JP2018142405A

JP2018142405A - ステージ装置、及び荷電粒子線装置

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Publication number: JP2018142405A
Application number: JP2017034274A
Authority: JP
Inventors: 宗大高橋; Munehiro Takahashi; 水落　真樹; Maki Mizuochi; 真樹水落; 中川　周一; Shuichi Nakagawa; 周一中川; 渡部　成夫; Shigeo Watabe; 成夫渡部; 博紀小川; Hironori Ogawa; 孝宜加藤; Takanobu Kato; 西岡　明; Akira Nishioka; 明西岡
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2037-02-27
Also published as: TW201842525A; US10366912B2; TWI667682B; JP6735693B2; US20180247855A1

Abstract

【課題】本発明は、長ストローク駆動と駆動機構への負担低減の両立の実現するステージ装置の提供を目的とする。【解決手段】上記目的を達成するために、試料を第１の方向に移動させる第１のテーブル（２０１）と、当該第１のテーブルを前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動させる第２のテーブル（２０３）と、それぞれのテーブルを移動させる移動機構と、移動機構（２０２）を支持する移動体（２０７）と、当該移動体を第２のテーブルに追従して移動させる第３の移動機構を備えたステージ装置を提案する。【選択図】図３

Description

本開示は、ステージ装置、及び荷電粒子線装置に係り、特にステージの軽量化やステージの位置決め誤差の抑制等を実現するステージ装置、及び荷電粒子線装置に関する。

半導体ウェハの製造、測定、検査等に用いられる電子顕微鏡等の荷電粒子線装置には、試料の所望の位置にビームを照射するために、試料の位置を移動させるステージが設けられている。このようなステージは２次元方向に試料を移動させるべく少なくとも２方向に試料を移動させるための駆動機構が備えられている。また、特許文献１には、粗動ステージと微動ステージを併用したステージ装置が開示されている。より具体的には特許文献１には、試料を載せたステージを２方向に微動駆動可能な第２の駆動装置で支持すると共に、当該第２の駆動装置を１方向に移動させる粗動機構である第１の駆動装置によって支持するステージ装置が開示されている。このように駆動機構を２つに分けることによって、一方の駆動機構の負荷（可動質量）を減らすことができる。より具体的には、試料を載せたステージを一方向と他方向へ移動させる空気静圧軸受（第２の駆動装置）で支持し、更に第２の駆動装置を単軸ステージ（第１の駆動装置）で移動させるステージ装置が開示されている。このように駆動機構を複数に分けることによって、１の駆動機構が担う負担を減らすことが可能となる。

特開２００３−４５７８５号公報

特許文献１に開示の構成によれば、微動駆動を行うための駆動機構の負荷低減をはかることができるが、長ストローク駆動を行うための駆動機構の負担を低減することはできない。特に半導体ウェハ等を測定、検査する装置は、円盤状の大型試料（半導体ウェハ）を扱うため、長ストローク駆動を行う駆動機構を採用した上で、当該駆動機構の負担を低減させることが望ましい。

以下に、長ストローク駆動と駆動機構への負担低減の両立の実現を目的とするステージ装置、及び荷電粒子線装置を提案する。

上記目的を達成するための一態様として、試料を支持し、当該試料を第１の方向に移動させる第１のテーブルと、当該第１のテーブルを前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動させる第２のテーブルを備えたステージ装置であって、前記第１の方向へ前記第１のテーブルを移動させる駆動力を発生する第１の移動機構と、前記第２の方向へ前記第２のテーブルを移動させる駆動力を発生する第２の移動機構と、前記第１の移動機構に含まれる固定子を支持する移動体と、当該移動体を前記第２のテーブルの前記第２の移動方向への移動に追従して移動させる第３の移動機構を備えたステージ装置、及び荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、長ストローク駆動と駆動機構への負担低減の両立が可能となる。

荷電粒子線装置の構成を示す図である。モータ分離構造のステージ構成の例を示す図である。モータ分離構造の模式図を示す図である。下軸固定子とスケールの共用構造の例を示す図である。上軸固定子を支持するガイドを別に設けた構成例を示す図である。モータを２セット用いた構成例を示す図である。下軸テーブルおよび上軸固定子の位置決め制御系を示す図である。固定子をコイルとした場合の構成例を示す図である。

近年の半導体素子の微細化に伴い、製造装置のみならず、検査装置や計測装置にも検査・計測個所の増大に対応した高スループット化が要求されている。例えば、位置決め時間を半分に短縮する場合、加速度を４倍に上げる必要がある。同じステージで、加速度を４倍にするには、モータ推力を４倍にする必要があり、モータのコイル電流量を４倍にする必要がある。モータ発熱は、電流量の二乗に比例して増大するため、位置決め時間を半分に短縮する場合のモータ発熱量は１６倍となる。

