JP3678533B2 - 荷電粒子ビーム露光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子ビームを利用した露光装置に関し、露光される試料を載置し移動可能なステージの位置を検出するステージ位置測定装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
荷電粒子ビームを使用した露光装置は、サブミクロンのオーダの精度で露光することができるので、次世代のＬＳＩの露光装置として注目されている。この荷電粒子ビーム露光装置では、ビーム発生銃から発生したビームが所定の透過マスクの通過により所望の形状にされ、そのビームを試料であるウエハの表面の所望の位置に偏向して照射される。ビームを偏向する範囲は一定の限界を有するので、ウエハを載せたステージが水平方向に移動可能に設けられている。
【０００３】
ビームの偏向は、ビーム銃や偏向器、光学レンズ等を有する光学系において行われる。一方、ウエハを載置したステージは、その光学系を収納するコラム部が取り付けられたチャンバ内に設けられる。従って、ステージを移動した場合、そのステージと光学系の原点との相対的な位置関係が正確に検出される必要がある。その相対的な位置関係に基づいて、ビームの原点からの偏向量が求められるからである。
【０００４】
従来の一般的なステージ位置測定装置は、例えばヘテロダイン式の測定原理による。即ち、わずかにずれた周波数を有する２つのレーザー光を試料ステージに向かって投光し、ステージから反射されるレーザー光と、参照光路を通過した参照レーザー光との位相差を測定することで、ステージ位置の変位量を求める。この原理に従えば、高精度でステージ位置の変位量を測定することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、露光装置が設置されるクリーンルーム内の温度が変化する等、外気の温度の変化に伴い、ステージを内蔵するチャンバ部が熱膨張係数に従って膨張或いは縮小する。それに伴い、チャンバの内壁から通常チャンバの中央部に設けられるコラム部内の光学系の原点までの距離が、膨張あるいは縮小する。
【０００６】
ところが、上記のレーザー干渉計によるステージ位置測定装置は、チャンバ内壁からステージに向かって投光されそのステージで反射される測定光路長の長さに対して、温度変化による膨張或いは縮小を考慮せずに、ステージ位置の変位量を出力する。その結果、光学系の原点とステージ位置との相対的距離が不正確に求められることになる。
【０００７】
かかる不正確な測定結果は、ビームの照射位置を適切な位置から変位させ露光不良を招くことになる。温度変化による膨張または縮小を、ビームの偏向量に補正値として与えることで、かかる問題を解決することは原理的には可能であるが、現実的には熱膨張による変位量を検出することは困難であり、かえってノイズによる不必要は変位量の補正値を与えることもあり、適切な解決方法とは言えない。また、チャンバ部の温度変化を抑える方法の考えられるが、大がかりな装置が必要であり、正確に温度を一定に保つことは現実的には困難である。
【０００８】
そこで、本発明は、チャンバの温度変化に伴う膨張または縮小が発生しても、光学系の原点に対するステージの変位量を正確に測定することができるステージ位置測定装置を有する荷電粒子ビーム露光装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明は、荷電粒子ビームの光学系が収納されたコラム部と、該コラム部に結合されるチャンバ部と、該チャンバ部内に移動可能に設けられ試料が載置される試料ステージとを有する荷電粒子ビーム露光装置において、所定の周波数のレーザーが投光され前記試料ステージに設けられた反射手段で反射される測定光路と、該測定光路の始点から前記コラム部内の光学系の原点までの距離にほぼ等しい長さを有し且つ前記チャンバ部の材料とほぼ同じ膨張率で膨張する参照光路とを有し、前記測定光路を通った測定レーザー光信号と前記参照光路を通った参照レーザー光信号とから前記試料ステージの位置の変化を測定するステージ位置測定装置を設けたことを特徴とする。
