트 표면에 입사시키고, 이 반사광을 물체광으로써 간섭 패턴의 정보를 얻으면, 웨이퍼의 기울기 및 높이를 2배 이상의 감도로 검출할 수 있어 정밀도가 높은 검출이 가능하게 된다.

또한, 참조광을 포토레지스트의 조사광 및 물체광(반사광)과 동일 영역을 통과해서 실효적으로 거의 동일방향으로 진행시키는 것과 같이 상기 시스템을 구성하는 것에 의해 공기의 요동등과 같은 외란을 마찬가지로 받는 것에 따른 주위 조건의 변화의 영향을 거의 받는 일 없이 기울기 및 높이를 검출할 수가 있다.

또한, 얻어진 간섭무늬의 정보를 고속 푸리에 의해 변환하고, 그 결과인 무늬의 스펙트럼 근방의 정보에서 기울기 △θ와 높이 △h를 구하면, 실시간과 같이 고속으로 △θ 및 △h를 얻을 수가 있다. 또한 이 공정에서, 포토레지스트의 조사 위치가 패턴검출 수단인 어레이 센서의 수광면과 광학적으로 공역(결상)인 관계에 있으면, 웨이퍼상의 바라는 영역만의 정보를 픽업하는 것에 의해 그 특정부분의 기울기 및 높이를 구할 수 있다.

상술한 간섭계측을 단일의 파장광으로 실행할 때에는 얻어진 간섭무늬의 위상에서 높이가 구해진다. 위상이 α에서 2nπ+α(n:정수)로 변화하더라도 값 n을 동일시하는 것이 불가능하다. 그러나, 서로 다른 파장을 갖는 제2의 코히러런트광을 제1의 파장광과 동일한 광학 시스템(광로)으로 도입하여 검출시에 2개의 파장을 2개의 간섭무늬 정보를 사용해서 높이를 결정하도록 분리하면, 높이 변화의 넓은 범위에 걸쳐서 높이 정보를 정밀하게 얻을 수가 있다. 또한, 에어마이크로미터등의 다른 웨이퍼 높이 검출수단을 동시에 사용하는 것에 의해 단일 파장검출에 의한 높이에 따른 불확정 요인을 제거하여 높이 변화의 넓은 범위에 걸쳐서 높이의 정보를 정밀하게 얻을 수가 있다.

상술한 패턴 검출기에 의해 얻어진 간섭무늬의 정보는 피치와 위상의 정보를 포함하므로, 기울기와 높이의 정보가 동시에 얻어진다. 또한, 입사각도를 85도 이상으로 설정하면, 다음에 설명하는 바와 같이 포토레지스트 표면의 기울기 및 높이가 정확하게 동시에 구해진다. 이하, 입사각을 85도 이상으로 설정하는 것에 의해 본 발명의 효과가 한층 현저하게 되는 사실에 대해서 설명한다.

반도체 웨이퍼등의 웨이퍼 표면상에 박막 구조로 형성된 패턴 또는 그 위에 1∼수 ㎛ 두께로 도포된 포토레지스트에 적용하면, 조사광은 측정물체의 표면에서 반사될 뿐만 아니라 다층 구조의 내부로도 입사하므로, 바닥층에서 반사된 광이 다시 표면을 통과하여 상기의 최상면에서 반사된 광에 중첩된다. 이 공정에서, 최상면과 바닥면에서 반사된 광선이 서로 간섭하여 막의 두께와 조사광의 압사각의 미소한 변화에 대해서 간섭강도가 크게 변화된다. 제28도 및 제29도에 도시한 거리를 검출하는 시스템에서와 같이 광이 비스듬하게 조사되면, 제4도에 도시한 바와 같이 측정물체에서 반사된 광의 분포는 입사시의 분포(가우스 분포등)과는 다르게 된다. 또한, 측정물체의 층구조와 이 구조를 구성하는 물체의 광학 정수에 의해 분포가 다르게 된다. 이 결과, 측정물체가 다를 때마다 측정 데이터에 오프셋이 발생하여 정확한 절대값 측정이 곤란하게 된다. 또, 제29도의 기울기 검출에서는 수직인 조사가 사용되지만, 기울기 또는 높이 검출을 반도체 노출 장치 또는 반도체 패턴 검사 장치에 적용하고자 하면, 노출 광학 시스템 또는 검출 광학 시스템이 조사 광학 시스템에 중첩되게 되어 광학 시스템의 구성이 곤란하게 된다.

상술한 광학적 다층 물체의 간섭에 의한 측정 오차의 발생은 특히 간섭 방식에 의해 측정물체의 표면의 기울기나 높이를 측정할 때에 현저한 문제점으로 된다. 간섭 방식의 경우에서는 측정물체의 표면에서 반사된 광과 참조광에 의해 발생된 간섭무늬에서 반사광의 파면의 기울기와 위상을 구하여 측정물체의 기울기와 높이를 표시한다. 그러나, 다층 구조인 경우에서는 제27도에 도시한 바와 같이 광을 약 0∼85도의 통상의 입사각으로 측정물체에 입사시키면, 다층 구조의 표면이나 내부층사이에서 반사된 광선이 서로 간섭하여 측정물체의 반사직후의 광의 진폭과 위상은 각층의 두께 또는 그 장소에 의한 변화에 따라서 크게 변화하게 된다. 그 결과, 참조광의 중첩에 의해 얻어진 간섭무늬가 정확한 정현파로 되지 않아 큰 오차가 발생하게 된다.

본 발명의 목적은 고해상도로 패턴을 노출하거나 검출하는 노출 장치 또는 검사장치에 용이하게 내장할 수 있는 수단을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의하면, 그의 주광선이 85도 이상의 입사각으로 되도록 웨이퍼등의 다층 구조를 갖는 측정물체의 표면에 비교적 고지향성의 광을 비스듬히 조사한다. 그러나, 입사각이 85도 이상으로 되면, 제5도 및 제6도에 도시한 바와 같이 입사광의 진폭에 대한 반사광의 진폭의 비가 작게 되므로, 거의 모든 광이 표면에서 반사되어 내부로의 입사는 적게 된다. 또, 조사된 광의 진폭을 S 편광으로 하면, 표면에서의 반사는 점차 크게 된다.

측정물체로 입사하는 조사광의 정반사의 방향은 측정물체의 기울기 α에 대해서 2α로 된다. 이 정반사된 광을 대략 수직 방향으로 반사시켜 원래의 광로로 리턴시키고, 다시 측정물체로 입사시키면, 제3도에 도시한 바와 같이 4α로 된다. 즉, 측정물체보다 4배의 각도로 정반사된 광이 기울어지게 된다.

또, 본 발명에 따른 기울기 또는 높이를 검출하는 방법으로써 간섭을 사용한 경우에서는 상술한 간섭법을 사용한 종래의 문제점을 해결하기 위해서 표면에서의 반사를 크게 하면, 정반사광의 진폭과 위상이 거의 표면의 정보를 나타낼 수가 있게 되어 내부층의 두께 및 패턴 단차의 영향을 제거할 수가 있게 된다.

이하, 입사광의 편광 및 검출 정밀도와 입사각도에 대해서 설명한다.

측정물체로 입사하는 광의 진폭을 S 및 P 편광에 대해서 각각 As 및 Ap라고 한다. 굴절률 n을 갖는 물체의 표면에서 반사 및 굴절된 광의 진폭 Rs, Rp 및 Ds, Dp는 입사각 θ 및 굴절각 Ψ(sinΨ=sinθ/n)에 대해서 다음의 식으로 표시된다.

표면 반사광의 진폭은 입사광의 1/2 이하이고, 이 광의 대부분은 S 편광에 대해서 0∼60도 정도의 입사각의 범위를, P 편광에 대해서 0∼75도 정도의 범위를 거쳐서 투과된다. 따라서, 다층 바닥구조의 경계에서 반사된 광에 의한 진폭의 큰 간섭이 표면 반사광에 의해 발생한다. 상술한 값에서 약 85도까지의 범위에 있는 입사각인 경우에서는 표면 반사광의 진폭이 입사광의 진폭의 1/2 이상으로 되지만, 이것은 정확한 측정을 실현하는 데에는 충분하지 못하다. 이하, 이 이유에 대해서 설명한다. 제17도에 도시한 바와 같이 입사각 θ로 입사하는 진폭 A의 광은 진폭 D의 굴절각 Ψ로 굴절되고, 바닥에서 진폭 반사율 Rb로 반사된다고 가정한다. 이 반사광의 진폭은 DRb로 주어진다. 여기서, 입사광 A의 진폭을 1로 하면, D는 진폭 투과율로 된다. 따라서, 바닥에서 반사된 광이 표면을 통해서 투과되면, 그의 진폭은 RdD²로 된다. 한편, 진폭 A(=1)로 입사하는 광은 표면에서 반사되어 R의 진폭으로 된다. 여기서, R, D를 입사광의 편광이 S 또는 P형인가에 의해 Rs, Ds, 또는 Rp, Dp로 나타내면, 상기 식(1)∼(4)가 성립된다. 표면에서 반사된 광 R₀과 바닥에서 반사된 광 R₁은 층의 두께 d가 얇을 때 중첩되게 되어 다음의 식으로 표시되는 진폭 A_R을 갖는 광으로 된다.

여기서, λ는 측정에 사용된 광의 파장이다. 제3도에 도시한 막의 두께 d의 미소한 변화(파장의 1자리수 이하의 변화)에 대해서도 식(5)에서 A_R의 위상이 변화하는 것을 알 수 있다. 입사각 θ와 R, D 사이의 관계는 S 및 P 편광에 대해서 각각 제5도 및 제6도에 도시한 바와 같다. 이 그래프에서 보다 이해하기 쉽게 하기 위하여 그의 제1항에 대한 식(5)의 제2항의 진폭비 RbD²를 구하면, 측정에 미치는 오차의 정도를 평가할 수가 있다. 최악의 경우로서는 Rb=1의 경우를 가정하고, 비 D²/R을 입사각 θ에 대해서 제7도에 도시한 바와 같이 2개의 편광에 대해서 구한다. 비 D²/R은 각종 검출방법에서 작은(오차) 성분으로 되므로, 이 비율을 5% 이하로 유지하기 위해서는 적어도 85도의 입사각으로 할 필요가 있다. 또, 제7도에서 알 수 있는 바와 같이 s 편광 상태하에서 광이 입사되면, 잡음이 더욱 저감된다는 것을 알 수 있다.

측정물체의 표면에서 광을 2도 반사시키는 방법에서는 제3도에 도시한 바와 같이 면의 기울기가 α에 대해서 4α로 광이 기울어지고, 광을 한번만 반사시키는 경우에 비해서 기울기와 높이의 검출 감도를 2배 향상시키는 것에 의해 정밀도가 높은 검출을 할 수가 있다.

또한, 바닥면에서 반사된 광은 간섭 패턴에 중첩되어 간섭무늬의 피치와 위상을 흐트려 놓지만, 광이 85도 이상의 각도로 입사하고, S 편광을 사용하는 것에 의해 상술한 영향을 거의 제거할 수가 있어 고정밀도로 검출이 가능하게 된다. 또, 간섭 측정에 사용된 참조광의 광로를 측정광과 거의 동일한 광로로 하는 것에 의해 공기의 요동등의 측정 환경의 영향을 거의 받는 일 없이 고정 밀도이고 안정한 측정을 실현할 수 있다.

또, 얻어진 간섭무늬 정보를 고속 푸리에 변환(FFT) 프로그램에 의해 스펙트럼 검출하면, 무늬의 주파수에 대응하는 스펙트럼 정보가 피치와 위상을 나타내고 있으므로, 기울기와 높이를 동시에 구할 수가 있다. 또, FFT는 매트릭스 연산이므로, 병렬 연산이 가능하다. 이와 같은 병렬 연산 회로를 사용하면 1ms 이하에서 처리가 가능하게 되어 기울기와 높이를 검출하고, 실시간에서 제어를 용이하게 할 수 있다.

또한, 간섭 검출의 경우에서는 간섭무늬의 1피치분의 변화가 일어나면, 검출되는 간섭무늬는 모두 동일한 검출로 되어 정수피치의 어긋남을 가감한 것이 불확정한 검출값으로써 남게 된다. 본 발명에 따르면, 간섭이 제2의 파장을 검출광으로써 제1의 파장과 마찬가지로 해서 검출을 위해 사용되고, 제1 및 제2파장사이의 위상 관계에 의해 넓은 범위에 걸쳐서 정밀한 높이 검출이 가능하게 되어 넓은 범위에 걸쳐서 기울기 및 높이를 고정 밀도로 제어할 수 있게 된다. 또, 에어마이크로미터등의 다른 웨이퍼 높이 검출 수단이 단일 파장을 검출할 때에 불확정한 범위를 검출하는 데 사용되어 넓은 범위에 걸쳐서 정확한 검출을 가능하게 하고 있다.

본 발명은 이상 설명한 바와 같이 구성되어 있으므로, 다음에 기재하는 효과를 갖는다.

(1) 간섭 측정에 의해 기울기와 높이를 동시에 구할 수가 있다.

(2) 참조광이 검출광과 거의 동일한 위치를 통과하도록 시스템을 구성하는 것에 의해 공기의 유동등의 외란요인의 영향을 받는 일 없이 안정한 기울기 및 높이 검출이 가능하게 된다.

(3) 노출 문제에 대한 입사각을 85도 이상으로 하거나 또는 입사파를 S 편광으로 하는 것에 의해 포토레지스트 표면의 기울기 및 높이를 바닥막 구조의 영향을 받는 일 없이 정확하게 검출할 수가 있다.

(4) 노출 물체에 비스듬히 조사된 반사광을 수직 방향으로 리턴시키고, 다시 노출 물체에 조사하는 것에 의해 기울기 및 높이의 검출 정밀도를 2배로 할 수가 있다.

(5) 패턴 검출 수단의 촬상면을 노출 물체의 표면상의 빔소자 위치와 공역으로 하고, 물체의 바라는 장소에 대응하는 부분의 정보에서만 기울기 및 높이를 검출하는 것에 의해 특히 정밀한 초점 맞춤이 필요한 장소에 초점을 맞출 수가 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 도체 회로의 제조 공정에서의 여러 가지 다층 구조로 되는 웨이퍼등의 광학적 다층 물질의 기울기 및 높이를 다층 구조에 의한 영향을 받는 일 없이 정확하게 측정할 수가 있다. 또한, 반도체 노출 장치에 의한 초점 맞춤 및 웨이퍼면의 결상면과의 일치를 위한 정확한 제어의 실행이 가능하게 된다. 이것에 의해 본 발명은 0.8㎛ 이하, 특히 0.5㎛ 이하의 선폭의 회로 패턴의 노출을 위해 사용된 고 NAi선 축소 투영 노출 시스템 또는 엑사이머 레이저 축소 노출 장치에서 발생된다고 예상되는 얕은 초점 깊이에 따르는 축소 노출 초점 마진에 대해서 현저한 이점을 갖는다.

본 발명의 효과가 웨이퍼에 대한 입사각을 85도 이상으로 하는 것에 의해 현저하게 된다는 것은 상기에서 설명하였다. 여기서는 85도 이상의 입사각에 적용된 투영 노출 기술의 한층 개선된 것에 대해서 설명한다.

웨이퍼의 입사각을 85도 이상으로 하기 위해 해결해야 할 종래 기술의 문제점은 집속광의 집속 각도의 어떤 마진을 취하고, 접속점의 빔직경을 작게 하지 않으면 초점 검출을 위한 충분한 검출 감도를 얻을 수 없다는 것이다. 또한, 기울기 검출의 경우에도 평행광의 빔직경을 작게 하지 않는한 검출하고자 하는 노출 영역내만을 조사할 수가 없다. 그러나, 이 경우에 빔직경을 너무 작게 하면, 집광 렌즈에 의해 센서상에 축소된 빔스폿 직경이 크게 되어 충분한 검출 감도가 얻어지지 않는다. 따라서, 검출 감도를 얻기 위해서 입사각은 80도 정도로 설정되어 있었다. 그러나, 입사각이 80도 정도로 된 경우에서는 입사광의 상당한 부분이 레지스트내로 굴절 입사하고, 레지스트의 아래에 있는 웨이퍼 패턴에서 반사된 광이 검출광으로써 기여한다. 이것에 의해 바닥 패턴의 반사율 또는 레지스트 두께에 의해 검출된 초점 위치(높이)나 기울기가 크게 변화하게 된다. 이 때문에 웨이퍼의 노출 공정마다 시험 노출을 실행하여 레지스트 표면에서의 검출 오차를 오프셋 값으로써 구하여 보정을 부여할 필요가 있었다. 또, 동일 웨이퍼 공정에 대해서도 레지스트 두께가 변화하면 오프셋 값이 변동하는등 고정 밀도 검출을 방해한다는 다른 문제점이 있었다.

본 발명의 다른 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하여 프로세스마다 웨이퍼(기판)에 관계없이 항상 웨이퍼(기판)상에 도포된 레지스트등의 최상면의 높이와 기울기를 정확하게 검출할 수 있도록 한 간섭식 기울기 또는 높이 검출 장치와 축소 투영식 노출 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 상술한 발명에서 설명한 바와 같이 레이저등의 코히어런트 평행빔을 광학적 다층 물질등의 측정물체에 큰 입사각으로 조사하고, 그 반사광과 평행빔에서 분리된 참조광사이에 간섭무늬를 발생시키는 것에 의해 간섭무늬의 위상에서 초점(높이), 그의 피치에서 기울기를 검출한다. 이 공정에서는 상술한 바와 같이 입사각을 크게, 특히 85도 이상으로 하면, 레지스트 표면에서 반사된 성분이 증대되어 고정밀도로 검출이 가능하게 된다. 그러나, 이때 바닥이 매우 큰 반사율을 갖는 알루미늄등의 재료로 이루어졌으면, 검출 오차가 비교적 크게 된다. 본 발명에 따르면, 상술한 발명의 정밀도를 더욱 향상시키는 것에 의해 바닥의 물질 또는 레지스트 두께의 영향을 전혀 받지 않고 레지스트 표면의 높이 및 기울기를 정확하게 검출하는 수단을 마련하는 것이다. 이 목적을 위하여 본 발명에 따르면, 2개 이상의 다른 파장을 갖는 단색광을 사용하고, 이 다수의 파장이 선택적으로 인가된다. 특히, 본 발명에 따르면 다음에 상세하게 설명하는 바와 같이 바닥에서 반사되어 레지스트 표면을 투과하는 성분에 의해 발생된 오차가 레지스트 두께, 바닥의 반사계수 및 파장에 의해 주기적으로 변화하는 것에 착안해서 다수의 파장을 갖는 단색광을 준비하여 물체의 상기 조건에 따라서 측정용의 파장을 선택한다. 이 파장을 선택하는 방법을 레지스트의 두께를 사전에 알고 있는 경우는 그 데이터를 사용하고, 사용되는 파장을 다음의 이론식에 따라서 결정한다. 그러나, 이와 같은 레지스트의 데이터 등이 없더라도 웨이퍼에 큰 각도로 입사하여 반사되는 광량, 즉 반사율을 다수의 파장에 걸쳐서 계측하여 발생된 오차를 무시하며 이용할 수 있는 파장을 선택한다.

본 발명의 원리를 설명한다. 제38도는 광학적 다층물질에 입사각 θ로 입사된 광의 경계면에서 반사, 굴절의 상태를 도시한 도면이다. 매질(1)은 1.0의 굴절율을 n₁을 갖는 통상의 공기이다. 한편, 매질(2)는 반도체 웨이퍼의 경우에서의 포토레지스트로써 통상 1.65정도의 굴절률 n₂를 갖는다. 매질(3)은 각 공정마다 다른 바닥 패턴이다. 이 매질(3)은 다층 구조의 경우이고, 매질(2)와의 경계에서 본 굴절률 nb를 갖는다고 가정한다. 제38도에 도시한 바와 같이 레지스트 표면으로 입사하는 진폭 Ap(P편광)과 As(S편광)을 갖는 직선 편광의 경계면에서의 반사와 굴절에 착안해서 광이 4개의 성분을 갖는 것을 알 수 있다. 특히, 반사광선 Rp, Rs 반사광선 D₂p, D₂s 및 0점에 레지스트에서 입사하는 광선 D₁p, D₁s를 포함한다. 널리 알려진 바와 같이 P 편광은 S 편광에 비교해서 큰 굴절 성분을 가지므로, 본 발명의 표면을 검출하는 목적으로서는 적합하지 못하다. 따라서, S 편광을 입사광으로써 사용하면, 반사광의 진폭은 제38도의 경계면상의 0점에서의 전장 및 자장의 연속성에 관한 조건에 따라 다음과 같이 나타내진다.

여기서, θ는 입사각, Ψ는 굴절각, As는 입사광이 진폭이다. 이 식에서 α_s는 반사계수 γd(일반적으로 복소수), 포토레지스트내를 한번 왕복하는 동안에 변화하는 위상 Ø 및 흡수계수 β를 사용하여 다음의 식으로 주어진다.

(8) 식의 { } 내의 제1항은 점 0에서 반사된 광과 바닥에서 반사된 광의 광로의 길이의 차에 의한 위상차이고, 제2항은 흡수에 의한 감쇠이다. 바닥이 알루미늄으로 이루어진 경우, 값 γ_b가 최대로 되어 가시영역의 검출 파장에 대해서 약 0.878로 된다. 바닥이 알루미늄이고, { }내의 제2항이 0인 경우, 즉 레지스트가 검출광을 흡수하지 않은 경우는 바닥의 영향이 최대로 되어 오차가 크게 된다. 바닥재료가 알루미늄인 경우, 패턴을 노출할 때에 정재파가 발생된다. 따라서, 흡수재를 삽입하는 일이 있다. 그러나, 이 흡수재는 g선(436nm), i선(365nm), KrF엑사이머레이저(248nm)를 흡수하지만, 기울기 및 높이를 검출하는데 사용되는 레이저에 대해서는 필요하다고는 말할 수 없다. 따라서, 바닥에서의 반사의 영향이 최대이고, 바닥이 흡수 계수 β=0에서 오차가 크게 되는 최악의 경우로써 알루미늄으로 이루어진 경우라도 정확한 검출을 보증할 수 있으면, 다른 문제는 없고 더욱 고정밀도의 검출이 가능하게 된다.

