(57)【要約】【課題】大気雰囲気下、試料の表層のみを分析でき、しかも構成物質の分子量まで測定することのできる大気雰囲気測定表面分析装置を提供する。【解決手段】先端から末端まで内部を貫通する貫通孔を有し、その先端部が試料表面に近接するように配置される探針と、前記探針の先端部周辺にプラズマを供給する手段と、前記探針と試料の間にパルス電圧を印加するための電源と、前記探針−試料間へのパルス電圧印加に起因して前記探針先端部と対する試料表面から脱離すると共に前記プラズマによる作用を受けて生成された試料イオンを前記貫通孔を介して真空室内へ導入するために前記探針の末端部の貫通孔開口部に近接して配置されるイオン導入手段と、前記真空室内に配置され前記イオン導入手段により導入された試料イオンを質量分析するための質量分析器とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端から末端まで内部を貫通する貫通孔を有し、その先端部が試料表面に近接するように配置される探針と、
前記探針の先端部周辺にプラズマを供給する手段と、
前記探針と試料の間にパルス電圧を印加するための電源と、
前記探針−試料間へのパルス電圧印加に起因して前記探針先端部と対する試料表面から脱離すると共に前記プラズマによる作用を受けて生成された試料イオンを前記貫通孔を介して真空室内へ導入するために前記探針の末端部の貫通孔開口部に近接して配置されるイオン導入手段と、
前記真空室内に配置され前記イオン導入手段により導入された試料イオンを質量分析するための質量分析器と
を備えたことを特徴とする大気雰囲気測定表面分析装置。
【請求項２】
前記探針の貫通孔は、探針の中心軸に沿った内径１００μｍφ以下の細孔であることを特徴とする請求項１記載の大気雰囲気測定表面分析装置。
【請求項３】
前記探針はカンチレバーによって支持されており、カンチレバーを探針と共に振動させる加振手段と、カンチレバーの振動を検出する手段と、振動検出手段からの検出信号に基づいて試料探針間距離を制御する制御手段とを設けることにより、探針と試料の相互作用に関する情報を得るようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の大気雰囲気測定表面分析装置。
【請求項４】
前記プラズマの代わりに１次イオンビームまたは高速中性粒子ビームを照射することを特徴とする請求項１、２、または３記載の大気雰囲気測定表面分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気雰囲気下で測定することのできる表面分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、表面分析は、Ｘ線光電子分光装置（X-ray photoelectron spectrometer、XPS、あるいは、electron spectrometer for chemical analysis、ESCAと呼ばれる）やオージェ電子分光装置（Auger electron spectrometer、AESと呼ばれる）などによって行なわれてきた。
【０００３】
Ｘ線光電子分光装置とは、アルミニウムKα線やマグネシウムKα線などのＸ線単色光を用い、該Ｘ線を物質に照射したときに物質から放出される光電子の運動エネルギー分布、角度分布、スピンなどを測定することにより、物質の元素分析、状態分析を行なう分析装置である。
【０００４】
また、オージェ電子分光装置とは、２ｋｅＶ程度の電子線を固体表面に入射させ、散乱電子のエネルギー分析をして、オージェ効果による放出電子を検出し、固体表面近傍に存在する不純物元素の同定や吸着種の分析を行なう分析装置である。
【０００５】
なお、オージェ効果とは、外殻（例えばＬ殻）の電子が内殻（例えばＫ殻）にできた空孔に落ち込む際に、エネルギーを外殻（例えばＬ殻）の他の電子に与えて、その電子を殻外に放出させる現象のことである。
【０００６】
これらの表面分析装置では、測定試料を超高真空容器内に保持し、測定は超高真空下で行なわれている。そして、試料表面で炭素などの元素が検出された場合、それが汚れに由来するものなのかどうか、もし汚れ由来のものであるとすると、その汚れ成分はどこから来たものなのか、という詳しい情報が求められる。
【０００７】
【非特許文献１】岩波理化学辞典（第５版）、１９９８年２月、岩波書店刊、オージェ電子分光法の条、光電子分光法の条。
