JP2006286514A - ステージ傾斜機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 位置決め精度が向上し、寿命も長くなり、スムーズな作動が得られ、振動や騒音が発生しないステージ傾斜機構を提供することを課題とする。
【解決手段】
対物レンズ１０５の光軸Ｏと直交し、回転可能に支持された軸１１５、１１７と、試料１０７が載置され、軸１１５、１１７に設けられた試料ステージ１１２と、軸１１５、１１７に設けられたウォームホイール１３１と、ウォームホイール１３１に噛合するウォーム１４１と、ウォーム１４１を回転駆動するモータ（駆動源）１３５とを有する試料ステージ傾斜機構において、試料ステージ１１２が水平な状態から試料ステージ１１２が一番傾いた状態までの間、ウォーム１４１の歯には常に同じ方向の力が作用するにように軸１１５、１１７に対して試料ステージ１１２を設け、ウォーム１４１の歯面に作用する力が減少する方向に、ウォームホイール１３１を押すエアシリンダ（押し手段）１５１を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、対物レンズの光軸と直交し、回転可能に支持された軸と、試料が載置され、前記軸に取り付けられる試料ステージと、前記軸に設けられたウォームホイールと、該ウォームホイールに噛合するウォームと、該ウォームを回転駆動する駆動源とを有する試料ステージ傾斜機構に関する。

例えば、ウエハを傾斜させて観察することが要求されるウエハ観察用走査型電子顕微鏡では、試料ステージを傾斜させるステージ傾斜機構が設けられる。
ステージ傾斜機構の一例を図５を用いて説明する。図５（ａ）はステージ傾斜機構が設けられた試料室を正面から見た断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の左側面図である。

箱状の試料室１の上部４には、貫通穴２が形成され、この貫通穴２には、鏡筒３が設けられている。鏡筒３の上方内部には、電子線を発生する電子線発生部が設けられ、下部には試料室１内の試料７に電子線を集める対物レンズ５が設けられている。

試料室１の側部９には穴９ａが形成されている。側部９と対向する側部１１には、側部９の穴９ａと対向する穴１１ａが形成されている。
試料室１の内部には、試料ステージ１２が配置される。試料ステージ１２は、ベース１３と、ベース１３上をＸ方向（図５（ａ）での矢印Ｘ方向）に移動可能に設けられたＸブロック２５と、Ｘブロック２５上をＹ方向（図５（ａ）で紙面に対して垂直方向）に移動可能に設けられたＹブロック２３と、Ｙブロック２３上に設けられ、試料７が載置されるステージ本体２１とからなっている。

ベース１３は、Ｘブロック２５が設けられる基部１３ａと、基部１３ａの一方の端部から試料室１の側部９に沿って上方に延出する第１延出部１３ｂと、基部１３ａの他方の端部から試料室１の側部１１に沿って上方に延出する第２延出部１３ｃとからなっている。

ベース１３の第１延出部１３ｂ、第２延出部１３ｃには、試料室１の側部９の穴９ａ、側部１１の穴１１ａへ挿通する軸１５、軸１７が設けられている。一方、試料室１の側部９の穴９ａ、側部１１の穴１１ａには、軸１５、１７を回転可能に支持する軸受け１９，２０が設けられ、試料室１の側部９、１１に回転可能に支持されている。

軸１５は、試料室１の側部９の穴９ａを介して外部まで突出し、外部に突出した部分には、ウォームホイール３１が取り付けられている。試料室１の側部９の外壁面には、ブラケット３３を用いてモータ（駆動源）３５が取り付けられている、このモータ３５の出力軸３７の先端は、側部９の外壁面に設けられたブラケット３９によって回転可能に支持されている。そして、出力軸３７の中間部には、ウォームホイール３１に噛合するウォーム４１が取り付けられている。

尚、試料ステージ１２のステージ本体２１上の試料７は、鏡筒３の対物レンズ５に正対させる必要があり、更に、傾斜させるときの試料７の回転中心は、観察点である必要がある。このため、試料ステージ１２の回転軸である軸１５、１７が挿入される試料室１の側部９、１１の穴９ａ、１１ａは、穴９ａの中心と穴１１ａの中心とを結ぶ線分が対物レンズ５の光軸Ｏと直交するように設けられている。更に、穴９ａの中心と穴１１ａの中心とを結ぶ線分は、試料７の観察点を通るように設定されている。このような条件により、試料ステージ１２のＹブロック２３、Ｘブロック２５はステージ本体２１の下側に配置される。

