JP2014032890A - 分析方法およびイオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マトリクス支援レーザー脱離イオン化法を用いた質量分析装置は、レーザーを使用するために試料に照射するスポット径がマイクロメートルオーダーとなり、ナノメートルレベルの分析ができない。二次イオン質量分析法は数百ナノメートルの分解能があるといわれているが、大きな質量の分子のイオン化に課題がある。
【解決手段】イオン源と、イオンビーム照射系と、試料と、試料を載置するステージと、質量分析器と、制御部と、真空容器とを具備するイオンビーム装置を用いる。試料上に薄膜状のイオン液体を含む液状媒体を塗布または含浸させる。イオン源はガス電界電離イオン源あるいは液体金属イオン源を使用する。前記イオン液体を含む液状媒体により前記試料のスパッタ粒子が原子か分子あるいはその両方となるように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イオンビームを用いて試料を観察または加工するイオンビーム装置およびその方法に関する。

電子を走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出すれば試料表面の構造を観察することができる。これは走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、 以下SEMと略記）と呼ばれる。一方、イオンビームを走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出しても試料表面の構造を観察することができる。これは走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope、以下SIMと略記）と呼ばれる。特に、水素、ヘリウムなどの質量の軽いイオン種を試料に照射すれば、相対的にスパッタ作用は小さくなり、試料を観察するのに好適となる。

さらに、イオンビームは電子ビームに比べて試料表面の情報に敏感である特徴を有する。これは、二次荷電粒子の励起領域が電子ビームの照射に比べて試料表面により局在するからである。また、電子ビームでは、電子の波としての性質が無視できないため、回折効果により収差が発生する。一方、イオンビームでは、電子に比べて重いため、回折効果を無視することができる。

また、アルゴン、キセノン、ガリウムなどの質量の重いイオン種を試料に照射すれば、スパッタ作用により試料を加工するのに好適となる。特に、液体金属イオン源（Liquid Metal Ion Source、以下LMISと略記）を用いた集束イオンビーム装置（Focused Ion Beam、以下FIBと略記）が集束イオンビーム加工観察装置として知られている。更に、近年では走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）と集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）の複合機ＦＩＢ−ＳＥＭ装置も用いられている。ＦＩＢ−ＳＥＭ装置では、集束イオンビームを照射して所望の箇所に角穴を形成することにより、その断面をＳＥＭ観察することができる。また、プラズマイオン源やガス電界電離イオン源により、アルゴンやキセノンなどのガスイオンを生成して試料に照射するようにしても試料の加工は可能である。

また、質量分析に関しては質量顕微鏡あるいは質量分析顕微鏡とよばれる新しい分析手法が開発されている。レーザー脱離イオン化法（ＬＤＩ）は、試料にレーザー光を照射し、レーザー光を吸収した物質の内部で電荷の移動を促進させてイオン化を行うものである。また、マトリクス支援レーザー脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ） は、レーザー光を吸収しにくい試料やタンパク質などレーザー光で損傷を受けやすい試料を分析するために、レーザー光を吸収し易くイオン化し易い物質をマトリクスとして試料に予め混合しておき、これにレーザー光を照射することで試料をイオン化するものである。特にＭＡＬＤＩを用いた質量分析装置は、分子量の大きな高分子化合物をあまり開裂させることなく分析することが可能であり、しかも微量分析にも好適であることから、近年、生命科学などの分野で広範に利用されている。質量分析顕微鏡は、質量分析により得られた信号を用いて試料の微細な二次元像を得るというもので、顕微鏡像の組織識別手段として質量分析の結果を用いるというものである。

また、別の質量分析方法として二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）が知られている。例えば、特許文献１には、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）において一次イオンビームとして１．２５ｋｅＶ／ａｍｕ以上の重イオンビーム（高速重イオンビーム）を使用することにより、被分析試料がタンパク質や多糖類等の生体関連物質であっても、従来のＳＩＭＳのような前記生体関連物質の破壊を抑制でき、イオン化効率にも優れる方法が開示されている。

国際公開第２００７／１４５２３２号公報

電子顕微鏡は、ナノメートルオーダーで試料の表面形状の観察や、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）などにより元素分析や組成分析が可能であるが、タンパク質などの分子の分析はできない。

