JP4051881B2

JP4051881B2 - 制動機構および電子顕微鏡用試料ステージ

Info

Publication number: JP4051881B2
Application number: JP2000383113A
Authority: JP
Inventors: 英一瀬谷; 勝松島; 実清水; 正和高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2020-12-12
Also published as: JP2002184339A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は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に用いて好適な電子顕微鏡の試料ステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡用の試料ステージにはナノメータオーダの低振動性および低ドリフト性が必要とされる。このため、特開昭５９−６０８５４号公報、特開平３−１５９０４８号公報などに防振あるいはドリフト低減を目的とした技術が提案されている。
【０００３】
たとえば、特開昭５９−６０８５４号公報では電子レンズ下端をステージ上面に接触させたままステージをＸＹ方向に位置決めする方法が開示されている。この方法によれば、電子レンズとステージの相対移動が抑圧されるため、振動やドリフトによる画像の乱れを低減することができる。
【０００４】
また、特開平３−１５９０４８号公報では、観察時に試料台の移動部分を電気式のロック機構を用いて固定部分に強く押しつける方法が開示されている。この方法によれば、試料台の移動に必要な推力が増大するなどの問題点を生ずることなしに、試料を低振動かつ低ドリフトで観察位置に固定することが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、電子顕微鏡は半導体素子の製造分野において検査・観察用途に多く用いられている。これらの用途に用いる電子顕微鏡は、シリコンウェハを切断せずに全面を観察する目的で、直径３００ミリメートルのウェハを支持可能で、さらにウェハの直径を上回る可動範囲を持つ試料ステージを備えている。
【０００６】
しかし、このように大型の試料ステージは、重量に対する機械剛性を高くとることが難しく、機械共振周波数が低下するため、外部からの振動を拾いやすくなる。半導体製造ラインは一般にクリーンルーム環境であるため、空調から生ずる５０〜２００Ｈｚ程度の振動のレベルが高く、その影響は深刻なものとなる。
【０００７】
また、高倍率で試料を観察する際に、試料ステージにドリフト（時間の経過とともに停止位置が微小にずれていく現象）が存在すると、微細パターンの寸法測定などを行う際に測定精度が低下する。
【０００８】
ところで、半導体の検査・観察に用いる電子顕微鏡の試料ステージを低振動化あるいは低ドリフト化する場合、（１）観察対象であるウェハの径が大きく、しかもそのウェハ全面を観察できなければならない、（２）観察するウェハ面を電子レンズでこすることは許されない、という制約があるため、特開昭５９−６０８５４号公報に開示された方法では電子レンズが接触する部位をウェハの移動範囲の外に設けなければならず、その実現にはきわめて大きな試料ステージが必要になってしまう。また、特開平３−１５９０４８号に開示された方法は、試料ステージ各軸の駆動機構が試料室側面に集中して設置される小型の電子顕微鏡には適するが、半導体用の電子顕微鏡に適用しようとすると、真空室内に設置されたステージの各軸の移動部分にリモートコントロールのロック機構を設けなければならないため、制御が複雑で信頼性が低いという問題点がある。
【０００９】
本発明の目的は、これらの問題点を解決し、半導体用のシリコンウェハの全面を観察できる移動ストロークを持ちながら、しかも低振動、低ドリフトである制動機構およびそれを有する電子顕微鏡用試料ステージ構造を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ベースとの間に滑り摩擦を生じさせるための、移動テーブルに固定した制動機構を用い、その制動機構をテーブルに固定された２つの平行板バネ機構とそれぞれの平行板バネのうちの１つの板バネに固定された２つの与圧部材と、その与圧部材の片方に固定された滑りパッドと、２つの与圧部材の間隔を調整する調整手段で構成する。
