(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界イオン顕微鏡で観察するための針状試料の作製方法において、集束した荷電粒子ビームを照射することにより電界イオン顕微鏡で鋼を観察し前記鋼中の介在物の部分を探し出して、該介在物の部分を含む箇所を針状に加工する工程と、針状試料を試料基板から切り離し摘出する工程と、摘出した針状試料を電極棒に固定する工程と、前記介在物の前後にある鉄部分を繋ぐようにしてタングステンあるいは炭素を蒸着させる工程を含むことを特徴とする電界イオン顕微鏡観察用針状試料の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料中の所望の箇所を電界イオン顕微鏡で観察するための針状試料を作製する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料や半導体やセラミックスなどの材料では、結晶粒界や第二相粒子と母相との界面あるいは結晶格子欠陥での不純物元素の偏析が材料特性に大きく影響するため、これらを調べることは材料特性の制御に必要不可欠である。
結晶粒界や第二相粒子と母相との界面あるいは結晶格子欠陥での不純物元素の偏析を調べるには、分析電子顕微鏡による元素分析が最も効果的である。しかしながら、分析電子顕微鏡による元素分析では、検出可能な元素濃度の下限は約１ａｔ％であり、約１ａｔ％未満の不純物元素の分析が困難である。しかしながら、鉄中の炭素、窒素、ホウ素などのように数十ｐｐｍから数百ｐｐｍ程度の濃度の元素偏析が材料特性に大きく影響する場合がしばしばある。
【０００３】
一方、電界イオン顕微鏡によるアトムプローブ分析を用いると、数十ｐｐｍの不純物元素の分析が可能であるが、測定に供する試料は先端曲率数十ｎｍの針状でなければならず、かつ測定領域は針の先端部に限られる。
従来、針状試料は電解研磨法（ＡＴＯＭ  ＰＲＯＢＥ  ＭＩＣＲＯＡＮＡＬＹＳＩＳ  ｂｙ  Ｍ．Ｋ．Ｍｉｌｌｅｒ，  Ｇ．Ｄ．Ｗ．Ｓｍｉｔｈ，  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｂｙ  ｔｈｅ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＲＥＳＥＡＲＣＨ  ＳＯＣＩＥＴＹ，ｐ３７−４９，１９８９）によって作製されているが、電解研磨法では所望の箇所を針状試料の先端部に位置させることは極めて困難であるため、結晶粒界や第二相粒子と母相との界面あるいは結晶格子欠陥などの特定箇所を狙って測定することは多大の労力を要していた。
【０００４】
また、最近では、Ｓｅｔｏ，Ｋ．，  Ｌａｒｓｏｎ，Ｄ．Ｊ．，  Ｗａｒｒｅｎ，Ｐ．Ｊ．，  Ｓｍｉｔｈ，Ｇ．Ｄ．Ｗ．，Ｓｃｒｉｐｔａ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，  Ｖｏｌ．４０，  Ｎｏ．９，  ｐ．１０２９−１０３４に見られるように、電解研磨法で針状試料を作製した後集束イオンビーム照射により所望箇所を針状試料の先端に位置するように加工する方法が考案されている。しかしながらこの場合でも、観察部の摘出そのものは電解研磨によっており、電解研磨により作製した針状試料中に所望箇所を含ませることが難しく、所望箇所を電界イオン顕微鏡で測定することは難しい。
【０００５】
また、金属中の酸化物や硫化物などの介在物の近傍を電界イオン顕微鏡で測定する場合、所望の介在物を針状試料の先端部に位置させることに成功したとしても介在物が絶縁性であると針状試料先端部に電圧を印可することが難しく、電界イオン顕微鏡によりこれらの介在物を観察およびアトムプローブ分析することができなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、材料中の所望の箇所を電界イオン顕微鏡で観察するための針状試料を作製する方法および絶縁物近傍での電界イオン顕微鏡観察および絶縁物近傍でのアトムプローブ分析が可能な針状試料作製方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、観察すべき部分を針状に摘出することそのものを集束した荷電粒子ビームの照射加工によって行うことを特徴とするもので、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）電界イオン顕微鏡で観察するための針状試料の作製方法において、集束した荷電粒子ビームを照射することにより電界イオン顕微鏡で鋼を観察し前記鋼中の介在物の部分を探し出して、該介在物の部分を含む箇所を針状に加工する工程と、針状試料を試料基板から切り離し摘出する工程と、摘出した針状試料を電極棒に固定する工程と、前記介在物の前後にある鉄部分を繋ぐようにしてタングステンあるいは炭素を蒸着させる工程を含むことを特徴とする電界イオン顕微鏡観察用針状試料の作製方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
