KR20200067738A

KR20200067738A - 스테이지 장치 및 하전 입자선 장치

Info

Publication number: KR20200067738A
Application number: KR1020190122924A
Authority: KR
Inventors: 모또히로 다까하시; 마사끼 미즈오찌; 슈이찌 나까가와; 도모따까 시바자끼; 나루오 와따나베; 히로노리 오가와; 다까노리 가또; 아끼라 니시오까
Original assignee: 주식회사 히타치하이테크
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2020-06-12
Also published as: TW202022312A; JP2020091983A; JP7114450B2; US20200176217A1; KR102270456B1; TWI723557B; US11049687B2

Abstract

아베 오차의 저감과 미러 경량화의 양립을 실현하는 기술을 제공한다.
본 개시는 일 양태로서, 시료를 적재하는 시료 테이블과, 시료 테이블을 제1 방향으로 이동시키는 제1 구동 기구와, 시료 테이블의 구동 방향인 제1 방향의 위치를 계측하는 위치 계측 요소와, 위치 계측 요소에 의한 제1 방향의 제1 측정축과 평행이고 당해 제1 측정축과는 높이가 상이한 스케일 측정축을 갖고, 시료 테이블의 제1 방향 위치를 계측하는 스케일 요소와, 위치 계측 요소에 의한 계측값과 스케일 요소에 의한 계측값을 이용하여 시료 테이블의 자세를 산출하여 시료 테이블의 아베 오차를 보정하는 컨트롤러를 구비하는, 스테이지 장치에 대하여 제안한다.

Description

스테이지 장치 및 하전 입자선 장치{STAGE DEVICE AND CHARGED PARTICLE BEAM DEVICE}

본 개시는 스테이지 장치 및 하전 입자선 장치에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼의 제조, 측정, 검사 등에 이용되는 전자 현미경 등의 하전 입자선 장치에는, 시료의 원하는 위치에 빔을 조사하기 위하여 시료의 위치를 이동시키는 스테이지가 마련되어 있다. 이와 같은 스테이지는, 2차원 방향으로 시료를 이동시키고자 적어도 2방향으로 시료를 이동시키기 위한 구동 기구가 구비되어 있다. 또한 스테이지의 위치 측정에는 레이저 간섭계가 사용되는 것이 일반적이다.

예를 들어 특허문헌 1에는, 테이블의 경사를 측정하여, 경사에 따른 계측 오차를 보정하는 스테이지 장치가 개시되어 있다. 보다 구체적으로는, 특허문헌 1에서는, 테이블에 고정한 미러의 수평 방향 위치를 측정하는 간섭계에 더해, 높이 방향으로 간격을 마련한 2점을 측정하여 미러의 경사를 계측하기 위한 간섭계를 2개 증설하고 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 수평면 내를 (XY의 2축으로) 동작하는 스테이지에 있어서, 스테이지의 경사에 수반하는 계측 오차(아베 오차)를 저감시킬 수 있다.

일본 특허 제3890233호 공보

그러나 아베 오차를 저감시키고자 하는 경우, 특허문헌 1에 개시되는 바와 같은 종래 기술에는 다양한 과제가 있다. 예를 들어 위치 계측용의 간섭계에 더해 경사 계측용의 간섭계를 증설할 필요가 있어서 측장계의 비용이 2배로 되어 장치 비용이 증대되어 버린다. 또한 경사 측정을 위해서는 미러의 높이가 상이한 2점을 측정할 필요가 있어서 미러 높이의 확대가 필요해진다. 또한 2대의 간섭계를 횡으로 배열한 필요가 있어서 미러의 길이도 증대된다. 또한 연직 방향(Z 방향)으로도 위치 결정을 행하는 스테이지에서는, Z 방향의 가동 스트로크에 따라 미러의 높이를 더욱 확대할 필요가 있다. 미러의 확대는, 미러 및 테이블의 제조 비용 증대에 더해, 스테이지 이동에 의한 미러의 진동이 증대된다. 또한 가동 질량의 증대에 의하여 모터 발열이 증가하여, 열변형 기인의 위치 결정 오차의 증대로 이어진다.

본 개시는 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 아베 오차의 저감과 미러 경량화의 양립을 실현하는 기술을 제공한다.

상기 과제를 달성하기 위하여 본 개시는 일 양태로서, 시료를 적재하는 시료 테이블과, 시료 테이블을 제1 방향으로 이동시키는 제1 구동 기구와, 시료 테이블의 구동 방향인 제1 방향의 위치를 계측하는 위치 계측 요소와, 위치 계측 요소에 의한 제1 방향의 제1 측정축과 평행이고 당해 제1 측정축과는 높이가 상이한 스케일 측정축을 갖고, 시료 테이블의 제1 방향 위치를 계측하는 스케일 요소와, 위치 계측 요소에 의한 계측값과 스케일 요소에 의한 계측값을 이용하여 시료 테이블의 자세를 산출하여 시료 테이블의 아베 오차를 보정하는 컨트롤러를 구비하는 스테이지 장치에 대하여 제안한다.

본 개시에 관련되는 추가적인 특징은 본 명세서의 기술, 첨부 도면으로부터 밝혀지는 것이다. 또한 본 개시의 양태는, 요소 및 다양한 요소의 조합, 그리고 이후의 상세한 기술과 첨부되는 특허 청구의 범위의 양태에 의하여 달성되고 실현된다.

본 명세서의 기술은 전형적인 예시에 불과하며, 본 개시의 특허 청구의 범위 또는 적용예를 어떠한 의미에 있어서도 한정하는 것은 아님을 이해할 필요가 있다.

본 개시에 의하면, 스테이지 장치 및 하전 입자선 장치에 있어서 아베 오차의 저감과 미러 경량화의 양립을 실현할 수 있게 된다.

도 1은 하전 입자선 장치 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 테이블의 경사에 의한 위치 결정 오차를 설명하는 도면이다.
도 3은 아베 오차의 발생 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 간섭계를 이용하여 테이블의 경사를 계측하는 구성을 설명하는 도면이다.
도 5는 간섭계를 이용하는 경우의 미러의 확대에 대하여 설명하는 도면이다.
도 6은 간섭계를 이용하는 경우의 미러의 연장에 대하여 설명하는 도면이다.
도 7은 간섭계와 스케일을 이용하여 경사를 계측하는 구성을 설명하는 도면이다.
도 8은 간섭계와 스케일을 이용한 경사 계측의 원리를 설명하는 도면이다.
도 9는 간섭계와 스케일을 이용한 경사 계측의 이점을 설명하는 도면이다.
도 10은 X축 스케일과 X 레이저 광축의 위치가 어긋난 경우의 도면이다.
도 11은 수직축 스케일을 추가한 경우의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 12는 톱 테이블의 경사 계측의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 톱 테이블의 θy 방향의 경사 계측 방법을 설명하는 도면이다.
도 14는 톱 테이블의 θx 방향의 경사 계측 방법을 설명하는 도면이다.
도 15는 Y 테이블의 경사 계측을 위한 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 Y 테이블의 θz 방향의 경사 계측 방법을 설명하는 도면이다.
도 17은 Y 테이블의 θx 방향의 경사 계측 방법을 설명하는 도면이다.
도 18은 Y 테이블의 θy 방향의 경사 계측 방법을 설명하는 도면이다.
도 19는 시료실에 대한 톱 테이블의 경사 산출을 설명하는 도면이다.
도 20은 스케일 오차의 보정 방법을 설명하는 도면이다.
도 21은 스케일의 휨에 의한 오차가 미소한 것을 설명하는 도면이다.
도 22는 2축 스케일을 이용하여 수직축 스케일과 구동축의 스케일을 통합하는 경우의 구성예를 도시하는 도면이다.

본 실시 형태는, 하전 입자선 장치 등에서 이용되는 스테이지 장치의 아베 오차에 의한 위치 결정 오차를 보정하는 기술에 대하여 개시한다.

이하, 본 실시 형태에 의한 아베 오차 저감과 장치 규모의 장대화 방지의 양립에 대하여 상세히 설명한다. 또한 그 전에 먼저, 아베 오차 발생 요인 및 아베 오차 저감의 필요성에 대하여 설명하여 기술적 과제에 대하여 더욱 부각시킨다.

