JP5953177B2 - Sample stage and charged particle device - Google Patents

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Description

本発明は、電子顕微鏡等の荷電粒子装置に関し、特に、荷電粒子装置に設けられる試料ステージに関する。   The present invention relates to a charged particle device such as an electron microscope, and more particularly to a sample stage provided in the charged particle device.

近年の半導体素子の微細化に伴い、製造装置のみならず、検査や評価装置にもそれに対応した高精度化が要求されている。例えば、半導体ウェハ上に形成したパターンの形状寸法が正しいか否かを評価するためには、測長機能を備えた走査型電子顕微鏡(以下、測長SEMと称す)が用いられる。   With the recent miniaturization of semiconductor elements, not only manufacturing apparatuses but also inspection and evaluation apparatuses are required to have high precision corresponding thereto. For example, in order to evaluate whether or not the shape dimension of a pattern formed on a semiconductor wafer is correct, a scanning electron microscope having a length measuring function (hereinafter referred to as a length measuring SEM) is used.

測長SEMを用いて試料を評価する場合に、試料ステージの位置決め精度が観察像の解像度およびパターン寸法などの測定精度に大きく影響する。特に、試料観察のために試料ステージを所定の位置に停止させた状態においても、ステージに微小振動が生じている場合は、振動により観察像の像質が劣化する。   When a sample is evaluated using a length measuring SEM, the positioning accuracy of the sample stage greatly affects the measurement accuracy such as the resolution of the observation image and the pattern dimensions. In particular, even when the sample stage is stopped at a predetermined position for sample observation, if minute vibration is generated in the stage, the image quality of the observation image is deteriorated by the vibration.

そこで、試料ステージの位置決め機構よりも高精度に位置決めが可能な微動機構を用いることが有効である。例えば、特許文献1には、微小変位を制御可能なピエゾアクチュエータと弾性支持機構を組み合わせた微動機構が記載されている。この文献には、一方向の駆動を可能とする微動機構を二重の構造にしてX方向およびY方向の両方向への駆動を可能とする方法が提案されている。   Therefore, it is effective to use a fine movement mechanism capable of positioning with higher accuracy than the positioning mechanism of the sample stage. For example, Patent Document 1 describes a fine movement mechanism that combines a piezoelectric actuator capable of controlling a minute displacement and an elastic support mechanism. This document proposes a method that enables driving in both the X direction and the Y direction by using a double structure of a fine movement mechanism that enables driving in one direction.

さらに、特許文献2には、走査型プローブ顕微鏡用の試料の位置決めを対象として、同様にピエゾアクチュエータと弾性支持部用いて、X方向およびY方向への位置決めを実現している試料ステージが提案されている。この例では、弾性支持部をX方向およびY方向の両方に変位可能な形状として、ピエゾアクチュエータと弾性支持部を直列に配置することで、X方向およびY方向への駆動を可能としている。   Further, Patent Document 2 proposes a sample stage that achieves positioning in the X direction and the Y direction by using a piezoelectric actuator and an elastic support portion for the purpose of positioning a sample for a scanning probe microscope. ing. In this example, the elastic support portion is configured to be displaceable in both the X direction and the Y direction, and the piezo actuator and the elastic support portion are arranged in series to enable driving in the X direction and the Y direction.

特開2010−123354号公報JP 2010-123354 A 特開2010−190657号公報JP 2010-190657 A

試料ステージ装置の微動機構では、トップテーブルにピッチング方向(鉛直面内における回転方向)に振動が生じる場合がある。それによって、位置決め誤差が発生すると、観察像が劣化する。ステージのピッチング方向の微小振動を抑制するには、微動機構の弾性支持部の形状及び配置を見直す必要がある。   In the fine movement mechanism of the sample stage device, the top table may vibrate in the pitching direction (rotation direction in the vertical plane). Accordingly, when a positioning error occurs, the observation image is deteriorated. In order to suppress minute vibrations in the pitching direction of the stage, it is necessary to review the shape and arrangement of the elastic support portion of the fine movement mechanism.

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、試料を搭載するトップテーブルの微小振動を抑えて観察像の像質あるいは寸法測定値の精度を向上させることができる試料ステージを実現するための微小振動除去機構を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is intended to realize a sample stage capable of suppressing the minute vibration of the top table on which the sample is mounted and improving the image quality of the observed image or the accuracy of the dimension measurement value. An object is to provide a minute vibration removing mechanism.

微小振動除去機構は、トップテーブルに装着された可動部と、中間テーブルに装着された固定部と、固定部に対して可動部を弾性支持するための弾性支持部と、固定部に対して可動部を駆動する圧電アクチュエータと、を有し、弾性支持部は固定部の四隅と前記可動部の四隅を接続するように配置され、圧電アクチュエータは、固定部のX軸方向の両側に同一直線上に沿って配置され、互いに反対方向に伸縮する1対のX軸圧電アクチュエータと、固定部のY軸方向の両側に同一直線上に沿って配置され、互いに反対方向に伸縮する1対のY軸圧電アクチュエータと、を有する。   The minute vibration removing mechanism includes a movable part attached to the top table, a fixed part attached to the intermediate table, an elastic support part for elastically supporting the movable part with respect to the fixed part, and movable relative to the fixed part. A piezoelectric actuator that drives the portion, and the elastic support portion is arranged to connect the four corners of the fixed portion and the four corners of the movable portion, and the piezoelectric actuator is collinear on both sides of the fixed portion in the X-axis direction. A pair of X-axis piezoelectric actuators that extend along opposite directions and extend in opposite directions to each other, and a pair of Y-axis that extend along the same straight line on both sides in the Y-axis direction of the fixed portion and extend in opposite directions And a piezoelectric actuator.

本発明によれば、試料を搭載するトップテーブルのモーメント剛性を低下させることなく、その微小振動を抑えて、観察像の像質あるいは寸法測定値の精度を向上できる試料ステージを実現するための微小振動除去機構が提供される。   According to the present invention, a minute stage for realizing a sample stage capable of improving the image quality of an observation image or the accuracy of a dimension measurement value by suppressing the minute vibration without reducing the moment rigidity of the top table on which the sample is mounted. A vibration removal mechanism is provided.

本発明の微小振動除去機構を有する試料ステージが設けられた荷電粒子線装置の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the charged particle beam apparatus provided with the sample stage which has the micro vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構を有する試料ステージ装置の構成の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a structure of the sample stage apparatus which has the micro vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構の第1の例の平面構成を示す図である。It is a figure which shows the plane structure of the 1st example of the micro vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構の第1の例の断面構成を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure of the 1st example of the micro vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構の第2の例の平面構成を示す図である。It is a figure which shows the planar structure of the 2nd example of the micro vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構の第2の例の断面構成を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure of the 2nd example of the micro vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構の第3の例の平面構成を示す図である。It is a figure which shows the planar structure of the 3rd example of the micro vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構の第3の例の断面構成を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure of the 3rd example of the micro vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構におけるモーメント剛性を説明する図である。It is a figure explaining the moment rigidity in the minute vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構におけるモーメント剛性を説明する図である。It is a figure explaining the moment rigidity in the minute vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構におけるモーメント剛性を説明する図である。It is a figure explaining the moment rigidity in the minute vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構におけるモーメント剛性を説明する図である。It is a figure explaining the moment rigidity in the minute vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構におけるモーメント剛性を説明する図である。It is a figure explaining the moment rigidity in the minute vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構におけるモーメント剛性を説明する図である。It is a figure explaining the moment rigidity in the minute vibration removal mechanism of this invention. 圧電アクチュエータのヒステリシス特性の例を説明する図である。It is a figure explaining the example of the hysteresis characteristic of a piezoelectric actuator. 圧電アクチュエータに印加する電圧の例を説明する図である。It is a figure explaining the example of the voltage applied to a piezoelectric actuator. 圧電アクチュエータの変位の例を説明する図である。It is a figure explaining the example of the displacement of a piezoelectric actuator. 本発明の微小振動除去機構における第1の圧電アクチュエータの印加電圧と変位の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the applied voltage and displacement of the 1st piezoelectric actuator in the micro vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構における第2の圧電アクチュエータの印加電圧と変位の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the applied voltage and displacement of the 2nd piezoelectric actuator in the micro vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構における第1の圧電アクチュエータに印加するステップ電圧の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the step voltage applied to the 1st piezoelectric actuator in the minute vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構における第2の圧電アクチュエータに印加するステップ電圧の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the step voltage applied to the 2nd piezoelectric actuator in the minute vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構における可動部の変位を説明する図である。It is a figure explaining the displacement of the movable part in the minute vibration removal mechanism of this invention. 本発明の微小振動除去機構の制御系のブロック線図の例である。It is an example of the block diagram of the control system of the minute vibration removal mechanism of this invention. 本発明の側長SEMにおける測長シーケンスとステージのトップテーブルの振動の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the length measurement sequence in the side length SEM of this invention, and the vibration of the top table of a stage. ロッドを用いた微小振動除去機構の構成の例である。It is an example of a structure of the minute vibration removal mechanism using a rod. 圧電アクチュエータの外枠への取り付け方の例である。It is an example of how to attach the piezoelectric actuator to the outer frame. ロッドを用いた微小振動除去機構の平面構成を示す図である。It is a figure which shows the planar structure of the micro vibration removal mechanism using a rod. ロッドを用いた微小振動除去機構の断面構成を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure of the micro vibration removal mechanism using a rod. ロッドを用いない微小振動除去機構の平面構成を示す図である。It is a figure which shows the planar structure of the micro vibration removal mechanism which does not use a rod. ロッドを用いない微小振動除去機構の断面構成を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure of the micro vibration removal mechanism which does not use a rod. ロッドを用いた微小振動除去機構の圧電アクチュエータにかかるせん断負荷を説明する図である。It is a figure explaining the shear load concerning the piezoelectric actuator of the micro vibration removal mechanism using a rod. ロッドを用いない微小振動除去機構の圧電アクチュエータにかかるせん断負荷を説明する図である。It is a figure explaining the shear load concerning the piezoelectric actuator of the micro vibration removal mechanism which does not use a rod. ロッド長さと微小振動除去機構のストロークの計算における各パラメータを説明する図である。It is a figure explaining each parameter in calculation of the stroke of a rod length and a minute vibration removal mechanism. ロッド長さと微小振動除去機構のストロークの計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the stroke of a rod length and a minute vibration removal mechanism. ロッドの形状を工夫する例を説明する図である。It is a figure explaining the example which devises the shape of a rod. ロッドを長くするための設計手法を説明する図である。It is a figure explaining the design method for lengthening a rod. +X方向のロッドと圧電アクチュエータを増やし回転方向の制御を可能とする実施例を説明する図である。It is a figure explaining the Example which increases the rod and piezoelectric actuator of + X direction, and enables control of a rotation direction. Z方向にもロッドと圧電アクチュエータを追加し三軸可動を行う実施例を説明する図である。It is a figure explaining the Example which adds a rod and a piezoelectric actuator also to a Z direction, and performs three-axis movement.

図1を参照して、本発明の荷電粒子装置の例を説明する。ここでは、荷電粒子装置の例として測長SEMを説明する。本例の側長SEMは、走査電子顕微鏡の光学系を収納する鏡筒11と、該鏡筒11に接続された真空チャンバ12を有する。真空チャンバ12内には、試料ステージ装置が設けられている。   With reference to FIG. 1, the example of the charged particle apparatus of this invention is demonstrated. Here, a length measurement SEM will be described as an example of a charged particle device. The side length SEM of this example includes a lens barrel 11 that houses an optical system of a scanning electron microscope, and a vacuum chamber 12 connected to the lens barrel 11. A sample stage device is provided in the vacuum chamber 12.

試料ステージ装置は、トップテーブル101と中間テーブル103を有し、両者の間に、微小振動除去機構102が設けられている。トップテーブル101の上に、観察対象であるウェハなどの試料110が配置されている。中間テーブル103は、矢印Bにて示すように、リニアモータ及びリニアガイドを含むステージ機構107により、真空チャンバ12内のベースに対して駆動される。   The sample stage apparatus has a top table 101 and an intermediate table 103, and a minute vibration removing mechanism 102 is provided between them. A sample 110 such as a wafer to be observed is placed on the top table 101. The intermediate table 103 is driven with respect to the base in the vacuum chamber 12 by a stage mechanism 107 including a linear motor and a linear guide, as indicated by an arrow B.

微小振動除去機構102は、圧電アクチュエータ102aと固定部材102bとを有する。固定部材102bは中間テーブル103の上に装着されている。圧電アクチュエータ102aは、トップテーブル101と固定部材102bの間に装着されている。   The minute vibration removing mechanism 102 includes a piezoelectric actuator 102a and a fixing member 102b. The fixing member 102b is mounted on the intermediate table 103. The piezoelectric actuator 102a is mounted between the top table 101 and the fixed member 102b.

試料ステージ装置には、トップテーブル101の位置を検出する位置検出装置が設けられている。本例の位置検出装置は、トップテーブル101に設けられた平面ミラー111と、真空チャンバ12に設けられたレーザ干渉計112を含む。レーザ干渉計112からのレーザ光は、平面ミラー111を反射して再び、レーザ干渉計112に戻る。レーザ干渉計112は、発信したレーザ光と反射したレーザ光から、トップテーブル101の変位及び位置を検出するように構成されている。ここでは位置検出装置の例として、平面ミラーとレーザ干渉計を含む構成を説明したが、他の構成であってもよい。   The sample stage device is provided with a position detection device that detects the position of the top table 101. The position detection apparatus of this example includes a flat mirror 111 provided on the top table 101 and a laser interferometer 112 provided on the vacuum chamber 12. The laser light from the laser interferometer 112 is reflected by the plane mirror 111 and returns to the laser interferometer 112 again. The laser interferometer 112 is configured to detect the displacement and position of the top table 101 from the transmitted laser light and the reflected laser light. Here, a configuration including a plane mirror and a laser interferometer has been described as an example of a position detection device, but other configurations may be used.

測長SEMによって試料110を観察する場合には、ステージ機構107によって試料の位置決めが行われる。トップテーブル101の現在位置は、レーザ干渉計112によって、正確に測定され、制御部113に送られる。制御部113は、トップテーブル101の現在位置に基づいて、ステージ機構107のリニアモータを駆動する。こうして、位置検出装置と制御部113とステージ機構107とを含むフィードバック制御系により、試料110上の観察位置が走査電子顕微鏡の光学系の光軸上に配置される。   When observing the sample 110 with the length measuring SEM, the stage mechanism 107 positions the sample. The current position of the top table 101 is accurately measured by the laser interferometer 112 and sent to the control unit 113. The control unit 113 drives the linear motor of the stage mechanism 107 based on the current position of the top table 101. In this way, the observation position on the sample 110 is arranged on the optical axis of the optical system of the scanning electron microscope by the feedback control system including the position detection device, the control unit 113, and the stage mechanism 107.

走査電子顕微鏡の光学系からの電子線は、試料110上に照射される。試料110から発生する二次電子を検出器によって検出され、走査像が得られる。こうして、試料110上の回路パターンの線幅などの情報を取得することができる。   An electron beam from the optical system of the scanning electron microscope is irradiated onto the sample 110. Secondary electrons generated from the sample 110 are detected by a detector, and a scanned image is obtained. In this way, information such as the line width of the circuit pattern on the sample 110 can be acquired.

