JP4871027B2 - 試料載置用のステージ、ｘｙステージおよび荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子製造分野における検査観察用の荷電粒子線装置に関し、特に、その荷電粒子線装置に用いられる試料載置用のステージおよびＸＹステージに関する。

半導体素子製造分野における検査観察用の荷電粒子線装置、特に、半導体ウェーハ検査用の電子顕微鏡における測定対象物のステージは、モータを駆動源とし一軸方向に移動するテーブルを積層しＸＹステージを構成するものが多く、高速かつミクロン単位の位置決めを行うために、高精度なボールネジとこのボールネジの遊びをなくすためにボールネジとテーブルを堅く拘束したノーロストモーション機構を必要とする。

このノーロストモーション機構をステージに採用すると、電子顕微鏡による観察時に、測定対象物の像逃げが見られる。これは、テーブルが移動する際にボールネジに生じる動摩擦熱によって膨張したボールネジが、テーブル停止時に熱収縮し、テーブルを再移動させるからである。

この熱収縮によるテーブル移動を回避するため、ステージの位置をリアルタイムでモニタし、そのテーブルの熱収縮に追従して、ボールネジを連結されたモータの回転数またはテーブルに照射される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が提案されている。また、ボールネジとテーブルの結合部に２０〜１００μｍのギャップを設け、テーブルを位置決めした後に、前記ギャップを用いてテーブルとボールネジの結合を機械的に分離し、熱収縮によるテーブル再移動を回避するギャップ結合制御が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１３４１５５号公報

サーボ制御は、高分解能を有するテーブル位置の検出器と、このテーブル位置の情報から熱収縮によるテーブルの再移動量を算出する手段と、この再移動量を抑制するサーボ回路とを必要とし、ステージのシステムの複雑化とコスト上昇が問題となる。

ギャップ結合制御は、高速移動だけでなく低速な微小移動を必要とするため、テーブルの位置決めに時間を要する。また、高速移動から微小移動に移る際、ギャップを埋めることにより遊びのない状態を作り出しているが、ステージの大型化や多層化に伴う重量増加が生じた場合に慣性力が大きく働き、遊びのない状態のままテーブルを停止することが困難になる。これを解決するには、テーブル移動時の速度をさらに低下させる必要があるため、位置決め時間は一層長くなる。

本発明は、高精度の位置決めを短時間で行え、測定対象物の像逃げが発生しないステージ、ＸＹステージおよび荷電粒子線装置を提供することにある。

前記課題を解決した本発明は、案内部を備えたベースと、前記案内部に沿った移動方向に移動するテーブルと、前記テーブルを移動させるために前記移動方向に運動をする運動部と、前記運動を前記テーブルに伝達させる伝達部とを有するステージ、ＸＹステージおよび荷電粒子線装置において、前記伝達部は、前記テーブルに固定され、前記移動方向を共に垂線とする互いに対向する２つの平面を有するテーブルブロックと、前記運動部に固定され、前記２つの平面の間に配置される円筒型の運動ブロックとを有し、前記テーブルブロックと前記運動ブロックとは、前記運動をする際には前記２つの平面が前記運動ブロックを前記円筒型の径方向に挟むことで前記移動方向の前後２箇所の前方接線と後方接線とで接し、前記運動をしない際には離れていることを特徴とする。

本発明によれば、高精度の位置決めを短時間で行え、測定対象物の像逃げが発生しない試料載置用のステージ、ＸＹステージおよび荷電粒子線装置を提供できる。

以下、図面を参照して、本発明に係るステージ、ＸＹステージおよび荷電粒子線装置の一実施形態について説明する。なお、以下に示す実施の形態では、荷電粒子線装置として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例に説明する。ただ、本発明はＳＥＭに限られず、電子線を用いた検査装置や測定装置、イオン打ち込み装置、イオンや帯電したクラスタを用いる加工装置に適用できる。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る荷電粒子線装置１は、真空チャンバ３と、真空チャンバ３内に設けられたＸＹステージ２と、真空チャンバ３に連結されＸＹステージ２上に荷電粒子線である電子線を照射する荷電粒子線源４とを有している。

