JP5001741B2 - Sample stage and sample analysis method - Google Patents

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Description

本発明は、試料用ステージと、そのステージを利用した試料の分析方法に関するものである。特に、試料を引っ張り、変形する試料をSEM(Scanning Electron Microscope)などで観察することに好適な試料用ステージに関するものである。   The present invention relates to a sample stage and a sample analysis method using the stage. In particular, the present invention relates to a sample stage suitable for observing a sample to be deformed by pulling the sample with a scanning electron microscope (SEM) or the like.

引張応力を付与した試料を走査顕微鏡などで観察する場合、試料を引っ張るための試料用ステージが用いられる。このステージとして、試料を水平方向に引っ張るものがある(類似の技術として特許文献1)。通常、このようなステージは、試料の一端を固定し、他端を引っ張ることで、試料に対して引張応力を付与する。また、試料を所定温度に加熱して観察を行う場合、試料のうち、引張に伴って変形しない箇所にヒータを接触させて試料を加熱している。   When observing a sample to which a tensile stress is applied with a scanning microscope or the like, a sample stage for pulling the sample is used. As this stage, there is one that pulls a sample in the horizontal direction (Patent Document 1 as a similar technique). Normally, such a stage applies a tensile stress to the sample by fixing one end of the sample and pulling the other end. When observation is performed by heating the sample to a predetermined temperature, the sample is heated by bringing a heater into contact with a portion of the sample that does not deform with tension.

特開2001-76662号公報 段落0003JP 2001-76662 A paragraph 0003

しかし、従来の試料用ステージでは、試料端部のうち、一方が固定端、他方が可動端となっており、引張に伴って、変形の中心位置がずれる。そのため、引張の中心箇所などを定点観察することが難しい。   However, in the conventional sample stage, one of the sample end portions is a fixed end and the other is a movable end, and the center position of the deformation shifts with tension. For this reason, it is difficult to observe a fixed point such as the center of tension.

また、試料の加熱を行う場合、引張に伴って変形する箇所にヒータを接触させて加熱すると、ヒータが試料の変形の障害となる虞がある。そのため、ヒータを試料に接触させて加熱するには、変形箇所から離れた箇所にヒータを接触させざるを得ない。その結果、変形箇所が実際に目的とする温度に正確に制御できているかどうか不明である。一方、非接触のヒータでは、伝導による熱伝達が期待できない上、真空容器中では対流も期待できないため、輻射しか試料に熱伝達する手段がなく、効率的で正確な試料の加熱を行うことが難しい。   Further, when heating the sample, if the heater is brought into contact with a portion that is deformed as it is pulled and heated, the heater may interfere with deformation of the sample. For this reason, in order to heat the heater in contact with the sample, the heater must be brought into contact with a location away from the deformed location. As a result, it is unclear whether the deformed part can be accurately controlled to the actual target temperature. On the other hand, a non-contact heater cannot be expected to transfer heat by conduction, and convection cannot be expected in a vacuum vessel. Therefore, there is no means to transfer heat to the sample only by radiation, and the sample can be heated efficiently and accurately. difficult.

その他、ヒータには、タングステンなどが用いられているが、真空容器内では、加熱時にヒータの構成成分が蒸発し、蒸発成分が試料表面を汚染して適切な観察が行えない虞もある。   In addition, tungsten or the like is used for the heater. However, in the vacuum vessel, the components of the heater evaporate during heating, and the evaporated component may contaminate the sample surface, preventing proper observation.

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、試料の変形箇所を確実に観察・分析できる試料ステージと試料の分析方法とを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is to provide a sample stage and a sample analysis method capable of reliably observing and analyzing a deformed portion of a sample.

本発明の他の目的は、試料の変形箇所を正確な温度に加熱することができる試料ステージと試料の分析方法とを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a sample stage and a sample analysis method capable of heating a deformed portion of a sample to an accurate temperature.

さらに本発明の別の目的は、試料が汚染されることなく、適切に分析・観察を行うことができる試料ステージと試料の分析方法とを提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide a sample stage and a sample analysis method capable of appropriately performing analysis and observation without contamination of the sample.

本発明の試料用ステージは、真空容器内で分析対象となる試料を保持するための試料用ステージである。そして、このステージは、試料の両端部を保持する一対の保持部と、各保持部を互いに離反する方向に駆動して試料に引張力を付与する駆動機構とを備えることを特徴とする。   The sample stage of the present invention is a sample stage for holding a sample to be analyzed in a vacuum vessel. The stage includes a pair of holding portions that hold both ends of the sample, and a drive mechanism that applies a tensile force to the sample by driving the holding portions in directions away from each other.

この構成によれば、試料の両端部を保持する保持部の各々が互いに離反する方向に駆動されるため、引張に伴う変形箇所の中心が実質的に移動せず、その変形箇所の中心を容易に定点観察することができる。   According to this configuration, each of the holding portions that hold both ends of the sample is driven in a direction away from each other, so that the center of the deformed portion accompanying the tension does not substantially move, and the center of the deformed portion is easily moved. It is possible to observe a fixed point.

本発明の試料用ステージの一形態として、試料の分析面を露出するように配置され、かつ駆動機構の駆動に伴う試料の変形を許容するように試料の分析面の近傍を加熱するメインヒータを備えることが挙げられる。   As one form of the sample stage of the present invention, a main heater that is disposed so as to expose the sample analysis surface and heats the vicinity of the sample analysis surface so as to allow deformation of the sample accompanying the drive of the drive mechanism. Preparation.

この構成によれば、SEMなどでの観察対象となる分析面がヒータで遮蔽されることがないため、試料を所定温度に加熱して、その加熱温度における引張に伴う変形状態を観察することができる。また、メインヒータが試料の変形を阻害しないため、円滑な引張動作を行うことができる。   According to this configuration, since the analysis surface to be observed in the SEM or the like is not shielded by the heater, it is possible to heat the sample to a predetermined temperature and observe the deformation state accompanying the tension at the heating temperature. it can. Moreover, since the main heater does not hinder the deformation of the sample, a smooth pulling operation can be performed.

