JP2002100315A

JP2002100315A - 試料ステージ

Info

Publication number: JP2002100315A
Application number: JP2000289785A
Authority: JP
Inventors: Eiji Kawai; 英治河合
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2002-04-05

Abstract

(57)【要約】【課題】非磁性材料のみでＺステージを構成し、Ｚス
テージの高さが低く、外乱振動の影響を受けにくい高剛
性の試料ステージを提供することを課題とする。【解決手段】Ｚステージを固定された下プレート１
と、下プレート１の周縁に下端部が取り付けられ、下プ
レート１に対して直行する方向に伸縮可能な弾性ヒンジ
（弾性案内手段）３と、周縁部に弾性ヒンジ３の上端部
に取りつけられ、下プレート１と間隔を介して支持され
る上プレートと、上プレートを下プレートへ近づく方向
に付勢するばね（付勢手段）９と、下プレート１，上プ
レートとの間に設けられ、上プレートを下プレート１に
対して直行する方向に移動させる超音波アクチュエータ
１１とで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子ビーム，イオ
ンビームを用いた試料観察装置，加工装置に用いられる
試料ステージに関し、さらに詳しくは、試料ステージの
平面（ＸＹ方向）に対して直行する方向（Ｚ方向）の補
正が可能な試料ステージに関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビーム，イオンビームを用いた試料
観察装置，加工装置のように、焦点深度が浅く、また、
ワーキングディスタンスの許容範囲が狭い装置におい
て、試料高さを調整することができれば、試料を上面規
制することなしに、個々の試料間の厚さのばらつきを吸
収し、また、試料観察面のうねり等による観察高さの変
動を吸収し、最適な試料高さを得ることができる。

【０００３】このような目的で、ＸＹステージ上に設け
られ、ＸＹ移動時の試料のうねりにより観察面のＺ方向
位置の変動や、試料個体間の厚みのばらつきを補正する
ことができる試料ステージが開発されている。

【０００４】このようなＺ方向の移動が可能な試料ステ
ージとしては、以下のような構成がある。（１）ねじ棒とナット部材からなる送りねじ機構により
水平移動する楔により、Ｚ方向の微動を得るようにした
構成。

【０００５】（２）最大変位量が１０〜２０μｍの圧電
素子の変位をてこを用いて拡大し、１００μｍ以上の変
位を得るようにした構成。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記２つの構
成の試料ステージにおいては、以下のような問題点があ
る。

【０００７】（１）送りねじを駆動する駆動源としてス
テッピングモータ、また、送りねじや楔を支持するため
にころやボールの直線案内機構が必要となり、非磁性と
することが困難であり、観察位置近傍の磁界を乱し、観
察の妨げとなる。

【０００８】また、Ｚステージの高さはできるだけ低い
ほうが好ましい。すなわち、Ｚステージの高さが高くな
ると、ＸＹステージの直動案内から観察位置までの距離
が長くなり、ＸＹステージの直動案内機構のピッチング
やローリングが拡大され、観察位置の位置決め精度が低
下するからである。

【０００９】しかし、前記直線案内機構は、直進性をよ
くし、支持合成を確保するために駆動方向（Ｚ方向）
に、ある程度の長さが必要であり、Ｚステージの高さを
低くすることができない。

【００１０】（２）圧電素子の変位を拡大テコにより拡
大する方式は、大きな変位を得るために、拡大テコの拡
大倍率を大きく取る必要がある。これにより圧電素子に
かかる反力が増大し、圧電素子の圧縮変形（弾性変形）
量が大きくなり、ステージの剛性が低下する。

【００１１】剛性の低下による共振周波数の低下によ
り、外乱振動による観察像への振動の影響が現われやす
くなり、分解能が低下する。本発明は、上記問題点に鑑
みてなされたもので、その第１の課題は、非磁性材料の
みでＺステージを構成した試料ステージを提供すること
にある。

【００１２】第２の課題は、Ｚステージの高さが低い試
料ステージを提供することにある。第３の課題は、外乱
振動の影響を受けにくい高剛性の試料ステージを提供す
ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１記載の発明は、固定された下プレートと、該下プレ
ートの周縁に下端部が取り付けられ、前記下プレートに
対して直行する方向に伸縮可能な弾性案内手段と、周縁
部に前記弾性案内手段の上端部が取りつけられ、前記下
プレートと間隔を介して支持される上プレートと、前記
上プレートを前記下プレートへ近づく方向に付勢する付
勢手段と、前記下プレート，前記上プレートとの間に設
けられ、前記上プレートを前記下プレートに対して直行
する方向に移動させる超音波アクチュエータとからなる
Ｚステージを有することを特徴とする試料ステージであ
る。

