JP2007080668A - 荷電粒子線装置の試料移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動の影響を受けにくい荷電粒子線装置の試料移動装置を提供する。
【解決手段】対物レンズ４０に剛に固定された試料ホルダ支持体駆動手段により前後に移動させる試料ホルダ支持体１７を、試料ホルダ１１に一定の接触力にて接触させて振動を低減し、高い解像度あるいは高い加工精度が得られるようにする。また、試料ホルダ１１と試料ホルダ支持体１７との間に電圧を印加し、試料ホルダ１１と試料ホルダ支持体１７との間に流れる接触電流Iが一定に維持されるように、試料ホルダ支持体駆動手段を支持体制御部２４により制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レンズを用いて荷電粒子線を試料の表面に集束させて照射することにより、該試料の分解能を上げたり、試料表面の微小領域を精度よく観察あるいは加工処理などを行なう荷電粒子線装置の試料移動装置に係り、特に、試料が載置される試料ホルダを機械的に安定よく支持するためのサイドエントリ構造の試料移動装置に関する。

荷電粒子線装置は、試料表面の微小領域を精度よく観察あるいは加工処理などを行なうために、試料を載置する試料ステージの機械的な振動を抑えて、試料を機械的に安定よく保持することが重要である。特に、高い安定度が求められる装置の例として、たとえば、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope: ＳＥＭ）や透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope: ＴＥＭ)、走査型透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope: ＳＴＥＭ)、集束イオンビーム装置(Focused Ion Beam: ＦＩＢ)などが挙げられる。
しかし、これらの装置に適用されているいずれの試料移動装置の場合も試料ステージが振動すると、荷電粒子線を集束させたり、あるいは試料から出射される荷電粒子線を集光させる対物レンズの位置に対する試料位置が振動するために、前記した透過電子顕微鏡に適用された場合には分解能が悪化したり、また、集束イオンビーム装置に適用された場合においては加工精度の悪化につながることがあった。

そこで、従来では、このような問題を解決するために、試料位置の近傍に球状の支点を設けて構成されたサイドエントリ型の試料移動装置が提案され、実用に供されている（たとえば、特許文献１参照）。
その代表的な一例として透過電子顕微鏡の場合を図７に示している。図７に示されているように、鏡体でもある磁路１の一側面に受金具３が気密的に固定されており、この受金具３内には試料ステージ１０が収容されている。この試料ステージ１０の軸線方向に沿った中心部に設けられた穴には、試料ホルダ１１が軸線方向に摺動自在にかつ気密を保ち挿入されている。
そして、試料ホルダ１１の試料８が載置される側の端部（以後、「試料載置端」と称する）１１ａは略三角錐状の凸形状に形成されている。

また、図７に示されているように、試料ステージ１０の先端部には球体９が一体に設けられており、この球体９は、磁路１内に設けられた凹球面２で支持されていて、球体９の中心を支点として試料ステージ１０が首振り運動するようになっている。

一方、受金具３と対向した側の磁路１の他側面に受金具１４が気密的に固定されている。この受金具１４の軸線方向に設けられた通路には気密的に支持されたシャフト１３が摺動自在に挿通されており、このシャフト１３は、受金具１４の後端部に設けられている試料ホルダ駆動手段であるＸ方向モータ１６およびバネ１５によって軸線方向の移動が規定されるようになっている。

そして、シャフト１３の一端１３ａはすり鉢状の凹形状に形成されており、シャフト１３の一端１３ａと試料ホルダ１１の試料載置端１１ａとによってロッド７が挟持されるようになっている。
また、ロッド７の一端７ａは、すり鉢状の凹形状に形成されているとともに、その他端７ｂは三角錐状の凸形状に形成されている。そして、ロッド７の一端７ａと試料ホルダ１１の試料載置端１１ａ、およびロッド７の他端７ｂとシャフト１３の一端１３ａとは、それぞれピボット構造になっている。

また、図７に示されているように、受金具３の一部に、試料ステージ１０の軸線方向に対して直交する方向で取り付けられているホルダ５内に押棒６が摺動自在に収容されており、押しバネ４による押圧力で試料ステージ１０を常にＹ方向モータ１２の先端に押圧せしめるようにしている。

試料ホルダ駆動手段であるＹ方向モータ１２は、押棒６と同軸線上において対向するように受金具３に設けられて、その先端を試料ステージ１０に接触させている。

このような構成において、Ｙ方向モータ１２がＹ方向に駆動すると、試料ステージ１０は光軸に垂直な平面内で移動するようになっている。また、図示を省略しているが、試料ホルダ駆動手段であるＺ方向モータが垂直な方向に設けられており、これらＹ方向モータ１２、Ｚ方向モータが駆動することによって、試料ステージ１０は光軸に平行な平面内で移動するようになっている。そして、ロッド７の両端はピボット運動可能に支持されているので、試料ステージ１０は球体９を支点として首振り運動され、試料ホルダ１１の試料８を任意方向に移動できるように構成されている。
特開平５−８２０６５号公報（段落番号０００３〜０００７、図４参照）

