(57)【要約】  高精度な位置決めが実現できることに加え、高い速度安定性を有するステージ装置、およびこのステージ装置を備えた光学式顕微鏡や走査電子顕微鏡等の試料観察装置を提供することを目的として、本発明のステージ装置および試料観察装置は、所定時間ごとの指令電圧値を表す標準波形データを用いてステージ機構を駆動したときの変位または速度の第一の時刻歴応答とステージ機構の速度が一定となる場合の変位または速度の第二の時刻歴応答との差をゼロにするように、標準波形データの指令電圧値または指令電圧値の出力タイミングを補正して、ステージ機構の駆動部へ出力する駆動波形データとすることを特徴とする。
2014002579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を搭載し移動させるステージ機構と、前記ステージ機構を駆動する駆動部と、前記ステージ機構に対する動作の指示を入力するためのステージ操作入力部と、前記ステージ操作入力部からの入力に従い前記ステージ機構を制御するステージ制御部とを有するステージ装置において、
前記ステージ操作入力部によって入力された指令値と所定時間ごとの指令電圧値を表す駆動波形データとから前記駆動部へ出力する電圧信号を生成する波形生成部と、
前記生成された電圧信号を増幅して前記駆動部へ出力する増幅部と、
所定時間ごとの指令電圧値を表す標準波形データと、前記駆動部を一定速度で移動させるように前記標準波形データを補正する補正データとを格納する記憶部と、を有し、
前記補正データは、前記標準波形データを用いて前記ステージ機構を駆動したときの変位または速度の第一の時刻歴応答と前記ステージ機構の速度が一定となる場合の変位または速度の第二の時刻歴応答との差をゼロにするように、前記標準波形データの指令電圧値または指令電圧値の出力タイミングを補正するものであって、
前記標準波形データを前記補正データにより補正して前記駆動波形データとすることを特徴とするステージ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のステージ装置において、
前記波形生成部は電圧信号の出力タイミングが可変であって、
前記補正データは、前記標準波形データにおける各指令電圧値の出力タイミングを、前記ステージ機構の速度が一定となる場合の前記各指令電圧値と同じ電圧値が出力されるタイミングに、補正するデータであることを特徴とするステージ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のステージ装置において、
前記補正データは、一定時間間隔の電圧値または正規化された時間に対する電圧値の関数であって、前記標準波形データにおける各指令電圧値を前記ステージ機構の速度が一定となる場合に各時刻で出力されるべき指令電圧値に補正するデータであることを特徴とするステージ装置。
【請求項４】
請求項１に記載のステージ装置において、
前記ステージ機構の位置を計測するための位置計測部と、
前記位置計測部から取得される位置情報と前記ステージ操作入力部から入力される指令値とから前記波形生成部へ入力する指令値を求める補償部とを有することを特徴とするステージ装置。
【請求項５】
請求項１に記載のステージ装置において、
前記波形生成部への指令値と前記位置検出部により検出された位置情報とから、または前記ステージ機構の傾斜角度から、前記ステージ機構に加わる負荷を推定する負荷推定部と、
少なくとも二つの負荷状態における補正波形データを格納する記憶部と、
前記少なくとも二つの負荷状態における補正波形データと前記負荷推定部により推定された負荷推定値とから前記駆動波形データを生成する波形データ補間部とを有することを特徴とするステージ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のステージ装置において、
前記補償部は前記位置検出部で検出された位置情報を処理する第一のローパスフィルタと、
前記ステージ操作入力部から入力される速度指令値を積分する積分器と、
前記積分器の出力を処理し前記第一のローパスフィルタと同じ周波数特性をもつ第二のローパスフィルタと、
前記第一のローパスフィルタの出力と前記第二のローパスフィルタの出力との偏差からフィードバック制御演算を行うフィードバック補償部と、
前記速度指令値からフィードフォワード制御演算を行うフィードフォワード補償部と、
前記フィードバック補償部の出力と前記フィードフォワード補償部の出力の加算値を前記波形生成部への指令値とする加算器を有し、
前記フィードフォワード補償部のパラメータは前記負荷推定部によって推定された負荷に応じて決められることを特徴とするステージ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のステージ装置において、
前記負荷推定部は、前記第一のローパスフィルタの出力から前記ステージ機構の速度を演算する速度演算部と、前記速度演算部の出力と前記波形生成部への指令値との比を求める速度比演算部とを有し、前記速度比演算部で求められた比を、前記ステージ機構の速度と前記波形生成部への指令値との比と前記負荷との予め用意された相関データと比較することで、前記負荷を推定することを特徴とするステージ装置。
【請求項８】
請求項７に記載のステージ装置において、
前記フィードフォワード補償部は前記比の逆数をとることを特徴とするステージ装置。
【請求項９】
請求項１に記載のステージ装置において、
前記駆動部はウォーキング型ピエゾアクチュエータであることを特徴とするステージ装置。
【請求項１０】
試料に光または荷電粒子線を照射することによって得られる光または二次粒子を検出して前記試料の画像を取得する試料観察装置において、
前記光または前記荷電粒子線を発生する光源と、
前記光または前記荷電粒子線を前記試料上に照射する光学系と、
前記光または荷電粒子線を照射することによって得られる光または二次粒子を検出する検出器と、
前記試料を載置し移動させるステージ機構と、
前記ステージ機構を駆動する駆動部と、
