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KR100544439B1 - 얼라인먼트유니트를갖는리소그래픽투영장치 - Google Patents

얼라인먼트유니트를갖는리소그래픽투영장치 Download PDF

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KR100544439B1
KR100544439B1 KR1019980708985A KR19980708985A KR100544439B1 KR 100544439 B1 KR100544439 B1 KR 100544439B1 KR 1019980708985 A KR1019980708985 A KR 1019980708985A KR 19980708985 A KR19980708985 A KR 19980708985A KR 100544439 B1 KR100544439 B1 KR 100544439B1
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프란크 보르넵로엑
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에이에스엠엘 네델란즈 비.브이.
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Abstract

본 발명은 기준(RGP)에 대하여 기판 얼라인먼트 마크(PI)를 얼라인시키기 위한 얼라인먼트 유니트를 갖는 리소그래픽 투영장치를 개시한다. 이러한 유니트는 서브빔들이 별개의 기준 그레이팅(90-96) 상에 입사되도록 상이한 방향으로 회절성 기판 마크(PI)로부터 유래하는 상이한 회절차수를 갖고, 별개의 검출기(DET)에 의해 검출될 수 있는 서브빔들을 제공하는 검출소자들(80-86)의 구조물(WEP)을 포함한다. 또한, 이러한 유니트는 큰 정확도로 비대칭 얼라인먼트 마크들을 얼라인시킬 가능성을 제공한다.

Description

얼라인먼트 유니트를 갖는 리소그래픽 투영 장치
본 발명은 투영 빔을 공급하는 방사선 소스, 마스크 홀더, 기판 홀더 및 마스크 홀더와 기판 홀더 사이에 배열된 투영 시스템을 포함하는 리소그래픽 투영 장치에 관한 것으로, 이 장치는 기판 홀더 내에 제공된 기판을 마스크 홀더 내에 제공된 마스크에 대하여 궁극적으로 얼라인시키기 위한 얼라인먼트 유니트를 추가로 포함하고, 상기 얼라인먼트 시스템은 기판 상에 제공된 얼라인먼트 마크를 기준에 대하여 얼라인 시키기 위한 오프축 얼라인먼트 유니트를 포함한다.
얼라인먼트는, 우선 상기 얼라인먼트 유니트가 기준에 대하여 기판을 얼라인시키기 위해 사용되지만, 궁극적으로 이러한 얼라인먼트 단계의 결과가 마스크에 대하여 기판을 얼라인시키기 위해 다른 측정수단과 조합되어 사용되는 것을 의미하는 것으로 이해된다.
리소그래픽 투영 장치는 확산 및 마스킹 기술에 의해 집적 회로 또는 IC의 제조에 필수적인 구성요소이다. 이러한 장치의 도움으로, 상이한 마스크 패턴을 갖는 많은 마스크들이 반도체 기판 상의 동일한 위치에 연속적으로 묘화된다. 기판은 동일한 위치에서 연속적인 상들 사이의 목적하는 물리 화학적 변화를 견뎌야 한다. 이 때문에, 기판은 마스크 패턴에 따라 노출된 후 제거되어야 하며, 목적하는 공정 단계를 겪은 후, 기판은 제2 마스크 패턴 등에 따라 노출되도록 다시 동일한 위치에 되돌려져야 하는 한편, 제2 마스크 패턴 및 후속하는 마스크 패턴들의 상은 기판에 대하여 정확하게 위치되는 것이 보장되어야 한다. 이 때문에, 리소그래픽 투영 장치는 기판 상의 얼라인먼트 마크들이 마스크 상의 얼라인먼트 마크들에 대하여 얼라인된 광학 얼라인먼트 시스템을 구비한다.
리소그래픽 장치는 IC의 제조에 사용될 뿐만 아니라, 1 μm 치수의 세부 치수를 갖는 다른 구조물의 제조에도 사용될 수 있다. 그 예로는 집적된 또는 완전한 광학적 시스템 또는 자성을 띤 도메인 메모리의 가이딩 및 검출 패턴의 구조물들 및 액정 디스플레이 패널의 구조물들을 들 수 있다. 또한, 이들 구조물의 제조에 있어서, 마스크 패턴들의 상들은 기판에 대하여 매우 정확하게 얼라인되어야 한다.
리소그래픽 투영 장치는 스테핑 장치 또는 스텝 앤드 스캔 장치일 수 있다. 스테핑 장치에서, 마스크 패턴은 기판 상의 IC 영역에 대한 1회의 실행으로 묘화된다. 순차로, 기판은 후속하는 IC 영역이 마스크 패턴 아래 위치하고, 투영 렌즈 시스템 및 마스크 패턴은 후속하는 IC 영역 상에 묘화되는 방식으로 마스크에 대하여 이동된다. 이러한 공정은 기판의 모든 IC 영역이 마스크 패턴 상을 구비할 때까지 반복된다. 스텝 앤드 스캔 장치에서, 상기 스테핑 공정이 후속할 수도 있지만, 마스크 패턴은 1회의 실행으로 묘화되지 않고, 스캐닝 운동을 통해 묘화된다. 마스크 패턴의 묘화 중에, 기판은 투영 시스템의 배율을 고려하여, 투영 시스템 및 투영 빔에 대하여 마스크와 동기적으로 이동한다. 마스크 패턴의 연속적으로 노출된 부분들의 일련의 병치된 부분 상들이 IC 영역에 묘화된다. 마스크 패턴이 IC 영역 내에 완전히 묘화된 후, 단계는 후속 IC 영역으로 이동된다. 가능한 스캐닝 방법은 문헌["Sub-micron 1:1 Optical Lithography" D.A. Markle, 잡지 "Semiconductors International", 1986년 5월 제137-142페이지]에 기재되어 있다.
미합중국 특허 제5,243,195호는 얼라인먼트 시스템을 구비하고, IC 제조를 위해 의도되는 광학적 리소그래픽 투영 장치를 개시하고 있다. 이러한 얼라인먼트 시스템은 이러한 얼라인먼트 유니트에 대하여 기판 얼라인먼트 마크를 얼라인하기 위한 오프축 얼라인먼트 유니트를 포함한다. 또한, 이러한 얼라인먼트 시스템은 투영 렌즈(TTL)를 통해 마스크 마크에 대하여 기판 마크를 얼라인시키기 위한 제2 얼라인먼트 유니트를 포함한다. 투영 렌즈(온축 얼라인먼트)를 통한 얼라인은 현 세대 광학적 리소그래픽 투영 장치들 중에서 가장 빈번히 사용되는 방법이고, 기판 및 마스크가 직접적으로, 또한 서로에 대해 매우 정확하게 얼라인될 수 있다는 장점을 제공한다. 오프축 얼라인먼트 방법이 사용될 때, 미합중국 특허 제5,243,195호에 기재된 바의 기준선 오프셋이 고려되어야 한다.
온축 얼라인먼트 방법은 지금까지 만족스럽게 작용하여 왔지만, 새로운 기술이 IC 제조에 사용될 때 및 IC 패턴의 세부적인 크기 또는 라인 폭이 감소할 때 이러한 얼라인먼트 방법은 신뢰도 및 정확도에 관하여 문제점들을 제공할 것으로 예측된다.
기판의 표면적 단위당 전자 소자수의 증가 및 결과로서 이들 소자의 작은 치수와 관련하여, 집적 회로가 만들어 질 때의 정확도에 관하여 보다 엄격한 요건이 부과된다. 연속적인 마스크들이 기판 상에 묘화되는 위치는 점점 더 정확하게 고정되어야 한다. 보자 적은 라인 폭을 갖는 신세대 IC의 제조 시에, 얼라인먼트 정확도는 개선되어야 할 것이고, 또는 다시 말해, 얼라인먼트 시스템의 해상력이 증가될 수 있도록 보다 작은 편차를 검출할 수 있어야 한다. 다른 한편, 라인 폭을 감소시키는 경우에 투영 렌즈 시스템에 요구되는 보다 큰 개구수(NA)로 인해 기판의 평탄함에 대해 보다 엄격한 요건이 부과되어야 한다. 이러한 시스템의 초점심도는 NA가 증가함에 따라 감소한다. 투영 렌즈 시스템의 비교적 큰 바람직한 화상 필드에서는 일부의 상면만곡이 발생하기 때문에, 기판의 비평탄함에 대한 여지를 거의 남기지 않는다. 기판의 목적하는 편평도를 얻기 위해, 투영 장치 내의 상이한 마스크 패턴들에 의한 2개의 연속적인 노출 사이에 기계 화학적 연마(CMP) 공정에 의해 이러한 기판을 연마하도록 제안되어 왔다. 그러나, 이러한 연마 공정은 온축 얼라인먼트 방법의 정확도에 영향을 미친다. 이러한 방법에서, 그레이팅(grating)이 기판 얼라인먼트 마크로서 사용되고, 이러한 그레이팅에 의해 첫 번째로 회절된 서브빔들이 마스크 마크 상에 기판 마크를 묘화하기 위해 사용된다. 이러한 공정에서, 기판은 기판 그레이팅 마크의 중력점이 마스크 얼라인먼트 마크의 중력점에 대하여 얼라인될 때 마스크에 대하여 정확하게 얼라인되는 것으로 가정된다. 그러한 경우, 각각의 그레이팅 마크에 대한 중력점은 그레이팅의 기하학적 중심과 일치하는 것으로 가정된다. 그러나, 상기 CMP 공정은 기판 그레이팅 마크를 비대칭적으로 되게 함으로써 이러한 얼라인먼트 방법은 더 이상 신뢰할 수 없다.
더욱이, 신세대 IC의 제조공정은 점점 더 복잡해지고, 공정 단계수 및 기판 상의 공정층들의 수는 점점 더 증가한다. 이들 층의 일부는 기판 그레이팅 마크에 비대칭적으로 도입되기도 함으로써 얼라인먼트 에러가 발생한다.
더욱이, 공지된 온축 얼라인먼트 방법이 사용될 때, 위상 그레이팅인 기판 마크의 그레이팅 홈의 깊이에 대해 엄격한 요건이 부과되어야 한다.
도 1은 여러 가지 측정 시스템을 갖는 스텝-앤드-스캔 투영 장치의 실시예를 나타내는 도면.
도 2는 기판 얼라인먼트 마크의 실시예를 나타내는 도면.
도 3은 마스크 마크 및 기판 마크를 서로에 대하여 얼라인시키기 위한 이중 얼라인먼트 유니트의 실시예를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 오프축 얼라인먼트 유니트의 실시예를 나타내는 도면.
도 5는 이러한 실시예에 사용된 기준 그레이팅을 갖는 플레이트를 나타내는 도면.
도 6은 이러한 실시예에서 웨지 요소에 의한 편향을 나타내는 도면.
도 7은 얼라인먼트 유니트에서 제1 및 제2 렌즈 시스템의 바람직한 배치를 나타내는 도면.
도 8은 얼라인먼트 유니트의 제2 실시예에서 편향 요소의 구조로서 사용될 일련의 웨지형 플레이트를 나타내는 도면.
도 9는 이러한 시리즈가 서브빔을 어떻게 편향시키는지를 예시하는 도면.
도 10은 2개의 파장을 갖는 얼라인먼트 방사선이 사용되는 얼라인먼트 유니트의 실시예에서 이러한 플레이트의 평면 내의 서브빔들의 위치를 나타내는 도면.
도 11은 2개의 파장이 사용되는 얼라인먼트 유니트의 실시예를 나타내는 도면.
도 12는 이 실시예에 사용하기에 바람직한 빔 스플리터를 나타내는 도면.
도 13은 투영 렌즈 및 기판에 대한 얼라인먼트 유니트의 위치를 나타내는 도면.
도 14는 투영 장치의 화상 센서 유니트 및 초점 및 레벨링 유니트에 대하여 이중 얼라인먼트 유니트의 서브유니트들의 위치를 나타내는 도면.