図１と図２に示すように、ＸＹステージ２は、Ｘ軸移動方向３７にＸ軸テーブル２５が移動するＸ軸ステージと、Ｙ軸移動方向３８にＹ軸テーブル２７が移動するＹ軸ステージとを有している。Ｘ軸移動方向３７とＹ軸移動方向３８とは９０度異なり、Ｘ軸テーブル２５が、Ｙ軸ステージのＹ軸ベースを兼ねている。

また、ＸＹステージ２は、Ｘ軸テーブル２５のＸ軸移動方向３７の現在位置を計測するＸ軸位置計測部６と、Ｙ軸テーブル２７のＹ軸移動方向３８の現在位置を計測するＹ軸位置計測部１０と、Ｘ軸とＹ軸毎に、計測した現在位置から目標位置までのＸ移動量、Ｙ移動量を算出する移動量算出部１３と、Ｘ移動量、Ｙ移動量からＸ軸とＹ軸毎のモータ１５に指令信号を送るステージ制御部１４とを有している。なお、ステージ制御部１４は、後述するＸ軸伝達部２１とＹ軸伝達部３１とにおける離れモードと前後２箇所接触モードとのモード切替を行っている。Ｘ軸位置計測部６は、Ｙ軸テーブル２７に固定されたミラー７と、真空チャンバ３の内壁に固定されたレーザ干渉計９とを有し、レーザ信号８による位置計測を行っている。同様に、Ｙ軸位置計測部１０も、Ｙ軸テーブル２７に固定されたミラー１１と、真空チャンバ３の内壁に固定されたレーザ干渉計１２とを有し、レーザ信号による位置計測を行っている。

Ｘ軸ステージは、Ｘ軸案内部２４を備えたＸ軸ベース１６と、Ｘ軸案内部２４に沿ったＸ軸移動方向３７に移動するＸ軸テーブル２５と、Ｘ軸テーブル２５を移動させるためにＸ軸移動方向３７に運動をするＸ軸運動部１９と、この運動をＸ軸テーブル２５に伝達させるＸ軸伝達部２１とを有している。モータ１５はＸ軸ボールネジ１８にジョイント３４により連結されており、モータ１５が回転するとＸ軸ボールネジ１８も回転する。Ｘ軸ボールネジ１８の回転により、Ｘ軸運動部１９がＸ軸移動方向３７に配置されたＸ軸運動部用スライダ１７に沿って運動する。Ｘ軸伝達部２１は、Ｘ軸テーブル２５に固定されたＸ軸テーブルブロック２３と、Ｘ軸運動部１９に固定されたＸ軸運動ブロック２２とを有している。

Ｙ軸ステージは、Ｙ軸案内部２６を備えたＹ軸ベース２５と、Ｙ軸案内部２６に沿ったＹ軸移動方向３８に移動するＹ軸テーブル２７と、Ｙ軸テーブル２７を移動させるためにＹ軸移動方向３８に運動をするＹ軸運動部２９と、この運動をＹ軸テーブル２７に伝達させるＹ軸伝達部３１とを有している。図示しないモータによってＹ軸ボールネジ２８が回転し、Ｙ軸ボールネジ２８が回転すると、Ｙ軸運動部２９がＹ軸移動方向３８に配置されたＹ軸運動部用スライダ３０に沿って運動する。Ｙ軸伝達部３１は、Ｙ軸テーブル２７にネジ３６で固定されたＹ軸テーブルブロック３３と、ネジ穴３９を用いてＹ軸運動部２９に固定されたＹ軸運動ブロック３２とを有している。

Ｙ軸伝達部３１は、図３に示すような状態の離れモードと、図４に示すような状態の前後２箇所接触モードを取る。Ｙ軸運動ブロック３２は、取付けが容易であり電圧を印加することにより径方向に変位（拡径／縮径）する円筒型圧電素子である。この変位により、図３の離れモードでは、圧電素子を収縮させてＹ軸テーブルブロック３３とＹ軸運動ブロック３２とを離れさせてすきま４４を生じさせ、図４の前後２箇所接触モードでは圧電素子を膨張させＹ軸テーブルブロック３３とＹ軸運動ブロック３２とが前方接線４１と後方接線４２とで接する。離れモードで、Ｙ軸テーブルブロック３３とＹ軸運動ブロック３２とが離れていれば、Ｙ軸運動部２９の運動はＹ軸テーブル２７に伝達されない。すなわち、離れモードでは、Ｙ軸運動部２９とＹ軸テーブル２７とはＹ軸伝達部３１によって結合が解かれている。前後２箇所接触モードで、Ｙ軸テーブルブロック３３とＹ軸運動ブロック３２とは、Ｙ軸移動方向３８の前後２箇所で接し、Ｙ軸運動部２９の運動をＹ軸テーブル２７に伝達する。すなわち、前後２箇所接触モードでは、Ｙ軸運動部２９とＹ軸テーブル２７とはＹ軸伝達部３１によって結合されている。

