JP6700664B2 - 相関原子分解能断層撮影分析用の適応性がある（ｍａｌｌｅａｂｌｅ）薄片の製作 - Google Patents
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Description
本発明は、透過電子顕微鏡法（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）および原子プローブ顕微鏡法（ａｔｏｍ ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）に使用することができる試料を形成するプロセスに関する。
断層撮影（ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）は、例えば医学、歯学、生物学、環境科学、毒物学、鉱物学、電子工学などのさまざまな分野において幅広い用途を有する急速に進歩している画像化技術である。断層撮影は、例えば試料の原子構造および化学分析などのさまざまなタイプの情報を得るために、Ｘ線システム、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型透過電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＥＭ）および／または原子プローブ顕微鏡法（ＡＰＭ）などのさまざまなツールを使用して試料の３Ｄ画像を形成するプロセスである。３Ｄ断層撮影データ・セットは通常、光子（例えば光学もしくはＸ線）顕微鏡または電子顕微鏡から、異なる角度で撮影された試料の一連の２Ｄ投影画像を再構成することによって得られ、または、ＡＰＭの場合には、電界蒸発し、位置敏感型検出器（ｐｏｓｉｔｉｏｎ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）に当たった一連の原子から、ある体積を再構成することによって得られる。
ＴＥＭおよびＳＴＥＭは、観察者がナノメートル規模の極めて小さな特徴部分（ｆｅａｔｕｒｅ）を見ることを可能にし、試料の内部構造の分析を可能にする。便宜上、ＴＥＭおよびＳＴＥＭへの言及は用語「Ｓ／ＴＥＭ」によって示され、Ｓ／ＴＥＭ用の試料を調製すると言うときには、ＴＥＭまたはＳＴＥＭ上で観察するための試料を調製することを含むものと理解される。ビーム中の電子の多くが試料を透過し、反対側に出ることを可能にするため、試料は十分に薄くなければならない。薄いＳ／ＴＥＭ試料は「薄片（ｌａｍｅｌｌａ）」として知られており、通常はバルク（ｂｕｌｋ）試料材料から切り出される。薄片は通常、１００ｎｍ未満の厚さを有するが、用途によってはこれよりもかなり薄くしなければならない。Ｓ／ＴＥＭ断層撮影では、薄片に電子ビームを通し、回転の度数を次第に増大させて、薄い試料を横切る傾斜した一連の２次元投影を形成する。これらの２次元投影から、元の構造体の３次元レンダリングを構成することができる。
原子プローブ顕微鏡（ＡＰＭ）は通常、試料マウント（ｓａｍｐｌｅ ｍｏｕｎｔ）、電極および検出器を含む。分析中、試料は、試料マウントによって担持され、試料には正電荷が加えられる。試料は通常、細くされた針形の先端を有する柱（ｐｉｌｌａｒ）の形態を有する。検出器は、試料から間隔を置いて配置されており、接地されているかまたは負に帯電している。電極は、試料と検出器の間に位置し、接地されているかまたは負に帯電している。試料には、電気パルスおよび／またはレーザ・パルスが断続的に加えられ、それによって針の先端の原子がイオン化し分離する。すなわち試料から「蒸発」する。イオン化された原子、分子または原子クラスタは、電極の開口部を通り抜け、検出器の表面に衝突し、その結果、イオンが検出、すなわち「カウント」される。イオン化された原子の元素同定は、イオン化された原子の質量／電荷比に基づいて変動する針表面と検出器の間の原子の飛行時間を測定することによって決定することができる。針の表面におけるイオン化された原子の位置は、検出器上における原子の衝突位置を測定することによって決定することができる。したがって、試料を蒸発させると、試料の成分の３次元マップを構成することができる。
