JP6101603B2 - ステージ装置および荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステージ装置、及び荷電粒子線装置に係り、特に試料が載置されるテーブルの位置を特定する位置特定装置を備えたステージ装置、及び荷電粒子線装置に関する。

半導体素子の微細化に伴い、製造装置のみならず、検査や評価装置にもそれに対応した高精度化が要求されている。通常、半導体ウェハ上に形成したパターンの形状寸法を評価したり、形成されたウェハの欠陥を検査するために、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称す）が用いられている。

ＳＥＭは、ウェハ上に電子線を照射し、得られた二次電子信号を画像処理し、その明暗の変化からパターンのエッジを判別して寸法等を導き出す装置である。ＳＥＭには、ウェハ全域を観察、検査するために、ウェハ上の所望の個所をビームの照射位置に位置付けることが可能なＸＹステージが設けられている。このＸＹステージは、例えば回転モータとボールねじによって駆動される方法やリニアモータを用いて駆動する方法がある。また、ＸＹ平面のみでなく、Ｚ軸やＺ軸まわりの回転運動などを行うステージが用いられる場合もある。

このＸＹステージの位置を計測する手段としては、様々な種類が考えられる。例えば、２つのリニアスケールを用いる方法や、２つのレーザ干渉計とバーミラーを用いる方法がある。また、その他の方法として、２次元平面内で格子状にパターンを持つ平面スケールとこの平面スケールとの相対位置を検出する検出器を用いる方法がある。特許文献１や特許文献２には平面スケールを備えたステージ装置が記載されている。

特許文献１には、複数のエンコーダヘッドをウェハステージの上面に搭載し、ステージ上方に配置した平面スケールとの相対位置を計測する方法が開示されている。また、特許文献２には、微動ステージの下面に配置されたグレーティング面とメインフレームから吊り下げられた計測アームとの相対位置を検出方法が開示されている。

特開２０１１‐４９５５７号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，４９３，５４７） 特開２０１１‐２４４１号公報（対応米国特許公開公報ＵＳ２０１０／００７３６５３）

ここでＸＹステージはこの平面スケールおよび複数の検出器によって計測されるＸＹ方向の位置情報をもとに位置決めを行うが、ＳＥＭにおいては試料室の中央付近上部に設けられたカラムから電子線を照射しＳＥＭ画像を取得するため、ウェハ上の所望の位置（以下、測定点と称する）を電子線の照射位置であるカラムの中心直下に位置決めする必要がある。すなわち、ステージの位置を計測する手段は、カラムの中心直下に位置決めされるべき測定点の位置情報をより正確に検出することが求められる。

しかしながら、特許文献１に開示された技術によれば、測定点の位置を高精度に計測するためにはウェハステージに複数の検出器を搭載する必要である。また、ステージの移動範囲をカバーするために、平面スケール自体も可動ストロークに対して非常に大きくなり、装置が複雑化し、コストも増加する。

また、特許文献２に開示された技術によれば、ステージ自体が中空構造となるため、ステージの共振周波数を低下させる要因となる。また、フレームに固定された計測アームの剛性を高めることが難しく、その結果、検出器の支持剛性が低くなる。これは、測定点の位置検出精度劣化に直結する。

さらに、ＳＥＭにおいては、ビームの照射位置を制御するため、測定点のＸＹ座標は正確に検出する必要がある一方、測定点のＺ軸まわりの回転（ヨーイング）は検出する必要がない。特許文献２では、測定点のＸＹ座標およびＺ軸まわりの回転（ヨーイング）を計測するために３つの検出器を用いているため、冗長かつＸＹ座標を直接計測できない。

