JP5090392B2 - Stage equipment - Google Patents
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Description
本発明は、半導体製造分野における半導体の検査や評価に用いる電子顕微鏡装置の試料ステージとして好適な、ステージ装置に関する。 The present invention relates to a stage apparatus suitable as a sample stage of an electron microscope apparatus used for semiconductor inspection and evaluation in the field of semiconductor manufacturing.
半導体ウェハ上に形成したパターンの検査では、測長機能を備えた走査型電子顕微鏡（以下、測長ＳＥＭと称す）が用いられる。近年、一回の測定にかかる時間を短縮化する傾向がある。そのため、ウェハを搭載した試料ステージは高速かつ高加速度で移動させる必要がある。 In the inspection of a pattern formed on a semiconductor wafer, a scanning electron microscope having a length measuring function (hereinafter referred to as a length measuring SEM) is used. In recent years, there is a tendency to shorten the time required for one measurement. Therefore, it is necessary to move the sample stage on which the wafer is mounted at high speed and high acceleration.
試料ステージを高速かつ高加速度で移動させると、その反力によって、装置全体に振動が発生する。このような振動は、測長ＳＥＭの二次電子像に悪影響を及ぼすばかりでなく、試料ステージの位置決め時の整定時間が増大する原因となる。そこで、試料ステージの移動に起因する装置の振動を抑制する必要がある。例えば、測長ＳＥＭでは、ナノメートルオーダ以下の振動に制限される。 When the sample stage is moved at a high speed and with a high acceleration, vibration is generated in the entire apparatus due to the reaction force. Such vibration not only adversely affects the secondary electron image of the length measurement SEM, but also causes an increase in settling time when positioning the sample stage. Therefore, it is necessary to suppress the vibration of the apparatus caused by the movement of the sample stage. For example, in a length measurement SEM, the vibration is limited to vibrations on the order of nanometers or less.
従来、試料ステージの移動に伴う装置加振への対策が幾つか知られている。そのような技術のなかに、カウンタマスと称する移動体を設け、ステージにより発生する反力を、相殺し、装置の振動を抑制する技術がある。 Conventionally, several countermeasures against the apparatus vibration accompanying the movement of the sample stage are known. Among such techniques, there is a technique in which a moving body called a counter mass is provided to counteract reaction forces generated by a stage and suppress vibrations of the apparatus.
この技術では、ステージとカウンタマスの重心を一致させるようにして動作させることにより、ステージの移動に伴う反力を完全に相殺させる。 In this technique, the reaction force accompanying the movement of the stage is completely canceled by operating the stage and the countermass so that the center of gravity of the counter mass coincides.
特許文献１に示された技術では、カウンタマスをステージと同じ高さに配置する必要があり、カウンタマスをステージ近傍に設置することになる。即ち、カウンタマスを試料室内に配置する必要がある。しかしながら、従来のカウンタマス機構を試料室内のステージ近傍に設置するのは困難である。
In the technique disclosed in
また、特許文献２に示された技術では、カウンタマスをステージの周囲を囲うように配置する。この場合、第一軸（Ｘ軸と称する）とそれに直交する第二軸（Ｙ軸と称する）について、それぞれ２個のカウンタマスを必要とし、装置全体では４個のカウンタマスとそれを駆動するモータを備えなければならない。これは、装置構成が複雑になるとともに、装置質量が増加し、ステージ装置のコスト増大という問題につながる。
In the technique disclosed in
本発明の目的は、構成を複雑化することなくステージの移動時の振動を抑制することが可能なステージ装置を提供することにある。 The objective of this invention is providing the stage apparatus which can suppress the vibration at the time of the movement of a stage, without complicating a structure.
本発明によるステージ装置は、ステージ機構とカウンタマス機構と制御装置とを有し、制御装置は、ステージ機構を制御するステージ制御ユニットとカウンタマス機構を制御するカウンタマス制御ユニットを有する。 The stage device according to the present invention includes a stage mechanism, a counter mass mechanism, and a control device, and the control device includes a stage control unit that controls the stage mechanism and a counter mass control unit that controls the counter mass mechanism.
本発明によるステージ装置では、カウンタマスの可動平面とステージの可動平面は、互いに平行であり、且つ、互いに隔てられて配置されている。 In the stage apparatus according to the present invention, the movable plane of the counter mass and the movable plane of the stage are parallel to each other and spaced apart from each other.
本発明によれば、構成を複雑化することなくステージの移動時の振動を抑制することが可能なステージ装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the stage apparatus which can suppress the vibration at the time of the movement of a stage can be provided, without complicating a structure.
以下、図面（図１〜図６）を参照しながら、本発明実施形態に係るステージ装置について詳細に説明する。 Hereinafter, a stage apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings (FIGS. 1 to 6).