しかし、前記した従来の試料移動装置では、球体９とＹ方向モータ１２との二点のみで試料ステージ１０が支えられているため、この二点を節とする固有振動が起こり易い。
また、試料ホルダ１１の試料載置端１１ａはロッド７を介して自由に運動できるように支持されるために、球体９から試料８側の部分は片持ち梁となり、この片持ち梁の長さと剛性で決まる固有振動が起こる。試料ステージ１０や試料ホルダ１１が長く、これらの固有振動数が１ＫＨz程度以下まで下がる場合には、これらの固有振動が、例えば電子顕微鏡の分解能を阻害したり、集束イオンビーム装置の加工精度を阻害する大きな要因となっていた。

また、これらの固有振動数と一致しない振動数の振動でも外部環境から試料ステージに侵入し、その振幅が大きければ大きいほど前記と同様の悪影響を及ぼす恐れがある。
そして、試料移動装置を励振する振動源、例えば前記した電子顕微鏡の分解能を阻害する振動源としては、床からの数Ｈｚオーダの振動、ターボポンプによる８００〜１２００Ｈｚ近辺の振動、音声や空調器などの音波による振動などがあり、特に０〜１２００Ｈｚ近辺の外部振動が発生しやすいが、このような外部振動の振幅はさほど大きくなく、それ自身が直接分解能におよぼす影響は少ないものと考えられる。

ところで、前記の固有振動数が、これら外乱の振動数と一致する場合には、共振作用によって試料ステージ１０の振動振幅が大きくなり、分解能に大きな悪影響を及ぼすものである。
例えば、大型の電子顕微鏡では、試料ステージ１０の長さは約６００ｍｍであり、球体９から外側の部分は黄銅で構成され、その固有振動数は約２００Ｈｚである。また、球体９から試料載置端１１ａ側に至る部分の長さは約１００ｍｍであり、当該部分はリン青銅で構成され、その固有振動数は約６００Ｈｚであるため、それらの固有振動数付近の外部振動により、試料ホルダ１１および試料ステージ１０などが共振する場合がある。

そこで、本発明は、前記問題を解消すべく創案されたものであり、外部振動の影響を効果的に低減せしめて、レンズと試料の相対位置の変化を確実に防ぐことができるように改良された荷電粒子線装置の試料支持装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明では、レンズを用いて荷電粒子線を集束させることにより、少なくとも観察あるいは加工処理を行なう試料を載置する試料ホルダと、試料を所望の位置へ移動および静止させるように前記試料ホルダを動作させる試料ホルダ駆動手段と、を備える荷電粒子線装置の試料移動装置であって、以下のような手段を講じた点を特徴とする。
（１）前記試料ホルダの一部に接触させる棒状の試料ホルダ支持体と、前記レンズに剛に結合されて、前記試料ホルダ支持体を前後に移動させる試料ホルダ支持体駆動手段と、前記試料ホルダに対する前記試料ホルダ支持体の接触力が所定になるように、前記試料ホルダ支持体駆動手段を制御する支持体制御部と、を備えて、試料ホルダの振動を低減するようにしたことにある。
（２）また、前記試料ホルダが移動あるいは回転している最中でも、前記試料ホルダの動きに追従させて前記試料ホルダに対する試料ホルダ支持体の接触力が所定になるように維持する、あるいは試料ホルダの動作中は試料ホルダ支持体を一旦軸線方向に後退させて試料ホルダと非接触状態とし、試料ホルダが停止した直後に再び試料ホルダに接触するように試料ホルダ支持体の前後位置を制御するようにしたことにある。

ここで、電子顕微鏡や集束イオンビーム装置における振動の影響の表れ方について説明する。
まず、荷電粒子線をレンズ（対物レンズ）で試料上に集束させる場合を考えると、対物レンズと試料の相対位置がΔＸずれた場合には、試料上のビームスポット位置もΔＸずれる。これは、レンズの焦点位置がレンズ自身と共に移動するからである。
これに対して、荷電粒子線のレンズへの入射位置がずれる影響は小さい。例えば、レンズへの入射位置がずれても、レンズに対する光源の位置が変化しなければビームスポット位置は原理的に変化しないからである。そして、光源位置がレンズに対してΔＸずれる場合でも、試料上でのずれはレンズにより縮小される。この縮小される度合いは通常数１０分の１の程度である。
したがって、レンズに対して試料位置が固定されるように試料ステージを構成すると、たとえば電子顕微鏡の磁路全体が振動しても装置の分解能に対する振動の影響は軽微なものとなるのである。また、透過電子顕微鏡のように試料から出射された荷電粒子線を集光する場合にも、電子源を観察用蛍光板に置き換えると前記と同様の議論が成り立つものである。
本発明は、このような知見に基づいて、試料表面の微小領域を精度よく観察あるいは加工処理などを行なうことができるように試料が載置される試料ホルダの支持安定性を図るものである。

