JP2019067546A - ステージ装置およびそれを用いた荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動源から伝達する熱の影響を効果的に低減するステージ装置を提供する。【解決手段】真空チャンバー内に配置されるステージ装置であって、試料と共に移動するテーブル２と、テーブル２を特定方向に案内するガイドレール７と、テーブル２に接続され、ガイドレール７上をテーブル２と共に移動するスライドユニット９ａと、テーブル２とスライドユニット９ａの間に配置されるペルチェモジュール１０ａを備え、ペルチェモジュール１０ａは２面の伝熱面を持ち、一方の伝熱面はテーブル２に接触し、他方の伝熱面はスライドユニット９ａに接触するように構成する。【選択図】図１

Description

本開示は、ステージ装置及びそれを用いた荷電粒子線装置に係り、特にステージを駆動することによる発熱の変化によって生じる影響を抑制するのに好適なステージ装置及び荷電粒子線装置に関する。

試料を測定、検査、観察する装置には、試料を移動するためのステージが備えられている。特許文献１には、プローブを試料に接触させることによって半導体チップ（ダイ）の検査を行う半導体テスタが開示されている。更に特許文献１には、検査の際、ダイが使用される環境の温度となるようダイを加熱／冷却すべく、ボールねじによって駆動されるウェハチャック内に設けられた第１の加熱／冷却部材を用いてウェハチャックの温度制御を行うことが開示されている。また、第１の加熱／冷却部材部材の加熱／冷却によって生ずるステージ変形の影響を抑制するために、第１の加熱／冷却部材に連動して動作する第２の加熱／冷却部材が開示されている。このような連動制御によって、第１の加熱／冷却部材による加熱／冷却によって発生するバイメタル効果によるステージ変形を低減することが説明されている。

また非特許文献１には、ボールねじ駆動の精密位置決め装置が開示されている。更に非特許文献１には、ボールねじの回転によって発熱するナット部を覆うハウジングを冷却するペルチェモジュールが開示されている。ハウジングに、ペルチェモジュールの冷却面を接触させ、放熱面にはヒートシンクを設けると共に、当該ヒートシンクにクーリングファンを搭載し、周囲の空気に放熱することが説明されている。

特開２００８−１０６３３号公報

「精密位置決め装置のボールねじ熱膨張のペルチェモジュール冷却による防止」精密工学会誌Ｖｏｌ．８２（２０１６），Ｎｏ.１１ｐ．９７０−９７５

昨今、走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置内に設けられたＸＹステージの駆動源として、リニアモータが用いられるようになってきた。リニアモータは可動子と固定子からなり、可動子或いは固定子を構成するコイルに電流を流すことによって推力を発生する。一方、リニアモータに電流を供給するとコイルが熱を発生するが、走査電子顕微鏡の試料室の内部は真空空間であるため、大気を介した熱伝達ができず、発生した熱は可動子、或いは固定子が接するステージに伝達される。このような熱伝達によってステージが変形し、所望のビーム照射位置と実際のビーム照射位置との間に位置ずれが発生する可能性がある。特許文献１に開示の構成によれば、試料の加熱／冷却部材によってもたらされるステージの変形を、別の加熱／冷却部材を用いて抑制することについて説明されているが、リニアモータ等のステージの駆動源によってもたらされる熱の影響については何ら論じられていない。また、非特許文献１には、ボールねじの軸受けとなるナット部分を冷却する構成が説明されているが、ステージの冷却については何ら論じられていない。更に、真空室内では非特許文献１に開示されているようなクーリングファンを用いた冷却を行うことができない。

以下に真空空間内において、リニアモータ等のステージに取り付けられる駆動源から伝達する熱の影響を効果的に低減することを目的とするステージ装置、及び荷電粒子線装置について説明する。

上記目的を達成するための一態様として、真空チャンバー内に配置されるステージ装置であって、試料と共に移動するテーブルと、当該テーブルを特定方向に案内するガイドレールと、テーブルに接続され、ガイドレール上をテーブルと共に移動するスライドユニットと、テーブルに接続されると共に当該テーブルを特定方向に移動させる駆動力を発生する駆動源と、テーブルとスライドユニットの間に配置されるペルチェモジュールを備え、当該ペルチェモジュールは２面の伝熱面を持ち、一方の伝熱面はテーブルに接触し、他方の伝熱面はスライドユニットに接触するように構成されたステージ装置、及び荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、真空空間内において、リニアモータ等のステージに取り付けられる駆動源から伝達する熱の影響を効果的に低減することが可能となる。

テーブルとスライドユニットの間にペルチェモジュールを設置したステージ装置の一例を示す図（上段テーブルの移動方向から見た図）。 下段テーブルの移動方向から見たステージ装置の一例を示す図。 ステージ装置のペルチェモジュール周りのカット表示による構成図。 ステージ装置のペルチェモジュール周りの断面構成図。 制御装置を含むステージ装置の構成図。 上段テーブルを駆動する駆動機構の可動子を磁石とした例を示す図。 上段テーブルのスライドユニットとは別に上段テーブル冷却用のスライドユニットを設けたステージ装置の一例を示す図。 中央のスライドユニット上にペルチェモジュールを設置したステージ装置の一例を示す図。