<아베 오차 발생 요인 및 아베 오차 저감의 필요성>

근년의 반도체 소자의 미세화에 수반하여 제조 장치뿐 아니라 검사 장치나 계측 장치에도 위치 결정 정밀도의 고정밀도화가 요구되고 있다. 예를 들어 원하는 검사 개소를 찾기 위해서는 스테이지의 위치 좌표를 기준으로 하여 웨이퍼 상의 패턴의 SEM 화상을 취득한다. 스테이지에 위치 결정 오차가 있는 경우에도 웨이퍼의 목표값으로부터의 위치 편차를 정확히 측정할 수 있으면, 전자 빔을 편향시킴으로써 스테이지의 위치 편차를 보정하여 원하는 패턴을 측정할 수 있다. 단, 웨이퍼의 목표값으로부터의 위치 편차를 정확히 측정할 수 없는 경우, 전자 빔의 보정에 오차가 생기기 때문에 원하는 패턴의 위치에 전자 빔을 조사하지 못하여 시야 어긋남이 발생한다. 이와 같이 발생하는 관찰 목표의 패턴 위치와, 스테이지 위치 편차를 보정한 후에 조사한 전자 빔 조사 위치와의 거리를 시야 위치 결정 오차라 칭한다. 디바이스의 패턴 미세화가 진행될수록, 시야 위치 결정 오차가 생기면 원하는 검사 개소에 당도하는 것이 곤란해진다.

여기서, 레이저 광축의 높이와 웨이퍼 상면의 관찰면의 높이에 차가 있는 경우, 테이블의 경사 변화에 따라 아베 오차가 생긴다.

웨이퍼를 반송 가능한 스테이지를 갖는 하전 입자선 장치에서는, 테이블의 경사의 계측(피칭 계측)을 행함으로써 아베 오차를 보정하여 시야 위치 결정 오차를 저감시키는 것이 가능하다. 그러나 간섭계를 증설하여 경사를 계측하는 경우, 그만큼 미러 질량이나 그에 요하는 비용이 증대된다. 또한 Z 방향으로 이동하는 스테이지의 경우, 미러 높이의 Z축 스트로크만큼의 확대가 필요해져 미러 질량이 더욱 증대된다. 미러 치수가 확대되면, 미러를 지지하기 위하여 테이블의 대형화도 필요해져 스테이지의 가동 질량이 크게 증대된다. 이것에 의하여 스테이지의 모터 발열이 증대되어, 열변형에 의하여 시야 위치 결정 정밀도가 열화된다. 또한 스테이지 이동 시의 칼럼이나 시료실의 진동이 증대되어, 이동 후의 진동 감쇠 대기 시간의 연장이 필요해져 스루풋 향상이 곤란해진다. 또한 미러 치수가 확대되면, 그것을 수용하는 시료실도 확대할 필요가 있어서 장치의 대형화 및 제조 비용 증대로도 이어진다. 즉, 간섭계의 증설이 필요해질 뿐 아니라 스테이지 장치에 있어서의 다른 구성 요소에 대한 영향도 크다.

이에 비해, 본 실시 형태는, 스테이지 장치에 있어서의 테이블 하면에 리니어 스케일을 추가하는 구조에 대하여 예시한다. 일반적으로 리니어 스케일은 간섭계에 비해 소형·경량·저가격이어서, 스테이지의 가동 질량이나 제조 비용을 증대시키는 일 없이 아베 오차의 배제가 가능해진다. 즉, 본 실시 형태에 의하면, 스테이지의 치수나 가동 질량을 증대시키는 일 없이 아베 오차를 억제하며, 예를 들어 하전 입자선 장치이면, 시야 위치 결정 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다.

구체적으로는, 본 실시 형태는, 주로 시료를 지지하고, 당해 시료를 X 방향 및 Y 방향으로 이동시키는 X 방향 및 Y 방향 이동 기구, 또는 당해 시료를 X 방향으로 이동시키는 X 방향 이동 기구를 구비하는 시료 스테이지 장치이며, X 방향 및 Y 방향 측정용 레이저 간섭계와, 레이저 간섭계의 광축과 상이한 높이에 있어서의 X 방향 및 Y 방향 측정용 리니어 스케일을 구비하는 스테이지 장치, 및 하전 입자선 장치에 대하여 설명한다. 당해 구성에 의하면, 스테이지의 경량화와 시야 위치 결정 오차 저감의 양립이 가능해진다. 또한 X-Y-Z축 방향의 위치 결정 기구를 갖는 스테이지 장치에 대해서도 본 실시 형태의 기술적 사상을 적용할 수 있다. 이 경우, Z 기구를 어느 위치에 고정한 경우에도 아베 오차에 의한 시야 어긋남을 최소화하는 것이 가능해져, 시야 위치 결정 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다.

(1) 제1 실시 형태

제1 실시 형태는, XY 스테이지(XY 테이블: X 방향 및 Y 방향 이동 기구)에 있어서, 레이저 간섭계의 광축과는 상이한 높이에서 XY 스테이지의 XY위치를 계측하여 아베 오차를 보정하는 기능을 구비한 스테이지 장치에 관한 것이다. 특히 일반적인 Z 기구를 구비한 XY 스테이지에서는, XY 방향을 측정하는 간섭계의 광축 높이와 Z 기구에 의하여 위치 결정되는 시료의 높이의 차가 Z 기구의 위치에 따라 변화되기 때문에 아베 오차가 증감한다. 또한 Z 스테이지를 탑재한 스테이지 장치 또는 하전 입자선 장치에서는, 시료를 높은 위치로 한 경우 및 낮은 위치로 한 경우의 양쪽에 있어서 높은 위치 결정 정밀도를 확보하고자 하면, 간섭계 광축과 시료의 높이의 차가 상기 중 어느 경우 또는 양쪽의 경우에 커져, 아베 오차가 커진다. 이 때문에, 양쪽의 경우(시료를 높은 위치 및 낮은 위치의 양쪽의 위치에 적재한 경우)에 있어서 위치 결정 정밀도를 높게 하는 것이 곤란하다.

본 실시 형태에 의한 스테이지 구조는, 스테이지의 위치 계측을 행하는 간섭계 외에, 간섭계 광축과 평행이고 또한 상이한 높이의 측정축을 갖는 경사 계측용의 리니어 스케일을 구비하는 구성을 이루는 것을 특징으로 하고 있다. 당해 구성에 의하면, 시료가 Z 기구에 의하여 어느 높이에 위치 결정되어 있었다고 하더라도 경사를 계측하여 아베 오차를 보정하는 것이 가능하여, 높은 시야 위치 결정 정밀도를 갖는 스테이지 구조가 제공된다. 이하, 제1 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다.

<하전 입자선 장치의 구성예>

본 개시에 의한 기술은, 예를 들어 하전 입자선 장치에 적용할 수 있다. 그래서 도 1을 참조하여 하전 입자선 장치 구성예에 대하여 설명한다. 여기서는 하전 입자선 장치 일례로서 반도체 계측 장치(이하, 측장 SEM)를 예로 든다.

측장 SEM은, 시료실(112) 상에 탑재된 전자 광학계 경통(101)을 구비하고 있다. 시료실(112)은 제진 마운트(113)에 의하여 지지되어 있다. 측장 SEM은 전자 광학계 경통(101)으로부터 전자 빔을 웨이퍼(106) 상에 조사하여 웨이퍼(106) 상의 패턴을 촬상하여 패턴의 선 폭의 계측이나 형상 정밀도의 평가를 행한다. 시료실(112) 내에는, 시료 테이블(105)을 가동부로 하는 스테이지(예를 들어 XY 스테이지)가 탑재되며, 시료 테이블(105)에는, 관찰 대상인 웨이퍼(106)를 탑재하는 척(108)이 고정되어 있다. 테이블(예를 들어 Y 테이블과 그 위에 적재된 X 테이블에 의하여 구성되는 테이블)(105)은, 도시하지 않은 리니어 모터나 피에조 액추에이터 등의 구동 기구에 의하여 이동 가능하게 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 테이블(예를 들어 X 테이블)을 X 방향으로 이동시키는 구동 기구(제1 구동 기구), 테이블(예를 들어 Y 테이블)을 Y 방향으로 이동시키는 구동 기구(제2 구동 기구)를 구비한 스테이지 장치에 대하여 설명한다.

