JP5544238B2 - Sample stage - Google Patents
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Description
本発明は、走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置等の試料ステージに係り、特に微小移動、或いは振動抑制を可能とする駆動機構が設けられた試料ステージに関する。 The present invention relates to a sample stage such as a charged particle beam apparatus typified by a scanning electron microscope, and more particularly to a sample stage provided with a drive mechanism capable of minute movement or vibration suppression.
近年の半導体素子の微細化に伴い、製造装置のみならず、半導体素子を測定，検査、或いは評価する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、半導体ウェハ上に形成したパターンの形状寸法を評価したり、形成されたウェハの欠陥を検査するために、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称す）が用いられている。 With the recent miniaturization of semiconductor elements, not only manufacturing apparatuses but also apparatuses for measuring, inspecting, or evaluating semiconductor elements are required to have high precision corresponding thereto. Usually, a scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) is used to evaluate the shape and dimension of a pattern formed on a semiconductor wafer and to inspect defects of the formed wafer.
ＳＥＭによるウェハの検査では、ウェ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たり、欠陥を観察したりする。ここで、前記した半導体素子の微細化に対応するためには、高い観察倍率において、よりノイズの少ない二次電子像を得ることが重要である。そこで、ウェハを搭載保持している試料ステージにはサブミクロンオーダーの高精度な位置決めと、位置決め停止後のナノメートルオーダーの振動抑制が要求される。 In the wafer inspection by SEM, the wafer is irradiated with an electron beam, the obtained secondary electron signal is image-processed, the edge of the pattern is discriminated from the change in light and darkness, the dimension is derived, and the defect is observed. To do. Here, in order to cope with the miniaturization of the semiconductor element described above, it is important to obtain a secondary electron image with less noise at a high observation magnification. Therefore, the sample stage on which the wafer is mounted and held requires high-precision positioning on the order of submicrons and vibration suppression on the order of nanometers after the positioning is stopped.
特に位置決め停止後の振動（以下、残留振動と称す）については、ステージや駆動系の固有振動数での振動を抑制することが必要である。一般にステージや駆動系の固有振動数は数百Ｈｚ程度であり、それを抑制するために機構設計を工夫し減衰を大きくしたり、外乱の影響を抑えるため支持マウントの剛性を下げるなどの対策が行われているものの、ナノメートルオーダーの微小振動を完全に抑制することは非常に困難である。 In particular, with regard to vibration after stopping positioning (hereinafter referred to as residual vibration), it is necessary to suppress vibration at the natural frequency of the stage and the drive system. In general, the natural frequency of the stage and drive system is about several hundreds of Hz, and measures such as devising the mechanism design to suppress it and increasing damping, and reducing the rigidity of the support mount to suppress the influence of disturbances, can be taken. Although being carried out, it is very difficult to completely suppress micro vibrations on the order of nanometers.
また、試料ステージの移動時間は、装置全体のスループットに大きく影響する。特に、大型半導体ウェハの搬送を行う試料ステージの場合では、ステージ移動時間を短縮し、スループットを向上することが求められる。 The moving time of the sample stage greatly affects the throughput of the entire apparatus. In particular, in the case of a sample stage for carrying a large semiconductor wafer, it is required to shorten the stage moving time and improve the throughput.
このようにステージ装置には、高精度かつ高速な位置決めが可能であり、さらに残留振動を抑制することが求められており、これには一般的に回転モータとボールねじを用いた駆動機構やリニアモータなどの直動駆動機構を用いたサーボ制御システムが構成されている。 As described above, the stage device is required to be positioned with high accuracy and high speed, and further to suppress the residual vibration. In general, this includes a drive mechanism using a rotary motor and a ball screw and a linear mechanism. A servo control system using a direct drive mechanism such as a motor is configured.
しかしながら、ボールねじを用いた駆動機構では、ボールねじのバックラッシュや駆動系のガタなどによってサブミクロンオーダーの位置決め精度を実現することは困難である。また、リニアモータを用いた場合でも、レーザ干渉計などの高分解能な位置計測手段を用いればサブミクロンオーダーの高精度位置決めが実現できるものの、ステージ機構の固有周波数に応答周波数が制限されたり、駆動分解能の問題によってナノメートルオーダーの残留振動を抑制することは困難である。 However, in a drive mechanism using a ball screw, it is difficult to achieve positioning accuracy on the order of submicrons due to ball screw backlash or drive system play. Even when a linear motor is used, high-precision positioning such as a laser interferometer can be used to achieve submicron-order high-accuracy positioning, but the response frequency is limited to the natural frequency of the stage mechanism, or driven. It is difficult to suppress nanometer-order residual vibration due to resolution problems.
以上述べたような高速かつ高精度な位置決めを実現する機構として、ボールねじなどによって駆動される粗動ステージの上に、圧電素子によって駆動される微動ステージを搭載し、数十μｍオーダーでの粗動位置決めと数十ｎｍオーダーの微動位置決めを行う技術がある（例えば、特許文献１参照）。 As a mechanism for realizing high-speed and high-precision positioning as described above, a fine movement stage driven by a piezoelectric element is mounted on a coarse movement stage driven by a ball screw or the like, and a coarse movement on the order of several tens of μm. There is a technique for performing dynamic positioning and fine movement positioning on the order of several tens of nanometers (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献１に示された技術によれば、微動ステージによる位置決めは可能であるが、ナノメートルオーダーの残留振動抑制に微動ステージを適用しようとした場合、その応答性に問題がある。すなわち、圧電素子の発生力には限りがあるため、数十μｍのストロークを確保するためには可撓部の剛性を低くする必要がある。この場合、可撓部の剛性によって応答周波数が制限されるため機構系の固有振動数まで応答性を確保できない。一方、可撓部の剛性を高くした場合、数十μｍのストロークを確保するためには圧電素子には非常に大きな発生力が必要となり、コストの増大や装置が複雑になるなど現実的ではない。
However, according to the technique disclosed in
さらに、より高速度，高加速度で粗動ステージを駆動した場合、微動ステージの可撓部はステージの慣性力を受け振動が発生する可能性がある。この振動は特に微動ステージを制御する際に問題となる。 Further, when the coarse movement stage is driven at a higher speed and higher acceleration, the flexible part of the fine movement stage may receive vibration due to the inertial force of the stage. This vibration becomes a problem particularly when the fine movement stage is controlled.
