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WO2018020625A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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WO2018020625A1
WO2018020625A1 PCT/JP2016/072102 JP2016072102W WO2018020625A1 WO 2018020625 A1 WO2018020625 A1 WO 2018020625A1 JP 2016072102 W JP2016072102 W JP 2016072102W WO 2018020625 A1 WO2018020625 A1 WO 2018020625A1
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WO
WIPO (PCT)
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vibration
charged particle
particle beam
control
sample
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2016/072102
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English (en)
French (fr)
Inventor
謙太朗 重岡
孝宜 加藤
一弘 森田
宗大 高橋
真樹 水落
周一 中川
匡男 斎田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi High Tech Corp
Original Assignee
Hitachi High Technologies Corp
Hitachi High Tech Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Hitachi High Technologies Corp, Hitachi High Tech Corp filed Critical Hitachi High Technologies Corp
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Priority to PCT/JP2016/072102 priority patent/WO2018020625A1/ja
Publication of WO2018020625A1 publication Critical patent/WO2018020625A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/16—Vessels; Containers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D19/00—Control of mechanical oscillations, e.g. of amplitude, of frequency, of phase
    • G05D19/02—Control of mechanical oscillations, e.g. of amplitude, of frequency, of phase characterised by the use of electric means
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    • H01J37/02—Details
    • H01J37/18—Vacuum locks ; Means for obtaining or maintaining the desired pressure within the vessel
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    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F16F15/022—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using dampers and springs in combination
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/02—Details
    • H01J2237/0216—Means for avoiding or correcting vibration effects
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/26—Electron or ion microscopes

Definitions

  • the present disclosure relates to a charged particle beam apparatus including an active vibration isolation system, and more particularly, to a charged particle beam apparatus that performs vibration isolation according to the state of the apparatus.
  • an active vibration isolation table is provided to remove vibrations from the floor.
  • the active vibration isolation table has the function of vibration suppression to suppress the vibration of the equipment main body due to sudden movement of the stage, etc. Have both. Vibration from the floor is called ground disturbance, and vibration generated from the device body is called linear disturbance.
  • Patent Literature 1 and Patent Literature 2 There are technologies disclosed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 as technologies for efficiently suppressing linear motion disturbance.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 describes a technique for damping a linear motion disturbance by feeding forward a control amount for a driving reaction force of a stage to a damping actuator.
  • the sliding state control of Patent Document 2 is non-linear control for switching the control force on the switching plane, and is characterized by high robustness against unsteady disturbance such as stage movement.
  • an acceleration sensor is installed on a mounting table on which a device having a movable part is mounted and a device installation floor, and the rigidity of the floor on which the device is installed is estimated from the detected acceleration signal.
  • the actuator driving force method in consideration of floor rigidity is described.
  • the sample chamber vibration is isolated without considering the interface of the device mounted on the vibration isolation table. Yes.
  • the feedforward control disclosed in Patent Document 1 works only during stage driving, and thus does not function for residual vibration after stage driving.
  • the stage drive reaction force can be predicted in advance and feed-forward control can be used to cancel the stage drive drive reaction force.
  • it is difficult to predict the vibration after the stage is stopped. The vibration due to cannot be removed.
  • the sliding state control disclosed in Patent Document 2 has a time delay from the initial state where the disturbance has occurred until the control mode is switched. For this reason, the transient response tends to be worse, and the time required for vibration suppression becomes longer. In other words, there is a time delay in switching the control, and a sufficient damping effect may not be obtained.
  • the vibration isolation system may become unstable depending on the mechanical characteristics of the mounted sample stage and electron optical system. Therefore, in order to provide optimum control characteristics for the vibration isolation mechanism, it is necessary to consider the characteristics of the electron optical system mounted on the vibration isolation table and the amount of image shake.
  • a sample stage for supporting a sample irradiated with a charged particle beam emitted from a charged particle source, and a vacuum chamber in which an atmosphere in which the sample is arranged is in a vacuum state will be described below.
  • a charged particle beam apparatus comprising: a sensor that detects vibration transmitted to the charged particle beam apparatus; an excitation mechanism that vibrates the charged particle beam apparatus; and the excitation mechanism according to detection of the sensor.
  • a control device that performs feedback control, and the control device proposes a charged particle beam device that changes the feedback gain of the feedback control in accordance with the type of instruction of the control sequence of the charged particle beam device.
  • a sample chamber, a charged particle optical system mounted in the sample chamber, an image processing apparatus for processing a signal detected by the charged particle optical system, and the sample A sensor for detecting a vibration amount of the chamber, a drive mechanism for minutely vibrating the sample chamber, and a control device for controlling the drive mechanism, the control device including image information obtained from the charged particle optical system and the sample A charged particle beam apparatus that adjusts control characteristics of the drive mechanism using vibration information of a chamber is proposed.
  • FIG. 3 is a control block diagram of an active vibration isolation mechanism.
  • a charged particle beam is used to switch the vibration suppression control method according to the nature of the disturbance for the purpose of highly accurate vibration suppression due to residual vibration after stopping the stage and other vibration generation factors. Propose the device. An apparatus configuration for realizing such vibration control is shown below.
  • An apparatus for example, a charged particle beam apparatus such as a scanning electron microscope
  • a stage for placing a sample
  • a vacuum chamber for placing the stage in a vacuum atmosphere.
  • the vacuum chamber is provided with a valve for maintaining a vacuum state in the vacuum chamber, and includes an acceleration sensor that detects vibration of the vacuum chamber and an actuator (vibration mechanism) that applies force to the vacuum chamber.
  • a preliminary exhaust chamber (load lock chamber) is provided for introducing or removing the sample from the vacuum chamber while maintaining the vacuum state in the vacuum chamber (sample chamber).
  • the preliminary exhaust chamber is provided to change the atmosphere around the sample introduced from the outside from the atmosphere to the vacuum or from the vacuum to the atmosphere.
  • the opened valve opens and closes.
  • the apparatus includes an arithmetic control unit that calculates the driving amount of the actuator to control the vibration of the vacuum chamber based on the detection signal of the acceleration sensor. Further, the apparatus has a sequence control unit that processes a recipe that describes commands, settings, and parameters for the apparatus, and can request the arithmetic control unit to switch control.
  • the calculation control unit calculates the vibration of the vacuum chamber and drives the actuator according to the driving method requested by the sequence control unit to perform feedback control.
  • the arithmetic control unit includes means for deriving an optimum feedback gain at the time of driving the valve and moving the stage.
  • the arithmetic control unit has means for calculating a regulator solution in accordance with an optimal control law in order to derive a feedback gain.
  • the calculation control unit calculates a coefficient matrix in the evaluation function of the regulator, and can vary the vibration suppression characteristic by a value set in the coefficient matrix.
  • the arithmetic control unit includes means for storing a coefficient matrix.
  • the arithmetic control unit has means for searching an optimal coefficient matrix online for the state of the disturbance.
  • the semiconductor is manufactured using the charged particle beam apparatus (1) to (6).
  • the semiconductor inspection apparatus the semiconductor is inspected using the charged particle beam apparatus (1) to (6).
  • the charged particle beam device that maximizes the stability and performance of the vibration isolation function according to the device difference and the customer environment by automatically switching the vibration isolation control parameter according to the type of disturbance.
  • the automatic calculation of the optimal control gain that takes into account the dynamic characteristics and disturbances of the device enables active engineering that achieves high vibration suppression / vibration performance while maintaining stability even for service engineers without knowledge of feedback control. Can be adjusted to shake.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a scanning electron microscope provided with a vibration damping mechanism.
  • FIG. 1 columns 4, 5, 6, 7 for fixing the vacuum chamber 3 at four corners are provided on a frame 2 placed on the floor 1.
  • the support columns 4, 5, 6, 7 and the vacuum chamber 3 are joined by vibration isolation mounts 8, 9, 10, 11.
  • the gantry 2 is provided with two movers 21, 22, 23, and 24 for transmitting a reaction force to the vacuum chamber 3, two for each of the X axis and the Y axis.
  • an electron beam source 16 In the vacuum chamber 3, an electron beam source 16, an XY stage 17, and a vacuum valve 18 are arranged, and acceleration sensors 19 and 20 on the X axis and the Y axis, respectively, and stators 12 and 13 for receiving a reaction force from the gantry. , 14, 15 are provided for each of the movable elements 21, 22, 23, 24.
  • a sample 25 to be irradiated with an electron beam is fixed on the XY stage 17, and the XY stage 17 moves the sample 25 to change the irradiation position of the electron beam.
  • the laser light emitted from the laser length meter 27 supported by the column 26 in the vacuum chamber is reflected by the mirror 28 fixed on the XY stage 17.
  • the laser length meter 27 accurately measures the position of the XY stage 17 from the interference between the emitted light and the reflected light of the mirror 28, and transfers the position signal 29 to the sequence control unit 30.
  • the sequence control unit 30 is used to process the control sequence of the apparatus, and can transfer control commands to the electron beam source 16, the XY stage 17, and the vacuum valve 18. Further, the arithmetic control unit 31 inputs the acceleration sensors 19 and 20 to remove floor vibrations, and applies a damping force to the movers 21, 22, 23 and 24.
  • the control sequence of the apparatus (operation recipe (operation program for automatically controlling the scanning electron microscope)
  • operation recipe operation program for automatically controlling the scanning electron microscope
  • the charged particle beam 32 is emitted from the electron beam source 16.
  • the sample 25 is irradiated.
  • semiconductor integrated circuits are miniaturized year by year, demands for improving the positioning accuracy of the XY stage 17, shortening the positioning time, and improving the accuracy of charged particle irradiation to the sample 25 are increasing.
  • These charged particle beam devices that should suppress floor vibrations and linear motion disturbances include electron beam drawing devices, electron microscopes, and holography devices in addition to charged particle beam devices used for semiconductor inspection and measurement.
  • the configuration illustrated in FIG. 2 is used, and the X-axis direction, the Y-axis direction (horizontal direction), and the Z-axis direction (vertical direction) are used. It is desirable to perform six-axis vibration suppression in the rotation direction, ie, the ⁇ X axis direction, the ⁇ Y axis direction, and the ⁇ Z axis direction.
  • Three or more linear actuators in the horizontal plane direction and three in the vertical direction in order to control the vibration in six directions by combining the vibration in the linear direction (first vibration) and the vibration in the rotation direction (second vibration). Arrange above.
  • the vibration of the chamber due to the reaction force of the stage movement occurs in the X direction and the Y direction, which are the main movement directions that reduce the positioning accuracy of the charged particle beam, and the vibration.
  • the example which suppresses is demonstrated.
  • the acceleration value of the rotational component is obtained using the main inertial axis separator.
  • the configuration shown in the present embodiment but also an extension to a control method with 6 degrees of freedom and implementation is possible.
  • the gantry 2 is increased in weight to prevent vibration transmission from the floor 1. Further, the vibration isolation mounts 8, 9, 10, and 11 for fixing the vacuum chamber 3 can provide a large support force with a simple structure.
  • the linear actuator includes struts 4, 5, 6, 7, stators 12, 13, 14, 15, and movers 21, 22, 23, 24. By energizing the stators 12, 13, 14, 15. The movable elements 21, 22, 23, and 24 are driven using electromagnetic force to suppress the vibration of the vacuum chamber 3.
  • an acceleration sensor 19 in the horizontal X-axis direction and an acceleration sensor 20 in the horizontal Y-axis direction are provided.
