JP2007093599A - サンプルを顕微処理するためのクラスタ器具 - Google Patents

Abstract

【課題】回転可能なベースの回りに配置されたサンプルを顕微処理する複数器具を含むクラスタ器具を提供すること。
【解決手段】ベースの上のサンプル・ホルダが、器具の作業領域間においてサンプルを回転させる。スライド可能真空封止が、真空を必要とする器具のサンプル室において真空を維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の器具を使用してサンプルを効率的に顕微処理（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）するためのシステムに関する。

科学および産業界において研究されているサンプルには、撮像、材料分析、およびサンプルの修正を含めて、通常、様々な異なる処理作業がなされる。たとえば、サンプルは、サンプルの組成を分析して、拡大像を形成するために、研磨され、炭素でコーティングされ、次いで、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）において電子ビームで照射される。これらの工程に使用される器具は、通常、独立型器具、すなわち通常は異なる製造業者から別々に購入され、互いに接続されていない器具である。したがって、器具間においてサンプルを移動させることは、手動でまたは不便なアドオン・ロボット（ａｄｄ−ｏｎ ｒｏｂｏｔｉｃｓ）を使用して行われる。たとえば、サンプルを研磨するために、研磨機械を使用することができる。次いで、サンプルは、研磨機械から取り外され、清浄され、サンプルの上に炭素層を付着させるためにエバポレータ（ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）の中に手動で配置される。次いで、サンプルは、手動でエバポレータから取り外され、観測のために電子顕微鏡に配置される。

非効率的な材料の運搬の上に、独立型器具の使用に伴う他の難点は、共通の調整システムがないことである。顕微的フィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅ）が１つの器具の１つのサンプルについて識別されるとき、同じフィーチャを異なる器具の上に配置することは、時間がかかることがある。同様に、測定または分析が１つの器具について実施されるとき、その情報を異なる器具からの情報と相関させることは、困難で時間がかかることがある。たとえば、サンプル上の１つのスポットにおいてトポグラフィ（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）を測定するために第１の器具を使用し、同じスポットにおいて組成を決定するために第２の器具を使用し、次いで、組成データをトポグラフィ・データと相関させることが望ましい可能性がある。２つの器具は無関係の調整システムを有するので、それらの器具からの測定を整合させることは難しいことがある。

走査電子顕微鏡および集束イオン・ビーム・エッチングなどのいくつかの処理は、サンプルがサンプル室において真空に維持されることを必要とする。サンプルをサンプル室に出し入れする通常の方法は、室をゆっくりと大気にさらして大気圧に到達させる。次いで、室を開けて、以前のサンプルを取り除き、新しいサンプルを挿入して、サンプル室を再び排気する。サンプル室を大気にさらして、次いでサンプル室を再排気するのに必要な時間は膨大であり、テンポの速い生産ラインにおいては真空器具を使用できないことがある。

室を開かずにサンプルを真空室の内外に出し入れすることを可能にするために、いくつかの技法が提案された。たとえば、クハラ（Ｋｕｈａｒａ）他の米国特許第４０８０５２６号、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｎ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｅａｌ Ｔｙｐｅ」は、真空室を大気にさらすことなく、サンプルが真空室の内外に回転することを可能にする動的封止を記載している。エコノモー（Ｅｃｏｎｏｍｏｕ）他の米国特許第５１０３１０２号、「Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｖａｃｕｕｍ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」は、観測下の真空室と表面との間における移動を可能にする複数ステージ非接触真空封止を記載している。同様に、コッホ（Ｋｏｃｈ）他の米国特許第６７１０３５４号、「Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ」は、中心において高真空であり、封止の縁に向かって連続的に低くなる真空を提供する差分ポンプ真空封止を記載している。

独立型器具を使用する他の欠点は、個々の器具の費用である。サンプルを処理、分析、および撮像する器具の完全なラインは、資金が潤沢な実験室にのみ利用可能である多くの高価な器具を必要とする可能性がある。複数の独立型器具を使用するまた別の欠点は、実験室または製造設備において必要とされる空間量である。顕微処理用器具は、無菌室にしばしば配置され、無菌室内の空間は、構築および必要な清潔さの維持の両方のために費用がかかる。器具の数、したがって費用は、複数器具が単一の器具において組み合わされる場合、低減できる。そのような多機能器具が知られているが、機能の統合により、通常、機能のそれぞれの性能レベルは損なわれる。
米国特許第４０８０５２６号明細書 米国特許第５１０３１０２号明細書 米国特許第６７１０３５４号明細書 ジョン・カラス（Ｊｏｈｎ Ｃａｌｌａｓ）、「Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」、ＮＡＳＡ Ｔｅｃｈ Ｂｒｉｅｆｓ、Ｖｏｌ．２３、第１１ Ｊｅｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（ＪＰＬ）Ｒｅｐｏｒｔ第ＮＰＯ２０４９９

本発明の目的は、複数器具を使用してサンプルを効率的に処理するように適合されるシステムを提供することである。好ましい実施形態では、該システムは、サンプルを器具間において移動させるためにカルーセル（ｃａｒｏｕｓｅｌ）を使用し、処理時間の短縮および設備コストの削減を提供する。

