JPH09236755A - 顕微鏡の試料ステージの位置補正方法および試料ステージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単に試料の全域に渡ってユーセントリック
性を確保することができる顕微鏡の移動ステージの補正
方法および移動ステージを実現する。 【解決手段】 制御装置１５内にはＺ方向のズレ量を求
める式の各係数が記憶されている。そして、実際の試料
の観察時には、試料１３をＸ，Ｙ方向に移動させ、回転
させた場合に、観察部分のｘ，ｙ位置をＸ駆動機構４と
Ｙ駆動機構１０とから制御装置１５内に取り込み、更
に、回転台６の回転角を回転駆動機構７から取り込み、
事前に記憶された係数と演算式によりＺ方向のユーセン
トリック性の補正量を演算により求める。この求められ
た補正量はＺ方向移動台１１の駆動機構１２に供給さ
れ、Ｚ方向移動台１１はユーセントリック性を維持する
ために調整される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、レーザ顕微鏡や走査電
子顕微鏡などに用いて最適な、ユーセントリック試料ス
テージを有した顕微鏡の試料ステージの位置補正方法お
よび試料ステージに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、レーザ顕微鏡や走査電子顕微鏡
などでは、試料に細く絞ったビームを照射している。こ
の際、ビームは試料上で焦点が合うように調整されてい
る。一方、この種顕微鏡では、試料の異なった領域を観
察するために試料をＸ，Ｙ方向に移動できるように試料
を移動ステージ上に配置している。

【０００３】また、試料を傾斜させて観察する要求か
ら、移動ステージには試料を回転させるための回転台が
設けられている。この場合、試料を回転させた際にビー
ムが照射される位置がズレると、試料の観察領域が移動
してしまい好ましくない。

【０００４】そのため、移動ステージはユーセントリッ
ク性を持たせている。例えば、移動ステージはＸ方向に
移動する移動台と、Ｘ方向移動台上に配置されＸ方向と
平行な軸の周りに回転する回転台と、回転台と共に回転
し、Ｘ方向と垂直なＹ方向に移動するＹ方向移動台と、
回転台と共に回転し、Ｘ，Ｙ方向に垂直なＺ方向に移動
するＺ方向移動台とを備えている。このような構成で、
回転台の回転中心にビームを照射することにより、試料
の移動によっても試料上のビームのフォーカス状態は変
わらず、また、観察視野がズレることはなくなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来では、上記したユ
ーセントリックステージのユーセントリック性を向上さ
せるためには、ステージの加工精度を良くすることのみ
で対応していた。このような対応では、加工精度に限界
があるため、サブミクロンの精度のユーセントリック性
を確保することは困難である。また、仮にユーセントリ
ック性の確保を可能とするだけの精度で加工を行なおう
とすると、その費用は極めて高くなる。更に、仮に加工
精度を高めてユーセントリック性を確保できたとして
も、それは試料の一部に止まり、例えば、１００ｍｍ×
１００ｍｍ程度の大きな試料の全域に渡ってユーセント
リック性を確保することは不可能である。

【０００６】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、簡単に試料の全域に渡ってユーセ
ントリック性を確保することができる顕微鏡の移動ステ
ージの位置補正方法および移動ステージを実現するにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に基づく
顕微鏡の試料ステージの位置補正方法は、Ｘ方向に移動
するＸ方向移動台と、Ｘ方向移動台上に配置されＸ方向
と平行な軸の周りに回転する回転台と、回転台と共に回
転し、Ｘ方向と垂直なＹ方向に移動するＹ方向移動台
と、回転台と共に回転し、Ｘ，Ｙ方向に垂直なＺ方向に
移動するＺ方向移動台とを備え、回転台の回転中心にビ
ームを照射するようにした顕微鏡の試料ステージにおい
て、回転台の回転によるＺ方向の位置ズレの補正を行う
に当たり、位置ズレの補正量を近似多次関数によって求
めるようにしたことを特徴としている。

【０００８】請求項１の発明では、回転台の回転による
Ｚ方向の位置ズレの補正量を近似多次関数によって求
め、求められた補正量に基づいてＺ方向の位置の調整を
行う。請求項２の発明に基づく顕微鏡の試料ステージの
位置補正方法は、近似多次関数として線形３次関数を用
いたことを特徴としている。