さらに、特許文献１の図１に示された微動ステージでは、２つの圧電素子に共に電圧が印加された場合、一方の圧電素子の変位が、他方の圧電素子のせん断方向に作用し、圧電素子にせん断方向の応力が発生するため、他方の圧電素子に負荷がかかる。
Furthermore, in the fine movement stage shown in FIG. 1 of
以下に、大きな移動を可能とする移動機構の他に、微小移動を可能とする駆動機構を備えた試料ステージであって、一方の駆動機構の駆動に基づく、他方の駆動機構への影響を抑制しつつ、高精度な位置決め、或いは振動抑制を実現することを目的とする試料ステージについて説明する。 The following is a sample stage equipped with a drive mechanism that enables a fine movement in addition to a movement mechanism that enables a large movement, and suppresses the influence on the other drive mechanism based on the drive of one drive mechanism. However, a sample stage aimed at realizing highly accurate positioning or vibration suppression will be described.
上記目的を達成するための一態様として、テーブルを第１の方向に駆動する第１の駆動機構と、テーブルを第１の方向に直交する第２の方向に駆動する第２の駆動機構と、試料を載置するトップテーブルを備えた試料ステージにおいて、テーブルとトップテーブルの間に、トップテーブルを支持する支持部材を備え、当該支持部材は、当該支持部材の外枠を形成する第１の部分と、当該第１の部分の内側に配置される第２の部分と、当該第２の部分の更に内側に配置される第３の部分を有し、第１の部分と第２の部分を連結すると共に、第１の方向と比較して、第２の方向の長さが長い第１の板状体と、第２の部分と第３の部分を連結すると共に、第２の方向と比較して、第１の方向の長さが長い第２の板状体と、第１の部分を、第２の部分に対し前記第１の方向に駆動する第３の駆動機構と、第２の部分を、前記第３の部分に対し第２の方向へ駆動する第４の駆動機構と、を備えた試料ステージを提案する。 As one aspect for achieving the above object, a first drive mechanism for driving the table in a first direction, a second drive mechanism for driving the table in a second direction orthogonal to the first direction, In a sample stage including a top table on which a sample is placed, a support member that supports the top table is provided between the table and the top table, and the support member is a first part that forms an outer frame of the support member And a second part disposed inside the first part and a third part disposed further inside the second part, and connecting the first part and the second part In addition, the first plate-like body having a long length in the second direction compared to the first direction is connected to the second part and the third part, and compared to the second direction. A second plate-like body having a long length in the first direction, and the first portion as the second portion. On the other hand, a sample stage including a third drive mechanism that drives in the first direction and a fourth drive mechanism that drives the second part in the second direction with respect to the third part is proposed. To do.
上記構成によれば、微小移動のための駆動機構毎に、異なる部分を移動するように構成できるため、一方の駆動機構の影響を他方に及ぼすことなく、高精度な位置決め、或いは振動抑制のための駆動を行うことが可能となる。 According to the above configuration, each drive mechanism for minute movement can be configured to move a different part, so that the influence of one drive mechanism is not exerted on the other for high-precision positioning or vibration suppression. Can be driven.
本実施例では、ＳＥＭ，集束イオンビーム装置等の他の荷電粒子線装置、或いは他の測定，検査装置に用いられる試料ステージであって、特に半導体の測定，検査、或いは評価を目的にした装置に適用可能なステージ装置であって、高速かつ高精度な位置決めと極微小な残留振動の抑制することが可能なステージ装置および振動抑制機構について説明する。 In this embodiment, it is a sample stage used for other charged particle beam devices such as SEM and focused ion beam device, or other measurement and inspection devices, and particularly for the measurement, inspection or evaluation of semiconductors. A stage apparatus and a vibration suppression mechanism that can be applied to the above-described stage and can suppress high-speed and high-accuracy positioning and extremely small residual vibration will be described.
本実施例では、主にレーザ干渉計などを用いたトップテーブル位置検出機構とリニアモータなど高精度に位置決め可能な駆動機構と高い周波数まで応答可能な微小振動抑制機構とを備え、その微小振動抑制機構は、剛性の高い弾性支持要素と、応答性が高く駆動範囲の短い圧電素子を備えた試料ステージを例に採って説明する。また、高速移動時に慣性力による弾性支持部の振動を抑制するため、振動抑制機構の可動部をトップテーブルに押し当て、ロックする機構についても併せて説明する。 In this embodiment, a top table position detection mechanism mainly using a laser interferometer, a drive mechanism capable of positioning with high accuracy such as a linear motor, and a minute vibration suppression mechanism capable of responding to a high frequency are provided. The mechanism will be described by taking as an example a sample stage including an elastic support element with high rigidity and a piezoelectric element with high response and short driving range. In addition, a mechanism for pressing and locking the movable part of the vibration suppression mechanism against the top table in order to suppress the vibration of the elastic support part due to the inertial force during high-speed movement will also be described.
