JP2005214804A - 移動ステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 摺動動作を行う接触部に関連する部品要素の摩耗量を極めて低減することにより測定環境を良好に保つと共に高い測定精度を維持し、さらに装置寿命を延長化できる移動ステージ装置を提供する。
【解決手段】 この移動ステージ装置１２は、試料台ステージ１３とこの試料台ステージ１３を水平方向へ移動させる水平ステージ（１０，２０）とを備え、水平な摺動面を有する定盤１１の上に固定されたものであって、試料台ステージは定盤の摺動面上にすべり軸受で摺動自在に配置され、すべり軸受を成す摺動材３０は、そのロックウェル硬さがＡＳＴＭ Ｄ７８５に従って測定した時にＲ５０〜Ｒ１２５の範囲に含まれるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は移動ステージ装置に関し、特に、走査型プローブ顕微鏡のごとき半導体関連分野等で利用される精密計測測定機器において試料台の位置決めまたは移動等に用いられる移動ステージ装置に関する。

例えば走査型プローブ顕微鏡は、原子サイズの微細な対象物を観察できる測定分解能を有する測定装置として知られる。近年、走査型プローブ顕微鏡は、半導体デバイスが作られた基板やウェハの表面の微細な凹凸形状の測定など各種の分野に適用されている。測定に利用する検出物理量に応じて各種のタイプの走査型プローブ顕微鏡がある。例えばトンネル電流を利用する走査型トンネル顕微鏡、原子間力を利用する原子間力顕微鏡、磁気力を利用する磁気力顕微鏡等があり、それらの応用範囲も拡大しつつある。その中でもとりわけ原子間力顕微鏡は、試料表面の微細な凹凸形状を高分解能で検出するのに適し、半導体デバイス用基板、ディスクなどの分野で実績を上げている。最近ではインライン自動検査工程の用途でも使用されてきている。

上記のような走査型プローブ顕微鏡では、ウェハ等の試料を試料台上に載置し、当該試料の表面等をセンサ部を含む測定・観察部によって観察する。試料の表面上の測定個所は試料台を備える移動ステージ装置の側で水平移動の動作を行うことによって変更・設定する。

従来の移動ステージ装置の一例は特許文献１に開示される。この移動ステージ装置では、上部に設けた試料台を垂直方向に昇降させる垂直ステージ（Ｚ軸ステージ）と、この垂直ステージを水平方向に移動させる水平ステージ（Ｘ軸ステージおよびＹ軸ステージ）とから構成され、装置全体としては水平の摺動面を有する定盤の上に固定されている。当該移動ステージ装置において、垂直ステージは定盤の表面上に摺動自在に配置されており、さらに、垂直ステージと定盤に固定された水平ステージとは、水平方向に剛性が高くかつ垂直方向に剛性が低い特性を有する板ばね等の連結部材で連結されている。

さらに従来の移動ステージ装置の他の例として、特許文献２に開示される精密Ｘ−Ｙテーブルを挙げることができる。この精密Ｘ−Ｙテーブルは、半導体関連分野で、プリント基板などをＸＹ方向にて位置決めする装置である。特許文献２の図１や図２等を参照すると、当該精密Ｘ−Ｙテーブルでは、ベースの上面を摺動するように配置されたＹ軸テーブルの下部材の下面に円板形状のすべり軸受を６枚貼着し、これらのすべり軸受を介してＹ軸テーブルをベース上に支持させている。すべり軸受の材料はフッ素樹脂である。

上記の従来の移動ステージ装置のいずれにおいても、定盤上で垂直ステージが摺動するとき、またはベース上でＹ軸テーブルが摺動するときに生じる摩耗の問題が十分に考慮されていない。実際、例えば特許文献２の構成によれば、Ｙ軸テーブルがベースの表面上を摺動すると摩耗によって摩耗粉が発生し、測定環境が悪化し、さらに摩耗によって削れた分だけ計測した高さデータに影響を与え、測定精度が大幅に低下するという問題を無視することができなかった。特に特許文献２の場合には、すべり軸受の材料にフッ素樹脂を用いているため、摩耗粉の発生が顕著であり、このため摩耗粉に起因する上記の問題が顕著に発生することを確認することができる。
特開平１１−１０８６５８号公報 特開平４−７５８３８号公報

