(57)【要約】【課題】原子オーダで平坦な広い領域を持つ清浄な劈開面を高い再現性で作製することができる劈開方法および劈開装置を提供すること。【解決手段】ノッチ１１２を形成した試料１１０をホルダ１２０に固定し、超高真空中で試料１１０の劈開を行う際に、試料１１０と劈開棒１３０との相対速度を劈開時に発生するクラックの伝播速度以下に制御する。ノッチ１１２は、好ましくは、線状で、かつ、断面がＶ字形であって、劈開予定場所の一部に形成する。劈開棒１３０は、先端が球状であって、ノッチ１１２に近い、試料１１０の端部に配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホルダに固定された試料と劈開に使用する押し棒との相対速度を劈開時に発生するクラックの伝播速度以下に制御することにより試料の劈開を行う、劈開方法。
【請求項２】
前記試料には、劈開予定場所の一部にクラックの発生源となるノッチが形成されている、請求項１記載の劈開方法。
【請求項３】
前記ノッチは、線状で、かつ、断面がＶ字形である、請求項２記載の劈開方法。
【請求項４】
前記押し棒は、前記ノッチに近い、前記試料の端部に配置される、請求項１記載の劈開方法。
【請求項５】
前記押し棒は、先端が球状である、請求項４記載の劈開方法。
【請求項６】
試料を固定するホルダと、
前記ホルダに固定された試料を押す押し棒と、
前記ホルダと前記押し棒とを相対的に移動させる駆動手段と、
前記ホルダに固定された試料と前記押し棒との相対速度が劈開時に発生するクラックの伝播速度以下になるよう、前記駆動手段を制御する制御手段と、
を有する劈開装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、劈開方法および劈開装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の表面分析装置や走査プローブ顕微鏡を用いて試料表面の測定を行う場合には、計測装置自体の性能向上（高精度化・高安定化の実現）とともに、清浄な試料表面の作製が重要である。
【０００３】
この点、例えば、試料が半導体や金属などの場合は、加熱（またはスパッタリングと加熱）により比較的容易に清浄な表面を作製できるが、酸化ニッケルをはじめとする遷移金属酸化物の場合は、上記方法では表面酸素の欠損などによる特性変化が予想されるため、劈開によって清浄な表面を作製することが望ましい。
【０００４】
しかも、走査プローブ顕微鏡、特に非接触原子間力顕微鏡（ＮＣ−ＡＦＭ：Non-Contact Atomic Force Microscope）を用いて表面原子分解能を観察する際には、単に清浄な表面を作製すれば足りるわけではなく、探針と試料の間に働くファンデルワールス力や静電気力といった長距離相互作用力の影響を小さくするために原子オーダで平坦な広い領域を持つ表面が必須であり、清浄で、かつ平坦な広い領域を持つ劈開面を作製する技術が要求される。
【０００５】
従来の劈開方法としては、試料を押し棒またはナイフエッジにより劈開する方法がいろいろ知られている（非特許文献１）。このうち、古くから知られていた大気中で行われた方法としては、例えば、ホルダに固定した単結晶に楔を叩きつける方法や、あらかじめノッチを入れておいた単結晶に力を加える方法などがある。また、超高真空下で試料を劈開する場合にも、これらの方法を超高真空中で行うことにより、清浄な表面の作製が可能である。
【非特許文献１】中村輝太郎・中田一郎責任編集、「試料の作成と加工  実験物理学講座  １３」、共立出版株式会社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の劈開方法においては、ただ単に試料を押し棒またはナイフエッジにより劈開するというだけであって、操作についての具体的検討がなされておらず、ＮＣ−ＡＦＭを用いた表面原子分解能観察が可能な良好な劈開面、つまり、清浄で、かつ原子オーダで平坦な広い領域を持つ劈開面を高い再現性で作製することは極めて困難であった。
【０００７】
