JP2007127647A - レーザー干渉計システムを用いた対象物の位置の測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空調管理された空間で用いられるレーザー干渉計の測定精度を上げること。
【解決手段】本発明は、対象物（３０）の位置の測定装置に関する。この測定装置は、少なくとも１つの方向への対象物の位置移動を求めるとともに、２つのレーザー軸を定義する少なくとも１つのレーザー干渉計システム（２９）と、少なくとも１つのレーザー干渉計システム（２９）を対象物（３０）とともに収容し、吸気口をもつ領域（４２）と排気口をもつ領域（４４）を有する空調管理室（４０）と、空調管理室（４０）を通る気流（４６）の少なくとも一部を、少なくとも１つのレーザー干渉計システム（２９）のレーザー軸（５２，５４）の領域に向ける操作をする案内手段と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、少なくとも１つの空間の方向に向かう物体の位置移動を求める少なくとも１つのレーザー干渉計システムにより、物体の位置を測定する装置に関する。この少なくとも１つのレーザー干渉計システムは、吸気口と排気口を有する空調管理室に、この物体とともに収容されている。

ウェハとマスクの構造を測定する測定装置が、ウェハとマスクの製造に使用されているが、詳細は、カロラ・ブレーシング教授による、タイトル「マスク作成のためのパターン位置測定方法」に記載されている。これは、１９９８年３月３１日ジェノバにて開催の、半導体教育プログラム会議に向けて発行されたものである。この文書は、本出願人のライカＬＭＳ＿ＩＰＲＯ座標測定装置の基礎となるものである。この測定装置の機能と構造の詳細は、上述の文献と現在市販されている装置（現行ではライカＬＭＳ＿ＩＰＲＯ３）にて、明白に参照することができる。

こうした測定装置において、本発明を好ましく使用することができ、後にこうした測定装置を第１に参照して説明する。ただし、その適用は通常のものから逸脱するものではない。そこで、この測定装置について、後述の図１を参照して説明する。既存の測定装置１は、構造３１と、マスクやウェハなどのサンプル上におけるこの構造の座標３０を測定する。本明細書中の文脈で、「サンプル」、「基板」、一般的な用語として「オブジェクト」という用語を使用したときは、同等の意味を有するものとして扱う。

集積化がますます進むウェハ上に配置された半導体チップの製造で、個々の構造３１の構造幅は、ますまず小さくなっている。その結果、構造３１の端および配置を測定し、構造幅を測定する測定検査システムとして使用される、座標測定装置の仕様に対する要求は、ますます厳しくなってきている。光サンプリング技術が依然としてこうした測定装置に使用されているものの、要求される測定精度（現在数ナノメーターの範囲）は、使用される光波長（近紫外線のスペクトル幅）で達成できる解像度よりもはるかに下である。光測定装置を使用する利点は、実質的に構造が複雑ではなく、Ｘ線や電子ビームのサンプリングなど様々なサンプリングをするシステムに比べて、操作しやすいということがある。

この測定装置１の実際の測定システムは、振動を減衰させる花崗岩ブロック２３の上に配置されている。マスクまたはウェハは、自動操作システムによって、測定ステージ２６に配置される。この測定ステージ２６は、空気軸受２７、２８によって花崗岩ブロック２３の表面で支持される。測定ステージ２６は、モーター駆動であり、２次元方向（Ｘ／Ｙ）に移動可能である。対応する駆動要素は図示しない。レーザー干渉計システム２９は、測定ステージ２６の位置を追跡するのに使用される。

測定対象となる構造の照射および撮影は、高解像度顕微鏡の光学系により、入射光や出射光を近紫外線のスペクトル範囲内にすることによりなされる。ＣＣＤカメラは、検出部３４として動作する。測定信号は、測定窓内に位置するＣＣＤ検出アレイのピクセルから得られる。測定された構造の強度プロファイルは、画像処理により測定信号から得られる。この画像処理では、たとえば構造の端位置または互いに交差する２つの構造が交差する点を求める。通常、こうした構造の要素配置は、基板（マスクまたはウェハ）上の参照点または光学軸２０を基準として求められる。以上に加え、測定ステージ２６の位置を干渉計で測定することにより、構造３１の座標が求められる。露出に用いられるウェハまたはマスク上の構造では、ごく小さな耐性しか認められない。したがって、こうした構造を検査するためには、大幅に高い測定精度（現在は数ナノメートルのオーダー）が求められる。こうした構造の位置を求める装置および方法は、特許文献１に開示されている。上述の位置決定の詳細については、この文献からはっきりと参照することができる。

