JP4618744B2 - Tweezers and manipulator system having the same - Google Patents

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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。   The present invention relates to tweezers for pinching a sample having a fine dimension necessary for observation with an electron microscope such as a transmission electron microscope (TEM) and a manipulator system including the tweezers.

従来、集束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)により作製したTEM観察用の試料は、大気中に取り出した後、例えば、ガラス製のマイクロピペットに静電気吸着させ、TEM用試料ホルダへの取り付けを行っていた。
また、FIB中から試料をピックアップする方法として、上述したマイクロピペットによる方法以外に、例えば、プローブ先端と試料とをデポジション膜によって固定することでピックアップしたり、ピンセットで試料を挟持してピックアップを行うことができるプローブ移動装置(例えば、特許文献1参照)が知られている。更に、試料を挟持したときの保持力を検出する力センサを有するマイクロピンセット等も知られている(例えば、特許文献2参照)。
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)
Conventionally, a sample for TEM observation produced by a focused ion beam (FIB) is taken out into the atmosphere, and then electrostatically adsorbed to, for example, a glass micropipette and attached to a sample holder for TEM. It was.
Also, as a method for picking up a sample from the FIB, in addition to the above-described method using a micropipette, for example, picking up by fixing the probe tip and the sample with a deposition film, or holding the sample with tweezers A probe moving device that can be used (for example, see Patent Document 1) is known. Furthermore, a micro tweezer having a force sensor for detecting a holding force when a sample is sandwiched is known (for example, see Patent Document 2).
JP 2000-2603 A (paragraph number 0024-0025, FIG. 4 etc.) JP-A-11-300662 (paragraph numbers 0013-0023, FIGS. 1-2)

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。
However, since the tweezers used in the probe moving device described in Patent Document 1 cannot detect the clamping force (contact force) when clamping the sample, the sample or the tweezers themselves are too tightly clamped. There was a possibility of adversely affecting. In addition, by pinching strongly, the tips of the tweezers may cross each other and the sample may not be stably pinched. On the other hand, there was a case where the force to pinch was weak and it was not possible to pinch the sample. In this way, since the force to pinch the tweezers cannot be detected, the person who operates the tweezers is limited to skilled workers, and it takes time to prepare the sample due to trial and error that repeats the pinching work many times. There was an inconvenience such as being loose.
In addition, when an insulator is used as the material constituting the tweezers, there is a possibility that the image is distorted due to charge-up and that it is more difficult to hold the sample. Since the sample is charged with static electricity, it sticks to the tweezers, and it may be difficult to release from the tweezers, or the sample and the tweezers may be adversely affected by the static electricity.

一方、上記特許文献2には、力センサを有するピンセットが開示されており、力センサによってピンセットの保持力の検出が行えるが、ピンセット及び力センサの具体的な構成や、ピンセットと力センサとをどのように一体成型するか等の具体的な構成が何ら示されておらず、実際にマイクロピンセットを実現することは困難である。特に、試料が電子顕微鏡観察用の試料である場合には、その寸法が極微小であるため、特許文献2に記載されているマイクロピンセットの開示情報だけでは、上記試料に対応したピンセットを構成することは不可能である。   On the other hand, the above-mentioned patent document 2 discloses a tweezers having a force sensor, and the force sensor can detect the holding force of the tweezers. No specific configuration such as how to integrally mold is shown, and it is difficult to actually realize microtweezers. In particular, when the sample is an electron microscope observation sample, the dimensions thereof are extremely small. Therefore, the tweezers corresponding to the sample are configured only by the disclosure information of the micro tweezers described in Patent Document 2. It is impossible.

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。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to make it possible to easily and accurately detect a clamping force (clamping force) and to reduce the size of the tweezers. It is to provide a manipulator system provided with this.

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、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。
The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
The tweezers according to the present invention is a pair of tweezers capable of sandwiching a sample for observation with an electron microscope, adjacent to each other with a predetermined interval, and having a sandwiching surface for sandwiching the sample at the tip on the opposite side. A conductive member provided with a sandwiching member, wherein the pair of rod-shaped sandwiching members are disposed on the proximal end side of the sandwiching surface so as to be electrically independent of the sandwiching surface, and a capacitance between the conductive portions; A pair of rod-shaped sandwiching members formed so as to branch into two from the proximal end portion toward the distal end, and the sandwiching surface at the distal end of the outer branching portion. Is arranged, and an inner branch portion is the conductive portion .

この発明に係るピンセットにおいては、一対の棒状挟持部材を接近、即ち、互いに対向して配された導電部同士を接近させると、静電容量センサが、両者の距離に応じた導電部間の静電容量の変化を測定する。例えば、一対の棒状挟持部材が接近するにつれて、静電容量が増大するので、一対の棒状挟持部材がまだ試料を挟持する前の状態であることの検出が行える。そして、挟持面の間で試料を挟持した場合には、一対の棒状挟持部材の距離の変化がなくなるので、静電容量センサが、導電部間の静電容量の変化がなくなったことを検出する。これにより、一対の棒状挟持部材の試料を挟持したことを容易且つ確実に検出することができる。従って、従来のように試料を強く挟持しすぎたり、挟持したつもりが挟持できていなかった等の不具合がなく、操作者に関係なく確実に所定の挟持力で試料を挟持することができる。また、一対の棒状挟持部材を半導体材料により形成することで、小型に作製することができる。   In the tweezers according to the present invention, when the pair of rod-shaped holding members are brought close to each other, that is, when the conductive parts arranged opposite to each other are brought close to each other, the capacitance sensor causes the static electricity between the conductive parts according to the distance between them. Measure the change in capacitance. For example, since the capacitance increases as the pair of rod-shaped holding members approaches, it can be detected that the pair of rod-shaped holding members are still in a state before holding the sample. When the sample is clamped between the clamping surfaces, the distance between the pair of rod-shaped clamping members is not changed, so that the capacitance sensor detects that the capacitance between the conductive portions is not changed. . Thereby, it can detect easily and reliably that the sample of a pair of rod-shaped clamping member was clamped. Therefore, there is no problem that the sample is strongly clamped as in the prior art, or there is no problem that the sample has not been clamped, but the sample can be securely clamped with a predetermined clamping force regardless of the operator. In addition, the pair of rod-like holding members can be made small by being formed of a semiconductor material.

特に、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。





In particular, since the pair of rod-like holding members are branched into two, when the sample is held by the holding surface of the outer branch portion, the inner branch portion, that is, the conductive portions can be approached. Thereby, the sample can be clamped with a predetermined clamping force by setting a predetermined capacitance value in advance. Therefore, the clamping force according to the sample can be set freely.





また、本発明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。   The tweezers according to the present invention is characterized in that, in the tweezers according to the present invention, a conductive film capable of being electrically connected to the ground is formed on the clamping surface.

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。   In the tweezers according to the present invention, even if the sample is charged with static electricity, the conductive film can be connected to the ground, so that static electricity can be released. Therefore, as in the prior art, the clamping surface and the sample can be prevented from sticking to each other due to static electricity, so that the sample can be easily clamped and released. Further, for example, even in the FIB, the charge-up is reduced by the conductive film and the distortion of the image is suppressed, so that the sample is easily sandwiched.

また、本発明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。   Further, the tweezers according to the present invention is the tweezers according to the present invention, wherein the pair of rod-shaped clamping members are formed such that the clamping surfaces are parallel to each other when the sample is clamped. Features.

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。   In the tweezers according to the present invention, when the sample is clamped, the clamping surfaces of each other are in a parallel state, so that the sample can be clamped by surface contact. Accordingly, the contact area between the clamping surface and the sample increases, so that the sample can be clamped more stably.

また、本発明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。   In addition, the manipulator system according to the present invention is arranged such that the tweezers of the present invention and the at least one rod-shaped sandwiching member disposed on the proximal end side with respect to the electrostatic capacitance sensor are brought close to each other. A movable mechanism that can move to the rod-shaped clamping member, a manipulator that holds the tweezers and can move to any position, and the pair of rod-shaped members when the measured value of the capacitance sensor reaches a predetermined value. And a control unit that controls the moving mechanism so as to stop the approach of the holding member.