前記ステージ機構に対する動作の指示を入力するためのステージ操作入力部と、
前記ステージ操作入力部からの入力に従い前記ステージ機構を制御するステージ制御部とを備え、
前記ステージ制御部は、
前記ステージ操作入力部によって入力された指令値と所定時間ごとの指令電圧値を表す駆動波形データとから前記駆動部へ出力する電圧信号を生成する波形生成部と、
前記生成された電圧信号を増幅して前記駆動部へ出力する増幅部と、
所定時間ごとの指令電圧値を表す標準波形データと、前記駆動部を一定速度で移動させるように前記標準波形データを補正する補正データとを格納する記憶部と、を有し、
前記補正データは、前記標準波形データを用いて前記ステージ機構を駆動したときの変位または速度の第一の時刻歴応答と前記ステージ機構の速度が一定となる場合の変位または速度の第二の時刻歴応答との差をゼロにするように、前記標準波形データの指令電圧値または指令電圧値の出力タイミングを補正するものであって、
前記標準波形データを前記補正データにより補正して前記駆動波形データとすることを特徴とする試料観察装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の試料観察装置において、
前記波形生成部は電圧信号の出力タイミングが可変であって、
前記補正データは、前記標準波形データにおける各指令電圧値の出力タイミングを、前記ステージ機構の速度が一定となる場合の前記各指令電圧値と同じ電圧値が出力されるタイミングに、補正するデータであることを特徴とする試料観察装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の試料観察装置において、
前記補正データは、一定時間間隔の電圧値または正規化された時間に対する電圧値の関数であって、前記標準波形データにおける各指令電圧値を前記ステージ機構の速度が一定となる場合に各時刻で出力されるべき指令電圧値に補正するデータであることを特徴とする試料観察装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載の試料観察装置において、
前記波形生成部への指令値と前記位置検出部により検出された位置情報とから前記ステージ機構に加わる負荷を推定する負荷推定部と、
少なくとも二つの負荷状態における補正波形データを格納する記憶部と、
前記少なくとも二つの負荷状態における補正波形データと前記負荷推定部により推定された負荷推定値とから前記駆動波形データを生成する波形データ補間部とを有することを特徴とする試料観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式顕微鏡や走査電子顕微鏡などの試料観察装置において、観察試料を搭載し移動させて観察視野を移動させるステージ装置および、これを用いた試料観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な荷電粒子線装置である走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下、ＳＥＭ）の用途として、半導体パターンの欠陥や不良の観察があげられる。近年、半導体プロセスの微細化に伴い、ＳＥＭには、より高い倍率での観察が要求されている。ＳＥＭは、観察試料の表面へ電子ビーム（一次電子線）を二次元状に走査しながら照射し、これにより試料から二次的に発生する二次電子や反射電子（以下、二次粒子という）の強度を一次電子線の走査と同期して走査生成される画像の輝度変調入力とすることで、試料表面の観察画像（ＳＥＭ画像）を取得する。このとき、観察対象となる試料表面の選択は、ＳＥＭに備えられた試料を搭載するステージを移動することにより行われる。通常、操作者はＳＥＭ画像を見ながら、トラックボールなどの操作入力手段を操作して、目的とする試料表面部分がＳＥＭ画像として得られるまでステージを移動させる。この場合、操作者が現在の観察位置を把握しやすくするため、ＳＥＭ画像が一定の速度で移動するようステージを一定の速度で移動させることが望ましい。また、半導体ウェハのように同じような微細なパターン（セル）が連続している試料を観察する場合には、目視もしくは画像処理によりＳＥＭ画面上を通過するセルの数を計測する（セルカウント）ことで、目的とする部分に到達したかを判定する方法が行われる。この場合も、セルの見落としがないようＳＥＭ画像を一定の速度で移動させるようステージを一定速度で移動させることが要求される。以上のように高倍率観察を行うため高い位置決め精度が求められるだけではなく、速度安定性も求められている。【０００３】
従来のステージ機構としては、ステッピングモータによりボールネジを回転させ、ボールネジに取り付けられたナットを介してステージを移動する位置決め装置が広く使われている。しかし、この方式では、ボールネジとナットとの噛み合いの誤差、ボールネジの弾性変形、ステッピングモータの回転誤差、等により、ステージの移動方向を反転させた場合には、その直後に、移動指令に対してステージが動かない、或いは、動くけれども、その移動量が指令値より小さいという、所謂、バックラッシュが発生して、高精度位置決めができず、このことが操作性の阻害要因の一つとなっている。【０００４】
このような位置決め誤差を解決するために、従来のステッピングモータから、圧電素子（電歪素子）で構成される超音波モータを、可動テーブルの下面に直接取り付けて、ステージを直接駆動する方法が、例えば、特開２００４−２８８９１８号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１では、ステージの下面に駆動伝達面を設け、この駆動伝達面に圧電素子を押し付けて、電圧印加時の圧電素子のせん断変形を利用して、前記駆動伝達面をステージ移動方向に、直線的に移動させることにより、ステージを駆動する方式が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２８８９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１においては、複数のピエゾ素子を用いて構成したピエゾ駆動体を２個用いて、各ピエゾ駆動体を交互に位置決め対象可動物に接触・離反させてウォーキング動作を行わせることが可能なウォーキング動作駆動ユニットを構成し、ウォーキング動作を用いて移動制御上の誤差をより正確に補正できるようにし、最終的に信頼性の高い、極めて高精度な位置決めを実現できるアライメント装置の制御方法について記載されている。【０００７】
