(57)【要約】【課題】本発明は、オートフォーカスシステム、オートフォーカス方法及びこれを用いた露光装置を提供する。【解決手段】本発明によるオートフォーカスシステムは基板が取り付けられるステージと、この基板に２つのフォーカスビームを互いに違う角度で照射する２つの測定光源と、基板から反射された２つのフォーカスビームを検出する２つの感知センサーとこの感知センサーで検出したフォーカスビームの測定値によって基板の変動位置を演算処理して基板のフォーカスを制御する制御手段として備え、この際の演算はフォーカスビームの屈折率の変化要素をとり除いて演算することによってフォーカスビームが進行する媒質に屈折率の変化があっても正確なフォーカスを行うことができる。【選択図】図２
2006148106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を取り付けるステージと、
前記ステージ上に取り付けられた基板に向けて複数のフォーカスビームを互いに違った角度から照射するように配置された測定光源と、
前記基板から反射されたフォーカスビームを受信し、前記反射されたフォーカスビームの受信位置を示す出力信号を提供する感知センサーと、
前記感知センサー及び前記ステージに電気的に接続され、前記感知センサーの出力信号によって前記ステージに取り付けられた基板の相対的な位置を判断して前記基板の位置を制御するように配置された制御手段と、
を含むことを特徴とするオートフォーカスシステム。
【請求項２】
前記測定光源は、第１フォーカスビームを指定位置に照射するように配置された第１測定光源と、前記指定位置に第２フォーカスビームを照射するように配置された第２測定光源と、を含むことを特徴とする請求項１記載のオートフォーカスシステム。
【請求項３】
前記感知センサーは、前記第１フォーカスビームを感知する第１感知センサーと、前記第２フォーカスビームを感知する第２感知センサーとを含むことを特徴とする請求項２記載のオートフォーカスシステム。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記基板のフォーカス変動値を演算する演算器と、
前記演算器から演算された前記フォーカス変動値と前記基板のフォーカス基準値とを比べて前記フォーカス変動値と前記フォーカス基準値との差を示す制御信号を出力するステージ制御器と、
前記ステージ制御器と前記ステージに作動的に接続されて前記ステージ制御器の制御信号を受信し、前記制御信号に対応して前記ステージを駆動させるステージ駆動ユニットと、
を含むことを特徴とする請求項３記載のオートフォーカスシステム。
【請求項５】
前記演算器は、次の数式が示すアルゴリズムを実行するように配置され、
【数１】
2006148106.tif 000050
Ｘ−Ｙ座標系を基準に、Ｘ軸は前記ステージに平行し、Ｙ軸は前記ステージに垂直で、ｆはフォーカス変動値を示し、前記
【数２】
2006148106.tif 000051
は前記第１測定光源の第１フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数３】
2006148106.tif 000052
は前記第２測定光源の第２フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数４】
2006148106.tif 000053
は第１測定光源から照射される前記第１フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する第１フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数５】
2006148106.tif 000054
は第２測定光源から照射される前記第２フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する前記第２フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数６】
2006148106.tif 000055
は前記第１感知センサーが受信する反射された第１フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示し、
【数７】
2006148106.tif 000056
は前記第２感知センサーが受信する反射された第２フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示すことを含むことを特徴とする請求項４記載のオートフォーカスシステム。
【請求項６】
基板に、平行に延長された平面に対して互いに違った角で複数のフォーカスビームを前記基板に照射するステップと、
前記基板から反射されたフォーカスビームの位置を検出してそれぞれの位置を指定するステップと、
前記位置に対する前記指定された値によって前記基板の位置を制御するするステップと、
を含むことを特徴とするオートフォーカス方法。
【請求項７】
前記基板に複数のフォーカスビームを照射することは、
固定位置から放出する第１及び第２フォーカスビームが前記平面に対して互いに違った角で前記基板に照射することを含むことを特徴とする請求項６記載のオートフォーカス方法。
【請求項８】
前記基板に照射することは、
前記第１及び第２フォーカスビームが前記基板上の同一位置に向けて照射することを含むことを特徴とする請求項７記載のオートフォーカス方法。
【請求項９】
前記基板に照射することは、
前記第１及び第２フォーカスビームが前記基板上に同時に照射することを含むことを特徴とする請求項７記載のオートフォーカス方法。
【請求項１０】
前記制御することは、
基準平面に対して前記基板の表面の高さを示す前記基板のフォーカス変動値を演算するステップと、
前記フォーカス変動値に基づいて前記基板の位置を調整するステップと、
を含むことを特徴とする請求項７記載のオートフォーカス方法。
【請求項１１】
前記演算することは、
第１及び第２光源から放出される前記第１及び第２フォーカスビームの相対的な位置を示す値を有し、前記光源から放出された第１及び第２フォーカスビームの角度を示す値を有するアルゴリズムを実行することを含むことを特徴とする請求項１０記載のオートフォーカス方法。
【請求項１２】
