KR102048741B1 - 검출 장치, 계측 장치, 노광 장치, 및 물품의 제조 방법 - Google Patents

검출 장치, 계측 장치, 노광 장치, 및 물품의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 굴절률이 서로 다른 복수의 층을 갖는 기판에 광을 비스듬히 입사시켜, 상기 기판에서 반사된 광을 사용하여 상기 기판의 높이를 검출하는 검출 장치를 제공하고, 이 검출 장치는, S편광을 감소하기 위한 편광자를 갖고, 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 광을 40°내지 55°의 범위내에 있는 입사각도로 상기 기판에 입사시키는, 광학계를 구비한다.

Description

검출 장치, 계측 장치, 노광 장치, 및 물품의 제조 방법{DETECTION APPARATUS, MEASUREMENT APPARATUS, LITHOGRAPHY APPARATUS, AND METHOD OF MANUFACTURING ARTICLE}
본 발명은, 검출 장치, 계측 장치, 노광 장치, 및 물품의 제조 방법에 관한 것이다.
광을 기판에 비스듬히 입사하고, 해당 기판에서 반사된 광을 사용해서 기판의 높이를 검출하는 검출 장치는, Si층 위에 레지스트층이 형성된 기판과 같이, 다른 굴절률을 갖는 복수의 층을 포갠 기판의 높이를 검출하여도 된다. 이 경우, 검출 장치의 수광소자에는, 복수의 층 중 최상층의 표면에서 반사된 광과, 그 최상층과 그 아래의 층간의 계면에서 반사된 광이 입사한다. 그 때문에, 상기 계면에서 반사된 광을 사용해서 기판의 높이를 검출할 경우에, 최상층의 표면에서 반사된 광이 노이즈 성분이 되어 검출 오차가 생길 수도 있다. 즉, 검출 오차를 감소시켜서 기판의 높이를 정밀하게 검출하기 위해서는, 계면에서 반사된 광과 최상층의 표면에서 반사된 광간의 강도차이를 최대화하는 것이 바람직하다. 일본 특허 제3139023호 공보에는, 브루스터(Brewster) 각도로 P편광을 기판에 입사시켜서 최상층의 표면에서 반사된 광을 감소시키는 방법이 제안되어 있다.
일본 특허 제3139023호 공보에 기재된 방법과 같이 브루스터 각도로 P편광을 기판에 입사하면, 해당 P편광은 기판의 최상층의 표면에서 반사하지 않는다. 이 때문에, 계면에서 반사된 P편광만을 사용해서 기판의 높이를 검출하는 것이 가능하다. 그렇지만, 광으로부터 S편광을 완전히 제거해서 P편광만을 추출하는 것은 매우 어렵다. 이 때문에, 일본 특허 제3139023호 공보에 기재된 방법에 있어서도, 기판의 최상층의 표면에서 S편광이 반사해서 검출 오차가 생길 수도 있다.
본 발명은, 예를 들면, 기판의 높이를 검출하는 정밀도의 면에서 유리한 기술을 제공한다.
본 발명의 일 측면에서는, 굴절률이 서로 다른 복수의 층을 갖는 기판에 광을 비스듬히 입사시켜, 상기 기판에서 반사된 광을 사용하여 상기 기판의 높이를 검출하는 검출 장치로서, S편광을 감소하기 위한 편광자를 갖고, 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 광을 40°내지 55°의 범위내에 있는 입사각도로 상기 기판에 입사시키는, 광학계를 구비한, 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 특징들은, 첨부도면을 참조하여 이하의 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은, 제1실시예에 따른 노광 장치를 도시한 개략도,
도 2는, 계측부의 구성을 도시한 도면,
도 3은, 기판에 있어서의 광의 반사를 설명하기 위한 도,
도 4는, P편광 및 S편광의 각각에 있어서의 입사각도θ와 반사율의 관계를 도시한 그래프,
도 5a는, 계면반사광의 파형 및 표면반사광의 파형을 도시한 차트,
도 5b는, 계면반사광의 파형 및 표면반사광의 파형을 도시한 차트,
도 6a는, 계면반사광의 파형 및 표면반사광의 파형을 도시한 차트,
도 6b는, 계면반사광의 파형 및 표면반사광의 파형을 도시한 차트,
도 7은, 입사각도θ와 노이즈 성분 비율과의 관계를 도시한 그래프,
도 8은, 노이즈 성분 비율과 계측 오차와의 관계를 도시한 그래프,
도 9a는, 계면반사광의 파형 및 표면반사광의 파형을 도시한 차트,
도 9b는, 계면반사광의 파형 및 표면반사광의 파형을 도시한 차트,
도 10은, 입사각도θ와 노이즈 성분 비율과의 관계를 도시한 그래프다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다. 이때, 도면 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호는 동일한 부재를 의미하고, 그에 대한 반복 설명은 하지 않는다. 이하에서는, 슬릿형 광을 사용해서 기판을 주사하여 노광하는 노광 장치(스캐너)에 본 발명을 적용하는 예에 대해서 설명한다. 그렇지만, 마스크와 기판을 상대적으로 이동시키지 않고 해당 기판을 노광하는 노광 장치(스테퍼)에 본 발명을 적용해도 된다. 또한, 임프린트 장치나 묘화장치 등의 노광 장치에 본 발명을 적용해도 된다.
<제1실시예>
본 발명의 제1실시예에 따른 노광 장치(100)에 대해서, 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은, 제1실시예에 따른 노광 장치(100)를 도시한 개략도다. 노광 장치(100)는, 예를 들면, 슬릿형 광을 사용해서 기판(3)을 주사하여 노광하는 노광 장치이며, 조명 광학계(5)와, 마스크 스테이지(2)와, 투영 광학계(6)와, 기판 스테이지(4)와, 계측부(14)(계측 장치)와, 제어부(17)를 구비할 수 있다. 제어부(17)는, 예를 들면, CPU와 메모리를 구비하고, 노광 장치(100)의 각 부를 제어한다(기판(3)의 주사 노광을 제어한다).
