知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
特許7189847磁気浮上ステージ装置、および、それを用いた荷電粒子線装置または真空装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-06
(45)【発行日】2022-12-14
(54)【発明の名称】磁気浮上ステージ装置、および、それを用いた荷電粒子線装置または真空装置
(51)【国際特許分類】
H01L 21/68 20060101AFI20221207BHJP
H02K 33/18 20060101ALI20221207BHJP
【ＦＩ】
H01L21/68 K
H02K33/18 A
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2019136016
(22)【出願日】2019-07-24
(65)【公開番号】P2021022582
(43)【公開日】2021-02-18
【審査請求日】2022-02-14
(73)【特許権者】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】高橋 宗大
(72)【発明者】
【氏名】小川 博紀
(72)【発明者】
【氏名】加藤 孝宜
(72)【発明者】
【氏名】高橋 弘樹
(72)【発明者】
【氏名】江藤 隼
【審査官】内田 正和
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１８４６００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－３８７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１７８３１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００９／１２８３２１（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／６８
Ｈ０２Ｋ ３３／１８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
試料を載置する試料台を有する浮上部と、該浮上部の下方に配置した非浮上部と、
前記浮上部の下部に設けた水平推力ヨークと、前記非浮上部の上部に設けた水平推力コイルを有し、該水平推力コイルにコイル電流を流したときに、前記浮上部に水平推力を与える水平推力モータと、
前記浮上部の下部に設けた垂直推力ヨークと、前記非浮上部の上部に設けた垂直推力コイルを有し、該垂直推力コイルにコイル電流を流したときに、前記浮上部に垂直推力を与える垂直推力モータと、
を具備する磁気浮上ステージ装置であって、
前記浮上部の下部には、前記水平推力ヨークから突出した前記水平推力コイルの端部と対向する位置に垂直推力アシストヨークを設けており、
前記水平推力コイルにコイル電流を流したときに、前記水平推力ヨークで前記水平推力が発生すると同時に、前記垂直推力アシストヨークで垂直方向のアシスト推力も発生することを特徴とする磁気浮上ステージ装置。
【請求項2】
前記水平推力コイルは、矩形の略ロ字形状に巻かれたコイルであり、前記垂直推力アシストヨークは、前記水平推力コイルの長手方向の端部と対向するように前記浮上部の下部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上ステージ装置。
【請求項3】
前記垂直推力アシストヨークは、前記水平推力コイルの前記端部を内周側から外周側に、あるいは、外周側から内周側に横切る磁束を発生させる垂直推力アシスト磁石を有することを特徴とする請求項２に記載の磁気浮上ステージ装置。
【請求項4】
前記非浮上部には、前記水平推力コイルの前記端部の下方であって、前記垂直推力アシスト磁石と対向する位置に重力補償を行う重力補償磁石を配置したことを特徴とする請求項３に記載の磁気浮上ステージ装置。
【請求項5】
前記浮上部の投影面内の略中心で直交する二軸をＸ軸とＹ軸としたとき、前記水平推力モータは、Ｘ方向のＸ推力を発生させる一対のＸモータと、Ｙ方向のＹ推力を発生させる一対のＹモータであり、