以下、ステージの高剛性化と、ステージ位置検出精度の高精度化の両立を目的とするステージ装置、及び荷電粒子線装置を説明する。

上記目的を達成するための一態様として、以下にベースと、当該ベースに対し試料を第１の方向に移動させる第１のテーブルと、当該第１のテーブル上に設けられると共に、前記試料を前記第１の方向に直交する第２の方向に移動させる第２のテーブルを備えたステージ装置、及び当該ステージ装置を備えた荷電粒子線装置であって、前記ベースに前記第２のテーブルの位置を検出する位置検出器を備え、前記第１のテーブルには、前記位置検出器と前記第２のテーブルの前記試料を配置する面とは反対側の面が対向するように、前記第２の方向に対し相対的に第１の方向に長い開口が設けられると共に、前記第２のテーブルには、前記位置検出器による位置検出パターンが設けられているステージ装置、及び荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、ステージの高剛性化と、ステージ位置検出精度の高精度化の両立を実現することが可能となる。

ステージ装置の分解斜視図（実施例１）。 ステージ装置を備えた荷電粒子線装置を示す図（実施例１）。 ステージの位置検出器の構成を示した図（実施例１）。 ビームの照射位置を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置を示す図。 ステージ装置の分解斜視図（実施例２）。 ステージの位置検出器の構成を示した図（実施例３）。 ステージの位置検出器の構成を示した図（実施例４）。

以下に説明する実施例は、測長ＳＥＭのような荷電粒子線装置およびそれに適用可能な高精度ステージ装置に関するものである。

以下に説明する実施例では、主に、固定ベースと、Ｘ方向に移動可能なＸテーブル（第１のテーブル）と、Ｘテーブルに対してＹ方向に移動可能なトップテーブル（第２のテーブル、なお、ＸテーブルとＹテーブルは上下が反対であっても良い）と前記固定ベースに取り付けられた位置検出ユニット（位置検出器）とを備え、トップテーブルは前記固定ベースに対向する面（試料載置面とは反対の面）に被検出パターン（位置検出パターン）を備え、前記Ｘテーブルは、前記位置検出ユニットが前記被検出パターンを検出可能なように（位置検出ユニットと被検出パターンが対向するように）、Ｘ方向に長い空洞部分を備えたステージ装置について説明する。

また、Ｘ検出器およびＹ検出器は、前記カラムの中心を通る直線と前記被検出パターンの平面との交点からＸ方向およびＹ方向に伸びる直線上（荷電粒子ビームの理想光軸の延長線に交差するＸ方向とＹ方向の直線上）に、かつそれぞれの検出方向が一致するよう配置することを特徴とする。

上記構成によれば、ステージ構造自体の高剛性を維持できると同時に、検出器の支持剛性を大幅に向上することができる。これにより測長点の位置検出精度が向上する。また、測定点のＸＹ座標をヨーイングの影響を受けずに直接かつ正確に計測することが可能となる。

以下実施例を、図面を用いて説明する。

図１は、本実施例におけるステージ装置の分解斜視図である。図１においては、説明のため、リニアガイドとスライドユニットの間において図中Ｚ方向に分離・分割して示しており、各分離箇所は、図中に破線で示している。

図１において、ベース１１５上には、２つのＸリニアガイド１０８ａおよび１０８ｂを介して図中Ｘ方向に自由にＸテーブル１０９が配置されている。また、ベース１１５上には、Ｘリニアモータ固定子１１４が固定されている。Ｘリニアモータ固定子１１４は、Ｘテーブル１０９に固定されたＸリニアモータ可動子（図示せず）との間に推力を発生させる。これにより、Ｘテーブル１０９はベース１１５に対してＸ方向に移動可能となる。

Ｘテーブル１０９上には、２つのＹリニアガイド１０６ａおよび１０６ｂを介してＹ方向に自由にトップテーブル１０３がＸ方向に自由に配置されている。また、Ｘテーブル１０９上には、Ｙリニアモータ固定子１１３が固定されている。Ｙリニアモータ固定子１１３は、トップテーブル１０３に固定されたＹリニアモータ可動子（図示せず）との間に推力を発生させる。これによりトップテーブル１０３は、Ｘテーブル１０９に対してＹ方向に移動可能となる。

トップテーブル１０３にはウェハ保持機構１０２が固定され、ウェハ１０１が例えば電気的な力や機械的な拘束によって保持される。以上のような構成によって、ウェハ１０１は、ベース１１５に対してＸＹ方向に自由に移動が可能となる。

