JP2005205573A - A pair of tweezers, manipulator system having the same, and tweezers manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)等の電子顕微鏡による観察に必要な微細寸法の試料を挟持するピンセット及びこれを備えたマニュピレータシステム並びにピンセットの製造方法に関するものである。 The present invention relates to tweezers for holding a sample having a fine dimension necessary for observation with an electron microscope such as a transmission electron microscope (TEM), a manipulator system including the tweezers, and a method for manufacturing tweezers.
従来、集束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)により作製したTEM観察用の試料は、大気中に取り出した後、例えば、ガラス製のマイクロピペットに静電気吸着させ、TEM用試料ホルダへの取り付けを行っていた。
また、FIB中から試料をピックアップする方法として、上述したマイクロピペットによる方法以外に、例えば、プローブ先端と試料とをデポジション膜によって固定することでピックアップしたり、ピンセットで試料を挟持してピックアップを行うことができるプローブ移動装置(例えば、特許文献1参照)が知られている。更に、試料を挟持したときの保持力を検出する力センサを有するマイクロピンセット等も知られている(例えば、特許文献2参照)。
Also, as a method for picking up a sample from the FIB, in addition to the above-described method using a micropipette, for example, picking up by fixing the probe tip and the sample with a deposition film, or holding the sample with tweezers A probe moving device that can be used (for example, see Patent Document 1) is known. Furthermore, a micro tweezer having a force sensor for detecting a holding force when a sample is sandwiched is known (for example, see Patent Document 2).
しかしながら、上記特許文献1に記載のプローブ移動装置で使用されるピンセットは、試料を挟持する際に、挟持する力(接触力)を検出することができないので、強く挟持しすぎて試料やピンセット自体に悪影響を与える可能性があった。また、強く挟持することにより、ピンセットの先端同士が交差してしまい安定して試料を挟持することができない場合があった。逆に、挟持する力が弱く、試料を挟持したつもりが挟持できていなかったという場合もあった。このように、ピンセットの挟持する力が検出できないので、ピンセットを操作する者が熟練した作業者に限られてしまったり、何度も挟持作業を繰り返すトライアンドエラーにより試料作製に時間がかかるといった不都合があった。
また、ピンセットを構成する材質に絶縁体が使用されている場合には、チャージアップによって像が歪んでしまい試料の挟持がより困難になる可能性があった。試料には静電気が帯電しているので、ピンセットにくっついてしまい、該ピンセットからのリリースが困難であったり、静電気により試料やピンセットに悪影響を与える恐れもあった。
However, since the tweezers used in the probe moving device described in Patent Document 1 cannot detect the clamping force (contact force) when clamping the sample, the sample or the tweezers themselves are too tightly clamped. There was a possibility of adversely affecting. In addition, by pinching strongly, the tips of the tweezers may cross each other and the sample may not be stably pinched. On the other hand, there was a case where the force to pinch was weak and it was not possible to pinch the sample. As described above, since the force of pinching of the tweezers cannot be detected, the person who operates the tweezers is limited to a skilled worker, or the sample preparation takes time due to trial and error in which the pinching operation is repeated many times. was there.
In addition, when an insulator is used as the material constituting the tweezers, there is a possibility that the image is distorted due to charge-up and that it is more difficult to hold the sample. Since the sample is charged with static electricity, it sticks to the tweezers, and it is difficult to release from the tweezers, or the sample and the tweezers may be adversely affected by the static electricity.
一方、上記特許文献2には、力センサを有するピンセットが開示されており、力センサによってピンセットの保持力の検出が行えるが、ピンセット及び力センサの具体的な構成や、ピンセットと力センサとをどのように一体成型するか等の具体的な構成が何ら示されておらず、実際にマイクロピンセットを実現することは困難である。特に、試料が電子顕微鏡観察用の試料である場合には、その寸法が極微小であるため、特許文献2に記載されているマイクロピンセットの開示情報だけでは、上記試料に対応したピンセットを構成することは不可能である。
On the other hand, the above-mentioned
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、挟持する力(挟持力)を容易且つ高精度に検出することができると共に、小型化を図ることができるピンセット及びこれを備えたマニュピレータシステム並びにピンセットの製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to make it possible to easily and accurately detect a clamping force (clamping force) and to reduce the size of the tweezers. A manipulator system provided with the same and a manufacturing method of tweezers are provided.
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明のピンセットは、電子顕微鏡観察用の試料を挟持可能なピンセットであって、半導体材料により形成され、それぞれ対向する側の先端に前記試料を挟持する挟持面を有する一対の棒状挟持部材を備え、少なくとも一方の前記棒状挟持部材が、前記半導体材料の特性に応じて電気的特性が変化する歪センサを内蔵していることを特徴とするものである。
The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
The tweezers of the present invention is a tweezers capable of holding a sample for observation with an electron microscope, and includes a pair of rod-like holding members which are formed of a semiconductor material and have a holding surface for holding the sample at the opposite ends. In addition, at least one of the rod-shaped holding members has a built-in strain sensor whose electrical characteristics change according to the characteristics of the semiconductor material.
この発明に係るピンセットにおいては、挟持面の間で試料を挟持したときに、それぞれの棒状挟持部材に、挟持力に応じた内部応力が働いて歪が生じる。この際、棒状挟持部材は半導体材料により形成されているので、上記歪は半導体材料の特性に応じた電気的特性の変化、例えば、抵抗値変化となって現れる。そして、少なくとも一方の棒状挟持部材に内蔵された歪センサが、この電気的特性の変化を検出するので、一対の棒状挟持部材の挟持力を容易且つ確実に検出することができる。従って、従来のように試料を強く挟持しすぎたり、挟持したつもりが挟持できていなかった等の不具合がなく、操作者に関係なく確実に所定の挟持力で試料を挟持することができる。特に、棒状挟持部材は、半導体材料により形成されているので、小型に作製することが容易であるだけでなく、半導体材料の特性に応じて電気的特性が変化する歪センサを内蔵しているので、歪、即ち、挟持力を高精度に検出することができる。 In the tweezers according to the present invention, when the sample is clamped between the clamping surfaces, the internal stress corresponding to the clamping force acts on each of the rod-like clamping members to cause distortion. At this time, since the rod-shaped holding member is made of a semiconductor material, the strain appears as a change in electrical characteristics according to the characteristics of the semiconductor material, for example, a change in resistance value. Since the strain sensor built in at least one of the rod-like holding members detects the change in the electrical characteristics, the holding force of the pair of rod-like holding members can be detected easily and reliably. Therefore, there is no problem that the sample is strongly clamped as in the prior art, or the intention that the sample has been clamped has not been clamped, and the sample can be securely clamped with a predetermined clamping force regardless of the operator. In particular, since the rod-shaped clamping member is made of a semiconductor material, it is not only easy to manufacture in a small size, but also has a built-in strain sensor whose electrical characteristics change according to the characteristics of the semiconductor material. The strain, that is, the clamping force can be detected with high accuracy.
また、本発明のピンセットは、上記本発明のピンセットにおいて、前記棒状挟持部材は、長さ方向に直交する断面積が他の部分よりも小さい応力集中部を有しており、前記歪センサが、前記応力集中部に配されていることを特徴とするものである。
この発明に係るピンセットにおいては、試料を挟持したときに、棒状挟持部材に働く内部応力は、断面積が小さい応力集中部に集中的に作用する。これにより、試料を微小な挟持力で挟持したとしても、歪センサは大きな電気特性の変化として検出が行える。従って、より高精度に棒状挟持部材の挟持力を検出することができる。
Further, the tweezers of the present invention is the above-described tweezers of the present invention, wherein the rod-shaped holding member has a stress concentration portion whose cross-sectional area perpendicular to the length direction is smaller than other portions, and the strain sensor is It is arranged in the stress concentration part.
In the tweezers according to the present invention, when the sample is clamped, the internal stress acting on the rod-shaped clamping member acts intensively on the stress concentration portion having a small cross-sectional area. Thereby, even if the sample is clamped with a very small clamping force, the strain sensor can detect it as a large change in electrical characteristics. Therefore, it is possible to detect the clamping force of the rod-shaped clamping member with higher accuracy.
