JPH10326740A - 位置検出装置及びそれを用いた加工機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ナノメートル以下の位置検出も可能な分子原
子レベルの高精度な位置検出を可能とする位置検出装置
及びそれを用いた加工機を得ること。 【解決手段】 物体面上に設けたアライメントマークに
照明手段から励起光を照射し、該アライメントマーク近
傍に励起された近接場光をプローブを利用して検出する
ことによって該物体の位置情報を検出していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、位置検出装置及び
それを用いた加工機に関し、例えば物体の位置情報をナ
ノメートルの精度で検出し、該位置情報を利用して該物
体面上を光加工したり、又は該物体面上の微細構造を検
査する際に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より物体面（シリコン面）上に電子
回路パターンを逐次形成して半導体素子を製造する光加
工機（微細加工機）や物体面上の分子構造等の微細構造
を高精度に検査する検査機等においては物体の位置情報
を検出する位置検出装置を用い、それより得られた位置
情報を利用して該物体を駆動制御している。

【０００３】位置検出装置として、例えば特開平４−２
６７５３６号公報，特開平４−１８６７１６号公報、特
開平８−３２１４５４号公報等では物体面上にアライメ
ントマークを設け、該アライメントマークをアライメン
ト光で照射し、該アライメントマークの光学像を観察系
（ＴＶカメラ等）で検出し、画像処理を行うことによっ
て、該物体の位置情報を検出している。

【０００４】又、特開平７−２７０１２３号公報では物
体面上に回折格子を設け、該回折格子より生じる±ｎ次
回折光を利用することによって物体の位置情報を検出し
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】物体面上に設けたアラ
イメントマークの位置を光学的に検出して物体の位置情
報を得る位置検出装置においては、アライメント光の波
長による光学像の拡がり，アライメント検出系の製造誤
差，アライメント光学系の収差等によって検出精度に限
界があり、例えばナノメートル以下とするのが大変困難
である。

【０００６】本発明は、物体面上に設けたアライメント
マークに励起光を照射したときにその物体面上に形成さ
れる近接場にプローブを接近させ、このとき得られる近
接場光に基づく散乱光を検出することによって該物体の
位置情報を高精度に検出することができる半導体素子製
造用の微細加工機や物体表面の微細構造を検査する微細
構造検査機等に好適な位置検出装置及びそれを用いた加
工機の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置
は、 (1-1) 物体面上に設けたアライメントマークに照明手段
から励起光を照射し、該アライメントマーク近傍に励起
された近接場光をプローブを利用して検出することによ
って該物体の位置情報を検出していることを特徴として
いる。

【０００８】特に、 (1-1-1) 前記プローブは微小粒子から成っていること。

【０００９】(1-1-2) 前記微小粒子の位置を光タラップ
により制御していること。等を特徴としている。

【００１０】本発明の加工機は、 (2-1) 構成(1-1) の位置検出装置を用いて加工部材の位
置情報を検出し、該位置情報を利用して該加工部材の面
上を加工していることを特徴としている。

【００１１】本発明の検査機は、 (3-1) 構成(1-1) の位置検出装置を用いて評価試料の位
置情報を検出し、該位置情報を利用して該評価試料の検
査を行っていることを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の位置検出装置の検
出原理を示す要部概略図である。本発明の位置検出装置
は励起光を物体面上に照射して、その領域に近接場を形
成している。光照射により物体中に生じた分極の場は、
物質構造によって形成される不均質で非放射な局在電磁
場であり、近接場とよばれ、その分極間の局所的相互作
用を光として表現したものが近接場光である。このよう
な近接場光は物体の表面近傍に該光の波長オーダーの範
囲に広がる。この近接場光に微小物体を近づけると近接
場が変化し、散乱光が生じる。

【００１３】本実施形態ではこのときの散乱光を検出す
ることによって物体の光学情報分布を得ることにより、
分子オーダーの分解能を持って物体の位置情報を検出し
ている。

【００１４】本実施形態ではこのときの各要素より位置
検出系を構成している。この位置検出系の分解能は近づ
ける微小物体（プローブ）の大きさで決まり、光の波長
によらず、波長よりはるかに小さいものまで分解でき
る。

