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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-212559(P2019-212559A)
(43)【公開日】2019年12月12日
(54)【発明の名称】ステージ装置、及び荷電粒子線装置
(51)【国際特許分類】
   H01J 37/20 20060101AFI20191115BHJP
   H01L 21/68 20060101ALI20191115BHJP
【FI】
   H01J37/20 D
   H01L21/68 K
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】OL
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2018-109645(P2018-109645)
(22)【出願日】2018年6月7日
(71)【出願人】
【識別番号】501387839
【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】西岡 明
(72)【発明者】
【氏名】水落 真樹
(72)【発明者】
【氏名】中川 周一
(72)【発明者】
【氏名】柴崎 智隆
(72)【発明者】
【氏名】小川 博紀
(72)【発明者】
【氏名】渡部 成夫
(72)【発明者】
【氏名】高橋 宗大
(72)【発明者】
【氏名】加藤 孝宜
【テーマコード(参考)】
5C001
5F131
【Fターム(参考)】
5C001AA03
5C001AA04
5C001CC04
5C001DD02
5F131AA02
5F131BA39
5F131CA02
5F131EA02
5F131EA14
5F131EA15
5F131EA22
5F131EA23
5F131EA27
5F131EB78
5F131KA03
5F131KA16
5F131KA45
5F131KB32
(57)【要約】
【課題】試料を搭載する上段テーブルの熱変形と温度上昇を低減させるステージ装置、及びそれを備える荷電粒子線装置を提供する。
【解決手段】試料を搭載する上段テーブルを第一の方向に移動させる上段ステージと、前記上段ステージを搭載する中段テーブルを前記第一の方向に直交する第二の方向に移動させる中段ステージと、前記中段ステージを搭載する下段テーブルを前記第一の方向と前記第二の方向に直交する第三の方向に移動させる下段ステージとを備えるステージ装置であって、前記上段テーブルと前記中段テーブルの材質は前記下段テーブルの材質よりも熱膨張係数が小さく、前記下段テーブルの材質は前記上段テーブルと前記中段テーブルの材質よりも熱伝導率が高いことを特徴とする。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
試料を搭載する上段テーブルを第一の方向に移動させる上段ステージと、
前記上段ステージを搭載する中段テーブルを前記第一の方向に直交する第二の方向に移動させる中段ステージと、
前記中段ステージを搭載する下段テーブルを前記第一の方向と前記第二の方向に直交する第三の方向に移動させる下段ステージとを備えるステージ装置であって、
前記上段テーブルと前記中段テーブルの材質は前記下段テーブルの材質よりも熱膨張係数が小さく、
前記下段テーブルの材質は前記上段テーブルと前記中段テーブルの材質よりも熱伝導率が高いことを特徴とするステージ装置。
【請求項2】
請求項1に記載のステージ装置であって、
前記上段ステージに、前記第二の方向に反射面を備えるミラーと、前記第三の方向に反射面を備えるミラーとを備え、それらのミラーの反射面の距離計測によって上段テーブルに搭載した試料の位置を求めることを特徴とするステージ装置。
【請求項3】
請求項1に記載のステージ装置であって、
前記中段ステージは、前記中段テーブルを前記第二の方向に案内するガイド部と、前記中段テーブルと前記ガイド部とを接続する接続部を有し、
前記接続部は、前記第二の方向を回転軸とする前記ガイド部との接続部の変形に対する剛性が、他の方向を回転軸とする変形に対する剛性よりも低いことを特徴とするステージ装置。
【請求項4】
請求項3に記載のステージ装置であって、
前記接続部が前記ガイド部に接触する面は、前記第三の方向よりも前記第二の方向に長い形状を有することを特徴とするステージ装置。
【請求項5】
請求項1に記載のステージ装置であって、
前記上段テーブルと前記中段テーブルの材質はセラミックス複合材であって、
前記下段テーブルの材質はアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とするステージ装置。
【請求項6】
請求項5に記載のステージ装置であって、
前記セラミックス複合材は、アルミニウムをマトリクス材とすることを特徴とするステージ装置。