なお、上記のように、ＮＣ−ＡＦＭによる表面原子分解能観察には、原子オーダで平坦な広い領域を持つ清浄な表面が必要不可欠であるため、今日、ＮＣ−ＡＦＭ測定の普及に伴い、これを実現する劈開方法が強く求められている。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、原子オーダで平坦な広い領域を持つ清浄な劈開面を高い再現性で作製することができる劈開方法および劈開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】
【０００９】
本発明の劈開方法は、ホルダに固定された試料と劈開に使用する押し棒との相対速度を劈開時に発生するクラックの伝播速度以下に制御することにより試料の劈開を行うようにした。
【００１０】
本発明の劈開装置は、試料を固定するホルダと、前記ホルダに固定された試料を押す押し棒と、前記ホルダと前記押し棒とを相対的に移動させる駆動手段と、前記ホルダに固定された試料と前記押し棒との相対速度が劈開時に発生するクラックの伝播速度以下になるよう、前記駆動手段を制御する制御手段と、を有する構成を採る。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、原子オーダで平坦な広い領域を持つ清浄な劈開面を高い再現性で作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
本発明者は、鋭意研究の結果、ＮＣ−ＡＦＭにより表面を原子分解能観察するためには、原子オーダで平坦な広い領域を持つ清浄な劈開面を高い再現性で作製することが必要であり、そのためには、その領域の位置および範囲を制御することが必要であることを見出した。また、表面原子分解能観察が可能な領域（原子オーダで平坦な広い清浄表面）の位置および範囲を制御するためには、形成されるクラックパターン（つまり、クラックの伝播パターン）を制御する必要があることを見出した。さらに、そのためには、試料に加える力（速度）を制御することが必要であることを見出した。また、クラックパターンを制御するためには、クラックの発生源となるノッチの位置と形状、ならびに押し棒の位置と形状も最適化することが必要であることを見出した。すなわち、本発明者は、試料の劈開表面の状態が、試料に加える力（速度）、ノッチの位置・形状、および押し棒の位置・形状に大きく依存することを見出したのである。
【００１４】
本発明は、ホルダに固定された試料と劈開に使用する押し棒との相対速度を劈開時に発生するクラックの伝播速度以下に制御することを基本とするものである。
【００１５】
図１は、本発明の一実施の形態に係る劈開装置の要部の構成を示す図である。
【００１６】
図１の劈開装置１００は、試料１１０を固定するホルダ１２０と、ホルダ１２０に固定された試料１１０を押す押し棒１３０と、ホルダ１２０を移動させる駆動部１４０と、駆動部１４０を制御する制御部１５０とを有する。なお、以下では、押し棒１３０を、劈開に用いられる棒という意味で、「劈開棒」と呼ぶことにする。
【００１７】
試料１１０は、劈開前に適当な形状に成形される。例えば、試料１１０が単結晶の場合は、結晶の成長方向が長軸となるように直方体状に成形される。試料１１０の劈開予定場所には、劈開時にクラックの発生源となるノッチ１１２を形成しておく。
【００１８】
ノッチ１１２の形状は、長い線状ではなく、できるだけ短い線状であることが好ましい。クラックの発生ポイントをできるだけ一箇所にするためである。また、ノッチ１１２の断面形状は、Ｖ字形であることが好ましく、しかも、そのＶ字形ノッチの深さは、できるだけ深い（つまり、アスペクト比が大きい）のが好ましい。やはり、クラックの発生ポイントをできるだけ一箇所にするためである。
【００１９】
また、ノッチ１１２の位置は、劈開予定場所の全部（つまり、試料１１０の幅方向の端から端まで）ではなく、一部であることが好ましい。上記のように、クラックの発生ポイントをできるだけ一箇所にするためである。しかも、試料１１０の中央部ではなく、試料１１０の端部であることが好ましい。後述するように、ノッチ１１２の直下領域には良好な劈開面ができにくい傾向があるので、良好な劈開面をできるだけ広くするためには試料１１０の端部にノッチ１１２を形成するのが有利であるからである。
【００２０】
ホルダ１２０は、適当な形状に成形されかつノッチ１１２が形成された試料１１０を固定する。その際、試料１１０を固定する位置は、劈開の開始位置を決定するために形成したノッチ１１２が、ホルダ１２０の端面と平行になるように調整される。
