JP5248553B2 - 試料ステージ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体の検査や評価に用いられる電子顕微鏡装置に備えられ試料を保持する試料ステージ装置に係り、試料を搭載して移動する試料テーブルの位置決め制御方式に関する。

通常、半導体素子や集積回路の製造工程では、ウェーハに形成した各種パターンの形状や寸法を高い精度で検査して評価する必要がある。そのため、製造装置のみならず検査及び評価装置に対しても、これら半導体素子や集積回路の微細化に対応して、装置の高精度化が求められている。そこで、ウェーハ上に形成した各種パターンの形状や寸法の検査では、測長機能付きの走査型電子顕微鏡（以下では、ＳＥＭ（scanning electron microscope）とも称する）が用いられている。

この測長機能付きのＳＥＭ、いわゆる測長ＳＥＭによるウェーハの検査では、ウェーハに電子線を照射して得られる二次電子信号を画像化処理して二次電子像を取得し、その明暗の変化からパターンの形状を判別して、検査対象のパターンの寸法を導き出す。ＳＥＭには、試料を保持する試料ステージ装置が備えられている。試料ステージ装置は、ウェーハが搭載された二次元移動可能な試料テーブルを、ウェーハ上の観察箇所に合わせて位置決めする構成になっている。

ウェーハ上に形成した各種パターンのＳＥＭによる検査では、例えば、３５ｎｍノードのデザインルールに対応することが求められ、３０万倍以上の高い観察倍率で、ウェーハ上の観察箇所についてノイズが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、この二次電子像を何枚も重ね合わせて観察画像としてのコントラストを向上させることも求められている。このような課題や要求に応えるために、試料ステージ装置では、装置の振動やドリフト（時間経過とともに試料テーブルの停止位置がずれていく現象）をｎｍオーダで抑える必要があった。

検査対象のウェーハサイズについても、現状では３００ｍｍが主流になっている。これに伴って、ウェーハが搭載される試料ステージ装置の試料テーブルも従前に比してかなり大型になっている。同時に、スループット向上の観点から、試料ステージ装置ではこの大型になった試料テーブルを高速で移動、位置決めする必要もある。この大型になった試料テーブルを移動させる高出力駆動機構では、モータや駆動軸の発熱による温度上昇が発生する。

そのため、試料ステージ装置では、このような発熱による温度上昇に起因した熱膨張収縮による試料ステージ装置のドリフトを回避する手段として、試料テーブルとその駆動軸との間に２０〜１００μｍのギャップを設けて、停止時は試料テーブルから駆動軸を切り離す技術（例えば、特許文献１）がある。

さらに，このギャップによって生じる不感帯のために不得手となる試料テーブルの微動移動時には、試料テーブルの現在位置を測定する位置検出器による測定値と予め設定した目標値との偏差を監視しながら、目標位置との偏差がある一定値以下になった時点で試料テーブルの微動駆動を停止させる技術（例えば、特許文献２）がある。

これら技術により、従来の電子顕微鏡装置に備えられた試料ステージ装置では、パルスモータを用いたオープンループによる試料テーブルの位置決め制御が可能になっている。

特開２００４−１３４１５５号公報 特開２００７−８０６６０号公報

しかしながら、特許文献２に開示された技術では、現在位置と目標位置との偏差が駆動部と試料テーブルとの結合部に設けられているギャップよりも大きい場合に、試料テーブルの低速移動に先立って試料テーブルを仮の目標位置へ高速移動させた際に、このギャップの影響で、実際の停止位置にばらつきが生じてしまう。この停止位置のばらつきは、ギャップの初期状態（仮の目標位置への高速移動に際しての当初ギャップ状態），試料テーブルの加速度変化による振動，試料テーブルの慣性，等といった試料テーブルの駆動条件に起因する。この試料テーブルを仮の目標位置に対して高速移動させた際の実際の停止位置のばらつきにより、その後の本来の目標位置への低速移動時に、仮の目標位置と実際の停止位置とがずれた分だけ、試料テーブルを余計に低速移動し続けなければならないことも必要になる。このため、特許文献２に開示された技術では、本来の目標位置への試料テーブルの移動に、より多くの時間を要してしまうという問題があった。

また、試料ステージ装置に二次元移動可能な試料テーブルとして搭載されるＸ−Ｙテーブルは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向それぞれに別々の駆動機構を有している。そのため、各駆動機構によるそれぞれの移動距離の差異により、早く動作完了した軸方向の停止精度が後から動作完了する軸方向への移動及び停止の影響でずれてしまう、といった問題も発生する。

さらに、本来の目標位置への移動を、試料テーブルの高速移動・停止と低速移動・停止とからなる複数回の試料テーブルの移動・停止に分けて行うことにより、制御のオーバヘッドが大きくなってしまうという問題もあった。

これらのことから、従来の試料ステージ装置では、スループットのばらつきやメカ特性（機械構成部分の特性）の変化による停止精度のばらつきといった問題が発生する。

本発明は、上述した問題点を鑑みなされたものであって、電子顕微鏡装置に備えられる試料ステージ装置にあって、ギャップの初期状態等の駆動条件に影響されることなく、熱ドリフトや振動によるノイズを抑えることが可能で、安定した試料テーブルの高速な位置決め制御方式を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の試料ステージ装置は、ギャップ等による駆動条件の影響を受けない理想的な位置情報をリアルタイムで算出し、位置検出器による測定値と理想的な位置情報との偏差もリアルタイムに求める構成になっている。その上で、この求められた偏差から測定値が理想的な位置情報に追従するようにモータの速度指令値を算出し、リアルタイムな速度制御を行うフィードバック制御により、安定した試料ステージの高速な位置決め制御を行う構成になっている。