【００１１】
また、本発明の別の一形態では、上記の制動機構において各板バネをベースに設けた滑り面と平行に設置する。
【００１２】
また、本発明の別の一形態では、上記の制動機構において与圧部材Ｂに固定された板バネの面のうち、ベースの滑り面に近い側の面を与圧部材の滑りパッド取付け面と同一の面とする。
【００１３】
また、本発明の別の一形態では、上記の制動機構において与圧部材に固定された板バネの面のうち、ベースの滑り面に近い側の面と滑りパッド取付け面との段差を１ミリメートル以下とする。
【００１４】
また、本発明の別の一形態では、上記の制動機構において与圧部材に固定された板バネの面のうち、ベースの滑り面に近い側の面と滑りパッドの滑り面の段差を、板バネが平面をなす条件において１ミリメートル以下とする。
【００１５】
また、本発明の別の一形態では、上記の制動機構において２つの与圧部材の間隔を固定する間隔固定手段を設ける。
【００１６】
また、本発明の別の一形態では、ベースとＸ方向に移動可能に支持されたＸ移動テーブルと、Ｘ移動テーブルに対しＹ方向に移動可能に支持されたＹ移動テーブルを備えた電子顕微鏡用試料ステージにおいて、Ｘ移動テーブルとベースの間に少なくとも２つの上記制動機構を設ける。
【００１７】
また、本発明の別の一形態では、ベースとＸ方向に移動可能に支持されたＸ移動テーブルと、Ｘ移動テーブルに対しＹ方向に移動可能に支持されたＹ移動テーブルを備えた電子顕微鏡用試料ステージにおいて、Ｙ移動テーブルとＸ移動テーブルの間に少なくとも２つの上記制動機構を設ける。
【００１８】
一般に、ステージ機構を低振動・低ドリフトにするための一方法として、テーブルの移動方向を拘束する送りガイド機構とは別に、テーブルとベースの間に滑りを用いた制動機構を付加する方法がある。この方法では、停止時には静止摩擦を利用してテーブルを安定に固定する一方、移動時には静止摩擦力を超える力をかけることにより滑りが生じ、テーブルの移動が可能となるという特徴がある。
【００１９】
上記の方法に用いる制動機構には、送り方向の剛性が高いことが必要となる。静止時には、送り軸方向にテーブルを固定する剛性は制動機構自体の剛性に依存するので、この方向の固定剛性が弱いとテーブル質量との間で形成される振動系の共振周波数が低下してしまうためである。また、制動機構の送り方向剛性が低いと、移動に伴って摩擦力により発生する変形が大きく、停止後にこの変形が徐々に開放されることによりドリフトの原因になってしまう。
【００２０】
一方で、制動機構には摩擦を発生する面に安定に面圧がかかるようにする必要性から、この面を押しつける方向の剛性を低くする必要もある。ステージを構成する部材の機械加工の精度には限界があるため、摺動に伴ってテーブルとベースの滑り面の間隔は微小に変化するから、面の押し付け剛性が高いと面圧が大きく変動し、これに伴って摩擦力も変動してしまう。送り中におけるこのような摩擦力変動は、位置決め精度の低下をもたらす結果となる。
【００２１】
本発明ではこれらの要求を同時に実現するために、図１に示すように板バネ２２，２３，２４，２５を用いる。図において、２は移動テーブル、１０は固定部材、１１は貫通穴、２０は平行板バネ手段Ａ、２１は平行板バネ手段Ｂ、２２は板バネＡ１、２３は板バネＡ２、２４は板バネＢ１、２５は板バネＢ２、３０は与圧部材Ａ、３１は与圧部材Ｂ、４０は滑りパッド、４１は間隔調整手段である。
【００２２】
一般に板バネは、面と垂直な曲げ方向には剛性が低い一方で、面内の引っ張り圧縮には剛性が高いという性質を有するため、滑り面と平行に配置することによって、上記のような特性を実現することができる。
【００２３】
さらに、本発明では与圧をかける方法として図４に示すように間隔調整手段４１を用いる。ここで、図において５０は滑り面、７０は滑り面に近い板バネ面、７１は滑りパッド取付け面、７２はパッドの滑り面を指す。同図（Ａ）は初期の状態で、間隔調整手段であるネジ４１を用いて２つの与圧部材３０、３１の間隔を押し広げることによって同図（Ｂ）に示すように与圧部材３０、３１はそれぞれ上下に変位する。同図（Ｃ）に示すようにベースの滑り面５０に押しつけることで与圧をかけることができるが、このとき与圧部材の押し付け方向に関する支持剛性は各平行板バネの剛性の和となる。本実施例ではネジ４１を回すことにより、取付け状態で与圧を調整することが可能である。このように、押し付け方向の剛性を低く保ちながら、自由に与圧を調整できることが本発明の利点の１つである。