前記アルゴリズムは、次の数式によって実行され、
【数８】
2006148106.tif 000057
Ｘ−Ｙ座標系を基準に、Ｘ軸は前記ステージに平行し、Ｙ軸は前記ステージに垂直で、ｆはフォーカス変動値を示し、前記
【数９】
2006148106.tif 000058
は前記第１測定光源の第１フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数１０】
2006148106.tif 000059
は前記第２測定光源の第２フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数１１】
2006148106.tif 000060
は第１測定光源から照射される前記第１フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する第１フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数１２】
2006148106.tif 000061
は第２測定光源から照射される前記第２フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する前記第２フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数１３】
2006148106.tif 000062
は前記第１感知センサーが受信する反射された第１フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示し、
【数１４】
2006148106.tif 000063
は前記第２感知センサーが受信する反射された第２フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示すことを含むことを特徴とする請求項１１記載のオートフォーカス方法。
【請求項１３】
光源と、
基板を取り付けるステージと、
前記ステージ上に取り付けられた基板上に前記光源から放出された光を投影するために前記光源と前記ステージとの間に配置される光学系と、
前記ステージ上に取り付けられた基板に向けて互いに違った角度で複数のフォーカスビームを放出するために配置された測定光源と、
前記基板から反射されたフォーカスビームを受信して反射されたフォーカスビームの位置を示す出力信号を提供する感知センサーと、
前記感知センサーの出力信号によって前記ステージ上に取り付けられた基板の相対的な位置を決めて前記光学系に対して前記ステージの位置を制御するための制御手段と、
を含む事を特徴とするイマ−ジョン露光装置。
【請求項１４】
前記制御手段は、
前記感知センサーの出力信号に基づいて基準面に対する前記基板の表面の位置を示すように前記基板のフォーカス変動値を演算する演算器と、
前記基板のフォーカス基準値と前記フォーカス変動値とを比べて前記基準値と前記フォーカス変動値との差を示す制御信号を出力するステージ制御器と、
前記ステージ制御器から制御信号を受信するために前記ステージ及び前記ステージ制御器に作動的に接続されて前記制御信号に基づいて前記ステージを駆動するステージ駆動ユニットと、
を含むことを特徴とする請求項１３記載のイマ−ジョン露光装置。
【請求項１５】
前記測定光源は、第１フォーカスビームを指定位置に照射するように配置された第１測定光源と、前記指定位置に第２フォーカスビームを照射するように配置された第２測定光源と、を含むことを特徴とする請求項１３記載のイマ−ジョン露光装置。
【請求項１６】
前記感知センサーは、前記第１フォーカスビームを受信するために配置される第１感知センサーと、前記第２フォーカスビームを受信するために配置される第２感知センサーと、を含むことを特徴とする請求項１５記載のイマ−ジョン露光装置。
【請求項１７】
前記演算器は、次の数式によって示されるアルゴリズムを実行するために配置され、
【数１５】
2006148106.tif 000064
Ｘ−Ｙ座標系を基準に、Ｘ軸は前記ステージに平行し、Ｙ軸は前記ステージに垂直で、ｆはフォーカス変動値を示し、前記
【数１６】
2006148106.tif 000065
は前記第１測定光源の第１フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数１７】
2006148106.tif 000066
は前記第２測定光源の第２フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数１８】
2006148106.tif 000067
は第１測定光源から照射される前記第１フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する第１フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数１９】
2006148106.tif 000068
は第２測定光源から照射される前記第２フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する前記第２フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数２０】
2006148106.tif 000069
は前記第１感知センサーが受信する反射された第１フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示し、
【数２１】
2006148106.tif 000070
は前記第２感知センサーが受信する反射された第２フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示すことを含むことを特徴とする請求項１６記載のイマ−ジョン露光装置。
【請求項１８】
前記光学系と前記ステージとの間のギャップを埋め込むイマ−ジョン媒質をさらに含むことを特徴とする請求項１３記載のイマ−ジョン露光装置。
【請求項１９】
前記イマ−ジョン媒質は、液体であることを特徴とする請求項１８記載のイマ−ジョン露光装置。
【請求項２０】
前記測定光源は、第１フォーカスビームを指定位置に照射するように配置された第１測定光源と、前記指定位置に第２フォーカスビームを照射するように配置された第２測定光源と、を含むことを特徴とする請求項１８記載のイマ−ジョン露光装置。