本発明の試料用ステージの一形態として、メインヒータは、試料の分析面以外の面に対向され、かつ試料と非接触に配置されてなることが挙げられる。   As one form of the sample stage of the present invention, the main heater may be disposed so as to face a surface other than the analysis surface of the sample and be in non-contact with the sample.

この構成によれば、メインヒータが試料と非接触であるため、同ヒータが試料の変形を阻害することがない。   According to this configuration, since the main heater is not in contact with the sample, the heater does not hinder the deformation of the sample.

本発明の試料用ステージの一形態として、メインヒータは、その加熱温度で蒸発しない被覆材に覆われてなることが挙げられる。   One form of the sample stage of the present invention is that the main heater is covered with a coating material that does not evaporate at the heating temperature.

この構成によれば、メインヒータの構成材料が、同ヒータの加熱温度において蒸発しないため、蒸発成分が試料を汚染して、分析・観察の妨げになることを回避できる。   According to this configuration, since the constituent material of the main heater does not evaporate at the heating temperature of the heater, it is possible to avoid the evaporation component from contaminating the sample and hindering analysis and observation.

本発明の試料用ステージの一形態として、各保持部に連動すると共に、前記試料の変形が実質的に生じない試料部分を加熱するサブヒータを備えることが挙げられる。   One embodiment of the sample stage of the present invention includes a sub-heater that interlocks with each holding portion and that heats a sample portion in which the sample does not substantially deform.

この構成によれば、メインヒータに加えてサブヒータを備えることで、試料の変形が生じる箇所を所望の温度に正確に加熱することができる。特に、サブヒータは、試料の変形が実質的に生じない試料部分を加熱するため、試料の変形の妨げとなることがない。   According to this configuration, by providing the sub heater in addition to the main heater, it is possible to accurately heat a portion where the sample is deformed to a desired temperature. In particular, the sub-heater heats the sample portion where the deformation of the sample does not substantially occur, and therefore does not hinder the deformation of the sample.

本発明の試料用ステージの一形態として、前記サブヒータは、試料と接触されてなることが挙げられる。   As one form of the sample stage of the present invention, the sub heater is in contact with a sample.

この構成によれば、サブヒータは接触式であるため、効率的に試料を加熱することができる。特に、サブヒータは、試料の変形が実質的に生じない試料部分に接触されるため、試料の変形の妨げとならない。   According to this configuration, since the sub-heater is a contact type, the sample can be efficiently heated. In particular, since the sub-heater is brought into contact with a sample portion where the deformation of the sample does not substantially occur, it does not hinder the deformation of the sample.

本発明の試料用ステージの一形態として、サブヒータは、その加熱温度で蒸発しない被覆材に覆われてなることが挙げられる。   One form of the sample stage of the present invention is that the sub-heater is covered with a coating material that does not evaporate at the heating temperature.

この構成によれば、サブヒータの構成材料が、同ヒータの加熱温度において蒸発しないため、蒸発成分が試料を汚染して、分析・観察の妨げになることを回避できる。   According to this configuration, since the constituent material of the sub-heater does not evaporate at the heating temperature of the heater, it is possible to avoid the evaporation component from contaminating the sample and hindering analysis and observation.

本発明の試料用ステージの一形態として、前記駆動機構は、単一の駆動源と、その駆動源からの駆動力を両保持部に伝達する動力伝達機構とを備えることが挙げられる。   As one form of the sample stage of the present invention, the driving mechanism includes a single driving source and a power transmission mechanism that transmits a driving force from the driving source to both holding units.

この構成によれば、駆動源を単一とすることで、省スペース・軽量化を図りながら、両保持部を互いに離反する方向に駆動することができる。   According to this configuration, by using a single drive source, both the holding portions can be driven away from each other while saving space and weight.

本発明の試料用ステージの一形態として、前記駆動機構は、各保持部を独立して駆動させる駆動源を備えることが挙げられる。   As one form of the sample stage of the present invention, the drive mechanism may include a drive source that drives each holding unit independently.

この構成によれば、駆動源を各保持部ごとに独立とすることで、一方の保持部を他方の保持部と同期することなく駆動することができる。そのため、試料の両端部を引っ張ることはもちろん、試料の一端側を固定端とし、他端側を可動端とする従来のステージと同様の機能も兼ね備えることができる。   According to this configuration, by making the driving source independent for each holding unit, it is possible to drive one holding unit without synchronizing with the other holding unit. Therefore, not only can both ends of the sample be pulled, but also the same function as a conventional stage in which one end side of the sample is a fixed end and the other end side is a movable end can be provided.

本発明の試料用ステージの一形態として、駆動機構に対して各保持部が着脱自在に構成されているが挙げられる。   As one form of the sample stage of the present invention, each holding unit is configured to be detachable from the drive mechanism.

この構成によれば、各保持部が駆動機構に対して着脱自在となっているため、試料の形態に合わせて保持部を取り替えることができる。   According to this structure, since each holding | maintenance part is detachable with respect to a drive mechanism, a holding | maintenance part can be replaced | exchanged according to the form of a sample.

一方、本発明の試料の分析方法は、真空容器内で試料ステージに保持された試料を変形させて分析する試料の分析方法であって、前記試料ステージにより試料の両端部を引っ張り、引張に伴う試料変形領域の中心位置が実質的に移動しないようにして試料を変形させて分析を行うことを特徴とする。   On the other hand, the sample analysis method of the present invention is a sample analysis method in which a sample held on a sample stage in a vacuum vessel is deformed and analyzed, and both ends of the sample are pulled by the sample stage and accompanied by tension. The analysis is performed by deforming the sample so that the center position of the sample deformation region does not substantially move.

この構成によれば、引張に伴う試料変形領域の中心位置が実質的に移動しないように保持されるため、その中心位置を容易に定点観察することができる。   According to this configuration, since the center position of the sample deformation region accompanying the tension is held so as not to move substantially, the center position can be easily observed at a fixed point.

本発明の試料の分析方法の一形態として、試料の各端部の移動量を同一とすることが挙げられる。   One form of the sample analysis method of the present invention is to make the movement amount of each end of the sample the same.

試料の各端部の移動量が同一であれば、引張に伴う試料変形領域の中心位置が実質的に移動しないようにすることが容易にできる。   If the movement amount of each end portion of the sample is the same, it is possible to easily prevent the center position of the sample deformation region accompanying the tension from moving substantially.