近年の半導体素子の微細化に伴い、製造装置のみならず、検査や評価装置にもそれに対応した高精度化が要求されている。半導体ウェハ上に形成した回路の形状寸法が正しいか否かを評価する方法として、電子顕微鏡を用いて回路の寸法を測定する方法がある。この場合、測長機能を備えた走査型電子顕微鏡（以下、測長ＳＥＭと称す）が用いられる。

また、測長以外にも電子顕微鏡を用いて高倍率に拡大してウェハを観察することにより様々な検査を行うことが可能になる。電子顕微鏡を用いることは、光学式顕微鏡では得られない高い分解能を実現できる一方で、電子線のような荷電粒子線を照射するために、対象物を真空空間に置く必要が生じる。

測長ＳＥＭでは、ウェハを真空空間で動作するＸＹステージに搭載し、電子線を照射する位置にウェハの観察したい場所を合せることで、任意の箇所の観察を可能にしている。この際、電子線を照射できる範囲は限られた領域になるため、ＸＹステージはその位置にウェハの位置を正確に合わせるための精密さと、ウェハを移動させて位置を決めた後、その位置がずれないようにするための機構が必要となる。

ＸＹステージの位置ずれが起きる原因の１つに、ステージのわずかな温度変化よって熱膨張もしくは収縮を起こすことによるステージの熱変形がある。測長ＳＥＭなどの装置の稼働率を上げるには、ＸＹステージがより高負荷で動作する必要が生じるが、その場合、ステージ内での発熱が増え、ステージの温度変化を起こす原因となる。

大気中で稼働するステージにあっては、大気中への放熱が期待できるが、荷電粒子線を用いる装置にあっては、ＸＹステージを真空中に置く必要があり、大気を介した放熱ができない。一方、配管を用いて冷却流体を導入することができれば、真空中であってもペルチェモジュールを用いてステージを冷却することが可能になるが、その配管はＸＹステージの動作に追従して動く必要が生じる。柔軟な材質によるホースなどを用いれば、配管が変形すること自体は可能であるものの、変形に伴って大きな反力が発生するため、ＸＹステージの精密な位置決めが阻害される。電子顕微鏡の高倍率の撮像に見合うだけの精密さで位置ずれを起こさないＸＹステージを実現するには、非常に精密な温度制御によって熱変形を抑えるとともに、温度以外の要因による外乱も同時に抑えることが必要となる。

以下に説明する実施例では、主に、真空チャンバー内に配置されるステージ装置であって、試料と共に移動するテーブルと、当該テーブルを特定方向に案内するガイドレールと、テーブルに接続され、ガイドレール上をテーブルと共に移動するスライドユニットと、テーブルに接続されると共に当該テーブルを特定方向に移動させる駆動力を発生する駆動源と、テーブルとスライドユニットの間に配置されるペルチェモジュールを備え、当該ペルチェモジュールは２面の伝熱面を持ち、一方の伝熱面はテーブルに接触し、他方の伝熱面はスライドユニットに接触するように構成されたステージ装置について説明する。

なお、ペルチェモジュールの熱伝達効率を極大化するため、２つの熱伝達面それぞれの全面をテーブルとスライドユニットに接触させることが望ましい。

上記構成によれば、ペルチェモジュールはテーブルと接触する伝熱面から熱を吸収し、スライドユニットと接触する伝熱面から熱を放出することが可能になる。このような動作をさせた場合、ペルチェモジュールから熱を受けたスライドユニットは、ガイドレールと摺動することで、ガイドレールに熱を伝え、そのガイドレールはそれを固定しているベース部に熱を伝えることで放熱することが可能になる。

このような伝熱経路を形成することにより、真空チャンバー内のＸＹステージに、ステージ動作に追従する配管で冷却流体を導くことなく積極的にＸＹステージを冷却することが可能になる。これにより、配管の反力でステージの位置決めに外乱を与えることがなくなり、かつ、積極的な冷却によって精密にステージの温度制御を行うことが可能になり、ステージの熱変形による試料の位置ずれを防止することが可能になる。

以下に説明する実施例は、主に荷電粒子線装置等に用いられるステージ装置に関するものである。例えば、回路の形状寸法を評価するために用いられる測長ＳＥＭや上位の欠陥検査装置にて得られた欠陥の座標情報に基づいて欠陥をレビューするＳＥＭは荷電粒子線装置の代表例である。その他、イオンビームを試料に照射し、加工を行う装置であってもよい。測長ＳＥＭなどの装置には、半導体ウェハのように大型の試料上に形成された微細な回路パターンや欠陥の箇所に位置を合せるためのステージ装置が内蔵されている。特に昨今の測長ＳＥＭでは、検査処理の高速化のニーズが高く、ステージを駆動する負荷が高まり、ステージ内の発熱が増大する傾向にある。このため、ステージの駆動機構で生じる発熱で生じる問題に対して、より効果的な対策が求められる。これを解決手段として、以下、図面を用いて実施例を説明する。

