JP2006201167A - 位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】相対距離および軸線の交差精度だけでなく角度の精度制御を必要とするＸ線計測および検査で用いる位置決め装置を提供する。
【解決手段】それぞれが構台（３４）にそって可動な２個の離間された平行な線形アクチュエータ（３２、３６）を含む装置により、Ｘ線源（２４）、検出器（２６）および試料（２０）が互いに位置決めされる。線源（２４）および検出器（２６）は、アクチュエータ（３２、３６）により垂直方向に、回転アクチュエータ（２８、３０）により回転して移動可能である。同等の配置も説明されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、３個の要素を互いに対して高精度に位置決めするための装置に関する。本発明は、特に、相対距離および軸線の交差精度（ｓｐｈｅｒｅ ｏｆ ｃｏｎｆｕｓｉｏｎ）だけでなく角度の精度制御を必要とするＸ線計測および検査で用いる位置決め装置に適用可能である。

Ｘ線計測およびＸ線検査は、試料上の対象の測定を行うためにＸ線源およびＸ線検出器を使用する。典型的な例は、Ｘ線回折、トポグラフィ、反射、または蛍光によるシリコンウエハーの特性の測定である。このような測定では、試料に対して入射および検出されるビームの角度を精確に制御することが重要である。線源および試料間の、ならびに試料および検出器間の距離も制御される。加えて、特にＸ、ＹおよびＺ軸ならびにその表面法線周りの回転等、複数の自由度で試料を走査する必要があることが多い。

図１は従来の構成の一例を示している。Ｘ線源１０は、試料１４から検出器１６へ反射される入射ビーム１２を発生する。線源１０および試料１４間の、ならびに試料１４および検出器１６間の距離は製造中に設定される。試料１４に対する線源１０および検出器１６の角度は、適切なベアリングと、例えばサーボまたはステッピングモータ等の回転型アクチュエータによってωおよび２θで示されたように調整可能である。試料１４は、適切な線形アクチュエータによって互いに直交するＸ、ＹおよびＺ方向に平行移動可能である。試料は、φで示されたようにＺ軸周りにも回転可能であり、またχで示されたようにＸ軸周りにも回転可能である。

このような従来の設計は、特に角度精度の非常に高い精度要求を達成する点で問題がある。これは、少なくともある程度は、装置が素子に与える熱および重力の影響が方向によって変動することに起因する。例えば、φまたはχ軸周りの回転時にＸおよびＹスライド駆動は異なる重力を受けることになる。これまで、精度を向上する試みは、図１に示したタイプの装置の機械的な剛性の向上を中心としてきた。このような従来の設計は、Ｘ線源（および任意の対応するＸ線源光学系）と試料間の、ならびに検出器（および任意の関連する検出器光学系）と試料間の距離の一定の変動における自由度も制限する。

したがって、本発明の目的は、これらの問題を克服または緩和する、Ｘ線計測への利用に適した位置決め装置を提供することである。本発明は、添付の特許請求の範囲で定義される。

図面を参照し、一例として本発明の実施形態を以下に説明する。

図２を参照すると、試料２０がＸ線源２４からの入射ビーム２２を検出器２６に反射している。線源２４が回転ステージ２８上に載せられ、検出器２６が回転ステージ３０上に載せられ、ステージ２８および３０は入射および散乱の角度を所望の精度に制御する。

線源２４用のステージ２８は垂直線形スライド３２上で担持され、これが構台３４上の水平スライド上で担持されている。同様に、検出器２６用のステージ３０は垂直線形スライド３６上で担持され、これが構台３４上の水平スライド上で担持されている。線源２４および検出器２６はこのようにＸ、Ｙおよびθに移動可能であり、所望の（Ｒ，θ）ドライブとして機能する適切な三角法により、これらを組み合わせることができる。図３および４は典型的な移動を示す。