トップテーブル１０３の裏面には、後述する平面スケール１０４が取り付けられている。また、Ｘテーブル１０９には、Ｘ方向に長い長方形形状の切欠き構造１１２が設けられている。さらにベース１１５の中央付近には、検出器ベース１０７を介して検出器１０５が設けられている。

図２は、本実施例におけるステージ装置を用いた荷電粒子線装置の断面概念図である。図２は、ＹＺ平面の断面図であり、説明のため詳細な部品を省略している。

図２において、試料室１１０には、天板１１１および電子ビームを照射するカラム１００が備えられている。ここでカラム１００は、天板１１１の中央付近に配置されることが多い。ウェハ１０１は、図１と同様にウェハ保持機構１０２、トップテーブル１０３に支持され、Ｙリニアガイド１０６によってＸテーブル１０９に対してＹ方向に可動する構成となっている。さらに、Ｘテーブルは、Ｘリニアガイド１０８によって試料室１１０に対してＸ方向に可動する構成となっている。ここで、図２おいては、図１に示したベース１１５の代わりに試料室１１０上にステージ機構を構成している。以上により、ウェハ１０１は、カラム１００に対してＸＹ方向に可動し、ウェハ１０１上の任意の測定点をカラム１００の直下に移動、電子ビームによってウェハの検査・計測を行うことが可能となる。

トップテーブル１０３の裏面（Ｚ軸負側に向かう面）には、平面スケール１０４が配置されている。この平面スケール１０４は、トップテーブル１０３に対してウェハ１０１が配置される位置のＺ方向反対側に配置される。平面スケール１０４は、例えば前述した特許文献１に記載されているようなＸ方向およびＹ方向にグレーティングが施された格子状のパターンを持つ検出面を備えた部材であり、例えばガラスや金属板などによって構成される。

試料室１１０の底面において、カラム１００の中心を通るＺ軸に平行な直線との交点（カラム１００直下の位置）には、検出器ベース１０７があり、その上には検出器１０５が備えられている。また、検出器ベース１０７および検出器１０５が干渉しないように、Ｘテーブル１０９には切欠き構造１１２が設けられている。この検出器１０５は、後述するＸ方向の検出器１０５ｘ、Ｙ方向の検出器１０５ｙ、Ｚ方向の検出器１０５ｚによって構成され、平面スケール１０４とのＸ、Ｙ、Ｚ方向の相対変位量を検出する。

以上のよう構成したステージ装置によれば、カラム１００に対するウェハ１０１上の測定点の位置情報を正確に測定することが可能である。すなわち、測定対象であるウェハ１０１の測定点は、電子ビームによる撮像を行う際には、常にカラム１００の直下の位置近傍にあるため、測定点と検出器の距離はステージ位置（測定点の座標）が変わっても常に近い位置でかつ一定である。これは、熱膨張による影響が小さくなるとともに、測定光路が短いために安定した計測値が求められるというメリットがある。また、切欠き構造１１２をＸ方向に長い長方形形状とすることによって、Ｘテーブルの剛性低下を最小限に抑えることができる。

Ｘテーブル１０９は、Ｘ方向にのみ移動するため、ベース１１５上に設けられた検出器１０５の設置位置に対してＸ方向に長い開口（切欠き構造１１２）を設けることによって、トップテーブル１０３が如何なる位置にあっても、その位置を特定することができる。このようなＸ方向に選択的に長い開口形成によって、高剛性を維持することが可能となる。さらに、検出器１０５を試料室１１０の底面から固定することで、検出器１０５の支持剛性を高くすることができ、測定点の検出精度向上が可能である。

なお、本実施例では、平面スケールのように２次元方向に格子状にグレーティングされた検出パターンを用いたが、ＸＹ方向の任意の移動量を検出可能であれば、格子状である必要はなく、例えばドット配列のような任意の被検出パターンを用いることも可能である。