ＸＹ平面の第一象限に一方のＹモータの水平推力ヨークを配置し、第二象限に一方のＸモータの水平推力ヨークを配置し、第三象限に他方のＹモータの水平推力ヨークを配置し、第四象限に他方のＸモータの水平推力ヨークを配置したことを特徴とする請求項３に記載の磁気浮上ステージ装置。
【請求項6】
前記Ｘモータの水平推力コイルの長手方向の端部と対向するＸ軸上に垂直推力アシストヨークを配置し、前記Ｙモータの水平推力コイルの長手方向の端部と対向するＹ軸上に垂直推力アシストヨークを配置したことを特徴とする請求項５に記載の磁気浮上ステージ装置。
【請求項7】
前記水平推力コイルは、矩形の略ロ字形状に巻かれたコイルの端部を９０度曲げて成型したものであり、前記垂直推力アシストヨークは、前記水平推力コイルの曲げた端部の両面と対向するように前記浮上部の下方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上ステージ装置。
【請求項8】
請求項１から請求項７の何れか一項に記載の磁気浮上ステージ装置と、該磁気浮上ステージ装置の前記試料台の上方に設置した電子光学系鏡筒と、
を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項9】
請求項１から請求項７の何れか一項に記載の磁気浮上ステージ装置と、該磁気浮上ステージ装置を酋長する真空チャンバと、
該真空チャンバを減圧する真空ポンプと、
を有することを特徴とする真空装置。
【請求項10】
試料を載置する試料台を有する浮上部と、該浮上部の下方に配置した非浮上部と、前記浮上部の下部に設けた水平推力ヨークと前記非浮上部の上部に設けた水平推力コイルを有し該水平推力コイルにコイル電流を流したときに前記浮上部に水平推力を与える水平推力モータと、前記浮上部の下部に設けた垂直推力ヨークと前記非浮上部の上部に設けた垂直推力コイルを有し該垂直推力コイルにコイル電流を流したときに前記浮上部に垂直推力を与える垂直推力モータと、前記浮上部の下部かつ前記水平推力ヨークから突出した前記水平推力コイルの端部と対向する位置に設けた垂直推力アシストヨークと、を具備する磁気浮上ステージ装置のアシスト推力生成方法であって、前記水平推力コイルにコイル電流を流すことで、前記水平推力ヨークで前記水平推力を生成すると同時に、前記垂直推力アシストヨークで垂直方向のアシスト推力を生成することを特徴とする磁気浮上ステージ装置のアシスト推力生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、磁気浮上ステージ装置、および、それを用いた荷電粒子線装置または真空装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体ウエハ等のデバイスを載置したテーブルを正確に位置決めして支持する多点支持アセンブリとして特許文献１に記載のデバイスステージアセンブリが知られている。
【0003】
この特許文献１のデバイスステージアセンブリは、同文献の請求項１に記載されるように、デバイスを保持するデバイスステージと、可動子ハウジングと、支持アセンブリと、制御システムとを含むものであり、支持アセンブリは、デバイスステージに接続された少なくとも４つの離間したＺデバイスステージ移動装置を含み、デバイスステージを可動子ハウジングに対して移動させる。制御システムは、Ｚデバイスステージ移動装置よってデバイスステージの移動中にデバイスステージの変形を抑制するようにＺデバイスステージ移動装置を制御する。
【0004】
特許文献１のＺデバイスステージ移動装置は、デバイスステージにＺ軸（垂直）方向の力を与えて磁気浮上させるためのものであり、磁石と導体を含み、導体を通る電流は、導体を磁石の磁場と相互作用させ、磁石と導体との間に力（ローレンツ力）を発生させる。このＺデバイスステージ移動装置は、デバイスステージを、Ｚ軸に沿って、Ｘ軸周りに、およびＹ軸周りに選択的に移動および支持する（同文献、第００５８段落から第００６１段落等を参照）。
【0005】
また、デバイスステージアセンブリは、ステージ移動アセンブリを含む（同文献、第００２８段落等を参照）。ステージ移動アセンブリは、可動子ハウジング、ガイドアセンブリ、流体軸受、磁気ベアリングまたはローラーベアリングなどによって構成され、可動子ハウジングをＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる（同文献、第００３５段落から第００４０段落等を参照）。制御システムは、ステージ移動アセンブリおよび支持アセンブリを制御して、デバイスステージおよびデバイスを正確に位置決めする（同文献、第００７８段落等を参照）。
