JP4016970B2 - Sample preparation apparatus and sample preparation method - Google Patents

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本発明は、イオンビームと移送手段を利用して、試料片から分析や観察に必要な部分のみを摘出して、試料ホルダに固定して、分析や観察に好適な形状に加工する試料作製装置および試料作製方法に関する。   The present invention is a sample preparation apparatus that uses an ion beam and a transfer means to extract only a part necessary for analysis or observation from a sample piece, and fixes it to a sample holder to process it into a shape suitable for analysis or observation. And a sample preparation method.

半導体の高集積化に伴ない、分析や観察の対象物が走査型電子顕微鏡(以下、SEMと略記)の分解能では観察できないほど極微細なものについても解析の必要性が高まり、SEMに代って観察分解能が高い透過型電子顕微鏡(以下、TEMと略記)が有力な装置となっている。   As the integration of semiconductors increases, the need for analysis increases even if the object to be analyzed or observed is so fine that it cannot be observed with the resolution of a scanning electron microscope (hereinafter abbreviated as SEM). Therefore, a transmission electron microscope (hereinafter abbreviated as TEM) having a high observation resolution is a promising apparatus.

従来のTEM用の試料作製方法は、研磨やイオンシニングなどを用いた方法が良く知られているが、所望の観察領域をμmレベルで限定して試料を作製することは殆ど不可能であるとともに、一試料作製に数日も要していた。   As a conventional TEM sample preparation method, a method using polishing or ion thinning is well known. However, it is almost impossible to prepare a sample by limiting a desired observation region at a μm level. At the same time, it took several days to make one sample.

最近では集束イオンビーム(以下、FIBと略す)加工を利用する例が定着しつつある。これは、まず、ダイシング装置を用いてウェーハ等の試料から観察すべき領域を含む短冊状ペレットを切り出す。このペレットの大きさは、おおよそ3×0.1×0.5mm(0.5mmはウェーハの厚み)である。この短冊状ペレットの一部を薄壁状にFIB加工してTEM試料とする。FIB加工されたTEM観察用の試料(TEMサンプル)は図2(a)20や(b)20’に示したような形状をしている。TEMサンプルの断面形状は逆T字形状であったり、L字形状の場合もあり種々変形もあるが、基本とするところは短冊状の試験片の一部がTEM観察用に薄いウォール状に加工してあることにある。試料の上部21の幅は40μm程度、下部22の幅は約100μmで、TEM観察部23、23’の寸法はおおよそ10μm×5μmで、厚さ約0.1μm程度である。このような試料をTEM試料として、TEMホルダをTEMステージに搭載し、TEM装置に導入してウォール部23、23’を観察する。この方法によって、ウェーハやチップから所望の観察部をμmレベルで位置出しすることが可能になった。   Recently, an example using a focused ion beam (hereinafter abbreviated as FIB) processing is being established. First, a strip-shaped pellet including a region to be observed is cut out from a sample such as a wafer by using a dicing apparatus. The size of the pellet is approximately 3 × 0.1 × 0.5 mm (0.5 mm is the thickness of the wafer). A part of the strip-shaped pellet is FIB processed into a thin wall shape to obtain a TEM sample. The FIB-processed sample for TEM observation (TEM sample) has a shape as shown in FIGS. 2 (a) 20 and (b) 20 '. The cross-sectional shape of a TEM sample may be an inverted T-shape or an L-shape, and may be variously modified. However, basically, a part of a strip-shaped test piece is processed into a thin wall for TEM observation. There is to be. The width of the upper part 21 of the sample is about 40 μm, the width of the lower part 22 is about 100 μm, the dimensions of the TEM observation parts 23 and 23 ′ are about 10 μm × 5 μm, and the thickness is about 0.1 μm. Using such a sample as a TEM sample, a TEM holder is mounted on a TEM stage and introduced into a TEM apparatus to observe the wall portions 23 and 23 '. This method makes it possible to locate a desired observation portion from the wafer or chip at the μm level.

この手法に関しては、例えば、E.C.G.Kirkらが、論文集 Microscopy of SEMiconducting Materials 1989, Institute of Physics Series No.100., p.501-506(公知例1)において説明している。   This technique is described, for example, by E.C.G.Kirk et al. In the collection of papers Microscopy of SEM iconducting Materials 1989, Institute of Physics Series No.100., P.501-506 (Prior Art 1).

最近では、FIB装置とTEM装置の両方で兼用できる試料ステージが用いられている。図2(c)はその試料ステージの概略形状で、サイドエントリ型の試料ステージである。握り部24は試料ステージ7’を装置内への出入れの際に手で持ったり、試料の傾斜調整をするための部分であり、円柱部25の先端に図2(a)や(b)のような試料20(または20’)が固定治具26、26’によって固定されている。この試料ステージ7’は図3に示すように、FIB装置31内に導入され、試料ステージ微動機構8’により位置調整される。FIB加工時にはウォール部23、23’に平行にFIBを照射し、TEM観察時にはウォール面に垂直に電子線を照射するため、この試料ステージ7’はFIB加工時とTEM観察時とで90°軸回転させて用いる。このような試料ステージ7’により、FIB装置内で加工した試料を直ちにTEM装置内に持ち込んで観察することが可能になった。しかし、FIB加工を利用しても加工時間は一試料に3時間から5時間も要している。このように、TEMは高分解能観察が期待できるが、試料作製に多大の時間と、神経を尖らして行なわねばならない熟練技能的な手作業を要するという面を持ち合わせている。このFIBとTEMの兼用の試料ステージについては特開平6ー103947号公報『集束イオンビーム装置』(公知例2)に記載され、この公知例2にはこの試料ステージがTEMの他、SEM、エッチング装置、蒸着装置、レーザー加工機にそのまま装着可能であることが記載されている。   Recently, a sample stage that can be used both as an FIB apparatus and a TEM apparatus has been used. FIG. 2C shows a schematic shape of the sample stage, which is a side entry type sample stage. The grip portion 24 is a portion for holding the sample stage 7 ′ by hand when the sample stage 7 ′ is put in and out of the apparatus, and for adjusting the tilt of the sample. At the tip of the cylindrical portion 25, FIG. 2A and FIG. The sample 20 (or 20 ′) is fixed by fixing jigs 26 and 26 ′. As shown in FIG. 3, the sample stage 7 'is introduced into the FIB apparatus 31, and the position thereof is adjusted by the sample stage fine movement mechanism 8'. The FIB is irradiated with FIB parallel to the wall portions 23 and 23 'during the FIB processing, and the electron beam is irradiated perpendicularly to the wall surface during the TEM observation. Therefore, the sample stage 7' has an axis of 90 ° between the FIB processing and the TEM observation. Use by rotating. Such a sample stage 7 'makes it possible to immediately bring the sample processed in the FIB apparatus into the TEM apparatus and observe it. However, even if FIB processing is used, the processing time is 3 to 5 hours for one sample. As described above, TEM can be expected to provide high-resolution observation, but it has a large amount of time for sample preparation and a skillful manual operation that must be performed with a sharp nerve. This sample stage for both FIB and TEM is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-103947, “Focused Ion Beam Device” (known example 2). In this known example 2, this sample stage is not only TEM but also SEM, etching. It is described that it can be directly mounted on an apparatus, a vapor deposition apparatus, and a laser processing machine.

また、イオンビームを用いてウェーハ内に作製した特定の微小試料をプローブにより摘出する方法として、特許公報第2774884号『試料の分離方法及びこの分離方法で得た分離試料の分析方法』(公知例3)がある。   Further, as a method of extracting a specific minute sample produced in a wafer using an ion beam with a probe, Japanese Patent Publication No. 2774884, “Method for separating sample and method for analyzing separated sample obtained by this separation method” (known example) 3).

さらに、ウェーハから微小試料を摘出する別の方法として、第58回応用物理学会学術講演会講演予稿集(1997.10月、秋田大学)3p-ZL-8, p.666に、『FIB加工とマイクロマニピュレーション技術を用いたTEM試料作製法』(公知例4)と題して報告している。
また、ウェーハ内にTEM観察用の薄膜のみを集束イオンビームを用いて作製し、この薄膜のみをガラス製のニードルを用いてTEMメッシュ上に搬送しTEM試料とする方法が、例えばMaterial Research Society Symposium Proceedings, 1997 vol. 480., p19-27(公知例5)に記述されている。
In addition, as another method of extracting a small sample from a wafer, the 58th JSAP Scientific Lecture Proceedings (October 1997, Akita University) 3p-ZL-8, p.666, TEM sample preparation method using micromanipulation technology "(known example 4).
In addition, a method in which only a thin film for TEM observation is produced in a wafer using a focused ion beam, and only this thin film is transferred onto a TEM mesh using a glass needle to form a TEM sample, for example, Material Research Society Symposium Proceedings, 1997 vol. 480., p19-27 (known example 5).

特開平6ー103947号公報JP-A-6-103947

上述のように、分析や観察、計測するのに好適な試料、特にTEM試料作製を作製する場合、以下のような多くの問題を抱えていた。
公知例1、公知例2に関する問題点は以下の通りである。
(1)TEM試料を作製するには、イオンシニングや研磨機、もしくは、ダイシング装置やFIB装置など複数の装置が必要である。
(2) 試料作りからTEM観察までの作業が煩雑で時間を要するものであった。
公知例3に関する問題点は以下の通りである。
(3)作製されたTEM試料がプローブに保持された状態であるため、TEM装置への導入が難しい。
公知例4、公知例5に関する問題点は以下の通りである。
(4)作製後の試料のTEM用試料ステージへの取付け作業において、作業者の神経を使わせると共に、落下、紛失などの事故発生の可能性を秘めている。また、TEM観察後、別の試料と交換する際にも同じ危険性を秘めている。
As described above, when preparing a sample suitable for analysis, observation, and measurement, particularly, a TEM sample preparation, there are many problems as follows.
Problems associated with known examples 1 and 2 are as follows.
(1) In order to produce a TEM sample, a plurality of apparatuses such as an ion thinning and polishing machine, or a dicing apparatus and an FIB apparatus are required.
(2) The work from sample preparation to TEM observation was complicated and time consuming.
The problems with the known example 3 are as follows.
(3) Since the produced TEM sample is held by the probe, it is difficult to introduce it into the TEM apparatus.
Problems relating to the known examples 4 and 5 are as follows.
(4) In attaching the prepared sample to the TEM sample stage, the operator's nerves are used and there is a possibility of an accident such as dropping or loss. Moreover, the same danger is hidden when replacing with another sample after TEM observation.

上記問題点に鑑み、本発明の第1の目的は、試料作製から分析や観察、計測までの作業が簡便で、試料作製が一つの装置ででき、作製試料の分析装置への受け渡しが容易な試料作製装置を提供することであり、また、本発明の第2の目的は、試料作製から分析や観察、計測までの作業が簡便で作製試料の分析装置への受け渡しが容易な試料作製方法を提供することにある。   In view of the above problems, the first object of the present invention is that the operations from sample preparation to analysis, observation, and measurement are simple, sample preparation can be performed with a single device, and delivery of the prepared sample to the analyzer is easy. A second object of the present invention is to provide a sample preparation method in which operations from sample preparation to analysis, observation, and measurement are simple and delivery of the prepared sample to the analyzer is easy. It is to provide.

