説明

電子顕微鏡用試料の作製方法

【課題】 観察対象部位が試料内部にある場合でも、集束イオンビーム加工装置を用いた断面加工を行って走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡を用いて精度の高い観察ができる電子顕微鏡用試料の作製方法を提供する。
【解決手段】 透明性を有する試料の内部に存在する観察対象部位とその試料の表面に存在する所定の目標物とが同一画像上に現れるように光学顕微鏡で試料を撮像し、撮像された顕微鏡像に基づいて、観察対象部位の位置情報を算出し、算出された観察対象部位の位置情報に基づいて、集束イオンビーム加工装置を用いて試料から観察対象部位を包含する微小片試料を摘出し、摘出した微小片試料を、集束イオンビームを照射することによって断面加工し、微小片試料の表面に観察対象部位を位置させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子顕微鏡用試料の作製方法に関し、特に試料の内部に観察対象が存在する場合においても高い精度で観察することができる電子顕微鏡用試料の作製方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電子媒体に用いられる部品の中には、ガラスや樹脂フィルムを基板として機能性薄膜を形成する構造を有するものや、様々な機能を持つ透明膜や保護層を有するものが多く存在している。
【0003】
こういった材料開発においては、膜内の構造解析において内部の状態を把握する必要がある。また、製造のステージにおいても、異物の混入や異常等を解析するため断面方向からの解析が必要となる。
【0004】
そして、特に微細な構造を解析するためには、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)や走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)が有効であり、これらを用いて解析するためには、その解析目的にあった断面試料を作製することが必須となる。
【0005】
断面加工する方法としては、切断や研磨といった機械的に行う方法と、集束イオンビーム加工装置のようにイオンを用いる方法がある。最近の材料では、その構造が微細なため、機械的な方法では正確に断面加工することが困難になってきている。したがって、近年では、高倍率で観察しながらナノメートルオーダーの精度で加工できる集束イオンビーム(Focused Ion Beam:FIB)加工装置よる断面加工が多く利用されている。
【0006】
ここで、集束イオンビーム加工装置は、Gaイオンを集束して試料にあてることでスパッタ効果により試料を削ることができる装置である。また、集束イオンビーム加工装置を用いた加工では、他の手法に比べて試料の材質を選ばないことや観察試料内部へのダメージが少ないこと、また試料の厚さを均一にできるといった特徴がある。
【0007】
さらに、集束イオンビーム加工装置では、Gaイオンビームとともに反応性ガスを雰囲気中に流すことで、FIB-CVD(Focused Ion Beam Chemical Vapor Deposition)によりカーボンやタングステン等を堆積させ試料の接着や固定ができる。これにより、稼動するプローブ機能と組み合わせてバルク試料から所望の特定部位を含む試料片のみを摘出して、試料台にデポジション膜を用いて固定する、いわゆるマイクロサンプリングが可能となる(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平11−108813号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、集束イオンビーム加工装置で観察される像は、Gaイオンが試料表面に照射された際に励起されて出てきた二次電子を結像するものであり、観察できるのは試料最表面に限定される。そのため、試料内部に観察したい部位が存在する場合には、精度の高い観察を行うことが困難となってしまうという問題がある。
【0010】
そこで、本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、観察対象部位が試料内部にある場合でも、集束イオンビーム加工装置を用いた断面加工を行い、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡を用いて高い精度で観察することができる電子顕微鏡用試料の作製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