상기의 최악의 경우를 참조해서 본 발명의 작용의 설명을 계속한다. β=0으로써 (8)식을 (7)식에 대입하면 Rs는 복소수와 다음식으로 표현된다.

여기서, 바닥의 반사를, 0, 즉 αs=0이라고 가정하면, Rs는 (6)식에서 다음에 표시한 바와 같이 주어진다.

(9)식과 비교하면, Ø=0으로 된다. 이 식은 굴절률 n₁과 n₂를 갖는 경계의 반사를 나타낸다. (8)식에서 β가 0이므로 αs는

로 표현된다.

(6), (9) 및 (10)식에서 (9)식의 Rs 및 Ø는 다음과 같이 주어진다(여기서, γ_b는 시간에 대해서 실수로 하고 있다).

입사광의 진폭 As를 1로써 규정하여 (12) 식에서 Rs를 구한다. (11)식에서 구한 두께 d에 따라 변화하는 값 Ø, 알루미늄 바닥의 반사율 γ_b=0.878, 입사각, θ, θ에서 결정된 값 Ψ, (7) 식 및 레지스트의 굴절률 n₂(=1)을 (13)식에 대입한다. 값 Rs는 88, 86 및 80도의 θ에 대해서 복소평면상에 도시할 수가 있어 제39도∼제41도가 결정된다. 그래프의 원주상에 나타낸 값은 레지스트 두께에 따라 변화하는 (11)식에서 결정된 Ø이다. 이 그래프에 대해서 설명한다.

곡선상의 1점과 좌표원점을 연결하는 선분의 길이는 | Rs |이고, 바닥의 영향을 포함하는 진폭 반사율을 나타낸다. 이 선분과 실좌표(횡축)이 이루는 각도는 반사광의 위상 변화를 나타낸다. 이 위상 변화는 바닥의 영향이 없고, 표면 반사만의 경우에 상술한 바와 같이 Ø=0이었던 점에서 바닥의 영향에 의한 위상 시프트, 즉 바닥의 영향하의 높이 검출의 오차로 된다. 이 오차의 각도가 간섭 검출방법에서 어느 정도로 되는가를 연구해 보자. 다음에 상세하게 기술하는 바와 같이 제37도 및 제45도에 도시한 광학적 검출시스템에서 얻어진 간섭 무늬와 웨이퍼의 높이 △Z 및 기울기 △θ 사이의 관계는 다음식으로 부여된다.

( | a | ＞ | b | 의 관계에서 a 및 b는 정수)

여기서, X는 서로 중첩되어 2개의 광선이 간섭하는 위치에서의 무늬 피치의 방향에 따른 좌표, θ₀,θ는 참조광과 측정광의 법선에 대한 각도 △θ는 웨이퍼상에 따른 칩의 수평면에서의 기울기, △Z는 초점 맞춤방향에 따른 높이의 변화, Ψ₀은 광학적 측정 시스템의 초기설정 조건에 의해 결정된 위상 정수이다. (14)식에서 m은 제37도에 도시한 바와 같이 측정 물체에 한번 조사되는 경우에는 1, 제45도에 도시한 바와 같이 2번 조사되는 경우에는 2로 된다. (14)식에 따른 간섭무늬의 변화의 1피치에 요구된 웨이퍼의 수직 이동량 △Zp는 다음과 같이 주어진다.

m=1 또는 2인 경우에서 λ₁=0.6238㎛로 하고, θ=80∼89도에 대해서 얻어진 것은 제42도에 도시한다. 간섭 계측에 따른 (14)식에 의해 주어진 강도에선 높이 △Z를 구할 때에 바닥에서의 반사의 영향에 의해 측정광에 (13)식에 의해 주어진 Ψ의 위상 시프트가 발생하면, 측정 결과의 오차 △Ze는 (15)식에서

으로써 표현된다.

θ=88.5, 88, 86, 80도인 경우에서 알루미늄 바닥에 대해서 얻어진 △Ze의 값은 제44도A에 도시한 것과 같다. 한편, Ψ의 값은 제44도B에 도시한 것과 같다. 입사각도를 88, 86도로 하였을 때의 복소평면상의 Rs의 도면 제39도와 제40도에서 알 수 있는 바와 같이 원점에서 원주를 향해서 본 최대각 Ψmax는 이 값을 (16)식에 대입하는 것에 의해 최대 검출 오차를 부여한다. 그 결과, 원주가 제2 및 제3의 섹터로 들어가는 θ≤85°일 때, Ψ는 0도와 360도 사이에서 변화한다.

따라서, 검출 오차의 최대값은 △Z_y와 같게 되어 측정이 불가능하게 된다. 따라서 입사각을 적어도 85도로 하는 것이 알루미늄 바닥에 대해서 불가결하게 된다. 제43도는 제44도A에 도시한 검출 오차 △Ze의 최대값 △Zemax(그래프의 최대 값 중의 하나)를 도시한 것으로, 바닥 반사율 γ_b에 대해서 각각의 입사각을 파라미터로써 구한 것이다. 제43도의 그래프중에 화살표로 부가된 재료명은 반도체 웨이퍼의 바닥으로 되는 물질을 나타낸다. 이 도면에서는 알루미늄 이외의 재료에 대해서는 문제가 없지만, 알루미늄 바닥인 경우, 입사각이 85도 이상이더라도 특정 레지스트 두께(특정의 Ø)에 대해서 최대 검출 오차가 약 0.6㎛까지 도달하는 것을 이 그래프에서 알 수 있다. 위상 Ø와 같은 오차 △Ze를 나타내는 제44도A∼제44도C의 그래프는 180도까지만 도시하고 있다. 그러나, 180도∼360도의 각에 대해서는 0∼180도의 그래프의 곡선을 점(180°, 0㎛)을 중심으로 180° 회전해서 얻을 수 있다.

이 그래프는 0도와 120도 사이의 값 Ø 또는 240도와 360도 사이의 값 Ø에 대해서 약 0.1㎛이하의 검출 오차를 나타낸 것이다. 즉, 이들 범위내에서 시스템을 사용하면, 높은 검출 정밀도를 얻을 수가 있다. 값 Ø, 레지스트 두께 d, 파장 λ 및 측정광의 입사각 θ 사이의 관계를 나타낸 (11)식에 따라서 이 방법을 다음에 설명한다. 파장 λ₁(=0.6328㎛)와 λ₂(=0.6119㎛)을 갖는 2개의 레이저빔이 동일한 각도로 측정물체에 입사되어 간섭법에 의해 측정을 실행한다. 적어도 0.1㎛의 측정 오차(제44도A)에 관련된 위상값 Ø는 120∼240도의 영역내에 있다. 이 영역은 (11)식에서 알 수 있는 바와 같이 레지스트 두께의 소정의 주기로 존재한다.

제46도는 2개의 파장에서의 오차가 크게 되는 영역을 나타내는 선분을 도시한 것이다. 이 도면에서 명백한 바와 같이 2개의 레이저 빔 중의 하나를 1.2∼2.4㎛에서 레지스트 두께 또는 범위내에서 사용하면, 오차가 충분히 작게되어 정확한 측정이 가능하게 된다.

본 발명에 따르면, 광학적 다층 물질의 바닥이 상술한 바와 같이 매우 높은 반사율을 갖는 알루미늄등의 재료로 이루어졌더라도 표면의 높이와 기울기를 0.1㎛이하의 고정 밀도로 검출할 수가 있다. 따라서, 반도체 노출 장치에서 0.5㎛ L＆S의 미세 패턴 노출의 노출시에 서로 완전히 일치하도록 결상면과 레지스트 표면을 제어할 수가 있어 선폭 변동이 거의 없이 패턴을 형성할 수가 있다. 그 결과, 패턴 노출의 효율이 현저하게 향상되어 큰 경제적 효과를 얻는다.

본 발명에 따르면, 코히어런트 광원에서 발사된 광이 평행관선으로 변환되어 웨이퍼의 포토레지스트 표면의 투영 광학 시스템의 노출영역에 입사각 θ로 비스듬히 조사되므로, 간섭무늬가 검출되어 패턴 검출기에 바라는 각도로 참조광과 반사광선을 조사하여 얻어지고, 참조광선은 광원에서 발사된 광을 분리하는 것에 의해 발생된다. 위상과 간섭무늬 피치의 변화는 웨이퍼상에 포토레지스트면의 기울기와 높이를 결정하기 위해 사용된다. 또한, 입사각을 평행광속을 사용하는 본 발명에 따른 85도 이상으로 크게 할 수도 있다. 입사각을 크게 하므로, 광이 포토레지스트 표면의 대부분에 대해서 반사되어 바닥층 구조의 각층에서의 반사에 의해 발생된 간섭의 영향을 거의 모두 무시할 수가 있다. 또, 포토레지스트에 대한 광 입사를 S편광으로 하면, 레지스트면에서의 반사가 향상된 정밀도에 대해서 더욱 크게 된다.

또, 포토레지스트면에서 반사된 광이 평면미러와 수직방향으로 입사된다고 가정하면, 반사광은 다시 포토레지스트 표면을 입사되고, 물체광으로써 동일 반사광이 사용되어 간섭 패턴의 정보를 생성한다. 그후, 웨이퍼의 기울기 및 높이의 검출이 한층 높은 정밀도의 검출에 대해서 2배의 감도로써 실행 가능하다.

또한, 참조광이 포토레지스트에 조사된 광과 물체광(반사광)과 거의 동일한 영역을 유효적으로 통과하여 대략 동일 방향으로 되도록 시스템을 구성하면, 각 광로가 마찬가지의 작용에서 공기 요동등의 외란의 영향을 받으므로, 주위 조건의 변화에 의해 거의 영향을 받는 일 없이 기울기 및 높이를 검출할 수가 있다.

또, 간섭 무늬의 정보를 고속 푸리에 변환하고, 그 결과인 무늬 스펙트럼의 근방의 정보에서 기울기 △θ 및 높이 △Z를 구하면, 실시간으로써 간주되는 고속으로 값 △θ 및 △Z가 얻어진다. 또, 포토레지스트의 조사 위치가 패턴 검출 수단인 어레이센서의 수광면과 공역(결상)관계에 있으면, 웨이퍼상의 바라는 영역만의 정보를 픽업하여 특정 부분의 기울기 및 높이를 구할 수가 있다.

본 발명에 따르면, 노출 공정의 후단에서 발생하는 비교적 큰 포토레지스트 표면의 오목볼록에 대해서 광이 조사하는 각도가 크게 되므로, 레지스트의 돌출된 부분에 광을 조사하고, 레지스트의 오목한 부분은 볼록부분의 그림자로 되는 것에 의해 간섭무늬의 검출에 대해서 그의 기여도를 작게 하고 있다. 그 결과 본 발명에 따르면, 돌출부의 최상면을 검출하는 것에 의해 종래에서는 불확정하였던 검출면을 명확하게 하고 있다. 이것은 레지스트 표면의 정확한 검출을 가능하게 한다. 상술한 바와 같이 큰 표면을 갖는 측정 물체에서는 돌출부의 최상면의 면적이 반사광의 강도에 영향을 받는다. 그 결과, 돌출면의 최상면의 면적이 큰 면적비를 갖는 표면의 측정되어야 할 장소에서 반사광량이 거시적으로 증가된다. 어레이 센서의 수광면에서 참조광에 의해 발생된 간섭 무늬의 분포가 일정하게 된다.

즉, 상술한 바와 같이 측정 물체와 어레이 센서가 서로 공역인 위치 관계에 있을 때, 돌출부의 최상면의 면적의 비가 큰 측정면의 부분은 큰 진폭을 갖고, 상술한 영역의 비가 작을 때 진폭이 작게 된다. 그 결과, 다른 장소에서 다른 진폭을 갖는 간섭무늬를 푸리에 변환하고, 선피치에 대응하는 스펙트럼 정보에서 기울기 및 높이를 구하면, 정밀도가 저하하게 된다. 본 발명에 따르면, 참조광에 중첩되지 않는 물체에서 반사된 광만의 패턴의 강도분포를 상술한 어레이 센서에 의해 검출하고 있고, 이 얻어진 정보를 사용하여 상기의 간섭 무늬의 패턴 정보를 보정하고, 그후 푸리에 변환을 실행한다. 이렇게 하는 것에 의해, 간섭 무늬 패턴은 장소에 관계없이 어떤 장소라도 동일한 진폭을 갖게 되어 스펙트럼 정보에서 정확하게 기울기 및 높이를 구할 수가 있다.

패턴 검출기에서 얻어진 간섭무늬 정보는 피치와 위상의 정보를 포함하고 있으므로, 기울기와 높이의 정보가 동시에 얻어진다. 또, 입사각도를 85°이상으로 하면, 포토레지스트 표면에서의 반사가 크게 되어 포토레지스트 표면의 기울기 및 높이가 정확하게 동시에 검출된다.

또, 상술한 바와 같이 노출 공정의 후단에서 매우 큰 포토레지스트를 갖는 웨이퍼에 대해서 물체에서 반사된 광만을 검출하고, 이 검출된 강도 분포의 데이터를 보정값으로써 사용하면, 레지스트 표면의 돌출부의 최상면의 높이와 기울기가 주로 검출된다. 이 기능을 다음에 더욱 상세하게 설명한다. 웨이퍼(4)의 단면구조가 비교적 큰 단차를 갖고 오목볼록층(42)가 중첩되어 있는 Si기판(43)으로 되어 있다고 가정한다. 이 위에 도포된 포토레지스트(41)은 오목볼록층(42)의 단차와 비교해서 작지만, 단차가 남는다. 오목볼록의 포토레지스트의 표면에 법선에 대해서 85도 이상(예를들면, 88도)의 입사각으로 평행 레이저빔을 조사하면, 제58도의 사선 부분만이 정반사되고, 그 이외의 부분의 빔은 제58도의 확대도인 제59도에 빔 A₁, B₁, C₁로 나타낸 바와 같이 정반사빔과 다른 방향으로 산란적으로 반사된다. 그 결과, 다음에 기술하는 바와 같이 정반사광만을 인출하는 검출 시스템에서 빔 A₁, B₁, C₁로 나타낸 바와 같이 돌출부의 최상부로 반사된 것 이외의 광은 도달하지 않는다. 이와 같이, 오목볼록 부분으로 구성된 단면 구조의 경우에서는 최상면의 면적에 대략 비례한 강도의 광이 검출기에 도달한다.

또한, 웨이퍼의 면은 어레이 센서의 수광면과 거의 공역으로 되어 있으므로, 단면구조가 거의 평탄하던가 또는 약간의 오목볼록이 있더라도 볼록부의 최상면의 큰면적에 대응하는 이들 부분의 강도가 크게 되고, 그 반대는 작게 된다. 그 결과 측정 물체에서 반사된 광의 어레이 센서의 강도분포 O_x는, 예를 들면 제53도에서와 같이 다른 장소에서 다른 레벨을 갖는다.

이와 같은 분포를 갖는 광과 제54도에 도시한 바와 같이 소정의 레벨을 갖는 참조광 R_x를 간섭시키면, 제55도에 도시한 바와 같이 간섭무늬의 강도 I_x의 무늬의 진폭이 변동된다.

이상 설명한 현상을 더욱 이론적으로 정량적으로 설명한다.

광이 어레이 센서에서 입사되는 측정물체에서 반사된 광의 강도를 O_x, 동일광의 입사각을 α₁, 참조광의 강도를 R_x, 동일 참조광의 입사각 -α₁(마이너스는 광이 어레이 센서의 표면의 법선에 대해서 측정물체에서 반사된 광과 반대방향으로 기울어지고 있는 것을 나타낸다)이라고 한다. 이들 2개의 광선이 X방향으로 기울어지고 있으면, X방향으로 변화하는 무늬를 검출한다. 이렇게 해서 얻어진 간섭무늬의 강도는,

로써 주어진다.

여기서, λ는 검출광의 파장, △θ는 측정 물체의 기울기, n은 다음에 기술하는 측정 물체에서의 반사의 회수, m은 검출 광학 시스템의 결상 배율이고, Ø(Z)는 높이에 따른 위상 변화이다. (17)식은 △θ《α₁《1의 관계에서 n=1일 때 다음과 같이 표현된다.

만약, O_x및 R_x가 X에 관계없이 일정값을 취하면, (18) 식에 의해 부여된 검출 신호의 푸리에 변화에 의해 얻어진 푸리에 스펙트럼의 무늬 주기에 대응하는 스펙트럼의 피크 위치와 그 근방의 데이터를 사용해서 △θ와 Ø(Z)의 값을 구할 수가 있다. 그러나, 일반적으로 값 O_x와 R_x는 일정하지 않고, 상술한 바와 같이 웨이퍼의 레지스트 표면의 오목볼록상태가 장소에 따라 다르게 주어진 경우에는 제53도에 도시한 바와 같이 값 O_x가 변화한다. O_x에 대해서 참조광의 분포 R_x가 제54도에 도시한 바와 같이 일정값 R_c라고 가정하면, (18)식에 의해 부여된 간섭 무늬의 강도 및 진폭은 제55도에 도시한 바와 같이 장소에 따라 변화된다. 이와 같은 진폭 변화가 있으면, I_x의 푸리에 변환은 제57도에로 나타낸 바와 같이 피크값 주위의 확대를 가지므로, 본래의 무늬 주기(기울기) 및 위상(높이)의 정보가 잠재되어 정밀도가 저하된다.

이 문제점에 대처하기 위하여 간섭 무늬를 검출하기에 앞서 참조광을 차광시켜 놓고 측정 물체에서 반사된 광만을 동일한 검출시스템에 이해 검출한다. 이 값은 당연히 O_x이다.

제54도의 예와 같이 R_x=R_c가 아닌 경우에서는, 예를 들면 R_x가 제62도에 도시한 곡선인 경우에는 참조광만의 강도 분포 R_x를 측정한다. 이 2개의 측정값(O_x, R_x) 또는 R_x=R_c인 경우에는 하나의 측정값(O_x)를 보정값으로 해서 다음에 나타낸 보정 연산을 실행하여 보정신호 Icx를 산출한다.

스펙트럼 S(k)의 가로 좌표 k는 주파수 정보를 마련되지 않지만, I_x는 (1)식에 의해 주어지므로, Icx는,

로써 결정된다.

이 보정신호 Icx는 푸리에 변환하면,로 나타낸 바와 같이 피크값 주위의 확대가 제거된다. 순수한 삼각함수에 따른 샤프한 스펙트럼이 얻어지는 것에 의해 정확한 기울기와 높이를 구할 수가 있다.

본 발명에 따르면, 오목볼록면을 갖는 광학적 다층 물질로 되는 반도체 웨이퍼등의 물체의 표면의 기울기와 높이를 정확하게 검출할 수가 있다. 그 결과, 금후의 LSI의 미세화에 대해서 비교적 얕은 초점 깊이를 갖는 축소 노출장치를 사용하더라도 다른 웨이퍼 표면 상태에 의해 수반된 모든 공정에서 높은 효율로 LSI 패턴을 광에 의해 노출시킬 수가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상술한 경우에 한정되는 것은 아니고, 표면의 층구조 또는 그의 패턴 상태에 의존하지 않고 넓은 범위의 측정 물체의 표면의 기울기 및 높이를 고정밀도로 구할 수가 있다.

또, 본 발명은 일반적으로 주기적 파형을 갖는 신호의 주기 또는 피치와 초기 위상을 매우 정확하게 검출할 수 있어 응용의 넓은 범위에 걸쳐서 상기 고정밀도 측정이 가능하게 된다.

여기서, 투영 노출 장치의 신호 처리 방법에 대해서 설명한다.

투영 노출 장치에 있어서, 물체 표면의 기울기 및 높이는 정현파의 주기 및 위상의 검출에 의해 결정된다.

또, 투영 노출 장치에 있어서, 정현파등의 주기파의 주기 및 위상을 결정하는 방법은 이산푸리에 변환을 사용한다. 이산푸리에 변환은 주기파를 시계열로 샘플링하여 디지털화한 후, 다음 식에 따라 주파수 정보 F(k)를 구한다.

여기서, j 또는 k=0, 1, 2, …, N-1, N=2m(m: 정수)

A(j)는 주기파가 샘플링된 디지털 값, N은 샘플링의 전체 수이다. F(k)는 (1)식으로 나타낸 바와 같이, 복소수의 연산으로 구할 수 있으며, 다음과 같은 복소수로 표현할 수가 있다.

F(k) = Fr(k)+iFi(k) ……………… (21)

즉, 푸리에 변환의 F(k)는 실수부 Fr(k)와 허수부 Fi(k)를 갖는 벡터이다. F(k)의 주파수 성분의 강도를 나타내는 스펙트럼의 높이 S(k)는 벡터의 길이(절대값)를 계산하는 것에 의해 다음식으로 구할 수 있다.

제69도는 주기파의 이산푸리에 변환후 스펙트럼 S(k)의 일예를 도시한 것이다. 이산푸리에 변환은 주기파의 각각의 주기를 위해 샘플링 수의 정보를 마련한다. 정확하게는 다음 식과 같이, 전체 샘플링 수 N을 k로 나누어서 1주기단의 샘플링 수 P의 정보를 구할 수가 있다.

P=N/k …………………………… (23)

따라서, 제69도에 도시한 바와 같이, 스펙트럼도에서 k=0(P=∞)에서의 스펙트럼 S(k)는 직류 성분을 나타내고, k가 큰 위치에서 스펙트럼 S(k)는 짧은 주기의 정보를 나타낸다. 제69도의 예에서, k=0의 직류 성분과 다른 k=n_o의 위치에서 스펙트럼 S(k)가 최대이고, 주기파에서는 데이터의 샘플링수로서 P₀=N_o/n_o의 주기 성분이 가장 많이 포함되어 있는 것을 나타낸다. 또, 다음식의 연산에 의해 주기성분 P₀의 위상 Ø₀을 결정하는 것도 가능하다.

