JP4526921B2 - 被検体保持方法および装置ならびに該被検体保持装置を備えた被検面形状測定装置 - Google Patents

被検体保持方法および装置ならびに該被検体保持装置を備えた被検面形状測定装置 Download PDF

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Description

本発明は、表面形状等の測定が行なわれる被検面を有する光学部材等の被検体を、測定系に対して静止した状態で保持するための被検体保持方法および装置と、このような被検体保持装置を備えた干渉計装置等の測定装置に関する。
従来、半導体を製造する過程においては、半導体ウエハ上に所定の回路パターンを露光転写するためのフォトマスクが使用されている。この種のフォトマスクは、露光時においては、そのマスク面が略水平となるように(マスク面の軸線(法線)が略重力方向を向くように)保持されて使用されるのが一般的であるため、正確な転写を可能とするためには、重力の影響等によりマスク面が撓まないように配慮しなければならない。このような事情から従来、露光時においてフォトマスクの平面性を維持するための保持方法については、種々の提案がなされている(下記特許文献1、2参照)。
一方、フォトマスクを製造する側においては、フォトマスクにおける面精度や屈折率分布等の光学性能を、重力の影響をなるべく受けない状態で測定したいという要望がある。
特開平9−306832号公報 特開2000−223414号公報
そこで、測定時においては、重力の影響によりマスク面が撓まないように、フォトマスクを立てた状態(マスク面の軸線(法線)が重力方向と略直角となる状態)に配置することが良いと考えられる。
ただし、その場合、フォトマスクを単に自立させたのでは不安定であり、測定には適さない。測定に際しては、フォトマスクを静止状態とする必要があるので、立てたフォトマスクを保持固定するための荷重をフォトマスクに作用させる必要がある。
しかし、このような荷重を作用させる場合、その大きさの適正値(適正荷重)を見出すことが難しい。当然、フォトマスクを静止状態とし得るだけの大きさは必要となるが、作用させた荷重が過大なためにマスク面が大きく変形したのでは、正しい測定結果が得られないことになる。
これまで、このような荷重の適正値を決定する手法は確立されておらず、オペレータの経験と技能に頼らざるを得なかった。しかし、このような適正荷重の決め方では、製品の多様化に対処することが難しく、また決定した荷重の大きさが適当でないために、マスク面の変形量が製造誤差の許容範囲を超えてしまい、本来合格とされるべき製品までもが不合格とされる事態が生じる可能性を否定し得ないなどの問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、測定対象とされる被検面を備えた被検体を、測定結果に悪影響を及ぼすことのない適正な荷重により、測定系に対して静止状態となるように保持し得る被検体保持方法および装置、ならびにこのような被検体保持装置を備えた被検面形状測定装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため本発明に係る被検体保持方法は、平面または曲面からなる被検面を有する板状の被検体を、該被検面の中心部を通る法線である軸線が重力方向に対して略直角となるように配置し、前記被検体に対し上下一対の支持部材を、前記軸線を挟む上下方向両側より当接させて該被検体を支持し、前記支持部材を介して前記被検体に対し、該支持部材と該被検体との当接位置から前記軸線の方向に所定距離離れた位置において、重力方向に荷重を作用せしめ、前記荷重を作用せしめた際の前記被検面の曲げによる変形量を、該荷重の大きさを変えて少なくとも2回計測し、その計測結果に基づき、前記変形量と前記荷重の大きさとの間に成立する対応関係を求めるとともに、求められた該対応関係から、前記変形量を所定量以下となし得るような適正荷重を求め、求められた該適正荷重を前記被検体に作用せしめることにより、該被検体を保持することを特徴とする。
上記「被検面の軸線」とは、被検面が平面である場合は被検面の法線を意味する。また、被検面が曲面の場合は、被検面の略中心位置を通る法線を意味する。なお、被検体が光学部材の場合には、その光学部材の光軸を被検面の軸線とすることができる。