駆動機構は、短いストロークに限定したことにより弾性支持要素の剛性を高くすることが可能であり、これにより圧電素子に要求される推力を過大にすることなく高い周波数（例えば駆動系の固有振動数）まで応答可能な微小振動抑制機構を構成することができる。 By limiting the drive mechanism to a short stroke, the rigidity of the elastic support element can be increased, and thus a high frequency (for example, the natural frequency of the drive system) can be obtained without excessive thrust required for the piezoelectric element. ) Can be configured to respond to the minute vibration.
この微小振動抑制機構をレーザ干渉計とリニアモータによって構成した高精度な位置決めを実現するサーボ系とともに用いることによって、高精度な位置決めと微小な残留振動の抑制を実現できる。 By using this minute vibration suppression mechanism together with a servo system that realizes highly accurate positioning constituted by a laser interferometer and a linear motor, it is possible to realize highly accurate positioning and suppression of minute residual vibration.
さらに、リニアモータによってステージが高速度かつ高加速度で移動する際、振動抑制機構の可動部をトップテーブルに押し当てることで、弾性支持部がステージの慣性力によって振動することを抑制することができる。 Furthermore, when the stage is moved at a high speed and a high acceleration by the linear motor, it is possible to suppress the elastic support portion from vibrating due to the inertia force of the stage by pressing the movable portion of the vibration suppressing mechanism against the top table. .
以下、図面（図１〜図４）を参照しながら、より詳細に、本実施例のステージ装置を説明する。 Hereinafter, the stage apparatus of the present embodiment will be described in more detail with reference to the drawings (FIGS. 1 to 4).
図１は、ステージ装置の外観見取図である。図１において、ステージ機構は、ベース１０１に対してＸガイド１０９ａ，ｂによってＸ方向（図１に示す座標軸のＸ方向）にのみ可動なＸテーブル１０６と、同じくベース１０１に対してＹガイド１１０ａ，ｂによってＹ方向（図１に示す座標軸のＹ方向）にのみ可動なＹテーブル１０７とがある。なお、本実施例では、Ｘ方向を第１の方向、Ｙ方向を第２の方向として説明する。
FIG. 1 is an outline drawing of the stage apparatus. In FIG. 1, the stage mechanism includes an X table 106 that is movable only in the X direction (X direction of the coordinate axes shown in FIG. 1) with respect to the
Ｘテーブル１０６の両端には第１の駆動機構であるＸモータ可動子１０３が固定され、Ｘモータ可動子１０３のコイルに電流を流すことで、ベース１０１に固定されたＸモータ固定子１０２ａ，ｂ（マグネット）との間に電磁気力による推力が発生する。同じくＹテーブル１０７の両端には第２の駆動機構であるＹモータ可動子１０５ａ，ｂが固定され、Ｙモータ可動子１０５ａ，ｂのコイルに電流を流すことで、ベース１０１に固定されたＹモータ固定子１０４ａ，ｂ（マグネット）との間に電磁気力による推力が発生する。
An X motor
Ｙテーブル１０７上にはＸサブガイド１１１ａ，ｂによってサブテーブル１０８がＹテーブル１０７上をＸ方向に可動に結合されている。Ｘテーブル１０６上にはＹサブガイド１１２によって微小振動抑制機構２がＸテーブル上をＹ方向に可動に結合されている。このサブテーブル１０８および微小振動抑制機構２は連結部材１１３によって結合されている。さらに、微小振動抑制機構２にはトップテーブル１１４が結合され、トップテーブル１１４上にはウェハを保持するウェハホルダ１１７が固定されている。即ち、微小振動抑制機構２はトップテーブルの支持部材として機能する。
On the Y table 107, a sub table 108 is movably coupled in the X direction on the Y table 107 by
以上の構成によれば、Ｘモータ（１０２および１０３）によってＸテーブル１０６にＸ方向の推力を発生させれば、Ｘテーブル１０６，サブテーブル１０８，微小振動抑制機構２，トップテーブル１１４、およびウェハホルダ１１７をＸ方向に移動させることができる。同様にＹモータ（１０４および１０５）によってＹテーブル１０７にＹ方向の推力を発生させれば、Ｙテーブル１０７，サブテーブル１０８，微小振動抑制機構２，トップテーブル１１４、およびウェハホルダ１１７をＹ方向に移動させることができる。
According to the above configuration, when X-direction thrust is generated on the X table 106 by the X motor (102 and 103), the X table 106, the sub table 108, the minute
トップテーブル１１４上にはＸ方向およびＹ方向のそれぞれ一辺にバーミラー１１５ａ，ｂが取り付けられている。このバーミラー１１５ａ，ｂとレーザ干渉計１１６ａ，ｂとによってトップテーブル１１４ａ，ｂのＸ座標およびＹ座標をナノメートルオーダーで計測することができる。すなわち、以上の構成により、レーザ干渉計１１４ａ，ｂによって計測されたトップテーブル１１４の現在位置と目標位置を比較し、各軸のモータ可動子（１０３，１０５）の電流を制御するようなサーボ制御系を構築することでトップテーブル１１４をＸＹ平面内で精密に位置決めすることができる。
On the top table 114, bar mirrors 115a and 115b are attached to one side in the X direction and the Y direction, respectively. The bar mirrors 115a and b and the