조명 광학계(5)는, 광원으로부터 사출된 광으로 마스크(1)를 조명한다. 광원으로서는, 예를 들면, 수은 램프의 이외에, KrF엑시머 레이저, 각기 보다 짧은 파장의 ArF엑시머 레이저와 F2레이저를 사용할 수 있다. 마스크(1) 및 기판(3)은, 마스크 스테이지(2) 및 기판 스테이지(4)에 의해 각각 보유되고, 투영 광학계(6)를 통해 광학적으로 거의 공역 위치(투영 광학계(6)의 물체면 및 상면의 위치)에 배치된다.
마스크 스테이지(2)는, 마스크(1)를 보유하면서, 예를 들면 투영 광학계(6)의 광축에 직교하는 방향(Ⅹ와 Y방향)으로 이동가능하게, 및 θZ방향(Z축 둘레의 회전방향)으로 회전가능하게 구성될 수 있다. 마스크 스테이지(2)의 위치는, 예를 들면 레이저 간섭계를 구비하는 제1위치 검출부(9)에 의해 검출된다. 제1위치 검출부(9)에 구비된 레이저 간섭계는, 마스크 스테이지(2)에 설치된 반사 부재(7)의 측면에 레이저 빔을 조사하고, 그 반사 부재(7)의 측면에서 반사된 레이저 빔에 의해 마스크 스테이지(2)의 변위를 검출한다. 이에 따라, 제1위치 검출부(9)는, 그 검출된 변위에 근거하여 마스크 스테이지(2)의 현재 위치를 구할 수 있다.
기판 스테이지(4)는, 기판(3)을 보유하면서, 예를 들면 투영 광학계(6)의 광축에 평행한 방향(Z방향)이나 해당 광축과 수직한 방향(Ⅹ와 Y방향)으로 이동 가능하게, 및 θⅩ방향, θY방향 및 θZ방향으로 회전가능하게, 구성될 수 있다. θⅩ방향은 Ⅹ축 둘레의 회전 방향이며, θY방향은 Y축 둘레의 회전 방향이다. 기판 스테이지(4)의 위치는, 예를 들면 레이저 간섭계를 각각 구비하는 제2위치 검출부(10) 및 제3위치 검출부(12)에 의해 검출된다. 제2위치 검출부(10)에 구비된 레이저 간섭계는, 기판 스테이지(4)에 설치된 반사 부재(8)의 측면에 레이저 빔을 조사하고, 그 반사 부재(8)의 측면에서 반사된 레이저 빔에 의해, Ⅹ와 Y방향에 있어서의 기판 스테이지(4)의 변위를 검출한다. 이에 따라, 제2위치 검출부(10)는, 그 검출된 변위에 근거하여, Ⅹ와 Y방향 및 θZ방향에 있어서의 기판 스테이지(4)의 현재 위치를 구할 수 있다. 제3위치 검출부(12)에 구비된 레이저 간섭계는, 기판 스테이지(4)에 설치된 반사 부재(8)의 상면에 레이저 빔을 조사하고, 반사 부재(8)의 상면에서 반사된 레이저 빔에 의해, Z방향에 있어서의 기판 스테이지(4)의 변위를 검출한다. 이에 따라, 제3위치 검출부(12)는, 그 검출된 변위에 근거하여, Z방향, θⅩ방향 및 θY방향에 있어서의 기판 스테이지(4)의 현재 위치를 구할 수 있다.
투영 광학계(6)는, 소정의 투영 배율(예를 들면, 1/4배 또는 1/5배)을 갖고, 마스크(1)에 형성된 패턴을 기판(3)에 투영한다. 제어부(17)는, 마스크 스테이지(2) 및 기판 스테이지(4)를, 제1위치 검출부(9) 및 제2위치 검출부(10)에 의한 검출 결과에 근거하여, 투영 광학계(6)의 광축에 수직한 방향(예를 들면, Y방향)으로, 투영 광학계(6)의 투영 배율에 대응한 속도비로 상대적으로 주사시킨다.
또한, 노광 장치(100)는, 주사 노광을 행하고 있는 동안에 기판(3)의 높이를 검출하는 포커스 검출부(15)를 구비한다. 포커스 검출부(15)는, 광이 기판(3)에 비스듬히 입사하도록 광을 기판(3)에 조사하는 조사계(15a)와, 기판(3)에서 반사된 광을 수광해서 기판(3)의 높이를 검출하는 검출계(15b)를 구비할 수 있다. 검출계(15b)는, 예를 들면 이미지 센서를 구비하고, 광이 입사된 이미지 센서상의 위치에 근거해서 기판(3)의 높이를 구할 수 있다. 제어부(17)는, 주사 노광을 행하고 있는 동안에, 포커스 검출부(15) 및 제3위치 검출부(12)에 의한 검출 결과에 근거하여, 투영 광학계(6)의 결상면(포커스면)에 기판(3)의 표면이 배치되도록 Z방향에 있어서의 기판 스테이지(4)의 위치를 제어한다. 이에 따라, 제어부(17)는, 마스크(1)에 형성된 패턴을 기판(3)에 전사할 수 있다.
계측부(14)(계측 장치)는, 투영 광학계(6)를 통과하지 않고, 기판(3)에 설치된 마크(얼라인먼트 마크)의 위치를 계측하는, 소위 오프축(off-axis) 얼라인먼트 방식의 계측 장치다. 계측부(14)는, 예를 들면, 기판상의 마크를 촬상하는, 촬상부(16)와, 기판(3)의 높이를 검출하는 검출부(41)(검출 장치)와, 기판(3)을 보유하며 이동 가능한 기판 스테이지와, 촬상부(16)에 의해 촬상된 화상에 근거하여 상기 마크의 위치를 구하는 처리부를 구비할 수 있다. 제1실시예에 있어서, 계측부(14)의 기판 스테이지는, 도 1에 도시된 노광 장치(100)의 기판 스테이지(4)와 같다. 계측부(14)의 처리부는, 도 1에 도시된 노광 장치(100)의 제어부(17)에 구비될 수 있다. 그렇지만, 계측부(14)의 처리부는, 해당 제어부(17)로부터 따로따로 설치되어도 된다. 제1실시예의 노광 장치(100)에 있어서의 계측부(14)는, 기판(3)에 설치된 마크의 위치를 계측하는 방식으로서 오프축 얼라인먼트 방식을 사용한다. 그렇지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니다. 계측부(14)는, 예를 들면, 마스크(1) 및 투영 광학계(6)를 통해 해당 마크의 위치를 검출하는 TTL(Through The Lens) 얼라인먼트 방식을 사용해도 된다.