本発明によれば、一定の制御周期の中で操作画面から指定された制御パラメータに従って駆動条件の影響を受けない理想的な位置情報の論理パターンを生成し、レーザーの測長値との偏差を算出する。この位置偏差がなくなるようにモータを駆動する速度指令値を算出し、リアルタイムに速度制御を行うことで、テーブル駆動前のギャップ等による駆動条件の影響を受けることなく高速での位置決め制御が可能になる。

また、仮の目標位置への移動が不要になり本来の目標位置へ直接移動することが可能になり、仮の目標位置へ移動する高速駆動や本来の目標位置へ移動する低速駆動などの制御の切替えも不要になるため高速な位置決め制御が可能になる。

さらに、テーブル駆動後に駆動部と試料ステージを切り離すことで熱ドリフトや振動によるノイズを抑えることが可能な安定した試料ステージの高速な位置決め制御方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る試料ステージ装置の概略構成を示した図である。 本実施の形態に係る試料ステージ装置による試料テーブルの位置決め制御方式のフローチャートである。 本実施の形態に係る試料ステージ装置における、Ｘ軸方向移動テーブル及びＹ軸方向移動テーブルの駆動時間，移動速度の調整方式の説明図である。 本実施の形態に係る試料ステージ装置における、Ｘ軸方向移動テーブル又はＹ軸方向移動テーブルの移動に係り、論理パターンに基づく場合と実際の場合との対照図である。

以下、本発明に係る試料ステージ装置の一実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施の形態に係る試料ステージ装置の概略構成を示した図である。
図１では、試料ステージ装置１０を、走査型電子顕微鏡の試料室２に適用した実施の形態になっている。ここで、走査型電子顕微鏡の試料室２は、図示せぬ真空ポンプによって真空排気可能な真空チャンバであり、試料ステージ装置１０の可動部としての試料テーブル１１が設けられている。

走査型電子顕微鏡は、この試料室２を画成する試料室筐体３に、図示省略した鏡筒が一体的に接続されている。この鏡筒には、試料４上に一次電子線を照射するための電子光学系が収納されている。電子光学系は、一次電子線を生成する電子銃，試料上の一次電子線の照射位置を所望の観察視野範囲に従って走査する偏向器，試料上の観察視野範囲における観察対象部位に一次電子線を集束させる対物レンズ，等を含む。また、走査型電子顕微鏡の試料室２或いは鏡筒には、この一次電子線の照射によって試料４から放出される二次電子を検出する二次電子検出器が備えられている。走査型電子顕微鏡では、この二次電子検出器から輝度信号として出力される検出信号が、信号増幅及びＡ／Ｄ変換された後、画像処理部に入力される。画像処理部は、二次電子検出器とともに走査型電子顕微鏡の検出系を構成し、観察視野範囲の観察走査像を生成する。画像処理部によって生成された観察走査像は、走査電子顕微鏡による試料観察を制御するためのコンピュータ装置からなる情報機器７０に供給され、その表示器７１の画面上に表示される。

試料ステージ装置１０の試料テーブル１１は、試料室２の内部で二次元移動可能に設けられており、図示の例では、ベース１２，センターテーブル１３，トップテーブル１４を備えたＸ−Ｙテーブルとして構成されている。

センターテーブル１３は、Ｘ−ＹテーブルのＸ軸方向移動テーブル１５として、試料室２の二次元平面（Ｘ−Ｙ平面）においてＸ軸方向に移動可能に、ベース１２上に設けられている。Ｘ軸方向移動テーブル１５は、Ｘ軸方向に沿って延びるＸ軸ボールネジ１７の回転に応じてその軸上を移動変位するＸ軸ロッド１９により、Ｘ軸方向に押し引きされる。Ｘ軸ロッド１９には、係合部２１が形成され、この係合部２１は、Ｘ軸方向移動テーブル１５上にＹ軸方向に延びて形成された溝状の案内部２３に係合している。その際、Ｘ軸方向移動テーブル１５の案内部２３のＸ軸方向の溝幅は、Ｘ軸ロッド１９の係合部２１のＸ軸方向の幅よりも所定量（例えば５０μｍ）だけ大きくなっており、Ｘ軸ロッド１９の係合部２１と案内部２３の溝側壁との間に、ギャップ部２５を生じさせている。

このギャップ部２５により、係合部２１は、案内部２３のＸ軸方向の両側いずれの溝側壁に対しても離間した非当接状態になることができる。また、Ｘ軸方向移動テーブル１５は、Ｘ軸ロッド１９の係合部２１によって拘束されることなく、案内部２３の長さ方向に沿ってＹ軸方向に移動できるとともに、Ｘ軸ロッド１９の係合部２１は、Ｘ軸方向への移動によりＸ軸方向移動テーブル１５の案内部２３のいずれかの溝側壁と当接するようになると、Ｘ軸方向移動テーブル１５のＸ軸方向への移動を拘束するようになり、さらなる移動によってＸ軸方向移動テーブル１５をＸ軸方向に沿って押し引きする。

Ｘ軸ボールネジ１７は、ステッピングモータよりなるＸ軸パルスモータ２７と連結され、その正・逆回転に応じてＸ軸ロッド１９をＸ軸方向に沿って進退変位させ、ひいてはＸ軸方向移動テーブル１５をＸ軸方向に沿って進退移動させる。

