JP2009248229A - 微小マニピュレータ、及びそれを備えた観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小マニピュレータ自体の振動を軽減することで、微小な試料を確実に操作できる微小マニピュレータ、及びそれを備えた観察装置を提供する。
【解決手段】試料３００（４００）を把持するための対向する一対のアーム７１と、アームを支持するベース部１１と、ベース部に取り付けられてアームを開閉させる開閉アクチュエータ３５とを有するマニピュレータ部１００ａと、マニピュレータ部の変位を検出する変位検出部１１０ａ１、１１０ａ２と、ベース部と外部装置２００との間に取り付けられ、マニピュレータ部を試料に対して３次元移動させる移動機構１２０と、変位検出部によって検出された変位を打ち消すように、移動機構を制御する制御部１３０とを備えた微小マニピュレータである。
【選択図】図１

Description

本発明は、先端のアーム間に微小な試料を把持する微小マニピュレータ及びそれを備えた観察装置に関する。

微小サンプルを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、走査型イオン顕微鏡（ＳＩＭ）、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等の観察装置で試料を観察しながら、その試料の加工やハンドリングを装置内で行うピンセット型の微小マニピュレータが開発されている。微小マニピュレータは、例えば試料の欠陥部分や付着物等を摘出するために用いられ、具体的には、フォトマスクや半導体ウェハやイメージセンサデバイスなどの製造工程において表面に付着した50nmから1ミクロン以下の異物を除去したり、又は、異物を除去し易くして洗浄工程の削減による工程の簡略化、洗浄ダメージの軽減を図る際に用いられる。

このような微小マニピュレータとして、半導体シリコンプロセス技術によって作製された２本の針状先端部を有し、これらを静電アクチュエータで離反させるものが開示されている（特許文献１参照）。又、半導体シリコンプロセス技術によって作製され、アームの先端部に５０ナノメートル以下の曲率を持つ突起部を形成させてＤＮＡ等のナノサイズの試料をハンドリングするナノグリッパが開発されている（特許文献２参照）。
さらに、原子間力顕微鏡(AFM)の通常のカンチレバーに、もう一つのカンチレバーを隣接配置し、このカンチレバーを熱膨張アクチュエータで変位させることで、両カンチレバー間でピンセット動作を行う技術が開示されている（非特許文献１参照）。

特開2006-120391号公報 国際公開第０３／０４５８３８号パンフレット（図１） 武川ら、「ナノ物質のマニピュレーションを行う為のAFMピンセットの開発」、電気学会論文誌E Vol.125(2005), No.11, pp.448-453（図２）

しかしながら、試料の微細化に伴い、従来問題にならなかった、微小マニピュレータ自体のサブミクロンオーダの微小な振動ノイズがマニピュレーションの障害となっている。通常、試料の位置にピンセット先端を移動し、確実に把持しようとすれば、ピンセット先端の振動を試料のサイズの1/10以下に抑えるのが必要とされる。ところが、通常の微小マニピュレータの振動振幅は数１００ｎｍ程度であるため、把持可能な試料の最小サイズは数ミクロンとなり、これより微小な試料を扱うことが難しい。例えば、50nmサイズの異物を微小マニピュレータで把持しようとすれば、ピンセット先端の振動を５ｎｍ以下に抑える必要がある。

一方、SEMやFIB装置は鏡筒から放射される電子線やイオンビームといった荷電粒子線によって試料を観察するタイプであるため、試料近傍に荷電粒子ビーム等の光学系を配置する必要がある。そのため、これらの装置に微小マニピュレータを組み込む場合、光学系と干渉しないよう、微小マニピュレータを装置内壁から片持ち構造で支える必要があり、剛性が低くなって振動が増加するという問題がある。そして、スペース上やコスト上の限界があるため、支持材の剛性を高くして振動を減らすのは難しい。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、微小マニピュレータ自体の振動を軽減することで、微小な試料を確実に操作できる微小マニピュレータ、及びそれを備えた観察装置の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の微小マニピュレータは、試料を把持するための対向する一対のアームと、前記アームを支持するベース部と、前記ベース部に取り付けられて前記アームを開閉させる開閉アクチュエータとを有するマニピュレータ部と、前記マニピュレータ部の変位を検出する変位検出部と、前記ベース部と外部装置との間に取り付けられ、前記マニピュレータ部を前記試料に対して３次元移動させる移動機構と、前記変位検出部によって検出された変位を打ち消すように、前記移動機構を制御する制御部とを備える。
このような構成とすると、変位検出部によって検出された変位信号に基づき、制御部は、この変位を打ち消すような制御信号を生成して移動機構を制御するので、フィードバック制御により、マニピュレータ部の振動振幅が低減し、微小な試料（や付着物等）をマニピュレータ部が確実に把持することができる。

