(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料載置面に試料を保持して互いに直交する２方向に移動可能なステージと、
前記ステージを前記試料載置面に平行な傾斜軸のまわりに回動させて傾斜させる傾斜手段と、
前記傾斜軸と同軸に設けられ駆動源によって回転される回転軸と、前記ステージに固定されたナットとねじ結合したボールねじと、前記回転軸の回転を前記ボールねじに伝達する回転伝達手段と、を有し、前記ステージを前記互いに直交する２方向に駆動するステージ駆動手段と
前記傾斜手段を動作させたとき遊星運動によって前記ボールねじが回転することによるステージ移動を補償するように前記駆動源を制御する制御系と、
を備えることを特徴とするステージ装置。
【請求項２】
傾斜軸のまわりに回動可能な傾斜フレームと、
前記傾斜フレームを前記傾斜軸のまわりに回動させて傾斜させる傾斜手段と、
前記傾斜フレーム上を前記傾斜軸に平行な第１の方向に移動可能な第１のステージと、
前記第１のステージ上を前記第１の方向と直交する第２の方向に移動可能な第２のステージと、
前記傾斜軸と同軸に設けられ駆動源によって回転される回転軸と、前記ステージに固定されたナットとねじ結合したボールねじと、前記回転軸の回転を前記ボールねじに伝達する回転伝達手段と、を有し、前記第１及び第２のステージを駆動するステージ駆動手段と、
前記傾斜手段を動作させたとき遊星運動によって前記ボールねじが回転することによるステージ移動を補償するように前記駆動源を制御する制御系と、
を備えることを特徴とするステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＸＹ方向に移動可能であるとともに、例えば半導体ウエハーに形成された集積回路パターンをウエハー面に垂直な方向のみならず斜め方向からも観察することができる顕微鏡用ステージなどのステージ駆動機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３、図１４、図１５は、従来のステージ駆動機構の説明図である。図１３において、傾斜フレーム５０は、その両端に設けた傾斜中心軸５１ａ，５１ｂにより筐体フレーム５２ａ，５２ｂに支えられ、傾斜中心軸５１ａ，５１ｂを支点として傾斜可能となっている。筐体フレーム５２ｂには傾斜モータ６６が固定されており、傾斜モータ６６の出力軸は傾斜中心軸５１ｂと一体となっている。これを回転させることにより傾斜フレーム５０を傾斜させることができる。傾斜フレーム５０の両端にはＶ溝５３ａ，５３ｂが有り、このＶ溝５３ａ，５３ｂにはＸステージ５４のＶ案内５５ａ，５５ｂが嵌まり込み、Ｘステージ５４はＶ溝５３ａ，５３ｂに沿って移動する。
【０００３】
同様にＹステージ５６は、Ｘステージ５４上に設けられたＶ溝５７ａ，５７ｂに沿って移動する。Ｙステージ５６上には試料として集積回路パターンが形成された半導体ウエハー５８が載っており、ＸＹ両軸方向に自由に移動することが出来る。半導体ウエハー５８の表面は傾斜中心軸５１ａ，５１ｂの中心を結ぶ直線上に有り、顕微鏡５９の焦点も半導体ウエハー５８の表面上に有る。
【０００４】
Ｘステージ５４の移動は、以下の方法で行なう。Ｘ駆動モータ６０は筐体フレーム５２ａに固定され、その回転はユニバーサルジョイント６１ａ、伸縮スプライン６２、ユニバーサルジョイント６１ｂ、傘歯車６３ａ〜６３ｄに伝達され、ボールねじ６４を回転させる。ボールねじ用ナット６５はＸステージ５４に固定されているから、Ｘ駆動モータ６０を回転させることにより、Ｘステージ５４を傾斜フレーム５０のＶ溝５３ａ，５３ｂに沿って移動させることが出来る。Ｙステージ５６も同様な機構（図示せず）を用いて、Ｘステージ５４のＶ溝５７ａ，５７ｂに沿って移動させることが出来る。
【０００５】
