JP2006120391A - Normally closed micro sample holder made with MEMS - Google Patents
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Abstract
【課題】 機構の駆動に高電圧を必要とせず試料の把持に際し試料へのダメージを与えることがなく、しかも微細なサンプルを人為的ミスによる破損・紛失することなく、操作に熟練技術を要することもないTEM試料の安全迅速なハンドリング手法を提示すること、また、それを実現する構造的にも単純な微小サンプルホルダを提供する。
【解決手段】 本発明の常閉型微小サンプルホルダは、半導体シリコンプロセス技術によって作製されたものであって、試料を把持する2本の針状体1a,1bからなる先端部材を有し、該2本の針状体は常時近接又は所定の間隙を持って対向配置されると共に、電極間に電圧が与えられると前記2本の針状体を離反駆動させる静電アクチュエータ2a,2bとを備え、電圧が印加されると前記2本の針状体の間隔が開き、電圧が解除されると弾性力で間隔が戻るようにした。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To operate a mechanism without requiring a high voltage, without damaging the sample when gripping the sample, and without losing or losing a fine sample due to human error In addition, the present invention provides a safe and quick method for handling TEM specimens, and also provides a structurally simple micro sample holder for realizing it.
A normally closed micro sample holder of the present invention is manufactured by a semiconductor silicon process technology, and has a tip member composed of two needle-like bodies 1a and 1b for holding a sample, The two needle-like bodies are always arranged close to each other or facing each other with a predetermined gap, and include electrostatic actuators 2a and 2b that drive the two needle-like bodies apart when a voltage is applied between the electrodes. When the voltage is applied, the interval between the two needle-like bodies is opened, and when the voltage is released, the interval is returned by the elastic force.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は集束イオンビーム(FIB)装置や走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、走査型プローブ顕微鏡(SPM)といった分析装置に付属するものであって、微小サンプルを分離、摘出、格納する等の取り扱い、微小サンプルの加工や観察の際の微小サンプル保持機能を備えた常閉型の微小サンプルホルダに関する。 The present invention is attached to an analysis apparatus such as a focused ion beam (FIB) apparatus, a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), or a scanning probe microscope (SPM), and separates a minute sample. The present invention relates to a normally closed micro sample holder having a micro sample holding function during handling such as extraction and storage, and processing and observation of a micro sample.
微小サンプルを走査型電子顕微鏡(SEM)や走査型イオン顕微鏡(SIM)で観察しながら導体ウエハ等からその一部を切り出して摘出し試料台等に移送し固定することが、TEM試料加工用として不良欠陥部分の切り出しなどの際に行われている。このような微細な摘出試料の移送手段としては、バイモルフ型圧電素子を単体、または複数用いて構成しているものがある。例えば特許文献1にはバイモルフ圧電素子の撓みによって発生するバイモルフ型圧電素子102の支点を中心とする円周方向のずれDYを自動的に補正し、微細な操作にも適用できる操作性のよいプローブ移動装置,マイクロピンセット装置を提供することを目的とし、積層型圧電素子101の伸縮方向にバイモルフ型圧電素子102を配置し、バイモルフ型圧電素子の両面に貼り付けた歪みゲージ素子103と補正回路105とで補正量を発生し、積層型圧電素子の伸縮により、プローブ先端の移動軌跡が直線的に変位するようにしたものが提示されている。この移送手段は操作性の点で工夫がなされているものの、その駆動は圧電素子を用いるものであるため、試料近傍にSEMやSIMのドリフトなどの光学系の影響を与えたりサンプルの電気的破壊の要因となる高圧の印加を要する。また試料を掴むために先端の位置や形状を揃える調整も必要とする。
For processing a TEM sample, it is possible to cut out a part of a conductor wafer from a conductive wafer while observing it with a scanning electron microscope (SEM) or a scanning ion microscope (SIM), and to transfer it to a sample stage and fix it. This is done when cutting out defective defects. As a means for transferring such a finely extracted sample, there is one configured by using a single or a plurality of bimorph piezoelectric elements. For example, Patent Document 1 discloses a probe with good operability that can automatically correct a deviation DY in the circumferential direction around the fulcrum of the bimorph
