JP2004273459A - 対象を照射するための粒子−光学装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な方式で且つ低い製造コストでスマートディスクを組み込むことを可能にし、安定性を改善する。
【解決手段】制御手段、並びに圧電位置アクチュエータ25と圧電力センサ35との少なくとも1つの組み合わせ23、30であって、それらのアクチュエータとセンサは直列に位置付けされ、これにより、少なくとも1つのセンサからの少なくとも1つの入力信号に基づいて、制御手段はセンサに関連する少なくともそのアクチュエータのために制御信号を生成する、組み合わせからさらに構成され、少なくとも1つの組み合わせの直列に位置付けされるアクチュエータとセンサとはハウジングと基準体との間に位置付けされ、ハウジングの支持位置に接して基準体の支持が1つの組み合わせにより生じる。
【選択図】図3

Description

本発明は、粒子のビームを用いて対象を照射するための粒子−光学装置に関するものであって、ハウジング内に対象を位置付けるための位置付け手段を備えるハウジングであって、基準体に関して少なくとも1つの自由度において対象担体に保持される対象を操作するための対象担体をもつ(操作されることができる)運動学的システムとハウジングの支持部分により支持される基準体から構成される、ハウジングから構成され、その装置は、圧電位置アクチュエータおよび圧電力センサの少なくとも1つの組み合わせと制御手段からさらに構成され、それらのアクチュエータおよびセンサは直列に位置付けされ、これにより、制御手段(少なくとも1つのセンサからの少なくとも1つの入力信号に依存する状態)が前記センサに関連する少なくともそのアクチュエータのために制御信号を生成する、粒子−光学装置に関する。
直列に位置付けされた圧電位置アクチュエータおよび圧電力センサの組み合わせは技術文献において周知であり、用語として“スマートディスク”を用いてしばしば表される。あらゆるスマートディスクにおいては、制御システムのための入力信号として力センサから(電圧信号の形態で)の出力信号を受け取り、それに対する反応として、付随するアクチュエータのために制御信号を生成する制御システムが存在する。それ故、アクチュエータの操作は、例えば、現象が対向する小振動の状態で通常利用されることができる、小さい振動に関連する加速力によりもたらされるような、センサにより観測される力に対向することを目的とする。制御ユニットにより生成される制御信号と制御ユニットにより受け取られる入力信号との間に存在する関係はまた、用語として“コントローラトランスファ”を用いて表され、特定の周波数依存性特性と特定の振幅係数(また、用語として、“利得”を用いて表される)を伴う。
冒頭のパラグラフにおける粒子−光学装置は、欧州特許出願公開第1225482A1号明細書(特許文献1)に開示されている。前記文献は、半導体集積回路を処理するために紫外線(UV)、電子またはイオンのビームを用いるリソグラフィ装置について記載している。このために、粒子のビームを生成して、ウェーハの好ましい位置に粒子のビームをフォーカシングするためのレンズをもつ光学システムが用いられる。光学(またはさらに具体的にいうとそれらのレンズ)は、3つのレンズ支持部により水平のメインプレートにおいて支持されている。各々のレンズ支持は一対のスマートディスクから構成される。メインプレートは、一般に1Hzのオーダーの固有振動数をもつ空気バネおよびダンパにより固定部に接続されているとみなされることができる。レンズ群の下には、前記空気ばねおよびダンパの弾性によりもたらされるマインプレートの振動に追随することを目的とする、水平方向とさらに垂直方向にウェーハを操作することができるウェーハテーブル、により支持されるウェーハが置かれる。このために、正確なフォーカシングを実現するために、マインプレートとウェーハとの間の垂直方向の距離が一定に保たれることを確実にする制御回路の一部からなる、1つまたはそれ以上の干渉計が備えられる。
レンズは、代表的には、50乃至150Hzの範囲内の第1固有振動数を有する。それ故、レンズの共振は、例えば、装置の周囲の機器により生成される床振動または環境の音響ノイズの結果として生じ得る。結局、そのような振動は難状況に導き、これにより、粒子ビームの位置付けの正確度および/またはウェーハにおける粒子ビームのフォーカシングはもはや適切ではなくなる。(レンズの6つの自由度に対応する総数6つを有する)スマートディスクを採用することにより、このような共振からもたらされる振動は、ウェーハにおける粒子ビームのフォーカシングの改善された正確度を実現することができる結果として、実際に減衰される。
欧州特許出願公開第1225482A1号明細書
本発明は粒子−光学装置を提供することを目的とし、これにより、照射される対象と粒子ビームの相互位置に影響を及ぼす共振であって、その対象の固有振動数が75Hzと1000Hzとの間の範囲にある、共振は、減衰される。さらに具体的な参照として電子顕微鏡、特に走査電子顕微鏡を第1の例として挙げ、そのために、位置付け手段は、代表的には、欧州特許出願公開第1225482A1号明細書(特許文献1)に従った装置に関する位置付け手段とは異なる構成を有し、その結果、これらの位置付け手段はまた、実質的に異なり、より複雑であり、振動を支配する挙動を示す。このコンテキストにおいて、電子顕微鏡における試料は電子ビームに対して垂直な平面において操作できる必要があるばかりでなく、欧州特許出願公開第1225482A1号明細書(特許文献1)に従ったウェーハが電子ビームに平行な方向において操作される範囲より著しく大きい範囲に対して、このビームに平行な方向においてもまた操作できる必要がある。さらに、電子顕微鏡における位置決め手段は、例えば、実質的に60°の傾斜範囲であって、その端部に位置決め手段は適切なガイド手段を備える、傾斜範囲により試料を傾斜させるために適切であることが要求される。この結果として、電子顕微鏡の場合における位置決め手段の固有スティフネスは、しばしば、欧州特許出願公開第1225482A1号明細書に従った装置の場合に達成されることができるスティフネスに比べて著しく小さい。さらに、電子顕微鏡の位置決め手段についてなされる安定性の要求は欧州特許出願公開第1225482A1号明細書に従った装置の場合における匹敵する要求より大きいことは、一般的事実である。
本発明は電子顕微鏡におけるアプリケーションに特に適するが、それに限定されるものではなく、例えば、欧州特許出願公開第1225482A1号明細書に記載されている種類のような粒子−光学装置の他の種類の場合にもまた、適用されることができる。
本発明のさらに好ましい実施形態において、本発明は、特に、振動を減衰する目的でスマートディスクにより提供される可能性を好ましく利用すること、および簡単な方式で且つ低い製造コストでスマートディスクを組み込むことを可能にすることを目標とする。
この目標のために、本発明に従った粒子−光学装置は、少なくとも1組の組み合わせである直列配列されたアクチュエータおよびセンサがハウジングと基準体との間に位置付けされ、ハウジングの支持部分に接する基準体の支持が前記少なくとも1組の組み合わせを介してなされることを、第1例における特徴とする。本発明は、特定の種類の粒子−光学装置について、対象におけるビームの位置決めおよびフォーカシングの正確度に関する決定因子が、位置付け手段の共振挙動によるような光学の共振挙動によりそれ程決定されず、そのような共振振動の非常に有利な減衰が本発明に従った特徴的な対策により達成できることが、この方式において認識される。一般に、好ましくは、少なくとも3組の直列配列のアクチュエータおよびセンサの組み合わせが、本発明に従った装置の場合に、提供される。また、本発明のために、安定性の改善を達成することができる。
直列配列のアクチュエータおよびセンサ自体の構成の限定されたスティフネスにできるだけ直面しないようにするために、その結果として、外部力の影響の下で、位置決め手段が比較的低い周波数において好ましくない共振に至ることとなり、その結果として、位置決めおよびフォーカシングに関して不正確度および安定性の減少が生じることとなり、好ましくは、少なくとも3組の組み合わせが、基準体の外周縁近傍に位置付けられる。
このコンテキストにおいては、また、少なくとも3組の組み合わせが基準体の3つの角部分近傍に位置付けられることは好ましい。
一般に、位置付け手段の画像撹乱共振が2つの直行する方向において生じ、少なくとも3組の組み合わせの位置の間における2つの接続ラインは互いに直角に交わる。
本発明のより有利で好ましい実施形態に従って、支持部材はハウジングと基準体との間に位置付けされ、その支持部材により、前記少なくとも1つの圧電位置アクチュエータと圧電力センサとの組み合わせによる支持を補助して、ハウジングの指示位置に接する基準体の支持が生じ、これにより、支持部材の数および圧電位置アクチュエータと圧電力センサとの組み合わせの数の合計は少なくとも4である。以下で明らかにするが、前記少なくとも1つの組み合わせの直列に位置付けされたアクチュエータおよびセンサと前記少なくとも1つの支持部材が、ハウジングと基準体との間に位置付けされておらず、欧州特許出願公開第1225482A1号明細書に従った装置の場合のようにメインプレートとレンズとの間のような、能動的制振がスマートディスクにより起こることが意図される他の構成体の間に位置付けされる場合、そのような実施形態はまた、大きい優位性を与えることができる。3つの位置の変わりに4つの位置においてハウジングの支持位置に接して基準体を支持することの大きい優位性は、このような方法において、前記少なくとも4つの指示位置が基準体の4つの角ポイント(存在している範囲で)にある場合は必ず、基準体のスティフネス挙動が著しく優位であり、その結果、位置付け手段の固有振動数(抑制/制振される)の増加が生じ、そして基準体の変形が殆ど不利にならないという事実にある。
