JP5286308B2

JP5286308B2 - 試料ステージおよび荷電粒子線装置

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Publication number: JP5286308B2
Application number: JP2010041240A
Authority: JP
Inventors: 芳輝平間; 勝松島; 周一中川; 真志藤田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: JP2011181190A

Description

本発明は、荷電粒子線装置等に用いられる試料ステージに係り、特に試料ステージの位置合わせを高精度に行うための光学装置を備えた試料ステージ、及び荷電粒子線装置に関する。

半導体製造分野をはじめとするナノスケールオーダーの試料観察には、電子顕微鏡が用いられており、試料搬送にはサブミクロンオーダーの位置決め精度と高速移動を行うために試料ステージを使用している。また、試料ステージの位置座標および移動距離を高精度に計測する手段としてレーザ干渉測長が使用されている。

特許文献１には、レーザ干渉計を備えた試料ステージが開示され、レーザ干渉測長を行う際に、試料ステージと干渉計の相対距離を測定することにより位置決めを行っている。この測定のための基準として、試料ステージと干渉計との間の計測ビームとは別に、参照用のビーム光学系を設けることが引用文献１に開示されている。引用文献１では、参照光のための参照鏡を投影露光装置の投影光学系に配置する例が説明されている。

特開平１０−２６１５７０号公報

上述のように、試料ステージの位置を検出するための干渉計が備えられた試料ステージを備えた装置において、環境温度の変化によって試料室が熱変形を起こすと、試料室壁面に設置された干渉計の位置が変位する。そのため、干渉計の原点がずれることになり、正確なステージ位置の測定が困難になる場合がある。

また、荷電粒子線装置への適用を考えた場合、試料室を真空状態とする必要があるため、当該真空室内における干渉計に関わる部材の配置には制約がある。また、荷電粒子線装置と試料との距離（ワーキングディスタンス）を狭めるというか観点からも荷電粒子光学系近傍に参照鏡を配置するには、相応の制約がある。

以下に、試料室の熱変形に依らず、高精度にステージ位置を検出することを目的とする試料ステージを備えた荷電粒子線装置について説明する。

上記目的を達成するために、試料ステージの位置を検出するためのレーザ干渉計を備えた荷電粒子線装置において、前記レーザ干渉計は、レーザを放出する光源と、前記試料ステージに設置される計測光用ミラーと、前記光源が設置される前記荷電粒子線装置の試料室壁面と対向する壁面に設置される参照光用ミラーと、前記光源から放出されるレーザを、計測光と参照光とに分割するビームスプリッタとを備え、当該ビームスプリッタと前記計測光用ミラーとの間に、１／４λ波長板を備えていることを特徴とする荷電粒子線装置を提供する。

上記構成によれば、試料室の熱変形に依らず、高精度にステージ位置を検出することが可能となる。

走査電子顕微鏡の概略構成図。レーザ干渉計の詳細を説明する図。レーザ干渉計の他の例を説明する図。レーザ干渉計の他の更に例を説明する図。

試料ステージの位置検出に用いられるレーザ干渉計の参照光は、試料ステージの位置を計測する計測光の基準となるため、参照光の経路において位置がずれてしまうと基準がずれてしまい、誤差が生じる。参照光を反射するための参照鏡を荷電粒子光学系の光軸中心周辺に配置することにより、干渉計から投影光学系の光軸までの環境温度変化による影響をキャンセルすることができる。

すなわち、荷電粒子線装置の一態様である走査電子顕微鏡において、試料ステージの位置決めを、電子線光学系中心軸とレーザ干渉測長における干渉計の距離を基準に、レーザ干渉計を用いて、ステージ上のミラーと干渉計との相対距離の測定を行うことによって、高精度な位置決めを行うことができる。また、干渉計の位置を原点（基準）とした場合、環境温度変化により試料室全体が熱膨張（熱収縮）すると、試料室壁面に固定された干渉計の位置がずれる、そのため、原点がずれることとなり、正確な位置が測定できなくなる可能性がある。