Ø₀=tan^-1(Fi(n_o)/Fr(n_o)) …………… (24)

상술한 계산 방법은 노출된 물체의 기울기 및 높이를 결정하기 위한 본 발명의 투영 노출 장치에서 실현된다.

그러나, 이산 푸리에 변환을 사용하는 방법은 다음과 같이 피할 수 없는 문제점을 갖는다. 즉, 푸리에 변환이 이산적이기 때문에 스펙트럼 S(k)의 위치(k)도 이산적으로 되어 샘플링 점의 수 N개분만 분해된다는 정확도의 문제가 있다. 이 문제점을 다음식과 같이 주기 P와 위상 Ø를 갖는 정현파 A(j)에 이산 푸리에 변환을 적용하는 경우에 대해서 설명한다.

여기서, a는 직류 성분이고 b는 게인이다. 먼저, (23)식에서 주기 P로 샘플링된 수 N을 나눈 결과가 정수값 n_o(=N/P)이면, 푸리에 변환후 스펙트럼 S(k가 제70도에 도시한 바와 같이 k-0, k=n_o의 위치에서만 나타난다. 이와 같은 경우, k=0 위치 또는 식(25)에서 직류 성분 a에 따른 스펙트럼 위치 이외에서 스펙트럼 S(k)가 최대로 되는 위치 K=n_o가 식(23)의 주기 P₀(=N/n_o)로 결정되어 검출된다. 따라서, 이 정보 P₀는 식(25)의 정현파 A(j)의 주기 P와 일치한다. 식(24)에서 결정된 위상 Ø₀도 식(25)에서의 위상 Ø와 일치한다. 다음에 샘플링 수 N이 주기 P로 나누어진 경우에 대해서 고려해 본다. 즉,

N/P=n_o+△ ………………… (26)

(n: 정수, | △ | ＜0.5)

로 하면, 이산 푸리에 변환후의 스펙트럼 S(k)는 제71도와 같이 주어진다. 이러한 경우, 점선으로 표시한 실제의 최대 스펙트럼은 k=0 이외의 k=n_o+△의 위치에서 나타난다. 그러나, 스펙트럼 위치 k(k=1,2,…, N-1)가 샘플링의 수 N개분만 분해하므로, 최대 스펙트럼은 제70도와 마찬가지로 k=n_o위치에서 나타난다. 제70도 및 제71도에 도시된 정현파가 이산 푸리에 변환될 때, 2개의 스펙트럼의 모양의 다른 점은 제71도에서 끝수 △의 영향에 의해 k=n_o의 주변에도 스펙트럼 S(k)가 분포되는 점이다. 즉, 식(26)에 나타낸 바와 같이, 실제로 최대 스펙트럼의 위치에서 끝수 △가 발생하여도, 최대 스펙트럼의 위치는 △가 없는 경우와 동일하다. 따라서, 최대 스펙트럼의 위치 k=n_o에서 식(23)으로 결정한 주기 P(N_o/n_o)는 정확하지가 않다. 종래의 획일적인 방법에서 최대 스펙트럼의 위치 k=n_o만 사용하여 정현파의 주기 P를 결정하는 경우, 다음식과 같은 오치가 나타난다.

예를 들어 N=512, P=10이면, n_o=51 및 △=0.2이다.

따라서, 종래의 방법에 의한 검출에서는 0.039의 오차 ε가 발생한다. 또, N=128이고 P=10이면 오차 ε는 -0.154가 발생한다. 한쪽의 위상 Ø₀도 끝수 △가 있는 한 식(24)에서는 정확하게 구할 수가 없다. 상술한 2가지의 예에서 알 수 있는 바와 같이, 오차 ε는 샘플링의 수 N이 증가함에 따라서 증가된다. 그러나, 푸리에 변환이 이산적인한, 식(27)에 의한 오차는 피할 수 없다. 한편, 샘플링의 수 N이 증가하면, 푸리에 변환의 처리 시간이 길어진다는 문제점이 있다.

이와 같은 종래의 이산 푸리에 변환을 사용하는 방법의 문제점을 해결하기 위한 방법으로서 MEM 이론이 제기되고 있다. 이 MEM 이론은 유한의 관측 파형에서 반복 전개로 무한 함수를 추정하는 것이다. 그러나, 이것은 계산이 복잡하여 처리에 시간이 걸린다는 장치화에 결정적인 문제점이 있다. 정현파의 주기 및 위상을 측정하는 장치로서는 예를들어 광학적 간섭 무늬를 사용하는 형상 측정 장치가 있다. 이러한 종류의 장치가 일본국 특허공개공보 소화 61-213704호에 기재되어 있다.

즉, 상술한 종래 기술은 이산 푸리에 변환으로 구하는 스펙트럼의 위치가 이산적이므로, 정밀도, 즉 분해능 또는 처리 시간상의 결정적인 문제가 있다는 것에 대해서는 배려가 되어 있지 않았다. 따라서 최대 스펙트럼의 위치만을 취급하여 정현파의 주기 또는 위상을 구하면 오차가 발생한다는 문제점이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 이산 푸리에 변환의 문제점을 해결하고, 스펙트럼 분포에서 정밀도 높게 정현파의 위상 및 주기를 도출할 수 있는 검출 방법 및 이러한 방법 및 장치를 사용하여 물체 표면의 기울기 및 높이를 측정할 수 있는 측정 장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 정현파의 위상 및 주기를 검출하는 검출 방법 및 장치와 표면의 기울기와 높이의 측정 장치는 이산 푸리에 변환후의 최대 스펙트럼 및 그 주변의 스펙트럼의 높이가 정현파의 주기에 의해서 변화되는 것에 착안하여 최대 스펙트럼과 그 양쪽의 인접 스펙트럼의 위치 및 스펙트럼에서 실제의 최대 스펙트럼의 위치를 도출한다. 이 실제의 최대 스펙트럼의 위치와 상기 3개의 스펙트럼의 벡터는 고정밀도로 정현파의 주기 및 위상을 검출하기 위해 사용된다. 또, 이 방법은 광학적 간섭 무늬를 이용하는 물체의 기울기와 높이를 측정하는데 적용시킬 수가 있다. 즉, 표면의 기울기와 높이는 연산수단에 의해 간섭 무늬의 주기와 위상에서 측정된다.

상기 정현파의 주기 및 위상의 검출 방법 및 장치와 표면의 기울기 및 높이의 측정 장치는 실제의 최대 스펙트럼의 위치를 이산 푸리에 변환식을 전개하는 것에 의해 최대 스펙트럼과 그 인접한 양쪽의 스펙트럼의 벡터를 변수로 하여 결정할 수가 있다. 상술한 스펙트럼의 벡터를 수식에 대입하여 연산을 실행하는 것에 의해 실제의 최대 스펙트럼의 위치가 구해지므로, 정현파의 주기 및 위상이 연산에 의해 정확하게 검출된다. 실제의 최대 스펙트럼의 위치를 결정하는 다른 방법이 있다. 제72도는 스펙트럼 S(k)에서 실제의 최대 스펙트럼의 위치를 결정하는 다른 예를 도시한 것이다. 이 방법은 최대 스펙트럼 주변의 스펙트럼 분포가 제72도와 같이 가장 유사한 함수로써 최소 자승에 의해 근사하게 되고, 그의 근사함수의 최대값은 실제의 최대 스펙트럼의 위치를 추정하는데 사용된다. 그러나, 이것은 근사함수의 설정이 어려우므로, 고정밀도로 추정을 할 수 없다는 문제점이 있었다. 다음에, 실제의 최대 스펙트럼의 위치를 검출하는 상기 방법에서 정현파의 주기와 위상을 결정하는 연산 방법을 구체적으로 설명한다.

먼저, (25)식에서 주어진 정현파 A(j)는 오일러의 공식에 의해 다음의 식과 같이 또 리라이트할 수 있다.

여기서, 정현파 A(j)를 푸리에 변환의 (1)식에 대입해서 전개하면, 다음에 나타낸 푸리에 변환값 F(k)이 얻어진다.

이 식에서 제1항은 DC 성분 a의 푸리에 변환을 나타내므로, 델타 함수로 되지만, 유한개의 푸리에 변환이므로 유한값으로 된다. 제2항과 제3항은 등비급수의 공식을 사용하면 계수 b/2를 생략하여 다음의 식으로 부여된다.

DC 성분 a의 제1항을 생략하는 것에 의해 식을 간략화하면, 푸리에 변환값 F(k)는 다음의 식으로 부여된다.

다음에, 최대 스펙트럼과 인접하는 스펙트럼의 크기를 (28)식의 푸리에 변환의 전개식에서 결정한다. 실제의 최대 스펙트럼의 위치 K₀은(26)식에서 다음과 같이 계산된다.

K₀=N/P=n_o+△ ……………… (29)

(n_o: 정수, | △ | ＜0.5)

여기서, n_o은 푸리에 변환에 의해 결정된 최대 스펙트럼의 위치이고, △는 실제의 최대 스펙트럼의 위치의 소수점 이하의 끝수이다. (28)식에서, K=n_o이고, (29)식을 여기에 대입한다. 그러면, 위치 n_o에 대해서 최대 스펙트럼 F(n_o)은 다음의 식에 나타낸 바와 같이 결정된다.

여기서, 근사가 다음과 같이 이루어진다.

그후,

로 된다. 여기서, 계수 Nsin△π/π를 생략하여 최대 스펙트럼 F(n_o)의 벡터의 실수부 R과 허수부 I를 결정하면, 다음에 나타내는 식이 얻어진다.

또, Φ=Ø+△π로 하고 이 식을 전개한다. 그러면, 최대 스펙트럼 F(n_o)의 벡터의 실수부 R과 허수부 I는 다음과 같이 리라이트된다.

마찬가지로,

다음에, 마찬가지로 해서 최대 스펙트럼 F(n_o)에 인접하는 스펙트럼 F(n_o-1), F(n_o+1)에서 이들 벡터의 실수부와 허수부를 얻을 수가 있다. 이들 결과는 다음과 같이 요약된다.

여기서, Φ=Ø+△π이다.

이와 같이, 최대 스펙트럼 F(n_o) 및 인접하는 스펙트럼 F(n_o-1), F(n_o+1)의 벡터(실수 및 허수부)가 명백하게 되면, 실제의 최대 스펙트럼의 위치의 n_o으로부터의 치우침(끝수) △를 다음에 나타낸 연산에서 추정할 수가 있다. (30)식에서 실수부를 사용해서,

이것에서 끝수 △를 구하면,

로 된다. (30)식의 허수부를 사용하는 것에 의해 마찬가지로 해서 끝수 △가 구해질 수도 있다.

(31) 및 (32) 식의 우변의 변수는 푸리에 변환에 의해 결정된 스펙트럼의 실수 및 허수부를 나타내고 있으므로, (31) 또는 (32)식의 연산에 의해 실제의 최대 스펙트럼의 위치의 끝수 △의 추정이 가능하게 된다. 그 결과 이들의 연산에 의해 끝수 △가 결정되면, 푸리에 변환을 받은 정현파의 주기 P는 (29)식을 사용하여 다음의 식에서 계산된다.

또한, 끝수 △가 (31) 또는 (32)식의 연산에 의해 결정되면, 푸리에 변환을 받은 정현파의 위상 Ø은 다음의 계산에 의해 계산된다. (30)식에서,

이 얻어지고, 이들 식의 서로에 대해서 양변을 제산하면,

로 된다. 따라서, 위상 Ø는 다음의 식에서 결정된다.

본 발명에 따르면, 이산 푸리에 변환의 본질적인 정밀도상의 문제점을 해결할 수 있다. 따라서, 정현파의 어떤 주기인 경우라도 이산 푸리에 변환에 따른 이산전 스펙트럼에서 실제의 최대 스펙트럼을 이론적 공식으로 구할 수가 있는 것에 의해 정밀도가 높은 정현파의 주기와 위상을 검출할 수가 있다. 또한, 이것을 광학적 간섭 무늬의 주기와 위상을 검출하는데 효율적으로 사용할 수 있어 물체의 면의 기울기와 높이의 고정밀도 측정을 실현할 수가 있다.

[발명이 최선 실시 형태]

본 발명의 실시예를 제1도에 따라 다음에 설명한다. 노출광 조명 시스템(81)에서 발사된 노출광선은 레티콜(9)를 조명하고, 그 투과된 광은 축소투영 렌즈(8)을 거쳐서 스테이지(7)상의 웨이퍼(4)의 표면에 레티콜의 패턴의 축소된 상으로써 투영된다. 레티콜(9)와 웨이퍼(4)의 상대적 위치는 얼라인먼트 시스템(800)에 의해 검출되고, 레티콜(9) 또는 웨이퍼(4)의 미세 제어에 의해 패턴의 중첩 노출이 실행된다. (100x)는 방향이 기울기 및 높이를 검출하는 시스템이다. Y방향의 기울기에 대해서는 도시하지 않았지만, 마찬가지의 광학 시스템이 마련된다. 이하, 이 검출 시스템에 대해서 설명한다.

반도체 레이저등의 코히어런트 광원(1)에서 발사된 광은 렌즈(11)에 의해 평행빔(15)로 변환된다. 평행빔(15)는 빔스플리터 프리즘(10)에 의해 평행빔(16)과 (17)로 분리된다. 평행빔(16)은 조명 수단인 빔 스플리터(12) 및 미러(13)을 거쳐서 수직인 두 개의 축 게이트 기구를 탑재하고 있는 스테이지(7)상의 노출물체를 마련한 웨이퍼(4)의 최상면의 포토레지스트상에 입사각 θ(88°)로 조사된다. 상술한 바와 같이, 거의 전부의 광이 포토레지스트의 표면상에서 반사하고, 이 반사 물체광(16′)는 리턴 검출 광학 시스템을 마련한 평면 미러(14)에 수직방향으로 입사하여 원광로를 따라 역방향으로 진행해서 노출물체(4)상에서 반사하고, 또 물체광(26″)로서 미러(13), 빔스플리터(12), 렌즈(21), 미소 개구판(23) 및 렌즈(22)를 거쳐서 패턴 검출수단(3)에 도달한다. 한편, 빔스플리터(10)에 의해 분리된 참조광(17)은 조사광(16)과 거의 동일한 광로를 따라 동일 방향으로(엄밀하게는 웨이퍼 법선에 대하여 92°의 각도 방향을 따른다) 진행해서 평면 미러(14)상에 수직 방향으로 반사하여 물체광(26″)와 거의 동일한 경로를 따라 참조광(27″)로서 진행하고, 쐐기 형상의 글라스(24)를 거쳐서 패턴 검출 수단(3)에 도달한다.

참조광로가 물체광로와 다른 점은 전자의 광이 노출물체(4)상에서 반사되지 않고 쐐기 형상의 글라스(24)를 통과한다는 점이다. 렌즈(21) 및 (22)는 평행빔의 형태로 발사된 입사 평행빔을 갖고, 웨이퍼상의 조사광의 조사위치, 즉 웨이퍼상의 노출영역 0를 대략 패턴 검출기상에 결상시킨다. 쐐기형상의 글라스를 마련하지 않는다면, 웨이퍼상에서 반사하여 리턴된 물체광과 참조광의 교차점 A에서는 패턴 검출수단의 수광면의 후방에서 결상한다. 이것은 두 개의 광빔의 수광면상에 배치된 것을 나타낸다. 이에 대처해서 참고광(또는 물체광)에 쐐기형상의 글라스를 삽입하여 수광면상에서 두 개의 광이 교차하고, 또 노출영역 0에 결상하도록 하고 있다. 리턴 검출 광학 시스템에 배치되어 있는 미소개구판(23)은 렌즈(21)에 입사하는 평행빔인 물체광과 참조광의 집광 위치에 있고 집광 위치에 미소한 개구를 갖는다. 이 미소개구판은 높은 코히어런트의 레이저빔을 사용하는 경우에 문제로 되는 렌즈 또는 패턴 검출 수단에서 발생되는 이면 반사광을 제거하여 패턴 검출 수단의 수광면에 잡음빔이 중첩되는 것을 방지한다. 패턴 검출수단(3)에서 검출되는 간섭무늬는 제2도에 도시된 강도분포 Ix를 갖는다. 패턴 검출수단(3)은 1차원 어레이 센서이며, 제2도에 있어서 X축상에 표시된 위치로 강도 값이 결정된다.

이 데이터가 처리 회로(5)에 전달된다. 웨이퍼의 노출영역의 표면이 수평면(제3도에서(4))에서의 노출 결상 시스템에 있어서 레티클(9)의 결상면과 일치하면, 제2도에서 실선으로 표시된 피치 P의 간섭 무늬가 얻어진다. 한편, 노출영역의 표면이 제3도 또는 제1도에서 점선 LL′로 표시된 바와 같이 α만큼 경사져 있으면, 제3도에서 명백한 바와 같이 1회째의 반사광은 2α이고, 리턴된 2회째의 반사광은 4α만큼 경사지게 된다. 그 결과, 패턴 검출 수단에 의해 얻어진 간섭무늬는 제2도에서 점선으로 표시된 피치 P′로 된다. 검출수단에서 얻어진 간섭 신호는 전송선(31)에 의해 제4도에 도시된 처리회로(5)에 인가된다. 입력신호는 먼저 제2도에서 횡축을 따라 표시된 각점에 대응한 타이밍에서 A/D 변환된 다음에 FFT 회로에 인가된다. 이 FFT 입력신호는 제4도 B에 도시된 비와 같은 형태로 되어 있으며, FFT의 결과는 복소수 C(k)의 형태로 얻어져 제4도 C에 도시된 바와 같이, 일반적으로 k=0과 k=m에서 스펙트럼 피크를 갖는다(그러나, 이 그래프의 종축은 | C(k) | 이다). 값 k=0은 정현파의 바이어스 성분, k=m은 정현파의 주기에 대응한다. 값 m은 피치 P에 대응하지만, 출력은 이산형태로만 얻어지므로, 스펙트럼 피크의 참위치를 C(m) 및 그 근방의 데이터에서 보간법에 의해 결정하는 것에 의해 기울기 △X를 결정할 수가 있다.

또, 복소수 C(m)의 위상(tan^-1(Im(C(m))/Re(C(m))에서 높이(Z)에서의 정보 △Z가 얻어진다. 이와 같이해서 얻어진 값 △Ø_x와 △Z 및 제1도에는 도시되지 않은 Y방향검출 시스템에서 얻어진 Y방향을 따르는 간섭무늬 정보에서 처리 회로(5)에 의해 마찬가지 형태로 얻어진 값 △Ø_y를 기초로 스테이지(7)상의 수직인 두 개의 축 게이트 기구를 제어하는 것에 의해 결상면과 포토레지스트 표면을 바라는 위치 관계로 서로 위치 맞춤한다.

제8도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면이다. 제1도와 동일한 번호로 표시된 구성 요소는 각각 동일한 번호로 표시된 구성요소에 대응한다. 또, 제1도에 도시된 바와 같이, Y방향의 기울기를 검출하기 위한 시스템의 도면은 생략하였다. 반도체 레이저(1)은 파장이 λ₁, 반도체 레이저(1′)는 파장이 λ₂이다. 예를 들면, 파장 λ₁은 810nm, λ₂는 750nm이다. 반도체 레이저(1), (1′)에서 반사된 광빔은 각각 (11) 및 (11′)에서 평행 광빔으로 변환되어 회절 격자(18) 및 (18′)를 거쳐서 0차 및 1차 평행빔으로 분리된다. 분리된 4개의 평행빔은 파장 분리 미러(19)를 거쳐서 인가되어 λ₁의 빔이 투과되고 λ₂의 빔이 반사되므로 4개의 빔은 프리즘(110)을 거쳐서 서로 평행하게 된다. λ₁과 λ₂의 빔(16), (16′)는 정확하게 동일 광로를 통과하여 미러(13)상에서 반사하여 웨이퍼에 θ₁의 각도로 입사한다. 반사광은 물체광으로 되어 미러(23), 렌즈(21), (22)로 구성되는 검출 광학시스템을 거쳐서 패턴 검출 수단(3)에 입사된다. 한편, 파장 λ₁및 λ₂의 빔(17) 및 (17′)는 정확하게 동일 참조광로를 통과하여 패턴 검출 수단(3)에 물체광에 대하여 일정한 각도로 입사한다.

물체광로와 참조광로는 웨이퍼면상에서 반사되는 것을 제외하고는 동일 광학 부품을 정확하게 지나간다. 처리회로(5′)는 반도체 레이저(1)과 (1′)를 교대로 점멸하여 패턴 검출수단(3)에서 파장λ₁과 λ₂의 간섭무늬 정보를 수신한다. 제9도는 처리 회로에서 수신되는 파장 λ₁의 간섭무늬 정보를 도시한 도면이다. 실선은 최량의 높이에서의 것이며, 점선은 Z 만큼 높이가 변화했을 때의 것이다. 이들 두 개의 검출 신호는 기울기의 변화가 없는 경우 아래에 도시된 값 △Ø_x의 위상차를 발생하고 있다.

그러나, 검출된 위상차 △Ø_x에서 △Z를 결정하는 경우에 다음 식으로 표시되는 불확정성이 있다.

여기서, n은 정수이다. λ₁을 0.81㎛, θ₁을 88°로 하면, 참값 +11.6n㎛의 불확정값을 갖는다. 본 실시예에 의하면 이 문제를 제2의 파장 λ₂에 의해 해결할 수 있다. 제10도(a)는 파장 λ₁에서 검출했을 때의 기준위치(X=X₀)에서의 웨이퍼 표면의 높이 변화에 대한 검출 강도 I_z를 도시한 도면이며, 제10도(b)는 파장 λ₂에서 검출했을 때의 동일한 검출 강도를 도시한 도면이다. 검출된 패턴의 강도는 다음식으로 주어진다.

