JP5544419B2 - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は走査型電子顕微鏡の試料移動ステージに関するものである。

走査電子顕微鏡において、通常、観察対象は試料台に載置され、更に試料台はパルスモータやピエゾ素子などにより駆動される試料ステージにより移動される。例えば、特許文献１には、ステージのバックラッシュや送りねじのピッチ誤差がある場合でも正確に視野移動を行うための発明が開示されている。

従来の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を図１に、図１の試料移動ステージの詳細を図２に、図２のＡ−Ａ線に沿う横断面図を図３に、図２のＢ−Ｂ線矢視図を図４に示す。走査型電子顕微鏡は電子銃１で発生した電子ビームをコンデンサレンズ２，対物レンズ３を通して試料室４内の試料移動ステージ５の上に取り付けられた試料６上を走査しながら照射し、試料から出てくる２次電子を２次電子検出器７でとらえて試料表面の形状を観察する。

図１の９〜１３は試料室４，電子銃室８等を真空に引く真空ポンプである。試料室４にステージケース１４が取り付けられ、ｚテーブル１５がクロスローラ軸受１６ａ，１６ｂを介してステージケース１４に連結されている。ｚテーブル１５はバネ１７で上方向に引っ張られ、クロスローラガイド１６ａ，１６ｂに案内され、ｚパルスモータ１８の回転によってｚ移動軸１９のオネジ部とｚテーブル１５に取り付けられたメネジ部６４の作用でｚ方向に移動し、試料６をｚ方向に移動する。

チルトテーブル２０の一端にはチルト軸２１が取り付けられ、チルト軸２１はころがり軸受２２，２３を介して回転自在にｚテーブル１５に連結されている。チルトテーブル２０の他端はロック板２４が取り付けられ、試料室４に取り付けられたステージロック機構２５により押されている。チルト軸２１にはウォームホィール２６ａが取り付けられ、これと組み合わされるウォームギヤ２６ｂは玉軸受２７，２８で支持され、軸受ハウジング２９，３０でｚテーブル１５に取り付けられている。ウォームホィール２６ａとウォームギヤ２６ｂを回転させるＴパルスモータ３１はスプライン軸３２ａ，３２ｂによって連結され、ｚ移動部材１５のｚ方向移動に追随可能となっている。Ｔパルスモータ３１を回すことによりチルト軸２１が回転し試料６を傾斜させ、一定の傾斜角に保持される。

試料６をｘ方向に移動するｘテーブル３３はクロスローラガイド３４を介してチルトテーブル２０に取り付けられている。ｘテーブル３３はｘボールネジ３５とｘボールネジナット３６の送り作用で駆動する。ｘボールネジナット３６はｘテーブル３３に固定されている。ｘボールネジ３５は両端を玉軸受３７，３８で支持され、軸受ハウジング３９，４０でチルトテーブル２０に取り付けられている。ｘボールネジ３５とこれを回転させるｘパルスモータ４１はｘステージジョイント４２で連結されている。ｘステージジョイント４２は角度追随用の一対のジョイント部４２ａ，４２ｂおよびボールスプラインを用いた長さ調整用の伸縮部４２ｃからなる。ｘテーブル３３はｘパルスモータ４１を駆動してｘステージジョイント４２を介してｘボールネジ３５を回転させてｘボールネジナット３６を移送することによりｘ方向に移動し、試料をｘ方向に移動する。

ｙテーブル４３はクロスローラガイド４４ａ，４４ｂを介してｘテーブル３３に取り付けられている。ｙテーブル４３はｙボールメネジ４５とｙボールネジナット４６の送り作用で駆動する。ｙボールネジナット４６はｙテーブル４３に固定されている。ｙボールネジ４５は両端を玉軸受４７，４８で支持され、軸受ハウジング４９，５０でｘテーブル３３に取り付けられている。ｙボールネジ４６の一端には傘歯車５１ａが取り付けられ、これと噛み合う傘歯車５１ｂは玉軸受（図示せず）で支持され、軸受ハウジング５３でｘテーブルに固定される。傘歯車５１ｂとｙボールネジ４５を回転させるｙパルスモータ５４はｙステージジョイント５５で連結されている。ｙステージジョイント５５は角度追随用の一対のジョイント部５５ａ，５５ｂおよびボールスプラインを用いた長さ調整用の伸縮部５５ｃからなる。ｙテーブル４３はパルスモータ５４を駆動しｙステージジョイント５５を介して傘歯車５１ａ，５１ｂ、ｙボールネジ４５を回転させてｙボールネジナット４６を移送することによりｙ方向に移動し、試料をｙ方向に移動する。