Ｓ／ＴＥＭは、より望ましい構造データを提供し、ＡＰＭは、より望ましい組成データを提供する。単独で使用されたＳ／ＴＥＭまたはＡＰＭからの異なる断層撮影データは、最適な材料分析を妨げる。相関Ｓ／ＴＥＭ−ＡＰＭ断層撮影（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ Ｓ／ＴＥＭ ａｎｄ ＡＰＭ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）は、Ｓ／ＴＥＭからのデータとＡＰＭからのデータの両方を利用して、試料から、有益な構造情報および化学情報を得る。データの質は、例えばサイズ、形状および密度、ならびに分析対象の体積中の特徴部分の組成および空間分布など、試料のさまざまな様相によって変動し得る。現在の相関Ｓ／ＴＥＭ−ＡＰＭ断層撮影は通常、名目上円柱形であり、関心領域（ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ：ＲＯＩ）を含む柱形の針試料を使用する。例えば試料の厚さおよび特徴部分を不明瞭にする投影効果の結果として、柱試料からの断層撮影系列中の個々のそれぞれのＳ／ＴＥＭ画像の質は、薄片試料で達成することができる画質よりもいくぶん低い。ＡＰＭ断層撮影データ取得実験から得られるデータの質は、試料の異なるエリアにわたる元素の３次元配置に大きく依存する。一般に、ＡＰＭ試料は、元素に関して不均質であり、試料は実際上、試料の電界蒸発部分を横切る識別できない数および分布の蒸発電界を有し、それらのそれぞれの領域は、電界蒸発を支配する基本式Ｅｉ＝ｋＶ／ｒｉを同時に満たすために名目上半球状の形状を形成しなければならない。上式で、Ｅｉは、ＡＰＭ試料の表面のｉ番目の元素の蒸発電界、ｒｉは、ＡＰＭ試料の表面のｉ番目の元素の半径、Ｖは、データ取得実験の特定の時刻に試料に印加される電圧、ｋは、主として電極および試料の幾何形状に依存する比例定数である。ＡＰＭ試料の表面の電界蒸発している元素のうちの１つまたは複数の元素が、この電界蒸発式の要件を満たすことができない場合、試料は、（電圧またはレーザ・パルスと相関しない）制御できない形で自発的に蒸発し、データ中のノイズまたは試料の破滅的な破壊につながる可能性がある。加えて、ＲＯＩの目に見えない特徴部分または埋め込まれた特徴部分が柱内に適正に配置された柱試料を形成することが困難なことがある。柱試料を使用してＳ／ＴＥＭとＡＰＭを相関させることの別の欠点は、ＡＰＭデータ・セットの視野が、形成された柱形の試料の内側約５０％に制限されるため、Ｓ／ＴＥＭデータの質とＡＰＭ内の分析体積の間に妥協が生じることである。加えて、ＡＰＭが首尾よくＲＯＩを切り抜けた場合であっても、分析の再構成段階またはデータ・レンダリング段階中に適切に補正することができないかなりの歪みおよびノイズが生データ中に存在することがしばしばある。ＡＰＭデータ取得、再構成および分析の現在の問題点は例えば、Ｌａｒｓｏｎ他、「Ａｔｏｍ ｐｒｏｂｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ：Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ」、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｏｐｉｎｉｏｎ ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ、１７巻（２０１３年、２３６〜２４７ページ）に記載されている。相関Ｓ／ＴＥＭ−ＡＰＭ断層撮影に関する別の問題は、例えばホログラフィ（ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ）、微分位相差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ）、位相板コントラスト増強（ｐｈａｓｅ−ｐｌａｔｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｅｈｈａｎｃｅｍｅｎｔ）、格子結像（ｌａｔｔｉｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ）および分析などの先進のＳ／ＴＥＭ画像化技法およびＳ／ＴＥＭ分析技法が、柱形の試料にあまり適合しないことである。