また、本発明のピンセットは、上記本発明のピンセットにおいて、前記棒状挟持部材が、前記歪センサの基端側を2つに分岐する位置に貫通孔を有しており、前記歪センサの基端側には、前記貫通孔を挟んで配線が電気的に接続されていることを特徴とするものである。
この発明に係るピンセットにおいては、歪センサの基端側が2つに分岐していると共に、基端側のそれぞれに配線が電気的に接続されているので、配線と歪センサとがU字状となるように配される。これにより、一方の配線から歪センサを介して他方の配線に流れる電流の電流路が確保される。つまり、歪センサの基端側から先端側までの全領域に亘って電流を流すことができるので、試料を挟持したときに電気特性を感度良く検出でき、更なる高精度化を図ることができる。
Further, the tweezers of the present invention is the tweezers of the present invention, wherein the rod-shaped holding member has a through hole at a position where the base end side of the strain sensor branches into two, and the base end of the strain sensor A wiring is electrically connected to the side with the through hole interposed therebetween.
In the tweezers according to the present invention, since the base end side of the strain sensor is branched into two, and the wiring is electrically connected to each of the base end side, the wiring and the strain sensor are U-shaped. It is arranged to become. Thereby, a current path for a current flowing from one wiring to the other wiring via the strain sensor is secured. In other words, since current can flow over the entire region from the proximal end side to the distal end side of the strain sensor, electrical characteristics can be detected with high sensitivity when the sample is sandwiched, and higher accuracy can be achieved. .
また、本発明のピンセットは、上記本発明のいずれかのピンセットにおいて、前記歪センサが、前記半導体材料に不純物を添加したピエゾ抵抗体であることを特徴とするものである。
この発明に係るピンセットにおいては、歪センサが、半導体材料に、不純物を熱拡散法やイオン注入法により添加したピエゾ抵抗体であるので、半導体プロセスにより小型且つ高精度の歪センサを得ることができる。
The tweezers of the present invention is characterized in that, in any of the tweezers of the present invention, the strain sensor is a piezoresistor in which an impurity is added to the semiconductor material.
In the tweezers according to the present invention, since the strain sensor is a piezoresistor in which impurities are added to a semiconductor material by a thermal diffusion method or an ion implantation method, a small and highly accurate strain sensor can be obtained by a semiconductor process. .
また、本発明のピンセットは、上記本発明のいずれかのピンセットにおいて、前記挟持面には、電気的にグランド接続可能な導電膜が形成されていることを特徴とするものである。
この発明に係るピンセットにおいては、試料が静電気を帯電していたとしても、導電膜をグランド接続可能であるので、静電気を逃がすことができる。従って、従来のように、挟持面と試料とが静電気によりくっつくことが防止できるので、試料の挟持及び挟持の解放を行い易い。また、例えば、FIB中であったとしても、導電膜によりチャージアップを低減して像の歪みが抑えられるので、試料を挟持し易い。
The tweezers according to the present invention is characterized in that, in any of the tweezers according to the present invention, a conductive film capable of being electrically connected to the ground is formed on the clamping surface.
In the tweezers according to the present invention, even if the sample is charged with static electricity, the conductive film can be connected to the ground, so that static electricity can be released. Therefore, as in the prior art, the clamping surface and the sample can be prevented from sticking to each other due to static electricity, so that the sample can be easily clamped and released. Further, for example, even in the FIB, the charge-up is reduced by the conductive film and the distortion of the image is suppressed, so that the sample is easily sandwiched.
また、本発明のピンセットは、上記本発明のいずれかのピンセットにおいて、前記挟持面は、前記試料を挟持したときに、互いに平行状態となるように形成されていることを特徴とするものである。
この発明に係るピンセットにおいては、試料を挟持したときに、互いの挟持面が平行状態となるので、面接触で試料を挟持できる。従って、挟持面と試料との接触面積が増え、より安定して試料を挟持することができる。
The tweezers of the present invention is characterized in that, in any of the tweezers of the present invention, the clamping surfaces are formed so as to be parallel to each other when the sample is clamped. .
In the tweezers according to the present invention, when the sample is clamped, the clamping surfaces of each other are in a parallel state, so that the sample can be clamped by surface contact. Therefore, the contact area between the clamping surface and the sample increases, and the sample can be clamped more stably.
また、本発明のマニュピレータシステムは、上記本発明のいずれかのピンセットと、前記歪センサよりも基端側に配され、互いの前記挟持面を接近させるように少なくとも一方の前記棒状挟持部材を他方の棒状挟持部材に移動可能な移動機構と、前記ピンセットを保持して任意の位置に移動可能なマニュピレータと、前記歪センサの測定値が所定の値に達したときに、前記一対の棒状挟持部材の接近を停止するように前記移動機構を制御する制御部とを備えることを特徴とするものである。 Further, the manipulator system of the present invention is arranged at a proximal end side with respect to any of the tweezers of the present invention and the strain sensor, and at least one of the rod-shaped clamping members is disposed so as to make the clamping surfaces close to each other. A movable mechanism that can move to the rod-shaped clamping member, a manipulator that holds the tweezers and can move to an arbitrary position, and the pair of rod-shaped clamping members when the measured value of the strain sensor reaches a predetermined value And a control unit for controlling the moving mechanism so as to stop the approach.
この発明に係るマニュピレータシステムにおいては、マニュピレータにより所望する位置にピンセットを移動させた後、移動機構により、少なくとも一方の棒状挟持部材を他方の棒状挟持部材に移動させることで、互いの挟持面同士を接近させて試料の挟持が行える。この際、移動機構は、歪センサよりも基端側に配されると共に、該位置で棒状挟持部材を移動させるので、歪センサは、移動機構の影響を受けずに確実に棒状挟持部材に働く歪の検出を行える。従って、高精度に試料の挟持力を検出することができる。
また、制御部は、歪センサの測定値が所定の値に達したとき、即ち、挟持力が一定の値になったときに移動機構を停止させるので、最適な挟持力で試料を挟持することができる。従って、試料及びピンセットに余計な負荷を与えないので、試料にキズ等をつけないばかりかピンセットの信頼性、耐久性を向上させることができる。
In the manipulator system according to the present invention, after moving the tweezers to a desired position by the manipulator, the moving mechanism moves at least one of the rod-shaped clamping members to the other rod-shaped clamping member so that the clamping surfaces of each other are moved. The sample can be clamped by approaching. At this time, since the moving mechanism is arranged on the proximal end side with respect to the strain sensor and moves the rod-shaped holding member at the position, the strain sensor surely works on the rod-shaped holding member without being influenced by the moving mechanism. Distortion can be detected. Therefore, the clamping force of the sample can be detected with high accuracy.
In addition, the control unit stops the moving mechanism when the measured value of the strain sensor reaches a predetermined value, that is, when the clamping force reaches a certain value, so that the sample can be clamped with the optimal clamping force. Can do. Therefore, since an extra load is not applied to the sample and the tweezers, not only the sample is not scratched but also the reliability and durability of the tweezers can be improved.
この発明のマニュピレータシステムは、上記本発明のマニュピレータシステムにおいて、前記一対の棒状挟持部材の近傍に、前記半導体材料により形成されて前記歪センサと同じリファレンス用センサを内蔵したリファレンス用のピンを備えていることを特徴とするものである。
この発明に係るマニュピレータシステムにおいては、リファレンス用のピンを備えているので、一対の棒状挟持部材周囲の温度変化等の環境条件により発生する電気特性の影響を相殺でき、より正確な棒状挟持部材の歪の測定を行うことができる。
The manipulator system according to the present invention is the manipulator system according to the present invention, further comprising a reference pin that is formed of the semiconductor material and includes the same reference sensor as the strain sensor, in the vicinity of the pair of rod-shaped holding members. It is characterized by being.
In the manipulator system according to the present invention, since the reference pin is provided, it is possible to cancel the influence of the electrical characteristics caused by environmental conditions such as temperature change around the pair of rod-shaped holding members, and the more accurate rod-shaped holding member Strain measurement can be performed.
また、本発明のピンセットは、電子顕微鏡観察用の試料を挟持可能なピンセットであって、それぞれ対向する側の先端に前記試料を挟持する挟持面を有する一対の棒状挟持部材を備え、前記一対の棒状挟持部材が、前記挟持面の基端側に挟持面と電気的に独立した状態で互いに対向して配された導電部と、これら導電部間の静電容量を測定する静電容量センサとを備えていることを特徴とするものである。 Further, the tweezers of the present invention are tweezers capable of holding a sample for observing an electron microscope, and each of the tweezers includes a pair of rod-like holding members each having a holding surface for holding the sample at the tip on the opposite side. Conductive portions in which the rod-shaped sandwiching member is disposed on the base end side of the sandwiching surface so as to face each other while being electrically independent of the sandwiching surface, and a capacitance sensor that measures the capacitance between these conductive portions It is characterized by having.
