用于使用了電子束的顯微鏡或者分析裝置的試樣加熱架、以及使用了該試樣加熱架的試 ...的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于使用了電子束的顯微鏡或者分析裝置的試樣加熱架、以及使用了該試樣加熱架的試樣加熱方法，所述試樣加熱架不需要進(jìn)行超高真空化，能在不導(dǎo)致試樣表面的破壞的情況下穩(wěn)定地防止試樣表面的污染。該用于使用了電子束的顯微鏡或者分析裝置的試樣加熱架，對(duì)于觀察和分析期間的碳污染的生長(zhǎng)和熱漂移的抑制能力優(yōu)異，其特征在于，具備正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻作為發(fā)熱體。
【專利說明】用于使用了電子束的顯微鏡或者分析裝置的試樣加熱架、以及使用了該試樣加熱架的試樣加熱方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于電子顯微鏡、電子束顯微分析儀等使用了電子束的顯微鏡或者分析裝置的試樣加熱架、以及使用了該試樣加熱架的試樣加熱方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在用于評(píng)價(jià)材料的顯微組織的掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、電子束顯微分析儀、俄歇電子能譜儀等使用了電子束的顯微鏡或者分析裝置中，存在如下的深刻問題:存在于評(píng)價(jià)用試樣的表面、周圍的烴等污染物質(zhì)與入射電子束相互作用而在試樣表面生成碳污染(以下稱為“污染”)，使得觀察圖像的對(duì)比度發(fā)生變化，或使得以碳為代表的元素的分析精度降低。
[0003]污染物質(zhì)主要從試樣、試樣架、真空排氣系統(tǒng)、裝置的內(nèi)部部件等四種途徑混入。對(duì)于源自真空排氣系統(tǒng)的污染物質(zhì)的混入，可通過對(duì)試樣室進(jìn)行氮?dú)獯祾?、液氮捕獲、使用無油真空泵等進(jìn)行一定程度的抑制。另一方面，一旦帶入到試樣室的污染物質(zhì)附著于或者吸附于試樣室的壁、試樣架等，即使排氣為高真空也相當(dāng)不容易去除。另外，無論怎樣清潔的試樣，若暴露于大氣，都會(huì)在其表面吸附烴等碳源。若試樣的前處理、操作、保管不恰當(dāng)，則通過試樣而帶入到試樣室的污染物質(zhì)增加。
[0004]被帶入到裝置內(nèi)的污染物質(zhì)的分子經(jīng)由表面擴(kuò)散、氣相擴(kuò)散而在裝置內(nèi)到處移動(dòng)。到處移動(dòng)的這些污染物質(zhì)的分子不久如被電子束吸引那樣凝集于該試樣照射位置而生成污染。根據(jù)這樣的污染的生成過程，在將電子束照射于污染物質(zhì)進(jìn)行觀察.分析之前盡可能地將它們從試樣的周圍去除，或者將它們固定以使其不移動(dòng)，是有效的污染對(duì)策。
[0005]作為這樣的將存在于試樣的表面、周圍的污染物質(zhì)去除的方法，液氮捕獲是最流行的方法。該方法是:在試樣的附近設(shè)置經(jīng)液氮冷卻的冷片(cold fin)從而將經(jīng)由氣相擴(kuò)散、表面擴(kuò)散而到達(dá)了該冷片上的污染物質(zhì)的分子暫時(shí)性地固定的方法。該方法無法將試樣周圍的污染物質(zhì)完全地去除，因此無法完全防止污染。
