(57)【要約】  試料Ｓを保持するステージ１０と、測定用のγ線を供給するγ線照射部１５と、測定γ線を集束させつつ試料Ｓへと照射するγ線集束部１８と、測定γ線を通過させる開口部を有するとともに、ステージ１０側の面を電子入射面として構成され、測定γ線を共鳴吸収した試料Ｓ中の対象物質からの内部転換電子を検出する電子検出器２０と、試料Ｓに対する測定γ線の照射位置をＸＹ面内で２次元に移動させる照射位置移動部と、電子検出器２０の電子入射面に対し、その電位が試料Ｓに対して負の電位となるように電圧を印加して、電子検出器２０で検出される電子のエネルギーを選択するエネルギー選択用電圧印加部とによって、メスバウア分光測定装置１Ａを構成する。これにより、試料中の対象物質についての微細構造の情報を取得することが可能なメスバウア分光測定装置が実現される。
2008143101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メスバウア分光測定の対象物質を含む試料を保持するための試料ステージと、
分光測定に用いられる所定エネルギーの測定γ線を供給するγ線源を有し、所定の照射軸に沿って前記測定γ線を前記試料へと照射するγ線照射手段と、
前記γ線照射手段及び前記試料ステージの間に配置され、前記測定γ線を集束させつつ前記試料へと照射する集束手段と、
前記集束手段及び前記試料ステージの間に配置され、前記集束手段からの前記測定γ線を通過させる開口部を有するとともに、前記試料ステージ側の面を電子入射面として構成され、前記測定γ線をメスバウア効果によって共鳴吸収した前記試料中の前記対象物質から放出される内部転換電子を検出する電子検出手段と、
前記試料に対する前記測定γ線の照射位置を、前記照射軸に垂直な面内で２次元に移動させる照射位置移動手段と、
前記電子検出手段の前記電子入射面に対し、その電位が前記試料ステージ上の前記試料に対して負の電位となるようにエネルギー選択用電圧を印加して、前記試料からの電子のうちで前記電子検出手段によって検出される電子のエネルギーを選択するエネルギー選択用電圧印加手段と
を備えることを特徴とするメスバウア分光測定装置。
【請求項２】
前記γ線照射手段は、前記γ線源である５７Ｃｏ線源と、前記５７Ｃｏ線源を前記照射軸の方向に駆動する線源駆動手段とを有するとともに、
前記試料に含まれる前記対象物質は、５７Ｆｅであることを特徴とする請求項１記載のメスバウア分光測定装置。
【請求項３】
前記集束手段は、複数の中空管を束ねて、前記測定γ線が前記試料へと集束するように形成されたマルチキャピラリレンズであることを特徴とする請求項１または２記載のメスバウア分光測定装置。
【請求項４】
前記電子検出手段は、
１段または複数段のマイクロチャンネルプレートからなり、前記測定γ線を通過させる開口部を有し、その一方の面を前記電子入射面、他方の面を電子出射面として構成され、前記電子入射面と前記電子出射面との間に電子増倍用電圧が印加されることにより、前記試料から入射した電子を増倍する電子増倍機能を有するＭＣＰ部と、
前記測定γ線を通過させる開口部を有し、前記ＭＣＰ部の前記電子出射面から出射された電子を検出して、得られた電流信号を検出信号として出力する検出電極と、
前記ＭＣＰ部の前記電子入射面に対して設けられ、前記エネルギー選択用電圧が印加されるエネルギー選択用電極とを有するＭＣＰ検出器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のメスバウア分光測定装置。
【請求項５】
前記試料ステージは、前記試料を前記照射軸に垂直な面内で２次元に移動させることが可能に構成され、前記照射位置移動手段として機能する可動ステージからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のメスバウア分光測定装置。
【請求項６】
前記γ線照射手段による前記測定γ線の照射条件、前記照射位置移動手段による前記照射位置の設定条件、及び前記エネルギー選択用電圧印加手段による前記エネルギー選択用電圧の印加条件を制御する測定制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のメスバウア分光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料に対して所定エネルギーのγ線を照射し、試料中に含まれる対象物質についてメスバウア分光測定を行うメスバウア分光測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
メスバウア分光測定法は、バルク材料の試料について、分光測定の対象となる対象物質の原子核と、その周りの電子との超微細相互作用等を利用して、原子の化学状態、あるいはその近傍の結晶・磁気構造、格子欠陥の状態など、試料に関する原子スケールの情報を取得することが可能な測定方法である。【０００３】
メスバウア分光測定では、γ線源から供給される所定エネルギーのγ線を試料へと照射する。このとき、試料中の対象物質の原子核において、メスバウア効果によるγ線の無反跳共鳴吸収が発生し、この共鳴吸収を観測することにより、試料中での対象物質のエネルギー準位の変化などの対象物質の状態についての情報を取得することができる。例えば、対象物質が５７Ｆｅである場合、γ線源として５７Ｃｏ線源が用いられ、線源から放出されるエネルギー１４．４ｋｅＶのγ線が分光測定に用いられる（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開平８−２０１３１８号公報
【特許文献２】特開平９−４９８０９号公報
【特許文献３】特開昭６４−４３７４７号公報
【非特許文献１】Y. Yoshida et al., "Mossbauer-Spectroscopic Iron Microscope", 6th Seeheim Workshop on Mossbauer Spectroscopy, June 07-11, 2006, Seeheim, Germany
【非特許文献２】吉田豊、第５回ＲＳＰ育成試験研究成果発表会  事業最終報告会試料  「シリコン中の鉄不純物マッピング測定のための顕微メスバウア分光装置の開発」、平成１７年２月１８日、ブケ東海静岡
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したメスバウア分光測定は、物質科学、化学、材料学、物理学、鉱物学、医学、さらに環境学などの様々な分野において、試料中の鉄原子の分析、評価に利用されている。また、メスバウア分光の分光データの蓄積、及びデータベース化が進められており、それらの分光データは様々な分光測定において利用されている。しかしながら、このようなメスバウア分光測定では、試料中の対象物質についての微細構造、微細組織の情報を直接的に取得することができないという問題がある。【０００５】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、試料中の対象物質についての微細構造の情報を取得することが可能なメスバウア分光測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