図２は、微小振動抑制機構の上面図である。図２において、主に固定部材２０５（第３の部分），中間部材２０６（第２の部分），移動部材２０７（第１の部分）の大きな部材から構成される。概ね八角形の形状をした固定部材２０５は、図１における４本の連結部材１１３およびＹサブガイド１１２の４個のスライドユニットに結合されている。また、移動部材２０７は、前記トップテーブル１１４に結合されている。更に、移動部材２０７は、Ｚ軸方向から見て、微小振動抑制機構の外枠を構成し、中間部材２０６，固定部材２０５の順で外側から内側に配列されている。
FIG. 2 is a top view of the minute vibration suppressing mechanism. In FIG. 2, it is mainly composed of large members such as a fixing member 205 (third portion), an intermediate member 206 (second portion), and a moving member 207 (first portion). The fixing
固定部材２０５と中間部材２０６は４個のＹ弾性支持部２０４によって結合されている。ここで、Ｙ弾性支持部２０４は、弾性ヒンジ構造を用いることで、図中Ｙ方向よりもＸ方向の剛性が高くなっている。
The fixing
中間部材２０６と移動部材２０７は４個のＸ弾性支持部２０３によって結合されている。ここでも同様にＸ弾性支持部２０３は、弾性ヒンジ構造を用いることで、図中Ｘ方向よりもＹ方向に剛性が高くなっている。
The
弾性支持部材は、板状体が蛇腹状に積層された構造を為し、板状の厚さ方向に対し、板状体の長手方向（Ｘ方向或いはＹ方向）及びＺ方向が、厚さ方向に対し長い平板構造となっている。このような構造によって、Ｘ方向、或いはＹ方向の一方の移動を許容する反面、他方の移動を規制する構造となっている。また、Ｘ弾性支持部２０３ａと２０３ｄ、及び２０３ｂと２０３ｃは、移動部材２０７のＸ方向中心を通過する仮想直線を中心とした対称位置に設置されている。同様に、Ｙ弾性支持部２０４ａと２０４ｄ、及び２０４ｂと２０４ｃについても、移動部材２０７のＹ方向中心を通過する仮想直線を中心とした対称位置に設置されている。
The elastic support member has a structure in which plate-like bodies are laminated in a bellows shape, and the longitudinal direction (X direction or Y direction) and Z direction of the plate-like body are in the thickness direction with respect to the plate-like thickness direction. In contrast, it has a long plate structure. Such a structure allows one movement in the X direction or the Y direction, but restricts the other movement. Further, the X
また、固定部材２０５と中間部材２０６の間には圧電素子Ｙ２０２が設置されている。この圧電素子Ｙ２０２は、電圧を印加することによってＹ方向に伸縮するように配置している。このような構成によれば圧電素子Ｙ２０２に電圧を印加すれば、圧電素子の伸びによってＹ弾性支持部２０４が変形し、結果として中間部材２０６は固定部材２０５に対してＹ方向に変位を生ずる。同じく中間部材２０６と移動部材２０７の間には圧電素子Ｘ２０１が設置され、電圧を印加することでＸ弾性支持部２０３の変形によって移動部材２０７は中間部材２０６に対してＸ方向の変位を生ずる。
A piezoelectric element Y202 is installed between the fixed
以上のように構成すれば、圧電素子Ｘ２０１および圧電素子Ｙ２０２に電圧を印加することで、移動部材２０７（ひいてはトップテーブル１１４およびウェハホルダ１１７）は回転移動を生じることなくＸＹ方向に並進移動が可能である。さらに、それぞれの圧電素子にせん断応力（伸縮方向に垂直な方向の力）が生じないため、素子を破損する心配がない。 With the above configuration, by applying a voltage to the piezoelectric element X201 and the piezoelectric element Y202, the moving member 207 (and thus the top table 114 and the wafer holder 117) can translate in the XY direction without causing rotational movement. is there. Furthermore, since no shear stress (force in a direction perpendicular to the expansion / contraction direction) is generated in each piezoelectric element, there is no fear of damaging the element.
ここで、この微小振動抑制機構２のストロークについてＸ方向を例に説明する。
Here, the X direction will be described as an example of the stroke of the minute
一定電圧を印加した圧電素子Ｘ２０１の伸びによってＸ弾性支持部２０３が変形し圧電素子Ｘ２０１の発生力とＸ弾性支持部２０３の反力が釣り合ったとすると、力のつり合いの関係は式１となる。
ｆ＝ｋｘ …（式１）
Assuming that the X
f = kx (Formula 1)
ここで、ｆは圧電素子Ｘ２０１の発生力、ｋは４つのＸ弾性支持部２０３の合成バネ定数、Ｘ弾性支持部２０３の変形量である。
Here, f is the generated force of the piezoelectric element X201, k is the combined spring constant of the four X
圧電素子Ｘ２０１の最大発生力を一定とするならば、（式１）より可動ストロークを確保するため変位量を大きくしようとするとバネ定数ｋを小さくする必要があり、逆に可動ストロークを小さくすればバネ定数ｋを大きくすることができる。 If the maximum generated force of the piezoelectric element X201 is constant, it is necessary to reduce the spring constant k to increase the displacement in order to secure the movable stroke from (Equation 1), and conversely, if the movable stroke is reduced. The spring constant k can be increased.
