JP4874157B2 - Atom probe device - Google Patents

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本発明は、アトムプローブ装置に関し、試料の原子1個1個を直接測定することで非常に微細な領域の原子構造を調べることができるアトムプローブ装置の機能向上を行うものであり、ナノテクノジーを用いた材料開発に大きく貢献するものである。   The present invention relates to an atom probe apparatus, which improves the function of an atom probe apparatus capable of examining the atomic structure of a very fine region by directly measuring each atom of a sample. This greatly contributes to the development of the materials used.

非特許文献1(日本鉄鋼協会第53・54回白石記念講座「鉄鋼材料の進歩を支えるナノテクノロジー」テキスト)に紹介されているように、アトムプローブ装置は、試料の構成原子の空間位置及び元素種をnm以下の高い空間分解能で測定することができる装置であり、導電性材料の原子レベルでの組織解析に利用されている。原理は、針状に加工した試料に高いDC電圧にパルス電圧を印加し、針表面に形成された高電界によって、試料表面原子を順次電界蒸発させ、発生したイオンを、検出器に捕えて分析する。電圧だけでなく、レーザーを照射し、電界蒸発を促進させることも行われている。飛行時間はイオンの質量によって決まるため、飛行時間の計測から元素種を割り出すことができる。現在までに、数種類のアトムプローブ装置が開発されている。   As introduced in Non-Patent Document 1 (Text of the 53rd and 54th Shiraishi Memorial Lecture “Nanotechnology to Support the Advancement of Steel Materials” text), the atom probe device is the spatial position and elements of the constituent atoms of the sample. It is an apparatus that can measure a species with a high spatial resolution of nanometers or less, and is used for structural analysis at the atomic level of conductive materials. The principle is that a pulse voltage is applied to a high DC voltage on a sample processed into a needle shape, the sample surface atoms are sequentially evaporated by a high electric field formed on the needle surface, and the generated ions are captured and analyzed by a detector. To do. In addition to voltage, laser irradiation is also promoted to promote field evaporation. Since the flight time is determined by the mass of the ions, the element species can be determined from the measurement of the flight time. To date, several types of atom probe devices have been developed.

1次元アトムプローブ装置はこの基本型であり、検出器に到達するイオンの順番から、深さ方向の原子の並びを測定する装置である。3次元アトムプローブ装置は、イオンの座標検出器によってイオンの到達座標を測定することにより、単に深さ方向の並びだけでなく、実際の3次元位置までを計測する装置である。通常は50万原子以上測定した原子データを、針先の曲率半径を基にイオンの飛行方向を計算することによって、試料中の3次元元素分布を得ることができる。さらに最近では、特許文献1(特開平7−43373号公報)にて開示されているように、針状試料電極に替えて、先端に穴を形成した漏斗上の引出し電極を用い、これを移動させて定めた分析領域表面に近接させて、その分析領域表面の原子を電界蒸発させて分析する、走査型アトムプローブが開発されている。また、パルスレーザーを照射することによって、非導電性材料における測定も容易になり、測定高速化や高視野化によって、観察領域が拡大されつつある。   The one-dimensional atom probe apparatus is this basic type, and is an apparatus that measures the arrangement of atoms in the depth direction from the order of ions that reach the detector. The three-dimensional atom probe apparatus is an apparatus that measures not only the arrangement in the depth direction but also the actual three-dimensional position by measuring the arrival coordinates of ions with an ion coordinate detector. Usually, the atomic data measured for 500,000 atoms or more is used to calculate the flight direction of ions based on the radius of curvature of the needle tip, thereby obtaining a three-dimensional element distribution in the sample. More recently, as disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-43373), instead of the needle-like sample electrode, the extraction electrode on the funnel having a hole formed at the tip is used and moved. A scanning atom probe has been developed, in which an atom on the surface of the analysis region is analyzed by field evaporation in the vicinity of the determined analysis region surface. In addition, irradiation with a pulse laser facilitates measurement of a non-conductive material, and an observation region is being expanded due to an increase in measurement speed and a high field of view.

通常アトムプローブ装置には、殆どの場合電界イオン顕微鏡(Field Ion Microscope:FIM)が併設されている。FIMは、通常Ne、Ar等の不活性ガスをイメージガスとして用い、試料に高電圧を印加することで、針先端部表面の不活性ガス原子をイオン化させ、検出スクリーンに結像させることで、表面の原子配列を原子レベルの空間分解能で観察する装置である。これには、アトムプローブ測定領域よりも広い視野を観察できるだけでなく、アトムプローブ測定だけでは得難い結晶構造に関する情報、例えば、結晶系や結晶方位、相に関する情報を含んでいる。通常のアトムプローブ測定では、測定前に、必ず針試料のFIM像を観察し、必要に応じて電界蒸発させ、表面の汚れの除去や、目的とする測定領域の位置出し、方位決定のために用いられていた。特に、粒界や他の相を含むアトムプローブ測定を行う場合には、FIM像から結晶粒界有無の情報を得、また、コントラストの違い等から相を認識し、測定に役立たせていた。   In general, an atom probe apparatus is provided with a field ion microscope (FIM) in most cases. FIM usually uses an inert gas such as Ne or Ar as an image gas, and by applying a high voltage to the sample, the inert gas atoms on the surface of the needle tip are ionized and imaged on the detection screen. It is a device that observes the atomic arrangement on the surface with atomic level spatial resolution. This includes not only observation of a field of view wider than the atom probe measurement region, but also information on crystal structures that are difficult to obtain by only atom probe measurement, such as information on crystal systems, crystal orientations, and phases. In normal atom probe measurement, the FIM image of the needle sample is always observed before the measurement, and electric field evaporation is performed as necessary to remove surface contamination, locate the desired measurement area, and determine the orientation. It was used. In particular, when performing atom probe measurement including grain boundaries and other phases, information on the presence / absence of crystal grain boundaries is obtained from the FIM image, and the phases are recognized from the difference in contrast, which is useful for measurement.

