JP2011153906A - 測定物保持装置及び方法並びに平面度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定物を保持する際に測定物が自重の撓みにより変形されることのない測定物保持装置を提供する。
【解決手段】測定物１１の平面度測定に用いられる測定物保持装置２０であって、測定物１１が載置される載置面１１ａを有する載置台４０と、載置台４０に、載置面４００２から突出して測定物１１を下方から複数箇所で支持し載置面４００２からの高さが変更可能に設けられた複数の測定物支持部材６０と、各測定物支持部材６０が測定物１１に対して均一な接触圧力で接するように各測定物支持部材６０の載置面４００２からの高さを変更する制御手段８０とを備える構成にした。
【選択図】図４

Description

本発明は基板等に例示される測定物の平面度測定に用いられる測定物保持装置及び方法並びに平面度測定装置に関し、さらに詳しくは、測定物の自重による歪み・撓みの影響を極限にまで低減することができる測定物保持装置及びこれを用いた平面度測定装置に関する。

近年、半導体回路の微細化が顕著に進展しており、ウェハパターンの欠陥やパターン寸法値の要求特性は非常に厳しくなっている。これに伴い、半導体転写原版であるレチクルに対する要求特性も厳しく、レチクルの平面度に対する要求精度も高くなってきている。具体的には、レチクル原版（ブランクス）の平面度は、例えばブランクスの外形寸法が１５２ｍｍ角で板厚が６．４ｍｍの場合、通常は平面度の規格が、０．５μｍ以下の基板を用いている。近年は更に高い平面度が要求されており、基板として、平面度が０．３μｍ以下の保証を求められる場合も必要となってきている。そのためには、高精度な平面度の測定が不可欠である。

従来、ブランクス、レチクル（以下、基板と記載）の平面度測定は、基板の自重による撓みの影響を避けるために基板を縦置き、つまり基板を垂直に保持し、干渉計等の平面度検出装置を基板の垂直な面に設置して、基板の平面度を測定していた。縦置きの際に基板を保持するため、機械的外力を加えて保持する必要があったが、この外力により基板が歪み、平面度の測定結果に歪み成分が含まれてしまうという問題があった。

この問題を解消するために、従来の測定物保持装置においては、図１（ａ）に示すように、基板１００を保持する平板状の治具１０５を一旦水平に保ち、この治具１０５上に基板１００を、その四隅部が係合する保持部材１０３により水平に保持する。しかる後、図１（ｂ）に示すように、治具１０５と基板１００を治具駆動部１０６により完全に垂直な状態ではなく、基板１００が保持できる程度に垂直よりもわずかに小さな角度まで治具１０５を起こす。これにより、自重による基板１００の撓みの影響を減らしつつ、基板１００に外力を加えずに保持することが可能となった。しかし、筆者はこのように基板に外力がほぼ働かない状態で垂直に保持しても、平面度の測定結果に基板の自重に起因する若干の撓みが含まれていることを確認した。

平面度の規定方法はいくつかあるが、本明細書ではＴＩＲ（基板表面の最小二乗平面からの最高点と最低点の絶対値との和）を平面度の指標として述べる。

図２（ａ）は、外形１５２ｍｍ角、板厚１．４ｍｍ、ＴＩＲ約０．４μｍの基板を、図１（ｂ）に図示した測定物保持装置により外力を加えずに垂直に保持した状態で平面度を測定した結果である。図２（ｂ）は図２（ａ）に対し、基板の向きを時計回りに９０°回転させて測定した結果であるが、画像を測定方向と逆に回転させ、図２（ａ）と同じ向きに表示したものである。一見図２（ａ）と図２（ｂ）は平面度マップに大きな違いは見られない。
図２（ｃ）は図２（ａ）と図２（ｂ）の差分を求めたものである。図２（ｃ）より２つの平面度は一致しておらず、また、その平面度形状から基板に外力が加わらなくとも、垂直に保持すると、基板は自重により撓んでいることが分かる。同様の傾向は図２で測定した基板だけでなく、他の基板においても観測されており、現在求められている平面度測定精度において無視できない誤差要因である。