[0006]將試樣室進(jìn)行超真空化的方法、由Ar離子等對(duì)試樣表面進(jìn)行濺射的方法也是廣為人知的方法。然而，在將試樣室進(jìn)行超真空化的方法中，需要進(jìn)行在100?200°C下對(duì)試樣室周圍加熱數(shù)小時(shí)?數(shù)天的烘烤操作，因此，如下那樣的對(duì)于裝置的限制較多:必須使得用于裝置的材料、分析用的光譜儀、電子槍耐受該烘烤操作以及超高真空的維持。另外，就該方法而言，由于不是將存在于試樣表面的污染物質(zhì)直接去除，因而存在如下問題:單獨(dú)使用該方法無法完全地抑制污染的生成。另外，利用Ar離子等進(jìn)行濺射的方法存在如下限制:如果不是能設(shè)置濺射用的離子槍的裝置則無法適用，由于伴隨有試樣表面的破壞，因而只能應(yīng)用于濺射不會(huì)對(duì)試樣表面的圖像觀察、元素分析造成不良影響的情況。另外，如果不與試樣室的超高真空化組合使用，則即使通過濺射暫時(shí)地去除，也會(huì)在試樣表面發(fā)生污染物質(zhì)分子的再吸附，因此無法完全地防止污染的生長(zhǎng)。
[0007]在非專利文獻(xiàn)I及其引用文獻(xiàn)中提出了向試樣、試樣架照射低能量的高頻反應(yīng)氣體等離子體從而去除污染物質(zhì)的技術(shù)。另外，在專利文獻(xiàn)I?3中提出了如下的方法及裝置:從大氣等含氧氣體中產(chǎn)生高頻等離子體從而生成氧自由基，將其照射于試樣的表面、周圍從而將存在的污染物質(zhì)氧化，分解為容易排出的h20、CO、CO2等而將其去除的方法及裝置。
[0008]非專利文獻(xiàn)1:T.C.1sabell 等:Microsc.Microanal5, 126 (1999)
[0009]專利文獻(xiàn)1:美國(guó)專利第6，610, 257號(hào)公報(bào)
[0010]專利文獻(xiàn)2:美國(guó)專利第6，105, 589號(hào)公報(bào)
[0011]專利文獻(xiàn)3:美國(guó)專利第6，452，315號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]但是，認(rèn)為在非專利文獻(xiàn)1、專利文獻(xiàn)I?3所記載的技術(shù)中，等離子體、自由基的照射范圍并未充分地遍及試樣及其周圍，因而無法完全地去除污染物質(zhì)，無法穩(wěn)定地防止試樣表面的污染。
[0013]本發(fā)明的目的在于提供一種用于使用了電子束的顯微鏡或者分析裝置的試樣加熱架、以及使用了該試樣加熱架的試樣加熱方法，該試樣加熱架不需要進(jìn)行超高真空化，可在不引起試樣表面的破壞的情況下穩(wěn)定地防止試樣表面的污染。
[0014]本發(fā)明人等為實(shí)現(xiàn)上述目的而進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了以下的事實(shí)。
[0015]i)加熱試樣對(duì)于在高真空環(huán)境下防止試樣表面的污染是有效的。認(rèn)為通過試樣加熱可防止污染的理由如下:吸附于試樣表面的污染物質(zhì)的分子被熱強(qiáng)制脫離，從而無法經(jīng)由表面擴(kuò)散、氣相擴(kuò)散而到達(dá)電子束的照射位置。但是，在此情況下，若使用通常的鎳鉻線、鎢線等金屬制加熱線作為發(fā)熱體，則加熱溫度不穩(wěn)定，因而產(chǎn)生由試樣、試樣架的熱膨脹導(dǎo)致的熱漂移，不易使圖像觀察位置、元素分析位置在顯微鏡圖像的拍攝、元素分析所需要的數(shù)十秒?數(shù)分鐘內(nèi)穩(wěn)定。