上記第1の目的は、
(1)イオンビームの照射光学系と、イオンビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、試料片の一部を分離した摘出試料を試料ホルダに移し変える移送手段と、サイドエントリ型試料ステージを搭載して微動させる試料ステージ微動手段を少なくとも有し、さらに、サイドエントリ型試料ステージが上記試料片を載置する第1試料ステ−ジ、および、摘出試料を載置する試料ホルダを着脱できる第2試料ステ−ジとから構成した試料作製装置によって実現する。本構成により一つの試料作製装置の中で試料作製が可能であり、分析、観察装置への受け渡しが簡便になる。また、
(2)イオンビームの照射光学系と、イオンビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、イオンビームの照射領域にデポジション膜を形成する原料ガスを供給するデポジション用ガス供給源と、試料片の一部を分離した摘出試料を試料ホルダに移し変える移送手段と、サイドエントリ型試料ステージを搭載して微動させる試料ステージ微動手段を少なくとも有し、さらに、サイドエントリ型試料ステージが上記試料片を載置する第1試料ステ−ジ、および、摘出試料を載置する試料ホルダを着脱できる第2試料ステ−ジとから構成した試料作製装置によって実現する。本構成により摘出試料移送や試料ホルダへの固定をデポジション膜で確実に行うことができる。また、
(3)イオンビームが集束イオンビームもしくは投射イオンビームのうちの少なくともいずれかであると精度の良い加工または高速な加工が可能となる。また、(4)第1試料ステージは試料片を載置する試料設置部が上記第1試料ステージ軸に垂直な軸に中心に回転できる回転機構を有する構成にすることで、試料片を試料ステージに載置する場合、所望の断面の向きを気にすることなく載置でき、試料作製装置内で所望の断面を容易に加工できる。また、
(5)第2試料ステージは集束イオンビーム装置、投射イオンビーム装置、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡、オージェ電子分光分析装置、電子プローブX線微小分析装置、電子エネルギ欠損分析装置、二次イオン質量分析装置、二次中性粒子イオン化質量分析装置、X線光電子分光分析装置、または、プローブを用いた電気計測装置のうちのいずれかに装填できる試料ステージとすることで、試料作製後に試料の置き直しをすることなくそのまま分析、観察等が可能であり、試料破損の可能性を減らすことができる。また、
(6)第2試料ステージは集束イオンビーム装置、投射イオンビーム装置、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡、オージェ電子分光分析装置、電子プローブX線微小分析装置、電子エネルギ欠損分析装置、二次イオン質量分析装置、二次中性粒子イオン化質量分析装置、X線光電子分光分析装置、または、プローブを用いた電気計測装置のうちのいずれかに装填するための試料ホルダを載置するホルダ設置部を有する構成とすることで、作製試料を分析、観察に最適な試料ホルダに設置できる。また、
(7)第1試料ステージは集束イオンビーム装置、投射イオンビーム装置、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡、オージェ電子分光分析装置、電子プローブX線微小分析装置、電子エネルギ欠損分析装置、二次イオン質量分析装置、二次中性粒子イオン化質量分析装置、X線光電子分光分析装置、または、プローブを用いた電気計測装置のうちのいずれかに装填できる試料ステージとすることで、試料断面分析や観察が容易にできるようになる。さらに、
(8)試料のイオンビームアシスト増速エッチングを可能にするガスを供給するエッチングガス供給源を有する構成とすることで、高速加工が実現でき、試料作製時間を減少できる。
また、上記第2の目的は、
(9)サイドエントリ方式の第1試料ステージに搭載した試料片をイオンビームによって加工し、移送手段によって試料片の一部を摘出した摘出試料を一旦保持し、第1試料ステージに変えてサイドエントリ方式の第2試料ステージを装填して、摘出した試料を移送手段によって第2試料ステージ上の試料ホルダに移設し、イオンビームによって所望の分析手段、観察手段または計測手段に好適な試料形状に加工を施す方法を用いることで実現でき、一つの装置内での試料作製が可能となる。また、
(10)摘出した試料を搭載した第2試料ステージを所望の分析手段、観察手段または計測手段に装填して所望の分析、観察または計測による解析を行なうことで、試料作製後、短時間で分析、観察等が可能になる。また、
(11)分析手段、観察手段または計測手段が、特に、集束イオンビーム装置、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡、オージェ電子分光分析装置、電子プローブX線微小分析装置、電子エネルギ欠損分析装置、二次イオン質量分析装置、二次中性粒子イオン化質量分析装置、X線光電子分光分析装置、または、プローブを用いた電気計測装置のうちのいずれかであれば様々な試料分析が可能となる。さらに、
(12)イオンビームが集束イオンビームまたは投射イオンビームであれば精度の良い加工または高速な加工が可能となる。特に、
(13)第1試料ステージに複数の試験片を搭載して、試験片の各々から一部を摘出して上記試料ホルダ上に移設することで、複数試料の効率よい試料作製が実現でき、また、
(14)第1試料ステージに搭載した1個の試験片から複数の部分を摘出して上記第2ステージに設置された上記試料ホルダに移設することで、一つの試料から集中的かつ効率的な試料作製が可能となる。特に、
(15)第1試料ステージに搭載した1個の試験片から複数の部分を摘出して上記第2ステージに設置された上記同一の試料ホルダに移設することで、一度、分析または観察装置に第2試料ステージを挿入するだけで、複数摘出試料を効率的に分析、観察できる。また、
(16)観察、分析あるいは計測するための試料作製方法としてサイドエントリ方式の第1試料ステージに搭載した試料片に対して所望の分析または観察または計測すべき領域を判別する目印を試料に付けるマーキング工程と、イオンビ−ム照射によって上記目印の周囲に複数の垂直穴を形成する工程と、試料ステ−ジを傾斜させてイオンビ−ム照射によって試料片の表面に対して斜め溝を形成する工程とによって、試料片に支持部で保持されたクサビ形状の片持ち試料を形成する工程と、第1試料ステ−ジを水平に戻して、片持ち試料の一部に移送手段の一部を接触させ、デポジションガスを供給しつつ接触部を含む領域にイオンビ−ム照射してデポジション膜を形成することで片持ち試料と移送手段の一部を固着させる工程と、イオンビ−ム照射することで支持部を切断する工程と、第1試料ステ−ジと移送手段を相対的に離間させる工程と、第1試料ステージを装置から引き抜く工程と、第1試料ステージに代わって第2試料ステージを装置に挿入する工程と、第2ステージ上に設置された試料ホルダが摘出試料のほぼ直下に位置するように移動させる工程と、摘出試料を移送手段を駆動して試料ホルダに接触させ、デポジションガスを供給しつつ試料ホルダと摘出試料の接触部の一部にイオンビ−ム照射してデポジション膜を形成することで、摘出試料と試料ホルダを固着させる工程と、イオンビームを照射することで移送手段と摘出手段を分離する工程と、摘出試料を分析装置、観察装置または計測装置のうちの少なくともいずれかに最適なサンプルを作製する工程とを含むことで1つの試料作製装置内で、分析、解析に簡便な試料が作製できる。
The first purpose is to
(1) Ion beam irradiation optical system, secondary particle detection means for detecting secondary particles generated by ion beam irradiation, and transfer means for transferring an extracted sample obtained by separating a part of a sample piece to a sample holder; , Having at least a sample stage fine movement means for mounting and finely moving the side entry type sample stage, and the side entry type sample stage placing a first sample stage on which the sample piece is placed, and an extracted sample being placed This is realized by a sample preparation device constituted by a second sample stage to which a sample holder to be attached can be attached and detached. With this configuration, a sample can be prepared in one sample preparation device, and delivery to an analysis and observation device is simplified. Also,
(2) Ion beam irradiation optical system, secondary particle detection means for detecting secondary particles generated by ion beam irradiation, and deposition for supplying a source gas for forming a deposition film in the ion beam irradiation region Gas supply source, transfer means for transferring an excised sample from which a part of the sample piece has been separated to the sample holder, and a sample stage fine movement means for finely moving the side entry type sample stage mounted thereon, and further, side entry The mold sample stage is realized by a sample preparation apparatus including a first sample stage on which the sample piece is placed and a second sample stage on which a sample holder on which the extracted sample is placed can be attached and detached. With this configuration, the extracted sample can be transferred and fixed to the sample holder with the deposition film. Also,
(3) When the ion beam is at least one of a focused ion beam and a projected ion beam, accurate processing or high-speed processing is possible. In addition, (4) the first sample stage has a configuration in which the sample placement portion on which the sample piece is placed has a rotation mechanism that can rotate about an axis perpendicular to the first sample stage axis, thereby allowing the sample piece to be placed on the sample stage. Can be placed without worrying about the orientation of the desired cross section, and the desired cross section can be easily processed in the sample preparation apparatus. Also,
(5) The second sample stage is a focused ion beam device, a projection ion beam device, a transmission electron microscope, a scanning electron microscope, a scanning probe microscope, an Auger electron spectrometer, an electron probe X-ray microanalyzer, and an electron energy defect analysis. By setting it as a sample stage that can be loaded into any of an apparatus, a secondary ion mass spectrometer, a secondary neutral particle ionization mass spectrometer, an X-ray photoelectron spectrometer, or an electrical measurement device using a probe, Analysis, observation, etc. can be performed without changing the sample after sample preparation, and the possibility of sample breakage can be reduced. Also,
(6) The second sample stage is a focused ion beam device, a projection ion beam device, a transmission electron microscope, a scanning electron microscope, a scanning probe microscope, an Auger electron spectrometer, an electron probe X-ray microanalyzer, an electron energy defect analysis Place a sample holder for loading into any of the following devices: secondary ion mass spectrometer, secondary neutral particle ionization mass spectrometer, X-ray photoelectron spectrometer, or electrical measurement device using a probe By having a configuration having a holder installation part that performs the above, a prepared sample can be installed in a sample holder that is optimal for analysis and observation. Also,
(7) The first sample stage is a focused ion beam device, a projection ion beam device, a transmission electron microscope, a scanning electron microscope, a scanning probe microscope, an Auger electron spectrometer, an electron probe X-ray microanalyzer, an electron energy defect analysis By setting it as a sample stage that can be loaded into any of an apparatus, a secondary ion mass spectrometer, a secondary neutral particle ionization mass spectrometer, an X-ray photoelectron spectrometer, or an electrical measurement device using a probe, Sample cross-section analysis and observation can be performed easily. further,
(8) By having an etching gas supply source that supplies a gas that enables ion beam assisted accelerated etching of a sample, high-speed processing can be realized, and the sample preparation time can be reduced.
The second purpose is to
(9) The sample piece mounted on the first sample stage of the side entry method is processed by an ion beam, and the extracted sample obtained by extracting a part of the sample piece by the transfer means is temporarily held and changed to the first sample stage and side entry is performed. The second sample stage is loaded, the extracted sample is transferred to the sample holder on the second sample stage by the transfer means, and processed into a sample shape suitable for the desired analysis means, observation means or measurement means by the ion beam Therefore, it is possible to produce a sample in one apparatus. Also,
(10) The second sample stage loaded with the extracted sample is loaded into a desired analysis means, observation means, or measurement means, and analysis is performed in a short time after sample preparation by performing analysis by desired analysis, observation, or measurement. Observation becomes possible. Also,
(11) Analyzing means, observing means or measuring means are in particular focused ion beam devices, transmission electron microscopes, scanning electron microscopes, scanning probe microscopes, Auger electron spectroscopy analyzers, electron probe X-ray microanalyzers, electron energy Various sample analyzes are possible as long as it is one of a defect analyzer, secondary ion mass spectrometer, secondary neutral ionization mass spectrometer, X-ray photoelectron spectrometer, or electrical measurement device using a probe. It becomes possible. further,
(12) If the ion beam is a focused ion beam or a projected ion beam, accurate processing or high-speed processing is possible. In particular,
(13) Efficient sample preparation of a plurality of samples can be realized by mounting a plurality of test pieces on the first sample stage, extracting a part from each of the test pieces and transferring them onto the sample holder. ,
(14) A plurality of portions are extracted from one test piece mounted on the first sample stage and transferred to the sample holder installed on the second stage, so that it is intensive and efficient from one sample. Sample preparation is possible. In particular,
(15) A plurality of portions are extracted from one test piece mounted on the first sample stage and transferred to the same sample holder installed on the second stage, so that the analysis or observation apparatus can Multiple samples can be efficiently analyzed and observed simply by inserting two sample stages. Also,
(16) Marking that marks a sample for identifying a region to be analyzed or observed or measured with respect to a sample piece mounted on a first sample stage of a side entry method as a sample preparation method for observation, analysis, or measurement A step of forming a plurality of vertical holes around the mark by ion beam irradiation, a step of tilting the sample stage and forming an oblique groove with respect to the surface of the sample piece by ion beam irradiation, and The step of forming the wedge-shaped cantilever sample held by the support portion on the sample piece, the first sample stage is returned to the horizontal position, and a part of the transfer means is brought into contact with a part of the cantilever sample. Irradiating an ion beam to a region including a contact portion while supplying a deposition gas to form a deposition film, thereby fixing a part of the cantilever sample and the transfer means; A step of cutting the support portion by irradiating the film, a step of relatively separating the first sample stage and the transfer means, a step of pulling out the first sample stage from the apparatus, and a first sample stage instead of the first sample stage. (2) Inserting the sample stage into the apparatus; (2) moving the sample holder installed on the second stage so that it is located almost immediately below the extracted sample; Forming a deposition film by irradiating a portion of the contact portion between the sample holder and the sample to be extracted while forming a deposition film while supplying the deposition gas; A step of separating the transfer means and the extraction means by irradiating; and a step of producing an optimum sample for at least one of the analysis device, the observation device and the measurement device. One in a sample manufacturing apparatus Mukoto, analysis, simple sample can be prepared for analysis.

