(57)【要約】【課題】  光電子顕微鏡内の１０-5Ｐａ以下という超高真空下において確実にガス吸着を実現でき、かつ、この超高真空を安定して維持できる試料装置を提供する。【解決手段】  光電子顕微鏡内において試料表面のガス吸着反応を観察するための試料装置において、試料ステージ上に保持した試料の表面に反応ガスを吹き付ける噴霧ノズルを該試料ステージと一体に設置し、該噴霧ノズルによる反応ガス吹き付け角度を該試料表面に対して５〜３０度、該試料表面から該噴霧ノズルの先端までの高さを１〜５ｍｍとしたことを特徴とする。【選択図】      図１
2006170705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電子顕微鏡内において試料表面のガス吸着反応を観察するための試料装置おいて、
試料ステージ上に保持した試料の表面に反応ガスを吹き付ける噴霧ノズルを該試料ステージと一体に設置し、該噴霧ノズルによる反応ガス吹き付け角度を該試料表面に対して５〜３０度、該試料表面から該噴霧ノズルの先端までの高さを１〜５ｍｍとしたことを特徴とする光電子顕微鏡用試料装置。
【請求項２】
請求項１において、それぞれ異種の反応ガスを該試料表面に吹き付ける複数の上記噴霧ノズルを備え、隣り合う該噴霧ノズルの反応ガス吹き付け方向間の角度が２０〜６０度であることを特徴とする光電子顕微鏡用試料装置。
【請求項３】
請求項１または２において、上記噴霧ノズルの噴孔が試料表面に沿って延在するスリットまたは小孔列であることを特徴とする光電子顕微鏡用試料装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電子顕微鏡内でガス吸着反応を観察するための試料装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電子顕微鏡は、試料表面でのガス吸着反応を高解像度でリアルタイムに可視化できる装置であるが、高解像度を確保するためには超高真空を維持する必要がある。その際、超高真空下であるため、真空チャンバ内に導入した観察対象のガスが試料表面に吸着し難いという問題があった。特に、２種類以上の反応ガスを同時に導入する場合、一方が拡散し易いガスであると、試料表面での反応が起きない。また、導入したガスのために真空チャンバ内の真空度が低下してしまい、超高真空を維持できなくなって、試料からの光電子が検出部に十分到達せず、反応を正確に捉えることができないという問題もあった。
【０００３】
特許文献１には、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の移動機構に繋がる移動台の上のホルダに試料に向かってノズルを介して反応ガスを噴射するようにして、試料のガス反応の状態を走査電子顕微鏡観察する試料装置が開示されている。
【０００４】
しかし、走査電子顕微鏡で必要とする真空度は、同文献マイクロフィルム記録９頁２行にも記載されているように「１×１０-4Torr以下」すなわち略１×１０-2Ｐａ以下であればよく、本発明の光電子顕微鏡で必要とする１×１０-5Ｐａ以下という超高真空での上記問題点については何ら示唆されていない。
【０００５】
【特許文献１】実開平４−４３８５０号公報（実願平２−８６９１６号のマイクロフィルム）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、光電子顕微鏡内の１０-5Ｐａ以下という超高真空下において確実にガス吸着を実現でき、かつ、この超高真空を安定して維持できる試料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】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、光電子顕微鏡内において試料表面のガス吸着反応を観察するための試料装置において、