4つの指示位置を適用する結果として、過剰決定のシナリオが生じ、これにより、実際には3つの支持位置においてのみ支持が生じることが妨げられることとなる。従って、本発明に従った装置の組み立ての間に、少なくとも1つの支持位置が圧電アクチュエータのセンサの組み合わせの構成から成り且つ少なくとも1つの支持位置が支持部材から成る4つの支持位置は、4つの支持位置が実際に動作するように、基準体の面に正確に垂直に位置付けされる。このために、少なくとも1つの支持位置の高さが調節可能であることが好ましい。
好ましくは、前記少なくとも1つの支持部材は、少なくとも1つのさらなる圧電位置アクチュエータと圧電力センサとの組み合わせから構成され、それらの圧電位置アクチュエータと圧電力センサは直列に位置付けされ、その少なくとも1つのさらなる組み合わせは前記少なくとも1つの組み合わせを補助し、組み合わせの数とさらなる組み合わせの数の合計は少なくとも4である。このように、共振振動がさらなる組み合わせにより、またこの設定における能動部材を使用することにより制振されることができる方法に関して大きい自由度を得る。
4つの支持位置の適用に伴う過剰決定シナリオから生じる他の影響は、1つのアクチュエータを動作するとすぐ、基準体の変形の結果として、スティフネスに平行な特定の撹乱が生じる傾向がある。1つのアクチュエータの動作において、力が、ここで、全てのセンサにおいて観測され、その力は、所望されるような、位置付け手段の振動(制振される)の加速される力の結果としてセンサにより検出される力ではなく、基準体のこのゆがみ変形の結果として生じる反応力に無意図的に関連する。前記少なくとも1つの直列に位置付けされたアクチュエータおよびセンサの組み合わせに亘る平行スティフネスによりもたらされるこの挙動はまた、“アクチュエータからセンサへのクロストーク”の技術用語を用いて表される。そのような(機械的な)アクチュエータからセンサへのクロストークが大き過ぎる場合は、スマートディスクの助けを借りて振動を効果的に制振することを継続することが制御理論の観点から不可能であるというリスクが存在する。機械的クロストークを緩和するためには、制御手段は、好ましくは、それぞれ、少なくとも第1センサおよび第2センサからの少なくとも第1入力信号および第2入力信号とから第1結合入力信号に結合することを目的とする第1結合手段から構成され、これに依存して、制御手段は少なくとも第1センサと第2センサの両方に関連するそれぞれのアクチュエータのために第1共通制御信号を生成する。このように、所定のセンサからの入力信号は、関連するアクチュエータの動作に影響を及ぼすばかりでなく、他のセンサに関連するアクチュエータの動作に影響を及ぼすため、4つの支持ポイントにより規定される面が基準体の面に多かれ少なかれ対応する状態を保つためのシナリオを達成することができ、その結果として、機械的クロストークが最小化され、基準体はもはや変形せず、または、少なくとも著しく減少された程度までの変形に留められる。この優位性のある効果は、観測される力に基づいて、制御手段のために共通の入力信号を生成する共通のセンサにより第1センサと第2センサが形成される場合に、達成されることができ、その入力信号は、その後、第1共通制御信号に制御手段により変換される。
異なる方向に作用する同様の効果は、制御手段が少なくとも第2センサおよび第3センサそれぞれからの少なくとも第2入力信号および第3入力信号を第2結合入力信号に結合することを目的として第2結合手段から構成され、このことに依存して、制御手段は、少なくとも第2センサと第3センサの両方に関連するそれぞれのアクチュエータのための第2共通制御信号を生成し、そのために、制御手段は、第2アクチュエータのために第1共通制御信号と第2共通制御信号とを結合された共通制御信号に結合することを目的として第3結合手段から構成される場合に、得られることができる。そのような設定の結果として、第2アクチュエータのアクティビティは第1、第2および第3センサからもたらされる入力信号、換言すれば、これらのセンサに加えられる力に依存する。撹乱であって、基準体の変形から生じる平衡スティフネスはまた、従って、第2移動電位が第2方向に基準体の第2自由度に対応する場合に回避されることができる。しかしながら、この場合はまた、本発明の範囲内において、2つのセンサの代わりに1つの共通のセンサを使用することが可能であることに再び留意する必要がある。
より好ましい信号対ノイズ比に導く高感度のアクチュエータおよびセンサを使用することにより、第1結合手段が、それぞれ、少なくとも第1センサ、第2センサ、第3センサおよび第4センサからの少なくとも第1入力信号、第2入力信号、第3入力信号および第4入力信号を第1結合入力信号に結合するために使用され、これに依存して、制御手段は、それぞれ、第1センサ、第2センサ、第3センサおよび第4センサに関連するアクチュエータのために第1共通制御信号を生成する。
第2結合手段が、少なくとも第1センサ、第2センサ、第3センサおよび第4センサそれぞれからの少なくとも第1入力信号、第2入力信号、第3入力信号および第4入力信号を第2結合入力信号に結合するために実施され、この方法とは異なる方法で、第1結合手段は第1入力信号、第2入力信号、第3入力信号および第4入力信号を第1結合入力信号に結合し、その第2結合入力信号に依存して、制御手段が、第1センサ、第2センサ、第3センサおよび第4センサにそれぞれ関連するアクチュエータのための第2共通制御信号を生成する場合に、同様の優位性のある効果が第2方向において得られる。
一般に、基準が制御信号の上に生成される場合に、これらの制御信号は関連するアクチュエータのための入力信号としての役割を果たす必要はないが、また、関連するアクチュエータのための実際の入力信号に到達するために、例えば、他の制御信号と組み合わせる(加算するおよび/または減算する、重み付けするまたはそうしない)ことにより、適切な方法でさらに処理されることができる。
本発明の非常に優位性のある好ましい実施形態に従って、中間体が、一方の前記少なくとも1つのアクチュエータとセンサの組み合わせの直列に位置付けされたアクチュエータおよびセンサと、他方の基準体との間に備えられる。そのような場合、直列に位置付けされた少なくとも1つの組み合わせにおけるアクチュエータおよびセンサは、一方のハウジング(または、さらに詳細には、その支持部材)と、他方の中間体との間に備えられる。第1の例において、直列に位置付けされた少なくとも1つの組み合わせにおけるアクチュエータおよびセンサが、後の段階において、一般に重い重量により特徴付けられる位置付け手段を取り付ける前に、正確に取り付けられることができる結果として、これは、本発明に従った装置の種々の部品の組み立てを簡単化する。さらに、中間体は、前記少なくとも1つの組み合わせの繊細な部品を保護することができる。これらの優位性はまた、中間体が2つの(ランダムな)構成体の間に適用される場合であって、それらの間には少なくとも1つの圧電センサおよびアクチュエータの組み合わせが適用される場合に、得られる。
簡単化および比較的小さいスティフネス両方の観点から、中間体は、好ましくはプレート状であり、それ故、中間体の導入は何らかの不所望の平行スティフネスの原因にはならない。
非常に好ましいプレート状の中間体は、アルミニウムから成り且つその厚さはプレート状の中間体の主寸法の最小の10%より小さい中間体である。この用語“主寸法”は、長さと幅により表される長方形の場合と解釈する必要があり(この場合、当然、幅は長さより小さい)、または、例えば、その直径により表されるディスク状の中間体であるが、ディスク状形状は必ずしも円形ではない場合と解釈する必要がある。
直列に位置付けされた少なくとも1つの組み合わせにおけるアクチュエータおよびセンサを互いに関して固定する目的のために、前記少なくとも1つの組み合わせを中間体とハウジングとの間に位置付けする前に、前記少なくとも1つの組み合わせに平行な中間体がハウジングに接続される場合は、優位性がある。
前記少なくとも1つの組み合わせを中間体とハウジングとの間に位置付けする前に、前記少なくとも1つの組み合わせに平行な中間体がハウジングに接続される場合、中間体について基準体を移動させることができる可能性が得られ、このことは、基準体が一部である位置付け手段により位置付けされる対象が粒子ビームの焦点に適合されることが、使用時に、確実にされるように、本発明に従った装置の取り付けにおいて必要である。特定の種類の位置付け手段の場合、このコンテキストにおいては、粒子ビームの焦点により広げるために必要とされるユーセントリック軸の位置付け手段と呼ぶ。
一方の、基準体(および、従って、位置付け手段)と、他方の、ハウジングの相対的位置付けを調整するために、本発明に従った装置は、好ましくは、調整手段を備え、それにより、基準体はプレート状の中間体に対して平行な方向に移動されることができる。
これらの調整手段は、好ましくは、基準体が3つの自由度において移動されることを可能にするように実施される。
基準体について中間鯛の好ましい小さい移動をさらに可能にする、基準体が中間体に接して支持される非常に適切な値の力は、支持される位置付け手段の総重量の2乃至20倍の範囲内にある。