メスバウア分光測定における、上記した試料中の対象物質についての微細構造の測定に関し、本願発明者は、Ｘ線集束用に開発されたマルチキャピラリレンズ（ＭＣＸ：Multi Capillary X-ray Lens、特公平７−１１６００号公報、特公平７−４００８０号公報、文献 "H. Soejima and T. Narusawa, Advances in X-ray Analysis, Vol.44 pp.320-324 (2001)" 参照）をγ線集束に用いるとともに、試料中の対象物質から放出される内部転換電子を検出することで分光測定を行う構成のメスバウア分光測定装置の開発を進めている（非特許文献１、２参照）。【０００７】
上記したＭＣＸを用いた構成によれば、メスバウア分光測定用のγ線を充分に小さいスポットサイズで集束して試料に照射することにより、試料中の対象物質について高い位置分解能で分光測定を行うことができる。また、このような構成において、試料に対するγ線の照射位置を照射軸に垂直な面内で移動させることにより、試料中の対象物質についての２次元測定が可能となる。【０００８】
しかしながら、このような測定装置では、試料の深さ方向についての情報を得ることができない。本願発明者は、このような問題について鋭意検討を重ねた結果、試料から放出される内部転換電子のエネルギーが、試料中において対象物質によるγ線の共鳴吸収が起こって内部転換電子が生成される位置の試料表面からの深さに大きく依存していることを見出し、本発明に到達した。【０００９】
すなわち、本発明によるメスバウア分光測定装置は、（１）メスバウア分光測定の対象物質を含む試料を保持するための試料ステージと、（２）メスバウア分光測定に用いられる所定エネルギーのγ線である測定γ線を供給するγ線源を有し、所定の照射軸に沿って測定γ線を試料へと照射するγ線照射手段と、（３）γ線照射手段及び試料ステージの間に配置され、測定γ線を集束させつつ試料へと照射する集束手段と、（４）集束手段及び試料ステージの間に配置され、集束手段からの測定γ線を通過させる開口部を有するとともに、試料ステージ側の面を電子入射面として構成され、測定γ線をメスバウア効果によって共鳴吸収した試料中の対象物質から放出される内部転換電子を検出する電子検出手段と、（５）試料に対する測定γ線の照射位置を、照射軸に垂直な面内で２次元に移動させる照射位置移動手段と、（６）電子検出手段の電子入射面に対し、その電位が試料ステージ上の試料に対して負の電位となるようにエネルギー選択用電圧を印加して、試料からの電子のうちで電子検出手段によって検出される電子のエネルギーを選択するエネルギー選択用電圧印加手段とを備えることを特徴とする。【００１０】
上記したメスバウア分光測定装置においては、分光測定用のγ線を供給するγ線照射手段と、対象物質を含む試料を保持する試料ステージとの間に集束手段を設け、γ線源からの測定γ線を試料に対して集束させつつ照射している。これにより、試料中の対象物質についての情報を高い位置分解能で取得することができる。また、集束されたγ線の試料への照射位置を照射軸に垂直な面内で２次元（Ｘ方向、Ｙ方向）に移動させる照射位置移動手段を設けている。このように、測定γ線の照射位置を試料上で２次元に走査することにより、上記したように、試料中の対象物質についての２次元測定が可能となる。【００１１】
また、集束手段と試料ステージとの間に測定γ線を通過させる開口部を有する電子検出手段を配置し、この電子検出手段によって、試料から放出される電子を検出する構成としている。このような構成の電子検出手段を用いることにより、γ線照射手段から供給されるγ線の試料への集束照射と、試料中でγ線の共鳴吸収を起こした対象物質からの内部転換電子の検出とを、好適に両立することができる。【００１２】
さらに、このような構成において、電子検出手段の電子入射面に対し、その電位が試料ステージ上の試料に対して負の電位となるようにエネルギー選択用電圧を印加している。ここで、電子入射面の電位が試料に対して０であれば、試料から放出された電子は、そのまま電子検出手段へと入射する。一方、電子入射面の電位が試料に対して負である場合、試料から放出された電子はそれによって減速され、一定以上のエネルギーで放出された電子のみが電子検出手段に到達して検出される。また、試料から放出される内部転換電子のエネルギーは、上述したように、試料中で対象物質によるγ線の共鳴吸収が起こって内部転換電子が生成される位置の試料表面からの深さ（Ｚ方向の位置）に大きく依存する。【００１３】
したがって、このように電子検出手段の電子入射面と試料との間に電圧を印加し、電子検出手段によって検出される電子のエネルギーを選択することにより、照射位置を移動することによるＸ方向、Ｙ方向の情報に加えて、試料の深さ方向であるＺ方向について試料中の対象物質の情報を得ることが可能となる。以上より、上記構成のメスバウア分光測定装置によれば、試料中の対象物質についての３次元の微細構造の情報を取得することが可能となる。このようなメスバウア分光測定による試料の３次元測定は、本発明によって初めて可能となったものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のメスバウア分光測定装置によれば、γ線源からの測定γ線を試料に対して集束させつつ照射し、集束されたγ線の試料への照射位置を照射軸に垂直な面内で２次元に移動させる照射位置移動手段を設け、集束手段と試料ステージとの間に配置された測定γ線を通過させる開口部を有する電子検出手段によって、試料から放出される電子を検出する構成とするとともに、電子検出手段の電子入射面に対し、その電位が試料ステージ上の試料に対して負の電位となるようにエネルギー選択用電圧を印加することにより、試料中の対象物質についての３次元の微細構造の情報を取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、メスバウア分光測定装置の基本構成を概略的に示す図である。
【図２】図２は、メスバウア分光測定装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、メスバウア分光測定装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。
【図４】図４は、ＭＣＰ検出器の構成を概略的に示す側面断面図である。
【図５】図５は、ＭＣＰ検出器の具体的な構成の一例を示す断面図である。
【図６】図６は、試料に対する測定γ線の照射位置の制御方法の一例を示す模式図である。
【図７】図７は、ＭＣＰ検出器で検出された電子のエネルギー分布を示すグラフである。
【図８】図８は、試料の顕微画像の一例を示す図である。
【図９】図９は、試料の顕微画像の他の例を示す図である。
【図１０】図１０は、深さ校正用試料の構成を模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、深さ校正用試料の顕微画像の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、試料のメスバウアスペクトルの一例を示すグラフである。
【図１３】図１３は、試料の顕微画像の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