本発明によれば、外部振動の影響を効果的に低減せしめて、レンズと試料の相対位置の変化を確実に防ぐことができる。これにより、高い安定度が求められる走査電子顕微鏡、透過電子顕微鏡および走査型透過電子顕微鏡、集束イオンビーム装置などに適用可能な有益な荷電粒子線装置の試料移動装置を提供することができる。

以下、本発明に係る荷電粒子線装置の試料移動装置の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。
ここでは、荷電粒子線装置の代表的な実施形態として透過電子顕微鏡を挙げ、この透過電子顕微鏡に試料移動装置を適用した場合の例を挙げて説明する。
図１は、荷電粒子線装置の代表的な実施形態として透過電子顕微鏡を示す横断面図であり、図２は、同透過電子顕微鏡の縦断面図であり、図３は、図２とは断面位置を変えて示す部分拡大縦断面図である。

≪試料移動装置の説明≫
試料移動装置の構成は、従来説明において詳述した図７に示す試料移動装置の構成と基本的に同じことから同じ構成部分については同じ符号を用いて説明する。
すなわち、図１および図２に示されているように、鏡体でもある磁路１の側面に受金具３と受金具１４とが、磁路１の軸芯を通る水平線上において対向するようにそれぞれ気密的に取り付けられている。
受金具３内には試料ステージ１０が収容され、この試料ステージ１０の軸線方向に沿った中心部に設けられた穴には試料ホルダ１１が軸線方向に摺動自在にかつ気密を保ち挿入されている。そして、試料ホルダ１１の試料８が載置される試料載置端１１ａは略三角錐状の凸形状に形成されている。
試料ステージ１０の先端部には球体９が一体に設けられており、この球体９は、磁路１内に設けられた凹球面２で支持され、球体９の中心を支点として試料ステージ１０が首振り運動するようになっている。

一方、受金具１４の軸線方向に設けられている通路には気密的に支持されたシャフト１３が摺動自在に挿通されており、このシャフト１３は、受金具１４の後端部に設けられている試料ホルダ駆動手段であるＸ方向モータ１６およびバネ１５によって軸線方向の移動が規定されるようになっている。
そして、シャフト１３の一端１３ａはすり鉢状の凹形状に形成されており、シャフト１３の一端１３ａと試料ホルダ１１の試料載置端１１ａとによってロッド７が挟持されるようになっている。

また、ロッド７の一端７ａは、すり鉢状の凹形状に形成されているとともに、その他端７ｂは三角錐状の凸形状に形成されている。そして、ロッド７の一端７ａと試料ホルダ１１の試料載置端１１ａ、およびロッド７の他端７ｂとシャフト１３の一端１３ａとは、それぞれピボット構造になっている。

また、受金具３の一部に、試料ステージ１０の軸線方向に対して直交する方向で取り付けられたホルダ５内に押棒６が摺動自在に収容されており、押しバネ４による押圧力で試料ステージ１０を常にＹ方向モータ１２の先端に押圧するようにしている。

試料ホルダ駆動手段であるＹ方向モータ１２は、押棒６と同軸線上において対向するように受金具３に設けられていて、その先端を試料ステージ１０に接触させている。

このような構成において、Ｙ方向モータ１２がＹ方向に駆動すると、試料ステージ１０は光軸Ｐ（電子ビーム）に垂直な平面内で移動するようになっている。また、図示を省略しているが、試料ホルダ駆動手段であるＺ方向モータが垂直な方向に設けられており、これらＹ方向モータ１２、Ｚ方向モータが駆動することによって、試料ステージ１０は光軸Ｐに平行な平面内で移動するようになっている。そして、ロッド７の両端はピボット運動可能に支持されているので、試料ステージ１０は球体９を支点として首振り運動し、試料ホルダ１１の試料８を任意方向に移動できるように構成されている。

そして、本実施形態は、図１および図３に示されているように、試料ホルダ１１の一部に接触して、該試料ホルダ１１の振動を低減する試料ホルダ支持体１７を備えている。この試料ホルダ支持体１７は、対物レンズ４０に剛に結合される試料ホルダ支持体駆動手段（後記する駆動モータ２３）によって軸線方向前後に移動させられるようになっている。さらに、試料ホルダ支持体駆動手段を制御する支持体制御部２４を備えており（後記の図４参照）、この支持体制御部２４によって試料ホルダ支持体駆動手段は制御されて試料ホルダ支持体１７を前進されることにより、試料ホルダ支持体１７の先端が試料ホルダ１１に所定の接触力に維持された状態で接触するように構成されている。
なお、本実施形態では、「前進」は試料ホルダ支持体１７が試料ホルダ１１に接触する方向に移動、「後退」は試料ホルダ支持体１７が試料ホルダ１１から離れる方向に移動することであり、また、「退避」は前進位置から後退、「復帰」は後退位置から前進することである。