そのような力の生成のために、好ましくは、バネ手段が、基準体と中間体とを互いの方向に押し付けることを目的として備えられる。
そのようなバネ手段は、前記少なくとも1つの直列に位置付けされた圧電位置アクチュエータと圧電力センサとの組み合わせに亘る好ましくない平行スティフネスを導入する付帯リスク(既に上記したように)を再びもたらす。従って、使用されるバネ手段のスティフネスは十分小さい必要があり、そのために、2つの固有振動数の間の関係のための経験則に従って、
spring<1/3*fpos
の関係が適用され、ここで、fposは圧縮しようとする位置付け手段の固有振動数であり、fspringは、何らかの組み合わせまたは支持部材がなく、基準体と位置付け手段を足した合計質量がバネ手段単独により支持される場合に現れる仮想システムにおける固有振動数である。従って、このfspringの量は、前記バネ手段のスティフネス(その大きさは消滅される)に単純に依存し、
spring=1/2π*√(c/m)
の関係に従い、ここで、“c”はバネ手段のスティフネスであり、“m”は位置付け手段の結合質量(基準体を含む)である。
本発明の特に好ましい実施形態にさらに従って、各々のアクチュエータは、アクチュエータの第1アクチュエータ電極と導電性接触状態にある第1アクチュエータ導電体と、アクチュエータの第2アクチュエータ電極と導電性接触状態にある第2アクチュエータ導電体との間にクランプされ、その第1アクチュエータ導電体とその第2アクチュエータ導電体は制御手段と導電性接触状態にある。アクチュエータがクランプされるそのようなアクチュエータ導電体の適用は、特に、適用される組み合わせの数が2以上のとき、その製造の間に、本発明に従って装置への前記少なくとも1つの組み合わせの結合をさらに簡単化する。
各々のセンサが、センサの第1センサ電極と導電性接触状態にある第1センサ導電体と、センサの第2センサ電極と導電性接触状態にある第2センサ導電体との間にクランプされ、その第1センサ導電体とその第2センサ導電体は制御手段と導電性接触状態にある場合、同様な優位性が適用できる。
センサおよびアクチュエータの種々の電極の可能な簡単かされた接続スキームのコンテキストにおいて、アクチュエータとセンサの組み合わせのアクチュエータまたはセンサに関連する2つの導電体の1つが、関連するアクチュエータまたはセンサの両方の電極と導電接触状態にある1つの接触ポイントを備える場合、さらに優位性がある。このように、アクチュエータまたはセンサの電極への制御手段の接続は1つの導電体によりもたらすことができ、これにより、他の導電体は前記1つの導電体に導電的に接続される。
可能な最大限まで、撹乱平行スティフネスが前記少なくとも1つの組み合わせのアクチュエータおよびセンサに亘って生じることを回避するために、関連する導電体をもつアクチュエータおよび/または関連する導電体をもつセンサが、それぞれ、関連する導電体間に、アクチュエータおよび/またはセンサをクランプする目的で牽引機構を伸ばすスルーホールを集合的に形成する共通接続孔を備えることは好ましい。アクチュエータおよび/またはセンサが関連する導電体間にクランプされる力は、原理的には、アクチュエータ、センサおよび互いについて関連する導電体を保持し且つ正確に位置付けるための力より僅かに大きい。
このコンテキストにおけるさらなる改善は、アクチュエータとセンサの組み合わせのアクチュエータおよびセンサに関連する4つの導電体の1つが、アクチュエータおよびセンサの両方の電極と導電接触状態にある4つの接触ポイントを備える場合に得られる。このように、一方で、センサから、入力信号であって、制御手段のための入力信号を送り、他方で、アクチュエータのための入力信号をもたらす制御手段からの制御信号を送る目的で、単一の多心ケーブルが、制御手段にアクチュエータおよびセンサの全ての組み合わせを接続するために用いられることができる。
また、簡単に作業を進めるためにアクチュエータとセンサの組み合わせの正確な配置および接続を可能にするアイ(eye)を用いて、アクチュエータとセンサの組み合わせのアクチュエータとセンサとの間に位置する導電体が、互いに向かい合う側に、互いに導電的に接続される接触ポイントを備えることは好ましい。
素尿ナ導電体であって、従って本発明に従った装置の非常に有利な実施形態は、導電体の少なくとも一部が、少なくとも1つの外面に、導電体の導電トラックまたは接触ポイント或いはアクチュエータまたはセンサの電極のどちらかとの直接的な電気接触のための少なくとも1つの孤立した導電トラックを備える場合に得られる。そのようなトラックは、アクチュエータまたはセンサの電極と導電体との間または互いの導電体の間の旧来の電気導線接続を用いることにより提供することができる。
さらに、好ましい実施形態に従って、アクチュエータとセンサの組み合わせに関連する導電体はハウジングの外側に及ぶ導電機構に導電接続される、そのような導電機構は、例えば、導電ケーブルにより形成されることができる。導電機構はハウジングの外側に延長することができるため、制御手段はまた、ハウジングの外側に備えられることができる。
図1は、走査電子顕微鏡の場合におけるアプリケーションに対するマニピュレータ1を示している。マニピュレータ1は、ベースプレート2とマニピュレーションユニット3から構成される。ベースプレート2の長さは約300mmであり、ベースプレート2は、特に図2を参照して後に説明する方式で、走査電子顕微鏡のハウジングの一部に接続される。マニピュレータ1の重さは約17kgであり、これにより、個別のマニピュレーションユニット3の重さは約7kgであり、ベースプレート2の重さは約10kgである。マニピュレーションユニット3は、約150mmのストロークの中を双方向矢印5の方向にガイド4a、4bに沿って、ベースプレート2に関して全体的に移動されることができる。マニピュレーションユニット3は、第1移動体6、回転体7、第2移動体8および試料ホルダ9から構成される。第1移動体6は、相応して形成される回転体7の外側に方向付けられたガイドリブ10の一部が伸びるベントガイドをもつ回転体7の反対側に備えられる。第1移動体6のガイドと回転体7のガイドリブ10a、10bとの間の協働により、第2移動体8と試料ホルダ9と共に、回転体7が、約60°の角度範囲を通して、ガイドおよびガイドリブ10a、10bのベント/アーチの中心軸について、回転させることが可能である。
前記中心軸に対して垂直にして、ガイド体11a、11bの方向を向く第2移動体8のガイド機構(図示せず)と協働して案内するために、第2移動体8の反対側に一対のガイド体11a、11bを備える。この方式においては、試料ホルダ9をもつ第2移動体8の平行移動は、約150mmのストロークを通して、ガイド体11a、11bの長手方向において可能である。ディスク状形状を有する試料ホルダは、ディスク自身の中心軸について多数の回転の範囲内で回転されることができ、また、そのディスク状形状の平面に垂直方向に約30mmの範囲内の高さにおいて調節されることができる。試料ホルダは、対象である走査電子顕微鏡を用いたさらに研究される試料を支持するために適切である。
上記のような全てのガイドにより、走査電子顕微鏡において生成される電子線の焦点において試料を適切に位置付けし且つ方向合わせを行うために、5つの自由度全部において試料を操作することが可能である。マニピュレータ1のようなタイプのマニピュレータは当業者には周知であり、それについての詳細説明は、本発明の根底ストにおいては必要ではない。
図2に基づいて、走査電子顕微鏡の製造の間に、マニピュレータ1が走査電子顕微鏡のハウジングとどのように組み合わされていくかについて、さらに明らかにする。このコンテキストにおいて、図2は、本質的に概略図であることに留意されたい。図2は、マニピュレータ1のベースプレート2のみを示している。このベースプレートは、その下側の角の位置に、四角フット13a、13b、13c、13dを備えている。それらの角の位置近くであって、四角フット13a、13b、13c、13dの近くには、孔14a、14b、14c、14dがある。四角フット13b、13cの近くであって、ベースプレート2の側面15には、水平方向に方向付けられた2つのネジ孔16a、16bが作られている。ベースプレート2の最後尾の面17(図2に示すような)であって、四角フット13cの近くには、水平方向に方向付けられたネジ孔16cが作られている。これらのネジ孔16a、16b、16cの先端の真上であって、上面には、ネジ孔16a、16b、16cに通じ、ネジ孔16a、16b、16c内に伸びるネジ体を固定するために伸びるネジ18a、18b、18cを固定する垂直方向のネジ孔が備えられる。
走査電子顕微鏡のハウジングのベイスン状、べースン状部19のみを図2に示すが、その部分は組み立てられた状態におけるベースプレート2の側面と裏面とを取り囲んでいる。それはそれとして、走査電子顕微鏡のハウジングは、1つの統合部分として具体化される必要はないが、それはまた、多数の強固に接合された構成要素から構成されることができる。そのコンテキストにおいて、ベイスン状部19またはそのベース20がハウジングの残りの部分に強固に接合される部分である場合、それは本発明のハイン以内で許容される。ベース20において、四角フット13a、13b、13c、13dに対応するように互いに位置付けられる四角凸部21a、21b、21c、21dが備えられる。垂直ネジ孔22a、22b、22c、22dは、四角凸部21a、21b、21c、21dの中央に備えられる。