【００２４】
滑りパッド４０には、磨耗性や凝着性、相手の滑り面を傷つけないなどの観点からフッ素樹脂系の材料を用いるのが望ましい。その厚みは、磨耗寿命の観点から極端に薄くすることはできないが、樹脂材料の材料弾性率は金属材料と比較すると１０倍以上低いので、せん断変形によるテーブル滑り面と与圧部材の間の剛性低下を避けるため、０．５ミリメートル以下の厚みとすることが望ましい。
【００２５】
また、一般に板バネは、曲がった状態では、平面をなす状態に比較して面内の引っ張り圧縮に対する剛性が低下するので、摺動方向に高い剛性を得るには、使用状態では図４（Ｃ）のごとく下側の板バネ２３、２５が極力曲がっていない状態となるように取付け位置を工夫することが望ましい。このためには、滑りパッドの取付け面７１と板バネの図中下側の面７０を同一面とするか、あるいは両者の段差を１ミリメートル以下とするとともに、ベースの滑り面５０と板バネ下側の面７０の間隔も１ミリメートル以下とすることが望ましい。
【００２６】
図５は、制動機構に摺動摩擦力が加わった際の変形を示す断面図である。同図（Ａ）に示すように、摺動摩擦力により与圧部材３１に回転モーメントが働き、板バネ２３，２５の曲げが発生する結果、摺動方向の剛性が低下するだけでなく、滑りパッド４０の片当たりや偏磨耗を引き起こす。上記のように、ベースの滑り面１と板バネ下側の面７０を近接させることにより、回転モーメントはかなり低減できるが、０にすることはできない。
【００２７】
そこで本発明では、同図（Ｂ）に示すように与圧部材３０、３１を連結して固定する間隔固定手段４２を設け、間隔調整手段４１により調整を行った後で固定を行う。この方法により、上記の板バネ２３，２５の曲げを低減することができる。
【００２８】
図６および７は上記本発明の制動機構を備えたＸＹステージを示す斜視図である。同図において１はベース、５はＸテーブル、６はＹテーブル、４５は取付け穴、５０は滑り面、５５は制動機構、６０はＸレール、６１はＹレール、６２はスライダーである。
【００２９】
図のように、Ｙテーブル６およびＸテーブル５は、それぞれＸテーブル５およびベース１上に設けた滑り面５０に対し、制動機構５５の作用により振動やドリフトなく停止することができる。Ｙテーブル６およびＸテーブル５に各２個ずつ制動機構５５を設けることにより、水平面内の回転、いわゆるヨーイングの方向の振動やドリフトも低減することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例である制動機構を示す断面図、図２は同制動機構の分解図である。なお、図２においては部品中でネジ類は省略してある。固定部材１０の図中における下面２ヶ所に板バネ２２、２３、２４、２５の端部が結合した部材がネジにより固定される。これらの板バネ２２と２３、２４と２５はそれぞれ平行板バネ機構２０、２１を構成する。また、板バネ２２と２４、２３と２５はそれぞれ固定された端部と反対側の端部で与圧部材３０および３１を支持している。与圧部材３０にはタップ穴が設けられ、間隔調整手段であるネジ４１が坩合されている。また、与圧部材３１の下面には滑りパッド４０が接着により固定されている。
【００３１】
固定部材１０の中央部には貫通穴１１を設け、上部よりレンチ等を用いてネジ４１を回転させることが可能となっている。また、与圧部材３０および３１の側面、すなわち図中手前側および奥側の面にはタップ穴が設けられており、間隔固定手段４２がネジにより固定される。この構造により、本制動機構をテーブルに取り付けた後でも、ネジ４１を用いた与圧調整が可能で、さらに間隔固定手段４２により与圧部材３０および３１を相対的に固定することにより、摺動摩擦力による傾きの発生を防ぐことができる。
【００３２】
なお、本実施例においては、図２に示す通り、与圧部材３０と板バネ２２、２４およびそれが結合する端部の部材、また、与圧部材３１と板バネ２３、２５およびそれが結合する端部の部材をそれぞれ一個の部品とする部品構成となっているが、上に述べた各機能部分を含むような部品構成はこの他にも可能である。
【００３３】
図６および７は本発明の別の実施例であるＸＹステージを示す斜視図および分解図を示し、図３は制動機構の取付け方法を示す取付け分解図である。
【００３４】