ローテーションテーブル５６にはウォームホィール５７ａが取り付けられ、玉軸受５８によってｙテーブル４３に回転自在に結合されている。ウォームギヤ５７ｂは両端を玉軸受５９，６０で支持され、軸受ハウジング６１，６２でｙテーブル４３に取り付けられている。ウォームギヤ５７ｂはＤＣモータ６３によって回転させる。ローテーションテーブル５６はＤＣモータ６３を回してウォームギヤ５７ｂ，ウォームホィール５７ａを回転させることにより回転し、試料を回転させる。

試料６は試料ホルダ６５に接着され、試料ホルダ６５はローテーションテーブル５６に取り付けられたホルダ台６６に挿入，固定されている。このようにして試料はｘ，ｙ，ｚ方向に移送され、回転されそして傾斜を与えられる。

特開平８−１２９９８５号公報

従来技術ではｘおよびｙテーブルを駆動するパルスモータは真空外のステージケースに取り付けられる。ｘパルスモータの出力軸とｘボールネジの間にはｘステージジョイント等の伝達系が入っているため、この部分のバックラッシュ、そしてねじり変形が発生し、ｘ，ｙテーブルの特に動かし始めや逆方向に動かそうとしたときの応答性が悪い。例えばトラックボールによって操作する場合は、像が動き始めるまでにボールを空回しさせなければならず、テーブル駆動すなわち像を移動させるための操作性が悪かった。ｙテーブルに関しては、駆動系にさらにバックラッシュを持つ傘歯車が加わるため、ｘテーブルよりさらに応答性が悪くなり、操作性が悪化する。

ｘ及びｙテーブルを駆動するパルスモータとボールネジの間の伝達系によりバックラッシュやねじり変形の影響による応答性を改善するために、真空内にモータを配置し、カップリングを介して直接ボールネジに連結することで応答性を改善することができる。しかしながら、モータを動作した際に発生する熱が試料ステージの温度変化となるため、走査型電子顕微鏡の観察時に試料ドリフトが起こり、観察の妨げとなっていた。

また、室温等の変化による走査型電子顕微鏡の温度変化によっても試料ドリフトが起こり、観察の妨げとなっていた。

上記の問題点は、試料を移動する試料移動ステージが前記試料を電子ビームと直角をなすｘ方向に移動するｘテーブルと、前記試料を前記電子ビームと直角をなし、かつ前記ｘ方向と直角をなすｙ方向に移動し、前記ｘテーブルの上に取り付けられるｙテーブルと、前記電子ビームと同じ方向のｚ方向に移動するｚテーブルと、前記試料をｘｙ平面と平行な面内に回転させるローテーションテーブルと、前記試料に傾斜動作を与えるチルトテーブルを備え、前記ｘテーブルは前記チルトベースの上に取り付けられ、前記ｘテーブルおよびｙテーブルがそれぞれ試料室内に配置されたボールネジにカップリングを介して連結したモータによって移動させられ、前記試料上を電子ビームで走査し、前記試料から発生する信号を検出器により検出し、前記検出器で検出された信号により試料像表示を行う走査型電子顕微鏡において、試料移動時と停止時に前記モータへの供給電流を同じないし、前記供給電流の差を２０％以下とすることによりモータの熱量変化を小さくすることで、前記試料ステージの温度をコントロールして観察時の試料ドリフトを低減することで解決できる。

前記温度のコントロールは、前記ｘテーブルないし前記ｙテーブルのどちらか一方を、前記モータへの供給電流を小さくして熱量変化を低減することでも解決できる。

前記温度のコントロールは、試料微動時と停止時において、モータから発生する熱量変化を吸収する加熱装置を具備することでも解決できる。

前記温度のコントロールは、前記走査電子顕微鏡の温度変化を測定する温度計を具備し、前記温度変化に合わせて前記試料ステージ温度変化を吸収する加熱装置を具備することでも解決できる。

