JP2010243458A

JP2010243458A - ３次元アトムプローブ構造データ解析方法

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Publication number: JP2010243458A
Application number: JP2009095451A
Authority: JP
Inventors: Mineharu Tsukada; 峰春塚田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】３次元アトムプローブ構造データ解析方法に関し、処理が複雑で大きなリソースが要求されない簡便な方法で欠落している原子を補完して３次元的に構造を探索する。
【解決手段】３次元アトムプローブ装置を用いて取得した試料の原子レベル微細構造データにおける原子間距離に基づいて、参照データなしに実際の試料の微細構造から欠落している原子の位置を求め、前記位置に前記原子を補完する。
【選択図】図２

Description

本発明は３次元アトムプローブ構造データ解析方法に関するものであり、例えば、
３次元アトムプローブ装置を用いて取得した試料の原子レベル微細構造データを解析し、結晶状態の再現を含めた補完を行い構造再構築を行うための構成に関するものである。

近年、３次元アトムプローブ（３ＤＡＰ）法は、原子レベルで微細構造を再構築する方法として開発されてきた（例えば、特許文献１或いは非特許文献１参照）。この３ＤＡＰ法においては、針状に加工した試料に高電圧（電界）を印加し、電界蒸発により最表面の原子を順次イオン化して表面から離脱させ、その際の飛行時間により原子の質量を計測する。

また、ポジションセンシティブディテクタ（ＰＳＤ：位置敏感型検出器）における到達位置により２次元的な位置を決める。それらを連続して行うことにより試料の原子配列の３次元的な構造を構築するものである。

しかし、試料のＺ方向、即ち、ＰＳＤの法線方向では原子分解能が得られるものの、ＰＳＤの各検出要素間がデッドスペースとなるため、検出できる原子数が実際の試料の５０〜６０％程度である。

その結果、ＸＹ方向、即ち、各原子層面内では位置精度が低くなり、従来のデータ再構築法では再構築した構造は実際の試料が結晶であってもアモルファス状となってしまい、取得したデータから結晶構造の推定ができない場合がある。そのため、物性に大きな影響を及ぼす界面の構造などが不明確となる。

このような問題に対応するために、予め構築したデータベースを用いて、長距離周期を探索して空間群を導入し、欠落している原子を補完することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−１１７２８７号公報特開２００８−２１５８３４号公報

Ｄ．Ｊ．Ｌａｒｓｏｎ，ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ，Ｖｏｌ．５０５，ｐｐ．１６−２１，２００６

しかし、上述の原子を補完する方法は、予め結晶構造がわからないと導入できないという問題がある。また、全体を均質に補完してしまうため、原子欠損や不純物原子などの欠陥、界面などに対応するのが困難である。さらに、非晶質には適用できないという問題がある。

また、この方法は、３次元的に構造を探索することになるため、処理が複雑で大きなリソースが要求されるという問題がある。

したがって、本発明は、処理が複雑で大きなリソースが要求されない簡便な方法で欠落している原子を補完して３次元的に構造を探索することを目的とする。

本発明の一観点からは、３次元アトムプローブ装置を用いて取得した試料の原子レベル微細構造データにおいて、原子レベル微細構造データにおける原子間距離に基づいて、参照データなしに実際の試料の微細構造から欠落している原子の位置を求め、前記位置に前記原子を補完する３次元アトムプローブ構造データ解析方法が提供される。

開示の３次元アトムプローブ構造データ解析方法によれば、処理が複雑で大きなリソースが要求されることなく構造データ解析を効率よく行うことが可能となる。

本発明の実施の形態の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。本発明の実施の形態の３次元アトムプローブ構造データ解析方法のフローチャートである。本発明の実施例１の３次元アトムプローブ構造データ解析方法に用いた試料の概念的断面図である。取得したＺ方向における各原子層毎の原子配置のイメージ図である。ＭｇＯ層におけるＭｇ原子の欠陥位置の発見方法の説明図である。ＭｇＯ層におけるＭｇ原子補完後の原子配置のイメージ図である。ＭｇＯ層におけるＯ原子補完後の原子配置のイメージ図である。ＭｇＯ層におけるＺ方向の原子配列の補正方法の説明図である。ＢａＴｉＯ_３薄膜におけるＴｉ原子とＯ原子の補完工程の説明図である。ＢａＴｉＯ_３薄膜におけるＢａ原子とＯ原子の補完工程の説明図である。ＢａＴｉＯ_３薄膜におけるＺ方向の原子配列の補正工程の説明図である。

ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。３次元アトムプローブ装置は針状試料１を固定するとともに所定の高電位にバイアスする支持電極２、レーザ光４を針状試料１の先端部に照射するレーザ照射手段３、位置敏感型検出器５及び電源６から構成される。

この場合の針状試料１の先端部の直径φは例えば１００ｎｍ程度であり、レーザ照射手段３としては、例えば、波長が３４３ｎｍのレーザ光４を放出するフェムト秒レーザを用いる。また、針状試料１と位置敏感型検出器５との距離は例えば、１０ｃｍであり、電源６による印加電圧としては２０ｋＶとする。

針状試料１に対して電源６により高電界を印加した状態でその先端にレーザ光４を照射してレーザ・アシスト電界蒸発により最表面の原子を順次イオン化して表面から離脱させる。離脱した原子を、原子層毎に位置敏感型検出器５により順次検出し、飛行時間により原子の質量を計測して、各原子層毎の面内データを取得する。

図２は本発明の実施の形態の３次元アトムプローブ構造データ解析方法のフローチャートである。まず、
ステップ１：３ＤＡＰ装置により原子層単位の面内データを取得する。
ステップ２：各面内データにおいて、同種原子間の原子間距離を算出して、最近接原子間距離の平均値ｒ_０を求める。
ステップ３：検出した原子を中心として半径ｒ_０の円をそれぞれ描画し、複数の円が交わるか、または接する位置ｘ（ｒ_０≦ｘ＜２ｒ_０）にある空領域に同種の原子を補完する( 一次補完) 。
ステップ４：必要に応じて、補完した原子も加えた新たな原子層データから、再度の補完が必要か否かを判定する。必要と判断した場合には、ステップ３に戻って補完（二次補完）を行う。なお、必要か否かは経験則によるものであり、通常は三次補完は行わずに二回の補完で終了する。
ステップ５：被分析対象が化合物の場合、補完を行っていない他の原子に対してもステップ３及びステップ４の補完を行う。
ステップ６：原子層における全ての種類の原子について補完が行われたか否かを判定し、行われた場合にはステップ７に進む。
ステップ７：全ての原子層について補完が行われたか否かを判定し、行われた場合にはステップ８に進む。
ステップ８：補完した各原子層毎のデータを基にして３次元構造を再構築する。
ステップ９：３次元構造におけるＺ方向の原子配列を解析する。
ステップ１０：ＸＹ面内の相対的位置ずれがあるか否かを判定し、ずれがない場合には工程を終了し、ずれがある場合にはステップ１１に進む。
ステップ１１：ＸＹ面内の相対的位置をシフトさせて最終的な３次元構造を再構築する。

なお、補完に際しては、最近接原子位置半径ｒ_０の誤差範囲を設定して補完位置検索を行う。例えば、誤差範囲は半径ｒ_０の±５％の範囲とする。また、誤差が大きく原子位置が重なる場合には、周期性を考慮してその位置の原子を決める。以上の各ステップは、プログラムにより自動的に行う。

このように、本発明の３次元アトムプローブ構造データ解析方法は、予め結晶構造を把握しておく必要がない簡単な補完法であるので、構造データ解析を迅速に行うことができる。特に、各原子層毎での補完、即ち、ＸＹ方向の２次元面内での補完が中心であるので、処理が複雑で大きなリソースが要求されることなく構造データ解析を効率良く行うことができる。

また、非晶質でもある程度対応できる。即ち、非晶質といってもミクロな構造としてはある程度規則的な構造を有しており、また、マクロな構造としては配向性を有している場合があるので、このような場合には対応できることになる。