図１は、本発明による測長機能を備えた走査型電子顕微鏡（以下、測長ＳＥＭと称す）に装着されたステージ装置の例を示す。ここで、図１の左右方向をＸ軸方向とし、紙面に垂直方向をＹ軸方向とし、図１の上下方向をＺ軸方向とする。本例の測長ＳＥＭは、試料室１１と、試料室１１の上側の略中央に設けられた円筒形のカラム１２を有する。カラム１２には、電子線源、電子線光学系、及び、２次電子検出系が設けられている。測長ＳＥＭは、更に、制御装置４を有する。
FIG. 1 shows an example of a stage apparatus mounted on a scanning electron microscope (hereinafter referred to as a length measurement SEM) having a length measurement function according to the present invention. Here, the left-right direction in FIG. 1 is the X-axis direction, the direction perpendicular to the paper surface is the Y-axis direction, and the up-down direction in FIG. 1 is the Z-axis direction. The length measuring SEM of this example includes a
試料室１１は、４つの防振部材１４および支持脚１３を介してベース１０の上に設置されている。試料室１１の内部にはステージ機構２が設けられている。ステージ機構２は、ステージベース２１、ステージ２２、案内機構２３、及び、ステージ駆動機構２４を有する。ステージ２２はステージ駆動機構２４によって駆動される。ステージ２２は案内機構２３によってＸ軸方向又はＹ軸方向に沿って移動する。ステージ駆動機構２４は、リニアモータ等によって構成されてよい。ステージ２２の位置は、ステージ位置検出ユニット（図示せず）によって計測され、制御装置４にフィードバックされる。ステージ位置検出ユニット（図示せず）は、レーザ干渉計やリニアスケール等によって構成されてよい。
The
試料室１１の下面には、カウンタマス機構３が設けられている。カウンタマス機構３は、カウンタマスベース３１、カウンタマス案内機構３２、カウンタマス駆動機構３３及びカウンタマス３４を有する。カウンタマス機構３は、更に、カウンタマスの位置を検出するカウンタマス位置検出ユニット（図示なし）を有する。カウンタマス位置検出ユニットは、レーザ干渉計やリニアスケール等によって構成されてよい。試料室１１の下面には、試料室１１を真空排気するための真空排気ユニット（図示せず）が設けられる。カウンタマス機構３の詳細は、後に、図２及び図３を参照して説明する。
A
試料室１１の下面には、試料室１１の加速度を検出する加速度センサ３５が装着されている。加速度センサ３５は、ＸＹＺ軸の三軸の加速度を計測可能なものであることが望ましい。この場合、加速度の入力軸のうちのいずれか二軸をステージのＸ軸方向およびＹ軸方向に一致させるように加速度センサ３５を配置することが望ましい。なお、本例では加速度センサ３５を、試料室１１の下面に装着しているが、試料室１１の側面、上面、又は、試料室の内部等、試料室の振動を検出可能な任意の位置に設置してよい。また本例では、１個の加速度センサを用いているが、２個もしくはそれ以上の加速度センサを使用することも有効である。
An
更に、加速度センサ３５は、ステージ機構２に設けてもよい。即ち、加速度センサ３５は、ステージ２２に装着するのでなければ、ステージ機構２の任意の位置に設けることができる。この場合、加速度センサ３５はステージ機構２の加速度を検出するが、ステージ機構２の加速度と試料室の加速度は実質的に同一である。
Further, the
制御装置４は、位置決め制御ユニット４１、ステージ制御ユニット４２、カウンタマス制御ユニット４４、及び、ステージ駆動アンプ４３、４５を有する。位置決め制御ユニット４１は、ステージ２２を移動させるための目標位置指令をステージ制御ユニット４２に出力する。ステージ制御ユニット４２は、ステージ位置検出ユニット（図示せず）からフィードバックされたステージ２２の位置情報と目標位置指令によりステージ２２を駆動するための推力指令を算出する。この推力指令は、ステージ駆動アンプ４３を介して、ステージ駆動機構２４に供給され、ステージ２２を駆動する。ステージ制御ユニット４２によって算出された推力指令は、カウンタマス制御ユニット４４にも出力される。カウンタマス制御ユニット４４は、カウンタマス位置検出ユニット（図示せず）からフィードバックされたカウンタマス３４の位置情報と、ステージ制御ユニット４２から入力されたステージの推力指令と、加速度センサ３５により計測された試料室１１の加速度情報を用いてカウンタマス３４を駆動するための推力指令を算出する。この推力は、カウンタマス駆動アンプ４５を介してカウンタマス駆動機構３３に供給され、カウンタマス３４を駆動する。
The
なお、図１では簡単のために、ステージ機構２及びカウンタマス機構３をＸ軸方向に沿って駆動する場合を説明したが、Ｙ軸方向に沿って駆動する場合も同様である。
For the sake of simplicity, FIG. 1 illustrates the case where the
本例のカウンタマス機構３による振動防止機構の概略を説明する。図示のように、ステージ２２とカウンタマス３４は、共に、ＸＹ平面に沿って移動する。即ち、ステージ２２の可動面とカウンタマス３４の可動面は、平行であり、且つ、Ｚ軸方向に沿って、互いに離れて配置されている。ステージ２２が加速又は減速するとき、図示のように加速又は減速に起因した力Ｆ１が作用する。この力Ｆ１は、ＸＹ平面に沿って作用する。この力Ｆ１に対する反力がステージ機構２を介して試料室１１に作用する。この反力によって、試料室１１は振動する。試料室１１の振動は、基本的には、ＸＹ平面に沿った１次元又は２次元の直線振動である。しかしながら、試料室１１を剛体と見なすと、試料室１１は、防振部材１４又は支持脚１３を通る回転軸線回りに、遥動運動又は回転振動Ｒ１する。
The outline of the vibration preventing mechanism by the
本例では、カウンタマス３４に推力Ｆ２が発生するように、カウンタマス３４を駆動する。この推力Ｆ２に対する反力によって、試料室１１の振動は相殺される。
In this example, the
ステージ２２に印加される力Ｆ１とカウンタマス３４の推力Ｆ２は、同一の大きさを有するが、互いに反対方向に作用する。ステージ２２に印加される力Ｆ１とカウンタマス３４の推力Ｆ２は偶力を生成する。この偶力によって、試料室１１の１次元又は２次元の直線振動が相殺されるばかりでなく、試料室１１の遥動運動又は回転振動が抑制される。こうして本発明によると、試料室１１の直線振動及び遥動運動又は回転振動を、ステージ２２とカウンタマス３４に作用する偶力によって置き換える。
The force F1 applied to the
ステージ２２とカウンタマス３４が共に原点にあるとき、カウンタマス３４は、ステージ２２の鉛直方向下方に配置させることができる。このとき、カウンタマス３４の重心を、ステージ２２の重心を通る鉛直線上に配置させることができる。これについては、後に詳細に説明する。
When the