また、電子線光学系中心軸とレーザ干渉測長における干渉計の距離を基準とするため、電子光学系中心軸周辺にレーザ干渉測長で使用する参照鏡を設置することにより原点のずれを補正する場合、参照鏡の位置調整は、真空中における調整もしくは、そのため、調整が困難であり、多大な時間を要すことが考えられる。

本実施例では、上記考察に基づいて以下のような配置条件からなるレーザ干渉計を備えた荷電粒子線装置について説明する。より具体的には、試料室における電子線光学系中心軸の位置が試料室のほぼ中心に位置することを利用し、試料室壁面に基準となる干渉計、その対となるもう一方の壁面に参照光を反射させるための参照鏡を設置する。つまり干渉計と参照鏡は、電子線光学系中心軸から等しい距離に位置する。環境温度変化した時、試料室の熱膨張（熱収縮）は、電子線光学系中心軸を基準として等方的に拡がるため、取り付けられた干渉計でのずれ及び参照鏡でのずれは等しい。つまり、電子線光学系中心軸と試料室壁面の距離でのずれと等しい。

この時の干渉計での熱膨張（熱収縮）のずれをΔＬとする。このずれを考慮するため、レーザ干渉測長において、ダブルパス方式で構成したレーザ干渉計の信号光を１パス目及び２パス目を試料室内部のステージ上に取り付けられたミラーに反射させる。このとき、試料室壁面に取り付けられた干渉計によるずれは、干渉計とステージ上のミラー間を２往復するため、４ΔＬ（４×ΔＬ）含まれる。一方、ダブルパス方式で構成したレーザ干渉計の参照光について、１パス目は干渉計内で反射させ、２パス目は、対の試料室壁面に固定したミラーで反射させることにより、干渉計ともう一方の試料室壁面に取り付けられたミラーとの間を１往復するため、ずれを４ΔＬ（＝２×２ΔＬ）含む。

このことから、レーザ干渉測長において、基準となる電子線光学系中心軸と干渉計とステージまでの熱膨張（熱収縮）における影響がキャンセルされる。

上述のような実施例によれば、環境温度変化が生じたとしても、常に試料室内におけるウェーハの位置（ステージ位置）を正確に把握することが可能であり、走査型電子顕微鏡では、ウェーハの中で測長したいパターンを電子ビームの中心位置に正確に移動することができる。干渉光の経路を試料と電子光学系との間にとることにより、よりステージを対物レンズに近づけることができ、荷電粒子光学系のワーキングディスタンスの短縮にも寄与することができる。また、参照鏡の取り付け位置が試料室であることから、調整が比較的容易となり、調整時間の短縮となる。

図４は、荷電粒子線装置の一態様である走査電子顕微鏡の概略を説明する図である。試料雰囲気の真空状態を維持する試料室２２の中では、試料２３が試料ホルダ２４に搭載され、該試料ホルダ２４はこれに搭載されている試料をＸ、Ｙ方向に動かすＸＹステージ１に搭載されている。

ＸＹステージ（試料ステージ）は、レーザ干渉測長に基づいて、ＸＹステージ１の位置及び移動量を求め、情報が制御系に伝えられる。レーザ干渉測定を実施するためのミラー２５，干渉計ユニット２６，レーザヘッド及びレシーバ２７が設置されている。試料室２２の上にある電子光学系筐体２８には、該荷電粒子線光学系は電子ビームを発生させる電子銃２９、その発生した電子ビームを試料２３に集束するために必要な電子レンズ３０，３２、電子ビームをＸ，Ｙ方向に偏向する偏向コイル３１などが内蔵されている。電子レンズ３０および３２並びに偏向コイル３１は、制御系によって制御される。また、電子銃２９は高圧電源に接続され、該高圧電源は制御系によって制御される。試料室２２には、電子照射によって試料から発生される二次電子を検出するための二次電子検出器３３が設けられている。

また、電子ビームは偏向コイル３１によってＸ及びＹ方向に偏向され、当該偏向信号は、画像信号処理回路にも伝達され、二次元画像形成のために用いられる。画像処理回路の画像処理信号は制御系に与えられ、その中のディスプレイ部には、パターンの画像が表示される。試料室２２は所定の真空度を維持するように排気される。これはターボ分子ポンプ３５と粗引きポンプであるドライポンプ３４によって行われる。

