JP7425231B2 - 試料片移設装置 - Google Patents
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Description
本願は、2021年1月29日に、日本に出願された特願2021-012693号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
図1は、実施形態に係る試料片移設装置10を備える薄片試料観察システム1の構成図である。
図1に示すように、実施形態に係る試料片移設装置10は、例えば、薄片試料観察システム1に備えられる。薄片試料観察システム1は、複数の荷電粒子ビーム装置3と、複数の透過電子顕微鏡5と、レシピ情報生成装置7と、複数の試料片移設装置10とを備える。
図2に示すように、荷電粒子ビーム装置3は、試料Sの表面(斜線部)に集束イオンビームを照射することによって試料片Q(試料Sから摘出される前の試料片Q)を形成する。荷電粒子ビーム装置3は、集束イオンビームの走査範囲を示す加工枠Fの内側の加工領域H(白色部)を、集束イオンビームの照射によるスパッタ加工によって掘削する。荷電粒子ビーム装置3は、試料片Qを形成する位置(つまり、掘削せずに残す位置)を指示するレファレンスマーク(基準点)Refに基づいて試料片Qを形成する。レファレンスマークRefは、例えば、集束イオンビームの照射によって微細穴が形成された所定形状のデポジション膜等である。例えば、荷電粒子ビーム装置3は、レファレンスマークRefのデポジション膜によって試料片Qの概略の位置を把握し、レファレンスマークRefの微細穴によって試料片Qの精密な位置合わせを行う。
試料片Qが形成された試料Sは、例えば、正面開口式の一体型ポッド等の搬送及び保管用の容器に収容されて荷電粒子ビーム装置3から試料片移設装置10に移送される。
図3は、実施形態に係る試料片移設装置10での試料片ホルダPを示す平面図である。
図3に示すように、試料片ホルダPは、例えば、円環板状のグリッド枠P1と、グリッド枠P1の内側に設けられるメッシュP2とを備える。試料片ホルダPは、例えば、メッシュP2上に設けられる支持膜(図示略)を備えてもよい。試料片ホルダPには、例えば適宜の形状の貫通孔等による基準マークPa(第1基準マークPa1及び第2基準マークPa2等)が形成されている。
試料片Qを保持する試料片ホルダPは、例えば、適宜の容器に収容されて試料片移設装置10から透過電子顕微鏡5に移送される。
加工用レシピは、試料Sから試料片Qを作製する工程及び条件等の情報を備える。例えば、加工用レシピは、試料SでのレファレンスマークRefと試料片Qとの相対位置等の荷電粒子ビーム装置3の各種加工位置の座標に基づく試料片Qの位置の情報及び試料片Qが形成される加工領域Hの深さ等の試料片Qの寸法の情報を備える。
移設用レシピは、試料片Qを試料Sから試料片ホルダPに移設する工程及び条件等の情報を備える。例えば、移設用レシピは、試料Sを収容する容器の識別情報、試料Sの識別情報、試料片Qの作製の成否情報、荷電粒子ビーム装置3及び試料片移設装置10の各ステージ座標の相対関係の情報、後述する試料台31のステージ31aと試料片搬送装置13のピンセット81の一対のアーム81aとの各座標の相対関係の情報、加工用レシピでの試料片Qの位置及び寸法の情報、試料片ホルダPの識別情報並びに試料片ホルダPでの試料片Qの取り付け位置の情報を備える。
観察用レシピは、試料片Qの透過観察の工程及び条件等の情報を備える。例えば、観察用レシピは、試料片ホルダPを収容する容器の識別情報、試料片ホルダPの識別情報、試料片ホルダPでの試料片Qの取り付け位置及び表裏など姿勢の情報並びに透過電子顕微鏡5及び試料片移設装置10の各ステージ座標の相対関係の情報を備える。
荷電粒子ビーム装置3からの画像データは、例えば、試料Sでの試料片Qの作製が完了した後に試料Sを含む適宜の領域に集束イオンビーム又は電子ビームを走査しながら照射することによって取得される観察用の画像(つまり、SIM画像又はSEM画像)である。試料片移設装置10からの画像データは、例えば、試料片ホルダPに取り付けられた試料片Qの顕微鏡像等である。