図１で説明した測定装置１の例では、測定ステージ２６はフレームとして形成されるので、サンプル３０は下からの透過光により照射することができる。サンプル３０の上には照射および撮影装置２があり、光軸２０に沿って配置されている。（オート）フォーカスは、光軸２０のＺ方向に沿って行うことができる。照射および撮影装置２は、光線分割モジュール３２、上述の検出器３４、アライメント装置３３、複数の照射装置３５（たとえば、オートフォーカス、全体照射、実際のサンプルの照射などに用いる）により構成される。Ｚ軸に沿って移動可能なレンズは２１に示す。

また、透過光照射手段は、高さ調整可能な集光装置１７および光源７を有し、花崗岩ブロック２３,２３の間に挿入される。そこで光は、拡大化された結合光学系３を介して受信される。結合光学系３は、可能な限り多くの開口数を有する。このようにして可能な限り多くの光が、光源７から受信される。このように受信された光は、結合光学系３で結合されて、光ファイバの束などの光ガイド４へと出力される。放出光学系５は、好ましくは色収差補正レンズによって形成され、光ガイド４によって放出された光を平行化する。

要求されるナノメーターレベルの精度を達成するために、可能な限り環境からの干渉による影響を最小化することが必要である。この影響には、外気の変化や振動などがある。このために、測定装置を空調管理室内に収容することができる。この空調管理室は、内部の気温と湿度を高い精度で（温度差で０．０１度、湿度差で１％）制御するものである。上述のように、振動をなくすために測定装置１を、振動緩衝材２４、２５とともに花崗岩ブロック２３で支持しておく。

構造位置の決定精度は、Ｘ／Ｙステージの位置を求めるのに用いられるレーザー干渉計システムの安定度および精度に、大いに左右される。干渉計のレーザービームは、測定装置の外気を伝播するので、波長は外気の屈折率に依存することになる。屈折率は、気温、湿度および気圧の変化にしたがって変化する。空調管理室内で温度および湿度を制御しているにもかかわらず、波長の残留振動は、要求される測定精度に対して強すぎてしまう。したがってエタロン（etalon：２枚の反射鏡を向かい合わせた高分解能干渉計）を補償に使用することにより、外気の屈折率の変化に起因する変化を測定する。このようなエタロンでは、測定光線は固定のメートル距離をカバーしているので、対応する測定光路長の変化は、外気の測定屈折率の変化によってのみ引き起こされる。このようにして、屈折率の変化の影響を、エタロン測定によって大きく補償することができる。なおエタロン測定は、波長の現在値を継続的に求め、干渉計による測定に反映させることにより行う。

さらに精度を上げるために、レーザー波長の線を分割することもできる。また、位置の移動を計算するにあたり、さらに補間アルゴリズムを使用することもできる。

上述の測定装置の精度を説明するにあたり、座標の測定平均値について標準偏差を求め、３倍化したもの（３σ）を通常は用いる。測定値の正規分布では、統計的に測定値の９９％が、平均値について３σの範囲内に収まる。再現性の指標は、ＸＹ方向の格子点を測定することにより作成することができる。ここで、各方向について、すべての点を繰り返し測定した後に、平均値および最大値３σを示すことができる。出願人の測定装置ＬＭＳ＿ＩＰＲＯでは、たとえば４−５ｎｍの再現性（最大値３σ）を、３ｎｍより下にすることができた。

さらなる再現性の改善すなわち測定精度の改善が、上述の測定装置について望まれる。本発明で特に注目しているのはレーザー干渉計であり、測定ステージの座標測定または測定ステージの座標変化の算出に用いられる。なお本発明は、上述の測定装置で説明した干渉計に限定されるものではないが、レーザーによる干渉の計測には一般的に用いることができる。

