JP2008284686A - ピンセット及びこれを備えたマニュピレータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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、所定間隔離間して隣接配置され、それぞれ対向する側の先端に試料を挟持する挟持面７１ａ、７２ａを有する一対の棒状挟持部材７１、７２を備え、一対の棒状挟持部材が、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７３、７４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７５とを備えていることを特徴とするピンセット７０を提供する。
【選択図】図２２

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に関するものである。

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）。
特開２０００−２６０３号公報（段落番号００２４−００２５、図４等） 特開平１１−３００６６２号公報（段落番号００１３−００２３、図１−図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ってしまったり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たりする恐れもあった。

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。

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を提供することである。

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。
本発明に係るピンセットは、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、所定間隔離間して隣接配置され、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、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。

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。

また、本発明に係るピンセットは、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が、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。

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。

また、本発明に係るピンセットは、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。

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。

また、本発明に係るピンセットは、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が、前記試料を挟持したときに、前記挟持面同士が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。

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。

また、本発明に係るマニュピレータシステムは、上記本発明のピンセットと、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。

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。

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小型化を図ることができる。
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（ＳｉＯ_２）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。

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（ＳｉＯ_２）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。

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。

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）。

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（ＳｉＯ_２）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、ＳｉＯ_２、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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明に係るマニュピレータシステムの第１実施形態を示す構成図である。 本発明に係るピンセットと、ピン用マニュピレータとの位置関係を示した図である。 本発明に係るマイクロマニュピレータシステムに使用され、本発明に係るピンセットの第１実施形態を示す上面図である。 図３に示すピンセットのピンを示す上面図である。 図４に示すピンの側面図である。 ピンセットを実装基板に実装したピンセットＡＳＳＹの一例を示す上面図である。 マニュピレータにより、ホルダからピンセットＡＳＳＹを取り出した状態を示す側面図である。 図１に示すマニュピレータシステムの制御部内の構成図の一例を示す図であり、（ａ）は検出回路及び差動増幅部を示し、（ｂ）は検出回路のブリッジ回路を示した図である。 図３に示すピンセットの製造方法を示した工程図であって、スタート基板を示した図である。 図３に示すピンセットの製造方法を示した工程図であって、図９に示す状態からＳｉ活性層に一対のピンをパターニングした状態を示す側面図（ａ）及び上面図（ｂ）である。 図３に示すピンセットの製造方法を示した工程図であって、図１０に示す状態からピエゾ抵抗体を作製した状態を示す側面図（ａ）及び上面図（ｂ）である。 図３に示すピンセットの製造方法を示した工程図であって、図１１に示す状態からＳｉ活性層上に層間絶縁膜を形成した状態を示す側面図（ａ）及び上面図（ｂ）である。 図３に示すピンセットの製造方法を示した工程図であって、図１２に示す状態から層間絶縁膜上に導電膜をパターニングして配線を形成した状態を示す側面図（ａ）及び上面図（ｂ）である。 図３に示すピンセットの製造方法を示した工程図であって、図１３に示す状態からシリコン基板の裏面のシリコン酸化膜をパターニングした状態を示す側面図（ａ）及び上面図（ｂ）である。 図３に示すピンセットの製造方法を示した工程図であって、図１４に示す状態からＳｉ支持基板をバックエッチングした状態を示す側面図（ａ）及び上面図（ｂ）である。 図３に示すピンセットの製造方法を示した工程図であって、図１５に示す状態からＢＯＸ層を除去した状態を示す側面図（ａ）及び上面図（ｂ）である。 図３に示すピンセットの製造方法を示した工程図であって、図１６に示す状態から一対のピンの裏面及び側面に導電膜を形成した状態を示す側面図である。 試料基板から作成された試料をピンセットにより挟持する直前の状態を示す側面図である。 図１８に示す試料の側面図である。 ピン用マニュピレータにより挟持面が接近するように一対のピンセット移動させたときの先端の軌跡を示した上面図である。 一対のピンセットにより試料を挟持した状態を示す上面図である。 本発明に係るピンセットの第２実施形態を示す図であって、片側のピンを示した上面図である。 図２２に示すピンの側面図である。 試料を試料台に固定させた状態を示す斜視図である。 本発明に係るピンセットの他の例であって、試料を挟持したときに挟持面が平行状態となるピンセットを示す上面図である。

符号の説明

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

Claims (5)

1. 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、
   所定間隔離間して隣接配置され、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、
   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。
2. 請求項１に記載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ピンセット。
3. 請求項１又は２に記載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ピンセット。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のピンセットにおいて、
   前記一対の棒状挟持部材は、前記試料を挟持したときに、前記挟持面同士が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。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のピンセットと、
   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マニュピレータシステム。

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