【００１０】
更に、より具体的には、前記参照光路を構成する参照光路反射手段を少なくとも有し、該参照光路反射手段が前記チャンバ部の内壁に取り付けられていることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、参照光路の長さが測定光路の始点から光学系の原点までの距離と同等にして、その原点までの距離が温度変化により膨張または縮小すると、同様に参照光路の長さも膨張または縮小する。従って、ステージ位置までの距離に対応する測定光路長から参照光路長を減じることにより、温度変化による膨張は縮小の影響を受けない原点に対するステージの変位量を求めることができる。
【００１２】
更に、上記の目的を達成する別の発明は、荷電粒子ビームの光学系が収納されたコラム部と、該コラム部に結合されるチャンバ部と、該チャンバ部内に移動可能に設けられ試料が載置される試料ステージとを有する荷電粒子ビーム露光装置において、所定の周波数のレーザーが投光され前記試料ステージに設けられた反射手段で反射される測定光路と、該測定光路の始点から前記コラム部内の光学系の原点までの距離のほぼＮ倍の長さを有し且つ前記チャンバ部のほぼ１／Ｎ倍の膨張率で膨張する参照光路とを有し、前記測定光路を通った測定レーザー光信号と前記参照光路を通った参照レーザー光信号とから前記試料ステージの位置の変化を測定するステージ位置測定装置を設けたことを特徴とする。
【００１３】
この発明では、参照光路は必ずしも原点までの距離に等しい長さを有する必要はなく、Ｎ倍の長さを有し且つチャンバの１／Ｎ倍の膨張率で膨張または縮小する場合でも同様に温度変化によるステージ変位誤差をなくすことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例について図面に従って説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が本発明の技術的範囲を限定するものではない。尚、本発明は荷電粒子ビーム露光装置に適用されるが、以下の実施の形態例では電子ビーム露光装置を例にして説明する。
【００１５】
図１は、本発明のステージ位置測定装置が設けられる電子ビーム露光装置の全体構成図である。電子ビームの光学系１０を収納するコラム部１２が、チャンバ３０上に取り付けられる。チャンバ３０内は真空状態に維持されて、露光試料であるウエハ３４を搭載するステージ３２を収納する。ステージ３２は、例えばＸ方向とＹ方向に移動可能にチャンバ内部に取り付けられて、図示しない駆動モータによりそれぞれの方向に駆動される。また、ステージ３２の変位量を検出する為のステージ位置検出装置が設けられ、ステージ位置検出装置は、レーザー干渉計３８とステージ３２に取り付けられた反射ミラー３６により形成される測定光路４０と、更に図示しない参照光路を有する。
【００１６】
コラム部１２内に収納される光学系１０には、例えば、電子ビームを発生する電子銃１４、電子ビームの形状を整える第一の透過マスク１５、第二の透過マスク１７及び第二の透過マスク上の所望の位置に偏向するマスク偏向器１６、ブランキング用の偏向器１８、絞り機能を持つラウンドアパーチャ１９、主偏向器２１、副偏向器２０等を有する。また、図示しない各種のビームレンズや補正コイル等も含まれる。所定形状に整形された電子ビームは、主偏向器２１と副偏向器２０により偏向されて、ウエハ３４の所望の位置に照射される。図中破線で示したのは、偏向が行われない場合の電子ビームの照射であり、点２２が光学系の原点となる。
