(57)【要約】【課題】ＦＩＢ装置に組み込んだ微小マニピュレータ部をその場でエッチング加工することで、従来困難であった１μｍ以下の微小物のハンドリングの確実性を高めるとともに、マニピュレータの再利用により作業効率やメンテナンス性を向上する。【解決手段】微小マニピュレータ部を位置および向きを変えることのできる移動機構で保持することにより、マニピュレーション作業前にマニピュレータ先端部をＦＩＢ加工するとともに、作業中のマニピュレータ先端の汚染や破損があった場合でも、加工により再度使用可能な形状に再生する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を把持するための対向する一対のアームと、前記アームを支持するベース部と、前記ベース部に取り付けられて前記アームを開閉させる開閉アクチュエータとを有するマニピュレータ部と、
試料を設置する試料台と、
前記マニピュレータ部の試料に対する位置を変えることのできる3次元併進ステージと、
前記アームの長手方向を軸として、前記マニピュレータ部を回転することのできる回転ステージと、
荷電粒子ビームを照射するための荷電粒子ビーム光学系と、
前記荷電粒子ビームの照射対象から放出される二次荷電粒子を検出するための検出器と、前記検出器で得られた信号に基づいて荷電粒子像を得るための画像表示装置と、
を備え、
前記荷電粒子ビームを用いたエッチング加工により、100nmサイズの微小物を把持することが可能となるように、前記マニピュレータ部の調整・加工を行ったのち、前記試料のマニピュレーション作業を行うことを特徴とする微小マニピュレータ装置。
【請求項２】
前記荷電粒子ビームが集束イオンビームであることを特徴とする請求項１記載の微小マニピュレータ装置。
【請求項３】
前記荷電粒子ビームが電子ビームであることを特徴とする請求項１記載の微小マニピュレータ装置。
【請求項４】
前記荷電粒子ビームを用いたエッチング加工を促進するためのガスや、前記荷電粒子ビームの照射領域にデポジション膜を堆積させるためのガスを試料雰囲気中に導入するためのガス銃を備え、
前記荷電粒子ビームを用いたエッチング加工およびデポジション加工により、前記マニピュレータ部の整形、クリーニングを行ったのち、前記試料のマニピュレーション作業を行うことを特徴とする請求項２および請求項３に記載の微小マニピュレータ装置。
【請求項５】
前記荷電粒子ビームを用いたエッチング加工により、前記アームの先端を、曲率半径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下となるように先鋭化することを特徴とした、請求項１〜４のいずれかに記載の微小マニピュレータ装置。
【請求項６】
前記マニピュレータの前記試料を把持する面に対して、前記荷電粒子ビームを用いたエッチング加工により、前記把持面の表面粗さが１０ｎｍ〜１００ｎｍになるように平滑化加工することを特徴とした、請求項１〜４のいずれかに記載の微小マニピュレータ装置。
【請求項７】
前記マニピュレータを前記試料の表面に接近させた際に、前記一対のアームの先端における高さのずれが１００ｎｍ以下になるように、前記荷電粒子ビームによりエッチング加工することを特徴とした請求項１〜４のいずれかに記載の微小マニピュレータ装置。
【請求項８】
前記マニピュレータによって把持された前記試料や、前記マニピュレータに付着した異物に対して、前記荷電粒子ビームを照射してエッチング加工によって除去することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の微小マニピュレータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、先端のアーム間に微小な試料を把持する微小マニピュレータ及びそれを備えた観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小サンプルを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、走査型イオン顕微鏡（ＳＩＭ）、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等の観察装置で試料を観察しながら、その試料の加工やハンドリングを装置内で行うピンセット型の微小マニピュレータが開発されている。微小マニピュレータは、例えば試料の欠陥部分や付着物等を摘出するために用いられ、具体的には、フォトマスクや半導体デバイスやイメージセンサデバイスなどの製造工程において表面に付着した５０ｎｍから1μｍ以下の異物の除去、又は、異物を除去し易くして洗浄工程の削減による工程の簡略化、洗浄ダメージの軽減を図る際に用いられる。
【０００３】