しかしながら、このような制御方法は高精度な位置決めを行うために、停止時の位置決め誤差を補正するだけで、速度安定性は保証していない。速度安定性が低いと、観察画面の移動速度が変動して見にくい、観察対象の見落としが発生する恐れがある、などの問題があり、観察者が位置決めのアプローチを行う際に操作性を悪化させ、高精度な位置決めを行うことが困難になるという問題がある。【０００８】
そこで、本発明は高精度な位置決めが実現できることに加え、高い速度安定性を有するステージ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために本発明のステージ装置は、例えば、試料を搭載し移動させるステージ機構と、前記ステージ機構を駆動する駆動部と、前記ステージ機構に対する動作の指示を入力するためのステージ操作入力部と、前記ステージ操作入力部からの入力に従い前記ステージ機構を制御するステージ制御部とを有するステージ装置において、前記ステージ操作入力部によって入力された指令値と所定時間ごとの指令電圧値を表す駆動波形データとから前記駆動部へ出力する電圧信号を生成する波形生成部と、前記生成された電圧信号を増幅して前記駆動部へ出力する増幅部と、所定時間ごとの指令電圧値を表す標準波形データと、前記駆動部を一定速度で移動させるように前記標準波形データを補正する補正データとを格納する記憶部と、を有し、前記補正データは、前記標準波形データを用いて前記ステージ機構を駆動したときの変位または速度の第一の時刻歴応答と前記ステージ機構の速度が一定となる場合の変位または速度の第二の時刻歴応答との差をゼロにするように、前記標準波形データの指令電圧値または指令電圧値の出力タイミングを補正するものであって、前記標準波形データを前記補正データにより補正して前記駆動波形データとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば高精度な位置決めが実現できることに加え、高い速度安定性をもつステージを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１を示すステージ装置の構成図の例である。
【図２】ステージ装置を使用する走査電子顕微鏡の構成図である。
【図３】ステージ機構の構成図の例である。
【図４】本発明に用いるウォーキング型ピエゾモータの構成図の例である。
【図５】本発明に用いるピエゾ素子の動作を説明する図である。
【図６】本発明に用いるウォーキング型ピエゾモータの動作を説明する図である。
【図７】標準波形データを用いたときのウォーキング型ピエゾモータの速度応答を示す図である。
【図８】標準波形データを用いたときのウォーキング型ピエゾモータの変位応答を示す図であり、ウォーキング型ピエゾモータの速度変動の周期性を説明する図である。
【図９】標準波形データを用いたときのウォーキング型ピエゾモータの速度応答を示す図であり、ウォーキング型ピエゾモータの速度変動の周期性を説明する図である。
【図１０】本発明の実施例１における変位応答を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２を示すステージ装置の構成図の例である。
【図１２】本発明の実施例２における補正波形データの生成方法を示す模式図である。
【図１３ａ】本発明の実施例３を示すステージ装置の構成図の例である。
【図１３ｂ】本発明の実施例３を示すステージ装置の構成図の例である。
【図１４】本発明の実施例４を示すステージ装置の構成図の例である。
【図１５】本発明の実施例５を示すステージ装置の構成図の例である。
【図１６】本発明の実施例６を示すステージ装置の構成図の例である。
【図１７】本発明の実施例７を示すステージ装置の構成図の例である。
【図１８】速度指令値の一例を説明するための図である。
【図１９】補正データ生成時のスイッチの状態を示す構成図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施例について図面を用いて説明する。以下では、走査電子顕微鏡の例を示すが、本発明はこれに限定されるものではなく、光学式顕微鏡やイオン顕微鏡、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）等の試料観察装置に適用可能である。特に観察対象が微細である場合には高精度な位置決めおよびステージ速度の高い安定性が必要となるため、これらの装置に有効である。
【実施例１】
【００１３】
本発明の実施例１を示すステージ装置について説明する。図１において、ステージ１１は観察対象となる試料１２を載置する可動テーブル１０１などを有するステージ機構１０８をモータ１０４などの駆動部１０７により駆動し、そのステージ移動量を計測する位置検出部１０６を備えている。ステージ１１はステージ制御部１５によって制御されている。ステージ制御部１５は、モータ１０４に与える指令値を出力する。ステージ制御部１５には、スイッチ２１５と、スイッチ２１６と、波形出力部２０５と、標準波形データ２０９ｓｔｄと、補正タイミングデータ２０９と、補正タイミング生成部２１３とを備えている。標準波形データ２０９ｓｔｄと、補正タイミングデータ２０９は、例えばメモリ等に保持されている。ステージ装置は、標準波形データ２０９ｓｔｄと、補正タイミングデータ２０９から、波形出力部２０５で、波形データとタイミングを制御することにより、高い位置決め精度と速度安定性を持つ駆動を実現する。波形出力部２０５から出力された波形は増幅器２０６で増幅され駆動部１０７に伝えられる。【００１４】