本発明による試料作製装置または試料作製方法によって、サイドエントリ式ステージに載置された試料片から必要部分を摘出し、各種解析装置に適合する試料ステージに搭載することが一台の装置ででき、しかも、初期の試料片を第1ステージに載置することを除いて、人手で直接試料を触れることがないので、試料を破損させる心配がないという効果を有する。   With the sample preparation device or the sample preparation method according to the present invention, a necessary part can be extracted from a sample piece placed on a side entry type stage and mounted on a sample stage suitable for various analysis devices. In addition, except that the initial sample piece is placed on the first stage, since the sample is not directly touched by hand, there is an effect that there is no fear of damaging the sample.

本発明による試料作製装置の実施の形態は、イオンビームの照射光学系と、イオンビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、試料片の一部を分離した摘出試料を試料ホルダに移し変える移送手段とを少なくとも具備し、試料片を載置するサイドエントリ型の第1試料ステ−ジと、摘出試料を載置するサイドエントリ型の第2試料ステ−ジとを搭載する試料ステージ駆動機構を有する具備する構成とする。まず、第1ステージをステージ駆動機構に装着して、載置した試料から目的とする摘出試料を摘出して、移送手段に付着させておき、第1ステージを引き抜いて代りに第2ステージをステージ駆動機構に装着する。第2ステージに設置されている試料ホルダに先に摘出した摘出試料を設置する。このマ摘出試料を目的とする解析装置に適合するような形状に加工を施す。加工終了後、第2ステージを引き抜き、その目的とする解析装置に装填して摘出試料の所望の領域を解析することがきる。以下、具体的な実施例を掲げて説明する。
<実施形態例1>
図1は、本発明による試料作製装置の一実施例を示す概略構成図で、ここでは、解析手段の一例として特にTEM観察するためのTEM試料の作製法を例にして説明する。
Embodiments of the sample preparation apparatus according to the present invention include an ion beam irradiation optical system, secondary particle detection means for detecting secondary particles generated by ion beam irradiation, and an extracted sample from which a part of a sample piece is separated. And a transfer means for transferring the sample piece to the sample holder, and a side entry type first sample stage on which the sample piece is placed and a side entry type second sample stage on which the extracted sample is placed. It is set as the structure which has the sample stage drive mechanism mounted. First, the first stage is mounted on the stage drive mechanism, the target sample is extracted from the placed sample, is attached to the transfer means, the first stage is pulled out, and the second stage is replaced with the stage. Attach to the drive mechanism. The extracted sample extracted first is installed in the sample holder installed in the second stage. The processed sample is processed into a shape suitable for the intended analyzer. After the processing is completed, the second stage can be pulled out and loaded into the intended analyzer to analyze the desired region of the extracted sample. Hereinafter, specific examples will be described.
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a sample preparation apparatus according to the present invention. Here, a TEM sample preparation method for TEM observation will be described as an example of an analysis means.

試料作製装置1は、試料片2の加工や観察をするイオンビーム3の照射光学系4と、イオンビーム3の照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出器5と、上記イオンビーム3の照射領域にデポジション膜を形成する原料ガスを供給するデポジション用ガス供給源6と、サイドエントリ型で試料を載置する試料ステージ7を搭載して微動させる試料ステージ微動機構8と、試料片2の一部を分離した摘出試料を試料ホルダ9に移し変える移送手段10とを少なくとも有した構造であり、さらに、サイドエントリ型の試料ステージ7は試料片2を載置する第1ステ−ジ7A、および、摘出試料を載置する第2ステ−ジ7Bの2形式あり、試料ステージ微動手段8に入れ替わり装着することができる。第2ステージ7Bには摘出試料を固定する試料ホルダ9が着脱でき、この第2ステージ7Bは図4に示されるように試料作製装置1の試料ステージ微動機構8部から取出し、他の解析装置、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)41の試料ステージ導入口42にそのまま装填できる。また、この試料ステージ7Bは他の解析装置、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)、二次イオン質量分析装置(SIMS)、オージェ電子分光分析装置(AES)、電気回路計測装置にも装填できる兼用ステージである。試料作製装置1には、さらに、イオンビーム3の照射光学系4を制御するイオンビーム制御部11、二次粒子検出器5への印加電圧の調整などを行なう二次粒子検出器制御部12、デポジション用ガス供給源6の温度調整やバルブの開閉を制御するデポジション用ガス供給源制御手段13、試料ステージ微動機構8を制御するためのステージ制御部14、移送手段10を駆動するための移送手段制御部15、試料片2や移送手段10などを画像表示する画像表示部16などを有し、これら制御部は計算処理部17によりコントロールされる。   The sample preparation apparatus 1 includes an irradiation optical system 4 of an ion beam 3 that processes and observes a sample piece 2, a secondary particle detector 5 that detects secondary particles generated by irradiation of the ion beam 3, and the ion beam. A deposition gas supply source 6 for supplying a source gas for forming a deposition film in the irradiation region 3; a sample stage fine movement mechanism 8 for finely moving a sample stage 7 on which a sample is placed in a side entry type; It has a structure having at least a transfer means 10 for transferring the extracted sample from which a part of the sample piece 2 is separated to the sample holder 9, and the side entry type sample stage 7 is a first stage on which the sample piece 2 is placed. -There are two types, the stage 7A and the second stage 7B on which the extracted sample is placed, and the sample stage fine movement means 8 can be replaced and mounted. A sample holder 9 for fixing the extracted sample can be attached to and detached from the second stage 7B. The second stage 7B is taken out from the sample stage fine movement mechanism 8 part of the sample preparation apparatus 1 as shown in FIG. For example, it can be loaded directly into the sample stage inlet 42 of the transmission electron microscope (TEM) 41. The sample stage 7B is a dual-purpose stage that can be loaded into other analysis devices such as a scanning electron microscope (SEM), a secondary ion mass spectrometer (SIMS), an Auger electron spectrometer (AES), and an electric circuit measurement device. It is. The sample preparation apparatus 1 further includes an ion beam control unit 11 that controls the irradiation optical system 4 of the ion beam 3, a secondary particle detector control unit 12 that adjusts an applied voltage to the secondary particle detector 5, and the like. Deposition gas supply source control means 13 for controlling the temperature adjustment of the deposition gas supply source 6 and opening / closing of the valve, a stage control section 14 for controlling the sample stage fine movement mechanism 8, and a transfer means 10 for driving It has a transfer means control section 15, an image display section 16 for displaying an image of the sample piece 2, the transfer means 10, etc., and these control sections are controlled by a calculation processing section 17.

用いる試料片2は半導体ウェーハや電子デバイスを数mm平方程度に分断した小片である。つまり、第1ステージ7Aの試料設置部からはみ出さない程度の寸法とする。   The sample piece 2 to be used is a small piece obtained by dividing a semiconductor wafer or an electronic device into several millimeters square. That is, the dimensions are such that they do not protrude from the sample placement portion of the first stage 7A.

イオンビームの照射光学系4は、すでによく知られた光学系である、イオンビーム3の形態例として集束イオンビーム(以下、FIBと略記)の場合、液体金属イオン源、ビーム制限アパチャ、集束レンズ、対物レンズを通すことでビーム直径10nm程度から100nm程度のFIBが形成できる。FIBを偏向器を用いて試料上を走査することで、試料表面にμmからサブμmレベルの走査形状に対応した加工ができる。ここでの加工とは、スパッタリングによる凹部形成や、FIBアシストデポジションによる膜形成、もしくは、これらを組み合わせて試料の元の形状を変える操作を指す。FIB照射時に発生する二次電子や二次イオンなど二次粒子を二次粒子検出器5で検出して画像化することで試料の加工領域や移送手段などを観察することができる。   The ion beam irradiation optical system 4 is a well-known optical system. In the case of a focused ion beam (hereinafter abbreviated as FIB) as an example of the ion beam 3, a liquid metal ion source, a beam limiting aperture, and a focusing lens are used. FIB with a beam diameter of about 10 nm to about 100 nm can be formed by passing through the objective lens. By scanning the FIB over the sample using a deflector, processing corresponding to the scanning shape of the μm to sub-μm level can be performed on the sample surface. Processing here refers to forming a recess by sputtering, forming a film by FIB-assisted deposition, or changing the original shape of the sample by combining these. By detecting and imaging secondary particles such as secondary electrons and secondary ions generated during FIB irradiation with the secondary particle detector 5, it is possible to observe the processing region of the sample, the transfer means, and the like.