特許文献２によると、レーザー干渉による１次元または２次元に移動可能なステージの位置を測定する装置が知られている。このために、固定ミラーを、たとえば固定光学系に付加しておく。一方で、移動可能なステージがミラーとともに動く。よく知られたレーザービームの分割方法では、一方が固定ミラーに入射し、もう一方が可動ミラーに入射してミラー上で反射する。反射した部分の光線は、互いに干渉するようにされている。ここで、干渉リングを動かすことにより、固定ミラーに対して相対的に移動可能なミラーを移動することができる。そして、この移動量を求めることができる。

上述の測定システムの例として、本明細書では、マスクを介したウェハ露出をしている間のウェハ支持ステージおよび光投射システムの位置測定を説明している。ここで、支持ステージの、固定光投射システムに対する位置は、干渉により測定される。平面上すなわち２つの干渉計システムにおいて、ステージのｘｙ座標を測定することが必要となる。

上述の特許文献２によると、レーザー軸上のそれぞれの気圧変動、したがって断片的な変動が説明されている。レーザー軸に沿うということは、干渉計による測定値が変動するにしたがって測定精度に影響を与え下げてしまうような、レーザービームの光路に沿うということである。このように気圧が変動することにより、たとえば、光測定経路上で温度差が発生する。こうした問題を解決するために、上述の文献では、レーザー軸をカバーで覆い、カバーの内部に温度を制御したガスを入れることが提案される。これに応じて入れたガスの流速を調整することにより、低周波数の気圧変動を補償または除去することもできる。こうした試みにより、±０．０４μｍ〜±０．０１μｍのオーダーで測定精度を上げることが期待される。この明細書では、レーザー軸のカバーおよび温度制御した空気を入れることを説明している。この気流は、レーザービームに沿う方向や向かう方向に向けることができる。

ドイツ特許公開公報ＤＥ１００４７２１１Ａ１ 米国特許５４６９２６０

提案の装置には欠点もある。１つは、温度制御した空気用の、関連フィードライン（feed lines）をもつ干渉計のレーザー軸のカバーは、機械的構造的につくるのに労力がかかることが分かっている。特に２つの干渉計が２つの空間的方向に対して存在する場合に労力は大きい。カバーは、調整作業中に邪魔になることが分かっている。もう１つは、カバーのある空間とカバーのない空間の間で、温度、気圧、湿度に差が出ることである。その結果、長い目で見て干渉を生じさせる要因になる。カバー自体は、たとえば熱による干渉源となりうる。

したがって本発明の目的は、空調管理された空間で用いられるレーザー干渉計の測定精度を上げることである。

請求項１による物体位置の測定装置により、本発明の課題は解決される。好ましい実施の形態は、従属項および後述する詳細な説明においても明らかにされる。

本発明にかかる対象物の位置の測定装置は、少なくとも１つの空間方向への対象物の位置移動を求めるとともに、２つのレーザー軸を定義する少なくとも１つのレーザー干渉計システムと、前記少なくとも１つのレーザー干渉計システムを前記対象物とともに収容し、吸気口をもつ領域と排気口をもつ領域を有する空調管理室と、前記空調管理室を通る気流の少なくとも一部を、前記少なくとも１つのレーザー干渉計システムのレーザー軸の領域に向ける操作をする手段と、を備える。

たとえば、上述の空調管理室は、空調を管理した部屋とすることができる。この空調は外部の空気の影響から可能な限り遮断され、後述の少なくとも１つのパラメータを管理対象とする。パラメータは、空調管理室の空気組成、温度、気圧、および湿度とすることができる。空気は、管理対象となる気圧、温度および湿度の組み合わせとして通常選択される。したがって、一般的な適用形態に反しない範囲で、以降では気流と呼ぶ。

レーザー干渉計システムの測定精度は、次の場合に大きく上がることが理解される。すなわち、空調管理室が、空調管理室を通る気流の少なくとも一部または気流全部を、干渉計システムのレーザー軸の領域に向けるよう選択的に制御する手段を備える場合である。通常は、レーザー干渉計システムまたは関連するレーザービームを、位置決定に用いる上述の装置内の構造で囲う。この装置は、サンプルの機械的な移動または構造の光学的検出に利用できる。こうした構造により、干渉計のレーザービームの全部または一部を、空調管理室を通る気流の「スリップストリーム（slipstream）」としたり、または気流を妨げたりすることができる。その結果、レーザービームは、空調管理室を通る気流にさらされないか、または均一にはさらされないということになる。