この発明に係るマニュピレータシステムにおいては、マニュピレータにより所望する位置にピンセットを移動させた後、移動機構により、少なくとも一方の棒状挟持部材を他方の棒状挟持部材に移動させることで、互いの挟持面同士を接近させて試料の挟持が行える。この際、移動機構は、静電容量センサよりも基端側に配されると共に、該位置で棒状挟持部材を移動させるので、静電容量センサは、移動機構の影響を受けずに確実に静電容量の検出を行える。従って、高精度に試料の挟持力を検出することができる。
また、制御部は、静電容量センサの測定値が所定の値に達したとき、即ち、挟持力が一定の値になったときに移動機構を停止させるので、最適な挟持力で試料を挟持することができる。従って、試料及びピンセットに余計な負荷を与えないので、試料にキズ等をつけないばかりかピンセットの信頼性、耐久性を向上させることができる。
In the manipulator system according to the present invention, after moving the tweezers to a desired position by the manipulator, the moving mechanism moves at least one of the rod-shaped clamping members to the other rod-shaped clamping member so that the clamping surfaces of each other are moved. The sample can be clamped by approaching. At this time, the moving mechanism is arranged on the base end side with respect to the capacitance sensor, and the rod-shaped clamping member is moved at the position, so that the capacitance sensor is reliably static without being affected by the moving mechanism. Capacitance can be detected. Therefore, the clamping force of the sample can be detected with high accuracy.
In addition, the control unit stops the moving mechanism when the measured value of the capacitance sensor reaches a predetermined value, that is, when the clamping force reaches a certain value, so that the sample is clamped with the optimum clamping force. can do. Therefore, since an extra load is not applied to the sample and the tweezers, not only the sample is not scratched but also the reliability and durability of the tweezers can be improved.

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。
According to the tweezers according to the present invention, it is possible to reliably hold the sample with a predetermined holding force and to reduce the size.
In addition, according to the manipulator system according to the present invention, the sample can be clamped with an optimal clamping force, and the reliability and durability of the tweezers can be improved as well as not scratching the sample.

以下、本発明に係るピンセット及びマニュピレータシステムの第1実施形態を、図1から図21を参照して説明する。
本実施形態のマニュピレータシステム1は、図1及び図2に示すように、透過型電子顕微鏡(電子顕微鏡)Aと、ウエハ状の試料基板2から透過型電子顕微鏡Aによる観察用の試料3を作製する試料作製装置Bと、作製した試料3を挟持可能なピンセット4と、ピンセット4を保持して任意の位置に移動可能なマニュピレータ5とを備えており、これら各構成品は、真空ポンプPにより内部を真空状態に設定可能なチャンバ6に設けられている。
A first embodiment of a tweezers and manipulator system according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
The manipulator system 1 of the present embodiment is a transmission electron microscope (electron microscope) A and a sample 3 for observation by the transmission electron microscope A from a wafer-like sample substrate 2 as shown in FIGS. A sample preparation device B, a tweezers 4 that can hold the prepared sample 3, and a manipulator 5 that holds the tweezers 4 and can move to any position. It is provided in a chamber 6 that can be set in a vacuum state.

上記透過型電子顕微鏡Aは、上記試料3を載置するホルダであるメッシュ10、該メッシュ10をXY方向(水平方向)及び鉛直方向(Z方向)に移動させる移動機構11、メッシュ10上に載置された試料3に向けて図示しない集束レンズにより電子線(電子ビーム)を平行に照射する電子銃12、試料3を透過した電子線を拡大及び結像させる図示しない各種レンズ及び電子線の観察等を行う図示しない観察系を備えている。なお、移動機構11は、制御部15によって制御されるようになっている。   The transmission electron microscope A is placed on a mesh 10 that is a holder for placing the sample 3, a moving mechanism 11 that moves the mesh 10 in the XY direction (horizontal direction) and the vertical direction (Z direction), and the mesh 10. An electron gun 12 that irradiates an electron beam (electron beam) in parallel with a focusing lens (not shown) toward the placed sample 3, various lenses (not shown) that observe and enlarge the electron beam that has passed through the sample 3, and observation of the electron beam An observation system (not shown) that performs the above and the like is provided. The moving mechanism 11 is controlled by the control unit 15.

上記試料作製装置Bは、上記試料3の加工や画像観察を行うための集束イオンビーム(FIB)照射光学系20、該集束イオンビーム照射光学系20により試料3から放出される2次電子や2次イオン等を検出する2次粒子検出器21、FIBの照射領域にデポジション膜を形成するための原材料ガスを供給するデポガス源22及び上記試料基板2を上面に固定可能なステージ23を備えている。   The sample preparation apparatus B includes a focused ion beam (FIB) irradiation optical system 20 for processing the sample 3 and observing an image, secondary electrons emitted from the sample 3 by the focused ion beam irradiation optical system 20, and 2 A secondary particle detector 21 for detecting secondary ions and the like, a deposition gas source 22 for supplying a raw material gas for forming a deposition film in the irradiation region of the FIB, and a stage 23 for fixing the sample substrate 2 on the upper surface are provided. Yes.

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。
The focused ion beam irradiation optical system 20 can irradiate a FIB of about 1 μm by, for example, passing ions emitted from a liquid metal ion source through a beam limiting aperture, a focusing lens, and an objective lens (not shown). . The focused ion beam irradiation optical system 20 has a function of scanning the sample substrate 2 while deflecting the FIB irradiation angle by a deflector (not shown), and forming a concave portion by sputtering on the sample substrate 2, In addition to forming recesses, it is also possible to form protrusions by FIB assist deposition.
The secondary particle detector 21 has a function of displaying the detected secondary electrons, secondary ions, and the like on a display (not shown) so that the processing region of the sample 3 can be observed.
The stage 23 is mounted on a base 24 fixed on the bottom surface of the chamber 6 so as to be movable in the XY direction and the Z direction, and capable of rotating around the XY axis and rotating around the Z axis. ing. The stage 23 is controlled by the control unit 15.
In addition to the stage 23, a holder 25 that accommodates the plurality of tweezers 4 is attached to the base 24. The position of the holder 25 is not limited to the base 24 and may be anywhere within the chamber 6.

上記ピンセット4は、図3に示すように、半導体材料により形成され、それぞれ対向する側の先端に試料3を挟持する挟持面31a、32aを有する一対のピン(棒状挟持部材)31、32を備えている。また、本実施形態においては、一対のピン31、32のそれぞれが、半導体材料の特性に応じて電気的特性が変化するピエゾ抵抗体(歪センサ)33、34を内蔵している。なお、このピエゾ抵抗体33、34は、半導体材料に不純物を添加したものである。このピエゾ抵抗体33、34を含むピンセット4の製造方法については、後に詳細に説明する。
一対のピン31、32は、共に基端側が後述するSi支持基板61及びBOX層62上に固定されており、これらSi支持基板61及びBOX層62から先端が突出するように所定間隔離間して隣接配置されている。
As shown in FIG. 3, the tweezers 4 is formed of a semiconductor material, and includes a pair of pins (rod-like holding members) 31 and 32 having holding surfaces 31a and 32a for holding the sample 3 at the opposite ends. ing. In the present embodiment, each of the pair of pins 31 and 32 incorporates piezoresistors (strain sensors) 33 and 34 whose electrical characteristics change according to the characteristics of the semiconductor material. The piezoresistors 33 and 34 are obtained by adding impurities to a semiconductor material. A method of manufacturing the tweezers 4 including the piezoresistors 33 and 34 will be described in detail later.
The pair of pins 31 and 32 are both fixed on a Si support substrate 61 and a BOX layer 62, which will be described later, at a base end side, and spaced apart from each other by a predetermined distance so that the tips protrude from the Si support substrate 61 and the BOX layer 62. Adjacent to each other.