図4に示すように、試料片移設装置10は、例えば、光干渉計測装置11と、試料片搬送装置13と、ロードポート15と、試料搬送装置17と、試料片ホルダ搬送装置19とを備える。試料片移設装置10は、試料片移設装置10の動作を統合的に制御する制御装置21と、制御装置21に接続される入力装置23及び表示装置25とを備える。
試料台31は、試料Sを支持するステージ31aと、ステージ31aを2次元的に並進及び回転させるステージ駆動機構31bとを備える。
ステージ駆動機構31bは、例えば、X軸及びY軸の各軸方向に沿ってステージ31aを並進させる。また、ステージ駆動機構31bは、Z軸の軸方向に沿ってステージ31aを並進させる機構を備えてもよい。ステージ駆動機構31bは、例えば、所定の回転軸及び傾斜軸の各軸周りに適宜の角度でステージ31aを回転させる。回転軸は、ステージ31aに対して相対的に設定され、ステージ31aが傾斜軸の軸周りの所定基準位置である場合に、試料片移設装置10の上下方向に平行である。傾斜軸は、試料片移設装置10の上下方向に直交する方向に平行である。ステージ駆動機構31bは、試料片移設装置10の動作モードなどに応じて制御装置21から出力される制御信号によって制御される。
光源鏡筒41は、例えば、光源51と、フィルタ53とを備える。光源51は、例えば白色光源である。フィルタ53は、例えば、バンドパスフィルタ等の波長フィルタ及び偏光フィルタ等である。
観察鏡筒43は、例えば、第1ビームスプリッタ61及び第2ビームスプリッタ63と、第1対物レンズ65及び第2対物レンズ67と、反射鏡69と、結像レンズ71と、観察用カメラ73と、位置調整用カメラ75とを備える。
第1ビームスプリッタ61は、後述する第2ビームスプリッタ63からの反射光L1,L2(合成光)を、観察鏡筒43の両端のうち観察用カメラ73側の第2端部43bに向かって進行させる。
第2ビームスプリッタ63は、後述する観察対象からの反射光L1と反射鏡69からの反射光L2とを重ね合わせて得られる合成光を、観察鏡筒43の第2端部43bに向かって進行させる。合成光の干渉状態は、観察対象からの反射光L1と反射鏡69からの反射光L2との光路差に応じて変化する。
第2対物レンズ67は、第2ビームスプリッタ63から第2方向に沿って適宜に離れて配置される。第2対物レンズ67は、第2ビームスプリッタ63から第2方向に沿って進行(反射)する照射光L0を反射鏡69に集束させる。
反射鏡69は、第2対物レンズ67から第2方向に沿って適宜に離れて配置される。反射鏡69は、所定精度で滑らかに形成された表面の参照面69Aを備える。反射鏡69は、第2対物レンズ67からの照射光L0を参照面69Aによって第2ビームスプリッタ63に向かって反射する。
観察用カメラ73は、観察鏡筒43の第2端部43bに配置される。観察用カメラ73は、結像レンズ71によって形成された合成光の干渉縞を撮像して、撮像により得られる画像(顕微鏡像)の信号を出力する。
位置調整用カメラ75は、例えばステージ31a上に配置される試料S及び試料片ホルダP等を撮像して、撮像により得られる画像の信号を出力する。
光干渉計測装置11では、第2対物レンズ67と反射鏡69との相対位置が固定されていることに対して、第1対物レンズ65と観察対象との相対位置は鏡筒駆動機構35の駆動によって変化する。鏡筒駆動機構35の駆動によって第1対物レンズ65がZ軸方向に変位することによって、観察対象でのフォーカス位置(つまり、顕微鏡像にて観測される干渉縞の強度又はコントラストが最大となる位置)が調整される。観察対象のフォーカス位置のZ軸方向での位置(Z位置)は、第1対物レンズ65(又は鏡筒33)の実空間での位置を示す座標データ(Z軸座標)に対応付けられる。