本実施例のステージ装置を用いるＳＥＭの構成について、図２を用いて説明する。ＳＥＭ１は、電子光学系を備えた鏡筒２、試料室３、ステージ１１、その他の制御部やコンピュータなどから構成される。電子銃４から発生した一次電子線５は収束レンズ６、対物レンズ７を通して試料１２に照射され、これにより試料１２から発生した二次電子、反射電子等の二次粒子９は二次粒子検出器１０により検出される。一次電子線５は走査偏向器８により観察する試料１２の表面を二次元状に走査する。電子光学系制御部１３は走査偏向器８による一次電子線５の走査を制御するとともに、二次粒子検出器１０により検出される二次粒子９の強度を一次電子線の走査と同期して走査生成される画像の輝度変調入力とすることで試料表面の観察画像（ＳＥＭ画像）を生成する。生成されたＳＥＭ画像は表示装置１４に表示される。またＳＥＭ画像は図示しない記憶装置に保存されても良い。【００１５】
観察対象となる試料１２は、試料室３内に置かれたステージ１１に搭載される。ステージ１１は試料１２を移動・回転させるものであり、水平方向（ＸＹ方向）、上下方向（Ｚ方向）、回転（Ｚ軸回りの回転）、傾斜などの自由度を持つ（図では１自由度のみを示す）。ステージ制御部１５は、例えばトラックボールやジョイスティックなどの入力デバイスであるステージ操作入力部１６からの入力に従いステージ１１を制御する。また、ステージ操作入力部１６としてネットワークやシリアルなどで接続されたＰＣを用いてもよい。なお、電子光学系制御部１３やステージ制御部１５は専用回路基板によりハードで構成されてもよいし、ＳＥＭを制御するコンピュータで実行されるプログラムによりソフトとして実現されても良い。【００１６】
観察対象となる試料表面の選択はステージ１１を位置決めすることにより行う。操作者はＳＥＭ画像を見ながらステージ操作入力部１６を操作して、目的とする観察部位がＳＥＭ画像として得られるまでステージ１１を移動させる。このとき、速度安定性が低いと、操作入力に対する応答性が悪くなり操作性が悪化することに加え、急峻に速度が変動した場合には観察対象を見落とす恐れがある。また、半導体ウェハなど同じような微細パターン（セル）が連続している試料を観察する場合には、ステージ操作入力部１６から移動方向と速度をステージ制御部１５へ入力してステージ１１を一定速度で移動させ、操作者の目視もしくは画像処理によりＳＥＭ画面上を通過するセルの数を計測することで目的とする部位に到達したか判定する方法も行われる。この場合も急峻な速度変動が発生すると対象とするセルの見落としが発生する恐れがあり、位置の検出が正しくできないという問題がある。【００１７】
本実施例のステージ装置の機構部について、図３を用いて説明する。ステージ１１は、可動テーブル１０１に試料を取り付け、ベース１００に取り付けたガイドレール１０２に沿って可動テーブル１０１を移動させることにより試料を移動させる。可動テーブルを動かすための駆動部として直動アクチュエータが用いられる。これは、シャフト１０３とモータ１０４とから構成され、モータ１０４へ駆動信号を入力するとシャフト１０３に沿ってモータ１０４が移動する。このモータ１０４を可動テーブル１０１に、シャフト１０３をベースに取り付ける。なお、シャフト１０３を可動テーブル１０１に、モータ１０４をベースに取り付ける構成でもよい。【００１８】
可動テーブル１０１の位置を検出するための位置検出部としては、例えばスケール１０５、センサヘッドとから構成されるリニアスケールを用いる。このスケール１０５には一定間隔にスリットがつけられており、その上をセンサヘッドが通過するたびにパルスが発生する。そのパルスの数を計測することにより位置が取得できる。このスケール１０５をベース１００に、センサヘッドを可動テーブル１０１に取り付ける。なお、位置検出手段として、レーザー干渉計や、レーザー変位計などを用いてもよい。【００１９】
ステージ制御部１５は、ステージ操作入力部１６から入力される指令値と、位置検出部により検出される位置情報から制御演算を行い、モータ１０４への駆動信号を出力することでステージを動作させる。ここでは、位置情報を用いてフィードバック制御を行う構成を示しているが、位置情報を用いずにオープンループ制御を行うようにしてもよい。【００２０】
なお、図３には１自由度のステージの構成を示しているが、これと同様のステージを組み合わせることで多自由度のステージを構成することができる。【００２１】
本実施例のステージに使用する駆動部の一例を図４〜図６を用いて説明する。ここではウォーキング型ピエゾモータを例に説明する。図４にピエゾモータの構成例を示す。モータ１０４の内部には、積層ピエゾ板３００ａ、３００ｂを張り合わせたピエゾ素子３００、３０１、３０２、３０３があり、図示していないバネによりピエゾ素子の先端をシャフト１０３に押し付けている。図５にピエゾ素子に入力される指令電圧に対応したピエゾ素子の動作を示す。例えば図５に示すような指令電圧を貼り合わせて積層ピエゾ板３００ａ（右）、３００ｂ（左）に与えると、ピエゾ素子は指令電圧の和と差に応じて伸縮・屈曲し、ピエゾ素子先端が楕円軌道を描くような動作を行う。図６はピエゾ素子２本分を取り出してウォーキング型ピエゾモータの動作原理を示す。ピエゾ素子Ａ、Ｂに図６のような指令電圧を与えると、ピエゾ素子は地面を歩くように動作する。例えば、ピエゾ素子Ａがシャフト１０３に接触して動いている間にモータ１０４は移動し、その間にピエゾ素子Ｂは振り戻り動作を行う。この１周期分の動作は具体的な周期の長短に限定されるものではない。そのため、１周期分の波形を等分割した（正規化した）電圧データを用意し、電圧データの出力時間間隔（以下、正規化された単位時間）を変える（伸び縮みさせる）ことで、その指令電圧波形の周期を変化させて、速度を制御する。図５、図６には１サイクル分の駆動信号の波形を示しているが、モータを連続して移動させる場合にはこの波形を繰り返し与えればよい。なお、これは駆動部の一構成例であり、これにより本発明が限定されるものではない。【００２２】