【請求項２１】
前記感知センサーは、前記第１フォーカスビームを受信するために配置される第１感知センサーと、前記第２フォーカスビームを受信するために配置される第２感知センサーと、を含むことを特徴とする請求項２０記載のイマ−ジョン露光装置。
【請求項２２】
前記演算器は、次の数式によって示されるアルゴリズムを行うために配置され、
【数２２】
2006148106.tif 000071
Ｘ−Ｙ座標系を基準に、Ｘ軸は前記ステージに平行し、Ｙ軸は前記ステージに垂直で、ｆはフォーカス変動値を示し、前記
【数２３】
2006148106.tif 000072
は前記第１測定光源の第１フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数２４】
2006148106.tif 000073
は前記第２測定光源の第２フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数２５】
2006148106.tif 000074
は第１測定光源から照射される前記第１フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する第１フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数２６】
2006148106.tif 000075
は第２測定光源から照射される前記第２フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する前記第２フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数２７】
2006148106.tif 000076
は前記第１感知センサーが受信する反射された第１フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示し、
【数２８】
2006148106.tif 000077
は前記第２感知センサーが受信する反射された第２フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示すことを含むことを特徴とする請求項２１記載のイマ−ジョン露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造に用いられるフォトリソグラフィ（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）装備の露光装置に関し、特に本発明はフォトリソグラフィ装備において露光のための基板を位置決めする露光装置のオートフォーカスシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に半導体装置の製造はフォトリソグラフィの工程を有する。前記フォトリソグラフィ工程によってウェーハ（以下、「基板」と言う）上に微細パターンが形成される。前記フォトリソグラフィ工程は露光段階から始まる。前記露光段階で、光のビームがレティクルを介して前記基板上に照射される。このような段階を介してレティクルに形成されたパターンが基板上のフォトレジスタ膜に転写される。したがって、露光段階は基板上に微細パターンを形成するのにおいて非常に重要である。特に、光のビームが基板上に精緻にフォーカスされることが良質のパターン、特に微細多層膜パターンを基板上に形成するのにおいて非常に重要な要素である。このような目的のためにオートフォーカスシステムは、露光装置内に基板を位置決めさせてレティクルに形成されたパターンのイメージを露光段階の間にフォトレジスト膜の平面上に精緻にフォーカスさせることに用いられる。
【０００３】
従来のオートフォーカスシステムは、基板上に、いわゆるフォーカスビームと言うもの照射し、基板から反射されたビームを検出して露光装置のフォーカス状態を確認する。さらに詳しく説明すると、フォーカスビームを基板上に傾くように向けて、前記基板から反射されたフォーカスビームを感知センサーによって受信する。感知センサーが光の入射位置を感知して前記基板の相対的な位置を判別する。前記基板を保持しているステージが前記感知センサーの出力信号によって生成されたデータに基づいて駆動され、露光装置のフォーカス面に基板を位置決めする。
【０００４】
露光装置の解像度を向上させようとする研究は、高集積半導体装置、例えば微細回路パターンを追い求めることに符合している。このような観点から、露光のための光が比較的に短波長を有した場合、微細パターンを形成することができると知られている。したがって、過去の研究は、短波長を有する露光の光が出力できる光源を開発して実用化するのに研究がなされた。典型的に、２４８ｎｍの波長の光を放出するＫｒＦエキシマレーザ及び１９３ｎｍの波長の光を放出するＡｒＦエキシマレーザがフォトリソグラフィ装備の露光装置の光源として採用されている。最近はＦ２エキシマレーザを光源として採用した技術も提示された。
【０００５】
前述で述べた光よりもさらに短い波長を有する露光の光を出力できる光源を開発することは技術的に難しいことである。よって、前記露光装置の開口数を効果的に増やせるイマ−ジョン（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ）露光技術が提示され、露光装置の解像度を増やすための手段として採用されている。前記イマ−ジョン露光技術は、現存するＫｒＦ、ＡｒＦ、またはＦ２エキシマレーザを光源として採用している。イマ−ジョン媒質が基板と露光装置の光学系との間に介在して開口数を増加させる。前記イマ−ジョン露光技術は特許文献１及び特許文献２に開示されている。
【０００６】
さらに詳しくは、前記イマ−ジョン露光技術を採用する露光装置において液体（イマ−ジョン）媒質が基板と光学系との間に供給される。しかしながら、イマ−ジョン媒質の屈折率は、イマ−ジョン媒質を貫通する光によって発生するバブリング（ｂｕｂｂｌｉｎｇ）及び温度変化のような変数により局所的に変化するという問題点がある。
【０００７】
