JP2005534041A

JP2005534041A - 走査プローブ技術を用いた局部的に高分解能な表層の質量分光学的特性調査のための方法

Info

Publication number: JP2005534041A
Application number: JP2004528433A
Authority: JP
Inventors: デトレフ、クネーベル; マティアス、アムライン
Original assignee: JPK Instruments AG
Current assignee: JPK Instruments AG
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-11-10
Also published as: CN1685195A; AU2003260246A1; CN1311221C; CA2493212A1; US20060097164A1; ATE427475T1; EP1523652A1; DE50311375D1; US7442922B2; WO2004017019A1; EP1523652B1; DE10393504D2

Abstract

本発明は、走査型力顕微鏡検査を用いてサンプル表層の高分解能模写が表示されるとともに、質量分析法を用いて模写と関係があるサンプル表層の高分解された化学的性質が測定される複合方法に関する。表層の化学分析は、限られた表層エリアのレーザー脱離後に行われる。前記脱離を実行するため、光学的近接場原理に従って、表層は各適切な位置においてパルスを照射される。光学的近接場原理は、回析限界のない局部的な分解能を有した分析を保証する。用いられる走査プローブの中空先端部は、選択された表層エリアだけへの化学分析を可能にする。高い対称性を有する配置により、生成された分子イオンの高いレベルでの移動を可能にする。

Description

発明の概要

本発明は、サンプル表層の表層構造の高分解能顕微鏡を用いた観察と、同時に、観察された構造要素についての分子構成の高分解能顕微鏡を用いた観察と、に関する。特別に適合させられた走査型力顕微鏡と、方法を実行するために特別に適合させられた質量分析計と、を備えた装置にも関する。

走査型力顕微鏡（ＳＦＭ）は、ピアゾ電気機構を用いて、検査されるべきサンプルの表層構造を走査する。機構は、サンプル平面（ｘ／ｙ方向）上のみを移動させられ得るのではなく、平面に直交するＺ方向にも移動させられ得る。最初に、サンプルをｚ方向に移動させることにより、サンプルが先端部（a tip）に接触するように移動させられる。先端部は、一方の端部を固定されているカンチレバーの自由端部に配置されている。カンチレバーは、典型的に、１０μｍから５００μｍの間の長さを有している。理想として、先端部は微細に尖っている。カンチレバーと先端部とは一般的に一体からなり、現在市販されている製造物の多くにおいて、珪素または窒化珪素から構成されている。サンプルと先端部との間における力によって生ずるカンチレバーの曲がりは、通常、光学ポインター原理（the optical pointer）を用いて測定され、所望（公称）値に設定される。

所謂接触モード（the so-called contact mode）において、サンプル表層の像は以下のようにして得られる。サンプル表層の一区分が走査されている間、サンプル形状に起因したカンチレバーのすべてのさらなる曲がりが公称値にフィードバックされる。ｘ／ｙ平面上の各位置に応じたｚ方向への走査装置の設定は、サンプル形状を反映し、記録される。

所謂間欠的接触モード（the so-called intermittent contact mode）において、カンチレバーは、サンプルに向けて移動させられる前に、機構の共振周波数付近で振動させられる。その後、サンプルに向けて移動させられた後に、先端部は各振動周期内の一好機においてしばらくの間だけサンプルに接触する。これは振動の減衰をもたらし、これにともなって振動振幅の減少ももたらされる。これは測定され、サンプルと先端部との間における相互作用の強さの一指標として固有値に設定される。上述したようにして、サンプル表層は像を映し出される。

飛行時間（ＴＯＦ）質量分光法が、構成要素の分子質量に基づいた検体の分子構成の検査に用いられている。検査されるサンプルの要素が、真空システム内で異なる方法により固相から気相へと変化させられる。一例として、このためにレーザーパルスを用いてサンプルの一領域が衝撃を与えられる。工程においては、帯電させられた分子あるいは分子フラグメントであって、気体が排除されている飛行チューブ内において電極を用いて加速させられた分子あるいは分子フラグメントが、例えば６０から１００ｃｍの飛行行程の後に検出器に突き当たる。分子重量は飛行時間から計算される。より重い分子においては、飛行時間は長くなる。この方法は高感度かつ高精度であり、モル量のみが要求される。原則として、ＴＯＦ装置内において個々のイオンを検出することが技術的に可能である。誤差は１０００Ｄａにつき略±０．０５Ｄａである。

走査型力顕微鏡検査の主目的は、構造を映し出すことによってサンプル表層の状態が評価されるようにすることを可能にすることである。前提条件が理想的であれば、サンプル表層の原子構造は分解され得るだろう。このことは結晶構造の表層にも適用し得り、限られた範囲において、表層上への高位有機吸着物または無機吸着物にも適用し得る。この状況において、サンプル表層の状態は直ちに評価され得る。