図１のａ〜ｇに針状試料作製工程を模式的に示す。まず、図１のａに示すように材料を適当な大きさに切り出し、切り出した試料の一つの面１を光学顕微鏡あるいは走査型電子顕微鏡により観察し、観察所望箇所２を探し出す。
【００１０】
次に、図１のｂに示すように観察所望箇所の周辺部３を集束した荷電粒子ビームを照射することによって削り取り、図１のｃに示すように針状試料４を作製する。
次いで、図１のｄに示すように針状試料摘出用のプローブ６を針状試料根元部５付近に接着させる。次いで、図１のｄに示すように試料を傾斜させて針状試料の根元部５に集束した荷電粒子ビームを照射し、針状試料４を試料基板から切り離す。
【００１１】
針状試料４とプローブ６の接着法としては、針状試料４とプローブ６の接触部にタングステン化合物ガスあるいは炭素化合物ガスを噴霧しながら集束した荷電粒子ビームを照射することによってタングステンあるいは炭素を化学気相蒸着させて接着させる方法や、静電気力を利用して接着させる方法を用いる。
次いで、図１のｅに示すようにプローブ６を持ち上げ針状試料４を摘出し、図１のｆに示すようにあらかじめ用意しておいた金属製の電極棒７に針状試料４を接着する。
【００１２】
針状試料４と金属製の電極棒７との接着は、針状試料４と金属製の電極棒７との接触部に前記化学気相蒸着と同様の方法を用いてタングステンあるいは炭素８を蒸着して接着する。
さらに、図１のｇに示すように針状試料の先端部近傍に針状試料の厚み方向に貫通した絶縁物２５が存在する場合には、絶縁物２５の上下にある金属を繋ぐように前記化学気相蒸着と同様の方法を用いてタングステンあるいは炭素９を蒸着する。
【００１３】
本手法は電解研磨法あるいは化学研磨法と組み合わせて利用することが可能である。例えば、電解研磨法あるいは化学研磨法で既に作製した針状試料の任意の箇所を集束した荷電粒子ビーム照射により加工して摘出することができる。また、本手法で作製した針状試料を電解研磨あるいは化学研磨することで、集束した荷電粒子ビーム照射によって生じた針状試料表層のダメージ層を取り除くことも可能である。
【００１４】
【実施例】
［実施例１］
表１に示した化学組成を有する鋼を作製し、幅２０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ２ｍｍに切り出した。切り出した鋼の試料基板２４を結晶方位分析器を搭載した走査電子顕微鏡で観察し、図２に示すように対応境界（集合組織、丸善，長嶋晋一編著，ｐ．１５４）となっている結晶粒界１１を探しだし、その近傍にビッカース試験機で圧痕１０、１０をつけた。
【００１５】
次いで、この試料基板を集束イオンビーム装置（図示せず）に装着し、二次電子像を観察して前記圧痕１０、１０を目印として、その近傍の前記結晶粒界１１を探し出した。観察した結晶粒界１１の二次電子像の模式図を図２に示す。
次いで、図２に示す結晶粒界１１の周辺部１２に集束ガリウムイオンビームを照射し、照射部の試料基板２４をスパッタリングにより加工した。これにより先端曲率約２０ｎｍで長さ１０μｍの針状試料４を作製した。次いで、あらかじめ集束イオンビーム装置内に装着しておいた図１のｄに示す直径約１μｍのタングステン棒６を針状試料４の位置まで移動させ、針状試料４に接触させた。タングステン棒６の移動はモーター駆動によって実施した。
【００１６】
次いで、図１のｄに示すようにタングステン棒６と針状試料４の接触部にＷ（ＣＯ）6 ガスを噴霧しながら集束ガリウムイオンビームを照射することによってタングステンを化学気相蒸着し、タングステン棒６と針状試料４を接着した。
次いで、図１のｄに示すように針状試料の根元部５に集束ガリウムイオンビームを照射し針状試料の根元部５をスパッタリングにより切断した。次いで、前記タングステン棒６を移動させて針状試料４を試料基板２４から摘出した。
【００１７】
次いで、試料基板を集束イオンビーム装置から取り出し、図３に示すステンレス製の電極棒１４を集束イオンビーム装置に装着した。次いで、前記針状試料４を接着したタングステン棒６を移動させて針状試料の一部を図３に示す電極棒１４に接触させ、接触部にＷ（ＣＯ）6 ガスを噴霧しながら集束ガリウムイオンビームを照射することによってタングステン１３を化学気相蒸着し、電極棒１４と針状試料４とを接着した。その後、前記タングステン棒６と針状試料４の接触部に集束ガリウムイオンビームを照射し、タングステン棒６と針状試料４を切断した。
