JP2011075368A - アトムプローブ分析用検査試料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁基板上に形成された導体部分からなる被分析領域をアトムプローブによって分析するための検査試料を、簡便に製造できるアトムプローブ分析用検査試料の製造方法を提供する。
【解決手段】試料素材１の被分析領域上の検査箇所に保護膜４を形成する工程と、保護膜が形成された試料素材にイオンビームを照射し、検査箇所となる被分析領域３ａ下方の絶縁基板２の少なくとも一部を除去し、該被分析領域の底部の少なくとも一部を露出させる工程と、被分析領域の底部に接するように、前記工程で絶縁基板を除去した部分に導電性金属を埋め込む工程と、底部が前記工程で埋め込んだ導電性金属となるように試料素材にイオンビームを照射して試料片を切り出す工程と、切り出された試料片をピックアップして前記導電性金属側を試料台に固定し、被分析領域が形成された側を針形状に加工する工程とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁基板上に被分析領域が形成された試料素材の、被分析領域をアトムプローブ分析するために用いられるアトムプローブ分析用検査試料の製造方法に関する。

アトムプローブとは、原理的に説明すると、針状に加工した試料に高電圧を印加し、針表面に形成された高電界によって試料表面原子を順次電界蒸発させ、発生したイオンを検出器で捕えて分析することにより針状体先端の物質を同定する分析方法である。イオンの飛行時間は、イオンの質量によって決まるため、飛行時間の計測から元素種を割り出すことができる。また、電界蒸発は試料の先端面から順次起こっていくため、針状体先端からの原子の深さ方向分布を原子レベルの分解能で調べることができる。

また、近年では、アトムプローブに位置敏感型検出器を導入し、個々のイオンの質量と共に、検出された位置を同時に決定できる三次元アトムプローブが開発された。三次元アトムプローブでは、試料先端の原子の位置と原子種とを同時に測定できるので、試料先端の構造を原子レベルで二次元マッピングが可能である。また、原子は常に試料表面からイオン化するので、連続的に原子を表面から収集することにより、２次元マップを深さ方向に拡張していくことが出来る。

このように、アトムプローブによる試料分析では、原子をイオン化するために高電界を利用するので、測定試料は導電性を有している必要がある。アトムプローブで分析可能な試料の導電性は、抵抗率にして１０^−２Ωｃｍオーダー以下であることが必要とも言われている。また、試料の形状として、一般に先端径１００ｎｍ前後もしくはそれ以下の針状体になっている必要があると言われている。このような針状体の作製方法としては、近年では、収束イオンビーム法（以下、ＦＩＢと記す）が一般的になりつつある。

一方、半導体産業に代表される電子デバイス等の分野において、電子デバイスの母材の多くは、シリコンに代表される半導体基板やガラスなどの高抵抗基板であり、電子デバイスの大半は、アトムプローブによる分析が不可能な高い抵抗率を持った絶縁基板部分が占めている。このため、母体となる絶縁基板の抵抗率が高いため、電子デバイス等の分野では、アトムプローブによる分析が困難であった。

絶縁基板上に形成された導体部分からなる被分析領域をアトムプローブによって分析するための試料を作製するにあたり、下記特許文献１には、試料の被分析領域が形成された側の表面に導電材を接合して複合体を得る接合工程と、複合体を被分析領域の少なくとも一部を備える尖状部と導電材の少なくとも一部を備え尖状部に接合した支柱部とを具備する針状体に加工する加工工程とを行い、アトムプローブに用いられる針状体を製造することが開示されている。

特開２００６−２２０４２１号公報

しかしながら、引用文献１に開示された方法では、被分析領域表面に導電性の層を形成した後、基板側からＦＩＢ加工を行って測定試料を製造しており、基板の薄膜化といった工程が必要とされる。このため、基板の薄膜化に時間や手間を要する傾向にあり、試料作製に時間や手間を要する問題があった。

