CN107204268A - 聚焦离子束装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及聚焦离子束装置。提供一种能够以简易的结构使观察对象的微小样品片在聚焦离子束装置与样品观察装置之间容易地移动的聚焦离子束装置。具备：样品台，载置样品；聚焦离子束镜筒，向所述样品照射聚焦离子束来制作微小样品片；样品室，收容所述样品台和所述聚焦离子束镜筒；侧面插入型的托架，以能对所述样品室插拔的方式形成，能够在顶端侧保持所述微小样品片；以及样品片移动单元，使所述微小样品片在所述样品台和所述托架之间移动，所述样品台以能至少分别沿着沿水平面的x轴和与其成直角的y轴及沿铅垂方向的z轴移动的方式形成，在所述样品台的一端形成有与所述托架拆装自由地卡合并且伴随着该样品台的移动也使该托架移动的托架卡合部。

Description

聚焦离子束装置

技术领域

本发明涉及利用聚焦离子束从样品切出包含观察对象部位的微小样品片的聚焦离子束装置。

背景技术

例如，作为对半导体器件等样品的内部构造进行解析或者进行立体的观察的手法之一，已知使用装载有聚焦离子束（Focused Ion Beam；FIB）镜筒和电子束（ElectronBeam；EB）镜筒的复合带电粒子束装置来进行利用FIB的剖面形成加工和对其剖面进行利用EB扫描的扫描型电子显微镜（Scanning Electron Microscope；SEM）观察的剖面加工观察方法（例如，参照专利文献1）。

关于该剖面加工观察方法，将利用FIB的剖面形成加工称为切（Cut）并且将利用EB的剖面观察称为看（See）而重复切和看来构筑三维图像的一系列的手法已知为切&看。在该手法中，能够根据再构筑的三维立体像从各种方向观察对象样品的立体的形体。进而，具有能够再现对象样品的任意的剖面像这样的、对于其他的方法没有的优点。

另一方面，关于SEM，由于存在二次电子射线的宽度，所以在高倍率（高分辨率）的观察中存在界限，此外，所得到的信息也被限定于样品表面附近。因此，还已知使用了使加工为薄膜状的样品透射电子的透射型电子显微镜（Transmission Electron Microscopy：TEM）的观察方法。在利用TEM的观察中，能够观察样品内部的构造，并且，能够得到比SEM高倍率（高分辨率）的观察像。在这样的利用TEM的观察中使用的薄膜化后的微细的样品（以下，有时称为微小样品片。）的制作中，上述那样的利用FIB的剖面形成加工也是有效的。

可是，通常，TEM与SEM相比需要为高电压、高真空，因此，设备自身比SEM大型，难以为与FIB合并的装置。因此，已知有如下结构（例如，参照专利文献2）：在将通过利用FIB的剖面形成加工得到的微小样品片用作TEM的观察样品的情况下，能够使用在FIB装置和TEM装置中共同的样品支架，在FIB装置与TEM装置之间容易地移动样品。

在该专利文献2所记载的聚焦离子束装置中组合FIB加工和机械探针操作来从样品切出解析部位来形成微小样品片并装载于被称为TEM解析用的网状物的样品台的FIB微量采样（micro sampling）法中，在FIB装置和TEM中装载共同的侧面插入台，以使在FIB装置与TEM装置间的样品移动中不发生繁杂的网状物的更换。而且，做成如下结构：在从大块样品切出微小样品片时，为了使用FIB用的样品台来进行加工而使侧面插入支架移动到退避位置，在将切出后的微小样品片固定于侧面插入支架上的网状物时，使FIB用的样品台移动到退避位置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-270073号公报；

专利文献2：日本特许第4297736号公报。

发明要解决的课题

可是，在上述的专利文献2的发明中，存在如下这样的课题：在载置有进行FIB加工的样品的样品台、和将通过加工得到的微小样品片移动、导入到TEM装置中的侧面插入台的每一个中，需要能够进行在样品室内的微动的驱动机构。例如，在样品台和侧面插入台的每一个中设置有能够沿着xyz的每一个轴移动的驱动机构。因此，特别是以能插拔的方式形成于样品室的侧面插入台的构造复杂化，操作变得困难。

此外，还存在如下这样的课题：由于样品台和侧面插入台在样品室内能够分别独立地驱动，所以，为了这些样品台和侧面插入台的活动路线不彼此干扰而在样品台的可动范围和样品尺寸存在限制。