この発明に係るピンセットにおいては、一対の棒状挟持部材を接近、即ち、互いに対向して配された導電部同士を接近させると、静電容量センサが、両者の距離に応じた導電部間の静電容量の変化を測定する。例えば、一対の棒状挟持部材が接近するにつれて、静電容量が増大するので、一対の棒状挟持部材がまだ試料を挟持する前の状態であることの検出が行える。そして、挟持面の間で試料を挟持した場合には、一対の棒状挟持部材の距離の変化がなくなるので、静電容量センサが、導電部間の静電容量の変化がなくなったことを検出する。これにより、一対の棒状挟持部材の試料を挟持したことを容易且つ確実に検出することができる。従って、従来のように試料を強く挟持しすぎたり、挟持したつもりが挟持できていなかった等の不具合がなく、操作者に関係なく確実に所定の挟持力で試料を挟持することができる。また、一対の棒状挟持部材を半導体材料により形成することで、小型に作製することができる。 In the tweezers according to the present invention, when the pair of rod-shaped holding members are brought close to each other, that is, when the conductive parts arranged opposite to each other are brought close to each other, the capacitance sensor causes the static electricity between the conductive parts according to the distance between the two. Measure the change in capacitance. For example, since the capacitance increases as the pair of rod-shaped holding members approaches, it can be detected that the pair of rod-shaped holding members are still in a state before holding the sample. When the sample is clamped between the clamping surfaces, the distance between the pair of rod-shaped clamping members is not changed, so that the capacitance sensor detects that the capacitance between the conductive portions is not changed. . Thereby, it can detect easily and reliably that the sample of a pair of rod-shaped clamping member was clamped. Therefore, there is no problem that the sample is strongly clamped as in the prior art, or the intention that the sample has been clamped has not been clamped, and the sample can be securely clamped with a predetermined clamping force regardless of the operator. In addition, the pair of rod-like holding members can be made small by being formed of a semiconductor material.
また、本発明のピンセットは、上記本発明のピンセットにおいて、前記一対の棒状挟持部材は、基端部から先端に向けて2つに分岐するように形成されており、外側の分岐部の先端に前記挟持面が配され、内側の分岐部が前記導電部とされていることを特徴とするものである。
この発明に係るピンセットにおいては、一対の棒状挟持部材が2つに分岐しているので、外側の分岐部の挟持面で試料を挟持したときに、内側の分岐部、即ち、導電部同士は接近可能となっている。これにより、所定の静電容量の値を予め設定しておくことで、所定の挟持力で試料を挟持することが可能である。従って、試料に応じた挟持力を自由に設定することができる。
Further, the tweezers of the present invention is the tweezers of the present invention described above, wherein the pair of rod-shaped holding members are formed so as to branch into two from the base end portion toward the tip end, and at the tip end of the outer branch portion. The clamping surface is arranged, and an inner branch portion is the conductive portion.
In the tweezers according to the present invention, since the pair of rod-like holding members are branched into two, when the sample is held by the holding surface of the outer branching portion, the inner branching portion, that is, the conductive portions are close to each other. It is possible. Thereby, the sample can be clamped with a predetermined clamping force by setting a predetermined capacitance value in advance. Therefore, the clamping force according to the sample can be set freely.
また、本発明のピンセットは、上記本発明のピンセットにおいて、前記挟持面には、電気的にグランド接続可能な導電膜が形成されていることを特徴とするものである。
この発明に係るピンセットにおいては、試料が静電気を帯電していたとしても、導電膜をグランド接続可能であるので、静電気を逃がすことができる。従って、従来のように、挟持面と試料とが静電気によりくっつくことが防止できるので、試料の挟持及び挟持の解放を行い易い。また、例えば、FIB中であったとしても、導電膜によりチャージアップを低減して像の歪みが抑えられるので、試料を挟持し易い。
The tweezers of the present invention is characterized in that, in the tweezers of the present invention, a conductive film capable of being electrically grounded is formed on the clamping surface.
In the tweezers according to the present invention, even if the sample is charged with static electricity, the conductive film can be connected to the ground, so that static electricity can be released. Therefore, as in the prior art, the clamping surface and the sample can be prevented from sticking to each other due to static electricity, so that the sample can be easily clamped and released. Further, for example, even in the FIB, the charge-up is reduced by the conductive film and the distortion of the image is suppressed, so that the sample is easily sandwiched.
また、本発明のピンセットは、上記本発明のいずれかのピンセットにおいて、前記挟持面は、前記試料を挟持したときに、互いに平行状態となるように形成されていることを特徴とするものである。
この発明に係るピンセットにおいては、試料を挟持したときに、互いの挟持面が平行状態となるので、面接触で試料を挟持できる。従って、挟持面と試料との接触面積が増えるので、より安定して試料を挟持することができる。
The tweezers of the present invention is characterized in that, in any of the tweezers of the present invention, the clamping surfaces are formed so as to be parallel to each other when the sample is clamped. .
In the tweezers according to the present invention, when the sample is clamped, the clamping surfaces of each other are in a parallel state, so that the sample can be clamped by surface contact. Accordingly, the contact area between the clamping surface and the sample increases, so that the sample can be clamped more stably.
また、本発明のマニュピレータシステムは、上記本発明のいずれかのピンセットと、前記静電容量センサよりも基端側に配され、互いの前記挟持面を接近させるように少なくとも一方の前記棒状挟持部材を他方の棒状挟持部材に移動可能な移動機構と、前記ピンセットを保持して任意の位置に移動可能なマニュピレータと、前記静電容量センサの測定値が所定の値に達したときに、前記一対の棒状挟持部材の接近を停止するように前記移動機構を制御する制御部とを備えることを特徴とするものである。 Further, the manipulator system of the present invention is provided with at least one of the tweezers of the above-described tweezers of the present invention and at least one of the rod-shaped clamping members arranged closer to the proximal end side than the capacitance sensor. When the measured value of the capacitance sensor reaches a predetermined value, a moving mechanism that can move the other pin-shaped holding member, a manipulator that holds the tweezers and can move to an arbitrary position, and And a control unit that controls the moving mechanism so as to stop the approach of the rod-shaped clamping member.
この発明に係るマニュピレータシステムにおいては、マニュピレータにより所望する位置にピンセットを移動させた後、移動機構により、少なくとも一方の棒状挟持部材を他方の棒状挟持部材に移動させることで、互いの挟持面同士を接近させて試料の挟持が行える。この際、移動機構は、静電容量センサよりも基端側に配されると共に、該位置で棒状挟持部材を移動させるので、静電容量センサは、移動機構の影響を受けずに確実に静電容量の検出を行える。従って、高精度に試料の挟持力を検出することができる。
また、制御部は、静電容量センサの測定値が所定の値に達したとき、即ち、挟持力が一定の値になったときに移動機構を停止させるので、最適な挟持力で試料を挟持することができる。従って、試料及びピンセットに余計な負荷を与えないので、試料にキズ等をつけないばかりかピンセットの信頼性、耐久性を向上させることができる。
In the manipulator system according to the present invention, after moving the tweezers to a desired position by the manipulator, the moving mechanism moves at least one of the rod-shaped clamping members to the other rod-shaped clamping member so that the clamping surfaces of each other are moved. The sample can be clamped by approaching. At this time, the moving mechanism is arranged on the base end side with respect to the capacitance sensor, and the rod-shaped clamping member is moved at the position, so that the capacitance sensor is reliably static without being affected by the moving mechanism. Capacitance can be detected. Therefore, the clamping force of the sample can be detected with high accuracy.
In addition, the control unit stops the moving mechanism when the measured value of the capacitance sensor reaches a predetermined value, that is, when the clamping force reaches a certain value, so that the sample is clamped with the optimum clamping force. can do. Therefore, since an extra load is not applied to the sample and the tweezers, not only the sample is not scratched but also the reliability and durability of the tweezers can be improved.
また、本発明のピンセットの製造方法は、電子顕微鏡観察用の試料を挟持可能なピンセットの製造方法であって、半導体基板にフォトリソグラフィ技術によってそれぞれ対向する側の先端に前記試料を挟持する挟持面を有する一対の棒状挟持部材本体をパターン形成する本体形成工程と、前記棒状挟持部材本体に供される領域の一部に不純物を添加して歪センサ部を形成するセンサ部形成工程とを有することを特徴とするものである。 Further, the tweezers manufacturing method of the present invention is a tweezers manufacturing method capable of holding a sample for electron microscope observation, and is a holding surface for holding the sample at the tip opposite to the semiconductor substrate by photolithography technology. A main body forming step of patterning a pair of rod-shaped holding member main bodies having a sensor portion, and a sensor portion forming step of forming a strain sensor portion by adding impurities to a part of a region provided for the rod-shaped holding member main body. It is characterized by.
