(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を搭載し移動するステージと、ステージを駆動するための駆動手段と、ステージの位置を検出するための位置検出手段と、ステージを操作するためのステージ操作入力手段と、ステージ操作入力手段からの入力に従いステージを制御するステージ制御手段とを有するステージ装置において、
前記位置検出手段により検出された位置情報を処理する第一のローパスフィルタと、
前記ステージ操作入力手段から入力される速度指令値を積分する積分器と、
前記積分器の出力を処理し前記第一のローパスフィルタと同じ周波数特性をもつ第二のローパスフィルタと、
前記第一のローパスフィルタの出力と前記第二のローパスフィルタの出力との偏差から制御演算を行う補償手段と、
前記補償手段の出力と前記速度指令値との加算値から前記駆動手段へ入力するための駆動信号を生成する波形出力手段と、
前記波形出力手段の出力を増幅し前記駆動手段へ出力するための増幅器とを有することを特徴とするステージ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のステージ装置において、
前記第一のローパスフィルタと前記第二のローパスフィルタの周波数特性は前記速度指令値に応じて変更することが可能であることを特徴とするステージ装置。
【請求項３】
前記請求項１又は２に記載のステージ装置において、
前記補償手段のパラメータは前記速度指令値に応じて変更することが可能であることを特徴とするステージ装置。
【請求項４】
前記請求項１〜３のいずれかに記載のステージ装置において、
前記駆動手段としてピエゾアクチュエータを用いることを特徴とするステージ装置。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれかに記載のステージ装置において、
前記ステージ装置は荷電粒子線装置に使用されることを特徴とするステージ装置。
【請求項６】
前記請求項１〜５のいずれかに記載のステージ装置において、
前記ステージ操作入力手段から入力される位置指令値と前記第一のローパスフィルタの出力とから速度指令値を生成する速度指令値生成手段を付加し、前記速度指令値生成手段の出力を前記積分器への入力とすることを特徴とするステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査電子顕微鏡などの荷電粒子線装置において、観察試料を搭載し移動させて観察視野の移動を行うステージに関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な荷電粒子線装置である走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下、ＳＥＭ）の用途として、半導体パターンの欠陥や不良の観察があげられる。近年、半導体プロセスの微細化に伴い、走査電子顕微鏡には、より高い倍率での観察が要求されている。走査電子顕微鏡は、観察試料の表面へ電子ビーム（一次電子線）を二次元状に走査しながら照射し、これにより試料から二次的に発生する二次電子の強度を一次電子線の走査と同期して走査生成される画像の輝度変調入力とすることで、試料表面の観察画像（ＳＥＭ画像）を取得する。このとき、観察対象となる試料表面の選択は、走査電子顕微鏡に備えられた試料を搭載するステージを移動することにより行われる。通常、操作者はＳＥＭ画像を見ながら、トラックボールなどの操作入力手段を操作して、目的とする試料表面部分がＳＥＭ画像として得られるまでステージを移動させる。この場合、操作者が現在の観察位置を把握しやすくするため、ＳＥＭ画像が一定の速度で移動するようステージを一定の速度で移動させることが望ましい。また、半導体ウェハのように同じような微細なパターン（セル）が連続している試料を観察する場合には、目視もしくは画像処理によりＳＥＭ画面上を通過するセルの数を計測する（セルカウント）ことで、目的とする部分に到達したかを判定する方法が行われる。この場合も、セルの見落としがないようＳＥＭ画像を一定の速度で移動させるようステージを一定速度で移動させることが要求される。
【０００３】
ステージを一定速度で動作させる方法としては、ステージを駆動する駆動手段へ一定の速度で移動させるための駆動信号を直接与えるオープン制御による方式や、速度フィードバック制御による方式が知られている。さらに、速度フィードバック制御による方式においても、位置検出手段により得られる位置情報を微分して速度を求めそれをフィードバックする方式、特許文献１にて開始されているように位置検出手段により得られる位置情報から状態オブザーバで速度を推定しフォードバックを行う方式が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−７２９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来から行われているオープン制御による方式においては、ステージ機構の摺動部の摩擦やステージに加わる負荷、さらには、駆動手段・駆動力伝達系の変形などにより、目標とする速度からのずれや、速度変動が生じてしまう。