前記マニピュレータ部は、前記アームの表面に形成され、前記アームの開閉方向と垂直な面に対し所定の角度をなす鏡面をさらに有し、前記変位検出部は、前記鏡面に光を照射し、その反射光に応じて前記アームの前記開閉方向と異なる方向の変位を検出してもよい。
このような構成とすると、アームの鏡面で反射された光に基づいて検出するので、アーム先端の変位を高精度で検出できる。又、この際に、鏡面がアームの開閉方向と垂直な面に対して所定の角度をなしているので、アームの開閉による変位を検出することがなく、マニピュレータ部全体の変位を検出でき、制振のためのフィードバック制御を確実に行える。

前記試料の最大径が１μｍ以下であることが好ましい。
本発明によれば、マニピュレータ部の振動を低減するので、従来は困難であった最大径が１μｍ以下の試料を操作できる。

前記外部装置は、鏡筒から放射される荷電粒子線によって試料を観察するものであってもよい。
本発明によれば、マニピュレータ部と外部装置との固定部を構造的に変えることなく、マニピュレータ部の振動を低減することができるので、マニピュレータ部の取り付けのスペースに制限がある鏡筒から荷電粒子線を放射するタイプの外部装置に好適に適用することができる。

本発明の観察装置は、前記微小マニピュレータを備えている。

本発明によれば、微小マニピュレータ自体の振動を軽減することで、微小な試料を確実に操作できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
<第１の実施形態>
図１は本発明の第１の実施形態に係る微小マニピュレータ及び観察装置の全体構成を示す断面図である。
図１において、集束イオンビーム（ＦＩＢ）である外部装置（観察装置）２００に、微小マニピュレータ（１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１４２、１４４）が取付けられ、外部装置２００の試料ステージ上の試料３００（や付着物４００）をハンドリング可能になっている。なお、本発明において、「試料」とは、試料だけでなく、試料の付着物や欠陥等、微小マニピュレータが把持する対象すべてを含む。
外部装置２００は、真空容器２１０と、真空容器２１０の中心に配置されて荷電粒子ビームを試料３００へ向かって垂直に放射する鏡筒(イオン源)２０６と、図示しないレンズと、鏡筒２０６の直下に配置された試料ステージ２０２と、試料ステージ上の試料３００から反射される信号（二次電子や二次イオン）を検出する荷電粒子検出器２０８とを備えている。

微小マニピュレータは、外部装置の真空容器２１０の内壁から内側へ向かって延びる第１片持ち支持部１４０ａと、第１片持ち支持部１４０ａの先端に取付けられる移動機構１２０と、移動機構１２０から真空容器２１０の中心に向かって延びる第２片持ち支持部１４０ｂと、第２片持ち支持部１４０ｂの先端に取付けられるマニピュレータ部１００ａとを有する。
詳細は後述するが、マニピュレータ部１００ａは試料上に位置し、一対のアームにより試料（や付着物等）をハンドリングする。移動機構１２０は３次元方向に変位し、マニピュレータ部１００ａを試料３００上の所定位置に３次元移動させる。移動機構１２０は、例えばＸ，Ｙ、Ｘ軸にそれぞれ変位する３つのアクチュエータ（ピエゾ素子やステッピングモータ等）からなる。
FIB装置は鏡筒から放射されるイオンビームによって試料を観察するタイプであるため、試料近傍に荷電粒子ビーム等の光学系を配置する必要がある。
片持ち支持部１４０（第１片持ち支持部１４０ａ、第２片持ち支持部１４０ｂを総称して適宜「片持ち支持部」という）は、外部装置２００の機能（光学系）と干渉しないよう、微小マニピュレータを装置内壁から片持ち構造で支えるためのものである。

微小マニピュレータは又、マニピュレータ部１００ａの制振を行うための機構として、レーザ光源１１０ａ１と、位置検出センサ１１０ａ２と、コントローラ（制御部）１３０と、コントローラ１３０からの制御により移動機構１２０を動作させる移動機構用ドライバ１４２と、作業者がコントローラ１３０を操作するためのコンソール（入出力装置）１４４とを備える。
レーザ光源１１０ａ１からのレーザ光は、マニピュレータ部１００ａの図示しない鏡面で反射されて位置検出センサ１１０ａ２に受光され、そのときの光の強度や方向からマニピュレータ部１００ａの変位を検出するようになっている。以下、レーザ光源１１０ａ１と位置検出センサ１１０ａ２を総称し適宜「変位検出部」１１０という。
なお、この実施形態では、位置検出センサ１１０ａ２は４分割フォトディテクタとなっていて、「光てこ」方式で変位の検出を行う。つまり、位置検出センサ１１０ａ２上に入射したレーザ光のスポットは、マニピュレータ部１００ａの変位に応じてディテクタ面内を動くので、４分割された各フォトディテクタ面の差分を検出することにより、マニピュレータ部１００ａの変位を検出することができる。