各ピン31、32は、図4及び図5に示すように、略中間位置に長さ方向に直交する断面積が他の部分よりも小さい応力集中部35を有している。即ち、応力集中部35の横幅Hは、他の部分の横幅H1よりも小さくなるように形成されている(H<H1)。この応力集中部35に、上記ピエゾ抵抗体33、34が配されている。
また、各ピン31、32は、ピエゾ抵抗体33、34の基端側を2つに分岐する位置に貫通孔36を有している。これによりピエゾ抵抗体33、34は、上面視略コ型形状となっている。そして、ピエゾ抵抗体33、34の2つに分岐した基端側には、それぞれ貫通孔36を挟むように配線37が電気的に接続されている。
更に、各ピン31、32には、上面以外の面に電気的にグランド接続可能な導電膜38が形成されている。これにより、互いに対向する面、即ち、上記挟持面31a、32aの表面には、導電膜38が形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, each pin 31, 32 has a stress concentration portion 35 having a cross-sectional area perpendicular to the length direction at a substantially intermediate position that is smaller than the other portions. That is, the lateral width H of the stress concentration portion 35 is formed to be smaller than the lateral width H1 of other portions (H <H1). The piezoresistors 33 and 34 are disposed in the stress concentration portion 35.
Each pin 31, 32 has a through hole 36 at a position where the base end side of the piezoresistors 33, 34 branches into two. As a result, the piezoresistors 33 and 34 are substantially U-shaped when viewed from above. A wiring 37 is electrically connected to the base end side branched into two of the piezoresistors 33 and 34 so as to sandwich the through hole 36, respectively.
Further, each of the pins 31 and 32 is formed with a conductive film 38 that can be electrically connected to the ground other than the upper surface. Thus, a conductive film 38 is formed on the surfaces facing each other, that is, on the surfaces of the clamping surfaces 31a and 32a.

上記ピンセット4は、図6に示すように、エポキシ基板等の実装基板40の先端側に、基端側が載置された状態で実装されている。また、上記配線37や導電膜38は、基板配線41によって実装基板40の基端側に設けられた銅等からなる電極42に電気的に接続されている。なお、基板配線41は、封止用樹脂43によって保護されている。このピンセット4と実装基板40とで、ピンセットASSY45を構成している。
上記ホルダ25は、図7に示すように、ピンセット4の横幅より大きく、且つ、実装基板40の横幅より小さく形成された収納凹部25aを複数備えている。つまり、収納凹部25a内にピンセット4を挿入した状態でピンセットASSY45を載置できるようになっている。また、ピンセットASSY45を載置した際、図示しない爪部が実装基板40に嵌合して所定の力でピンセットASSY45を保持できるようになっている。
As shown in FIG. 6, the tweezers 4 is mounted on the distal end side of a mounting substrate 40 such as an epoxy substrate in a state where the proximal end side is placed. The wiring 37 and the conductive film 38 are electrically connected to the electrode 42 made of copper or the like provided on the base end side of the mounting substrate 40 by the substrate wiring 41. The substrate wiring 41 is protected by a sealing resin 43. The tweezers 4 and the mounting substrate 40 constitute tweezers ASSY 45.
As shown in FIG. 7, the holder 25 includes a plurality of storage recesses 25 a that are larger than the lateral width of the tweezers 4 and smaller than the lateral width of the mounting substrate 40. That is, the tweezers ASSY 45 can be placed with the tweezers 4 inserted into the storage recess 25a. Further, when the tweezers ASSY 45 is placed, a claw portion (not shown) is fitted to the mounting substrate 40 so that the tweezers ASSY 45 can be held with a predetermined force.

上記マニュピレータ5は、図1に示すように、XY方向及びZ方向に移動可能な移動台50上に固定されており、3次元的な動作が可能な多関節アーム51を備えている。なお、移動台50は、制御部15によって作動が制御されている。また、マニュピレータ5は、多関節アーム51の先端に、図7に示すように、上記実装基板ASSY45に接続可能なコネクタ部52を有している。このコネクタ部52は、先端側の内部に実装基板40の基端側に嵌合すると共に所定の力で実装基板40を保持する図示しない爪部を備えている。なお、この爪部は、実装基板40の電極42の接点となっている。
これにより、マニュピレータ5は、ホルダ25に載置されている実装基板ASSY45を、コネクタ部52により電気的に接続した状態で保持した後、多関節アーム51により任意の位置に移動できるようになっている。また、ピンセットASSY45を収納凹部25aに載置した際、収納凹部25aの爪部が実装基板40を保持するので、ピンセットASSY45をコネクタ部52から離間させることができる。
As shown in FIG. 1, the manipulator 5 is fixed on a movable table 50 that can move in the XY direction and the Z direction, and includes an articulated arm 51 that can perform a three-dimensional operation. The operation of the movable table 50 is controlled by the control unit 15. Further, the manipulator 5 has a connector portion 52 that can be connected to the mounting board ASSY 45 at the tip of the articulated arm 51 as shown in FIG. The connector portion 52 includes a claw portion (not shown) that fits on the proximal end side of the mounting substrate 40 and holds the mounting substrate 40 with a predetermined force inside the distal end side. This claw portion serves as a contact point for the electrode 42 of the mounting substrate 40.
As a result, the manipulator 5 can move the mounting substrate ASSY 45 placed on the holder 25 in an electrically connected state by the connector portion 52 and then move it to an arbitrary position by the articulated arm 51. Yes. Further, when the tweezers ASSY 45 is placed in the storage recess 25 a, the claw portion of the storage recess 25 a holds the mounting substrate 40, so that the tweezers ASSY 45 can be separated from the connector portion 52.

また、マニュピレータシステム1は、図2に示すように、ピエゾ抵抗体33、34よりも基端側に配され、互いの挟持面31a、32aを接近させるように少なくとも一方のピン31(32)を他方のピン32(31)に向けて移動可能なピン用マニュピレータ(移動機構)55を有している。なお、本実施形態では、ピン用マニュピレータ55は、一対のピン31、32の両方を共に移動させるようになっている。このピン用マニュピレータ55は、上記マニュピレータ5の先端に設けても構わないし、例えば、ベース34上に別個に設けても構わない。
これらピン用マニュピレータ55及びマニュピレータ5は、上記制御部15により作動が制御されるようになっている。また、ピエゾ抵抗体33、34で測定した測定値は、マニュピレータ5を介して制御部15に送られるようになっている。
Further, as shown in FIG. 2, the manipulator system 1 is arranged on the base end side with respect to the piezoresistors 33 and 34, and at least one pin 31 (32) is disposed so as to bring the holding surfaces 31a and 32a closer to each other. A pin manipulator (moving mechanism) 55 that can move toward the other pin 32 (31) is provided. In the present embodiment, the pin manipulator 55 moves both the pair of pins 31 and 32 together. The pin manipulator 55 may be provided at the tip of the manipulator 5, or may be provided separately on the base 34, for example.
The operations of the pin manipulator 55 and the manipulator 5 are controlled by the control unit 15. The measurement values measured by the piezoresistors 33 and 34 are sent to the control unit 15 via the manipulator 5.

制御部15は、図8に示すように、検出回路15a、差動増幅部15bを有しており、ピエゾ抵抗体33、34から送られた測定値が所定の値に達したときに、上記一対のピン31、32の接近を停止するように、ピン用マニュピレータ55をフィードバック制御するようになっている。この際、検出回路15a及び差動増幅部15bには、図6に示すように、一対のピン31、32の近傍に配され、半導体材料により形成されピエゾ抵抗体33、34と同じリファレンス用センサを内蔵したリファレンスピン56からの測定値がリファレンス値(参照値)として入力されるようになっている。
更に、制御部15は、上述した各構成品を総合的に制御する機能を有している。
As shown in FIG. 8, the control unit 15 includes a detection circuit 15a and a differential amplification unit 15b. When the measurement values sent from the piezoresistors 33 and 34 reach a predetermined value, the control unit 15 The pin manipulator 55 is feedback-controlled so as to stop the approach of the pair of pins 31 and 32. At this time, as shown in FIG. 6, the detection circuit 15a and the differential amplifying unit 15b are arranged in the vicinity of the pair of pins 31 and 32, and are formed of a semiconductor material and are the same as the reference sensors 33 and 34. The measurement value from the reference pin 56 with a built-in is input as a reference value (reference value).
Furthermore, the control unit 15 has a function of comprehensively controlling each component described above.

