JPH0453917A

JPH0453917A - 試料ステージ

Info

Publication number: JPH0453917A
Application number: JP16261990A
Authority: JP
Inventors: Toshifumi Koike; 敏文小池; Nobuo Tsumaki; 妻木　伸夫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1992-02-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、光学顕微鏡や電子顕微鏡で使用する任意方向
に傾斜可能な傾斜ステージに関する。

〔従来の技術〕

従来、任意方向に傾斜可能な試料ステージは、特開昭５
５−９３１１４号公報に記載のように、上面に凹状の球
面をもつ本体と、下面が球面と同一の曲率半径を持つ凸
状の球面をもつ可動載物台とで構成し、それぞれの球面
の球心が一致するように設置されており、可動載物台の
周辺部を指で動かすことにより、任意の傾きに設定する
ことができるようになっていた。

この形式の試料ステージは、傾斜する可動載物台が剛性
の高い球面案内で支持されているため、外部からの振動
に対して強いという特徴をもっている。従って、電子顕
微鏡のように高倍率でＭ察するための試料ステージに適
している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、可動載物台の傾斜は指で行っており
、精密な傾斜位置決めが困難であるという問題があった
。また、電子顕微鏡のように、真空中にステージを設置
する必要がある場合、可動載物台を動かすことは不可能
である。

本発明の目的は、球面案内を有する任意方向に傾斜可能
な試料ステージにおいて、精密な傾斜位置決めが行える
駆動手段と傾斜角度検出センサをもつ試料ステージを提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、傾斜ステージ上面外周の近
傍に、傾斜ステージの球面の曲率中心を通るＸ軸とＹ軸
に交わるように設置してＹ軸回りにのみ自由度をもつア
ームを設け、アームのＸ軸上にＹ傾斜アクチュエータと
傾斜角度検出センサを設け、傾斜ステージをＹ軸方向に
傾斜させると共に、Ｙ軸上にベースに固定されたＸ傾斜
アクチュエータと傾斜角度検出センサを設け、アームを
介して傾斜ステージをＸ軸方向に傾斜させるようにした
。

また、別の手段として、傾斜ステージ上面外縁部に９０
°間隔で二個の球面軸受を設け、各球面軸受に密接に接
続した二本のロッドを独立にＺ方向に駆動する駆動手段
と、移動量を検出するセンサを設けることにより、傾斜
ステージを任意な方向に傾斜させるようにした。

さらに、別の手段として、傾斜ステージの球面底部に球
面軸受を設け、この球面軸受に密接に接続したロッドを
ＸＹ力方向駆動するＸＹステージと移動量検出センサを
設けることにより、傾斜ステージを任意な方向に傾斜さ
せるようにした。

また、試料の全面を観察するために、傾斜ステージ上面
に試料走査用のＸＹステージを設置したものである。

〔作用〕

傾斜ステージの凸状の球面の曲率中心を通るＸ軸と同軸
上に設けられアームに固定されたＹ傾斜アクチュエータ
は、傾斜ステージとＹＭ駆動軸接続されており、Ｙ傾斜
アクチュエータを動作させることにより傾斜ステージは
ベースに設けられた凹状の球面案内に沿ってＹ軸方向に
傾斜する。

方、傾斜ステージの凸状の球面の曲率中心を通るＹ軸と
同軸上に設けられベースに固定されたＸ傾斜アクチュエ
ータは、アームとＸ駆動軸で接続さ九でおり、Ｘ傾斜ア
クチュエータを動作させることにより、アームはＹ軸回
りに回転する。アームと傾斜ステージはＹ傾斜アクチュ
エータとＹ駆動軸で連結されており、アームが回転する
と傾斜ステージはベースに設けられた凹状の球面案内面
に沿ってＸ軸方向に傾斜する。すなわち、傾斜ステージ
はＹ傾斜アクチュエータによるＹ軸方向の傾斜と、Ｘ傾
斜アクチュエータによるＸ軸方向の傾斜とを合成した方
向に傾斜することになる。従って、Ｙ傾斜アクチュエー
タとＸ傾斜アクチュエータを独立に動作させることによ
り、傾斜ステージを任意の方向に傾斜させることができ
る。また。

