(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転方向が異なる２つの円偏光を試料に照射する円偏光照射手段と、
照射された円偏光によって生じる円２色性の光電子前方散乱ピークで形成される形成方向を異にする光電子回折パターンを二次元的に検出する二次元光電子検出手段と、
前記両光電子回折パターンを左右の視差角の原子配列画像として形成する像形成手段とを備えることを特徴とする立体電子顕微鏡。
【請求項２】
回転方向が異なる２つの円偏光を試料に照射し、
該円偏光照射によって生じる円２色性の光電子前方散乱ピークによって、形成方向を異にする２つの光電子回折パターンを形成し、
該両光電子回折パターンを左右の視差角の原子配列画像とすることを特徴とする原子配列の立体観察方法。
【請求項３】
回転方向が異なる２つの円偏光を試料に照射し、
該円偏光照射によって生じる円２色性の光電子前方散乱ピークによって、形成方向を異にする２つの光電子回折パターンを形成し、
該両光電子回折パターンの画像を左右の視差角に対応する写真像として測定することを特徴とする原子配列の立体写真測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子配列の観察に関し、原子構造を立体的に観察する立体原子顕微鏡、及び立体観察方法、立体写真の測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、原子構造を直接立体的に観察することが求められており、顕微鏡は原子構造の立体的観察を究極的な目的としている。現在、種々の顕微鏡が提案されているが、立体像を得ることができる顕微鏡は未だ提供されていない。例えば、電子顕微鏡は、原子配列の投影像を得ることができるが、立体像を得ることはできない。また、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は試料表面の原子配列の凹凸像を得ることができるが、表面原子と下層にある原子の位置関係を得ることはできない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来提案されている顕微鏡及び観察方法は、原子配列を平面的に観察するものであり、原子構造を立体的に直接目で観察することができないという問題がある。
原子構造を立体的に観察する一手法として、各種の測定データに基づいて各原子間の配置を測定あるいは推定し、コンピュータグラフィックによって画像化することが考えられる。しかしながら、この手法では、観察部位における全原子について正確な位置関係を得るために複数種の測定データが必要であり、データ処理に時間がかかり、リアルタイムでの観察は困難である。
【０００４】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、原子配列の立体構造を立体的に直接目で観察することを目的とし、さらに詳細には、原子配列の立体構造を立体的に直接目で観察することができる立体原子顕微鏡を提供することを目的とし、原子配列の立体構造を立体的に直接目で観察することができる立体観察方法、及び該立体観察に好適な立体写真を測定する測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光電子回折における円２色性を用いることによって原子配列を異なる２方向から見た２つの像を求め、この２方向から見た２つの像をそれぞれ左右の目で見る像に対応させることによって、原子配列の立体的な観察を行うものである。
本発明による原子配列の立体的観察は、光電子回折における円２色性を用いることによって視差角を有した像を得ることができる点に基づいており、観察原子について異なる視点から見た２つの像を円２色性を用いて求め、該２つの像をそれぞれ左右の目で見ることによって三次元像として認識し立体的に観察する。
【０００６】
本発明は、光電子回折における円２色性を用いる手段として、円偏光を用いる。円偏光を試料に照射すると、光電子が放出され、まわりの原子によって散乱されることにより前方散乱ピークを生じるが、光電子の前方散乱ピークの放出方向は円偏光の持つ角運動量によって散乱原子の方向からずれる。この光電子がずれる方向は円偏光の回転方向（右円偏光及び左円偏光）に応じて変わり、右円偏光と左円偏光とではそれぞれ光電子は異なる方向にずれる。この円偏光でずれた２つの像を、左右の目で見たときの各像と対応づけることによって、原子配列を立体的に観察することができる。