空気の多様性または不規則性は、上述のように、反射率の変動要因となり、測定精度に悪影響を与える。本発明によれば、気流を可能な限り一定となるように、干渉計のレーザー軸の領域に向けるようにしている。

好ましい形態によれば、空調管理室の吸気口領域と排気口領域のいずれかまたは両方を配置することにより、空調管理室の気流の少なくとも一部を、レーザー軸の領域に向ける。たとえば、排気領域を少なくとも１つのレーザー干渉計システムのレーザー軸近くに配置することにより、空調管理室を通る気流を、これらのレーザー軸方向に向ける。同時に、排気口領域をより小さくすることができる。それにより、たとえば、空調管理室を通る中心的な気流の速度を上げる。このように気流の速度を上げることにより、レーザー軸の領域に十分強い気流を発生させることができる。このようにして、空調管理室の吸気口領域や排気口領域の配置を対応付けることにより、または空調管理室内のこうした領域を対応させて配置することにより、レーザー軸の領域に原則として時間に対して一定な層流を発生させることができる。この領域では、流速は少なくとも０．２ｍ／ｓとし、好ましくは０．３ｍ／ｓとする。

さらに好ましい実施の形態では、空調管理室内に空気調節板を配置することにより、空調管理室の気流の少なくとも一部を、レーザー軸領域に向ける。なお、上述の好ましい形態とともに用いることも、独立して用いることもできる。特に上述のようにスリップストリームを生じさせる構造の場合、空調管理室内に空気調節板を配置し、気流の一部を選択的に吸気口領域から排気口領域に向け直し、レーザー軸に向けるようにすることが好ましい。それにより同時に、この領域の気流の速度を局所的に高めることができる。原則として時間に対して一定な層流を、干渉計システムのレーザー軸の領域に発生させることが、空気調節板によって可能である。それにより、干渉計システムによる対象物の位置決定のための測定中に、空気の状況は変えず、そして測定精度を上げることができる。

さらに好ましい実施の形態では、１つまたは複数のファンを、少なくとも１つのレーザー干渉計システムのレーザー軸の領域に配置することにより、空調管理室の気流の少なくとも一部を、レーザー軸領域に向ける。同様に、こうしたファンの配置は、上述の２つの好ましい形態とともに用いることも、独立して用いることもできる。こうしたファンは、空調管理室の気流の一部を吸い込んで、所定の速度で所定の方向に放出する。このようにしてこうしたファンを配置することにより、空調管理室内の気流に選択的に影響を与えることができる。なお一方で、こうして追加したファンは、熱源となり得るとともに、場合によっては粒子の発生源ともなりうる。この詳細な説明の冒頭で説明したような、高精度の測定装置においては、こうした熱や粒子源でさえも、好ましくないものとなりえる。

本発明において、レーザー軸領域に向けられた気流の向きを、レーザー軸の方向に対して鋭角とした場合、さらに好ましい。鋭角の範囲は２５°から６５°の間、特に３５°から５５°の間とすることが好ましい。レーザー軸領域の気流の方向は、正確には同じ方向を向いていないので、実際にはレーザー軸の方向に対して、鋭角は所定の範囲をとることになる。この範囲は、４５°±１０°の範囲となることが好ましい。２つの方向（Ｘ／Ｙ）への対象物の位置移動を求めるときに、２つのレーザー干渉計システムを使用する。ここで、そのレーザー軸は互いに直角となる。

ここでさらに、気流の方向のベクトルとレーザー軸のそれぞれが、レーザー軸によって定義された平面上で鋭角を形成し、鋭角の範囲は２５°から６５°の間、特に３５°から５５°の間とすることが好ましい。実際にそのようにすることで気流は調整され、気流の方向はおおよそ２つのレーザー軸の間の角を二等分した方向を進む。すなわち、２つのレーザー軸に向けられた気流の影響を、ほぼ同じとすることができる。