ピンセット駆動機構83は、光干渉計測装置11のステージ31aに対してピンセット81を3次元的に変位させるとともに、一対のアーム81aを開閉させる。ピンセット駆動機構83は、例えば、ピンセット81の一対のアーム81aをステージ31aの表面に対して所定角度範囲で傾斜させた状態でX軸、Y軸及びZ軸の各軸方向に並進させる。ピンセット駆動機構83は、適宜の回転軸の軸周りにピンセット81の一対のアーム81aを回転させてもよい。
試料搬送装置17は、例えば試料Sの搬送用ロボット等である。試料搬送装置17は、試料Sをロードポート15に支持された容器とステージ31aの所定位置(例えば、観察鏡筒43の中心軸の軸線と交差する中心位置等)との間で搬送する。試料搬送装置17は、ロードポート15に支持された容器から試料Sを取り出して、試料Sをステージ31aの所定位置に設置する。
試料片ホルダ搬送装置19は、例えば試料片ホルダPの搬送用ロボット等である。試料片ホルダ搬送装置19は、試料片ホルダPを支持部(図示略)に配置された搬送用の容器とステージ31aの所定の位置との間で搬送する。試料片ホルダ搬送装置19は、支持部に配置された搬送用の容器から試料片ホルダPを取り出して、試料片ホルダPをステージ31aの所定の位置に設置する。
制御装置21は、例えば、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、CPUなどのプロセッサ、プログラムを格納するROM(Read Only Memory)、データを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)及びタイマーなどの電子回路を備えるECU(Electronic Control Unit)である。制御装置21の少なくとも一部は、LSI(Large Scale Integration)などの集積回路であってもよい。
表示装置25は、試料片移設装置10の各種情報と、各カメラ73,75から出力される信号によって生成された画像データと、画像データの拡大、縮小、移動及び回転等の操作を実行するための画面等を表示する。
図6に示すように、先ず、制御装置21は、ロードポート15に支持される容器の識別情報及び容器に収容されている少なくとも1つの試料Sの各々の位置に基づいて所望の試料Sを認識する(ステップS01)。
次に、制御装置21は、認識した試料Sに対応するレシピ情報をレシピ情報生成装置7から取得する(ステップS02)。
次に、制御装置21は、試料搬送装置17によって試料Sをロードポート15の容器から取り出してステージ31aの所定位置に設置する(ステップS03)。
次に、制御装置21は、試料片ホルダ搬送装置19によって試料片ホルダPを支持部の容器から取り出してステージ31aの所定の位置に設置する(ステップS05)。
図7は、実施形態に係る試料片移設装置10の試料S及び試料片Qの顕微鏡像でのフォーカスの状態及び干渉縞Faの例を示す図である。
図7に示すように、制御装置21は、鏡筒33のZ軸方向の移動によって、試料S及び試料片Qの表面に焦点が合っていない状態から試料S及び試料片Qの表面に焦点が合っている状態へと遷移させる。例えば、制御装置21は、鏡筒33のZ軸座標が所定値Zaよりも大きいことによって干渉縞Faが観測されない又は干渉縞Faが明瞭ではない状態から、干渉縞Faがより明瞭に観測される状態に遷移した場合のZ軸座標(=所定値Za)に基づいて、試料片QのZ位置を把握する。さらに、制御装置21は、干渉縞Faの間隔が光源51からの照射光の波長に依存し、干渉縞Faの分布(例えば、干渉縞Faの数など)が観察対象の表面の高低差に対応することに基づいて、試料S及び試料片Qの表面に観察される干渉縞Faの数から試料片QのZ位置をより詳細に把握してもよい。
次に、制御装置21は、観察用カメラ73から出力される顕微鏡像の信号に基づき、ピンセット81の一対のアーム81aの先端部の位置を把握する(ステップS13)。一対のアーム81aの先端部の位置は、例えば、X軸座標及びY軸座標によって指定される位置である。制御装置21は、例えば、鏡筒駆動機構35によって鏡筒33をZ軸方向に移動させて、一対のアーム81aの先端部での合焦時(つまり、顕微鏡像にて観測される干渉縞の強度又はコントラストが最大となる時等)の視野中心との相対位置関係をX軸座標及びY軸座標によって把握する。
