(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中に配置された試料をイオン研磨した後、そのイオン研磨された試料表面にレーザー光を照射することを特徴とする量子効果原子剥離による試料作成方法。
【請求項２】
前記レーザー光は、そのエネルギーが試料を構成する物質の原子結合エネルギーと同調し、原子結合を切断するように波長が選定されていることを特徴とする請求項１記載の量子効果原子剥離による試料作成方法。
【請求項３】
前記レーザー光は、紫外レーザー光であることを特徴とする請求項２記載の量子効果原子剥離による試料作成方法。
【請求項４】
前記レーザー光は、エキシマレーザー光源から発生されることを特徴とする請求項２記載の量子効果原子剥離による試料作成方法。
【請求項５】
前記エキシマレーザー光源は、ＡｒＦエキシマレーザー光源である請求項４記載の量子効果原子剥離による試料作成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子顕微鏡で観察する試料の作成技術に関し、特に、厚みが原子尺度で調整された薄片試料を作成することのできる方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体産業を中心に新材料の原子尺度の材料設計が普及し、これを支える重要な評価技術として、波動力学に基づいた、電子顕微鏡による高レベルの観察技術やそのための理論が開発されているが、それらを実行するには表面が平滑で内部や表面に損傷がなく、厚みが原子レベルで調整された薄片試料が必要である。
【０００３】
例えば、本発明者等が開発した組成格子像(Chemical Lattice Image)法で、半導体ヘテロ構造の界面原子構造を観察するには、試料内で励起される電子の波長に合わせた厚みで薄片試料を作成することが必須である。
【０００４】
このような薄片試料の作成は、従来、(１)試料の裁断(切り出し)、(２)機械研磨(鏡面研磨)、(３)イオン研磨の手順で行われてきた。
【０００５】
試料の裁断は、例えばダイヤモンドカッタなどを用いて行われ、切り出された試料は、図１に示すような手順で機械研磨を受ける。図１において、まず(ａ)で示すようにガラス台の上に試料が置かれ、動かないようにワックスで固定される。次に試料の一面に対して鏡面研磨が施され(ｂ)、その表面に補強のためのリングが貼り付けられる(ｃ)。そして、試料を補強リングごと反転して試料の反対の面が上になるようにしてワックスで固定し(ｄ)、再び鏡面研磨を行い(ｅ)、試料を取り外す(ｆ)。
【０００６】
そして、取り外された試料をイオン照射装置にセットし、イオンビームを適当な照射角度で照射することにより、試料表面をイオン研磨する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高速イオンの運動エネルギーにより表面近傍の試料原子を弾き飛ばして削って行くイオン研磨では、弾き飛ばしに寄与しなかった多くの高速イオンが表面近傍の結晶格子を破壊し、ほとんどを非晶質化するだけでなく、更に内部に進入して試料結晶の原子を格子位置から変位させ、空孔原子対やその集合体を作り、イオン自身も試料内に残留する。
【０００８】
このように、イオン研磨法は、研磨の原理をイオンの運動エネルギー(いわばニュートン力学)に求めているため、試料表面及びその近傍に格子欠陥や格子破壊等の大きなダメージを与え、試料の正しい観察を行うことが困難になる。また。試料内に残留したイオンは試料を汚染し、試料の組成に関する定性、定量分析に大きな影響を与えるという問題もある。
【０００９】
さらに、イオン研磨法は、固い物質の研磨に時間がかかるという問題もある。近未来の半導体材料として、人工ダイヤモンドの研究が進められており、原子構造と電子構造の評価を電子顕微鏡で行うためには、これを超薄片化する必要がある。ところが、ダイヤモンドのように固い物質をイオン研磨法により薄片化するには、極めて長時間を要し、評価を迅速に行うことが困難となっている。
【００１０】
本発明は、上述した諸点に鑑みてなされたものであり、試料に大きなダメージを与えることなく薄片化が可能で、しかも、ダイヤモンドのように固い物質であっても短時間で薄片化が可能な試料作成方法及び装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決する本発明は、真空中に配置された試料をイオン研磨した後、そのイオン研磨された試料表面にレーザー光を照射することを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳説するが、実施例の説明に先立ち、本発明の基本的な考え方についてまず説明する。上述のように、イオン研磨法における問題の根源は、原子剥離のためのエネルギーを、有限の質量を持つイオンの運動エネルギーに求めたところにある。
【００１３】