4つの四角凸部21a、21b、21c、21dの各々において、下方のプリント回路基板ディスク24、ディスク状圧電アクチュエータ25および上方のプリント回路基板ディスク26より成るスタック23が備えられる。これらのディスク状体4、25、26は、それらの中央にスルーホールが備えられ、それらの中に真空仕様のネジ27が挿入され、そのネジの頭28は上方のプリント回路基板ディスク26に埋め込まれる。ネジ27は、該当する凸部に対応するネジ孔の内部に回転され、その結果として、制限された範囲まで、下方のプリント回路基板ディスク24、ディスク状圧電アクチュエータ25および上方のプリント回路基板ディスク26の間にクランプ力が存在する。圧電アクチュエータ25を正確に中央に位置付けるために、中央のスルーホールにおいてセンタリング体29がさらに備えられる。
多かれ少なかれ同等の方法で、第2スタック30が、ベースプレート2とベース20との間にあるカップリングプレート31の底面に接触して、各々の第1スタックにおいて備えられる。このカップリングプレート31は、その角の位置に、孔32a、32b、32c(32dは図2において見えない)を備えられる。第2スタック30は、下方のプリント回路基板ディスク34、圧電センサ35および上方のプリント回路基板ディスク36から成る。これらのディスク状体34、35、36は、これらのディスク状体における中央孔と該当する孔32a、32b、32c、32dを通って伸びるスクリュー33により互いに接触してクランプされる。クランピングは、カップリングプレート31の上面においてナット37を締め付ける結果としてなされる。ネジ33のねじ山の先端とナット37のねじ山の先端とが適合するために、キャビティ38がフット13a、13b、13c、13dの下側に備えられる。圧電センサ35の正確なセンタリングを可能にするために、圧電センサ35の孔にセンタリング体39が備えられている。ネジ33の頭40は下方のプリント回路基板ディスク34に埋め込まれる。
ベース20の中央近くには、3つの突起41a、41b、41cが備えられる。これらの突起41a、41b、41cの高さは、突起21a、21b、21c、1つのスタック23および1つのスタック30の和に等しく、それ故、突起41a、41b、41cの上面は、4つの上方のプリント回路基板ディスク36の上面と実質的に同じ垂直方向の高さとなる。
種々のプリント回路基板ディスク、圧電センサおよび圧電アクチュエータの機能については、後にさらに説明する。組み立てを次のように進める。第1例において、スタック23は、関連ネジ孔22a、22b、22c、22d内にネジ27を締め付けることにより突起21a、21b、21c、21dにクランプされる。これにより、ネジ27の場合に加えられる締め付け力は、主に、スタック23の種々の部品を互いに正確に且つ半永久的に位置付けする役割を果たす。スタック30は、ネジ33/ナット37の組み合わせを適用することにより、カップリングプレート31の底面に接してクランプされる。続いて、カップリングプレート31が、突起41a、41b、41cの上面におけるネジ孔42a、42b、42c内にネジ43a、43b、43cを締め付けることにより突起41a、41b、41cの上面にネジ止めされる。このために、3つの孔44が、突起41a、41b、41cに結合されるように互いに位置付けされるカップリングプレート31の中央近くに備えられる。
組み立てプロセスの次のフェーズにおいて、マニピュレータ1がカップリングプレート31に取り付けられ、これにより、ナット37とネジ33の先端が、種々のフット13a、13b、13c、13dのキャビティ内に、特定の側方の遊び量をもって伸びている。ベースプレート2が3つのフット22a、22b、22c、22dのみに支持されるのではなく、4つのフット全てに支持されることを確実にすることを目的として−その結果、好ましい静的に過剰決定された指示状況がベース20上のベースプレート2の4つのポイントにおいて実現され、さらに図示することはしないが、フット13a、13b、13c、13dの1つは高さを調節され、これにより、ベースプレート2がカップリングプレート31上に設置された後、必要に応じて、高さ調節がなされる。このような方法において、マニピュレータ1のベースプレート2は、孔14a、14b、14c、14dが、カップリングプレート31における孔47a、47b、47c(47dは見えない)の直接上におよびベース20におけるネジ孔45a、45b、45c、45dの上に、多かれ少なかれ伸ばされている。このような位置合わせされた位置付けのお陰で、ネジ体46が、約1乃至2mmのオーダーの半径方向の遊びを伴って、互いに関連する孔14a、14b、14c、14d、孔47a、47b、47c、47dおよびネジ孔45a、45b、45c、45dを通って伸びることが可能である。これにより、ネジ体46の最下端部は、ネジ孔45a、45b、45c、45dの中にしっかりネジ締めされる。各々のネジ体46の最上端部周囲には、押圧バネ48とワッシャ49が適合されている。次いで、ナット50がネジ体46の最上端部に締め付けられ、それ故、押圧バネ48は予め荷重を加えられ且つ4つの押圧バネ48は共に約600Nのオーダーの力で、マニピュレータ1の重量の結果として既に下方に加えられた重力に加えて、下方にベースプレート2を加圧する。上記のように、スタック23および30に亘る好ましくない平行スティフネスを回避するために、押圧バネ48のスティフネスは大きすぎる必要はない。押圧バネ48の許容スティフネスを決定するための経験則はすでに与えられており、これにより、マニピュレータ1の共振(すなわち、抑制されるべき)の典型的な固有振動数は75乃至1000Hzの範囲内にあることに留意する必要がある。このように、一つの状況を実現することがまたでき、これにより、スタック23および30、または、さらに詳細には、上方のプリント回路基板ディスク26の上面と下方のプリント回路基板ディスク34の下面は、良好な電気接触の状態で互いに接触するように押圧される。このコンテキストにおいては、カップリングプレート31の限定された厚さ(約1mm)とまたカップリングプレート31が製造されるアルミニウムの機械的特性の結果として、カップリングプレート31の曲がりスティフネスは比較的小さい。それ故、カップリングプレート31は、カップリングプレート31のプレート面に垂直方向にスティフネスがあるとは明らかにみなすことができず、それ故、何らかの厄介な平行スティフネスを導入しない。しかしながら、カップリングプレート31は、プレート状の形状の結果として、カップリングプレート31のプレート面に平行な方向にスティフネスがあり、それは、以下にさらに説明するように、水平方向にカップリングプレート31の上方のベースプレート2を移動させることの結果として生じる横向きの力に耐えることにおいて重要である。
押圧バネ48により生成される下向きの力の大きさとマニピュレータ1についての重力は、マニピュレータ1であって、さらに詳細には、ベースプレート2の、小さい水平方向の移動を提供することがもはや可能でないようにそれほど大きいものではない。そのような移動は、マニピュレータ1であって、さらに詳細には、スイベル(swivel)体7が、回転できるアーチ状ガイドリブ10aおよび10bの中心軸が走査電子顕微鏡の場合に生成される電子ビームに関して正確に位置付けされることを確実にするために、必要である。このような位置付けを正確に実行できるためには、マニピュレータ1は真空の環境下に置かれる必要があり、その結果、電子ビームを生成することが可能であり、これにより、この電子ビームは、この後、マニピュレータ1の正確な位置および方向がどちらであるかを観測することにおいて用いられることができる。
3つの自由度においてマニピュレータ1を移動させる目的ので、マニピュレータ1は、真空中において、走査電子顕微鏡のハウジング内に備えられる一方、2つのネジケーシング52、53が側面51に備えられ、それらのケーシングの中に調整鯛4が伸ばされる。調整体は、係合部140であって、係合部の先端はネジ孔16a、16b内に係合することを目的とするネジ部55を設けている係合部から構成される。所定の回転位置に調整体54を固定するために、固定ネジ18a,18b、18cのそれぞれの先端が係合される固定孔56がこのネジ部55に備えられる。フラットベンド部57がネジ部55の後に接して備えられ、これは、少なくともベース20に平行な方向において、調整体54の曲がりスティフネスが制限されることを確実にする。この平坦なフラットベンド部57は、上記のネジ部55と調整体54の調整ブッシング59内に伸びる係合部のもう1つのネジ部58との間に備えられ、もう1つのネジ部58と協働する内部のネジをその中心軸の周りに備えている。調整ブッシング59は、1つの先端であってその外側にねじ山を備え、他の先端にシーリングリング61を備えている。シーリングリング61は、側面51を貫いて調整体54を設けるにも拘わらず、ハウジング内の真空を破ることはない。ネジ山60は、ネジケーシング52、53の内側のネジ山と係合して協働するようになっている。ネジ山60であって、それ故、ネジケーシング52、53のネジ山の速度は、調整ブッシング59における内側のネジ山(図示せず)ともう1つのネジ部58の速度より大きくなるように選択される。このように、特定の伝達比が実現され、その結果として、ネジケーシング52、53内の調整ブッシング59を回転させることにより、ネジ部55であって、それ故、ベースプレート2およびマニピュレータ1の非常に小さい長手方向の移動がもたらされる。また、ベースプレート2を調整するために、それと同様の方法を、ネジ孔16cをまた端部に設けるハウジングのべースン状部19の裏側に図2における側面63の外側に備えられるネジケーシング62の位置において、利用することが可能である。このように、走査電子顕微鏡の電子ビームに関して、ベース20に対して平行な面の3つの自由度において、真空中で、マニピュレータ1を正確に位置付けすることが可能である。正確な位置が達成されるとすぐ、3つの調整体54は固定され(これについては図示せず)、それ故、走査電子顕微鏡のハウジング内のマニピュレータの位置もまた固定される。