本発明は、いくつかの器具が使えるよう複数の形状を備えた単一プラットフォーム（ｐｌａｔｆｏｒｍ）を備える。プラットフォームは、カルーセル、すなわち、１つまたは複数のサンプルを様々な器具の間で移動させることができる回転プラットフォームを含む。器具は、サンプルが様々な器具の作業領域間を迅速に移動することができるように、カルーセルの軸に関して固定半径において作業領域を有することが好ましい。カルーセルにより、器具間でのサンプルの移動を容易にすることによって、サンプルが複数の器具によって迅速に処理されることが可能になる。

好ましい実施形態では、サンプルを、大気雰囲気中から、いくつかの器具の動作に必要な真空状態へと迅速に移動させることができる。一実施形態では、１つまたは複数のサンプルは、カルーセル・ベースの１つまたは複数の凹みに配置される。器具は、１つまたは複数の真空室に維持される１つまたは複数器具を含み、各室は、カルーセル・ベースと共にスライド可能真空封止を形成する底部を有する。凹みに配置されたサンプルは、真空封止下においてスライドすることができ、それにより、室を大気に対して開かずに、サンプルを真空室に収容する。凹みに存在した少量の空気がサンプルと共に真空室に入るが、必要であれば、真空室から比較的迅速に排気させることができる。排気は、真空バッファ、すなわち空気が真空室に入る前に凹みから、または真空室自体から空気を吸引することができる事前排気容積（ｐｒｅ−ｅｖａｃｕａｔｅｄ ｖｏｌｕｍｅｓ）を使用することによって、さらに迅速にすることができる。

以上は、以下の本発明の詳細な記述がよりよく理解されることが可能であるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広範に概述した。本発明の追加の特徴および利点が、以下において記述される。当業者なら、開示される概念および具体的な実施形態は、本発明の同じ目的を実施するための他の構造を修正または設計する基盤として容易に使用することが可能であることを理解されたい。また、当業者なら、そのような等価な構築は、添付の請求項において述べられている本発明の精神および範囲から逸脱しないことを理解されたい。

本発明およびその利点をより完全に理解するために、ここで、添付の図面と関連して取り入れられる以下の記述を参照する。

図１は、本発明のクラスタ・システム（ｃｌｕｓｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ）１００の好ましい実施形態を示す。システム１００は、カルーセル１０２と呼ばれる回転可能サンプル・プラットフォームを含み、その上に、複数の器具１０４が、１つまたは複数のサンプル１０８を処理するために円１０６の回りに取り付けられている。カルーセル１０２は、精確に回転させるためのフィードバックを有する電気モータを使用して回転されることが好ましい。カルーセルは、ノッチ、移動止め、または他の指示手段を使用して精確に配置し、所望の角度位置においてカルーセルを維持することもできる。器具１０４は、たとえばフロアの上にあり、回転しないテーブルトップの上にあり、またはカルーセルより上から懸垂される、カルーセル１０２と隣接する非回転支持体（図示せず）の上において支持され、それにより、カルーセル１０２は、器具１０４間においてサンプルを回転させることができる。処理されるサンプルは、回転可能なカルーセルの上において支持される。器具は、通常、サンプルの顕微処理に使用される器具、すなわち、ミリメートルより小さい、より好ましくは１００ミクロンより小さい、または１０ミクロンより小さいスケールでサンプルを撮像および変更する器具である。

各器具１０４は、通常、器具によって処理するためにサンプルをその中に配置しなければならない限定された作業領域を有する。器具１０４は、すべての器具１０４の作業領域が、カルーセルの回転軸１１０をほぼ中心とする円１０６の上に位置するように取り付けられる。したがって、カルーセルを回転させることによって、１つの器具の作業領域から他の器具の作業領域にサンプルを移動させることができる。カルーセル１０４の上のサンプル１０８は、サンプルを径方向に移動させることができ、かつ、好ましくは周方向および垂直方向の微調節を提供する操作装置１１４の上に取り付けられることが好ましい。サンプル１０８および操作装置１１４は、サンプルをある器具１０４の内外に移動させるのを容易にするために、カルーセル１０２の凹みに配置することができる。

図１は、単独のサンプル１０８および操作装置１１４を示すが、カルーセル１０２は、複数のサンプルの位置を備えることができ、複数のサンプルの位置は、カルーセルの回りに間隔をおいて位置することが好ましく、それにより、複数の器具が複数のサンプルについて同時に作業することが可能になる。マイクロメータ・スピンドル１２０により、回転軸１１０の角度位置の微調節が可能になる。複数のサンプルの位置が使用され、複数の器具が同時に使用されるとき、マイクロメータ・スピンドルは、カルーセル上のすべてのサンプルを同時に移動させるので、個々のサンプルの位置を調節するために使用することができない。複数のサンプルが使用される場合、個々のサンプルの位置は、各サンプル位置において個々のサンプル操作装置１１４を使用することによって調節することができる。他の実施形態では、サンプルを器具の固定作業領域に移動させる代わりに、作業領域を調節するために、器具自体をサンプル位置に移動させることができる。カルーセル、個々のサンプル、および個々の器具の調節位置の任意の組合せを使用することができる。

