JP4034179B2 - ステージおよびそれを用いた電子顕微鏡装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主に電子顕微鏡用の試料ステージにかかわり，特に半導体素子製造分野における検査観察用の電子顕微鏡用試料ステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡装置は光学式の顕微鏡と比較し高い倍率を有するため、試料を移動位置決めするためのステージの停止安定度が悪いと、画像のブレ等を生じて観察が困難となり易い。このため、電子顕微鏡用の試料ステージに関しては、停止安定度を向上するために種々の発明がなされている。例えば、特許文献１に記載のもの、特許文献２に記載のもの、などがこれにあたる。
【０００３】
特許文献１に記載の例では，試料ステージにおいて、テーブルに可動接触子を設けるとともに、ベースに圧電素子を利用した押付け板を設け、位置決め後に押付け板により可動接触子を押して、薄板試料に接触させることにより振動を防止する構成が示されている。
【０００４】
また、特許文献２に記載のものでは、試料ステージにＺ移動機構を設けるとともに、テーブル上に設置する試料ホルダにアームを設け、位置決め完了後にテーブルをＺ移動機構により上方へ移動させて、上記アームを真空チャンバに設けた固定ブロックに圧力を制御しつつ接触させる構成が記載されている。
【０００５】
この構成によれば、上記の接触操作により電子光学系とテーブルの相対変位が抑圧されるため、観察像の振動を大幅に低減することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２０１２９８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８４３３７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電子顕微鏡用のステージ装置に要求される停止安定度には、低振動性とともに低ドリフト性がある。ステージのドリフトとは、停止状態のテーブルが時間経過とともにじわじわと停止位置の変動を生じる現象であり、その原因は、機構内部で発生した熱が機構構造を伝播していくことに伴って部材が熱変形を生じる現象、また、位置決め動作に伴って生じた駆動部やテーブル周辺の部材の微小な変形が、ガイドの摺動部分の微小な移動を伴いながら徐々に開放される現象、等であるとされる。
【０００８】
ステージのドリフトは、観察中の像の逃げの原因となるばかりでなく、近年電子顕微鏡の応用用途として重要な半導体素子のパターン寸法の計測においては、寸法計測誤差の要因となるため、極力小さく押さえる必要がある。
【０００９】
この、ドリフトを低減するという観点から従来の技術について見てみると、特許文献１に開示された例では、試料が可動接触子と押付け板を介してベースにつながるため、ドリフトの低減にも若干の効果は期待できる。しかしながら、実際には可動接触子とテーブルの摺動部分には可動性を確保するためにある程度のガタが必要であり、ドリフトを有効に低減できるほどの拘束性を実現することができないという問題がある。
【００１０】
一方、特許文献２に開示された例では、テーブル上のホルダがアームを介して、真空チャンバに設けられた固定ブロックに所定圧力で接触するため、テーブルのドリフトはかなり有効に低減されると考えられる。しかしながら、本方式では、ステージにＺ移動機構を新たに設けなければならず、ステージ機構が複雑かつ大型になるという問題がある。
【００１１】
本発明の目的は，これらの問題点を解決し，簡略な構造によりながら、電子顕微鏡用試料ステージのドリフトの低減を実現することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では、固体滑り案内を用いたステージ機構において、テーブルを駆動する送りナットとテーブルの結合を、ガタを有する結合手段と、バネによる結合手段とを並列に備えたナット結合機構により行う。
【００１３】
また、本発明の一形態では、上記のステージを積層してＸＹステージを構成する。
また、本発明の別の一形態では、上記のステージに、ステージの位置を検出する手段と、ステージの位置情報からドリフトを検出する手段と、ドリフトを抑止するサーボ回路を設けるとともに、位置決め動作完了後に上記サーボ回路の出力を、送りネジを駆動するモータに加える切替手段を設ける。
【００１４】
