(57)【要約】【課題】静電容量センサ式計測装置における計測の安定性や精度を向上する。【解決手段】被計測ターゲットを搭載する搭載台と、センサプローブと、第１端子および第２端子を有しこれらの端子間に接続される前記ターゲットと前記センサプローブを含む被計測系回路に交流電流を流して該ターゲットと該センサプローブ間の静電容量に応じた出力を発生するセンサアンプとを備え、前記センサアンプの出力に基づいて前記センサプローブと前記ターゲット間の距離を計測する静電容量センサ式計測装置において、計測時に前記ターゲットの被計測面またはその近傍に該ターゲットに非接触で対向するアース部材を設け、前記第１端子に前記センサプローブを、前記第２端子に前記アース部材を接続する。【選択図】      図１
2004279082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測ターゲットを搭載する搭載台と、
センサプローブと、
第１端子および第２端子を有しこれらの端子間に接続される前記ターゲットと前記センサプローブを含む被計測系回路に交流電流を流して該ターゲットと該センサプローブ間の静電容量に応じた出力を発生するセンサアンプと
を備え、前記センサアンプの出力に基づいて前記センサプローブと前記ターゲット間の距離を計測する静電容量センサ式計測装置において、
計測時に前記ターゲットの被計測面またはその近傍に該ターゲットに非接触で対向するアース部材を設け、前記第１端子に前記センサプローブを、前記第２端子に前記アース部材を接続したことを特徴とする静電容量センサ式計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量センサを用いてターゲットの位置や形状などを計測する静電容量センサ式計測装置に関する。このような計測装置は、マスク原版のパターンを基板または立体物に転写する露光システム、これらの基板または立体物を加工する加工システムおよび半導体プロセスの処理システム等に好適に応用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
試料（ターゲット）の位置や形状を精密に計測する方式の一つに、静電容量センサを用いたものがある。この方式はセンサプローブとターゲット間に生じる静電容量の大きさを検出することによって、センサプローブとターゲット間の距離を計測するものである。静電容量は交流インピーダンスとして検出される。
【０００３】
具体的には、センサアンプから供給される微弱な交流電流を、センサプローブからターゲットに向かって流し込み、そのインピーダンスによる電圧降下を計測する場合が多い。センサプローブからターゲットに流れ込んだ電流は、通常、システムの筐体アースと概ね同電位にした導体を通して、センサアンプのもう一方の端子に還流させる。通常、計測する静電容量はｐＦオーダーの小さな値なので、浮遊容量の影響を受けやすい。そのため、センサアンプからセンサプローブまでの実装および、ターゲットからのアースラインの実装は、浮遊容量の影響が少なくなるように電位を設定しているのが普通である。
【０００４】
静電容量センサは、十分インピーダンスが低いターゲットをアースに対して低インピーダンスで結合して使用するのが理想的である。そのため、ターゲットを載せる搭載台を導体で構成して、搭載台をアースに接続する構成がよく用いられる。
図４は、静電容量センサを用いた従来例の測定装置の構成図である。ターゲット２のチャック９を金属製として、ターゲットとアース間のインピーダンスを低減させている。同図において、１はセンサプローブ、３はセンサアンプ、４はセンサケーブル、６は絶縁性の定盤、８はコントローラであり、定盤６とチャック９とで搭載台を構成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、搭載台の設計によっては、ターゲットをアースに対して低インピーダンスで結合するのが難しい場合がある。例えば、ターゲットの形状、搭載台の形状、搭載台の材質に制約がある場合である。このような場合には、従来の方法ではターゲットとアース間の結合を低インピーダンスにできない。その結果、計測の安定性や精度が悪化したり、ターゲット毎にオフセットが生じたりする。