Ｘ駆動軸とＹ駆動軸には、それぞれ、傾斜角度横比セン
サが取り付けられており、傾斜角度検出センサからの信
号でＸ傾斜アクチュエータとＹ軸傾斜アクチュエータを
制御することにより、傾斜ステージの任意な方向への精
密な傾斜位置決めが実現できる。傾斜ステージの座標系
を第９図に示すように定義すると、Ｘ軸方向とＹ軸方向
の傾斜角度と、傾斜ステージの合成された傾斜角度と傾
斜方向は１次のように表せる。

θｘ　＝　ｊａｎ−’　（ｔａｎθＸ　ｃｏｓφ）　　
　　　　　−＝（１）θｙ　＝　ｔａｎ−’　（ｔａｎ
θＸ　ｓｉｎφ）　　　　　　・・・（２）ここで、θ
ｘ：Ｘ軸方向の傾斜角度 θｙ：Ｙ軸方向の傾斜角度 θ　：傾斜ステージの傾斜角度 φ　：傾斜ステージの傾斜方向従って、設定すべきθとφを与えることにより、上式に
よりθＸとθｙを算出し、この値を目標値としてＸ傾斜
アクチュエータとＹ傾斜アクチュエータを制御すること
により精密な傾斜位置決めを実現できる。

また、傾斜ステージの外縁部に９０°間隔て設けた二個
の球面軸受に密接に接続された二本のロンドをスライダ
により２方向に駆動することにより、傾斜ステージを任
意な方向へ傾斜させることができる。ロンドはＺ軸と直
交する方向に設けた直動案内手段で支持されているので
、傾斜ステージに取り付けた球面軸受の動きに追従でき
るようになっている。ロンドのＺ方向の移動量と傾斜ス
テージの傾斜角度との関係は、次式の通りである。

ｈ＝ｒＸｓｉｎθ　　　　　　　　　　　　＝−（３）
ここで、ｈ：ロンド（スライダ）のＺ方向の移動量ｒ：傾斜ステージの球心から球面軸受の球心までの距離 θ：傾斜ステージの傾斜角度（］）　、　（２）式で算出したθＸ、θｙを上式に代
入してそれぞれの方向のスライダの移動量を求め、スラ
イダの移動量を制御することにより精密な傾斜位置決め
が行える。

傾斜ステージの上面に試料を保持する試料ホルダを備え
たＸＹステージを設け、試料上面を傾斜ステージの球面
の球心と一致させることにより、試料全体の観察が可能
になると共に、傾斜させたときに観察像が視野から逃げ
ることがない。

〔実施例〕

以下１本発明の第１の実施例を第１図、第２図。

第３図を用いて説明する。第１図は本実施例を示す平面
図、第２図は第１図の■−■断面図、第３図は第１図の
ｍ−ｍ断面図である。傾斜ステージ１の下面は凸状の球
面１ａになっており、上面１ｂには試料台１３をもって
いる。ベース２の上面には傾斜ステージ１の凸状の球面
１ａと同一の曲率をもつ凹状の球面案内２ａが設けられ
ており傾斜ステージ１の凸状の球面１ａを回動自在に支
持している。試料台１３の観察点○は球面１ａの曲率中
心とが一致するようになっている。凸状の球面１ａと凹
状の球面案内２ａとの間は潤滑剤１２がある。潤滑剤１
２には、オイル、グリース。

固体潤滑剤などを使用すれば良い。電子顕微鏡の試料ス
テージのように真空中で使用する場合には、二硫化モリ
ブデンに代表される固体潤滑剤や四ふつ化エチレン樹脂
に代表される高分子材料、または、低蒸気圧のオイルや
グリースを使用条件に合わせて選択すれば良い。傾斜ス
テージ１の上面１ｂ近傍の外周を取り囲み、かつ、傾斜
ステージ１の凸状の球面１ａの曲率中心を通るＸ軸とＹ
軸とに交わるようにアーム３が設置されている。アーム
３にはＸ軸と同軸上に配置したＸ傾斜アクチュエータ４
が固定されている。Ｘ傾斜アクチュエータ４と傾斜ステ
ージ１は傾斜角度検出センサ６を取り付けたＹ駆動軸５
で接続されている。Ｙ駆動軸５はアーム３に設けた軸受
７で同軸自在に支持されている。一方、Ｙ軸と同軸上に
はＸ傾斜アクチュエータ８があり、固定治具１１により
ベース２に固定されている。Ｘ傾斜アクチュエータ８と
アーム３は傾斜角度検出センサ１０を取り付けたＸ駆動
軸９で接続されている。本実施例で使用する傾斜アクチ
ュエータ４，８には、サーボモータやステッピングモー
タなどの回転アクチュエータを使用すれば良い。また、
電子顕微鏡の試料ステージのように磁場を嫌う場合は、
ピエゾ素子を利用した超音波モータの使用が好ましい。