図３は、本実施例における検出器の構成を示した上面図である。図３では、説明のため適当な部材を省略して示している。

図３において、網掛けで示したＸテーブル１０９の切欠き構造１１２の内側に検出器ベース１０７が構成される。検出器ベース１０７上には、Ｘ方向の位置検出を行うＸ検出器１０５ｘ、Ｙ方向の位置検出を行うＹ検出器１０５ｙおよびＺ方向の位置検出を行うＺ検出器１０５ｚ１、１０５ｚ２、１０５ｚ３が備えられている。ここで、点１２０は、カラム１００の中心軸と検出器ベース１０７上面との交点である（以下、カラム中心１２０と呼ぶ）。Ｘ検出器１０５ｘは、カラム中心１２０からＸ方向に延びる直線上に検出点があり、かつその検出方向がＸ軸と一致するように配置される。同様にＹ検出器１０５ｙは、カラム中心１２０からＹ方向に延びる直線上に検出点があり、かつその検出方向がＹ軸と一致するように配置される。ここで、Ｘ検出器１０５ｘおよびＹ検出器１０５ｙの位置は、必ずしもカラム中心１２０と一致するように配置する必要はない。

次に、以上のように構成したＸＹ検出器の動作について説明する。ウェハ上に電子ビームを照射して検査・計測を行うため、ウェハ上の測定点は常にほぼカラムの中心軸上に位置決めされる。すなわち、測長ＳＥＭのような荷電粒子線装置に要求されるのは、カラム中心１２０におけるＸＹ方向の位置情報を正確に計測することである。一方、Ｚ軸まわりの回転（ヨーイング）もＸＹ検出器の計測値に影響を及ぼすため、その影響を除去することが必要である。

上記検出器の配置構成によれば、トップテーブルの平面運動をカラム中心１２０のＸ方向およびＹ方向の並進移動量と、カラム中心１２０を通りＺ軸に平行な軸を回転中心とする回転移動量に分けた場合、回転移動量が微小である場合、回転移動量はＸ検出器１０５ｘおよびＹ検出器１０５ｙに影響を与えないため、カラム中心１２０のＸＹ座標を正確に検出することが可能である。

図３において、Ｚ検出器１０５ｚ１、１０５ｚ２、１０５ｚ３は、互いに離れた３つの位置に設置されている。これらのＺ検出器によって測定される平面スケール１０４までの高さＺ１、Ｚ２、Ｚ３を用いて、平面スケール１０４の高さＺ、Ｘ軸まわりの傾きθｘ（ピッチング）、Ｙ軸まわりの傾きθｙ（ローリング）は式１によって求められる。ここで、行列Ｍは、Ｚ検出器の配置位置によって決定する変換行列である。得られたθｘ、θｙを用いて最終的な測定点のＸＹ座標は式２で求められる。ここで、Ｘｍ、ＹｍはＸ検出器およびＹ検出器の測定値である。また、ΔＺは平面スケール１０４の検出面からウェハ上面までの高さであり、設計上求められる値であるが、より正確には後述するＺセンサを用いて決定することが有効である。

なお、図３に示したＺ検出器１０５ｚは、その配置を限定するものではない。ただし、３個のＺ検出器の検出点からなる三角形が鋭角三角形となるように配置することが望ましい。さらに望ましくは、その３個の検出点からなる三角形の内側にカラム中心１２０があるように配置することが望ましい。このように配置することで、ピッチングやローリングの検出精度に不均等が生じにくくなる。

図４は、本実施例における制御装置の構成を示す概念構成図である。

図４において、平面スケール１０４および検出器１０５によって計測された位置情報は、制御装置２００に入力される。また、図４には、ウェハ１０１にレーザ光を照射し、反射光によってウェハ１０１の上面の高さを計測するＺセンサ１１７が備えられている。検出器１０５によって得られた位置情報とＺセンサ１１７の情報を用いて、座標変換演算処理２０１では、式１〜２に示した演算を行い、測定点のＸＹ座標を算出する。算出されたＸＹ座標は、ステージ制御２０２に送られる。ステージ制御２０２では、例えばＰＩＤ制御に代表されるようなサーボ制御が行われ、ウェハ１０１上の任意の測定点がカラム１００の直下となるようにＸモータおよびＹモータを駆動する。また、座標変換演算処理２０１で得られたＸＹ座標は、電子ビーム制御２０３にも送られる。電子ビーム制御２０３では、測定点ＸＹ座標を用いてカラム１００内に設けられたビーム偏向器１１６に対して指令を送る。ビーム偏向器１１６は、この指令に応じて電子ビームをＸＹ方向に偏向することで、ウェハ上ビーム照射位置をわずかにシフトさせる。これにより、測定点により正確にビームを照射することが可能である。