このような微小マニピュレータとして、半導体シリコンプロセス技術によって作製された２本の針状先端部を有し、これらを静電アクチュエータで離反させるものが開示されている（特許文献１参照）。また、半導体シリコンプロセス技術によって作製され、アームの先端部に５０ｎｍ以下の曲率を持つ突起部を形成させてＤＮＡ等のナノサイズの試料をハンドリングするナノグリッパが開発されている（特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)の通常のカンチレバーに、もう一つのカンチレバーを隣接配置し、このカンチレバーを熱膨張アクチュエータで変位させることで、両カンチレバー間でピンセット動作を行う技術が開示されている（非特許文献１参照）。
【０００５】
一方、このような微小マニピュレータをＦＩＢ装置内に設置し、微小試料を把持する目的に使用する際、把持面の角度をＦＩＢ加工によって補正する技術が開示されている（特許文献３）。また、真空チャンバ内で針状プローブをＦＩＢ加工することによって補修再生する技術が開示されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2006-120391号公報（図１）
【特許文献２】国際公開第03/045838号パンフレット
【特許文献３】特開2008-157673号公報（図４）
【特許文献４】特開2005-158714号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】武川ら、「ナノ物質のマニピュレーションを行う為のAFMピンセットの開発」、電気学会論文誌E Vol.125(2005), No.11, pp.448-453
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
対象となる試料の微細化に伴い、微小マニピュレータの形状精度がマニピュレーションの障害となってきている。例えば、ピンセット型の微小マニピュレータで試料を把持する場合、ピンセット先端を閉じた時、２つの先端の位置が対象物の大きさよりずれていると対象物を掴むことができない。また、ピンセット先端で対象物を把持する面は、対象物のサイズに比較して十分平滑でなければ、ピンセットを閉じた時に確実に試料を保持することができない。
【０００９】
そのため、操作対象となる試料サイズが１μｍ以上の場合、微小マニピュレータの先端位置のずれ量や把持面の粗さが数１００ｎｍであっても許容されていたが、同じ微小マニピュレータを用いて、１００ｎｍ以下の微小な対象物を確実に操作するのは困難である。そこで、ナノグリッパを応用することが考えられるが、非常に微小であるため、異物の付着による実使用上の精度不足となり、連続使用ができない問題がある。また、微小マニピュレータの作業中に先端を外部に接触して破損することもあり、この場合も同様の問題がある。これらの問題が発生した場合は、従来ではマニュピレータの洗浄あるいは良品のマニピュレータとの交換を要し、不良なマニピュレータを取り外して再度良品を付け直すといった作業が必要であり、作業効率を大きく低下させていた。更に、対象物が微小になるほど僅かな破損や汚染でも交換が必要となるため、ピンセットの交換頻度も高くなることも同様に問題である。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、微小マニピュレータを装置内に設置した状態にて、荷電粒子ビームによりその把持部の調整・加工を行い、当該微小マニピュレータの加工精度不足を修正してハンドリングの確実性を高めることで、半導体プロセスで製造された微小マニピュレータの形状精度では扱えなかった微小な対象物のハンドリングを可能とする。更に、作業中に汚染あるいは破損した場合は、荷電粒子ビームによって再度クリーニングや整形等の調整・加工して再利用することで、従来の取り出し・取り付け工程を省略することができ、作業効率を大幅に向上する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の微小マニピュレータは、試料を把持するための対向する一対のアームと、前記アームを支持するベース部と、前記ベース部に取り付けられて前記アームを開閉させる開閉アクチュエータとを有するマニピュレータ部と、試料を設置する試料台と、前記マニピュレータ部の位置および向きを変えることのできる移動機構と、集束荷電粒子ビームを照射するための荷電粒子ビーム光学系と、前記荷電粒子ビームの照射対象から放出される二次荷電粒子を検出するための検出器と、前記検出器で得られた信号に基づいて荷電粒子像を得るための画像表示装置と、を備える。
【００１２】
このような構成とすると、移動機構を用いてマニピュレータの位置および向きを変えることで、荷電粒子ビームがマニピュレータに照射される位置および方向を変えることができ、マニピュレータ部の形状、特にアーム部先端を任意形状に加工することが可能となる。それにより、半導体プロセスで作製されたマニピュレータの形状精度の不足を補正することができ、微小な試料をマニピュレータが確実に把持することができる。
【００１３】