本発明が解決しようとする課題は、半導体関連分野等で利用される走査型プローブ顕微鏡のごとき精密計測・測定機器において、試料を搭載する試料台で測定・観察部に対する試料の位置決めや移動に用いられる移動ステージ装置に関し、石定盤等の表面での摺動動作に起因する摩耗粉の発生を可能な限り低減し、これによって測定環境を良好に保ち、かつ定盤面等の摩耗量を少なくして測定精度を高く維持することである。さらに摺動動作による摩耗を少なくすることによって移動ステージ装置の接触面部分の寿命を延ばし、長期間に渡って摺動することを可能にし、摺動に関係する部品の交換作業を少なくして、移動ステージ装置の長期間使用（例えば数年以上）を可能にするものである。

従って本発明の目的は、上記の課題に鑑み、摺動動作を行う接触部に関連する部品要素の摩耗量を極めて低減することにより測定環境を良好に保つと共に高い測定精度を維持し、さらに装置寿命を延長化できる移動ステージ装置を提供することにある。

本発明に係る移動ステージ装置は上記目的を達成するために次のように構成される。

第１の移動ステージ装置（請求項１に対応）は、摺動面を有する定盤上に移動部を含む移動機構を設けて構成される移動ステージ装置であり、移動機構の移動部は定盤の摺動面上にすべり軸受で摺動自在に配置され、さらにすべり軸受を成す摺動材は、そのロックウェル硬さがＡＳＴＭ Ｄ７８５に従って測定した時にＲ５０〜Ｒ１２５の範囲に含まれるものであることで特徴づけられる。

上記移動ステージ装置の構成では、移動機構の移動部と定盤の間にロックウェル硬さが所定測定に基づき得られたＲ５０〜Ｒ１２５の範囲に含まれる硬さの摺動材を介設させてすべり軸受の構造を設けるようにしたため、定盤等の摩耗量の低減、および摩耗粉の発生量の低減を達成することが可能となる。

第２の移動ステージ装置（請求項２に対応）は、上記の第１の構成において、好ましくは、上記移動機構は、試料台ステージとこの試料台ステージを摺動面に平行に移動させる水平ステージとから成り、上記移動部は試料台ステージであり、水平ステージは定盤上に固定されることで特徴づけられる。

上記移動ステージ装置の構成では、試料台ステージと定盤の間にロックウェル硬さＲ５０〜Ｒ１２５の範囲に含まれる硬さの摺動材を介設させてすべり軸受の構造を設けるようにしたため、定盤等の摩耗量の低減、および摩耗粉の発生量の低減を達成することが可能となる。

第３の移動ステージ装置（請求項３に対応）は、上記の第１の構成において、好ましくは、上記移動機構の移動部は門型フレームであることで特徴づけられる。

第４の移動ステージ装置（請求項４に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、すべり軸受を成す摺動材は強化要素を含まないことで特徴づけられる。この構成によれば、よりいっそう摺動の際の摩耗量を低減し、摩耗粉の発生量を低減できる。

第５の移動ステージ装置（請求項５に対応）は、上記の各構成において、すべり軸受を成す摺動材の材料はＰＦＴ（ポリエチレンテレフタレート）であることが好ましい。

第６の移動ステージ装置（請求項６に対応）は、上記の各構成において、すべり軸受を成す摺動材の材料は超高分子量ポリエチレンであることが好ましい。

第７の移動ステージ装置（請求項７に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、すべり軸受における定盤との接触面には密着度低減要素が形成されることで特徴づけられる。

第８の移動ステージ装置（請求項８に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、密着度低減要素は、ディンプル、格子状微細溝、一方向微細溝のうちのいずれかであることで特徴づけられる。

