JP4866045B2 - 電子顕微鏡装置および同装置における試料ステージの位置決め制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に、半導体製造分野における半導体の検査や評価に用いて好適な、電子顕微鏡装置および同装置における試料ステージの位置決め制御方法に関する。

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。通常、半導体ウェーハ上に形成したパターンの形状寸法が正しいか否かを評価するために、測長機能を備えた走査型電子顕微鏡（以下、測長ＳＥＭと称す）が用いられている。
測長ＳＥＭでは、ウェーハ上に電子線を照射し、得られた二次電子信号を画像処理し、その明暗の変化からパターンのエッジを判別して寸法を導き出している（例えば、特許文献１参照）。

このため、３５ｎｍノードのデザインルールに対応させるためには、３０万倍以上の観察倍率において、よりノイズの少ない二次電子像を得ることが重要な課題となっている。また、像を何枚も重ね合わせてコントラストを向上させるため、ウェーハを搭載保持しているステージは、ｎｍオーダの振動やドリフトを抑える必要がある。

また、測長ＳＥＭでは、評価したウェーハを製造ラインに戻すことから、ウェーハを小片に分割することはできない。従って、ウェーハ全面を評価するためには、それをカバーするストロークを持ったウェーハステージが必要である。
現状、ウェーハサイズは３００ｍｍが主流になっており、そのためのステージはかなりの大型になる。同時にスループット向上の観点からステージの高速化のための高出力駆動機構が必要となり、モータや駆動軸の発熱による温度上昇が発生する。

従来、これらの熱膨張収縮によるテーブルのドリフトを回避する手段として、ステージの位置をリアルタイムにモニタし、そのテーブルの挙動に追従してモータの制御量や電子線の偏向量にフィードバックする、いわゆるサーボ制御技術があった（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、ｎｍオーダでステージや電子線の位置制御を行うためには、高分解能かつ高速でステージの位置を計測するシステムと、サーボ制御を行うためのサーボ回路、サーボモータおよびその調整が必要となり、システムの複雑化と装置のコストアップにつながってしまう。また、サーボ制御の場合、停止状態でも微少な振動が発生しており、装置全体を加振させ二次電子像に影響を及ぼすことがある。

この対策として考え出されたのが、移動テーブルと駆動軸との間に２０μｍから１００μｍのギャップを設けて、停止時は駆動軸を切り離す技術である（例えば、特許文献３参照）。この技術では、パルスモータを用いたオープンループによる制御が可能になっている。
特開平９−１６６４２８号公報（段落「００１２」〜段落「００１６」、図４） 特開２００２−１２６９６４号公報（段落「０００５」〜段落「００１６１、図１） 特開２００４−１３４１５５号公報（段落「０００７」〜段落「００１１」、図２）

しかしながら、特許文献３に開示された技術によれば、駆動部にギャップを持つ構造を採用するため、歯車のバックラッシと同様な不感帯が生じ、微動送りが不得手となる。従って、そのギャップより短い距離だけ移動したい場合は、一旦、長距離送り移動を行ってギャップを一方向に寄せてから、目標位置に向かって微動送り移動のための制御を行う。このため、目標位置に到達するのにより多くの時間を要してしまい、スループットが低下するという新たな問題が発生する。

本発明は前記した問題を解決するためになされたものであり、安価でありながら、微動送り移動時においても移動時間が増加せず、また、ステージ停止時における熱ドリフトや振動によるノイズを抑えることが可能な試料ステージを搭載した電子顕微鏡装置および同装置における試料ステージの位置決め制御方法を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明は、テーブルを駆動するボールネジ等の駆動部とテーブルとの結合部にギャップを設けると共に、テーブルの移動前の位置からの目標位置までの移動距離が、ギャップより大きい場合、移動距離に応じた粗動送り制御を行い、微動送り移動時のテーブルの移動前の位置からの目標位置までの移動距離が、ギャップに等しいかそれより小さい場合は、位置検出器による測定値と予め設定される目標値との偏差を監視し、目標値との偏差がある一定値以下になった時点でテーブルの駆動を停止させる微動送り制御を行い、更に、テーブル停止後は、結合部のギャップを利用して駆動軸を切り離すための位置制御を行うようにした。