トップテーブル１４は、Ｘ−ＹテーブルのＹ軸方向移動テーブル１６として、試料室２の二次元平面（Ｘ−Ｙ平面）においてＹ軸方向に移動可能に、センターテーブル１３としての上述したＸ軸方向移動テーブル１５上に設けられている。なお、図１においては、Ｘ軸方向移動テーブル１５，Ｙ軸方向移動テーブル１６は、そのシステム理解を優先させるため、便宜的に両者間の接続構成を省略し、図面上では同方向に並べた略図で表してある。Ｙ軸方向移動テーブル１６は、Ｙ軸方向に沿って延びるＹ軸ボールネジ１８の回転に応じてその軸上を移動変位するＹ軸ロッド２０により、Ｙ軸方向に押し引きされる。Ｙ軸ロッド２０には、係合部２２が形成され、この係合部２２は、Ｙ軸方向移動テーブル１６上にＸ軸方向に延びて形成された溝状の案内部２４に係合している。その際、Ｙ軸方向移動テーブル１６の案内部２４のＹ軸方向の溝幅は、Ｙ軸ロッド２０の係合部２２のＹ軸方向の幅よりも所定量（例えば５０μｍ）だけ大きくなっており、Ｙ軸ロッド２０の係合部２２と案内部２４の溝側壁との間には、ギャップ部２６を生じさせる。

このギャップ部２６により、係合部２２は、案内部２４のＹ軸方向の両側いずれの溝側壁に対しても離間した非当接状態になることができる。また、Ｙ軸方向移動テーブル１６は、Ｙ軸ロッド２０の係合部２２によって拘束されることなく、案内部２４の長さ方向に沿ってＸ軸方向に移動できるとともに、Ｙ軸ロッド２０の係合部２２は、Ｙ軸方向への移動によりＹ軸方向移動テーブル１６の案内部２４のいずれかの溝側壁と当接するようになると、Ｙ軸方向移動テーブル１６のＹ軸方向への移動を拘束するようになり、さらなる移動によってＹ軸方向移動テーブル１６をＹ軸方向に沿って押し引きする。

Ｙ軸ボールネジ１８は、ステッピングモータよりなるＹ軸パルスモータ２８と連結され、その正・逆回転に応じてＹ軸ロッド２０をＹ軸方向に沿って進退変位させ、ひいてはＹ軸方向移動テーブル１６をＹ軸方向に沿って進退移動させる。

さらに、トップテーブル１４としてのＹ軸方向移動テーブル１６のテーブル上には、試料としてのウェーハ４が位置決め載置され、試料テーブル１１上にウェーハ４を位置決め保持する試料ホルダ２９が固設されている。

また、Ｘ軸方向移動テーブル１５，Ｙ軸方向移動テーブル１６それぞれのＸ軸方向，Ｙ軸方向の移動位置ｘ，ｙは、Ｘ軸方向移動テーブル１５，Ｙ軸方向移動テーブル１６それぞれに取り付けられたバーミラー３１，３２により、それぞれ対応するレーザー干渉計３３，３４を用いて測定する。Ｘ軸方向レーザー干渉計３３，Ｙ軸方向レーザー干渉計３４は、それぞれ発光したレーザー光に対しての対応するバーミラー３１，３２からの反射光を受光し、この受光した反射光に基づいてＸ軸方向移動テーブル１５，Ｙ軸方向移動テーブル１６それぞれのＸ軸方向，Ｙ軸方向の移動位置ｘ，ｙをリアルタイムで測長する。

なお、図１においては、センターテーブル１３をＸ軸方向移動テーブル１５で、トップテーブル１４をＹ軸方向移動テーブル１６で構成したが、センターテーブル１３をＹ軸方向移動テーブル１６で、トップテーブル１４をＸ軸方向移動テーブル１５で構成してもよい。

このように構成された本実施の形態の試料ステージ装置１０において、Ｘ軸方向移動テーブル１５及びＹ軸方向移動テーブル１６は、走査電子顕微鏡による試料観察を制御する情報機器７０に接続されている制御装置４０によって作動制御される。

情報機器７０は、走査電子顕微鏡による試料観察に際して観察条件を設定したり、この設定された観察条件に基づいて電子光学系を作動制御し、検出系により取得した観察画像を表示器７１の画面上に出力したり等、走査電子顕微鏡による試料観察を制御する。さらに、本実施の形態では、情報機器７０は、試料ステージ装置１０を駆動するための制御パラメータを表示器７１の画面上に表示されるＯＳＤ（On Screen Display）画面上で設定したり、この制御パラメータを基に制御装置４０により制御作動される試料ステージ装置１０の動作ログを表示出力したり等、試料ステージ装置１０の制御装置４０に対する入・出力装置を兼ねている。

情報機器７０では、Ｘ軸方向移動テーブル１５及びＹ軸方向移動テーブル１６からなる試料テーブル１１の移動に係り、例えば、初速度，最高速度，最高加速度，目標位置，ジャーク時間，切り離し距離，停止閾値，等を制御パラメータとして設定できる。なお、この場合の‘初速度’は試料テーブル１１の静止状態からの動き出しの速度ではなく、作業者が設定する試料テーブル１１の目標位置への移動速度を示す。‘最高速度’，‘最高加速度’は試料テーブル１１を移動させる際の‘速度の上限値’，‘加速度の上限値’をそれぞれ示す。また、‘目標位置’は試料テーブル１１の移動先の位置座標を、‘ジャーク時間’は動き出しや停止する際の試料テーブル１１の加速度変化や慣性に基づいた加速度変化時間を、‘切り離し距離’は試料テーブル１１の目標位置への移動終了後にロッド１９，２０の係合部２１，２２を試料テーブル１１の案内部２３，２４の溝側壁から離間させておく距離を、‘停止閾値’は目標位置に対する移動完了位置の許容誤差を、それぞれ示す。

制御装置４０は、論理パターン生成部４１と、フィードバック制御部４２と、動作ログ収集部４３とを備えている。さらに、そのフィードバック制御部４２は、Ｘ軸方向移動テーブル１５のＸ軸方向に沿った移動を制御するＸ方向フィードバック制御部４４と、Ｙ軸方向移動テーブル１６のＹ軸方向に沿った移動を制御するＹ方向フィードバック制御部４５とを含む。