本実施例においては、前記したレーザ干渉計とリニアモータを用いた構成によって高精度な位置決めが可能であるため、この微小振動抑制機構２は微動の機能は必要なく、微小な振動を抑制するための機能のみを持てばよい。よって、可動ストロークを小さくしバネ定数ｋを大きくすることが可能である。本実施例では、可動ストロークは数μｍのオーダーで設計した。
In this embodiment, since the positioning using the laser interferometer and the linear motor enables high-accuracy positioning, the minute
バネ定数ｋを大きくすることによって、微小振動抑制機構２のＸ方向の固有振動数が高くなり、固有振動数が高くなると圧電素子Ｘ２０１の電圧を制御する際の応答周波数を高く設計できる。この応答周波数を制御したい周波数帯域（例えばステージ機構の一次固有振動数）より高く設計することで、所望の振動抑制性能が確保できる。すなわち、
（制御したい周波数）＜（制御帯域）＜（弾性ヒンジ固有振動数）＜（圧電素子応答周波数）を満たすように設計する。
By increasing the spring constant k, the natural vibration frequency in the X direction of the minute
It is designed to satisfy (frequency to be controlled) <(control band) <(elastic hinge natural frequency) <(piezoelectric element response frequency).
次に、微小振動抑制機構２の形状について説明する。
Next, the shape of the minute
まず、Ｘ弾性支持部２０３は、中間部材２０６の四隅付近に配置するのが望ましい。これは、中間部材２０６がＸＹＺそれぞれの軸まわりの回転剛性（慣性モーメント）を高くするためである。同様の理由で、Ｙ弾性支持部２０４は、固定部材２０５の四隅付近に配置するのが望ましい。
First, it is desirable that the X
また、圧電素子Ｘ２０１および圧電素子Ｙ２０２は、その伸縮方向が中心に向かうように設置する。これは、移動部材２０７および中間部材２０６にＺ軸周りのモーメントを発生させないためである。
Further, the piezoelectric element X201 and the piezoelectric element Y202 are installed such that the expansion / contraction direction is toward the center. This is because the moving
一方、ＳＥＭを用いるような装置においては、トップテーブル１１４がＸ軸まわりおよびＹ軸まわりに回転するような振動や変形が発生すると、焦点ずれを引き起こし精度劣化に直結する。そのため、トップテーブル１１４のなす平面とベース１０１の平面とを平行に保つように、Ｘ軸まわりおよびＹ軸まわりの剛性を高める必要がある。前述したように固定部材２０５は、連結部材１１３に結合されているため、４本の連結部材１１３は互いに間隔を空けて配置するのが望ましい。つまり、固定部材２０５は大きなＸ方向およびＹ方向に広くするのが良い。
On the other hand, in an apparatus using an SEM, if vibration or deformation occurs such that the top table 114 rotates around the X axis and the Y axis, defocusing occurs, which directly leads to deterioration in accuracy. Therefore, it is necessary to increase the rigidity around the X axis and the Y axis so that the plane formed by the top table 114 and the plane of the base 101 are kept parallel. As described above, since the fixing
さらに、中間部材２０６はそれ自身が変形しないような剛性を確保する必要があるため、概ね四角フレーム構造となる中間部材の内角部分を大きく面取りをするようにし、固定部材２０５は概ね八角形の形状となるように設計した。
Further, since the
なお、このような微小振動抑制機構２の形状によれば、固定部材２０５，中間部材２０６，移動部材２０７と各弾性支持部と圧電素子を同一平面内に構成でき、微小振動抑制機構２のＺ方向の厚さを小さくすることができる。これにより、微小振動抑制機構２を搭載したステージ装置全体の高さを低くすることが可能であり、小型化や低コスト化が実現できる。
According to such a shape of the minute
次に、微小振動抑制機構２の押し当てロック機構について説明する。
Next, the pressing lock mechanism of the minute
これまで述べた微小振動抑制機構２を前記したようにステージ装置に搭載し、高速度かつ高加速度でステージを移動させた場合、その移動時の慣性力により弾性支持機構を含む微小振動抑制機構２が振動することが考えられる。特に加速度が不連続に変化するような時刻においてはあらゆる周波数帯域での加振力が生じるため、振動を発生しやすい。このような振動が発生した場合、整定時間が長くなり高速な位置決めができなったり、ステージ制御系が不安定になったり、圧電素子の劣化を引き起こす可能性がある。
When the micro
そこで、ステージ移動時に圧電素子によって押し当てロックする機構を設けた。 In view of this, a mechanism is provided for pressing and locking the piezoelectric element when the stage is moved.
まず、固定部材２０５には、圧電素子Ｙ２０２と対向する位置に押し当て部材Ｙ２０９が設計されている。圧電素子Ｙ２０２に予め設定された電圧Ｖ１Ｙを印加すると、押し当て部材Ｙ２０９は中間部材２０６に押し当てられるようにした。ここで電圧Ｖ１は、予備実験を行い押し当て部材Ｙ２０９が確実に押し当たるような圧電素子Ｘ２０１の印加電圧を求めればよい。
First, the fixing
同様に中間部材２０６には、圧電素子Ｘ２０１と対向する位置に押し当て部材Ｘ２０８を設け、圧電素子Ｘ２０１に予め設定された電圧Ｖ１Ｘを印加することで押し当て部材Ｘ２０８が移動部材２０７に押し当てられるようにした。
Similarly, the
ここで、押し当て部材Ｙ２０９と中間部材２０６の間隔および押し当て部材Ｘ２０８と移動部材２０７の間隔を押し当てギャップ量とすると、押し当てギャップ量は、
(圧電素子可動範囲)＞(押し当てギャップ量)＞(振動抑制可動範囲)
を満たすように設計すればよい。
Here, when the distance between the pressing member Y209 and the
(Piezoelectric element movable range)> (Pressing gap amount)> (Vibration suppression movable range)
Design to meet the above.
