(57)【要約】【課題】分析装置の精度を向上させる。【解決手段】走査型アトムプローブ２００は、試料３の表面を走査する引出電極５と、試料３に電圧を供給する直流高圧電源２と、直流高圧電源２により供給された電圧により引出電極５と試料３の間に生じた電界によって、試料３の表面の原子又は原子団を試料３から脱離させたときに、脱離したイオン８を検出する位置感知型イオン検出器１１とを備える。位置感知型イオン検出器１１は、イオン８の入射により電子を放出する電子増倍板２５と、電子増倍板２５から放出された電子の一部が入射する螺旋状の遅延回路線４１と、電子増倍板２５から放出された電子のうち、遅延回路線４１の線間を通過した電子が入射する導電板４２とを含む。【選択図】図６
2009295304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面を走査する電極と、
前記試料に電圧を供給する電圧供給部と、
前記電圧供給部により供給された電圧により前記電極と前記試料の間に生じた電界によって、前記試料の表面の原子又は原子団を前記試料から脱離させたときに、脱離した粒子を検出する粒子検出部と、を備え、
前記粒子検出部は、
前記粒子の入射により電子を放出する電子増倍板と、
前記電子増倍板の後方に設けられ、前記電子増倍板から放出された電子の一部が入射する螺旋状の遅延回路線と、
前記遅延回路線の後方に設けられ、前記電子増倍板から放出された電子のうち、前記遅延回路線の線間を通過した電子が入射する導電板と、
を含むことを特徴とする分析装置。
【請求項２】
試料の表面を走査する電極と、
前記試料に電圧を供給する電圧供給部と、
前記電圧供給部により供給された電圧により前記電極と前記試料の間に生じた電界によって、前記試料の表面の原子又は原子団を前記試料から脱離させたときに、脱離した粒子を検出する粒子検出部と、を備え、
前記粒子検出部は、
前記粒子の入射により電子を放出する電子増倍板と、
前記電子増倍板の後方に設けられ、前記電子増倍板から放出された電子が通過する可能性のある領域に、前記粒子が前記電子増倍板に入射したときに放出される電子の少なくとも一部が必ず入射するような間隔で交差しないように設けられた一本の遅延回路線と、
前記遅延回路線の後方に設けられ、前記電子増倍板から放出された電子のうち、前記遅延回路線の線間を通過した電子が入射する導電板と、
を含むことを特徴とする分析装置。
【請求項３】
前記遅延回路線は、前記電子増倍板に平行な平面上に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の分析装置。
【請求項４】
前記遅延回路線の一端から電子が検出された時刻と、前記導電板から電子が検出された時刻の差を用いて、前記遅延回路線における前記電子の入射位置を算出することにより、前記粒子の入射位置を算出する解析部を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の分析装置。
【請求項５】
前記解析部は、複数の粒子が前記試料の表面から脱離して前記電子増倍板に入射した場合に、それぞれの粒子が前記電子増倍板に入射したときに前記電子増倍板から放射された電子について、前記遅延回路線の一端から電子が検出された時刻Ｔ１と前記導電板から電子が検出された時刻Ｔ０の差と、前記遅延回路線の他端から電子が検出された時刻Ｔ２と前記導電板から電子が検出された時刻Ｔ０の差との和Ｔ１＋Ｔ２−２Ｔ０が一定であることを利用して、前記和が所定の定数となるＴ０、Ｔ１、Ｔ２の組合せを検出することにより、それぞれの粒子の入射位置を算出することを特徴とする請求項４に記載の分析装置。
【請求項６】
前記遅延回路線の一端は前記導電板に接続され、前記遅延回路線の一端に到達した電子は、前記導電板を介して検出されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の分析装置。
【請求項７】
前記粒子検出部の後方に設けられ、前記粒子検出部よりも高い分解能で粒子の質量を分析することが可能な質量分析部を更に備え、
前記粒子検出部は、前記試料の表面から脱離された粒子の少なくとも一部を通過させるための貫通孔を有し、
前記質量分析部は、前記貫通孔を通過した粒子の質量を分析することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の分析装置。
【請求項８】
前記貫通孔に設けられ、前記貫通孔の外部の電界を遮断する中空管を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の分析装置。
【請求項９】
試料に電圧を供給するステップと、
前記試料の表面の原子又は原子団を前記電圧により脱離させるステップと、
脱離した粒子を電子増倍板に入射させるステップと、
