JPH05312700A - Apparatus for preparing transmission electron microscope sample - Google Patents

Apparatus for preparing transmission electron microscope sample

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Publication number
JPH05312700A
JPH05312700A JP14495792A JP14495792A JPH05312700A JP H05312700 A JPH05312700 A JP H05312700A JP 14495792 A JP14495792 A JP 14495792A JP 14495792 A JP14495792 A JP 14495792A JP H05312700 A JPH05312700 A JP H05312700A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sample
thin
electron microscope
transmission electron
etching
Prior art date
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Pending
Application number
JP14495792A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuo Shimizu
水 延 男 清
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To make a plurality of thin samples which have been completed with dimpling into final thin pieces together by a relatively simple structured dry etching device. CONSTITUTION:When a sample is made into a thin piece by dry etching for observation of a structure/organization of a semiconductor or metal by a transmission electron microscope, reactive gas is introduced into a vacuum chamber 2 where a pair of electrodes 4, 5 are placed in parallel inside to allow reactive ion etching. A plurality of thin piece samples T are mounted in parallel in a plane on one of the electrodes 5, a sample holding part 11 formed with etching openings 16, 17, and a rotating mechanism 12 for rotating this sample holding part 11 are placed. After one face of the thin piece sample is etched, the sample holding part 11 is rotated 180 deg. by the rotating mechanism 12 to etch the other face.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、半導体、絶縁体ある
いは金属等の結晶材料などの構造・微細組織を透過電子
顕微鏡で観察できるように、結晶材料などをドライエッ
チングで薄片化する透過電子顕微鏡試料の作製装置に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a transmission electron microscope for thinning a crystal material or the like by dry etching so that the structure or fine structure of the crystal material such as a semiconductor, an insulator or a metal can be observed with the transmission electron microscope. The present invention relates to a sample preparation device.

【0002】[0002]

【従来の技術】透過電子顕微鏡は、高電圧に加速した電
子を結晶材料中に透過させ、結晶材料中での電子の散乱
による回折波を像として観察するものであり、半導体や
金属などの結晶材料の構造、表面形態あるいは欠陥など
を高い分解能で観察できるように、試料としての結晶材
料をきわめて薄くする必要がある。このような透過電子
顕微鏡試料は、基本的には二つの工程で作製することが
できる。第一番目の工程は、観察しようとする断面(あ
るいは平面でもよいが、ここでは断面構造の観察例につ
いて述べる。)を接着・カット・荒研磨・ディンプリン
グ加工等により、外径3mm、外周部の厚さが約200
μmの円板状の試料とし、さらにこの中央部の厚さが約
15μmで、その表面が両面とも鏡面に研磨された凹面
状の薄片試料を作製する工程である。
2. Description of the Related Art A transmission electron microscope transmits electrons accelerated to a high voltage through a crystalline material and observes a diffracted wave due to scattering of electrons in the crystalline material as an image. It is necessary to make the crystalline material as a sample extremely thin so that the structure, surface morphology, defects, etc. of the material can be observed with high resolution. Such a transmission electron microscope sample can be basically manufactured in two steps. In the first step, the cross section to be observed (or it may be a flat surface, but here is an example of observation of the cross-sectional structure.) Is adhered, cut, rough-polished, dimpled, etc. to have an outer diameter of 3 mm and an outer peripheral portion. Is about 200
In this step, a disc-shaped sample having a thickness of about 15 μm is prepared at the central portion, and both surfaces thereof are mirror-polished.

【0003】図6はこの第一の工程で作製された断面観
察用の薄片試料を示したものである。(a) は外観の斜視
図、(b) は断面図、(c) は薄片試料の中央部拡大図であ
る。この図において、薄片試料Tは、補強材51により
補強された結晶材料50の観察面を互いに向き合わせ、
きわめて薄い接着層52で貼り合わせた後、板状に切り
出し、表面を研磨し、ディンプリング加工により中央部
を凹ませて得られる。しかし、このままでは、結晶材料
が厚く、電子線を入射しても透過像を観察することがで
きないため、第二番目の工程により、薄片化した試料を
さらに薄片化する。この第二の工程は、Arガス雰囲気
中でのイオンミーリング(イオンビームエッチング)で
あり、薄片試料の中央部厚さが約3000オングストロ
ームまで極薄片化される。
FIG. 6 shows a thin piece sample for cross-section observation manufactured in the first step. (a) is a perspective view of the external appearance, (b) is a cross-sectional view, and (c) is an enlarged view of the central portion of the thin sample. In this figure, the thin piece sample T is such that the observation surfaces of the crystalline material 50 reinforced by the reinforcing material 51 face each other,
After bonding with an extremely thin adhesive layer 52, it is obtained by cutting out into a plate shape, polishing the surface, and denting the central portion by dimpling. However, as it is, since the crystal material is thick and the transmission image cannot be observed even when the electron beam is incident, the thinned sample is further thinned by the second step. The second step is ion milling (ion beam etching) in an Ar gas atmosphere, and the thin section sample is extremely thinned to a thickness of about 3000 angstroms at the center.