  • the sequence control unit 30 drives the XY stage 17 to move the sample 25 to the target coordinate position.
  • the charged particle beam 32 is irradiated onto the sample 25 from the electron beam source 16 and the target inspection is performed.
  • the sequence control unit 30 opens and closes the vacuum valve 18 according to the unloading / loading of the wafer.
  • the sequence control unit 30 notifies the arithmetic control unit 31 of a control command corresponding to the sequence to be executed before the above-described sequence such as stage driving and vacuum valve opening / closing is executed.
  • the arithmetic control part 31 can apply beforehand the damping control according to the vibration by a drive of a machine.
  • the vibration isolation control unit includes an arithmetic control unit 31, a feedback gain storage unit 32, a multiplier 33, a thrust distributor 34, and an amplifier 35.
  • the arithmetic control unit 31 has a function as a state observer, and switches the driving method according to the control command notified from the sequence control unit 30.
  • the arithmetic control unit 31 receives the acceleration information obtained from the acceleration sensors 19 and 20 and the position signal 29 obtained from the laser length meter 27, and outputs a control amount matrix.
  • the determined control amount matrix and the feedback matrix storage unit 32 are multiplied by the multiplier 33, and the reaction force to the vacuum chamber 3 is fixed by the thrust distributor 34 so that the vacuum chamber 3 does not rotate in the ⁇ Z direction. Distributed to children 12, 13, 14, and 15.
  • a state feedback system that suppresses vibration of the vacuum chamber 3 using a linear actuator is constructed.
  • the linear actuator is used together as an actuator for the purpose of vibration isolation of ground motion disturbance, in addition to being used for damping the reaction force due to the movement of the XY stage 17 that is a linear motion disturbance.
  • the equation of motion of the XY 2-axis vibration isolation table is as follows.
  • t represents time
  • m represents the total mass of the vacuum chamber 3
  • m s represents the total mass of the XY stage 17.
  • x ′′ (t) is the X-axis acceleration of the chamber
  • x ′′ s (t) is the X-axis acceleration of the stage
  • x ′ (t) is the X-axis velocity of the vacuum chamber 3
  • x ′ (t) is the XY stage 17.
  • c x is the damping factor of the vibration isolation mount in the X axis direction
  • k x is the spring coefficient by which the vibration isolation mount in the X axis direction supports the vacuum chamber.
  • f x1 and f x2 are driving forces in the X-axis direction generated by the linear actuator.
  • the action point of f x1 is separated from the center of gravity of the vacuum chamber 3 by a distance ⁇ Lx, and f x2 is separated by + Lx.
  • y ′′ (t) is the Y-axis acceleration of the vacuum chamber 3
  • y ′′ s (t) is the Y-axis acceleration of the XY stage 17
  • y ′ (t) is the vacuum chamber 3.
  • Y-axis velocity, spring y '(t) is the Y-axis speed of the XY stage 17
  • c y is the Y-axis direction attenuation rate by anti-vibration mounts
  • k y is the Y-axis direction of the anti-vibration mount for supporting the vacuum chamber 3
  • F y1 and f y2 are driving forces in the X-axis direction generated by the linear actuator.
  • the action point of f y1 is separated from the center of gravity of the vacuum chamber 3 by a distance ⁇ Ly
  • f y2 is separated by + Ly.
  • the values of the acting forces f x1 and f x2 are calculated by the thrust distributor 23 using the driving force f x in the X-axis direction and the X coordinate x s of the stage as shown in the following [Equation 3].
  • This calculation formula is not limited to the formula shown in this embodiment, but can be implemented by other calculation methods that vary depending on the mechanism of the vacuum chamber 3 and the driving force of the XY stage 17.
  • the charged particle beam device described in the present embodiment is a 4-input 4-output system. Since the rank of the controllable matrix of this embodiment is 4, control is possible.
  • A is a system transition matrix
  • X is a state variable matrix
  • X ′ is a first-order differentiation matrix of X
  • B 1 is an input matrix by an XY-axis linear actuator
  • B s is a driving reaction force of the stage Input matrix
  • Y is an output variable matrix
  • C is an output control matrix.
  • FIG. 4 shows the above [Formula 6] in a schematic diagram.
  • the state variable matrix X is obtained by inputting the first-order differential matrix X ′ to the integrator 105.
  • the state variable matrix X is fed back to the addition point 104 via the system transition matrix 106.
  • the output variable Y is obtained by inputting the state variable matrix X to the output control matrix calculator 107.
  • the state variable matrix X is composed of an X-axis displacement x, a Y-axis displacement y, an X-axis velocity x ′, and a Y-axis velocity y ′.
  • U 1 is composed of input components in the X-axis and Y-axis directions of the vacuum chamber.
  • Us consists of the X-axis acceleration and Y-axis acceleration of the stage. In this case, the acceleration values of the XY stage 17 but can measure, it is necessary to position the charged particle beam 32 to the desired coordinates of the sample 25, can not change the input variables U s for damping. Since the input that can be used for damping the linear motion disturbance is only a linear actuator, only the input variable matrix U 1 can be controlled, and can be expressed by the following equation [Equation 7].
  • K is a feedback gain matrix for feeding back the state variable matrix X.
  • the linear actuator operates as a regulator that operates so that the elements of the state variable matrix X and the control input U 1 are all zero.
  • Equation 9 Q is a weight matrix for the weighted square integral error
  • R is a weight matrix for the square-square integral value of the operation signal
  • P is a positive definite unique solution satisfying the Riccati equation
  • K is a feedback gain matrix to be obtained. It is.
  • the solution of the Riccati equation can be easily obtained on a computer using the Kleinman-Newton method or the like.
  • a computer simulation is performed by the above formula [9] considering the drive of the XY stage 17, and a feedback gain matrix that returns an appropriate response to the linear motion disturbance and the ground motion disturbance K is determined.
  • the computer simulation it is necessary to obtain the feedback gain K in consideration of the wind-up of the control input U 1 along with the response of the vibration isolation control.
  • the obtained feedback gain matrix K is stored in the feedback gain matrix storage unit 35.
  • speed information is obtained by integrating acceleration sensor information, but state variables that cannot be directly observed are estimated and used for calculation using a state observer. You can also.
  • the multiplier 33 multiplies the output variable Y obtained from the state observer and the matrix stored in the feedback gain storage unit 36.
  • the control matrix signal obtained as a result is input to the thrust distributor, and the output is distributed to each linear actuator.
  • the output signals of the linear actuators distributed by the thrust distributor are each output to the amplifier 31 to vibrate the stators 12, 13, 14, and 15.
  • the control amount of the linear actuator and the position information of the XY stage 17 provide highly accurate vibration suppression performance against linear motion disturbance. realizable.
  • the matrix stored in the feedback gain storage unit is provided with parameters that can be adjusted online.
  • an adjustable parameter to the regulator weight Q and changing the adjustment parameter in accordance with the installation environment, it is possible to realize vibration suppression control that guarantees the stability of state control and at the same time obtains the optimum effect.
  • control parameters p x and p y are introduced to the x axis and the y axis, respectively, which are easily affected by the installation environment.
  • the weight Q p including this adjustment parameter is determined as [Equation 13].
  • the sequence control unit 30 notifies the feedback gain calculation unit 36 of the control switching. For example, as shown in FIG. 3, the sequence control unit 30 notifies the feedback gain calculation unit 36 of switching to the valve exhaust control before executing the sequence command for opening the vacuum valve.
  • a scanning electron microscope for measuring and inspecting a semiconductor wafer or the like has a recipe for performing automatic inspection and automatic measurement. As illustrated in FIG. 3, the scanning electron microscope prepares for automatic measurement and inspection by reading a recipe prepared according to the purpose of sample type and measurement.
  • a scanning electron microscope that measures and inspects semiconductor wafers is a vacuum chamber with a stage that supports the sample to be irradiated with the electron beam, scans the focused electron beam on the sample, and detects the signals obtained by scanning.
  • An electron microscope column a pre-exhaust chamber for evacuating the sample atmosphere introduced into the sample chamber, an aligner for performing pre-alignment before introducing the sample into the pre-exhaust chamber, and a wafer from a wafer cassette such as FOUP
  • An air clean space maintenance mechanism called a mini-en with a built-in robot is provided.
  • the FOUP opener opens the FOUP wafer take-out port, and the robot takes out the wafer.
  • the feedback gain calculation unit 36 uses the control parameters px and py previously registered for the steady state in order to perform actuator control in the steady state (a state in which no significant vibration occurs).
  • the feedback gain is calculated from the evaluation function of the optimum regulator and stored in the feedback gain storage unit 32.
  • vibration suppression control using a steady state feedback gain is performed.
  • the robot conveys the wafer to the aligner for pre-alignment, and the aligner obtains the amount of eccentricity when the wafer is rotated, thereby obtaining the positional deviation of the wafer.
  • the robot adjusts the transfer position to the preliminary exhaust chamber so as to suppress the shift.
  • the valve is opened to evacuate the preliminary exhaust chamber and the vacuum chamber (sample chamber).
  • the control unit 30 notifies the feedback gain calculation unit 36 that the parameter is switched to the parameter when the valve is opened.
  • Feedback gain calculation unit 36 receives the notification, the control parameter p x for valve exhaust, using p y, derives the feedback gain from the evaluation function of the optimal regulator, and stores the feedback gain storage section 32.
  • the control parameters when the vibration direction of the vacuum chamber 3 by the valve opening is predominantly X axis, the control parameters a p x> p y.
  • the parameters may be switched in conjunction with a valve provided between the preliminary exhaust chamber and the sample chamber and between the preliminary exhaust chamber and the atmospheric space and opened when the sample is loaded and unloaded.
  • the control parameter need not be calculated online, and the feedback gain storage unit may have a feedback gain for each disturbance type. Further, a configuration in which the sequence control unit 30 holds the feedback gain for each type of disturbance and transfers it to the feedback gain matrix storage unit 35 can be easily realized.
  • ⁇ Damping control using the parameter (gain) prepared for valve opening is performed during the period from the valve opening to the vibration effect due to valve opening. After the above period, the parameter is switched to the steady state parameter.
  • the stage movement As another event for switching from the steady state to another state, there is a stage movement.
  • the stage is arranged in a vacuum chamber and is driven to irradiate a desired position on the sample with an electron beam. However, vibration also occurs at that time. If such vibrations can be quickly suppressed, it is possible to achieve high throughput of the apparatus.
  • the feedback gain calculation unit 36 is notified of switching to the stage movement control.
  • the gain state during the stage movement is maintained until a predetermined waiting time elapses after the stage is stopped, and the gain is switched to a steady state gain before the imaging process based on electron beam scanning.
  • stage movement, imaging, stage movement, imaging, and so on are repeated, so that the gain is switched each time.
  • the vibration in the X direction is larger than the vibration in the Y direction, and vice versa, so depending on the distances in the X and Y directions, weight of p x and p y may be adjusted.
  • control parameters can be switched for each type of disturbance that can occur in the recipe sequence.
  • control parameters for each disturbance vary greatly depending on the natural frequency of each mechanism and the installation environment of the charged particle beam device. For this reason, it is desirable to periodically adjust parameters according to changes in the environment.
  • the sequence controller 30 and the feedback gain calculation unit 36 in this embodiment is p x, is to have an automatic adjustment to mechanism control parameters p y.
  • the arithmetic and control unit 31 sweeps within the range in which the control parameter is determined, and searches for an adjustment parameter that minimizes the evaluation value J calculated by Equation 14.