여기서, X는 검출수단의 수광면의 좌표이며, M은 결상배율이다. 그 결과, I_z=I(X₀, △Z : λ₁)로 된다. λ₁로 검출된 위상값이 △Ø₁이고, 이것에 대응하는 높이가 P_-2, P_-2, P₁, P₂, P₃…에 대응한다면, 이점에 대응하는 △Z가 참 값인가 알 수 없다. λ₂로 검출된 위상값이 △Ø₂이면, 대응하는 △Z의 값은 제10도에서의로 된다. 동일 위상으로 되는 △Z=S₀과 다음에 동일 위상으로 되는 △Z=S₁사이의 간격 S₁, S₀는 다음식으로 주어진다.

이 간격사이에서 λ₁의 위상이 △Ø₁로 되며, λ₂의 위상이 △Ø₂로 되는 것은 △Z₀의 한점에서만 취해진다. 이 조건을 만족하는 △Z의 값은 다음식으로 주어지는 높이로 된다.

△Z= △Z₁+mS₁S₀……………… (36)

여기서, m은 정수이다. λ₁=0.81㎛, λ₂=0.75㎛, θ₁=88°일 때, S₁S₀은 145㎛로 된다. 웨이퍼면의 높이가 이와 같은 넓이 범위에서 변화하는 일 없이 두께가 다른 종류의 웨이퍼를 사용하는 경우에는 사전에 그 값을 알고 있으므로, 문제를 일으키지 않는다. 제1도에 도시된 실시예에서는 리턴평면미러를 사용하여 웨이퍼면에서 2배로 반사시키므로, S₁S₀에 대응하는 값은 제8도의 실시예의 경우의 절반으로 되어 72.5㎛로 된다.

제11도는 일회의 노출스텝에서 웨이퍼상이 노출되는 영역(41)에 대하여 X방향과 Y방향의 조사광(16),를 도시한 도면이다. 조사광선(16)의 웨이퍼상의 위치는 패턴검출수단(3)의 수광면(301)의 어레이 소자의 번지와 대응하고 있다. 조명영역 전체에 대응하는 번지 j_s∼j_e의 사이에서 바라는 영역만을 인출한다. 예를 들면, 제11도에서 영역 I_s∼I_e또는 제12도에서 영역 I_s1∼I_e2를 인출하여 이들 데이터만을 사용해서 FFT를 실행하는 것이 용이하다. 이와 같이 임의의 부분을 지정하는 것이 가능하므로, 미세패턴을 포함하는 부분을 검출영역으로서 지정하여 거칠은 패턴을 제거하는 것에 의해, 미세패턴 부분의 기울기나 높이를 정확하게 결정하여 집속점에 가까운 위치에서 노출을 실행하는 것이 가능하다.

제13도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면이다. 제1도 및 제8도와 동일한 부호는 각각 대응하는 구성 부품을 나타낸다. 파장 λ₁과 λ₂의 반도체 레이저(1),에서 발사된 광빔은 조준 렌즈(11)과를 거쳐서 평행광빔으로 되어 파장분리미러(19)에 의해 동일 광로상으로 진행한다. 원통형상의 렌즈(110) 및 (120)은 Y방향으로 빔의 치수를 넓히는데 사용된다. 제14도는 웨이퍼(4)상의 노출영역(41)에 대하여 넓혀진 조사광(16)(점선)의 범위를 도시한 도면이다. 조사부분은 2차원 어레이 소자로 구성되는 패턴검출수단(3″),의 수광면(302)상에서 결상된다. 2차원적으로 얻어진 조사부분의 간섭무늬중, 제14도에 도시된 바라는 영역(42), (43)만의 정보를 연산처리한다. 영역(42), (43)의 각각에서 X방향의 기울기 및 높이가 결정되며, (41) 전면에 대하여 X 및 Y방향의 기울기 및 높이가 결정된다.

제15도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면이다. 이 도면은 평면도이며, 투영노출장치의 노출 광학시스템은 생략하였다. 스테이지 드라이브 기구의 X방향에 따르는 회전축(71)과 Y방향에 따르는 회전축(72)주위에서 ω_x, ω_y로 미소회전 가능하다. 웨이퍼(4)상의 노출영역(41)의 X축이 45°의 각도로 경사진 a방향(X방향)에서 기울기 및 높이 검출용의 조사광이 조사되고, 반사광이 평면미러(14)에 수직방향으로 리턴되어 기울기 및 높이 검출광학시스템(100)에 의해 검출된다. 본 실시예에 의하면 두 개의 축 드라이브기구에 대하여 검출광은 45°의 기울기를 갖고 있어 제16도에 도시된 바와 같이 간섭패턴이 패턴검출수단의 2차원 촬상면상에 발생하고 있다. 간섭패턴은 웨이퍼면이 수평을 유지하고 있을 때에 실선으로 나타내며, Y방향을 따라 경사져 있을 때에 점선으로 나타낸다. 이 때문에, 촬상면상의 X 및 Y방향을 따르는 피치 및 위상을 결정할 수 있으면, X 및 Y방향을 따르는 기울기 및 높이를 단일 검출광축시스템에서 결정할 수가 있다. 또한, 제15도의 실시예에서 패턴검출수단의 직전에서 광빔을 2분할하여 X 및 Y방향을 따르는 기울기 및 높이를 다른 패턴검출수단에 의해 검출하여도 된다.

상술한 바와 같이, 본 실시예를 반도체 노출장치를 참조해서 설명하였지만, 본 발명은 액정표시등의 표시 장치를 위한 노출장치에도 마찬가지로 해서 매우 효과적으로 적용할 수가 있다.

제18도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면이다. 제1도와 동일한 부호는 각각 대응하는 구성 부품을 나타낸다. 제1도와의 차이점은 다음의 5가지이다. (1) 레이저광원으로서 He-Ne 레이저등으로 대표되는 튜브식 레이저(101)을 사용하고, 레이저 빔의 일부(가우스 분포의 중심부)를 선택하기 위한 핀홀판(102)를 리턴평면미러(14)와 공역인 위치에 설치한다. (2) 빔 (15)가 빔스플리터(12)를 통과하고, 미러(14)에서 리턴하여 패턴검출수단(3)에 도달할 때까지의 반사회수가 참조광로와 물체광로상에서 우수 또는 기수로 된다. (3) 패턴검출수단(3)과 리턴평면미러(14)를 공역인 관계(결상관계)로 하고, 웨이퍼면에서 반사하여 리턴한 물체광과 참조광의 교차점 A가 패턴검출수단(3)상에서 결상하도록 평행평면글라스(201)을 참조광로(27″) 또는 물체광로(26″)중에 삽입한다. (4) 패턴검출수단(3)에 입사하는 물체광과 참조광이 평면파를 형성하도록 패턴검출수단(3)의 직전에 보정렌즈(204)를 삽입한다. (5) 웨이퍼(4)의 높이를 검출하는데 에어마이크로미터(82)를 사용한다.

레이저광원(101)에서 발사된 광은 리턴평면미러(14)와 공역인 위치에 마련한 핀홀판(102)의 미소개구부에 입사하여 가우스 분포의 중심부를 선택한다. 다음에, 이 광이 바라는 치수의 평행빔(15)로 되어 빔스플리터(106)에 입사된다. 평행광빔(15)는 빔스플리터(106)에 의해 평행광빔(16)과 (17)로 분리된다. 평행광빔(16)은 빔스플리터(106)을 거쳐서 투과(반사회수 0)되고, 평행광빔(17)은 빔스플리터(106)에서 2회 반사된다. 이것은 빔(15)가 빔스플리터(12)를 통과해서 미러(14)상에서 반사되어 패턴검출수단(3)에 도달할 때까지의 반사회수가 참조광로와 물체광로에서 둘다 우수 또는 기수로 되도록 한 것으로 반사회수를 설정하는 것에 의해 빔스플리터(106)으로서의 입사광(15)의 방향이 변동했을 때에 참조광과 물체광의 교차각의 변동을 작게 할 수가 있고, 그 결과 간섭무늬피치의 변화가 거의 일어나지 않아 고정밀도의 검출이 가능하게 된다. 본 실시예에 의하면, 빔스플리터(106)에서 빔분리후의 패턴검출수단에 도달할 때까지의 참조광과 물체광의 반사회수는 둘다 6회로 되어 우수회로 설정된다. 빔스플리터(106)에서 반사된 평행빔(16)는 빔스플리터(12), 미러(13)을 통과하여 수직 및 두 개의 축 드라이트 기구를 탑재하고 있는 스테이지(7)상의 노출물체인 웨이퍼(4)의 최상면의 포토레지스트 표면상에서 거의 전체의 광이 반사하는 것에 의해 리턴평면미러(14)에 수직으로 입사한다. 리턴평면미러(14)상에서 반사된 평행광빔(16)은 원래의 광로를 따라 리턴하여 물체광빔(16″)로서 미러(13), 빔스플리터(12), 렌즈(202), 미소개구판(23), 렌즈(203), (204)를 거쳐서 패턴검출수단(3)에 도달한다. 한편, 빔스플리터(106)에서 분리된 평행광빔(17)은 평행광빔(16)과 거의 동일한 광로를 따라 진행하고, 빔스플리터(12)와 미러(13)을 거쳐서 리턴평면미러(14)에 수직으로 직접 입사한후에 원래의 광로를 따라 리턴한다.

이 광빔이 참조광으로서 미러(13), 빔스플리터(12), 평행평판글라스(201), 렌즈(202), 미소개구판(23), 렌즈(203), (204)를 거쳐서 통과하여 패턴검출수단(3)에 도달한다. 참조광로가 물체광로와 다른점은 노출물체(4)상에서 반사되지 않는 점과 평행평면글라스(201)을 통과한다는 점이다. 렌즈(202), (204)는 리턴평면미러(14)의 반사면과 노출중심 0사이의 광축에 수직인 평면을 패턴검출수단(3)상에 결상시킨다. 이것은 노출물체상의 바라는 장소에 해당하는 부분의 정보에서만 기울기와 높이를 검출하는 경우에, 간섭무늬내의 위치와 웨이퍼상의 위치사이의 대응을 명확하게 할 필요가 있기 때문이다. 상술한 구성을 사용하는 것에 의해, 양쪽 방향으로 광로중의 웨이퍼 촬상을 거의 균등하게 패턴검출수단(3)상에 결상할 수가 있어 부분적으로 검출하는 경우에도 고정밀도로 검출할 수가 있다. 그러나, 리턴평면미러(14)의 반사면과 노출중심 0사이의 광축에 수직인 평면을 패턴검출수단(3)상에 결상시킨 경우에, 노출영역과 교차점 A가 일치하지 않으므로 그대로 패턴검출수단(3)상에서 참조광과 물체광을 서로 중첩시킬 수가 없다. 평행평면글라스(201)을 참조광로(27″)(또는 물체광로(26″))중에 삽입하여 참조광을 평행이동시켜서 패턴검출수단(3)상에서 참조광과 물체광이 서로 중첩하도록 하여도 된다. 렌즈(204)는 렌즈(202), (203)에 의해서 발생한 참조광과 물체광의 구면파를 평면파로 보정하기 위한 렌즈로써, 패턴검출수단(3)의 직전에 배치하고 있다. 양파면을 평면파로 하는 것에 의해, 간섭무늬피치에서의 변동을 제거하여 높은 검출 정밀도가 얻어진다.

본 검출방법에서는 1파장의 검출에서 식(33)으로 나타낸 바와 같이 웨이퍼 높이의 불확정성의 문제가 있었다. 2파장 조명에 의한 해결방법을 상술하였지만, 다른 웨이퍼 검출수단을 병용하는 것에 의해서도 해결할 수가 있다. 이 실시예에 의하면, 에어마이크로미터(82)를 병용하는 것에 의해서 이 문제를 해결하였다. 즉, 식(32)로 나타낸 검출방법을 사용하는 것에 의해 확실학 높이 검출을 할 수 있는 범위까지는 에어마이크로미터에 의해서 웨이퍼 높이를 위치 결정하여, 식(32)로 나타낸 바와 같이 1∼2π로 변화하는 위상 △Ø₂범위내에서의 △Z에 대하여 본 검출방법을 사용한다. 다른 방법으로서, 웨이퍼 높이를 에어마이크로미터등의 다른 검출수단, 또 웨이퍼 기울기를 본 검출방법에 의해 검출하여도 된다. 제21도는 에어마이크로미터의 원리를 도시한 도면이다. 공기압력원(821)에서 에어마이크로 노즐(822) 및 참조 에어마이크로미터(823)에 압력공기를 공급한다. 에어마이크로노즐(822)와 웨이퍼(4)사이의 갭에 따라서 결정되는 에어마이크로 노즐내의 배압(824)와 참조 에어마이크로미터(823)의 배압(825) 사이의 압력차는 처리회로(5)에 의해 스테이지(7)의 높이를 제어하는 동안에 압력차가 0으로 될 때까지 차압변환기(826)에 의해 전기신호로 변환된다.

제19도 및 제20도는 본 실시예에 따른 가우스 분포의 일부를 선택해서 조명하는 방법의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 제19도는 가우스 분포의 일부를 선택하지 않은 경우, 또 제20도는 가우스 분포의 일부를 선택한 경우의 참조광(점선)과 물체광(실선)의 패턴검출수단(3)상의 조명분포를 도시한 도면이다. 종축은 조명 I_x, 횡축은 패턴검출수단의 검출위치 X를 나타낸다. 웨이퍼의 경사에 의해 물체광이 패턴검출수단(3)상을 이동하여 참조광과 물체광이 서로 중첩한 상태(사선부)로 변화한다. 이 과정에서, 가우스 분포의 일부를 선택하지 않은 제19도에 도시된 실시예에 의하면 참조광과 물체광이 서로 중첩한 조명이 크게 변화하고, 이것에 의해 간섭강도가 크게 변화한다. 반대로. 가우스 분포의 일부를 선택한 제20도에 도시된 조명에 있어서, 이 조명은 참조광과 물체광이 서로 중첩한 부분의 간섭강도의 변동보다 작은 정도로 변화한다. 간섭강도에서의 변동이 작을수록 고정밀도의 검출에 있어서 신호처리에서의 오차가 작아진다. 본 실시예에 의한 신호처리에 대해서는 설명을 하였으므로 설명을 생략하였다.

제22도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면이다. 본 발명에 의하면 레이저빔을 웨이퍼(4)의 노출영역(41)의 대각선 방향으로 조사한다. (100X)는 X방향을 따르는 기울기와 높이를 검출하기 위한 시스템, (100Y)는 Y방향을 따르는 기울기와 높이를 검출하기 위한 시스템을 나타낸다. (14)는 리턴평면미러를 나타낸다. 제23도는 노출영역(41)의 확대도이며, 두 개의 회로부(메모리등)를 갖는 일예를 도시하는 도면이다. 제23도에서, (412)는 회로부, (413)은 경계부를 나타낸다. 레이저빔(411)은 노출영역의 대각선 방향을 따라 조사된다. 제24도는 제23도에서의 선 Ⅰ-Ⅰ의 단면도이다. 일반적으로, 회로부(412)와 경계부(413)에서는 높이가 다르다. 그 결과, 노출영역의 측면에 대하여 평행이거나 수직인 방향으로 레이저광을 조사하는 경우에, 회로부 대신에 경계부의 기울기와 높이를 바라는 대로 검출할 수가 없다. 반대로, 제23도에 도시된 바와 같이 노출영역의 대각선 방향으로 레이저빔을 인가하여 임의의 검출범위를 바라는 대로 선택하면, 회로부의 기울기와 높이를 정확하게 결정할 수가 있다. 한편, 노출영역의 대각선방향을 따라 레이저빔을 조사하는 경우에 조사범위를 최대 길이로 하는 것에 의해, 노출영역의 기울기와 높이의 검출을 고정밀도로 검출할 수가 있다.

제25도는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 이 도면은 노출모드에 있는 반도체 노출장치에 의해 웨이퍼 노출영역의 기울기를 검출하기 위한 수단을 도시한 도면이다. (81)은 노출조명시스템, (9)는 레티클, (8)은 축소노출렌즈를 나타낸다. 레티클(9)의 패턴은 웨이퍼(4)상에 노출된다. 이 과정에서, 웨이퍼상에 도포된 포토레지스트의 표면은 웨이터의 굴곡 또는 두께의 오목볼록함 또는 웨이퍼척의 평면성등에 의해 반드시 평면은 아니다. 그래서, (1)로 표시된 반도체 레이저원에서 발사된 레이저빔을 조준렌즈(11a)에 의해 미세한 평행빔으로 변환하여 미러(13)을 거쳐서 웨이퍼의 레지스트 표면 및 그것의 노출영역상에 85°이상의 기울기 각도로 인가한다. 반사광은 미러(210), 집광렌즈(20)을 거쳐서 광위치 검출기(3′)상에 집광되어 그 집광위치가 검출된다. 노출영역이 α만큼 경사겨 있으며, 정반사광은 2α만큼 경사져 있다. 이 때문에, 초점거리를 f로 하면, 광위치 검출기의 집광 스폿은 2αf만큼 변위된다. 그 결과, 검출된 신호는 처리회로(5′)에 보내져 웨이퍼척을 탑재한 틸트(tilt)기구를 구동하는 것에 의해 레티클 패턴 촬상면에 웨이퍼상의 포토레지스트 표면이 일치하도록 제어된다. 이 과정에서, 반도체 레이저원에서 발사된 광(161′)가 웨이퍼면에 S편광으로 입사하도록 반도체 레이저를 배치하면, 상술한 바와 같이 보다 높은 정밀도로 기울기를 검출할 수가 있다. 제25도에 도시된 실시예에서, 광위치 검출기(3′)는 X 및 Y 쌍방향으로 검출하는 형이며 이것에 의해 단일 검출시스템으로 2방향에서의 기울기를 검출할 수가 있다.

제25도에서, 제2의 검출 시스템을 X 및 Y방향으로 독립적으로 기울기를 검출하도록 지면에 수직인 방향으로 마련하여도 된다. 또한, 광원은 비교적 지향성이 높은 광을 웨이퍼에 조사할 수 있으면 반도체 레이저에 한정되지는 않는다.

제26도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면으로, 제25도와 동일한 부호는 각각 대응하는 구성부품을 나타낸다. 반도체 레이저원(1)에서 발사된 광은 각도 85°이상으로 웨이퍼에 입사하여 웨이퍼상의 노출영역내에 형성된 광원 촬상을 갖는다. 반사광은 미러(210), 렌즈(21), (22)에 의해 광위치 검출기(3″)상에 집광된다. 웨이퍼 표면이 노출광 광학 시스템의 레지스트패턴의 결상 위치에 있으면, 광위치 검출기(3″)의 중심에서 측면으로 광이 변위된다. 광위치 검출기(3″)에서 처리회로(5′)에 검출신호를 보내는 것에 의해 웨이퍼의 수직 테이블의 구동을 제어하므로 광을 항상 정확하게 초점맞춤할 수가 있다. 한편, 레이저광을 웨이퍼면상에 S편광모드로 인가하면, 웨이퍼면의 높이를 보다 정확하게 결정할 수가 있다.

제30도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면이다. 제25도와 동일한 부호는 각각 대응하는 구성부품을 나타낸다. 조준렌즈(11)에서 발생된 평행광빔은 빔스플리터(19′)를 통과하여 웨이퍼의 포토레지스트 표면에 85°이상의 입사 각도, 예를 들어 87°로 입사한다. 정반사한 광은 평면미러(14)에 거의 수직으로 입사한다. 한편, 반사광은 재차 포토레지스트 표면상에 정반사하여 집광렌즈(20)에 의해 광위치 검출기(3′)상에 집광하는 것에 의해 집광 스폿의 위치가 검출된다. 제31도에 도시된 바와 같이, (16S)의 S편광에 있어서 89°의 입사각도로 웨이퍼에 광을 인가하면, Ds²/Rs는 0.0065, 즉 제7도에 도시된 바와 같이 0.65%로 되므로, 거의 포토레지스트에 들어가는 광을 무시할 수가 있다. 따라서, 제31도에 도시된 바와 같이 바닥층이 오목볼록하여도 그 영향은 거의 없고 평행하게 광이 반사한다. 그 결과, 광위치 검출기(3′)에는 집광도가 높은 샤프한 스폿광이 얻어진다. 또한, 본 실시예에 의하면, 제3도에 도시된 바와 같이, 평면미러(14)상에 수직으로 광이 반사하여 재차 웨이퍼에 입사한다. 이 때문에, 웨이퍼가 (4)에서 (4′)로 α만큼 경사지면, 최종적으로 광위치 검출기에 리턴된 광은 4α만큼 경사지게 된다. 따라서, 제25도에 도시된 실시예와 비교해서 2배로 정확하게 광위치를 검출할 수가 있다. 그 결과, 감도 및 광위치에 있어서 종래보다 우수하게 기울기를 검출할 수가 있다.

제32도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면이며, 제26도와 동일부호는 각각 대응하는 구성부품을 나타낸다. 집광렌즈(11′)를 거쳐서 얻어진 집광빔은 거의 웨이퍼상의 조사위치 A에 집광된다. 이 입사각도는 85°이상이다. 정반사된 광은 조준렌즈(141)에 의해 평행광빔으로 변환되어 거의 수직으로 평면미러(14)에 입사한다. 한편, 반사광은 다른 광로와 거의 동일한 광로를 거쳐서 진행하고 빔스플리터(12)를 거쳐서 집광렌즈(22)에 의해 광위치 검출기(3″)상에 집광된다. 제33도는 실선으로 나타낸 웨이퍼 면(반사면 Σ)(4)가 점선으로 나타낸 상태(반사면 Σ′)(4′)로 변환하는 경우의 웨이퍼 근처의 집광위치의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 이하 반사면이 Σ일 때 광이 양방향으로 집광되는 경우를 고려한다. 반사면이 Σ′로 주어지면, Σ′면은 미러로 되므로 왕로의 점 A는 점 A′에 결상된다. 점 A′에서 발사된 광은 렌즈(141), 평면미러(14)에 의해 복로의 점 A″에 집광된다. 이 집광점은 Σ′의 조건에서 미러면으로 되어 A″의 미러 촬상은 점 A″′에 결상된다. 그 결과, 복로의 점 A″′에서 발사되는 방법으로 광이 집광렌즈(22)에 입사하는 것에 의해 광위치 검출기(39″)상에 촬상 A″′의 위치에서 집광한다. Σ와 Σ′사이의 거리, 즉 웨이퍼의 수직범위가 h로서 다음과 같이 주어진다.