一方、モータの推力定数が一定の場合、モータ電流量は、ステージの可動質量に比例する。すなわち、モータ発熱量は可動質量の二乗に比例するため、ステージの可動質量を４分の１に低減した場合、モータ発熱は１６分の１となり、位置決め時間を半分にした場合の発熱増加を相殺することが可能となる。

以上のように、ステージの可動質量の軽量化は、発熱低減、スループット向上において二乗で作用する重要な要素である。そこで、可動質量において大きな割合を占めるモータ固定子を分離することを考える。

以下に説明する実施例では、特にＸ−Ｙ方向に試料を移動させるステージ装置に関し、上段のテーブルを移動させる駆動機構の固定子の移動を下段テーブルに担わせるのではなく、底部（例えば真空チャンバの底面）上に下段テーブルと同じ方向に移動する移動体を設けることによって、上段テーブルの駆動機構の固定子を支持すると共に、当該移動体を下段テーブルに追従して移動させる駆動機構を設けたステージ装置について説明する。そのための具体的な構成として、例えば試料を支持し、当該試料を第１の方向に移動させる第１のテーブル（上段テーブル）と、当該第１のテーブルを前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動させる第２のテーブル（下段テーブル）を備えた試料ステージ装置であって、前記第１のテーブルを前記第１の方向に移動させる駆動機構に含まれる固定子を支持すると共に、前記第２のテーブルの移動に伴って、前記固定子を前記第２の方向に移動させる可動体（移動体）を備えたことを特徴とする試料ステージ装置、および前記ステージを用いた荷電粒子線装置を提案する。移動体は、下段テーブルを駆動する駆動機構とは別の駆動機構を採用することで、上段テーブルの移動機構を移動させるための負荷を分散することができる。

上記構成によれば、リニアモータを有するステージ装置において、可動質量を容易に軽減することが可能となり、高加速化による発熱増加を抑制し、位置決め時間を短縮することが可能となる。

以下に説明する実施例は、スタック型のＸＹステージにおいて、上軸固定子を下軸テーブルから分離する構造を備えたステージ装置に関するものである。一般的なスタック型のＸＹステージでは、上軸テーブルを駆動するための上軸モータ固定子が、下軸テーブルに搭載される。モータ固定子は永久磁石と鉄などの材質で作られるヨークであることが多く、質量が大きいため、下軸テーブルの可動質量が増大する。特に、上軸テーブルに比べて、下軸テーブルは、上軸テーブルの質量も可動質量となるため、スタック型のＸＹステージでは、下軸モータへの負荷が大きく発熱が増大することや、下軸テーブルの振動特性および位置決め特性が劣化することがある。

本開示のステージ構造は、上軸テーブルを駆動するための上軸モータ固定子が、下軸テーブルとは別の移動体に搭載され、下軸テーブルを追従させるように独立駆動する構成となっていることを特徴としている。上記構成によれば、モータ発熱およびステージ残留振動を抑制し、高い視野位置決め精度と高速な位置決めを可能とするステージ構造が提供される。

図１を参照して、荷電粒子線装置の例を説明する。ここでは、荷電粒子線装置の例として、半導体計測装置（以下、測長ＳＥＭ）の例を説明する。測長ＳＥＭでは、試料室１１２上に、電子光学系鏡筒１０１が搭載されており、試料室１１２は除振マウント１１３により支持されている。電子光学系鏡筒１０１から電子ビームをウェハ１０６上に照射し、ウェハ１０６上のパターンを撮像し、パターンの線幅の計測や形状精度の評価を行う。試料室１１２内には、テーブル１０５を可動部とするステージが搭載され、テーブル１０５には観察対象であるウェハ１０６を搭載するチャック１０８が固定されている。また、テーブル１０５はガイド１０７により支持され、レーザ干渉計１０４により、ミラー１１１の位置を計測しステージ座標を得て、コントローラ１０９により位置決め制御される。

テーブル１０５に変形が生じるとチャック１０８とミラー１１１の間の相対距離が変動し、レーザ測長値でウェハ上の観察点の位置を管理する場合に像のずれが生じる。ただし、テーブルの変形も含めてレーザ測長値と像のずれに再現性がある場合は、像のずれ量を座標に対して記録することで補正マップを作成することが可能である。補正マップの像のずれ量を、ステージの目標位置座標やビームシフト量から差し引くことで、再現性のあるテーブル変形については像のずれに対する影響を０に近い値とすることが可能である。