図１〜５は第１の実施例における装置構成を様々な表示方法で示したものであり、一つの構造を示している。

図１は、下段ステージ用のガイドレール７が紙面横に伸びて見える方向の視点で示した構成図であり、この視点で表示しやすいものに限定して構成を示したものである。ＸＹステージのベース部１は、真空チャンバーである試料室の一部でもあり、ベース部１の上側は真空空間を意味している。このベース部１の上にガイドレール７が設置され、下段テーブル２は紙面横方向に案内される。ガイドレール７上を摺動するスライドユニット５（第２のスライドユニット）によって、下段テーブル２は紙面横方向にのみ動けるようになり、下段テーブル２が紙面垂直方向に移動できないよう拘束している。また、下段テーブル２の四隅にスライドユニット５を直接取付け、ガイドレール７を２本用いて拘束することで、下段テーブル２の振動変形を抑え込むことが可能になる。

下段テーブル２の上にガイドレール８が設置され、これに摺動して移動するスライドユニット６によって、上段テーブル３は、紙面垂直方向にのみ動けるようになり、上段テーブル３が下段テーブル２に対して紙面横方向に移動できないように拘束している。上段テーブル３も四隅にスライドユニット６を直接取付け、ガイドレール８を２本用いて拘束することで、テーブルの振動変形を抑え込んでいる。

上段テーブル３の上に試料であるウェハを搭載するためのチャック４を設け、搭載したウェハが上段テーブル３に対して動かないようにしている。このような上下２段で直交したガイドレールを用いることで、Ｘ軸とＹ軸を自由に移動して、ウェハの任意の箇所に電子線を照射できるようにしている。

上段テーブル３は、上段用のリニアモータによって駆動され、このリニアモータは可動子であるコイル部品１６と、固定子である磁石部品１７によって構成される。磁石部品１７が形成する磁場の中でコイル部品１６に電流を流すことで、推力を生じさせ、その推力をテーブル３に伝達することで、テーブル３が紙面垂直方向に移動する。一方、下段テーブル２は、図１に示していない下段ステージ用のリニアモータによって紙面横方向に移動し、下段テーブル２が横方向に移動することで上段テーブル３も横方向に移動する。このようなステージの駆動を行うと、コイル部品に流した電流によって発熱が生じる。すなわち、コイルは必ず電気抵抗を持ち、電気抵抗とそこに流れる電流の２乗の積に比例してジュール発熱が生じる。コイル部品１６は、テーブル３に推力を伝達する必要があるため、両者は必ず接続している必要があり、コイル部品１６のジュール発熱はテーブル３に伝達され、テーブル３を温度上昇させる。さらに、テーブル３に伝わった熱はスライドユニット６とガイドレール８の摺動によりガイドレール８に伝わる。ガイドレール８は下段テーブル２に固定されているため、下段テーブル２にも熱が伝わり、テーブル２も温度上昇する。この他、ガイドレールとスライドユニットの摩擦によっても発熱が生じ、ステージの温度変化を起こす原因になっている。

スライドユニット９ａ（第１のスライドユニット）は、四隅のスライドユニット５とガイドレール７を共有して使用し、四隅のスライドユニットの内側に設け、これにペルチェモジュール１０ａが取り付けられ、ステージの冷却を行う。ペルチェモジュール１０ａは、熱電素子が内部に組み込まれた部品であり、その熱電素子に電流を流すと、ペルチェ効果で熱輸送が起きることを利用したものである。この熱輸送現象を利用するため、モジュールの表裏を伝熱面にして、一方の面で吸熱を行い、反対の面の放熱を行う。エネルギー保存則により、吸収した熱量は必ず放出する必要があるが、ペルチェモジュールの場合、放熱面で放出される熱量は、吸熱面で吸収した熱量に加えて、ペルチェモジュールを駆動するために消費した電気エネルギーも放出することになる。よって、ペルチェモジュールを用いると、放熱量が増えることになるが、ペルチェモジュールを用いる利点は温度が高い方に向かって熱を流せる点にある。熱伝導による熱輸送は必ず温度が低い方に向かって流れ、かつ、温度差が小さくなると伝熱量が減少することから逃れられない。よって、伝熱促進構造によって温度変化を抑えようとする場合、伝熱に必要な温度差が、変化を抑えたい温度差そのものとなるため、本質的に温度変化をなくすことは出来ない。一方、ペルチェモジュールを用いると、温度が高い側に熱を渡すことが出来るため、そこで温度差を稼ぎ、その下流側の伝熱に必要な温度に高めることで、放熱を成り立たせることが可能になる。

図１におけるペルチェモジュール１０ａの上面が吸熱面になるように電流を流すことで、下面が放熱面となり、下段テーブル２から熱を吸い取り、スライドユニット９ａに熱を渡すことが出来る。熱を渡されたスライドユニット９ａはそのことで温度上昇し、ガイドレール７との温度差が拡大する。これによりスライドユニット９ａからガイドレール７に伝わる熱量が増え、ペルチェモジュール１０ａから受ける熱とバランスする所までスライドユニットの温度が上昇し、バランスした所で定常状態を保つことが可能になる。これにより、スライドユニット９ａは温度上昇するものの、下段テーブル２を、制御したい温度に冷却することが可能になる。