【００１７】
このような、電子ビーム露光装置では、主偏向器２１や副偏向器２０では偏向できる範囲が限定されて、大口径のウエハ３４の全面領域をカバーすることができない。したがって、露光制御部からのステージ駆動信号により、図示しないステージ駆動モータ等を駆動して、ステージ３２を移動させる。その時、ステージ位置検出装置により、ステージ３２の移動に伴う変位量がステージのサーボ制御部にフィードバックされて、所望の変位量分だけのステージ３２の移動が行われる。
【００１８】
そして、電子ビームの原点２２に対するステージ３２の変位量と、ウエハ３４内の露光位置から、電子ビームの偏向量が演算されて偏向器２１，２２に与えられる。従って、このステージ３２の変位量を正確に測定しなければ露光不良を招く。
【００１９】
図６は、一般的なステージ位置測定機構を示す図である。チャンバ３０内に収納されたステージ３２上にウエハ３４が載置されている。ステージ３２にはＸ方向の反射ミラー３６ｘとＹ方向の反射ミラー３６ｙが取り付けられる。このステージ３２の位置測定装置は、Ｘ方向の変位量とＹ方向の変位量とを測定する。
【００２０】
レーザ光源５０は、例えばＨｅ−Ｎｅガスレーザ発生部を有し、一般にはわずかに異なる周波数ｆ₁ 、ｆ₂ を持つ２つのレーザを投光する。従って、このレーザは、ｆ₁ ーｆ₂ の周波数のうなり（ビート）信号となる。このうなり信号の周波数は、例えば数ＭＨｚ程度である。共通の光源５０から投光されたレーザ光は、ハーフミラー５２により、横方向と上方向に分離され、Ｙ方向測定とＸ方向測定にそれぞれ利用される。上方向に進むレーザ光は、ハーフミラー５５によりＸ方向（図中水平方向）に反射され、ステージ３２に取り付けられてＸ方向反射ミラー３６ｘで反射されＸ受光部５７に受光される。このレーザ光の光路が測定用の光路である。一方、ハーフミラー５５によりレーザ光は、参照光路用の反射ミラー５６で反射され、ハーフミラー５５を介してＸ受光部５７に受光される。この光路は参照光路である。
【００２１】
そして、測定光路を通過して受光されたうねり信号と参照光路を通過して受光されたうねり信号とでは、通過した光路長の相違から、両者の位相が異なる。そこで、その位相差を検出することで、測定光路Ｌｘ２の変位を測定することができる。Ｙ側の測定原理も同様であり、ハ−フミラ−５３、Ｙ方向反射ミラ−３６ｙ、ハ−フミラ−５３更にＹ受光部５８の測定光路のレ−ザ光と反射ミラ−５４から反射される参照光路のレ−ザ光との位相差から、Ｙ方向のステ−ジの変位が測定される。
【００２２】
そこで、測定光路Ｌｘ２、Ｌｙ２の距離の変位を基準にすることで、光学系の原点２２に対するステ−ジの位置を検出することができる。
【００２３】
しかしながら、チャンバ３０の内壁近くにある測定光路Ｌｘ２、Ｌｙ２の始点からコラム部１２内の光学系の原点２２までの距離Ｌｘ１、Ｌｙ１が共に一定である場合は、距離Ｌｘ２、Ｌｙ２を所定値になる様にステ−ジ移動のサ−ボ制御を行えば、ステ−ジ３２の原点２２に対する位置を検出できるし、その位置への移動を制御することができる。
【００２４】
ところが、温度の変化によりチャンバ−３０自体が伸縮すると、上記の距離Ｌｘ１、Ｌｙ１の伸縮する。従って、測定光路Ｌｘ２、Ｌｙ２を所定の値に制御しても、光学系の原点２２に対してはステ−ジが不正確な位置に制御されることになる。或いは、不正確な位置にあると検出される。
【００２５】