図７は、波形生成部から指令電圧波形を一定の出力タイミングで４周期分入力した際の速度応答波形を示す。図７から速度が指令速度に対して、変動が大きいことがわかる。この理由は、ピエゾ素子の角度や長さ、特に屈曲量にばらつきが生じるために速度安定性が悪化するためである。【００２３】
次に、図７の移動開始と移動終了の指令電圧波形それぞれ半周期ずつを除外した３周期分を取り出し、それぞれ１周期分の変位応答と速度応答をそれぞれ図８、図９に示す。これらの図から１周期目から３周期までの変位応答と速度応答の波形形状が、それぞれほぼ一致していることがわかる。すなわち、指令値に対する実際の変位の応答と速度の応答には周期性があり、その周期は指令電圧波形の周期と一致している。また、このような周期性は、ステージ機構の駆動位置、速度によらず確認できる。そこで、本実施例では、この周期性を利用して、事前に計測した変位または速度から、指令電圧波形出力タイミング補正データを求め、指令電圧出力タイミングを可変とすることにより、速度安定性が高い駆動を可能とする。【００２４】
ここで、具体的な補正データの生成方法について図１９と図１０を用いて説明する。図１９は補正データ生成時のスイッチの状態を示す。スイッチ２１５をＯＦＦ、スイッチ２１６をＯＮとし、標準波形データを一定時間間隔で波形出力生成部より出力し、位置検出部１０６から得られる位置または速度データから、補正タイミング生成部２１３において、可動テーブルが一定速度で移動するように補正タイミングデータ２０９が生成される。ここでは、標準波形データが時刻ｉのときにｘ（ｉ）で与えられているとする。標準波形データとは、所定時間ごとの指令電圧値を表すものであって、本実施例の補正を行わない場合にはこのデータのみに基づいて駆動部への指令電圧波形が決められる。なお、本明細書において「所定時間」とは、予め定められた時間間隔のことをいい、通常「一定時間間隔」ごとである場合が多いが本発明は特にこれに限られるものではない。【００２５】
ｘ（ｉ）はｉに関するテーブルとして与えられていてもよいし、ｉに関する関数として与えられていてもよい。ここでは前者の場合を例に説明する。ｘ（ｉ）を波形生成部により一定時間間隔Δｔｓｔｄで出力してステージを動作させたときに得られた変位をｙ（ｉ）とする。一定速度ｖで移動している場合には変位ｙ（ｉ）に到達したときの理想的な時刻はｙ（ｉ）／ｖとなる。ところが、実際には速度変動が発生しているために変位ｙ（ｉ）に達した時刻は、この時刻と異なることになり、その差はΔｔ（ｉ）＝ｉ・Δｔｓｔｄ−ｙ（ｉ）／ｖとなる。したがって、指令電圧ｘ（ｉ）の時刻ｉのときの値がΔｔ（ｉ）だけずらして出力することによりステージを一定速度ｖで動かすことが可能となる。すなわち、補正データは、標準波形データを用いてステージ機構を駆動したときの変位（図８）または速度（図９）の第一の時刻歴応答とステージ機構の速度が一定となる場合の変位または速度の第二の時刻歴応答との差をゼロにするように、前記標準波形データの指令電圧値の出力タイミングをずらす時間間隔Δｔ（ｉ）を規定するものである。指令電圧値の出力タイミングをΔｔ（ｉ）ずらすことで、実際に変位ｙ（ｉ）に到達するときの時刻がｙ（ｉ）／ｖとなり、ステージ機構の速度が一定となる場合の理想的な変位に一致する。【００２６】
なお、標準波形データおよび補正データはステージ制御手段１５に接続されたメモリやハードディスク等の記憶部（図示しない）に格納されている。【００２７】
また、補正データは前述の正規化された単位時間に対して保持しておけばよい。これによってステージ速度を変えた場合であっても同じ補正データを用いて補正することが可能となる。【００２８】
以上のように得られた補正データΔｔ（ｉ）により標準波形データｘ（ｉ）の出力タイミングを補正して動作させたときの指令電圧と実測変位を図１０に示す。この図から明らかなようにステージは一定速度で動作することが確認できる。【００２９】
以上述べたように、本実施例のステージ装置を用いることによって速度変動を抑制し、高い速度安定性を得ることができる。
【実施例２】
【００３０】
本発明の別の構成例を図１１に示す。以下、実施例１と同様の部分については説明を省略する。本実施例では実施例１で求めた出力タイミングのずれを一定時間ごとに出力する電圧値の変動に変換して、補正データを指令電圧値として規定する例である。なお、以下「補正データ」とは実施例１で説明した「補正タイミングデータ」と本実施例で説明する「補正波形データ」を含むものとし、特に断りが無い限り、これらは代替することが可能であるものとする。【００３１】
図１１では図１に加えて、補正波形データ２１９を生成する補正波形生成部２１７とスイッチ２１８を付加している。補正波形生成部２１７は、実施例１に示したように標準波形データｘ（ｉ）の出力タイミングの補正値Δｔ（ｉ）を補正タイミング生成部２１３で求めた後に、一定時間間隔Δｔｓｔｄの電圧データに変換し、これを補正波形データ２１９とする。よって補正波形データ２１９は一定時間間隔の電圧指令値の時間推移を表す波形データである。【００３２】
図１２を用いて補正波形データの生成方法を示す。まず、ｘ（ｉ）の出力タイミングをΔｔ（ｉ）だけずらして得られる波形データを生成する（図１２の矢印による曲線）。このときの一定時刻間隔Δｔｓｔｄごとの点の指令電圧（図１２の○印の点）をその時間の前後のプロット点から線形補間を行い求める。これにより、同じ波形データを一定時刻間隔Δｔｓｔｄの指令電圧値のテーブルｘ′（ｉ）として得ることができ、これを補正波形データとすればよい。実稼働時にはｘ′（ｉ）を一定時間間隔Δｔｓｔｄで出力すれば結果的にはｘ（ｉ）の出力タイミングをずらしたことと同じ効果を得ることができ、一定速度でステージを動作させることが可能となる。【００３３】
以上述べたように、本実施例のステージ装置を用いることによっても速度変動を抑制し、高い速度安定性を得ることができる。
【実施例３】
【００３４】