図１４は、図１３に示した傾斜フレーム５０を傾斜中心軸５１ａ，５１ｂを回転中心として傾斜させた状態を示す図である。傾斜に際して、ユニバーサルジョイント６１ａと６１ｂ間の距離は刻々変化するので、軸方向に伸び縮みしながら回転を伝達することの出来る伸縮スプライン６２が必要となる。半導体ウエハー５８の観察面である表面は傾斜中心軸５１ａ，５１ｂの中心を結ぶ直線上に有り、顕微鏡５９の焦点もこの直線上に有るので、傾斜させることにより半導体ウエハー５８上のパターンの側面を観察することが出来る。傾斜させた状態でＸステージ５４、Ｙステージ５６を移動させることにより半導体ウエハー５８の全面を観察することが出来る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、ステージ駆動モータの回転をステージ移動用ボールねじに伝達するのに、ユニバーサルジョイント、伸縮スプライン、傘歯車、と多くの部材が介在するので機構が複雑になり、かつ、広いスペースを必要とした。また、各部材の有するがたが積算され、駆動モータの回転が忠実にボールネジに伝達されず精度を上げることが難しかった。更に、ユニバーサルジョイント６１ａ，６１ｂの取付に際しては、図１５に示す注意が必要である。即ち、入力軸７０と出力軸７１を等速回転させるには、入力角度７２（α１）と出力角度７３（α２）が等しくなるように設定しなければならない。また、爪７４ａ，７４ｂを正確に同一面に設定しなければならない。このため、ユニバーサルジョイントの取り付けには高度の組立技術を必要とするなどの課題があった。
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、機構が簡単で、スペースをとらず、しかも高精度のステージ駆動機構を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、ステージを駆動するモータの回転をステージ傾斜中心より取り込み、ベルト、傘歯車あるいは、ねじ歯車などを用いてステージ移動用ボールねじに伝達する構成を採用することによって前記目的を達成する。
【０００８】
すなわち、本発明によるステージ装置は、試料載置面に試料を保持して互いに直交する２方向に移動可能なステージと、ステージを試料載置面に平行な傾斜軸のまわりに回動させて傾斜させる傾斜手段と、ステージを前記互いに直交する２方向に駆動するステージ駆動手段とを含むステージ装置において、ステージ駆動手段は、傾斜軸と同軸に設けられた駆動力伝達機構を有し、駆動力伝達機構を介して駆動力を前記ステージに伝達することを特徴とする。
【０００９】
本発明によるステージ装置は、また、傾斜軸のまわりに回動可能な傾斜フレームと、傾斜フレームを傾斜軸のまわりに回動させて傾斜させる傾斜手段と、傾斜フレーム上を傾斜軸に平行な第１の方向に移動可能な第１のステージと、第１のステージ上を第１の方向と直交する第２の方向に移動可能な第２のステージと、第１及び第２のステージを駆動するステージ駆動手段とを含むステージ装置において、ステージ駆動手段は、傾斜軸と同軸に設けられた駆動力伝達機構を有し、駆動力伝達機構を介して駆動力を前記ステージに伝達することを特徴とする。
【００１０】
ステージ駆動手段は、傾斜軸と同軸に設けられ駆動源によって回転される回転軸と、ステージに固定されたナットとねじ結合したボールねじと、回転軸の回転を前記ボールねじに伝達するベルト、パーフォレーション付ベルト、鎖又は歯付きベルトとを備えることができる。
あるいは、ステージ駆動手段は、傾斜軸と同軸に設けられ駆動源によって回転される回転軸と、ステージに固定されたナットとねじ結合したボールねじと、回転軸の回転をボールねじに伝達する平歯車列、傘歯車又はねじ歯車とを備えることができる。
【００１１】