【０００９】請求項２の発明では、回転台の回転による
Ｚ方向の位置ズレの補正量を線形３次関数によって求
め、求められた補正量に基づいてＺ方向の位置の調整を
行う。請求項３の発明に基づく顕微鏡の試料ステージの
位置補正方法は、Ｚ方向の位置ズレの補正量ΔＺｘ，ｙ
は、Φを回転角とした場合、次の関係式 ΔＺｘ，ｙ＝ａ（ｘ，ｙ）Φ³＋ｂ（ｘ，ｙ）Φ²＋ｃ
（ｘ，ｙ）Φ＋ｄ（ｘ，ｙ） によって求められ、この関係式の係数は、予め測定され
た多数のｘ，ｙ位置におけるＺ方向の位置ズレ量によっ
て求めることを特徴としている。

【００１０】請求項３の発明では、回転台の回転による
Ｚ方向の位置ズレの補正量ΔＺｘ，ｙを、Φを回転角と
した場合、次の関係式 ΔＺｘ，ｙ＝ａ（ｘ，ｙ）Φ³＋ｂ（ｘ，ｙ）Φ²＋ｃ
（ｘ，ｙ）Φ＋ｄ（ｘ，ｙ） によって求め、この関係式の係数は、予め測定された多
数のｘ，ｙ位置におけるＺ方向の位置ズレ量によって求
め、求められた補正量に基づいてＺ方向の位置の調整を
行う。

【００１１】請求項４の発明に基づく顕微鏡の試料ステ
ージは、Ｘ方向に移動するＸ方向移動台と、Ｘ方向移動
台の駆動機構と、Ｘ方向移動台上に配置されＸ方向と平
行な軸の周りに回転する回転台と、回転台の駆動機構
と、回転台と共に回転し、Ｘ方向と垂直なＹ方向に移動
するＹ方向移動台と、Ｙ方向移動台の駆動機構と、回転
台と共に回転し、Ｘ，Ｙ方向に垂直なＺ方向に移動する
Ｚ方向移動台と、Ｚ方向移動台の駆動機構と、Ｘ方向と
Ｙ方向の移動台の移動位置と回転台の回転角度情報に基
づいて、Ｚ方向の位置ズレの補正量を求め、この補正量
に基づいてＺ方向移動台の駆動機構を制御し、Ｚ方向移
動台の位置の調整を行う制御手段とを有したことを特徴
としている。

【００１２】請求項４の発明では、Ｘ方向とＹ方向の移
動台の移動位置と回転台の回転角度情報に基づいて、Ｚ
方向の位置ズレの補正量を求め、この補正量に基づいて
Ｚ方向移動台の駆動機構を制御し、Ｚ方向移動台の位置
の調整を行う。

【００１３】請求項５の発明に基づく顕微鏡の試料ステ
ージは、請求項４の発明において、制御手段は、Ｚ方向
の位置ズレの補正量を求めるための近似多次関数と、近
似多次関数の係数を求めるための値とが記憶されている
ことを特徴としている。

【００１４】請求項５の発明では、Ｘ方向とＹ方向の移
動台の移動位置と回転台の回転角度情報と、事前に記憶
されているＺ方向の位置ズレの補正量を求めるための近
似多次関数と、近似多次関数の係数を求めるための値と
により、Ｚ方向の位置ズレの補正量を求め、この補正量
に基づいてＺ方向移動台の駆動機構を制御する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の方法を実施
するための移動ステージの一例を示しており、１は基台
である。基台１上には、紙面に垂直な方向（Ｘ方向）に
向けてレール２が固定されており、このレール２上を移
動可能にＸ方向移動台３が設けられている。４はＸ方向
移動台３の駆動機構（Ｘ駆動機構）であり、このＸ駆動
機構４によりＸ方向移動台３は紙面に垂直なＸ方向に移
動される。