본 발명의 목적은 얼라인먼트 신호에 대한 상기 효과의 영향이 상당히 감소되고, 공지된 얼라인먼트 시스템보다 더 정확하고 신뢰할 수 있는 리소그래피 투영 장치에 대한 얼라인먼트 시스템을 제공하는 것이다. 이 때문에, 본 발명에 따른 시스템은 얼라인먼트 마크가 회절성 마크이고, 얼라인먼트 유니트가 회절성 마크에 의해 0을 초과하는 상이한 회절 차수의 회절된 적어도 3개의 다수의 서브 빔을 개별적으로 검출하도록 되어 있고, 각각의 서브 빔은 기준에 대하여 기판 마크의 위치에 관한 지시를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상이한 회절 차수를 갖는 적어도 3개의 서브빔을 개별적으로 검출하도록 얼라인먼트 유니트를 채택하는 것은 3개 이상의 서브빔들이 동시에 검출되는 것을 의미하지는 않고, 이들 모든 서브빔들을 개별적으로 검출할 가능성을 제공한다. 실제로, 서브빔들은 검출될 수도 있도 그렇지 않을 수도 있으며, 동시에 검출될 수도있고 그렇지 않을 수도 있다.
회절성 마크는 전자기 방사선의 빔을 상이한 회절 차수의 서브빔들로 분할시키는 마크이다. 이러한 마크는 회절 그레이팅에 의해 또는 다른 회절 소자에 의해 구성될 수 있다.
본 발명은 이러한 마크가 더 이상 온축 얼라인먼트 유니트와 조합되어 사용되지 않고, 오프축 얼라인먼트 유니트와 조합되어 사용되는 경우에 회질성 얼라인먼트 마크의 특성에 의하여 보다 양호한 쓰임새를 가진다는 인식에 기초한다. 미합중국 특허 제4,251,160호에 기재된 바와 같이, 기판 그레이팅 자체의 간격(period)의 절반인 간격을 갖는 기판 그레이팅의 화상은 회절 그레이팅이 기판 얼라인먼트 마크로서 사용되고, 기판 그레이팅의 제1 차수 서브빔들 만이 대응하는 그레이팅 얼라인먼트 마크에 대해 이러한 마크를 묘화하기 위해 사용된 경우에 온축 얼라인먼트 유니트에서 얻어진다. 결과적으로, 얼라인먼트 정확도는 영 차수 서브빔 및 그 이상의 차수의 서브빔들이 이러한 화상에 대해 함께 사용될 수 있는 경우에 비해 2배 이상이다. 미합중국 특허 제4,251,160호에 기재된 얼라인먼트 유니트에서, 제1 차수 서브빔들은 투영 렌즈에 삽입된 차수 조리개에 의해 선택된다. 이러한 조리개는 이미 복잡해진 투영 렌즈의 디자인을 상당히 복잡하게 만들어, 보다 큰 차수 즉, 1을 초과하는 차수 역시 통과시키는 차수 조리개를 갖는 투영 렌즈를 제공하는 것은 거의 불가능하다. 오프축 얼라인먼트 유니트 내에 회절성 얼라인먼트 마크를 제공함으로써, 이러한 얼라인먼트 마크의 보다 큰 차수 서브빔들을 선택하기 위한 큰 자유도가 창조된다. 보다 큰 차수가 선택됨에 따라, 얼라인먼트 유니트의 해상력이 증진된다는 사실은 유리하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 고위 차수 서브빔들이 그의 중심에서 보다 오히려 그레이팅 마크의 에지들에 의해 측정되고, 중심에 비해 이들 에지가 CMP 공정 또는 그레이팅의 비대칭성에 영향을 미치는 다른 수단에 의해 영향을 덜 받는다는 인식에 기초한다. 고위 차수 서브빔들을 사용함으로써, 비대칭 얼라인먼트 그레이팅의 문제가 제거될 뿐만 아니라, 얼라인먼트 유니트의 정확도 역시 증진된다.
기판을 비대칭 얼라인먼트 마크와 얼라인시키기 위해 기판 마크로부터 복수개의 고위 차수 서브빔들을 사용하는 것은 미합중국 특허 제4,828,392호로부터 공지되어 있다는 것을 인식해야 한다. 그러나, 비대칭 마크는 그의 그레이팅 홈이 이들 홈의 중심선에 대해 비대칭인 마크이다. 그러나, 그 용도는 투영 렌즈 시스템에 혼입되어야 하고, 큰 개구수를 구비할 수 있어야 하는 차수 조리개로 이루어진다. 기판상의 적절한 마스크 패턴의 화질은 확실히 영향을 받는다.
미합중국 특허 제5,477,057호는 주사 리소그래픽 장치를 위한 오프축 얼라인먼트 유니트를 기재하고 있다. 장치 기중에 대하여 기판 마크를 얼라인시키기 위한 별개의 얼라인먼트 센서 헤드는 투영 렌즈 시스템 옆에 및 그에 반하여 배열된다. 오프축 얼라인먼트 유니트를 사용하는 이유는 단색광(monochromatic) 투영 렌즈 시스템에 의해 적절히 투광될 수 없는 광대역 얼라인먼트 방사선을 사용하고자 하는 바램이다. 이 특허는 회절성 얼라인먼트 마크를 기재하고 있지 않거나, 또는 얼라인먼트 과정에서 복수개의 고위-차수 서브빔들의 사용을 기재하고 있다.
미합중국 특허 제4,870,452호는 평면 병렬 플레이트가 투영 렌즈 시스템과 기판 사이에 배열된 기판을 위한 오프축 얼라인먼트 유니트를 기재하고 있다. 이러한 플레이트는 투영 빔에 대해 완전히 투명하지만 얼라인먼트 빔에 대해 상이한 반사율 및 투과율을 갖는다. 이 플레이트는 얼라인먼트 빔이 정확한 각도로 기판 얼라인먼트 마크에 입사되고, 반사 후 주어진 각도로 이 마스크에 의해 검출 시스템으로 향하게 되는 것을 보장해야 한다. 기판 마크는, 예를 들면 그레이팅 마크일 수 있고, 별개의 검출기들이 상이한 회절 차수로 이러한 마크에 의해 형성된 서브빔들에 대해 제공될 수 있다. 그러나, 0-차수, 1-차수 및 2-차수 서브빔들 만이 검출을 위해 사용된다. 왜 1-차수 외에, 0-차수 및 2-차수 서브빔들도 사용되는지는 분명치 않다. 실제로, 투영 렌즈 시스템과 기판 사이에 평면-병렬 플레이트를 제공하지 않는 것이 바람직하고, 이러한 플레이트가 충분한 정도에 이르기까지 상이한 차수들을 분리할 수 있는지 여부는 의심스럽다.
본 발명에 따른 투영 장치의 바람직한 실시예는 상기 기준이 사용된 회절 차수의 수와 동일한 수의 기판 얼라인먼트 마크 및 동일한 형상을 가진 별개의 기준 요소의 구조물로 구성되고, 별개의 검출기는 기판 마크로부터 유해한, 관련된 회절성 기준 요소에 의해 통과된 서브 빔을 전기 신호로 변환시키기 위해 이들 요소 각각과 연관되는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 장치는 기준 요소들이 그레이팅인 것을 특징으로 할 수 있다.
얼라인먼트 검출은 종래에 신뢰할 수 있는 것으로 입증되었던 그레이팅 대 그레이팅 화상에 기초한다.
상이한 회절 차수의 서브빔들이 얼라인먼트 유니트의 부피를 너무 커지지 않게 하면서 잘 분리된 방식으로 검출될 수 있음을 달성하기 위해, 이 장치는 기판 마크와 기준 요소들 사이의 방사선 경로가 제1 렌즈 시스템, 상이한 방향으로 별개의 서브빔들을 제공하기 위해 제1 렌즈 시스템으로부터 서브빔들의 경로에 배열된 편향 요소들의 구조물 및 연관된 회절성 기준 요소 상에 서브빔들을 집중시키기 위해 상기 편향 요소 뒤에 배열된 제2 렌즈 시스템을 연속적으로 혼입시키는 것을 특징으로 한다.
이 실시예는 기판 마크의 평면과 제1 렌즈 시스템 사이의 거리가 제1 렌즈 시스템의 초점 거리와 동일하고, 제2 렌즈 시스템과 기준 요소들의 평면 사이의 거리가 제2 렌즈 시스템의 초점 거리와 동일하며, 제1 렌즈 시스템과 제2 렌즈 시스템 사이의 거리가 제1 렌즈 시스템의 초점 거리와 제2 렌즈 시스템의 초점 거리의합과 동일한 것을 또 다른 특징으로 한다.
2개의 렌즈 시스템들은 함께 텔리센트릭 렌즈 시스템을 구성하고, 편향 요소들의 구조물의 축의 위치는 더 이상 중요하지 않다.
이 장치는 편향 요소들의 구조물이 제2 렌즈 시스템이 1개의 연관된 기준 요소상에 서브빔들을 수렴시키도록 반대 회절 차수 부호를 가진 이러한 회절 차수의 서브빔들을 편향시키기 위해 각각의 회절 차수에 대해 한 쌍의 편향 요소를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이어서, 기판 마크의 플러스 차수 및 마이너스 차수 모두는 기준 요소들에 대해 이러한 마크를 묘화하기 위해 사용되고, 최적 용도는 입수할 수 있는 얼라인먼트 방사선으로 이루어진다.
편향 요소들의 구조물의 여러 가지 실시예가 가능하다. 제1 실시예는 많은 불연속 광학적 웨지를 포함하고, 그의 수는 서브빔들의 수와 일치하는 것을 특징으로 한다.
이들 웨지(wedge)는 별개의 요소들로서 제조될 수 있고, 투명한 공통 캐리어 플레이트에 고정될 수 있다. 바람직하게는, 이 불연속 웨지는 광학 업계에 잘 공지된 복제 기술에 의해 1 공정 단계로 제조된다. 몰드 내에 존재하는 웨지의 전체 구조물의 음화가 합성층, 예를 들면 석영 플레이트 상에 제공된 UV 경화성 물질의 층에 프린트 된다.
여러 가지 요건들은, 예를 들면 동일한 회절 차수의 + 차수 및 - 차수 서브빔들을 편향시키기 위해 사용된 2개의 웨지의 웨지 표면들의 기울기의 상호 정확도로 설정되는 것이다. 이들 요건은 서브빔들의 경로 내에 앞뒤로 배열되고, 편향되지 않은 방사선을 통과시키기 위해 많은 개구 및 상이한 웨지 각을 갖는 많은 투명한 웨지 형상의 플레이트들을 포함하고, 개구들의 수 및 이들의 위치는 n개의 플레이트 조합으로 2n 회절 차수가 2진법 방식으로 상이한 방향으로 편향될 수 있는 것을 특징으로 하는 편향 요소들의 구조의 제2 실시예에서 더 용이하게 만족될 수 있다.
이들 웨지는 이들이 바람직한 정밀도로 비교적 용이하게 제조될 수 있다는 장점을 갖는다.
기판 얼라인먼트 마크는 선형 그레이팅일 수 있다. 이러한 그레이팅으로 설계될 때, 상이한 회절 차수들 사이의 방사선의 목적하는 분포가 고려될 수 있다.
2개의 상호 수직 방향으로 얼라인하기 위해, 이 장치는 기판 마크가 2개의 그레이팅 부분들을 포함하고, 제1 부분의 그레이팅 스트립의 방향이 제2 부분의 그레이팅 스트립의 방향에 수직이고, 편향 요소들의 구조물은 2차원 구조이며 기준은 2차원 기준인 것을 특징으로 한다.
이 장치는 오프축 얼라인먼트 유니트가 상이한 파장의 빔들을 공급하는 2개의 방사선 소스, 및 이들의 경로 상의 2개의 빔들을 기판 마크에 조합하고 상기 마크에 의해 반사된 빔들을 분할 시키기 위한 빔 스플리터를 포함하고, 편향 요소들 및 기준 요소들의 별개의 구조물이 이들 빔 각각에 대해 제공되는 것을 특징으로 한다.
기판 마크의 홈 깊이에 대해 엄격한 요건을 부과할 필요가 없다.