또한 시료 테이블(105)은 가이드(107)에 의하여 지지되며, 레이저 간섭계(104)에 의하여 미러(111)의 위치를 계측하여 스테이지 좌표를 얻고, 컨트롤러(109)(제어 장치)에 의하여 위치 결정 제어된다. 컨트롤러(109)는, 후술하는 바와 같이 XY 스테이지 기구(제1 및 제2 구동 기구)를 구동하기 위한 신호를 공급한다.

이와 같은 측장 SEM에 있어서, 예를 들어 레이저 측장값과 상의 어긋남에 재현성이 있는 경우에는, 상의 어긋남양을 좌표에 대하여 기록함으로써 보정 맵을 작성하여 상의 어긋남양을 보정하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 스테이지의 현재 위치 측정값과 목표 위치의 차분에 대하여, 이 보정 맵의 상의 어긋남양을 서로 더한 만큼 전자 빔을 시프트시키면, 재현성이 있는 테이블 자세 변화 기인의 시야 위치 결정 오차를 0에 가까운 값으로 하는 것이 가능하다. 그러나 테이블의 자세 변화에 재현성이 없는 경우나 재현성이 없는 성분이 혼입되어 있는 경우 등, 보정 맵을 이용하더라도 시야 위치 결정 오차가 남는 경우가 있다. 특히 패턴 간격이 수 ㎚인 디바이스를 계측하기 위해서는, 이 시야 위치 결정 오차를 극한까지 저감시킬 필요가 있다.

<테이블의 자세 오차와 시야 위치 결정 오차의 관계>

도 2는, 테이블의 자세 오차가 시야 위치 결정 오차로 이어지는 것을 설명하기 위한 모식도이다. 도 2는, 전자 빔(201)이 웨이퍼(106)의 중심에 조사되고 있는 상태로부터 시료 테이블(105)이 경사진 경우를 도시하고 있다.

시료 테이블(105)이 경사진 경우, 미러(111)와 전자 빔(201)의 X축 방향의 상대 거리(202)가 변화되어, 미러(111)와 관찰점의 X축 방향의 상대 거리에 변화가 생겨 위치 어긋남(시야 어긋남, 상 어긋남)(203)으로 된다. 이와 같이 시료 테이블(105)의 경사가 변화되면 미러(111)와 관찰 목표점의 수평 방향의 거리가 변화되어, 그것이 시야 위치 결정 오차로 된다.

<아베 오차의 발생 원리>

도 3은, 아베 오차의 발생 원리를 설명하기 위한 도면이다. 여기서는, 시료 테이블(105)과 시료(웨이퍼)(106)와 미러(111)를, 하나의 직육면체(측정 및 관찰 대상)(301)로 이루어지는 강체로서 모델화하고 있다.

도 3에 있어서, 레이저 광축(115)과 시료 관찰점의 높이의 차를 A(도 3에서는 높이(302): 아베 오프셋)라 하고, 테이블의 경사를 φ(도 3에서는 경사(303))라 하면, 시료 테이블(105)이 경사지는 것에 의한 관찰점의 위치 어긋남 D(도 3에서는 위치 어긋남(203))는 D=A·φ로 표시된다.

즉, 경사가 일정하면 높이의 차(A(302))에 비례하여 위치 어긋남(D(203))이 커진다. 한편, 관찰면의 높이와 레이저 광축(115)의 높이를 정렬시켜 높이의 차(302)를 0으로 할 수 있으면, 경사에 의한 위치 어긋남(203)을 0으로 하는 것이 가능하다. 예를 들어 아베 오차를 1㎚ 이하로 하고자 하는 경우에는, 경사를 0.1초 정도, 높이의 차를 약 2㎜ 이하로 할 필요가 있다.

<간섭계 추가 방식의 과제>

아베 오차를 측정하기 위하여, 종래의 구성예(특허문헌 1에 개시된 기술)에 의하면 간섭계를 증설하고 있다(간섭계 추가 방식). 여기서는 간섭계 추가 방식의 과제에 대하여 논의한다. 도 4는, 테이블의 경사 계측을 행하는 대표적인 공지예인 간섭계 추가 방식의 과제를 설명하기 위한 도면이다.

도 4의 A에 도시하는 스테이지에서는, 레이저 간섭계(104)에 의하여 X 테이블(405) 및 Y 테이블(406)의 위치를 계측한다. 단, 이 구성에서는 테이블의 경사는 계측할 수 없다.

이에 비해, 도 4의 B에 도시하는 스테이지에서는, 레이저 간섭계(404)가 추가되어 있으며, 2가닥의 레이저 빔(광축(401 및 401'))에 의한 계측값의 차분에 의하여 미러(111)의 경사를 구하여, 이를 테이블의 경사로 하고 있다(간섭계 추가 방식). 이 방식에서는, 고가의 간섭계의 추가가 필요한 것이나, 미러(111)의 길이 및 높이의 확대가 필요(비용 증가, 진동 증가)하다는 과제가 있다.

여기서, 미러(111)의 높이 확대가 필요한 이유에 대하여 상세히 언급한다. 도 5는, 도 4의 B에 도시하는 간섭계 추가 방식에서 미러(111)의 높이 확대가 필요한 이유를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 5의 A는, 도 4의 A의 위치만을 계측하는 경우의 X축 바 미러의 XZ 평면에서의 단면이다. 도 5의 A를 참조하면, 필요한 미러(111)의 유효면의 높이(502)는 레이저 빔의 직경(501)에 따라 정해지는 것을 알 수 있다. 또한 미러 고정용 부품(504)의 치수로부터 미러(111)의 전체 높이 치수(503)가 정해지는 것을 알 수 있다.

한편, 도 5의 B는, 도 4의 B의 간섭계로 테이블 경사를 계측하는 경우의 X축 바 미러의 XZ 평면에서의 단면이다. 이 경우, 필요한 미러 유효면의 높이(502)는 레이저 빔의 직경(501)과 간섭계의 레이저 빔의 간격(508)에 의하여 정해진다. 도 5의 A의 경우에 비해 미러(111)의 유효 범위(높이(502))가 커져, 미러(111)의 치수(505)는, 미러(111)의 높이(503)의 확대가 필요해진다. 또한 미러 연마 시의 강성 확보를 위하여 X 방향의 두께도 커진다. 그것에 의하여, 스테이지의 테이블의 미러 지지부(507)도 확대해야만 하며, 따라서 미러의 진동이 증대되고 테이블의 질량도 증대된다.

또한 미러(111)의 길이 확대가 필요한 이유에 대해서도 언급한다. 도 6은, 미러의 길이 확대가 필요한 이유를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 간섭계로 테이블 경사를 계측하는 경우, 위치 측정용의 간섭계(403)와 경사 측정용의 간섭계(404)를 인접하여 설치하기 위하여, 간섭계(403 및 404)의 설치 간격(601)만큼 미러(111)의 길이를 연장할 필요가 있다. 이것에 의하여, 미러(111)를 안정적으로 지지하기 위해서는, 톱 테이블(X 테이블이라고도 함)(405)의 면적 확대, 및 그에 수반하여 Y 테이블(406)의 면적 확대가 필요해져, 가동 질량의 증대를 초래해 버린다. 또한 미러(111)의 길이가 신장되면, 시료실(112)과의 간섭 회피를 위하여 시료실(112)의 확대도 필요해져, 장치 제조 비용이나 풋프린트의 확대를 초래한다.

<아베 오차의 저감과 미러 경량화의 양립을 실현하는 구성예>

도 7은, 본 실시 형태에 의한 스테이지 장치의 구성예를 도시하는 도면이다. 도 7에 도시하는 스테이지 장치에서는, 시료실 저면(407) 상에 시료 테이블(105)의 Y 테이블(406)이 탑재되고, 그 위에 시료 테이블(105)의 톱 테이블(405)이 탑재되고, 그 위에 웨이퍼(106)가 탑재된다. 레이저 간섭계(104)로 각각의 테이블의 위치를 계측한다. 또한 시료실 저면(407) 및 Y 테이블(406) 상에 고정된 리니어 스케일(702)과, Y 테이블(406)의 저면 및 톱 테이블(X 테이블)(405)의 저면의 각각에 장착된 스케일 헤드(703)에 의하여, 각각의 테이블의 위치가 계측된다. 그리고 레이저 간섭계(104)로 계측한 테이블 위치와 스케일(702)로 계측한 테이블 위치를 이용하여 테이블의 자세를 산출한다. 여기서, 레이저 간섭계와 스케일의 측정축은 X 방향 또는 Y 방향에 평행이고, 또한 Z 방향으로 간격이 있을 필요가 있다.

