JP2021082586A

JP2021082586A - 電子顕微鏡ステージ

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Publication number: JP2021082586A
Application number: JP2020189052A
Authority: JP
Inventors: フィッシェルアルベルト; Visscher Albert
Original assignee: FEI Co
Current assignee: FEI Co
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2021-05-27
Also published as: EP3823003A3; US20210151281A1; KR20210060314A; TW202127495A; EP3823003A2; CN112820615A; US11244805B2

Abstract

【課題】ワークピースを荷電粒子ビームシステム内に、正確に保持するためのポジショニングシステムと方法を提供する。【解決手段】電子顕微鏡用ポジショニングシステム１１０は、ワークピースＷを保持するためのホルダを備える第１のキャリッジと、第２のキャリッジとを含む。第１のキャリッジは、ワークピースＷを、第１、第２、および第３の軸に沿って、ならびに第１の傾斜軸に沿ってポジショニングするように構成された１つ以上の第１の駆動ユニットに結合されている。第２のキャリッジは、１つ以上の第１の駆動ユニットを収容し、ワークピースＷを第２の傾斜軸に沿ってポジショニングするように構成された１つ以上の第２の駆動ユニットに結合されている。【選択図】図１

Description

本開示は、ワークピースをビームシステム内に保持するためのポジショニングシステムおよびそれらの使用方法に関する。

高解像度画像化および／またはデバイス処理は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、イオンカラム、レーザー、および／または他のビーム生成機器などの１つ以上の機器を用いて達成することができる。このような機器では、画像を獲得するか、または所望の領域を処理するために、ワークピースを正確にポジショニングする必要がある。一般に、ポジショニングシステムは、ワークピース（または画像化される被検体）を取り付けることができる担持要素と、担持要素を動かすように構成されたモータなどの一組のアクチュエータとを含む。

アクチュエータの不正確なポジショニングおよび／または振動によって引き起こされる位置の乱れは、ワークピースの画像化および／または処理の品質に影響を与える可能性がある。したがって、ワークピースをポジショニングするための改善されたポジショニングシステムが必要である。

本明細書に記載されているのは、ビームシステムとともに使用するためのポジショニングシステムの実施形態、ならびにそのようなシステムを使用してワークピースを動かしてポジショニングするための方法である。

代表的な実施形態では、ポジショニングシステムは、第１のキャリッジおよび第２のキャリッジを備えることができる。第１のキャリッジは、ワークピースを保持するためのホルダを備えることができ、ワークピースを第１、第２、および第３の軸に沿って並進させるように、およびワークピースを第２の軸の周りで回転させるように構成された１つ以上の第１の駆動ユニットに結合させることができる。第２のキャリッジは、１つ以上の第１の駆動ユニットを収容することができ、ワークピースを第１の軸の周りで回転させるように構成された１つ以上の回転駆動ユニットに結合させることができる。

いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の駆動ユニットは、１つ以上の支柱部材によって第１のキャリッジに結合される。ポジショニングシステムは、第２のキャリッジから延在し、本体部分および先端部分を有するカラムをさらに備えることができる。第１のキャリッジは、先端部分に隣接して配置することができ、支柱部材は、本体部分を通って延在することができる。

いくつかの実施形態では、第１のキャリッジは、複数の弾性支柱部材を介して第２のキャリッジに結合される。複数の弾性支柱部材は、各々が第１の端部部分および第２の端部部分を有する、第１、第２、および第３の弾性支柱部材を備えることができる。弾性支柱部材は、各支柱部材の第１の端部部分が第１のキャリッジに結合され、各支柱部材の第２の端部部分が第２のキャリッジに結合されるように、三角形に配置することができる。

いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の駆動ユニットは、共通平面内に配置された軸に沿って作動するように構成された第１、第２、および第３の駆動ユニットと、共通平面に平行な平面内に配置された軸に沿って作動するように構成された第４の駆動ユニットとを備えることができる。このような実施形態では、第１および第２の駆動ユニットは、ワークピースを第１および第２の軸に沿って動かすように構成することができ、第３の駆動ユニットは、ワークピースを第３の軸に沿って動かすように構成することができ、第４の駆動ユニットは、ワークピースを第２の軸の周りで回転させるように構成することができる。

第１、第２、第３、および第４の駆動ユニットは、それぞれ第１、第２、第３、および第４の弾性部材によって第１のキャリッジに結合させることができる。いくつかの実施形態では、ポジショニングシステムは、第５の弾性部材によって第１のキャリッジに結合された第５の駆動ユニットをさらに備えることができる。第５の弾性部材は、接合部によって第２の部分に結合された第１の部分を備えることができ、したがって、第５の弾性部材は、Ｌ字形を有する。

別の代表的な実施形態では、荷電粒子ビームシステムが、真空チャンバおよびポジショニングシステムを備えることができる。ポジショニングシステムは、真空チャンバ内まで延在することができ、第１のキャリッジおよび第２のキャリッジを備えることができる。第１のキャリッジは、ワークピースを保持するためのホルダを含むことができ、ワークピースを第１、第２、および第３の軸に沿って並進させる、かつワークピースを第２の軸の周りで回転させるように構成された１つ以上の第１の駆動ユニットに結合させることができる。第２のキャリッジは、１つ以上の第１の駆動ユニットを収容することができ、ワークピースを第１の軸の周りで回転させるように構成された１つ以上の回転駆動ユニットに結合させることができる。

いくつかの実施形態では、ポジショニングシステムは、真空チャンバ内に配置することができる。他の実施形態では、ポジショニングシステムは、真空チャンバの外面に配置されたハウジングと、真空チャンバの内部にまで延在するカラムとを備えることができる。カラムは、本体部分および先端部分を備えることができ、第１のキャリッジは、先端部分内に配置することができる。

いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の駆動ユニットは、共通平面内に配置された軸に沿って作動するように構成された第１、第２、および第３の駆動ユニットと、共通平面に平行な平面内に配置された軸に沿って作動するように構成された第４の駆動ユニットとを備えることができる。第１および第３の駆動ユニットは、ワークピースを第１および第２の軸に沿って動かすように構成することができ、第２の駆動ユニットは、ワークピースを第３の軸に沿って動かすように構成することができ、第４の駆動ユニットは、ワークピースを第１の軸の周りで回転させるように構成することができる。

代表的な実施形態では、方法は、ワークピースを保持する第１のキャリッジに結合された１つ以上の第１の駆動ユニットを作動させて、ワークピースを第１、第２、および第３の軸に沿った選択された位置にポジショニングする、かつ、ワークピースを第２の軸の周りの選択された位置まで回転させることを含むことができる。方法は、第２のキャリッジ要素に結合された１つ以上の回転駆動ユニットを作動させて、ワークピースを第１の軸の周りの選択された位置まで回転させることをさらに含むことができる。

ワークピースを選択された位置にポジショニングすることは、荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）に対してワークピースをポジショニングすることを含むことができる。そのような実施形態では、方法は、ＣＰＢを使用してワークピースを画像化することをさらに含むことができる。

いくつかの実施形態では、第２のキャリッジは、１つ以上の第１の駆動ユニットを収容することができる。いくつかの実施形態では、方法は、追加の第１の駆動ユニットを作動させて、ワークピースを第３の軸の周りの選択された位置にポジショニングすることをさらに含むことができる。

前述および他の開示の目的、特徴、および利点は、添付の図面を参照して進められる以下の詳細説明からより明らかになるであろう。

ビームシステムの代表的な実施形態を示す。電子顕微鏡システムの側面に取り付けられたポジショニングシステムの代表的な実施形態の概略側断面図を示す。電子顕微鏡システムの側面に取り付けられたポジショニングシステムの別の代表的な実施形態の概略側断面図を示す。図３の線Ａ−Ａに沿ったポジショニングシステムの断面図を示す。試料キャリッジおよびα傾斜キャリッジの拡大図を示す。図３の線Ｂ−Ｂに沿ったポジショニングシステムの一部の断面を上から見た図を示す。電子顕微鏡システムの側面に取り付けられたポジショニングシステムの別の代表的な実施形態の概略側断面図を示す。図５のポジショニングシステムの一部を上から見た図を示す。図５のポジショニングシステムの一部の側断面図を示す。ポジショニングシステムで使用する第１のキャリッジの代表的な実施形態を示す。

序論
本開示は、シングルビームシステムまたはマルチビームシステム内で、ウェハステージアセンブリなどのポジショニングシステムを動かすためのシステムおよび方法に関する。本明細書に記載のシステムは、システムのニーズに従って、ツールおよび／またはワークピースをさまざまな角度でポジショニングし得るプロセスチャンバ（例えば、真空チャンバ）内で、半導体ウェハなどのワークピースを１つ以上のツール（例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、イオンカラム、レーザービームなど）に対して正確にポジショニングすることを可能にする。以下のシステムおよび方法は、半導体処理アプリケーションを参照していくつかの実施例で説明されるが、本明細書に記載の位置システムおよび制御方法は、生物学的試料の調製および分析など、正確なポジショニングおよび／または画像化が使用される他の分野にも適用可能とすることができる。