【０００６】
さらにもう一つの問題は、ターゲットの表面位置を測りたい時の問題である。搭載台でアースを取って表面位置を測ろうとする場合、ターゲットの内部インピーダンスが十分低いか、または個体差が小さいことが条件となる。なぜなら、内部インピーダンスが高かったり、個体差が大きいと、ターゲット内部の電圧降下が問題となり、計測値に誤差が生じるからである。
本発明は、静電容量センサ式計測装置において、ターゲットの形状やターゲットの内部インピーダンス、搭載台の形状や材質、およびターゲットと搭載台との接触抵抗等の影響による計測の安定性や精度の悪化を防止し、またターゲットによるオフセットを排除することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するため本発明では、被計測ターゲットを搭載する搭載台と、センサプローブと、第１端子および第２端子を有しこれらの端子間に接続される前記ターゲットと前記センサプローブを含む被計測系回路に交流電流を流して該ターゲットと該センサプローブ間の静電容量に応じた出力を発生するセンサアンプとを備え、前記センサアンプの出力に基づいて前記センサプローブと前記ターゲット間の距離を計測する静電容量センサ式計測装置において、計測時に前記ターゲットの被計測面またはその近傍に該ターゲットに非接触で対向するアース部材を設け、前記第１端子に前記センサプローブを、前記第２端子に前記アース部材を接続したことを特徴とする。
【０００８】
【作用】
本発明では、センサプローブとターゲット間の距離を計測する際、ターゲットと非接触で対向するアース部材を配置し、このアース部材をアースする。すなわち、アース部材をセンサアンプの第２端子に接続する。これにより、ターゲットとアース部材間に容量結合が形成されてターゲットとアース間のインピーダンスが低下し、ターゲットの内部インピーダンスやターゲットと搭載台との接触抵抗等の影響による計測の安定性や精度の悪化および計測値のオフセットを軽減することができる。したがって、ターゲットとアース部材間の容量結合によるインピーダンスが、センサプローブに流す電流の周波数において計測に要求される精度を満たすインピーダンスよりも低く保たれるように、アース部材の形状寸法および計測時におけるターゲットとのギャップを設定すればよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態として、半導体ウエハ位置計測装置について説明する。
［第１の実施例］
半導体ウエハ位置計測装置について、図１を用いて説明する。本装置は、固定されたセンサプローブを用いて、ＳｉＣ製真空チャック上に真空吸着された半導体ウエハの表面高さを計測するものである。ここで、センサプローブ１とターゲット２間の間隔を計測ギャップと呼ぶことにする。計測ギャップはセンサプローブの種類によって設定が異なるが、本実施例では２００〜３００μｍ程度としている。
【００１０】
センサプローブ１は、同軸上に中心から中心電極、ガード電極、外部電極の３層構造になっている。計測に使用する電極は中心電極であり、センサアンプ３の中心電極用端子Ｓ１に接続される。センサアンプ３から中心電極には、数１０ｋＨｚの正弦波定振幅電流を流す。その電流が容量結合されたターゲット２を介して、筐体アースに流れる。アースはセンサアンプのアース端子Ｓ２に接続される。センサアンプ３は中心電極用端子Ｓ１とアース端子Ｓ２間の電圧を検出することにより、計測ギャップの容量性インピーダンスを含んだ、ループのインピーダンスがわかる。計測ギャップをｄ、センサプローブ１とターゲット２間の実効的な対向面積をＡとすれば、計測ギャップの静電容量Ｃは次式で表される。
Ｃ＝εｏ・Ａ／ｄ
ここで、εｏは真空中の誘電率であり、空気中の誘電率はこれとほぼ同じである。
【００１１】
センサプローブに流す交流の角周波数をω、電流値をｉとすれば、中心電極用端子Ｓ１とアース端子Ｓ２間の電圧値ｅは次式で表される。