しかしながら、従来のアトムプローブ装置においては、使用者の知識や経験があったとしても、FIM観察時に、“その場”で有効な情報(例えば、厳密な結晶方位、粒界種類・角度等)を引き出すことは容易ではなかった。これは、アトムプローブ装置にFIM像から結晶方位等の情報を解析する機能が付与されていなかったことに由来する。   However, in the conventional atom probe apparatus, even if there is a user's knowledge and experience, information (for example, exact crystal orientation, grain boundary type / angle, etc.) that is effective “in-situ” during FIM observation It was not easy to pull out. This is because the atom probe apparatus was not provided with a function of analyzing information such as crystal orientation from the FIM image.

特開平7−43373号公報JP 7-43373 A 日本鉄鋼協会第53・54回白石記念講座「鉄鋼材料の進歩を支えるナノテクノロジー」テキスト(2004)Japan Iron and Steel Institute 53rd and 54th Shiroishi Memorial Lecture “Nanotechnology to Support the Progress of Steel Materials” Text (2004)

アトムプローブ装置が透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)に不足している点は、結晶系や結晶方位を調べる機能であり、TEMにおいては、この機能を電子線回折図形や菊池パターンから詳しく得ることが可能である。   The point that the atom probe device lacks in the transmission electron microscope (TEM) is the function of examining the crystal system and crystal orientation. In TEM, this function is explained in detail from the electron diffraction pattern and the Kikuchi pattern. It is possible to obtain.

本発明は、従来のアトムプローブ装置において不足していた、結晶方位や結晶構造に関する情報をその場で簡便に得る手段を付与することによって、アトムプローブ装置の機能向上を行うもので、FIM解析機能を有するアトムプローブ装置を提供することを目的とするものである。   The present invention improves the function of an atom probe apparatus by providing means for easily obtaining information on crystal orientation and crystal structure on the spot, which is lacking in conventional atom probe apparatuses. It is an object of the present invention to provide an atom probe apparatus having the following.

本発明者は、結晶構造の詳細な情報を短時間で引き出すための装置の改善点を、鋭意検討した。その結果、従来のアトムプローブ装置において、補助的な機能に徹していたFIMの能力向上を図ることにより、アトムプローブ装置自体の多大な機能向上を図ることか可能となった。これは、通常アトムプローブ測定の前に必ず観察するFIM像について、“その場”での解析装置を本装置に付属した機器で行うことにより、非常に短時間に試料の結晶構造、相、結晶欠陥、結晶粒界等といった、本解析装置の主要なターゲットとなる情報を、FIM観察とほぼ同時に得ることができるようにするものである。この新知見を基に本発明を達成したものであり、その趣旨とするところは、以下の通りである。   The present inventor has intensively studied the improvement of the apparatus for extracting detailed information on the crystal structure in a short time. As a result, in the conventional atom probe apparatus, it has become possible to greatly improve the function of the atom probe apparatus itself by improving the capability of the FIM which has been devoted to auxiliary functions. This is because the FIM image that is always observed before the atom probe measurement is performed on the “in-situ” analyzer using the equipment attached to this device, so that the crystal structure, phase, and crystal of the sample can be obtained in a very short time. This makes it possible to obtain information that is the main target of the present analysis apparatus, such as defects and crystal grain boundaries, almost simultaneously with FIM observation. The present invention has been achieved based on this new knowledge, and the gist of the present invention is as follows.

(1) 電界イオン顕微鏡装置と、前記電界イオン顕微鏡装置により撮像された電界イオン顕微鏡像を取り込む電界イオン顕微鏡像取込装置と、取り込まれた前記電界イオン顕微鏡像を解析する電界イオン顕微鏡像解析装置と、を有するアトムプローブ装置であって、前記電界イオン顕微鏡像解析装置は、前記電界イオン顕微鏡像に対して結晶方位、結晶回転角又は結晶回転軸の少なくとも1つをフィッティングする機能を有し、さらに、結晶粒界を挟む2つの結晶の方位を決定する機能を有することを特徴とする、アトムプローブ装置。
(2)前記電界イオン顕微鏡像解析装置は、予め入力された、結晶系及び格子定数に関するデータを少なくとも含む結晶データを利用して、前記電界イオン顕微鏡像中に存在する結晶の構造及び種別を特定する機能を更に有することを特徴とする、(1)に記載のアトムプローブ装置。
(1) Field ion microscope apparatus, field ion microscope image capturing apparatus that captures a field ion microscope image captured by the field ion microscope apparatus, and field ion microscope image analysis apparatus that analyzes the captured field ion microscope image The field ion microscope image analyzer has a function of fitting at least one of a crystal orientation, a crystal rotation angle, or a crystal rotation axis to the field ion microscope image, The atom probe apparatus further has a function of determining the orientation of two crystals sandwiching a crystal grain boundary .
(2) The field ion microscope image analyzer specifies the structure and type of crystals existing in the field ion microscope image using crystal data including at least data relating to a crystal system and a lattice constant input in advance. The atom probe device according to (1), further having a function of:

