JP6178092B2 - ステージ装置及び電子線応用装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空中に保持された試料に電子ビームやイオンビームの荷電粒子線（以下、電子線と総称する。）を照射する電子線検査装置や電子線描画装置などの電子線応用装置に装備されるステージ装置の構造に関する。

従来、走査型電子顕微鏡などの電子線を使った電子線応用装置において、ウェハやマスクなどの試料を保持・移動させるステージ装置が組み込まれる容器は、電子線に対する磁気の影響を最小化するため、容器自体を磁性材料で構成したり、容器を非磁性材料で構成する場合には容器外部又は内部に磁気遮蔽のための磁性材料を一体に設けたりして、容器外部の磁気の影響が容器内部に及ばないように磁気遮蔽（シールド）している。

また、ステージ装置自体にも、容器内で磁気の発生や変動が生じないように、基本的にはセラミックスやアルミニウム合金、チタン合金などの非磁性材料で構成するなどして、容器と同様に電子線に対する磁気の影響を最小化するための手段が施されている。

従来のステージ装置の駆動方式としては、モータなどの回転運動を直線運動に変換するボールねじ方式が多用されている。この方式では、例えば図１１及び図１２に示されるように、容器１００のステージベース板１０１上にガイドレール１０２，１０２を設置し、このガイドレール１０２，１０２上にボールねじ軸１０３に連結した第１のステージ１０４を設置するとともに、第１のステージ１０４上に前記ガイドレール１０２，１０２と直交する向きにガイドレール１０５，１０５を設置し、このガイドレール１０５，１０５上にガイドを介してボールねじ軸１０６に連結した第２のステージ１０７を設置し、容器１００の外側に設置されたモータ１０８，１０９を駆動してボールねじ軸１０３，１０６をそれぞれ回転させることで、ガイドレール１０２，１０２に沿って第１のステージ１０４を、ガイドレール１０５，１０５に沿って第２のステージ１０７をスライド移動させることにより、第２のステージ１０７上に設置された試料保持ステージ１０９を所定の位置に変位させるようにステージ装置が構成される。図中、符番１１０は、試料保持ステージ１１１の角部を挟んだ両側辺上面に沿って取り付けられたステージミラーである。

検査や加工の対象であるウェハなどの試料の微細化に伴い、ステージ装置には、試料を所定の方向へ正確に微少距離だけ変位させたり、所定の距離を速度の斑なく安定的に変位させたりすることが可能な高精度・高性能の機能のものが要求されている。前記図示したボールねじ方式のステージ装置では、電子線を用いた検査や加工の際に、ボールねじ軸を介する運動変換に伴う多数のボール軸受けから発せられる高周波の振動がノイズや外乱として処理信号中に紛れ込み、ステージ装置の運動性能を著しく低下させるという問題がある。
ステージ装置の他の駆動方式として、エアサーボや超音波モータをステージの駆動手段に用いることが挙げられるが、前者はステージ装置が収められる容器が大型化するとともに容器内を真空に保持するために構成部品の加工精度を上げる必要があり、材料コストが高くなりがちであり、後者は塵埃の発生や使用に伴う経時劣化や保守性などに難点がある。

一方、ステージの駆動手段として、前記ボールねじ軸などの力の伝達要素を必要としない、所謂直動方式であるリニアモータの使用は、構成の簡素性や運動性能の優位性の面から考えても有用であり、リニアモータをステージの駆動手段として構成された電子線応用装置のステージ装置も実用化されてきている（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００３−１２３６８０号公報 特開２０１１−６５９５６号公報

電子線応用装置のステージ装置を、リニアモータを用いて構成する場合、リニアモータは電磁力により対象物を駆動する装置であるため、リニアモータによる磁力の影響が最小化されるように考慮する必要がある。

特許文献１に記載されているように、容器の外部に駆動源であるリニアモータを配置した構成では、容器内部でリニアモータの磁力の影響は殆ど及ばないが、容器を含む装置の小型化が難しく、力の伝達要素などの構造が複雑になってステージの機械特性が低下し、リニアモータを組み込んだステージ装置本来の性能を阻害し低下させてしまう。