図２は、試料室１１の下側の構造を示す。図２は、試料室１１を斜め下から見た斜視図である。図２では、説明のため、ベース１０は図示していない。図２に示すように、試料室１１は、４つの防振部材１４および支持脚１３を介してベース１０（図示なし）の上に設置されている。試料室１１の上にはカラム１２が設けられ、試料室１１の下面には、カウンタマス機構３と真空排気ユニット６が設けられている。真空排気ユニット６は、試料室１１の下面の中央付近に取り付けられる。本発明によると、カウンタマス機構３は、略Ｌ字形を有する。そのため、真空排気ユニット６の設置を妨害しないで、カウンタマス機構３を、試料室１１の下面に配置することができる。即ち、真空排気ユニット６が試料室１１の下面の中央付近に設置されていても、試料室１１の下面に、カウンタマス機構３を設けることができる。
FIG. 2 shows the lower structure of the
ここでは、カウンタマス機構３を、試料室１１の下面に配置する例を示したが、カウンタマス機構３は、試料室１１の上面に設置してもよい。試料室１１の上にはカラム１２が設けられている。しかしながら、カウンタマス機構３は、略Ｌ字形を有する。そのため、カウンタマス機構３を、試料室１１の上面に設けることができる。更に、カウンタマス機構３を試料室１１の内部に設けてもよい。
Here, an example in which the
図３を参照して、カウンタマス機構３の詳細を説明する。図３は、試料室１１の下面に設けられたカウンタマス機構３を斜め下から見た斜視図である。図３では、説明のため、試料室１１の下面は図示していない。図示のように、試料室１１の下面に沿ってＸ軸及びＹ軸をとり、垂直上方にＺ軸をとる。
The details of the
カウンタマス機構３は、試料室１１の下面に固定された、カウンタマスベース３１１ｘ、３１１ｙ（図１では３１）と、カウンタマスベース３１１ｘ、３１１ｙの下面に装着されたカウンタマス案内機構３２ｘ、３２ｙ（図１では３２）と、その下に装着されたカウンタマス駆動機構３３ｘ、３３ｙ（図１では３３）と、更に、その下に装着されたカウンタマス３４１Ｘ、３４１Ｙ、３４２（図１では３４）を有する。
The
カウンタマスベース（図１では３１）は略Ｌ字形の板材によって形成され、Ｘ軸方向に沿って延びるＸベース３１１ｘとＹ軸方向に沿って延びるＹベース３１１ｙを有する。
The counter mass base (31 in FIG. 1) is formed of a substantially L-shaped plate material, and has an
カウンタマス案内機構（図１では３２）は、Ｘ案内機構３２ｘとＹ案内機構３２ｙを有する。Ｘ案内機構３２ｘは、Ｙベース３１１ｙに固定された１対の平行なＸレール３２１ｘと、Ｘサブテーブル３２２ｘとを有する。Ｙ案内機構３２ｙは、Ｘベース３１１ｘに固定された１対の平行なＹレール３２１ｙと、Ｙサブテーブル３２２ｙとを有する。Ｘサブテーブル３２２ｘは、Ｘ軸方向に沿って延びるＸレール３２１ｘによって拘束され、Ｘ軸方向に沿ってのみ可動である。Ｙサブテーブル３２２ｙは、Ｙ軸方向に沿って延びるＹレール３２１ｙによって拘束され、Ｙ軸方向に沿ってのみ可動である。
The counter mass guide mechanism (32 in FIG. 1) includes an
カウンタマス駆動機構（図１では３３）は、Ｘ駆動機構３３ｘとＹ駆動機構３３ｙを有する。Ｘ駆動機構３３ｘは、Ｙサブテーブル３２２ｙに装着されたＸ軸モータ可動子３３２ｘとＸ軸モータ固定子３３１ｘを有する。Ｙ駆動機構３３ｙは、Ｘサブテーブル３２２ｘに装着されたＹ軸モータ可動子３３２ｙとＹ軸モータ固定子３３１ｙを有する。
The counter mass drive mechanism (33 in FIG. 1) includes an
カウンタマス（図１では３４）は、Ｘカウンタマス部材３４１ｘ、Ｙカウンタマス部材３４１ｙ、及び、連結部材３４２を有する。Ｘカウンタマス部材３４１ｘと連結部材３４２は、Ｘ軸モータ固定子３３１ｘを介して接続されている。Ｙカウンタマス部材３４１ｙと連結部材３４２は、Ｙ軸モータ固定子３３１ｙを介して接続されている。Ｘ軸モータ固定子３３１ｘ及びＹ軸モータ固定子３３１ｙは、カウンタマス補助部材として機能し、カウンタマスの構成要素である。本例のカウンタマスは、カウンタマスベース３１と同様に、略Ｌ字形に形成されている。
The counter mass (34 in FIG. 1) includes an X
Ｘ駆動機構３３ｘ及びＹ駆動機構３３ｙは、例えばリニアモータによって構成されてよい。リニアモータは、基本的にはマグネットとコイルからなり、両者間の磁気的な吸引力により駆動力を発生する。通常のリニアモータでは、固定子の質量は可動子の質量より大きい。そこで、本例では、モータ固定子３３１ｘ、３３１ｙをカウンタマス補助体として利用する。一方、モータ可動子３３２ｘ、３３２ｙを、サブテーブル３２２ｘ、３２２ｙに装着した。
The
こうして本例では、比較的質量が大きいモータ固定子３３１ｘ、３３１ｙを、カウンタマス補助部材として利用する。それによって、カウンタマス部材３４１Ｘ、３４１Ｙ、及び、連結部材３４２の質量を低減させることができる。例えば、モータ固定子３３１ｘ、３３１ｙを、鋳鉄等の比較的質量が大きい鉄材によって形成してよい。なお、モータ固定子３３１ｘ、３３１ｙをサブテーブル３２２ｘ、３２２ｙに装着し、モータ可動子３３２ｘ、３３２ｙをカウンタマス補助部材として使用してもよい。
Thus, in this example,
カウンタマス３４１Ｘ、３４１Ｙ、３４２、３３１ｘ、３３１ｙをＸ軸方向に沿って移動させる場合には、Ｘ駆動機構３３ｘ（３３１ｘと３３２ｘ）を駆動させる。それによって、Ｘ軸モータ可動子３３２ｘが、Ｘ軸モータ固定子３３１ｘに対して相対的にＸ方向に移動するように、Ｘ方向の推力Ｆｘが発生する。推力Ｆｘは、カウンタマスをＸ軸方向に移動させる。カウンタマスが、Ｘ軸方向に移動するとき、Ｙ軸モータ可動子３３２ｙ、及び、Ｘサブテーブル３２２ｘも、Ｘレール３２１ｘに沿ってＸ軸方向に移動する。
When the
カウンタマス３４１Ｘ、３４１Ｙ、３４２、３３１ｘ、３３１ｙをＹ軸方向に沿って移動させる場合には、Ｙ駆動機構３３ｙ（３３１ｙと３３２ｙ）を駆動させる。それによって、Ｙ軸モータ可動子３３２ｙが、Ｙ軸モータ固定子３３１ｙに対して相対的にＹ方向に移動するように、Ｙ方向の推力Ｆｙが発生する。推力Ｆｙは、カウンタマスをＹ軸方向に移動させる。カウンタマスが、Ｙ軸方向に移動するとき、Ｘ軸モータ可動子３３２ｘ、及び、Ｙサブテーブル３２２ｙもＹレール３２１ｙに沿ってＹ軸方向に移動する。
When the
本例によると、カウンタマス３４１Ｘ、３４１Ｙ、３４２、３３１ｘ、及び、３３１ｙはＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能であるから、Ｘ軸とＹ軸それぞれに対して別のカウンタマスを設置する場合に比べてカウンタマス機構の質量を軽減できる。
According to this example, the
次に、本例のカウンタマスの重心の位置を説明する。本例のカウンタマスは、カウンタマス部材３４１Ｘ、３４１Ｙ、連結部材３４２、及び、カウンタマス補助部材として機能するＸ軸モータ固定子３３１ｘ、及び、Ｙ軸モータ固定子３３１ｙを有する。本例のカウンタマスは、これらの構成要素によって形成されたＬ字形の構造体からなる。従って、カウンタマスの構成要素の中心を結ぶと三角形が描かれる。カウンタマスの重心は、この三角形の内部にある。