【0004】上述した二工程を経て、結晶材料は透過電
子顕微鏡で観察できるが、第一、第二の工程とも労力と
高価な設備がかかり、効率的な試料作製法の開発が必要
である。第二の工程に関しては、Arイオンミーリング
の専用装置が市販されており、その代表例として、Ga
tan社製のDual ion mill Model 600 が使用されてい
る。Arイオンミーリングは、ドライエッチングの一種
であり、Arイオンを加速して試料表面に当て、試料表
面の原子を物理的にスパッタしてエッチングする方法で
ある。一般に、ディンプリングにより薄片研磨された結
晶材料の鏡面層には加工歪みが生じているため、電子顕
微鏡試料作製用のArイオンミーリング装置では、この
加工歪みを除去しつつ約3000オングストローム程度
の厚さに薄片化するとともに、このイオンビーム工程自
身によるArイオンビーム衝撃のダメージ層の発生を防
止するために、試料を10〜20rpmで自転回転させ
つつ、試料へのArイオンビームの入射角を10〜20
度に傾斜させ、斜め入射によるイオンエッチングを行っ
ている。
Although the crystalline material can be observed with a transmission electron microscope through the above-mentioned two steps, labor and expensive equipment are required in both the first and second steps, and it is necessary to develop an efficient sample preparation method. Regarding the second step, a dedicated apparatus for Ar ion milling is commercially available.
A tan Dual ion mill Model 600 is used. Ar ion milling is a type of dry etching, and is a method of accelerating Ar ions and applying them to the sample surface to physically sputter the atoms on the sample surface for etching. In general, since the mirror surface layer of the crystal material thinly polished by the dimpling has a processing strain, the Ar ion milling apparatus for preparing an electron microscope sample has a thickness of about 3000 angstroms while removing the processing strain. In order to prevent the formation of a damaged layer due to the Ar ion beam impact due to the ion beam process itself, the sample is rotated at 10 to 20 rpm while the incident angle of the Ar ion beam to the sample is 10 to 10 rpm. 20
Ion etching is performed by obliquely incident the light at an angle.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ようなArイオンミーリング装置においては、装置自体
の構造が複雑であるとともに、イオンビームを傾斜させ
たり、試料を自転回転させることから、また特に試料を
薄片化する断面観察用試料の場合は、二方向にイオンを
入射させるため高周波電源が二台必要となるなどから、
装置構成が複雑で高価となるとともに、試料作製のため
の熟練技術が必要であり、試料作製のスループットがき
わめて低く(1日当たりの試料作製数は1〜2個であ
る)、観察コストが高くなる問題がある。特に、生産現
場や研究機関においては、電子顕微鏡観察によって得ら
れる情報を短期間で研究開発にフィードバックできるこ
とが要求されるため、イオンエッチング工程で多数個の
試料を一括で作製するような効率的な透過電子顕微鏡用
のイオンエッチング装置の実現が強く望まれている。な
お、第二工程の構造複雑で高価なイオンミーリングを、
研削砥石にスラリーを供給して加工する工程に代え、第
一工程と第二工程を同一装置で行えるようにした透過電
子顕微鏡試料の作製方法もある(特願平2-179587号[ 特
開平4-66840号])が、この方法によっても多数個の試料
を一括して作製することはできず、効率的な作製を行え
ない。
However, in the Ar ion milling apparatus as described above, the structure of the apparatus itself is complicated, and since the ion beam is tilted and the sample is rotated about its axis, particularly the sample is rotated. In the case of a cross-section observation sample for thinning, it is necessary to use two high-frequency power supplies because ions are injected in two directions.
The device configuration is complicated and expensive, and requires skilled techniques for sample preparation, the throughput of sample preparation is extremely low (the number of sample preparations per day is 1-2), and the observation cost is high. There's a problem. In particular, production sites and research institutions are required to be able to feed back information obtained by electron microscope observations to R & D in a short period of time, so it is efficient to prepare a large number of samples at once in the ion etching process. Realization of an ion etching apparatus for a transmission electron microscope is strongly desired. In addition, the complicated and expensive ion milling of the second step,
There is also a method of preparing a transmission electron microscope sample in which the first step and the second step can be performed by the same apparatus instead of the step of supplying the slurry to the grinding wheel and processing (Japanese Patent Application No. 2-179587). -66840]), it is not possible to make a large number of samples at once by this method, and it is not possible to make efficient production.