Ｌａｒｓｏｎ他、「Ａｔｏｍ ｐｒｏｂｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ：Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ」、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｏｐｉｎｉｏｎ ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ、１７巻（２０１３年、２３６〜２４７ページ）
したがって、本発明の目的は、相関Ｓ／ＴＥＭ−ＡＰＭ分析を改良する分析システムを提供することにある。
いくつかの実施形態では、相関Ｓ／ＴＥＭ−ＡＰＭ断層撮影用の試料が、Ｓ／ＴＥＭの微小構造精度および微小構造分解能とＡＰＭの化学的感度とを有する良質のデータを提供する。
いくつかの実施形態では、産業に関連した幅広い範囲の材料において、高分解能のＳ／ＴＥＭ傾斜系列（ｔｉｌｔ−ｓｅｒｉｅｓ）データと、最小限の歪みを有するＡＰＭデータとを一貫して生み出すことができる、部位特定（ｓｉｔｅ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ）Ｓ／ＴＥＭ−ＡＰＭ分析を可能にする試料を調製する。関心領域（ＲＯＩ）を含む極薄の薄片をミリングし、その薄片をＳ／ＴＥＭ分析に使用し、次いで、その薄片を、ＡＰＭ分析用の針形の試料に再成形することができるように、試料は、Ｓ／ＴＥＭおよびＡＰＭに適合した試料ホルダ上に配置することが好ましい。これは、ＡＰＭ用の針形試料内に埋め込まれた薄片内にＲＯＩが位置する試料の新たな形態を提供する。
いくつかの実施形態はさらに、相関Ｓ／ＴＥＭ−ＡＰＭ断層撮影のＡＰＭ部分用の針形試料を形成する方法を提供する。バルク材料から、ＲＯＩを含む薄い薄片を形成し、その薄片を、ＲＯＩの元素成分の電界蒸発特性を補完するように選択された材料でコーティングする。このコーティング・ステップが完了した後、薄片を、ＡＰＭを用いた分析用の針形試料に形成する。
いくつかの実施形態はさらに、相関Ｓ／ＴＥＭ−ＡＰＭ分析を実行する方法を提供する。試料材料のバルクから、ＲＯＩを含む試料を切り出し、薄い薄片に形成する。次いで、この薄片をＳ／ＴＥＭを用いて分析して、画像を形成する。任意選択で、この薄片試料およびマウントを洗浄して、Ｓ／ＴＥＭ画像化の時間と後続のＡＰＭ分析用試料の再処理の間に蓄積する汚染を除去することができる。次いで、ＲＯＩを含むこの薄片を、選択された材料内に埋め込み、針形試料に形成する。次いで、この針形試料をＡＰＭを用いて分析し、その結果得られたデータを、Ｓ／ＴＥＭデータと併合し、Ｓ／ＴＥＭデータと相関させる。
薄片はＳ／ＴＥＭ分析に対して使用することができるが、本発明の実施形態に従って調製された試料は、改良されたＡＰＭデータを提供し、Ｓ／ＴＥＭ上でさらに観察されることなくＡＰＭ上で分析することができる。
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり大まかに概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の目的と同じ目的を達成するために他の構造体を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造体は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。
次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。