장치의 실제 실시예는 제2 오프축 얼라인먼트 유니트가 존재하고, 상기 제1 얼라인먼트 유니트 및 제2 얼라인먼트 유니트가 투영 시스템에 대해 정반대로 배열된 것을 특징으로 한다.
오프축 얼라인먼트 시스템은 기판 홀더 상의 추가의 얼라인먼트 마크를 기준에 대해 얼라인시키기 위해 사용될 수도 있다. 이어서, 기판 홀더 마크에 대한 기판 마크의 얼라인먼트가 측정될 수 있다.
기판에 대한 마스크 패턴의 궁극적인 얼라인을 실현하기 위해, 이 장치는 얼라인먼트 시스템이 기판 홀더를 마스크 패턴에 대하여 얼라인시키기 위한 온축 얼라인먼트 유니트를 역시 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
온축 얼라인먼트 유니트는 투영 빔의 파장과 상이한 파장을 갖는 빔을 방출하는 방사선 소스를 포함하는 유형일 수 있지만, 대안으로 투영 방사선에 따라 작동하는 화상 센서로 구성될 수 있다.
본 발명은 제1 기판 상으로 마스크 패턴을 투영시키기 위한 투영 스테이션 및 제2 기판의 위치를 측정하기 위한 측정 스테이션을 포함하는 리소그래픽 장치에 사용될 수 있다. 측정 스테이션과 투영 스테이션 사이에 왕복하는 2개의 기판 스테이지를 갖는 이러한 장치의 실시예는 미합중국 특허 공개 제4,861,162호에 나타낸다. 이러한 장치는 그의 처리량 즉, 1시간 내에 처리될 수 있는 웨이퍼의 수가 투영 스테이션 만을 갖고 측정 스테이션은 갖지 않는 장치에 비하여 상당히 크다는 장점을 갖는다.
본 발명이 구현되는 이중 스테이션 리소그래픽 투영 장치는 측정 스테이션이 상기한 바의 오프축 얼라인먼트 유니트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이들 목적 및 다른 목정은 아래 기재하는 실시예를 참조함으로써 명백하고 명확해질 것이다.
본 발명을 보다 잘 이해하기 위해, 본 발명이 사용될 수 있는 온축 얼라인먼트 유니트 및 다른 측정 시스템을 구비한 공지된 광학적 리소그래픽 투영 장치를 먼저 기재할 것이다.
도 1은 기판 상에 마스크 패턴을 스텝-앤드-스캔 묘화하기 위한 장치의 실시예의 광학적 요소를 개략적으로 나타낸다. 이러한 장치는 투영 시스템(PL)을 혼입시킨 투영 칼럼을 그의 주 요소로서 포함한다. 이 시스템은 위쪽에는 묘화될 마스크 패턴(C)이 제공되는 마스크(MA)에 대한 마스크 홀더(MH)가 위치한다. 마스크 홀더는 마스크 스테이지(MT)의 일부이다. 기판 스테이지(WT)는 투영 렌즈 시스템 (PL) 아래에 배열된다. 이러한 테이블은 감광성층을 구비한 기판(W)에 대한 기판 홀더(WH)를 포함한다. 마스크 패턴(C)은 상이한 영역인 IC 영역(Wd) 마다 감광성 층 내에서 많은 회수 묘화되어야 한다. 기판 테이블은 X 및 Y 방향들로 이동함으로써, 제1 IC 영역 내에 마스크 패턴을 묘화한 후, 후속하는 IC 영역이 마스크 패턴 아래에 놓일 수 있다.
이 장치는, 예를 들면 크립톤-플루오라이드 엑시머 레이저 또는 수은 램프와 같은 방사선 소스(LA), 렌즈 시스템(LS), 미러(RE) 및 컨덴서 렌즈(CO)를 구비한 조명 시스템을 추가로 포함한다. 조명 시스템에 의해 공급된 투영 빔(PB)는 마스크 패턴(C)를 조명한다. 이러한 패턴은 기판(W)의 IC 영역 상의 투영 렌즈 시스템 (PL)에 의해 묘화된다. 투영 렌즈 시스템은, 예를 들면 배율 M=1/4, 개구수 NA=0.6 및 직경 22 mm의 굴절 한계 화상 영역을 갖는다.
이 장치는 많은 측정 시스템 즉, 마스크(MA) 및 기판(W)를 XY 평면 내에서 서로에 대해 얼라인시키기 위한 시스템, 기판 홀더 및 그에 따른 기판의 위치 및 오리엔테이션을 측정하기 위한 간섭계 시스템, 및 투영 렌즈 시스템(PL)의 초점 또는 화상평면과 기판(W)의 표면 사이의 차이를 측정하기 위한 초점 에러 검출 시스템을 추가로 구비하고 있다. 이들 측정 시스템은 전자 신호 처리 회로 및 제어 회로 및 드라이버 또는 액추에이터를 포함하는 서보 시스템의 일부이고, 단, 기판의 위치 및 오리엔테이션 및 포커싱은 측정 시스템에 의해 공급된 신호들을 참조하여 정정될 수 있다.
얼라인먼트 시스템은 도 1의 우측 상단에 나타낸 마스크(MA) 내의 2개의 얼라인먼트 마크 (M1 및 M2) 를 사용하게 된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 이들 마크는 주변으로부터 광학적으로 구별되는 스퀘어 또는 스트립 등의 다른 마크에 의해 양자택일로 구성될 수 있는 회절 그레이팅으로 구성되는 것이 바람직하다. 얼라인먼트 마크는 2차원인 것, 즉 이들은 도 1에서 X 및 Y 방향의 2개의 서로 수직인 방향으로 확장하는 것이 바람직하다. 기판(W), 예를 들면 반도체 기판은 적어도 2개의 얼라인먼트 마크, 바람직하게는 2-차원 회절 그레이팅을 갖는 것이 바람직하고, P1 및 P2는 도 1에 나타낸다. 마크(P1 및 P2)는 기판(W)상의 IC 영역 외부에 위치한다. 그레이팅 마크(P1 및 P2)는 위상 그레이팅으로서 구현되는 것이 바람직하고, 그레이팅 마크(M1 및 M2)는 진폭 그레이팅으로서 구현되는 것이 바람직하다.
도 1은 온축 얼라인먼트 유니트, 즉 2개의 얼라인먼트 빔(b 및 b')이 마스크 얼라인먼트 마크(M2) 상에 기판 얼라인먼트 마크(P2)를, 마스크 얼라인먼트 마크(M1) 상에 기판 얼라인먼트 마크(P1)를 각각 얼라인시키기 위해 사용된 이중 얼라인먼트 유니트의 특수 실시예를 나타낸다. 빔(b)는 반사 요소(30), 예를 들면 미러에 의해 프리즘(26)의 반사 표면(27) 쪽으로 반사된다. 상기 반사 표면(27)은 마크(P2)의 화상이 형성된 관련 마스크 마크(M2)에 빔(b1)으로서 방사선의 일부를 투광하는 기판 얼라인먼트 마크(P2) 쪽으로 빔(b)을 반사한다. 상기한 바와 같이, 마크(M2)는 반사 요소(11), 예를 들면 마크(M2)에 의해 통과된 방사선을 방사선-감응성 검출기(13) 쪽으로 향하게 하는 프리즘이다.
제2 얼라인먼트 빔(b')는 투영 렌즈 시스템(PL)내의 반사경(29) 쪽으로 미러(31)에 의해 반사된다. 이러한 반사경은 빔(b')을 프리즘(26)의 제2 반사 표면(28)으로 투광하고, 그의 표면은 빔(b')을 기판 얼라인먼트 마크(P1) 상으로 향한다. 이러한 마크는 빔(b'1)으로서 빔(b')의 방사선의 일부를 마스크 얼라인먼트 마크(M)으로 반사시키고, 마크(P1)의 화상이 형성된다. 마크(M1)을 통해 통과하는 빔 (b'1)의 방사선은 반사경(11')에 의해 방사선 감응성 소자(13')쪽으로 향한다.
도 2는 위상 그레이팅의 형태로 2개의 동일한 기판 마크들중의 하나의 실시예를 확대하여 나타낸 도면이다. 이러한 그레이팅은 4개의 서브-그레이팅(P1,a, P1,b, P1,c 및 P1,d)으로 구성될 수 있고, 이들중 둘(P1,b 및 P1,d)는 X 방향으로 얼라인되도록 작용하고, 나머지 둘(P1,a 및 P1,c)은 Y 방향으로 얼라인하도록 작용한다. 2개의 서브-그레이팅(P1,b 및 P1,c)는, 예를 들면 16μm의 그레이팅 기간을 갖고, 서브-그레이팅(P1,a 및 P1,d)는, 예를 들면 17.6μm의 그레이팅 간격을 갖는다. 각각의 서브-그레이팅은, 예를 들면 200x200 μm의 치수를 가질 수 있다. 원칙적으로 0.1μm 미만의 얼라인먼트 정확도는 이러한 그레이팅 마크 및 적절한 광학적 시스템에 의해 달성될 수 있다. 상이한 그레이팅 간격을 선택함으로써, 얼라인먼트 유니트의 포착 범위는 확대될 수 있다. 이러한 범위는, 예를 들면 40 μm이다.
도 3은 약간 변형된 얼라인먼트 유니트의 광학적 요소들을 보다 상세히 나타낸다. 이중 얼라인먼트 유니트는 투영 렌즈 시스템(PL)의 광학적 축(AA')에 대하여 대칭적으로 위치하는 2개의 별개의 동일한 얼라인먼트 시스템(AS1 및 AS2)를 포함한다. 얼라인먼트 시스템(AS1)은 마스크 얼라인먼트 마크(M2)와 연관되고, 얼라인먼트 시스템(AS2)은 마스크 얼라인먼트 마크(M1)과 연관된다. 2개의 얼라인먼트 시스템들의 대응하는 요소들은 동일한 참조 번호로 나타내며, 시스템(AS2)의 요소들은 시스템(AS1)의 그것들로부터 구별되도록 프라임 부호를 붙인다.
이 시스템(AS1)의 구조뿐만 아니라 마스크 마크(M2) 및 예를 들면 기판 마크(M2)의 공통 위치가 이러한 시스템에 의해 측정되는 방식을 아래 기재할 것이다.
얼라인먼트 시스템(AS1)은 방사선 소스(1), 예를 들면 얼라인먼트 빔(b)을 방출하는 헬륨-네온 레이저를 포함한다. 이러한 빔은 빔 스플리터(2)에 의해 기판 (W)으로 반사된다. 빔 스플리터는 반투명 미러 또는 반투명 프리즘으로 구성될 수 있지만, λ/4 플레이트(3)의 앞에 놓인 편광-감응성 분할 프리즘(2)으로 구성되는 것이 바람직하고, λ는 빔(b)의 파장이다. 투영 렌즈 시스템(PL)은 1 mm급의 직경 을 갖는 작은 방사선 스폿(V)내의 빔(b)를 기판(W)상에 집중시킨다. 이러한 기판은 빔의 일부를 빔(b1)으로서 마스크(MA) 쪽으로 반사한다. 빔(b1)은 투영 렌즈 시스템(PL)을 횡단하는데, 이 시스템은 마스크 상에 방사선 스폿(V)를 묘화한다. 기판이 투영 장치 내에 배열되기 전에, 장치에 결합된 프리-얼라인먼트 스테이션, 예를 들면 유럽 특허 출원 제0,164,165호에 기재된 스테이션 내에 미리 얼라인됨으로써, 방사선 스폿(V)는 기판 마크(P2) 상에 위치한다. 이러한 마크는 빔(b1)에 의해 마스크 마크(M2) 상에 투영된다. 투영 렌즈 시스템의 배율 M을 고려하여 마스크 마크(M2)의 치수는 기판 마크(P2)의 치수에 맞게 정해짐으로써, 2개의 마크가 서로 정확하게 위치할 때 마크(P2)의 이미지는 마크(M2)와 정확하게 일치한다.
