JP7445522B2 - ステージ装置、及び荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料を移動させるステージ装置と、ステージ装置を備える荷電粒子線装置に関する。

半導体ウェハの製造、測定、及び検査などに用いられる電子顕微鏡などの荷電粒子線装置は、試料の所望の位置にビームを照射するために、試料の位置を移動させるステージを備える。このようなステージは、２次元方向に試料を移動させるべく、少なくとも２方向に試料を移動させるための駆動機構を備える。また、ステージの位置の測定には、レーザ干渉計が使用されることが一般的である。

特許文献１には、バーミラーにセラミックを用い、このミラーをバネで支持するステージ装置が開示されている。より具体的には、特許文献１に記載された移動ステージ装置では、ミラーの自重は、ステージ上に設けられた３点支持座により支持されており、ミラーとステージとの接触部を減らすことで、ステージの曲げ変形のミラーへの伝達を抑制できる。また、ミラーとステージとの線膨張係数の差によるミラーの曲げ変形を抑制するために、ミラーをバネで支持し、ミラーとステージの接触部に滑りを生じさせて、ミラーに加わる力を逃がすことができる。このような構成では、ミラーの曲げ変形を抑制し、ステージの位置の測定誤差を低減することができる。

特開平９－２４３３１６号公報

特許文献１に記載された移動ステージ装置などの従来のステージ装置では、試料を載置するテーブルが変形することによって発生するミラーの曲げ変形や、テーブルとミラーとの線膨張係数の差によるミラーの曲げ変形を、ある程度は抑制できる。

しかし、従来のステージ装置では、テーブルとミラーが直接接して固定されているため、互いに接する面積が小さくてもテーブルからミラーに力が伝わってミラーが変形することがある。具体的には、テーブルとミラーとの線膨張係数の差によってこれらの接触部に滑りが生じると、これらの接触面では必ず摩擦力が働き、この摩擦力によってミラーに曲げ変形が発生する。さらに、ミラーには、温度変化に応じて異なる曲げ変形が発生する。このような曲げ変形は、ミラーによって個体差が大きく、ミラーの表面状態の変化に伴って変化するので、補正が困難である。このため、従来のステージ装置では、ステージの位置（テーブルの位置）を正確に測定するうえで課題があり、量産時に安定した性能を保証することや長期安定性を確保するのが困難である。

本発明は、ミラーの曲げ変形を抑制でき、ステージの位置の測定誤差を低減してステージの位置決め誤差を低減できるステージ装置と、このステージ装置を備える荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

本発明によるステージ装置は、試料を載置するテーブルと、前記テーブルに設置されたバーミラーと、前記バーミラーにレーザ光を照射して前記バーミラーからの反射光を受光することによって、前記テーブルの位置を測定するレーザ干渉計と、前記テーブルを移動させる駆動機構と、前記バーミラーと前記テーブルの間に設置された複数の弾性部材とを備える。

本発明による荷電粒子線装置は、試料が内部に配置される試料室と、荷電粒子線を前記試料に照射する鏡筒と、前記試料を移動させるステージ装置とを備え、前記ステージ装置は、本発明によるステージ装置である。

本発明によると、ミラーの曲げ変形を抑制でき、ステージの位置の測定誤差を低減してステージの位置決め誤差を低減できるステージ装置と、このステージ装置を備える荷電粒子線装置を提供することができる。

本発明の実施例１による荷電粒子線装置の構成を示す図である。 テーブルを真上から見た図であり、電子ビームがウェハ上の観察点に照射されている状態を示す図である。 テーブルを真上から見た図であり、ミラーに曲げ変形が生じた状態を示す図である。 本発明の実施例１によるステージ装置において、テーブルに設置されたミラーを示す斜視図である。 テーブルに設置されたバーミラーをＸ方向に沿って見た図である。 テーブルに設置されたバーミラーをＸ方向に沿って見た図であり、テーブルが変形して上下方向に反った状態を示す図である。 バーミラーの側面が弾性ブロックを間に挟んでテーブルに固定された構成を示す参考図である。 図５Ａに示した構成において、テーブルがＹ方向に熱膨張し、弾性ブロックのＹ方向の間隔が増大した様子を示す参考図である。 本発明の実施例１において、バーミラーの下面のみが、弾性ブロックを間に挟んでテーブルに固定された構成を示す図である。 図５Ｃに示した構成において、テーブルがＹ方向に熱膨張した様子を示す図である。 段を備えないテーブルの上面に弾性ブロックが設置され、この弾性ブロックにバーミラーが固定された構成を示す参考図である。 図６Ａに示した構成において、テーブルがＺ方向に反るように弾性変形し、弾性ブロックのＹ方向の間隔が変化した様子を示す参考図である。 本発明の実施例１において、テーブルが２つの段を備え、弾性ブロックが高さが低い方の段の上面に設けられ、バーミラーがこの弾性ブロックに固定された構成を示す図である。 図６Ｃに示した構成において、テーブルがＺ方向に反るように弾性変形した様子を示す図である。 本発明の実施例２によるステージ装置において、テーブルに設置されたバーミラーを示す斜視図である。 材料がガラスであるバーミラーがテーブルに設置された構成を示す斜視図である。 本発明の実施例３によるステージ装置において、材料がセラミクス、金属、または金属とセラミクスの複合材であるバーミラーがテーブルに設置された構成を示す斜視図である。 本発明の実施例３によるステージ装置の一部を示す斜視図である。 本発明の実施例３において、熱膨張する前のテーブルを真上から見た図である。 本発明の実施例３において、温度変化により熱膨張したテーブルを真上から見た図である。