この発明に係るピンセットの製造方法においては、本体形成工程により、フォトリソグラフィ技術によって一対の棒状挟持部材本体を半導体基板にパターン形成するので、小型且つ高精度のピンセットを容易に形成することができる。また、センサ部形成工程により、不純物を熱拡散法やイオン注入法により添加することで、容易に半導体プロセスを利用してピエゾ抵抗体等の歪センサの形成を行うことができる。上述したように、半導体プロセスによりピンセットを小型且つ高精度に形成することができる。 In the tweezer manufacturing method according to the present invention, the pair of rod-shaped holding member main bodies are patterned on the semiconductor substrate by the photolithography technique in the main body forming step, so that small and highly accurate tweezers can be easily formed. In addition, by adding impurities by a thermal diffusion method or an ion implantation method in the sensor portion formation step, a strain sensor such as a piezoresistor can be easily formed using a semiconductor process. As described above, the tweezers can be formed in a small size and with high accuracy by a semiconductor process.
また、本発明のピンセットの製造方法は、上記本発明のピンセットの製造方法において、前記半導体基板が、シリコン(Si)支持基板と、該Si支持基板上に形成された二酸化ケイ素(SiO2)のBOX層と、該BOX層上に形成されたSi活性層とを有するSOI基板であり、前記本体形成工程が、前記Si活性層をパターンエッチングして前記一対の棒状挟持部材本体を形成するパターンエッチング工程と、該パターンエッチング工程後に前記BOX層及び前記Si支持基板を前記一対の棒状挟持部材本体の基端側を残した状態で除去する除去工程とを有することを特徴とするものである。
この発明に係るピンセットの製造方法においては、パターンエッチング工程を行った後に、除去工程でBOX層及びSi支持基板を除去するので、Si活性層の厚さが薄くても確実に一対の棒状挟持部材を形成することができる。即ち、予め設定された厚さのSi活性層に一対の棒状挟持部材を形成できるので、薄くて高精度なピンセットを確実に形成することができる。
The tweezers manufacturing method of the present invention is the tweezers manufacturing method of the present invention, wherein the semiconductor substrate is made of a silicon (Si) supporting substrate and silicon dioxide (SiO 2 ) formed on the Si supporting substrate. A SOI substrate having a BOX layer and a Si active layer formed on the BOX layer, wherein the body forming step performs pattern etching of the Si active layer to form the pair of rod-shaped holding member bodies. And a removal step of removing the BOX layer and the Si support substrate in a state where the base ends of the pair of rod-shaped holding member main bodies are left after the pattern etching step.
In the tweezers manufacturing method according to the present invention, since the BOX layer and the Si support substrate are removed in the removal step after the pattern etching step, the pair of rod-shaped holding members is surely provided even if the thickness of the Si active layer is thin. Can be formed. That is, since a pair of rod-shaped holding members can be formed in the Si active layer having a preset thickness, a thin and highly accurate tweezer can be reliably formed.
本発明に係るピンセットによれば、確実に所定の挟持力で試料を挟持することができると共に、半導体材料により形成されているので小型に作製することができる。また、歪センサを内蔵しているので、挟持力を高精度に検出することができる。
また、本発明に係るマニュピレータシステムによれば、最適な挟持力で試料を挟持することができると共に、試料にキズ等をつけないばかりかピンセットの信頼性、耐久性を向上させることができる。
また、本発明に係るピンセットの製造方法によれば、半導体プロセスによりピンセットを小型且つ高精度に形成することができる。
According to the tweezers according to the present invention, the sample can be reliably clamped with a predetermined clamping force, and can be manufactured in a small size because it is formed of a semiconductor material. In addition, since the strain sensor is built in, the clamping force can be detected with high accuracy.
In addition, according to the manipulator system according to the present invention, the sample can be clamped with an optimal clamping force, and the reliability and durability of the tweezers can be improved as well as not scratching the sample.
Further, according to the tweezer manufacturing method of the present invention, the tweezers can be formed in a small size and with high accuracy by a semiconductor process.
以下、本発明に係るピンセット及びマニュピレータシステムの第1実施形態を、図1から図21を参照して説明する。
本実施形態のマニュピレータシステム1は、図1及び図2に示すように、透過型電子顕微鏡(電子顕微鏡)Aと、ウエハ状の試料基板2から透過型電子顕微鏡Aによる観察用の試料3を作製する試料作製装置Bと、作製した試料3を挟持可能なピンセット4と、ピンセット4を保持して任意の位置に移動可能なマニュピレータ5とを備えており、これら各構成品は、真空ポンプPにより内部を真空状態に設定可能なチャンバ6に設けられている。
A first embodiment of a tweezers and manipulator system according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
The manipulator system 1 of the present embodiment is a transmission electron microscope (electron microscope) A and a
上記透過型電子顕微鏡Aは、上記試料3を載置するホルダであるメッシュ10、該メッシュ10をXY方向(水平方向)及び鉛直方向(Z方向)に移動させる移動機構11、メッシュ10上に載置された試料3に向けて図示しない集束レンズにより電子線(電子ビーム)を平行に照射する電子銃12、試料3を透過した電子線を拡大及び結像させる図示しない各種レンズ及び電子線の観察等を行う図示しない観察系を備えている。なお、移動機構11は、制御部15によって制御されるようになっている。
The transmission electron microscope A is placed on a
上記試料作製装置Bは、上記試料3の加工や画像観察を行うための集束イオンビーム(FIB)照射光学系20、該集束イオンビーム照射光学系20により試料3から放出される2次電子や2次イオン等を検出する2次粒子検出器21、FIBの照射領域にデポジション膜を形成するための原材料ガスを供給するデポガス源22及び上記試料基板2を上面に固定可能なステージ23を備えている。
The sample preparation apparatus B includes a focused ion beam (FIB) irradiation
上記集束イオンビーム照射光学系20は、例えば、液体金属イオン源から放出したイオンを図示しないビーム制限アパチャ、集束レンズ及び対物レンズを通すことで、約1μm程度のFIBを照射できるようになっている。また、集束イオンビーム照射光学系20は、図示しない偏向器によりFIBの照射角度を偏向させながら試料基板2上を走査する機能を有しており、試料基板2にスパッタリングによる凹部を形成したり、凹部形成だけでなくFIBアシストデポジションによる凸部形成等もできるようになっている。
上記2次粒子検出器21は、検出した2次電子や2次イオン等を図示しない表示器に表示する機能を有しており、試料3の加工領域等を観察できるようになっている。
上記ステージ23は、チャンバ6の底面上に固定されたベース24上に、XY方向及びZ方向に移動可能可能であると共に、XY軸回りの回転及びZ軸回りの回転が可能となるように取り付けられている。なお、ステージ23は、制御部15によって制御されるようになっている。
また、ベース24には、ステージ23以外に、複数の上記ピンセット4を収納するホルダ25が取り付けられている。なお、ホルダ25の位置は、ベース24上に限られるものではなく、チャンバ6内であればどこでも構わない。
The focused ion beam irradiation
The
The
In addition to the