【0006】
また、特許文献２では、ＸモータをＺモータで使用するコイルをアンプ側で切り替えて、ＸおよびＺの駆動を行うステージが開示されている。この特許文献２では、テーブルにＸヨーク、Ｚヨークを配置し、ベースに平面状に敷き詰めたコイルアレイに電流を流してステージに推力を与える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】米国特許出願公開第２００２／０１３７３５８号公報
【文献】特開平１１－０６９７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
半導体ウエハの製造、測定、検査などの工程では、半導体ウエハの正確な位置決めを行うために、上記したデバイスステージアセンブリのようなステージ装置が用いられる。このようなステージ装置においては、半導体ウエハの位置決め時間の短縮のために、位置決めの高速化および高加速化が求められている。
【0009】
しかしながら、従来のデバイスステージアセンブリは、たとえば半導体ウエハの位置決め時間の短縮のために、デバイスステージの位置決めの高速化および高加速化を図ると、デバイスステージの慣性力と推力の高さの差によるピッチングモーメントが増大し、これに対抗するためにＺデバイスステージ移動装置を大型化する必要があるが、この大型化に伴い、Ｚデバイスステージ移動装置からの磁場の漏れが増大する。
【0010】
ステージ装置における磁場の漏れは、たとえば電子顕微鏡などの荷電粒子線装置において電子ビームの歪みを生じさせ、電子ビームの照射精度を低下させるという問題がある。一方で、磁場の影響を低減させるために、デバイスステージのモータを試料面からより低い位置に移動させた場合、慣性力と推力の高さの差が増大時、同様にピッチングモーメントの増大を招き、デバイスステージアセンブリが大型化し応答性の低下を招く。
【0011】
そこで、本発明は、Ｚモータの大型化を伴うことなく、位置決めの高速化および高加速化が可能であり、かつ磁場の漏れを抑制可能な磁気浮上ステージ装置、および、それを用いた荷電粒子線装置または真空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】
【0012】
上記課題を解決するため、本発明の磁気浮上ステージ装置は、試料を載置する試料台を有する浮上部と、該浮上部の下方に配置した非浮上部と、前記浮上部の下部に設けた水平推力ヨークと、前記非浮上部の上部に設けた水平推力コイルを有し、該水平推力コイルにコイル電流を流したときに、前記浮上部に水平推力を与える水平推力モータと、前記浮上部の下部に設けた垂直推力ヨークと、前記非浮上部の上部に設けた垂直推力コイルを有し、該垂直推力コイルにコイル電流を流したときに、前記浮上部に垂直推力を与える垂直推力モータと、を具備するものであって、前記浮上部の下部には、前記水平推力ヨークから突出した前記水平推力コイルの端部と対向する位置に垂直推力アシストヨークを設けており、前記水平推力コイルにコイル電流を流したときに、前記水平推力ヨークで前記水平推力が発生すると同時に、前記垂直推力アシストヨークで垂直方向のアシスト推力も発生する磁気浮上ステージ装置とした。
【発明の効果】
【0013】
本発明の磁気浮上ステージ装置によれば、Ｚモータの大型化を伴うことなく、位置決めの高速化および高加速化が可能であり、かつ磁場の漏れを抑制することができるため、例えば荷電粒子線装置に組み込んだ際に、電子ビームの照射精度に与える悪影響を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】従来の磁気浮上ステージ装置の概略構成を示す概念図。
【図2】従来の磁気浮上ステージ装置での反力とモーメントの作用を示す概念図。
【図3】実施例１の磁気浮上ステージ装置の概略構成を示す概念図。
【図4】実施例１の磁気浮上ステージ装置での反力とモーメントの作用を示す概念図。
【図5】実施例１の磁気浮上ステージ装置の全体構成を説明する斜視図。
【図6】実施例１の磁気浮上ステージ装置のトップテーブルを非表示にした斜視図。
【図7】実施例１の非浮上部の構造を説明する斜視図。
【図8】実施例１の浮上部の構造を説明する斜視図。