도 2는, 계측부(14)(촬상부(16) 및 검출부(41))의 구성을 도시한 도면이다. 우선, 촬상부(16)에 대해서 설명한다. 광원(20)으로부터 사출된 광은, 제1콘덴서 렌즈(21), 파장 필터(22) 및 제2콘덴서 렌즈(23)를 통과하고 나서, 촬상부(16)의 동공면(물체면에 대한 광학적인 푸리에 변환면)에 해당하는 위치에 설치된 개구 조리개(24)에 입사한다. 개구 조리개(24)를 통과하는 광은, 제1조명 광학계(25) 및 제2조명 광학계(27)를 통과하고 나서, 편광 빔 스플리터(28)에 입사한다. 편광 빔 스플리터(28)에서 반사된 광(S편광)은, NA조리개(26)와 λ/4판(29)을 통과해서 원편광으로 변환되고, 대물렌즈(30)를 통해 기판상의 마크를 조명한다. NA조리개(26)는, 조리개의 양을 변경하여서 NA(개구수)를 변경할 수 있다.
기판상의 마크로 반사된 광(반사광, 회절광 및 산란 광)은, 다시 대물렌즈(30) 및 λ/4판(29)을 통과해서 P편광으로 변환되어, 편광 빔 스플리터(28)를 투과한다. 편광 빔 스플리터(28)를 투과한 광(P편광)은, 릴레이 렌즈(31), 제1결상광학계(32), 제1광학부재(35), 제2결상광학계(33) 및 제2광학부재(38)를 통과하고 나서, 이미지 센서(34)에 입사한다. 제1광학부재(35)는, 예를 들면, 코마 수차를 조정하기 위한 광학부재다. 제2광학부재(38)는, 예를 들면, 파장 쉬프트 차이를 조정하기 위한 광학부재다. 이미지 센서(34)는, 입사한 광을 전기신호로 변환하여, 그 변환된 전기신호를 제어부(17)(처리부)에 공급한다. 이렇게 촬상부(16)를 구성함으로써, 제어부(17)(처리부)는, 촬상부(16)가 기판상의 마크를 촬상하여서 얻어진 화상에 근거하여, 해당 마크의 위치를 구할 수 있다.
다음에, 검출부(41)에 대해서 설명한다. 검출부(41)는, 광을 기판(3)에 비스듬히 입사시키는 광학계(41a)와, 기판(3)에서 반사된 광을 수광해서 기판(3)의 높이를 검출하는 검출계(41b)를 구비할 수 있다. 광학계(41a)는, 예를 들면, P편광 및 S편광을 포함하는 광 중 S편광을 감소시키는 편광자(41a1)를 구비하고, 편광자(41a1)에 의해 S편광이 감소된 광을 기판(3)에 비스듬히 입사시킨다. 검출계(41b)는, 예를 들면 이미지 센서를 구비하고, 광이 입사된 이미지 센서상의 위치에 의거하여 기판(3)의 높이를 구할 수 있다. 제어부(17)는, 기판(3)의 높이가 촬상부(16)의 결상위치(포커스 위치)의 허용 범위(허용오차)에 속하도록, Z방향에 있어서의 기판 스테이지(4)의 위치를 제어한다.
이제, 기판(3)에 비스듬히 입사시킨 광의 기판(3)에서의 반사에 대해서 설명한다. 노광 장치(100)는, Si층(3a) 위에 레지스트층(3b)이 형성된 기판과 같은, 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 층을 포갠 기판(3)의 높이를 검출할 수도 있다. 도 3은, Si층(3a)(굴절률N=3.5)과 레지스트층(3b)(굴절률N=1.5)을 포갠 기판(3)에 있어서의 광의 반사를 설명하기 위한 도다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, P편광 및 S편광을 포함하는 광(43)을 입사각도θ로 기판(3)에 비스듬히 입사할 때 얻어진 광강도에 대해서 생각한다. 입사각도θ로 레지스트층(3b)에 비스듬히 입사한 광(43)은, 레지스트층(3b)의 표면에서 반사된 광(44)(이후 "표면반사광"이라고 부른다)과, 레지스트층(3b)을 통해 전파하는 광(45)으로 분할된다. 그 레지스트층(3b)을 통해 전파하는 광(45)은, Si층(3a)과 레지스트층(3b)과의 계면(이하에서는, 간단히 "계면"이라고 부른다)에서 반사되어, 레지스트층(3b)의 표면에서 공기중에 투과되는 광(46)(이하에서는, "계면반사광"이라고 부른다)이 된다. 이때의 표면반사광의 강도 및 계면반사광의 강도는, 입사각도θ에 따라 다르다.
도 4는, P편광 및 S편광의 각각에 있어서의 입사각도θ와 레지스트층(3b)의 표면에서의 반사율과의 관계를 도시한 그래프다. 도 4에 있어서, 점선이 레지스트층(3b)의 표면에서의 P편광의 반사율을 나타내고, 실선이 S편광의 반사율을 나타낸다. 입사각도θ가 0°일 때, 즉, 광을 기판(3)에 수직하게 입사할 때, P편광의 반사율과 S편광의 반사율이 서로 같아진다. 그렇지만, 입사각도θ에 따라 P편광과 S편광간에 반사율의 차이가 생긴다. 이때, 도 4에 도시한 바와 같이, P편광의 반사율이 0이 될 때 얻어진 입사각도θ가 있다. 이때의 입사각도θ는, 브루스터 각도라고 불린다.
