(57)【要約】【課題】Ｚ位置検出感度が高く、対外乱に強く、メンテナンスしやすく、ユニット化でき、小型化できる焦点プローブ光学系、その焦点プローブ光学系を備えた位置検出装置、及びその位置検出装置を備えた荷電粒子線照射装置を提供する。【解決手段】試料に荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射装置における該試料のＺ位置を検出する位置検出装置に用いる焦点プローブ光学系であって、位置検出装置における位置検出用の光を試料９に集光するための集光レンズ５ａと、位置検出用の光を偏向して試料９に導くとともに、試料９で反射した光を偏向して位置検出装置における位置検出用の光の経路を逆向きに辿らせるための偏向部材５ｂとを有し、荷電粒子線照射装置に用いた状態において、焦点プローブ光学系の光軸が、該荷電粒子線露光装置の荷電粒子線の軸と共軸となるように構成されている。【選択図】　図４
2004127544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射装置における該試料のＺ位置を検出する位置検出装置に用いる焦点プローブ光学系であって、
前記位置検出装置における位置検出用の光を前記試料に集光するための集光レンズと、
前記位置検出用の光を偏向して前記試料に導くとともに、前記試料で反射した光を偏向して前記位置検出装置における位置検出用の光の経路を逆向きに辿らせるための偏向部材とを有し、
前記荷電粒子線照射装置に用いた状態において、焦点プローブ光学系の光軸が、該荷電粒子線露光装置の荷電粒子線の軸と共軸となるようにしたことを特徴とする焦点プローブ光学系。
【請求項２】
前記偏向部材が、前記位置検出装置における位置検出用の光を前記試料に導くように、前記荷電粒子線の軸の周囲に設けられ、
前記集光レンズが、孔部を有して形成され、該孔部を前記荷電粒子線が通過し、前記偏向部材で偏向された光を該孔部の周囲のレンズ面で集光して前記試料に導くように、前記偏向部材と前記試料との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の焦点プローブ光学系。
【請求項３】
前記偏向部材が、前記集光レンズで集光された光を偏向して前記試料に導くように、前記荷電粒子線の軸の周囲に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の焦点プローブ光学系。
【請求項４】
前記偏向部材及び前記集光レンズが、導電性かつ非磁性を有する部材で前記荷電粒子線の飛来領域から遮断されるように囲われていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の焦点プローブ光学系。
【請求項５】
前記偏向部材及び前記集光レンズが、その表面を導電性かつ非磁性を有する膜でコーティングされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の焦点プローブ光学系。
【請求項６】
点光源と、位置検出手段と、請求項１〜５のいずれかに記載の焦点プローブ光学系とを備えた位置検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の位置検出装置を備えた荷電粒子線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子線やイオンビーム等の荷電粒子線を感応基板などの試料に照射する荷電粒子線照射装置において試料のＺ位置を検出するための位置検出装置に用いる焦点プローブ光学系、その焦点プローブ光学系を備えた位置検出装置、及びその位置検出装置を備えた荷電粒子線照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子は、基板表面に微細化されたデバイスパターンが高集積化されて形成されている。このような半導体素子のデバイスパターンを形成したり、半導体素子の表面形状の計測や検査を行う手段として、近年荷電粒子線を用いた荷電粒子線照射装置が用いられている。
【０００３】
図９は荷電粒子線照射装置の基本構成を示す概略図である。荷電粒子線光学装置は、荷電粒子線照射部５１と、感応基板等の試料５２を載置するＸＹ方向に移動可能なステージ５３と、ステージ５３を真空状態に囲う真空チャンバ５４とを備えて構成されている。荷電粒子線光学照射部５１の鏡筒内には、電子銃５５、電磁コンデンサレンズ５６、電磁対物レンズ５７、図示省略した荷電粒子線の軌道を制御する電磁プリズム等の偏向器を有してなる電子光学系が設けられている。そして、電子銃５５から放出した荷電粒子線は、これらの電子光学系構成部材を経て、ステージ５３に載置された試料５２上の所定位置に結像するようになっている。
【０００４】
このような荷電粒子線照射装置においては、試料の照射表面Ｚ位置（高さ位置）は、載置するステージの精度、試料の厚さ、載置した試料の平行度、及び試料自体のうねり等の影響を受けて変動しやすい。
これに対し、電子光学系は、そのＮＡは十分小さく、十分な焦点深度を有しているものの、テレセントリックな構成ではない場合、試料のＺ位置が変動すると露光パターン等の倍率に大きな影響を及ぼしてしまう。