本実施例では、ベース１上に固定されたＸレール６０の上を摺動可能な４つのスライダー６２にＸテーブル５が固定されて、Ｘ方向に移動可能に支持されている。さらに、Ｘテーブル５上に固定されたＹレール６１の上を摺動可能な４つのスライダー６２にＹテーブル６が固定されて、Ｙ方向に移動可能に支持されている。Ｘテーブル５およびＹテーブル６には、それぞれ２つの取付け穴４５を設け、各取付け穴４５に前の実施例である制動機構５５が固定され、ベース１およびＸテーブル５に設けられた滑り面５０に摩擦接触をしている。
【００３５】
図３に示す通り、制動機構５５は上方より取付けが可能となっているので、ベースおよびテーブル等を組立て、移動精度等を調整した後に制動機構５５を取付け、与圧を調整することができる。また、取付け穴４５には制動機構５５の長手に対し横側にスペースを設けてあり、与圧調整後に間隔固定手段４２を固定することが可能である。
【００３６】
制動機構５５の静止摩擦を利用した停止安定化の作用により、本実施例においては、Ｘ、Ｙ、水平面内の各方向について、テーブルを振動およびドリフト無しに静止させることが可能になっている。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体用のシリコンウェハの全面が観察できる移動ストロークを持ちながら、低振動かつ低ドリフトな試料ステージが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の制動機構を示す断面図。
【図２】本発明の一実施例の制動機構を示す分解斜視図。
【図３】本発明の一実施例の制動機構を示す取付け分解斜視図。
【図４】与圧による板バネの変形を示す制動機構の断面図。
【図５】摺動摩擦力による板バネの変形を示す制動機構の断面図。
【図６】本発明の一実施例の試料ステージを示す斜視図。
【図７】本発明の一実施例の試料ステージを示す分解斜視図。
【符号の説明】
１…ベース、２…移動テーブル、５…Ｘテーブル、６…Ｙテーブル、１０…固定部材、１１…貫通穴、２０…平行板バネ手段Ａ、２１…平行板バネ手段Ｂ、２２…板バネＡ１、２３…板バネＡ２、２４…板バネＢ１、２５…板バネＢ２、３０…与圧部材Ａ、３１…与圧部材Ｂ、４０…滑りパッド、４１…間隔調整手段、４２…間隔固定手段、４５…取付け穴、５０…滑り面、５５…制動機構、６０…Ｘレール、６１…Ｙレール、６２…スライダー、７０…滑り面に近い板バネ面、７１…滑りパッド取付け面、７２…パッドの滑り面。

Claims

その上面に形成された一対のＸレールと、当該一対のＸレールと平行に形成された第１の滑り面とを備えたベースと、
前記一対のＸレール上をＸ方向に移動可能に支持され、かつ一対のＹレールと、当該一対のＹレールと平行に形成された第２の滑り面とを備えたＸ移動テーブルと、
前記一対のＹレール上をＹ方向に移動可能に支持されたＹ移動テーブルと、
前記Ｘ移動テーブルと前記第１の滑り面の間もしくは前記Ｙ移動テーブルと前記第２の滑り面との間に設けられた制動機構とを備えた電子顕微鏡用試料ステージにおいて、
当該制動機構は、
前記第１の滑り面もしくは第２の滑り面に対して対向して配置され、底面に滑りパッドが形成された第１の与圧部材と、
当該第１の与圧部材の両側に第１の滑り面もしくは第２の滑り面に対して平行に固定された第１の平行板バネと、
前記第１の与圧部材の上方に配置され、該第１の与圧部材と間隔調整手段を介して固定された第２の与圧部材と、
当該第２の与圧部材の両側に、第１の平行板バネに対して平行に固定された第２の平行板バネと、
前記第１の平行板バネにおける前記第１の与圧部材との固定端とは逆側の端部と、前記第２の平行板バネにおける前記第２の与圧部材との固定端とは逆側の端部とを固定する固定部材とを備えたことを特徴とする電子顕微鏡用試料ステージ。
請求項１に記載の電子顕微鏡用試料ステージにおいて、
前記第１の平行板バネの下面と前記滑りパッドの前記第１の与圧部材に対する取付け面と同一の面であることを特徴とする電子顕微鏡用試料ステージ。
請求項１または２に記載の電子顕微鏡用試料ステージにおいて、
前記第１の平行板バネの下面と前記滑りパッドの前記第１の与圧部材に対する取付け面との高さの差が１ミリメートル以下であることを特徴とする電子顕微鏡用試料ステージ。
請求項１から３のいずれか１項に記載の電子顕微鏡用試料ステージにおいて、
前記平行バネが金属材料により構成され、前記滑りパッドがフッ素樹脂により構成されたことを特徴とする電子顕微鏡用試料ステージ。
前記請求項１から４のいずれかに記載の電子顕微鏡用試料ステージにおいて、
前記第１の与圧部材と前記第２の与圧部材との間隔を固定する間隔固定手段を備えたことを特徴とする電子顕微鏡用試料ステージ。