이와 같이 본 실시 형태에서는, 종래예와 같은 간섭계 증설을 행하는 일 없이 리니어 스케일(702)과 스케일 헤드(703)의 증설에 의하여 각 테이블의 경사(아베 오차)를 측정하도록 하고 있다. 이와 같은 구성을 채용하여 아베 오차를 측정하고 측정한 아베 오차를 보정함으로써, 아베 오차의 저감이라는 과제와 미러 경량화·스테이지 장치의 대규모화 방지라는 과제를 양립시킬 수 있게 된다. 이하, 아베 오차의 측정에 대하여 상세히 설명한다.

<스케일을 이용한 자세 검출>

도 8은, 본 실시 형태에 의한, 스케일을 이용한 자세 검출 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 8의 A에 있어서, 레이저 간섭계 광축(115)과 스케일(702)의 측정축의 높이의 차(801)를 L이라 한다. 그리고 도 8의 B와 같이 톱 테이블(405)이 경사진 경우를 생각한다. 톱 테이블(405)의 Y 테이블(406)에 대한 경사(802)을 θy라 하면, 동일한 레이저값에 대하여 스케일값의 변화(803)가 생긴다. 이 스케일과 레이저값의 차분을 E라 하면 식 (1)과 같은 관계가 성립된다.

E=L·θy …(1)

식 (1)로부터 식 (2)를 도출할 수 있다.

θy=E/L … (2)

식 (2)로부터 테이블의 경사 θy가 구해진다. 이 경사 θy로부터, 도 2 및 도 3을 이용하여 설명한 아베 오차를 구하면, 레이저값과 웨이퍼 관찰점의 위치 어긋남, 즉, 시야 어긋남을 보정하는 것이 가능해진다.

<테이블의 경사 검출의 상세: 종래예(간섭계만을 이용한 경우)와 본 실시 형태(간섭계와 리니어 스케일을 이용한 경우)>

도 9는, 본 실시 형태에 의한, 레이저와 스케일을 이용한 경사 검출 방법의 이점에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 도 9는, 동일한 피칭(테이블이 진행 방향에 대하여 앞쪽으로 쏠린 상태로 되는 것)이 생긴 경우에 있어서의, 아베 오차와 센서의 측정값의 관계를 나타내고 있다. 도 9의 A는 간섭계 추가 방식의 경우를 도시하고, 도 9의 B는 본 실시 형태의 스케일 병용 방식의 경우를 도시하고 있다.

도 9의 A에 도시된 바와 같이, 레이저 간섭계(104 및 404)를 이용한 경사 계측의 경우에는, 톱 테이블(405)에 경사 각도(905)(도 8의 B에 있어서의 경사(802)에 상당)가 생김으로써, 레이저 간섭계(404)로부터의 하측의 레이저(측정축(광축)(401'))로의 측정 위치(측정점)(909)가 위치(레이저 측장점)(910)로 이동한다. 이것에 의하여, 레이저 간섭계(404)의 측정축(광축)(401')에서 얻어진 측정 위치(909)에 대하여 레이저값의 차분(스케일값의 변화)(901)이 생긴다. 또한 측정축(902)은, 측장 SEM으로 읽은 웨이퍼의 높이를 나타내고 있다.

여기서, 차분(스케일값의 변화)(901)을 E1, 간섭계(404)의 상하의 레이저 빔의 간격(508)을 L1, 상측의 레이저 빔과 웨이퍼(106)의 높이의 차를 L2라 하면, 경사 각도(905)에 의한 관찰점(관찰 목표의 위치)(908)과 이동 후의 관찰점(907)의 간격, 즉, 시야 어긋남 E2는 식 (3)과 같이 구할 수 있다.

E1/L1=E2/L2 … (3)

그리고 식 (3)으로부터 식 (4)가 도출된다.

E2=E1·L2/L1 … (4)

E1의 레이저 측정값에 노이즈가 있는 경우에도 L1을 길게 취할 수 있으면, E1의 노이즈가 E2의 측정값에 미치는 영향이 작다. 그러나 L1을 확대하기 위해서는 미러 높이(502)의 확대가 필요해지기 때문에, 가동부 질량이나 장치 비용의 면에서 그와 같이 하는 것은 곤란하다. 이 때문에 종래예에서는, E1을 계측하는 레이저 간섭계(404)가 고분해능 및 고정밀도일 필요가 있어서, 더욱 고비용으로 될 가능성이 있다.

한편, 도 9의 B의 스케일 병용 방식(본 실시 형태)에서는, 스케일(702)과 레이저 간섭계(104)의 레이저 광축(115)의 높이의 차(801)(L1)를 크게 취할 수 있기 때문에, 약간의 경사 각도(905)에 의하여 E1로 되는 스케일의 차분(스케일값의 변화)(901)이 크게 나타난다. 즉, E1에 노이즈나 오차가 있는 경우에도, L1이 크기 때문에 E2가 고정밀도 및 고분해능일 것이 요구된다. 또한 일반적으로 간섭계에 비해 리니어 스케일은 저렴하여 장치 비용의 면에서도 유리하다.

<요잉에 의한 오차>

도 10은, 레이저 광축(115)과 스케일(702)이 어긋나 있는 경우에 톱 테이블(405)의 요잉(Z축 둘레의 회전)에 의하여 오차가 발생하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 레이저 광축(115x)과 스케일(702x)의 위치가 거리(1003)만큼 어긋나 있는 경우, 도 7의 방식에서는, 톱 테이블(405)의 요잉(θz 회전)에 의하여 피칭(θy 회전) 계측에 오차 E1004가 생기는 경우가 있다. 이 오차 E는, 거리(1003)을 L3이라 하면 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다.

E=θz·L3 … (5)

또한 L3이 작은 경우나 요잉 θz가 작은 경우에는 오차 E가 미소해지기 때문에, θz를 고려할 필요가 없기 때문에 도 7의 구성에서도 경사 계측이 가능하다.

<스케일과 레이저 광축의 위치 어긋남의 영향>

도 11은, 스케일에 의한 측정 위치와 간섭계에 의한 측정 위치가 어긋난 경우에 있어서도 고정밀도로 경사를 계측하는 방법에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 도 7에 도시하는 구성(각 테이블에 대하여 스케일과 스케일 헤드의 조합(세트)가 하나씩)에서는, 레이저 간섭계(광축(115x))(104)에 의한 톱 테이블(405)의 계측 위치와 스케일(702x)에 의한 계측 위치의 어긋남(위치 어긋남 L3: 거리(1003))이 큰 경우나 요잉 θz가 큰 경우, 오차 E가 커져(식 (5) 참조) 피칭 계측의 정밀도가 저하된다. 그래서 이와 같은 상황에 대처하기 위하여, 도 11에 도시한 바와 같이, 구동 방향에 수직인 방향의 변위를 계측하는 X축용 수직축 스케일(1101) 및 Y축용 수직축 스케일(1102)을 추가하도록 해도 된다(각 테이블에 대하여 스케일과 스케일 헤드의 세트가 2개씩). X축용 수직축 스케일(1101)은 톱 테이블(405)의 Y 방향의 변위를 계측하고, Y축용 수직축 스케일(1102)은 Y 테이블(406)의 X 방향의 변위를 계측한다. 이것에 의하여, 요잉에 의한 스케일(702x)의 X 방향의 위치 어긋남을 보정하고, X축 방향의 거리를 계측하는 레이저 간섭계(104)(레이저 광축(115x))에 의하여 측정된 위치와 보정된 스케일(702x)의 측정값과의 차분을 취함으로써 피칭을 구할 수 있다. 또한, 또 하나의 간섭계(광축(115y))에 의한 X 테이블(405)의 측정 위치와 X 테이블(405)의 이동 방향(X 방향)에 수직인 방향(Y 방향)의 테이블의, X축용 스케일(1101)에 의한 계측 위치와의 차분으로부터, 롤링(θx)(롤링: 테이블의 횡 방향으로 쓰러지는 바와 같은 움직임)을 구할 수 있다.

상기 방법으로 톱 테이블(X 테이블)(405)의 Y 테이블(406)에 대한 경사(θx 및 θy)를 구할 수 있다.