図２は、露光装置が設置されるクリ−ンル−ムの温度とチャンバ３０の温度との関係例を示すグラフ図である。このグラフ図は、横軸に時間、縦軸に温度が与えられる。そして、クリ−ンル−ムの温度が上下することに伴い、チャンバ温度も上下する。
【００２６】
図３は、図２の温度変化に対応して検出された、電子ビ−ムのオフセットドリフト量を示すグラフ図である。横軸には、図２の横軸に対応した時間が、縦軸には電子ビ−ムが理想位置からどの程度オフセットした位置に変位したかを示すオフセット量がそれぞれ与えられる。図３に示される通り、チャンバ３０の温度に対応して、オフセット量Ｏｘ、 Ｏｙが大きく変動する。
【００２７】
即ち、上記した通り、チャンバ温度の変動によりチャンバ３０自体が伸縮し、距離Ｌｘ１、Ｌｙ１が共に伸縮するので、ステ−ジ移動を制御するサ−ボ制御装置が測定光路の始点からステ−ジの反射ミラ−３６ｘ、３６ｙまでの距離が温度変化の影響なく所定値になる様に制御すると、光学系の原点２２に対するステ−ジの位置が不正確に制御されるのである。
【００２８】
図４は、本発明の実施の形態例のステ−ジ位置検出機構を説明する図である。この実施の形態例では、参照光路ＬｘｒｅｆとＬｙｒｅｆの距離を測定光路Ｌｘ２、Ｌｙ２の始点から原点２２までの距離Ｌｘ１，Ｌｙ１とほぼ同じにして、かつ参照光路ＬｘｒｅｆとＬｙｒｅｆが、チャンバ温度の変化により距離Ｌｘ１，Ｌｙ１と同様の膨張係数で伸縮する。そして、測定光路Ｌｘ２、Ｌｙ２を通過したレ−ザ光のうねり信号の位相が、ステ−ジの移動に従って変化するのと同様に、参照光路ＬｘｒｅｆとＬｙｒｅｆを通過したレ−ザ光のうねり信号の位相もチャンバ３０の伸縮に従って変化する。その結果、測定光路Ｌｘ２、Ｌｙ２と参照光路ＬｘｒｅｆとＬｙｒｅｆとの差もしくは位相差を検出することにより、常に原点２２に対するステ−ジ３２の位置を正確に制御することができ、若しくは正確に検出することができる。
【００２９】
参照光路を構成する反射ミラ−６２、６４は、図示される通りチャンバ３０の内壁に固定された支持体６３、６５に取り付けられる。一般にチャンバ３０は、例えばアルミニウムなどで構成されて、温度変化による伸縮が大きいのに対して、ステ−ジ３０は、例えばシリコン等の温度膨張係数の小さい材料で構成され、殆ど温度変化による伸縮はない。
【００３０】
Ｘ受光部５７とＹ受光部５９によりそれぞれ得られたステ−ジ３０の位置情報に従って、サ−ボ制御部５９がステ−ジ駆動部６０にＸ方向の駆動モ−タとＹ方向の駆動モ−タを制御させる。即ち、クロ−ズサ−ボ制御である。
【００３１】
この実施の形態例では、参照光路長を測定光路の始点から光学系の原点２２までの距離と同等にし、かつ反射ミラ−６２、６４をチャンバ３０の内壁に固定したので、距離Ｌｘ１、Ｌｙ１のチャンバ温度変化に伴う伸縮と同じ伸縮が参照光路長にも与えられる。従って、参照光路と測定光路との位相差または距離の差を利用することで、光学系原点２２に対するステ−ジの位置に関し、チャンバの温度変化による伸縮の影響はない。
【００３２】
図５は、本発明の別の実施の形態例のステ−ジ位置検出機構を示す図である。この例では、参照光路ＬｘｒｅｆとＬｙｒｅｆは、距離Ｌｘ１、Ｌｙ１と同等の距離ではなく、例えばＮ倍（Ｎ＜１）と短い。しかし、その参照光路を形成する反射ミラ−７２、７４がチャンバ３０の材料の熱膨張率より１／Ｎ倍の熱膨張率を持つ材料からなる支持部位７３、７５上に取り付けられている。従って、距離Ｌｘ１、Ｌｙ１の温度変化による伸縮と、参照光路ＬｘｒｅｆとＬｙｒｅｆの伸縮とが同等になる。その結果、上記した図４の例と同様に温度変化によるチャンバ３０の伸縮による影響をなくすことが可能になる。
【００３３】