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)のBOX層62と、該BOX層63上に形成されたSi活性層(例えば、厚さ1μm〜10μm)63とを有するSOI(Silicon On Insulater)基板として説明する。
また、上記本体形成工程は、Si活性層63をパターンエッチングして一対のピン31、32本体を形成するパターンエッチング工程と、該パターンエッチング工程後にBOX層62及びSi支持基板61を一対のピン31、32本体の基端側を残した状態で除去する除去工程とを有している。
これら各工程については、以下に詳細に説明する。
Here, the manufacturing method of the tweezers 4 will be described below.
The tweezers 4 according to the present embodiment includes a main body forming step of patterning the pair of pins 31 and 32 on the semiconductor substrate 60 by a photolithography technique, and impurities in a part of a region provided for the pair of pins 31 and 32 And forming the piezoresistors 33 and 34 by adding a sensor portion.
In the present embodiment, as shown in FIG. 9, the semiconductor substrate 60 includes a silicon (Si) support substrate (for example, a thickness of several hundred μm) 61 and silicon dioxide (on the Si support substrate 61). A description will be given as an SOI (Silicon On Insulater) substrate having a BOX layer 62 of SiO 2 ) and a Si active layer (for example, 1 μm to 10 μm in thickness) 63 formed on the BOX layer 63.
The main body forming step includes a pattern etching step of pattern-etching the Si active layer 63 to form a pair of pins 31 and 32, and a BOX layer 62 and the Si support substrate 61 after the pattern etching step. , And a removing step of removing the base body while leaving the base end side of the main body.
Each of these steps will be described in detail below.

初めに、図9に示すように、半導体基板60の表面及び裏面を熱酸化することにより、シリコン酸化膜(SiO)64、65を形成する。
次に、表面のシリコン酸化膜64に、エッチングマスクとなる図示しないフォトレジスト膜を、フォトリソグラフィ技術によって図10に示す一対のピン31、32の形状でパターニングする。この際、上記応力集中部35及び貫通孔36も同時にパターニングする。そして、フォトレジスト膜をマスクとしてエッチングすることで、シリコン酸化膜64が一対のピン31、32の形状でパターニングされる。なお、レジストはポジでもネガでも構わない。また、フォトレジスト膜をマスクとしてフッ酸溶液(BHF)を用いてシリコン酸化膜64を溶液エッチングしても構わない。
First, as shown in FIG. 9, silicon oxide films (SiO 2 ) 64 and 65 are formed by thermally oxidizing the front surface and the back surface of the semiconductor substrate 60.
Next, a photoresist film (not shown) serving as an etching mask is patterned on the silicon oxide film 64 on the surface in the shape of a pair of pins 31 and 32 shown in FIG. At this time, the stress concentration portion 35 and the through hole 36 are also patterned at the same time. Then, the silicon oxide film 64 is patterned in the shape of the pair of pins 31 and 32 by etching using the photoresist film as a mask. The resist may be positive or negative. Alternatively, the silicon oxide film 64 may be solution etched using a hydrofluoric acid solution (BHF) using the photoresist film as a mask.

続いて、マスクとしていたフォトレジスト膜を除去した後、シリコン酸化膜64をマスクとして、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)やDRIE(Deep Reactive Ion Etching)を行って、マスクされていないSi活性層63を選択的に除去する。この際、RIEやDRIEは、Si活性層63下のBOX層62でストップするように反応速度等が設定されている。そして、マスクとしていたシリコン酸化膜64を除去することで、図10に示すように、Si活性層63が一対のピン31、32の形状にパターニングされる。なお、この工程は上記パターンエッチング工程である。   Subsequently, after removing the photoresist film used as a mask, reactive ion etching (RIE) and DRIE (Deep Reactive Ion Etching) are performed using the silicon oxide film 64 as a mask, and unmasked Si. The active layer 63 is selectively removed. At this time, the reaction rate or the like is set so that RIE and DRIE stop at the BOX layer 62 below the Si active layer 63. Then, by removing the silicon oxide film 64 used as a mask, the Si active layer 63 is patterned into a pair of pins 31 and 32 as shown in FIG. This step is the pattern etching step.

次に、上記センサ部形成工程を行う。即ち、Si活性層63上に、ピエゾ抵抗体33、34を形成する領域、即ち、応力集中部35を含むと共に基端側が貫通孔36により2つに分岐される領域を開口させて図示しないフォトレジスト膜を形成した後、開口部分からイオン注入法により不純物(ドーパント)を添加(ドーピング)してピエゾ抵抗体33、34を形成する。なお、本実施形態では、N型のSi活性層63にボロン(B)やガリウム(Ga)等のPイオンをドーピングしてピエゾ抵抗体33、34を形成する。なお、この場合に限られず、P型のSi活性層63を用いた場合には、リン(P)やヒ素(As)等のnイオンをドーピングする。つまり、Si活性層63に対して極性が異なるように、ピエゾ抵抗体33、34を形成する。そして、フォトレジスト膜を除去することで、図11に示すように、応力集中部35にピエゾ抵抗体33、34が形成される。この際、ピエゾ抵抗体33、34の基端部より貫通孔36の基端部の方が、ピンセット4の基端側(紙面に対して右側)に突出するようになっている。特に、上述した貫通孔36のパターニングを行う際、ピエゾ抵抗体33、34と貫通孔36との位置関係がこのようになるように、貫通孔36の基端部がピンセット4の基端側に近づくように予め所定の長さを有するようにパターニングすることが好ましい。
なお、P型のSi活性層63にボロンやガリウムをドーピングしたり、N型のSi活性層63にリンやヒ素をドーピングしても良い(抵抗値が元のSiよりも下がっていれば良い)。
Next, the sensor part forming step is performed. That is, on the Si active layer 63, a region where the piezoresistors 33 and 34 are formed, that is, a region including the stress concentration portion 35 and the base end side of which is branched into two by the through hole 36 is opened to form a photo (not shown). After forming the resist film, an impurity (dopant) is added (doping) from the opening by ion implantation to form the piezoresistors 33 and 34. In this embodiment, the N-type Si active layer 63 is doped with P + ions such as boron (B) and gallium (Ga) to form the piezoresistors 33 and 34. Note that the present invention is not limited to this case. When a P-type Si active layer 63 is used, n + ions such as phosphorus (P) and arsenic (As) are doped. That is, the piezoresistors 33 and 34 are formed so as to have different polarities with respect to the Si active layer 63. Then, by removing the photoresist film, the piezoresistors 33 and 34 are formed in the stress concentration portion 35 as shown in FIG. At this time, the base end portion of the through hole 36 protrudes from the base end portions of the piezoresistors 33 and 34 toward the base end side of the tweezers 4 (right side with respect to the paper surface). In particular, when the patterning of the through hole 36 is performed, the base end portion of the through hole 36 is located on the base end side of the tweezers 4 so that the positional relationship between the piezoresistors 33 and 34 and the through hole 36 is as described above. It is preferable to perform patterning so as to have a predetermined length in advance so as to approach each other.
The P-type Si active layer 63 may be doped with boron or gallium, or the N-type Si active layer 63 may be doped with phosphorus or arsenic (provided that the resistance value is lower than that of the original Si). .