スライドユニット９ａから熱を渡されたガイドレール７は、ベース部１に固定されていることで、ベース部に熱を流す。ベース部１は固定した冷却水配管１１で冷却水を導入することで冷却を行い、温度変化を防ぐ。移動するステージを冷却水で冷却する場合、その移動に追従するため、柔軟な配管が必要となり、かつ、その配管がステージの動きを阻害しないようにすることの困難さがあるが、ベース部に冷却水を導くことは、移動がないため、非常に簡単であり、かつ、十分な伝熱面積の確保も容易となる。

図２は、図１の視点から９０°向きを変えた図であり、この視点で表示しやすいものを示した。なお、図１と同じ部品は同じ符号を記載することで、説明を省略する。上段ステージのスライドユニット６は、テーブル３の四隅に取り付けたスライドユニットであり、図１では、奥行き方向に重なっていたものが、視点が９０°変わることで、１本のガイドレール８の上に２コ存在している状態を示している。スライドユニット９ｂ（第３のスライドユニット）は四隅のスライドユニット６の内側に取り付けられ、その上面にペルチェモジュール１０ｂを取り付ける。ペルチェモジュール１０ｂの上側の伝熱面は上段テーブル３に接触し、上段テーブル３を冷却可能にしている。

上段テーブル３を冷却した場合、ペルチェモジュール１０ｂは、スライドユニット９ｂに対して放熱し、スライドユニット９ｂが温度上昇することで、ガイドレール８に伝わる熱量を増やす。よって、ガイドレール８に伝わる熱量と、スライドユニット９ｂが放出する熱量がバランスする所まで、スライドユニット９ｂの温度が上昇し、その状態で定常状態を作れる。

下段テーブル２の四隅に取り付けられたスライドユニットは、図２の紙面奥側と紙面手前側に存在し、図２では表示していない。スライドユニット９ａは四隅のスライドユニットとガイドレール７を共有して使用し、図１の説明で示した通り、ペルチェモジュール１０ａを利用して下段テーブル２を冷却する。図１では、スライドユニット９ａとペルチェモジュール１０ａのセットが１組しか表示していないが、図２では視点を９０°変えたことで、２組表示されている。

また、上段ステージと下段ステージの放熱負荷に関しては、上段ステージは上段側で発生した熱量を放熱すればいいのに対し、下段ステージは上段ステージの放熱が降りてきた上で、下段ステージの発熱も放熱しないといけないため、下段ステージの方が、放熱負荷が高くなる。このため、ペルチェモジュールとスライドユニットをセットにして冷却を行う機構を、上段ステージでは１組使用し、下段ステージでは２組使用している。ただし、数量の組合せは、上段＝０組、下段＝１組にする場合や、上段＝１組、下段＝３組にする場合など、ステージの構成に応じて他の組合せにしてもよい。

図２では、下段ステージを駆動するためのリニアモータとそれに対する温度上昇防止手段も示した。下段ステージ用リニアモータはコイル部品２０と磁石部品２１からなり、上段ステージ用リニアモータと同様の動作原理で作動し、発熱も生じる。リニアモータのコイル部品２０の発熱の影響を抑えるため、ガイドレール７ａとスライドユニット５を設ける。これにより、コイル部品２０の発熱が、ベース部１に流れやすいようにしている。また、コイル部品２０が得た推力と下段テーブル２に伝達して、下段テーブルを駆動する必要があるが、その推力を伝達する部品の間に、断熱部品２２を設ける。断熱部品２２は、樹脂やセラミック材などの熱伝導率が低い材質で構成することで、力の伝達を行いつつ、熱の伝わりを抑える。下段テーブル２へ熱が伝わりにくくしたことと、ベース部１へ熱が伝わりやすくしたことの組合せで、下段テーブル２に対する断熱は実現できている。

図３は、ペルチェモジュールとスライドユニットをセットで用いる際の構成を、カットモデルで示した図である。図４は同じ箇所の構成を示すにあたり、断面図の表示方法で示したものである。図３、４を用いて説明する構成は、下段テーブルを冷却する場合と、上段テーブルを冷却する場合に共通して用いることができるが、図では上下の部品の関係を示すにあたり、下段テーブルの場合を例にした。

図３のベース部１の上にガイドレール７が固定されており、これと摺動して移動するスライドユニット９が取り付けられている。これの上にペルチェモジュール１０があり、その上に下段テーブル２がある。４本のボルト１８によって、スライドユニット９とペルチェモジュール１０が共に下段テーブル２に接続され、下段テーブル２と共に移動する。ペルチェモジュール１０は直流通電によって稼働させるが、そのための２本の電気配線が１４である。電気配線１４は下段テーブル２に取り付けて引き回し、リニアモータ等の配線と同様に、Ｕ字状にたわませて固定側と可動側の相対変位を配線のたわみで吸収させる。また、ボルト１８が下段テーブル２と接触する箇所の間にクッション部品１９を設置し、弾性を付加する。クッション部品１９は樹脂材で構成することにより、金属よりも柔らかいことによる弾性効果と、金属よりも熱伝導率が低いことによる断熱効果を得ることができる。