このため、試料の荷電粒子線照射装置に対するＺ位置の変化を計測し、そのＺ位置の変化に応じて倍率の補正をする必要がある。
【０００５】
Ｚ位置の変化の計測には、試料上の所定位置に位置合わせ用のマークを設けておき、このマークからの位置ずれをＺ位置検出装置で検出する方法がある。
しかるに、荷電粒子線照射装置における位置合わせ用のマークからの位置ずれを検出する方法としては、荷電粒子線を散乱する性質の高い物質からなるマークを試料上に設け、このマークに荷電粒子線を照射する方法がある。しかし、この方法によると、マークからの散乱光によって試料が露光されてしまうおそれがある。
そこで、Ｚ位置の変化の計測には、荷電粒子線照射装置とは別に試料が露光しない波長の通常光による光学系を備えた位置検出装置を介して試料上のマークからの位置ずれを検出する方法が用いられている。
【０００６】
通常光を用いた従来のＺ位置検出放置としては、荷電粒子線照射部の両側に投光部と受光部とを設けた装置（例えば、特許文献１参照）や、荷電粒子線照射部の一方に投光部、他方に干渉計を設けた装置（例えば、非特許文献１参照）や、荷電粒子線照射装置における荷電粒子線の軸と所定距離離れた位置に位置検出用の光軸を設けた装置（例えば、特許文献２参照）などがある。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−３３０６８号公報（第６−７頁、図１、図２）
【非特許文献１】
東芝機械（株）平野亮一、東條徹、（株）トプコン渡邊真也、阿部和夫、斎藤晋、“光ヘテロダイン法を用いた電子ビーム描画装置用精密位置測定法（ＸＹＺセンサ）の開発”、１９９７年度精密光学会春季学術講演会講演論文集、ｐ８０９−８１０
【特許文献２】
特開平１１−２２４８４４号公報（第３頁、図１）
【０００８】
図１０は上記特許文献１に記載の従来の位置検出装置の要部を示す概略構成図である。
特許文献１に記載の位置検出装置は、図１０に示すように、投光側光学系６１と、受光側光学系６２とを、荷電粒子線照射部５１の両側に、荷電粒子線照射部５１から所定距離離れた位置に配置し、ステージ５３上の試料（標本）５２に対し、投光側光学系６１の光源６３からの光をミラー６４を介して試料５２の面に対し浅い角度となるように照射し、試料５２で反射した光を投光側光学系６１とは反対側の受光光学系６２内のミラー６５を経て受光素子６６で受光し、受光素子６６による受光位置のずれにより試料のＺ位置を検出するように構成されている。
【０００９】
図１１は上記非特許文献１に記載の従来の位置検出装置の概略構成図である。
非特許文献１に記載の位置検出装置は、投光部７１側で２つの異なる角度の荷電粒子線を照射するようにするとともに、受光部７２側に干渉計を備え、光ヘテロダイン法を用いて微妙に角度の異なる２つの干渉光の間に発生する位相差を測定することによりＺ位置を計測するように構成されている。
【００１０】
図１２は上記特許文献２に記載の従来の位置検出装置の概略構成図である。
特許文献２に記載の位置検出装置８１は、投光用光源と受光素子（いずれも図示省略）とを備えるとともに、荷電粒子照射部５１の鏡筒内に荷電粒子線の軸に対し所定間隔ずらした位置に、非磁性の導電性材料で形成された位置検出用光路８２を設けて、試料５２面の荷電粒子線の軸から所定距離Ｌ離れた位置に、図示省略した投光用光源からの光を照射し、試料５２での反射光を図示省略した受光素子で検出することにより、試料５２のＺ位置の変動を検出するように構成されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の位置検出装置では、Ｚ位置の位置ずれ量を試料を反射する光の方向からみたときのずれ量で検出している。しかし、入射光及び反射光が試料面に対し浅い斜めの角度をなしており、Ｚ位置の位置ずれ量を試料を反射する光の方向からみたときのずれ量で検出した場合には、Ｚ位置の変位に対する変位拡大率を大きくとることができず、位置検出感度を高くすることができない。また、荷電粒子線照射部５１の両側に、投光側光学系６１と、受光側光学系６２とを配置したのでは、部材点数が多くなり、装置全体が大型化し、コスト高となってしまう。また、試料に対し浅い角度で位置検出用の光を入射させるのでは、位置検出装置による測定点と荷電粒子線照射装置による荷電粒子線の照射点とを一致させることが難しい。しかも、投光側光学系６１と、受光側光学系６２とが離れて配置されるので、組立て時の位置調整が難しく、いずれか一方の光学系における微妙な位置ずれが他方の光学系に大きく影響してしまい、外乱にも弱い。さらには、一方の側の光学系をユニット化して交換することや、メンテナンスすることも困難となる。
【００１２】
非特許文献１の干渉計を用いた位置検出装置では、Ｚ位置の変動に対する位相差の変化量は非常に小さく拡大率は高くない。しかし、非常に高感度な検出方式である光干渉法を用いることにより、これを補い総合的にはＺ位置検出感度を十分に高くとることができる。