以上のような押し当てロック機構によって、高速度かつ高加速度で動作するようなステージ移動時に、押し当てロック機構作用させることで、弾性支持部の振動を抑制することが可能であり、上述したような問題が発生しない。 With the above-described pressing lock mechanism, it is possible to suppress the vibration of the elastic support portion by operating the pressing lock mechanism when the stage moves so as to operate at high speed and high acceleration, as described above. No problem occurs.
なお、本実施例における微小振動抑制機構２の弾性支持部２０３および２０４には、弾性ヒンジ構造を用いたが方向により剛性の異なる構成部品、例えば板バネや積層ゴムなどを用いて構成することも可能である。
It should be noted that the
また、本実施例における微小振動抑制機構２の駆動手段には、圧電素子２０１および２０２を用いているが、同様の機能を有する他のアクチュエータを用いてもよい。
Further, although the
図３は、本実施形態に係る制御構成を示す概念図である。図３では、説明を簡単にするため、Ｘ方向について主要な要素のみを記載している。 FIG. 3 is a conceptual diagram showing a control configuration according to the present embodiment. In FIG. 3, only the main elements in the X direction are shown for the sake of simplicity.
図３において、制御装置３は、位置決め演算処理３０１，サーボアンプ３０２およびピエゾアンプ３０３から構成されている。
In FIG. 3, the control device 3 includes a
位置決め演算処理３０１は、レーザ干渉計１１６から入力されるトップテーブルの現在位置情報をもとに、上位コントローラ３０４から駆動指令や目標位置の情報を受け取り、サーボアンプ３０２に推力指令を出力すると共に、ピエゾアンプ３０３に圧電素子の印加電圧を出力する。
The
ここでサーボアンプ３０２に出力する推力指令の演算は、移動開始位置から目標位置に至る理想的な位置指令を例えば台形速度パターンを用いて算出し、この位置指令と現在位置との差分によって推力を算出するサーボ制御構成するのがよい。
Here, for calculating the thrust command output to the
図４は、本実施形態に係るトップテーブルの位置およびステージの推力，圧電素子の駆動電圧の時間応答波形の一例を示す図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a time response waveform of the position of the top table, the thrust of the stage, and the driving voltage of the piezoelectric element according to the present embodiment.
図４において、電圧波形４０３は前記位置決め演算処理３０１によって生成される圧電素子の駆動電圧であり、推力波形４０２は前記位置決め演算処理３０１によって生成されるモータの駆動電圧であり、位置波形４０１はレーザ干渉計１１６によって計測されるトップテーブルの位置である。
In FIG. 4, a
それぞれの波形は、整定時間（ａ）と移動時間（ｂ）に分けられている。 Each waveform is divided into settling time (a) and travel time (b).
移動時間（ｂ）では、位置決め演算処理３０１によってトップテーブルの移動を行うモータ推力を出力すると共に、圧電素子に電圧Ｖ１を印加している。電圧Ｖ１を印加された圧電素子は、前述した押し当てロック機構によって弾性支持部の振動を抑制し、トップテーブルは目標位置に高速に位置決めされる。
In the movement time (b), a motor thrust force for moving the top table is output by the
整定時間（ａ）では、トップテーブルの現在位置をもとに圧電素子に印加する電圧を制御する。このとき、印加電圧は振動抑制機構の移動振幅を十分に確保するために予め設定した電圧Ｖ２を基準として電圧を制御する。この印加電圧制御には、例えば現在位置と目標位置の差分をもとに比例（Ｐ）制御や比例−積分（ＰＩ）制御などの制御方式を採用するのが良い。また、整定時間（ａ）において、モータ推力は圧電素子による振動抑制性能に影響を与えないよう、推力を一定にしたり、ローパスフィルタなどを用いて低い周波数帯域のみに応答するように制御する方法がよい。 In the settling time (a), the voltage applied to the piezoelectric element is controlled based on the current position of the top table. At this time, the applied voltage is controlled with reference to a preset voltage V2 in order to sufficiently secure the movement amplitude of the vibration suppression mechanism. For this applied voltage control, for example, a control method such as proportional (P) control or proportional-integral (PI) control based on the difference between the current position and the target position may be employed. In addition, in the settling time (a), there is a method of controlling so that the motor thrust does not affect the vibration suppression performance by the piezoelectric element, and the thrust is made constant or responds only to a low frequency band using a low-pass filter or the like. Good.
ここで、移動時間（ｂ）から整定時間（ａ）に遷移する際、振動抑制機構の移動振幅を確保するため圧電素子の印加電圧を電圧Ｖ１から下げる必要がある。この時、圧電素子の収縮によりトップテーブルの位置が目標位置からずれて誤差を生じることが考えられる。 Here, when transitioning from the movement time (b) to the settling time (a), it is necessary to lower the voltage applied to the piezoelectric element from the voltage V1 in order to ensure the movement amplitude of the vibration suppression mechanism. At this time, it is conceivable that the position of the top table deviates from the target position due to the contraction of the piezoelectric element, resulting in an error.
このような場合には、予め印加電圧Ｖ１とＶ２での変位量δを測定しておき、モータ位置決め時に目標位置からδだけ離れた位置に位置決めをする方法で解決できる。 Such a case can be solved by measuring the displacement amount δ at the applied voltages V1 and V2 in advance and positioning the motor at a position away from the target position by δ when positioning the motor.