本発明の試料の分析方法の一形態として、引張に伴う試料の変形を許容しながら試料を加熱して分析を行うことが挙げられる。   One embodiment of the sample analysis method of the present invention is to perform analysis by heating the sample while allowing deformation of the sample accompanying tension.

この構成によれば、引張に伴う試料の変形を阻害することなく、試料を所定温度に加熱して、その温度における変形状態を分析・観察することができる。   According to this configuration, the sample can be heated to a predetermined temperature and the deformation state at that temperature can be analyzed and observed without hindering deformation of the sample accompanying tension.

本発明の試料の分析方法の一形態として、試料変形領域の近傍に温度検知手段を固定して試料温度を測定することが挙げられる。   One form of the sample analysis method of the present invention is to measure the sample temperature by fixing a temperature detection means in the vicinity of the sample deformation region.

試料変形領域の近傍であれば、分析箇所である試料変形領域の温度を極力正確に測定することができる。   If it is in the vicinity of the sample deformation region, the temperature of the sample deformation region, which is the analysis location, can be measured as accurately as possible.

本発明の試料の分析方法の一形態として、試料ステージは、試料の分析面以外の面に対向され、かつ試料と非接触に配置されると共に、試料の分析面の近傍を加熱するメインヒータを備え、このメインヒータと試料との間に熱伝導性の可とう部材を配して引張を行うことが好ましい。   As one form of the sample analysis method of the present invention, the sample stage is disposed so as to face a surface other than the sample analysis surface and be in non-contact with the sample, and to heat the vicinity of the sample analysis surface. It is preferable to perform tension by arranging a heat conductive flexible member between the main heater and the sample.

この構成によれば、可とう部材の存在により、メインヒータの熱を伝導により試料に効率的に伝達させることができる。また、可とう部材は試料の変形に追従して変形することができ、試料の変形を阻害することもない。   According to this configuration, the heat of the main heater can be efficiently transmitted to the sample by conduction due to the presence of the flexible member. Further, the flexible member can be deformed following the deformation of the sample and does not hinder the deformation of the sample.

本発明の試料の分析方法の一形態として、試料用ステージの駆動を停止した状態で分析を行うことが挙げられる。   One embodiment of the sample analysis method of the present invention is to perform analysis in a state where driving of the sample stage is stopped.

この構成によれば、試料の変形を一旦止めた状態で、振動の少ない環境にて鮮明な分析結果(分析像)を得ることができる。   According to this configuration, a clear analysis result (analysis image) can be obtained in an environment with little vibration in a state where the deformation of the sample is temporarily stopped.

本発明の試料用ステージおよび本発明の試料の分析方法によれば、引張に伴う変形箇所の中心が実質的に移動せず、その変形箇所の中心を容易に定点観察することができる。   According to the sample stage of the present invention and the sample analysis method of the present invention, the center of the deformed portion due to tension does not substantially move, and the center of the deformed portion can be easily observed at a fixed point.

以下、図1〜図4に基づいて本発明の実施の形態を説明する。ここでは、マグネシウム合金の試料に引張試験を行い、その引張に伴う変形箇所を、SEMを用いてEBSD(Electron Back Scatter Diffraction Pattern:電子後方散乱回折像)にて組織評価する場合を例として説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, an example is described in which a tensile test is performed on a magnesium alloy sample, and a deformation evaluation due to the tensile evaluation is performed on an EBSD (Electron Back Scatter Diffraction Pattern) using SEM. .

[試料用ステージ]
<全体構成>
この試料用ステージは、図1、図2に示すように、SEMの真空容器内に配置され、試料S(図3)を保持する保持部1L、1Rと、保持部1L、1Rを駆動する駆動機構2と、試料Sを加熱するメインヒータ3及びサブヒータ4L、4Rを備える。駆動機構2は保持部1L、1Rを駆動し、試料Sに対して引張荷重をかけて変形させる。その試料SをSEMの対物レンズ200を介して電子線で走査して、試料Sからの非弾性後方散乱電子をEBSD検出器300によって検出し、その散乱電子によって作られる菊池パターンの変化を解析することにより、多結晶性試料の結晶方位の分布像を得る。
[Sample stage]
<Overall configuration>
As shown in FIGS. 1 and 2, the sample stage is arranged in a vacuum vessel of the SEM, and holds the holding units 1L and 1R that hold the sample S (FIG. 3) and the drive that drives the holding units 1L and 1R. A mechanism 2, a main heater 3 for heating the sample S, and sub heaters 4L and 4R are provided. The drive mechanism 2 drives the holding portions 1L and 1R and applies a tensile load to the sample S to deform it. The sample S is scanned with an electron beam through the SEM objective lens 200, the inelastic backscattered electrons from the sample S are detected by the EBSD detector 300, and the change of the Kikuchi pattern created by the scattered electrons is analyzed. Thus, a distribution image of the crystal orientation of the polycrystalline sample is obtained.

<保持部>
保持部1L、1Rは、試料Sの各端部を保持する金属ブロックである。一対の保持部1L、1Rの各々は、同軸上で、互いに近接離反するように、次述する駆動機構2により駆動される。EBSDでは、試料を入射電子に対して傾斜させる必要がある。そのため、本例では、試料Sの分析面(正面)が水平に対して70°に傾斜するように、駆動機構のスライダ23L、23Rに対して保持部1L、1Rを傾斜して取り付けている。
<Holding part>
The holding units 1L and 1R are metal blocks that hold each end of the sample S. Each of the pair of holding portions 1L and 1R is driven by a drive mechanism 2 described below so as to be close to and away from each other on the same axis. In EBSD, it is necessary to tilt the sample with respect to the incident electrons. For this reason, in this example, the holding portions 1L and 1R are inclined and attached to the sliders 23L and 23R of the drive mechanism so that the analysis surface (front surface) of the sample S is inclined at 70 ° with respect to the horizontal.