また、本発明の別の一形態では、上記方法により構成したステージを電子顕微鏡装置内に設ける。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の一実施例であるステージを示す斜視図であり、図３は同ステージのテーブルの構造を示す斜視図である。本ステージはベース１、テーブル３、およびテーブル３を移動させるための駆動機構等から構成されている。
【００１６】
ベース１には、テーブル３を案内する為の滑り案内面１１が設けられている。テーブル３には、案内面１１と滑り接触する滑りパッド２１が設けられ、さらに、これらのパッドに予圧、すなわち押し付け力を与える為の予圧手段３１が設けられている。滑りパッド２１には、摩擦特性や対磨耗性の観点からこのような用途に通常用いられる、充填材入りふっ素樹脂を用いている。
【００１７】
図３はテーブル３を下側から見た斜視図である。送りナット５は、ナット結合機構６１を介し、テーブル３に結合されている。
【００１８】
図４および図５はナット結合機構６１の詳細な構造を示す分解図および断面図である。送りナット５に固定された結合部材６３には円柱部６４と板バネ部６５が固定されている。一方、テーブル３に固定されたガタ部材６２には角穴および板バネ結合面６６が設けてある。円柱部６４はガタ部材６２の角穴に入り込み、板バネ部６５の端部は板バネ結合面６６に固定されている。角穴の送り方向の寸法は、円柱部６４の径よりもやや大きく加工され、これによりガタ部材６２と円柱部６４の間にはガタが生ずる。
【００１９】
図６はナット結合機構の作用を示す図である。（Ａ）の中立状態では、円柱部６４は角穴の壁に接触していないため、ガタ部材６２と結合部材６３は板バネ部６５によってのみ結合している。次に、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、送り方向の力がかかって板バネ部６５が変形し円柱部６４が角穴の壁に接触すると、ガタ部材６２と結合部材６３はこの接触によって結合し、それ以上の変形は起こらなくなる。
【００２０】
この特性をグラフで示したのが図７である。（Ａ）は本実施例による送りナット５とテーブル３の結合における相対変位Δと伝達力Ｆの関係を示し、（Ｂ）は比較のための、ガタ結合のみによる相対変位Δと伝達力Ｆの関係を示す。ガタ結合のみの場合、中間の領域では力が全く伝達されないのに対し、本実施例では、ガタ結合とバネによる結合を並列に備えているため、中間の領域では相対変位に応じた伝達力が生じることが分かる。
【００２１】
一般に、ふっ素樹脂を用いた滑りガイドは、明確な滑り出しを生ずる静止最大摩擦力よりやや小さい外力が継続的に加わった場合に、微小な連続的滑りを生ずる特性を持っている。また、この際の滑り速度は、外力の大きさに依存する特性となる。したがって、熱変形や部材の残留歪等によってテーブルに生じたドリフトを打ち消すためには、丁度ドリフトが０となる大きさの推力をドリフトの方向と逆向きに継続的に加えてやれば良い。しかしながら、送りナットとテーブルを剛に結合したり、あるいはガタ結合をすると、このように比較的小さな推力を継続的にテーブルに加えることは困難である。
【００２２】
これに対し、本実施例によれば、ガタの中間位置では相対変位と伝達力が比例関係となるので、モータの回転角によって推力を容易に制御することができる。またこれに加え、送り動作中で大きな推力が働く場合には、ガタ結合によって相対変位の上限が拘束されるため、テーブルと送りナットの間に過大な変位を生じたり、位置決め精度が低下したりすることは無い。
【００２３】
なお、比較的速度の速いドリフトまで有効に低減するためには、上記の推力の制御可能な範囲が最大静止摩擦力の近くまで達していることが望ましく、このためには、円柱部６４が角穴の壁に接触する近辺での伝達力、すなわち板バネ部６５の発生力が最大静止摩擦力とほぼ等しくなるように板バネ部６５の弾性を設計することが望ましい。
【００２４】
図８は上記第一の実施例のステージを積重ねてＸＹステージを構成した例を示す斜視図である。作用は上記実施例と同一であり、ＸＹ平面内でのドリフト低減が可能である。
【００２５】
図１は本発明の別の実施例である電子顕微鏡装置を示す図である。本実施例では、上記実施例であるＸＹステージを真空チャンバ２に格納し、試料ステージとして用いている。真空チャンバ２の内壁にテーブル３の位置を正確に測定する干渉計５０を設け、干渉信号５１を制御回路５２内に設けた干渉測長回路５３に入力する。