一方、磁気遮蔽された容器内にリニアモータを組み込んだステージ装置を設置する場合は、以下のような問題がある。
すなわち、試料を保持・移動させるステージは、通常、Ｘ軸、Ｙ軸で定義される直交二軸方向に変位可能なステージが使用されるが、占有面積が少なく且つコンパクトになるように、下軸ステージの上に、上軸ステージを重ねるように配置した、上下段の二軸ステージ構成とするのが一般的である。かかる二軸ステージをリニアモータで駆動する場合、上軸ステージを駆動するリニアモータは、上軸ステージとともに下軸ステージ上に設置され、下軸ステージの駆動により、上軸ステージともども変位することになる。
上軸ステージはその上面に設置される試料保持ステージを介して試料を保持しているステージであり、電子ビームの照射によって試料の検査や加工を行う領域に近接配置されているため、下軸ステージ及び上軸ステージが変位することで、電子ビーム照射領域にリニアモータの磁力が直接的に強く影響（磁界の強さと変動磁界）を及ぼし、下軸ステージ上に設置された、上軸ステージを駆動するリニアモータの磁力による影響を受けて、電子ビーム照射領域の磁場変動が大きくなってしまう。

容器内にリニアモータを組み込んだステージ装置を設置する場合に、特許文献２に記載されているように、可動子が同一方向に可動するように配置した一対のリニアモータの間に、これと交差する方向に可動子が可動するように一対のリニアモータを配置し、上下に交差配置した下軸ステージと上軸ステージの対向側部を対応位置に配置されたリニアモータの可動子に各々接続してステージ装置を構成すれば、上軸ステージを駆動するリニアモータは電子ビームを照射する領域には近接していないので、リニアモータによる磁力の影響は低減される。しかし、この構成のものは、構造が複雑となって、これを収容する容器も大型にせざるを得ず、また、組み立ての難度も高く、電子線応用装置を低コストで構成することは困難である。

また、電子線応用装置の磁気遮蔽された容器内は電子ビームの入射軌道を担保するため真空状態に保持されるが、リニアモータをステージ装置に組み込んだ場合に、モータの励磁コイル部の発熱は、周囲が真空のために断熱状態となってモータ自体を昇温させてその性能や機能を低下させ、また、モータの昇温に伴って周囲の構造物も伝熱や輻射熱によって加熱され、試料の検査や加工に悪影響を与えてしまう。

本発明は従来技術の有するこのような問題点に鑑み、試料に電子線を照射する電子線応用装置のステージ装置を、リニアモータを用いて簡易且つコンパクトに、且つ試料の検査や加工のプロセスに対してリニアモータの磁力の影響を最小化できるように構成し、これにより電子線応用装置の低コスト化に寄与することを課題とする。

前述の通り、下軸ステージ上に上軸ステージを駆動するリニアモータを設置して上下段の二軸ステージ構成としたステージ装置は、占有面積が少なく且つコンパクトであり、構成がシンプルで組み立ても容易である。この構成のステージ装置で、試料の検査や加工を行うプロセスにおいて、上軸ステージとともに変位するリニアモータの磁力の影響を効果的に排除することができれば、検査や加工の精度を低下させることはなく実用上の問題はない。そこで、本発明のステージ装置は、下軸ステージ上に上軸ステージとリニアモータを設置する形態を採用し、電子ビームの照射領域にリニアモータの磁力が及ぼす影響が極力小さくなるように構成した。

すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、電子コラムが一体に取り付けられる開口部を上面に備えた磁気遮蔽容器内に設置されるステージ装置であって、
ステージベース板上に設置されたガイドレールに沿って当該ガイドレール上に設けた第１のステージを駆動して変位させる第１のリニアモータと、
前記第１のステージ上で第１のステージの変位方向とは直交する向きに設置されたガイドレールに沿って当該ガイドレール上に設けた第２のステージを駆動して変位させる、第１のステージ上に設置された第２のリニアモータとを有し、
前記第１、第２のリニアモータのモータ固定子はともに永久磁石により構成されているとともに、両モータのモータ固定子及びモータ可動子が前記容器開口部のステージベース板上への投影領域の外側に配置され、且つ第２のリニアモータのモータ固定子とモータ可動子が前記第１のステージ上であってステージ上の試料に対する検査及び／又は加工の際に第1及び第２のモータを駆動動作させても前記投影領域内に進入しない位置に配置された構成を有することを特徴とする。

