JP6960352B2 - ステージ装置、及び荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は荷電粒子線装置に備えられるステージ装置に係わり、特にステージ装置の軽量化及び高剛性化に関する。

荷電粒子線装置は、電子線のような荷電粒子線を試料に照射し、試料から放出される荷電粒子を検出することにより、試料を観察する画像を形成する装置である。試料の所望の位置を観察するために、試料を二次元方向、すなわちＸＹ方向に移動させるステージ装置を荷電粒子線装置は備える。また、荷電粒子線の加速電圧に応じて作動距離を変化させる場合、ステージ装置はＸＹ方向に垂直な方向、すなわちＺ方向へ試料を移動させる。

試料をＺ方向へ移動させられるステージ装置として、例えば特許文献１がある。特許文献１には、クサビ機構と鉛直方向のガイドとの組み合わせによってアクチュエータによる水平方向の推力を鉛直方向の移動に変換して、試料をＺ方向へ移動させるステージ装置が開示されている。

特開２０１０−１１０８７０号公報

しかしながら、特許文献１では、クサビ機構と、クサビ機構を水平方向に移動させるための２つのガイドと、鉛直方向のガイドとを少なくとも有するため、ステージ装置の可動質量が増大するとともに、各ガイドにおいて剛性が低下する。質量の増加と剛性の低下は、試料を所望の位置へ移動させた後に試料が実質的に静止するまでの時間を長くし、荷電粒子線装置による観察のスループットを低下させる。

そこで、本発明は、ＸＹ方向及びＺ方向に移動可能であって軽量かつ高剛性なステージ装置、及びそれを備える荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、試料を搭載するチャックと、ＸＹ方向に移動するＸＹステージと、Ｚ方向に移動するＺステージと、を備えるステージ装置であって、前記Ｚステージは、前記ＸＹステージに固定され、ＸＹ面に対して傾いた傾斜面を有する傾斜部と、前記傾斜面の上を移動する移動部と、前記移動部に固定され、前記ＸＹ面と平行な面が設けられるテーブルと、を有することを特徴とする。

また本発明は、前記ステージ装置を備えることを特徴とする荷電粒子線装置である。

本発明によれば、ＸＹ方向及びＺ方向に移動可能であって軽量かつ高剛性なステージ装置、及びそれを備える荷電粒子線装置を提供することができる。

本発明の荷電粒子線装置１００の全体構成図である。 実施例１のステージ装置１０５の斜視図である。 実施例１のスロープ機構２１０の斜視図である。 実施例１のスロープ機構２１０の概念図である。 実施例１のスロープ機構２１０のばねモデルを示す図である。 比較例である従来構造のＺステージ５００の概念図である。 比較例である従来構造のＺステージ５００のばねモデルを示す図である。 駆動部２１２の一例である超音波モータの動作を説明する図である。 駆動部２１２の推力に個体差がある場合の一例を説明する図である。 スロープ機構が１つ場合の概略図である。 スロープ機構が４つ場合の概略図である。 スロープ機構が３つ場合の斜視図である。 Ｚステージ２０３の移動方向がＺＸ面と平行な場合を説明する図である。 Ｚステージ２０３の移動方向がＺＹ面と平行な場合を説明する図である。

以下、図面に従って本発明に係るステージ装置および荷電粒子線装置の実施例について説明する。なお、以下の説明および図面において、同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付すことにより重複説明を省略する。

図１は荷電粒子線装置１００の全体構成図である。荷電粒子線装置１００は、電子光学系鏡筒１０１と試料室１０２を備える。電子光学系鏡筒１０１は、試料室１０２に配置される試料１０３、例えばウェハに対して電子線を照射し、試料１０３から放出される二次電子または反射電子を検出し、検出信号を出力する。出力された検出信号を変換して得られる画像は、試料１０３上のパターンの線幅の計測や形状精度の評価に用いられる。なお、図１では電子線の照射方向をＺ方向とする。

試料室１０２は除振マウント１０４により支持される。試料室１０２内には、Ｚ方向と直交する方向であるＸ方向及びＹ方向並びにＺ方向に移動可能であって試料１０３を搭載するステージ装置１０５が配置される。試料室１０２に設けられるレーザ干渉計１０６からレーザ光１０７を、ステージ装置１０５に設けられるミラー１０８に照射することによりステージ装置１０５の位置が計測され、計測結果に基づいてコントローラ１０９によりステージ装置１０５の位置が制御される。