しかしながら、テーブルの変形に再現性がない場合や、再現性のない成分が混入している場合、補正マップを用いても位置ずれの影響を０にすることができない。この補正不可能な像のずれを視野位置決め誤差と呼ぶこととする。特に、パターン間隔が数ｎｍのデバイスを計測するためには、この視野位置決め誤差を極限まで低減する必要がある。

モータ発熱やガイドでの摩擦発熱によるステージやウェハの熱変形は、完全な再現性があるわけではなく、オーダとしても大きいために、温度制御や熱変形補正では、視野位置決め誤差の低減効果が不十分である。そこで、根本的な発熱量の低減が重要となる。

図２を参照して、本開示で提案するスタック型のＸＹステージおいて上軸固定子を下軸テーブルから分離したステージ構造（以下、モータ分離構造と呼ぶ）の構成例を説明する。本実施例にて説明するステージ装置は、駆動力を発生する移動機構として、固定子と移動子を含むリニアモータ機構を採用している。図２の例では、試料室底部２０６上に試料をＸ−Ｙ方向に移動させるためのステージ機構が設置されている。なお、試料室は荷電粒子線装置の場合、真空チャンバであり、ステージ機構は真空チャンバ底面、或いは真空チャンバ底面上に配置された支持部材等の上に配置される。

半導体ウェハ等の試料を保持する上軸テーブル２０１（第１のテーブル）は、上軸テーブル２０１をＸ方向に案内するガイドレールが設けられた下軸テーブル２０３（第２のテーブル）に支持されている。下軸テーブル２０３は、ガイドレール２０５によって案内され、下軸モータ固定子２０４と図示しない下軸モータ可動子を含むリニアモータ（第２の移動機構）によってＹ方向に移動する。

一般的なステージでは、上軸テーブル２０１を位置決めするリニアモータの固定子を下軸テーブル２０３に搭載するが、固定子がヨークの場合、下軸テーブル質量が増大し、下軸駆動時の発熱増加や制御性劣化の問題が生じる。これに対し、図２の構成では、質量の大きい上軸モータ固定子２０２を下軸テーブル２０３と分離し、下軸テーブル２０３を追従可能なように、ガイドレール２０５に対応したキャリッジと駆動要素と位置センサを設ける。これにより、下軸可動部の質量を大幅に低減し、制御性の向上および発熱の低減を行う。その結果、スループット向上および熱変形起因の視野ずれ抑制を実現する。

また、上軸モータ固定子２０２を下軸テーブル２０３の駆動機構とは別の駆動機構で移動させるため、上軸モータ固定子２０２を大きくしても、下軸テーブル２０３の駆動機構への負担とはならない。その結果、上軸モータ固定子２０２の大型化が可能となる。固定子が大型化するとモータの推力定数が上がるため、その分、可動子に供給する電流量を下げることができ、電流を供給することによる発熱量を低下することが可能となる。テーブルに伝達する熱量の低下に基づく、テーブルの熱膨張を抑制することができ、荷電粒子ビームの照射位置精度を高い状態に維持することが可能となる。

図３を参照して、本構成のステージの模式図を示す。上軸モータ固定子２０２を、上軸モータ可動子３０１を支持する下軸テーブル２０３に追従して移動させるために、上軸モータ固定子２０２を支持する移動体２０７を設け、当該移動体２０７を下軸テーブル２０３と共に移動させるための移動機構（第３の移動機構）を設ける。このように本実施例では、第１のテーブルを移動させるための第１の移動機構を構成する固定子と可動子をそれぞれ別の駆動機構によって移動させる。

第２の移動機構と第３の移動機構は、共通の固定子を用いる一方で、別の可動子を持つことになるが、リニアモータのヨークが形成する磁場とコイルの位置関係は、駆動方向と垂直な方向において、ｍｍオーダの位置誤差が許容できるため、上軸モータ固定子２０２の下軸テーブル２０３に対する追従誤差は数１００μｍオーダ以下であれば制御性の劣化とならず実現が容易である。上軸モータ固定子２０２にかかる上軸テーブル２０１の駆動方向のモータ反力はガイドレール２０５により支持され位置決め誤差とならない。

図４は上側モータ固定子２０２を支持する移動体２０７用に、モータ可動子４０２を設けたステージ構造を示す図である。本実施例では、下軸テーブル２０３を駆動するリニアモータを構成するモータ可動子４０１と、モータ可動子４０２は共通の固定子（下軸モータ固定子２０４）内を移動する構成となっている。また、テーブルや移動体の位置を特定するためのスケールを共用する構成となっている。上軸モータ固定子２０２の位置決めには、下軸テーブル２０３と下軸モータ固定子２０２と下軸用スケール４０５を共用しコスト増加を抑制することが可能である。

