(57)【要約】【課題】ステージ停止時における熱ドリフトや振動によるノイズを抑え、かつ安価な試料ステージを用いた電子顕微鏡装置を提供することにある。【解決手段】試料ステージ３は、案内機構７を備えたベース４と、この案内機構７に沿って移動するテーブル５と、このテーブル５を駆動するための駆動機構であるロッド９により構成される。テーブル５のガイド部１１と駆動機構であるロッド９の結合部にギャップ１２を設けている。また、制御装置１００は、テーブル５の停止時には、ギャップ１２を用いて、テーブル５と駆動機構とを機械的に結合を分離する位置制御を行う。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
案内機構を備えたベースと、この案内機構に沿って移動するテーブルと、このテーブルを駆動するための駆動機構により構成される試料ステージを有する電子顕微鏡装置において、
上記テーブルと上記駆動機構の結合部に隙間を設けるとともに、
上記テーブルの停止時には上記隙間により上記テーブルと上記駆動機構とを機械的に結合を分離する位置制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項２】
請求項１記載の電子顕微鏡装置において、
上記制御手段は、上記テーブルの現在の位置から目標位置に移動する際、目標位置を越えた仮の目標位置に上記テーブルを移動した後、上記目標位置に上記テーブルを戻すように位置制御することを特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項３】
請求項２記載の電子顕微鏡装置において、
上記制御手段は、さらに、上記目標位置に上記テーブルを戻す方向と反対方向に上記駆動機構を駆動して、上記テーブルと上記駆動機構とを機械的に結合を分離する位置制御を行うことを特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項４】
請求項１記載の電子顕微鏡装置において、
上記案内機構は、転動面と転がり部材からなり、
上記テーブルは、制動力を発生する制動機構を備えたことを特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項５】
請求項１記載の電子顕微鏡装置において、
上記テーブルの移動方向に対して９０度方向に移動可能な案内機構を上記テーブル上に配置し、この案内機構上にもう一つの上テーブルを搭載して２次元移動を可能とし、
上記上テーブルと上記上テーブルを駆動する駆動機構との結合に隙間を設け、上記制御手段は、上記上テーブルの停止時にも上テーブルと駆動機構との結合を分離する位置制御を行うことを特徴とする電子顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子顕微鏡装置に係り、特に、半導体素子製造分野における検査評価用の電子顕微鏡に用いる試料ステージに用いるに好適な電子顕微鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体素子の微細化に伴い、製造装置だけではなく検査・評価装置にもそれに対応した高精度化が要求されている。通常、半導体ウェーハ上に形成したパターンの形状寸法が正しいかを評価するため、測長機能を備えた走査形電子顕微鏡（以下、「測長ＳＥＭ」と称す）が用いられている。測長ＳＥＭでは、例えば、特開２００１−１５６１３２号公報に記載されているように、ウェーハ上に電子線を照射し、得られた二次電子信号を画像処理して、そのコントラストの変化からパターンのエッジを判別し、寸法を導き出している。このため、よりノイズの少ない二次電子像を得ることが重要な課題となっている。また、像を何枚も重ね合わせてコントラストを向上させるため、ウェーハを搭載保持しているステージは、極力振動やドリフトを抑える必要がある。
【０００３】
測長ＳＥＭでは、評価したウェーハを製造ラインに戻すことから、ウェーハを割ることはできないため、ウェーハ全面を評価するには、それをカバーするストロークを持ったウェーハステージが必要である。現在、ウェーハサイズは３００ｍｍが主流に移りつつあり、そのためのステージはかなりの大型になる。同時にスループット向上の観点からステージの高速化による駆動力向上も必要となり、高出力のモータや駆動軸の温度上昇が発生する。従来、これらの熱膨張収縮によるテーブルのドリフトを回避するため、ステージの位置をリアルタイムでモニタし、そのテーブルの挙動に追従してモータや電子線の偏向量にフィードバックする、いわゆるサーボ制御が採用されていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１５６１３２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高精度にステージや電子線の位置を制御するには、高分解能でステージ位置を計測するシステムが必要となり、またサーボ制御を行うためのサーボ回路とそのための調整が必要となる。このため、装置のコストが上昇し、システムも複雑になる。また、サーボ制御の場合、停止状態でも微小な振動を繰り返しており、措置全体を加振させ二次電子像に影響を及ぼすことがある。