この保持部1L、1Rは、図3に示すように、試料Sの端部に形成した大幅部S1が嵌め込まれる嵌合凹部11を有する。嵌合凹部11は、保持部表面のほぼ中央に形成されたT状孔11Aと、この孔11Aにつながって保持部の側面に達するスリット11Bとから構成される。図3では、保持部1L、1Rのカバー(図示せず)を取り外した状態を示しているが、試験時、保持部1L、1Rの表面に試料端部を覆うカバーをネジ止めし、試料Sが嵌合凹部11から脱落しないようにする。   As shown in FIG. 3, the holding portions 1L and 1R have a fitting recess 11 into which a large portion S1 formed at the end of the sample S is fitted. The fitting recess 11 is composed of a T-shaped hole 11A formed substantially at the center of the surface of the holding part, and a slit 11B connected to the hole 11A and reaching the side surface of the holding part. FIG. 3 shows a state in which the covers (not shown) of the holding portions 1L and 1R are removed. At the time of the test, a cover that covers the sample end is screwed to the surface of the holding portions 1L and 1R, and the sample S Is prevented from falling off from the fitting recess 11.

また、保持部1L、1Rはスライダ23L、23Rに対して着脱自在に構成されており、試料Sの形状に応じて種々の形態のものを用意すれば、保持部1L、1Rの付け替えにより、様々な試料の保持を行うことができる。なお、本例では、嵌合凹部11に試料Sの端部をはめ込むだけの保持部1L、1Rとしているが、チャックのように試料Sの端部を把持する構成としてもよい。   The holding parts 1L and 1R are configured to be detachable from the sliders 23L and 23R. If various types of specimens are prepared according to the shape of the sample S, the holding parts 1L and 1R can be changed by changing the holding parts 1L and 1R. A simple sample can be held. In this example, the holding portions 1L and 1R that only fit the end portion of the sample S into the fitting recess 11 are used. However, the end portion of the sample S may be gripped like a chuck.

<駆動機構>
駆動機構2は、保持部1L、1Rを互いに離反する方向に駆動する機構で、駆動源となるモータ21、回転軸22および一対のスライダ23L、23Rを備える。本例では、単一のモータ21を用い、回転軸22を回転させ、その回転に伴ってスライダ23L、23Rを互いに近接離反させる。本例では、モータ21の回転力は、ギアボックス24の減速ギアを介して回転軸22に伝達される。回転軸21は、一端がギアボックス24に、他端がステージの側壁25に支持され、互いに逆方向に形成された雄ネジを軸の端部寄りに備える。そして、この雄ネジの各々に金属ブロックからなる各スライダ23L、23Rが螺合されている。そのため、モータ21の駆動により回転軸22を回転させれば、スライダ23L、23Rが近接離反するように駆動され、スライダ23L、23Rと一体に取り付けられた保持部1L、1Rも近接離反するように駆動される。なお、本例では、試料Sを引張試験する場合を例としているが、この駆動機構2を用いれば、保持部1L、1Rを介して試料Sを圧縮することもできる。
<Drive mechanism>
The drive mechanism 2 is a mechanism that drives the holding portions 1L and 1R in a direction away from each other, and includes a motor 21, a rotation shaft 22, and a pair of sliders 23L and 23R that are drive sources. In this example, a single motor 21 is used to rotate the rotating shaft 22, and the sliders 23L and 23R are moved closer to and away from each other with the rotation. In this example, the rotational force of the motor 21 is transmitted to the rotary shaft 22 via the reduction gear of the gear box 24. The rotary shaft 21 has one end supported by the gear box 24 and the other end supported by the side wall 25 of the stage, and is provided with male threads formed in opposite directions toward the end of the shaft. The sliders 23L and 23R made of a metal block are screwed into the male screws. Therefore, if the rotating shaft 22 is rotated by driving the motor 21, the sliders 23L and 23R are driven so as to approach and separate, and the holding portions 1L and 1R attached integrally with the sliders 23L and 23R also approach and separate. Driven. In this example, the case where the sample S is subjected to a tensile test is taken as an example. However, if the driving mechanism 2 is used, the sample S can be compressed via the holding portions 1L and 1R.

<メインヒータ>
各保持部1L、1R(スライダ23L、23R)のほぼ中間位置には、メインヒータ3が設けられている(図1、図3参照)。このメインヒータ3は固定式で、例えば図示しないステージの底面に固定される。また、このメインヒータ3は、ヒータ本体と加熱ブロック3Aを備え、試料長手方向の中央部、つまり引張に伴って変形が生じる箇所の中心部を加熱する。より具体的には、断面が凹型の加熱ブロック3Aを用い、分析時には、その凹部に試料Sをはめ込む。但し、加熱ブロック3Aは、試料Sの背面および上下面の周囲を非接触で取り囲むように配され、試料Sの分析面(正面)は開放されている。この分析面の開放により、電子線による試料Sの走査を可能にする。
<Main heater>
A main heater 3 is provided at a substantially intermediate position between the holding portions 1L and 1R (sliders 23L and 23R) (see FIGS. 1 and 3). The main heater 3 is fixed, for example, fixed to the bottom surface of a stage (not shown). The main heater 3 includes a heater body and a heating block 3A, and heats the central portion in the longitudinal direction of the sample, that is, the central portion where deformation occurs due to tension. More specifically, the heating block 3A having a concave section is used, and the sample S is fitted into the concave portion during analysis. However, the heating block 3A is arranged so as to surround the back and top and bottom surfaces of the sample S in a non-contact manner, and the analysis surface (front surface) of the sample S is open. By opening this analysis surface, the sample S can be scanned with an electron beam.

本例では、ヒータ本体にセラミックヒータを用いた。セラミックヒータは、発熱源をアルミナや窒化珪素などのセラミックで覆っている。そのため、真空下においても、発熱源の構成物質が蒸発することがなく、またセラミック自身が蒸発することもないため、蒸発物質が試料を汚染することもない。   In this example, a ceramic heater is used for the heater body. In the ceramic heater, the heat source is covered with ceramic such as alumina or silicon nitride. Therefore, even under vacuum, the constituent material of the heat source does not evaporate, and the ceramic itself does not evaporate, so the evaporating material does not contaminate the sample.