図１は、走査電子顕微鏡に採用されるレーザ干渉計の一例を説明する図である。レーザ干渉計は、レーザ光源を有し、ＸＹステージ１の位置決め制御のために用いられる。ＸＹステージ１上にステージ位置決め用にＸＹ方向に、それぞれＸ軸用のミラーＸ２及びＹ軸用のミラーＹ３が配置されている。ミラーＸ２及びミラーＹ３のミラー面は、それぞれＸ軸及びＹ軸にほぼ垂直な反射面を持ち、互いに直交している。

ミラーＸ２及びミラーＹ３はそれぞれ干渉計用の移動鏡として作用し、ＸＹ２軸の移動鏡としている。更に、Ｘ方向の位置決めを行う干渉計ユニットＸ４の＋Ｘ方向（図１の右上側）の試料室側面部に、ミラーＸ１のミラー面と実質的に平行な反射面を有するＸ軸の参照鏡Ｘ５が固定される。更に、Ｙ方向の位置決めを行う干渉計ユニットＹ６の＋Ｙ方向（図１の左上側）の試料室側面部に、ミラーＹ２のミラー面と実質的に平行な反射面を有するＹ軸の参照鏡Ｙ７が固定されている。

干渉計ユニットＸ４と、Ｘ軸の参照鏡Ｘ５は、電子光学系光軸（電子ビームを偏向しないときの電子ビーム軌道、或いは対物レンズ中心）から、同じ距離だけ離間している。Ｙ方向についてもＸ方向と同様に、干渉計ユニットＹ６と、Ｘ軸の参照鏡Ｙ７は、電子光学系光軸（電子ビームを偏向しないときの電子ビーム軌道、或いは対物レンズ中心）から、同じ距離だけ離間している。そして、Ｘ軸のレーザヘッド１６から射出されたレーザビームは、干渉計ユニットＸ４内部の偏光ビームスプリッタ１１において、それぞれＸ軸に平行な計測用のレーザビーム（以下、「計測光Ｘ」と呼ぶ）９、及び参照用のレーザビーム（以下、「参照光Ｘ」と呼ぶ）１０に分岐される。

図２は、図１に例示したレーザ干渉計の詳細を説明する図である。干渉計ユニットＸ４の詳細を、干渉計ユニット光学系１７（Ｙ方向は１８）として説明する。偏光ビームスプリッタ１１で偏光された参照光Ｘ１０はビームベンダー１２で曲げられ、Ｘ軸のコーナキューブミラー（参照鏡）２０に入射および反射し、再びビームベンダー１２で曲げられ、偏光ビームスプリッタ１１と参照鏡Ｘ５との間を１往復してレーザヘッド及びレシーバユニットＸ８に戻る。

また、計測光Ｘ９は偏光ビームスプリッタ１１を通過し、λ／４板１３と、コーナキューブミラー２０（参照鏡Ｘ５に相当）のミラー面との間を２往復してレーザヘッド及びレシーバユニットＸ８に戻る。即ち、レーザヘッド（レシーバユニット）Ｘ８，偏向ビームスプリッタ１１，λ／４板１３、及び参照鏡Ｘ５よりＸ軸のダブルパス方式のレーザ干渉計が構成され、レーザヘッド（レシーバユニット）Ｘ８では、戻ってきた計測光Ｘ９及び参照光Ｘ１０の干渉光を制御系により光電変換して得た検出信号を補間及び積算処理することによって、参照鏡Ｘ５を基準としてミラーＸ１のミラー面のＸ方向への変位を求め、供給する。より具体的には、ビームスプリッタ１１を通過した計測光Ｘ９は、１／４λの波長板であるλ／４板１３を通過し、９０°位相が変化した計測光Ｘ９は、ミラーＸ２によって反射される。当該反射された計測光Ｘ９は、λ／４板１３を再通過することにより、更に９０°位相が変化する。位相が１８０°変化した計測光Ｘ９は、ビームスプリッタ１１によって、干渉計ユニット１７に内蔵されたコーナキューブミラー２０によって反射され、再度、ビームスプリッタ１１によって、ミラーＸ２に向かって反射される。ビームスプリッタ１１によって反射された計測光Ｘ９は、再度、λ／４板１３を通過することによって、更に９０°位相が変化し、ミラーＸ２によって反射される。ミラーＸ２によって反射された計測光Ｘ９は、再度λ／４板１３を通過するため、位相は元に戻り、ビームスプリッタ１１を通過して、レシーバユニットに戻る。