更に、本発明のステージ装置は、傾斜手段を動作させたとき遊星運動によってボールねじが回転することによるステージ移動を補償するように駆動源を制御する制御系を備えることができる。これは、例えば駆動源としてステッピングモータを使用し、制御系は、ステージ（傾斜フレーム）を傾斜させた際、遊星運動により回転したボールねじの回転角に換算した逆方向のパルスをステッピングモータに送り、見かけ上ボールねじが回転しない状態に制御することで実現することができる。
【００１２】
あるいは、本発明のステージ装置は、傾斜手段を動作させたとき遊星運動によってボールねじが回転することで移動したステージの移動量を計測する計測手段と、計測手段によって計測されたステージ移動を補償するように駆動源を制御する制御系とを備えることが好ましい。これは、例えばステージ（傾斜フレーム）を傾斜させた際、遊星運動により移動したステージの移動量をリニアエンコーダなどの計測手段で計測し、その移動量をクローズドループ制御で補正を行うことで実現することができる。
本発明によれば、従来技術に使用していた伸縮スプラインを使用しないので省スペース化が図れる。また、ユニバーサルジョイントを使用せず、少ない部品で構成できるので、バックラシュの少ないステージを実現できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明によるステージ駆動機構の一例を示す概略斜視図である。本図は、走査形電子顕微鏡等の顕微鏡１４によって観察される試料（例えば半導体ウエハー）１３を保持してＸ，Ｙ駆動及び傾斜可能なステージの駆動機構を示している。
【００１４】
傾斜フレーム１は、その両端に設けた傾斜中心軸２ａ，２ｂにより筐体フレーム３ａ，３ｂに支えられ、傾斜中心軸２ａ，２ｂを支点として傾斜可能となっている。傾斜フレーム１の傾斜は、筐体フレーム３ｂに固定された傾斜用モータ３１を回転駆動することにより行われる。傾斜フレーム１の上面にはＸステージ５が、傾斜中心軸２ａ，２ｂの中心を結ぶ方向に移動可能なようにして載置されている。Ｘステージ５の上には、Ｙステージ１５が傾斜中心軸２ａ，２ｂを結ぶ方向と直交する方向に移動可能なようにして載置されている。半導体ウエハー等の試料１３は、Ｙステージ１５の試料載置面上に保持されている。筐体フレーム３ｂにはＸステージ駆動用のＸモータ９と、Ｙステージ駆動用のＹモータ２０が固定されている。
【００１５】
図２は、筐体フレーム３ａを貫通する駆動軸部分の詳細断面図である。傾斜フレーム１と一体構造の傾斜中心軸２ａは、筐体フレーム３ａに設けられた貫通穴に嵌合され、貫通穴の内面に接触して自由に回転できるようになている（反対側の筐体フレーム３ｂと傾斜中心軸２ｂも同様の構造を有する）。先端にＸ駆動プーリ１０が固定されたＸモータ９のＸ駆動軸３０は、傾斜中心軸２ａの中心を通って回転可能になっている。Ｙモータ２０からベルト駆動されるＹ駆動軸２３は、Ｘモータ９のＸ駆動軸３０と二重軸構造をなし、傾斜中心軸２ａの内面に接触するとともにＸ駆動軸３０の外面に接触しＸ駆動軸３０を中心軸として回転する。Ｙ駆動軸２３の両端には、Ｙモータ２０からの動力が伝えられるプーリ２１ｂと、その動力を後段に伝達するためのＹ駆動プーリ２４とが一体化して設けられている。このように、Ｘステージ５を駆動するための駆動力を伝達するＸ駆動軸３０と、Ｙステージ１５を駆動するための駆動力を伝達するＹ駆動軸２３とは、傾斜フレーム１の傾斜中心軸２ａと同軸構造をなし、傾斜フレーム１の傾斜中心から取り込まれる。
【００１６】
図１に戻って、試料１３の表面は傾斜フレーム１の傾斜中心軸２ａ，２ｂの中心を結ぶ直線上にあり、顕微鏡１４の焦点も試料１３の表面上にある。従って、顕微鏡１４の焦点を試料表面に合わせたまま、傾斜フレーム１を傾斜させて顕微鏡１４に対して試料１３の表面を傾斜させることができ、試料１３上に形成されたパターンの側面を顕微鏡１４で観察することが可能となる。また、傾斜フレーム１を傾斜させた状態でＸステージ５及び／又はＹステージ１５を移動することにより試料１３の全面を観察することが出来る。