【０００６】
また、速度フィードバック制御を行う場合でも、高倍率での観察に使用する電子顕微鏡に従来技術を適用する場合に以下のような問題が生じる。ステージの位置を検出する手段として、リニアスケールなどの位置センサが用いられる。これは一定間隔にスリットがつけられたスケール上をセンサヘッドが移動し、センサヘッドがスリット上を通過するたびにパルスを発生させ、そのパルス数を計測することで位置を取得する。高倍率で観察を行う場合、ＳＥＭ画像上では同じ速度で移動していても、ステージは観察倍率の分だけ遅く移動させる必要がある。低速でステージが移動する場合は、位置センサが発生するパルスの発生時間間隔が長くなるため、本来は一定の速度であるにもかかわらずステップ状の速度が求められる恐れがある。さらに、ステージの移動によるパルス変動に比べノイズによるパルス変動が大きくなるため、求められる速度の誤差は大きくなり、高い周波数成分のノイズが混入される恐れがある。これらの要因により、低速での速度変動や速度の誤差の低減が困難になることがある。
【０００７】
そこで、本発明では、低速で速度変動を低減することができるステージ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために本発明では、試料を搭載し移動するステージと、ステージを駆動するための駆動手段と、ステージの位置を検出するための位置検出手段と、ステージを操作するためのステージ操作入力手段と、ステージ操作入力手段からの入力に従いステージを制御するステージ制御手段とをもつステージ装置において、位置検出手段により検出された位置情報を処理する第一のローパスフィルタと、ステージ操作入力手段から入力される速度指令値を積分する積分器と、積分器の出力を処理し第一のローパスフィルタと同じ周波数特性をもつ第二のローパスフィルタと、第一のローパスフィルタの出力と第二のローパスフィルタの出力との偏差から制御演算を行う補償手段と、補償手段の出力と速度指令値との加算値から駆動手段へ入力するための駆動信号を生成する波形出力手段と、波形出力手段の出力を増幅し前記駆動手段へ出力するための増幅器とをもつステージ装置を提供する。
【０００９】
また、上記の第一のローパスフィルタと第二のローパスフィルタの周波数特性は速度指令値により変化させてもよい。
【００１０】
さらに、補償手段のゲインなどのパラメータも速度指令値により変化させてもよい。
【００１１】
また、ステージ操作入力手段から入力される位置指令値と第一のローパスフィルタの出力とから速度指令値を生成する速度指令値生成手段を付加し、それを積分器への入力とする構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば低速で速度変動を低減することができるステージ装置を提供することができる。さらに、応答遅れの改善を図ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のステージ装置の構成図である。
【図２】ステージ装置を使用する走査電子顕微鏡の構成図である。
【図３】ステージの機構構成の図である。
【図４】ステージの駆動手段を一例を説明する概略図である。
【図５】駆動手段に与える駆動信号の一例を説明する図である。
【図６】波形出力手段の処理を説明する図である。
【図７】従来からのオープン制御によるステージ装置に対する本発明のステージ装置の効果を説明する図である。
【図８】本発明のステージ装置における速度指令値のフィードフォワードを効果を説明する図である。
【図９】本発明のステージ装置の別の構成図である。
【図１０】速度指令値生成手段を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に図を用いて本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
本実施例のステージ装置を用いる走査電子顕微鏡の構成を図２を用いて説明する。走査電子顕微鏡１は、電子光学系を備えた鏡筒２，試料室３，ステージ１１などから構成される。電子銃４から発生した一次電子線５は収束レンズ６，対物レンズ７を通して試料１２に照射され、これにより試料１２から発生した二次電子９は二次電子検出器１０により検出される。一次電子線５は走査偏光器８により観察する試料１２の表面を二次元状に走査する。電子光学系制御手段１３は走査偏光器８による一次電子線５の走査を制御するとともに、二次電子検出器１０により検出される二次電子９の強度を一次電子線の走査と同期して走査生成される画像の輝度変調入力とすることで試料表面の観察画像（ＳＥＭ画像）を生成する。生成されたＳＥＭ画像は表示装置１４に表示される。
【００１６】
観察対象となる試料１２は、試料室３内に置かれたステージ１１に搭載される。ステージ１１は試料１２を移動・回転させるものであり、水平方向（ＸＹ方向），上下方向（Ｚ方向），回転（Ｚ軸回りの回転），傾斜などの自由度を持つ（図では１自由度のみを示す）。ステージ制御手段１５は、例えばトラックボールやジョイスティックなどの入力デバイスであるステージ操作入力手段１６からの入力に従いステージ１１を制御する。また、ステージ操作入力手段１６としてネットワークやシリアルなどで接続されたＰＣを用いてもよい。