また、原子欠損（空孔）や不純物原子にも対応可能である。即ち、不純物原子の配置は統計的には不純物濃度に規定される均一な分布であるので、面内濃度に基づいて欠落している不純物原子を平均的に補完することができる。なお、空孔の場合には試料の密度を測定して空孔濃度を測定し、あとは不純物原子を同様の扱いとする。

以上を前提として、次に、図３乃至図１１を参照して本発明の実施例１の３次元アトムプローブ構造データ解析方法を説明する。図３は本発明の実施例１の３次元アトムプローブ構造データ解析方法に用いた試料の概念的断面図である。まず、（００１）面を主面とするＭｇＯ単結晶基板１１上に、高温スパッタ法により厚さが、例えば、１０ｎｍのＳｒＲｕＯ_３薄膜１２、厚さが、例えば、１５ｎｍのＢａＴｉＯ_３薄膜１３、厚さが、例えば、１０ｎｍのＳｒＲｕＯ_３薄膜１４を順次成膜する。次いで、室温において、厚さが、例えば、３０ｎｍのＴａ膜１５を成膜して保護膜（キャップ層）とした試料を作製する。

次いで、３ＤＡＰ分析を行うために、試料をデュアルビームＦＩＢ（収束イオンビーム）法によって尖端径φ８０ｎｍ、長さ１００ｎｍに加工して分析用試料１０とする。作製した分析用試料１０を図１に示したレーザ・アシスト３ＤＡＰ装置により分析して各原子種及び位置情報データを取得する。この原子種及び位置情報データにより構造を再構築したものが従来の３次元構造である。

次いで、取得した生データに対し、Ｚ方向の原子レベル空間分解能を利用して１原子層単位に面分割する。その際に、保護膜となるＴａ膜１５は除外し、基板のＭｇＯは例えば、５ｎｍのみを対象とする。図４は、このようにして取得したＺ方向における各原子層毎の原子配置のイメージ図であり、実際には、各原子層において本来存在するはずの原子が４０％〜５０％程度欠けた状態となっている。なお、図４は、ＢａＴｉＯ_３薄膜１３の原子配置を例に示している。

次いで、図５に示すように、始めにＭｇＯ層を選び、ＸＹ面内に分布しているＭｇ原子から別のＭｇ原子に対して、それぞれの最近接原子間距離を求め、その平均値をｒ_０とする。次いで、それぞれのＭｇ原子からそれを中心として半径ｒ_０の仮想的な円を描き、その円周上で別のＭｇ原子の仮想円と接するかまたは交わる点の位置座標を求める。

次いで、図６に示すように、その位置に原子が存在しない場合には原子欠損位置と判断して、Ｍｇ原子をその位置に補完する。補完に際しては、ｒ_０を±5 ％の範囲で緩和して行った。なお、誤差設定は、補完後の構造を確認しながら設定することが望ましい。次いで、図７に示すように、同様のプロセスを同一面内に存在するＯ原子に対しても行う。

次いで、同じプロセスを別の原子面に対しても行う。５ｎｍのＭｇＯ層の全ての原子面に対して原子補完を行った後、全体の層構造がそれぞれ結晶性と判断できたので、次に、３次元構造におけるＺ方向の原子配列を解析する。図８に示すように、Ｚ軸方向に対して、基準とする任意の一原子面、例えば、Ａ_１層を選択し、その原子面内に存在するそれぞれの原子を基準点としてＺ軸方向に重なる他の原子面にある基準点の上方または下方に存在する同種の原子に対して最小二乗法による直線近似を行い、最終的にＸＹ座標を補正する。

同様のプロセス・フローをＳｒＲｕＯ_３薄膜１２、ＢａＴｉＯ_３薄膜１３及びＳｒＲｕＯ_３薄膜１４に対しても行い、それぞれ再構築された層をＺ座標を基に３次元的に再構築する。

