JP2004259448A

JP2004259448A - 試料ステージ駆動機構

Info

Publication number: JP2004259448A
Application number: JP2003045247A
Authority: JP
Inventors: Yoshinari Kawahara; 義成川原; Yoichi Inoue; 陽一井上; Tomonaga Oyamada; 具永小山田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】チャンバに固定された球面凹部を有する中空管状の球面受け部材と、その球面と摺動する球面凸部を持つ棒状の試料ホルダと、試料ホルダ先端に位置する試料ステージと、試料ホルダを駆動する駆動モータと、球形支点部材に装着され、試料ステージ部分を真空に保つためのＯリングで構成される試料ステージ駆動機構において、試料ステージ動作後のドリフトを低減すること。
【解決手段】真空を保つためのＯリングに弾性力を発生させ、これを有効に活用する。
【効果】Ｏリングに反発力が生じることで、ドリフトの収束が早くなり、また、ドリフト量が低減される。これにより、電子顕微鏡の操作性は向上し、電子顕微鏡による高精度の測定ができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子顕微鏡の試料ステージ駆動機構に係わり、特に、最小分解能が５００ｎｍ以下の性能を有する電子顕微鏡用サイドエントリー形試料ステージ駆動構造系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高精度の観察や測定を行う電子顕微鏡では、目標視野を移動させるために試料ステージを駆動すると、駆動構造内の摺動部で発生する摩擦力によって生じた構造内のひずみが周囲の微小振動によって開放されていくことにより、数分後まで画面上の像が移動しつづける現象がある。これを試料ステージのドリフト現象と呼んでおり、可能な限り小さくすることが求められている。
【０００３】
サイドエントリー形の試料ステージ駆動構造としては、例えば、特開平５−８２０６５号公報や特開平６−６８８２８号公報で説明がなされている。
【０００４】
通常のサイドエントリー形電子顕微鏡では、試料ステージのドリフト量を低減させるために、一旦、ステージをドリフト補正量だけ行き過ぎさせてから行き過ぎ分を戻すという動作ができるようになっている。しかしながら、この方法においても駆動構造内には摩擦力によるひずみが発生し、倍率を高くするとドリフトが目立つ場合があるという課題があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−８２０６５号公報
【特許文献２】
特開平６−６８８２８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のようなソフト的解決法によらずにドリフトそのものを低減させ、高精度の試料観察および測定を実現することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、電子顕微鏡用サイドエントリー形試料ステージ駆動機構において、試料ステージ部分の真空を保つために試料ホルダに設置されているＯリングに弾性力を発生させ、摺動部における摩擦ひずみが開放されにくくすることにより、ドリフト量を低減することを特徴としている。
【０００８】
従来例となる上記サイドエントリー形試料ステージの駆動原理およびドリフト現象の発生原因について、図２、図３、図４を用いて説明する。
【０００９】
図２は、駆動モータにより試料ステージをｙ正方向に移動させた直後における試料ホルダの状態を模式的に示したものである。一般にサイドエントリー形試料ステージ駆動機構では、試料ホルダ２をモータ５で駆動すると、試料ホルダ２の球面凸部が球面受け部材３の球面凹部と摺動しながら球中心を回転支点として回転する。この試料ホルダ２の回転により、試料ステージ１は駆動モータ５が試料ホルダ２を押したのとは逆方向に駆動される。試料ステージ１が駆動されるとき、試料ホルダ２の球面凸部と球面受け部材３の球面凹部の間には摩擦力が発生している。この摩擦力は試料ステージ１が移動するのを妨げる方向に働き、試料ホルダ２にひずみを生じさせる。
【００１０】
試料ホルダ２の球面部には駆動モータ５停止後も摩擦力が働いているが、周囲からの振動によって試料ホルダ２に蓄積されたひずみが徐々に開放されていく。ひずみが開放されていくのに伴い、試料ステージ１はｙ正方向に移動していくことでドリフトが進行してしまう。
【００１１】
図３は図２において、試料ステージ１がドリフトしていくときに試料ホルダ２の球面部周辺に働く力を示したものである。球面部には試料ステージ１がドリフトするための回転とは逆方向に摩擦力８が働き、図３における試料ホルダ２の断面部には試料ホルダ２のひずみに起因する力９、１０が働く。摩擦力８および、試料ホルダ２のひずみに起因する力９、１０は回転支点１１に対するモーメントを発生させる。
【００１２】
図４は図３で示した各力が回転支点に与えるモーメントの関係および、時間経過における変化を定性的に示したものである。モーメント１２は図３における摩擦力８に、モーメント１３は図３における試料ホルダ２のひずみに起因する力９、１０による。点線１４はドリフトの時間変化を示したものである。ドリフトが進行するのにしたがって、モーメント１３は減少していき、やがて摩擦力によるモーメント１２とつりあうことでドリフトが終了する。
【００１３】
本発明では、試料ホルダ２に生じたひずみが開放されにくくするために、上記のモーメント１２とモーメント１３に加えて、Ｏリングが発生する弾性力に起因し、モーメント１２と同じ方向に働く第３のモーメントを利用できる構造にすることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、第１の実施例を図１、図５、図６、図７、図８を用いて説明する。
【００１５】
図１は本発明を適用したときの電子顕微鏡用サイドエントリー形試料ステージ駆動機構の断面図である。この試料ステージ駆動機構は球面摺動部およびつば部２４を持つ球形支点部材と前記球形支点部材に固定された管部材と、前記２つの部材を貫通し、それらに固定されるステージ棒からなる試料ホルダ２５と、試料ホルダ２５の先端に位置する試料ステージ２６と、前記球形支点部材の球面部と摺動する球面凹部を有する球面受け部材２７と、球面受け部材２７を壁内部に固定する基台２８と、試料ホルダ２５を駆動する駆動モータ２９と駆動モータ２９の反対側から試料ホルダ２５を押す押しばね３０と、試料ステージ部分の真空を維持するためのＯリング３１と、試料ステージの動きに追従する微動装置３２により構成される。微動装置３２が試料ステージに及ぼす力は無視できるため、微動装置３２は試料ステージのドリフト現象には影響しない。試料ステージ２６に電子線３３が照射され、試料ステージ上に固定された試料の形状などを計測するシステムである。
【００１６】
図５は本発明により、試料ホルダ２の球面部につば部１５を設置した場合の構造で、試料ステージ１をｙ正方向に駆動したときの球面部周辺を示した図である。図６の構造では、球面受け部材３端と試料ホルダ２に設置されたつば部１５によってＯリング７に試料ホルダ２の長手方向の弾性力を生じさせる構造となっている。