自重による基板歪みの問題を解決するために、図３（ａ），（ｂ）に示すように、基板１００を水平に保ち、その下面を、治具１０５の上面に設けた３つの載置部１０４の頂部に載置し接触することで保持する。すなわち外力を加えずに摩擦力のみで保持し、理論計算または測定によって得られた自重による撓み量を減算して、平面度を測定する方法が過去に提案されている（特許文献１参照）。
しかし、この方法は基板の材質、形状が同じであれば基板の自重による撓み量が同じになるという前提での方法であり、現在求められている０．０１μｍ単位での平面度を議論するには精度不足である。

また、自重による撓みが生じなくなる程度まで載置部の数を増やす方法も考えられるが、載置部１０４の頂部が接触する基板の下面も測定面と同様平面度に分布があり、基板下面と載置部の高さ分布が同一でないと、結局は基板が自重により撓んでしまうことになる。

特開平１０−２６００３７号公報

本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたもので、測定物の自重による撓みの影響を除去できる測定物保持装置及び方法並びにこれを用いた高精度の平面度測定が可能な平面度測定装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、測定物の平面度測定に用いられる測定物保持装置であって、前記測定物が載置される載置面を有する載置台と、前記載置台に、前記載置面から突出して前記測定物を下方から複数箇所で支持し前記載置面からの高さが変更可能に設けられた複数の測定物支持部材と、前記各測定物支持部材が前記測定物に対して均一な接触圧力で接するように前記各測定物支持部材の前記載置面からの高さを変更する制御手段とを備えることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の測定物保持装置において、前記各測定物支持部材は、圧力流体の給排により伸縮可能に変形される材質から構成され、前記制御手段は、前記各測定物支持部材に連通路を介して接続され圧力流体を貯留する圧力室と、前記圧力室から前記各測定物支持部材への圧力流体の給排を行う流体給排機構とから構成されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の測定物保持装置において、前記制御手段は、前記載置台に前記測定物支持部材ごとに設けられた複数のシリンダ室と、前記各シリンダ室内に前記載置面からの高さが変更可能に設けられた複数のピストン部と、前記各シリンダ室に連通路を介して接続され圧力流体を貯留する圧力室と、前記圧力室から前記各シリンダ室への圧力流体の給排を行う流体給排機構とから構成されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３に何れか１項記載の測定物保持装置において、前記圧力流体は気体であることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至３に何れか１項記載の測定物保持装置において、前記複数の測定物支持部材は、前記載置台に二次元方向に一定の間隔で配列されていることを特徴とする。

請求項６の発明は、平面度測定装置であって、請求項１乃至５の何れか１項記載の測定物保持装置と、前記測定物の平面度を測定する測定手段とを備えることを特徴とする。

請求項７の発明は、測定物の平面度測定に用いられる測定物保持方法であって、前記載置台の載置面から突出し前記載置面からの高さが変更可能に設けられた複数の測定物支持部材で測定物を下方から複数箇所で支持し、前記各測定物支持部材が前記測定物に対し均一な接触圧力で接するように各測定物支持部材の前記載置面からの高さを変更することを特徴とする。

本発明の測定物保持装置及び方法によれば、測定物に対し外力を加えずに保持する場合において、測定物が有する平面度のばらつきを、各測定物支持部材の載置台の載置面からの高さがパスカルの原理に従い、自動的に変位することで吸収する。これにより、各測定物支持部材が測定物に与える力が均一になるため、測定物を自重により変形することなく保持することが可能となる。

パスカルの原理とは、「一定の容器内部に非圧縮性流体（以下、流体と記載）を満たしてある面に圧力をかけたとき、流体の一部に加えた圧力は流体内のすべての部分に同じ圧力で伝わる。」ものである。しかし、本発明のように、流体の変位がごくわずかであり、常に平衡状態に近い系においては、上記流体として気体を用いても同原理が適用できる。