中間テーブル103は、ステージ機構107のリニアモータによって常時駆動されている。従って、中間テーブル103には、リニアモータから微小な振動が継続的に伝達される。中間テーブル103が振動すると、トップテーブル101が振動する。これは、トップテーブル101の位置決め精度に影響する。そこで、本例では、微小振動除去機構102を設け、中間テーブル103の駆動により発生する残留振動を除去する。   The intermediate table 103 is always driven by the linear motor of the stage mechanism 107. Therefore, minute vibrations are continuously transmitted from the linear motor to the intermediate table 103. When the intermediate table 103 vibrates, the top table 101 vibrates. This affects the positioning accuracy of the top table 101. Therefore, in this example, the minute vibration removing mechanism 102 is provided to remove the residual vibration generated by driving the intermediate table 103.

本例の測長SEMでは、トップテーブル101の変位は、レーザ干渉計112によって検出され、制御部113に送られる。制御部113は、トップテーブル101の変位を減少させるように、圧電アクチュエータ102aの印加電圧を制御する。こうして、制御部113からの制御信号によって、圧電アクチュエータ102aの印加電圧が制御され、トップテーブル101の変位、即ち、振動が抑制される。   In the length measurement SEM of this example, the displacement of the top table 101 is detected by the laser interferometer 112 and sent to the control unit 113. The control unit 113 controls the voltage applied to the piezoelectric actuator 102a so as to reduce the displacement of the top table 101. Thus, the applied voltage of the piezoelectric actuator 102a is controlled by the control signal from the control unit 113, and the displacement of the top table 101, that is, the vibration is suppressed.

微小振動除去機構102によって、トップテーブル101は、矢印Aにて示すように、中間テーブル103の駆動方向(矢印B)と同一の駆動方向に駆動される。中間テーブル103はステージ機構107のリニアモータによって駆動され、そのストロークは数百ミリメートルオーダである。一方、トップテーブル101は微小振動除去機構102の圧電アクチュエータ102aによって駆動され、そのストロークは、数十ナノメートル程度であり、且つ、高速である。   As shown by the arrow A, the top table 101 is driven in the same driving direction as the driving direction of the intermediate table 103 (arrow B) by the minute vibration removing mechanism 102. The intermediate table 103 is driven by a linear motor of the stage mechanism 107, and its stroke is on the order of several hundred millimeters. On the other hand, the top table 101 is driven by the piezoelectric actuator 102a of the minute vibration removing mechanism 102, and its stroke is about several tens of nanometers and is high speed.

図2を参照して、本発明による試料ステージ装置の構成の例を説明する。試料ステージ装置は、トップテーブル201と中間テーブル203を有し、中間テーブル203は、その下に設けられたステージ機構によって駆動される。試料ステージ装置は、ベース205上に装着されている。トップテーブル201と中間テーブル203の間に、微小振動除去機構202が設けられている。トップテーブル201の上に、試料であるウェハ210が装着されている。図示のようにベース205の上面に沿って、X軸及びY軸をとり、垂直上方にZ軸をとる。   With reference to FIG. 2, the example of a structure of the sample stage apparatus by this invention is demonstrated. The sample stage apparatus has a top table 201 and an intermediate table 203, and the intermediate table 203 is driven by a stage mechanism provided therebelow. The sample stage device is mounted on the base 205. A minute vibration removing mechanism 202 is provided between the top table 201 and the intermediate table 203. A wafer 210 as a sample is mounted on the top table 201. As shown, the X axis and the Y axis are taken along the upper surface of the base 205, and the Z axis is taken vertically upward.

トップテーブル201の上には、X軸平面ミラー211aとY軸平面ミラー211bが装着されている。鏡筒には、X軸レーザ干渉計212aとY軸レーザ干渉計212bが装着されている。トップテーブル201の位置は、X軸レーザ干渉計212aとY軸レーザ干渉計212bによって測定される。   On the top table 201, an X-axis plane mirror 211a and a Y-axis plane mirror 211b are mounted. An X-axis laser interferometer 212a and a Y-axis laser interferometer 212b are attached to the lens barrel. The position of the top table 201 is measured by an X-axis laser interferometer 212a and a Y-axis laser interferometer 212b.

ベース205上にX軸方向の案内である1対のX軸リニアガイド208c、208dが装着されている。X軸リニアガイドはレール208cと可動部208dからなり、可動部208dにX軸方向に移動可能なX軸中間スライダ206が固定されている。X軸中間スライダ206はX軸方向に推力を発生する2つのX軸リニアモータ208eによりX軸方向に駆動される。X軸中間スライダ206上にY軸方向の案内である1対のY軸リニアガイド206a、206bが装着されている。Y軸リニアガイドはレール206aと可動部206bからなり、可動部206bには中間テーブル203が固定されている。   On the base 205, a pair of X-axis linear guides 208c and 208d which are guides in the X-axis direction are mounted. The X-axis linear guide includes a rail 208c and a movable portion 208d, and an X-axis intermediate slider 206 that is movable in the X-axis direction is fixed to the movable portion 208d. The X-axis intermediate slider 206 is driven in the X-axis direction by two X-axis linear motors 208e that generate thrust in the X-axis direction. A pair of Y-axis linear guides 206a and 206b, which are guides in the Y-axis direction, are mounted on the X-axis intermediate slider 206. The Y-axis linear guide includes a rail 206a and a movable portion 206b, and an intermediate table 203 is fixed to the movable portion 206b.

ベース205上にY軸方向の案内である1対のY軸リニアガイド209a、209bが装着されている。Y軸リニアガイドはレール209aと可動部209bからなり、可動部209bにY軸方向に移動可能なY軸中間スライダ208が固定されている。Y軸中間スライダ208はY軸方向に推力を発生する2つのY軸リニアモータ209eによりY軸方向に駆動される。Y軸中間スライダ208上にX軸方向の案内である1対のX軸リニアガイド208a、208bが装着されている。X軸リニアガイドはレール208aと可動部208bからなり、可動部208bに中間テーブル203が固定されている。   On the base 205, a pair of Y-axis linear guides 209a and 209b, which are guides in the Y-axis direction, are mounted. The Y-axis linear guide includes a rail 209a and a movable portion 209b, and a Y-axis intermediate slider 208 that is movable in the Y-axis direction is fixed to the movable portion 209b. The Y-axis intermediate slider 208 is driven in the Y-axis direction by two Y-axis linear motors 209e that generate thrust in the Y-axis direction. On the Y-axis intermediate slider 208, a pair of X-axis linear guides 208a and 208b that are guides in the X-axis direction are mounted. The X-axis linear guide includes a rail 208a and a movable portion 208b, and an intermediate table 203 is fixed to the movable portion 208b.

中間テーブル203は、X軸リニアガイドの可動部208bとY軸リニアガイドの可動部206bに固定されている。尚、X軸中間スライダ206とY軸中間スライダ208は互いに独立に移動可能である。中間テーブル203は、X軸中間スライダ206がX軸方向に移動すると、それと共にX軸方向に移動し、Y軸中間スライダ208がY軸方向に移動すると、それと共にY軸方向に移動する。   The intermediate table 203 is fixed to the movable portion 208b of the X-axis linear guide and the movable portion 206b of the Y-axis linear guide. Note that the X-axis intermediate slider 206 and the Y-axis intermediate slider 208 can move independently of each other. When the X-axis intermediate slider 206 moves in the X-axis direction, the intermediate table 203 moves along with the X-axis direction. When the Y-axis intermediate slider 208 moves in the Y-axis direction, the intermediate table 203 moves along with the Y-axis direction.

図3A及び図3Bを参照して本発明による微小振動除去機構の構造を説明する。図3Aは、図3Bの切断線A−Aからみた本例の微小振動除去機構の平面構成を示す断面図である。図3Bは図3Aの切断線B−Bからみた本例の微小振動除去機構の断面構成を示す図である。図示のようにベース319の上面に沿って、X軸及びY軸をとり、垂直上方にZ軸をとる。   The structure of the minute vibration removing mechanism according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. FIG. 3A is a cross-sectional view showing a planar configuration of the micro-vibration removing mechanism of this example as viewed from the cutting line AA of FIG. FIG. 3B is a diagram showing a cross-sectional configuration of the micro-vibration removing mechanism of this example viewed from the cutting line BB in FIG. 3A. As shown, the X axis and the Y axis are taken along the upper surface of the base 319, and the Z axis is taken vertically upward.

本例の微小振動除去機構は、プレート状の固定部304と、それを囲むように配置された外枠可動部306と、を有する。外枠可動部306の上面に、トッププレート301が装着されている。外枠可動部306とトッププレート301は、固定部304に対して可動である。   The minute vibration removing mechanism of the present example includes a plate-like fixed portion 304 and an outer frame movable portion 306 arranged so as to surround it. A top plate 301 is mounted on the upper surface of the outer frame movable unit 306. The outer frame movable portion 306 and the top plate 301 are movable with respect to the fixed portion 304.

固定部304は、中間テーブル313の上に固定されている。中間テーブル313は、リニアモータ及びリニアモータを含むステージ機構317によりベース319に対してXY方向に可動である。   The fixing unit 304 is fixed on the intermediate table 313. The intermediate table 313 is movable in the XY directions with respect to the base 319 by a linear motor and a stage mechanism 317 including the linear motor.

本例では、固定部304、トッププレート301及び外枠可動部306の外形は、正方形である。固定部304と外枠可動部306の4つの側部は、X軸及びY軸方向に沿って配置されている。   In this example, the outer shape of the fixed portion 304, the top plate 301, and the outer frame movable portion 306 is a square. Four side portions of the fixed portion 304 and the outer frame movable portion 306 are arranged along the X-axis and Y-axis directions.

固定部304の外周の四隅と外枠可動部306の内周の四隅は、それぞれ、弾性支持部302a、302b、302c、302dによって接続されている。弾性支持部302a、302b、302c、302dは、固定部304に対して外枠可動部306を弾性支持することができれば、どのような構造又は材料によって構成してもよい。弾性支持部302a、302b、302c、302dは、固定部304又は外枠可動部306と同一材料によって構成してもよいが、それらの材料とは異なる材料によって構成してもよい。   The four corners of the outer periphery of the fixed portion 304 and the four corners of the inner periphery of the outer frame movable portion 306 are connected by elastic support portions 302a, 302b, 302c, and 302d, respectively. The elastic support portions 302a, 302b, 302c, and 302d may be formed of any structure or material as long as the outer frame movable portion 306 can be elastically supported with respect to the fixed portion 304. The elastic support portions 302a, 302b, 302c, and 302d may be made of the same material as the fixed portion 304 or the outer frame movable portion 306, but may be made of a material different from those materials.

弾性支持部302a、302b、302c、302dは、固定部304の対角線に沿って配置されている。弾性支持部302a、302b、302c、302dがX軸となす角をθとする。この角θは45度である。   The elastic support portions 302 a, 302 b, 302 c, and 302 d are disposed along the diagonal line of the fixed portion 304. An angle formed by the elastic support portions 302a, 302b, 302c, and 302d with the X axis is defined as θ. This angle θ is 45 degrees.

固定部304の4つの外側縁と外枠可動部306の4つの内側縁の間に、それぞれ、圧電アクチュエータ303a、303b、303c、303dが設けられている。1対のX軸圧電アクチュエータ303a、303bは、固定部304の両側に、X軸方向に沿って、且つ、同一直線上に沿って配置されている。同様に、1対のY軸圧電アクチュエータ303c、303dは、固定部304の両側に、Y軸方向に沿って、且つ、同一直線上に沿って配置されている。   Piezoelectric actuators 303a, 303b, 303c, and 303d are provided between the four outer edges of the fixed portion 304 and the four inner edges of the outer frame movable portion 306, respectively. The pair of X-axis piezoelectric actuators 303a and 303b are arranged on both sides of the fixed portion 304 along the X-axis direction and on the same straight line. Similarly, the pair of Y-axis piezoelectric actuators 303c and 303d are arranged on both sides of the fixed portion 304 along the Y-axis direction and on the same straight line.

X軸圧電アクチュエータ303a、303bの一方を伸張させ他方を収縮させることによって、外枠可動部306とトッププレート301は、固定部304に対して相対的にX方向に移動する。   By extending one of the X-axis piezoelectric actuators 303 a and 303 b and contracting the other, the outer frame movable portion 306 and the top plate 301 move relative to the fixed portion 304 in the X direction.

Y軸圧電アクチュエータ303c、303dの一方を伸張させ他方を収縮させることによって、外枠可動部306とトッププレート301は、固定部304に対して相対的にY方向に移動する。   By extending one of the Y-axis piezoelectric actuators 303 c and 303 d and contracting the other, the outer frame movable unit 306 and the top plate 301 move relative to the fixed unit 304 in the Y direction.

外枠可動部306が、固定部304に対して相対的に移動するとき、弾性支持部302a、302b、302c、302dは、弾性変形する。本例では、X方向およびY方向の案内を同一の弾性支持部で行えるため、X方向およびY方向でそれぞれ別々の案内機構を設ける必要がない。   When the outer frame movable portion 306 moves relative to the fixed portion 304, the elastic support portions 302a, 302b, 302c, and 302d are elastically deformed. In this example, since the guidance in the X direction and the Y direction can be performed by the same elastic support portion, it is not necessary to provide separate guide mechanisms in the X direction and the Y direction, respectively.

図4A及び図4Bを参照して本発明による微小振動除去機構の他の例の構造を説明する。図4Aは、図4Bの切断線A−Aからみた本例の微小振動除去機構の平面構成を示す断面図である。図4Bは図4Aの切断線B−Bからみた本例の微小振動除去機構の断面構成を示す図である。図示のようにベース319の上面に沿って、X軸及びY軸をとり、垂直上方にZ軸をとる。   The structure of another example of the minute vibration removing mechanism according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. 4A is a cross-sectional view showing a planar configuration of the micro-vibration removing mechanism of this example as viewed from the cutting line AA in FIG. 4B. FIG. 4B is a diagram showing a cross-sectional configuration of the micro-vibration removing mechanism of this example viewed from the cutting line BB of FIG. 4A. As shown, the X axis and the Y axis are taken along the upper surface of the base 319, and the Z axis is taken vertically upward.

本例の微小振動除去機構は、図3A及び図3Bを参照して説明した例と比較すると、本例では、固定部304とトッププレート301と外枠可動部306の外形は、長方形である点が異なる。弾性支持部302a、302b、302c、302dは、固定部304の対角線に沿って配置されている。弾性支持部302a、302b、302c、302dがX軸となす角をθとする。この角θは45度より小さい。従って、本例では、外枠可動部306のX方向の変位量よりもY方向の変位量が大きい。従って、本例の微小振動除去機構は、X方向よりもY方向の残留振動振幅が大きい試料ステージに好適である。この場合、可動部の共振周波数を必要以上に落とすことなく所望の変位量を実現できる。   Compared with the example described with reference to FIG. 3A and FIG. 3B, the minute vibration removing mechanism of this example has a rectangular outer shape in the fixed part 304, the top plate 301, and the outer frame movable part 306 in this example. Is different. The elastic support portions 302 a, 302 b, 302 c, and 302 d are disposed along the diagonal line of the fixed portion 304. An angle formed by the elastic support portions 302a, 302b, 302c, and 302d with the X axis is defined as θ. This angle θ is less than 45 degrees. Therefore, in this example, the displacement amount in the Y direction is larger than the displacement amount in the X direction of the outer frame movable portion 306. Therefore, the minute vibration removal mechanism of this example is suitable for a sample stage having a larger residual vibration amplitude in the Y direction than in the X direction. In this case, a desired amount of displacement can be realized without reducing the resonance frequency of the movable part more than necessary.