垂直スライドは線形バネにより釣り合っているかまたは同等であるため、それらを動かすのに必要な力は小さい。他の軸線の位置がどうであれ、このことはその全範囲にわたって本質的に不変である。これは、すべての線形軸線に当てはまり、適切に釣り合っていれば回転軸線にも当てはまる。良質のスライドを用いると、要求される駆動力がコンポーネントの慣性と純粋に対抗する。これは、先に論じたように図１の従来技術とは対照的である。

実施形態は、高品質のスライドと、線形力モータと、位置情報を提供するスライド上のエンコーダストライプとを用いる。例えば、スライドはＴＨＫによるＳＳＲシリーズ線形ガイドとすることができ、モータはＣｏｐｌｅｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによる「ＳｅｒｖｏＴｕｂｅ」線形力モータ（例えばＴＢ２５１０シリーズ）とすることができ、エンコーダはＲｅｎｉｓｈａｗエンコーダ（例えばＲＧＨシリーズ）とすることができる。エンコーダストライプをＺｅｒｏｄｕｒ（登録商標）スライド上に取り付ける（システムにはそれぞれが一点のみで取り付けられている）ことによって、より高い長期熱安定性を達成することも可能であり、超高精度工作機械で用いられるこのような「計測フレーム」法が構台における熱変形からの独立を大いに促す。

本発明は必要な自由度を与える回転軸線および線形軸線の一般的な配置に基づいていることが理解されよう。図２〜４の配置は一例であるが、他の配置も可能である。図６は、試料２０がθに回転可能な間は検出器２６が垂直スライド３６に固定される配置を示している。図７では、試料２０がＹに回転可能な間は検出器２６がＹ方向に固定される。また、これらの配置のいずれにおいても、試料を入射ビーム２２に対してＺ方向に移動可能なステージ上に戴置することができる。加えて、図６には示していないが、試料は図面の平面に直交する水平軸線である軸線周りを方向χに回転することができ、Ｚ軸周りを方向φに回転することもできるが、後者は高解像度Ｘ線回折法のために重要である。

本発明および詳細な実施形態の重要な特徴は以下の通りである。
１．重要な軸線の回転中心は製造で規定される必要はない。ソフトウェアを通じて選択される。
ａ．光学エンコーダの使用および較正により、経済的なコストで従来の回折計よりも高い精度の位置決めを達成可能である。
ｂ．設計変更せずに異なる試料ステージを使用可能である。
２．線源と検出器の試料までの距離は、製造で規定される必要はない。これもまたソフトウェアを通じて選択され、測定中でも即変更可能である。これによって、
ａ．Ｘ線光学系の選択および使用におけるより高い柔軟性と、
ｂ．短い焦点距離を用いる能力と、
ｃ．スループット改善をもたらす、あらゆるタイプの測定を最適化する手段と、
ｄ．十分にＣＣＤ等の新規の検出器を有効に利用しそれらの位置決めを最適化する能力とが可能になる。
３．軸線は、機械的インピーダンスがそれらの位置に関わらず一定であるように配置される。
ａ．これはチューニング（すなわち、軸線の最適性能のための動作制御ループの調整）および信頼性についての大きな利点である。既存の器具に関して、軸線の位置に関わらず有効なチューニング設定を得ることは大きな課題である（例えば、反対方向に重力が働く場合、Ｚ軸は反転しても有効でなくてはならない）。
ｂ．モータを常に最適な状態で駆動可能であり、スループットが増加する。
４．動く部品も機械的結合もない、最近の線形モータデバイスを用いるほうが簡単である。
ａ．これにより試料に対する汚染が減少する。
ｂ．機械的により簡単でより信頼性が高い。
ｃ．結合不良により生じるダウンタイムをなくす。

アーム上の曲げモーメントが軸線の位置により変わるので、水平軸線（水平試料）を有する従来の側角器は、経済的なコストで構成するのが難しい。その構成は、この影響を解消するために重量がかさみ大型となってしまう。本明細書で説明するシステムは、水平試料戴置に当然適用可能である。垂直測定位置まで試料を回転するために時間を無駄にしないので、作製ライン用途のスループットに大きな利点を有する。