마찬가지로 Y 테이블(406)에 관해서도, Y 테이블(406)의 시료실(112)에 대한 경사를 구할 수 있다. 그리고 톱 테이블(405)의 Y 테이블(406)에 대한 경사와 Y 테이블(406)의 시료실(112)에 대한 경사를 가산함으로써, 시료실(112)에 대한 톱 테이블(405)의 경사를 구하여 아베 오차 보정에 이용 할 수 있다.

<톱 테이블의 요잉 및 피칭 산출>

도 12는, 도 11의 레이저 간섭계(104)와 X축용 스케일(702x) 및 X축용 수직축(1101)의 배치에 대하여 Y 테이블(406)과 톱 테이블(405)만을 뽑아내어 도시한 도면이다. 또한 도 13은, 톱 테이블(405)의 요잉 산출에 대하여 설명하기 위한 도면이다.

(ⅰ) 톱 테이블(405)의 요잉

도 13의 A를 참조하여, 톱 테이블(405)의 요잉을 구하는 방법에 대하여 설명한다. 도 13의 A에 있어서, 2개의 X축용 수직축 스케일 헤드(11031 및 11032)의 판독값(계측값)의 차분, 및 스케일(X축 스케일)(702x)과 레이저 간섭계(104)의 레이저 광축(115)과의 수평(Y 방향) 거리(1305)(거리 L3)로부터, Y 테이블(406)에 대한 톱 테이블(X 테이블)(405)의 요잉 θz를 식 (6)로부터 구할 수 있다.

θz=(Vx1-Vx2)/Lvx … (6)

또한 식 (6)에 있어서, Vx1은 하나의 X축용 수직축 스케일 헤드(11031)의 판독값(계측값)을 나타내고, Vx2는 또 하나의 X축용 수직축의 스케일 헤드(11032) 판독값(계측값)을 나타내고 있다.

(ⅱ) 톱 테이블의 피칭

다음으로, 도 13의 B를 참조하여, 톱 테이블(405)의 피칭(Y축 둘레의 회전각)을 구하는 방법에 대하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 요잉 θz가 있는 경우에는, X축용 스케일 헤드(703x)와 레이저 간섭계(104)로부터의 레이저 빔에 의한 계측값을 이용하여 피칭 θy를 구하면 오차가 생긴다. 그래서 도 13의 A의 스케일 헤드(703x)가 레이저 광축(115) 상에 있다고 가정한 경우의 가상적 위치(1301)를 구하고, 가상적 위치(1301)와 레이저에 의한 계측값과의 차분에 의하여 피칭 θy(각도(1304))를 구한다. 스케일 헤드(703x)의 가상적 위치(1301)란, 스케일 헤드(703x)를 Y 방향으로 레이저 광축(115)과 일치하기까지 이동시킨 위치로 된다. 그리고 요잉 θz가 생겼을 때, 거리(1305)(거리 L3)×θz를 산출함으로써, 요잉 θz가 없는 경우와 비교하여 스케일 헤드(703x)의 가상적 위치가 얼마큼 어긋났는지를 알 수 있다. 즉, 요잉 θz가 있는 경우, 스케일 헤드(703x)의 위치 측정값 Xscl을 이용하면, 헤드 가상적 위치(1301)의 위치 Xscl_h는 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다.

Xscl_h=Xscl+L3·θz … (7)

여기서, L3(스케일(X축 스케일)(702x)과 레이저 간섭계(104)의 레이저 광축(115)과의 거리(1305))은 Y 좌표의 함수이며, 스테이지의 위치 좌표를 사용한다.

(ⅲ) 또한 도 13의 B를 참조하면 피칭 θy는 식 (8)과 같이 표시된다.

θy=(Xlsr-Xscl_h)/Lvz … (8)

여기서, Xlsr는, 레이저 간섭계(104)에 의한 X축 방향 레이저의 계측값, Xscl_h는, 식 (6)으로 구해지는 스케일 헤드(703x)의 가상적 위치, Lvz는, 스케일(X축 스케일)(702x)과 레이저 간섭계(104)의 레이저 광축(115)과의 높이(1304)를 각각 나타내고 있다.

<톱 테이블의 롤링 산출>

도 14는, 톱 테이블(405)의 롤링 θx를 구하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

(ⅰ) 도 14의 A에 도시한 바와 같이, 2개의 X축용 수직축 스케일 헤드(11031 및 11032)의 리딩값(계측값)을 각각 Vx1 및 Vx2라 하면, X축용 스케일 헤드(703x)가 간섭계(레이저 광축(115y))(104)로부터의 레이저 바로 아래의 점(1401)에 있다고 가정한 경우의, X축용 스케일 헤드(703x)의 리딩값(계측값) Vx_h는, 식 (9)과 같이 나타낼 수 있다.

Vx_h=(Vx1·Lvx2+Vx2·Lvx1)/(Lvx1+Lvx2) … (9)

또한 Lvx1 및 Lvx2는, X축용 수직축 스케일(11031 및 11032)과 레이저 광축(115y)과의 X 방향의 거리를 나타내고, 스테이지 장치의 X 좌표로부터 구할 수 있다.

(ⅱ) 또한 도 14의 B에 도시한 바와 같이, 상술한 바와 같이 X축용 스케일 헤드(703x)의 가상적 위치의 리딩값(계측값)을 Vx_h라 하고, 레이저 광축(115y)과 X축용 스케일(1101)과의 높이의 차(801)를 Ls2, 간섭계(레이저 광축(115y))(104)에 의한 톱 테이블(405)의 계측 위치를 Ylsr이라 하면, 롤링 θx는 식 (10)과 같이 나타낼 수 있다.

θx=(Ylsr - Vx_h)/Ls2 … (10)

또한 (Ylsr-Vx_h)는, 톱 테이블(405)이 경사졌을 때의 변화량(경사져 있지 않을 때를 기준)을 나타내고 있다.

도 12 내지 14에서는, Y 테이블(406) 상에 적재된 톱 테이블(X 테이블)(405)의 변위(회전이나 경사)에 대하여 고찰하였지만, 도 15 내지 18에서는 Y 테이블(406)의 변위에 대하여 고찰한다.

(ⅰ) 레이저 간섭계와 리니어 스케일의 배치에 대하여

도 15는, 도 11의 레이저 간섭계(104)와 Y축용 스케일(리니어 스케일)(702y 및 1102)의 배치에 대하여, 시료실 저면(407)과 Y 테이블(406)의 위치 관계를 측정하는 요소만을 뽑아내어 도시한 도면이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 2개의 레이저 간섭계(104)는 톱 테이블(X 테이블)(405)의 위치 계측을 위하여 마련되어 있으며, 레이저 간섭계(104)에 의하여 Y 테이블(406)의 위치는 계측되지 않는다. 시료실 저면(407)에는, Y 방향의 Y 테이블(406)의 위치를 계측하는 Y축용 스케일(702y)과, Y축용 스케일(702y)과 평행인 Y축용 수직축 스케일(1102)이 설치되어 있다. 또한 Y 테이블(406)의 저면에는, Y 테이블(406)의 Y 방향의 위치를 계측하는 스케일 헤드(703y)와, Y 테이블(406)의 구동 방향(Y 방향)에 수직인 방향(X 방향)의 변위를 계측하는 Y축용 수직축 스케일 헤드(11041 및 11042)가 설치되어 있다.

(ⅱ) Y 테이블(406)의 요잉

도 16은, Y 테이블(406)의 요잉 산출 방법에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 또한 레이저 간섭계(104)의 레이저에 의한 계측 위치와 X축용 스케일(리니어 스케일)(702x)에 의한 X 방향의 계측 위치를 정렬시키도록(톱 테이블(405)을 위한 리니어 스케일은 Y 테이블(406) 상에 설치되어 있기 때문) 스테이지 장치를 설계하면, Y 테이블(406)은 X축 방향으로는 움직이지 않는다. 즉, Y 테이블(406)을 움직이더라도 레이저가 조사되는 위치(X축 상의 위치)와 리니어 스케일에 의한 계측 위치(X축 상의 위치)는 어긋나지 않는다. 따라서 이 경우에는 Y 테이블(406)의 요잉 θz를 구할 필요는 없게 되며, 피칭 θx 및 롤링 θy만 생각하면 된다.