【図9】実施例１のＺアシスト推力を説明する斜視図。
【図10】実施例１のＸモータの構造図。
【図11A】実施例１のＸモータの側面図。
【図11B】実施例１のＸモータの平面図。
【図12】実施例１のＸモータのＸＺ平面での断面図。
【図13】実施例１のＸモータのＹＺ平面での断面図。
【図14】Ｚ推力アシスト機能が成立しないモータ配置の例。
【図15】Ｚ軸回りのモーメントを補償できないモータ配置の例。
【図16】Ｚ推力アシスト機能が成立するモータ配置の例。
【図17】Ｚ推力アシストモータの設計手法を説明する図。
【図18A】実施例２の浮上部の構造を説明する斜視図。
【図18B】実施例２のＸモータの構造図。
【図18C】実施例２のＸモータの断面図。
【図19】実施例３の荷電粒子線装置の概念図。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面を参照して、本発明に係る磁気浮上ステージ装置、および、それを用いた荷電粒子線装置、真空装置の実施例を説明する。
【0016】
【0017】
図１は、従来の磁気浮上ステージ装置の概略構成を示す概念図である。ここに示す磁気浮上ステージ装置は、半導体ウエハ等の試料を載置したトップテーブル１（浮上部）をＸテーブル７Ｘ（非浮上部）に対して磁気浮上させたものであり、後述する各ガイドを利用した粗動と、後述する各モータを利用した微動の二種類の動きにより、半導体ウエハ等の試料を水平方向に移動させるものである。また、後述する各モータを利用することで、非浮上部に対して浮上部が、６自由度で位置決めされて相対移動するものである。
【0018】
図１に示すように、浮上部の主部であるトップテーブル１の上面には、バーミラー２と試料台３が固定されている。試料台３には、半導体ウエハ３ａなどの試料サンプルを載せ、バーミラー２を後述するレーザ干渉計１４０などで測定することで試料の位置を把握する。また、非浮上部の主部であるＸテーブル７Ｘの上面には、Ｘコイル５ＸとＺコイル５Ｚが設置されており、トップテーブル１の下面には、Ｘヨーク６ＸとＺヨーク６Ｚが固定されている。Ｘコイル５ＸとＸヨーク６Ｘによって、Ｘ方向のＸ推力ＦＸを発生させるボイスコイルモータ４（以降、Ｘモータ４Ｘ）が構成され、Ｚコイル５ＺとＺヨーク６Ｚによって、Ｚ方向のＺ推力ＦＺを発生させるボイスコイルモータ４（以降、Ｚモータ４Ｚ）が構成される。また、図１には示していないが、Ｘテーブル７Ｘ上面のＹコイル５Ｙとトップテーブル１下面のＹヨーク６Ｙによって、Ｙ方向のＹ推力ＦＹを発生させるボイスコイルモータ４（以降、Ｙモータ４Ｙ）も構成されている。以下では、Ｘモータ４ＸとＹモータ４Ｙは、構成が同等であり、設置方向だけが異なるものとする。以上の構成においては、Ｘモータ４ＸとＹモータ４Ｙが水平推力モータとなり、Ｚモータ４Ｚが垂直推力モータとなる。
【0019】
非浮上部のＸテーブル７Ｘは、例えば車輪とレールからなるＸガイド８Ｘにより案内され、Ｘ方向に数百ｍｍの距離を移動可能である。また、浮上部のトップテーブル１は、非浮上部のＸテーブル７Ｘに対して、数ｍｍの範囲を移動する。すなわち、図１に示す磁気浮上ステージ装置の磁気浮上機構は、微動機構としての機能を担うものである。
【0020】
図２は、図１のトップテーブル１を高速移動させる推力が作用した場合の反力とモーメントを示す図である。ここに示すように、トップテーブル１を高速移動させるために、Ｘモータ４ＸでＸ推力ＦＸを＋Ｘ方向に発生させた場合、トップテーブル１およびそれに固定されたミラーやヨーク等の質量による慣性力ＦＩが－Ｘ方向に生じる。一般的に、トップテーブル１に搭載される試料台３やバーミラー２は、寸法が大きいことや、セラミクス材料が使用されるため重量が大きいため、トップテーブル１を含む浮上部の重心は、高い位置となりやすい。また、磁場漏れを発生させるＸモータ４ＸやＺモータ４Ｚは、荷電粒子線装置での利用も想定した磁気浮上ステージ装置では、トップテーブル１の下方に配置されている。この結果、Ｘ推力ＦＸと慣性力ＦＩのＺ方向の距離は大きくなりやすく、これらの偶力によって生じるＹ軸回りの回転モーメントＭＹが大きくなりやすい。そこで、このモーメントＭＹを補償するために、従来の磁気浮上ステージ装置では、Ｚモータ４Ｚに大きなＺ推力ＦＺが必要となる。そのため、従来は、Ｚモータ４Ｚの大推力化、大型化が避けられず、可動質量の増大による応答性の低下、浮上部の共振周波数低下が障害となり、高速化が困難であるという問題があった。