論理パターン生成部４１は、情報機器７０で設定された制御パラメータを基にして、試料テーブル１１を駆動開始位置ｘ(0)，ｙ(0)から制御パラメータとして設定された目標位置ｘtg，ｙtgへ移動させるための論理的な移動位置情報を生成する。この論理的な移動位置情報は、駆動開始位置ｘ(0)，ｙ(0)でのギャップ部２５，２６の初期状態等といった駆動条件の影響を受けずに、駆動開始位置ｘ(0)，ｙ(0)から目標位置ｘtg，ｙtgまでの間の途中の目標移動位置ｘ(i)，ｙ(i)を、フィードバック制御部４２の制御周期ｔｃに基づいて細分化して目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)として生成したものである。

フィードバック制御部４２は、論理パターン生成部４１が生成した、この駆動開始位置ｘ(0)，ｙ(0)から目標位置ｘtg，ｙtgまでの間の目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)の集合からなる論理的な移動位置情報を基にして、試料テーブル１１の駆動を所定の制御周期ｔｃ毎に制御する。なお、この制御周期ｔｃは、制御対象である試料テーブル１１のアクチュエータがパルスモータ（ステッピングモータ）２７，２８であることにも関係して、その分解能とフィードバック制御部４２自体の処理能力に係る尤度（１制御周期において当該処理に要する時間の割合）を基に予め設定されており、具体的には１ＫＨｚ（1ｍｓ周期）〜１０ＫＨｚ（１００μｓ周期）の間の値になっている。

フィードバック制御部４２は、その機能上から、Ｘ軸方向移動テーブル１５の移動を制御するＸ方向フィードバック制御部４４と、Ｙ軸方向移動テーブル１６の移動を制御するＹ方向フィードバック制御部４５とに分けられる。さらに、各フィードバック制御部４４，４５は、レーザー測長値受信部４６と、速度指令値生成部４７と、パルス生成部４８とを含む。ここでは、Ｘ方向フィードバック制御部４４を例に、各部４６〜４８の構成について説明する。

レーザー測長値受信部４６は、Ｘ軸方向レーザー干渉計３３から出力されるレーザー測長信号を受信し、Ｘ軸方向移動テーブル１５の現在のＸ軸方向移動位置ｘ(i)を示すレーザー測長値を算出して、速度指令値生成部４７及び動作ログ収集部４３に供給する。

速度指令値生成部４７は、前述した制御周期ｔｃ毎に、レーザー測長値受信部４６から供給されるＸ軸方向移動テーブル１５の現在のＸ軸方向移動位置ｘ(i)と、論理パターン生成部４１によって生成された論理的な移動位置情報の対応する目標位置指令値ｘtg(i)とから、両者間の偏差ｄｘ(i)を算出する。速度指令値生成部４７は、この算出した偏差ｄｘ(i)等に基づいて、制御周期ｔｃの現時点における繰り返しｉに対応した速度指令値ｖｘ(i)を生成し、パルス生成部４８並びに動作ログ収集部４３に供給する。

パルス生成部４８は、速度指令値生成部４７から供給される速度指令値ｖｘ(i)に対応した速度でＸ軸方向移動テーブル１５を移動させるためのモータ駆動パルスＰｘ(i)を生成し、Ｘ軸パルスモータ２７並びに動作ログ収集部４３に供給する。

これにより、Ｘ軸パルスモータ２７は、速度指令値生成部４７の制御周期ｔｃ毎に、パルス生成部４８から供給されるモータ駆動パルスＰｘ(i)に対応した回転量だけ駆動され、Ｘ軸ボールネジ１７に取り付けられているＸ軸ロッド１９の係合部２１は、速度指令値ｖｘ(i)に対応した速度でＸ軸方向に沿って進退する。

また、この制御周期ｔｃ毎の、レーザー測長値（Ｘ軸方向移動テーブル１５のＸ軸方向移動位置）ｘ(i)，目標位置指令値ｘtg(i)，速度指令値ｖｘ(i)，モータ駆動パルスＰｘ(i)は、動作ログ収集部４３によって収集される。これにより、動作ログ収集部４３には、試料テーブル１１の移動開始から移動終了（移動停止）までのＸ軸方向移動テーブル１５に係るログ情報が収集・蓄積されることなる。

そして、Ｙ方向フィードバック制御部４５も、上述したＸ方向フィードバック制御部４４と同様な各部４６〜４８を備えている。これにより、Ｙ方向フィードバック制御部４５は、Ｘ方向フィードバック制御部４４による目標位置ｘtgへのＸ軸方向移動テーブル１５の駆動と並行して、同じ制御周期ｔｃで目標位置ｙtgへのＹ軸方向移動テーブル１６の駆動を行う。

したがって、動作ログ収集部４３には、今回の制御パラメータとして設定された目標位置ｘtg，ｙtgへの試料テーブル１１の移動に係り、そのログ情報として、速度指令値生成部４７における制御周期ｔｃの繰り返しｉ毎の、レーザー測長値ｘ(i) ，ｙ(i)、目標位置指令値ｘtg(i) ， tg(i)、速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)、モータ駆動パルスＰｘ(i) ，Ｐｙ(i)が、試料テーブル１１の移動に伴って蓄積されることになる。この動作ログ収集部４３に蓄積された目標位置ｘtg，ｙtgへの試料テーブル１１の移動に係るログ情報は、情報機器７０の表示器７１のＯＳＤ画面上での所定操作によって、情報機器７０に読み出されて表示出力される。

