JP2003065905A - 試料のサンプリング方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】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、ＴＥ
Ｍの高倍率観察を実現でき、試料片の追加工も可能にす
る。 【解決手段】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３８を大気中
の光学顕微鏡１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１０を用いて、試
料片を試料基板３８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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料基板（ウエ
ハ，チップ等）の表面に集束イオンビーム（以下、ＦＩ
Ｂと略記する）を照射して作成されたμｍオーダの微細
な試料片等を、マニピュレータを用いて試料基板から摘
まみ出して観察用のグリッドに固定するサンプリング方
法及び装置、さらに前記サンプリングに用いられる試料
に関する。特に、試料片を透過電子顕微鏡（以下、ＴＥ
Ｍと略記する）で観察するための前工程に好適な技術に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体などの製造分野では、半導体の高
集積化に伴い、試料の分析や観察の対象物が走査電子顕
微鏡（以下、ＳＥＭと略記する）の分解能では観察でき
ないほどの極微細なものについても解析の必要性が生じ
ている。そのような極微細な観察装置としては、ＳＥＭ
に代って観察分解能が高いＴＥＭが有力である。

【０００３】ＴＥＭ観察を行う場合、その前工程とし
て、例えば、半導体ウエハ（試料基板）の表面に少なく
とも２つの異なる角度の方向から集束イオンビームを照
射（走査）して、ＴＥＭ用電子線が透過可能な厚さの微
細な試料片（薄片）を作製し、この試料片を試料基板か
ら摘出（分離）し、この試料片をグリッドに固定するい
わゆるサンプリング作業が必要である。

【０００４】ＦＩＢ装置で試料片を薄膜加工する寸法
は、電子線を透過可能にするため、厚さ０．１μｍ程度
の微細なものにする必要がある。この場合、最初から薄
膜加工する場合のほかに、最初は数μｍの厚さにする場
合とがある。数μｍの厚さに作製した場合には、その厚
さでＴＥＭ装置に搬送し、ＴＥＭ装置で観察後に薄膜に
する領域を定めてから、再び、ＦＩＢ装置で追加工して
０．１μｍ程度に仕上げる。長さ、幅は１０〜数十μｍ
になっている。この微細な試料片をＴＥＭ装置で観察す
るためグリッドに固着してハンドリングする。

【０００５】試料片を試料基板から摘出するには、真空
中で行う場合と大気中で行う場合がある。

【０００６】真空中で試料片を摘出する技術としては、
例えば、特開平１１−１０８８１０号公報、特開２００
０−２６３０号公報に開示されるように、試料基板（Ｆ
ＩＢ装置で試料片を作成したもの）をＦＩＢ装置の真空
室で位置決めし、摘出対象となる試料片（薄片）にマニ
ピュレータのプローブの先端を接触させ、デポジション
用ガスを導入しつつ、ＦＩＢを試料基板の分離すべき部
分（試料片）とプローブの先端部を含む領域に局所的に
照射してデポジション膜（以下、デポ膜とする）を形成
し、このデポ膜により試料の分離すべき部分にプローブ
を接続する。次いで、試料基板の試料片支持部をＦＩＢ
照射によるスパッタ加工で切断することで、試料片を基
板から切り離し、試料片をプローブに委ねる。

【０００７】このデポ膜によるものは、試料片を基板か
ら分離した後に、試料ホルダをＦＩＢ照射領域に移動さ
せ（この時、プローブは後退させている）、その後、こ
の試料ホルダにプローブを接近させて試料片を試料ホル
ダに接触させ、ホルダ上で上記同様のデポ膜形成により
試料片を試料ホルダに接続する。次にプローブと試料片
との接続部にＦＩＢ照射することによりプローブを試料
片から切り離し、試料片を試料ホルダ側に自立させてい
る。最後に試料片を仕上げ加工してＴＥＭ観察に供して
いる。

【０００８】また、上記特開２０００−２６３０号公報
では、試料基板から摘出した微細試料の移送，把持，試
料基板の微細部位へのプロービングに好適なものとし
て、プローブを複数用いたものや、積層型圧電素子とバ
イモルフ型圧電素子とを駆動源として組み合わせたマイ
クロピンセットによりμｍレベルの微細な物体を摘むよ
うにしたものを提案している。