また、本発明による立体的観察による倍率は、立体物を左右の目で見たときの視差角と光電子回折における円２色性を用いて得られる像の視差角が角度によらず定数倍だけ異なるという点に基づいて定めることができる。
【０００７】
本発明の一形態は立体原子顕微鏡である。立体原子顕微鏡は、円偏光を試料に照射する円偏光照射手段と、照射された円偏光によって生じる円２色性の光電子前方散乱ピークで形成される光電子回折パターンを二次元的に検出する二次元光電子検出手段とを備える構成とする。
円偏光照射手段は、試料に対して円偏光を照射して光電子を発生させる手段であり、円偏光の回転方向を右円偏光と左円偏光で切り替えることによって、異なる角運動量を持つ光電子を放出させる。異なる角運動量の光電子が形成する２つの（円２色性の）光電子回折パターンは、原子配列を異なる方向から観察したパターンに対応しており、該２つの回折パターンをそれぞれ左右の目で見ることによって立体像として観察することができる。
【０００８】
また、試料に対して浅い角度で円偏光を入射させることによって、視差角の角度依存性が実際のものと一致するようになり、歪みの少ない立体像を得ることができる。なお、円偏光照射手段として、例えば、シンクロトロンや電子蓄積リングと円偏光アンジュレータを組み合わせた左右円偏光発生装置を用いることができ、ＳＰｒｉｎｇ−８等の放射光施設で得られる十分に高エネルギーの円偏光を照射することによって、原子配列の観察精度を高めることができる。
【０００９】
二次元光電子検出手段は、光電子回折パターンを二次元的に検出する手段であり、検出した回折パターンは画像とし表示手段に表示することも、あるいは写真像として形成することもできる。なお、二次元光電子検出手段は、二次元表示型球面鏡分析器等の二次元表示型分析装置を用いることが最も簡便であるが、一次元や０次元（ある角度のみを検出するもの）の分析器を動かして二次元光電子回折パターンを測定しても良いし、一次元や０次元の分析器と試料の一次元や二次元の回転とを組み合わせて測定することもできる。
【００１０】
また、円偏光照射手段による左右円偏光の切替えを高速で行うことによって、原子配列の実時間測定が可能となる。このとき、二次元光電子検出手段において２つの光電子回折パターンを円偏光の切り替えと同期して検出し、画像表示することによって、原子配列の変化を実時間で観察することができる。
【００１１】
本発明の他の形態は原子配列の立体観察方法である。本発明の原子配列の立体観察方法は、回転方向が異なる２つの円偏光を試料に照射し、該円偏光照射によって生じる円２色性の光電子前方散乱ピークによって、形成方向を異にする２つの光電子回折パターンを形成し、該２つの光電子回折パターンを左右の視差角の原子配列画像とすることによって、原子配列を立体的に観察するものである。
原子配列の観察は、光電子回折パターンを画像として表示手段に表示したり、あるいは写真像によって行うことができる。また、円偏光を高速で切替えることによって、原子配列を実時間で測定することができる。
【００１２】
また、本発明の別の形態は原子配列の立体写真測定方法である。本発明の原子配列の立体写真測定方法は、回転方向が異なる２つの円偏光を試料に照射し、該円偏光照射によって生じる円２色性の光電子前方散乱ピークによって、形成方向を異にする２つの光電子回折パターンを形成し、該２つの光電子回折パターンの画像を左右の視差角に対応する写真像として測定することによって、原子配列の立体写真を測定するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の立体原子顕微鏡を説明するための概略図である。立体原子顕微鏡１は、円偏光照射手段２、及び二次元光電子検出手段３を備え、さらに、撮影手段４、画像処理手段５、表示手段６、及び制御手段７を備える。
円偏光照射手段２は、回転方向の異なる２つの円偏光（右円偏光及び左円偏光）を形成して試料Ｓに照射する。２つの円偏光の試料Ｓへの照射は、切り替えて行うことができる。二次元光電子検出手段３は、円偏光照射によって発生した光電子を二次元的に検出して光電子パターンを得る。この光電子パターンは円偏光の照射位置における原子配列を表しており、光電子パターンによって原子配列を観察することができる。
【００１４】