[0016]ii)為了抑制該熱漂移的發(fā)生，使用自身抑制其溫度變化的正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻作為試樣加熱用的發(fā)熱體的方法是有效的。
[0017]iii)特別優(yōu)選在PTC熱敏電阻中流動(dòng)直流電流而使其發(fā)熱從而進(jìn)行試樣加熱。
[0018]本發(fā)明是基于這樣的見解而完成的，提供一種用于使用了電子束的顯微鏡或者分析裝置的試樣加熱架，其特征在于，具備正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻作為發(fā)熱體。
[0019]本發(fā)明還提供一種使用了電子束的顯微鏡或者分析裝置中的試樣加熱方法，其對(duì)于觀察和分析期間的碳污染的生長(zhǎng)和熱漂移的抑制能力優(yōu)異，其特征在于，使用上述的試樣加熱架，在上述的PTC熱敏電阻中流動(dòng)直流電流而使其發(fā)熱。此時(shí)，優(yōu)選照射等離子體或者氧自由基。
[0020]通過使用本發(fā)明的試樣加熱架，利用沒有進(jìn)行超高真空化的電子顯微鏡、電子束顯微分析儀等照射電子束的裝置，可在不發(fā)生Ar離子濺射等導(dǎo)致的試樣表面的破壞的情況下，穩(wěn)定地防止試樣表面的污染的生長(zhǎng)，且也可抑制試樣的熱漂移的發(fā)生，因而可高精度地進(jìn)行圖像觀察、元素分析。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是表示加熱(直流)、加熱(直流)十氧自由基照射、未加熱的未處理的狀態(tài)下的C累積強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化的圖。
[0022]圖2是表示用直流進(jìn)行加熱的情況下的圖像觀察結(jié)果的圖。
[0023]圖3是表示用交流進(jìn)行加熱的情況下的圖像觀察結(jié)果的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]如上所述，加熱試樣對(duì)于在高真空環(huán)境下防止試樣表面的污染是有效的。在加熱溫度為50°C左右時(shí)，可確認(rèn)到上述污染防止效果，溫度越高效果越明顯。然而，在將溫度設(shè)定為非常高時(shí)，試樣的微觀組織發(fā)生變化或發(fā)生變質(zhì)，因此，需要與試樣相對(duì)應(yīng)地設(shè)定加熱溫度。例如，當(dāng)以無機(jī)材料、金屬材料為對(duì)象時(shí)，優(yōu)選加熱至100°C左右。其原因在于，若為100°C左右的加熱，則可將在圖像觀察、元素分析等所需要的數(shù)十秒~數(shù)分鐘時(shí)間內(nèi)的、元素的擴(kuò)散距離抑制在晶粒尺寸的1%以下，可忽略試樣的變化、變質(zhì)。例如，對(duì)由平均粒徑為10 μ m的鐵素體(ferrite)粒構(gòu)成的鋼材進(jìn)行碳分析的情況下，由于碳在100°C下的擴(kuò)散系數(shù)為約2X 10_14cm2/s,因而即使加熱I小時(shí),擴(kuò)散距離也為約85nm,在通常的分析時(shí)間內(nèi)，加熱導(dǎo)致的圖像觀察、元素分析的精度劣化不會(huì)成為問題。