本発明により、元素の構成から材料を調べることができるアトムプローブ装置の機能向上を実現し、ナノテクノジーを用いた材料開発に大きく貢献することができる。   According to the present invention, it is possible to improve the function of an atom probe apparatus capable of examining a material from the structure of elements, and greatly contribute to material development using nanotechnology.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.

この発明の基本的実施形態の一つは、針試料の表面構造を映し出すことができるFIM観察装置と、そのFIM像をデータとして取り込む画像取込装置と、取り込まれたFIM像から結晶方位の情報を引き出すことができるFIM解析装置と、試料の原子構成を調べることができるアトムプローブ装置とから構成される。   One of the basic embodiments of the present invention is an FIM observation apparatus that can display the surface structure of a needle sample, an image capture apparatus that captures the FIM image as data, and crystal orientation information from the captured FIM image. The FIM analysis device can extract the sample and the atom probe device that can check the atomic configuration of the sample.

ここで述べるアトムプローブ装置とは、1次元アトムプローブ、3次元アトムプローブ、さらには走査型アトムプローブのそれぞれのアトムプローブを全て含むものである。   The atom probe apparatus described here includes all of the one-dimensional atom probes, one-dimensional atom probes, three-dimensional atom probes, and scanning atom probes.

以下に、各構成の詳細について説明する。   Details of each component will be described below.

FIM装置は、前述したように、不活性ガスからなるイメージガスを導入した雰囲気中において、針試料に高い電圧を印加し、試料表面でイオン化したガス原子を、試料に対向して配置されたスクリーンに映し出す装置である。先端部の曲率半径を100nm以下に加工した鋭い針試料を、クライオスタット等によって100K以下に冷却し、真空排気したチャンバー内に配置する。これに1×10−3〜5×10−3Paの不活性ガスを導入し、4kV以上の高い電圧を印加する。針先端部表面に形成された高電界によって不活性ガスがイオン化し、針試料表面の電界によって加速され、正面に配置したアースした二重チャネルプレートに衝突する。このチャネルプレート間には電圧差を設け、前面のチャネルプレートで発生した電子を増幅させ、後方に配置した蛍光スクリーンに像を示す。通常は後方からこの像を観察する。また、座標位置検出器にてイオン化したガスを検出し積算することでも、この機能が可能となる。 As described above, the FIM apparatus applies a high voltage to the needle sample in an atmosphere into which an image gas made of an inert gas is introduced, and gas atoms ionized on the sample surface are arranged to face the sample. It is a device that projects it. A sharp needle sample whose tip radius of curvature is processed to 100 nm or less is cooled to 100 K or less by a cryostat or the like and placed in a vacuum evacuated chamber. An inert gas of 1 × 10 −3 to 5 × 10 −3 Pa is introduced into this, and a high voltage of 4 kV or higher is applied. The inert gas is ionized by the high electric field formed on the surface of the needle tip, accelerated by the electric field on the surface of the needle sample, and collides with a grounded double channel plate arranged in front. A voltage difference is provided between the channel plates, the electrons generated on the front channel plate are amplified, and an image is displayed on the fluorescent screen disposed behind. This image is usually observed from behind. Also, this function can be achieved by detecting and integrating the ionized gas with the coordinate position detector.

FIM像をデータとして取り込む画像取込装置は、FIM用スクリーンに投影された像を取り込む装置であり、スクリーン後方に配置したCCD素子等やデジタルカメラ、ビデオカメラ等で可能になる。画像取込装置は、取り込んだデータをFIM解析装置に転送することができる。また、座標位置検出器に、この画像読み取り機能を持たせたものでも良い。   An image capturing device that captures an FIM image as data is a device that captures an image projected on a screen for FIM, and can be realized by a CCD element or the like, a digital camera, a video camera, or the like disposed behind the screen. The image capture device can transfer the captured data to the FIM analysis device. A coordinate position detector may be provided with this image reading function.