１Ａ、１Ｂ…メスバウア分光測定装置、１０…ＸＹステージ（試料ステージ）、１１…真空チェンバ、１２…直線導入端子、１５…γ線照射部、１６…γ線源（５７Ｃｏ線源）、１７…線源駆動装置、１８…γ線集束部、１９…ＭＣＸ（マルチキャピラリレンズ）、２０…ＭＣＰ検出器（電子検出器）、２１…ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）部、２１ａ…開口部、２１ｂ…電子入射面、２１ｃ…電子出射面、２２…入射側電極（エネルギー選択用電極）、２３…出射側電極、２２ａ、２３ａ…開口部、２４…検出電極、２４ａ…開口部、３１…抵抗、３２…コンデンサ、３３…増幅回路、３６、３７…抵抗、３８…中間点、
４０…電圧供給部、４１…電子増倍用電源、４２…エネルギー選択用電源、５０…測定制御装置、５１…測定処理部、５２…線源駆動制御部、５３…ステージ制御部、５４…電圧印加制御部、５６…表示装置、５７…入力装置。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面とともに本発明によるメスバウア分光測定装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。【００１８】
まず、本発明によるメスバウア分光測定装置の基本構成について説明する。図１は、本発明によるメスバウア分光測定装置の基本構成を概略的に示す図である。ここで、以下の説明においては、図１に示すように、試料Ｓに対する測定γ線の照射軸Ａｘに垂直な面における２つの軸をＸ軸及びＹ軸、Ｘ軸、Ｙ軸に垂直であって照射軸Ａｘに沿った軸をＺ軸とする。Ｘ軸、Ｙ軸は、それぞれ試料Ｓにおけるγ線の入射面に沿った軸である。また、Ｚ軸は、試料Ｓにおける深さ方向の軸である。【００１９】
図１に示すメスバウア分光測定装置１Ａは、ＸＹステージ１０と、γ線照射部１５と、γ線集束部１８と、電子検出器であるＭＣＰ検出器２０とを備えて構成されている。これらの各要素は、測定装置１Ａにおいて、測定γ線の照射軸Ａｘに沿ってγ線照射部１５、γ線集束部１８、ＭＣＰ検出器２０、ＸＹステージ１０の順で配置されている。【００２０】
本測定装置１Ａにおいてメスバウア分光測定の対象となる対象物質を含む試料Ｓは、試料ステージ１０上の所定位置に保持されている。このとき、試料Ｓでの照射軸Ａｘ上にある位置が、試料Ｓに対する測定γ線の照射位置となる。【００２１】
また、本構成例では、試料ステージ１０は、照射軸Ａｘに垂直なＸＹ面内で２次元に駆動可能な可動ステージであるＸＹステージとして構成されている。このように、ＸＹステージ１０を２次元に駆動することにより、ステージ１０上に保持された試料ＳがＸ方向、Ｙ方向に２次元に移動される。これにより、本ＸＹステージ１０は、試料Ｓに対する測定γ線の照射位置をＸ方向、Ｙ方向に２次元に移動させる照射位置移動手段として機能する構成となっている。【００２２】
ＸＹステージ１０上の試料Ｓに対し、測定用のγ線供給源として、γ線照射部１５が設けられている。γ線照射部１５は、メスバウア分光測定に用いられる所定エネルギーのγ線（以下、測定γ線とする）を供給するγ線源１６を有し、照射軸Ａｘに沿って測定γ線を試料Ｓへと照射するγ線照射手段である。図１に示す構成例では、このγ線照射部１５は、γ線源１６と、γ線源１６を照射軸Ａｘの方向に駆動する線源駆動装置１７とによって構成されている。線源駆動装置１７は、試料Ｓに対してドップラー速度についてのメスバウア分光測定を行うためのものである（例えば、特許文献１、２参照）。【００２３】
γ線照射部１５と、試料Ｓが保持されるＸＹステージ１０との間には、γ線集束部１８が照射軸Ａｘに沿って配置されている。γ線集束部１８は、γ線照射部１５から供給される測定γ線を集束させつつ試料Ｓへと照射する集束手段である。このγ線集束部１８としては、好ましくは、複数の中空管を束ねて、測定γ線が試料Ｓへと集束するように形成されたマルチキャピラリレンズ（ＭＣＸ）を用いることができる。【００２４】
上記したＭＣＸ（Multi Capillary X-ray Lens）は、その名称からわかるようにＸ線集束用に開発されたものであるが、メスバウア分光測定に用いられるγ線は一般に低エネルギー（例えば、後述するように５７Ｆｅを対象物質とした場合、測定γ線のエネルギーは１４．４ｋｅＶ）である。したがって、γ線照射部１５からの測定γ線については、このようなＭＣＸ等を用いることで、試料Ｓへと集束させることが可能である。【００２５】
また、γ線集束部１８と、ＸＹステージ１０との間には、電子検出器２０が照射軸Ａｘを中心として配置されている。電子検出器２０は、γ線集束部１８からの測定γ線を試料Ｓへと通過させる開口部を有するとともに、その試料ステージ１０側の面を電子入射面として構成された電子検出手段である。この電子検出器２０は、試料Ｓに対してγ線照射部１５からの測定γ線が照射された際に、γ線をメスバウア効果によって共鳴吸収した試料Ｓ中の対象物質から放出される内部転換電子を検出することで、試料Ｓに対する分光測定を行う構成となっている。【００２６】
本構成例では、具体的には、電子検出器２０として、１段または複数段のマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ：Micro Channel Plate）からなり電子増倍機能を有するＭＣＰ部２１と、入射側電極２２及び出射側電極２３と、検出電極２４とを有するＭＣＰ検出器が用いられている。ＭＣＰ検出器２０の具体的な構成等については後述する。【００２７】
このような構成のＭＣＰ検出器２０に対し、その入射側電極２２と出射側電極２３との間には、入射側電極２２を−（負）、出射側電極２３を＋（正）とする電子増倍用電圧が印加されている。また、試料Ｓと入射側電極２２との間には、試料Ｓを＋（正）、入射側電極２２を−（負）とするエネルギー選択用電圧が印加されている。【００２８】
このような構成において、γ線照射部１５から供給された所定エネルギーの測定γ線がγ線集束部１８によって集束されつつ、ＭＣＰ検出器２０の開口部を介してＸＹステージ１０上の試料Ｓへと照射されると、試料Ｓ中の対象物質において、メスバウア効果によるγ線の無反跳共鳴吸収が発生する。そして、この測定γ線を共鳴吸収した試料Ｓ中の対象物質から内部転換電子が放出され、この内部転換電子がＭＣＰ検出器２０によって検出される。【００２９】
また、このとき、ＭＣＰ検出器２０の電子入射面に対し、上記したように、その電位がＸＹステージ１０上の試料Ｓに対して負の電位となるようにエネルギー選択用電圧が印加されている。試料Ｓから放出されてＭＣＰ検出器２０へと向かう電子は、この逆方向の電圧によって減速され、一定以上のエネルギーで放出された電子のみが選択されて、ＭＣＰ検出器２０へと到達して検出されることとなる。【００３０】
図１に示したメスバウア分光測定装置１Ａの構成について、さらに具体的に説明する。図２は、メスバウア分光測定装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。なお、以下においては、測定γ線を供給するγ線源１６を５７Ｃｏ線源とし、測定γ線をエネルギー１４．４ｋｅＶのγ線とするとともに、試料Ｓ中にあってメスバウア分光測定の対象となる対象物質を５７Ｆｅとした例を主として、分光測定装置の構成等について説明する。測定γ線を供給する５７Ｃｏ線源１６としては、例えば、５０〜１００ｍＣｉの５７Ｃｏの密封線源を用いることができる。【００３１】