図１に示した座標測定装置は、上述の導入部分ですでに十分に説明している。こうした座標測定装置の再現性、再現精度は、１５ｘ１５の点の測定用の格子を測定すること（６インチ、１５２ｍｍｘ１５２ｍｍの領域を測定すること）により通常は求められる。標準偏差の３倍値（３σ）は、ＸおよびＹ方向に座標を２０回計測することにより、通常は求めることができる。この標準偏差の３倍値の最大値は、再現性をあらわし、したがって装置性能をあらわす。

確定したマスク位置を部分的に測定した場合、すなわちここではＸ／Ｙ測定ステージを動かさなかった場合、測定値は短期的な再現性の指標となる。この測定により、短期間の再現性の指標が得られる。このことをニードルテストという。

この測定結果は、より正確にはそれぞれ標準偏差の３倍値の最大値（再現性）であるが、これが図２（Ａ）および（Ｂ）のように、ＸＹ方向にそれぞれ測定走査と逆向きにプロットされている。最初の測定走査は．ｎａ０、次は．ｎａ２、…として示され、１００回測定した値が、測定走査ごとにとられる。その結果の再現性は、Ｘ方向に１．４ｎｍ、Ｙ方向に１．１ｎｍであり、それぞれＸ方向に２．８ｎｍ、Ｙ方向に２．８ｎｍの幅となっている。この幅は、最大値と最小値の差分を示しており、したがってノイズ帯を測定したものを示す。

この例として示す測定は、気流による修正をせずに実行している。この気流は、座標測定装置が収容される空調管理室を通る。

次に、空調管理室を流れる気流は、気流の主要部分が干渉計システムのレーザー軸領域を通りＸおよびＹ方向に向かうように変更される。図３は、気流による修正をした対応する測定結果を示す。図２の測定結果に対しては大きな違いがある。測定結果、スケールおよび単位は、図２のものに対応させてプロットしている。再現性は、大きく改善している。再現性（３σ）は、Ｘ方向には０．３ｎｍ、Ｙ方向には０．４ｎｍであり、それぞれＸ方向に０．７ｎｍ、Ｙ方向に０．９ｎｍの幅となる。

図４は、本発明にかかる空調管理室を通る気流を、干渉計システムのレーザー軸の領域に向け直す方法を示す。空調管理室４０は、座標測定装置を収容するものとして示される。この座標測定装置は、ここでは概略的にしか示していないが、重要な要素である（図１参照）。空調管理室４０は、空気が流入する吸気口をもつ領域４２を有し、温度と湿度は精密に管理されている。空調管理室４０は、空気をこの空調管理室４０から吸い取る排気口をもつ。このようにして、気流４６が空調管理室４０内で形成される。この実施の形態では、この気流の主要部分が、Ｘ／Ｙ測定ステージ２６の移動を検出する干渉計システムのレーザー軸の領域へと向けられる。

図４に示したように、Ｘ方向への移動を検出する干渉計２９およびレーザー軸５２を図示している。ここでレーザー軸５２は、レーザーの干渉計２９の参照光線５６および測定光線５８に対して平行である。

なお、たとえば、排気口を有する領域４４を空調管理室４０内の位置とすることにより、気流の向き変更を実現することができるので、それにより結果として発生する気流４６はレーザー軸５２、５４を通ることが分かっている。同様に、吸気口をもつ領域４２も当然、同様の目的のために排気口を有する領域４４に相対して配置することができる。領域４２および４４の位置を選択することにより、特に、干渉計システムのレーザー軸の領域での、スリップストリームまたは空気の滞留を防ぐことができる。さらに領域４２と４４の寸法を対応させることにより、流速にも影響を与えることができる。たとえば、排気口のある領域４４、すなわち吸い込み口の領域が減少する場合、気流４６の流速全体は増える。

なお、干渉計システムのレーザー軸の領域において気流が形成されるが、この気流は最大限一定であり、流速は０．２ｍ／ｓと０．６ｍ／ｓの間、好ましくは０．３ｍ／ｓと０．５ｍ／ｓの間の範囲となる。レーザー軸の領域内で流速を定義することにより、座標測定装置の再現性を向上することができる。