記適正荷重を作用せしめられることにより保持された前記被検体の前記被検面の変形量を計測した後、該被検体の保持を一旦解除し、該被検体を前記軸線の回りに所定角度回転させた状態に配置し直した後、該被検体に対し前記支持部材を、前記軸線を挟む上下方向両側より当接させて該被検体を支持するとともに、該支持部材を介して該被検体に対し、該支持部材と該被検体との当接位置から前記軸線の方向に所定距離離れた位置において、重力方向に前記適正荷重を作用せしめて該被検体を再び保持し、保持された該被検体の前記被検面の形状を測定し、前記被検体の配置状態を変える前後にそれぞれ計測された2つの形状を互いに比較することにより、前記適正荷重の適否を判定し、最終的に適当であると判定された適正荷重を前記被検体に作用せしめて該被検体を保持するようにすることができる。
また、本発明に係る被検体保持装置は、平面または曲面からなる被検面の中心部を通る法線である軸線が重力方向に対して略直角となるように配置された板状の被検体を、該軸線を挟む上下方向両側より当接して支持する上下一対の支持部材と、前記支持部材を介して前記被検体に対し、該支持部材と該被検体との当接位置から前記軸線の方向に所定距離離れた位置において、重力方向に荷重を作用せしめる荷重発生手段と、前記荷重が作用せしめられた際の前記被検面の曲げによる変形量を測定する装置と、測定された該変形量に基づき、適正荷重を求める適正荷重導出手段と、前記荷重発生手段の作用量を調整する作用量調整手段と、を備えてなることを特徴とする。
また、本発明に係る被検面形状測定装置は、上記本発明に係る被検体保持装置と、該被検体保持装置により保持された前記被検体の被検面の形状を測定する形状測定手段と、を備えてなることを特徴とするものであり、前記形状測定手段としては、光源部から出力された光束を前記被検体保持装置により保持された前記被検体の被検面および基準面に照射し、該被検面および該基準面からの各々の戻り光を互いに干渉させることにより、前記被検面の波面情報を担持した干渉縞を得、該干渉縞に基づき前記被検面の形状を測定するように構成されているものを用いることができる。
本発明に係る被検体保持方法および装置では、被検面の軸線が重力方向に対して略直角となるように配置して、被検体に荷重を作用せしめることにより、被検体を静止状態に保持するようにしている。その際、被検体に作用せしめる適正荷重を、荷重が加えられた際の被検面の変形量と荷重の大きさとの間に成立する対応関係から求めるようにしている。この適正荷重は、被検面の変形量が所定量以下となるように、例えば製品誤差の許容範囲内となるように設定されるので、この適正荷重を被検体に作用させても、測定結果に悪影響を及ぼすことがない。
したがって、被検体を保持するために被検体に作用せしめる荷重の大きさが適当でないために、被検面の正しい測定結果を得ることができず、本来合格とされるべき製品までもが不合格とされる事態が生じることを防止することが可能となる。
また、本発明に係る被検面形状測定装置によれば、本発明に係る被検体保持装置を備えていることにより、被検面の測定を高精度に行なうことが可能となる。
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は本発明の一実施形態に係る測定装置の概略構成図、図2は本発明の一実施形態に係る被検体保持装置の概略構成図であり、同図(a)はその正面図、同図(b)は側面図である。
被検面形状測定装置〉
図1に示す被検面形状測定装置は、クリーンルーム等においてフォトマスク等の被検体40の表面形状や内部屈折率分布等の測定を行なうためのもので、形状測定手段としての干渉計装置10と、図2に示す被検体保持装置20と、コンピュータ装置30とから構成されている。
上記干渉計装置10は、レーザ光を出力する光源11を搭載したフィゾー型の干渉計装置であり、光源11から射出された光の進む順に配置された、拡大レンズ12、ビームスプリッタ13、コリメータレンズ14、および基準板15と、ビームスプリッタ13の図中左方に配置された結像レンズ16、およびCCDやCMOS等の固体撮像素子を有する撮像手段17とを備えている。なお、図示されていないが基準板15には、フリンジスキャン計測を実施する際に基準板15を光軸Lの方向に微動させるフリンジスキャンアダプタと、上記被検体保持装置20に保持された被検体40と基準面15aとの間の傾きを微調整するための傾き調整機構が設けられている。