本発明の立体原子顕微鏡１は、円偏光照射手段２からの回転方向の異なる２つの円偏光によって得られる２つの光電子パターンを二次元光電子検出手段３で検出し、この２つの光電子パターンを右目及び左目で観察する各像に対応させることによって、原子配列を立体的に観察する。
立体原子顕微鏡１が備える撮影手段４、画像処理手段５、表示手段６、及び制御手段７は、二次元光電子検出手段３で検出した２つの光電子パターンを画像あるいは写真として出力する構成である。
撮影手段４は、検出した２つの光電子パターンを写真像とする手段であり、観察者はこの２つの光電子パターンの写真像を左目及び右目でそれぞれ見ることによって、原子配列を立体的に観察することができる。
【００１５】
また、画像処理手段５、表示手段６、及び制御手段７は、検出した２つの光電子パターンを画像処理して画像データとし記録や表示を行う構成である。画像処理手段５は、二次元光電子検出手段３等による像の歪みを補正する画像処理を含むことができる。制御手段７は、円偏光照射手段２における円偏光の回転方向の切替えを制御したり、回転方向の切替えに応じて画像処理手段５を制御する。
円偏光照射手段２としては、例えば、シンクロトロンや電子蓄積リングと円偏光アンジュレータを組み合わせた左右円偏光発生装置を用いることができる。また、ＳＰｒｉｎｇ−８等の放射光施設によれば、高エネルギーの円偏光を得ることができ、原子配列の観察精度を高めることができる。
【００１６】
また、二次元光電子検出手段３としては、例えば、二次元表示型球面鏡分析器等の二次元表示型分析装置を用いることができる。二次元表示型球面鏡分析器を用いる場合には、像の歪みが無いため、歪みを補正することなく、立体画像及び立体写真を得ることができる。
【００１７】
次に、本発明による原子配列の立体的観察の手順を、図２のフローチャートに従って説明する。
はじめに、円偏光照射手段２によって円偏光を形成する。このとき、いずれか一方の回転方向の円偏光を形成し（ステップＳ１）、形成した円偏光を試料Ｓに照射する。照射する円偏光は、例えば８００ｅＶ〜１ｋｅＶ程度のエネルギーを持ち、試料Ｓの原子（放出原子）に吸収されることによって、数百ｅＶ以上（例えば、４００ｅＶ〜５００ｅＶ）の運動エネルギーを持つ光電子を放出する（ステップＳ２）。
【００１８】
放出された光電子は、原子配列中の周囲の原子によって散乱され、光電子回折パターンを形成する。この光電子回折パターンは、放出角度分布パターンを表しており、光電子を放出した放出原子とその周囲の散乱原子とを結ぶ方向に前方散乱ピークと呼ばれる鋭いピークが観察される。
このとき、放出される光電子は、円偏光から角運動量をもらって回転しながら放射されるため、原子配列の散乱原子に対して所定のずれ角度で入射することになり、光電子回折パターンは該ずれ角だけずれたパターンとなる。二次元光電子検出手段３によって、この光電子回折パターンを検出し（ステップＳ３）、検出した光電子回折パターンを画像あるいは写真によって測定する（ステップＳ４）。
【００１９】
次に、ステップＳ１で形成した円偏光と逆の回転方向の円偏光を形成する（ステップＳ５，６）。逆の回転方向の円偏光を用いて、前記ステップＳ２〜ステップＳ４を繰り返し、回転方向が逆の円偏光による光電子回折パターンを検出して、回転方向を異にする円偏光で得られる２つの光電子回折パターンの画像あるいは写真を測定する。回転方向を逆とする円偏光によって得られる光電子回折パターンは、前記ずれ角のずれ方向を逆とするものである。したがって、回転方向を異にする円偏光で得られる２つの光電子回折パターンは、原子配列の散乱原子に対してそれぞれ反対方向から所定のずれ角度で入射して得られるパターンとなる。
【００２０】
得られた２つの像（写真）は、左用画像（左用写真）と右用画像（右用写真）に対応しており、これら画像（写真）を表示（配置）して立体画像（立体写真）を形成する。表示（配置）された立体画像（立体写真）は、原子配列を左右にずれた方向から観察した画像（写真）に対応するものであり、それぞれの画像（写真）を右目及び左目で見ることによって、原子配列を立体的に観察することができる（ステップＳ７）。
【００２１】
次に、本発明によって得られる２つの画像（写真）が原子配列を立体的に表すものであることを、図３〜図６を用いて説明する。
図３は、立体を左右の目で見たときの視差角を説明するための図である。立体を左右の目で見るとき、それぞれの目が捕らえる像は、観測者から立体までの距離によって視差角を異にする２つの像となる。この一組の像は立体像あるいは立体写真を形成し、左右それぞれの目で各像を見ることによって、立体までの距離及び方向を三次元的に認識する。