図5A及び図5Bを参照して本発明による微小振動除去機構の更に他の例の構造を説明する。図5Aは、図5Bの切断線A−Aからみた本例の微小振動除去機構の平面構成を示す断面図である。図5Bは図5Aの切断線B−Bからみた本例の微小振動除去機構の断面構成を示す図である。図示のようにベース319の上面に沿って、X軸及びY軸をとり、垂直上方にZ軸をとる。   The structure of still another example of the minute vibration removing mechanism according to the present invention will be described with reference to FIGS. 5A and 5B. FIG. 5A is a cross-sectional view showing a planar configuration of the micro-vibration removing mechanism of this example as viewed from the cutting line AA in FIG. 5B. FIG. 5B is a diagram showing a cross-sectional configuration of the micro-vibration removing mechanism of this example as viewed from the cutting line BB in FIG. 5A. As shown, the X axis and the Y axis are taken along the upper surface of the base 319, and the Z axis is taken vertically upward.

本例の微小振動除去機構は、プレート状の可動部314と、それを囲むように配置された外枠固定部316と、を有する。可動部314の上面に、トッププレート301が装着されている。可動部314とトッププレート301は、外枠固定部316に対して可動である。   The minute vibration removing mechanism of the present example includes a plate-like movable portion 314 and an outer frame fixing portion 316 disposed so as to surround the movable portion 314. A top plate 301 is mounted on the upper surface of the movable portion 314. The movable part 314 and the top plate 301 are movable with respect to the outer frame fixing part 316.

外枠固定部316は、中間テーブル313の上に固定されている。中間テーブル313は、リニアモータ及びリニアモータを含むステージ機構317によりベース319に対してXY方向に可動である。   The outer frame fixing part 316 is fixed on the intermediate table 313. The intermediate table 313 is movable in the XY directions with respect to the base 319 by a linear motor and a stage mechanism 317 including the linear motor.

本例では、外枠固定部316、トッププレート301及び可動部314の外形は、正方形である。外枠固定部316と可動部314の4つの側部は、X軸及びY軸方向に沿って配置されている。   In this example, the outer shape of the outer frame fixing portion 316, the top plate 301, and the movable portion 314 is a square. Four side portions of the outer frame fixing portion 316 and the movable portion 314 are arranged along the X-axis and Y-axis directions.

外枠固定部316の内周の四隅と可動部314の外周の四隅は、それぞれ、弾性支持部302a、302b、302c、302dによって接続されている。弾性支持部302a、302b、302c、302dは、外枠固定部316に対して可動部314を弾性支持することができれば、どのような構造又は材料によって構成してもよい。   The four corners on the inner periphery of the outer frame fixing portion 316 and the four corners on the outer periphery of the movable portion 314 are connected by elastic support portions 302a, 302b, 302c, and 302d, respectively. The elastic support portions 302a, 302b, 302c, and 302d may be configured by any structure or material as long as the movable portion 314 can be elastically supported by the outer frame fixing portion 316.

弾性支持部302a、302b、302c、302dは、外枠固定部316の対角線に沿って配置されている。弾性支持部302a、302b、302c、302dがX軸となす角をθとする。この角θは45度である。   The elastic support portions 302 a, 302 b, 302 c, and 302 d are disposed along the diagonal line of the outer frame fixing portion 316. An angle formed by the elastic support portions 302a, 302b, 302c, and 302d with the X axis is defined as θ. This angle θ is 45 degrees.

外枠固定部316の4つの内側縁と可動部314の4つの外側縁の間に、それぞれ、圧電アクチュエータ303a、303b、303c、303dが設けられている。1対のX軸圧電アクチュエータ303a、303bは、可動部314の両側に、X軸方向に沿って、且つ、同一直線上に沿って配置されている。同様に、1対のY軸圧電アクチュエータ303c、303dは、可動部314の両側に、Y軸方向に沿って、且つ、同一直線上に沿って配置されている。   Piezoelectric actuators 303a, 303b, 303c, and 303d are provided between the four inner edges of the outer frame fixing portion 316 and the four outer edges of the movable portion 314, respectively. The pair of X-axis piezoelectric actuators 303a and 303b are arranged on both sides of the movable portion 314 along the X-axis direction and on the same straight line. Similarly, the pair of Y-axis piezoelectric actuators 303c and 303d are arranged on both sides of the movable portion 314 along the Y-axis direction and on the same straight line.

X軸圧電アクチュエータ303a、303bの一方を伸張させ他方を収縮させることによって、可動部314とトッププレート301は、外枠固定部316に対して相対的にX方向に移動する。   By extending one of the X-axis piezoelectric actuators 303 a and 303 b and contracting the other, the movable portion 314 and the top plate 301 move relative to the outer frame fixing portion 316 in the X direction.

Y軸圧電アクチュエータ303c、303dの一方を伸張させ他方を収縮させることによって、可動部314とトッププレート301は、外枠固定部316に対して相対的にY方向に移動する。   By extending one of the Y-axis piezoelectric actuators 303c and 303d and contracting the other, the movable portion 314 and the top plate 301 move relative to the outer frame fixing portion 316 in the Y direction.

可動部314が、外枠固定部316に対して相対的に移動するとき、弾性支持部302a、302b、302c、302dは、弾性変形する。本例では、X方向およびY方向の案内を同一の弾性支持部で行えるため、X方向およびY方向でそれぞれ別々の案内機構を設ける必要がない。   When the movable portion 314 moves relative to the outer frame fixing portion 316, the elastic support portions 302a, 302b, 302c, and 302d are elastically deformed. In this example, since the guidance in the X direction and the Y direction can be performed by the same elastic support portion, it is not necessary to provide separate guide mechanisms in the X direction and the Y direction, respectively.

本例の微小振動除去機構では、弾性支持部と圧電アクチュエータを用いて、固定部に対する可動部の位置決めを行う。この場合、弾性支持部と圧電アクチュエータの配置には様々な形態が考えられる。ここで、弾性支持部は、トップテーブルのY軸方向の中心線の両側に対称的に配置されているものとする。トップテーブルにY軸回りの揺動、即ち、ピッチング方向の力が加わった場合に、Y軸回りのモーメント剛性Mは、次の式によって表わされる。   In the minute vibration removing mechanism of this example, the movable portion is positioned with respect to the fixed portion using the elastic support portion and the piezoelectric actuator. In this case, various forms can be considered for the arrangement of the elastic support portion and the piezoelectric actuator. Here, the elastic support portions are arranged symmetrically on both sides of the center line of the top table in the Y-axis direction. When a swing around the Y axis, that is, a force in the pitching direction is applied to the top table, the moment stiffness M around the Y axis is expressed by the following equation.

M=N×K×L 式1
ここに、Kは、弾性支持部のZ方向の剛性、Nは、弾性支持部の数である。Lは、回転中心と弾性支持部の間のX方向の距離である。
M = N × K × L Equation 1
Here, K is the rigidity of the elastic support portion in the Z direction, and N is the number of elastic support portions. L is the distance in the X direction between the center of rotation and the elastic support portion.

以下に、微小振動除去機構の幾つかの例を参照して、Y軸回りのモーメント剛性Mの計算例を説明する。これらの例では、圧電アクチュエータは、X軸方向に沿って両側に2個、Y軸方向に沿って両側に2個、合計4個設けられる。   Hereinafter, calculation examples of the moment stiffness M around the Y axis will be described with reference to some examples of the minute vibration removal mechanism. In these examples, a total of four piezoelectric actuators are provided, two on each side along the X-axis direction and two on both sides along the Y-axis direction.

図6Aに微小振動除去機構の例を示す。本例の微小振動除去機構は、中心の正方形の固定部414と、その周囲の内枠可動部415と、更にその周囲の外枠可動部416を有する。外枠可動部416にトップテーブル411(図6B)が装着されているが、図6Aでは、トップテーブル411の図示は省略されている。固定部414と内枠可動部415は、四隅のY軸弾性支持部412c、412dによって接続されている。Y軸弾性支持部412c、412dによって、内枠可動部415は、固定部414に対して、Y軸方向の移動が許される。   FIG. 6A shows an example of a minute vibration removing mechanism. The micro-vibration removing mechanism of this example includes a central square fixed portion 414, a surrounding inner frame movable portion 415, and a surrounding outer frame movable portion 416. Although the top table 411 (FIG. 6B) is attached to the outer frame movable portion 416, the top table 411 is not shown in FIG. 6A. The fixed portion 414 and the inner frame movable portion 415 are connected by Y-axis elastic support portions 412c and 412d at the four corners. By the Y-axis elastic support portions 412c and 412d, the inner frame movable portion 415 is allowed to move in the Y-axis direction with respect to the fixed portion 414.

内枠可動部415と外枠可動部416は、四隅のX軸弾性支持部412a、412bによって接続されている。X軸弾性支持部412a、412bによって、外枠可動部416は、内枠可動部415に対して、X軸方向の移動が許される。   The inner frame movable portion 415 and the outer frame movable portion 416 are connected by X-axis elastic support portions 412a and 412b at the four corners. The X-axis elastic support portions 412a and 412b allow the outer frame movable portion 416 to move in the X-axis direction with respect to the inner frame movable portion 415.

内枠可動部415と外枠可動部416の間に、X軸方向に沿って、1対のX軸圧電アクチュエータ413a、413bが装着されている。X軸圧電アクチュエータ413a、413bは、固定部414の両側に、同一直線上に沿って配置されている。同様に、固定部414と内枠可動部415の間に、Y軸方向に沿って、1対のY軸圧電アクチュエータが装着されている。   A pair of X-axis piezoelectric actuators 413a and 413b are mounted between the inner frame movable unit 415 and the outer frame movable unit 416 along the X-axis direction. The X-axis piezoelectric actuators 413a and 413b are arranged along the same straight line on both sides of the fixed portion 414. Similarly, a pair of Y-axis piezoelectric actuators are mounted between the fixed portion 414 and the inner frame movable portion 415 along the Y-axis direction.

図6Bを参照して、図6Aの微小振動除去機構のモーメント剛性を考察する。図6Bは、図6Aに示す微小振動除去機構の例の断面構造を模式化した図である。固定部414の両側に内枠可動部415が配置され、その両側に外枠可動部416が配置されている。固定部414と内枠可動部415の間には、それぞれ2個のY軸弾性支持部412c、412dが設けられている。内枠可動部415と外枠可動部416の間には、それぞれ2個のX軸弾性支持部412a、412bと1個の圧電アクチュエータ413a、413bが設けられている。   With reference to FIG. 6B, the moment stiffness of the minute vibration removal mechanism of FIG. 6A will be considered. FIG. 6B is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the example of the minute vibration removing mechanism shown in FIG. 6A. Inner frame movable portions 415 are disposed on both sides of the fixed portion 414, and outer frame movable portions 416 are disposed on both sides thereof. Two Y-axis elastic support portions 412c and 412d are provided between the fixed portion 414 and the inner frame movable portion 415, respectively. Two X-axis elastic support portions 412a and 412b and one piezoelectric actuator 413a and 413b are provided between the inner frame movable portion 415 and the outer frame movable portion 416, respectively.

ここで、X軸弾性支持部412a、412bとY軸弾性支持部412c、412dの各々のZ方向の剛性を全てKとし、圧電アクチュエータ413a、413bの各々のZ方向の剛性を全てKpとする。更に、内枠可動部415の幅(図6BでX軸方向の寸法)は十分小さいものとする。即ち、Y軸弾性支持部412c、X軸弾性支持部412a、及び、圧電アクチュエータ413aは、Y軸方向に沿って一直線上に配置されているとみなす。トップテーブル411にY軸回りのピッチング方向の力が加わった場合に、微小振動除去機構のモーメント剛性M1は、次の式によって求められる。   Here, the rigidity in the Z direction of each of the X-axis elastic support portions 412a and 412b and the Y-axis elastic support portions 412c and 412d is assumed to be K, and the rigidity in the Z direction of each of the piezoelectric actuators 413a and 413b is assumed to be Kp. Furthermore, the width of the inner frame movable portion 415 (the dimension in the X-axis direction in FIG. 6B) is sufficiently small. That is, the Y-axis elastic support portion 412c, the X-axis elastic support portion 412a, and the piezoelectric actuator 413a are considered to be arranged in a straight line along the Y-axis direction. When a force in the pitching direction around the Y axis is applied to the top table 411, the moment rigidity M1 of the minute vibration removing mechanism is obtained by the following equation.

M1={2K(2K+Kp)×L}/(4K+Kp) 式2
ここに、Kは、弾性支持部のZ方向の剛性、Kpは圧電アクチュエータのZ方向の剛性、である。Lは、両側の弾性支持部412a、412bの間のX方向の距離である。
M1 = {2K (2K + Kp) × L} / (4K + Kp) Equation 2
Here, K is the rigidity of the elastic support portion in the Z direction, and Kp is the rigidity of the piezoelectric actuator in the Z direction. L is a distance in the X direction between the elastic support portions 412a and 412b on both sides.

ここでは、内枠可動部415の幅(図6BでX軸方向の寸法)は、十分小さいものと仮定しているが、実際にはゼロではない。従って、固定部414と内枠可動部415の間のY軸弾性支持部412c、412dのモーメントの足の長さはL/2より小さい。従って、モーメント剛性M1の実際の値は、上述の式2によって求められる値より小さくなる。   Here, it is assumed that the width of the inner frame movable portion 415 (the dimension in the X-axis direction in FIG. 6B) is sufficiently small, but it is not actually zero. Accordingly, the length of the moment foot of the Y-axis elastic support portions 412c and 412d between the fixed portion 414 and the inner frame movable portion 415 is smaller than L / 2. Therefore, the actual value of the moment rigidity M1 is smaller than the value obtained by the above-described equation 2.

図7Aに微小振動除去機構の他の例を示す。本例の微小振動除去機構は、中心の正方形の固定部424と、その周囲の外枠可動部426を有する。外枠可動部426にトップテーブル421(図7B)が装着されているが、図7Aでは、トップテーブル421の図示は省略されている。   FIG. 7A shows another example of the minute vibration removing mechanism. The micro-vibration removing mechanism of this example includes a center square fixed portion 424 and an outer frame movable portion 426 around the center fixed portion 424. Although the top table 421 (FIG. 7B) is attached to the outer frame movable portion 426, the top table 421 is not shown in FIG. 7A.

固定部424の4つの外側部と外枠可動部426の4つの内側部の間に、それぞれ、弾性支持部と圧電アクチュエータが設けられている。1対のX軸弾性支持部422a、422bは、固定部424の両側に、X軸方向に沿って、且つ、同一直線上に沿って配置されている。1対のX軸圧電アクチュエータ423a、423bは、固定部424の両側に、X軸方向に沿って、且つ、同一直線上に沿って配置されている。   An elastic support portion and a piezoelectric actuator are provided between the four outer portions of the fixed portion 424 and the four inner portions of the outer frame movable portion 426, respectively. The pair of X-axis elastic support portions 422a and 422b are disposed on both sides of the fixed portion 424 along the X-axis direction and on the same straight line. The pair of X-axis piezoelectric actuators 423a and 423b are arranged on both sides of the fixed portion 424 along the X-axis direction and on the same straight line.