第９の移動ステージ装置（請求項９に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、上記定盤は石定盤であることで特徴づけられる。

本発明によれば、移動ステージ装置において、試料台における定盤と接触する面にＰＥＴ等で作られた摺動材を用いるようにしたため、摺動材および定盤の摩耗量を低減させ、長寿命と高信頼性の移動ステージ装置を実現することができる。また従来のフッ素樹脂材に較べてＰＥＴ等は非常に安価であるので、安価な移動ステージ装置を実現することができる。さらに摺動材と定盤からの摩耗粉の発生を抑制することができるので、測定環境や測定精度を良好に保つことができる。また摩耗量の少ない摺動材を備えた試料台を用いることにより摺動での平滑の程度を向上させることで摺動力を増加させることになるが、かかる構成においてさらに摺動材の接触面に微細なディンプル等を設けるようにしたため、摺動力を抑制することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図３を参照して本発明に係る移動ステージ装置の実施形態を説明する。図１は移動ステージ装置の側面図、図２は移動ステージ装置の外観図、図３は移動ステージ装置の平面図である。

定盤１１の上に本実施形態に係る移動ステージ装置１２は配置されている。定盤１１の上面は、水平面であり、水平方向（図中でＸＹ方向）に精密な摺動面となっている。定盤１１の材質は代表的には石材である。しかし、定盤１１の材質はこれに限定されない。

上記移動ステージ装置１２はＸ軸ステージ１０とＹ軸ステージ２０を備える。Ｘ軸ステージ１０はＸ軸方向の移動動作を実現する機構であり、Ｙ軸ステージ２０はＹ軸方向の移動動作を実現する機構である。Ｘ軸ステージ１０とＹ軸ステージ２０によって水平ステージが形成される。

Ｙ軸ステージ２０に対して試料台１３が取り付けられる。試料台１３の上部に設けられた試料載置プレート１３ａの上にウェハ等の試料が搭載される。試料台１３は試料台ステージを形成している。試料は、移動ステージ装置１２で最上位の位置に存在することになる。

上記移動ステージ装置１２において、Ｘ軸ステージ１０とＹ軸ステージ２０から成る水平ステージと、試料台１３による試料台ステージと、から移動機構が形成される。この移動機構は、定盤１１の上に固定される水平ステージ（固定部）と、定盤１１の摺動面を移動自在である試料台ステージ（移動部）から成っている。

移動ステージ装置１２の上側にはフレーム１４が配置される。フレーム１４は定盤１１上に固定されている。フレーム１４は移動ステージ装置１２の上側に掛け渡される構造を有すれば足り、形態は任意のものを用いることができる。フレーム１４の上部のほぼ中央部であって、試料の上方位置にはセンサ部１５が設けられる。このセンサ部１５は、試料表面に臨む探針１６を含む。移動ステージ装置１２がＸ軸とＹ軸の各方向に試料を移動させることにより、相対的位置関係に基づき探針１６は試料の表面を走査し、測定・観察が行われる。

図１に示された測定装置は、走査型プローブ顕微鏡として構成されている。走査型プローブ顕微鏡が例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の場合には、上記センサ部１５はＡＦＭユニットとなる。移動ステージ装置１２は、試料台１３の試料載置プレート１３ａ上に置かれた試料をセンサ部１５で測定するときに、センサ部１５の探針１６と試料表面の位置関係に関して、試料側を水平方向に移動させて調整する装置として機能する。

移動ステージ装置１２に基づく試料の水平方向（ＸＹ方向）の移動では、後述するごとく、上記試料台１３を定盤１１上で摺動させるように配置し、Ｘ軸ステージ１０で試料台１３をＸ軸方向に移動させ、かつＹ軸ステージ２０で試料台１３をＹ軸方向に移動させるように構成されている。