電子顕微鏡などの荷電粒子線装置では、近年の半導体素子の微細化に伴い、半導体の製造装置のみならず検査装置や計測装置にも、試料の位置決めの高精度化が要求されている。試料であるウェハの所望の位置でパターンを測定するには、ステージによりウェハの位置を移動させて、ウェハ上の所望の測定位置を電子ビームの照射位置に位置決めして、ウェハ上のパターンの画像（例えば、ＳＥＭ像）を取得する。このとき、ステージに位置決め誤差がある場合でも、ウェハの所望の測定位置の位置ずれ量（所望の測定位置と電子ビームの照射位置との間の距離）を正確に測定できれば、電子ビームを偏向させることでステージの位置決め誤差を補正し、所望の測定位置でパターンを測定することができる。ただし、ウェハの所望の測定位置の位置ずれ量を正確に測定できない場合には、電子ビームの偏向に誤差が生じるので、所望の測定位置に電子ビームを照射できず、視野ずれが発生する。

このようにして発生する視野ずれ、すなわち所望の測定位置と、ステージの位置決め誤差を補正した上で照射した電子ビームの照射位置との間の距離を、視野位置決め誤差と呼ぶ。視野位置決め誤差が生じると、特に微細化パターンを持つウェハでは、所望の測定位置に電子ビームを照射し、所望の位置でパターンを測定する（検査をする）のが困難になる。

荷電粒子線装置では、ステージの位置の測定には、バーミラーなどのミラーを備えるレーザ干渉計が使用される。ミラーの製造時の加工や固定時の弾性変形などによって生じる再現性のある位置決め誤差については、予め作成した補正マップで補正が可能である。再現性のある位置決め誤差とは、測定ごとに同じ大きさで生じる誤差のことである。補正マップは、ウェハの座標ごとに、測定位置の位置ずれ量（像のずれ量）が記録されているマップであり、装置の位置ずれ量の特性が記録されている。

しかし、補正マップを作成した後にミラーに変形が生じると、この変形による測定位置のずれ（像のずれ）は、補正ができず、視野位置決め誤差となる。視野位置決め誤差を低減するためには、再現性のない位置決め誤差を低減することが重要である。再現性のない位置決め誤差とは、測定ごとに大きさが変わり得る誤差のことであり、例えば、ミラーの曲げ変形などにより発生する測定位置のずれのことである。

再現性のない位置決め誤差を発生させるミラーの曲げ変形の例には、試料（ウェハ）を載置するテーブルの歪みによって生じるミラーの曲げ変形、テーブルの熱変形によって生じるミラーの曲げ変形、及びテーブルとミラーの線膨張係数の差によって生じるミラーの曲げ変形などがある。これらのミラーの曲げ変形により再現性のない位置決め誤差が発生し、補正マップで補正が不可能な視野位置決め誤差が発生する。

本発明によるステージ装置は、ミラーの曲げ変形を抑制でき、ステージの位置（テーブルの位置）の測定誤差を低減してステージの位置決め誤差を低減でき、視野位置決め誤差を低減できる。

以下、本発明の実施例によるステージ装置と荷電粒子線装置を説明する。以下の実施例では、荷電粒子線装置の一例として、測長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）について説明する。測長ＳＥＭは、荷電粒子線である電子ビームを試料に照射する半導体計測装置である。また、荷電粒子線が照射される試料として、半導体素子などの回路パターンが形成されたウェハを例に挙げて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

＜荷電粒子線装置の構成例＞
図１は、本発明の実施例１による荷電粒子線装置１の構成を示す図である。荷電粒子線装置１は、測長ＳＥＭであり、電子ビームを試料であるウェハ１０６に照射してウェハ１０６上のパターンを撮像することで、パターンの線幅の計測や形状の評価を行う。荷電粒子線装置１は、試料室１１２と、試料室１１２に設置された電子光学系鏡筒１０１と、ウェハ１０６を移動させるステージ装置を備える。試料室１１２は、除振マウント１１３に支持されており、ウェハ１０６が内部に配置される。電子光学系鏡筒１０１は、電子ビームをウェハ１０６に照射する。

ステージ装置は、テーブル１０５、駆動機構１０３、ミラー１１１、レーザ干渉計１０４、及びコントローラ１０９を備える。ステージ装置は、水平面内の２次元方向に、すなわち水平面内の任意の方向であるＸ方向と、水平面内でＸ方向に直交するＹ方向とに、ウェハ１０６を移動させる。このようなステージ装置をＸＹステージと呼ぶ。なお、Ｘ方向とＹ方向とに直交する方向（電子光学系鏡筒１０１の長さ方向）をＺ方向とする。

テーブル１０５は、ガイド１０７に支持されて試料室１１２内に設置され、ウェハ１０６を載置し、駆動機構１０３によって移動する。テーブル１０５は、ウェハ１０６を載置するチャック１０８を備える。テーブル１０５は、例えば、Ｙ方向に移動可能なＹテーブルと、Ｙテーブルの上に設置されてＸ方向に移動可能なＸテーブルとを備える。

駆動機構１０３は、テーブル１０５を移動させる機構であり、例えば、リニアモータやピエゾアクチュエータなどを備える。テーブル１０５がＸテーブルとＹテーブルを備える場合には、駆動機構１０３は、ＸテーブルをＸ方向に移動させる駆動機構（第１の駆動機構）と、ＹテーブルをＹ方向に移動させる駆動機構（第２の駆動機構）を備える。