≪試料ホルダ支持体の説明≫
試料ホルダ支持体１７は、試料ホルダ１１への接触、特に試料載置端１１ａ側に接触することによって、試料ホルダ１１が受けやすい固有振動数付近の外部振動などの振動を低減する役目を成すものであり、リン青銅から適宜の長さと太さ（外径）を有する棒状に形成されるとともに、試料ホルダ１１に接触する先端部分を三角推状の凸形状に形成している。
そして、試料ホルダ１１と接触する試料ホルダ支持体１７の表面は、金メッキが施されている。このように、試料ホルダ支持体１７に金メッキを施した場合には試料ホルダ支持体１７が接触する試料ホルダ１１の試料載置端１１ａ側の先端部分をも同様に金メッキを施すことが好適なものとなり、電気的な接触を良好にすることができる。

なお、前記では試料ホルダ支持体１７を、リン青銅を用いて棒状に形成し、試料ホルダ１１との接触部表面に金メッキを施したが、金（Au）以外の白金（Ｐａ）−パラジウム（Ｐｄ）などの貴金属または貴金属合金を施すことにより、良好な電気的接触が得られて好適なものとなる。
また、試料ホルダ支持体１７の母材の全部または少なくとも一部を、制振材や樹脂材などの対数減衰率が０．１より大きい材料で形成するなど、任意である。

≪試料ホルダ支持体駆動手段の説明≫
図４は、インチワーム型モータからなる試料ホルダ支持体駆動手段の構成原理を示す概略図である。
試料ホルダ支持体駆動手段は、試料ホルダ支持体１７を、試料ホルダ１１の軸線と直交する前後方向に移動させる。つまり、試料ホルダ１１方向に試料ホルダ支持体１７を前進させたり、試料ホルダ１１に対する試料ホルダ支持体１７の接触力が所定になるように、支持体制御部２４からの制御信号に応じて試料ホルダ支持体１７の位置を前後に移動させる駆動源であり、本実施形態ではインチワーム型モータ（以後、「駆動モータ」と称する）２３を用いている。
すなわち、図４に示されているように、固定用圧電素子１８，１９と移動用圧電素子２０とを備え、さらに、進退動作方向に互いに平行に対向する２つのガイド２１，２２を備えて構成されている。

≪ガイド、固定用圧電素子および移動用圧電素子の説明≫
ガイド２１、２２は、アルミナで形成されて、試料ホルダ支持体１７の前後移動方向に平行かつ互いに対向して配される。固定用圧電素子１８，１９および移動用圧電素子２０は、アルミナ製のスペーサ３３に接着されている。そして、図示を省略しているが、固定用圧電素子１８，１９のスペーサ３３と反対の側にも厚さ１ｍｍのアルミナ板が接着されている。
また、ガイド２２とスペーサ３３の接触面は両側とも研磨を施し、滑らかに摺動するように形成している。

なお、前記では移動用圧電素子２０の直進性を重視して摺動型のガイド面としたが、十分な直進性が得られる場合にはローラガイドなどの低摩擦ガイドを用いてもよい。このように、ローラガイドを用いることで、より滑らかな移動が可能となり、加えて粉塵の発生が少ないことや寿命が長いという利点などが期待できるものである。

≪駆動モータの対物レンズに対する剛結合の説明≫
ここでは、図３に戻り説明する。
以上のように構成された駆動モータ２３は、図３に示されているように、対物レンズ４０の上下のポールピース２５，２６に剛に固定される。すなわち、上下のポールピース２５、２６は円筒状を呈する繋ぎ２７で剛に結合され、駆動モータ２３はこの繋ぎ２７に剛に結合されることで、駆動モータ２３は対物レンズ４０に剛に固定されることとなる。
従って、試料ホルダ支持体１７が試料ホルダ１１に接触しているとき、試料ホルダ１１もポールピース２５，２６とほぼ一体となって振動することとなり、そして、ポールピース２５，２６などを介して一体に繋がる磁路１ともほぼ一体となって振動することになるため、結果として、電子ビームのビームスポットは試料ホルダ１１の試料載置端１１ａに載置されている試料８上の一点に固定されることとなって、外部振動の影響を殆ど受けないことになる。
つまり、試料８表面の観察あるいは加工処理を行なうに際して、試料ホルダ１１の上下方向（光軸Ｐ方向）の振動（揺れ）は殆ど影響を受けないが、試料ホルダ１１の左右方向（光軸Ｐと直交する平面方向）の振動は試料８表面の微小領域を精度よく観察あるいは加工処理を行なう上で影響が大きいものである。