【実施例1】
【0021】
【0022】
図３は、本実施例の磁気浮上ステージ装置１００の概略構成を示す概念図であり、図４は、図２と同様にトップテーブル１の加速時の推力とモーメントの作用を示す概念図である。両図に示すように、この磁気浮上ステージ装置１００は、Ｘモータ４ＸにＺ軸方向のＺアシスト推力ＦＺＡを発生させる機能を付加することで、Ｚモータ４ＺのＺヨーク６Ｚを小型化し、浮上部の軽量化、固有振動数の向上を実現するものである。そして、Ｘモータ４Ｘで発生させたＺアシスト推力ＦＺＡにより、加速時の回転モーメントＭＹに対抗する対抗モーメントＭＡを発生させるものである。
【0023】
図５に、本実施例の磁気浮上ステージ装置１００の全体構成の斜視図を示す。ここに示すように、磁気浮上ステージ装置１００は、ベース９の上にＹテーブル７Ｙが積載されており、このＹテーブル７ＹはＹガイド８ＹによってＹ方向に案内される。また、Ｙテーブル７Ｙの上にＸテーブル７Ｘが積載されており、このＸテーブル７ＸはＸガイド８ＸによってＸ方向に案内される。更に、Ｘテーブル７Ｘの上に、トップテーブル１などの浮上部が微動機構として位置決めされる。
【0024】
図６は、図５のトップテーブル１、バーミラー２、試料台３を非表示にすることで、各モータの構造を明示した斜視図である。ここに示すように、本実施例では、Ｘテーブル７Ｘの上に、一対のＸコイル５Ｘと一対のＹコイル５Ｙが互い違いに配置されており、これらによって浮上部側の一対のＸヨーク６Ｘと一対のＹヨーク６ＹにＸ推力ＦＸまたはＹ推力ＦＹを与えている。また、Ｘテーブル７Ｘの上には、浮上部のＺ方向の変位を計測するＺセンサ１０Ｚが３個設置されている。
【0025】
次に、図７と図８の斜視図を用いて、磁気浮上ステージ装置の非浮上部と浮上部の構成を更に詳細に説明する。従来の磁気浮上ステージ装置と同様に、本実施例の磁気浮上ステージ装置１００も、図７の非浮上部に対して、図８の浮上部が６自由度を位置決めされて相対移動するものである。
【0026】
図７に示すように、Ｘテーブル７Ｘ上に設けられたＸコイル５ＸとＹコイル５Ｙは、矩形の略ロ字形状をしており、Ｘテーブル７Ｘ上に設けられたＺコイル５Ｚは略円筒形状をしている。これらのコイルは、丸線や角線の電線を数十から数百週巻いた後、樹脂でモールドし固めて製作される。図８のＸヨーク６ＸとＹヨーク６Ｙを軽量かつ低磁場とするために、図７のＸコイル５ＸとＹコイル５Ｙの厚みを薄くし、各ヨークの磁束密度を維持している。また、図７のＺコイル５Ｚに電流ＩＺを流すことで、図８のＺモータ４ＺのＺヨーク６Ｚに対して、Ｚ推力ＦＺを与えている。
【0027】
また、図８に示すように、Ｘモータ４ＸやＹモータ４Ｙに流れるコイル電流ＩＸ、ＩＹを利用して、Ｚ方向の推力を発生させるモータ（以降、Ｚアシストモータ４ＺＡ）を構成するための四個のアシストヨーク（以降、Ｚアシストヨーク６ＺＡ）が、トップテーブル１の下面に設置されている。
【0028】
図９は、本実施例のＸモータ４Ｘにより構成されるＺアシストモータ４ＺＡの作用を説明する図である。この図では、対称配置された一対のＺアシストヨーク６ＺＡに、上向きと下向きのＺアシスト推力ＦＺＡを発生させることで、加速時に発生する回転モーメントＭＹと対抗する対抗モーメントＭＡを発生させた状態を示している。
【0029】
図１０は、図９の一方のＸモータ４Ｘの近傍を拡大表示した斜視図である。ここに示すように、Ｘコイル５ＸはＸヨーク６Ｘの両側に突出しており、また、このＸコイル５Ｘにはコイル電流ＩＸが図示する方向に流れている。そして、Ｘコイル５Ｘの突出部の上方では、Ｚアシストヨーク６ＺＡがトップテーブル１の下面に固定されており、また、Ｘコイル５Ｘの突出部の下方では、重力補償用の永久磁石１１ＧがＸテーブル７Ｘの上面に固定される。ここに示す構成により、Ｘヨーク６Ｘとそれと対向するＸコイル５ＸによりＸ推力ＦＸを発生させるＸモータ４Ｘが形成され、Ｚアシストヨーク６ＺＡとそれと対向するＸコイル５ＸによりＺアシスト推力ＦＺＡを発生させるＺアシストモータ４ＺＡが形成される。
【0030】
【0031】
次に、図１２を用いて、本実施例のＸモータ４Ｘの動作原理を説明する。図１２は、図１１Ｂの平面ＰでのＸモータ４Ｘの断面図である。ここに示すように、Ｘモータ４Ｘは、Ｘヨーク６Ｘの内側に固定された永久磁石１１Ｘにより、図中で反時計回りに示す磁束ＭＦのような磁気回路が形成される。そして、Ｘコイル５Ｘにコイル電流ＩＸが流すと、Ｘモータ４ＸではＸ推力ＦＸが発生する。