試料ステージ上に保持した試料の表面に反応ガスを吹き付ける噴霧ノズルを該試料ステージと一体に設置し、該噴霧ノズルによる反応ガス吹き付け角度を該試料表面に対して５〜３０度、該試料表面から該噴霧ノズルの先端までの高さを１〜５ｍｍとしたことを特徴とする光電子顕微鏡用試料装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、吹き付け角度および先端高さを上記範囲に限定した噴霧ノズルから反応ガスを試料表面に吹き付けることにより、観察対象とする微小領域にのみ極限して反応ガスを確実に導入できるので、試料表面でのガス吸着を確実に実現でき、かつ、真空チャンバ全体は１×１０-5Ｐａ以下という超高真空に安定に維持確保して試料表面上でのガス吸着反応を１００ｎｍ以下の高分解能でリアルタイム観察できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
〔実施形態１〕
図１を参照して、本発明の試料装置を組み込んだ光電子顕微鏡の基本構造を説明する。
【００１０】
図示した光電子顕微鏡１００は、真空チャンバ１１０内に、光源ユニット１２０、試料操作ユニット１３０、光電子検出器１４０とが配置されて成る。真空チャンバ１１０は図示しない排気装置により超高真空（１×１０-5Ｐａ以下）に減圧される。光源ユニット１２０は、必要に応じて紫外光、Ｘ線等の種々の光Ｌを試料Ｓの表面に照射する。試料操作ユニット１３０は、試料ホルダ１３２、試料ステージ１３４、ＸＹＺステージコントローラー１３６とから成る。光電子検出器１４０は、光Ｌを照射された試料Ｓの表面から放出される光電子Ｐを検出し、試料Ｓの表面の観察対象領域における光電子Ｐのエネルギー値の分布を画像化する。試料表面にガスが吸着すると、光照射によって励起される光電子のエネルギー値が変化し、これを画像のコントラストとして表示する（表示装置は図示していない）。
【００１１】
更に、本発明の特徴として、反応ガス導入ユニット１５０を備えている。反応ガス導入ユニット１５０と上記の試料操作ユニット１３０とが一体として組み合わさって、本発明の試料装置が構成される。
【００１２】
反応ガス導入ユニット１５０は、反応ガスの噴霧ノズル１５２、フレキシブルパイプ１５４、ニードルバルブを備えたガス量調整器１５６、ガス供給管１５８を含む。観察対象である反応ガスＧは、ガス供給管１５８の端部から供給され、ガス量調整器１５６で流量を調整され、フレキシブルパイプ１５４を介して、噴霧ノズル１５２から試料Ｓの表面に吹き付けられる。
【００１３】
噴霧ノズル１５２は、試料操作ユニット１３０の試料ステージ１３４に固定されていて、ステージ１３４と一体として作動する。ガス量調整器１５６と噴霧ノズル１５２との間はフレキシブルパイプ１５４で中継されているので、反応ガスＧの供給を維持しつつステージ１３４の作動ができる。
【００１４】
図２に、試料ステージ１３４と噴霧ノズル１５２の近傍を拡大して示す。試料ステージ１３４の上に試料ホルダー１３２に保持して試料Ｓを配置し、試料ステージ１３４に固定されている噴霧ノズル１５２から試料Ｓの表面への反応ガスの吹き付ける。
【００１５】
噴霧ノズル１５２は、反応ガスの吹き付け方向Ｂと試料Ｓの表面との角度θ１が５〜３０度の範囲内になるように、かつ、試料Ｓの表面からの噴霧ノズル１５２の先端の高さｄが１〜５ｍｍの範囲内になるように設置されている。このように吹き付け角度θ１と先端高さｄを限定したことにより、観察対象とする微小領域にのみ極限して反応ガスを確実に導入できるので、試料表面でのガス吸着を確実に実現でき、かつ、真空チャンバ全体は１×１０-5Ｐａ以下という超高真空に安定に維持確保できるため、試料表面上でのガス吸着反応を１００ｎｍ以下の高分解能でリアルタイム観察できる。
【００１６】