FIM像解析装置は、FIM像中に現れるリング構造から低指数面の方位(ポール)を自動又は手動で認識し、試料結晶の方位を厳密に決定することができる。一つのFIM像中に異なる2種以上の結晶粒を有する場合でも、その各結晶粒間の方位関係や回転角を、自動又は手動によるフィッティングによって、個々に調べることができる。さらに、これらの結晶間の回転角、回転軸を計算することが可能である。この解析機能は、例えば、FIMのポール位置を計算で求めるプログラムを含むグラフィック表示可能なコンピューターによって、実現できる。ATOM PROBE TOMOGRAPHY Analysis at the Atomic Level(Kluwer Academic / Plenum Publishers, New York, 2000) p49−52に記載されているように、FIMは針試料先端部を半球とみなし、半球表面をステレオ又はリニアグラフィックで近似することができる。画像取込装置によって取り込んだFIM像と計算から求めたFIM図形(ポール位置が表示)とをコンピューターのディスプレイ画面に重ねて表示させ、FIM像及びFIM図形が重なるように方位パラメータ等を入力することにより手動でフィティングさせ、FIM像に含まれる結晶粒の方位を、厳密に決定できる。又は、FIMのポール位置をコンピューターで自動認識させることで、自動でフィッティングさせ、結晶粒の方位を自動で決定できる。結晶構造が異なる結晶においても、結晶のパラメータ(結晶系、格子定数等)を入力することにより、FIMシミュレーション像を描かせることができる。   The FIM image analyzer can automatically or manually recognize the orientation (pole) of the low index plane from the ring structure appearing in the FIM image, and can accurately determine the orientation of the sample crystal. Even when two or more different crystal grains are included in one FIM image, the orientation relationship and rotation angle between the crystal grains can be individually examined by automatic or manual fitting. Furthermore, it is possible to calculate the rotation angle and rotation axis between these crystals. This analysis function can be realized, for example, by a computer capable of graphic display including a program for calculating the pole position of the FIM. ATOM PROBE TOMOGRAPY Analysis at the Atomic Level (Kluwer Academic / Plenum Publishers, New York, 2000) The surface of the FIM is a semi-sphere, as described in p49-52. Can be approximated. The FIM image captured by the image capturing device and the FIM figure obtained by calculation (pole position is displayed) are displayed on the computer display screen, and the orientation parameters are input so that the FIM image and the FIM figure overlap. Thus, the orientation of the crystal grains included in the FIM image can be determined accurately. Alternatively, by automatically recognizing the pole position of the FIM by a computer, the fitting can be automatically performed and the crystal grain orientation can be automatically determined. Even for crystals with different crystal structures, FIM simulation images can be drawn by inputting crystal parameters (crystal system, lattice constant, etc.).

アトムプローブ装置は、前述した針試料に真空中にて高電圧を印加し、針先端部に形成した高電界によって、表面の原子を電界イオン化し、表面電界によって加速したイオンを、検出器で測定する機能を有する。1次元アトムプローブでは飛行時間のみを計測し、3次元アトムプローブ及び走査型アトムプローブでは、飛行時間とイオン到達位置を座標として計測する。飛行時間はイオンの質量電荷比によって決まるため、元素種を割り出すことができる。多数の原子到達順に深さ位置を決め、検出器上の到達座標から、針試料表面の位置を決めることができる。1万原子以上の多数のイオンを計測し、専用の解析コンピューターで処理することで、目的とする3次元元素分布の結果を得ることができる。   The atom probe device applies high voltage to the above-mentioned needle sample in vacuum, ionizes the surface atoms with a high electric field formed at the tip of the needle, and measures the ions accelerated by the surface electric field with a detector It has the function to do. The one-dimensional atom probe measures only the flight time, and the three-dimensional atom probe and the scanning atom probe measure the flight time and the ion arrival position as coordinates. Since the time of flight is determined by the mass-to-charge ratio of ions, the element species can be determined. The depth position can be determined in the order of arrival of many atoms, and the position of the needle sample surface can be determined from the arrival coordinates on the detector. By measuring a large number of ions of 10,000 atoms or more and processing them with a dedicated analysis computer, it is possible to obtain the desired three-dimensional element distribution result.

従来のアトムプローブ装置は、通常FIM装置を有しているものの、FIM像解析機能は有していなかった。この場合、FIMの役割は、測定前の針試料の最適性の確認、電界蒸発による測定位置出し、異なる相(析出物や粒界)の定性的な認識、アトムプローブ測定箇所の決定等に使用されていた。これに対し、本発明では、FIM装置とFIM像取込装置とFIM像解析装置を有するアトムプローブ装置とすることで、アトムプローブの大幅な機能向上を図ることが可能である。次に、その機能向上について説明する。   Although the conventional atom probe apparatus usually has an FIM apparatus, it has no FIM image analysis function. In this case, the role of FIM is used to confirm the optimality of the needle sample before measurement, to determine the measurement position by field evaporation, to qualitatively recognize different phases (precipitates and grain boundaries), and to determine the measurement position of the atom probe. It had been. On the other hand, in the present invention, by using an atom probe apparatus having an FIM apparatus, an FIM image capturing apparatus, and an FIM image analysis apparatus, it is possible to greatly improve the function of the atom probe. Next, the functional improvement will be described.

(1) FIM像解析装置によって、アトムプローブ測定方位を厳密かつ短時間に決定することが可能になる。従来のアトムプローブ実験では、FIM像から読み取れる結晶方位は、ポールとして観察される低指数面の方位認識に限定されており、それ以外の方位決定には、高い専門知識があったとしても、精度も低いものであった。これに対し、本発明のアトムプローブ装置では、FIM観察後直ぐに、FIM像解析装置によって、FIM上の結晶方位を厳密に認識することができる。FIM像解析装置で示された方位に試料を回転し向けることにより、所望の方向の測定が可能になる。またそれに費やす時間は非常に短く、FIM観察から連続して、アトムプローブ測定ができる。 (1) The FIM image analysis apparatus can determine the atom probe measurement direction precisely and in a short time. In the conventional atom probe experiment, the crystal orientation that can be read from the FIM image is limited to orientation recognition of the low index surface observed as a pole. Was also low. On the other hand, in the atom probe apparatus of the present invention, the crystal orientation on the FIM can be strictly recognized by the FIM image analysis apparatus immediately after the FIM observation. By rotating the sample in the direction indicated by the FIM image analyzer, measurement in a desired direction can be performed. Also, the time spent on it is very short, and atom probe measurement can be performed continuously from FIM observation.