  • the evaluation value J uses the norm of the movement amount in T seconds from the start of control.
  • the search for this parameter needs to be executed appropriately according to the aging of the device and the change of the device installation environment. This search need not be performed manually. In order to periodically update to the optimal parameters, it may be executed periodically on the control sequence. For example, in the sequence control of FIG. 3, the search for parameters is automatically executed at the start of the sequence, so that the control at the time of inspection is automatically adjusted so as to always set the optimum parameters according to the situation of the apparatus. be able to.
  • the vibration isolator is used as described above.
  • a vibration damping member such as an air spring, a coil spring, or an anti-vibration rubber is used.
  • the vibration isolator exhibits high vibration isolation performance with respect to high-frequency floor vibration, when the installation floor surface of the apparatus vibrates at the natural frequency of the vibration isolator, there is a problem of amplifying the vibration at that frequency. In that case, it can be dealt with by installing a drive mechanism such as a voice coil motor or a pneumatic actuator in the sample chamber and actively isolating the sample chamber vibration.
  • the allowable vibration amount of the sample chamber with respect to the image shake amount is calculated in advance, and the control characteristics of the vibration isolation system are adjusted and controlled using the sample chamber vibration amount observed by the apparatus sensor and the calculated vibration amplitude allowable value.
  • a charged particle beam apparatus will be described.
  • a sample chamber, an electron optical system mounted in the sample chamber, an image processing apparatus that processes a signal detected by the electron optical system, and a vibration amount of the sample chamber are detected.
  • a charged particle beam apparatus comprising: a vibration amount detecting means for performing vibration; a drive mechanism for minutely vibrating the sample chamber; and a control device for controlling the drive mechanism, wherein the control device observes with the electron optical system
  • a charged particle beam apparatus is proposed that adjusts the control characteristics of the drive mechanism using image information of a sample and vibration information of the sample chamber.
  • the floor vibration frequency and the vibration amplitude contributing to the image shake can be calculated by obtaining the sample room vibration allowable value with respect to the image shake amount of the SEM image in advance, and the optimum vibration isolation characteristics for reducing the image shake amount. It is possible to configure a vibration isolation system including
  • the embodiment described below relates to a charged particle beam apparatus such as a length measurement SEM and a vibration isolation mechanism applicable thereto.
  • a charged particle beam apparatus such as a length measurement SEM and a vibration isolation mechanism applicable thereto.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of the charged particle beam apparatus according to the present embodiment.
  • a Y table 509 that can be freely moved in the Y direction (depth direction on the paper surface) via two Y linear guides 512y and 513y is disposed.
  • the Y linear motor 514y is arranged to generate a thrust relatively in the Y direction.
  • An X table 508 that can freely move in the X direction via two X linear guides 512x is disposed on the Y table 509, and an X linear motor (not shown) generates thrust in the X direction. Be placed.
  • the X table 508 can move in the XY directions with respect to the base 507 and the sample chamber 501.
  • the wafer 502 is disposed on the X table 508.
  • a wafer holding mechanism having a holding force such as a mechanical restraining force or an electrostatic force is used.
  • a brake mechanism (not shown) for braking the Y table is disposed on the upper surface of the base 507. It is desirable that the brake mechanism perform a pressing operation using a piezoelectric element or the like so that the braking force is released when the stage is moved and the braking force is generated when the stage is stopped.
  • the X table 508 is provided with a laser interferometer 510x and a mirror 511x for measuring the position of the table in the X direction.
  • the X laser interferometer 510x irradiates the mirror 511x with laser light, and uses the reflected light to measure the relative displacement in the X direction between the sample chamber 501 and the X table 508 (hereinafter referred to as X laser value).
  • a servo control system for the X direction is configured by feeding back the X laser value to the control device 506.
  • a relative displacement in the Y direction of the X table 508 is detected using a laser interferometer (not shown) to constitute a servo control system.
  • the X table 508 is positioned at a desired position in the XY direction, and inspection / measurement is performed on the entire surface of the wafer 502.
  • a total of four anti-vibration mounts 516 are arranged as passive vibration isolation devices.
  • a vibration isolation mechanism 515 is disposed as an active vibration isolation device on the side surface of the sample chamber 501, and a voice coil motor or the like is provided as an actuator.
  • the vibration isolation mechanism 515 generates an excitation force having an opposite phase to the sample chamber vibration caused by the floor vibration, and thereby removes the sample chamber vibration caused by the floor. Further, the vibration isolation mechanism 515 can cancel a reaction force applied to the sample chamber by driving the stage by giving a thrust signal when the XY table is operated as a driving thrust of the actuator.
  • a column 503 for holding an electron optical system is arranged.
  • the column 503 is provided with an electron gun 505 for generating a secondary electron image by the electron beam 504.
  • the generated secondary electrons are detected by a secondary electron detector 517.
  • the secondary electron signal detected by the secondary electron detector 517 is converted into an SEM image by being input to the image processing device 518.
  • the acquired SEM image is input to an image shake amount calculation device 519 to calculate the image shake amount.
  • the image shake amount is preferably obtained by detecting the edge of the pattern from the change in brightness of the SEM image and performing Fourier transform on the detected edge.
  • the calculated image shake amount is input to the control device 506 and used to adjust the control characteristics of the actuator that drives the vibration isolation mechanism.
  • the control device 506 includes an arithmetic processing unit, a linear motor 514 driving amplifier, a reaction force canceling mechanism 515 driving amplifier, and the like.
  • the control device 506 includes a servo control system that calculates the driving force of the XY table and the reaction force canceling mechanism.
  • the wafer 502 can be moved in the XY plane with respect to the sample chamber 501 and the sample can be imaged by the column 503.
  • a linear guide is used as the guide mechanism, but other guide mechanisms (for example, a fluid bearing or a magnetic bearing) can be used.
  • a linear motor is used as the drive mechanism, but it is also possible to use an actuator that can be used in a vacuum, such as a ball screw or a piezoelectric actuator.
  • a laser interferometer is used for position detection of the stage, other position detection methods such as a linear scale can be used.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of the vibration isolation mechanism.
  • An acceleration sensor 521x for detecting the acceleration of the sample chamber is installed on the X axis of the sample chamber 501.
  • At least one acceleration sensor 521x may be provided on the upper surface, the side surface, or the lower surface with respect to the X axis of the sample chamber 501.
  • the voice coil motor stator 523x is disposed on the X-axis side surface of the sample chamber 501.
  • the voice coil motor movable element 522x is attached to the gantry 524x via the support arm 525x, so that the reaction force when driven is released to the floor 526 through the gantry 524x.
  • Two voice coil motors (522, 523) are provided on the side surface of the X-axis, and an excitation force is generated in the X-axis translation direction by equally exciting left and right. Further, by changing the thrust distribution of the left and right voice coil motors, it is possible to generate an excitation force in the direction of the rotation axis ( ⁇ axis) on the XY plane.
  • the control device 506 feeds back a signal observed by the acceleration sensor 521x to constitute a servo control system.
  • the servo control system of the vibration isolation system targets a low-frequency vibration component that is difficult to be vibration-isolated by the vibration isolation mount 516. For example, if the natural value of the vibration isolation mount is 1 Hz, the vibration component of 1 Hz transmitted from the floor increases. Therefore, the frequency band including the mount natural value of 0.1 Hz to 20 Hz may be set as the target frequency of the active vibration isolation system. Thereby, the vibration isolation mechanism 515 can compensate for the frequency at which the vibration isolation mount 16 is difficult to reduce.
  • a vibration isolation mechanism having the same configuration as that of the X axis is also provided on the Y axis. As a result, the sample chamber 501 can be controlled in the XY ⁇ axis direction.
  • FIG. 7 is a flowchart for calculating the allowable value of the sample chamber vibration with respect to the image shake amount.
  • an SEM image when the sample chamber 1 is vibrated in a state where vibration isolation control is not performed in advance is taken, and the sample chamber vibration amount at the allowable limit of image shake is calculated, whereby the sample chamber for image shake is calculated. Obtain the allowable vibration amount.
  • the frequency for exciting the sample chamber 1 is determined.
  • floor vibrations cause image fluctuations at low frequencies, so vibration is applied in the range of several Hz (fs in the figure) to several tens Hz (fe in the figure) (for example, 0.1 Hz to 20 Hz). What is necessary is just to determine a frequency.
  • the excitation frequency is preferably incremented at intervals of the frequency ⁇ f, or logarithmically equal intervals. In the vicinity of a frequency where the amount of vibration is large, the measurement may be performed with a finer frequency pitch.
  • the excitation force for the sample chamber 1 is determined.
  • the sample chamber is vibrated with the vibration frequency and the vibration force determined in S701 and S702.
  • a vibration method a method using a voice coil motor (522, 523) installed in the device or a method of vibrating by installing a vibrator under the device mount 524 can be used.
  • the sample is observed with the sample chamber 1 being vibrated, and an SEM image is taken.
  • the imaging conditions such as the magnification and the number of frames at the time of imaging.
  • the vibration amount analysis of the captured SEM image is performed.
  • the edge of the pattern can be extracted by image processing of the SEM image, and Fourier transform or the like can be used.
  • the vibration amount yc of the sample chamber is measured using an acceleration sensor 521 installed in the sample chamber. Thereby, the relationship between the image shake amount (yi, not shown) at the excited frequency and the vibration amount yc of the sample chamber can be obtained.
  • the image fluctuation amount yi calculated here may include the influence of laser noise or the like.
  • the influence of laser noise or the like may be removed by preliminarily storing the image shake amount when the sample chamber 1 is not vibrated as reference data and subtracting it from the image shake amount when the sample chamber 1 is vibrated.
  • FIG. 8 is a schematic view showing the relationship between the vibration frequency and the sample chamber allowable vibration value.
  • the allowable value curve 800 is obtained by plotting the allowable value obtained by the sample chamber allowable value calculation process of FIG. At that time, by performing data interpolation such as spline interpolation or Lagrangian interpolation on the measurement point, an allowable value of a frequency not measured in FIG. 3 can be calculated.
  • a constant value ⁇ is obtained when the sum of the image shake vibration amounts yi at each frequency becomes the image shake amount specification value Yspec.
  • the sample chamber vibration amount yc when the sum of the image shake amounts yi at each frequency becomes the image shake allowable value of the apparatus can be obtained. Accordingly, if the control characteristics of the vibration isolation system are adjusted so that the allowable value curve is 800 or less, the image shake specification can be satisfied.
  • the image shake specification value Yspec may be set to a small value in consideration of machine differences and characteristic changes of the apparatus.
  • the sample chamber vibration amount is constantly monitored and compared with the tolerance curve 800 in FIG. 8 to determine whether or not the image shake amount is within an allowable range during operation of the device, and used for device abnormality diagnosis. Can do.
  • the determination result exceeds the allowable value curve 800, the operator may be notified of the abnormality of the apparatus by displaying that fact on the display.
  • FIG. 9 is a flowchart used for initial adjustment of the control characteristics of the vibration isolation system. This process is performed when the apparatus is installed on the floor of the customer and the apparatus is initialized.
  • step S901 the charged particle beam apparatus is turned on, the sensors, the stage apparatus, and the electron optical system are initialized to be usable.
  • step S902 the vibration amount of the sample chamber is measured by the acceleration sensor 521 installed in the sample chamber 501.
  • the vibration amount for each frequency is calculated using Fourier transform or the like for the measured vibration waveform.