【００１６】Ｘ方向移動台３上には、回転レール５上で
回転する回転台６が設けられている。この回転台６は回
転駆動機構７によってＸ方向と平行な回転軸の周りに回
転される。回転台６の上には、紙面の左右方向（Ｙ方
向）に伸びるレール８が固定されており、このレール８
上にはＹ方向移動台９が設けられている。Ｙ方向移動台
９は駆動機構（Ｙ駆動機構）１０によりレール８上をＸ
方向と垂直なＹ方向に移動する。

【００１７】Ｙ方向移動台９上には、Ｚ方向移動台１１
が設けられており、このＺ方向移動台１１は、駆動機構
（Ｚ駆動機構）１２により、図面の上下方向（Ｘ方向，
Ｙ方向に対して垂直なＺ方向）に移動される。このＺ方
向移動台１１上には、観察試料１３が載置される。

【００１８】上記の構成で、観察試料１３上に回転台６
の回転中心Ｏがくるように各構成要素は調整されてお
り、この回転中心Ｏに対物レンズ１４によって集束され
たビームＢが照射される。なお、各駆動機構４，７，１
０，１２はコンピュータ等の制御装置１５に接続されて
いる。このような構成の動作を次に説明する。

【００１９】まず、試料１３をＸ方向に移動させる場合
には、Ｘ方向移動台３を紙面に垂直なＸ方向に移動させ
る。この場合、Ｘ方向と回転台６の回転軸とは同一方向
であるため、回転中心Ｏは常に試料１３の表面上にあ
り、回転台６が回転してもビームの焦点位置は試料上か
らズレない。また、回転によってビームＢが照射されて
いる試料位置に変化はない。

【００２０】次に、試料１３をＹ方向に移動させる場合
には、Ｙ方向移動台９を紙面の左右方向に移動させる。
この場合、Ｙ方向移動台９は回転台６の上に配置されて
いるので、Ｙ方向移動台９の移動によってもビームＢの
焦点位置は常に試料表面上に位置することになる。な
お、Ｚ方向移動台１１は、試料１３の表面と回転中心Ｏ
とを一致させるために用いられ、このＺ方向の移動はユ
ーセントリック性とは無縁なものである。

【００２１】さて、上記した試料ステージは、理論的に
はユーセントリック性を確保できるが、前記したよう
に、加工精度の問題から、試料の回転・傾斜により部分
的にユーセントリックの条件からズレが発生し、試料表
面は回転台６の回転中心Ｏからズレることになる。

【００２２】すなわち、実際は回転台６の回転軸がＸ方
向移動台３およびＹ方向移動台９の移動軸とそれぞれ平
行と垂直になるようにステージ組み立て時に調整するの
で、この部分に関してはほとんど問題は発生しない。問
題は、回転台６の心円性で、特に回転台６の回転・傾斜
により、試料表面がビームのデフォーカス方向に移動す
ることにより、顕微鏡像が見えなくなることが大きな問
題となる。

【００２３】ここで、Ｘ，Ｙ平面上の多数点をほぼ均一
に抽出する。この点を（ｘ_i，ｙ_i）とする。なお、ｉ＝
１〜ｎ，ｊ＝１〜ｍである。これらの点において回転台
５を回転させた場合の、ある角度ΦでのＺ軸方向のユー
セントリック点（基準点であるΦ＝０の点）からのズレ
量の補正量をΔＺ_i,j,kとする。ここでｋはΦの角度に
対応した量であり、ｋ＝０，ｐである。

【００２４】 今_、ｉ＝ｎ_Q、ｊ＝ｍ_Rの時のＺ方向の補正
量の群を ｛ΔＺ（ｎ_Q，ｍ_R）｝_k＝o,p とし、これからｐを変数としたときのΔＺ（ｎ_Q、ｍ_R）
の近似多次関数を最小２乗法等の方法を用いて求める。
一般的には、この近似多次関数は線形３次関数で充分で
ある。すなわち、４次以降の成分は限りなく０に近付
く。したがって、この関数は次のような関数式となる。

