JP2005172503A - 静電容量センサを用いた計測装置およびそれを用いた製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 静電容量センサを用いてターゲットの距離を測定する際、ターゲットをアースに対して低インピーダンスで接合するのが難しい場合がある。
【解決手段】 搭載台と、センサプローブ保持部材と、前記センサプローブに接続し計測結果を出力する第１端子と第２端子を有するセンサアンプと、を有し、前記第１端子に前記センサプローブの電極を接続し、前記第１端子と第２端子間に前記センサプローブを含む被計測系の閉回路を接続し、前記ターゲットを移動可能とするステージを備え、前記ステージを駆動制御するステージ制御部を備え、ターゲットを移動させながら計測を行う計測装置において、前記ターゲットとの間で所望の静電容量を発 生せしめるように、非接触かつ近接して導体部材を設置し、前記導体部材は計測範囲内の前記ステージの移動に伴いターゲットとの間の静電容量が変化しないように設置されていることを特徴とする計測装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電容量センサを用いてターゲットの位置、形状などを計測するシステムに関するものである。

また、その計測システムを使用しマスク原版のパターンを基板もしくは立体物に転写する露光システム、さらに加工システムや半導体プロセスの処理システムに応用されるものである。

試料(ターゲット)の位置や形状を精密に計測する方式の一つに、静電容量センサを用いたものがある。この方式はセンサプローブとターゲット間に生じる静電容量の大きさを検出することによって、センサプローブとターゲット間の距離を計測するものである。静電容量は交流インピーダンスとして検出される。具体的には、センサアンプから供給される微弱な交流電流を、センサプローブからターゲットに向かって流し込み、そのインピーダンスによる電圧降下を計測する場合が多い。センサプローブからターゲットに流れ込んだ電流は、通常システムの筐体アースと概ね同電位にした導体を通して、センサアンプのもう一方の端子に還流させる。通常、計測する静電容量はpFオーダーの小さな値なので、浮遊容量の影響を受けやすい。そのため、センサアンプからセンサプローブまでの実装および、ターゲットからのアースラインの実装は、浮遊容量の影響が少なくなるように電位を設定しているのが普通である。

静電容量センサは、十分インピーダンスが低いターゲットをアースに対して低インピーダンスで結合して使用するのが理想的である。そのため、ターゲットを載せる搭載台を導体で構成して、搭載台をアースに接続する構成がよく用いられる。

図４は、静電容量センサを用いた従来例の測定装置の構成図である。固定された静電容量センサを備え、ターゲットを搭載したステージを移動することにより複数の計測点を順次計測している。
特開平05-160004 特開平10-321515

ところが、搭載台によって、ターゲットをアースに対して低インピーダンスで接合するのが難しい場合がある。例えば、ターゲットの形状、搭載台の形状、搭載台の材質に制約がある場合である。このような場合には、従来の方法ではターゲットとアース間の結合を低インピーダンスにできない。結果、計測の安定性、精度が悪化したり、ターゲットによるオフセットが生じたりする。図６に示す従来例においても、チャック、ステージが絶縁性のため、ターゲットはアースに対して低いインピーダンスで結合できていない。

次善の策として、ターゲットとアースとの間を容量的に結合して使用する場合もある。その場合には、ターゲットとアース間の結合インピーダンスが計測中に変化すると、計測に誤差が生じる。特にセンサプローブとターゲットを相対的に移動して計測する場合には、前記結合インピーダンスが変わりやすい。

図６に示す従来例の計測装置のアースインピーダンス変化による計測誤差の発生について、図７を用いて説明する。ターゲットとセンサ保持用フレーム間には、容量結合が生じるその結合によるインピーダンスは、対向する面積と間隔で決まる。間隔を一定とすると、面積に反比例比例した大きさのインピーダンスとなる。図７において、センサ保持部材によるアースインピーダンスは、計測範囲外ではほぼ０である。計測範囲内では、対向面積に反比例した値を示す。センサプローブが定振幅電流タイプである場合には、このインピーダンス変化による電圧降下分が、そのまま誤差として検出される。従来においては、図７に示すような計測誤差を生じることになる。

静電容量センサを用いてセンサプローブと被計測ターゲット間の距離を計測する装 置であって、前記ターゲットを搭載する搭載台と、前記センサプローブを保持するプ ローブ保持部材と、前記センサプローブに接続し計測結果を出力する第１端子と第２ 端子を有するセンサアンプと、を有し、前記第１端子に前記センサプローブの電極を 接続し、前記第１端子と第２端子間に前記センサプローブを含む被計測系の閉回路を 接続し、前記ターゲットを移動可能とするステージを備え、前記ステージを駆動制御 するステージ制御部を備え、ターゲットを移動させながら計測を行う計測装置において、前記ターゲットとの間で所望の静電容量を発生せしめるように、非接触かつ近接して 導体部材を設置し、前記導体部材は計測範囲内の前記ステージの移動に伴いターゲッ トとの間の静電容量が変化しないように設置されていることを特徴とする。

