JP2021518927A - レベルセンサ及びリソグラフィ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、放射ビームを基板の表面に誘導するように配置された投影ユニットと検出ユニットとを備える、基板の表面の位置を測定するためのレベルセンサを提供する。検出ユニットは、基板の表面で反射された放射ビームを受光するように配置された検出格子と、１つ以上の検出器と、放射ビームを検出格子から１つ以上の検出器に誘導するための１つ以上の光学素子と、１つ以上の検出器によって受光された放射ビームに基づいて基板の表面の位置を判定するための処理ユニットとを備える。検出格子及び１つ以上の光学素子は単一集積光学素子に集積される。【選択図】 図５

Description

関連出願の相互参照
[0001] 本願は２０１８年４月１１日に提出された欧州出願第１８１６６７５４．４号の優先権を主張するものであり、同出願は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

[0002] 本発明は、レベルセンサ及びそのようなレベルセンサを備えるリソグラフィ装置に係る。

[0003] リソグラフィ装置は、基板に所望のパターンを適用するように構築された機械である。リソグラフィ装置は、例えば、集積回路（ＩＣ）の製造において使用可能である。リソグラフィ装置は、例えば、パターニングデバイス（例えばマスク）のパターン（「設計レイアウト」又は「設計」と称されることも多い）を、基板（例えばウェーハ）上に提供された放射感応性材料（レジスト）層に投影し得る。

[0004] 半導体製造プロセスが進み続けるにつれ、回路素子の寸法は継続的に縮小されてきたが、その一方で、デバイス毎のトランジスタなどの機能素子の量は、「ムーアの法則」と通称される傾向に従って、数十年にわたり着実に増加している。ムーアの法則について行くべく、半導体産業はますます小さなフィーチャを作り出すことを可能にする技術を追求している。基板にパターンを投影するために、リソグラフィ装置は電磁放射を用い得る。この放射の波長が、基板上にパターン形成されるフィーチャの最小サイズを決定する。現在使用されている典型的な波長は、３６５ｎｍ（ｉ線）、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ及び１３．５ｎｍである。例えば１９３ｎｍの波長を有する放射線を使用するリソグラフィ装置よりも小さなフィーチャを基板上に形成するためには、４ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内、例えば６．７ｎｍ又は１３．５ｎｍの波長を有する極端紫外線（ＥＵＶ）放射を使用するリソグラフィ装置が用いられ得る。

[0005] リソグラフィ装置内に集積され得るトポグラフィ測定システム、レベルセンサ又は高さセンサが、基板（又はウェーハ）の上面のトポグラフィを測定するために配置される。基板のトポグラフィのマップは、高さマップとも称され、基板の高さを基板上の位置の関数として示すこれらの測定から生成され得る。この高さマップはその後、基板上の適正合焦位置でパターニングデバイスの空間像を提供するべく、基板へのパターンの転写の際に基板の位置を補正するために用いられ得る。この文脈において、「高さ」とは、基板に対して概して面外の寸法（Ｚ軸とも称される）を指すことが理解されるであろう。典型的には、レベル又は高さセンサは（自身の光学系に対して）固定された場所で測定を実施し、基板とレベル又は高さセンサの光学系との間の相対移動が基板全体の各場所での高さ測定をもたらす。

[0006] 本技術分野において既知のレベル又は高さセンサＬＳの一例が図２に概略的に示されている。同図は動作の原理のみを図示している。この例において、レベルセンサは、投影ユニットＬＳＰ及び検出ユニットＬＳＤを含む光学系を備えている。投影ユニットＬＳＰは、投影ユニットＬＳＰの投影格子ＰＧＲによって付与される放射ビームＬＳＢを提供する放射源ＬＳＯを備えている。放射源ＬＳＯは、例えば、スーパコンティニューム光源のような狭帯域又は広帯域放射源、偏光又は非偏光レーザビームのような偏光又は非偏光、パルス又は連続であってもよい。放射源ＬＳＯは、複数のＬＥＤなど、異なる色又は波長範囲を有する複数の放射源を含んでいてもよい。レベルセンサＬＳの放射源ＬＳＯは、可視放射に限定されず、追加的又は代替的にはＵＶ及び／又はＩＲ放射並びに基板の表面からの反射に適した任意の範囲の波長を包含し得る。

[0007] 投影格子ＰＧＲは、空間的にパターン形成された光強度を有する放射ビームＢＥ１をもたらす構造を備える。空間的にパターン形成された光強度を有する放射ビームＢＥ１は、入射基板表面に垂直な軸（Ｚ軸）に対して０度から９０度、典型的には７０度から８７度の入射角ＡＮＧをもって、基板Ｗ上の測定場所ＭＬＯの方に誘導される。測定場所ＭＬＯで、空間的にパターン形成された放射ビームＢＥ１は、基板Ｗによって反射され（矢印ＢＥ２によって示される）、検出ユニットＬＳＤの方に誘導される。

[0008] 測定場所ＭＬＯにおける高さレベルを判定するために、レベルセンサは更に、検出格子ＤＧＲと、検出器ＤＥＴと、検出器ＤＥＴの出力信号を処理する処理ユニット（図示しない）とを備える検出システムを備えている。検出格子ＤＧＲは投影格子ＰＧＲと同一であってもよい。検出器ＤＥＴは、受光した光を示す、例えば、光検出器のように受光した光の強度を示す、又はカメラのように受光した強度の空間的分布を表す、検出器出力信号を生成する。検出器ＤＥＴは１つ以上の検出器タイプの任意の組み合わせを備えていてもよい。

[0009] 三角測量技術によって、測定場所ＭＬＯにおける高さレベルを判定することができる。検出された高さレベルは、典型的には検出器ＤＥＴによって測定された信号強度に関係しており、その信号強度は、とりわけ投影格子ＰＧＲの設計及び（斜め）入射角ＡＮＧに応じて決まる周期性を有する。

[00010] 投影ユニットＬＳＰ及び／又は検出ユニットＬＳＤは、投影格子ＰＧＲと検出格子ＤＧＲとの間のパターン形成された放射ビームの経路に沿って、レンズ及び／又はミラーなど、更なる光学素子を含んでいてもよい（図示しない）。