ｅ＝ｉ／（ω・Ｃ）
上記両式より、
ｅ＝ｉ・ｄ／（ω・εｏ・Ａ）
ｄ＝ｅ・ω・εｏ・Ａ／ｉ
が導かれる。ｉ、ω、Ａが変化しないとすれば、ｅに比例したｄが得られる。
【００１２】
ガイド電極は、中心電極から出た電界が周辺に広がるのを防止するために設けてある。ガード電極はセンサアンプのガード電極用端子（不図示）に接続される。ガード電極用端子は、ｅと同じ電圧（中心電極用端子Ｓ１と同じ電位）で、低出力インピーダンスのドライバによりドライブされる。また、センサアンプ３とセンサプローブ１間の接続には同軸ケーブル４を使用しており、同軸ケーブルの中心線に中心電極、シールド線にガード電極を接続している。これにより、接続ケーブルの２線間の容量の影響をキャンセルしている。
【００１３】
センサアンプ３は、センサプローブ１のドライブと電圧の計測を行う。計測された電圧はＡ／Ｄ変換されて、コントローラ８に伝送される。コントローラ８は、計測値の処理と表示などを行う。この際、コントローラ８内部でオフセット、ゲイン、非リニアリティーなどの補正を行ってもよい。
【００１４】
本実施例において、ターゲット２を搭載する搭載台は真空チャック５と定盤６により構成している。真空チャック５は、ＳｉＣ製のセラミックスで構成している。これは温度変化によるチャックの変形を防ぐためである。同様にチャック５を搭載する定盤６もセラミックスで構成している。従って、ターゲット２の裏面側はほとんど絶縁体で構成されているので、ターゲット２からアースへの結合はほとんど期待できない。
そこで、本実施例においては、本発明の最も重要な要素である対向アース板７を用いて、ターゲット２とアース間のインピーダンスを低くしている。この点について以下に説明する。
【００１５】
ターゲット２表面と対向アース板７との間隔ｄ２は、１００〜４００μｍ程度の距離を保って設置されている。本実施例の場合は、ターゲットの面積をすべてカバーするように対向アース板を設置している。ターゲットと対向アース板が重なる投影面積をＡ２とすると、ターゲットと対向アース板間の静電容量Ｃ２は次式で表される。
Ｃ２＝εｏ・Ａ２／ｄ２
Ｃ２は大きい方が望ましく、少なくともギャップ計測時にセンサプローブ１に流す電流の周波数におけるインピーダンスが計測に要求される精度を満たすインピーダンスよりも低く保たれるような静電容量であることが必要である。
【００１６】
例えば、Ｃ２／Ｃ＝ｎとすると、対向アース板７が無いときのターゲット２とアース間のインピーダンスが０〜無限大の間で変動しても、計測値の変動幅は１／（ｎ＋１）程度に軽減することができる。
本実施例のように、ターゲット２の裏面側がほとんど絶縁体で構成されている場合、対向アース板７が無いときのターゲット２とアース間のインピーダンスは非常に大きいので、ターゲット２のアースは主に対向アース板７との容量結合によるものとなる。この場合、ほぼ一定の計測ギャップｄを計測するならばターゲット２の内部インピーダンス変動等による計測値変動は無視できるので、ｎは非常に小さくても良いとも言える。しかし、センサアンプ３による計測値は、ｎ／（ｎ＋１）倍となるので、ｎの下限値はセンサアンプ等の計測系における精度または分解能によっても制限される。
【００１７】
ターゲット２の内部インピーダンスが、個体差により大きく違いがある場合には、本実施例のように、チャック５側を直流的・交流的に絶縁した方が良い結果が得られる場合がある。
チャック５側からアースに結合すると、内部インピーダンスの大小により、計測値にオフセットが生じる。本実施例のようにターゲット表面高さを測りたい場合にはそれが誤差となる。例えばＧａＡｓウエハは、製造時に設定する内部インピーダンスの幅が大きく、数Ω・ｃｍ〜数ＭΩ・ｃｍもの範囲を取りうる。これらをチャック５側のアース結合により全て精度良く計測することは困難である。そこで、本実施例のように高さを計測する表面側から容量結合したアース板を用いれば、内部インピーダンスが計測値に与える影響を小さくすることができる。
【００１８】