【請求項7】
請求項1に記載のステージ装置であって、
前記上段ステージは、前記上段テーブルを前記第一の方向に移動させる駆動力を発し、前記中段テーブルに固定される駆動部を有し、
前記中段ステージは、前記中段テーブルを前記第二の方向に案内するガイド部を有し、
前記ガイド部は前記駆動部から所定の距離の範囲内に配置されることを特徴とするステージ装置。
【請求項8】
請求項7に記載のステージ装置であって、
前記ガイド部と前記駆動部とは前記第一の方向にそって並べられて配置されることを特徴とするステージ装置。
【請求項9】
請求項1乃至8のいずれか一項に記載のステージ装置を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ステージ装置及びそれを用いた荷電粒子線装置に係り、特に三軸方向に動作可能なステージ装置であって、その駆動に伴う発熱でステージが熱変形してステージの位置決め精度が悪化することを抑制したステージ装置及び荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年の半導体素子の微細化に伴い、製造装置のみならず、検査や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。半導体ウェハ上に形成した回路の形状寸法を測定する装置として電子顕微鏡を用いるものがあり、このような装置を測長SEMと称する。従来の測長SEMにおいては、ウェハ表面の平面内での寸法計測が主に行われてきた。一方、近年の半導体素子の多層構造化に伴い、半導体素子の検査においても、平面内の計測だけでなく、深さ方向の寸法計測も求められるようになってきた。電子顕微鏡の特徴として、光学式の顕微鏡に比べて、様々な深さが混ざった撮像対象に対しても比較的全体的にピントが合う特性を持つが、その特性だけで十分とは言えない状況になりつつある。そこで、ウェハ上で深さが変化する対象物を撮像する際は、電子顕微鏡の電子線の加速電圧を上げて、高エネルギー状態の電子で撮像する方法が有効となる。電子顕微鏡の特性として、電子線の加速電圧を上げると、磁気レンズによって電子線の焦点が合う所までの焦点距離が伸びる。このため、加速電圧を変化させる場合は、磁気レンズによる対物レンズとウェハまでの距離を変化させる必要がある。このため、加速電圧を変化させる機能を備えた測長SEMにおいては、ウェハを移動させるステージ装置において、平面内の移動の他に、その平面に垂直な方向にウェハを移動させる機能を有することが求められる。また、測長SEM以外の荷電粒子線を用いた検査装置においても、ウェハなどの試料を移動させるステージ装置においては、同様の目的から三軸方向の動作が求められる。
【0003】
一方、電子顕微鏡のような荷電粒子線を照射する装置においては、その荷電粒子を通すために、ウェハなどの試料を高真空の空間に置く必要がある。よって、荷電粒子線装置内のステージ装置は高真空中に置かれることとなり、大気中で存在するような対流熱伝達が生じない。このため、ステージ内で生じた発熱が外部に逃げにくい状況にあり、発熱によるステージの温度上昇が起き易い。ステージの各部品が温度上昇すると、その分の熱膨張が生じ、部品ごとの膨張量の違いや、組まれている装置の拘束状態によって、ステージは複雑な熱変形を起こす。このステージの熱変形は、ステージによってウェハの観察位置を決める上での位置誤差に直結する。この位置誤差が大きくなると、ナノオーダーで形成されている半導体素子の回路網のどこを見ているのかが分からなくなってしまう。よって、本発明が対象とするステージにおいては、非常に微小な熱変形をも抑える必要がある。また、ウェハの位置誤差を生じさせる熱変形としては、ステージの熱変形の他に、ウェハ自身の熱膨張もある。よって、ウェハの熱膨張を抑えるために、ウェハと接する箇所のステージ温度を常に一定に保つことも必要となる。
【0004】
このような熱変形の問題を解決するためのステージ技術の一例として、特許文献1に示される技術がある。この文献1では、基盤、および基盤上に載置されるステージ、ガイド部、伝達部の各材質をセラミックスとすることを示している。本技術では、セラミックスの具体的な例としてアルミナを示しており、アルミ系などの金属と比べて、アルミナが低熱伝導率、低熱膨張係数であることを利用して高精度化することが示されている。
【0005】
また、高精度なステージに用いるための材料としては、特許文献2に示される技術がある。この文献2では、セラミックス粉末を強化材にし、アルミニウムもしくはアルミニウム合金をマトリクス材とする金属−セラミックス複合材をステージ部材として示しており、これによってアルミニウム合金やアルミナを用いる場合に生じる課題を解決することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開平7−142558号公報