【００１４】超音波アクチュエータが駆動することによ
り、上プレートが下プレートに対して直行する方向に移
動する。上プレートを支持する弾性案内手段と、上プレ
ートを移動させる超音波アクチュエータとを用いること
で、非磁性材料のみでＺステージを構成することが可能
となる。

【００１５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明の前記下プレート、前記上プレートは矩形であり、前
記弾性案内手段は、前記下プレート、前記上プレートの
各辺に沿って設けられ、各辺に対して直行する方向の断
面形状が、蛇腹状であることを特徴とする試料ステージ
である。

【００１６】上プレートを支持する弾性案内手段を各辺
に対して直行する方向の断面形状が蛇腹状としたことに
より、Ｚステージの高さを低くできる。また、弾性案内
手段の各辺に対して直行する方向の断面形状が蛇腹状の
場合、プレート平面方向において弾性案内手段の長手方
向（各プレートの辺に沿った方向）の剛性は高いが、プ
レートの辺に対して直行する方向の剛性は低くなる。

【００１７】しかし、弾性案内手段を各プレートの各辺
に沿って設けたことにより、剛性の低い方向を補完しあ
い、外乱振動の影響を受けにくくなる。請求項３記載の
発明は、請求項１記載の発明の前記下プレート、前記上
プレートは円形であり、前記弾性案内手段は、前記下プ
レート、前記上プレートの外縁に沿って設けられた溶接
ベローであることを特徴とする試料ステージである。

【００１８】上プレートを支持する弾性案内手段を前記
下プレート、前記上プレートの外縁に沿って設けられた
溶接ベローとしたことにより、Ｚステージの高さを低く
できる。

【００１９】また、溶接ベローを用いたことにより、プ
レート平面方向の弾性案内手段の剛性が全方向で高く、
しかも、均一なので、外乱振動の影響を受けにくくな
る。請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか
に記載の発明の前記超音波アクチュエータは、超音波モ
ータと、該超音波モータのロータの回転軸上に軸方向に
のみ移動可能に設けられ、先端部が前記上プレートに当
接するねじ棒と、該ねじ棒に螺合する固定されたナット
部材とからなることを特徴とする試料ステージである。

【００２０】超音波モータが駆動されると、そのロータ
に設けられたねじ棒が回転する。ねじ棒は固定されたナ
ット部材に螺合しているので、その軸方向に移動する。
ねじ棒がその軸方向に移動することで、上プレートが上
下する。

【００２１】超音波モータのロータの回転軸上に軸方向
にのみ移動可能に設けられ、先端部が前記上プレートに
当接するねじ棒と、該ねじ棒に螺合する固定されたナッ
ト部材とからなる送り機構を用いたことにより、圧電素
子と拡大てこを用いた機構に比べ、高剛性となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】次に図面を用いて本発明の実施の
形態例を説明する。（全体構成）実施の形態例の平面要部構成図である図
１、図１の切断線Ａ−Ａでの断面図である図２、図１の
切断線Ｂ−Ｂでの断面図である図３を用いて、全体構成
を説明する。

【００２３】尚、図１は、上プレートを取り除いた図で
ある。これらの図において、矩形の下プレート１は図示
しないＸＹステージ上に固定されている。

【００２４】下プレート１の各辺に沿って、弾性案内手
段として、下プレート１に対して直行する方向方向に伸
縮可能な弾性ヒンジ３の下端部（下端面）が取り付けら
れている。

【００２５】弾性ヒンジ３の各辺に対して直行する方向
の断面形状は、図２および図３に示すように蛇腹状であ
る。弾性ヒンジ３の上端部（上面）には、上プレート５
が取りつけられ、下プレート１に対して間隔を介して支
持されている。

【００２６】そして、下端部が下プレート１に、上端部
が上プレート５にそれぞれ係止される付勢手段としての
３本のばね９により、上プレート５は下プレート１へ近
づく方向に付勢されている。

【００２７】下プレート１上には、下プレート１と上プ
レート５との間の空間に位置する超音波アクチュエータ
１１が３つ設けられている。（超音波アクチュエータ）図１の超音波アクチュエータ
１１の断面図である図４および図４のねじ棒の斜視図で
ある図５を用いて説明する。

【００２８】超音波アクチュエータ１１は、超音波モー
タ１３、超音波モータ１３によって駆動される送り機構
とから構成される。超音波モータ１３において、中空の
有底円筒状のハウジング１５の底面の中央部には穴１５
ａが形成されている。