【００１７】
観察対象となる試料表面の選択はステージ１１を位置決めすることにより行う。操作者はＳＥＭ画像を見ながらステージ操作入力手段１６を操作して、目的とする観察部位がＳＥＭ画像として得られるまでステージ１１を移動させる。また、半導体ウェハなど同じような微細パターン（セル）が連続している試料を観察する場合には、ステージ操作入力手段１６から移動方向と速度をステージ制御手段１５へ入力してステージ１１を一定速度で移動させ、操作者の目視もしくは画像処理によりＳＥＭ画面上を通過するセルの数を計測することで目的とする部位に到達したか判定する方法も行われる。
【００１８】
本実施例のステージ装置の機構部を図３を用いて説明する。ステージ１１は、可動テーブル１０１に試料を取り付け、ベース１００に取り付けたガイドレール１０２に沿って可動テーブル１０１を移動させることにより試料を移動させる。可動テーブルを動かすための駆動手段として直動アクチュエータが用いられる。これは、シャフト１０３とモータ１０４とから構成され、モータ１０４へ駆動信号を入力するとシャフト１０３に沿ってモータ１０３が移動する。このモータ１０４を可動テーブル１０１に、シャフト１０３をベースに取り付ける。なお、シャフト１０３を可動テーブル１０１に、モータ１０４をベースに取り付ける構成でもよい。
【００１９】
可動テーブル１０１の位置を検出するための位置検出手段としては、例えばスケール１０５，センサヘッド１０６とから構成されるリニアスケールを用いる。このスケール１０５には一定間隔にスリットがつけられており、その上をセンサヘッド１０６が通過するたびにパルスが発生する。そのパルスの数を計測することにより位置が取得できる。このスケール１０５をベース１００に、センサヘッドを可動テーブル１０１に取り付ける。なお、位置検出手段として、レーザー干渉計や、レーザー変位計などを用いてもよい。
【００２０】
ステージ制御手段１５は、ステージ操作入力手段１６から入力される指令値と、位置検出手段により検出される位置情報から制御演算を行い、モータ１０４への駆動信号を出力することでステージを動作させる。
【００２１】
なお、図３には１自由度のステージの構成を示しているが、これと同様のステージを組みわせることで多自由度のステージを構成することができる。
【００２２】
本実施例のステージに使用する駆動手段の構成とそれを駆動するための駆動信号の一例を図４，図５を用いて説明する。モータ１０４の内部には、積層ピエゾ板３００ａ，３００ｂを張り合わせた駆動素子３００，３０１，３０２，３０３があり、図示していないバネにより駆動素子の先端をシャフト１０３に押し付けている。張り合わされた積層ピエゾ板のそれぞれに駆動信号を与えると、その信号の和と差に応じて駆動素子を伸縮・屈曲することができる。したがって、駆動素子の先端が楕円軌道を描くような駆動信号を用意し、それを３００と３０２の組みと３０１と３０３の組みとで位相をずらして与えることにより、各組の駆動素子がシャフトとの接触・離脱を繰り返しながらシャフトに沿ってモータが移動することができる。図５には１サイクル分の駆動信号の波形を示しているが、モータを連続して移動させる場合にはこの波形を繰り返し与えればよい。なお、これは駆動手段の一構成例であり、これにより本発明の技術思想が限定されるものではない。
【００２３】
本実施例のステージ装置の構成および動作を図１，図６を用いて説明する。本実施例のステージ装置では、位置検出手段１０６から取得される位置情報からノイズ成分を除去するための第一のローパスフィルタ２０１を通した信号と、ステージ操作入力手段１６から入力される速度指令値を積分器２００と第二のローパスフィルタとを通した信号との偏差から補償手段２０３にて補償演算を行う。このとき、第二のローパスフィルタ２０２は第一のローパスフィルタと同じ周波数特性を持つ。また、補償手段２０４では、例えばＰＩＤなどの補償が行われる。波形出力手段２０４は補償手段２０３の出力に速度指令値を加算した信号から後述の方法により得られる駆動信号を出力し、それを増幅器２０５により増幅し駆動手段１０４へ出力する。
【００２４】
図６を用いて波形出力手段２０４での処理概要を説明する。波形出力手段には、図５に示したような駆動手段を駆動するための駆動信号波形がテーブルで格納されている。このテーブルの参照位置を表すインデックスＳは実数を取る。波形出力手段に入力ΔＳが与えられた時、前回のインデックスＳｉにΔＳを加算して今回のインデックスＳｉ＋１を得る。この時の波形出力手段からの出力ｖはＳｉ＋１の前後の整数Ｐｊ，Ｐｊ＋１に対応するアドレスのテーブル格納値Ｖｊ，Ｖｊ＋１を取り出し、内挿補間により出力ｖを演算する。これにより連続した出力信号を生成でき、極低速でのステージを動作させる際に問題となるテーブルの量子化誤差による指令値の不連続性を解決することができる。
【００２５】
