(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線を発生して試料に照射する荷電粒子源と、
前記荷電粒子線の照射により試料から発生される信号を検出する検出装置と、
前記試料を観察位置に移動させる水平移動機構と、
前記水平移動機構上に配置される試料昇降装置と、
前記荷電粒子源、前記検出装置、前記水平移動機構及び前記試料昇降装置を内包し、内部空間を減圧環境に維持するチャンバと、を有し、
前記試料昇降装置は、
前記試料が固定される試料台を昇降させる第１及び第２の昇降機構と、
前記第１及び第２の昇降機構を個別に昇降駆動させる第１及び第２の駆動装置と、
前記第１及び第２の駆動装置による前記第１及び第２の昇降機構の昇降動作を第１及び第２の制御信号により同期させる制御部とを有し、
前記第１の昇降機構は、前記第１の駆動装置から与えられる水平方向の第１の駆動入力を、垂直方向に減速した第１の駆動出力を発生させる第１の減速機構を有し、
前記第２の昇降機構は、前記第２の駆動装置から与えられる水平方向の第２の駆動入力を、垂直方向に減速した第２の駆動出力を発生させる第２の減速機構を有し、
前記第１及び第２の昇降機構は、前記試料台の重心を中心とする円上において、互いに異なる位置に配置され、
前記第１及び第２の駆動入力の向きは互いに異なる
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料昇降装置は、前記第１及び第２の昇降機構の昇降駆動による前記試料台の移動方向を垂直方向に制限する案内機構を更に有する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記第１及び第２の減速機構は、楔方式を用いた減速機構である
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料昇降装置は、前記第１及び第２の昇降機構と共に前記試料台を昇降する第３の昇降機構を更に有し、
前記第３の昇降機構を個別に昇降駆動させる第３の駆動装置と、
前記第３の駆動装置による前記第３の昇降機構の昇降動作を第３の制御信号により同期させる制御部とを有し、
前記第３の昇降機構は、前記第３の駆動装置から与えられる第３の駆動入力を、当該入力方向とは異なる方向に減速した第３の駆動出力を発生させる第３の減速機構を有し、
前記第１乃至第３の駆動入力の向きは互いに異なり、かつ同一直線上ではない
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
前記第１乃至第３の昇降機構が配置される位置を通る仮想円を定めた場合、前記第１乃至第３の駆動入力の向きが交差するいずれかの箇所は、前記仮想円の外側である
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記第１及び第２の昇降機構並びに前記案内機構が配置される位置を通る仮想円を定めた場合、前記第１及び第２の駆動入力の向きが交差する箇所は、前記仮想円の外側である  ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料昇降装置は、前記第１及び第２の昇降機構と共に前記試料台を昇降する第３の昇降機構を更に有し、
前記試料台の重心位置が、前記第１、第２及び第３の昇降機構の配置位置を頂点とする三角形の内側に位置する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料台の重心位置が、前記第１及び第２の昇降機構並びに前記案内機構の配置位置を頂点とする三角形の内側に位置する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料台の重心が、前記第１及び第２の昇降機構の配置位置を通る直線上に位置する  ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記第１の昇降機構は、前記駆動入力の方向への移動量又は前記駆動出力の方向への移動量を測定する第１の測定装置を更に有し、
前記第２の昇降機構は、前記駆動入力の方向への移動量又は前記駆動出力の方向への移動量を測定する第２の測定装置を更に有し、
前記制御部は、前記第１の測定装置の測定結果と前記第２の測定装置の測定結果を比較して、前記第１及び第２の昇降機構の昇降動作を制御する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記第１及び第２の昇降機構のうちいずれか一方は、前記駆動入力の方向への移動量又は前記駆動出力の方向への移動量を測定する測定装置を更に有し、
前記制御部は、前記測定装置の測定結果を基準として、前記測定装置が設けられていない他方の昇降機構の昇降動作を制御する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
水平移動機構上に配置される試料昇降装置であって、
試料が固定される試料台を昇降させる第１及び第２の昇降機構と、
前記第１及び第２の昇降機構を個別に昇降駆動させる第１及び第２の駆動装置と、
前記第１及び第２の駆動装置による前記第１及び第２の昇降機構の昇降動作を第１及び第２の制御信号により同期させる制御部と
を有し、
前記第１の昇降機構は、前記第１の駆動装置から与えられる水平方向の第１の駆動入力を、垂直方向に減速した第１の駆動出力を発生させる第１の減速機構を有し、
前記第２の昇降機構は、前記第２の駆動装置から与えられる水平方向の第２の駆動入力を、垂直方向に減速した第２の駆動出力を発生させる第２の減速機構を有し、
前記第１及び第２の昇降機構は、前記試料台の重心を中心とする円上において、互いに異なる位置に配置され、
前記第１及び第２の駆動入力の向きは互いに異なる
ことを特徴とする試料昇降装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の試料昇降装置において、
前記第１及び第２の昇降機構の昇降駆動による前記試料台の移動方向を垂直方向に制限する案内機構を更に有する
ことを特徴とする試料昇降装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の試料昇降装置において、
前記第１及び第２の昇降機構と共に前記試料台を昇降する第３の昇降機構を更に有する  ことを特徴とする試料昇降装置。
【請求項１５】
請求項１２に記載の試料昇降装置において、
前記第１及び第２の昇降機構のいずれか一方又は両方が、駆動入力の方向への移動量又は駆動出力の方向への移動量を測定する測定装置を更に有し、
前記制御部は、前記測定装置の測定結果に基づいて前記第１及び第２の昇降機構の昇降動作を制御する
ことを特徴とする試料昇降装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置における試料の垂直移動を可能にする試料昇降装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハなどの検査、分析、観察には、走査型電子顕微鏡（SEM：Scanning Electron Microscope）に代表される荷電粒子線装置が用いられる。この種の装置では、検査精度の確保、スループットの維持向上などの観点から、高精度かつ高剛性な試料移動装置（試料ステージ）が必要とされる。
【０００３】
試料移動装置（試料ステージ）は、その装置の目的に応じ、平面移動（XY移動）装置、回転移動（θ移動）装置、昇降（Z移動）装置などが組み合わされて構成される。特に、昇降（Z移動）装置は、高い移動精度を有する平面移動（XY移動）装置の動作性能を損なうことなく、昇降前後の姿勢精度や剛性を良好に維持することが求められる。
【０００４】