以上述べたように本発明によれば、試料ドリフトを低減できる実施容易な試料ステージを提供することができる。

従来の走査型電子顕微鏡の一実施例の縦断面側面図。 従来の試料移動ステージの一実施例を示す図。 図２のＡ−Ａ線矢視図。 図２のＢ−Ｂ線矢視図。 本発明の第一の実施例の試料移動ステージを示す図。 図５のＣ−Ｃ線矢視図。 図５のパルスモータ電源の接続を示す図。 本発明の第三の実施例の試料ステージｘモータ部分の加熱装置を示す図。 本発明の第三の実施例の試料ステージｙモータ部分の加熱装置を示す図。 本発明の第四の実施例の温度計を示す図。

（実施例１）
以下、図示した実施例に基づいて本発明を説明する。図５から図７に本発明の実施例を示す。

図６は図５のＣ−Ｃ線矢視図を示す。試料室１０４にステージケース１１４が取り付けられ、ステージケース１１４に取り付けられたｚテーブル系とチルトテーブル駆動系は従来技術と基本的に同じである。ｚテーブル１１５がクロスローラ軸受（図示せず）を介してステージケース１１４に連結されている。ｚテーブ１１５はバネ１１７で上方向に引っ張られ、ｚパルスモータ１１８によってｚ移動軸１１９を上下させることによりクロスローラ軸受に案内されてｚ方向に移動し、試料１０６をｚ方向に移動する。ｚ移動軸１１９にはオネジが切られ、ｚテーブル１１５の上下はｚ移動軸１１９のオネジ部とｚテーブル１１５に取り付けられたメネジ部１１６の作用で行う。

チルトテーブル１２０の一端にはチルト軸１２１が取り付けられ、チルト軸１２１はころがり軸受１２２，１２３を介して回転自在にｚテーブル１１５に連結されている。チルトテーブル１２０の他端はロック板１２４が取り付けられ、試料室１０４に取り付けられたステージロック機構１２５により押されている。チルト軸１２１にはウォームホィール１２６ａが取り付けられ、これと組み合わされるウォームギヤ１２６ｂは玉軸受１２７，１２８で支持され、軸受ハウジング１２９，１３０でｚテーブル１１５に取り付けられている。ウォームホィール１２６ａとウォームギヤ１２６ｂを回転させるＴパルスモータ１３１はスプライン軸１３２ａ，１３２ｂによって連結され、ｚテーブル１１５のｚ方向移動に追随可能となっている。Ｔパルスモータ１３１を回すことによりチルト軸１２１が回転し試料１０６を傾斜させ、一定の傾斜角に保持される。

試料１０６をｘ方向に移動するｘテーブル１３３はクロスローラガイド１３４を介してチルトテーブル１２０に取り付けられている。ｘテーブル１３３はｘボールネジ１３５とｘボールネジナット１３６の送り作用で駆動する。ｘボールネジナット１３６はｘツギテ１４２を介して、ｘテーブル１３３に固定されている。ｘボールネジ１３５は両端を玉軸受１３７，１３８で支持され、軸受ハウジング１３９，１４０でチルトテーブル１２０に取り付けられている。ｘボールネジ１３５はｘパルスモータ１４１とｘカップリング１４４で連結され、ｘパルスモータ１４１はｘブラケット１４５に取り付けられ、ｘブラケット１４５はチルトテーブル１２０に固定される。ｘテーブル１３３はｘパルスモータ１４１を駆動してｘボールネジ１３５を回転させてｘボールネジナット１３６を移送することによりｘ方向に移動し、試料１０６をｘ方向に移動する。

ｙテーブル１５３はクロスローラガイド１５４ａ，１５４ｂを介してｘテーブル１３３に取り付けられている。ｙテーブル１５３はｙボールネジ１５５とｙボールネジナット１５６の送り作用で駆動する。ｙボールネジナット１５６はｙツギテ１４８を介してｙテーブル１５３に固定されている。ｙボールネジ１５５は両端を玉軸受１５７，１５８で支持され、軸受ハウジング１５９，１６０でｘテーブル１３３に取り付けられている。ｙボールネジ１５５はｙパルスモータ１６１とｙカップリング１６２で連結され、ｙパルスモータ１６１はｙブラケット１６３に取り付けられ、ｙブラケット１６３はｘテーブル１３３に固定される。ｙテーブル１５３はｙパルスモータ１６１を駆動してｙボールネジ１５５を回転させてｙボールネジナット１５６を移送することによりｙ方向に移動し、試料１０６をｙ方向に移動する。