上記センサ部工程が終了後、不純物のドライブイン(拡散)を行った後、図12に示すように、ピエゾ抵抗体33、34の2つに分岐した基端部からSi活性層63の基端側までの領域に、酸化シリコン(SiO)や窒化シリコン(SiN)等の層間絶縁膜66を形成する。層間絶縁膜66の形成後、ピエゾ抵抗体33、34の2つに分岐した基端部にそれぞれアクセスできるように層間絶縁膜66の先端にコンタクトホール67を形成する。
コンタクトホール67の形成後、図13に示すように、層間絶縁膜66上の各コンタクトホール67とSi活性層63の基端側との間に、アルミニウム(Al)等の金属により導電層をパターニングすることで、上記配線37を形成する。
After the sensor part process is completed, after impurity drive-in (diffusion) is performed, as shown in FIG. 12, the base end of the Si active layer 63 from the base end branched into two of the piezoresistors 33 and 34 An interlayer insulating film 66 such as silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN) is formed in the region up to the side. After the formation of the interlayer insulating film 66, a contact hole 67 is formed at the distal end of the interlayer insulating film 66 so that the base ends branched into two of the piezoresistors 33 and 34 can be respectively accessed.
After the contact hole 67 is formed, a conductive layer is patterned with a metal such as aluminum (Al) between each contact hole 67 on the interlayer insulating film 66 and the base end side of the Si active layer 63, as shown in FIG. As a result, the wiring 37 is formed.

次に、シリコン基板60の裏面側のシリコン酸化膜65に、図示しないフォトレジスト膜をパターニングして、図14に示すように、シリコン酸化膜65を基端側に残るようにパターニングする。パターニング後、図15に示すように、BOX層62及びSi活性層63を覆うようにフォトレジスト膜68を塗布して保護膜を形成する。そして、パターニングしたシリコン酸化膜65をマスクとして、水酸化カリウム(KOH)やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)等のアルカリ性エッチャントによる異方性エッチング、又は、DRIEによりSi支持基板61をエッチングにより基端側を残した状態で除去する。
その後、図16に示すように、フォトレジスト膜68を除去すると共に、BHF等によりBOX層62を、同様に基端側を残した状態で除去する。なお、この工程が上記除去工程である。
Next, a photoresist film (not shown) is patterned on the silicon oxide film 65 on the back surface side of the silicon substrate 60, and the silicon oxide film 65 is patterned so as to remain on the base end side as shown in FIG. After the patterning, as shown in FIG. 15, a photoresist film 68 is applied so as to cover the BOX layer 62 and the Si active layer 63 to form a protective film. Then, using the patterned silicon oxide film 65 as a mask, the Si support substrate 61 is etched by anisotropic etching using an alkaline etchant such as potassium hydroxide (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH) or by DRIE. Remove with the side left.
Thereafter, as shown in FIG. 16, the photoresist film 68 is removed, and the BOX layer 62 is similarly removed with BHF or the like leaving the base end side. This step is the removal step.

そして、最後に図17に示すように、スパッタや真空蒸着により、一対のピン31、32の裏面及び側面から基端側の裏面の亘る領域に、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)等の金属で上記導電膜38を形成する。また、導電膜38は、一層に限らず、例えば、Ti/Au(密着層として最初にTiを成膜し、その上に金(Au)を成膜)からなる2層でも構わない。また、2層の場合は、Cr/Au、Ti/白金(Pt)、Cr/Ptでも構わない。
これにより、図3に示されるピエゾ抵抗体33、34を内蔵したピンセット4を半導体技術により製造することができる。
Finally, as shown in FIG. 17, aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (in the region extending from the back and side surfaces of the pair of pins 31 and 32 to the back surface on the base end side by sputtering or vacuum deposition. The conductive film 38 is formed of a metal such as Cr). The conductive film 38 is not limited to a single layer, and may be, for example, two layers of Ti / Au (Ti is first formed as an adhesion layer and gold (Au) is formed thereon). In the case of two layers, Cr / Au, Ti / platinum (Pt), or Cr / Pt may be used.
Thereby, the tweezers 4 incorporating the piezoresistors 33 and 34 shown in FIG. 3 can be manufactured by semiconductor technology.

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))等のガスを吹き付けて、保護膜を形成した後、集束イオンビーム照射光学系20から試料基板2上にFIBを照射する。この際、FIBの照射角度を偏向させると共に、ステージ23をXY軸、Z軸回りに傾斜させて、図18及び図19に示すように、試料基板3に切り込み加工を行って、例えば、厚さ1μm、高さ5μm、幅10μmの寸法の試料3を作製する。なお、この際、試料3は、底面も切り離されており、FIBの照射によって、試料基板2と試料3との間に働く静電気力によって立設している状態である。また、この試料3の作製は、2次粒子検出器21により検出された2次電子や2次イオオン等に基づいた観察画像を見ながら行われる。
Next, a case where the sample 3 is produced from the sample substrate 2 by the manipulator system 1 configured as described above and then the sample 3 is sandwiched by the tweezers 4 will be described.
First, after the inside of the chamber 6 is evacuated by the vacuum pump P, the sample substrate 2 is positioned at the FIB irradiation position of the focused ion beam irradiation optical system 20 by the stage 23. After positioning, for example, a gas such as hexacarbonyl tungsten (W (CO) 6 ) is blown onto the FIB irradiation region of the sample substrate 3 by the deposition gas source 22 to form a protective film, and then from the focused ion beam irradiation optical system 20. The sample substrate 2 is irradiated with FIB. At this time, the FIB irradiation angle is deflected, and the stage 23 is tilted about the XY axis and the Z axis, and the sample substrate 3 is cut as shown in FIGS. A sample 3 having dimensions of 1 μm, a height of 5 μm, and a width of 10 μm is prepared. At this time, the bottom surface of the sample 3 is also cut off, and the sample 3 is standing by an electrostatic force acting between the sample substrate 2 and the sample 3 by FIB irradiation. The sample 3 is produced while viewing an observation image based on secondary electrons, secondary ions, etc. detected by the secondary particle detector 21.

試料3の作製後、移動台50によりマニュピレータ5を所定位置に移動させた後、多関節アーム51により先端のピンセット4を移動させ、図18に示すように、試料3を間に挟むように一対のピン31、32を位置させる。このピンセット4の位置決めは、上述した2次粒子検出器21による観察画像を見ながら行われる。この際、挟持面31、32aには、導電膜38が形成されているので、ピンセット4のチャージアップが低減して観察象の歪みを抑えることができ、良好な観察像を得ることができる。
一対のピン31、32の位置決め後、図2に示すように、ピン用マニュピレータ55により互いの挟持面31a、32aが接近するように、一対のピン31、32の基端側を移動させる。即ち、一対の31、32は、図20に示すように、基端側を中心として、先端が円弧を描くように移動する。そして、挟持面31a、32aの更なる接近によって、図21に示すように、試料3を挟持する。
After the preparation of the sample 3, the manipulator 5 is moved to a predetermined position by the moving base 50, and then the tweezers 4 at the tip is moved by the articulated arm 51, and as shown in FIG. The pins 31, 32 are positioned. Positioning of the tweezers 4 is performed while viewing an observation image by the secondary particle detector 21 described above. At this time, since the conductive film 38 is formed on the sandwiching surfaces 31 and 32a, the charge-up of the tweezers 4 is reduced, distortion of the observation image can be suppressed, and a good observation image can be obtained.
After the positioning of the pair of pins 31 and 32, as shown in FIG. 2, the base end sides of the pair of pins 31 and 32 are moved by the pin manipulator 55 so that the sandwiching surfaces 31 a and 32 a approach each other. That is, as shown in FIG. 20, the pair of 31 and 32 moves so that the distal end draws an arc with the base end side as the center. Then, as the clamping surfaces 31a and 32a further approach, the sample 3 is clamped as shown in FIG.