【０００９】一方、大気中で試料片を摘出する技術とし
ては、ＦＩＢ装置（真空中）で試料片を作成した後に、
試料片付きの試料基板（ウエハー）を真空外に取り出
し、大気中における光学顕微鏡下で摘出を行う方法があ
る。これは光学顕微鏡下で、ウエハー上に加工された試
料片をガラスキャピラリーの先端に静電気で付着させ摘
出して、カーボン膜付き（コロン状膜付き）メッシュ上
に移してＴＥＭ観察に供している。この大気中で行う方
法として特開平１１−１３８４６９号「液圧遠隔操作型
マイクロマニピュレータ装置」がある。この方法は、試
料片を分離する場合、人がいると振動で薄片を付着させ
にくいので、マイクロツール（ガラスキャピラリー）先
端を遠隔で微動操作している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】試料片のサンプリング
を真空中で行う方法も大気中で行う方法も、いずれの場
合もその後にＴＥＭ装置で試料片を観察に供している。

【００１１】このうち、前者（真空中で行う方法）の場
合は、基板から摘出した試料片を、ホルダーの一辺（グ
リッド一辺）に張り出すように固定するので、イオンビ
ーム透過可能な状態で、その後にも、さらに試料片をＦ
ＩＢ装置で追加工し再びＴＥＭ装置で観察するという効
率の良い方法がとられる。

【００１２】ただし、試料片のサンプリング工程をすべ
て真空中で行う必要があるといった制約があり、ＦＩＢ
照射によるデポ膜作成、デポ膜除去といった工程を必要
とし、サンプリング装置が高価になる。

【００１３】後者（大気中で行う方法）の場合には、簡
易で安価なサンプリングを実現できるが、カーボン膜付
きのメッシュに試料片（摘出片）を載置するため、イオ
ンビームが透過し難く試料片を追加工することができな
い。さらに、高倍率でＴＥＭ観察するとカーボン膜がダ
メージを受け試料片がメッシュ上より剥がれてしまうこ
とがあるので、高倍率のＴＥＭ観察には適していない。

【００１４】さらに試料片をメッシュに載せたとき静電
気の付着力により引き離しが難しいなどの改善すべき点
があった。

【００１５】本発明の目的は、ＦＩＢ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、制約の少な
い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試料のサンプリング方法及び
装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、基本的には、次のようなサンプリング方
法及び装置を提案する。

【００１７】方法の発明…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、前記試料
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、前記試料片を前記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ことを特徴とする。

【００１８】装置の発明…試料基板を載置するステージ
と、大気中で使用する光学顕微鏡と、前記光学顕微鏡下
で操作される複数の指片により試料基板上に形成した微
細な試料片を摘まんで微小な回動，移動，開放動作を行
うマイクロマニピュレータと、前記マイクロマニピュレ
ータの駆動機構を電気的に制御する制御手段とを備え、
前記複数の指片のうち少なくとも１つの指片が微細な３
自由度動作を行う機構を有し、この複数の指片により、
前記試料片を前記試料基板から分離するために摘まみ上
げ、搬送し、且つ姿勢制御してグリッド上、又はグリッ
ド側面の適宜位置に載置し得るように構成したことを特
徴とする。

【００１９】本発明者らは、大気中で且つ光学顕微鏡で
観ながらマイクロマニピュレータを操作して試料片を摘
まみ出すには、マイクロマニュピレータが複数の指片を
有すること、しかも、少なくとも指片の一つが微細な３
自由度動作が可能であれば、微細な試料片を摘み出し、
移動，微細な回転動作，開放動作を行い得るので、摘出
後に試料片を姿態を整えながらグリッドに固定し得ると
いった知見を得た。

【００２０】すなわち、摘まみ上げた試料片は、グリッ
ド近傍に移動され、姿勢制御されて、グリッド上、又は
グリッド側面に接触すれば、接触部を接着してグリッド
と試料片との接合が可能になる。

【００２１】なお、微細な試料片の接着方法として特許
第２９７２８６５号「微少量液滴塗布法」があり、本発
明の試料片の固定にもこの接着法が利用可能である。

【００２２】グリッドに一体化された試料片は、ＴＥＭ
装置で観察し、より薄膜加工したい部分があれば、さら
にＦＩＢ装置に搬送して追加工し再びＴＥＭ観察を行う
ことができる。

【００２３】なお、従来技術には、特開平４−３０４９
８４号公報、特開平９−２６７２７９号公報などのマイ
クロマニピュレータ、特開２０００−２６３０号公報に
開示されたマイクロピンセットなどがあるが、いずれも
微小な薄片（試料片）をハンドリングするときの高度な
協調制御を行なうことに困難性があり、試料片を摘まみ
上げるときに必要な微小な相対運動を行うことが難し
い。