図４はペルチェモジュール取付け部を断面図で表示したものである。スライドユニット９は、内部に転動体（＝表示していない）を備え、転動体がスライドユニットの本体とガイドレールの両方と転がり接触を行うことで、ガイドレール７に対して摺動する際の摩擦を低減している。ステージを駆動するにあたっては、摩擦が小さいほどモータの負荷が下がり、それによりモータの発熱が抑えられたり、摺動部で発生する摩擦発熱を抑えられたりする。そのため、摩擦は低いほどよいが、スライドユニット９はガイドレール７との伝熱も担うので、よりしっかりとした接触を行い、熱が伝わりやすい構造になっていることが好ましい。スライドユニットに用いる転動体には、球を使う方式と円筒状のコロを使う方式があるが、コロを使う方がより接触面積を増やせる利点がある。

ペルチェモジュール１０は、内部に熱電素子１３と、電気的な絶縁を担う板１５ａ、１５ｂがある。熱電素子１３にはＰ型素子とＮ型素子があり、Ｐ型素子は電流と同方向に熱が流れ、Ｎ型素子は電流と逆向きに熱が流れる。このため、Ｐ型素子には紙面下向きに電流を流し、Ｎ型素子には紙面上向きに電流を流すと、全ての熱電素子が下向きに熱を流すようになる。このため、Ｐ型素子とＮ型素子を交互に並べ、各素子の上下の端面に電極（＝表示していない）を接合し、隣り合う素子をつないで直列配線にすることで、モジュールに流した電流をそのまま各素子に流すことができ、最大限の熱輸送効果を得ることができる。電気的な短絡を防ぐため、板１５ａ、１５ｂは電気絶縁材にて構成し、これに電極を接合し、電極と熱電素子を接合して電気回路を構成する。板１５ａ、１５ｂにはセラミック材（酸化アルミや窒化アルミなど）による板を用いることが好適な他に、樹脂フィルムを用いることもできる。樹脂フィルムを用いる場合は、柔軟性が得られることで、伝熱面が曲面である場合に好適となる。ただし、樹脂フィルムを用いる場合は、熱電素子どうしが接触することを防ぐためのセパレータが必要となる。

セラミック材もしくは樹脂フィルムで構成した板１５ａ、１５ｂの外側は伝熱面を構成し、熱電素子が輸送した熱をモジュールの外部に伝達する。この伝熱面に対して、熱伝導シート１５ａ、１５ｂを介して伝熱対象と接触させる。すなわち、ペルチェモジュール１０の上側伝熱面と、下段テーブル２との間に熱伝導シート１５ａが介在して接触し、下段テーブル２を冷却する時は、熱伝導シート１５ａに熱を通過させてペルチェモジュールの上側伝熱面が熱を吸収する。また、ペルチェモジュール１０の下側伝熱面と、スライドユニット９との間に熱伝導シート１５ｂが介在して接触し、ペルチェモジュール１０の下側伝熱面から放出された熱は、熱伝導シート１５ｂに通過させてスライドユニット９に伝わる。

熱電素子は、電流を流すことで熱輸送ができるというペルチェ効果を利用するとともに、素子に温度勾配が生じるとゼーベック効果による起電力も生じる。このゼーベック効果はペルチェ効果と表裏一体の関係にあり、ペルチェ効果を利用して温度が高い側に向かって熱を流すと、必ずその時の電流に対して抵抗になる方向に電圧が生じる。このため、熱電素子を駆動する際は、素子が持つ電気抵抗にプラスして、ゼーベック効果で生じる電圧にも打ち勝って電流を流す必要があり、素子に電流を流すために必要な電圧は、素子の上下の温度差によって変化する。その上で、ペルチェモジュールを駆動する際の電流×電圧（＝電力）は、ペルチェモジュールに投入しているエネルギーとなる。ペルチェモジュールが定常的に動作するには、入力エネルギーと出力エネルギーが釣り合う必要があり、放熱面で放出する熱量は、吸熱面で吸収した熱量と、電力として投入したエネルギーの和になる。このため、吸熱量よりも放熱量の方が必ず大きくなる。

仮にペルチェモジュール１０の下側伝熱面の一部が、どこにも接触せずに宙に浮く場合、その伝熱面の位置にある熱電素子は熱を放出してもそれを渡す相手がいな状態となる。そうなると、熱電素子自身の温度が上昇し、熱伝導現象によって素子から吸熱面に向かって熱が流れるようになる。この際、吸収した熱よりも電力分だけプラスした熱を戻すことになり、ペルチェモジュールは冷却作用を行わないだけでなく、ヒーターとして作用する。このため、ペルチェモジュールの伝熱面は、必ず熱の受け渡しが出来るように、全面を伝熱対象に接触させる必要がある。