≪支持体制御部の説明≫
図５は、支持体制御部の一例を示す構成ブロック図である。
支持体制御部２４は、図５に示されているように、前記した接触電流Ｉを電圧に変換するための電流電圧変換器２９を備えている。そして、電流電圧変換器２９により得られた電圧Ｖ１を通すローパスフィルタ３０を備えている。このローパスフィルタ３０のカットオフ周波数は、１０〜３００Ｈｚの範囲に設定されている。また、ローパスフィルタ３０を通された電圧Ｖ１とともに基準電圧Ｖ０を入力して電圧Ｖ２を得る差動増幅器３１を備えており、さらに、この差動増幅器３１により得られる電圧Ｖ２を入力して積分するための積分器３２を備えて構成されている。

すなわち、支持体制御部２４は、接触電流Ｉを電流電圧変換器２９で電圧に変換して得た電圧Ｖ１をカットオフ周波数が例えば１００Ｈｚのローパスフィルタ３０を通すことにより、基準電圧Ｖ０とともに差動増幅器３１に入力して電圧Ｖ２を得る。続いて、電圧Ｖ２を積分器３２に入力して積分し、その出力である制御電圧Ｖを駆動モータ２３の移動用圧電素子２０に印加することによって、移動用圧電素子２０を伸ばす、縮めるようにしている。つまり、駆動モータ２３を動作させるように構成されている。
また、試料ホルダ１１と試料ホルダ支持体１７との間に流れる接触電流Ｉが所望の値になるように試料ホルダ支持体１７の前後移動位置をフィードバック制御するようになっている。このとき、試料ホルダ支持体１７と試料ホルダ１１の接触部の接触抵抗（接触力）は不安定であるため、制御電圧Ｖは１００Ｈｚ以上の高周波成分として除去する。これにより、制御系の不安定性による振動を抑制する。つまり、本実施形態では１００Ｈｚ以上をカットオフ周波数として除去するようにしている。

また、支持体制御部２４は、駆動モータ２３の移動用圧電素子２０の長さが最長または最短になっても接触電流Ｉが所望の値にならないときには駆動モータ２３を１ステップずつ移動させ、接触電流Ｉが所望の値になるまで動作を繰り返すように構成されている。この動作は制御電圧Ｖが所定の値より大きくなったとき、あるいは小さくなったときに、自動的に開始するように支持体制御部２４が制御するようになっている。

以上のように、試料ホルダ１１が移動あるいは回転させられたとき、例えば試料８に対する電子ビームの集束位置を変えるために試料ホルダ１１が移動あるいは回転させられたときも駆動モータ２３を制御することによって、試料ホルダ支持体１７を試料ホルダ１１の動きに自動的に追随させ、試料ホルダ１１との接触電流Ｉを常に一定に保つように試料ホルダ１１との接触状態が維持されるようになっている。これにより、試料ホルダ１１（試料ステージ１０）の迅速な移動が可能となる。
そして、試料ホルダ１１の移動または回転が完了し、試料ホルダ１１が静止しているときも接触状態を維持することによって、試料ホルダ１１の振動を抑制することができるようにしている。
なお、このときに、移動用圧電素子２０を若干伸ばした状態で制御電圧Ｖを固定し、次いで左右の固定用圧電素子１８，１９をガイド２１に押圧固定してもよい。このようにすることで、支持体制御部２４からの電気ノイズの影響や接触電流Iの不安定性による振れなどの影響が無くなるので、試料ホルダ１１の振動をより一層効果的に低減させることができ、有効である。

≪駆動モータの動作原理の説明≫
図６は、駆動モータの動作原理を説明するために供した概略図である。
駆動モータ２３は、移動用圧電素子２０が伸びた状態から１ステップ前進する場合を例として図６を参照しながら説明する。
ここでは、図６（ａ）のように、左側の固定用圧電素子１９が伸びた状態で、ガイド２１に押圧固定され、右側の固定用圧電素子１８は縮んでガイド２１から離れた状態になっている状態で、なおかつ、移動用圧電素子２０が伸びきった状態から説明する。