ミラー１１１は、バーミラーであり、テーブル１０５に設置される。

レーザ干渉計１０４は、ミラー１１１にレーザ光を照射するとともに、ミラー１１１からの反射光を受光することによって、ミラー１１１の位置を測定し、テーブル１０５の位置を測定する。図１には、レーザ干渉計１０４の光軸１１５を描いている。

コントローラ１０９は、レーザ干渉計１０４が測定したテーブル１０５の位置をステージ座標として得る。コントローラ１０９は、テーブル１０５を移動させるための信号を駆動機構１０３に送信して、テーブル１０５の位置を制御する。

荷電粒子線装置１は、撮影した画像に再現性のある位置決め誤差がある場合には、ウェハ１０６の座標に対する像のずれ量を記録して補正マップを作成することで、ステージの位置決め誤差を補正して、像のずれ（測定位置のずれ）を補正することが可能である。例えば、測定したテーブル１０５の位置とテーブル１０５の目標位置との差分に、補正マップから得られた像のずれ量を加え、これで得られた量だけ電子ビームをシフトさせることで、再現性のある位置決め誤差を０に近い値にすることができる。

しかし、補正マップを用いて補正しても、ステージの位置決め誤差が残ることがある。この位置決め誤差（視野位置決め誤差）は、特にパターン間隔が数ｎｍのデバイスを計測するときには、可能な限り低減する必要がある。視野位置決め誤差は、例えば、ミラー１１１の曲げ変形により発生する。

＜ミラーの曲げ変形と視野位置決め誤差との関係＞
図２Ａと図２Ｂは、ミラー１１１の曲げ変形により視野位置決め誤差が発生することを説明するための模式図であり、テーブル１０５を真上から見た図である。

図２Ａは、バーミラーであるミラー１１１と試料であるウェハ１０６がテーブル１０５の上に載置されており、電子ビームがウェハ１０６上の観察点２０９に照射されている状態を示している。テーブル１０５の上には、２つのミラー１１１、すなわちＸ方向に長く延在するミラー１１１と、Ｙ方向に長く延在するミラー１１１が設置されている。Ｘ方向に延在するミラー１１１は、Ｙ方向の距離を測定するために用いられ、Ｙ方向に延在するミラー１１１は、Ｘ方向の距離を測定するために用いられる。

レーザ干渉計１０４は、２つのミラー１１１について、ミラー１１１の反射面の、基準点からの距離２０６を測定する。基準点は、例えば、レーザ干渉計１０４の位置や電子光学系鏡筒１０１の位置である。Ｘ方向におけるレーザ干渉計の光軸とＹ方向におけるレーザ干渉計の光軸との交点は、常に観察点２０９に一致する。ミラー１１１の反射面と観察点２０９の間の距離２０７が一定であれば、レーザ干渉計１０４が測定した距離２０６に距離２０７を足すことで、観察点２０９の位置を正確に測定できる。距離２０７は、ウェハ１０６の座標ごとに記録され、補正マップに保存される。

図２Ｂは、電子ビームがウェハ１０６上の観察点２０９に照射されている状態（図２Ａ）において、ミラー１１１に曲げ変形が生じた状態を示している。ミラー１１１のこの変形は、補正マップの作成後（すなわち、図２Ａの距離２０７が補正マップに保存された後）に発生したとする。ミラー１１１が変形すると、Ｘ方向とＹ方向においてミラー１１１と観察点２０９との間の距離が変化する。すなわち、ミラー１１１が変形すると、ミラー１１１と観察点２０９との間の距離は、図２Ｂに示した距離２０７ａとして得られる。

このため、補正マップを用いて位置決め誤差を補正すると、観察点として図２Ｂに示した観察点２０８が得られる。ミラー１１１の変形後に補正マップにより得られた観察点２０８は、ミラー１１１の変形前に得られた観察点２０９と位置が異なるので、視野ずれが発生する。観察点２０８と観察点２０９との位置の差（像のずれ量）が、視野位置決め誤差である。

このように、ミラー１１１に曲げ変形が生じると、ミラー１１１と所望の観察点２０９との間の距離２０７が変化し、所望の測定位置（観察点２０９）に電子ビームを照射できず、視野位置決め誤差が発生する。

＜本実施例によるステージ装置におけるミラーの支持構造＞
本発明の実施例１によるステージ装置を説明する。本実施例によるステージ装置は、ミラー１１１の支持構造に特徴がある。

図３は、本実施例によるステージ装置が備えるミラー１１１の支持構造を示す図であり、テーブル１０５に設置されたミラー１１１を示す斜視図である。ミラー１１１は、一方向に長く延在するバーミラーである。以下では、ミラー１１１のことをバーミラー１１１とも呼び、Ｙ方向に延在するバーミラー１１１を例に挙げて説明する。Ｘ方向に延在するバーミラー１１１も、Ｙ方向に延在するバーミラー１１１と同様の構造で支持することができる。