【０００８】
【非特許文献２】物理学辞典、１９８４年９月、培風館刊、オージェ効果の条。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２１６９３３号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の表面分析装置の問題点の一つは、試料を真空室内に設置するため、表面状態に変化が発生する場合があることであった。例えば、生体試料の場合、真空中に置かれることにより、水分が蒸発して乾燥が起きる。その結果、表面形状や化学結合状態に変化が起こり、本来の試料とは異なったものへと変化してしまう。
【００１１】
また、Ｘ線光電子分光装置やオージェ電子分光装置では、化学結合状態を知ることはできるが、分子量の違いや低分子化合物の測定はできない。
【００１２】
また、Ｘ線や電子線を照射する方法では、試料の最表面だけでなく、数ナノメートルの深さまでを含んだ情報となり、試料表面一分子層のみの分析は困難である。
【００１３】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、大気雰囲気下、試料の表層のみを分析でき、しかも構成物質の分子量まで測定することのできる大気雰囲気測定表面分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的を達成するため、本発明にかかる大気雰囲気測定表面分析装置は、
先端から末端まで内部を貫通する貫通孔を有し、その先端部が試料表面に近接するように配置される探針と、
前記探針の先端部周辺にプラズマを供給する手段と、
前記探針と試料の間にパルス電圧を印加するための電源と、
前記探針−試料間へのパルス電圧印加に起因して前記探針先端部と対する試料表面から脱離すると共に前記プラズマによる作用を受けて生成された試料イオンを前記貫通孔を介して真空室内へ導入するために前記探針の末端部の貫通孔開口部に近接して配置されるイオン導入手段と、
前記真空室内に配置され前記イオン導入手段により導入された試料イオンを質量分析するための質量分析器と
を備えたことを特徴としている。
【００１５】
また、前記探針の貫通孔は、探針の中心軸に沿った内径１００μｍφ以下の細孔であることを特徴としている。
【００１６】
また、前記探針はカンチレバーによって支持されており、カンチレバーを探針と共に振動させる加振手段と、カンチレバーの振動を検出する手段と、振動検出手段からの検出信号に基づいて試料探針間距離を制御する制御手段とを設けることにより、探針と試料の相互作用に関する情報を得るようにしたことを特徴としている。
【００１７】
また、前記プラズマの代わりに１次イオンビームまたは高速中性粒子ビームを照射することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる大気雰囲気測定表面分析装置によれば、
先端から末端まで内部を貫通する貫通孔を有し、その先端部が試料表面に近接するように配置される探針と、
前記探針の先端部周辺にプラズマを供給する手段と、
前記探針と試料の間にパルス電圧を印加するための電源と、
前記探針−試料間へのパルス電圧印加に起因して前記探針先端部と対する試料表面から脱離すると共に前記プラズマによる作用を受けて生成された試料イオンを前記貫通孔を介して真空室内へ導入するために前記探針の末端部の貫通孔開口部に近接して配置されるイオン導入手段と、
前記真空室内に配置され前記イオン導入手段により導入された試料イオンを質量分析するための質量分析器と
を備えたので、
大気雰囲気下、試料の表層のみを分析でき、しかも構成物質の分子量まで測定することのできる大気雰囲気測定表面分析装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明にかかる大気雰囲気測定表面分析装置の一実施例である。
【００２０】
図中１は、質量分析器である。質量分析器１は、内径１００μｍφ以下のアパーチャ２を備えた真空容器７中に置かれている。真空容器７の内部は、ロータリーポンプとターボ分子ポンプで構成された真空排気系３により真空排気されている。真空容器７は、アパーチャ２を介して大気とつながっているため、質量分析器１の周囲をより高真空に保つため、真空容器７の内部にはもう一つの真空容器１６が設けられ、該真空容器１６の内部をロータリーポンプとターボ分子ポンプで構成された別の真空排気系１３で排気することにより、差動排気系を構成させる。質量分析器１は真空容器１６の内部に置かれる。