【００２４】特開平８−１３２３６３号（特許番号第２
５６０２６２号）号公報において、指の機能を果たす箸
状（針状）の２本の指片（手先片）を備えた６自由度の
マイクロハンド機構（マニピュレータ）を提案してい
る。そして、マニピュレータを駆動させる機構（アクチ
ュエータ）は、１２個配設することで提案されアクチュ
エータ自身が支柱としての役割をしている。この箸状の
指片を備えたマイクロハンド機構は、光学顕微鏡下では
数μｍ程度の微小物体を把持、持ち上げ、回転、移動、
開放することを実現している。

【００２５】このような６自由度の技術は、１２個配設
されているアクチュエータ自身が支柱としての役割をし
ているので、アクチュエータに電圧をかけたときに発熱
して熱膨張によるドリフトが針先に伝わり易く、本発明
が意図するような微細な試料片を摘まみ出すのには困難
性が伴う。さらに実用化するためには簡単な機構でかつ
小型化し、安価に提供できることが望まれる。

【００２６】また、本発明者らは、先に特開平１０−１
３８１７７号公報において、微細作業では並進３自由度
が主たる動作になるという特性を利用して、簡単で高精
度な位置決めを行い得る３自由度マイクロマニピュレー
タを提案している。

【００２７】但し、この従来技術には、マイクロマニピ
ュレータのリンク機構を構成する柔軟構造物をどのよう
に製作して小型化するかと、その材質、及び駆動させる
機構としてのアクチュエータ配設や、用途，使用形態な
どの具体的提案はされておらず、また、この従来例が大
気中での光学顕微鏡下で試料片摘出のマイクロマニピュ
レータとして使用に適しているとの知見も得られていな
いものである。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を説明する。

【００２９】図１は、本発明の一実施例に係る試料（試
料片）サンプリング装置の概略図、図２（ａ）は図１に
用いる２本指マイクロハンド機構すなわちマイクロマニ
ピュレータを矢印Ａ方向からみた一部断面上面図、図２
（ｂ）は図２（ａ）のＢ方向から見た図である。

【００３０】図１のサンプリング装置は、半導体ウエハ
ーなどの試料基板３８を作業台４を介して載置するステ
ージ５と、大気中で使用する光学顕微鏡１と、光学顕微
鏡１下で操作される複数の指片を有するマイクロハンド
機構（マイクロマニュピレータ）１０とを備える。

【００３１】マイクロハンド機構１０は、ＦＩＢにより
試料基板３９上に形成した微細な試料片３９（図７参
照）を摘まんで微小な回動，移動，開放動作を行い、そ
の駆動機構を電気的に制御する制御手段（例えばピエゾ
圧電素子）を備える。

【００３２】マイクロハンド機構１０は、図２に示すよ
うに、複数の指片１３，１４のうち少なくとも１つの指
片１３が微細な３自由度動作を行う機構（３自由度モジ
ュール）１１を有する。本実施例では、指片１３，１４
により箸に似せた動作を行わせることで、図７に示すよ
うに試料片３９を試料基板３８から分離するために摘ま
み上げ、搬送し、且つ姿勢制御してＴＥＭ観察用のグリ
ッド上、又はグリッド側面の適宜位置に載置し得るよう
に構成してある。

【００３３】マイクロハンド機構１０は、光学顕微鏡１
の対物鏡筒２の側方に支持部材８を介してスライド機構
９上に配置され、支持部材は試料３８に対して斜め上方
位置から摘出に必要な微細動作を行い得るようにしてあ
る。スライド機構９は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に
移動可能である。

【００３４】光学顕微鏡１は、対物鏡筒２と光学系６等
で構成され、対物鏡筒２の上には光学顕微鏡を像を撮像
するためのテレビカメラ２８が設置されている。光学顕
微鏡像はテレビカメラ２８からの電気信号でモニター２
９に写しだされ観察できるようになっている。これらの
光学顕微鏡１、ステージ５、マイクロハンド機構１０、
スライド機構９などは、一体的に組立てられてベース７
上に配置されている。