【特許文献2】特開2002−167291号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ステージの材質にアルミナなどのセラミックス材を用いる場合、アルミニウム合金などの金属に比べて熱伝導率が低いことで、ステージ内で生じた発熱をステージの外に逃がす性質が低下し、ステージの温度が上昇しやすくなる問題がある。アルミナなどのセラミックス材は一般に、アルミニウム合金などの金属に比べると温度に対する線膨張係数が非常に小さい特徴を持つ。このため、アルミニウム合金などを用いた場合に比べて、たとえ温度上昇量が大きくなったとしても、線膨張係数の小ささによって熱変形を小さくすることができることが多い。しかし、温度上昇量が拡大してしまうことは残るため、ステージが運んでいるウェハ自身の温度も上昇させてしまう。これによってウェハの熱膨張が生じてしまうため、最終的なウェハの位置精度を高めることが出来ない。
【0008】
一方、マトリクス材にアルミニウムを用いたセラミックス複合材を用いると、アルミナなどのセラミックス材に比べて熱伝導率を高めることが可能になり、上記の温度上昇量が拡大してしまう問題を緩和させることが可能になる。
【0009】
しかし、金属のみで構成するアルミニウム合金などに比べると、セラミックス複合材の熱伝導率は劣るため、アルミニウム合金で構成したステージに比べると、セラミックス複合材を用いたステージは温度上昇量が拡大してしまう。
【0010】
また、各種材料を組み合わせて、いいとこ取りの設計をしようとしても、異なる材質が接する箇所が必ず生じることで、接する材料どうしの膨張率の違いによって、形状が反ってしまう熱変形が生じ、位置精度を高められないという課題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するために本発明は、試料を搭載する上段テーブルを第一の方向に移動させる上段ステージと、前記上段ステージを搭載する中段テーブルを前記第一の方向に直交する第二の方向に移動させる中段ステージと、前記中段ステージを搭載する下段テーブルを前記第一の方向と前記第二の方向に直交する第三の方向に移動させる下段ステージとを備えるステージ装置であって、前記上段テーブルと前記中段テーブルの材質にアルミニウムをマトリクス材に用いたセラミックス複合材を用い、下段ステージのテーブルを構成する部品にアルミニウムもしくはアルミニウム合金を用いる。さらに、中段ステージのテーブル部品と、中段ステージが移動する方向にガイドするガイド機構の間に、移動する軸に対して回転方向の曲げ剛性を低下させる機構を介して、テーブル部品とガイド機構を接続する。また、前記上段テーブルにミラーを設置して、そのミラーの反射面の距離計測に基づいて試料の位置を把握し、それによってステージの位置決め制御を行うことを特徴とする。
【0012】
また本発明は、前記ステージ装置を備えることを特徴とする荷電粒子線装置である。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、試料の位置を高精度に把握することが可能なステージ装置、及びそれを備える荷電粒子線装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】本発明の荷電粒子線装置の一例の全体構成図である。
図2】実施例1のステージ装置の一例の正面図である。
図3】実施例1のステージ装置の一例の側面図である。
図4】実施例1の接続部の一例を説明する斜視図である。
図5】実施例1の接続部の一例を説明する断面図であって変形前の図である。
図6】実施例1の接続部の一例を説明する断面図であって変形後の図である。
図7】実施例1のアクチュエータの一例を説明するための図である。
図8】実施例2のアクチュエータの一例を説明するための図である。
図9】実施例2のアクチュエータの他の例を説明するための図である。
図10】実施例3のステージ装置の一例の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例1】
【0015】
以下、図面に従って本発明に係るステージ装置および荷電粒子線装置の実施例について説明する。本発明に係るステージ装置は、試料を搭載する上段テーブルを第一の方向に移動させる上段ステージと、上段ステージを搭載する中段テーブルを第一の方向に直交する第二の方向に移動させる中段ステージと、中段ステージを搭載する下段テーブルを第一の方向と第二の方向に直交する第三の方向に移動させる下段ステージとを備える。なお、本実施例では、第一の方向をZ方向、第二の方向をY方向、第三の方向をX方向として説明する。以下の説明および図面において、同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付すことにより重複説明を省略する。
【0016】