本実施例によるステージ装置は、バーミラー１１１の支持構造として、次の４つの特徴のうち少なくとも１つの特徴を備える。

第１の特徴は、ステージ装置は、テーブル１０５とバーミラー１１１の間に、複数の弾性部材２０３を備えることである。すなわち、テーブル１０５に複数の弾性部材２０３が設置され、複数の弾性部材２０３にバーミラー１１１が設置されている。弾性部材２０３は、バーミラー１１１とテーブル１０５とに固定されている。弾性部材２０３は、伝熱性の良いブロック状の弾性材で構成するのが好ましい。例えば、弾性部材２０３は、アルミニウム合金で構成することができる。弾性部材２０３は、任意の形状を備えることができる。

以下では、弾性部材２０３がブロック状の弾性材で構成されているとし、弾性部材２０３を弾性ブロック２０３と呼ぶ。

弾性ブロック２０３がバーミラー１１１とテーブル１０５の間に挟まれて設置されているので、テーブル１０５の変形や歪みがバーミラー１１１に直接伝わらず、バーミラー１１１の曲げ変形を抑制できる。

第２の特徴は、弾性ブロック２０３とテーブル１０５とが互いに固定された位置と、弾性ブロック２０３とバーミラー１１１とが互いに固定された位置は、バーミラー１１１の長さ方向（すなわち、Ｙ方向）で互いに異なることである。すなわち、弾性ブロック２０３とテーブル１０５との固定部と、弾性ブロック２０３とバーミラー１１１との固定部は、Ｙ方向での位置が互いに異なる。弾性ブロック２０３は、テーブル１０５との固定部の位置とバーミラー１１１との固定部の位置がＹ方向で互いに異なるので、テーブル１０５の変形や歪みがバーミラー１１１に伝わるのをより効果的に防止できる。

第３の特徴は、バーミラー１１１は、下面のみが（弾性ブロック２０３を間に挟んで）テーブル１０５に固定されることである。バーミラー１１１は、下面のみが固定されているので、曲げ変形が生じたとしても上方に向かって反り、水平方向に反るのを防止できる。

第４の特徴は、テーブル１０５は、高さが互いに異なる（すなわち、Ｚ方向の位置が互いに異なる）２つの部分（すなわち、２つの段１０５ａ、１０５ｂ）を備え、高さが低い方の段１０５ａの上面に弾性ブロック２０３が設置されていることである。バーミラー１１１は、テーブル１０５の高さが低い方の段１０５ａに設けられた弾性ブロック２０３に固定されるので、テーブル１０５が変形したときにバーミラー１１１に生じる曲げ変形を小さくすることができる。

図４Ａと図４Ｂを用いて、第１の特徴と第２の特徴について説明する。

図４Ａは、テーブル１０５に設置されたバーミラー１１１を示す図であり、バーミラー１１１をＸ方向（バーミラー１１１の長さ方向に直交する方向）に沿って見た図である。バーミラー１１１は、テーブル１０５に設けられた複数の弾性ブロック２０３に設置されている。弾性ブロック２０３とバーミラー１１１との固定部２０５の位置と、弾性ブロック２０３とテーブル１０５との固定部２０４の位置は、Ｙ方向で互いに異なる。弾性ブロック２０３の形状は、固定部２０５の位置と固定部２０４の位置がＹ方向で互いに異なれば任意であり、図４Ａに示した形状に限定されない。

図４Ｂは、図４Ａと同様に、テーブル１０５に設置されたバーミラー１１１を示す図であり、バーミラー１１１をＸ方向に沿って見た図である。但し、テーブル１０５は、変形して上下方向（Ｚ方向）に反っている。

テーブル１０５が変形しても、弾性ブロック２０３が変形することで、バーミラー１１１の曲げ変形を抑制できる。また、弾性ブロック２０３とテーブル１０５との固定部２０４の位置と、弾性ブロック２０３とバーミラー１１１との固定部２０５の位置とが、Ｙ方向（すなわち、バーミラー１１１の長さ方向）で互いに異なるので、バーミラー１１１の曲げ変形を抑制する効果が増加する。これは、固定部２０４の位置と固定部２０５の位置がＹ方向で互いに異なると、固定部２０４と固定部２０５の間の剛性が下がり、固定部２０４から固定部２０５へ曲げ変形が伝わりにくくなるので、テーブル１０５の変形がバーミラー１１１に伝わるのを抑制できるからである。

図５Ａから図５Ｄを用いて、第３の特徴について説明する。図５Ａから図５Ｄは、テーブル１０５に設置されたバーミラー１１１を示す斜視図である。

図５Ａは、バーミラー１１１の側面（ＹＺ面）が、弾性ブロック２０３を間に挟んでテーブル１０５に固定された構成を示す参考図である。このような構成では、テーブル１０５がＹ方向に熱膨張すると、弾性ブロック２０３のＹ方向の間隔が増大する。

図５Ｂは、図５Ａに示した構成において、テーブル１０５がＹ方向に熱膨張し、弾性ブロック２０３のＹ方向の間隔が増大した様子を示す参考図である。弾性ブロック２０３のＹ方向の間隔が増大すると、バーミラー１１１は、Ｘ方向に反る。レーザ干渉計１０４でＸ方向の距離を測定するため（図２Ａ、２Ｂ）、バーミラー１１１のＸ方向の反りは、視野位置決め誤差を発生させる。

図５Ｃは、本実施例において、バーミラー１１１の下面（ＸＹ面）のみが、弾性ブロック２０３を間に挟んでテーブル１０５に固定された構成を示す図である。

図５Ｄは、図５Ｃに示した本実施例の構成において、テーブル１０５がＹ方向に熱膨張した様子を示す図である。テーブル１０５がＹ方向に熱膨張すると、図５Ｂに示した場合と同様に弾性ブロック２０３のＹ方向の間隔が増大する。但し、バーミラー１１１は、Ｚ方向（上下方向）に反る。バーミラー１１１のＺ方向の反りは、直接的には、レーザ干渉計１０４でのＸ方向の距離の測定に誤差を発生させないので、視野位置決め誤差の発生（すなわち、視野ずれ）を抑制できる。

