JP2004031537A - Ｘｙステージおよび電子顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】近年，半導体検査観察用の電子顕微鏡においては、ウェハの大口径化に対応して、真空チャンバ内に大型試料ステージが備えられ、極力軽量かつ簡略な構造で、かつ高倍率の観察を実現するために高精度が要求される。
本発明により、軽量かつ簡略な構造で、ベースの歪に対しても精度の低下が小さい電子顕微鏡用ＸＹステージを実現する。
【解決手段】ウェハテーブルに備えた３つの２次元超音波モータにより、ウェハテーブルをベースの水平案内面上に支持すると共に、ウェハテーブルが回転を伴わない平行移動のみ可能なように、ウェハテーブルとベース端部をリンク機構により結合した。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主に電子顕微鏡用の試料ステージにかかわり，特に半導体素子製造分野における検査観察用の電子顕微鏡用試料ステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータを駆動機構に応用した電子顕微鏡用ＸＹステージの機構の例としては、特開２０００−５８６２９号公報に記載のものがある。
特開２０００−５８６２９号公報に記載の例では，クロスローラガイドで支持したテーブル構造を２段に積重ね、そのおのおのを超音波モータにより駆動する構造のＸＹステージ構成が開示されている。
【０００３】
超音波モータは真空チャンバ内に持ち込んでも真空度を悪化させることが無く、また、磁力線を発生しないため電子ビームに悪影響を与えることが無い一方で、高精度の位置決めが可能で、メンテナンス性に優れる特長を有するため、本開示例の構成により良好な特性を有するＸＹステージを実現することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年，電子顕微鏡は半導体素子の製造分野において検査・観察用途に多く用いられているが、半導体検査観察用の電子顕微鏡においては、直径３００ミリメートルのウェハの全面を非破壊で観察する必要から、真空チャンバ内にＸＹ移動可能な大型試料ステージが備えられている。このＸＹステージには、極力軽量かつ簡略な構造で、特に真空チャンバの外寸を小さくするためにステージ自体の体格がなるべく小さいこと、また高倍率の観察を実現するために高精度であることなどが要求される。
【０００５】
しかるに、特開２０００−５８６２９号公報に開示された例では、Ｘ方向の移動機構とＹ方向の移動機構を縦に積重ねているため、どうしても体格が大きく、また構造もやや複雑になってしまうという問題がある。
【０００６】
また、同じく本開示例では、ＸＹステージは真空チャンバに固定されているが、真空チャンバ内を大気圧から真空に減圧する際、一般に真空チャンバの壁や底板は大気圧を受けて最大１００マイクロメータ程度内側に向けてたわむことが知られている。本開示例では、この影響で真空チャンバ底板に固定されたベースが歪むと、拘束剛性の強いクロスローラを用いているため、その歪みがウェハテーブルに伝わりやすいという問題がある。
【０００７】
また、ステージ構造自体の背が高いため、ベースの歪による案内機構の傾きの微小な変化の影響がウェハテーブルのＸＹ面内の移動量に現れやすく、高精度を維持するのが難しいという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は，これらの問題点を解決し，軽量かつ簡略な構造で、ベースの歪に対しても精度の低下が小さい電子顕微鏡用試料ステージを実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ベース上に設けられた水平案内面上をＸＹ方向に移動可能なウェハテーブルを備えたＸＹステージにおいて、ウェハテーブルに２次元超音波モータを固定し、この２次元超音波モータがウェハテーブルを水平案内面上に支持する構造とした。
【００１０】
また、本発明では、ウェハテーブルに３つの２次元超音波モータを設け、この２次元超音波モータによりウェハテーブルが水平案内面上に３点で支持される構造とした。
【００１１】
さらに、本発明では、ウェハテーブルとベースをリンク機構によって平行移動のみ可能なように結合した。
【００１２】
さらに、本発明では、ウェハステージのＸＹ方向の移動量およびＸＹ面内での回転量を測定する測長系と、測定された移動量および回転量にもとづき２次元モータの操作量を出力するサーボ回路を設けた。
【００１３】
また、本発明の別の一形態では、上記手段により構成したＸＹステージを電子顕微鏡装置内に設けた。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例であるＸＹステージを示す斜視図であり、図２は同ＸＹステージを示す平面図である。本ＸＹステージはベース１、ウェハテーブル３、およびウェハテーブル３を移動させるための駆動機構等から構成されている。
【００１５】