このようなイマ−ジョン媒質の局所的な屈折率の変化はオートフォーカス工程を行うのに大変大きな問題点として作用する。すなわち、オートフォーカスを行うためにイマ−ジョン媒質上にフォーカスビームを照射する際、フォーカスビームがイマ−ジョン媒質の内部の屈折率が変わった部分を通ると、変わった屈折率によって光の経路が予想できない方向に折れ曲がる。これは、結局、オートフォーカスシステムからフォーカスの誤差として作用することとなる。そして、このようなフォーカス誤差は、イマ−ジョン媒質だけでなく、空気またはその他の透過型の物質でも発生する。すなわち、屈折率の変化によるフォーカス誤差はイマ−ジョン露光装置だけでなく他の乾式露光装置でも発生する。
【特許文献１】米国特許第６、７８１、６７０号明細書
【特許文献２】米国特許第６、８０９、７９４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、前記問題点を解決することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、フォーカスビームが貫通する媒質の屈折率の変化や揺らぎに影響のないオートフォーカスシステムとオートフォーカス方法を提供することにある。
【００１０】
本発明のまた他の目的は、前記オートフォーカスシステムを有して露光工程のために基板を適切に位置決めできる露光装置を提供することにある。
【００１１】
本発明のまた他の目的は、基板ステージと光学系との間にイマ−ジョン媒質を介して解像度を向上させ、イマ−ジョン物質の屈折率の変化に影響のないオートフォーカスシステムを備えて、最も微細なパターンが基板上に精緻に形成されることができるイマ−ジョン露光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一様態によると、本発明はオートフォーカスシステムを提供する。前記オートフォーカスシステムは基板を取り付けることができるステージをも含む。前記ステージ上に取り付けられた基板に向けて複数のフォーカスビーム（ｆｏｃｕｓ  ｂｅａｍｓ）を互いに違った角度から照射するように配置された測定光源が提供される。前記基板から反射したフォーカスビームを受信し、前記反射したフォーカスビームの受信位置を示す出力信号を供給する感知センサーが配置される。前記感知センサー及び前記ステージに作動的に接続されて、前記感知センサーの出力信号によって前記ステージに取り付けられた基板の相対的な位置を判別して前記基板の位置を制御するように配置された制御手段を備える。
【００１３】
本発明のいくつかの実施形態において、前記測定光源は第１フォーカスビームを指定位置に照射するように配置された第１測定光源と、前記指定位置に第２フォーカスビームを照射するように配置された第２測定光源を含むことができる。
【００１４】
本発明の他の実施形態において、前記感知センサーは前記第１フォーカスビームを感知する第１感知センサーと、前記第２フォーカスビームを感知する第２感知センサーを含むことができる。
【００１５】
本発明のまた他の実施形態において、前記制御手段は前記基板のフォーカス変動値を演算する演算器を備えることができる。前記演算器で演算された前記フォーカス変動値と前記基板のフォーカス基準値とを比べて前記フォーカス変動値と前記フォーカス基準値との差を示す制御信号を出力するステージ制御器が提供できる。前記ステージ制御器と前記ステージに作動的に接続されて前記ステージ制御器の制御信号を受信し、前記制御信号に対応して前記ステージを駆動させるステージ駆動ユニットを含むことができる。
【００１６】
本発明のまた他の実施形態において、前記演算器は次の数式が示すアルゴリズムを実行するように配置されて、
【数１】
2006148106.tif 000003
Ｘ−Ｙ座標系を基準に、Ｘ軸は前記ステージに平行し、Ｙ軸は前記ステージに垂直で、ｆはフォーカス変動値を示し、前記
【数２】
2006148106.tif 000004
は前記第１測定光源の第１フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数３】
2006148106.tif 000005
は前記第２測定光源の第２フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数４】
2006148106.tif 000006
は第１測定光源から照射される前記第１フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する第１フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数５】
2006148106.tif 000007
は第２測定光源から照射される前記第２フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する前記第２フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数６】
2006148106.tif 000008
は前記第１感知センサーが受信する反射された第１フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示し、
【数７】
2006148106.tif 000009
は前記第２感知センサーが受信する反射された第２フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示すことを含む。
【００１７】
本発明の他の様態によると、本発明はオートフォーカス方法を提供する。前記方法は基板に平行に延長された平面に対して互いに違った角で複数のフォーカスビームを前記基板に照射することを含む。前記基板から反射されたフォーカスビームの位置を検出してそれぞれの位置を指定する。前記位置に対する前記指定された値によって前記基板の位置を制御する。
【００１８】
本発明のいくつかの実施形態において、前記基板に複数のフォーカスビームを照射することは、固定位置で放出する第１及び第２フォーカスビームが前記平面に対して互いに違った角で前記基板に照射することを含む。
【００１９】
本発明の他の実施形態において、前記基板に照射することは前記第１及び第２フォーカスビームが前記基板上の同一位置に向けて照射することを含む。
【００２０】
好ましくは、前記第１及び第２フォーカスビームが前記基板上に同時に照射することができる。
【００２１】