デポジション用ガス供給源6はイオンビーム照射領域にガス成分を堆積させるために、必要に応じてガスを試料に供給するためのもので、先端部はガスが所望の領域に集中的に放出できるようにノズル状になっており、ガスの原材料が固体や粉末の場合、加熱してガス化するための加熱部や、ガス放出を制御するバルブ、ノズル位置の調整部なども有している。形成するデポジション膜は、移送手段10の先端にあるプローブ(針状部材)18と試料片2を接続したり、摘出したミクロンレベルの小ささの摘出試料を試料ホルダ9に固定するための接着材代りに用いる。デポジション膜の材質はタングステンや銅や白金などの金属材料でよい。   The deposition gas supply source 6 is for supplying a gas to the sample as needed in order to deposit a gas component in the ion beam irradiation region, and the tip can intensively release the gas to a desired region. When the gas raw material is solid or powder, it has a heating part for heating and gasifying, a valve for controlling gas release, a nozzle position adjusting part, and the like. The deposition film to be formed is bonded to connect the probe (needle-like member) 18 at the tip of the transfer means 10 and the sample piece 2 or to fix the extracted micron-sized extracted sample to the sample holder 9. Use instead of wood. The material of the deposition film may be a metal material such as tungsten, copper or platinum.

試料ステージ7はサイドエントリ方式で、装置の試料室19の真空を開放することなく設置できる。また、抜き出したい時も、試料室19の真空を破ることなく引き抜くことができる。サイドエントリ型試料ステージはこれまでにTEMやインレンズ式のSEMに用いられていて、サイドエントリ型ステージ及びその駆動機構の原理は公知であるが、ここで用いる試料ステージ7は本発明に係わるキーポイントであるためここで詳述する。
本試料作製装置1で用いる試料ステージ7は、解析すべき領域を含む小片の試料片2を搭載する第1ステージ7Aと、摘出試料を解析装置に適した形状のマイクロサンプルに加工するために設置する第2ステージ7Bとを用いる。第1ステージ7A、第2ステージ7Bとも試料ステージ微動機構8に搭載できる形状であり、いずれの試料ステージを搭載しても、イオンビームによる視野内に試料もしくは試料ホルダが現われる寸法形状である。第2試料ステージ7Bは解析装置にも装填可能で、上述したFIBとTEMに兼用の試料ステージ7’(図3)であってもよい。このような形状であるため、試料作製装置1内で加工した観察試料を搭載した試料ステージ7を試料ステージ微動機構8から抜き挿しするだけで、直ちにTEM観察することができることも大きな特徴である。つまり、試料片から摘出した微小な摘出試料を別の特殊な試料加工装置や緊張と熟練を要する手作業を施すことなく、分析や観察に適した試料形状に加工して、試料ステージを抜き挿しするだけで、直ちに分析や観察作業に移ることができる。
The sample stage 7 is a side entry method and can be installed without releasing the vacuum in the sample chamber 19 of the apparatus. Further, when it is desired to extract the sample chamber 19, the sample chamber 19 can be extracted without breaking the vacuum. The side entry type sample stage has been used in TEM and in-lens type SEMs so far, and the principle of the side entry type stage and its driving mechanism is well known, but the sample stage 7 used here is a key related to the present invention. Since it is a point, it explains in full detail here.
A sample stage 7 used in the sample preparation apparatus 1 is installed to process a first stage 7A on which a small sample piece 2 including a region to be analyzed is mounted, and a micro sample having a shape suitable for the analysis apparatus. The second stage 7B is used. Both the first stage 7A and the second stage 7B have a shape that can be mounted on the sample stage fine movement mechanism 8, and each sample stage has such a dimension that the sample or the sample holder appears in the field of view by the ion beam. The second sample stage 7B can also be loaded into the analysis apparatus, and may be the sample stage 7 ′ (FIG. 3) used for both the FIB and the TEM described above. Since it has such a shape, it is also a great feature that TEM observation can be performed immediately by simply inserting / removing the sample stage 7 carrying the observation sample processed in the sample preparation apparatus 1 from the sample stage fine movement mechanism 8. In other words, a small sample extracted from a sample piece is processed into a sample shape suitable for analysis and observation without any special sample processing equipment or manual work requiring tension and skill, and the sample stage is inserted and removed. You can immediately move to analysis and observation.

図5(a)は第1ステージ7Aの斜視図である。第1ステージ7Aは、円柱部51と、試料ステージ7Aを持ったり操作するための握り部52と、ウェーハやチップから切断した試料片2を搭載するための試料設置部53と、最先端には第1ステージ7Aの荷重を支えたり、振動を軽減したり、回転軸のブレを防ぐための小突起54などで構成されている。また、握り部52には、試料設置部53がイオン光学軸に平行な軸中心に回転運動させるための面内回転調整部55を有している。試料設置部53に回転機構を設けて試料片2を面内回転できるようにしたことで、試料片2を面内回転調整でき、試料片2の所望の観察面(分析面または計測面)を試料ステージの軸に平行に設定することができ、摘出試料を第2ステージ7Bに移設する場合、移送手段に回転等の複雑な動きをさせる必要がなくなる。なお、第1ステージ7Aの軸に垂直な方向、つまり、イオンビーム軸に平行と垂直な方向の動き、および軸回転は試料ステージ微動機構8によって制御できる。このような機構、構成によって、試料設置面53に設置した試料片2を所望の方向に回転補正したり、位置移動することで、所望の微細部分をFIBによって観察し、加工することができる。   FIG. 5A is a perspective view of the first stage 7A. The first stage 7A includes a cylindrical part 51, a grip part 52 for holding or operating the sample stage 7A, a sample setting part 53 for mounting a sample piece 2 cut from a wafer or a chip, It includes small protrusions 54 for supporting the load of the first stage 7A, reducing vibrations, and preventing the rotation of the rotating shaft. Further, the grip portion 52 has an in-plane rotation adjusting portion 55 for causing the sample setting portion 53 to rotate around an axis parallel to the ion optical axis. By providing a rotation mechanism in the sample setting portion 53 so that the sample piece 2 can be rotated in the plane, the sample piece 2 can be adjusted in the in-plane rotation, and a desired observation surface (analysis surface or measurement surface) of the sample piece 2 can be obtained. It can be set parallel to the axis of the sample stage, and when the extracted sample is transferred to the second stage 7B, it is not necessary to cause the transfer means to make a complicated movement such as rotation. The movement in the direction perpendicular to the axis of the first stage 7A, that is, the direction perpendicular to and parallel to the ion beam axis, and the shaft rotation can be controlled by the sample stage fine movement mechanism 8. With such a mechanism and configuration, the sample piece 2 placed on the sample placement surface 53 can be rotationally corrected in a desired direction or moved, so that a desired fine portion can be observed and processed by the FIB.

第2ステージ7Bは摘出試料を解析装置に適するように加工するためのステージである。図2(b)は第2ステージ7Bの斜視図である。ここでは解析装置はTEMに相当し、試料作製装置1とTEMとの兼用の試料ステージである。第2ステージ7Bの先端近くの拡大図が図2(c)であり、摘出試料を直接固定する試料ホルダ9を固定治具56、56’によって固定する。ここで用いる試料ホルダは図2(d)に示される矩型薄片9aで、寸法は例えば縦1mm、横5mm、厚さ30μmである。摘出試料2aは矩型薄片9aの上面に固定する。試料ホルダ9の形状や寸法はここに示したものに限らないが、基本とする処は試料固定面を極力平滑とし、幅をなるべく薄くしたことと、TEM観察時に電子線の通路を阻害しないようにしたことにあり、このような思想が開示された以上、多々の改変は容易である。   The second stage 7B is a stage for processing the extracted sample so as to be suitable for the analysis apparatus. FIG. 2B is a perspective view of the second stage 7B. Here, the analysis device corresponds to a TEM, and is a sample stage that serves as both the sample preparation device 1 and the TEM. FIG. 2C is an enlarged view near the tip of the second stage 7B, and the sample holder 9 for directly fixing the extracted sample is fixed by the fixing jigs 56 and 56 '. The sample holder used here is a rectangular thin piece 9a shown in FIG. 2 (d), and the dimensions are, for example, 1 mm in length, 5 mm in width, and 30 μm in thickness. The extracted sample 2a is fixed to the upper surface of the rectangular thin piece 9a. The shape and dimensions of the sample holder 9 are not limited to those shown here, but the basic process is to make the sample fixing surface as smooth as possible and to make the width as thin as possible, and to prevent obstructing the electron beam path during TEM observation. Thus, as long as such a concept is disclosed, many modifications are easy.

次に、試料ステージ微動機構8は、ステ−ジ制御装置11によって試料ステージ軸を水平に保持したままイオンビーム軸方向およびその垂直方向に微動させることができる。軸回転方向の微動制御もできるため、摘出試料にFIBによって矩型凹部を形成した後、30°前後回転させて矩型凹部の側面、つまり試料の断面を観察することができる。
図3は本実施例で用いた移送手段10の詳細構造を示している。移送手段10は粗動部60と微動部61の2つの部分から構成されている。先端は摘出試料に直接触れる尖鋭化されたプローブ18が付けられている。粗動部60は狭窄部62を支点として支柱63が3個のエンコーダ64X、64Z、64Y(図示せず)によってXYZ軸方向に移動できる。粗動ストロークや移動分解能はエンコーダの性能と、狭窄部62からエンコーダとプローブ18の先端までの距離の比によるが、本実施例では5mmのストローク、2μmの分解能を有している。エンコーダによる力に抗する力はバネ65a、65bを用いている。粗動部60の駆動系は試料室19のポートを介して大気側にあり、真空はガスケットなど真空シール66、ベローズ67によって遮断されている。
Next, the sample stage fine movement mechanism 8 can be finely moved in the ion beam axis direction and its vertical direction by the stage control device 11 while holding the sample stage axis horizontally. Since fine movement control in the axial rotation direction can also be performed, a rectangular concave portion is formed on the extracted sample by FIB, and then rotated about 30 ° to observe the side surface of the rectangular concave portion, that is, the cross section of the sample.
FIG. 3 shows the detailed structure of the transfer means 10 used in this embodiment. The transfer means 10 is composed of two parts, a coarse movement part 60 and a fine movement part 61. The tip is attached with a sharpened probe 18 that directly touches the extracted sample. In the coarse movement part 60, the support 63 can be moved in the XYZ axis direction by three encoders 64X, 64Z, 64Y (not shown) with the narrowed part 62 as a fulcrum. The coarse stroke and the moving resolution depend on the performance of the encoder and the ratio of the distance from the narrowed portion 62 to the encoder and the tip of the probe 18, but in this embodiment, it has a 5 mm stroke and a resolution of 2 μm. The springs 65a and 65b are used to resist the force generated by the encoder. The drive system of the coarse movement unit 60 is on the atmosphere side through the port of the sample chamber 19, and the vacuum is blocked by a vacuum seal 66 such as a gasket and a bellows 67.

微動部61はZ軸のみでバイモルフ圧電素子68を用いている。バイモルフ圧電素子68は他の圧電素子に比べて比較的大きなストローク(数100μm以上)を持つ利点を有する。このため、粗動部60には高い位置精度を要求する必要はなく。本実施例で用いた粗動部60は駆動時には数μmの振動をともなうが、静止時の振動はほとんど無視できるため、微動部61を用いて試料片に最接近させ、接触する方法をとった。この時、先端のプローブ18の先端の位置制御はμmオーダの分解能があればよいので、圧電素子のなかでは比較的分解能が悪いバイモルフ圧電素子でも十分対応でき、安価に作製できる。   The fine movement part 61 uses only the Z axis and uses a bimorph piezoelectric element 68. The bimorph piezoelectric element 68 has an advantage that it has a relatively large stroke (several hundred μm or more) compared to other piezoelectric elements. For this reason, it is not necessary to require high positional accuracy for the coarse movement portion 60. Although the coarse moving part 60 used in this example has a vibration of several μm when driven, the vibration at rest is almost negligible. Therefore, the fine moving part 61 is used to make the closest approach to the sample piece and contact it. . At this time, since the position control of the tip of the tip probe 18 only needs to have a resolution of the order of μm, even a bimorph piezoelectric element having a relatively low resolution among piezoelectric elements can be sufficiently handled and can be manufactured at low cost.