実施例１
図１を参照すると、代表的な実施形態では、マルチビームシステムは、全体が１０２で示された走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）と、全体が１０４で示されたイオンビームカラムとを備えるデュアルビームシステム１００として構成することができる。ＳＥＭ１０２は、集光レンズ１１６および対物レンズ１０６などの、１つ以上の荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）レンズを備えることができる。いくつかの実施形態では、１つ以上のＣＰＢレンズは、磁気レンズとすることができ、特に、対物レンズ１０６は、磁気対物レンズとすることができる。イオンビームカラムは、集束イオンビーム（ＦＩＢ）をワークピースＷに提供するように構成され、ＳＥＭ１０２は、ワークピースＷの画像を生成するように位置している。

ＳＥＭ１０２およびイオンビームカラム１０４は、ワークピースＷを保持するための可動ポジショニングシステム１１０を収容する真空チャンバ１０８に取り付けることができる。真空チャンバ１０８は、真空ポンプ（図示せず）を使用して真空排気することができる。以下でさらに詳細に説明するように、ポジショニングシステム１１０は、座標系１５０に関して示されるような、Ｘ軸、Ｙ軸、および／またはＺ軸に沿って可動とすることができ、ここで、Ｙ軸はページ平面に垂直である。

いくつかの実施形態では、ＳＥＭ１０２は、ワークピースＷの上方に垂直に配置することができ、ワークピースＷを画像化するために使用することができ、イオンビームカラム１０４は、角度を付けて配置することができ、ワークピースＷを機械加工および／または処理するために使用することができる。図１は、ＳＥＭ１０２およびイオンビームカラム１０４の例示的配向を示す。

ＳＥＭ１０２は、電子源１１２を備えることができ、電子源１１２からの「生の」放射線ビームを操作して、それに、フォーカシング、収差軽減、（絞りを使用しての）トリミング、フィルタリングなどの動作を実行するように構成することができる。ＳＥＭ１０２は、粒子光軸１１５に沿って伝播する入力荷電粒子のビーム１１４（例えば、電子ビーム）を生成することができる。ＳＥＭ１０２は、一般に、ビーム１１４をワークピースＷ上に集中させるための集光レンズ１１６および対物レンズ１０６などの１つ以上のレンズ（例えば、ＣＰＢレンズ）を備えることができる。いくつかの実施形態では、ＳＥＭ１０２に、ビーム１１５を誘導ように構成することができる偏向ユニット１１８を設けることができる。例えば、ビーム１１４は、調査されている試料または処理されるワークピースを横切るスキャン動作（例えば、ラスタまたはベクトルスキャン）において誘導することができる。

デュアルビームシステム１００は、とりわけ、偏向ユニット１１８、荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）レンズ１０６、１１６、および検出器（図示せず）を制御するため、および検出器から収集された情報を表示ユニットに表示するために、コンピュータ処理装置および／またはコントローラ１２８をさらに備えることができる。場合によっては、制御コンピュータ１３０が、さまざまな励起を確立し、画像データを記録し、ＳＥＭおよびＦＩＢの両方の動作を全般的に制御するために提供される。

さらに図１を参照すると、イオンビームカラム１０４は、イオン源（例えば、プラズマ源１２０）およびイオンビーム光学素子１２２を備えることができる。図示の実施形態では、イオンビームカラム１０４はプラズマ集束イオンビーム（ＰＦＩＢ）であるが、他の実施形態では、イオンビームカラム１０４は、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）、または集束イオンビームカラムと互換性のある任意の他のイオン源を有する標準的な集束イオンビーム（ＦＩＢ）とすることができる。イオンビームカラム１０４は、イオンビーム１２４をイオン光軸１２５に沿って生成および／または方向付けすることができる。上記したように、イオンカラム１０４は、切断、フライス加工、エッチング、堆積など、ワークピースに画像化、処理、および／または機械加工動作を実行するために使用することができる。

イオンビームがＰＦＩＢである実施形態では、イオン源１２０は、それぞれのバルブによってイオン源１２０に結合されたガス源を含むガスマニホルド１４０を介して、複数のガスに流体結合させることができる。イオン源１２０の動作中、ガスが導入され、そこで帯電またはイオン化され、それによってプラズマを形成することができる。プラズマから抽出されたイオンは、次いで、イオンビームカラム１０４を通して加速され、イオンビームになることができる。他の実施形態では、システム１００は、１つ以上のレーザー、または他のタイプのフライス加工もしくは診断ツールを備えることができる。

上記したように、そのようなマルチビームシステムは、ワークピースＷを保持およびポジショニングするように構成されたポジショニングシステム（例えば、ステージ）を備えることができる。ポジショニングシステムは、（例えば、ワークピースの分析のために特定の領域を選択するための）線形運動、および／または（例えば、機器に対するワークピースの選択された角度を達成するための）角運動もしくは回転運動を含む、多自由度で担持要素をポジショニングすること／動かすことができる。

実施例２
図２は、全体が２０８で示された荷電粒子顕微鏡（ＣＰＭ）として構成されたビームシステムに結合されたポジショニングシステム２００の例示的実施形態の断面図を示す。ポジショニングシステム２００は、１つ以上の駆動ユニットを備えることができる。例えば、図示の実施形態では、システムは、３つの駆動ユニットを備えることができ、そのうちの２つの駆動ユニット２０２および２０４を図２に見ることができる。図示の実施形態では、駆動ユニット２０２、２０４は、ＨｅｉｎｍａｄｅＢＶから入手可能なＨｅｉｎｍａｄｅＰｉｅｚｏＳｔｅｐｐｅｒ（ＨＭＰＳ）アクチュエータなどのウォーキングまたはステッピングピエゾ駆動ユニットとして構成されている。しかしながら、他の実施形態では、駆動ユニットは、他のタイプのピエゾアクチュエータ、ボイスコイルモータ、ラックアンドピニオンシステム、リニアモータなどの他のタイプのアクチュエータを備えることができる。

第１および第２の駆動ユニット２０２、２０４は、ワークピースＷを、ビームシステム２０８に対して定義される座標系２０６の少なくともＸ軸およびＺ軸に沿ってポジショニングするように構成することができる。上述したように、ポジショニングシステムは、３つ以上の駆動ユニットを備えることができ、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿ったワークピースの動きを可能にする。いくつかの特定の実施形態では、ポジショニングシステムは、さらなる実施例でより詳細に説明されるように、各駆動ユニットが他の駆動ユニットから１２０度オフセットされるように配向された３つの駆動ユニットを備えることができる。

上述したように、ポジショニングシステム２００は、ＣＰＭ２０８などのマルチビームシステムとともに使用することができる。ＣＰＭ２０８は、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、または走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）とすることができる。ＣＰＭ２０８は、ビーム源２１０、上極対物レンズ２１２、下極対物レンズ２１４、検出器２１６（例えば、カメラ、光電子増倍管、フォトダイオード、ＣＭＯＳ検出器、ＣＣＤ検出器、太陽電池など）を備えることができる。構成部品は、少なくとも部分的に、真空チャンバ２１８内に配置することができる。その上にポジショニングされたワークピースＷを含む担持要素２２０が、ポジショニングシステム２００から真空チャンバ２１８内まで延在して示されている。

ポジショニングシステム２００は、ＣＰＭ２０８の外面２２４（例えば、真空チャンバ２１８の外面）に結合されたフレームまたはハウジング２２２を備えることができる。ハウジング２２２は、ハウジング２２２が表面２２４対して（例えば、ｘ軸の周りで）傾斜または回転することを可能にする１つ以上の軸受け２２６を使用して、表面２２４に結合させることができる。いくつかの実施形態では、図２に示されるように、軸受け２２６は、ＣＰＭ２０８の表面２２４に配置された取り付け要素２２８に結合させることができる。

ハウジング２２２は、ワークピースＷを保持するための担持要素２２０を備えるハウジングの部分が、ＣＰＭ２０８の側面の開口部を通って延在して、少なくとも部分的に真空チャンバ２１８内に入るように配置することができる。ポジショニングシステム２００は、以下でより詳細に説明するように、駆動ユニット（例えば、第１および第２の駆動ユニット２０２、２０４）を使用して担持要素２２０の位置を調整することにより、ビーム２３０に対するワークピースＷの位置を調整するように構成することができる。