以上のように構成した平面スケールを備えたステージ装置および荷電粒子線装置を用いることで、測長ＳＥＭに必要な測定点の位置を少ない検出器で高精度に計測することが可能である。また、ステージ構造および検出器の支持剛性を高くすることができるため、測定点の位置検出精度の劣化を防ぐことができる。

図５は、本実施例におけるステージ装置の分解斜視図である。図５において、図１と同じ番号で示される部材については、同様の構成・機能を有するため説明を省略する。

図５において、補助ガイド１１８ａおよび１１８ｂは、ベース１１５上で検出器ベース１０７をＹ方向に挟むようにＸ方向に配置されている。Ｘテーブル１０９の裏面には、切欠き構造１１２をＹ方向に挟むようにスライドユニット（図示せず）が配置され、Ｘテーブル１０９を支持する構造となっている。このように補助ガイド１１８を配置することにより、Ｘテーブル１０９が切欠き構造１１２を備えつつ同時に高剛性を維持できる。すなわち、ステージの共振周波数を高くすることができ、結果として高精度なステージ位置決め性能が得られる。

なお、本実施例において、補助ガイド１１８は２本のリニアガイドを用いて構成したが、一本のリニアガイドのみを用いて構成することも可能である。また、本実施例においては、補助ガイド１１８ａおよび１１８ｂには、それぞれ２個ずつのスライドユニットを用いて構成したが、１個のスライドユニットのみでも構成可能である。

図６は、本実施例における検出器の構成を示した上面図である。図６では、説明のため適当な部材を省略して示すとともに、図３と同様の構成・機能を有するため説明を省略する。

図６において、検出器ベース１０７上には、Ｘ検出器１０５ｘ、Ｙ検出器１０５ｙ、２つのＺ検出器１０５ｚ１および１０５ｚ２が配置されている。これらのＺ検出器によって測定される平面スケール１０４までの高さＺ１、Ｚ２およびＺセンサの出力情報Ｚｓを用いて、平面スケール１０４の高さＺ、Ｘ軸まわりの傾きθｘ（ピッチング）、Ｙ軸まわりの傾きθｙ（ローリング）は式３によって求められる。ここで、行列Ｍは、Ｚ検出器の配置位置によって決定する変換行列である。得られたθｘ、θｙを用いて最終的な測定点のＸＹ座標は式４で求められる。ここで、ΔＺは、平面スケール１０４の検出面からウェハ上面までの高さであり、事前にウェハ厚みを測定するなどすることで既知として扱うことができる。

図７は、本実施例における検出器の構成を示した上面図である。図７では、説明のため適当な部材を省略して示すとともに、図３と同様の構成・機能を有するため説明を省略する。

図７において、検出器ベース１０７上には、Ｘ検出器１０５ｘおよびＹ検出器１０５ｙが配置されている。図３と同様に、本構成によりカラム中心における平面スケール１０４のＸＹ方向の変位量を正確に検出することができる。一方、本構成では、トップテーブル１０３の姿勢角の変化（ピッチング、ローリング）によって生じる測定点とＸＹ検出値との誤差を補正することはできない。しかしながら、トップテーブル１０３の姿勢角の変化はステージ座標に依存することが多い。すなわち、ステージ座標による姿勢角の変化はあるものの、その再現性が高い場合、姿勢角変化に伴う検出誤差を補正マップとして保持し、その補正マップに基づいてステージの位置決めを行うことで高精度な位置決めを行うことが可能となる。