【００１７】
次に、Ｘステージ駆動機構とＹステージ駆動機構の詳細について説明する。最初に図５を参照して、Ｘステージ駆動機構について説明する。図５は、図１に示した機構のうちＹステージ駆動機構に関する部分を省略し、また傾斜フレーム１の一部を簡略化して、Ｘステージ駆動機構に関する部分が明らかになるように図示した概略図である。
【００１８】
傾斜フレーム１は、両側部にＶ溝４ａ，４ｂを有し、このＶ溝４ａ，４ｂにＸステージ５の下面に設けられたＶ案内６ａ，６ｂが嵌まり込み、Ｘステージ５はＶ溝４ａ，４ｂに沿って移動する。Ｘステージ５の移動は、Ｘボールねじ７により行なわれる。Ｘボールねじ７を回転させるとＸナット８が移動し、Ｘナット８と一体となったＸステージ５が移動する。Ｘボールねじ７の回転はＸモータ９により行なう。前述のように、Ｘモータ９は筐体フレーム３ａに固定され、モータ軸と一体となったＸ駆動プーリ１０を回転させる。Ｘ駆動プーリ１０の回転はＸベルト１１を介してＸボールねじ７と一体となっているＸ被駆動プーリ１２に伝達され、Ｘ被駆動プーリ１２が回転することによってＸボールねじ７を回転させ、Ｘステージ５を移動させる。
【００１９】
図６は、傾斜用モータ３１を駆動して傾斜フレーム１を傾斜させた状態を示す。Ｘ駆動プーリ１０とＸ被駆動プーリ１２の中心間距離は傾斜角度に関係なく一定であるから、任意の傾斜角においてＸモータ９の回転をＸボールねじ７に伝えることが出来る。すなわち、Ｘモータ９のＸ駆動軸先端に固定されたＸ駆動プーリ１０と、Ｘ被駆動プーリ１２が固定されたＸボールねじ７と、Ｘ駆動プーリ１０からＸ被駆動プーリ１２に動力を伝達するＸベルト１１からなる簡単な駆動機構によって、傾斜ステージ１がいかなる傾斜角にあってもＸステージをスムーズに駆動することが可能である。
【００２０】
次に、再び図１を参照してＹステージ駆動機構について説明する。図１において、Ｙモータ２０の回転はプーリ２１ａ、モータベルト２２、Ｙ駆動軸２３のプーリ２１ｂに伝達され、Ｙ駆動軸２３と一体になっているＹ駆動プーリ２４を回転させる。Ｙ駆動プーリ２４の回転はＹベルト２５を介してＹ被駆動プーリ２６に伝達され、Ｙ被駆動プーリ２６と一体となっているスプライン軸２７を回転させる。
【００２１】
傘歯車２８ａ，２８ｂは、スプライン軸２７の回転をスプライン軸２７に対して直角に配置されたＹボールねじ２９の回転に変換するために用いられる。すなわち、スプライン軸２７が回転すると、その回転は傘歯車２８ａ，２８ｂによって、傘歯車２８ｂが固定されているＹボールねじ２９の回転に変換される。Ｙボールねじが回転すると、Ｙナット（図示せず）と一体となったＹステージ１５が移動する。傘歯車２８ａはスプライン軸２７と一体の関係に有り、スプライン軸２７の軸方向に移動しながら回転も同時に伝えることが出来る機構をその内部に有する。その構造を図３及び図４により説明する。
【００２２】
図３はスプライン軸２７と傘歯車２８ａ，２８ｂの関係を示す拡大図、図４はスプライン軸２７の軸方向に直角に切った傘歯車２８ａとスプライン軸２７の断面図である。図３に示すように、スプライン軸２７の表面には長手方向に溝３２が刻まれている。また、図４に示すように、傘歯車２８ａの内部（スプライン軸２７が貫通する貫通穴の表面）には突起３３が設けられており、この傘歯車２８ａの突起３３はスプライン軸２７の溝３２と係合している。したがって突起３３を有する傘歯車２８ａは、溝３２に沿って移動しながらスプライン軸２７と一体となって回転することができる。なお、傘歯車２８ａは、図１に示すＸステージ５より立ち上がっている案内板３５ａ，３５ｂにより左右を拘束され、Ｘステージ５の動きに追従して移動する。
