JP5119001B2 - 試料ステージ - Google Patents

Description

本発明は、試料ステージに係り、特に、半導体素子製造分野における測定，検査、或いは観察用の電子顕微鏡等の荷電粒子線装置に用いられるステージの位置決め機構に関する。

半導体検査用の電子顕微鏡装置における試料ステージは、位置決め終了後、静止画像を得るために停止機構を備えたものが多い。このようなステージの停止機構の一態様として、常時摩擦ブレーキのように摩擦を利用したものがある。その他の停止機構として、停止機構と駆動機構を兼ね備えた超音波モータを利用したものがある。

常時摩擦ブレーキ，超音波モータは、摩擦力を生み出すために面部材を必要とするが、これらの停止機構は、発熱を伴い、特に熱伝導性が低下する真空環境においては、摩擦熱によって面部材には温度勾配が発生する。温度勾配によって熱の流れが面部材内に発生し、温度の高い位置が面部材の熱膨張と、熱膨張後に発生する熱収縮が発生する基準位置（以下、熱変形基準位置と呼ぶ。）となる。電子顕微鏡による観察時においては、この熱膨張，熱収縮によってステージが移動し、測定対象物の像逃げが観察される。特に、ステージの停止位置と熱発生基準位置との距離が離れるに従い、面部材の熱膨張量，熱収縮量が大きくなるため、像逃げが顕著に見られる。

この熱膨張，熱収縮によるステージ移動を回避するための技術として、特許文献１には、ステージの位置をリアルタイムでモニタリングし、そのテーブルの挙動に追従して、モータ，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開示されている。

また、特許文献２には、ステージ全体の温度制御を行い一定温度に保持することで、熱膨張量・熱収縮量を低減する手法が提案されている。更に特許文献３には、アクティブブレーキを採用することによって、摩擦熱を低減し発熱量を最小限にとどめることを指向した技術が開示されている。

特開２００７−０４２５１４号公報 特開２００７−０１９２７９号公報 特開２００６−２３７０６９号公報

特許文献１に説明されているようなサーボ制御は、高分解能なテーブル位置検出器と、テーブル位置情報からテーブルの熱による移動を検出する手段と、移動を抑制するサーボ回路を必要とし、システムの複雑化とコスト上昇が問題となる。

また、特許文献２に説明されているようなステージの温度制御は、発熱部品と冷却装置を必要とし、真空内に冷却物質を挿入するため生産コストが上昇する。またステージが多層化した場合には、上層部の温度制御を実施するためには長時間を要する。

更に、特許文献３に説明されているようなアクティブブレーキは、制御システムの複雑化と、圧電素子等のアクチュエータを使用するためブレーキの大型化とコスト上昇が生じる。またブレーキ力を発生させた際にステージの位置変動が発生し、再位置決めを行う必要があるため、ステージの位置決めに時間を要する。

本発明は、簡易な構成で、ブレーキ等によってもたらされる摩擦熱による位置変動を抑制する試料ステージの提供を目的とする。

上記目的を達成するための一態様として、押圧部材によって押圧される押圧部と、当該押圧部によって押圧される摺動部を備えた試料ステージであって、試料ステージが停止するときに、上記押圧部が接する摺動部の一部、及び／又はその一部に隣接する部分、或いは押圧部を加熱するように制御する試料ステージを提供する。このように摺動部の一部等を加熱することによって、上述のような温度勾配を抑制することが可能となる。

上記構成によれば、被摺動面の熱膨張，熱収縮に伴って生じるステージ移動を低減することができる。

以下に、案内機構に沿って移動するテーブルに一定のばね力による摩擦ブレーキを搭載し、摩擦ブレーキとの摺動面として面部材を設ける。前記面部材には、ステージの使用方法に応じたピッチで発熱位置を変更できる発熱体を取付けた試料ステージの一態様を図面を用いて説明する。また、ステージの位置決め制御手段として、ステージの位置を検出する手段と、移動目標地点までの移動距離を算出する手段と、移動目標位置付近の発熱体を発熱させる制御手段を備える。

ステージ移動の際には、ステージの移動目標位置付近を発熱体によって発熱し、ステージ位置を熱膨張、または熱収縮が発生する基準位置とすることで、熱によるステージ移動を低減する。

また本発明の一形態では、前記発熱体を取付けた面部材と、超音波モータによりステージを構成する。また別の一形態では、滑り摩擦ステージにおける摩擦部と前記発熱体を取付けた面部材によりステージを構成する。

また、応用形態として、前記面部材の温度を常時モニタリングする機能を備え、ステージ移動の際には、前記面部材の温度，面部材の拘束条件，ステージ移動量、そしてブレーキ力の値をもとに熱解析シミュレーションを実施し、最適な発熱量と最適な発熱位置を算出し、熱制御を実施する手段を備え、熱によるステージ移動を低減する。