図8は、実施形態に係る試料片移設装置10のピンセット81の一対のアーム81aの顕微鏡像でのフォーカスの状態及び干渉縞Fbの例を示す図である。
図8に示すように、制御装置21は、鏡筒33のZ軸方向の移動によって、一対のアーム81aの先端部表面に焦点が合っていない状態から一対のアーム81aの先端部表面に焦点が合っている状態へと遷移させる。例えば、制御装置21は、Z軸座標が所定値Zbよりも大きいことによって干渉縞Fbが観測されない若しくは干渉縞Fbが明瞭ではない状態又はZ軸座標が所定値Zbよりも小さいことによって一対のアーム81aの先端部以外(中央部等)に干渉縞Fbが観測される状態から、一対のアーム81aの先端部で干渉縞Fbがより明瞭に観測される状態に遷移した場合のZ軸座標(=所定値Zb)に基づいて、一対のアーム81aの先端のZ位置を把握する。さらに、制御装置21は、干渉縞Fbの間隔が光源51からの照射光の波長に依存し、干渉縞Fbの分布(例えば、干渉縞Fbの数など)が観察対象の表面の高低差に対応することに基づいて、一対のアーム81aの先端部の表面に観察される干渉縞Fbの数に応じて一対のアーム81aの先端のZ位置をより詳細に把握してもよい。
また、制御装置21は、既知である一対のアーム81aの先端部の形状及び寸法に基づいて、一対のアーム81aの先端のZ位置をより詳細に把握してもよい。
図9は、実施形態に係る試料片移設装置10のピンセット81の一対のアーム81aの顕微鏡像でのフォーカスの状態及び干渉縞Fc1,Fc2の例を示す図であって、一対のアーム81aが試料片Qに接近する状態の図である。
図9に示すように、制御装置21は、試料S及び試料片Qの表面での合焦によって干渉縞Fc1が観測される状態で開状態であるピンセット81の一対のアーム81aをZ軸方向に徐々に移動させることによって、一対のアーム81aの先端部に干渉縞Fc2が観測されて、一対のアーム81aの先端によって試料片Qを保持することができる状態へと移行する。
なお、制御装置21は、例えば、観察用カメラ73から出力される顕微鏡像にて検出される試料片Qの表面の干渉縞に歪みが生じた場合に、一対のアーム81aの先端が試料片Qに接触したと判定してもよい。
図10は、実施形態に係る試料片移設装置10のピンセット81の一対のアーム81aの顕微鏡像でのフォーカスの状態及び干渉縞Fc1,Fc2の例を示す図であって、一対のアーム81aが試料片Qを保持する状態の図である。
図10に示すように、制御装置21は、試料S及び試料片Qの表面並びにピンセット81の一対のアーム81aの先端部での合焦によって干渉縞Fc1,Fc2が観測される状態にて、一対のアーム81aの先端によって試料片Qを厚さ方向の両側から挟み込んで把持する。制御装置21は、試料片Qを保持する一対のアーム81aを適宜の方向(例えば、試料片Qの厚さ方向等)に変位させることによって、試料Sの支持部Qa(図2参照)による試料片Qの支持を解除し、試料Sから試料片Qを分離する。
図11は、実施形態に係る試料片移設装置10のピンセット81の一対のアーム81aの顕微鏡像でのフォーカスの状態及び干渉縞Fc2の例を示す図であって、試料片Qを保持する一対のアーム81aが試料Sから退避する状態の図である。
図11に示すように、制御装置21は、例えば、ピンセット81の一対のアーム81aの先端部での合焦を維持して干渉縞Fc2が観測される状態にて、試料片Qを保持する一対のアーム81aを試料Sから退避させる。
次に、制御装置21は、試料片Qの取り付け後の試料片ホルダPの顕微鏡像、試料片ホルダPでの試料片Qの取り付け位置及び取り付け姿勢等の情報を、レシピ情報生成装置7のレシピ情報に追加する(ステップS23)。
この判定結果が「YES」の場合、制御装置21は、処理を上述したステップS08に戻す。一方、この判定結果が「NO」の場合、制御装置21は、処理をステップS25に進める。