しかし、高感度な干渉計を用いた装置は、空気のゆらぎや振動等の外乱に非常に弱い。また、複雑、高感度な光学系を必要としコストが非常に高くなる。また、装置が大型化、複雑化し、メンテナンスやユニット化が困難である。
【００１３】
特許文献２に記載の位置検出装置は、小型化が可能であり、コスト的にも上記２つの従来例より有利である。しかし、荷電粒子線照射部５１からの荷電粒子線を照射位置とＺ位置検出装置８１からのＺ位置検出光照射位置とが一定の距離があり、荷電粒子線の照射位置における試料５２のＺ位置を検出するものではない。このため、試料のうねりやかたむきを原因とした荷電粒子線の照射位置と位置検出光の照射位置とにおける試料のＺ位置に差が大きく生じた場合には測定値に大きな誤差を含むことになる。また、試料の大きさが、荷電粒子線の照射位置から位置検出光の照射位置までの距離よりも小さい場合には、位置検出光による試料の照射と荷電粒子線による試料の照射とを同時に行うことが出来ない。さらに、試料全域にわたって荷電粒子線による照射を行うことが出来なくなる。
【００１４】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、Ｚ位置検出感度が高く、対外乱に強く、メンテナンスしやすく、ユニット化でき、小型化できる焦点プローブ光学系、その焦点プローブ光学系を備えた位置検出装置、及びその位置検出装置を備えた荷電粒子線照射装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による焦点プローブ光学系は、試料に荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射装置における該試料のＺ位置を検出する位置検出装置に用いる焦点プローブ光学系であって、前記位置検出装置における位置検出用の光を前記試料に集光するための集光レンズと、前記位置検出用の光を偏向して前記試料に導くとともに、前記試料で反射した光を偏向して前記位置検出装置における位置検出用の光の経路を逆向きに辿らせるための偏向部材とを有し、前記荷電粒子線照射装置に用いた状態において、焦点プローブ光学系の光軸が、該荷電粒子線露光装置の荷電粒子線の軸と共軸となるようにしたことを特徴としている。
【００１６】
また、本発明による焦点プローブ光学系は、前記偏向部材が、前記位置検出装置における位置検出用の光を前記試料に導くように、前記荷電粒子線の軸の周囲に設けられ、前記集光レンズが、孔部を有して形成され、該孔部を前記荷電粒子線が通過し、前記偏向部材で偏向された光を該孔部の周囲のレンズ面で集光して前記試料に導くように、前記偏向部材と前記試料との間に配置されていることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明による焦点プローブ光学系は、前記偏向部材が、前記集光レンズで集光された光を偏向して前記試料に導くように、前記荷電粒子線の軸の周囲に設けられていることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明による焦点プローブ光学系は、前記偏向部材及び前記集光レンズが、導電性かつ非磁性を有する部材で前記荷電粒子線の飛来領域から遮断されるように囲われていることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明による焦点プローブ光学系は、前記偏向部材及び前記集光レンズが、その表面を導電性かつ非磁性を有する膜でコーティングされていることを特徴としている。
【００２０】
また、本発明による位置検出装置は、点光源と、位置検出手段と、上記本発明の焦点プローブ光学系とを備えている。
【００２１】
また、本発明による荷電粒子線照射装置は、上記本発明の位置検出装置を備えている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の焦点プローブ光学系のように構成すると、試料への入射光の入射角度を比較的小さくすることが可能であり、測定ポイントを荷電粒子線照射装置の照射エリアに一致させやすくすることができるので、Ｚ位置を高精度に検出することができる。また、荷電粒子線照射装置に用いる場合、荷電粒子線照射部の片側に投光部と受光部とを兼ね備えた位置検出装置を配置すれば足りるので、外乱に強く、部材点数を少なくでき、装置を小型化し、コストも低減することができる。また、焦点プロープ光学系をユニット化させることができ、メンテナンス性も向上する。
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳しく説明する。
【００２３】
図１は本発明による焦点プローブ光学系を備えた位置検出装置の一実施形態を示す図であり、（ａ）は全体の概略構成図、（ｂ）は光源及び信号処理系部の概略構成を示す説明図、（ｃ）は光源部の構成図、図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は信号処理部の構成例を示す回路図である。