【０００６】
本発明の目的は、ステージ停止時における熱ドリフトや振動によるノイズを抑え、かつ安価な試料ステージを用いた電子顕微鏡装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、案内機構を備えたベースと、この案内機構に沿って移動するテーブルと、このテーブルを駆動するための駆動機構により構成される試料ステージを有する電子顕微鏡装置において、上記テーブルと上記駆動機構の結合部に隙間を設けるとともに、上記テーブルの停止時には上記隙間により上記テーブルと上記駆動機構とを機械的に結合を分離する位置制御を行う制御手段を備えたものである。
かかる構成により、ステージ停止時における熱ドリフトや振動によるノイズを抑え、かつ安価な試料ステージを用いた電子顕微鏡装置を得ることができる。
【０００８】
（２）上記（１）において、好ましくは、上記制御手段は、上記テーブルの現在の位置から目標位置に移動する際、目標位置を越えた仮の目標位置に上記テーブルを移動した後、上記目標位置に上記テーブルを戻すように位置制御するものである。
【０００９】
（３）上記（２）において、好ましくは、上記制御手段は、さらに、上記目標位置に上記テーブルを戻す方向と反対方向に上記駆動機構を駆動して、上記テーブルと上記駆動機構とを機械的に結合を分離する位置制御を行うものである。
【００１０】
（４）上記（１）において、好ましくは、上記案内機構は、転動面と転がり部材からなり、上記テーブルは、制動力を発生する制動機構を備えたものである。
【００１１】
（５）上記（１）において、好ましくは、上記テーブルの移動方向に対して９０度方向に移動可能な案内機構を上記テーブル上に配置し、この案内機構上にもう一つの上テーブルを搭載して２次元移動を可能とし、上記上テーブルと上記上テーブルを駆動する駆動機構との結合に隙間を設け、上記制御手段は、上記上テーブルの停止時にも上テーブルと駆動機構との結合を分離する位置制御を行うものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態による電子顕微鏡装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡の全体構成図である。
【００１３】
真空ポンプ１により真空排気可能な試料室２の内部には、試料ステージ３が搭載されている。試料ステージ３は、ベース４，センターテーブル５，トップテーブル６などから構成される。センターテーブル５は、ベース４上のＸ滑り案内７により拘束され、一方向（Ｘ方向）に移動が可能となっている。センターテーブル５は、Ｘボールネジ８の回転によって直線運動を行うＸロッド９により押し引きされるが、Ｘロッド９先端のピン１０とセンターテーブル５のガイド部１１には５０μｍのギャップ１２が空いている。Ｘボールネジ８は、真空シールを施したシャフト１３に結合され、パルスモータ１４により回転が可能である。
【００１４】
センターテーブル５上には、Ｘ滑り案内７と直角に交差したＹ滑り案内１５が同様に構成され、トップテーブル６はＹ滑り案内１５に沿って移動する。トップテーブル６とＹロッドの結合については、センターテーブル５と同様にＹロッド先端のピンとガイドの間にギャップを設けている。
【００１５】
トップテーブル６上には、試料ホルダ１６が搭載されており、試料ホルダ１６上にはウェーハ１７が固定されている。また、トップテーブル６上には、ステージ位置制御用にバーミラー１８を取り付け、レーザ干渉計１９を用いて位置測定が行なわれる。制御装置１００は、レーザ干渉計１９によって測定された試料ステージ３の位置に基づいて、パルスモータ１４を制御して、Ｘ方向のステージ位置制御を行う。制御装置１００は、同様にして、Ｙ方向の位置制御も行う。
【００１６】
試料室２の上部には、電子線源となる電子銃２０，電子線２１の軌道を変える偏向器２２，電子線２１を集束させる電子レンズ２３，ウェーハ１７から放射される二次電子２４を取り込むための二次電子検出器２５などが組み込まれた鏡筒２６を搭載している。二次電子検出器２５の信号は、制御部２７により信号処理され、観察用のＣＲＴ２８に送られる。
【００１７】
次に、本実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡の動作について説明する。
通常、ウェーハのパターン形状の評価方法として、所望のパターンがチップ内のどの位置にあるか、１枚のウェーハに対して配列されたどのチップのパターンを評価するのか、を座標にて予め登録しておく。評価時には、制御装置１００は、自動的にその指定位置までステージ移動した後、電子線２１をウェーハ１７上に照射し、偏向器２２で走査して数万倍から数十万倍の二次電子像を収得し、ＣＲＴ２８に表示する。この二次電子像のコントラストの変化からパターンの形状を判別し、指定した形状（パターン線幅やピッチ等）の寸法値を算出する。その後、次のチップの指定位置に移動し、同様に画像収得を繰り返し行う。