(2) さらに、粒界、界面観察の場合、この効果は絶大になる。粒界や相界面に偏析した元素を調べることは、電子顕微鏡や表面分析法ではその検出下限や空間分解能の点から難しく、アトムプローブ装置を用いる方法が有効な方法である。しかし粒界元素の状態は、結晶粒界の性格(例えば、粒界角、回転軸、粒界面方位等)に依存するため、この情報も同時に取得する必要がある。従来のアトムプローブ装置では、FIMで粒界位置を認識はできても粒界角の情報は得られないため、新日鐵技報No.381(2004)P26−30に記載されているように、この試料を取り出し、電子顕微鏡による菊池パターン解析により計算して求めていた。この電子顕微鏡による菊池パターン解析には、多くの時間と専門知識が必要とされた。これに対し、本発明のアトムプローブ装置においては、FIM観察後、FIM像取込装置によりデータを移し、FIM像解析装置にて結晶粒界を挟む2つの結晶の方位を簡単に決定することができるため、粒界角及び回転軸を精度良くかつ非常に短時間で決定することができる。この結果を基に、目的とする粒界かどうかの判断がその場で短時間にでき、また、多大な時間を費やすTEM解析が必要なくなり、特にFIMからアトムプローブ測定に至る一連の実験を中断させず、その場(In−situ)での実験が可能となることは非常に大きな優位点となる。 (2) Furthermore, in the case of grain boundary and interface observation, this effect becomes enormous. It is difficult to examine elements segregated at grain boundaries and phase interfaces from the viewpoint of the lower limit of detection and spatial resolution by electron microscopes and surface analysis methods, and the method using an atom probe apparatus is an effective method. However, since the state of the grain boundary element depends on the nature of the grain boundary (for example, grain boundary angle, rotation axis, grain interface orientation, etc.), it is necessary to obtain this information at the same time. In the conventional atom probe apparatus, even though the grain boundary position can be recognized by FIM, information on the grain boundary angle cannot be obtained. 381 (2004) P26-30, this sample was taken out and calculated by Kikuchi pattern analysis using an electron microscope. Much time and expertise were required for Kikuchi pattern analysis using this electron microscope. On the other hand, in the atom probe apparatus of the present invention, after FIM observation, data is transferred by the FIM image capturing apparatus, and the orientation of two crystals sandwiching the crystal grain boundary can be easily determined by the FIM image analyzing apparatus. Therefore, the grain boundary angle and the rotation axis can be determined accurately and in a very short time. Based on this result, it is possible to quickly determine whether or not the target grain boundary is on the spot, eliminating the need for TEM analysis that requires a lot of time, and in particular, interrupting a series of experiments from FIM to atom probe measurement. It is a great advantage to be able to conduct experiments in situ (In-situ).

(3) FIM観察は、通常では既知の結晶の解析に有効であったが、本発明のアトムプローブ装置では、FIM解析装置にあらゆる結晶をデータとして与えることによって、試料又は試料中の別の相の素性が不明であっても、FIM像からその結晶の構造や種類を割り出すことも可能になる。これは、試料中に複数の異なる結晶相が含んでいる場合、短時間にその種類を認識し、測定の判断を行うことが可能となる。 (3) Although FIM observation is usually effective for analysis of known crystals, the atom probe device of the present invention provides a sample or another phase in the sample by giving any crystal as data to the FIM analysis device. Even if the feature of is unknown, it is possible to determine the structure and type of the crystal from the FIM image. This is because, when a sample includes a plurality of different crystal phases, the type can be recognized in a short time and the measurement can be judged.

本発明のFIM像解析機能を保有するアトムプローブ装置の例を、図1、図2、図3に示す。これらの装置は全て、FIM装置、FIM像取込装置104およびFIM解析装置105を有するアトムプローブ装置から構成される。図1は、FIM観察方向に対し、試料を水平面内で回転し、エネルギー補償のためのリフレクトロン106に向け、反射させた飛行イオンを位置座標検出器107によって測定を行う3次元アトムプローブである。図2は、FIM像をミラー114に反射させることで取り込み、ミラー114をはずすことでFIMスクリーン113中のプローブホールを通過した飛行イオンをリフレクトロンを介してイオン検出器115により測定する1次元アトムプローブである。図3は、FIM機能及び像取り込み機能を含む座標検出器116によって、FIM像観察機能と像取込機能とを有する位置座標検出器を搭載した3次元アトムプローブ又は走査型アトムプローブである。   Examples of the atom probe apparatus having the FIM image analysis function of the present invention are shown in FIG. 1, FIG. 2, and FIG. All of these apparatuses are composed of an atom probe apparatus having an FIM apparatus, an FIM image capturing apparatus 104, and an FIM analysis apparatus 105. FIG. 1 shows a three-dimensional atom probe in which a sample is rotated in a horizontal plane with respect to the FIM observation direction, the reflected flight ions are measured by a position coordinate detector 107 toward a reflectron 106 for energy compensation. . FIG. 2 shows a one-dimensional atom in which an FIM image is reflected by a mirror 114, and a flying ion passing through a probe hole in the FIM screen 113 by removing the mirror 114 is measured by an ion detector 115 through a reflectron. It is a probe. FIG. 3 shows a three-dimensional atom probe or scanning atom probe equipped with a position coordinate detector having an FIM image observation function and an image capture function by a coordinate detector 116 including an FIM function and an image capture function.