本実施形態の位置検出装置は、光源部１と位置検出素子２とを有する光源及び信号処理系３と、ミラー４と、焦点プロープ光学系５とで構成されている。なお、図中、６は内部に電子光学系を備えた荷電粒子線照射装置、７は真空チャンバ、８は光源及び信号処理系とミラー４との間の光を通すための窓部、９は感応性樹脂（レジスト）がコーティングされた半導体ウエハーやマスク基板などの試料（標本）、１０は試料を載置するＸＹ方向に移動可能なステージである。
光源部１は、ＬＤやＳＬＤ等の高輝度光源、例えば半導体レーザ１ａとコレクタレンズ１ｂとを備えている。コレクタレンズ１ｂは、高輝度光源１ａで出射した光の径が位置検出素子２において最小のスポットを形成するように矢印方向に移動可能に構成されている。
位置検出素子２は、２分割フォトダイオードやＰＳＤ，ＣＣＤ等で構成されている。また、信号処理系３は、図２（ａ）、（ｂ）又は（ｃ）に示すような回路を介して、例えば２分割された位置検出素子２の夫々で受光した光量の差からＺ位置を検出するように構成されている。
焦点プローブ光学系５は、荷電粒子線照射装置６と試料９との間に配置可能な大きさを有しており、荷電粒子線照射装置６の鏡筒の荷電粒子線が通る部位に設けられている。
【００２４】
図３（ａ），（ｂ）は本実施形態の焦点プローブ光学系を構成する光学部材の鏡筒内部における典型的な配置例を示す説明図である。
焦点プローブ光学系５は、図３（ａ）に示すように、位置検出装置における位置検出用の光を試料９（のレジスト）に集光するための集光レンズ５ａと、位置検出用の光を偏向して試料９に導くとともに、試料９で反射した光を偏向して位置検出装置における位置検出用の光の経路を逆向きに辿らせるための偏向部材であるミラー５ｂとを有して構成されている。そして、荷電粒子線照射装置に用いた状態において、焦点プローブ光学系の光軸は、荷電粒子線露光装置における荷電粒子線の軸と共軸となっている。すなわち、集光レンズ５ａの光軸と一致している。
ミラー５ｂは、荷電粒子線の軸が通る部位に孔部５ｂ’が形成されており、位置検出装置における位置検出用の光を孔部５ｂ’の周囲の面で偏向して試料９に導くように配置されている。集光レンズ５ａは、１枚の非球面レンズなどの正のパワーを有するレンズで構成され、荷電粒子線が通る部位に孔部５ａ’が形成されており、ミラー５ｂで偏向された光を孔部５ａ’の周囲の面で集光して試料９に導くようにミラー５ｂと試料９との間に配置されている。
なお、焦点プローブ光学系５は、図３（ｂ）に示すように構成してもよい。図３（ｂ）の例では、集光レンズ５ａは荷電粒子線の軸と交差する位置検出装置における位置検出光路上に配置されており、位置検出用の光を試料９に集光するように構成されている。ミラー５ｂは、荷電粒子線の軸が通る部位に孔部５ｂ’が形成されており、集光レンズ５ａで集光された光を孔部５ｂ’の周囲の面で偏向して試料９に導くように配置されている。これも互いに共軸の配置となる。
【００２５】
図４は本実施形態の図３（ａ）に示すタイプの焦点プローブ光学系についてのより詳細な構成を示す説明図であり、（ａ）は位置検出装置側からみた断面図、（ｂ）は正面からみた断面図、（ｃ）は上面図である。図５は図４に示す焦点プローブ光学系の鏡筒内部の光学部材の斜視図である。
焦点プローブ光学系の集光レンズ５ａ及びミラー５ｂは、それらの孔部５ａ’，５ｂ’に筒状部材５ｄを通した状態で鏡筒５ｃの内部に固定されている。
鏡筒５ｃの上部には、荷電粒子線が通る部位に孔部５ｃ’が形成されており、孔部５ｃ’には筒状部材５ｄが通された状態で固定されている。鏡筒５ｃの側方には、図１に示した光源１から試料９へ向う位置検出用の光を通す窓部５ｆ及び試料９から位置検出素子２へ向う位置検出用の光を通す窓部５ｇが設けられている。また、鏡筒５ｃの下方には、例えばガラスやプラスチックなどの材料で円板状に形成された透明部材５ｅが、板バネ５ｉを介して位置を固定された状態に設けられている。透明部材５ｅの荷電粒子線が通る部位には、孔部５ｅ’が形成されており、孔部５ｅ’に筒状部材５ｄが通されている。
【００２６】
また、鏡筒５ｃ、筒状部材５ｄ、板バネ５ｉは、導電性かつ非磁性を有する部材で構成されるか、あるいは、それらの表面に導電性かつ非磁性を有する膜がコーティングされ（図示省略）、窓部５ｆ，５ｇ、及び透明部材５ｅにも、ＩＴＯ膜などの透明で導電性かつ非磁性を有する膜がコーティングされており（図示省略）、これらが荷電粒子線照射装置と導通してＧＮＤ電位に固定されるようになっている。
すなわち、集光レンズ５ａ及びミラー５ｂは、導電性かつ非磁性を有する部材で荷電粒子線の飛来領域から遮断されるように囲われており、荷電粒子線による帯電を防止し、荷電粒子線の軌道を乱すことがないようになっている。
【００２７】
このように構成された焦点プローブ光学系５を備えた位置検出装置では、図１に示す光源部１より出射した光は、ミラー４を経て、図４（ｃ）に示す焦点プローブ光学系５の窓部５ｆを通って鏡筒５ｃの内部に入り、図４（ｂ）に示すミラー５ｂで偏向され、集光レンズ５ａで集光され、透明部材５ｅを経て試料９に点状に照射される。試料９で反射した光は、図４（ａ）に示すように、位置検出用の光の経路を逆向きに辿る。すなわち、透明部材５ｅ、集光レンズ５ａを通り、ミラー５ｂで偏向され、窓部５ｇを通って、鏡筒５ｃの外部に出てミラー４に入射し、ミラー４で偏向され、位置検出素子２で受光される。