【００２９】この穴１５ａに、ベアリング１７を介して
ロータ１９のシャフト部１９ａが回転可能に支持されて
いる。ロータ１９のシャフト部１９ａの上部には、ハウ
ジング１５内に配設される円板部１９ｂが形成され、シ
ャフト部１９ａの下部には、ハウジング１５の外部に配
設されるつば部１９ｃが形成されている。

【００３０】さらに、ハウジング１５の内部底面には、
穴１５ａを中心とする円環状の圧電体２１が設けられ、
圧電体２１には弾性体２３が接着されており、弾性体の
表面は円板部１９ｂと接している。

【００３１】また、ベアリング１７とロータ１９のつば
部１９ｃとの間には、皿ばね２５が配設され、ロータ１
９の円板部１９ｂは弾性体２３を介して圧電体２１に押
接している。

【００３２】ここで、圧電体２１に共振周波数の電気信
号を流すと、圧電体２１が伸縮し、たわみ振動が発生す
る。この共振周波数に９０°位相をずらした電気信号を
加えることで、たわみ振動の進行波が発生し、ロータ１
９が回転する。

【００３３】ロータ１９のシャフト部１９ａには、軸方
向に角穴１９ｄが形成されている。この角穴１９ｄに、
図５に示すねじ棒３１の角柱部３１ａが係合し、ねじ棒
３２はロータ１９と共に回転し、その軸方向のみ移動可
能となっている。

【００３４】ねじ棒３１の角柱部３１ａの上部には、お
ねじ部３１ｂおよび半球状の先端部３１ｃが形成されて
いる。おねじ部３１ｂは、ハウジング１５に形成された
めねじ穴（固定されたナット部材）に螺合し、先端部３
１ｃは、上プレート５に当接している。

【００３５】よって、超音波モータ１３のロータ１９が
回転すると、ねじ棒３１も共に回転する。一方、ねじ棒
３１のおねじ部３１ｂは、ハウジング１５のめねじ穴１
５ｂに螺合しているので、ねじ棒３１はその軸方向に移
動する。

【００３６】また、図４にもどって、ロータ１９の下部
には、角穴１９ｄに係合する回転角度検出器３３が設け
られている。（動作）超音波アクチュエータ１１を駆動することによ
り、そのねじ棒３１が軸方向に移動し、上プレート５が
変位する超音波モータ１３のロータ１９の回転角度は、
回転角度検出器３３によって検出され、この回転角度検
出器の信号により、３つの超音波アクチュエータ１１の
同期をとる。

【００３７】また、予め、各超音波アクチュエータ１１
の変位と、回転角度検出器３３の信号の対応を記録し、
この値を用いて変位量を調整することにより、より高い
位置精度でのＺ方向の位置決めを行え、また、3個の超
音波アクチュエータ１１の同期を正確に取ることがで
き、Ｚ方向の変位の真直度を向上することも可能であ
る。

【００３８】上記構成によれば、以下のような効果を得
ることができる。（１）上プレート５を支持する弾性ヒンジ（弾性案内手
段）３と、上プレート５を移動させる超音波アクチュエ
ータ１１とを用いることで、非磁性材料のみでＺステー
ジを構成することが可能となる。

【００３９】（２）上プレート５を支持する弾性ヒンジ
３を各辺に対して直行する方向の断面形状が蛇腹状とし
たことにより、Ｚステージの高さを低くできる。また、
弾性ヒンジ３の場合、図６に示すように、プレート平面
方向において弾性ヒンジ３の長手方向（各プレートの辺
に沿った方向）の剛性は高いが、プレートの辺に対して
直行する方向の剛性は低くなる。

【００４０】しかし、弾性ヒンジ３を各プレートの各辺
に沿って設けたことにより、剛性の低い方向を補完しあ
い、外乱振動の影響を受けにくくなる。（３）超音波モータ１３のロータ１９の回転軸上に軸方
向にのみ移動可能に設けられ、先端部３１ｃが上プレー
ト５に当接するねじ棒３１と、ねじ棒３１に螺合するハ
ウジング１５のめねじ穴１５ｂ（固定されたナット部
材）とからなる送り機構を用いたことにより、圧電素子
と拡大てこを用いた機構に比べ、高剛性となる。

【００４１】尚、本発明は、上記実施の形態例に限定す
るものではない。例えば、図７および図８に示すような
構成でもよい。尚、上記実施の形態例と同一部分には同
一符号を付し、重複する説明を省略する。

【００４２】図において、下プレート１０１および上プ
レート１０５は、円板状となっている。そして、弾性案
内手段として一山分の溶接ベローの１０３の下端部が下
プレート１０１の外縁に沿って取りつけられ、上端部が
上プレート１０５の外縁に沿って取り付けられ、上プレ
ート１０５は下プレート１０１に対して間隔を介して支
持されている。

