JP5765580B2 - ポジショニングシステム、および、その方法とそれを使用する照準パターン - Google Patents

Description

本発明は、ポジショニングシステムと方法に関するものであって、特に、電子ビーム集光スキャン方式により、定位を実行するポジショニングシステム、および、その方法に関するものである。

工具機、各種産業機械と測定儀器の高精度化に伴い、精密機械、半導体産業、マイクロテクノロジー、または、ナノテクノロジーは、皆、微小化、精密化に発展し、超精密の加工機、半導体製造工程、および、電子情報機器等は、どれも、高精密の定位技術と儀器による補助を必要としている。

一般の精密なステージは、旋転や多移動軸の作動時、機械ポジショニングドリフト問題が生じる。現在、以下のような解決方法がある。

（１）光学干渉儀により、ステージの精密移動を検出するが、しかし、光学干渉儀の使用は、高精密定位を達成できるが、光学干渉儀はステージの回転軸上に架設することできない。

（２）光学スケールにより測定校正を実行するが、光学スケールの精密度不足で、測定回転の偏心を測定することができない。

（３）空気ベアリング（ａｉｒ ｂｅａｒｉｎｇ）設計を有する機械回転軸を使用すると、３０ナノメートル（ｎｍ）の精確度に到達することができるが、操作は大気圧力下で行わなければならず、また、体積も大きく、小さい空間での使用に適さない。

（４）真空式センサーにより修正を行うが、回転台に傾斜角度がある時、機械設計は、非常に高い困難度と複雜度であり、回転台が１つの次元だけではない時、設計は実現不能である。

上述の問題を解決するため、本発明は、ポジショニングシステム、および、その方法とそれを使用する照準パターンを提供し、複雜な構造である複数の次元ステージのナノメートルレベルの定位に応用することができ、ステージが回転や複数の移動軸の作動の時に生じる機械ポジショニングドリフト問題を克服することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施例によるポジショニングシステムは、ステージ上に設置され、複数で、且つ、放射状に配列された徐々に広がる標記（ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｗｉｄｅｒ ｍａｒｋｅｒ）を有し、且つ、相隣する徐々に広がる標記の間にピッチを有する照準パターンと、集光電子ビームを生成する電子ビーム装置と、電子ビーム装置に連接されて、集光電子ビームを調整して、照準パターンに、二次元パターンスキャンを実行し、反射する電子信号を生成するスキャンユニットと、反射する電子信号を検出する電子検出ユニットと、ステージ、電子ビーム装置、スキャンユニット、および、電子検出ユニットに連接される制御ユニットと、を含み、集光電子ビームは、二次元パターンスキャンにより、徐々に広がる標記とピッチにより生成される反射する電子信号を読み取り、制御ユニットにより分析して、クロック信号を生成し、且つ、制御ユニットは、クロック信号中の複数のパルス幅に従って、調整ステージの変位を調整し、二次元パターンスキャンは、円形、または、楕円形軌跡スキャンである。

本発明の更に別の実施例による照準パターンは、ポジショニングシステム中に応用され、照準パターンはステージ上に設置され、且つ、ステージ上に設置されたサンプルと一定距離を保持し、照準パターンは、放射状に配列され、且つ、複数の徐々に広がる標記を含み、相隣する徐々に広がる標記の間にピッチを有する。

本発明の更に別の実施例によるステージポジショニング方法は、一ステージ上に、照準パターンを固定し、照準パターンは、放射状に配列され、且つ、複数の徐々に広がる標記を含み、相隣する徐々に広がる標記の間にピッチを有する工程と集光電子ビームにより、照準パターンに二次元パターンスキャンを実行し、且つ、反射する電子信号を生成する工程と、反射する電子信号を検出する工程と、反射する電子信号を分析し、クロック信号を生成すると共に、照準パターン、二次元パターンスキャン、および、クロック信号中の複数のパルスの幅に従って、ステージの変位を調整する工程と、を含む。