しかも、参照光路ＬｘｒｅｆとＬｙｒｅｆを実質的に短くすることができるので、狭いチャンバ３０内に収納することができる。むろん、収納領域がある場合で支持部位７３、７５の材料の制約がある場合は、参照光路ＬｘｒｅｆとＬｙｒｅｆを距離Ｌｘ１、Ｌｙ１より長くしても良い。
【００３４】
それ以外の部分は、図４の場合と同等の構成である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、参照光路長も温度変化によるチャンバ３０の伸縮と同様の伸縮を有するので、測定光路と参照光路との差に従ってステ−ジの位置を測定することで、温度変化による伸縮の影響なくその位置を測定することができる。その結果、ウエハ等の資料表面の正確な位置に電子ビ−ムを偏向して照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のステージ位置測定装置が設けられる電子ビーム露光装置の全体構成図である。
【図２】露光装置が設置されるクリ−ンル−ムの温度とチャンバ３０の温度との関係例を示すグラフ図である。
【図３】電子ビ−ムのオフセットドリフト量を示すグラフ図である。
【図４】本発明の実施の形態例のステ−ジ位置検出機構を説明する図である。
【図５】本発明の別の実施の形態例のステ−ジ位置検出機構を示す図である。
【図６】一般的なステージ位置測定機構を示す図である。
【符号の説明】
１０ 光学系
１２ コラム部
２２ 光学系の原点
３０ チャンバ部
３２ ステージ
３４ 試料、ウエハ
Ｌｘ１，Ｌｙ１ 始点から原点までの距離
Ｌｘ２，Ｌｙ２ 測定光路
ＬｘｒｅｆとＬｙｒｅｆ 参照光路
６２，６４，７２，７４ 参照光路反射ミラー
７３，７５ 支持体

Claims (4)

1. 荷電粒子ビームの光学系が収納されたコラム部と、該コラム部に結合されるチャンバ部と、該チャンバ部内に移動可能に設けられ試料が載置される試料ステージとを有する荷電粒子ビーム露光装置において、
   所定の周波数のレーザーが投光され前記試料ステージに設けられた反射手段で反射される測定光路と、該測定光路の始点から前記コラム部内の光学系の原点までの距離にほぼ等しい長さを有し且つ前記チャンバ部の材料とほぼ同じ膨張率で膨張する参照光路とを有し、前記測定光路を通った測定レーザー光信号と前記参照光路を通った参照レーザー光信号とから前記試料ステージの位置の変化を測定するステージ位置測定装置を設けたことを特徴とする荷電粒子ビーム露光装置。
2. 請求項１において、
   前記参照光路を構成する参照光路反射手段を少なくとも有し、該参照光路反射手段が前記チャンバ部の内壁に取り付けられていることを特徴とする荷電粒子ビーム露光装置。
3. 荷電粒子ビームの光学系が収納されたコラム部と、該コラム部に結合されるチャンバ部と、該チャンバ部内に移動可能に設けられ試料が載置される試料ステージとを有する荷電粒子ビーム露光装置において、
   所定の周波数のレーザーが投光され前記試料ステージに設けられた反射手段で反射される測定光路と、該測定光路の始点から前記コラム部内の光学系の原点までの距離のほぼＮ倍の長さを有し且つ前記チャンバ部のほぼ１／Ｎ倍の膨張率で膨張する参照光路とを有し、前記測定光路を通った測定レーザー光信号と前記参照光路を通った参照レーザー光信号とから前記試料ステージの位置の変化を測定するステージ位置測定装置を設けたことを特徴とする荷電粒子ビーム露光装置。
4. 請求項３において、
   前記参照光路を構成する参照光路反射手段を少なくとも有し、該参照光路反射手段が前記測定光路の始点位置で前記チャンバ内壁に固定され前記チャンバ部の１／Ｎ倍の膨張率を有する支持体の先端に、前記参照光路反射手段が固定されてなることを特徴とする荷電粒子ビーム露光装置。

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