  • the allowable curve in FIG. 8 stored in the control device 506 is compared with the calculated sample chamber vibration amount. Here, if there is a frequency band that exceeds the allowable value, the frequency at which the vibration amount peaks is stored.
  • step S ⁇ b> 905 using the stored frequency, a parameter of a controller mounted on the control device 506 is determined, and control characteristics are adjusted.
  • the wafer 502 is transferred to the sample stage and measurement of the sample is started.
  • FIG. 10 is an example showing a comparison between the sample chamber vibration amount and the allowable value.
  • the solid line in FIG. 10 is the allowable value in FIG. 8, and the broken line is the sample chamber vibration amount calculated in S903 in FIG.
  • the vibration amount y c exceeding the allowable value y 0 is generated in the vicinity of the frequency having the peak at the frequency fc.
  • fc the frequency that requires adjustment of the control characteristics.
  • FIG. 11 is a flowchart of vibration isolation system adjustment during sample observation.
  • the field target position of the SEM image centering on the measurement point is determined by determining the coordinates for measuring the sample.
  • the sample stage is moved to the visual field target position.
  • the sample is measured by performing focusing, positioning, and the like during sample imaging.
  • the acceleration of the sample chamber is measured using the acceleration sensor 521.
  • step S1104 the sample chamber vibration allowable value in FIG. 8 is compared, and if within the allowable value, the process proceeds to S1107. If the allowable value is exceeded, the process proceeds to S1105. At this time, it may be displayed on the display that the image shake amount exceeds the allowable value, and the operator may be notified. In S1105, the control characteristics of the vibration isolation system are readjusted so as to be within the allowable value. In S1106, the readjusted vibration isolation system is applied and the sample is re-measured. In step S1107, it is determined whether or not all coordinates have been measured. If completed, the process proceeds to measurement of another sample. If not completed, the process returns to S1101 to determine the next measurement coordinate.
  • FIG. 12 is a block diagram of a servo control system mounted on the control device 506.
  • the vibration of the sample chamber 501 is observed by the acceleration sensor 521, negatively fed back to the feedback controller 581, and a thrust command to be given to the voice coil motor movable element 522 is calculated.
  • an integrator or a low-pass filter is used as the feedback controller 581.
  • the thrust distributor 582 distributes the thrust command of the voice coil motor movable element 522 disposed on each of the two XY axes in order to suppress the rotational movement in the XY plane caused by the change in the center of gravity of the sample chamber due to the sample stage position. Do.
  • a voice coil motor thrust command is input to the voice coil motor amplifier 583, and a drive current for driving the motor is generated.
  • the generated motor drive current is supplied to the voice coil motor movable element 522 to generate an excitation force for the sample chamber 1.
  • the vibration isolation characteristic adjuster 584 is used to adjust the control characteristic from the comparison result of the vibration amount of the sample chamber and its allowable value. Examples of adjustment methods of the feedback controller 581 and the vibration isolation characteristic adjuster 584 will be described below.
  • [Expression 16] is a transfer function of the sample chamber model.
  • ⁇ 0 is an attenuation coefficient
  • K 0 is a constant value determined by a thrust constant of the voice coil motor (522, 523) and the mass of the entire sample chamber 501.
  • Each coefficient ⁇ 0, ⁇ 0, K 0 in [Equation 16] can be calculated from the measurement result of the frequency characteristic by the sine wave sweep method.
  • a vibration isolation characteristic adjuster 584 is used to adjust the control characteristics in accordance with the vibration frequency of the sample chamber transmitted from the floor.
  • the transfer function of the vibration isolation characteristic adjuster 584 is shown in [Equation 17].
  • Anti-vibration characteristic adjuster 584 vibration frequency f c Motomari its coefficients uniquely according to the eigenvalues of the apparent control object can be arbitrarily adjusted. As a result, it is possible to isolate the frequency band centered on the frequency fc.
  • a primary low-pass filter is used as the feedback controller.
  • ⁇ c is each frequency at the filter break point
  • K is an adjustment gain.
  • K, omega as the determination method of c, by using an optimization algorithm such as genetic algorithm or and particle swarm optimization, it is desirable to automatically adjust the coefficient parameter.
  • the control gain K is adjusted so that the sample chamber vibration amount yc at that frequency satisfies the threshold curve. It ’s fine.
  • the servo control system can be constructed not only for the XY axis translation direction of the sample chamber but also for the rotation axis on the XY plane.
  • the floor vibration frequency contributing to the image shake can be calculated by obtaining the sample chamber vibration allowable value with respect to the image shake amount of the SEM image, and the optimum amount for reducing the image shake amount. It is possible to configure a vibration isolation system having vibration isolation characteristics.

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Abstract