スタック23および30の種々のディスク状部品について、図4乃至6並びに図7乃至9にそれぞれ示している。スタック30はその中央に圧電センサを設けている。このセンサは力を測定することができる。これらの力は、電気接触の目的で蒸着により形成された銀の層をもつ上面64と下面65との間の電位差を結果として得る故に、上面64と下面65は電極としてみなされる。この電位差の大きさは、力の大きさの測定、または、マニピュレーションユニット3の振動に対してより特異なアイ(eye)を用いることによるセンサに影響を及ぼす力の一時的変化の測定により得られる。電位差の測定を目的として、上方のプリント回路基板ディスク36および下方のプリント回路基板ディスク34は、センサ35の上面64および下面65にそれぞれ備えられる。上方のプリント回路基板ディスク36は、センサ35の上面64に接して置かれる環状導電性トラック66をもつその下面に備えられる。図8bに示すように、突出部67は環状トラック66に接続し、その突出部67がセンサ35の外周に向かって伸びている。センサ35の上面64と上方のプリント回路基板ディスク36のトラック66との間の導電性接触が良好の場合には、上面64の電位水準は、突出部67の接触ポイント68の位置における電位水準に一致する。
下方のプリント回路基板ディスクはまた、突出部70が接触ポイント71により接続される環状トラック69を設けている。さらに、下方のプリント回路基板ディスクの上面の外側に、小さいトラック領域72が備えられ、その小さいトラック領域は環状トラック69から分離されており、センサ35の外側の直径の外側に伸びている。接触ポイント73は、上方のプリント回路基板ディスク36の接触ポイント68に電気導線74により接続され、それ故、接触ポイント73は、結局、センサ35の上面64の電位水準と同じ電位水準とみなされる。環状トラック69はセンサ35の下面65に接して備えられる事実のため、接触ポイント71はセンサ35の下面65と同じ電位値であるとみなされる。下方のプリント回路基板ディスク34の下面は、互いに分離した2つの導電性トラックを備えている。トラックの1つは、接触ポイント77を持つ突出部76に接続する環状部75から構成される。他のトラックは、環状部75を実質的に取り囲むインターラプテド環状部78から構成され、また、接触ポイント80をもつ突出部79を備えている。接触ポイント71および80は、導電性接続81により下方のプリント回路基板ディスク34の本体をまさに横切って、互いに接続される(図9c)。類似する種類の接続は、接触ポイント73と77との間で実現される。この全ては1つの状況をもたらし、これにより、接触ポイント80の電位水準はセンサ35の下面65の電位水準に一致する一方、接触ポイント77の電位水準は線さ35の上面64の電位水準に一致する故に、接触ポイント77と80との間の電位差は、センサにおいて与えられる力を測定することにより得られる。
圧電アクチュエータ25は、スタック23の中央に備えられる。そのようなアクチュエータは、アクチュエータ25の上面82と下面83との間に加えられる電位差に反応して高さ方向に拡張および/または収縮することができ、それら上面82と下面83は電極とみなされることができる。アクチュエータ83と直列に接続されるセンサ35のような、圧電センサと組み合わせることにより、能動制振システムを実現することが可能である。このシナリオにおいて、圧電センサ35の上面64と下面65との間の電位差(電位差はこのセンサに与えられる力の測定である)は、入力信号としてこの電位差を処理する制御システムに伝えられ、アクチュエータ83に対する出力信号を生成し、それに対する反応として、アクチュエータ83は高さを変化させる。このような方法で、例えば、マニピュレーションユニットを振動される傾向にある、走査電子顕微鏡のハウジングに作用する音波の結果として生じる振動であって、その結果として、電子ビームに関する試料の安定性および必要とされる電位差の精度が十分な程度まで達成されない、振動を非常に適切に制振することが可能である。
アクチュエータ25の上面82と下面83との間の電位差を加える目的で、上方のプリント回路基板ディスク26と下方のプリント回路基板ディスク24が反対側に備えられる。この下方のプリント回路基板ディスク24は、接触ポイント86が位置付けされる突出部85をもつ環状トラック84をその上面に備える。上方のプリント回路基板ディスク26は、接触ポイント89が備えられる突出部88に接続する環状トラック87をその下面に備える。これに加えて、環状トラック87とは離れて備えられる小さいトラック領域90が、上方のプリント回路基板ディスク26の下面に位置付けられる。トラック領域90は接触ポイント91から構成される。トラック領域90はアクチュエータ25の外周の外側に位置付けられる。
上方のプリント回路基板ディスク26の上面は、それぞれの接触ポイント94、95が位置付けされる2つのトラック領域92,93を備えている。これに加えて、2つの互いに離れたトラックを備え、それらの1つは、接触ポイント98をもつ突出部97に接続する環状トラック部96から構成され、それらの他の1つは、環状トラック部96を実質的に取り囲むインターラプテド環状トラック部99から構成され、接触ポイント101をもつ突出部100を備えている。使用中に、突出部97をもつ環状トラック96は、リング状トラック75および突出部76にそれぞれ接触して備えられ、その結果、接触ポイント98はセンサ35の下面の電位水準と同じ電位とみなされる。同様に、接触ポイント101の電位水準は、線さ35の上面の電位水準と同じ値であるとみなされる。接触ポイント86および91は、電気導線102により互いに接続される。接続81に相当する接続を用いることにより、接触ポイント91は接触ポイント94に接続される。このやり方においては、接触ポイント94の電位水準はアクチュエータ25の底面83の電位水準に等しい。接触ポイント89および95はまた、接続81に類似する接続を用いて互いに接続される故に、接触ポイント95の電位水準はアクチュエータ25の上面の電位水準に一致する。このやり方においては、アクチュエータおよびセンサの全ての関連する電位水準は、電気導線によりアクチュエータ25およびセンサ35のために非常に簡単な取り付けと簡単な接続の実現性を可能にする。このために、4心ケーブル103は、コア104、105、106、107および真空対応のクラッディング108を備えている。センサ35に関する性状に従った2つのコア104および105と、アクチュエータ25に関する性状に従った2つのコア106および107とを、1つのクラッディングにより且つ互いに近接させて動作させることにより、アクチュエータとセンサとの間においてはある程度の電気的結合の付帯リスクを被る。上記の機械的クロストークに類似して、コア106と107との間の電位差を適用することにより1つのアクチュエータの活性化が、コア104と105との間に小さい電位差を生じさせることとなり、その結果、意図されない力がセンサにおいて観測され、その力は、コア106と107との間に加えられる電位差に、無意図的に直接関係し、意図的である、マニピュレーションユニット3において振動(制振される)を加速する力のためにセンサ65により観測される力に関係するものではない。技術用語で“電気的クロストーク”と呼ばれる、この影響を最大限回避するために、2つのコア104および105は、クラッディング108の先端の1つにおいて、全体的な電気システムのための適切な電気的基準の接触ポイントであって、所謂“接地ポイント”に電気的に接続される、電気的クラッディング(図示せず)内のクラッディング108を通して、好ましくは、共に提供される。同じやり方で、2つのコア106および107は、適切な接地ポイントに接続される同様の電気的クラッディング(図示せず)内のクラッディング108を通して提供される。
図2に示すように、ケーブル103はガス漏れのない方式で側壁51を貫通して提供される。それに代えて、この目的のためにプラグシステムを用いることが可能である。マニピュレーションユニット3の振動を実際に軽減することを目的として、操作電子顕微鏡のハウジングの外部には、コア104と105との間の電位差の状態でセンサ35からの出力信号を処理することができ、コア106と107との間の電位差の状態でアクチュエータ25のために出力信号を生成することができる、制御システムがある。
話は変わるが、実施形態の説明において、下方のスタック23に割り当てられる機能と上方のスタック30に割り当てられる機能は限定的なものではないことに留意する必要がある。両方の機能は、原理的に全く交換可能であり、それ故、センサの機能はまた下方のスタック23に割り当てられることができ、アクチュエータの機能はまた、上方のスタック30に割り当てられることができる。
スタック23および30の個々の部分の正確な位置付けを互いに関して達成するために、非円形を用いてこれらの部分を提供することが可能であり、その結果、これらの部分を互いに関して正確な角度方向に設定することが容易になる。