この第１の実施例によれば、静電容量センサを用いた計測装置において、従来ターゲットをアースすることが困難だった場合においても、対向するアース板７によりアースインピーダンスを下げることができる。また、ターゲットの内部インピーダンスの影響をあまり受けずに、ターゲットの表面高さを計測することができる。また、高精度な計測装置を省スペース、低コストで構成することができる。
【００１９】
［第２の実施例］
ステップアンドリピートによりマスクパターンをウエハに転写するＸ線ステッパについて説明する。図２はシンクロトロンリング光源を使用したプロキシミティーギャップ等倍Ｘ線露光装置の一部である。図２は、装置のうち、静電容量センサに関係する部分を掲載したものである。実際の装置では、図２の部分は密封チャンバに入れられ、２０ｋＰａの高純度ヘリウム雰囲気にて使用される。
【００２０】
本実施例では、不図示のシンクロトロンリングから放射されたＸ線は図示された方向に導入される。これにあわせてマスク２１、ウエハ２３とも垂直に保持された状態で露光される。マスク２１の構造を図３に示す。マスクフレーム３１はＳｉＣ製で直径１２５ｍｍである。マスクフレーム３１に４インチ径のマスク基板３２が貼り合わされている。マスク基板３２上にはメンブレン３３および不図示の吸収体パターンが成膜されている。マスク基板３１は露光エリア部分がバックエッチされている。マスクは図２のマスクチャック２２にチャッキングされる。マスクチャック２２はマスクステージ上に搭載されており、Ｚ、θ、ωｘ、ωｙ軸に自由度を持っている。マスクステージはマスク用フレーム５５上に搭載されている。
【００２１】
図２において、ウエハ２３は不図示のウエハ搬送系によりウエハステージ２５上にチャックされる。つまり、ウエハチャック２４に真空吸着される。ウエハチャック２４はＳｉＣ製であり、チャック面に微小なピンが多数設けられている。ウエハチャック２４はＳｉＣ製のウエハステージ上に搭載されている。ウエハステージ２５はＸステージ２６に搭載され、Ｘステージ２６はさらにＹステージ２７に搭載されている。Ｙステージ２７は定盤２８上に締結されている。定盤２８は床振動を遮断するダンパ２９を介して、床３０に設置されている。ウエハステージ２５は、リニアモータ等により駆動され、Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ、ωｘ、ωｙ軸に自由度を持っている。不図示のアライメント計測ユニットによって、マスク２１とウエハ２３の相対位置を計測する。
【００２２】
次に、本実施例の静電容量センサによる計測について説明する。図２において、ウエハ２３がチャックされた後、ウエハステージ２５を駆動してウエハ２３上の２０ｍｍピッチの格子点を静電容量センサで計測する。本実施例ではウエハ計測用静電容量センサプローブ５１は１個のみ設けてあるので、計測点を全て網羅するようにウエハステージ２５を駆動して計測する。計測の際、ウエハステージ２５は必ずしも停止する必要はなく、ウエハステージ２５の不図示のコントローラが座標に対する計測タイミングを管理して、駆動しながら計測することが可能である。
【００２３】
ウエハ計測用静電容量センサプローブ５１は、マスク用フレーム５５に取り付けられた対向アース板を兼ねた金属部材５２に取り付けられている。マスク計測用静電容量センサプローブ５３は、ウエハステージ２５に取り付けられた対向アース板を兼ねた金属部材５４に取り付けられている。この両方の金属部材５２、５４ともに、導線を使用して不図示のセンサアンプのアース端子に接続されている。また、対向アース板として十分な容量結合が得られるように、設計上許される範囲で、面積を大きくし、それぞれのターゲット（ウエハ２３およびマスク２１のマスク基板３２）に近接して設置してある。
【００２４】
本実施例のように絶縁体（マスクフレーム３１、ウエハチャック２４、ウエハステージ５等）に支持された基板（マスク基板３２、ウエハ２３等）では、機械的な影響を与えずに基板をアースすることが難しい。本実施例では、支持体の材質、形状、チャック方法によらず、アース効果をあげることができる。
【００２５】