[00011] 一実施形態においては、検出格子ＤＧＲは省略されてもよく、検出器ＤＥＴは検出格子ＤＧＲがある位置に設置されてもよい。そのような構成は、投影格子ＰＧＲの像のより直接的な検出を提供する。

[00012] 基板Ｗの表面を効果的にカバーするために、レベルセンサＬＳは、放射ビームＢＥ１のアレイを基板Ｗの表面上に投影し、それによってより大きな測定範囲をカバーする測定領域ＭＬＯ又はスポットのアレイを生成するように構成されていてもよい。

[00013] 一般的なタイプの様々な高さセンサが、例えば、参照により組み込まれる米国特許第７２６５３６４号明細書及び米国特許第７６４６４７１号明細書に開示されている。可視又は赤外放射の代わりにＵＶ放射を用いた高さセンサが、参照により組み込まれる米国特許出願公開第２０１０２３３６００Ａ１号明細書に開示されている。参照により組み込まれる国際公開第２０１６１０２１２７Ａ１には、多素子検出器を用いて、検出格子を必要とせずに、格子像の位置を検出及び認識する小型の高さセンサが記載されている。

[00014] 基板の表面の位置は、典型的には、基板の表面によって反射される投影された投影格子パターンの変位を判定することによって判定される。例えば参照によって本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１３／００７７０７９号明細書に開示されているようなレベルセンサの一実施形態においては、典型的には繰り返しのルーフトップパターン（repeating rooftop pattern）を備える検出格子を用いて、基板の表面によって反射された放射ビームを、第１のビーム部分と第２のビーム部分とに分割する。１つ以上の検出器によって検出される第１のビーム部分と第２のビーム部分との間の光強度バランスの変化を用いて、検出ユニットによって受光される投影格子パターンの変位を判定することができる。この変位に基づいて、基板の表面の高さを、処理ユニットによって計算することができる。

[00015] レベルセンサのこの既知の実施形態においては、ミラー及びレンズなど複数の光学素子が、ビーム部分を検出格子から１つ以上の検出器へ導くように提供される。全体として分割光学素子と示されるこれらの複数の光学素子は、比較的複雑な構造を有すると共に、比較的大きな容積を必要とする。

[00016] また、分割光学素子に進入する光の大部分、典型的には約５０％は、これらの複数の光学素子において失われる。その結果、レベルセンサの信号対雑音比は比較的低くなる。この光損失は、より多くの光パワーを提供する放射源を用いることによって補償され得る。しかしながら、放射源の光パワーを増大させることは、基板のレジスト層の前露光、すべてのレベルセンサの光汚染のリスク（light contamination risk）など、いくつかの他の欠点をもたらすであろう。

[00017] 本発明の目的は、レベルセンサの既知の実施形態の上記した欠点のうち１つ以上がないレベルセンサを提供することである。

[00018] 本発明の一態様によれば、基板の表面の位置を測定するためのレベルセンサが提供され、このレベルセンサは、
放射ビームを基板の表面に誘導するように配置された投影ユニットと、
検出ユニットであって、
基板の表面で反射された放射ビームを受光するように配置された検出格子と、
１つ以上の検出器と、
放射ビームを検出格子から１つ以上の検出器に誘導するための１つ以上の光学素子と、
を備える検出ユニットと、
１つ以上の検出器によって受光された放射ビームに基づいて基板の表面の位置を判定するための処理ユニットと、
を備えており、検出格子及び１つ以上の光学素子は単一集積光学素子に集積される。

[00019] 単一集積光学素子は、１つ以上の光学素子が単一のデバイス内に配置された素子である。この単一のデバイスは、比較的小型であってもよい。また、単一集積光学素子を通る光路は比較的短くてもよい。なぜなら、放射ビームは、検出格子から１つ以上の検出器に放射ビームを誘導する光学部品まで、１つの単一集積光学素子を通過しさえすればよいからである。なお、単一集積光学素子の「集積」という用語は、検出格子と放射ビームを検出格子から単一の小型デバイス内に配置された１つ以上の検出器に誘導するための１つ以上の光学素子との組み合わせを指す。この用語は、オンチップデバイスとして提供されている光学素子には関係しない。

[00020] 一実施形態においては、単一集積光学素子は、モノリシック素子であるか、又はモノリシック素子として作用する。モノリシック素子とは、材料の１つ又は単一のブロックから形成された単一の素子である。対応する素子は、例えば糊付けによって互いに固定されて材料の単一のブロックを形成するサブエレメントで構成されていてもよい。サブエレメントは、好適には同じ材料で作製される。

[00021] 一実施形態においては、１つ以上の検出器は単一集積光学素子に集積される。１つ以上の検出器も単一集積光学素子に集積することによって、分割光学素子をより小型のデバイス内に提供することができる。

[00022] 一実施形態においては、単一集積光学素子は透明材料のブロックを備えており、検出格子は、透明材料のブロックの上に配置され及び／又は透明材料のブロックの表面上もしくは表面内に形成される。透明材料のブロックは、放射ビームを検出格子から１つ以上の検出器に誘導するために、放射ビームを検出格子から１つ以上の光学素子に導くように配置された任意の適当な形状を有し得る。

[00023] 一実施形態においては、１つ以上の検出器は透明材料のブロックの上に配置される。検出器を透明材料のブロックの上に配置又は固定することによって、検出格子から検出器への分割光学素子の小型性が更に高められるであろう。

[00024] 一実施形態においては、透明材料のブロックは、ビーム又はその一部を１つ以上の検出器に反射するように構成された少なくとも１つの反射面を備えている。

[00025] 一実施形態においては、少なくとも１つの反射面は、ビーム又はその一部を１つ以上の検出器に合焦させるように構成された湾曲形状を有している。この実施形態においては、湾曲した反射面が、放射ビームを１つ以上の検出器に合焦させるために用いられてもよい。これは、レンズ素子が放射ビームを１つ以上の検出器に合焦させる必要性をなくすであろう。

[00026] 一実施形態においては、検出格子は放射ビームを第１のビーム部分と第２のビーム部分とに分割するように構成されており、１つ以上の検出器は第１のビーム部分及び第２のビーム部分を受光するように構成されている。

[00027] 一実施形態においては、１つ以上の光学素子は、第１のビーム部分を１つ以上の検出器に合焦させるように構成された第１のレンズと、第２のビーム部分を１つ以上の検出器に合焦させるように構成された第２のレンズとを備えており、第１のレンズ及び第２のレンズは単一集積光学素子に集積される。