기판(W)으로 및 기판으로부터의 경로 상에, 빔(b) 및 빔(b1)은 λ/4 플레이트(3)를 2회 횡단하고, 그의 광학축은 소스(1)로부터 유래하는 선형 편광된 빔(b)의 편광 방향에 대해 45°각도이다. λ/4 플레이트를 통해 통과하는 빔(b1)은 빔(b)에 대해 90°로 회전된 편광 방향을 가짐으로써, 빔(b1)이 편광 분할 프리즘에 의해 통과된다. λ/4 플레이트와 조합한 편광 분할 프리즘의 사용은 얼라인먼트 시스템의 방사선 경로에 얼라인먼트 빔을 결합시킬 때 최소 방사선 손실이 얻어진다는 장점을 제공한다.
얼라인먼트 마크(M2)에 의해 통과된 빔(b1)은 프리즘(11)에 의해 반사되고, 예를 들면 추가의 반사 프리즘(12)에 의해 방사선 감응성 검출기(13) 쪽으로 향한다. 이러한 검출기는, 예를 들면 도 2에 나타낸 서브-그레이팅의 수와 일치하는 4개의 별개의 방사선-감응성 영역을 갖는 복합 광다이오드이다. 검출기 영역의 출력 신호들은 기판 마크(P2)의 화상과 마크(M2)의 일치의 척도이다. 이들 신호는 전자적으로 처리될 수 있고, 마스크 및 기판을 구동 시스템(도시하지 않음)에 의해 서로에 대해 이동시키기 위해 사용됨으로써, 마크(P)의 화상은 마크(M)과 일치한다. 따라서, 자동 얼라인먼트 시스템이 얻어진다.
빔(b2)으로서 빔(b1)의 일부를 분할하는 부분적으로 투명한 프리즘 형태의 스플리터(14)는 프리즘(11)과 검출기(13) 사이에 배열될 수 있다. 분할된 빔은, 예를 들면 얼라인먼트 마크(P2) 및 마크(M2)가 투영 장치의 오퍼레이터에게 보이는 모니터(도시되지 않음)에 결합된 텔레비전 카메라(17) 상의 2개의 렌즈(15 및 16)를 통해 입사된다. 따라서, 이러한 오퍼레이터는 2개의 마크가 일치하는지 여부 확인하고 마크를 일치시키기 위해 머니퓰레이터(manipulator)에 의해 기판(W)를 이동시킬 수 있다.
마크(M2) 및 마크(P2)에 대해 상기한 바와 마찬가지로, 마크(M1 및 P2) 및 마크(M1 및 P1)은 서로에 대해 얼라인될 수 있다. 얼라인먼트 시스템(AS2)은 후자의 2개의 얼라인을 위해 사용된다.
이중 얼라인먼트 유니트의 구성 및 얼라인먼트 과정에 대한 보다 상세한 설명을 위해서는 미합중국 특허 제4,778,275호를 참조하기 바란다.
도 1에 나타낸 온축 얼라인먼트 유니트의 실시예는 짧은 파장, 예를 들면 248 nm를 갖는 투영 빔(PB) 및 상당히 긴 파장, 예를 들면 633 nm를 갖는 얼라인먼트 빔이 사용된 장치에 특히 적절하다.
투영 렌즈 시스템은 투영 빔(PB)의 파장에 대해 설계되었기 때문에, 이러한 시스템(PL)이 얼라인먼트 빔에 의해 얼라인먼트 마크(P1, P2, 및 M1, 및 M2)를 서로에 대해 묘화하기 위해 사용될 때 차이가 발생한다. 예를 들면, 기판 얼라인먼트 마크는 마스크 얼라인먼트 마크가 위치하지 않는 마스크 패턴의 평면 내에 위치하지 않고, 그로부터 주어진 거리에서 묘화될 것이고, 그 거리는 투영 빔의 파장과 얼라인먼트 빔의 파장 간의 차이 및 2개의 파장에 대한 투영 렌즈 요소들의 재료의 굴절률의 차이에 의존한다. 투영 빔이, 예를 들면 248 nm의 파장을 갖고, 얼라인먼트 빔이 633 nm의 파장을 갖는 경우, 이 거리는 2 m일 수 있다. 더욱이, 상기 파장 차이로 인해, 기판 얼라인먼트 마크는 목적하는 배율과 상이하고, 증가하는 파장 차이에 따라 증가하는 배율로 마스크 얼라인먼트 마크 상에 묘화된다.
상기 차이를 정정하기 위해, 투영 렌즈 시스템(PL)은 여분의 렌즈인 정정 렌즈(25)를 혼입시킨다. 정정 렌즈는 한편으로는 정정 렌즈들의 평면 내에서 서브빔들이 유래하고, 또한 기판 얼라인먼트 마크에 의해 발생되는 얼라인먼트 빔의 상이한 회절 차수의 서브 빔들이 이들 서브빔들에 개별적으로 영향을 미칠 수 있도록 충분히 분리되면서, 다른 한편으로는 이러한 정정 렌즈가 투영 빔 및 그와 함께 형성된 마스크 패턴 화상에 대해 거의 영향을 미치지 않도록 투영 렌즈에서와 같은 높이로 배열된다. 정정 렌즈는 투영 렌즈 시스템의 푸리에 평면 내에 위치하는 것이 바람직하다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 정정 렌즈(25)는 얼라인먼트 빔의 주요 광선(b 및 b')가 서로 교차하는 평면 내에 위치하는 경우, 이러한 렌즈는 두 얼라인먼트 빔을 정정하기 위해 사용될 수 있다.
필요할 경우, 회절 요소 등의 웨지 또는 상이한 편향 요소가 얼라인먼트 마크에 근사하는 얼라인먼트 빔(들)의 경로 내에 배열될 수 있다. 도 3에 나타내지 않은 이러한 편향 요소에 따라, 검출기(13 또는 13')에 의해 수신된 선택된 얼라인먼트 빔 부분들 내의 의도하지 않은 위상 차이로 기인하는 얼라인먼트 에러가 방지될 수 있는데, 이러한 위상 차이는 기판 얼라인먼트 마크로부터 유래하는 얼라인먼트 빔 부분들의 대칭 축이 마스크 플레이트에 대해 수직이 아닌 경우에 발생할 수 있으므로, 허위 반사가 이러한 플레이트 내에서 발생할 수 있다. 이러한 편향 요소를 구비한 얼라인먼트 유니트는 유럽 특허 출원 제0,467,445호에 기재되어 있다.
전체 기판을 마스크에 대하여 얼라인시키기 위해 사용되어, 포괄적 얼라인먼트라 칭하는 도 1에 나타낸 포괄적 얼라인먼트 마크(P1 및 P2)외에, 기판은 각각의 IC 영역을 마스크 패턴에 대하여 개별적으로 얼라인시키도록 IC 영역당 추가의 얼라인먼트 마크를 구비할 수 있다. 이 마크는 추가의 얼라인먼트 마크가, 예를 들면 Z 축 둘레의 마스크의 회전을 측정하기 위해 사용됨으로써, 이러한 회전이 정정될 수 있는 2개 이상의 얼라인먼트 마크를 포함할 수도 있다.
투영 시스템은 투영 렌즈 시스템(PL)의 초점 평면과 기판(W)의 표면 사이의 편차를 측정하기 위한 초점 에러 검출 시스템을 추가로 포함함으로써, 이러한 편차는, 예를 들면 투영 렌즈 시스템을 그의 축인 Z축을 따라 이동시킴으로써 정정될 수 있다. 이러한 시스템은 투영 렌즈 시스템에 고정되게 접속된 홀더(도시하지 않음) 내에 배열된 소자들(40, 41, 42, 43, 44, 45 및 46)로 구성될 수 있다. 참조 번호 40은 방사선 소스, 예를 들면 포커싱 빔(b2)를 방출하는 다이오드 레이저를 나타낸다. 이러한 빔은 반사 프리즘(43)에 의해 역반사체(44)로 향한다. 역반사체(44)는 빔을 그 자체로 반사하므로, 빔(b3')은 일단 프리즘(43), 기판(W) 및 프리즘(42) 상의 반사경을 통해 동일한 경로를 다시 횡단한다.
빔(b3')은 부분 반사 요소(41) 및 반사 요소(45)를 통해 방사선 감응성 검출 시스템(46)에 도달한다. 이러한 검출 시스템은, 예를 들면 위치 의존형 검출기 또는 2개의 별개의 검출기로 이루어진다. 이러한 시스템 상의 빔(b3')에 의해 형성된 방사선 스폿의 위치는 투영 렌즈 시스템의 초점 평면이 기판(W)의 평면과 일치하는 정도에 의존한다. 초점 에러 검출 시스템의 광범위한 설명을 위해, 미합중국 특허 제4,356,392호를 참조하기 바란다.
기판 홀더의 X 및 Y 위치를 정확히 측정하기 위해, 스테핑 투영 장치는 다중축 간섭계 시스템을 구비한다. 미합중국 특허 제4,251,160호는 2개의 측정 축을 갖는 시스템을 기재하고 있고, 미합중국 특허 제4,737,283호는 3개의 측정 축을 갖는 시스템을 기재하고 있다. 도 1에서, 이러한 간섭계 시스템은 요소들(50, 51, 52 및 53)에 의해 개략적으로 도시되는 한편, 단지 하나의 측정 축인 X 축을 도시하였다. 레이저 형태의 방사선 소스(50)에 의해 방출된 빔(b4)은 빔 스플리터(51)에 의해 측정 빔(b4,m) 및 기준 빔(b4,r)으로 분할된다. 측정 빔은 기판 홀더 (WH)의 반사하는 측면(54)에 도달하고, 반사된 측정 빔은 빔 스플리터(51)에 의해, 고정된역반사체, 예를 들면 코너 입방체에 의해 반사된 기준 빔과 조합된다. 조합된 빔의 세기는 검출기(53)에 의해 측정되고, X 방향의 경우에, 기판 홀더(WH)의 변위는 이러한 검출기의 출력 신호로부터 유도될 수 있고, 또한 이러한 홀더의 순간적 위치가 측정될 수 있다.
도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 편의상 단순히 하나의 신호(S53)로 나타낸 간섭계 신호들 및 이중 얼라인먼트 유니트의 신호(S13 및 S13')는 신호 처리 장치(SPU), 예를 들면 마이크로컴퓨터에 인가되고, 이 컴퓨터는 기판 홀더가 기판 테이블(WT)을 통해 XY 평면 내에서 이동하게 하는 액추에이터(AC)용 신호(SAC)를 제어하도록 상기 신호들을 처리한다.
도 1에 나타낸 X 측정 축 뿐만 아니라 Y 측정 축, 바람직하게는 제3 측정축도 갖는 간섭계 시스템에 따라, 얼라인먼트 마크들 P1, P2 및 M1, M2 의 위치 및 그들간의 상호 거리는 마스크 및 기판의 서로에 대한 초기 또는 포괄적 얼라인 시에 고정 간섭계 시스템에 의해 정의된 좌표계에서 정해질 수 있다. 이러한 간섭계 시스템은 기판 테이블을 매우 정확하게 이동시키기 위해 사용되고, 스테핑 투영 장치는 제1 IC 영역으로부터 제2 IC 영역으로 매우 정확하게 스텝핑될 수 있게 할 필요가 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 투영 장치가 마스크 및 기판이 IC 영역의 마스크 패턴의 투영 시에 동시에 이동되어야 하는 스텝-앤드-주사 장치인 경우, 마스크는 한 방향 즉, 주사 방향으로 이동되어야 한다. 투영 렌즈 시스템의 배율 M을 고려하여, 이러한 이동은 기판의 대응하는 이동과 동기적이어야 한다. 따라서, 마스크 및 기판은 투영 중에 서로에 대해 지탱해야 하고, 양자 모두 투영 시스템 및 투영 빔에 대하여 이동될 수 있어야 한다. 마스크의 이동을 측정하기 위해, 이 시스템은 제2 간섭계 시스템을 구비해야 한다. 이러한 간섭계 시스템은 요소(50, 51, 52, 53 및 54)와 유사한 기능을 갖는 요소(60, 61, 62, 63 및 64)를 포함한다. 편의상 도 1의 신호(S63)으로 나타낸, 마스크 간섭계 시스템으로부터 나온 신호는 신호 처리 유니트(SPU)에 인가되고, 여기서 이들 신호는 기판 간섭계 시스템으로부터 대응하는 신호들과 비교된다. 따라서, 마스크 및 기판이 상호 정확한 위치를 갖는지 및(또는) 동기적으로 이동하는지 여부가 확인될 수 있다.