前記粒子の入射により前記電子増倍板から放出された電子の一部が、螺旋状の遅延回路線に入射してから前記遅延回路線の一端に到達するまでの時間を算出するステップと、
算出された時間から前記粒子の入射位置を算出するステップと、
を含むことを特徴とする分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料を分析する技術に関し、とくに、試料表面を原子レベルの分解能で分析可能な分析装置及び分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料の表面を原子レベルで分析するための装置に、本発明者が開発した走査型アトムプローブ（Scanning Atom Probe：以下、「ＳＡＰ」とも表記する）がある（特許文献１参照）。ＳＡＰは、漏斗型の微細な引出電極を備えており、この引出電極により平面状の試料を面に沿って走査する。試料面上に数μｍの凹凸があり、その突起の先端の位置に引出電極の先端の穴が合うと、先端と穴との間の微細な空間に発生した高電界が、突起先端の原子を電界蒸発させる。このように、試料を表面から個々の原子又は原子団を陽イオンとして電界蒸発させたときに、蒸発した陽イオンを質量分析器に導入して分析することにより、蒸発領域の組成分布を原子レベルの分解能で解明できる。
【特許文献１】特開平７−４３３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＳＡＰの開発により、分析可能な試料の幅は飛躍的に広がった。この優れた機能を有する装置が、より多くの研究者に利用され、素晴らしい研究成果を導き出すために、本発明者は、ＳＡＰのさらなる改良に努力を重ねている。とくに、有機物を分析対象とする場合は、陽イオンを精確に同定するために、高い質量分析能が必要となるので、より分析精度の高いＳＡＰの開発が求められている。
【０００４】
本発明は、こうした現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、より分析精度の高い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】
【０００５】
本発明のある態様は、分析装置に関する。この分析装置は、試料の表面を走査する電極と、前記試料に電圧を供給する電圧供給部と、前記電圧供給部により供給された電圧により前記電極と前記試料の間に生じた電界によって、前記試料の表面の原子又は原子団を前記試料から脱離させたときに、脱離した粒子を検出する粒子検出部と、を備え、前記粒子検出部は、前記粒子の入射により電子を放出する電子増倍板と、前記電子増倍板の後方に設けられ、前記電子増倍板から放出された電子の一部が入射する螺旋状の遅延回路線と、前記遅延回路線の後方に設けられ、前記電子増倍板から放出された電子のうち、前記遅延回路線の線間を通過した電子が入射する導電板と、を含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明の別の態様も、分析装置に関する。この分析装置は、試料の表面を走査する電極と、前記試料に電圧を供給する電圧供給部と、前記電圧供給部により供給された電圧により前記電極と前記試料の間に生じた電界によって、前記試料の表面の原子又は原子団を前記試料から脱離させたときに、脱離した粒子を検出する粒子検出部と、を備え、前記粒子検出部は、前記粒子の入射により電子を放出する電子増倍板と、前記電子増倍板の後方に設けられ、前記電子増倍板から放出された電子が通過する可能性のある領域に、前記粒子が前記電子増倍板に入射したときに放出される電子の少なくとも一部が必ず入射するような間隔で交差しないように設けられた一本の遅延回路線と、前記遅延回路線の後方に設けられ、前記電子増倍板から放出された電子のうち、前記遅延回路線の線間を通過した電子が入射する導電板と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
前記遅延回路線は、前記電子増倍板に平行な平面上に設けられてもよい。
【０００８】
分析装置は、前記遅延回路線の一端から電子が検出された時刻と、前記導電板から電子が検出された時刻の差を用いて、前記遅延回路線における前記電子の入射位置を算出することにより、前記粒子の入射位置を算出する解析部を更に備えてもよい。
【０００９】
前記解析部は、複数の粒子が前記試料の表面から脱離して前記電子増倍板に入射した場合に、それぞれの粒子が前記電子増倍板に入射したときに前記電子増倍板から放射された電子について、前記遅延回路線の一端から電子が検出された時刻Ｔ１と前記導電板から電子が検出された時刻Ｔ０の差と、前記遅延回路線の他端から電子が検出された時刻Ｔ２と前記導電板から電子が検出された時刻Ｔ０の差との和Ｔ１＋Ｔ２−２Ｔ０が一定であることを利用して、前記和が所定の定数となるＴ０、Ｔ１、Ｔ２の組合せを検出することにより、それぞれの粒子の入射位置を算出してもよい。