これによれば、上下段のステージをそれぞれ駆動するリニアモータを、容器開口部のステージベース板上への投影領域の外側に配置して、前記投影領域である電子ビーム照射領域に進入しないように構成することで、電子ビーム照射領域においてはリニアモータによる磁力の影響を受け難くなり、正確な試料の検査や加工の精度を担保することができる。
また、ステージ装置が収容される容器を、その全体を磁性材料で構成し、或いは非磁性材料で構成する場合には容器外部又は内部に磁気遮蔽のための磁性材料を一体に設けて磁気遮蔽構造とし、電子コラムが取り付けられる上面の開口部の周辺を磁性材料で形成することで、容器内の磁力線は磁性材料側である容器周面に流れる状態となり、前記開口部内、特にその中央部には磁力線が流れ難くなり、リニアモータによる磁力の影響を受け難くすることができる。

前記構成のステージ装置において、第１、第２のリニアモータのモータ可動子の表面に冷却手段を一体に取り付けて構成することが好ましい。
これによれば、リニアモータの昇温を効果的に抑制して、その性能や機能が低下することを防ぎ、また、周囲の構造物がモータの発熱による伝熱や輻射熱によって加熱されることはなく、リニアモータの発熱によって試料の検査や加工の精度が低下することを防止することができる。
冷却手段としては、例えばモータ可動子の表面に冷却ジャケットを一体に取り付け、モータ固定子側に適宜な冷媒が充填された冷却配管ブロックを設置し、冷却ジャケットと冷却配管ブロックとを一対の可撓性配管で連結して、冷却配管ブロックから冷却ジャケットとの間で冷媒が流通するように構成することができる。

また、本発明の電子線応用装置は、前記構成のステージ装置を収納した容器を備えた構成を有することを特徴とする。
すなわち、前記構成のステージ装置を磁気遮蔽された容器の内部に収容し、この容器の内部を真空状態にする真空ポンプなどの排気手段を設け、磁気の影響を受け難い容器の開口部に電子コラムを一体に取り付けて電子線応用装置を構成することができる。
これによれば、運動性能に優れた高精度のステージと磁気の影響を受け難い電子コラムの組み合わせることで、構成が簡素で高性能な電子線応用装置を低コストで構成することが可能となれる。

前記構成の電子線応用装置において、ステージ装置の第１のステージの移動方向をステップ軸、第２のステージの移動方向をスキャン軸とした構成とすることが好ましい。
すなわち、直交二軸方向に変位可能なステージにおいて、下軸ステージ上に上軸ステージを重ねて設置した上下段のステージの場合に、上軸ステージの可動質量は必然的に小さくなるため、連続して走行する能力・精度（スキャン能力・精度）は下軸ステージのそれに対して優位となる。一方、短距離移動して停止する能力・精度（ステップ能力・精度）は、可動質量が大きくなっても著しく阻害されない。よって、第１のステージ（下軸ステージ）の移動方向をステップ軸、第２のステージ（上軸ステージ）の移動方向をスキップ軸に設定すれば、スキャンとステップを繰り返す、所謂スキャン方式のステージとして理想的な形態となる。

また、前記構成の電子線検査装置におけるステージ装置は、少なくとも電子線による試料に対する検査及び／又は加工の際に、第２のリニアモータのモータ固定子及びモータ可動子が容器開口部のステージベース板上への投影領域内に進入しないように構成されていることが好ましい。
すなわち、ステージ装置を、試料の検査や加工を行うプロセスにおいて、容器開口部の投影領域である電子ビーム照射領域に進入しないように動作させることで、プロセス中のリニアモータによる磁力の影響が最小化され、正確な試料の検査や加工の精度を担保することができる。

また、電子コラムが取り付けられる容器の開口部の周縁に下方へ突出した鍔部を設けた構成とすれば、容器の開口部内に磁力線がより流れ難くなり、リニアモータの磁力の影響をより低減させることが可能である。

本発明のステージ装置の一実施形態の構成を示す概略平面図である。 図１中の矢符Ａ側の側面図（Ａ）と矢符Ｂ側の側面図（Ｂ）である。 ステージ装置が収容される容器の概略外観図である。 容器の開口部の拡大断面図である。 図１のステージ装置を図３の容器に収容した状態の概略平面図である。 図５中の矢符Ａ側の透過側面図（Ａ）と矢符Ｂ側の透過側面図（Ｂ）である。 本発明のステージ装置の他の実施形態の構成を示す概略平面図である。 図７中の矢符Ａ側の側面図（Ａ）と矢符Ｂ側の側面図（Ｂ）である。 リニアモータに取り付ける冷却手段の構成を示した図である。 図９中のＸ−Ｘ線断面図である。 従来のボールねじ方式のステージ装置の構成を示す概略平面図である。 図１１中の矢符Ａ側の透過側面図（Ａ）と矢符Ｂ側の透過側面図（Ｂ）である。