図２を用いて本実施例のステージ装置１０５について説明する。図２は斜視図であり、構造の理解を助けるために一部透視図となっている。ステージ装置１０５は、Ｙ方向に移動可能なＹステージ２０１と、Ｘ方向に移動可能なＸステージ２０２と、Ｚ方向に移動可能なＺステージ２０３と、試料１０３を搭載するチャック２０４がＺ方向に重ねられて構成される。なお、Ｙステージ２０１とＸステージ２０２を合わせてＸＹステージ２０５と呼ぶ。以下、各部について説明する。

Ｙステージ２０１はＹ方向ガイド２０６とＹテーブル２０７を有する。Ｙ方向ガイド２０６は試料室１０２に固定され、Ｙテーブル２０７をＹ方向に案内する。Ｙテーブル２０７はＹ方向ガイド２０６の上に配置され、図示しないアクチュエータ等によりＹ方向に移動させられる。

Ｘステージ２０２はＸ方向ガイド２０８とＸテーブル２０９を有する。Ｘ方向ガイド２０８はＹテーブル２０７に固定され、Ｘテーブル２０９をＸ方向に案内する。Ｘテーブル２０９はＸ方向ガイド２０８の上に配置され、図示しないアクチュエータ等によりＸ方向に移動させられる。

Ｚステージ２０３はスロープ機構２１０とトップテーブル２１１を有する。スロープ機構２１０はＸテーブル２０９に固定され、トップテーブル２１１をＺＹ方向に案内する。トップテーブル２１１はスロープ機構２１０の上に配置され、スロープ機構２１０が有する駆動部２１２の推力によってＺＹ方向に移動させられる。トップテーブル２１１の上面はＸＹ面と平行である。トップテーブル２１１の上面には、ＸＹステージ２０５の位置の制御に係るＸミラー１０８ｘとＹミラー１０８ｙとともに、チャック２０４が設けられる。

なお、スロープ機構２１０が複数配置されることにより、トップテーブル２１１のＺ軸回りの回転方向の剛性を高められる。また図２ではＺステージ２０３をＸＹステージ２０５の上に配置したが、ＸＹステージ２０５の下に配置しても良い。

図３を用いて本実施例のスロープ機構２１０について説明する。図３は、図２とは異なる方向からの斜視図である。スロープ機構２１０は、傾斜部３０１とガイド３０２と移動部３０３とプレート３０４と駆動部２１２を備える。以下、各部について説明する。

傾斜部３０１はＸＹステージ２０５に固定され、ＸＹ面に対して傾いた傾斜面を有する。傾斜面の傾斜方向は、ＺＸ面またはＺＹ面と平行であることが好ましい。図３の傾斜部３０１の傾斜方向は、ＺＹ面と平行である。

ガイド３０２は傾斜部３０１の傾斜面に設けられ、移動部３０３を傾斜方向に案内する。ガイド３０２のストロークは短くて良いので、一般的に使用される無限循環式のリニアガイド、または有限ストロークであるクロスローラーガイドを用いることができる。クロスローラーガイドを用いた場合、軽量化が可能となる。

移動部３０３は傾斜部３０１の傾斜面の上を移動する。また移動部３０３には、トップテーブル２１１が固定される。

プレート３０４は移動部３０３に固定され、駆動部２１２の推力を受ける。プレート３０４が推力を受けることにより、移動部３０３は傾斜面の上を移動する。

駆動部２１２はＸＹステージ２０５に固定され、移動部３０３を移動させるための推力を発する。駆動部２１２には、電磁モータや超音波モータを用いることができる。トップテーブル２１１の熱変形を抑制するために、熱源となる駆動部２１２をＸＹステージ２０５に設け、トップテーブル２１１への伝熱を低減することが好ましい。なお、一般的な電磁モータに比べて発熱量が少ない超音波モータを駆動部２１２に用いると、トップテーブル２１１への伝熱をさらに低減できる。

以上説明した構成により、試料１０３を搭載するチャック２０４が上面に設けられたトップテーブル２１１をＺＹ方向に移動させることができるので、試料１０３をＺ方向に移動させることができる。なお、Ｚ方向への移動にともなって試料１０３がＹ方向へも移動するので、Ｙ方向への移動距離を打ち消すようにコントローラ１０９はＹステージ２０１を移動させる。Ｙ方向への移動距離は、Ｚ方向への移動距離と傾斜部３０１の傾斜角度に基づいて算出される。

図４に、スロープ機構２１０の概念図をばねモデルとともに示す。図４Ａが概念図であり、図４Ｂがばねモデルである。図４Ａに示すように、ＸＹステージ２０５とトップテーブル２１１との間に配置されるスロープ機構２１０では、剛体とみなせる傾斜部３０１と移動部３０３との間にのみ弾性体とみなせるガイド３０２が存在する。図４Ｂに示すようにガイド３０２は、ばね４００で置き換えられる。例えば４個のスロープ機構２１０が備えられる場合、ばね４００の剛性をｋとすると、ＸＹステージ２０５とトップテーブル２１１との間の剛性は４つのばね４００の並列合成により４ｋとなる。