本発明のポジショニングシステム、および、その方法により、機械ポジショニングドリフト問題を克服する。

本発明の実施例によるポジショニングシステムを示す図である。 本発明の実施例による照準パターン、および、円形軌跡スキャンを示す図である。 本発明の実施例によるクロック信号を示す図である。 本発明の三種の実施例による照準パターンと円形軌跡スキャンの対応を示す図である。 本発明の三種の実施例による照準パターンと円形軌跡スキャンの対応を示す図である。 本発明の三種の実施例による照準パターンと円形軌跡スキャンの対応を示す図である。 それぞれ、図４ａで示される円形軌跡スキャンに従って、照準パターンにより生成されるクロック信号を読み取ることを示す図である。 それぞれ、図４ｂで示される円形軌跡スキャンに従って、照準パターンにより生成されるクロック信号を読み取ることを示す図である。 それぞれ、図４ｃで示される円形軌跡スキャンに従って、照準パターンにより生成されるクロック信号を読み取ることを示す図である。 本発明の更に別の実施例による照準パターン、および、円形軌跡スキャンを示す図である。 本発明の更に別の実施例によるクロック信号を示す図である。 本発明の別の実施例による照準パターン、および、円形軌跡スキャンを示す図である。 本発明の別の実施例による照準パターン、および、円形軌跡スキャンを示す図である。 それぞれ、図８ａ、図８ｂで示される円形軌跡スキャンに従って、照準パターンにより生成されるクロック信号を読み取ることを示す図である。 それぞれ、図８ａ、図８ｂで示される円形軌跡スキャンに従って、照準パターンにより生成されるクロック信号を読み取ることを示す図である。 本発明の実施例によるステージポジショニング方法のフローチャートである。

図１は、本発明の実施例ポジショニングシステムの構造を示す図で、図に示されるように、ポジショニングシステム１０は、ステージ１４上に設置された照準パターンを含み、同時に、図２を参照すると、図２は、本発明の実施例による照準パターンを示す図で、照準パターン１２は、複数の放射状に配列された徐々に広がる標記を含み、１つの実施例では、４個の徐々に広がる標記を例としているが、これに限定されない。徐々に広がる標記は扇形部分１２１で、相隣する扇形部分１２１の間に、ピッチ１２２を有する。電子ビーム装置１６はステージ１４上方に設置され、集光電子ビーム１８を生成すると共に、スキャンユニット２６により、集光電子ビーム１８を制御し、ステージ１４上の照準パターン１２に、二次元パターンスキャンを実行し、反射する電子信号２０を生成する。１つの実施例では、図２に示されるように、二次元パターンスキャンは円形軌跡スキャン２８であるが、これに限定されず、二次元パターンスキャンは楕円形スキャン軌跡でもよい。円形軌跡スキャン２８は、扇形部分１２１、および、ピッチ１２２を読み取る。電子検出ユニット２２は、反射する電子信号２０を検出し、電子信号２０は、これに限定されないが、二次電子信号、および、後方散乱電子信号を含む。制御ユニット２４は、ステージ１４、電子ビーム装置１６、スキャンユニット２６、および、電子検出ユニット２２に連接される。

１つの実施例では、ステージ１４は、三軸マクロステージ、および、二個の回転台を有して、それぞれ、水平回転と垂直偏向を実行し、ステージ１４上に、サンプル（図示しない）を置き、照準パターン１２はサンプル付近に置かれると共に、サンプルと特定距離を保持する。これにより、集光電子ビーム１８は、照準パターン１２の変位、即ち、偵測サンプルの変位を検出する。

説明を継続すると、制御ユニット２４中に、照準パターン１２の形状を記録し、制御ユニット２４は、制御スキャン信号を出力して、スキャンユニット２６のスキャン経路を制御すると共に、更に、電子検出ユニット２２により検出される電子信号２０を計算して、クロック信号に変換し、照準パターン１２形状、スキャン経路、および、クロック信号に従って、照準パターン１２の位置の経過時間による変位量を計算し、ステージ１４を調整、修正する。

本発明において、照準パターン１２の扇形部分１２１とピッチ１２２の間に、著しい高度変化、または、異なる電気的性質を有するので、集光電子ビーム１８の円形軌跡スキャンは、照準パターン１２により生成される電子信号２０を読み取り、制御ユニット２４により、クロック信号であると分析する時、図３に示されるように、クロック信号３０は、高低の電圧変化を有する。１つの実施例では、集光電子ビーム１８が、扇形部分１２１をスキャンする時、クロック信号３０は、相対高度と幅を有する方形パルス３２を示し、この時、デジタル数値は１を示し、集光電子ビーム１８が、照準パターン１２のピッチ１２２をスキャンする時、パルス３２起伏を有せず、且つ、この時、デジタル数値は０を示す。