[0025]另一方面，在高真空環(huán)境下用通常的鎳鉻線、鎢線等金屬線加熱器加熱試樣時(shí)，即使基于溫度測(cè)量來進(jìn)行反饋/前饋控制，從加熱器流入至試樣、試樣架的熱與經(jīng)由熱傳導(dǎo)而流出至周圍的結(jié)構(gòu)物的熱的收支也不平衡。因此，試樣或者試樣架的溫度發(fā)生振蕩，因此發(fā)生由熱膨脹引起的熱漂移。發(fā)生熱漂移時(shí)，由于視野在觀察期間發(fā)生移動(dòng)，因而不易確保圖像觀察、元素分析的位置精度。因此，在本發(fā)明中，使用具有自身抑制其自身的溫度變化的功能的PTC熱敏 電阻作為發(fā)熱體，抑制在試樣或者試樣架中的熱漂移的發(fā)生。
[0026]熱敏電阻是指，電阻變化相對(duì)于溫度變化而言大的電阻器，PTC熱敏電阻是電阻相對(duì)于溫度升高而增大的類型的熱敏電阻。這是由于該類型的熱敏電阻在超過居里溫度時(shí)進(jìn)行電阻急劇上升那樣的非線性動(dòng)作。因此，當(dāng)持續(xù)流動(dòng)電流時(shí)，會(huì)在自身發(fā)熱的作用下使電流變得不易流動(dòng)從而保持恒定的溫度，因而作為恒溫發(fā)熱體發(fā)揮功能。如上所述，PTC熱敏電阻其自身具有溫度調(diào)節(jié)功能，可迅速地升高溫度，也不發(fā)生設(shè)定溫度下的振蕩，因此，可稱為在抑制熱漂移的發(fā)生的方面極其有效的發(fā)熱體。
[0027]作為PTC熱敏電阻，優(yōu)選向鈦酸鋇中加入添加物而得到的陶瓷PTC熱敏電阻。其原因在于，在該熱敏電阻中，鈦酸鋇在室溫下至120°C以上的溫度下發(fā)生由穩(wěn)定的正方晶向穩(wěn)定的立方晶的相變，從而顯現(xiàn)出熱敏電阻特性，還可以通過添加物的量，從而在小于100°C至300°C左右的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其設(shè)定溫度(居里溫度)。
[0028]在使用PTC熱敏電阻時(shí)，優(yōu)選流動(dòng)直流電流而使其發(fā)熱。若使用交流電流，則在包含熱敏電阻的電流流路的周圍產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，因而使得照射電子束發(fā)生振動(dòng)，從而發(fā)生電子顯微鏡圖像的失真、焦點(diǎn)模糊、目標(biāo)分析位置的位置偏移等不良現(xiàn)象。因此，尤其是在高倍率下的電子顯微鏡圖像的拍攝、極微小區(qū)域的分析的方面(其中電子束照射的位置精度是重要的)成為深刻的問題。另一方面，若使用直流電流，則僅產(chǎn)生靜磁場(chǎng)，因而不會(huì)出現(xiàn)上述問題。
[0029]另外，如果與等離子體、氧自由基照射組合使用，則可進(jìn)一步穩(wěn)定地減低污染。
[0030]即使發(fā)熱體的溫度恒定，但若保持發(fā)熱體的試樣架等熱傳導(dǎo)部分的熱膨脹系數(shù)大，則固定在它們之上的試樣也容易顯現(xiàn)出熱漂移的影響。因此，在通過直接?間接地密接于試樣而在基于傳導(dǎo)導(dǎo)熱的加熱的作用下容易升高溫度的部件中，優(yōu)選使用低熱膨脹系數(shù)合金例如FeNi36合金等。
[0031]予以說明，如果使用這樣的PTC熱敏電阻，則由于不需要進(jìn)行裝置的超高真空化、Ar濺射等，因而也不會(huì)導(dǎo)致試樣表面的破壞。
[0032][實(shí)施例1]
[0033]用銅雙面膠帶(含銅的雙面膠帶)將居里溫度92°C、使用電壓100V、穩(wěn)定電流32mA的陶瓷PTC熱敏電阻固定于已有的掃描電子顯微鏡用鋁制試樣架上，而得到本發(fā)明的試樣加熱架，用銅膠帶將經(jīng)絕緣被覆的鎳鉻線加熱器和熱電偶固定于上述鋁制試樣架上，而得到可進(jìn)行PID控制的比較用的試樣加熱架，使用本發(fā)明的試樣加熱架和比較用的加熱架進(jìn)行了以下的試驗(yàn)。