また、特許文献2には微小試料片およびまたはその周辺領域を汚染することなく、確実で安定的な微小試料片の分離、摘出、格納を行う装置および方法を提供することを目的とし、試料基板から観察すべき領域を含む試料片をイオンビームスパッタ法により分離し、試料を押し込んで保持し、引き抜いて分離するための、根元に比較して先端が細く、該先端部が割れている形状で、該形状により得られる試料片を保持する部位の弾性変形による力で試料片を保持する棒状部材からなる針部材を用いて、前記試料片を試料基板から摘出し、試料片を載置するための載置台上へ移動させた後、前記針部材と前記試料片を分離することで該試料片の格納を行う技術が開示されている。この移送手段は微小サンプルを把持する際に高圧の印加を必要としない。また、この発明はCVD(Chemical Vapor Deposition)というガス中の成分をビーム照射位置に堆積させる方法によるプローブと試料片との固着が必要なくその手法に比べ作業時間の短縮になる。しかし、割れ目に挟んで押し込みピンセット形態で試料片を把持する形態を採るものであるため、顕微鏡観察しながらマニピュレータを操作して試料片を挟み込む作業はかなりの熟練技術を必要とする。又、試料片の解放に際してはFIBエッチングによって針先端部を切除する作業が必要となる。更に、サンプルのサイズや形状によって割れ目のサイズや形状を変更しなければならないし、試料片を挟み込む際に無理な力が加わって試料片を傷つけてしまうことがある。 In addition, Patent Document 2 aims to provide an apparatus and method for separating, extracting, and storing a micro sample piece reliably and stably without contaminating the micro sample piece and / or its surrounding area. The sample piece including the region to be observed is separated by ion beam sputtering, the sample is pushed in, held, pulled out and separated, and the tip is narrower than the root and the tip is cracked. In order to extract the sample piece from the sample substrate and place the sample piece by using a needle member made of a rod-like member that holds the sample piece by a force due to elastic deformation of a portion holding the sample piece obtained by the shape A technique is disclosed in which the sample piece is stored by separating the needle member and the sample piece after being moved onto the mounting table. This transfer means does not require the application of high pressure when gripping a micro sample. Further, the present invention does not require fixation between the probe and the sample piece by a method of depositing a component in gas called CVD (Chemical Vapor Deposition) at the beam irradiation position, and the working time is shortened as compared with that method. However, since the sample piece is gripped in the form of pressing tweezers sandwiched between the cracks, the operation of manipulating the manipulator while observing with a microscope requires considerable skill. Further, when releasing the sample piece, it is necessary to cut off the tip of the needle by FIB etching. Furthermore, the size and shape of the crack must be changed depending on the size and shape of the sample, and an excessive force may be applied when the sample piece is sandwiched to damage the sample piece.
更に、特許文献3には集束イオンビームによる試料片作成後に行われる試料片のサンプリング作業を、大気中下で簡易な手法により低コストで的確に行うことができ、しかも、TEMの高倍率観察を実現でき、試料片の追加工も可能にすることを目的とし、試料基板の表面に集束イオンビームを照射して微細な試料片を作製した後、試料基板を大気中の光学顕微鏡下に搬送し、この光学顕微鏡下で、複数の指片を有し少なくとも指片の一つが微細な3自由度動作を行い得るマイクロマニピュレータを用いて、試料片を試料基板より摘出しかつ透過電子顕微鏡観察用のグリッドに固定する技術が開示されている。しかし、ここに提示された複雑な機構を備えたマイクロマニピュレータを操作して少なくとも2本のアームを動かしその先端部を位置合わせしつつ微細試料片を把持・移送・解放といった動作を実行することは容易ではなく、かなりの熟練技術を要するところである。
本発明が解決しようとする課題は、上記した従来機構の欠点を克服した分析装置の微小サンプルピックアップ機構を提供すること、すなわち、機構の駆動に高電圧を必要とせず試料の把持に際し試料へのダメージを与えることがなく、しかも微細なサンプルを人為的ミスによる破損・紛失することなく、操作に熟練技術を要することもないTEM試料の安全迅速なハンドリング手法を提示すること、また、それを実現する構造的にも単純な微小サンプルホルダを提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a micro sample pick-up mechanism of an analyzer that overcomes the disadvantages of the above-described conventional mechanism, that is, when a sample is gripped without requiring a high voltage to drive the mechanism. Providing a safe and rapid handling method for TEM specimens that does not cause damage, and does not require the skill of operation to break or lose minute samples due to human error. Another object of the present invention is to provide a small sample holder that is structurally simple.