また、この他の方法として、移動時間（ｂ）から整定時間（ａ）に遷移する直前に印加電圧を徐々にＶ１からＶ２へ変化させる方法も可能である。このようにすれば、移動時間（ｂ）の終了直前にはステージ速度は小さく、大きな加速度が発生しないため弾性支持部の振動が発生しないとともに、変位量δを含めてモータ位置決めが成され、さらに整定時間（ａ）開始時に印加電圧がＶ２とすることができる。 As another method, a method of gradually changing the applied voltage from V1 to V2 just before the transition from the movement time (b) to the settling time (a) is possible. In this way, the stage speed is low immediately before the end of the movement time (b), and no large acceleration is generated, so that vibration of the elastic support portion does not occur, and motor positioning including the displacement amount δ is achieved. The applied voltage can be set to V2 at the start of the settling time (a).
さらに他の方法として、整定時間（ａ）においては、ローパスフィルタやハイパスフィルタなどを用いて現在位置情報を高周波数成分と低周波数成分に分解し、低周波数成分をモータのサーボ制御によって制御し、高周波数成分を微小振動抑制機構によって制御する方法がある。このようにすれば、２つの制御系を同時に動作させることができる。さらに、移動時間（ｂ）から整定時間（ａ）に遷移する際に、印加電圧をＶ１からＶ２へ低周波数で変化させるような電圧変化をフィードフォワード付加することで、印加電圧をＶ１からＶ２へ変化させた際の移動量δをモータのサーボ制御によって相殺し、トップテーブルの位置を変化させることなく印加電圧をＶ２に変化させることができる。 As another method, in the settling time (a), the current position information is decomposed into a high frequency component and a low frequency component using a low pass filter or a high pass filter, and the low frequency component is controlled by servo control of the motor. There is a method of controlling high frequency components by a minute vibration suppression mechanism. In this way, the two control systems can be operated simultaneously. Further, when the transition from the moving time (b) to the settling time (a) is performed, a voltage change that changes the applied voltage from V1 to V2 at a low frequency is fed forward, so that the applied voltage is changed from V1 to V2. The amount of movement δ when changed can be canceled by servo control of the motor, and the applied voltage can be changed to V2 without changing the position of the top table.
以上述べたような構成よれば、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において、高精度な位置決めとナノメートルオーダーの残留振動を抑制することが可能な微小振動抑制機構およびステージ装置が提供できる。 According to the configuration as described above, a minute vibration suppression mechanism capable of suppressing high-precision positioning and residual vibration on the nanometer order on the sample stage of an electron microscope apparatus used for semiconductor inspection and evaluation in the semiconductor manufacturing field. And a stage device can be provided.
２ 微小振動抑制機構
３ 制御装置
１０１ ベース
１０２ Ｘモータ固定子
１０３ Ｘモータ可動子
１０４ Ｙモータ固定子
１０５ Ｙモータ可動子
１０６ Ｘテーブル
１０７ Ｙテーブル
１０８ サブテーブル
１０９ａ，ｂ Ｘガイド
１１０ａ，ｂ Ｙガイド
１１１ Ｘサブガイド
１１２ Ｙサブガイド
１１３ 連結部材
１１４ トップテーブル
１１５ バーミラー
１１６ レーザ干渉計
１１７ ウェハホルダ
２０１ 圧電素子Ｘ
２０２ 圧電素子Ｙ
２０３ Ｘ弾性支持部
２０４ Ｙ弾性支持部
２０５ 固定部材
２０６ 中間部材
２０７ 移動部材
２０８ 押し当て部材Ｘ
２０９ 押し当て部材Ｙ
2 Micro vibration suppression mechanism 3
202 Piezoelectric element Y
203 X elastic support portion 204 Y
209 Pushing member Y
Claims (10)
前記テーブルとトップテーブルの間に、当該トップテーブルを支持する支持部材を備え、当該支持部材は、当該支持部材の外枠を形成する第１の部分と、当該第１の部分の内側に配置される第２の部分と、当該第２の部分の更に内側に配置される第３の部分を有し、前記第１の部分と第２の部分を連結すると共に、前記第１の方向と比較して、第２の方向の長さが長い第１の板状体と、前記第２の部分と第３の部分を連結すると共に、前記第２の方向と比較して、第１の方向の長さが長い第２の板状体と、前記第１の部分を、前記第２の部分に対し前記第１の方向に駆動する第３の駆動機構と、前記第２の部分を前記第３の部分に対し前記第２の方向へ駆動する第４の駆動機構と、を備え、前記第１の駆動機構及び前記第２の駆動機構の少なくとも１つによる駆動が行われているときに、前記第３の駆動機構及び前記第４の駆動機構の少なくとも１つの駆動によって、前記第１の部分を前記第２の部分に押し当てるような押圧、及び前記第２の部分を前記第３の部分に押し当てるような押圧の少なくとも１つを実行することを特徴とする試料ステージ。 A sample stage comprising a first drive mechanism for driving a table in a first direction, a second drive mechanism for driving the table in a direction orthogonal to the first direction, and a top table on which a sample is placed. In
A support member that supports the top table is provided between the table and the top table, and the support member is disposed inside a first portion that forms an outer frame of the support member and the first portion. A second portion and a third portion disposed further inside the second portion, connecting the first portion and the second portion, and comparing with the first direction. The first plate-like body having a long length in the second direction is connected to the second portion and the third portion, and the length in the first direction is compared with the second direction. A long second plate-like body, a third drive mechanism for driving the first part in the first direction relative to the second part, and the second part for the third part and a fourth driving mechanism for driving the second direction with respect to part, little of the first driving mechanism and the second driving mechanism Pressing to press the first part against the second part by driving at least one of the third driving mechanism and the fourth driving mechanism when driving by one of them is performed And a sample stage that performs at least one of pressing such that the second part is pressed against the third part .