[0034]在這些試樣加熱架的加熱部分上，用銅雙面膠帶固定硅晶圓作為試樣，所述硅晶圓是利用異丙醇洗滌10分鐘后進(jìn)行了大氣干燥的市售的經(jīng)鏡面研磨的硅晶圓，設(shè)置在Carl Zeiss公司制掃描電子顯微鏡SUPRA55VP的試樣臺(tái)，利用下面的方法測(cè)定出將溫度設(shè)定為室溫(28°C)和92°C時(shí)的污染量和熱漂移量。予以說明，向任一個(gè)試樣加熱架，都經(jīng)由安裝于SUPRA55VP試樣臺(tái)的前表面的電流導(dǎo)入端子而供給了直流電壓。此時(shí)，比較的試樣加熱架還接線于溫度控制用微處理器以能夠進(jìn)行PID控制而將溫度控制為92°C。掃描電子顯微鏡的操作條件為，加速電壓:5kV，照射電流:0.1nA,電子束照射時(shí)間:500秒，觀察倍率:10萬倍。予以說明，在任一個(gè)試樣加熱架的情況下，都為了避免充電(Charge Up)的影響而使用市售的導(dǎo)電性Cu膠帶將試樣接地于鋁支架。
[0035]污染量:使 用搭載于掃描電子顯微鏡的能量分散型特性X射線分析裝置，以電子束照射時(shí)間內(nèi)的試樣表面的碳(C)-Ka線的累積強(qiáng)度(包括本底在內(nèi)的峰強(qiáng)度。簡(jiǎn)稱為“C累積強(qiáng)度”。)評(píng)價(jià)污染量。
[0036]熱漂移量:根據(jù)在電子束照射時(shí)間內(nèi)的觀察視野的移動(dòng)距離來評(píng)價(jià)。
[0037]將結(jié)果示于表1。
[0038]就污染量(C累積強(qiáng)度)而言，在本發(fā)明的試樣加熱架和比較的試樣加熱架的任一種情況下，都是在室溫下多，但是若加熱至92 °C，則降低至本底水平。
[0039]另一方面，在任一種情況下，熱漂移量(視野移動(dòng)距離)在室溫下都小，為IOnm左右，但是，若加熱至92°C，則在兩者的支架之間確認(rèn)到顯著差異，在本發(fā)明的試樣加熱架的情況下，較小，為90nm左右，是能夠追隨圖像觀察、元素分析的位置的程度，在比較的試樣加熱架的情況下，為1000nm以上，無法追隨圖像觀察、元素分析的位置。
[0040]根據(jù)以上內(nèi)容可知，若使用本發(fā)明的試樣加熱架，則僅通過連接電源(不需設(shè)置特別的溫度控制電路)即可自動(dòng)控制為目標(biāo)溫度。因此可以說，通過試樣加熱，從而可防止試樣表面的污染，并且也可抑制熱漂移的發(fā)生，因而可高精度地進(jìn)行圖像觀察、元素分析。
[0041]表1
C累積強(qiáng)度(cps )視野移動(dòng)距離Um ) —
試樣加熱架 28 0C92 °C28 0C92 V
[0042]發(fā)明例520910"90
比較例51112101350~
[0043][實(shí)施例2][0044]在本發(fā)明的試樣加熱架上，固定純鐵(市售的板狀標(biāo)準(zhǔn)試樣:純度99.9%)來代替實(shí)施例1中使用的硅晶圓作為試樣，在加熱、加熱+氧自由基照射、未加熱的未處理的狀態(tài)下，改變電子束照射時(shí)間，測(cè)定出試樣表面的污染量(C累積強(qiáng)度)。此時(shí)，加熱是在與實(shí)施例1同樣的條件下進(jìn)行的，氧自由基照射是使用市售的高頻等離子體產(chǎn)生裝置進(jìn)行的。予以說明，純鐵的表面是活性的，因而相比于硅晶圓更容易附著污染，在長(zhǎng)時(shí)間照射電子束時(shí)，由于污染而妨礙分析，因此，測(cè)定了直至60分鐘的照射時(shí)間為止的污染量的經(jīng)時(shí)變化。測(cè)定是在與實(shí)施例1同樣的條件下進(jìn)行的，準(zhǔn)備多個(gè)利用丙酮進(jìn)行了超聲波洗滌的純鐵試樣，對(duì)各試樣在各時(shí)間下測(cè)定5次，求出平均污染量。