モータ３５を駆動することにより、ウォーム４１が回転し、ウォーム４１が螺合するウォームホイール３１が、軸１５、１７を中心に回転し、試料ステージ１２も軸１５、１７を中心に回転する（例えば特許文献１、２参照）。
特開平８−１７３８３号公報 特開平９−１７３７０号公報

近年、ウエハ観察用走査型電子顕微鏡の試料ステージは、ウエハ口径の拡大に伴い大型化している。このため、ステージ傾斜機構を構成する各部品に作用する負荷が大きくなり、ステージ傾斜機構の位置決め精度が悪くなる問題点がある。又、負荷が大きくなると、ステージ傾斜機構の寿命も短くなる問題点がある。

また、試料ステージ１２の構造上、試料ステージ１２の回転中心と試料ステージ１２の重心が一致していない。この影響で傾斜角の変化に伴いステージ傾斜機構にかかる負荷も変化する。このためステージ傾斜機構のウォーム、ウォームホイールの回転がスムーズに行われなくなり、振動や騒音が発生する問題点がある。更に、振動が発生し、共振現象となると、ステージ本体２１に載置されている試料７が落下する危険性もある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その第１の課題は、位置決め精度が向上し、寿命も長くなるステージ傾斜機構を提供することにある。
第２の課題は、スムーズな作動が得られ、振動や騒音が発生しないステージ傾斜機構を提供することにある。

請求項１に係る発明は、対物レンズの光軸と直交し、回転可能に支持された軸と、試料が載置され、前記軸に設けられた試料ステージと、前記軸に設けられたウォームホイールと、該ウォームホイールに噛合するウォームと、該ウォームを回転駆動する駆動源とを有する試料ステージ傾斜機構において、前記試料ステージが水平な状態から前記試料ステージが一番傾いた状態までの間、前記ウォームの歯には常に同じ方向の力が作用するにように前記軸に対して前記試料ステージを設け、前記ウォームの歯面に作用する力が減少する方向に、前記ウォームホイール、前記軸、前記試料ステージのうちのいずれかの部材を押す押し手段を設けたことを特徴とするステージ傾斜機構である。

駆動源によりウォームが回転駆動されると、ウォームに噛合するウォームホイールが回転し、同時にウォームホイールが設けられた軸も回転する。軸が回転すると軸に設けられた試料ステージが回転する。

押し手段は、前記ウォームの歯面に作用する力が減少する方向に、前記ウォームホイール、前記軸、前記試料ステージのうちのいずれかの部材を押す。
請求項２に係る発明は、前記試料ステージの傾斜角を検出する試料ステージ傾斜角検出手段と、前記試料ステージ傾斜角検出手段で検出された前記試料ステージの傾斜角に応じて、前記ウォームの歯面に作用する力が略一定となるように前記押し手段の押す力を制御する制御手段と、を設けたことを特徴とする請求項１記載のステージ傾斜機構である。

制御部は、前記試料ステージ傾斜角検出手段で検出された前記試料ステージの傾斜角に応じて、前記ウォームの歯面に作用する力が略一定となるように前記押し手段の押す力を制御する。

請求項１、請求項２に係る発明によれば、前記ウォームの歯面に作用する力が減少する方向に、前記ウォームホイール、前記軸、前記試料ステージのうちのいずれかの部材を押す押し手段を設けたことにより、ステージ傾斜機構を構成する各部品に作用する負荷が小さくなり、ステージ傾斜機構の位置決め精度が向上する。又、負荷が小さくなることにより、ステージ傾斜機構の寿命も長くなる。

請求項２に係る発明によれば、前記試料ステージの傾斜角を検出する試料ステージ傾斜角検出手段と、前記試料ステージ傾斜角検出手段で検出された前記試料ステージの傾斜角に応じて、前記ウォームの歯面に作用する力が略一定となるように前記押し手段の押す力を制御する制御手段とを設けたことにより、傾斜角が変化してもステージ傾斜機構にかかる負荷が一定となる。このためステージ傾斜機構のウォーム、ウォームホイールの回転がスムーズとなり、振動や騒音も発生しなくなる。

最初に、本形態例のステージ傾斜機構の全体構成を図１を用いて説明する。図１（ａ）はステージ傾斜機構が設けられた試料室を正面から見た断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の左側面図である。

箱状の試料室１０１の上部１０４には、貫通穴１０２が形成され、この貫通穴１０２には、鏡筒１０３が設けられている。鏡筒１０３の上方内部には、電子線を発生する電子線発生部が設けられ、下部には試料室１０１内の試料１０７に電子線を集める対物レンズ１０５が設けられている。