図1は荷電粒子線装置100の全体構成図である。荷電粒子線装置100は、電子光学系鏡筒101と試料室102を備える。電子光学系鏡筒101は、試料室102に配置される試料103、例えばウェハに対して電子線を照射し、試料103から放出される二次電子または反射電子を検出し、検出信号を出力する。出力された検出信号を変換して得られる画像は、試料103上のパターンの線幅の計測や形状精度の評価に用いられる。なお、図1では電子線の照射方向をZ方向とする。電子線をガス分子に衝突させることなく試料103へ照射するために、試料室102内は真空状態に保たれる。
【0017】
試料室102は除振マウント104により支持される。試料室102内には、Z方向と直交する方向であるX方向及びY方向、並びにZ方向に移動可能であって試料103を搭載するステージ装置105が配置される。試料室102に設けられるレーザー干渉計106からレーザー光107をステージ装置105に設けられるミラー108に照射することによりステージ装置105の位置が計測され、計測結果に基づいてコントローラ109によりステージ装置105の位置が制御される。
【0018】
図2及び図3を用いて本実施例のステージ装置105について説明する。図2は正面図であり、図3図2を見る方向を90度ずらした図、すなわち側面図である。ステージ装置105は、Z方向に移動可能な上段ステージ200と、Y方向に移動可能な中段ステージ201と、X方向に移動可能な下段ステージ202と、ベース部5とがZ方向に重ねられて構成される。なお、試料室102内は真空状態に保たれるので、ステージ装置105の各部での発熱は各ステージからより下位のステージへ伝熱し、ベース部5を介してステージ装置105の外へ逃がされる。以下、各部について説明する。
【0019】
まず上段ステージ200について説明する。上段ステージ200は、チャック1と支柱1-2と上段テーブル2とアクチュエータ7を有する。
【0020】
チャック1はXY面にひろがる平板であり、試料であるウェハを固定する。試料の固定には例えば静電力が用いられ、ステージ装置105が移動したときでも試料がずれない程度の静電力で試料が固定される。チャック1には、熱膨張係数が小さく、熱伝導率が低く、非電動性であり、高硬度な材質が好ましく、例えばアルミナが用いられる。チャック1にアルミナのような材質が用いられることにより、試料の熱変形と試料への伝熱を抑制できる。
【0021】
上段テーブル2はXY面にひろがる平板であり、上段テーブル2の上にチャック1が配置される。上段テーブル2には熱膨張係数が小さく、熱伝導率が低く、ヤング率/密度が高い材質が好ましく、例えばセラミックス複合材が用いられる。セラミック複合材には、アルミニウムをマトリクス材とするものが好ましい。上段テーブル2にセラミックス複合材のような材質が用いられることにより、チャック1の熱変形と試料への伝熱を抑制できる。なお、チャック1と上段テーブル2の熱膨張は小さいものの、両者の材質の違いによる熱膨張の差が生じ、その影響はXY面において顕著に表れる。そこで、チャック1と上段テーブル2とを支柱1-2を介して接続することにより、熱膨張の差の影響を受ける領域を限定する。また支柱1-2が変形することより、チャック1の歪みを防止でき、試料の歪みも防止できる。
【0022】
上段テーブル2の上には、ステージ装置105の位置の計測に用いられるミラー108x、108yも設けられる。なおミラー108xがX方向の位置の計測に、ミラー108yがY方向の位置の計測に、それぞれ用いられる。上段テーブル2にセラミックス複合材のような材質が用いられることにより、ミラー108x、108yの位置ずれを抑制できるので、高精度に位置が制御される。
【0023】
アクチュエータ7は、上段テーブル2をZ方向に移動させる駆動力を発する駆動部として機能し、上段テーブル2と中段ステージ201との間に設けられる。アクチュエータ7は発熱するので、本実施例では4つのアクチュエータ7のそれぞれが上段テーブル2の四隅に配置される。このような配置により、アクチュエータ7から試料への伝熱経路が長くなり、試料への伝熱を抑制できる。アクチュエータ7の詳細については図7を用いて後述する。なお、本実施例では、アクチュエータ7を4つ配置する構成を示しているが、他の数で構成することもありえる。
【0024】
次に中段ステージ201について説明する。中段ステージ201は、中段テーブル3と中段スライド部10と中段レール部11と接続部12を有する。
【0025】
中段テーブル3はXY面にひろがる平板であり、中段テーブル3にはアクチュエータ7が固定されて、上段ステージ200が搭載される。中段テーブル3には、上段テーブル2と同様に、熱膨張係数が小さく、熱伝導率が低く、ヤング率/密度が高い材質が好ましく、例えばセラミックス複合材が用いられる。中段テーブル3にセラミックス複合材のような材質が用いられることにより、上段ステージ200の熱変形と上段ステージ200への伝熱を抑制できる。なお、中段テーブル3と上段テーブル2とは同じ材質であるので両者の熱膨張は等しく、中段テーブル3と上段テーブル2の熱変形を抑制できる。