【００２３】
傾斜フレーム１を傾斜させるとき、Ｘステージ駆動機構に関して説明したと同様に、Ｙ駆動プーリ２４とＹ被駆動プーリ２６の軸中心間距離は傾斜フレーム１の傾斜角度に関係なく一定であるから、任意の傾斜角においてＹモータ２０の回転をＹボールねじ２９に伝えることが出来る。各プーリを結ぶベルト１１，２２，２５には、ベルト、スプロケット駆動によるパーフォレーション付ベルト、鎖又は歯付きベルトを用いるのがよい。
【００２４】
試料１３が半導体ウエハーである場合、その観察面である表面は傾斜フレーム１の傾斜中心軸２ａ，２ｂの中心を結ぶ直線上にあり、顕微鏡１４の焦点もこの直線上にあるので、傾斜させることにより半導体ウエハー上のパターンの側面を観察することが出来る。傾斜させた状態で、Ｘモータ９及びＹモータ２０を駆動してＸステージ５及びＹステージ１５を移動させることにより、半導体ウエハーの全面を観察することが出来る。
【００２５】
本発明の傾斜機構においては、傾斜フレーム１を傾斜させる際に、図７に示すように、駆動プーリ３５（図１に示したＸ駆動プーリ１０、Ｙ駆動プーリ２４に対応する）からベルト３７で動力伝達される被駆動プーリ３６（図１に示したＸ被駆動プーリ１２、Ｙ被駆動プーリ２６に対応する）の動きには遊星運動が生じ、ボールねじ（スプライン軸）３８が回転し、ステージが移動する不具合が発生する。駆動プーリと被駆動プーリのプーリ径が等しい場合は、図７に示すごとく傾斜前の被駆動プーリ３６上の点Ａは、傾斜後傾斜角α゜と等しい角度だけ被駆動プーリ３６が回転してＡ′に移動し、この回転角に相当する分だけステージが移動するのでこれを補正する必要がある。
【００２６】
次に、この傾斜フレーム１の傾斜によって被駆動プーリが回転することに伴う意図しないステージ移動の補正方法について説明する。補正方法には、オープンループ制御方式による補正方法と、クローズドループ制御方式による補正方法の２つの方法がある。
【００２７】
図１１は、オープンループ制御方式による補正方法の説明図である。この補正方法は、前述したとおり、傾斜フレーム１の傾斜角度が与えられるとボールねじの回転角度も分かることを利用するもので、Ｘモータ９あるいはＹモータ２０としてステッピングモータを用いたオープンループ制御による補正方法である。いま、ステッピングモータの１ステップの回転角度をθ゜とし、ボールねじのリードをｐ（μｍ）／１回転とすると、ステージがα゜傾斜したときのステージの移動量Ｓは、次の式（１）で与えられる。
Ｓ＝（α゜／３６０゜）×ｐ（μｍ）……（１）
【００２８】
また、ステッピングモータの１ステップによるステージの移動量Ｔは、次の（２）式で表される。
Ｔ＝（θ゜／３６０゜）×ｐ（μｍ）……（２）
したがってステージがα゜傾斜したとき、ステージの移動を補正するためにステッピングモータに与えるべきパルス数は式（１）（２）を用いて、次の（３）式のようになる。
Ｎ＝Ｓ／Ｔ＝α／θ（pulse）……（３）
これを、図１１の制御系８０で計算し、ドライバ８１を経由してステッピングモータ８２に与え、ボールねじ８３を回転し、ステージ８４の移動量を補正する。
【００２９】
図１２は、クローズドループ制御による補正方法の説明図である。この補正方法は、ステージ８４の位置をリニアエンコーダ８５で計測して制御系８７にフィードバックするもので、ステージにはリニアエンコーダ８５の検出器８６が取り付けられる。ステージ８４が傾斜した際、その傾斜に起因してステージが移動した量を検出器８６で計測し、その量を制御系８７にフィードバックし、ドライバ８８を経由して駆動モータ８９に与え、ボールねじ８３を回転しステージ８４の位置を補正する。以上説明した補正手段により、ステージを傾斜させることにより発生する不具合を取り除くことができる。