担持要素２２０は、第１および第２のガイド２３２、２３４に結合させることができる。各ガイド２３２、２３４は、それぞれの接合部２３６（例えば、ヒンジ、ナックル接合部、ボール接合部など）を介してそれぞれの支柱部材２３８、２４０にさらに結合させることができる。支柱２３８は、動体要素または部材２４２にピボット接合部２３９で枢動可能に結合させることができ、支柱２４０は、動体要素または部材２４４にピボット接合部２４１で枢動可能に結合させることができる。第１および第２の駆動ユニット２０２、２０４は、動体要素２４２および２４４とそれぞれ係合するように構成することができる。駆動ユニット２０２は、以下でより詳細に説明するように、一連のステップ運動において動体要素２４２をその軸に沿って、ハウジング２２２の後壁２４３に近づけるおよび遠ざけたりするように構成することができる。駆動ユニット２０４は、動体要素２４２と同様に、動体要素２４４をその軸に沿って、ハウジング２２２の後壁２４５に近づけるおよび遠ざけたりするように構成することができる。（動体要素および駆動ユニットとともに）支柱２３８、２４０は、後壁２４３から遠ざかる動体要素２４２の動きが、後壁２４５に近づく動体要素２４４の動きとともに、担持要素２２０をＸＹ平面の外に傾斜させるように、相互に相対的な角度でポジショニングすることができる。壁２４３および２４５から遠ざかり、ＣＰＭ２０８に近づく動体要素２４２および２４４の動きにより、担持要素２００をＸ軸に沿って動かすことができる。図示の実施形態では、動体要素２４２および２４４は、互いに対して９０°の角度で配置されている。特定の実施形態では、３つの駆動ユニットおよび対応する動体要素を、担持要素２２０の軸の周りに１２０°の角度間隔で配列することができる。

各動体要素２４２、２４４は、それぞれのエンコーダスケール２４６を備えることができる。ハウジング２２２に取り付けられた第１および第２の位置エンコーダ２４８および２５０（例えば、光学エンコーダ）は、エンコーダスケール２４６に基づいて、各動体要素２４２、２４４の位置をそれぞれ決定するように構成することができる。エンコーダスケール２４６は、動体２４２、２４４に結合させるかまたはそれと一体的に形成することができる。

各エンコーダ２４８、２５０は、それぞれの動体要素２４２、２４４の位置を決定するように構成することができる。エンコーダ２４８、２５０によって生成された位置データは、コントローラ２５２によって使用されて、動体要素２４２、２４４を選択された位置にポジショニングし、それによってワークピースＷを選択された位置にポジショニングするようにアクチュエータ２０２、２０４を動作させることができる。各動体要素２４２、２４４は、それぞれのエンコーダスケール２４６を備えることができる。ハウジング２２２に取り付けられた第１および第２の位置エンコーダ２４８および２５０は、エンコーダスケール２４６に基づいて、各動体要素２４２、２４４の位置をそれぞれ決定するように構成することができる。エンコーダスケール２４６は、動体２４２、２４４に結合させるかまたはそれと一体的に形成することができる。

ワークピースＷを担持要素２２０上に装填するために、担持要素２２０を矢印２５４で示される方向にポジショニングシステム２００を通して引っ張ることにより、担持要素をポジショニングシステム２００から取り出すことができる。次いで、ワークピースを担持要素２２０の端部部分上に装填することができ、担持要素を、ＣＰＭの側面にある開口部から再挿入することができる。

駆動ユニット２０２、２０４は、各々が第１および第２のセットのアクチュエータを備えるピエゾ駆動ユニットとすることができる。第１および第２のセットのアクチュエータは、第１のセットのアクチュエータがそれぞれの動体要素（例えば、動体要素２４２または２４４）と係合して力を加えるときに、第２のセットの要素は、動体要素を係合解除または解放する、およびその逆になるなど、交互のステッピングまたは「ウォーキング」動作で作動させることができる。両方のセットのアクチュエータが動体２４２、２４４と接触している短い時間がステップ間に存在する可能性がある。これは、一方のセットのアクチュエータが他方のセットのアクチュエータから「引き継ぐ」ときの、「引き継ぎ」状態と称される。１つのセットの１つのアクチュエータが動体要素の第１の表面に係合し、そのセットの第２および第３のアクチュエータが動体要素の第２の表面に係合するこの構成は、動作中の歪みを軽減する助けとなり、動体要素のよりスムーズな動きを提供することができる。２つのセットのアクチュエータ間の交互の引き継ぎ動作は、アクチュエータと動体要素との間の滑りを有利に最小化する。さらに、この構成は、剛性または運動性能に影響することなく、駆動ユニットの行程長の延長を可能にする。ピエゾモータのさらなる詳細は、本願とともに出願され、代理人参照番号９７４８−１０２３３９−０１によっても参照される「ＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｏｆＣｌａｍｐＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ」と題された出願、および本願とともに出願され、代理人参照番号９７４８−１０２３３８−０１によっても参照される「ＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｏｆＨｙｓｔｅｒｅｓｉｓＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ」と題された出願に見ることができ、各々は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

実施例３
図３Ａ〜図４は、ポジショニングシステム３００の別の例示的実施形態を示す。ポジショニングシステム３００は、ＣＰＭ（図示せず）とともに使用することができる。ＣＰＭは、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）（または上述の他のさまざまなビームシステムのいずれか）とすることができ、真空チャンバ３０２を備えることができる。

図３Ａを参照すると、ポジショニングシステム３００は、例えば、ボルト３７４を使用して、ＣＰＭの外面３０６（例えば、真空チャンバ３０２の外面）に取り付けられたフレームまたはハウジング３０４を備えることができる。ハウジング３０４は、カラム３０８が、ＣＰＭの側面にある開口部を通って延在して、少なくとも部分的に真空チャンバ３０２内に入るように配置することができる。カラム３０８は、実質的に剛性の本体部分３１０と、ワークピースＷを保持するように構成された可動ホルダ３１４を含む先端部分３１２とを備えることができる。ポジショニングシステム３００は、以下でより詳細に説明するように、１つ以上の駆動ユニットを使用してワークピースＷの位置を調整するように構成することができる。

図示の実施形態では、本体部分３１０は円筒形を有し、先端部分３１２は、少なくとも部分的に、切頭円錐形を有する。しかしながら、他の実施形態では、本体および先端部分は、さまざまな形状のうちのいずれかを有することができる。例えば、本体および／または先端部分は、断面が正方形、長方形、三角形などの形状を有することができる。いくつかの実施形態では、本体は、本体が高い機械的共振周波数を有するように、トラス様構造をさらに備えることができる。高い機械的共振周波数は、ワークピースの振動を防止または軽減して、ワークピースの改善された高解像度画像化を可能にすることができる。

ポジショニングシステム３００は、ホルダ３１４内に配置されたワークピースＷを、５自由度に関連付けられた５つの運動方向で動かすように構成することができる（例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿った並進、ならびにそれぞれＸ軸およびＹ軸の周りの回転αおよびβ）。場合によっては、並進運動は、結合回転運動を含むことができる。例えば、Ｙ軸に沿った並進は、小さなγ傾斜と結合させることができ、Ｚ軸に沿った並進は、低度のβ傾斜と結合させることができる。場合によっては、低度の傾斜は、反対の動きによって軽減および／または補償することができる。例えば、特定の実施形態では、Ｚ軸に沿った並進中の不注意または望ましくないβ傾斜運動は、駆動ユニット３２０ｄを使用して反対のβ傾斜を生成することによって補償することができる。座標系３２８を参照すると、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は互いに直交しており、α傾斜はＸ軸の周りの回転であり、β傾斜はＹ軸の周りの回転であり、γ傾斜はＺ軸の周りの回転である。

ポジショニングシステム３００は、１つ以上の駆動ユニットに結合された１つ以上のキャリッジ要素を備えることができる。図示の実施形態では、ポジショニングシステムは、試料キャリッジとも称される第１のキャリッジ３１６と、α傾斜キャリッジとも称される第２のキャリッジ３１８とを備える。いくつかの実施形態では、第１のキャリッジ３１６は、例えば、三角形に配置された３つの支柱部材３７１と、第２のキャリッジの長さに沿って軸方向に延在する３つの追加支柱部材３２２とを備える、スチュワートプラットフォームなどのプラットフォーム３１５（図３Ｂを参照）を含むことができる。本明細書で使用される「プラットフォーム」とは、１以上の自由度に関して運動を可能にするように構成された支柱または他の支持部材の構成を意味する。３つの支柱部材３７１は、第１のキャリッジ３１６に結合され、固定長を有し、支柱部材３２２と併せて、ワークピースＷの３方向の動きを可能にするように構成することができる。プラットフォーム３１５は、以下でより詳細に説明するように、（参照を容易にするためにＯ平面とも称する）Ｚ−Ｙ平面内に配置することができ、第１のキャリッジ３１６および第２のキャリッジ３１８に結合させることができる。

図示の実施形態では、第１のキャリッジ３１６は、ワークピースＷが取り付けられる被検体キャリッジ３７５（図４を参照）を備えることができる。被検体キャリッジ３７５は、回転滑り軸受け（図示せず）を介してホルダ３１４に結合させることができる。軸受けは、ワークピースＷをＹ軸の周りでポジショニングすること（例えば、β傾斜）を可能にする。これにより、第１のキャリッジは、β傾斜のための追加調整メカニズムを提供する７番目の独立位置調整を受けることができる。