本発明によれば、長距離送り移動時は、高速移動が可能であり、また、微動送り移動時は、位置検出器による測定値と予め設定される目標値との偏差を監視しながらテーブルの駆動を停止させるため、ギャップを意識した無駄な送り制御の必要はなく、短時間での位置決めが可能になる。このことにより、安価で単純なオープンループ制御を採用しながら、微動送り移動時においても移動時間が増加することなく、また、ステージ停止時における熱ドリフトや振動によるノイズを抑えることが可能な試料ステージを搭載した電子顕微鏡装置および同装置における試料ステージの位置決め制御方法を提供することができる。

以下、図面（図１〜図４）を参照しながら、本発明実施形態に係る電子線顕微鏡装置および同装置における試料ステージの位置決め制御方法について詳細に説明する。

図１は、本発明実施形態に係る電子線顕微鏡装置の全体構成を示す図である。ここでは、試料ステージを搭載した測長ＳＥＭが例示されている。
図１において、真空ポンプ１により真空排気可能な試料室２の内部には、試料ステージ３が搭載されている。試料ステージ３は、ベース４、センターテーブル５、トップテーブル６などから構成される。センターテーブル５は、ベース４上にある案内機構としてのＸ滑り案内部材７により拘束され、一方向（Ｘ方向（図１中左右方向））に移動が可能となっている。センターテーブル５はまた、駆動機構としてのＸボールネジ８の回転によって直線運動を行うＸロッド９により押し引きされるが、Ｘロッド９先端のピン１０とセンターテーブル５のガイド部１１には５０μｍのギャップ１２が空いている。Ｘボールネジ８は、真空シールを施したシャフト１３に結合され、パルスモータ（ＰＭ）１４により回転が可能である。

また、センターテーブル５上には、Ｘ滑り案内部材７と直角に交差したＹ滑り案内部材１５が同様に構成され、トップテーブル６はＹ滑り案内部材１５に沿って一方向（Ｙ方向（図１面に対して奥側・手前側方向））に移動する。トップテーブル６とＹロッドの結合については、センターテーブル５と同様にＹロッド先端のピンとガイド部の間にギャップが設けてられている。なお、ここに列挙したＹロッド、ピン、ガイド部、ギャップについてはいずれも不図示とする。

一方、トップテーブル６上には、試料ホルダ１６が搭載されており、試料ホルダ１６上にはウェーハ１７が固定されている。また、トップテーブル６上には、ステージ位置制御用にバーミラー１８が取り付けられており、レーザ干渉計（図１中「干渉計」と略す）１９等の位置検出器を用いて位置測定が行われる。
制御装置１００は、レーザ干渉計１９によって測定された試料ステージ３の位置に基づいてＰＭ１４を制御してＸ方向およびＹ方向のステージ位置制御を行う。

なお、制御装置１００は、レーザ干渉計１９と協働して請求項に記載された「制御手段」として機能し、具体的には、内蔵のメモリに記録されたプログラムを読み出し、後記する図２のフローチャートに従う手順を逐次実行するマイクロプロセッサで構成されるものとする。

一方、試料室２の上部には、電子線源となる電子銃２０、電子線２１の軌道を変える偏向器２２、電子線２１を収束させる電子レンズ２３、ウェーハ１７から放射される二次電子２４を取り込むための二次電子検出器２５などが組み込まれた鏡筒２６を搭載している。二次電子検出器２５の信号は、制御部２７により信号処理され、観察用のＣＲＴ（Cathode Ray Tube）２８に送られる。

ここで、前記した構成を持つ本発明実施形態に係る電子顕微鏡の動作原理について説明する。通常、利用者は、ウェーハのパターン形状の評価方法として、（１）所望のパターンがチップ内のどの位置にあるか、（２）１枚のウェーハに対して配列されたどのチップのパターンを評価するか、のそれぞれについて座標を用いて予め登録しておく。
評価時、制御装置１００は、登録された内容に基づき、自動的にその座標位置まで試料ステージを移動した後、電子線２１をウェーハ１７上に照射し、偏向器２２で走査して数万倍から数十万倍の二次電子像を取得し、ＣＲＴ２８上に表示する。そして、この二次電子像の明暗の変化からパターンの形状を判別し、指定した形状（パターン線幅やピッチ等）の寸法値を算出する。その後、次に登録されたチップの座標位置に移動し、同様に画像取得を繰り返し行う。