いくつかの実施形態によれば、集束イオン・ビームまたは他の方法を使用して、Ｓ／ＴＥＭ分析に適した薄片を調製する。任意選択でＳ／ＴＥＭ上で観察した後、この薄い薄片上に材料を付着させて、薄片が埋め込まれたより厚い構造体を形成する。次いで、このより厚い構造体をミリングして、原子プローブ顕微鏡法用の針状の構造体を形成する。このように、この一般的なシーケンスに従って、バルク試料から抜き出された関心領域をＳ／ＴＥＭ向けに最適化することができ、次いで、これとは別に、関心領域をＡＰＭ分析向けに最適化することができる。埋め込まれた薄片試料構造体はさらに、バルク基板内における位置に関してはほとんど変化していない関心領域と周囲の元のマトリックス材料とを有する従来の円錐形または針形の構造体に比べて改良された電界蒸発特性を示す。これらの２つのデータ源からの改良されたデータは、より容易に相関させることができ、したがって試料の再構成された３次元微小構造および組成の正確さを向上させることができる。Ｓ／ＴＥＭからのデータとＡＰＭからのデータとを相関させることによって、Ｓ／ＴＥＭからの精密な構造情報と、ＡＰＭからの精密な元素情報とを得ることができる。
いくつかの実施形態によれば、材料のバルクから、関心領域（ＲＯＩ）を含む試料を、標準ＦＩＢ技法を使用して切り出す。バルク材料から試料を切り出す一例を図１に示す。装置の試料ステージ１０６にバルク試料材料１０８が装填されている。ステージ１０６は、平行移動、回転および傾斜を含む複数の運動軸を、薄片形成プロセスのそれぞれのステップで試料の最適な向きを達成することができるような態様で提供することができる。ＦＩＢカラム１０２は、Ｓ／ＴＥＭ分析用の試料薄片を作製するための初期ミリングをバルク試料材料上で実行する向きに示されている。この実施形態では、基板１０８が、ＦＩＢカラム１０２から発射された集束イオン・ビーム１０４に対して基板１０８の上面が直角となるような向きに配置されている。関心領域を保護し、イオン・ミリング生成物を低減させるため、通常は、関心領域の上に、保護層またはキャッピング層１０７を、例えば白金、タングステンまたは二酸化シリコンのビーム誘起付着によって付着させる。前述のビーム誘起付着の代わりに、またはビーム誘起付着に加えて、集束イオン・ビーム・システムに試料を装填する前に、試料の表面に保護キャッピング層を付着させることもできる。薄片１１０を作製するために実施される大部分の粗いイオン・ビーム加工は、基板１０８とＦＩＢカラム１０２をこの向きにして実行される。イオン・ビーム１０４の集束（すなわち一点に集まる円錐形状）および経路のため、この直角ミリングによって、薄片１１０を、底部から頂部へ向かってテーパ状にする。すなわち、薄片１１０は、底部よりも頂部の方が薄い。この実施形態では、薄片１１０が、境界１１４のところで基板１０８にしっかりと結合されたままである。幅または長さが数十マイクロメートルよりも大きな基板に薄片１１０を形成する場合には、Ｓ／ＴＥＭで使用する前に、基板１０８から薄片１１０を取り出し、薄片１１０を薄くして電子透過性にしなければならない。加えて、垂直な向きのイオン・ビーム１０４を用いたミリング中に基板１０８から除去された材料が、薄片１１０のその面に再付着し、望ましくない異物層１１２を形成することもある。同様に、高エネルギーの集束イオン・ビームを使用して基板に薄片を形成すると、その結果として、ＦＩＢミリングされた表面の材料およびイオン・ミリングに使用された種、通常はガリウム、アルゴンまたはキセノンのところに、相互に混合された薄い元素層１１１ができる。層１１１および１１２が存在するとＳ／ＴＥＭ分析の質が低下する。層１１１および１１２は、薄片１１０をＳ／ＴＥＭで使用する前に除去しまたは研磨によって除かなければならない。
オーバチルティング（ｏｖｅｒ−ｔｉｌｔｉｎｇ）、研磨および／またはアンダカッティングを使用して試料薄片を後処理するために、ＦＩＢシステムを、傾いた向きに配置し直すことができる。オーバチルティングは、薄片１１０の側面からテーパをなくして、薄片１１０の側面を実質的に平行にするプロセスである。研磨は、以前の初期ミリングによって薄片１１０上に蓄積した非晶質層１１１および１１２を薄片１１０から除去するプロセスである。アンダカッティングは、境界１１４においてまたは境界１１４の付近で、基板１０８から薄片１１０を部分的にまたは完全に分離するプロセスである。薄片１１０の長軸を軸にして、試料ステージ１０６またはＦＩＢカラム１０２を、ある角度１１６だけ回転させる。すなわち、薄片１１０の長軸と基板１０８の上面に対して垂直な線とによって画定される平面に対して、試料ステージ１０６またはＦＩＢカラム１０２をある角度１１６だけ回転させる。言い換えると、図１に示された薄片１１０の断面内に位置する図１の紙面に対して垂直な軸、好ましくは薄片１１０の断面の中心付近に位置する図１の紙面に対して垂直な軸を軸にして、試料ステージ１０６またはＦＩＢカラム１０２を回転させる。