したがって、本発明の目的は、絶縁基板上に形成された導体部分からなる被分析領域をアトムプローブによって分析可能な検査試料を簡便に作製できるアトムプローブ分析用検査試料の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するにあたり、本発明のアトムプローブ分析用検査試料の製造方法の第１は、
絶縁基板上に被分析領域が形成された試料素材の、被分析領域をアトムプローブ分析するために用いられるアトムプローブ分析用検査試料の製造方法であって、
前記試料素材の被分析領域上の検査箇所に保護膜を形成する工程と、
保護膜が形成された試料素材にイオンビームを照射し、検査箇所となる被分析領域下方の絶縁基板の少なくとも一部を除去し、該被分析領域の底部の少なくとも一部を露出させる工程と、
被分析領域の底部に接するように、前記工程で絶縁基板を除去した部分に導電性金属を埋め込む工程と、
底部が前記工程で埋め込んだ導電性金属となるように試料素材にイオンビームを照射して試料片を切り出す工程と、
切り出された試料片をピックアップして前記導電性金属側を試料台に固定し、被分析領域が形成された側を針形状に加工する工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明のアトムプローブ分析用検査試料の製造方法の第２は、絶縁基板上に被分析領域が形成された試料素材の、被分析領域をアトムプローブ分析するために用いられるアトムプローブ分析用検査試料の製造方法であって、
前記試料素材の被分析領域上の検査箇所に保護膜を形成する工程と、
保護膜が形成された試料素材にイオンビームを照射して試料片を切り出す工程と、
切り出された試料片をピックアップして絶縁基板側を試料台に固定する工程と、
被分析領域が形成された側を針形状に加工する工程と、
針形状に加工前、加工中又は加工後のいずれかに、前記被分析領域と前記試料台とが導通するように導電性膜を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本発明のアトムプローブ分析用検査試料の製造方法の第２において、前記導電性膜の形成は、針形状に加工仕上する直前に行うことが好ましい。

本発明のアトムプローブ分析用検査試料の製造方法の第１，２によれば、試料素材の被分析領域上の検査箇所に保護膜を形成するので、試料素材を針形状に加工する際、被分析領域がイオンビームなどで損傷することがない。
そして、本発明のアトムプローブ分析用検査試料の製造方法の第１では、検査箇所となる被分析領域下方の絶縁基板の少なくとも一部を除去して該被分析領域の底部の少なくとも一部を露出させた後、被分析領域の底部に接するように前記工程で絶縁基板を除去した部分に導電性金属を埋め込み、次いで、底部が埋め込んだ導電性金属となるように試料素材にイオンビームを照射して試料片を切り出し、切り出した試料片をピックアップして導電性金属側を試料台に固定し、被分析領域が形成された側を針形状に加工するので、被分析領域の下方に埋め込まれた導電性金属によって、被分析領域と試料台との導通を確保できる。
また、本発明のアトムプローブ分析用検査試料の製造方法の第２では、保護膜が形成された試料素材にイオンビームを照射して試料片を切り出し、切り出された試料片をピックアップして絶縁基板側を試料台に固定し、被分析領域が形成された側を針形状に加工すると共に、針形状に加工前、加工中又は加工後のいずれかに、被分析領域と試料台とが導通するように導電性膜を形成するので、導電性膜によって被分析領域と試料台との導通を確保できる。
このため、本発明によれば、絶縁基板上に形成された被分析領域をアトムプローブによって分析可能な検査試料を製造できる。また、各工程のいずれも、ＦＩＢ装置内部で行うことが可能なので、金属試料などのような導電性を有する試料素材を針形状に加工する場合とさほど変わらない時間で加工でき、絶縁基板上に形成された被分析領域を、効率よくアトムプローブによって分析できる。

第１の実施形態において、試料素材の被測定領域上に保護膜を形成した状態図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 第１の実施形態において、保護膜の片側を掘り込み加工し、絶縁基板を除去して被分析領域の底部の少なくとも一部を露出させた状態図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 第１の実施形態において、保護膜の片側を掘り込み加工し、被分析領域下方の絶縁基板を除去した部分に、導電性金属を埋め込んだ状態図である。 図５のＡ−Ａ線断面図である。 第１の実施形態において、保護膜の両側を掘り込み加工した状態図である。 第１の実施形態において、試料片を切り出してピックアップしている状態図である。 図８のＡ−Ａ線断面図である。 第１の実施形態において、試料台上に試料片を接合した状態図である。 第１の実施形態において、試料片にイオンビームを照射して針形状に加工している状態図である。 第２の実施形態において、試料素材の被測定領域上に保護膜を形成した状態図である。 第２の実施形態において、試料片を切り出してピックアップしている状態図である。 第２の実施形態において、試料台上に試料片を接合した状態図である。 第２の実施形態において、試料片にイオンビームを照射して針形状に加工している状態図である。 第２の実施形態において、試料片に導電性膜を形成した状態図である。 第２の実施形態において、導電性膜を形成した試料片を針形状に加工仕上している状態図である。

本発明のアトムプローブ分析用検査試料の製造方法の第１の実施形態について、図１〜１１を用いて説明する。

本発明は、絶縁基板上に導体材料からなる被分析領域を備えた試料素材を対象としている。例えば、シリコン酸化膜、樹脂等の絶縁基板上に、半導体材料、金属などの導体材料からなる導体層が形成された、電気デバイスなどが試料素材として挙げられる。

以下、絶縁基板２上に、導体層３が形成された試料素材１を用いてアトムプローブ分析用検査試料を製造する場合を一例に挙げて説明する。

図１，２に示すように、試料素材１の導体層３の被分析領域３ａに、保護膜４を形成する（以下、保護膜形成工程ともいう）。この実施形態では、被分析領域３ａ上にのみ保護膜４を形成したが、導体層３の全面に形成してもよい。