【００１０】
前記遅延回路線の一端は前記導電板に接続されてもよく、前記遅延回路線の一端に到達した電子は、前記導電板を介して検出されてもよい。
【００１１】
分析装置は、前記粒子検出部の後方に設けられ、前記粒子検出部よりも高い分解能で粒子の質量を分析することが可能な質量分析部を更に備えてもよく、前記粒子検出部は、前記試料の表面から脱離された粒子の少なくとも一部を通過させるための貫通孔を有してもよく、前記質量分析部は、前記貫通孔を通過した粒子の質量を分析してもよい。
【００１２】
分析装置は、前記貫通孔に設けられ、前記貫通孔の外部の電界を遮断する中空管を更に備えてもよい。
【００１３】
本発明の更に別の態様は、分析方法に関する。この分析方法は、試料に電圧を供給するステップと、前記試料の表面の原子又は原子団を前記電圧により脱離させるステップと、脱離した粒子を電子増倍板に入射させるステップと、前記粒子の入射により前記電子増倍板から放出された電子の一部が、螺旋状の遅延回路線に入射してから前記遅延回路線の一端に到達するまでの時間を算出するステップと、算出された時間から前記粒子の入射位置を算出するステップと、を含むことを特徴とする。
【００１４】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、分析装置の精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（前提技術）
まず、前提技術として、走査型アトムプローブについて説明する。図１は、分析装置の一例である走査型アトムプローブの全体構成を示す図である。走査型アトムプローブ１００は、主に、試料に電圧を供給するパルス発生器１および直流高圧電源２、試料３の表面を走査する漏斗型の引出電極５、引出電極５と交換可能に設けられた探針４、試料３から電界放射された電子による像を投影するスクリーン９、引出電極５に入射した電子の電流値を測定する第１の電流計６ａ、スクリーン９に入射した電子の電流値を測定する第２の電流計６ｂ、試料３の表面にパルスレーザー光を照射するレーザー７、試料３から電界蒸発した陽イオンを検出する位置感知型イオン検出器１１、試料３から電界蒸発した陽イオンの質量を分析するリフレクトロン型質量分析器１３、イオンの飛行時間を測定するタイマー１２、および探針４により試料３の表面形状を分析する表面形状分析部２０を備える。
【００１７】
この走査型アトムプローブによる試料の分析方法の手順を説明する。まず、試料３に直流高圧電源２から直流バイアス電圧を印加しつつ、接地された引出電極５により試料３の表面を走査し、微細な突起３ａを探索する。試料３の表面が研磨されて平坦になっている場合は、ダイシングカッターにより碁盤目状に溝を入れてもよい。溝の深さおよび間隔は、１０μｍ以下であることが好ましい。溝になっていない部分が分析領域となる。試料の腐食効果を研究するために、試料を腐食液またはガス内に置いた後、分析を行ってもよい。腐食領域はくぼむため、分析される領域、すなわちくぼんでいない領域が腐食に強い領域であることが分かる。
【００１８】
引出電極５の先端を試料表面に近づけ、試料３に負電圧を印加すると、試料表面の突起３ａと引出電極５の穴との間の微細な空間に負の高電界が発生し、突起３ａの先端部分から電子が電界放射される。引出電極５の先端の穴５ａの中心が、ちょうど突起３ａの先端部分の直上にあるときは、ほぼ全ての放射電子８がスクリーン９に向かって飛行し、突起表面をスクリーン９に拡大投影する。このとき、第２の電流計６ｂに流れる電流は最大となる。引出電極５の先端の穴５ａが突起３ａの先端部分からずれると、ほぼ全ての放射電子が引出電極５に向かい、第１の電流計６ａにより電流が観測される。このとき、第２の電流計６ｂに流れる電流は減少する。このように、引出電極５が試料３の表面を走査するとき、第１の電流計６ａおよび第２の電流計６ｂにおいて測定される、電界放射された電子による電流は、試料表面の形状を反映して変化する。この現象を利用して、分析すべき突起３ａの先端の位置を推測し、その位置に引出電極５の位置を合わせることができる。
【００１９】
引出電極５の位置を試料３の突起３ａの先端に合わせる別の方法は、走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope：以下、「ＳＴＭ」とも表記する）、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：以下、「ＡＦＭ」とも表記する）、または走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope：以下、「ＳＰＭ」とも表記する）の技術を利用する。図１および図２に示した例においては、ＳＡＰ１００は、引出電極５と交換可能に設けられた探針４を備える。試料が導電性材料の場合は、表面形状分析部２０としてＳＴＭを、探針４としてＳＴＭ用の探針を用い、試料が絶縁性材料の場合は、表面形状分析部２０としてＡＦＭを、探針４としてＡＦＭ用の探針を用いればよい。