【００２１】
なお、ホルダ１２０の構造は、試料１１０をしっかりと固定できる構造であればどのようなものでもよく、特に限定されない。例えば、図示しないが、ホルダ１２０は、試料１１０と隙間なく固定されるように、前後２個ずつ（つまり、合計４個の）ねじで締め付ける構造を有する。
【００２２】
劈開棒１３０は、ホルダ１２０に固定された試料１１０を押す機能を有する。劈開棒１３０の形状は、実験の結果、ストレートな棒状であることが好ましく、しかも、その先端が球状であることが好ましい。また、劈開棒１３０は、図１に示すように、試料１１０の端部、つまり、ノッチ１１２から離れている部分に配置することが好ましい。なお、劈開棒１３０は、金属、例えば、ステンレスで作られている。
【００２３】
さらに、劈開棒１３０の位置（特に幅方向の位置）と劈開面の平坦性について実験を行ったところ、先端が球状の劈開棒１３０を用いて劈開を行った場合、試料１１０に当てる劈開棒１３０の位置によって劈開面の平坦性が異なる傾向があることがわかった。すなわち、ノッチ１１２から遠い方の端部に劈開棒１３０を当てた場合（図２参照）と、ノッチ１１２に近い方の端部に劈開棒１３０を当てた場合（図１参照）とを比べると、他の劈開条件を同一にした場合であっても、後者の方が、より平坦な領域が広い場合が多かった。例えば、図３は、前者の場合（試料は酸化マグネシウム（ＭｇＯ））における光学顕微鏡写真である。図３から、前者の場合には、応力がノッチ１１２部分に集中しにくいため、複数の箇所からクラックが発生して伝播する傾向が強いことがわかる。
【００２４】
駆動部１４０は、ホルダ１２０を移動させる機能を有し、例えば、モータとギア機構で構成されている。モータは、特に限定されないが、例えば、ステップモータである。劈開棒１３０を固定した状態で、駆動部１４０により、試料１１０を固定したホルダ１２０を移動させることによって、試料１１０に力が加えられる。
【００２５】
図４は、図１の劈開装置１００の具体的構成の一例を示す図である。
【００２６】
図４に示す劈開装置１００ａは、試料１１０を固定したホルダ１２０を収容する真空容器１６０と、駆動部１４０の駆動力によってホルダ１２０を移動させる移動機構１７０とを有する。
【００２７】
真空容器１６０は、図示しない真空装置により内部が超高真空状態（例えば、２×１０−８Ｐａ程度）に保持される。試料１１０を固定したホルダ１２０を真空容器１６０内に収容して超高真空中で劈開を行うことによって、清浄な劈開面を得ることができる。
【００２８】
移動機構１７０は、ホルダ１２０に固定されるロッド１７２を有し、ロッド１７２を駆動部１４０の駆動力によって図中の矢印方向に移動させることで、ホルダ１２０を移動させる。移動機構１７０は、フランジ１７４、１７６を有し、フランジ１７４には劈開棒１３０が固定されている。また、真空容器１６０にはフランジ１７４が取り付けられ、このフランジ１７４ともう一方のフランジ１７６をしっかり締結することによって、移動機構１７０と真空容器１６０とが結合される。
【００２９】
なお、本実施の形態では、駆動部１４０によってホルダ１２０を移動させるようにしているが、これに限定されるわけではなく、ホルダを固定した状態で、劈開棒を移動させるようにしてもよい。すなわち、ホルダと劈開棒とを相対的に移動させることによって、試料１１０に力を加えることができる。
【００３０】
上記のように、本発明者は、劈開条件を鋭意検討した結果、試料１１０に加える力（速度）が重要であることを見出した。ここで、劈開速度とは、ホルダ１２０に固定された試料１１０と、劈開に使用する劈開棒１３０との間の相対的な速度を意味する。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
また、高速・中速・低速の各速度で劈開したＭｇＯ（００１）の表面を、それぞれ、光学顕微鏡で観察した。図５は、高速で劈開した場合の光学顕微鏡写真であり、図６は、中速で劈開した場合の光学顕微鏡写真であり、図７は、低速で劈開した場合の光学顕微鏡写真である。
【００３３】