保護膜４としては、特に限定はなく、Ｐｔ、Ｃ、Ｗ等からなる被膜が挙げられる。

保護膜４の膜厚は、５０〜５００ｎｍが好ましく、２００〜３００ｎｍがより好ましい。保護膜４の膜厚が５０ｎｍ未満であると、その後の工程によって、被分析領域が損傷し易くなる。また、５００ｎｍを超えると、試料加工後の被分析領域３ａ上に保護膜４が厚く残ってしまい、アトムプローブ分析の効率を著しく低下させる可能性がある。

保護膜４の形成方法は、目的のイオン種からなるイオンビームを照射して保護膜を形成するＦＩＢを利用した成膜方法、真空蒸着、スパッタ等が挙げられる。なかでも、後述する各工程でもＦＩＢにより加工を行うことができるので、作業工程を簡略化できるという理由からＦＩＢを利用した成膜方法が特に好ましい。

上記ＦＩＢを利用した成膜方法としては、有機Ｐｔガス雰囲気中でＧａ等のイオンビームを出力０．３ｎＡ程度で数分照射し成膜する方法が挙げられる。イオンビームの出力が弱すぎると、保護膜の形成に時間を要するので生産性に劣り、イオンビームの出力が強すぎると、保護膜を形成出来ず、むしろ被分析領域３ａがエッチングされる傾向にある。例えば、被分析領域３ａ上の２０μｍ×３μｍの領域に、Ｇａイオンビームを出力０．３ｎＡで３分程度照射することで、３００ｎｍ程度の膜厚のＰｔからなる保護膜４を、被分析領域３ａ上に形成できる。

次に、保護膜４が形成された試料素材１にイオンビームを照射し、試料素材１の保護膜４の片側をエッチングして掘り込み加工を行う（以下、掘り込み加工工程ともいう）。

掘り込み加工工程では、Ｇａなどのイオンビームを用いて粗掘り、中掘りを行う。粗彫り工程では、保護膜４から数μｍの間隔をおいて２０μｍ×３０μｍ程度の領域を出力数ｎＡ程度で加工する(所要時間２０分程度)。次に中彫り工程では保護膜４の製膜領域が１μｍ程度となるように保護膜４の２０μｍ×数μｍ程度の領域を出力数ｎＡ程度で加工する(所要時間１０分程度)。

次に、図３，４に示すように、掘り込み加工によって露出した被分析領域下方の絶縁基板２にイオンビームを照射する。そして、検査箇所となる被分析領域下方の絶縁基板２の少なくとも一部をイオンビーム照射によるエッチングにより除去して、被分析領域３ａである導体層３の底部の少なくとも一部を露出させる（以下、絶縁基板除去工程ともいう）。

絶縁基板除去工程では、導体層３の底部の少なくとも一部が露出するように行えばよく、導体層３に接する１５μｍ×５μｍ程度の領域を１μｍ程度の深さまで加工することが好ましい。

次に、図５、６に示すように、被分析領域の底部に接するように、上記絶縁基板除去工程で絶縁基板を除去した部分に導電性金属５を埋め込む（以下、導電性金属埋め込み工程ともいう）。

導電性金属５は、導電性を有する金属材料であれば特に限定はない。このような金属材料としては、例えば、Ｐｔ、Ｗ等が挙げられる。

ＦＩＢにより導電性金属５を埋め込むには、１５μｍ×数μｍの領域に、Ｇａイオンビームを出力０．３ｎＡ程度で照射して行うことが好ましい。照射時間は埋め込み状態を見て適宜調整することが好ましい。イオンビームの出力が弱すぎると、導電性金属５の形成に時間を要するので生産性に劣り、イオンビームの出力が強すぎると、導電性金属５を埋め込むことができない。

次に、図７に示すように、保護層４の加工した反対側をエッチングして、上述した方法と同様にして再度掘り込み加工を行う。

次に、図８，９に示すように、試料素材にイオンビームを照射して、底部が導電性金属埋め込み工程によって埋め込まれた導電性金属となるように試料片１０を切り出して、プローブ２０で切り出した試料片１０をピックアップする（以下、ピックアップ工程ともいう）。

試料素材１から試料片１０を切り出すには、例えば、Ｇａ等のイオンビームを、導電性金属５の端部に沿って１μｍ〜２μｍ幅でＵ字型に加工する。

次に、図１０に示すように、このようにしてピックアップした試料片１０を、試料台１１上に導電性金属層１２を介して接合し、ブロック状に切り取り加工する（以下、接合工程ともいう）。導電性金属層１２を構成する金属材料としては、特に限定はなく、上述した導電性金属５に使用したものを好ましく用いることができる。