図３、図５Ｃ、及び図５Ｄに示すように、バーミラー１１１が下面のみでテーブル１０５に固定された構成では、バーミラー１１１の反りを上方向（Ｚ方向）に限定し、視野ずれを発生させる水平方向（例えば、Ｘ方向）の反りを低減することができる。また、水平方向の反りを抑制するために、バーミラー１１１の水平方向（例えば、Ｘ方向）の厚さは、上下方向（Ｚ方向）の厚さよりも大きくして、バーミラー１１１が上下方向により反りやすくすることも望ましい。

図６Ａから図６Ｄを用いて、第４の特徴について説明する。図６Ａから図６Ｄは、テーブル１０５に設置されたバーミラー１１１を示す斜視図である。

図６Ａは、テーブル１０５が段（Ｚ方向の位置、すなわち高さが互いに異なる部分）を備えず、テーブル１０５の上面に弾性ブロック２０３が設置され、この弾性ブロック２０３にバーミラー１１１が固定された構成を示す参考図である。このような構成では、テーブル１０５がＺ方向に反るように弾性変形すると、弾性ブロック２０３のＹ方向の間隔が変化する。

図６Ｂは、図６Ａに示した構成において、テーブル１０５がＺ方向に反るように弾性変形し、弾性ブロック２０３のＹ方向の間隔が変化した様子を示す参考図である。テーブル１０５が、熱変形やガイド１０７の転動体に起因する歪みにより、Ｚ方向に反るように弾性変形すると、弾性ブロック２０３は、Ｙ方向の間隔が変化する（図６Ｂでは、間隔が広がっている）。すると、バーミラー１１１は、下面が広げられて、長さ方向の中央部が下方向に突出するように反る。バーミラー１１１は、Ｚ方向に反るが、Ｘ方向にも少なからず変形が生じるため、視野位置決め誤差が発生する。

図６Ｃは、本実施例において、テーブル１０５が２つの段１０５ａ、１０５ｂを備え、弾性ブロック２０３が高さが低い方の段１０５ａの上面に設けられ、バーミラー１１１がこの弾性ブロック２０３に固定された構成を示す図である。弾性ブロック２０３は、テーブル１０５の、高さが低い方の段１０５ａの上面に設けられているので、テーブル１０５の中立面の高さ位置、またはこの中立面の高さ位置の近傍に設置されている。中立面とは、テーブル１０５内で圧縮応力も引張応力も生じない面のことである。

図６Ｄは、図６Ｃに示した本実施例の構成において、テーブル１０５がＺ方向に反るように弾性変形した様子を示す図である。弾性ブロック２０３がテーブル１０５の中立面の高さ位置、またはこの中立面の高さ位置の近傍に設置されているので、弾性ブロック２０３は、テーブル１０５の上面に設置された場合（図６Ｂ）よりも、テーブル１０５の変形が伝わりにくく、Ｙ方向の間隔の変化が小さい。このため、テーブル１０５がＺ方向に反るように変形しても、バーミラー１１１の下面に力が加わらず、バーミラー１１１のＺ方向への反りを小さくすることができる。従って、バーミラー１１１のＸ方向の変形を抑制でき、視野位置決め誤差の発生（すなわち、視野ずれ）を抑制できる。

図６Ａから図６Ｄを用いて説明したように、弾性ブロック２０３は、テーブル１０５の中立面の高さ位置、またはこの中立面の高さ位置の近傍に設置することが望ましい。

以上説明したように、本実施例によるステージ装置は、上述した４つの特徴のうち少なくとも１つの特徴を備え、バーミラー１１１の曲げ変形を抑制でき、テーブル１０５の位置の測定誤差（ステージの位置の測定誤差）を低減して、ステージの位置決め誤差である視野位置決め誤差を低減できる。

本発明の実施例２によるステージ装置を説明する。実施例１では、バーミラー１１１とテーブル１０５の間に複数の弾性ブロック２０３が備えられており、テーブル１０５が変形してもバーミラー１１１の曲げ変形を抑制できることを説明した。本実施例では、この構成に加えて、弾性ブロック２０３の寸法を定めて、バーミラー１１１とテーブル１０５との熱膨張の違いにより生じるバーミラー１１１の曲げ変形を抑制する構成について説明する。

図７は、本実施例によるステージ装置が備えるバーミラー１１１の支持構造を示す図であり、テーブル１０５に設置されたバーミラー１１１を示す斜視図である。図７を参照して、弾性ブロック２０３の寸法の決め方を説明する。

図７に示すように、１つの弾性ブロック２０３において、バーミラー１１１の長さ方向（すなわち、Ｙ方向）での、弾性ブロック２０３とテーブル１０５との固定部２０４と弾性ブロック２０３とバーミラー１１１との固定部２０５との間の距離をＬａとする。さらに、隣り合う２つの弾性ブロック２０３において、Ｙ方向での、テーブル１０５との固定部２０４同士の間隔をＬｔとする。そして、隣り合う２つの弾性ブロック２０３において、Ｙ方向での、バーミラー１１１との固定部２０５同士の間隔をＬｍとする。間隔Ｌｔは、隣り合う２つの弾性ブロック２０３によるテーブル１０５の固定間隔である。間隔Ｌｍは、隣り合う２つの弾性ブロック２０３によるバーミラー１１１の固定間隔である。