試料3を挟持すると、一対のピン31、32の内部に応力が働いて歪が生じる。この際、一対のピン31、32は、半導体材料であるシリコンにより形成されているので、特有の電気特性の変化、即ち、抵抗値が変化する。そして、ピエゾ抵抗体33、34がこの抵抗値変化を検出するので、試料3を確実に挟持したことを検出することができる。特に、ピエゾ抵抗体33、34が、N型のイオンが注入され、Si活性層63がP型である場合、コンタクトホール67を通して流される電流が、ドーピングされた領域以外に漏れることが少なくなり、ピエゾ抵抗体33、34は、ピンセット31、32の基板であるSi活性層63と異なる電極であるので、ピンセット31、32全体の抵抗が下がり感度良く歪の検出が行える。
また、ピエゾ抵抗体33、34は、応力集中部35に配されているので、僅かな保持力によって生じる歪みを大きな抵抗変化として検出することができ、高精度に挟持力を検出することができる。
更に、ピエゾ抵抗体33、34及び電線37は、貫通孔36を挟んでU字状になるようになるように形成されているので、基端側から先端側の亘る領域に電流路が確保されて確実且つ高精度に抵抗値変化の検出が行えることからも、高精度に挟持力を検出することができる。
When the sample 3 is sandwiched, stress is applied to the inside of the pair of pins 31 and 32 to cause distortion. At this time, since the pair of pins 31 and 32 are formed of silicon which is a semiconductor material, a change in specific electrical characteristics, that is, a resistance value changes. Since the piezoresistors 33 and 34 detect this change in resistance value, it is possible to detect that the sample 3 has been clamped reliably. In particular, when the piezoresistors 33 and 34 are implanted with N-type ions and the Si active layer 63 is P-type, the current flowing through the contact hole 67 is less likely to leak outside the doped region. Since the piezoresistors 33 and 34 are electrodes different from the Si active layer 63 which is the substrate of the tweezers 31 and 32, the resistance of the entire tweezers 31 and 32 is lowered and the strain can be detected with high sensitivity.
Further, since the piezoresistors 33 and 34 are arranged in the stress concentration portion 35, distortion caused by a slight holding force can be detected as a large resistance change, and the pinching force can be detected with high accuracy. .
Further, since the piezoresistors 33 and 34 and the electric wire 37 are formed so as to be U-shaped with the through hole 36 interposed therebetween, a current path is ensured in a region extending from the proximal end side to the distal end side. In addition, since the resistance value change can be detected reliably and with high accuracy, the clamping force can be detected with high accuracy.

また、制御部15は、ピエゾ抵抗体33、34で測定された測定値が所定の値に達したときに、ピン用マニュピレータ55を停止するよう制御するので、最適な挟持力で試料3の挟持が行える。これにより、例えば、ピンセット4の形状、試料3の形状、硬度、材質等に応じた最適な挟持力で、試料3を挟持することができる。従って、試料3及びピンセット4に余計な負荷を与えないので、試料3にキズ等をつけないばかりかピンセット4の信頼性、耐久性を向上させることができる。
更に、制御部15は、リファレンスピン56からリファレンス値が入力されるので、一対のピン31、32周囲の温度変化等の環境条件により発生する電気特性の影響を相殺でき、より正確な抵抗値変化の検出を行うことができる。
Further, since the control unit 15 controls the pin manipulator 55 to stop when the measurement value measured by the piezoresistors 33 and 34 reaches a predetermined value, the sample 3 is clamped with an optimal clamping force. Can be done. Thereby, for example, the sample 3 can be clamped with an optimal clamping force according to the shape of the tweezers 4, the shape of the sample 3, the hardness, the material, and the like. Therefore, since no extra load is applied to the sample 3 and the tweezers 4, not only the sample 3 is scratched but also the reliability and durability of the tweezers 4 can be improved.
Further, since the reference value is input from the reference pin 56, the control unit 15 can cancel the influence of the electrical characteristics caused by the environmental conditions such as the temperature change around the pair of pins 31 and 32, and more accurately change the resistance value. Can be detected.

ピンセット4により試料3を挟持した後、移動台50、多関節アーム51及び移動機構11によりピンセット4とメッシュ10とを相対移動させて、試料3をメッシュ10上に位置させる。そして、ピン用マニュピレータ55により一対のピン31、32の接近状態を解き、メッシュ10上に試料3を載置する。この際、挟持面31a、32aには、グランド接続された導電膜38が形成されているので、静電気の影響を受けずに、容易に試料3を離すことできる。その後、電子銃12により試料3に電子線を照射して透過型観察顕微鏡Aにより試料3の観察を行う。特に、本実施形態のマニュピレータシステム1では、真空状態に設定されたチャンバ6内から試料3を外部に出すことがないので、試料3を紛失したり、試料3の表面に酸化膜等が形成されることを防止することができる。   After pinching the sample 3 with the tweezers 4, the tweezers 4 and the mesh 10 are relatively moved by the moving base 50, the articulated arm 51, and the moving mechanism 11, and the sample 3 is positioned on the mesh 10. Then, the pin manipulator 55 releases the approaching state of the pair of pins 31 and 32, and the sample 3 is placed on the mesh 10. At this time, since the conductive films 38 connected to the ground are formed on the sandwiching surfaces 31a and 32a, the sample 3 can be easily separated without being affected by static electricity. Thereafter, the sample 3 is irradiated with an electron beam by the electron gun 12 and the sample 3 is observed by the transmission observation microscope A. In particular, in the manipulator system 1 of the present embodiment, the sample 3 is not taken out from the chamber 6 set in a vacuum state, so that the sample 3 is lost or an oxide film or the like is formed on the surface of the sample 3. Can be prevented.

更に、ピンセット4は、本体形成工程により、フォトリソグラフィ技術によって一対のピン31、32をSi活性層63にパターン形成するので、小型且つ高精度のピンセット4を容易に形成することができる。また、センサ部形成工程により、不純物を熱拡散法やイオン注入法により添加することで、容易に半導体プロセスを利用してピエゾ抵抗体33、34の形成を行うことができる。つまり、半導体プロセスによりピンセット4を小型且つ高精度に形成することができる。
また、本体形成工程の際、パターンエッチング工程を行った後に、除去工程でBOX層62及びSi支持基板61を除去するので、薄くて高精度なピンセット4を確実に形成することができる。
Further, the tweezers 4 pattern the pair of pins 31 and 32 on the Si active layer 63 by a photolithography technique in the main body forming process, so that the small and highly accurate tweezers 4 can be easily formed. In addition, the piezoresistors 33 and 34 can be easily formed using a semiconductor process by adding impurities by a thermal diffusion method or an ion implantation method in the sensor portion forming step. That is, the tweezers 4 can be formed in a small size and with high accuracy by a semiconductor process.
Further, since the BOX layer 62 and the Si support substrate 61 are removed in the removing process after the pattern etching process is performed in the main body forming process, the thin and highly accurate tweezers 4 can be reliably formed.

また、ピンセット4を交換する際は、ホルダ25の収納凹部25a内にピンセット4を挿入した状態でピンセットASSY45をコネクタ部52から外し、ホルダ25に載置されている他のピンセットASSY45を再度コネクタ部52に取り付けれることができる。こうすることで、仮にピンセット4に不具合が生じたとしても該ピンセット4を容易にチャンバ6内で交換できると共に、試料3の種類に応じたピンセット4を適時選択して使用することができる。   When exchanging the tweezers 4, the tweezers ASSY 45 is removed from the connector part 52 with the tweezers 4 inserted into the housing recess 25 a of the holder 25, and the other tweezers ASSY 45 placed on the holder 25 is again connected to the connector part 52 can be attached. By doing so, even if a trouble occurs in the tweezers 4, the tweezers 4 can be easily replaced in the chamber 6 and the tweezers 4 corresponding to the type of the sample 3 can be selected and used in a timely manner.

上述したように、本発明のピンセット4によれば、確実に所定の挟持力で試料3を挟持することができると共に、半導体材料により形成されているので小型に作製することができる。また、ピエゾ抵抗体33、34を内蔵しているので、挟持力を高精度に検出することができる。
また、本発明のマニュピレータシステム1によれば、最適な挟持力で試料を挟持することができると共に、試料3にキズ等をつけないばかりかピンセット4の信頼性、耐久性を向上させることができる。
As described above, according to the tweezers 4 of the present invention, the sample 3 can be securely clamped with a predetermined clamping force, and can be manufactured in a small size because it is formed of a semiconductor material. Further, since the piezoresistors 33 and 34 are built in, the clamping force can be detected with high accuracy.
Further, according to the manipulator system 1 of the present invention, the sample can be clamped with an optimal clamping force, and the reliability and durability of the tweezers 4 can be improved as well as not scratching the sample 3. .