【００１８】
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡におけるステージの位置決め方法について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡におけるステージの位置決め制御の内容を示すフローチャートである。図３は、本発明の一実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡におけるステージの位置決め方法の説明図である。
【００１９】
図３に示すように、本実施形態においては、現在位置Ａから目標位置Ｃにステージを移動する際、一旦、仮の目標位置Ｂに移動した後、目標位置Ｃに移動するようにしている。仮の目標位置Ｂは、現在位置Ａから目標位置Ｃを見たとき、目標位置Ｃを越えた位置であり、目標位置Ｃを所定量（オフセット値Ｌｏ）だけオーバーシュートした位置である。オフセット値Ｌｏは、例えば、２００μｍとしている。具体的に説明すると、現在位置Ａの座標を（０，０）とし、目標位置Ｃの座標を（７００，５００）（単位μｍ）とすると、仮の目標位置Ｂの座標は、（９００，７００）となる。その後、微小なオフセット量だけ戻して、目標位置Ｃに位置決めするようにしている。
【００２０】
最初に、図２のステップｓ１０において、制御装置１００は、レーザ干渉計１９を用いて、試料ステージ３の現在位置Ａを検出する。ここで、現在位置Ａの座標を例えば、（０，０）とする。
【００２１】
ここで、図３（イ）を用いて、Ｘロッド９の先端のピン１０とセンターテーブル５のガイド部１１との位置関係について説明する。ガイド部１１には、幅Ｌｇの溝が形成されている。この溝に、直径Ｒｐのピン１０が係合している。ここで、（ガイド部１１の幅Ｌｇ）＞（ピン１０の直径Ｒｐ）と設定することにより、ガイド部１１とピン１０の間には、ギャップが形成される。ギャップの幅はｇ１，ｇ２とする。例えば、ガイド部１１の幅Ｌｇを１３．０５ｍｍとし、ピン１０の直径Ｒｐを１３ｍｍとすることにより、ギャップの幅（ｇ１＋ｇ２）は、０．０５ｍｍ（５０μｍ）となる。図３（イ）に示す状態では、ピン１０は、ガイド部１１の両側面から離れている。すなわち、テーブルと駆動機構の間は機械的に結合を分離された状態となっている。この状態は、図３（ニ）も同じであり、その理由については、図３（二）を用いて後述する。ここでは、後の説明都合上、ギャップ幅ｇ１が３０μｍで、ギャップ幅ｇ２が２０μｍとする。
【００２２】
次に、ステップｓ２０において、制御装置１００は、目標位置Ｃを読み込む。目標位置Ｃは、予め、パターン形状の評価方法として、次に評価すべき位置の座標データが登録されているので、この登録されたデータを読み込む。ここでは、目標位置の座標を、例えば、（７００，５００）（単位μｍ）とする。
【００２３】
次に、ステップｓ３０において、制御装置１００は、仮の目標位置Ｂの座標を算出する。仮の目標位置Ｂは、現在位置Ａから目標位置Ｃを見たとき、目標位置Ｃよりも先の位置であり、目標位置Ｃを所定量（オフセット値Ｌｏ）だけオーバーシュートした位置である。オフセット値Ｌｏは、例えば、２００μｍとすると、仮の目標位置Ｂの座標は、（９００，７００）と算出される。
【００２４】
次に、ステップｓ４０において、制御装置１００は、パルスモータを駆動して、仮の目標位置Ｂに移動する。例えば、Ｘ軸方向を移動するパルスモータ１４を、移動量９００μｍに相当する回転量だけ回転させる。同様にして、Ｙ軸方向を移動するパルスモータを、移動量７００μｍに相当する回転量だけ回転させる。
【００２５】
仮の目標位置Ｂに移動後、制御装置１００は、レーザ干渉計１９を用いて、現在位置を検出する。ここで、仮の目標位置Ｂに移動が完了した時点では、図３（ロ）に示すように、ピン１０は、ガイド部１１の一方の側面１１ａに押しつけられている。ここで、図３（イ）に示したように、ピン１０は、ガイド部１１の両側面から離れており、ギャップ幅ｇ２があるため、このギャップ幅ｇ２（２０μｍ）だけ、移動量が少なくなるため、移動後の仮の目標位置Ｂの座標は（８８０，６８０）となる。
【００２６】
次に、ステップｓ５０において、制御装置１００は、パルスモータを駆動して、目標位置Ｃに移動する。ここで、仮の目標位置Ｂの座標が（８８０，６８０）であり、目標位置Ｃの座標が（７００，５００）とすると、本来の移動量は、Ｘ方向に（−１８０μｍ）、Ｙ方向に（−１８０μｍ）である。しかしなががら、目標位置Ｃにおいては、図３（ハ）に示すように、ピン１０は他方のガイド部の側面１１ｂに接触する状態となるため、さらに、５０μｍの移動量が必要となるので、パルスモータを駆動して、Ｘ方向に（−２３０μｍ）、Ｙ方向に（−２３０μｍ）移動することにより、目標位置Ｃに移動される。