【００２０】
引出電極５と探針４を交換し、探針４で試料表面を走査して、表面形状分析部２０により試料表面の形状を描写する。探針４により、試料表面の形状のみならず、ＳＡＰ１００により質量分析される突起先端の表面の原子配列も描写される。表面形状を描写した後、引出電極５を所望の突起の直上に位置合わせする。この方法によれば、試料表面の形状および原子配列を取得してから、所望の領域を選択し、一層ごとに質量分析を行うことができるので、分析領域の原子配列と組成との相関関係を知ることができる。
【００２１】
引出電極５を表面形状分析部２０の探針４として用いてもよい。この場合、引出電極５の先端に、探針４として機能する突起を設けてもよい（例えば、本発明者らによる米国特許第６，７９７，９５２号参照）。
【００２２】
引出電極５の先端の穴５ａの中心と、試料３の突起３ａの先端とを位置合わせした後、直流高圧電源２から負のバイアス電圧を試料３に印加し、突起３ａの先端から電子を電界放射させる。放射電子８はスクリーン９に入射し、その放射電子による電流値が第２の電流計６ｂにより測定される。負のバイアス電圧値を変化させて、バイアス電圧値に対する電流値の変化（Ｉ−Ｖプロット）を測定する。これにより、分析領域の電子状態を知ることができる。
【００２３】
つづいて、正の直流バイアス電圧を試料３に印加し、それに重畳させて、パルス発生器１により正のパルス電圧を印加する。直流バイアス電圧とパルス電圧の総和が十分に高いと、突起３ａの先端部分の表面原子が電界蒸発して陽イオン８となり、放射電子８とほぼ同じ軌跡を描いてスクリーン９に入射する。試料３が絶縁性材料または半導体材料のような導電性の低い材料である場合は、パルス電圧が効率よく突起３ａの先端まで伝わらないので、直流電圧が印加されている試料３に、レーザー７によりパルスレーザー光７ａを照射し、光励起電界蒸発により表面原子を陽イオンとして脱離させる。これにより、従来のＡＰでは測定に適さないとされていた低電導性材料であっても、導電性材料と同様に分析することができる。
【００２４】
電界蒸発した全ての陽イオン８を質量分析するために、スクリーン９を取り外し、陽イオン８を位置感知型イオン検出器１１に入射させる。位置感知型イオン検出器１１としては、たとえば、米国特許第５，６４４，１２８号に開示された装置が好適である。突起３ａから位置感知型イオン検出器１１までの陽イオン８の飛行時間は、タイマー１２により計測される。タイマー１２は、パルス発生器１から開始信号を受けて計測を開始し、位置感知型イオン検出器１１からの信号で計測を停止することにより、陽イオン８の飛行時間を計測する。検出されたイオンの質量と電荷との比は、イオンの飛行時間、試料３に印加された電圧値の総和、および試料表面から位置感知型イオン検出器１１までの飛行経路により得られる。位置感知型イオン検出器１１の入射位置と、電界蒸発する前の原子の位置とは一対一に対応しており、電界蒸発により一層ずつ原子を蒸発させて検出することができるので、分析領域を構成する原子の３次元的な配置を得ることができる。たとえば、一辺が４０ｍｍで、位置分解能が０．５ｍｍの位置感知型イオン検出器１１を用いた場合、８０原子×８０原子の領域が分析できることになるが、深さ方向に１００原子層分析すると、６４万個の原子の立体的な組成分布が得られることになる。
【００２５】
飛行時間計測型の質量分析器では、質量の分解能は、イオンの飛行時間計測の正確さに依存する。タイマー１２の時間分解能には限界があるので、質量分解能を向上させるには、イオンの飛行経路を長くすることが好ましい。すなわち、飛行経路が長いほど、質量分解能が向上する。本実施の形態のＳＡＰ１００では、高い質量分解能を実現するために、リフレクトロン型質量分析器１３を用いている。分析領域の高分解能質量分析を行うために、位置感知型イオン検出器１１を取り外し、スクリーン９を元の位置に戻す。
【００２６】
突起３ａの先端から電子を電界放射させて、電子状態を反映した像をスクリーン９に投影する。スクリーン９の探査穴１０に所望の分析領域の像があるときに、パルス電圧またはパルスレーザー光を試料３に印加して、表面原子を電界蒸発させる。分析領域から電界蒸発した陽イオンは、探査穴１０を通り抜けて、リフレクトロン型質量分析器１３の飛行空間に入射する。リフレクトロン型質量分析器１３は、直線飛行経路の末端に設けられた第１のイオン検出器１４と、入射口側に設けられた第２のイオン検出器１５を備える。第１のイオン検出器１４は、電界蒸発の後に中性化された原子を検出できる。第２のイオン検出器１５は、高い質量分解能でイオンを検出できる。第１のイオン検出器１４および第２のイオン検出器１５によりイオンが検出されたとき、その信号がタイマーに送られ、イオンの飛行時間が計測される。リフレクトロン型質量分析器１３により分析される試料面上の領域は、位置感知型イオン検出器１１よりも狭く、たとえば直径数ｎｍ程度であるが、位置感知型イオン検出器１１よりも高い精度でイオンの質量を分析することができるので、用途に応じて、いずれを用いるかを適宜選択すればよい。