図５は、空気調節板５０により、空調管理室を通る気流を干渉計システムのレーザー軸５２、５４の領域に向け直す別の手法を示す。空気調節板５０は、空調管理室４０（図４参照）内の気流４６に対して導入される。それにより、気流が向け直されてレーザー軸５２および５４の領域に送られる。５２は、Ｘ方向のレーザー軸を示し、５４はＹ方向を示す。空気調節板５０は、気流が２つのレーザー軸５２と５４の間の直角を二等分する方向に向く程度に、近似させて配置させる。このようにして２つのレーザー軸はベクトル量もつ気流をレーザー軸に適用させる。このベクトル量はそれぞれ、レーザー軸のそれぞれの方向に対して鋭角であり、その範囲は２５°から６５°の範囲内となる。この手法が用いられた場合、レーザー軸５２および５４の周りの気圧の影響も同様である。その結果、再現性は、同様にして両方の方向に対して増加する。

図６は、ファン４８により、空調管理室を通る気流を干渉計システムのレーザー軸５２、５４の領域に向け直す別の手法を示す。ファン４８は、空調管理室４０（図４参照）内の気流４６の少なくとも一部を吸い出す。そして、２つのレーザー軸５２および５４の領域に向ける。５２はここで、レーザー軸のＸ方向であり、５４はＹ方向である。ファン４８は、気流が２つのレーザー軸５２と５４の間の直角を二等分する方向に向く程度に、近似させて配置させる。その効果は、したがって図５の実施形態にしたがったものと実質的に同じである。必要以上の繰り返しを避けるため、ここでは図５を参照する。

本発明の位置測定装置を好ましく適用した場合の座標測定装置の概略を示す。 図１の測定システムを従来使用された方法によるＸおよびＹの再現性についての測定結果を示す。 本発明にしたがって構築された位置測定装置の座標測定装置における図２と同様の測定値を示す。 座標測定装置を本発明の空調管理室に入れた場合の概略を示す。 本発明の空気調整板を使用した場合の概略を示す。 本発明のファンを使用した場合の概略を示す。

符号の説明

１ 測定装置
２ 撮影装置
２３ 花崗岩ブロック
２４，２５ 振動緩衝材
２６ Ｘ／Ｙ測定ステージ
２９ 干渉計
３０ サンプル
４０ 空調管理室
４２ 吸気口をもつ領域
４４ 排気口を有する領域
４６ 気流
５２，５４ レーザー軸
５６ 参照光線
５８ 測定光線

Claims (7)

1. 少なくとも１つの空間方向への対象物の位置移動を求めるとともに、２つのレーザー軸を定義する少なくとも１つのレーザー干渉計システムと、
   前記少なくとも１つのレーザー干渉計システムを前記対象物とともに収容し、吸気口をもつ領域と排気口をもつ領域を有する空調管理室と、
   前記空調管理室を通る気流の少なくとも一部を、前記少なくとも１つのレーザー干渉計システムのレーザー軸の領域に向ける操作をする案内手段と、
   を備えることを特徴とする対象物の位置の測定装置。
2. 前記空調管理室の吸気口領域と排気口領域のいずれかまたは両方を配置することにより、前記空調管理室の気流の少なくとも一部を、前記レーザー軸の領域に向けるようにすることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記空調管理室内に空気調節板を配置することにより、前記空調管理室の気流の少なくとも一部を、前記レーザー軸領域に向けるようにすることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
4. 前記少なくとも１つのレーザー干渉計システムのレーザー軸の領域に１つまたは複数のファンを配置することにより、前記空調管理室の気流の少なくとも一部を、前記レーザー軸領域に向けるようにすることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
5. 前記レーザー軸領域に向けられた気流の向きは、レーザー軸の方向に対して２５°から６５°の範囲の鋭角とすることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
6. 前記レーザー軸領域に向けられた気流の向きは、レーザー軸の方向に対して３５°から５５°の範囲の鋭角とすることを特徴とする請求項５に記載の測定装置。
7. 互いに直角となるレーザー軸をもつ２つのレーザー干渉計システムを用いるときの２つの空間方向の位置移動を求める場合に、前記レーザー軸領域に向けられた気流の向きは、前記２つのレーザー軸によって定義された平面にある前記レーザー軸のそれぞれの方向に対して２５°から６５°の、特に３５°から５５°の範囲の鋭角とすることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。

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