本実施例のステージ装置においては、速度指令値の積分値と位置検出手段により検出される位置との偏差を用いて補償を行う。このため、従来技術で、特に極低速時の速度の推定時に含まれる誤差の影響がなくなり、安定した動作が実現できる。また、位置検出手段により検出される位置に含まれているノイズ成分は第一のローパスフィルタで低減させる。このとき、第一のローパスフィルタを入れたことにより応答遅れが発生する。そこで、速度指令値の積分値の側にも第一のローパスフィルタと同じ周波数特性をもつ第二のローパスフィルタを入れることにより位相のずれを解消することができる。
【００２６】
本実施例のステージ装置の動作させた結果を図７，図８を用いて説明する。図７はオープン制御と本実施例のステージ装置とで一定速度でステージを移動させたときの移動距離と速度の時間変化を示す。オープン制御では速度変動が見られるが、本実施例ではそれを低減できている。また、オープン制御においては立ち上がり時の応答遅れが見られるが、本実施例では応答遅れも改善できている。図８は本実施例のステージ装置において波形出力手段への入力に速度指令値を加算した場合（速度指令値ＦＦあり）と速度指令値を加算しない場合（速度指令値ＦＦなし）とで、一定速度でステージを移動させた場合の移動距離と速度の時間変化を示す。これをみると、速度指令値を加算した場合のほうが、速度変動の低減（特に高周波振動の抑制）と応答遅れの改善の効果が大きいことが分かる。
【００２７】
以上述べたように、本実施例のステージ装置を用いることによって、低速移動時の速度変動を低減でき、さらに、応答遅れを改善できる。
【００２８】
また、第一のローパスフィルタ２０１と第二のローパスフィルタ２０２との遮断周波数などの周波数特性は、速度指令値に応じて変化させてもよい。第一のローパスフィルタは位置検出手段により取得される位置情報に含まれるノイズ成分を除去する。そのため、低速でステージ移動する場合はローパスフィルタの遮断周波数を低く設定することで制御系へのノイズの混入を極力抑えるのが望ましい。しかしながら、ステージの移動速度が速くなると、本来抑制したいはずのステージの駆動手段・駆動力伝達系の変形による速度変動に起因した位置情報の変動をも除去する恐れがある。そこで、速度指令値が速い場合にはローパスフィルタの遮断周波数を大きくする。これにより、速度変動の低減の効果を向上することができる。
【００２９】
さらに、補償手段２０３の各種ゲインも速度指令値に応じて変化させてもよい。ステージが低速で移動する場合には補償手段の比例ゲインを大きくすることで速度変動の低減および応答遅れの改善の効果を高めることができる。しかしながら、移動速度が速くなると位置情報に混入したノイズが大きくなるため、ローパスフィルタによるノイズ除去に加え、比例ゲインなどを小さくしてノイズの影響を低減するのが望ましい場合もある。これにより、速度変動の低減の効果を向上することもでき、制御系の安定性も向上することができる。
【００３０】
本実施例の別の実施形態を図９，図１０を用いて説明する。図９は本実施例のステージ装置の別の構成例である。この構成では、与えられた位置指令値（到達目標位置）と位置検出手段１０６から第一のローパスフィルタ２０１を通して得られる位置情報とから速度指令値を生成する速度指令値生成手段２０７を備えている。
【００３１】
速度指令値生成手段２０７では、例えば図１０に示されるような速度パターンが生成され出力される。この速度パターンは以下の４つのフェーズで構成される。
（１）予め設定された加速度で、速度指令値を増加させる。
（２）速度指令値が設定された速度Ｖmaxに達したら、速度指令値を保持する。
（３）現在位置が減速開始位置に到達したら、予め設定された減速度で指令速度を減少さ
せる。
（４）現在位置が位置指令値近傍に達したら、極低速で移動させ目標位置へ位置決めする
。
【００３２】
なお、これは速度指令値生成の一例であり、滑らかに速度が変化する速度パターンが生成できるものであればよく、これにより本発明の技術思想が限定されるものではない。
【００３３】
以上のようにすれば位置指令値（最終目標位置）が与えられた場合でも速度変動を低減することが可能なステージを提供できる。
【符号の説明】
【００３４】
１  走査電子顕微鏡
２  鏡筒
３  試料室
４  電子銃
５  一次電子線
６  収束レンズ
７  対物レンズ
８  走査偏光器
９  二次電子
１０  二次電子検出器
１１  ステージ
１２  試料
１３  電子光学系制御手段
１４  表示装置
１５  ステージ制御手段
１６  ステージ操作入力手段
１００  ベース
１０１  可動テーブル
１０２  ガイドレール
１０３  シャフト
１０４  モータ
１０５  スケール
１０６  センサヘッド
２００  積分器
２０１，２０２  ローパスフィルタ
２０３  補償手段
２０４  波形出力手段
２０５  増幅器
２０７  速度指令値生成手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005452405.tif 000008
【図８】
0005452405.tif 000009
【図９】
0005452405.tif 000010
【図１０】
0005452405.tif 000011