【００２７】
本前提技術の走査型アトムプローブ１００によれば、以下に列記するような優れた効果が得られる。
１）引出電極５を導入したことにより、試料を針状にする必要がなく、平面状の試料であっても、表面に数μｍ程度の凹凸があれば分析可能である。
２）試料が平面状であるため、パルスレーザー光の照射が容易であり、光励起電界蒸発を利用して、半絶縁性材料も分析可能である。
３）分析速度とデータ処理能力を向上させることにより、ｐｐｍからｐｐｂ以上の微量分析が可能である。
４）電界放射のＩ−Ｖ特性により、分析領域の電子状態の解明が可能である。
５）電界蒸発の際に、弱い結合ほど切れやすいので、イオン種の統計分布から結合状態を知ることが可能である。
【００２８】
また、ＳＡＰの利点を、二次イオン質量分析器（ＳＩＭＳ）およびオージェ電子分光器（ＡＥＳ）との比較により列記する。
１）ＳＡＰの分解能は、深さ方向では１原子層、横方向では原子レベルであり、組成の３次元分布を原子レベルの高分解能で得ることも可能である。
２）イオン検出器の検出感度は全ての原子、分子について同等であり、ＡＥＳでは検出できない水素も検出可能である。
３）検出イオン種、とくにクラスターの検出により、試料内部の結合状態の解明が可能である。
４）分析領域からの電界放射電流のＩ−Ｖ特性により、電子状態と組成との関連性を究明することが可能である。
５）検出原子数を増やすことにより、ｐｐｍからｐｐｂ以上の微量分析が可能である。
【００２９】
（実施の形態）
上述したように、前提技術の走査型アトムプローブ１００は、試料の表面から１原子層ずつ電界蒸発させてイオンを同定していくことにより、試料の組成分布を立体的に分析することが可能である。このとき、イオン検出器として位置感知型イオン検出器１１を用いる場合は、質量分解能ではリフレクトロン型質量分析器１３に劣るものの、広い領域の組成分布を立体的に取得することができるという利点がある。他方、リフレクトロン型質量分析器１３を用いる場合は、分析範囲は位置感知型イオン検出器１１よりも狭いものの、深さ方向の組成の変化を高質量分解能で取得できるという利点がある。
【００３０】
しかし、前提技術で説明した走査型アトムプローブ１００は、位置感知型イオン検出器１１とリフレクトロン型質量分析器１３の双方を有しているが、両者を同時に作動させて同一領域を分析する事はできない。位置感知型イオン検出器１１を用いて３次元的な組成分布を分析する場合には、リフレクトロン型質量分析器１３にはイオンが導入されないので高分解能の質量分析はできない。また、移動可能に設けられた位置感知型イオン検出器１１を横方向にずらし、リフレクトロン型質量分析器１３により高分解能の質量分析を行う場合には、位置感知型イオン検出器１１にはイオンが導入されないので広い範囲の３次元的な組成分布は得られない。
【００３１】
同一試料について、位置感知型イオン検出器１１を移動しつつ、ある領域は位置感知型イオン検出器１１により、別の領域はリフレクトロン型質量分析器１３により分析することも可能ではあるが、この場合、それぞれのイオン検出器は深さの異なる領域を分析することになってしまう。その上、位置感知型イオン検出器１１の位置を変えるには、遅延回路などを含む超高周波数の複数の導線を大きく撓ませなければならないので、移動させるたびにインピーダンスなどを調整する必要があり、実験に要する時間が長くなってしまう上に、実験精度を保つのは容易ではない。
【００３２】
別の例として、位置感知型イオン検出器１１を図２のＤＲの位置に置き、質量分解能を向上させることもできる。しかし、この場合は、リフレクトロン型質量分析器１３への入射口が大きく、奥行きが浅いので、分解能はそれ程高くない。また、位置感知型イオン検出器１１に映し出される像が歪むので、その補正も困難である。
【００３３】
更に別の例として、位置感知型イオン検出器１１とリフレクトロン型質量分析器１３を横に並置し、試料３を回転させることにより、双方のイオン検出器へイオンを導入することもできる。しかし、この場合は、試料の同じ領域を分析するための位置合わせが非常に困難である。
【００３４】
そこで、本実施の形態では、両者を同時に作動させ、同時に電界蒸発したイオンの一部をリフレクトロン型質量分析器１３で精密に質量分析しつつ、他のイオンを位置感知型イオン検出器１１で分析する技術を提案する。
【００３５】