試料室１０１の側部１０９には、穴９ａが形成されている。側部１０９と対向する側部１１１には、側部１０９の穴１０９ａと対向する穴１１１ａが形成されている。
試料室１０１の内部には、試料ステージ１１２が配置される。試料ステージ１１２は、ベース１１３と、ベース１１３上をＸ方向（図１（ａ）での矢印Ｘ方向）に移動可能に設けられたＸブロック１２５と、Ｘブロック１２５上をＹ方向（図１（ａ）で紙面に対して垂直方向）に移動可能に設けられたＹブロック１２３と、Ｙブロック１２３上に設けられ、試料１０７が載置されるステージ本体１２１とからなっている。

ベース１１３は、Ｘブロック１２５が設けられる基部１１３ａと、基部１１３ａの一方の端部から試料室１０１の側部１０９に沿って上方に延出する第１延出部１１３ｂと、基部１１３ａの他方の端部から試料室１０１の側部１１１に沿って上方に延出する第２延出部１１３ｃとからなっている。

ベース１１３の第１延出部１１３ｂ、第２延出部１１３ｃには、試料室１０１の側部１０９の穴１０９ａ、側部１１１の穴１１１ａへ挿通する軸１１５、軸１１７が設けられている。一方、試料室１０１の側部１０９の穴１０９ａ、側部１１１の穴１１１ａには、軸１１５、１１７を回転可能に支持する軸受け１１９，１２０が設けられ、ベース１１３の軸１１５，１１７は、試料室１の側部９、１１に回転可能に支持されている。

軸１１５は、試料室１０１の側部１０９の穴１０９ａを介して外部まで突出し、外部に突出した部分には、ウォームホイール１３１が取り付けられている。試料室１０１の側部１０９の外壁面には、ブラケット１３３を用いてモータ（駆動源）１３５が取り付けられている、このモータ１３５の出力軸１３７の先端は、側部１０９の外壁面に設けられたブラケット１３９によって回転可能に支持されている。そして、出力軸１３７の中間部には、ウォームホイール１３１に噛合するウォーム１４１が取り付けられている。

尚、試料ステージ１１２のステージ本体１２１上の試料７は、鏡筒１０３の対物レンズ１０５に正対させる必要があり、更に、傾斜させるときの試料１０７の回転中心は、観察点である必要がある。このため、試料ステージ１１２の回転軸である軸１１５、１１７が挿入される試料室１０１の側部１０９、１１１の穴１０９ａ、１１１ａは、穴１０９ａの中心と穴１１１ａの中心とを結ぶ線分が対物レンズ１０５の光軸Ｏと直交するように設けられている。即ち、試料ステージ１１２の軸１１５、１１７は対物レンズ１０５の光軸Ｏと直交することとなる。更に、穴１０９ａの中心と穴１１１ａの中心とを結ぶ線分は、試料７の観察点を通るように設定されている。このような条件により、試料ステージ１１２のＹブロック１２３、Ｘブロック１２５はステージ本体１２１の下側に配置される。

又、本形態例では、図２に示すように、試料ステージ１１２が水平な状態（破線で示したＡの状態）から試料ステージ１１２が一番傾いた状態（二点差線で示したＢの状態）までの間、ウォーム１４１の歯には常に同じ方向の力が作用するにように軸１１５、１１７に対して試料ステージ１１２を設けた。具体的には、試料ステージ１１２が水平な状態（Ａの状態）から試料ステージ１１２が一番傾いた状態（Ｂの状態）までの間、試料ステージ１１２の重心（Ｇ）が、図２においてウォーム１４１とウォームホイール１３１の噛合箇所Ｃより常に右側にあるようにした。

又、試料室１０１の側部１０９には、ピン１４８を用いてエアシリンダ（押し手段）１５１のシリンダチューブ１５１ａが回転可能に設けられている。このエアシリンダ１５１のロッド１５１ｂの先端部は、ピン１５３を用いてウォームホイール１３１に回転可能に取り付けられている。また、１５５はエアシリンダ１５１のシリンダに供給する空気圧を調整する空気圧調整器である。

そして、空気圧調整器１５５を介してエアシリンダ１５１のシリンダ内に空気を供給することにより、ロッド１５１ｂが伸長し、ウォーム１４１の歯面に作用する力が減少する方向に、ウォームホイール１３１を推力（Ｎ）で押すようになっている。