요잉 θz를 고려해야만 하는 것은, 레이저 간섭계(104)의 레이저에 의한 계측 위치와 X축용 스케일(702x)에 의한 X 방향의 계측 위치가 정렬되어 있지 않은 경우이다. 이와 같은 경우, 2개의 Y축용 수직축 스케일 헤드(11041 및 11042)의 계측값(판독값)의 차분으로부터, 시료실 저면(407)에 대한 Y 테이블(406)의 요잉 θz를 식 (11)에 기초하여 구할 수 있다.

θz=(Vy1-Vy2)/Lvy … (11)

여기서, Vy1 및 Vy2는 2개의 Y축용 수직축 스케일 헤드(11041 및 11042)의 계측값(판독값)을, Lvy는 2개의 수직축 스케일 헤드(11041 및 11042)의 Y 방향의 간격(1601)을 나타내고 있다.

(ⅲ) Y 테이블(406)의 피칭

도 17은, Y 테이블(406)의 피칭 θx를 구하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

피칭 θx는, 간섭계(레이저 광축(115y))로부터의 레이저에 의한 계측값 Yslr과 Y축용 스케일(리니어 스케일)(702y)의 스케일 헤드(703y)의 측정값 Yscl_h와의 차분값과, 레이저 광축(115y)의 시료실 저면(407)로부터의 높이 Ls2를 이용하여, 식 (12)에 기초하여 구할 수 있다.

θx=(Ylsr-Yscl_h)/Ls2 … (12)

도 18은, 시료실 저면(407)에 대한 Y 테이블(406)의 롤링 방향의 경사 θy를 구하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 18의 A에 있어서, 2개의 Y축용 수직축 스케일 헤드(11041 및 11042)의 계측값(리딩값)을 각각 Vy1 및 Vy2라 하면, Y축용 수직축 스케일 헤드(11041 및 11042)가 간섭계(광축(115x))로부터의 레이저 바로 아래의 점(가상 헤드의 위치)(1803)에 있다고 가정한 경우의, Y축용 수직축 스케일 헤드(11041 및 11042)의 계측값(리딩값) Vy_h(가상 헤드의 위치(1803)의 값)는 식 (13)과 같이 나타낼 수 있다.

Vy_h=(Vy1·Lvy2+Vy2·Lvy1)/ (Lvy1+Lvy2) … (13)

여기서, Lv1 및 Lv2는, Y축용 수직축 스케일 헤드(11041 및 11042)와 레이저 광축(115x)과의 거리(Y 방향)를 나타내고 있으며, 그들 값은 스테이지의 Y 좌표(오퍼레이터로부터 부여되는 명령값)로부터 구할 수 있다.

도 18의 B를 참조하여, Y축용 수직축 스케일(1102)과 레이저 광축(115x)과의 높이(Z 방향의 거리)(1806)를 Ls4라 하면, Y 테이블(406)의 경사 θy는 식 (14)에 기초하여 구할 수 있다.

θy=(Xlsr-Vy_h)/Ls4 … (14)

<톱 테이블의 시료실 저면에 대한 경사>

도 19는, 시료실 저면(407)에 대한 톱 테이블(X 테이블)(405)의 경사의 산출에 대하여 설명하기 위한 도면이다.

도 19를 참조하면, 시료실 저면(407)에 대한 톱 테이블(405)의 Y축 둘레의 경사 θy는, 식 (15)에 나타난 바와 같이, 시료실 저면(407)에 대한 Y 테이블(406)의 경사 θy2와, Y 테이블(406)에 대한 톱 테이블(405)의 경사 θy1의 합에 의하여 표현할 수 있다.

θy =θy1+θy2 … (15)

마찬가지로 X축 둘레의 회전 θx는 식 (16)과 같이 나타낼 수 있다.

θx =θx1+θx2 … (16)

<스케일의 오차 보정>

톱 테이블(405) 및 Y 테이블(406)뿐 아니라 스케일(702, 702x, 702y, 1101 및 1102)도 오차를 포함할 수 있는 요소이다. 레이저 간섭계(104)는 레이저 빔을 이용하여 계측하기 때문에(광의 파장을 기준으로 하고 있어서 계측이 객관적임) 측정값에 오차가 포함되게 될 가능성이 극히 적지만, 스케일은 제작 시에 인적 또는 기계적 요소가 포함되기 때문에 측정값에 오차가 포함되게 될 가능성이 극히 높아지며 개개의 스케일의 오차도 상이해진다(변동이 있음). 그래서 스케일의 오차를 보정할 필요가 있다.

도 20은, 스케일의 오차 보정에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 도 20의 A에 도시된 바와 같이, 스케일(2001)(스케일(702, 702x, 702y, 1101 및 1102)에 상당)의 격자(2002)의 간격이 일정하지 않은 경우, 스케일(2001)에서 측정한 테이블 위치에 오차가 생긴다. 즉, 스케일값을 이용하여 레이저 간섭계의 값과의 차분으로 경사를 구하면, 경사 계측에 오차가 생기는 것을 알 수 있다.

도 20의 B는, 레이저의 값과 스케일의 값의 차분을 예시한 도면이다. 도 20의 B에서는, X 좌표(2005)에 대한, 레이저의 값과 스케일의 값의 차분(오차)을 종축(2006)으로 하고 있다. 그리고 레이저의 값을 기준으로 한 경우의 스케일의 오차 파형(2007)에 대하여, 임의의 간격으로 점(2008)(보정 맵의 점)을 플롯하여 X 좌표에 대한 스케일의 오차 맵을 작성한다. 이 오차 맵을 이용하여 개개의 스케일의 계측값을 보정함으로써, 개개의 스케일의 계측값에 오차가 있는 경우에도 테이블(405 및 406)의 경사를 고정밀도로 구하는 것이 가능해진다.

<테이블이 휘어 버려 있는 경우의 경사 계측 정밀도>

도 21은, 테이블(톱 테이블(405) 및 Y 테이블(406))이 휜 경우에도 경사 계측을 고정밀도로 행할 수 있는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 21의 A에 도시된 바와 같이, 예를 들어 Y 테이블(406)이 휘어 있지 않은 경우에는 스케일(702x)에 의한 계측값이 테이블(406)의 위치를 정확히 나타내는 것을 이해할 수 있다. 또한 도 21의 A에서는, 도 7의 구성의 Y 테이블(406) 및 X축용 스케일(702)을 Y 방향에서 본 모습이 도시되어 있다.

한편, 도 21의 B에 도시한 바와 같이, Y 테이블(406)이 원래의 형상(2106)으로부터 형상(2105)과 같이 열변형으로 휘어 버린 경우, Y 테이블(406)의 중립축(굽힘 중심)(2103)의 상측에서는 신장되고 하측에서는 수축하는 거동을 나타내게 된다. 또한 X축용 스케일(702x)도 마찬가지로 휘어 X축용 스케일(702x)의 중립축(스케일의 굽힘 중심)(2102)의 상하에서 신축이 발생한다.

그러나 Y 테이블(406)의 두께(2107)에 비해 X축용 스케일의 두께(2108)는 작기 때문에 X축용 스케일(702x)의 신장은 무시할 수 있을 만큼 작아서, 전술한 경사 측정에는 영향을 미치지 않는다. 이 효과를 높이기 위해서는, X축용 스케일(702x)과 Y 테이블의 고정을, X축용 스케일(702x)의 X 방향 전체 길이에 걸쳐 볼트 등으로 고정하는 것이 아니라 판 스프링 등을 사용하여 고정 개소를 한정하여, X 방향으로 미끄러지는 자유도를 갖게 한 고정으로 해도 된다.

<연산의 동작 주체>

본 실시 형태에 있어서, 예를 들어 하전 입자선 장치(측장 SEM)의 컨트롤러(109)는 레이저 간섭계(104), 각 스케일 헤드(703, 703x, 703y, 11031, 11032, 11041 및 11042)로부터 계측값을 취득하고, 상술한 식 (1) 내지 (15)에 기초하여 연산 처리를 실행하여 요잉 θz, 피칭 θx 및 롤링 θy의 값을 산출한다. 그리고 컨트롤러(109)는 산출한 요잉 θz, 피칭 θx 및 롤링 θy의 값에 기초하여 스테이지 장치 또는 하전 입자선 장치의 아베 오차를 보정한다.

또한 컨트롤러(109)는 상술한 스케일의 오차 보정도 실행한다.

(2) 제2 실시 형태

도 22는, 2축 스케일을 이용하여 수직축 스케일과 구동축의 스케일을 통합하는 경우의 구성예를 도시하는 도면이다.