本発明のまた他の実施形態において、前記制御することは、基準平面に対して前記基板の表面の高さを示す前記基板のフォーカス変動値を演算し、前記フォーカス変動値により前記基板の位置を調整することを含む。
【００２２】
本発明のまた他の実施形態において、前記演算することは、第１及び第２光源から放出される前記第１及び第２フォーカスビームの相対的な位置を示す値を有し、前記光源から放出された第１及び第２フォーカスビームの角度を示す値を有するアルゴリズムを実行することを含む。
【００２３】
本発明のまた他の実施形態において、前記アルゴリズムは次の数式によって実行され、
【数８】
2006148106.tif 000010
Ｘ−Ｙ座標系を基準に、Ｘ軸は前記ステージに平行し、Ｙ軸は前記ステージに垂直で、ｆはフォーカス変動値を示し、前記
【数９】
2006148106.tif 000011
は前記第１測定光源の第１フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数１０】
2006148106.tif 000012
は前記第２測定光源の第２フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数１１】
2006148106.tif 000013
は第１測定光源から照射される前記第１フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する第１フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数１２】
2006148106.tif 000014
は第２測定光源から照射される前記第２フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する前記第２フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数１３】
2006148106.tif 000015
は前記第１感知センサーが受信する反射した第１フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示し、
【数１４】
2006148106.tif 000016
は前記第２感知センサーが受信する反射した第２フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示すことを含む。
【００２４】
本発明のまた他の様態によると、本発明はイマ−ジョン露光装置を提供する。前記装置は光源を含む。基板を取り付けるステージが配置される。前記ステージ上に取り付けられた基板上に前記光源から放出された光を投影するために前記光源と前記ステージとの間に配置される光学系が供給される。前記ステージ上に取り付けられた基板に向けて互いに違った角度から複数のフォーカスビームを放出するために配置された測定光源が備えられる。前記基板から反射したフォーカスビームを受信して反射したフォーカスビームの位置を示す出力信号を供給する感知センサーが備えられる。前記感知センサーの出力信号によって前記ステージ上に取り付けられた基板の相対的な位置を決めて前記光学系に対して前記ステージの位置を制御するための制御手段を含む。
【００２５】
本発明のいくつかの実施形態において、前記制御手段は、前記感知センサーの出力信号により基準面に対する前記基板の表面の位置を示すように前記基板のフォーカス変動値を演算する演算器を備えることができる。前記基板のフォーカス基準値と前記フォーカス変動値とを比べて前記基準値と前記フォーカス変動値との差を示す制御信号を出力するステージ制御器が供給できる。前記ステージ制御器からの制御信号を受信するために前記ステージと前記ステージ制御器とに作動的に接続されて前記制御信号により前記ステージを駆動するステージ駆動ユニットを含むことができる。
【００２６】
本発明の他の実施形態において、前記測定光源は第１フォーカスビームを指定位置に照射するように配置された第１測定光源と、前記指定位置に第２フォーカスビームを照射するように配置された第２測定光源と、を含むことができる。
【００２７】
本発明のまた他の実施形態において、前記感知センサーは前記第１フォーカスビームを受信するために配置される第１感知センサーと、前記第２フォーカスビームを受信するために配置される第２感知センサーと、を含むことができる。
【００２８】
本発明のまた他の実施形態において、前記演算器は次の数式によって示されるアルゴリズムを実行するために配置され、
【数１５】
2006148106.tif 000017
Ｘ−Ｙ座標系を基準に、Ｘ軸は前記ステージに平行し、Ｙ軸は前記ステージに垂直で、ｆはフォーカス変動値を示し、前記
【数１６】
2006148106.tif 000018
は前記第１測定光源の第１フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数１７】
2006148106.tif 000019
は前記第２測定光源の第２フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数１８】
2006148106.tif 000020
は第１測定光源から照射される前記第１フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する第１フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数１９】
2006148106.tif 000021
は第２測定光源から照射される前記第２フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する前記第２フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数２０】
2006148106.tif 000022
は前記第１感知センサーが受信する反射された第１フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示し、
【数２１】
2006148106.tif 000023
は前記第２感知センサーが受信する反射された第２フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示すことを含む。