Next, the position of the center of gravity of the counter mass of this example will be described. The counter mass of this example includes counter mass members 341X and 341Y, a connecting
本例のカウンタマスでは、カウンタマス補助部材として機能するＸ軸モータ固定子３３１ｘとＹ軸モータ固定子３３１ｙの長さを変化させることによって、これらのカウンタマスの構成要素の間の相対的な位置が変化する。こうして、カウンタマスの構成要素の間の相対的な位置を変化させることによって、カウンタマスの重心の位置を所望の位置に選択することができる。
In the counter mass of this example, the relative positions between the components of the counter mass are changed by changing the lengths of the
更に、これらのカウンタマスの構成要素の質量を適当な値に選択することによって、カウンタマスの重心の位置を所望の位置に選択することができる。本例では、Ｘ軸モータ固定子３３１ｘ、及び、Ｙ軸モータ固定子３３１ｙを、鋳鉄などの鉄系材料によって構成する。そのため、Ｘ軸モータ固定子３３１ｘ、及び、Ｙ軸モータ固定子３３１ｙの質量を大きくすることができる。
Furthermore, the position of the center of gravity of the counter mass can be selected as a desired position by selecting the mass of the component of the counter mass to an appropriate value. In this example, the
本例によると、ステージ２２（図１参照）が原点にあり、カウンタマスが原点にあるとき、カウンタマスは、ステージ２２の鉛直方向下方に配置させることができる。即ち、ステージ２２の重心位置の鉛直方向下方に、カウンタマスの重心位置が存在するように、カウンタマスの重心の位置が選択される。即ち、ステージ２２（図１参照）の重心位置を通る鉛直方向の軸線上にカウンタマスの重心位置が配置される。
According to this example, when the stage 22 (see FIG. 1) is at the origin and the counter mass is at the origin, the counter mass can be arranged below the
図２を参照して説明したように、本例によると、カウンタマス機構３は、試料室１１の下面及び下面のいずれに設けてもよい。試料室１１の下面には、真空排気ユニット６が設けられ、試料室１１の上面には、カラム１２が設けられている。しかしながら、カウンタマス機構３はＬ字形に形成されている。そのため、真空排気ユニット６、又は、カラム１２が存在しても、カウンタマスの重心位置を、ステージ２２（図１参照）の重心位置の鉛直方向下方に配置することができる。更に、カウンタマス機構３は、試料室１１の内部に設けてもよい。試料室１１の内部にも様々な構成部品が存在する。しかしながら、カウンタマス機構３はＬ字形に形成されている。そのため、カウンタマスの重心位置を、ステージ２２（図１参照）の重心位置の鉛直方向下方に配置することができる。
As described with reference to FIG. 2, according to this example, the
図４は、本発明のステージ装置の制御装置の例の概略構成を示す図である。制御装置４は、位置決め制御ユニット４１、ステージ制御ユニット４２、及び、カウンタマス制御ユニット４４を有する。ステージ機構２は、ステージ２２、ステージ駆動機構２４、及び、ステージ位置検出ユニット２５を有する。カウンタマス機構３は、カウンタマス３４、カウンタマス駆動機構３３及びカウンタマス位置検出ユニット３６を有する。
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of an example of the control device of the stage apparatus of the present invention. The
位置決め制御ユニット４１は、予め設定された駆動プロファイルに従って、予め設定された目標位置へステージ２２を移動させるための目標位置指令を生成し、それをステージ制御ユニット４２に出力する。
The
ステージ制御ユニット４２は、位置制御ユニット４２１、速度制御ユニット４２２、及び、微分器４２３を有する。位置制御ユニット４２１は、ステージ位置検出ユニット２５からフィードバックされたステージ２２の位置情報と、位置決め制御ユニット４１から供給された目標位置指令を入力し、両者の差分である位置偏差を算出する。更に、この位置偏差からＰＩＤ制御演算などにより速度指令を生成し、それを速度制御ユニット４２２に出力する。微分器４２３は、ステージ位置検出ユニット２５からフィードバックされたステージ２２の位置情報のサンプル時間ごとの差分からステージ２２の現在速度を算出し、それを速度制御ユニット４２２に出力する。速度制御ユニット４２２は、ステージ２２の速度指令と現在速度を入力し、両者の差分である速度偏差を算出する。更に、この速度偏差からＰＩＤ制御演算などにより推力指令を生成し、それをステージ駆動アンプ４３に出力する。ステージ駆動アンプ４３は、推力指令よりステージ駆動命令を生成し、それをステージ駆動機構２４に出力する。
The
カウンタマス制御ユニット４４は、位置制御ユニット４４１、速度制御ユニット４４２、微分器４４３、加速度フィードバック演算ユニット４４４、及び、推力フィードフォワード係数器４４５、及び、加算器４４６を有する。加算器４４６には、３つの推力指令が供給される。加算器４４６は、入力された３つの推力指令の和を求め、それを最終的な推力指令としてカウンタマス駆動アンプ４５に出力する。カウンタマス駆動アンプ４５は、加算器４４６からの推力指令よりカウンタマス駆動命令を生成し、それをカウンタマス駆動機構３３に出力する。
The counter
加算器４４６に入力される３つの推力指令を説明する。先ず、推力フィードフォワード制御に用いる推力指令を説明する。ステージ制御ユニット４２の速度制御ユニット４２２からカウンタマス制御ユニット４４に、ステージ２２に対する推力指令が供給される。推力フィードフォワード係数器４４５は、ステージ２２に対する推力指令に、係数を乗ずることにより、カウンタマス３４に対する推力指令が生成される。推力フィードフォワード係数器４４５によって乗ずる係数は、ステージ２２の質量とカウンタマス３４の質量の比によって決定する。こうして、ステージ２２に対する推力指令に比例したカウンタマス３４に対する推力指令が生成される。推力フィードフォワード制御では、ステージ２２の移動に起因して生じるＸ軸方向およびＹ軸方向の試料室１１の反力を相殺するように、カウンタマス３４を駆動する。
Three thrust commands input to the