また、このような構成とすることで、マニピュレータが把持して摘出した異物に荷電粒子ビームを照射してエッチング加工で除去することができる。また、マニピュレータ自体に異物が付着した場合も同様に除去することができる。
【００１４】
また、このような構成とすることで、アームの先端が外部に接触した場合の先端の一部の破損時や、先端への異物の付着があった場合でも、先端をエッチング加工することで再度使用することが可能である。そのため、マニピュレータ部の交換や洗浄の頻度が低くなり、作業効率やメンテナンス性が高くなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、その場でマニピュレータ部をエッチング加工することで、従来困難であった１μｍ以下の微小物のハンドリングの確実性を高めるとともに、マニピュレータの再利用により作業効率やメンテナンス性を向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例による微小マニピュレータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】マニピュレータ部の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例における動作手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施例における加工例を示す図である。
【図５】本発明の実施例における加工例を示す図である。
【図６】本発明の実施例における加工例を示す図である。
【図７】本発明の実施例における加工例を示す図である。
【図８】本発明の実施例における加工例を示す図である。
【図９】本発明の実施例における加工例を示す図である。
【図１０】本発明の実施例における加工例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は本発明の実施例における微小マニピュレータ装置の全体構成を示す断面図である。  図１において、集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置２０１に、微小マニピュレータ（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）が取付けられ、装置２０１の試料ステージ２０５上の試料２０６や試料上に付着した異物２０６をハンドリング可能になっている。なお、本発明において、「試料」とは、試料だけでなく、試料の付着物等、微小マニピュレータが把持する対象すべてを含む。
【００１９】
装置２０１は、真空容器２０２と、荷電粒子ビーム３００を試料２０６へ向かって垂直に照射する鏡筒(Ｇａイオン源)２０３と、試料ステージ２０５と、試料ステージ上の試料２０６から放出される信号（二次電子や二次イオンなど）を検出する荷電粒子検出器２０４とを備えている。荷電粒子ビームを走査した際に荷電粒子検出器２０４で検出された信号から試料の観察像を得ることができる。
【００２０】
微小マニピュレータは、装置２０１の真空容器２０２の内壁から内側へ向かって延びる第１片持ち支持部１０６と、第１片持ち支持部１０６の先端に取付けられる移動機構１０５と、移動機構１０５の先端に固定されたスペーサ１０４と、スペーサ１０４に取付けられる回転機構１０３と、回転機構１０３の先端に取付けられ真空容器２１０の中心に向かって延びる第２片持ち支持部１０２と、第２片持ち支持部１０２の先端に取付けられるマニピュレータ１０１とを有する。試料と微小マニピュレータが干渉しないよう、微小マニピュレータは水平から斜めに傾いて保持される。本実施例においては、微小マニピュレータは試料面から２０度起き上がった角度で取り付けられている。
【００２１】
詳細は後述するが、マニピュレータ部１０１は試料上に位置し、一対のアームにより試料や付着物等をハンドリングする。移動機構１０５は３次元方向に変位し、マニピュレータ部１０１を試料２０６上の所定位置に３次元移動させる。移動機構１０５は、例えばＸ、Ｙ、Ｚ軸にそれぞれ変位する３つのアクチュエータ（ピエゾ素子やステッピングモータ等）からなる。回転機構１０３はマニピュレータ部１０１のアームの長手方向を軸として回転し、マニピュレータ部１０１の角度を変えることができる。回転機構１０３は、たとえばピエゾ素子を用いた超音波モータやステッピングモータ等からなる。
【００２２】
次に、マニピュレータ部１０１の構造について、図２を参照して説明する。  マニピュレータ部１０１は、試料を把持するための対向する一対のアーム４０１および４０２と、アームを支持するベース部４０３と、ベース部に取り付けられてアーム４０２を開閉させる開閉アクチュエータ４０４とを有する。マニピュレータ部１０１は単結晶シリコンで構成されており、半導体プロセス技術を用いて製作されている。本実施例のマニピュレータ部１０１では、開閉アクチュエータ４０４として櫛歯電極で構成される静電型アクチュエータが取付けられている。２つの櫛歯電極間にバイアス電圧が印加されていない状態では、固定側のアーム４０１の先端と、可動側のアーム４０２の先端から構成されるマニピュレータ部の先端部４１０は離れている。２つの櫛歯電極間にバイアス電圧を印加すると、静電アクチュエータに発生する力によって可動側アーム４０２の先端が固定側アーム４０１の先端側に移動して、マニピュレータ部の先端部４１０が閉じた状態となる。この開閉動作によって対象物を把持および脱離することで、対象物のハンドリングを行う。