【００１７】
以下に、図６、図７、図８を用いて図５に示した構造における作用力とドリフト量低減効果について説明する。
【００１８】
図６は試料ステージ１がドリフトしていくときに試料ホルダ２の球面部周辺部に働く力を示したものである。上記で説明した従来の構造におけるドリフト原因の場合と同様、試料ステージ１がドリフトするための回転方向とは逆方向に摩擦力１６が働き、図６の試料ホルダ断面部には試料ホルダのひずみに起因する力１７、１８が働く。加えて、本発明を適用したことにより、Ｏリングの弾性力１９が試料ホルダ２のつば部１５に働く。摩擦力１６、試料ホルダのひずみに起因する力１７、１８、Ｏリングの弾性力１９は回転支点１１に対してモーメントを発生させる。
【００１９】
図７は図６で示した各力が回転支点に与えるモーメントの関係および、時間経過における変化を定性的に示したものである。モーメント２０は図６における摩擦力１６に、モーメント２１は図６における試料ホルダのひずみに起因する力１７、１８に、モーメント２２は図６におけるＯリングの弾性力１９と摩擦力１６の和による。点線２３はドリフトの時間変化を示したものである。
【００２０】
上記で説明した従来構造の場合と比べると、Ｏリングが発生する弾性力によるモーメントの存在により、モーメント２１とモーメント２２は早くつりあいに達する。したがってドリフトは早く収束し、その絶対値も小さくなる。
【００２１】
図８は本発明を用いた場合の試料ステージ２６のドリフト推移と試料ホルダ２５につば部を持たない従来構造における試料ステージのドリフト推移を比較したものである。図８では本発明を用いた場合の構造における３００秒後のドリフト量は、本発明を用いない場合と比べて約４０％小さくなった。
【００２２】
第１の実施例における本発明の効果は、以上で述べたように、従来のドリフト推移に比べて、ドリフトが早く収束し、かつ、３００秒後のドリフト量が低減されたことである。
【００２３】
次に本発明の第２の実施例を図９を用いて説明する。
【００２４】
第１の実施例との相違点は図１におけるＯリング３１部にリング状の板スペーサを装着する点であり、以下でその部分について説明する。
【００２５】
図９は球面受け部材２７と試料ホルダ２５のつば部２４の間に生じる隙間をＯリング幅以上に作り、Ｏリング部にリング状の板スペーサ３４を装着した場合におけるステージ駆動機構を示したものである。この実施例では、ドリフト量が低減されることに加えて、板スペーサ３４の厚さを変更することで、Ｏリングに生じさせる試料ホルダ長手方向の弾性力を制御することができる。Ｏリングを装着した残りの隙間幅が０．４ｍｍのときに厚さ０．４ｍｍのステンレス製スペーサを装着した場合のドリフト推移は図８と同様である。
【００２６】
第２の実施例における本発明の効果は、ドリフトが低減されることに加えて、板スペーサ３４の厚さを変更することにより、Ｏリングに生じさせる試料ホルダ長手方向の弾性力を調節できることである。
【００２７】
次に、第３の実施例を図１０を用いて説明する。
【００２８】
第２の実施例との相違点は、前記リング状の板スペーサの材質を樹脂製の弾性体とする点であり、以下でこのことについて説明する。以下でこのことについて説明する。
【００２９】
図１０は図１におけるＯリング３１部にリング状のゴム製スペーサ３５を装着した場合の試料ステージ駆動機構を示したものである。この場合、前記金属スペーサのみを装着する場合と比べて、試料ステージ２６が中心位置から大きく振れている状態においてもＯリングの弾性力が大きくなり過ぎないように調整することが可能である。
【００３０】
第３の実施例における本発明の効果は、ドリフトが低減されることに加えて、試料ステージが中心位置から大きく振れている状態においても、Ｏリングの弾性力が大きくなり過ぎないように調整できることである。
【００３１】
次に、第４の実施例を図１１を用いて説明する。
【００３２】
第１、第２、第３の実施例との相違点は球面摺動部に装着されているＯリングに弾性力を発生させることなく、ドリフトを低減できる点である。
【００３３】
図１１は、図１におけるつば部２４の幅を小さくして、Ｏリング３１に接触しない構造とした場合に、球面受け部材２７と試料ホルダ２５との球面摺動部に、潤滑剤として米国アウジモント社製のフォンブリンオイルＨＶＡＣ４０／１１を用いた場合のドリフト推移とグリースを用いた場合のドリフト推移を比較したものである。図１１ではグリース潤滑の場合に比べて前記フォンブリンオイルによる潤滑の場合では、後者の方がドリフト量は約４０％低減されている。
【００３４】
第４の実施例における本発明の効果は、ドリフトが低減されることに加えて、Ｏリング弾性力を発生させる必要がないため設計が簡単になることである。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、電子顕微鏡用の試料ステージにおいて、ステージ移動後のドリフト収束を早め、また、ドリフトの絶対量を小さくすることが可能であり、観察者が高精度の観察および測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における試料ステージ駆動機構を示す断面図。
【図２】ドリフト現象を説明するための従来構造を示す断面図。
【図３】従来構造における試料ステージ駆動時の部材に働く力関係を示す図。
【図４】従来の構造における試料ステージ駆動時の部材に働くモーメントの時間変化を定性的に示した図。
【図５】本発明の一実施例において試料ステージを駆動したときの駆動機構拡大図。
【図６】本発明の一実施例における試料ステージ駆動時の部材に働く力関係を示す図。
【図７】本発明の一実施例における試料ステージ駆動時の部材に働くモーメントの時間変化を定性的に示した図。
【図８】本発明の一実施例における試料ステージドリフトの測定結果と従来の構造におけるドリフト測定結果を比較した図。
【図９】本発明の第２の実施例における試料ステージ駆動機構を示す断面図。
【図１０】本発明の第３の実施例における試料ステージ駆動機構を示す断面図。
【図１１】球面摺動部の潤滑剤としてグリースを用いた場合とオイルを用いた場合の試料ステージドリフトを比較した図。
【符号の説明】
１…試料ステージ、２…試料ホルダ、３…球面受け部材、４…基台、５…駆動モータ、６…押しばね、７…Ｏリング、８…摩擦力、９…試料ホルダ２の伸びひずみによる力、１０…試料ホルダ２の縮みひずみによる力、１１…回転支点、１２…力９によるモーメント、１３…力１０、１１に夜モーメント、１４…ドリフト推移を示す破線、１５…つば部、１６…摩擦力、１７…試料ホルダ２の伸びひずみによる力、１８…試料ホルダ２の縮みひずみによる力、１９…Ｏリングの弾性力、２０ …力１６によるモーメント、２１…力１７、１８によるモーメント、２２…力１９によるモーメント、２３…ドリフト推移を示す破線、２４…つば部、２５…試料ホルダ、２６…試料ステージ、２７…球面受け部材、２８…基台、２９…駆動モータ、３０…押しばね、３１…Ｏリング、３２…微動装置、３３…電子線、３４…スペーサ、３５…ゴム製スペーサ。