次に、カウンタマス位置制御に用いる推力指令を説明する。位置制御ユニット４４１は、カウンタマス位置検出ユニット３６からフィードバックされたカウンタマス３４の位置情報からＰＩＤ制御演算などによりカウンタマス３４に対する速度指令を生成し、それを速度制御ユニット４４２に出力する。微分器４４３は、カウンタマス位置検出ユニット３６からフィードバックされたカウンタマス３４の位置のサンプル時間ごとの差分からカウンタマス３４の現在速度を算出し、それを速度制御ユニット４４２に出力する。速度制御ユニット４４２は、カウンタマス３４に対する速度指令と現在速度を入力し、両者の差分である速度偏差を算出する。更に、速度偏差からＰＩＤ制御演算などにより、カウンタマス３４に対する推力指令を生成する。こうして、カウンタマス位置制御では、カウンタマス３４の位置が原点（ストローク中心）に収束するように、カウンタマス３４を駆動する。それによって、カウンタマス３４の可動範囲（ストローク）は大幅に低減することができる。カウンタマス３４の位置フィードバック制御の例は、図６に示す。
Next, thrust commands used for counter mass position control will be described. The
加速度フィードバック制御に用いる推力命令を説明する。加速度フィードバック演算ユニット４４４は、加速度センサ３５からフィードバックされた試料室１１の加速度より、試料室１１の振動を抑制するような推力指令を生成する。加速度フィードバック演算ユニット４４４は、フィードバックした加速度に単純に係数を乗じて推力指令を生成してもよいが、加速度から試料室１１の運動状態（並進・回転の変位・速度）を推定し、それを打ち消す推力指令を算出してもよい。こうして加速度フィードバック制御では、推力フィードフォワード制御で相殺できないＸ軸およびＹ軸方向の回転軸線まわりの試料室１１の回転振動を抑制するようにカウンタマス３４を駆動する。
A thrust command used for acceleration feedback control will be described. The acceleration feedback calculation unit 444 generates a thrust command that suppresses the vibration of the
加算器４４６には、推力フィードフォワード制御に用いる推力指令が負入力され、カウンタマス位置制御に用いる推力指令が負入力され、加速度フィードバック制御に用いる推力命令が正入力される。本例では、上述した３つの推力指令の和を最終的な推力指令としてカウンタマス３４の制御を行ったが、必ずしも３つ全ての制御を適用する必要はなく、２つ以下の制御方法を適用してカウンタマス３４の制御を行う構成としてもよい。
The
図５は、本発明のステージ装置において、ステージの移動時においてカウンタマスに供給する推力指令の時間応答波形の一例を示す図である。図５の横軸は時間、縦軸は推力指令である。点線のグラフ７０１は、推力フィードフォワード制御のみを適用した場合の推力指令の時間変化を表し、実線のグラフ７０２は、推力フィードフォワード制御、加速度フィードバック制御及びカウンタマス位置制御の３つの制御を適用した場合の推力指令の時間変化を表す。期間Ａは、カウンタマス３４が移動している期間、期間Ｂは、カウンタマス３４が停止している期間を表す。即ち、停止期間Ｂの後に移動期間Ａとなり、次に、停止期間Ｂとなる。カウンタマス３４の移動期間Ａは、更に、加速期間ａ、定速期間ｂ、減速期間ｃからなる。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a time response waveform of a thrust command supplied to the counter mass when the stage is moved in the stage apparatus of the present invention. The horizontal axis in FIG. 5 is time, and the vertical axis is thrust command. A dotted
点線のグラフ７０１に示すように、推力フィードフォワード制御のみを適用した場合には、加速期間ａ及び減速期間ｃでは、一定の大きさＦの推力指令を生成させるが、停止期間Ｂ及び定速期間ｂでは、推力指令はゼロである。加速期間ａの推力指令と減速期間ｃの推力指令は、互いに反対方向である。カウンタマス３４によって生成される推力によって、ステージの移動に起因した試料室１１のＸ軸方向およびＹ軸方向の反力を相殺できる。
As shown by a dotted
実線７０２のグラフに示すように、３つの制御を適用した場合には、加速期間ａ及び減速期間ｃでは、推力指令が発生しているが、この推力指令は、時間と共に僅かであるが減少している。一方、加速期間ａの直後の定速期間ｂでは、加速期間ａに印加された推力指令Ｆと反対方向の小さな推力が生成される。同様に、減速期間ｃの直後の停止期間Ｂでは、減速期間ｃに印加された推力指令Ｆと反対方向の小さな推力が生成される。これらの反対方向の推力は、変動しながら、時間の経過とともに零に収束する。これは、加速度フィードバック制御とカウンタマス位置制御によるものである。
As shown in the graph of the
図６は、本発明によるステージ装置において、ステージを連続的に移動させた場合のカウンタマスの位置の時間応答波形の一例を示す図である。図６の横軸は時間、縦軸はカウンタマスの位置である。図６は、ステージ２２を原点から一定の移動量Ｌで正方向に３回、負方向に３回連続して動作させた場合のカウンタマス位置の応答を示す。点線のグラフ８０１は、推力フィードフォワード制御のみを適用して推力指令を生成した場合のカウンタマスの位置、実線のグラフ８０２は、推力フィードフォワード制御、加速度フィードバック制御及びカウンタマス位置制御の３つの制御を適用して推力指令を生成した場合のカウンタマスの位置を表す。期間Ａは、カウンタマス３４が移動している期間、期間Ｂは、カウンタマス３４が停止している期間を表す。即ち移動期間Ａと停止期間Ｂが交互に変化している。移動期間Ａと停止期間Ｂは、図５の移動期間Ａと停止期間Ｂに対応する。カウンタマス３４の移動期間Ａは、加速期間ａ、定速期間ｂ、減速期間ｃからなる。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a time response waveform of the position of the counter mass when the stage is continuously moved in the stage apparatus according to the present invention. The horizontal axis of FIG. 6 is time, and the vertical axis is the position of the counter mass. FIG. 6 shows the response of the counter mass position when the
点線のグラフ８０１に示すように、推力フィードフォワード制御のみを適用した場合には、推力指令を生成するたびに、カウンタマス３４の位置が距離Ｌだけ変化している。距離Ｌは、推力フィードフォワード係数４４５により決まる。カウンタマス３４の質量がステージ２２の質量に対して小さければ、カウンタマス３４の移動距離Ｌは大きくなり、逆に、カウンタマス３４の質量がステージ２２の質量に対して大きければ、カウンタマス３４の移動距離Ｌは小さくなる。カウンタマス３４の移動距離Ｌが大きくなると、カウンタマス３４の可動範囲（ストローク）を大きくする必要がある。
As shown by the dotted