図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃに示されているように、ＲＯＩ１２２を含む薄片１２０を、Ｓ／ＴＥＭシステムとＡＰＭシステムの両方に適合する機械式マウント１２４へ移す。電動機で動くマイクロマニピュレータを使用して薄片１２０をマウントまで移送し、イオン・ビーム誘起付着プロセスもしくは電子ビーム誘起付着プロセス、または機械的な機構、または接着材を使用して、薄片１２０をマウントに、公知の方法で取り付ける。薄片１２０は、マウント１２４上において任意の向きに取り付けることができる。この向きは、Ｓ／ＴＥＭおよびＡＰＴ内において所望のとおりに観察できるように選ばれる。例えば、図２Ａには、マウント１２４上においてＲＯＩ１２２が「垂直な」向きに配置された、すなわち薄片の上面１２６の向きが実質的に水平な薄片１２０が示されている。あるいは、図２Ｂに示されているように、薄片１２０の元の上面１２６が実質的に垂直な位置まで回転した「９０度ぐるりと回った」向きにＲＯＩ１２２があるように、薄片１２０をマウント１２４上に置くこともできる。別の選択肢が図２Ｃに示されており、この図には、元のバルク材料中から抜き出されたときの薄片の向きに対して「上下逆」向きにＲＯＩ１２２が装着された薄片１２０が示されている。それぞれの向きを有利に使用して、試料調製とＡＰＭ分析の両方に対して関心領域１２２を最適化することができる。次いで、マウント上で薄片１２０を、一連のＦＩＢミリング・パターンによってできるだけ薄く成形する。理想的には、Ｓ／ＴＥＭを使用した分析中にＲＯＩ１２２の観察が妨げられないことを保証するために、側壁１３０が均一に直角となり、薄片１２０ができるだけ薄く形成されるように、薄片１２０を成形する。完成した薄片１２０は非常に薄く、１００ｎｍ未満の厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、薄片１２０が１５ｎｍ未満の厚さを有することができる。ＲＯＩ１２２を含む薄片の観察エリアの厚さの変動は、観察エリア全体にわたって２５％未満であることが好ましく、１０％未満であることがより好ましく、約３％未満であるとよりいっそう好ましい。薄片１２０は、前述の焦束イオン・ビーム・ミリング法に加えて、限定はされないが、機械成形およびブロード・ビーム・イオン・ミリングを含む公知の従来の技法によって形成することができる。公知の従来の技法の例には、本発明の譲受人に譲渡された、参照によってその全体が本明細書に組み込まれるＦｕｌｌｅｒ他の「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｍｅｌｌａｅ ｆｏｒ ＴＥＭ Ｖｉｅｗｉｎｇ」という名称の米国特許出願公開第２０１３／０３１９８４９号明細書、本発明の譲受人に譲渡された、参照によってその全体が本明細書に組み込まれるＫｅａｄｙ他の「Ｈｉｇｈ Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ ＴＥＭ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ Ｈａｒｄｗａｒｅ ｆｏｒ Ｂａｃｋｓｉｄｅ Ｔｈｉｎｎｉｎｇ ｏｆ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｔｉｏｎａｌ Ｖｉｅｗ Ｌａｍｅｌｌａ」という名称の米国特許出願公開第２０１３／０２４８３５４号明細書、および本発明の譲受人に譲渡された、参照によってその全体が本明細書に組み込まれるＢｌａｃｋｗｏｏｄ他の「ＴＥＭ Ｓａｍｐｌｅ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ」という名称の国際出願公開第２０１２／１０３５３４ Ａ１号が含まれる。次いで、この薄片を、Ｓ／ＴＥＭ内で、公知のプロセスで分析する。