【0032】
続けて、図１３を用いて、Ｚアシストモータ４ＺＡの動作原理を説明する。図１３は、図１１Ｂの平面ＱでのＺアシストモータ４ＺＡの断面図である。ここに示すように、Ｚアシストヨーク６ＺＡの下面に設置した一対の永久磁石１１ＺＡにより、Ｘコイル５Ｘ内をＹ方向に内周側から外周側に横切る磁束ＭＦを発生させる。そして、Ｘコイル５Ｘにコイル電流ＩＸを流すと、Ｚアシストモータ４ＺＡではＺアシスト推力ＦＺＡが発生する。また、非浮上部側の永久磁石１１Ｇと浮上部側のＺアシストヨーク６ＺＡの永久磁石１１ＺＡの間には、反発力ＦＲが生じるため、これを浮上部の重力補償に利用する。これにより、浮上部の重力補償のためには、コイル電流が不要であり、コイルの過剰な発熱を回避することが可能である。また、非浮上部の永久磁石１１Ｇには、図１３に示す磁束ＭＦを強める効果もあり、重力補償と共にＺアシストモータ４ＺＡの推力定数向上の効果がある。また、Ｘモータ４Ｘのコイル電流を利用してＺアシストモータ４ＺＡを動作させるため、Ｚアシストモータ４ＺＡ用に新たな電流アンプを追加する必要がなく、装置のコンパクト性および低コスト性が損なわれることなく、ステージの高速化が可能である。
【0033】
また、Ｚアシストモータ４ＺＡの構造は、図１３の形状に限定されるものではなく、コイルの内側から外側に向けて、あるいは逆の方向に、コイルを横切るように磁束を形成するヨーク形状であれば成立するものである。
【0034】
次に、図１４から図１６を利用して、Ｚアシストモータ４ＺＡの機能が成立するモータ配置について説明する。なお、各図では、浮上部であるトップテーブル１の投影面内の略中心で直交する二軸をＸ軸とＹ軸と定義し、また、Ｚアシストモータ４ＺＡの位置を点線で示している。そして、図１４と図１５がＺアシストモータ４ＺＡの不適切な配置であり、図１６がＺアシストモータ４ＺＡの適切な配置である。
【0035】
図１４に示すように、Ｘコイル５Ｘの長手方向がＹ軸と重なるように一対のＸモータ４Ｘを配置した場合、Ｘ移動時にＺアシストモータ４ＺＡが領域Ｒ１の位置で作用するため、Ｚアシスト推力ＦＺＡはＹ軸上に並ぶことになる。この場合、Ｙ軸回りの対抗モーメントＭＡを発生させることができないため、図１４のようなＸモータ４Ｘの配置は不適切である。Ｙコイル５Ｙの長手方向がＸ軸と重なる図１４のＹモータ４Ｙの配置も同様の理由により不適切である。
【0036】
一方、図１５に示すように、Ｘコイル５Ｘの短手方向がＸ軸と重なるように一対のＸモータ４Ｘを配置した場合、Ｘ移動時にＺアシストモータ４ＺＡが領域Ｒ２の位置で作用し、Ｙ軸回りの回転モーメントＭＹを補償する対抗モーメントＭＡを生成することができる。しかしながら、Ｘ推力ＦＸを発生させるＸモータ４ＸがＸ軸上に並び、Ｙ方向に離れていないため、Ｚ軸回りのモーメントを発生不可能であり、磁気浮上が不可能である。６自由度方向の推力制御が行えないと安定した磁気浮上が困難であることは、アーン・ショーの定理により示されている。すなわち、図１５のような配置は不適切である。Ｙコイル５Ｙの短手方向がＹ軸と重なる図１５のＹモータ４Ｙの配置も同様の理由により不適切である。
【0037】
これに対し、図１６に示すように、一対のＸモータ４ＸをＸ方向にもＹ方向にも互いに距離を保って互い違いに配置し、かつ、一対のＹモータ４ＹをＸ方向にもＹ方向にも互いに距離を保って互い違いに配置した場合、換言すれば、ＸＹ平面の第一象限に一方のＹモータ４ＹのＹヨーク６Ｙを配置し、第二象限に一方のＸモータ４ＸのＸヨーク６Ｘを配置し、第三象限に他方のＹモータ４ＹのＹヨーク６Ｙを配置し、第四象限に他方のＸモータ４ＸのＸヨーク６Ｘを配置した場合のみ、Ｚ軸回りのモーメントを発生させる機能と、Ｚアシストモータ４ＺＡの機能を両立することが可能である。すなわち、Ｘヨーク６Ｘ同士をＹ軸方向に距離を取り配置し、Ｙヨーク６Ｙ同士をＸ軸方向に距離を取って配置することが望ましい。また、Ｘモータ４Ｘと一体のＺアシストモータ４ＺＡの位置をＸ軸上の領域Ｒ３に一致させると、Ｘ方向の加速時にＸ軸回りの余分なモーメントを発生させずにＹ軸回りのモーメントのみを発生させることができ、余分な振動が発生しない。同様に、Ｙモータ４Ｚと一体のＺアシストモータ４ＺＡの位置をＹ軸上の領域Ｒ４に一致させることで、Ｙ方向の加速時にＹ軸回りの余分なモーメントを発生させずにＸ軸回りのモーメントのみを発生させることができ、余分な振動が発生しない。