例えば、図９及び図１０は図４に示したＢａＴｉＯ_３薄膜１３の原子補完工程の説明図である。まず、図９に示すようにＴｉ原子とＯ原子で構成されＡ層についてＴｉ原子とＯ原子の補完を行う。次いで、図１０に示すようにＢａ原子とＯ原子で構成されＢ層についてＢａ原子とＯ原子の補完を行う。

ＢａＴｉＯ_３薄膜１３の全ての原子面に対して原子補完を行った後、全体の層構造がそれぞれ結晶性と判断できたので、次に、３次元構造におけるＺ方向の原子配列を解析する。図１１に示すように、Ｚ軸方向に対して、基準とする任意の一原子面、例えば、Ａ_１層を選択し、その原子面内に存在するそれぞれの原子を基準点としてＺ方向に重なる他の原子面にある基準点の上方または下方に存在する同種の原子に対して最小二乗法による直線近似を行い、最終的にＸＹ座標を補正する。次いで、ＳｒＲｕＯ_３薄膜１２、１４についても、Ｓｒ原子、Ｒｕ原子、Ｏ原子に対して同様の原子補完を行う。

以上のプロセス・フローにより、欠落している原子を補完し、本来の試料が有している構造に近い仮想的な微細構造を再現することができる。

このように、本発明の実施例１においては、各原子層毎での補完、即ち、ＸＹ方向の２次元面内での補完が中心のデータベースを必要としない簡単な補完法であるので、処理が複雑で大きなリソースが要求されることなく構造データ解析を効率良く行うことができる。

以上、本発明の実施例１を説明したが、本発明は実施例１で説明した構成に限られるものではない。例えば、実施例１においてはレーザ・アシスト電界蒸発を用いているが、レーザ照射は必須ではなく、高電界のみで電界蒸発させても良いものである。

１針状試料
２支持電極
３レーザ照射手段
４レーザ光
５位置敏感型検出器
６電源
１０分析用試料
１１ＭｇＯ単結晶基板
１２ＳｒＲｕＯ_３薄膜
１３ＢａＴｉＯ_３薄膜
１４ＳｒＲｕＯ_３薄膜
１５Ｔａ膜

Claims

３次元アトムプローブ装置を用いて取得した試料の原子レベル微細構造データにおいて、前記原子レベル微細構造データにおける原子間距離に基づいて、参照データなしに実際の試料の微細構造から欠落している原子の位置を求め、前記位置に前記原子を補完する３次元アトムプローブ構造データ解析方法。
前記補完する工程が、前記取得した原子レベル微細構造データを前記３次元アトムプローブ装置を構成する位置敏感型検出器の法線方向に１原子層毎に分解し、前記分解した各原子層の面内において同種の欠落原子を補完する工程である請求項１に記載の３次元アトムプローブ構造データ解析方法。
前記分解した各原子層の面内において同種の欠落原子を補完する工程が、前記各原子層の面内の同種原子について、それぞれ最近接原子間距離を求め、その平均値ｒ0 を算出する工程と、前記算出した平均値ｒ0 を半径とした円を各原子を中心として描画し、その円周が接するか或いは交わる位置を探索する工程と、前記円周が接するか或いは交わる位置に同種の原子が存在しない場合に、原子欠落位置と判断して、前記原子欠落位置に原子を補完する工程とを有する請求項２に記載の３次元アトムプローブ構造データ解析方法。
前記分解した各原子層の面内において、前記補完した原子と別の種類の原子が存在する場合に、前記別の種類の原子に対しても請求項３に記載の欠落原子の補完工程による補完を行う３次元アトムプローブ構造データ解析方法。
前記平均値ｒ0 に対して予め定めた誤差範囲を指定して補完を行う請求項３または請求項４に記載の３次元アトムプローブ構造データ解析方法。
前記分解した原子層の全ての面内における欠落原子の補完を行った後、３次元構造を再構成し、前記３次元構造が結晶性であると判定した場合に、同種元素について前記位置敏感型検出器の法線方向で最小二乗法により直線近似を行って前記法線方向の相対的な位置合せを行い、３次元構造を再構築する工程を有する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の３次元アトムプローブ構造データ解析方法。