位置検出素子２では、受光位置のずれによる光強度のずれを感知する。感知した光強度のずれは、図２（ａ）〜（ｃ）のいずれかに示すような回路を介してＺ方向の変位として検出される。
【００２８】
このとき、本実施形態の焦点プローブ光学系では、光軸が荷電粒子線の軸と共軸となっているため、Ｚ位置の変動に対する変位拡大率を大きくとることができる。
この点に関し、従来例と比較しながら、以下に説明する。
【００２９】
図１０に示した、位置検出用の光を試料に対して斜めから所定の角度をなすようにして照射するタイプの従来の位置検出装置の場合、Ｚ方向の変位は、図１３に示すように、試料９の照射位置から遠く離れた側方（Ｂ方向）から観察したときの変位量で検出するようになっている。
例えば、試料９とのなす角θで位置検出用の光が入射するものとし、試料９が上下にΔＺの全幅で移動するものとすると、
仮に、試料が光を散乱・回折させる特性があり、試料の真上（Ａ方向）から観察できるのであれば、ΔＺに相当する変位量ΔＸａは、
Ｘａ＝ΔＺ／ｔａｎθ
で観測され、表１に示すように、角度θが浅くなればなるほど、変位拡大率は大きくなる。
2004127544.tif 000003
しかしながら、多くの試料は表面が散乱をおこさせることなく正反射方向（Ｂ方向）からしか光を検出できない。たとえ散乱光がありＡ方向から検出できたとしても電子レンズとの機械的干渉で実際には検出機器を配置することができない。
Ｂ方向から観察されるΔＺに相当する変位量Ｘｂは、
2004127544.tif 000004
となり、表２に示すように、位置検出用の光と試料とのなす角θが十分に小さければ、２×ΔＺに近づく。
2004127544.tif 000005
即ち、位置検出用の光と試料とのなす角θが小さくなるにつれて、変位拡大率は増加ずるが、その値は“２”に限りなく近づき“２”を超えることはない。
【００３０】
しかし、拡大変位率が“２”程度では、高精度の位置検出をするのに十分に大きな値とはいえず、位置検出感度を高くすることが出来ない。例えば、Ｚ方向の変位量ΔＺの測定値に０．１μｍレベルでの安定性を求めるには、Ｂ方向の遠方（数百ｍｍ以上離れたところ）から観察したときの変位量Ｘｂの測定値に０．２μｍレベルでの高い安定性が必要となる。これは、望遠鏡の距離から顕微鏡レベルの分解能を求めるようなことになり、実現が非常に困難である。
また、上記のような試料に対し浅い角度でもって位置検出用の光を入射させる方式では、位置検出用光線のわずかな変化で標本上の照射位置が変化し、位置検出装置による測定点と荷電粒子線照射装置による照射点とを一致させることが極めて難しい。
【００３１】
これに対し、本実施形態の焦点プローブ光学系によれば、焦点プローブ光学系光軸を荷電粒子線の軸と共軸となるようにしたので、図６に示すような、従来既知のＡＦ（オートフォーカス）方式と同様に、Ｚ方向の変位を試料から反射してくる光線の傾きに置き換えることができる。
図６において集光レンズの焦点距離をｆ、集光レンズの入射ＮＡをＮＡ＝ｓｉｎθ、試料のＺ方向移動量をΔＺとする。
試料のＺ方向の移動による位置検出用の光のビームスポットの移動を本来の焦点位置におけるスポットの移動Δｄに置き換えて考えると、
Δｄ＝２×ΔＺ×ｔａｎθ
となる。
反射光の振れ角をΔΦとおくと、
Δｄ＝ｆ×ΔΦ
となる。
したがって、
ΔΦ＝２×ΔＺ×ｔａｎθ／ｆ
となる。
この振れ角ΔΦを距離Ｌ離れた位置検出素子２上で受光されるスポット光の移動量ΔＸに置き換えると、その移動量ΔＸは、
2004127544.tif 000006
となる。
すなわち、Ｚ方向の移動量の検出感度は、集光レンズ５ａの
2004127544.tif 000007
及び位置検出素子２までの距離Ｌに比例し、集光レンズ５ａの焦点距離ｆに反比例する。
すなわち、本実施形態の焦点プローブ光学系を用いた位置検出装置では、Ｚ方向の微小な変化を短い焦点距離のレンズを介して振れ角の変化に置き換え、光てこの原理で拡大増幅しているものといえる。
【００３２】
しかるに、本実施形態によるＺ方向の変位量ΔＸを示した上記式に、荷電粒子線照射装置に実際に用いることが可能な焦点プローブ光学系としての具体的な数値を代入してみる。
荷電粒子線照射装置に用いる位置検出装置として、ＮＡ０．４〜０．５の範囲の光線を使用するものとすると、
ＮＡ＝０．４５（２６．７°）
集光レンズの焦点距離ｆが５〜１０ｍｍ程度、試料と位置検出素子との距離Ｌが２５０ｍｍ〜３５０ｍｍ程度であるとすると、
Ｚ方向変位量に対応する光スポットの変位量ΔＸは、
２×ｔａｎ２６．７×２５０×ΔＺ／１０≦ΔＸ≦２×ｔａｎ２６．７×３５０×ΔＺ／５
となる。
すなわち、本実施形態の焦点プローブ光学系を用いた位置検出装置では、上記具体的数値を入れた場合において、試料のＺ方向の変位に対し、約２５〜７０倍の変位拡大作用を実現していることになる。
他方、位置検出素子２としては、２分割素子やＰＳＤを使用してスポット移動量の測定を行うが、位置検出素子２でのスポット径は約１ｍｍ以下と予測され、この場合経験上１μｍ程度の分解能は得られることがわかっている。