本発明者の研究によれば、イオンの代わりに電磁波(具体的にはレーザー光)を用いることにより、物質に何ら損傷を与えることなく、原子間結合を切断して表面近傍の原子を剥離することができた。すなわち、試料に照射する電磁波の波長を、物質の原子間結合エネルギーに同調出来るように適当に選ぶことにより、原子間結合を切断して表面近傍の原子を剥離することができた。
【００１４】
従来、レーザーによる材料の加工切断などが行われているが、これらはレーザーのエネルギーを熱に変換して利用することにより行われており、常に大パワー志向である。本発明は、このようなレーザー加工における従来の展開とは、１８０度方向を異にするものである。
【００１５】
本発明において最も基本的な要件は、レーザーのエネルギーと物質の原子結合エネルギーの同調をはかることである。下記は、身近な固体物質の凝集エネルギーである(０Ｋ、１atomにおける元素の凝集エネルギー)。
Ｃ：７．３７(eV/atom、以下同様)、Ｓｉ：４．６３、Ｇｅ：２．８１、
Ｆｅ：４．２８、Ｃｕ：３．４９、Ａｌ：３．３９
これだけのエネルギー高を持つ結合をイオンの運動エネルギーによってではなく、電磁波によって切断するのは、必ずしも容易ではない。エネルギーが高いだけならば、波長の短いガンマ線などは圧倒的であるが、エネルギーがあまり高すぎると、相互作用なしに物質を通り抜けてしまうという矛盾がある。そこで、本発明者は、相互作用が得られ上記のような固体物質の原子間結合を切断できるレーザーの波長を、最も波長の長い(エネルギーが低い)自由電子レーザー(0.6meV)から、最も波長の短い(エネルギーが高い)エックス線レーザー(410eV)にわたって検討した結果、試料表面の原子剥離の面で最適なのはエキシマレーザーであることを見いだした。
【００１６】
現在、実用化されているエキシマレーザーは、表１に示したごとくである。
【００１７】
表１               希ガスエキシマ   希ガスハライドエキシマ
気体分子(励起状態)  Ar2   Kr2  Xe2   ArF   KrCl  KrF  XeCl  XeF
中心波長(ｎｍ)     126   146  172   193   222   248  308   351
光子エネルギー(eV)     9.84  8.49 7.21  6.42  5.59  5.00 4.03  3.53
シリコンやゲルマニウムなどの半導体材料が対象であれば、ほとんどのエキシマレーザーを利用して原子間結合を切断して剥離を行うことができるが、前述したダイヤモンドの研磨が可能であることを判定基準にすると、ダイヤモンドの吸収端よりも波長が短いものということになる。波長がこれより長いものは相互作用が無く単に透過するだけなので採用しても意味がない。ダイヤモンドの吸収端に相当する波長は約２５０ｎｍであり、波長１９３ｎｍのＡrＦエキシマレーザーが最適である。このＡrＦエキシマレーザーを用いれば、ダイヤモンドを始めとしてシリコン、ゲルマニウム、鉄などほとんどの物質の原子間結合を切断し、原子を剥離することができることが本発明者によって確認された。
【００１８】
【実施例】
図２は、本発明に基づく原子剥離型試料薄片作成装置の一例を示す構成図である。図２において、試料１は図示しない真空排気装置によって高真空に維持された真空室２内に水平に保持される。真空室２の上面には窓３が設けられている。また、真空室２内には、試料の上側表面と下側表面にイオンビームを照射してイオン研磨を行うためのイオン銃４が設けられている。
【００１９】
ＡrＦエキシマレーザー発振機５から水平方向に発生されたエキシマレーザー光６は、集光レンズ７を通過した後、ミラー８により下方に反射され、レンズ９、シャッター１０、窓３を介して試料１の表面に照射される。
【００２０】
１１はＡrＦエキシマレーザー発振機５の発振を制御するための制御装置、１２は真空室内への試料交換を行うための交換室、１３は、真空室と交換室との間を連通可能に仕切る仕切弁である。
【００２１】
実験に用いたＡrＦエキシマレーザー発振機５は、パルスの最大エネルギー値６．６×１０３(Ｗ)が得られ、パルス間隔が０．１秒から２．７５秒の間で調整可能である。パルス幅も調整可能であるが、２．５ナノ秒に固定して用いた。
【００２２】
薄片化実験の対象試料として金属から(１)銅、半導体から(２)シリコン、有機物から(３)エポキシ樹脂、セラミックスから(４)シリコンカーバイドを選び、真空室３内に鏡面研磨の終了した試料をセットしてレーザーを照射した。
【００２３】
実験の結果、エポキシ樹脂(３)はエキシマレーザーによる表面領域の剥離が、非常に急速に進行する。銅(１)も表面の自由電子によってレーザー波が反射されることが懸念されたが、剥離の進行はむしろ速かった。この点で、両者は類似している。両者のもう一つの類似点は、表面原子の離脱剥離に熱過程がかなり多くの割合を占めているらしいことである。このために、剥離後の表面性状は必ずしも平滑ではなく、変色も観察された。これは、剥離に関与する量子過程と熱的過程との割合が、熱的過程に偏っていることを示している。従って、この二つの物質に関しては、レーザーの波長の選択と、エネルギー密度の調整をさらに適切に行って量子過程による剥離の割合を多くすることが必要である。また、シリコンカーバイド(４)も、エキシマレーザの照射により、表面原子を剥離することができることが確認された。