このようなメインヒータ3の温度制御には、マニュアル制御とPID制御がある。マニュアル制御は、コントローラ(図示せず)に表示された熱電対(図示せず)の温度を見ながら、メインヒータ3への電圧量をボリューム(図示せず)で調整して行う。PID制御では、図示しない制御用コンピュータを用いて、指定温度になるように、ヒータ3への電流供給を自動的に調整する。これらの温度制御方式は、次述するサブヒータ4L、4Rでも同様である。   Such temperature control of the main heater 3 includes manual control and PID control. Manual control is performed by adjusting the amount of voltage to the main heater 3 with a volume (not shown) while observing the temperature of a thermocouple (not shown) displayed on a controller (not shown). In PID control, using a control computer (not shown), the current supply to the heater 3 is automatically adjusted to a specified temperature. These temperature control methods are the same for the sub-heaters 4L and 4R described below.

<サブヒータ>
さらに、メインヒータ3の両側に一対のサブヒータ4L、4Rを設けた。サブヒータ4L、4Rは、メインヒータ3で加熱した試料Sが、両端部の大幅部S1を介して放熱してしまうことを抑制する。このサブヒータ4L、4Rもヒータ本体と加熱ブロックを備えている。サブヒータ4L、4Rのヒータ本体の材質・基本構成および加熱ブロックの材質は、メインヒータ3と同様である。但し、メインヒータ3と異なり、この加熱ブロックは試料と接触状態とされる。特に、本例では、加熱ブロックの表面を金属カバー(図示せず)で覆い、試料Sのほぼ全周が金属に接触状態とできるようにして、加熱効率を上げている。サブヒータ4L、4Rは、試料Sと接触状態とされるため、メインヒータ3の両側であって、かつ保持部1L、1Rの駆動に伴って試料Sが実質的に変形しない箇所に接触される。このように、サブヒータ4L、4Rは、試料Sに対して接触状態とされるが、試料Sの引張に伴って、サブヒータ4L、4Rと試料Sの変形が生じる箇所の中心部との距離、すなわち熱伝導距離が変化する。そのため、メインヒータ3とサブヒータ4L、4Rの双方を組み合わせることで、試料Sの変形が生じる箇所の中心部をより正確に温度制御することができる。
<Sub heater>
Further, a pair of sub-heaters 4L and 4R are provided on both sides of the main heater 3. The sub-heaters 4L and 4R suppress the heat dissipation of the sample S heated by the main heater 3 through the large portions S1 at both ends. The sub-heaters 4L and 4R also include a heater body and a heating block. The material and basic configuration of the heater body of the sub-heaters 4L and 4R and the material of the heating block are the same as those of the main heater 3. However, unlike the main heater 3, this heating block is brought into contact with the sample. In particular, in this example, the heating block is covered with a metal cover (not shown) so that almost the entire circumference of the sample S can be in contact with the metal to increase the heating efficiency. Since the sub-heaters 4L and 4R are brought into contact with the sample S, they are in contact with both sides of the main heater 3 and where the sample S is not substantially deformed by driving the holding portions 1L and 1R. In this way, the sub-heaters 4L and 4R are brought into contact with the sample S, but as the sample S is pulled, the distance between the sub-heaters 4L and 4R and the center portion where the deformation of the sample S occurs, that is, The heat conduction distance changes. Therefore, by combining both the main heater 3 and the sub heaters 4L and 4R, it is possible to more accurately control the temperature of the central portion where the sample S is deformed.

また、サブヒータ4L、4Rは、スライダと連動して駆動される。スライダ23L、23Rにサブヒータ4L、4Rを連動させることで、試料Sの伸長にサブヒータ4L、4Rを追従して加熱し続けることができる。サブヒータ4L、4Rとスライダとの連結は、極力スライダ23L、23Rを介しての放熱が少ないよう、断面積の小さい連結構造とすることが好ましい。   The sub-heaters 4L and 4R are driven in conjunction with the slider. By linking the sub heaters 4L and 4R to the sliders 23L and 23R, the sub heaters 4L and 4R can follow the extension of the sample S and continue to be heated. The sub-heaters 4L and 4R and the slider are preferably connected to each other with a small cross-sectional area so as to minimize heat dissipation through the sliders 23L and 23R.

そして、このサブヒータ4L、4Rも、メインヒータ3と同様に、マニュアル制御とPID制御ができる。サブヒータ4L、4Rの温度制御は、メインヒータ3とは独立して行えることはもちろん、個々のサブヒータ4L、4R同士も独立して温度制御できる。   The sub-heaters 4L and 4R can perform manual control and PID control in the same manner as the main heater 3. The temperature control of the sub heaters 4L and 4R can be performed independently of the main heater 3, and the temperature of the individual sub heaters 4L and 4R can also be controlled independently.

<その他の構成要件>
本発明のステージは、歪ゲージを備える。本例では、一方の保持部1Lに歪ゲージ5(図1参照)を組み付けている。この歪ゲージ5により、引張荷重を計測する。
<Other configuration requirements>
The stage of the present invention includes a strain gauge. In this example, the strain gauge 5 (see FIG. 1) is assembled to one holding portion 1L. With this strain gauge 5, the tensile load is measured.

駆動機構のモータ21は、試料Sを引っ張る際、サーボ制御が行われる。但し、分析時に、所定の引張荷重を試料Sに作用させた状態でモータ21を停止(スライダの駆動を停止)させた場合、モータ21のサーボ制御を定電流制御に切り替える。ある程度応力のかかった状態でモータ21を止めると、モータ21はサーボ機構で所定のカウンター値に保持しようとして、カウンター値が微細な値の間を往復する現象が現れる。この現象は、モータ21の電流を微妙に変化させ、振動の要因となる。そのため、定電流制御とすれば、モータ21の振動による像の振動を抑制し、より正確な像を取得することができる。その他、各スライダ23L、23R(保持部1L、1R)の変位量はモータ21の回転数から換算される。   The motor 21 of the drive mechanism performs servo control when pulling the sample S. However, when the motor 21 is stopped (slider driving is stopped) while a predetermined tensile load is applied to the sample S during analysis, the servo control of the motor 21 is switched to constant current control. When the motor 21 is stopped in a state where a certain amount of stress is applied, the motor 21 tries to maintain a predetermined counter value by the servo mechanism, and a phenomenon in which the counter value reciprocates between fine values appears. This phenomenon slightly changes the current of the motor 21 and causes vibration. Therefore, if constant current control is used, image vibration due to vibration of the motor 21 can be suppressed, and a more accurate image can be acquired. In addition, the displacement amounts of the sliders 23L and 23R (holding portions 1L and 1R) are converted from the number of rotations of the motor 21.