本発明の常閉型微小サンプルホルダは、試料を把持する2本の針状体からなる先端部材を有し、該2本の針状体は常時近接又は所定の間隙を持って対向配置されると共に、前記2本の針状体を離反駆動させる静電アクチュエータとを備え、駆動力が与えられると前記2本の針状体の間隔が開き、駆動力が解除されると構造物の持つ弾性力で間隔が戻るようにした。
また、このアクチュエータを静電アクチュエータとした。
また、この常閉型微小サンプルホルダは、半導体シリコンプロセス技術によって作製されたものである。そのため、サンプルホルダの針状体からなる先端部2つの位置が試料をピックアップ保持の際に揃っている特徴を持つ。
本発明の常閉型微小サンプルホルダは、リソグラフ用のマスクパターンによってホルダーの基本形状を形成し、FIB加工によって静電アクチュエータ部を含む構造体、先端形状のサイズと形状の微調整を行うようにした。
また、本発明の常閉型微小サンプルホルダは、半導体シリコンプロセス技術によって作製された段階では2本の針状体からなる先端部が繋がっているものも含む。
The normally closed micro sample holder of the present invention has a tip member composed of two needle-like bodies for holding a sample, and the two needle-like bodies are always arranged close to each other or with a predetermined gap therebetween. And an electrostatic actuator for driving the two needle-like bodies away from each other. When a driving force is applied, the interval between the two needle-like bodies is opened, and when the driving force is released, the structure has elasticity. The interval is restored by force.
The actuator was an electrostatic actuator.
The normally closed micro sample holder is manufactured by semiconductor silicon process technology. For this reason, the two positions of the tip portion made of the needle-like body of the sample holder are aligned when the sample is picked up and held.
The normally closed micro sample holder of the present invention forms the basic shape of the holder with a lithographic mask pattern, and performs fine adjustment of the size and shape of the structure including the electrostatic actuator portion and the tip shape by FIB processing. did.
In addition, the normally closed micro sample holder of the present invention includes one in which the tip portion composed of two needle-like bodies is connected at the stage of being manufactured by the semiconductor silicon process technology.
本発明の常閉型微小サンプルホルダの保持力調整方法は、繋がっている先端部をFIB加工で切断分離する際に、その間隙量を変化させることにより挟持力を調整できるようにした。
本発明の常閉型微小サンプルホルダの使用法は、FIB装置に設置され、試料から切り出された微小サンプルをピックアップして試料台上に移送するものとしてTEM試料作製に用いられる。
また、本発明の常閉型微小サンプルホルダの他の使用法は、FIB装置に設置され、微小サンプルをピックアップ保持してしてFIB加工に用いられる。
また、本発明の常閉型微小サンプルホルダの他の使用法は、TEM装置に設置され、微小サンプルをピックアップ保持してしてTEM観察に用いられる。
The method for adjusting the holding force of the normally closed micro sample holder of the present invention allows the holding force to be adjusted by changing the amount of the gap when the connected tip is cut and separated by FIB processing.
The method of using the normally closed micro sample holder of the present invention is used in TEM sample preparation as a micro sample cut out from a sample that is installed in an FIB apparatus and transferred onto a sample stage.
Another usage of the normally closed micro sample holder of the present invention is installed in an FIB apparatus, and is used for FIB processing by picking up and holding a micro sample.
Another usage of the normally closed micro sample holder of the present invention is installed in a TEM apparatus, and is used for TEM observation by picking up and holding a micro sample.