【0006】この発明は、前述のような状況に鑑みてな
されたもので、その目的は、ディンプリング加工が終了
した複数の薄片試料をドライエッチング装置で一括して
同時に最終薄片化加工することができ、試料作製時間の
短縮、再現性の向上、装置価格の大幅な低減を実現する
ことのできる透過電子顕微鏡試料の作製装置を提供する
ことにある。
The present invention has been made in view of the above-described situation, and an object thereof is to simultaneously perform final thinning processing on a plurality of thin sample pieces that have been subjected to dimpling processing all together by a dry etching apparatus. It is an object of the present invention to provide a transmission electron microscope sample preparation apparatus that can realize a reduction in sample preparation time, an improvement in reproducibility, and a significant reduction in apparatus cost.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この発明は前記目的を達
成するために、次のような構成とした。すなわち、材料
の構造や微細組織を透過電子顕微鏡で観察できるよう
に、材料をドライエッチングで薄片化して透過電子顕微
鏡試料を得る作製装置を、内部に一対の電極が平行に対
向配置され、導入された反応性ガスにより反応性イオン
エッチングがなされる真空チャンバーと、複数の薄片試
料が平板面内に平行に、かつ着脱可能に装着され、薄片
試料の表裏面が露出し得る開口部を備えた試料保持部
と、この試料保持部を薄片試料の表裏面のエッチングが
可能となるように回転させる回転機構から構成する。前
記真空チャンバーは、市販の平行平板形反応性イオンエ
ッチング装置を利用することもできるし、新たに制作し
たものを用いることもできる。回転機構は、複数の試料
保持部を外部から一括して180°回転できる機構であ
ればよく、例えばラック、ピニオン、プッシュロッドに
よる方式を採用することができる。
In order to achieve the above object, the present invention has the following constitution. That is, in order to observe the structure and microstructure of a material with a transmission electron microscope, a manufacturing apparatus for obtaining a transmission electron microscope sample by thinning the material by dry etching is introduced with a pair of electrodes facing each other in parallel. A sample equipped with a vacuum chamber in which reactive ion etching is performed with a reactive gas, and a plurality of thin sample pieces mounted in parallel in the plane of the plate and detachably attached, and the front and back surfaces of the thin sample pieces can be exposed. The holding unit and a rotating mechanism that rotates the sample holding unit so that the front and back surfaces of the thin sample can be etched. As the vacuum chamber, a commercially available parallel plate type reactive ion etching device can be used, or a newly manufactured one can be used. The rotating mechanism may be a mechanism capable of collectively rotating a plurality of sample holders by 180 ° from the outside, and for example, a system using a rack, a pinion, or a push rod can be adopted.

【0008】[0008]

【作用】第一の工程でディンプリング加工した複数の薄
片試料を試料保持部に装着し、この試料保持部を真空チ
ャンバー内の一方の電極に設置する。真空チャンバー内
を高真空にした後、反応性ガスを導入し、反応性イオン
エッチングを行う。薄片試料の一方の面のエッチングが
終了すると、回転機構により試料保持部を180°回転
させ、もう一方の面の反応性イオンエッチングを行う。
比較的簡単な構造で薄片試料の両面をエッチングでき
る。反応性イオンエッチングにおいては、イオン衝撃に
よる試料へのエッチングと同時に、試料表面と反応性イ
オンとの化学反応によりエッチングが進行するため、イ
オン入射角の調整などの熟練技術を要せずに、多数の薄
片試料を一括して最終薄片化することができる。
In the first step, a plurality of thin sample pieces subjected to the dimpling process are mounted on the sample holder, and the sample holder is installed on one electrode in the vacuum chamber. After the inside of the vacuum chamber is set to a high vacuum, reactive gas is introduced and reactive ion etching is performed. When etching of one surface of the thin sample is completed, the sample holder is rotated by 180 ° by the rotating mechanism, and reactive ion etching of the other surface is performed.
Both sides of a thin sample can be etched with a relatively simple structure. In reactive ion etching, since the etching proceeds due to the chemical reaction between the sample surface and the reactive ions at the same time that the sample is etched by ion bombardment, many techniques are required without adjusting the ion incident angle. It is possible to collectively make the final thin pieces of the thin sample.

【0009】[0009]

【実施例】以下、この発明を図示する一実施例に基づい
て説明する。図1はこの発明の透過電子顕微鏡試料の作
製装置を示す全体概略図、図2はその試料装着部を示す
斜視図、図3は試料装着部の試料保持部分を拡大して示
した斜視図である。図1に示すように、この発明の作製
装置1は、主として真空チャンバー2と試料装着部3か
ら構成される。真空チャンバー2は、陽極4、水冷付き
陰極5、反応性ガス導入部6、ロータリーポンプ7、拡
散ポンプ8、リークバルブ9、高周波電源10等を備
え、平行平板形反応性イオンエッチング装置が構成され
るようにする。このような作製装置1のうち、試料装着
部3を除いて市販の反応性イオンエッチング装置(例え
ば、ANELVA社DEM451など)を代用することが可能であ
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to an illustrated embodiment. FIG. 1 is an overall schematic view showing an apparatus for producing a transmission electron microscope sample of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing a sample mounting portion thereof, and FIG. 3 is an enlarged perspective view showing a sample holding portion of the sample mounting portion. is there. As shown in FIG. 1, the manufacturing apparatus 1 of the present invention mainly includes a vacuum chamber 2 and a sample mounting unit 3. The vacuum chamber 2 is provided with an anode 4, a water-cooled cathode 5, a reactive gas introduction part 6, a rotary pump 7, a diffusion pump 8, a leak valve 9, a high frequency power source 10, etc., and constitutes a parallel plate type reactive ion etching apparatus. To do so. In such a manufacturing apparatus 1, it is possible to substitute a commercially available reactive ion etching apparatus (for example, DEM451 manufactured by ANELVA) except for the sample mounting section 3.