Ｙ軸運動ブロック３２が挿入されるＹ軸テーブルブロック３３の間隔、すなわち、前方接線４１と後方接線４２との間隔は、圧電素子に最大印加電圧をかけた時の寸法よりもやや小さく加工する。圧電素子の幅とＹ軸テーブルブロック３３の間隔を三次元測定器等の精密測定器を用いて測定し、圧電素子の幅とＹ軸テーブルブロック３３の間隔の寸法差から、圧電素子の変位量、そして、圧電素子への離れモードと前後２箇所接触モードそれぞれにおける印加電圧値を定める。これらの印加電圧値は、ヒステリシスによる変位損失分だけ大きな値にすることが好ましい。

Ｙ軸運動ブロック３２を挟むＹ軸テーブルブロック３３の対向する２つの平面は、Ｙ軸移動方向３８を共に法線とする平行な平面である。Ｙ軸運動ブロック３２に対してＹ軸テーブルブロック３３が、Ｙ軸移動方向３８の直角方向に変位しても、Ｙ軸テーブルブロック３３とＹ軸運動ブロック３２とは、圧電素子の変位量を変えることなく、Ｙ軸移動方向３８の前後２箇所の前方接線４１と後方接線４２とで接することができる。

Ｙ軸運動部２９は、Ｙ軸ボールネジ２８に結合するＹ軸送りナット３５を有している。このＹ軸送りナット３５が回転して、圧電素子とＹ軸テーブルブロック３３とが良好に線接触する状態を保てなくなり、かつ、Ｙ軸送りナット３５で遊びが発生することがないように、Ｙ軸運動部２９専用のＹ軸運動部用スライダ３０を取付けている。

なお、実施の形態では、Ｙ軸伝達部３１について説明したが、Ｘ軸伝達部２１は、Ｙ軸運動ブロック３２をＸ軸運動ブロック２２に読み替え、Ｙ軸テーブルブロック３３をＸ軸テーブルブロック２３に読み替え、Ｙ軸移動方向３８をＸ軸移動方向３７に読み替えることによりＹ軸伝達部３１の説明を準用することができる。

次に、本発明の実施の形態の変形例を説明する。図５と図６とに示すように、本発明の実施の形態の変形例に係る荷電粒子線装置１は、本発明の実施の形態の荷電粒子線装置１と比較して、Ｙ軸伝達部３１およびＸ軸伝達部２１の構造のみが異なり、圧電素子４３が、Ｙ軸運動ブロック３２に設けられておらず、替わりに、Ｙ軸テーブルブロック３３に設けられている。Ｙ軸運動ブロック３２は、変形しない円筒型のブロックであり、Ｙ軸テーブルブロック３３に設けられた２つの圧電素子４３は、Ｙ軸運動ブロック３２を挟むように対向するそれぞれの平面を有する。これらの平面は、Ｙ軸移動方向３８を共に法線とする平行な平面であり、電圧を対向する圧電素子４３に印加することにより、これらの平面を平行のまま変位させることができる。

この変位により、実施の形態の変形例のＹ軸伝達部３１も、図５に示すような状態の離れモードと、図６に示すような状態の前後２箇所接触モードを取ることができる。この変位により、離れモードでは、Ｙ軸テーブルブロック３３とＹ軸運動ブロック３２とが離れすきま４４が生じ、前後２箇所接触モードではＹ軸テーブルブロック３３とＹ軸運動ブロック３２とが前方接線４１と後方接線４２とで接する。平面を平行のまま変位させているので、Ｙ軸運動ブロック３２に対してＹ軸テーブルブロック３３が、Ｙ軸移動方向３８の直角方向に変位しても、Ｙ軸テーブルブロック３３とＹ軸運動ブロック３２とは、圧電素子４３の変位量を変えることなく、Ｙ軸移動方向３８の前後２箇所の前方接線４１と後方接線４２とで接することができる。