また、本発明の測定物保持装置を用いた平面度測定装置によれば、測定物が自重の影響を受けて変形することがなくなり、平面度を高精度に算出することが可能となる。さらに、通常平行方向に搬送される測定物の傾きを変化させる機構が不要となるため、平面度測定装置の搬送機構が簡便化されるだけでなく、他の分析、測定装置との統合も可能となる。

（ａ）は従来における基板保持装置の一例を示す平面図、（ｂ）はその側面図である。 従来における平面度測定方法での結果を示す図である。 （ａ）は従来における基板保持方法の一例を示す平面図、（ｂ）はその側面図である。 本発明にかかる基板等の測定物保持装置を備えた平面度測定装置の一例を示す全体の構成図である。 本発明にかかる測定物保持装置の一部を拡大して示す縦断側面図である。 本発明における測定物保持装置を構成する載置台に設けられた可動可能な測定物支持部材と測定物（基板）との関係を示す平面図である。

（実施の形態１）
以下、本発明にかかる測定物保持装置及びこれを備えた測定物の平面度測定装置について図面を参照して詳細に説明する。

図４乃至図６において、測定物保持装置２０は、載置台４０、測定物支持部材６０、制御手段８０等を備えて構成される。
載置台４０は、フォトマスク、レチクルのような基板等の測定物１１が載置されるもので、測定物１１の平面積より大きい平面積の矩形の平盤状を呈している。この載置台４０には複数の測定物支持部材６０が設けられている。測定物支持部材６０は、載置台４０の載置面４００２から突出して測定物１１を下方から複数箇所で支持するもので、載置面４００２からの高さが変更されるように測定物１１に対して接近及び離間する方向に移動可能に設けられている。
制御手段８０は、各測定物支持部材６０が測定物１１に対して均一な接触圧力で接するように各測定物支持部材６０の載置面４００２からの高さを変更するものである。

制御手段８０は、載置台４０に測定物支持部材６０ごとに設けられた複数のシリンダ室８００２と、各シリンダ室８００２内に載置面４００２からの高さが変更できるように載置台４０の厚さ方向に移動可能に嵌合された複数のピストン部８００４と、各シリンダ室８００２に共通の流体連通路８００６及び配管８０１２を介して接続され圧力流体を貯留する圧力室８００８と、圧力室８００８から各シリンダ室８００２への圧力流体の給排を行う流体給排機構８０１０とから構成されている。

流体給排機構８０１０は、図４に示すように、空気等の気体を圧縮充填した気体供給タンク８０１０Ａと、気体供給タンク８０１０Ａの気体吐出口８０１０Ａ２に開閉バルブ８０１０Ｂを介して接続された気体給排ポンプ８０１０Ｃとを有する。気体給排ポンプ８０１０Ｃは、気体供給タンク８０１０Ａの気体を圧力室８００８に供給する。そして、圧力室８００８に供給された気体は流体連通路８００６を通して各測定物支持部材６０に供給される。また、気体給排ポンプ８０１０Ｃは各測定物支持部材６０の排気を可能にしている。
なお、図示省略したが、流体給排機構８０１０は、圧力制御弁や流量制御弁などを含んで構成される。

図４において、平面度測定装置１０は、測定物保持装置２０の載置台４０に設けられた複数の測定物支持部材６０により水平に支持された測定物１１の測定面１１ａの平面度を測定するものである。
平面度測定装置１０は、測定物１１の上方に配置されたレーザー光源１と、レーザー光源１のレーザービーム２の光路上に配置された発散レンズ３と、発散レンズ３のビーム射出側に配置されたビームスプリッタ４と、ビームスプリッタ４と測定物１１の測定面１１ａとの間で測定物１１寄りに配置されたコリメータレンズ７と、コリメータレンズ７と測定物１１の測定面１１ａとの間に配置され参照面９を有する基準板８と、ビームスプリッタ４に対しその測定物１１方向への光路と直交する側に結像レンズ５を介して配置された撮像素子６とを備える。