図４の構成で下段テーブル２を冷却する場合、放熱を受けるスライドユニット９は温度が上昇する。スライドユニット９と下段テーブル２はつながった状態にしたいため、ボルト１８を通じて締結する。この際、ボルトを通じてスライドユニット９から下段テーブル２に熱が流れる可能性が生じるが、それをクッション部品１９によって阻止する。特に材質を樹脂にすることで、熱伝導率を低く抑えて、かつ剛性を下げることが出来る。スライドユニット９が温度上昇を起こすと、熱伝導の問題の他に、熱膨張も生じる。スライドユニット９の熱膨張をそのまま下段テーブル２に伝えると、テーブルの歪みとなり、ステージの位置精度が悪化する。そのため、ステージの位置精度は、ペルチェモジュールを取り付けていないスライドユニットが担い、ペルチェモジュールを取り付けたスライドユニットは位置精度を確保する機能は持たずに、伝熱に専念するのがよい。よって、テーブル２を特定方向に案内するスライドユニット５とは、別のスライドユニット９を設け、当該スライドユニット９に放熱を担わせることが望ましい。また、ボルト自体をスライドユニットやガイドレールより熱伝導率が低い部材で構成しても同等の効果を期待することができる。更に、スライドユニットのボルトが締結される部分に孔を開け、当該孔に雌ねじが切られた低熱伝導部材を挿入、固定した上でボルトを締結するようにしても良い。テーブルとスライドユニットを締結する締結部材の少なくとも一部を低熱伝導部材で構成することによって、意図しない熱の逆流を抑制することができる。

テーブルやスライドユニットより低剛性の熱伝導シート１５ａ，１５ｂを用いることと、クッション部品１９を用いることは、スライドユニット９と下段テーブル２の接続の剛性を下げることにつながり、熱膨張による変形をそれらが吸収する作用を持つ。これにより、熱変形によるステージの位置精度の悪化を防ぐことが可能となる。

図３、４の説明にあたっては、下段テーブル２の冷却として記載したが、上段テーブルを冷却する際の構造は、下段テーブル２を上段テーブルに読み替え、ベース部１を下段テーブル２に読み替えることで、同じ原理を用いることができる。

図５は、図２と同じ視点での構成を示した上で、ペルチェモジュールを駆動する上での制御方法の一例を示したものである。下段テーブル２に接するペルチェモジュール１０ａは、電流供給装置２５ａから電流が供給される。その際、流す電流の目標値を決めるのが制御装置２６ａであり、制御装置２６ａが決めた電流値になるように電流供給装置２５ａは動作を行い、結果として出力電圧が調整される。また、下段テーブル２に温度センサ２３を取付け、この温度を見て制御装置２６ａは目標電流を決める。この際の決め方の一例として、事前に目標温度を決めておき、計測温度との差が０になるようにＰＩＤ制御の演算式によって決める方法もある。ＰＩＤ制御は、比例制御と積分制御と微分制御を組合せるものであり。比例制御のゲイン、積分制御の積分時間、微分制御の微分時間を制御パラメータとし、そのパラメータを系の特性に合わせることで最適な制御を行うことができる。

同様に、上段テーブル３の温度を温度センサ２４で計測し、それを制御装置２６ｂが把握し、それが目標温度になるように目標電流を決め、電流供給装置２５ｂがその電流になるように動作した上で、上段テーブル用ペルチェモジュール１０ｂを駆動する。

電気抵抗を用いたヒーターの場合、電流の向きを変えても発熱がプラスであることに変わりはないが、ペルチェモジュールの場合は、電流の向きを逆にすると熱輸送の向きを反転させることが出来る。このため、通常はペルチェモジュールがテーブルを冷却しつつも、オーバーシュートなどで温度が下がり過ぎた場合は、電流の向きを反転させ、テーブルを加熱することも可能となる。また、そのような電流の反転もある運転方法の場合、目標温度の前後の限定した温度範囲では駆動電流を０にして、加熱も冷却もしない範囲を設け、細かな温度変化を防ぐことも可能である。

また、ステージが無負荷で発熱がなく、かつ、ペルチェモジュールも動作していない時に、試料室を冷却する冷却水の作用でステージの温度が目標より低くなるように冷却水温度設定しておくと、無負荷の時はペルチェモジュールがステージを加熱する動作を行うことで目標温度に保ち、一定以上の負荷がかかると、ステージを冷却するように運転することができる。このような冷却水温度の設定にすると、ペルチェモジュールが必要とする最大冷却能力が小さくて済み、装置の小型化が図れる。

また、電流供給装置２５は、出力電圧が変化して、電流を変化させる方式の他、出力電圧は常に一定にしたままで、ＰＷＭ動作によって時間平均の電流を制御する方法もある。すなわち、一定周期のパルスによって電流を流し、そのパルスの通電時間を制御することにより、時間平均で見た場合の通電時間の割合を変化させ、そのことで時間平均の電流を制御することもできる。この場合、電源の電圧を変化させる必要がないため、電流供給装置の内部の構成が比較的簡単になる。

なお、図１乃至５に例示するステージ装置は、走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置の真空チャンバー内に設置される。走査電子顕微鏡は、電子源から放出された電子ビームを集束して試料に照射するためのレンズ、集束された電子ビームを走査する走査偏向器、電子ビームの走査によって得られる電子を検出する検出器、当該検出器の出力に基づいて画像や信号波形を生成する演算処理装置を備えている。走査電子顕微鏡の原理上、試料雰囲気を真空に維持する必要があるため、試料を支持する移動ステージは真空内に配置される。

図６は、第２の実施例における装置構成を示したものであり、第１の実施例における図１と同じ視点で表示している。また、第１の実施例と同じ箇所は、部品に同じ符号を記載することで、説明を省略する。