以上のような原理に基づいて、ダブルパスが構成される。更に制御系では、その変位に所定のオフセットを加算してステージのＸ座標を求める。例えば、概念的にはステージの位置の計測値が、１００μｍであった場合、参照光に基づく試料室内空間距離が基準値より、２μｍ大きかった場合、干渉計ユニットの位置が、電子線光軸より、１μｍ伸びている（参照光に基づく変動分は、干渉計ユニット側とコーナキューブミラー側の２つの変動量を含んでいるため）と評価できるため、ステージ位置の計測値は１μｍ変位していることになる。よって、この値が補正されるように、ステージ位置の出力結果を求めるようにすると良い。

また、本例では、Ｘ軸のダブルパス方式のレーザ干渉計と共に、Ｙ軸のダブルパス方式のレーザ干渉計も設けられている。

Ｘ軸の場合と同様に干渉計ユニットＹ６において、偏光ビームスプリッタ１１で偏光された参照光Ｙ１５はビームベンダー１２で曲げられ、Ｙ軸のコーナキューブミラー（参照鏡）２０に入射および反射し、再びビームベンダー１２で曲げられ、偏光ビームスプリッタ１１と参照鏡Ｙ７との間を１往復してレーザヘッド及びレシーバユニットＹ１６に戻る。

また、計測光Ｙ１４は偏光ビームスプリッタ１１を通過しλ／４板１３とミラーＹ３のミラー面との間を２往復してレーザヘッド及びレシーバユニットＹ１６に戻る。即ち、レーザヘッド及びレシーバユニットＹ１６，偏向ビームスプリッタ１１，λ／４板１３及び参照鏡Ｙ７よりＹ軸のダブルパス方式のレーザ干渉計が構成され、レーザヘッド及びレシーバユニットＹ１６では、戻ってきた計測光Ｙ１４及び参照光Ｙ１５の干渉光を制御系により光電変換して得た検出信号を補間及び積算処理することによって、参照鏡Ｙ７を基準としてミラーＹ３のミラー面のＹ方向への変位を求め、供給する。更に制御系では、その変位に所定のオフセットを加算してステージのＸ座標を求める。

図３は、干渉計ユニットの他の構成例を説明する図である。参照光の一部をダブルパスとすることによって、レーザ分解能を高めることができ、その結果、高精度位置決め、及び補正を実現することが可能となる。

干渉計ユニットＸ１７において、偏光ビームスプリッタ１１で偏光された参照光Ｘ１０はλ／４板１３，プレーンミラー１９を入射及び反射し１往復した後、偏光ビームスプリッタ１１を通過し、コーナキューブミラー２０で反射され、再び１２偏光ビームスプリッタ１１を通過し、ビームベンダー１２で曲げられＸ軸の参照鏡であるプレーンミラー１９に入射する。Ｘ軸の参照鏡Ｘ５に入射および反射し、再びビームベンダー１２で曲げられ、偏光ビームスプリッタ１１とプレーンミラー１９との間を１往復し、ビームベンダー１２で曲げられ、偏光ビームスプリッタ１１で偏光され、レーザヘッド及びレシーバユニットＸ８に戻る。

また、計測光Ｘ９は偏光ビームスプリッタ１１を通過し、λ／４板１３とミラーＸ１のミラー面との間を２往復してレーザヘッド及びレシーバユニットＸ８に戻る。即ち、レーザヘッド及びレシーバユニットＸ８，偏向ビームスプリッタ１１，λ／４板１３、及び参照鏡Ｘ５よりＸ軸のダブルパス方式のレーザ干渉計が構成され、レーザヘッド及びレシーバＸ８では、戻ってきた計測光Ｘ９及び参照光Ｘ１０の干渉光を制御系により光電変換して得た検出信号を補間及び積算処理することによって、参照鏡Ｘ５（プレーンミラー１９）を基準としてミラーＸ１のミラー面のＸ方向への変位を求め、供給する。更に制御系では、その変位に所定のオフセットを加算してステージのＸ座標を求める。