同様に、1対のY軸弾性支持部及び1対のY軸圧電アクチュエータは、固定部424の両側に、Y軸方向に沿って、且つ、同一直線上に沿って配置されている。   Similarly, the pair of Y-axis elastic support portions and the pair of Y-axis piezoelectric actuators are disposed on both sides of the fixed portion 424 along the Y-axis direction and on the same straight line.

図7Bを参照して、図7Aの微小振動除去機構のモーメント剛性を考察する。図7Bは、図7Aに示す微小振動除去機構の例の断面構造を模式化した図である。固定部424の両側に外枠可動部426が配置されている。固定部424と外枠可動部426の間には、それぞれY軸弾性支持部422a、422bと圧電アクチュエータ423a、423bが設けられている。   With reference to FIG. 7B, the moment stiffness of the minute vibration removal mechanism of FIG. 7A will be considered. FIG. 7B is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the example of the minute vibration removing mechanism shown in FIG. 7A. Outer frame movable portions 426 are disposed on both sides of the fixed portion 424. Between the fixed portion 424 and the outer frame movable portion 426, Y-axis elastic support portions 422a and 422b and piezoelectric actuators 423a and 423b are provided, respectively.

ここで、Y軸弾性支持部422a、422bの各々のZ方向の剛性を全てKとし、圧電アクチュエータ423a、423bの各々のZ方向の剛性を全てKpとする。更に、圧電アクチュエータ423a、423bの寸法は、十分小さいものとする。トップテーブル421にY軸回りのピッチング方向の力が加わった場合に、微小振動除去機構のモーメント剛性M2は、次の式によって求められる。   Here, the rigidity in the Z direction of each of the Y-axis elastic support portions 422a and 422b is all K, and the rigidity in the Z direction of each of the piezoelectric actuators 423a and 423b is all Kp. Furthermore, the dimensions of the piezoelectric actuators 423a and 423b are sufficiently small. When a force in the pitching direction around the Y axis is applied to the top table 421, the moment rigidity M2 of the minute vibration removing mechanism is obtained by the following equation.

M2=KL/(1+K/Kp) 式3
ここに、Kは、弾性支持部のZ方向の剛性、Kpは圧電アクチュエータのZ方向の剛性、である。Lは、両側の弾性支持部422a、422bの間のX方向の距離である。
M2 = KL / (1 + K / Kp) Equation 3
Here, K is the rigidity of the elastic support portion in the Z direction, and Kp is the rigidity of the piezoelectric actuator in the Z direction. L is a distance in the X direction between the elastic support portions 422a and 422b on both sides.

ここでは、圧電アクチュエータ423a、423bの寸法は、十分小さいものと仮定しているが、実際にはゼロではない。従って、モーメント剛性M2の実際の値は、上述の式3によって求められる値より小さくなる。   Here, it is assumed that the dimensions of the piezoelectric actuators 423a and 423b are sufficiently small, but they are not actually zero. Therefore, the actual value of the moment stiffness M2 is smaller than the value obtained by the above-described equation 3.

図8Aに図3Aに示した微小振動除去機構の例の概略を示す。本例の微小振動除去機構は、中心の正方形の固定部434と、その周囲の外枠可動部436とを有する。外枠可動部436にトップテーブル431(図8B)が装着されているが、図8Aでは、トップテーブル431の図示は省略されている。固定部434と外枠可動部436は、四隅の弾性支持部432a、432b、432c、432dによって接続されている。弾性支持部432a、432b、432c、432dは、固定部434の対角線に沿って配置されている。   FIG. 8A shows an outline of an example of the minute vibration removing mechanism shown in FIG. 3A. The minute vibration removing mechanism of the present example includes a central square fixed portion 434 and a surrounding outer frame movable portion 436. Although the top table 431 (FIG. 8B) is attached to the outer frame movable portion 436, the top table 431 is not shown in FIG. 8A. The fixed portion 434 and the outer frame movable portion 436 are connected by elastic support portions 432a, 432b, 432c, and 432d at four corners. The elastic support portions 432 a, 432 b, 432 c, and 432 d are disposed along the diagonal line of the fixed portion 434.

弾性支持部432a、432b、432c、432dによって、外枠可動部436は、固定部434に対して、X軸方向及びY軸方向の移動が許される。   The elastic support portions 432a, 432b, 432c, and 432d allow the outer frame movable portion 436 to move in the X-axis direction and the Y-axis direction with respect to the fixed portion 434.

固定部434と外枠可動部436の間に、X軸方向に沿って、1対のX軸圧電アクチュエータ433a、433bが装着されている。X軸圧電アクチュエータ433a、433bは、固定部434の両側に、同一直線上に沿って配置されている。同様に、固定部434と外枠可動部436の間に、Y軸方向に沿って、1対のY軸圧電アクチュエータが装着されている。   Between the fixed portion 434 and the outer frame movable portion 436, a pair of X-axis piezoelectric actuators 433a and 433b are mounted along the X-axis direction. The X-axis piezoelectric actuators 433a and 433b are arranged along the same straight line on both sides of the fixed portion 434. Similarly, a pair of Y-axis piezoelectric actuators are mounted between the fixed portion 434 and the outer frame movable portion 436 along the Y-axis direction.

図8Bを参照して、図8Aの微小振動除去機構のモーメント剛性を考察する。図8Bは、図8Aに示す微小振動除去機構の例の断面構造を模式化した図である。固定部434の両側に外枠可動部436が配置されている。固定部434と外枠可動部436の間には、それぞれ2個の弾性支持部432a、432bと1個の圧電アクチュエータ433a、433bが設けられている。   With reference to FIG. 8B, the moment stiffness of the minute vibration removal mechanism of FIG. 8A will be considered. FIG. 8B is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the example of the minute vibration removing mechanism shown in FIG. 8A. Outer frame movable parts 436 are arranged on both sides of the fixed part 434. Two elastic support portions 432a and 432b and one piezoelectric actuator 433a and 433b are provided between the fixed portion 434 and the outer frame movable portion 436, respectively.

ここで、弾性支持部432a、432b、432c、432dの各々のZ方向の剛性を全てKとし、圧電アクチュエータ433a、433bの各々のZ方向の剛性を全てKpとする。更に、圧電アクチュエータ423a、423bの寸法は、十分小さいものとする。トップテーブル431にY軸回りのピッチング方向の力が加わった場合に、微小振動除去機構のモーメント剛性M2は、次の式によって求められる。   Here, the rigidity of each of the elastic support portions 432a, 432b, 432c, and 432d in the Z direction is all K, and the rigidity of each of the piezoelectric actuators 433a and 433b is all Kp. Furthermore, the dimensions of the piezoelectric actuators 423a and 423b are sufficiently small. When a force in the pitching direction around the Y axis is applied to the top table 431, the moment rigidity M2 of the minute vibration removing mechanism is obtained by the following equation.

M3=(4K×L/2)+(2Kp×L/2)=(2K+Kp)L 式4
ここに、Kは、弾性支持部のZ方向の剛性、Kpは圧電アクチュエータのZ方向の剛性、である。Lは、両側の弾性支持部432a、432bの間のX方向の距離である。
M3 = (4K × L / 2) + (2Kp × L / 2) = (2K + Kp) L Equation 4
Here, K is the rigidity of the elastic support portion in the Z direction, and Kp is the rigidity of the piezoelectric actuator in the Z direction. L is a distance in the X direction between the elastic support portions 432a and 432b on both sides.

従って、図6A、図7A及び図8Aの微小振動除去機構のモーメント剛性M1、M2、M3を比較すると次のようになる。
M3>M1>M2
Therefore, the moment stiffnesses M1, M2, and M3 of the minute vibration eliminating mechanism shown in FIGS. 6A, 7A, and 8A are compared as follows.
M3>M1> M2

図8Aの微小振動除去機構と図6Aの例を比較すると、本例では、内枠可動部が設けられていないため、弾性支持部の数が少ない。従って、図8Aの微小振動除去機構の場合、弾性変形量を小さくすることができる。   Comparing the minute vibration removal mechanism of FIG. 8A and the example of FIG. 6A, in this example, since the inner frame movable part is not provided, the number of elastic support parts is small. Therefore, in the case of the minute vibration removing mechanism shown in FIG. 8A, the amount of elastic deformation can be reduced.

図8Aの微小振動除去機構と図7Aの例を比較すると、本例では、圧電アクチュエータが弾性変形しても、外枠可動部のピッチング方向の変形量は増加しない。更に、本例では、圧電アクチュエータと弾性支持部432a、432bは並列に配置されているから、対向する弾性支持部の間の距離をトップテーブルの寸法に対して大きくすることが可能である。これにより、本例では、外枠可動部の水平方向の駆動および案内を行いつつ、ピッチング方向のモーメント剛性を高めることが可能である。   Comparing the minute vibration removal mechanism of FIG. 8A and the example of FIG. 7A, in this example, even if the piezoelectric actuator is elastically deformed, the amount of deformation in the pitching direction of the outer frame movable portion does not increase. Furthermore, in this example, since the piezoelectric actuator and the elastic support portions 432a and 432b are arranged in parallel, the distance between the opposing elastic support portions can be increased with respect to the size of the top table. Thereby, in this example, it is possible to increase the moment rigidity in the pitching direction while driving and guiding the outer frame movable portion in the horizontal direction.

図9Aに圧電アクチュエータの印加電圧と変位の関係を示す。図9Aの横軸は圧電アクチュエータへの印加電圧、縦軸は変位である。図示のように圧電アクチュエータには、印加電圧が増加すると寸法が伸張するという特性を有するが、印加電圧と変位の関係は完全に線形ではなく、非線形である。即ち、圧電アクチュエータの印加電圧を増加させて、圧電アクチュエータの全長が伸ばすときの曲線と、印加電圧を減少させて全長を縮ませるときの曲線は異なり、ヒステリシス特性を有する。圧電アクチュエータの変位が増加する場合のほうが、圧電アクチュエータの変位が減少する場合よりも、印加電圧の変化に対する
感度が高い。即ち、圧電アクチュエータが伸びる場合の方が縮む場合よりも、印加電圧に対する感度が高い。
FIG. 9A shows the relationship between the applied voltage and displacement of the piezoelectric actuator. In FIG. 9A, the horizontal axis represents the voltage applied to the piezoelectric actuator, and the vertical axis represents the displacement. As shown in the figure, the piezoelectric actuator has a characteristic that the dimension expands as the applied voltage increases, but the relationship between the applied voltage and the displacement is not completely linear but nonlinear. That is, the curve when the applied voltage of the piezoelectric actuator is increased to increase the total length of the piezoelectric actuator is different from the curve when the applied voltage is decreased to shorten the total length, and has a hysteresis characteristic. When the displacement of the piezoelectric actuator increases, the sensitivity to changes in the applied voltage is higher than when the displacement of the piezoelectric actuator decreases. That is, the sensitivity to the applied voltage is higher when the piezoelectric actuator is extended than when the piezoelectric actuator is contracted.

一般に、圧電アクチュエータに対して負の印加電圧をかけると圧電アクチュエータが破損する可能性がある。そこで、圧電アクチュエータに負の電圧が印加されることを防止するために、例えば、+10V程度のバイアス電圧を印加する。このバイアス電圧を基準電圧V0とする。このときの圧電アクチュエータの基準位置をL0とする。基準電圧V0に対して、例えば、±10Vの範囲で印加電圧を付加すれば、印加電圧の範囲は0から20Vの正の範囲となり、圧電アクチュエータの破損を防止することができる。以下の説明において、印加電圧が正又は負とは、基準電圧V0に対して正又は負の意味であり、圧電アクチュエータに負の電圧が印加されることはない。   Generally, when a negative applied voltage is applied to the piezoelectric actuator, the piezoelectric actuator may be damaged. Therefore, in order to prevent a negative voltage from being applied to the piezoelectric actuator, for example, a bias voltage of about +10 V is applied. This bias voltage is set as a reference voltage V0. The reference position of the piezoelectric actuator at this time is L0. For example, if an applied voltage is added in a range of ± 10 V with respect to the reference voltage V0, the applied voltage range becomes a positive range of 0 to 20 V, and damage to the piezoelectric actuator can be prevented. In the following description, the applied voltage being positive or negative means positive or negative with respect to the reference voltage V0, and no negative voltage is applied to the piezoelectric actuator.

図9Bは、圧電アクチュエータに印加したステップ状の電圧の例を示す。図9Cは圧電アクチュエータの変位を示す。本例では、時刻0からTaまでは、印加電圧はV=V1(>0)であり、圧電アクチュエータの変位はL1(但しL1<L0)である。時刻TaからTbまでは、印加電圧はV=V2(但しV2>V1)であり、圧電アクチュエータの変位はL2となる。時刻Tbをすぎると、印加電圧はV=V1となり、圧電アクチュエータの変位はL1となる。上述のように、印加電圧を増加させるときの圧電アクチュエータの感度は比較的高いため、時刻Taにて、オーバーシュートが起きる。一方、印加電圧を減少させるときの圧電アクチュエータの感度は比較的低いため、時刻Tbにて、圧電アクチュエータの変位は、瞬時に元の値に戻るわけではない。   FIG. 9B shows an example of a stepped voltage applied to the piezoelectric actuator. FIG. 9C shows the displacement of the piezoelectric actuator. In this example, from time 0 to Ta, the applied voltage is V = V1 (> 0), and the displacement of the piezoelectric actuator is L1 (where L1 <L0). From time Ta to Tb, the applied voltage is V = V2 (where V2> V1), and the displacement of the piezoelectric actuator is L2. When the time Tb is passed, the applied voltage becomes V = V1, and the displacement of the piezoelectric actuator becomes L1. As described above, since the sensitivity of the piezoelectric actuator when the applied voltage is increased is relatively high, an overshoot occurs at time Ta. On the other hand, since the sensitivity of the piezoelectric actuator when the applied voltage is decreased is relatively low, the displacement of the piezoelectric actuator does not instantaneously return to the original value at time Tb.

一般に、単一の圧電アクチュエータを用いる制御系では、圧電アクチュエータがヒステリシス特性を有するため、電圧を増加させる場合と電圧を減少させる場合の双方の特性に対応した制御系のパラメータを用いる必要がある。この場合、単一の特性に対して最適なパラメータを用いて駆動する場合に比べて、制御系の周波数帯域を落とす必要がある。このように、単一の圧電アクチュエータを用いる制御系では、ヒステリシス特性が存在することにより、制御特性が悪化する。   In general, in a control system using a single piezoelectric actuator, since the piezoelectric actuator has a hysteresis characteristic, it is necessary to use parameters of the control system corresponding to both characteristics when the voltage is increased and when the voltage is decreased. In this case, it is necessary to reduce the frequency band of the control system as compared with the case where driving is performed using an optimum parameter for a single characteristic. As described above, in the control system using a single piezoelectric actuator, the hysteresis characteristic exists, so that the control characteristic is deteriorated.

一方、本発明によると、X方向およびY方向のそれぞれの駆動方向に対して、1対の圧電アクチュエータを用いる。更に、1対の圧電アクチュエータは、互いに対向して配置されており、互いに正負が逆の印加電圧を与える。従って、1対の圧電アクチュエータは、互いに逆方向に変位する。それによって、圧電アクチュエータのヒステリシス特性に起因した制御特性の悪化を回避することができる。   On the other hand, according to the present invention, a pair of piezoelectric actuators is used for each of the driving directions of the X direction and the Y direction. Further, the pair of piezoelectric actuators are arranged to face each other, and apply applied voltages having positive and negative signs opposite to each other. Accordingly, the pair of piezoelectric actuators are displaced in directions opposite to each other. Thereby, it is possible to avoid the deterioration of the control characteristics due to the hysteresis characteristics of the piezoelectric actuator.