ここで図３Ｂを参照すると、プラットフォーム３１５は、１つ以上の弾性支柱部材３７１を備えることができる。図示の実施形態では、プラットフォーム３１５は、３つの弾性支柱部材３７１ａ、３７１ｂ、３７１ｃを備える。弾性支柱部材３７１は、第１の軸に沿って（例えば、支柱の長さに沿って）実質的に剛性とすることができ、第１の軸を横切る１つ以上の軸に沿って実質的に可撓性とすることができる。弾性支柱部材３７１は、第１のキャリッジ３１６および第２のキャリッジ３１８を互いに結合させることができる。いくつかの特定の実施形態では、弾性支柱部材３７１は、ステンレスばね鋼弾性セクションを備えることができる。いくつかの特定の実施形態では、弾性支柱部材の端部部分３６９、３７３は、中央部分３６５よりも薄くすることができ、例えば、端部部分３６９、３７３は、約０．２５ｍｍの直径または厚さを有することができ、中央部分は、約１ｍｍの厚さを有することができる。端部部分３６９、３７３は、支柱部材３７１の全長の約１／６の長さを有することができる。例えば、弾性支柱部材は、約２２ｍｍの長さを有することができ、端部部分３６９、３７３は、約３〜３．５ｍｍの長さを有することができる。いくつかの特定の実施形態では、カラム３０８は、約３８ｍｍの直径を有することができる。

図３Ｃに示されるように、第１のキャリッジ３１６および第２のキャリッジ３１８は、ヘリカルまたはスパイラルカット３６７を介して互いに分離することができる。図示の実施形態では、第１および第２のキャリッジ３１６、３１８は、単一の部品として形成され、スパイラルカット３６７を介して別個の部品に切断された。他の実施形態では、第１および第２のキャリッジ３１６、３１８を、別個の部品として形成し、スパイラルカット３６７がそれらの間に規定されるように、互いに隣接させて配置することができる。スパイラルカット３６７は、図３Ｂに示すように、各弾性部材３７１の第１の端部部分３６９が第１のキャリッジ３１６に結合でき、各弾性部材の第２の端部部分３７３が第２のキャリッジ３１８に結合できるように構成することができる。カット３６７の形状により、弾性支柱部材３７１を、第１のキャリッジ３１６および第２のキャリッジ３１８の両方に結合させながら、同じ平面（例えば、Ｏ平面）内に配置することができる。弾性部材３７１は、溶接、ろう付け、または他の手段を介して第１および／または第２のキャリッジに結合させることができる。

弾性部材３７１ａ、３７１ｂ、および３７１ｃの結合は、第１のキャリッジ３１６を第２のキャリッジ３１８に対して３つの方向（例えば、３自由度）で固定する。弾性部材３７１ａ、３７１ｂ、３７１ｃは、固定長を有することができ、Ｘ方向、ならびにそれぞれＹ軸およびＺ軸の周りのβ傾斜およびγ傾斜における第１のキャリッジ３１６の動きを可能にするように構成することができる。

図３Ａを参照すると、第１のキャリッジ３１６は、第２のキャリッジ３１８に対して静止している１つ以上の部材３２１（以降、「静止部材」３２１と称する）に対してＸ軸に沿って可動である４つの駆動ユニット３２０（例えば、駆動ユニット３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃ、および３２０ｄ）に結合させることができる（例えば、図４を参照）。第２のキャリッジ３１８は、以下でより詳細に説明するように、１つの駆動ユニット３２４に結合させることができる。

図示の実施形態では、４つの駆動ユニット３２０はすべて、同じ静止部材３２１に対して可動である。しかしながら、他の実施形態では、各駆動ユニット３２０は、それぞれの静止部材３２１を有することができる。さらに他の実施形態では、駆動ユニット３２０ｄおよび３２０ｃは同じ静止部材に対して可動とすることができ、駆動ユニット３２０ａおよび３２０ｂはそれぞれの静止部材に対して可動とすることができる。

第２のキャリッジ３１８は、真空チャンバ３０２の外面３０６上に配置することができ、１つ以上の駆動ユニットを収納することができる。例えば、図示の実施形態では、第２のキャリッジ３１８は、駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄを収容している。Ｏリング３７２を、ハウジング３０４とＣＰＭの外面３０６との間に配置することができる。Ｏリング３７２は、真空チャンバ３０２内の真空を周囲大気圧から分離するように構成することができる。

図３Ａの図示の実施形態では、真空シール３７２は、ポジショニングシステム３００全体の周りに真空を生成し、したがって、α傾斜軸受け３２６、エンコーダ、ピエゾモータ、およびすべてのケーブルなど、すべての構成部品は真空内にある。これらの構成部品は、真空を汚染するリスクをもたらす可能性があり、したがって、いくつかの実施形態では、これらの構成部品を真空チャンバの外に配置することが好ましい。代替実施形態では、真空密閉は、選択された構成部品（例えば、α傾斜軸受け３２６、エンコーダ、ピエゾモータ、およびケーブル）が周囲空気中に留まることができるように行われる。そのような実施形態では、静的真空シール３７２は、図３Ａから取り外すことができ、ハウジング３０６には、真空チャンバ３０２に向かって延在し、カラム３０８を取り囲む突起を設けることができる。この突起には、カラム３０８の円筒形外側ジャケットに面するリング状溝を設けることができる。前記溝内に、真空チャンバ３０２と周囲大気圧との間に真空シールを作り出すＯリングを配置することができる。この真空シールは、軸受け３２６において必要なα傾斜回転を可能にする動的真空シールとすることができる。カラム３０８の内部で、真空壁に、支柱部材３２２が貫いて延在することができる孔を配置することができる。これらの支柱部材３２２の周囲に、鋼製とし得る、可能な限り小さい直径を有する軸方向コンプライアントベローズを設けて、真空シールを完成させることができる。

第２のキャリッジ３１８は、駆動ユニット３２４によって作動されたときに第２のキャリッジがハウジング３０４に対して傾斜または回転することを可能にする１つ以上の軸受け３２６に結合させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、第２のキャリッジ３１８は、ハウジング３０４に対してＸ軸の周りで排他的に傾斜または回転（例えば、α傾斜）することができる。

いくつかの実施形態では、１つ以上の駆動ユニットは、ピエゾ駆動ユニット（上述の駆動ユニット２０２および２０４など｝、および／またはピエゾモータを備えた円筒形駆動ユニット（例えば、円筒形セラミック駆動レール）とすることができる。例えば、図示の実施形態では、駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄはピエゾ駆動ユニットであり、駆動ユニット３２４はピエゾモータを備えた円筒形駆動ユニットである。ピエゾモータを備えた円筒形駆動ユニットは、例えば、円筒形セラミック駆動レールに対して接線方向に第２のキャリッジ３１８を駆動することができる。ピエゾ駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄは、ＨｅｉｎｍａｄｅＢＶから入手可能なＨｅｉｎｍａｄｅＰｉｅｚｏＳｔｅｐｐｅｒ（ＨＭＰＳ）アクチュエータなどの「ウォーキング」またはステッピングピエゾ駆動ユニットとすることができる。ピエゾ駆動ユニットは、各々がクランプおよび／または剪断要素を備える、第１および第２のセットのアクチュエータを備えることができる。アクチュエータセットは、第１のセットのアクチュエータが静止部材３２１と係合して力を加えるとき、第２のセットの要素は静止要素を係合解除または解放する、およびその逆になるなど、交互の動作で作動するように構成することができる。いくつかの実施形態では、図示したように、駆動ユニット３２０のピエゾ構成部品を静止部材３２１上に配置することができ、したがって、ピエゾ構成部品の動きが駆動ユニットを（例えば、軸方向または回転方向に）動かす。これにより、駆動ユニット３２０を動かすために、ピエゾ構成部品が駆動ユニット３２０に沿って「歩く」（例えば、相対的に動く）ことが可能になる。他の実施形態では、ピエゾ構成部品は、駆動ユニット３２０上に配置することができる。ピエゾ駆動ユニットのさらなる詳細は、本願とともに出願され、代理人参照番号９７４８−１０２３３９−０１によっても参照される「ＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｏｆＣｌａｍｐＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ」と題された出願、および本願とともに出願され、代理人参照番号９７４８−１０２３３８−０１によっても参照される「ＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｏｆＨｙｓｔｅｒｅｓｉｓＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ」と題された出願に見ることができる。

１つ以上の荷重ユニット３７６を、１つ以上の駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄを１つ以上の静止部材３２１に対して付勢するように構成することができる。図示の実施形態は、駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄ上に配置された１つの荷重ユニット３７６を示しているが、他の実施形態では、追加荷重ユニット３７６を、駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄの下方に配置することができる。荷重ユニット３７６は、付勢部材３７８（例えば、ばね）および１つ以上のローラ３８０を備えることができる。荷重ユニット３７６は、駆動ユニットが、動いている間、ピエゾ構成部品と接触したままであるように、１つ以上の駆動ユニットに対する付勢力を維持することができる。

いくつかの実施形態では、駆動ユニット３２４によって加えられる力が第２のキャリッジ３１８に加えられるように、予荷重ばねなどの追加荷重ユニット３２５が、駆動ユニット３２４と第２のキャリッジ３１８との間に延在することができる。