마스크의 X 및 Y 방향의 위치를 Xr, Yr로 나타내고, 기판의 위치를 Xw, Yw 로 나타내며, Z축 둘레의 회전을 φr,r 및 φz,w로 나타낸 경우, 다음 조건들은 마스크 및 기판이 서로에 대하여 정확하게 위치할 때 만족된다.
Xx-M·Xr=0
Yw-M·Yr=0
여기서, M은 투영 렌즈 시스템의 배율이다. 마스크 및 기판은 반대 방향으로 이동하는 것으로 가정된다. 이들 요소가 동일한 방향으로 이동하는 경우, 상기 조건의 M 앞의 - 부호 + 부호로 대체되어야 한다.
이들 조건이 만족되었는지 확인하기 위해, 기판 및 마스크에 대한 간섭계 시스템 모두 3개의 측정 축을 갖는 것으로 충분하다.
그러나, 기판 간섭계 시스템은 5개의 측정 축을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, Xw, Yw 및 φz,w 뿐만 아니라, φx,w 및 φy,w, 즉, X축 및 Y축에 대한 경사각이 측정될 수 있다.
마스크의 이러한 경사각을 측정하기 위해, 5축 마스크 간섭계 시스템이 사용될 수 있거나, 또는 Xr, Yr 및 φz,r을 측정하기 위해 3축 간섭계 시스템의 조합 및 φx,r 및 φy,r을 측정하기 위해 용량성 센서 등의 기타 센서가 사용될 수 있다.
Xw, Yw, φx,w, φy,w 및 Xr, Yr, φz,r, φx,r, φy,r 및 초점 에러 검출 시스템의 보조 하에 Zw 및 Zr, 즉, 기판 및 마스크의 Z축에 따른 위치가 측정될 수 있는 경우, 조건(1), (2) 및 (3) 뿐만 아니라, 하기 조건들을 만족시키는지 여부가 확인될 수 있다:
M2·Zw-Zr=0
마스크 얼라인먼트 마크 및 기판 얼라인먼트 마크를 서로에 대해 상호 얼라인시키기 위해, 도 3을 참조하여 기재한 온축 얼라인먼트 유니트는 주어진 최소 값에 이르는 라인 폭을 갖는 화상들이 형성되는 스테핑 장치 및 스텝-앤드-스캔 투영 장치 모두에 적절한 것으로 밝혀졌다. 그러나, IC 제조 및 화상에서 라인 폭 감소를 위한 신규 기술의 사용은, 공지된 얼라인먼트 유니트의 정확도 및 신뢰도가 관련되는 한, 문제점들을 유도할 것으로 예측된다. 라인 폭이 감소할 때, 얼라인먼트 정확도는 증진되어야 한다. 그 사이에 기판을 평탄화시키기 위해 CMP 공정을 사용할 때, 기판 그레이팅 마크에 비대칭성이 도입됨으로써, 제1 차수 서브빔들이 사용된 얼라인먼트 공정이 신뢰할 수 없게 된다. 더욱이, 1개의 파장을 갖는 얼라인먼트 빔을 사용할 때, 얼라인먼트 마크의 그레이팅 홈의 깊이에 대해 엄격한 요건이 부과되어야 하고, 그의 요건들은 증가하는 어려움에 봉착될 수 있다.
이들 문제점은 모두 기판 마크를 얼라인시키기 위해 오프축 얼라인먼트 유니트를 사용하고, 얼라인먼트시 고위-차수 서브빔들 즉, 1을 초과하는 회절 차수를 갖는 서브빔들을 사용함으로써 해결될 수 있다. 기판 마크의 얼라인은 더 이상 투영 렌즈 시스템을 통해서 발생하지 않기 때문에, 많은 서브빔들, 특히 고위-차수 서브빔들을 사용하는데 자유로울 것이다. 증가된 차수의 서브빔들에 따라 얼라인먼트 유니트의 해상력은 증가하기 때문에, 얼라인의 정확도는 상당히 증진될 수 있다. 고위-차수 서브빔들은 그레이팅의 중심 보다는 기판 크레이팅 마크의 에지에 의해 결정되고, 이들 에지는 그레이팅의 대칭성에 영향을 미치는 CMP 공정 및 기타 수단에 의한 영향을 거의 받지 않기 때문에, 그레이팅 마크에서 비대칭성의 문제는 크게 제거되고, 더욱이 1개 이상의 파장을 갖는 얼라인먼트 방사선을 사용할 수 있음으로써, 그레이팅 홈들의 깊이에 부과된 요건들은 상당히 완화될 수 있다.
이하 명확히 설명하는 바와 같이, 회절 차수는 전자 수단 및(또는) 관련 소프트웨어에 의해서가 아니라, 본 발명에 따른 얼라인먼트 유니트 내의 광학적 요소에 의해서 서로로부터 분리된다. 결과적으로, 신호 진폭을 측정할 필요가 없고, 당해 기술분야에서 보다 통상적인 위상 측정이 사용될 수 있다.
도 4는 신규한 오프축 얼라인먼트 유니트의 회로도를 나타낸다. 그레이팅 형태의 기판 마크는 P1 으로 나타낸다. 이러한 그레이팅 상으로 입사하는 파장 λ의 평행 얼라인먼트 빔(b)는 그레이팅 상의 수직선에 대해 상이한 각도(αn)(도시하지 않음)로 연장되는 다수의 서브빔들로 분할되고, 이들 각도는 공지된 그레이팅 식에 의해 정의된다.
여기서, N은 회절 차수이고, P는 그레이팅 간격이다. 그레이팅에 의해 반사된 서브빔들의 경로는 서브빔들의 상이한 방향을 평면(73)내의 이들 서브빔의 상이한 위치(un)로 전환시키는 렌즈 시스템(L1)을 혼입한다.
un = f1·αn
이러한 평면에서 상이한 서브빔들을 추가로 분리하기 위한 수단들이 제공된다. 이 때문에, 플레이트가 이 평면 내에 배열될 수 있고, 예를 들면 웨지 형태의 편향 요소를 구비한다. 웨지 플레이트는 WEP로 나타낸다. 웨지는, 예를 들면 플레이트 배면 상에 제공된다. 프리즘(72)는 플레이트의 정면 상에 제공될 수 있고, 방사선 소스(70), 예를 들면 He-Ne 레이저로부터 유래하는 얼라인먼트 빔은 얼라인먼트 유니트에 결합될 수 있다. 이러한 프리즘은 0차수 서브빔이 검출기에 도달하는 것을 방지할 수도 있다. 웨지의 수는 사용될 서브빔들의 수에 대응한다. 나타낸 실시예에서, + 차수에 대한 치수당 6개의 웨지가 존재하므로, 서브빔들은 그 만큼 사용될 수 있고, 7-차수 얼라인을 포함한다. 모든 웨지는 상이한 웨지 각을 가짐으로써, 상이한 서브빔들의 최적 분리가 얻어진다.
제2 렌즈 시스템(L2)는 웨지 플레이트 뒤에 배열된다. 이러한 렌즈 시스템은 평면 기준 플레이트 RGP 내의 마크 P1을 묘화한다. 웨지 플레이트가 없는 경우에, 모든 서브빔들은 기준 평면 내에 중첩될 것이다. 웨지 플레이트를 통하여 상이한 서브빔들은 상이한 각도로 편향되고, 서브빔들에 의해 형성된 화상은 기준 플레이트 내의 상이한 위치에 도달한다. 이들 위치(Xn)은 하기 식으로 제공된다:
Xn=f2·γn
여기서, γ는 서브빔이 웨지 플레이트에 의해 편향되는 각이다.
이들 위치에서, 기준 그레이팅(G90-G96)이 도 5에 나타낸 바와 같이 제공될 수 있다. 별개의 검출기(90-96)는 이들 기준 그레이팅 각각의 뒤에 배열된다. 각각의 검출기의 출력 신호는 기판 그레이팅(P1)의 화상이 관련된 기준 그레이팅과 일치하는 정도에 의존한다. 따라서, 기판 그레이팅 및 그에 따른 기판의 얼라인먼트 정도는 각각의 검출기(90-96)로 측정될 수 있다. 그러나, 측정이 이루어지는 정확도는 사용된 서브빔의 차수에 의존하고; 이러한 차수가 커짐에 따라, 정확도가 커진다. 도 5에서, 단순성을 위하여 모든 기준 그레이팅(G90-G96)이 동일한 그레이팅 간격을 갖는 것으로 가정된다. 그러나, 실제로 각각의 그레이팅의 그레이팅 간격은 관련된 서브빔의 차수에 맞게 되어 있다. 차수가 커짐에 따라, 그레이팅 간격은 작아지고 보다 적은 얼라인먼트 에러가 검출될 수 있다.
지금까지 단지 한 세트의 회절 차수가 고려되었다. 공지된 바와 같이, 회절 그레이팅은 +1, +2, +3 등의 차수의 서브빔들 외에, 회절 차수 -1, -2, -3 등의 서브빔들을 형성한다. + 차수 및 - 차수의 서브빔들 모두는 그레이팅 화상을 형성하기 위해 사용될 수 있고, 그레이팅 마크의 제1화상은 +1 및 -1 차수 서브빔들에 의해 공동으로 형성되고, 제2 화상은 +2 및 -2 차수 서브빔들에 의해 공동으로 형성된다. +1 차수 및 -1 차수 서브빔들에 대해, 웨지가 사용될 필요가 없지만, 경로-길이 차이를 보상하는 평면-평행 플레이트가 웨지 플레이트의 평면 내의 이들 서브 빔들의 위치에 제공될 수 있다. 따라서, + 차수 및 - 차수에 대한 6개의 웨지 모두는 차수 2-7에 대해 요구된다.
도 6은 도 4의 실시예의 웨지들의 기능을 보다 분명히 나타낸다. 보다 도식적인 도 6에서, 제1 렌즈 시스템(L1) 및 제2 렌즈 시스템(L2)는 파형선으로 나타낸다. 분명히 할 목적으로 제1 차수 b(+1) 및 b(-1)의 서브 빔들, 제7 차수 b(+7) 및 b(-7)의 서브 빔들 및 다른 차수 b(+i) 및 b(-i), 예를 들면 제5 차수 서브빔들을 나타낸다. 도 6에는 웨지(80 및 80')의 웨지각 즉, 웨지의 경사진 대향면이 웨지 플레이트(WEP)의 평면 표면과 이루는 각도가 서브 빔들 b(+7) 및 b(-7)이 병렬 방향으로 검출되고, 하나의 제2 렌즈 시스템에 의해 기준 그레이팅(G96) 상에 수렴되도록 도시되어 있다. 또한 서브 빔들 b(+i) 및 b(-i)는 연관된 웨지(82 및 82')에 의해 병렬 방향으로 검출되고 하나의 기준 그레이팅(G91) 상에서 수렴된다. 제1 차수 서브빔들은 검출되지 않고, 제2 렌즈 시스템에 의해 하나의 기준 그레이팅(G93) 상에 수렴된다. 각각의 회절 차수의 + 차수 및 - 차수 모두를 사용함으로써, 기판-그레이팅 마크(P1)의 진정한 화상이 관련된 기준 그레이팅 상에 형성되고, 이용할 수 있는 방사선을 최대로 이용하게 된다.
