JP2001216933A - アトムプローブ電界イオン顕微鏡 - Google Patents

アトムプローブ電界イオン顕微鏡

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JP2001216933A
JP2001216933A JP2000028254A JP2000028254A JP2001216933A JP 2001216933 A JP2001216933 A JP 2001216933A JP 2000028254 A JP2000028254 A JP 2000028254A JP 2000028254 A JP2000028254 A JP 2000028254A JP 2001216933 A JP2001216933 A JP 2001216933A
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ion
atom probe
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electric field
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Masashi Iwatsuki
槻 正 志 岩
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Jeol Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料から電界蒸発した原子が常に質量分析系
に導かれるアトムプローブ電界イオン顕微鏡を提供する
こと。 【解決手段】 まず高電圧電源18が制御されて、試料
11に正の高電圧V1が印加される。そして、試料11
に電圧V1が印加された状態で、パルス電源19が制御
されて、さらに試料11に正のパルス電圧V2が印加さ
れる。このパルス電圧の印加によって試料上の表面原子
が電界蒸発する。電界蒸発した原子のうち、正イオン化
したものは、引出電極5のイオン通過孔6を通ってイオ
ン検出器14で検出される。同定手段20は、イオン検
出器14からの信号とパルス電源19からの信号に基づ
き、試料11から発生した陽イオンの原子種を同定す
る。この装置においては、引出電極のイオン検出器との
相対位置が変化しないので、試料上のすべての点につい
て高精度な原子分析を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、アトムプローブ
電界イオン顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】 近年、アトムプローブ電界イオン顕微
鏡が開発され利用され始めている。
【0003】このアトムプローブ電界イオン顕微鏡は、
高電圧を試料に印加することにより、試料表面上の原子
をイオンとして電界蒸発させ、そのイオンを検出して原
子種の同定を行う装置である。この装置は、従来の装置
に比較して極めて分析感度が高い装置として注目されて
いる。
【0004】また、この技術をさらに進展させた技術と
して、試料面に対向配置した極めて小さな漏斗状の引出
電極により、比較的小さな電圧印加で試料上の原子をイ
オンとして引き出す技術が開発されている。
【0005】この引出電極を備えたアトムプローブ電界
イオン顕微鏡においては、引出電極の開孔を通過したイ
オンは、質量分析系に導かれて質量分析が行われ、試料
から発生したイオンの原子種が同定される。また、この
アトムプローブ電界イオン顕微鏡においては、引出電極
が試料面上で二次元的に移動されて分析が行われるの
で、試料表面の組成分布を得ることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、この
ように引出電極を移動させると、この引出電極の質量分
析系との相対位置が大きく変化する。このため、引出電
極の位置によっては、電離した原子が質量分析系に導か
れないという問題が発生する。
【0007】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
ので、その目的は、試料から電界蒸発した原子が常に質
量分析系に導かれるアトムプローブ電界イオン顕微鏡を
提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】 この目的を達成する本
発明のアトムプローブ電界イオン顕微鏡は、真空容器
と、その真空容器内に配置されたイオン検出手段と、イ
オン通過孔を有し、前記イオン検出手段との相対位置が
変化しないように前記真空容器内に配置された引出電極
と、前記真空容器内に配置され、前記引出電極との相対
位置を変えられるように構成された試料ステージと、そ
の試料ステージに保持される試料と、その試料に対向す
る前記引出電極間に、試料表面上の原子を電界蒸発させ
るための電界を発生させる電界発生手段と、前記電界蒸
発によって試料から発生したイオンを検出する前記イオ
ン検出手段の出力に基づき、そのイオンの原子種を同定
する手段を備えたことを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】 以下、図面を用いて本発明の実
施の形態について説明する。
【0010】図1は本発明のアトムプローブ電界イオン
顕微鏡の一例を示した図である。
【0011】図1において、1は真空容器であり、真空
容器1の内部、すなわち試料室2は図示しない真空ポン
プにより高真空に排気されている。