上記ピンセット4は、図3に示すように、半導体材料により形成され、それぞれ対向する側の先端に試料3を挟持する挟持面31a、32aを有する一対のピン(棒状挟持部材)31、32を備えている。また、本実施形態においては、一対のピン31、32のそれぞれが、半導体材料の特性に応じて電気的特性が変化するピエゾ抵抗体(歪センサ)33、34を内蔵している。なお、このピエゾ抵抗体33、34は、半導体材料に不純物を添加したものである。このピエゾ抵抗体33、34を含むピンセット4の製造方法については、後に詳細に説明する。
一対のピン31、32は、共に基端側が後述するSi支持基板61及びBOX層62上に固定されており、これらSi支持基板61及びBOX層62から先端が突出するように所定間隔離間して隣接配置されている。
As shown in FIG. 3, the
The pair of
各ピン31、32は、図4及び図5に示すように、略中間位置に長さ方向に直交する断面積が他の部分よりも小さい応力集中部35を有している。即ち、応力集中部35の横幅Hは、他の部分の横幅H1よりも小さくなるように形成されている(H<H1)。この応力集中部35に、上記ピエゾ抵抗体33、34が配されている。
また、各ピン31、32は、ピエゾ抵抗体33、34の基端側を2つに分岐する位置に貫通孔36を有している。これによりピエゾ抵抗体33、34は、上面視略コ型形状となっている。そして、ピエゾ抵抗体33、34の2つに分岐した基端側には、それぞれ貫通孔36を挟むように配線37が電気的に接続されている。
更に、各ピン31、32には、上面以外の面に電気的にグランド接続可能な導電膜38が形成されている。これにより、互いに対向する面、即ち、上記挟持面31a、32aの表面には、導電膜38が形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, each
Each
Further, each of the
上記ピンセット4は、図6に示すように、エポキシ基板等の実装基板40の先端側に、基端側が載置された状態で実装されている。また、上記配線37や導電膜38は、基板配線41によって実装基板40の基端側に設けられた銅等からなる電極42に電気的に接続されている。なお、基板配線41は、封止用樹脂43によって保護されている。このピンセット4と実装基板40とで、ピンセットASSY45を構成している。
上記ホルダ25は、図7に示すように、ピンセット4の横幅より大きく、且つ、実装基板40の横幅より小さく形成された収納凹部25aを複数備えている。つまり、収納凹部25a内にピンセット4を挿入した状態でピンセットASSY45を載置できるようになっている。また、ピンセットASSY45を載置した際、図示しない爪部が実装基板40に嵌合して所定の力でピンセットASSY45を保持できるようになっている。
As shown in FIG. 6, the
As shown in FIG. 7, the
上記マニュピレータ5は、図1に示すように、XY方向及びZ方向に移動可能な移動台50上に固定されており、3次元的な動作が可能な多関節アーム51を備えている。なお、移動台50は、制御部15によって作動が制御されている。また、マニュピレータ5は、多関節アーム51の先端に、図7に示すように、上記実装基板ASSY45に接続可能なコネクタ部52を有している。このコネクタ部52は、先端側の内部に実装基板40の基端側に嵌合すると共に所定の力で実装基板40を保持する図示しない爪部を備えている。なお、この爪部は、実装基板40の電極42の接点となっている。
これにより、マニュピレータ5は、ホルダ25に載置されている実装基板ASSY45を、コネクタ部52により電気的に接続した状態で保持した後、多関節アーム51により任意の位置に移動できるようになっている。また、ピンセットASSY45を収納凹部25aに載置した際、収納凹部25aの爪部が実装基板40を保持するので、ピンセットASSY45をコネクタ部52から離間させることができる。
As shown in FIG. 1, the
As a result, the
また、マニュピレータシステム1は、図2に示すように、ピエゾ抵抗体33、34よりも基端側に配され、互いの挟持面31a、32aを接近させるように少なくとも一方のピン31(32)を他方のピン32(31)に向けて移動可能なピン用マニュピレータ(移動機構)55を有している。なお、本実施形態では、ピン用マニュピレータ55は、一対のピン31、32の両方を共に移動させるようになっている。このピン用マニュピレータ55は、上記マニュピレータ5の先端に設けても構わないし、例えば、ベース34上に別個に設けても構わない。
これらピン用マニュピレータ55及びマニュピレータ5は、上記制御部15により作動が制御されるようになっている。また、ピエゾ抵抗体33、34で測定した測定値は、マニュピレータ5を介して制御部15に送られるようになっている。
Further, as shown in FIG. 2, the manipulator system 1 is arranged on the base end side with respect to the
The operations of the
制御部15は、図8に示すように、検出回路15a、差動増幅部15bを有しており、ピエゾ抵抗体33、34から送られた測定値が所定の値に達したときに、上記一対のピン31、32の接近を停止するように、ピン用マニュピレータ55をフィードバック制御するようになっている。この際、検出回路15a及び差動増幅部15bには、図6に示すように、一対のピン31、32の近傍に配され、半導体材料により形成されピエゾ抵抗体33、34と同じリファレンス用センサを内蔵したリファレンスピン56からの測定値がリファレンス値(参照値)として入力されるようになっている。
更に、制御部15は、上述した各構成品を総合的に制御する機能を有している。
As shown in FIG. 8, the
Furthermore, the
ここで、上記ピンセット4の製造方法を以下に説明する。
本実施形態のピンセット4は、半導体基板60にフォトリソグラフィ技術によって上記一対のピン31、32本体をパターン形成する本体形成工程と、一対のピン31、32本体に供される領域の一部に不純物を添加して上記ピエゾ抵抗体33、34を形成するセンサ部形成工程とを有している。
なお、本実施形態では、上記半導体基板60は、図9に示すように、シリコン(Si)支持基板(例えば、厚さ数100μm)61と、該Si支持基板61上に形成された二酸化ケイ素(SiO2)のBOX層62と、該BOX層63上に形成されたSi活性層(例えば、厚さ1μm〜10μm)63とを有するSOI(Silicon On Insulater)基板として説明する。
また、上記本体形成工程は、Si活性層63をパターンエッチングして一対のピン31、32本体を形成するパターンエッチング工程と、該パターンエッチング工程後にBOX層62及びSi支持基板61を一対のピン31、32本体の基端側を残した状態で除去する除去工程とを有している。
これら各工程については、以下に詳細に説明する。
Here, the manufacturing method of the
The
In the present embodiment, as shown in FIG. 9, the
The body forming step includes a pattern etching step of pattern-etching the Si
Each of these steps will be described in detail below.
初めに、図9に示すように、半導体基板60の表面及び裏面を熱酸化することにより、シリコン酸化膜(SiO2)64、65を形成する。
次に、表面のシリコン酸化膜64に、エッチングマスクとなる図示しないフォトレジスト膜を、フォトリソグラフィ技術によって図10に示す一対のピン31、32の形状でパターニングする。この際、上記応力集中部35及び貫通孔36も同時にパターニングする。そして、フォトレジスト膜をマスクとしてエッチングすることで、シリコン酸化膜64が一対のピン31、32の形状でパターニングされる。なお、レジストはポジでもネガでも構わない。また、フォトレジスト膜をマスクとしてフッ酸溶液(BHF)を用いてシリコン酸化膜64を溶液エッチングしても構わない。
First, as shown in FIG. 9, silicon oxide films (SiO 2 ) 64 and 65 are formed by thermally oxidizing the front surface and the back surface of the
Next, a photoresist film (not shown) serving as an etching mask is patterned on the
続いて、マスクとしていたフォトレジスト膜を除去した後、シリコン酸化膜64をマスクとして、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)やDRIE(Deep Reactive Ion Etching)を行って、マスクされていないSi活性層63を選択的に除去する。この際、RIEやDRIEは、Si活性層63下のBOX層62でストップするように反応速度等が設定されている。そして、マスクとしていたシリコン酸化膜64を除去することで、図10に示すように、Si活性層63が一対のピン31、32の形状にパターニングされる。なお、この工程は上記パターンエッチング工程である。
Subsequently, after removing the photoresist film used as a mask, reactive ion etching (RIE) and DRIE (Deep Reactive Ion Etching) are performed using the
次に、上記センサ部形成工程を行う。即ち、Si活性層63上に、ピエゾ抵抗体33、34を形成する領域、即ち、応力集中部35を含むと共に基端側が貫通孔36により2つに分岐される領域を開口させて図示しないフォトレジスト膜を形成した後、開口部分からイオン注入法により不純物(ドーパント)を添加(ドーピング)してピエゾ抵抗体33、34を形成する。なお、本実施形態では、N型のSi活性層63にボロン(B)やガリウム(Ga)等のP+イオンをドーピングしてピエゾ抵抗体33、34を形成する。なお、この場合に限られず、P型のSi活性層63を用いた場合には、リン(P)やヒ素(As)等のn+イオンをドーピングする。つまり、Si活性層63に対して極性が異なるように、ピエゾ抵抗体33、34を形成する。そして、フォトレジスト膜を除去することで、図11に示すように、応力集中部35にピエゾ抵抗体33、34が形成される。この際、ピエゾ抵抗体33、34の基端部より貫通孔36の基端部の方が、ピンセット4の基端側(紙面に対して右側)に突出するようになっている。特に、上述した貫通孔36のパターニングを行う際、ピエゾ抵抗体33、34と貫通孔36との位置関係がこのようになるように、貫通孔36の基端部がピンセット4の基端側に近づくように予め所定の長さを有するようにパターニングすることが好ましい。
なお、P型のSi活性層63にボロンやガリウムをドーピングしたり、N型のSi活性層63にリンやヒ素をドーピングしても良い(抵抗値が元のSiよりも下がっていれば良い)。
Next, the sensor part forming step is performed. That is, on the Si
The P-type Si
上記センサ部工程が終了後、不純物のドライブイン(拡散)を行った後、図12に示すように、ピエゾ抵抗体33、34の2つに分岐した基端部からSi活性層63の基端側までの領域に、酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(SiN)等の層間絶縁膜66を形成する。層間絶縁膜66の形成後、ピエゾ抵抗体33、34の2つに分岐した基端部にそれぞれアクセスできるように層間絶縁膜66の先端にコンタクトホール67を形成する。