도 7은 마크(P1)의 평면 및 기준 그레이팅 플레이트(RGP)에 대한 렌즈 시스템(L1 및 L2)의 바람직한 위치 및 이들 렌즈 시스템의 초점 거리를 나타낸다. 상기 렌즈 시스템은 초점 길이 f1을 갖고, 이러한 시스템은 마크(P1)의 평면으로부터 거리 f1에 배열된다. 렌즈 시스템(L1)은 서브빔들의 주요 광선을 광학축(OO')와 평행한 방향으로 편향시킨다. 제1 렌즈 시스템과 제2 렌즈 시스템 사이의 거리는 f1+f2와 동일한데, f2는 제2 렌즈 시스템의 초점 거리이다. 기준 그레이팅 플레이트는 제2 렌즈 시스템으로부터 거리 f2에 배열된다. 2개의 렌즈 시스템 사이의 경로에서, 서브빔들의 주요 광선은 광학축(OO')에 평행하기 때문에, 웨지 플레이트의 위치는 중요하지 않다.
도 4의 실시예에서, 동일한 회절 차수의 + 및 - 차수 서브 빔들이 편향됨으로써 이들이 제2 렌즈 시스템에 의해 연관된 기준 그레이팅 상에 정확히 중첩될 수 있기 위해서는, 2개의 연관된 웨지의 서로의 품질을 설정하기 위해 엄격한 요건이 부과된다. 이들 품질 요건은 이들 웨지의 경사진 대향면의 품질 및 웨지 각에 관련된다.
상기 요건들을 완화시키고, 얼라인먼트 유니트의 허용 오차를 완화시키기 위해, 도 8에 나타낸 편향 요소들의 구조물을 사용하는 것이 바람직하다. 각각의 서브 빔에 대해 1개의 불연속 웨지 대신에, 모든 서브빔들에 대해 공통인 다수의, 예를 들면 3개의 웨지 플레이트(190, 191, 192)가 사용된다. 도 8은 웨지 플레이트의 사시도이고, 도 9는 웨지 플레이트의 측면도이다. 웨지각, 즉 플레이트의 상부 대향면과 하부 대향면 사이의 각(플레이트(192)의 경우에 대향면(192a)과 대향면(192b) 사이의 각)은 3개의 플레이트에 대해 상이하다. 플레이트들중의 하나, 예를 들면 플레이트(190)는 다른 플레이트들의 웨지각과 반대인 웨지각을 갖는다. 이들 플레이트는 많은 개구(200)를 구비하고 있지만, 이들중 몇몇 만을 도 8에 나타낸다. 이들 개구는 서브빔들이 연관된 플레이트 상에 입사되는 위치에 배열된다. 그러나, 이러한 모든 위치에 개구가 존재하는 것은 아니다. 서브빔이 플레이트 내의 개구 상에 입사되는 경우, 이는 플레이트에 의해 편향되지 않을 것이다.
플레이트를 통한 그의 경로 상에서, 서브빔은 0, 1 또는 2개의 개구와 접할 것이다. 제1 차수 서브빔들 만이 0 개구와 접하고, 어떠한 플레이트에 의해서도 편향되지 않는다. 도 9에서, 서브빔들 중의 하나의 플레이트를 통한 경로를 나타낸다. 이러한 서브빔은 제1 플레이트(190)에 의해 우측으로 편향된다. 순차로, 이러한 서브빔은 보다 작은 각도로 좌측으로 편향된다. 마지막으로, 이러한 서브빔은 플레이트(192) 내의 개구(200)를 통해 통과함으로써 추가의 편향이 발생되지 않는다. 서브빔들 각각에 대해, 개구의 수 및 이러한 개구가 존재하는 플레이트의 차수는 다른 서브빔의 그것과 상이함으로써, 서브빔 영역들은 모두 상이한 방향으로 편향된다. 3개의 플레이트 23=8의 조합에 따라 상이한 편향 방향이 실현될 수 있음이 분명할 것이다. 동일한 회절 차수의 서브빔들의 쌍이 동일한 웨지 플레이트에 의해 편향됨에 따라, 이들 서브빔들이 병렬 방향으로 편향되지 않을 위험성이 최소화된다.
도 4 및 도 5의 실시예에서, 1 내지 7 차수의 서브빔들이 사용됨으로써, 7개의 기준 그레이팅(G90-G96)은 X 방향의 얼라인에 필요하다. Y 방향으로 얼라인하기 위해, 7개의 서브 빔들이 도 5에 나타낸 바와 같이, 추가의 7개의 기준 그레이팅(G93-G104)과 함께 사용될 수도 있다. 이어서, 제2의 일련의 12개의 웨지들이 도 4의 실시예에서 Y 방향의 웨지 플레이트 상에 배열된다. 도 8의 실시예에서, 제2의 일련의 3개의 웨지 플레이트는 서브빔들의 경로에 있어서 제1의 일련의 웨지 플레이트 앞 또는 뒤에 배열되고, 제2의 일련의 플레이트는 서브빔들을 Y-방향으로 편향시킨다. 기판 마크는 도 2에 나타낸 마크일 수 있다. 제1 차수 서브빔들에 대해, 유사한 기준 그레이팅이 4개의 그레이팅 부분으로 사용될 수 있고, 그중 2개는 8.0 μm의 그레이팅 간격을 갖는 한편, 다른 2개의 그레이팅 부분은 도 5에 나타낸 바와 같이 8.8 μm의 간격을 갖는다. 다른 기준 그레이팅들은 기판 그레이팅(P1)의 16μm의 간격을 갖는 그레이팅 부분의 연관된 회절 차수에 대응하는 하나의 그레이팅 간격 만을 갖는다. 도 2의 그레이팅 마크(P1)와 연관된 44μm의 포착 범위가 유지된다.
도 4 및 도 5의 실시예에서, 가장 큰 차수를 갖는 서브빔들은 가장 큰 각도를 통해 편향 요소에 의해 편향된다. 그러나, 이는 불필요하다. 이러한 상황 하에, 이러한 차수는, 예를 들면 그레이팅 화상에서 광학적 수차를 최소화하도록 수정될 수 있다. 그 이유는 오름 차수의 서브빔들이 도 5에 나타낸 바와 같이 양의 각 및 음의 각에서 교대로 웨지에 의해 편향되기 때문이다.
기판 마크(P1)의 주어진 비대칭성에서 충분히 정확한 방식으로 얼라인되어야 하는 회절 차수의 최소수는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 측정될 수 있다. 이러한 시뮬레이션은, 예를 들면 제1 차수 서브빔이 사용될 때 150 nm의 얼라인먼트 오차가 제5 차수 서브빔이 사용될 때에는 20 nm로 감소될 수 있음을 입증하였다.
원칙적으로, 검출될 수 있는 최대 차수는 렌즈 시스템(L1, L2)의 개구수에 의해 여전히 검출될 수 있는 최소 세기에 의해 측정된다. 공지된 바와 같이, 회절 그레이팅에 의해 형성된 서브빔의 세기는 이러한 서브빔의 차수가 증가함에 따라 신속히 감소한다. 즉, 서브빔의 세기는 서브빔의 차수의 제곱에 반비례한다. 제7 차수 서브빔에 대해, 그의 세기는 제1 차수 서브빔의 약 1/50이다. 그러나, 오프축 얼라인먼트 유니트를 횡단할 때 얼라인먼트 빔에 의해 수행되는 반사로 인한 세기 손실은 온축 얼라인먼트 유니트를 횡단할 때보다 상당히 적다. 상기 온축 얼라인 먼트 유니트에서, 얼라인먼트 빔은, 예를 들면 반사 손실이 발생하는 거의 100개의 표면과 접하고, 상기 오프축 얼라인먼트 유니트에서는, 예를 들면 이들 표면들중 단지 20개와 접한다. 전체 반사 손실이 오프축 얼라인먼트 유니트에서 1/4 이라면, 7차 얼라인먼트 서브빔은 온축 얼라인먼트 유니트에서 1차 얼라인먼트 빔과 같이 큰 세기를 가질 것이다.
광학적 시스템(L1, L2)이 N의 회절 차수를 갖는 서브빔을 통과시켜야 하는 개구수(NAn)는 아래와 같이 주어진다:
7차 서브빔 및 그레이팅 간격 p=16μm 및 파장 λ=544nm를 갖는 기판 그레이팅 마크에 대해, 목적하는 개구수는 약 0.24이고, 이는 허용 가능한 수치이다.
충분히 안정한 시스템을 보장하기 위해, 상이한 기준 그레이팅이 바람직하게는 석영으로 구성된 단일 플레이트(RGP) 상에 제공된다. 이러한 플레이트의 치수, 그에 따른 제2 렌즈 시스템의 화상 필드는 기준 그레이팅의 차수 d1 및 이들의 상호 거리 d2에 의해 결정된다. 이러한 거리 및 치수는, 예를 들면 모두 0.2 nm로 하여 플레이트(RGP)의 X 및 Y 방향의 차원 dx 및 dy는 2.8 mm이고 목적하는 필드 직경은 약 3mm이다.
도 4의 실시예의 불연속 웨지는 유리 또는 석영으로 이루어질 수 있고, 석영 플레이트에 고정될 수 있다. 이 구조는 고도의 안정성을 나타낸다. 웨지는 투명한 합성 물질, 예를 들면 UV 경화성 플라스틱으로 제조될 수 있다. 그러한 경우에, 예를 들어 기판상의 이러한 물질로 된 박층 내에서 1회의 몰딩으로 전체 웨지 구조물을 인쇄하기 위해 광학업계에 자체 공지된 복제 기술을 사용하는 것이 바람직하고, 이미 지적한 바와 같이, 불연속 웨지 대신에 개구를 구비한 웨지 플레이트가 사용되는 것이 바람직하다. 불연속 웨지 또는 웨지 플레이트 대신에, 하나의 차수 만이 사용되는 편향 요소들이 선택적으로 사용될 수 있다. 더욱이, 예를 들면 이온 주입에 의해 패턴이 제공되는, 플레이트 물질의 회절률 변화 패턴으로 구성된 편향 구조를 사용할 수 있다.
기판 마크의 홈 깊이에 너무 많이 엄격한 요건이 부과될 수 없도록, 2개의 파장, 예를 들면 633nm 및 532nm를 갖는 얼라인먼트 방사선이 사용되는 것이 바람직하다. 얼라인먼트 그레이팅이 서브빔들을 편향시키는 각도 및 이들 빔이 렌지 시스템(L1)의 배후 초점 평면에 점유된 위치가 파장별로 다르다는 사실은 수학식(7) 및 (8)로부터 명백하다. 원칙적으로, 상이한 파장에 대한 차수는 서로 구별될 수 있다. 그러나, 추가의 측정 없이 주어진 차수, 예를 들면 제1 파장(633nm)의 제2 차수는, 예를 들면 제2 파장(532nm)의 제2와 제3 차수 사이에 올 수 있다. 상이한 파장의 차수를 서로로부터 잘 분리시키기 위해, 상이한 파장을 갖는 빔들이 기판 그레이팅(P1) 상에 상이한 각도로 입사되는 것이 보장될 수 있다. 제7 회절 차수가 사용되는 경우에 대해, 도 10에 나타낸 상황은 렌즈 시스템(L1)의 배후 초점 평면 내에서 생성된다. 제1 파장의 상이한 차수에 대한 위치(110-137)의 제1 단면-형상 패턴 및 제2 파장의 상이한 차수에 대한 위치(138-165)의 제2 단면-형상 패턴이 존재한다. 도 6의 중심에 이중 화살표로 나타낸 바와 같이, 이들 패턴은 서로에 대해 오프셋되고, 이는 상이한 파장을 갖는 얼라인먼트 빔들의 상이한 입사각에 기인한다. 이들 각은 다포커싱 효과로 인해 발생하는 얼라인먼트 에러를 방지하도록 가능한 한 최소로 유지되어야 한다. 2개의 파장을 사용할 때, 편향 요소를 갖는 플레이트는 당연히 도 10에 나타낸 바와 같은 상황에 순응되어야 하는데, 이것은 특히 24개의 불연속 웨지 대신에 48개의 웨지가 사용되어야 하거나, 6개의 웨지-형상의 플레이트 대신에 12개의 플레이트가 사용되어야 한다는 것을 의미한다.