发明内容

本发明是鉴于前述的情况而完成的，其目的在于提供一种能够以简易的结构使观察对象的微小样品片在聚焦离子束装置与样品观察装置之间容易地移动的聚焦离子束装置。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本实施方式的若干个方式提供了以下那样的聚焦离子束装置。

即，本发明的聚焦离子束装置的特征在于，具备：样品台，载置样品；聚焦离子束镜筒，向所述样品照射聚焦离子束来制作微小样品片；样品室，收容所述样品台和所述聚焦离子束镜筒；侧面插入型的托架，以能对所述样品室插拔的方式形成，能够在顶端侧保持所述微小样品片；以及样品片移动单元，使所述微小样品片在所述样品台和所述托架之间移动，所述样品台以能至少分别沿着沿水平面的x轴和与其成直角的y轴及沿铅垂方向的z轴移动的方式形成，在所述样品台的一端形成有与所述托架拆装自由地卡合并且伴随着该样品台的移动也使该托架移动的托架卡合部。

根据本实施方式的聚焦离子束装置，为使托架经由托架卡合部与样品台卡合的结构，由此，即使不在托架形成沿着x轴、y轴、z轴的移动单元，也能够使托架的位置自由地移动。由此，能够将托架自身小型、轻量化，也能够省略其驱动结构。而且，除了样品台的位置移动操作之外，不需要另外进行托架的位置移动操作，因此，操作性提高，能够以简易的结构使观察对象的微小样品片容易地移动。

特征在于，在所述样品室还形成有保持该样品室内的密封并能够对所述样品室插拔所述托架的装载互锁机构。

特征在于，在所述样品台还形成有能够使所述样品绕所述z轴转动的工作台。

特征在于，在所述样品室还形成有能够使所述样品台绕所述x轴转动的倾斜构件。

特征在于，在所述样品室还形成有能够使所述托架绕所述x轴转动的托架转动构件。

特征在于，所述托架具备：具备对所述微小样品片进行保持的网状物的支架、以及将该支架以能拆装的方式保持的支架接合器。

特征在于，所述样品托架卡合部与所述支架接合器卡合。

特征在于，在所述样品托架卡合部还形成有在与所述托架之间进行绝热的绝热构件。

特征在于，在所述样品室还配置有用于对由所述托架保持的所述微小样品片的透射电子像进行观察的透射电子检测器。

发明效果

根据本发明，能够以简易的结构使观察对象的微小样品片在聚焦离子束装置与样品观察装置之间容易地移动。

附图说明

图1是示出实施方式的聚焦离子束装置的概略结构图。

图2是从侧面观察样品加工观察装置时的示意图。

图3是从侧面观察样品加工观察装置时的示意图。

图4是示出托架（carrier）卡合部和托架的顶端部分的主要部分放大示意图。

具体实施方式

以下，参照附图来对本实施方式的聚焦离子束装置进行说明。再有，关于以下所示的各实施方式，为了更好地理解发明的主旨而具体地进行说明，只要没有特别指定，则不限定本发明。此外，在以下的说明中使用的附图中，为了容易知晓本发明的特征，存在为了方便而放大地示出成为主要部分的部分的情况，各结构要素的尺寸比率等未必与实际相同。

图1是示出实施方式的聚焦离子束装置的概略结构图。

本实施方式的样品加工观察装置（聚焦离子束装置）10具备：聚焦离子束（FIB）镜筒11、电子束（EB）镜筒12、载置样品S的样品台15、收容它们的样品室14、以及插拔自由地形成于该样品室14的侧面插入（side entry）型的托架13。

聚焦离子束镜筒11和电子束镜筒12分别被固定在样品室14中。

剖面加工观察装置10还具备二次电子检测器17和EDS检测器18。二次电子检测器17对向样品S照射聚焦离子束或电子束而从样品S产生的二次电子进行检测。此外，EDS检测器18对向样品S照射电子束而从样品S产生的X射线进行检测。从样品S产生的X射线按照构成样品S的每种物质包含特有的特性X射线，能够利用这样的特性X射线来特别指定构成样品S的物质。

再有，代替二次电子检测器17而设置反射电子检测器的结构也是优选的。反射电子检测器对电子束在样品S反射后的反射电子进行检测。能够利用这样的反射电子来取得减轻了剖面的凹凸信息的、反映了材料的质量对比（contrast）的剖面像。此外，二次电子检测器17、反射电子检测器也能够设置在SEM框体内。