また、テーブル１０５を構成する材料の線膨張係数をＫｔとし、バーミラー１１１を構成する材料の線膨張係数をＫｍとし、弾性ブロック２０３を構成する材料の線膨張係数をＫａとする。

バーミラー１１１とテーブル１０５と弾性ブロック２０３のＹ方向の長さの関係により、
Ｌｔ＝Ｌｍ＋２Ｌａ （式１）
が成り立つ。

また、バーミラー１１１とテーブル１０５と弾性ブロック２０３の間で熱膨張がバランスし、熱応力が発生しない場合を考えると、これらの部材の熱膨張の関係より、
Ｌｔ・Ｋｔ・ΔＴ＝Ｌｍ・Ｋｍ・ΔＴ＋２Ｌａ・Ｋａ・ΔＴ （式２）
が成り立つ。ただし、ΔＴは、変化温度を表す。

式１と式２から、
Ｌｍ＝（Ｋａ－Ｋｔ）／（Ｋａ－Ｋｍ）・Ｌｔ （式３）
の関係が得られる。式３から、バーミラー１１１の固定間隔Ｌｍとテーブル１０５の固定間隔Ｌｔの一方を決定すると他方が決まる。固定間隔Ｌｍと固定間隔Ｌｔが決まると、式１から、弾性ブロック２０３の固定部２０４と固定部２０５との間の距離Ｌａ、すなわち弾性ブロック２０３のＹ方向の長さＬａが求められる。

なお、弾性ブロック２０３の形状が図７に示した形状と異なる場合には、ＬｔとＬｍとＬａについて式１と異なる関係が成り立つこともある。この場合には、ＬｔとＬｍとＬａの関係を求めて式１から式３に対応する式を得ることで、弾性ブロック２０３の寸法（弾性ブロック２０３のＹ方向の長さＬａ）を求めることができる。

本実施例によるステージ装置では、このようにして弾性ブロック２０３のＹ方向の長さＬａを定めることで、テーブル１０５とバーミラー１１１が熱膨張する場合でも、熱膨張をバランスさせて熱応力が発生しないようにすることができるので、バーミラー１１１の曲げ変形を抑制することができる。

本発明の実施例３によるステージ装置を説明する。実施例３では、バーミラー１１１の材料にセラミクス、金属、または金属とセラミクスの複合材を用いることで、バーミラー１１１が熱変形するのをさらに効果的に抑制する構成について説明する。

図８Ａは、材料がガラスであるバーミラー１１１がテーブル１０５に設置された構成を示す斜視図である。

従来、バーミラー１１１は、ガラスを用いて製造され、テーブル１０５は、金属、セラミクス、または金属とセラミクスの複合材を用いて製造されるのが一般的である。ガラスは、線膨張係数が小さく熱変形が小さいため、単体では、バーミラー１１１などの熱変形を避けるべき部材の材料として適当である。しかし、バーミラー１１１とテーブル１０５との間の熱膨張の違いにより生じるバーミラー１１１の変形を考えると、この限りではない。

図８Ａに示すように、バーミラー１１１の材料がガラスである場合には、バーミラー１１１は、テーブル１０５よりも熱膨張係数が小さいので、Ｚ方向に反るように変形する。実施例２で説明したように弾性ブロック２０３の寸法（長さＬａ）を定めてバーミラー１１１の曲げ変形を抑制しても、テーブル１０５の材料にガラスと同程度の線膨張係数を持つ材料を使用しない限りは、バーミラー１１１の変形に伴って弾性ブロック２０３のＹ方向の長さＬａが長くなる。すると、弾性ブロック２０３の熱抵抗が大きくなり、熱がテーブル１０５から弾性ブロック２０３を経由してバーミラー１１１へ伝導するのが阻害され、バーミラー１１１とテーブル１０５と弾性ブロック２０３の間で熱膨張がバランスし熱応力が発生しなくなるのが困難になり、バーミラー１１１に熱変形が生じる。また、弾性ブロック２０３は、Ｙ方向の長さＬａが長くなると、剛性が低くなって振動に対して弱くなることが懸念される。

バーミラー１１１の材料に、テーブル１０５の材料の線膨張係数Ｋｔと近い大きさの線膨張係数Ｋｍを持つ材料を用いると、式３においてＫｍとＫｔの大きさが近くなり、ＬｍとＬｔの大きさが近くなるため、式１からＬａの大きさが小さくなる。すなわち、弾性ブロック２０３のＹ方向の長さＬａを小さくすることができ、バーミラー１１１の熱変形を抑制できる。従って、バーミラー１１１の材料には、ガラス以外の材料で、テーブル１０５の材料の線膨張係数Ｋｔと近い大きさの線膨張係数Ｋｍを持つ材料、例えば、セラミクス、金属、または金属とセラミクスの複合材などの材料を用いるのが好ましい。