【0012】3はステージであり、試料室2に位置する
ステージ3は、真空容器1の側壁に取り付けられてい
る。このステージ3上には、滑りブッシュmと開孔Oを
有する固定ステージ4が取り付けられており、漏斗状の
引出電極5が、固定ステージ4の開孔周縁部に取り付け
られている。この引出電極5のイオン通過孔6は、前記
固定ステージ4の開孔O上に位置しており、そのイオン
通過孔6の直径は10ミクロン以下と小さい。また、引
出電極5は接地されている。
【0013】7は試料ステージであり、試料ステージ7
は、前記固定ステージ4と対向するように固定ステージ
4にスプリングなどで引きつけられている。この試料ス
テージ7は、粗動機構であるXYステージ8と、微動機
構であるスキャナ9を備えている。
【0014】前記XYステージ8は、前記固定ステージ
4の滑りブッシュmに接触する滑りブッシュnを有して
おり、XYステージ8は、固定ステージ4の滑りブッシ
ュm上を、図1の紙面に垂直なxy平面内で二次元的に
移動可能に構成されている。また、XYステージ8に
は、スキャナ孔OSが開けられている。
【0015】一方、前記スキャナ9は、圧電体素子で作
られた円筒状スキャナであり、XYステージ8に取り付
けられた筒状固定金具10に取り付けられている。この
固定金具10とスキャナ9の取り付け位置について説明
すると、まず、固定金具10の一端は、XYステージ8
の、引出電極側とは反対側の面のスキャナ孔周縁部に取
り付けられている。そして、その固定金具10の他端
に、スキャナ9が筒状の固定金具内に収まるように、ス
キャナ9の一端が取り付けられている。
【0016】また、スキャナ9の他端は、前記XYステ
ージ8のスキャナ孔OS内に位置しており、そのスキャ
ナ9の他端に、試料11を保持した試料ホルダ12が取
り付けられている。このため、試料11は引出電極5に
対向している。なお、上述したスキャナ9の他端は、ス
キャナ孔OS内においてXYステージ8と接触しておら
ず、それらの間には適当な隙間があり、スキャナ9は、
x,yおよびz方向に移動可能に固定金具10に取り付
けられている。
【0017】13は試料交換機構であり、試料交換機構
13は前記ステージ3に取り付けられている。この試料
交換機構13を用いれば、真空容器1の真空を破らずに
試料交換を行うことができ、その試料交換の際、試料交
換機構13は、固定金具10の試料交換孔O’とスキャ
ナ9の内部を通って試料交換を行う。
【0018】14は、リフレクトロンなどのイオン検出
器であり、試料室2に配置されたイオン検出器14は、
真空容器1の側壁に取り付けられている。このイオン検
出器14は真空容器1に固定されており、また、前記引
出電極5は固定ステージ4に固定されているので、引出
電極5のイオン検出器14との相対位置は変化せず、固
定されている。
【0019】また、試料室2には、小型の走査電子顕微
鏡(SEM)15が配置されており、SEM15は真空
容器1に取り付けられている。このSEMは、試料11
の表面を観察するためのものである。
【0020】そして、各構成が取り付けられた真空容器
1は、ベース16上の除振装置17上に載置されてい
る。
【0021】また、図1において18は高電圧電源であ
り、高電圧電源18は、前記試料11に正の高電圧を印
加するものである。また、19はパルス電源であり、パ
ルス電源19は、試料11に正のパルス電圧を印加する
ものである。このパルス電源19と前記高電圧電源18
で、試料表面上の原子を電界蒸発させるための電界を発
生させる電界発生手段が構成されている。
【0022】そして、パルス電源19は、前記電界蒸発
によって試料から発生したイオンの原子種を同定する同
定手段20に接続されており、この同定手段20は、前
記イオン検出器14にも接続されている。
【0023】以上、図1の装置構成について説明した
が、以下に、図1の装置の動作説明を行う。
【0024】まず、図1に示すように、試料11がスキ
ャナ9に装着されると、試料面がSEM15により観察
される。このとき、オペレータは、試料を大きく移動さ
せるときは、図示していないXYステージ駆動機構を制
御してXYステージ8をxy方向に移動させる。一方、
オペレータは、試料をわずかに移動させる時は、図示し
ていないスキャナ駆動機構を制御してスキャナ9をxy
方向に移動させる。
【0025】そして、オペレータは、試料上において原
子分析を行いたい位置S1を決めると、SEM像を見な
がら、その分析位置S1が引出電極5の先端に対向する
ように、XYステージ8またはスキャナ9を移動させ
る。
【0026】このようにして、分析位置S1が位置決め
されると、高電圧電源18が制御されて、試料11に正
の高電圧V1が印加される。この結果、試料11と、接
地電位にある引出電極5間に高電界が発生する。しか
し、その電圧印加だけでは試料上の表面原子が電界蒸発
しないように、前記電圧値V1が選択されているので、
分析位置S1上の原子は電界蒸発しない。
【0027】そして、このように試料11に電圧V1
印加された状態で、パルス電源19が制御されて、さら
に試料11に正のパルス電圧V2が印加される。このパ
ルス電圧の印加によって試料上の表面原子が電界蒸発す
るように、前記電圧値V2が選択されているので、パル
ス電圧が印加されたときに分析位置S1上の原子は電界
蒸発する。
【0028】こうして電界蒸発した原子のうち、正イオ
ン化したものは引出電極方向に加速され、引出電極5の
イオン通過孔6を通過した陽イオンはイオン検出器14
で検出される。イオン検出器14は、イオンを検出する