[00028] 一実施形態においては、投影ユニットは複数の放射ビームのアレイを基板の表面に誘導するように構成されており、検出格子は基板の表面で反射された複数の放射ビームを受光するように構成されている。

[00029] 一実施形態においては、１つ以上の光学素子は、各放射ビームの各第１のビーム部分について１つ以上の検出器に第１のビーム部分をそれぞれ合焦させるように構成された１つ以上の第１のレンズと、各放射ビームの各第２のビーム部分について１つ以上の検出器に第２のビーム部分をそれぞれ合焦させるように構成された１つ以上の第２のレンズとを備える。第１のビーム部分及び第２のビーム部分の各々について１つ以上の第１及び第２のレンズ、例えばマイクロレンズを提供することによって、１つ以上の検出器での第１のビーム部分及び第２のビーム部分の合焦性能が改良され得る。

[00030] 一実施形態においては、１つ以上の光学素子は、複数の放射ビームの全ての第１のビーム部分について１つ以上の検出器に第１のビーム部分を合焦させるように構成された第１のレンズと、複数の放射ビームの全ての第２のビーム部分について１つ以上の検出器に第２のビーム部分を合焦させるように構成された第２のレンズとを備える。

[00031] 一実施形態においては、放射ビームを検出格子から検出器に誘導するための１つ以上の光学素子は、複数の放射ビームの各々について少なくとも１つのレンズ、例えばマイクロレンズを備える。

[00032] 一実施形態においては、検出ユニットは、光路中の基板の表面上での反射の後、且つ放射ビームが検出格子によって受光される前に、放射ビームをコリメートするように構成されたコリメータレンズ要素を備える。

[00033] 一実施形態においては、投影ユニットは、放射ビームを提供するように構成された放射源と、放射ビームを受光するように及び放射ビームに空間的にパターン形成された光強度を提供するように構成された構造を備える投影格子とを備える。

[00034] 本発明の一態様によれば、
放射ビームの断面にパターンを付与してパターン形成された放射ビームを形成することのできるパターニングデバイスを支持するように構築されたパターニングデバイスサポートと、
基板を保持するように構築された基板サポートと、
パターン形成された放射ビームを基板のターゲット部分に投影するように構成された投影システムと、
を備えるリソグラフィ装置が提供され、リソグラフィ装置は、基板サポートに支持された基板の表面の位置を測定するためのレベルセンサを備え、レベルセンサは、
放射ビームを基板の表面に誘導するように配置された投影ユニットと、
検出ユニットであって、
基板の表面で反射された放射ビームを受光するように配置された検出格子と、
１つ以上の検出器と、
放射ビームを検出格子から１つ以上の検出器に誘導するための１つ以上の光学素子と、を備える検出ユニットと、
１つ以上の検出器によって受光された放射ビームに基づいて基板の表面の位置を判定するための処理ユニットと、
を備えており、検出格子及び１つ以上の光学素子は単一集積光学素子に集積される。

本発明のレベルセンサは、リソグラフィ装置において有利に適用され得る。レベルセンサは、基板の表面の位置以外の基板の特徴を測定するように配置された他の装置、又は、基板を処理するように配置された他の装置、例えばメトロロジ装置又はｅビーム検査ツールにおいても適用され得る。

[00035] 次に本発明の実施形態を、単なる例として、添付の概略図を参照して説明する。

リソグラフィ装置の図式的概観を表す。 従来技術のレベルセンサの一実施形態を概略的に表し、動作の原理を図解する。 従来技術のレベルセンサの一実施形態をより詳細に表す。 本発明の第１の実施形態によるレベルセンサの一実施形態を表す。 図４の実施形態の単一集積光学素子をより詳細に表す。 単一集積光学素子の第１の代替的な実施形態を表す。 単一集積光学素子の第２の代替的な実施形態を表す。 図７の実施形態の上面図を表す。

本文書において、「放射」及び「ビーム」という用語は、紫外放射（例えば、３６５ｎｍ、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍ又は１２６ｎｍの波長を有する）及びＥＵＶ（極端紫外線、例えば約５〜１００ｎｍの範囲の波長を有する）を含むあらゆるタイプの電磁放射を網羅するものとして用いられる。

[00036] 本文において使用する「レチクル」、「マスク」又は「パターニングデバイス」という用語は、基板のターゲット部分に生成されるべきパターンに対応するパターンを付与された断面を入射放射ビームに与えるために使用可能な汎用パターニングデバイスを指すものとして広義に解釈されてもよい。「ライトバルブ」という用語もこの文脈で用いることができる。古典的なマスク（透過型又は反射型マスク、バイナリマスク、位相シフトマスク、ハイブリッドマスクなど）以外に、他のそのようなパターニングデバイスの例には、プログラマブルミラーアレイ及びプログラマブルＬＣＤアレイがある。

[00037] 図１は、リソグラフィ装置ＬＡを概略的に表す。リソグラフィ装置ＬＡは、放射ビームＢ（例えばＵＶ放射、ＤＵＶ放射又はＥＵＶ放射）を調節するように構成された照明システム（イルミネータとも称される）ＩＬと、パターニングデバイス（例えばマスク）ＭＡを支持するように構築され、特定のパラメータに従ってパターニングデバイスＭＡを正確に位置決めするように構成された第１のポジショナＰＭに接続されたマスクサポート（例えばマスクテーブル）ＭＴと、基板（例えばレジストコートウェーハ）Ｗを保持するように構築され、特定のパラメータに従って基板サポートを正確に位置決めするように構成された第２のポジショナＰＷに接続された、基板サポート（例えばウェーハテーブル）ＷＴと、パターニングデバイスＭＡによって放射ビームＢに付与されたパターンを基板Ｗのターゲット部分Ｃ（例えば１つ以上のダイを含む）に投影するように構成された投影システム（例えば屈折投影レンズシステム）ＰＳとを備える。