[試料の分析方法と各部の動作]
以上のステージを用いて試料の分析を行うには、次の手順で行う。
[Sample analysis method and operation of each part]
To analyze a sample using the above stages, the following procedure is used.

まず、試料Sを用意する。本例では、AZ31のマグネシウム合金をワイヤカットで所定の形状に切り出した後、表面を研磨して試料Sを得た。この試料Sは、両端に大幅部S1、その内側に中幅部S2を有し、さらに内側に小幅部S3、最小幅部S4を段階的に有し(図3参照)、長さは約40mmである。この形状により、試料Sを左右に引っ張った場合、ほぼ最小幅部S4の中央部で伸びによる塑性変形が生じ、変形領域を実質的に最小幅部S4のみに限定することができる。   First, a sample S is prepared. In this example, a sample S was obtained by cutting a magnesium alloy of AZ31 into a predetermined shape by wire cutting and then polishing the surface. This sample S has a large portion S1 at both ends, a medium width portion S2 inside, a small width portion S3 and a minimum width portion S4 in steps (see FIG. 3), and the length is about 40 mm. It is. With this shape, when the sample S is pulled left and right, plastic deformation due to elongation occurs substantially at the center of the minimum width portion S4, and the deformation region can be substantially limited to only the minimum width portion S4.

次に、試料Sに熱電対をセットする。本例では、試料Sのうち、メインヒータ3で加熱される箇所の隣接領域、つまり、メインヒータ3とサブヒータ4Lのほぼ間に位置する箇所に熱電対6(クロメル-アルメル)を溶接した(図4参照)。この溶接箇所は、試料Sの伸びが実質的に生じない箇所であるため、試料Sの変形を阻害しないようにすると共に、熱電対6の脱落を抑制できる。その一方で、この溶接箇所は試料Sの変形領域に隣接しているため、実質的に試料Sの変形領域の温度を測定しているとみなすことができる。この箇所の測定温度を試料の端部温度とする。なお、本例では、実際の試料の変形領域の温度も確認するため、温度測定のみを目的とした試料における最小幅部S4の中央部にも熱電対を溶接して、試料の中心部温度として測定を行った。   Next, a thermocouple is set on the sample S. In this example, a thermocouple 6 (chromel-alumel) is welded to a region adjacent to the location heated by the main heater 3 in the sample S, that is, a location located approximately between the main heater 3 and the sub-heater 4L (Fig. 4). Since the welded portion is a portion where the elongation of the sample S does not substantially occur, it is possible to prevent the deformation of the sample S from being inhibited and to prevent the thermocouple 6 from falling off. On the other hand, since this welding location is adjacent to the deformation region of the sample S, it can be considered that the temperature of the deformation region of the sample S is substantially measured. The measurement temperature at this point is defined as the end temperature of the sample. In this example, in order to confirm the temperature of the deformation region of the actual sample, a thermocouple is also welded to the central portion of the minimum width portion S4 in the sample for the purpose of temperature measurement only, so that the center temperature of the sample is obtained. Measurements were made.

次に、試料Sを保持部1L、1Rにセットする。その際、大幅部S1を保持部のT状孔11Aに嵌め、中幅部S2をスリット11Bに嵌めて、中幅部S2の一部、小幅部S3、最小幅部S4は保持部1L、1Rから突出した状態とする。このセットにより、メインヒータ3に最小幅部S4が対向され、サブヒータ4L、4Rに小幅部S3が接触される。そして、大幅部S1および中幅部S2をカバーで覆って試料Sが保持部1L、1Rから脱落しないようにする。   Next, the sample S is set in the holding units 1L and 1R. At that time, the large portion S1 is fitted into the T-shaped hole 11A of the holding portion, the middle width portion S2 is fitted into the slit 11B, and a part of the middle width portion S2, the small width portion S3, and the minimum width portion S4 are the holding portions 1L and 1R. It is assumed to protrude from By this setting, the minimum width portion S4 is opposed to the main heater 3, and the small width portion S3 is brought into contact with the sub-heaters 4L and 4R. Then, the large portion S1 and the middle width portion S2 are covered with a cover so that the sample S does not fall off the holding portions 1L and 1R.

さらに、試料Sを保持部1L、1Rにセットする際、メインヒータ3と試料Sとの間にCuウールWを介在させた(図4参照)。CuウールWは熱伝導性に優れ、メインヒータ3と試料Sの双方に接することで、メインヒータ3から試料Sへの熱伝導路の機能を果たし、試料Sの加熱効率を上げる。また、CuウールWであれば、メインヒータ3で加熱される箇所が変形しても、その変形に対して追従することができ、試料Sの変形の妨げとならない。CuウールWは、熱伝導性の可とう部材であれば、他の材質・形態のものが利用できる。その材質は金属や高熱伝導性のセラミックが好ましく、形態はフィラメント状や粉体が好ましい   Furthermore, when setting the sample S to the holding portions 1L and 1R, Cu wool W was interposed between the main heater 3 and the sample S (see FIG. 4). Cu wool W is excellent in thermal conductivity, and by contacting both the main heater 3 and the sample S, it functions as a heat conduction path from the main heater 3 to the sample S, and increases the heating efficiency of the sample S. In addition, if Cu wool W is used, even if the portion heated by the main heater 3 is deformed, the deformation can be followed and the deformation of the sample S is not hindered. Cu wool W can be made of other materials and forms as long as it is a heat conductive flexible member. The material is preferably metal or ceramic with high thermal conductivity, and the form is preferably filament or powder.

試料Sのセットができたら、メイン・サブヒータ3、4L、4Rを所定温度に設定し、モータ21を駆動して、保持部1L、1Rを互いに離反する方向に移動させ、試料に引張を付与する。この引張に伴って試料Sは伸びる。その際、試料Sは両端が均等に引っ張られるため、変形領域の中心の移動が実質的になく、この中心部を視野に捉えた状態で定点分析を行うことができる。   Once the sample S is set, set the main and sub heaters 3, 4L, 4R to the prescribed temperature, drive the motor 21, move the holding parts 1L, 1R away from each other, and apply tension to the sample . With this tension, the sample S expands. At that time, since both ends of the sample S are evenly pulled, the center of the deformation region is substantially not moved, and the fixed point analysis can be performed in a state where the center is captured in the field of view.