すなわち、本発明に係る電子顕微鏡用試料の作製方法は、透明性を有する試料の内部に存在する観察対象部位と該試料の表面に存在する所定の目標物とが同一画像上に現れるように光学顕微鏡で該試料を撮像する撮像工程と、上記撮像工程にて撮像された顕微鏡像に基づいて、上記観察対象部位の位置情報を算出する算出工程と、上記算出工程にて算出された上記観察対象部位の位置情報に基づいて、集束イオンビーム加工装置を用いて上記試料から該観察対象部位を包含する微小片試料を摘出する微小片試料摘出工程と、上記微小片試料摘出工程にて摘出した微小片試料を、集束イオンビームを照射することによって断面加工し、該微小片試料の表面に上記観察対象部位を位置させる断面加工工程とを有する。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、試料の顕微鏡像に基づき観察対象部位の位置情報を算出し、その位置情報に基づいて微小片試料を摘出して集束イオンビームで断面加工することによって顕微鏡用試料を作製するようにしているので、試料の内部に所望とする観察対象部位が存在する場合でも、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡を用いて高い精度で観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】観察対象部位が内部に存在する試料の斜視図である。
【図2】電子顕微鏡用試料の作製方法の手順を示すフローチャートである
【図3】試料を光学顕微鏡を用いて撮像したときの顕微鏡像の模式図である。
【図4】マイクロサンプリング法により試料から微小片試料を摘出する例を模式的の示した図である。
【図5】摘出した微小片試料を試料台に固定する例を模式的に示した図である。
【図6】集束イオンビームを用いて微小片試料の一部を断面加工する例を模式的に示した図である。
【図7】透過型電子顕微鏡により試料を断面観察したときの顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態(以下、「本実施の形態」という。)について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0015】
本実施の形態に係る電子顕微鏡用試料の作製方法は、図1に示すような、その内部に観察対象部位が存在するような試料であっても、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡等を用いて、高い精度で観察することを可能にするものである。
【0016】
具体的に、本実施の形態に係る電子顕微鏡用試料の作製方法は、図2にフローを示すように、透明性を有する試料の内部に存在する観察対象部位とその試料の表面に存在する所定の目標物とが同一画像上に現れるように光学顕微鏡で試料を撮像する撮像工程S1と、撮像工程S1にて撮像された顕微鏡像に基づいて、観察対象部位の位置情報を算出する算出工程S2と、算出工程S2にて算出された観察対象部位の位置情報に基づいて、集束イオンビーム加工装置を用いて試料から観察対象部位を包含する微小片試料を摘出する微小片試料摘出工程S3と、微小片試料摘出工程S3にて摘出した微小片試料を、集束イオンビームを照射することによって断面加工し、微小片試料の表面に観察対象部位を位置させる断面加工工程S4とを有する。本実施の形態に係る電子顕微鏡用試料の作製方法は、これら各工程を経ることによって、電子顕微鏡用試料を作製する。以下、各工程について順に説明する。
【0017】
(撮像工程)
撮像工程S1では、図1に示すような、その内部に観察対象部位11が存在する試料10を光学顕微鏡に接続したCCDカメラ等で撮像する。このとき、図3に示すように、その観察対象部位11と試料10の表面10s上に存在する所定の目標物12とが、光学顕微鏡の同一視野に入って同一画像上に現れるように撮像する。このように、試料表面10s上の所定の目標物12と観察対象部位11とを同一画像上に表われるように撮像することによって、その撮像した顕微鏡像20に基づき、試料表面10s上における目標物12と観察対象部位11との位置関係を明確に捉えることができる。
【0018】
ここで、観察対象となる試料10としては、光学顕微鏡によって試料10内部に存在する観察対象部位11を確認することができる透明性を有するものであれば特に限定されるものではなく、ガラス、樹脂フィルム等を対象とすることができる。また、これら試料10は、単層構造のものでも、積層構造のものでもよい。なお、試料10の透明度は、特に限定されるものではなく、光学顕微鏡等を用いて試料10の内部に存在する観察対象部位11を視認することができる程度の透明性を有するものであればよい。
【0019】
試料表面10s上の目標物12は、いわゆる観察対象部位11との位置関係を算出するための目印であり、例えば観察対象部位11の近傍に存在する構造物や付着物等を目標物12とすることができる。また、それら構造物や付着物等が存在しない場合には、観察者によって、試料表面10s上であって観察対象部位11の近傍にマークを記したり、針等で切り欠き部を形成して、それらを目標物12とすればよい。また、集束イオンビーム加工装置を用いて、試料表面10s上にマークを形成するようにしてもよい。このようにして試料表面10s上に存在する構造物等や、単純な作業により形成したマークを目標物12として設定することによって、透明性のある試料10内部の観察対象部位11を二次元的に特定するための指標を形成することができ、後述するように微小片試料10aをマイクロサンプリングするに際して、観察対象部位11の位置関係を明確に特定することができる。
【0020】
(算出工程)