図５に比較例である従来構造のＺステージ５００の概念図とばねモデルを示す。図５Ａが概念図であり、図５Ｂがばねモデルである。従来構造のＺステージ５００では、トップテーブル２１１とＸＹステージ２０５との間にクサビ５１０を挿入する機構と、鉛直方向のガイド５０１との組み合わせにより、トップテーブル２１１をＺ方向へ移動させる。すなわち、トップテーブル２１１とＸＹステージ２０５との間には、弾性体とみなせるガイド５０１、５０２、５０３が存在する。図５Ｂに示すようにガイド５０１、５０２、５０３は、ばね５１１、５１２、５１３で置き換えられる。ガイド５０１がガイド５０２、５０３に比べて短いので、ばね５１１の剛性はばね５１２、５１３に比べて低く、ＸＹステージ２０５とトップテーブル２１１との間の剛性は主にばね５１２、５１３によって決まる。ガイド５０２、５０３の長さをガイド３０２の２倍とみなし、ばね５１２、５１３の剛性をそれぞれ２ｋとすると、ＸＹステージ２０５とトップテーブル２１１との間の剛性はばね５１２とばね５１３との直列合成によりｋとなる。よって、本実施例の剛性は従来構造の４倍と見積もれる。

以上説明したように、本実施例のスロープ機構２１０が設けられたＺステージ２０３は従来構造よりも十分に高い剛性を有することができる。また従来構造よりも少ない部品点数ですむため、軽量化を図ることができる。すなわち本実施例によれば、Ｚ方向に移動可能であって軽量かつ高剛性なＺステージ２０３を実現でき、これをＸＹステージ２０５と組み合わせて荷電粒子線装置１００に搭載することにより、観察のスループットを向上させることができる。

ここで図６を用いて、駆動部２１２の一例である超音波モータの動作を説明する。超音波モータはモータ本体６０１と接触部６０２を備える。モータ本体６０１は接触部６０２を振動させ、接触部６０２に押し付けられるプレート３０４に対して推力を与える。接触部６０２の周波数は超音波領域で一定であり、振動振幅を変えることにより駆動速度を制御できる。

また、一定以上の負荷に対しては、プレート３０４と接触部６０２の間に滑りが生じる。プレート３０４と接触部６０２の間に滑りは、駆動部２１２の推力に個体差がある場合でも、個々の駆動部２１２の推力を平均化させ、トップテーブル２１１の変形やＺ軸周りの回転を抑制する。図７に、駆動部２１２ａの推力が他の駆動部２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄの推力よりも小さい場合の例を示す。駆動部２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄの推力が、トップテーブル２１１を介して、他に比べ推力が小さい駆動部２１２ａに伝達されると、駆動部２１２ａのプレート３０４と接触部６０２の間で滑りが生じ、駆動部２１２ａ〜２１２ｄの推力が平均化される。その結果、推力に個体差があっても、トップテーブル２１１を変形させずにすみ、トップテーブル２１１の変形による位置誤差を抑制できる。

実施例１では、４つのスロープ機構２１０を備えるＺステージ２０３について説明した。スロープ機構２１０の数は４つには限られないので、本実施例ではスロープ機構２１０が１つまたは３つである場合について説明する。

図８を用いてスロープ機構２１０が１つの場合を、４つの場合と対比させながら説明する。図８Ａはスロープ機構２１０が１つの場合の概念図であり、図８Ｂはスロープ機構２１０が４つの場合の概念図である。スロープ機構２１０が１つの場合、図８Ａに示されるように傾斜部３０１の傾斜面を大きくでき、移動部３０３が移動できる距離が長くなるので、作動距離を長くでき、荷電粒子線の加速電圧に対応しやすくなる。

なお、スロープ機構２１０が４つの場合、図８Ｂに示されるようにＺステージ２０３の高さ８００を低くすることができる。また、傾斜部３０１と移動部３０３の合計の体積を小さくでき、軽量化を図れる。

図９を用いてスロープ機構２１０が３つの場合について説明する。この場合、スロープ機構２１０が４つの場合に比べて、各傾斜部３０１の傾斜角度に誤差があっても、トップテーブル２１１の変形を抑制することが可能となる。

実施例１では、主にＺステージ２０３の構造について説明した。本実施例ではＺステージ２０３の移動方向と、Ｙステージ２０１及びＸステージ２０２との関係性について説明する。