また、特にウエハの大口径化に対応して、ウエハ計測用静電容量センサプローブを計測点にあわせたピッチで複数配置すれば、スループットを向上させることが可能である。その場合、センサ取り付けスペースが増加することを意味するので、本発明の要点であるところの対向アース部材の面積も自然と大きくすることができ、さらにアースインピーダンスを下げることができる。
【００２６】
この第２の実施例によれば、半導体露光転写において、線幅の微細化、線幅制御の高精度化、高スループット、露光装置の低コスト化、小型化をもたらすことができる。さらに、計測用センサを複数用いることにより、スループットが向上し、より生産性の高い装置を提供することが可能である。
【００２７】
［第３の実施例］
上述の実施例においては、ターゲットが基板である場合の例を示したが、ターゲットが基板ではなく、ある程度の高さを持った立体物である場合には、アース板をターゲットの側面に対して対向するように設置してもアースに対する結合効果が得られる。
【００２８】
この第３の実施例を用いれば、立体物のターゲットに対してさらにアースインピーダンスを下げられる可能性をもっており、同時に装置レイアウトにより高い自由度をもたらすものである。
【００２９】
なお、上述の実施例において、定盤６および真空チャック５ならびにマスクフレーム３１、マスクチャック２２、ウエハチャック２４およびウエハステージ２５は、材料を特に限定されないが、ＳｉＮ、ＳｉＣ、アルミナもしくは他の材質から成るセラミックス材料で形成することが好ましい。また、チャック５、２２，２４のチャッキング方式は、真空吸着方式以外の、ターゲットを機械的に把持する方式であってもよい。
【００３０】
【発明の実施態様】
本発明の実施態様の例を以下のように列挙する。
［実施態様１］  被計測ターゲットを搭載する搭載台と、
センサプローブと、
第１端子および第２端子を有しこれらの端子間に接続される前記ターゲットと前記センサプローブを含む被計測系回路に交流電流を流し該ターゲットと該センサプローブ間の静電容量に応じた出力を発生するセンサアンプと
を備え、前記センサアンプの出力に基づいて前記センサプローブと前記ターゲット間の距離を計測する静電容量センサ式計測装置において、
計測時に前記ターゲットの被計測面またはその近傍に該ターゲットに非接触で対向するアース部材を設け、前記第１端子に前記センサプローブを、前記第２端子に前記アース部材を接続したことを特徴とする静電容量センサ式計測装置。
【００３１】
［実施態様２］  前記アース部材の形状および寸法ならびに前記計測時における該アース部材と前記ターゲットとのギャップが、該ターゲットと該アース部材間の容量結合によるインピーダンスを、前記交流電流の周波数において計測に要求される精度を満たすインピーダンス以下のインピーダンスに保つように、設定されていることを特徴とする実施態様１に記載の計測装置。
［実施態様３］  前記ターゲットは、前記センサプローブとアース部材を除く他の部材に対して、直流的、交流的に高インピーダンスとなるように設置されることを特徴とする実施態様１または２に記載の計測装置。
［実施態様４］  前記搭載台は絶縁性であることを特徴とする実施態様１〜３のいずれか１つに記載の計測装置。
［実施態様５］  前記搭載台は、ＳｉＣまたはアルミナもしくは他の材質から成るセラミックス材料で形成されていることを特徴とする実施態様４に記載の計測装置。
【００３２】
［実施態様６］  前記搭載台は、前記ターゲットを真空吸着によってチャックすることを特徴とする実施態様１〜５のいずれか１つに記載の計測装置。
［実施態様７］  前記搭載台は、前記ターゲットを機械的に把持することを特徴とする実施態様１〜５のいずれか１つに記載の計測装置。
［実施態様８］  前記搭載台は、前記ターゲットを搭載する面の表面にピンを持つ構造であることを特徴とする実施態様１〜７のいずれか１つに記載の計測装置。
［実施態様９］  前記ターゲットおよび前記センサプローブの少なくとも一方は、ステージ上に搭載され移動可能であることを特徴とする実施態様１〜８のいずれか１つに記載の計測装置。