本実施例においてベース１は真空チャンバ２に固定されており、その上面には水平滑り面４が設けられている。ウェハテーブル３は水平滑り面４上に、図中ＸおよびＹ方向に２次元的に移動可能に設置されている。
【００１６】
ウェハテーブル３には、３つの２次元超音波モータ５と、ウェハテーブルの座標およびＸＹ面内の回転量すなわちヨーイングを測定するための測長ミラー４７が設置されている。また、ウェハテーブル３は、関節部Ａ１０、関節部Ｂ１１、関節部Ｃ１２、アームＡ１３、アームＢ１４からなるリンク機構６により、ベース１に対し移動不可能に固定されたリンクベース２１と結合されている。
【００１７】
図２は本実施例であるＸＹステージの平面図であり、（Ａ）はウェハテーブル３がＸ、Ｙ方向ともにストロークの中心付近にある場合、（Ｂ）および（Ｃ）はウェハテーブル３がストロークの端付近にある場合を示している。いずれの場合も、リンク機構６の効果により、ウェハテーブル３のＸＹ面内の回転が抑圧されるため、たとえウェハテーブル３が高速に移動したとしても、ミラーの傾きによりレーザ干渉法を用いた座標測定が不可能になることは無い。
【００１８】
図３は２次元超音波モータ５の取付状態をウェハテーブル３の下方より見た斜視図であり、図４は２次元超音波モータ５の構造及び動作原理を示す図である。２次元超音波モータ５はウェハテーブル３に設けた貫通穴に挿入され、支持部４４が貫通穴の壁面に設けた溝部に嵌合することによりウェハテーブル３に対し固定されている。接地部４３はウェハテーブル３の下面から突き出しているため、ウェハテーブル３は２次元超音波モータ５により水平滑り面４上に支持されることになる。本実施例では、３つの超音波モータを用いているため、水平滑り面４の平面度がベース１の歪み等の原因により低下した場合でも、ウェハテーブル３はガタ等を生じることなく３点支持により安定に支持される。
【００１９】
２次元超音波モータ５は、４本のピエゾカラム３０の上下を固定した構造であり、それぞれのピエゾカラム３０には支持部４４、およびＸ正電極３１、Ｘ負電極３３、Ｙ正電極３２、Ｙ負電極３４が設けられている。Ｘ正電極３１とＸ負電極３３、Ｙ正電極３２とＹ負電極３４はそれぞれ、ピエゾカラム３０の対向する側面に固定されており、正極負極間の電圧印可により接地部４３を平行移動的に微動することが可能になっている。
【００２０】
ウェハテーブル３を高速に移動する際には、正極負極間に高周波電圧を印可することにより振動モータとして使用する。振動の方向は、ＸおよびＹの各方向に対応する電極に印加する高周波電圧の比、および極性により、任意に設定することができる。
【００２１】
高速移動が完了し、目標位置の近傍に停止した後には静的に電圧を印可して微動位置合わせを行うことにより、高速で高精度なテーブル移動位置決めが可能になる。この際にも、ＸおよびＹ方向の電極に印加する電圧、および極性により、微動量を２次元の面内で任意に設定することができる。
【００２２】
図５は制御回路の一例を示す図である。干渉計４９により得られた干渉信号Ｓ１は測長回路６０に入力され、ウェハテーブル３の速度信号Ｓ４、位置信号Ｓ２、および回転量信号Ｓ３が生成される。これらの信号はそれぞれ、速度サーボ回路５４、位置サーボ回路５６、ヨーイングサーボ回路５８に入力され、速度サーボ信号Ｓ８、位置サーボ信号Ｓ６、ヨーイングサーボ信号Ｓ５が生成される。位置サーボ信号Ｓ６とヨーイングサーボ信号Ｓ５は加算されて微動サーボ信号Ｓ７となる。
【００２３】
高速移動時には、切替スイッチ６１により速度サーボ信号Ｓ８をサーボ回路出力Ｓ９として選択し、ウェハテーブル３に設けた３つの２次元超音波モータ５は全て同じ速度となるように駆動する。一方、微動時には微動サーボ信号Ｓ７を選択する。この際には、ウェハテーブル３の回転誤差を補正するため、３つの２次元超音波モータ５は独立に駆動する。この方式によれば、高速移動時には、リンク機構のみによって回転の発生を抑圧し、微動時には回転も含めた位置合わせが行われるため、比較的簡略な制御回路でありながら、精密な位置合わせが行える。
【００２４】
ウェハテーブル３を高速に移動する際には、正極負極間に高周波電圧を印可することにより振動モータとして使用し、目標位置の近傍に停止後には静的に電圧を印可して微動位置合わせを行うことにより、高速で高精度なテーブル移動位置決めが可能になる。
【００２５】
高速移動時には、切替スイッチ６１により速度サーボ信号Ｓ８をサーボ回路出力Ｓ９として選択し、微動時には微動サーボ信号Ｓ７を選択することにより、上記移動位置決め動作が実現される。この方式によれば、高速移動時には、リンク機構のみによって回転の発生を抑圧し、微動時には回転も含めた位置合わせが行われるため、比較的簡略な制御回路でありながら、精密な位置合わせが行える。
【００２６】
図６は微動位置合わせの状態における、ウェハテーブル移動量と各２次元超音波モータの移動量の関係を示す図である。各２次元超音波モータの目標移動量Ｖ３は、共通の値であるウェハテーブル中心Ｐの移動量Ｖ１と、各モータのウェハテーブル中心Ｐに対する幾何学的配置及びウェハテーブルの回転量Ｒによって定まる回転移動量Ｖ２の和として求めることができる。従って上記の、位置サーボ信号Ｓ６とヨーイングサーボ信号Ｓ５を加算する回路構成により、回転を含めた精密位置合わせが達成されることが分かる。