AA′=AA″=2△h

AA″′=AA′+A′A″′=4△h …………… (37)

복로의 조명위치는 웨이퍼의 변위량의 4개(4△h)만큼 시프트한다(제33도 참조). 그 결과, 제26도의 실시예에 비해서 2배의 변위량으로 광위치 검출기(3″′)에 의해 광을 검출한다. 따라서, 고감도로 S/N이 높은 높이를 검출할 수가 있다.

제34도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면이다. 제25도와 동일한 부호는 각각 대응하는 구성부품을 나타낸다. 레이저원등의 코히어런트 광원(1)에서 발사된 광은 조준렌즈(11)에 의해 평행광빔으로 변환되어 프리즘(10)에 입사된다. 프리즘(10)은 입사광(15)를 두 개의 평행광빔(16)과 (17)로 분리하기 위한 것이다. 이 두 개의 평행광빔은 0점에서 서로 중첩되도록 서로에 대하여 소정각도 θ₀-θ₁를 갖는다. 한쪽의 평행광빔(16)은 웨이퍼에 입사각도 θ₁로 입사하며, 다른쪽 빔은 참조광이며 웨이퍼의 법선에 대하여 θ₀(＞90°)의 각도로 웨이퍼상에 조사하는 일 없이 진행한다. 웨이퍼상에서 반사된 평행빔(16)은 거의 수직으로 평면미러(14)에 입사하고, 재차 웨이퍼에 입사하여 역으로 왕로를 따라 빔스플리터(12)상에서 반사한다. 이 광은 렌즈(21)과 (22)를 통과하여 평행빔으로 되어 1차원센서(3)으로 입사된다. 한편, 참조광빔은 0점에서 직접 평면미러(14)에 거의 수직으로 입사하여 역으로 왕로를 따라 마찬가지의 형태로 1차원센서(3)에 입사하고, 이것에 의해 웨이퍼상에서 반사된 다른쪽 빔에 대하여 간섭무늬를 발생한다. 웨이퍼상에서 반사된 광의 복로에는 필홀(23)과 쐐기형상의 글라스(26)이 배치되어 있다. 또한, 핀홀(23)은 참조광로에 삽입되어 있으며 광학부품의 이면에서 반사된 잡음광을 제거하는 역할을 한다. 한편, 쐐기형상의 글라스(26)은 웨이퍼상에서 반사된 광을 회절시켜서 1차원센서상에서 웨이퍼 조사위치에 결상시킴과 동시에, 참조광과 중첩하도록 하고 있다. 제35도에서 실선으로 표시된 바와 같이 강도등의 간섭무늬는 1차원센서상에서 센서 어레이의 X방향에 따라 검출된다. 점선으로 표시된 바와 같이 웨이퍼 조사위치(X=0) 주위에서 웨이퍼가 △θ만큼 경사진 경우에, 검출된 간섭무늬는 제35도에서 점선으로 표시된 바와 같다. 즉, X=0일 때 강도는 변화하지 않고 무늬의 피치 P에서 P′로 변화한다. 즉, 간섭무늬 I(X)의 강도가 식(38)로 나타나므로, 피치 P와 기울기 △θ사이의 관계는 식(39)로 주어진다.

식(38)에서, M은 웨이퍼 조사위치를 1차원센서상에 결상하는 배율이다. 그러나, 설명을 간단하게 하기 위해서, 쐐기형상의 글라스의 쐐기각도는 0°라고 가정한다(쐐기형상의 글라스가 없는 경우).

또한, 식(38)에서 코사인중의 제2항은 웨이퍼면이 △Z만큼 변화했을 때의 간섭무늬의 변화를 나타낸다. 따라서, 제36도에 도시된 바와 같이 웨이퍼면이 △Z만큼 변화하면, 간섭무늬의 피치는 변화하지 않고 위상이 시프트한다. 그 결과, 본 실시예에 의하면 1차원센서(3)에 의해 얻어진 간섭무늬를 처리회로(5)에 보내서 간섭무늬피치 및 위상을 규정하는 것에 의해 웨이퍼면의 기울기 및 높이를 동시에 결정할 수가 있다. 또한, 본 실시예에 의하면 입사각 θ₁은 87°∼89°로 취할 수도 있다. 따라서, S편광을 조사광으로 사용하면, 제7도에서도 명백한 바와 같이 다층 바닥구조에 의해 악영향을 거의 받는 일 없이 기울기 및 높이를 결정할 수가 있다. 또한, 본 실시예에서 참조광이 웨이퍼면상에서의 반사를 제외하고 공통광학부품을 사용하여 웨이퍼 조사광과 거의 동일한 광로를 통과하므로, 공기요동등에 의한 악영향을 거의 받는 일 없이 안정한 측정을 실현할 수가 있다.

이하, 본 발명의 또 다른 실시예를 설명한다. 제37도는 감소(축소)투영 노출장치에 적용된 본 발명의 1실시예를 도시한 도면이다. (81)은 노출조명시스템을 나타낸다. 이 시스템에서 발사된 광은 레티클(9)상에 조사되고, 이 투과된 광은 축소렌즈(8)에 의해 Z방향 및 △θ의 각도(두개의 수직 교차축 주위에서의 기울기, 아래의 설명에서의 단일축의 경우에 한정시킨다)의 미세조정기구를 갖는 웨이퍼 스테이지(7)상에서의 웨이퍼(4)상에 노출된다. 다수의 칩은 웨이퍼상에 배치되며, 몇 개의 칩에 대해서 하나는 매시간 노출에 의해 프린트된다. 웨이퍼가 완전히 평평하게 되지 않으므로, 각 칩의 노출영역의 기울기 및 높이는 다음에 기술하는 방법에 의해 노출직전에 결정된다. 이것에 의해, 웨이퍼 스테이지(7)에 의한 보정을 실행한 다음에 웨이퍼면을 노출에 따라 최대의 회전 상태로 설정한다. 웨이퍼면에는 약 1.5㎛의 두께로 포토레지스트가 도포된다. 웨이퍼상에서 포토레지스트 표면의 기울기 및 높이를 정확하게 검출하기 위해서는 제37도의 실시예에 도시된 간섭형의 검출이 효과적이다. 레이저광원(1)은 파장 λ₁이 0.6328㎛인 he-Ne 레이저 빔을, 레이저 광원(1′)는 파장 γ₂가 0.6119㎛인 He-Ne 레이저 빔을 생성한다. 각 레이저 광원에서 발사된 빔은 셔터(111), (111′)에 의해 ＂ON＂, ＂OFF＂된다. 회절 격자등의 빔스플리터(18), (18′)에 의해 두 개의 부분으로 분리된 다음에 각 레이저는 파장 λ₁의 광빔이 투과되고, 파장 λ₂의 광빔이 반사되는 방법으로 파장 선택 미러(19)사에서 조정된다. 광을 파장에 의해 분리한 빔을 각각 동일 광로를 따라 통과시킨다. 프리즘(110)은 거의 평행하게 각 파장의 빔을 설정하도록 변동한다. 이것에 의해, 평행하게 설정한 빔중에서, 빔(16), (16′)는 측정광으로서 미러(13)상에서 반사된 다음에 입사각 88°로 웨이퍼에 입사한다. 다른 빔(17), (17°)는 웨이퍼에 입사하지는 않지만, 참조광빔으로서 점 A에서 남은 입상에 중첩된다. 점 A를 통과한 빔은 미러(23) 및 렌즈(21), (22)를 거쳐서 CCD센서에 도달한다. 점 A와 공역인 위치에 있는 센서의 수광면은 웨이퍼에서 반사된 측정광과 참조광 사이에서의 간섭무늬를 검출하는데 적용된다. 식(14)로 표시된 바와 같이 강도가 변화하여도 간섭 무늬의 각 검출신호는 독립적으로 배치된 다수의 소자를 갖는 CCD에 의해 처리회로(5)의 A/D 변환기(52)에서 순차적으로 A/D 변환되어 디지털 신호로 변환된다. 두 개의 파장은 셔터(18), (18′)를 순차적으로 개폐하는 것에 의해 측정된다. 제37도에서, (51)은 입력신호를 나타낸다.

제47도 a 내지 제47도 는 제35도에 있어서 처리회로(5)에서 실행되는 데이터 처리의 순서를 설명하는 실시예를 도시한 도면이다. A/D 변환기(52)에서 A/D 변환된 간섭 무늬 데이터 Fi(Xj)(i는 파장 λ₁의 데이터용 1, 파장 λ₂의 데이터용 2를 취한다)는 스텝(1060)에 도시한 바와 같이 고속 푸리에 변환(FFT)회로(53)에 의해 스텝(1061)에 도시한 바와 같이 약 1ms의 시간 길이를 푸리에 변환된다. 고속 푸리에 변환 회로(53)에 의해 고속 푸리에 변환된 스펙트럼 데이터 Ii(ω₁)는 제47도 c에 도시된 바와 같이 두 개의 점 ω=ω₀(=0)과 ω=ω_i에서 피크를 갖는다. ω₀는 DC 바이어스 성분을 나타내며, ω₁는 간섭무늬의 주기에 대응하는 스펙트럼을 나타낸다. 논리 최대값은 ω=ω_i일 때 존재한다.

그러나, ω₁가 이산적인 표본화점이므로, 참피크는 이 최대값을 나타내는 표본화점 근방의 점에 존재한다. 참논리 최대값을 나타내는 스펙트럼 ω₁′는 데이터 처리 수단(54)에 있어서 스텝(1062)에 도시한 바와 같이 여러 가지 공기 방법에 의해 ω₁+1 및 ω₁-1에 따른 주변 데이터에서 검출할 수가 있다. 이와 같이 해서, 처리 수단(54)에 의해 스텝(1062)에 도시한 바와 같이 두 개의 파장에 대하여 얻어진 참 피크값 I_i(ω₁′)와 I₂(ω₂′) 및 ω₀에서의 스펙트럼값 I₁(ω₀)와 I₂(ω₀)의 비율은 각각 스텝(1063)에 도시한 방법으로 비교수단(55)에 의해 비교된다. 즉, γ₁과 γ₂의 큰쪽을 다음의 식에서 구한다.

γ₁=I₁(ω′₁)/I₁(ω₀)

γ₂=I₂(ω′₂)/I₂(ω₀)

γ1＞γ2이면, 예를 들면 i₀을 2라고 가정하고, i₀를 위한 파장을 기울기 및 높이를 검출하는데 사용한다. FFT 데이터는 각 파장에 대해서 사전에 얻어진 것이다. 따라서, 스텝(1063)에서 얻어진 i=i₀에서의 데이터를 사용하는 데이터 처리 수단은 ωi_o′와 ωi_o′를 위한 FFT 데이터의 보간값 Ii_o(ωi_o′)를 결정하며, 위상 Ø는 Ii_o(ωi_o′)의 허수대 실수의 비율로 결정된다. 스텝(1065)에 도시한 바와 같이, 데이터 처리 수단(54)는 참피크 위치 ωi_o′ 즉 웨이퍼 기울기의 △θ에서 간섭 무늬의 피치 및 위상 Ø에서 웨이퍼면의 높이 △Z를 결정한다. 이것에 의해 얻어진 기울기 △θ, 높이 △Z를 웨이퍼 스테이지(7)에 대한 이면에 마련하여 웨이퍼(4)의 국부적인 기울기 및 높이를 제어할 수가 있다. γ1과 γ2의 큰쪽과 관련된 i(=i_o)의 파장 λi_o은 이 과정에서 사용하면, 정확히 측정할 수 있는 이유를 이하 제44도 a 내지 제44도 c를 참조해서 설명한다. 제44도 c는 알루미늄이 바닥으로 사용된 복소평면상에서의 반사광의 복소진폭 Rs를 도시하는 제39도 및 제40도의 그래프에서 결정된 반사광 Rs의 진폭 γ를 도시한 도면이다. 제39도는 레지스트가 도포된 알루미늄 웨이퍼의 복소반사율의 레지스트 두께 변동(위상 Ø 변동)을 도시한 도면이다(입사각 θ88°, 알루미늄 진폭반사계수 λb-0.878). 이 그래프에 있어서 횡축은 제44도 a와 일치한다.

상술한 바와 같이, Ø가 120°∼240°에 대응하는 레지스트 두께에 도달할 때, 검출 에러 △Ze는 증가하게 된다. 또한 이 영역에 있어서 값 Ø에 대하여, 제44도 c에서 도시한 바와 같이 반사광 Rs의 진폭 γ은 감소하게 된다. Rs의 진폭 γ가 감소하면, 간섭무늬의 변조도도 감소하게 되어 무늬 주기에 대응하는 스펙트럼의 피크값 (Ii)(ωi′)는 감소하게 된다. 광원의 광량의 변화의 영향을 제거하기 위해서, 상술한 바와 같이 Ii(ωi′)를 정규화하기 위해 DC 바이어스 성분 Ii(ω₀)로 분할하면, 이 결과값(상술한 γ1, γ2)는 120°∼240°의 각도 범위에서 작은 값을 나타낸다. λ₁=0.6238㎛와 λ₂=0.6119㎛에 대하여 Ø가 120°∼240°로 되는 포토레지스트 두께는 제46도에서 선부분으로 규정된 영역으로 나타내어진다. 이들 두 개의 파장을 위한 선부분이 1.2㎛∼2.4㎛ 범위에서 서로 중첩되는 레지스트 두께는 전혀 없다. 그 결과, 처리 회로(5)에서의 데이터 처리 수단(54)에 의해 상술한 바와 같이 두 개의 파장에 대한 γ₁과 γ₂를 얻을 수 있으며, 그 측정을 파장이 긴쪽인광을 사용하여 측정한 다음에, 레지스트 두께 범위에 대해서 측정 오차가 0.1㎛를 초과하지 않게 하는 것에 의해 처리회로(5)에 있어서의 데이터 처리 수단(54)에 의해 기울기 및 높이를 정확하게 측정할 수가 있다. 제46도는 검출 파장을 변화시켰을 때의 허용값 이상의 검출 오차를 발생하는 레지스트 두께(위의 실선에 대응하는 레지스트 두께) 및 λ₁과 λ₂를 사용하여 선택된 파장을 허용값내에서 정확하게 검출을 실행하는 레지스트 두께 영역(아래의 선)을 도시한 도면이다.

본 실시예에서, 제37도에서의 처리회로(5)로의 입력신호(51)은 웨이퍼 바닥이 알루미늄 또는 알루미늄 아닌 정보이어도 된다. 알루미늄에 대해서는 상술한 처리를 적용할 수 있으며, 한편 A1이외의 바닥의 반사율이 작은 시료에 대해서는 λ₁또는 λ₂의 파장이 고정되어도 기울기 및 높이의 측정을 정확하게 할 수가 있다. 이것에 의해 얻어진 기울기와 높이의 정보를 웨이퍼 스테이지(7)의 미세제어의 기본으로써 사용한다.

제45도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면이다. 제37도와도 동일한 부호는 각각 대응하는 구성부품을 나타낸다. 광원(1)은 파장 λ₁이 831nm인 반도체 레이저원이며, 광원(1′)는 파장 λ₂가 810nm인 반도체 레이저원이다. 두 개의 광원에서 발사된 빔은 렌즈(11), (11′)에 의해 평행빔으로 변환된다. 파장 λ₁의 광은 파장선택 미러(19)를 통과하며, 파장 λ₂의 광은 거기에 반사하여 동일 광로에 유도한다. 원통형 렌즈(110), (120)은 바라는 빔치수로 반도체 레이저의 평행빔을 변환시킨다. 빔 스플리터(10)은 참조광과 측정광으로 빔을 분리하기 위한 것이다. 하프미러(12)에서 반사된 측정광은 리턴 미러(14)상에서 수직 방향으로 리턴하여 웨이퍼(4)의 표면상에서 반사한 후에 하프미러(12)를 재차 투과한다.

한편, 참조광빔은 리턴미러(14)로 수직방향으로 직접 리턴하여 하프 미러(12)를 투과한다. 두 개의 광빔은 미러(210), 렌즈(21), 미러(220) 및 렌즈(22)를 통과하고, 둘다 파장 λ₁을 가지며, 파장 선택 미러(28)을 투과하므로, 간섭무늬를 렌즈(22′)에 의해 촬상기(3″)의 촬상면상에서 중첩하여 형성한다. 참조광의 광로중의 쐐기 형상의 글라스(24)는 참조광을 굴절시키고 촬상면과 미러(14)의 표면 근방이 공역 관계로 된다. 두 개의 광빔은 촬상면상에서 서로 중첩된다. 마찬가지로, 파장 λ₂의 광빔은 파장 선택 미러(28)에 의해 λ₂의 간섭무늬를 렌즈(22″)를 거쳐서 촬상기(3″′)에 발생한다. 두 개의 파장의 간섭 무늬 데이터는 동시에 검출되어 처리 회로(5)에 인가된다. 처리 회로(5)에는 키입력 단말과 자기 카드등의 입력수단(51′)에 의해 노출되는 웨이퍼 바닥의 매질 정보나 레지스트 두께 정보가 입력된다. 이들 정보는 사전에 장치등을 분리하는 것에 의해 측정된다. 이들 정보가 입력수단(51′)에 의해 입력되면, 제43도, 제44도 a 내지 제44도 c 및 제46도를 참조해서 설명한 방법에 의해 처리 회로(5)에 있어서 소프트웨어로 오차발생이 적은 파장을 결정하여 기울기 및 높이를 특정한 파장의 측정 데이터에 따라서 검출한다.

제48도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면으로써, 제37도 및 제45도와 동일한 부호는 각각 대응하는 부품을 나타낸다. 반체 레이저원(1), (1′), (1″)는 각각 파장 831nm, 810nm 및 750nm를 가지며, 각 반도체 레이저에는 온도를 제어하기 위해 펠티에 소자(120), (120′), (120″)가 부착되어 일정한 온도를 유지하며 발진 주파수를 안정화할 수가 있다. 각 반도체 레이저의 발진은 제어회로(5″)에 의해 제어된다. 각 반도체 레이저에서 발사된 빔은 조준렌즈(11), (11′), (11″) 및 빔스플리터(18), (18′), (18″)에 의해 동일 광로에 각각 투입되며, 이것에 의해 참조광빔(17) 및 물체광빔(16)을 동일광로에 발생시킨다. 물체광은 웨이퍼에 입사각 86°로 입사하여 CCD센서(3)을 거쳐서 간섭촬상을 검출한다. 반도체 레이저(1), (1′)는 시계열적으로 발진되고, 각 파장을 위한 간섭 패턴은 순차적으로 인출되고, 상술한 스펙트럼 비 γ₁, γ₂는 비교되어 큰쪽의 파장이 사용된다. 파장선택에 있어서, 참조광을 표시하기 위한 셔터(도시되지 않음)는 제48도에서 도시된 프리즘(110)의 이면에 삽입되어도 되므로, 물체광만이 검출되어 검출된 레벨이 사용된다. 선택을 위해 사용된 두 개의 파장은 서로 비교적 근사하므로, 이들 파장에서 분리된 750nm의 반도체 레이저(1″)는 높이 검출의 불확정성을 제거하는데 사용된다. 웨이퍼가 웨이퍼 카세트(도시되지 않음)에서 (7)로 표시된 웨이퍼 스테이지상에 탑재되어 있는 경우, 특히 웨이퍼상에서의 레지스트 표면의 높이의 변동은 웨이퍼 두께등의 변동에 의해 약 25㎛만큼된다. 한편, 입사각 86°에 대하여 γ₂=810㎛일 때, 식(15)에서 △Zp=5.8㎛(m=1)관계를 유지한다.

즉, 동일 위상값이 동일 파장에 대하여 5.8㎛의 정수배의 높이 변화의 경우와 관련되므로, 참 높이는 웨이퍼 스테이지(7)상에서 웨이퍼(4)를 탑재하는 시점에서는 알 수 없다. 두 개의 파장 750nm, 831nm로 되는 위상을 비교하면, 두 개의 파장사이의 동일 위상 관계로 되는 웨이퍼 높이의 변환 △Z₃₁은 다음식으로 주어진다.

따라서, 높이가 2㎛인 범위에서 높이는 두 개의 파장사이의 위상관계에서 정확하게 얻어진다. 제48도의 실시예에서, 상술한 바와 같이 높이 검출을 정확하게 하기 위해 사용되는 근접한 두 개의 파장으로 되는 다른 파장과 상기 한쪽 파장에 의해 대략적인 검출을 실행하는 것에 의해 넓은 범위에 걸쳐서 바닥에 의한 악영향을 거의 받는 일없이 기울기 및 높이를 고정밀도로 결정할 수 있다. 상술한 바와 같이 적당하게 λ₁과 λ₂를 선택하는 것에 의해, Ø는 0°∼120° 또는 240°∼360°사이에서 설정되어도 된다. 따라서, 제44도 a에서 도시한 바와 같이, 1㎛ 이상의 검출 정밀도는 알루미늄 바닥 패턴에서도 가능하게 된다. 그러나, 보다 고정밀도의 측정도 가능하게 된다. 즉, 사전에 레지스트 두께를 측정하면, 그 특정값을 처리회로(5″)의 입력단자(51″)를 경유하여 인가하는 것에 의해 제44도 a에 도시한 바와 같이 오차값을 결정할 수가 있다. 이 값을 높이의 제어값을 보정하도록 보정값으로서 사용하는 것에 의해 매우 고정밀도로 검출 및 제어를 실행할 수가 있다. 제48도의 실시예는 대략적인 검출에 대해서 λ₃만을 사용하였지만, 정확한 검출을 위해 사용하여도 되며, 또 제4의 파장을 마련하여도 된다. 또한, 본 발명은 가변 파장의 레이저등의 색소 레이저를 사용하여 실현할 수도 있다. 또한, 레이저광 대신에 수은 램프등 파워가 높은 점광원에서 조준광을 발생시켜 간섭무늬를 얻기 위해서 협대역 스펙트럼을 생성할 수가 있다.