まず、図６（ｂ）のように、右側の固定用圧電素子１８を伸ばしてガイド２１に押圧固定させ、これに続けて左側の固定用圧電素子１９を縮めてガイド２１から左側の固定用圧電素子１９を離す。次に、図６（ｃ）のように、移動用圧電素子２０を縮める。
移動用圧電素子２０を縮めたら、図６（ｄ）のように、左側の固定用圧電素子１９を伸ばしてガイド２１に押圧固定し、続けて右側の固定用圧電素子１８を縮めてガイド２１から離す。その後、移動用圧電素子２０を伸ばすと、図６（ａ）の状態に戻る。これにより、試料ホルダ支持体１７の位置は図６の右方向（前進方向）へ１ステップ、前進移動する。
このような動作を繰り返すことによって、常に左右いずれか一方の固定用圧電素子１８，１９がガイド２１に押圧固定された状態を保ちつつ動作する。所謂尺取虫動作を繰り返しながら試料ホルダ支持体１７を前後方向（紙面の左右方向）に任意の距離だけ高精度に移動させることができるものである。

なお、前記１ステップは約２μmであり、１ＫHzで駆動した場合１秒で２mm移動する。また、図６（ａ）の状態で移動用圧電素子２０に印加する電圧を調整することにより、試料ホルダ支持体１７の位置を１ｎｍ以下の精度で連続的に変化させることもできる。

＜第1の実施形態＞
試料ホルダ１１は、図４に示されているように、接地Ｇされており、試料ホルダ支持体１７には支持体制御部２４から例えば１０ｍVの電圧が印加されている。
この状態で試料ホルダ支持体１７が試料ホルダ１１に接触すると、支持体制御部２４から接触電流Ｉが流れる。このとき、駆動モータ２３は、図６（ａ）の状態になっており、接触電流Ｉが１μＡよりも小さいときは移動用圧電素子２０が伸びて試料ホルダ支持体１７が前進移動するように、支持体制御部２４から制御電圧Ｖが印加される。これとは逆に接触電流Ｉが１μＡよりも大きいときには移動用圧電素子２０が縮み、試料ホルダ支持体１７が後退移動するように、支持体制御部２４からの制御電圧Ｖが変化するようになっている。

＜第２の実施形態＞
また、本実施形態では前進モード（接触モード）と後退モード（退避モード）の２つのモードを切り替えて駆動モータ２３を制御するように構成している。
ここでは、接触電流Ｉの閾値予め定め、低い閾値をオフ電流値（Ｉｏｆｆ）とし、高い閾値をオン電流値（Ｉｏｎ）とする。つまり、Ｉｏｆｆ＜Ｉｏｎの関係がある。
後退モードでは、試料ホルダ１１と試料ホルダ支持体１７の間に電圧を印加した後、試料ホルダ支持体駆動手段（駆動モータ２３）が動作を開始する直前に、試料ホルダ１１と試料ホルダ支持体１７との間に流れる接触電流Ｉがオフ電流値（Ｉｏｆｆ）より小さくなるように、試料ホルダ支持体１７を後退させ、かつ、予め定めた退避距離だけ後退させて停止させる。
そして、試料ホルダ支持体駆動手段の動作中にオフ電流値（Ｉｏｆｆ）より大きい接触電流Ｉが試料ホルダ１１と試料ホルダ支持体１７との間に流れた場合には再度、接触電流Ｉがオフ電流値（Ｉｏｆｆ）より小さくなるように、試料ホルダ支持体１７を後退させ、かつ、予め定めた退避距離だけ後退させて停止させる。

そして、前進モードでは、試料ホルダ支持体駆動手段が動作を停止した直後に、試料ホルダ１１と試料ホルダ支持体１７との間に流れる接触電流Ｉがオン電流値（Ｉｏｎ）よりも大きくなるように、試料ホルダ支持体１７を前進させ、かつ、予め定めた押圧距離だけ前進させて停止させる。その後に、試料ホルダ１１と試料ホルダ支持体１７との間に流れる接触電流Ｉがオン電流値（Ｉｏｎ）より小さくなった場合には再度、接触電流（Ｉ）がオン電流値（Ｉｏｎ）より大きくなるように、試料ホルダ支持体１７を前進させ、かつ、予め定めた押圧距離だけ前進させて停止させる。

前記した前進モードと後退モードについてより具体的に説明すると、以下の通りになる。ここでは、図４に戻り、図４を参照しながら説明する。
前進モードは、試料ホルダ１１と試料ホルダ支持体１７との間に流れる接触電流Ｉが所定の最大値、つまり、オン電流値（Ｉｏｎ）より小さいとき、駆動モータ２３により試料ホルダ支持体１７を前進させ（図４の紙面右方向）、接触電流Ｉがオン電流値（Ｉｏｎ）より大きくなった瞬間に駆動モータ２３を一旦停止させ、この位置からさらに１０ｎｍ前進させて制御電圧Ｖを固定し、次いで、左右の固定用圧電素子１８，１９を伸ばしてガイド２１に押圧固定する。したがって、試料ホルダ支持体１７は試料ホルダ１１に常に一定の接触力にて接触した状態にある。