原理的には、振動は、マニピュレーション3の場合に適用されるガイドの位置と方向の結果として、試料ホルダ9に垂直な方向に対する2つの本質的に互いに垂直な主方向において生じる。関連アクチュエータに伴うセンサが制御ユニットに渡す出力信号に唯一依存する制御ユニットを通じて4つの用いられるアクチュエータ25各々を動作することのみにより、これらの振動に実際に対抗することが可能である。そのような制振方法の重要な不利点は、一貫して、アクチュエータ25とセンサ35との1組のみの組み合わせが1つの制御ユニットと協働する状況下にあって、ベースプレート2の不利な捩れによる変形が不可避であることである。4つのアクチュエータ25がベースプレート2の角のポイントに備えられることを考える場合、4つのアクチュエータ25の動作が独立している場合には、ベースプレート2は好ましくは平坦なプレートのまま保たれることが重要である。それに代えて、捩れの位置関係に取り付けられると結果的に変形し、その結果、マニピュレータ1が試料を位置付けすることができる正確度はまた、結局、不利に影響されることとなる。さらに、アクチュエータ25が動作されるとき、力は、このとき、4つのセンサ35全てにおいて観測され、それらの力は、ベースプレート2の捩れ変形の結果として起こる反応力に無意図的に関係し、マニピュレータユニット3の振動(制振される)を加速する力によりもたらされるようなセンサ35により観測される力に意図的に関係するものではない。直列に位置付けられたアクチュエータ25およびセンサ35の4つの組み合わせ全てに亘る平行スティフネスによりもたらされる挙動はまた、“アクチュエータからセンサへのクロストーク”という専門用語を用いて表される。アクチュエータからセンサへのこの(機械的)クロストークが過度の場合には、制御理論が関与する限り、スマートディスクの助けを借りて振動を効果的に制振することを継続することは不可能となる。
この問題に対する論理的な解決方法は、アクチュエータ25とセンサ35の3組の組み合わせのみを適用することにあるようである。3つのポイントにおいてベースプレート2を支持するそのような手段は“静的に決定される”と呼ばれる一方、4つ(またはそれより多い)のポイントにおける支持は、本質的に静的に過剰決定されるものである。静的に決定される方式において3つのポイントでベースプレート2を支持する結果として、3つのアクチュエータ25の独立した動作は、論理的には、ベースプレート2の(捩れ)変形をもたらすものではなく、ベースプレートが平坦な状態にあると考える場合であって、捩れた位置関係に取り付けられない場合、ある(非常に小さい)程度に傾けられるようにのみなる結果として、3つのアクチュエータ25の(非常に小さい)制振の動きをそれ自身にもたらすこととなる。
しかしながら、ベースプレート2の捩れ変形が、ここでは、事実上、自由に可能であり、4番目の支持の存在によりさらに妨げられることなく、ベースプレート2自体の固有捩れスティフネスによってのみ制限される著しい不利点を、事実上、3つのポイントのみにおいてベースプレート2が静的に決定される支持についてのそのようなシナリオは有している。ここでの大きなリスク(すなわち、3つのポイントのみにおいてベースプレート2が静的に決定される支持)は、4つのポイント(すなわち、静的に過剰決定される方式)において、実際には、固有振動数を決定しない平行ガイドとベースプレート2により、支持がなされる場合、この捩れにより弛んだベースプレート2の捩れスティフネスが、ここでは、好ましいとされる主にマニピュレーションユニット3というより、全体としてのマニピュレータの、第1(すなわち、最小の)固有振動数、およびそれに関連する振動様式を決定することである。さらに、ベースプレートが4つのポイントにおいて支持される場合より、ベースプレート2が3つのポイントにおいて支持される場合に、摂動振動を示す動的システムの第1(すなわち、最小)固有振動数は値がより小さい。一般に、初期状態、すなわち、いずれかの制御ユニットがセンサ35およびアクチュエータ25のいずれかの組み合わせに対して効果を及ぼす前に、摂動振動を示す動的システムの小さい第1固有振動数は、環境の音響ノイズまたは床の振動による励振の結果として、著しく大きい振幅の振動に導く。結果的に、振動の最適な制振の次の振動の最終的な振幅は、1つまたはそれ以上の制御ユニットが効果的になった後、摂動振動を示す動的システムの第1固有振動数の値が開始するために十分大きい場合、より小さくなる。従って、4つのポイントにおいてベースプレート2を支持する上記の静的に過剰決定される方法は、非常に優先される。組み立ての間にこのような好ましい静的に過剰決定される指示についての方法を達成するためには、結果的に、上記のように、フット13a、13b、13cまたは13dの1つの高さを調節する必要があるが、それ以上の説明は加えない。
本発明の好ましい実施形態においては、4つのポイントにおける非常に好ましい過剰決定される支持の不可避の結果である、上記のようなアクチュエータからセンサへの機械的クロストークの不利点は、各々の4つのアクチュエータ25かまたはそれらの一部が対象であるアクチュエータ25に伴うセンサ5により制御ユニットに発せられ且つ渡される出力信号のみに依存して動作せずに、少なくとも2つのセンサの出力信号(の合計)に依存して動作するように配列することによりアクチュエータ25とセンサ35の4つの組み合わせを使用する場合に克服される。このように、センサ25の動作に互いに適合する可能性が生じ、それ故、ベースプレート2に対して4つの支持ポイントがあるにも拘わらず、ベースプレート2は捩れが導入されることなく、従って、変形しない。
上記の種々の特徴について、図10を参照して説明する。図10は、非常に模式的なベースプレート2の平面図を示している。黒いドットは、角のポイントにおけるアクチュエータ25およびセンサ35の4組の組み合わせを示している。さらに、図10は、マニピュレーションユニット3のおおよその重心の位置109を示し、その重心の周囲には、 2つの互いに直交する主振動方向を2つの曲線的な矢印110、111により示している。栓さ35の出力信号は、上記のように、センサ35により示された力の測定によるが、それぞれ、S1、S2、S3およびS4により表される。それぞれのアクチュエータ25の入力信号は、A1、A2、A3およびA4により表される。関連する制御システムは3組の組み合わせユニット112、113、114から構成され、それらの各々は2つの入力信号に加えて1つの出力信号を生成する。さらに、制御システムは2つの制御ユニット115、116から構成され、それらは、出力信号を生成するために、所定の周波数依存特性(“制御装置転送”と呼ばれる)と振幅係数(“利得”と呼ばれる)に従って入力信号を処理する。実際には、そのような制御ユニットは、アナログ電子回路またはデジタルコンピュータとして実施されることができる。
出力信号S1およびS2は組み合わせユニット112により加え合わされる結果、制御ユニット115のための入力信号をして機能する出力信号SXが得られる。同様の方法で、出力信号S2およびS3は組み合わせユニット113により加え合わされる結果、制御ユニット116のための入力信号をして機能する出力信号SYが得られる。入力信号SXおよびSYは、それぞれ出力信号AXおよびAYを生成するために、それぞれ制御ユニット115、116により処理される。これらの信号AXおよびAYは、アクチュエータ25およびセンサ35の第1の組み合わせと第3の組み合わせにそれぞれ関連するアクチュエータ25のための入力信号A1およびA3として使用される。信号AXおよびAYは、組み合わせユニット114によりさらに加え合わされる結果、第2の組み合わせのアクチュエータのための入力信号A2が得られる。このように、アクチュエータ25のための各々の入力信号A1、A2、A3は、関連するセンサ35により測定される力と、隣接するセンサ35により測定される力とに依存する。全体としては、第4の組み合わせのアクチュエータ25およびセンサ35は使用しないままの状態に保つことに留意することは重要である。本発明の好ましい実施形態においては、第4の組み合わせは、従って、受動的な機械的支持ポイントにより置き換え可能である。第4の組み合わせの反対側に位置付けられる第2の組み合わせのセンサ35により測定される力は、対照的に、第1、第2および第3の組み合わせのアクチュエータの動作に影響を与えるために使用される。これに加えて、第2の組み合わせのセンサの動作は、第1、第2および第3の組み合わせの3つのセンサ全てにより測定される力に依存する。
図10に基づく上記のような種々の信号の組み合わせは1つの状況を結果的にもたらし、これにより、矢印110に従う振動は第1および第2の組み合わせのアクチュエータ25の動作の結果として制振され、これにより、ベースプレート2は、第3および第4の組み合わせの位置におけるベースプレート2の支持ポイントにより伸びる回転軸117に関して回転する。矢印111に従う振動は第2および第3の組み合わせのアクチュエータ25の動作の結果として制振され、これにより、ベースプレート2は、第1および第4の組み合わせの位置におけるベースプレート2の支持ポイントにより拡張する回転軸118に関して回転する。これらの回転軸117、118のために、ベースプレート2は捩れが与えられることなく、それ故、種々のセンサ35はそのことから結果的に得られる何らかの摂動を示すことはない。ベースプレート2は、従って、平坦のまま保たれる。
対称にすることを目的として有利であって、使用されるアクチュエータおよびセンサの高感度を達成することが可能であって、非常に有利な信号対ノイズ比に導くことができる代替の制御システムを模式的に図7および12に示す。この制御システムにおいては、アクチュエータ25およびセンサ35の第4の組み合わせを使用する。図11から導き出されることは次のような事項である。