本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明のステージ装置の一実施形態を示しており、このステージ装置１は、ステージベース板１１上に、ステップ軸ステージ（第１のステージ）１２と、スキャン軸ステージ（第２のステージ）１３を上下段に重ねて配置し、それぞれステップ軸のリニアモータ１４とスキャン軸のリニアモータ１５とで、互いに直交する方向へ直線移動するように構成してある。リニアモータ１４，１５は、ともにモータ固定子が永久磁石、モータ可動子が電磁コイルで構成してある。

詳しくは、ステージベース板１１は平面視略正方形状を呈し、その上面に一対のガイドレール１６，１６が適宜な間隔を開けて設置されているとともに、その一側の側辺に、リニアモータ１４のモータ固定子１４ａをガイドレール１６，１６と平行に配置してある。

ステップ軸ステージ１２は、平面視矩形状を呈し、その底部をガイドレール１６，１６に係合させて両レール上を摺動変位し得るように取り付けられているとともに、その側部に、リニアモータ１４のモータ可動子１４ｂが可動子連結部１４ｃを介して一体に接続されて、リニアモータ１４を駆動することで、ガイドレール１６，１６に沿って走行移動するように設置してある。

ステップ軸ステージ１２の上面には、ガイドレール１６，１６と直交する方向、すなわちステップ軸ステージ１２の走行方向とは直交する方向に向けて一対のガイドレール１７，１７が適宜な間隔を開けて設置されているとともに、前記モータ可動子１４ｂが接続した側部とはコーナー部を挟んで隣接した側部の側に、リニアモータ１５のモータ固定子１５ａをガイドレール１７，１７と平行に配置してある。

スキャン軸ステージ１３は、平面視正方形状を呈し、その底部をガイドレール１７，１７に係合させて両レール上を摺動変位し得るように取り付けられているとともに、その側部に、リニアモータ１５のモータ可動子１５ｂが可動子連結部１５ｃを介して一体に接続されて、リニアモータ１５を駆動することで、ガイドレール１７，１７に沿って、ステップ軸ステージ１２上を走行移動するように設置してある。

スキャン軸ステージ１３上には、試料を保持する試料保持ステージ１８が設置されており、この試料保持ステージ１８の上面にはステージの位置制御に供される測長計の測定対象（ターゲット）となるステージミラー１９，１９が載置され、ステージの移動軸である直交二軸方向の測長ができるように設けてある。

このように構成されたステージ装置１は、図３に示されるように、磁性材料で構成された概立方体形状の箱体の容器２に収容される。容器２の上面には電子コラム３が一体に取り付けられる開口部２１が形成され、この開口部２１の周縁には、図４に示されるように、下方へ突出した鍔部２１ａを設けてある。
そして、容器２内にステージ装置１を設置し、開口部２１に電子コラム３を一体に取り付けるとともに、容器２内を真空状態にする真空ポンプなどの排気手段、その他、試料に電子ビームを照射する手段やステージに試料を搬送する手段などを装備して電子線応用装置が構成される。

容器２内でステージ装置１は、図５及び図６に示されるように、前記リニアモータ１４，１５のモータ固定子１４ａ，１５ａ及びモータ可動子１４ｂ，１５ｂが、開口部２１のステージベース板１１上への投影領域の外側に配置されて、試料の検査や加工を行うプロセス中にも、この投影領域内に進入しないように設けてあり、これにより、電子ビーム照射領域においてはリニアモータによる磁力の影響を受け難くなり、正確な試料の検査や加工の精度を担保することができるようになっている。