ローテーションテーブル１６６はウォームホィール１６７ａが取り付けられ、玉軸受１６８によってｙテーブル１５３に回転自在に結合されている。ウォームギヤ１６７ｂは両端を玉軸受１６９，１７０で支持され、軸受ハウジング１７１，１７２でｙテーブル１５３に取り付けられている。ウォームギヤ１６７ｂはＤＣモータ１７３によって回転させる。ローテーションテーブル１６６にはＤＣモータ１７３を回してウォームギヤ１６７ｂ，ウォームホィール１６７ａを回転させることにより回転し、試料１０６を回転させる。

試料１０６は試料ホルダ１０７に接着され、試料ホルダ１０７はローテーションテーブル１６６に取り付けられたホルダ台１０８に挿入，固定されている。

図７に示すように、ｘパルスモータ１４１はステージケース１１４に設けられた電流導入端子（図示せず）を介して大気中に設置されたｘパルスモータ電源１８１に、ｙパルスモータ１６１も同様にｙパルスモータ電源１８２にそれぞれ接続されている。電源からパルスモータへと供給される試料移動時と停止時の電流を同じか、差が２０％以下になるように設定する。移動時と停止時の電流変化を小さくすることにより、モータの温度変化が小さくなるため、試料ステージのモータからの熱による温度変化が無くなり試料ドリフトが低減できる。本実施例では、微動時と停止時の電流を同じに設定したが、試料ドリフトが小さくなるようにモータ電源の供給電流を設定してあればよく、この範囲に限定されるものではない。

発明者らの実験によれば、ドリフト測定として、ある場所で目標物を走査型電子顕微鏡の画面中心付近に移動させる。その場所からｘ座標，ｙ座標共に４０mmずつ移動、移動完了後すぐに元の目標物のあった座標に戻るために逆方向に再び４０mmずつ移動させる。移動完了後に目標物のドリフトを測定する。

パルスモータの試料移動時と停止時で供給電流の差が５０％異なる状態と電流が同じ状態の試料ドリフトを比較して、本実施例に従い供給電流を同じにすることにより２／５まで軽減できることが確認できた。

（実施例２）
実施例１と同様の構成の試料ステージにおいて、ｘテーブル１３３の上にｙテーブル１５３が取り付けられているため、ｘパルスモータ１４１と比べてｙパルスモータ１６１の方がモータの回転トルクが少なくてもｙテーブル１５３を同じ応答性で移動することができる。このため、ｙパルスモータ電源１８２からｙパルスモータ１６１への供給電流をｘパルスモータ電源１８１からの電流と比較して小さくすることができる。

発明者らの実験では、ｙパルスモータ電源１８２の設定をｘパルスモータ電源１８１の設定と比較して同じか２／３まで低くしても動きに問題ないことがわかっているが、トルクにあわせてｘとｙのパルスモータ電源の電流設定を変更してもよく、２つの電源の設定に差があれば、この範囲に限定されるものではない。

本実施例では実施例１と同様の移動を行った後の試料ドリフトが、ｙパルスモータ電源の設定をｘパルスモータ電源の２／３とし、微動時と停止時の電流を同じにして実施することで、電源設定を同じで移動時と停止時の電流が異なる状態で温度変化が起こる場合と比べて、１／３まで軽減できることが確認できた。

（実施例３）
実施例１と同様の構成の試料ステージであるが、ｘパルスモータ１４１の部分に図８に示すようにｘ加熱装置１８３を、ｙパルスモータ１６１の部分に図９に示すようにｙ加熱装置１８４をそれぞれ具備した試料ステージを用いた。

本実施例では、パルスモータ電源１８１と１８２の微動時に対する停止時の供給電流を５０％に設定し、試料移動時と停止時のパルスモータ１４１と１６１からの発熱量変化を吸収するように加熱装置を用いて温度変化を吸収するように、加熱装置１８３と１８４には５Ｗのヒータを用いた。供給電流の移動時と停止時の差の設定や、加熱装置の発熱量は温度変化に合わせて設置してもよく、加熱装置が具備してあれば能力を限定するものではない。

発明者らの実験によれば、観察のために停止した直後から加熱装置による発熱を開始するようにして実験を行ったところ、本実施例に従うことで２／５まで軽減できることが確認できた。