薄片１２０をＳ／ＴＥＭで分析した後、薄片１２０およびマウント１２４を洗浄プロセスにかけることができる。このＳ／ＴＥＭ分析は例えば、単一のＳ／ＴＥＭ画像の形成、ＥＥＬＳ、ＥＤＳ、電子ホログラフィ、微分位相差、位相板コントラスト増強および電子回折分析を含むことができる。加熱、冷却、さらには環境曝露も、Ｓ／ＴＥＭデータ取得方法の部分とすることができる。同様に、適切なＳ／ＴＥＭ技法または適切なＳ／ＴＥＭ技法の組合せを使用したＳ／ＴＥＭ断層撮影を、ＡＰＭデータとの相関の部分として使用することもできる。この洗浄プロセスは、例えば炭素などの表面有機物汚染を除去する公知の一連の光子、プラズマ、ガスもしくは液体洗浄、またはＲＯＩ内に含まれる特定の材料を選択的に除去もしくは再成形するエッチング剤とすることができる。
Ｓ／ＴＥＭ分析が完了した後、薄片１２０およびマウント１２４を、例えば電子ビーム誘起付着システムまたはイオン・ビーム誘起付着システムを備えるＳＥＭ、超低ｋＶカラムおよび適当なイオン源を備えるＦＩＢ、ＰＶＤ、ＣＶＤなどの適当な付着システム内に置く。図３に示されているように、薄片１２０を、選択された材料１３２で均一にコーティングする。コーティング材料１３２は、ＲＯＩ１２２内の元素成分の電界蒸発特性を補完するように選択されることが好ましい。例えば、コーティング材料１３２は、ＡＰＭにおいて試料１２０のデータからコーティング材料１３２のデータを分離するのを容易にする、ＲＯＩ１２２の質量とは異なる質量を有することができる。コーティング材料１３２は、隙間および空隙を埋めることができるように比較的に高純度で、細粒で、共形であることが好ましく、薄片の表面に密接に結合したコーティングが形成されるように粘着性であることが好ましく、比較的に低温で付着させることが可能であることが好ましい。適当なコーティング材料の例には、ＣＶＤシリコンおよびＰＶＤシリコン、ならびにＰＶＤニッケル、ＰＶＤコバルトおよびＰＶＤクロムが含まれる。
このコーティング・プロセスの後、薄片をＦＩＢに戻し、一連の逐次環状ミルにかけ、公知の方法で成形して、図４および５に示されているように針形の試料とする。図４は、針形試料の先端内のＲＯＩ１２２の位置の理解を提供するために破線で示された仮定の針先端形状を有する薄片１２０を示す。ほとんどの場合、薄片の埋め込まれた部分は、名目上、円錐の直径に沿って配置されていると有利である。図５は、先端１３６内のＲＯＩ１２２の位置および配置の理解を容易にするための誇張された先端１３６を有する、様式化された針形試料１３４を示す。しかしながら、先端１３６は、これよりも円錐形に形成されることを理解すべきである。好ましい任意のＦＩＢミル・プロセスを利用して針形試料を形成することができる。好ましいＦＩＢミル・プロセスの一例が、本発明の譲受人に譲渡された、参照によってその全体が本明細書に組み込まれるＧｉａｎｎｕｚｚｉ他の「Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ Ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒ Ｓａｍｐｌｅ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ」という名称の米国特許第７，４４２，９２４号明細書に示され、開示されている。