バイモルフ圧電素子68の先端には、直径50μmの細いタングステン線で先端半径0.5μm程度にまで針状に加工したプローブ18を連結し、粗動部60とは支柱63によって連結した。バイモルフ圧電素子68に電圧を与えることで、プローブ18の先端はおおよそZ方向に微動する。符号69は圧電素子に電圧を与えるための電圧導入端子である。
公知例2によれば分離試料を搬送する搬送手段はバイモルフ圧電素子3個をXYZ軸に対応して構成している。バイモルフ圧電素子は一端を支点にして他端がたわむ動きをするため、他端は印加電圧に従って円弧を描く。このバイモルフ圧電素子を3軸に組んで構成すると複雑な動きをする。例えば、XY平面内の移動では1個のバイモルフ圧電素子の動作のみでは搬送手段先端のプローブが1軸方向に直線的に動作しないため、所望の位置にプローブを移動させることが非常に難しい。従って、3個のバイモルフ圧電素子で微動部を構成すると、プローブ先端を所望の位置に移動させるためには3個のバイモルフ圧電素子を複雑に制御しなければならない。これに対して、本実施例では3軸を直交して動く粗動機構を設け、微動部の1軸のみにバイモルフ圧電素子を用いることで、プローブの位置出しの複雑性は軽減される。
The tip of the bimorph piezoelectric element 68 was connected to the probe 18 processed into a needle shape with a thin tungsten wire having a diameter of 50 μm to a tip radius of about 0.5 μm, and connected to the coarse movement part 60 by a column 63. By applying a voltage to the bimorph piezoelectric element 68, the tip of the probe 18 slightly moves in the Z direction. Reference numeral 69 denotes a voltage introduction terminal for applying a voltage to the piezoelectric element.
According to the known example 2, the transport means for transporting the separated sample comprises three bimorph piezoelectric elements corresponding to the XYZ axes. Since the bimorph piezoelectric element moves so that the other end bends at one end as a fulcrum, the other end draws an arc according to the applied voltage. When this bimorph piezoelectric element is assembled with three axes, it moves in a complicated manner. For example, in the movement in the XY plane, it is very difficult to move the probe to a desired position because the probe at the tip of the transport means does not move linearly in one axial direction only by the operation of one bimorph piezoelectric element. Therefore, when the fine movement part is constituted by three bimorph piezoelectric elements, in order to move the probe tip to a desired position, the three bimorph piezoelectric elements must be controlled in a complicated manner. On the other hand, in this embodiment, a coarse movement mechanism that moves three axes orthogonally is provided, and the bimorph piezoelectric element is used only for one axis of the fine movement portion, thereby reducing the complexity of positioning the probe.

また、本発明では、移送手段10は試料ステージ7と独立して、お互いの動作を干渉しないようにしている。さらには、サイズの大きくなりがちな粗動部60は試料基板から極力離間させて設置して、微動部61はZ軸のみの微動機構で構成して、二次粒子検出器5やデポジション用ガス供給源6など周辺の他の構造物との干渉を避けている。このように移送手段10には、構成、サイズ、設置位置を充分に考慮しなければならないが、本発明による試料作製装置ではこれらすべてを解決している。   In the present invention, the transfer means 10 is independent of the sample stage 7 so as not to interfere with each other's operation. Further, the coarse moving part 60, which tends to be large in size, is installed as far as possible from the sample substrate, and the fine moving part 61 is composed of a fine moving mechanism of only the Z axis so as to be used for the secondary particle detector 5 or deposition. Interference with other surrounding structures such as the gas supply source 6 is avoided. As described above, the transfer means 10 must sufficiently consider the configuration, size, and installation position, but the sample preparation apparatus according to the present invention solves all of these.

上述のように、本実施形態例の構成の試料作製装置によって、数mm平方程度に分断した試料片から任意箇所の微小試料を装置内で摘出し、解析装置に適応した試料ホルダに固定でき、所望の解析にふさわしい試料に加工することが容易に実現し、分析や観察、計測に至るまでに熟練や時間を要する試料作製に関する従来の手作業は、最初に試料片を試料設置面に載置することを除けば一切なく、操作者が直接試料を触れたり、メッシュの張り替えなど細かで神経を尖らせるような作業をすることなく、試料ホルダの装着交換のみによって実現する。このように本発明の試料作製装置によって、大幅な時間短縮と試料作製時の精神的圧迫から開放される効果を持つ。   As described above, the sample preparation device having the configuration of the present embodiment can extract a micro sample at an arbitrary location from a sample piece divided into several mm square in the device, and can be fixed to a sample holder adapted to the analysis device. It is easy to process a sample suitable for the desired analysis, and the conventional manual work related to sample preparation that requires skill and time to analyze, observe, and measure is to place the sample piece on the sample installation surface first. This is realized only by changing the mounting of the sample holder without the operator touching the sample directly or reworking the mesh, such as refining the nerve and sharpening the nerve. As described above, the sample preparation device of the present invention has the effect of greatly reducing the time and freeing from mental pressure during sample preparation.

さらに、TEM試料については、作製した試料のTEM観察の結果、ウォール部が厚いなど、所望形状になっていない場合には、試料ステージをTEMから引き抜き、再度そのまま試料作製装置に挿入するだけで、直ちにFIBによる追加工ができる簡便さを有するため観察効率は非常に高くなる。   Furthermore, as for the TEM sample, as a result of the TEM observation of the prepared sample, when the wall portion is not thick or the desired shape is obtained, the sample stage is simply pulled out from the TEM and inserted into the sample preparation apparatus again. The observation efficiency is very high because it has the convenience of being able to immediately perform additional work by FIB.

ここではイオンビームの形態としてFIBで説明したが、所望形状の開口を有するステンシルマスクを用いた投射イオンビームを用いて定形の加工を行なうことも可能である。また、検出する信号は二次電子だけに限定することなく、二次イオンであってもよい。
<実施形態例2>
本実施形態例2では本発明による試料作製装置を用いた試料作製方法について図7、図8を用いて説明する。
Although the FIB has been described here as a form of ion beam, it is also possible to perform regular processing using a projection ion beam using a stencil mask having an opening of a desired shape. The signal to be detected is not limited to secondary electrons, but may be secondary ions.
<Embodiment 2>
In the second embodiment, a sample preparation method using the sample preparation apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS.

試料片からその一部の微小試料を摘出するためには、微小試料を基板から分離することが必須である。公知例2の方法では、切断面が5面もあり加工時間がかかる。また、底面を分離加工すると、摘出した試料の底面にはイオンビーム入射角と加工アスペクト比からなる傾斜が付く。試料片の表面に対しほぼ垂直な断面やウォールを形成するためには、底面の傾斜を小さくして試料ホルダ上面に試料片を垂直に立てることが必須で、そのためには試料傾斜を極力大きくしなければならない。従って、本発明が目指すような加工時間が短く、摘出した試料を別の部材である試料ホルダに移設する際、試料ステージを大きく傾斜させるなどの操作が極力少ない試料作製方法が望ましい。   In order to extract a part of the micro sample from the sample piece, it is essential to separate the micro sample from the substrate. In the method of the known example 2, there are five cut surfaces, and processing time is required. Moreover, when the bottom surface is separated, the bottom surface of the extracted sample is inclined with an ion beam incident angle and a processing aspect ratio. In order to form a cross section or wall that is almost perpendicular to the surface of the sample piece, it is essential to reduce the bottom slope and stand the sample piece vertically on the top surface of the sample holder. There must be. Therefore, it is desirable to have a sample preparation method in which the processing time as aimed by the present invention is short, and when the extracted sample is transferred to a sample holder, which is another member, an operation such as greatly tilting the sample stage is minimized.

以下に、本発明による試料作製方法の具体的手順を説明する。ここでは、試料の例としてTEM観察用の試料の作製方法について、観察すべき領域のマーキングから最終的なウォール加工まで、すべて同一装置内で行なう方法を説明する。
試料片2は、解析すべき領域を含む小片試料の搭載専用の第1ステージに搭載されていて、おおよそ5mm×5mmの半導体素子である。以下では、この試料片の特定領域についての断面をTEM観察するためのTEM試料を作製する工程を図と対応させて説明する。
図7(a):まず、第1ステージに搭載した試料片2のうち所望の領域がFIB照射領域に入るように試料ステージ微動機構8で調整する。試料片2上にTEM観察面70を特定するためのマーク71a、71bをFIB3aによって付ける。2個のマーク71a、71bの間がTEM観察面70で、両者の間隔はおおよそ10μmある。また、本実施例では+(プラス)マークであるが、これに限定されるものではない。上記2個のマークを結ぶ直線が試料ステージの傾斜軸と平行になるように、試料ステージ7Aに内蔵された回転機構によって調整しておく。この調整よって、摘出した試料を試料ホルダに設置する際、移送手段に複雑な動きを強いることがなくなる。この時、保護膜としてTEM観察面70を覆うようにデポジション膜を形成しておく。
図7(b):上記2個のマーク71a、71bの両側にFIB3aによって2個の矩形穴72a、72bを形成した。
The specific procedure of the sample preparation method according to the present invention will be described below. Here, as a sample example, a method for preparing a sample for TEM observation will be described in which all steps from marking of a region to be observed to final wall processing are performed in the same apparatus.
The sample piece 2 is mounted on a first stage dedicated to mounting a small sample including the region to be analyzed, and is a semiconductor element of approximately 5 mm × 5 mm. Below, the process of producing the TEM sample for TEM observation of the cross section about the specific area | region of this sample piece is demonstrated corresponding to a figure.
FIG. 7A: First, the sample stage fine adjustment mechanism 8 is adjusted so that a desired region of the sample piece 2 mounted on the first stage enters the FIB irradiation region. Marks 71a and 71b for specifying the TEM observation surface 70 are attached on the sample piece 2 by the FIB 3a. The space between the two marks 71a and 71b is the TEM observation surface 70, and the distance between them is approximately 10 μm. In this embodiment, the + (plus) mark is used, but the present invention is not limited to this. Adjustment is performed by a rotation mechanism built in the sample stage 7A so that the straight line connecting the two marks is parallel to the tilt axis of the sample stage. With this adjustment, when the extracted sample is placed in the sample holder, the transfer means is not forced to move in a complicated manner. At this time, a deposition film is formed as a protective film so as to cover the TEM observation surface 70.
FIG. 7B: Two rectangular holes 72a and 72b are formed by FIB 3a on both sides of the two marks 71a and 71b.

矩形穴の開口寸法は例えば10×7μm、深さ15μm程度で、両矩形穴の間隔を30μmとした。いずれも、短時間に完了させるためにFIB3a直径0.15μm程度で電流約10nAの大電流FIB3aで加工した。加工時間はおよそ7分であった。   The opening size of the rectangular holes is, for example, 10 × 7 μm, the depth is about 15 μm, and the distance between both rectangular holes is 30 μm. In either case, the FIB 3a was processed with a large current FIB 3a having a diameter of about 0.15 μm and a current of about 10 nA in order to complete in a short time. The processing time was approximately 7 minutes.