【0026】
中段スライド部10は、中段レール部11とともに中段テーブル3の移動方向を制限するガイド部として機能し、中段レール部11の上を摺動できるように転動体を有する。本実施例では4つの中段スライド部10のそれぞれが中段テーブル3の四隅に配置される。なお、中段スライド部10は下段ステージ202への伝熱経路の一部となるので、中段スライド部10はアクチュエータ7から所定の距離の範囲内に配置されることが好ましい。さらに中段スライド部10とアクチュエータ7はZ方向に沿って並べられて配置されることがより好ましい。このような配置により、アクチュエータ7での発熱が下段ステージ202へ伝熱する経路をより短くでき、中段テーブル3の温度上昇を抑制できる。
【0027】
中段レール部11は、下段ステージ202の上にY方向に沿って配置される。中段スライド部10と中段レール部11は高硬度であって高精度に加工可能な材質であることが好ましく、例えば鉄鋼材が用いられる。Y方向に沿って配置される中段レール部11の上を中段スライド部10が摺動することにより、中段テーブル3の移動方向はY方向に制限される。すなわち、中段テーブル3は、中段スライド部10と中段レール部11によりY方向に案内される。
【0028】
接続部12は、中段テーブル3と中段スライド部10の間に配置され、中段スライド部10が変形する方向を制限しながら、中段テーブル3と中段スライド部10を接続する。接続部12の詳細については図4乃至6を用いて後述する。
【0029】
中段テーブル3には中段用リニアモータの可動子8も接続される。可動子8が、下段ステージ202に固定される中段用リニアモータの固定子9の上を移動することにより、中段テーブル3がY方向に駆動される。本実施例では可動子8をコイル部品で、固定子9を磁石部品で構成する。このような構成により、中段テーブル3側を軽量化でき中段テーブル3の動作の制御性が良くなる。なお、コイル部品で構成される可動子8での発熱を中段テーブル3に伝えにくくするために、可動子8と中段テーブル3との間に熱伝導率が低い材質を介在させても良い。
【0030】
次に下段ステージ202について説明する。下段ステージ202は、下段テーブル4と下段スライド部13と下段レール部14を有する。
【0031】
下段テーブル4はXY面にひろがる平板であり、下段テーブル4には中段レール部11が固定され、中段ステージ201が搭載される。下段テーブル4には、熱伝導率が高く、軽量な材質が好ましく、例えばアルミニウムやアルミニウム合金が用いられる。下段テーブル4にアルミニウム合金のような材質が用いられることにより、中段ステージ201及び上段ステージ200での発熱をより小さな温度差で伝熱させることができる。
【0032】
下段スライド部13は、下段レール部14とともに下段テーブル4の移動方向を制限するガイド部として機能し、下段レール部14の上を摺動できるように転動体を有する。本実施例では4つの下段スライド部13のそれぞれが下段テーブル4の四隅に配置される。
【0033】
下段レール部14は、ベース部5の上にX方向に沿って配置される。下段スライド部13と下段レール部14は高硬度であって高精度に加工可能な材質であることが好ましく、例えば鉄鋼材が用いられる。X方向に沿って配置される下段レール部14の上を下段スライド部13が摺動することにより、下段テーブル4の移動方向はX方向に制限される。すなわち、下段テーブル4は、下段スライド部13と下段レール部14によりX方向に案内される。
【0034】
下段テーブル4には下段用リニアモータの可動子16も接続される。可動子16が、ベース部5に固定される下段用リニアモータの固定子17の上を移動することにより、下段テーブル4がX方向に駆動される。
【0035】
次にベース部5について説明する。ベース部5は試料室102の一部であり、ベース部5には下段レール部14が固定され、下段ステージ202が搭載される。ベース部5には、熱伝導率が高く、軽量な材質が好ましく、例えばアルミニウムやアルミニウム合金が用いられる。ベース部5は下段テーブル4と同じ材質であることが好ましく、両者を同じ材質とすることにより熱膨張の差によって生じる熱変形を抑制できる。
【0036】
ベース部5の内部には冷却管15が設けられ、冷却管15内を冷却水が流れることにより試料室102内が所定の温度に保たれる。ベース部5にアルミニウム合金のような熱伝導率の高い材質が用いられることにより、ステージ装置105での発熱をより小さな温度差で伝熱させることができ、温度差によって生じる熱変形を抑制できる。
【0037】