算出工程S2では、上述した撮像工程S1にて撮像された顕微鏡像20に基づいて、観察対象部位11の位置情報を算出する。図3は、撮像工程S1において光学顕微鏡で撮像された、試料表面10s上の所定の目標物12と観察対象部位11とを同一視野に含む顕微鏡像20を模式的に示した図である。算出工程S2では、図3のような顕微鏡像20に基づいて、試料表面10sにおける観察対象部位11の位置情報を算出する。
【0021】
観察対象部位11の位置情報としては、例えば、光学顕微鏡で撮像された顕微鏡像20上の標準スケール21を用いて、撮像工程S1にて顕微鏡像20に収められた試料表面10s上の構造物やマーク等の目標物12から、透明性のある試料10を上方(図1中矢印方向)から観察したときの観察対象部位11までの方位や距離を測定することによって、目標物12を基点とした絶対座標で表される位置範囲の情報とすることができる。したがって、その絶対座標としては、試料表面10s、すなわち目標物12が存在する試料(x,y)面での直交座標となる。算出工程S2では、このように、試料表面10s上において、目標物12を基点とする絶対座標で表される位置範囲で観察対象部位11の位置情報を特定することによって、後述するように、集束イオンビーム加工装置を精確に制御することができ、確実に観察対象部位11を包含する微小片試料10aを摘出することができる。
【0022】
(微小片試料摘出工程)
微小片試料摘出工程S3では、上述した算出工程S2にて算出された試料10の観察対象部位11の位置情報に基づいて、試料10からその観察対象部位11を包含する微小片試料10aを摘出する。この微小片試料10aの摘出は、例えば集束イオンビーム加工装置を用いたマイクロサンプリング法によって行う。
【0023】
ここで、マイクロサンプリング法とは、集束イオンビーム加工装置等の試料作製装置内において、試料から、所望とする観察対象部位を含む数十μm領域にイオンビームを照射することによって微小片試料を分離し、その微小片試料をプローブ等を用いて摘出して、摘出した微小片試料を試料固定手段である試料台にデポジション膜を用いて固定するサンプリング方法である。
【0024】
また、集束イオンビーム(FIB)加工装置とは、電界によりガリウム(Ga)イオン源(液体ガリウム)から引き出したガリウムイオンを細く絞りイオンビームを抽出して5〜10nmに集束させた上で、試料に走査して照射するものである。これにより、試料表面上の原子や分子を真空中にはじき出させ、このスパッタリング現象を利用したエッチングにより、バルク試料からサブミクロンの精度でマイクロサンプルを摘出し、また試料の平滑な断面の作製を可能とするものである。また、集束イオンビーム加工装置は、イオンビームを走査することによって試料から発生した二次電子を検出する二次電子検出器を備えており、その二次電子検出器の出力に基づいてイオンビーム走査領域の試料像(走査イオン顕微鏡像;Scanning Ion Microscope(SIM)像)を表示画面上に表示させることができる。
【0025】
微小片試料摘出工程S3では、算出工程S2にて算出された観察対象部位11の位置情報である試料表面10sにおける絶対座標で表される位置範囲を、集束イオンビーム加工装置に設定入力する。位置情報が入力された集束イオンビーム加工装置では、試料表面10s上においてその絶対座標で表される位置範囲を取り囲むような矩形形状の切削範囲13に集束イオンビームを走査して照射することによって、図4に示すように、試料10の内部に存在する観察対象部位11を包含するように微小片試料10aを掘り出して分離し、マニュピュレータの先端に取り付けたプローブ30等を用いて分離した微小片試料10aを摘出する。
【0026】
より具体的には、集束イオンビーム加工装置上の表示画面において、集束イオンビームを照射することによって切削される、絶対座標で表される位置範囲を取り囲む切削範囲13を設定入力する。そして、その設定に基づいて、集束イオンビームにより、微小片試料10aとなる切削範囲13の四辺を切削する。次に、試料10を傾斜することによって、切削した空間に集束イオンビームを通過させて照射し、試料10から微小片試料10aを切り離すようにして分離し、プローブ30等を用いて図4中矢印方向に摘出する。なお、試料10から分離し摘出する微小片試料10aの大きさは、特に限定されず試料10内部に存在する観察対象部位11の大きさ等によって適宜設定すればよいが、例えば約20μm×3μm×5μm(なお、5μmは微小片試料10aの高さ)とする。
【0027】
摘出された微小片試料10aは、図5に示すように、デポジション膜41を用いて電子顕微鏡等の試料台40に固定される。ここで、試料台40としては、例えば、透過型電子顕微鏡用薄片試料の作製に用いられる半円状等の形状を有する試料台であり、また走査型顕微鏡用薄片試料の作製に用いられる円柱状、三角柱状、四角柱状等の形状を有する試料台である。試料台40の素材としては、微小片試料10aを支持できる強度を有するものであれば特に限定されず、例えばモリブデンや銅等の金属及び合金や、炭素、高分子材料等が挙げられる。また、試料台40の大きさは、電子顕微鏡等の装置の種類にも依るので一概に規定できないが、例えば直径(縦・横)2〜5mm程度、高さ5〜20mm程度とする。