駆動ユニット３２０は、第１のキャリッジ３１６に複数の支柱部材３２２（例えば、支柱部材３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃ、３２２ｄ）を介して結合させることができる。静止部材３２１に対する駆動ユニット３２０の動きは、支柱部材３２２の対応する動きを引き起こす。他の実施形態では、支柱部材３２２は、動体要素に結合させることができ、駆動ユニット３２０は、静止したままであることができる。そのような実施形態では、駆動ユニット３２０の作動により、動体要素の動き、したがって支柱部材の動きを引き起こすことができる。支柱３２２ｄの遠位端部分（すなわち、真空チャンバ３０２内まで延在する端部部分）は、第１のキャリッジ３１６に結合された回転滑り軸受けおよび／またはアクセルに結合させることができる。軸受けは、第１のキャリッジ３１６がＹ軸の周りで回転すること（例えば、β傾斜）を可能にするように構成されている。

駆動ユニット３２０ａ、３２０ｂ、および３２０ｄ（図４を参照）は、それらが共通平面（例えば、座標系３２８によって示されるようなＸ−Ｙ平面）内でＸ軸に沿って作動するようにポジショニングすることができ、駆動ユニット３２０ｃは、共通平面に平行な（例えば、同一平面上にない）軸に沿って作動するようにポジショニングすることができる。換言すれば、駆動ユニット３２０ｃおよび支柱３２２ｃは、図３に示された配向で、駆動ユニット３２０ａ、３２０ｂ、および３２０ｄならびに支柱３２２ａ、３２２ｂ、および３２２ｄの下方とすることができる。この構成により、すべての駆動ユニットを、ワークピースＷが配置される平面にまたはその下方にポジショニングすることが可能となり、それは、ワークピースに影響を与える可能性のある振動を軽減する助けとすることができる。

他の実施形態では、駆動ユニット３２０および支柱３２２は、Ｙ−Ｚ平面内のさまざまな位置にポジショニングすることができる。例えば、いくつかの特定の実施形態では、駆動ユニットは、各駆動ユニットが、カラム３０８の内周の周りで各隣接する駆動ユニットから９０度であるようにポジショニングされる。さらに他の実施形態では、駆動ユニット３２０および支柱３２２は、それらがＸ軸と平行にならないようにポジショニングすることができる。例えば、駆動ユニット３２０および支柱３２２は、カラム３０８の本体部分３１０に対してある角度でポジショニングすることができる。

駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄは、ハウジング３０４の後壁３３０に対して動き、そうすると、支柱部材３２２ａ〜３２２ｄがそれらの軸に沿って後壁３３０に近づくおよび遠ざかるように構成することができる。（支柱３２２ａ〜３２２ｄとともに）駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄ（図４を参照）は、駆動ユニット３２０ａ〜３２２ｄの動きにより、第１のキャリッジ３１６、したがって（被検体キャリッジ３７５およびワークピースＷを含む）ホルダ３１４をＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿って動かすように、ならびにＹ軸の周りで回転（β傾斜）させるように構成することができる。例えば、４つの駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄのすべての動きにより、第１のキャリッジをＸ軸に沿って後方および／または前方に動かすことができる。３２０ｃおよび３２０ｄを静止させたままで３２０ａまたは３２０ｂのいずれかを動かすと、第１のキャリッジ３１６をＹ軸に沿って、またはＸ軸およびＹ軸の両方に沿って動かす結果とすることができる。

駆動ユニット３２０ｃは、ハウジング３０４の後壁３３０に近づくまたはそれから遠ざかる駆動ユニット３２０ｃの動きにより、駆動ユニット３２０ｂの動きによって防止または軽減することができるＹ軸の周りの小さな回転（例えば、β傾斜）と併せて、第１のキャリッジをＺ軸に沿って動かすように構成することができる。駆動ユニット３２０ｄは、ハウジング３０４の後壁３３０に近づくまたはそこから遠ざかる（支柱３２２ｄと一緒の）駆動ユニット３２０ｄの動きにより、第１のキャリッジ３１６によって保持されたワークピースＷをＹ軸の周りで回転（β回転）させるように構成することができる。

駆動ユニット３２４は、第２のキャリッジ３１８に結合させることができ、駆動ユニット３２４の動きにより、第２のキャリッジ３１８（したがって、駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄ）を座標系３２８によって示されるような、Ｘ軸の周りで回転（α回転）させるように構成することができる。

駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄおよび３２４を別々に、または任意の組み合わせで作動させることにより、ポジショニングシステム３００は、ワークピースＷを５自由度（Ｘ、Ｙ、Ｚ、α、およびβ）で動かすことができる。つまり、ポジショニングシステム３００は、ワークピースを、少なくとも３つの線形軸（例えば、座標系３２８）に関して示されるような、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に沿って、および少なくとも２つの回転軸の周り（例えば、Ｘ軸の周り（α傾斜）およびＹ軸の周り（β傾斜）の回転）で、ポジショニングするように構成することができる。したがって、ポジショニングシステム３００は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に対して選択された位置にワークピースＷをポジショニングすることができる。

各駆動ユニット３２０ａ〜ｄは、それぞれの位置エンコーダ３３３を備えることができる。各位置エンコーダ３３３は、上述のエンコーダ２４８と同様とすることができ、それぞれのエンコーダスケールを備えることができる。他の実施形態では、エンコーダスケールの代わりに、またはエンコーダスケールに加えて、各駆動ユニットは、その端部部分に鏡面を備えることができる。エンコーダスケールおよび／または鏡面は、例えば、支柱部材３２２および／または駆動ユニット３２０上に取り付けることができる。位置エンコーダは、エンコーダスケールに基づいて、各支柱部材（３２２ａ〜３２２ｄ）および／または駆動ユニット（３２０ａ〜３２０ｄ）の位置をそれぞれ決定することができる。エンコーダスケールは、支柱部材３２２ａ〜３２２ｄおよび／または駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄに結合させるかまたはそれと一体的に形成することができる。ポジショニングシステム３００は、レーザーファイバ３３７を含む追加位置エンコーダ３３５をさらに備えることができる。位置エンコーダ３３５は、Ｘ軸の周りの回転量（例えば、α傾斜量）を決定するように構成することができる。

位置エンコーダ３３３、３３５は、例えば、光学エンコーダ、レーザーファイバ変位エンコーダ（例えば、ファイバブラッググレーティングセンサ）、および／またはレーザーファイバ速度エンコーダ（例えば、振動計）とすることができる。いくつかの実施形態では、位置エンコーダは、それぞれの位置エンコーダと位置エンコーダスケールおよび／または鏡面との間に適切な光学ギャップが形成されるようにポジショニングすることができる。

各駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄおよび３２４は、駆動ユニットに電力を供給するように構成された１本以上のワイヤまたはケーブル３３２に結合させることができる。ケーブル３３２および／または光ファイバ（例えば、位置エンコーダの一部として機能する光ファイバ）は、ハウジング３０４内に配置することができ、真空シール３３４を通ってハウジング３０４を出ることができる。シールは、例えば、１つ以上のマルチピンコネクタおよびファイバスループットを備えることができる。この構成は、真空チャンバ３０２への空気の導入を防ぐ助けとなることができる。ハウジング３０４は、ケーブル３３２を配置することができる中央チャンバ３３８を追加で備えることができる。チャンバ３３８は、駆動ユニット３２０が作動されたときにケーブル３２２の偏向および動きを可能にするようなサイズとすることができる。いくつかの特定の実施形態では、駆動ユニット３２０ａ〜３２０ｄの行程は、約＋／−２ｍｍとすることができ、駆動ユニット３２４（α傾斜）の行程は、約＋／−６０°とすることができる。

画像化および／または処理が完了すると、ワークピースＷは、新しいワークピースに置き換えることができる。いくつかの実施形態では、ワークピースは、ポジショニングシステムが所定の位置に留まっている間に、新しいワークピースをホルダ３１４内に挿入することによって置き換えることができる。そのような実施形態では、古いワークピースＷは、真空チャンバに結合されたロードロックを通して取り出すことができ、新しいワークピースＷ’は、ロードロックを通して挿入することができる。他の実施形態では、ポジショニングシステム３００全体を真空チャンバ３０２から取り外すことができる。

実施例４
図５〜図７は、ポジショニングシステム４００の別の例示的実施形態を示す。ポジショニングシステム４００は、上述のポジショニングシステム３００と同様であるが、但し、ポジショニングシステム４００は本体部分３１０を含まず、ポジショニングシステム４００は、（駆動ユニットを含む）ポジショニングシステム全体をＣＰＭの真空チャンバ４０２内に配置することができるように構成されている。したがって、ポジショニングシステム４００は、ポジショニングシステム３００よりもはるかに小さくすることができる。

ポジショニングシステム４００のより小さなサイズ、および（弾性部材４１８などの）選択された構成部品のより小さい長さにより、ワークピースの振動を防止または軽減して、ワークピースの改善された高解像度画像化を可能にすることができる。