昇降（Z移動）装置には、特許文献１に記載の装置がある。特許文献１には、ＲＸＹＴステージ(2〜5)を載置するＺステージ(6)が記載されている。Ｚステージ(6)は、同一形状を有し、斜面が互いに対面するように配置された二つの楔形スライド部材(13)と、二つの楔形スライド部材(13)に接続部材(31)を介して接続されたボールねじ部(24、25)（互いに逆向きの螺旋が形成されたナット部(21、22)とボルト部(18、19)で構成される）を両端に配置する送りボルト(20)と、送りボルト(20)を回転駆動するステップモータ(23)とで構成される（図１〜図３）。Ｚステージ(6)は、送りボルト(20)の回転によりボールねじ部(24、25)を互いに逆向きに移動させることにより、二つの楔形スライド部材(13)の斜面に支持されているＲＸＹＴステージ(2〜5)を上下（Z方向）に駆動する（［0041］〜［0045］）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体ウェハなどの検査、分析、観察を目的とした荷電粒子線装置、特に半導体ウェハ上に形成された半導体デバイスパターンを検査する測長SEMなどでは、半導体プロセス技術の向上に伴う検査対象の微細化、半導体ウェハの大口径化に伴い、検査精度と検査速度（スループット）の向上が求められている。
【０００７】
また、昨今における荷電粒子線応用技術の改良に伴い、様々な検査、分析、観察が可能になっている。例えば１つの電子光学系の光学条件を可変することにより、半導体表面と表面近傍の検査と観察の両方が可能になっている。しかし、多くの場合、光学条件を変更すると、対物レンズの焦点距離の最適値が変わり、ワーキングディスタンスと呼ばれる対物レンズから試料表面までの距離を変更後の光学条件に合わせて再調整する必要が生じる。
【０００８】
また、電子光学系の分解能を向上させるために対物レンズの焦点距離を短くすることがあり、その結果、ワーキングディスタンスが極端に小さくなることがある。ワーキングディスタンスが極端に小さくなると、電子光学レンズの直下では観察対象である半導体ウェハなど試料の交換が困難となる。この場合、ワークチャンバ内に半導体ウェハなどの試料を交換するための退避スペースを設ける等の対策が新たに必要となる。しかし、退避スペース等を新たに設けることで、試料ステージや装置全体が大型化するという新たな課題が生じている。
【０００９】
これらの課題の解決には、平面移動する試料ステージ上に、試料を昇降させる昇降機構を搭載することが有効であると考えられる。しかし、高精度の位置決めと高速移動との両立が求められる試料ステージの上に試料の昇降機構を搭載するためには、以下のような課題を解決する必要がある。
【００１０】
まず、試料の昇降装置の軽量化と剛性の両立を図る必要がある。検査対象である半導体ウェハの大口径化が進むと、それを支持固定する静電チャックなどの試料固定装置も大型化する。その結果、試料固定装置と一緒に試料を昇降させる試料昇降装置の機構も大型化する。多くの場合、構造体としての十分な剛性を維持したまま試料昇降装置を大型化すると、重量も増加する。しかし、試料昇降装置の重量増加は、試料ステージの高精度の位置決めと高速移動の両立を困難にする。特に、ステップアンドリピート動作が要求される測長SEMなどの検査装置では、加減速時に大きな加速度が試料昇降装置に加わるため、試料昇降装置の軽量化と剛性の両立とが重要になる。
【００１１】
同時に、試料昇降装置の剛性の方向依存性を少なくする必要がある。大面積の試料上の検査ポイントにPoint to Pointで高速移動して高精度に位置決めするには、単に、試料昇降装置が軽量で剛性に優れるだけではなく、移動方向に対する剛性の偏りが小さいことが重要である。
【００１２】
これらの課題に対して、これまでにも様々な発明や改良が提案されているが、その何れもが前記課題を十分に解決できていない。例えば前述した特許文献１において、２つの楔形スライド部材（13）の移動を同期させるために用いている機構（ボールねじ部（24、25）、送りボルト（20））は、半導体ウェハの大口径化に伴う大型化が避けられず、軽量化と高剛性化の両立に限界がある。また、特許文献１に記載の装置は、２つのくさび型スライド部材（13）は、ボールねじ部（24、25）及び送りボルト（20）を通じて機械的に連結されているため配置に制約がある。
【００１３】
すなわち、２つのスライド部材が個別に配置されるわけではなく、試料昇降装置の剛性の方向依存性は固定的であるものが開示されているのみである。また、特許文献１の段落［0022］に記載の通り、両手持ちの形式は、片手持ち形式の欠点である、剛性が低く、振動し易いという欠点を克服するために採用していることを説明しているのみであり、減速機能の方向（言い換えるならば、剛性の方向依存性）が考慮されたものではなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明は、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。より具体的には、荷電粒子線を発生して試料に照射する荷電粒子源と、前記荷電粒子線の照射により試料から発生される信号を検出する検出装置と、前記試料を観察位置に移動させる水平移動機構と、前記水平移動機構上に配置される試料昇降装置と、前記荷電粒子源、前記検出装置、前記水平移動機構及び前記試料昇降装置を内包し、内部空間を減圧環境に維持するチャンバとを有し、前記試料昇降装置は、前記試料が固定される試料台を昇降させる第１及び第２の昇降機構と、前記第１及び第２の昇降機構を個別に昇降駆動させる第１及び第２の駆動装置と、前記第１及び第２の駆動装置による前記第１及び第２の昇降機構の昇降動作を第１及び第２の制御信号により同期させる制御部とを有し、前記第１の昇降機構は、前記第１の駆動装置から与えられる第１の駆動入力を、当該入力方向とは異なる方向に減速した第１の駆動出力を発生させる第１の減速機構を有し、前記第２の昇降機構は、前記第２の駆動装置から与えられる第２の駆動入力を、当該入力方向とは異なる方向に減速した第２の駆動出力を発生させる第２の減速機構を有し、前記第１及び第２の駆動入力の向きは互いに異なり、かつ同一直線上ではない荷電粒子線装置を提案する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、試料の大口径化にも容易に対応でき、軽量かつ高剛性であり、剛性の方向依存性の少ない試料昇降装置を実現することができる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】電子顕微鏡装置の全体構成を示す図。
【図２】実施例１に係る試料昇降装置の構成例を示す図。
【図３】実施例１に係る昇降機構の外観構成図。
【図４】実施例１に係る昇降機構の分解斜視図。
【図５Ａ】実施例１における昇降機構の配置と駆動方向を説明する図。
【図５Ｂ】実施例１における昇降機構の配置と駆動方向を説明する図。
【図６】実施例１に係る試料昇降装置の技術的効果を説明する図。
【図７】実施例１に係る試料昇降装置の技術的効果を説明する図。
【図８】実施例１に係る試料昇降装置の制御方式を説明する図。
【図９】実施例２に係る昇降機構の外観構成を説明する図。
【図１０】実施例３に係る試料昇降装置の制御方式を説明する図。
【図１１】実施例４における昇降機構の配置と駆動方向を説明する図。
【図１２】実施例５に係る試料昇降装置の構成例を示す図。
【図１３Ａ】実施例５における昇降機構の配置と駆動方向を説明する図。
【図１３Ｂ】実施例５における昇降機構の配置と駆動方向を説明する図。
【図１３Ｃ】実施例５における昇降機構の配置と駆動方向を説明する図。
【図１４】実施例５に係る試料昇降装置の制御方式を説明する図。
【図１５】実施例６に係る試料昇降装置の構成例を示す図。
【図１６】実施例６における昇降機構の配置と駆動方向を説明する図。
【図１７Ａ】実施例６における昇降機構の配置と駆動方向を説明する図。
【図１７Ｂ】実施例６における昇降機構の配置と駆動方向を説明する図。
【図１７Ｃ】実施例６における昇降機構の配置と駆動方向を説明する図。