【００１５】本実施形態ではこのときの位置検出系を利
用して物体の位置情報をナノメートル以下の精度で検出
している。

【００１６】図１は近接場光を利用した位置検出装置の
検出原理を示している。位置検出をしたい物体５上にア
ライメントマーク１を設けている。

【００１７】同図におけるアライメントマーク１の周辺
領域を励起光（照射光）６で照射する光照射手段（照射
手段）１１，プローブ２，集光レンズ３、そして検出器
４等の各要素で構成される近接場光学系１０でアライメ
ントマーク１近傍の近接場８の光分布を画像（近接場光
学像）として検出する。

【００１８】近接場光学系１０と通常の光学顕微鏡との
違いは物体５面上に設けたアライメントマーク１の上に
微小散乱体（プローブ）２が存在することである。光照
射手段１１からの光（照射光）６は物体５面上に設けた
アライメントマーク１によって回折・散乱し、あるいは
吸収される。そしてアライメントマーク１の近傍に近接
場８が形成される。プローブ２はこの近接場８と相互作
用し、近接場８を変化させ、新しい近接場を形成する。

【００１９】このようにして変化した近接場により、そ
こに存在していた近接場光に基づいて散乱光９を発生さ
せて、レンズ３を通して検出器４で検出している。この
為、レンズ３はプローブ２から散乱される散乱光を集め
るだけであるので、結像機能の必要性はない。

【００２０】分解能は通常の光学系とは異なり、プロー
ブ２の大きさや、そのアライメントマーク１からの距離
等で決まり、レンズ３の像性能にはよらない。このよう
な近接場光学系１０により求めたアライメントマーク１
に基づく画像データを制御装置７により処理し、解析し
てアライメントマーク１の位置情報を求め、これにより
物体５の位置情報を検出している。

【００２１】同図においては位置検出したい物体５はス
テージ１２上に置かれ、ステージ駆動系１３でその位置
を制御している。

【００２２】図２は図１に示した本発明の位置検出装置
をフォーカスイオンビーム（ＦＩＢ）を用いて、例えば
半導体素子を製造したり、微細加工物を製造したりする
微細加工機（光加工機）に適用したときの実施形態１の
要部概略図である。

【００２３】同図において、ステージ駆動系１３により
駆動可能となっている加工ステージ１２ａ上に加工部材
５ａを載せ、加工ビームを放射する照射手段１４より、
加工ビーム１５を加工部材５ａに照射し、パターン１６
を作成している。その際、加工ビーム１５の制御並び
に、加工位置制御の全体を統括する制御装置７により、
所望のパターンを加工部材５ａ上に形成している。

【００２４】このとき加工部材５ａの位置情報を検出す
る為に図１で示した位置検出用の励起光（アライメント
光）６を照射する光照射手段１１，プローブ２，集光レ
ンズ３、そして検出器４で構成される近接場光学系１０
を用いている。光照射手段１１より照射された励起光
（照明光，波長７８５ｎｍ）６はアライメントマーク１
によって回折・散乱し、あるいは吸収される。プローブ
２はこの近接場８と相互作用し、新しい場（近接場）を
形成する。このようにして変化した近接場に存在する近
接場光に基づく散乱光９をレンズ３を通して検出器４で
検出している。

【００２５】本実施形態では励起光６として波長７８５
ｎｍの光を用いている。その際、プローブ２は図３に示
されるようなシアフォース制御法により１ｎｍの精度で
制御され、幅２ｎｍ，長さ５０ｎｍの十字型のアライメ
ントマーク１の像を１ｎｍの位置精度で検出している。

【００２６】図３は本実施形態におけるプローブ制御系
の要部概略図である。プローブ制御系はシアフォース制
御用の検出光１７ａを放射する光源１７，検出光１７ａ
の入射位置を検出する位置検出器１８そしてプローブを
駆動させる圧電素子１９、そして各種の要素の駆動制御
をする制御装置７を有している。