［数学的説明］
図５は、幾何学的配置および記号を示している。Ｘ線源は、ビームが試料上の１つのポイントに精確に当たるように制御される。これは回転の中心でもある。線源は自身の中心の周りを回転する。さらに、これがＸ（水平方向）およびＹ（垂直方向）に平行移動される。

Ｄは、ウエハー表面および水平軸線の中心線間の垂直方向オフセットであり、すなわちＹ＝Ｄのとき線源はウエハーの表面上にくる。
Ｙは、水平軸線の中心線からの垂直方向変位である。
Ｘは、ウエハーの中心からの水平方向変位である。
θは線源の回転角度である。θ＝０のときビームは水平方向である。
Ｒは線源のウエハーの中心からの距離である。

Ｘ線源の位置を設定するためのアルゴリズムは以下の通りである。
１．入射角度を設定するには、ただθを回転すればよい。これは、表面への入射角度と常に等しい。
２．ウエハーの中心上で始まるように軸線を変換する。Ｘは変化しないが、Ｙは
Ｙ′＝Ｄ−Ｙ （１）
となる。
３．Ｒの所望の値を選択すると、
Ｘ＝Ｒｃｏｓθ （２）
Ｙ′＝Ｒｓｉｎθ （３）
故に、Ｙ＝Ｄ−Ｒｓｉｎθ （４）

Ｘの記号を変更するだけで、類似の式が検出器に適用される。

異なる厚みの試料を収容するための線源と検出器に対する試料のＺ方向シフトは、単純にＤの変更である。

Ｘスライドはビームを試料上に平行移動するのに使用できるが、低い慣性と高い性能は試料用の別個のＸ（およびＹ）ステージを有することにより得ることができる。
これは全く簡単にソフトウェアで設定される。

［誤差］
固定検出器により観察される固定された試料上の入射ビームストライプの位置Ｓは、
Ｓ＝Ｙ′ｔａｎ^−１θ＋Ｘ （５）
を用いて計算される。

Ｓに関連する誤差を計算したい場合には、寄与する軸線Ｘ、Ｙ′およびｑの誤差のために、標準的な統計的手法を用いることができる。パラメータσ_１、σ_２…の誤差に起因する複数のパラメータｐ＝（ｐ_１、ｐ_２…）の関数ｆ（ｐ）の誤差

は、

で与えられる。

式５を式６に代入すると、線源軸線の誤差に起因する回折縞の位置の誤差が得られる。すなわち、

試料の位置および検出器の位置の位置誤差からの追加の誤差を考慮に入れると、

という最終結果を得る。

このようなシステムの精度および再現性の実施試験として、１セットの典型的な回折測定の走査中に、１セットの上記軸線全ての１４００回の軸線位置測定が図２のような試作品の装置で行われる。エンコーダから読み取られた実測値が記憶されて解析される。軸線位置の平均値をそれらの測定された標準偏差とともに式８に代入すると、検出器から見た回折ビームの全位置誤差としてσ＝０．３５μｍの最終誤差を得る。

これは、同軸測角システムの「軸線の交差精度」（ＳＯＣ）パラメータに対応する。Ｚｅｒｏｄｕｒ（登録商標）計測フレームを用いていずれも除去できる、構台ビームの温度勾配または屈曲により生じる誤差と、＜２角度秒で規定された線形ベアリングシステムの小さい誤差を無視する。これはＳＯＣに非常に良い数字である。図１のように設計された角度計に対して、２５μｍ未満のＳＯＣを達成する製造および組立てにおいて例外的な予防措置（およびコスト）を講じなければならない。

［結論］
本発明は、精度、使用の柔軟性、任意のＸ線計測および検査方法について寸法を最適化する能力、全ての機械的インピーダンスの不変性、ならびに非常に高速な動作の利点を有する、改良された位置決め装置を提供する。