【0028】
また、微小片試料10aの試料台40への固定は、集束イオンビーム誘起デポジションによるデポジション膜41を用い、試料台表面40sの所定の位置にそのデポジション膜41を堆積させて、プローブ30等でピックアップした微小片試料10aをデポジション膜41が堆積した試料台表面40sに載置し固定する。デポジション膜41は、集束イオンビーム加工装置で形成可能な、例えばタングステン、白金、カーボン又はシリコン酸化膜等からなるものを用いることができる。
【0029】
(断面加工工程)
断面加工工程S4では、微小片試料摘出工程S3にて摘出され試料台40に固定された微小片試料10aを断面加工することによって、微小片試料10aの表面に観察対象部位11を位置させる。
【0030】
断面加工工程S4における断面加工は、図6に示すように、集束イオンビーム加工装置によって集束イオンビーム50を図6中B矢印方向に走査させ、試料台40に固定した微小片試料10aの一部10a’を薄片化していく。このようにして微小片試料10aの一部10a’を薄片化して断面加工することで、微小片試料10aの内部に存在する観察対象部位11が、微小片試料表面10b上に露出されるようになる。
【0031】
ここで、この断面加工工程S4においては、集束イオンビーム50の二次電子像を観察しながら集束イオンビーム50を走査させて、微小片試料表面10bに観察対象部位11を位置させていくとよい。上述したように、集束イオンビーム加工装置は、イオンビームを走査することによって試料10から発生した二次電子を検出する二次電子検出器を備えており、その二次電子検出器の出力に基づいてイオンビーム走査領域の試料像(SIM像)を表示画面(モニタ)上に表示させることができる。したがって、そのSIM像をモニタ上で確認する作業と、微小片試料表面10bに観察対象部位11が位置するまで集束イオンビーム50を走査させて断面加工する作業とを繰り返すことによって、的確に微小片試料10aの内部に存在する観察対象部位11を微小片試料表面10bに位置させることができ、集束イオンビーム50を無駄なく効率的に走査することができる。なお、この断面加工して観察対象部位11が露出した微小片試料表面10bが、電子顕微鏡の観察面となる。
【0032】
以上のようにして、断面加工工程S4を経て断面加工して観察対象部位11を微小片試料表面10bに位置させた微小片試料10aを、電子顕微鏡用試料とする。
【0033】
この電子顕微鏡用試料は、透過型電子顕微鏡(TEM)による観察の場合、微小片試料10aが固定された試料台40ごと、TEMの試料ホルダーに固定化されて搭載される。また、走査型顕微鏡(SEM)による観察の場合、SEMの試料ホルダーへの固定は、上述した試料台40に固定された微小片試料10aを、例えばカーボンペーストや銀ペースト等の接着性を有する導電性ペーストを用いて行われる。具体的には、試料ホルダーの微小片試料10a取り付け箇所に導電性ペーストを塗布し、塗布した導電性ペースト上に微小片試料10aを固定した試料台40を載置し固定する。
【0034】
このようにしてTEMやSEMの試料ホルダーに固定された微小片試料10aは、観察方向(図6中X矢印方向)に向けて電子ビームが出射されることにより、その観察対象部位11が微小片試料表面10bに位置した微小片試料10a断面のTEMやSEMによる観察が可能となる。
【0035】
以上詳細に説明したように、本実施の形態に係る電子顕微鏡用試料の作製方法によれば、試料10の顕微鏡像20に基づき試料10の観察対象部位11の正確な位置情報を算出し、その位置情報に基づいてマイクロサンプリングを行って微小片試料10aを作製するようにしているので、的確に観察対象部位11を包含する微小片試料10aを摘出することができる。そして、そのサンプリングした微小片試料10aを集束イオンビーム50で断面加工して微小片試料表面10bに観察対象部位11を位置させることによって電子顕微鏡用試料を作製しているので、試料10の内部に所望とする観察対象部位11が存在する場合でも、透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡を用いて高い精度で観察することができる。
【実施例】
【0036】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【0037】
観察対象の試料として、PETフィルム基板とその基板の上に成膜したSiO薄膜の界面に、直径500nmの異物が混入した試料を用意した。そして、その界面に混入した異物を観察対象部位とした。
【0038】
先ず、光学顕微鏡(ME600、株式会社ニコン製)を用いて、試料のSiO薄膜側から観察対象部位を観察し、CCDカメラを用いて1000倍の写真を撮像した。このとき、同一視野に集束イオンビーム加工装置(FB-2000、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)で加工した5μm角の大きさの目印(目標物)が入るように撮像した。
【0039】