しかしながら、サンプルによっては、分解が概ね達成されないことがあり、サンプル表層の状態について評価を行うための十分な情報が形状からもたらされない。これらの状況においては、サンプル表層の局部的な化学的性質または局部的な分子構成を、顕微鏡を用いた構造分析以外を用いて特定することが必要である。この内容は、走査型力顕微鏡検査だけでなく、他のすべての顕微鏡（電子顕微鏡、光学顕微鏡等）を用いた方法に関係する。したがって、広義あるいは狭義において、顕微鏡を用いた像の映し出しと化学的分析とを組み合わせた方法が用いられる。以下の文書は、この方法にしたがった方法に関連し、表層の局部的な融除に基づいた２つの方法を、後に続く質量分析法とともに記述している。

レーザー脱離質量分析法（ＬＡＭＭＡ）において、レーザーパルスは従来の光学顕微鏡を用いて選択されたサンプル位置上に焦点を合わせられる。これは、サンプルの局部的な融除、および局部的に融除された材料からの分子イオンの生成をもたらす。イオンは、電界内で加速させられ、飛行時間質量分析計を用いて分子質量に基づいて特定される。ＬＡＭＭＡ（ＬＡＭＭＡ２０００；ＳｐｅｎｇｌｅｒＢ．およびＨｕｂｅｒｔＭ．著のScanning Microprobe Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization (SMALDI) Mass Spectrometry(走査マイクロプローブマトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析法)、Instrumentation for Sub-Micrometer Resolved LDI and MALDI Surface Analysis（サブマイクロメーター分解ＬＤＩおよびＭＡＬＤＩ表層解析）、Ｊ．Ｓｏｃ．著の Mass Spectrom（表層解析）１３、７３５−７４８、２００２）に一つの装置が詳細に記載されている。その中において、共焦点光学顕微鏡検査を用いた構造と、質量分析計を用いた局部的な分子構成と、を組み合わせた像の映し出しのために、記載された原理が最適化されている。この装置において、光学分解能と、イオンが得られ得るとともに検出され得る最小サンプル領域と、の両者は回折限界により決定される。光学的かつ分析的な０．５μｍの分解能は実際において達成されている。つまり、最小被分析サンプル領域は直径０．５μｍを有している。

飛行時間二次イオン質量分析法（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）は、無機的、有機的、および生物学的な性質の材料表層についての局部的に分解された化学的特性調査のための一つの分析的な方法である。方法は、高像映された主イオン（Ｃｓ＋、Ｇａ＋）による表面への衝撃によって生成された２次イオンを記録した時間分解に基づいている。この場合、主イオン光束は高精度で焦点を合わせられ、サンプル上を走査される。工程中に解放された２次イオンはＴＯＦ質量分析計の飛行チューブ内において加速される。有効な検査深さはたった略１ナノメーターであることから、測定される質量スペクトルは、最上の分子層からの化学成分のみから構成される。イオン像の横方向の分解能は略１マイクロメーターである。

上述したような、サンプル表層についての局部的に分解された化学的特性調査のための方法は、最小被分析サンプル領域に関して、従来の光学的顕微鏡の分解能範囲内で変化する。このことは医学、工学、および科学の分野における多くの要求に対して不向きである。一例として、細胞膜は複雑な方法で横方向に組織化されている。この場合、所謂脂質群（so-called lipid rafts）は多数の膜質境界プロセス（membrane-bound processes）の官能ユニット（the functional unit）に相当する。これらの直径は略６０ナノメーターである。これらの個々の組織の分析は、既述した膜質境界プロセスの完全な理解において非常に重要となる。

ナノメーターレンジにおける構造の映し出しと、対応する分解位置での質量分析法と、の複合は、既述した要求および多数の他の要求を満たす見込みがある。走査プローブ技術（例えば、ＳＦＭ）と質量分析法との複合は、この目的に用いられ得るだろう。実際に現在まで、質量分析法と高分解能走査型力顕微鏡検査との組み合わせは、異なる専門家により異なる方法で研究されてきた。サンプル材料が、サンプルとＳＦＭ先端部との間の隙間内にパルスレーザー光を横方向から照射されることによって意図的に融除されるか、あるいはパルスレーザー光が、円錐状の先端部を有したグラスファイバーを介し所謂アパーチャ（aperture）内において、パルスの形式でサンプルを照射するために用いられる（ＳＮＯＦ（走査近接場光学顕微鏡））。両方の方法は、近接場光学の原則を利用している。すなわち、従来光学によって作り出され得る照射スポットの最小直径よりも非常に小さい照射スポット作り出すために先端部が用いられている。