そして、後退モードでは、接触電流Ｉがオフ電流値（Ｉｏｆｆ）より大きいとき駆動モータ２３を動作させて試料ホルダ支持体１７を後退させ（図４の紙面左方向）、接触電流Ｉがオフ電流値（Ｉｏｆｆ）より小さくなった瞬間に駆動モータ２３を一旦停止させ、さらに１０μｍ後退させる。これにより、試料ホルダ支持体１７と試料ホルダ１１は常に離れた状態となる。

また、試料ホルダ１１が静止しているときは前進モードで制御し、試料ホルダ支持体１７を一定の接触電流Ｉで試料ホルダ１１に接触させて試料ホルダ１１の振動を抑制する。このとき、試料駆動モータ２３は停止した状態となり、この状態で試料ホルダ支持体１７と試料ホルダ１１との間に流れる接触電流Ｉが一定に維持されるようになっている。つまり、試料ホルダ支持体１７の試料ホルダ１１に対する接触力が一定に維持されるようになっている。

また、試料８に対する電子ビームの集束位置（観察位置など）を変えるために、試料ホルダ１１が移動あるいは回転を開始したときには、試料ホルダ１１を、試料ステージ１０を介して駆動させるＹ方向モータ１２、あるいは試料ホルダ１１を回転させる図示省略のモータの制御回路へ入力される駆動開始の信号が、支持体制御部２４へ入力されて、これをトリガとして後退モードへ切り替えられるようになっている。
従って、試料ホルダ１１が移動または回転を開始する直前に、試料ホルダ支持体１７は試料ホルダ１１から１０μｍ離れた位置まで後退して退避する。試料ホルダ１１を移動あるいは回転させるモータが動作を停止するときには、その停止信号をトリガとして再び前進モードに切り替えられて、試料ホルダ支持体１７は試料ホルダ１１に一定の接触力で接触するようになっている。

このように、駆動モータ２３を制御することによって、試料ホルダ支持体１７は試料ホルダ１１の動きに自動的に追随し、試料ホルダ１１が停止（静止）しているときには常に接触し、試料ホルダ１１が移動あるいは回転しているときにはその動作を防げないように、試料ホルダ支持体１７を試料ホルダ１１から離して後退させておくことができる。

そして、試料ホルダ１１の移動または回転が完了し、試料ホルダ１１が静止しているときも接触力（接触状態）を一定に維持することによって試料ホルダ１１の振動を抑制することができる。
なお、このときに、移動用圧電素子２０を若干伸ばした状態で制御電圧Ｖを固定し、次いで左右の固定用圧電素子１８，１９をガイド２１に押圧固定してもよい。このようにすることで、支持体制御部２４からの電気ノイズの影響や接触電流Iの不安定性による揺らぎの影響が無くなり、試料ホルダ１１の振動をより一層効果的に低減させることができ、有効である。

以上のように構成された本実施形態によれば、対物レンズ４０のポールピース２５，２６に剛に固定された試料ホルダ支持体１７を試料ホルダ１１に接触させることによって、試料ホルダ１１の振動を抑制し、高い解像度よる観察あるいは高い加工精度が得られるようになる。

また、試料８に対する電子ビームの集束位置を変えるために試料ホルダ１１を移動あるいは回転させる場合にも、試料ホルダ１１に過度な応力がかからないように、試料ホルダ支持体１７の位置を制御することが可能になる。これにより、試料ホルダ１１の試料載置端１１ａの振動が試料ホルダ支持体１７による接触により低減されて、透過電子顕微鏡においては高い解像度による観察が得られ、そして、集束イオンビーム装置においては高い加工精度が得られるようになる。
このように、本実施形態によれば、試料８の微小領域を精度よく観察、測定、あるいは加工するにあたり、試料ホルダ１１における機械的な振動を抑えて、試料８を安定に保持することができる。

なお、本発明の実施形態の具体的な構成は、前記した実施形態に限られるものではなく、請求項１〜請求項５に記載の本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計において変更などがあっても本発明に含まれるものである。
例えば、駆動モータ２３として、図４に示したようなインチワーム型モータを使用したが、十分な剛性があれば他の方式のモータでも使用することが可能であり、圧電素子を利用した超音波モータなども使用することが可能である。
また、試料ホルダ支持体１７としては、棒状である必要はなく、試料ホルダ１１に接触できるもので剛性が十分高い形状であればよい。たとえば、球状や円盤状であってもよく、任意である。

本発明に係る荷電粒子線装置の代表的な実施形態として透過電子顕微鏡を示す横断面図である。 同透過電子顕微鏡の縦断面図である。 図２とは断面位置を変えて示す同透過電子顕微鏡の部分拡大断面図である。 試料ホルダ支持体を前後に移動させるインチワーム型モータからなる駆動モータの構成原理を示す概略図である。 同駆動モータの支持体制御部の一例を示す構成ブロック図である。 同駆動モータの動作原理を説明するために供した概略図である。 従来の電子顕微鏡を示す横断面図である。