本発明は、装置の状況に応じた適正な制振制御が可能な荷電粒子線装置の提供を目的とする。そのために、荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームが照射される試料を支持する試料ステージと、前記試料が配置される雰囲気を真空状態とする真空チャンバを備えた荷電粒子線装置であって、前記荷電粒子線装置に伝わる振動を検出するセンサと、前記荷電粒子線装置を振動させる加振機構と、前記センサの検出に応じて前記加振機構をフィードバック制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記荷電粒子線装置の制御シーケンスの命令の種類に応じて、前記フィードバック制御のフィードバックゲインを変化させる荷電粒子線装置を提案する。

Description

荷電粒子線装置
　本開示は、アクティブ除振システムを備えた荷電粒子線装置に係り、特に、装置の状況に応じた除振を行う荷電粒子線装置に関する。
　電子線描画装置、ＳＥＭ式ウェハ検査装置などに代表される荷電粒子線装置では、床からの振動を除去するためにアクティブ除振台が備えられる。アクティブ除振台は、装置設置床面からの振動を装置本体に伝播することを防ぐ除振としての機能の他に、ステージの急激な移動等による装置本体の振動を抑える制振としての機能を併せ持つ。床からの振動を地動外乱、装置本体から発生する振動を直動外乱と呼ぶ。
　直動外乱を効率よく制振する技術として特許文献１及び特許文献２に開示の技術がある。特許文献１には、ステージの駆動反力に対する制御量を制振用アクチュエータにフィードフォワードすることで、直動外乱を制振する技術が記載されている。また、特許文献２のスライディング状態制御は、切り替え平面において制御力を切り替える非線形制御であり、ステージ移動のような非定常外乱に対するロバスト性が高いことが特徴である。また、特許文献３には、可動部のある装置が搭載される搭載台および装置設置床面に対して加速度センサ設置し、検出した加速度信号から装置が設置される床面の剛性を推定することで、床剛性を考慮したアクチュエータの駆動力方法が記載されている。本技術では、床剛性に応じてアクチュエータの駆動力を決定するＰＩ制御器の制御特性を調整することで、除振台に搭載される装置のインターフェースを考慮せず試料室振動を除振している。
特開２００８－１１５９６６号公報 特開２０１０－２４２９１４号公報 特開２００７-２４７８２２号公報
　特許文献１に開示されているフィードフォワード制御は、ステージ駆動中しか作用しないため、ステージ駆動終了後の残留振動に対しては機能しない。また、ステージの駆動反力をあらかじめ予測し、フィードフォワード制御を用いることによって、ステージ駆動の駆動反力をキャンセルすることができるが、ステージ停止後の振動を予測することは困難であるため、ハンチングによる振動を除去できない。
　また、特許文献２に開示されているスライディング状態制御は、外乱が発生した初期状態から制御モードが切り替わるまでに時間遅れがある。そのため、過渡応答が悪くなる傾向があり、制振にかかる時間が長くなる。換言すれば、制御の切り替えには時間遅れがあり、十分な制振効果が得られない場合がある。
　特に、高倍率の電子顕微鏡及び精密な撮像が必要な半導体計測装置では、装置のスループット向上及び性能向上のために、上述のようなステージ停止後の収束性が高い制振制御とともに撮像中の安定した除振性能が求められる。
　特許文献３に開示の手法では、装置を設置する環境毎に床剛性を推定して制御特性を調整しているため、設置環境に適した除振システムが構築できる。しかし、制御特性を調整する際に除振台に搭載される試料ステージや電子光学系の機構特性および試料を計測した際の像揺れ量を考慮していない。そのため、ＳＥＭ像の像揺れ量低減を鑑みた最適な制御特性に調整するのは困難である。
　また、像揺れ量低減のためにＰＩ制御パラメータ値を過度に増加させた場合、搭載する試料ステージおよび電子光学系の機構特性によっては除振システムの不安定化を招く。したがって、除振機構に対して最適な制御特性を具備するためには、除振台に搭載する電子光学系特性や像揺れ量を考慮する必要がある。
　以下に、装置の状況に応じた適正な制振制御を目的とする荷電粒子線装置を提案する。
　上記目的を達成するための一態様として、以下に、荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームが照射される試料を支持する試料ステージと、前記試料が配置される雰囲気を真空状態とする真空チャンバを備えた荷電粒子線装置であって、前記荷電粒子線装置に伝わる振動を検出するセンサと、前記荷電粒子線装置を振動させる加振機構と、前記センサの検出に応じて前記加振機構をフィードバック制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記荷電粒子線装置の制御シーケンスの命令の種類に応じて、前記フィードバック制御のフィードバックゲインを変化させる荷電粒子線装置を提案する。
　また、上記目的を達成するための他の態様として、試料室と、当該試料室に搭載される荷電粒子光学系と、当該荷電粒子光学系で検出した信号を処理する画像処理装置と、前記試料室の振動量を検出するセンサと、前記試料室を微小振動させる駆動機構と、当該駆動機構を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記荷電粒子光学系から得られる画像情報と前記試料室の振動情報を用いて前記駆動機構の制御特性を調整する荷電粒子線装置を提案する。
　上記構成によれば、装置の状況に応じた適正な制振制御を行うことが可能となる。
アクティブ除振機能およびそのパラメータ自動調整機能を有する荷電粒子線装置の一例を示す図。 制振対象である真空チャンバの物理モデルを示す図。 荷電粒子線装置の動作プログラムの工程に応じて、アクティブ除振機構の制御パラメータを切り替える工程を示すフローチャート。 アクティブ除振機構の制御ブロック図。 荷電粒子線装置の構成を説明する図。 除振機構の概略図。 像揺れ量に対する試料室振動の許容値を算出するフローチャート。 振動周波数と試料室振動許容値の関係を表す図。 除振システムの制御特性の初期調整工程を示すフローチャート。 試料室振動量と許容値との関係を示す図。 試料観察時における除振システム調整工程を示すフローチャート。 サーボ制御系のブロック線図。
　近年、半導体デバイスに形成されるパターンの微細化が進み、パターンの線幅も数ｎｍと極めて微細なものとなりつつある。荷電粒子線を半導体ウェハ等に照射することによって、半導体の測定や検査を行う装置では荷電粒子線を回路パターンへ高精度に到達させる必要がある。そのためには、ステージ停止後、速やかに振動を最小化する必要がある。
　しかし、スループット向上を目的としたステージ移動の高速化を実現する駆動機構が原因となり、ステージ停止後の残留振動が増大している。さらに、荷電粒子線装置においてはウェハのロード・アンロード時に真空バルブが開閉され、これによって直動外乱が発生する。また、半導体計測や検査に用いられる荷電粒子線装置は、種々の環境下に設置されることが考えられ、地動外乱は一定でない。また、半導体工場の立地や地盤により荷電粒子線装置に加わる地動外乱の性質は一意に決まらない。
　以下に説明する実施例では、ステージ停止後の残留振動や、その他の振動発生要因によって生ずる振動の高精度な制振を目的として、外乱の性質に応じて制振の制御方式を切り替える荷電粒子線装置を提案する。以下にこのような制振を実現するための装置構成を以下に示す。
　（１）装置（例えば、走査電子顕微鏡のような荷電粒子線装置）には、試料を載せるためのステージと、そのステージを真空雰囲気中に置くための真空チャンバを備えられている。真空チャンバには、真空チャンバ内の真空状態を維持するためのバルブが設置され、真空チャンバの振動を検知する加速度センサ、及び真空チャンバに力を加えるアクチュエータ（加振機構）が備えられている。また、真空チャンバ（試料室）内の真空状態を維持しつつ、真空チャンバ内に試料を導入、或いは搬出するための予備排気室（ロードロック室）が備えられている。予備排気室は、外部から導入される試料周囲の雰囲気を、大気から真空、或いは真空から大気に変化させるために設けられており、試料の導入、搬出に応じて、大気空間との間に設けられたバルブが開閉する。
　また、装置には、上記加速度センサの検出信号に基づいて、上記真空チャンバの振動を制振するために上記アクチュエータの駆動量を計算する演算制御部を備える。また装置は、装置に対する命令、設定及びパラメータを記述したレシピを処理するシーケンス制御部を持ち、上記演算制御部に制御の切り替えを要求できる。
　上記加速度センサからの検出信号に基づいて、演算制御部は上記真空チャンバの振動を演算し、シーケンス制御部から要求された駆動方式に従って、上記アクチュエータを駆動しフィードバック制御をする。
　（２）好ましくは、上記（１）において、演算制御部は、バルブの駆動及びステージ移動時における最適なフィードバックゲインを導出する手段を備える。
　（３）また、好ましくは、上記（２）において、上記演算制御部は、フィードバックゲインを導出するために、最適制御則に則ったレギュレータの解を計算する手段をもつ。
　（４）また、好ましくは、上記（３）において、上記演算制御部は、レギュレータの評価関数における係数行列を演算し、上記係数行列に設定する値によって制振の特性を可変できる。
　（５）また、好ましくは、上記（４）において、上記演算制御部は係数行列を格納する手段を備える。
　（６）また、好ましくは、上記（５）において、上記演算制御部は外乱の様子に対して最適な係数行列をオンラインで探索する手段をもつ。
　（７）半導体製造装置において、（１）～（６）の荷電粒子線装置を用いて半導体を製造する。
　（８）半導体検査装置において、（１）～（６）の荷電粒子線装置を用いて半導体を検査する。
　上記構成によれば、除振の制御パラメータを外乱の種別に応じて自動的に切り替えることで、装置機差や顧客環境に合わせて除振機能の安定性及び性能を最大化する荷電粒子線装置を実現できる。さらに、装置の動特性や外乱を考慮した最適制御ゲインの自動計算により、フィードバック制御の知識を持たないサービスエンジニアであっても、安定性を保ちつつ高い制振・除振性能を実現するアクティブ除振に調整できる。
　以下、図面を用いて制振機構を備えた荷電粒子線装置の概要を説明する。なお、以下の説明では荷電粒子線装置の一態様として、電子ビームを試料に走査する走査電子顕微鏡を例にとって説明するが、これに限られることなく、例えば、イオンビームを照射するイオンビーム装置に以下に例示するような制振機構を備えるようにしても良い。図１は、制振機構を備えた走査電子顕微鏡の一例を示す図である。
　図１において、床１に置かれた架台２上には、真空チャンバ３を４隅で固定するための支柱４、５、６、７が備えられている。支柱４、５、６、７と真空チャンバ３は除振マウント８、９、１０、１１により接合されている。また、架台２には真空チャンバ３に反力を伝えるための可動子２１、２２、２３、２４がＸ軸及びＹ軸にそれぞれ２つずつ備えられている。
　真空チャンバ３には、電子ビーム源１６、ＸＹステージ１７、及び真空バルブ１８が配置され、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれに加速度センサ１９及び２０、架台からの反力を受けるための固定子１２、１３、１４、１５がそれぞれ可動子２１、２２、２３、２４に対して１つずつ備えられている。
　ＸＹステージ１７上には電子ビームの照射対象となる試料２５が固定されており、ＸＹステージ１７は、電子ビームの照射位置を変更すべく、試料２５を移動させる。このとき、真空チャンバ内の支柱２６に支持されたレーザー測長計２７から発射されたレーザー光は、ＸＹステージ１７上に固定されたミラー２８によって反射される。レーザー測長計２７は、発射光とミラー２８の反射光との干渉からＸＹステージ１７の位置を正確に計測し、位置信号２９をシーケンス制御部３０に転送する。
　シーケンス制御部３０は、装置の制御シーケンスを処理するために用いられ、電子ビーム源１６、ＸＹステージ１７、真空バルブ１８に制御命令を転送できる。また、演算制御部３１は床振動の除去のために加速度センサ１９、２０を入力とし、可動子２１、２２、２３、２４に制振力を与える。
　装置の制御シーケンス（動作レシピ（走査電子顕微鏡を自動制御するための動作プログラム））では、ＸＹステージ１７が、目標位置へ精密に位置決めされると、電子ビーム源１６から荷電粒子線３２が放出され、試料２５に照射される。年々、半導体集積回路が微細化されるにつれて、ＸＹステージ１７の位置決め精度向上、位置決め時間短縮、及び試料２５への荷電粒子照射精度向上の要求が高まっている。
　ＸＹステージを高速駆動するためには、駆動機構の性能を向上させる必要があるが、ＸＹステージ１７の性能向上に伴って、ＸＹステージ１７の駆動反力が増大し、直動外乱が増大する。本実施例では、架台２を介して床１から伝達する真空チャンバ３への地動外乱、及びＸＹステージ１７の移動・真空バルブ１８の開閉によるチャンバ３への直動外乱を高精度に抑制する走査電子顕微鏡について説明する。
　これらの床振動や直動外乱を抑制すべき荷電粒子線装置には、半導体検査、測定に用いられる荷電粒子線装置以外に、電子線描画装置、電子顕微鏡や、ホログラフィ装置などがある。
　なお、３次元的に発生する振動を高精度に抑制するためには、図２に例示するような構成を用いて、Ｘ軸方向とＹ軸方向（水平方向）、Ｚ軸方向（鉛直方向）、回転方向であるθＸ軸方向、θＹ軸方向、θＺ軸方向の６軸の制振を行うことが望ましい。直線方向の振動（第１の振動）と回転方向の振動（第２の振動）とを合わせて６方向の制振を行うために、リニアアクチュエータを水平面方向に３つ以上、鉛直方向に３つ以上配置する。