そして、図１１に示すように導電性金属層１２を介して試料台１１上に接合された試料片１０に対しイオンビームを照射して、試料片１０を針形状に加工する。

このようにして針状体を作製することにより、被分析領域である導体層３と、試料台１１との導通を確保でき、アトムプローブや電解イオン顕微鏡等による良好な分析が可能となる。

さらには、針状体を作製する際における各工程のいずれも、ＦＩＢ装置内部で行うことができるので、金属試料などのような導電性を有する試料素材を針形状に加工する場合とさほど変わらない時間で加工できる。

本発明のアトムプローブ分析用検査試料の製造方法の第２の実施形態について、図１２〜１７を用いて説明する。

まず、図１２に示すように、試料素材１の導体層３の被分析領域３ａに、保護膜４を形成する（保護膜形成工程）。保護膜形成工程は、上述した第１の実施形態と同様にして行うことができる。

次に、保護膜４が形成された試料素材１にイオンビームを照射し、試料素材１の保護膜４の周囲をエッチングして掘り込み加工を行う（掘り込み加工工程）。掘り込み加工工程は、上述した第１の実施形態と同様にして行うことができる。

そして、図１３に示すように、試料素材にイオンビームを照射して、被検査領域３ａ上に保護膜４が形成された試料片１０ａを切り出して、プローブ２０で切り出した試料片１０ａをピックアップする（ピックアップ工程）。

次に、図１４に示すように、このようにしてピックアップした試料片１０ａを、試料台１１上に導電性金属層１２を介して接合し、ブロック状に切り取り加工する。接合工程は、上述した第１の実施形態と同様にして行うことができる。

そして、図１５に示すように、導電性金属層１２を介して試料台１１上に接合された試料片１０ａに対しイオンビームを照射して、試料片１０ａを針形状に加工する。そして、図１６に示すように、針形状に仕上げする直前に、導電性金属層１２と被分析領域である導体層３とが導通するように導電性膜１３を形成した後、図１７に示すように針形状に加工仕上する。

導電性膜１３としては、導電性を有する材料であれば特に限定はない。上述した導電性金属５に使用した金属材料などが好ましく用いることができる。

導電性膜１３の膜厚は、試料の形態により異なるので特に限定はない。５ｎｍ〜１０ｎｍが好ましい。

このようにして針状体を作製することにより、被分析領域である導体層３と、試料台１１とが、導電性膜１３を介して導通するので、アトムプローブや電解イオン顕微鏡等による良好な分析が可能となる。

さらには、針状体を作製する際における各工程のいずれも、ＦＩＢ装置内部で行うことができるので、金属試料などのような導電性を有する試料素材を針形状に加工する場合とさほど変わらない時間で加工できる。

１：試料素材
２：絶縁基板
３：導体層
３ａ：被分析領域
４：保護膜
５：導電性金属
１０，１０ａ：試料片
１１：試料台
１２：導電性金属層
１３：導電性膜
２０：プローブ

Claims (3)

1. 絶縁基板上に被分析領域が形成された試料素材の、被分析領域をアトムプローブ分析するために用いられるアトムプローブ分析用検査試料の製造方法であって、
   前記試料素材の被分析領域上の検査箇所に保護膜を形成する工程と、
   保護膜が形成された試料素材にイオンビームを照射し、検査箇所となる被分析領域下方の絶縁基板の少なくとも一部を除去し、該被分析領域の底部の少なくとも一部を露出させる工程と、
   被分析領域の底部に接するように、前記工程で絶縁基板を除去した部分に導電性金属を埋め込む工程と、
   底部が前記工程で埋め込んだ導電性金属となるように試料素材にイオンビームを照射して試料片を切り出す工程と、
   切り出された試料片をピックアップして前記導電性金属側を試料台に固定し、被分析領域が形成された側を針形状に加工する工程とを備えることを特徴とするアトムプローブ分析用検査試料の製造方法。
2. 絶縁基板上に被分析領域が形成された試料素材の、被分析領域をアトムプローブ分析するために用いられるアトムプローブ分析用検査試料の製造方法であって、
   前記試料素材の被分析領域上の検査箇所に保護膜を形成する工程と、
   保護膜が形成された試料素材にイオンビームを照射して試料片を切り出す工程と、
   切り出された試料片をピックアップして絶縁基板側を試料台に固定する工程と、
   被分析領域が形成された側を針形状に加工する工程と、
   針形状に加工前、加工中又は加工後のいずれかに、前記被分析領域と前記試料台とが導通するように導電性膜を形成する工程とを備えることを特徴とするアトムプローブ分析用検査試料の製造方法。
3. 前記導電性膜の形成は、針形状に加工仕上する直前に行う、請求項２に記載のアトムプローブ分析用検査試料の製造方法。