以下では、照準パターンは、四個の放射状に配列された扇形部分が、変位情況により生成された異なるクロック信号を例とし、本発明の特徴を説明すると、図４ａに示されるように、四個の扇形部分は、それぞれ、扇形部分１２１ａ、扇形部分１２１ｂ、扇形部分１２１ｃ、および、扇形部分１２１ｄであり、１つの実施例では、扇形部分１２１ａ、および、扇形部分１２１ｃはＸ方向に沿い、扇形部分１２１ｂ、および、扇形部分１２１ｄはＹ方向に沿い、且つ、扇形部分１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄは、放射中心ｏから徐々に広くなる設計で、四個の扇形部分１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄの間は、等間隔のピッチ配列である。

図４ａに示されるように、円形軌跡スキャン２８の経路の円心と、四個の扇形部分１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄの放射中心ｏが対応する時、集光電子ビーム１８（図１に示される）が、各扇形部分１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄをスキャンする経路が同じなので、読み取ったクロック信号３０は図５ａに示されるように、各パルス３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの幅は同じで、且つ、相隣するパルス３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ間の間隔が同じで、このクロック信号は、正確に読み取った信号を表す。

照準パターン１２の変位時（即ち、ステージ変位時）、集光電子ビーム１８が扇形部分１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄをスキャンする経路が変化するので、図４ｂに示されるように、照準パターン１２のＸ方向の変位を例とすると、集光電子ビーム１８の円形軌跡スキャン２８の経路が、扇形部分１２１ａ、および、扇形部分１２１ｃをスキャンする経路と異なるので、読み取ったクロック信号３０’は図５ｂに示されるように、パルス３２ａ’、および、パルス３２ｃ’の幅は異なり、且つ、相隣するパルス３２ａ’、３２ｂ’、３２ｃ’、３２ｄ’間の間隔も変化し、よって、クロック信号３０’のパルス３２ａ’、３２ｂ’、３２ｃ’、３２ｄ’幅とクロック信号３０のパルス３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ幅との比較により、ステージ１４（図１に示される）の時間経過の変位量を推定して、ステージ１４を調整、修正することができ、修正後のステージ１４上の照準パターン１２がスキャンされる時、図５ａで示される正確なクロック信号３０を得ることができる。

別の実施例中、ステージ１４も、Ｘ方向とＹ方向で変位を生じる可能性があり、図４ｃに示されるように、集光電子ビーム１８の円形軌跡スキャン２８の経路が、扇形部分１２１ａ、扇形部分１２１ｂ、１２１ａ、１２１ｄをスキャンする経路が異なり、この時、図５ｃに示されるように、クロック信号３０”中のパルス３２ａ”、３２ｂ”、３２ｃ”、３２ｄ”の幅が変化するので、パルス幅とタイミング変化により、ステージのＸ方向、および、Ｙ方向の変位量を求めることができる。

説明を継続すると、クロック信号３０中の各パルス３２のタイミング関係を識別して分析を進めるため、扇形部分１２１上に、少なくとも１つの凹槽を形成し、集光電子ビーム１８が、この凹槽を有する扇形部分１２１をスキャンする時、パルス３２は、平坦な方波ではなく、波動を有する方波である。図６は、本発明の更に別の実施例による照準パターンと円形軌跡スキャンを示す図で、照準パターン１２は、四個の扇形部分１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄを含み、且つ、扇形部分１２１ｄ上に凹槽３４を形成している。図７は、本発明の更に別の実施例によるクロック信号を示す図で、この実施例中、集光電子ビーム１８は、図６で示される照準パターンをスキャンし、且つ、円形軌跡スキャン２８の経路と円心と四扇形部分１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄの放射中心ｏは対応し、図７に示されるように、クロック信号３０中、各パルス３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの幅は同じで、且つ、相隣するパルス３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ間の間隔は同じで、パルス３２ｄのピークは、扇形部分１２１ｄ上の凹槽３４の設計により、波動３６を示し、これにより、四個の扇形部分１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄとクロック信号３０中の各個パルス３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの対応関係を定義する。