　本実施例では説明の簡略化のために、ステージ移動の反力によるチャンバの振動が、荷電粒子線の位置決め精度を低下させる主な移動方向である、Ｘ方向とＹ方向に発生し、その振動を抑制する例について説明する。また、推力分配器２３を用いて２つのアクチュエータへの入力をθＺ軸方向に回転しないように調整することで、θＺ軸の制振を考慮しない制御が可能となる。また、水平面方向の回転成分θＺを考慮する場合、主慣性軸分離器を用いて回転成分の加速度値を求める。ただし、本実施例で示した構成のみではなく、6自由度の制御方法への拡張、実施も可能である。
　架台２は、床１からの振動伝達を防止するために重量を大きくしている。また、架台は、真空チャンバ３を固定するための除振マウント８、９、１０、１１は、簡単な構造で大きな支持力が得られる。リニアアクチュエータは、支柱４、５、６、７と、固定子１２、１３、１４、１５と、可動子２１、２２、２３、２４から構成される。固定子１２、１３、１４、１５に通電することにより。電磁力を利用して可動子２１、２２、２３、２４を駆動し、真空チャンバ３の振動を制振する。加速度センサとして、水平Ｘ軸方向の加速度センサ１９、及び水平Ｙ軸方向の加速度センサ２０が備えられている。
　次に、シーケンス制御部３０はＸＹステージ１７を駆動し、試料２５を目標の座標位置に移動させる。また、電子ビーム源１６から荷電粒子線３２を試料２５に照射し、目的の検査をする。前記の制御と並列に、シーケンス制御部３０はウェハのアンロード・ロードに応じて真空バルブ１８を開閉させる。このとき、上述のステージ駆動及び真空バルブの開閉等のシーケンスが実行される前に、シーケンス制御部３０は、演算制御部３１に実行するシーケンスに対応した制御命令を通知する。これにより、演算制御部３１は、機械の駆動による振動に応じた制振制御を事前に適用できる。
　次に、リニアアクチュエータを用いた除振制御部について説明する。除振制御部は、演算制御部３１及びフィードバックゲイン格納部３２と、乗算器３３と、推力分配器３４と、増幅器３５により構成される。演算制御部３１は状態観測器としての機能を持ち、シーケンス制御部３０から通知された制御命令に応じて、駆動方式を切り替える。演算制御部３１は、加速度センサ１９、２０から得た加速度情報、及びレーザー測長計２７から得た位置信号２９を受け取り、制御量行列を出力する。求められた制御量行列と、フィードバック行列格納部３２は、乗算器３３により乗算され、推力分配器３４によって、真空チャンバ３がθＺ方向に回転しないように、真空チャンバ３への反力が、固定子１２、１３、１４、１５へ分配される。
　以上の構造モデルから、リニアアクチュエータを用いて真空チャンバ３の振動を抑制する状態フィードバックシステムを構築する。リニアアクチュエータは直動外乱であるＸＹステージ１７の移動による反力の制振のために使用する以外に、地動外乱の除振を目的としたアクチュエータとして併用する。
　真空チャンバ３、及び真空チャンバ３に搭載された機器を１つの剛体として定義した場合、ＸＹ２軸の除振台の運動方程式は以下の通りとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ここで、上記［数１］において、ｔは時間、ｍは真空チャンバ３の総質量、ｍｓはＸＹステージ１７の総質量を示す。ｘ´´（ｔ）はチャンバのX軸加速度、ｘ´´ｓ（ｔ）はステージのX軸加速度、ｘ´（ｔ）は真空チャンバ３のX軸速度、ｘ´（ｔ）はＸＹステージ１７のＸ軸速度、ｃｘはＸ軸方向の除振マウントによる減衰率、ｋｘはＸ軸方向の除振マウントが真空チャンバを支持するバネ係数を示す。また、ｆｘ１およびｆｘ２は、リニアアクチュエータによって生じるＸ軸方向の駆動力である。ｆｘ１の作用点は、真空チャンバ３の重心から距離－Ｌｘだけ離れており、ｆｘ２は＋Ｌｘだけ離れている。
　同様に上記［数２］において、ｙ´´（ｔ）は真空チャンバ３のＹ軸加速度、ｙ´´ｓ（ｔ）はＸＹステージ１７のＹ軸加速度、ｙ´（ｔ）は真空チャンバ３のＹ軸速度、ｙ´（ｔ）はＸＹステージ１７のＹ軸速度、ｃｙはＹ軸方向の除振マウントによる減衰率、ｋｙはＹ軸方向の除振マウントが真空チャンバ３を支持するバネ係数を示す。またｆｙ１およびｆｙ２は、リニアアクチュエータによって生じるＸ軸方向の駆動力である。ｆｙ１の作用点は、真空チャンバ３の重心から距離－Ｌｙだけ離れており、ｆｙ２は＋Ｌｙだけ離れている。
　作用力ｆｘ１、ｆｘ２の値は、推力分配器２３によりＸ軸方向への駆動力ｆｘ、およびステージのＸ座標ｘｓを用いて、以下の［数３］のように計算される。この計算式は、本実施例で示した式のみではなく、真空チャンバ３の機構およびＸＹステージ１７の駆動力によって異なる他の計算法でも実施可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　同様に、Y軸方向の作用力は以下の［数４］で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 X軸、Y軸の連立を考慮した、［数１］および［数２］の運動方程式により、次の［数５］および［数６］の状態方程式が作成できる。離散系状態方程式で表しても、実施は可能であるため、本実施例では連続系状態方程式を元に説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　［数６］より、本実施例に記載の荷電粒子線装置は、４入力４出力のシステムとなる。本実施例の可制御行列の階数は４であるため可制御である。上記［数５］において、Ａはシステム遷移行列、Ｘは状態変数行列、Ｘ´はXの１階微分行列、Ｂ１はＸＹ軸のリニアアクチュエータによる入力行列、Ｂｓはステージの駆動反力による入力行列である。また、Ｙは出力変数行列、Ｃは出力制御行列である。上記［数６］を模式図に示したのが、図４である。
　図４では、リニアアクチュエータによる入力行列演算器１０１の出力Ｂ１と、ステージの駆動反力による入力行列演算器１０２の出力Ｂｓが加算点１０３によって加算され、真空チャンバを運動させる入力Ｕとなる。
　状態変数行列Ｘは、その１階微分行列Ｘ´を積分器１０５に入力することで得られる。また、状態変数行列Ｘは、システム遷移行列１０６を介して加算点１０４にフィードバックされる構成となっている。出力変数Ｙは、状態変数行列Ｘを出力制御行列演算器１０７に入力することによって得られる。
　ＸＹの２軸において状態変数行列Ｘは、X軸変位ｘ、Ｙ軸変位ｙ、Ｘ軸速度ｘ´、Ｙ軸速度ｙ´から構成される。また、Ｕ１は、真空チャンバのX軸およびY軸方向の入力成分から構成される。一方、ＵｓはステージのX軸加速度およびＹ軸加速度から成る。
このとき、ＸＹステージ１７の加速度値は計測可能だが、荷電粒子線３２を試料２５の目的の座標に位置決めする必要があるため、制振のために入力変数Ｕｓを変更できない。直動外乱に対する制振のために使用できる入力は、リニアアクチュエータのみであるため、入力変数行列Ｕ１のみが制御可能となり、次式［数７］のように表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　リニアアクチュエータによる制御入力を決定する制御側を、次式［数８］に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　上記式［数８］において、Ｋは状態変数行列Ｘをフィードバックするためのフィードバックゲイン行列である。これにより、リニアアクチュエータは、状態変数行列Ｘ及び制御入力Ｕ１の要素が全て０になるように動作するレギュレータとして動作する。
　上記式に示した状態方程式による制御は、２入力４出力となるため、一般にフィードバックゲイン行列Ｋを一意に決定することはできない。そこで、一般に知られている最適制御側によるフィードバックゲイン行列決定法を用いる。（例えば、文献「養賢堂発行 メカトロニクスと制御工学 岡田養二著」）
　また、次式［数９］に示す評価関数を最小にするフィードバックゲイン行列は、次式［数１０］に示すリッカチ方程式を解くことにより求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　［数９］において、Ｑは、重み付き２乗積分誤差に対する重み行列、Ｒは操作信号の２乗２乗積分値に対する重み行列、Ｐはリカッチ方程式を満たす正定唯一解、Ｋが求めるフィードバックゲイン行列である。シミュレーションにより、重み行列Ｑ，Ｒおよびフィードバックゲインを以下のように決定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 　リカッチ方程式の解法については、クラインマン-ニュートン法等を用いて、計算機上で容易に求めることができる。求められたフィードバックゲイン行列Ｋを用いて、ＸＹステージ１７の駆動、を考慮した上記式［数９］による計算機シミュレーションを実施し、直動外乱と地動外乱に対して適切な応答を返すフィードバックゲイン行列Ｋを決定する。計算機シミュレーションにおいては、除振制御の応答と共に、制御入力Ｕ１のワインドアップを考慮してフィードバックゲインＫを求める必要がある。求められたフィードバックゲイン行列Ｋをフィードバックゲイン行列格納部３５に格納する。
　本実施例では、加速度センサ情報を積分することによって速度情報を求めるが、状態観測器を用いて、出力する制御量と計測した観測量から直接観測できない状態変数を推定して計算に使用することもできる。
　状態観測器から得られた出力変数Ｙと、フィードバックゲイン格納部３６に格納された行列を乗算器３３によって乗じる。この結果得られる制御行列信号を推力分配器に入力し、各リニアアクチュエータに出力を分配する。推力分配器によって分配された各リニアアクチュエータの出力信号は、各々が増幅器３１に出力され、固定子１２、１３、１４、１５を加振する。
　上記実施例によれば、観測可能な真空チャンバに備えられたセンサ情報に加え、リニアアクチュエータの制御量と、ＸＹステージ１７の位置情報とによって、直動外乱に対して高精度な制振性能を実現できる。
　ただし、上記実施形態では、装置機差及び顧客環境における地動外乱の変化等の誤差を考慮すると、ノミナルモデルだけでは十分な性能を得られない。さらに、最適制御側によるフィードバックゲイン行列決定法によるフィードバックゲインは安定性が高いが、収束性については保守的になる。
　そこで、フィードバックゲイン格納部に格納する行列に、オンライン調整可能なパラメータを備える。レギュレータの重みＱに調整可能なパラメータを設け、設置環境に合わせて調整パラメータを変更することで、状態制御の安定性を保証すると同時に最適な効果が得られる制振制御を実現する。制御パラメータは、設置環境の影響を受けやすいｘ軸、ｙ軸にそれぞれｐｘ，ｐｙを導入する。この調整パラメータを含む重みＱｐを［数１３］のように定める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 　これにより、ｐｘおよびｐｙを真空バルブ１８の開閉、ＸＹステージ１７の移動等の機械駆動による外乱ごとに、最適な制御パラメータに事前に切り替えられるようになる。制御パラメータを機械の駆動前に切り替えるために、シーケンス制御部３０はフィードバックゲイン演算部３６に制御の切り替えを通知する。例えば、図３に示すようにシーケンス制御部３０が真空バルブ開放のシーケンス命令を実行前に、フィードバックゲイン演算部３６にバルブ排気制御への切り替えを通知する。
　ここで、レシピと呼ばれる走査電子顕微鏡の動作プログラムによる制御工程について説明する。半導体ウェハ等を測定、検査する走査電子顕微鏡は、自動検査、自動測定を行うためのレシピが用意されている。図３に例示するように、走査電子顕微鏡は、試料の種類や測定等の目的に応じて用意されたレシピの読み込みによって、自動測定や検査の準備を行う。半導体ウェハを測定、検査する走査電子顕微鏡は、電子ビームの照射対象となる試料を支持するステージが内蔵された真空チャンバ、集束した電子ビームを試料上で走査し、走査によって得られた信号を検出する電子顕微鏡カラム、試料室に導入される試料雰囲気を真空排気する予備排気室、及び当該予備排気室に試料を導入する前のプリアライメントを行うアライナと、ＦＯＵＰのようなウェハカセットからウェハを取り出すロボットが内蔵されたミニエンと呼ばれる空気清浄空間維持機構が備えられている。
　レシピが読み込まれた走査電子顕微鏡に、ＦＯＵＰが搭載されると、ＦＯＵＰオープナーによって、ＦＯＵＰのウェハ取り出し口が開放され、ロボットによってウェハが取り出される。図３に例示するように、この際、フィードバックゲイン演算部３６は、定常状態（大きな振動が発生しない状態）のアクチュエータ制御を行うべく、定常状態用として予め登録されている制御パラメータｐｘ，ｐｙを用いて、最適レギュレータの評価関数からフィードバックゲインを算出し、フィードバックゲイン格納部３２に格納する。定常状態においては、定常状態用のフィードバックゲインを用いた制振制御が行われる。次に、ロボットは、ウェハをプリアライメント用のアライナに搬送し、アライナはウェハを回転させたときの偏心量を求めることによって、ウェハの位置ずれを求める。ロボットは、当該ずれを抑制するように、予備排気室への搬送位置を調整する。
　次に、予備排気室や真空チャンバ（試料室）を真空排気すべく、バルブを開放する。このとき、上述したように、制御部３０は、真空バルブ開放の命令を実行する前に、フィードバックゲイン演算部３６にバルブ開放時のパラメータに切り替える旨の通知を行う。通知を受けたフィードバックゲイン演算部３６は、バルブ排気用の制御パラメータｐｘ，ｐｙを用いて、最適レギュレータの評価関数からフィードバックゲインを導出し、フィードバックゲイン格納部３２に格納する。