【００２３】
次に、本発明の実施例におけるマニピュレーションの作業手順について、図３のフローチャートを参照して説明する。まず、マニピュレータ部先端をイオンビーム加工する。詳細な加工内容については後述する。次に、イオンビーム加工によりマニピュレータ部先端が所定の形状に加工されたのを観察像により確認したあと、試料を試料ステージに導入する。その後、ＦＩＢで観察しながらマニピュレータを用いて試料に対してマニピュレーション作業を行う。作業内容は、目的に応じて、例えば試料表面に付着した異物を摘出するなどの作業が行われる。作業中にマニピュレータ部先端への異物の付着があった場合や、先端部が重度に破損あるいは磨耗するなどしてマニピュレーション作業が続行不可能となった場合にのみ、一旦作業を中断する。その後、試料を観察領域から退避させるか、真空容器から取り出したうえで、マニピュレータ部先端の加工を行う。
【００２４】
以上の手順により、マニピュレータ部先端が汚染あるいは破損しても、ＦＩＢ加工で先端形状が修正可能である限り、真空容器内に設置されたマニピュレータ部を交換することなく、マニピュレーション作業を継続することができる。また、マニピュレータによって摘出された試料表面の付着物についても、マニピュレータで把持した状態で荷電粒子ビーム照射によるクリーニングを行うことで、マニピュレーション作業を継続することができる。
【００２５】
図４に、本発明におけるマニピュレータの加工例を示す。図４ａは、加工前のマニピュレータ部先端４１０を正面から見た模式図である。この図において、アーム内側の表面粗さが２００ｎｍ以上の粗さをもつため、試料表面に付着した大きさが１００ｎｍである微小異物２０７を把持することができない。図４ｂは、イオンビーム３００をアーム内面に平行な方向に照射し走査することで表面が平滑化加工される様子を示している。図４ｃは、両方のアームについて、内面を平滑化加工した状態を表す。このような加工を行うことで、内面の表面粗さが１０ｎｍ〜１００ｎｍに平滑化され、微小異物２０７を再現性よく把持することができる。
【００２６】
図５に、本発明におけるマニピュレータの別の加工例を示す。図５ａは加工前のマニピュレータ先端部４１０を正面から見た模式図である。対になっているアームの高さが１００ｎｍ以上ずれており、試料表面に付着した大きさが１００ｎｍの微小異物２０７を把持することができない。図５ｂにおいて、マニピュレータ部を回転機構１０２で９０度回転し、イオンビーム３００をアームの側面方向から照射し走査することで、アームが試料に接する面の高さを揃える加工を行う。図５ｃは、加工後の状態を示す模式図であり、このような加工を行うことで、アームの高さずれが１００ｎｍ以下になり、マニピュレータによって微小異物２０７を再現性よく把持することができる。
【００２７】
図６に、本発明におけるマニピュレータの別の加工例を示す。図６ａは加工前のマニピュレータ先端部４１０を上面から見た模式図である。対になっているアームの先端位置が前後方向に１００ｎｍ以上ずれており、試料表面に付着した大きさ１００ｎｍの微小異物２０７を把持することができない。図６ｂにおいて、マニピュレータ部先端の一部、矩形領域３０１をイオンビーム３００（図示せず）で走査してエッチング加工を行うことで、アームの先端位置を揃えることができる。図５ｃは、加工後の状態を示す模式図であり、このような加工を行うことで、アームの長さずれが１００ｎｍ以下になり、マニピュレータによって微小異物２０７を把持することができる。
【００２８】
図７に、本発明におけるマニピュレータの別の加工例を示す。図７ａは加工前のマニピュレータ先端部４１０を正面から見た模式図である。図７ｂ、図７ｃにおいて、マニピュレータ部を回転機構１０２で水平から＋６０度、−６０度それぞれ回転し、イオンビーム３００を垂直方向に照射し走査することで、両側のアームに対して、側面を先鋭化するとともに底面の位置ずれを補正する加工を行う。図７ｄは、加工後の状態を示す模式図である。このような加工によって、底面の位置ずれの補正、底面粗さの補正を行うとともに、ピンセットを閉じた際にアーム先端が１点で合わさるように先端を先鋭化されるため、微小異物２０７の把持の再現性を高める効果がある。さらに、微小異物２０７が平坦な場所ではなく、窪んだ場所の底面にある場合、マニピュレータが微小異物２０７に届いて把持を可能にする効果もある。
【００２９】