そして、分析時、一時的にスライダ23L、23Rの駆動を停止する。その状態でSEMにて試料Sの分析面を電子線で走査し、試料Sからの非弾性後方散乱電子をEBSD検出器によって検出して、多結晶性試料の結晶方位の分布像を得る。この分析時、モータ21は定電流制御されるため、モータ21の振動による像の乱れを抑制できる。   At the time of analysis, the driving of the sliders 23L and 23R is temporarily stopped. In this state, the SEM is used to scan the analysis surface of the sample S with an electron beam, and inelastic backscattered electrons from the sample S are detected by an EBSD detector to obtain a distribution image of the crystal orientation of the polycrystalline sample. At the time of this analysis, the motor 21 is controlled at a constant current, so that image disturbance due to vibration of the motor 21 can be suppressed.

もちろん、歪ゲージ5による荷重と保持部1L、1Rの変位量の関係を記録し、荷重-変位曲線を得ることもできる。   Of course, the load-displacement curve can be obtained by recording the relationship between the load applied by the strain gauge 5 and the displacement amount of the holding portions 1L and 1R.

本発明ステージの仕様例を下記に示す。
保持部のストローク(保持部の最短距離と最長距離の差):3mm
最大引張荷重:400MPa
引張速度:0.3〜10μm/sec
加熱温度:試料温度で300〜350℃
加熱速度:〜8℃/sec
A specification example of the present invention stage is shown below.
Stroke of holding part (difference between shortest distance and longest distance of holding part): 3mm
Maximum tensile load: 400MPa
Tensile speed: 0.3-10μm / sec
Heating temperature: 300-350 ° C at sample temperature
Heating rate: ~ 8 ℃ / sec

本実施形態で試料の変形領域の目標温度を200℃として測定を行った結果、メインヒータ温度:300℃、サブヒータ温度:200℃とした場合、試料の中心部温度:199℃、試料の端部温度:199℃であり、試料の変形領域を実質的に目標温度に加熱できていることがわかった。また、得られた像は、汚染物質の影響のない鮮明なものであった。なお、比較のため、Cuウールなしで同様の加熱を行った。メインヒータと試料とのギャプは0.5mmである。その結果、試料をほぼ目標温度に加熱するには、サブヒータの温度を200℃とした場合、メインヒータの温度を約600℃に制御する必要があった。   As a result of measuring the target temperature of the deformation region of the sample in this embodiment at 200 ° C., when the main heater temperature is 300 ° C. and the sub heater temperature is 200 ° C., the center temperature of the sample is 199 ° C. and the end of the sample The temperature was 199 ° C., and it was found that the deformation region of the sample could be heated substantially to the target temperature. Further, the obtained image was clear without the influence of contaminants. For comparison, the same heating was performed without Cu wool. The gap between the main heater and the sample is 0.5 mm. As a result, in order to heat the sample to almost the target temperature, it was necessary to control the temperature of the main heater to about 600 ° C. when the temperature of the sub heater was 200 ° C.

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。例えば、モータを2つ用い、各モータで各々独立した回転軸を駆動し、各回転軸に螺合するスライダ(スライダと一体の保持部)を近接離反させることもできる。その場合、各スライダ(保持部)は互いに独立して駆動できるため、試料の両端部を引っ張ることはもちろん、試料の一端は固定し、他端のみを引っ張る試験を行うこともできる。その他、保持部の形態を変えることで、一方の保持部でスライダの駆動方向と垂直な方向に試料の一端を保持し、他方の保持部で試料の他端側に応力を付与することで、試料を曲げたり、せん断させたりして分析・観察を行うこともできる。   In addition, this invention is not limited to said embodiment, A various change can be made. For example, it is possible to use two motors, drive independent rotating shafts with each motor, and move a slider (a holding portion integrated with the slider) close to and away from each rotating shaft. In that case, since each slider (holding part) can be driven independently of each other, it is possible not only to pull both ends of the sample but also to perform a test in which one end of the sample is fixed and only the other end is pulled. In addition, by changing the form of the holding part, one holding part holds one end of the sample in a direction perpendicular to the driving direction of the slider, and the other holding part applies stress to the other end side of the sample, Analysis and observation can also be performed by bending or shearing the sample.

本発明ステージおよび分析方法は、真空容器中で分析・観察を行う各種機器、例えばSEM、X線光電子分光分析装置、オージェ電子分光分析装置などに好適に利用できる。特に、マグネシウムをはじめとする金属材料の引張に伴う試料の変化を正確に分析・観察することに利用できる。   The stage and the analysis method of the present invention can be suitably used for various devices that perform analysis and observation in a vacuum vessel, such as an SEM, an X-ray photoelectron spectrometer, an Auger electron spectrometer, and the like. In particular, it can be used for accurately analyzing and observing changes in a sample accompanying tension of a metal material such as magnesium.

本発明ステージの実施形態を示す概略模式平面図である。It is a schematic plan view which shows embodiment of the stage of this invention. 図1のX-X模式矢視図である。FIG. 2 is an XX schematic arrow view of FIG. 1. 本発明ステージの実施形態における試料の保持状態を示す模式正面図である。It is a model front view which shows the holding | maintenance state of the sample in embodiment of this invention stage. 図3におけるメインヒータと試料との配置関係を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the arrangement | positioning relationship between the main heater and sample in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1L、1R 保持部
11 嵌合凹部 11A T状孔 11B スリット
2 駆動機構
21 モータ 22 回転軸 23L、23R スライダ 24 ギアボックス 25 側壁
3 メインヒータ 3A 加熱ブロック
4L、4R サブヒータ
5 歪ゲージ 6 熱電対
200 対物レンズ 300 EBSD検出器
S 試料 S1 大幅部 S2 中幅部 S3 小幅部 S4 最小幅部
W Cuウール
1L, 1R holder
11 Fitting recess 11A T-shaped hole 11B Slit
2 Drive mechanism
21 Motor 22 Rotating shaft 23L, 23R Slider 24 Gearbox 25 Side wall
3 Main heater 3A Heating block
4L, 4R Sub-heater
5 Strain gauge 6 Thermocouple
200 Objective 300 EBSD detector
S Sample S1 Large part S2 Medium width part S3 Small width part S4 Minimum width part
W Cu wool