本実施形態によるメスバウア分光測定装置１Ｂは、図１に示した分光測定装置１Ａと同様に、ＸＹステージ１０と、γ線照射部１５と、γ線集束部１８と、ＭＣＰ検出器２０とを備えて構成されている。また、本実施形態において、γ線集束部１８としては、上記したＭＣＸ１９が用いられている。【００３２】
ＭＣＸ１９は、上記したように複数の中空管を所定形状となるように束ねて形成されたものであり、中空管の内壁で測定γ線を全反射させながら所定の集束位置へと集束する。本実施形態においては、エネルギー１４．４ｋｅＶのγ線の集束に最適化されて設計されたＭＣＸが測定γ線の集束に用いられる。また、γ線照射部１５の５７Ｃｏ線源１６と、ＭＣＸ１９との間には、必要に応じて鉛コリメータなどのコリメート手段を設ける構成としても良い。【００３３】
図３は、メスバウア分光測定装置１Ｂの具体的な構成の一例を示す断面図である。本構成例では、γ線照射部１５は、γ線源である５７Ｃｏ線源１６と、５７Ｃｏ線源１６を照射軸Ａｘの方向であるＺ方向に駆動する線源駆動装置１７とを有して構成されている。線源駆動装置１７は、照射軸Ａｘの方向に延びる駆動軸部材１７ａを有しており、γ線源１６は、この駆動軸部材１７ａの先端に取り付けられている。【００３４】
γ線源１６からの１４．４ｋｅＶの測定γ線は、ＭＣＸ１９によって集束されつつ、所定のウインドウ膜を介して真空チェンバ１１の内部へと導入される。また、真空チェンバ１１内には、ＭＣＰ検出器２０と、試料Ｓを保持するＸＹステージ１０とが収容されている。ＭＣＸ１９からの測定γ線は、ＭＣＰ検出器２０の開口部を通過して試料Ｓ上の所定の照射位置へと照射される。【００３５】
ＭＣＸ１９のγ線出射口から試料Ｓの表面（測定γ線が入射する面）までの距離は、ＭＣＸ１９によるγ線の集束設計によるが、例えば５８ｍｍに設定される。また、試料Ｓの表面上での測定γ線の集束スポット径は、例えばφ１５０μｍ程度である。また、ＭＣＸ１９については、その光軸を微調整可能に構成されていることが好ましい。そのような構成としては、例えば、ＭＣＸ１９の光軸の中心出射側を±２ｍｍの範囲で微調整可能としておく構成を用いることができる。【００３６】
また、ＸＹステージ１０としては、例えばシグマ光機社製のＸＹゴニオステージを用いることができる。ＸＹゴニオメータの最小移動ステップは例えば約１０ｎｍ、本測定装置１Ｂで得られる２次元画像の空間分解能は例えば２０〜５０μｍである。また、ＸＹステージ１０に対して直線導入端子１２が設けられており、この直線導入端子１２によって試料Ｓの位置、及び試料Ｓ上での測定γ線の照射位置をＺ方向に微調整することが可能となっている。このように、試料ＳのＺ方向の位置を調整することにより、試料Ｓ上での測定γ線の集束スポット径を調整することができる。【００３７】
また、試料Ｓへと照射された測定γ線をメスバウア効果によって共鳴吸収した試料Ｓ中の対象物質から放出される内部転換電子は、ＭＣＰ検出器２０によって検出される。具体的には、エネルギー１４．４ｋｅＶの測定γ線は、試料Ｓに含有される５７Ｆｅで無反跳共鳴吸収された後、約９０％の確率で内部転換電子として放出される。放出された内部転換電子は、試料Ｓ内部でエネルギーを失いながら表面から真空中へと放出され、その一部がＭＣＰ検出器２０において検出される。【００３８】
図４は、ＭＣＰ検出器２０の構成を概略的に示す側面断面図である。また、図５は、ＭＣＰ検出器２０の具体的な構成の一例を示す断面図である。本実施形態におけるＭＣＰ検出器２０は、ＭＣＰ部２１と、電極２２、２３、２４とを有して構成されている。【００３９】
試料Ｓから検出器２０へと入射される電子の増倍に用いられるＭＣＰ部２１は、図４に示した例では３段の円板状のマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）によって構成されており、その一方の面（ＸＹステージ１０側の面）が、試料Ｓからの電子が入射される電子入射面２１ｂ、他方の面（ＭＣＸ１９側の面）が、増倍された電子が出射される電子出射面２１ｃとなっている。また、ＭＣＰ部２１の略中央部には、ＭＣＸ１９からの測定γ線を試料Ｓへと通過させる円形の開口部２１ａが設けられている。【００４０】
ＭＣＰ部２１に対し、電子入射面２１ｂ側に入射側電極２２が設けられている。入射側電極２２は、測定γ線、及び検出器２０で増倍、検出される電子が通過する開口部２２ａを有する円板形状に形成されている。また、ＭＣＰ部２１に対し、電子出射面２１ｃ側に出射側電極２３が設けられている。出射側電極２３は、入射側電極２２と同様に、測定γ線、及び検出器２０で増倍、検出される電子が通過する開口部２３ａを有する円板形状に形成されている。【００４１】
また、ＭＣＰ部２１の電子出射面２１ｃ及び出射側電極２３に対し、そのＭＣＸ１９側の所定位置には、さらに検出電極２４が設けられている。検出電極２４は、測定γ線が通過する開口部２４ａを有する円板形状に形成されている。この検出電極２４は、試料ＳからＭＣＰ部２１へと入射され、増倍された後にＭＣＰ部２１の電子出射面２１ｃから出射された電子を検出し、得られた電流信号を検出信号として出力する。【００４２】
このようなＭＣＰ検出器２０としては、例えば、３段のＭＣＰを有する浜松ホトニクス社製のセンターホール付ＭＣＰ検出器（Ｆ１５５２−０１）を用いることができる（図５参照）。このＭＣＰ検出器は、検出有効面積φ２７ｍｍ、厚さ０．４８ｍｍ、チャンネル径１２μｍで、その中央部にφ２．４ｍｍのセンターホールを有する構成となっている。実際に作成した分光測定装置では、このようなＭＣＰ検出器を、そのセンターホール（開口部）の中心軸がＭＣＸ１９の光軸と一致するように、ＣＦ１１４のコンフラットフランジにマウントする構成としている。また、ＭＣＰ検出器２０と試料Ｓとの間の距離は約１０ｍｍに設定している（図３参照）。また、このような検出器において、電子の増倍率は１０７以上、ダークカレントは０．５８ｃｐｓ／ｃｍ２程度である。【００４３】
図２に示した実施形態では、このようなＭＣＰ検出器２０に対して、電圧供給部４０が設けられている。また、電圧供給部４０には、電子増倍用電源４１と、エネルギー選択用電源４２とが設置されている。電子増倍用電源４１としては、例えば、３ｋＶ高圧電源であるＯＲＴＥＣ５５６Ｈを用いることができる。また、エネルギー選択用電源４２としては、例えば、高圧電源である浜松ホトニクス社製のＣ３３６０を用いることができる。【００４４】
電子増倍用電源４１は、検出器２０の入射側電極２２と出射側電極２３との間に電子増倍用電圧を印加するための電子増倍用電圧印加手段である。電子増倍用電源４１の一端は入射側電極２２に接続されており、他端は抵抗３１を介して検出電極２４に接続されている。また、電子増倍用電源４１の両端の間の電圧は抵抗３６、３７によって抵抗分割されており、その中間点３８が出射側電極２３に接続されている。これにより、ＭＣＰ検出器２０の入射側電極２２と出射側電極２３との間に、所定の増倍率で電子を増倍するための電子増倍用電圧が印加されるとともに、出射側電極２３と検出電極２４との間に、増倍された電子を検出電極２４で検出するための検出電圧が印加されている。具体的な抵抗分割の構成例としては、例えば抵抗３６を２ＭΩの抵抗とし、抵抗３７を１００ｋΩの抵抗とする構成を用いることができる。【００４５】
エネルギー選択用電源４２は、ＭＣＰ検出器２０の電子入射面２１ｂに対し、その電位がステージ１０上の試料Ｓに対して負の電位となるようにエネルギー選択用電圧を印加するためのエネルギー選択用電圧印加手段である。このようなエネルギー選択用電圧を印加することにより、試料Ｓから検出器２０に向けて放出される電子のうちで、ＭＣＰ検出器２０に到達して検出される電子のエネルギーが選択される。【００４６】