図８Ｂは、材料がセラミクス、金属、または金属とセラミクスの複合材であるバーミラー１１１がテーブル１０５に設置された構成を示す斜視図である。テーブル１０５は、セラミクス、金属、または金属とセラミクスの複合材を用いて構成されている。バーミラー１１１が、テーブル１０５の材料の線膨張係数Ｋｔと近い大きさの線膨張係数Ｋｍを持つ材料で構成されていると、図８Ｂに示すように、弾性ブロック２０３のＹ方向の長さＬａを小さくすることができる。これにより、弾性ブロック２０３の熱抵抗が小さくなり、熱がテーブル１０５から弾性ブロック２０３を経由してバーミラー１１１へ伝導しやすくなり、バーミラー１１１が熱変形するのを抑制できる。

また、バーミラー１１１は、熱伝導率がガラスより大きい材料を用いて構成されるのが望ましい。バーミラー１１１の材料に熱伝導率がガラスより大きい材料を用いると、バーミラー１１１の材料に断熱材であるガラスを用いた場合よりも、バーミラー１１１の熱伝導が向上し、過渡状態におけるテーブル１０５との温度差を小さくすることができ、バーミラー１１１が熱変形するのを抑制できる。

バーミラー１１１の熱伝導率がガラスより大きい材料には、任意の材料を用いることができ、例えば、セラミクス、金属、または金属とセラミクスの複合材を用いることができる。例えば、バーミラー１１１の材料としてアルミナセラミクスを用いると、バーミラー１１１の材料として石英ガラスを用いた場合に比べて、熱伝導率が約３０倍向上する。ガラスは、断熱材として用いられるように熱伝導率が小さい。このため、バーミラー１１１の材料として熱伝導率がガラスより大きい材料を用いると、バーミラー１１１が熱変形するのを抑制するのに有効である。

以上説明したように、バーミラー１１１の材料に、テーブル１０５の材料の線膨張係数Ｋｔと近い大きさの線膨張係数Ｋｍを持つ材料を用いる構成と、熱伝導率がガラスより大きい材料を用いる構成のうち、少なくとも一方の構成により、テーブル１０５の温度が上がり続けている過渡状態においても、図８Ｂのように、テーブル１０５、弾性ブロック２０３、及びバーミラー１１１の熱膨張のバランスを保つことができ、バーミラー１１１の変形を抑制できる。

図９は、本実施例によるステージ装置の一部を示す斜視図である。図９には、ステージ装置が備えるテーブル１０５、バーミラー１１１、弾性ブロック２０３、及びチャック１０８を示している。テーブル１０５は、例えば、金属とセラミクスの複合材を用いて構成され、熱伝導率が高く、熱膨張率が小さい。バーミラー１１１は、例えば、表面がめっきされたアルミナセラミクスを用いて構成されている。弾性ブロック２０３は、例えば、熱伝導率が高く安価なアルミニウム合金で構成されている。テーブル１０５と弾性ブロック２０３の間と、弾性ブロック２０３とバーミラー１１１の間は、それぞれボルト９０１で固定されている。

テーブル１０５の移動時にバーミラー１１１の振動が増大すると、テーブル１０５の移動後に振動が減衰するのを待つ時間が長くなり、スループットが低下する。さらに、バーミラー１１１の振動特性がバーミラー１１１ごとに異なる場合には、ステージ装置の位置決め制御系にローパスフィルタやノッチフィルタなどの振動のピーク周波数のゲインを低下させる要素が必要となる。このような要素により、ステージ装置の開ループ特性に余分な位相遅れが発生し、制御系が応答できる周波数が低下する。すわなち、テーブル１０５の移動後に残留振動の整定時間が増大するため、スループットが低下する。

このような課題に対し、本実施例によるステージ装置は、テーブル１０５とバーミラー１１１の間に弾性ブロック２０３を備え、テーブル１０５と弾性ブロック２０３の間と弾性ブロック２０３とバーミラー１１１の間がボルト９０１で固定されているので、歪みと振動の伝達を抑制することができ、視野位置決め誤差の低減とスループットの向上を両立することができる。

また、バーミラー１１１を、例えば、セラミクス、金属、または金属とセラミクスの複合材などのガラス以外の材料で構成すると、ボルト９０１の締付けによってバーミラー１１１に割れが生じることを防止でき、バーミラー１１１を剛に固定することができる。

また、ボルト９０１で固定することで、ボルト９０１の軸力によってテーブル１０５、弾性ブロック２０３、及びバーミラー１１１の接触面同士を密着させることができる。このため、バーミラー１１１をバネで押し付けて固定するなどの従来の構造に比べて、接触熱抵抗を低くすることができ、テーブル１０５の熱をバーミラー１１１へ伝えやすくなり、バーミラー１１１が熱変形するのを抑制できる。

また、過渡状態も含めて、テーブル１０５、弾性ブロック２０３、及びバーミラー１１１の熱膨張のバランスが保たれているため、ボルト９０１の締結部にかかるせん断力が小さく、熱膨張の差によるずれが生じない。

本発明の実施例１から３によるステージ装置では、視野位置決め誤差を低減できるので、テーブル１０５やバーミラー１１１の温度変化の前後と過渡状態においても、作成した補正マップを用いてステージ（テーブル１０５）の位置決め誤差を低減でき、ウェハ１０６の所望の位置でパターンを測定することができる。

図１０Ａと図１０Ｂを用いて、本発明の実施例によるステージ装置における、ステージの位置決め誤差の補正について説明する。

図１０Ａと図１０Ｂは、テーブル１０５を真上から見た図である。テーブル１０５の上には、ウェハ１０６と、Ｙ方向に延在するバーミラー１１１と、Ｘ方向に延在するバーミラー１１１が載置されている。テーブル１０５とバーミラー１１１の間には、弾性ブロック２０３が設置されている。図１０Ａには、熱膨張する前のテーブル１０５が示されており、図１０Ｂには、温度変化により熱膨張したテーブル１０５が示されている。