図５を参照すると、ポジショニングシステム４００は、ハウジング４０１を含むことができ、ＣＰＭの内面４０４（例えば、真空チャンバ４０２の内面）上に取り付けることができる。図示の実施形態などのいくつかの実施形態では、ハウジング４０１は、円筒形部分４０５および円錐形部分４０７を備えることができる。他の実施形態では、ハウジング４０１は、さまざまな形状のうちのいずれかを有することができる。ハウジング４０１は、１つ以上のＯリング４０９を使用して真空チャンバに取り付けることができる。ポジショニングシステム４００は、ワークピースＷを保持するように構成されたホルダ４０６を備えることができる（図６を参照）。ポジショニングシステム４００は、以下でより詳細に説明するように、１つ以上の駆動ユニットを使用してワークピースＷの位置を調整するように構成することができる。

ポジショニングシステム４００は、ホルダ４０６内に配置されたワークピースＷを５つの方向で動かすように構成することができる（例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿った並進、ならびにそれぞれＸ軸およびＹ軸の周りの回転αおよびβ）。座標系４２０を参照すると、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は互いに直交しており、α傾斜はＸ軸の周りの回転であり、β傾斜はＹ軸の周りの回転である。

ポジショニングシステム４００は、１つ以上の駆動ユニットに結合された１つ以上のキャリッジ要素を備えることができる。図示の実施形態では、ポジショニングシステムは、第１のキャリッジ４０８と、（αキャリッジとも称される）第２のキャリッジ４１０とを備える。第１のキャリッジ４０８は、４つの駆動ユニット４１２（例えば、駆動ユニット４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃ、および４１２ｄ）に結合させることができる（例えば、図６を参照）。第２のキャリッジ４１０は、以下でより詳細に説明するように、１つ以上の駆動ユニット４１４（例えば、図示の実施例では１つ）に結合させることができる。

４つの駆動ユニット４１２は、第２のキャリッジ４１０に対して静止している１つ以上の部材４１３（以降、「静止部材」４１３と称する）に対して可動とすることができる。図示の実施形態では、４つの駆動ユニット４１２はすべて、同じ部材４１３に対して可動である。しかしながら、他の実施形態では、各駆動ユニット４１２は、それぞれの静止部材４１３を有することができる。さらに他の実施形態では、駆動ユニット４１２ｃおよび４１２ｄは両方とも、同じ静止部材４１３に対して可動とすることができ、駆動ユニット４１２ａおよび４１２ｂは、それぞれの静止部材に対して可動とすることができる。

第２のキャリッジ４１０は、駆動ユニット４１２ａ〜４１２ｄを収容することができる。第２のキャリッジ４１０は、第２のキャリッジが真空チャンバ４０２の側壁４０３の内面４０４に対して傾斜または回転し、したがって、駆動ユニット４１２ａ〜４１２ｄおよび第１のキャリッジ４０８を回転させることを可能にする、１つ以上の軸受け４１６に結合させることができる。

いくつかの実施形態では、１つ以上の駆動ユニットは、ピエゾ駆動ユニット、および／またはピエゾモータを備えた円筒形駆動ユニットとすることができる。例えば、図示の実施形態では、駆動ユニット４１２ａ〜４１２ｄは、静止部材４１３上に配置されたピエゾ構成部品を備えたピエゾ駆動ユニットであり、駆動ユニット４１４は、ピエゾモータを備えた円筒形駆動ユニットである。ピエゾ駆動ユニットおよび円筒形駆動ユニットは、前述の駆動ユニット３２０、３２４と同様とすることができる。いくつかの実施形態では、図示したように、駆動ユニット４１２のピエゾ構成部品を静止部材４１３上に配置することができ、したがって、ピエゾ構成部品の動きが駆動ユニットを（例えば、軸方向または回転方向に）動かす。他の実施形態では、ピエゾ構成部品は、駆動ユニット４１２上に配置することができる。

いくつかの実施形態では、１つ以上の荷重ユニット（図示せず）を、１つ以上の駆動ユニット４１２ａ〜４１２ｄ、４１４を１つ以上の静止部材に対して付勢するように構成することができる。荷重ユニットは、上述の荷重ユニット３７６および３２５と同様とすることができ、付勢部材（例えば、ばね）および／または１つ以上のローラを備えることができる。荷重ユニットは、駆動ユニットが、動いている間、ピエゾ構成部品と接触したままであるように、１つ以上の駆動ユニットに対して付勢力を維持することができる。

第１のキャリッジ４０８は、１つ以上の弾性部材４１８を備えることができる。駆動ユニット４１２は、駆動ユニット４１２の動きがキャリッジ４０８の、したがってワークピースＷの動きとなるように、弾性部材４１８に結合させることができる。弾性部材４１８は、より薄い厚さまたは直径を有する部分を備えることができる。例えば、より薄い部分は、掘削またはワイヤ放電加工（ワイヤＥＤＭ）によって形成することができる。（図６〜図７に示される部分４１３などの）より薄い部分は、ヒンジとして構成することができる。図示の実施形態では、第１のキャリッジ４０８は、各々が駆動ユニット４１２ａ〜４１２ｄの１つにそれぞれ結合されている４つの弾性部材４１８ａ〜４１８ｄを備える。いくつかの実施形態では、弾性部材は、ステンレスばね鋼を備えることができる。いくつかの特定の実施形態では、弾性部材は、弾性部材の隣接部分よりも薄いまたはより厚い部分を有することができる。

駆動ユニット４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｄ（図６を参照）は、それらが共通平面（例えば、座標系４２０によって示されるようなＸ−Ｙ平面）内の軸に沿って作動するようにポジショニングすることができ、駆動ユニット４１２ｃは、共通平面に平行な（例えば、同一平面上にない）軸に沿って作動するようにポジショニングすることができる。換言すれば、駆動ユニット４１２ｃは、図５に示された配向で、駆動ユニット４１２ａ、４１２ｂ、および４１２ｄの下方とすることができる。この構成により、すべての駆動ユニットを、ワークピースＷが配置されている平面にまたはその下方にポジショニングすることが可能となり、それは、ワークピースに影響を与える可能性のある振動を軽減する助けとすることができる。図５に示すように、弾性部材４１８ｃは、弾性部材４１８ｄが第１のキャリッジ４０８に向かって上向き延在し、それに結合されるように、角度φで駆動ユニット４１２ｃに結合させることができる。角度φを変えることにより、ワークピースを選択された量だけ動かすために駆動ユニット４１２ｄが必要とする動きの量を変えることができる。

他の実施形態では、駆動ユニット４１２および支柱４１８は、Ｙ−Ｚ平面内のさまざまな位置にポジショニングすることができる。例えば、いくつかの特定の実施形態では、駆動ユニットは、各駆動ユニットが、円錐部分４０７の内周の周りで各隣接する駆動ユニットから９０度になるようにポジショニングされる。さらに他の実施形態では、駆動ユニット３２０および支柱３２２は、それらがＸ軸と平行にならないようにポジショニングすることができる。例えば、駆動ユニット３２０および支柱３２２は、カラム３０８の本体部分３１０に対してある角度でポジショニングすることができる。

ここで図６を参照すると、各弾性部材は、１つ以上の接合部４１３を備えることができる。図示の実施形態では、接合部４１３は、弾性部材４１８が（例えば、駆動ユニットの中央長手方向軸からオフセットした）中心から外れた位置で駆動ユニット４１２に結合されることを可能にするように構成された弾性部材４１８の端部部分の切り欠きである。そのような構成では、軸、例えばＸ軸、に沿った駆動ユニットの動きが、例えば、Ｘ軸およびＹ軸に沿った弾性部材の動きを引き起こすことができる。図示の実施形態では、接合部は、駆動ユニットに直接隣接してポジショニングされているが、他の実施形態では、接合部は、弾性部材に沿ったさまざまな位置のいずれかにポジショニングすることができる（例えば、図８を参照）。

他の実施形態では、駆動ユニット４１２は、他の位置にポジショニングすることができる。例えば、いくつかの特定の実施形態では、駆動ユニットは、各駆動ユニットが各隣接する駆動ユニットから９０度になるようにポジショニングされる。例えば、ポジショニングシステムが円錐形または円筒形のハウジングを備える場合、駆動ユニットは、ポジショニングシステムの内周の周りにポジショニングすることができる。

駆動ユニット４１２ａ〜４１２ｄは、弾性部材４１８ａ〜４１８ｄがそれらの軸に沿って、内壁４０４に近づくおよび遠ざかるように、真空チャンバ４０２の内壁４０４に対して動くように構成することができる。（弾性部材４１８ａ〜４１８ｄとともに）駆動ユニット４１２ａ〜４１２ｄ（図６を参照）は、駆動ユニット４１２の動きにより、第１のキャリッジ４０８を、したがって（ワークピースＷを含む）ホルダ４０６を、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿って動かし、ならびにＹ軸の周りで回転（β傾斜）させるように構成することができる。例えば、４つの駆動ユニット４１２ａ〜４１２ｄのすべての動きにより、第１のキャリッジ４０８をＸ軸に沿って前方および／または後方に動かすことができる。４１２ｃおよび４１２ｄを静止させたままで４１２ａまたは４１２ｂのいずれかを動かすと、第１のキャリッジ４０８をＹ軸に沿って、またはＸ軸およびＹ軸の両方に沿って動かす結果とすることができる。