図２に示す構成では、エネルギー選択用電源４２の一端は入射側電極２２に接続されており、他端は接地されている。また、ステージ１０上の試料Ｓは所定の電位、好ましくは接地電位に設定されている。これにより、本構成においては、入射側電極２２が、ＭＣＰ部２１の電子入射面２１ｂに対して設けられ、エネルギー選択用電圧が印加されるエネルギー選択用電極となっている。【００４７】
また、検出電極２４からの検出信号は、コンデンサ３２、及び増幅回路３３等の必要な信号処理回路を介して外部へと出力される。増幅回路３３としては、例えば、プリアンプ回路（例えばＯＲＴＥＣ１１３）、及びアンプ回路（例えばＯＲＴＥＣ５７２）を組み合わせた構成を用いることができる。また、必要に応じて増幅回路以外の信号処理回路をさらに設ける構成としても良い。【００４８】
これらのＸＹステージ１０、γ線照射部１５、ＭＣＸ１９、ＭＣＰ検出器２０、及び電圧供給部４０等に対して、測定制御装置５０が設けられている。測定制御装置５０は、γ線照射部１５による測定γ線の照射条件、照射位置移動手段であるＸＹステージ１０による照射位置の設定条件、及びエネルギー選択用電源４２によるエネルギー選択用電圧の印加条件を制御する測定制御手段である。【００４９】
具体的には、測定制御装置５０は、測定処理部５１と、線源駆動制御部５２と、ステージ制御部５３と、電圧印加制御部５４とを有している。測定処理部５１は、ＭＣＰ検出器２０で取得された検出信号を含む測定データに対する必要なデータ処理、本測定装置１Ｂにおいて実行されるメスバウア分光測定動作全体についての管理、指示等を行う。検出器２０の検出電極２４から増幅回路３３等を介して出力された検出信号は、この測定処理部５１に入力されている。【００５０】
線源駆動制御部５２は、γ線照射部１５での線源駆動装置１７によるγ線源１６の照射軸方向への駆動を制御する。これにより、メスバウア分光測定におけるドップラー速度が制御される。電圧印加制御部５４は、電圧供給部４０の電子増倍用電源４１による電子増倍用電圧、検出電圧の印加、及びエネルギー選択用電源４２によるエネルギー選択用電圧の印加を制御する。【００５１】
また、ステージ制御部５３は、本実施形態において照射位置移動手段として機能しているＸＹステージ１０であるＸＹゴニオステージの動作を制御することで、試料Ｓに対する測定γ線の照射位置を照射軸Ａｘに垂直なＸＹ面内で２次元に制御する。このような照射位置の制御の具体的な一例としては、例えば、図６に模式的に示す制御方法を用いることができる。【００５２】
図６に示す照射位置の制御方法では、試料Ｓに対して設定されたＬ１×Ｌ１の正方形状の照射範囲Ｒ１について、区分間隔をＬ２としてｎ×ｎ個の測定領域Ｒ２に区分（Ｌ１＝ｎ×Ｌ２）している。そして、測定領域Ｒ２のそれぞれの中心位置を測定位置Ｐとし、例えば図６中に実線矢印で示したように、複数の測定位置Ｐを順次、γ線の照射位置として設定することで、照射範囲Ｒ１の全体に対して２次元にメスバウア分光測定を行う。【００５３】
試料Ｓに対する測定範囲となる照射範囲Ｒ１は、試料Ｓの大きさ、種類等に応じて適宜設定すれば良く、例えばＬ１〜２０ｍｍとして設定される。また、γ線の照射位置の移動間隔Ｌ２は、試料Ｓの測定に必要とされる位置分解能等に応じて適宜設定すれば良く、例えばＬ２＝５０μｍとして設定される。また、照射位置の移動間隔等については、Ｘ方向とＹ方向とで異なる値としても良い。【００５４】
図２に示した測定制御装置５０において、測定処理部５１は、ステージ制御部５３における制御情報に基づいて、試料Ｓ上で設定されている照射位置を特定し、検出器２０による測定結果を照射位置の関数として求める。これにより、試料Ｓ中の対象物質についての２次元の顕微画像が取得される。また、測定処理部５１は、必要に応じて線源駆動制御部５２からのドップラー速度についての情報、及び電圧印加制御部５４からの電子のエネルギー選択についての情報等をも参照して、測定データの処理を行う。【００５５】
このような測定制御装置５０は、例えばＣＰＵ及び必要なメモリ等を含むパーソナルコンピュータ上で測定制御用ソフトウェア（例えばＯＲＴＥＣ社のＭＣＳ−３２）を動作させることによって実現することができる。また、図２に示した構成においては、この測定制御装置５０に対して、表示装置５６と、入力装置５７とが接続されている。表示装置５６は、測定制御装置５０において取得された分光測定データの表示、あるいは、分光測定の実行について必要な情報の表示等に用いられる。また、入力装置５７は、メスバウア分光測定の実行に必要な情報の操作者による入力等に用いられる。【００５６】
上記実施形態によるメスバウア分光測定装置の効果について説明する。【００５７】
図１、図２に示したメスバウア分光測定装置１Ａ、１Ｂにおいては、分光測定用のγ線（例えば５７Ｃｏ線源から放出されるエネルギー１４．４ｋｅＶのγ線）を供給するγ線照射部１５と、分光測定の対象物質（例えば５７Ｆｅ）を含む試料Ｓを保持する試料ステージ１０との間にγ線集束部１８であるＭＣＸ１９を設け、γ線源１６からの測定γ線を試料Ｓに対して集束させつつ照射している。これにより、試料Ｓ中の対象物質についての情報を、Ｘ方向及びＹ方向について高い位置分解能で取得することができる。【００５８】
また、試料Ｓを保持するステージ１０としてＸＹゴニオステージを用い、集束された測定γ線の試料Ｓへの照射位置を照射軸Ａｘに垂直なＸＹ面内で２次元に移動させる照射位置移動手段として機能させている。このように、測定γ線の照射位置を試料Ｓ上で２次元に走査することにより、例えば試料Ｓ中での対象物質の２次元分布を測定するなど、試料Ｓ中の対象物質についての２次元測定が可能となる。【００５９】
また、γ線集束部１８とＸＹステージ１０との間に測定γ線を通過させる開口部を有する電子検出器としてＭＣＰ検出器２０を配置し、このＭＣＰ検出器２０によって、試料Ｓから放出される電子を検出する構成としている。このように、開口部を有する構成の電子検出手段を用いることにより、γ線照射部１５から供給される測定γ線の試料Ｓへの集束照射と、試料Ｓ中でγ線の共鳴吸収を起こした対象物質からの内部転換電子のＭＣＰ検出器２０による検出とを、好適に両立することができる。【００６０】
さらに、このような構成において、ＭＣＰ検出器２０の電子入射面２１ｂ（図４参照）に対し、その電位がステージ１０上の試料Ｓに対して負の電位となるようにエネルギー選択用電圧を印加するエネルギー選択用電源４２を設けている。ここで、電子入射面２１ｂの電位が試料Ｓに対して０（同電位）であれば、試料Ｓから放出された電子は、そのままＭＣＰ検出器２０へと入射して検出される。【００６１】
一方、電子入射面２１ｂの電位が試料Ｓに対して負である場合、試料Ｓから放出された電子はその電位差によって減速され、一定以上のエネルギーで放出された電子のみが選択的にＭＣＰ検出器２０に到達して検出される。また、このような内部転換電子のエネルギーの選択に関して、試料Ｓから放出される内部転換電子のエネルギーは、試料Ｓ中で対象物質によるγ線の共鳴吸収が起こって内部転換電子が生成された位置の試料表面からの深さ（Ｚ方向の位置）に大きく依存する。【００６２】