次に、光学顕微鏡で撮像した写真(顕微鏡像)から、観察対象部位である異物を内包するようにマイクロサンプリングを行う範囲を決定した。具体的には、マイクロサンプリングを行う範囲は、顕微鏡像に収められた5μm角の目標物を基点として、SiO薄膜を透過して写し出された観察対象部位である異物の試料表面上における方位と距離を測定することによって、試料表面上における観察対象部位の位置情報を算出した。本実施例では、顕微鏡像上のスケールによって目標物を基点として観察対象部位である異物の方位と距離を測定したところ、観察対象部位は、基点からX方向に12〜15μm、Y方向に18〜20μmの範囲、すなわち試料表面の(x,y)面における(12,18)、(12,20)、(15,18)、(15,20)の絶対座標で囲まれる位置範囲に存在していることが算出された。この絶対座標で表される位置範囲を、観察対象部位の位置情報とした。
【0040】
次に、集束イオンビーム加工装置を用いて、算出された位置情報をその集束イオンビーム加工装置に設定入力し、試料表面に対して、その絶対座標で表される位置範囲からなる四辺を取り囲むような矩形形状を切削範囲とし、先ずその矩形球状に集束イオンビームを照射させて切削した。その後、試料を傾斜させて矩形形状に切削した空間に集束イオンビームを通過させて照射し、試料から20μm×3μm×5μmの寸法からなる直方体形状の微小片試料を切り離した。切り離した微小片試料は、マニュピュレータの先端に取り付けたプローブにより摘出した。摘出した微小片試料は、その底面を透過型電子顕微鏡用の試料台にタングステンデポジション膜を用いて固定した。
【0041】
次に、試料台に固定した微小片試料に対して、集束イオンビーム加工装置を用いて、微小片試料の厚み方向から断面加工を行った。その際、集束イオンビーム加工装置の二次電子像が表示されるモニタを確認しながら、断面加工を行った。
【0042】
断面加工は、微小片試料の厚み方向の厚みが100nmになった時点で、内在していた観察対象部位である異物が微小片試料の表面に位置したので、ここで終了した。
【0043】
その後、断面加工した微小片試料を、試料台ごと、透過型電子顕微鏡(HF-2200、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)の試料ホルダーに固定し、その電子顕微鏡でも断面を確認した。その結果、電子顕微鏡の視野内に、図7に示すようにして観察対象部位である異物Aが含まれていることを確認することができた。
【0044】
このことから、試料の内部に存在していた観察対象部位である異物Aを、高い精度で観察することができる電子顕微鏡用の試料を作製できることがわかった。
【符号の説明】
【0045】
10 試料、10a 微小片試料、10b 微小片試料表面、10s 試料表面、11 観察対象部位、12 目標物、13 切削範囲、20 顕微鏡像、21 標準スケール、30 プローブ、40 試料台、40s 試料台表面、41 デポジション膜、50 集束イオンビーム

【特許請求の範囲】
【請求項1】
透明性を有する試料の内部に存在する観察対象部位と該試料の表面に存在する所定の目標物とが同一画像上に現れるように光学顕微鏡で該試料を撮像する撮像工程と、
上記撮像工程にて撮像された顕微鏡像に基づいて、上記観察対象部位の位置情報を算出する算出工程と、
上記算出工程にて算出された上記観察対象部位の位置情報に基づいて、集束イオンビーム加工装置を用いて上記試料から該観察対象部位を包含する微小片試料を摘出する微小片試料摘出工程と、
上記微小片試料摘出工程にて摘出した微小片試料を、集束イオンビームを照射することによって断面加工し、該微小片試料の表面に上記観察対象部位を位置させる断面加工工程と
を有する電子顕微鏡用試料の作製方法。
【請求項2】
上記観察対象部位の位置情報は、上記目標物の位置を基点として上記試料表面における絶対座標で表される位置範囲であることを特徴とする請求項1記載の電子顕微鏡用試料の作製方法。
【請求項3】
上記微小片試料摘出工程では、上記集束イオンビーム加工装置に対して上記絶対座標を入力し、上記試料表面上に対して集束イオンビームを該絶対座標で表される位置範囲を取り囲むような矩形形状に照射して上記観察対象部位を包含する微小片試料を摘出することを特徴とする請求項2記載の電子顕微鏡用試料の作製方法。
【請求項4】
上記断面加工工程では、集束イオンビームの二次電子像を観察することによって該集束イオンビームを走査し、上記微小片試料の表面に上記観察対象部位を位置させることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項記載の電子顕微鏡用試料の作製方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2012−168027(P2012−168027A)
【公開日】平成24年9月6日(2012.9.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−29543(P2011−29543)
【出願日】平成23年2月15日(2011.2.15)
【出願人】(000183303)住友金属鉱山株式会社 (2,015)
【Fターム(参考)】