【００３５】ここで、マイクロハンド機構１０の説明に
先立ち、図７によりＦＩＢにより作製された試料片３９
付きの半導体ウエハー３８について説明する。

【００３６】ウエハー３８にはＴＥＭ装置で観察すべき
領域が、ＦＩＢ装置（図示せず）で薄膜加工され、薄膜
加工された試料片（薄片３９）は、切り離し前は、一端
がウエハー３８に繋がり保持部４０で保持されている。

【００３７】ＦＩＢ装置による試料片作製は、半導体ウ
エハー３８の表面の一部を集束イオンビームにより溝加
工して、その溝４１の中に形成される。溝４１は、集束
イオンビームにより階段状に掘り下げられ、試料片３９
を指片１３，１４により摘まみ上げるときに、溝壁が指
片の動作の妨げとならないように切り込み４２を入れて
ある。

【００３８】試料片（試料）３９の寸法は、厚さが０．
１〜３μｍ程度、幅が１０〜２０μｍ、長さ（図７では
深さ方向の寸法）１０μｍ程度になっている。試料３９
は、ＴＥＭで観察を目的とする部分３９ａとマイクロマ
ニピュレータにより摘まれる部分３９ｂとを有し、マイ
クロマニピュレータにより摘まれる部分３９ｂが観察を
目的とする部分３９ａよりも厚みを増している。例え
ば、摘まれる部分３９ｂの厚みは３μｍ程度であり、観
察部分３９ａの厚みは０．１μｍ以下である。このよう
に厚みを変えることによって、試料の加工時間を短縮
し、ハンドリングを容易にし、観察部分の保護（傷防
止）を図ることができる。

【００３９】ここで、本実施例に使用するマイクロハン
ド機構（マニピュレータ）を図２〜図６を用いて説明す
る。なお、図３（ａ）（ｂ）は、第１の指片１３を動作
させる３自由度モジュール１１を見方を変えて示す立体
図であり、そのリンク機構１８は、回転対偶及び並進対
偶を実現する柔軟構造物からなる。ここでは、リンク機
構１８、指片のホルダー（エンドエフェクタ）１６及び
ベース部材１５を一体成型してなる。ホルダー１６に
は、指片（ニードル）取付孔１７が設けてある。

【００４０】図４（ａ）は、ベース部材１５を断面して
３自由度モジュール１１のベース部材１５、リンク機構
１８、ピエゾ圧電素子３４の関係、及びベース部材１５
と支持軸８の結合関係を示す図、図４（ｂ）はベース部
材１５を反リンク機構側からみた概略説明図である。本
実施例における指片１３のマニピュレータの基本原理
は、先に提案した特開平１０−１３８１７７号公報に記
載されたものと同一であるが、本実施例では、ウエハー
上の試料片を摘まみ上げるために、種々の独自の構造的
配慮がなされている。

【００４１】すなわち、本実施例における２本指マイク
ロハンド機構は、２本の針状指片１３、１４に箸の動き
に似せた動作を与えるものであり、指片の駆動機構につ
いては、第１の指片１３には、後述する３自由度モジュ
ール１１を用い、第２の指片１４には、針先合わせ機構
１２を用いている。

【００４２】第１の指片１３は、３自由度モジュール１
１を介して支持軸８とほぼ一直線上になるように取り付
けられ、さらに、第１の指片１３と第２の指片１４とに
微小な相対運動を生成せしめ、その開き角度２０°で最
適な相対運動が得られるように配慮されている。

【００４３】３自由度モジュール１１は、指片１３を取
り付けるホルダー（エンドエフエクタ）１６とこのホル
ダー１６を支持するベース部材１５と、前記ホルダー１
６、ベース部材１５の間を連結する回転対偶要素及び並
進対偶要素を有する三つのリンク機構１８と（図２では
作図の視覚的角度よりリンク機構１８が２本表されてい
るが、このリンク機構１８は図３に示すように３本あ
る）、リンク機構１８に駆動力を与えるピエゾ圧電素子
３４よりなる。

【００４４】３個のリンク機構１８は、１２０°間隔で
配置される。

【００４５】ピエゾ圧電素子３４は、図３、図４に示す
ように筒形のベース部材１５に保持されて一部がリンク
機構１８側に突出し、この突出先端部が並進対偶要素の
うちベースに対向する面３３（図４）に圧電力を加える
ように接している。