【００１８】
以上の様にして所望の結晶粒界を含む電界イオン顕微鏡観察用の針状試料を作製することができた。図３に完成した電界イオン顕微鏡観察用の針状試料の模式図を示す。
【００１９】
【表１】
0004323655.tif 000002
【００２０】
［比較例１］
実施例１で使用した鋼を用いて電解研磨法により電界イオン顕微鏡用の針状試料を１００個作製した。１００個の試料のうち結晶粒界を含んだ試料は２個しか得られなかった。
さらに、それらの試料のうち結晶粒界が対応境界となっている試料は皆無であった。従って、所望の結晶粒界を含んだ電界イオン顕微鏡用の針状試料は１つも作製できなかった。
［実施例２］
実施例１で作製した鋼を幅２０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ２ｍｍに切り出し、切り出した試料基板２４を走査電子顕微鏡で観察し、大きさ約１μｍのＭｎＳの部分１５を探し出した。
【００２１】
次いで、図４のａに示すように探し出したＭｎＳ１５の近傍にビッカース試験機で圧痕１６、１６をつけた。次いで、試料基板２４を集束イオンビーム装置に装着し、二次電子像を観察して前記圧痕１６、１６を目印に、その近傍の前記ＭｎＳの部分１５を探し出した。集束イオンビーム装置内で試料を図４のｂに示すように９０度傾斜して、前記ＭｎＳの部分１５の周辺部１７に集束ガリウムイオンビームを照射し、照射部の試料基板２４をスパッタリングにより加工した。これにより前記ＭｎＳ１５を含む先端曲率約２０ｎｍで長さ１０μｍの針状試料１８を作製した。集束イオンビームによる針状試料作製の模式図を図４のａ〜ｄに示す。
【００２２】
次いで、この針状試料１８を実施例１と同様の手法を用いて図４のｆに示すように電極棒２１に接着し、ＭｎＳ１５を含む電界イオン顕微鏡観察用の針状試料とした。
その後、図４のｇに示すように針状試料先端部近傍のＭｎＳ１５の上下にある鉄部分を繋ぐようにしてタングステン２３を蒸着した。タングステン２３の蒸着は実施例１と同様の手法で実施した。完成した電界イオン顕微鏡観察用の針状試料の模式図を図５に示す。
【００２３】
この電界イオン顕微鏡観察用の針状試料を電界イオン顕微鏡で観察しアトムプローブ分析を実施した結果、針状試料の先端部からＭｎＳ１５とＭｎＳ１５よりも先端にある鉄との界面までアトムプローブ分析することができた。
［比較例２］
実施例１で使用した鋼を用いて、実施例２と同様の方法でＭｎＳを含んだ電界イオン顕微鏡用の針状試料を作製し、ＭｎＳの上下にある鉄部分を繋ぐようにタングステンを蒸着しない試料を作製した。
【００２４】
この試料を電界イオン顕微鏡で観察し、アトムプローブ分析を実施した結果、ＭｎＳよりも根元側にある鉄部分とＭｎＳの境界部分で試料が破断してしまいアトムプローブ分析ができなかった。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、材料中の所望の箇所を電界イオン顕微鏡で観察するための針状試料の作製方法を提供することができる。本発明によって、絶縁物近傍での電界イオン顕微鏡観察やアトムプローブ分析など、従来では試料調整の点で極めて困難であった解析が可能となるため、電界イオン顕微鏡の応用範囲を大きく拡げるものであるといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の針状試料作製方法を示す模式図である。
【図２】実施例１で二次電子像により観察した鉄の結晶粒界近傍の模式図である。
【図３】実施例１で作製した針状試料の模式図である。
【図４】実施例２における針状試料作製方法を示す模式図である。
【図５】実施例２で作製した針状試料の模式図である。
【符号の説明】
１…切り出した試料の観察面
２…電界イオン顕微鏡による観察所望箇所
３…観察所望箇所の周辺部
４…観察所望箇所を含む針状試料
５…針状試料根元部
６…摘出用プローブあるいはタングステン棒
７…電極棒
８、９…タングステンあるいは炭素
１０…ビッカース圧痕
１１…観察所望の結晶粒界
１２…観察所望箇所の周辺部
１３…タングステン
１４…ステンレス製電極棒
１５…ＭｎＳ
１６…ビッカース圧痕
１７…観察所望箇所の周辺部
１８…観察所望箇所を含む針状試料
１９…タングステン棒
２０…針状試料根元部
２１…ステンレス電極
２２、２３…タングステン
２４…試料基板
２５…絶縁物
【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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