［実施態様１０］  前記ターゲットは、半導体であることを特徴とする実施態様１〜９のいずれか１つに記載の計測装置。
【００３３】
［実施態様１１］  前記アース部材が、前記センサプローブ近傍に設けられていることを特徴とする実施態様１〜１０のいずれか１つに記載の計測装置。
［実施態様１２］  前記センサプローブの電極部と前記アース部材は絶縁されており、前記センサプローブを保持するプローブ保持部材表面が導電性で前記アース部材に短絡されていることを特徴とする実施態様１１に記載の計測装置。
［実施態様１３］  前記センサプローブの電極部と前記アース部材は絶縁されており、前記センサプローブが前記アース部材に取り付けられていることを特徴とする実施態様１１に記載の計測装置。
［実施態様１４］  前記センサプローブが、前記ターゲットの被計測面上の複数箇所をそれぞれ計測するために前記アース部材に複数個取り付けられていることを特徴とする実施態様１３に記載の計測装置。
［実施態様１５］  前記ターゲットが立体物であり、前記アース部材が前記計測時に前記ターゲットの側面に近接して対向することを特徴とする実施態様１〜１２のいずれか１つに記載の計測装置。
【００３４】
［実施態様１６］  実施態様１〜１４のいずれか１つに記載の計測装置を搭載し、前記ターゲットは半導体ウエハもしくは転写原版またはその双方であることを特徴とする半導体製造装置。
［実施態様１７］  前記半導体ウエハと前記転写原版間の距離を１００μｍ以下に近接させて転写を行うことを特徴とする実施態様１６に記載の半導体製造装置。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、静電容量センサを用いた計測装置において、従来ターゲットをアースすることが困難だった場合においても、対向するアース部材によりアースインピーダンスを下げることができる。また、ターゲットの内部インピーダンスの影響を殆ど受けずに、ターゲットとセンサプローブ間の距離を計測することができる。すなわち、計測の安定性や精度の向上およびターゲットによるオフセットの排除を図ることができる。また、高精度な計測装置を省スペース、低コストで構成することが可能である。
また、本発明を半導体露光装置に適用すれば、半導体露光転写において、線幅の微細化、線幅制御の高精度化、高スループット、露光装置の低コスト化、小型化をもたらすことができる。さらに、計測用センサを複数用いることにより、スループットが向上し、より生産性の高い装置を提供することが可能である。
さらに、本発明は、ターゲットが立体物である場合に適用できる。その場合は、アース部材をターゲットの側面に対向させることにより、立体物のターゲットに対してもさらにアースインピーダンスを下げることができ、計測の安定性や精度の向上およびターゲットによるオフセットの排除を図ることができる。同時に装置レイアウトにより高い自由度をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例を示す計測装置の構成図。
【図２】本発明の第二実施例を示すＸ線露光装置の構成図。
【図３】本発明の第二実施例を示すＸ線露光用マスクの構成図。
【図４】従来例を示す計測装置の構成図。
【符号の説明】１：センサプローブ、２：ターゲット、３：センサアンプ、４：センサケーブル、５：絶縁性の真空チャック、６：絶縁性の定盤、７：対向アース板、８：コントローラ、９：金属製チャック、２１：マスク、２２：マスクチャックおよびマスクステージ、２３：ウエハ、２４：ウエハチャック、２５：ウエハステージ、２６：Ｘステージ、２７：Ｙステージ、２８：定盤、２９：ダンパ、３０：床、３１：マスクフレーム、３２：マスク基板、３３：メンブレン、５１：ウエハ計測用静電容量センサプローブ、５２：センサプローブ取り付け部、５３：マスク計測用静電容量センサプローブ、５４：センサプローブ取り付け部、５５：マスク用フレーム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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