예를 들면, 입사각도θ가 10°일 때는, 도 4에 도시된 관계로부터 각각, P편광의 반사율 및 S편광의 반사율은 약 4％이다. 즉, 레지스트층(3b)의 표면에서 반사된 표면반사광은, 기판(3)에 입사된 광의 4％이며, 나머지의 광은 그 레지스트층을 통해 전파하는 광(45)이 된다. 계면에서 반사되어 레지스트층(3b)의 표면에서 빠져 나오는 계면반사광은, 계면에서의 광의 거동을 기술하는 프레넬의 공식에 의해, 기판(3)에 입사된 광의 약 15％로서 구해진다. 즉, 입사각도θ가 10°일 때, 표면반사광의 강도보다 계면반사광의 강도가 약 3.8배도 커지고, 검출되는 광의 파형은 도 5a에 도시된 바와 같이 된다. 도 5a는, 입사각도θ가 10°일 때에 검출된 광의 파형을 도시한 차트다. 도 5a에 도시한 바와 같이, 입사각도θ가 10°일 때에, 계면반사광의 파형(50)쪽이 표면반사광의 파형(51)보다 강도가 커진다. 강도가 큰 계면반사광의 파형(50)에 대하여 피팅(fitting)을 행하여서 기판(3)의 높이(계면의 높이)가 검출된다.
한편, 입사각도θ가 82°일 때, 도 4에 도시된 관계로부터, P편광의 반사율은 약 30％이며, S편광의 반사율은 약 60％이다. 즉, 표면반사광은, 기판(3)에 입사된 광에 대하여 P편광에서는 약 30％가 되고, S편광에서는 약 60％가 된다. 계면에서 반사되어 레지스트층(3b)의 표면에서 빠져 나오는 계면반사광은, 프레넬의 공식에 의해, 기판(3)에 입사된 광에 대하여 P편광 및 S편광 양쪽에서 약 7％로서 구해진다. 즉, 입사각도θ가 82°일 때, 계면반사광의 강도에 대하여 표면반사광의 강도가 P편광에서 약 4.3배, S편광에서 약 8.6배로 커지고, 검출되는 광의 파형은 도 5b에 도시된 것처럼 된다. 도 5b는, 입사각도θ가 82°일 때에 검출된 광의 파형을 도시한 차트다. 도 5b에 도시한 바와 같이, 입사각도θ가 82°일 때에, 표면반사광의 파형(51)쪽이 계면반사광의 파형(50)보다 강도가 커진다. 강도가 큰 표면반사광의 파형(51)에 대하여 피팅을 행하여서 기판(3)의 높이(레지스트층(3b)의 표면의 높이)가 검출된다.
상술한 것처럼, 기판(3)에 광이 입사되는 입사각도θ에 따라, 레지스트층(3b)의 표면의 높이의 검출과 계면의 높이의 검출간에 전환할 수 있다. 예를 들면, 주사 노광을 행하면서, 투영 광학계(6)에 의해 레지스트층(3b)의 표면에 마스크(1)의 패턴을 투영하기 때문에, 레지스트층(3b)의 표면을 투영 광학계(6)의 결상면에 배치하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 포커스 검출부(15)는, 포커스 검출부(15)의 검출계(15b)로 검출된 광에 있어서 표면반사광이 지배적인 입사각도θ로 기판(3)에 광을 비스듬히 입사시키는 것이 바람직하다. 한편, 계측부(14)의 촬상부(16)에 의해 기판(3)의 마크를 촬상할 때에, Si층(3a)에 형성된 마크를 촬상하기 때문에, 계면을 촬상부(16)의 결상면에 배치하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 계측부(14)의 검출부(41)는, 검출부(41)의 검출계(41b)로 검출된 광에 있어서 계면반사광이 지배적인 입사각도θ로 기판(3)에 광을 비스듬히 입사시키는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 것처럼 기판(3)의 높이를 검출할 때, 계면반사광의 파형(50) 및 표면반사광의 파형(51) 중 강도가 작은 쪽은 노이즈 성분이 되고, 검출 오차를 생성한다. 즉, 그 검출 오차를 감소시켜서 기판(3)의 높이를 정밀하게 검출하기 위해서, 계면반사광과 표면반사광간의 강도차이는, 최대화되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 계측부(14)의 검출부(41)에 의해 기판(3)의 높이(계면의 높이)를 정밀하게 검출하기 위해서, 계면반사광의 강도에 대한 표면반사광의 강도의 비율은, 최소화되는 것이 바람직하다. 이렇게 계면반사광의 강도에 대한 표면반사광의 강도한 비율을 감소시키는 방법의 하나로서, 일례로서, 브루스터 각도로 P편광을 기판(3)에 입사시키는 방법을 들 수 있다.
이제, 브루스터 각도로 광이 기판(3)에 입사될 때의 계면반사광의 파형(50) 및 표면반사광의 파형(51)에 대해서, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명한다. 도 6a는, S편광 및 P편광을 포함하는 광이 브루스터 각도로 기판(3)에 입사될 때의 계면반사광의 파형(50) 및 표면반사광의 파형(51)을 도시한 차트다. 도 6b는, P편광만을 포함하는 광이 브루스터 각도로 기판(3)에 입사될 때의 계면반사광의 파형(50) 및 표면반사광의 파형(51)을 도시한 차트다.
S편광 및 P편광을 포함하는 광이 브루스터 각도로 기판(3)에 입사되면, 도 4에 도시된 바와 같이 P편광의 반사율은 0％이다. 이 때문에, P편광은 모두 레지스트층(3b)을 통해 전파하는 광(45)이 되고, 레지스트층(3b)의 표면에서 반사되지 않는다. 그렇지만, 도 4에 도시된 바와 같이 S편광의 반사율은 약 15％이다. 이 때문에, S편광은 레지스트층(3b)의 표면에서 반사하고, 도 6a에 도시한 바와 같이 표면반사광의 파형(51)이 보인다. 이때, 노이즈 성분이 되는 표면반사광의 강도는, 계면반사광의 강도의 50％가 된다. 한편, P편광만을 포함하는 광이 브루스터 각도로 기판(3)에 입사되면, P편광은 모두 레지스트층(3b)을 통해 전파하는 광(45)이 되고, 레지스트층(3b)의 표면에서 반사된 S편광은 존재하지 않는다. 그 때문에, 도 6b에 도시한 바와 같이, 표면반사광의 파형(51)을 없앨 수 있다.