【００２２】
ここで、視差角（±Δ）は、観測者から立体までの距離Ｒに逆比例する。図３において、ｚ軸方向を頭上とし、ｘ軸方向（θ＝９０°，φ＝０°）に顔が向いているとし、ｙ軸上にある右の目Ｅ（Ｒ＝ｂ，θ＝９０°，φ＝−９０°）及び左の目Ｆ（Ｒ＝ｂ，θ＝９０°，φ＝９０°）から、極座標表示で（Ｒ，θ，０）にある物体Ａを見ると、視差角Δ１は、
Δ１＝arctan（ｂ／（Ｒ・sinθ））                  …（１）
で表される。ここで、両目の間隔は２ｂとしている。
【００２３】
一方、図４は、原子配列において放出原子から放出された光電子の散乱原子に対する視差角を説明するための図である。
図４において、点Ｏにある放出原子Ｂに対してｚ軸方向に円偏光を照射すると、放出原子Ｂから光電子が放出される。ここで、放出原子から（θ＝θ，φ＝０°）の方向に放出された光電子が散乱原子Ｃによって散乱され、放出原子Ｂと散乱原子Ｃと結ぶ方向に形成される前方散乱を考える。
【００２４】
放出原子Ｂから放出された光電子は、円偏光から角運動量をもらって回転しながら放射され、散乱原子Ｃに対してずれ角Δ２（ｘ，ｙ面上の角度）で入射し、このずれ角Δ２の方向は円偏光の回転方向によって逆となり、光電子の前方散乱ピークの方向における２色性を示す。このずれ角Δ２は、以下の式で表される。
0003905338.tif 000002
ここで、ｍは光電子の角運動量のｚ成分を表す量子数（磁気量子数）、ｋは波数、ｒは放出原子から散乱原子までの距離、θは円偏光の進行方向と放出原子から散乱原子を向く方向との成す角である。
【００２５】
立体を左右の目で見たときの視差角Δ１と、散乱原子に対する光電子のずれ角Δ２とを比較すると、距離Ｒ，ｒに反比例する点で共通し、ｋ，ｂの定数、磁気量子数ｍ、及びsinθの次数の点で相違している。ここで、相違点について検討すると、ｋ，ｂは角度θによらない定数である。一方、磁気量子数ｍは角度θに依存し、例えば、Ｗ４ｆ（タングステンの一エネルギー軌道）ではsinθにほぼ比例している。
【００２６】
したがって、磁気量子数ｍを（α・sinθ）と表すと（αを比例係数とする）、ずれ角Δ２は以下の式で表される。
Δ２＝arctan（α／（ｋ・ｒ・sinθ））        …（３）
したがって、式（１）のΔ１と式（３）のΔ２とを比較すると、比例倍だけ異なる等価な式であって、ずれ角Δ２は立体視の際の視差角Δ１として扱えることを表している。
このことは、２つの光電子回折パターンのそれぞれのずれ角Δ２を視差角Δ２として左右の目で見ることによって、光電子回折パターンに寄与している散乱原子配列を立体像として観察することができることを意味している。
なお、図３中のＨは物体Ａのｘｙ平面に投影した位置を示し、図４中のＨは散乱原子Ｃのｘｙ平面に投影した位置を示している。
【００２７】
図５を用いて、ずれ角を視差角とすることによる立体像の観察、及び立体像の倍率について説明する。
図５（ａ）は，円偏光の２色性による光電子回折のずれ角を模式的に示している。放出原子Ｂから放出された光電子は、角運動量を持つことによって散乱原子Ｃに対してずれ角Δ２で入射する。光電子回折パターンは、主に散乱原子Ｃの前方散乱ピークから形成されており、該光電子回折パターン像の中のピークのずれ角もΔ２となる。
【００２８】
図５（ｂ）は、求めた光電子回折パターン像を目によって観察する状態を示している。光電子回折パターン像による原子配列の観察は、光電子回折パターン像を目Ｅ，Ｆから距離Ｒだけ離し、視差角Δ２の角度で配置することによって行うことができる。
【００２９】
光電子回折パターン像を目で観察したときの倍率は、例えば、図５（ｂ）中で示されるＲと、図５（ａ）で示されるＢＣ間の距離ｒとの比率によって表すことができる。後で例示するＷ４ｆの原子配列の場合には、この倍率は２×１０１０倍となる。
なお、視差角Δ１の正接は前記式（１）からtanΔ１＝ｂ／（Ｒ・sinθ）で表され、ずれ角Δ２の正接は前記式（３）からtanΔ２＝α／（ｋ・ｒ・sinθ）で表され、倍率は（ｋ・ｂ）／αで表される。
【００３０】