2개의 파장을 갖는 얼라인에 대한 보다 양호한 대안을 도 11에 예시한다. 이 도면에서, 참조 번호 160은 편광 감응성 빔 스플리터를 나타낸다. 이러한 빔 스플리터는 He-Ne 레이저로부터 제1 파장(λ1), 예를 들면 633nm를 갖고, 제1 편광 방향을 갖는 제1 얼라인먼트 빔(b)을 수신하고, 이러한 빔을 기판 얼라인먼트 마크(P1)로 통과시킨다. 이러한 빔 스플리터 상으로 주파수 배율기에 선행하여 YAG 레이저로부터 유리한 제2 파장(λ2), 예를 들면 532nm를 갖는 제2 얼라인먼트 빔(b5)이 입사된다. 이 빔(b5)은 빔(b)의 방향과 수직인 편광 방향을 가짐으로써 빔(b5)은 기판 마크(P1)에 반사된다. 빔(b 및 b5)의 주요 광선은 빔 스플리터와 의하여 일치하도록 이루어짐으로써, 이들 빔은 하나의 빔으로서 마크(P1)로 통과할 것임이 보장된다. 마크에 의한 반사 후, 빔(b 및 b5)은 빔 스플리터에 의해 다시 분할된다. 별개의 얼라인먼트 유니트(170, 180)가 각각의 이들 빔에 대해 존재한다. 이들 유니트 각각은 얼라인먼트 빔을 방출하고, 빔 스플리터를 통해 기판 마크로부터 유래하는 상이한 회절 차수의 서브빔들을 수신한다. 이들 유니트 각각에서, 기판 마크의 화상은 상이한 기준 그레이팅 상에 상이한 서브빔들에 의해 도 4를 참조하여 기재한 바와 같이 형성된다. 이 때문에, 각각의 유니트는 렌즈 시스템(L1, L2(L1', L2')) 웨지 플레이트(WEP(WEP')) 및 도 8 도는 일련의 웨지-형상의 플레이트, 기준 그레이팅 (RGP(RGP'))을 갖는 플레이트, 다수의 검출기(90-96(90'-96')) 및 그의 빔이 커플링 프리즘(72(72'))을 통해 시스템에 결합되는 방사선 소스 (70(70')를 구비한다.
도 12는 특정하고 바람직한 유형의 빔 스플리터(160)가 사용되는 얼라인먼트 유니트의 실시예의 일부를 나타낸다. 이러한 빔 스플리터는 편광 감응성 빔 분할 프리즘(210), 석영-파형 플레이트(211) 및 반사경(210)을 포함하고, 상이한 파장을 갖고, 소스(도시하지 않음)로부터 유래하는 빔들(b10 및 b11)은 굵은 선으로 표시되고, 그레이팅 마크(P1)에 의해 반사된 빔들은 가는 선으로 나타낸다. 빔들(b10 및 b11)은 동일한 편광 방향을 갖는다. 제1 빔(b10)은 반사경(215)에 의하여 프리즘(210) 내의 편광 감응성 빔 분할 층(213) 쪽으로 반사된다. 이러한 층은 빔(b10)을 그레이팅 마크(P1)쪽으로 반사시킨다. 그레이팅 마크에 의해 반사되고 상이한 회절 차수의 서브빔들로 분할되는 방사선은 단일 빔 광선(b15)으로 나타낸다. 이 빔(b15)은 층(213)에 의해 도 12에 나타내지 않은 편향 요소들 및 검출기의 관련 구조물 쪽으로 반사된다.
제2 빔(b11)은 반사경(216)에 의해 빔-분할층(213) 쪽으로 반사되고, 이는 빔을 석영-파동 플레이트(212)로 반사한다. 빔(b11)이 이러한 플레이트를 통과한 후, 이 플레이트 뒤쪽에 있는 반사층(212)에 의해 반사됨으로써, 플레이트(211)를 통해 2회 통과한다. 플레이트(211)를 벗어난 빔(b12)은 원시 빔(b11)의 편광 방향에 대해 90°로 회전되는 편광 방향을 갖는다. 이 빔(b12)는 빔 분할층(213)을 통과하여 그레이팅 마크(P1)에 도달한다. 이러한 마크에 의해 반사된 방사선은 단일 빔 광선(b16)으로 나타낸다. 상기 빔은 먼저 빔 분할층(213)을 통과하고, 이어서 석영-파동 플레이트(211)를 횡단하고, 마지막으로 층(213)에 의해 도 12에 나타내지 않은 검출기 및 웨지의 관련 구조물 쪽으로 반사된다. 도 12에서는 다만 명확히 하기 위해서, 반사된 빔(b16 및 b17)이 공간적으로 분리된 빔들로서 나타내었는데, 실제로 이들 빔은 일치한다. 마크(P1)의 위치에서 빔(b10 및 빔 b11)에 대해서도 동일하게 적용된다.
도 11은 도 12의 실시예에서, 제1 렌즈 시스템(L1)은 도 12에 나타낸 바와 같이 빔 스플리터(216)와 그레이팅 마크(P1) 사이에 배열되는 것이 바람직하다. 이는 상이한 파장의 2개의 빔들에 대해 단지 1개의 이러한 렌즈 시스템만이 필요하다는 추가의 장점을 갖는다. 반사된 빔들을 위하여 도 12에 도시하지 않은 별도의 제2 렌즈 시스템(L2)은 여전히 필요하다.
상기 상이한 실시예에서, 검출기들은 기준 그레이팅의 바로 뒤에 배열된다. 그러나, 실제로는 기준 그레이팅 뒤에 각각의 기준 그레이팅 및 원거리의 검출기에서 기판 그레이팅 마크의 중첩된 영상을 묘화하는 한 다발의 화상 섬유가 배열될 수 있고, 이는 전체 장치의 디자인면에서 그리고 이러한 장치의 성능면에서 보다 편리하다. 예를 들면, 상이한 회절 차수의 서브빔들에 의해 형성된 화상들의 혼선은 감소될 수 있고, 신호 증폭기 및 전자적 프로세서에 의해 발생된 열은 얼라인먼트 유니트 및 장치로부터 피할 수 있다. 또한 방사선 소스는 얼라인먼트 장치로부터 멀리 떨어진 위치에 배열될 수 있고, 이들의 방사선은 섬유 다발의 조명에 의해 유니트에 안내될 수도 있다. 이러한 방식으로, 방사선 소스에 의해 발생된 열은 얼라인먼트 유니트 및 투영 장치로부터 피할 수 있다.
프리즘(216)과 빔(b15) 및 빔(b17) 중의 하나에 대한 제2 렌즈 시스템(L2)의 사이에는 부분 투과성 반사경이 모니터와 함께 장치의 오퍼레이터에 기판 마크의 가시 화상을 제공하는 카메라 쪽으로 이러한 빔의 일부를 분할하도록 배열될 수 있다.
여러 가지 검출기 신호를 사용할 다른 가능성들이 존재한다. 시작은 이들 서브 빔과 연관된 검출기의 신호를 처리함으로써 제1 차수 서브빔들에 의해 얼라인됨으로써 이루어질 수 있다. 순차로, 제2 차수 서브빔들과 연관된 검출기의 신호들은 보다 정밀한 얼라인을 위해 사용될 수 있고, 제3 차수 서브빔들과 연관된 검출기의 신호들은 훨씬 더 정밀한 얼라인을 위해 사용될 수 있다. 이는 사용된 서브빔들이 신뢰할 수 있는 방식으로 검출되기에 충분한 세기를 갖는 한 계속될 것이다.
다른 가능성은 특정 회절 차수의 세기가 기판 상에 소정의 공정 층이 제공될 때의 다른 회절 차수를 무릅쓰고 증가된다는 인식에 기초한다. 그러한 경우에, 바람직한 차수의 정확한 선택이 얼라인을 위해 이루어질 수 있다. 이러한 상황하에, 상기 가능성 역시 포함될 수 있다.
일 배치의 기판들이 마스크 패턴에 따라 조명되기 전에 또는 생산일의 시작시에 얼라인먼트 유니트를 캘리브레이션할 수도 있다. 기판 마크의 다수의 위치에 대해, 각각의 회절 차수에 대한 검출기 신호가 측정된다. 이들 측정의 결과는 기판 마크의 각각의 위치에 대해 각각의 회절 차수에 대한 검출기 신호의 값을 나타내는 그래프 또는 표에 기억되어 있다. 기판을 조명하는 동안, 얼라인먼트 측정은 하위 회절 차수의 비교적 큰 검출기 신호, 예를 들면 처음 3개의 차수만을 측정함으로써 수행될 수 있다. 내삽법에 의하여 고위 회절 차수, 예를 들어 7 차수에 대응하는 값이 측정될 수 있다. 이러한 방식으로, 고 행상도 및 큰 신호 진폭으로 얼라인먼트 오차를 측정할 수 있다.
지금까지, 기준 그레이팅 형태의 장치 기준에 대하여 기판의 얼라인먼트 만을 개시하였다. 동일한 얼라인먼트 유니트로 기판 홀더 또는 테이블의 위치도 측정될 수 있다. 그 때문에, 이러한 홀더 또는 테이블은 기판 얼라인먼트 마크와 유사한 얼라인먼트 마크를 구비한다. 얼라인먼트 유니트 내의 기준에 관한 기판 홀더 마크의 위치가 측정된다. 그러면 기판 홀더 마크에 대한 기판 마크의 위치가 알려진다. 마스크 패턴 및 기판의 성호 위치를 고정시키기 위해, 추가의 측정이 필요하고, 즉 기판 홀더 또는 테이블에 대한 마스크 패턴의 위치가 측정될 필요가 있다. 이러한 추가의 측정을 위해, 도 1, 2 및 3을 참조하여 기재한 온축 얼라인먼트 유니트를 사용할 수 있고, 단 마스크 마크는 기판 홀더의 마크에 대하여 얼라인된다. 도 3에 나타낸 이중 얼라인먼트 유니트 뿐만 아니라 미합중국 특허 제4,251,160호에 기재한 바의 단일 얼라인먼트 유니트 역시 사용된다.
기판 테이블에 대하여 마스크 패턴을 얼라인시킬 또다른 가능성은, 예를 들면 미합중국 특허 제4,540,277호에 기재된 화상 센서 유니트를 사용하는 것이다. 이러한 유니트에서, 마스크 얼라인먼트 마크는 기판 테이플 내의 대응하는 투광성 기준 마크 상에 투영 방사선에 의해 묘화된다. 이 테이블에서, 검출기는 기준 마크를 통과한 방사선을 전기 신호로 변환시키기 위해 기준 마크 뒤에 배열될 수 있다. 제1의 경우에, 이러한 화상 센서 유니트는, 예를 들면 투영 방사선의 파장과 상당히 상이한 파장을 갖는 얼라인먼트 방사선에 따라 작동하는 온축 얼라인먼트 유니트를 캘리브레이션하거나, 또는 투영 렌즈 시스템에 의해 형성된 화상의 화질을 검토하기 위해서 및 발생될 수 있는 왜곡 및 수차를 측정하도록 의도되었지만, 기판 테이블에 대하여 마스크 패턴을 얼라인시키기에도 특히 적절하다. 미합중국 특허 제4,540,277호에 기재된 투과 화상 센서 유니트 대신에, 반사로 작동하는 화상 센서 유니트가 기판 테이블 마크에 대하여 마스크 마크를 얼라인시키기 위해 대안으로 사용될 수 있다. 미합중국 특허 제5,144,363호에 기재된 이러한 유니트는 테이블 상의 반사성 마크에 따라 동작하고, 상이한 각도로 마크를 관찰하고, 관련 광학 시스템과 함께 투영 렌즈 시스템과 기판 테이블 사이에 배열된 센서 플레이트 내에 제공된 비교적 많은 검출기를 포함한다.