제37도, 제45도 및 제48도를 참조한 상술한 실시예에서는 모두 축소형 노출장치의 노출을 위해 초점맞춤하는 것을 목적으로 하고 있지만, 본 발명은 이와같은 용도에 한정되지 않고 광범위한 용도에 있어서 미크론 이상의 정밀도로 표면 높이 및 기울기의 검출뿐만 아니라 검출 결과에서 검출표면의 높이 및 기울기를 제어하는 대상에 활용되어도 된다.

이하, 본 발명의 다른 실시예를 상세하게 설명한다.

제49도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면이다. 본 실시예에서, 본 발명에 의한 기울기나 높이를 검출하기 위한 수단을 반도체 노출장치의 노출칩에 적용한다. (9)는 웨이퍼(4)상에 회로패턴을 노출하는데 사용하는 플로트된 패턴판을 갖는 레티클을 나타낸다. 레티클(9)에는 노출 시스템(81)에 있어서, 수은 램프(도시되지 않음)에서 발사된 g 또는 i선 또는 엑사이머레이저원에서 발사된 원자외선이 조사된다. 레티클을 투과한 광이 축소렌즈(8)을 투과하여 레티클의 촬상이 웨이퍼 스테이지(7)상에 고정된 웨이퍼(4)상에 도포된 레지스트의 표면상에 투과된다. 웨이퍼(4)상에 플로트된 패턴이 서브미크론, 하프미크론의 순서로 얇아지면, 약 0.3㎛의 초점 깊이로 얕아지게 된다. 선폭이 0.5㎛이하로 감소될 때, 기울기와 높이를 각각 ±10^-5rad, ±0.1㎛이하의 정밀도로 검출하여 제어하지 않으면 제조 효율이 감소한다. 제49도에서, (100X)는 웨이퍼상의 레지스트 표면의 X방향의 수평도, 즉 Y축을 축으로 하는 회전에 따르는 기울기 및 높이를 결정하기 위한 검출 시스템을 나타낸다.

제49도에서 Y방향을 따르는 수평도를 검출하기 위해 마련된 검출시스템(100Y)는 도시하지 않았다. (1)은 가스레이저등의 고지향을 갖는 반도체 레이저 또는 광원을 나타낸다. 광원에서 발사된 광은 거의 평행하게 바라는 넓이를 갖는 형태로 빔스플리터(10)에 의해 두 개의 부분으로 분리된다. 이것에 의해 생성된 빔중에서(16)으로 표시된 것은 하프미러(12), 미러(13)을 거쳐서 웨이퍼(4)의 레지스트 표면에 수직인 선에 대해서 85°이상의 입사각으로 S편광모드로 웨이퍼(4)의 레지스트 표면상에 조사된다. 이 레지스트는 조사광에 대하여 투명하지만, 90% 이상의 광이 레지스트에 입사하는 일 없이 직접 반사하여 큰 입사각과 S편광에 의해 거의 수직방향으로 리턴미러(14)에 입사한다. 이것에 의해 리턴된 광빔(26′)는 반사전의 왕로를 따라 역방향으로 진행하여 빔스플리터상에서 반사되어 검출광로로 진행하는 광빔(26″)로 된다.

한편, 빔스플리터(10)에 의해 분리된 다른 빔(17)은 참조광빔으로 사용된다. 빔(17)은 셔터(차광수단)(330)에 의해 바라는 타이밍에서 ＂ON＂, ＂OFF＂된다. 셔터(330)이 ＂ON＂될 때, 참조빔은 하프미러(12), 미러(13)을 통과하여 직접 수직 방향으로 리턴미러(14)에 입사한다. 이것에 의해 리턴된 빔(27′)는 반사전의 광로를 따라 역방향으로 진행하여 하프미러(12)상에서 반사되어 검출광로를 향하여 진행하는 광빔(27″)로 된다. 검출광로를 향하여 진행하는 상술한 두 개의 빔(26″), (27″)는 렌즈(21), (22), 잡음제거용 핀홀 또는 미소구형개구를 갖는 차광판(23)을 통과하여 거의 평행하게 서로 중첩된다. 어레이센서는 제50도 및 제51도의 실선으로 표시한 바와 같이 그위에 발생된 간섭무늬를 갖으며, 어레이 센서에 의해 강도분포 Ix가 검출된다. 웨이퍼(4)의 평행도가 나빠지거나 또는 각종 공정을 경유하는데 따라 웨이퍼가 뒤틀리는 것에 의해, 스텝 앤드 리피트(step and repeat)에 의해 웨이퍼(4)를 단일 또는 다수의 칩 단위로 노출해가면 축소렌즈의 결상면과 레지스트표면이 기울기 및 높이에 있어서 일치하지 않게 되므로, 상기의 어레이센서(30의 검출 정보에 따라 다음에 기술하는 방법에 의해 기울기 및 높이를 처리회로(5)에서 검출하고, 이 검출 정보를 사용하여 웨이퍼 스테이지(7)가 설치된 스테이지 제어기구(예를 들면, 피에조(piezo) 또는 기계적인 인칭기구)를 제어해서 결상면과 레지스트 표면을 일치시켜 노출한다. 제49도에서, (800)은 중첩된 노출에 사용되는 얼라인먼트 시스템을 나타낸다.

제50도 및 제51도는 제49도의 실시예에서 어레이 센서(3)에 의해 검출된 신호를 도시한 도면이다. 각각의 도면에서 실선으로 표시된 신호 Ix는 최적노출하에서의 기울기 및 높이를 나타낸다. 웨이퍼(4)가 최적 노출 상태에서 어긋나 경사지면, 제50도에서 점선으로 표시된 바와 같이 무늬의 피치가 P에서 P′로 변화한다. 한편, 웨이퍼가 최적노출위치에서 높이방향으로 어긋나면, 제51도에서 점선으로 표시된 바와 같이 위상 Ø_z가 변화한다. 이 기울기와 높이의 변화에 따르는 간섭무늬의 피치 P와 위상 Ø_z는 식(17)에서 n=2, cosα₁ 를 대입하면 다음식으로 주어진다.

여기서, θ₁은 웨이퍼로의 입사각도, Øs는 위상의 초기정수이다.

제52도는 본 발명의 1실시예에 따른 제49도에서 처리회로(5)의 일부인 기울기 및 높이 검출회로(51)을 도시한 도면이다. 제49도에서의 어레이센서(3)에 의해 검출되어 A/D 변환기(31)에 의해 A/D 변환된 간섭무늬의 디지털 정보는 제52도에서 (501)부분의 메모리(1)에 일시적으로 저장된다. 간섭무늬의 검출에 앞서서, 웨이퍼(41)가 스테이지(7)로 유도되어 노출을 시작하기 전에 제49도의 셔터(차광수단)(330)을 닫으므로, 참조광(17)을 차광해서 웨이퍼(4)에서의 반사광(26)만을 어레이센서(3)에서 검출한다. 이 신호 Ox는 간섭무늬의 검출과 마찬가지로 A/D 변환기(31)에서 A/D 변환되어 디지털 정보의 그 형태로 제52도에서 도시된(502)부분의 메모리(2)에 저장된다. 상술한 바와 같이, 웨이퍼(4)상의 레지스트의 표면의 확대도가 제58도와 같은 오목볼록형태이면, 입사각 θ₁(85°이상, 예를 들면 88°)로 입사한 광중의 정반사광에 기여하는 부분은 돌출부의 최상면이므로, 제58도의 확대도에서 사선으로 표시된 빔이 정반사광으로 된다. 이 돌출부의 최상면의 면적이 최소로 되면, 이와 같은 오목볼록 구조에서의 반사광에 의한 어레이 센서(3)상에 형성된 촬상은 어둡게 된다. 한편, 오목볼록이 적은 돌출부 또는 이 돌출부의 최상면중 면적이 큰 부분에 해당하는 어레이센서(3)상에 형성된 촬상은 밝아지게 된다. 그 결과, 제53도에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(4)에서의 반사광의 촬상 Ox가 어레이 센서(3)상에 형성된다. 상술한 바와 같이, 제49도에서의 셔터(330)을 닫는 것에 의해 이 Ox를 검출할 수 있고, 이 검출 결과 정보를 메모리(2)의 (502)부분에 저장한다. 스텝 앤드 리피트에 의해 웨이퍼(4)를 공급하는 공정에 있어서, 노출전에 간섭무늬를 어레이 센서(3)에 의해 검출하면, 참조광(17)에 분포가 제54도에 도시된 바와 같이 균일한 경우는 제55도에 도시된 바와 같은 간섭 무늬 Ix가 검출되어 제52도에서 메모리(1)의 (501)부분에 저장된다. 두 개의 정보 Ix와 Ox를 메모리(501)과 (502)에서 인출하여 연산수단(1)의 (1503)부분에서 다음에 기술하는 방법으로 처리하는 것에 의해 보정된 간섭파형 Ics를 도출할 수가 있다.

여기서, 참조광의 강도는 거의 일정값 Rc로 되어 있다. 이와 같이해서 얻어진 Icx는 제56도에 도시된 바와 같이 기본 주파수 이외의 매우 작은 성분을 사전에 갖는다. 그 결과, 신호를 고속 푸리에 변환수단(504)에 의해 고속 푸리에 변환(FFT)해서 얻어진 신호 | ￡[Icx] |는 제57도에서 실선으로 표시된 바와 같이 보정전에 얻어진 FFT 신호 | ￡[Ix] |에 비해서 기본 주파수의 순수한 스펙트럼으로 된다. 이 스펙트럼 정보에서 다음에 기술하는 방법에 의해 처리 회로(5)내의 연산수단(2)의 (505)에서 매우 정확하게 기울기와 높이의 정보(△θ, △Z)가 얻어진다.

제60도는 본 발명의 1실시예를 도시한 도면이다. 제49도와 동일한 부호는 각각 대응하는 구성 부품을 나타낸다. 제60도에서, 투과형 격자(18)과 거의 평행한 광속으로 조사된 레이저광은 웨이퍼(4)에 조사되는 광(16′)와 참조광(17′)로 분리된다. 각각의 광빔은 광셔터(330′)에 의해 차광된다. 즉, 제60도에 도시된 상태로 셔터(330′)에 의해 차광된다. 즉, 제60도에 도시된 상태로 셔터(330′)가 있을 때는 간섭무늬가 어레이 센서(3)에 의해 검출된다. 그러나, 셔터(330′)가 오른쪽으로 이동하여 개구 A₀가 제60도에서의 AR의 위치와 중첩되면, 웨이퍼 조명광(16′)는 차광되고, 참조광(17′)만 어레이센서(3)에 의해 검출된다. 참조광(17′)를 검출하면, 제62도에 도시한 다소 울퉁불퉁한 분포를 갖는 신호 Rx가 검출된다. 반대로, 셔터(330′)가 왼쪽으로 이동하여 개구 AR이 제60도에서의 A₀위 위치와 중첩되면, 참조광(17′)는 차광되고, 웨이퍼에서 반사된 광만 어레이 센서(3)에 의해 검출된다. 이 웨이퍼에서의 반사광은 제49도의 실시예와 마찬가지로 제61도에 도시된 바와 같은 분포 Ox를 갖는다. 이들 분포 Rx와 Ox는 A/D 변환기(31)의 출력으로 제65도의 기울기/높이 검출회로(51′)내의 메모리(2′)의 (502′)와 메모리(2)의 (502)에 저장된다. 노출전에 메모리(2′)의 (502′)와 메모리(2)의 (502)에 저장된 정보 Rx와 Ox를 사용하여 연산수단(1′)의 (503′)에 의해 다음의 연산을 스텝 앤드 리피트에 의해 노출하기 전에 실행한다. Ix는 제52도에 도시된 바와 같은 방법으로 메모리(1)의 (501)에 저장된다.

이 Icx는 제61도에 도시한 간섭 검출 파형 Ix(메모리(1)의 (501)에 저장되어 있다)와 비교된다. 제64도에 도시한 바와 같이, 기본 주파수 성분이 주요이므로, 상술한 바와 같이 신호 Icx에서 고속 푸리에 변환 수단(504)와 연산수단(2′)의 (505)에 의해 정확하게 기울기와 높이(△θ, △Z)를 결정할 수가 있다. 본 실시예에 의하면, 제49도의 실시예에 비해서 참조광(17′)의 분포가 다소 불규칙하더라도 정확한 검출을 할 수가 있다. 따라서, 참조광(17′)의 분포를 균일하게 하기 위한 광학시스템, 예를 들면 핀홀등의 생략이 가능한 한편, 광의 이용효율도 커지게 되어 출력이 적은 광원으로 검출할 수가 있다.

제66도는 제52도 및 제65도에 도시한 스펙트럼 정보처리에 의한 간섭 무늬의 피치(기울기)와 위상(높이)의 고정밀도 연산수단(2′)의 (505)의 구체적 구성을 도시한 도면이다. 검출되어 보정된 신호 Icx는 기본 주파수 성분 이외의 신호는 거의 포함하고 있지 않으므로, 다음의 연산을 실행하는 것에 의해 피치와 위상이 정확하게 구해진다. Ixc는 실수이며, 이를 복소푸리에 변환수단(504)에서 복소푸리에 변환하면 다음의 ￡[I]가 구해진다.

이 스펙트럼을 A_j로 하면 | A_j|는 기본 주파수 성분에 대응하는 스펙트럼 위치 j=jo에서 샤프한 피크를 갖는다. 스텝(5051)에서의 산출에 의해 이산적으로 얻어진 스펙트럼 A_jo의 jo와 jo+1, jo-1의 위치에서의 값 A_jo+1, A_jo-1에서 아래에 기술하는 방법에 의해 정확하게 피치 P와 위상 Øz가 구해진다. A_jo, A_jo+1, A_jo-1의 복소수의 값을 아래와 같이 실수와 허수부로 리라이트한다.

A_jo=R_o+iI_o…………… (45)

A_jo+1=R₊+iI₊…………… (46)

A_jo-1=R_-+iI_-…………… (47)

이들 FFT에서 얻어진 값에서 내적 계산 스텝(5052)에 의해 다음의 값(복소수 벡터의 내적값)을 구한다.

이 값을 사용하여 다음의 △를 구한다.

이와 같이해서 구해진 △를 사용하여 참피크위치 스텝(5055)에 의해 참스펙트럼 피크 j_R이 다음식으로 구해진다.

j_R=j_o+△ …………… (51)

다음에, 위상에 위상값 Øz는 상기 △를 사용하여 참피크 위치에서의 위상 스텝(5056)에 의해 다음식으로 구해진다.

여기서, Øjo은 (45)식에서 결정되어 다음식을 만족한다.

(51)식에 의해 주어진 값 △를 사용하여 (52)식에서 초기 위상 값 Øz가 구해진다.

(18)식에 의해 구한 방법과 마찬가지로, (17)식에서 간섭무늬의 피치 P는 측정물체(웨이퍼(4))에서의 반사 회수 n에 대하여 다음식으로 구해진다.

((40)식은 n=2의 경우를 나타낸다)

한편, 피치 P(FFT의 입력으로 인가된 간섭 신호의 1피치당 표본화 점수, 단 실수)는

P=N/j_R…………… (55)

로 주어지므로 (40)식과 (51)식에서

△θ=C_o×(j_R-j_s)/n …………… (56)

로 된다.

여기서, C_o=λm/(2N) (정수)

j_s=2Nsinα₁1/λ (정수)

스테이지의 기울기 제어량 △θ가 스테이지의 기울기 제어량 산출 스텝(5057)에 의해 구해진다. 이 △θ가 스테이지의 기울기 제어량으로 된다.

한편, 참위상값 Øz에서는 정수인 초기 위상 Øs(△Z=0 즉 초기의 초점 맞춤점에서는 위상)을 사용하여 (41)식을 구하는 방법과 마찬가지로 다음식이 구해진다.

△Z=λ(Øz-Øs)/(4nπ cosθ₁)

따라서, ((41)식에서는 n=2)

△Z=Cz(Øz-Øs)/n

여기서, Cz=λ/(4πcosθ₁) (정수)

수직 스테이지 제어량 △Z가 수직 스테이지 제어량 산출 스텝(5058)에 의해 구해진다 이 △Z가 스테이지 높이 제어량으로 된다.

이상 기술한 바와 같이 (100X)의 X축의 검출과 마찬가지로 Y축에 대해서도 (100Y)에 의해 상술한 스테이지의 기울기 제어량 △θ와 스테이지 높이 제어량 △Z가 구해진다.

이 X축 및 Y축의 θ, Z를 각각 △θx, △Zx, △θy, △Zy로 한다. △Z에 대해서는 두 개의 값이 얻어지므로, 한쪽만을 사용하지만, 평균 △Z=(△Zx+△Zy)/2를 사용하여 △θx, △θy, △Z(△Zx 또는 △Zy)의 세 개의 값에 의해 웨이퍼 스테이지(7)의 광축과 직각인 2방향과 광축 방향을 제어하는 것에 의해, 노출 광학 시스템의 초점면(기울기와 높이가 일정)에 웨이퍼(4)의 표면을 일치시킬 수가 있어 레티클(9)상에 형성된 회로 패턴을 노출 축소 렌즈(8)에 의해 높은 해상도의 회로 패턴으로서 웨이퍼(4)상에 노출할 수가 있다.

부가적으로 검출에 대한 이 연산을 고속(수 ms)에서 실행하는 것이 가능하므로, 웨이퍼(4)상의 칩을 스텝이동해서 노출할 때마다 실행하면, 웨이퍼 전면을 높은 해상도로, 또한 높은 시스템 효울로써 노출할 수가 있다.

상술한 실시예에서는 보정된 간섭 무늬에서 피치와 기울기를 구하는 방법으로서 푸리에 변환을 사용하지만, 예를 들면 정현파의 진폭의 중심에서 절단된 위치에서 피치와 위상을 구하는 등의 방법에 의해 피치와 기울기를 구할 수 있어 푸리에 변환에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 기울기와 높이의 검출방법은 상술한 실시예의 반도체 노출 장치에 한정되지는 않지만, 검출 대상에서의 반사광의 분포가 불규칙한 경우에 대해서 특히 유효하게 적용할 수가 있다.

본 발명의 또 다른 실시예를 제67도 및 제68도를 참조해서 설명한다.

제67도에서, (901)은 정현파 신호 A를 표본화하는 표본화회로, (902)는 표본화된 신호를 A/D 변환하는 A/D 변환기, (903)은 A/D 변환된 표본화 데이터 A(j)를 기억하는 제1의 기억회로(1), (904)는 기억된 표본화 데이터 A(j)(j=0,1,…, N-1)을 생성하여 이산적 푸리에 변환을 실행하는 푸리에 변환회로,(905)는 푸리에 변환 벡터 F(k)의 실수부 Fr(k)와 허수부 Fi(k)를 기억하는 제2의 기억회로(2), (906)은 기억된 푸리에 변환 벡터 F(k)의 실수부 Fr(k)와 허수부 Fi(k)(k=0,1…,N-1)에서 스펙트럼의 높이 S(k)를 계산하는 제1의 연산회로, (907)는 계산된 스펙트럼에 최대값을 부여하여 최대 스펙트럼의 위치 n_o을 구하는 최대값 탐색회로, (908)은 실제의 최대 스펙트럼의 위치 n_o-△에서의 끝수 △를 연산하는 제2의 연산회로, (909)는 끝수 △와 푸리에 변환 벡터 F(k)의 실수부 Fr(k)와 허수부 Fi(k)에서 정현파 신호 A의 주기 P와 위상 Ø를 구해서 출력하는 제3의 연산회로, (910)은 표본화 회로(901)를 제외한 블록(902)∼(909)를 포함하는 전체 블록군이다.

이하, 제67도에 도시된 회로의 동작을 설명한다. 입력으로서 인가된 정현파 신호 A는 표본화 회로(901)에서 표본화되어 A/D 변환기(902)에 입력되어 표본화 데이터 A(j)로 변환된다. 정현파 신호 A의 주기(1주기당 표본화수)를 P로 하고, 위상을 Ø로 하면, 표본화 데이터(Aj)는 상기 식(25)로 나타내어진다.

여기서, j는 표본화 번호이고, j를 시간축으로 하면 A(j)는 시계열의 표본화 데이터를 나타낸다. 표본화 데이터 A(j)는 모두 제1의 기억회로(903)에 기억된다. 다음에, 푸리에 변환회로(904)는 상기의 식(20)에 따라 기억회로(903)에서 표본화 데이터 A(j)를 얻어서 이산적 푸리에 변환을 실행한다.

고속 푸리에 변환(FFT)의 기술은 이산적 푸리에 변환으로서 잘 알려져 있다. 이산적 푸리에 변환의 결과인 F(k)는 상기의 식(21)에 나타낸 바와 같이 실수부 Fr(k)와 허수부 Fi(k)로 되는 벡터로 나타내어진다. 이산적 푸리에 변환 벡터 F(k)의 실수부 Fr(k)와 허수부 Fi(k)는 제2의 기억회로(905)에 기억된다.

이산적 푸리에 변환의 경우에 변수 k는 주기 P의 정보를 나타내며, 상기의 식(23)에서의 P=N/k의 연산을 실행하는 것에 의해 계산할 수가 있다. 즉, 스펙트럼 높이 S(k)를 구하고, 그 최대 스펙트럼의 위치 k=n_o에서 식(23)에서의 주기 P를 구하면, 이들이 최대 정현파 신호 A를 갖는 주기 P에 근사한 주기로 된다. 이 스펙트럼 S(k)의 상태의 1예를 제71도에 도시한다. 상기 식(25)에서의 직류 성분 a에의 한 직류 성분 위치 k=0에서 최대 스펙트럼으로 될 가능성이 있으므로, 상기 최대 스펙트럼의 위치 k=n_o는 k=0이외에서 구해야 한다.

제1의 연산회로(906)은 기억회로(905)에 기억된 실수부 Fr(k)와 허수부 Fi(k)에서 스펙트럼 S(k)를 식(22)에 의해 구하는 것이다. 최대값 탐색회로(907)은 k=0이외의 스펙트럼 s(k)에서 최대값을 탐색하고, 그 최대 스펙트럼 위치 k=n_o을 구해서 출력한다. 이 최대 탐색은 벡터 F(k)의 Fr(k), Fi(k)를 갖고 있는 기억회로(905)의 어드레스와 변수 k를 설정하는 것에 의해 실현할 수가 있다.