【００４３】さらに、下端部が下プレート１０１に、上
端部が上プレート１０５にそれぞれ係止される付勢手段
としての３本のばね１０９により、上プレート５を下プ
レート１へ近づく方向に付勢されている。

【００４４】そして、下プレート１０１上には、下プレ
ート１０１と上プレート５との間の空間に位置する超音
波アクチュエータ１１が３つ設けられている。このよう
な構成によれば、上プレート１０５を支持する弾性案内
手段を下プレート１０１、上プレート１０５の外縁に沿
って設けられた溶接ベロー１０３としたことにより、Ｚ
ステージの高さを低くできる。

【００４５】また、溶接ベロー１０３を用いたことによ
り、プレート平面方向の弾性案内手段の剛性が全方向で
高く、しかも、均一なので、外乱振動の影響を受けにく
くなる。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１記載の発明
によれば、上プレートを支持する弾性案内手段と、上プ
レートを移動させる超音波アクチュエータとを用いるこ
とで、非磁性材料のみでＺステージを構成することが可
能となる。

【００４７】請求項２記載の発明によれば、上プレート
を支持する弾性案内手段を各辺に対して直行する方向の
断面形状が蛇腹状としたことにより、Ｚステージの高さ
を低くできる。

【００４８】また、弾性案内手段の各辺に対して直行す
る方向の断面形状が蛇腹状の場合、プレート平面方向に
おいて弾性案内手段の長手方向（各プレートの辺に沿っ
た方向）の剛性は高いが、プレートの辺に対して直行す
る方向の剛性は低くなる。

【００４９】しかし、弾性案内手段を各プレートの各辺
に沿って設けたことにより、剛性の低い方向を補完しあ
い、外乱振動の影響を受けにくくなる。請求項３記載の
発明によれば、上プレートを支持する弾性案内手段を前
記下プレート、前記上プレートの外縁に沿って設けられ
た溶接ベローとしたことにより、Ｚステージの高さを低
くできる。

【００５０】また、溶接ベローを用いたことにより、プ
レート平面方向の弾性案内手段の剛性が全方向で高く、
しかも、均一なので、外乱振動の影響を受けにくくな
る。請求項４記載の発明によれば、超音波モータのロー
タの回転軸上に軸方向にのみ移動可能に設けられ、先端
部が前記上プレートに当接するねじ棒と、該ねじ棒に螺
合する固定されたナット部材とからなる送り機構を用い
たことにより、圧電素子と拡大てこを用いた機構に比
べ、高剛性となる

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態例の平面要部構成図である。

【図２】図１の切断線Ａ−Ａでの断面図である。

【図３】図１の切断線Ｂ−Ｂでの断面図である。

【図４】図１の超音波アクチュエータの断面図である。

【図５】図４のねじ棒の斜視図である。

【図６】効果を説明する図である。

【図７】他の実施の形態例の平面要部構成図である。

【図８】図７の切断線Ｃ−Ｃでの断面図である。

【符号の説明】

１下プレート３弾性ヒンジ（弾性案内手段）５上プレート９ばね（付勢手段）１１超音波アクチュエータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定された下プレートと、該下プレートの周縁に下端部が取り付けられ、前記下プ
レートに対して直行する方向に伸縮可能な弾性案内手段
と、周縁部に前記弾性案内手段の上端部が取りつけられ、前
記下プレートと間隔を介して支持される上プレートと、前記上プレートを前記下プレートへ近づく方向に付勢す
る付勢手段と、前記下プレート，前記上プレートとの間に設けられ、前
記上プレートを前記下プレートに対して直行する方向に
移動させる超音波アクチュエータと、からなるＺステージを有することを特徴とする試料ステ
ージ。
【請求項２】前記下プレート、前記上プレートは矩形
であり、前記弾性案内手段は、前記下プレート、前記上プレート
の各辺に沿って設けられ、各辺に対して直行する方向の断面形状が、蛇腹状である
ことを特徴とする請求項１記載の試料ステージ。
【請求項３】前記下プレート、前記上プレートは円形で
あり、前記弾性案内手段は、前記下プレート、前記上プレート
の外縁に沿って設けられた溶接ベローであることを特徴
とする請求項１記載の試料ステージ。
【請求項４】前記超音波アクチュエータは、超音波モータと、該超音波モータのロータの回転軸上に軸方向にのみ移動
可能に設けられ、先端部が前記上プレートに当接するね
じ棒と、該ねじ棒に螺合する固定されたナット部材と、からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに
記載の試料ステージ。