본 발명에 따른 오프축 얼라인먼트 유니트는 이 공간에 제공되어야 한다. 이러한 유니트는 기판 테이블의 중심에 가능한 한 가깝게 배열되어야 하고, 예를 들면 0.3의 개구와 일치하는 구축 공간을 필요로 한다. 실제로 기판 테이블의 Y 슬라이드의 길이는 투영 장치가 설계된 기판의 반경에 대략적으로 대응하게, 예를 들어 8-인치 기판에 대해 102mm로 하여, 이 방향으로는 얼라인먼트 유니트 내에 구축될 여지가 거의 없다. 그러나, 기판 테이블의 X 슬라이드는 Y 슬라이드보다 25 mm 더 길기 때문에, 8인치 기판을 다룰 수 있는 얼라인먼트 유니트는 투영 렌즈 시스템의 광축으로부터 25 mm 거리에 위치할 수 있다. 이는 투영 렌즈 시스템(PL)의 일부 및 그의 광축(OO')을 도시한 도 13에 매우 도식적으로 나타낸다. 투영 렌즈 시스템과 기판 사이의 어두운 부분은 투영 빔에 의해 점유된 공간을 나타내고, b로 마크된 화살표는 얼라인먼트 방사선의 서브빔들을 나타낸다. 얼라인먼트 빔은 거리가, 예를 들면 25mm인 축(OO')으로부터 거리 dx로 기판 상에 입사된다. 기준(CS)은 이용할 수 있는 구축 공간에 대한 임계 위치를 나타낸다. 이 위치에서, 상이한 회절 차수를 갖는 서브빔들이 위치하는 원추의 직경은 기판의 거리에 개구수의 2배를 곱한 것과 같다. 상기 거리가 32mm이고 0.25의 개구수인 경우에, 상기 직경 즉 , 기준(CS)의 위치에서 요구되는 수직 공간은 16mm이다. 이는 실제로 타당한 요건이다. 그러나, 이러한 수직 공간은 완전히 이용될 수 있는 것은 아니다. 그러한 경우에, 서로 정반대로 배열되고 각각 기판의 일부를 커버할 수 있는 2개의 오프축 얼라인먼트 유니트가 사용될 수 있다.
도 14는 OAS1 및 OAS2로 나타낸 2개의 오프축 얼라인먼트 유니트의 측정 스폿을 나타낸다. 역시 도식적인 도면은 기판이 중앙에 있을 때 W로 나타내고, 2개의 위치에 있을 때 W' 및 W"로 나타내는데, 이들은 스폿(OAS1 및 OAS2)의 범위 내에 있다. 점으로 나타낸 영역은 오프축 얼라인먼트 유니트의 범위 내에 있는 기판의 영역들을 나타낸다. 기판의 백색의 중심 스트립 및 왼쪽 상부 및 오른쪽 하부는 유니트(OAS1 및 OAS2)의 범위 내에 있지 않기 때문에 이들 유니트와 협력해야 하는 기판 마크가 기판의 백색 영역의 외부 및 회색 영역의 내부에 제공되어야 하는 것을 입증한다. 오리엔테이션의 목적상, 도 14는 LS-Q, LS+Q, LS+P, LS-P로 나타낸 초점 및 레벨 유니트의 성분들 및 +X 및 -X 방향(IS+X, IS-X) 및 +Y 및 -Y 방향(IS+Y, IS-Y)에 대한 반사성 화상 센서 유니트의 상이한 브랜치들을 나타낸다. 미합중국 특허 제5,191,200호에 기재된 유니트는 초점 에러, 그에 따른 투영 렌즈 시스템의 화상 평면과 기판 상의 감광성 층의 평면 사이의 편차 및 기판 상의 총체적 또는 국소 경사각을 측정하도록 작용한다.
반사성 화상 센서(IS) 또는 그의 일부(IS-Y)가 도 14의 실시예에 누락된 경우, 그의 측정 스폿이 도 14에서 파선 원(OAS-3)으로 나타낸 바와 같이 65mm 거리에서 투영 시스템의 축에 근접하게 위치하도록 오프축 얼라인먼트 유니트를 배열할 수 있게 된다. 따라서, 단일 오프축 얼라인먼트 유니트의 범위는 전체 웨이퍼를 커버하기에 충분하고, 단지 하나의 이러한 유니트 만이 필요하다.
상이한 파라미터들에 대한 상기 값들은 단지 실시예로서 및 오리엔테이션의 목적상 제공되었다. 이들 값은 여러 가지 장치들에 대해 매우 상이할 수 있다.
지금까지 기재한 바와 같이, 오프축 얼라인먼트 유니트는 리소그래픽 투영 장치의 마스크 홀더, 투영 시스템 및 기판 홀더를 포함하는 투영 칼럼 내에 배열된다. 보다 작은 디테일을 갖고, 보다 많은 전자 부품을 포함하는 보다 큰 IC에 대한 수요가 증가함에 따라, 얼라인먼트 방법이 보다 많은 시간을 소비하게 된다. 따라서, 이들 장치의 처리량은 추가의 조치가 없으면 감소되는 경향이 있다. 이러한 장치에 별개의 측정 스테이션을 추가하는 것은 이미 제안되어 있다. 이러한 상황에서, 기판의 X-, Y- 및 Z-방향의 위치는 이러한 웨이퍼가 투영 칼럼 또는 투영 스테이션에 놓이기 전에 보장된다. 스테이션을 측정하는 데 있어서, 기판 마크는 기판 홀더 또는 테이블 상의 얼라인먼트 마크에 대하여 얼라인될 수 있다. 기판이 홀더와 함께 투영 시스템 내에 놓인 후, 단지 하나의 마스크 얼라인먼트 마크 만이 기판 홀더 마크에 대하여 얼라인되는 데 필요하고, 단지 짧은 시간만을 소요한다. 별개의 측정 스테이션 및 투영 스테이션을 포함하는 장치에서는, 투영 스테이션 내의 제1 기판을 조명하는 동안 제2 기판은 측정 스테이션 내에서 측정되고 있기 때문에, 이 장치의 처리량은 별개의 측정 스테이션이 없는 장치에서보다 상당히 더 크다. 기판 마크를 기판 홀더 마크에 대하여 얼라인시키기 위해 측정 스테이션에 사용된 얼라인먼트 유니트는 상기한 바와 같이 오프축 얼라인먼트 시스템인 것이 바람직하다.
본 발명을 IC 제조를 위해 기판 상에 마스크 패턴을 스텝-앤드-스캔 주사 묘화하는 장치에 있어서의 용도에 관하여 기재하였지만, 본 발명이 그것으로만 제한되는 것을 의미하지는 않는다. 본 발명은 자기 도메인 메모리 또는 액정 디스플레이 패널을 위한 집적 또는 완전한 광학 시스템, 가이던스 및 검출 패턴을 제조하기 위한 장치에 사용될 수도 있다. 투영 장치는 투영 빔이 전자기 방사선의 빔이고 투영 시스템이 광 투영 시스템인 광학 장치일 뿐만 아니라, 투영 빔이 전자 빔, 이온 빔 또는 X-선 빔 등의 하전된 입자들의 빔이고, 연관된 투영 시스템, 예를 들면 전자 렌즈 시스템이 사용되는 장치일 수 있다. 일반적으로, 본 발명은 매우 작은 디테일을 갖는 화상이 형성되는 화상 시스템에 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 리소그래픽 투영 장치로서, 투영 빔을 공급하는 방사선 소스, 마스크 홀더, 기판 홀더 및 마스크 홀더와 기판 홀더 사이에 배열된 투영 시스템을 포함하고, 상기 장치는 상기 기판 홀더 내에 제공된 기판을 상기 마스크 홀더 내에 제공된 마스크에 대하여 궁극적으로 얼라인시키기 위한 얼라인먼트 시스템을 추가로 포함하고, 상기 얼라인먼트 시스템은 상기 기판 상에 제공된 얼라인먼트 마크를 기준에 대하여 얼라인시키기 위한 얼라인먼트 유니트를 포함하는 상기 리소그래픽 투영 장치에 있어서,
    상기 얼라인먼트 마크는 회절성 마크이고, 상기 얼라인먼트 유니트는 회절성 마크에 의해 0을 초과하는 상이한 회절 차수로 회절된 적어도 3개의 서브빔들을 개별적으로 검출하도록 되어 있고, 각각의 상기 서브빔은 상기 기준에 대하여 기판 마크의 위치에 관한 지시를 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준은 기판 얼라인먼트 마크와 동일한 형상을 가진, 사용된 회절 차수의 수와 동일한 별개의 기준 요소의 구조물로 구성되고, 별개의 검출기는 상기 기판 마크로부터 유래한, 관련된 회절성 기준 요소에 의해 통과된 상기 서브빔을 전기 신호로 변환시키기 위한 이들 회절성 요소 각각과 연관되는 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기준 요소는 그레이팅인 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기판 마크와 상기 회절성 기준 요소들 사이의 방사선 경로는 순서대로, 제1 레즈 시스템, 상이한 방향으로 별개의 서브빔들을 제공하기 위해 제1 렌즈 시스템으로부터 상기 서브빔의 경로에 배열된 편향 요소의 구조물 및 연관된 기준 요소 상에 상기 서브빔들을 집중시키기 위해 상기 편향 요소 뒤에 배열된 제2 렌즈 시스템을 혼입시키는 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1렌즈 시스템과 상기 기판 마크의 평면 사이의 거리는 상기 제1 렌즈 시스템의 초점 거리와 동일하고, 상기 제2 렌즈 시스템과 상기 기준 요소의 평면 사이의 거리는 상기 제2 렌즈 시스템의 초점 거리와 동일하며, 상기 제1 렌즈 시스템과 상기 제2 렌즈 시스템 사이의 거리는 상기 제1 렌즈 시스템의 초점 거리와 상기 제2 렌즈 시스템의 초점 거리의 합과 동일한 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편향 요소들의 구조물은 상기 제2 렌즈 시스템이 1개의 연관된 기준 요소 상에 상기 서브빔들을 수렴시키도록 반대 회절 차수 부호에 가진 상기 회절 차수의 서브빔들을 현향시키기 위해 각각의 회절 차수에 대해 한 쌍의 편향 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편향 요소들의 구조물이 불연속 광학 웨지를 포함하고, 그 수는 상기 서브빔들의 수와 동일한 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편향 요소들의 구조물은 상기 서브빔들의 경로 내에 앞뒤로 배열된, 편향되지 않은 방사선을 통과시키기 위해 많은 개구 및 상이한 웨지 각을 갖는 투명한 웨지 형상의 플레이트들을 포함하고, 상기 개구들의 수 및 이들의 위치는 n 플레이트의 조합으로 2n 굴절 차수가 2진법 방식으로 상이한 방향으로 편향될 수 있도록 정해지는 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 마크는 선형 그레이팅인 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기판 마크가 2개의 그레이팅 부분들을 포함하고, 제1 부분의 그레이팅 스트립의 방향은 제2 부분의 그레이팅 스트립의 방향에 수직이고, 편향 요소들의 구조물은 2차원 구조물이며 상기 기준은 2차원 기준인 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 얼라인먼트 유니트는 상이한 파장의 빔들을 공급하는 2개의 방사선 소스, 및 기판 마크에 이들의 경로 상의 2개의 빔들을 조합하고 상기 마크에 의해 반사된 빔들을 분할하기 위한 빔 스플리터를 포함하고, 편향 요소들 및 회절성 기준 요소들의 별개의 구조물이 이들 빔들 각각에 대해 제공되는 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 얼라인먼트 유니트가 존재하고, 상기 얼라인먼트 유니트 및 상기 제2 얼라인먼트 유니트가 투영 시스템에 대해 정반대로(diametrically) 배열된 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 얼라인먼트 시스템이 마스크 패턴에 대해 기판을 얼라인시키키 위한 온축 얼라인먼트 유니트를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 온축 얼라인먼트 유니트가 투영 빔의 파장과 상이한 파장을 갖는 빔을 방출하는 방사선 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 온축 얼라인먼트 유니트는 투영 방사선과 작동하는 화상 센서에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
  16. 제1 기판 상으로 마스크 패턴을 투영하기 위한 투영 스테이션 및 제2 기판의 위치를 측정하기 위한 측정 스테이션을 포함하고, 상기 측정 스테이션이 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서 청구된 얼라인먼트 유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래픽 투영 장치.
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