試料ステージ１３４と噴霧ノズル１５２が一体として作動するので、試料ホルダー１３２を試料ステージ１３４に取り付けたとき、試料Ｓの表面と噴霧ノズル１５２との位置関係が常に一定になる。試料ステージ１３４は、観察時の位置決めや、フォーカス合わせのために、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向にそれぞれ移動させる必要がある。その際、試料ステージ１３４と噴霧ノズル１５２が一体化しているため、試料ステージ１３４を移動させても、試料Ｓの表面と噴霧ノズル１５２との位置関係は変わらない。そのため、噴霧ノズル１５２の位置合わせの手間がかからず、効率的な観察ができる。
【００１７】
〔実施形態２〕
図３に、２種類の反応ガスを用いるために２基の噴霧ノズル１５２Ａと１５２Ｂを設けた実施形態の平面図を示す。各噴霧ノズル１５２Ａ、１５２Ｂはそれぞれ図２の噴霧ノズル１５２と同様に吹き付け角度θ１およびノズル先端高さｄを設定してある。両噴霧ノズル１５２Ａ、１５２Ｂによる吹き付け方向（図の扇形吹き付け流の中心軸）間の角度θ２は２０〜６０度とする。これにより２種類の反応ガスが干渉し、試料Ｓの表面に吸着しながら混合されるため、反応が促進される。同様にして、３基以上の噴霧ノズルを設置して３種類以上の反応ガスを用いることができる。
【００１８】
〔実施形態３〕
図４に、ノズル噴孔の形状と噴出ガスの形態との関係を示す。
【００１９】
図４（１）の実施形態においては、図４（１Ａ）に示したように、噴霧ノズル１５２の先端にある噴孔Ｔ１は代表的には円形である。このように噴孔形状が円形であると、図４（１Ｂ）に示したように、噴出ガスＧ１はかなりの厚みを持つガス流となり、ガス流の下縁部のガス分子は試料Ｓの表面に吸着され易いが、それより上部のガス分子は試料Ｓには吸着し難く、真空チャンバの空間へ放散してしまう。その結果、ガス吸着反応が少なく、真空度の低下は大きくなる虞が大きい。
【００２０】
これに対処するために、図４（２）の実施形態においては、図４（２Ａ１）に示したように、噴霧ノズル１５２の先端にある噴孔ＴＡ１はスリット形状である。スリットＴＡ１は長辺が試料Ｓの表面に沿って延在する向きとする。このように噴孔形状をスリット形状とすることにより、図４（２Ｂ）に示したように、噴出ガスＧ２は厚みが薄いガス流となり、ガス噴出量を最小限に極限できると同時に、噴出したガス分子の多くが試料Ｓの表面に吸着するので、真空チャンバ内の真空度を高く維持でき、かつ、ガス吸着反応を確実に起こさせることができる。その結果、更に高い分解能でリアルタイムの観察ができる。
【００２１】
噴霧ノズル１５２の噴孔形状は、上記のスリット形状ＴＡ１以外に、図４（２Ａ２）に示したようにスリット厚さ程度の直径の小孔を列状に並べた小孔列ＴＡ２であっても、同様の効果が得られる。
【実施例１】
【００２２】
〔装置〕
図１に示すように、アルバックファイ社製の光電子顕微鏡Peem Spector（商品名）に、本発明の反応ガス導入ユニット１５０を組み込んだ。反応ガス導入ユニット１５０は試料操作ユニット１３０と組み合わせて、本発明による試料装置を構成する。
【００２３】
反応ガス導入ユニット１５０は、図３に示したように、２基の噴霧ノズル１５２Ａ、１５２Ｂを備えており、それぞれの吹き付け方向Ｂと試料Ｓの表面との角度θ１を本発明の範囲５〜３０度、ノズル先端高さｄを本発明の範囲１〜５ｍｍ、両ノズル１５２Ａ／１５２Ｂ間の角度θ２を本発明の範囲２０〜６０度で、それぞれ種々に設定した。ノズルの噴孔形状は図４（１）に示した円形であり、直径を０．５〜１ｍｍφの範囲で種々に設定した。
【００２４】
〔実験〕
試料ＳとしてＰｔ単結晶（表面：（１１０）面）、１０ｍｍφ、厚さ１ｍｍを用いた。
【００２５】
真空チャンバ内を１×１０-5Ｐａの超高真空に維持した状態で、試料Ｓを１５０〜１８０℃に加熱保持し、酸素ガス（Ｏ2）と一酸化炭素（ＣＯ）をそれぞれ初期流量０．０５ｍｌ／ｍｉｎで導入を開始し、徐々に流量を減少させてゆき、反応像が最も鮮明に観察される条件を調べた。また、そのときの真空チャンバ内の真空度を調べた。
【００２６】
図５に、観察された反応像の一例のスケッチを示す。図中、中央の円内が観察視野であり、黒色部がＯ2ガスの吸着部分、淡色部がＣＯガスの吸着部分であり、渦巻き状に運動しながら吸着反応していることが分かる。
【００２７】