と同時に、イオン検出信号を同定手段20に供給する。
【0029】さて、前記パルス電源19は、上述した試
料11へのパルス電圧の印加と同時にパルス信号を同定
手段20に供給しており、同定手段20は、このパルス
信号を受け取ると、その内部に内蔵しているタイマーを
動作させる。このタイマーは、イオン検出器14からイ
オン検出信号が同定手段20に供給されると停止するの
で、そのタイマーで計測された時間は、試料11から発
生した陽イオンのイオン検出器14までの飛行時間をあ
らわしている。
【0030】そこで、同定手段20は、このようにして
計測された陽イオンの飛行時間や、試料からイオン検出
器14までの距離や、試料11に印加される電圧などに
基づき、試料11から発生した陽イオンの原子種を同定
する。この結果、前記分析位置S1上に存在する原子を
知ることができる。
【0031】以上、図1のアトムプローブ電界イオン顕
微鏡について説明したが、この装置においては、引出電
極のイオン検出器との相対位置が変化しないので、従来
のように、分析位置によって電離した原子がイオン検出
器で検出されないという問題は発生しない。このため、
図1の装置を用いれば、試料上のすべての点について高
精度な原子分析を行うことができる。
【0032】なお、図1の装置において、XYステージ
8またはスキャナ9をxy方向に二次元的に走査させ、
試料上の各分析点について発生イオンの原子種の同定を
行えば、試料表面の組成分布を得ることができる。
【0033】以上、図1の装置について説明したが、本
発明はこれに限定されるものではない。
【0034】たとえば、試料を加熱、または、試料に電
子線またはイオンビームまたはレーザ光を照射して、試
料表面上の原子間の結合力を弱めた状態で、上述したよ
うに試料上に電界を発生させるようにすれば、図1の装
置の場合よりも、試料表面上の原子は試料から離脱しや
すくなる。
【0035】また、逆に、試料を冷却した状態で、上述
したように試料上に電界を発生させるようにすれば、図
1の装置の場合よりも、試料表面上の原子は試料から離
脱しにくくなるが、弱い電界領域においては原子が離脱
しなくなって、原子が離脱する領域が狭くなるので、極
めて微小領域の原子分析を行うことができる。
【0036】また、試料の電位を引出電極の電位よりも
低く設定し、電界蒸発により発生した陰イオンをイオン
検出器14で検出して、試料の原子分析を行うようにし
ても良い。
【0037】また、引出電極5とイオン検出器14の間
に、イオン通過孔を有する蛍光スクリーンを配置しても
良い。
【0038】また、試料から放出されるイオンを検出す
るイオン検出器として、4重極質量分析器(Q−MAS
S)や磁界形質量分析器などを用いるようにしても良
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のアトムプローブ電界イオン顕微鏡の
一例を示した図である。
【符号の説明】
1…真空容器、2…試料室、3…ステージ、4…固定ス
テージ、5…引出電極、6…イオン通過孔、7…試料ス
テージ、8…XYステージ、9…スキャナ、10…固定
金具、11…試料、12…試料ホルダ、13…試料交換
機構、14…イオン検出器、15…走査電子顕微鏡、1
6…ベース、17…除振装置、18…高電圧電源、19
…パルス電源、20…同定手段

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空容器と、その真空容器内に配置され
    たイオン検出手段と、イオン通過孔を有し、前記イオン
    検出手段との相対位置が変化しないように前記真空容器
    内に配置された引出電極と、前記真空容器内に配置さ
    れ、前記引出電極との相対位置を変えられるように構成
    された試料ステージと、その試料ステージに保持される
    試料と、その試料に対向する前記引出電極間に、試料表
    面上の原子を電界蒸発させるための電界を発生させる電
    界発生手段と、前記電界蒸発によって試料から発生した
    イオンを検出する前記イオン検出手段の出力に基づき、
    そのイオンの原子種を同定する手段を備えたことを特徴
    とするアトムプローブ電界イオン顕微鏡。
  2. 【請求項2】 前記試料ステージは、粗動機構と、その
    粗動機構上に配置された微動機構を備えており、その微
    動機構は圧電体素子で形成されていて、前記試料はその
    微動機構上に保持されることを特徴とする請求項1記載
    のアトムプローブ電界イオン顕微鏡。
  3. 【請求項3】 試料表面上の原子を試料から離脱させや
    すくするために、試料を加熱、または、試料に電子線ま
    たはイオンビームまたはレーザ光を照射可能に構成され
    ていることを特徴とする請求項1記載のアトムプローブ
    電界イオン顕微鏡。
  4. 【請求項4】 試料表面上の原子を試料から離脱させや
    すくするために、試料を加熱、または、試料に電子線ま
    たはイオンビームまたはレーザ光を照射可能に構成され
    ていることを特徴とする請求項2記載のアトムプローブ
    電界イオン顕微鏡。
  5. 【請求項5】 試料を冷却する手段を備えたことを特徴
    とする請求項1から4の何れかに記載のアトムプローブ
    電界イオン顕微鏡。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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