本発明の常閉型微小サンプルホルダは、静電駆動方式を採用したため駆動の際して従来の圧電素子駆動のものに比べ印加電圧が低く、試料へのダメージ等の影響が少ない。また、動作が電極間に電圧が与えられると2本の針状体の間隔が開き、電圧が解除されると弾性力で間隔が戻るようにした所謂常閉型のサンプルホルダであるから、サンプルを把持する際とサンプルを解放するときにだけ電圧を印加すればよく、微小試料片の分離、摘出、格納を行う動作中は無加電で自らの弾性力によって該試料片をホールドする。したがって、ホルダは安定状態で該試料片を把持するし、省エネルギー形態となる。
また、本発明の常閉型微小サンプルホルダは、半導体シリコンプロセス技術によって作製されたものであるから、2本の針状体の先端部が所望間隔で正確に対峙する配置で作製できるなど、微細な構造物を所望の大きさで精密に作製することが出来、しかも同時に沢山の均一製品を製造することが出来る。したがって、消耗品である微小サンプルホルダを安価に安定供給することが出来る。
更に、本発明の常閉型微小サンプルホルダは、リソグラフ用のマスクパターンによってホルダーの基本形状を形成し、FIB加工によって微調整を行うようにしたことにより、取り扱う微小サンプルに応じて好適な先端形状、あるいはホルダの保持力を調整することが出来る。
また、本発明の常閉型微小サンプルホルダは、半導体シリコンプロセス技術によって作製された段階では2本の針状体からなる先端部が繋がっているものとすることにより、取り扱う微小サンプルに応じて多様な対応を取ることが出来る。すなわち、繋がっている先端部をFIB加工で切断分離する際に、その間隙量を変化させることにより微小サンプルホルダとしての挟持力を調整することができる。この形態と調整方法はアクチュエータが静電型のものに限らず、熱駆動や圧電駆動型のものにも有効である。
Since the normally closed micro sample holder of the present invention employs an electrostatic drive system, the applied voltage is lower than that of a conventional piezoelectric element drive and is less affected by damage to the sample. In addition, since the operation is a so-called normally closed sample holder in which the interval between the two needle-like bodies is opened when a voltage is applied between the electrodes, and the interval is returned by an elastic force when the voltage is released. It is only necessary to apply a voltage when holding the sample and releasing the sample. During the operation of separating, extracting and storing the minute sample piece, the sample piece is held by its own elastic force without applying electricity. Therefore, the holder grips the sample piece in a stable state and becomes an energy saving form.
Further, the normally closed micro sample holder of the present invention is manufactured by semiconductor silicon process technology, so that it can be manufactured in an arrangement in which the tip portions of two needle-shaped bodies are accurately opposed at a desired interval. Can produce a precise structure with a desired size precisely, and at the same time, many uniform products can be produced. Therefore, the micro sample holder which is a consumable can be stably supplied at low cost.
Furthermore, the normally closed type micro sample holder of the present invention is formed with a basic shape of the holder by a lithographic mask pattern and finely adjusted by FIB processing. Alternatively, the holding force of the holder can be adjusted.
In addition, the normally closed micro sample holder of the present invention has a variety of types depending on the micro sample to be handled, since the tip portion composed of two needle-like bodies is connected at the stage of being manufactured by the semiconductor silicon process technology. Can take a good response. That is, when cutting and separating the connected tip portions by FIB processing, the clamping force as a micro sample holder can be adjusted by changing the gap amount. This form and the adjustment method are not limited to electrostatic actuators but are also effective for thermal drive and piezoelectric drive types.
FIB装置に設置された本発明の常閉型微小サンプルホルダは、無加電状態で安定して微小サンプルを把持する作用効果を備えているので、試料から切り出された微小サンプルをピックアップして試料台上に固定するTEM試料作製において、その微小試料片の分離、摘出、格納を行うピックアップ・移送手段として好適に用いることができる。
また、FIB装置に設置された本発明の常閉型微小サンプルホルダは、アクチュエータが無駆動の状態で安定して微小サンプルを把持する作用効果を備えているので、微小サンプルを試料台に固定することなくピックアップ保持した状態で当該微小サンプルのFIBによる追加加工を実行することが出来る。
TEM装置に設置された本発明の常閉型微小サンプルホルダは、アクチュエータが無駆動の状態で安定して微小サンプルを把持する作用効果を備えているので、微小サンプルを試料台に固定することなくピックアップ保持した状態で当該微小サンプルのTEM観察を実行することが出来る。
更に、FIB装置とTEM装置の複合機に設置された本発明の常閉型微小サンプルホルダは、アクチュエータが無駆動の状態で安定して微小サンプルを把持する作用効果を備えているので、微小サンプルを試料台に固定することなくピックアップ保持した状態で当該微小サンプルのFIBによる追加加工とTEM観察を同一チャンバ内で連続して実行することができ、作業時間を大幅に短縮してサンプル試験を行うことが出来る。
The normally closed micro sample holder of the present invention installed in the FIB apparatus has the effect of stably gripping the micro sample in a non-energized state. Therefore, the sample is picked up from the sample and picked up. In the preparation of a TEM sample to be fixed on a table, it can be suitably used as a pick-up / transfer means for separating, extracting and storing the small sample piece.