扇形部分１２１上に、凹槽３４を形成して、識別基準とすることに限定されず、扇形部分１２１上に突起を形成してもよい。また、採用する扇形部分１２１の扇角が過大、または、過小で、クロック信号３０を順序付けしにくくなるのを防止するため、１つの実施例では、扇角が４５度の扇形部分１２１により、分析誤差を減少させている。

以上の実施例は、四個の放射状に配列された徐々に広がる標記を含む照準パターンを例として説明しているが、これに限定されず、照準パターンは、二個、三個、または、四個以上の徐々に広がる標記でもよい。図８ａと図８ｂは、本発明の別の実施例による照準パターン、および、円形軌跡スキャンを示す図で、照準パターン１２は、三個の放射状に配列された扇形部分を含み、三個の扇形部分は、それぞれ、扇形部分１２３ａ、扇形部分１２３ｂ、および、扇形部分１２３ｃで、それらは、放射中心ｏから徐々に広くなる設計で、且つ、三扇形部分１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃの間は、等間隔のピッチ配列である。

図９ａと図９ｂは、それぞれ、図８ａ〜図８ｃで示される円形軌跡スキャンに従って読み取った照準パターンにより生成されるクロック信号を示す図である。図９ａに示されるように、円形軌跡スキャン２８の経路の円心と三扇形部分１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃの放射中心ｏが対応する時、集光電子ビーム１８（図１に示される）が各扇形部分１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃをスキャンする経路が同じなので、これにより、読み取ったクロック信号５０中の各パルス５２ａ、５２ｂ、５２ｃの幅は同じで、且つ、相隣するパルス５２ａ、５２ｂ、５２ｃ間の間隔は同じで、このクロック信号は、正確に読み取った信号を示す。ステージ１４が変位を生じる時、図９ｂに示されるように、集光電子ビーム１８の円形軌跡スキャン２８の経路は、扇形部分１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃをスキャンする経路と異なり、この時、クロック信号５０’中のパルス５２ａ’、５２ｂ’、５２ｃ’の幅も変化し、これにより、パルス幅とタイミング変化はベクトル射影計算により、ステージの変位量に転換される。

本発明において、電子ビーム装置により生成される集光電子ビームの集光点の大きさは、ポジショニングシステムの解像度を決定し、集光電子ビームの電流値は、クロック信号の信号対ノイズ比を決定するのに用いられる。さらに、信号対ノイズ比を増加させるため、更に、マルチペタル（ｍｕｌｔｉ−ｐｅｔａｌ）の徐々に広がる標記を有する照準パターンを採用して、スキャン時のサンプリング速度を増加する。

図１０は、本発明の実施例ステージポジショニング方法のフローチャートで、図に示されるように、ステージポジショニング方法は、Ｓ４０で、ステージ上に、放射状に配列される四個の徐々に広がる標記を含む照準パターンを固定する工程と、Ｓ４２で、集光電子ビームにより、照準パターンに二次元パターンスキャンを実行し、且つ、反射する電子信号を生成する工程と、Ｓ４４で、電子検出ユニットを利用して、反射する電子信号を検出する工程と、Ｓ４６で、反射する電子信号を分析すると共に、クロック信号を生成する工程と、Ｓ４８で、照準パターン形状、スキャン経路、および、クロック信号中の複数のパルスの幅に従って、照準パターンの位置の時間経過の変位量を計算し、ステージを調整して、修正する工程と、を含む。

本発明では、集光電子ビームを利用して、特定の照準パターンをスキャンすると共に、電子検出ユニットにより、スキャンされた照準パターンにより生成される反射電子信号を検出して、更に、照準パターンが変位したかを判断して、ステージを調整、修正し、修正後のステージ上の照準パターンがスキャンされる時、予設の正確に読み取られたクロック信号を得る。このようなポジショニングシステム、および、その方法は、複雑な構造の複数の次元ステージのナノメートルレベルのポジショニングに応用でき、ステージが回転、または、多移動軸の作動時に生じる機械ポジショニングドリフト問題を克服する。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