【００２６】
位置決め動作においては、切替スイッチ５６により、干渉測長回路５３からのテーブル位置信号に基づいて位置決めサーボ回路５８が発生したモータ位置指令信号５９がドライブ回路５７に入力し、高速位置決め動作が行われる。
【００２７】
位置決めが完了すると、切替スイッチ５６が切替えられ、ドリフト検出回路５４およびドリフトサーボ回路５５が発生したモータ位置指令信号５９がドライブ回路５７に入力する。
【００２８】
テーブルのドリフト速度として問題になる速度は、位置決め移動速度が最大２００ミリメートル毎秒程度であるのに対し、数十ナノメートル毎秒以下の大きさと極端に小さく、高い速度測定分解能が必要となるため、本実施例では、ドリフト検出回路５４において、干渉測長回路５３から取出した干渉信号の位相差の変動から直接ドリフト速度を算出する方法を用いる。ドリフトサーボ回路５５はこうして得られたドリフト速度をもとに、モータ位置指令信号５９を発生する。
【００２９】
この構成により、停止後のステージのドリフト速度２ナノメートル毎秒以下が実現され、極めて安定な像観察および高精度なパターン寸法測定が可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、簡略な構造で、ドリフトの低減が可能な電子顕微鏡用ステージを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である電子顕微鏡およびその制御回路を示す図。
【図２】本発明の一実施例であるステージを示す斜視図。
【図３】テーブルの構造の一例を示す斜視図。
【図４】ナット結合機構の構造の一例を示す分解図。
【図５】同機構の断面図。
【図６】同機構の作用を示す図。
【図７】同機構における相対変位と伝達力の関係を示すグラフ。
【図８】本発明の一実施例であるＸＹステージを示す斜視図。
【符号の説明】
１………ベース、 ２………真空チャンバ、
３………テーブル、 ４………送りネジ、
５………送りナット、 ６………モータ、
７………電子光学系カラム、
１１………滑り案内面、 ２１………滑りパッド、
３１………予圧機構、 ４１………Ｘ移動テーブル、
５０………干渉計、 ５１………干渉信号、
５２………制御回路、 ５３………干渉測長回路、
５４………ドリフト検出回路、 ５５………ドリフトサーボ回路、
５６………切替スイッチ、 ５７………ドライブ回路、
５８………位置決めサーボ回路、 ５９………モータ位置指令信号、
６１………ナット結合機構、 ６２………ガタ部材、
６３………結合部材、 ６４………円柱部、
６５………板バネ部、 ６６………板バネ結合面、
Ｆ………伝達力、 Δ………相対変位。

Claims (5)

1. ベースと、
   前記ベース上に設けられた滑り案内面上を移動可能なテーブルと、
   前記テーブルを移動するための駆動力を与える送りネジと、
   前記テーブルに固定されたガタ部材と、
   前記ガタ部材へ力を伝達する伝達部材が固着された結合部材と、
   前記結合部材に取り付けられ、前記ガタ部材と前記結合部材とを結合するバネ部材とを備え、
   前記結合部材は前記ガタ部材に前記バネ部材を介して力を伝達し、一定の移動後に前記伝達部材の動力が前記ガタ部材に伝達されることを特徴とするステージ。
2. 前記バネ部材は、前記結合部と固着する支柱部と、前記支柱部の両側に延在する板バネと、前記板バネに繋がり前記ガタ部材と固着する接合部とからなっていることを特徴とする請求項１に記載のステージ。
3. 請求項１に記載のステージを積層して構成したことを特徴とするＸＹステージ。
4. 前記テーブルの位置を検出する位置検出回路と、
   前記位置検出回路が検出したテーブルの位置情報からドリフトを検出するドリフト検出回路と、
   前記ドリフトを抑止するドリフトサーボ回路と、
   前記送りネジを駆動するモータとを備え、
   前記ドリフトサーボ回路は、前記テーブルの位置決め動作完了後に、前記ドリフト検出回路で決定されるドリフトを基に前記モータに位置指令信号を伝達することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のステージ。
5. 前記請求項１、請求項２または請求項３のいずれかに記載のステージを備えたことを特徴とする電子顕微鏡装置。

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