以上説明したように、本実施例のステージ装置105は、上段テーブル2と中段テーブル3がセラミックス複合材であって、下段テーブル4がアルミニウムまたはアルミニウム合金である。すなわち、上段テーブル2と中段テーブル3の材質は下段テーブル4の材質よりも熱膨張係数が小さく、下段テーブル4の材質は上段テーブル2と中段テーブル3の材質よりも熱伝導率が高い。このような構成により、上段テーブル2と中段テーブル3の熱膨張は小さくかつ等しく、ステージ装置105での発熱は下段テーブル4を有する下段ステージ202を介してステージ装置105の外へ逃がされる。その結果、試料103を搭載する上段テーブル2の熱変形と温度上昇を低減させることができる。
【0038】
図4乃至6を用いて接続部12について説明する。図4は斜視図であり、構造の理解を助けるために一部透視図となっている。図5図6はXZ面での断面図であって、中段スライド部10が変形する前と後をそれぞれ示す図である。なお、図6は実際に生じる変形を拡大して、模式的に示した図である。また、図4乃至6は4つの接続部12の中の一つを示した図である。
【0039】
接続部12は、Y方向を回転軸とする中段スライド部10の変形に対する剛性が、X方向やZ方向を回転軸とする中段スライド部10の変形に対する剛性よりも低くなるように、中段テーブル3と中段スライド部10を接続する部材である。接続部12はネジ33により中段テーブル3に固定され、ネジ34により中段スライド部10に固定される。接続部12が中段スライド部10に接触する面は、X方向よりもY方向に長い形状を有する。
【0040】
前述のように、中段テーブル3は下段テーブル4よりも熱膨張係数が小さいので、ステージ装置105の温度が上昇すると、中段テーブル3よりも下段テーブル4の熱膨張量が大きくなる。その結果、図6中の矢印で示すように相対的に、中段テーブル3は−X方向に、下段テーブル4は+X方向に変位し、両者の間に変位差60が生じる。このような変位に対して、中段テーブル3と中段スライド部10は接続部12によって接続されているので、中段スライド部10がY方向を回転軸として傾き、この傾きにより変位差60が吸収される。
【0041】
なお、中段スライド部10は、転動体を介して中段レール部11に接触しており、中段スライド部10と中段レール部11との接触面積は小さく、中段スライド部10がY方向を回転軸として傾くことに対する反力は比較的小さい。このため、変位差60を原因としてテーブルが湾曲するような変形を避けることができる。また中段テーブル3と下段テーブル4の間のY方向の変位差は、中段テーブル3と下段テーブル4がY方向に相対的に移動可能であることによりテーブルが湾曲するような変形は生じない。
【0042】
図7を用いてアクチュエータ7について説明する。図7の上側は図2と同じ方向から見た図であり、2点鎖線でつないだ下側の図は2点鎖線の方向に投影された図である。アクチュエータ7は、上側斜面部19、下側斜面部20、超音波モータ21を有する。
【0043】
上側斜面部19は、XY面に対して傾斜する斜面を有し、上段テーブル2に固定される。下側斜面部20は、XY面に対して傾斜する斜面を有し、中段テーブル3に固定される。下側斜面部20の上には、上側斜面部19が摺動面70にそって摺動できるように配置され、Y方向への移動は制限される。摺動面70には転動体を介在させても良い。
【0044】
超音波モータ21は下側斜面部20に固定され、内部に備える発振子を高速に振動させることによりアーム22を図中の両側矢印の方向に駆動する。アーム22は上側斜面部19と押し付け接触しており、アーム22の駆動により上側斜面部19が摺動面70にそって移動する。上段テーブル2は上側斜面部19とともに移動し、例えば2’、19’の位置から2、19の位置へ移動する。上段テーブル2が上側斜面部19とともに移動することにより、上段テーブル2のZ方向の位置を制御できる。なお、上段テーブル2がX方向に移動した分は、下段テーブル4を移動させることで相殺される。また、本実施例では、上側斜面部19がX方向に移動するが、このアクチュエータの設置方向を90°変えて、Y方向に移動する向きに設置してもよい。その場合は、Z方向に移動させるためにY方向に移動した分を、中段テーブルが逆方向に動くことで相殺させる。
【0045】
なお、超音波モータ21を下側斜面部20に固定することにより、超音波モータ21の発熱が上段テーブル2に直接伝熱することを抑制できる。また摺動面70に転動体を介在させることにより、摺動面70での摩擦が低減でき、超音波モータ21の負荷や摩擦熱を低減できる。さらに、転動体を介在させることは摺動面70での接触面積を小さくできるので、摺動面70を介した伝熱を抑制できる。以上述べたように、図7に示すアクチュエータ7によれば、上段テーブル2の温度上昇を抑制することができる。
【0046】