【００２５】ΔＺ（ｎ_Q，ｍ_R）＝ａ（ｎ_Q，ｍ_R）ｋ³＋
ｂ（ｎ_Q，ｍ_R）ｋ²＋ｃ（ｎ_Q，ｍ_R）ｋ＋ｄ（ｎ_Q，
ｍ_R） この関数式を全てのｉ，ｊの組み合わせについて求め
る。この結果求められた係数群｛ａ_i,j｝，｛ｂ_i,j｝，
｛ｃ_i,j｝，｛ｄ_i,j｝に対して、それぞれｉ，ｊに対応
した（ｘ_i，ｙ_j）_i＝1〜_n，_j＝1〜_mを変数とした近似２
元２次関数として、最小２乗法等を用いて求める。この
ようにして求められた係数関数群は次のようになる。

【００２６】 ａ（ｘ，ｙ）＝ｒ_aｘ²＋ｓ_aｘｙ＋ｔ_aｙ²＋ｕ_aｘ＋ｖ_aｙ＋ｗ_a ｂ（ｘ，ｙ）＝ｒ_bｘ²＋ｓ_bｘｙ＋ｔ_bｙ²＋ｕ_bｘ＋ｖ_bｙ＋ｗ_b ｃ（ｘ，ｙ）＝ｒ_cｘ²＋ｓ_cｘｙ＋ｔ_cｙ²＋ｕ_cｘ＋ｖ_cｙ＋ｗ_c ｄ（ｘ，ｙ）＝ｒ_dｘ²＋ｓ_dｘｙ＋ｔ_dｙ²＋ｕ_dｘ＋ｖ_dｙ＋ｗ_d …（１） この係数関数群を用いて任意のｘ，ｙ平面におけるＺ方
向のユーセントリック性の補正量ΔＺｘ，ｙは、次のよ
うに表される。

【００２７】 ΔＺｘ，ｙ＝ａ（ｘ，ｙ）Φ³＋ｂ（ｘ，ｙ）Φ²＋ｃ（ｘ，ｙ）Φ ＋ｄ（ｘ，ｙ） …（２） 上記した係数（ｒ_a，ｓ_a，ｔ_a，ｕ_a，ｖ_a，ｗ_a）、（ｒ
_b，ｓ_b，ｔ_b，ｕ_b，ｖ _b，ｗ_b）、（ｒ_c，ｓ_c，ｔ_c，
ｕ_c，ｖ_c，ｗ_c）、（ｒ_d，ｓ_d，ｔ_d，ｕ_d，ｖ_d，ｗ_d）
は、テーブルの形で制御装置１５内に記憶されるが、こ
の係数を求めるに当たっては、各移動ステージごとに試
料平面上の多数点におけるＺ方向のズレ量の補正量を事
前に測定し、前記したように、近似２元２次関数とし
て、最小２乗法等を用いて求める。なお、この際の測定
点としては、少なくとも試料上の４点を選べば良いが、
より正確には、９か所程度の試料上の点においてＺ方向
のズレ量の補正量を事前に測定することは望ましい。

【００２８】このようにして、制御装置１５内には各係
数が記憶され、更に上記（１），（２）式が記憶され
る。そして、実際の試料の観察時には、試料１３をＸ，
Ｙ方向に移動させ、回転させた場合に、観察部分のｘ，
ｙ位置をＸ駆動機構４とＹ駆動機構１０とから制御装置
１５内に取り込み、更に、回転台６の回転角を回転駆動
機構７から取り込み、事前に記憶された係数と（１）式
により係数関数群ａ（ｘ，ｙ），ｂ（ｘ，ｙ），ｃ
（ｘ，ｙ），ｄ（ｘ，ｙ）を演算により求め、更に求め
られた係数関数群の値と（２）式とから、Ｚ方向のユー
セントリック性の補正量ΔＺｘ，ｙを演算により求め
る。

【００２９】この求められた補正量ΔＺｘ，ｙはＺ方向
移動台１１の駆動機構１２に供給され、Ｚ方向移動台１
１はユーセントリック性を維持するために調整される。
この結果、試料１３を任意にＸ，Ｙ方向に移動させて
も、また、回転・傾斜させても、常に試料表面にはビー
ムＢの焦点が結ばれ、顕微鏡像がボケることは防止され
る。