− 組み合わせユニット119は出力信号S1およびS2に基づいて信号S1+2を生成する。
− 組み合わせユニット120は出力信号S2およびS3に基づいて信号S2+3を生成する。
− 組み合わせユニット121は出力信号S3およびS4に基づいて信号S3+4を生成する。
− 組み合わせユニット122は出力信号S4およびS1に基づいて信号S4+1を生成する。
信号S1+2および信号S3+4(の間の差)に基づいて、組み合わせユニット123は信号SXを生成し、信号S2+3および信号S4+1(の間の差)に基づいて、組み合わせユニット124は信号SYを生成する。信号SXおよびSYは、信号AXおよびAYを生成するために、制御ユニット125および126それぞれにより処理される(図12)。信号AXおよびAY(の間の差)に基づいて、組み合わせユニット127は第1の組み合わせのアクチュエータ25のために制御信号A1を生成する。信号AXおよびAY(の和)に基づいて、組み合わせユニット128は第2の組み合わせのアクチュエータ25のために制御信号A2を生成する。信号AYおよびAX(の間の差)に基づいて、組み合わせユニット129は第3の組み合わせのアクチュエータ25のために制御信号A3を生成する。最終的に、信号AXおよびAY(の負の和)に基づいて、組み合わせユニット130の組み合わせのアクチュエータ25のために制御信号A4を生成する。
このような方法で制御システムを操作する場合、各々の制御信号A1、A2、A3、A4は、4つの組み合わせの各々のセンサ35により測定される力に基づく。矢印110に従う振動は4つのアクチュエータ25全ての動作により制振され、これにより、一方で、第1および第2の組み合わせのアクチュエータが、他方で、第3および第4の組み合わせのアクチュエータ25は、回転軸131に関してベースプレート2の回転が起こる結果として、反転方式において対を成して動作する。同様な方法で、矢印111に従う振動は4つのアクチュエータ25全ての動作により制振され、これにより、一方で、第1および第4の組み合わせのアクチュエータが、他方で、第2および第3の組み合わせのアクチュエータ25は、回転軸132に関してベースプレート2の回転が起こる結果として、反転方式において対を成して動作する。回転軸131および132は、ベースプレート2の中央のラインに対応する。回転軸131、132も関するベースプレート2の回転運動は、ベースプレートにおいて捩れを与えることも変形により撹乱することも結果としてもたらさない。
種々の方式の全ての種類の制御システムが本発明の範囲内で使用されることができることは、等業者には明白であろう。例えば、使用される組み合わせユニットの場合に異なる重み付けを割り当てることにより、マニピュレーションユニット3の回転軸の位置を移動させることは可能であって、恐らく自由度に関して回転軸の瞬時の位置に依存している。このように、例えば、試料ホルダ9のあらゆる位置におけるマニピュレーションユニット3の重心の略真下にあるように、回転軸の交点を操作することができる。回転軸の回転はこのようにして達成することさえできる。そのような方法の場合、制御システムの正確な方式は、従って、実際には、全体的なシステムの1つまたはそれ以上のパラメータ(例えば、試料ホルダ9の位置)に依存して実行される。
走査電子顕微鏡における試料のためのマニピュレータの斜視図である。 マニピュレータと電子顕微鏡との間を接続する領域の分解斜視図である。 図2のIII−III断面を示す図である。 圧電センサの垂直横断面図である。 5aはプリント回路基板の平面図であり、5bはプリント回路基板の下方平面図であり、5cは5aおよび5bのIV−IV断面に従った、上方のプリント回路基板を示す図である。 6aはプリント回路基板の平面図であり、6bは6aのVI−VI断面に従った、下方のプリント回路基板の垂直横断面図である。 圧電アクチュエータの垂直横断面図である。 8aはX−X断面に従った、上方のプリント回路基板の断面図であり、8bは8aに従ったプリント回路基板の下方平面図である 9aはプリント回路基板の平面図であり、9bはプリント回路基板の下方平面図であり、9cは9aおよび9bのXII−XII断面に従った、下方のプリント回路基板の断面図である。 マニピュレータの振動を制振するための制御理論のスキームを示す図である。 センサに関する他の制御理論のスキームを示す図である。 アクチュエータのために関連する他の制御理論のスキームを示す図である。
符号の説明
1 マニピュレータ
2 ベースプレート
3 マニピュレーションユニット
4a、4b ガイド
5 双方向矢印
6 第1移動体
7 回転体
8 第2移動体
9 試料ホルダ
10a、10b ガイドリブ
11a、11b ガイド体
13a、13b、13c、13d 四角フット
14a、14b、14c、14d 孔
16a、16b、16c、16d ネジ孔
18a、18b、18c、18d ネジ
19 べースン状部
20 ベース
21a、21b、21c、21d 四角凸部
22a、22b、22c、22d 垂直ネジ孔
23 スタック
24 下方のプリント回路基板ディスク
25 ディスク状アクチュエータ
26 上方のプリント回路基板ディスク
28 ネジの頭
27 ネジ
29 センタリング体
30 第2スタック
31 カップリングプレート
32a、32b、32c、32d 孔
33 ネジ
34 下方のプリント回路基板ディスク
35 圧電センサ
36 上方のプリント回路基板ディスク
37 ナット
38 キャビティ
39 センタリング体
40 ネジの頭
41a、41b、41c、41d 突起
42a、42b、42c、42d ネジ孔
43a、43b、43c、43d ネジ
44 孔
45a、45b、45c、45d ネジ孔
46 ネジ体
47a、47b、47c、47d 孔
48 押圧体
49 ワッシャ
50 ナット
51 側面
52、53 ネジケーリング
54 調整体
55 ネジ部
56 固定孔
57 フラットベンド部
58 もう1つのネジ部
59 調整ブッシング
60 ネジ山
61 シーリングリング
62 ネジケーシング
63 側面
64 センサ35の上面
65 センサ35の下面
66 環状トラック
67 突出部
68 接触ポイント
69 環状トラック
70 突出部
71 接触ポイント
72 小さいトラック領域
73 接触ポイント
74 電気導線
75 環状部
76 突出部
77 接触ポイント
78 インターラプテド環状部
79 突出部
80 接触ポイント
81 導電性接続
82 アクチュエータ25の上面
83 アクチュエータ25の下面
84 環状トラック
85 突出部
86 接触ポイント
87 環状トラック
88 突出部
89 接触ポイント
90 トラック領域
91 接触ポイント
92 トラック領域
93 トラック領域
94 接触領域
95 接触領域
96 環状トラック部
97 突出部
98 接触ポイント
99 環状トラック部
100 突出部
101 接触ポイント
102 電気導線
103 4心ケーブル
104、105、106、107 コア
108 クラッディング
109 重心の位置
110、111 曲線的な矢印
112、113、114 組み合わせユニット
115、116 制御ユニット
117、118 回転軸
119、120、121、122 組み合わせユニット
123、124 組み合わせユニット
125、126 制御ユニット
127、128、129,130 組み合わせユニット
131、132 回転軸

Claims (27)

  1. 粒子のビームを用いて対象を照射するための粒子−光学装置であって:
    ハウジング内に対象を位置付けするための位置付け手段が位置付けされるハウジングであって、位置付け手段は、ハウジングと運動学的システムの支持位置に接して支持される基準体であって、基準体に関して少なくとも1つの自由度において対象担体に支持される対象を操作するための対象担体を用いて操作されることができる、基準体、から構成される、ハウジング;
    制御手段;並びに
    圧電位置アクチュエータと圧電力センサとの少なくとも1つの組み合わせであって、それらのアクチュエータとセンサは直列に位置付けされ、これにより、少なくとも1つのセンサからの少なくとも1つの入力信号に基づいて、制御手段は前記センサに関連する少なくともそのアクチュエータのために制御信号を生成する、組み合わせ;
    から構成され、
    前記少なくとも1つの組み合わせの直列に位置付けされるアクチュエータとセンサとはハウジングと基準体との間に位置付けされ、ハウジングの支持位置に接して基準体の支持が前記1つの組み合わせにより生じる;
    ことを特徴とする粒子−光学装置。