図５に示すように、高速で劈開した場合は、試料表面全体が荒れた状態になっており、良好な劈開面で見られるクラックの伝播パターンを見ることができない。もちろん、このような劈開面は、ＮＣ−ＡＦＭを用いた表面原子分解能観察が可能な程度の平坦な表面ということはできない。また、図６および図７に示すように、中速および低速でそれぞれ劈開した場合は、ＮＣ−ＡＦＭで表面原子分解能観察可能な原子オーダで平坦な領域を得ることができるが、中速で劈開した場合は、低速で劈開した場合に比べて、平坦な領域が狭く、その領域の凹凸が大きい傾向が強いことがわかる。
【００３４】
劈開は、試料に応力を加えることにより蓄積されたエネルギーが、結晶の破断によって解放されるプロセスであり、クラックの長さと伝播スピードに強く依存する現象である。一般的に、固体中を音波が伝わる速度に関係するレイリー波速度の０.３５倍以下の程度の速度でクラックが伝播した場合に、安定な劈開が起こるとされている。したがって、同一サイズの同じ材料の試料１１０を劈開する場合には、劈開速度が遅い方がより平坦な劈開面が得られることになる（表１参照）。
【００３５】
例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）とヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）を例にとると、ＭｇＯ（００１）表面とＧａＡｓ（１１０）表面におけるレイリー波速度は、それぞれ、４７００ｍ／ｓ、２５１０ｍ／ｓである。また、見方を変えると、劈開は、応力により蓄えられたエネルギーを運動エネルギーに変換するプロセスである。運動エネルギーは、クラックの伝播速度の２乗とクラックの長さの２乗に比例する。上記の例では、ＭｇＯ試料の劈開面の大きさが５ｍｍ×１ｍｍ、ＧａＡｓ試料の劈開面の大きさが５ｍｍ×０.３ｍｍであるため、ＧａＡｓ試料の方が、より速い劈開速度でも平坦な表面を作製できる傾向が強いことを説明することができる。
【００３６】
制御部１５０は、ユーザの操作により、駆動部１４０の動作、つまり、劈開速度を制御する機能を有する。劈開速度は、ユーザの指示に従って、または、実験により材料ごとにあらかじめ設定された最適速度に従って制御される。なお、制御部１５０は、例えば、コンピュータで構成されている。
【００３７】
次いで、上記構成を有する劈開装置１００を用いた劈開方法の手順について、図８を用いて説明する。なお、ここでは、一例として、例えば、酸化ニッケル（ＮｉＯ）の単結晶を劈開する場合を例にとって説明する。また、劈開装置として、図４に示す劈開装置１００ａを用いる。
【００３８】
まず、図８（Ａ）に示すように、ＮｉＯの単結晶（ＮｉＯブール）１８０を、結晶の成長方向が長軸方向となるように直方体状（例えば、幅：長さ：高さ＝１３ｍｍ：３ｍｍ：１.５ｍｍ）に切り出す。図８（Ａ）中の一点鎖線は、切断面の位置を示している。そして、切り出した直方体状の試料１１０の劈開予定場所１１４の一部（試料１１０の端部）に、短い線状のＶ字形のノッチ１１２を形成する。
【００３９】
そして、図８（Ｂ）に示すように、切り出した後にノッチ１１２を形成した試料１１０を、例えば、Ａｕでコーティングする。これは、劈開時に生じる電荷を逃がし、劈開表面の帯電を防止するためである。なお、コーティングする金属は、Ａｕに限定されるわけではなく、熱処理で変化せずに試料１１０とホルダ１２０を電気的に接続できる金属であれば、どのような金属であってもよい。
【００４０】
そして、図８（Ｃ）に示すように、コーティング後の試料１１０をホルダ１２０にしっかりと固定する。試料１１０の固定位置は、上記のように、劈開の開始位置を決定するためのノッチ１２０が、ホルダ１２０の端面に平行になるように調整する。
【００４１】
そして、図８（Ｄ）に示すように、ホルダ１２０に固定した試料１１０を超高真空中に導入し、具体的には、試料１１０を固定したホルダ１２０を真空容器１６０内に収容して真空容器１６０内を超高真空状態にし、約２００℃で２０時間以上ベイキングした後、ステンレスの劈開棒１３０を試料１１０の所定位置に接触させ、試料１１０に力を加えることによって劈開を行う。試料１１０に加えられる力は、劈開棒１３０を固定した状態で、駆動部１４０および移動機構１７０を介してホルダ１２０を移動させることによって与えられる。
【００４２】
なお、劈開が終了すると、図８（Ｅ）に示すように、ＮＣ−ＡＦＭ１９０により劈開面１１６の観察を行う。
【００４３】