器具１０４間の移動を容易にすることによって、システム１００は、機能のそれぞれについて通常は性能の劣る多機能器具の必要性を低減する。各器具は、分析、撮像、変更、または他の作業を含む処理の連鎖における１つのリンクとすることができる。本発明は、システム１００の一部として組合せ器具を使用することを排除しない。器具１０４のいくつかは、サンプル真空室を含み、作業のためにサンプルが真空に維持されることを必要とする可能性がある。そのような場合、処理時間全体を短縮するために、サンプル室を排気するのに必要な時間を最小限に抑えることが好ましい。

システム１００と共に使用することができる通常の器具は、光学顕微鏡、走査プローブ顕微鏡（原子力顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡、およびスタイラス・ナノプロフィルメータ（ｓｔｙｌｕｓ ｎａｎｏｐｒｏｆｉｌｍｅｔｅｒｓ）など）、ならびに電子顕微鏡などの撮像器具と、Ｘ線蛍光またはラマン分光計などの分析器具と、例えばコーティング、研磨、切断、またはインデント（ｉｎｄｅｎｔｉｎｇ）などのための機械処理器具と、紫外線硬化などのための照明器具とを含む。本発明は、任意の特定の器具に限定されるものではない。システムのコスト全体を下げるために、器具は、比較的低コストの器具とすることができ、通常はより高価なハイ−エンド・システム（ｈｉｇｈ−ｅｎｄ ｓｙｓｔｅｍ）のデスクトップ版である。コストは、共通の真空源（ｖａｃｕｕｍ ｓｏｕｒｃｅ）から複数の器具に真空線（ｖａｃｕｕｍ ｌｉｎｅｓ）を提供し、共通の電力源から複数の器具に電力を提供するなど、共通支援ユーティリティを器具に提供することによって下げることもできる。

本発明の実施形態は、単一のサンプル調整システムを提供することによって、様々な器具による処理を容易にすることができ、それにより、個々の器具からの情報の相関を容易にする。たとえば、各器具における円１０６に対する接線は、その器具のＸ軸として定義することができ、その器具における半径は、Ｙ軸として定義することができる。カルーセルは、サンプル上の特定の点が、使用される各器具の上の点ｘ＝０、ｙ＝０に位置し、それにより共通調整システムを提供するようになるまで回転される。

本発明は、異なる器具についての連続する処理工程間の時間を短縮する。いくつかのサンプルは、時間と共に変化する。たとえば、表面を暴露する処理が、表面の酸化を開始させる可能性がある。器具間の迅速な移動を容易にすることによって、作業間での時間の経過によるサンプルの変化は、低減されるかまたは避けられる。

図２は、特定の器具がカルーセル１０２の回りに配置されている図１の実施形態を示す。器具は、デスクトップ走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）２１０、研磨機械２１２、光学顕微鏡２１４、およびＸ線蛍光（ＸＲＦ）器具２１６を含む。器具は、カルーセル１０６が器具の下において自由に回転するような方式で支持される。ＳＥＭは、たとえば、「Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」、ＮＡＳＡ Ｔｅｃｈ Ｂｒｉｅｆｓ、Ｖｏｌ．２３、第１１においてジョン・カラス（Ｊｏｈｎ Ｃａｌｌａｓ）によって、およびＪｅｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（ＪＰＬ）Ｒｅｐｏｒｔ第ＮＰＯ２０４９９によって記載されているものとすることができる。研磨機械２１２および光学顕微鏡２１４は、大気中におけるサンプル１０８について動作する。ＳＥＭ２１０およびＸＲＦ器具２１６は、サンプルが処理中に真空に維持されることを必要とする。真空線２１７が、ＳＥＭ２１０およびＸＲＦ器具２１６のサンプル室を排気するために使用される。図２に示されている器具は代表的なものであるが、本発明は、それらの特定の器具に限定されるものではない。

ＳＥＭ２１０は、約１０^-5ｍｂａｒの真空を必要とする。サンプルをＳＥＭ内に載置して、必要な真空を達成するために空気をＳＥＭから除去することは、時間がかかる。室を排気するために必要な時間を短縮する方式は、処理時間を著しく短縮することができる。

図３は、真空室３０４を大気に対して開かずに、サンプル３０２がＳＥＭ３０５の真空室３０４などの真空室内に移動することを可能にする装置３００を示す。サンプル３０２は、ベース３０８の凹み３０６に配置される。ベース３０８は十分に平坦で、真空室３０４のスライド支持面３１０と真空封止を形成する。ベース３０８は、たとえば、研削スチールの平坦表面とすることができる。真空室３０４は、スライド支持面３１０において終端する壁３１２を含む。スライド支持面３１０は、壁３１２と一体式とすることができ、または壁３１２に結合させることができる。スライド支持面３１０は十分に平坦で、ベース３０８と真空封止を形成しており、たとえば、スチール、セラミック、または十分に平坦で剛性とすることができる他の材料で作成することができる。組合せ面の摩擦係数を低減するために、表面３０８または３１０の一方の上において、テフロン（登録商標）などのコーティングを随意選択で使用することができる。２つの面の平坦さを利用して、通常はオーリング（ｏ−ｒｉｎｇｓ）あるいは他の弾性真空封止を使用する必要なく、真空密封封止がなされる。低減された摩擦係数は、高真空力にもかかわらず、真空室３０４をベース３０８に対して移動させることを可能にするために使用される。真空ポンプ３２０が、室３０４を排気するために使用される。たとえば、一実施形態では、５×１０^-2ｍｂａｒの真空が、１３０ｍｍ×５０ｍｍの真空室表面について２から３リットル／時のポンピング速度で達成された。摩擦力は、１５Ｎ未満であることが判明した。いくつかの実施形態では、グリースおよびオイルが潤滑剤として使用されることが可能であるが、そのような潤滑剤は、潜在的汚染源である。