次に、測定物保持装置２０により水平に支持された測定物１１の測定面１１ａの平面度を平面度測定装置１０により測定する場合について説明する。
レーザー光源１から出射されたレーザービーム２は、発散レンズ３、ビームスプリッタ４、コリメータレンズ７を透過して平行光となり、光学的に平坦で参照面９を有する基準板８に照射される。この照射光の一部が基準板８の参照面９で反射され、参照面反射光１２となる。残りの光は基準板８を透過して測定物１１の測定面１１ａに到達して測定面反射光１３となる。そして、参照面反射光１２と測定面反射光１３は、それぞれの光路を逆行してビームスプリッタ４に照射され、ビームスプリッタ４で光路が屈折された後、結像レンズ５を透過して受光面となる撮像素子６に投影され、干渉縞を形成する。

この時、参照面反射光１２と測定面反射光１３の光路差が波長の整数倍であれば干渉光は明るくなり、整数倍の半波長だけずれていれば干渉光は暗くなる。また、干渉光の明るさは正弦波状に変化するので、干渉縞の各部の明るさに基づいて当該部位における光の初期位相が分かる。
従って、干渉縞が１周期（２π）変化するように参照面９と測定面１１ａの距離を変化させ、その間に複数の画像（例えば、π／２周期毎に１枚で計４枚の画像）を撮像素子６から画像処理部（図示省略）に取り込み、画像処理部による画像処理を利用して画像を画素毎に分析し、画素毎の初期位相や隣接する画素間の連続性の有無、つまり、１周期分（２π分）の位相のずれの有無を求めて画素毎の情報を関連付けるようにすれば、測定面１１ａの形状を正確に知ることができる。

また、他の手法としては、参照面９と測定面１１ａの距離を固定した状態で、レーザー光源１の波長自体を微小な単位で変化させることにより干渉縞を変調させ、測定面１１ａの形状を正確に知ることができる測定方法もあり、実用化されている。

次に、測定物保持装置２０の動作について説明する。
測定物１１を測定物保持装置２０により支持するに際しては、流体給排機構８０１０から各測定物支持部材６０のシリンダ室８００２に共通の流体連通路８００６及び圧力室８００８を通して圧力気体を供給する。そして、各測定物支持部材６０のシリンダ室８００２への圧力気体の給排を行うことで、各測定物支持部材６０が測定物１１に対して均一な接触圧力で接するように各測定物支持部材６０の載置面４００２からの高さを変更できる。

このように各測定物支持部材６０のシリンダ室８００２同士の内部が流体連通路８００６を通して連通状態となり、しかも、各測定物支持部材６０のシリンダ室８００２内を満たしている圧力気体は共有なので、パスカルの原理により各測定物支持部材６０が測定物１１に与える圧力、すなわち測定物１１の自重を支える力は各測定物支持部材６０間で同一になる。
その結果、各測定物支持部材６０から測定物１１の下面に対してそれぞれ均一の力を作用させることが可能となり、測定物１１が自重により変形することがなくなる。すなわち、測定物１１の下面の平面度のばらつきに追従して各測定物支持部材６０の載置面４００２からの高さが変更されるからである。この場合、圧力流体は比重が小さいガス状物質が望ましい。

例えば、単位体積あたりの質量が大きい液体を使用すると、通常完全に平坦ではない測定物１１の下面に接触する各測定物支持部材６０の高さが異なることになり、各測定物支持部材６０の先端に伝わる力が等しくならない。つまり、他に比べてより高い測定物支持部材６０には、より高い領域に含まれる液体の分だけ重力の影響により下方向への力として働き、測定物支持部材６０の先端に伝わる力が減少することになる。結果として、各測定物支持部材６０に均一な圧力が加わらなくなってしまう。
上記と逆に、圧力流体が単位体積あたりの質量が小さな気体の場合は、各測定物支持部材６０の高さの違いによる各測定物支持部材６０に伝わる力の差は無視できるほど小さい。

