JP2001332206A - 電子ビーム利用機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子顕微鏡のステージに動吸振器を用いた制振
装置を設けることにより、空調等の音圧振動によるステ
ージの共振振動を低減して、電子顕微鏡の画像揺れを防
止する電子顕微鏡を提供することにある。 【解決手段】本発明は、電子顕微鏡のステージに、みぞ
形枠部材と、その内側に納められた錘と、板ばねと、板
ばねの変形可能な部分の長さを調整する調整部材と、板
ばねと錘を固定する固定板と、錘を支持するゴム部材と
から構成し、電子顕微鏡本体に直接、音圧振動が作用し
ても電子顕微鏡のステージと対物レンズとの相対変位を
低減することができることにより、画像揺れを防止する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子顕微鏡及び電子
ビーム加工機等の電子ビーム利用機器において、そのス
テージに作用する振動を減衰させるのに好適な制振装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビーム利用機器のうち、ここでは電
子顕微鏡を例にとって以下説明する。走査型電子顕微鏡
では、除振装置で支持された定盤上にチャンバが搭載さ
れ、チャンバ内には試料を任意の位置に移動を可能にす
る片持ち状に支持されたステージが設けられている。ス
テージによる試料の移動は、ステージが支持されるステ
ージケースに設けられた操作軸により行われる。ステー
ジのＬ型テーブルはステージケース内に設けられたリニ
アガイドにより上下方向に移動でき、Ｌ形テーブル上に
設けられたＸ，Ｙテーブルは水平２次元方向に移動でき
る。これにより、Ｙテーブル上に設けられた試料台を任
意の位置に移動させることができる。

【０００３】また、チャンバの上部には電子ビームを出
す電子銃と電子ビームを収束させる電磁レンズが設けら
れるレンズホルダが配置され、さらに、レンズホルダ内
及びチャンバ内を真空に引く真空ポンプが、それぞれレ
ンズホルダと定盤に設けられている。

【０００４】除振装置は、機器が設置される床面の振動
が原因で画像精度が低下するのを防ぐために設けられ、
水平方向及び上下方向に剛性の低い弾性体のばね部材と
減衰効果を有する粘性ダンパ等の振動減衰部材とから構
成される。また、特開平９−２２３４７７号公報に記載
されているように、チャンバに設けられた空気シリンダ
でＬ形テーブルを押し付けて、Ｌ形テーブルを両持ち状
に支持することによって、ステージの高剛性化を図り、
床振動によるステージの振動をさらに、低減することが
可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近で
は、クリーンルーム等において、ファン等による音圧振
動が増加しており、この音圧振動により、チャンバが直
接加振され、このチャンバの振動がステージに伝えられ
て、ステージを構成するＬ形テーブル，Ｘ，Ｙテーブ
ル，試料台が共振し、この試料台と対物レンズとの間の
相対変位が生じることによる画像揺れが問題になってき
ている。

【０００６】音圧振動により加振されるチャンバの振動
振幅レベルは振動数が増加すると共に、振動数の二乗に
反比例して減少する傾向がある。従って、ステージを高
剛性化して固有振動数を高くすることによって、音圧振
動のレベルが小さくなる高振動数側にステージの固有振
動数をづらす方法である。しかしながら、ステージの固
有振動数はステージを支持する軸受け剛性の影響を大き
く受けることがあり、本方法が十分な効果を発揮できな
い場合が考えられる。

【０００７】上述した特開平９−２２３４７７号公報の
ように、空気シリンダ等を用いてステージのＬ形テーブ
ルを両側から支持し、かつＬ形テーブルを支持している
軸受に予圧を与えることによってＬ形テーブルの高剛性
化が図れるが、ＸテーブルやＹテーブルについてはこれ
らが軸受とボールネジのみの支持であるため、高剛性化
を図ることができないという課題がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、ステー
ジのＸテーブルとＹテーブルに直接、可変剛性機構を有
する動吸振器を設けることによって、電子顕微鏡等の電
子ビーム利用機器のステージに作用する振動を減衰させ
るのに好適な制振装置を提供することである。

【０００９】この課題に対する解決手段は、みぞ形枠部
材と、この内側に納められた錘と、両端をみぞ形枠部材
の２つのつば部に固定された板ばねと、板ばねの変形可
能な部分の長さを調整する調整部材と、板ばねと錘を固
定する固定板と、みぞ形枠部材の２つのつば部に設けら
れたネジ部にねじ込まれた押し付けネジによって錘に加
圧されるゴム部材とから構成された動吸振器によって達
成される。