【００２１】
真空容器７は移動機構１４上に置かれ、試料６の上方を任意の方向に向けて移動可能になっている。真空容器７に設けられた前記アパーチャ２に対面する移動機構１４の位置には、小さな貫通孔１５が設けられ、該貫通孔１５の試料６側開口部には、その中心軸に沿ってイオンが通過するための内径１００μｍφ以下の細孔１８を有する筒状の探針５がカンチレバー１７を介する形で移動系４に固定され、試料６の表面９に向けて対向配置されている。
【００２２】
この探針５は、カンチレバー１７によって支えられており、所定の周波数で試料方向に振動させられている。そして、探針５の先端と試料６表面との間に働く分子間力や磁力など諸々の引力斥力によってカンチレバー１７の振動周波数が変化する過程を、レーザ光１０をカンチレバー１７に当て、カンチレバー１７から反射してくるレーザ光１０をフォトディテクタ１１で受光することによって検知し、該振動周波数が変化しないように、探針５と試料６表面間の距離を制御する図示しないピエゾ素子の印加電圧にフィードバックさせ、ピエゾ素子を試料方向に伸び縮みさせて探針５の先端と試料６表面との距離を常に一定に保つことでカンチレバーの振動周波数を一定値に制御する。その様子を図２に示す。
【００２３】
尚、図示しないピエゾ素子は、通常、試料６の下か、移動系４のカンチレバー１７取り付け部など、ピエゾ素子の伸び縮みによって探針５の先端と試料６表面との距離を変化させることが可能な位置に置かれる。そして、そのときにフィードバックされる制御情報を図示しないデータ収集系に送信することにより、試料６表面の凹凸情報を測定する。これにより、探針５がなぞる試料６表面の凹凸の状態を観察することが可能になる。この動作自体は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の原理として既に広く知られているものである。
【００２４】
移動系４と試料６との間には、ヘリウムプラズマ導入系８が用意されており、任意のタイミングでヘリウムプラズマを大気下、試料６の表面９に向けて降りかけることができる構成になっている。１２は試料６と探針５の間に高電圧をパルス的に印加できる高圧電源である。このような構成の大気雰囲気測定表面分析装置は、以下のように動作する。
【００２５】
まず、移動系４を動かし、探針５で試料表面９を走査することにより、試料表面９の凹凸形状を観察し、分析する位置を特定させる。このとき、試料６は大気雰囲気に置かれている。
【００２６】
次に、ヘリウムプラズマ導入系８からヘリウムプラズマを大気下、分析する位置の周辺に照射する。これにより、試料６の表層物質９の分子を削り取り、更にヘリウムプラズマ自身と反応させて、その分子をイオン化させる。
【００２７】
次に、探針５と試料６との間に高圧電源１２でパルス電圧を印加することにより、そのイオンを探針５の細孔１８、貫通孔１５、ならびにアパーチャ２を介して真空容器７および真空容器１６中の質量分析器１に導く。質量分析器１に導かれた表層物質イオンは、質量分析器１により質量分析されて、その分子量を知ることができる。
【００２８】
尚、本願発明では、ヘリウムプラズマの代わりに、ＳＩＭＳやＦＡＢのように、１次イオンビームや高速中性粒子ビームなどもイオン化手段として使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
表面分析に広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明にかかる大気雰囲気測定表面分析装置の一実施例を示す図である。
【図２】本発明にかかる大気雰囲気測定表面分析装置の動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００３１】
１：質量分析器、２：アパーチャ、３：真空排気系、４：移動系、５：探針、６：試料、７：真空容器、８：ヘリウムプラズマ導入系、９：試料表面（表層物質）、１０：レーザ光、１１：フォトディテクタ、１２：高圧電源、１３：真空排気系、１４：移動機構、１５：貫通孔、１６：真空容器、１７：カンチレバー、１８：細孔
【図１】
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【図２】
2007280633.tif 000004