図６および７は、再構成されたＲＯＩ１３３が異なる向きに配置された、再構成された針形ＡＰＭデータ・セット１３７を示す。図６は、再構成されたＲＯＩ１３３が、上で論じ、図２Ａに示した「垂直な」向きにあるように形成された針形ＡＰＭデータ・セット１３７を示す。この垂直の向きでは、再構成されたＲＯＩ１３３が、データ・セットの最上部の再構成されたキャッピング層１３８よりもかなり下方から始まり、データ・セットの左からデータ・セットの右へ、再構成された円錐形データ・セット１３７の長軸に対して名目上直角に延びる。図７は、再構成されたＲＯＩ１３３が、上で論じ、図２Ｂに示した「９０度」の向きにあるように形成された、再構成された針形データ・セット１３７を示す。この向きでは、再構成されたＲＯＩ１３３が、データ・セットの最上部から始まり、再構成されたデータ・セット１３７の最下部へ向かって下方に延び、円錐の長軸に対して平行に走る。実際の試料では、ＲＯＩ構造体１２２が先端１３６のバルク内に埋め込まれており、ＲＯＩ構造体１２２は、物理的な先端１３６の頂点から約３０ｎｍから２マイクロメートルの間の距離のところに埋め込まれていることが好ましい。選択された材料１３２でＲＯＩ１２２をコーティングすると、バルク試料材料から形成された針先端にＲＯＩが形成されている場合に達成されるよりも、針先端１３６のより大きな範囲にわたって、電界がより均一になる。同時に、時間および位置によって変化するこの電界が主に、埋め込まれた薄片の不均質な材料の薄い紐形状に限定される。薄片の幅は、先端全体の直径に比べて小さいため、以前に説明した支配方程式が要求する複雑な先端形状の形成は、試料の「バルク」の中に針を成形することによって形成された、より伝統的な方法で成形された先端の表面全体にわたって材料を再成形することによってではなく、埋め込まれた薄片の露出した表面に位置する材料を再成形することによって達成される。したがって、複雑な先端を成形するエリアが狭いことによって、より制御された電界蒸発が可能になり、微小破壊などの電界蒸発生成物ならびにクラスタ事象および相関関係のない蒸発事象を減らすことができるため、「薄片が埋め込まれた」ＡＰＭ試料は、バルク試料中に形成された針試料よりも「適応性がある」。
ＦＩＢミリング・プロセスが完了した後、針形試料１３６をＡＰＭで分析および再構成し、別個のソフトウェア・ツールを使用して、ディジタル化された微小構造を可視化し、Ｓ／ＴＥＭデータと併合しまたはＳ／ＴＥＭデータと相関させる。
図８は、本発明の針形試料を形成するプロセスの流れ図を示す。始めに、ステップ１４０で、必要に応じてＲＯＩを識別し、隔離し、またはＲＯＩに印をつける。ステップ１４２で、Ｓ／ＴＥＭ用の薄片を形成する。次いで、ステップ１４４で、Ｓ／ＴＥＭを用いて薄片試料を分析する。このＳ／ＴＥＭは、３Ｄおよび超高分解能（ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ：ＵＨＲ）Ｓ／ＴＥＭを含むことができる。このＳ／ＴＥＭ分析の後、ステップ１４６で、薄片試料を洗浄し、コーティング装置内で薄片試料をコーティングし、埋め込む。次いで、ステップ１４８で、試料をＦＩＢミリング・プロセスにかけて、針形試料を形成する。ステップ１５２で、針形試料をＡＰＭを用いて分析し、または、ＡＰＭとＳ／ＴＥＭの間で試料を往復移動させることによってＡＰＭとＳ／ＴＥＭ１５４の両方で試料を繰返し分析する。次いで、ステップ１５５で、Ｓ／ＴＥＭおよびＡＰＭから得られたデータを、別個のソフトウェア・ツールを使用して相関させ、ステップ１５７で、相関させた構造および元素データならびに画像を表示する。図９は、図８に示された包括的なワークフローのそれぞれのステップ内の予想される変更を示す。
本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。
１０２ ＦＩＢカラム
１０４ 集束イオン・ビーム
１０６ 試料ステージ
１０８ 基板
１１０ 薄片
１０４ 集束イオン・ビーム
１０６ 試料ステージ
１０８ 基板
１１０ 薄片
Claims (16)
- Ｓ／ＴＥＭと原子プローブ顕微鏡法の両方によって試料を分析する方法であって、
集束イオン・ビームを使用してバルク材料を加工することにより、関心領域を含む、２００ｎｍ未満の厚さを有する薄片を形成することと、
マイクロマニピュレータを使用して前記バルク材料から前記薄片を抽出することと、
Ｓ／ＴＥＭ（透過電子顕微鏡または走査型透過電子顕微鏡）を使用して前記関心領域の画像を形成することと、
