JP6539109B2 - 荷電粒子線装置及び試料昇降装置 - Google Patents
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Description
図1に、電子顕微鏡装置100の全体構成を示す。電子顕微鏡装置100は、電子光学装置101と試料チャンバ102によって構成される。本明細書では、電子光学装置101と試料チャンバ102を合わせて「チャンバ」とも呼ぶ。電子光学装置101の内部は、真空排気装置103によって真空環境に保たれている。電子線源104から放出された電子線105は、電磁レンズ106、偏向電極107などにより所望の条件に調整された後、試料108を照射する。電子線105の照射により、試料108の表面からは2次電子109が発生する。2次電子109は、2次電子検出器110で検出される。2次電子検出器110の検出信号は制御部111に与えられる。制御部111は、検出信号から試料表面の画像など様々な情報を取得する。なお、本実施例では2次電子を検出対象としているが、反射電子等を検出対象としてもよい。
[全体構成]
図2に、電子顕微鏡装置100に使用する試料昇降装置115の構成例を示す。本実施例において、試料固定ステージ113は、静電チャックやメカニカルチャックに相当し、不図示の試料108は半導体ウェハに相当する。試料昇降装置115は、ベースプレート1を介して不図示のXY平面ステージ114に搭載される。もっとも、ベースプレート1は必ずしも必要でなく、図中のベースプレート1の部分がXY平面ステージ114の最上面でもよい。
電子顕微鏡装置100で用いられる試料昇降装置115には、前述した課題に加え、真空環境下での確実な動作性と耐久性とが求められる。真空環境下では、大気環境下に比較して摩擦や摩耗の影響を受け易く、かじりや固着の影響を受けやすいことが知られている。また、半導体プロセスでは、歩留まり向上のために、発塵量が小さいことも要求される。さらに、半導体プロセスに特有の課題として、電子線の影響や試料昇降装置115の動作に伴う駆動装置の発熱の影響の低減、試料搬送機構4などの機構要素との干渉の回避なども求められる。
試料昇降装置115として、図3及び図4に示す構成の昇降機構2を採用することにより、以下の効果が実現される。まず、楔方式の減速機構の採用により、昇降方向に対して高い剛性を得ることができ。一般に、移動方向に対して高い剛性を得るには正効率に対して逆効率が小さい機構を用いることが有利であり、減速機構は正効率に対して逆効率を小さくすることが可能な機構の一つである。
図5A及び図5Bを用いて、昇降機構2の配置位置と駆動力の入力方向の例について説明する。本実施例では、独立型の3つの昇降機構2を、試料固定ステージ113の重心30を中心とする円31上に分散配置する。図5A及び図5Bでは、3つの昇降機構2を、重心30の周りに120°間隔で配置しているが、必ずしも120°間隔に限る必要はない。
M×sinθ1+M×sinθ2 = M×sinθ3 …式(1)
θ2 = π/3−θ
θ3 = π/3+θ
これらを、式(1)の右辺と左辺にそれぞれ代入すると、次式のように変形することができる。
・式(1)の左辺
sinθ+sin(π/3−θ) = sinθ+sin(π/3)×cosθ−cos(π/3)×sinθ
・式(1)の右辺
sin(π/3+θ) = sinπ/3×cosθ+cosπ/3×sinθ
試料昇降装置115として上述した構成の昇降機構2を採用すれば、真空環境下でも確実な動作と耐久性を実現することができる。既に説明したように、楔方式の減速機構を使用した昇降機構2は、駆動装置の負荷を減速比分だけ低減することが可能となり、駆動装置の負荷の低減と寿命の改善を行うことができる。
試料昇降装置115として上述した構成の昇降機構2を採用することにより、荷電粒子線への影響の小さい試料昇降装置115を実現することができる。磁性材料は、荷電粒子線の軌道に影響を与えることから、試料昇降装置115は、非磁性材料で構成されることが望ましい。
試料昇降装置115として上述した構成の昇降機構2を採用することにより、XY平面ステージ114(ベースプレート1)上に搭載される他の機構要素(試料搬送機構4など)との物理的な干渉を回避することができる。また、試料ステージシステムには、試料搬送機構4の他にも、XY平面ステージ114の位置の計測に用いられるバーミラー116や試料108の搭載の有無を検知するセンサなど様々な機能部品が搭載される。特に、測長SEMのような半導体ウェハを観察対象として扱う装置では、半導体ウェハの大口径化に伴い試料搬送機構4が大きくなり、試料昇降装置115との干渉が実装上の課題となることがある。しかしながら、図2に示したように、本実施例の試料昇降装置115を用いれば、試料搬送機構115との干渉は生じ難く、試料ステージシステムに必要な機能を損なうことなく、試料昇降装置115を実現することができる。
図8を用い、試料昇降装置115の制御方式について説明する。本実施例に係る3つの昇降機構2のそれぞれには、移動量(昇降量)の測定に用いられる測定装置(リニアスケール21と、リニアスケールヘッド22)が取り付けられている。各昇降機構2の直動式超音波モータ17とリニアスケールヘッド22は、いずれも信号線を通じて同期制御部40に連結されている。同期制御部40には、制御装置41と、昇降機構2を動作するためのモータドライバ42等が設けられている。もっとも、同期制御部40は、前述した制御部111の機能の一部として実現されてもよい。
