(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
案内機構を備えたベースと、
前記案内機構に沿って移動するテーブルと、
前記テーブルを駆動する駆動機構と、
前記テーブルの位置を測定する位置検出器とを備えたステージ位置決め制御装置であって、
電圧を印加することにより前記テーブルの案内方向に変位するピエゾ素子を積層したアクチュエータと、
前記テーブルの案内方向への前記アクチュエータの変位を受ける縦板面を有し、前記テーブルに支持部材を介して支持される軸を支点として当該変位を拡大する機構と、
前記変位を拡大する機構の前記縦板面より前記ベース側に制動部品を一体的に設けて構成された制動機構と、
前記ベースに設けられ、前記制動機構の制動部品が押圧される被制動レールとを備え、
前記変位を拡大する機構は、前記制動部品を前記被制動レールの側面、或いは上面から押圧するように、前記変位を拡大することを特徴とするステージ位置決め制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のステージ位置決め制御装置であって、
前記制動機構は、複数個の圧縮バネと、ブレーキパッドを備え、
前記ブレーキパッドで前記被制動レールを押し付けることを特徴とするステージ位置決め制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のステージ位置決め制御装置であって、
前記位置検出器による測定値と、予め設定される位置決め設定位置との偏差を監視し、予め定めた許容偏差以下となった場合に、前記制動機構を作動させ、前記テーブル位置決め動作を終了する制御部を備えたことを特徴とするステージ位置決め制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、半導体製造分野における半導体の検査や評価に用いて好適な、電子顕微鏡装置及び同装置におけるステージの位置決め制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造分野において、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否かを検査・評価するために、測長機能を備えた走査型電子顕微鏡が用いられている。この走査型電子顕微鏡では、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、その明暗の変化からパターンのエッジを判別して寸法を導き出している。近年の半導体素子の微細化に伴い、例えば、３５ｎｍノードのデザインルールに対応させるためには、３０万倍以上の観察倍率において、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、ｎｍオーダの振動やドリフトを抑える必要がある。
【０００３】
従来の電子顕微鏡装置のステージ位置決め制御方法には、特開２００２−１８４３３９号公報（特許文献１）、あるいは特開２００７−８０６６０号公報（特許文献２）に記載された例が知られている。
【０００４】
このうち、特開２００２−１８４３３９号公報は、テーブルに固定された２つの平行板バネ機構と、該平行板バネのうちの１つの板バネに固定された２つの与圧部材と、その与圧部材の片方に固定された滑りパッドと、２つの与圧部材の間隔を調整する調整手段で制動機構を各テーブルに２つ以上設けると共に、静止側のベースに滑りパッドが押し付けられる滑り面を設けた構成としている。テーブルの停止時には、滑りパッドと滑り面間の静止摩擦力を利用してテーブルを固定する一方、移動時には静止摩擦力を超える力をかけることによって、テーブルの移動を行っている。
【０００５】
また、特開２００７−８０６６０号公報には、特開２００２−１８４３３９号公報と同様のテーブル制動原理の板バネと摺動部材（滑りパッド）に更に圧縮コイルばねを組み込み、該圧縮コイルばねで摺動部材をベースの転送面に鉛直方向に力を加えて制動力を確保している。更に、テーブルを駆動するボールネジ等の駆動部とテーブルとの結合部にギャップを設けると共に、微動送り移動時は位置検出器による測定値と予め設定される目標値との偏差を監視し、目標位置との偏差がある一定値以下になった時点でテーブルの駆動を停止させる位置制御を行い、更に、テーブル停止後は、前記結合部のギャップを利用して駆動軸を切り離すための位置制御を行うようにした構成が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１８４３３９号公報