次に、上記構成のステージ傾斜機構の電気的構成を図３を用いて説明する。１６１はモータ１３５の回転数を検出するロータリエンコーダ（試料ステージ傾斜角検出手段）である。１６３は、ウォーム１４１の歯面に作用する力が略一定となる試料ステージ１１２の傾斜角と、エアシリンダ１５１の推力（Ｎ）との関係が記録されたテーブルである。このテーブル１６３は、図４に示すようなグラフより求めた。図において、横軸は試料ステージ１１２の傾斜角である。縦軸はウォーム１４１の歯面に作用する力である。プロット（■）はエアシリンダ１５１の推力がない場合の試料ステージ１１２の傾斜角とウォーム１４１の歯面に作用する力との関係を示している。そして、エアシリンダ１５１の推力（Ｆ）をプロット（▲）のように設定すると、ウォーム１４１の歯面に作用する力は、プロット（●）のように略一定となる。

１６５は、ロータリエンコーダ１６１からの信号を取り込んで、試料ステージ１１２の傾斜角に変換し、テーブル１６３を参照して、ウォーム１４１の歯面に作用する力が略一定となるように、エアシリンダ１５１に供給する空気圧を空気圧調整器１５５を介して調整する制御部である。

このような構成によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ウォーム１４１の歯面に作用する力が減少する方向に、ウォームホイール１３１を押すエアシリンダ１５１を設けたことにより、ステージ傾斜機構を構成する各部品に作用する負荷が小さくなり、ステージ傾斜機構の位置決め精度が向上する。又、負荷が小さくなることにより、ステージ傾斜機構の寿命も長くなる。
（２）試料ステージ１１２の傾斜角を検出するロータリエンコーダ１６１と、ロータリエンコーダ１６１で検出された試料ステージ１１２の傾斜角に応じて、ウォーム１４１の歯面に作用する力が略一定となるようにエアシリンダ１５１の押す力を制御する制御手段１６５とを設けたことにより、傾斜角が変化してもステージ傾斜機構にかかる負荷が一定となる。このためステージ傾斜機構のウォーム１４１、ウォームホイール１３１の回転がスムーズとなり、振動や騒音も発生しなくなる。

尚、本発明は、上記形態例限定するものではない。押し手段としてエアシリンダ１５１を用いたが、油圧シリンダでもよいし、電動シリンダでもよい。又、エアシリンダ１５１はウォームホイール１３１を押す構成で説明したが、試料ステージ１１２を押してもよいし、軸１１５、又は軸１１７を押してもよい。

更に、試料ステージ傾斜角検出手段としてモータ１３５の回転を検出するロータリエンコーダ１６１を用いたが、ウォームホイール１３１や試料ステージ１１２の傾斜角を検出するセンサであってもよい。

（ａ）図はステージ傾斜機構が設けられた試料室を正面から見た断面図、（ｂ）図は（ａ）図の左側面図である。 図１の試料ステージが水平な状態と、一番傾いた状態とを説明する図である。 図１のステージ傾斜機構の電気的構成を説明する図である 図３のテーブルを説明する図である。 （ａ）図は従来のステージ傾斜機構が設けられた試料室を正面から見た断面図、（ｂ）図は（ａ）図の左側面図である。

符号の説明

１０５ 対物レンズ
１０７ 試料
１１２ 試料ステージ
１１５、１１７ 軸
１３１ ウォームホイール
１３５ モータ（駆動源）
１４１ ウォーム
１５１ エアシリンダ（押し手段）

Claims (2)

1. 対物レンズの光軸と直交し、回転可能に支持された軸と、
   試料が載置され、前記軸に設けられた試料ステージと、
   前記軸に設けられたウォームホイールと、
   該ウォームホイールに噛合するウォームと、
   該ウォームを回転駆動する駆動源とを有する試料ステージ傾斜機構において、
   前記試料ステージが水平な状態から前記試料ステージが一番傾いた状態までの間、前記ウォームの歯には常に同じ方向の力が作用するにように前記軸に対して前記試料ステージを設け、
   前記ウォームの歯面に作用する力が減少する方向に、前記ウォームホイール、前記軸、前記試料ステージのうちのいずれかの部材を押す押し手段を設けたことを特徴とするステージ傾斜機構。
2. 前記試料ステージの傾斜角を検出する試料ステージ傾斜角検出手段と、
   前記試料ステージ傾斜角検出手段で検出された前記試料ステージの傾斜角に応じて、前記ウォームの歯面に作用する力が略一定となるように前記押し手段の押す力を制御する制御手段と、
   を設けたことを特徴とする請求項１記載のステージ傾斜機構。

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