（実施例４）
図１０に示すように、実施例３と同様の構成の試料ステージであるが、加熱装置１８３のみ２０Ｗのヒータに変更し、加熱装置１８４は取り外した構成である。試料室部に温度変化を検出する温度計１８５を具備した構成である。本実施例では、温度計１８５にはクロメル−アルメル熱電対を用いたが、温度を検出できる機能を設けてあれば温度計の材質や方式を限定するものではない。また、加熱装置としてｘパルスモータ部分に加熱装置１８３を設けたが、設置位置をモータ部分に限定するものではなく、ｘテーブル１３３，ｙテーブル１５３，チルトテーブル１２０，Ｚテーブル１１５、など試料ステージに取り付けられていてもよく、温度検出できる機能を設け、試料ステージに取り付けた加熱装置の部位を特定するものではない。

発明者らの実験によれば、温度計１８５の温度Ｔの変化に対して加熱装置の出力Ｐが
Ｐ＝０.０２×(Ｔ−５０)²
なる関係式に従い変化するよう設定することで温度ドリフトを低減できることを確認したが、出力Ｐと温度Ｔの関係式は加熱装置の設置位置や能力によるため、この式に限定するものではなく、温度変化に合わせて試料ドリフトを低減する構造であればよい。

発明者らの実験によれば、本実施例を用いない場合と比べて、試料室部の温度変化による試料ドリフトを１／５に低減できることが確認できた。

その他、本発明の実施の形態として上述した試料ステージの温度をコントロールして観察時の試料ドリフトを低減する方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうる全ての試料ステージも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

１ 電子銃
３ 対物レンズ
４ 試料室
５ 試料移動ステージ
６ 試料
１４ ステージケース
１５ ｚテーブル
１６ａ，１６ｂ クロスローラガイド
１８ ｚパルスモータ
１９ ｚ移動軸
２０，１２０ チルトテーブル
２１ チルト軸
２２，２３ ことがり軸受
２６ａ ウォームホィール
２６ｂ ウォームギヤ
３１ Ｔパルスモータ
３２ａ，３２ｂ スプライン軸
３３，１３３ ｘテーブル
４１，１４１ ｘパルスモータ
４２ ｘステージジョイント
４３，１５３ ｙテーブル
５４，１６１ ｙパルスモータ
５５ ｙステージジョイント
５６，１６６ ローテーションテーブル
６３，１７３ ＤＣモータ
１０６ 試料
１１４ ステージケース
１３５ ｘボールネジ
１５５ ｙボールネジ
１８１ ｘパルスモータ電源
１８２ ｙパルスモータ電源
１８３ ｘ加熱装置
１８４ ｙ加熱装置
１８５ 温度計

Claims (4)

1. 試料を移動する試料移動ステージが前記試料を電子ビームと直角をなすｘ方向に移動するｘテーブルと、
   前記試料を前記電子ビームと直角をなし、かつ前記ｘ方向と直角をなすｙ方向に移動し、前記ｘテーブルの上に取り付けられるｙテーブルと、
   前記電子ビームと同じ方向のｚ方向に移動するｚテーブルと、
   前記試料をｘｙ平面と平行な面内に回転させるローテーションテーブルと、
   前記試料に傾斜動作を与えるチルトテーブルを備え、前記ｘテーブルは前記チルトベースの上に取り付けられ、
   前記ｘテーブルおよびｙテーブルがそれぞれ真空試料室内に配置されたボールネジにカップリングを介して連結したパルスモータによって移動させられ、
   前記試料上を電子ビームで走査し、前記試料から発生する信号を検出器により検出し、
   前記検出器で検出された信号により試料像表示を行う走査型電子顕微鏡において、
   試料移動時と停止時に前記パルスモータへの供給電流を同じないし、前記供給電流の差を２０％以下とすることによりパルスモータの熱量変化を小さくすることで、
   前記試料ステージの温度をコントロールして観察時の試料ドリフトを低減することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
   
2. 前記温度のコントロールには、
   前記ｘテーブルないし前記ｙテーブルのどちらか一方の前記パルスモータへの供給電流を小さくして、熱量変化を低減することを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡。
   
3. 前記温度のコントロールには、
   試料移動時と停止時において、前記パルスモータから発生する熱量変化を吸収する加熱装置を具備することを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡。
   
4. 前記温度のコントロールには、
   前記走査電子顕微鏡の温度変化を測定する温度計を具備し、前記温度変化に合わせて前記試料ステージ温度変化を吸収する加熱装置を具備することを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡。

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