[00038] 動作時には、照明システムＩＬは、放射源ＳＯから、例えばビームデリバリシステムＢＤを介して、放射ビームを受ける。照明システムＩＬは、放射を誘導し、整形し、及び／又は制御するための、屈折型、反射型、磁気型、電磁型、静電型、及び／又は他のタイプの光学コンポーネント、あるいはそれらの任意の組み合わせなどの様々なタイプの光学コンポーネントを含むことができる。イルミネータＩＬは、放射ビームＢを、パターニングデバイスＭＡの平面において、その断面が所望の空間強度分布と角度強度分布とを有するように調節するために用いられ得る。

[00039] 本明細書において使用する「投影システム」ＰＳという用語は、例えば使用する露光放射、及び／又は液浸液の使用や真空の使用などの他の要因に合わせて適宜、屈折光学システム、反射光学システム、反射屈折光学システム、アナモルフィック光学システム、磁気光学システム、電磁気光学システム及び／又は静電光学システム、又はその任意の組み合わせを含む様々なタイプの投影システムを網羅するものとして広義に解釈されるべきである。本明細書において「投影レンズ」という用語を使用する場合、より一般的な用語である「投影システム」ＰＳと同義と見なすことができる。

[00040] リソグラフィ装置ＬＡは、投影システムＰＳと基板Ｗとの間の空間を充填するように、基板の少なくとも一部を水などの比較的高い屈折率を有する液体で覆えるタイプでもよい。これは液浸リソグラフィとも称される。液浸技術についての更なる情報は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６９５２２５３号明細書に記載されている。

[00041] リソグラフィ装置ＬＡは、２つ以上の基板サポートＷＴを有するタイプのもの（「デュアルステージ」とも呼ばれる）であってもよい。そのような「マルチステージ」機械においては、基板サポートＷＴが並列に使用されてもよいし、及び／又は、他の基板サポートＷＴ上の他の基板が他の基板Ｗ上のパターンを露光するために使用中である間に、基板サポートＷＴの１つに位置する基板Ｗについて基板Ｗの後続の露光の準備のステップが実行されてもよい。

[00042] 基板サポートＷＴに加え、リソグラフィ装置ＬＡは、測定ステージを備えていてもよい。測定ステージは、センサ及び／又は洗浄デバイスを保持するように配置される。センサは投影システムＰＳのプロパティ又は放射ビームＢのプロパティを測定するように配置されてもよい。測定ステージは複数のセンサを保持していてもよい。洗浄デバイスは、リソグラフィ装置の一部、例えば投影システムＰＳの一部又は液浸液を提供するシステムの一部を洗浄するように配置されてもよい。測定ステージは、基板サポートＷＴが投影システムＰＳから離れているときに、投影システムＰＳの下で移動し得る。

[00043] 動作時には、放射ビームＢは、マスクサポートＭＴ上に保持されたパターニングデバイス、例えばマスクＭＡに入射し、パターニングデバイスＭＡ上に存在するパターン（設計レイアウト）によってパターン形成される。マスクＭＡを通過した放射ビームＢは投影システムＰＳを通り抜け、投影システムはビームを基板Ｗのターゲット部分Ｃ上に合焦させる。第２のポジショナＰＷ及び位置測定システムＩＦの助けを借りて、基板サポートＷＴは、例えば、様々なターゲット部分Ｃを放射ビームＢの経路中の合焦され且つアライメントされた位置に位置決めするように、正確に移動することができる。同様に、第１のポジショナＰＭと恐らくは別の位置センサ（図１には明示されていない）とを用いて、パターニングデバイスＭＡを放射ビームＢの経路に対して正確に位置決めしてもよい。パターニングデバイスＭＡ及び基板Ｗは、マスクアライメントマークＭ１，Ｍ２及び基板アライメントマークＰ１，Ｐ２を使用してアライメントされてもよい。基板アライメントマークＰ１，Ｐ２は、図示では専用のターゲット部分を占めているが、ターゲット部分の間の空間に配置されてもよい。基板アライメントマークＰ１，Ｐ２は、ターゲット部分Ｃの間に配置されるとき、スクライブラインアライメントマークという。

[00044] 本発明を明確化するために、デカルト座標系が用いられる。デカルト座標系は３つの軸、すなわちｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を有する。３つの軸の各々は他の２つの軸に直交する。ｘ軸を中心とする回転はＲｘ回転と称される。ｙ軸を中心とする回転はＲｙ回転と称される。ｚ軸を中心とする回転はＲｚ回転と称される。ｘ軸及びｙ軸は水平面を定義し、その一方でｚ軸は垂直方向にある。デカルト座標系は本発明を限定するものではなく、明確化のためにのみ用いられる。本発明を明確化するためには、代わりに、円筒座標系のような別の座標系が用いられてもよい。デカルト座標系の配向は、例えばｚ軸が水平面に沿った成分を有するなど、異なっていてもよい。

[00045] 図１のリソグラフィ装置ＬＡにはレベルセンサＬＳが組み込まれている。レベルセンサＬＳは、基板（又はウェーハ）の上面のトポグラフィを測定するために配置される。これらの測定値から、基板の高さを基板上の位置の関数として示す、基板のトポグラフィのマップが生成され得る。これは高さマップとも称される。この高さマップはその後、基板上の適正合焦位置でパターニングデバイスの空間像を提供するべく、基板へのパターンの転写の際に基板の位置を補正するために用いられ得る。この文脈において、「高さ」とは、基板に対して概して面外の寸法（Ｚ軸とも称される）を指すことが理解されるであろう。レベルセンサＬＳは、別個のデバイスとして提供されてもよい。

[00046] 上記の本特許出願の「背景」の項で述べたように、図２には本技術分野において周知のレベル又は高さセンサＬＳの一例が概略的に示されており、同図は動作の原理を図示している。

[00047] 図３は、レベルセンサＬＳの従来技術の一実施形態をより詳細に示す。図３は、レベルセンサＬＳが、放射ビームＢＥ１，ＢＥ２を放射源ＬＳＯから検出器ＤＥＴに導くために必要とされるいくつかの光学素子を備えることを示している。光学素子は、図３に示されるように、いくつかの光学素子群に細分され得る。入力光学素子ＩＯは、放射ビームＬＳＢを投影ユニットＬＳＰの投影格子ＰＧＲに導く。投影ユニットＬＳＰは更に、放射ビームＢＥ１を基板Ｗの表面上の測定場所ＭＬＯに誘導する投影光学素子ＰＯを備えている。