【特許文献２】特開２００７−８０６６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び特許文献２に開示されている滑りパッドと滑り面間の静止摩擦力を利用してテーブルを固定する方法は、ステージの機械剛性が高められるため位置決め時に低振動、ドリフトの低減が期待できる半面、ステージ移動時でも常時強い力で制動されているため滑りパッドと滑り面で熱が発生する。この熱による温度上昇あるいは温度下降現象により部材の熱収縮現象を起こし、ドリフトの要因となる。また、滑りパッドを常時押し付けながらステージを駆動させるために駆動モータに余分な推力を要するなどの課題がある。
【０００８】
特許文献２には、ボールネジの温度上昇による駆動ロッド先端位置の変化によりドリフトが発生することを回避するために位置決め完了後に駆動ロッドの引き戻し動作をおこなっている。この引き戻し動作は、位置決め制御に不必要な動作であり、スループットの低下を招くといった課題がある。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するもので、ステージ位置決め停止時におけるドリフト（時間経過と共に停止位置がずれていく現象）や振動によるノイズを抑えるとともに、位置決め時間の短縮を可能とするステージ位置決め制御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】
【００１０】
上記課題を解決するために、案内機構を備えたベースと、前記案内機構に沿って移動するテーブルと、前記テーブルを駆動する駆動機構と、前記テーブルの位置を測定する位置検出器とを備えたステージ位置決め制御装置であって、電圧を印加することにより変位するアクチェータと、前記アクチェータの変位を拡大する機構と、前記変位を拡大する部分に制動部品を一体的に設けて構成された制動機構と、前記ベースに設けられ、前記制動機構の制動部品の上面又は側面と対向するように設けられた被制動レールとを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、前記制動機構は、複数個の圧縮バネと、ブレーキパッドとを備え、前記ブレーキパッドで前記被制動レールを押し付けることを特徴とする。
【００１２】
また、前記位置検出器による測定値と、予め設定される位置決め設定位置との偏差を監視し、予め定めた許容偏差以下となった場合に、前記制動機構を作動させ、前記テーブル位置決め動作を終了する制御部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、テーブルの振動やドリフトを抑えることができると共に、位置決め時間の短縮が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図１から図８を参照して、本発明実施形態に係わるステージ位置決め制御装置について説明する。
【００１５】
最初に、本発明実施形態に係る電子線顕微鏡装置の全体構成及びウエハパターンの評価方法の概要について説明する。図１は、電子線顕微鏡装置の全体構成を示す図である。ここでは、試料ステージを搭載した電子線顕微鏡装置が例示されている。図１において、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上にある案内機構としてのＸ滑り案内部材７（及び図示しない部材８）により拘束され、一方向（図１の矢印で示す方向：Ｘ方向とする）に移動が可能となっている。また、センターテーブル５は、駆動機構としてのＸボールネジ９の回転によって直線運動を行うＸロッド１０により押し引きされるが、Ｘロッド１０の先端はセンターテーブル５と図示しない部品で結合されている。Ｘボールネジ９は、真空シールを施したシャフト１１に結合され、モータ１２により回転が可能である。また、センターテーブル５上には、Ｘ滑り案内部材７（及び８）と直角に交差したＹ滑り案内部材１３が同様に構成され、トップテーブル６はＹ滑り案内部材１３に沿って一方向（図１の奥側・手前側方向：Ｙ方向とする）に移動する。トップテーブル６とＹロッド（図示せず）で結合されている。一方、トップテーブル６上には、試料ホルダー１５が搭載されており、試料ホルダー１５上にはウェーハ１６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１７が取り付けられており、レーザ干渉計等の位置検出器１８を用いて位置測定が行われる。制御装置１９は、位置検出器１８によって測定された試料ステージ３の位置に基づいてモータ１２を制御してＸ方向のステージ位置制御を行う。