システム３００は、システム１００（図１）と共に使用することができる。カルーセル１０２またはその一部は、ベース３０８として機能するように十分に滑らかにすることができる。真空室３０４は、固定位置に保持され、カルーセル１０２は、室３０４の下において回転する。上述されたように、様々なタイプのスライド真空封止が知られており、使用することができる。カルーセル１０２は、真空封止を維持するために、底部真空室壁３１２に対して十分な力で押しつけられる。

図４は、大気においてサンプルを処理する器具、および真空においてサンプルを処理する器具を使用してサンプルに対する作業を実施するステップを示す。図３のシステムは、以下で記述されるプロセスで真空においてサンプルを処理する器具の一例として使用されるが、本発明は、真空、大気、および他の環境システム間において処理する任意の特定の器具または順序に限定されるものではなく、本発明は、任意の特定の器具にも限定されない。

ステップ４０１において、器具３００の真空室３０４の排気が開始される。ステップ４０２において、サンプルが、カルーセル１０２の上に装備される。同時処理のために複数のサンプルを装備することができるが、処理についての理解を容易にするため、単一サンプルの処理を記述する。当業者なら、以下の記述を容易に拡張して、複数サンプルの実施形態を構成して使用することができる。カルーセル１０２の上のベース３０８とスライド支持面３１０との間が真空気密封止されているため、真空室３０４の排気と同時か、またはその後に、サンプルをカルーセルの回りを移動させて、他の器具によって処理することができる。決定ブロック４０３は、次の処理工程が真空において実施されるかまたは空気中において実施されるかに次の工程が依存することを示す。次の処理工程が大気において実施される場合、カルーセル１０２は、ステップ４０４において、サンプル３０２を第１の器具の作業領域内に配置するように回転される。

ステップ４０６において、サンプルの位置は、配置装置または操作装置１１８を使用して径方向および垂直方向において手動でまたは自動的に調節される。サンプルの位置は、マイクロメータ１２０を使用してカルーセル１０２の回転位置を調節することによって、または操作装置１１８を使用することによって、周方向において調節することができる。ステップ４０８において、器具は、サンプルを処理する。たとえば、器具は、サンプルの像を観測および記録するための光学顕微鏡、またはサンプルを研磨する研磨機械とすることが可能である。

決定ブロック４０９は、サンプルの追加処理が必要であるかを判定する。そうである場合、プロセスは、ステップ４０３に戻り、追加の処理が真空処理または大気処理であるかを判定する。追加の処理が真空処理である場合、カルーセルは、ステップ４１０において、サンプルを真空室３０４に運ぶように回転される。処理時間を短縮するために、室３０４の排気は、サンプル１０８が真空室３０４に入る前に完了することが好ましい。カルーセル１０２が回転する際、室３０４は、サンプル１０８が置かれている凹み３０６の上をスライドし、それにより、サンプル１０８は室３０４に入る。

室３０４は、サンプル３０２を室３０４の中に回転させる前に排気されたが、凹み３０６の空気は、サンプル３０２が室３０４の中に回転して入る際に室３０４に入り、室３０４の圧力を増大させる。真空室における器具の真空要件に応じて、サンプルと共に室に入った空気を除去するために、室をさらに排気することが必要である可能性がある。比較的少量の空気が入るだけなので、必要な動作圧力まで室を排気するのに必要な時間は、通常、大気圧力から室を排気するのに必要な時間よりかなり短い。随意選択のステップ４２２において、室３０４は排気される。ステップ４２４において、サンプル１０８の位置は、上述されたように微調節される。ステップ４２６において、器具１０４は、サンプルを処理する。従来の電子顕微鏡より高い圧力において動作する低真空走査電子顕微鏡は、本発明において器具として使用することができ、排気時間を省いたりまたはさらに短縮することができる。