本発明の別の構成例を図１３ａと図１３ｂに示す。以下、実施例１−２と同様の部分については説明を省略する。この実施例は図１または図１１、のスイッチ２１６をＯＦＦにした状態の構成に対して、位置検出部から検出される現在のステージの位置情報と速度指令値とから波形生成部へ入力する指令値を求める補償部２０３を付加したものである。図１および図１１のように求めた補正データを使えばピエゾ素子の角度や長さ、特に屈曲量のばらつきについて補償することが可能となる。しかしながら、外乱やステージの傾斜や試料負荷の変動によっても、速度変動は発生する。そこで、図１３ａまたは図１３ｂのように位置情報をフィードバックすることにより、これら負荷変動の影響を抑制することが可能となる。
【実施例４】
【００３５】
本発明の別の構成例を図１４に示す。以下、実施例１−３と同様の部分については説明を省略する。本実施例はステージの負荷に対して補正波形データが変動することに着目して、ステージの負荷に応じて複数の補正データを設ける例である。ここでステージの負荷とはステージの傾斜と試料の質量による可動質量やガイドレール１０２の摺動抵抗などによって、ステージが可動するために必要な力の大きさのことであり、多くの種類の試料を様々な方法で観察する汎用の電子顕微鏡においては、特に本実施例の方法が有効である。【００３６】
図１４の構成は、図１３ｂの構成に対して、負荷推定部２０７と、少なくとも二つの補正波形データ２１９ａ、２１９ｂ、…、補正データ補間部２０８、スイッチ２２０、スイッチ２２１を付加したものである。少なくとも二つの補正データは任意の負荷状態（例えば最低負荷状態、最大負荷状態）で補正波形データを求めたものであり、その方法は負荷を変化（ステージの傾斜、試料負荷の変更）させた状態で実施例１または実施例２で述べた方法により取得することができる。傾斜角度が既知の場合、負荷推定部２０７は、補償部２０３から得られる傾斜角度情報から、ステージに加わる負荷Ｆを推定するものである。傾斜角度が未知の場合でも、スイッチ２２０をＯＮとし、負荷推定部２０７は位置検出部１０６から得られた位置情報と波形出力部２０５への指令値とからステージに加わる負荷Ｆを推定することも可能である。補正データ補間部２０８は複数の補正データ２０９ａ、２０９ｂ、…と負荷推定部２０７により推定された負荷Ｆとから波形生成部が使用する駆動波形を生成するものである。負荷Ｆ１における補正データをｘ′１（ｉ）、負荷Ｆ２における補正データをｘ′２（ｉ）とすると、推定された負荷Ｆに対応した補正波形ｘ′（ｉ）は、例えばｘ′１（ｉ）とｘ′２（ｉ）を線形補間することにより求めることができる。実施例１、２のように求められる補正データはステージ負荷が異なることによりその形状が異なることがわかっており、本実施例のようにステージ負荷状態により補正データを生成できるようにすることで、高精度な補正が可能となり、速度変動をより抑制することが可能となり、より高い速度安定性を得ることができる。【００３７】
また、スイッチ２２１をＯＮし、フィードバック制御を行う補償部２０３のパラメータ、例えばフィーバックゲインをステージ負荷により可変とすることで、より高精度な補償を実現することができる。
【実施例５】
【００３８】
本発明の別の構成例を図１５に示す。以下、実施例１−４と同様の部分については説明を省略する。本実施例はスイッチ２２０、スイッチ２２１をともにＯＮとした実施例４の補償部２０３を２自由度制御とした場合をより詳細に説明するものである。位置検出部１０６から取得される位置情報からノイズ成分を取り除くための第一のローパスフィルタ２０１を通した信号と、ステージ操作入力部１６から入力される速度指令値を積分器２００と第二のローパスフィルタ２０２を通した信号との偏差からフィードバック補償部２２２にて補償演算を行う。このとき、第二のローパスフィルタ２０２は第一のローパスフィルタ２０１と同じ周波数特性をもつ。これにより二つのローパスフィルタを通して得られる信号の位相差をなくすことができる。また、速度指令値はフィードフォワード補償部２０４によりフィードフォワード補償演算が行われ、その結果とフィードバック補償部の出力が加算され波形出力部２０５への入力となる。ピエゾモータは負荷が大きくなると同じ指令値を与えていても実速度が遅くなることが分かっており、フィードフォワード補償はこれをフォードフォワード的に補償するものである。このとき、フィードフォワード補償量は負荷推定部２０７により推定された負荷により変化させる。【００３９】
以上のようにすれば、より高精度な補償を行うことができ、高い速度安定性を得ることができる。
【実施例６】
【００４０】
本発明の別の構成例を図１６に示す。以下、実施例１−５と同様の部分については説明を省略する。この実施例は図１５に示した構成で、負荷推定部２０７をより詳細に示したものである。【００４１】
負荷推定部２０７は、速度演算部２１０、速度比演算部２１１、負荷特性テーブル２１２とを有する。速度演算部２１０は第一のローパスフィルタ２０１の出力からステージの速度を演算するものであり、例えば差分演算やオブザーバーなどにより速度を求めることができる。速度演算部２１０で得られたステージ速度Ｖと波形生成部への指令値Ｖｃとの間には比例関係が成り立つことが分かっている。その比例係数をＫとすると、比例係数Ｋは負荷Ｆが大きくなると小さくなることが分かっており、比例係数Ｋと負荷Ｆとの関係は使用するモータにより決まっている。そこで、モータ毎に比例係数Ｋと負荷Ｆとの関係をデータベース（負荷特性テーブル２１２）として予め記憶しておき、速度演算部２１０から得られるステージ速度Ｖと波形生成部への指令値Ｖｃとから速度比演算部２１１は比Ｋを計算し、比Ｋをデータベースの値と比較することで負荷Ｆを推定する。これにより、さらに高精度な補償を行うことが可能となる。
【実施例７】
【００４２】
本発明の別の構成例を図１７に示す。以下、実施例１−６と同様の部分については説明を省略する。この実施例はステージ操作入力部から位置指令値が与えられたときの構成を示すものである。【００４３】