図10A、図10B、図10C、図10D及び図10Eを参照して、本発明の微小振動除去機構における圧電アクチュエータの動作を説明する。例えば、図3の微小振動除去機構において、外枠可動部306をX軸の正の方向に変位させる場合を考える。図10Aに示すように、第1のX軸圧電アクチュエータ303aの印加電圧を減少させて全長を収縮させる。同時に、図10Bに示すように、第2のX軸圧電アクチュエータ303bの印加電圧を増加させて全長を伸張させる。それによって、外枠可動部306はX軸の正の方向に移動する。本例では、外枠可動部306が移動するとき、圧電アクチュエータのヒステリシス特性に起因した制御特性の悪化を回避することができる。ここでは、圧電アクチュエータにステップ状の電圧を加えた場合の圧電アクチュエータの変位の例を説明する。   With reference to FIGS. 10A, 10B, 10C, 10D, and 10E, the operation of the piezoelectric actuator in the minute vibration removing mechanism of the present invention will be described. For example, consider a case in which the outer frame movable unit 306 is displaced in the positive direction of the X axis in the minute vibration removal mechanism of FIG. As shown in FIG. 10A, the applied voltage of the first X-axis piezoelectric actuator 303a is decreased to contract the entire length. At the same time, as shown in FIG. 10B, the applied voltage of the second X-axis piezoelectric actuator 303b is increased to extend the entire length. Accordingly, the outer frame movable unit 306 moves in the positive direction of the X axis. In this example, when the outer frame movable unit 306 moves, it is possible to avoid deterioration of the control characteristics due to the hysteresis characteristics of the piezoelectric actuator. Here, an example of displacement of the piezoelectric actuator when a stepped voltage is applied to the piezoelectric actuator will be described.

図10Cは第1のX軸圧電アクチュエータ303aの印加電圧Vaの時間変化を示す。時刻0からTaまでは、印加電圧はVa=V2であるが、時刻Taに印加電圧をVa=V1(但しV2>V1>0)に減少させる。時刻TaからTbまでは、印加電圧はVa=V1(但しV1>0)であるが、時刻Tbに印加電圧をVa=V2に増加させる。図10Dは第2のX軸圧電アクチュエータ303bの印加電圧Vbの時間変化を示す。時刻0からTaまでは、印加電圧はVb=V1であるが、時刻Taに印加電圧をVb=V2(但しV2>V1>0)に増加させる。時刻TaからTbまでは、印加電圧はVb=V2であるが時刻Tbに印加電圧をVb=V1に減少させる。   FIG. 10C shows the time change of the applied voltage Va of the first X-axis piezoelectric actuator 303a. From time 0 to Ta, the applied voltage is Va = V2, but at time Ta, the applied voltage is decreased to Va = V1 (where V2> V1> 0). From time Ta to Tb, the applied voltage is Va = V1 (where V1> 0), but at time Tb, the applied voltage is increased to Va = V2. FIG. 10D shows the time change of the applied voltage Vb of the second X-axis piezoelectric actuator 303b. From time 0 to Ta, the applied voltage is Vb = V1, but at time Ta, the applied voltage is increased to Vb = V2 (where V2> V1> 0). From time Ta to Tb, the applied voltage is Vb = V2, but at time Tb, the applied voltage is decreased to Vb = V1.

図10Eは外枠可動部306のX軸方向の変位の時間変化を示す。時刻0からTaまでは、第1のX軸圧電アクチュエータ303aは伸張した状態にあり、第2のX軸圧電アクチュエータ303bは収縮した状態にある。従って、外枠可動部306は、基準位置L0よりX軸の負の方向の変位L1に配置されている。   FIG. 10E shows the change over time of the displacement of the outer frame movable unit 306 in the X-axis direction. From time 0 to Ta, the first X-axis piezoelectric actuator 303a is in an expanded state, and the second X-axis piezoelectric actuator 303b is in a contracted state. Therefore, the outer frame movable unit 306 is disposed at the displacement L1 in the negative direction of the X axis from the reference position L0.

時刻Taにおいて、第1のX軸圧電アクチュエータ303aは収縮し、同時に、第2のX軸圧電アクチュエータ303bは伸張する。第1のX軸圧電アクチュエータ303aの収縮動作が緩慢であっても、第2のX軸圧電アクチュエータ303bの伸張動作は迅速である。従って、時刻Taにおいて外枠可動部306は迅速に変位L2に移動する。   At time Ta, the first X-axis piezoelectric actuator 303a contracts, and at the same time, the second X-axis piezoelectric actuator 303b expands. Even if the contraction operation of the first X-axis piezoelectric actuator 303a is slow, the extension operation of the second X-axis piezoelectric actuator 303b is rapid. Accordingly, the outer frame movable portion 306 quickly moves to the displacement L2 at time Ta.

時刻TaからTbまでは、第1のX軸圧電アクチュエータ303aは収縮した状態にあり、第2のX軸圧電アクチュエータ303bは伸張した状態にある。従って、外枠可動部306は、基準位置L0よりX軸の正の方向の変位L2に配置されている。   From time Ta to Tb, the first X-axis piezoelectric actuator 303a is in a contracted state, and the second X-axis piezoelectric actuator 303b is in an expanded state. Therefore, the outer frame movable unit 306 is disposed at a displacement L2 in the positive direction of the X axis from the reference position L0.

時刻Tbにおいて、第1のX軸圧電アクチュエータ303aは伸張し、同時に、第2のX軸圧電アクチュエータ303bは収縮する。第2のX軸圧電アクチュエータ303bの収縮動作は緩慢であっても、第1のX軸圧電アクチュエータ303aの伸張動作は迅速である。従って、時刻Tbにおいて外枠可動部306は迅速に変位L1に移動する。   At time Tb, the first X-axis piezoelectric actuator 303a expands, and at the same time, the second X-axis piezoelectric actuator 303b contracts. Even if the contraction operation of the second X-axis piezoelectric actuator 303b is slow, the extension operation of the first X-axis piezoelectric actuator 303a is rapid. Accordingly, the outer frame movable portion 306 quickly moves to the displacement L1 at time Tb.

本例によると、外枠可動部306がX軸の正の方向に移動する場合も負の方向に移動する場合も、1対の圧電アクチュエータは互いに反対方向に駆動されるから、ヒステリシス特性の影響は打ち消し合う。そのため、外枠可動部306は迅速に駆動されることができる。   According to this example, since the pair of piezoelectric actuators are driven in opposite directions regardless of whether the outer frame movable unit 306 moves in the positive direction or the negative direction of the X axis, the influence of the hysteresis characteristics Cancel each other. Therefore, the outer frame movable unit 306 can be driven quickly.

図11に本発明の微小振動除去機構の制御系のブロック線図を示す。微小振動除去機構の制御系の伝達関数704をCp、微小振動除去機構の機構系の伝達関数703をPp、ステージの制御系の伝達関数702をCs、ステージの機構系の伝達関数701をPs、微小振動除去機構の機構系の逆特性705をPp’と定義する。位置指令値Xrefとトップテーブル位置の測定値Xの差を制御器Cpに入力し、制御器Cpの出力を機構Ppに入力することで微小振動除去機構が動作する。さらに、ステージの制御系Csへの入力から、制御器Cpの出力から得た微小振動除去機構の逆特性Pp’を減算することにより、ステージと微小振動除去機構の制御系同士が干渉することを防止する。   FIG. 11 shows a block diagram of a control system of the minute vibration removing mechanism of the present invention. The transfer function 704 of the control system of the minute vibration removal mechanism is Cp, the transfer function 703 of the mechanism system of the minute vibration removal mechanism is Pp, the transfer function 702 of the stage control system is Cs, the transfer function 701 of the stage mechanism system is Ps, The reverse characteristic 705 of the mechanism system of the minute vibration removing mechanism is defined as Pp ′. The difference between the position command value Xref and the measured value X of the top table position is input to the controller Cp, and the output of the controller Cp is input to the mechanism Pp, so that the minute vibration removing mechanism operates. Further, by subtracting the inverse characteristic Pp ′ of the minute vibration removal mechanism obtained from the output of the controller Cp from the input to the stage control system Cs, the control system of the stage and the minute vibration removal mechanism interfere with each other. To prevent.

ただし、このように干渉を防止するためには、微小振動除去機構がステージに対して十分高応答であることが必要である。このように、微小振動除去機構をステージの制御系と連携させることにより、圧電アクチュエータの平均印加電圧がバイアス電圧の値となるように、トップテーブルの変位に対して追従動作を行う。そのため、ドリフトなどの低周波かつ大振幅の振動によってトップテーブルの位置が微小振動除去機構の可動ストロークを越えることを防止できる。   However, in order to prevent interference in this way, it is necessary that the minute vibration removing mechanism has a sufficiently high response to the stage. In this way, by coordinating the minute vibration removing mechanism with the stage control system, the tracking operation is performed with respect to the displacement of the top table so that the average applied voltage of the piezoelectric actuator becomes the value of the bias voltage. Therefore, it is possible to prevent the position of the top table from exceeding the movable stroke of the minute vibration removing mechanism due to low frequency and large amplitude vibration such as drift.

図12に微小振動除去機構を測長SEMの位置決めステージに搭載した場合の測長シーケンスとステージのトップテーブルの振動の関係を示す。第1ステップS101にて、ステージ機構により、数十ミリメートルオーダの測長点へのステージ(中間テーブル)移動を行う。第2ステップS102にて、測長点へのアドレッシングが行われる。第3ステップ103にて、高倍率へのオートフォーカスが行われる。第4ステップ104にて、高倍率での画像取得が行われる。本例の微小振動除去機構は、高倍率での画像取得が行われるときに、ナノメートルオーダの微小残留振動801を抑制する。即ち、微小振動除去機構の制御は、測長シーケンスの高倍率での画像取得の範囲において動作を行う。しかし、その他の測長シーケンスにおいても図11の制御系を用いて微小振動除去を行うことにより、ステージの偏差が微小振動除去機構の可動ストローク以内であれば、トップテーブルの振動を抑制できる。   FIG. 12 shows the relationship between the length measurement sequence and the vibration of the top table of the stage when the minute vibration removal mechanism is mounted on the positioning stage of the length measurement SEM. In the first step S101, the stage (intermediate table) is moved to the measuring point on the order of several tens of millimeters by the stage mechanism. In the second step S102, addressing to the measuring point is performed. In the third step 103, autofocus to high magnification is performed. In the fourth step 104, image acquisition at a high magnification is performed. The minute vibration removal mechanism of this example suppresses minute residual vibration 801 on the order of nanometers when image acquisition at a high magnification is performed. That is, the control of the minute vibration removing mechanism operates in the range of image acquisition at a high magnification of the length measurement sequence. However, even in other length measurement sequences, by removing minute vibrations using the control system of FIG. 11, if the stage deviation is within the movable stroke of the minute vibration removing mechanism, the vibration of the top table can be suppressed.

図13に微小振動除去機構のその他の実施例の概略図を示す。図13は図5Aおよび図5Bのように、内側が可動部で外側が固定枠となった構造を例としている。内部構造を示すため透視図で図示し隠れ線を点線で示している。圧電アクチュエータ903と可動部901の間にロッド903を配置しており、圧電アクチュエータ903の押しつけ力をロッド903を介して可動部901に伝達する。さらに圧電アクチュエータ904は留め金905を用いて外枠固定部902に固定される。   FIG. 13 shows a schematic view of another embodiment of the minute vibration removing mechanism. FIG. 13 shows an example of a structure in which the inner side is a movable part and the outer side is a fixed frame, as in FIGS. 5A and 5B. In order to show the internal structure, a perspective view is shown, and hidden lines are shown by dotted lines. A rod 903 is disposed between the piezoelectric actuator 903 and the movable portion 901, and the pressing force of the piezoelectric actuator 903 is transmitted to the movable portion 901 via the rod 903. Further, the piezoelectric actuator 904 is fixed to the outer frame fixing portion 902 using a clasp 905.

図14に圧電アクチュエータ取り付け部の構造の例を示す。圧電アクチュエータ911は外枠固定部913の外側四面に設けられたピエゾ格納穴部912に格納される。この取り付け構造により、外枠固定部を四つに分割することなく、圧電アクチュエータとロッドを可動部915をX方向およびY方向の四方に囲むように配置することができる。これにより、ロッドを用いることによる外枠固定部の剛性低下を抑制することができる。   FIG. 14 shows an example of the structure of the piezoelectric actuator mounting portion. The piezoelectric actuator 911 is stored in a piezo storage hole 912 provided on the outer four surfaces of the outer frame fixing portion 913. With this attachment structure, the piezoelectric actuator and the rod can be disposed so as to surround the movable portion 915 in four directions in the X direction and the Y direction without dividing the outer frame fixing portion into four. Thereby, the rigidity fall of the outer frame fixing | fixed part by using a rod can be suppressed.

図15A及び図15Bを参照して図13に説明したロッドを用いた場合の微小振動除去機構の構造を説明する。図15Aは、図15Bの切断線A−Aからみた本例の微小振動除去機構の平面構成を示す断面図である。図15Bは図15Aの切断線B−Bからみた本例の微小振動除去機構の断面構成を示す図である。図示のようにベース929の上面に沿って、X軸及びY軸をとり、垂直上方にZ軸をとる。   With reference to FIGS. 15A and 15B, the structure of the minute vibration removing mechanism when the rod described in FIG. 13 is used will be described. FIG. 15A is a cross-sectional view showing a planar configuration of the micro-vibration removing mechanism of this example as viewed from the cutting line AA in FIG. 15B. FIG. 15B is a diagram showing a cross-sectional configuration of the micro-vibration removing mechanism of this example viewed from the cutting line BB in FIG. 15A. As shown in the drawing, the X axis and the Y axis are taken along the upper surface of the base 929, and the Z axis is taken vertically upward.

本例の微小振動除去機構は、プレート状の可動部926と、それを囲むように配置された外枠固定部925と、を有する。可動部926の上面に、トッププレート921が装着されている。可動部926とトッププレート921は、外枠固定部925に対して可動である。   The minute vibration removing mechanism of this example includes a plate-like movable portion 926 and an outer frame fixing portion 925 arranged so as to surround it. A top plate 921 is mounted on the upper surface of the movable portion 926. The movable portion 926 and the top plate 921 are movable with respect to the outer frame fixing portion 925.

外枠固定部925は、中間テーブル928の上に固定されている。中間テーブル928は、リニアモータ及びリニアモータを含むステージ機構930によりベース929に対してXY方向に可動である。   The outer frame fixing portion 925 is fixed on the intermediate table 928. The intermediate table 928 is movable in the XY direction with respect to the base 929 by a stage mechanism 930 including a linear motor and a linear motor.

本例では、外枠固定部925、トッププレート921及び可動部926の外形は、正方形である。外枠固定部925と可動部926の4つの側部は、X軸及びY軸方向に沿って配置されている。   In this example, the outer shape of the outer frame fixing portion 925, the top plate 921, and the movable portion 926 is a square. Four side portions of the outer frame fixing portion 925 and the movable portion 926 are arranged along the X-axis and Y-axis directions.