도 22에 도시하는 구성에서는, 도 11에 있어서의 스케일(1101 및 1102)과 스케일(702x 및 702y)을, 각각 2축 계측 가능한 스케일(2201) 및 스케일(2202)에 통합하고 있다. 이것에 의하여, 스케일의 탑재 가닥 수가 4가닥에서 2가닥으로 줄어들어 스테이지의 경량화가 가능하다.

(3) 제3 실시 형태

제1 실시 형태에서 이용한 레이저 간섭계(104)를, XY 방향을 계측 가능한 평면 스케일로 치환하는 것도 가능하다.

(4) 실시 형태의 정리

(ⅰ) 본 실시 형태에서는, X 테이블과 Y 테이블을 포함하는 시료 테이블에 있어서, X 테이블 및 Y 테이블의 양쪽의 아베 오차를 보정하는 것에 대하여 설명하고 있지만, 적어도 어느 하나의 테이블에 대한 아베 오차를 보정하도록 해도 된다.

본 실시 형태에 의한 스테이지 장치는, 시료 테이블(예를 들어 X 테이블)을 제1 방향(예를 들어 X 방향)으로 이동시키는 제1 구동 기구와, 시료 테이블의 구동 방향인 제1 방향의 위치를 계측하는 위치 계측 요소(예를 들어 레이저 간섭계)와, 위치 계측 요소에 의한 제1 방향의 제1 측정축(예를 들어 레이저 간섭계의 레이저 광축)과 평행이고 당해 제1 측정축과는 높이가 상이한 스케일 측정축을 갖고, 시료 테이블의 제1 방향 위치를 계측하는 스케일 요소(리니어 스케일과 스케일 헤드)와, 위치 계측 요소에 의한 계측값과 스케일 요소에 의한 계측값을 이용하여 시료 테이블의 자세(예를 들어 X 테이블의 요잉, 피칭, 롤링)를 산출하여 시료 테이블의 아베 오차를 보정하는 컨트롤러를 구비하고 있다. 이와 같은 구성을 채용함으로써, 스테이지 장치를 장대화하는 일 없이 스테이지 장치의 아베 오차를 저감시키는 것이 가능해진다.

(ⅱ) 위치 계측 요소가, 예를 들어 레이저 간섭계로 구성되는 경우, 당해 위치 계측 요소는, 시료 테이블(예를 들어 X 테이블)에 마련된 제1 미러에 대하여 레이저광을 조사하고 당해 제1 미러로부터의 반사광을 수광함으로써 시료 테이블의 제1 방향(예를 들어 X 방향)의 위치를 계측하는 제1 레이저 간섭계를 포함한다. 또한 스케일 요소는, 시료 테이블(예를 들어 X 테이블)과 소정의 거리를 유지하도록 시료 테이블이 적재되는 적재면(예를 들어 Y 테이블의 상면)에 장착된 스케일과, 당해 스케일의 값을 판독하는 스케일 헤드를 포함하고 있다. 이 경우, 컨트롤러는 위치 계측 요소에 의한 계측값과 스케일 요소에 의한 계측값과의 차분의 변화량을 이용하여 시료 테이블(예를 들어 X 테이블)의 자세를 산출한다. 컨트롤러는 시료 테이블(X 테이블)의 요잉을 산출하고, 당해 산출한 요잉을 이용하여 시료 테이블의 피칭을 산출한다. 이와 같이 본 실시 형태에서는 2종류의 위치 계측 수단을 이용하여 자세를 산출하고 있다. 스케일 요소(리니어 스케일과 스케일 헤드)는 간섭계에 비해 매우 저렴하게 입수 가능하기 때문에 아베 오차를 보정하는 것을 가능하게 하는데, 간섭계를 추가하는 것보다도 스테이지 장치의 비용 증가를 현저히 낮게 억제하는 것이 가능해진다.

예를 들어 시료 테이블(X 테이블)의 요잉을 산출하는 경우, 제1 방향(X 방향)과 수직인 제2 방향(Y 방향)의 시료 테이블(X 테이블)의 변위를 계측하는 2개 이상의 스케일 헤드를 스케일 요소에 갖도록 하게 해도 된다. 이 경우, 컨트롤러는 2개 이상의 스케일 헤드의 계측값을 이용하여 요잉을 산출한다. 이와 같이 이동 방향(X 방향)과 수직인 방향(Y 방향)의 변위(회전·비틀림)를 계측할 수 있으므로 정확히 요잉을 산출하는 것이 가능해진다.

(ⅲ) 시료 테이블이, 제1 방향(X 방향)으로 구동하는 제1 테이블(X 테이블)과, 제1 방향과 수직인 제2 방향(Y 방향)으로 이동하는 제2 테이블(Y 테이블)에 의하여 구성되는 경우, 제1 테이블(X 테이블)은 제2 테이블(Y 테이블) 상을 이동하도록 적재된다. 그리고 위치 계측 요소는 또한, 시료 테이블에 마련된, 제1 미러와는 상이한 제2 미러에 대하여 레이저광을 조사하고, 당해 제2 미러로부터의 반사광을 수광함으로써 상기 시료 테이블의, 제1 방향과 수직인 제2 방향(Y 방향)의 위치를 계측하는 제2 레이저 간섭계를 포함한다. 또한 스케일 요소는, 제1 테이블(X 테이블)과 소정의 거리를 유지하도록 제2 테이블(Y 테이블)의 제1 면(X 테이블의 적재면: 상면)에 장착된 복수의 제1 테이블용 스케일과, 복수의 스케일의 값을 판독하는 복수의 제1 테이블용 스케일 헤드를 구비하고, 컨트롤러는 복수의 제1 테이블용 스케일 헤드의 계측값을 이용하여 제1 테이블의 제1 방향의 변위와 제2 방향의 변위를 산출하여 제1 테이블의 아베 오차를 산출한다. 또한 제2 테이블(Y 테이블)은 스테이지 장치의 설치면(예를 들어 시료대 저면) 상을 이동하도록 적재되어 있다. 이 경우, 스케일 요소는 또한, 제2 테이블(Y 테이블)과 소정의 거리를 유지하도록 스테이지 장치의 설치면(시료대 저면)에 장착된 복수의 제2 테이블용 스케일과, 복수의 스케일의 값을 판독하는 복수의 제2 테이블용 스케일 헤드를 구비한다. 컨트롤러는 복수의 제2 테이블용 스케일 헤드의 계측값을 이용하여 제2 테이블의 제1 방향의 변위와 제2 방향의 변위를 산출하여 제2 테이블의 아베 오차를 산출한다. 또한 컨트롤러는 제1 테이블 아베 오차와 제2 테이블의 아베 오차를 가산함으로써 시료 테이블의 아베 오차를 산출한다. 이와 같이 함으로써, 스테이지 장치의 장대화를 회피하면서 X 테이블 및 Y 테이블의 양쪽에 기인하는 아베 오차를 보정 할 수 있다.

(ⅳ) 컨트롤러는, 스케일 요소의 레이저값에 대한 오차값을 보유하는 보정 맵을 이용하여 스케일 요소의 계측값으로부터 오차값을 제거하고, 레이저값과 오차값이 제거된 스케일 요소의 계측값과의 차분을 취하여 시료 테이블의 자세를 산출한다. 스케일 요소는 인위적 요인이 포함될 가능성이 있으며, 이 인위적 요인에 의하여 스케일 요소 자체에 오차가 포함되어 버린다. 그 때문에, 스케일 요소 자체에 포함되는 오차를 제거함으로써 아베 오차 보정을 보다 고정밀도로 실행하는 것이 가능해진다.