決定ブロック４０９は、追加の処理がそのサンプルについて必要であるかを再び判定する。そうである場合、処理は、決定ブロック４０３で続行される。追加の動作が、カルーセル１０２の回りに配置されたシステムによって必要とされない場合、サンプルを取り除けるようカルーセルを回転し、サンプルは、ステップ４３２において取り出される。ベース３０８（カルーセル１０２によって実現される）とスライド支持面３１０との間の支持接触領域（ｂｅａｒｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ）は、凹み３０６より広いことが好ましいので、凹み３０６を室３０４の下から外部に回転させることにより、わずかな空気が室３０４に入るか、または空気を室３０４に入れないことが可能になる。したがって、室は、依然として排気されており、次のサンプルについて使用する用意が整っている。真空ポンプ３２０は、カルーセル１０２とスライド支持面３１０との間において室３０４の中に漏れるあらゆる空気を排気するために、必要に応じて動作させることができる。決定ブロック４３４において、追加のサンプルが処理されるかどうかが判定される。そうである場合、処理は、ステップ４０２において示されるように、次のサンプルを載置することによって続行される。カルーセル１０２が複数のサンプル・ホルダを含み、複数のサンプルを収容する場合、新しいサンプルを配置して、１つの器具まで回転させることができ、一方、すでにカルーセル１０２の上にあるサンプルは異なる器具まで回転されることが理解されるであろう。

図５Ａ、５Ｂ、および６は、米国特許出願１１／１６９２７４において記載されている、サンプル真空室を排気するために必要な時間を低減する方法および装置を示す。

図５Ａは、システム５００の変形実施形態を示す。図示される装置は、平滑面５０２を有するシート５０１を備え、平滑面５０２は、切除されているキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）５０３の形態の穴を含む。サンプル５０４が、このキャビティ５０３に置かれる。シート５０１は、カルーセル１０２の一部とすることができる。ソール（ｓｏｌｅ）・プレート５０５が、平滑面５０２の上に配置され、真空気密の状態で平滑面５０２を横断して移動することができる。

図５Ｂは、平滑面５０２の上に封止するソール・プレート５０５の側面を概略的に示す。

ソール・プレート５０５は、真空バッファキャビティまたはボリューム（ｖｏｌｕｍｅｓ）５１０、５１２、および５１４を形成する中空を備える。これらの真空バッファボリュームは、それぞれのシャフト５１１、５１３、および５１５を介して真空ポンプ（図示せず）に接続される。

たとえば、集束電子ビーム５０７を生成する低真空走査電子顕微鏡のカラム（ＥＳＥＭカラム）５０６の形態の真空カラムが、ソール・プレート５０５に固定される。ＥＳＥＭは、約１０ｍｂａｒ以下のサンプルの周辺の圧力においてサンプルを分析することができる。ＥＳＥＭカラム５０６によって生成された電子ビーム５０７は、ソール・プレート５０５の中空５０８を経てサンプル５０４を精査する。電子ビーム５０７は、たとえば、２次電子およびＸ線放射などの放射の放出を誘起し、これは、検出器（図示せず）の補助で検出することができる。

サンプル５０４を導入する前に、ソール・プレート５０５は、キャビティ５０３がソール・プレート５０５によって覆われないような方式で、まず、平滑面５０２を横断してスライドする。したがって、すでに分析されているあらゆるサンプルをキャビティ５０３から除去し、分析される次のサンプルをキャビティに配置するのは容易である。

次に、ソール・プレートは、平滑面を横断してスライドし、その結果、キャビティ５０３は、真空バッファボリューム５１４、５１２、および５１０に連続して接続される。真空バッファボリュームの容積は、キャビティ５０３の容積より、例えば１０倍など、数倍大きい。そのような真空バッファボリュームがキャビティ５０３に接続されるとき、キャビティの圧力は、たとえば１０分の１にほぼ瞬間的に減少する。

これにより、図示される位置において、圧力は、３段階でたとえばそれぞれ１０分の１に減少し、したがって、圧力は、全体で１０³ 分の１に減少する。サンプルを導入する際の圧力が１ｂａｒであったと想定すると、圧力は１ｍｂａｒに減少し、この圧力は、ＥＳＥＭカラムの補助で（および様々な他の分析技法で）分析するには十分に低い。

周囲と第１真空バッファボリューム５１４との離隔距離（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）１８は、空洞５０３が第１真空バッファボリュームに接続される前、キャビティが完全に覆われているようなサイズである。このようにして、真空バッファボリューム５１４がキャビティ５０３を介して周囲圧力に一瞬でも接続されることが防止される。これは、離隔距離５１８の幅がキャビティ５０３の直径より大きいことを必要とする。

同じようにして、第１真空バッファボリューム５１４と第２真空バッファボリューム５１２との間の離隔距離５１９は、キャビティの直径より大きい幅を有し、第２真空バッファボリューム５１２と第３真空バッファボリューム５１０との間の離隔距離５２０も、全く同様である。

図示される装置において、真空バッファボリューム５１０および５１２を形成するソール・プレート５０５の中空は、非対称に形成される。たとえば、中空が真空バッファボリューム５１０について同心円状である実施形態も可能であることが明らかである。

装置は、他の望ましい圧力について、異なる数の真空バッファボリュームを装備することができ、または、キャビティの容積と真空バッファボリュームのサイズとの異なる比を選択することができることが言及されるべきである。

図示される装置において、サンプル５０４を配置することができる唯一の穴５０３が、シート５０１に作成される。本発明による装置は、サンプルを配置することができる複数の穴を備えることができ、それにより、１つまたは複数の穴は、ソール・プレート５０５によって覆うことができることが明らかである。たとえば、第１の穴が真空バッファボリューム５１４に接続され、一方、第の２穴が真空バッファボリューム５１２に接続され、第の３穴が真空バッファボリューム５１０に接続されるような方式でソール・プレートを配置することが可能である。