그렇지만, S편광을 커트하기 위한 편광자(41a1)를 검출부(41)의 광학계(41a)에 설치한 경우에도, 편광자(41a1) 자체의 각도특성, 파장특성, 편광축 조정 등에 의해, 광으로부터 S편광을 완전히 제거해서 P편광만을 추출하는 것은 매우 곤란하다. 즉, 실제로는, 기판(3)에 비스듬히 입사되는 광에 S편광이 포함되기 때문에, 도 6b에 도시한 바와 같이 표면반사광의 파형(51)을 없애는 것은 거의 불가능하다. 또한, 도 4로부터도 아는 것처럼, 브루스터 각도에서는 S편광의 반사율이 비교적 15％만큼 크다. 이 때문에, 브루스터 각도에서는, 기판(3)에 비스듬히 입사되는 광에 조금이라도 S편광이 포함되어 있으면, 표면반사광의 파형(51)이 보이고, 그 파형(51)은 S편광의 강도가 증가함에 따라서 도 6a에 도시된 파형에 근접한다.
또한, S편광의 반사율은, 도 4에 도시한 바와 같이, 입사각도θ를 크게 함에 따라서 지수함수적으로 커지는 경향이 있다. 즉, 브루스터 각도보다 입사각도θ가 작아짐에 따라서, S편광의 반사율이 감소된다. 한편, P편광의 반사율은, 브루스터 각도보다 작은 각도에서는, 0％로는 안되지만 5％이하로 낮다. 따라서, 브루스터 각도보다 작은 각도에 있어서, 브루스터 각도로 광이 기판(3)에 입사될 때보다 노이즈 성분(검출 오차)을 작게 할 수 있는 입사각도θ가 있다고 생각된다.
도 7은, 입사각도θ와 노이즈 성분 비율과의 관계를, S편광의 커트율마다 도시한 그래프다. 도 7에 있어서, 횡축은 입사각도θ를 나타내고, 종축은 계면반사광의 강도에 대한 표면반사광의 강도의 비율(이하, 노이즈 성분 비율이라고 한다)을 나타낸다. 도 7은, 실제로 실현가능한 S편광의 커트율의 범위 중, 4종류의 커트율의 노이즈 성분 비율을 도시한 것이다. 4종류의 커트율은, S편광의 커트율의 내림차순으로 제1커트율(대), 제2커트율(중), 제3커트율(소), 및 제4커트율(극소)이다. 도 7에 도시한 바와 같이, S편광의 커트율이 가장 큰 제1커트율(대)에서는, 브루스터 각도(56°)보다 작은 50°부근에 있어서의 입사각도θ쪽이, 노이즈 성분 비율이 낮다. 이것은, 도 4에 도시한 바와 같이, 50°부근에 있어서의 입사각도θ에서는, P편광의 반사율은, 브루스터 각도와 같이 0％부근으로 낮은 것에 대해, S편광의 반사율은, 브루스터 각도보다 대폭 낮아지기 때문이다. 이렇게 브루스터 각도보다 작은 입사각도θ쪽이 노이즈 성분 비율이 낮아지는 경향은, S편광의 커트율이 감소됨에 따라서 점점 더 현저해진다.
이제, 노이즈 성분 비율과 계측 오차(속여진 계측)와의 관계에 대해서, 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8은, 노이즈 성분 비율과 계측 오차와의 관계를 도시한 그래프다. 도 8에 도시한 바와 같이, 검출 오차는, 노이즈 성분 비율이 17％를 초과하면 대폭 증가한다. 그 때문에, 노이즈 성분 비율은, 17％이하인 것이 바람직하다. 도 7에서 아는 것처럼, 노이즈 성분 비율이 17％이하일 때의 입사각도θ는, 제1커트율(대)에서 40°내지 55°의 범위에 속한다. 이 때문에, 기판(3)의 높이(계면의 높이)를 정밀하게 검출하기 위해서, 40°내지 55°의 범위에 속하는 입사각도θ로 기판(3)에 광을 비스듬히 입사시키는 것이 바람직하다. 이때, 제1커트율(대)이외의 커트율에서는, 노이즈 성분 비율이 17％이하가 안 된다. 즉, 기판(3)의 높이를 정밀하게 검출하기 위해서는, S편광의 커트율이 최대화되는 것이 바람직하다.
다음에, 40°내지 55°의 범위에 있어서의 중간의 각도인 47.5°의 입사각도θ로 광이 기판(3)에 비스듬히 입사될 때의 계면반사광의 파형(50) 및 표면반사광의 파형(51)에 대해서, 도 9a 및 도 9b를 참조하여 설명한다. 도 9a는, S편광 및 P편광을 포함하는 광이 47.5°의 입사각도θ로 기판(3)에 입사될 때의 계면반사광의 파형(50) 및 표면반사광의 파형(51)을 도시한 차트다. 도 9b는, P편광만을 포함하는 광이 47.5°의 입사각도θ로 기판(3)에 입사될 때의 계면반사광의 파형(50) 및 표면반사광의 파형(51)을 도시한 차트다.
S편광 및 P편광을 포함하는 광이 47.5°의 입사각도θ로 기판(3)에 입사되면, 노이즈 성분이 되는 표면반사광의 강도는, 도 9a에 도시한 바와 같이, 계면반사광의 강도의 35％가 된다. 이것은, 브루스터 각도(56°)로 광이 기판(3)에 입사될 때 도 6a에 도시된 노이즈 성분 비율(50％)보다 낮다. 즉, 47.5°의 입사각도θ로 광이 기판(3)에 입사된 쪽이, 브루스터 각도로 광이 기판(3)에 입사되는 것 보다, 기판(계면)의 높이를 정밀하게 계측할 수 있다.