これらのことから、本実施形態の焦点プローブ光学系を用いた位置検出装置に標本面に換算して、１μｍ÷（２５〜７０）＝０．０４〜０．０１４μｍ程度の分解能が得られ、図１０に示した従来の位置検出装置に比べて約１０倍以上の光学的変位拡大を図ることができる。
【００３３】
また、本実施形態の焦点プローブ光学系によれば、焦点プローブ光学系の光軸が、荷電粒子線照射装置の荷電粒子線の軸と共軸となるように構成したことにより、試料への照射光をほぼ荷電粒子線と同じ入射角で試料に入射させることができ、測定ポイントを荷電粒子線照射装置の照射エリアに一致させやすくすることができる。そして、荷電粒子線照射装置の照射位置に測定ポイントを置くことができるため、試料にうねり等がある場合や、小さな試料であっても試料のＺ位置を高精度に検出することができる。
さらに、試料の全面にわたってＺ測定しながら荷電粒子線を照射することが可能となり、標本に無駄なスペースを要求することがない。
【００３４】
また、本実施形態の焦点プローブ光学系によれば、位置検出装置における点光源からの試料へ照射するための位置検出用の光が、試料で反射して位置検出装置の位置検出素子へ向かうので、焦点プローブ光学系を調整するだけで、投光と受光の両方の光路の向きを調整できる。このため、本実施形態の焦点プローブ光学系によれば、位置検出光学系から独立したユニットとして構成することができ、メンテナンス、システム変更がしやすくなる。
【００３５】
また、本実施形態の焦点プローブ光学系によれば、荷電粒子線照射装置に対して片側のみに位置検出装置を配置する構成で足りる。
このため、投光部と受光部の光路において共通の光学部材（例えば図１に示すミラー４）を介在させることができ、外乱が生じたとしても投光経路と受光経路とにおいて、ミラー４が平等に外乱の影響を受けることによって、外乱の影響を相殺させることができる。また、部品点数を少なくすることができ、装置の小型化、低コスト化を達成することができる。
【００３６】
なお、図４に示す実施形態のプローブ光学系では、集光レンズ５ａの下部に、ＩＴＯ膜などの透明で導電性かつ非磁性を有する膜がコーティングされた透明部材５ｅを配置しているが、図７（ａ）に示すように、透明部材５ｅを設けずに、集光レンズ５ａの表面に直接ＩＴＯ膜などの透明で導電性かつ非磁性を有する膜をコーティングして鏡筒５ｃと導通させるようにしてもよい。あるいは、透明部材５ｅの代わりに、図７（ｂ）に示すように、位置検出用の光が通過する箇所にのみ孔部５ｈ’，５ｈ’が形成された導電性かつ非磁性を有する円板状部材５ｈを用いてもよい。また、その場合においても、荷電粒子線の軌道に影響が生じないよう必要に応じて、孔部５ｈ’，５ｈ’にＩＴＯ膜などの透明で導電性かつ非磁性を有する膜がコーティングされた透明部材（図示省略）を設けるとよい。あるいは、筒状部材５ｄを設けないで、図７（ｃ）に示すように、集光レンズ５ａ、ミラー５ｂの表面をＩＴＯ膜などの導電性かつ非磁性を有する膜でコーティングし、焦点プローブ光学系の光軸が該荷電粒子線露光装置の荷電粒子線の軸と共軸となるように孔部５ａ’，５ｂ’の位置を合わせた状態で、集光レンズ５ａ、ミラー５ｂを鏡筒５ｃと導通するように固定してもよい。
【００３７】
また、本実施形態の焦点プローブ光学系において、集光レンズ５ａは、試料面にスポット光を集光することができれば、面形状はどのような形状であってもよい。また、数枚のレンズで構成してもよく、あるいは、接合レンズで構成してもよい。さらには、シリンドリカルレンズで構成してもよい。
また、ミラー５ｂは、孔部５ｂ’を備えた１枚構成でなくでもよく、孔部を備えていない２枚のミラーを、位置検出用の光を偏向して試料に導くとともに、試料で反射した光を偏向して位置検出装置における位置検出用の光の経路を逆向きに辿らせることができるように、荷電粒子線が通る部位の周囲に配置して構成してもよい。
【００３８】
また、本実施形態による焦点プローブ光学系は、図８に示すように、図４に示す構成において、焦点プローブ光学系５のレーザ光が入射する窓部５ｆにレーザ絞り板５ｓを設け、位置検出装置の光源部よりこのレーザ絞り板５ｓの開口穴の径よりも大きなレーザ光を入射させるようにしてもよい。
図８に示す焦点プローブ光学系では、レーザ絞り板５ｓの開口穴の径よりも大きなビーム径のレーザ光は、レーザ絞り板５ｓによってそのビーム径が絞られる。必然的に、試料９で反射したレーザ光はレーザ絞り板５ｓの開口穴の径と同じビーム径で窓部５ｇよりミラー４、窓部８を経て光源及び信号処理系３で検出されることになる。
【００３９】
ここで、レーザ絞り板５ｓの大きさは次のようにして決定される。
レーザ光は直進性の強い光であるが、伝播距離が長くなるほど、またビーム径が小さいほど伝播するにしたがってビーム径が大きくなっていく性質がある。しかし、焦点プローブ光学系５から戻ってくるレーザ光は、信号処理部の２分割素子やＰＳＤなどの光位置検出素子の受光面のサイズよりも小さいことが要求される。したがって、レーザ絞り板５ｓの大きさは、焦点プローブ光学系５から光源及び信号処理系３への戻りのビームの伝播距離と信号処理部の２分割素子やＰＳＤの受光面のサイズを勘案して決定される。