本発明の第１の実施例によれば、静電容量センサを用いてセンサとターゲットを相対的に移動しながら計測する装置において、従来ターゲットとアース間のインピーダンスを一定にすることが困難で誤差を生じていた場合においても、著しく低減することができる。

また、本発明の第２の実施例によれば、半導体露光転写において、線幅の微細化、線幅制御の高精度化、高スループット、露光装置の低コスト化、小型化をもたらすことができる。

また、本発明の第２の実施例によれば、ターゲットのセンサプローブに面している側の空間に制約がある場合にも、ターゲットとアース間のインピーダンスを一定にすることができる。

本発明の実施の形態として、半導体ウエハ位置計測装置について説明する。

（第１の実施例）
半導体ウエハ位置計測装置について、図１を用いて説明する。

本装置の目的は、固定されたセンサプローブを用いて、SiN製真空チャック上に真空吸着された半導体ウエハの表面高さを計測することである。

ここで、センサプローブとターゲット間の間隔を計測ギャップと呼ぶことにする。計測ギャップはセンサプローブの種類によって設定が異なるが、本実施例では200〜300μｍ程度としている。

センサプローブは、同軸上に中心から中心電極、ガード電極、外部電極の3層構造になっている。計測に使用する電極は中心電極であり、センサアンプの中心電極用端子に接続される。センサアンプから中心電極には、数10kHzの正弦波定振幅電流を流す。その電流が容量結合されたターゲットを介して、筐体アースに流れる。アースはセンサアンプのアース端子に接続される。センサアンプは中心電極用端子とアース端子間の電圧を検出することにより、計測ギャップの容量性インピーダンスを含んだ、ループのインピーダンスがわかる。計測ギャップをｄ、センサプローブとターゲット間の実効的な対向面積をＳとすれば、計測ギャップの静電容量Ｃは次式で表される。

Ｃ＝εo・Ｓ／ｄ
(εoは真空中の誘電率であり、空気中の誘電率はこれとほぼ同じであるとする)
センサプローブに流す交流の角周波数をω、電流値をｉとすれば、中心電極用端子とアース端子間の電圧値ｅは次式で表される。

ｅ＝ｉ／（ω・Ｃ）
上記両式より、
ｅ＝ｉ・ｄ／（ω・εo・Ｓ）
ｄ＝ｅ・ω・εo・Ｓ／ｉ
が導かれる。ｉ、ω、Ｓが変化しないとすれば、ｅに比例したｄが得られる。
ガイド電極は、中心電極から出た電界が周辺に広がるのを防止するために設けてある。ガード電極はセンサアンプのガード電極用端子に接続される。ガード電極用端子は、ｅと同じ電圧で、低出力インピーダンスのドライバによりドライブされる。また、センサアンプとセンサプローブ間の接続には同軸ケーブルを使用しており、同軸ケーブルの中心線に中心電極、シールド線にガード電極を接続している。これにより、接続ケーブルの２線間の容量の影響をキャンセルしている。

センサアンプは、前記のセンサプローブのドライブと電圧の計測を行う。計測された電圧はA/D変換されて、コントローラーに伝送される。コントローラーは、計測値の処理と表示などを行う。この際、コントローラー内部でオフセット、ゲイン、非リニアリティーなどの補正を行ってもよい。

真空チャックは、SiN製のセラミックスで構成している。これは温度変化によるチャックの変形を防ぐためである。同様にチャックの搭載台もセラミックスで構成している。

従って、ターゲットの裏面側はほとんど絶縁体で構成されているので、ターゲットからアースへの結合はほとんど期待できない。

そこで、本発明の最も重要な要素である対向アース板を用いて、ターゲットとアース間のインピーダンスを低くしている。この点について以下に説明する。
ターゲット表面と対向アース板との間隔ｄ2は、100〜400μm程度の距離を保って設置されている。本実施例の場合は、ターゲットの面積をすべてカバーするように対向アース板を設置している。ターゲットと対向アース板が重なる投影面積をS2とすると、ターゲットと対向アース板間の静電容量Ｃ2は次式で表される。