  2. 請求項1に記載の粒子−光学装置であって、少なくとも3つの組み合わせが基準体の外周縁近くに好適に位置付けされる、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  3. 請求項1または2に記載の粒子−光学装置であって、少なくとも3つの組み合わせが基準体の少なくとも3つの角ポイント近くにそれぞれ位置付けされる、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれに記載の粒子−光学装置であって、少なくとも3つの組み合わせの位置の間を繋ぐ2つのラインは互いに直角に交わる、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれに記載の粒子−光学装置であって、少なくとも1つの支持部材はハウジングと基準体との間に位置付けされ、その支持部材により、前記少なくとも1つの組み合わせによる支持を補助して、ハウジングの指示位置に接する基準体の支持が生じ、これにより、支持部材の数および組み合わせの数の合計は少なくとも4である、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  6. 請求項5に記載の粒子−光学装置であって、前記少なくとも1つの支持部材は、少なくとも1つのさらなる圧電位置アクチュエータと圧電力センサとの組み合わせから構成され、それらの圧電位置アクチュエータと圧電力センサは直列に位置付けされ、その少なくとも1つのさらなる組み合わせは前記少なくとも1つの組み合わせを補助し、組み合わせの数とさらなる組み合わせの数の合計は少なくとも4である、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  7. 請求項5または6に記載の粒子−光学装置であって、制御手段は、少なくとも第1センサおよび第2センサそれぞれからの少なくとも第1入力信号および第2入力信号を第1結合入力信号に結合することを目的として第1結合手段から構成され、このことに依存して、制御手段は、少なくとも第1センサと第2センサの両方に関連するそれぞれのアクチュエータのための第1共通制御信号を生成する、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  8. 請求項7に記載の粒子−光学装置であって、制御手段は、少なくとも第2センサおよび第3センサそれぞれからの少なくとも第2入力信号および第3入力信号を第2結合入力信号に結合することを目的として第2結合手段から構成され、このことに依存して、制御手段は、少なくとも第2センサと第3センサの両方に関連するそれぞれのアクチュエータのための第2共通制御信号を生成し、そのために、制御手段は、第2アクチュエータのために第1共通制御信号と第2共通制御信号とを結合された共通制御信号に結合することを目的として第3結合手段から構成される、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  9. 請求項6および7に記載の粒子−光学装置であって、第1結合手段は、少なくとも第1センサ、第2センサ、第3センサおよび第4センサそれぞれからの少なくとも第1入力信号、第2入力信号、第3入力信号および第4入力信号を第1結合入力信号に結合するために実施され、このことに依存して、制御手段は、第1センサ、第2センサ、第3センサおよび第4センサにそれぞれ関連するアクチュエータのための第1共通制御信号を生成する、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  10. 請求項8および9に記載の粒子−光学装置であって、第2結合手段は、少なくとも第1センサ、第2センサ、第3センサおよび第4センサそれぞれからの少なくとも第1入力信号、第2入力信号、第3入力信号および第4入力信号を第2結合入力信号に結合するために実施され、この方法とは異なる方法で、第1結合手段は第1入力信号、第2入力信号、第3入力信号および第4入力信号を第1結合入力信号に結合し、その第2結合入力信号に依存して、制御手段は、第1センサ、第2センサ、第3センサおよび第4センサにそれぞれ関連するアクチュエータのための第2共通制御信号を生成する、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  11. 請求項1乃至10のいずれに記載の粒子−光学装置であって、中間体は、一方の前記少なくとも1つの組み合わせの直列に位置付けされたアクチュエータおよびセンサと、他方の基準体との間に備えられる、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  12. 請求項11に記載の粒子−光学装置であって、中間体はプレート状である、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  13. 請求項12に記載の粒子−光学装置であって、プレート状の中間体はアルミニウムから成り且つその厚さはプレート状の中間体の主寸法の最小の10%より小さい、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  14. 請求項11乃至13のいずれに記載の粒子−光学装置であって、中間体は、前記少なくとも1つの組み合わせに平行であって、中間体とハウジングとの間に前記少なくとも1つの組み合わせを位置付ける前にハウジングに接続される、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  15. 請求項12乃至14のいずれに記載の粒子−光学装置であって、基準体は、調整手段を用いてプレート状の中間体に平行な方向に移動されることができる、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  16. 請求項15に記載の粒子−光学装置であって、調整手段は、基準体が3つの自由度において移動されることが可能であるように実施される、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  17. 請求項11乃至16のいずれに記載の粒子−光学装置であって、基準体は、支持される位置付け手段の総重量の2乃至12倍の間の範囲内にある力を伴って中間体に接して支持される、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  18. 請求項17に記載の粒子−光学装置であって、バネ手段が、基準体と中間体とを互いの方向に押し付けることを目的として備えられる、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  19. 請求項18に記載の粒子−光学装置であって、
    spring<1/3*fpos
    の関係が適用され、ここで、fposは圧縮しようとする位置付け手段の固有振動数であり、fspringは、何らかの組み合わせまたは支持部材がなく、基準体と位置付け手段を足した合計質量がバネ手段単独により支持される場合に現れる仮想システムにおける固有振動数である、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  20. 請求項1乃至19のいずれに記載の粒子−光学装置であって、各々のアクチュエータは、アクチュエータの第1アクチュエータ電極と導電性接触状態にある第1アクチュエータ導電体と、アクチュエータの第2アクチュエータ電極と導電性接触状態にある第2アクチュエータ導電体との間にクランプされ、その第1アクチュエータ導電体とその第2アクチュエータ導電体は制御手段と導電性接触状態にある、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  21. 請求項1乃至20のいずれに記載の粒子−光学装置であって、各々のセンサは、センサの第1センサ電極と導電性接触状態にある第1センサ導電体と、センサの第2センサ電極と導電性接触状態にある第2センサ導電体との間にクランプされ、その第1センサ導電体とその第2センサ導電体は制御手段と導電性接触状態にある、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  22. 請求項20または21に記載の粒子−光学装置であって、導電体に関連するアクチュエータおよび/または導電体に関連するセンサは、関連する導電体間にアクチュエータおよび/またはセンサをそれぞれクランプする目的で牽引機構が中を通って伸びるスルーホールを集合的に形成する相互接続孔を備える、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  23. 請求項20乃至22のいずれに記載の粒子−光学装置であって、組み合わせのアクチュエータまたはセンサに関連する2つの導電体の1つは、関連するアクチュエータまたはセンサの両方の電極と導電接触状態にある1つの接触ポイントを備える、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  24. 請求項23に記載の粒子−光学装置であって、組み合わせのアクチュエータおよびセンサに関連する4つの導電体の1つは、アクチュエータおよびセンサの両方の電極と導電接触状態にある4つの接触ポイントを備える、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  25. 請求項21乃至24のいずれに記載の粒子−光学装置であって、組み合わせのアクチュエータとセンサとの間に位置する導電体は、互いに向かい合う側に、互いに導電的に接続される接触ポイントを備える、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  26. 請求項25に記載の粒子−光学装置であって、導電体の少なくとも一部は、少なくとも1つの外面に、導電体の導電トラックまたは接触ポイント或いはアクチュエータまたはセンサの電極のどちらかとの直接的な電気接触のための少なくとも1つの孤立した導電トラックを備える、ことを特徴とする粒子−光学装置。
  27. 請求項1乃至26のいずれに記載の粒子−光学装置であって、アクチュエータとセンサの組み合わせに関連する導電体はハウジングの外側におよぶ導電機構に導電接続される、ことを特徴とする粒子−光学装置。
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