また、上記コンピュータ装置30は、マイクロプロセッサや各種メモリ、メモリ等に格納された演算処理プログラム等によりそれぞれ構成される、縞画像解析部31、適正荷重導出部32、荷重検出部33、および制御部34を備えている。なお、図示されていないがコンピュータ装置30には、得られた干渉縞画像等を表示するモニタ装置と、コンピュータ装置30に対する各種入力を行なうための入力装置とが接続されている。
〈被検体保持装置〉
一方、上記被検体保持装置20は、図2に示すように、透過波面測定用の開口部21aが形成された背板部21と、被検体40を支持する上下一対の支持部材(上側の支持部材22と下側の支持部材23)と、被検体40に作用する荷重を検出する左右一対のロードセル24,24と、支持された被検体40に、軸線Cに対して回転非対称な方向からの荷重を作用せしめるための荷重付与機構とを備えており、この荷重付与機構は、可動板25と、左右一対のリニアガイド部26,26と、固定板27と、荷重発生手段としてのリニアアクチュエータ28と、作用量調整手段としてのコントローラ29(図1参照)とからなる。
図2に示す上記支持部材22,23は、被検体40の被検面41の軸線(中心法線)Cを挟む上下両側より被検体40に当接して、被検体40を上記軸線Cが重力方向(図中上下方向)に対して略直角となるような状態で支持するように構成されている。また、図示を省略しているが、支持部材22,23には、被検体40が倒れるのを防止するために被検体40の表裏面や側面の近傍位置に配設される押え部材が設けられている。なお、これら支持部材22,23や押さえ部材には発塵し難い材質、例えばピーク材(PEEK:ポリエーテルエーテルケトン)等を用いることが好ましい。
上記固定板27は上記背板部21に固定されており、上記一対のリニアガイド部26,26および上記リニアアクチュエータ28は、この固定板27に保持されている。一対のリニアガイド部26,26はそれぞれ、上記可動板25の下面に設けられた一対のピン部材25a,25aの各々と摺接係合する筒状の形状をなし、可動板25を上下方向に往復移動可能にガイドするように構成されている。
上記リニアアクチュエータ28は、直線的に往復移動するように駆動される先端部28aが、図2(b)に示す作用線Dに沿って上記可動板25を押圧するように構成されている。また、本実施形態ではこの作用線Dが、上記支持部材23と被検体40との当接位置から上記軸線Cに沿った方向(図中右方)に所定距離離れた位置を通り、かつ該軸線Cと略垂直となるように、リニアアクチュエータ28が配置されている。これにより、リニアアクチュエータ28の先端部28aが作用線Dに沿って可動板25を押圧すると上記被検体40には、可動板25、一対のロードセル24,24および一対の支持部材22,23を介して被検体40を上下方向両側から押圧する力と、上記被検面41に曲げ(曲げによる変形)を生じさせるモーメントとが作用するようになっている。
上記一対のロードセル24,24は、上記下側の支持部材23と上記可動板25との間に配設されており、上記リニアアクチュエータ28より上記被検体40に作用せしめられる上下方向の荷重を検出し、その検出信号を図1に示す荷重検出部33に出力するように構成されている。なお、図2に示すように、リニアアクチュエータ28および一対のロードセル24,24を被検体40の下方に配置することにより、これらの作動により生じる塵埃等が被検面41に付着する可能性を低減し得るようになっている。
〈被検体保持方法〉
次に、本発明の一実施形態に係る被検体保持方法(以下「本実施形態方法」と称することがある)について説明する。本実施形態方法は、上述した被検面形状測定装置を用いて、以下の手順で行なわれる。
(ステップ1)図2に示す被検体保持装置20を用いて、被検面41の軸線Cを挟む上下方向両側より被検体40に一対の支持部材22,23を当接させ、該被検体40を軸線Cが重力方向に対して略直角となるように配置する。なお、このとき、図示せぬ傾き調整機構を用いて、基準板15の基準面15aと被検面41とが互いに平行となるように調整する。