한편, P편광만을 포함하는 광이 47.5°의 입사각도θ로 기판(3)에 입사되면, 노이즈 성분이 되는 표면반사광의 강도는, 도 9b에 도시한 바와 같이, 계면반사광의 강도의 5％가 된다. 이것은, 브루스터 각도(56°)로 광이 기판(3)에 입사될 때 도 6b에 도시된 노이즈 성분 비율(0％)보다 높다. 그렇지만, 상술한 것처럼, 광으로부터 S편광을 완전히 제거해서 P편광만을 추출하는 것은 매우 곤란하다. 즉, S편광이 잔존한 광이 브루스터 각도로 기판(3)에 입사될 때, 계면반사광의 파형(50) 및 표면반사광의 파형(51)은, 도 6a에 도시된 형상(노이즈 성분 비율: 50％)과 같아진다. 한편, S편광이 잔존한 광이 47.5°의 입사각도θ로 기판(3)에 입사될 때, 도 9a에 도시된 형상(노이즈 성분 비율: 35％)과 같아진다. 즉, 실현 가능한 S편광의 커트율을 고려하면, S편광을 감소하는 편광자(41a1)를 사용한 경우에도, 47.5°의 입사각도θ로 광이 기판(3)에 입사된 쪽이, 브루스터 각도로 광이 기판(3)에 입사되는 쪽보다, 노이즈 성분 비율을 낮게 할 수 있다. 즉, 47.5°의 입사각도θ로 광이 기판(3)에 입사된 쪽이, 브루스터 각도로 광이 기판(3)에 입사되는 쪽보다, 기판(계면)의 높이를 보다 정밀하게 계측할 수 있다.
노이즈 성분 비율은, 도 7에 도시한 바와 같이, 4종류의 커트율의 모두에 있어서, 브루스터 각도(56°)보다 10°정도(10°±3°) 작은 입사각도θ쪽이, 브루스터 각도보다 낮아진다. 특히, 입사각도θ가 44.5° 내지 50.5°의 범위에 속할 때에, 브루스터 각도(56°)보다, 노이즈 성분 비율이 낮아진다. 예를 들면, S편광의 커트율이 제1커트율(대)일 때에, 노이즈 성분 비율은, 44.5°의 입사각도θ에서 약 16％가 되고, 50.5°의 입사각도θ에서 약 15％가 되어, 브루스터 각도에서의 노이즈 성분 비율(17.8％)보다 낮아진다. S편광의 커트율이 제2∼제4커트율 각각인 경우에도, 제1커트율과 같이, 44.5° 및 50.5°의 입사각도θ에서의 노이즈 성분 비율은, 브루스터 각도에서의 노이즈 성분 비율보다 낮아진다. 따라서, 검출부(41)에 의해 기판(3)의 높이를 검출할 때의 광의 입사각도θ는, 44.5°내지 50.5°의 범위에 속하는 것이 바람직하다. 예를 들면 배치 스페이스에 의해, 입사각도θ를 44.5°내지 50.5°의 범위에 속하게 하는 것이 곤란한 경우에도, 상술한 결과로부터, 입사각도θ가 40°내지 55°의 범위에 속하면 된다.
본 실시예에서는, 레지스트층(3b)의 굴절률이 1.5인 경우에 대해서 설명하였다. 그렇지만, 레지스트층(3b)의 굴절률이 1.5인 경우 이외의 경우에도 본 발명을 적용 가능하다. 도 10은, S편광의 커트율이 제1커트율(대)이고 레지스트층(3b)의 굴절률이 1.4∼1.6일 때의, 입사각도θ와 노이즈 성분 비율과의 관계를 도시한 그래프다. 레지스트층(3b)의 굴절률이 1.4, 1.5 및 1.6인 경우 모두에 있어서, 47.5°의 입사각도θ에서의 노이즈 성분 비율이, 브루스터 각도에서의 노이즈 성분 비율보다 낮아진다. 즉, 레지스트층(3b)의 굴절률이 1.5이외의 경우에도, 40°내지 55°의 범위에 속하는 입사각도θ로, 바람직하게는 44.5° 내지 50.5°의 범위에 속하는 입사각도θ로 광이 기판(3)에 입사된다.
또한, 도 10에 도시한 바와 같이, 노이즈 성분 비율이 가장 낮아질 때의 입사각도θ는, 레지스트층(3b)의 굴절률에 따라 변경된다. 이 때문에, 검출부(41)는, 입사각도θ를 변경하기 위해서 광학계(41a)를 구동하는 구동부(42a)를 구비하여도 된다. 마찬가지로, 검출부(41)는, 입사각도θ에 따라서 검출계(41b)를 구동하는 구동부(42b)를 구비하여도 된다. 이 경우, 제어부(17)는, 기판(3)에 있어서의 최상층(레지스트층(3b))의 굴절률과 입사각도θ와의 관계를 나타내는 정보를 미리 취득하고, 해당 정보 및 최상층의 굴절률에 근거해서 구동부(42a)를 제어해도 된다. 기판(3)에 있어서의 최상층의 굴절률을 나타내는 정보는, 유저 등에 의해 설정될 수 있다.
<물품의 제조 방법의 실시예>
본 발명의 실시예에 따른 물품 제조 방법은, 예를 들면, 반도체 디바이스 등과 같은 전자디바이스나, 미세구조를 갖는 소자 등과 같은 물품을 제조하는데 적합하다. 본 실시예에 따른 물품 제조 방법은, 기판에 도포된 감광제에 상기한 노광 장치를 사용해서 잠상 패턴을 형성하는 단계(기판을 노광하는 단계)와, 앞의 단계에서 잠상 패턴이 형성된 기판을 현상하는 단계를 포함한다. 이 제조 방법은, 다른 주지의 단계(산화, 성막, 증착, 도핑, 평탄화, 에칭, 레지스트 박리, 다이싱, 본딩, 패키징 등)를 한층 더 포함한다. 본 실시예에 따른 물품의 제조 방법은, 종래의 방법과 비교하여, 물품의 성능, 품질, 생산성 및 생산 비용 중 적어도 하나에 있어서 유리하다.