【００４６】ここで、リンク機構１８の基本原理及び構
成を図５、図６を参照して説明する。光学顕微鏡下の微
細作業では、互いに直交する３軸方向の並進３自由度の
動作が主要である。このような観点から考察すると、リ
ンク要素として、図６に示すように、一対の対偶部材１
９の間を薄肉部（くびれ部）２３で連結することにより
回転対偶Ｒを実現する柔軟構造物や、同図（ｂ）に示す
ように、一対の対偶部材２０の両端を一対の連結杵部２
１によりそれぞれの薄肉部（くびれ部）２２を介して連
結して、並進対偶Ｐを実現する柔軟構造物（平行四辺形
リンク）を利用するのが有利であり、それらを利用して
３自由度の並進運動を実現する機構を構成するのが適切
である。

【００４７】本実施例では、上記の回転対偶Ｒ及び並進
対偶Ｐを組み合せてリンク機構１８を構成するものであ
り、図５（ａ）はリンク機構１８の上面図、同（ｂ）は
リンク機構１８の正面図である。

【００４８】図５に示すように、リンク機構１８は、一
対の対偶部材３０の間を薄肉部３２ｄ連結することによ
り実現される二つの回転対偶Ｒと、一対の対偶部材３０
の両端部間を一対の連結杵部３１でそれぞれ薄肉部３２
を介して連結することにより実現される二つの並進対偶
Ｐとを備えた柔軟構造物により構成されている。

【００４９】マニピュレータの駆動原となるアクチュエ
ータ３４は、例えばピエゾ圧電素子が用いられる。

【００５０】圧電素子３４は、リンク機構１８の数に合
わせて３個用意される。筒形ベース部材１５には、軸方
向に向けてピエゾ圧電素子３４を内挿するための孔８４
が図３及び図４（ｂ）に示すように１２０°間隔で配置
されている。

【００５１】また、孔８４と合わせて圧電素子３４のリ
ード線引出し溝８５が形成されている。圧電素子３４
は、上記孔８４に内挿され、その一部が既述したように
ベース部材１５からベース部材１５からリンク機構１８
側に突出して、前記一対の並進対偶Ｐの間に形成した受
け面３３により受け止められている。

【００５２】リンク機構１８は、一対の並進対偶Ｐのう
ちベース寄り側のものを図３に示すようにその連結杵部
３１を平行配置してその間にピエゾ圧電素子３４の一部
が入るようにしてある。

【００５３】３本の圧電素子３４を伸縮させたり、その
伸縮度合いを制御信号に応じて個別に変化させることに
より、リンク機構１８の接触部３３を押して各対偶を駆
動させることができるようになっている。

【００５４】本実施例の３自由度モジュール１１は、図
５のＲＰＲＰ機構を構成するリンク機構１８の三つを、
ベース部材１５とホルダ−１６との間において、中心軸
線の周りに１２０°の間隔で対称型に配置する。

【００５５】既述したように、３つのリンク機構１８
は、ベース部材１５に一体化されており、このベース部
材１５は可撓性の板２５と板形状のベースプレート２４
を挟んで、支持軸８先端にジョイント８７を介して固着
されている。ジョイント８７は、タップ状のものであ
り、図４に示すようにベース部材１５の一端面中央の螺
子孔８６に取り付けられ、支持軸８は、一端８´がジョ
イント８７の取り付け孔８７´に挿入されて止め螺子８
８の締め付け力により固着されている。

【００５６】可撓性の板２５のうちベース１５から出た
部分は、図２に示すように傾斜状に折り曲げられて斜板
によりばね板２５´が形成されている。この斜板２５´
には、雌螺子付きのスクリューガイド３６が固定され、
このガイド３６の雌螺子に支持軸３５に設けた雄螺子３
５Ａが螺子嵌合して支持軸３５の直線運動（進退動作）
を可能にしている。

【００５７】支持軸３５には、第２の針状指片１４が図
２に示すように第１の針状指片１３に対して斜めの角度
で取り付けられている。板ばね２５´は、その背面に板
ばねの傾き方向を微調整する複数の調整螺子（実施例で
は２本）３７，３７´が押し当てられている。

【００５８】調整螺子３７，３７´は、図１、図２に示
すように、ベースプレート２４に上下２列の平行配置に
なるように取り付けられる。調整螺子３７、３７´を進
退調整することで、第２の指片１４の先端に全方向の微
細な動きが与えられるようになっている。上記した並進
３自由度モジュール１１と上記した針先合わせ機構１２
により、第１の指片１３と第２の指片１４のそれぞれの
先端間に箸の動きに似せた微小な相対運動を生じさせる
ものである。針先合わせ機構１２は、スクリューガイド
３６及び支持軸３５の螺子部３５Ａが、指片１３、１４
同士を粗動の針先き合わせ操作する機構（第１の針先合
わせ機構）をなし、板ばね２５´、調整ねじ３７、３７
´が微細に針先合せを操作する機構（第２の針先合わせ
機構）をなしている。