【００２９】
本発明のまた他の実施形態において、前記光学系と前記ステージとの間のギャップを埋め込むイマ−ジョン媒質をさらに含むことができる。
【００３０】
本発明のまた他の実施形態において、前記イマ−ジョン媒質は液体とすることができる。
【００３１】
本発明のまた他の実施形態において、前記測定光源は第１フォーカスビームを指定位置に照射するように配置された第１測定光源と、前記指定位置に第２フォーカスビームを照射するように配置された第２測定光源と、を含むことができる。
【００３２】
本発明のまた他の実施形態において、前記感知センサーは前記第１フォーカスビームを受信するために配置される第１感知センサーと、前記第２フォーカスビームを受信するために配置される第２感知センサーと、を含むことができる。
【００３３】
本発明のまた他の実施形態において、前記演算器は次の数式によって示されるアルゴリズムを実行するために配置され、
【数２２】
2006148106.tif 000024
Ｘ−Ｙ座標系を基準に、Ｘ軸は前記ステージに平行し、Ｙ軸は前記ステージに垂直で、ｆはフォーカス変動値を示し、前記
【数２３】
2006148106.tif 000025
は前記第１測定光源の第１フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数２４】
2006148106.tif 000026
は前記第２測定光源の第２フォーカスビームの照射位置に対するＹ座標の値を示し、前記
【数２５】
2006148106.tif 000027
は第１測定光源から照射される前記第１フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する第１フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数２６】
2006148106.tif 000028
は第２測定光源から照射される前記第２フォーカスビームとＸ軸間の角に対応する前記第２フォーカスビームの入射角を示し、前記
【数２７】
2006148106.tif 000029
は前記第１感知センサーが受信する反射された第１フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示し、
【数２８】
2006148106.tif 000030
は前記第２感知センサーが受信する反射された第２フォーカスビームの受信位置に対するＹ座標の値を示すことを含む。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によるオートフォーカスシステム、オートフォーカス方法及びこれを用いた露光装置は２つのフォーカスビームを互いに違った角度から照射して基板のフォーカス状態を測定することによってフォーカスビームを通過する媒質、例えば空気、液体、または透過型固体などの屈折率の変化による要素はとり除いた状態でオートフォーカスを行うことによって屈折率の変動によるオートフォーカスの誤差が発生することを防ぎ、より正確なオートフォーカスができるようにする効果がある。このようなオートフォーカスの誤差の除去は、露光装置の作業精密度をより向上させることができるので半導体素子の製造効率もさらに向上させる結果となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下では、本発明による実施形態を説明する。本発明のオートフォーカスシステムは半導体の製造用露光装置で基板のフォーカスを制御するのに用いられる。本発明はイマ−ジョン露光装置だけでなく乾式露光装置にも適用することができる。以下の実施形態はイマ−ジョン露光装置に本発明のオートフォーカスシステムが採用された場合を実施形態として説明する。
【００３６】
本発明によるオートフォーカスシステムが採用されるイマ−ジョン露光装置は、図１に示すように光源１０、レティクル１１を支えるレティクルステージ１２、光学系１３、そして光学系１３の下に位置して基板１４を支える基板ステージ１５と、この基板ステージ１５と光学系１３との間に埋め込まれるイマ−ジョン媒質１６と基板ステージ１５とを整列させるためのステージ駆動部２２で構成される。
【００３７】
光源１０はエキシマレーザを用いる。エキシマレーザはＫｒＦエキシマレーザまたはＡｒＦエキシマレーザが採用することができる。本実施形態では、ＫｒＦよりも短波長を提供するＡｒＦエキシマレーザが用いられる。しかしながら、Ｆ２エキシマレーザのようにさらに短波長を有する他の種類の光が採用されることができる。
【００３８】
レティクル１１は光源１０の光経路の下部に位置する。このレティクル１１は基板１４上に形成しようとする回路パターンがデザインされた石英板で形成される。このレティクル１１は、レティクルステージ１２に取り付けられる。このレティクルステージ１２は、図に示してないが、別の駆動装置によって光学系１３等と整列されている。
【００３９】
光学系１３は同一光軸を有する複数枚のレンズからなっていて縮小投影倍率を発揮するようになっている。すなわち、光源１０から光が照明されると照明領域部分のレティクル１１のパターンがこの光学系１３を経て投影倍率に縮小されたイメージとして基板１４表面の感光層に露光される。また光学系１３は光軸方向に移動できるようになって縮小投影とともにレンズ整列が可能となっている。
【００４０】
基板ステージ１５には光学系１３を通って投影されたレティクル１１のパターンが結像される基板１４が取り付けられる。そして光学系１３と基板１４との間にはイマ−ジョン媒質供給部１７から供給されたイマ−ジョン媒質１６が流れるように構成される。そして、異なるようにイマ−ジョン媒質が満たされたコンテナを用いることができる。
【００４１】
そして基板ステージ１５の一側にはオートフォーカスシステムが用意される。本発明のオートフォーカスシステムはｎｏｎ−ＴＴＬ（ｔｈｒｏｕｇｈ  ｔｈｅ  ｌｅｎｓ）方式を採用する。
【００４２】
本発明のオートフォーカスシステムは図２に示すように第１フォーカスビームＢ１を照射する第１測定光源３０及び第２フォーカスビームＢ２を照射する第２測定光源３１を備える。
【００４３】