Claims (16)

1. ポジショニングシステムであって、
   ステージ上に設置され、複数で、且つ、放射状に配列された徐々に広がる標記を有し、相隣する前記徐々に広がる標記の間にピッチを有する照準パターンと、
   集光電子ビームを生成する電子ビーム装置と、
   前記電子ビーム装置に連接されて、前記集光電子ビームを調整して、前記照準パターンに二次元パターンスキャンを実行し、反射する電子信号を生成するスキャンユニットと、
   前記反射する電子信号を検出する電子検出ユニットと、
   前記ステージ、前記電子ビーム装置、前記スキャンユニット、および、前記電子検出ユニットに連接される制御ユニットと、
   を含み、
   前記集光電子ビームは、前記二次元パターンスキャンにより、前記徐々に広がる標記と前記ピッチにより生成される前記反射する電子信号を読み取り、前記制御ユニットにより分析してクロック信号を生成し、且つ、前記制御ユニットは、前記クロック信号中の複数のパルスの幅に従って、前記ステージの変位を調整することを特徴とするポジショニングシステム。
2. 前記各徐々に広がる標記は扇形部分であることを特徴とする請求項１に記載のポジショニングシステム。
3. 前記照準パターンは４個の前記扇形部分を含むことを特徴とする請求項２に記載のポジショニングシステム。
4. 前記照準パターンは３個の前記扇形部分を含むことを特徴とする請求項２に記載のポジショニングシステム。
5. 前記徐々に広がる標記の少なくとも１つの表面は、少なくとも一本の凹槽を形成していることを特徴とする請求項１から４いずれかの一項に記載のポジショニングシステム。
6. 前記二次元パターンスキャンは円形、または、楕円形軌跡スキャンで、且つ、前記円形、または、楕円形軌跡スキャンは前記照準パターンを読み取ることを特徴とする請求項１から５いずれかの一項に記載のポジショニングシステム。
7. 前記反射する電子信号は、二次電子信号、および、後方散乱電子信号ことを特徴とする請求項１から６いずれかの一項に記載のポジショニングシステム。
8. ステージポジショニング方法であって、
   ステージ上に、放射状に配列され、且つ、複数の徐々に広がる標記を含む照準パターンを固定する工程と、
   集光電子ビームにより、前記照準パターンに二次元パターンスキャンを実行し、且つ、反射する電子信号を生成する工程と、
   前記反射する電子信号を検出する工程と、
   前記反射する電子信号を分析し、クロック信号を生成すると共に、前記照準パターン、前記二次元パターンスキャン、および、前記クロック信号中の複数のパルスの幅に従って、前記ステージの変位を調整する工程と、
   を含み、相隣する前記徐々に広がる標記の間にピッチを有することを特徴とするステージポジショニング方法。
9. 前記二次元パターンスキャンは、円形、または、楕円形軌跡スキャンで、且つ、前記円形、または、楕円形軌跡スキャンは、前記照準パターンを読み取ることを特徴とする請求項８に記載のステージポジショニング方法。
10. 前記反射する電子信号は、二次電子信号、および、後方散乱電子信号を含むことを特徴とする請求項８又は９に記載のステージポジショニング方法。
11. 前記徐々に広がる標記は、放射中心を基準とし、前記放射状配列をなし、且つ、前記各徐々に広がる標記は、前記放射中心から離れるにつれて、徐々に広くなることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載のステージポジショニング方法。
12. 前記各徐々に広がる標記は扇形部分であることを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項に記載のステージポジショニング方法。
13. 前記照準パターンは４個の前記扇形部分を含むことを特徴とする請求項１２に記載のステージポジショニング方法。
14. 前記照準パターンは３個の前記扇形部分を含むことを特徴とする請求項１２に記載のステージポジショニング方法。
15. 前記徐々に広がる標記の少なくとも１つの表面に、少なくとも１つの凹槽を形成していることを特徴とする請求項８から１４のいずれか一項に記載のステージポジショニング方法。
16. 前記徐々に広がる標記は、等間隔のピッチ放射状配列であることを特徴とする請求項８から１５のいずれか一項に記載のステージポジショニング方法。