このことは、２〜３ナノメーターの直径を有する穴（holes）を再生可能に作り出すことができるようにした。両方の場合において、生成されたイオンは先端部領域から横方向に吸い出される。しかしながら、意外にも現在まで、イオンと先端部の近接場内で画定された領域との間の明白な関連を得ることができなかった。この問題によってイオンは、先端部の近接場およびサンプルから有効に吸い出されなくなる。私たち自身の実験的な研究およびモデル計算は、不満足な研究成果を確かなものにした。質量分析計の飛行チューブ内で引き起こされるイオンの移動はわずかであり、かつ独立しており、イオンが生成される位置における幾何学的条件に基づいて直ちに計算できるものではない。

要約すれば、ナノメーターレンジにおける部分分解能を有した普遍的な表層の科学分析はいまだ利用可能ではなかった。

本発明の目的は、イオンが走査型力顕微鏡によって選択され得る先端部／サンプルの近接場内において非常に小さな体積において生成され、またイオンが質量分析のため高い移動レベルで運ばれる改良された方法および改良された装置を具体化することである。

本発明によれば、特許請求の範囲の独立した請求項１に記載された装置と、独立した請求項７に記載された方法とにより、この目的は達成される。

一態様によれば、走査型力顕微鏡が中空の先端部と一体に形成されたカンチレバーによって動作される方法がもたらされる。中空の先端部はサンプル側に小さなアパーチャ開口部を有している。好ましくは、アパーチャは用いられる光線の波長に比べて非常に小さい直径を有している。したがって、照射スポットは近接場光学の原理に基づいてサンプル上に作り出され、従来光学の回折限界照射スポットよりも非常に小さい直径を有している。先端部内の穴は、最大の開口部を有する後方側に向け、しだいに広がっていく。

とりわけ、この方法は、（ｉ）すべての観察されたイオンと画定されたサンプル領域との間の明白な関連をもたらし、（ｉｉ）観察されたイオンとサンプル形状との明白な関連をもたらし、（ｉｉｉ）形状と局部の分子構成との両方についての、従来式光学システムの分解能限界以下の局部的分解能をもたらす。

好ましくは、走査型力顕微鏡検査は、上述したような、間欠的な接触モードあるいは接触モードを用いた従来式で実行される。好ましくは、顕微鏡検査は高レベルな真空状態で実行される。走査型力顕微鏡検査の代わりとして、他の走査プローブ技術を上述した方法の使用に適合させるようにすることも実現可能である。

局部的に分解された質量分析法は、ＳＦＭ像の映し出しと並行して、あるいはＳＦＭ像の映し出しの後に実行される。この場合、先端部はサンプルに接触しているか、あるいはサンプルの近接場に隣接した位置にある。質量分析法のため、レーザーパルスが後方側から中空先端部内に照射される。短レーザーパルスを用い、サンプル上の各所望の位置においてサンプルから材料が融除され、質量分析法のため移動させられていく。この目的から、先端部の後方における開口部は、実際に飛行チューブに連結されている。飛行チューブは先端部およびサンプルに対して適当な電位にあり、レーザーパルスの後に生成された分子イオンを電気的に吸い出すことに用いられる。好ましくは、その後、イオンは飛行時間質量分析計内を飛行する。本発明のさらなる利点および目的にかなった成果は、図面への参照を有する模範的な実施の形態についての以下の記載から明らかになるだろう。

発明を実施するための形態

図１Ａ，１Ｂ，２Ａ，および２Ｂは、走査プローブ技術を用いた局部的に高分解能な表層の質量分光学的特性調査のための方法の２つの実施の形態を説明するため、概略図を示している。両実施の形態において、走査型力顕微鏡検査は、任意のｘ、ｙ位置においてサンプルから表層材料を融除するとともに、イオン化されたサンプル材料について質量分光学的分析を行う能力を備えられている。これは、軸方向を有するとともにそこを通る円錐状穴を有した先端部２を備えたカンチレバー１を用いることによって行われる。穴は、画定されたアパーチャを先端部の先端３に有するとともに開口している。

アパーチャは、サンプル３０上に焦点合わせされるレーザーパルスのための出口開口として用いられるとともに、レーザーパルスの後に照射されたサンプル領域のエリア内で生成された分子イオン２０のための入口開口として用いられる。

サンプルは、先端部の穴を介し、先端部の長手方向軸と略同軸に沿って照射される。好ましくは、イオンは同様に穴を介し、先端部の長手方向軸と略同軸に沿って抽出される。抽出のため、飛行チューブ２１はサンプルとの間で電圧をかけられている。飛行チューブ／先端部の軸に対して軸方向に対称で大きく電界が形成されている。界は先端部内の穴を突き抜け、イオンの抽出をもたらす。飛行チューブが相対的に低い電位であるならば正電荷を有するイオンが抽出され、またその逆の場合もある。高い程度で装置が軸方向に対称であること、およびこれに伴って電場が高い程度で軸方向に対称であることは、ほぼ軸方向に沿った抽出およびイオンの飛行をもたらす。加えて、飛行チューブ内におけるイオン光学（図示せず）は、正確に軸方向に飛行しないイオンをパスバック（pass back）させることに用いられる。