第１測定光源３０及び第２測定光源３１は、第１フォーカスビームＢ１と第２フォーカスビームＢ２とを互いに違った角度から基板１４の同一位置に向けて照射する。そして、この際に照射されるフォーカスビームＢ１、Ｂ２は同じ時間に照射されるのが好ましい。何故ならば時間の変動によるフォーカスビームＢ１、Ｂ２が透過する媒質、すなわちイマ−ジョン媒質１６の屈折率が温度などの外部要件によって継続的に変化するからである。
【００４４】
また、オートフォーカスシステムは、第１測定光源３０及び第２測定光源３１の反対方向、すなわち受光位置に設けられた感知センサー４０、４１を備える。この第１感知センサー４０は第１フォーカスビームＢ１を受光する位置に置かれ、第２感知センサー４１は第２フォーカスビームＢ２を受光する位置に置かれる。演算器２０はそれぞれの感知センサー４０、４１から感知された測定値によって基板１４の変動値を演算する。そして、オートフォーカスシステムは演算器２０から演算された値によって基板ステージ１５のステージ駆動部２２を制御するステージ制御器２１を備えている。
【００４５】
一方、演算器２０は、第１フォーカスビームＢ１及び第２フォーカスビームＢ２を用いてイマ−ジョン媒質１６での屈折率変化による成分と、基板１４の位置変動による成分とを分離した後、屈折率変化の成分をとり除いてイマ−ジョン媒質１６での屈折率が変わっても正確なオートフォーカスを行うようとする。
【００４６】
屈折率変化によるオートフォーカスの問題点を、もう一度調べてみると、イマ−ジョン媒質１６の屈折率ｎが一定でない場合、屈折率ｎの変動によってフォーカスビームＢ１、Ｂ２の曲げが同時に変化することになる。これによって、基板１４から反射されたフォーカスビームＢ１、Ｂ２の感知センサー４０、４１に到逹する位置も変わって、実際は基板１４の位置が変動していないのにオートフォーカスシステムは基板１４の位置が変動したことと間違って認識されることの原因となる。
【００４７】
このような問題を解消するために、屈折率変動の成分を除去する正確なフォーカス演算を実行する。
【００４８】
本発明の演算を実行するために、まず光学的にビームの経路を次の式＜１＞を取り入れて用いる。この式＜１＞は、“Ｂｏｒｎ  ＆  Ｗｏｌｆ”の“Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ”（ｐ．１３０）を参照する。
【００４９】
【数２９】
2006148106.tif 000031
【００５０】
ここで、ｒ＝（ｘ、ｙ）はフォーカスビームＢ１、Ｂ２の経路を示すベクターで、ｓはフォーカスビームＢ１、Ｂ２の経路の上での距離、ｎは既に述べたように屈折率を示す。図１で、基板１４に平行方向をｘ、垂直方向をｙとした場合、ｘ、ｙを各成分別に示すと次の式＜２＞となる。
【００５１】
【数３０】
2006148106.tif 000032
【００５２】
この式＜２＞での露光装置の場合、光学系１３と基板１４との距離は、数ｍｍで非常に近い。その反面、それぞれの測定光源３０、３１と感知センサー４０、４１との間の距離は相対的に非常に長いので、ｘに比べてｙ方向の長さが非常に短くなってｙ方向の屈折率変動は無視することができる。したがって、ｎ値はｘだけの関数になる。すなわち、ｎ＝ｎ（ｘ）で表示することができる。
【００５３】
一方、フォーカスビームの照射角度は次の式＜３＞と示され、続いて式＜４＞が与えられる。
【００５４】
【数３１】
2006148106.tif 000033
【００５５】
【数３２】
2006148106.tif 000034
【００５６】
したがって、ｎ＝ｎ（ｘ）と式＜４＞とを式＜２＞に代入すると次の式＜５＞が求められる。
【００５７】
【数３３】
2006148106.tif 000035
【００５８】
この式＜５＞によってｎ（ｄｙ／ｄｘ）＝ｃｏｎｓｔ、または、式＜３＞からｎθ＝ｃｏｎｓｔという結果を得られる。この結果によって、本発明でのように２つのフォーカスビームを用いたフォーカス変動値ｆを算出する演算式を次に誘導する。
【００５９】
まず、測定光源３０、３１から放出するフォーカスビームが前記イマ−ジョン媒質の法線に対してθ０の角度を有し、前記測定光源３０、３１の前記２つのフォーカスビームが前記イマ−ジョン媒質に入射する位置であるｙ値がｙ０であり、そして前記フォーカスビームが入射する位置のイマ−ジョン媒質の屈折率ｎがｎ０としたら、ｎ（ｄｙ／ｄｘ）＝一定（ｃｏｎｓｔ）、または式＜３＞からｎθ＝一定（ｃｏｎｓｔ）という結果によって次の式＜６＞とこの式＜６＞を積分した式＜７＞を最終的に得られる。
【００６０】
【数３４】
2006148106.tif 000036
【００６１】
【数３５】
2006148106.tif 000037
【００６２】
一方、実際のフォーカスビームＢ１、Ｂ２は図３に示すように実線の経路に沿ってイマ−ジョン媒質１６に入射されて所定の高さｆにある基板１４の表面で反射する。この所定の高さが本発明で求める変動値である。そしてｙ＝０の面は、光学系１３のフォーカス面として、別の方法で計算された与えられた基準値である。そしてθ０は測定光源１０から出るフォーカスビームＢ１、Ｂ２の角度である。
【００６３】
フォーカスビームＢ１、Ｂ２の反射による角度の折れによって計算が複雑になるので、これをより簡略化して計算するために変動値である所定の高さｆから反射されたフォーカスビームＢ１、Ｂ２の対称イメージ(mirror image)を活用する。すなわち、フォーカスビームＢ１、Ｂ２はイマ−ジョン媒質１６の屈折率変化によって発生した経路変化をしながら図３のｙＬに到逹する、この際、このｙＬの対称イメージはｉＬとなる。よって、次の式＜８＞が求められる。
【００６４】
【数３６】
2006148106.tif 000038
【００６５】
したがって、ｉＬの位置は式＜７＞によって次の式＜９＞で示される。ここで、Ｌは測定光源３０、３１から感知センサー４０、４１までのｘ軸方向の距離を示す。
【００６６】
【数３７】
2006148106.tif 000039
【００６７】
そして、式＜９＞で積分要素を式＜１０＞のように“Ｃ”で示す。
【００６８】
【数３８】
2006148106.tif 000040
【００６９】
次に、図２で第１測定光源３０を“（１）”で示し、第２測定光源３１を“（２）”で示すと、式＜８＞及び式＜９＞は式＜１１＞のように示される。
【００７０】
【数３９】
2006148106.tif 000041