このように構成することにより、Ｘ傾斜アクチュエータ
４を動作させると、Ｙ駆動軸５に接続された傾斜ステー
ジ１をベース２の凹状の球面案内２ａを案内面として、
図中破線で示すようにＹ軸方向に傾斜させることができ
る。また、Ｘ傾斜アクチュエータ８が動作させると、Ｘ
駆動軸９に接続されたアーム３がＹ軸回りに回転する。

この回転はアーム３に固定されたＹ傾斜アクチュエータ
とＹ駆動軸を介して傾斜ステージ１に伝達され。

傾斜ステージ１をベース２の凹状の球面案内２ａを案内
面として図中二点鎖線で示すようにＸ軸方向に傾斜させ
ることができる。また、それぞれの方向の傾斜角度は、
傾斜角度検出センサ（ロータリエンコーダ、ポテンショ
メータなど）６，９により測定できる。従って、（１）
　、　（２）式を使用して各方向の傾斜角度を求め、こ
の値を目標値としてＸ傾斜アクチュエータ４とＸ傾斜ア
クチュエータ８を制御することにより、傾斜ステージ１
を任意に設定した傾斜方向、傾斜角度に正確に位置決め
することができる。

本発明の第二の実施例の平面図を第４図に、第４図の■
−■断面を第５図に示す。傾斜ステージ１の上面１ｂの
外縁部には傾斜ステージ１のＸ軸とＹ軸に交わる位置に
９０°間隔で二個の球面軸受１４が設けられている。各
球面軸受１４の外側にはＺ軸方向の直進案内手段１６と
駆動手段１７と移動量を検出するセンサ１８とを備えた
スライダ１５があり、このスライダ１５にはブロック１
９が軸受２３により回転自在に支持されている。

このブロックに１６にはＺ軸と直交する方向にロッド２
１が設けられており、直動案内手段２０によって球面軸
受１４と同一の高さになるように支持されている。ばね
２２はロッド２１を球面軸受１４の方向に押しつけてい
るため、ロッド２１の一端は球面軸受１４に密接に接続
されている。

以上の構成にすることにより、例えば、Ｘ軸方向に位置
するスライダ１５を駆動手段（本実施例ではボールねし
）１７により直進案内手段１５に沿ってＺ方向に駆動す
ることにより、傾斜ステージ１はブロック１９．ロッド
２１を介して駆動され、ベース２の凹状の球面案内部２
ａに案内されて図中二点鎖線で示すように、Ｘ軸方向に
傾斜する。同様に、Ｙ軸方向のスライダ１５を駆動する
ことにより、傾斜ステージ１をＹ軸方向に傾斜させるこ
とができる。従って、傾斜ステージ１を任意の方向に傾
斜させるためには、目標とする傾斜方向φと傾斜角度θ
から、（１）　、　（２）式を用いてＸ方向とＹ方向の
傾斜角度（θＸ、θｙ）を求め、（３）式から得られる
スライダ１５の移動量を目標値にスライダを制御すれば
よい。

本実施例によれば、９０°間隔で設置した二組の２方向
駆動手段を設けることにより、傾斜ステージ１を任意に
設定した傾斜方向、傾斜角度に正確に位置決めすること
が可能となる。

本発明の第三の実施例を第６図により説明する。

ベース２の底部には開口部２９が設けられている。

傾斜ステージ１の凸状の球面１ａの底部には球面軸受２
４が設けられており、この球面軸受２４には直動案内手
段２７によりＺ方向に支持されたロッド２５がばね２６
により密接に接続されている。

ベース２の底部の開口部２９の空間には直動案内手段２
７を備えたＸＹステージ２８が設置されている。また、
ＸＹステージ２８には各方向の移動量を検出するセンサ
３０が取り付けられている。