第２の実施例が、第１の実施例と異なる点は、上段ステージを駆動するためのリニアモータの構成が異なる。第１の実施例では、コイル部品を可動子とし、磁石部品を固定子としていたが、第２の実施例ではそれを反転させ、磁石部品１７を可動子とし、コイル部品１６を固定子としている。これにより、磁石部品１７が上段テーブル３と接続され、リニアモータで生じた推力は磁石部品を通じて伝達される。リニアモータでは主にコイル部品が発熱するため、この構成にすることにより、モータの発熱が上段テーブルに伝わらなくて済むようになる。その代わり、コイル部品１６は下段テーブル２に接続されており、コイルの発熱は下段テーブル２に直接伝えられる。その伝熱による下段テーブル２の温度上昇は、ペルチェモジュール１０ａによって冷却され、温度変化を防いでいる。

この構成を採ると、上段テーブル３を冷却することが不要になり、上段テーブル冷却用のペルチェモジュールを設置しなくても済む。ただし、一般にリニアモータを構成する場合、コイル部品と磁石部品では磁石部品の方が重くなるため、磁石部品を可動子にすると、リニアモータが推力を与える対象の質量が増加し、リニアモータの負荷が増大する。よって、可動部の質量低減を優先する場合は、実施例１に例示したような構成を採用することが望ましい。

図７は、第３の実施例における装置構成を示したものであり、先ほどと同様に第１の実施例における図１と同じ視点で表示している。また、第１の実施例と同じ箇所は、部品に同じ符号を記載することで、同様に説明を省略する。第３の実施例においては、第１の実施例と同様に、上段用リニアモータの可動子をコイル部品１６にしている。ただし、コイル部品１６の発熱が上段テーブル３に伝わることを防ぐため、図の左側の部品を追加している。すなわち、コイル部品１６の発熱は伝熱部品２９が受け、伝熱部品２９はスライドユニット６ｂに熱を伝える。

スライドユニット６ｂは追加したガイドレール８ｂと摺動しており、このレールにモータの発熱が伝わる。ガイドレール８ｂは伝熱部品２７に取り付けられており、伝熱部品２７は下段テーブル２と接続している。ただし、部品２７と下段テーブル２の間の伝熱を防ぐため、断熱部品２８を間に挟んでいる。伝熱部品２７の下面はペルチェモジュール１０ｃが接続され、さらにその下面にスライドユニット９ｃが接続される。図７では、スライドユニット９ｃが、下段テーブルの四隅のスライドユニット５が使用しているガイドレール７を共有して使用するケースを示した。この構成以外に、スライドユニット９ｃは、下段用モータの発熱を逃がすために使用するスライドユニットが使用するガイドレールを共有して使用することも可能である。

ペルチェモール１０ｃを高負荷で運転すると、伝熱部品２７の温度を下段テーブル２より低くすることが可能になる。伝熱部品２７の温度が下がると、それに接続するガイドレール８ｂ、スライドユニット６ｂ、伝熱部品２９の温度も低下させることができる。伝熱部品２９の温度が上段テーブル３の温度よりも低くなると、コイル部品１６の発熱は上段テーブル３には伝わらなくなり、伝熱部品２９にのみ伝わるようになる。これにより、上段テーブル３の温度変化を防ぎ、かつ、下段テーブル２の温度にも影響を与えないで済むことが可能になる。

図８は、第４の実施例における装置構成を示したものであり、第１の実施例の図２と同じ方向の視点を使用するが、下段ステージの表示位置が異なる。下段ステージの移動を拘束するガイドレール７と摺動するスライドユニット５は、下段テーブル２の四隅に取り付けられたスライドユニットである。中央のガイドレール７ａは、下段用モータの発熱を逃がすためのスライドユニットと共有して使用するガイドレールを示している。このガイドレール７ａと摺動するスライドユニット９ａの上面にペルチェモジュール１０ａを取付け、そのペルチェモジュール１０ａの上面が下段テーブル２と接触している。

第１の実施例では下段テーブルを冷却するにあたり、四隅のスライドユニットと共通のガイドレールに向かって放熱していたが、第４の実施例では、モータの発熱を逃がすためのガイドレール７ａに放熱している点が異なる。このため、第４の実施例ではガイドレール７ａに放熱負荷が集中する。このため、ガイドレール７ａからベース部１への伝熱がスムーズに行くようにするため、冷却水配管１１の伝熱部１１ａをよりガイドレール７ａに近付けている。ガイドレール７ａから伝熱部１１ａに熱を伝えるための熱抵抗はベース部１の材質の熱伝導率と距離が関係し、熱抵抗が大きい場合は、その間の熱を伝えるための温度差がより大きくなる。その場合、その温度差の拡大は冷却水の温度を下げることで対応する必要がある。ただし、それによって冷却水温度を下げ過ぎると、ベース部１の全体の温度が下がり、ガイドレール７の温度も下がってステージの温度が下がってしまう。これに対し、ガイドレール７ａと伝熱部１１ａの距離を縮めて熱抵抗を小さくすると、冷却水温度を不必要に下げる必要がなくなり、ステージ温度を適正に保つことが可能になる。