[0045]將結(jié)果示于圖1。
[0046]當(dāng)使用本發(fā)明的試樣加熱架來加熱試樣時(shí)，可知與未加熱的未處理的情況相比，即使進(jìn)行60分鐘的電子束照射，也大幅地抑制污染量的升高。另外可知，除了進(jìn)行加熱之夕卜，還施加了氧自由基照射時(shí)，可更穩(wěn)定地減低污染。
[0047][實(shí)施例3]
[0048]使用與實(shí)施例1同樣的、用銅雙面膠帶(含銅的雙面膠帶)將居里溫度92°C、使用電壓100V、穩(wěn)定電流32mA的陶瓷PTC熱敏電阻固定于已有的掃描電子顯微鏡用鋁制試樣架上而得到的本發(fā)明的試樣加熱架，進(jìn)行了以下的試驗(yàn)。
[0049]在該試樣加熱架的加熱部分上，用銅雙面膠帶固定極低碳素鋼板作為試樣，所述極低碳素鋼板是用硝酸酒精溶液(nital)腐蝕后用乙醇洗滌并且進(jìn)行了大氣干燥的市售的極低碳素鋼板，設(shè)置在Carl Zeiss公司制掃描電子顯微鏡SUPRA55VP的試樣臺(tái)，將溫度設(shè)定為92°C，進(jìn)行了圖像觀察。此時(shí)，經(jīng)由安裝于SUPRA55VP試樣臺(tái)的前表面的電流導(dǎo)入端子向試樣加熱架供給直流電壓和交流電壓，在各情況下進(jìn)行圖像觀察。掃描電子顯微鏡的操作條件為，加速電壓:5kV，照射電流:0.1nA,電子束照射時(shí)間:500秒，觀察倍率:1萬倍。予以說明，在試樣加熱架中，為了避免充電的影響，使用市售的導(dǎo)電性Cu膠帶將試樣接地于鋁支架。
[0050]在圖2中示出了用直流進(jìn)行加熱的情況下的圖像觀察結(jié)果，在圖3中示出了用交流進(jìn)行加熱的情況下的圖像觀察結(jié)果?？芍谟媒涣鬟M(jìn)行加熱的情況下，因產(chǎn)生磁場(chǎng)而在觀察圖像中引入電噪聲，圖像變得非常不清晰，但是，在用直流進(jìn)行加熱的情況下，在觀察圖像中沒有產(chǎn)生電噪聲，而且，通過加熱，可在不增加污染的狀態(tài)下實(shí)施清晰的圖像觀察。
【權(quán)利要求】
1.用于使用了電子束的顯微鏡或者分析裝置的試樣加熱架，其對(duì)于觀察和分析期間的碳污染的生長(zhǎng)和熱漂移的抑制能力優(yōu)異，其特征在于，具備正溫度系數(shù)熱敏電阻作為發(fā)熱體，所述正溫度系數(shù)熱敏電阻又稱為PTC熱敏電阻。
2.使用了電子束的顯微鏡或者分析裝置中的試樣加熱方法，其對(duì)于觀察和分析期間的碳污染的生長(zhǎng)和熱漂移的抑制能力優(yōu)異，其特征在于，使用權(quán)利要求1所述的試樣加熱架，在所述PTC熱敏電阻中流動(dòng)直流電流而使其發(fā)熱。
3.如權(quán)利要求2所述的使用了電子束的顯微鏡或者分析裝置中的試樣加熱方法，其對(duì)于觀察和分析期間的碳污染的生長(zhǎng)和熱漂移的抑制能力優(yōu)異，其特征在于，照射等離子體或者氧自由基。
【文檔編號(hào)】H01J37/20GK103782363SQ201280043932
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月14日
【發(fā)明者】山下孝子, 野呂壽人, 關(guān)本光義, 渡邊學(xué), 賀嶋能久 申請(qǐng)人:杰富意鋼鐵株式會(huì)社