干渉計ユニットの他の構成例として、偏光ビームスプリッタ１１により偏光された参照光Ｘ１０及び参照光Ｙ１５をダブルパス方式にし、偏光された計測光Ｘ９及び計測光Ｙ１４を４パス方式となるように構成することにより、レーザ干渉測長における検出分解能が２倍となり、より正確な位置測定が可能となる。

１ＸＹステージ
２ミラーＸ
３ミラーＹ
４，１７干渉計ユニットＸ
５参照鏡Ｘ
６，１８干渉計ユニットＹ
７参照鏡Ｙ
８レーザヘッド及びレシーバユニットＸ
９計測光Ｘ
１０参照光Ｘ
１１偏光ビームスプリッタ
１２ビームベンダー
１３ λ／４板
１４計測光Ｙ
１５参照光Ｙ
１６レーザヘッド及びレシーバユニットＹ
１９プレーンミラー
２０コーナキューブミラー
２１電子線光学系中心軸
２２試料室
２３試料
２４試料ホルダ
２５ミラー
２６干渉計ユニット
２７レーザヘッド及びレシーバユニット
２８電子光学系筺体
２９電子銃
３０，３２電子レンズ
３１偏向コイル
３３二次電子検出器
３４ドライポンプ
３５ターボ分子ポンプ

Claims

試料ステージの位置を検出するためのレーザー干渉計を試料室内に備えた荷電粒子線装置において、前記レーザー干渉計は、レーザーを放出する光源と、当該光源から放出されるレーザーを、計測光と参照光とに分割するビームスプリッタを含む干渉計ユニットと、前記試料ステージに設置される計測光ミラーと、前記光源が設置される前記荷電粒子線装置の試料室壁面と対向する壁面に設置される参照光ミラーとを備え、前記ビームスプリッタと前記計測光ミラーとの間に、λ／４波長板を備え、
前記干渉計ユニットから放出される光ビームの照射方向における前記荷電粒子線装置の光学系中心軸の位置が、前記試料室のほぼ中心となるように構成され、前記荷電粒子線装置の光学系中心軸と前記干渉計ユニットとの間の距離と、当該光学系中心軸と前記参照光ミラーとの間の距離が等しくなると共に、前記ビームスプリッタと前記計測光ミラーとの間で２ｎ回往復のパスが形成され、前記ビームスプリッタと前記参照光ミラーとの間でｎ回往復のパスが形成されるように構成されることを特徴とする荷電粒子線装置。
荷電粒子線装置に用いられる試料ステージ装置であって、前記荷電粒子線装置の試料室内に配置され、位置決め対象物を載置して該位置決め対象物と共に移動する可動ステージと、該可動ステージに向かって計測用の光ビームを照射する干渉計ユニットと、当該可動ステージに搭載され、該可動ステージから光ビームが戻されるように当該光ビームを反射する計測光ミラーと、当該計測光ミラーによって反射され、更に前記干渉計ユニット内に設けられたコーナキューブミラーによって反射された光ビームを再度、前記計測光ミラーに向かって反射すると共に、前記干渉計ユニットからの光ビームを分離するビームスプリッタと、当該ビームスプリッタによって分離された光ビームを反射する参照光ミラーと、前記ビームスプリッタと前記計測光ミラーとの間で２ｎ回往復のパスを通過した光ビームと、前記ビームスプリッタと前記参照光ミラーとの間でｎ回往復のパスを通過した光ビームを受光し、得られた干渉光から該可動ステージの所定方向への変位を検出する制御系を備え、前記干渉計ユニットから放出される光ビームの照射方向における前記荷電粒子線装置の光学系中心軸の位置が、前記試料室のほぼ中心となるように構成され、前記荷電粒子線装置の光学系中心軸と前記干渉計ユニットとの間の距離と、当該光学系中心軸と前記参照光ミラーとの間の距離が等しいことを特徴とするステージ装置。