(ステップ2)リニアアクチュエータ28を駆動させて、可動部材25、一対のロードセル24,24を介して支持部材22,23に、軸線Cに対して回転非対称な方向からの荷重を作用せしめることにより、該支持部材22,23を介して被検体40に、該被検体40を上下方向両側から押圧する力と、被検面41に軸線Cに対して回転非対称な曲げ(曲げによる変形)を生じさせるモーメントとが共に作用するようにする。
(ステップ3)荷重を作用せしめた際の被検面41の変形量を、干渉計装置10およびコンピュータ装置30を用いて計測する。すなわち、図1に示す干渉計装置10において、光源11から拡大レンズ12、ビームスプリッタ13、コリメータレンズ14および基準板15を経由して、被検面41で反射される戻り光(被検光)と、基準板15の基準面15aで反射される戻り光(参照光)とが互いに合波されて干渉波面が形成され、この干渉波面が結像レンズ16を介して撮像手段17の撮像素子上に結像されることにより、被検面41の形状情報を担持した干渉縞の画像信号が得られる。そして、得られた干渉縞の画像信号を縞画像解析部31において解析することにより、被検面41の変形量を求める(本実施形態方法では、被検面41の変形量を表す指標として、被検面41において凹凸差が最大となる2点間の、光軸L方向の距離を示すP−V値を求める)。
(ステップ4)リニアアクチュエータ28の作用量を変化させて、被検体40に作用する荷重の大きさを変化させる。
(ステップ5)荷重の大きさを変化させた際の被検面41の変形量を、干渉計装置10およびコンピュータ装置30を用いて計測する。
(ステップ6)上記ステップ4、上記ステップ5の手順を複数回繰り返す。
(ステップ7)上記ステップ6までの手順により得られた計測結果に基づき、被検体40に作用せしめられた荷重の大きさと被検面41の変形量との間に成立する対応関係を求めるとともに、求められた対応関係から被検体40に作用せしめる適正荷重を求める。この適正荷重の導出は、本実施形態方法では、適正荷重導出手段としての適正荷重導出部32において行なわれるが、その導出手順は概念的には以下のようになる。
(i)図3に示すように、被検体40に作用せしめられた上下方向の荷重の大きさを横軸(p軸)に、そのときの被検面41の変形量(P−V値)を縦軸(q軸)にとった折れ線グラフを作成し、この折れ線グラフにフィッティングする1次関数のグラフを求める(図3に破線で示すグラフでは、q=0.444p+137.38となる)。なお、上記上下方向の荷重の大きさは、一対のロードセル24,24(図2参照)からの検出信号に基づき、荷重検出部33において求められた数値が用いられる。
(ii)この1次関数において、荷重の大きさを0gとした場合の被検面41の変形量(P−V値)を求める(図3の場合、137.38nm)。
(iii)製造誤差として許容される被検面41の変形量(例えば、P−V値142.38nmとする)と、上記(ii)で求められた変形量(137.38nm)との差をとり(この場合、5nmとなる)、荷重0gの状態からの被検面41の変形量増加分がP−V値で5nm以下となる荷重を適正荷重として求める(この場合、例えば、11.2g)。
(ステップ8)リニアアクチュエータ28の作用量を変化させて、求められた適正荷重が上下方向から被検体40に作用するようになして、被検体40を保持する。なお、リニアアクチュエータ28の作用量の調整は、図1に示す制御部34からの指令信号に基づき、コントローラ29により行なわれる。
(ステップ9)適正荷重により保持された被検体40の被検面41の形状を、干渉計装置10およびコンピュータ装置30を用いて計測する。
(ステップ10)リニアアクチュエータ28の作用量を変化させて被検体40の保持を一旦解除し、被検体40を軸線Cの回りに90度回転させた状態に配置し直した後、リニアアクチュエータ28により上記適正荷重を被検体40に作用せしめて被検体40を再び保持する。
(ステップ11)保持された被検体40の被検面41の形状を、干渉計装置10およびコンピュータ装置30を用いて計測する。
(ステップ12)被検体40の配置状態を変える前後にそれぞれ計測された、被検面41の2つの形状を互いに比較することにより、上記適正荷重の適否を判定する。なお、この適否判定は、例えば、以下の手順により行なわれる。