符号の説明

１ 磁路
２ 凹球面
３，１４ 受金具
４ 押しバネ
５ ホルダ
６ 押棒
７ ロッド
８ 試料
９ 球体
１０ 試料ステージ
１１ 試料ホルダ
１１ａ 試料載置端
１２ Ｙ方向モータ（試料ホルダ駆動手段）
１３ シャフト
１５ バネ
１６ Ｘ方向モータ（試料ホルダ駆動手段）
１７ 試料ホルダ支持体
１８，１９ 固定用圧電素子
２０ 移動用圧電素子
２１，２２ ガイド
２３ 駆動モータ（試料ホルダ支持体駆動手段）
２４ 支持体制御部
２５，２６ ポールピース
２７ 繋ぎ
２９ 電流電圧変換器
３０ ローパスフィルタ
３１ 差動増幅器
３２ 積分器
３３ スペーサ
４０ 対物レンズ（レンズ）
Ｉ 接触電流
Ｖ 制御電圧
Ｖ０ 基準電圧
Ｐ 光軸

Claims (5)

1. レンズを用いて荷電粒子線を試料の表面に集束させることにより、少なくも前記試料表面の観察あるいは加工処理を行なう荷電粒子線装置において、
   前記試料が載置される試料ホルダと、前記試料を所望の位置へ移動および静止させるように前記試料ホルダを動作させる試料ホルダ駆動手段と、を備えている試料移動装置であって、
   前記試料ホルダの一部に接触して、該試料ホルダの振動を低減する棒状の試料ホルダ支持体と、
   前記レンズに剛に結合されて、前記試料ホルダ支持体を、前記試料ホルダの軸線と直交する前後方向に移動させる試料ホルダ支持体駆動手段と、を備え、
   さらに、前記試料ホルダに対する前記試料ホルダ支持体の接触力が所定になるように、前記試料ホルダ支持体駆動手段を制御する支持体制御部を備えていることを特徴とする荷電粒子線装置の試料移動装置。
2. 請求項１に記載の試料ホルダに対する前記試料ホルダ支持体の接触力は、前記試料ホルダと前記試料ホルダ支持体との間に電圧を印加し、前記試料ホルダと前記試料ホルダ支持体の間に流れる接触電流の電流値によって定められることを特徴とする荷電粒子線装置の試料移動装置。
3. 請求項１に記載の支持体制御部は、ローパスフィルタを含み、該ローパスフィルタのカットオフ周波数は、前記試料ホルダが振動する固有振動数より低い振動数であることを特徴とする荷電粒子線装置の試料移動装置。
4. 請求項１に記載の試料ホルダ支持体駆動手段は、複数の固定用圧電素子と、前記試料ホルダ支持体の前後方向に進退動作する少なくとも一つの移動用圧電素子と、この移動用圧電素子の進退動作方向に、互いに平行に対向する２つのガイドと、からなるインチワームであり、動作中であっても前記複数の固定用圧電素子のうち少なくともいずれか一つは、前記ガイドに押圧固定されていることを特徴とする荷電粒子線装置の試料移動装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置の試料移動装置であって、
   前記試料ホルダに接触させる前記試料ホルダ支持体を、前記試料ホルダの軸線と直交する前後方向に移動させる試料ホルダ支持体駆動手段の動きを制御する支持体制御部は、前記試料ホルダと前記試料ホルダ支持体の間に電圧を印加し、前記試料ホルダ支持体駆動手段が動作を開始する直前に、前記試料ホルダと前記試料ホルダ支持体との間に流れる接触電流が予め定めたオフ電流値より小さくなるように、前記試料ホルダ支持体を後退させ、かつ、予め定めた退避距離だけ後退させて停止させるように制御し、
   また、前記試料ホルダ支持体駆動手段の動作中に前記予め定めたオフ電流値より大きい接触電流が流れた場合には再度、該接触電流が前記予め定めたオフ電流値より小さくなるように、前記試料ホルダ支持体を後退させ、かつ、前記予め定めた退避距離だけ後退させて停止させるように制御し、
   さらに、前記試料ホルダ支持体駆動手段が動作を停止した直後に、前記接触電流が予め定めたオン電流値よりも大きくなるように、前記試料ホルダ支持体を前進させ、かつ、予め定めた押圧距離だけ前進させて停止させるように制御し、
   その後、前記接触電流が前記予め定めたオン電流値より小さくなった場合には再度、前記接触電流が前記予め定めたオン電流値より大きくなるように、前記試料ホルダ支持体を前進させ、かつ、前記予め定めた押圧距離だけ前進させて停止させるように制御することを特徴とする荷電粒子線装置の試料移動装置。

Images