各真空バッファボリュームを別々のポンプに接続する必要はないことが言及されるべきである。当業者には既知であるように、真空バッファボリュームと真空ポンプとの間に適切なポンプ抵抗を加えることによって、真空バッファボリュームの１つがキャビティを排気しているとき（それにより当然、対象の真空バッファボリュームの圧力は変化する）、他の真空バッファボリュームの圧力が全く影響を受けない、またはわずかに影響されるような方式で、唯一の真空ポンプを使用して、たとえば３つの真空バッファボリュームを排気することが可能である。

図６は、本発明による装置を概略的に示し、その装置により、ウエハが、真空カラムにおいて可動である分析カラムによって分析されている。図示される装置は、カルーセル１０２の一部とすることができ、平滑面６０２を有するシート６０１を備え、平滑面６０２において、キャビティ６０３の形態の穴が切除されている。半導体ウエハ６０４の形態のサンプルが、このキャビティ６０３に置かれる。ソール・プレート６０５が、平滑面６０２の上に配置され、平滑面６０２を横断して移動することができる。ソール・プレート６０５の上に、図示されていない排出手段を使用して真空が維持される真空カラム６０９が取り付けられている。真空カラム６０９の内部に、ＥＳＥＭカラム６０６などの分析カラムが配置され、真空カラム６０９内において可動である（図示されていない移動手段の補助により）。キャビティ６０３は、真空バルブ６２５、６２６、および６２７に接続され、これらの真空バルブは、キャビティ６０３を真空バッファボリューム６１０、６１２、および６１４に接続することができる。これらの真空バッファ手段は、（図示されていない）真空ポンプによって排気される。

ウエハ６０４を導入する前に、ソール・プレート６０５は、キャビティ６０３がソール・プレート６０５によって覆われないように、まず、平滑面６０２を横断してスライドする。これにより、真空バッファボリューム６１０、６１２、６１４が、キャビティ６０３と真空接続しないように、真空バルブ６２５、６２６、および６２７は閉じられる。

ウエハ６０４を導入した後、ソール・プレート６０５は、キャビティ６０３がソール・プレート６０５によって完全に覆われてはいるが、キャビティ６０３と真空カラム６０９との間に真空接続がないような方式で、平滑面６０２を横断してスライドする。その後、キャビティ６０３は、真空バルブ６２５、６２６、および６２７を開閉することによって、真空バッファボリューム６１０、６１２、および６１４に連続して接続される。

一般的に、真空バルブ６２５、６２６、および６２７のせいぜい１つが開かれており、それにより、真空バッファボリューム６１０、６１２、および６１４は、互いに真空接続されないことが言及されるべきである。

その後、ソール・プレート６０５は、真空カラム６０９がキャビティ６０３の上に位置するように、平滑面６０２を横断してスライドする。その後、真空カラム６０９の内部において可動であるＥＳＥＭカラム６０６は、分析されるウエハ６０４の対象領域に移動する。

分析後、キャビティがもはやソール・プレートによって覆われないように、平滑面６０２を横断してソール・プレート６０５を移動させることによって、空気がキャビティ６０３の中に入る。

別の図示されていない空気入口バルブを使用して、空気をキャビティ６０３に入れることも可能であることが言及されるべきである。空気の取入れは、キャビティ６０３がソール・プレート６０５によって依然として覆われているが、キャビティ６０３が真空カラム６０９ともはや真空接続していないような方式で、ソール・プレート６０５がスライドするとき、行うことができる。

複数器具を１つのプラットフォームの上において提供し、一方、多機能器具の固有の性能が悪化するのを回避することによって、本発明は、より低コストの代替物を高性能の個々の機械に提供する。より低コストのいくつかの実施形態は、教育機関、低予算実験室、金属、化学、医薬などの産業設備、法医学の実験室、および病院に特に適している。本発明の実施形態はより低コストの構成要素を使用できるが、本発明は、そのような構成要素に限定されるものではない。

他の実施形態では、カルーセルについて１つの器具を材料運搬器具とすることができる。たとえば、サンプル・キャリア（ｓａｍｐｌｅ ｃａｒｒｉｅｒ）からカルーセルの上の１つまたは複数のサンプル・ホルダにサンプルを装備し、またサンプルを取り外すことができる器具である。たとえば、図７は、材料運搬器具であるカセット・ローダ／アンローダ（ｌｏａｄｅｒ／ｕｎｌｏａｄｅｒ）７０２を示す。この実施形態の動作は、図８のフローチャートを参照して記述される。図４を参照して以前に記述された室の排気および作業場の位置の調節などの動作の詳細は、この実施形態においても実施することが可能であるが、再びは記述されず、または図７には示されていない。