変位検出部１１０によって検出された変位信号はコントローラ１３０に入力され、コントローラ１３０は、この変位を打ち消すような制御信号を生成して移動機構用ドライバ１４２に送信する。移動機構用ドライバ１４２は制御信号に従って移動機構１２０を動作させる。そして、このようにフィードバック制御を行うことにより、マニピュレータ部１００ａの振動振幅が低減し、微小な試料（や付着物等）をマニピュレータ部１００ａが確実に把持することができる。
上記フィードバック制御により、マニピュレータ部１００ａの振動振幅は従来の値（数１００ｎｍ程度）より小さくなるので、最大径が１μｍ以下である試料（や付着物等）を操作できる。

次に、マニピュレータ部１００ａの構造について、図２を参照して説明する。マニピュレータ部１００ａは、鏡面８０を有すること以外は、上記特許文献２（国際公開第０３／０４５８３８号パンフレット）と同一の構造である。
マニピュレータ部１００ａは、試料を把持するための対向する一対のアーム７１と、アームを支持するベース部１１と、ベース部に取り付けられてアームを開閉させる開閉アクチュエータ３５と、各アーム７１の上面７１ａにそれぞれ形成された鏡面８０とを有する。鏡面８０は、アームの開閉方向Ｚと垂直な面ＰＬに対して９０の角度をなしている。又、各アーム７１の先端部の対向面には、三角錐状の突起部７２がその先端同士を同一軸上に対向してそれぞれ形成されている。突起部７１はシリコン結晶からなり、先端が先鋭化されているため、極めて微小な試料（ＤＮＡ等）を把持できる。なお、試料の大きさに応じて、突起部７１を設けなくてもよい。
各アーム７１は長片状のシリコンからなり、例えば幅２５０μｍ程度、長さを１２５０μｍ程度とすることができる。

又、各アーム７１の基部は、それぞれシリコンプローブ３５に接続され、シリコンプローブ３５は絶縁部２２を介してベース部１１表面に形成されている。シリコンプローブ３５は、長片状の固定部７４と、固定部７４の長手方向にそれぞれ平行に隣接配置される第１熱膨張部７５及び第２熱膨張部７６とを備えている。
第１熱膨張部７５及び第２熱膨張部７６を総称して、適宜「開閉アクチュエータ」３５と称する。
そして、各シリコンプローブ３５の固定部７４同士が対向し、固定部７４の外側に第１熱膨張部７５が位置し、第１熱膨張部７５の外側に第２熱膨張部７６が位置している。
さらに、固定部７４の先端は縮径のヒンジ７３を介してアーム７１の基部に一体に接続され、第１熱膨張部７５及び第２熱膨張部７６の先端は９０度内側へ曲げられてアーム７１の基部のそれぞれ異なる位置に接続されている。

そして、第１熱膨張部７５及び第２熱膨張部７６にそれぞれ形成された電極７５ｅ、７６ｅに通電することにより、第１熱膨張部７５及び第２熱膨張部７６は熱膨張して伸長するので、アーム７１はヒンジ７３を支点に揺動し、各アーム７１の間隔が変化して開閉し、試料を把持する。
より具体的には、第１熱膨張部７５のアーム７１との接続位置が、第２熱膨張部７６のアーム７１との接続位置よりヒンジ７３側に近いので、第１熱膨張部７５が熱膨張すると、各アーム７１の間が開き、第２熱膨張部７６が熱膨張すると各アーム７１の間が閉じるようになっている。
なお、第１熱膨張部７５及び第２熱膨張部７６（開閉アクチュエータ３５）としては、上記したシリコンの他、静電型アクチュエータ、圧電型アクチュエータ（ピエゾ素子等）としてもよい。