【００１６】
なお、図１において、Ｘ方向のステージ位置制御用バーミラー１７，位置検出器１８、及びＸ方向駆動用モータ１２のみを示しているが、Ｙ方向にも同様のバーミラー，位置検出器、及びＸ方向駆動用モータを備えてＹ方向のステージ位置制御を行う。なお、制御装置１７は、位置検出器１６と協働して「位置決め制御手段」として機能し、具体的には、内蔵のメモリに記録されたプログラムを読み出し、後記する図３のフローチャートに従う手順を逐次実行する主制御部、モータ制御部、及び後述のブレーキユニットに対してＯＮ−ＯＦＦの指令制御部等で構成される装置である。
【００１７】
一方、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を収束させる電子レンズ２３，ウェーハ１６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、観察用のモニター２８に送られる。
【００１８】
ここで、前記した構成を持つ本発明実施形態に係る電子顕微鏡の動作は、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、あるいは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か、のそれぞれについて座標を用いて予め登録しておく。評価時、制御装置１９は、登録された内容に基づき、自動的にその座標位置まで試料ステージを移動した後、電子線２１をウェーハ１６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取得し、モニター２８上に表示する。そして、この二次電子像の明暗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、次に登録されたチップの座標位置に移動し、同様に画像取得を繰り返しウェーハのパターンの形状評価を行う。
【００１９】
次に、図２及び図８を用いて、本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置における試料ステージの位置決め制御方法について詳細に説明する。図２は、図１の電子顕微鏡装置における試料ホルダー１５が搭載されるベース４，センターテーブル５，トップテーブル６などを模式的に示した斜視図である。ベース４上に固定されたレール７の上を摺動可能な４つのスライダ８にセンターテーブル５が固定されて、モータ１２の駆動によってＸ方向に移動可能に支持されている。さらに、センターテーブル５上に固定されたレール１３の上を摺動可能な４つのスライダ１４にトップテーブル６が固定され、モータ２９の駆動によってＹ方向に移動可能に支持されている。また、ベース４上にＸ走行方向に対して伸びたＸブレーキレール３５が固定されている。このＸブレーキレール３５に対向させて後述するＸブレーキユニット３０と３１がセンターテーブル５に搭載・固定されている。同様に、センターテーブル５上にＹ走行方向に対して伸びたＹブレーキレール３６が固定されている。このＹブレーキレール３６に対向させてＹブレーキユニット３２と３３がトップテーブル６に搭載・固定されている。
【００２０】
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制御の内容を示すフローチャートである。なお、試料ステージは、ＸＹ方向に位置決め制御されるが、本フローチャートでは、１軸（Ｘ）方向の位置決め制御に限定して説明する。
【００２１】
最初に、図３のステップＳ１０において、制御装置１９は、レーザ干渉計１８を用いて、試料ステージ３の現在位置を検出する。
【００２２】
次に、ステップＳ２０において、制御装置１９は、位置決め目標位置を読み込む。目標位置は、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。
【００２３】
ステップＳ３０で後述するブレーキユニットによるブレーキ動作をオフにする。
【００２４】
次に、ステップＳ４０において、制御装置１９，モータ１２を駆動して、目標位置に移動する。
【００２５】
次に、ステップＳ５０において、制御装置１９は、レーザ干渉計１８を用いて、試料ステージ３の現在位置を検出する。
【００２６】