次に、Ｙ軸テーブル２７を目標位置に移動させる方法、いわゆるＹ軸ステージの位置決め方法について説明する。

図７に示すように、ステップＳ１で、ステージ制御部１４は、所定の印加電圧を圧電素子３２に印加し、図８の（ａ）から（ｂ）へによって示すように、圧電素子３２を膨張させ、前後２箇所接触モードに移行させる。圧電素子３２とＹ軸テーブルブロック３３の間のすきま４４をなくし、Ｙ軸テーブルブロック３３と圧電素子３２とは、Ｙ軸移動方向３８の前後２箇所の前方接線４１と後方接線４２とで接する。前後２箇所で接することで、Ｙ軸運動部２９の運動をＹ軸テーブル２７に遊びなく伝達することができる。

次に、ステップＳ２で、Ｙ軸位置計測部１０はＹ軸テーブル２７の現在位置を計測する。

ステップＳ３で、移動量算出部１３は目標位置から計測した現在位置を引いてＹ移動量を算出する。

ステップＳ４で、ステージ制御部１４は、算出したＹ移動量をもとにモータを駆動させ、Ｙ軸テーブル２７を目標位置に移動する。具体的には、パルスモータを移動量に相当する回転量だけ回転させる。Ｙ軸テーブルブロック３３と圧電素子３２とは、Ｙ軸移動方向３８の前後２箇所の前方接線４１と後方接線４２とで接しており、Ｙ軸テーブル２７を高速で移動させて高速移動による大きな慣性力が生じても、遊びがないのでＹ軸テーブル２７を目標位置に停止させることができる。

ステップＳ５で、Ｙ軸位置計測部１０はＹ軸テーブル２７の現在位置を計測する。

ステップＳ６で、ステージ制御部１４は、Ｙ軸テーブル２７の現在位置が目標位置の許容範囲内にあるか否かを判定する。目標位置に対する許容範囲の距離は事前に設けておく。例えば、許容範囲としては、目標位置の±２μｍとすればよい。許容範囲内でなければ、ステップＳ３に戻る。許容範囲内であれば、ステップＳ７に進む。

最後に、ステップＳ７で、ステージ制御部１４は、所定の印加電圧を圧電素子３２に印加し、図８の（ｂ）から（ａ）へによって示すように、圧電素子３２を収縮させ、離れモードに移行させる。圧電素子３２とＹ軸テーブルブロック３３の間にすきま４４が生じ、圧電素子３２はＹ軸テーブルブロック３３から離れる。像逃げも含めてＹ軸運動部２９の運動がＹ軸テーブル２７に伝達されなくなる。

本発明の実施の形態によれば、電子顕微鏡による観察時において、Ｙ軸ボールネジ２８の熱収縮に伴うＹ軸テーブル２７の再移動を回避し、Ｙ軸テーブル２７の重量に関係なく一回の高速移動で位置決めを行えるため、移動時間の短縮が可能となる。そして、測定対象物の像逃げが発生しないステージを提供できる。以上で、目標位置への移動方法が終了する。この目標位置への移動方法は、Ｘ軸ステージにもＹ軸ステージと同様に適用することができる。

本発明の実施の形態に係る荷電粒子線装置を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るＸＹステージの分解斜視図である。 （ａ）は離れモードにおける伝達部の底面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ方向の断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩＩＩＣ−ＩＩＩＣ方向の断面図である。 （ａ）は前後２箇所接触モードにおける伝達部の底面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢ方向の断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩＶＣ−ＩＶＣ方向の断面図である。 （ａ）は本発明の実施の形態の変形例の離れモードにおける伝達部の底面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶＢ−ＶＢ方向の断面図である。 （ａ）は本発明の実施の形態の変形例の前後２箇所接触モードにおける伝達部の底面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶＢ−ＶＢ方向の断面図である。 本発明の実施の形態に係るステージのテーブルを目標位置に移動させる移動方法のフローチャートである。 （ａ）は離れモードにおける伝達部周辺の断面図であり、（ｂ）は前後２箇所接触モードにおける伝達部周辺の断面図である。