【図１７Ｄ】実施例６における昇降機構の配置と駆動方向を説明する図。
【図１７Ｅ】実施例６における昇降機構の配置と駆動方向を説明する図。
【図１８】実施例６に係る試料昇降装置の制御方式を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。以下では、電子顕微鏡装置について説明するが、可視光、紫外光、X線などを応用する装置（検査装置、分析装置、観察装置、加工装置）でも同様の効果を得ることができる。また、以下では、試料が半導体ウェハであるものとして説明するが、試料が半導体ウェハに限定されないことは明らかである。なお、説明に用いる各図において、符号が同一の部分は、同一又は同一の機能を有している。
【００１８】
［電子顕微鏡装置］
図１に、電子顕微鏡装置１００の全体構成を示す。電子顕微鏡装置１００は、電子光学装置１０１と試料チャンバ１０２によって構成される。本明細書では、電子光学装置１０１と試料チャンバ１０２を合わせて「チャンバ」とも呼ぶ。電子光学装置１０１の内部は、真空排気装置１０３によって真空環境に保たれている。電子線源１０４から放出された電子線１０５は、電磁レンズ１０６、偏向電極１０７などにより所望の条件に調整された後、試料１０８を照射する。電子線１０５の照射により、試料１０８の表面からは２次電子１０９が発生する。２次電子１０９は、２次電子検出器１１０で検出される。２次電子検出器１１０の検出信号は制御部１１１に与えられる。制御部１１１は、検出信号から試料表面の画像など様々な情報を取得する。なお、本実施例では２次電子を検出対象としているが、反射電子等を検出対象としてもよい。
【００１９】
試料チャンバ１０２の内部は、真空排気装置１１２によって真空環境に保たれている。前記試料１０８は、試料固定ステージ１１３の上に載置され固定されている。試料固定ステージ１１３は、試料昇降装置１１５に載置されており、試料昇降装置１１５によって昇降（Z移動）される。試料昇降装置１１５は、XY平面ステージ１１４に載置されており、XY平面ステージ１１４によって平面移動（XY移動）される。
【００２０】
試料固定ステージ１１３の近傍にはバーミラー１１６が配置されている。図１では、バーミラー１１６が試料固定ステージ１１３上に配置されているが、後述するように、試料昇降装置１１５に配置されていてもよい。レーザー測長計１１７を用いてバーミラー１１６の位置を測定することにより、XY平面ステージ１１４の座標位置が測定される。制御部１１１は、レーザー測長計１１７によって測定された結果に基づいて駆動装置１１８を駆動制御し、極めて精密かつ高速にXY平面ステージ１１４を移動させる。図１では、X-Z面の断面構造を示し、紙面に垂直な方向であるY方向については示していない。
【００２１】
制御部１１１は、試料１０８から得たい情報に応じ、電子線１０５の加速電圧や電磁レンズ１０６等の条件を可変制御する。ただし、これらの条件を変更すると、電子光学条件が変わるため、対物レンズ１１９と試料１０８の距離であるワークディスタンス１２０も変化する。ワークディスタンス１２０の変化は、試料昇降装置１１５により試料１０８を上下方向（Z方向）に移動させることで行う。
【００２２】
様々な分野で使用される電子顕微鏡装置１００は、ナノメータレベルの分解能を有することから、試料固定ステージ１１３を載置する試料昇降装置１１５にも高い剛性が要求される。特に、半導体検査に用いられる測長SEMなどでは、観察対象である半導体ウェハの大口径化が進んでおり、単位時間あたりの処理速度を向上するためにXY平面ステージ１１４の高速移動が行われており、高い剛性をもった試料昇降装置１１５が必要になる。
【００２３】
［実施例１］
［全体構成］
図２に、電子顕微鏡装置１００に使用する試料昇降装置１１５の構成例を示す。本実施例において、試料固定ステージ１１３は、静電チャックやメカニカルチャックに相当し、不図示の試料１０８は半導体ウェハに相当する。試料昇降装置１１５は、ベースプレート１を介して不図示のXY平面ステージ１１４に搭載される。もっとも、ベースプレート１は必ずしも必要でなく、図中のベースプレート１の部分がXY平面ステージ１１４の最上面でもよい。
【００２４】
試料昇降装置１１５は、ベースプレート１の上面に分散配置される複数の（図１では３つの）昇降機構２と、支持部材３とにより構成されている。Z方向に直立する３つの支持部材３は、試料固定ステージ１１３をその裏面側から支持する。なお、支持部材３は、ステージチルト用のアクチュエータを有してもよい。支持部材３は、昇降機構２が同期制御されて動作する際に生じる僅かな誤差を吸収して試料固定ステージ１１３に生じる僅かな歪や変形の影響を最小限に留めることができるよう工夫されている。支持部材３を絶縁材料で構成すれば、試料固定ステージ１１３と試料１０８を、他の構造体から電気的に絶縁できる。この結果、試料１０８の電位の制御が可能となり、様々な電子光学系の観察条件に対応させることができる。
【００２５】
図２に示すベースプレート１には、バーミラー１１６と試料搬送機構４などが配置されている。バーミラー１１６は、前述したように、不図示のXY平面ステージ１１４の座標位置の測定に使用される。Ｙ字形状の試料搬送機構４の先端部には、Z方向に直立する３つのピンが設けられている。これら３つのピンを試料固定ステージ１１３に設けられた貫通孔に沿って上下方向に移動させることにより、試料１０８を試料固定ステージ１１３に載置し、又は、試料固定ステージ１１３から持ち上げることができる。
【００２６】
［試料昇降装置１１５の詳細構成］
電子顕微鏡装置１００で用いられる試料昇降装置１１５には、前述した課題に加え、真空環境下での確実な動作性と耐久性とが求められる。真空環境下では、大気環境下に比較して摩擦や摩耗の影響を受け易く、かじりや固着の影響を受けやすいことが知られている。また、半導体プロセスでは、歩留まり向上のために、発塵量が小さいことも要求される。さらに、半導体プロセスに特有の課題として、電子線の影響や試料昇降装置１１５の動作に伴う駆動装置の発熱の影響の低減、試料搬送機構４などの機構要素との干渉の回避なども求められる。
【００２７】
これらの課題を解決するため、試料昇降装置１１５には、図３及び図４に示す構造の昇降機構２を使用する。図３は、昇降機構２の外観構成図であり、図４は昇降機構２の分解斜視図である。昇降機構２は、楔方式を用いた減速機構と、当該減速機構を駆動する駆動装置とで構成される。楔方式の減速機構は、駆動装置による水平方向の駆動入力を減速し、上下方向の駆動出力に変換する。
【００２８】
昇降機構２は、ベースプレート１１、水平移動機構１２、中楔機構１３、上楔機構１４、垂直案内機構１５により構成される。水平移動機構１２と中楔機構１３には互いに組み合わさって機能する案内機構１６Ａが設けられており、中楔機構１３と上楔機構１４には、互いに組み合わさって機能する案内機構１６Ｂが設けられている。上楔機構１４と垂直案内機構１５には互いに組み合わさって機能する案内機構１６Ｃが設けられている。これら案内機構１６Ａ〜Ｃには、転動ガイド（円筒コロやボールなどを利用）や固体滑りを利用した滑りガイドを適用することができる。本実施例では、案内機構１６Ａ〜Ｃに、摩擦係数が小さく効率の良い円筒コロを用いた転動ガイドを使用する。
【００２９】
中楔機構１３には、ベースプレート１１に固定された直動式超音波モータ１７からの駆動力を伝達するための摩擦プレート１８が取り付けられている。直動式超音波モータ１７により中楔機構１３を矢印１９の方向に移動させると、中楔機構１３と傾斜面を介して組み合わさっている上楔機構１４が、垂直案内機構１５に案内されて矢印２０の方向に移動する。すなわち、上楔機構１４が昇降駆動される。図の例の場合、中楔機構１３が垂直案内機構１５から遠ざかる方向に移動されると上楔機構１４は下降し、反対に中楔機構１３が垂直案内機構１５に近づく方向に移動されると上楔機構１４は上昇する。
【００３０】