Further, the normally closed micro sample holder of the present invention installed in the FIB apparatus has an effect of stably holding the micro sample in a state where the actuator is not driven, so that the micro sample is fixed to the sample stage. The additional processing by the FIB of the minute sample can be executed in a state where the pickup is held without any trouble.
The normally closed micro sample holder of the present invention installed in the TEM apparatus has the effect of stably gripping the micro sample with the actuator not driven, so that the micro sample is not fixed to the sample stage. TEM observation of the minute sample can be executed while the pickup is held.
Further, the normally closed micro sample holder of the present invention installed in the FIB apparatus and TEM apparatus is equipped with the effect of stably holding the micro sample when the actuator is not driven. Can be continuously executed in the same chamber for additional processing by FIB and TEM observation of the minute sample in a state of picking up and holding without fixing to the sample stage, and the sample test can be performed with greatly reduced working time I can do it.
本発明は前述した課題を解決するものとして、微小なサンプルの取り扱いを必要とするFIBやSEMといった分析・観察装置におけるピックアップ機構の把持部に静電アクチュエータを備えた常閉型のホルダを採用することに想到したものである。静電駆動方式を採用したため、駆動に際して従来の圧電素子駆動のものに比べ同程度の駆動に際して必要とされる電圧は桁違いに小さくて済むことになり、試料へのダメージ等の影響が少ない。また、常閉型のホルダはいわば洗濯挟み形態で、挟み込むときと外すときだけ力を要し、常時は自らのスプリング力が作用して挟持するものであり、一般のピンセットのように常時は自らのスプリング力で開いているものとは逆作用のものである。本発明の常閉型微細サンプルホルダは図1のAに示すモデルのようにサンプルを把持する1対の針状体を備え、該2本の針状体1a,1bを離反駆動させる静電アクチュエータ2a,2bを備える。静電アクチュエータ2a,2bは互いに入り組んで対峙する櫛歯状の電極を有しており、この構造によって単に2枚の平板電極に比べて駆動力が増すことになる。この電極間に電圧が印加されると、該2本の針状体1a,1bが離反駆動され、サンプルを挟み込むように両間隔が開く。電圧印加が解除されると静電アクチュエータの駆動力はなくなり、本来の2本の針状体1a,1bの間隔に戻ろうとする。その際、その間隙内にサンプルが存在するとそれを挟持することになるが、その保持力はサンプルを挟持した際の該2本の針状体1a,1bの間隔と本来の間隔との差分が弾性変形量となって、これに対応した値となる。この常閉型のサンプルホルダはサンプルを把持する際とサンプルを解放するときにだけ電圧を印加すればよく、微小試料片の分離、摘出、格納を行う動作中は無加電で自らの弾性力によって該試料片をホールドする。自らの弾性力によるサンプル把持は静的動作であるため、一定した安定動作となる。但しその挟持力は把持するサンプルの厚さとホルダ素材の弾性係数と形状によって決まるため、把持するサンプルとの関係で適度の挟持力が作用するように、無加電時における2本の針状体先端部の間隔等、ホルダの形状は設計上重要な要素となる。
In order to solve the above-described problems, the present invention employs a normally closed holder having an electrostatic actuator in a gripping portion of a pickup mechanism in an analysis / observation apparatus such as an FIB or SEM that requires handling of a minute sample. This is what I came up with. Since the electrostatic driving method is adopted, the voltage required for driving at the same level as that of the conventional piezoelectric element driving can be reduced by orders of magnitude, and the influence of damage to the sample is small. In addition, the normally closed holder has a so-called washing pinch shape, which requires force only when pinching and removing it, and is always held by its own spring force. It is the reverse action of the one opened by the spring force. The normally closed type fine sample holder of the present invention includes a pair of needle-like bodies for holding a sample as in the model shown in FIG. 1A, and an electrostatic actuator for driving the two needle-