【0038】
次に、図１７を参照して、Ｚアシストモータ４ＺＡの設計手法について説明する。図１７に示すように、浮上部の重心Ｇを通る線Ｌ１とＸモータ４Ｘの推力作用点の中心を通る線Ｌ２のＺ方向の距離をＤＺとし、Ｚアシストモータ４ＺＡの推力作用点のＸ方向の間隔をＤＸとする。また、Ｘモータ４Ｘの推力定数をＫＸとし、Ｚアシストモータ４ＺＡの推力定数をＫＺＡとする。ここで、Ｘコイル５Ｘに流れるコイル電流をＩＸとすると、Ｘモータ４ＸのＸ推力ＦＸによる、重心Ｇを中心としたＹ軸回りのモーメントＭは、
Ｍ ＝ ２ × ＤＺ × ＫＸ × ＩＸ ・・・ （式１）
となる。また、Ｚアシストモータ４ＺＡによる重心Ｇを中心としたＹ軸回りのモーメントＭ’は、
Ｍ’ ＝ ２ ×（１／２×ＤＸ） × ＫＺＡ × ＩＸ ・・・ （式２）
と表され、これがＭと釣り合う時、Ｚアシストモータ４ＺＡによってＹ軸回りのモーメントが１００％補償される。よって、（式１）および（式２）より、Ｚアシストモータ４ＺＡは、推力定数ＫＺが、
ＫＺ ＝ （２×ＤＺ／ＤＸ）×ＫＸ ・・・ （式３）
を満たすように設計すると、加減速時のＹ軸回りの回転モーメントを完全に相殺可能である。例えば、ＤＸが２００ｍｍで、ＤＺが２０ｍｍだとすれば、Ｚアシストモータ４ＺＡの推力定数ＫＺＡは、Ｘモータ４Ｘの推力定数ＫＸの１／５が最適である。
Ｍ ＝ ２ × ＤＺ × ＫＸ × ＩＸ ・・・ （式１）
となる。また、Ｚアシストモータ４ＺＡによる重心Ｇを中心としたＹ軸回りのモーメントＭ’は、
Ｍ’ ＝ ２ ×（１／２×ＤＸ） × ＫＺＡ × ＩＸ ・・・ （式２）
と表され、これがＭと釣り合う時、Ｚアシストモータ４ＺＡによってＹ軸回りのモーメントが１００％補償される。よって、（式１）および（式２）より、Ｚアシストモータ４ＺＡは、推力定数ＫＺが、
ＫＺ ＝ （２×ＤＺ／ＤＸ）×ＫＸ ・・・ （式３）
を満たすように設計すると、加減速時のＹ軸回りの回転モーメントを完全に相殺可能である。例えば、ＤＸが２００ｍｍで、ＤＺが２０ｍｍだとすれば、Ｚアシストモータ４ＺＡの推力定数ＫＺＡは、Ｘモータ４Ｘの推力定数ＫＸの１／５が最適である。
【0039】
特に、Ｘモータ４ＸとＺアシストモータ４ＺＡは、コイルが共通であるため、推力定数は、単純にヨークの作る磁束密度に比例する。すなわち、Ｚアシストヨーク６ＺＡの磁束密度が、Ｘヨーク６Ｘの磁束密度のＮ倍であればよい。ただし、
Ｎ ＝ ２×ＤＺ／ＤＸ ・・・ （式４）
である。この関係に基づいて、Ｚアシストモータ４ＺＡのＺアシストヨーク６ＺＡを設計した後に、浮上部の質量が確定し、重力補償用の永久磁石１１Ｇの距離の決定および磁石の選定を行う。
Ｎ ＝ ２×ＤＺ／ＤＸ ・・・ （式４）
である。この関係に基づいて、Ｚアシストモータ４ＺＡのＺアシストヨーク６ＺＡを設計した後に、浮上部の質量が確定し、重力補償用の永久磁石１１Ｇの距離の決定および磁石の選定を行う。
【0040】
以上で説明した、本実施例の磁気浮上ステージ装置によれば、Ｚモータの大型化を伴うことなく、位置決めの高速化および高加速化が可能であり、かつ磁場の漏れを抑制することができる。
【実施例2】
【0041】
【0042】
図１８Ａに、コイル端部を曲げてＺアシストモータ４ＺＡを構成する本実施例の磁気浮上ステージ装置１００の浮上部を下方から見た斜視図であり、実施例１の図８に相当するものである。ここに示すように、本実施例ではＸコイル５ＸとＹコイル５Ｙの一端部を９０度－Ｚ方向に曲げて整形し、それらと対向するようにＺアシストヨーク６ＺＡを配置することで、実施例１と同様に、Ｘ推力ＦＸまたはＹ推力ＦＹを発生させると同時に、Ｚアシスト推力ＦＺＡを発生させることが可能である。
【0043】
図１８Ｂに、図１８Ａのモータ１個を取り出した図を示す。また、図１８ＣにモータのＹＺ平面での断面図を示す。これらに示すように、Ｚアシストヨーク６ＺＡに固定した永久磁石１１ＺＡにより、磁束ＭＦを発生させ、Ｘモータ４Ｘに流れるコイル電流ＩＸにより、Ｚアシスト推力ＦＺＡを発生させる。
【0044】
この実施例の磁気浮上ステージ装置では、コイルの導線巻き工程や樹脂モールド工程のコストが増大するが、実施例１の構成よりも大きなＺアシスト推力ＦＺＡを発生させることができる。
【実施例3】
【0045】