移動ステージ装置１２において、Ｘ軸ステージ１０は、定盤１１の上に平行な配置で固定された２本のＸ軸フレーム１０ａ，１０ｂによって構成される。２本のＸ軸フレームの各々の上面にはレール１７が設けられている。レール１７の上にはＹ軸フレーム１８がＸ軸方向に自在に移動するように載せられている。一方の幅の広いＸ軸フレーム１０ａの上にはＸ軸方向駆動部１９が設けられる。Ｘ軸方向駆動部１９は、２枚の支持板１９ａ，１９ｂと、その間に回転自在に掛け渡された回転軸１９ｃと、回転軸１９ｃを回転させるモータ１９ｄとから成る。回転軸１９ｃの表面には螺旋状の雄ネジが形成され、この回転軸１９ｃに、上記Ｙ軸フレーム１８の側部に取り付けられた連結部２１が螺合している。連結部２１の内部には雌ネジが形成されている。回転軸１９ｃが回転すると、その回転方向に応じて連結部２１が回転軸１９ｃに沿って移動し、それに一体化されているＹ軸フレーム１８も一緒に移動する。かかる構成を有するＸ軸ステージ１０によって、Ｙ軸フレーム１８とこれに関連する部分、すなわちＹ軸ステージ２０をＸ軸方向に移動させることができる。

Ｙ軸ステージ２０は上記のＹ軸フレーム１８を備える。Ｙ軸フレーム１８は四角の枠体形状を有し、内側部分には矩形の開口部１８ａが形成されている。Ｙ軸フレーム１８におけるＸ軸フレームに直交する方向の辺部１８ｂ，１８ｃは、Ｘ軸フレーム１０ａ，１０ｂの各レール１７の上に載せられるように、十分な長さを有している。またＹ軸フレーム１８におけるＸ軸フレームに平行な方向の辺部の下部には、レール１７に係合されるレール受け部２２が形成される。レール受け部２２はレール１７上を滑って移動することができる。さらにＹ軸フレーム１８の辺部１８ｂ，１８ｃの各々に沿った上面にはレール２３が設けられている。

上記の２つのレール２３上には上記の試料載置プレート１３ａがＹ軸方向に自在に移動するように載せられている。一方の幅の広い辺部１８ｂの上面部にさらにＹ軸方向駆動部２４が設けられる。Ｙ軸方向駆動部２４は、２枚の支持板２４ａ，２４ｂと、その間に回転自在に掛け渡された回転軸２４ｃと、回転軸２４ｃを回転させるモータ２４ｄとから成る。回転軸２４ｃの表面には螺旋状の雄ネジが形成され、この回転軸２４ｃに、上記試料載置プレート１３ａの側辺部に設けられた連結部１３ａ−１が螺合している。当該連結部１３ａ−１の内部には雌ネジが形成されている。回転軸２４ｃが回転すると、その回転方向に応じて試料載置プレート１３ａが回転軸２４ｃに沿って移動し、それに一体化されている上記試料台１３をＹ軸方向に移動させることができる。

上部に試料載置プレート１３ａを備えた試料台１３は、定盤１１の上面の上に置かれ、摺動自在に配置されている。試料台１３の下面（底面）には、図１に示されるように、例えば４枚の摺動材３０が接着等によって取り付けられている。従って試料台１３は、摺動材３０が定盤１１の表面に接触した状態で、定盤１１上に配置されている。試料台１３は、摺動材３０を介して定盤１１の上面に置かれ、かつ水平方向に移動動作を行う。このとき、摺動材３０が定盤１１の表面に接触して摺動することになる。試料台１３の下面において、摺動材３０は定盤１１に対するすべり軸受を形成する。このすべり軸受を成す摺動材３０の材料は、好ましくは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂である。摺動材３０は、好ましくは、厚みが１〜５ｍｍの円板シートの形状を有している。