上記実験で得られた結果を図６に示す。実施例１においては、真空チャンバ内の真空度は１０-5Ｐａレベルの超高真空が保たれ、約１００ｎｍの分解能が得られた。これは、反応速度などの解析に十分な分解能である。また、観察位置を変えたり、観察倍率を変えるために、試料ステージをＸＹＺ方向に移動させた場合にも、反応像を鮮明に観察することができた。
【００２８】
図６に示す従来例は、本発明の反応ガス導入ユニット１５０は用いずに、従来のように真空チャンバに開けたガス供給口から反応ガスを導入した例であり、真空チャンバ内の真空度は１０-4Ｐａレベルに低下し、分解能は約５００ｎｍに低下した。この分解能では、反応速度などの解析には不十分である。
【実施例２】
【００２９】
〔装置〕
実施例１と同じ装置構成であるが、噴霧ノズル１５２の噴孔形状を図４（２Ａ１）のスリット形状とした点のみが異なる。スリット寸法は、厚さ０．２〜１．０ｍｍ、長さ１．０〜２．０ｍｍの範囲で種々に設定した。
【００３０】
〔実験〕
実施例１と同様な実験を行なった結果、図６に示すように、さらにガス流量が少ない条件で分解能が約５０ｎｍに向上し、実施例１よりも更に鮮明な反応像を得ることができた。ノズル噴孔をスリット形状とすることで、余分なガスの導入が更に低減された状態で反応が起きたものと考えられる。そのため、真空チャンバ内の真空度は１０-5Ｐａ代で更に低下し１０-6Ｐａに近ずいていた。
【００３１】
以上の各実施例ではＰｔ単結晶を用いたが、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）などの単結晶を用いた場合でも、同様にガスの吸着反応を鮮明にリアルタイム観察することができる。
【００３２】
また、２種類の反応ガスとして、上記実施例では〔酸素＋一酸化炭素〕を用いたが、この組合せ以外にも、〔水素＋酸素〕、〔一酸化窒素＋一酸化炭素〕などの反応についても、同様に観察画像の鮮明化効果が得られる。また、３種類以上の反応ガスを用いた場合にも観察画像の鮮明化効果が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明によれば、光電子顕微鏡内の１０-5Ｐａ以下という超高真空下において確実にガス吸着を実現でき、かつ、この超高真空を安定して維持できる試料装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の試料装置を組み込んだ光電子顕微鏡の断面図である。
【図２】本発明の試料装置の部分を示す拡大断面図である。
【図３】噴霧ノズルを２基備えた本発明の試料装置の例を示す平面図である。
【図４】噴霧ノズルの噴孔形状と噴出ガス流の形態とを示す模式図である。
【図５】試料表面での吸着反応像の一例を示すスケッチである。
【図６】反応ガスの導入量と真空度および分解能との関係を、本発明の実施例と従来例を比較して示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１００    光電子顕微鏡
１１０    真空チャンバ
１２０    光源
１３０    試料操作ユニット
１３２    試料ホルダ
１３４    試料ステージ
１３６    ＸＹＺステージコントローラ
１４０    光電子検出器
１５０    反応ガス導入ユニット
１５２    噴霧ノズル
１５４    フレキシブルパイプ
１５６    ガス量調整器
１５８    ガス供給管
Ｓ    試料
Ｂ    反応ガス吹き付け方向
θ１    反応ガス吹き付け方向と試料Ｓの表面との角度
ｄ    試料Ｓの表面からのノズル先端の高さ
θ２    ２基の噴霧ノズル間の角度
【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６】
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【図５】
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