Claims

先端に試料を取付ける試料ステージと、前記試料ステージが先端に固定され中間部に試料ステージ側の方へ頂点を持つ半球面凸部を有する棒状部材である試料ホルダと、前記球面凸部と摺動する球面凹部を有し中空管状の球面受け部材と、前記球面受け部材を壁内部に固定する基台と前記試料ホルダの球面凸部を基準としたときに試料ステージ側とは反対側の試料ホルダ壁に垂直な荷重を加えられる駆動モータと、試料ホルダの半球面部に同心となるように装着され基台壁と接触することで試料ステージ側の真空を維持するためのＯリングで構成されるサイドエントリー形試料ステージ駆動機構を有する電子顕微鏡において、
前記Ｏリングに試料ホルダ長手方向の弾性力を発生させるように前記試料ホルダの半球面部球面切り口側につば部に設置することを特徴とした試料ステージ駆動機構。
上記請求項１に記載の試料ホルダにつば部を設置するにあたり、つば部と球面受け部材端にＯリングの幅以上のスペースを確保し、Ｏリングを設置してなお生じる隙間にスペーサを装着することを特徴とする試料ステージ駆動機構。
上記請求項２に記載のスペーサを樹脂製の弾性体とし、Ｏリングによる試料ホルダ長手方向の弾性力と弾性体による弾性力を前記つば部に作用させることを特徴とする試料ステージ駆動機構。
上記請求項１に記載された球面受け部材および試料ホルダの球面摺動部に、潤滑剤としてフッ素系高分子オイルを用いることを特徴とした試料ステージ駆動機構。