図１７は、これまで述べた実施例に速度指令値生成部２１４を付加したものである。速度指令値生成部２１４に位置指令値が入力されると、速度指令値生成部２１４では、例えば図１８に示されるような速度パターンが生成され出力される。この速度パターンは以下の四つのフェーズで構成される。
（１）予め設定された加速度で、速度指令値を増加させる。
（２）速度指令値が設定された速度Ｖｍａｘに達したら、速度指令値を保持する。
（３）現在位置が減速開始位置に到達したら、予め設定された減速度で指令速度を減少させる。
（４）現在位置が位置指令値近傍に達したら、極低速で移動させ目標位置へ位置決めする。【００４４】
なお、これは速度指令値生成の一例であり、滑らかに速度が変化する速度パターンが生成できるものであればよく、これにより本発明が限定されるものではない。【００４５】
以上のようにすれば位置指令値が与えられた場合でも速度変動を抑制し、高い速度安定性を得ることができる。【００４６】
以上述べた実施例ではウォーキング型ピエゾモータを例に説明したが、周期的な速度変動をもつアクチュエータであれば、ウォーキング型ピエゾモータ以外にも適用可能である。【００４７】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。【００４８】
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、たとえば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。【００４９】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１  ＳＥＭ
２  鏡筒
３  試料室
４  電子銃
５  一次電子線
６  収束レンズ
７  対物レンズ
８  走査偏向器
９  二次粒子
１０  二次粒子検出器
１１  ステージ
１２  試料
１３  電子光学系制御部
１４  表示装置
１５  ステージ制御部
１６  ステージ操作入力部
１００  ベース
１０１  可動テーブル
１０２  ガイドレール
１０３  シャフト
１０４  モータ
１０５  スケール
１０６  位置検出部
１０７  駆動部
１０８  ステージ機構
２００  積分器
２０１、２０２  ローパスフィルタ
２０３  補償部
２０４  フィードフォワード補償部
２０５  波形出力部
２０６  増幅器
２０７  負荷推定部
２０８  補正データ補間部
２０９  補正タイミングデータ
２０９ｓｔｄ  標準波形データ
２１０  速度演算部
２１１  速度比演算部
２１２  負荷特性テーブル
２１３  補正タイミング生成部
２１４  速度指令値生成部
２１５、２１６、２１８、２２０、２２１  スイッチ
２１７  補正波形生成部
２１９  補正波形データ
２１９ａ  負荷ａ時の補正波形データ
２１９ｂ  負荷ｂ時の補正波形データ
２２２  フィードバック補償部
３００〜３０３  ピエゾ素子
【図１】
2014002579.tif 000003
【図２】
2014002579.tif 000004
【図３】
2014002579.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2014002579.tif 000013
【図１２】
2014002579.tif 000014
【図１３ａ】
2014002579.tif 000015
【図１３ｂ】
2014002579.tif 000016
【図１４】
2014002579.tif 000017
【図１５】
2014002579.tif 000018
【図１６】
2014002579.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
2014002579.tif 000021
【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年3月23日(2015.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を搭載し移動させるステージ機構と、前記ステージ機構を駆動する駆動部と、前記ステージ機構に対する動作の指示を入力するためのステージ操作入力部と、前記ステージ操作入力部からの入力に従い前記ステージ機構を制御するステージ制御部とを有するステージ装置において、
前記ステージ操作入力部によって入力された指令値と所定時間ごとの指令電圧値を表す駆動波形データとから前記駆動部へ出力する電圧信号を生成する波形生成部と、
前記生成された電圧信号を増幅して前記駆動部へ出力する増幅部と、
所定時間ごとの指令電圧値を表す標準波形データと、前記駆動部を一定速度で移動させるように前記標準波形データを補正する補正データとを格納する記憶部と、を有し、
前記補正データは、前記標準波形データを用いて前記ステージ機構を駆動したときの変位または速度の第一の時刻歴応答と前記ステージ機構の速度が一定となる場合の変位または速度の第二の時刻歴応答との差をゼロにするように、前記標準波形データの指令電圧値または指令電圧値の出力タイミングを補正するものであって、
前記標準波形データを前記補正データにより補正して前記駆動波形データとすることを特徴とするステージ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のステージ装置において、
前記波形生成部は電圧信号の出力タイミングが可変であって、
前記補正データは、前記標準波形データにおける各指令電圧値の出力タイミングを、前記ステージ機構の速度が一定となる場合の前記各指令電圧値と同じ電圧値が出力されるタイミングに、補正するデータであることを特徴とするステージ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のステージ装置において、
前記補正データは、一定時間間隔の電圧値または正規化された時間に対する電圧値の関数であって、前記標準波形データにおける各指令電圧値を前記ステージ機構の速度が一定となる場合に各時刻で出力されるべき指令電圧値に補正するデータであることを特徴とするステージ装置。