【0010】陽極4と陰極5は、真空チャンバー2内に
互いに平行に配設された平行平板形の放電電極であり、
陽極4は上部に設置され、陰極5は下部に設置されて高
周波電源10が接続される。ロータリポンプ7と拡散ポ
ンプ8により高真空となった真空チャンバー2内にフル
オロカーボン等の反応性ガスが導入され、反応性イオン
エッチングがなされる。反応性イオンエッチングは、加
速したイオンビームにより物理的にスパッタリングする
Arイオンビームエッチングとは異なり、電界で加速さ
れたイオンが試料に垂直に入射して試料表面がスバッタ
リングされる効果と、衝突した反応性イオンと試料表面
との化学反応による効果でエッチングがなされる。
The anode 4 and the cathode 5 are parallel plate type discharge electrodes arranged in parallel in the vacuum chamber 2.
The anode 4 is installed in the upper part, the cathode 5 is installed in the lower part, and the high frequency power supply 10 is connected. The rotary pump 7 and the diffusion pump 8 introduce a reactive gas such as fluorocarbon into the high-vacuum vacuum chamber 2 for reactive ion etching. Reactive ion etching is different from Ar ion beam etching, which physically sputters with an accelerated ion beam, and has the effect that ions accelerated by an electric field are perpendicularly incident on the sample to scatter the sample surface. Etching is performed by the effect of the chemical reaction between the generated reactive ions and the sample surface.

【0011】試料装着部3は、図2に示すように、複数
の薄片試料Tが装着される複数の試料保持部11、これ
ら試料保持部11を回転させる回転機構12からなり、
下部の陰極5上に載置される。試料保持部11は、図3
に示すように、ディンプリング加工が終了した円板状の
薄片試料Tを複数装着する平面視長方形状の板部材であ
り、基板13とホルダ板14からなる。基板13には、
薄片試料Tの外径より僅かに大きい内径の装着穴15が
長手方向に間隔をおいて複数穿設され、この装着穴15
に薄片試料Tが挿入される。また、この装着穴15に
は、薄片試料Tの外径より僅かに小さい内径の円形開口
部(エッチング窓)16が同心で穿設され、薄片試料T
の表面をエッチングできるようにされている。ホルダ板
14は、基板13にネジ等により取り付けられ、薄片試
料Tが落下しないように保持する蓋部材であり、円形開
口部16と同径の円形開口部17が円形開口部16位置
に対応させて複数穿設されている。なお、これらの部材
にはステンレス鋼を使用する。
As shown in FIG. 2, the sample mounting section 3 comprises a plurality of sample holding sections 11 on which a plurality of thin sample T are mounted, and a rotation mechanism 12 for rotating these sample holding sections 11.
It is placed on the lower cathode 5. The sample holder 11 is shown in FIG.
As shown in FIG. 3, the plate member is a rectangular plate member in plan view on which a plurality of disk-shaped thin sample T that has been subjected to the dimpling process are mounted, and includes a substrate 13 and a holder plate 14. The substrate 13 has
A plurality of mounting holes 15 having an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the thin piece sample T are provided at intervals in the longitudinal direction.
A thin piece sample T is inserted into. Further, a circular opening (etching window) 16 having an inner diameter slightly smaller than the outer diameter of the thin sample T is bored concentrically in the mounting hole 15, and the thin sample T
The surface of the can be etched. The holder plate 14 is a lid member that is attached to the substrate 13 with screws or the like and holds the thin sample T so that it does not drop. A circular opening 17 having the same diameter as the circular opening 16 corresponds to the position of the circular opening 16. Have been drilled. In addition, stainless steel is used for these members.

【0012】回転機構12は、複数の試料保持部11を
同時に回転させる機構であり、ピニオン18、一対のラ
ックガイド19、駆動ラック20、プッシュロッド21
などから構成される。基板13の長手方向両端部におけ
る端面に、回転軸22を試料保持部11の中心軸と一致
するように突設し、この回転軸22にピニオン18を取
り付ける。ラックガイド19は上面に、ピニオン18に
噛合するラックが形成され、試料保持部11を回転移動
可能に案内支持する部材であり、陰極5上に所定の間隔
をおいて配置される。このラックガイド19は、陰極5
に一体的に形成しておいてもよい。駆動ラック20は、
ラックガイド19に対向する一対のラック部分20a
と、これらラック部分を連結する連結部分20bとから
平面視コ字上に形成され、ラック部分20a下部のラッ
クがピニオン18に噛合するように配置され、下部のラ
ックガイド19とで上下から挟持してピニオン18を回
転駆動する部材である。この駆動ラック20はそのラッ
ク部分20aを図示しないガイドレールなどによりスラ
イド可能に案内支持させる。
The rotating mechanism 12 is a mechanism for simultaneously rotating a plurality of sample holders 11, and includes a pinion 18, a pair of rack guides 19, a drive rack 20, and a push rod 21.
Etc. A rotary shaft 22 is provided on both end surfaces of the substrate 13 in the longitudinal direction so as to coincide with the central axis of the sample holder 11, and the pinion 18 is attached to the rotary shaft 22. The rack guide 19 is a member on the upper surface of which a rack that meshes with the pinion 18 is formed, and is a member that guides and supports the sample holding unit 11 in a rotatable manner, and is arranged on the cathode 5 at a predetermined interval. This rack guide 19 is for the cathode 5
It may be formed integrally with the. The drive rack 20 is
A pair of rack portions 20a facing the rack guide 19
And a connecting portion 20b connecting these rack portions in a U shape in a plan view, the rack at the lower portion of the rack portion 20a is arranged so as to mesh with the pinion 18, and is sandwiched from above and below by the lower rack guide 19. Is a member for rotating and driving the pinion 18. The drive rack 20 has a rack portion 20a slidably guided and supported by a guide rail or the like (not shown).