【００２７】
なお、本構造においては、リンク機構６の回転拘束剛性があまり高すぎると、微動時に回転量の合わせが不可能となるので、リンク機構６は高速移動時にもレーザ干渉測長が不可能にならない範囲で、ある程度剛性を低くするか、微小なガタを持たせることが望ましい。また、リンク機構６が鉛直方向の剛性を持つと、ウェハテーブル３の３点支持による安定な支持が不可能となるので、アームＡ１３、アームＢ１４の鉛直方向の厚みを極力小さくする、関節部Ａ１０、関節部Ｂ１１、関節部Ｃ１２に鉛直方向のガタを持たせる等の方法により鉛直方向剛性の低減を図ることが望ましい。
【００２８】
図７は上記第１の実施例であるＸＹステージを組み込んだ電子顕微鏡の構造の一例を示す断面図である。ＸＹステージの大きさを従来構造と比較すると、従来構造では、高さが概ね２００ｍｍ程度あり、本発明によればステージの高さは、１００ｍｍ程度に半減される。さらに、ベースの面積も従来構造に比べて半減される。したがって、従来構造のＸＹステージを使用した場合と比較し、ステージの全高が小さいため真空チャンバ２の高さが小さくでき、ステージ自体の軽量化とも合わせて、装置全体の重量の軽減効果が顕著である。また、大気圧や外力によるチャンバ２の歪に対しても、上記３点支持の効果によりトップテーブル３の歪みが引き起こされることがないため、高倍率における観測時にも座標ずれ等の悪影響を避けることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば，軽量かつ簡略な構造で、ベースの歪に対しても精度の低下が小さい電子顕微鏡用ＸＹステージを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるＸＹステージを示す斜視図。
【図２】同ＸＹステージを示す平面図。
【図３】２次元超音波モータの取付構造の一例を示す斜視図。
【図４】２次元超音波モータの構造の一例を示す図。
【図５】制御回路の一例を示す図。
【図６】各モータの駆動方向とテーブルの運動の関係を示す図。
【図７】本発明の一実施例である電子顕微鏡を示す断面図。
【符号の説明】
１　………ベース、　　　　　　　　　２………真空チャンバ、
３　　………　ウェハテーブル、　　　　　４………水平滑り面、
５　　………２次元超音波モータ、　　　６………リンク機構、
７　　………電子光学系カラム、　　　　８………電子ビーム、
１０………関節部Ａ、　　　　　　　　１１………関節部Ｂ、
１２………関節部Ｃ、　　　　　　　　１３………アームＡ、
１４………アームＢ、　　　　　　　　１５………結合材、
２１………リンクベース、　　　　　　３０………ピエゾカラム、
３１………Ｘ正電極、　　　　　　　　３２………Ｙ正電極、
３３………Ｘ負電極、　　　　　　　　３４………Ｙ負電極、
４３………接地部、　　　　　　　　　４４………支持部、
４７………測長ミラー、　　　　　　　４９………干渉計、
５１………レーザビーム、　　　　　　５２………アーム逃げ部、
５３………ウェハ、　　　　　　　　　５４………速度サーボ回路、
５６………位置サーボ回路、　　　　　５８………ヨーイングサーボ回路
６０………測長回路、　　　　　　　　６１………切替スイッチ
Ｓ１………干渉信号、　　　　　　　　Ｓ２………位置信号、
Ｓ３………回転量信号、　　　　　　　Ｓ４………速度信号、
Ｓ５………回転量サーボ信号、　　　　Ｓ６………位置サーボ信号、
Ｓ７………微動サーボ信号、　　　　　Ｓ８………速度サーボ信号、
Ｓ９………サーボ回路出力、
Ｐ　　………ウェハテーブル中心、　　　Ｒ………ウェハテーブルの回転
Ｖ１………ウェハテーブル中心移動量、Ｖ２………回転移動量、
Ｖ３………合成移動量。

Claims (5)

1. 水平滑り面を有するベースと、
   前記水平滑り面上を移動可能なウェハテーブルと、
   前記ウェハテーブルを移動させる駆動体とを備え、
   前記ウェハテーブルは３箇所において前記水平滑り面に接しており、その少なくとも１個所は前記駆動体の一部により構成されていることを特徴とするＸＹステージ。
2. 前記駆動体に２次元超音波モータを用いることを特徴とする請求項１に記載のＸＹステージ。
3. 前記ウェハテーブルの移動時に、前記ウェハテーブルが所定の角度以上の回転を生じるのを抑制するリンク機構を具備することを特徴とする請求項１に記載のＸＹステージ。
4. 前記ウェハステージのＸＹ方向の移動量とＸＹ面内での回転量を測定する測定手段と、
   前記移動量と前記回転量に基き、前記２次元超音波モーターの操作量を出力するサーボ回路を具備することを特徴とする請求項１に記載のＸＹステージ。
5. 請求項１に記載のＸＹステージを備えたことを特徴とする電子顕微鏡装置。

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