次に、本実施の形態に係る試料ステージ装置１０の動作について、図２〜図４に基づいて説明する。

図２は、本実施の形態に係る試料ステージ装置による試料テーブルの位置決め制御方式のフローチャートである。

作業者は、まず、走査電子顕微鏡により試料観察を行うに当たって、ステップＳ２０１で、初速度，最高速度，最高加速度，目標位置，ジャーク時間，切り離し距離，停止閾値，等といった試料ステージ装置１０を駆動する際の制御パラメータを、情報機器７０の表示器７１に表示された所定のＯＳＤ画面から入力する。なお、これら制御パラメータの中、例えば目標位置については、走査電子顕微鏡の観察条件の設定時に、試料（ウェーハ）４上の１又は複数の観察視野範囲の設定と連動させて、他のパラメータとは別に設定する構成としてもよいし、最高速度，最高加速度は、ボールネジ１７，１８やパルスモータ２７，２８の限界値に対応して予めデフォルトされていてもよい。

試料ステージ装置１０は、試料観察の試料移動に伴い、情報機器７０から制御パラメータが供給されると、ステップＳ２０２，Ｓ２０３で、制御装置４０の論理パターン生成部４１は、その初速度，目標位置，ジャーク時間に基づき、同じく設定された最高速度，最高加速度による条件の範囲内で、試料テーブル１１を目標位置ｘtg，ｙtgまで移動させるためのＸ軸方向の駆動時間とＹ軸方向の駆動時間とを算出する。この場合、試料テーブル１１のＸ軸方向の駆動時間はＸ軸方向移動テーブル１５の駆動時間ｔｘtgに、Ｙ軸方向の駆動時間はＹ軸方向移動テーブル１６の駆動時間ｔｙtgにそれぞれ該当する。その算出に当たっては、例えば、ウェーハ４の試料室２への搬入後の最初の試料テーブル１１の移動に係る場合は、試料テーブル１１の初期位置の位置座標を、最初の試料テーブル１１の移動ではない場合には、動作ログ収集部４３に蓄積されている前回移動終了時のレーザー測長値を、移動開始位置ｘ(0)，ｙ(0)として使用することができる。又、最初の試料テーブル１１の移動であるか否かに関係なく、レーザー干渉計３３，３４からのレーザー測長信号に基づきレーザー測長値受信部４６が算出した、現在のレーザー測長値ｘ，ｙを移動開始位置ｘ(0)，ｙ(0)として使用してもよい。

論理パターン生成部４１は、Ｘ軸方向移動テーブル１５の駆動時間ｔｘtg及びＹ軸方向移動テーブル１６の駆動時間ｔｙtgを算出すると、ステップＳ２０４で両者を比較し、Ｘ軸方向又はＹ軸方向いずれの駆動時間（動作時間）が長いかを判定する。論理パターン生成部４１は、Ｘ軸方向又はＹ軸方向いずれか一方の駆動時間が他方の駆動時間よりも長い場合は、駆動時間が短い他方側の移動速度を、図３に示すようにして調整する。

図３は、Ｘ軸方向移動テーブル及びＹ軸方向移動テーブルの駆動時間，移動速度の調整方式の説明図である。

論理パターン生成部４１は、図３に示すように、Ｙ軸方向の駆動時間ｔｙtgがＸ軸方向の駆動時間ｔｘtgよりも長い場合は、ステップＳ２０５で、Ｘ軸方向の目標位置（目標位置座標）ｘtgまでの駆動時間ｔｘtgの移動におけるＸ軸方向の最高速度（図３におけるグラフ３０１の直線部分の傾き）を、Ｙ軸方向の駆動時間ｔｙtgと等しくなるように再計算し、Ｘ軸方向の移動に係る最高速度を下げる。

逆に、Ｘ軸方向の駆動時間ｔｘtgがＹ軸方向の駆動時間ｔｙtgよりも長い場合は、ステップＳ２０６で、Ｙ軸方向の目標位置ｙtgまでの駆動時間ｔｙtgの移動におけるＹ軸方向の最高速度を、Ｘ軸方向の駆動時間ｔｘtgと等しくなるように再計算し、Ｙ軸方向の最高速度を下げる。

この移動速度の調整は、ステップＳ２０１で制御パラメータとして設定入力した初速度でそのまま試料テーブル１１を目標位置ｘtg，ｙtgに対して移動させてしまうと、それぞれの移動距離の相違によって、図３のグラフ３０１と３０２との関係に示したように、Ｘ方向の移動とＹ方向の移動との間で、目標位置ｘtg，ｙtgまでの移動が完了する時間ｔｘtg，ｔｙtgに大きな相違が生じる。図３では、Ｙ軸方向移動テーブル１６の駆動が完了した後も、Ｘ軸方向移動テーブル１５が未だ駆動中の状態になっている。このような状態では、先に駆動が完了したＹ軸方向移動テーブル１６（グラフ３０１が対応）は、その停止後、Ｘ軸方向移動テーブル１５の残りの動作（グラフ３０２のｔ(ｘ) −ｔ(ｙ)部分の駆動）に影響され、移動完了したときのＹ軸方向の停止位置すなわち目標位置ｙtgがずれてしまうことが起きる。

このような停止後における位置ずれの問題を解決するため、図３のグラフ３０２，３０３に示したように、試料テーブル１１を目標位置ｘtg，ｙtgへ移動させるためのＸ方向，Ｙ方向それぞれの動作時間ｔ(ｘ)，ｔ(ｙ)を、それぞれの移動距離の違いにかかわらず等しく（ｔ(ｘ)＝ｔ(ｙ)＝ｔｍ）しておくことで、各方向の移動時間の差異（ｔ(ｘ) −ｔ(ｙ) ）による停止精度のばらつきを低減するようになっている。なお、ステップＳ２０４で、Ｘ軸方向の駆動時間ｔｘtgとＹ軸方向の駆動時間ｔｙtgとの間の差違が予め定められた許容範囲内である場合には、論理パターン生成部４１は、移動時間すなわち移動最高速度の調整を行わない。