　結果、真空バルブ排気のために、最適な制御に切り替えることができる。例えば、本実施例では、バルブ開放による真空チャンバ３の振動方向が主にＸ軸である場合、ｐｘ＞ｐｙとした制御パラメータとする。なお、予備排気室と試料室、及び予備排気室と大気空間との間に設けられ、試料搬入、搬出の際に開放されるバルブに連動して、パラメータを切り替えるようにしても良い。ここで、制御パラメータはオンラインで計算する必要はなく、フィードバックゲイン格納部に、外乱種別ごとフィードバックゲインを持たせてもよい。さらに、外乱の種別ごとのフィードバックゲインをシーケンス制御部３０が保持し、フィードバックゲイン行列格納部３５に転送する構成も容易に実現できる。
　バルブ開放からバルブ開放に伴う振動の影響がある期間中、バルブ開放のために用意されたパラメータ（ゲイン）を用いた制振制御を行い、上記期間の終了後、定常状態用のパラメータに切り替える。図３に例示するフローチャートでは、定常状態から他の状態に切り替わる他のイベントとして、ステージ移動がある、ステージは真空チャンバ内に配置され、試料上の所望の位置に電子ビームを照射するために駆動されるが、その際にも振動が発生する。このような振動を速やかに抑制することができれば、装置の高スループット化を実現することが可能となる。
　本実施例では、制御部３０によるステージ移動制御実行前に、フィードバックゲイン演算部３６にステージ移動制御への切り替えを通知する。ステージ移動時のゲイン状態を、ステージ停止後、所定の待ち時間が経過するまで維持し、電子ビーム走査に基づく、撮像工程前に、定常状態用のゲインに切り替える。測定点が複数ある場合は、ステージ移動、撮像、ステージ移動、撮像、、、が繰り返されることになるため、その都度、ゲインを切り替えるようにする。また、Ｘ－Ｙステージの場合、移動方向に応じて、Ｘ方向の振動がＹ方向の振動に対して大きい場合や、その逆も考えられるため、Ｘ、Ｙ方向のそれぞれの距離に応じて、ｐｘとｐｙの重みを調整するようにしても良い。
　上記設計によって、レシピシーケンス上で発生しうる外乱の種別ごとに、制御パラメータを切り替えられるようになった。ただし、各外乱の制御パラメータは、各機構の固有周波数、及び荷電粒子線装置の設置環境によって大きく変化する。そのため、環境の変化に応じて定期的にパラメータの調整を行うことが望ましい。
　そこで、本実施例ではシーケンス制御部３０およびフィードバックゲイン演算部３６がｐｘ，ｐｙの制御パラメータを自動的に調整する機構を持つようにする。装置設置環境において、演算制御部３１が上記制御パラメータを定めた範囲内でスイープし、数１４で算出される評価値Ｊが最小になる調整パラメータを探索する。評価値Ｊは制御開始からＴ秒間における移動量のノルムを用いる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 　探索の結果、パラメータスイープの範囲内において、評価値Jが最も小さくなったｐｘ，ｐｙの値を制振制御で使用する。これにより、変化する地動外乱に対して適切な振動抑制制御を実現する。
　また、本パラメータの探索は、装置の経年劣化や装置設置環境の変化に応じて、適宜実行する必要がある。この探索は手動で実行する必要はない。最適なパラメータに定期的に更新するために、制御シーケンス上で定期的に実行してもよい。例えば、図３のシーケンス制御では、シーケンス開始時にパラメータの探索を自動的に実行するようにすることで、検査時の制御は常に装置の状況に応じて最適なパラメータ設定となるように自動調整することができる。
　次に、制振機構の制御特性を調整する機能を備えた他の荷電粒子線装置について説明する。荷電粒子線装置では上述のように除振装置が用いられる。除振装置としては、空気ばね、コイルばね、防振ゴム等の振動減衰部材が用いられる。除振装置は高周波数の床振動に対して高い除振性能を発揮するものの、除振装置の固有周波数で装置の設置床面が振動した場合、その周波数で振動を増幅する課題がある。その場合、試料室にボイスコイルモータや空気圧アクチュエータ等の駆動機構を設置し、試料室振動を能動的に除振することで対処できる。
　以下に、予め像揺れ量に対する試料室の振動量許容値を算出し、装置センサで観測する試料室振動量と算出した振動振幅許容値を用いて除振システムの制御特性を調整し、制御する荷電粒子線装置を説明する。以下に説明する実施例では主に、試料室と、当該試料室に搭載される電子光学系と、当該電子光学系で検出した信号を処理する画像処理装置と、前記試料室の振動量を検出する振動量検出手段と、前記試料室を微小振動させる駆動機構と、当該駆動機構を制御する制御装置とを備えた荷電粒子線装置であって、前記制御装置は、前記電子光学系で観察する試料の画像情報と前記試料室の振動情報を用いて前記駆動機構の制御特性を調整する荷電粒子線装置を提案する。
　上記構成によれば、予めＳＥＭ画像の像ゆれ量に対する試料室振動許容値を求めることで像揺れに寄与する床振動周波数とその振動振幅を算出でき、像揺れ量を低減する最適な除振特性を具備した除振システムを構成する事が可能となる。
　以下に説明する実施例は、測長ＳＥＭのような荷電粒子線装置およびそれに適用可能な除振機構に関するものである。以下、実施例を図面を用いて説明する。
　図５は、本実施例における荷電粒子線装置の構成を示す図である。図５において、試料室５０１内に固定されたベース５０７上には、２つのＹリニアガイド５１２ｙ、５１３ｙを介してＹ方向（紙面奥行き方向）に自由に移動できるＹテーブル５０９が配置されるとともに、Ｙリニアモータ５１４ｙがＹ方向に相対的に推力を発生させるように配置される。Ｙテーブル５０９上には、２つのＸリニアガイド５１２ｘを介してＸ方向に自由に移動できるＸテーブル５０８が配置されると共に、Ｘリニアモータ（図示せず）がＸ方向に推力を発生させるように配置される。これにより、Ｘテーブル５０８は、ベース５０７および試料室５０１に対してＸＹ方向に移動することが可能となる。
　Ｘテーブル５０８上にはウェハ５０２が配置される。ウェハ５０２の配置には機械的拘束力または静電気力等の保持力を備えたウェハ保持機構を用いる。
　ベース５０７上面には、Ｙテーブルを制動するためのブレーキ機構（図示せず）が配置される。ブレーキ機構は、ステージ移動時には制動力を開放し、ステージ停止時に制動力を発生させるように、圧電素子等を用いて押し付け動作を行うようにすることが望ましい。
　また、Ｘテーブル５０８には、テーブルのＸ方向の位置を測定するためのレーザー干渉計５１０ｘおよびミラー５１１ｘが設置される。Ｘレーザー干渉計５１０ｘは、ミラー５１１ｘに対してレーザー光を照射し、その反射光を用いて試料室５０１とＸテーブル５０８のＸ方向の相対変位量（以下、Ｘレーザー値と呼ぶ）を計測する。Ｘレーザー値を制御装置５０６にフィードバックすることでＸ方向に対するサーボ制御系を構成する。
　Ｙ方向についても同様に、レーザー干渉計（図示せず）を用いてＸテーブル５０８のＹ方向の相対変位を検出し、サーボ制御系を構成する。これにより、Ｘテーブル５０８をＸＹ方向の所望の位置に位置決めし、ウェハ５０２上全面に対する検査・計測を行う。
　試料室５０１の下面には床から試料室に伝達する振動を除去するため、受動的除振装置として除振マウント５１６がＸＹ軸に対して各軸２個ずつ合計４個配置される。
　試料室５０１の側面には能動的除振装置として、除振機構５１５が配置され、ボイスコイルモータ等をアクチュエータとして備える。除振機構５１５は、床振動による試料室振動に対してその逆位相となる加振力を発生させ、床に起因する試料室振動を除振する。また、除振機構５１５はＸＹテーブルが稼働した際の推力信号をアクチュエータの駆動推力として与えることで、ステージ駆動により試料室に加わる反力を相殺することもできる。
　試料室５０１には、電子光学系を保持するカラム５０３が配置される。カラム５０３には、電子線５０４によって二次電子像を生成するための電子銃５０５が備えられている。生成した二次電子は二次電子検出器５１７によって検出される。二次電子検出器５１７で検出した二次電子信号は、画像処理装置５１８に入力することでＳＥＭ像に変換される。取得したＳＥＭ像は、像ゆれ量算出装置５１９に入力することで像揺れ量を算出する。なお、像揺れ量はＳＥＭ像の明暗の変化からパターンのエッジを検出し、それをフーリエ変換することで求めるのが良い。算出した像揺れ量は制御装置５０６に入力され、除振機構を駆動するアクチュエータの制御特性の調整に用いる。
　制御装置５０６には、演算処理部、リニアモータ５１４駆動用アンプ、反力相殺機構５１５駆動用アンプ等が含まれている。制御装置５０６は、ＸＹテーブルおよび反力相殺機構の駆動力を演算するサーボ制御系が構成される。
　以上の構成により、ウェハ５０２を試料室５０１に対してＸＹ平面で移動し、カラム５０３によって試料の撮像を行うことができる。
　なお、本実施例では、案内機構としてリニアガイドを用いたがその他の案内機構（例えば、流体軸受けや磁性軸受けなど）を用いることも可能である。また、駆動機構としてリニアモータを用いたが例えば、ボールねじや圧電アクチュエータ等、真空中で使用可能なアクチュエータを用いることも可能である。さらに、ステージの位置検出にはレーザー干渉計を用いたが、例えばリニアスケールなどの他の位置検出方法を用いることも可能である。
　図６は、除振機構の概略図である。試料室５０１のＸ軸には試料室の加速度を検出するための加速度センサ５２１ｘが設置される。加速度センサ５２１ｘは試料室５０１のＸ軸に対して上面、側面、下面いずれかに少なくとも一つ設置すれば良い。
　試料室５０１のＸ軸側面にはボイスコイルモータ固定子５２３ｘが配置される。ボイスコイルモータ可動子５２２ｘは支持アーム５２５ｘを介して架台５２４ｘに取り付けることで、駆動した際の反力を、架台５２４ｘを通して床５２６に逃がす構造である。Ｘ軸側面にはボイスコイルモータ（５２２、５２３）が２つ設けられ、左右均等に加振することで、Ｘ軸並進方向に対して加振力を発生させる。また、左右のボイスコイルモータの推力配分を変化させることで、ＸＹ平面上の回転軸方向（θ軸）に加振力を発生させることも可能である。
　制御装置５０６には加速度センサ５２１ｘで観測した信号をフィードバックし、サーボ制御系が構成される。除振システムのサーボ制御系は、除振マウント５１６で除振困難な低周波数の振動成分を対象とする。例えば、除振マウントの固有値が１Ｈｚだとすると、床から伝達する１Ｈｚの振動成分は増加するため、マウント固有値を含む周波数帯０．１Ｈｚ～２０Ｈｚを能動的除振システムの対象周波数とすれば良い。これにより、除振マウント１６が低減困難周波数において、除振機構５１５が補うことができる。Ｙ軸にもＸ軸と同じ構成の除振機構が設けられる。これにより試料室５０１をＸＹθ軸方向に制御することが可能となる。
　図７は、像揺れ量に対する試料室振動の許容値を算出するフローチャートである。本処理では、予め除振制御しない状態で試料室１を加振した際のＳＥＭ像を撮像し、像ゆれの許容限界となる時の試料室振動量を算出することで、像ゆれに対する試料室振動量の許容値を求める。
　Ｓ７０１では、試料室１を加振する周波数を決定する。一般に床振動で像ゆれの原因となるのは低周波数であるため、数Ｈｚ（図中、ｆｓ）から数十Ｈｚ（図中、ｆｅ）（例えば、０．１Ｈｚ～２０Ｈｚ）の範囲で加振周波数を決定すれば良い。その際、加振周波数を周波数Δｆ間隔でインクリメントする、あるいは対数的に等間隔とするのが良い。振動量が大きい周波数近傍では、より細かい周波数ピッチで測定しても良い。
　Ｓ７０２では、試料室１に対する加振力を決定する。加振する際は、試料室１が過度に振動してしまうのを避けるため、小さな振幅から始めるのが好ましい。
　Ｓ７０３では、Ｓ７０１、Ｓ７０２で決定した加振周波数および加振力で試料室を加振する。加振方法としては、装置に設置されたボイスコイルモータ（５２２、５２３）を用いる方法や装置架台５２４下に加振器を設置して加振する方法を用いることができる。また、加振する際は、ＸＹ軸各軸に対する振動振幅許容値を算出するため、各軸別々に加振するのが望ましい。
　Ｓ７０４では、試料室１を加振した状態で試料を観察し、ＳＥＭ像を撮像する。加振する全周波数で同一の測定条件とするため、撮像時の倍率やフレーム数等の撮像条件は固定しておくのが良い。
　Ｓ７０５では、撮像したＳＥＭ像の振動量解析を行う。その方法としては、ＳＥＭ像を画像処理することで、パターンのエッジを抽出し、フーリエ変換等を用いることができる。また、試料室に設置した加速度センサ５２１を用いて試料室の振動量ｙｃを測定する。これにより、加振した周波数における像ゆれ量（ｙｉ、図示せず）と試料室の振動量ｙｃの関係を求めることができる。
　なお、ここで算出した像ゆれ量ｙｉには、レーザーノイズ等の影響が含まれる場合がある。その場合、予め試料室１を加振しない状態の像ゆれ量を参照データとして保存し、加振した状態の像ゆれ量から減算することで、レーザーノイズ等の影響を除去しても良い。
　Ｓ７０６では、算出した像ゆれ量ｙｉが荷電粒子線装置の仕様値以内か否かの判定を行う。許容値以内の場合は、Ｓ７０２に戻り加振力の値を前回の加振力より大きく設定する。
　Ｓ７０７では、Ｓ７０６までの処理を繰り返すことで装置に規定される像ゆれ許容値となる場合の試料室振動量を算出する。