此外，代替EDS检测器18而设置EBSD检测器的结构也是优选的。在EBSD检测器中，当向结晶性材料照射电子束时，通过在样品S的表面产生的电子射线反向散射衍射而观测到衍射图形即EBSD图案，得到与样品S的晶体取向有关的信息。通过测定、解析这样的EBSD图案，从而得到与样品S的微小区域的晶体取向的分布有关的信息。

再有，本发明的聚焦离子束装置10只要至少具备聚焦离子束（FIB）镜筒11和侧面插入型的托架13即可，也可以为不特别地设置电子束镜筒12或EDS检测器18而仅进行利用聚焦离子束的样品加工的结构。

样品室14例如由内部能够减压的密封构造的耐压框体构成。将对内部进行减压的真空泵（图示略）连接于样品室14。

样品台15具备主体部31、使该主体部31移动的移动构件32、以及设置于主体部31的转台（工作台）33。移动构件32能够使载置有转台33的主体部31如图1所示那样分别沿着沿水平面的x轴和与其成直角的y轴以及沿铅垂方向的z轴移动。这样的移动构件32的移动控制通过对样品加工观察装置10的整体进行控制的控制部（图示略）进行。

转台33例如被形成为圆筒状，能够使载置样品S的样品载置面33a绕z轴转动。这样的转台33的旋转控制通过对样品加工观察装置10的整体进行控制的控制部（图示略）进行。

样品台15被例如形成为大致L字状的样品台支承构件35支承。而且，该样品台支承构件35与在样品室14的侧壁形成的倾斜构件36卡合。倾斜构件36如图1所示那样使样品台支承构件35绕沿水平面的x轴转动。由此，能够使包含转台33的样品台15整体绕x轴摇动。通过能够使转台33绕x轴摇动，从而能够使样品载置面33相对于水平面以任意的角度倾斜。这样的倾斜构件36的旋转控制通过对样品加工观察装置10的整体进行控制的控制部（图示略）进行。

进而，在样品台15的主体部31的一端形成有能够对稍后详细叙述的托架13拆装自由地进行卡合的托架卡合部37。

图2、图3是从侧面观察样品加工观察装置时的示意图。在其中，图2示出使托架从样品室脱离后的状态，图3示出将托架插入到样品室中后的状态。再有，在该图2、图3中，为了使托架的工作明确，省略了电子束镜筒、二次电子检测器、EDS检测器等的记载。

托架（侧面插入支架）13具备：在顶端具备网状物41的大致圆筒形的支架42、以及将该支架42拆装自由地支承的大致圆筒形的支架接合器43。

网状物41为用于载置例如利用聚焦离子束对样品S进行加工而得到的、TEM分析用的微小样品片的网状构件。关于这样的网状物41，例如使用加工为半圆形的铜网或将通过硅工艺制作的微小支柱（pillar）固定于半圆形的薄板后的网状物等。

这样的网状物41只要被例如在支架42的顶端形成的槽部42a（参照图4）支承即可。

在支架接合器43中，例如沿着长尺寸方向形成有贯通孔45（参照图4），在该贯通孔45内插拔自由地插入支架42。通过为这样的结构，从而只要将在样品室14插入托架（侧面插入支架）13的开口的形状形成为与支架接合器43的剖面形状一致，则能够将各种形状的支架用作被支架接合器43支承的支架42。

在样品室14的侧壁形成有：对样品室14内的密封进行保持并将托架13以能对样品室15插拔的方式保持的装载互锁（load lock）机构51、以及将托架13以能绕x轴转动的方式保持的托架转动构件52。

装载互锁机构51为用于在将托架13从外部插入到样品室14内或者从样品室14将托架13取出到外部时将样品室14内保持为例如真空状态的闸门（shutter），只要应用真空闸门等众所周知的构成物即可。

托架转动构件52能够使插入到样品室14内的托架13绕x轴旋转。由此，能够使网状物41相对于水平面以任意的角度倾斜。

图4是示出托架卡合部和托架的顶端部分的主要部分放大示意图。

在样品台15的主体部31的一端形成的托架卡合部37例如为从主体部31沿着z轴方向延伸的板状构件，在端部附近形成有开口49。该开口49例如为将开口直径从与样品台15的端部侧对应的面37a朝向与中心侧对应的面37b递减的孔，在与端部侧对应的面37a采用容许支架42的贯通并不容许支架接合器43的贯通的开口直径。