【００３０】以上本発明の実施の形態を説明したが、本
発明は上記形態に限定されない。例えば、Ｙ方向移動台
上にＺ方向移動台を設けたが、回転台の上にＺ方向移動
台を設け、その上にＹ方向移動台を設けても良い。ま
た、Ｘ，Ｙ方向はそれぞれ水平方向の直交する方向を示
すもので、Ｘ，Ｙそれ自体意味があるものではない。更
に、近似多次関数として線形３次関数を用いたが、４次
関数以上を用いても良く、また、精度が低くなるが、２
次関数を用いることも可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜３の発
明に基づく顕微鏡の試料ステージの位置補正方法では、
回転台の回転によるＺ方向の位置ズレの補正量を近似多
次関数によって求め、求められた補正量に基づいてＺ方
向の位置の調整を行うようにしたので、簡単に試料の全
域に渡ってユーセントリック性を確保することができ
る。

【００３２】請求項４〜５の発明に基づく顕微鏡の試料
ステージでは、Ｘ方向とＹ方向の移動台の移動位置と回
転台の回転角度情報に基づいて、Ｚ方向の位置ズレの補
正量を求め、この補正量に基づいてＺ方向移動台の駆動
機構を制御し、Ｚ方向移動台の位置の調整を行うように
したので、簡単に試料の全域に渡ってユーセントリック
性を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく顕微鏡の試料ステージを示す図
である。

【符号の説明】

１ 基台 ３ Ｘ方向移動台 ４ Ｘ駆動機構 ６ 回転台 ７ 回転駆動機構 ９ Ｙ方向移動台 １０ Ｙ駆動機構 １１ Ｚ方向移動台 １２ Ｚ駆動機構 １３ 試料 １４ 対物レンズ １５ 制御装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ方向に移動するＸ方向移動台と、Ｘ方
   向移動台上に配置されＸ方向と平行な軸の周りに回転す
   る回転台と、回転台と共に回転し、Ｘ方向と垂直なＹ方
   向に移動するＹ方向移動台と、回転台と共に回転し、
   Ｘ，Ｙ方向に垂直なＺ方向に移動するＺ方向移動台とを
   備え、回転台の回転中心にビームを照射するようにした
   顕微鏡の試料ステージにおいて、回転台の回転によるＺ
   方向の位置ズレの補正を行うに当たり、位置ズレの補正
   量を近似多次関数によって求めるようにした顕微鏡の試
   料ステージの位置補正方法。
2. 【請求項２】 近似多次関数は線形３次関数である請求
   項１記載の顕微鏡の試料ステージの位置補正方法。
3. 【請求項３】 請求項１において、Ｚ方向の位置ズレの
   補正量ΔＺｘ，ｙは、Φを回転角とした場合、次の関係
   式 ΔＺｘ，ｙ＝ａ（ｘ，ｙ）Φ³＋ｂ（ｘ，ｙ）Φ²＋ｃ
   （ｘ，ｙ）Φ＋ｄ（ｘ，ｙ） によって求められ、この関係式の係数は、予め測定され
   た多数のｘ，ｙ位置におけるＺ方向の位置ズレ量によっ
   て求められる顕微鏡の試料ステージの位置補正方法。
4. 【請求項４】 Ｘ方向に移動するＸ方向移動台と、Ｘ方
   向移動台の駆動機構と、Ｘ方向移動台上に配置されＸ方
   向と平行な軸の周りに回転する回転台と、回転台の駆動
   機構と、回転台と共に回転し、Ｘ方向と垂直なＹ方向に
   移動するＹ方向移動台と、Ｙ方向移動台の駆動機構と、
   回転台と共に回転し、Ｘ，Ｙ方向に垂直なＺ方向に移動
   するＺ方向移動台と、Ｚ方向移動台の駆動機構と、Ｘ方
   向とＹ方向の移動台の移動位置と回転台の回転角度情報
   に基づいて、Ｚ方向の位置ズレの補正量を求め、この補
   正量に基づいてＺ方向移動台の駆動機構を制御し、Ｚ方
   向移動台の位置の調整を行う制御手段とを有した顕微鏡
   の試料ステージ。
5. 【請求項５】 制御手段には、Ｚ方向の位置ズレの補正
   量を求めるための近似多次関数と、近似多次関数の係数
   を求めるための値とが記憶されている請求項４記載の顕
   微鏡の試料ステージ。