図７及び図８はステージ装置１の他の形態を示しており、これは、ステージベース板１１の上面の両側辺に沿って、リニアモータ１４，１４のモータ固定子１４ａ、１４ａをガイドレール１６，１６と平行に配置し、ステップ軸ステージ１２の両側部に、可動子連結部１４ｃを介してモータ可動子１４ｂ，１４ｂを一体に接続したものである。
ステップ軸ステージ１２の両側にリニアモータ１４，１４を接続して駆動することで、ステージ移動時の姿勢精度が向上するとともに、モータ１個当たりに必要な駆動力が少なくなってモータの小型化が図れ、また、電子ビーム照射領域に対するリニアモータの磁気分布の対称化が図られて磁力の影響を少なくすることが可能である。スキャン軸ステージ１３も、その両側にリニアモータ１５を配置して駆動してもよい。これらの場合も、前記と同様に、各リニアモータ１４，１５のモータ固定子１４ａ，１５ａとモータ可動子１４ｂ，１５ｂが、開口部２１のステージベース板１１上への投影領域の外側に配置されるように、ステージ装置１が容器２内に設置される。

図９及び図１０は、リニアモータ１４，１５のモータ可動子１４ｂ，１５ｂに取り付ける冷却手段を示しており、この冷却手段４は、モータ可動子１４ｂ，１５ｂの表面に一体に取り付けられる冷却ジャケット４１と、モータ固定子１４ａ，１５ａ側に設置される、適宜な冷媒の流通集結部である冷却配管ブロック４２からなり、冷却ジャケット４１と冷却配管ブロック４２とを、チューブなどの可撓性を有する適宜な長さで、ステージの動きを阻害しないよう反力が一定になるように一対の可撓性配管４３，４３で連結して、冷却配管ブロック４２と冷却ジャケット４１との間で冷媒が流通するようにして、モータ可動子１４ｂ，１５ｂが冷却されるように構成したものである。冷却ジャケット４１は熱伝導性が良好な材料で形成される。また、冷却配管ブロック４２には、容器２の外部から冷媒の供給と排出を可能にする配管（図示せず）が接続される。

なお、図示した形態は一例であり、本発明はこれに限定されず、他の適宜な形態で構成することが可能である。

１ ステージ装置、１１ ステージベース板、１２ ステップ軸ステージ（第１のステージ）、１３ スキャン軸ステージ（第２のステージ）、１４，１５ リニアモータ、１４ａ，１５ａ モータ固定子、１４ｂ，１５ｂ モータ可動子、１４ｃ，１５ｃ 可動子連結部、１６，１７ ガイドレール、１８ 試料保持ステージ、１９ ステージミラー、２ 容器、２１ 開口部、２１ａ 鍔部、３ 電子コラム、４ 冷却手段、４１ 冷却ジャケット、４２ 冷却配管ブロック、４３ 可撓性配管

Claims (5)

1. 電子コラムが一体に取り付けられる開口部を上面に備えた磁気遮蔽容器内に設置されるステージ装置であって、
   ステージベース板上に設置されたガイドレールに沿って当該ガイドレール上に設けた第１のステージを駆動して変位させる第１のリニアモータと、
   前記第１のステージ上で第１のステージの変位方向とは直交する向きに設置されたガイドレールに沿って当該ガイドレール上に設けた第２のステージを駆動して変位させる、第１のステージ上に設置された第２のリニアモータとを有し、
   前記第１、第２のリニアモータのモータ固定子はともに永久磁石により構成されているとともに、両モータのモータ固定子及びモータ可動子が前記容器開口部のステージベース板上への投影領域の外側に配置され、且つ第２のリニアモータのモータ固定子とモータ可動子が前記第１のステージ上であってステージ上の試料に対する検査及び／又は加工の際に第１及び第２のモータを駆動動作させても前記投影領域内に進入しない位置に配置された構成を有することを特徴とするステージ装置。
2. 第１、第２のリニアモータのモータ可動子に、それぞれの表面に一体に取り付けられた冷却ジャケットと冷媒の流通集結部である冷却配管ブロックを一対の可撓性配管で連結し、冷却配管ブロックと冷却ジャケットの間で冷媒が流通するようにしてモータ可動子を冷却する冷却手段が取り付けられた構成を有することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
3. 請求項１又は２に記載のステージ装置を収納した容器を備えた電子線応用装置。
4. ステージ装置の第１のステージの移動方向をステップ軸、第２のステージの移動方向をスキャン軸とした構成を有することを特徴とする請求項３に記載の電子線応用装置。
5. 電子コラムが取り付けられる容器の開口部の周縁に下方へ突出した鍔部を設けた構成を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の電子線応用装置。

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