次に、マーク71a、71bを結ぶ直線より約2μm 隔てて、かつ、一方の矩形穴72bと交わって、他方の矩形穴72aには交わらないように幅約2μm 、長さ約30μm、深さ約10μmの細溝73を形成する。ビームの走査方向は、FIB3aが試料片2を照射した時に発生するスパッタ粒子で細溝73や矩形穴72a、72bが埋まらないようにする。矩形穴72aと交わらない小さな領域は、後に摘出すべき試料を支える支持部74となる。
図7(c):次に、第1ステージ7Aを軸回転させることで試料面を傾斜させる。本実施例では20°とした。ここで、上記2個のマーク71a、71bを結ぶ直線は試料ステージの傾斜軸に平行に設定しているため、細溝73が下がる方向に傾斜させる。そこで、マーク71a、71bを結ぶ直線より約2μm 隔てて、矩形穴72a、72bを結ぶように、幅約2μm 、長さ約32μm 、深さ約15μmの斜溝75を試料片2表面に対して斜めから入射したFIB3aによって形成する。FIB3a照射によるスパッタ粒子が形成した矩形穴72a、72bを埋めることがないように走査する。斜溝75は、先に形成した細溝73と交わる。マーク71a、71bを含み、頂角が20°の直角三角形断面のクサビ型の摘出すべき試料76が、支持部74のみで保持されている状態になる。
図7(d):次に、試料ステージ7Aを水平に戻し、摘出すべき試料76の上面で支持部74とは反対の端部に移送手段先端のプローブ18を接触させる。接触は試料とプローブとの導通や両者間の電気容量の変化によって感知できる。本実施例では両者間の導通によって検知した。また、不注意なプローブ18の押し付けによって、摘出すべき試料76やプローブ18の破損を避けるために、プローブ18が試料に接触した時点でZ方向駆動を停止させる機能を有している。
図7(e):次に、摘出すべき試料76にプローブ18を固定するために、プローブ18先端を含む約2μm平方の領域にデポジション膜77を形成する。これによりプローブ18と摘出すべき試料76とは接続される。次に、摘出すべき試料76を試料片2から摘出するために、支持部74をFIB3a照射によりスパッタ除去することで、支持状態から開放される。支持部74は試料面上から見て2μm平方、深さ約10μmであるため2〜3分のFIB3a走査で除去できる。上記の矩形穴72a、72bや細溝73、斜溝75を形成する工程は、観察面に大きく影響しないため、大電流のFIB3aで多少加工位置ズレを起こしても早く加工することが賢明である。
図7(f):試料片2から完全に分離した摘出試料2aをプローブ18を上昇(+Z方向の移動)させ、試料ステージから遠避けて保持する。
ここで第1ステージ7Aと第2ステージ7Bを入れ替える。第2ステージ7Bの装着によりSIM像視野内に試料ホルダ9の中央付近が入る。
図8(a):摘出試料2aを試料ホルダ9に接触させるために、プローブ18を降下(ーZ方向に移動)させ、試料ホルダ9に接近させる。摘出試料2aと試料ホルダ9との接触は導通によって検知することができる。
図8(b):摘出試料2aが試料ホルダ9に接触したことを確認して、摘出試料2aと試料ホルダ9と接触部にデポジション膜80を形成し摘出試料2aを試料ホルダ9に固定する。デポジション膜80の大きさは3μm平方程度で、デポジション膜80の一部は試料ホルダ9に、一部は摘出試料2a側面に付着し、両者が固定される。
Next, a width of about 2 μm, a length of about 30 μm, and a depth of about 2 μm apart from a straight line connecting the marks 71a and 71b, intersecting with one rectangular hole 72b and not intersecting the other rectangular hole 72a. A 10 μm narrow groove 73 is formed. The scanning direction of the beam is set so that the fine grooves 73 and the rectangular holes 72a and 72b are not filled with sputtered particles generated when the FIB 3a irradiates the sample piece 2. A small region that does not intersect with the rectangular hole 72a serves as a support portion 74 that supports a sample to be extracted later.
FIG. 7C: Next, the sample surface is tilted by rotating the first stage 7A. In this embodiment, the angle is 20 °. Here, since the straight line connecting the two marks 71a and 71b is set parallel to the tilt axis of the sample stage, it is tilted in the direction in which the narrow groove 73 is lowered. Therefore, an oblique groove 75 having a width of about 2 μm, a length of about 32 μm, and a depth of about 15 μm is formed on the surface of the sample piece 2 so as to connect the rectangular holes 72a and 72b with a distance of about 2 μm from the straight line connecting the marks 71a and 71b. It is formed by FIB 3a incident from an oblique direction. Scanning is performed so as not to fill the rectangular holes 72a and 72b formed by the sputtered particles by the FIB 3a irradiation. The oblique groove 75 intersects the previously formed narrow groove 73. The wedge-shaped sample 76 to be extracted, which includes the marks 71a and 71b and has a right triangle cross section with an apex angle of 20 °, is held only by the support portion 74.
FIG. 7D: Next, the sample stage 7A is returned to the horizontal position, and the probe 18 at the tip of the transfer means is brought into contact with the end opposite to the support 74 on the upper surface of the sample 76 to be extracted. Contact can be sensed by the electrical connection between the sample and the probe and the change in capacitance between them. In the present embodiment, detection was made by conduction between the two. In addition, in order to avoid damaging the sample 76 to be extracted and the probe 18 by careless pressing of the probe 18, the probe 18 has a function of stopping driving in the Z direction when the probe 18 contacts the sample.
FIG. 7E: Next, in order to fix the probe 18 to the sample 76 to be extracted, a deposition film 77 is formed in an area of about 2 μm square including the tip of the probe 18. Thereby, the probe 18 and the sample 76 to be extracted are connected. Next, in order to extract the sample 76 to be extracted from the sample piece 2, the supporting portion 74 is sputtered away by irradiation with the FIB 3a, thereby releasing the supporting state. Since the support 74 is 2 μm square and about 10 μm deep when viewed from above the sample surface, it can be removed by FIB 3a scanning for 2 to 3 minutes. Since the process of forming the rectangular holes 72a, 72b, the narrow grooves 73, and the oblique grooves 75 does not greatly affect the observation surface, it is wise to process quickly even if a slight displacement occurs in the FIB 3a with a large current. .
FIG. 7 (f): The extracted sample 2 a completely separated from the sample piece 2 is raised (moved in the + Z direction) while being kept away from the sample stage.
Here, the first stage 7A and the second stage 7B are interchanged. By mounting the second stage 7B, the vicinity of the center of the sample holder 9 enters the SIM image field of view.
FIG. 8A: In order to bring the extracted sample 2a into contact with the sample holder 9, the probe 18 is lowered (moved in the −Z direction) and brought close to the sample holder 9. Contact between the extracted sample 2a and the sample holder 9 can be detected by conduction.
FIG. 8B: After confirming that the extracted sample 2 a is in contact with the sample holder 9, a deposition film 80 is formed on the contact portion between the extracted sample 2 a and the sample holder 9, and the extracted sample 2 a is fixed to the sample holder 9. . The size of the deposition film 80 is about 3 μm square, and a part of the deposition film 80 is attached to the sample holder 9 and a part is attached to the side surface of the extracted sample 2a, and both are fixed.

また、試料のTEM観察領域が試料ステージ7Bの回転中心軸上に配置されることが望まれるが、固定する摘出試料2aが数μmから20μm程度の小ささであるため、実質的には、試料ホルダ9の上面が試料ステージの軸上に来るように配置しておけば、 TEM視野内にTEM観察領域を出すことが容易にできる。
図8(c):次に、デポ用のガスを導入を停止した後、プローブ18と摘出試料2aを接続しているデポジション膜77にFIB3aを照射してスパッタ除去することで、プローブ18を摘出試料2aから分離できる。この操作によって摘出試料2aは試料ホルダ9に自立する。
図8(d):最後に、TEMによる観察部にFIB3a照射して、最終的に観察領域の厚さを100nm以下程度のウォール81になるように薄く仕上げ加工を施す。この時、摘出試料2aの長手方向の側面の一方が垂直面であるため、ウォール加工のためにFIB3a照射領域を決定する際、この垂直面を基準にすることで、試料基板表面にほぼ垂直なウォール81形成することができる。このウォール加工の結果、横幅約15μm、深さ約10μm、幅0.1μm以下のウォール81が形成でき、TEM観察領域ができあがる。以上、マーキングからウォール加工完成までの加工時間は約1時間で、従来のTEM試料作製方法に比べて数分の1に時間短縮できた。
Further, although it is desired that the TEM observation region of the sample is disposed on the rotation center axis of the sample stage 7B, the extracted sample 2a to be fixed is as small as several μm to 20 μm. If the holder 9 is arranged so that the upper surface of the holder 9 is on the axis of the sample stage, the TEM observation region can be easily provided in the TEM visual field.
FIG. 8C: Next, after stopping the introduction of the deposition gas, the FIB 3a is irradiated to the deposition film 77 connecting the probe 18 and the extracted sample 2a to remove the sputter, whereby the probe 18 is removed. It can be separated from the extracted sample 2a. By this operation, the extracted sample 2a becomes independent on the sample holder 9.
FIG. 8D: Finally, the observation part by TEM is irradiated with FIB 3a, and finish processing is performed so that the thickness of the observation region finally becomes the wall 81 of about 100 nm or less. At this time, since one of the side surfaces in the longitudinal direction of the extracted sample 2a is a vertical surface, when determining the irradiation area of the FIB 3a for wall processing, the vertical surface is used as a reference so that it is substantially perpendicular to the surface of the sample substrate. A wall 81 can be formed. As a result of this wall processing, a wall 81 having a width of about 15 μm, a depth of about 10 μm, and a width of 0.1 μm or less can be formed, and a TEM observation region is completed. As described above, the processing time from the marking to the completion of the wall processing is about 1 hour, which can be shortened to a fraction of that of the conventional TEM sample manufacturing method.

最後に、ウォール加工後、第2ステージ7Bを試料作製装置1から引き抜き、TEMの試料室に装着する。この時、電子線経路と、ウォール面が垂直になるように第2ステージ7Bを90°回転させて挿入する。その後のTEM観察技術についてはよく知られているので、ここでは省略する。第2ステージ7BがFIBとTEM兼用のサイドエントリー型であるため、ウォール加工後、直ちに試料ステージを引き抜いてTEMに導入でき、また、観察試料に追加工が必要な場合、直ちに試料作製装置1に戻して加工ができるという効果がある。   Finally, after wall processing, the second stage 7B is pulled out from the sample preparation apparatus 1 and mounted in the sample chamber of the TEM. At this time, the second stage 7B is inserted by being rotated by 90 ° so that the electron beam path and the wall surface are perpendicular to each other. Since the subsequent TEM observation technique is well known, it is omitted here. Since the second stage 7B is a side entry type for both FIB and TEM, the sample stage can be pulled out immediately after wall processing and introduced into the TEM. If additional processing is required for the observation sample, the sample preparation device 1 can be used immediately. There is an effect that it can be returned and processed.