ＭＡＬＤＩを用いた質量分析装置は、レーザーを使用するために試料に照射するスポット径がマイクロメートルオーダーとなり、ナノメートルレベルの分析ができない。

ＳＩＭＳは数百ナノメートルの分解能があるといわれているが、大きな質量をもった分子のイオン化に課題がある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、 ガス電界電離イオン源または液体金属イオン源からなるイオン源と、前記イオン源から発生したイオンビームを集束して試料上を走査するイオンビーム照射系と、前記試料を載置するステージと、質量分析器と、制御部と、真空容器と、二次粒子検出器とを備えたイオンビーム装置を用いて、前記試料上を覆うイオン液体を含む液状媒体により前記試料のスパッタ粒子が原子または分子またはその両方となるように制御し、前記イオンビームの走査と同期して前記質量分析器にて検出された信号と位置情報とを対応付けて前記試料における質量分布を表す二次元像を形成し、前記イオンビームを照射して発生する二次電子を前記二次粒子検出器によって検出して前記試料の表面像を取得することを特徴とする。

本発明によれば、ナノメートルオーダーの領域で質量分析可能なイオンビーム装置を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第一の実施例におけるイオンビーム装置の概略構成図である。 質量分布を表す二次元像の模式図である。 質量分布を表す立体像の模式図である。 第二の実施例におけるイオンビーム装置の概略構成図である。 質量分布を表す二次元像と二次電子による表面像の模式図である。 質量分布を表す立体像と二次電子による三次元立体形状データの模式図である。 第三の実施例におけるイオンビーム装置の概略構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施例は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本発明は、イオン顕微鏡、イオンビーム加工観察装置、イオンビーム加工観察装置とイオン顕微鏡との複合装置、イオン顕微鏡と電子顕微鏡との複合装置において適用可能である。また、イオン顕微鏡と電子顕微鏡を適用した解析・検査装置にも適用可能である。これらを総称してイオンビーム装置とする。

まず、従来技術とその課題について詳細に説明する。

電子顕微鏡は、ナノメートルオーダーで試料の表面形状の観察や、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）などにより元素分析や組成分析が可能であるが、タンパク質などの分子の分析はできない。また、電荷による試料の帯電という課題もある。また、得られる情報は二次元情報である。電子顕微鏡と集束イオンビーム加工観察装置とを組み合わせた複合装置では、試料の加工が行えるので三次元のデータが得られるが、タンパク質などの分子の分析ができない、電荷により試料が帯電するという課題は残る。試料は真空中に入れなければならないため、生物試料など水分を含む試料は水分が抜けてしまい変質してしまう。
ＭＡＬＤＩを用いた質量分析装置は、レーザーを使用するために試料に照射するスポット径がマイクロメートルオーダーとなり、ナノメートルレベルの分析ができない。また、二次元の情報しか得られないという課題がある。また、生物試料は大気圧下でイオン化するため、イオンを搬送系を介して真空中にある質量分析器まで導く必要があり、大気圧環境と真空環境を隔てる真空インターフェースでイオンの取り込み効率が落ちてしまう。

ＳＩＭＳは数百ナノメートルの分解能があるといわれているが、大きな質量をもった分子のイオン化に課題がある。また、一次イオンの電荷による試料の帯電という課題もある。

そこで、本発明では、生物試料など水分を含む試料でも真空に導入でき、荷電粒子線による帯電を防止し、ナノメートルレベルの分析が可能なイオンビーム装置と分析方法を提供する。また、三次元の分析も実現することができる。

図１を参照して第一の実施例におけるイオンビーム装置と分析方法の例を説明する。イオン源１と、イオン源１から発生したイオンビームを引き出し集束するとともに試料上を走査するイオンビーム照射系２と、試料を載置するステージ３と、質量分析器６と、制御部７と、真空容器１０とを具備するイオンビーム装置である。

イオンビーム照射系２には、対物レンズや偏向器、絞り等が含まれるが、これ以外に他のレンズや電極、検出器を含んでもよいし、一部が上記と異なっていてもよく、イオンビーム照射系の構成は特に限られない。また、実際のイオンビーム装置には各部分の動作を制御する制御部や、検出器から出力される信号に基づいて画像を生成する画像生成部が含まれているが、図１では制御手段７を代表として表している。制御部や画像生成部は、専用の回路基板によってハードウェアとして構成されていてもよいし、イオンビーム装置に接続されたコンピュータで実行されるソフトウェアによって構成されてもよい。ハードウェアにより構成する場合には、処理を実行する複数の演算器を配線基板上、または半導体チップまたはパッケージ内に集積することにより実現できる。ソフトウェアにより構成する場合には、コンピュータに高速な汎用ＣＰＵを搭載して、所望の演算処理を実行するプログラムを実行することで実現できる。このプログラムが記録された記録媒体により、既存の装置をアップグレードすることも可能である。また、これらの装置や回路、コンピュータ間は有線又は無線のネットワークで接続され、適宜データが送受信される。