符号の説明

１ 荷電粒子線装置
２ ＸＹステージ
３ 真空チャンバ
４ 荷電粒子線源
６ Ｘ軸位置計測部
１０ Ｙ軸位置計測部
１３ 移動量算出部
１４ ステージ制御部
１６ Ｘ軸ベース
１７ Ｘ軸運動部用スライダ
１８ Ｘ軸ボールネジ
１９ Ｘ軸運動部
２０ Ｘ軸送りナット
２１ Ｘ軸伝達部
２２ Ｘ軸テーブルブロック
２３ Ｘ軸運動ブロック（圧電素子）
２４ Ｘ軸案内部
２５ Ｙ軸ベース（Ｘ軸テーブル）
２６ Ｙ軸案内部
２７ Ｙ軸テーブル
２８ Ｙ軸ボールネジ
２９ Ｙ軸運動部
３０ Ｙ軸運動部用スライダ
３１ Ｙ軸伝達部
３２ Ｙ軸運動ブロック（圧電素子）
３３ Ｙ軸テーブルブロック
３５ Ｙ軸送りナット
３７ Ｘ軸移動方向
３８ Ｙ軸移動方向
４１ 前方接線
４２ 後方接線
４３ 圧電素子
４４ すきま

Claims (7)

1. 案内部を備えたベースと、前記案内部に沿った移動方向に移動するテーブルと、前記テーブルを移動させるために前記移動方向に運動をする運動部と、前記運動を前記テーブルに伝達させる伝達部とを有する試料載置用のステージにおいて、
   前記伝達部は、
   前記テーブルに固定され、前記移動方向を共に垂線とする互いに対向する２つの平面を有するテーブルブロックと、
   前記運動部に固定され、前記２つの平面の間に配置される円筒型の運動ブロックとを有し、
   前記テーブルブロックと前記運動ブロックとは、前記運動をする際には前記２つの平面が前記運動ブロックを前記円筒型の径方向に挟むことで前記移動方向の前後２箇所の前方接線と後方接線とで接し、前記運動をしない際には離れていることを特徴とする試料載置用のステージ。
2. 前記テーブルブロックと前記運動ブロックの少なくともどちらか一方が圧電素子を有し、前記圧電素子の変位により、前記テーブルブロックと前記運動ブロックとが接したり、離れたりすることを特徴とする請求項１に記載の試料載置用のステージ。
3. 前記テーブルブロックと前記運動ブロックとを前記移動方向の前後２箇所で接したまま、前記テーブルの現在位置を計測する位置計測部と、
   前記現在位置から目標位置までの移動量を算出する移動量算出部とを有し、
   前記テーブルブロックと前記運動ブロックとを前記移動方向の前後２箇所で接したまま、前記運動部が前記移動量だけ運動してから、前記テーブルブロックと前記運動ブロックとを離すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の試料載置用のステージ。
4. 請求項1に記載の試料載置用のステージを２つ用いて、前記移動方向が９０度異なり、一方の前記ステージのテーブルが、他方の前記ステージのベースを兼ねるように積層したことを特徴とするＸＹステージ。
5. 案内部を備えたベースと、前記案内部に沿った移動方向に移動するテーブルと、前記テーブルを移動させるために前記移動方向に運動をする運動部と、前記運動を前記テーブルに伝達させる伝達部とを有するステージを備えた荷電粒子線装置において、
   前記伝達部は、
   前記テーブルに固定され、前記移動方向を共に垂線とする互いに対向する２つの平面を有するテーブルブロックと、
   前記運動部に固定され、前記２つの平面の間に配置される円筒型の運動ブロックとを有し、
   前記テーブルブロックと前記運動ブロックとは、前記運動をする際には前記２つの平面が前記運動ブロックを前記円筒型の径方向に挟むことで前記移動方向の前後２箇所の前方接線と後方接線とで接し、前記運動をしない際には離れていることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 前記テーブルブロックと前記運動ブロックの少なくともどちらか一方が圧電素子を有し、前記圧電素子の変位により、前記テーブルブロックと前記運動ブロックとが接したり、離れたりすることを特徴とする請求項５に記載の荷電粒子線装置。
7. 前記テーブルブロックと前記運動ブロックとを前記移動方向の前後２箇所で接したまま、前記テーブルの現在位置を計測する位置計測部と、
   前記現在位置から目標位置までの移動量を算出する移動量算出部とを有し、
   前記テーブルブロックと前記運動ブロックとを前記移動方向の前後２箇所で接したまま、前記運動部が前記移動量だけ運動してから、前記テーブルブロックと前記運動ブロックとを離すことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の荷電粒子線装置。

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