上記構成によれば、ステージ移動によって生じる面部材の熱膨張，熱収縮に伴って生じるステージ移動を低減することができる。

図１はステージ装置の概略図である。ステージ装置は、ステージ機構１と、ステージ位置検出部２と、ステージ位置制御部３と、熱制御部４と、ステージの駆動部５によって構成される。なお、当該ステージ装置は、図示しない真空チャンバに包囲されると共に、当該真空チャンバには電子顕微鏡を一例とする荷電粒子線装置の鏡体が接続されている。当該荷電粒子線装置は、図示しない制御装置が接続され、当該制御装置から発せられる命令により、後述するステージ位置制御部等が制御される。

図２は、ステージ機構の斜視図である。ステージ機構１は、ベース１００の上にＸ方向に移動可能なＸテーブル１１０と、Ｘテーブルの上にＹ方向に移動可能なＹテーブル１２０と、Ｙテーブル上部に設置された試料ホルダ１３０とステージ位置検出部２より計測するためのＸミラー１３１とＹミラー１３２によって構成される。Ｘテーブル１１０は、Ｘ方向移動の案内機構であるＸガイド１１１と駆動機構Ｘ１１２によってＸ方向移動が可能である。Ｙテーブル１２０も同様に、Ｙガイド１２１と駆動機構Ｙ１２２によってＹ方向移動が可能である。Ｘテーブル１１０，Ｙテーブル１２０には制動機構１４０を取付ける。ベース１００とＸテーブル１１０上には面部材１５０を設置し、制動機構１４０との摩擦力でＸ，Ｙ各方向のステージ位置を保持する。

図３は、試料ステージの、停止機構を構成する制動機構１４０と面部材１５０の詳細図である。

制動機構１４０は、バネ１４１による一定の押し付けによってブレーキパッド１４２に摩擦が生じる常時摩擦ブレーキとする。当該バネとは押圧部材であり、ブレーキパッドとは押圧部に相当する。なお、押圧部材はバネに限らず、一定の押し付け力が発生できれば、例えばエアダンパーのようなものでも良い。

被摺動面の一態様である面部材１５０の底面には、熱伝導性の高い金属、例えばインジウム１５１を挿入する。インジウム１５１の下層には、発熱位置を制御可能な１０mm幅の発熱体１６０を設置する。発熱体１６０の下層には断熱シート１６１を挿入し、発熱体が発生する熱量を面部材へ効率よく伝導させる。発熱体の取付け幅に関しては、発熱体が多くなるとメンテナンス性の低下、配線部からのガス発生による真空度低下等の問題が生じるため、主とするステージの移動方法，観察試料，真空度条件等によって発熱体の取付け幅を変更することが好ましい。また、超音波モータを使用するステージでは、制動機構１４０の取付け位置に超音波モータを代表とする摩擦駆動部を設置することで同様の熱制御が可能である。

ステージ移動の際には、ステージの移動量によって熱制御を実施するか否か決める。これは、余分な熱発生により試料自体の熱膨張・熱収縮を防ぐためである。移動量のしきい値に関しては、ブレーキ力，面部材の材質・形状によって異なるため、実際に試料の観察を行い像逃げが生じる距離を確認し、しきい値を決定する。

移動距離がしきい値を超え、熱制御を行う場合には、熱量をステージ目標位置付近の発熱体１６０に発生させる。熱量は、ステージ移動量とブレーキ力から算出し、測定が終了するまで熱量を面部材に与える。目標位置が２つの発熱体１６０の間に位置するときは、両方の発熱体を発熱させる。

以上のように、発熱体１６０のような加熱部材を、移動方向に沿って配列すると共に、テーブルが停止するときに、ブレーキパッド１４２が、接する面部材１５０の一部を選択的に加熱するようにすることで、必要最小限の加熱によって、面部材１５０上の温度勾配を効果的に抑制することが可能となる。更に、摩擦によって温度勾配が発生するということは、ステージの移動過程において、ブレーキパッド１４２が接していない個所の温度と、接している個所の温度との差に基づく温度勾配が発生することも考えられる。もしこのような温度勾配が問題となるのであれば、ブレーキパッド１４２が接している個所を加熱する発熱体１６０に、隣接する発熱体１６０を加熱することによって、温度勾配を抑制することも考えられる。

なお、上述の例では、移動量がしきい値を超えた場合に、加熱処理を行う例について説明したが、他の態様として、移動量の大きさに応じて、発熱量をコントロールするようにしても良い。この場合、移動量が大きい程、摩擦熱に伴う温度勾配が大きくなると考えられるため、移動量が大きくなるほど、発熱量を増加させることが考えられる。