Ｃ2＝εo・Ｓ2／ｄ2
Ｃ2は大きい方が望ましい。

さらに、ターゲットの移動に伴い、ターゲットと対向アース板間で形成される平板コンデンサの対向電極面積、距離が変化すると、当然アースインピーダンスが変化してしまう。そこで本実施例では、計測を行う全ステージ移動範囲について、ターゲットの面積を完全に対向させ、なおかつ若干の余白が生じるように対向アース板を設置している。これにより、計測時のどのステージ座標においても安定したアースインピーダンスを保てる。

本実施例におけるアースインピーダンスと計測値の関係について図２を用いて説明する。なお、説明のためターゲットは完全な平面とし、ステージも完全に平行移動すると仮定する。

ステージストロークの−Ｘ側いっぱいに送った状態(P201)では、ターゲットと対向アース板は全く重なっていないので、この両者の容量結合によるインピーダンスは相当高い値になる。P201からステージを＋Ｘ方向に移動していくと、ターゲットと対向アース板の重なる面積が増加していき、計測開始点(P203)の少し−Ｘの点(P202)で重なる面積は最大に達する。さらにステージを＋Ｘ方向に移動すると、計測終了点(P204)をわずかに過ぎた点まで、両者が重なる面積は最大のまま変わらない。ターゲットと対向アース板間の結合インピーダンスは、重なる面積に反比例するので、図２のような形となる。本実施例では、P202〜P204の範囲以外では、ターゲットがセンサプローブの計測位置からはずれるので、計測値はレンジオーバーを示す。図２でわかるように、計測範囲内で前記結合インピーダンスは一定であり、その結果、アースインピーダンス変化による計測値誤差も発生しない。

（第２の実施例）
ステップアンドリピートによりマスクパターンをウエハに転写するＸ線ステッパーについて説明する。

図２はシンクロトロンリング光源を使用したプロキシミティーギャップ等倍Ｘ線露光装置の一部である。図２は、装置のうち、静電容量センサに関係する部分を掲載したものである。実際の装置では、図２の部分は密封チャンバーに入れられ、20kPaの高純度ヘリウム雰囲気にて使用される。

本実施例においては、マスクとウエハを10μm以下の極微小なギャップに保持して露光を行うため、ウエハ表面およびマスク表面の高さ計測に高い精度が要求される。設定されたギャップが想定と異なる場合には、線幅精度の悪化など露光結果に重大な影響を及ぼす。また、高スループットを実現するために露光ギャップを保ったまま、ウエハをステップリピートさせる。その際、マスク面とウエハ面の平行度が悪いと、マスクメンブレンの変形により露光結果の悪化、さらにはメンブレンの破壊につながる恐れもある。

本実施例では、シンクロトロンリングから放射されたＸ線は図示された方向に導入される。これにあわせてマスク、ウエハとも垂直に保持された状態で露光される。

マスクの構造を図３に示す。マスクフレームはSiC製で直径125mmである。マスクフレームに４インチ径のマスク基板が貼り合わされている。マスク基板上にはメンブレン、吸収体パターンが製膜されている。マスク基板は露光エリア部分がバックエッチされている。

マスクは図２のマスクチャックにチャッキングされる。マスクチャックはマスクステージ上に搭載されており、Ｚ、θ、ωx、ωy軸に自由度を持っている。

図２において、ウエハは不図示のウエハ搬送系によりウエハステージ上にチャックされる。ウエハチャックに真空吸着される。ウエハチャックはSiC製であり、チャック面に微小なピンが多数設けられている。ウエハチャックはSiC製のウエハステージ上に搭載されている。ウエハステージはＸステージに搭載され、さらにＹステージに搭載されている。Ｙステージは定盤上に締結されている。定盤は床振動を遮断するダンパーを介して、床に設置されている。ウエハステージは、リニアモーター他により駆動され、Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ、ωx、ωy軸に自由度をもっている。

不図示のアライメント計測ユニットによって、マスクとウエハの位置を計測する。

次に、本実施例の静電容量センサによる計測について説明する。
ウエハがチャックされた後、ウエハステージを駆動してウエハ上の20mmピッチの格子点を静電容量センサで計測する。本実施例では、直径200mmの円形ウエハをターゲットとしている。ウエハ計測用静電容量センサプローブは９個設けてあり、計測点を全て網羅するようにＸ方向にウエハステージを駆動して計測する。計測時のＹ座標は決められた座標にて行う。計測の際、ウエハステージは必ずしも停止する必要はなく、ウエハステージのコントローラが座標に対する計測タイミングを管理して、駆動しながら計測することが可能である。