ここで、アームの開閉方向Ｚとは、実際のアームの開閉方向で定義されるものではなく、静止状態での各アームの対向位置同士を結んだ方向をいう。又、各アームの対向位置とは、各アームを閉じたときに同一位置になる部分をいう。
例えば、この実施形態では、各アーム７１は実際にはヒンジ７３を中心に円弧状に開閉するが、各アームの対向位置（この実施形態では突起部７２の先端同士）を結ぶ線の方向を開閉方向Ｚとする。
そして、開閉方向Ｚと垂直な面ＰＬに対して所定の角度をなして鏡面８０を形成することにより、アームの開閉による変位を検出せず、マニピュレータ部１００ａ全体の振動を検出できる。つまり、開閉方向Ｚと垂直な面ＰＬと平行に鏡面８０を形成すると、アームの開閉をマニピュレータ部１００ａの変位として検出してしまい、制振のためのフィードバック制御が困難となる。

鏡面８０を形成する方向は、面ＰＬと所定の角度をなしていればよいが、通常、マニピュレータ部１００ａは半導体プロセス技術によって作製され、アーム７１の断面は矩形状であるので、面ＰＬと垂直なアームの上面７１ａや先端面７１ｂに鏡面８０を形成すればよい。又、外部装置２００と変位検出部１１０との位置関係によっては、最適な反射位置となるよう、アームの上面７１ａや先端面７１ｂの一部を面取りし、上面７１ａや先端面７１ｂと異なる角度に鏡面８０を形成してもよい。

次に、マニピュレータ部１００ａの製造方法の一例について説明するが、鏡面８０を形成すること以外は、上記特許文献２（国際公開第０３／０４５８３８号パンフレット）と同様にして製造することができ、又、一般的なフォトリソグラフィによる半導体プロセスを適用することができる。
まず、ベース部１１、酸化シリコン等からなる絶縁部２２、シリコン層（開閉アクチュエータ３５やアーム７１となるもの）となる層を順に積層したシリコン基板を準備する。シリコン基板として、いわゆるＳＯＩ（Silicon on insulator）を用いてもよく、ガラス基板上にシリコン層を形成したものや、アモルファスシリコンやポリシリコン基板上にＳＯＩ層を形成したものであってもよい。
次に、シリコン層表面にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィによってレジスト膜をパターンニングする。そして、エッチング及びレジスト膜の剥離をすることによって、図２に示す構造を作製することができる。
鏡面８０は、一般的な半導体プロセスによって作製されたアーム７１の所定の面をそのまま鏡面として使用することができる。該プロセスによるシリコン表面は十分平滑であるためである。また、上記したアーム７１の所定の面に、さらにアルミニウム、金などの金属膜を蒸着すると、光の反射が強くなり、変位検出感度が高くなるのでより好ましい。

次に、コントローラ１３０による制振制御（フィードバック制御）の一例について、図３を参照して説明する。コントローラ１３０は、例えばパーソナルコンピュータ等からなり、制振制御に関する各種計算を行うための制御基板、プロセッサ（ＣＰＵ：中央制御処理装置）、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶手段、インターフェース等を有する。
まず、コントローラ１３０は、試料の座標(X₀,Y₀,Z₀)設定を行う（ステップＳ１０１）。この設定は、例えば作業者が装置の画面を見ながら、操作したい試料（や付着物）の位置を選択することで、選択した座標をコントローラ１３０が取得することで行う。
コントローラ１３０は、ステップＳ１０１で取得した座標(X₀,Y₀,Z₀)を、マニピュレータ部１００ａの移動目標値として設定する（ステップＳ１０３）。このとき、マニピュレータ部１００ａが振動していなければ、マニピュレータ部１００ａを移動目標値まで移動させればよいが、実際にはマニピュレータ部１００ａが振動しているため、以下の処理を行う。

つまり、コントローラ１３０は、振動による実際のマニピュレータ部１００ａの変位(X₁,Y₁,Z₁)を、変位検出部１１０から取得する（ステップＳ１０５）。ここで、変位検出部１１０によって検出された変位信号は（交流信号）は、所定のプリアンプを経由してコントローラ１３０内に設けられたＲＭＳ検出器（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ：二乗平均根）により交流検出信号の二乗平均根値として測定される。
次に、コントローラ１３０は、この変位を打ち消すような制御信号（フィードバック量）(X₀-X₁, Y₀-Y₁, Z₀-Z₁)を算出し（ステップＳ１０７）、移動機構用ドライバ１４２に送信する（ステップＳ１０９）。
移動機構用ドライバ１４２は制御信号に従って移動機構１２０を動作させ、マニピュレータ部１００ａを移動目標値に近づける。そして、ステップＳ１０５〜Ｓ１０７を繰り返すフィードバック制御を行うことにより、マニピュレータ部１００ａの振動振幅が低減し、マニピュレータ部１００ａを移動目標値に近付けて微小な試料（や付着物等）を確実に把持することができる。
なお、フィードバック量を算出するフィードバック回路は上記制御基板上に実装されるハードウェアである。
又、ステップＳ１０５〜Ｓ１０７の処理は、装置の起動の間、継続して行うようにすれば好ましい。