【００１０】以下、本発明の作用を説明する。Ｘテーブ
ルやＹテーブルを一方向になめらかに移動可能にするた
め、一般に、クロスローラ等の軸受とボールネジが用い
られる。この場合、特に可動方向の軸受剛性は大きく取
ることは困難である。さらに、このような軸受では予圧
のかけ方によって軸受剛性が変化してしまう。動吸振器
を効果的に用いるためには、主振動系であるＸテーブル
やＹテーブルの固有振動数に応じて、動吸振器の固有振
動数を調整することが重要である。

【００１１】そのためには、本発明ではばね剛性を可変
にする方法を採用した。本発明は、板ばねの両端はみぞ
形枠部材の２つのつば部に拘束されており、また、錘は
みぞ形枠部材のつば部に設けられたネジ部にねじ込まれ
た押し付けネジによってゴム部材を介して支持される。
また、調整部材は２つのスペーサと、錘の両側面をガイ
ドにしてスペーサを移動可能にするガイド部材から構成
され、２つのスペーサの間に板ばねを挟み、２組の調整
部材を錘と固定板との間に設け、錘の中央部と固定板と
をネジで固定する。この時、板ばねの剛性として寄与す
る板ばねの変形可能な部分の長さを２組の調整部材によ
り最適な剛性が得られるように調整する。この板ばねに
よる最適な剛性は、板ばねによる剛性と、錘及びこれと
一緒に可動する部分の質量とからきまる固有振動数が各
テーブルの固有振動数に対して最適な動吸振器を構成す
るように決定される。

【００１２】また、動吸振器における最適な減衰比は通
常１０％程度であり、この減衰はみぞ形枠部材の両側か
ら押し付けネジで錘に押し付けられるゴム部材の減衰効
果による。さらに、このゴム部材で錘を支持することに
より、板ばねの面外方向が重力方向と直角方向になるよ
うに設けられた場合にも錘の自重により板ばねがねじら
れることを防止し、動吸振器として所期の性能を発揮さ
せることが可能となる。質量−ばね−減衰要素からなる
本発明の動吸振器は、主振動系から伝達された振動によ
り、ばね要素に支持された動吸振器の質量要素である錘
が振動し、その際、減衰要素により振動エネルギが消費
されることによって主振動系の振動を低減させるもので
ある。

【００１３】なお、本発明の制振装置は、走査型電子顕
微鏡のほか、透過型電子顕微鏡及び電子ビームを用いて
加工する電子ビーム加工機などの電子ビーム利用機器に
も適用することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明のいくつかの実施例
を、図面を参照して説明する。まず、本発明の一実施例
を図１，図２と図４により説明する。図４の実施例は電
子ビーム利用機器のうち走査型電子顕微鏡５０に本発明
の制振装置である動吸振器を適用した例である。この実
施例では、床１あるいはベース上に設置された架台２上
に複数個の除振装置３が設けられ、この除振装置３で支
持された定盤４上に走査型電子顕微鏡５０の本体が搭載
されている。走査型電子顕微鏡５０の電磁レンズホルダ
１４内には電子ビームを放射する電子銃１６と電子ビー
ムを収束させる電磁レンズであるコンデンサレンズ１５
ａと対物レンズ１５ｂが設けられており、電磁レンズホ
ルダ１４内は真空ポンプ１７ａにより真空にされる。ま
た、チャンバ５内には片持ち状に支持されたステージ４
０が設けられており、チャンバ５内は定盤４の下部に設
けられた真空ポンプ１６ｂにより真空にされる。

【００１５】ステージ４０はＬ形テーブル７，Ｘテーブ
ル８，Ｙテーブル９，試料台１０から構成され、ステー
ジ４０による試料の移動は、ステージ４０が支持される
ステージケース６に設けられた操作軸１３により行われ
る。ステージ４０のＬ形テーブル７はステージケース６
内に設けられたリニアガイドにより上下方向に移動で
き、Ｌ形テーブル７上に設けられたＸテーブル８とＹテ
ーブル９は水平２次元方向に移動でき、これらによっ
て、Ｙテーブル９上に設けられた試料台１０は任意の位
置に移動することができる。

【００１６】試料の画像を見る際には例えば、アクチュ
エータ１２等を操作して、アクチュエータ１２のロッド
をＬ形テーブル７に設けた荷重受け板１１に押し当て
て、Ｌ形テーブル７を両持ち支持すると共に、Ｌ形テー
ブル７を支持する軸受に予圧を加えることによって、高
剛性化を図る。電子銃１５から放射された電子ビームが
電磁レンズで収束され、試料に当たると、試料から２次
電子が放出され、この２次電子をチャンバ５に設けられ
た２次電子検出器１８で検出して、この情報に基づいて
画像処理された試料の画像が画像表示装置１９に表示さ
れる。