【００２７】図３のプローブ制御系と図２の近接場光学
系１０は３次元的な配置となっており、アライメントマ
ーク１を中心に紙面の前後に相対的に所定の角度回転し
て配置され、両者が機械的に干渉しないように設定され
ている。プローブ２には先端径が１０ｎｍの金の針を用
いている。プローブ２とアライメントマーク１との距離
をナノメートルの精度で一定にする為、プローブ２をア
ライメントマーク１上で圧電素子１９を用い、微小振動
させて共振周波数のずれ量を制御することによって、プ
ローブ２とアライメントマーク１との距離を一定に保っ
ている。

【００２８】シアフォース制御用の検出光１７ａをプロ
ーブ２に垂直に照射し、プローブ両端を通過した光を位
置検出器１８に入射させ、位置検出器１８からの信号を
用いることによりプローブ２の振動を計測する方式をと
っている。尚、シアフォース制御用の検出光１７ａとし
ては波長は６３０ｎｍのＬＤ（レーザーダイオード）か
らの光を用い、位置検出系では不図示のアライメント光
の波長のみを透過するフィルターを用いることによりア
ライメント信号へのノイズ低減を図っている。

【００２９】このようにしてプローブ２とアライメント
マーク１とのナノメートルオーダーの位置検出を行な
い、その信号をもとに、加工ステージ１２ａをステージ
駆動系１３を用いて所望の位置に駆動させて加工部材５
ａの位置を制御している。そして加工ビーム１５を加工
部材５ａに照射することにより、所望のパターン（微細
パターン）を加工部材５ａ上に形成している。

【００３０】図４は本実施形態において複数のプロセス
にまたがって微細加工を行なう場合のフローチャートで
ある。まずアライメントマークを本実施形態に従い加工
部材上に形成する。その後、アライメントマーク形状に
適したエッチングやデポジションによるプロセス処理を
施す。

【００３１】つぎに加工部材を加工ステージ上に装着
し、該アライメントマークを用いて、アライメントを行
ない、加工ビームにより加工部材上の所定位置に所定の
パターンを加工する。

【００３２】ついで、加工部材を取り外し、次のプロセ
ス処理を行なう。プロセス処理が完了したら、再び加工
部材を加工ステージ上に装着し、次の加工を行なう。

【００３３】このようにして、接着，アライメント，加
工，プロセス処理を繰り返し行ない、所望の複数のプロ
セスを経た微細パターンを有した加工物を製造してい
る。

【００３４】本実施形態においては近接場光学系１０の
一要素として、金属性のプローブ２を用いて散乱光を検
出する方式を用いたが、ファイバーより成るプローブを
用い、ファイバー先端から近接場光（散乱光）を検出す
る方式を用いても良い。

【００３５】また、ファイバー中から光を照射すると同
時に近接場光を受光する所謂反射検出光モードを用いて
も良い。微細加工部の構成において、本実施形態では加
工ビームとしてＦＩＢを用いたが、その他の加工ビー
ム、例えば電子ビーム等を用いても良い。

【００３６】図５は本実施形態におけるアライメントマ
ークの形成方法の他の実施形態のフローチャートであ
る。同図は加工ビームを用いて逐次加工部材上にアライ
メントマークを形成し、その後アライメントマークをも
とにアライメントをすることにより広範囲の領域を高精
度に位置決めしながら、加工している場合を示してい
る。

【００３７】図５においては、加工部材を加工ステージ
上に装着後、アライメントマークをまず所定位置に形成
する。

【００３８】次に加工ステージを駆動し、所定の位置に
所望のパターンを加工する。その後、次のアライメント
マークを加工部材上に加工ビームで形成する。このアラ
イメントマークを用い、次の所望のパターンを加工す
る。これを繰り返すことにより広範囲の高精度加工を可
能としている。

【００３９】尚、本実施形態においてアライメントマー
クと加工ビームの位置の較正の為に加工ビームで較正用
マークを一度加工部材上に作成し、該較正用マークを本
発明に係る近接場光学系で検出することにより較正して
も良い。

【００４０】又アライメントマークを加工部材上の複数
箇所に設け、それぞれの位置情報を検出することにより
全体の加工部材の位置を定め、加工する方式をとること
によりアライメント精度向上を図ってもよい。

【００４１】図６は本発明の実施形態２の要部概略図、
図７は図６の一部分の説明図である。本実施形態は実施
形態１で用いたプローブとして微小粒子を光タラップし
て制御したものを用いている。