次に、論理パターン生成部４１は、ステップＳ２０７で、図３のグラフ３０２，３０３に示すように目標位置ｘtg，ｙtgに到達するまでの動作時間ｔｍよりも小さな一定の制御周期ｔｃ毎に、Ｘ軸方向移動テーブル１５及びＹ軸方向移動テーブル１６それぞれが位置すべき目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)を算出する。これにより、論理パターン生成部４１では、制御パラメータとともに、ギャップの初期状態や振動，ノイズといった駆動条件の影響を受けない論理パターンに基づいた、速度指令値生成部４７による制御周期の繰返しｉ（ｉ＝0，1，2，・・・，ｍ）毎の目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)を得る。

そして、この制御パラメータや目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)を基にして、制御装置４０のフィードバック制御部４２のＸ方向フィードバック制御部４４及びＹ方向フィードバック制御部４５は、ステップＳ２０８で、ステップＳ２０９〜Ｓ２１８までの間の処理を、Ｘ軸方向移動テーブル１５及びＹ軸方向移動テーブル１６が目標位置ｘtg，ｙtgに到達するまでの間、制御周期ｔｃ毎に繰り返して行い、目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)に応じた速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)の調整を実行する。

まず、ステップＳ２０９では、Ｘ方向フィードバック制御部４４及びＹ方向フィードバック制御部４５の各速度指令値生成部４７は、レーザー測長値受信部４６から、レーザー測長値、すなわちＸ軸方向移動テーブル１５の現在のＸ軸方向移動位置ｘ(i)及びＹ軸方向移動テーブル１６の現在のＹ軸方向移動位置ｙ(i)を取得する。

ステップＳ２１０では、各速度指令値生成部４７は、この取得した現在のＸ軸方向移動位置ｘ(i)及びＹ軸方向移動位置ｙ(i)が目標位置ｘtg，ｙtgに到達しているか否かを、前述した制御パラメータの停止閾値を用いて両者を比較することによって判定する。この結果、目標位置ｘtg，ｙtgと現在のＸ軸方向移動位置ｘ(i)，Ｙ軸方向移動位置ｙ(i)との差が制御パラメータの停止閾値範囲内であるならば、ステップＳ２０９〜Ｓ２１８までの間の繰り返し処理を終了し、後述するステップＳ２２０の駆動機構の切り離し処理を行う。

これに対し、目標位置ｘtg，ｙtgと現在のＸ軸方向移動位置ｘ(i)，Ｙ軸方向移動位置ｙ(i)との差が停止閾値範囲内にないならば、各速度指令値生成部４７は、論理パターン生成部４１が生成した、当該制御周期ｔｃの繰り返しｉ（ｉ＝0，1，2，・・・，ｍのいずれか）に対応する目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)を取得する。

ステップＳ２１１では、各速度指令値生成部４７は、ステップＳ２０７で論理パターン生成部４１が求めた、ギャップの初期状態や振動，ノイズといった駆動条件の影響を受けない目標位置指令値ｘtg(0)〜ｘtg(m)，ｙtg(0) 〜ｙtg(m)からなる論理パターンから、当該制御周期ｔｃの繰り返しｉ（ｉ＝0，1，2，・・・，ｍのいずれか）に対応した目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)を取得する。

ステップＳ２１２では、各速度指令値生成部４７は、ステップＳ２１１で取得した目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)と、ステップＳ２０９で取得した現在のＸ軸方向移動位置ｘ(i)並びにＹ軸方向移動位置ｙ(i)とから、当該制御周期ｔｃの繰り返しｉにおける両者の偏差ｄｘ(i) ，ｄｙ(i)を算出する。

そして、ステップＳ２１３では、各速度指令値生成部４７は、この算出した偏差ｄｘ(i) ，ｄｙ(i)を基に、この偏差ｄｘ(i) ，ｄｙ(i)を０に近づけるような当該制御周期ｔｃにおける速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)を算出する。ここで、この速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i) の算出の仕方について、図４に基づき説明する。

図４は、Ｘ軸方向移動テーブル又はＹ軸方向移動テーブルの移動に係り、論理パターンに基づく場合と実際の場合との対照図である。

図中、グラフ４０１は、ギャップ部２５，２６の初期状態や振動，ノイズといった駆動条件の影響を受けない論理パターンに基づいた、Ｘ軸方向移動テーブル１５又はＹ軸方向移動テーブル１６の目標位置ｘtg，ｙtgへの移動に係るグラフである。

また、グラフ４０２は、ギャップ部２５，２６の初期状態や振動，ノイズといった駆動条件の影響を受けた場合の、Ｘ軸方向移動テーブル１５又はＹ軸方向移動テーブル１６の目標位置ｘtg，ｙtgへの移動に係るグラフである。

この当該制御周期ｔｃにおける速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)の算出に当たっては、駆動条件の影響を受けない論理パターンにおける目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)に基づいたＸ軸方向移動テーブル１５又はＹ軸方向移動テーブル１６の変位を示すグラフ４０１に沿って、Ｘ軸方向移動テーブル１５又はＹ軸方向移動テーブル１６が駆動することが理想的である。

しかしながら、実際には、Ｘ軸方向移動テーブル１５及びＹ軸方向移動テーブル１６の案内部２３，２４と、駆動機構としてのロッド１９，２０の係合部２１，２２との間にあるギャップ部２５，２６等の影響で、Ｘ軸方向移動テーブル１５及びＹ軸方向移動テーブル１６は、駆動条件の影響を受けない論理パターンの、目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)に基づいたＸ軸方向移動テーブル１５又はＹ軸方向移動テーブル１６の位置ｘ，ｙの変位を示すグラフ４０１に沿って駆動することができない。

実際には、レーザー測長値ｘ(i)，ｙ(i)の位置変位をグラフ化したグラフ４０２に示すように、ジャークに加えてギャップ部２５，２６の影響により、位置ｘ，ｙの変化が現れるまでに数制御周期分の時間が必要になる。