[00048] 基板Ｗの表面から反射された放射ビームＢＥ２は、検出ユニットＬＳＤの検出光学素子ＤＯによって受光される。検出光学素子ＤＯは放射ビームＢＥ２を検出格子ＤＧＲへ誘導する。検出格子ＤＧＲは放射ビームＢＥ２を第１のビーム部分ＢＥ２−１と第２のビーム部分ＢＥ２−２とに分割する。分割光学素子ＳＰＯとして示されるいくつかの光学素子が、放射ビーム、特に第１のビーム部分ＢＥ２−１及び第２のビーム部分ＢＥ２−２を検出格子ＤＧＲから検出器ＤＥＴへと誘導するために提供される。なお、図３には１つの検出器が示されているが、実用では複数の検出器ＤＥＴ、例えば第１のビーム部分ＢＥ２−１の光強度を測定するための第１の検出器及び第２のビーム部分ＢＥ２−２の光強度を測定するための第２の検出器が提供されてもよい。

[00049] レベルセンサＬＳは、１つ又は複数の検出器ＤＥＴによって測定される第１のビーム部分ＢＥ２−１の光強度と第２のビーム部分ＢＥ２−２の光強度とを表す１つ以上のセンサ信号を受信するように配置された処理ユニットＰＲＯＣを備えている。処理ユニットＰＲＯＣは、レベルセンサの専用処理ユニット又はリソグラフィ装置ＬＡの中央処理など、任意の適当な処理ユニットであり得る。

[00050] 測定場所ＭＬＯでの基板Ｗの表面の高さが異なると、反射された放射ビームＢＥ２の、投影格子ＰＧＲによって付与される投影された格子パターンが変位するであろう。投影された格子パターンのこの変位の結果、第１のビーム部分ＢＥ２−１と第２のビーム部分ＢＥ２−２とにわたる放射ビームＢＥ２の分布に変化が生じる。検出器ＤＥＴによって測定される第１のビーム部分ＢＥ２−１の光強度と第２のビーム部分ＢＥ２−２の光強度との比較によって、投影された格子パターンの変位を判定すると共にそれを用いて処理ユニットＰＲＯＣで基板Ｗの表面の高さ又は高さの違いを計算することができる。

[00051] 概して、基板Ｗの表面の高さＷ_{ｈｅｉｇｈｔ}と第１のビーム部分ＢＥ２−１及び第２のビーム部分ＢＥ２−２との関係は、次のように記述することができる。

ここで、Ｗ_{ｈｅｉｇｈｔ}は測定場所ＭＬＯにおける基板Ｗの表面の高さであり、放射ビームＢＥ−１はこの表面上のその測定場所において反射する。Ｉ_{ＢＥ２−１}は第１のビーム部分ＢＥ２−１の光強度であり、Ｉ_{ＢＥ２−２}は第２のビーム部分ＢＥ２−２の光強度である。

[00052] 実用では、分割光学素子ＳＰＯは、設計が比較的複雑であり、比較的大きな容積を必要とする。更に、分割光学素子ＳＰＯにおける光損失は著しく、例えば約５０％である。これは信号喪失と、ひいてはレベルセンサＬＳの比較的低い信号対雑音比とをもたらす。

[00053] この信号喪失に関して考えられる解決策は、放射源ＬＳＯのパワーを増大させることである。もっとも、この光パワーの増大は、いくつかの欠点を有しており、したがって限定的である。特に、光パワーの増大には、基板Ｗのレジスト層の前露光のリスクがある。これは一般的に望ましくない。また、増大された光パワーは、レベルセンサの様々な部品間及びことによっては他の光センサ間の光汚染のリスクを高める。例えば、レベルセンサの既知の実施形態においては、隣接する異なる測定場所における基板の高さを同時に測定するように、複数の放射ビームがアレイ内に互いに隣り合って提供される。光パワーを増大させると、複数の放射ビームの混合及びそれによる誤測定が生じ得る。増大された光パワーの提供のもう１つの欠点は、その増大された光パワーに適応するために、より大きな容積を必要とし得る新規の放射源ＬＳＯが設計されなければならないということである。

[00054] 図４は、本発明の第１の実施形態による、測定場所ＭＬＯで基板Ｗの表面の位置を測定するためのレベルセンサＬＳを示す。レベルセンサＬＳは、概して、図３に示されるレベルセンサＬＳと同様に構築されている。

[00055] 図３のレベルセンサＬＳと図４のレベルセンサＬＳとの主な違いは、検出格子ＤＧＲ及び分割光学素子ＳＰＯが単一集積光学素子ＳＩＥに集積されているという点である。コリメートされた放射ビームＢＥ２を単一集積光学素子ＳＩＥに提供する／導くために、コリメータレンズＣＯＬが配置されてもよい。コリメータレンズＣＯＬは、例えば、検出光学素子ＤＯの一部であってもよい。

[00056] 図５は、単一集積光学素子ＳＩＥをより詳細に示す。単一集積光学素子ＳＩＥは、本実施形態においては、透明材料のブロックＢＬ、例えばガラスのブロックを備えている。検出格子ＤＧＲは、例えば糊付けによって、透明材料のブロックＢＬに固定される。代替的な一実施形態においては、検出格子ＤＧＲは、透明材料のブロックＢＬの表面上又は表面内に形成されてもよい。第１のビーム部分ＢＥ２−１及び第２のビーム部分ＢＥ２−２は、透明材料のブロックＢＬの材料を通じて伝搬する。当業者には、第１のビーム部分ＢＥ２−１及び第２のビーム部分ＢＥ２−２を透過させるために、透明材料のブロックＢＬは十分に透明でなければならないことが明らかであろう。

[00057] レベルセンサＬＳは、第１のビーム部分ＢＥ２−１の光強度を測定するための第１の検出器ＤＥＴ−１と、第２のビーム部分ＢＥ２−２の光強度を測定するための第２の検出器ＤＥＴ−２とを備えている。第１の検出器ＤＥＴ−１及び第２の検出器ＤＥＴ−２も単一集積光学素子ＳＩＥに集積される。典型的には、第１の検出器ＤＥＴ−１及び第２の検出器ＤＥＴ−２は、例えば糊付けによって、透明材料のブロックＢＬの表面に固定される。