なお、測定物支持部材６０の個数及び配置位置は特に限定しないが、保持中に測定物１１の傾きならびに位置が変動せず、かつ測定物１１が自重の撓みにより変形しないように、測定物支持部材６０の配置の重心に偏りが生じないように、複数の測定物支持部材６０を図６に示すように二次元方向に一定の間隔で配置し、測定物に接触させることが望ましい。

このような本実施の形態による測定物保持装置によれば、測定物１１を自重により変形させずに水平方向に保持することがで、平面度をはじめとする正確な基板情報の測定が可能となる。

なお、本発明は前記に例示される測定物の平面度測定に限定されるものではなく、パターンが形成された測定物上のパターン位置座標を正確測定する際にも応用することができるなど、様々な基板の精密測定の保持に用いることができる。
また、上記実施の形態では、載置台４０のシリンダ室８００２に嵌合されたピストン部８００４に測定物支持部材６０を設けることで、測定物支持部材６０を載置台４０の厚さ方向に移動できる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、測定物支持部材を圧力流体の給排により伸縮可能に変形されるゴム等の材質から構成することも可能である。

１…レーザー光源、２…レーザービーム、３…発散レンズ、４…ビームスプリッタ、５…結像レンズ、６…撮像素子、７…コリメータレンズ、８…基準板、９…参照面、１０…平面度測定装置、１１…測定物、１１ａ…測定面、１２…参照面反射光、１３…測定面反射光、２０…測定物保持装置、４０…載置台、４００２…載置面、６０…測定物支持部材、８０…制御手段、８００２…シリンダ室、８００４…ピストン部、８００６…流体連通路、８００８…圧力室、８０１０…流体給排機構。

Claims (7)

1. 測定物の平面度測定に用いられる測定物保持装置であって、
   前記測定物が載置される載置面を有する載置台と、
   前記載置台に、前記載置面から突出して前記測定物を下方から複数箇所で支持し前記載置面からの高さが変更可能に設けられた複数の測定物支持部材と、
   前記各測定物支持部材が前記測定物に対して均一な接触圧力で接するように前記各測定物支持部材の前記載置面からの高さを変更する制御手段とを備える、
   ことを特徴とする測定物保持装置。
2. 前記各測定物支持部材は、圧力流体の給排により伸縮可能に変形される材質から構成され、
   前記制御手段は、前記各測定物支持部材に連通路を介して接続され圧力流体を貯留する圧力室と、前記圧力室から前記各測定物支持部材への圧力流体の給排を行う流体給排機構とから構成されていることを特徴とする請求項１記載の測定物保持装置。
3. 前記制御手段は、前記載置台に前記測定物支持部材ごとに設けられた複数のシリンダ室と、前記各シリンダ室内に前記載置面からの高さが変更可能に設けられた複数のピストン部と、前記各シリンダ室に連通路を介して接続され圧力流体を貯留する圧力室と、前記圧力室から前記各シリンダ室への圧力流体の給排を行う流体給排機構とから構成されていることを特徴とする請求項１記載の測定物保持装置。
4. 前記圧力流体は気体であることを特徴とする請求項１乃至３に何れか１項記載の測定物保持装置。
5. 前記複数の測定物支持部材は、前記載置台に二次元方向に一定の間隔で配列されていることを特徴とする請求項１乃至３に何れか１項記載の測定物保持装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１項記載の測定物保持装置と、
   前記測定物の平面度を測定する測定手段とを備える、
   ことを特徴とする平面度測定装置。
7. 測定物の平面度測定に用いられる測定物保持方法であって、
   前記載置台の載置面から突出し前記載置面からの高さが変更可能に設けられた複数の測定物支持部材で測定物を下方から複数箇所で支持し、
   前記各測定物支持部材が前記測定物に対し均一な接触圧力で接するように各測定物支持部材の前記載置面からの高さを変更する、
   ことを特徴とする測定物保持方法。

Images