そのため、その後の制御周期ｔｃの繰り返しｉ毎に、駆動条件の影響を受けない論理パターンにおける目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)に対応した、例えば図４におけるグラフ４０１の直線部分の傾きが表わす速度の速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)のままでＸ軸方向移動テーブル１５及びＹ軸方向移動テーブル１６の駆動を制御した場合、この数制御周期分の遅れ時間がそのままスループットの低下につながってしまう。

そこで、各速度指令値生成部４７は、ステップＳ２１３で、例えば、図４中にｔ(i)で示したｉ回目の制御周期ｔｃの開始に際して、図中、４０３で示す偏差ｄｘ(i) ，ｄｙ(i)が生じていた場合、次のｔ(i＋１)で示したｉ＋１回目の制御周期ｔｃの開始に際して、この偏差ｄｘ(i) ，ｄｙ(i)が０になるような、当該ｉ回目の制御周期ｔｃにおける速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)を、まず算出する。なお、この制御周期ｔｃにおける速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)に算出に当たって、例えば、図４中にｔ(ｉ＋２)で示したｉ＋２回目の制御周期ｔｃの場合のように、当該制御周期ｔｃの開始に際して、ステップＳ２１２で算出した偏差ｄｘ(i) ，ｄｙ(i)が０であるときには、本実施例では、各速度指令値生成部４７は、前回であるｉ＋１回目の制御周期ｔｃで算出及び決定した速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)を引き続き算出する構成になっている。

そして、各速度指令値生成部４７は、このようにしてステップＳ２１３で速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)を算出したならば、この算出した速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)をパルス生成部４８に供給する前に、ステップＳ２１４で示す確認処理を行う。

ステップＳ２１４では、各速度指令値生成部４７は、このステップＳ２１３で算出した速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)、又、この速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)を実現することにより生じる加速度ａｘ(i) ，ａｙ(i)が、ステップＳ２０１で設定された制御パラメータの最高速度，最高加速度を超えてしまっているか否かについて確認する。これは、駆動機構としてのボールネジ１７，１８やパルスモータ２７，２８には速度や加速度の限界値があり、この限界値を超えてしまうと、ボールネジ１７，１８の回転がロッド１９，２０の進退へ精度良く伝達変換されなくなったり、パルスモータ（ステッピングモータ）２７，２８が脱調してしまう等の虞を防止するためである。

各速度指令値生成部４７は、このステップＳ２１４で示す速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)の確認処理の結果によって、ステップＳ２１３で算出した速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)が駆動機構の限界値、すなわち、制御パラメータの最高速度，最高加速度を超えてしまっている場合には、ステップＳ２１５で、限界値を超えないように、速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)の再計算を行う。

例えば、図４に示したグラフ４０１，グラフ４０２の場合、次のｉ＋１回目の制御周期ｔｃでも、図中、４０３で示す偏差ｄｘ(i) ，ｄｙ(i)が未だ４０４で示す偏差ｄｘ(i+1) ，ｄｙ(i+1)として残っていることから、ステップＳ２１４で示した確認処理の結果、ステップＳ２１５で示した速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)の再計算が行われたことが理解できる。

このように、各速度指令値生成部４７が、図中、４０３で示す偏差ｄｘ(i) ，ｄｙ(i) を０に近づけるように速度制御を行うことで、次のｉ＋１回目以降の制御周期ｔｃでは、図中、４０４で示した偏差ｄｘ(i+1) ，ｄｙ(i+1) のように少なくなるとともに、目標位置ｘtg，ｙtgに到達する動作時間ｔｍのｍ回目間際の制御周期ｔｃでは、その偏差ｄｘ(ｍ) ，ｄｙ(ｍ)及び速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)は約０になる。

各速度指令値生成部４７は、ステップＳ２１３〜Ｓ２１５で算出及び確認した速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i) を各パルス生成部４８に供給する。ステップＳ２１６では、各パルス生成部４８は、この供給された速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)に基づきパルスモータ２７，２８を駆動するためのモータ駆動パルスＰｘ(i) ，Ｐｙ(i)に変換して、パルスモータ２７，２８に出力する。そして、ステップＳ２１７では、この変換されたモータ駆動パルスＰｘ(i) ，Ｐｙ(i)に従ってパルスモータ２７，２８は駆動し、ボールネジ１７，１８に取り付けられたロッド１９，２０を進退させて、Ｘ軸方向移動テーブル１５，Ｙ軸方向移動テーブル１６を押し引きして移動させる。

ステップＳ２１８では、今回の制御周期ｔｃで取得又は算出された、ステップＳ２０８のレーザー測長値ｘ(i) ，ｙ(i)、ステップＳ２１１の目標位置指令値ｘtg(i) ， tg(i)、ステップＳ２１３〜Ｓ２１５の速度指令値ｖｘ(i) ，ｖｙ(i)、ステップＳ２１６のモータ駆動パルスＰｘ(i) ，Ｐｙ(i)は、動作ログ収集部４３によってログ情報として収集され、情報機器７０によりモニタ可能、又は別途検索可能に保管される。

これにより、ステップＳ２１８で保管されたログ情報は、情報機器７０により取得され、その表示器７１の画面上に表示される。その表示態様として、例えば、レーザー測長値と目標位置指令値とを対照表示させた場合は、図４において、グラフ４０１とグラフ４０２とで示したようなＸ軸方向移動テーブル１５，Ｙ軸方向移動テーブル１６からなる試料テーブル１１の挙動を可視化することができる。また、このようにログ情報を可視化することで、試料テーブル１１が異常動作した際の、挙動解析にも使用することができる。

ステップＳ２１８で示したログ情報の収集処理を行った後は、制御装置４０のフィードバック制御部４２のＸ方向フィードバック制御部４４及びＹ方向フィードバック制御部４５は、ステップＳ２１９からステップＳ２０８に戻り、ステップＳ２０９〜Ｓ２１８までの間の処理を、ステップＳ２１０で目標位置ｘtg，ｙtgへの到達が確認できるまで繰り返し実行する。