最後に、図１９を参照して、実施例１または実施例２の磁気浮上ステージ装置１００を備える、本実施例の荷電粒子線装置または真空装置を説明する。なお、上記の実施例との共通点は重複説明を省略する。
【0046】
本実施例に係る荷電粒子線装置は、対象物の位置決めを行う磁気浮上ステージ装置１００と、その磁気浮上ステージ装置１００を収容する真空チャンバ１１０を備えた半導体計測装置２００であり、たとえば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の応用装置としての測長ＳＥＭである。また、本実施例に係る真空装置は、磁気浮上ステージ装置１００を収容する真空チャンバ１１０である。
【0047】
図１９に示すように、本実施例の半導体計測装置２００は、磁気浮上ステージ装置１００と、それを収容する真空チャンバ１１０と、真空チャンバ１１０の上部に取り付けられた電子光学系鏡筒１２０と、真空チャンバ１１０を支持する制振マウント１３０と、真空チャンバ１１０の側面にバーミラー２と対向するように取り付けられたレーザ干渉計１４０と、レーザ干渉計１４０の出力に応じて磁気浮上ステージ装置１００を制御するコントローラ１５０を備えている。なお、真空チャンバ１１０は、図示を省略する真空ポンプによって内部が減圧されて大気圧よりも低圧の真空状態になる。
【0048】
このような構成の半導体計測装置２００は、磁気浮上ステージ装置１００によって載置された半導体ウエハ３ａなどの対象物の位置決めを行い、電子光学系鏡筒１２０から電子ビームを対象物上に照射し、対象物上のパターンを撮像し、パターンの線幅の計測や形状精度の評価を行う。磁気浮上ステージ装置１００は、レーザ干渉計１４０により、バーミラー２の位置が計測され、コントローラ１５０により、磁気浮上ステージ装置１００の試料台３に保持された半導体ウエハ３ａなどの対象物が位置決め制御される。
【0049】
この半導体計測装置２００は、実施例１または実施例２の磁気浮上ステージ装置１００を備えているため、半導体ウエハ３ａなどの対象物の位置決めの高速化および高加速化が可能であり、かつ磁場の漏れを抑制することができる。したがって、漏れた磁場によって電子ビームが歪むことがなく、照射精度の劣化が無いため、半導体計測装置２００の測定精度を向上させることができる。また、磁気浮上ステージ装置１００は、浮上機構が磁気浮上式であるので、真空装置である半導体計測装置２００への適用が容易であり、発熱の抑制等、優れた効果を発揮することができる。なお、本開示の荷電粒子線装置および真空装置は、半導体計測装置に限定されない。
【0050】
以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【0051】
１ トップテーブル
２ バーミラー
３ 試料台
３ａ 半導体ウエハ
４ ボイスコイルモータ
４Ｘ Ｘモータ
４Ｙ Ｙモータ
４Ｚ Ｚモータ
４ＺＡ Ｚアシストモータ
５ コイル
５Ｘ Ｘコイル
５Ｙ Ｙコイル
５Ｚ Ｚコイル
６ ヨーク
６Ｘ Ｘヨーク
６Ｙ Ｙヨーク
６Ｚ Ｚヨーク
６ＺＡ Ｚアシストヨーク
７Ｘ Ｘテーブル
７Ｙ Ｙテーブル
８、８Ｘ、８Ｙ ガイド
９ ベース
１０、１０Ｚ センサ
１１Ｇ 重力補償用の永久磁石
１１Ｘ Ｘヨークの永久磁石
１１ＺＡ Ｚアシストヨークの永久磁石
１００ 磁気浮上ステージ装置
１１０ 真空チャンバ
１２０ 電子光学系鏡筒
１３０ 制振マウント
１４０ レーザ干渉計
１５０ コントローラ
２００ 半導体計測装置
２ バーミラー
３ 試料台
３ａ 半導体ウエハ
４ ボイスコイルモータ
４Ｘ Ｘモータ
４Ｙ Ｙモータ
４Ｚ Ｚモータ
４ＺＡ Ｚアシストモータ
５ コイル
５Ｘ Ｘコイル
５Ｙ Ｙコイル
５Ｚ Ｚコイル
６ ヨーク
６Ｘ Ｘヨーク
６Ｙ Ｙヨーク
６Ｚ Ｚヨーク
６ＺＡ Ｚアシストヨーク
７Ｘ Ｘテーブル
７Ｙ Ｙテーブル
８、８Ｘ、８Ｙ ガイド
９ ベース
１０、１０Ｚ センサ
１１Ｇ 重力補償用の永久磁石
１１Ｘ Ｘヨークの永久磁石
１１ＺＡ Ｚアシストヨークの永久磁石
１００ 磁気浮上ステージ装置
１１０ 真空チャンバ
１２０ 電子光学系鏡筒
１３０ 制振マウント
１４０ レーザ干渉計
１５０ コントローラ
２００ 半導体計測装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18A】
【図18B】
【図18C】
【図19】