以上により、一連の自動的な試料片Qの移設動作が終了する。
なお、上述したスタートからエンドまでのフローは一例にすぎず、全体の流れに支障が出なければ、適宜のステップの入れ替え及びスキップを行なってもよい。制御装置21は、上述したスタートからエンドまでを連続動作させることで、無人で移設動作を実行することができる。
いわゆる二光束干渉の光学系である鏡筒33に備えられる観察用カメラ73から出力される画像にて検出される干渉縞に基づいて、ステージ駆動機構31b、鏡筒駆動機構35及びピンセット駆動機構83を制御する制御装置21を備えることによって、ピンセット81の一対のアーム81aによる試料Sからの試料片Qの摘出及び試料片Qの試料片ホルダPへの搬送を精度良く実行することができる。
以下、実施形態の変形例について説明する。なお、上述した実施形態と同一部分については、同一符号を付して説明を省略又は簡略化する。
Claims (6)
- 試料片が形成された試料から前記試料片を試料片ホルダに搬送する試料片搬送機構と、
荷電粒子ビーム装置によって荷電粒子ビームを前記試料に照射することによって前記試料片を作製する加工に関する情報に基づき、前記試料片搬送機構を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置によって制御される前記試料片搬送機構は、前記試料片を前記試料から分離及び摘出して、前記試料片を保持して前記試料片ホルダに搬送する、ことを特徴とする試料片移設装置。 - 前記試料片が形成された前記試料及び前記試料片ホルダの各々を保持するステージと、
前記ステージを移動させるステージ駆動機構と、
光源から発する所定光を分割して観察対象及び参照面に照射するとともに、前記観察対象からの反射光と前記参照面からの反射光とを合成して、2つの前記反射光の干渉状態を示す合成光を結像させる光学系と、
前記光学系によって結像された像を撮像して得られる画像の信号を出力する撮像装置と、
前記光学系と前記ステージとの間の距離を変化させるように前記光学系を前記ステージに対して移動させる光学系駆動機構と、
を備え、
前記制御装置は、前記加工に関する情報と、前記撮像装置が出力する前記画像にて検出する前記干渉状態とに基づき、前記試料片搬送機構、前記ステージ駆動機構及び前記光学系駆動機構を制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載の試料片移設装置。 - 前記制御装置は、
前記光学系駆動機構によって前記光学系を移動させながら前記画像にて検出される干渉縞の強度又はコントラストが最大となる場合の前記光学系の実空間での位置を示す座標データに応じて前記観察対象の位置を検知する、
ことを特徴とする請求項2に記載の試料片移設装置。 - 前記制御装置は、
前記干渉縞の分布に応じて前記観察対象の位置を検知する、ことを特徴とする請求項3に記載の試料片移設装置。 - 前記制御装置は、
前記試料片搬送機構の駆動時に前記撮像装置が出力する前記画像にて検出される前記干渉縞に歪みが生じた場合に、前記試料片搬送機構の試料片保持部又は前記試料片保持部によって保持される前記試料片と前記観察対象とが接触したと判定する、ことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の試料片移設装置。 - 前記光学系によって結像された像を撮像する前記撮像装置である第1撮像装置と、
前記観察対象を撮像して得られる画像の信号を出力する第2撮像装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記第2撮像装置が出力する前記画像にて検出される基準マークの位置情報に応じて前記観察対象の位置を検知する、
ことを特徴とする請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の試料片移設装置。
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