このように、制御周期ｔｃ毎に、駆動条件の影響を受けない論理パターンにおける目標位置指令値ｘtg(i)，ｙtg(i)を基にした、ステップＳ２０９〜Ｓ２１８で示した処理を繰り返し行うことで、Ｘ軸方向移動テーブル１５，Ｙ軸方向移動テーブル１６の移動を論理パターンに追従させて制御することが可能になる。

また、ステップＳ２１０で、現在のＸ軸方向移動位置ｘ(i)及びＹ軸方向移動位置ｙ(i)が目標位置ｘtg，ｙtgに到達したのを、各速度指令値生成部４７が確認したならば、ステップＳ２２０で、各速度指令値生成部４７は、パルスモータ２７，２８やボールネジ１７，１８から発せられる熱による熱ドリフトを回避するために、Ｘ軸方向移動テーブル１５，Ｙ軸方向移動テーブル１６と対応する駆動機構との切り離し動作を実行する。

この駆動機構の切り離し動作では、各速度指令値生成部４７は、Ｘ軸方向移動テーブル１５，Ｙ軸方向移動テーブル１６の案内部２３，２４の溝幅と、Ｘ軸ロッド１９，Ｙ軸ロッド２０の係合部２１，２２の幅との差（例えば５０μｍ）よりも小さい所定量だけ、今までの押し引き方向とは逆向きにロッド１９，２０を進退させる速度指令値を生成し、これをパルス生成部４８に出力して、駆動機構の切り離し動作を行う。

以上説明したように、本実施の形態の試料ステージ装置によれば、試料テーブル１１の駆動条件に、テーブル駆動前のギャップ等による駆動条件の影響を受けることなく、高速での位置決め制御を実現できる。

また、仮の目標位置への移動が不要になり、本来の目標位置へ直接移動することが可能になり、仮の目標位置へ移動する高速駆動や本来の目標位置へ移動する低速駆動などの制御の切替えも不要になるため、高速な位置決め制御を実現できる。

２ 試料室、 ３ 試料室筐体、 ４ 試料（ウェーハ）、
１０ 試料ステージ装置、 １１ 試料テーブル、 １２ ベース、
１３ センターテーブル（Ｘ軸方向移動テーブル）、 １４ トップテーブル、
１５ Ｘ軸方向移動テーブル、 １６ Ｙ軸方向移動テーブル、
１７，１８ ボールネジ、 １９，２０ ロッド、 ２１，２２ 係合部、
２３，２４ 案内部、 ２５，２６ ギャップ部、 ２７，２８ パルスモータ、
２９ 試料ホルダ、 ３１，３２ バーミラー、 ３３，３４ レーザー干渉計、
４０ 制御装置、 ４１ 論理パターン生成部、 ４２ フィードバック制御部、
４３ 動作ログ収集部、 ４４ Ｘ方向フィードバック制御部、
４５ Ｙ方向フィードバック制御部、 ４６ レーザー測長値受信部、
４７ 速度指令値生成部、 ４８ パルス生成部、 ７０ 情報機器、
７１ 表示器

Claims (5)

1. 試料が搭載されるテーブルと、
   該テーブルを移動させる二次元平面上の各座標軸方向に対応させて複数設けられた駆動機構と、
   前記テーブルの各座標軸方向の位置をリアルタイムで計測する計測機構と
   を有し、
   前記テーブルとギャップを有して係合する前記各駆動機構の作用部を該当する座標軸方向に沿って進退させて、前記テーブルを該当する座標軸方向に移動させる
   構成の試料ステージ装置であって、
   前記テーブルの二次元移動に際し、各座標軸方向それぞれの前記テーブルの移動開始位置から移動先位置までの駆動時間を等しくするようにした上で、各座標軸方向それぞれの前記テーブルの移動開始位置から移動先位置までの間を予め設定された制御パラメータに従って細分化し、各座標軸方向それぞれの所定周期毎の位置指令値を生成する論理パターン生成手段と、
   該所定周期毎に、当該周期の始まりに対応した位置指令値と当該周期の始まりに当たって前記計測機構によって計測された前記テーブルの現在の移動位置との偏差に基づいて、当該周期で前記各駆動機構を駆動する速度指令値を生成する速度指令値生成手段と、
   当該生成された速度指令値で前記各作用部を対応する座標軸方向に進退させる駆動信号を前記各駆動機構に供給する駆動機構駆動手段と
   を備えていることを特徴とする試料ステージ装置。
2. 請求項１に記載の試料ステージ装置であって、
   前記論理パターン生成手段は、所定周期毎の位置指令値を生成するに当たり、各座標軸方向それぞれの前記テーブルの移動開始位置から移動先位置までの駆動時間を等しくするようにしたことで、各座標軸方向それぞれの移動先位置での前記テーブルの駆動完了が等しくなるようにする
   ことを特徴とする試料ステージ装置。
3. 請求項１又は２に記載の試料ステージ装置であって、
   所定周期毎に、前記論理パターン生成手段により生成された当該周期の位置指令値、前記計測機構により計測された当該周期の計測位置、前記速度指令値生成手段により生成された当該周期の速度指令値、前記駆動機構駆動手段から前記各駆動機構に供給された当該周期の駆動信号を収集し、動作ログ情報として格納する動作ログ手段を備える
   ことを特徴とする試料ステージ装置。
4. 請求項３に記載の試料ステージ装置であって、
   前記動作ログ手段に格納されている動作ログ情報を表示する表示器を有した情報機器
   を備えることを特徴とする試料ステージ装置。
5. 請求項４に記載の試料ステージ装置であって、
   前記情報機器は、制御パラメータをマニュアルで入力する手段
   を備えることを特徴とする試料ステージ装置。

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