図９〜図１３は、上記の方法で劈開したＮｉＯ（００１）劈開面の光学顕微鏡写真を示す図である。具体的には、図９は、劈開面全体を示す光学顕微鏡写真であり、図１０は、図９に示す円の部分の拡大図であり、図１１は、図９に示す領域Ａで見られる典型的なＮＣ−ＡＦＭ像（２５０ｎｍ×２５０ｎｍ）であり、図１２は、図９に示す領域Ｂで見られる典型的なＮＣ−ＡＦＭ像（２５０ｎｍ×２５０ｎｍ）であり、図１３は、図９に示す領域Ｂの広いテラス上で観察されるＮｉＯ（００１）表面の原子像を示す図である。
【００４４】
まず、図９から、右上部のノッチから発生したクラックが［１１０］方向に伝播し（領域Ａ）、下部へ向かうにつれて［０１０］方向と平行になっている（領域Ｂ）ことがわかる。
【００４５】
また、一般的に、領域Ａでは、原子ステップが直線でないことが多く、時には、高指数面で構成された表面（図１１）やＶ字型のパターンが見られることもある。図１１に示すような表面は、その凹凸は数ｎｍと小さいが、結晶内部の欠陥やディスロケーションにより生じた表面の弾性変形に起因する凹凸であり、表面原子分解能観察は極めて困難である。
【００４６】
一方、領域Ｂでは、図１２に示すように、［０１０］方向に沿った原子ステップが観察されることが多く、原子オーダで平坦なテラスの幅も２０〜１００ｎｍと大きい。また、原子ステップの高さは、単原子ステップの高さ（０.２１ｎｍ）の倍数となっており、原子オーダで平坦な表面となっていることがわかる。このような表面でのみ、図１３に示すような原子像を観察することが可能となる。
【００４７】
なお、図１３は、ＮｉＯの劈開面に関するものであるが、ＧａＡｓ（１１０）の劈開面についても同様の結果となっている。
【００４８】
このように、本実施の形態によれば、劈開速度、ノッチ１１２の位置・形状、および劈開棒１３０の位置・形状を最適化するため、原子オーダで平坦な広い領域を持つ清浄な劈開面を高い再現性で作製することができる。
【００４９】
なお、ノッチ１１２の形成方法としては、従来のように手作業によりノッチ１１２を形成する方法に限定されるわけではなく、レーザを用いてノッチ１１２を形成することも可能である。レーザを用いる場合には、ノッチ１１２の位置と形状を高精度に制御できるため、クラック発生領域の大きさおよび位置を高精度に制御することが可能となり、本発明の効果をさらに向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係る劈開方法および劈開装置は、原子オーダで平坦な広い領域を持つ清浄な劈開面を高い再現性で作製することができる劈開方法および劈開装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る劈開装置の構成を示す図
【図２】劈開棒の位置の他の例を示す図
【図３】劈開棒をノッチから遠い端部に置いた場合における劈開面の一例を示す光学顕微鏡写真
【図４】図１に示す劈開装置の具体的構成の一例を示す図
【図５】高速で劈開したＭｇＯ（００１）表面の一例を示す光学顕微鏡写真
【図６】中速で劈開したＭｇＯ（００１）表面の一例を示す光学顕微鏡写真
【図７】低速で劈開したＭｇＯ（００１）表面の一例を示す光学顕微鏡写真
【図８】図１の劈開装置を用いた劈開方法の手順の一例を示す図
【図９】ＮｉＯ（００１）劈開面全体の一例を示す光学顕微鏡写真
【図１０】図９に示す円の部分の拡大図
【図１１】図９に示す領域Ａで見られる典型的なＮＣ−ＡＦＭ像を示す図
【図１２】図９に示す領域Ｂで見られる典型的なＮＣ−ＡＦＭ像を示す図
【図１３】図９に示す領域Ｂの広いテラス上で観察されるＮｉＯ（００１）表面の原子像を示す図
【符号の説明】
【００５２】
１００  劈開装置
１１０  試料
１１２  ノッチ
１１４  劈開予定場所
１１６  劈開面
１２０  ホルダ
１３０  劈開棒
１４０  駆動部
１５０  制御部
１６０  真空容器
１７０  移動機構
１８０  ブール
１９０  ＮＣ−ＡＦＭ
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2007160537.tif 000013
【図１１】
2007160537.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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