以上の構成にすることにより、例えば、ＸＹステージ２
８を図中の二点鎖線で示すように動かすことにより、ロ
ッド２５を介して傾斜ステージｌが二点鎖線で示すよう
に傾斜する。ＸＹステージ２８は、Ｘ方向とＹ方向に独
立に動作可能であり、かつ、ＸＹステージ２８にはセン
サ３０が取り付けられている。従って、第二の実施例と
同様、傾斜ステージ１の傾斜方向２傾斜角度を設定し、
（１）　、　（２）式を用いてＸ方向とＹ方向の傾斜角
度を求め、（３）式からＸＹステージ２８の各方向の移
動量を求め、ＸＹステージ２８を制御することにより傾
斜ステージ１の正確な傾斜位置決めを行うことが可能で
ある。

第四の実施例の平面図を第７図に、第７図の■−■断面
を第８図に示す。本実施例において、傾斜ステージｌの
駆動は第一の実施例と同一に示しであるが、これは第二
、第三の実施例であってもなんら問題はない。傾斜ステ
ージ１の上面１ｂには、ＸＹステージ３０が設置されて
いる。ＸＹステージ３ｏの上部のＸステージ３１ａには
試料ホルダ３３があり、試料３４の上面が傾斜ステージ
１の凸状の球面１ａの球心Ｏと一致するように試料３４
を保持している。ＸＹステージ３１は、Ｘ方向駆動手段
３５とＹ方向駆動手段３６をもっている。また、図には
示していないが、ＸＹステージはＸＹ力方向位置横比セ
ンサ（例えばリニアスケール）をもっていることは勿論
である。

以上のように構成することにより、試料３４の全面に渡
り任意の位置における傾斜観察が可能となる。例えば、
本実施例の試料ステージを走査型電子顕微鏡の試料室に
設置し、試料３４として半導体ウェハをＩＩＩすること
により、半導体ウェハに加工した回路（配線、コンタク
トホールなど）の任意の方向からの外観検査を容易に行
うことができる。なお、この場合、本実施例の試料ステ
ージの構成部材は、すべて非磁性体で構成する必要があ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、傾斜ステージをＸ方向とＹ方向を独立
に駆動する駆動手段と変位量検出センサを設けることに
より、傾斜ステージを任意の方向に正確に傾斜位置決め
することができる。また、駆動手段は、外部からの信号
で制御できるため、真空チャンバ内のように隔離された
状態でも正確な傾斜位置決めができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例の平面図、第２図は第１
図の■−■矢視断面図、第３図は第１図の［１−Ｉ［［
矢視断面図、第４図は本発明の第二の実施例の平面図、
第５図は第４図の■−■矢視断面図、第６図は１本発明
の第三の実施例を示す縦断面図、第７図は本発明の第四
の実施例の平面図、第８図は第４図の■−■矢視断面図
、第９図は本発明の傾斜ステージの座標を示す図である
。１・・傾斜ステージ、２・・・ベース、３・・・アーム
、４Ｙ傾斜アクチユエータ、５・・・Ｙ駆動軸、６゜１
０・・・回転角度検出センサ、８・・Ｘ傾斜アクチュエ
ータ、９・・Ｘ駆動軸、１３　試料台、１４゜２４・・
・球面軸受、１５・・・スライダ、２１．２５０ツト、
２０．２７・・・直動案内、２８・・ＸＹステ凧１０Ｙ軸２Ｂ第図

Claims

【特許請求の範囲】１、下面に凸状の球面を有し、上面に試料を載置する手
段を有する半球状の傾斜ステージと、上面に前記傾斜ス
テージの前記凸状の球面と同一の曲率をもち潤滑手段を
備えた凹状の球面案内を設け、前記傾斜ステージの前記
凸状の球面を回動自在に支持するベースとを含む試料ス
テージにおいて、前記傾斜ステージ上面外周の近傍に位置し、前記傾斜ス
テージの凸状の球面の曲率中心を通るＸ軸とＹ軸に交わ
るように設置され、前記Ｙ軸回りにのみ自由度をもつア
ームと、前記Ｘ軸と同軸上に位置し前記アームに固定さ
れたＹ傾斜アクチュエータと、前記Ｙ傾斜アクチュエー
タと前記傾斜ステージとを接続し傾斜角度検出センサが
取り付けられたＹ駆動軸と、前記Ｙ軸と同軸上に設けら
れた前記ベースに固定されたＸ傾斜アクチュエータと、
前記Ｘ傾斜アクチュエータと前記アームとを接続し前記
傾斜角度検出センサが取り付けられたＸ軸駆動とを設け
たことを特徴とする試料ステージ。