本発明は、本明細書にＸ線計測および検査の特定の参照により説明されてきたが、例えば光学回折計および分光計等の（Ｒ，θ）タイプの高精度相対位置が要求される他の状況にも適用することができる。

従来技術を示す図である。 本発明の一実施形態の概略斜視図である。 図２の実施形態の動作を示す概略測面図である。 図２の実施形態の動作を示す概略測面図である。 同実施形態で種々の関係を規定する図である。 別の実施形態の概略測面図である。 別の実施形態の概略測面図である。

符号の説明

２０…ウエハー、２４…Ｘ線源、２６…検出器、２８、３０…回転アクチュエータ、３２、３６…線形アクチュエータ、構台…３４。

Claims (16)

1. 第１、第２、および第３の要素の制御された相対角度および変位位置決めのための位置決め装置であって、
   第１の要素を取り付ける第１のマウントと、
   第１の軸線に沿った直線往復移動のために、第１のマウントを担持する第１の線形アクチュエータと、
   第２の要素を取り付ける第２のマウントと、
   第２の軸線に沿った直線往復移動のために、第２のマウントを担持する第２の線形アクチュエータと、
   平行な前記第１および第２の軸線と、
   前記第１および第２の軸線と交差する第３の軸線に沿って、第１および第２の線形アクチュエータを選択的に変位させるアクチュエータ変位手段と、
   第１、第２および第３の軸線と交差する軸線周りに各要素を回転させる回転アクチュエータをそれぞれ含む、少なくとも２個の前記マウントと、
   を備える装置。
2. 第１および第２の軸線が直交する、請求項１に記載の装置。
3. 前記アクチュエータ変位手段が、構台と、第１および第２の線形アクチュエータを構台に沿って移動させるための第３および第４の線形アクチュエータとを備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記第１および第２のアクチュエータがアクチュエータにより移動される部品の重量に対抗する手段を備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記対抗手段が定荷重バネを備える、請求項４に記載の装置。
6. Ｘ線計測または検査装置であって、
   第１のマウントと、
   第１の軸線に沿った直線往復移動のために、第１のマウントを担持する第１の線形アクチュエータと、
   第２のマウントと、
   第２の軸線に沿った直線往復移動のために、第２のマウントを担持する第２の線形アクチュエータと、
   平行な前記第１および第２の軸線と、
   前記第１および第２の軸線と交差する第３の軸線に沿って、第１および第２の線形アクチュエータを選択的に変位させるアクチュエータ変位手段と、
   第１、第２および第３の軸線と交差する軸線周りに、担持した要素を回転させる回転アクチュエータをそれぞれ含む、少なくとも２個の前記マウントと、
   を備え、
   それぞれ前記マウントの１つの上に担持されたＸ線源と、Ｘ線検出器と、試料とをさらに備える装置。
7. Ｘ線源が第１のマウント上に担持され、Ｘ線検出器が第２のマウント上に担持されている、請求項６に記載の装置。
8. 前記回転アクチュエータがＸ線源とＸ線検出器を回転するように位置決めされる、請求項７に記載の装置。
9. 試料をさらに移動させる手段を含む、請求項８に記載の装置。
10. （Ｒ，θ）信号を複数のアクチュエータ用の位置制御に変換する制御手段を含む、請求項６に記載の装置。
11. 各線形アクチュエータが線形位置エンコーダを備える、請求項６に記載の装置。
12. 前記線形位置エンコーダがそれぞれ１つの点で取り付けられ、計測フレームを形成する、請求項１１に記載の装置。
13. 第１および第２の軸線が直交する、請求項６に記載の装置。
14. 前記アクチュエータ変位手段が、構台と、第１および第２の線形アクチュエータを構台に沿って移動させるための第３および第４の線形アクチュエータとを備える、請求項１３に記載の装置。
15. 前記第１および第２のアクチュエータがアクチュエータにより移動される部品の重量に対抗する手段を備える、請求項１４に記載の装置。
16. 前記対抗手段が定荷重バネを備える、請求項１５に記載の装置。

Images