【００２７】
次に、ステップｓ６０において、制御装置１００は、試料ステージが許容範囲内にあるか否かを判定する。すなわち、目標位置Ｃに移動後、そのときの試料ステージの位置をレーザ干渉計１９により測定する。目標位置Ｃに対して、許容範囲の距離Ｌｐが設けてあり、実際の位置が、許容範囲内であるか否かを判定する。許容範囲は、例えば、±５μｍとしている（Ｌｐ＝１０μｍ）。許容範囲内に位置していない場合には、ステップｓ５０に戻り、再度目標位置Ｃに移動する。
【００２８】
許容範囲内にあるときは、ステップｓ７０において、制御装置１００は、パルスモータを駆動して、ロッドを所定量Ｌｒだけ引き戻して位置決めを終了する。引き戻し量Ｌｒは、ギャップ量（ｇ１＋ｇ２）よりも少なく、例えば、Ｘ方向に３０μｍであり、Ｙ方向に３０μｍである。これにより、図３（二）に示すように、ピン１０は、ガイド部１１の両側面から離れた状態となる。
【００２９】
以上説明したように、駆動用のロッドがテーブルから分離されているため、ボールネジの温度上昇によりロッドの位置が変化してもドリフトは発生しないものである。また、テーブルの案内を滑り接触方式を採用しているため、摩擦による制動力が働いており、ロッドを分離しても安定した静止状態が可能である。また、目標位置を越えて移動し、微小距離だけ戻して位置決めをするため、ステージの案内部に発生したヨーイング回転による歪みを開放することができ、停止時のドリフト量を低減できる。これより、サーボ制御ではなく安価で単純なオープンループ制御であっても、ステージ停止時のドリフトおよび振動を低減することができ、ノイズの少ない二次電子像を得ることが可能となる。
【００３０】
位置決めのためのパラメータは、次の３つ，１）仮の目標位置へオフセット値、２）位置決め時の許容値、３）許容範囲に入った後にロッドを引き戻す量であり、それぞれ、１）２００μｍ、２）５μｍ、３）３０μｍとしている。これらの３つのパラメータは、ロッドとテーブルのギャップを５０μｍに設定したときの代表値であり、異なった値でも本発明の効果は得られる。
【００３１】
ロッドとテーブルのギャップは、２０μｍ以上が好ましいものである。ボールネジを回転させて、ロッドを往復動させ、ステージを往復動させる際、ボールネジを回転させてもステージが移動しない送り量，すなわち、不感帯が存在する。不感帯の量は場所によって異なるし、また、バラツキも存在する。しかし、その最大値は、２０μｍ程度であるため、ロッドとテーブルのギャップは、２０μｍ以上が好ましい。また、ロッドとテーブルのギャップは、１００μｍ以下が好ましいものである。電子顕微鏡装置のＣＲＴで二次電子像を観察しながら、オペレータが視野を移動するときは、トラックボールやジョイスティックのような移動量の入力手段を用いる。このとき、例えば、ロッドとテーブルのギャップが１００μｍあると、視野にして１００μｍの距離は、トラックボール等を操作しても、視野が動かないという不感帯となる。この不感帯が大きいと操作性が低下することになる。操作性が低下しない範囲としては、１００μｍ以下である。したがって、ロッドとテーブルのギャップは、２０〜１００μｍが好ましいものである。
【００３２】
仮の目標位置Ｂへオフセット値は、ロッドとテーブルのギャップより大きい必要がある。一方、このオフセット値をあまり大きくすると、一旦目標位置を越えた場所まで移動し、さらに、本来の目標位置に戻す量が大きくなり、目標位置に到達するまでに時間が長くなり、スループットが低下する。一般的には、仮の目標位置Ｂへオフセット値は、５００μｍ以下が好ましいものである。
【００３３】
許容範囲に入った後にロッドを引き戻す量は、ロッドとテーブルのギャップ量以下とする。なお、戻し量が小さ過ぎると、剛性が低い部分のロストモーションによってロッドを分離できなくなる。
【００３４】
次に、図４を用いて、本実施形態による測長ステージを搭載した測長用電子顕微鏡における試料ステージの制動機構について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡における試料ステージの構成を示す側面図である。
【００３５】
ベース４の上には２本の転がり案内７を設け、その上にテーブル５が配置されている。テーブル５は、転がり案内７に沿って直線運動を行う構造となっている。テーブル５の中央部には、板ばね式の制動機構４０が設けられている。
【００３６】
制動機構４０は、平行板ばね４４ａ，４４ｂと、摺動部材４５とから構成されている。テーブル５の中央部には、固定部４６により、２枚の平行板ばね４４ａ、４４ｂが取り付けてあり、下側の板ばね４４ｂの中央部には摺動部材４５が取り付けられている。板ばね４４の両端の固定部４６は、鉛直方向に位置調整が可能であり、摺動部材４５をベースの滑り面４７に押し付けて制動力を確保している。
【００３７】