(1)被検体40の配置状態を変えた後に計測された被検面41の形状データに対し、測定系の座標軸を被検体40の回転方向に90度回転させる座標変換処理を施す。
(2)座標変換処理された形状データと、上記ステップ9において得られた形状データとの差分をとる。
(3)この差分の最大値が予め決められた所定値以下となっている場合には、上記適正荷重は適当であると判定し、所定値を超えている場合には不適と判定する。
(ステップ13)最終的に適当であると判定された適正荷重を被検体40に作用せしめて被検体40を保持する。
その後、干渉計装置10およびコンピュータ装置30を用いて、被検面41に対する所定の各種測定を行なう。
なお、上記ステップ7の手順(i)において、得られた折れ線グラフに1次関数のグラフをフィッティングさせることについて、以下簡単に説明を加える。
図2に示す作用線Dに沿って被検体40に荷重を加えた場合、被検面41の曲げによる変形量は、図4に示すような片持ち梁の自由端に曲げモーメント(M)を加えた場合にモデル化することができる。そこで、図4に示すような座標軸(x,y)をとると、y軸方向の変形量yは、下式(1)で表すことができる。
y=−M/(2EI)…… (1)
ここで、Eは被検体40のヤング率、Iは被検体40の断面2次モーメントを表す。
つまり、被検面41の曲げによる変形量yは、モーメントMの1次関数として表され、これは、被検体40に作用する荷重に対し、変形量yは1次関数的に変化することを示している。
以上説明した本実施形態方法によれば、材質や形状、大きさや厚み等が互いに異なる被検体毎に、被検体を保持するための適正荷重を自動的に決定し、この適正荷重により被検体を保持することができる。この適正荷重は、これを被検体に作用せしめても被検面の変形量が誤差の許容範囲内となるように設定されたものであるので、被検面の測定結果に悪影響を及ぼすことがない。したがって、被検体に作用せしめる荷重の大きさが適当でないために、被検面の正しい測定結果を得ることができず、本来合格とされるべき製品までもが不合格とされる事態が生じることを確実に防止することが可能となる。
〈態様の変更〉
以上、本発明に係る被検体保持方法、被検体保持装置、および被検面形状測定装置の一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。
例えば上述した被検体保持方法においては、ステップ7において求められた適正荷重の適否を判定するために、ステップ9〜ステップ12の手順を行なうようにしているが、このような適否判定手順を行なわないで、ステップ7で求められた適正荷重を最終的なものとすることも可能である。
また、適正荷重を導出する過程において、被検体40に作用せしめる荷重の大きさを変える回数は1回だけでもよく、その場合、ステップ6を省略することができる。
また、上述した被検面形状測定装置では、形状測定手段として干渉計装置10を備えているが、形状測定手段として、いわゆるモアレ装置や光切断測定装置を備えるようにすることも可能である。
また、形状測定手段として干渉計装置を用いる場合でも、上述したフィゾー型のものに限られるものではなく、マイケルソン型や斜入射型等の他のタイプの干渉計装置を用いることができる。
また、上述した被検体保持装置20では、矩形状の被検体40を保持するように構成されているが、図5に示すような円形の被検体40A(例えばレンズ)を保持するように構成することも可能である。すなわち、図5に示す被検体保持装置20Aでは、円形の被検体40Aに対して上下方向両側より当接する一対の支持部材(上側の支持部材22Aと下側の支持部材23A)が、略V字型の斜面を備えており、これにより被検体40Aを挟持し易いように構成されている。なお、図5に示す被検体保持装置20Aにおいて、図2に示す被検体保持装置20の構成要素と共通するものについては、図2で用いたものと同一の番号を付し、その詳細な説明は省略する。
また、被検体に加える荷重としては上述したような荷重に限られない。被検面の軸線を挟む両側から被検体を引っ張るような力が作用するような荷重としてもよいし、被検面の軸線方向の両側より被検体を押圧したり引っ張ったりする力が作用するような荷重としてもよい。