図８に、本発明におけるマニピュレータの別の加工例を示す。図８ａは加工前のマニピュレータ先端部４１０を上面から見た模式図である。図８ｂ、図８ｃにおいて、マニピュレータ部先端の一部、矩形領域３０１および３０２においてイオンビーム３００（図示せず）を走査してエッチング加工を行うことで、アームの先端位置を揃えることができる。図８ｄは、加工後の状態を示す模式図である。このような加工によって、アーム側面の位置ずれの補正、アーム前面粗さの補正を行うとともに、ピンセットを閉じた際にアーム先端が１点で合わさるように先端を先鋭化されるため、微小異物２０７の把持の再現性を高める効果がある。さらに、平坦な試料表面上ではなく溝の底面にあり、加工前の形状では把持することができない微小異物に対しても、加工後のマニピュレータ先端が微小異物まで届くようになり、把持を可能にする効果がある。
【００３０】
なお、図４〜図８に示した加工方法は単独ではなく、複数を組み合わせて適用することが可能である。図９は、図４、図７、図８等を組み合わせて面の平滑化と３次元的な先鋭化処理を行った加工例を示している。図９ａは加工前のマニピュレータ先端部４１０の模式図を、図９ｂは加工後のマニピュレータ先端部４１０の形状を示す模式図を示している。
【００３１】
図４〜図９に示した加工は、マニピュレータの製造上の形状精度を補正するだけではなく、マニピュレータ作業時の先端へ異物が付着した場合や、先端形状の一部が磨耗や欠損した場合にも適用することができる。付着した異物にイオンビーム３００を照射してのエッチング除去や、欠損部のエッチング除去などの調整を行い、再度必要な形状に先端を形成する等により、マニピュレータ先端形状を再利用可能な状態に再生すること共にマニピュレータの交換頻度を低下させることで、作業効率とメンテナンス性の向上が実現される。
【００３２】
なお、荷電粒子ビームを利用した加工はエッチングだけではなく、デポジション加工も行うことができる。ガス銃２０８からガスを吹き付けながら荷電粒子ビームを照射すると、照射した領域にデポジション膜が堆積する。ガスの種類、噴射条件、荷電粒子の照射条件を調節することで、膜や微細構造物を生成できることが知られている。たとえばフェナントレン（化学式Ｃ１４Ｈ１０）のガス雰囲気中で集束イオンビームを照射するとカーボン膜が堆積される。
【００３３】
図１０は、このようなデポジション加工によるマニピュレータの加工例を示す。
図１０ａは加工前のマニピュレータ先端部４１０を正面から見た模式図である。図１０ｂにおいて、マニピュレータ部を回転機構１０２で１８０度回転するとともに、ガス銃２０８からガスを吹き付け、イオンビーム３００をアームの底面方向から照射することで、アームの先端部に突起４２０を成長させている。両方のアーム先端に突起を成長させ、元の向きに戻したのが図５ｃの状態で、このような加工を行うことで、対象物が細い穴のような場所の底にある場合でも、マニピュレータの先端が届いて把持が可能になる。
【００３４】
デポジション加工はマニピュレータの形状を加工するだけではなく、表面の改質によるマニピュレータの機能向上にも利用することができる。例えば、ヘキサカルボニルタングステン（化学式Ｗ（ＣＯ６））のガス雰囲気中でイオンビームを照射するとタングステン膜を成膜することができる。ピンセット先端部に導電性のタングステン膜を成膜することにより、チャージアップに伴う不要な静電気力を低減させ、マニピュレーションの再現性を高めることが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６  微小マニピュレータ
１０１          マニピュレータ部
１０２          第２片持ち支持部
１０３          回転機構
１０４          スペーサ
１０５          移動機構
１０６          第１片持ち支持部
２０１          ＦＩＢ装置
２０２          真空容器
２０３          イオン源鏡筒
２０４          荷電粒子検出器
２０５          試料ステージ
２０６          試料
２０７          試料上に付着した異物
２０８          ガス銃
３００          イオンビーム
４０１          固定アーム
４０２          可動アーム
４０３          ベース部
４０４          開閉アクチュエータ
４１０          マニピュレータ先端部
【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】
2010181339.tif 000009
【図８】
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【図９】
2010181339.tif 000011
【図１０】
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