図１０Ｂに示すように温度変化でテーブル１０５が熱膨張すると、バーミラー１１１とウェハ１０６の距離が変化する。しかし、本発明の実施例によるステージ装置では、バーミラー１１１のＸ方向とＹ方向の曲げ変形が抑制される。このため、バーミラー１１１とウェハ１０６の相対距離１００１を測定し、相対距離１００１をオフセットとして補正マップを修正する（相対距離１００１を用いて補正マップに記録された像のずれ量を修正する）ことで、視野ずれを抑制することができる。相対距離１００１は、例えば、基準となる観察像の視野上の位置とレーザ干渉計１０４の測定値から求めることができる。

このオフセットによる補正マップの修正は、ウェハ１０６をテーブル１０５に載せたときや、テーブル１０５に熱膨張が発生したと考えられる場合などに実施することが有効である。

以上説明したように、本発明の実施例によるステージ装置では、視野位置決め誤差を低減でき、作成した補正マップを用いてステージ（テーブル１０５）の位置決め誤差を低減できるので、ウェハ１０６の所望の位置でパターンを高精度に測定することができる。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

１…荷電粒子線装置、１０１…電子光学系鏡筒、１０３…駆動機構、１０４…レーザ干渉計、１０５…テーブル、１０５ａ、１０５ｂ…テーブルの段、１０６…ウェハ、１０７…ガイド、１０８…チャック、１０９…コントローラ、１１１…ミラー、１１２…試料室、１１３…除振マウント、１１５…レーザ干渉計の光軸、２０３…弾性ブロック、２０４…固定部、２０５…固定部、２０６…基準点からの距離、２０７…ミラーの反射面と観察点の間の距離、２０７ａ…ミラーが変形したときのミラーの反射面と観察点の間の距離、２０８…補正マップにより得られた観察点、２０９…観察点、９０１…ボルト、１００１…相対距離。

Claims (12)

1. 試料を載置するテーブルと、
   前記テーブルに設置されたバーミラーと、
   前記バーミラーにレーザ光を照射して前記バーミラーからの反射光を受光することによって、前記テーブルの位置を測定するレーザ干渉計と、
   前記テーブルを移動させる駆動機構と、
   前記バーミラーと前記テーブルの間に設置された複数の弾性部材と、
   を備え、
   前記弾性部材と前記テーブルとの固定部を第１固定部とし、
   前記弾性部材と前記バーミラーとの固定部を第２固定部とすると、
   前記第１固定部の位置と、前記第２固定部の位置は、前記バーミラーの長さ方向で互いに異なる、
   ことを特徴とするステージ装置。
2. 試料を載置するテーブルと、
   前記テーブルに設置されたバーミラーと、
   前記バーミラーにレーザ光を照射して前記バーミラーからの反射光を受光することによって、前記テーブルの位置を測定するレーザ干渉計と、
   前記テーブルを移動させる駆動機構と、
   前記バーミラーと前記テーブルの間に設置された複数の弾性部材と、
   を備え、
   前記バーミラーは、下面のみが、前記弾性部材を間に挟んで前記テーブルに固定されている、
   ことを特徴とするステージ装置。
3. 前記テーブルは、高さが互いに異なる２つの段を備え、高さが低い方の前記段の上面に前記弾性部材が設置されている、
   請求項１または２に記載のステージ装置。
4. 前記バーミラーの長さ方向において、
   前記弾性部材の前記第１固定部と前記第２固定部との間の距離は、隣り合う２つの前記弾性部材における前記第１固定部同士の間隔と、隣り合う２つの前記弾性部材における前記第２固定部同士の間隔と、前記テーブルの線膨張係数と、前記バーミラーの線膨張係数と、前記弾性部材の線膨張係数と、
   により定められている、
   請求項１に記載のステージ装置。
5. 前記バーミラーは、熱伝導率がガラスより大きい材料を用いて構成されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のステージ装置。
6. 前記バーミラーは、セラミクスを用いて構成されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のステージ装置。
7. 前記バーミラーは、アルミナセラミクスを用いて構成されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のステージ装置。
8. 前記弾性部材と前記テーブルとの固定部を第１固定部とし、
   前記弾性部材と前記バーミラーとの固定部を第２固定部とすると、
   前記第１固定部の位置と、前記第２固定部の位置は、前記バーミラーの長さ方向で互いに異なる、
   請求項２に記載のステージ装置。
9. 前記弾性部材は、アルミニウム合金で構成されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のステージ装置。
10. 前記テーブルと前記弾性部材の間と、前記弾性部材と前記バーミラーの間は、ボルトで固定されている、
    請求項１から４のいずれか１項に記載のステージ装置。
11. 前記弾性部材は、前記バーミラーの長さ方向の一端部で前記テーブルに向かう方向に突き出て前記第１固定部で固定され、前記バーミラーの長さ方向の他端部で前記バーミラーに向かう方向に突き出て前記第２固定部で固定されている、
    請求項１または８に記載のステージ装置。
12. 試料が内部に配置される試料室と、
    荷電粒子線を前記試料に照射する鏡筒と、
    前記試料を移動させるステージ装置とを備え、
    前記ステージ装置は、請求項１から９のいずれか１項に記載のステージ装置である、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。

Images