中楔機構１３の移動方向を示す矢印１９の方向は、直動式超音波モータ１７から中楔機構１３への駆動力の入力方向である。中楔機構１３の移動に伴う上楔機構１４の移動方向を示す矢印２０の方向は、試料昇降装置１１５による駆動力の出力方向である。
【００３１】
水平移動機構１２には、中楔機構１３に取り付けたリニアスケール２１の移動量を読み取るリニアスケールヘッド２２が取り付けられている。本明細書では、リニアスケール２１とリニアスケールヘッド２２を合わせて測定装置とも呼ぶ。中楔機構１３の移動量（水平方向）の測定値から、上楔機構１４の移動量（上下方向）が分かる。ただし、リニアスケール２１及びリニアスケールヘッド２２は、試料昇降装置１１５を構成する全ての昇降機構２に設ける必要はなく、後述するように任意の１つ又は２つの昇降機構２にのみ設けてもよい。
【００３２】
［独立型の楔方式の減速機構を用いる効果］
試料昇降装置１１５として、図３及び図４に示す構成の昇降機構２を採用することにより、以下の効果が実現される。まず、楔方式の減速機構の採用により、昇降方向に対して高い剛性を得ることができ。一般に、移動方向に対して高い剛性を得るには正効率に対して逆効率が小さい機構を用いることが有利であり、減速機構は正効率に対して逆効率を小さくすることが可能な機構の一つである。
【００３３】
減速機構の中には、歯車を用いる方式の減速機構もあるが、歯車を用いる減速機構を電子顕微鏡装置（真空環境下）で使用すると、かじりや固着が生じやすく使用が困難である。一方、楔方式の減速機構（図３、図４）では、案内機構１６Ａ〜１６Ｃにクロスローラーガイドやボールガイドなどの転動ガイドを用いることができる。このため、真空環境下でも摩擦係数を小さくすることができ、安定した動作を確保しながら減速機構を構成することが可能となる。
【００３４】
昇降機構２では、楔傾斜角２３（図４）で定まる中楔機構１３の水平移動量に対する上楔機構１４の上下移動量の比が減速比となる。減速比が大きいほど矢印２０で示される昇降方向の剛性を大きくとることが可能である。一方で、減速比を大きくとると、水平方向（矢印１９の方向）について大きな移動量が必要となり、昇降機構２の小型化や動作速度の向上には不利に作用する。従って、減速機構の減速比として良好な範囲は1：2〜1：10となる。更に、より良好な減速比の範囲は1：2〜1：4程度であり、本実施例では楔傾斜角２３を約14.2度、すなわち減速比を1：4とすることで高い剛性を確保し、良好な昇降動作を実現している。加えて、案内機構１６Ａ〜１６Ｃに転動ガイドを用いることで昇降動作に伴う異物の発生を低減することができる。また、楔方式の減速機構を採用すれば、昇降動作に必要な入力駆動力の大きさを低減することができる。さらに、減速機構の採用により、減速比に比例して大きな出力を得ることができる。
【００３５】
電子顕微鏡装置１００をはじめ多くの荷電粒子線装置では、荷電粒子線への影響を低減するために、対物レンズ１１９に近い位置に配置する機構は、非磁性材料で構成されることが望ましいとされる。特に、駆動源となるアクチュエータは、荷電粒子線に影響を与える磁場の発生が大きく、非磁性化が難しいとされている。アクチュエータを非磁性化できる数少ない機構の一つが非磁性超音波モータである。超音波モータに代表される摩擦接触を応用した駆動装置は、その構造上の問題から、真空環境下では高い負荷に耐えることができず、寿命が短いなどの課題がある。
【００３６】
一方、本実施例の昇降機構２は、楔方式の減速機構が使用できるため、駆動装置の負荷を減速比分だけ低減することが可能となる。すなわち、超音波モータの負荷低減と寿命を改善することができる。さらに、超音波モータの負荷低減は、超音波モータ自体の発熱量の低減にも寄与するため、動作に伴う発熱量が小さくなり、温度に起因した試料ステージシステムの位置決め精度などへの影響を低減することが可能となる。
【００３７】
また、本実施例のように独立型の昇降機構２を３つ配置する場合、ベースプレート１の上に昇降機構２を直接配置することができる。なお、特許文献１に記載されたＺステージ(6）をXY平面ステージ１１４上に搭載しようとすると、楔形スライド部材（13）の動作位置が本実施例よりも高くならざるを得ず、ワーキングディスタンスの小さい電子顕微鏡装置には適用できない問題がある。また、楔形スライド部材（13）を含む駆動部材の重心位置が高くなるため、剛性の方向依存性が低下し易くなる。従って、特許文献１に記載されたＺステージ(6）は、XY平面ステージ１１４上に搭載するのには適さない。
【００３８】
［昇降機構２の配置位置と駆動入力の方向から見た効果］
図５Ａ及び図５Ｂを用いて、昇降機構２の配置位置と駆動力の入力方向の例について説明する。本実施例では、独立型の３つの昇降機構２を、試料固定ステージ１１３の重心３０を中心とする円３１上に分散配置する。図５Ａ及び図５Ｂでは、３つの昇降機構２を、重心３０の周りに120°間隔で配置しているが、必ずしも120°間隔に限る必要はない。
【００３９】
独立型の３つの昇降機構２は、それぞれの中楔機構１３の移動方向（以下、「楔方式の減速機構の移動方向」ともいう。）３２が、互いに異なるように配置することができる。すなわち、３つの中楔機構１３の移動方向を示す延長線が互いに交差するように配置することができる。剛性の偏りを避ける上では、３つの昇降機構２に対する駆動入力の方向が同じ方向に偏らないように制御することが望ましい。
【００４０】
図５Ａは、昇降機構２のくさび減速機構の移動方向３２を試料固定ステージ１１３の重心３０に向ける例を示し、図５Ｂは、前記移動方向３２を円３１の接線方向に配置した例を示す。図５Ａでは、３つの昇降機構２における減速機構の移動方向３２を示す３つの延長線３３が試料固定ステージ１１３の重心３０で交差している。図５Ｂでは、３つの昇降機構２における減速機構の移動方向３２を示す３つ延長線３３が３点で交差し、試料固定ステージ１１３の重心３０はこれら３つの交差点で形成された三角形の内側に置かれている。
【００４１】
図５Ａ及び図５Ｂに示すように３つの昇降機構２を配置することにより、試料昇降装置１１５の軽量化と高剛性化とを両立することができる。図６は、前記円３１の大きさが与える影響を説明する模式図である。図中の記号Ｒ、ｒ（ｒ＜Ｒ）は、試料固定ステージ１１３の重心３０を中心とする同心円（円３１Ａ、３１Ｂ）の半径を表している。
【００４２】
ここで、試料固定ステージ１１３の重心３０を通る任意の軸３４の周りに加わる回転力をＭとする。このとき、回転力Ｍは、円３１Ａ上に配置された昇降機構２Ａが担う荷重をＦａとすると、Ｍ＝ｒ×Ｆａで表される。同様に、円３１Ｂ上に配置された昇降機構２Ｂが担う荷重をＦｂとすると、Ｍ＝Ｒ×Ｆｂとなる。従って、Ｆｂ＝（ｒ／Ｒ）×Ｆａとなる。この関係式は、円３１Ｂ上に３つの昇降機構２を配置すると、各昇降機構２が担う荷重Ｆｂは円３１Ａ上に３つの昇降機構２を配置する場合に比して半径比だけ小さく済むことを表している。
【００４３】
すなわち、昇降機構２を配置する円３１の半径が大きいほど、昇降機構２が担うべき荷重を小さくすることができる。換言すると、担うべき回転力Ｍの大きさが同じであれば、円３１が大きくなるように昇降機構２を配置することにより、昇降機構２を小型軽量化することが可能となる。昇降機構２の小型軽量化は、結果的に、試料昇降装置１１５の小型軽量化にも通じる。
【００４４】
換言すると、試料１０８が大口径化するなどして昇降機構２が担うべき回転力が大きくなった場合でも、円３１の半径が大きくなるように昇降機構２を配置することにより、昇降機構２の剛性を確保するために必要とされる構造の強化や大型化を最小限に留めることが可能となる。結果として、本実施例の試料昇降装置１１５は、試料１０８が大型化しても軽量化と高い剛性の確保とを両立することができる。
【００４５】