以上説明したように、本実施例に係る試料昇降装置115は、それぞれが独立した装置である3つの昇降機構2をベースプレート1上に分散配置し、これらの動作を制御信号により同期させる。このため、試料108の大口径化にも容易に対応できる。また、試料108が大口径化しても、試料昇降装置115は、軽量のまま高い剛性を維持できるため、XY平面ステージ114の高精度での位置決めと高速移動性能を損なうことがない。さらに、本実施例の試料昇降装置115は、方向依存性の少ない回転剛性を実現できるため、XY平面ステージ114による高精度位置決めと高速移動に有利である。
続いて、試料昇降装置115の他の実施例について説明する。なお、試料昇降装置115を搭載する電子顕微鏡装置100(図1)の構成は、実施例1と同様である。図9に、本実施例に係る試料昇降装置115で使用する昇降機構2の構成例を示す。実施例1との違いは、本実施例の昇降機構2は、直動式超音波モータ17に代えて回転式超音波モータ51を用いる点である。
本実施例では、試料昇降装置115の他の制御方式について説明する。図10に、本実施例における試料昇降装置115の制御方式を示す。本実施例の試料昇降装置115は、移動量(昇降量)を読み取る測定装置(リニアスケール21、リニアスケールヘッド22)が昇降機構2Dにのみ搭載される点で、上述の実施例と相違する。このため、本実施例では、昇降機構2Dに搭載されたリニアスケールヘッド22の測定値のみが同期制御部40Aにフィードバックされる。当然、昇降機構2E及び2Fには、前述の実施例とは異なり、移動量(昇降量)を読み取る測定装置が設けられていない。
図11に、試料昇降装置115の他の構成例を示す。本実施例の場合、昇降機構2は、試料固定ステージ113の重心30を内包する三角形35の頂点位置に配置されており、3つの昇降機構2の減速機構の移動方向32のうち少なくとも一つは他の昇降機構2の減速機構の移動方向32と異なっている(交差している)。なお、いずれの昇降機構2も図3及び図4に示す楔方式の減速機構を有している。
図12を用いて、試料昇降装置115の他の構成例を説明する。前述までの実施例では、試料昇降装置115は3つの昇降機構2によって構成されていた。本実施例では、試料昇降装置115が2つの昇降機構2で構成される場合について説明する。本実施例の場合、試料固定ステージ113の重心30は、2つの昇降機構2を結ぶ直線上に配置される。理想的には、試料固定ステージ113の重心30を、2つの昇降機構2の配置位置を端点とする線分の中点に配置する。
図15に、試料昇降装置115の他の構成例を示す。本実施例では、駆動装置を持たない垂直案内機構55と、2つの昇降機構2を組み合わせた試料昇降装置115について説明する。垂直案内機構55は、試料固定ステージ113を垂直方向に案内する(水平方向の移動を規制する)部材である。例えば垂直案内機構55は、垂直案内機構15と同じ構造を有している。なお、垂直案内機構55は、2つの昇降機構2による試料固定ステージ113の昇降に追従できるようにばね構造を内蔵していてもよい。この場合、ばねによる支持力は、例えば試料固定ステージ113及び試料108の荷重と釣り合うように設定する。
本発明は、上述した実施例に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば前述の実施例では、昇降機構として、図3及び図4に示すような楔方式の昇降機構2を前提に説明した。これは、楔方式の昇降機構2は、高い剛性が期待されるためである。しかし、本発明は、楔方式以外の減衰機構を採用する昇降機構によっても実現することができる。例えばヘリコイドねじ式(円筒カム機構を使用する方式)の昇降機構を用いてもよい。因みに、ヘリコイドねじ式の昇降機構の場合、駆動力の入力方向は回転軸周りの回転であり、昇降機構の出力方向は上下方向となる。螺旋状に形成するガイド溝の傾斜角に応じて減速比を調整することができる。また、複数の昇降機構2のそれぞれに対する駆動入力の回転方向を揃えないようにすることで、剛性の方向性についても低減が可能である。
Claims (15)
- 荷電粒子線を発生して試料に照射する荷電粒子源と、
前記荷電粒子線の照射により試料から発生される信号を検出する検出装置と、
前記試料を観察位置に移動させる水平移動機構と、
前記水平移動機構上に配置される試料昇降装置と、
前記荷電粒子源、前記検出装置、前記水平移動機構及び前記試料昇降装置を内包し、内部空間を減圧環境に維持するチャンバと、を有し、
前記試料昇降装置は、
前記試料が固定される試料台を昇降させる第1及び第2の昇降機構と、
前記第1及び第2の昇降機構を個別に昇降駆動させる第1及び第2の駆動装置と、
前記第1及び第2の駆動装置による前記第1及び第2の昇降機構の昇降動作を第1及び第2の制御信号により同期させる制御部とを有し、
前記第1の昇降機構は、前記第1の駆動装置から与えられる水平方向の第1の駆動入力を、垂直方向に減速した第1の駆動出力を発生させる第1の減速機構を有し、
前記第2の昇降機構は、前記第2の駆動装置から与えられる水平方向の第2の駆動入力を、垂直方向に減速した第2の駆動出力を発生させる第2の減速機構を有し、
前記第1及び第2の昇降機構は、前記試料台の重心を中心とする円上において、互いに異なる位置に配置され、
前記第1及び第2の駆動入力の向きは互いに異なる