次に、図２および図３を用いて、本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置における試料ステージの位置決め制御方法について詳細に説明する。
図２は、本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置における試料ステージの位置決め制御方法の実行手順を示すフローチャートである。また、図３は、本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置における試料ステージの位置決め制御方法を説明するために引用した図である。

図２に示すフローチャートによれば、まず、ステップＳ１０において目標位置の設定を行う。具体的には、予め登録してあるステージ座標、もしくは装置オペレータが手入力やカーソルよる座標値の指定により、目標値、例えば、図３に示すＣ点が決定される。
次に、ステップＳ２０において、制御装置１００は、レーザ干渉計１９を用いて試料ステージ３の現在位置、ここでは図３に示すＡ点を検出する。

ここで、制御装置１００は、目標位置と現在位置との差分により偏差を求め、ステップＳ３０およびステップＳ１５０の比較判断処理によって動作制御モードを決定する。ステップＳ３０では、偏差と結合部ギャップとを比較し、偏差が結合部ギャップよりも大きければ（Ｙ）、ステップＳ４０に移行する。また、偏差が結合部ギャップ以下であれば（Ｎ）、ステップＳ１５０に移行する。また、ステップＳ１５０では、偏差と許容範囲とを比較し、偏差が許容範囲よりも小さければ（Ｎ）、ステップＳ７０に移行する。偏差が許容範囲以上であれば（Ｙ）、処理を終了する。

具体的に、前記のようにして求められる偏差と、Ｘロッド９の先端のピン１０とセンターテーブル５のガイド部１１に設けられた５０μｍのギャップ１２（結合部隙間）との比較により、偏差が予め設定した位置決め許容範囲内（図３に示すＬｐ：例えば１０μｍ）であれば、ステージ動作は一切行わない。また、位置決め許容範囲外であるが結合部のギャップ１２（図３に示すｇ１＋ｇ２：例えば５０μｍ）より小さい場合は、粗動送り移動は不要と判断し、ステップＳ７０の微動送り移動制御に移行する。

更に、偏差がギャップ１２より大きく長距離送り移動を行う場合は、粗動送り移動制御を行うために、ステップＳ４０の仮の目標位置（図３に示すＢ点）を設定する。仮の目標位置Ｂは、現在位置Ａから目標位置Ｃを見たとき、目標位置から所定量（オフセット値Ｌｏ）だけ手前側の位置である。オフセット値Ｌｏは、例えば３０μｍとするが、ギャップ１２の大きさに応じて調整するのが好ましい。

次に、ステップＳ５０において、制御装置１００は仮の目標位置Ｂまで移動するためのパルス数を計算し、予め決められた増減の傾きと周波数に沿ってパルスを出力してＰＭ１４を回転させて、試料ステージ３を高速に移動させる。全パルスの出力が完了するとＰＭ１４は停止し（ステップ６０）、高速な粗動送り移動制御が終了する。このとき、試料ステージ３はＢ点の近傍まで来ているため、残りの数十μｍはステップＳ７０から始まる微動送り移動制御で対応することになる。

まず、制御装置１００は、レーザ干渉計１９を用いて、試料ステージ３の現在位置（図３に示すＢ点付近）を検出し、ステップＳ８０で停止位置を設定する。この停止位置は、その場所に到達した時点で制御を打ち切る、という目的で設定するため、慣性力、制御系の遅れ、メカ系の遅れで行き過ぎることを考慮して実際に停止させたい位置よりも手前に設定するのが好ましい。ここでは例えば３μｍとするが、この値は事前実験により容易に求められる。
次に、ステップＳ９０で予め設定しておいた速度（低速）で試料ステージ３を動作させ、ステップＳ１００で現在位置を監視しながら、ステップＳ１１０で停止位置に到達するまで低速移動を継続する（Ｎ）。

そして、停止位置に到達したら（ステップＳ１１０でＹ）、ステップＳ１２０で試料ステージ３を停止させた後、許容範囲の±５μｍに入っているか否かをステップＳ１３０で確認し、外れた場合はステップＳ８０に戻って停止位置設定のための微動送り移動制御を行い、許容範囲内ならばステップＳ１４０に示す駆動軸（Ｘロッド９）の分離（引き戻し）動作に移る。