Claims (16)

真空容器内で分析対象となる試料を保持するための試料用ステージであって、
試料の両端部を保持する一対の保持部と、
各保持部を互いに離反する方向に駆動して試料に引張力を付与する駆動機構と
試料の分析面を露出するように配置され、かつ駆動機構の駆動に伴う試料の変形を許容するように試料の分析面の近傍を加熱するメインヒータと、
各保持部に連動すると共に、前記試料の変形が実質的に生じない試料部分を加熱するサブヒータとを備えることを特徴とする試料用ステージ。
A sample stage for holding a sample to be analyzed in a vacuum vessel,
A pair of holding parts for holding both ends of the sample;
A drive mechanism that applies tensile force to the sample by driving the holding portions in directions away from each other ;
A main heater that is disposed so as to expose the analysis surface of the sample, and that heats the vicinity of the analysis surface of the sample so as to allow deformation of the sample accompanying driving of the drive mechanism;
A sample stage comprising: a sub-heater that interlocks with each holding portion and that heats a sample portion in which the sample is not substantially deformed .
メインヒータは、試料の分析面以外の面に対向され、かつ試料と非接触に配置されてなることを特徴とする請求項1に記載の試料用ステージ。 2. The sample stage according to claim 1 , wherein the main heater is opposed to a surface other than the analysis surface of the sample and is disposed in non-contact with the sample. メインヒータは、その加熱温度で蒸発しない被覆材に覆われてなることを特徴とする請求項1または2に記載の試料用ステージ。 The main heater, a sample stage according to claim 1 or 2, characterized by being covered with the covering material does not evaporate at that heating temperature. 前記サブヒータは、試料と接触されてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の試料用ステージ。 The sub-heater, the sample stage according to any one of claims 1 to 3, characterized in that formed by contact with the sample. サブヒータは、その加熱温度で蒸発しない被覆材に覆われてなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の試料用ステージ。 Sub-heater, the sample stage according to any one of claims 1 to 4, characterized in that covered by the covering material does not evaporate at that heating temperature. 前記駆動機構は、単一の駆動源と、その駆動源からの駆動力を両保持部に伝達する動力伝達機構とを備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の試料用ステージ。 The drive mechanism includes a single drive source, according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a power transmission mechanism for transmitting the driving force from the driving source to the two holding portions Sample stage. 前記駆動機構は、各保持部を独立して駆動させる駆動源を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の試料用ステージ。 The drive mechanism, the sample stage according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a drive source for driving each holder independently. 駆動機構に対して各保持部が着脱自在に構成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の試料用ステージ。 Specimen stage according to any one of claims 1 to 7, the holding unit is characterized by being configured detachably to the drive mechanism. 真空容器内で試料ステージに保持された試料を変形させて分析する試料の分析方法であって、
前記試料ステージは、試料の分析面以外の面に対向され、かつ試料と非接触に配置されると共に、試料の分析面の近傍を加熱するメインヒータを備え、
このメインヒータと試料との間に熱伝導性の可とう部材を配して前記試料ステージにより試料の両端部を引っ張り、引張に伴う試料変形領域の中心位置が実質的に移動しないようにして試料を変形させて分析を行うことを特徴とする試料の分析方法。
A method for analyzing a sample in which a sample held on a sample stage in a vacuum vessel is deformed and analyzed,
The sample stage is opposed to a surface other than the analysis surface of the sample and is disposed in non-contact with the sample, and includes a main heater that heats the vicinity of the analysis surface of the sample,
A heat conductive flexible member is arranged between the main heater and the sample, and both ends of the sample are pulled by the sample stage, so that the center position of the sample deformation region accompanying the tension is not substantially moved. A method for analyzing a sample, characterized in that the analysis is performed by deforming the sample.
試料の各端部の移動量を同一とすることを特徴とする請求項9に記載の試料の分析方法。 10. The sample analysis method according to claim 9 , wherein the movement amount of each end of the sample is the same. 引張に伴う試料の変形を許容しながら試料を加熱して分析を行うことを特徴とする請求項9または10に記載の試料の分析方法。 Method for analyzing a sample according to claim 9 or 10, characterized in that for making an analysis of a sample was heated while allowing deformation of the sample due to the tensile. 前記試料変形領域の近傍に温度検知手段を固定して試料温度を測定することを特徴とする請求項911のいずれか一項に記載の試料の分析方法。 Method for analyzing a sample according to any one of claims 9 to 11, characterized in that to measure the sample temperature by fixing the temperature sensing means in the vicinity of the sample deformation region. 前記試料ステージは、前記試料の変形が実質的に生じない試料部分を加熱するサブヒータを備え、The sample stage includes a sub-heater for heating a sample portion in which deformation of the sample does not substantially occur,
前記メインヒータとサブヒータとで前記試料を加熱することを特徴とする請求項9〜12のいずれか一項に記載の試料の分析方法。  13. The sample analysis method according to claim 9, wherein the sample is heated by the main heater and the sub heater.
前記可とう部材がフィラメントまたは粉体であることを特徴とする請求項9〜13のいずれか一項に記載の試料の分析方法。  The sample analysis method according to claim 9, wherein the flexible member is a filament or a powder. 前記試料の両端部を引っ張る試料用ステージの駆動を一時的に停止した状態で分析を行うことを特徴とする請求項914のいずれか一項に記載の試料の分析方法。 15. The sample analysis method according to any one of claims 9 to 14 , wherein the analysis is performed in a state where driving of the sample stage for pulling both ends of the sample is temporarily stopped. 前記試料用ステージの駆動を停止している間、試料用ステージを定電流制御とすることを特徴とする請求項15に記載の試料の分析方法。  16. The sample analysis method according to claim 15, wherein the sample stage is set to constant current control while driving of the sample stage is stopped.
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