【００４２】図７はその微小粒子より成るプローブ２が
光タラップされ、プローブ制御光（光タラップ光）２４
により位置制御用の微小粒子をプローブ２として用い、
この微小粒子を実施形態１のプローブと同様にアライメ
ントマーク１からの近接場光８中に置くことにより近接
場が変化する場合を示している。この変化した近接場８
に存在する近接場光による散乱光９をレンズ３を通して
検出器４で検出している。この微小粒子より成るプロー
ブ２の位置を制御する為の光タラップ光学系は光タラッ
プ光源２２，レンズ２１，ハーフミラー２０、そしてレ
ンズ３等から構成されている。

【００４３】光タラップ光源２２としてＮｄ：ＹＡＧレ
ーザー（波長１．０６μｍ：１００ｍＷ）を用いてい
た。光タラップ光源２２から出射された光タラップ光２
４はレンズ２１により集光され、ハーフミラー２０で折
り曲げられ、近接場光学系１０と共有化したレンズ３を
介し、プローブ２に照射している。プローブ２の微小粒
子として、ポリスチレン１００ｎｍ径の球を用いてい
る。

【００４４】図７は光タラップ光２４と微小粒子より成
るプローブ２に働く力の方向２５を示している。集光さ
れた光タラップ光２４は微小粒子より成るプローブ２に
よって散乱され、プローブ２自身はビーム電場分布の中
心、ビームフォーカス位置に引き寄せられ、方向２５に
動き、フォーカス位置（ビームウエスト）で安定する。

【００４５】ビームウエストの位置がプローブ２の中心
よりやや下方にくるように不図示のフォーカス位置調整
手段により調整すると、プローブ２はアライメントマー
ク１の表面上にわずかに押しつけられる。その結果、プ
ローブ２とアライメントマーク１の表面間の距離は略０
に保つことができる。

【００４６】こうして位置制御されたプローブ２を用
い、不図示のフォーカス位置制御手段により画角１００
ｎｍのスキャンを行なうことにより、アライメントマー
ク１の位置情報をナノメートルの精度で得ている。

【００４７】加工部材５ａを大まかな所定の位置にセッ
ティングする前はプローブ２は不図示のフォーカス位置
制御手段により加工部材５ａがセットされる位置より僅
かに上方に待機するような構成をとっている。その他の
基本構成は実施形態１と同様である。

【００４８】図８は本発明の実施形態３の要部概略図で
ある。実施形態においては位置検出装置を微細構造検査
手段としての近接場蛍光顕微鏡系の一部に適用した場合
を示している。

【００４９】検査ステージ１２ｂ上に微細構造を有する
評価試料５ｂを載せ、その評価領域３３を検査ユニット
３４で検査している。その際、評価領域３３の所定位置
が検査できるように、評価試料５ｂ上に設けたアライメ
ントマーク１を位置検出装置１０を用いて検出してい
る。その結果をもとにステージ駆動系１３が制御装置７
からの指令のもとに検査ステージ１２ｂを動かし、検査
する構成をとっている。

【００５０】このような微細構造を有する評価試料５ｂ
の評価領域３３の所定位置に正確に評価試料５ｂがくる
ようにアライメントする為の位置検出装置の構造は実施
形態２と同様である。

【００５１】一方、検査ユニット３４は検査光源２８、
該検査光源２８から出射されたビームをハーフミラー２
７を介して評価試料５ｂに近接場光として照射する為の
微細構造評価用のファイバープローブ２６、評価領域３
３から生じた蛍光を検出系へ導くハーフプリズム２７、
蛍光を分光する分光器２９、そして分光された光を検出
する検出器３０を有している。

【００５２】尚、微細構造評価用のファイバープローブ
２６は前記実施形態１で述べたのと同様の構成のシアフ
ォーカス検出系（そのための光源３１，検出器３２）に
より制御している。