【００４０】
また、レーザ絞り板５ｓをレーザ光が入射する窓部５ｆ側に設置したのは次の理由による。
光源及び信号処理系３、ミラー４に対して、焦点プローブ光学系５のアライメント作業をする場合には、焦点プローブ光学系５の窓部５ｆの中心にレーザ光を入射させる必要がある。
しかし、レーザ絞り板５ｓよりも大きな径のレーザ光を入射させれば、窓部５ｆを十分照射する程度のアライメント作業で良いということになる。
このことは、装置を組み立てる場合にその組み付け作業が容易になるばかりでなく、焦点プローブ光学系５の故障等によるメンテナンス作業も容易になるという大きなメリットになる。また、装置の振動等の外乱により焦点プローブ光学系５へ入射するレーザ光の位置が多少振動したとしても、光源及び信号処理系３による検出信号への影響が緩和されるという効果も発生する。
なお、図８に示す実施形態では、レーザ絞り板５ｓを窓部５ｆと別体に設けたが、窓部５ｆをレーザ絞り板５ｓとして機能させても同様の効果が得られる。いずれにしても、レーザ絞り板５ｓよりも大きな径のレーザ光を入射させれば良い。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の焦点プローブ光学系によれば、荷電粒子線照射装置に用いたときに、試料への照射光をほぼ荷電粒子線と同じ入射角で試料に入射させることができ、Ｚ位置の変位量に対する変位拡大量を大きくとることができ、しかも測定ポイントを荷電粒子線照射装置の照射エリアに一致させやすくすることができるので、Ｚ位置検出感度を高精度にすることができる。また、荷電粒子線照射部の片側に投光部と受光部とを兼ね備えた位置検出装置を配置すれば足りるので、外乱に強く、部材点数を少なくでき、装置を小型化し、コストも低減することができる。また、焦点プロープ光学系をユニット化させることができ、メンテナンス性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による焦点プローブ光学系を備えた位置検出装置の一実施形態を示す図であり、（ａ）は全体の概略構成図、（ｂ）は光源及び信号処理系部の概略構成を示す説明図、（ｃ）は光源部の構成図である。
【図２】図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は信号処理部の構成例を示す回路図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は本実施形態の焦点プローブ光学系を構成する光学部材の鏡筒内部における典型的な配置例を示す説明図である。
【図４】本実施形態の図３（ａ）に示すタイプの焦点プローブ光学系についてのより詳細な構成を示す説明図であり、（ａ）は位置検出装置側からみた断面図、（ｂ）は正面からみた断面図、（ｃ）は上面図である。
【図５】図４に示す焦点プローブ光学系の鏡筒内部の光学部材の斜視図である。
【図６】本発明の位置検出装置におけるＺ方向の変位に対する拡大変位量の検出方式についての原理説明図である。
【図７】図４に示す本実施形態の焦点プローブ光学系の変形例を示す説明図である。
【図８】図４の本実施形態の焦点プローブ光学系にレーザ絞り板を設けた変形例を示す説明図であり、（ａ）は位置検出装置側からみた断面図、（ｂ）は正面からみた断面図、（ｃ）は上面図である。
【図９】荷電粒子線照射装置の基本構成を示す概略図である。
【図１０】上記特許文献１に記載の従来の位置検出装置の要部を示す概略構成図である。
【図１１】上記非特許文献１に記載の従来の位置検出装置の概略構成図である。
【図１２】上記特許文献２に記載の従来の位置検出装置の概略構成図である。
【図１３】図１０に示した、位置検出用の光を試料に対して斜めから浅い角度をなすようにして照射するタイプの従来の位置検出装置におけるＺ方向の変位に対する拡大変位量の検出方式についての原理説明図である。
【符号の説明】
１　　　　　光源部
１ａ　　　　半導体レーザ
１ｂ　　　　コレクタレンズ
２　　　　　位置検出素子
３　　　　　光源及び信号処理系
４　　　　　ミラー
５　　　　　焦点プローブ光学系
５ａ　　　　集光レンズ
５ａ’，５ｂ’，５ｃ’，５ｅ’，５ｈ’　　　　　孔部
５ｂ　　　　ミラー
５ｃ　　　　鏡筒
５ｄ　　　　筒状部材
５ｅ　　　　透明部材
５ｆ，５ｇ　窓部
５ｉ　　　　板バネ
５ｈ　　　　円板状部材
５ｓ　　　　レーザ絞り板
６　　　　　荷電粒子線照射装置
７　　　　　真空チャンバ
８　　　　　窓部
９　　　　　試料
１０　　　　ステージ
５１　　　　荷電粒子線照射部
５２　　　　試料
５３　　　　ステージ
５４　　　　真空チャンバ
５５　　　　電子銃
５６　　　　電磁コンデンサレンズ
５７　　　　電磁対物レンズ
６１　　　　投光側光学系
６２　　　　受光側光学系
６３　　　　光源
６４，６５　ミラー
６６　　　　受光素子
７１　　　　投光部
７２　　　　受光部
８１　　　　位置検出装置
８２　　　　位置検出用光路
【図１】
2004127544.tif 000008
【図２】
2004127544.tif 000009