以下、これらの装置を使用し、実際の使用例について説明する。   Hereinafter, using these apparatuses, an actual usage example will be described.

(実施例1:特定方位のアトムプローブ測定)
先端部の曲率半径を50nmに加工したフェライト鉄からなる針状試料101を、真空排気した容器(チャンバー)103中にクライオスタット等を用いて60Kに冷却した。Neガスをガス導入ライン108から1.3×10−3Pa導入し、試料に8kVのDC電圧を印加することで、チャネルプレートと蛍光スクリーンから構成されたFIMスクリーン102上に、FIM像を投射させた。通常は、針試料の電圧を制御することで、電界蒸発を引き起こし、表面の汚れ等を取り除くことで、原子レベルの分解能を有するFIM像が得られる。このスクリーンに映ったFIM像を、スクリーン後方に配置したCCDカメラ等のFIM像取込装置104によって、FIM像解析装置105に取り込んだ。FIM像解析装置では、本装置に含まれるプログラムを使用し、フェライト結晶の[110]及び[002]ポールを自動で認識し、FIM像に映し出された結晶方位を一意に決定した。
(Example 1: Atom probe measurement in a specific direction)
A needle-like sample 101 made of ferritic iron whose tip radius of curvature was processed to 50 nm was cooled to 60 K in a evacuated container (chamber) 103 using a cryostat or the like. Ne gas is introduced into the gas introduction line 108 at 1.3 × 10 −3 Pa, and a DC voltage of 8 kV is applied to the sample to project an FIM image on the FIM screen 102 composed of a channel plate and a fluorescent screen. I let you. Usually, by controlling the voltage of the needle sample, field evaporation is caused, and surface contamination and the like are removed, whereby an FIM image having atomic level resolution can be obtained. The FIM image reflected on the screen was captured by the FIM image analysis device 105 by the FIM image capture device 104 such as a CCD camera arranged behind the screen. In the FIM image analysis apparatus, the program included in this apparatus was used to automatically recognize the [110] and [002] poles of the ferrite crystal and uniquely determine the crystal orientation displayed in the FIM image.

次に、本実験の目的とするアトムプローブの測定方位の[132]方向を画像上に示した。この結果を基に、FIM像の中心が[132]方向となるように試料を回転した。次に、チャンバー103内のガスをポンプで真空排気109を行い、試料全体を水平面内で92°回転した。これは、リフレクトロン106方向に試料を向けるためである。本装置では、FIM像の中心とリフレクトロン中心が92°の回転で一致するようにしている。これによって、リフレクトロンの中心、即ち、検出器の中心がFIM像の中心、即ち、この場合は試料の[132]方向に一致することになる。この状態にした後、DC電圧とこの電圧の20%のパルス電圧を印加し、アトムプローブ測定を行った。FIM観察から方位を厳密に決めアトムプローブ測定に至るまで、約2分を要した。本発明によって、測定者に高度な専門性が無くとも、特定の方位の位置を精度良くしかも短時間で行い、目的の結晶方向のアトムプローブ測定が可能となった。   Next, the [132] direction of the measurement orientation of the atom probe, which is the object of this experiment, is shown on the image. Based on this result, the sample was rotated so that the center of the FIM image was in the [132] direction. Next, the gas in the chamber 103 was evacuated 109 with a pump, and the entire sample was rotated 92 ° in a horizontal plane. This is because the sample is directed toward the reflectron 106. In this apparatus, the center of the FIM image and the center of the reflectron coincide with each other by a rotation of 92 °. Thereby, the center of the reflectron, ie the center of the detector, coincides with the center of the FIM image, ie in this case the [132] direction of the sample. After this state, an atom probe measurement was performed by applying a DC voltage and a pulse voltage of 20% of this voltage. It took about 2 minutes from the FIM observation to the precise determination of the azimuth to the atom probe measurement. According to the present invention, even if the measurer does not have a high level of expertise, the position of a specific orientation can be accurately performed in a short time, and an atom probe measurement in a target crystal direction can be performed.