図２は、実施の形態に係る分析装置の一例である走査型アトムプローブ２００の構成を示す。図２に示した走査型アトムプローブ２００では、図１に示した前提技術の走査型アトムプローブ１００の構成に比べて、電子増倍板及び位置感知型イオン検出器１１の中央付近に、イオンを後方へ通過させるための貫通孔１９が設けられている。その他の構成及び動作は、前提技術と同様である。
【００３６】
試料表面の原子を、電界又は光照射などによりイオン化させたとき、イオン８は、試料３と引出電極５との間の電界により加速されて飛行する。位置感知型イオン検出器１１とリフレクトロン型質量分析器１３は、イオン８の飛行方向に対して直列に設けられているので、同じ領域から同時にイオン化されて引出電極５を通過した複数のイオンのうち、領域の中央付近からイオン化したイオンは、電子増倍板及び位置感知型イオン検出器１１の貫通孔１９を通過してリフレクトロン型質量分析器１３へ導入され、それ以外のイオンは、位置感知型イオン検出器１１へ導入される。
【００３７】
リフレクトロン型質量分析器１３へ導入されたイオンは、高質量分解能で分析同定され、より精確な質量が求められる。解析部２１は、リフレクトロン型質量分析器１３により検出されたイオンの質量を取得して、位置感知型イオン検出器１１で検出されたイオンを同定するときに参照する。これにより、３次元的な組成分布の分析精度を格段に向上させることができる。
【００３８】
試料が有機物である場合、複数原子からなるクラスターイオンが検出されるが、これらのイオンは多数の水素原子や炭素原子を含んでおり、質量数も大きい。したがって、このようなクラスターイオンを正確に同定するには、高い質量分解能が求められる。解析部２１は、位置感知型イオン検出器１１で検出されたイオンのうち、質量数が不明確なイオンについては、リフレクトロン型質量分析器１３で検出されたほぼ同質量のイオンと比較対照することにより、それらのイオンの精確な質量を割り出す。これにより、試料が有機物であっても、精確な３次元の組成分布を分析することができる。
【００３９】
位置感知型イオン検出器１１に導入されるイオンと、リフレクトロン型質量分析器１３に導入されるイオンは、同じ領域の同じ層からほぼ同時にイオン化したイオンであるから、組成などが類似していると考えられる。したがって、それらの一部の精確な質量分析結果を参照することにより、位置感知型イオン検出器１１により検出されるイオンの分析精度が格段に向上することが期待できる。また、試料表面からイオン化したクラスターイオンを精確に同定することにより、試料表面の結合状態や結晶構造などを推定することができる。また、装置の各構成を移動させることなく、同時に位置感知型イオン検出器１１とリフレクトロン型質量分析器１３の双方による分析が可能となるので、実験に要する時間を飛躍的に短縮することができ、実験環境を均一に保つことができる。
【００４０】
図３は、実施の形態に係る走査型アトムプローブの全体構成の別の例を示す図である。図３は、図を見やすくするために一部の構成を省略しているが、基本的な構成は図２に示した走査型アトムプローブ２００と同様である。図３に示した走査型アトムプローブ２００は、図２に示した走査型アトムプローブ２００の構成に加えて、位置感知型イオン検出器１１の貫通孔１９に設けられた中空管３０と、位置感知型イオン検出器１１の試料３側に設けられたシールド板４０を更に備える。
【００４１】
図２にも示したように、位置感知型イオン検出器１１の前段、すなわち試料３側には、試料３から脱離したイオン８を位置感知型イオン検出器１１が検出できるように、イオン８の入射を契機として２次電子を次々と発生させ増幅する電子増倍板２５が設けられている。本実施の形態では、２段のチャネルプレート２６及び２７を用いて電子増倍板２５を構成している。試料３に近い１段目のチャネルプレート２６の入射側は接地され、出射側は約＋１ｋＶの電圧が印加される。また、２段目のチャネルプレート２７の入射側は約＋１ｋＶ、出射側は約＋２ｋＶの電圧が印加される。また、位置感知型イオン検出器１１の入射側は、＋２ｋＶよりも更に高い電圧が印加される。したがって、電子増倍板２５と位置感知型イオン検出器１１に設けられた貫通孔１９を通過するイオンは、電子増倍板２５と位置感知型イオン検出器１１により発生された電界の影響を受ける。なお、チャネルプレート２６及び２７と位置感知型イオン検出器１１に印加する電圧は、１段目のチャネルプレート２６の入射側を約−２ｋＶ、出射側を約−１ｋＶ、２段目のチャネルプレート２７の入射側を約−１ｋＶ、出射側を約０ｋＶとしてもよい。この場合、位置感知型イオン検出器１１の入射側を接地することになるので、位置感知型イオン検出器１１からの信号を処理しやすいという利点がある。
【００４２】