【００１７】図１は本発明の動吸振器をＸテーブルとＹ
テーブルに設けた配置例の側面図であり、図２は本発明
の一実施例である縦断面図である。図１と図２を用いて
本発明の動吸振器の構造を説明する。

【００１８】図２の実施例では、みぞ形枠部材２１の内
側に錘２２が納められており、みぞ形枠部材２１の２つ
のつば部に板ばね２３の両端が第１の固定板２４ａと第
１の固定ネジ２５ｂによって固定される。また、板ばね
２３の変形可能な部分の長さを調整する２組の調整部材
３０が錘２２と第２の固定板２４ｂの間に設けられ、各
調整部材３０は２つのスペーサ２６を有しており、この
２つのスペーサ２６ａと２６ｂは板ばね２３を挟むよう
に配置される。さらに、第２の固定板２４ｂと錘２２は
第２の固定ネジ２５ｂにより固定されることによって、
板ばね２３は錘２２に固定される。また、みぞ形枠部材
２１の２つのつば部に設けられたネジ部にねじ込まれた
押し付けネジ２７によってゴム部材２８は錘２２に押し
付けられる。

【００１９】図１に示すＸテーブル８はＸテーブル８と
Ｌ形テーブル７との間にクロスローラ軸受により支持さ
れて紙面の左右方向に移動可能になっており、Ｙテーブ
ル９はＹテーブル９とＸテーブル８との間にクロスロー
ラ軸受により支持されて紙面に対して垂直方向に移動可
能になっている。Ｘテーブル８とＹテーブル９はこの図
では省略されているボールネジ系によって移動させられ
る。Ｘ，Ｙテーブル８，９は共に可動方向が最も剛性が
低くなるので、可動方向に制振効果が発揮されるよう
に、動吸振器２０を設けることになる。

【００２０】従って、図１ではこの動吸振器２０は取り
付けネジ２９によってＸテーブル８とＹテーブル９に、
板ばね２３の面外方向が各テーブルの可動方向と一致す
るように取り付けられる。この時、錘２２はみぞ形枠部
材２１のつば部にねじ込まれた押し付けネジ２７とゴム
部材２８によって支持され、錘２２の自重による板ばね
２３のねじり変形は防止される。

【００２１】図１と図２を用いて、この実施例の作用を
説明する。動吸振器２０における最適剛性の調整は、動
吸振器２０がチャンバ５に設けられる前に行っておく。
すなわち、除振装置で支持されたチャンバ模擬体にステ
ージケース６を固定し、荷重受け板１１に実際と同様な
荷重を掛けておく。この状態でランダム加振もしくはス
イープ加振を行える加振器をチャンバ模擬体に取り付け
て加振し、チャンバ模擬体と試料台１０に加速度センサ
を配置して、Ｘテーブル８とＹテーブル９の伝達関数を
求め、それぞれのテーブルの可動方向の固有振動数を求
める。

【００２２】次に、これらの固有振動数に対して、動吸
振器２０の錘２２に連結されている可動部質量（以下、
簡単のため、錘２２の質量と呼ぶ）と２つの調整部材３
０で調整された板ばね２３による剛性から決まる固有振
動数を最適化する。実際には、動吸振器２０の調整部材
３０の移動量と動吸振器２０の固有振動数の関係を予め
調べておくと良い。動吸振器２０の固有振動数の調整は
錘２２の中央に設けられた第２の固定ネジ２５ｂに対し
て調整部材３０を対称に動かして行う。２つの調整部材
３０の間隙を広げるほど板ばね２３の変形可能な長さが
短くなるため、板ばね２３による剛性が大きくなり、動
吸振器２０の固有振動数が増加する。テーブルの質量を
Ｍ、動吸振器２０の錘２２の質量をｍ、これらの質量比
をμ（＝ｍ／Ｍ）とし、また、テーブルの固有振動数を
Ωｎとするとき、一般に、動吸振器２０の最適固有振動
数ωoptは、次式で与えられる。

【００２３】

【数１】 ωopt＝Ωｎ／（１＋μ） …（数１） 動吸振器の制振効果は質量比が大きいほど大きくなる
が、錘の大きさに制限がある場合には錘の材料としてタ
ンタル材のような比重の大きい材料を用いると有利であ
る。