(実施例2:特定粒界のアトムプローブ測定)
本装置を利用した粒界位置のアトムプローブ測定について説明する。先端部の曲率半径が50nmに加工した針状試料を、真空排気した容器中にクライオスタット等を用いて80Kに冷やした状態にした。Neガスをガス導入ライン108から1.5×10−3Pa導入し、粒界がFIM観察されるまで、試料にDC電圧を印加することで電界蒸発を行った。図4のFIM像では、このようにして現れた粒界位置を点線で示した。FIM像取込装置によりFIM像解析装置にFIM像のデータを移動し、FIM像解析装置により粒界解析を行った。図4に示すように、粒界を境に2つの結晶粒の[002]ポール及び[110]ポール位置を手動でフィッティングすることによって、2つの結晶の方位を決定し、同時に2つの結晶粒の回転角(粒界角)を同時に求めた。結果は、図4に示されたように、53.9°の大角粒界であった。本実験では、角度の大きい大角粒界の測定を目的としていたため、測定位置を決め、そこがFIMの中心に位置するように試料を回転させた。以降は、実施例1で記載したと同様の操作を行い、アトムプローブ測定を行った。図5に測定結果を示す。他の手法では決して観察することができなかった、C偏析と微量のP偏析を明瞭に定量観察することができた。FIM観察から粒界角決定し、測定開始に至る時間はわずか4分であった。
(Example 2: Atom probe measurement of specific grain boundary)
The atom probe measurement of the grain boundary position using this apparatus will be described. The needle-like sample processed to have a radius of curvature of the tip of 50 nm was cooled to 80 K using a cryostat or the like in a evacuated container. Ne gas was introduced from the gas introduction line 108 at 1.5 × 10 −3 Pa, and field evaporation was performed by applying a DC voltage to the sample until the grain boundary was observed by FIM. In the FIM image of FIG. 4, the grain boundary positions appearing in this way are indicated by dotted lines. FIM image data was moved to the FIM image analyzer by the FIM image capturing device, and grain boundary analysis was performed by the FIM image analyzer. As shown in FIG. 4, the orientation of the two crystals is determined by manually fitting the [002] pole and the [110] pole position of the two grains at the boundary of the grain boundary, The rotation angle (grain boundary angle) was determined at the same time. The result was a large-angle grain boundary of 53.9 ° as shown in FIG. In this experiment, since the purpose was to measure a large-angle grain boundary with a large angle, the measurement position was determined, and the sample was rotated so that it was positioned at the center of the FIM. Thereafter, the same operation as described in Example 1 was performed, and the atom probe measurement was performed. FIG. 5 shows the measurement results. C segregation and a small amount of P segregation that could never be observed by other methods could be clearly and quantitatively observed. The grain boundary angle was determined from FIM observation, and the time to start the measurement was only 4 minutes.

(比較例1:従来の装置による粒界アトムプローブ測定)
実施例2と同様の試料を用い、FIM観察を行いながら、粒界が観察さるまで、電界蒸発させた。粒界が現れた時点で、試料をアトムプローブ装置から取り出し、TEMによる観察を行った。10万倍での針先端部の観察を行い、粒界を含む2つの結晶粒の菊池パターンの写真を取った。写真を現像し印画紙に焼きつけ、これから結晶粒の方位解析を行った。計算結果から、本試料の粒界角は5.3°であり、目的とする粒界ではないことが判明した。そこで、再び試料を電解研磨し、FIM像観察しながら電解蒸発によって、粒界位置出しを行った。粒界位置出した試料を再びTEM観察を行い、菊池パターンの写真をとり、現像焼付けを行い、粒界角の計算を行った。46.5°の大角粒界であることが判明したため、アトムプローブ測定を行った。最初のFIM観察から粒界角決定し測定開始に至る時間に2日間を要し、2回目のFIM観察から測定に至るまでには8時間を要した。

(Comparative example 1: Grain boundary atom probe measurement by a conventional apparatus)
Using the same sample as in Example 2, while FIM observation, the grain boundary was observed until were field evaporation. When the grain boundary appeared, the sample was taken out from the atom probe apparatus and observed by TEM. The tip of the needle was observed at a magnification of 100,000 times, and a photograph of the Kikuchi pattern of two crystal grains including the grain boundary was taken. The photograph was developed and baked on photographic paper, from which the orientation analysis of the crystal grains was performed. From the calculation results, it was found that the grain boundary angle of this sample was 5.3 °, which was not the intended grain boundary. Therefore, the sample was again electropolished, and the grain boundary was positioned by electrolytic evaporation while observing the FIM image. The sample at the grain boundary position was again observed by TEM, a photograph of the Kikuchi pattern was taken, developed and baked, and the grain boundary angle was calculated. Since it was found to be a 46.5 ° large-angle grain boundary, an atom probe measurement was performed. It took 2 days to determine the grain boundary angle from the first FIM observation and to start the measurement, and 8 hours from the second FIM observation to the measurement.