次に、本発明に係るピンセットの第2実施形態を、図22及び図23を参照して説明する。なお、第2実施形態において、第1実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、ピンセット4がピエゾ抵抗33、34により一対のピン31、32に働く歪を検出することで、挟持力を検出していたのに対し、第2に実施形態のピンセット70は、静電容量により挟持力を検出する点である。
Next, a second embodiment of the tweezers according to the present invention will be described with reference to FIGS. Note that in the second embodiment, identical symbols are assigned to configurations identical to those in the first embodiment and descriptions thereof are omitted.
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that in the first embodiment, the tweezers 4 detects the clamping force by detecting strain acting on the pair of pins 31 and 32 by the piezoresistors 33 and 34. On the other hand, the tweezers 70 of the second embodiment is to detect the clamping force by the electrostatic capacity.

即ち、本実施形態のピンセット70は、図22及び図23に示すように、それぞれ対向する側の先端に試料3を挟持する挟持面71a、72aを有する一対のピン(棒状挟持部材)71、72を備え。該一対のピン71、72が、挟持面71a、72aの基端側に挟持面71a、72aと電気的に独立した状態で互いに対向して配された導電部73、74と、これら導電部73、74間の静電容量を測定する静電容量センサ75とを備えている。なお、図22及び図23は、片側のピン71(72)のみを示している。   That is, the tweezers 70 of the present embodiment, as shown in FIGS. 22 and 23, are a pair of pins (rod-like holding members) 71 and 72 having holding surfaces 71a and 72a for holding the sample 3 at the opposite ends. Equipped with. Conductive portions 73 and 74 in which the pair of pins 71 and 72 are arranged to face each other in a state of being electrically independent of the sandwiching surfaces 71a and 72a on the base end sides of the sandwiching surfaces 71a and 72a, and the conductive portions 73 , 74 and a capacitance sensor 75 that measures the capacitance. 22 and 23 show only the pin 71 (72) on one side.

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、ダイヤモント等を採用し、その表面にスパッタ法や蒸着法によりAl、Au、Ti等の金属で導電膜78を形成する。なお、この導電膜78は、挟持面71a、72aを電気的にグランド接続可能な導電膜として機能する。また、ピンセット71、72を半導体材料により形成することで、上記導電部73、74を、例えば、ドライエッチング等により形成することができる。
上記静電容量センサ75は、導電部73、74の先端に形成されており、例えば、金属等を蒸着して形成する。なお、ピンセット71、72を半導体材料により形成することで、第1実施形態と同様にドーピングにより形成することが可能である。
The pair of pins 71 and 72 are formed to branch into two from the proximal end portion toward the distal end, and the clamping surfaces 71a and 72a are arranged at the distal ends of the outer branch portions 76 and 77. . Further, the inner branch portions are the conductive portions 73 and 74.
Further, the tweezers 70 of the present embodiment is not limited to a semiconductor material, but is preferably an insulating material. For example, silicon, SiO 2 , diamond or the like is adopted as a base material, and a conductive film 78 is formed on the surface with a metal such as Al, Au, Ti or the like by sputtering or vapor deposition. The conductive film 78 functions as a conductive film that can electrically connect the clamping surfaces 71a and 72a to the ground. Further, by forming the tweezers 71 and 72 from a semiconductor material, the conductive portions 73 and 74 can be formed by, for example, dry etching or the like.
The capacitance sensor 75 is formed at the tips of the conductive portions 73 and 74, and is formed by evaporating metal or the like, for example. Note that, by forming the tweezers 71 and 72 from a semiconductor material, it is possible to form the tweezers 71 and 72 by doping as in the first embodiment.

このように構成されたピンセット70により試料3を挟持する場合について説明する。
一対のピン71、72をピン用マニュピレータ55により接近、即ち、導電部73、74同士を接近させると、静電容量センサ75が両者の距離に応じた導電部73、74の静電容量の変化を測定する。例えば、一対のピン71、72が接近するにつれて静電容量が増大するので、一対のピン71、72がまだ試料3を挟持する前の状態であることを検出できる。
そして、試料3を挟持した場合には、一対のピン71、72の接近が止まり、静電容量の変化がなくなる。従って、静電容量センサ75は、静電容量の変化がなくなったことを検出することで、一対のピン71、72が試料3を挟持したことを容易且つ確実に検出することができる。
また、試料3を挟持したときに、内側の分岐部である導電部73、74は、挟持面71、72aが配されている外側の分岐部76、77とは別に分岐しているので、さらに導電部73、74同士が接近可能な状態である。つまり、試料3を挟持した後でも静電容量の測定が行える。従って、所定の静電容量を予め設定することで、所定の挟持力で試料3を挟持することができ、試料3に応じた挟持力を得ることができる。
A case where the sample 3 is sandwiched by the tweezers 70 configured as described above will be described.
When the pair of pins 71 and 72 are brought closer to the pin manipulator 55, that is, when the conductive portions 73 and 74 are brought closer to each other, the capacitance sensor 75 changes the capacitance of the conductive portions 73 and 74 according to the distance between them. Measure. For example, since the capacitance increases as the pair of pins 71 and 72 approaches, it can be detected that the pair of pins 71 and 72 are still in a state before the sample 3 is sandwiched.
When the sample 3 is sandwiched, the pair of pins 71 and 72 stops approaching and the capacitance does not change. Therefore, the capacitance sensor 75 can easily and reliably detect that the pair of pins 71 and 72 have pinched the sample 3 by detecting that the change in capacitance has been eliminated.
Further, when the sample 3 is sandwiched, the conductive portions 73 and 74 that are the inner branch portions are branched separately from the outer branch portions 76 and 77 where the sandwich surfaces 71 and 72a are arranged. The conductive parts 73 and 74 are in an accessible state. That is, the capacitance can be measured even after the sample 3 is sandwiched. Therefore, by setting a predetermined capacitance in advance, the sample 3 can be clamped with a predetermined clamping force, and a clamping force corresponding to the sample 3 can be obtained.

上述したように、一対のピン71、72間の距離に応じた静電容量を測定することで、挟持力の測定が行えるので、第1実施形態と同様に、従来のように試料を強く挟持しすぎたり、挟持したつもりが挟持できていなかった等の不具合がなく、操作者に関係なく確実に所定の挟持力で試料を挟持することができる。また、一対のピン71、72を半導体材料により形成することで、小型に作製することができる。   As described above, since the clamping force can be measured by measuring the capacitance according to the distance between the pair of pins 71 and 72, the sample is strongly clamped as in the first embodiment. There is no inconvenience such as excessive or unintentional clamping, and the sample can be securely clamped with a predetermined clamping force regardless of the operator. Further, by forming the pair of pins 71 and 72 from a semiconductor material, the pin can be made small.

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記核実施形態のマニュピレータシステムは、透過型電子顕微鏡をチャンバに備えた構成にしたが、チャンバとは別に設けても構わない。この場合には、ピンセットで試料を挟持した後に、チャンバ外部に設けられたメッシュ上に試料を移送できるように構成されていればかまわない。なお、透過型電子顕微鏡に限られず、電子顕微鏡であれば構わない。
また、ピンセットで試料を挟持してメッシュに移送したが、例えば、図24に示すように、電子顕微鏡用の試料台に一旦固定して再加工しても構わない。この場合には、試料台上に、ピンセットで挟持した試料を載置した状態で、デポガス源よりデポジション用ガスを流出させつつFIBを照射することで、デポジション膜により試料と試料台とを固定させれば良い。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, the manipulator system of the above-described nuclear embodiment is configured to include the transmission electron microscope in the chamber, but may be provided separately from the chamber. In this case, it may be configured so that the sample can be transferred onto a mesh provided outside the chamber after the sample is sandwiched with tweezers. The transmission electron microscope is not limited, and any electron microscope may be used.
Further, although the sample is sandwiched with tweezers and transferred to the mesh, for example, as shown in FIG. 24, the sample may be temporarily fixed to a sample stage for an electron microscope and reworked. In this case, with the sample sandwiched between tweezers placed on the sample stage, the deposition film is used to irradiate the FIB while allowing the deposition gas to flow out. Fix it.