駆動ユニット４１２ｄは、ＣＰＭの内面４０４に近づくまたはそこから遠ざかる駆動ユニット４１２ｄの動きにより、第１のキャリッジ４０８をＺ軸に沿って動かすように構成することができる。駆動ユニット４１２ｃは、真空チャンバ４０２の内壁４０４に近づくまたはそこから遠ざかる駆動ユニット４１２ｃの動きにより、第１のキャリッジをＹ軸の周りで回転（β回転）させるように構成することができる。弾性部材４１８ｄの端部部分は、β回転を作り出すために、滑り軸受けおよび／またはアクセルに結合させることができる。

駆動ユニット４１４は、第２のキャリッジ４１０に結合させることができ、駆動ユニット４１４の動きにより、第２のキャリッジ４１０（したがって、駆動ユニット４１２ａ〜４１２ｄおよび第１のキャリッジ４０８）をＸ軸の周りで回転（α回転）させるように構成することができる（例えば、図５の座標系４２０を参照）。

駆動ユニット４１２ａ〜４１２ｄおよび４１４を別々に、または任意の組み合わせで作動させることによりポジショニングシステム４００は、ワークピースＷを５自由度（Ｘ、Ｙ、Ｚ、α、β）で動かすことができる。つまり、ポジショニングシステム４００は、少なくとも３つの線形軸に沿って（例えば、座標系４２０に関して示されるような、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿った並進）、ならびに少なくとも２つの回転軸の周りで（例えば、Ｘ軸の周り（α傾斜）およびＹ軸の周り（β傾斜）の回転）、ワークピースをポジショニングするように構成することができる。したがって、ポジショニングシステム４００は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に対する所望の位置にワークピースＷをポジショニングすることができる。

各駆動ユニット４１２、４１４は、それぞれの位置エンコーダ４２２を備えることができる。各位置エンコーダ４２２は、上述のエンコーダ２４８と同様とすることができ、それぞれのエンコーダスケールを備えることができる。エンコーダスケールは、例えば、静止部材４１３および／または駆動ユニット４１２、４１４上に取り付けることができる。位置エンコーダは、例えば、光学エンコーダおよび／またはレーザーファイバ変位エンコーダとすることができる。位置エンコーダは、エンコーダスケールに基づいて、各駆動ユニット４１２および／または弾性部材４１８の位置をそれぞれ決定することができる。エンコーダスケールは、静止部材４１３および／または駆動ユニット４１２、４１４に結合させるかまたはそれと一体的に形成することができる。ポジショニングシステム４００は、レーザーファイバ４２５を含む１つ以上の追加位置エンコーダ４２３をさらに備えることができる。位置エンコーダ４２３は、Ｘ軸の周りの第２のキャリッジ４１０の回転量（例えば、α傾斜量）を決定するように構成することができる。

ポジショニングシステム３００に関して上述したように、位置エンコーダ４２２、４２３は、例えば、光学エンコーダ、レーザーファイバ変位エンコーダ（例えば、ファイバブラッググレーティングセンサ）、および／またはレーザーファイバ速度エンコーダ（例えば、振動計）とすることができる。いくつかの実施形態では、位置エンコーダは、それぞれの位置エンコーダと位置エンコーダスケールおよび／または鏡面との間に適切な光学ギャップが形成されるようにポジショニングすることができる。

各駆動ユニット４１２ａ〜４１２ｄ、４１４は、駆動ユニットに電力を供給するように構成された１本以上のワイヤまたはケーブル４２７に結合させることができる。ケーブルおよび／または光ファイバ（例えば、位置エンコーダ４２２、４２３に使用されるファイバ）は、例えば、第１および第２のマルチピンコネクタ４２４、４２６を備える真空シールを通って真空チャンバを出ることができる。ケーブル４２７および／またはファイバは、第２のキャリッジ４１０内に配置することができ、第１のマルチピンコネクタ４２４に結合させることができる。第１のマルチピンコネクタ４２４は、側壁４０３を通って延在し、電源（図示せず）に結合させることができる第２のマルチピンコネクタ４２６に結合させることができる。この構成は、真空チャンバ４０２への空気の導入を防ぐ助けとすることができる。

画像化および／または処理が完了すると、ワークピースＷは新しいワークピースに置き換えることができる。いくつかの実施形態では、ワークピースは、ワークピースＷを取り出し、新しいワークピースＷ’をホルダ４０６内に挿入するための、真空チャンバのロードロックを使用して置き換えることができる。他の実施形態では、ポジショニングシステム４００全体を真空チャンバ４０２から取り外して、ワークピースを置き換えることができる。

実施例５
図８は、上述のポジショニングシステム３００および４００などのポジショニングシステムのための第１のキャリッジ５００および関連駆動ユニット５０２の例示的実施形態を示す。第１のキャリッジ５００は、ワークピースＷを保持するように構成されたホルダ５０４を備える。第１のキャリッジ５００は、上述の円錐形ハウジング４０７と同様のハウジング５０１内に収容することができる。図示の実施形態などのいくつかの実施形態では、ハウジング５０１は、円錐形または部分的に円錐形の形状を備えることができる。他の実施形態では、ハウジング５０１は、さまざまな形状のうちのいずれかを有することができる。

第１のキャリッジ５００は、ワークピースＷが６つの方向で動くことができるように可動であるように構成することができる（例えば、座標系５０６によって示されるようなＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿った並進、ならびにそれぞれβ回転、α回転、およびγ回転と称することができるＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の周りの回転）。

図示されたように、第１のキャリッジ５００は、５つの駆動ユニット５０２ａ〜５０２ｅに結合させることができる。駆動ユニット５０２ａ〜５０２ｄは、ポジショニングシステム４００の駆動ユニット４１２ａ〜４１２ｄに関して前述したようにポジショニングすることができ、ポジショニングシステム４００の弾性部材４１８ａ〜４１８ｄと同様の弾性部材５０８ａ〜５０８ｄを介して、第１のキャリッジ５００に結合させることができる。駆動ユニット５０２ｃおよび弾性部材５０８ｃは、図８に示された構成では駆動ユニット５０２ｄおよび弾性部材５０８ｄの下方にある（例えば、Ｚ軸に沿ってページ平面内まで延在する）。第１のキャリッジ５００は、弾性部材５０８ｅを介して第１のキャリッジ５００に結合させることができる追加駆動ユニット５０２ｅをさらに備えることができる。

追加駆動要素５０２ｅおよび弾性部材５０８ｅは、ホルダ５０４（したがって、ワークピースＷ）をＺ軸の周りで回転（例えば、γ傾斜）させるように構成することができる。弾性部材５０８ｅは、接合部５１０を備える、実質的にＬ字形の構成を有することができる。弾性部材５０８ｅの形状により、駆動ユニット５０２ｅの長手方向の動き（例えば、Ｘ軸に沿った動き）は、弾性ヒンジ５０５および５０７を介してホルダ５０４（およびワークピースＷ）のγ傾斜を引き起こす。場合によっては、γ傾斜は、他の部材５０８ａ〜ｄを使用して補償することができるＹ軸に沿った少量の並進と結合させることができる。図示の実施形態では、接合部５１０は、実質的に弾性部材５０８の中央に配置されて、弾性部材５０８ｅの２つの同様の大きさの部分５１２ａおよび５１２ｂを規定する。しかしながら、他の実施形態では、接合部５１０は、駆動ユニット５０２ｅに対してより近くまたはより遠くにポジショニングすることができ、それは、ワークピースＷを動かすのに必要な動きの量を変えるために使用することができる。

いくつかの実施形態では、第１の部分５１２ａは、駆動ユニット５０８ｅがＺ軸の周りのγ傾斜を提供することを可能にするように構成されたボール接合部（図示せず）に結合させることができる。いくつかの特定の実施形態では、ボール接合部は、３０ｍｍの半径を有することができる。

図示の実施形態では、弾性部材５０８ｅの第１の部分５１２ａは、弾性部材５０８ａの上方にポジショニングされている。しかしながら、他の実施形態では、第１の部分５１２ａは、弾性部材５０８ａの下方にポジショニングされ得る。さらに他の実施形態では、第１の部分５１２ａは、弾性部材５０２ｂの上方または下方にポジショニングされ得る。

一般的な考慮事項
本説明の目的で、本開示の実施形態の特定の態様、利点、および新規特徴を本明細書に記載する。開示された方法、装置、およびシステムは、どのようにも限定的であると解釈されるべきではない。むしろ、本開示は、単独で、ならびにさまざまな互いの組み合わせおよび部分的組み合わせで、開示されたさまざまな実施形態のすべての新規および非自明的な特徴および態様を対象とする。方法、装置、およびシステムは、任意の特定の態様または特徴またはそれらの組み合わせに限定されないし、開示された実施形態は、任意の１つ以上の特定の利点が存在すること、または問題が解決されることを必要としない。