【００５９】指片１３，１４の材質は、金属（タングス
テン）とガラス針などで、どちらもその先端は極細形状
となって尖端のテーパ角度はほぼ１０°となっている。
人指し指に相当する指片１３は薄片２７がくっ付き難い
材質で、親指側に相当する指片１４は薄片２７がくっ付
き易い材質の異種材の組み合わせがよい。

【００６０】ベース部材１５に設ける３個のアクチュエ
ータ３４としては、例えば、積層型のピエゾ圧電素子な
どを用いることができる。符号の２６は、アクチュエー
タ３４に電圧を供給するリード線である。アクチュエー
タ３４として用いるピエゾ圧電素子は、応答が速く、微
小変位と高出力が得られものの、ヒステリシスが非常に
大きく、駆動電圧のみによるオープンループ制御では、
正確な位置決めを行うことが困難であるため、変位量を
測定してフィードバック制御することが望ましく、この
場合には、特に、コンパクトな変位測定手段とサーボ駆
動系が要求される。このような変位測定手段としては、
アクチュエータ３４の伸縮方向に歪みゲージを直接貼り
付けて（図示は省略してある）、それら圧電素子のサー
ボ系としては、符号６０に示すように計算機を用いたソ
フトウエアサーボや演算増幅器を用いたアナログサーボ
等を採用することができる。

【００６１】サーボ系制御回路６０の指令信号は、図示
されないリード線を介してアクチュエータ（圧電素子）
３４に送られる。

【００６２】次に、このマニピュレータ（２本指マイク
ロハンド機構）１０における制御動作を説明する。ま
ず、マニピュレータ１０の２本指である第１の指片１３
と第２の指片１４との先端針先を目視で合わせた後、光
学顕微鏡で確認して先端の長さをほぼ一致させ、間隔を
５０μｍ程度になるように合わせる。

【００６３】その後、調整ねじ３７、３７´により第１
の指片１３と第２の指片１４との先端同士の針先を合わ
せる。さらに、先端を接触させＺ方向のずれをなくして
から間隔を５μｍ程度（薄片の大きさに合わせ所望の間
隔にする）にする。

【００６４】所定の対象物である試料片３９をハンドリ
ングする場合は、上述したように第１の指片１３と第２
の指片１４との先端針先を行い、指片１３，１４を上記
対象物に対して位置決めした後、アクチュエータ３４に
よる三つのリンク機構１８を制御し、指片１３と指片１
４とに微小な相対運動を生成させる。即ち、三つのアク
チュエータ３４を駆動してリンク機構１８の接触部３３
を押し、ホルダー１６を所定量可動させ、指片１３と指
片１４とを対象物に対して把持操作（摘まみ上げ）等の
微細操作をするが、この微細操作は、歪ゲージからの各
アクチュエータ３４の変位量を検出し、この変位量から
サーボ制御回路６０が指片１３の現位置を算出し、これ
をフィードバックして所定の位置決め指令値と比較し、
その偏差量がなくなるまでアクチュエータ３４をサーボ
駆動することにより行う。

【００６５】そして、位置決めされた第１の指片１３に
対して、三つのアクチュエータ３４を駆動してリンク機
構１８を所定量だけ伸縮させ、指片１３及び指片１４と
に微小な相対運動を生成させる。このようにリンク機構
１８は広い動作領域内で微小な相対運動を生成して、図
７に示すように容易に対象物をハンドリング（摘まみ上
げ）して、所定の場所に搬送することができる。

【００６６】摘まみ上げた試料片３９は、グリッド近傍
に移動させ、姿勢（位置）制御されて、図８に示すよう
なＴＥＭ観察用のグリッド５０の端面５１に接触させ
る。そのあと、例えば、特許公報第２９７２８６５号
「微少量液滴塗布法」に示されるような接着剤５２によ
りグリッド５０と試料片３９を一体化する。