【００５３】本実施形態によれば、ナノメートルオーダ
ーで顕微蛍光分光が行なえ、評価試料の微細構造がナノ
メートルオーダーで検査できる。微細構造の評価試料５
ｂ上のアライメントマーク１の作成に関しては、評価試
料５ｂが、例えば生体試料等の場合、試料作成前の予め
作成した基板を用意し、その上で試料を作成しておく。
又、半導体素子製造用の構造物の評価試料であれば、試
料作成時に同時に作成しておくことにより実施しても良
い。

【００５４】本実施形態では微細構造の検査手段として
近接場蛍光顕微鏡系を用いたが、その他、電子ビームに
よる検査、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）等、様々なナノメートルオーダーの微
細構造の検査手段を用いた装置に適用可能である。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、物体面上
に設けたアライメントマークに励起光を照射したときに
その物体面上に形成される近接場にプローブを接近さ
せ、このとき得られる近接場光に基づく散乱光を検出す
ることによって該物体の位置情報を高精度に検出するこ
とができる半導体素子製造用の微細加工機や物体表面の
微細構造を検査する微細構造検査機等に好適な位置検出
装置及びそれを用いた加工機を達成することができる。

【００５６】特に本発明によれば、従来アライメントマ
ークを検出する際、波長オーダーの分解能しかなかった
画像を、近接場光学系を組むことにより波長の１００分
の１以下のナノメートルオーダーの分解能で得ることが
可能となり、サブナノメートルの位置検出が可能とな
る。

【００５７】又、本発明の位置検出装置を微細加工機に
搭載することにより、複雑な構造を持つ素子を、ナノメ
ートルオーダーで加工できる。

【００５８】又、本発明の位置検出装置を微細構造検査
装置に搭載することにより、ナノメートルオーダーの微
細構造が正確に計測できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の位置検出装置の検出原理の説明図

【図２】本発明の位置検出装置を用いた加工機の実施形
態１の要部概略図

【図３】本発明の位置検出装置を用いた加工機の実施形
態１におけるプローブ制御の説明図

【図４】本発明の位置検出装置を用いた加工機の実施形
態１における複数プロセス加工のフローチャート

【図５】本発明の位置検出装置を用いた加工機の実施形
態１における広範囲加工のフローチャート

【図６】本発明の位置検出装置を用いた加工機の実施形
態２の要部概略図

【図７】本発明の位置検出装置を用いた加工機の実施形
態２の光タラップの説明図

【図８】本発明の位置検出装置を用いた検査機の実施形
態３の要部概略図

【符号の説明】

１ アライメントマーク ２ プローブ ３ レンズ ４ 検出器 ５ 物体 ５ａ 加工部材 ５ｂ 評価試料 ６ 励起光 ７ 制御手段 ８ 近接場 ９ 変化した場による散乱光（近接場光） １０ 近接場光学系 １１ 光照射手段 １２ ステージ １２ａ 加工ステージ １２ｂ 検査ステージ １３ ステージ駆動系 １４ 加工用ビーム照射手段 １５ 加工ビーム １６ パターン １７，３１ シアフォース制御用検出光源 １８ 位置検出器 １９ 圧電素子 ２０ ハーフミラー ２１ レンズ ２２ 光タラップ光源 ２３ 光タラップ光源制御手段 ２４ 光タラップ光束 ２５ 力の方向 ２６ ファイバー ２７ ハーフプリズム ２８ 分光用レーザー（検査光源） ２９ 分光器 ３０ 検出器 ３１ 光源 ３２ 検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｊ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体面上に設けたアライメントマークに
   照明手段から励起光を照射し、該アライメントマーク近
   傍に励起された近接場光をプローブを利用して検出する
   ことによって該物体の位置情報を検出していることを特
   徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 前記プローブは微小粒子から成っている
   ことを特徴とする請求項１の位置検出装置。
3. 【請求項３】 前記微小粒子の位置を光タラップにより
   制御していることを特徴とする請求項２の位置検出装
   置。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれか１項記載の位
   置検出装置を用いて加工部材の位置情報を検出し、該位
   置情報を利用して該加工部材の面上を加工していること
   を特徴とする加工機。
5. 【請求項５】 請求項１から３のいずれか１項記載の位
   置検出装置を用いて評価試料の位置情報を検出し、該位
   置情報を利用して該評価試料の検査を行っていることを
   特徴とする検査機。