下軸用スケールヘッド４０３で下軸テーブル２０３の位置を測定し、スケールヘッド４０４で上軸モータ固定子２０２の位置を測定する。スケール４０５は、二つのヘッド４０３および４０４で共用することが可能である。スケールヘッドはスケールの目盛や物理量等を読み込むことによって、テーブル等の位置を特定するためのものであり、その検出面はスケールに対向して配置される。

下軸テーブル２０３は、モータ可動子４０１によって駆動される。上軸モータ固定子２０２は、モータ可動子４０２によって駆動される。モータ固定子２０４は、可動子４０１と４０２で共用することが可能である。

図５を参照して、上軸固定子を支持するガイドを別に設けた構成例を示す。上軸固定子を支持するガイドレール５０２を、下軸テーブル２０３を支持するガイドレール５０１と別に設けることで、上軸モータ固定子２０２を駆動するモータの熱がガイドレール５０１を介して本ステージに伝達するのを防ぐことが可能である。特に、低発熱化のために、上軸テーブル２０１のコイル電流を低下させる場合、最大推力を保つためには上軸固定子２０２を大型化して磁束密度を上げる必要がある。その場合、上軸固定子２０２の質量が増大して、固定子駆動側の発熱が増大する。その場合でも、ガイドを分離することで、ウェハへの伝熱を抑制することが可能となる。また、上軸固定子２０２の位置決め精度は、下軸テーブル２０３程の高精度は要求されないため、ガイドレール５０２を剛性の低い低摩擦なものに変更するなどの対応も可能である。また、ガイドレール５０２を低精度なものに変えてコストダウンを図っても、下軸テーブル２０３の位置決め精度が劣化することはない。

図６を参照して、モータを２セット用いた構成例を示す。高推力に特化したモータ６０１および６０３に加え、高分解能に特化したモータ６０２および６０４を搭載する構成とした場合でも、下軸テーブル２０３の搭載物の質量がほとんど増大せず、高速化と高精度化の両立が可能である。

モータ固定子６０１および６０３は、低電流で大推力を出力可能なように磁束密度高く製作され推力定数が大きいものを採用する（第１の移動機構）。また、モータ固定子６０２および６０４は、電流ノイズに対する振動発生を抑制するため、磁束密度が低く推力定数が小さくなるよう製作されたものを採用する（第４の移動機構）。また、モータ固定子６０２および６０４は、ＳＥＭ観察範囲内のみ駆動可能であればよいので、ストロークを短くすることでコストダウン可能である。

図６に例示するような構成では、図４に例示したような第１の移動機構を構成するモータ可動子４０１、第３の移動機構を構成するモータ可動子４０２に加え、モータ６０２（固定子）を支持する移動体６０５を第１の移動機構や第３の移動機構に追従して移動させる第５の移動機構を構成するモータ可動子（図示せず）を設ける。図６の例では２つの移動体とテーブルが連動して移動する。

二つのモータを用いる場合の運用方法として、ウェハ交換時やチップ間移動などの高速位置決め時は、大推力なモータ６０１および６０３を使用して、低電流で高速な位置決めを行い、モータ発熱を抑制する。ＳＥＭ観察時は、低振動なモータ６０２および６０４を使用して、電流ノイズによる像揺れを抑制する。

図７を参照して、下軸テーブルおよび上軸固定子の位置決め制御系を示す。
本ステージの制御系のブロック図を示す。上軸固定子は、下軸テーブルの位置と常に一定の相対距離を保つよう独立制御される。

下軸テーブル制御器７０１により、下軸テーブルプラント特性７０２が制御され、リニアスケール４０３および４０４などで読み取った下軸テーブルと上軸固定子の相対変位を上軸固定子駆動モータ制御器７０３の指令値として使用し、上軸固定子駆動モータプラント特性７０４の位置制御を行う。
なお、上軸テーブルの制御系は、一般的な制御系と同様でよい。

図８を参照して、ムービングマグネット化（ＭＭ化）した構成例を示す。この構成では、本ステージでモータ発熱が発生せず、ガイドの摩擦熱のみとなるため大幅なスループット向上が可能となる。また、コイルセレクタにより、電流を流すコイルを切り替えることで磁石と重ならないコイル部分からは電磁波が出ないようにし、像ノイズへの影響を防ぐことが可能である。