この制動力は、ステージ移動時も停止時も常に一定の値となっている。平行板ばねは鉛直方向に軟らかく、移動方向およびねじれに対して剛性が高い構造であるため、ステージ移動時の歪みを小さくすることができる。これにより、滑り案内を使用しなくてもドリフトの小さなステージを構成することができる。
【００３８】
なお、以上の説明では、ベース４とセンターテーブル５の間に制動機構について説明しているが、センターテーブル５とトップテーブル６の間にも同様の制動機構を設けている。
【００３９】
次に、図５を用いて、本実施形態による測長ステージを搭載した測長用電子顕微鏡における試料ステージの制動機構のその他の構成について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡における試料ステージのその他の構成を示す側面図である。図５（Ａ）は、全体の側面図、図５（Ｂ）は停止時の要部拡大側面図、図５（Ｃ）は移動時の要部拡大側面図である。
【００４０】
ベース４の上には２本の転がり案内７を設け、その上にテーブル５が配置されている。テーブル５は、転がり案内７に沿って直線運動を行う構造となっている。テーブル５の中央部には、ローラ式の制動機構５０が設けられている。
【００４１】
制動機構５０は、回転軸受け５４と、ローラ５５と、コイルばね５６と、摺動部材５７と、鋼球５８とから構成されている。テーブル５の中央部では、テーブル５に固定された回転軸受け５４で保持したローラ５５をベース５の転がり面５２に接触させ、テーブル５の直線運動を回転運動に変換している。図５（Ｂ）に示すように、停止時には、ローラ５５の端面にはコイルばね５６で摺動部材５７をテーブル５に押し付けて回転運動を規制している。摺動部材５７に形成したテーパ部とローラ５５の間に数個の鋼球５８が組み込まれている。図５（Ｃ）に示すように、テーブル５の移動時には、ローラ５５が回転すると鋼球５８が遠心力にりローラ５５の外周に移動し、摺動部材５７を押し下げて摺動部材５７による摩擦力を開放する。
【００４２】
これにより、ステージ停止時は制動力が働き、移動時には制動力が開放されて損失の少ない制動機構を構成できる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、ステージ制御にサーボ制御を使わないため安価に制御系の構成ができ、また、ステージ送り方向および移動量を設定することにより、駆動部をテーブルから切り離すことで、案内部に残留する歪みを抑制できるため、ステージのドリフト量を低減でき、振動を低減できるため、ノイズの少ない二次電子像の収得が可能であり、高精度な電子顕微鏡を実現することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、ステージ停止時における熱ドリフトや振動によるノイズを抑え、かつ安価な試料ステージを用いた電子顕微鏡装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡の全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡におけるステージの位置決め制御の内容を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡におけるステージの位置決め方法の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡における試料ステージの構成を示す側面図である。
【図５】本発明の一実施形態による試料ステージを搭載した測長用電子顕微鏡における試料ステージのその他の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
１………真空ポンプ
２………試料室
３………試料ステージ
４………ベース
５………センターテーブル
６………トップテーブル
７………Ｘ滑り案内
８………Ｘボールネジ
９………Ｘロッド
１０………ピン
１１………ガイド部
１２………ギャップ
１３………シャフト
１４………パルスモータ
１５………Ｙ滑り案内
１６………試料ホルダ
１７………ウェーハ
１８………バーミラー
１９………レーザ干渉計
２０………電子銃
２１………電子線
２２………偏向器
２３………電子レンズ
２４………二次電子
２５………二次電子検出器
２６………鏡筒
２７………制御部
２８………ＣＲＴ
３１………ロッド
３２………ガイド
４０，５０…制動機構
４４………平行板ばね
４５………摺動部材
４６………板ばね固定部
４７………滑り面
５４………回転軸受け
５５………ローラ
５６………コイルばね
５７………摺動部材
５８………鋼球
【図１】
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【図２】
2004134155.tif 000004
【図３】
2004134155.tif 000005
【図４】
2004134155.tif 000006
【図５】
2004134155.tif 000007