JPH103874A - 試料位置決め装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】試料位置決め装置に関し、剛性が高く、振動の
発生を防止でき、Ｚ方向の位置決めを精密かつ容易にで
きるものとする。 【解決手段】ＲＸＹＴステージ２〜５を載置したＺステ
ージ６を、Ｚステージベース１２と、ＲＸＹＴステージ
及びＺステージベース１２の間に互いに反対方向に向け
配置された同一形状の２つの楔形スライド部材１３と、
楔形スライド部材１３を同期させて互いに逆向きにに移
動させる駆動手段と構成し、楔形スライド部材１３の斜
面を利用してＲＸＹＴステージを上下に駆動するものと
して構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は試料位置決め装置に
係り、特に走査型電子顕微鏡等を使用したウエハの表面
検査装置に使用され、試料であるウエハを回転するＲス
テージと、試料を平面移動するＸステージ及びＹステー
ジと、試料を傾斜させるＴステージと、試料を焦点方向
に移動するＺステージとを備えた５自由度の試料位置決
め装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning E
lectron Microscope）を供えたウエハの表面検査装置に
おいて、試料であるシリコンウエハを載置して、試料の
観察位置及び試料の姿勢を決める試料位置決め装置は、
試料のあらゆる平面位置で所望の角度位置、及び傾斜位
置で観察できるように、試料を電子光軸に対して回転さ
せる回転移動Ｒ（Rotation）、電子光軸に対して垂直な
ＸＹ平面上での平面移動Ｘ，Ｙ、試料を電子光軸に対し
て傾斜させる傾斜Ｔ（Tilt）、及びフォーカスの位置決
めのための電子光軸に沿う方向の軸方向移動Ｚの５軸
（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｒ，Ｔ）の自由度を有するものとして、
各軸の移動機構を有して構成される。

【０００３】そして、これらの各軸の移動機構（ステー
ジ）は、確定した試料の回転位置（ｒ）、平面位置
（ｘ，ｙ）、傾斜移動位置（ｔ）に対して、像の移動や
焦点の変化に対応できるように、例えば図４に示すよう
に装置の基部（試料と反対側）からの接続順でＺステー
ジ４５→Ｔステージ４４→Ｘステージ４３→Ｙステージ
４２→Ｒステージ４１の順に配置されている。

【０００４】このように各ステージを配置することによ
り、試料上の所望の位置（ｘ，ｙ）と所望の回転位置
（ｒ）とを設定し、さらに所望の傾斜角（ｔ）を得た
後、最終的に、軸方向の試料位置（ｚ）を設定すること
ができる。

【０００５】従来、このような試料位置決め装置とし
て、図４に示すものがある。この試料位置決め装置４０
は、Ｒ，Ｙ，Ｘの各ステージ４１，４２，４３をＸステ
ージ４３を移動させる基盤であるＸステージベース４４
上に配置し、このＸステージベース４４をＴステージ４
５に傾動できるように取り付けたものである。

【０００６】Ｔステージ４５は、Ｔステージ傾動部４６
とＴステージベース４７とからなり、Ｔステージ傾動部
４６は、上記Ｘステージ４３のＸステージベース４４の
一端から上方に向け延設されて形成されており、上端部
に軸４８が水平方向外側に延設され、この軸４８がＴス
テージベース４７に設けられた軸受４９に軸支されてい
る。

【０００７】このＴステージベース４７は、レール５２
及びレール５２に沿って移動するブロック５３からなる
直線案内部材５０を介して上下動可能にＺステージベー
ス５１に取り付けられている。

【０００８】この例でＴステージ４５は、Ｚステージベ
ース５１に片持ち梁構造で取り付けられている。そし
て、このＴステージベース４７には、Ｔステージベース
４７を上下方向（Ｚ方向）に駆動させる駆動装置５５が
設けられている。この駆動装置は５５は、制御装置（図
示していない）からの指令に基づいて作動する。