ウエハ計測用静電容量センサプローブは、マスクフレームに取り付けられた対向アース板を兼ねた金属部材に取り付けられている。この金属部材は、導線を使用して不図示のセンサアンプのアース端子に接続されている。本実施例の場合はターゲットが円形なので、計測範囲でターゲットが取りうる面の形状は図４のウエハ高さセンサ用対向板のようになる。この形状では、ウエハ高さ計測のステージ移動範囲内において、ウエハと対向アース板間で形成される平板コンデンサの対向電極面積は常にウエハ面積と同じで、距離は一定である。また、本実施例のような露光装置内部はスペースが限られているので、余白はほとんどつけずに、最小限の対向板面積としている。

マスク計測用静電容量センサプローブは、ウエハステージに取り付けられた対向アース板を兼ねた金属部材に取り付けられている。この金属部材は、導線を使用して不図示のセンサアンプのアース端子に接続されている。本実施例のマスクステージはＸ、Ｙ方向の移動機構をもっていないので、ウエハステージを移動することによりマスク上の複数点を計測する。本実施例のマスクを図５に示す。図４においてマスクの露光エリアは、装置仕様上許される最大の範囲を示している。本実施例において、マスク高さの計測点は、マスク上の露光エリア外縁各辺の中央付近にしている。図４(c)および(d)に示すように、マスク高さの各計測位置において、マスク高さセンサ用対向板とマスク基板間で形成される、平板コンデンサの対向電極面積は、常にマスク基板面積と同じになるように設計されている。

本実施例のように絶縁体に支持された基板では、機械的な影響を与えずに基板をアースすることが難しい。本実施例では、支持体の材質、形状、チャック方法によらず、アース効果をあげることができる。

（第３の実施例）
第３の実施例として、図６に示す計測装置を提案する。

第１の実施例との違う部分は、対向アース板とセンサの取り付け方である。ターゲットのセンサプローブに面している側の空間に制約があって、実施例１のようなアース板をつけられない場合に、特に本実施例の構成が有効となる。動作に関しては、ターゲットの内部インピーダンスが比較的低い場合においては、実施例１とほぼ同等である。

本発明の第一実施例を示す計測装置の構成図 本発明の第一実施例を示すアースインピーダンスと計測誤差の関係 本発明の第二実施例を示すＸ線露光装置の構成図 本発明の第二実施例を示すステージ位置と装置動作の説明 本発明の第二実施例を示すステージ位置と装置動作の説明 本発明の第二実施例を示すステージ位置と装置動作の説明 本発明の第二実施例を示すステージ位置と装置動作の説明 本発明の第二実施例を示すステージ位置と装置動作の説明 本発明の第二実施例を示すＸ線露光用マスクの構成図 本発明の第一実施例を示す計測装置の構成図 従来例を示す計測装置の構成図 従来例を示す計測装置のアースインピーダンスと計測誤差の関係

Claims (7)

1. 静電容量センサを用いてセンサプローブと被計測ターゲット間の距離を計測する装置であって、前記ターゲットを搭載する搭載台と、前記センサプローブを保持するプローブ保持部材と、前記センサプローブに接続し計測結果を出力する第１端子と第２端子を有するセンサアンプと、を有し、前記第１端子に前記センサプローブの電極を接続し、前記第１端子と第２端子間に前記センサプローブを含む被計測系の閉回路を接続し、前記ターゲットを移動可能とするステージを備え、前記ステージを駆動制御するステージ制御部を備え、ターゲットを移動させながら計測を行う計測装置において、
   前記ターゲットとの間で所望の静電容量を発生せしめるように、非接触かつ近接して導体部材を設置し、前記導体部材は計測範囲内の前記ステージの移動に伴いターゲットとの間の静電容量が変化しないように設置されていることを特徴とする計測装置。
2. 前記導体部材は前記ターゲットの計測される面に対向し、前記ステージの移動方向に平行な面をなすことを特徴とする請求項１の計測装置。
3. 前記導体部材は前記ターゲットの計測されない面に対向し、前記ステージの移動方向に平行な面をなすことを特徴とする請求項１の計測装置。
4. 前記導体部材は前記ターゲットが計測範囲内で前記ステージの移動により作る閉曲面と概ね同じ形状、面積であることを特徴とする請求項１の計測装置。
5. 前記ターゲットは半導体であることを特徴とする請求項１の計測装置。
6. 前記ターゲットは半導体ウエハもしくは／および転写原版であることを特徴とする請求項２〜５の計測装置をそなえた半導体製造装置。
7. 前記半導体ウエハと前記転写原版間の距離を300μm以下に近接させて転写を行うことを特徴とする請求項６の半導体製造装置。
   

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