前記薄片が埋め込まれたより厚い構造体を形成するために、前記Ｓ／ＴＥＭで前記関心領域の前記画像を形成した後に、ビーム誘起付着、物理蒸着、または化学蒸着を用いて前記薄片上に材料を付着させることであって、前記材料を前記関心領域上の前記薄片の面上に付着させることと、
前記薄片が埋め込まれた前記より厚い構造体から、イオン・ビーム・ミリングを使用して、前記関心領域が含まれる前記薄片の部分と付着した前記材料の一部とを含む針形試料を形成することと、
原子プローブ顕微鏡を使用して前記針形試料中の前記関心領域の原子プローブ顕微鏡画像を形成することと
を含む方法。 - 前記原子プローブ顕微鏡を使用して前記関心領域の画像を形成することが、前記針形試料の３次元マップを形成することを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記Ｓ／ＴＥＭを使用して前記関心領域の画像を形成することが、前記Ｓ／ＴＥＭの電子ビームに対する角度が異なる前記試料の画像を形成して、前記関心領域の３次元画像を断層撮影によって形成することを含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
- 前記Ｓ／ＴＥＭによって得られた情報と、前記原子プローブ顕微鏡によって得られた情報とをディスプレイ上で結合することをさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
- Ｓ／ＴＥＭと前記原子プローブ顕微鏡の両方に適合するマウント上に前記薄片を配置することをさらに含み、前記Ｓ／ＴＥＭは走査型透過電子顕微鏡を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記薄片が、前記薄片を抽出した前記バルク材料の頂部に対応する上面を有し、前記薄片が、前記マウント上において、前記上面が実質的に水平になる向きに配置される、請求項５に記載の方法。
- 前記薄片が、前記薄片を抽出した前記バルク材料の頂部に対応する上面を有し、前記薄片が、前記マウント上において、前記上面が実質的に垂直になる向きに配置される、請求項５に記載の方法。
- 前記薄片が、前記薄片を抽出した前記バルク材料の頂部に対応する上面を有し、前記薄片が、前記マウント上において、前記上面が前記マウントに接触するように配置される、請求項５に記載の方法。
- 前記薄片上に前記材料を付着させることが、前記関心領域の質量とは異なる質量を有する材料を付着させることを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
- 前記薄片上に付着させた前記材料が、シリコン、ニッケル、コバルトおよび／またはクロムを含む、請求項９に記載の方法。
- 前記関心領域が、前記針形試料の先端から３０ｎｍから２マイクロメートルの間のところに位置する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記薄片上に前記材料を付着させることが、選択された材料で前記薄片を均一にコーティングすることを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記薄片上に前記材料を付着させることが、物理蒸着（ＰＶＤ）または化学蒸着（ＣＶＤ）によってシリコンを付着させることを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記薄片上に前記材料を付着させることが、ニッケル、コバルト、またはクロムをＰＶＤによって付着させることを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記関心領域からのＳ／ＴＥＭの構造情報と前記関心領域からの原子プローブ顕微鏡の元素情報とを関連付けることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記関心領域からのＳ／ＴＥＭの構造情報と前記関心領域からの原子プローブ顕微鏡の元素情報とを関連付けることが、試料の３次元微小構造および組成を再構成することを含む、請求項１５に記載の方法。
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