[00058] 透明材料のブロックＢＬの、検出格子ＤＧＲが配置されている側部と反対の側部には、反射面ＲＳＦが設けられる。反射面ＲＳＦは、検出格子ＤＧＲから到来する第１のビーム部分ＢＥ−１及び第２のビーム部分ＢＥ−２を、それぞれ第１の検出器ＤＥＴ−１及び第２の検出器ＤＥＴ−２へと反射する。反射面ＲＳＦは、透明材料のブロックＢＬそれ自体の材料で形成されてもよく、及び／又は透明材料のブロックＢＬに反射コーティングが設けられてもよい。

[00059] 検出格子ＤＧＲ及び分割光学素子ＳＰＯを集積された単一集積光学素子ＳＩＥは、モノリシック素子であるか、又はモノリシック素子として作用する。つまり、検出光学素子ＤＯからの放射ビームＢＥ２を受光するために材料の単一のブロックが提供され、ここで、モノリシック素子の検出格子ＤＧＲは放射ビームＢＥ２を第１のビーム部分ＢＥ２−１と第２のビーム部分ＢＥ２−２とに分割し、モノリシック素子は更に、第１のビーム部分ＢＥ２−１及び第２のビーム部分ＢＥ２−２をそれぞれ第１の検出器ＤＥＴ−１及び第２の検出器ＤＥＴ−２に誘導する。

[00060] 単一集積光学素子の主な利点は、検出格子ＤＧＲ及び分割光学素子ＳＰＯ、すなわち検出格子ＤＧＲと検出器ＤＥＴとの間の光学素子に必要な容積が実質的に削減されるということである。単一集積光学素子ＳＩＥは、例えば、リソグラフィ装置ＬＡ又はレベルセンサを備える何らかの他の装置、例えばメトロロジ又は検査装置の、メトロロジフレームの枠部の底部に設置されてもよい。また、比較的小さな透明材料のブロックＢＬは、典型的には比較的低い光損失を有するであろう。これは、レベルセンサＬＳが、高パワーの放射源ＬＳＯを適用する必要なしに、良好な信号対雑音比を有し得ることを保証する。

[00061] なお、比較的小さな透明材料のブロックＢＬにおいて第１のビーム部分ＢＥ２−１及び第２のビーム部分ＢＥ２−２のより長い光路長を作り出すためには、第１のビーム部分ＢＥ２−１及び第２のビーム部分ＢＥ２−２がそれぞれ検出器ＤＥＴ−１，ＤＥＴ−２によって受光される前に複数回反射され得るように、より多くの反射面ＲＳＦが提供されてもよい。このより長い光路長を用いて、例えば、異なるビーム間により大きな間隔を作り出すことができる。

[00062] 図６は、本発明による単一集積光学素子ＳＩＥの第２の実施形態を示す。この実施形態も透明材料のブロックＢＬを備えている。透明材料のブロックＢＬの第１の側部には検出格子ＤＧＲと第１の検出器ＤＥＴ−１及び第２の検出器ＤＥＴ−２とが配置されており、第１の側部と反対の第２の側部には、反射面ＲＳＦが、検出格子ＤＧＲから到来する第１のビーム部分ＢＥ２−１及び第２のビーム部分ＢＥ２−２をそれぞれ第１の検出器ＤＥＴ−１及び第２の検出器ＤＥＴー２に誘導するように設けられている。

[00063] 図６の実施形態においては、反射面ＲＳＦは湾曲しており、ここで、反射面ＲＳＦの形状、又は曲率は、第１のビーム部分ＢＥ２−１を第１の検出器ＤＥＴ−１に及び第２のビーム部分ＢＥ２−２を第２の検出器ＤＥＴ−２に合焦させるように設計されている。湾曲した反射面ＲＳＦを用いて第１のビーム部分ＢＥ２−１及び第２のビーム部分ＢＥ２−２をそれぞれ検出器ＤＥＴ−１，ＤＥＴ−２に合焦させることによって、例えば単一フォトダイオードなど、より小さな検出器が単一集積光学素子ＳＩＥにおいて用いられ得る。また、第１のビーム部分ＢＥ２−１及び第２のビーム部分ＢＥ２−２の合焦は概して、単一集積光学素子ＳＩＥに必要な容積を削減し得る。

[00064] 図６の実施形態の反射面ＲＳＦはｙ軸を中心として湾曲している。別の一実施形態においては、反射面ＲＳＦは、２つの軸、例えばＹ軸及びＺ軸を中心として湾曲していてもよい。これにより、第１のビーム部分ＢＥ２−１の第１の検出器ＤＥＴ−１での合焦及び第２のビーム部分ＢＥ２−２の第２の検出器ＤＥＴ−２での合焦が更に改良され得る。

[00065] なお、一実施形態においては、反射面ＲＳＦの形状又は曲率は更に、第１のビーム部分ＢＥ２−１及び第２のビーム部分ＢＥ２−２のサブビームをアライメントするように設計されてもよい。これにより、光路中の検出格子ＤＧＲの前に図４に示されるコリメータレンズＣＯＬのような別個のコリメーションレンズを配置することが不要になるであろう。

[00066] 図７は、本発明による単一集積光学素子ＳＩＥの第３の実施形態を、側面図で示す。単一集積光学素子ＳＩＥは透明材料のブロックＢＬを備えており、透明材料のブロックＢＬの一方の側部には検出格子ＤＧＲが集積されている。透明材料のブロックＢＬの反対の側部には、第１のレンズＭＬＥ−１及び第２のレンズＭＬＥ−２が設けられている。第１及び第２のレンズＭＬＥ−１，ＭＬＥ−２は、一実施形態においてはマイクロレンズであり、これらは比較的小さなレンズである。レンズＭＬＥ−１，ＭＬＥ−２は、例えば糊付けによって、透明材料のブロックＢＬに固定される。代替的な一実施形態においては、レンズＭＬＥ−１，ＭＬＥ−２は、透明材料のブロックＢＬ内に形成されてもよい。