コンタクトホール67の形成後、図13に示すように、層間絶縁膜66上の各コンタクトホール67とSi活性層63の基端側との間に、アルミニウム(Al)等の金属により導電層をパターニングすることで、上記配線37を形成する。
After the sensor part process is completed, after impurity drive-in (diffusion) is performed, as shown in FIG. 12, the base end of the Si
After the
次に、シリコン基板60の裏面側のシリコン酸化膜65に、図示しないフォトレジスト膜をパターニングして、図14に示すように、シリコン酸化膜65を基端側に残るようにパターニングする。パターニング後、図15に示すように、BOX層62及びSi活性層63を覆うようにフォトレジスト膜68を塗布して保護膜を形成する。そして、パターニングしたシリコン酸化膜65をマスクとして、水酸化カリウム(KOH)やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)等のアルカリ性エッチャントによる異方性エッチング、又は、DRIEによりSi支持基板61をエッチングにより基端側を残した状態で除去する。
その後、図16に示すように、フォトレジスト膜68を除去すると共に、BHF等によりBOX層62を、同様に基端側を残した状態で除去する。なお、この工程が上記除去工程である。
Next, a photoresist film (not shown) is patterned on the
Thereafter, as shown in FIG. 16, the
そして、最後に図17に示すように、スパッタや真空蒸着により、一対のピン31、32の裏面及び側面から基端側の裏面の亘る領域に、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)等の金属で上記導電膜38を形成する。また、導電膜38は、一層に限らず、例えば、Ti/Au(密着層として最初にTiを成膜し、その上に金(Au)を成膜)からなる2層でも構わない。また、2層の場合は、Cr/Au、Ti/白金(Pt)、Cr/Ptでも構わない。
これにより、図3に示されるピエゾ抵抗体33、34を内蔵したピンセット4を半導体技術により製造することができる。
Finally, as shown in FIG. 17, aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (in the region extending from the back and side surfaces of the pair of
Thereby, the
次に、このように構成されたマニュピレータシステム1により、試料基板2から試料3を作製した後、ピンセット4により試料3を挟持する場合について説明する。
まず、真空ポンプPによってチャンバ6内を真空状態にした後、ステージ23により試料基板2を集束イオンビーム照射光学系20のFIB照射位置に位置決めする。位置決め後、デポガス源22により試料基板3のFIB照射領域に、例えば、ヘキサカルボニルタングステン(W(CO)6)等のガスを吹き付けて、保護膜を形成した後、集束イオンビーム照射光学系20から試料基板2上にFIBを照射する。この際、FIBの照射角度を偏向させると共に、ステージ23をXY軸、Z軸回りに傾斜させて、図18及び図19に示すように、試料基板3に切り込み加工を行って、例えば、厚さ1μm、高さ5μm、幅10μmの寸法の試料3を作製する。なお、この際、試料3は、底面も切り離されており、FIBの照射によって、試料基板2と試料3との間に働く静電気力によって立設している状態である。また、この試料3の作製は、2次粒子検出器21により検出された2次電子や2次イオオン等に基づいた観察画像を見ながら行われる。
Next, a case where the
First, after the inside of the
試料3の作製後、移動台50によりマニュピレータ5を所定位置に移動させた後、多関節アーム51により先端のピンセット4を移動させ、図18に示すように、試料3を間に挟むように一対のピン31、32を位置させる。このピンセット4の位置決めは、上述した2次粒子検出器21による観察画像を見ながら行われる。この際、挟持面31、32aには、導電膜38が形成されているので、ピンセット4のチャージアップが低減して観察象の歪みを抑えることができ、良好な観察像を得ることができる。
一対のピン31、32の位置決め後、図2に示すように、ピン用マニュピレータ55により互いの挟持面31a、32aが接近するように、一対のピン31、32の基端側を移動させる。即ち、一対の31、32は、図20に示すように、基端側を中心として、先端が円弧を描くように移動する。そして、挟持面31a、32aの更なる接近によって、図21に示すように、試料3を挟持する。
After the preparation of the
After the positioning of the pair of
試料3を挟持すると、一対のピン31、32の内部に応力が働いて歪が生じる。この際、一対のピン31、32は、半導体材料であるシリコンにより形成されているので、特有の電気特性の変化、即ち、抵抗値が変化する。そして、ピエゾ抵抗体33、34がこの抵抗値変化を検出するので、試料3を確実に挟持したことを検出することができる。特に、ピエゾ抵抗体33、34が、N型のイオンが注入され、Si活性層63がP型である場合、コンタクトホール67を通して流される電流が、ドーピングされた領域以外に漏れることが少なくなり、ピエゾ抵抗体33、34は、ピンセット31、32の基板であるSi活性層63と異なる電極であるので、ピンセット31、32全体の抵抗が下がり感度良く歪の検出が行える。
また、ピエゾ抵抗体33、34は、応力集中部35に配されているので、僅かな保持力によって生じる歪みを大きな抵抗変化として検出することができ、高精度に挟持力を検出することができる。
更に、ピエゾ抵抗体33、34及び電線37は、貫通孔36を挟んでU字状になるようになるように形成されているので、基端側から先端側の亘る領域に電流路が確保されて確実且つ高精度に抵抗値変化の検出が行えることからも、高精度に挟持力を検出することができる。
When the
Further, since the piezoresistors 33 and 34 are arranged in the
Further, since the piezoresistors 33 and 34 and the
また、制御部15は、ピエゾ抵抗体33、34で測定された測定値が所定の値に達したときに、ピン用マニュピレータ55を停止するよう制御するので、最適な挟持力で試料3の挟持が行える。これにより、例えば、ピンセット4の形状、試料3の形状、硬度、材質等に応じた最適な挟持力で、試料3を挟持することができる。従って、試料3及びピンセット4に余計な負荷を与えないので、試料3にキズ等をつけないばかりかピンセット4の信頼性、耐久性を向上させることができる。
更に、制御部15は、リファレンスピン56からリファレンス値が入力されるので、一対のピン31、32周囲の温度変化等の環境条件により発生する電気特性の影響を相殺でき、より正確な抵抗値変化の検出を行うことができる。
Further, since the
Further, since the reference value is input from the
ピンセット4により試料3を挟持した後、移動台50、多関節アーム51及び移動機構11によりピンセット4とメッシュ10とを相対移動させて、試料3をメッシュ10上に位置させる。そして、ピン用マニュピレータ55により一対のピン31、32の接近状態を解き、メッシュ10上に試料3を載置する。この際、挟持面31a、32aには、グランド接続された導電膜38が形成されているので、静電気の影響を受けずに、容易に試料3を離すことできる。その後、電子銃12により試料3に電子線を照射して透過型観察顕微鏡Aにより試料3の観察を行う。特に、本実施形態のマニュピレータシステム1では、真空状態に設定されたチャンバ6内から試料3を外部に出すことがないので、試料3を紛失したり、試料3の表面に酸化膜等が形成されることを防止することができる。
After pinching the
更に、ピンセット4は、本体形成工程により、フォトリソグラフィ技術によって一対のピン31、32をSi活性層63にパターン形成するので、小型且つ高精度のピンセット4を容易に形成することができる。また、センサ部形成工程により、不純物を熱拡散法やイオン注入法により添加することで、容易に半導体プロセスを利用してピエゾ抵抗体33、34の形成を行うことができる。つまり、半導体プロセスによりピンセット4を小型且つ高精度に形成することができる。
また、本体形成工程の際、パターンエッチング工程を行った後に、除去工程でBOX層62及びSi支持基板61を除去するので、薄くて高精度なピンセット4を確実に形成することができる。
Further, the
Further, since the
また、ピンセット4を交換する際は、ホルダ25の収納凹部25a内にピンセット4を挿入した状態でピンセットASSY45をコネクタ部52から外し、ホルダ25に載置されている他のピンセットASSY45を再度コネクタ部52に取り付けれることができる。こうすることで、仮にピンセット4に不具合が生じたとしても該ピンセット4を容易にチャンバ6内で交換できると共に、試料3の種類に応じたピンセット4を適時選択して使用することができる。
When exchanging the
上述したように、本発明のピンセット4によれば、確実に所定の挟持力で試料3を挟持することができると共に、半導体材料により形成されているので小型に作製することができる。また、ピエゾ抵抗体33、34を内蔵しているので、挟持力を高精度に検出することができる。
また、本発明のマニュピレータシステム1によれば、最適な挟持力で試料を挟持することができると共に、試料3にキズ等をつけないばかりかピンセット4の信頼性、耐久性を向上させることができる。
As described above, according to the
Further, according to the manipulator system 1 of the present invention, the sample can be clamped with an optimal clamping force, and the reliability and durability of the
次に、本発明に係るピンセットの第2実施形態を、図22及び図23を参照して説明する。なお、第2実施形態において、第1実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、ピンセット4がピエゾ抵抗33、34により一対のピン31、32に働く歪を検出することで、挟持力を検出していたのに対し、第2に実施形態のピンセット70は、静電容量により挟持力を検出する点である。
Next, a second embodiment of the tweezers according to the present invention will be described with reference to FIGS. Note that in the second embodiment, identical symbols are assigned to configurations identical to those in the first embodiment and descriptions thereof are omitted.