外枠固定部925の内周の四隅と可動部926の外周の四隅は、それぞれ、弾性支持部922a、922b、922c、922dによって接続されている。弾性支持部922a、922b、922c、922dは、外枠固定部925に対して可動部926を弾性支持することができれば、どのような構造又は材料によって構成してもよい。   The four inner corners of the outer frame fixing portion 925 and the four outer corners of the movable portion 926 are connected by elastic support portions 922a, 922b, 922c, and 922d, respectively. The elastic support portions 922a, 922b, 922c, and 922d may be formed of any structure or material as long as the movable portion 926 can be elastically supported with respect to the outer frame fixing portion 925.

弾性支持部922a、922b、922c、922dは、外枠固定部925の対角線に沿って配置されている。弾性支持部922a、922b、922c、922dがX軸となす角をθとする。この角θは45度である。   The elastic support portions 922 a, 922 b, 922 c, and 922 d are disposed along the diagonal line of the outer frame fixing portion 925. The angle formed by the elastic support portions 922a, 922b, 922c, 922d and the X axis is θ. This angle θ is 45 degrees.

外枠固定部925の4つの内側縁と可動部926の4つの外側縁の間に、それぞれ、圧電アクチュエータ923a、923b、923c、923dおよびロッド924a、924b、924c、924dが設けられている。圧電アクチュエータ923aにはロッド924aが接し、圧電アクチュエータ923bにはロッド924bが接し、圧電アクチュエータ923cにはロッド924cが接し、圧電アクチュエータ923dにはロッド924dが接している。各ロッド924a、924b、924c、924dは可動部926を囲むように配置されている。   Piezoelectric actuators 923a, 923b, 923c, and 923d and rods 924a, 924b, 924c, and 924d are provided between the four inner edges of the outer frame fixing portion 925 and the four outer edges of the movable portion 926, respectively. The rod 924a is in contact with the piezoelectric actuator 923a, the rod 924b is in contact with the piezoelectric actuator 923b, the rod 924c is in contact with the piezoelectric actuator 923c, and the rod 924d is in contact with the piezoelectric actuator 923d. Each rod 924a, 924b, 924c, 924d is arranged so as to surround the movable portion 926.

1対のX軸圧電アクチュエータ923a、923bおよびロッド924a、924bは、可動部926の両側に、X軸方向に沿って、且つ、同一直線上に沿って配置されている。同様に、1対のY軸圧電アクチュエータ923c、923dおよびロッド924c、924dは、可動部926の両側に、Y軸方向に沿って、且つ、同一直線上に沿って配置されている。   The pair of X-axis piezoelectric actuators 923a and 923b and the rods 924a and 924b are arranged on both sides of the movable portion 926 along the X-axis direction and on the same straight line. Similarly, the pair of Y-axis piezoelectric actuators 923c and 923d and the rods 924c and 924d are disposed on both sides of the movable portion 926 along the Y-axis direction and on the same straight line.

X軸圧電アクチュエータ923a、923bの一方を伸張させ他方を収縮させることによって、可動部926とトッププレート921は、外枠固定部925に対して相対的にX方向に移動する。   By extending one of the X-axis piezoelectric actuators 923 a and 923 b and contracting the other, the movable portion 926 and the top plate 921 move in the X direction relative to the outer frame fixing portion 925.

Y軸圧電アクチュエータ923c、923dの一方を伸張させ他方を収縮させることによって、可動部926とトッププレート921は、外枠固定部925に対して相対的にY方向に移動する。   By extending one of the Y-axis piezoelectric actuators 923c and 923d and contracting the other, the movable portion 926 and the top plate 921 move relative to the outer frame fixing portion 925 in the Y direction.

可動部926が、外枠固定部925に対して相対的に移動するとき、弾性支持部922a、922b、922c、922dは、弾性変形する。本例では、X方向およびY方向の案内を同一の弾性支持部で行えるため、X方向およびY方向でそれぞれ別々の案内機構を設ける必要がない。   When the movable portion 926 moves relative to the outer frame fixing portion 925, the elastic support portions 922a, 922b, 922c, and 922d are elastically deformed. In this example, since the guidance in the X direction and the Y direction can be performed by the same elastic support portion, it is not necessary to provide separate guide mechanisms in the X direction and the Y direction, respectively.

圧電アクチュエータ923a、923b、923c、923dとロッド924a、924b、924c、924dの配置は、入れ替えることが可能であり、圧電アクチュエータ923a、923b、923c、923dの両側にロッドを配置することも可能である。ただし、圧電アクチュエータ923a、923b、923c、923dには駆動電圧を印加するための配線を接続する必要があるため、図15Aおよび図15Bに示すように、圧電アクチュエータ923a、923b、923c、923dをロッド924a、924b、924c、924dの外側に配置することが望ましい。   The arrangement of the piezoelectric actuators 923a, 923b, 923c, 923d and the rods 924a, 924b, 924c, 924d can be interchanged, and the rods can be arranged on both sides of the piezoelectric actuators 923a, 923b, 923c, 923d. . However, since it is necessary to connect wiring for applying a driving voltage to the piezoelectric actuators 923a, 923b, 923c, and 923d, the piezoelectric actuators 923a, 923b, 923c, and 923d are connected to the rods as shown in FIGS. 15A and 15B. It is desirable to dispose outside of 924a, 924b, 924c, and 924d.

図16A及び図16Bを参照して図15Aおよび図15Bと同様の形状でロッドを使わない場合の例を示す。図16Aは、図16Bの切断線A−Aからみた本例の微小振動除去機構の平面構成を示す断面図である。図16Bは図16Aの切断線B−Bからみた本例の微小振動除去機構の断面構成を示す図である。図示のようにベース929の上面に沿って、X軸及びY軸をとり、垂直上方にZ軸をとる。   An example in which a rod is not used in the same shape as in FIGS. 15A and 15B will be described with reference to FIGS. 16A and 16B. FIG. 16A is a cross-sectional view showing a planar configuration of the micro-vibration removing mechanism of this example as viewed from the cutting line AA in FIG. 16B. FIG. 16B is a diagram showing a cross-sectional configuration of the micro-vibration removing mechanism of this example as viewed from the cutting line BB in FIG. 16A. As shown in the drawing, the X axis and the Y axis are taken along the upper surface of the base 929, and the Z axis is taken vertically upward.

本例の微小振動除去機構は、図15A及び図15Bを参照して説明した例と比較すると、本例では、外枠固定部925と可動部926の間にある圧電アクチュエータ923a、923b、923c、923dのみがありロッドが配置されていない点が異なる。ただし、外枠固定部925と可動部926の上面の形状は図15A及び図15Bの例と同形状する。   Compared with the example described with reference to FIG. 15A and FIG. 15B, the minute vibration removal mechanism of this example has piezoelectric actuators 923 a, 923 b, 923 c between the outer frame fixing part 925 and the movable part 926 in this example. The only difference is that there is only 923d and no rod is arranged. However, the shapes of the upper surfaces of the outer frame fixing portion 925 and the movable portion 926 are the same as those in the example of FIGS. 15A and 15B.

図17A、図15A及び図15Bのロッドを用いた微小振動除去機構の可動部926が同じ量だけ変位した場合の変形の様子を示す。また、図17Bに、図16A及び図16Bのロッドを用いない微小振動除去機構の可動部926が変位した場合の変形の様子を示す。図17Aでは、圧電アクチュエータ923aが収縮し、圧電アクチュエータ923bが伸長して、ロッド924a及び924bを介して可動部926に力が与えられX方向の変位を与えている。図17Bでは、圧電アクチュエータ923aが収縮し、圧電アクチュエータ923bが伸長して、可動部926に力が与えられX方向の変位を与えている。図17Aでは、Y方向に平行なロッド924c、924dが存在しせん断変形することにより、圧電アクチュエータ923a、923bのせん断変形が、図17Bの圧電アクチュエータ923cに比べて小さく抑えられる。すなわち、図17Bでは圧電アクチュエータ923c、923dに直接せん断応力がかかるが、図17Aでは圧電アクチュエータ923c、923dにかかるせん断応力が抑制される。圧電アクチュエータには、一般的に圧電セラミクスを積層したアクチュエータが用いられ、圧電セラミクス間は接着材により固定されているため、せん断負荷に対して弱い。すなわち、図17Aのようにロッドを用いてせん断負荷を逃がす構造を採用することにより、圧電アクチュエータの破損を防ぐ効果が期待できる。また、圧電アクチュエータにかけられるせん断応力に制限値を設けるとすると、図17Aのロッドを用いた微小振動除去機構の方が可動部926のストローク拡大に有効である。   17A shows a state of deformation when the movable portion 926 of the minute vibration removing mechanism using the rod of FIGS. 17A, 15A, and 15B is displaced by the same amount. FIG. 17B shows a state of deformation when the movable portion 926 of the minute vibration removal mechanism that does not use the rod of FIGS. 16A and 16B is displaced. In FIG. 17A, the piezoelectric actuator 923a contracts and the piezoelectric actuator 923b expands, and a force is applied to the movable portion 926 via the rods 924a and 924b to apply displacement in the X direction. In FIG. 17B, the piezoelectric actuator 923a contracts and the piezoelectric actuator 923b expands, and a force is applied to the movable portion 926 to apply displacement in the X direction. In FIG. 17A, rods 924c and 924d parallel to the Y direction exist and undergo shear deformation, so that the shear deformation of the piezoelectric actuators 923a and 923b is suppressed to be smaller than that of the piezoelectric actuator 923c of FIG. 17B. That is, in FIG. 17B, shear stress is directly applied to the piezoelectric actuators 923c and 923d, but in FIG. 17A, shear stress applied to the piezoelectric actuators 923c and 923d is suppressed. As the piezoelectric actuator, an actuator in which piezoelectric ceramics are laminated is generally used, and since the piezoelectric ceramics are fixed by an adhesive, it is weak against a shear load. That is, by adopting a structure in which a shear load is released using a rod as shown in FIG. 17A, an effect of preventing breakage of the piezoelectric actuator can be expected. If a limit value is set for the shear stress applied to the piezoelectric actuator, the micro-vibration removing mechanism using the rod in FIG. 17A is more effective for expanding the stroke of the movable portion 926.

以上の可動部の最大ストローク拡大により、微小振動除去機構のみでも、ある程度のステージのドリフトの補正が可能となるため、図12の制御シーケンスにおける高倍率での画像取得時において、リニアモータなどの粗動用のアクチュエータの推力を遮断して、微小振動除去機構のみで、テーブルの位置決めを行うことが可能となる。これにより、位置決め後の粗動用のアクチュエータから発生する微小振動外乱を排除することが可能となり、停止精度のさらなる向上が可能である。   Since the maximum stroke expansion of the movable part described above makes it possible to correct the stage drift to some extent even with only the minute vibration removal mechanism, when acquiring an image at a high magnification in the control sequence of FIG. The thrust of the moving actuator can be cut off, and the table can be positioned only by the minute vibration removing mechanism. As a result, it is possible to eliminate the minute vibration disturbance generated from the coarse movement actuator after positioning, and the stop accuracy can be further improved.

図18Aにロッドの長さと圧電アクチュエータの長さ、ならびに可動部の変位の関係について示す。ここでは、可動部には圧電アクチュエータのストローク以下の変位しか生じないため、変位が十分小さいことを考慮して、ロッド及びピエゾに生じる変形は、せん断変形のみを考え、曲げ変形については無視できるものとする。可動部の変位がΔxとし、圧電アクチュエータのひずみをγp、ロッドのひずみをγrとすると、圧電アクチュエータの長さLpとロッドの長さLrを用いて、可動部の変位Δxは、
Δx = γr×Lr + γp×Lp 式5
と表される。また、圧電アクチュエータにかかるせん断応力をτpとし、ロッドにかかるせん断応力をτrとすると、圧電アクチュエータのせん断剛性Gpと、ロッドのせん断剛性Grを用いて、τpとτrはそれぞれ、
τp = Gp×γp 式6
τr = Gr×γr 式7
と表される。さらに、ロッドと圧電アクチュエータのせん断力のつり合いから、
τr×Ar = τp×Ap 式8
が成り立つため、式8に式5、式6、式7を代入して、τr、γp、γrを消去すると、可動部の変位Δxと、圧電アクチュエータにかかるせん断応力τpとの間の
Δx = (Lr/Gr × Ap/Ar + Lp/Gp)×τp 式9
のような関係が導かれる。
FIG. 18A shows the relationship between the length of the rod, the length of the piezoelectric actuator, and the displacement of the movable part. Here, since the displacement of the movable part is less than the stroke of the piezoelectric actuator, considering the fact that the displacement is sufficiently small, the deformation that occurs in the rod and piezo can only be considered as shear deformation, and bending deformation can be ignored. And If the displacement of the movable part is Δx, the strain of the piezoelectric actuator is γp, and the strain of the rod is γr, the displacement Δx of the movable part is obtained using the length Lp of the piezoelectric actuator and the length Lr of the rod.
Δx = γr × Lr + γp × Lp Equation 5
It is expressed. Also, assuming that the shear stress applied to the piezoelectric actuator is τp and the shear stress applied to the rod is τr, using the shear stiffness Gp of the piezoelectric actuator and the shear stiffness Gr of the rod, τp and τr are respectively
τp = Gp × γp Equation 6
τr = Gr × γr Equation 7
It is expressed. Furthermore, from the balance of the shearing force of the rod and the piezoelectric actuator,
τr × Ar = τp × Ap Equation 8
Therefore, substituting Equation 5, Equation 6, and Equation 7 into Equation 8 to eliminate τr, γp, γr, Δx = (between the displacement Δx of the movable part and the shear stress τp applied to the piezoelectric actuator) Lr / Gr × Ap / Ar + Lp / Gp) × τp Equation 9
Such a relationship is derived.

ここで、圧電アクチュエータの長さLpを20mmとし、圧電アクチュエータのせん断剛性を115N/μmとした場合の、微小振動除去機構の可動部の最大ストロークを計算を行った。圧電アクチュエータは、直径5.5mm程度の圧電セラミクスを直径20mm厚み0.3mmのステンレスケースで覆われた構造のものを使用した場合と仮定した。圧電アクチュエータのせん断方向の強度については、接着材の剥離せん断応力5N/mm^2に対して、繰り返し荷重であることを考慮して安全率20で割った値として、0.25N/mm^2と仮定した。以上の条件から、圧電アクチュエータに繰り返しかけることが可能なせん断応力をτpcとすると、可動部の変位Δxの最大値、すなわち可動部の最大ストロークΔxcは、
Δxc = (Lr/Gr × Ap/Ar + Lp/Gp)×τpc 式10
と表される。
Here, the maximum stroke of the movable part of the minute vibration removing mechanism was calculated when the length Lp of the piezoelectric actuator was 20 mm and the shear rigidity of the piezoelectric actuator was 115 N / μm. The piezoelectric actuator was assumed to have a structure in which a piezoelectric ceramic having a diameter of about 5.5 mm was covered with a stainless steel case having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.3 mm. The strength in the shearing direction of the piezoelectric actuator is 0.25 N / mm ^ 2 as a value obtained by dividing the peeling shear stress of the adhesive 5 N / mm ^ 2 by a safety factor 20 in consideration of the repeated load. Assumed. From the above conditions, when the shear stress that can be repeatedly applied to the piezoelectric actuator is τpc, the maximum value of the displacement Δx of the movable part, that is, the maximum stroke Δxc of the movable part is
Δxc = (Lr / Gr × Ap / Ar + Lp / Gp) × τpc Equation 10
It is expressed.