また、下軸テーブル側に上軸モータヨーク８０２を取り付け、移動体側に上軸モータコイル８０１を取り付けることによって、テーブル側で発生する発熱量をほぼゼロにできるので、テーブルの熱膨張を抑制することが可能となる。下軸側の駆動機構も同様であり、下軸モータコイル８０３がテーブルと非接触に設置されているため、やはりテーブル側の発熱量を極小化することが可能となる。

また、ムービングマグネット化を行い、コイルセレクタを用いる場合、固定子であるコイルからは多数のケーブルを配線する必要がある。ステージ可動時にはケーブルの抵抗が位置決め誤差要因となるため、発熱抑制と位置決め精度向上がトレードオフとなる。しかし、上記構成のように固定子を分離することでケーブルの抵抗が本ステージの誤差とならないため、高精度化が可能である。

１０１電子光学系鏡筒
１０４レーザ干渉計
１０５テーブル
１０６ウェハ
１０７ガイド
１０８チャック
１０９コントローラ
１１１ミラー
１１２試料室
１１３除振マウント
２０１上軸テーブル
２０２上軸モータ固定子
２０３下軸テーブル
２０４下軸モータ固定子
２０５ガイドレール
２０６試料室底面
２０７上軸固定子移動体
３０１上軸モータ可動子
４０１下軸テーブル駆動用モータ可動子
４０２上軸モータ固定子駆動用モータ可動子
４０３下軸用スケールヘッド
４０４上軸モータ固定子位置測定用スケールヘッド
４０５下軸用スケール
５０１下軸テーブル用ガイドレール
５０２上軸固定子用ガイドレール
６０１上軸モータ固定子Ａ（大推力）
６０２上軸モータ固定子Ｂ（高分解能）
６０３下軸モータ固定子Ａ（大推力）
６０４下軸モータ固定子Ｂ（高分解能）
７０１下軸テーブル制御器
７０２下軸テーブルプラント特性
７０３上軸固定子駆動モータ制御器
７０４上軸固定子駆動モータプラント特性
８０１上軸モータコイル
８０２上軸モータヨーク
８０３下軸モータコイル

Claims

試料を支持し、当該試料を第１の方向に移動させる第１のテーブルと、当該第１のテーブルを前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動させる第２のテーブルを備えたステージ装置であって、
前記第１の方向へ前記第１のテーブルを移動させる駆動力を発生する第１の移動機構と、前記第２の方向へ前記第２のテーブルを移動させる駆動力を発生する第２の移動機構と、前記第１の移動機構に含まれる固定子を支持する移動体と、当該移動体を前記第２のテーブルの前記第２の移動方向への移動に追従して移動させる第３の移動機構を備えたことを特徴とするステージ装置。
請求項１において、
前記第１の移動機構に含まれる可動子と、前記第３の移動機構に含まれる可動子は、共通の固定子内を移動することを特徴とするステージ装置。
請求項１において、
前記第２の方向に沿って設置されるスケールと、前記第２のテーブルに前記スケールに対向するように設置される第１のスケールヘッドと、前記移動体に前記スケールに対向するように設置される第２のスケールヘッドを備えたことを特徴とするステージ装置。
請求項１において、
前記第２のテーブルを前記第２の方向に案内する第１のガイドレールと、前記移動体を前記第２の方向に案内する第２のガイドレールを備えたことを特徴とするステージ装置。
請求項１において、
前記第１の方向へ前記第１のテーブルを移動させる駆動力を発生する第４の移動機構と、当該第４の移動機構に含まれる固定子を支持する移動体と、当該移動体を前記第２のテーブルの前記第２の移動方向への移動に追従して移動させる第５の移動機構を備えたことを特徴とするステージ装置。
請求項５において、
前記第１の移動機構に含まれるモータと、前記前記第４の移動機構に含まれるモータは、推力定数が異なることを特徴とするステージ装置。
試料室内に配置された試料に対し、荷電粒子ビームを照射するための荷電粒子線鏡筒と、前記試料を支持し、当該試料を第１の方向に移動させる第１のテーブルと、当該第１のテーブルを前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動させる第２のテーブルを備えた荷電粒子線装置であって、
前記第１の方向へ前記第１のテーブルを移動させる駆動力を発生する第１の移動機構と、前記第２の方向へ前記第２のテーブルを移動させる駆動力を発生する第２の移動機構と、前記第１の移動機構に含まれる固定子を支持する移動体と、当該移動体を前記第２のテーブルの前記第２の移動方向への移動に追従して移動させる第３の移動機構を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。