【0013】プッシュロッド21は先端が駆動ラックの
連結部分20bに当接して駆動ラック20を押圧移動さ
せる部材であり、基端部を真空チャンバー2の外部に突
出させることにより、外部から手動で、あるいは駆動装
置により作動できるようにする。また、このプッシュロ
ッド21と真空チャンバー2の側壁との間には、Oリン
グなどを配設して気密性が保持されるようにする。真空
チャンバー2の外部で試料保持部11に複数の薄片試料
Tを装着し、この試料保持部11のピニオン18をラッ
クガイド19上に載置し、駆動ラック20を移動させ、
ラックガイド19と駆動ラック20により上下からピニ
オン18を挟持して試料保持部11を水平に保持する。
薄片試料の一方の面のエッチングが終了すると、プッシ
ュロッド21を押送することにより駆動ラック20を移
動させ、試料保持部11を180°回転させる。このよ
うな構造であれば、平面的な構成で、また簡単な構造で
複数の試料保持部11を同時に回転させることができ
る。また、この回転機構は、これに限らず、外部から操
作ができ、かつ複数の試料保持部を同時に回転できるそ
の他の構成の回転機構を使用できることはいうまでもな
い。
The push rod 21 is a member whose tip abuts on the connecting portion 20b of the drive rack and pushes and moves the drive rack 20, and by manually projecting the base end from the outside of the vacuum chamber 2 from the outside. Alternatively, it can be operated by a driving device. Further, an O-ring or the like is provided between the push rod 21 and the side wall of the vacuum chamber 2 so that airtightness is maintained. Outside the vacuum chamber 2, a plurality of thin sample T is mounted on the sample holder 11, the pinion 18 of the sample holder 11 is placed on the rack guide 19, and the drive rack 20 is moved.
The sample holder 11 is held horizontally by sandwiching the pinion 18 from above and below by the rack guide 19 and the drive rack 20.
When the etching of one surface of the thin sample is completed, the push rod 21 is pushed to move the drive rack 20 and rotate the sample holder 11 by 180 °. With such a structure, it is possible to simultaneously rotate the plurality of sample holders 11 with a planar structure and a simple structure. Further, it goes without saying that this rotation mechanism is not limited to this, and a rotation mechanism having another configuration that can be operated from the outside and that can simultaneously rotate a plurality of sample holding units can be used.

【0014】以上のような構成の作製装置1を用いて透
過電子顕微鏡試料を作製する工程について説明する。 (1) 従来技術の項で述べた第一の工程でディンプリング
加工した複数の薄片試料( 外径3mm、厚さ約200μ
m、最薄片層約15μm)を、試料保持部11の基板1
3の装着穴15内に挿入し、基板13にホルダ板14を
固定する。 (2) この試料保持部11をラックガイド19上に配置
し、エッチングを行う試料面が上となるように水平に保
持する。 (3) 真空チャンバー2内をロータリーポンプ7で排気し
た後、拡散ポンプ8で高真空にする。 (4) 真空チャンバー2内に反応性ガス導入部6からCF
4 を流量30cc/minで導入し、約3Paの圧力中
で150Wの高周波電力(13.56MHz)を印加
し、反応性イオンエッチングを行う。 (5) エッチング時間が約1時間経過した後、真空チャン
バー2外からプッシュロッド21を押して試料保持部1
1を180°回転させ、薄片試料Tの裏面を反応性イオ
ンエッチングする。 (6) 約1時間エッチングした後、真空チャンバー2内に
大気を導入し、薄片試料を取り出す。以上の工程により
透過電子顕微鏡試料が作製できた。
A process of producing a transmission electron microscope sample using the production apparatus 1 having the above-described structure will be described. (1) A plurality of thin-section samples (external diameter 3 mm, thickness about 200 μm) that have been dimpled in the first step described in the section of the prior art.
m, the thinnest piece layer is about 15 μm) on the substrate 1 of the sample holding unit 11.
The holder plate 14 is fixed to the substrate 13 by inserting the holder plate 14 into the mounting hole 15 of No. 3. (2) The sample holding unit 11 is placed on the rack guide 19 and held horizontally so that the sample surface to be etched faces up. (3) The vacuum chamber 2 is evacuated by the rotary pump 7, and then the diffusion pump 8 is evacuated to a high vacuum. (4) CF from the reactive gas introduction part 6 into the vacuum chamber 2
4 is introduced at a flow rate of 30 cc / min, high-frequency power of 150 W (13.56 MHz) is applied under a pressure of about 3 Pa, and reactive ion etching is performed. (5) After the etching time of about 1 hour has passed, the push rod 21 is pushed from the outside of the vacuum chamber 2 to push the sample holder 1
1 is rotated 180 °, and the back surface of the thin sample T is subjected to reactive ion etching. (6) After etching for about 1 hour, air is introduced into the vacuum chamber 2 and the thin sample is taken out. Through the above steps, a transmission electron microscope sample could be produced.