図18Bに、ロッドの長さLrを変化させた場合の可動部の最大ストロークΔxcの値の変化を示す。ロッドの長さLrが0mmすなわちロッドを用いない場合は、可動部の最大ストロークが20nm以下となることに対して、ロッドの長さLrを例えば80mmとすることで可動部の最大ストロークを約70nm程度に延長することが可能である。また、このグラフの傾きはロッドのせん断剛性を小さくすることで増大するため、せん断剛性の小さいロッドを用いることで可動部の最大ストロークをさらに増大させることが可能である。ただし、ロッドの縦剛性が低下すると圧電アクチュエータの変位がロッドで吸収され可動部に伝わらなくなる問題や、ロッドの固有振動数が低下し共振が生じる恐れがあるため、せん断剛性のみを低下させ、縦剛性を低下させないことが望ましい。   FIG. 18B shows a change in the value of the maximum stroke Δxc of the movable part when the rod length Lr is changed. When the rod length Lr is 0 mm, that is, when the rod is not used, the maximum stroke of the movable part is 20 nm or less, whereas the maximum stroke of the movable part is about 70 nm by setting the rod length Lr to 80 mm, for example. It is possible to extend to the extent. Further, since the inclination of this graph increases by reducing the shear rigidity of the rod, the maximum stroke of the movable part can be further increased by using a rod having a small shear rigidity. However, if the longitudinal rigidity of the rod decreases, the displacement of the piezoelectric actuator is absorbed by the rod and cannot be transmitted to the movable part, or the natural frequency of the rod may decrease and resonance may occur. It is desirable not to reduce the stiffness.

図19にロッドの形状を工夫することで、せん断剛性を低下させる構造の例を示す。ロッド931を抜き出して拡大した略図を拡大図932に示す。柱状のロッド933は、例えば円柱状あるいは角柱状の中実の形状をしている。この柱状のロッド933を、Y方向に平行な板状構造物を重ねた平行ばね構造のロッド934のような形に形状変更することで、Y方向の剛性を低下させることなく、X方向のせん断方向の剛性を低下させることが可能である。ただし、柱状ロッド933と平行ばね構造のロッド934では、Y方向に垂直な平面での断面積は等しいものとする。これにより、式10のGrの値を小さくすることが可能であるため、図18Bのグラフの傾きを増大させることができる。すなわち、ロッドの長さを長くすることで、可動部の最大ストロークが拡大する効果の増大が期待される。   FIG. 19 shows an example of a structure that reduces the shear rigidity by devising the shape of the rod. An enlarged view of the enlarged view of the rod 931 is shown in FIG. The columnar rod 933 has, for example, a solid shape such as a columnar shape or a prismatic shape. By changing the shape of this columnar rod 933 into a shape like a rod 934 having a parallel spring structure in which plate-like structures parallel to the Y direction are stacked, shearing in the X direction is performed without reducing the rigidity in the Y direction. It is possible to reduce the directional stiffness. However, the columnar rod 933 and the parallel spring structure rod 934 have the same cross-sectional area in a plane perpendicular to the Y direction. Thereby, since the value of Gr in Expression 10 can be reduced, the slope of the graph in FIG. 18B can be increased. That is, by increasing the length of the rod, it is expected that the effect of increasing the maximum stroke of the movable part is increased.

ロッドの形状を変化させることと同様に、ロッドを構成する材質を変えてせん断剛性Grを小さくすることでも同様の効果が得られる。つまり、ロッドの材料に、異方性のヤング率を持つ材料を使用することが有効である。材料の例としては、ばね用のステンレス鋼などの圧延材や、内部に繊維を含ませているFRPなどが挙げられる。これらの異方性のヤング率を持つ材料を、ヤング率が大きい方向を圧電アクチュエータからの圧縮力がかかる方向に、ヤング率が小さい方向を可動部が変位する方向となるようにロッドを製作すれば、圧電アクチュエータのせん断負荷を抑えて可動部のストロークを向上させることが可能である。   Similar to changing the shape of the rod, the same effect can be obtained by changing the material constituting the rod to reduce the shear rigidity Gr. That is, it is effective to use a material having an anisotropic Young's modulus for the rod material. Examples of the material include a rolled material such as stainless steel for springs, and FRP containing fibers inside. For these materials with anisotropic Young's modulus, the rod should be manufactured so that the direction in which the Young's modulus is large is the direction in which the compressive force from the piezoelectric actuator is applied, and the direction in which the Young's modulus is small is the direction in which the movable part is displaced. For example, it is possible to suppress the shear load of the piezoelectric actuator and improve the stroke of the movable part.

図20は、可動部926に切欠を設けてロッド924a、924b、924c、924dの長さを長くした場合の微小振動除去機構の例である。図15A及び図15Bに示した構造では、可動部926の上面の面積を小さくすることでロッド924a、924b、924c、924dの長さを長くすることが可能である反面、可動部926の上面の面積を小さくすると、弾性支持部922a、922b、923c、924dの間のそれぞれの距離が小さくなり、モーメント剛性が低下する恐れがある。そこで、図20のように可動部にロッドが入る大きさの切り欠き、あるいは穴を設けることで、弾性支持部922a、922b、923c、924dの間の距離を保ったまま、ロッド924a、924b、924c、924dの長さを長くすることが可能である。すなわち、モーメント剛性を保ったまま、可動部926が変位した場合の圧電アクチュエータ923a、923b、923c、923dにかかるせん断応力を抑えることが可能である。   FIG. 20 shows an example of a minute vibration removal mechanism in which a notch is provided in the movable portion 926 to increase the length of the rods 924a, 924b, 924c, and 924d. In the structure shown in FIGS. 15A and 15B, the length of the rods 924a, 924b, 924c, and 924d can be increased by reducing the area of the upper surface of the movable portion 926, but on the upper surface of the movable portion 926. If the area is reduced, the distances between the elastic support portions 922a, 922b, 923c, and 924d are reduced, and the moment rigidity may be reduced. Therefore, as shown in FIG. 20, by providing a notch or hole of a size that allows the rod to enter the movable part, the rods 924a, 924b, 924b, 924a, 924b, while maintaining the distance between the elastic support parts 922a, 922b, 923c, 924d It is possible to increase the length of 924c and 924d. That is, it is possible to suppress shear stress applied to the piezoelectric actuators 923a, 923b, 923c, and 923d when the movable portion 926 is displaced while maintaining the moment rigidity.

図21に、ひとつの方向の圧電アクチュエータおよびロッドを複数に増やし回転方向の制御を可能とする微小振動除去機構の例である。図21では、+X方向の押しつけ力を与える圧電アクチュエータ923bの隣に、圧電アクチュエータ923eを追加し、ロッド924bと平行なロッド924eを追加している。圧電アクチュエータ923eを圧電アクチュエータ923bよりも相対的に伸ばすことで、可動部926に対してZ軸周りに時計回りの方向に回転力を与えることが可能となり、ヨーイング方向の制御が可能となる。   FIG. 21 shows an example of a minute vibration removal mechanism that increases the number of piezoelectric actuators and rods in one direction and enables control in the rotational direction. In FIG. 21, a piezoelectric actuator 923e is added next to the piezoelectric actuator 923b that gives a pressing force in the + X direction, and a rod 924e parallel to the rod 924b is added. By extending the piezoelectric actuator 923e relative to the piezoelectric actuator 923b, a rotational force can be applied to the movable portion 926 in the clockwise direction around the Z axis, and the yawing direction can be controlled.

図22に、可動部901の下側に、Z方向に垂直な方向に圧電アクチュエータ944fと、留め金945fと、ロッド943fを配置した微小振動除去機構の構成の例である。Z方向の圧電アクチュエータ944fを伸縮させることにより、可動部901をZ方向に変位させることが可能である。可動部901は弾性支持部946により支持されている。可動部901をX方向およびY方向に変位させる場合は、圧電アクチュエータ944fにかかるせん断応力はロッド943fにより抑制され、可動部901をZ方向に変位させる場合は、ロッド943aにより、圧電アクチュエータ944aにかかるせん断応力が抑制される。   FIG. 22 shows an example of the configuration of a minute vibration removing mechanism in which a piezoelectric actuator 944f, a clasp 945f, and a rod 943f are arranged below the movable portion 901 in a direction perpendicular to the Z direction. The movable portion 901 can be displaced in the Z direction by expanding and contracting the Z direction piezoelectric actuator 944f. The movable part 901 is supported by an elastic support part 946. When the movable part 901 is displaced in the X direction and the Y direction, the shear stress applied to the piezoelectric actuator 944f is suppressed by the rod 943f, and when the movable part 901 is displaced in the Z direction, the rod 943a applies the piezoelectric actuator 944a. Shear stress is suppressed.

以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは、当業者によって容易に理解されよう。   Although the examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described examples, and it is easy for those skilled in the art to make various modifications within the scope of the invention described in the claims. Will be understood.

11 鏡筒
12 真空チャンバ
101 トップテーブル
102 微小振動除去機構
102a 圧電アクチュエータ
102b 固定部材
103 中間テーブル(ステージ)
107 ステージ機構
110 試料
111 平面ミラー
112 レーザ干渉計
113 制御部
201 トップテーブル
202 微小振動除去機構
203 中間テーブル
205 ベース
206 X軸中間スライダ
206a Y軸リニアガイドのレール
206b Y軸リニアガイドの可動部
208 Y軸中間スライダ
208a X軸リニアガイドのレール
208b X軸リニアガイドの可動部
208c X軸リニアガイドのレール
208d X軸リニアガイドの可動部
208e X軸リニアモータ
209a Y軸リニアガイドのレール
209b Y軸リニアガイドの可動部
209e Y軸リニアモータ
210 ウェハ
211a X軸平面ミラー
211b Y軸平面ミラー
212a X軸レーザ干渉計
212b Y軸レーザ干渉計
301 トップテーブル
302a、302b、302c、302d 弾性支持部
303a、303b X軸圧電アクチュエータ
303c、303d Y軸圧電アクチュエータ
304 固定部
306 外枠可動部
313 中間テーブル
314 可動部
316 外枠固定部
317 ステージ機構
319 ベース
411 トップテーブル
412a、412b X軸弾性支持部
412c、412d Y軸弾性支持部
413a、413b 圧電アクチュエータ
414 固定部
415 内枠可動部
416 外枠可動部
421 トップテーブル
422a、422b 弾性支持部
423a、423b 圧電アクチュエータ
424 固定部
426 外枠可動部
431 トップテーブル
432a、432b、432c、432d 弾性支持部
433a、433b 圧電アクチュエータ
434 固定部
436 外枠可動部
701 ステージの機構系の伝達関数
702 ステージの制御系の伝達関数
703 微小振動除去機構の機構系の伝達関数
704 微小振動除去機構の制御系の伝達関数
705 微小振動除去機構の機構系の逆特性
801 微小残留振動
901 内側可動部
902 外枠可動部
903 ロッド
904 圧電アクチュエータ
905 留め金
906 弾性支持部
911 圧電アクチュエータ
912 ピエゾ格納穴部
913 外枠固定部
914 留め金
915 可動部
921 トッププレート
922a、922b、923c、924d 弾性支持部
923a、923b、923c、923d 圧電アクチュエータ
924a、924b、924c、924d ロッド
925 外枠固定部
926 可動部
927a、927b、927c、927d 留め金
928 中間テーブル
929 ベース
930 ステージ機構
923e 追加圧電アクチュエータ
931 ロッド
932 拡大図
933 柱状のロッド
934 平行ばね構造のロッド
934e 追加ロッド
941 可動部
942 外枠固定部
943a、943f ロッド
944a、944f 圧電アクチュエータ
945a、945f 留め金
946 弾性支持部
11 Lens barrel 12 Vacuum chamber 101 Top table 102 Micro vibration removal mechanism 102a Piezoelectric actuator 102b Fixing member 103 Intermediate table (stage)
107 Stage mechanism 110 Sample 111 Flat mirror 112 Laser interferometer 113 Control unit 201 Top table 202 Micro vibration elimination mechanism 203 Intermediate table 205 Base 206 X-axis intermediate slider 206a Y-axis linear guide rail 206b Y-axis linear guide movable part 208 Y Intermediate axis slider 208a X-axis linear guide rail 208b X-axis linear guide movable part 208c X-axis linear guide rail 208d X-axis linear guide movable part 208e X-axis linear motor 209a Y-axis linear guide rail 209b Y-axis linear guide Movable portion 209e Y-axis linear motor 210 Wafer 211a X-axis plane mirror 211b Y-axis plane mirror 212a X-axis laser interferometer 212b Y-axis laser interferometer 301 Top tables 302a, 302b, 302c, 02d Elastic support parts 303a, 303b X-axis piezoelectric actuators 303c, 303d Y-axis piezoelectric actuators 304 Fixed part 306 Outer frame movable part 313 Intermediate table 314 Movable part 316 Outer frame fixed part 317 Stage mechanism 319 Base 411 Top table 412a, 412b X axis Elastic support portions 412c, 412d Y-axis elastic support portions 413a, 413b Piezoelectric actuator 414 Fixed portion 415 Inner frame movable portion 416 Outer frame movable portion 421 Top table 422a, 422b Elastic support portions 423a, 423b Piezoelectric actuator 424 Fixed portion 426 Outer frame movable Section 431 Top table 432a, 432b, 432c, 432d Elastic support section 433a, 433b Piezoelectric actuator 434 Fixed section 436 Outer frame movable section 701 Transfer function 702 of stage mechanism system Transfer function 703 of the control system of the stage Transfer function 704 of the mechanism system of the minute vibration elimination mechanism Control function transfer function 705 of the minute vibration elimination mechanism Inverse characteristics 801 of the minor vibration removal mechanism 901 Minute residual vibration 901 Inner movable part 902 Outside Frame movable portion 903 Rod 904 Piezoelectric actuator 905 Clasp 906 Elastic support portion 911 Piezoelectric actuator 912 Piezo storage hole portion 913 Outer frame fixing portion 914 Clasp 915 Movable portion 921 Top plates 922a, 922b, 923c, 924d Elastic support portions 923a, 923b , 923c, 923d Piezoelectric actuators 924a, 924b, 924c, 924d Rod 925 Outer frame fixing part 926 Movable parts 927a, 927b, 927c, 927d Clasp 928 Intermediate table 929 Base 930 Stage mechanism 923e Additional piezoelectric element Rod 934e additional rods 941 movable portion 942 outer frame fixing portion of Chueta 931 rod 932 enlarged view 933 columnar rod 934 parallel spring structure 943a, 943f rods 944a, 944f piezoelectric actuator 945a, 945f clasp 946 elastically supporting portion

Claims (25)