[00067] 第１のレンズＭＬＥ−１は、第１のビーム部分ＢＥ２−１を第１の検出器ＤＥＴ−１に誘導するように配置されている。対応して、第２のレンズＭＬＥ−２は、第２のビーム部分ＢＥ２−２を第２の検出器ＤＥＴ−２に誘導するように配置されている。このように、図５及び６の実施形態において提供された反射面ＲＳＦの代わりに、図７の実施形態は、単一集積光学素子ＳＩＥに集積されたレンズを備えている。本実施形態の第１の検出器ＤＥＴ−１及び第２の検出器ＤＥＴ−２は、本実施形態においては、単一集積光学素子ＳＩＥに集積されていない。更なる一実施形態（図示しない）においては、第１及び第２のレンズＭＬＥ−１，ＭＬＥ−２は単一集積光学素子ＳＩＥの内部に集積され、第１及び第２の検出器ＤＥＴ−１，ＤＥＴ−２は、単一集積光学素子ＳＩＥの、第１及び第２のレンズＭＬＥ−１，ＭＬＥ−２にそれぞれ対向する表面上に配置される。

[00068] 実用では、レベルセンサＬＳは、投影格子ＰＧＲを通じて伝搬して様々な強度の放射ビームＢＥ−１のアレイを形成すると共に投影光学素子ＰＯによって基板の表面上の複数の隣接する測定場所ＭＬＯに投影される放射ビームＢＥのアレイを提供するように構成されてもよい。

[00069] 基板Ｗの表面上の隣接する測定場所ＭＬＯで反射された放射ビームＢＥ−２のアレイは、投影光学素子ＰＯを通じて単一集積光学素子ＳＩＥへと導かれ得る。

[00070] 図８は、図７に示される単一集積光学素子ＳＩＥに対応する単一集積光学素子ＳＩＥの上面図を示す。図８には、４本の隣接する放射ビームＢＥ２が示されている。実用では、隣接する放射ビームの数はかなり大きくてもよい。例えば、放射源ＬＳＯは、３５本の隣接する放射ビームのアレイを提供し得る。

[00071] 放射ビームＢＥ２の各々は、検出格子ＤＧＲによって第１のビーム部分と第２のビーム部分とに分割される。それぞれの第１のビーム部分ＢＥ２−１をそれぞれの第１の検出器ＤＥＴ−１に合焦させるように、各第１のビーム部分について１つの第１のレンズＭＬＥ−１が提供される。対応して、それぞれの第２のビーム部分をそれぞれの第２の検出器ＤＥＴ−２に合焦させるように、各第２のビーム部分について１つの第２のレンズＭＬＥ−２が提供される。第１のレンズＭＬＥ−１及び第２のレンズＭＬＥ−２は互いの上に配置されるので、図８では第１のレンズＭＬＥ−１と第２のレンズＭＬＥ−２とがまとめてＭＬＥ−１，２として示されている。同様に、第１の検出器ＤＥＴ−１及び第２の検出器ＤＥＴ−２は、図８ではまとめてＤＥＴ−１，２として示されている。

[00072] このように、放射ビームＢＥ２のアレイの各第１のビーム部分及び各第２のビーム部分について別個のマイクロレンズＭＬＥ−１又はＭＬＥ−２が提供される。これには、各第１及び第２のビーム部分を関連する検出器ＤＥＴ−１又はＤＥＴ−２に最適に合焦させることができるという利点がある。

[00073] なお、各ビーム部分について専用のレンズ、例えばマイクロレンズを提供することは、レンズが単一集積光学素子ＳＩＥ内に集積されない又は単一集積光学素子ＳＩＥのない実施形態においても有利であり得る。例えば、図３の実施形態においては、各ビーム部分について単一のマイクロレンズが分割光学素子ＳＯ内に提供され得る。

[00074] 図７及び８の実施形態の代替的な一実施形態（図示しない）においては、第１のレンズ要素が、放射ビームＢＥ２のアレイの全ての第１のビーム部分ＢＥ２−１を関連する検出器ＤＥＴ−１に誘導及び／又は合焦させるように提供されてもよく、第２のレンズ要素が、放射ビームＢＥ２のアレイの全ての第２のビーム部分ＢＥ２−２を関連する検出器ＤＥＴ−２に誘導及び／又は合焦させるように提供されてもよい。第１のレンズ要素及び第２の要素は、好適には単一集積光学素子ＳＩＥに集積される。

[00075] さらに別の代替的な一実施形態においては、単一集積光学素子ＳＩＥは、第１のビーム部分ＢＥ２−１と第２のビーム部分ＢＥ２−２との各組み合わせについて１つのレンズ要素を備えていてもよく、又は、放射ビームＢＥ２のアレイの全ての第１のビーム部分ＢＥ２−１及び第２のビーム部分ＢＥ２−２について１つのレンズ要素が提供されてもよい。

[00076] 上記では、透過型検出格子を備える単一集積光学素子ＳＩＥの実施形態を記載してきた。代替的な実施形態においては、検出格子は、反射要素、例えばルーフトップパターンを有する反射要素であってもよく、放射ビームはその反射要素で反射される。

[00077] 上記の実施形態で記載してきた単一集積光学素子ＳＩＥは、移動可能及び／又は回転可能に構成されてもよい。そうすれば、単一集積光学素子ＳＩＥは、例えば較正プロセスの際に、第１及び第２のビーム部分にアライメントされ得ることが規定される。単一の光学素子を移動させること及び／又は回転させることは、光学素子を移動させる及び／又は回転させる様々な既知の技術によって実施され得る。

[00078] 上記の実施形態で記載してきたレベルセンサは、基板の表面の位置を測定するリソグラフィ装置以外にも適用又は使用され得る。例えば、レベルセンサは、基板の表面の位置以外の基板の特徴、例えばアライメントパラメータ、オーバーレイパラメータ、及び／又は基板上の欠陥の特徴を測定するように構成されたメトロロジ装置においても適用され得る。例えば、実施形態によるレベルセンサは、ｅビーム検査装置に適用されるか又は集積されてもよい。

[00079] 本文ではＩＣの製造におけるリソグラフィ装置の使用に特に言及しているが、本明細書で説明するリソグラフィ装置には他の用途もあることを理解されたい。考えられる他の用途は、集積光学システム、磁気ドメインメモリ用のガイダンス及び検出パターン、フラットパネルディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、薄膜磁気ヘッドなどの製造である。