上記構成を総合的に用いることにより、第1に、上段テーブルと中段テーブルの材質がそろえられ、両者の膨張率が異なる際に生じる熱変形を防止できる。次に、この熱変形の防止によって、上段ステージの形状が保たれ、そこに設置されているミラーが傾くことが防止される。位置計測を行う際、レーザー干渉計を用いて、レーザーをミラーに当てて反射させ、入射光と反射光を干渉させると、非常に高精度な距離の計測ができる。しかし、その際、ミラーの反射面にわずかな傾きが生じると、計測している距離が変化し、その変化量がステージの位置誤差につながる。よって、上段テーブルと中段テーブルの膨張率をそろえることで上段テーブルの変形を防ぐことは、そこに設置するミラーの傾きを防止することを通じてステージの位置精度を高めることを可能にする。
【0047】
また、たとえ上段テーブルと中段テーブルの材質をそろえていても、アルミニウム合金のようにより線膨張係数が大きい材料を用いた場合は、両者のわずかな温度差によって生じる膨張量の差が、上段ステージが反ってしまう変形につながる。また、アルミナのようなセラミックス材を用いて両者の材質をそろえると、熱変形は抑えられるが、温度上昇が大きくなってウェハの熱膨張が生じてしまう。よって、アルミニウムをマトリクス材に用いたセラミックス複合材を用いて、上段テーブルと中段テーブルの材質をそろえることで、上記の問題がはじめて解決される。
【0048】
次に、真空中に設置されるステージ装置に対しては、空気を介しての放熱ができないため、固体の熱伝導のみで放熱がなされる。よって上下に相対するステージどうしでは、ガイド機構のみが固体接触している箇所となるため、ガイド機構を通じて放熱が行われる。このため、上・中・下の三段で構成されたステージ装置の場合、上段ステージで発生した熱は、ガイド機構を通じて、中段ステージに伝わり、中段ステージでは、中段ステージを動かすために生じた熱と、上段ステージから伝えられた熱の合計を下段ステージに伝えることになる。さらに、下段ステージは上・中・下の三段全てで発生した熱はガイド機構を通じてそのベース部分に流すことになる。よって、もっとも通過熱量が大きい下段ステージのテーブル部品に対して、セラミックス複合材よりも熱伝導率が高いアルミニウム合金を用いることで、下段ステージの温度上昇をより低減することが可能になる。また、下段ステージの温度上昇を抑制することは、その上に載っている中段ステージと上段ステージの温度も下げることにつながり、最終的にウェハの温度上昇を防止し、ウェハの熱膨張を抑えることが可能になる。
【0049】
上記の構成を用いた場合、中段テーブルと下段テーブルの材質が異なることになり、両者の線膨張係数の違いによって、ステージが反ってしまう可能性がある。これに対して、中段ステージのガイド機構と中段テーブルの間に曲げ剛性を低下させる機構を介していることで、中段テーブルと下段テーブルの膨張差による反りが抑制される。すなわち、下段テーブルがアルミニウム合金であることで、より膨張する場合、下段テーブルに固定されるレールの間隔がより広がり、それにつながる中段テーブルはそこまで広がらないことになる。ガイドレールの間隔が広がるとそれに拘束されるスライド部品の間隔も広がり、その変位によって中段テーブルを広げようとする力が働くが、スライド部品と中段テーブルの間の部品がガイド軸に対して回転方向に変形することで、スライド部品の変位が吸収される。これにより、中段テーブルを広げようとする力が低減され、中段テーブルの湾曲が抑制される。また、この仕組みだけでは中段テーブルの熱変形を抑制しきれなかった分に関して、上段テーブルとの間に機構部品が介されることで、ここで変形の吸収により、上段テーブルの湾曲は問題ないレベルに低減される。これらのことにより、異なる材質を組み合わせて用いることで生じる熱変形が抑えられ、ミラーを設置するテーブルの湾曲がなくなり、これによってミラーの反射面のわずかな角度変化もなくことで、反射面の距離計測の精度が向上し、これによって試料の位置が把握される精度が高まり、高精度な位置決め制御が可能となるステージ装置を実現することができ、かつ、高精度な荷電粒子線装置を実現できる。
【実施例2】
【0050】
実施例1では、上段テーブル2をZ方向に移動させるアクチュエータ7として図7に示す構成について説明した。上段テーブル2をZ方向に移動させるアクチュエータは図7に示す構成には限られないので、本実施例では他の構成について説明する。
【0051】
図8を用いて、上段テーブル2をZ方向に移動させるアクチュエータ24について、図7と対比させながら説明する。図8では、図7の上側斜面部19が上側斜面部23に置き換えられる。また本実施例では、上段テーブル2のX方向への移動を制限する図示しない部材が追加される。
【0052】
上側斜面部23は、XY面に対して傾斜する斜面を有し、上段テーブル2には固定されず、摺動面80を介して上段テーブル2に接する。なお、上側斜面部23が、下側斜面部20の上に摺動面70にそって摺動でき、Y方向への移動が制限されることと、超音波モータ21が下側斜面部20に固定されることは実施例1と同じである。
【0053】