次に、ステップＳ６０において、制御装置１９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１８により測定する。目標位置に対して、予め位置決め許容範囲の値が設けてあり、実際の位置が、許容範囲内であるか否かを判定する。許容範囲内に位置していない場合には、ステップＳ４０に戻り、再度目標位置に移動する。許容範囲内にあるときは、ステップＳ７０において、ブレーキユニットによるブレーキを作動させて、モータの駆動を停止して位置決めを終了する。
【００２７】
実際の試料ステージでは、ＸＹ両方向の位置決め制御動作を同時に行う。すなわち、ステップＳ１０〜Ｓ７０を並列動作させ、最終的にＸＹ方向いずれかが最後に位置決め動作が完了した時点で試料ステージの位置決めが完了となる。
【００２８】
なお、本発明において図１，図２に示したモータ１２，２９は、パルスモータあるいはサーボモータいずれの仕様のものであっても良く、特に限定するものではない。さらに、本発明は、図１に示したモータとボールネジによるステージ駆動方式に限定するものでなく、例えばムービングマグネットあるいはムービングコイル方式によるリニアモータ駆動方式を用いても良い。
【００２９】
図４，図５は、Ｘブレーキユニット３１の斜視図、及びＸブレーキユニット３１の各構成部品の分解図を各々示す。図５において、４０はピエゾアクチェータであり、内部に図示しない積層されたピエゾ素子が実装され、ピエゾ素子に電圧を印加することによって先端部４０ａのみが軸方向に伸縮する。先端部４０ａにはヘッド３４が一体に組み付けられる。ピエゾアクチェータ４０をホルダー４２の開口部４２ｂに挿入し、ボルト４７を締め付けることによってピエゾアクチェータ４０とホルダー４２が一体に組み付けられる。一方、リンクプレート４１の穴部４１Ｃにスリーブ４３とヘッドキャップスキュリュー４４を挿入しながらホルダー４２の穴部４２ａに係合することによって、リンクプレート４１とホルダー４２が一体に組み付けられる。この際、ピエゾアクチェータ４０の先端に設けられたヘッド３４の先端部がリンクプレート４１の縦板面４１ａに接触する位置関係となる。リンクプレート４１の縦板面４１ａに接触するヘッド３４の先端は、球状に仕上げられている。４５は、ボールプランジャであり、先端が球状でその内部に圧縮ばね（図示せず）を備えたもので、ホルダー４２の穴部４２ｃに組み込み固定される。この際、ボールプランジャ４５の先端は、ピエゾアクチェータ４０に電圧が印加されない状態、すなわちヘッド３４が変位していない状態で、リンクプレート４１の縦板面４１ｂに一定のバネ力を加えられる。４８はブレーキパッド、５０はスプリングホルダーである。合計４個からなるスプリング４９は、ブレーキパッド４８とスプリングホルダー５０内に予め決められた与圧となるように圧縮して組み付けられる。スプリング４９，ブレーキパッド４８、及びスプリングホルダー５０が一体となったものが、Ｌ型ブラケット５２を介してリンクプレート４１に組み付けることによって、最終的に図４の斜視図に示す如くブレーキユニット３１が完成する。ブレーキレール側に接触して制動を加えるブレーキパッド４８の表面は中央部が凸形状の球面形状を成している。
【００３０】
図６は、図２において、ベース４，センターテーブル５，トップテーブル６などを取り除き、Ｘブレーキレール３５とＸブレーキユニット３０と３１の取り付け関係をテーブル上方からみた模式図である。Ｘブレーキユニット３０と３１は、Ｘブレーキレール３５の中心軸３５ａに対して１８０対称となるように配置される。すなわち、各々のブレーキパッド４８がＸブレーキレール３５の側面３５ｂと３５ｃを向く配置となる。また、Ｘブレーキユニット３０と３１は、図示したように、僅かにギャップ（ｇ）を設けて据え付けられる。
【００３１】
図７は、ピエゾ素子を積層したアクチェータの一般的な振る舞いを定性的にグラフ化したものである。図において、横軸がアクチェータの発生力、縦軸がアクチェータの変位を示し、両者の関係が示されている。ピエゾ素子のアクチェータは、所望の電圧を加えると変位と力を発生するが、両立しない特性となっている。アクチェータの最大発生荷重は、理論的に無限の堅さで固定した場合（先端部が変位しないように拘束した場合）に加えた電圧に従って起動した際の力となる。この力は、一般的にブロッキングフォースとも呼ばれているもので、加える電圧によってほぼ比例する。また、発生力はピエゾ素子の断面積に概ね比例している。一方、無負荷状態（ｆ＝０）で、加えた電圧に従って最大の変位（δ）が発生する。最大の変位は、ピエゾ素子の積層長さにほぼ比例する。発生変位のオーダは積層全長の約０.１％（１０００分の１）である。仮に、アクチェータの全長を５０mmとすると約０.０５mmの変位であり、僅かな量である。すなわち、図７の縦軸の発生変位は非常に小さい。このことから、仮にピエゾアクチェータの可動部先端にブレーキパッドを装着してこれに対向するようにブレーキユニットを構成した場合、図６に示す如くギャップｇを高精度に管理しなくてはならない。ギャップの変動によって、ピエゾアクチェータで発生するブレーキ押し付け力が変化し、ステージに対する制動特性が安定しない。