したがって、このようにＭＣＰ検出器２０の電子入射面２１ｂと試料Ｓとの間に電圧を印加し、検出器２０によって検出される電子のエネルギーを選択することにより、照射位置を移動することによるＸ方向、Ｙ方向の情報に加えて、試料Ｓの深さ方向であるＺ方向について試料Ｓ中の対象物質の情報を得ることが可能となる。以上より、上記構成のメスバウア分光測定装置によれば、試料Ｓ中の対象物質についての３次元の微細構造の情報を取得することが可能となる。このようなメスバウア分光測定による試料の３次元測定は、本発明によって初めて可能となったものである。【００６３】
ここで、図７は、図２に示した構成のメスバウア分光測定装置１Ｂにおいて、ＭＣＰ検出器２０で検出された電子のエネルギー分布を示すグラフであり、グラフ（ａ）は、入射側にＨＶＩＮ＝−３ｋＶ、出射側にＨＶＯＵＴ＝０ｋＶの電圧を印加した場合の電子のエネルギー分布を示している。また、グラフ（ｂ）は、入射側にＨＶＩＮ＝０ｋＶ、出射側にＨＶＯＵＴ＝３ｋＶの電圧を印加した場合の電子のエネルギー分布を示している。また、図７のグラフ（ａ）、（ｂ）において、横軸は検出された電子のエネルギーに相当する検出器２０で得られた波高値（ｍＶ）を示し、縦軸はカウント数を示している。【００６４】
図７のグラフ（ｂ）は、電子増倍用電圧を３ｋＶとするとともに、エネルギー選択用電圧を０ｋＶとして電子のエネルギーの選択を行わなかった場合の電子のエネルギー分布を示している。このエネルギー分布では、Ｋ殻及びＬ殻の内部転換電子のスペクトルが分離して観測されている。また、放出された内部転換電子は、試料Ｓ内部で電子放出位置から試料表面に到達するまでの間にエネルギーを失うため、その放出位置が表面から深い位置にあるほど、試料Ｓから検出器２０へと出射される電子のエネルギーは低くなる。【００６５】
これに対して、図７のグラフ（ａ）は、電子増倍用電圧を３ｋＶとするとともに、エネルギー選択用電圧を−３ｋＶと負の電圧に設定して電子のエネルギーを選択した場合の電子のエネルギー分布を示している。ここでは、試料Ｓの表面から放出される内部転換電子のうちでエネルギーが高いもののみが観測される。すなわち、この場合、試料Ｓの深部から放出されるエネルギーの低い電子はＭＣＰ検出器２０に到達できずに測定データから取り除かれ、表面近傍から放出されるエネルギーの高い電子が選択的に測定される。このように、ＭＣＰ検出器２０の電子入射面２１ｂと試料Ｓとの間に電圧を印加し、検出器２０によって検出される電子のエネルギーを選択することにより、試料Ｓの深さ方向についての情報を得ることが可能である。【００６６】
図８及び図９は、図２に示した構成のメスバウア分光測定装置１Ｂを用いて取得された試料Ｓの顕微画像の例を示す図である。ここで、図８及び図９のそれぞれにおいて、画像（ａ）は、測定範囲を１０×１０ｍｍとし、Ｘ方向、Ｙ方向でそれぞれ照射位置の移動間隔を２５０μｍとして４０ステップで分光測定を行って得られた顕微画像を示している。また、画像（ｂ）は、測定範囲を１×１ｍｍとし、Ｘ方向、Ｙ方向でそれぞれ照射位置の移動間隔を２５μｍとして４０ステップで分光測定を行って得られた顕微画像を示している。【００６７】
また、測定対象の試料Ｓとしては、メスバウア分光測定の対象物質である５７Ｆｅを厚さ１００ｎｍでＳｉウエハ表面に蒸着し、内部へと室温で拡散させることで試料Ｓ中に鉄原子の分布が形成されたものを用いている。また、γ線照射部１５における５７Ｃｏ線源１６の駆動については、ドップラー速度が±３ｍｍ／ｓの範囲で、約１２Ｈｚで照射軸方向に線源を振動させる条件で分光測定を行っている。【００６８】
図８の画像（ａ）、（ｂ）は、エネルギー選択用電圧を０ｋＶとして電子のエネルギーの選択を行わなかった場合の電子の２次元分布の顕微画像を示している。一方、図９の画像（ａ）、（ｂ）は、エネルギー選択用電圧を−３ｋＶとして電子のエネルギーを選択した場合の電子の２次元分布の顕微画像を示している。【００６９】
これらの図８、図９からわかるように、検出器２０の電子入射面に負の電圧を印加して表面近傍からの内部転換電子のみを測定した図９の画像では、すべての電子を測定した図８の画像とは明らかに異なる鉄原子の２次元分布が観測されている。特に、図９において観測されている２次元分布は、５７Ｆｅの自己組織化によって形成されたドット状の組織が観測されているものと考えられる。【００７０】
以上のデータからわかるように、上記構成のメスバウア分光測定装置によれば、試料Ｓ中の対象物質についての３次元の微細構造の情報を取得することが可能であり、これによって３次元位置敏感型メスバウア分光装置（顕微メスバウア分光装置）を実現することができる。現在までのところ、ＸＹ方向の空間分解能は２０μｍ程度、深さ方向の分解能は数１０ｎｍ程度が達成されている。また、上記分光測定装置では、５７Ｃｏ線源などのγ線源が必要であるが、機器組み込み線源として登録すれば放射線管理区域がなくても利用することが可能と考えられる。これは、メスバウア分光の応用の観点から有効である。【００７１】
ここで、エネルギー選択用電源４２としては、例えば、電子のエネルギーを選択しない場合の０の印加電圧と、電子のエネルギーを選択する場合の負の印加電圧とを切換可能に構成された電源を用いることができる。一般には、エネルギー選択用電圧印加手段は、電子検出器の電子入射面の電位が試料に対して０または負の電位となる第１の電圧と、電子入射面の電位が試料に対して負の電位となり第１の電圧とは異なる第２の電圧とを少なくとも切換可能な構成とすることが好ましい。また、所定の電圧範囲で印加電圧を可変に設定可能に構成された可変電圧電源を用い、設定電圧値によって電子のエネルギーの選択条件を制御する構成としても良い。【００７２】
また、試料Ｓに対するγ線の照射位置を２次元に移動させる照射位置移動手段の具体的な構成については、上記実施形態では、試料ステージとして、試料Ｓを照射軸に垂直な面内で２次元に移動させることが可能に構成され、照射位置移動手段として機能する可動ステージであるＸＹステージ１０を用いている。これにより、試料Ｓに対するγ線の照射位置を好適に制御することができる。【００７３】
また、図２に示した分光測定装置１Ｂでは、測定装置１Ｂの各部の動作を制御する測定制御装置５０を設ける構成としている。これにより、上記構成のメスバウア分光測定装置における分光測定動作を好適に制御することが可能となる。ただし、このような測定制御については、その一部または全部を操作者による手動で行う構成としても良い。そのような構成の例としては、操作者が電源４１、４２を手動で操作して電子増倍用電圧及びエネルギー選択用電圧を設定した後、設定された電圧条件についての分光測定を実行する構成等がある。【００７４】
また、上記実施形態の分光測定装置では、測定γ線をメスバウア効果によって共鳴吸収した試料Ｓ中の対象物質から放出される内部転換電子を検出することによって、メスバウア分光測定を行っている。これに対して、例えば図５にγ線検出器２９を模式的に示すように、試料Ｓの後方にさらにγ線検出器を設置して、内部転換電子の検出と、透過γ線の検出とを併用してメスバウア分光測定を行う構成としても良い。【００７５】
また、本分光測定装置は、通常の走査型電子顕微鏡を組み込むことが可能であるので、将来、ＳＥＭ顕微像観察と併用することで材料の微細組織をさらに詳細に検討することも可能になる。【００７６】