試料４は、試料４上にイオン液体を含む液状媒体５が薄膜状に塗布されている。このとき、試料４の内部にもイオン液体を含む液状媒体５が含浸していてもよい。

荷電粒子線を用いて試料の表面形状を観察する場合、試料の二次電子の放出量が試料の材質や表面形状により異なるため、試料の導電性が良好でない場合には電子ビームを用いても帯電による像障害が発生してしまう。イオンビームを用いる場合には、プラスのイオンを試料に照射してマイナスの二次電子が放出されるため更に帯電が起こりやすく、表面形状の観察では像障害が、試料の加工では加工エッジの鈍化や加工形状の変形、ドリフトによる加工位置ずれという問題がより起こりやすい。本実施例では、試料４の表面にイオン液体を含む液状媒体５が塗布されているため、電子照射面に導電性を付与することができる。イオン液体は、常温で液体状態の塩であり、蒸気圧が限りなく０に近く、熱しても真空中であっても液体状態を保持してほとんど揮発しないので真空中での利用に好適である。

また、イオン液体を含む液状媒体５は、ＭＡＬＤＩでいうところのマトリクスとして働くイオン液体を含む液状媒体５が用いられている。イオン液体は、例えば純水、エタノール、メタノール、アセトン等を混合した液状媒体としてもよい（以下、単にイオン液体と記載した場合は、イオン液体またはイオン液体を含む液状媒体を指すものとする）。

イオン源１はガス電界電離イオン源（ガスイオン源と略称する）であり、イオン化ガスはヘリウムを用いる。ヘリウムイオンビームは数ナノメートルからサブナノメートルまで集束することができる。また、イオン源１として液体金属イオン源を使用してもよい。

イオンビームの走査と同期して質量分析器６にて検出した信号と位置情報とを記憶する。この信号を走査位置に対応させれば、ナノオーダーの分解能を持つ、質量顕微鏡像と呼ばれる質量毎の二次元像１１を形成できる（図２（ａ））。イオン液体を含む液状媒体５はマトリクスとして働くので、分子量の大きな高分子化合物の二次元像も形成できる。

また、イオンビームのスパッタリング現象を用いて試料４を深さ方向に加工し、深さ方向への加工に合わせて、深さ情報も加えた質量毎の二次元像１１を取得し、各深さに対応する質量毎の二次元像１１を組み合わせれば、三次元の質量毎の立体像１２を形成することができる（図２（ｂ））。

図３に、イオンビーム装置の第二の実施例の概略構成図を示す。以下では、図１と同様の部分については説明を省略する。図３では第一の実施例のイオンビーム装置に二次粒子検出器８が具備されている。イオンビームを走査しながら試料に照射して試料から放出される二次電子を二次粒子検出器８で検出し、試料表面の走査イオン顕微鏡像（ＳＩＭ像、図４（ａ）の表面像１３）を取得する。これにより、試料４の表面形状の情報（表面像１３）と質量毎の組成の分布情報を表す質量毎の分布情報を表す二次元像１１の両方が取得できる。イオンビームのスパッタリング現象を用いて試料４を深さ方向に加工し、深さ方向への加工に合わせて、深さ情報も加えた試料表面の走査イオン顕微鏡像（ＳＩＭ像、図４（ａ）の表面像１３）を取得し、各深さに対応する表面像１３を組み合わせてゆけば三次元データ１４を形成することができる（図４（ｂ））。これにより、試料４の三次元形状情報を表す三次元データ１４と三次元の質量毎の組成の分布情報を表す三次元の質量毎の立体像１２の両方が取得できる（図４（ｂ））。

図５に、イオンビーム装置の第三の実施例の概略構成図を示す。以下では、図１および図３と同様の部分については説明を省略する。図５では第二の実施例のイオンビーム装置に液状媒体供給手段９が具備されている。特に深さ方向への加工を行う際、スパッタリングにより試料４と共にイオン液体を含む液状媒体５も除去されて減少する場合がある。イオン液体が試料４の表面にしか存在しない場合、イオン液体が不足し、マトリクス効果や帯電防止効果が失われる可能性がある。そこで、液状媒体供給手段９により不足したイオン液体を補充することで、加工を進めても試料の観察または分析中に必要に応じてイオン液体を含む液状媒体の量を調整することができ、安定したマトリクス効果や帯電防止効果を維持する。