ＰＥＴ樹脂を材料とする摺動材３０は、好ましくは、摩耗粉を発生させないという理由から、その硬さがロックウェル硬さＲ５０〜Ｒ１２５の範囲に含まれるものである。ここで、「ロックウェル硬さ」とは、ロックウェル硬さ試験において、前後２回の基準荷重における圧子の侵入深さｈから、ＨＲ＝ａ−ｂｈで算出される値であり、ここに、ａおよびｂは、ロックウェル硬さのスケールごとに定められた固有の値である（基準荷重の表に基づく。ＡＳＴＭ Ｄ７８５参照のこと。）。

さらに摩耗粉の発生を抑制するという観点から当該摺動材３０には、ガラスやカーボン等の「フィラー」と呼ばれる強化材としての要素が含まれてないことが好ましい。

移動ステージ装置１２は、上記のごとく、上記構成を有するＸ軸ステージ１０とＹ軸ステージ２０を備え、Ｙ軸ステージ２０に対してＹ軸方向に移動自在に設けられた試料台１３を、定盤１１上での摺動材３０による摺動動作によってＸまたはＹの各軸方向に移動させるように構成されている。試料台１３の移動に伴って試料台上の試料も移動する。摺動動作による試料台１３の移動では、上記条件を満たすＰＥＴ樹脂を材料とする摺動材３０を介して摺動させるので、特に石材で作られた定盤１１との摺動動作において摩耗粉の発生を極めて抑制することができる。その結果、測定環境の悪化を防ぎ、かつ測定精度を良好な高い精度に保持することができる。

摺動材３０の材料としては、その他に、超高分子量ポリエチレン、ナイロン系、ＰＥＥＫ（ポリ・エーテル・エーテル・ケトン：Poly ether ether ketone）等を用いることができる。

図４と図５に本実施形態による摺動材３０の効果に係る実験結果を示す。この実験は、下面に摺動材を備えた試料台１３を石定盤の上で所定距離範囲で往復移動させる実験である。摺動材の材料として、上記のＰＥＴ（特性グラフＡ）、超高分子量ポリエチレン（特性グラフＢ）、ナイロン系（特性グラフＣ）、ＰＥＥＫ（特性グラフＤ）、従来のフッ素樹脂系（特性グラフＥ）を用いた例に関しての実験結果を示している。図４は各種摺動材料の摩耗量を示し、横軸は試験距離（ｍ）を意味し、縦軸は摩耗量（μｍ）を意味している。図５は各種摺動材料に対する石定盤の摩耗量を示し、横軸は試験距離（ｍ）を意味し、縦軸は摩耗量（μｍ）を意味している。なお上記試験距離は往復移動距離の総和を意味している。

上記において、例えばＰＥＴのロックウェル硬さはＲ１２５、超高分子量ポリエチレンのロックウェル硬さはＲ５２、ナイロン系のロックウェル硬さはＲ１２０、ＰＥＥＫのロックウェル硬さはＲ１２０である。また従来のフッ素樹脂系の硬さは５２（デュロメータ）である。ここで、「デュロメータ」とはゴム材料や合成樹脂など用いられるスプリング式硬さ試験機の一種であり、上記のフッ素樹脂系の硬さはこの試験機で測定された値である。

ＰＥＴ樹脂等の各種の材料または材質で作られる本実施形態に係る摺動材３０の硬さは、摩耗粉を発生させないという理由から、複数の試験を試みた結果、そのロックウェル硬さがＲ５０〜Ｒ１２５の範囲に含まれることが好ましいという結論を得た。

図４と図５で明らかなように、本実施形態に係る摺動材３０によれば、いずれの材料を用いたものも、従来のフッ素樹脂系で作られた樹脂材の性能に比較して、摺動材および石定盤の摩耗量に関して良好な性能を有する。すなわち、従来のフッ素樹脂系については摩耗量が非常に多く、これにより摩耗粉も多数発生しかつ測定に悪影響を及ぼしていた。これに対して、本願発明に係る材料を用いた摺動材によればその摩耗量について測定誤差範囲内であり、さらに石定盤の摩耗量も、フッ素樹脂材の場合に比較すると、各段に少なくなっていることが分かる。その結果、本願発明に係る材料を用いた摺動材によれば、走査型プローブ顕微鏡の移動ステージ装置として長期間にわたり良好な摺動特性が得られるため、測定環境および測定精度を共に良好に維持することができる。