材料が融除されるエリアは、中空の先端部内のアパーチャの大きさによって決定される。アパーチャ直径は、典型的には、用いられる光の波長に比べて大幅に小さくなっている。

図１Ａおよび図１Ｂの実施形態と、図２Ａおよび図２Ｂの実施形態とは、どのようにしてレーザー光が照射されるかにおいて異なる。図１Ａおよび１Ｂに示された実施形態においては、対物レンズ１１は、焦点合わせのため、飛行チューブに並んで横手に配置されている。光学軸１２は、最初、飛行チューブ２１の軸に対して直交している。光は窓（window）１３を経由して飛行チューブに入り、ミラー１３を用いて軸方向に向きを変えられ、先端部内の穴内に集光される。ミラーは、イオンを通過させるため、中央穴２４を有している。

図２Ａおよび図２Ｂに示された実施形態においては、対物レンズが飛行チューブに対して同軸上に配置されている。飛行チューブは対物レンズの中央穴２４内を通過させられている。平行にされたレーザー光は、対物レンズから下流の光束行路内に導かれる。この場合も同様に、ミラーはイオンを通過させるため、中央穴２４を有している。

本記載、特許請求の範囲、および図面内に開示されているような本発明の特徴は、個別的にあるいは任意に得られる組み合わせにおいて、本発明の様々実施の形態の遂行に対して意味の有るものとなるだろう。

一実施の形態に基づいた方法を説明するための概略図であって、走査装置と、サンプルと、中空の先端部を有したカンチレバーと、飛行チューブと、対物レンズとを備えた装置を横断面から示す概略図。図１Ａに示された装置の一部分を示す拡大図。さらなる実施の形態に基づいた方法を説明するための概略図出会って、走査装置と、サンプルと、中空の先端部を有したカンチレバーと、飛行チューブと、対物レンズとを備えた装置を横断面から示す概略図。図２Ａに示された装置の一部分を示す拡大図。

Claims

走査型顕微鏡、とりわけ走査型力顕微鏡用の装置において、
近接場を画定する測定プローブと、
イオン化装置を有する質量分析計と、抽出装置と、分析装置とに関連し、測定プローブが３つの空間的な方向すべてへサンプルに対し相対的に移動することを可能にする走査装置と、を備え、
測定プローブは中空の先端部を有しており、これにより、イオンが測定プローブの近接場のみで形成されるよう、測定プローブの近接場がイオン化装置によって用いられ得り、
測定プローブの形状は、分析装置の軸に対し軸方向に略対称な抽出装置の界分布を可能にする
ことを特徴とする装置。
測定プローブはカンチレバーからなる
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
走査装置によって、サンプルが３つの空間的な方向すべてに移動自在である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
イオン化装置は、イオンが分析装置へと通過することを可能にする軸方向の穴を有したミラーとともに、レーザーを有し、
レーザーから放出された光束は軸外で焦点合わせされ、その後ミラーを用いて軸方向に向きを変えられる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
イオン化装置は、イオンが分析装置へと通過することを可能にする軸方向の穴をそれぞれ有したミラーおよび焦点合わせ装置とともに、レーザーを有し、
レーザーから放出された光束はミラーを用いて軸方向に向きを変えられ、その後焦点合わせ装置により焦点を合わせられる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
イオン化装置はレーザーを有し、
レーザーから放出された光束は測定プローブまで通過し、電界増幅により測定プローブの近接場においてイオン化を引き起こす
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
複合走査型プローブ顕微鏡、とりわけ走査型力顕微鏡を用いた測定サンプルの高分解能検査のための方法において、
まず、走査型プローブ顕微鏡を用い、測定サンプルの像、とりわけ測定サンプルの形状を記録し、
次に、少なくとも前記像に含まれた測定サンプルの一区域の小エリアについて、破壊的な化学的特性調査のために質量分析計を用いる
ことを特徴とする方法。
走査型プローブ顕微鏡によって映し出されたすべてのエリアが分析されるように対象となるエリアが連続して選択され、これにより、サンプルの化学的像がさらにもたらされる
ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
測定サンプルのさらなる融除は、高分解能な深部の情報をもたらす
ことを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
測定サンプルの均一な融除がもたらされるよう、イオン化のための２つの位置の間の距離は、イオン化工程によって融除されるエリアの分析によって選択される
ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の方法。
走査型プローブ顕微鏡検査からおよび質量分析計からの情報は、横方の高分解と比較され得る
ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の方法。