また、図５Ａ及び図５Ｂに示すように昇降機構２を配置することにより、試料昇降装置１１５の剛性の方向依存性を解消又は低減することができる。図７を用いて、試料昇降装置１１５が、方向依存性の少ない回転剛性を実現できることを説明する。説明を簡単にするため、移動対象である試料固定ステージ１１３（不図示）が剛体であると仮定し、その重心３０を中心とした半径Ｒの円３１Ｂ上に３つの昇降機構２Ｃが等角度（120°間隔）に配置されている場合について説明する。重心３０を通る任意の軸３４Ｃの周りのモーメントをＭ、各昇降機構２Ｃを構成する楔方式の減速機構の移動方向の延長線３３と軸３４Ｃとがなす角をそれぞれθ1、θ2、θ3とすると、軸３４Ｃの周りの回転力が釣り合う条件は、次式で表される。
Ｍ×sinθ1＋Ｍ×sinθ2 ＝ Ｍ×sinθ3      …式(1)
【００４６】
各昇降機構２Ｃが、円３１Ｂ上に等角度で配置されていることを利用してθ1＝θと書き改めると、θ2とθ3はそれぞれ以下のように書き表すことができる。
θ2 ＝ π/3−θ
θ3 ＝ π/3＋θ
これらを、式(1)の右辺と左辺にそれぞれ代入すると、次式のように変形することができる。
・式(1)の左辺
sinθ＋sin(π/3−θ) ＝ sinθ＋sin(π/3)×cosθ−cos(π/3)×sinθ
・式(1)の右辺
sin(π/3＋θ) ＝ sinπ/3×cosθ＋cosπ/3×sinθ
【００４７】
ここで、sin(π/3)＝√3/2、cos(π/3)＝1/2であるので、式(1)の左辺と右辺は、いずれも任意のθについて、√3/2×cosθ＋1/2×sinθとなる。つまり、任意の角度θについて、式(1)が成り立つことになり、重心３０を通る任意の軸３４Ｃの周りの回転剛性は方向依存性を持たないことになる。
【００４８】
以上は、説明を簡単にするために、昇降機構２Ｃが円３１Ｂ上に理想的に等角度で配置された場合について説明したが、実装上の誤差を考慮しても本実施例の場合、方向依存性の少ない回転剛性を有する試料昇降装置１１５を実現することができる。なお、以上においては、図５Ａに示す配置の試料昇降装置１１５を前提に説明したが、図５Ｂに示す配置の試料昇降装置１１５でも同様の効果が得られる。
【００４９】
［真空環境下での動作性と耐久性から見た効果］
試料昇降装置１１５として上述した構成の昇降機構２を採用すれば、真空環境下でも確実な動作と耐久性を実現することができる。既に説明したように、楔方式の減速機構を使用した昇降機構２は、駆動装置の負荷を減速比分だけ低減することが可能となり、駆動装置の負荷の低減と寿命の改善を行うことができる。
【００５０】
真空環境下では、駆動装置の動作に伴って発生する熱は周囲に拡散し難く、局所的な温度上昇の原因となり易い。局所的な温度上昇は、駆動装置自体の寿命などの性能に影響することはもちろんのこと、試料昇降装置１１５の精度にも影響を与える。例えば、測長SEMなどに使用される高精度ステージでは、局所的に発生した熱の影響により熱変形が発生し、ステージシステム自体の精度が低下するといった問題を生じる。
【００５１】
しかしながら、本実施例の試料昇降装置１１５では、前述したように、昇降機構２をXY平面ステージ１１４上に分散して配置することにより、個々の昇降機構２に対する負荷を低減することができる。しかも、駆動装置の負荷が低減することで、駆動装置の発熱量も大幅に低減する。更に、３つの昇降機構２を分散して配置するので、XY平面ステージ１１４にとっては、熱源が分散されたことになり、結果的に熱変形の影響を受け難い条件となる。従って、本実施例の試料昇降装置１１５は、真空環境下における確実な動作と耐久性が確保される。
【００５２】
［荷電粒子線への影響から見た効果］
試料昇降装置１１５として上述した構成の昇降機構２を採用することにより、荷電粒子線への影響の小さい試料昇降装置１１５を実現することができる。磁性材料は、荷電粒子線の軌道に影響を与えることから、試料昇降装置１１５は、非磁性材料で構成されることが望ましい。
【００５３】
しかし、現実には、全ての部材を非磁性又は無磁性材料で構成することは困難である。これに対し、本実施例の試料昇降装置１１５では、昇降機構２を電子線１０５の照射領域の外側に配置できるため、電子線１０５への影響を軽減することができる。同時に、昇降機構２の分散配置により磁性材の偏在性を緩和でき、電子線１０５への影響の小さい試料昇降装置１１５を実現することができる。
【００５４】
［他の構成要素との干渉の回避から見た効果］
試料昇降装置１１５として上述した構成の昇降機構２を採用することにより、XY平面ステージ１１４（ベースプレート１）上に搭載される他の機構要素（試料搬送機構４など）との物理的な干渉を回避することができる。また、試料ステージシステムには、試料搬送機構４の他にも、XY平面ステージ１１４の位置の計測に用いられるバーミラー１１６や試料１０８の搭載の有無を検知するセンサなど様々な機能部品が搭載される。特に、測長SEMのような半導体ウェハを観察対象として扱う装置では、半導体ウェハの大口径化に伴い試料搬送機構４が大きくなり、試料昇降装置１１５との干渉が実装上の課題となることがある。しかしながら、図２に示したように、本実施例の試料昇降装置１１５を用いれば、試料搬送機構１１５との干渉は生じ難く、試料ステージシステムに必要な機能を損なうことなく、試料昇降装置１１５を実現することができる。
【００５５】
［試料昇降装置の同期制御について］
図８を用い、試料昇降装置１１５の制御方式について説明する。本実施例に係る３つの昇降機構２のそれぞれには、移動量（昇降量）の測定に用いられる測定装置（リニアスケール２１と、リニアスケールヘッド２２）が取り付けられている。各昇降機構２の直動式超音波モータ１７とリニアスケールヘッド２２は、いずれも信号線を通じて同期制御部４０に連結されている。同期制御部４０には、制御装置４１と、昇降機構２を動作するためのモータドライバ４２等が設けられている。もっとも、同期制御部４０は、前述した制御部１１１の機能の一部として実現されてもよい。
【００５６】
本実施例のように、それぞれが独立している３つの昇降機構２の動作は、案内機構１６Ａ〜１６Ｃの抵抗や摩擦、直動式超音波モータ１７からの駆動力の伝達効率などにより機差を生じることがある。そこで、本実施例の同期制御部４０には、これらの機差を吸収するための制御パラメータ４３を個別に設定する機能が設けられている。なお、制御パラメータ４３を個別に設定する機能は、上位システム（例えば制御部１１１）側に設けてもよいし、同期制御部４０内に設けてもよい。また、制御パラメータ４３は、予め測定された静的な値でもよいし、動作中に補正される動的な値でもよい。同期制御部４０は、上位システム（例えば制御部１１１）に接続されており、上位システムからの指令に基づいて試料昇降装置１１５を制御することも、単独で制御することも可能である。
【００５７】
次に、同期制御の観点から試料昇降装置１１５の昇降動作の一例を説明する。上位システム（例えば制御部１１１）から昇降量が指示値として同期制御部４０に与えられると、制御装置４１が各昇降機構２に対する駆動量（移動量、移動速度など）を算出し、モータドライバ４２に指示する。各モータドライバ４２は、それぞれに対する指示値に対応する制御パラメータ４３の値を加算した値を求め、当該加算値に基づいて、対応する直動式超音波モータ１７を駆動する。
【００５８】
直動式超音波モータ１７の駆動に伴う昇降機構２の移動量（水平方向）は、リニアスケール２１とリニアスケールヘッド２２により読み取られ、制御装置４１にフィードバックされる。制御装置４１は、３つの昇降機構２の移動量を比較し、３つの昇降機構２が同期するように（３つの昇降機構２の昇降量が同じになるように、又は、３つの昇降機構２の地点の高さが同じになるように）、各昇降機構２に対する指示値を逐次修正する。
【００５９】
以上の制御動作の採用により、３つの昇降機構２を高精度に同期した状態で昇降駆動でき、試料固定ステージ１１３に搭載された試料１０８に負荷を与えることなく、再現性のよい昇降動作を実現することができる。なお、３つの昇降機構２の各移動量に基づいて昇降量が同じになるようにフィードバック制御する方式でさえあれば、同様の効果を得られることは明らかである。
【００６０】
［まとめ］