上記実施形態のメスバウア分光測定装置による具体的な測定対象については、上記したように、γ線照射部１５を、γ線源である５７Ｃｏ線源１６と、５７Ｃｏ線源を照射軸の方向に駆動する線源駆動装置１７とによって構成するとともに、試料Ｓに含まれる対象物質を５７Ｆｅとする構成を用いることができる。【００７７】
このような構成では、通常の蛍光Ｘ線マッピング等とは異なり、メスバウア効果を利用して試料Ｓ中の５７Ｆｅ原子のみを選択的に測定して、試料中における鉄原子の分布、及びその状態等についての情報を取得することができる。また、このようなメスバウア分光測定では、ｐｐｍ程度の極微量の鉄原子の画像測定が可能である。また、さらに、Ｆｅ原子の化学状態、格子振動状態等についても通常のメスバウアスペクトル測定を行って区別して、それぞれのスペクトル成分に対するマッピング測定を行うことも可能である。【００７８】
以上より、上記構成の分光測定装置を用いれば、例えばＳｉウエハなどの材料中における極微細組織と、Ｆｅ原子の分布・化学状態などの関係を詳細に評価することが可能となる。鉄原子を含む材料は、鉄鋼材料や鉱物をはじめとしてバイオマテリアルにいたるまで極めて多い。したがって、このように材料中の鉄原子の異なる状態に対応して、ナノメータスケールの３次元マッピング像を直接観察できる本装置は、工学、医学、考古学、地質学など極めて広い応用範囲を持つ装置になると期待できる。また、このようなメスバウア分光測定の対象物質については、上記した５７Ｆｅ以外にも、分光測定の目的に応じて、一般にメスバウア分光の対象とされている他の物質を対象物質としても良い。【００７９】
また、上記した構成例では、測定γ線を試料Ｓへと集束させる集束手段としては、複数の中空管を束ねて、測定γ線が試料Ｓへと集束するように形成されたマルチキャピラリレンズ（ＭＣＸ）１９を用いている。このようなＭＣＸをγ線の集束に用いることにより、γ線源から供給されるメスバウア分光測定用のγ線を試料上の照射位置へと好適に集束させて、例えば約２０μｍの空間分解能など、高い空間分解能でのメスバウア分光測定を実現することが可能となる。【００８０】
また、このような測定γ線の集束手段については、上記したＭＣＸ以外の構成を用いても良い。そのような構成としては、例えば、ＭＣＸにＫＢミラー（Kirkpatrick-Baez Mirrors、文献 "K. Yamauchi et al., "Hard X-ray Diffraction-Limited Nanofocusing with Kirkpatrick-Baez Mirrors", Japanese Journal of Applied Physics Part 2, 44(18), L539-L542 (2005)" 参照）を組み合わせて用いる構成が考えられる。このような構成では、数１０ｎｍ程度の高い空間分解能を達成することも可能と期待できる。【００８１】
また、上記した構成例では、試料Ｓ中の対象物質から放出される内部転換電子を検出する電子検出手段として、ＭＣＰ検出器２０を用いている。このように、電子増倍機能を有するＭＣＰを用いた電子検出器を用いることにより、試料Ｓから放出される電子を確実に検出することができる。また、このようなＭＣＰ検出器２０の電子入射面側に設けられた電極にエネルギー選択用電圧を印加する構成とすることにより、試料Ｓからの電子の検出と、電子のエネルギーの選択とを好適に実現することが可能となる。【００８２】
このようなＭＣＰ検出器２０については、一般には、１段または複数段のＭＣＰからなり、測定γ線を通過させる開口部を有し、その一方の面を電子入射面、他方の面を電子出射面として構成された電子増倍機能を有するＭＣＰ部と、測定γ線を通過させる開口部を有し、ＭＣＰ部の電子出射面から出射された電子を検出して、得られた電流信号を検出信号として出力する検出電極と、ＭＣＰ部の電子入射面に対して設けられ、エネルギー選択用電圧が印加されるエネルギー選択用電極とを有する構成を用いることが好ましい。【００８３】
また、この場合のエネルギー選択用電極については、上記構成では、電子増倍用電圧を印加するために設けられた入射側電極２２をエネルギー選択用電極として用いる構成としている。これにより、ＭＣＰ部の電子入射面に対するエネルギー選択用電圧の印加を、簡単な構成で実現することができる。ただし、エネルギー選択用電極については、電子増倍用電圧の印加に用いられる入射側電極とは別個にエネルギー選択用電極を設ける構成としても良い。【００８４】
次に、エネルギー選択用電圧を印加して内部転換電子のエネルギーを選択することによる試料Ｓの深さ方向についての情報の取得についてさらに説明する。【００８５】
上記のメスバウア分光測定装置では、図１に示した構成において、ＭＣＰ検出器２０の電子入射面側に負の電圧（例えば試料Ｓに対して０〜−６ｋＶの電圧）を印加することにより、上記したように検出器２０で検出される内部転換電子のエネルギー成分を選択することが可能となる。また、例えば図７に示した内部転換電子のエネルギースペクトルにおいて、測定範囲を特定のエネルギー範囲に制限すれば、試料Ｓの深さ方向についての情報を取得することができる。【００８６】
この場合の分光測定条件（例えばエネルギー選択用に設定される電圧条件）と、試料Ｓでの深さ方向の位置との相関は、例えば図１０に示す深さ校正用試料を用いて測定を行うことによって詳細に調べることが可能である。そして、そのようにして得られた校正情報を参照することにより、試料Ｓの深さ方向の情報を好適に取得することができる。【００８７】
具体的には、図１０に示した校正用試料としては、Ｓｉウエハの表面に厚さ５０ｎｍの５７Ｆｅを蒸着した後、特殊なマスクを利用して０ｎｍ〜２１０ｎｍの厚さでＡｇを蒸着した試料を用いることができる。図１０においては、４×４で２次元に区分された１６個の領域について、それぞれの領域でのＡｇの厚さを単位ｎｍで示している。【００８８】
このような校正用試料に対し、図１０に示したＡｇ厚さが０、２０、５０、７０ｎｍの４つの領域を含む１×１ｍｍの範囲Ｒ５を測定範囲とし、Ｘ方向、Ｙ方向でそれぞれ照射位置の移動間隔を２５μｍとして４０ステップで分光測定を行って得られた顕微画像を図１１に示す。図１１の画像（ａ）は、エネルギー選択用電圧を−３ｋＶとして電子のエネルギーを選択した場合の電子の２次元分布の顕微画像を示している。また、図１１の画像（ｂ）は、エネルギー選択用電圧を０ｋＶとして電子のエネルギーの選択を行わなかった場合の電子の２次元分布の顕微画像を示している。【００８９】
これらの図１１の画像（ａ）、（ｂ）の両者において、Ａｇを全く蒸着していない右上の領域が最も高い計数値を示している。特に、内部転換電子のエネルギーを選択した画像（ａ）では、実質的に右上の領域のみで電子が計測されており、それ以外のＡｇ蒸着部分からの内部転換電子は計測されていない。このことは、エネルギー選択用電圧を印加することにより、試料Ｓ中において試料表面から異なる深さに存在する５７Ｆｅ原子の分布に関する情報を取得することが可能であることを示すものである。【００９０】
次に、ドップラー速度によるメスバウアスペクトル測定を行って、それぞれのスペクトル成分に対するマッピング測定を行う構成について説明する。【００９１】
上記のメスバウア分光測定装置では、図１に示した構成において、線源駆動装置１７を用いてγ線源１６を照射軸Ａｘの方向に駆動することにより、ドップラー速度についてのメスバウアスペクトルを取得することができる。そして、このようなメスバウアスペクトルの情報を、上記した３次元のマッピング情報と組み合わせて用いることにより、試料Ｓ中の対象物質についてさらに多くの情報を得ることが可能である。【００９２】