一方、実線のグラフ８０２に示すように、推力フィードフォワード制御、加速度フィードバック制御及びカウンタマス位置制御の３つの制御を適用した場合には、カウンタマス３４の位置は最初の位置、即ち、原点の近傍に収まっている。従って、カウンタマス３４の可動範囲は小さい。この場合には、カウンタマス機構の質量増加を抑制するとともに、カウンタマス機構の寸法を小さくすることができる。そのため、カウンタマス機構の設置の自由度を高めることができる。
On the other hand, as shown by a
本例では、カウンタマス３４の位置制御は常に原点を目標位置としたが、ステージ２２の次回移動時の移動量および移動方向が予め決まっている場合には、カウンタマス制御ユニット４４の位置制御ユニット４４１は次回移動時に備えて特定の方向にストロークを確保できる位置に位置制御を行ってもよい。上述のように、本発明では、ステージ２２（図１参照）が原点にあり、カウンタマスが原点にあるとき、カウンタマスは、ステージ２２の鉛直方向下方にある。従って、ステージ２２が移動しても、常に、カウンタマスをステージ２２の鉛直方向下方に配置させることができる。
In this example, the position control of the
以上のように本発明のステージ装置では、カウンタマス機構の複雑化と、カウンタマス機構の質量の増加を抑えながら、カウンタマス機構の配置の自由度を向上させることができる、と共に、振動抑制効果の両立が可能となる。 As described above, the stage apparatus of the present invention can improve the degree of freedom of arrangement of the counter mass mechanism while suppressing the complexity of the counter mass mechanism and the increase in the mass of the counter mass mechanism, as well as the vibration suppressing effect. Can be achieved.
以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは、当業者によって容易に理解されよう。 Although the examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described examples, and it is easy for those skilled in the art to make various modifications within the scope of the invention described in the claims. Will be understood.
２…ステージ機構、３…カウンタマス機構、４…制御装置、６…真空排気ユニット、１０…ベース、１１…試料室、１２…カラム、１３…支持脚、１４…防振部材、２１…ステージベース、２２…ステージ、２３…ステージ案内機構、２４…ステージ駆動機構、３２…カウンタマス案内機構、３３…カウンタマス駆動機構、３４…カウンタマス、３５…加速度センサ、４１…位置決め制御ユニット、４２…ステージ制御ユニット、４３…ステージ駆動アンプ、４４…カウンタマス制御ユニット、４５…カウンタマス駆動アンプ
DESCRIPTION OF
Claims (20)
前記カウンタマスは、Ｌ字形の構造体であり、前記カウンタマスの可動平面と前記ステージの可動平面は互いに平行であり、且つ、互いに隔てられて配置されていることを特徴とするステージ装置。 A stage mechanism including a stage movable along at least one axial direction, a stage drive mechanism that drives the stage, and a stage position detection unit that detects the position of the stage, and a counter movable along at least one axial direction A counter mass mechanism including a mass, a counter mass drive mechanism that drives the counter mass, and a counter mass position detection unit that detects the position of the counter mass; a stage control unit that controls the stage mechanism; and a control of the counter mass mechanism A control device having a counter mass control unit to
The counter mass is an L-shaped structure, and the movable plane of the counter mass and the movable plane of the stage are parallel to each other and are spaced apart from each other.
前記カウンタマスは、第１のカウンタマス部材と、第２のカウンタマス部材と、連結部材と、前記第１のカウンタマス部材と前記連結部材を接続する第１のカウンタマス補助部材と、前記第２のカウンタマス部材と前記連結部材を接続する第２のカウンタマス補助部材と、を含み、前記第１のカウンタマス部材と前記第１のカウンタマス補助部材と前記連結部材は一方の軸方向に沿って配置され、前記第２のカウンタマス部材と前記第２のカウンタマス補助部材と前記連結部材は他方の軸方向に沿って配置され、それによって、Ｌ字形に構成されていることを特徴とするステージ装置。 The stage apparatus according to claim 1, wherein
The counter mass includes a first counter mass member, a second counter mass member, a connecting member, a first counter mass auxiliary member connecting the first counter mass member and the connecting member, and the first counter mass member. 2 counter mass members and a second counter mass auxiliary member connecting the connecting member, wherein the first counter mass member, the first counter mass auxiliary member and the connecting member are in one axial direction. The second counter mass member, the second counter mass auxiliary member, and the connecting member are arranged along the other axial direction, thereby being configured in an L shape. Stage device.