<그 밖의 실시예>
또한, 본 발명의 실시예(들)는, 기억매체(보다 완전하게는 '비일시적 컴퓨터 판독 가능한 기억매체'라고도 함)에 레코딩된 컴퓨터 실행가능한 명령어들(예를 들면, 하나 이상의 프로그램)을 판독하고 실행하여 상술한 실시예(들)의 하나 이상의 기능을 수행하는 것 및/또는 상술한 실시예(들)의 하나 이상의 기능을 수행하기 위한 하나 이상의 회로(예를 들면, 주문형 반도체(ASIC))를 구비하는 것인, 시스템 또는 장치를 갖는 컴퓨터에 의해 실현되고, 또 예를 들면 상기 기억매체로부터 상기 컴퓨터 실행가능한 명령어를 판독하고 실행하여 상기 실시예(들)의 하나 이상의 기능을 수행하는 것 및/또는 상술한 실시예(들)의 하나 이상의 기능을 수행하는 상기 하나 이상의 회로를 제어하는 것에 의해 상기 시스템 또는 상기 장치를 갖는 상기 컴퓨터에 의해 행해지는 방법에 의해 실현될 수 있다. 상기 컴퓨터는, 하나 이상의 프로세서(예를 들면, 중앙처리장치(CPU), 마이크로처리장치(MPU))를 구비하여도 되고, 컴퓨터 실행 가능한 명령어를 판독하여 실행하기 위해 별개의 컴퓨터나 별개의 프로세서의 네트워크를 구비하여도 된다. 상기 컴퓨터 실행가능한 명령어를, 예를 들면 네트워크나 상기 기억매체로부터 상기 컴퓨터에 제공하여도 된다. 상기 기억매체는, 예를 들면, 하드 디스크, 랜덤액세스 메모리(RAM), 판독전용 메모리(ROM), 분산형 컴퓨팅 시스템의 스토리지, 광디스크(콤팩트 디스크(CD), 디지털 다기능 디스크(DVD) 또는 블루레이 디스크(BD)TM등), 플래시 메모리 소자, 메모리 카드 등 중 하나 이상을 구비하여도 된다.
본 발명을 실시예들을 참조하여 기재하였지만, 본 발명은 상기 개시된 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 아래의 청구항의 범위는, 모든 변형예, 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 폭 넓게 해석해야 한다.

Claims (16)

  1. 굴절률이 서로 다른 복수의 층을 갖는 기판에 광을 비스듬히 입사시켜, 계면에서 반사된 광을 사용하여 상기 복수의 층 중 최상층과 그 아래의 층과의 계면의 높이를 검출하는 검출 장치로서,
    P편광 및 S편광을 포함하는 광에서 S편광을 완전히 제거하지 않고 감소하기 위한 편광자를 갖고, 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 상기 광을 브루스터 각도보다 10°± 3°작은 입사각도로 상기 기판에 입사시키는, 광학계를 구비하는, 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계는, 상기 계면에서 반사된 광의 강도에 대한 상기 최상층의 표면에서 반사된 광의 강도의 비율이 17％이하가 되는 입사각도로 상기 기판에 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 상기 광을 입사시키는, 검출 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계는, 44.5°내지 50.5°의 범위내에 있는 상기 입사각도로 상기 기판에 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 상기 광을 입사시키는, 검출 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판으로의 광의 입사각도를 변경하는 구동소자; 및
    상기 계면에서 반사된 광의 강도에 대한 상기 최상층의 표면에서 반사되는 광의 강도의 비율이 가장 낮아지는 경우의 입사각도 및 상기 최상층의 굴절률과의 관계를 나타내는 정보에 근거하여, 상기 구동소자를 제어하는 제어부를 더 구비하는, 검출 장치.
  5. 기판상의 마크의 위치를 계측하는 계측 장치로서,
    상기 기판을 보유하고 이동 가능한 스테이지; 및
    굴절률이 서로 다른 복수의 층을 갖는 기판에 광을 비스듬히 입사시켜, 계면에서 반사된 광을 사용하여 상기 복수의 층 중 최상층과 그 아래의 층과의 계면의 높이를 검출하는 검출 장치로서, P편광 및 S편광을 포함하는 광에서 S편광을 완전히 제거하지 않고 감소하기 위한 편광자를 갖고, 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 상기 광을 브루스터 각도보다 10°± 3°작은 입사각도로 상기 기판에 입사시키는, 광학계를 구비하는, 상기 검출 장치를 구비하며,
    상기 스테이지는, 상기 검출 장치에 의한 검출에 근거하여, 상기 마크의 높이가 허용 범위에 속하도록 제어되는, 계측 장치.
  6. 패터닝을 기판에 행하는 노광 장치로서,
    상기 기판상의 마크의 위치를 계측하는 계측 장치를 구비하고,
    상기 계측 장치는,
    상기 기판을 보유하고 이동 가능한 스테이지; 및
    굴절률이 서로 다른 복수의 층을 갖는 기판에 광을 비스듬히 입사시켜, 계면에서 반사된 광을 사용하여 상기 복수의 층 중 최상층과 그 아래의 층과의 계면의 높이를 검출하는 검출 장치로서, P편광 및 S편광을 포함하는 광에서 S편광을 완전히 제거하지 않고 감소하기 위한 편광자를 갖고, 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 상기 광을 브루스터 각도보다 10°± 3°작은 입사각도로 상기 기판에 입사시키는, 광학계를 구비하는, 상기 검출 장치를 구비하며,
    상기 스테이지는, 상기 검출 장치에 의한 검출에 근거하여, 상기 마크의 높이가 허용 범위에 속하도록 제어되는, 노광 장치.