(実施例3:FIM像からの結晶系の特定)
マルテンサイト中に含まれる微量の残留オーステナイト相の炭素量を測定するため、図2に示した装置を用い、マルテンサイト鉄からなる針状試料のFIM観察を行った。残留オーステナイトはマルテンサイトと結晶構造が異なるため、通常はTEMの電子線回折や、X線回折法によって同定する。試料を60Kに冷却し、Neガスを導入し、10kVのDC電圧を印加して電界蒸発させ、ミラー114をプローブホール付のFIMスクリーン113の後方に45°の角度で配置し反射させ、FIM像を観察し、新しい相が現れたところで、電界蒸発を止め、FIM像をFIM像取込装置104で取り込んだ。マルテンサイト像の中に観察される新しい相を、FIM像解析装置にて解析した。本装置には、事前に残留オーステナイトの結晶系と格子定数をインプットしておいた。新しい像に見られたポールにはBCC構造をフィッティングさせることはできず、FCCの構造としてのみフィッティング可能であった。この結果を基に、この相が目的の残留オーステナイトであると判断した。プローブホール位置にFIM像の測定位置を合わせ、ミラーを外し、アトムプローブ測定を行った。FIM観察からアトムプローブ測定に至るまでに、わずか3分であった。
(Example 3: Identification of crystal system from FIM image)
In order to measure the carbon content of a trace amount of retained austenite phase contained in martensite, FIM observation of a needle-like sample made of martensite iron was performed using the apparatus shown in FIG. Since retained austenite has a different crystal structure from martensite, it is usually identified by TEM electron diffraction or X-ray diffraction. The sample is cooled to 60K, Ne gas is introduced, a 10 kV DC voltage is applied to cause field evaporation, and the mirror 114 is placed behind the FIM screen 113 with the probe hole at an angle of 45 ° and reflected to obtain an FIM image. When a new phase appeared, the field evaporation was stopped and the FIM image was captured by the FIM image capturing device 104. A new phase observed in the martensite image was analyzed with a FIM image analyzer. The crystal system and lattice constant of retained austenite were input to this apparatus in advance. The pole seen in the new image could not be fitted with a BCC structure, but could only be fitted as an FCC structure. Based on this result, this phase was judged to be the desired retained austenite. The measurement position of the FIM image was aligned with the probe hole position, the mirror was removed, and the atom probe measurement was performed. It took only 3 minutes from the FIM observation to the atom probe measurement.

FIM解析機能を持たない従来アトムプローブによる測定では、新しい相をFIM像中で観察した後、試料を取り出し、TEMの回折パターンからFCCであるかを調べていた。この場合はFIM観察から測定に至るまで3時間程度を要していた。   In the measurement with a conventional atom probe not having an FIM analysis function, a new phase was observed in an FIM image, a sample was taken out, and a TEM diffraction pattern was examined for FCC. In this case, it took about 3 hours from FIM observation to measurement.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this example. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

本発明の一実施形態に係るFIM像解析装置を含むアトムプローブ装置の一例を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating an example of the atom probe apparatus containing the FIM image analyzer which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るFIM像解析装置を含むアトムプローブ装置の一例を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating an example of the atom probe apparatus containing the FIM image analyzer which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るFIM像解析装置を含むアトムプローブ装置の一例を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating an example of the atom probe apparatus containing the FIM image analyzer which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るFIM像解析装置による粒界解析の結果を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the result of the grain boundary analysis by the FIM image analyzer which concerns on one Embodiment of this invention. フェライト鉄の結晶粒界の3D元素マップとC,Pの濃度プロファイルである。3D element maps of ferrite iron grain boundaries and C and P concentration profiles.

符号の説明Explanation of symbols

101 針試料
102 FIMスクリーン
103 分析チャンバー
104 FIM像取込装置
105 FIM解析装置
106 リフレクトロン(エネルギー補償器)
107 位置座標検出器
108 ガス導入ライン
109 真空排気ライン
110 ガスイオン軌跡
111 ケーブル
112 イオン飛行軌跡
113 プローブホール付FIMスクリーン
114 ミラー
115 イオン検出器
116 FIM像測定及び取込機能を有する位置座標検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Needle sample 102 FIM screen 103 Analysis chamber 104 FIM image capture device 105 FIM analysis device 106 Reflectron (energy compensator)
Reference Signs List 107 Position coordinate detector 108 Gas introduction line 109 Vacuum exhaust line 110 Gas ion trajectory 111 Cable 112 Ion flight trajectory 113 FIM screen with probe hole 114 Mirror 115 Ion detector 116 Position coordinate detector having FIM image measurement and capture function

Claims (2)

電界イオン顕微鏡装置と、
前記電界イオン顕微鏡装置により撮像された電界イオン顕微鏡像を取り込む電界イオン顕微鏡像取込装置と、
取り込まれた前記電界イオン顕微鏡像を解析する電界イオン顕微鏡像解析装置と、
を有するアトムプローブ装置であって、
前記電界イオン顕微鏡像解析装置は、前記電界イオン顕微鏡像に対して結晶方位、結晶回転角又は結晶回転軸の少なくとも1つをフィッティングする機能を有し、さらに、結晶粒界を挟む2つの結晶の方位を決定する機能を有することを特徴とする、アトムプローブ装置
A field ion microscope device;
A field ion microscope image capturing device for capturing a field ion microscope image captured by the field ion microscope device;
A field ion microscope image analyzer for analyzing the captured field ion microscope image;
An atom probe device comprising:
The field ion microscope image analyzer has a function of fitting at least one of a crystal orientation, a crystal rotation angle, or a crystal rotation axis to the field ion microscope image, and further, two crystal crystals sandwiching a crystal grain boundary. An atom probe apparatus having a function of determining an azimuth .
前記電界イオン顕微鏡像解析装置は、予め入力された、結晶系及び格子定数に関するデータを少なくとも含む結晶データを利用して、前記電界イオン顕微鏡像中に存在する結晶の構造及び種別を特定する機能を更に有することを特徴とする、請求項1に記載のアトムプローブ装置。The field ion microscope image analyzer has a function of specifying the structure and type of a crystal existing in the field ion microscope image by using crystal data including at least data relating to a crystal system and a lattice constant input in advance. The atom probe apparatus according to claim 1, further comprising:
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