いくつかの開示された実施形態の動作は、便宜上、特定の順番で説明されているが、この説明方法は、以下に記載される具体的な表現によって特定の順序が要求されない限り、並び替えを包含することを理解されたい。例えば、順に記載される動作は、いくつかの場合では、並び替えられるかまたは同時に実施されてもよい。さらに、単純化のために、添付の図面は、開示された方法を他の方法とともに使用することができるさまざまなやり方を示さないことがある。加えて、説明は、開示された方法を説明するために、「提供する」または「達成する」などの用語を使用することがある。これらの用語は、実施される実際の動作の高レベルの抽象化である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実施に応じて、さまざまであり、当業者には容易に認識される。

本明細書に記載のすべての特徴は、互いに独立しており、構造的に不可能な場合を除いて、本明細書に記載の任意の他の特徴と組み合わせて使用することができる。

本出願および特許請求の範囲において使用される、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という単数形は、文脈上他に明確に指示されない限り、複数形も含む。加えて、「含む」という用語は「備える」を意味する。さらに、「結合された」および「関連付けられた」という用語は、概して、電気的、電磁的、および／または物理的（例えば、機械的または化学的）に結合またはリンクされていることを意味し、特定の反対の表現のない限り、結合または関連付けられたアイテム間の中間要素の存在を排除しない。

以下の説明では、「上」、「下」、「上方」、「下方」、「水平」、「垂直」、「左」、「右」などの特定の用語が使用され得る。これらの用語は、該当する場合、相対的な関係を扱うときに説明を明確にするために使用される。ただし、これらの用語は、絶対的な関係、位置、および／または配向を示唆することを意図していない。例えば、対象物に関しては、対象物を裏返すだけで、「上方」表面を「下方」表面にすることができる。それでもなお、それは同じ対象物である。

特に明記しない限り、明細書または特許請求の範囲で使用される、材料の量、角度、圧力、分子量、パーセンテージ、温度、時間などを表すすべての数値は、「約」という用語によって修飾されるとして理解されるべきである。したがって、特に明記しない限り、暗黙的または明示的に、記載された数値パラメータは、当業者によく知られた試験条件／方法下で求められる所望の特性および／または検出限界に依存し得る近似である。検討された先行技術から実施形態を直接的かつ明示的に区別するとき、「約」という語が記載されない限り、実施形態の数値は近似ではない。さらに、本明細書に記載のすべての代替態様が同等であるわけではない。

本開示の原理が適用できる多数の可能な実施形態の観点では、図示された実施形態は好ましい実施例のみであり、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないと認識すべきである。むしろ、開示の範囲は、少なくとも以下の特許請求の範囲ほどに広範である。したがって、本発明者らは、特許請求の範囲および精神に含まれるあらゆるものを特許請求する。

Claims

ポジショニングシステムであって、
ワークピースを保持するためのホルダを備える第１のキャリッジであって、前記ワークピースを第１の軸、第２の軸、および第３の軸に沿って並進させる、かつ、前記ワークピースを前記第２の軸の周りで回転させるように構成された１つ以上の第１の駆動ユニットに結合された第１のキャリッジと、
前記１つ以上の第１の駆動ユニットを収容する第２のキャリッジであって、前記ワークピースを前記第１の軸の周りで回転させるように構成された１つ以上の回転駆動ユニットに結合された第２のキャリッジと、を備えるポジショニングシステム。
前記１つ以上の第１の駆動ユニットは、１つ以上の支柱部材によって前記第１のキャリッジに結合されている、請求項１に記載のポジショニングシステム。
前記第２のキャリッジから延在し、本体部分および先端部分を有するカラムをさらに備え、前記第１のキャリッジは、前記先端部分に隣接して配置され、前記支柱部材は、前記本体部分を通って延在する、請求項２に記載のポジショニングシステム。
前記第１のキャリッジは、複数の弾性支柱部材を介して前記第２のキャリッジに結合されている、請求項１に記載のポジショニングシステム。
前記複数の弾性支柱部材は、各々が第１の端部部分および第２の端部部分を有する、第１の弾性支柱部材、第２の弾性支柱部材、および第３の弾性支柱部材を備え、前記弾性支柱部材は、各支柱部材の前記第１の端部部分が前記第１のキャリッジに結合され、各支柱部材の前記第２の端部部分が前記第２のキャリッジに結合されるように、三角形に配置されている、請求項４に記載のポジショニングシステム。
前記１つ以上の第１の駆動ユニットは、共通平面内に配置された軸に沿って作動するように構成された第１の駆動ユニット、第２の駆動ユニット、および第３の駆動ユニットと、前記共通平面に平行な平面内に配置された軸に沿って作動するように構成された第４の駆動ユニットと、を備える、請求項１に記載のポジショニングシステム。
前記第１および第２の駆動ユニットは、前記ワークピースを前記第１および第２の軸に沿って動かすように構成され、前記第３の駆動ユニットは、前記ワークピースを前記第３の軸に沿って動かすように構成され、前記第４の駆動ユニットは、前記ワークピースを前記第２の軸の周りで回転させるように構成されている、請求項６に記載のポジショニングシステム。
前記第１の駆動ユニット、第２の駆動ユニット、第３の駆動ユニット、および第４の駆動ユニットは、それぞれ第１の弾性部材、第２の弾性部材、第３の弾性部材、および第４の弾性部材によって前記第１のキャリッジに結合されている、請求項６に記載のポジショニングシステム。
前記１つ以上の第１の駆動ユニットは、第５の駆動ユニットをさらに備え、前記第５の駆動ユニットは、前記ワークピースを前記第３の軸の周りで回転させるように構成されている、請求項８に記載のポジショニングシステム。
前記第５の駆動ユニットは、第５の弾性部材によって前記第１のキャリッジに結合され、前記第５の弾性部材は、接合部によって第２の部分に結合された第１の部分を備え、したがって、前記第５の弾性部材はＬ字形を有する、請求項９に記載のポジショニングシステム。
荷電粒子ビームシステムであって、
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内まで延在するポジショニングシステムと、を備え、前記ポジショニングシステムは、
ワークピースを保持するためのホルダを備える第１のキャリッジであって、前記ワークピースを第１の軸、第２の軸、および第３の軸に沿って並進させる、かつ、前記ワークピースを前記第２の軸の周りで回転させるように構成された１つ以上の第１の駆動ユニットに結合された前記第１のキャリッジと、
前記１つ以上の第１の駆動ユニットを収容する第２のキャリッジであって、前記ワークピースを前記第１の軸の周りで回転させるように構成された１つ以上の回転駆動ユニットに結合された前記第２のキャリッジと、を備える、システム。
前記ポジショニングシステムは、前記真空チャンバ内に配置されている、請求項１１に記載のシステム。
前記ポジショニングシステムは、前記真空チャンバの外面上に配置されたハウジングと、前記真空チャンバの内部にまで延在するカラムとを備える、請求項１１に記載のシステム。
前記カラムは、本体部分および先端部分を備え、前記第１のキャリッジは、前記先端部分内に配置されている、請求項１３に記載のシステム。
前記１つ以上の第１の駆動ユニットは、共通平面内に配置された軸に沿って作動するように構成された第１の駆動ユニット、第２の駆動ユニット、および第３の駆動ユニットと、前記共通平面に平行な平面内に配置された軸に沿って作動するように構成された第４の駆動ユニットとを備え、前記第１および第３の駆動ユニットは、前記ワークピースを前記第１および第２の軸に沿って動かすように構成され、前記第２の駆動ユニットは、前記ワークピースを前記第３の軸に沿って動かすように構成され、前記第４の駆動ユニットは、前記ワークピースを前記第１の軸の周りで回転させるように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
ワークピースを保持する第１のキャリッジ要素に結合された１つ以上の第１の駆動ユニットを作動させて、前記ワークピースを第１の軸、第２の軸、および第３の軸に沿って選択された位置にポジショニングする、かつ、前記ワークピースを前記第２の軸の周りの選択された位置まで回転させることと、
第２のキャリッジ要素に結合された１つ以上の回転駆動ユニットを作動させて、前記ワークピースを前記第１の軸の周りの選択された位置まで回転させることと、を含む方法。
前記ワークピースを選択された位置にポジショニングすることは、前記ワークピースを荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）に対してポジショニングすることを含む、請求項１６に記載の方法。
前記ＣＰＢを使用して前記ワークピースを画像化することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
前記第２のキャリッジ要素は、前記１つ以上の第１の駆動ユニットを収容している、請求項１６に記載の方法。
追加の第１の駆動ユニットを作動させて、前記ワークピースを前記第３の軸の周りの選択された位置にポジショニングすることをさらに含む、請求項１６に記載の方法。