ここで、図３を参照して、ピン１０とガイド部１１ａ，１１ｂとの位置関係について説明する。ガイド部１１ａ，１１ｂは、ガイド部１１（図１参照）の壁部分であり、これらの間にギャップ１２（図１参照）が形成される。ピン１０は、Ａ点からＢ点、Ｃ点と移動すると、（イ）から（ロ）（ハ）のように遷移することとなる。なお、（イ）はピン１０がＡ点にあるときの状態を示す。（ロ）はピン１０がＢ点にあるときを示す。（ハ）はピン１０がＣ点に停止させたときに、ピン１０を先端とするＸロッド９（図１参照）の熱膨張・収縮により発生した位置ずれの状態を示す。（ニ）は、引き戻し制御が行われたときにピン１０がＣ点に停止している状態を示す。

つまり、ピン１０は、（イ）から（ロ）、（ハ）のように、単に、Ｃ点に移動させる制御を行われただけでは、ガイド部１１ａに接触した状態になる。このため、ピン１０を先端に形成するＸロッド９（図１参照）の引き戻し制御（ステップＳ１４０）を行い、（ニ）に示すようにピン１０とガイド部１１を切り離した状態に設定する。
このため、ピン１０、つまりＸロッド９（図１参照）の引き戻し量(図３：Ｌｒ)を、ギャップ（＝ｇ１＋ｇ２、すなわちガイド部１１の溝幅Ｌｇとピン１０の直径Ｒｐの差）の半分（ここでは２５μｍ）に設定することで、ピン１０の両側に均等なギャップ（空間）が形成されることとなる。

前記した本発明実施形態によれば、Ｘロッド９がセンターテーブル５から分離されているため、Ｘポールネジ８の温度上昇により駆動用のＸロッド９の位置が変化してもドリフトは発生しない。また、Ｘ滑り案内部材７は滑り接触方式を採用しているため、摩擦による制動力が働いており、Ｘロッド９を分離しても安定した静止状態への設定が可能である。なお、前記した本発明実施形態では、Ｘ方向における試料ステージ３の位置制御についてのみ説明したが、Ｙ方向の試料ステージ位置制御についても同様であり、重複を回避する意味で説明を省略する。
また、前記した本発明実施形態によれば、目標位置の手前に高速で移動し、その後足りない距離を微動送り移動するために無駄な動作がなく、短時間の位置決めが可能である。これより、サーボ制御を用いずに安価で単純なオープンループ制御であっても、スループットを落すことなく、ドリフトや振動による像質の劣化が少ない二次電子像を得ることが可能となる。

ここで、位置決めのためのパラメータは、（１）仮の目標値を設定するオフセット値、（２）微動送り移動時の停止位置を設定するオフセット値、（３）許容値に入った後にロッドを引き戻す値、の３つであり、それぞれ、（１）３０μｍ、（２）３μｍ、（３）２５μｍとしている。これらの３つのパラメータは、ロッドとテーブル結合部とのギャップが５０μｍであり、また、位置決め時の許容値を±５μｍに設定したときの代表値であり、異なった値でも本発明の効果は得られる。

なお、（１）のオフセット値を０にする、すなわち粗動送りで目標値に追い込むことも可能であるが、高速でステージを送るため、停止したときの反動による慣性力でステージが移動してしまい、ギャップが図３に示す（ロ）である保証はない。このため、許容値に入ったとしても、ロッドの引き戻し動作時においてロッドの移動方向に予想していたギャップが空いていないことがあり、ピン１０がガイド部１１ｂに接触して位置決めできない可能性が高い。
これに対して低速微動送りは必ずピン１０がガイド部１１ａに接触して止まるため、引き戻し方向のギャップが確保できる利点があり、そのため（１）のオフセット値に値を入れる（仮の目標位置を設定する）ことは有効である。

次に、図４を用いて、本発明実施形態に係る電子顕微鏡に搭載される試料ステージの制動機構について説明する。

図４は、本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置に搭載される試料ステージの構成例を示す側面図である。
図４に示されるように、試料ステージ３（図１参照）を構成するベース４の上には、転送面４７と、制動機構を持たない２個の転がり部材７ａ、７ｂが設けられ、その上にセンターテーブル５が配置されている。センターテーブル５は、転がり部材７ａ、７ｂに沿って直線運動を行う構造となっている。そして、センターテーブル５の中央部にはバネの弾性力を利用した制動機構４０が設けられている。