[00080] 本明細書ではリソグラフィ装置に関連して本発明の実施形態について具体的な言及がなされているが、本発明の実施形態は他の装置に使用することもできる。本発明の実施形態は、マスク検査装置、メトロロジ装置、ｅビーム検査ツール、又はウェーハ（あるいはその他の基板）もしくはマスク（あるいはその他のパターニングデバイス）などのオブジェクトを測定又は処理する任意の装置の一部を形成してよい。これらの装置は一般にリソグラフィツールと呼ばれることがある。このようなリソグラフィツールは、真空条件又は周囲（非真空）条件を使用することができる。

[00081] 上記では光リソグラフィの文脈における本発明の実施形態の使用を特に参照しているかもしれないが、本発明は、文脈上許される場合、光リソグラフィに限定されないこと、及び他の用途、例えばインプリントリソグラフィに用いられ得ることがわかるであろう。

[00082] 文脈上許される場合、本発明の実施形態は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又はそれらの任意の組み合わせにおいて実装することができる。本発明の実施形態は、１つ以上のプロセッサにより読み取られて実行され得る、機械可読媒体に記憶された命令として実装することも可能である。機械可読媒体は、機械（例えばコンピューティングデバイス）により読み取り可能な形態で情報を記憶又は伝送するための任意の機構を含むことができる。例えば機械可読媒体は、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリデバイス、電気、光、音響又は他の形態の伝搬信号（例えば搬送波、赤外信号、デジタル信号など）、及び他のものを含むことができる。さらに、ファームウェア、ソフトウェア、ルーチン、命令は、特定のアクションを実行するものとして本明細書で説明されることがある。しかしながら、そのような説明は単に便宜上のものであり、そのようなアクションは実際には、ファームウェア、ソフトウェア、ルーチン、命令などを実行するコンピューティングデバイス、プロセッサ、コントローラ、又は他のデバイスから生じ、実行する際、アクチュエータ又は他のデバイスが物質世界と相互作用し得ることを理解すべきである。

[00083] 本発明の特定の実施形態は上で説明されてきたが、本発明は、説明された以外の方法で実施され得ることが理解されるであろう。上記の説明は、限定ではなく、説明を目的としている。したがって、以下に記載される特許請求の範囲から逸脱することなく、記載されるように本発明に修正を加えることができることは当業者には明らかであろう。

Claims (15)

1. 基板の表面の位置を測定するためのレベルセンサであって、
   放射ビームを前記基板の前記表面に誘導するように配置された投影ユニットと、
   検出ユニットであって、
   前記基板の前記表面で反射された前記放射ビームを受光するように配置された検出格子と、
   １つ以上の検出器と、
   前記放射ビームを前記検出格子から前記１つ以上の検出器に誘導するための１つ以上の光学素子と、を備える検出ユニットと、
   前記１つ以上の検出器によって受光された前記放射ビームに基づいて前記基板の前記表面の前記位置を判定するための処理ユニットと、
   を備えており、
   前記検出格子及び前記１つ以上の光学素子は単一集積光学素子に集積される、レベルセンサ。
2. 前記単一集積光学素子は、モノリシック素子であるか、又はモノリシック素子として作用する、請求項１のレベルセンサ。
3. 前記１つ以上の検出器は前記単一集積光学素子に集積される、請求項１又は２のいずれかのレベルセンサ。
4. 前記単一集積光学素子は透明材料のブロックを備えており、前記検出格子は、前記透明材料のブロックの上に配置され及び／又は前記透明材料のブロックの表面上もしくは表面内に形成される、請求項１から３のいずれかのレベルセンサ。
5. 前記１つ以上の検出器は前記透明材料のブロックの上に配置される、請求項４のレベルセンサ。
6. 前記透明材料のブロックは、前記ビーム又はその一部を前記１つ以上の検出器に反射するように構成された少なくとも１つの反射面を備えている、請求項４のレベルセンサ。
7. 前記少なくとも１つの反射面は、前記ビーム又はその一部を前記１つ以上の検出器に合焦させるように構成された湾曲形状を有している、請求項６のレベルセンサ。
8. 前記検出格子は前記放射ビームを第１のビーム部分と第２のビーム部分とに分割するように構成されており、前記１つ以上の検出器は前記第１のビーム部分及び前記第２のビーム部分を受光するように構成されている、請求項１から７のいずれかのレベルセンサ。
9. 前記１つ以上の光学素子は、前記第１のビーム部分を前記１つ以上の検出器に合焦させるように構成された第１のレンズと、前記第２のビーム部分を前記１つ以上の検出器に合焦させるように構成された第２のレンズとを備えており、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズは前記単一集積光学素子に集積される、請求項８のレベルセンサ。
10. 前記投影ユニットは複数の放射ビームのアレイを前記基板の前記表面に誘導するように構成されており、前記検出格子は前記基板の前記表面で反射された前記複数の放射ビームを受光するように構成されている、請求項１から９のいずれかのレベルセンサ。
11. 前記１つ以上の光学素子は、各放射ビームの各第１のビーム部分について前記１つ以上の検出器に前記第１のビーム部分をそれぞれ合焦させるように構成された１つ以上の第１のレンズと、各放射ビームの各第２のビーム部分について前記１つ以上の検出器に前記第２のビーム部分をそれぞれ合焦させるように構成された１つ以上の第２のレンズとを備える、請求項８及び１０のレベルセンサ。
12. 前記１つ以上の光学素子は、前記複数の放射ビームの全ての第１のビーム部分について前記１つ以上の検出器に前記第１のビーム部分を合焦させるように構成された第１のレンズと、前記複数の放射ビームの全ての第２のビーム部分について前記１つ以上の検出器に前記第２のビーム部分を合焦させるように構成された第２のレンズとを備える、請求項８及び１０のレベルセンサ。
13. 前記放射ビームを前記検出格子から前記検出器に誘導するための前記１つ以上の光学素子は、前記複数の放射ビームの各々について少なくとも１つのレンズを備える、請求項８のレベルセンサ。
14. 前記検出ユニットは、前記光路中の前記基板の前記表面上での反射の後、且つ前記放射ビームが前記検出格子によって受光される前に、前記放射ビームをコリメートするように構成されたコリメータレンズ要素を備える、請求項１から１３のいずれかのレベルセンサ。
15. 前記基板サポートに支持された基板の表面の位置を測定するように構成された請求項１から１４のいずれかのレベルセンサを備える装置。

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