超音波モータ21のアーム22の駆動により、上側斜面部23が摺動面70にそって移動し、例えば23’の位置から23の位置へ移動する。上段テーブル2は、上側斜面部23の移動にともなって、摺動面80で摺動しながらZ方向に移動し、例えば2’の位置から2の位置へ移動する。図8に示す構成によれば、下段テーブル4の移動が不要になるので、実施例1よりも位置の制御を容易にできる。
【0054】
図9を用いて、上段テーブル2をZ方向に移動させるアクチュエータ25について、図7と対比させながら説明する。図9では、図7の下側斜面部20が下側斜面部26に置き換えられるとともに、超音波モータ21の代わりにモータ28とネジ軸29が備えられる。また本実施例では、上段テーブル2のX方向への移動を制限する図示しない部材が追加される。
【0055】
下側斜面部26は、XY面に対して傾斜する斜面を有し、中段テーブル3には固定されず、摺動面90を介して中段テーブル3に接する。なお、上段テーブル2が上側斜面部19に固定されることと、上側斜面部19が下側斜面部26の上に摺動面70にそって摺動できるように配置され、Y方向への移動が制限されることは実施例1と同じである。
【0056】
モータ28は中段テーブル3に固定され、ネジ軸29を介して下側斜面部26に接続される。モータ28とネジ軸29は、いわゆるボールネジ機構を構成し、モータ28の回転動作がネジ軸29の直線動作に変換されることにより、下側斜面部26がX方向に移動し、例えば26’の位置から26の位置へ移動する。上側斜面部19に固定される上段テーブル2は、下側斜面部26の移動にともなってZ方向に移動し、例えば2’の位置から2の位置へ移動する。
【0057】
図9に示す構成によれば、下段テーブル4の移動が不要になるので、実施例1よりも位置の制御を容易にできる。また、モータ28が中段テーブル3に固定されるので、モータ28の発熱が上段テーブル2に直接伝熱するのを防ぐことができる。
【実施例3】
【0058】
実施例1では、中段テーブル3に接続される中段用リニアモータの可動子8をコイル部品で、下段ステージ202に固定される中段用リニアモータの固定子9を磁石部品で構成することについて説明した。本実施例では両部品を入れ替える構成について説明する。
【0059】
図10を用いて、本実施例について説明する。本実施例では、中段テーブル3に接続される中段用リニアモータの可動子30を磁石部品で、下段ステージ202に固定される中段用リニアモータの固定子31をコイル部品で構成する。このような構成により、コイル部品で構成される固定子31での発熱が中段テーブル3に伝熱することを抑制でき、中段テーブル3の温度上昇を小さくすることができる。
【0060】
また、本実施例では、下段テーブル4と下段スライド部13との間に、両者を接続する接続部32を設けても良い。接続部32は、X方向を回転軸とする下段スライド部13の変形に対する剛性が、Y方向やZ方向を回転軸とする下段スライド部13の変形に対する剛性よりも低くなるように、下段テーブル4と下段スライド部13を接続する部材である。接続部32が下段スライド部13に接触する面は、Y方向よりもX方向に長い形状を有する。
【0061】
下段テーブル4と下段スライド部13が接続部32によって接続されることにより、下段テーブル4とベース部5との間にY方向での変位差が生じても、下段スライド部13がX方向を回転軸として傾くので、この傾きによりY方向での変位差は吸収される。
【0062】
以上、複数の実施例について説明したが、本発明のステージ装置105および荷電粒子線装置100は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。
【符号の説明】
【0063】
1:チャック、2:上段テーブル、3:中段テーブル、4:下段テーブル、5:ベース部、7:アクチュエータ、8:中段用リニアモータの可動子、9:中段用リニアモータの固定子、10:中段スライド部、11:中段レール部、12:接続部、13:下段スライド部13、14:下段レール部、15:冷却管、16:下段用リニアモータの可動子、17:下段用リニアモータの固定子、19:上側斜面部、20:下側斜面部、21:超音波モータ、22:アーム、23:上側斜面部、24:アクチュエータ、25:アクチュエータ、26:下側斜面部、28:モータ、29:ネジ軸、30:中段用リニアモータの可動子、31:中段用リニアモータの固定子、32:接続部、33:ネジ、34:ネジ、60:変位差、70:摺動面、80:摺動面、90:摺動面、100:荷電粒子線装置、101:電子光学系鏡筒、102:試料室、103:試料、104:除振マウント、105:ステージ装置、106:レーザー干渉計、107:レーザー光、108:ミラー、108x:ミラー、108y:ミラー、109:コントローラ
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10