최대값 탐색회로(907)에 의해 구해진 최대 스펙트럼의 위치 n_o은 기억회로(905)의 인가되고, 이것에 의해 기억회로(905)에서 상기 식(30)에 나타내어진 최대 스펙트럼의 다음 위치 n_o와 그 인접한 위치(n_o-1), (n_o+1)의 실수부와 허수부가 추출된다.

F(n_o-1)의 실수부 : Fr(n_o-1)=R″

F(n_o-1)의 허수부 : Fi(n_o-1)=I″

F(n_o)의 실수부 : Fr(n_o)=R

F(n_o)의 허수부 : Fi(n_o)=I

F(n_o-1)의 실수부 : Fr(n_o+1)=R′

F(n_o-1)의 허수부 : Fi(n_o+1)=I′

이 최대 스펙트럼 F(n_o)와 그 인접한 스펙트럼 F(n_o-1), F(n_o+1)의 벡터의 실수부 R″, R, R′와 허수부 I″, I, I′는 먼저 제2의 연산회로(908)에 인가되어 상기 식(31) 또는 (32)에 의해 상기 식(26)으로 정의된 바와 같이 제71도에 도시된 최대 스펙트럼 위치 k=n_o에서 실제의 최대 스펙트럼 위치까지의 편차(끝수) △가 계산된다. 끝수 △가 계산되면, 실제의 최대 스펙트럼 위치 k=n_o+△가 정의되므로, 제3의 연산회로(909)는 상기 식(30)에서 정현파 신호 A의 주기 P를 구하고, 또 상기 끝수 △와 상기 추출된 벡터의 실수부 R″, R, R′와 허수부 I″, I, I′를 이용해서 상기 식(35)를 계산하여 정현파 신호 A의 위상 Ø를 구해서 정현파 신호 A의 주기 P와 위상 Ø를 출력한다.

상기 끝수 △를 식(31) 또는 (32)를 사용해서 푸리에 변환 벡터의 실수부 R″, R, R′ 또는 허수부 I″, I, I′에서 계산하는 것에 대해서 설명하였지만, 상기 식(31), (32)는 식(20)의 이산적 푸리에 변환의 전개에서 근사적으로 유도되므로, 이들 두 개의 식에서 구해진 끝수 △는 대개는 서로 일치하지 않는다.

따라서, 보다 정확하게 끝수 △를 결정하려면 연산회로(908)에 의해 식(31), (32)에서 두개의 끝수 △를 구하기 위해서 연산회로(909)에는 판단 기능을 유지시켜서 상기 두 개의 끝수 △중의 하나를 선택하면 된다. 연산회로(909)의 판단기능의 1예를 설명한다. 즉, 두 개의 끝수 △에 따라서 두 개의 위상 Ø를 연산회로(909)에 의해 식(35)에서 구한다. 이것에 의해 두 개의 끝수 △와 두 개의 위상 Ø가 구해지면, 최대 스펙트럼 위치 k=n_o와 표본화수 N은 알고 있으므로, 식(30)을 이용해서 최대 스펙트럼과 그 인접한 스펙트럼의 벡터를 역으로 계산할 수가 있다.

식(30)은 근사식이므로 식(30)의 정밀도는 실제의 푸리에 변환에 의해 얻어진 벡터, 즉 최대값 탐색회로(907)의 출력으로 기억회로(905)에서 추출되어 있는 벡터와 식(30)에서 역으로 계산되는 벡터와의 비교에 의해 정의된다.

이 비교예는, 예를 들면 F(n_o)와 F(n_o+1)의 벡터비를 사용하면 된다.

이 방법으로, 실제의 푸리에 변환에 의해 구해진 상기 벡터를 다음과 같이 리라이트한다.

F(n_o)의 실수부 : R_f

F(n_o)의 허수부 : I_f

F(n_o+1)의 실수부 : R′_f

F(n_o+1)의 허수부 : I′_f

이들 값과 식(30)에서 계산된 R, I, R′, I′를 참조해서 Dr과 Di를 다음과 같이 계산한다.

여기서, Dr＜Di이면, 식(30)에 있어서, R″, R, R′의 계산식이 I″, I, I′의 계산식에 비해서 정밀도가 높다. 따라서, 이 경우에는 끝수 △가 식(31)에 의해 구해져도 된다.

반대로, Dr＞Di이면 끝수 △는 식(32)식에 의해 구해져도 된다. Dr=Di이면 어느쪽의 끝수 △를 사용해도 되는 것은 말할 필요도 없다. 또한, 판단을 위해서 벡터 F(n_o), F(n_o+1) 대신에, 동일한 판단을 위해서 F(n_o), F(n_o-1) 또는 F(n_o+1), F(n_o-1)사용하여도 된다.

상술한 실시예에서는 정현파 신호 A를 표본화 회로(901)에서 표본화하는 구성으로 하고 있지만, 이미지 센서와 같은 광학 검출 수단에서 간섭 무늬등을 취급하는 시스템이면, 검출 수단 자체가 표본화 신호를 출력하므로 상기 구성부분을 이미지 센서와 같은 소자로 치환하여도 된다. 또한, 푸리에 변환에 대하여 소프트웨어 처리를 허여하면서 기억회로(903)의 다음단의 구성을 컴퓨터로 대체하여도 된다.

제68도는 본 발명에 의한 정현파의 주기와 위상의 검출 방법 및 장치를 사용한 면의 기울기와 높이 측정장치의 1실시예를 도시한 블록도이다.

제68도에서, (910)은 제67도에서의 (910)과 동일한 정현파의 주기 P와 위상 Ø를 출력하는 블록, (911)은 광원, (912)은 프리즘(빔스필리터), (913)은 하프미러, (914), (915)는 미러, (961)은 렌즈, (917)은 광전변환 출력 A(j)를 출력하는 광검출기, (918)은 측정물체(웨이퍼), (919)는 측정 물체를 탑재한 받침대, (920)은 참조빔, (921)은 측정물체(918)에서의 정반사광, (922)는 측정물체(918)의 포면의 기울기 Ø와 높이 Z의 정보를 출력하는 연산회로를 나타낸다.

이하, 제68도에 도시된 회로 동작을 설명한다.

레이저와 같은 간섭성 및 지향성을 갖는 광원은 광원(911)로서 사용된다. 광원(911)에서 발사된 광은 프리즘(912)에 의해 두 개의 빔으로 분리된다. 그 중의 하나의 빔은 하프미러(913)을 통과하여 미러(914)에서 반사되어 참조광 빔으로 된다. 미러(915)에서 거의 수직으로c 반사된 광은 미러(914)에 리턴된다. 다른 빔은 하프미러(913)을 통과한 다음에 미러(914)에서 반사되어 받침대(919)상에 탑재된 측정물체(918)상에서 반사된다.

측정물체(918)에서 정반사된 광(921)은 거의 수직으로 미러(915)에 입사한 다음에 재차 측정물체(918)에 반사되어 미러(915)에 리턴된다. 미러(915)에 있어서 참조광(920)과 측정물체(918)에서 정반사된 광(921)사이에서 간섭무늬가 발생한다. 이 간섭무늬는 하프미러(913)상에서 반사되어 렌즈(916)을 거쳐서 광검출기(917)상에 결상된다.

간섭무늬에 따라 배치된 화소를 갖는 1차원 센서등은 광 검출기(917)로서 사용되어도 된다. 본 실시예에서, 이러한 1차원 센서는 광 검출기(917)을 구성하고 있다. 1차원 센서는 간섭무늬를 검출하여 광전변환 출력으로서 간섭무늬신호 A(j)를 출력한다.

측정물체(918)로의 입사광이 수평면과 이루는 기울기 각도를 Ø, 면의 높이를 Z로 하면, 차원 센서(917)에서 검출되는 간섭무늬는 1차원 센서의 화소의 배열방향을 X로 하고 파장을 λ로 하여 다음식으로 표시된다.

식(57)에서 명백한 바와 같이, 측정물체(918)의 면의 기울기 Ø는 간섭무늬 A(X)의 주기에 영향을 끼치며, 면의 높이 Z는 위상을 변화시킨다.

1차원 센서(917)의 화소피치가 L로 주어지면, 다음식으로 표시된 이산적 간섭무늬신호 A(j), j=0, ±1, ±2, ±3는 광전 변환 출력을 나타낸다.

여기서, j는 1차원 센서(917)의 화소에 대응하는 표본화 점이다. 식(25)에서 정현파의 일반식에 따라서 식(58)을 설정하면,

로 된다. 따라서, 1차원 센서(917)의 표본화 상태에 있어서 간섭무늬 신호 A(j)를 제67도에 도시된 정현파의 주기와 위상을 검출하기 위한 수단인 표본화 회로(901)을 제외하고 블록(917)에 인가하면, 블록(910)의 출력에 식(59), (60)에 나타내어진 정현파의 주기 P와 위상 Ø의 정보가 얻어진다. 식(59), (60)에서, 각도 θ, 파장 λ 및 피치 L은 알고 있으므로, 식(59), (60)의 주기 P와 위상 Ø의 정보를 연산회로(922)에 입력해서 연산회로(922)에 의해 다음식의 연산을 실행하면 측정물체(918)의 면의 기울기 Ø와 높이 Z가 구해져 출력된다.

그 결과, 제68도에는 도시하지 않았지만, 연산회로(922)에서 출력되는 식(61), (62)에 따른 면의 기울기 Ø와 높이 z의 정보를 서보회로에 인가하여 받침대(919)를 구동하는 것에 의해 측정물체(918)의 면의 기울기와 높이를 보정할 수가 있다.

상술한 실시예에 의하면, 고정밀도로 정현파의 주기와 위상을 결정할 수가 있어 이 정보를 사용하는 것에 의해 광학 간섭무늬에서 면의 기울기와 높이의 정확한 정보를 얻을 수 있다.

LSI 패턴의 치수를 미세화하면, 노출에 의한 초점 깊이는 ±1㎛이하의 고행상도가 요구된다.

이 견지에서, 제68도에 도시된 장치가 웨이퍼를 스텝앤드 리피트 처리를 실행하여 축소투영 렌즈를 사용해서 레티클상에 형성된 회로 패턴을 웨이퍼상에 축소투영하는 축소투영식 노출장치에 적용되므로, 노출단위마다, 웨이퍼의 부분적인 면의 기울기와 높이의 고정밀도 정보를 얻음과 동시에, 이 특정한 정보에 따라서 웨이퍼의 기울기와 높이를 제어하는 것에 의해 노출단위마다 웨이퍼의 면을 축소투영 렌즈의 결상위치(이미지면)에 고정밀도로 위치 맞춤 시킬 수가 있다.

그 결과, 미세한 회로 패턴을 고해상도로 웨이퍼상에 축소투영하는 것에 의해 노출할 수가 있다.

제68도에 도시된 장치를 축소투영식 노출장치에 적용한 경우에, 측정물체(918)은 웨이퍼에 해당하며 받침대(919)는 웨이퍼 스테이지에 해당하고, 축소투영 렌즈는 웨이퍼상에 위치되어 있다. 웨이퍼의 기울기와 높이를 제어하기 위한 기구는 잘 알려져 있다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명의 큰 노출 영역을 갖는 노출 물체의 기울기와 높이를 검출하는 것에 의해 전체 노출 영역에 걸쳐서 노출을 고해상도로 실시할 수가 있는 투영 노출 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 큰 영역 소자, 즉 큰 영역 반도체 장치(액정 표시 장치 또는 LSI)의 제조에 유용한 투영 노출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

Claims

노출 조명 시스템; 마스크 및 래티클중의 선택된 하나, 투영 광학 시스템 및 노출 물체를 유지하는 스테이지, 위치 맞춤을 제어하기 위해 마스크 및 래티클 중의 선택된 하나와 노출 물체의 상대적 위치를 검출하는 얼라인먼트 시스템, 코히어런트 광원에서 발사된 광을 평행한 조사 광빔으로 변환하여 상기 노출 물체의 표면상의 투영 광학 시스템의 노출 영역상에 동일한 광을 비스듬하게 입사각 θ로 조사하는 적어도 하나의 조사수단, 상기 노출 물체에서 반사된 물체광을 패턴 검출 수단으로 도입하는 적어도 하나의 검출 광학 시스템, 상기 코히어런트 광원에서 발생된 광을 분할하고 참조광을 발생하는 수단, 상기 참조광을 패턴검출수단으로 도입하여 상기 물체광의 광축에 대해서 바라는 각도로 상기 패턴 검출 수단상에서 중첩하여 간섭을 일으키는 적어도 하나의 참조광 수단, 상기 패턴 검출 수단에서 얻어진 간섭 패턴의 정보로부터 노출 물체의 기울기 L 및 높이의 정보중의 적어도 선택된 하나를 구하는 처리 회로와 동일한 정보에 따라 상기 노출 물체의 한쪽 방향의 기울기 및 높이중의 적어도 하나를 제어하는 스테이지 제어 시스템을 포함하는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 조사광, 물체광 및 참조광은 동일방향으로 진행하며 또한 동일 영역을 통과하는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 입사각 θ는 85도 이상인 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 조사광은 S편광인 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 투영 노출 장치는 리턴 평면 미러가 배치되어, 상기 노출 물체에서 반사된 물체광을 상기 리턴 평면 미러와 수직으로 반사시키고 원래의 결과 동일한 광로를 따라서 반대로 진행시키고 재차 상기 노출 물체에서 반사시키고 상기 패턴 검출 수단으로 도입하는 리턴 검출 광학 시스템을 또 포함하며, 상기 패턴 검출 수단상에서 참조광과의 간섭을 발생시키는 투영 노출 장치.
제5항에 있어서, 상기 투영 노출 장치는 상기 참조광이 상기 물체광과 동일한 영역을 거쳐서 동일한 방향으로 통과하도록 구성된 수단을 또 포함하는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 패턴 검출 수단은 어레이 센서이고, 상기 처리 회로에는 상기 노출 물체의 기울기 △θ 및 높이 △h에 대응하는 피치 p 및 위상 Ψ를 갖는 정현파 신호가 전송되고, 상기 처리 회로에서는 고속푸리에 변환이 실행되며, 상기 피치 p에 대응하는 스펙트럼 근방의 정보에서 값 △θ 및 △h가 결정되는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 노출 물체상의 조사 위치는 상기 리턴 검출 광학 시스템 및 상기 검출 광학시스템중의 선택된 하나에 의해 상기 패턴 검출 수단과 공역(결상)인 관계에 있는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 패턴 검출 수단으로 입사하는 물체광 및 참조광은 평면파를 이루는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 장치는 상기 어레이 센서에 의해 얻은 정보의 바라는 영역만을 선택하고 고속푸리에 변환에 의해 얻은 스펙트럼 정보에서 상기 노출 물체의 바라는 노출 영역의 기울기 및 높이중의 적어도 선택된 하나를 결정하는 처리 회로를 또 포함하고, 상기 패턴 검출 수단은 어레이 센서이고, 상기 노출 물체상의 조사 위치는 상기 리턴 검출 광학 시스템 및 검출 광학 시스템중의 선택된 하나에 의해 상기 패턴 검출 수단과 공역인 관계에 있는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 리턴 반사 광학 시스템과 상기 검출 광학 시스템중의 선택된 하나 및 참조량의 광로의 광집속점에는 미소 개구부가 마련되고, 상기 광로내의 광학 부품의 표면 및 이면에서 반사된 잡음 광성분은 차광되는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 투영 노출 장치는 상기 코히어런트 광원과 다른 파장을 갖는 제2의 코히어런트 광원을 또 포함하고, 상기 제2의 코히어런트 광원에서 방사된 광은 상기 제1의 코히어런트 광과 동일한 광로의 참조광 및 물체광이 형성되도록 상기 조사 수단으로 도입되고, 상기 검출 광학 시스템과 상기 리턴 검출 광학 시스템중의 선택된 하나에는 제1의 파장의 광에서 제2의 파장의 광을 분리하는 수단이 배치되고, 상기 분리된 제2의 파장의 참조광 및 물체광은 상기 제2의 패턴 검출 수단에 의해 검출되고, 상기 높이를 따른 불확정 요인은 상기 제1 및 제2의 검출 수단에 의해 얻은 간섭 무늬의 정보에서 제거되고, 정확한 높이 정보는 넓은 범위에 걸쳐 검출될 수 있는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 단일의 빔이 빔 스플리터를 거쳐 상기 패턴 검출 수단에 도달하기 전의 상기 참조광 및 물체광의 반사 회수는 우수와 기수중의 선택된 하나로 설정되는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 단일 파장 검출에 의한 높이에 따른 불확정 요인은 넓은 범위에 걸쳐 정확한 높이 정보가 검출될 수 있도록, 에어 마이크로미터등의 다른 웨이퍼 높이 검출 수단을 동시에 사용하는 것에 의해 제거되는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 웨이퍼 빔은 노출 영역의 대각선 방향을 따라 조사되는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 투영 노출 장치는 상기 조명 광로에 배치되어 상기 레이저 빔의 일부(가우스 분포의 중심부)를 선택하는 핀홀판을 또 포함하는 투영 노출 장치.
제16항에 있어서, 상기 레이저 빔의 일부(가우수 분포의 중심부)를 선택하는 핀홀판은 노출 영역과 공역 관계로 배치되는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 투영 노출 장치는 노출 물체의 표면 요철블록에 기인하는 간섭 패턴(간섭 무늬)에서 발생되어 상기 패턴 검출 수단에 의해 검출되는 진폭의 크기에 따라 상기 처리 회로에 의한 푸리에 변환의 처리에 있어서 기울기 및 높이를 결정할 때 발생된 오차를 보정하는 수단을 또 포함하는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 처리 회로는 정현파 신호의 샘플링값을 이산적 푸리에 변환하는 것을 의해 얻은 이산 주파수 스펙트럼중에서 인접한 스펙트럼의 높이 및 DC성분을 나타내는 것이외에 스펙트럼의 최대 높이를 검출하고, 상기 정현파 신호의 주기 및 위상은 노출 물체의 기울기 △θ 및 높이 △h가 결정되도록 3개의 스펙트럼의 높이를 나타내는 벡터의 실수 및 허수부에서 결정되는 투영 노출 장치.
제1항에 있어서, 상기 처리 회로는 이산적 디지털값으로서 정현파를 인출하는 수단, 상기 인출한 디지털값을 이산적 푸리에 변환하여 스펙트럼의 벡터 성분의 실수부 및 허수부를 결정하는 수단, 상기 결정된 성분을 갖는 벡터에서 각 스펙트럼의 높이를 산출하는 수단, 인접하는 스펙트럼 및 DC 성분을 갖는 것이외에 최대 높이를 갖는 스펙트럼을 검출하고 상기 3개의 벡터 스펙트럼의 벡터 성분을 추출하는 수단, 상기 추출된 3개의 벡터 성분에서 정현파의 주기 및 위상을 계산하는 수단 및 상기 계산에 의해 결정된 주기 및 위상에서 노출 물체의 기울기 △θ 및 높이 θh를 결정하는 수단을 구비하는 투영 노출 장치.
피측정 물체에 조사한 광의 반사광의 정보에서 상기 피측정 물체의 기울기 또는 높이를 검출하는 방법에 있어서, 조사광의 입사 각도를 85도 이상으로 하고, 반사광의 위치 또는 상기 반사광과 참조광에 의해 발생하는 간섭 무늬의 피치와 위상의 변화에 피측정 물체의 기울기 또는 높이를 검출하는 것을 특징으로 하는 피측정 물체의 기울기 또는 높이 검출 방법.
제21항에 있어서 상기 조사광은 S편광 성분만을 포함하는 직선 편광인 피측정 물체의 기울기 또는 높이 검출 방법.
제21항에 있어서, 상기 반사광은 고정된 평면 미러상에서 수직인 각도로 반사되어 피측정 물체에 재차 조사되고, 상기 광의 정반사부만이 피측정 물체의 기울기와 높이중의 선택된 하나가 검출되도록 인출되는 피측정 물체의 기울기 또는 높이 검출 방법.
광학적 다중 물체의 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 방법에 있어서, 정반사광을 상기 정반사광과 가간섭인 고정된 참조광과 간섭시키고, 간섭 정보의 피치에서 기울기 정보를 검출하고, 상기 피치 및 위상에서 높이 정보를 검출하는 광학적 다층 물체의 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 방법.
제24항에 있어서, 상기 참조광은 상기 참조광과 간섭을 일으키는 정반사광 및 상기 조사광과 동일한 광로를 통과하도록 구성되는 광학적 다층 물체의 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 방법.
광학적 다층 물체의 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치에 있어서, 광원, 광의 주빔이 적어도 85도의 입사 각도로 표면에 입사하도록 광학적 다층 구조를 갖는 측정 물체의 표면에 상기 광원에서 발사된 광을 조사하는 조사 수단, 상기 측정 물체에서 정반사된 광의 정보를 검출하는 검출 수단과 상기 검출 수단에서 얻은 신호에서 상기 측정 물체의 기울기와 높이중의 선택된 하나를 도출하는 처리회로를 포함하는 광학적 다층 물체의 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제26항에 있어서, 상기 광원과 상기 조사 수단중의 선택된 하나는 상기 측정 물체에 조사된 광을 S편광하는 S편광 수단을 구비하는 광학적 다층 물체의 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
광학적 다층 물체의 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치에 있어서, 광원, 광의 주빔이 적어도 85도의 입사 각도로 표면에 입사하도록 광학적 다층 구조를 갖는 측정 물체의 표면에 상기 광원에서 방사된 광을 조사하는 조사 수단, 상기 측정 물체에서 반사된 광을 수직선 각도로 반사시키고 상기 광을 상기 측정 물체에 재차 조사하는 반사 조사 수단, 상기 측정 물체에서 재차 정반사된 광의 정보를 검출하는 검출 수단과 상기 검출 수단에 의해 얻은 신호에서 상기 측정 물체의 기울기의 높이중의 선택된 하나를 도출하는 처리 회로를 포함하는 광학적 다층 물체의 기울기의 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제26항에 있어서, 상기 광학적 다층 물체의 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치는 상기 정반사광과 가간섭성인 고정된 참조광을 발생하는 참조광 발생수단과 간섭 신호의 피치 및 위상에서 기울기와 높이중의 선택된 하나를 도출하는 처리 회로를 또 포함하고, 상기 정반사광 및 상기 참조광은 상기 검출 수단에 의해 간섭 무늬의 형태로 검출되는 광학적 다층 물체의 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제29항에 있어서, 상기 참조광 발생 수단에서 발생된 참조광은 상기 참조광이 측정 물체의 표면에서 반사되지 않는 것을 제외하고, 상기 참조광과 간섭하는 정반사광 및 상기 조사광과 동일한 광로를 통과하도록 구성되는 광학적 다층 물체의 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
원화를 제공하는 마스크, 상기 마스크에 노출 조명광을 조사하는 조명 광학 시스템, 상기 마스크를 통과한 광을 노출 물체상에 마스크상으로서 결상하는 투영 광학 시스템, 상기 마스크의 결상부중의 선택된 하나 및 그의 근방으로 제2의 광원에서 반사된 광의 주빔을 적어도 85도의 입사 각도로 입사시키는 조사 수단, 상기 노출 물체에서 정반사된 광의 정보를 검출하는 검출 수단과 상기 검출 수단에 의해 얻은 신호에서 측정 물체의 기울기를 높이중의 선택된 하나를 도출하는 처리 회로를 포함하는 투영 노출 장치.
간섭에 의해 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치에 있어서, 여러개의 다른 파장을 갖는 빔을 발사하는 단색 광원, 상기 단색 광원에서 발사된 광을 평행 빔으로 변환하는 조준 수단, 상기 빔을 여러개의 빔으로 분할하는 빔 스플리터, 원래의 빔이 분할된 평행 빔하는 중의 한쪽을 광학적 다충 물체에 조사하는 조사 광학 수단, 상기 조사 광학 수단에 의해 상기 광학적 다충 물체에 조사되어 반사된 물체광을 검출기로 도입하는 검출 광학 시스템, 상기 빔 스플리터에 의해 원래의 빔이 분할된 평행 빔중의 나머지를 상기 검출기로 도입하는 참조광 광학 시스템과 상기 광학적 다층 물체의 기울기와 높이중의 선택된 하나를 검출하기 위해 파장에 따라 상기 검출기에 의해 검출된 간섭 무늬의 여러개의 정보 신호중의 어느 것인가를 선택하는 선택 검출 수단을 포함하며, 상기 다른 평행빔은 상기 검출 수단에서 얻은 물체광과 상기 검출기에서 중첩되는 간섭에 의해 기울기의 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제32항에 있어서, 상기 선택 검출 수단에 의한 선택은 상기 광학적 다충 물체의 막 구조 및 광학적 특성의 정보에서 실행되는 간섭에 의해 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제32항에 있어서, 상기 선택 검출 수단은 여러개의 파장을 갖는 물체 광빔을 서로 비교하는 비교 수단를 구비하는 간섭에 의해 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제34항에 있어서, 상기 선택 검출 수단은 상기 광학적 다층 물체의 막구조 및 광학적 특성의 정보를 사용하여 선택된 파장에 의한 측정 결과를 보정하도록 구성되는 간섭에 의해 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제32항에 있어서, 상기 선택 검출 수단은 간섭 무늬의 정보를 푸리에 변환하고, I(ω(_o)가 푸리에 변환 스펙트럼의 주파수 ω_o(=0)의 바이어스 성분이고 I(ω′)가 간섭 무늬의 주파수에 대응하는 스펙트럼 성분일 때, 각종 파장에 대하여 비율 I(ω′)/I(ω_o)를 서로 비교하는 비교 수단을 구비하는 간섭에 의해 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제36항에 있어서, 상기 선택 검출 수단은 상기 광학적 다층 물체의 막구조 및 광학적 특성의 정보를 사용하여 선택된 파장에 의한 측정 결과를 보정하도록 구성되는 간섭에 의해 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제32항에 있어서, 상기 입사각은 상기 조사 광학 수단에 의해 85도 이상으로 설정되는 간섭에 의해 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제32항에 있어서, 상기 단색 광원은 S편광을 발사하는 간섭에 의해 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
축소 투영 렌즈를 거쳐 마스크에 형성된 회로 패턴을 축소 투영에 의해 기판상에 노출하기 위해 상기 기판을 스텝 앤드 리피트 처리하는 축소 투영식 노출 장치에 있어서, 여러개의 다른 파장을 갖는 빔을 발사하는 광원, 상기 광원에서 발사된 빔은 평행빔으로 변환하는 조준 수단, 상기 빔을 여러개의 빔으로 분할하는 빔 스플리터, 상기 빔 스플리터에 의해 원래의 빔이 분할된 한쪽의 평행빔을 상기 축소 투영 렌즈와 상기 기판사이의 갭을 거쳐 상기 기판에 조사하는 조사 광학 수단, 상기 축소 투영 렌즈와 상기 기판사이의 갭을 거쳐 상기 기판에 상기 조사 광학 수단에 의해 반사된 물체 광을 검출기로 도입하는 검출 광학 시스템, 상기 빔 스플리터에 의해 원래의 빔이 분할된 다른쪽 평행빔을 상기 검출기로 도입하고, 상기 검출기에서 상기 검출 광학 시스템에 의해 얻은 물체광에 다른쪽 평행빔을 중첩하는 참조광 광학 시스템과 여러개의 파장을 갖는 광빔에 따라, 상기 검출기에 의해 검출된 간섭 무늬의 여러개의 정보 신호중의 어느 하나를 선택하고 상기 기판의 부분적 기울기 및 높이중의 선택된 하나를 검출하는 선택 검출 수단을 포함하는 축소 투영식 노출 장치.
기판을 스텝 앤드 리피트시켜 축소 투영 렌즈에 의해 마스크상에 형성된 회로 패턴을 기판상에 축소 투영 노출하는 축소 투영 노출 방법에 있어서, 광원에서 발상된 파장이 다른 여러 개의 파장의 빔을 평행광으로 하여 각 파장의 빔을 여러개의 빔으로 분할하고, 분할된 한쪽의 각 파장의 평행빔을 상기 축소 투형 렌지를 통하는 일없이 상기 축소 투영 렌즈와 기판사이의 갭을 통하여 상기 기판상에 조사하여 기판상에서 반사한 물체광을 상기 축소 투영 렌지를 통하는 일없이 상기 축소 투영 렌즈와 기판사이의 갭을 통하여 검출기로 도입하고, 분할된 다른쪽의 각 파장의 평행빔을 상기 축소 투영 렌즈를 통하는 일없이 검출기로 도입하여 검출기상에서 물체광과 중첩시키고, 여러개의 파장의 광에 대응하고 상기 검출기에서 검출되는 여러개의 간섭 무늬의 정보 신호의 어느 것인가를 선택하고, 상기 기판의 부분적 기울기 또는 높이를 검출하는 축소 투영 노출 방법.
기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 방법에 있어서, 측정 물체에 코히어런트 광을 조사하고, 상기 코히어런트 광과 간섭하는 참조광 및 측정 물체에서 반사된 광에 의해 발생된 간섭 무늬의 정보를 검출하고, 간섭 무늬를 검출할 때와 같은 부분을 조사하여 얻어지는 측정 물체로부터의 반사광만의 광과 간섭 무늬를 검출할 때와 같은 참조광만의 광의 적어도 한쪽에서 얻어지는 정보를 채취하고, 간섭 무늬의 검출된 정보를 그와 같이 해서 채취된 정보로 보정하고, 간섭 무늬의 피치나 피치와 위상중의 한쪽이 정보를 상기 보정된 간섭무늬의 정보에서 계산하고, 기울기 또는 높이중의 적어도 하나를 간섭 무늬의 피치나 피치와 위상중의 한쪽의 정보에 따라 검출하는 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 방법.
제42항에 있어서, 상기 참조광에서만 얻어지는 정보는 채취되고, 상기 보정은 상기 채취된 정보를 사용하여 실행되는 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 방법.
제42항에 있어서, 상기 보정은 다음의 식에 의해 실행되는 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 방법.