【００６７】この微少量液滴塗布法は、外径１〜２ｍｍ
のガラス繊維入りガラスに熱及び張力を加えて伸長する
ことにより外径２〜５μｍ、内径１〜３μｍの微小ピペ
ット状ガラス針を作製し、微少量の液状体（接着剤）を
ガラス針の先端からガラス繊維の毛細管現象を利用して
導入し、それを根本から圧力を加えることによって、希
望する箇所に塗布するというものである。

【００６８】これら、一連の作業をするうえで人指し指
に相当する指片１３は試料片３９がくっ付き難い材質
で、親指側に相当する指片１４は試料片３９がくっ付き
易い材質の異種材の組み合わせになっているとサンプリ
ングの微細操作がやり易くなり、作業性を高めることが
できる。指片１３としては、静電気が帯電しにくい材質
のもので例えば、金属材やガラスに金属膜を施したもの
があり、指片１４としてはガラス材がある。

【００６９】試料片３９が一体化されたグリッドは、Ｔ
ＥＭ観察および追加加工時のＦＩＢ装置で共用できる。

【００７０】本実施例によれば、次の効果を奏する。 ＦＩＢ装置で薄膜加工した試料（ウエハー）を分離し
て摘まみ上げるために使用するマニピュレータに、３自
由度モジュールを使用し、また、各リンク機構１８を駆
動するピエゾ素子３４は、リンク１８一つ当たり一つで
済むので、リード線２６の本数を大幅に削減することが
できる。

【００７１】すなわち、従来より知られた６自由度のも
のを使用した場合には、アクチュエータ用のピエゾ素子
が１２個用いるが、本実施形態の３自由度では、ピエゾ
素子３４は３個と大幅に削減させる。また、図示してい
ないが、マニピュレータのリンク位置を検出する歪ゲー
ジは、６自由度には、２４個、本実施形態の場合は、６
個、また、リード線は、ピエゾ素子は、ピエゾ素子１つ
当たりにつき２本であり、歪ゲージ１つ当たりにつき３
本である。リード線２６の数は、６自由度の場合には、
９６本となり、これに対して、本実施形態の場合には、
リード線は１／４と大幅に減少することが、実装性に優
れている。 上記したように３自由度モジュールによれば、マニピ
ュレータの構成を簡略化し、また、歪ゲージやピエゾ圧
電素子も大幅に減少できるので、小型化に貢献すること
ができる。 箸状の２本の指片の先端として、長さ、間隔の合せと
位置調整が容易に行える。２本の指片の強度はアクチ
ュエータを支柱とせず、ピエゾ素子の強度に頼らない構
造で取り付けられ、剛性が強く振動が伝わりにくい。 ピエゾ素子に電圧を掛けたときピエゾ素子自身が発熱
し熱膨張するが、この発熱が筒形のベース部材に流れ熱
的に早く安定し熱膨張を抑えるので、熱ドリフトが針先
に伝わりにくい。

【００７２】とを合わせるとウエハー上に薄膜加工
された試料片をウエハーから分離して摘まみ上げると
き、分離する瞬間のテンションによって針先から飛び跳
ねることが起きない。針先が振動、及び熱ドリフトの影
響を受け難いので安定した摘まみ上げが可能となり、摘
まみ上げたままでグリット位置まで搬送が行える。ま
た、グリッドへの試料片の接着は、姿態制御を行いなが
らできるので、的確なサンプリングを保証する。

【００７３】このようにマイクロマニピュレーションの
技術がレベルアップされ、薄片を分離摘まみ上げするほ
かに、マイクロエレクトニクス、バイオテクノロジー、
医療の分野により貢献することが可能となる。

【００７４】なお、本実施例ではマニピュレータ１０に
３自由度モジュール１１を１個使用する構造としたが、
第２の指片１４側も含め２個使用する構造としても同様
の操作が行える。また、マニピュレータ１０と支持軸８
の間にもう１個追加して、すなわち、直列に２個接続す
る構造としてもよく、この場合は動作領域が大きくとる
ことができ、より広い作業空間にある対象物に対して位
置決めが可能となる。

【００７５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ＦＩＢ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、制約の少ない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。このことに
よりスループットが改善されて、半導体デバイスが高集
積度化しても不良解析、信頼性向上、歩留まり向上が図
られるとともに新構造、新材料適用のデバイスの開発を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るマイクロマニピュレー
タの概略図。