前記第１及び第２のカウンタマス補助部材は、前第１及び第２のカウンタマス部材の材料に比べて比重の大きな材料によって形成されていることを特徴とする請求項３記載のステージ装置。 The stage apparatus according to claim 2, wherein
4. The stage apparatus according to claim 3, wherein the first and second counter mass auxiliary members are made of a material having a larger specific gravity than materials of the front first and second counter mass members.
前記カウンタマス駆動機構は、固定子と可動子を有するリニアモータによって構成され、該固定子と可動子のうち質量が大きいほうを前記カウンタマスの構成要素として用いることを特徴とするステージ装置。 The stage apparatus according to claim 1, wherein
The counter mass drive mechanism is constituted by a linear motor having a stator and a mover, and a stage device having a larger mass among the stator and the mover is used as a component of the counter mass.
前記ステージと前記カウンタマスが原点に配置されているとき、前記ステージの重心を通る鉛直線上に前記カウンタマスの重心が配置されていることを特徴とするステージ装置。 The stage apparatus according to claim 1, wherein
A stage apparatus, wherein the center of gravity of the counter mass is arranged on a vertical line passing through the center of gravity of the stage when the stage and the counter mass are arranged at the origin.
前記カウンタマス制御ユニットは、前記ステージ制御ユニットによって算出された前記ステージに対する推力指令に比例した前記カウンタマスに対する推力指令を生成する推力フィードフォワード制御を行うことを特徴とするステージ装置。 The stage apparatus according to claim 1, wherein
The stage device, wherein the counter mass control unit performs thrust feedforward control for generating a thrust command for the counter mass proportional to a thrust command for the stage calculated by the stage control unit.
前記カウンタマス制御ユニットは、前記カウンタマスの位置が原点に収束するように、前記カウンタマスを駆動するカウンタマス位置制御を行うことを特徴とするステージ装置。 The stage apparatus according to claim 1, wherein
The stage apparatus, wherein the counter mass control unit performs counter mass position control for driving the counter mass so that the position of the counter mass converges to an origin.
前記カウンタマス位置制御では、前記カウンタマス位置検出ユニットからフィードバックされた前記カウンタマスの位置情報からＰＩＤ制御演算により前記カウンタマスに対する速度指令を生成し、前記カウンタマスの位置情報から前記カウンタマスの現在位置を算出し、前記速度指令と前記現在速度の間の偏差により、前記カウンタマスに対する推力指令を生成することを特徴とするステージ装置。 The stage apparatus according to claim 8, wherein
In the counter mass position control, a speed command for the counter mass is generated by PID control calculation from the position information of the counter mass fed back from the counter mass position detection unit, and the current value of the counter mass is determined from the position information of the counter mass. A stage device that calculates a position and generates a thrust command for the counter mass based on a deviation between the speed command and the current speed.
前記ステージ機構は加速度を計測する加速度センサを有し、
前記カウンタマス制御ユニットは、前記加速度センサからフィードバックされた加速度より、前記ステージ機構の振動を抑制するように前記カウンタマスに対する推力指令を生成する加速度フィードバック制御を行うことを特徴とするステージ装置。 The stage apparatus according to claim 1, wherein
The stage mechanism has an acceleration sensor for measuring acceleration,
The stage device is characterized in that the counter mass control unit performs acceleration feedback control for generating a thrust command for the counter mass so as to suppress vibration of the stage mechanism from the acceleration fed back from the acceleration sensor.
Ｘ軸及びＹ軸に沿って移動可能なステージと前記ステージを駆動するステージ駆動機構と前記ステージの位置を検出するステージ位置検出ユニットとを含むステージ機構と、Ｘ軸及びＹ軸に沿って移動可能なカウンタマスと前記カウンタマスを駆動するカウンタマス駆動機構と前記カウンタマスの位置を検出するカウンタマス位置検出ユニットとを含むカウンタマス機構と、前記ステージ機構を制御するステージ制御ユニットと前記カウンタマス機構を制御するカウンタマス制御ユニットを有する制御装置と、を有し、
前記カウンタマスは、Ｌ字形の構造体であり、前記カウンタマスの可動平面と前記ステージの可動平面は互いに平行であり、且つ、互いに隔てられて配置されていることを特徴とする電子顕微鏡装置。 A sample chamber configured to be evacuated, a column provided on the sample chamber, an electron beam source and an electron beam optical system provided in the column, and an X axis and a Y axis orthogonal to each other In an electron microscope apparatus having an axis and a Z axis,
A stage mechanism including a stage movable along the X axis and the Y axis, a stage drive mechanism for driving the stage, and a stage position detection unit for detecting the position of the stage, and movable along the X axis and the Y axis A counter mass mechanism including a counter mass, a counter mass drive mechanism for driving the counter mass, and a counter mass position detection unit for detecting the position of the counter mass; a stage control unit for controlling the stage mechanism; and the counter mass mechanism A control device having a counter mass control unit for controlling
The electron microscope apparatus, wherein the counter mass is an L-shaped structure, and the movable plane of the counter mass and the movable plane of the stage are parallel to each other and spaced apart from each other.
前記カウンタマスは、第１のカウンタマス部材と、第２のカウンタマス部材と、連結部材と、前記第１のカウンタマス部材と前記連結部材を接続する第１のカウンタマス補助部材と、前記第２のカウンタマス部材と前記連結部材を接続する第２のカウンタマス補助部材と、を含み、前記第１のカウンタマス部材と前記第１のカウンタマス補助部材と前記連結部材はＸ軸方向に沿って配置され、前記第２のカウンタマス部材と前記第２のカウンタマス補助部材と前記連結部材はＹ軸方向に沿って配置され、それによって、Ｌ字形に構成されていることを特徴とする電子顕微鏡装置。 The electron microscope apparatus according to claim 11,
The counter mass includes a first counter mass member, a second counter mass member, a connecting member, a first counter mass auxiliary member connecting the first counter mass member and the connecting member, and the first counter mass member. 2 counter mass members and a second counter mass auxiliary member for connecting the connecting member, wherein the first counter mass member, the first counter mass auxiliary member and the connecting member are along the X-axis direction. The second counter mass member, the second counter mass auxiliary member, and the connecting member are arranged along the Y-axis direction, and are thus configured in an L shape. Microscope device.