図６と図７に基づき本実施形態で使用された摺動材３０の他の例を説明する。図６は摺動材３０の接触面の一部を拡大して示しており、摺動材３０における定盤１１との接触面に微細なディンプル４１等の密着度低減要素を形成した例を示している。図７は密着度低減要素の他の例として摺動材３０の同接触面に微細な格子状の溝４２を形成した例を示している。溝に関しては一方向に形成された微細な溝であっても構わない。以上のごとく、摺動材３０の定盤１１との接触面に微細なディンプル等を形成することによって、摺動材３０と定盤１１との密着度を低減または抑制することができ、これにより、より小さい駆動力で試料台１３を移動させることができる。

前述の実施形態の説明では、移動ステージ装置１２における移動機構の移動部として、定盤１１上を移動する試料台ステージ（試料台１３）を例として説明したが、当該移動部としてはこれに限定されず、例えば３次元計測走装置等に使用されている、定盤上を移動する門型フレームのようなものでもよい。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、走査型プローブ顕微鏡のごとき半導体関連分野等で利用される精密計測測定機器の試料台の位置決めまたは移動等に利用される。

本発明に係る移動ステージ装置の基本的な実施形態を示す側面図である。 移動ステージ装置を示す外観図である。 移動ステージ装置を示す平面図である。 各種材料で作られた本実施形態に係る摺動材の効果に係る実験結果であって、摺動材料の摩耗量を示すグラフである。 各種材料で作られた本実施形態に係る摺動材の効果に係る実験結果であって、摺動材料に対する石定盤の摩耗量を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係るディンプルを備えた摺動材の接触面の一部を拡大して示した図である。 本発明の他の実施形態に係る格子溝を備えた摺動材の接触面の一部を拡大して示した図である。

符号の説明

１０ Ｘ軸ステージ
１１ 定盤
１２ 移動ステージ装置
１３ 試料台
１４ フレーム
１５ センサ部
１６ 探針
１９ Ｘ軸方向駆動部
２０ Ｙ軸ステージ
２４ Ｙ軸方向駆動部
３０ 摺動材

Claims (9)

1. 摺動面を有する定盤上に移動部を含む移動機構を設けて構成される移動ステージ装置において、
   前記移動機構の前記移動部は前記定盤の前記摺動面上にすべり軸受で摺動自在に配置され、
   前記すべり軸受を成す摺動材は、そのロックウェル硬さがＡＳＴＭ Ｄ７８５に従って測定した時にＲ５０〜Ｒ１２５の範囲に含まれるものであることを特徴とする移動ステージ装置。
2. 前記移動機構は、試料台ステージとこの試料台ステージを前記摺動面に平行に移動させる水平ステージとから成り、前記移動部は前記試料台ステージであり、前記水平ステージは前記定盤上に固定されることを特徴とする請求項１記載の移動ステージ装置。
3. 前記移動機構の前記移動部は門型フレームであることを特徴とする請求項１記載の移動ステージ装置。
4. 前記すべり軸受を成す前記摺動材は強化要素を含まないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の移動ステージ装置。
5. 前記すべり軸受を成す前記摺動材の材料はＰＦＴ（ポリエチレンテレフタレート）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の移動ステージ装置。
6. 前記すべり軸受を成す前記摺動材の材料は超高分子量ポリエチレンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の移動ステージ装置。
7. 前記すべり軸受における前記定盤との接触面には密着度低減要素が形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の移動ステージ装置。
8. 前記密着度低減要素は、ディンプル、格子状微細溝、一方向微細溝のうちのいずれかであることを特徴とする請求項７記載の移動ステージ装置。
9. 前記定盤は石定盤であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の移動ステージ装置。
   

Images