以上説明したように、本実施例に係る試料昇降装置１１５は、それぞれが独立した装置である３つの昇降機構２をベースプレート１上に分散配置し、これらの動作を制御信号により同期させる。このため、試料１０８の大口径化にも容易に対応できる。また、試料１０８が大口径化しても、試料昇降装置１１５は、軽量のまま高い剛性を維持できるため、XY平面ステージ１１４の高精度での位置決めと高速移動性能を損なうことがない。さらに、本実施例の試料昇降装置１１５は、方向依存性の少ない回転剛性を実現できるため、XY平面ステージ１１４による高精度位置決めと高速移動に有利である。
【００６１】
また、本実施例の試料昇降装置１１５では、楔方式の減速機構で構成される昇降機構２を採用するため、駆動装置の負荷を減速比分だけ低減することができ、真空環境下での確実な動作と耐久性を実現できる。さらに、本実施例では、独立した装置である３つの昇降機構２を分散配置が可能であるため、電子線１０５に対する影響を軽減することができる。また、独立した装置である昇降機構２は分散配置が可能なため、XY平面ステージ１１４（ベースプレート１）上に搭載される他の機構要素との干渉も容易に回避できる。
【００６２】
［実施例２］
続いて、試料昇降装置１１５の他の実施例について説明する。なお、試料昇降装置１１５を搭載する電子顕微鏡装置１００（図１）の構成は、実施例１と同様である。図９に、本実施例に係る試料昇降装置１１５で使用する昇降機構２の構成例を示す。実施例１との違いは、本実施例の昇降機構２は、直動式超音波モータ１７に代えて回転式超音波モータ５１を用いる点である。
【００６３】
本実施例の場合、回転式超音波モータ５１の回転軸は、カップリング５２を介して、ボールねじを構成するねじ軸５３の根本側に連結されている。ねじ軸５３の先端側は、中楔機構１３の内部に設けられているナット（不図示）を介して中楔機構１３に連結されている。また、ねじ軸５３は、ベアリングハウス５４の内部に設置されたベアリング（不図示）により保持されることで、滑らかな回転が可能となっている。このねじ軸５３とベアリングハウス５４（不図示のベアリングを含む）とでボールねじが構成される。図９に示す構成により、回転式超音波モータ５１で発生した回転力がねじ軸５３を介して中楔機構１３の水平方向１９の駆動入力に変換される。中楔機構１３の水平方向の動きが、上楔機構１４の昇降動作に変換される点は実施例１と同じである。
【００６４】
本実施例の昇降機構２も、楔方式による減速機構を用いている。ただし、実施例１と同じく、昇降量に対して減速比によって与えられる倍率分だけ、中楔機構１３が水平方向１９に移動する必要がある。この構造は、高い剛性を得られる代わりに昇降速度を速めることが一般に難しい。その一方で、本実施例の構成を採用する場合には、ねじ軸５３のリード（ねじを１回転させた時の軸方向の移動量）を選択することにより、中楔機構１３の移動速度を選択することができる。
【００６５】
その理由は、中楔機構１３の移動速度は、回転式超音波モータ５１の回転数とねじ軸５３のリードとの積により定まるからである。例えば回転式超音波モータ５１の回転数を一定とする場合、ねじ軸５３のリードが“２”のときの移動速度は、ねじ軸５３のリードが“１”のときの移動速度の２倍になる。
【００６６】
また、回転式超音波モータ５１は、超音波を駆動力に変換するための摩擦プレートをケーシング内に配置し易いため、異物の発生を低減することも可能になる。回転式超音波モータ５１は、その制御装置を簡便に構成できるため、コスト面でのメリットの享受も容易である。
【００６７】
［実施例３］
本実施例では、試料昇降装置１１５の他の制御方式について説明する。図１０に、本実施例における試料昇降装置１１５の制御方式を示す。本実施例の試料昇降装置１１５は、移動量（昇降量）を読み取る測定装置（リニアスケール２１、リニアスケールヘッド２２）が昇降機構２Ｄにのみ搭載される点で、上述の実施例と相違する。このため、本実施例では、昇降機構２Ｄに搭載されたリニアスケールヘッド２２の測定値のみが同期制御部４０Ａにフィードバックされる。当然、昇降機構２Ｅ及び２Ｆには、前述の実施例とは異なり、移動量（昇降量）を読み取る測定装置が設けられていない。
【００６８】
３つの昇降機構２Ｄ、２Ｅ、２Ｆの直動式超音波モータ１７は、前述の実施例と同様、同期制御部４０Ａに接続されている。３つの直動式超音波モータ１７の動作はいずれも、同期制御部４０Ａから与えられる制御信号に基づいて制御される。同期制御部４０Ａの基本構成は、前述した同期制御部４０（図８）と同様である。すなわち、同期制御部４０Ａは、制御装置４１Ａとモータドライバ４２等で構成される。また、同期制御部４０Ａにも、昇降機構２Ｄ、２Ｅ、２Ｆの機差を吸収するための制御パラメータ４３Ｄ、４３Ｅ、４３Ｆが設けられている。
【００６９】
制御パラメータ４３Ｄ、４３Ｅ、４３Ｆは予め測定された静的な値であってもよいし、動作中に補正される動的な値でもよい。また、制御装置４１Ａは、不図示の上位システムに繋がっており、上位システムからの指令に基づいて試料昇降装置１１５を制御することも、単独で制御することも可能である。
【００７０】
次に、本実施例における試料昇降装置１１５の昇降動作の制御例について説明する。上位システム（例えば制御部１１１）から同期制御部４０Ａに昇降量が与えられると、制御装置４１Ａは、昇降機構２Ｄ、２Ｅ、２Ｆに対する指示値（移動量、移動速度など）を算出し、それぞれに対応するモータドライバ４２に指示する。３つのモータドライバ４２は、各指示値に制御パラメータ４３Ｄの値を加算した値を求めると共に、求められた加算値に基づいて、対応する直動式超音波モータ１７を駆動する。
【００７１】
本実施例では、昇降機構２Ｄについてのみ移動量（昇降量）が、測定装置（リニアスケール２１とリニアスケールヘッド２２）に測定され、制御装置４１Ａにフィードバックされる。制御装置４１Ａは、昇降機構２Ｄの移動量（昇降量）を基準として、昇降機構２Ｅ及び２Ｆの昇降量が昇降機構２Ｄの昇降量と同期するように（同じになるように）、各昇降機構２Ｅ及び２Ｆに対する指示値を算出する。
【００７２】
本実施例の場合、昇降機構２Ｅ及び２Ｆには移動量（昇降量）を読み取る機能（リニアスケール２１とリニアスケールヘッド２２）が設けられていないので、制御装置４１Ａの制御はオープン制御となり、昇降機構２Ｅ及び２Ｆの昇降量と昇降機構２Ｄの昇降量の同期を採ることは困難である。
【００７３】
そこで、本実施例では、予め、昇降機構２Ｄを特定の動作条件で駆動制御したときの移動量（昇降量）を基準値として、昇降機構２Ｅ及び２Ｆの各移動量（昇降量）を事前に計測し、昇降機構２Ｄと昇降機構２Ｅ及び２Ｆの昇降量が同期するように制御パラメータ４３Ｅ及び４３Ｆを定めておく。なお、昇降機構２Ｄの動作特性が案内機構１６Ａ〜１６Ｃの摩擦などの影響を受け、基準昇降量として適さない状態になった場合、よりフラットな動作特性が測定されるように制御パラメータ４３Ｄを補正する機能も搭載する。
【００７４】
以上の通り、３つの昇降機構２Ｄ〜２Ｆの全てについて移動量（昇降量）を読み取らない場合でも、特定の動作条件の下、一つの昇降機構（本実施例では昇降機構２Ｄ）から測定した移動量（昇降量）を基準にして、他の昇降機構（本実施例では昇降機構２Ｅ及び２Ｆ）との同期駆動を実現できる。これにより、試料昇降装置１１５は、前述した実施例と同様、精度のよい昇降動作を実現できる。
【００７５】
実際、多くの電子顕微鏡装置１００では、試料昇降装置１１５の動作パターンを観察プロセスや試料の交換動作などの数パターン程度に分けることが可能である。従って、本実施例で説明したように、移動量（昇降量）を読み取る測定装置（リニアスケール２１とリニアスケールヘッド２２）の搭載を１つの昇降機構２のみとすることで、より安価で簡便な構造の試料昇降装置１１５を実現することができる。
【００７６】
［実施例４］