熱による像逃げをさらに低減したい場合には、図４に示すように、温度計測部６と熱解析システム７を導入し、発熱体１６０の最適な熱発生位置と発熱量を算出することも可能である。この熱解析システムは、ステージ機構の温度上昇を必要最低限に抑える場合にも有効な手段の１つである。図５は、熱解析システムを導入した際のステージの位置決め制御方法と熱制御方法を示すフローチャートである。図４，図５を用いてステージの位置制御、ならびに熱制御の流れを説明する。

最初にステップＳ１において位置決め開始の指令が出される。

次にステップＳ２においてステージ位置検出部２からステージの現在位置を読み込み、ステップＳ３にてステージ位置制御部３が目標位置への移動量を算出し、熱制御が必要か否かを判断する。

熱制御を必要しない場合には、ステップＳ４のみに進み、ステージ位置制御部３が駆動部にステージ移動信号を送る。

次にステップＳ５にてステージの位置決めを完了させ、ステップＳ６において試料の測定を実施し、ステップＳ７にて測定を終了する。

熱制御を必要とする場合には、ステップＳ４とステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では面部材１５０の温度を温度計測部６がモニタリングする。モニタリングには５ヶ所以上が望ましい。次にステップＳ１２では、ステップＳ３にてステージ位置制御部３が算出した移動量と温度測定部からの温度データと面部材の拘束条件，ブレーキ力をもとに熱解析を実施し、ステップＳ１３にて最適な熱発生量と発生位置を算出する。

次にステップ１４では、算出した発熱量を熱制御部が発生させる。ステップＳ１４は位置決め完了後に実施する。その後、測定終了とともにステップＳ１５が開始され発熱を終了させる。

図６は制動機構１４０に発熱体を挿入した場合を示す。制動機構１４０のブレーキパッド１４２の上面に発熱体１６０を挿入する。ブレーキパッド１４２と発熱体１６０を接着する際は、発熱体１６０が生じる熱量を効率よく伝導させるため気泡が入らないように注意する。発熱体１６０の上層には、断熱シート１６１を挿入し熱を効率よく面部材に伝導させる。熱制御の流れは、図５のステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３を変更する。ステップＳ１１においてブレーキパッド１４２の温度を検出する。次にステップＳ１２において、ブレーキパッド１４２の温度，移動量，ブレーキ力，拘束条件，熱伝導条件をもとに熱解析を実施する。次にステップＳ１３において、発熱量の算出を実施する。ステップＳ１４以降は同じである。

上記手段により、電子顕微鏡による観察時において、ステージの停止機構部の熱発生に伴うステージの位置変動を低減することができる。

ステージ装置の概略図。 実施例のステージ機構の斜視図。 ステージの停止機構部の詳細図。 解析システムを備えたステージ装置の概略図。 解析システムを利用したステージ装置における位置決め制御を示すフローチャート。 ステージの停止機構部において制動機構に熱発生部品を取付けた場合の詳細図。

符号の説明

１ ステージ機構
２ ステージ位置検出部
３ ステージ位置制御部
４ 熱制御部
６ 温度計測部
７ 熱・変位解析システム
１００ ベース
１１０ Ｘテーブル
１１１ Ｘガイド
１１２ 駆動機構Ｘ
１２０ Ｙテーブル
１２１ Ｙガイド
１２２ 駆動機構Ｙ
１３０ 試料ホルダ
１３１ ミラーＸ
１３２ ミラーＹ
１４０ 制動機構
１４１ バネ
１４２ ブレーキパッド
１５０ 面部材
１５１ インジウム
１６０ 発熱体
１６１ 断熱シート

Claims (5)

1. 試料を所定方向に移動させるテーブルと、
   当該テーブルを前記所定方向に移動させる駆動機構と、
   前記テーブルに、押圧部材を介して接続される押圧部と、
   前記押圧部材の押圧力によって前記押圧部が押圧される摺動部を備えた試料ステージであって、
   前記摺動部の前記押圧部と接する面を加熱するための加熱部材を備え、当該加熱部材は、前記テーブルが停止するときに、
   前記押圧部が接する前記摺動部の一部、当該押圧部が接する摺動部の一部と当該摺動部の一部に隣接する部分、或いは前記押圧部を加熱するように制御されることを特徴とする試料ステージ。
2. 請求項１において、
   前記加熱部材は、前記摺動部に、前記テーブルの移動方向に沿って複数配列されていることを特徴とする試料ステージ。
3. 請求項２において、
   前記加熱部材は、前記摺動部の下部に配列されていることを特徴とする試料ステージ。
4. 請求項１において、
   前記駆動機構を制御するステージ位置制御部を備え、当該ステージ位置制御部による前記テーブルの移動量が、所定のしきい値を超えたとき、或いはその移動量に応じて、前記押圧部が接する前記摺動部の一部、及び／又はその一部に隣接する部分の加熱を行うことを特徴とする試料ステージ。
5. 請求項１において、
   前記テーブルが複数積層され、前記試料をＸ−Ｙ方向に移動するように構成されていることを特徴とする試料ステージ。

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