光電子回折パターン像の画像あるいは写真を目で観察する際において視差角を測定時のずれ角に合わせるには、図５（ｂ）に示すように、２ｂを右目及び左目との間隔として、右用画像（写真）と左用画像（写真）をそれぞれ右目及び左目と対向して、光電子回折パターンの測定角度範囲がそのパターンを目で見たときの角度範囲と一致するように配置する。画像（写真）中の原子Ｃの像が重なるように目を動かすと、その像は目との間隔Ｒ＝ｂ／（tanΔ２・sinθ）を満たす位置に認識される。このようにして視差角を測定時のずれ角と合わせることによって、光電子パターンにおける角度関係と画像（写真）及び目との角度関係を合わせることができ、原子配列を立体的に観察することができる。異なるＲを持つ原子の像は、視差角がΔ２からΔ３に変化しているため、両目の視差角をΔ３にしたときに像が重なり倍率がΔ２／Δ３倍だけ変化して、原子の相対位置関係はそのまま保たれて立体的に観察される。画像（写真）と目との位置関係が上記のものと異なっていても、倍率が異なるが立体的に観察される。
【００３１】
図６は、本発明による測定例を示すものである。図６（ａ），（ｂ）は、Ｗの（１１０）面から放出された、運動エネルギーが８００ｅＶのＷ４ｆ光電子の光電子回折パターンであり、図６（ａ）と図６（ｂ）は円偏光の回転方向が反対の場合を示している。
また、図６（ｃ）は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に対応する結晶軸方向を模式的に示しており、図６（ａ）及び図６（ｂ）では［１００］，［１１１］，［３１１］，［２１０］等の結晶軸の方向に前方散乱ピークが観察されている。
【００３２】
図６（ａ）及び図６（ｂ）の実測されるピーク位置と、図６（ｃ）のピーク位置と比較すると、実測されるピーク位置は左右にずれて観察されている。このずれが、立体像（立体写真）の視差角と同じになっており、これらの立体像（立体写真）を左右の目で見ることによって、立体的に観察することができる。
また、図６（ｄ）は、［０１０］方向から（１１０）面に円偏光を照射したときの、［１００］，［１１１］，［３１１］，［２１０］方向等に対する関係を模式的に示している。
【００３３】
また、図７は、二次元光電子検出手段の一例である二次元表示型球面鏡分析器の概略構成を示している。二次元表示型球面鏡分析器は、光電子回折された光電子を仮想的な球面鏡で反射させた状態で、光電子回折パターンを二次元検出面（スクリーン）に表示させるものである。この二次元表示型球面鏡分析器では、試料に対して円偏光をすれすれとなる浅い角度で入射させる。これによって、磁気量子数ｍの放出角依存性がほぼsinθに比例し、歪みの無い立体像を得ることができる。
本発明の実施の形態によれば、左右の目で原子配列を見ると同等の観察を行うことができる。
また、円偏光の回転方向の切替えを高速で行うことによって、実時間測定を行うことができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の立体原子顕微鏡、立体観察方法によれば、原子配列の立体構造を立体的に直接目で観察することができる。また、本発明の測定方法によれば、立体観察に好適な立体写真を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の立体原子顕微鏡を説明するための概略図である。
【図２】本発明による原子配列の立体的観察の手順を説明するためのフローチャートである。
【図３】立体を左右の目で見たときの視差角を説明するための図である。
【図４】原子配列において放出原子から放出された光電子の散乱原子に対する視差角を説明するための図である。
【図５】ずれ角を視差角とすることによる立体像の観察、及び立体像の倍率を説明するための図である。
【図６】本発明による測定例を示すものである。
【図７】二次元表示型球面鏡分析器の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１…立体原子顕微鏡、２…円偏光照射手段、３…二次元光電子検出手段、４…撮影手段、５…画像処理手段、６…表示手段、７…制御手段。
【図１】
0003905338.tif 000003
【図２】
0003905338.tif 000004
【図３】
0003905338.tif 000005
【図４】
0003905338.tif 000006
【図５】
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【図６】
0003905338.tif 000008
【図７】
0003905338.tif 000009