１ ベース部
２ 下段テーブル
３ 上段テーブル
４ ウェハ用チャック
５ 下段ステージ用スライドユニット
６ 上段ステージ用スライドユニット
７ 下段ステージ用ガイドレール
８ 上段ステージ用ガイドレール
９ 伝熱用スライドユニット
１０ ペルチェモジュール
１１ 冷却水配管
１２ 電気絶縁板
１３ 熱電素子
１４ ペルチェモジュール用電気配線
１５ 熱伝導シート
１６ 上段ステージ用リニアモータのコイル部品
１７ 上段ステージ用リニアモータの磁石部品
１８ スライドユニット固定用ボルト
１９ クッション用樹脂部品
２０ 下段ステージ用リニアモータのコイル部品
２１ 下段ステージ用リニアモータの磁石部品
２２ 下段モータ接続用断熱部品
２３ 下段テーブル用温度センサ
２４ 上段テーブル用温度センサ
２５ ペルチェモジュール用電流供給装置
２６ ペルチェモジュール用制御装置

Claims (12)

1. 真空チャンバー内に配置されるステージ装置において、
   試料と共に移動するテーブルと、当該テーブルを特定方向に案内するガイドレールと、前記テーブルに接続され、前記ガイドレール上を前記テーブルと共に移動する第１のスライドユニットと、前記テーブルに接続されると共に当該テーブルを前記特定方向に移動させる駆動力を発生する駆動源と、前記テーブルと前記第１のスライドユニットの間に配置されるペルチェモジュールを備え、
   当該ペルチェモジュールは２面の伝熱面を持ち、一方の伝熱面は前記テーブルに接触し、他方の伝熱面は前記第１のスライドユニットに接触するように構成されていることを特徴とするステージ装置。
2. 請求項１において、
   前記ペルチェモジュールは、前記ペルチェモジュールの一方の伝熱面の全面が前記テーブルに接触し、他方の伝熱面の全面が前記第１のスライドユニットに接触するように設置されていることを特徴とするステージ装置。
3. 請求項１において、
   前記ペルチェモジュールに接触するスライドユニットとは別に、前記テーブルと接触すると共に、前記特定方向に前記テーブルと共に移動する１以上の第２のスライドユニットを備えていることを特徴とするステージ装置。
4. 請求項３において、
   前記第１のスライドユニットと前記テーブルとの接続剛性が、前記第２のスライドユニットと前記テーブルとの接続剛性より低いことを特徴とするステージ装置。
5. 請求項３において、
   前記第２のスライドユニットは、前記テーブル下面の四隅に設置され、前記第１のスライドユニットは、前記四隅に設置された第２のスライドユニットの内側に設置されることを特徴とするステージ装置。
6. 請求項１において、
   前記第１のスライドユニットと前記テーブルの間に当該第１のスライドユニットとテーブルより剛性の低いシートを介在させたことを特徴とするステージ装置。
7. 請求項１において、
   前記第１のスライドユニットと前記テーブルとの間を接続するボルトを備え、当該ボルトと前記第１のスライドユニットとの間、及び当該ボルトと前記テーブルとの間の少なくとも一方にクッション部材を備えたことを特徴とするステージ装置。
8. 請求項１において、
   前記第１のスライドユニットと前記テーブルとの間を接続するボルトを備え、当該ボルトと前記第１のスライドユニットとの間、及び当該ボルトと前記テーブルとの間の少なくとも一方に前記第１のスライドユニットより低剛性である部材を介在させたことを特徴とするステージ装置。
9. 請求項１において、
   前記ステージ装置は下段ステージの上に上段ステージが設置されたＸＹステージであることを特徴とするステージ装置。
10. 請求項９において、
    前記下段ステージ上設置され、前記上段ステージのテーブルを前記特定方向とは直交する方向に案内する上段ステージ用のガイドレールと、当該上段ステージ用ガイドレール上を、当該上段ステージと共に移動する第３のスライドユニットと、前記上段ステージ用のテーブルと前記第３のスライドユニットの間に配置されるペルチェモジュールを備え、当該ペルチェモジュールは２面の伝熱面を持ち、一方の伝熱面は前記上段ステージのテーブルに接触し、他方の伝熱面は前記第３のスライドユニットに接触するように構成されていることを特徴とするステージ装置。
11. 請求項９において、
    前記下段ステージのテーブルと、前記上段ステージのテーブルのそれぞれにテーブルの温度を計測する温度センサと、当該温度センサの計測結果に応じて、前記上段ステージのペルチェモジュールと前記下段ステージのペルチェモジュールを独立に制御する制御装置を備えたことを特徴とするステージ装置。
12. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームが照射される試料を載せるステージと、当該ステージをその内部に設置する真空チャンバーを備えた荷電粒子線装置において、
    前記ステージは、試料と共に移動するテーブルと、当該テーブルを特定方向に案内するガイドレールと、前記テーブルに接続され、前記ガイドレール上を前記テーブルと共に移動するスライドユニットと、前記テーブルに接続されると共に当該テーブルを前記特定方向に移動させる駆動力を発生する駆動源と、前記テーブルと前記スライドユニットの間に配置されるペルチェモジュールを備え、
    当該ペルチェモジュールは２面の伝熱面を持ち、一方の伝熱面は前記テーブルに接触し、他方の伝熱面は前記スライドユニットに接触するように構成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。

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