【００２４】
実験で取り上げた物質の中で、最も切実な問題を抱えているのは半導体物質である。シリコンの実験に当たっては、図１に示す手順に従った鏡面研磨の後、図２の装置を用いてイオンビーム照射によるイオン研磨のみを施して従来通りの薄片化試料を得て、これを透過型高分解能電子顕微鏡によって、明視野像(低倍率像)と格子像とを撮影しておき、その試料を再び図２の装置にセットしてレーザー照射による剥離を行った後、同じように明視野像と格子像の撮影を行い、両者の比較を行った。
【００２５】
イオン研磨においては、加速電圧を３．５ｋＶ、アルゴンイオンピームの入射角を３°とした。シリコンなどの共有結合物質については、最も好結果が得られる条件である。シリコンについてのレーザー照射による剥離は、数多くの試験の結果、最大ピーク高さ０．０８ｍＪ、パルス幅２．５ナノ秒、パルス間隔２秒、パルス数４、入射角９０°で好結果が得られた。
【００２６】
図３(ａ)はイオン研磨によって作成した試料の電子顕微鏡明視野像を示し、図３(ｂ)はさらにレーザー照射による剥離工程を加えて作成した試料の電子顕微鏡明視野像を示している。イオン研磨により作成した試料では、図３(ａ)から分かるように、まだら模様のコントラストが著しい。これは、高速アルゴンイオンが試料内部に侵入して発生させた格子欠陥による歪み模様である。レーザー照射による剥離工程を加えて作成した試料では、図３(ｂ)から分かるように、そのような欠陥による乱れたコントラストはほとんど見られない。(ａ)，(ｂ)の試料端を見比べると、(ａ)が波打っているのに対し、(ｂ)ではほとんど直線的である。これは、レーザー照射による剥離によって、表面の凹凸がほとんど完全に除去されて、平滑になっていることを示している。また、(ｂ)において格子欠陥の歪み模様が除去されているのは、レーザー照射により格子欠陥領域が除去されたことを示している。
【００２７】
レーザー照射による剥離の効果は、高倍率における高分解能観察においても当然ながら好結果として現れている。イオン研磨のみで薄片化した試料では、図４(ａ)に示す高分解能電子顕微鏡格子像から分かるように、表面層の破壊による凹凸の影響と、内部に侵入したイオンが発生させた格子欠陥との影響により、実際には無欠陥の単結晶試料なのに、格子(原子)の配列を示す格子像が、場所によって様々に乱れている。この格子像から、内部に侵入したイオンが、多くの二次欠陥を発生させている様子が具体的に見て取れる。
【００２８】
これに対して、レーザー照射による剥離工程を加えた試料では、図４(ｂ)に示す高分解能電子顕微鏡格子像から分かるように、そのような原子配列の著しい乱れはなく、結晶本来の姿である整然とした原子の並びを示す格子像が得られている。試料端の薄い部分から徐々に厚くなるにつれての像の変化も理論通りのものとなっている。
【００２９】
なお、上記例では、試料をイオン研磨した後にレーザー照射による剥離工程を加えたが、イオン研磨の工程を省略し、機械研磨から直接レーザー照射による剥離を行っても、二次欠陥などを発生させることなく表面から原子を剥離させることができることが確認されている。
【００３０】
さらに、人工ダイヤモンドについて図２の装置を用いてレーザー照射を行ったところ、ダイヤモンドについても原子剥離による薄片化が可能であることが確認された。その際、剥離速度はイオン研磨による従来よりも遙かに高速で、従来よりも短時間で薄片化が可能であることが確認された。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、試料表面にレーザー光を照射するという簡単な操作で量子効果原子剥離による試料薄片を作成できる方法及び装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】試料に施される機械研磨(鏡面研磨)の手順を示す図である。
【図２】本発明に基づく原子剥離型試料薄片作成装置の一例を示す構成図である。
【図３】図３(ａ)はイオン研磨によって作成した試料の電子顕微鏡明視野像を示し、図３(ｂ)はさらにレーザー照射による剥離工程を加えて作成した試料の電子顕微鏡明視野像を示す図である。
【図４】図４(ａ)はイオン研磨のみで薄片化した試料についての高分解能電子顕微鏡格子像を示す図であり、図４(ｂ)はレーザー照射による剥離工程を加えた試料についての高分解能電子顕微鏡格子像を示す図である。
【符号の説明】
１：試料、２：真空室、３：窓、４：イオン銃、５：ＡrＦエキシマレーザー発振機、６：エキシマレーザー光、７：集光レンズ、８：ミラー、９：レンズ、１０：シャッター、１１：ＡrＦエキシマレーザー発振機の制御装置
【図１】
0003790640.tif 000002
【図２】
0003790640.tif 000003
【図３】
0003790640.tif 000004
【図４】
0003790640.tif 000005