在使托架13插入到样品室14内的状态（参照图2）下，这样的托架卡合部37使托架13的支架接合器43与样品台15卡合。利用这样的托架卡合部37，例如当利用移动构件32使样品台15分别沿着x轴、y轴、z轴移动时，经由托架卡合部37与样品台15卡合的托架13也与样品台15联动地分别沿着x轴、y轴、z轴移动。

支架接合器43利用样品室14与大气的压力差以具有加压的方式与托架卡合部37接触。在该情况下，优选的是，在托架13中追加弹簧机构等来调整加压以使不对样品台15的驱动精度产生影响。

此外，在利用倾斜构件36使样品台15整体绕x轴转动（摇动）的情况下，经由托架卡合部37与样品台15卡合的托架13也与样品台15的倾斜联动地倾斜。再有，托架13的倾斜角度也能够通过托架转动构件52调节。

再次参照图1，在样品室14还形成有使微小样品片在样品台15与托架13之间移动的样品片移动单元55。样品片移动单元55为将例如利用聚焦离子束对样品S进行加工而得到的、处于样品台15的微小样品片转移到托架13的网状物41中的装置。关于这样的样品片移动单元55，例如能够应用探针55a和沉积气体枪（deposition gas gun）55b等众所周知的样品片移动单元。

对以上那样的结构的样品加工观察装置（聚焦离子束装置）10的作用进行说明。通过本实施方式的样品加工观察装置（聚焦离子束装置）10，在根据样品（大块）S形成例如TEM观察用的微小样品片时，预先使托架13从样品室14内退避（参照图2）。

然后，在设想为包含样品S的观察对象的位置确认SEM像并移动，以残留一部分微小臂（arm）的方式通过聚焦离子束（FIB）对包含观察对象的区域的外侧和底进行加工。然后，使操纵器（manipulator）的探针55a的顶端与微小样品片接触，对该接触部位一边供给气体一边照射FIB来形成沉积膜来进行固定。之后，通过FIB切断前述的微小臂部，将微小样品片与样品（大块样品）S分离。

像这样，在利用FIB将包含观察对象物的微小样品片从样品S分离的状态下将操纵器探针移动到退避位置，接着，经由装载互锁机构51将托架13插入到样品室14内。此时，托架13的支架接合器43的顶端部分抵接于托架卡合部37的开口49的周缘，托架13的顶端部分与托架卡合部37卡合。进而，被支架接合器43支承的支架42贯通托架卡合部37的开口49，将在支架42的顶端形成的网状物41配置在转台33的样品载置面33a的附近。

在将托架13插入到样品室14内之后，使用样品片移动单元55使处于退避位置的取出后的微小样品片移动到托架13的网状物41附近。此时，网状物41的位置预先移动到FIB与SEM的束交叉点（beam crosspoint），驱动探针55a一边对微小样品片的位置进行调节一边使其与网状物41的样品固定位置接触，利用沉积膜将两者固定。之后，通过FIB加工将探针55a与微小样品片分离。分离后，使探针退避。之后，一边调整XYZ轴和T轴来调整FIB与样品的角度一边对样品进行薄膜加工，将固定于网状物41的微小样品片加工到能够进行TEM观察的薄度。

当利用移动构件32使样品台15的主体部31分别沿着x轴、y轴、z轴移动时，经由托架卡合部37与样品台15卡合的托架13的网状物41也与样品台15的主体部31联动地分别沿着x轴、y轴、z轴移动。此外，只要利用倾斜构件36使样品台15整体绕x轴转动，则经由托架卡合部37与样品台15卡合的托架13的网状物41也以任意的角度倾斜。再有，网状物41的倾斜角度的调节也能够通过托架转动构件52进行。

在像这样使用样品片移动单元55将微小样品片转移到托架13的网状物41上而能够将其加工为能够进行TEM观察的薄膜之后，经由装载互锁机构51从样品室14取出托架13。然后，只要将保持有微小样品片的托架13导入到例如透射型电子显微镜（TEM）的样品室内，则能够得到利用聚焦离子束加工后的微小样品片的透射像。