【０００９】駆動装置５５は、ステップモータ５６で回
転駆動されるボルト部５７と、このボルト部５７に螺合
されるナット部５８とからなるボールネジ６０で構成さ
れる。ボルト部５７は軸受５９で回転自在に顕微鏡に取
り付けられ、ナット部５８は上記Ｔステージベース４７
に梁部材６１を介して取り付けられている。

【００１０】上記ステップモータ５６を回転動させる
と、ボルト部５７が回転して、ナット部５８を上下動さ
せ、Ｔステージベース４７をＺテーブル５１に沿って上
下動させ、Ｒステージ４１、Ｙステージ４２、Ｘステー
ジ４３、Ｔステージ４５の全てをＺ方向に移動させて焦
点合わせをおこなうことができる。

【００１１】この例に係る試料位置決め装置は、構造を
簡単にすることができる。しかし、片持ち形式のため、
剛性が低く、振動し易くなるという欠点がある。

【００１２】そこで、振動を防止するため、Ｘステージ
ベース４４の端部の内上記Ｔステージ傾動部４６を取り
付けていない端部にクランプ部６２としてクランプベー
ス部６３とクランプ軸６４とを設け、さらに試料室内に
クランプ装置（図示していない）を設け、位置決め装置
での位置設定をおこなった後、ククランプ装置でクラン
プ軸６４をＺ方向の所定位置で固定するものとしてい
る。

【００１３】また、他の試料位置決め装置として、図５
に示すものがある。この試料位置決め装置７０は、上述
した第１の例の試料位置決め装置４０と同様の構造を有
するＲ，Ｙ，Ｘ各ステージ４１，４２，４３をＸステー
ジベース４４上に載置し、Ｔステージ７１に傾動できる
ように取り付けたものである。

【００１４】Ｔステージ７１は、Ｔステージ傾動部７２
とＴステージベース７３とからなり、Ｔステージ傾動部
７２は、上記Ｘステージベース４４の両端から上方に向
け延設されて形成され、両Ｔステージ傾動部７２の上部
からは軸７４がそれぞれ水平方向外側に延設される。そ
して、Ｔステージベース７３は両端に立ち上り部７５を
形成した全体コ字状の部材で、上記軸７４がこのＴステ
ージベース７３の立上り部７５に設けられた２つの軸受
７６に軸支されている。

【００１５】また、Ｔステージベース７３は、その両立
上り部７５の両外側で、レール７６及びブロック７７か
らなる直線移動軸受７８を介して上下動可能にＺステー
ジベース８０に取り付けられている。

【００１６】Ｚステージベース８０は、両端部に立上り
部８１を形成した全体コ字状部材で、両立上り部８１の
内側面に沿って上記直線移動軸受７８を介してＴステー
ジベース７３を上下方向に案内する。

【００１７】そして、このＴステージベース７３には、
Ｔステージベース７３を上下方向（Ｚ方向）に駆動させ
る駆動装置８５が設けられ、駆動装置８５は制御装置
（図示していない）からの指令に基づいて作動する。

【００１８】本例では、駆動装置８５は、ステップモー
タ８６で駆動される２組のボールねじ８７，８８で構成
され、両ボールネジ８７，８８はプーリ８９，９０とベ
ルト９１とで連結されている。ボールねじ８７、８８
は、ボールねじ８７に取り付けられたステップモータ８
６で同期回転駆動される。

【００１９】なお、両ボールねじ８７，８８は、ボルト
部９４，９５と、このボルト部９４，９５に螺合される
ナット部９６，９７とからなり、両ボルト部９６、９７
は軸受９８で回転自在に顕微鏡に取り付けられ、両ナッ
ト部９６，９７は連結部材９９，９９を介して上記Ｔス
テージベース７３に取り付けられている。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の試料位置決め装置には、次のような問題がある。

【００２１】まず、片持ち型の試料位置決め装置にあっ
ては、位置決定の後にクランプ機構を作動させて、Ｔス
テージベースをクランプすると、このクランプ動作を行
なうことによりＺ方向を含めて試料の位置がずれてしま
う。