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that in the first embodiment, the
即ち、本実施形態のピンセット70は、図22及び図23に示すように、それぞれ対向する側の先端に試料3を挟持する挟持面71a、72aを有する一対のピン(棒状挟持部材)71、72を備え。該一対のピン71、72が、挟持面71a、72aの基端側に挟持面71a、72aと電気的に独立した状態で互いに対向して配された導電部73、74と、これら導電部73、74間の静電容量を測定する静電容量センサ75とを備えている。なお、図22及び図23は、片側のピン71(72)のみを示している。
That is, the
上記一対のピン71、72は、基端部から先端に向けて2つに分岐するように形成されており、外側の分岐部76、77の先端に上記挟持面71a、72aが配されている。また、内側の分岐部が上記導電部73、74となっている。
また、本実施形態のピンセット70は、半導体材料に限られものではないが、絶縁材料であることが好ましい。例えば、母材としてシリコン、SiO2、ダイヤモント等を採用し、その表面にスパッタ法や蒸着法によりAl、Au、Ti等の金属で導電膜78を形成する。なお、この導電膜78は、挟持面71a、72aを電気的にグランド接続可能な導電膜として機能する。また、ピンセット71、72を半導体材料により形成することで、上記導電部73、74を、例えば、ドライエッチング等により形成することができる。
上記静電容量センサ75は、導電部73、74の先端に形成されており、例えば、金属等を蒸着して形成する。なお、ピンセット71、72を半導体材料により形成することで、第1実施形態と同様にドーピングにより形成することが可能である。
The pair of pins 71 and 72 are formed to branch into two from the proximal end portion toward the distal end, and the clamping surfaces 71a and 72a are arranged at the distal ends of the outer branch portions 76 and 77. . Further, the inner branch portions are the conductive portions 73 and 74.
Further, the
The
このように構成されたピンセット70により試料3を挟持する場合について説明する。
一対のピン71、72をピン用マニュピレータ55により接近、即ち、導電部73、74同士を接近させると、静電容量センサ75が両者の距離に応じた導電部73、74の静電容量の変化を測定する。例えば、一対のピン71、72が接近するにつれて静電容量が増大するので、一対のピン71、72がまだ試料3を挟持する前の状態であることを検出できる。
そして、試料3を挟持した場合には、一対のピン71、72の接近が止まり、静電容量の変化がなくなる。従って、静電容量センサ75は、静電容量の変化がなくなったことを検出することで、一対のピン71、72が試料3を挟持したことを容易且つ確実に検出することができる。
また、試料3を挟持したときに、内側の分岐部である導電部73、74は、挟持面71、72aが配されている外側の分岐部76、77とは別に分岐しているので、さらに導電部73、74同士が接近可能な状態である。つまり、試料3を挟持した後でも静電容量の測定が行える。従って、所定の静電容量を予め設定することで、所定の挟持力で試料3を挟持することができ、試料3に応じた挟持力を得ることができる。
A case where the
When the pair of pins 71 and 72 are brought closer to the
When the
Further, when the
上述したように、一対のピン71、72間の距離に応じた静電容量を測定することで、挟持力の測定が行えるので、第1実施形態と同様に、従来のように試料を強く挟持しすぎたり、挟持したつもりが挟持できていなかった等の不具合がなく、操作者に関係なく確実に所定の挟持力で試料を挟持することができる。また、一対のピン71、72を半導体材料により形成することで、小型に作製することができる。 As described above, since the clamping force can be measured by measuring the capacitance according to the distance between the pair of pins 71 and 72, the sample is strongly clamped as in the first embodiment. There is no inconvenience such as excessive or unintentional clamping, and the sample can be securely clamped with a predetermined clamping force regardless of the operator. Further, by forming the pair of pins 71 and 72 from a semiconductor material, the pin can be made small.
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記核実施形態のマニュピレータシステムは、透過型電子顕微鏡をチャンバに備えた構成にしたが、チャンバとは別に設けても構わない。この場合には、ピンセットで試料を挟持した後に、チャンバ外部に設けられたメッシュ上に試料を移送できるように構成されていればかまわない。なお、透過型電子顕微鏡に限られず、電子顕微鏡であれば構わない。
また、ピンセットで試料を挟持してメッシュに移送したが、例えば、図24に示すように、電子顕微鏡用の試料台に一旦固定して再加工しても構わない。この場合には、試料台上に、ピンセットで挟持した試料を載置した状態で、デポガス源よりデポジション用ガスを流出させつつFIBを照射することで、デポジション膜により試料と試料台とを固定させれば良い。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, the manipulator system of the above-described nuclear embodiment is configured to include the transmission electron microscope in the chamber, but may be provided separately from the chamber. In this case, it may be configured so that the sample can be transferred onto a mesh provided outside the chamber after the sample is sandwiched with tweezers. The transmission electron microscope is not limited, and any electron microscope may be used.
Further, although the sample is sandwiched with tweezers and transferred to the mesh, for example, as shown in FIG. 24, the sample may be temporarily fixed to a sample stage for an electron microscope and reworked. In this case, with the sample sandwiched between tweezers placed on the sample stage, the deposition film is used to irradiate the FIB while allowing the deposition gas to flow out. Fix it.
また、第1実施形態において、一対のピンの両方にピエゾ抵抗体を内蔵したが、どちらか一方のピンに内蔵されていれば構わない。
更に、ピン用マニュピレータは、第1実施形態及び第2実施形態において、一対のピンの両方を移動させたが、どちらか一方のピンを移動できるように構成されていれば構わない。また、マニュピレータである必要はなく、例えば、圧電素子やマイクロモータにより駆動されるボールネジ等を利用した移動機構であれば良い。
In the first embodiment, the piezoresistors are built in both of the pair of pins. However, it may be built in either one of the pins.
Furthermore, the pin manipulator moves both of the pair of pins in the first embodiment and the second embodiment, but may be configured so that either one of the pins can be moved. Further, it is not necessary to be a manipulator, and for example, any moving mechanism using a ball screw or the like driven by a piezoelectric element or a micromotor may be used.
また、両実施形態において、挟持面の形状を、図25に示すように、試料を挟持したときに互いに平行状態となるように形成しても構わない。こうすることで、試料面と試料との接触面積が増えるので、より安定して試料を挟持できるので、より好ましい。 Further, in both embodiments, as shown in FIG. 25, the shape of the sandwiching surface may be formed so as to be in a parallel state when the sample is sandwiched. By doing so, the contact area between the sample surface and the sample is increased, so that the sample can be more stably held, which is more preferable.