ステップ８０２において、オペレータが、半導体ウエハのカセットなど、複数のサンプル７０６を包含するキャリア７０４をカセット・ローダ／アンローダ７０２の近くにある載置位置７０７に配置する。ステップ８０４において、カセット・ローダ／アンローダ７０２は、サンプル７０６をカセットから取り外し、サンプルをカルーセル１０２の上のサンプル・ホルダ７０８の上に配置する。ステップ８０６において、カルーセル８０２は、第１器具１０４の作業領域内にサンプル７０６を配置するように回転される。ステップ８０８において、サンプル７０８は、第１器具１０４によって処理される。決定ブロック８１０は、処理される他のサンプルがある場合、カセット・ローダ／アンローダ７０２は、カセット・ローダ／アンローダ７０２によって次のサンプル・ホルダにおいてカルーセル１０２の上に他のサンプルを配置することを示す。次いで、ステップ８０６および８０８は、新しいサンプルを配置して処理するために繰り返される。決定ブロック８１２は、第１サンプルが追加の器具によって処理される場合、新しいサンプルを第１器具の領域の作業領域にもたらすようにカルーセル１０２が回転するとき、カルーセルの回転により、以前に配置されたサンプルも第２器具の作業領域に至ることを示す。

これらのステップは、各サンプルがターンテーブルの回りに完全に回転するまで繰り返される。ステップ８１４において、処理を完了したサンプルが、カセット・ローダ／アンローダ７０２に近い位置まで回転されて戻り、ステップ８１６において、サンプルは、カセット・ローダ／アンローダ７０２によってキャリア７０４に戻されるかまたは第２キャリアに載置される。完了サンプルが、キャリアの中に載置されるためにカセット・ローダ／アンローダ７０２に近い位置まで回転されるとき、カルーセルの上に残っているあらゆる他のサンプルが、他の器具の下に同時に配置されることが好ましい。決定ブロック８２０は、サンプルがカルーセルの上に依然としてある場合、それらはステップ８０８において処理されることを示す。カルーセルの上のサンプルを処理した後、他のサンプル全てがステップ８１０において載置され、すべてのサンプルがキャリア７０４から取り外され、すべての器具１０４によって処理されて、キャリア７０４に再装備されるまで処理は続行される。キャリアのすべてのサンプルが処理されたとき、キャリアを取り外すことができ、サンプルの新しいカセットを処理のためにカセット・ローダ／アンローダ７０２によって配置することができる。

本明細書において使用される「サンプル」という用語は、ポピュレーションの代表（ａ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｏｆ ａ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）に限定されるものではなく、本発明の実施形態において器具を使用して製造されている産物を含めて、あらゆる工作物を含むことができる。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数器具の作業領域は、カルーセルからずれていてもよく、そのため、サンプルは、カルーセルから器具の固定ホルダの上に移動され、それにより、器具は、カルーセルが他のサンプルを器具間において移動させるように回転している間、１つのサンプルを処理することが可能になる。

本発明およびその利点が詳細に記述されたが、添付の請求項によって確定される本発明の精神および範囲から逸脱せずに、様々な修正、代用、および変更を行うことができることを理解されたい。たとえば、いくつかのシステムでは、サンプルは、固定されていてもよく、器具は、プラットフォームの上で回転してもよい。さらに、本出願の範囲は、本明細書において記述されたプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書において記述された対応する実施形態とほぼ同じ機能を実施し、またはほぼ同じ結果を達成する現在既存のまたは後に開発されるプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップは、本発明により使用することが可能である。したがって、添付の請求項は、そのようなプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップを範囲内に含むことを意図する。

本発明のクラスタ器具の好ましい実施形態を示す図である。 特定の器具が上に取り付けられている図１の器具の一実施形態を示す図である。 サンプルを真空室内に移動させるのを容易にするためにスライド担持封止を有する真空室内の器具を示す図である。 本発明の好ましい実施形態を使用するステップを示すフロー・チャートである。 室内において真空環境を迅速に提供するシステムを示す図である。 室内において真空環境を迅速に提供するシステムを示す図である。 室内において真空環境を迅速に提供する他のシステムを示す図である。 材料取扱い器具を使用する本発明の一実施形態を示す図である。 図７の好ましい実施形態を使用するステップを示すフロー・チャートである。

符号の説明

１００ クラスタ・システム
１０２ カルーセル
１０４ 器具
１０６ 円
１０８、３０２、５０４、７０６ サンプル
１１０ カルーセルの回転軸
１１４ 操作装置
１２０ マイクロメータ・スピンドル
２１０ デスクトップ走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）
２１２ 研磨機械
２１４ 光学顕微鏡
２１６ Ｘ線蛍光（ＸＲＦ）器具
２１７ 真空線
３００、５００ システム
３０４ 真空室
３０５ ＳＥＭ
３０６ 凹み
３０８ ベース
３１０ スライド支持面
３１２ 壁
３２０ 真空ポンプ
５０１ シート
５０２、６０２ 平滑面
５０３、６０３ キャビティ
５０５ ソール・プレート
５０６ 低真空走査電子顕微鏡のカラム（ＥＳＥＭカラム）
５０７ 電子ビーム
５０８ 中空
５１０ 第３真空バッファボリューム
５１２ 第２真空バッファボリューム
５１４ 第１真空バッファボリューム
５１１ ５１３ ５１５ シャフト
５１８ ５１９ ５２０ 離隔距離
６０１ シート
６０４ ウエハ
６０５ ソール・プレート
６０６ ＥＳＥＭカラム
６０９ 真空カラム
６１０ ６１２ ６１４ 真空バッファボリューム
６２５ ６２６ ６２７ 真空バルブ
７０２ カセット・ローダ／アンローダ
７０４ キャリア
７０８ サンプル・ホルダ