【請求項４】
請求項１に記載のステージ装置において、
前記ステージ機構の位置を計測するための位置計測部と、
前記位置計測部から取得される位置情報と前記ステージ操作入力部から入力される指令値とから前記波形生成部へ入力する指令値を求める補償部とを有することを特徴とするステージ装置。
【請求項５】
請求項１に記載のステージ装置において、
前記波形生成部への指令値と前記位置検出部により検出された位置情報とから、または前記ステージ機構の傾斜角度から、前記ステージ機構に加わる負荷を推定する負荷推定部と、
少なくとも二つの負荷状態における補正波形データを格納する記憶部と、
前記少なくとも二つの負荷状態における補正波形データと前記負荷推定部により推定された負荷推定値とから前記駆動波形データを生成する波形データ補間部とを有することを特徴とするステージ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のステージ装置において、
前記位置検出部で検出された位置情報を処理する第一のローパスフィルタと、
前記ステージ操作入力部から入力される速度指令値を積分する積分器と、
前記積分器の出力を処理し前記第一のローパスフィルタと同じ周波数特性をもつ第二のローパスフィルタと、
前記第一のローパスフィルタの出力と前記第二のローパスフィルタの出力との偏差からフィードバック制御演算を行うフィードバック補償部と、
前記速度指令値からフィードフォワード制御演算を行うフィードフォワード補償部と、
前記フィードバック補償部の出力と前記フィードフォワード補償部の出力の加算値を前記波形生成部への指令値とする加算器を有し、
前記フィードフォワード補償部のパラメータは前記負荷推定部によって推定された負荷に応じて決められることを特徴とするステージ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のステージ装置において、
前記負荷推定部は、前記第一のローパスフィルタの出力から前記ステージ機構の速度を演算する速度演算部と、前記速度演算部の出力と前記波形生成部への指令値との比を求める速度比演算部とを有し、前記速度比演算部で求められた比を、前記ステージ機構の速度と前記波形生成部への指令値との比と前記負荷との予め用意された相関データと比較することで、前記負荷を推定することを特徴とするステージ装置。
【請求項８】
請求項１に記載のステージ装置において、
前記駆動部はウォーキング型ピエゾアクチュエータであることを特徴とするステージ装置。
【請求項９】
試料に光または荷電粒子線を照射することによって得られる光または二次粒子を検出して前記試料の画像を取得する試料観察装置において、
前記光または前記荷電粒子線を発生する光源と、
前記光または前記荷電粒子線を前記試料上に照射する光学系と、
前記光または前記荷電粒子線を照射することによって得られる光または二次粒子を検出する検出器と、
前記試料を載置し移動させるステージ機構と、
前記ステージ機構を駆動する駆動部と、
前記ステージ機構に対する動作の指示を入力するためのステージ操作入力部と、
前記ステージ操作入力部からの入力に従い前記ステージ機構を制御するステージ制御部とを備え、
前記ステージ制御部は、
前記ステージ操作入力部によって入力された指令値と所定時間ごとの指令電圧値を表す駆動波形データとから前記駆動部へ出力する電圧信号を生成する波形生成部と、
前記生成された電圧信号を増幅して前記駆動部へ出力する増幅部と、
所定時間ごとの指令電圧値を表す標準波形データと、前記駆動部を一定速度で移動させるように前記標準波形データを補正する補正データとを格納する記憶部と、を有し、
前記補正データは、前記標準波形データを用いて前記ステージ機構を駆動したときの変位または速度の第一の時刻歴応答と前記ステージ機構の速度が一定となる場合の変位または速度の第二の時刻歴応答との差をゼロにするように、前記標準波形データの指令電圧値または指令電圧値の出力タイミングを補正するものであって、
前記標準波形データを前記補正データにより補正して前記駆動波形データとすることを特徴とする試料観察装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の試料観察装置において、
前記波形生成部は電圧信号の出力タイミングが可変であって、
前記補正データは、前記標準波形データにおける各指令電圧値の出力タイミングを、前記ステージ機構の速度が一定となる場合の前記各指令電圧値と同じ電圧値が出力されるタイミングに、補正するデータであることを特徴とする試料観察装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の試料観察装置において、
前記補正データは、一定時間間隔の電圧値または正規化された時間に対する電圧値の関数であって、前記標準波形データにおける各指令電圧値を前記ステージ機構の速度が一定となる場合に各時刻で出力されるべき指令電圧値に補正するデータであることを特徴とする試料観察装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の試料観察装置において、
前記波形生成部への指令値と前記位置検出部により検出された位置情報とから前記ステージ機構に加わる負荷を推定する負荷推定部と、
少なくとも二つの負荷状態における補正波形データを格納する記憶部と、
前記少なくとも二つの負荷状態における補正波形データと前記負荷推定部により推定された負荷推定値とから前記駆動波形データを生成する波形データ補間部とを有することを特徴とする試料観察装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１５】
2014002579.tif 000023
【国際調査報告】
2014002579.tif 000024
2014002579.tif 000025
2014002579.tif 000026
2014002579.tif 000027