【００２２】また、後に述べた両持ち型の試料位置決め
装置にあっては、ＴＸＹＲステージ部の全重量が下向き
に働き、これをボールねじ８７，８８で支承しているた
め、Ｔステージベースの両端において動きの同期が取り
にくくなり、ＲＸＹＴステージがふらつきながら移動す
ることがあり、焦点合わせ（フォーカス）が難しくな
る。

【００２３】これらの問題は、試料としてシリコンウエ
ハを観察するような場合において、シリコンウエハの大
径化に伴い、位置決め装置も大型化し、質量も増加する
ため顕著に現れる。

【００２４】そこで本発明は、剛性が高く、振動の発生
を防止できるとともに、Ｚ方向の位置決めを精密かつ容
易にすることができる試料位置決め装置を提供すること
を目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る試料位置決
め装置は、上記の課題を解決するため、試料１を回転さ
せて試料１の回転角度位置を定めるＲステージ２と、電
子光学軸に垂直な平面上の交差する２方向に沿って試料
を平面直線移動させ試料の平面位置を定めるＸステージ
３及びＹステージ４と、試料１を電子光学軸に対して傾
斜させるＴステージ５と、これらのＲステージ２、Ｘス
テージ３、Ｙステージ４及びＴステージ５を載置して電
子光学軸に沿って移動させ、試料の焦点方向の位置決め
を行なうＺステージ６とからなり、上記Ｔステージ５は
顕微鏡鏡筒に対して傾斜しないＴステージベース７と、
上記Ｒステージ２、Ｘステージ３及びＹステージを載置
し上記Ｔステージベース７に対して傾斜駆動されるＴス
テージ傾動部８とから構成した５自由度の試料位置決め
装置において、上記Ｚステージ６は、上面に水平案内面
１１を備えたＺステージベース１２と、この水平案内面
１１上にその先端を反対側に向けて直線移動可能に取り
付けらるれとともに、上側面を上記Ｔステージベース７
の下側両端にスライド可能に取り付けられ、同傾斜角を
なす２つの楔形スライド部材１３と、楔形スライド部材
１３を互いに反対に方向に向け、同期して移動させる駆
動手段１４とを備えたものとした。

【００２６】本発明では、Ｚステージベース１２と上記
楔形スライド部材１３との間には、直線運動軸受１５を
配置することが好ましい。

【００２７】また、本発明では、上記楔形スライド部材
１３と上記Ｔステージベース７との間には直線運動軸受
１６を配置することが好ましい。

【００２８】さらに、本発明では、上記駆動手段１４
は、両端に互いに逆ピッチをなすボルト部１８，１９及
びナット部２１，２２からなるボールねじ部２４，２５
を設けた送りボルト２０を備え、 両端に設けたナット
部２１，２２はそれぞれ上記両楔形スライド部材１３に
取り付けられ、上記送りボルト２０を回転駆動するモー
タ２３を備えて構成することが好ましい。

【００２９】本発明によれば、Ｚステージ６をＺ方向に
駆動するには、楔形スライド部材１３を駆動手段１４
で、互いに同期して水平案内面１１上で水平移動させ
る。すると、Ｔステージベース７は２つの楔形スライド
部材１３の斜面で両端部を支持され水平状態を保ちつ
つ、楔形スライド部材１３の楔作用でＺ方向に上下動す
る。

【００３０】このとき、Ｚステージベース１２と上記楔
形スライド部材１３との間には、直線運動軸受１５を、
また、楔形スライド部材１３と上記Ｔステージベース７
との間には直線運動軸受１６を配置しておけば、Ｚステ
ージベース１２、楔片スライド部材１３、Ｔステージベ
ースの間の移動を少ない抵抗でかつ円滑に行なうことが
できる。