(여기서, Ixc는 간섭 무늬의 보정된 정보, Ix는 간섭 무늬의 검출된 정보, Ox는 측정물체로부터의 반사광에서만 얻어지는 정보, Rc는 소정의 값이다.)
제43항에 있어서, 상기 보정은 다음의 식에 의해 실행되는 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 방법.

(여기서, Ixc는 간섭 무늬의 보정된 정보, Ix는 간섭 무늬의 검출된 정보, Ox는 측정 물체로부터의 반사광에서만 얻어지는 정보, Rx는 소정의 값이다.)
제42항에 있어서, 상기 간섭 무늬의 피치 및 위상의 정보는 간섭 무니의 보정된 정보를 푸리에 변환하여 얻은 스펙트럼 정보에 따라 산출되는 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 방법.
기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치에 있어서, 측정 물체에 코히어런트광을 조사하는 제1의 조사 수단, 상기 코히어런트광과 간섭하는 참조광을 조사하는 제2의 조사 수단, 한편에서 상기 제2의 조사 수단에서 조사된 참조광 및 다른편에서 상기 제1의 조사 수단에 의해 조사된 광에 의해 측정 물체에서 얻은 반사광에서 발생된 간섭 무늬의 정보를 검출하는 간섭 무늬 정보 검출 수단, 상기 측정 물체에서 반사된 광에서만 얻어지는 정보를 채취하는 채취 수단, 상기 채취 수단에 의해 채취된 정보를 사용하여 상기 간섭 무늬 정보 검출 수단에 의해 검출된 간섭 무늬 정보를 보정하는 보정 수단과 간섭 무니의 피치나 피치와 위상중의 선택된 하나의 산출 정보에 따라 측정 물체의 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하기 위해, 상기 보정 수단에 의해 보정된 간섭 무늬 정보에서 간섭 무늬의 피치나 피치와 위상중의 선택된 하나의 정보를 산출하는 검출 수단을 포함하는 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제47항에 있어서, 상기 채취 수단은 상기 참조광에서만 얻어지는 정보를 채취하는 제2의 채취 수단을 구비하고, 상기 보정 수단은 상기 제2의 채취 수단에 의해 채취도 참조광에서만 얻어지는 정보를 사용하여 상기 보정을 실행하는 수단을 구비하는 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제47항에 있어서, 상기 제1의 조사 수단은 측정 물체에 대한 코히어런트광의 입시각이 적어도 85도가 되도록 구성되는 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
제47항에 있어서, 상기 보정 수단은 다음의 식에 의해 보정을 실행하도록 구성되는 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.

(여기서, Ixc는 간섭 무늬의 보정된 정보, Ix는 간섭 무늬의 검출된 정보이고, Ox는 측정 물체에서 반사된 광에서만 얻어지는 정보, Rc는 소정의 값이다.)
제48항에 있어서, 상기 보정 수단은 다음의 식에 의해 보정을 실행하도록 구성되는 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.

(여기서, Ixc는 간섭 무늬의 보정된 정보, Ix는 간섭 무늬의 검출된 정보이고, Ox는 측정 물체에서 반사된 광에서만 얻어지는 정보, Rx는 소정의 값이다.)
제47항에 있어서, 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 상기 수단에서 간섭 무늬의 피치나 피치와 위상중의 선택된 하나의 정보의 산출은 간섭 무늬의 보정 정보의 푸리에 변환에 의해 얻은 스펙트럼 정보에 따르는 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하는 장치.
마스크상에 형성된 회로 패턴을 투영 광학 시스템을 거쳐 기판상에 투영에 의해 노출하는 투영 노출방법에 있어서, 상기 기판에 코히어런트광을 조사하고, 상기 코히어런트광과 간섭하는 참조광 및 기판에서 반사된 광에 의해 발생된 간섭 무늬의 정보를 검출하고, 상기 기판에서 반사된 광에서만 얻어지는 정보를 채취하고, 상기 채취된 정보에 의해 상기 간섭 무늬의 검출 정보를 보정하고, 상기 간섭 무늬의 보정정보에서 간섭무늬의 피치나 피치와 위상중의 선택된 하나의 정보를 산출하고, 상기 간섭무늬의 피치나 피치와 위상중의 선택된 하나의 산출 정보에 따라 상기 기판의 기울기와 높이중의 선택된 적어도 하나를 검출하고, 회로 패턴의 결상면이 기판면과 일치하도록 레벨링을 제어하기 위해, 투영 광학 시스템의 광축과 상기 광축과 그것에 수직인 방향으로 교차하는 두 개의 축을 따라 마스크와 기판중의 적어도 선택된 하나를 미소 이동시키는 투영 노출 방법.
제53항에 있어서, 상기 참조광에서만 얻어지는 정보는 채취되고, 상기 보정은 상기 채취된 정보를 사용하여 실행되는 투영 노출 방법.
제53항에 있어서, 상기 보정은 다음의 식에 의해 실행되는 투영 노출 방법.

(여기서, Ixc는 간섭 무늬의 보정된 정보, Ix는 간섭 무늬의 검출된 정보, Ox는 측정 물체에서 반사된 광에서만 얻어지는 정보 Rc는 소정의 값이다.)
제54항에 있어서, 상기 보정은 다음의 식에 의해 실행되는 투영 노출 방법.

(여기서, Ixc는 간섭 무늬의 보정된 정보, Ix는 간섭 무늬의 검출된 정보, Ox는 측정 물체에서 반사된 광에서만 얻어지는 정보 Rx는 소정의 값이다.)
제53항에 있어서, 상기 간섭 무늬의 피치 및 위상의 정보의 산출은 상기 간섭 무늬의 보정된 정보의 푸리에 변환에 의해 얻은 스펙트럼 정보에 따라 실행되는 투영 노출 방법.
제54항에 있어서, 상기 간섭 무늬의 피치 및 위상의 정보의 산출은 상기 간섭 무늬의 보정된 정보의 푸리에 변환에 의해 얻은 스펙트럼 정보에 따라 실행되는 투영 노출 방법.
제55항에 있어서, 상기 간섭 무늬의 피치 및 위상의 정보의 산출은 상기 간섭 무늬의 보정된 정보의 푸리에 변환에 의해 얻은 스펙트럼 정보에 따라 실행되는 투영 노출 방법.
제56항에 있어서, 상기 간섭 무늬의 피치 및 위상의 정보의 산출은 상기 간섭 무늬의 보정된 정보의 푸리에 변환에 의해 얻은 스펙트럼 정보에 따라 실행되는 투영 노출 방법.
마스크상에 형성된 회로 패턴을 투영 광학 시스템을 거쳐 기판상에 투영에 의해 노출하는 투영 노출 장치에 있어서, 상기 투영 광학 시스템에 광축 및 상기 광축에 수직인 방향으로 교차하는 두 개의 광축을 따라 마스크와 기판중의 적어도 선택된 하나를 미소 이동시키는 구동 수단, 상기 기판에 코히어런트광을 조사하는 제1의 조사 수단, 상기 코히어런트 광과 간섭하는 참조광을 조사하는 제2의 조사 수단, 상기 제2의 조사 수단에서 조사된 참조광 및 상기 제1의 조사단에서 조사된 광에 의해 기판에 얻은 반사광에서 발생된 간섭 무늬 정보를 검출하는 간섭 무늬 정보 검출 수단, 상기 기판에서 반사된 광에서만 얻어지는 정보를 채취하는 채취 수단, 상기 채취 수단에 의해 채취된 정보를 사용하여 상기 간섭 무늬 검출 수단에 의해 검출된 간섭 무늬 정보를 보정하는 보정 수단, 상기 보정 수단에 의해 보정된 정보에서 간섭 무늬의 피치나 피치와 위상중의 선택된 하나의 정보를 산출하여 기판의 기울기와 높이중의 위상중의 선택된 하나의 정보의 산출에 따라 기판의 기울기와 높이중의 선택된 하나를 검출하는 검출 수단과 상기 검출 수단에 의해 검출된 기울기 및 높이중의 선택된 하나의 정보에 따라, 상기 회로 패턴의 결상면이 기판면과 일치하도록 상기 구동 수단을 제어하는 레벨링 제어 수단을 포함하는 투영 노출 장치.
제61항에 있어서, 상기 투영 노출 장치는 상기 채취 수단으로서 차광 수단를 또 포함하는 투영 노출 장치.
제61항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 참조광에서만 얻어지는 정보를 채취하는 제2의 채취 수단를 구비하고, 상기 보정 수단은 상기 제2의 채취 수단에 의해 채취된 참조광에서만 얻어지는 정보를 사용하여 보정을 실행하는 수단을 구비하는 투영 노출 장치.
제61항에 있어서, 상기 제1의 조사 수단은 측정 대상에 대한 코히어런트광의 입사각이 적어도 85도가 되도록 구성되는 투영 노출 장치.
제61항에 있어서, 상기 보정 수단에 의해 보정은 다음식에 의해 실행되는 투영 노출 장치.

(여기서, Ixc는 간섭 무늬의 보정된 정보, Ix는 간섭 무늬의 검출된 정보, Ox는 측정 물체에서 반사된 광에서만 얻어지는 정보 Rc는 소정의 값이다.)
제63항에 있어서, 상기 보정 수단에 의해 보정은 다음식에 의해 실행되는 투영 노출 장치.

(여기서, Ixc는 간섭 무늬의 보정된 정보, Ix는 간섭 무늬의 검출된 정보, Ox는 측정 물체에서 반사된 광에서만 얻어지는 정보 Rx는 소정의 값이다.)
제61항에 있어서, 기울기와 높이중의 선택된 하나를 검출하는 수단에서 간섭 무늬의 피치나 피치와 위상중의 선택된 하나의 정보의 산출은 간섭 무늬의 보정된 정보의 푸리에 변환에 의해 얻은 스펙트럼 정보에 따라 실행되는 투영 노출 장치.
간섭 무늬에서 얻어지고 일정 주기고 변화하는 신호 강도의 정보를 고속 복소 푸리에 변환하고, 상기 복소 푸리에 변환된 이산적 스펙트럼 정보의 주기에 대응하는 스펙트럼 위치 근방에서 절대값 최대의 데이터 A_jo(j_o=정수, A_jo=R_o+iI_o)를 데이터 A_jo-1(=R_-+iI_-), A_jo+1(=R+iI₊)와 함께 사용하여 J_R=J_o+△

△=(S_--S_-)/(S₌-2S_o+S_-)

S_o=R_o ²+I_o ²

S₊=R_o·R₊+I_o·I₊

S_-=R_o·R_-+I_o·i_-

(여기서, R : 실수부, I : 허수부)에서 진짜 스펙트럼 피크 J_R을 산출하고, 상기 신호 강도 정보의 주기의 피치 P는 복소 푸리에 변환의 표본화 데이터 점의 수가 N(2ⁿ=N은 정수)일 때, 관계 P=N/J_R에서 산출되는 간섭 무늬 검출 방법.
간섭 무늬에서 얻어지고 일정 주기로 변화하는 신호 강도의 정보를 고속 복소 푸리에 변환하고, 상기 복소 푸리에 변환된 이산적 스펙트럼 정보의 주기의 대응하는 스펙트럼 위치 근방에서 절대값 최대의 데이터 A_jo(j_o=정수, A_JO=R_o+iI_o)와 데이터 A_jo-1(=R_-+iI_-), A_jo+1(=R+iI₊)를 사용하여

△=(S₊-S_-)/(S₊-2S_o+S_-)

S_o=R_o ²+i_o ²

S₊=R_o·R₊+I_o·I₊

S_-=R_o·R_-+I_o·I_-

(여기서, R : 실수부, I : 허수부)에서 값 △를 산출하고, 위상값 Ψ_z는 △ 및 Ψ_o를 사용하여 Ψ_z=Ψ_o+π(N-1)/N) △에서 정확하게 산출되는 간접 산출 검출 방법.
정현파의 주기 및 위상을 검출하는 방법에 있어서, DC 성분을 나타내는 스펙트럼 이외의 스펙트럼의 높이의 최대값과 그것에 인접하는 스펙트럼의 높이를 정현파 신호의 샘플링 값에 이산적 푸리에 변환을 실시하여 얻어진 이산적 주파수 스펙트럼중에서 검출하고, 상기 정현파 신호의 주기 및 위상을 3개의 스펙트럼의 높이를 나타냄을 각 벡터의 실수부 및 허수부에서 결정하는 정현파의 위상 및 주기 검출 방법.
정현파의 주기 및 위상을 검출하는 장치에 있어서, 이산적 디지털 값으로서 정현파 신호를 인출하는 수단, 상기 인출된 디지털 값이 이산적 푸리에 변환에 의해 스펙트럼의 벡터 성분의 실수부 및 허수부를 결정하는 수단, 얻어진 각 성분에 대해서 스펙트럼의 벡터에서 스펙트럼 높이를 산출하는 수단, DC 성분을 나타내는 스펙트럼 이외에 최대 높이를 갖는 스펙트럼과 그것에 인접하는 스펙트럼을 검출하고, 상기 3개의 벡터의 성분을 추출하는 수단과, 상기 추출된 3개의 벡터의 성분에서 상기 정현파 신호의 주기 및 위상을 산출하는 수단을 포함하는 정현파의 주기 및 위상 검출 장치.
광원에서 발사된 광을 물체의 표면에 입사시키는 입사 수단, 상기 물체에서 정반사된 광을 수직 방향으로 반사시키고, 상기 광을 상기 물체상에 다시 조사하는 반사 조사 수단, 고정된 참조광을 발생하는 참조광 발생 수단, 상기 참조광 및 정반사된 광에 의해 발생된 간섭 무늬를 검출하는 수단, 검출된 간섭 무늬 신호가 공급되는 특허청구의 범위 제71항에 기재된 정현파의 주기 및 위상을 검출하는 장치와 상기 검출 장치로부터 출력된 주기 및 위상에서 물체면의 기울기 및 높이를 연산하는 연산 회로를 포함하는 측정 장치.