前記第１の板状体は、前記第１の方向と第２の方向に直交する第３の方向の長さが、前記第１の方向と比較して長く、及び前記第２の板状体は、前記第３の方向の長さが、前記第２の方向と比較して長く形成されることを特徴とする試料ステージ。 In claim 1,
The first plate-like body has a length in a third direction orthogonal to the first direction and the second direction that is longer than that in the first direction, and the second plate-like body. The sample stage is characterized in that the length in the third direction is longer than that in the second direction.
前記第１の板状体は、その板部が前記第１の方向に積層する蛇腹状に形成され、前記第２の板状体は、その板部が前記第２の方向に積層する蛇腹状に形成されることを特徴とする試料ステージ。 In claim 2,
The first plate-like body is formed in a bellows shape whose plate portion is laminated in the first direction, and the second plate-like body is a bellows shape in which the plate portion is laminated in the second direction. A sample stage characterized in that it is formed.
前記第１の板状体は、前記第１の方向に対し、相対的に第２の方向の動作を規制するように形成され、前記第２の板状体は、前記第２の方向に対し、相対的に第１の方向の移動を規制するように形成されていることを特徴とする試料ステージ。 In claim 2,
The first plate-like body is formed so as to relatively restrict the operation in the second direction with respect to the first direction, and the second plate-like body is formed with respect to the second direction. A sample stage characterized by being relatively restricted in movement in the first direction.
前記第１の板状体、及び第２の板状体は、弾性ヒンジ構造を有することを特徴とする試料ステージ。 In claim 1,
The sample stage, wherein the first plate-like body and the second plate-like body have an elastic hinge structure.
前記第１の板状体は前記第１の部分と第２の部分との間に複数設けられ、前記第２の板状体は前記第２の部分と第３の部分との間に複数設けられることを特徴とする試料ステージ。 In claim 1,
A plurality of the first plate-like bodies are provided between the first portion and the second portion, and a plurality of the second plate-like bodies are provided between the second portion and the third portion. A sample stage characterized by being made.
前記複数の第１の板状体は、前記第１の部分の内側部に設けられると共に、前記第２の方向に延びると共に、当該第１の部分における第１の方向の中心を通過する仮想直線を中心とした対称位置に配置され、前記複数の第２の板状体は、前記第２の部分の内側部に設けられると共に、前記第１の方向に延びると共に、当該第２の部分における第２の方向の中心を通過する仮想直線を中心とした対称位置に配置されることを特徴とする試料ステージ。 In claim 6,
The plurality of first plate-like bodies are provided on the inner side of the first portion, extend in the second direction, and pass through the center of the first portion in the first direction. The plurality of second plate-like bodies are provided on the inner side of the second part, extend in the first direction, and extend in the second part. 2. A sample stage characterized by being arranged at a symmetrical position with a virtual straight line passing through the center in the direction of 2.
前記第３の駆動機構によって押圧される前記第２の部分の前記第１の部分との接触部に、押し当て部材を設け、前記第４の駆動機構によって押圧される前記第３の部分の前記第１の部分との接触部に、押し当て部材を設けてなることを特徴とする試料ステージ。 In claim 1,
A pressing member is provided in a contact portion between the second portion pressed by the third drive mechanism and the first portion, and the third portion pressed by the fourth drive mechanism is provided. A sample stage, wherein a pressing member is provided at a contact portion with the first portion.
前記第３の駆動機構、及び第４の駆動機構は、前記第１の駆動機構、及び第２の駆動機構による前記トップテーブルの移動の移動時間に、当該トップテーブルの移動停止時と比較して、強く前記第２の部分、及び第３の部分を押圧することを特徴とする試料ステージ。 In claim 1,
The third drive mechanism and the fourth drive mechanism are different in the movement time of the movement of the top table by the first drive mechanism and the second drive mechanism as compared to when the movement of the top table is stopped. A sample stage that strongly presses the second part and the third part.
前記テーブルとトップテーブルの間に、当該トップテーブルを支持する支持部材を備え、
当該支持部材は、当該支持部材の外枠を形成する第１の部分と、当該第１の部分の内側に配置される第２の部分と、当該第２の部分の更に内側に配置される第３の部分を有し、前記第１の部分を、前記第２の部分に対し前記第１の方向に、第２の方向への移動を規制しつつ駆動する第３の駆動機構と、前記第２の部分を、前記第３の部分に対し前記第２の方向に、第１の方向への移動を規制しつつ駆動する第４の駆動機構を備え、前記第１の駆動機構及び前記第２の駆動機構の少なくとも１つによる駆動が行われているときに、前記第３の駆動機構及び前記第４の駆動機構の少なくとも１つの駆動によって、前記第１の部分を前記第２の部分に押し当てるような押圧、及び前記第２の部分を前記第３の部分に押し当てるような押圧の少なくとも１つを実行することを特徴とする試料ステージ。 A first driving mechanism for driving the table in a first direction; a second driving mechanism for driving the table in a second direction orthogonal to the first direction; and a top table on which a sample is placed. In the sample stage
A support member for supporting the top table is provided between the table and the top table,
The support member includes a first portion that forms an outer frame of the support member, a second portion that is disposed inside the first portion, and a second portion that is disposed further inside the second portion. A third drive mechanism that drives the first portion in the first direction relative to the second portion while restricting movement in the second direction with respect to the second portion; A second drive mechanism that drives the second portion in the second direction relative to the third portion while restricting movement in the first direction, and includes the first drive mechanism and the second drive mechanism. When driving by at least one of the driving mechanisms is performed, the first portion is pushed against the second portion by at least one of the third driving mechanism and the fourth driving mechanism. At least the pressure to hit and the pressure to press the second part against the third part Sample stage and executes one.
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