図３に示した構成例では、このような電界の影響を最小限に抑えるために、貫通孔１９に中空管３０を設ける。中空管３０の内側には、中空管３０の外部の電界を遮断するために、接地された導電層３２が設けられ、中空管３０の外側には、導電層３２と電子増倍板２５及び位置感知型イオン検出器１１とを電気的に絶縁するための絶縁層３１が設けられる。これにより、中空管３０の内部の電界をほぼゼロとすることができ、電界によりイオンの飛行軌跡が曲がったり、イオンが不必要に加速されたりすることを防ぐことができる。したがって、イオンの検出精度を向上させることができる。
【００４３】
試料３を脱離して、引出電極５から電子増倍板２５に至るまでの空間を飛行するイオンも、電子増倍板２５と位置感知型イオン検出器１１により発生された電界の影響を受ける。図３に示した構成例では、このような電界の影響を最小限に抑えるために、シールド板４０を設ける。シールド板４０は、接地された導電体により構成されるが、飛行するイオンがシールド板４０を通過して電子増倍板２５に入射することができるように、多数の貫通孔が設けられている。これにより、イオンが引出電極５から電子増倍板２５に至るまでの空間を飛行しているときに、電界により飛行軌跡が曲がったり、イオンが不必要に加速されたりすることを防ぎ、イオンの検出精度を向上させることができる。
【００４４】
図４は、中空管の構成を示す。中空管３０は、外側の絶縁層３１と、内側の導電層３２を含む。中空管３０は、例えば、石英などの絶縁体の管の内側に、金、銀、銅などの金属メッキを施すなどして導電層３２を形成したものであってもよい。
【００４５】
図５は、図３に示した構成例を模式的に示す図である。本図も、図を見やすくするために一部の構成を省略している。シールド板４０は、例えば、金属などの導電材料をメッシュ状に編んだものであってもよい。シールド板４０は、電子増倍板２５及び位置感知型イオン検出器１１により発生される電界を適切に遮断するために、電子増倍板２５の表面の９０％以上を接地された導電材料で覆うものであることが好ましい。
【００４６】
図６及び図７は、実施の形態に係る走査型アトムプローブの全体構成の更に別の例を示す図である。図６及び図７も、図を見やすくするために一部の構成を省略しているが、基本的な構成は図３及び図５に示した走査型アトムプローブ２００と同様である。図３及び図５に示した走査型アトムプローブ２００の位置感知型イオン検出器１１は、イオンの入射位置を検知するために、櫛歯状に折れ曲がった直交する２本の遅延回路線を有しており、これらの２本の遅延回路線の両端から出力される４つの信号を用いて、粒子が入射した位置と、その粒子が試料から電界蒸発して位置感知型イオン検出器１１に到達するまでの飛行時間とが算出される。これに対して、図６及び図７に示した走査型アトムプローブ２００の位置感知型イオン検出器１１は、１本の螺旋状の遅延回路線４１と、導電板４２とを備える。
【００４７】
上述したように、位置感知型イオン検出器１１の前段に設けられた電子増倍板２５に、試料３から脱離した粒子が入射すると、入射粒子数の数億倍からそれ以上の電子４６が背後に放出される。これらの電子４６の一部は、電子増倍板２５の背後に設けられた遅延回路線４１に入射し、線間を通り抜けた他の電子４６は、更に背後に設けられた導電板４２に入射する。導電板４２に直接入射した電子４６は、回路４５を介して検出される。このときの時刻をＴ０とする。
【００４８】
遅延回路線４１は、電子増倍板２５に平行な平面上に設けられており、中空管３０が挿設される貫通孔１９の近傍から周縁へ螺旋状に伸びている。遅延回路線４１に入射した電子４６の一部は、入射した位置から内側に向かって遅延回路線４１を流れ、遅延回路線４１の内側の端に到達すると、遅延回路線４１と導電板４２との接点４３を介して導電板４２に流れ、回路４５を介して検出される。このときの時刻をＴ１とする。また、遅延回路線４１に入射した他の電子４６は、入射した位置から外側に向かって遅延回路線４１を流れ、遅延回路線４１の外側の端に到達すると、回路４４を介して検出される。このときの時刻をＴ２とする。
【００４９】
説明を分かりやすくするために、導電板４２、回路４４、回路４５を信号が伝達する時間や、遅延回路線４１を通り抜けた電子が導電板４２に入射するまでに要する時間を無視すると、図８に示すように、電子４６が入射位置４７に入射した時刻がＴ０であり、入射した電子４６が遅延回路線４１の内側の端４８で検出される時刻がＴ１であり、入射した電子４６が遅延回路線４１の外側の端４９で検出される時刻がＴ２である。したがって、（Ｔ１−Ｔ０）を算出することにより、内側の端４８と入射位置４７との間の距離が分かり、（Ｔ２−Ｔ０）を算出することにより、外側の端４９と入射位置４７との間の距離が分かる。Ｔ１とＴ２のいずれか一方が分かれば入射位置４７を算出することは可能であるが、（Ｔ１−Ｔ０）＋（Ｔ２−Ｔ０）＝（Ｔ１＋Ｔ２−２Ｔ０）は、遅延回路線４１の両端間を信号が伝達する時間であり一定であるという関係があるので、Ｔ１とＴ２の両者を測定することにより、測定の精度を向上させることができる。