101: 전자 광학계 경통
104: 레이저 간섭계
105: 시료 테이블
106: 웨이퍼
107: 가이드
108: 척
109: 컨트롤러
111: 스테이지의 미러
112: 시료실
113: 제진 마운트
114: 천장판
115, 115x, 115y: 레이저 간섭계 광축
201: 전자 빔
202: 미러와 관찰점의 상대 거리
203: 위치 어긋남(시야 어긋남)
204: 관찰 목표점
301: 측정 및 관찰 대상(직육면체)
302: 아베 오프셋
303: 경사
304: 아베 오차
305: 관찰 목표점
306: 빔 조사점
405: 톱 테이블(X 테이블)
406: Y 테이블
701: 액추에이터
702: 스케일
702x: X축용 스케일
702y: Y축용 스케일
703: 스케일 헤드
703x: X축용 스케일 헤드
703y: Y축용 스케일 헤드
801: 레이저 광축과 스케일 측정축의 높이의 차 L
802: 톱 테이블의 Y축 둘레의 경사 θy
803: 스케일값의 변화 E
901: 스케일값의 변화
902: 측장 SEM에 의한 웨이퍼의 높이의 측정축
904: 스케일의 계측 방향
905: 테이블의 경사 각도
906: 테이블이 경사지기 전의 스케일 위치
907: 테이블이 경사진 후의 웨이퍼 상의 관찰 목표의 위치
908: 테이블이 경사지기 전의 웨이퍼 상의 관찰 목표의 위치
909: 레이저 간섭계로의 측정 위치
910: 테이블이 경사진 후의 하측의 레이저 측장점
911: 테이블이 경사진 후의 스케일 헤드의 위치
1001: θz 회전 전의 톱 테이블
1002: θz 회전 후의 톱 테이블
1003: 스케일과 레이저의 거리 L3
1004: 오차 E
1005: 요잉 θz
115x: X축의 레이저 광축
115y: Y축의 레이저 광축
1101: X축용 수직축 스케일
1102: Y축용 수직축 스케일
11031, 11032: X축용 수직축 스케일 헤드
11041, 11042: Y축용 수직축 스케일 헤드
1201, 1202: 레이저 광축과 X축용 수직축 스케일 헤드의 거리
1301: 헤드의 가상적 위치
1302: Y 테이블에 대한 톱 테이블의 요잉 θz
1303: 레이저값과 스케일값의 차분
1304: 톱 테이블의 Y 테이블에 대한 피칭 θx
1305: 스케일과 레이저 광축의 거리 Lvz
1401: 가상 헤드의 위치
1402: 톱 테이블의 롤링 각도 θy
1403: 스케일 계측값과 레이저 계측값의 차분
1601: Y축용 수직축 스케일 헤드의 간격 Lvy
1701: 시료실 저면에 대한 Y 테이블의 경사 θx
1801, 1802: Y축 수직축 스케일 헤드와 레이저 광축의, Y 방향의 거리
1803: 가상의 헤드 위치
1804: 스케일 계측값과 레이저 계측값의 차분
1805: Y 테이블의 시료실에 대한 경사 각도 θy
1806: X축 방향 레이저 광축과 Y축용 수직축 스케일의, Z 방향의 거리 Ls4
1901: 시료실 저면에 대한 Y 테이블의 경사
1902: Y 테이블에 대한 톱 테이블의 경사
1903: 시료실 저면에 대한 톱 테이블의 경사 θy
2001: 스케일
2002: 격자
2003: 좁은 격자 간격
2004: 넓은 격자 간격
2005: X 방향 좌표
2006: 레이저값에 대한 스케일값의 오차
2007: 레이저값에 대한 스케일값의 오차 파형
2008: 보정 맵의 점
2101: Y 테이블
2102: 스케일의 중립축
2103: Y 테이블의 중립축
2104: 테이블 상면의 길이 변화
2105: 변형 후의 Y 테이블의 형상
2106: 변형 전의 Y 테이블의 형상
2107: Y 테이블의 두께
2108: 스케일의 두께
2201: 2축 스케일
2202: 2축 스케일

Claims

시료를 적재하는 시료 테이블과,
상기 시료 테이블을 제1 방향으로 이동시키는 제1 구동 기구와,
상기 시료 테이블의 구동 방향인 상기 제1 방향의 위치를 계측하는 위치 계측 요소와,
상기 위치 계측 요소에 의한 상기 제1 방향의 제1 측정축과 평행이고 당해 제1 측정축과는 높이가 상이한 스케일 측정축을 갖고, 상기 시료 테이블의 상기 제1 방향의 위치를 계측하는 스케일 요소와,
상기 위치 계측 요소에 의한 계측값과 상기 스케일 요소에 의한 계측값을 이용하여 상기 시료 테이블의 자세를 산출하여 상기 시료 테이블의 아베 오차를 보정하는 컨트롤러를 구비하는, 스테이지 장치.
제1항에 있어서,
상기 위치 계측 요소는, 상기 시료 테이블에 마련된 제1 미러에 대하여 레이저광을 조사하고 당해 제1 미러로부터의 반사광을 수광함으로써 상기 시료 테이블의 상기 제1 방향의 위치를 계측하는 제1 레이저 간섭계를 포함하고,
상기 스케일 요소는, 상기 시료 테이블과 소정의 거리를 유지하도록 상기 시료 테이블이 적재되는 적재면에 장착된 스케일과, 당해 스케일의 값을 판독하는 스케일 헤드를 포함하는, 스테이지 장치.
제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 위치 계측 요소에 의한 계측값과 상기 스케일 요소에 의한 계측값과의 차분의 변화량을 이용하여 상기 시료 테이블의 자세를 산출하는, 스테이지 장치.
제3항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 시료 테이블의 요잉을 산출하고, 당해 산출한 요잉을 이용하여 상기 시료 테이블의 피칭을 산출하는, 스테이지 장치.
제4항에 있어서,
상기 스케일 요소는, 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향의 상기 시료 테이블의 변위를 계측하는 2개 이상의 상기 스케일 헤드를 포함하고,
상기 컨트롤러는 상기 2개 이상의 스케일 헤드의 계측값을 이용하여 상기 요잉을 산출하는, 스테이지 장치.
제2항에 있어서,
상기 시료 테이블은,
상기 제1 방향으로 구동하는 제1 테이블과,
상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 이동하는 제2 테이블을 구비하고,
상기 제1 테이블은 상기 제2 테이블 상을 이동하도록 적재되어 있고,
상기 위치 계측 요소는 또한, 상기 시료 테이블에 마련된, 상기 제1 미러와는 상이한 제2 미러에 대하여 레이저광을 조사하고, 당해 제2 미러로부터의 반사광을 수광함으로써 상기 시료 테이블의, 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향의 위치를 계측하는 제2 레이저 간섭계를 포함하고,
상기 스케일 요소는,
상기 제1 테이블과 소정의 거리를 유지하도록 상기 제2 테이블의 제1 면에 장착된 복수의 제1 테이블용 스케일과,
상기 복수의 스케일의 값을 판독하는 복수의 제1 테이블용 스케일 헤드를 구비하고,
상기 컨트롤러는 상기 복수의 제1 테이블용 스케일 헤드의 계측값을 이용하여 상기 제1 테이블의 상기 제1 방향의 변위와 상기 제2 방향의 변위를 산출하여 상기 제1 테이블의 아베 오차를 산출하는, 스테이지 장치.
제6항에 있어서,
상기 제2 테이블은 상기 스테이지 장치의 설치면 상을 이동하도록 적재되어 있고,
상기 스케일 요소는 또한,
상기 제2 테이블과 소정의 거리를 유지하도록 상기 스테이지 장치의 설치면에 장착된 복수의 제2 테이블용 스케일과,
상기 복수의 스케일의 값을 판독하는 복수의 제2 테이블용 스케일 헤드를 구비하고,
상기 컨트롤러는 상기 복수의 제2 테이블용 스케일 헤드의 계측값을 이용하여 상기 제2 테이블의 상기 제1 방향의 변위와 상기 제2 방향의 변위를 산출하여 상기 제2 테이블의 아베 오차를 산출하는, 스테이지 장치.
제7항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 제1 테이블의 아베 오차와 상기 제2 테이블의 아베 오차를 가산함으로써 상기 시료 테이블의 아베 오차를 산출하는, 스테이지 장치.
제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 스케일 요소의 레이저값에 대한 오차값을 보유하는 보정 맵을 이용하여 상기 스케일 요소의 계측값으로부터 상기 오차값을 제거하고, 상기 레이저값과 상기 오차값이 제거된 상기 스케일 요소의 계측값과의 차분을 취하여 상기 시료 테이블의 자세를 산출하는, 스테이지 장치.
제1항에 있어서,
상기 위치 계측 요소는, 2축 방향을 계측 가능한 평면 스케일을 포함하는, 스테이지 장치.
하전 입자선을 시료에 조사하기 위한 하전 입자 빔 경통과,
제1항에 기재된 스테이지 장치
를 구비하는, 하전 입자선 장치.