【００２４】また、動吸振器２０の減衰係数をｃとし、
この減衰比をζ＝ｃ／(２√ｍｋ）で定義すれば、最適
減衰比ζopt は次式で与えられる。

【００２５】

【数２】

【００２６】ただし、本実施例の動吸振器２０の減衰効
果はゴム部材２９によって与えられるが、通常この最適
減衰比は１０％程度であり、人工ゴム部材では１０％前
後の減衰比が得られるので、好都合である。なお、真空
中で用いるにはフッ素ゴムが適している。

【００２７】Ｘテーブル８とＹテーブル９の固有振動数
に対して、上述のように調整した動吸振器２０を各テー
ブルに取り付け、加振器により動吸振器２０の制振効果
を確認する。もしさらに調整が必要な場合は、テーブル
に取り付けた状態で加振試験を繰り返して、最適調整を
行っても良い。このように最適調整された動吸振器２０
を設けたステージ４０を有するステージケース６を走査
型電子顕微鏡５０本体に取り付ける。

【００２８】走査型電子顕微鏡５０に悪影響を与える外
部振動のうち、音圧振動は直接、走査型電子顕微鏡５０
のチャンバ５及び電磁レンズホルダ１４を振動させる。
チャンバ５からステージ４０に、振動が伝達されると、
動吸振器２０が設けられていない場合には、ステージ４
０のＸテーブル８及びＹテーブル９の固有振動数近傍の
振動成分により、Ｘテーブル８とＹテーブル９は共振を
起こして、Ｙテーブル９上に設けられた試料台１０には
大きな振動が発生するが、最適調整された動吸振器２０
が設けられていると、各テーブルに伝達された振動は動
吸振器２０の錘２２を振動させて、この振動により動吸
振器２０のゴム部材２８が有する減衰効果により振動エ
ネルギが消費され、Ｘテーブル８及びＹテーブル９の振
動が抑制される。従って、ステージ４０の試料台１０と
対物レンズ１５ｂと間の相対変位が減少して、画像揺れ
が抑えられることになる。なお、本動吸振器２０は、
Ｘ，Ｙテーブルだけでなく、必要があれば、Ｌ形テーブ
ル７制振用にも用いることが可能である。

【００２９】図４は調整部材３０の別の実施例である。
この調整部材３０は、２つのスペーサ２６と、この２つ
のスペーサ２６の両側面を包み、しかも錘２２の両側面
の一部まで伸びたつば部と、さらに、２つのスペーサ２
６の移動方向の前後を拘束するつめ部材３２を有するガ
イド部材３１から構成される。このガイド部材３１を有
する調整部材３０においては、ガイド部材３１を移動さ
せることによって、２つのスペーサ２６はつめ部材３２
により保持されているので、２つのスペーサ２６を同時
に移動させることができ、しかもガイド部材３１のつば
部により錘２２の側面をガイドにしているので、調整部
材３０は錘２２から外れることがなく、容易に調整部材
３０全体を移動させることができる。

【００３０】

【発明の効果】上述のとおり、本発明によれば、音圧振
動によるステージのＸテーブルとＹテーブルの可動方向
の振動を動吸振器により抑制して、画像揺れのない走査
型電子顕微鏡を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の動吸振器をステージに配置した実施例
の立面図である。

【図２】本発明の動吸振器の一実施例の縦断面図であ
る。

【図３】本発明の動吸振器の調整部材の別の実施例の縦
断面図である。

【図４】本発明の実施例を走査型電子顕微鏡に適用した
縦断面図である。

【符号の説明】

１…床、２…架台、３…除振装置、４…定盤、５…チャ
ンバ、６…ステージケース、７…Ｌ形テーブル、８…Ｘ
テーブル、９…Ｙテーブル、１０…試料台、１１…荷重
受け板、１２…アクチュエータ、１３…操作軸、１４…
レンズホルダ、１５…電磁レンズ、１６…電子銃、１７
…真空ポンプ、１８…２次電子検出器、１９…画像表示
装置、２０…動吸振器、２１…みぞ形枠部材、２２…
錘、２３…板ばね、２４…固定部材、２５…固定ネジ、
２６…スペーサ、２７…押し付けネジ、２８…ゴム部
材、２９…取り付けネジ、３０…調整部材、３１…ガイ
ド部材、３２…つめ部材、４０…ステージ、５０…走査
型電子顕微鏡。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】チャンバ内に設置されたステージを有する
   電子ビーム利用機器において、ステージを構成するテー
   ブルに動吸振器を設けることを特徴とする電子ビーム利
   用機器。