【００３２】
これに対し、本発明は、図４に示したように、ピエゾアクチェータ４０で発生する先端変位をリンクプレート４１によって（Ｌ２／Ｌ１）掛けた量に拡大してブレーキパッド４８の表面変位に変換させている。これによってブレーキパッド４８とＸブレーキレール３５のギャップ（図６参照）管理が相対的に緩和される。また、変位が拡大される反面、発生力が逆に縮小されるが、ピエゾ発生力自体が１０mm角の面積のもので数千Ｎの発生力のものも製作可能であり、十分である。本発明は、ピエゾアクチェータ先端の変位をリンクプレート４１とスプリング４９を介してブレーキパッド表面の変位に変え、ブレーキレールに押し付けている。すなわち、ピエゾアクチェータ先端の発生力を直接使用するのでなく、スプリング４９に予め与えておいた初期バネ力でブレーキレールに押し付け、ステージを制動するようにしている。
【００３３】
ピエゾ素子を積層したアクチェータの一般的特性として、軸方向の力に大きな抗力があるが、引張りや横方向の曲げ、ねじりに対し弱い性質を持っている。これに対し、本発明は、図４から図６に示したように、ブレーキレールに直接押し付ける構造でないため、アクチェータに軸方向の力以外の力が加わることがないので前記理由による破損等が生じにくくなっている。
【００３４】
図８は、本発明の他のブレーキユニット構造例を示したものである。図４から図６に示したブレーキユニットは、構成するブレーキパッド４８がブレーキレールの側面を押し付け制動する構造である。これに対して、図８に示したブレーキユニットは、Ｌ型ブラケット５２（図５参照）をＴ型ブラケット５５の形状に変え、Ｘブレーキレール３５の上面を制動する。このように、本発明では、ブレーキユニットやブレーキレールの取り付ける際の構造上の制約等があるとき、ブラケット構造を変えることによって制動方向の変更が可能となる。
【００３５】
本実施例で説明したブレーキユニット構造によれば、アクティブ（ＯＮ−ＯＦＦ）制動であるため、ブレーキパッドを常時押し付けながらステージを駆動させる方式と比較し、制動パッドやブレーキレールに熱が発生せず、且つ駆動モータに余分な推力を要するなどの課題を回避できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】電子線顕微鏡装置の全体構成を示す図である。
【図２】電子線顕微鏡装置におけるベース，テーブル類の斜視図である。
【図３】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４】ブレーキユニットの斜視図である。
【図５】ブレーキユニットの各構成部品の分解図である。
【図６】ブレーキレールとブレーキユニット取り付け関係をテーブル上方からみた模式図である。
【図７】ピエゾ素子を積層したアクチェータの一般的な振る舞いを示す図である。
【図８】本発明の他のブレーキユニット構造例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
４  ベース
５  センターテーブル
６  トップテーブル
７  レール
８  スライダ
１２，２９  モータ
１３  レール
１４  スライダ
３５  Ｘブレーキレール
３０，３１  Ｘブレーキユニット
３２，３３  Ｙブレーキユニット
３６  Ｙブレーキレール
４０  ピエゾアクチェータ
４１  リンクプレート
４２  ホルダー
４３  スリーブ
４８  ブレーキパッド
４９  スプリング
５０  スプリングホルダー
５２  Ｌ型ブラケット
【図１】
0005002513.tif 000002
【図２】
0005002513.tif 000003
【図３】
0005002513.tif 000004
【図４】
0005002513.tif 000005
【図５】
0005002513.tif 000006
【図６】
0005002513.tif 000007
【図７】
0005002513.tif 000008
【図８】
0005002513.tif 000009