本発明に係る被検面形状測定装置の一実施形態を示す概略図 本発明に係る被検体保持装置の一実施形態を示す概略図 本発明に係る被検体保持方法の適正荷重導出過程の一例を示すグラフ 適正荷重導出過程の原理を示す概念図 本発明に係る被検体保持装置の他の実施形態を示す概略図
符号の説明
10 干渉計装置(形状測定手段)
11 光源
12 拡大レンズ
13 ビームスプリッタ
14 コリメータレンズ
15 基準板
15a 基準面
16 結像レンズ
17 撮像手段
20,20A 被検体保持装置
21 背板部
21a 開口部
22,22A (上側の)支持部材
23,23A (下側の)支持部材
24 ロードセル
25 可動板
25a ピン部材
26 リニアガイド
27 固定板
28 リニアアクチュエータ(荷重発生手段)
28a 先端部
29 コントローラ(作用量調整手段)
30 コンピュータ装置
31 縞画像解析部
32 適正荷重導出部(適正荷重導出手段)
33 荷重検出部
34 制御部
40 被検体
41 被検面
L 光軸
C (被検面の)軸線
D 作用線

Claims (5)

  1. 平面または曲面からなる被検面を有する板状の被検体を、該被検面の中心部を通る法線である軸線が重力方向に対して略直角となるように配置し、
    前記被検体に対し上下一対の支持部材を、前記軸線を挟む上下方向両側より当接させて該被検体を支持し、
    前記支持部材を介して前記被検体に対し、該支持部材と該被検体との当接位置から前記軸線の方向に所定距離離れた位置において、重力方向に荷重を作用せしめ、
    前記荷重を作用せしめた際の前記被検面の曲げによる変形量を、該荷重の大きさを変えて少なくとも2回計測し、
    その計測結果に基づき、前記変形量と前記荷重の大きさとの間に成立する対応関係を求めるとともに、
    求められた該対応関係から、前記変形量を所定量以下となし得るような適正荷重を求め、
    求められた該適正荷重を前記被検体に作用せしめることにより、該被検体を保持することを特徴とする被検体保持方法。
  2. 前記適正荷重を作用せしめられることにより保持された前記被検体の前記被検面の形状を計測した後、該被検体の保持を一旦解除し、
    該被検体を前記軸線の回りに所定角度回転させた状態に配置し直した後、該被検体に対し前記支持部材を、前記軸線を挟む上下方向両側より当接させて該被検体を支持するとともに、該支持部材を介して該被検体に対し、該支持部材と該被検体との当接位置から前記軸線の方向に所定距離離れた位置において、重力方向に前記適正荷重を作用せしめて該被検体を再び保持し、
    保持された該被検体の前記被検面の形状を測定し、
    前記被検体の配置状態を変える前後にそれぞれ計測された2つの形状を互いに比較することにより、前記適正荷重の適否を判定し、最終的に適当であると判定された適正荷重を前記被検体に作用せしめて該被検体を保持することを特徴とする請求項記載の被検体保持方法。
  3. 平面または曲面からなる被検面の中心部を通る法線である軸線が重力方向に対して略直角となるように配置された板状の被検体を、該軸線を挟む上下方向両側より当接して支持する上下一対の支持部材と、
    前記支持部材を介して前記被検体に対し、該支持部材と該被検体との当接位置から前記軸線の方向に所定距離離れた位置において、重力方向に荷重を作用せしめる荷重発生手段と、
    前記荷重が作用せしめられた際の前記被検面の曲げによる変形量を測定する装置と、
    測定された該変形量に基づき、適正荷重を求める適正荷重導出手段と、
    記荷重発生手段の作用量を調整する作用量調整手段と、を備えてなることを特徴とする被検体保持装置。
  4. 請求項に記載された被検体保持装置と、
    該被検体保持装置により保持された前記被検体の前記被検面の形状を測定する形状測定手段と、を備えてなることを特徴とする被検面形状測定装置。
  5. 前記形状測定手段は、光源部から出力された光束を前記被検体保持装置により保持された前記被検体の前記被検面および基準面に照射し、該被検面および該基準面からの各々の戻り光を互いに干渉させることにより、前記被検面の波面情報を担持した干渉縞を得、該干渉縞に基づき前記被検面の形状を測定するように構成されていることを特徴とする請求項記載の被検面形状測定装置。
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