上記の試料作製方法は、TEM試料に限らず、他の分析や観察手法、例えば、オージェ電子分光分析、電子プローブX線微小分析、電子エネルギ欠損分析、二次イオン質量分析、二次中性粒子イオン化質量分析、X線光電子分光分析、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡、計測手段がプローブを用いた電気計測のための試料作製にも用いることが可能である。
なお、本発明による試料作製方法と公知例3による試料の分離方法と大きく異なる点は、(1)試料の摘出(分離)に際してのビーム照射方法が全く異なり、本発明では、摘出試料をなるべく薄くして、底面の分離を簡便にするために長手方向(TEM観察面に平行方向)の側面を傾斜加工すること、(2)摘出試料は移送手段とは別の部材である試料ホルダに移設すること、(3)試料ステージの形態がサイドエントリ型で摘出すべき元の試料を設置するステージと、解析装置に導入するステージを別にして、試料作製時には2本のステージを抜き差しする方式であるため、試料作製から観察など後に続く材料解析までの時間が大幅に削減されることにある。
また、上記実施例では観察(解析)すべき試料を試料片2からプローブ18にデポジション膜77によって接着して摘出し、試料ホルダ9に固定したが、本願の基本的装置構成では、以下の方法についても適用可能である。
つまり、観察(解析)すべき最終形態の試料(例えばTEMの観察用薄膜のみ)を第1ステージ7A上の試料片2上で作製しておき、プローブ18との静電気力によって上記最終形態の試料を吸着させ、摘出する。次に第1ステージを引き抜き、第2ステージを挿入する。ここで第2ステージ7B’は図9に示されるとおり固定治具91と押さえばね92を有し、カーボン等電子の透過しやすい薄膜をコーティングした従来のTEM試料保持用メッシュ(例えば金網状)90が設置可能である。このメッシュ90上にプローブ18により摘出した上述の最終形態の試料を載置する。最終形態の試料とメッシュ90はやはり静電気力により吸着する。その後、第2ステージ7B’を試料作製装置1から引き抜き、そのままTEMに挿入するだけでTEM観察することができる。もちろんTEM以外の解析装置にさし込むことでその他解析も可能である。
The sample preparation method is not limited to a TEM sample, but other analysis and observation methods such as Auger electron spectroscopy, electron probe X-ray microanalysis, electron energy deficiency analysis, secondary ion mass spectrometry, secondary neutral particles Ionization mass spectrometry, X-ray photoelectron spectroscopic analysis, transmission electron microscope, scanning electron microscope, scanning probe microscope, and measuring means can be used for sample preparation for electrical measurement using a probe.
The sample preparation method according to the present invention and the sample separation method according to the known example 3 are significantly different from each other in (1) the beam irradiation method for sample extraction (separation). In the present invention, the sample extraction is made as thin as possible. In order to easily separate the bottom surface, the side surface in the longitudinal direction (parallel to the TEM observation surface) is inclined, and (2) the extracted sample is transferred to a sample holder which is a member different from the transfer means. (3) The sample stage is a side-entry type, in which the original sample to be extracted is placed separately from the stage to be introduced into the analyzer, and two stages are inserted and removed during sample preparation. Therefore, the time from sample preparation to subsequent material analysis such as observation is greatly reduced.
In the above embodiment, the sample to be observed (analyzed) is extracted from the sample piece 2 by being adhered to the probe 18 by the deposition film 77 and fixed to the sample holder 9. In the basic apparatus configuration of the present application, The method can also be applied.
That is, a sample in the final form to be observed (analyzed) (for example, only a thin film for TEM observation) is prepared on the sample piece 2 on the first stage 7A, and the sample in the final form is formed by electrostatic force with the probe 18. Is adsorbed and removed. Next, the first stage is pulled out and the second stage is inserted. Here, as shown in FIG. 9, the second stage 7B ′ has a fixing jig 91 and a holding spring 92, and is a conventional TEM sample holding mesh (for example, a wire mesh) 90 coated with a thin film that easily transmits electrons such as carbon. Can be installed. On the mesh 90, the above-described final form sample extracted by the probe 18 is placed. The final sample and the mesh 90 are also adsorbed by electrostatic force. Thereafter, the second stage 7B ′ can be pulled out of the sample preparation apparatus 1 and inserted into the TEM as it is for TEM observation. Of course, other analysis can be performed by inserting into an analysis device other than TEM.

このように、本試料作製方法を用いることで、デバイスチップや半導体ウェーハの所望の箇所をマークしたその場で、熟練と緊張を要する手作業をすることなく、同一装置内でTEM観察用や他の分析や計測、観察のための試料を作製することできる。   In this way, by using this sample preparation method, a desired location on a device chip or a semiconductor wafer is marked on the spot, and it can be used for TEM observation or the like in the same apparatus without manual work requiring skill and tension. Samples for analysis, measurement, and observation can be prepared.

<実施形態例3>
本実施例は、第2ステージをTEM以外の解析装置に搭載する例である。
実施形態例1においては第2ステージ2BはTEM装置と試料作製装置の兼用のステージとしたが、解析装置としてTEMに限定されることはなく、インレンズ式のSEM(走査型電子顕微鏡)や、インレンズ式のSIMS(二次イオン質量分析装置)、AES(オージェ電子分光分析装置)、回路特性測定装置でもよく、勿論、TEMやSEMにEDX(電子X線回折分光分析装置)機能を付加して、元素分析に用いる試料ステージであってもよい。
<Embodiment 3>
The present embodiment is an example in which the second stage is mounted on an analyzer other than TEM.
In the first embodiment, the second stage 2B is a stage that serves both as a TEM apparatus and a sample preparation apparatus. However, the analysis apparatus is not limited to a TEM, and an in-lens SEM (scanning electron microscope), In-lens SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometer), AES (Auger Electron Spectrometer), circuit characteristic measuring device may be used. Of course, EDX (Electron X-ray Diffraction Spectrometer) function is added to TEM and SEM. The sample stage may be used for elemental analysis.

特に、ここでは摘出試料の4断面をSEMで観察する例を示す。第1ステージ2Aに載置した試料から所望の観察面を含む領域を摘出する。摘出する手段は実施形態例1(図1)に示したとおり、摘出する方法は実施形態例2(図7(a)〜(f)、図8(a)〜(c))に示した通りである。摘出した摘出試料2aがプローブ18先端に付着していることを確認した後、プローブ18を一旦、第1ステージ7Aから遠ざけて接触などの不意の危険を防止する。次に、第1ステージ7Aを引き抜くと共に、SEMにも設置できる第2ステージ7Bを差し込み、所定の位置で静止させる。先に待避させたプローブ18を第2ステージ7Bに搭載した試料ホルダ9に接近させ、注意深く試料ホルダ9に接触させ、固定させる。固定方法も実施形態例2(図8(b)、図8(c))に示した。次に固定した摘出試料2aに対して所望の観察面が残るように周辺をイオンビームによって削除する。ここでは、半導体装置のうちプラグの4断面をSEMで観察することが目的であるため所望の4断面が残るように図10のような突起形状100にイオンビームによって加工を施す。加工後は試料作製装置1から第2ステージ7Bを引き抜き、加工後の摘出試料2a’を付けたまま第2ステージ7BをSEMに導入する。
以上の工程で、突起形状100の4断面をSEMで観察することができる。
In particular, here, an example in which four sections of an excised sample are observed with an SEM is shown. A region including a desired observation surface is extracted from the sample placed on the first stage 2A. The means for extraction is as shown in Embodiment 1 (FIG. 1), and the method of extraction is as shown in Embodiment 2 (FIGS. 7 (a) to (f) and FIGS. 8 (a) to (c)). It is. After confirming that the extracted sample 2a is attached to the tip of the probe 18, the probe 18 is once moved away from the first stage 7A to prevent unexpected danger such as contact. Next, the first stage 7A is pulled out, and a second stage 7B that can also be installed in the SEM is inserted and stopped at a predetermined position. The probe 18 withdrawn first is brought close to the sample holder 9 mounted on the second stage 7B, carefully brought into contact with the sample holder 9, and fixed. The fixing method is also shown in Embodiment 2 (FIGS. 8B and 8C). Next, the periphery is deleted by an ion beam so that a desired observation surface remains on the fixed extracted sample 2a. Here, since the purpose is to observe four cross sections of the plug in the semiconductor device by SEM, the projection shape 100 as shown in FIG. 10 is processed by an ion beam so that the desired four cross sections remain. After the processing, the second stage 7B is pulled out from the sample preparation apparatus 1, and the second stage 7B is introduced into the SEM with the extracted sample 2a ′ after the processing attached.
Through the above steps, four cross sections of the protrusion shape 100 can be observed with an SEM.

また、第2ステージ7Bは、集束イオンビーム装置、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡、オージェ電子分光分析装置、電子プローブX線微小分析装置、電子エネルギ欠損分析装置、二次イオン質量分析装置、二次中性粒子イオン化質量分析装置、X線光電子分光分析装置、または、プローブを用いた電気計測装置の試料ステージと兼用であるため、TEM試料作製に先立って上記顕微鏡や各種分析装による元素分析や観察を行なうことが、試料ステージの抜き差しのみでできる利点を有している。   The second stage 7B includes a focused ion beam device, a transmission electron microscope, a scanning electron microscope, a scanning probe microscope, an Auger electron spectroscopic analyzer, an electron probe X-ray microanalyzer, an electron energy defect analyzer, a secondary ion. Since it is also used as a sample stage for a mass spectrometer, secondary neutral ionization mass spectrometer, X-ray photoelectron spectrometer, or electrical measurement device using a probe, the above microscope and various analyzes are performed prior to TEM sample preparation. Performing elemental analysis and observation with the device has the advantage that only the sample stage can be inserted and removed.