【００３０】
図１に示した例においては、Ｘ駆動プーリ１０とＸ被駆動プーリ１２、Ｙ駆動プーリ２４とＹ被駆動プーリ２６を連結する手段としてベルトを使用しているが、ベルトの代替手段として図８に示すような傘歯車列、図９に示すような平歯車列、あるいは図１０に示すようなねじ歯車列を用いてもベルトを用いた場合と同様の動作が得られる。図８、図９、図１０において、４０は駆動軸、４１は被駆動軸を示す。図８に示す傘歯車列、図９に示す平歯車列、また図１０に示すねじ歯車列においては、駆動軸４０と被駆動軸４１の回転方向は特に問わない。ベルトの代わりに歯車を使用する場合には、より剛性の高い駆動機構を製作することが出来る。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、構成部品が少なくコンパクトな駆動機構を構築できるので、安価に、かつ高精度なステージを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるステージ駆動機構の一例を示す概略斜視図。
【図２】筐体フレームを貫通する駆動軸部分の詳細断面図。
【図３】スプライン軸と傘歯車の関係を示す拡大図。
【図４】スプライン軸の軸方向に直角に切った傘歯車とスプライン軸の断面図。
【図５】図１に示した機構のうちＸステージ駆動機構に関する部分を示す概略図。
【図６】傾斜フレームを傾斜させた状態を示す概略図。
【図７】傾斜フレーム傾斜させる際に生じる遊星運動を説明する概念図。
【図８】駆動軸と被駆動軸の連結手段として傘歯車列を用いる例を説明する図。
【図９】駆動軸と被駆動軸の連結手段として平歯車列を用いる例を説明する図。
【図１０】駆動軸と被駆動軸の連結手段としてねじ歯車列を用いる例を説明する図。
【図１１】オープンループ制御方式による遊星運動の補正方法を示すブロック線図。
【図１２】クローズドループ制御方式による遊星運動の補正方法を示すブロック線図。
【図１３】従来のステージ駆動機構の説明図。
【図１４】従来のステージ駆動機構を傾斜させた状態を示す図。
【図１５】ユニバーサルジョイントの詳細図。
【符号の説明】
１…傾斜フレーム、２ａ，２ｂ…傾斜中心軸、３ａ，３ｂ…筐体フレーム、４ａ，４ｂ…Ｖ溝、５…Ｘステージ、６ａ，６ｂ…Ｖ案内、７…Ｘボールねじ、８…Ｘナット、９…Ｘモータ、１０…Ｘ駆動プーリ、１１…Ｘベルト、１２…Ｘ被駆動プーリ、１３…試料、１４…顕微鏡、１５…Ｙステージ、２０…Ｙモータ、２２…モータベルト、２３…Ｙ駆動軸、２４…Ｙ駆動プーリ、２５…Ｙベルト、２６…Ｙ被駆動プーリ、２７…スプライン軸、２８ａ，２８ｂ…傘歯車、２９…Ｙボールねじ、３０…Ｘ駆動軸、３１…傾斜用モータ、３２…溝、３３…突起、３５…駆動プーリ、３６…被駆動プーリ、３７…ベルト、３８…ボールねじ（スプライン軸）、４０…駆動軸、４１…被駆動軸、５０…傾斜フレーム、５１ａ，５１ｂ…傾斜中心軸、５２ａ，５２ｂ…筐体フレーム、５３ａ，５３ｂ…Ｖ溝、５４…Ｘステージ、５５ａ，５５ｂ…Ｖ案内、５６…Ｙステージ、５７ａ，５７ｂ…Ｖ溝、５８…半導体ウエハー、５９…顕微鏡、６０…Ｘ駆動モータ、６１ａ，６１ｂ…ユニバーサルジョイント、６２…伸縮スプライン、６３ａ〜６３ｄ…傘歯車、６４…ボールねじ、６５…ボールねじ用ナット、６６…傾斜モータ、７０…入力軸、７１…出力軸、７２…入力角度、７３…出力角度、８０…制御系、８１…ドライバ、８２…ステッピングモータ、８３…ボールねじ、８４…ステージ、８５…リニアエンコーダ、８６…検出器、８７…制御系、８８…ドライバ、８９…駆動モータ
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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