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料昇降装置は、前記第1及び第2の昇降機構の昇降駆動による前記試料台の移動方向を垂直方向に制限する案内機構を更に有する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記第1及び第2の減速機構は、楔方式を用いた減速機構である
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料昇降装置は、前記第1及び第2の昇降機構と共に前記試料台を昇降する第3の昇降機構を更に有し、
前記第3の昇降機構を個別に昇降駆動させる第3の駆動装置と、
前記第3の駆動装置による前記第3の昇降機構の昇降動作を第3の制御信号により同期させる制御部とを有し、
前記第3の昇降機構は、前記第3の駆動装置から与えられる第3の駆動入力を、当該入力方向とは異なる方向に減速した第3の駆動出力を発生させる第3の減速機構を有し、
前記第1乃至第3の駆動入力の向きは互いに異なり、かつ同一直線上ではない
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項4に記載の荷電粒子線装置において、
前記第1乃至第3の昇降機構が配置される位置を通る仮想円を定めた場合、前記第1乃至第3の駆動入力の向きが交差するいずれかの箇所は、前記仮想円の外側である
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項2に記載の荷電粒子線装置において、
前記第1及び第2の昇降機構並びに前記案内機構が配置される位置を通る仮想円を定めた場合、前記第1及び第2の駆動入力の向きが交差する箇所は、前記仮想円の外側である ことを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料昇降装置は、前記第1及び第2の昇降機構と共に前記試料台を昇降する第3の昇降機構を更に有し、
前記試料台の重心位置が、前記第1、第2及び第3の昇降機構の配置位置を頂点とする三角形の内側に位置する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項2に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料台の重心位置が、前記第1及び第2の昇降機構並びに前記案内機構の配置位置を頂点とする三角形の内側に位置する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料台の重心が、前記第1及び第2の昇降機構の配置位置を通る直線上に位置する ことを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記第1の昇降機構は、前記駆動入力の方向への移動量又は前記駆動出力の方向への移動量を測定する第1の測定装置を更に有し、
前記第2の昇降機構は、前記駆動入力の方向への移動量又は前記駆動出力の方向への移動量を測定する第2の測定装置を更に有し、
前記制御部は、前記第1の測定装置の測定結果と前記第2の測定装置の測定結果を比較して、前記第1及び第2の昇降機構の昇降動作を制御する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記第1及び第2の昇降機構のうちいずれか一方は、前記駆動入力の方向への移動量又は前記駆動出力の方向への移動量を測定する測定装置を更に有し、
前記制御部は、前記測定装置の測定結果を基準として、前記測定装置が設けられていない他方の昇降機構の昇降動作を制御する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 - 水平移動機構上に配置される試料昇降装置であって、
試料が固定される試料台を昇降させる第1及び第2の昇降機構と、
前記第1及び第2の昇降機構を個別に昇降駆動させる第1及び第2の駆動装置と、
前記第1及び第2の駆動装置による前記第1及び第2の昇降機構の昇降動作を第1及び第2の制御信号により同期させる制御部と
を有し、
前記第1の昇降機構は、前記第1の駆動装置から与えられる水平方向の第1の駆動入力を、垂直方向に減速した第1の駆動出力を発生させる第1の減速機構を有し、
前記第2の昇降機構は、前記第2の駆動装置から与えられる水平方向の第2の駆動入力を、垂直方向に減速した第2の駆動出力を発生させる第2の減速機構を有し、
前記第1及び第2の昇降機構は、前記試料台の重心を中心とする円上において、互いに異なる位置に配置され、
前記第1及び第2の駆動入力の向きは互いに異なる
ことを特徴とする試料昇降装置。 - 請求項12に記載の試料昇降装置において、
前記第1及び第2の昇降機構の昇降駆動による前記試料台の移動方向を垂直方向に制限する案内機構を更に有する
ことを特徴とする試料昇降装置。 - 請求項12に記載の試料昇降装置において、
前記第1及び第2の昇降機構と共に前記試料台を昇降する第3の昇降機構を更に有する ことを特徴とする試料昇降装置。 - 請求項12に記載の試料昇降装置において、
前記第1及び第2の昇降機構のいずれか一方又は両方が、駆動入力の方向への移動量又は駆動出力の方向への移動量を測定する測定装置を更に有し、
前記制御部は、前記測定装置の測定結果に基づいて前記第1及び第2の昇降機構の昇降動作を制御する
ことを特徴とする試料昇降装置。
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