【００５０】
タイマー１２は、パルス発生器１によりパルスが発生された時刻Ｔと、上述した時刻Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２を検出して解析部２１に伝達する。解析部２１は、それらの時刻を用いて、粒子の入射位置４７と、その粒子が試料から離脱して位置感知型イオン検出器１１に到達するまでの飛行時間とを算出する。解析部２１は、算出した飛行時間を用いて、入射した粒子の質量と荷電数の比を更に算出してもよい。上述した、導電板４２、回路４４、回路４５を信号が伝達する時間や、遅延回路線４１を通り抜けた電子が導電板４２に入射するまでに要する時間は一定であるから、解析部２１は、これらの時間を定数として予め保持しておき、入射位置や飛行時間の算出に利用してもよい。
【００５１】
複数の粒子が試料から離脱して電子増倍板２５に入射した場合であっても、上述したように、Ｔ１＋Ｔ２−２Ｔ０は一定であるという関係があるので、解析部２１は、Ｔ１＋Ｔ２−２Ｔ０が所定の定数になるという条件を満たすＴ０、Ｔ１、Ｔ２の組合せを検出することにより、それぞれの粒子の入射に起因する信号を分離し、それぞれの粒子について入射位置と飛行時間を算出することができる。
【００５２】
なお、図７では、遅延回路線４１と導電板４２とを空間的に分離して描いているが、製造を容易にする観点から、遅延回路線４１は絶縁層を介して導電板４２と一体的に構成されてもよい。この場合であっても、電子増倍板２５から放射された電子を、遅延回路線４１と導電板４２の両者に入射させるために、遅延回路線４１が導電板４２に接する部分にのみ絶縁層を設け、それ以外の部分は電子が直接導電板４２に入射できるようにしておく。
【００５３】
このような構成によれば、より少ない信号数で入射位置と飛行時間を算出することができるので、回路の構成を簡易にすることができるとともに、解析を容易にすることができる。また、貫通孔１９を有し、中空管３０を挿設可能な位置感知型イオン検出器１１の作製を容易にすることができる。遅延回路線４１として、螺旋状の形状を有する例を示したが、中央付近に設けられる貫通孔１９を除く、電子増倍板２５から放出された電子が通過する可能性のある領域が実質的にカバーされ、かつ交差しないように設けられていれば、いかなる形状を有していてもよい。
【００５４】
なお、電子増倍板２５から放射される２次電子群は、多少の広がりをもって位置感知型イオン検出器１１に入射するので、遅延回路線４１の間隔が狭い場合、１つの粒子の入射に起因する２次電子が、遅延回路線４１の隣接する複数の異なる位置に入射する可能性があるが、その場合であっても、上述したように、Ｔ１＋Ｔ２−２Ｔ０が所定の定数になるという条件を利用して信号を分離することができる。逆に、遅延回路線４１の間隔が広い場合、電子増倍板２５から放射された全ての電子が遅延回路線４１の線間を通過する可能性があるが、このような事態を低減するために、電子増倍板２５から放射される２次電子群の放射角を考慮して、イオンが電子増倍板２５に入射したときに放出される電子の少なくとも一部が必ず遅延回路線４１に入射するように、遅延回路線４１の間隔や、電子増倍板２５と位置感知型イオン検出器１１との間の距離などを設計するのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】前提技術に係る走査型アトムプローブの全体構成を示す図である。
【図２】実施の形態に係る走査型アトムプローブの全体構成を模式的に示す図である。
【図３】実施の形態に係る走査型アトムプローブの全体構成の別の例を示す図である。
【図４】中空管の構成を示す図である。
【図５】図３に示した構成例を模式的に示す図である。
【図６】実施の形態に係る走査型アトムプローブの全体構成の更に別の例を示す図である。
【図７】実施の形態に係る走査型アトムプローブの全体構成の更に別の例を示す図である。
【図８】実施の形態に係る遅延回路線の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  パルス発生器、２  直流高圧電源、３  試料、４  探針、５  引出電極、９  スクリーン、１０  探査穴、１１  位置感知型イオン検出器、１２  タイマー、１３  リフレクトロン型質量分析器、１９  貫通孔、２０  表面形状分析部、２１  解析部、２５  電子増倍板、３０  中空管、３１  絶縁層、３２  導電層、４０  シールド板、４１  遅延回路線、４２  導電板、４３  接点、１００，２００  走査型アトムプローブ。
【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８】
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