１００ カラム
１０１ ウェハ
１０２ ウェハ保持機構
１０３ トップテーブル
１０４ 平面スケール
１０５ 検出器
１０６ Ｙガイド
１０７ 検出器ベース
１０８ Ｘガイド
１０９ Ｘテーブル
１１０ 試料室
１１１ 天板
１１２ 切欠き構造
１１３ Ｙモータ
１１４ Ｘモータ
１１５ ベース
１１６ 偏向器
１１７ Zセンサ
１１８ 補助ガイド

Claims (14)

1. ベースと、当該ベースに対し試料を第１の方向に移動させる第１のテーブルと、当該第１のテーブル上に設けられると共に、前記試料を前記第１の方向に直交する第２の方向に移動させる第２のテーブルを備えたステージ装置において、
   前記ベースに前記第２のテーブルの位置を検出する位置検出器を備え、前記第１のテーブルには、前記位置検出器と前記第２のテーブルの前記試料を配置する面とは反対側の面が対向するように、前記第２の方向に対し相対的に第１の方向に長い開口が設けられると共に、前記第２のテーブルには、前記位置検出器による位置検出パターンが設けられていることを特徴とするステージ装置。
2. 請求項１において、
   前記位置検出パターンは、前記第１の方向及び前記第２の方向に形成される格子状パターンであることを特徴とするステージ装置。
3. 請求項１において、
   前記位置検出器は、前記第１の方向の位置を検出する第１の検出器と、前記第２の方向の位置を検出する第２の検出器を備えたことを特徴とするステージ装置。
4. 請求項１において、
   前記第１のテーブルを前記第１の方向に駆動する第１の駆動機構と、前記第２のテーブルを前記第２の方向に駆動する第２の駆動機構と、当該第１の駆動機構と第２の駆動機構を制御する制御装置を備えたことを特徴とするステージ装置。
5. 請求項４において、
   前記第１の駆動機構と第２の駆動機構は、リニアモータを含むことを特徴とするステージ装置。
6. 荷電粒子ビームを照射するためのビームカラムと、当該ビームカラムが搭載される試料室と、当該試料室内に設置されるステージ装置を有し、当該ステージ装置は、ベースと、当該ベースに対し試料を第１の方向に移動させる第１のテーブルと、当該第１のテーブル上に設けられると共に、前記試料を前記第１の方向に直交する第２の方向に移動させる第２のテーブルを備えた荷電粒子線装置において、
   前記ベースに前記第２のテーブルの位置を検出する位置検出器を備え、前記第１のテーブルには、前記位置検出器と前記第２のテーブルの前記試料を配置する面とは反対側の面が対向するように、前記第２の方向に対し相対的に第１の方向に長い開口が設けられると共に、前記第２のテーブルには、前記位置検出器による位置検出パターンが設けられていることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項６において、
   前記位置検出器は、前記第１の方向の位置を検出する第１の検出器と、前記第２の方向の位置を検出する第２の検出器を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項７において、
   前記第１の検出器は、前記ビームカラムのビームの理想光軸を通る直線に直交する前記第１の方向に延びる直線上に配置され、前記第２の検出器は、前記ビームカラムの理想光軸を通る直線に直交する前記第２の方向に延びる直線上に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項７において、
   前記位置検出器は、前記位置検出パターンとの距離を検出する第３の検出器を備えていることを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項９において、
    前記位置検出器は、前記第３の検出器を少なくとも３つ備え、当該３つの検出器は、当該３つの第３の検出器を結ぶ直線によって形成される三角形の内側に前記ビームの理想光軸を通る直線が位置するように配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項６において、
    前記位置検出器によって得られた情報に基づいて、前記試料の位置情報を補正する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項１１において、
    前記位置検出器は、前記位置検出パターンとの距離を検出する第３の検出器、及び前記試料の高さを計測するＺセンサの少なくとも１つを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 請求項１１において、
    前記制御装置は、予め登録された補正マップを用いて前記位置検出器の位置情報を補正することを特徴とする荷電粒子線装置。
14. 請求項６において、
    前記荷電粒子ビームを偏向する偏向器と、前記位置検出器によって検出される試料の位置情報に基づいて、前記偏向器の偏向位置を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。