<実施形態例4>
本実施例は、第1ステージを解析装置に搭載する例である。
特に、ここでは試料断面をSEMで観察する例を示す。即ち第1ステージ7Aは試料作製装置1とSEMの兼用ステージである。図11(a)は第1ステージ7Aの先端部の拡大図であり、試料設置部53に観察する試料片2を載置した状態で試料作製装置1に導入した状態を示している。FIB3aにより試料片2’を加工し、試料片2’の拡大図である図11(b)に示すとおり所望の観察断面110を形成する。加工後にこの第1ステージ7Aを試料作製装置1から取出し、そのままSEMに導入する。図11(c)はSEMに導入した第1ステージ7Aの先端部の拡大図であり、図11(d)の試料片2’拡大図に示されるようにSEMの観察用電子ビーム112が所望の観察断面110に照射されるように第1ステージ7Aを傾斜させることで断面観察を行うことができる。この第1ステージ7Aは試料設置部53に回転機構を持つため、例えば図11(b)断面111を観察したい場合にもSEM内で断面111が第1ステージ7A傾斜軸と平行になるように回転調整し、第1ステージ7Aを傾斜させて断面111に電子ビーム112が照射されるようにすることで容易にSEM観察できる。ここで、もし追加工が必要な場合は、このまま第1ステージ7Aを試料加工装置1に戻して再加工して、再度SEMに戻すことで容易に観察を行うことができる。
このように第1ステージ7Aを試料加工装置とSEMの兼用ステージとすることで、従来のような断面加工後のSEM専用ステージへの試料の置き直し等の手間が無く、容易に観察できるようになる。また、この第1ステージは実施形態3で説明したような他の解析装置にも導入できる形態にすることで、上記のSEMと同じく高効率で観察を行うことができる。
<Embodiment example 4>
The present embodiment is an example in which the first stage is mounted on the analysis apparatus.
In particular, here, an example in which a sample cross section is observed with an SEM is shown. That is, the first stage 7A is a stage that combines the sample preparation apparatus 1 and the SEM. FIG. 11A is an enlarged view of the distal end portion of the first stage 7A, and shows a state where the sample piece 2 to be observed is placed on the sample setting portion 53 and is introduced into the sample preparation device 1. FIG. The sample piece 2 ′ is processed by the FIB 3a to form a desired observation cross section 110 as shown in FIG. 11B, which is an enlarged view of the sample piece 2 ′. After processing, the first stage 7A is taken out from the sample preparation apparatus 1 and introduced into the SEM as it is. FIG. 11C is an enlarged view of the distal end portion of the first stage 7A introduced into the SEM. As shown in the enlarged view of the sample piece 2 ′ in FIG. 11D, the observation electron beam 112 of the SEM is desired. The cross section can be observed by tilting the first stage 7A so that the observation cross section 110 is irradiated. Since the first stage 7A has a rotation mechanism in the sample setting part 53, for example, when it is desired to observe the cross section 111 in FIG. 11B, the cross section 111 is rotated so as to be parallel to the tilt axis of the first stage 7A in the SEM. By adjusting and tilting the first stage 7A so that the electron beam 112 is irradiated onto the cross section 111, SEM observation can be easily performed. Here, if additional machining is required, the first stage 7A can be returned to the sample processing apparatus 1 as it is, reprocessed, and returned to the SEM for easy observation.
By using the first stage 7A as a stage for both the sample processing apparatus and the SEM in this way, it is possible to easily observe the sample without repositioning the sample on the SEM-dedicated stage after the cross-section processing as in the prior art. Become. In addition, the first stage can be introduced into another analysis apparatus as described in the third embodiment, so that observation can be performed with high efficiency as in the case of the SEM.

本発明による試料作製装置を説明するための概略構成図である。It is a schematic block diagram for demonstrating the sample preparation apparatus by this invention. 従来のTEM試料作製法を説明するための図であり、特に、(a)は逆T字型試料、(b)はL字型試料、(c)はFIB−TEM兼用ステージの外観図である。It is a figure for demonstrating the conventional TEM sample preparation method, (a) is an inverted T-shaped sample, (b) is an L-shaped sample, (c) is an external view of a FIB-TEM combined stage. . 従来のFIB−TEM兼用ステージをFIBへの導入状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the introduction state to the FIB of the conventional FIB-TEM combined stage. 本発明による試料作製装置とTEMの間の試料ステージの受け渡しを説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating delivery of the sample stage between the sample preparation apparatus and TEM by this invention. 本発明の試料作製装置に用いた試料ステージの一例を説明するための図であり、特に、(a)は第1ステージ、(b)は第2ステージ、(c)は第2ステージ先端拡大図、(d)は第2ステージに載置する試料ホルダを説明するためのである。It is a figure for demonstrating an example of the sample stage used for the sample preparation apparatus of this invention, (a) is a 1st stage, (b) is a 2nd stage, (c) is a 2nd stage front end enlarged view. (D) is for demonstrating the sample holder mounted in a 2nd stage. 本発明の試料作製装置に用いた移送手段の一例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating an example of the transfer means used for the sample preparation apparatus of this invention. 本発明の試料作製方法の一連の手順のうち第1ステージを用いる工程を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the process using a 1st stage among the series of procedures of the sample preparation method of this invention. 本発明の試料作製方法の一連の手順のうち第2ステージを用いる工程を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the process using a 2nd stage among the series of procedures of the sample preparation method of this invention. 本発明の試料作製装置に用いた第2ステージの先端拡大図の一例であり、特にメッシュを固定可能な第2ステージを説明するための図である。It is an example of the tip enlarged view of the 2nd stage used for the sample preparation device of the present invention, and is a figure for explaining the 2nd stage which can fix a mesh especially. 本発明の試料作製装置に用いた第2ステージによるSEM断面観察のための試料作製法の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the sample preparation method for SEM cross section observation by the 2nd stage used for the sample preparation apparatus of this invention. 本発明の試料作製装置に用いた第1ステージによるSEM断面観察のための試料作製法の一例を説明するための図であり、特に、(a)は試料加工装置導入時の第1ステージ先端部の外観、(b)は断面加工状態、(c)はSEM導入時の第1ステージ先端部の外観、(d)は断面観察状態を示す図である。It is a figure for demonstrating an example of the sample preparation method for SEM cross-section observation by the 1st stage used for the sample preparation apparatus of this invention, and (a) is the 1st stage front-end | tip part at the time of sample processing apparatus introduction especially (B) is a cross-sectional processing state, (c) is an external appearance of the tip of the first stage when the SEM is introduced, and (d) is a cross-sectional observation state. 本発明による試料作製装置を説明するための概略構成図であり、特に使用していない試料ステージの保管室を有する装置構成を示す図である。It is a schematic block diagram for demonstrating the sample preparation apparatus by this invention, and is a figure which shows the apparatus structure which has the storage chamber of the sample stage which is not used especially.

符号の説明Explanation of symbols

1…試料作製装置、2…試料片、2a…摘出試料、3…イオンビーム、3a…FIB、4…照射光学系、5…二次粒子検出器、6…デポジション用ガス供給源、7…試料ステージ、7A…第1ステージ、7B…第2ステージ、8…試料ステージ微動機構、9…試料ホルダ、9a…矩型薄片、10…移送手段、11…イオンビーム制御部、12…二次粒子検出器制御部、13…デポジション用ガス供給源制御手段、14…ステージ制御部、15…移送手段制御部、16…画像表示部、17…計算処理部、18…プローブ(針状部材)、19…試料室、41…TEM、42…試料ステージ導入口、51…円柱部、52…握り部、53…試料設置部、55…面内回転調整部、56…固定治具、60…粗動部、61…微動部、62…狭窄部、63…支柱、64X、64Y、64Z…エンコーダ、65a、65b…バネ、68…バイモルフ圧電素子、70…TEM観察面、71a、71b…マーク、72a、72b…矩形穴、73…細溝、74…支持部、75…斜溝、76…摘出すべき試料、77、80…デポジション膜、81…ウォール、90…メッシュ、91…固定治具、92…押さえばね、100…突起形状、110…観察断面、111…断面、112…電子ビーム。

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sample preparation apparatus, 2 ... Sample piece, 2a ... Extracted sample, 3 ... Ion beam, 3a ... FIB, 4 ... Irradiation optical system, 5 ... Secondary particle detector, 6 ... Deposition gas supply source, 7 ... Sample stage, 7A ... first stage, 7B ... second stage, 8 ... sample stage fine movement mechanism, 9 ... sample holder, 9a ... rectangular slice, 10 ... transfer means, 11 ... ion beam controller, 12 ... secondary particles Detector control section, 13 ... deposition gas supply source control means, 14 ... stage control section, 15 ... transfer means control section, 16 ... image display section, 17 ... calculation processing section, 18 ... probe (needle-like member), DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 ... Sample chamber, 41 ... TEM, 42 ... Sample stage introduction port, 51 ... Cylindrical part, 52 ... Grip part, 53 ... Sample installation part, 55 ... In-plane rotation adjustment part, 56 ... Fixing jig, 60 ... Coarse movement 61, fine movement, 62 ... constriction, 63 ... support 64X, 64Y, 64Z ... encoder, 65a, 65b ... spring, 68 ... bimorph piezoelectric element, 70 ... TEM observation surface, 71a, 71b ... mark, 72a, 72b ... rectangular hole, 73 ... narrow groove, 74 ... support part, 75 ... Diagonal groove, 76 ... Sample to be extracted, 77, 80 ... Deposition film, 81 ... Wall, 90 ... Mesh, 91 ... Fixing jig, 92 ... Holding spring, 100 ... Projection shape, 110 ... Observation cross section, 111 ... section, 112 ... electron beam.

Claims (4)

イオンビームを生成する照射光学系と、
前記イオンビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、
試料を載置するサイドエントリ型の第1の試料ステージと、
サイドエントリ型のの試料ステージを搭載して微動させる試料ステージ微動機構と、
前記試料を前記サイドエントリ型の第1の試料ステージに載置された状態で格納する試料室と、
前記イオンビームによる加工によって前記試料から作製された試料片を摘出して保持する移送手段とを有し、
前記試料室は、前記摘出された試料片が移設される試料保持用メッシュを搭載したサイドエントリ型の第2の試料ステージを、前記第1の試料ステージと交換して前記微動機構に搭載できる構造であり、
前記移送手段は、前記試料片を静電気力により吸着して保持し、前記サイドエントリ型の第1の試料ステージから、前記サイドエントリ型の第2の試料ステージへ移送することを特徴とする試料加工装置。
An irradiation optical system for generating an ion beam;
Secondary particle detecting means for detecting secondary particles generated by irradiation of the ion beam;
A side entry type first sample stage on which a sample is placed;
A sample stage fine movement mechanism for mounting and finely moving the side entry type first sample stage;
A sample chamber for storing the sample in a state of being placed on the side entry type first sample stage;
A transfer means for extracting and holding a sample piece prepared from the sample by processing with the ion beam;
The sample chamber has a structure in which a side entry type second sample stage on which a sample holding mesh on which the extracted sample piece is transferred is mounted can be replaced with the first sample stage and mounted on the fine movement mechanism. And
The transfer means, the sample pieces were held by suction by electrostatic force, said from the side entry type first sample stage, sample processing, characterized by transferring the second sample stage of the side entry type apparatus.
請求項1に記載の試料加工装置において、
前記保持用メッシュには、カーボンがコーティングされたことを特徴とする試料加工装置。
The sample processing apparatus according to claim 1,
A sample processing apparatus, wherein the holding mesh is coated with carbon.
試料室内に格納された試料からイオンビーム照射によって微試料片を作する試料加工方法において、
該試料室内に前記試料が載置されたサイドエントリ型の第1の試料ステージを挿入し、
該試料ステージ上に載置された試料に対して前記イオンビームを照射して前記試料片を作し、
該作された試料片を静電気力により吸着して摘出して保持し
前記第1の試料ステージに換えて、前記摘出された試料片が移設される試料保持用メッシュを搭載したサイドエントリ型の第2の試料ステージを挿入し、
前記摘出された試料片を前記試料室内にて当該試料保持用メッシュに移送することを特徴とする試料加工方法。
In sample processing method of work made fine small sample piece from the sample stored in the sample chamber by ion beam irradiation,
A side entry type first sample stage on which the sample is placed is inserted into the sample chamber;
Wherein the sample placed on the sample stage by irradiating an ion beam to create made the sample piece,
The the acting made by sample pieces were held excised adsorbed by electrostatic force,
In place of the first sample stage, a side entry type second sample stage equipped with a sample holding mesh on which the extracted sample piece is transferred is inserted,
Sample processing method characterized by transferring the excised sample piece to the sample holding mesh in the sample chamber.
請求項3に記載の試料加工方法において、
前記摘出された試料片を静電気力により前記試料保持用メッシュに吸着させることを特徴とする試料加工方法。
In the sample processing method of Claim 3,
Sample processing method characterized by adsorbing the excised sample piece to the sample holding mesh by electrostatic force.
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