【0015】〔具体例〕分子線ビームエピタキシー(M
BE)法により、シリコン(Si)基板(111)上
に、基板温度500°Cでゲルマニウム(Ge)を15
オングストローム成長させた試料について、Si基板と
Ge薄膜の成長界面の様子を観察するために、この発明
の作製装置1を利用して前述の作製工程により断面観察
用試料を作製し、加速電圧400KVの透過電子顕微鏡
で観察した。図4の写真は、Si基板上のGeの成長界
面を観察した例(断面TEM像)で、観察倍率は20万
倍である。この写真から、Geは基板上で層成長ではな
く、島状成長していることがわかり、Ge島の大きさは
約700オングストローム、その高さは約60オングス
トロームである。なお、この写真をさらに10倍以上に
拡大して、SiとGeの界面の格子像を観察することが
できた(図示省略)。
[Specific Example] Molecular beam epitaxy (M
The germanium (Ge) is deposited on the silicon (Si) substrate (111) at a substrate temperature of 500 ° C. by the BE method.
In order to observe the state of the growth interface between the Si substrate and the Ge thin film in the sample grown by angstrom, the sample for cross-section observation was prepared by the above-described manufacturing process using the manufacturing apparatus 1 of the present invention, and the acceleration voltage of 400 KV was applied. It was observed with a transmission electron microscope. The photograph of FIG. 4 is an example (cross-sectional TEM image) of observing the growth interface of Ge on the Si substrate, and the observation magnification is 200,000 times. From this photograph, it can be seen that Ge is not layer-grown on the substrate but island-shaped, and the size of Ge island is about 700 angstrom and its height is about 60 angstrom. Note that this photograph was further magnified 10 times or more, and a lattice image of the interface between Si and Ge could be observed (not shown).

【0016】図5の写真は前述の条件でSi基板上にG
eを成長させた試料について、Si基板上に成長したG
eの表面を観察するために、Si基板側をディンプリン
グにより薄片に鏡面加工した後、この発明の作製装置1
を用いて反応性イオンエッチングを終了した平面観察用
試料を示したものである。図5(a) は反応性イオンエッ
チングを終了したSi(111)基板の表面顕微鏡写真
である。試料中央部には反応性イオンエッチングで一部
に小穴(径約140μm)が形成されているが、この小
穴の周辺部には干渉縞が観察できるように、きわめて薄
いSi基板が形成されていることがわかる。図5(b) は
この薄いSi基板部を透過電子顕微鏡で観察したもの
で、倍率は20万倍である。Si基板表面の一部に約7
00オングストロームの大きさの島状のGeが成長して
いることがわかる。島状Geにはモアレ縞が観察される
が、この理由はSiとGeとの格子定数のわずかな(約
4%)違いによりモアレ縞が形成されたものである。図
4および図5(b) の写真の観察例から、Si基板上に成
長したGe結晶は島状となることが観察され、これはSt
ranski-Krastanovモード(SKモード)成長であり、G
eが臨界膜厚(9.8 オングストローム)を越えており、
層状成長から島状成長になったことがわかる。
The photograph of FIG. 5 shows a G on a Si substrate under the above-mentioned conditions.
For the sample in which e was grown, G grown on the Si substrate
In order to observe the surface of e, the Si substrate side is mirror-finished into a thin piece by dimpling, and then the manufacturing apparatus 1 of the present invention is used.
2 shows a sample for plane observation that has been subjected to reactive ion etching using. FIG. 5A is a surface micrograph of the Si (111) substrate after the reactive ion etching is completed. A small hole (diameter about 140 μm) is partially formed in the central part of the sample by reactive ion etching, and an extremely thin Si substrate is formed in the peripheral part of the small hole so that interference fringes can be observed. I understand. FIG. 5B shows the thin Si substrate portion observed with a transmission electron microscope, and the magnification is 200,000 times. About 7 on a part of Si substrate surface
It can be seen that island-shaped Ge having a size of 00 angstrom is growing. Moire fringes are observed on the island Ge, and the reason for this is that moiré fringes are formed due to a slight difference (about 4%) in lattice constant between Si and Ge. From the observation examples of the photographs in FIGS. 4 and 5 (b), it was observed that the Ge crystals grown on the Si substrate were island-shaped.
ranski-Krastanov mode (SK mode) growth, G
e exceeds the critical film thickness (9.8 Å),
It can be seen that the lamellar growth changed to island growth.