【図３】
2004127544.tif 000010
【図４】
2004127544.tif 000011
【図５】
2004127544.tif 000012
【図６】
2004127544.tif 000013
【図７】
2004127544.tif 000014
【図８】
2004127544.tif 000015
【図９】
2004127544.tif 000016
【図１０】
2004127544.tif 000017
【図１１】
2004127544.tif 000018
【図１２】
2004127544.tif 000019
【図１３】
2004127544.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成14年10月16日(2002.10.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射装置における該試料のＺ位置を検出する位置検出装置に用いる焦点プローブ光学系であって、
前記位置検出装置における位置検出用の光を前記試料に集光するための集光レンズと、
前記位置検出用の光を偏向して前記試料に導くとともに、前記試料で反射した光を偏向して前記位置検出装置における位置検出用の光の経路を逆向きに辿らせるための偏向部材とを有し、
前記荷電粒子線照射装置に用いた状態において、焦点プローブ光学系の光軸が、該荷電粒子線露光装置の荷電粒子線の軸と共軸となるようにしたことを特徴とする焦点プローブ光学系。
【請求項２】
前記偏向部材が、前記位置検出装置における位置検出用の光を前記試料に導くように、前記荷電粒子線の軸の周囲に設けられ、
前記集光レンズが、孔部を有して形成され、該孔部を前記荷電粒子線が通過し、前記偏向部材で偏向された光を該孔部の周囲のレンズ面で集光して前記試料に導くように、前記偏向部材と前記試料との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の焦点プローブ光学系。
【請求項３】
前記偏向部材が、前記集光レンズで集光された光を偏向して前記試料に導くように、前記荷電粒子線の軸の周囲に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の焦点プローブ光学系。
【請求項４】
前記偏向部材及び前記集光レンズが、導電性かつ非磁性を有する部材で囲われていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の焦点プローブ光学系。
【請求項５】
前記偏向部材及び前記集光レンズが、その表面を導電性かつ非磁性を有する膜でコーティングされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の焦点プローブ光学系。
【請求項６】
点光源と、位置検出手段と、請求項１〜５のいずれかに記載の焦点プローブ光学系とを備えた位置検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の位置検出装置を備えた荷電粒子線照射装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
また、本発明による焦点プローブ光学系は、前記偏向部材及び前記集光レンズが、導電性かつ非磁性を有する部材で囲われていることを特徴としている。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
図１は本発明による焦点プローブ光学系を備えた位置検出装置の一実施形態を示す図であり、（ａ）は全体の概略構成図、（ｂ）は光源及び信号処理系部の概略構成を示す説明図、（ｃ）は光源部の構成図、図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は信号処理部の構成例を示す回路図である。
本実施形態の位置検出装置は、光源部１と位置検出素子２とを有する光源及び信号処理系３と、ミラー４と、焦点プロープ光学系５とで構成されている。なお、図中、６は内部に電子光学系を備えた荷電粒子線照射装置、７は真空チャンバ、８は光源及び信号処理系とミラー４との間の光を通すための窓部、９は感応性樹脂（レジスト）がコーティングされた半導体ウエハーやマスク基板などの試料（標本）、１０は試料を載置するＸＹ方向に移動可能なステージである。
光源部１は、ＬＤやＳＬＤ等の高輝度光源、例えば半導体レーザ１ａとコレクタレンズ１ｂとを備えている。コレクタレンズ１ｂは、半導体レーザ１ａで出射した光の径が位置検出素子２において最小のスポットを形成するように矢印方向に移動可能に構成されている。
位置検出素子２は、２分割フォトダイオードやＰＳＤ，ＣＣＤ等で構成されている。また、信号処理系３は、図２（ａ）、（ｂ）又は（ｃ）に示すような回路を介して、例えば２分割された位置検出素子２の夫々で受光した光量の差からＺ位置を検出するように構成されている。
焦点プローブ光学系５は、荷電粒子線照射装置６と試料９との間に配置可能な大きさを有しており、荷電粒子線照射装置６の鏡筒の荷電粒子線が通る部位に設けられている。