　Ｓ７０８では、振動量許容値が全周波数分算出できたか否かの判定を行う。終了していない場合、Ｓ７０１に戻り周波数を変更し、再度測定を行う。
　図８は、振動周波数と試料室振動許容値の関係を表す概略図である。許容値曲線８００は、図７の試料室許容値算出処理により得られる許容値をプロットすることで得られる。その際、測定点に対してスプライン補間やラグランジュ補間等のデータ補間を行うことで、図３で測定していない周波数の許容値も算出することができる。ここで、各周波数における像ゆれ振動量ｙｉの総和が像ゆれ量の仕様値Ｙｓｐｅｃとなる時の定数値αを求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 　［数１５］のαを許容値曲線８００に乗算しておく事で、各周波数における像揺れ量ｙｉの総和が装置の像ゆれ許容値となる時の試料室振動量ｙｃを求めることができる。これにより、許容値曲線８００以下となるように除振システムの制御特性を調整すれば、像ゆれ仕様を満足することが可能となる。
　図８の許容値曲線８００は、制御装置６に格納される。その際、許容値曲線８００を多項式近似することで、制御装置５０６に保存するメモリ量を削減することも可能である。なお、装置の機差や特性変化等を考慮して像ゆれ仕様値Ｙｓｐｅｃを小さく設定しても良い。
　また、試料室振動量を常にモニタして図８の許容値曲線８００と比較することで、装置運用時において像ゆれ量が許容範囲以内か否かの判定することで装置の異常診断に用いることができる。なお、判定結果が許容値曲線８００を超過している場合は、ディスプレイにその旨を表示することでオペレータに装置の異常を通知しても良い。
　図９は、除振システムの制御特性の初期調整に用いるフローチャートである。本処理は、顧客の床面に装置を設置し、装置を初期化する際に行われる。Ｓ９０１では、荷電粒子線装置の電源が投入され、各センサ、ステージ装置、電子光学系の初期化を行い、使用可能状態とする。Ｓ９０２では、試料室５０１に設置した加速度センサ５２１で試料室の振動量を測定する。
　Ｓ９０３では、測定した振動波形に対して、フーリエ変換等を用いて周波数毎の振動量を算出する。Ｓ９０４では、制御装置５０６に保存した図８の許容値曲線と算出した試料室振動量との比較を行う。ここで、許容値を超過している周波数帯があれば、振動量のピークとなる周波数を保存する。Ｓ９０５では、保存した周波数を用いて、制御装置５０６に実装される制御器のパラメータを決定し、制御特性の調整を行う。Ｓ９０６では、ウェハ５０２を試料ステージに搬送し、試料の計測を開始する。
　図１０は、試料室振動量と許容値との比較を示す例である。図１０の実線は、図８の許容値であり、破線が図９のＳ９０３で算出した試料室振動量である。この例では、周波数ｆｃをピークとする周波数付近で許容値ｙ０を超過する振動量ｙｃが発生していることが分かる。除振機構で対象とする低周波数領域では、装置を設置する床面に依存した一つのピーク周波数ｆｃを持つ事が多い。この場合、制御特性の調整が必要な周波数をｆｃとする。
　図１１は、試料観察時における除振システム調整のフローチャートである。Ｓ１１０１では、試料を計測する座標を決定することで、その測定点を中心とするＳＥＭ像の視野目標位置を定める。Ｓ１１０２では、視野目標位置に試料ステージを移動する。Ｓ１１０３では、試料撮像時のフォーカス合わせ、位置合わせ等を行い、試料の計測を行う。また、加速度センサ５２１を用いて、その際の試料室振動を測定する。
　Ｓ１１０４では、図８の試料室振動許容値と比較し、許容値以内であればＳ１１０７に進む。許容値を超過している場合は、Ｓ１１０５に進む。この時、像ゆれ量が許容値を超過している旨をディスプレイに表示し、オペレータに通知しても良い。Ｓ１１０５では、許容値以内となるよう除振システムの制御特性を再調整する。Ｓ１１０６では、再調整した除振システムを適用し、試料の再計測を行う。Ｓ１１０７では、全座標を計測し終えたか否かの判定を行い、終了していれば別の試料の計測に移る。終了していなければＳ１１０１に戻り次の計測座標を決定する。
　本処理を用いて試料室振動量が許容値以内を常にモニタすることで、床振動の周波数や振幅が変化した際に対応することができる。
　図１２は、制御装置５０６に実装されるサーボ制御系のブロック線図である。試料室５０１の振動は、加速度センサ５２１で観測し、フィードバック制御器５８１に負帰還させ、ボイスコイルモータ可動子５２２に与える推力指令を算出する。一般に、フィードバック制御器５８１としては、積分器またはローパスフィルタ等が用いられる。
　推力分配器５８２は、試料ステージ位置による試料室の重心変化に起因したＸＹ平面内の回転運動を抑制するため、ＸＹ各軸２つずつ配置されるボイスコイルモータ可動子５２２の推力指令の分配を行う。
　ボイスコイルモータ用アンプ５８３には、ボイスコイルモータの推力指令が入力され、モータを駆動する駆動電流を生成する。生成したモータ駆動電流は、ボイスコイルモータ可動子５２２に供給することで試料室１に対する加振力を発生させる。
　除振特性調整器５８４は、試料室の振動量とその許容値を比較結果から制御特性を調整するために用いる。以下にフィードバック制御器５８１および除振特性調整器５８４の調整法の例を示す。
　[手順１]　試料室モデルの導出
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 まず、試料室モデルの導出を行う。［数１６］は試料室モデルの伝達関数である。ここで、ζ０は減衰係数、ω０（＝２πｆ０）は角周波数、Ｋ０はボイスコイルモータ（５２２、５２３）の推力定数と試料室５０１全体の質量で決まる定数値である。［数１６］の各係数ζ０、ω０、Ｋ０は、正弦波掃引法による周波数特性の測定結果から算出できる。
　[手順２]　除振特性調整器８４の設計
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 　本例では、床から伝達する試料室の振動周波数に応じて制御特性を調整するため、除振特性調整器５８４を用いる。除振特性調整器５８４の伝達関数を［数１７］に示す。ここで、ωｃ（＝２πｆｃ）は図５のＳ処理５０３、Ｓ５０４から算出するｆｃで決まる角周波数である。
　除振特性調整器５８４は振動周波数ｆｃに応じてその係数が一意に求まり、制御対象の見かけの固有値を任意に調整できることができる。これにより、周波数ｆｃを中心とする周波数帯域除振可能となる。
　[手順３]　フィードバック制御器８１の設計
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 　ここでは、フィードバック制御器として１次のローパスフィルタを用いる。ωｃはフィルタの折れ点各周波数、Ｋは調整ゲインである。Ｋ、ωｃの決定法としては、遺伝的アルゴリズムやおよび粒子群最適化等の最適化アルゴリズムを用いることで、係数パラメータを自動調整するのが望ましい。除振機構が対象する周波数帯（ｆｓ～ｆｅ）に近接する第２の周波数ピークがある存在する場合は、その周波数の試料室振動量ｙｃが閾値曲線を満足するように制御ゲインＫを調整すれば良い。
なお、本例では除振システムの制御器として［数１７］、［数１８］に例示する式を用いたが、制御器の伝達関数は［数１７］、［数１８］に限定するものではなく、他の制御器でも構成できる。
　また、上記サーボ制御系は、試料室のＸＹ軸並進方向のみならずＸＹ平面上の回転軸に対しても構築可能である。以上のように構成した荷電粒子線装置によれば、ＳＥＭ画像の像ゆれ量に対する試料室振動許容値を求めることで像揺れに寄与する床振動周波数を算出でき、像揺れ量を低減する最適な除振特性を具備した除振システムを構成する事が可能となる。
１　床
２　装置を設置するための架台
３　真空チャンバ
４、５、６、７　支柱
８、９、１０、１１　除振マウント
１２、１３、１４、１５　固定子
１６　電子ビーム源
１７　ＸＹステージ
１８　真空バルブ
１９、２０　加速度センサ
２１、２２、２３、２４　可動子
２５　試料
２６　真空チャンバ内の支柱
２７　レーザー測長計
２８　ミラー
２９　位置信号
３０　シーケンス制御部
３１　演算制御部
３２　荷電粒子線
３３　乗算器
３４　推力分配器
３５　増幅器
１０１　リニアアクチュエータによる入力行列演算器
１０２　ステージの駆動反力による入力行列演算器
１０３　加算点
１０４　加算点
１０５　積分器
１０６　システム遷移行列
１０７　出力制御行列演算器

Claims (15)

  1. 　荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームが照射される試料を支持する試料ステージと、前記試料が配置される雰囲気を真空状態とする真空チャンバを備えた荷電粒子線装置において、
    　前記荷電粒子線装置に伝わる振動を検出するセンサと、前記荷電粒子線装置を振動させる加振機構と、前記センサの検出に応じて前記加振機構をフィードバック制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記荷電粒子線装置の制御シーケンスの命令の種類に応じて、前記フィードバック制御のフィードバックゲインを変化させることを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記試料ステージ移動時のフィードバックゲインと、前記試料に前記荷電粒子ビームを照射するときのフィードバックゲインを切り替えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記真空チャンバに繋がるバルブを備え、当該バルブ開放時のフィードバックゲインと、前記試料に前記荷電粒子ビームを照射するときのフィードバックゲインを切り替えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項１において、
    　前記センサによって検出される信号に基づいて、前記加振機構に与える信号を演算する演算装置を備え、当該演算装置は、前記検出された信号に基づいて、前記試料ステージの移動方向と当該移動方向に直交する方向の第１の振動と、前記移動方向と前記移動方向に直交する方向に延びる回転軸を回転中心とする第２の振動とを演算し、当該第１の振動と第２の振動を抑制する信号を演算することを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項４において、
    　前記演算装置は、前記第１の振動と第２の振動の相互作用によって生じる振動を抑制する信号を演算することを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項１において、
    　前記演算装置は、前記フィードバックゲイン決定のための係数行列を変化させるための調整パラメータ行列と、当該調整パラメータを変化させながら、振動抑制効果を評価し、当該評価結果に基づいて、調整パラメータを求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　試料室と、当該試料室に搭載される荷電粒子光学系と、当該荷電粒子光学系で検出した信号を処理する画像処理装置と、前記試料室の振動量を検出するセンサと、前記試料室を微小振動させる駆動機構と、当該駆動機構を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記荷電粒子光学系から得られる画像情報と前記試料室の振動情報を用いて前記駆動機構の制御特性を調整することを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　請求項７において、
    　前記制御装置は、前記画像から像揺れ量を抽出し、当該像揺れ量を用いて前記試料室の振動周波数を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  9. 　請求項８において、
    　前記制御装置は、前記画像の像揺れ量から試料室振動量の許容値を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  10. 　請求項９において、
    　前記制御装置は、前記画像の像揺れ量と前記試料室振動量の許容値を比較することで、装置の像揺れ量異常を判定することを特徴とする荷電粒子線装置。
  11. 　請求項１０において、
    　前記制御装置は、装置の像揺れ量と試料室振動量から装置の異常診断を行い、その結果をオペレータに明示することを特徴とする荷電粒子線装置。
  12. 　請求項７において、
    　能動的除振機構は受動的除振装置で除振困難周波数帯を補うように制御特性が調整されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  13. 　請求項１において、
    　前記センサは加速度センサであることを特徴とする荷電粒子線装置。
  14. 　請求項１において、
    　前記駆動機構は試料室の並進方向および回転方向を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  15. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、制御特性の調整を自動で行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
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