【0017】この発明の作製装置による観察試料と、従
来のArイオンビームエッチングで形成した観察試料と
を比較すると、この発明の方が格子像を明瞭に観察する
ことができた。この要因は、Arイオンビームエッチン
グではイオン衝撃による弱いダメージとして表面層にア
モルファス層が形成されたためである。一方、この発明
の反応性イオンエッチングにおいては、イオン衝撃によ
る試料へのエッチングと同時に、衝突した反応性イオン
とシリコン表面との化学反応によりエッチングが進行
し、観察時の電子線入射に対する表面散乱の影響が少な
いため、電子回折像がきわめて鮮明となり、分解能の高
い格子像が得られたのである。また、この発明の作製装
置による透過電子顕微鏡試料の作製上の利点としては、
第一に、試料保持部11を設置したことにより、複数の
小片(径3mm程度)の試料を平面上に同時に装着する
ことができるとともに、大気から真空へ、あるいは真空
から大気への排気操作時に、小片の試料が飛散しないこ
とである。第2には、シリコンLSIプロセスでの反応
性イオンエッチングと異なり、通常の透過電子顕微鏡試
料の作製においては、外観や大きさが同一でも、その観
察対象となる断面・平面構造が試料毎に異なっており、
観察部を黙視するだけでは複数の試料を区別することが
できないが、試料保持部11を設けたことにより、複数
の試料を番地化して区別できるという点にある。
Comparing the observation sample by the manufacturing apparatus of the present invention with the observation sample formed by the conventional Ar ion beam etching, the present invention was able to clearly observe the lattice image. This is because the Ar ion beam etching formed an amorphous layer on the surface layer as weak damage due to ion bombardment. On the other hand, in the reactive ion etching of the present invention, simultaneously with the etching of the sample by the ion bombardment, the etching proceeds due to the chemical reaction between the reactive ions colliding with the silicon surface, and the surface scattering of the electron beam incident during observation is observed. Since the influence was small, the electron diffraction image became extremely clear and a grid image with high resolution was obtained. Further, as an advantage in producing a transmission electron microscope sample by the producing apparatus of the present invention,
First, by installing the sample holder 11, it is possible to simultaneously mount a plurality of small samples (about 3 mm in diameter) on a flat surface, and at the time of exhaust operation from atmosphere to vacuum or from vacuum to atmosphere. That is, the small sample does not scatter. Secondly, unlike reactive ion etching in the silicon LSI process, in the preparation of ordinary transmission electron microscope samples, the cross-section / planar structure to be observed differs from sample to sample even if they have the same appearance and size. And
Although it is not possible to distinguish between a plurality of samples simply by glancing at the observation part, the provision of the sample holding part 11 allows the plurality of samples to be classified into addresses.

【0018】なお、実施例では、試料はシリコンについ
て説明したが、シリコンに限らず、ヒ化ガリウム、リン
化インジウムなどの半導体はじめシリコン酸化物や金属
などの広範囲の結晶材料を一括処理できることはいうま
でもない。また、実施例では、試料の断面構造と平面形
態を観察する試料の作製について説明したが、断面、平
面観察試料を同時に作製することもできる。
In the examples, the sample is silicon. However, it is not limited to silicon, and it is possible to collectively process a wide range of crystal materials such as semiconductors such as gallium arsenide and indium phosphide and silicon oxides and metals. There is no end. Further, in the examples, the preparation of the sample for observing the cross-sectional structure and the planar morphology of the sample has been described, but it is also possible to simultaneously prepare the cross-sectional and planar observation sample.

【0019】[0019]

【発明の効果】前述の通り、この発明は、材料をドライ
エッチングする真空チャンバーに平行平板形の反応性イ
オンエッチングタイプの装置を使用し、この真空チャン
バーに複数の薄片試料が装着される試料保持部を回転機
構により回転可能に配置するようにしたため、次のよう
な効果を奏する。 (1) ディンプリング加工の終了した10〜20個の薄片
試料を同時に一括して最終薄片化することができる。イ
オン入射角の調整などの熟練技術が不要となり、また試
料作製時間を大幅に短縮することができるため、スルー
プットの大幅な向上とともに観察時間の短縮が実現で
き、研究開発はじめ産業への貢献が大きく、観察コスト
の大幅な低減が実現できる。 (2) 反応性イオンエッチングであるため、試料へのダメ
ージが発生せず、電子回折像のきわめて鮮明な薄片試料
を一度に多数作製することができる。 (3) 平行平板形に試料保持部を設置するようにしたた
め、装置を簡単な構成とすることができ、小型化が容易
であり、また、従来のイオンビーム式に比べて装置価格
を大幅に低廉化することができる。 (4) 試料保持部により、多数の試料を平面上に同時に装
着できるとともに、真空排気時等に小片の試料が飛散す
ることがない。 (5) 試料保持部により、外観等が同一な複数の試料を番
地化して区別することができる。
As described above, according to the present invention, a parallel plate type reactive ion etching type apparatus is used in a vacuum chamber for dry etching a material, and a plurality of thin sample holders are mounted in the vacuum chamber. Since the parts are rotatably arranged by the rotating mechanism, the following effects are obtained. (1) It is possible to collectively make 10 to 20 thin-piece samples for which the dimpling process has been completed at the same time into the final thin pieces. Skills such as adjusting the ion incident angle are not required, and the sample preparation time can be greatly shortened, so that the throughput can be greatly improved and the observation time can be shortened, which greatly contributes to R & D and other industries. Therefore, the observation cost can be significantly reduced. (2) Since it is reactive ion etching, damage to the sample does not occur, and a large number of thin slice samples with extremely clear electron diffraction images can be prepared at one time. (3) Since the sample holder is installed in a parallel plate shape, the device can have a simple structure, can be easily miniaturized, and the device price can be significantly increased compared to the conventional ion beam type. The cost can be reduced. (4) The sample holder allows many samples to be mounted on a flat surface at the same time, and small samples do not scatter during evacuation. (5) With the sample holder, it is possible to distinguish a plurality of samples having the same external appearance by assigning addresses.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の透過電子顕微鏡試料の作製装置を示
す全体概略図である。
FIG. 1 is an overall schematic view showing an apparatus for producing a transmission electron microscope sample of the present invention.