図１０は試料１０３の側からＺステージ２０３、Ｘステージ２０２、Ｙステージ２０１の順に重ねられたステージ装置１０５である。なお、Ｚステージ２０３の移動方向がＺＸ面と平行な場合を図１０Ａに、ＺＹ面と平行な場合を図１０Ｂに示す。

図１０Ａでは、移動中の移動部３０３の振動のＸ方向成分がＸステージ２０２のＸ方向の振動特性に影響を与え、Ｘステージ２０２の駆動特性を劣化させることがある。これに対して図１０Ｂでは、移動部３０３の振動のＹ方向成分が影響を与えるのはＸステージ２０２とＹステージ２０１の２つのＹ方向の振動特性であり、影響を及ぼす対象の質量が図１０Ａの場合に比べて大きいので、２つのステージの駆動特性の劣化は抑制される。

さらに図１０Ａでは、移動部３０３の移動にともなって試料１０３がＸ方向に移動した分を打ち消すのに十分なＸステージ２０２の移動距離を確保するために、Ｙステージ２０１は大型化される。これに対して図１０Ｂでは、移動部３０３の移動にともなって試料１０３がＹ方向に移動した分を打ち消すために、最下段に配置されるＹステージ２０１を移動させれば良いので、Ｘステージ２０２とＹステージ２０１を大型化する必要がない。よって、図１０Ｂではステージ装置１０５の小型化が可能となる。

すなわち、Ｚステージ２０３の移動方向は、最下段に配置されるＸステージ２０２またはＹステージ２０１の移動方向とともに同一面内に含まれることが望ましい。言い換えると、移動部３０３の移動方向は、試料１０３の側にＸステージ２０２が配置された場合はＺＹ面と平行であることが望ましく、試料１０３の側にＹステージ２０１が配置された場合はＺＹ面と平行であることが望ましい。

なお、本発明のステージ装置１０５および荷電粒子線装置１００は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

１００：荷電粒子線装置、１０１：電子光学系鏡筒、１０２：試料室、１０３：試料、１０４：除振マウント、１０５：ステージ装置、１０６：レーザ干渉計、１０７：レーザ光、１０８：ミラー、１０８ｘ：Ｘミラー、１０８ｙ：Ｙミラー、１０９：コントローラ、２０１：Ｙステージ、２０２：Ｘステージ、２０３：Ｚステージ、２０４：チャック、２０５：ＸＹステージ、２０６：Ｙ方向ガイド、２０７：Ｙテーブル、２０８：Ｘ方向ガイド、２０９：Ｘテーブル、２１０：スロープ機構、２１１：トップテーブル、２１２：駆動部、３０１：傾斜部、３０２：ガイド、３０３：移動部、３０４：プレート、４００：ばね、５００：従来構造のＺステージ、５０１：ガイド、５０２：ガイド、５０３：ガイド、５１０：クサビ、５１１：ばね、５１２：ばね、５１３：ばね、６０１：モータ本体、６０２：接触部、８００：Ｚステージ２０３の高さ

Claims (7)

1. 試料を搭載するチャックと、ＸＹ方向に移動するＸＹステージと、Ｚ方向に移動するＺステージと、を備えるステージ装置であって、
   前記Ｚステージは、
   前記ＸＹステージに固定され、ＸＹ面に対して傾いた傾斜面を有する傾斜部と、
   前記傾斜面の上を移動する移動部と、
   前記移動部に固定され、前記ＸＹ面と平行な面が設けられるテーブルと、
   を有し、
   前記ＸＹステージは、Ｘ方向に移動するＸステージと、Ｙ方向に移動するＹステージとがＺ方向に重ねられたものであり、
   前記試料の側に前記Ｘステージが配置された場合は、前記移動部の移動方向がＺＹ面と平行であって、
   前記試料の側に前記Ｙステージが配置された場合は、前記移動部の移動方向がＺＸ面と平行であることを特徴とするステージ装置。
2. 請求項１に記載のステージ装置であって、
   前記移動部を移動させる駆動部をさらに備え、
   前記駆動部は前記ＸＹステージに固定されることを特徴とするステージ装置。
3. 請求項２に記載のステージ装置であって、
   前記駆動部は超音波モータであることを特徴とするステージ装置。
4. 請求項１に記載のステージ装置であって、
   前記移動部は前記傾斜面の傾斜方向に沿って移動することを特徴とするステージ装置。
5. 請求項４に記載のステージ装置であって、
   前記傾斜部は、前記移動部の移動を案内するガイドを有することを特徴とするステージ装置。
6. 請求項１に記載のステージ装置であって、
   前記ＸＹステージには、複数の前記傾斜部が固定され、前記傾斜部の数と同数の前記移動部が備えられることを特徴とするステージ装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のステージ装置を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。

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