本発明の常閉型微小サンプルホルダは、半導体シリコンプロセス技術によって作製されたものである点に一つの特徴がある。最近のナノオーダーの試料を取り扱うマイクロマシンの製造技術、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)とも呼ばれる技術、具体的にはリソグラフィックな手法よって製造される半導体製造技術を応用するものである。この半導体シリコンプロセス技術は、二次元パターンを積層状に構築して三次元微細構造物を形成することができる。微小サンプルホルダは微細な試料片を挟み保持しなければならないため、ホルダの先端部は互いに近接した位置に配置される。本発明の常閉型微小サンプルホルダは、半導体シリコンプロセス技術によって作製するため、基板方向に正確に静電アクチュエーターによって駆動させることが可能である。
図1のBは、半導体シリコンプロセス技術によって作製する本発明に係る常閉型微小サンプルホルダのモデルである。2本の針状体1a,1bを中央に位置を揃え、該2本の針状体1a,1bを挟むように両側に平板状の静電アクチュエータ2a,2bを配置し、該静電アクチュエータ2a,2bと前記2本の針状体1a,1bとは局部的に結合部材で連結され同一平面内に形成された構造となっている。静電アクチュエータ2a,2bにおいて針状体1a,1bと結合部材で連結された内側部分は可動部となり、外側部分が固定部となる。また、針状体1a,1b先端部分と反対側の基部1cは連結されていて、静電アクチュエータ2a,2bの両電極に電圧が印加されると内側部分は外側部分に吸引され、その力は結合部材を介して2本の針状体1a,1bの間隔を広げるように作用する。すると、自由端となっている針状体1a,1b先端部分はサンプルを挟み込むことが出来るように広げられるが、これは丁度基部1cで一体にされた2枚の板バネが、中央部で両側に引かれて先端側が開いた形態となる。続いて静電アクチュエータ2a,2bの両電極に電圧印加が停止されると電極間の吸引力はなくなり、2本の針状体1a,1bの先端部間隔は自らの弾性力で間隔がもとに戻るように作動する。1dはSiO2の絶縁物で形成されており、Si基板の2電極間とは絶縁されているが、構造的につながっており先端の1aと1bの位置関係を保持している。なお、1cに示される板ばね構造は図の形状に限らず、図1のCのように同一基板内に板ばねを作りこみ、ばねとの連結構造で弾性を持たせてもよい。
The normally closed micro sample holder of the present invention has one feature in that it is manufactured by a semiconductor silicon process technology. The present invention applies a micromachine manufacturing technology that handles recent nano-order samples, a technology called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), specifically, a semiconductor manufacturing technology manufactured by a lithographic technique. In this semiconductor silicon process technology, a two-dimensional pattern can be constructed in a laminated form to form a three-dimensional microstructure. Since the minute sample holder must hold and hold a minute sample piece, the tip portions of the holder are arranged at positions close to each other. Since the normally closed micro sample holder of the present invention is manufactured by semiconductor silicon process technology, it can be driven accurately by an electrostatic actuator in the substrate direction.
FIG. 1B is a model of a normally closed micro sample holder according to the present invention manufactured by semiconductor silicon process technology. The two needle-
このホルダ機構が観察装置または分析装置におけるマニピュレータの先端部等に取り付けられる。例えば図2に示すように前記マニピュレータを操作してこの微小サンプリングホルダ3を移動させ、半導体ウエハの特定箇所を切り出し加工したサンプル近傍位置に到達したところでマニピュレータの操作を一旦停止し(Aの状態)、電極間に電圧を供給すると該2本の針状体1a,1bの先端部が開き微小試料片5を挟み込める状態となる。更に移動して試料片5を挟み込み、その状態で電圧の供給を停止すると前記2本の針状体1a,1bの先端部がもとの間隔に戻り、微小サンプルをその間に挟持することが出来る。サンプルがこのホルダ機構により挟持されたならマニピュレータを操作して微小サンプルを本体からピックアップし、試料台の位置まで移送する。次に試料台4上にサンプルを位置させた後に微小試料片5をFIBを用いたCVDにより固定する。そこで電極間に電圧を供給すると2本の針状体1a、1bの先端部は開き挟持していた微小試料片5を開放することで試料台4の固定面上に任意の姿勢で載置することができる。(Bの状態)試料台4上に固定された微小試料片は、TEM観察において電子の透過を得るために、FIBを照射して薄片化加工を実行する。(Cの状態))以上のプロセスでTEM試料が作成される。