【図2】図1の試料装着部を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a sample mounting portion of FIG.

【図3】図2の試料装着部における試料保持部分を示す
拡大斜視図である。
FIG. 3 is an enlarged perspective view showing a sample holding portion in the sample mounting portion of FIG.

【図4】この発明で作製した島状Ge/Si(111)
を透過電子顕微鏡で断面観察した顕微鏡写真(観察倍率
は20万倍)である。
FIG. 4 is an island-shaped Ge / Si (111) produced by the present invention.
2 is a photomicrograph of a cross-section observed with a transmission electron microscope (observation magnification is 200,000 times).

【図5】この発明で作製した島状Ge/Si(111)
を透過電子顕微鏡で表面観察した顕微鏡写真で、(a) は
観察試料の外観、(b) は観察倍率は20万倍の表面であ
る。
FIG. 5: Island Ge / Si (111) produced by the present invention
3A and 3B are micrographs of the surface observed with a transmission electron microscope, where (a) is the appearance of the observed sample and (b) is the surface with an observation magnification of 200,000 times.

【図6】ディンプリング工程を終了した薄片試料を示
し、(a) は斜視図、(b) は断面図、(c) は 中央を拡大
した平面図である。
6A and 6B show a thin piece sample after the dimpling step, where FIG. 6A is a perspective view, FIG. 6B is a sectional view, and FIG. 6C is an enlarged plan view of the center.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 透過電子顕微鏡試料の作製装置 2 真空チャンバー 3 試料装着部 4 陽極 5 水冷付き陰極 6 反応性ガス導入部 7 ロータリーポンプ 8 拡散ポンプ 9 リークバルブ 10 高周波電源 11 材料装着部 12 回転機構 13 基板 14 ホルダ板 15 装着穴 16 開口部 17 開口部 18 ピニオン 19 ラックガイド 20 駆動ラック 21 プッシュロッド 1 Transmission Electron Microscope Sample Preparation Device 2 Vacuum Chamber 3 Sample Mounting Section 4 Anode 5 Cathode with Water Cooling 6 Reactive Gas Introducing Section 7 Rotary Pump 8 Diffusion Pump 9 Leak Valve 10 High Frequency Power Supply 11 Material Mounting Section 12 Rotation Mechanism 13 Substrate 14 Holder Plate 15 Mounting hole 16 Opening 17 Opening 18 Pinion 19 Rack guide 20 Drive rack 21 Push rod

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成5年3月5日[Submission date] March 5, 1993

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】図4[Name of item to be corrected] Fig. 4

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図4】この発明で作製した島状Ge/Si(111)
を透過電子顕微鏡で断面観察した結晶構造の顕微鏡写真
(観察倍率20万倍)である。
FIG. 4 is an island-shaped Ge / Si (111) produced by the present invention.
2 is a photomicrograph of the crystal structure of which a cross section was observed with a transmission electron microscope (observation magnification: 200,000 times).

【手続補正2】[Procedure Amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】図5[Name of item to be corrected] Figure 5

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図5】この発明で作製した島状Ge/Si(111)
を透過電子顕微鏡で表面観察した結晶構造の顕微鏡写真
で、(a) は観察試料の外観、(b) は観察倍率20万倍の
表面である。
FIG. 5: Island Ge / Si (111) produced by the present invention
3A and 3B are micrographs of the crystal structure of the surface of which was observed with a transmission electron microscope. FIG.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 材料の構造や微細組織を透過電子顕微鏡
で観察できるように、材料をドライエッチングで薄片化
して透過電子顕微鏡試料を得る作製装置であって、 内部に一対の電極が平行に対向配置され、導入された反
応性ガスにより反応性イオンエッチングがなされる真空
チャンバーと、 複数の薄片試料が平板面内に平行に、かつ着脱可能に装
着され、薄片試料の表裏面が露出し得る開口部を備えた
試料保持部と、 この試料保持部を薄片試料の表裏面のエッチングが可能
となるように回転させる回転機構を備えていることを特
徴とする透過電子顕微鏡試料の作製装置。
1. A manufacturing apparatus for obtaining a transmission electron microscope sample by thinning a material by dry etching so that a structure and a fine structure of the material can be observed by a transmission electron microscope, wherein a pair of electrodes face each other in parallel. A vacuum chamber that is placed and is used for reactive ion etching by the introduced reactive gas, and a plurality of thin-plate samples that are mounted in parallel in the plane of the flat plate and are detachably mounted, and the front and back surfaces of the thin-plate samples can be exposed. An apparatus for producing a transmission electron microscope sample, comprising: a sample holder having a section; and a rotation mechanism that rotates the sample holder so that the front and back surfaces of a thin sample can be etched.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011039017A (en) * 2009-08-10 2011-02-24 Chemical Yamamoto:Kk Electrolytic polishing device of sample for analysis

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