A 透過型電子顕微鏡(電子顕微鏡)
1 マニュピレータシステム
3 試料
4、70 ピンセット
5 マニュピレータ
15 制御部
31、32、71、72 ピン(棒状挟持部材)
31a、32a、71a、72a 挟持面
33、34 ピエゾ抵抗体(歪センサ)
35 応力集中部
36 貫通孔
37 配線
38、78 導電膜
55 ピン用マニュピレータ(移動機構)
56 リファレンス用ピン
60 半導体基板
61 Si支持基板
62 BOX層
63 Si活性層
73、74 導電部(内側の分岐部)
75 静電容量センサ
76、77 外側の分岐部
A Transmission electron microscope (electron microscope)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
31a, 32a, 71a,
35
56
75 Capacitance sensor 76, 77 Outside branch
Claims (15)
半導体材料により形成され、それぞれ対向する側の先端に前記試料を挟持する挟持面を有する一対の棒状挟持部材を備え、
少なくとも一方の前記棒状挟持部材が、前記半導体材料の特性に応じて電気的特性が変化する歪センサを内蔵していることを特徴とするピンセット。 Tweezers that can hold a sample for electron microscope observation,
A pair of rod-shaped holding members formed of a semiconductor material and having a holding surface for holding the sample at the tip of each facing side,
The tweezers characterized in that at least one of the rod-shaped holding members has a built-in strain sensor whose electrical characteristics change according to the characteristics of the semiconductor material.
前記棒状挟持部材は、長さ方向に直交する断面積が他の部分よりも小さい応力集中部を有しており、
前記歪センサが、前記応力集中部に配されていることを特徴とするピンセット。 The tweezers according to claim 1,
The rod-shaped clamping member has a stress concentration portion whose cross-sectional area perpendicular to the length direction is smaller than other portions,
The tweezers, wherein the strain sensor is arranged in the stress concentration portion.
前記棒状挟持部材が、前記歪センサの基端側を2つに分岐する位置に貫通孔を有しており、
前記歪センサの基端側には、前記貫通孔を挟んで配線が電気的に接続されていることを特徴とするピンセット。 In the tweezers according to claim 1 or 2,
The rod-shaped clamping member has a through hole at a position where the base end side of the strain sensor branches into two;
A tweezers characterized in that wiring is electrically connected to the base end side of the strain sensor with the through hole interposed therebetween.
前記歪センサが、前記半導体材料に不純物を添加したピエゾ抵抗体であることを特徴とするピンセット。 The tweezers according to any one of claims 1 to 3,
The tweezers, wherein the strain sensor is a piezoresistor in which an impurity is added to the semiconductor material.
前記挟持面には、電気的にグランド接続可能な導電膜が形成されていることを特徴とするピンセット。 The tweezers according to any one of claims 1 to 4,
The tweezers are characterized in that a conductive film that can be electrically connected to the ground is formed on the clamping surface.
前記挟持面は、前記試料を挟持したときに、互いに平行状態となるように形成されていることを特徴とするピンセット。 The tweezers according to any one of claims 1 to 5,
The tweezers are formed so that the clamping surfaces are parallel to each other when the sample is clamped.
前記歪センサよりも基端側に配され、互いの前記挟持面を接近させるように少なくとも一方の前記棒状挟持部材を他方の棒状挟持部材に移動可能な移動機構と、
前記ピンセットを保持して任意の位置に移動可能なマニュピレータと、
前記歪センサの測定値が所定の値に達したときに、前記一対の挟持部材の接近を停止するように前記移動機構を制御する制御部とを備えることを特徴とするマニュピレータシステム。 Tweezers according to any one of claims 1 to 6,
A moving mechanism that is arranged on the base end side with respect to the strain sensor and is capable of moving at least one of the bar-shaped holding members to the other bar-shaped holding member so as to bring the holding surfaces of each other closer to each other;
A manipulator capable of holding the tweezers and moving to any position;
A manipulator system comprising: a control unit that controls the moving mechanism so as to stop the approach of the pair of clamping members when a measured value of the strain sensor reaches a predetermined value.
前記一対の棒状挟持部材の近傍に、前記半導体材料により形成されて前記歪センサと同じリファレンス用センサを内蔵したリファレンス用のピンを備えていることを特徴とするマニュピレータシステム。 The manipulator system according to claim 7,
A manipulator system comprising a reference pin formed of the semiconductor material and including the same reference sensor as the strain sensor in the vicinity of the pair of rod-shaped holding members.
それぞれ対向する側の先端に前記試料を挟持する挟持面を有する一対の棒状挟持部材を備え、
前記一対の棒状挟持部材が、前記挟持面の基端側に挟持面と電気的に独立した状態で互いに対向して配された導電部と、これら導電部間の静電容量を測定する静電容量センサとを備えていることを特徴とするピンセット。 Tweezers that can hold a sample for electron microscope observation,
A pair of rod-shaped holding members each having a holding surface for holding the sample at the tip of each facing side;
The pair of rod-like holding members are electrically connected to each other on the base end side of the holding surface so as to be electrically independent of the holding surface, and electrostatic capacity for measuring the capacitance between these conductive portions. A tweezers comprising a capacitive sensor.
前記一対の棒状挟持部材は、基端部から先端に向けて2つに分岐するように形成されており、外側の分岐部の先端に前記挟持面が配され、内側の分岐部が前記導電部とされていることを特徴とするピンセット。 The tweezers according to claim 9,
The pair of rod-shaped holding members are formed to branch into two from the base end portion toward the tip, the holding surface is arranged at the tip of the outer branch portion, and the inner branch portion is the conductive portion. Tweezers characterized by being said.
前記挟持面には、電気的にグランド接続可能な導電膜が形成されていることを特徴とするピンセット。 The tweezers according to claim 9 or 10,
The tweezers are characterized in that a conductive film that can be electrically connected to the ground is formed on the clamping surface.
前記挟持面は、前記試料を挟持したときに、互いに平行状態となるように形成されていることを特徴とするピンセット。 The tweezers according to any one of claims 9 to 11,
The tweezers are formed so that the clamping surfaces are parallel to each other when the sample is clamped.
前記静電容量センサよりも基端側に配され、互いの前記挟持面を接近させるように少なくとも一方の前記棒状挟持部材を他方の棒状挟持部材に移動可能な移動機構と、
前記ピンセットを保持して任意の位置に移動可能なマニュピレータと、
前記静電容量センサの測定値が所定の値に達したときに、前記一対の挟持部材の接近を停止するように前記移動機構を制御する制御部とを備えることを特徴とするマニュピレータシステム。 Tweezers according to any one of claims 1 to 12,
A moving mechanism that is arranged on the base end side with respect to the capacitance sensor and is capable of moving at least one of the bar-shaped holding members to the other bar-shaped holding member so as to make the holding surfaces close to each other;
A manipulator capable of holding the tweezers and moving to any position;
A manipulator system comprising: a control unit that controls the moving mechanism so as to stop the approach of the pair of clamping members when a measured value of the capacitance sensor reaches a predetermined value.
半導体基板にフォトリソグラフィ技術によってそれぞれ対向する側の先端に前記試料を挟持する挟持面を有する一対の棒状挟持部材本体をパターン形成する本体形成工程と、
前記棒状挟持部材本体に供される領域の一部に不純物を添加して歪センサ部を形成するセンサ部形成工程とを有することを特徴とするピンセットの製造方法。 A method of manufacturing tweezers capable of holding a sample for electron microscope observation,
A main body forming step of patterning a pair of rod-shaped holding member main bodies having a holding surface for holding the sample at the tip of each side facing the semiconductor substrate by photolithography technology;
A tweezers manufacturing method comprising: a sensor part forming step of forming a strain sensor part by adding impurities to a part of a region provided for the rod-shaped holding member main body.
前記半導体基板が、シリコン(Si)支持基板と、該Si支持基板上に形成された二酸化ケイ素(SiO2)のBOX層と、該BOX層上に形成されたSi活性層とを有するSOI基板であり、
前記本体形成工程が、前記Si活性層をパターンエッチングして前記一対の棒状挟持部材本体を形成するパターンエッチング工程と、該パターンエッチング工程後に前記BOX層及び前記Si支持基板を前記一対の棒状挟持部材本体の基端側を残した状態で除去する除去工程とを有することを特徴とするピンセットの製造方法。
In the manufacturing method of the tweezers according to claim 14,
The semiconductor substrate is an SOI substrate having a silicon (Si) support substrate, a silicon dioxide (SiO 2 ) BOX layer formed on the Si support substrate, and an Si active layer formed on the BOX layer. Yes,
The main body forming step includes a pattern etching step of pattern-etching the Si active layer to form the pair of rod-shaped holding member main bodies, and the BOX layer and the Si support substrate after the pattern etching step. A tweezers manufacturing method comprising: a removing step of removing the base end of the main body in a state where the base end side is left.
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