前記カウンタマス機構は、前記試料室の下面又は上面に設置されていることを特徴とする電子顕微鏡装置。 The electron microscope apparatus according to claim 11,
The electron microscope apparatus, wherein the counter mass mechanism is installed on a lower surface or an upper surface of the sample chamber.
前記試料室内部の真空排気を行う真空排気ユニットを有し、
前記真空排気ユニットと前記カウンタマス機構は、前記試料室の下面に設けられていることを特徴とする電子顕微鏡装置。 The electron microscope apparatus according to claim 11, further comprising an evacuation unit that evacuates the sample chamber.
The electron microscope apparatus, wherein the vacuum exhaust unit and the counter mass mechanism are provided on a lower surface of the sample chamber.
前記試料室には加速度を計測する加速度センサが設けられ、
前記カウンタマス制御ユニットは、前記ステージ制御ユニットによって算出された前記ステージに対する推力指令に比例した前記カウンタマスに対する推力指令を生成する推力フィードフォワード制御と、前記カウンタマスの位置が原点に収束するように、前記カウンタマスを駆動するカウンタマス位置制御と、前記加速度センサからフィードバックされた加速度より、前記ステージ機構の振動を抑制するように前記カウンタマスに対する推力指令を生成する加速度フィードバック制御の少なくとも１つを行うことを特徴とする電子顕微鏡装置。 The electron microscope apparatus according to claim 11,
The sample chamber is provided with an acceleration sensor for measuring acceleration,
The counter mass control unit is configured to generate a thrust feedforward control for generating a thrust command for the counter mass proportional to a thrust command for the stage calculated by the stage control unit, so that the position of the counter mass converges to the origin. , At least one of counter mass position control for driving the counter mass and acceleration feedback control for generating a thrust command for the counter mass so as to suppress vibration of the stage mechanism from the acceleration fed back from the acceleration sensor. An electron microscope apparatus characterized by being performed.
前記推力フィードフォワード制御において前記カウンタマスに対する推力指令は、前記ステージに対する推力指令に、前記ステージの質量と前記カウンタマスの質量の比を乗算することによって求めることを特徴とする電子顕微鏡装置。 The electron microscope apparatus according to claim 15, wherein
In the thrust feedforward control, the thrust command for the counter mass is obtained by multiplying the thrust command for the stage by a ratio of the mass of the stage and the mass of the counter mass.
前記カウンタマス位置制御において、前記カウンタマス位置検出ユニットからフィードバックされた前記カウンタマスの位置情報からＰＩＤ制御演算により前記カウンタマスに対する速度指令を生成し、前記カウンタマスの位置情報から前記カウンタマスの現在位置を算出し、前記速度指令と前記現在速度の間の偏差により、前記カウンタマスに対する推力指令を生成することを特徴とする電子顕微鏡装置。 The electron microscope apparatus according to claim 15, wherein
In the counter mass position control, a speed command for the counter mass is generated by PID control calculation from the position information of the counter mass fed back from the counter mass position detection unit, and the current value of the counter mass is determined from the position information of the counter mass. An electron microscope apparatus that calculates a position and generates a thrust command for the counter mass based on a deviation between the speed command and the current speed.
前記加速度フィードバック制御では、前記推力フィードフォワード制御で相殺できないＸ軸およびＹ軸方向の回転軸線回りの回転振動を抑制することを特徴とする電子顕微鏡装置。 The electron microscope apparatus according to claim 15, wherein
The acceleration feedback control suppresses rotational vibrations about rotation axes in the X-axis and Y-axis directions that cannot be canceled out by the thrust feedforward control.
前記カウンタマスは、Ｌ字形の構造体であり、前記カウンタマスの可動平面と前記ステージの可動平面は互いに平行であり、且つ、互いに隔てられて配置されており、
前記カウンタマス制御ユニットは、前記ステージ制御ユニットによって算出された前記ステージに対する推力指令に比例した前記カウンタマスに対する推力指令を生成する推力フィードフォワード制御と、前記カウンタマスの位置が原点に収束するように、前記カウンタマスを駆動するカウンタマス位置制御と、前記加速度センサからフィードバックされた加速度より、前記ステージ機構の振動を抑制するように前記カウンタマスに対する推力指令を生成する加速度フィードバック制御の少なくとも１つを行うことを特徴とするステージ装置。 A stage mechanism including a stage movable along at least one axial direction, a stage drive mechanism that drives the stage, and a stage position detection unit that detects the position of the stage, and a counter movable along at least one axial direction A counter mass mechanism including a mass, a counter mass drive mechanism that drives the counter mass, and a counter mass position detection unit that detects the position of the counter mass; a stage control unit that controls the stage mechanism; and a control of the counter mass mechanism A control device having a counter mass control unit for measuring, and an acceleration sensor for measuring acceleration,
The counter mass is an L-shaped structure, and the movable plane of the counter mass and the movable plane of the stage are parallel to each other and spaced apart from each other.
The counter mass control unit is configured to generate a thrust feedforward control for generating a thrust command for the counter mass proportional to a thrust command for the stage calculated by the stage control unit, so that the position of the counter mass converges to the origin. , At least one of counter mass position control for driving the counter mass and acceleration feedback control for generating a thrust command for the counter mass so as to suppress vibration of the stage mechanism from the acceleration fed back from the acceleration sensor. The stage apparatus characterized by performing.
前記ステージと前記カウンタマスが原点に配置されているとき、前記ステージの重心を通る鉛直線上に前記カウンタマスの重心が配置されていることを特徴とするステージ装置。 The stage device according to claim 19,
A stage apparatus, wherein the center of gravity of the counter mass is arranged on a vertical line passing through the center of gravity of the stage when the stage and the counter mass are arranged at the origin.
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