制動機構４０は、圧縮コイルバネ４３、板バネ４４と摺動部材４５から構成されている。センターテーブル５の中央部には、固定部４６により板バネ４４が取り付けてあり、板バネ４４の中央部下側には摺動部材４５が取り付けられている。また、板バネ４４の上側には圧縮コイルバネ４３が組み込まれており、摺動部材４５の水平方向を板バネ４４で拘束し、コイルバネ４３で鉛直方向に力を加えてベース４の転送面４７に常に押し付けることにより、制動力の確保が可能となる。
このことにより、センターテーブル５に滑り案内部材７を使用しなくてもドリフトが小さく、位置決め精度の高い試料ステージ１３を構成することができる。

なお、前記した本発明実施形態によれば、ベース４とセンターテーブル５の間の制動機構４０についてのみ説明したが、センターテーブル５とトップテーブル６との間にも同様の制動機構が付加されているものとする。

本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置の全体構成を示す図である。 本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置における試料ステージの位置決め制御方法の実行手順を示すフローチャートである。 本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置における試料ステージの位置決め制御方法を説明するために引用した図である。 本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置の試料ステージの構成を説明するために引用した側面図である。

符号の説明

３ 試料ステージ
４ ベース
５ センターテーブル
６ トップテーブル
７ Ｘ滑り案内部材
８ Ｘボールネジ
９ Ｘロッド
１０ ピン
１２ ギャップ
１５ Ｙ滑り案内部材
１９ レーザ干渉計
１００ 制御装置

Claims (4)

1. 案内機構を備えたベースと、
   前記案内機構に沿って移動するテーブルと、
   前記テーブルを駆動する駆動機構と、
   前記テーブルの位置を測定する位置検出器とにより構成される試料ステージ
   を備えた電子顕微鏡装置であって、
   前記テーブルと前記駆動機構との結合部にギャップを設けると共に、
   前記テーブルの移動前の位置からの目標位置までの移動距離が、前記ギャップより大きい場合、前記移動距離に応じた粗動送り制御を行い、
   前記テーブルの移動前の位置からの目標位置までの移動距離が、前記ギャップに等しいかそれより小さい場合、前記位置検出器による測定値と、予め設定される目標値との偏差を監視し、その偏差の値によって前記テーブルの駆動を停止させるための微動送り制御と、前記テーブルの停止後、前記ギャップにより前記テーブルと前記駆動機構との結合を分離するための位置制御とを行う制御手段
   を備えたことを特徴とする電子顕微鏡装置。
2. 前記試料ステージにおける案内機構は、転送面と、転がり部材とから構成され、前記転がり部材に沿って直線運動を行う前記テーブルに、前記制動力を確保する制動機構、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡装置。
3. 前記テーブル上に、当該テーブルの移動方向に対して垂直方向に移動させる案内機構を配置し、前記案内機構に、更に別のテーブルを積載して２次元移動を行わせ、前記積載されたテーブルと当該テーブルを駆動する駆動機構との結合部にギャップを設けると共に、前記制御手段が、前記積載されたテーブルの停止時に前記積載されたテーブルと前記駆動機構との結合を分離する位置制御を行うこと、
   を特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡装置。
4. 案内機構を備えたベースと、
   前記案内機構に沿って移動するテーブルと、
   前記テーブルを駆動する駆動機構と、
   前記テーブルの位置を測定する位置検出器とにより構成される試料ステージ
   を備えた電子顕微鏡装置における前記試料ステージの位置決め制御方法であって、
   前記試料ステージの位置制御を行う制御装置は、
   前記テーブルの移動前の位置からの目標位置までの移動距離が、前記テーブルと前記駆動機構との結合部に設けられるギャップより大きい場合、前記移動距離に応じた粗動送り制御を行い、
   前記テーブルの移動前の位置からの目標位置までの移動距離が、前記ギャップに等しいかそれより小さい場合、前記位置検出器による測定値と、予め設定される目標値との偏差を監視し、前記偏差の値によって前記テーブルを停止させるための微動送り制御を行い、
   前記テーブルを停止させた後、前記ギャップにより前記テーブルと前記駆動機構との結合を分離するための位置制御を行う、
   処理を実行することを特徴とする電子顕微鏡装置における試料ステージの位置決め制御方法。

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