図１１に、試料昇降装置１１５の他の構成例を示す。本実施例の場合、昇降機構２は、試料固定ステージ１１３の重心３０を内包する三角形３５の頂点位置に配置されており、３つの昇降機構２の減速機構の移動方向３２のうち少なくとも一つは他の昇降機構２の減速機構の移動方向３２と異なっている（交差している）。なお、いずれの昇降機構２も図３及び図４に示す楔方式の減速機構を有している。
【００７７】
図１１では、１つの昇降機構２の減速機構の移動方向３２を、他の２つの昇降機構２の減速機構の移動方向３２と直交するように配置している。三角形３５の内側に重心３０がある場合、試料固定ステージ１１３は３つの昇降機構２により規定される平面により安定的に支持される。
【００７８】
三角形３５の重心と試料固定ステージ１１３の重心３０とが一致する場合が最も安定する。三角形３５が正三角形になる場合は実施例１で説明した配置条件と同じになる。さらに、３つの昇降機構２の減速機構の移動方向３２が互いの交差するように配置することで、重心３０の位置が理想的でない場合でも、方向依存性の少ない回転剛性を有する試料昇降装置１１５を実現することができる。
【００７９】
前述したように、XY平面ステージ１１４には、多くの場合、試料搬送機構４その他の様々な機構が搭載される。このため、試料昇降装置１１５とこれら機構との干渉を回避することは、実用上、大変重要である。また、XY平面ステージ１１４の構成上の制約のため、試料昇降装置１１５を構成する昇降機構２が常に力学的にバランスした理想的な位置に配置できるとは限らない。しかし、このような制約条件がある場合でも、本実施例のように減速機構の移動方向３２が揃わないように昇降機構２を配置することで、前述した各実施例と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
［実施例５］
図１２を用いて、試料昇降装置１１５の他の構成例を説明する。前述までの実施例では、試料昇降装置１１５は３つの昇降機構２によって構成されていた。本実施例では、試料昇降装置１１５が２つの昇降機構２で構成される場合について説明する。本実施例の場合、試料固定ステージ１１３の重心３０は、２つの昇降機構２を結ぶ直線上に配置される。理想的には、試料固定ステージ１１３の重心３０を、２つの昇降機構２の配置位置を端点とする線分の中点に配置する。
【００８１】
その理由は、試料固定ステージ１１３の重心３０が２つの昇降機構２を結ぶ直線上からずれている場合、直線と重心３０との距離（重心３０から直線への長さの最小値）に比例した回転力が発生し、試料昇降装置１１５としての剛性を損ない易くなるからである。また、前述したように、試料固定ステージ１１３が自重による変形を無視できる場合、重心３０からの距離が小さいほど昇降機構２が担う剛性を小さくすることができるからである。従って、本実施例の構成は、試料昇降装置１１５の軽量化と剛性の確保の両立に効果的である。
【００８２】
図１３Ａ〜図１３Ｃを用いて、本実施例における２つの昇降機構２の配置例を説明する。図１３Ａは、昇降機構２の減速機構の移動方向３２が互いに対向するように配置する場合の例である。例えば試料固定ステージ１１３を降下させる場合、２つの昇降機構２の中楔機構１３はいずれも重心３０に向かって移動する（逆向きに移動する）。一方、試料固定ステージ１１３を上昇させる場合、２つの昇降機構２の中楔機構１３はいずれも重心３０から離れる方向に移動する（逆向きに移動する）。
【００８３】
２つの昇降機構２を同期して駆動制御する場合、２つの昇降機構２の減速機構の移動方向が対向するように配置することで、昇降動作に伴って発生する加振力が互いに相殺されることになり、振動し難い試料昇降装置１１５を実現することができる。
【００８４】
本実施例の昇降機構２は、中楔機構１３の水平移動を上下方向の移動に変換することで昇降動作を行う機構であるため、昇降動作のために中楔機構１１３を移動させると、減速機構の移動方向３２に加速度が生じることとなる。この加速度は、試料昇降装置１１５の加振源となることがあり、試料昇降装置１１５の動作中も観察が必要な場合などでは、画像を乱すなどの問題を発生させる。しかし、図１３Ａに示す配置構成であれば、２つの昇降機構２を同期駆動する場合でも互いの加振力が相殺され、振動の少ない動作を実現することができる。
【００８５】
図１３Ｂは、２つの昇降機構２の減速機構の移動方向３２が互いに逆向きで平行となるように配置する場合の例である。例えば試料固定ステージ１１３を降下させる場合、左側の昇降機構２の中楔機構１３をＹ軸の正の方向に移動させる一方、右側の昇降機構２の中楔機構１３をＹ軸の負の方向に移動させる。また、試料固定ステージ１１３を上昇させる場合、左側の昇降機構２の中楔機構１３をＹ軸の負の方向に移動させる一方、右側の昇降機構２の中楔機構１３をＹ軸の正の方向に移動させる。この場合も、減速機構の移動方向３２は互いに対向することになるので、昇降動作に伴う振動を低減する効果を得ることができる。
【００８６】
図１３Ｂに示す配置例の場合には、次のような効果も期待される。前述したように、昇降機構２で用いる減速機構の減速比は、中楔機構１３の移動量と上楔機構１４の昇降量との比で決定される。また、減速比を大きくとることにより、昇降方向の剛性を大きくすることができる。一方で、減速比を大きくとると、中楔機構１３の移動量が大きくなり、昇降機構２は、減速機構の移動方向として長い距離を必要とする。ところが、図１３Ａの配置例では、昇降機構２を配置できる空間が限られてしまう。一方、図１３Ｂの配置例では、図１３Ａの場合のような制約がないため、設置スペースを有効に活用することが可能となり、よりコンパクトな試料昇降装置１１５を実現することができる。
【００８７】
図１３Ｃは、昇降機構２の減速機構の移動方向３２が互いに直交するように配置する場合の例である。昇降機構２は、楔方式の減速機構を用いているため、基本的に剛性が高い昇降機構であるが、厳密には中楔機構１３の移動方向とこれに直交する方向の剛性は異なる。しかしながら、図１３Ｃに示す配置を採用すれば、例えば試料固定ステージ１１３の重心３０を通過する軸３４Ｄ及び３４Ｅの周りの回転剛性の和は、２つの昇降機構２が互いに直交しているために同じとなり、剛性の方向依存性の小さい試料昇降装置１１５を実現することができる。
【００８８】
図１４を用いて、２つの昇降機構２で構成される試料昇降装置１１５の制御方式を説明する。本実施例の試料昇降装置１１５では、移動量（昇降量）を読み取る測定装置（リニアスケール２１とリニアスケールヘッド２２）を昇降機構２Ｇのみに搭載し、昇降機構２Ｈには同装置を搭載しない場合について説明する。このため、同期制御部４０Ｂは、昇降機構２Ｇの直動式超音波モータ１７と、昇降機構２Ｈの直動式超音波モータ１７と、昇降機構２Ｇのリニアスケールヘッド２２とに信号線を通じて接続されている。
【００８９】
同期制御部４０Ｂは、前述した実施例と同様、制御装置４１Ａ、モータドライバ４２等の制御機器で構成されている。また、同期制御部４０Ｂには、昇降機構２Ｇ、２Ｈの機差を吸収するための制御パラメータ４３Ｇ、４３Ｈを設定する機能も設けられている。前述した実施例と同様、ここでの制御パラメータ４３Ｇ、４３Ｈも予め測定された静的な値でもよいし、動作中に補正する動的な値でもよい。制御装置４１Ａは、上位システム（例えば制御部１１１）に接続されており、上位システムからの指令に基づいて試料昇降装置１１５を制御する。もっとも、制御装置４１Ａが単独で試料昇降装置１１５の昇降動作を制御してもよい。
【００９０】
本実施例の同期制御部４０Ｂも、実施例３の場合と同様に、昇降機構２Ｇを特定の動作条件で駆動制御し、昇降機構２Ｇから読み取った移動量（昇降量）を基準として、他の昇降機構２Ｈの昇降量を制御する。これにより、昇降機構２Ｇと昇降機構２Ｈの昇降量を同期させることができる。すなわち、昇降機構２Ｇ及び２Ｈを精度よく昇降することができる試料昇降装置１１５を実現することができる。本実施例の場合も、昇降機構２Ｇ及び２Ｈの両方に、移動量（昇降量）を読み取る測定装置（リニアスケール２１とリニアスケールヘッド２２）を搭載してもよい。その場合は、実施例１で説明した制御方式と同様に制御が可能となる。