【００７１】
この連立方程式を解くと、式＜１２＞を得ることができ“Ｃ”が決まり、したがって基板１４の実際変動を示す変動値である所定の高さｆを次の式＜１３＞のように得ることができる。
【００７２】
【数４０】
2006148106.tif 000042
【００７３】
【数４１】
2006148106.tif 000043
【００７４】
この式＜１３＞で、
【数４２】
2006148106.tif 000044
は２つの測定光源３０、３１の位置であり、
【数４３】
2006148106.tif 000045
は２つのフォーカスビームＢ１、Ｂ２の角度として、これはあらかじめ決まっている値である。そして、
【数４４】
2006148106.tif 000046
はそれぞれの感知センサー４０、４１で感知して測定された値なので、式＜１３＞の右辺は決まる。よって、式＜１３＞の左辺で基板１４の変動値である所定の高さｆが正確に求められて、屈折率の変動による成分が除去されたフォーカス測定が行われる。
【００７５】
以下では、前述のように構成された本発明によるイマ−ジョン露光装置のオートフォーカスシステムのフォーカス測定方法について説明する。
【００７６】
本発明によるオートフォーカスシステムのフォーカス測定方法は、図４に示すようにフォーカスビーム照射段階Ｓ１００、フォーカスビームを感知する感知段階Ｓ２００、そしてフォーカス位置を制御する制御段階Ｓ３００、Ｓ４００で実行される。
【００７７】
フォーカスビーム照射段階Ｓ１００は、第１測定光源３０と第２測定光源３１を互いに違った角度から互いに異なる位置で基板１４の同一部分に向けて同一時間に第１フォーカスビームＢ１及び第２フォーカスビームＢ２をそれぞれ照射する段階である。
【００７８】
そして、感知段階Ｓ２００は、照射したフォーカスビームＢ１、Ｂ２が基板１４で反射されると、これらの第１フォーカスビームＢ１及び第２フォーカスビームＢ２をそれぞれの第１感知センサー４０及び第２感知センサー４１で感知する段階である。
【００７９】
そして、制御段階は、第１感知センサー４０及び第２感知センサー４１で感知された第１フォーカスビームＢ１及び第２フォーカスビームＢ２の測定値を入力して基板１４のフォーカス変動値ｆを演算する演算段階Ｓ３００と、演算段階Ｓ３００で演算された変動値ｆによって正確なフォーカス位置に基板１４を調節する調節段階Ｓ４００である。
【００８０】
この演算段階Ｓ３００は、第１フォーカスビームＢ１及び２フォーカスビームＢ２の位置
【数４５】
2006148106.tif 000047
及び入射角度
【数４６】
2006148106.tif 000048
そして、それぞれの感知センサー４０、４１で測定した測定値
【数４７】
2006148106.tif 000049
を受信して既に提示した演算式で演算し、この演算によってフォーカス変動値ｆが得られる。
【００８１】
このような方法で、オートフォーカスを実行すると、既に提示したようにフォーカスビームＢ１、Ｂ２が通過するイマ−ジョン媒質１６での屈折率の変化が発生してもこの屈折率の変化要素は効果的に除去された状態で、純粋な基板１４の変動値ｆが算出できるようになる。
【００８２】
そして、基板１４を調節する調節段階Ｓ４００は、演算段階Ｓ３００で得られた変動値ｆによって基準値ｙ＝０をステージ制御器２１で比較し、この比較結果によってステージ制御器２１はステージ駆動部２２へ調節しなければならない位置を提供し、ステージ駆動部２２はこれに従って基板１４のフォーカスを調節することによってオートフォーカスが実行される。
【００８３】
図５は、本発明の他の実施形態を示したもので、乾式露光装置に本発明のオートフォーカスシステム及びオートフォーカス方法を適用した状態を示す図である。乾式露光装置では、イマ−ジョン媒質が用いられない。しかし乾式露光装置でも基板１４と光学系１３との間に所定大きさの間隔Ｇが形成されているので、この間隔Ｇで屈折率変化が発生しうる。よって、この場合にも本発明のようなオートフォーカスシステム及び方法を採用すると、より正確なオートフォーカスが可能である。一方、図５で説明していない構成要素のうち、図１と同一の構成要素は同一の符号で示した。したがって、これらの同一構成についての説明とこれらの作用はイマ−ジョン露光装置に関する実施形態を参照して理解を求めることができる。
【００８４】
前述のような本発明の実施形態の以外にもそれぞれの構成要素を一部変形して実施することができる。
【００８５】
例えば、測定光源を２つ以上用いるとか、またはそれぞれ一対の測定光源を基板の多数の位置に照射して測定を行う方法が採用できる。もちろん、この場合、演算式の一部の変形が行わなければならないが、このような演算式は入力条件によって数学的な表示が可能である。
【００８６】
よって、基本的に２つの光源を互いに違った角度から照射してフォーカスを行うオートフォーカスシステム、そして、このようなオートフォーカスシステムを採用したいかなる種類の露光装置もすべて本発明の技術的な範疇に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明によるオートフォーカスシステムが備えられたイマ−ジョン露光装置の概略的なダイヤグラムである。
【図２】本発明によるオートフォーカスシステムのフォーカスビームが基板に照射される状態を説明するために図１のオートフォーカスシステムの一部を拡大した図である。
【図３】本発明による露光装置のフォーカシング方法に関する原理を説明するために基板上に照射されるフォーカスビームの概念的なダイヤグラムである。
【図４】本発明による露光装置のオートフォーカスシステムのフォーカス方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明によるオートフォーカスシステムを備えた乾式露光装置の概略的なダイヤグラムである。
【符号の説明】
【００８８】
１０：光源
２０：演算器
３０：第１測定光源
３１：第２測定光源
４０：第１感知センサー
４１：第２感知センサー
【図１】
2006148106.tif 000078
【図２】
2006148106.tif 000079
【図３】
2006148106.tif 000080
【図４】
2006148106.tif 000081
【図５】
2006148106.tif 000082