此外，在将托架13插入到样品加工观察装置（聚焦离子束装置）10中的状态下进行载置于网状物41的微小样品片的观察时，也利用移动构件32使样品台15的主体部31分别沿着x轴、y轴、z轴移动，由此，能够使经由托架卡合部37与样品台15卡合的托架13的网状物41也与样品台15的主体部31联动地分别沿着x轴、y轴、z轴移动。由此，能够进行微小样品片的任意的位置的观察。在该情况下，从SEM来看在网状物的后方设置透射电子检测器19，由此，也能够观察薄膜样品的透射像。在将透射样品的电子检测为一个信号的情况下，优选的是，STEM检测器被设置在台（stage）上。此外，在进行亮视野或暗视野、角度分割等高度的观察时，优选的是，在STEM检测器的下部设置位置调整机构或者不将STEM检测器自身设置在台上而是做成从样品室壁的插入型。

如以上那样，根据本实施方式的样品加工观察装置（聚焦离子束装置）10，为使托架13经由托架卡合部37与样品台15卡合的结构，由此，即使在侧面插入台（side entrystage）不形成沿着x轴、y轴、z轴的移动单元，也能够使托架13的网状物41的位置自由地移动。由此，能够将侧面插入台自身小型、轻量化。而且，除了样品台15的位置移动操作之外，不需要通过另外系统进行托架13的位置移动操作，因此，操作性提高，能够以简易的结构使观察对象的微小样品片容易地移动。

再有，在本实施方式的样品加工观察装置（聚焦离子束装置）10中，在托架卡合部37还形成有在与托架13之间进行绝热的绝热构件也是优选的。例如，能够在图4所示的托架卡合部37的开口49的内周面形成绝热构件。由此，即使在例如使用具有加热功能的托架的情况下，由于在托架13的支架接合器43与托架卡合部37之间被绝热，所以也能够防止样品台15经由托架卡合部37升温这样的情况。

此外，对支架接合器43与托架卡合部37的接触进行电检测或者追加开关机构，由此，判定两者的卡合，追加将样品台15的可动范围限定于网状物41的区域的功能也是优选的。由此，能够防止由于错误操作而对台功能给予损害的情况。

说明了本发明的若干个实施方式，但是，这些实施方式出示为例子，不意图限定发明的范围。这些实施方式能够通过其他的各种方式实施，在不偏离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式或其变形与被包含在发明的范围或主旨中同样地被包含在权利要求书所记载的发明和其均等的范围内。

附图标记的说明

10 样品加工观察装置（聚焦离子束装置）10

11 聚焦离子束（FIB）镜筒

12 电子束（EB）镜筒

13 托架

15 样品台

37 托架卡合部。

Claims (9)

1.一种聚焦离子束装置，其特征在于，具备：

样品台，载置样品；

聚焦离子束镜筒，向所述样品照射聚焦离子束来制作微小样品片；

样品室，收容所述样品台和所述聚焦离子束镜筒；

侧面插入型的托架，以能对所述样品室插拔的方式形成，能够在顶端侧保持所述微小样品片；以及

样品片移动单元，使所述微小样品片在所述样品台和所述托架之间移动，

所述样品台以能至少分别沿着沿水平面的x轴和与其成直角的y轴及沿铅垂方向的z轴移动的方式形成，

在所述样品台的一端形成有与所述托架拆装自由地卡合并且伴随着该样品台的移动也使该托架移动的托架卡合部。

2.根据权利要求1所述的聚焦离子束装置，其特征在于，在所述样品室还形成有保持该样品室内的密封并能够对所述样品室插拔所述托架的装载互锁机构。

3.根据权利要求1或2所述的聚焦离子束装置，其特征在于，在所述样品台还形成有能够使所述样品绕所述z轴转动的工作台。

4.根据权利要求1至3的任一项所述的聚焦离子束装置，其特征在于，在所述样品室还形成有能够使所述样品台绕所述x轴转动的倾斜构件。

5.根据权利要求1至3的任一项所述的聚焦离子束装置，其特征在于，在所述样品室还形成有能够使所述托架绕所述x轴转动的托架转动构件。

6.根据权利要求1至5的任一项所述的聚焦离子束装置，其特征在于，所述托架具备：具备对所述微小样品片进行保持的网状物的支架、以及将该支架以能拆装的方式保持的支架接合器。

7.根据权利要求6所述的聚焦离子束装置，其特征在于，所述样品托架卡合部与所述支架接合器卡合。

8.根据权利要求1至7的任一项所述的聚焦离子束装置，其特征在于，在所述样品托架卡合部还形成有在与所述托架之间进行绝热的绝热构件。

9.根据权利要求1至8的任一项所述的聚焦离子束装置，其特征在于，在所述样品室还配置有用于对由所述托架保持的所述微小样品片的透射电子像进行观察的透射电子检测器。