【００３１】また、駆動手段１４として両端に互いに逆
ピッチをなすボールねじ部２４，２５を設けた送りボル
ト２０を使用すると、楔形スライド部材１３の送りを円
滑かつ精密に行なうことができるので、Ｚステージの駆
動を円滑かつ精密に行なうことができる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る試料位置決め
装置の実施の形態を説明する。図１乃至図３は本発明に
係る試料位置決め装置の実施の形態を示すものである。

【００３３】本形態に係る位置決め装置は、図１及び図
２に示すように、試料１を電子光軸に対して回転させる
回転移動Ｒ、電子光軸に対して垂直なＸＹ平面上での平
面移動Ｘ，Ｙ、試料を電子光軸に対して傾斜させる傾斜
Ｔ、及び電子光軸に沿う方向の軸方向移動Ｚの５軸
（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｒ，Ｔ）の自由度を有するものである。

【００３４】即ち、試料位置決め装置は、試料１を回転
させるＲステージ２と、試料を平面直線移動させるＸス
テージ３及びＹステージ４と、試料１を傾斜させるＴス
テージ５と、これらのＲステージ２、Ｙステージ４、Ｘ
ステージ３及びＴステージ５を載置して試料の焦点方向
の位置決めを行なうＺステージ６とからなる。

【００３５】そして、本例では、Ｒステージ２、Ｙステ
ージ４、Ｘステージ３は従来例として説明したものと同
一である。また、Ｔステージ５は、顕微鏡に対して傾斜
しないＴステージベース７と、上記Ｒステージ２、Ｘス
テージ３及びＹステージ４を載置し、上記Ｔステージベ
ース７に対して傾斜駆動されるＴステージ傾動部８とか
ら構成される。

【００３６】Ｔステージ傾動部８は、Ｘステージ３のＸ
ステージベース３ａの両端から上方に向け延設されて形
成され、両傾動部８の上部から軸２８がそれぞれ水平方
向外側に延設される。そして、Ｔステージベース７は両
端に立ち上り部７ａを形成した全体コ字状の部材で、上
記軸２８がこの立上り部７ａに設けられた２つの軸受２
８に軸支されている。

【００３７】そして、Ｚステージ６は、上面に水平案内
面１１を備えたＺステージベース１２（図１では１２
ａ，１２ｂに分割して示してある）と、２つの楔形スラ
イド部材１３を備える。Ｚステージベース１２の水平案
内面１１上には、２組のボール循環型の直線運動軸受１
５を平行に設けて、上記２つの楔形スライド部材１３が
上記水平案内面１１の沿って直線移動できるものとして
いる。

【００３８】ここで、１組の直線運動軸受１５は上記水
平案内面１１に取り付けられた１本のレール部材１５ａ
と、４つのベアリングブロック１５ｂとから構成され、
２つのベアリングブロック１５ｂが一組として一方の楔
形スライド部材１３の下面に接続される。これにより、
両楔形スライド部材１３はＺステージベース１２上を低
い抵抗で円滑に直線運動できる。

【００３９】２つの楔形スライド部材１３は、同一の傾
斜角α（例えば１５°）を有する部材でであり、その先
端をともに内側にむけて、上記電子光学軸に対して対称
位置に取り付けられるとともに、上側面を上記Ｔステー
ジベース７の下側両端にボール循環型の直線運動軸受１
６を介してスライド可能に取り付けられる。

【００４０】この例では、この直線運動軸受１６は４組
使用され、１つの楔形スライド部材１３の上面には２組
の直線運動軸受１６が上記水平案内面１１上の直線運動
軸受と同方向に取り付けられる。そして、楔形スライド
部材１３の上面には２つのスライドレール１３ａが平行
に取り付けられ、各スライドレール１３ａにはＴステー
ジベース７の下面隅部に固定された２つのベアリングブ
ロック１３ｂがスライド可能に取付られる。なお、この
例では、Ｔステージベースの下面はベアリングブロック
取付用に傾斜面が形成されている。