図１２は、図２に示した構成のメスバウア分光測定装置１Ｂを用いて取得された試料Ｓのメスバウアスペクトルの一例を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はドップラー速度（ｍｍ／ｓ）を示し、縦軸は規格化したカウント数を示している。また、測定対象の試料Ｓとしては、図８及び図９と同様に、５７Ｆｅを厚さ１００ｎｍでＳｉウエハ表面に蒸着し、内部へと室温で拡散させることで試料Ｓ中に鉄原子の分布が形成されたものを用いている。【００９３】
図１２のグラフによれば、蒸着後にＦｅとＳｉとの界面（試料表面から１００ｎｍの深さ）で相互拡散により、Ｆｅ３Ｓｉを中心とする鉄シリサイドと、シリコン中に固溶した鉄成分とが試料Ｓ中に存在することがわかる。なお、測定γ線の照射範囲がφ１５０μｍ程度と非常に小さいためにスペクトルの統計が若干悪くなっているが、このようなスペクトルの統計は、さらに測定を行うことで改善可能である。【００９４】
図１３は、このようなメスバウアスペクトルにおいてスペクトル成分を選択して取得された試料Ｓの顕微画像の例を示す図である。ここで、図１３において、画像（ａ）は、ドップラー速度Ｖが−３＜Ｖ＜３ｍｍ／ｓのスペクトル成分を計測して得られた顕微画像を示している。また、画像（ｂ）は、ドップラー速度ＶがＶ＝０ｍｍ／ｓのスペクトル成分のみを計測して得られた顕微画像を示している。【００９５】
これらの図１３の画像（ａ）、（ｂ）のうち、右側の画像（ｂ）は、表面から１００ｎｍ深さに形成されているＦｅとＳｉとの界面下に形成されたシリコン中に固溶した鉄成分の分布を示している。また、左側の画像（ａ）は、鉄シリサイド、及びシリコン中に固溶した鉄成分を合わせた分布を示している。このように、メスバウアスペクトルにおいて、スペクトル成分に対応してドップラー速度を選択することで、異なる成分に対応する試料Ｓの顕微画像を取得することが可能である。【００９６】
本発明によるメスバウア分光測定装置は、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、試料Ｓ中の対象物質から放出される内部転換電子を検出する電子検出手段としては、上記実施形態ではＭＣＰ検出器を例示したが、このような電子検出器としては、ＭＣＰ検出器以外の検出器を用いても良い。【００９７】
ここで、上記実施形態によるメスバウア分光測定装置では、（１）メスバウア分光測定の対象物質を含む試料を保持するための試料ステージと、（２）メスバウア分光測定に用いられる所定エネルギーのγ線である測定γ線を供給するγ線源を有し、所定の照射軸に沿って測定γ線を試料へと照射するγ線照射手段と、（３）γ線照射手段及び試料ステージの間に配置され、測定γ線を集束させつつ試料へと照射する集束手段と、（４）集束手段及び試料ステージの間に配置され、集束手段からの測定γ線を通過させる開口部を有するとともに、試料ステージ側の面を電子入射面として構成され、測定γ線をメスバウア効果によって共鳴吸収した試料中の対象物質から放出される内部転換電子を検出する電子検出手段と、（５）試料に対する測定γ線の照射位置を、照射軸に垂直な面内で２次元に移動させる照射位置移動手段と、（６）電子検出手段の電子入射面に対し、その電位が試料ステージ上の試料に対して負の電位となるようにエネルギー選択用電圧を印加して、試料からの電子のうちで電子検出手段によって検出される電子のエネルギーを選択するエネルギー選択用電圧印加手段とを備える構成を用いている。【００９８】
上記構成のメスバウア分光測定装置による具体的な測定対象については、γ線照射手段は、γ線源である５７Ｃｏ線源と、５７Ｃｏ線源を照射軸の方向に駆動する線源駆動手段とを有するとともに、試料に含まれる対象物質は、５７Ｆｅである構成を用いることができる。この場合、試料中における鉄原子の分布、及びその状態等についての情報を取得することができる。また、５７Ｆｅ以外にも、一般にメスバウア分光の対象とされている他の物質を対象物質としても良い。【００９９】
また、測定γ線を試料へと集束させる集束手段の具体例としては、複数の中空管を束ねて、測定γ線が試料へと集束するように形成されたマルチキャピラリレンズを用いることが好ましい。これにより、γ線源から供給されるメスバウア分光測定用のγ線を、試料上の照射位置へと好適に集束させることが可能となる。【０１００】
また、試料に対するγ線の照射位置を２次元に移動させる照射位置移動手段の具体的な構成については、試料ステージとして、試料を照射軸に垂直な面内で２次元に移動させることが可能に構成され、照射位置移動手段として機能する可動ステージを用いることが好ましい。【０１０１】
また、試料中の対象物質から放出される内部転換電子を検出する電子検出手段の具体例については、電子検出手段は、（ａ）１段または複数段のマイクロチャンネルプレートからなり、測定γ線を通過させる開口部を有し、その一方の面を電子入射面、他方の面を電子出射面として構成され、電子入射面と電子出射面との間に電子増倍用電圧が印加されることにより、試料から入射した電子を増倍する電子増倍機能を有するＭＣＰ部と、（ｂ）測定γ線を通過させる開口部を有し、ＭＣＰ部の電子出射面から出射された電子を検出して、得られた電流信号を検出信号として出力する検出電極と、（ｃ）ＭＣＰ部の電子入射面に対して設けられ、エネルギー選択用電圧が印加されるエネルギー選択用電極とを有するＭＣＰ検出器であることが好ましい。【０１０２】
このように、電子増倍機能を有するマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ：Micro Channel Plate）を用いたＭＣＰ検出器を電子検出器として用いることにより、試料から放出される電子を確実に検出することができる。また、このようなＭＣＰ検出器の電子入射面側に設けられた電極にエネルギー選択用電圧を印加する構成とすることにより、試料からの電子の検出と、電子のエネルギーの選択とを好適に実現することが可能となる。【０１０３】
また、分光測定装置は、γ線照射手段による測定γ線の照射条件、照射位置移動手段による照射位置の設定条件、及びエネルギー選択用電圧印加手段によるエネルギー選択用電圧の印加条件を制御する測定制御手段を備えることが好ましい。これにより、上記構成のメスバウア分光測定装置における分光測定動作を好適に制御することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明は、試料中の対象物質についての微細構造の情報を取得することが可能なメスバウア分光測定装置として利用可能である。
【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】
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【図１０】
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【図１２】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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