Claims (20)

1. サンプルを顕微処理する装置であって、
   回転軸の回りで回転可能なベースと、
   大気圧未満においてサンプルを処理する少なくとも１つの帯電粒子ビーム器具を含む複数の器具であって、各器具が作業領域を含み、前記作業領域が、前記回転軸をほぼ中心とする円の上に配置される複数の器具と、
   前記ベースが、前記器具の前記作業領域内にサンプル・ホルダを配置するように回転可能な前記円の上に配置された前記ベースの上のサンプル・ホルダとを備える装置。
2. 帯電粒子ビーム・システムが、走査電子顕微鏡を含む請求項１に記載の装置。
3. 少なくとも１つの器具が、前記回転可能なベースとスライド真空封止を形成する真空室を含み、それにより、前記サンプル・ホルダが、前記真空室の内外に回転することができる請求項１に記載の装置。
4. 前記ベースが、サンプルを受けるためのキャビティを含む請求項３に記載の装置。
5. 前記器具の少なくとも１つが、前記器具において真空を提供するのを容易にするために真空バッファキャビティを含む請求項３に記載の装置。
6. 前記器具の少なくとも１つが、材料運搬器具を備える請求項１に記載の装置。
7. 前記ベースが複数の器具の前記作業領域内に前記サンプル・ホルダを配置するために回転可能であるように、前記円の上に配置された前記ベースの上に複数のサンプル・ホルダを備える請求項１に記載の装置。
8. 前記サンプルを配置する配置装置をさらに備える請求項１に記載の装置。
9. 前記配置装置が、前記サンプルを配置するために前記ベースを移動させる請求項８に記載の装置。
10. 前記配置装置が、前記サンプルを配置するために、個々のサンプルのみを移動させる請求項８に記載の装置。
11. 前記サンプル・ホルダが器具の前記作業領域と一致するように、ある角度変位において回転ベースを配置する手段をさらに備える請求項１に記載の装置。
12. サンプルを前記サンプル・ホルダに配置することと、
    前記複数の器具の第１の器具の前記作業領域まで前記サンプルを回転させることと、
    前記複数の器具の前記第１の器具の上において前記サンプルを処理することと、
    前記複数の器具の他の１つの前記作業領域まで前記サンプルを回転させることと、
    前記複数の器具の前記他の１つの上において前記サンプルを処理することとを備える請求項１に記載の装置を使用する方法。
13. サンプルについて顕微処理を実施するために複数の器具を使用する方法であって、
    各器具が作業領域を有する複数の器具を提供し、前記器具の少なくとも１つが、前記サンプルが処理のために真空に配置されることを必要とすることと、
    ターンテーブルの上にサンプル・ホルダを提供し、前記ターンテーブルが、前記複数の器具の作業領域間において前記サンプル・ホルダを回転させることと、
    サンプルを前記サンプル・ホルダに配置することと、
    前記複数の器具の第１の器具の前記作業領域まで前記サンプルを回転させることと、
    前記複数の器具の前記第１の器具の上において前記サンプルを処理することと、
    前記複数の器具の他の１つの前記作業領域まで前記サンプルを回転させることと、
    前記複数の器具の前記他の１つの上において前記サンプルを処理することとを備える方法。
14. 前記複数の器具の前記第１の器具の上において前記サンプルを処理すること、または前記複数の器具の前記他の１つの上において前記サンプルを処理することが、走査電子顕微鏡を使用して前記サンプルを観測することを含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記複数の器具の前記第１の器具の上において前記サンプルを処理すること、または前記複数の器具の前記他の１つの上において前記サンプルを処理することが、走査プローブ顕微鏡を使用して前記サンプルを観測することを含む請求項１３に記載の方法。
16. 前記複数の器具の第１の器具の前記作業領域まで前記サンプルを回転させること、または前記複数の器具の他の１つの前記作業領域まで前記サンプルを回転させることが、前記サンプルを真空室の中に回転させることを含む請求項１３に記載の方法。
17. ターンテーブルの上にサンプル・ホルダを提供することが、前記ターンテーブルのキャビティにおいてサンプル・ホルダを提供することを含み、前記複数の器具の第１の器具の前記作業領域まで前記サンプルを回転させること、または前記複数の器具の他の１つの前記作業領域まで前記サンプルを回転させることが、前記真空室の真空封止の一部の下で前記サンプルを回転させることを含む請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１の器具の上において第２のサンプルを処理し、一方、第２の器具の上において第１のサンプルを処理することをさらに備える請求項１３に記載の方法。
19. 前記サンプルを処理する前記器具の前記作業領域と前記サンプルとを位置合わせするために、前記第１または他の器具の下で前記サンプルの位置を調節することをさらに備える請求項１３に記載の方法。
20. 前記サンプルの前記位置を調節することが、前記ベースの位置を調節することを含む請求項１３に記載の方法。
    

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