水平面に沿って設けられたX軸及びY軸と、観察対象の試料を保持するためのトップテーブルと、該トップテーブルの下方に配置された中間テーブルと、該中間テーブルをX軸方向及びY軸方向に沿って移動させることにより試料の位置決めを行うステージ機構と、を有する試料ステージ装置において、
前記トップテーブルと前記中間テーブルの間に、前記トップテーブルの微小振動を除去するための微小振動除去機構が設けられており、
前記微小振動除去機構は、前記トップテーブルに装着された可動部と、前記中間テーブルに装着された固定部と、前記固定部に対して前記可動部を弾性支持するための弾性支持部と、前記固定部に対して前記可動部を駆動する圧電アクチュエータと、を有し、
前記弾性支持部は前記固定部の四隅と前記可動部の四隅を接続するように配置され、
前記圧電アクチュエータは、前記固定部のX軸方向の両側に同一直線上に沿って配置され、互いに反対方向に伸縮する1対のX軸圧電アクチュエータと、前記固定部のY軸方向の両側に同一直線上に沿って配置され、互いに反対方向に伸縮する1対のY軸圧電アクチュエータと、を有することを特徴とする試料ステージ装置。
An X-axis and a Y-axis provided along a horizontal plane, a top table for holding a sample to be observed, an intermediate table disposed below the top table, and the intermediate table in the X-axis direction and the Y-axis In a sample stage device having a stage mechanism for positioning a sample by moving along a direction,
Between the top table and the intermediate table, a minute vibration removing mechanism for removing minute vibrations of the top table is provided,
The minute vibration removing mechanism includes a movable part attached to the top table, a fixed part attached to the intermediate table, an elastic support part for elastically supporting the movable part with respect to the fixed part, A piezoelectric actuator that drives the movable part with respect to the fixed part,
The elastic support portion is arranged to connect the four corners of the fixed portion and the four corners of the movable portion,
The piezoelectric actuators are arranged along the same straight line on both sides in the X-axis direction of the fixed part, and are identical on both sides in the Y-axis direction of the fixed part and a pair of X-axis piezoelectric actuators that expand and contract in opposite directions. A sample stage apparatus comprising: a pair of Y-axis piezoelectric actuators arranged along a straight line and extending and contracting in opposite directions.
請求項1記載の試料ステージ装置において、
前記弾性支持部は前記固定部の四隅と前記可動部の四隅を接続するように前記固定部の対角線に沿って配置されていることを特徴とする試料ステージ装置。
The sample stage apparatus according to claim 1, wherein
The sample stage apparatus, wherein the elastic support portion is disposed along a diagonal line of the fixed portion so as to connect the four corners of the fixed portion and the four corners of the movable portion.
請求項1記載の試料ステージ装置において、
前記固定部は矩形に形成され、前記可動部は、前記固定部を囲む枠部材として形成されていることを特徴とする試料ステージ装置。
The sample stage apparatus according to claim 1, wherein
The sample stage device, wherein the fixed part is formed in a rectangular shape, and the movable part is formed as a frame member surrounding the fixed part.
請求項1記載の試料ステージ装置において、
前記圧電アクチュエータには、負の電圧が印加されないように、予め正のバイアス電圧が印加されていることを特徴とする試料ステージ装置。
The sample stage apparatus according to claim 1, wherein
A sample stage apparatus, wherein a positive bias voltage is applied to the piezoelectric actuator in advance so that a negative voltage is not applied.
請求項1記載の試料ステージ装置において、
前記中間テーブルは前記ステージ機構によって、数百ミリメートルのストロークにて駆動され、前記トップテーブルは、前記微小振動除去機構の圧電アクチュエータによって、数十ナノメートルのストロークにて駆動されることを特徴とする試料ステージ装置。
The sample stage apparatus according to claim 1, wherein
The intermediate table is driven with a stroke of several hundred millimeters by the stage mechanism, and the top table is driven with a stroke of several tens of nanometers by a piezoelectric actuator of the minute vibration removing mechanism. Sample stage device.
荷電粒子線光学系と、該荷電粒子線光学系を収納する鏡筒と、該鏡筒に接続された真空チャンバと、該真空チャンバ内のベースの上に設けられた試料ステージ装置と、前記ベースに沿って設けられたX軸及びY軸と、を有する荷電粒子線装置において、
前記試料ステージ装置は、観察対象の試料を保持するためのトップテーブルと、該トップテーブルの下方に配置された中間テーブルと、該中間テーブルをX軸方向及びY軸方向に沿って移動させることにより試料の位置決めを行うステージ機構と、前記トップテーブルと前記中間テーブルの間に設けられ前記トップテーブルの微小振動を除去するための微小振動除去機構と、を有し、
前記微小振動除去機構は、前記トップテーブルに装着された可動部と、前記中間テーブルに装着された固定部と、前記固定部に対して前記可動部を弾性支持するための弾性支持部と、前記固定部に対して前記可動部を駆動する圧電アクチュエータと、該圧電アクチュエータを駆動する制御部と、を有し、
前記弾性支持部は前記固定部の四隅と前記可動部の四隅を接続するように配置され、
前記圧電アクチュエータは、前記固定部のX軸方向の両側に同一直線上に沿って配置され、互いに反対方向に伸縮する1対のX軸圧電アクチュエータと、前記固定部のY軸方向の両側に同一直線上に沿って配置され、互いに反対方向に伸縮する1対のY軸圧電アクチュエータとを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
A charged particle beam optical system, a lens barrel that houses the charged particle beam optical system, a vacuum chamber connected to the lens barrel, a sample stage device provided on a base in the vacuum chamber, and the base A charged particle beam apparatus having an X axis and a Y axis provided along
The sample stage device includes a top table for holding a sample to be observed, an intermediate table disposed below the top table, and moving the intermediate table along the X-axis direction and the Y-axis direction. A stage mechanism for positioning the sample, and a minute vibration removal mechanism for removing minute vibrations of the top table provided between the top table and the intermediate table,
The minute vibration removing mechanism includes a movable part attached to the top table, a fixed part attached to the intermediate table, an elastic support part for elastically supporting the movable part with respect to the fixed part, A piezoelectric actuator that drives the movable part with respect to the fixed part; and a control part that drives the piezoelectric actuator;
The elastic support portion is arranged to connect the four corners of the fixed portion and the four corners of the movable portion,
The piezoelectric actuators are arranged along the same straight line on both sides in the X-axis direction of the fixed part, and are identical on both sides in the Y-axis direction of the fixed part and a pair of X-axis piezoelectric actuators that expand and contract in opposite directions. A charged particle beam apparatus comprising a pair of Y-axis piezoelectric actuators arranged along a straight line and extending and contracting in opposite directions.
請求項6記載の荷電粒子線装置において、
前記試料ステージ装置は、前記トップテーブルの位置を検出する位置検出装置を有し、前記制御部は、前記位置検出装置によって検出された前記トップテーブルの位置に基づいて前記圧電アクチュエータへの印加電圧を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
The charged particle beam apparatus according to claim 6.
The sample stage device includes a position detection device that detects the position of the top table, and the control unit applies an applied voltage to the piezoelectric actuator based on the position of the top table detected by the position detection device. A charged particle beam device characterized by controlling.
請求項6記載の荷電粒子線装置において、
前記弾性支持部は前記固定部の四隅と前記可動部の四隅を接続するように前記固定部の対角線に沿って配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
The charged particle beam apparatus according to claim 6.
The charged particle beam apparatus according to claim 1, wherein the elastic support portion is disposed along a diagonal line of the fixed portion so as to connect the four corners of the fixed portion and the four corners of the movable portion.
請求項6記載の荷電粒子線装置において、
前記固定部は矩形に形成され、前記可動部は、前記固定部を囲む枠部材として形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
The charged particle beam apparatus according to claim 6.
The charged particle beam apparatus, wherein the fixed part is formed in a rectangular shape, and the movable part is formed as a frame member surrounding the fixed part.
請求項6記載の荷電粒子線装置において、
前記圧電アクチュエータには、負の電圧が印加されないように、予め正のバイアス電圧が印加されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
The charged particle beam apparatus according to claim 6.
A charged particle beam apparatus, wherein a positive bias voltage is applied in advance to the piezoelectric actuator so that a negative voltage is not applied.
請求項6記載の荷電粒子線装置において、
前記トップテーブル、及び、前記固定部は正方形に形成され、前記可動部は、前記固定部を囲む正方形の枠部材として形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
The charged particle beam apparatus according to claim 6.
The charged particle beam apparatus, wherein the top table and the fixed part are formed in a square shape, and the movable part is formed as a square frame member surrounding the fixed part.
請求項6記載の荷電粒子線装置において、
前記制御部は、前記試料ステージ装置の前記中間テーブルを駆動することによって、観察対象の試料上の長点を光軸に整合させる第1ステップと、測長点へのアドレッシングを行う第2ステップと、高倍率へのオートフォーカスを行う第3のステップと、高倍率にて画像取得を行う第4ステップとを実行し、該第4ステップにて、前記微小振動除去機構によって、ナノメートルオーダの微小残留振動を除去することを特徴とする荷電粒子線装置。
The charged particle beam apparatus according to claim 6.
The control unit drives the intermediate table of the sample stage device to first align a measurement point on the sample to be observed with the optical axis, and a second step performs addressing to the measurement point. And a third step of performing autofocus to a high magnification and a fourth step of acquiring an image at a high magnification. In the fourth step, the minute vibration removing mechanism performs a nanometer order A charged particle beam apparatus characterized by removing minute residual vibrations.
請求項6記載の荷電粒子線装置において、
前記第1ステップにて、前記中間テーブルは、前記ステージ機構によって、数百ミリメートルのストロークにて駆動され、前記第4ステップにて、前記トップテーブルは、前記微小振動除去機構の圧電アクチュエータによって、数十ナノメートルのストロークにて駆動されることを特徴とする荷電粒子線装置。
The charged particle beam apparatus according to claim 6.
In the first step, the intermediate table is driven by the stage mechanism with a stroke of several hundred millimeters. In the fourth step, the top table is driven by the piezoelectric actuator of the minute vibration removing mechanism. A charged particle beam device driven by a stroke of 10 nanometers.
試料ステージ装置のトップテーブルと中間テーブルの間に設けられるように構成され、前記トップテーブルの微小振動を除去するための微小振動除去機構において、
前記トップテーブルに装着された可動部と、前記中間テーブルに装着された固定部と、前記固定部に対して前記可動部を弾性支持するための弾性支持部と、前記固定部に対して前記可動部を駆動する圧電アクチュエータと、を有し、
前記弾性支持部は前記固定部の四隅と前記可動部の四隅を接続するように配置され、
前記圧電アクチュエータは、前記固定部のX軸方向の両側に同一直線上に沿って配置され、互いに反対方向に伸縮する1対のX軸圧電アクチュエータと、前記固定部のY軸方向の両側に同一直線上に沿って配置され、互いに反対方向に伸縮する1対のY軸圧電アクチュエータとを有することを特徴とする微小振動除去機構。
In the minute vibration removing mechanism configured to be provided between the top table and the intermediate table of the sample stage device and removing the minute vibration of the top table,
A movable part attached to the top table, a fixed part attached to the intermediate table, an elastic support part for elastically supporting the movable part relative to the fixed part, and the movable part relative to the fixed part A piezoelectric actuator for driving the unit,
The elastic support portion is arranged to connect the four corners of the fixed portion and the four corners of the movable portion,
The piezoelectric actuators are arranged along the same straight line on both sides in the X-axis direction of the fixed part, and are identical on both sides in the Y-axis direction of the fixed part and a pair of X-axis piezoelectric actuators that expand and contract in opposite directions. A micro-vibration eliminating mechanism having a pair of Y-axis piezoelectric actuators arranged along a straight line and extending and contracting in opposite directions.
請求項14記載の微小振動除去機構において、
前記弾性支持部は前記固定部の四隅と前記可動部の四隅を接続するように前記固定部の対角線に沿って配置されていることを特徴とする微小振動除去機構。
The minute vibration removing mechanism according to claim 14,
The micro-vibration removing mechanism, wherein the elastic support part is disposed along a diagonal line of the fixed part so as to connect the four corners of the fixed part and the four corners of the movable part.
請求項14載の微小振動除去機構において、
前記固定部は矩形に形成され、前記可動部は、前記固定部を囲む枠部材として形成されていることを特徴とする微小振動除去機構。
In the micro oscillating removal mechanism according to claim 14 Symbol mounting,
The fixed portion is formed in a rectangular shape, and the movable portion is formed as a frame member surrounding the fixed portion.
請求項14記載の微小振動除去機構において、
前記圧電アクチュエータには、負の電圧が印加されないように、予め正のバイアス電圧が印加されていることを特徴とする微小振動除去機構。
Oite the minute vibration removing Organization of claim 14,
A micro-vibration removing mechanism, wherein a positive bias voltage is applied to the piezoelectric actuator in advance so that a negative voltage is not applied.
請求項14記載の微小振動除去機構において、
前記トップテーブル、及び、前記固定部は正方形に形成され、前記可動部は、前記固定部を囲む正方形の枠部材として形成されていることを特徴とする微小振動除去機構。
The minute vibration removing mechanism according to claim 14,
The top table, and the fixing portion is formed in a square, the movable portion, the minute vibration rejection Organization, characterized in that it is formed as a frame member of a square surrounding the fixed portion.
請求項14記載の微小振動除去機構において、
前記中間テーブルは前記ステージ機構によって、数百ミリメートルのストロークにて駆動され、前記トップテーブルは、前記微小振動除去機構の圧電アクチュエータによって、数十ナノメートルのストロークにて駆動されることを特徴とする微小振動除去機構。
The minute vibration removing mechanism according to claim 14,
The intermediate table is driven with a stroke of several hundred millimeters by the stage mechanism, and the top table is driven with a stroke of several tens of nanometers by a piezoelectric actuator of the minute vibration removing mechanism. Micro vibration removal mechanism.
請求項1記載の試料ステージ装置において、前記可動部と圧電アクチュエータの間に、少なくとも四つのロッドを配置したことを特徴とする試料ステージ。 In sample stage apparatus according to claim 1, between the front Symbol movable part and the piezoelectric actuator, a sample stage, characterized in that a least four rods. 請求項20記載の試料ステージにおいて、
前記可動部は矩形に形成され,前記固定部は,前記可動部を囲む枠部材として形成されていることを特徴とする試料ステージ。
The sample stage according to claim 20,
The sample stage, wherein the movable part is formed in a rectangular shape, and the fixed part is formed as a frame member surrounding the movable part.
請求項20および請求項21のいずれかに記載の試料ステージにおいて、前記可動部と圧電アクチュエータは,前記可動部の四方に位置するはり状の部材であるロッドによって接続されることを特徴とする試料ステージ。 In sample stage according to claim 20 and claim 21, wherein the movable part and the piezoelectric actuator, characterized in that they are connected by the beam-like rod is a member located in all directions of the movable portion Sample stage. 請求項20記載のロッドを用いた試料ステージを微動機構として用いた微小振動除去機構を搭載したステージ。   A stage equipped with a minute vibration removing mechanism using the sample stage using the rod according to claim 20 as a fine movement mechanism. 請求項23記載のロッドを用いた微小振動除去機構を搭載したステージを位置決め機構として使用した荷電粒子装置。   A charged particle apparatus using a stage equipped with a minute vibration removing mechanism using the rod according to claim 23 as a positioning mechanism. 請求項23記載のロッドを用いた微小振動除去機構を搭載したステージにおいて、位置決め後の、粗動用アクチュエータの推力を遮断し、微小振動除去機構のみでの位置決めを行う制御器。   24. A controller mounted with a minute vibration removing mechanism using a rod according to claim 23, wherein the controller performs positioning only with the minute vibration removing mechanism by blocking the thrust of the coarse actuator after positioning.
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