【００９１】
［実施例６］
図１５に、試料昇降装置１１５の他の構成例を示す。本実施例では、駆動装置を持たない垂直案内機構５５と、２つの昇降機構２を組み合わせた試料昇降装置１１５について説明する。垂直案内機構５５は、試料固定ステージ１１３を垂直方向に案内する（水平方向の移動を規制する）部材である。例えば垂直案内機構５５は、垂直案内機構１５と同じ構造を有している。なお、垂直案内機構５５は、２つの昇降機構２による試料固定ステージ１１３の昇降に追従できるようにばね構造を内蔵していてもよい。この場合、ばねによる支持力は、例えば試料固定ステージ１１３及び試料１０８の荷重と釣り合うように設定する。
【００９２】
図１６に、本実施例における２つの昇降機構２と垂直案内機構５５の配置位置と駆動入力の方向との関係を示す。本実施例では、試料固定ステージ１１３の重心３０が、２つの昇降機構２と垂直案内機構５５を頂点とする三角形３５Ａの内側に位置すると共に、２つの昇降機構２の減速機構の移動方向３２が互いに直交している。
【００９３】
この場合も、前述した実施例と同様、２つの昇降機構２と垂直案内機構５５の配置位置と、２つの昇降機構２を構成する減速機構の移動方向３２について様々な組み合わせが考えられる。図１７Ａ〜図１７Ｅに、様々な組み合わせの例を示す。なお、いずれの組み合わせであっても、前述した実施例と同等程度の効果を得ることができる。図１７Ａ〜図１７Ｅでは、２つの昇降機構２と垂直案内機構５５を、試料固定ステージ１１３の重心３０を中心とする同一の円上であって、試料固定ステージ１１３の重心３０を内包する三角形の頂点位置に配置している。
【００９４】
図１７Ａは、２つの昇降機構２を構成する減速機構の移動方向３２が、試料固定ステージ１１３の重心３０で交差する配置例である。図１７Ｂは、２つの昇降機構２を構成する減速機構の移動方向３２が、試料固定ステージ１１３の重心３０を中心とする同一の円の接線方向となる配置例である。これらの配置例は、実施例１で説明したように、回転剛性の方向依存性を小さくすることができる。
【００９５】
図１７Ｃは、昇降機構２を構成する減速機構の移動方向３２が互いに対向する配置例である。図１７Ｄは、昇降機構２を構成する減速機構の移動方向３２が逆向き、かつ、平行になる配置例である。図１７Ｅは、昇降機構２を構成する減速機構の移動方向３２が互いに直交する配置例である。
【００９６】
いずれの場合も、２つの昇降機構２は、試料固定ステージ１１３の重心３０を通過する直線上に位置する必要はない。図１７Ａ〜図１７Ｅの配置の採用により、実施例５で説明したように、互いに加振力を相殺することができ、振動の少ない試料昇降装置１１５や剛性の方向依存性の小さい試料昇降装置１１５を実現することができる。
【００９７】
図１８に、本実施例に係る試料昇降装置１１５の制御方式を示す。本実施例の場合も、２つの昇降機構２Ｇ及び２Ｈのうち一方の昇降機構２Ｇにのみ移動量(昇降量)を読み取る測定装置（リニアスケール２１とリニアスケールヘッド２２）を設けている。従って、昇降機構２Ｈと垂直案内機構５５には移動量（昇降量）を読み取る機能は設けられていない。なお、リニアスケール２１とリニアスケールヘッド２２は、２つの昇降機構２Ｇ及び２Ｈ並びに垂直案内機構５５のうちの少なくとも１つに設けてもよいし、２つの昇降機構２Ｇ及び２Ｈ並びに垂直案内機構５５の全てに設けてもよい。
【００９８】
昇降機構２Ｇ及び２Ｈ並びに垂直案内機構５５のうちの１つにのみリニアスケール２１とリニアスケールヘッド２２を設ける場合、実施例３で説明したように、リニアスケールヘッド２２による移動量（昇降量）の測定値を基準として、他の機構（すなわち、別の昇降機構又は２つの昇降機構）の移動量（昇降量）を、同期制御部４０が同期制御する。これにより、試料固定ステージ１１３に搭載された試料１０８に負荷を与えることなく、再現性のよい昇降動作を実現できる。
【００９９】
２つの昇降機構２Ｇ及び２Ｈの全てに、リニアスケール２１とリニアスケールヘッド２２を設ける場合は、実施例１で説明した同期制御方式を採用することにより、試料固定ステージ１１３に搭載された試料１０８に負荷を与えることなく、再現性のよい昇降動作を実現できる。かくして、より安価に剛性が高く、かつ、精度のよい試料昇降装置１１５を実現することができる。
【０１００】
［他の実施例］
本発明は、上述した実施例に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば前述の実施例では、昇降機構として、図３及び図４に示すような楔方式の昇降機構２を前提に説明した。これは、楔方式の昇降機構２は、高い剛性が期待されるためである。しかし、本発明は、楔方式以外の減衰機構を採用する昇降機構によっても実現することができる。例えばヘリコイドねじ式（円筒カム機構を使用する方式）の昇降機構を用いてもよい。因みに、ヘリコイドねじ式の昇降機構の場合、駆動力の入力方向は回転軸周りの回転であり、昇降機構の出力方向は上下方向となる。螺旋状に形成するガイド溝の傾斜角に応じて減速比を調整することができる。また、複数の昇降機構２のそれぞれに対する駆動入力の回転方向を揃えないようにすることで、剛性の方向性についても低減が可能である。
【０１０１】
また、前述の実施例では、リニアスケール２１及びリニアスケールヘッド２２によって、中楔機構１３の移動量（水平方向）を測定しているが、上楔機構１４の移動量（上下方向）を測定してもよい。
【０１０２】
また、前述の実施例では、試料昇降装置は、各実施例で説明した全ての構成を備える必要はない。また、ある実施例の一部を他の実施例の構成に置き換えることもできる。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できる。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の一部を追加、削除又は置換することもできる。さらに、前述の実施例では、電子顕微鏡装置に搭載して好適な試料昇降装置について説明したが、前述の実施例で説明した試料昇降装置は、FIB（Focused Ion Beam）装置のような加工装置に搭載してもよい。さらに、前述の実施例で説明した試料昇降装置は、荷電粒子線を使用しない各種の工作機械の分野にも応用することができる。
【符号の説明】
【０１０３】
１…ベースプレート、２…昇降機構、３…支持部材、４…試料搬送機構、１２…水平移動機構、１３…中楔機構、１４…上楔機構、１５…垂直案内機構、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ…案内機構、１７…直動式超音波モータ、１８…摩擦プレート、２０…送りボルト、２１…リニアスケール、２２…リニアスケールヘッド、２３…くさび傾斜角、２４、２５…ボールねじ部、３０…重心、３１Ａ、３１Ｂ…円、３２…楔減速機の移動方向、３３…延長線、３４…任意の軸、３５…三角形、４０…同期制御部、４１…制御装置、４２…モータドライバ、４３…制御パラメータ、５１…回転式超音波モータ、５２…カップリング、５３…ねじ軸、５４…ベアリングハウス、５５…垂直案内機構、１００…電子顕微鏡装置、１０１…電子光学装置、１０２…試料チャンバ、１０３…真空排気装置、１０４…電子線源、１０５…電子線、１０６…電磁レンズ、１０７…偏向電極、１０８…試料、１０９…２次電子、１１０…２次電子検出器、１１１…制御部、１１２…真空排気装置、１１３…試料固定ステージ、１１４…XY平面ステージ、１１５…試料昇降装置、１１６…バーミラー、１１７…レーザー測長計、１１８…駆動装置、１２０…ワーキングディスタンス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１７Ｅ】
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【図１８】
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