【００４１】そして、２つの楔形スライド部材１３は、
これらを同期して移動させる駆動手段１４に接続され
る。

【００４２】駆動手段１４は、両端に互いに逆ピッチ
（例えば図１において右側を左巻き、左側を右巻き）と
するボルト部１８，１９及びナット部２１，２２からな
るボールねじ部２４，２５を設けた送りボルト２０と、
この送りボルト２０を回転駆動するステップモータ２３
とを備えている。このボールねじ部２４，２５は公知の
ボールねじであり、ボルト部の雄ねじとナット部の雌ね
じとを同一位置に合わせ、それで生じた螺旋状溝の中に
ボールを入れ、そのボールが循環できるようにナット部
に戻り溝を形成したものであり、摩擦が小さく、効率が
良いものである。

【００４３】そして、この送りボルト２０のボルト部１
８，１９に螺入された２つのナット部２１，２２は、上
記両楔形スライド部材１３に接続部材３１を介して接続
される。なお、符号２９、３０は送りボルトを軸支する
軸受であり、上記ステップモータ２３と共にＺステージ
ベースに固定される。

【００４４】従って、本例に係る試料位置決め装置のＺ
ステージ６において、駆動手段１４のステップモータ２
３を右廻り（図１中矢印Ａに示した）に回転させると、
両ナット部２１，２２は、光軸に向かって同期を取りな
がら移動する。この両ナット部２１，２２の移動に伴
い、両楔形スライド部材１３もＺステージベース１２上
の直線運動軸受１５に沿って光軸に向け移動する。

【００４５】両楔形スライド部材１３上のＴステージベ
ース７は、両楔形スライド部材との間の直線運動軸受１
６に案内されて、楔形スライド部材１３の斜面を登るよ
うに、斜面に沿って上昇する。このとき、両楔形スライ
ド部材１３は両側から同期して移動するため、Ｔステー
ジベース７は、左右とも均等に上昇し、水平状態を保ち
ながら上昇する。一方、ステップモータ２３を逆に左廻
りに回転させるとＴステージベース７は両楔形スライド
部材１３の斜面に沿って下降する。そして、所望の個所
にＴステージベースが移動したなら、ステップモータ２
３の駆動を停止し、この停止状態を保持する。

【００４６】ここで、図３に示すように、Ｔステージベ
ースの移動量ｚは、αを楔形スライド部材１３の傾斜角
度、ｘを楔形スライド部材１３のＸ方向の移動量とする
と、 ｚ＝ｘ tanα となる。

【００４７】従って、試料位置決め装置に求められるＺ
方向への調整性能が、例えば、Ｚ方向の移動範囲０≦ｚ
≦５mm、移動量ｚの分解能１μｍとすると、傾斜角度α
＝１５°として、両楔形スライド部材の移動量の分解能
が３．７３２μｍ（＝１μｍ／tan １５°）となるよう
に、各ボールねじ２４，２５のリードと、ステップモー
タ２３のステップ回転の関係を調整すればよい。このよ
うにすれば、両ナット部２１，２２の１ステップの移動
につき、ＲＸＹＴステージ２〜５がｚ方向に１μｍ移動
させることができ、両ナット部２１，２２の５０００ス
テップの移動でＲＸＹＴステージ２〜５mm移動すること
ができる。

【００４８】なお、これらの総移動量、分解能は、楔形
スライド部材１３の傾斜角α、ボールねじ２４，２５の
リード、ステップモータ２３の駆動量により変更するこ
とができる。