<第２の実施形態>
図４は本発明の第２の実施形態に係る微小マニピュレータ及び観察装置の全体構成を示す断面図である。第２の実施形態は、微小マニピュレータにおける変位検出部１１０の構成と、鏡面８０の形成位置が異なること以外は、第１の実施形態と同一であるので、同一部分の構成を同一符号を付してその説明を省略する。

図４において、変位検出部１１０は、マニピュレータ部１００ｂの各アーム７１の先端面７１ｂ（図２参照）に対向して装置２００の内壁に取り付けられた光干渉計１１０ｂである。そして、光干渉計１１０ｂからの出射光は、各アーム７１の先端面７１ｂに形成された鏡面８０で反射されて再び光干渉計１１０ｂに入射する。この際、光干渉計１１０ｂから２つ以上に分割された光が戻る際の光路差からマニピュレータ部１００ｂの変位を検出する。光干渉計１１０ｂとしては、例えばレーザ干渉計を用いることができる。

<第３の実施形態>
図５は本発明の第３の実施形態に係る微小マニピュレータ及び観察装置の全体構成を示す断面図である。第３の実施形態は、微小マニピュレータにおける変位検出部１１０の構成が異なること、及びマニピュレータ部に鏡面が形成されていないこと以外は、第１の実施形態と同一であるので、同一部分の構成を同一符号を付してその説明を省略する。
なお、第３の実施形態において、マニピュレータ部１００ｃは鏡面が形成されていないため、上記特許文献２（国際公開第０３／０４５８３８号パンフレット）と同一の構造とすることができる。

図５において、変位検出部１１０は、マニピュレータ部１００ｃを支持する第１片持ち支持部１４０ａの側壁に取り付けられた歪ゲージ１１０ｃである。そして、マニピュレータ部１００ｃが振動すると、同様に第１片持ち支持部１４０ａも振動するので、第１片持ち支持部１４０ａの振動（変位）を歪ゲージ１１０ｃで検出することで、マニピュレータ部１００ｃの変位を検出できる。

本発明は上記実施形態に限定されず、アームの構成等を自由に設計することができる。又、本発明において、鏡筒から放射される荷電粒子線によって試料を観察する外部装置（観察装置）としては特に限定されないが、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、走査型イオン顕微鏡（ＳＩＭ）、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等が挙げられる。
又、本発明は上記した実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。

本発明の第１の実施形態に係る微小マニピュレータ及び観察装置の全体構成を示す断面図である。 マニピュレータ部の構造を示す斜視図である。 コントローラによる制振制御（フィードバック制御）の一例を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る微小マニピュレータ及び観察装置の全体構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る微小マニピュレータ及び観察装置の全体構成を示す断面図である。

符号の説明

１１ ベース部
３５（７５、７６） 開閉アクチュエータ
１００ａ〜１００ｃ マニピュレータ部
１１０ａ１、１１０ａ２、１１０ｂ、１１０ｃ 変位検出部
１２０ 移動機構
１３０ 制御部
２００ 外部装置（観察装置）
２０６ （外部装置）の鏡筒
３００ 試料
４００ 試料上の付着物

Claims (5)

1. 試料を把持するための対向する一対のアームと、前記アームを支持するベース部と、前記ベース部に取り付けられて前記アームを開閉させる開閉アクチュエータとを有するマニピュレータ部と、
   前記マニピュレータ部の変位を検出する変位検出部と、
   前記ベース部と外部装置との間に取り付けられ、前記マニピュレータ部を前記試料に対して３次元移動させる移動機構と、
   前記変位検出部によって検出された変位を打ち消すように、前記移動機構を制御する制御部とを備えた微小マニピュレータ。
2. 前記マニピュレータ部は、前記アームの表面に形成され、前記アームの開閉方向と垂直な面に対し所定の角度をなす鏡面をさらに有し、
   前記変位検出部は、前記鏡面に光を照射し、その反射光に応じて前記アームの前記開閉方向と異なる方向の変位を検出する請求項１記載の微小マニピュレータ。
3. 前記試料の最大径が１μｍ以下である請求項１又は２記載の微小マニピュレータ。
4. 前記外部装置は、鏡筒から放射される荷電粒子線によって試料を観察する請求項１〜３のいずれかに記載の微小マニピュレータ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の微小マニピュレータを備えた観察装置。

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