【図２】（ａ）は図１に用いるマイクロマニピュレータ
を矢印Ａ方向からみた一部断面上面図、（ｂ）は同図
（ａ）のＢ方向から見た図。

【図３】本実施例に用いる３自由度モジュール１１を見
方を変えて示す立体図。

【図４】（ａ）はベース部材１５を断面してマニピュレ
ータ１１のベース部材１５、リンク機構１８、ピエゾ圧
電素子３４の関係、及びベース部材１５と支持軸８の結
合関係を示す図、（ｂ）は、ベース部材１５を反リンク
機構側からみた概略説明図。

【図５】３自由度マニピュレータのリンク機構を示す平
面図及び正面図。

【図６】３自由度マニピュレータの基本原理を示す説明
図。

【図７】ＦＩＢ装置で加工されたウエハーの局部拡大斜
視図。

【図８】（ａ）は本発明に係るマニピュレータを用いて
試料片をグリッドに接着する状態を示す一部切り欠き斜
視図、（ｂ）はそのＡ方向矢視図である。

【符号の説明】

１…光学顕微鏡、５…ステージ、１０…マイクロハンド
機構（マイクロマニピュレータ）、１３，１４…指片、
３８…試料基板、３９…試料片、４１…溝、４２…切り
込み、５０…グリッド、５２…接着剤。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浮穴 基英 茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地 株 式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者 藤井 和博 茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地 株 式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者 森田 一弘 茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地 株 式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者 砂子沢 成人 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者 小池 英巳 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者 谷川 民生 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人産業技術総合研究所 つくばセンター内 (72)発明者 小谷内 範穂 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人産業技術総合研究所 つくばセンター内 Ｆターム(参考） 2G052 AA13 AD32 AD52 CA04 CA08 EC18 EC22 GA11 GA34 HA12 HC33 3C007 AS09 BS24 BS30 BT16 HS29 XG04

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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、前記試料基板を大気
   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、前記試
   料片を前記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ことを特徴とする試料のサンプ
   リング方法。
2. 【請求項２】 前記試料片は、前記試料基板の表面の一
   部を前記集束イオンビームにより溝加工してその溝の中
   に形成され、前記溝には、前記試料片を前記指片により
   摘まみ上げるときに、溝壁が前記指片の動作の妨げとな
   らないように切り込みを入れてある請求項１記載の試料
   のサンプリング方法。
3. 【請求項３】 試料基板を載置するステージと、大気中
   で使用する光学顕微鏡と、前記光学顕微鏡下で操作され
   る複数の指片により試料基板上に形成した微細な試料片
   を摘まんで微小な回動，移動，開放動作を行うマイクロ
   マニピュレータと、前記マイクロマニピュレータの駆動
   機構を電気的に制御する制御手段とを備え、 前記複数の指片のうち少なくとも１つの指片が微細な３
   自由度動作を行う機構を有し、この複数の指片により、
   前記試料片を前記試料基板から分離するために摘まみ上
   げ、搬送し、且つ姿勢制御してグリッド上、又はグリッ
   ド側面の適宜位置に載置し得るように構成したことを特
   徴とする試料のサンプリング装置。
4. 【請求項４】 前記制御手段は遠隔操作により前記マイ
   クロマニピュレータを制御し、拡大観察像を表示するモ
   ニターで観察しながら前記マイクロマニピュレータを微
   細操作するようにしてある請求項３記載の試料のサンプ
   リング装置。
5. 【請求項５】 前記試料片をグリッド上に載置後に微量
   液滴を塗布して接着固定する接着手段を有する請求項３
   又は４記載の試料のサンプリング装置。
6. 【請求項６】 前記グリッドは、前記試料片を透過電子
   顕微鏡で観察するために用いられる請求項５記載の試料
   のサンプリング装置。
7. 【請求項７】 前記マイクロマニピュレータは２本の針
   状指片よりなり、一方の針状指片が並進３自由度モジュ
   ールに支持され、他方の針状指片が傾きを有する板ばね
   に支持されている請求項３ないし６のいずれか１項記載
   の試料のサンプリング装置。
8. 【請求項８】 前記２本の針状指片は異種材の組み合せ
   で構成した請求項７記載の試料のサンプリング装置。
9. 【請求項９】 マイクロマニピュレータで摘まれる微細
   な試料であって、透過電子顕微鏡で観察を目的とする部
   分と前記マイクロマニピュレータにより摘まれる部分と
   を有し、前記マイクロマニピュレータにより摘まれる部
   分が前記観察を目的とする部分よりも厚みを増している
   ことを特徴とする試料。