This holder mechanism is attached to the tip of a manipulator in the observation apparatus or analysis apparatus. For example, as shown in FIG. 2, the manipulator is operated to move the
本発明の常閉型微小サンプルホルダは、静電アクチュエータの駆動力が解除された状態で試料片を挟持するもので、その挟持力は把持するサンプルの厚さとホルダ素材の弾性係数と形状によって決まるため、把持するサンプルとの関係で適度の挟持力が作用するように、無加電時における2本の針状体先端部の間隔等、ホルダの形状は設計上重要な要素となる。本発明では半導体シリコンプロセス技術によってこのホルダー構造を作製するので、微細構造体でありながら2本の針状体先端部の間隔等、ホルダの形状はシリコンの弾性係数を考慮して設計され、精巧に作られる。リソグラフ用のマスクパターンによってホルダーの基本形状を形成し、必要な微調整はFIBエッチング加工によって行うことができる。図3のAに2本の針状体先端部形状を示したが、この様に角柱状である必要はなく適宜設計できる。図3のBに2本の針状体1a,1bの先端部間距離および先端形状を異にしたものを示したが、左側が無加電の閉状態を示し、右側が静電アクチュエータが駆動した開状態を示している。この開いた針状体先端部間に把持すべき微小サンプルが存在すると、電圧印加を停止した時に閉状態に戻ろうとして該微小サンプルを挟持する。この挟持する力は、無加電の閉状態時のクリアランスの量によって違ってくる。すなわち、サンプルを挟持した際の2本の針状体1a,1bの先端部間距離は把持する微小サンプルの厚さに応じて異なり、その値と無加電の閉状態時のクリアランスとの差分が弾性変形量となる。挟持力はこれに対応した値となるため、適正な挟持力を得るためには取り扱う微小サンプルの厚さに応じて閉状態時のクリアランスの量を調整することが重要となる。
The normally closed micro sample holder of the present invention clamps a sample piece with the driving force of the electrostatic actuator released, and the clamping force is determined by the thickness of the sample to be gripped, the elastic coefficient and shape of the holder material. Therefore, the shape of the holder is an important element in design, such as the distance between the tip portions of the two needle-like bodies when there is no electric power, so that an appropriate clamping force acts in relation to the sample to be gripped. In the present invention, since this holder structure is manufactured by a semiconductor silicon process technology, the shape of the holder, such as the distance between the tip portions of two needle-like bodies, is designed in consideration of the elastic coefficient of silicon. Made to. The basic shape of the holder is formed by a mask pattern for lithography, and necessary fine adjustment can be performed by FIB etching. FIG. 3A shows the shape of the tip of the two needle-like bodies, but it is not necessary to have such a prismatic shape and can be designed as appropriate. FIG. 3B shows the two needle-
本発明の常閉型微小サンプルホルダが半導体シリコンプロセス技術によって作製されることのメリットは精緻な工作が可能というだけでなく、同じものを同時に沢山製造することが出来る点である。図3のCに示したように2本の針状体からなる先端部材が繋がった形態のものを半導体シリコンプロセス技術によって作製しておき、サンプルに応じた間隔量を調整し、また先端形状も同様にFIB加工で適宜調整することで、同一部品を簡単な加工によって多様な挟持力のホルダとして供給することが出来、サンプルに応じてMEMSプロセスの段階で先端形状を変更しなくてもよいので、コストを下げることが出来る。 The merit of producing the normally closed micro sample holder of the present invention by the semiconductor silicon process technology is that not only precise work is possible, but also many of the same can be manufactured simultaneously. As shown in FIG. 3C, the tip member composed of two needle-like bodies is connected by a semiconductor silicon process technology, the interval amount according to the sample is adjusted, and the tip shape is also Similarly, by appropriately adjusting the FIB processing, the same parts can be supplied as holders with various clamping forces by simple processing, and the tip shape does not have to be changed at the MEMS process stage according to the sample. , Can reduce the cost.