また、第1実施形態において、一対のピンの両方にピエゾ抵抗体を内蔵したが、どちらか一方のピンに内蔵されていれば構わない。
更に、ピン用マニュピレータは、第1実施形態及び第2実施形態において、一対のピンの両方を移動させたが、どちらか一方のピンを移動できるように構成されていれば構わない。また、マニュピレータである必要はなく、例えば、圧電素子やマイクロモータにより駆動されるボールネジ等を利用した移動機構であれば良い。
In the first embodiment, the piezoresistors are built in both of the pair of pins. However, it may be built in either one of the pins.
Furthermore, the pin manipulator moves both of the pair of pins in the first embodiment and the second embodiment, but may be configured so that either one of the pins can be moved. Further, it is not necessary to be a manipulator, and for example, any moving mechanism using a ball screw or the like driven by a piezoelectric element or a micromotor may be used.

また、両実施形態において、挟持面の形状を、図25に示すように、試料を挟持したときに互いに平行状態となるように形成しても構わない。こうすることで、試料面と試料との接触面積が増えるので、より安定して試料を挟持できるので、より好ましい。   Further, in both embodiments, as shown in FIG. 25, the shape of the sandwiching surface may be formed so as to be in a parallel state when the sample is sandwiched. By doing so, the contact area between the sample surface and the sample is increased, so that the sample can be more stably held, which is more preferable.

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。1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a manipulator system according to the present invention. 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。It is the figure which showed the positional relationship of the tweezers which concern on this invention, and the manipulator for pins. 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。It is a top view which shows a 1st embodiment of tweezers used for a micro manipulator system concerning the present invention, and concerning the present invention. 図3に示すピンセットのピンを示す上面図である。It is a top view which shows the pin of the tweezers shown in FIG. 図4に示すピンの側面図である。It is a side view of the pin shown in FIG. 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。It is a top view which shows an example of the tweezers ASSY which mounted the tweezers on the mounting substrate. 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。It is a side view which shows the state which took out tweezers ASSY from the holder with the manipulator. 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。It is a figure which shows an example of the block diagram in the control part of the manipulator system shown in FIG. 1, (a) shows a detection circuit and a differential amplifier, (b) is the figure which showed the bridge circuit of the detection circuit. 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。It is process drawing which showed the manufacturing method of the tweezers shown in FIG. 3, Comprising: It is the figure which showed the start board | substrate. 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。FIGS. 10A and 10B are a process diagram illustrating a method of manufacturing the tweezers illustrated in FIG. 3, and are a side view and a top view illustrating a state in which a pair of pins are patterned on the Si active layer from the state illustrated in FIG. 9. 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。FIGS. 11A and 11B are process diagrams illustrating a method of manufacturing the tweezers illustrated in FIG. 3, and are a side view and a top view illustrating a state in which a piezoresistor is manufactured from the state illustrated in FIG. 10. 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。FIGS. 12A and 12B are a process diagram illustrating a method of manufacturing the tweezers illustrated in FIG. 3, and are a side view and a top view illustrating a state in which an interlayer insulating film is formed on the Si active layer from the state illustrated in FIG. 11. . 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。FIGS. 13A and 13B are process diagrams illustrating a manufacturing method of the tweezers illustrated in FIG. 3, and are a side view and a top view illustrating a state in which a conductive film is patterned on the interlayer insulating film from the state illustrated in FIG. b). 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。FIGS. 14A and 14B are a process diagram illustrating a method for manufacturing the tweezers illustrated in FIG. 3, and are a side view and a top view illustrating a state in which the silicon oxide film on the back surface of the silicon substrate is patterned from the state illustrated in FIG. 13. . 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。It is process drawing which showed the manufacturing method of the tweezers shown in FIG. 3, Comprising: It is the side view (a) and top view (b) which show the state which carried out the back etching of the Si support substrate from the state shown in FIG. 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。FIGS. 16A to 16C are process diagrams illustrating a method for manufacturing the tweezers illustrated in FIG. 3, and are a side view and a top view illustrating a state in which the BOX layer is removed from the state illustrated in FIG. 15. 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。FIG. 17 is a process diagram illustrating a method of manufacturing the tweezers illustrated in FIG. 3, and is a side view illustrating a state in which a conductive film is formed on the back and side surfaces of a pair of pins from the state illustrated in FIG. 16. 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。It is a side view which shows the state just before pinching the sample produced from the sample board | substrate with tweezers. 図18に示す試料の側面図である。It is a side view of the sample shown in FIG. 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。It is the upper side figure which showed the locus | trajectory of the front-end | tip when making a pair of tweezers move so that a clamping surface may approach by the manipulator for pins. 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。It is a top view which shows the state which clamped the sample with a pair of tweezers. 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。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the tweezers which concern on this invention, Comprising: It is the top view which showed the pin of the one side. 図22に示すピンの側面図である。It is a side view of the pin shown in FIG. 試料を試料台に固定させた状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which fixed the sample to the sample stand. 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。FIG. 6 is a top view showing another example of tweezers according to the present invention, in which the tweezers are parallel when the sample is nipped.

符号の説明Explanation of symbols

A 透過型電子顕微鏡(電子顕微鏡)
1 マニュピレータシステム
3 試料
4、70 ピンセット
5 マニュピレータ
15 制御部
31、32、71、72 ピン(棒状挟持部材)
31a、32a、71a、72a 挟持面
33、34 ピエゾ抵抗体(歪センサ)
35 応力集中部
36 貫通孔
37 配線
38、78 導電膜
55 ピン用マニュピレータ(移動機構)
56 リファレンス用ピン
60 半導体基板
61 Si支持基板
62 BOX層
63 Si活性層
73、74 導電部(内側の分岐部)
75 静電容量センサ
76、77 外側の分岐部
A Transmission electron microscope (electron microscope)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Manipulator system 3 Sample 4, 70 Tweezers 5 Manipulator 15 Control part 31, 32, 71, 72 Pin (bar-shaped clamping member)
31a, 32a, 71a, 72a Nipping surface 33, 34 Piezoresistor (strain sensor)
35 Stress Concentration Part 36 Through-hole 37 Wiring 38, 78 Conductive Film 55 Pin Manipulator (Movement Mechanism)
56 Reference pin 60 Semiconductor substrate 61 Si support substrate 62 BOX layer 63 Si active layer 73, 74 Conductive part (inner branch part)
75 Capacitance sensor 76, 77 Outside branch

Claims (4)

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、
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ピンセット。
Tweezers that can hold a sample for electron microscope observation,
A pair of rod-shaped holding members that are arranged adjacent to each other at a predetermined interval and that have a holding surface for holding the sample at the tip of each facing side,
The pair of rod-like holding members are electrically connected to each other on the base end side of the holding surface so as to be electrically independent of the holding surface, and electrostatic capacity for measuring the capacitance between these conductive portions. A capacitance sensor ;
The pair of rod-shaped holding members are formed to branch into two from the base end portion toward the tip, the holding surface is arranged at the tip of the outer branch portion, and the inner branch portion is the conductive portion. Tweezers characterized by being said .
請求項1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。
The tweezers according to claim 1 ,
The tweezers are characterized in that a conductive film that can be electrically connected to the ground is formed on the clamping surface.
請求項1又は2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。
In the tweezers according to claim 1 or 2 ,
The tweezers, wherein the pair of rod-like holding members are formed so that the holding surfaces are parallel to each other when the sample is held.
請求項1から3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。
The tweezers according to any one of claims 1 to 3 ,
A moving mechanism that is arranged on the base end side with respect to the capacitance sensor and is capable of moving at least one of the bar-shaped holding members to the other bar-shaped holding member so as to make the holding surfaces close to each other;
A manipulator capable of holding the tweezers and moving to any position;
A manipulator system comprising: a control unit that controls the moving mechanism so as to stop the approach of the pair of rod-shaped holding members when a measured value of the capacitance sensor reaches a predetermined value. .
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