  7. 노광 장치를 사용하여 패터닝을 기판에 행하는 단계; 및
    상기 패터닝을 행한 상기 기판을 처리하여 물품을 제조하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 노광 장치는, 패터닝을 상기 기판에 행하되,
    상기 기판상의 마크의 위치를 계측하는 계측 장치를 구비하고,
    상기 계측 장치는,
    상기 기판을 보유하고 이동 가능한 스테이지; 및
    굴절률이 서로 다른 복수의 층을 갖는 기판에 광을 비스듬히 입사시켜, 계면에서 반사된 광을 사용하여 상기 복수의 층 중 최상층과 그 아래의 층과의 계면의 높이를 검출하는 검출 장치로서, P편광 및 S편광을 포함하는 광에서 S편광을 완전히 제거하지 않고 감소하기 위한 편광자를 갖고, 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 상기 광을 브루스터 각도보다 10°± 3°작은 입사각도로 상기 기판에 입사시키는, 광학계를 구비하는, 상기 검출 장치를 구비하며,
    상기 스테이지는, 상기 검출 장치에 의한 검출에 근거하여, 상기 마크의 높이가 허용 범위에 속하도록 제어되는, 물품의 제조 방법.
  8. 굴절률이 서로 다른 복수의 층을 갖는 기판에 광을 비스듬히 입사시켜, 계면에서 반사된 광을 사용하여 상기 복수의 층 중 최상층과 그 아래의 층과의 계면의 높이를 검출하는 검출 장치로서, P편광 및 S편광을 포함하는 광에서 S편광을 완전히 제거하지 않고 감소하기 위한 편광자를 갖고, 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 상기 광을 상기 기판에 입사시키는, 광학계를 구비하고,
    상기 광학계는, 상기 계면에서 반사된 광의 강도에 대한 상기 최상층의 표면에서 반사된 광의 강도의 비율이 브루스터 각도보다 미만인 입사각도로 상기 기판에 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 상기 광을 입사시키는, 검출 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광학계는, 40°내지 55°의 범위내에 있는 상기 입사각도로 상기 기판에 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 광을 입사시키는, 검출 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 광학계는, 상기 비율이 17％이하가 되는 입사각도로 상기 기판에 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 광을 입사시키는, 검출 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 광학계는, 44.5°내지 50.5°의 범위내에 있는 상기 입사각도로 상기 기판에 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 광을 입사시키는, 검출 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판으로의 광의 입사각도를 변경하는 구동소자; 및
    상기 계면에서 반사된 광의 강도에 대한 상기 최상층의 표면에서 반사되는 광의 강도의 비율이 가장 낮아지는 경우의 입사각도 및 상기 최상층의 굴절률과의 관계를 나타내는 정보에 근거하여, 상기 구동소자를 제어하는 제어부를 더 구비하는, 검출 장치.
  13. 기판상의 마크의 위치를 계측하는 계측 장치로서,
    상기 기판을 보유하고 이동 가능한 스테이지; 및
    굴절률이 서로 다른 복수의 층을 갖는 기판에 광을 비스듬히 입사시켜, 계면에서 반사된 광을 사용하여 상기 복수의 층 중 최상층과 그 아래의 층과의 계면의 높이를 검출하는 검출 장치로서, P편광 및 S편광을 포함하는 광에서 S편광을 완전히 제거하지 않고 감소하기 위한 편광자를 갖고, 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 상기 광을 상기 계면에서 반사된 광의 강도에 대한 상기 최상층의 표면에서 반사된 광의 강도의 비율이 브루스터 각도보다 미만인 입사각도로 상기 기판에 입사시키는, 광학계를 구비하는, 상기 검출 장치;
    를 구비하며,
    상기 스테이지는, 상기 검출 장치에 의한 검출에 근거하여, 상기 마크의 높이가 허용 범위에 속하도록 제어되는, 계측 장치.
  14. 패터닝을 기판에 행하는 노광 장치로서,
    상기 기판상의 마크의 위치를 계측하는 계측 장치를 구비하고,
    상기 계측 장치는,
    상기 기판을 보유하고 이동 가능한 스테이지; 및
    굴절률이 서로 다른 복수의 층을 갖는 기판에 광을 비스듬히 입사시켜, 계면에서 반사된 광을 사용하여 상기 복수의 층 중 최상층과 그 아래의 층과의 계면의 높이를 검출하는 검출 장치로서, P편광 및 S편광을 포함하는 광에서 S편광을 완전히 제거하지 않고 감소하기 위한 편광자를 갖고, 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 상기 광을 상기 계면에서 반사된 광의 강도에 대한 상기 최상층의 표면에서 반사된 광의 강도의 비율이 브루스터 각도보다 미만인 입사각도로 상기 기판에 입사시키는, 광학계를 구비하는, 상기 검출 장치;
    를 구비하며,
    상기 스테이지는, 상기 검출 장치에 의한 검출에 근거하여, 상기 마크의 높이가 허용 범위에 속하도록 제어되는, 노광 장치.
  15. 노광 장치를 사용하여 패터닝을 기판에 행하는 단계; 및
    상기 패터닝을 행한 상기 기판을 처리하여 물품을 제조하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 노광 장치는, 패터닝을 상기 기판에 행하되,
    상기 기판상의 마크의 위치를 계측하는 계측 장치를 구비하고,
    상기 계측 장치는,
    상기 기판을 보유하고 이동 가능한 스테이지; 및
    굴절률이 서로 다른 복수의 층을 갖는 기판에 광을 비스듬히 입사시켜, 계면에서 반사된 광을 사용하여 상기 복수의 층 중 최상층과 그 아래의 층과의 계면의 높이를 검출하는 검출 장치로서, P편광 및 S편광을 포함하는 광에서 S편광을 완전히 제거하지 않고 감소하기 위한 편광자를 갖고, 상기 편광자에 의해 S편광이 감소된 상기 광을 계면에서 반사된 광의 강도에 대한 상기 최상층의 표면에서 반사된 광의 강도의 비율이 브루스터 각도보다 미만인 입사각도로 상기 기판에 입사시키는, 광학계를 구비하는, 상기 검출 장치;
    를 구비하며,
    상기 스테이지는, 상기 검출 장치에 의한 검출에 근거하여, 상기 마크의 높이가 허용 범위에 속하도록 제어되는, 물품의 제조 방법.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 광학계는, 상기 광이 입사각도로 상기 기판에 입사되도록 구성되고, 상기 계면에서 반사된 광의 강도에 대한 상기 최상층의 표면에서 반사된 광의 강도 비율이 최소화되도록 상기 최상층의 굴절률에 따라 설정되는, 검출 장치.
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