図4中央に本発明に係る常閉型微小サンプルホルダ3がマイクロマニュピュレータ7に取り付けられたFIB装置を示す。本発明に係る常閉型微小サンプルホルダ3がマイクロマニュピュレータ7に取り付けられていることにより、図2に示して前述したようなTEM試料作製に用い、試料本体から切り出された微小サンプル5をピックアップし、試料台4上に移送して固定し、薄片化加工を実施できる。また、同時に図3で示す先端形状のFIB加工もサンプルに応じて加工あるいは変更を行うことが出来る。本実施例の有効な利用法として、図4の右側に示した微小サンプル保持形態において、試料台に固定しなくてもそのまま薄片化加工など微小サンプル5の再加工が実施できることである。従来の常識としてピックアップした微小サンプルは試料台上に固定した後再加工を施すものとされている。しかし、本実施例の形態であれば、必ずしも試料台に固定する必要はなく安定した保持状態の下でそのままFIB加工を実施することが可能である。これは試料台にFIBによるCVDなどの方法で固定する手間が省け、作業上大きな効率化が図れる。なお、微小サンプル5はTEM観察したい箇所を薄片化するのでサンプルホルダで掴んだ箇所へのビームの照射を避けることで観察後にサンプルホルダを再利用することが出来る。
The FIB apparatus in which the normally closed
図5に本発明に係る常閉型微小サンプルホルダをマイクロマニュピュレータに取り付けたTEM装置を示す。中央上部にあるのがTEM装置である。TEM装置内に配置されたマイクロマニュピュレータに試料台4を把持させることにより、TEM装置内において、FIB装置によって作成された微小試料片5が試料台4に固定された形態のTEM試料を観察できることは当然として、本実施例の装置によれば、微小試料片5を試料台4に固定しなくても、図中左側に示したように常閉型微小サンプルホルダ3に微小試料片5が把持された状態でTEM観察を行うことが出来る。本発明に係る常閉型微小サンプルホルダ3は無加電で、自らの弾性力によって微小試料片5を保持する機能を備えているため、従来の試料台4に固定されたTEM試料に替えて本発明に係る常閉型微小サンプルホルダ3がその役割を兼ねることが出来る。更に、マイクロマニュピュレータから切り離し個々のTEM試料として管理することも可能である。このサンプルホルダ3を用いることで、サンプル加工の後にサンプルをピックアップするところまでは従来と同様のプロセスを踏むが、サンプルの移動および再固定を必要としないためTEM観察までのプロセスの短縮となり、時間短縮とサンプル紛失のリスクを少なくすることができる。
FIG. 5 shows a TEM apparatus in which a normally closed micro sample holder according to the present invention is attached to a micromanipulator. The TEM device is in the upper center. By holding the sample stage 4 by the micromanipulator arranged in the TEM apparatus, it is possible to observe the TEM sample in a form in which the
次に、図6に本発明に係る常閉型微小サンプルホルダが従来のTEMホルダ8にメッシュとして装着されTEMサンプルとして使用される実施例を提示する。微小サンプルホルダ3はTEMホルダ8の先端部9に設置されTEM10の試料室11に挿入され観察される。この方法ではFIB装置によって加工したTEM試料をすぐにTEMホルダ8にはめ込んで観察することが出来るため、TEM観察によって初めて判る必要な再加工なども効率的に行えるという利点を備えている。本発明に係る常閉型微小サンプルホルダに係るこの実施例装置では、図2に示したように本体試料6からピックアップし、無加電状態で微小試料片5を保持した形態で試料台4に固定する工程を省き、微小サンプルホルダ3で把持した状態で直接FIBによる薄片化加工を実行し、更に微小サンプルを保持した形態でそのままTEM観察を実行することが可能である。従来のFIB装置による試料片切り出し加工、ピックアップして試料台への固定、FIBによる薄片化加工、TEM装置10への移送、チャンバの真空化、TEM観察という手順に比べ画期的に効率的な加工観察が実行できる。常閉型微小サンプルホルダを、汎用のTEMホルダ8用メッシュとして使用する場合、従来の装置の変更が無くても利便性を高めることができ、またサンプル作成に大幅な時間短縮を可能とする。
Next, FIG. 6 shows an embodiment in which the normally closed micro sample holder according to the present invention is mounted on the
1a,1b 針状体 1c 板ばね構造
1d 絶縁連結材 2a,2b 静電型アクチュエータ
3 微小サンプルホルダ 4 試料台
5 切り出し試料片 6 試料本体
7 マイクロマニピュレータ 8 汎用TEMホルダ
9 TEMホルダ先端部 10 TEM
11 TEM試料室
1a, 1b Needle-like body 1c Leaf spring structure
1d
11 TEM sample chamber
Claims (9)
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