【００４９】このように、本例に係る試料位置決め装置
によれば、Ｒステージ２、Ｘステージ３、Ｙステージ４
及びＴステージ５を容易に高精度でＺ方向に移動し位置
決めさせることができる。そして、この試料位置決め装
置と電子光学系との間に制御系を介在させることによ
り、容易に電子顕微鏡をオートフォーカスにすることが
できる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る試料
位置決め装置によれば、ＲＸＹＴステージを載置したＺ
ステージを、Ｚステージベースと、ＲＸＹＴステージ及
びＺステージベースの間に互いに反対方向に向け配置さ
れた同一傾斜角の２つの楔形スライド部材と、この楔形
スライド部材を同期させて互いに逆向きに移動させる駆
動手段と構成し、楔形スライド部材の斜面を利用してＲ
ＸＹＴステージを上下に駆動するものとしたので、試料
位置決め装置を剛性が高く振動の発生を防止できるもの
とでき、さらに、試料のＺ方向の位置決めを精密かつ容
易にすることができるいう効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る試料位置決め装置の実施の形態を
示す斜視図である。

【図２】図１に示した試料位置決め装置を示す正面図で
ある。

【図３】図１に示した試料位置決め装置の上下方向の位
置を調整た場合を示す正面図である。

【図４】従来の試料位置決め装置を示す正面図である。

【図５】従来の他の試料位置決め装置を示す正面図であ
る。

【符号の説明】

１ 試料 ２ Ｒステージ ３ Ｘステージ ４ Ｙステージ ５ Ｔステージ ６ Ｚステージ ７ Ｔステージベース ８ Ｔステージ傾動部 １１ 水平案内面 １２ Ｚステージベース １３ 楔形スライド部材 １４ 駆動手段 １５ 直線運動軸受 １６ 直線運動軸受 １８ ボルト部 １９ ボルト部 ２０ 送りボルト ２１ ナット部 ２２ ナット部 ２４ ボールねじ部 ２５ ボールねじ部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料（１）を回転させて試料（１）の回
   転角度位置を定めるＲステージ（２）と、電子光学軸に
   垂直な平面上の交差する２方向に沿って試料を平面直線
   移動させ試料の平面位置を定めるＸステージ（３）及び
   Ｙステージ（４）と、試料（１）を電子光学軸に対して
   傾斜させるＴステージ（５）と、これらのＲステージ
   （２）、Ｘステージ（３）、Ｙステージ（４）及びＴス
   テージ（５）を載置して電子光学軸に沿って移動させ、
   試料の焦点方向の位置決めを行なうＺステージ（６）と
   からなり、 上記Ｔステージ（５）は、顕微鏡鏡筒に対して傾斜しな
   いＴステージベース（７）と、上記Ｒステージ（２）、
   Ｘステージ（３）及びＹステージを載置し上記Ｔステー
   ジベース（７）に対して傾斜駆動されるＴステージ傾動
   部（８）とから構成した５自由度の試料位置決め装置に
   おいて、 上記Ｚステージ（６）は、 上面に水平案内面（１１）を備えたＺステージベース
   （１２）と、 この水平案内面（１１）上にその先端を反対側に向けて
   直線移動可能に取り付けらるれとともに、上側面を上記
   Ｔステージベース（７）の下側両端にスライド可能に取
   り付けられ、同傾斜角をなす２つの楔形スライド部材
   （１３）と、 楔形スライド部材（１３）を互いに反対に方向に向け、
   同期して移動させる駆動手段（１４）とを備えた試料位
   置決め装置。
2. 【請求項２】 上記Ｚステージベース（１２）と上記楔
   形スライド部材（１３）との間には、直線運動軸受（１
   ５）を配置した請求項１記載の試料位置決め装置。
3. 【請求項３】 上記楔形スライド部材（１３）と上記Ｔ
   ステージベース（７）との間には直線運動軸受（１６）
   を配置した請求項１又は請求項２記載の試料位置決め装
   置。
4. 【請求項４】 上記駆動手段（１４）は、 両端に互いに逆ピッチをなすボルト部（１８，１９）及
   びナット部（２１，２２）からなるボールねじ部（２
   ４，２５）を設けた送りボルト（２０）を備え、 両端に設けたナット部（２１，２２）はそれぞれ上記両
   楔形スライド部材（１３）に取り付けられ、 上記送りボルト（２０）を回転駆動するモータ（２３）
   を備えて構成した請求項１、請求項２又は請求項３記載
   の試料位置決め装置。