以上の通り、本発明によれば、ガス電界電離イオン源、あるいは液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）を用いることでイオンビームを数ナノメートル以下まで細く絞ることができ、分解能を向上できる。

また、イオン液体を含む液状媒体をＭＡＬＤＩでいうところのマトリクスとして働くイオン液体を含む液状媒体を用いることで、分子量の大きな高分子化合物をあまり開裂させることなくイオン化して分析することができる。

また、イオン液体を含む液状媒体は真空中でほとんど揮発せず、かつ導電性を有するため生物試料を破壊せずに真空中に導入することができ、かつイオンビームによる帯電も防止できる。試料を真空中に導入できるため、従来のＭＡＬＤＩのように大気圧環境から真空環境にイオンを取り込む際の真空インターフェースがなくなり、真空インターフェースでのイオンの取り込み効率の減少を無くすことができる。

また、ガス電界電離イオン源を用いた装置では、イオン化ガスや加速電圧、ビーム制限アパーチャを変えることで試料の加工能力を変えることができ、深さ方向の加工を促進および調整することができる。液体金属イオン源を用いた装置では、加速電圧、ビーム制限アパーチャを変えれば、同様に、試料の加工能力を変えることができ、深さ方向の加工を促進および調整することができる。これにより、試料の深さ方向への加工が可能となり、ナノオーダーでの三次元の分析が可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１ イオン源
２ イオンビーム照射系
３ ステージ
４ 試料
５ イオン液体を含む液状媒体
６ 質量分析器
７ 制御部
８ 二次粒子検出器
９ 液状媒体供給手段
１０ 真空容器
１１ 質量毎の二次元像
１２ 質量毎の立体像
１３ 表面像
１４ 三次元データ

Claims (8)

1. ガス電界電離イオン源または液体金属イオン源からなるイオン源と、前記イオン源から発生したイオンビームを集束して試料上を走査するイオンビーム照射系と、前記試料を載置するステージと、質量分析器と、制御部と、真空容器と、二次粒子検出器とを備えたイオンビーム装置を用いて、
   前記試料上を覆うイオン液体を含む液状媒体により前記試料のスパッタ粒子が原子または分子またはその両方となるように制御し、
   前記イオンビームの走査と同期して前記質量分析器にて検出された信号と位置情報とを対応付けて前記試料における質量分布を表す二次元像を形成し、
   前記イオンビームを照射して発生する二次電子を前記二次粒子検出器によって検出して前記試料の表面像を取得することを特徴とする分析方法。
2. 請求項１に記載の分析方法であって、
   前記イオンビームによるスパッタリング現象を用いて前記試料を深さ方向に加工し、前記質量分布を表す二次元像に前記加工の進度に対応する深さ情報を付帯させ、
   前記深さ情報を持つ前記質量分布を表す二次元像を用いて三次元の質量毎の立体像を形成することを特徴とする分析方法。
3. 請求項１に記載の分析方法であって、
   前記イオンビームの照射によって発生する二次粒子を検出して前記試料の表面像を取得することを特徴とする分析方法。
4. 請求項２に記載の分析方法であって、
   前記イオンビームの照射によって発生する二次粒子を検出して前記試料の表面像を取得し、
   前記イオンビームによるスパッタリング現象を用いて前記試料を深さ方向に加工し、前記表面像に前記加工の進度に対応する深さ情報を付帯させ、
   前記深さ情報を持つ前記表面像を用いて三次元データを形成することを特徴とする分析方法。
5. 請求項１に記載の分析方法であって、
   前記イオン液体を含む液状媒体の量を前記試料の観察または分析中に調整できることを特徴とする分析方法。
6. イオン源と、前記イオン源から発生したイオンビームを集束して試料上を走査するイオンビーム照射系と、前記試料を載置するステージと、質量分析器と、制御部と、真空容器と、二次粒子検出器とを備え、
   前記イオン源はガス電界電離イオン源または液体金属イオン源であって、
   前記試料上を覆うイオン液体を含む液状媒体により前記試料のスパッタ粒子が原子または分子またはその両方となるように制御され、
   前記イオンビームの走査と同期して前記質量分析器にて検出された信号と位置情報とを対応付けて前記試料における質量分布を表す二次元像を形成し、
   前記イオンビームを照射して発生する二次電子を前記二次粒子検出器によって検出して前記試料の表面像を取得することを特徴とするイオンビーム装置。
7. 請求項６に記載のイオンビーム装置であって、
   前記イオンビームによるスパッタリング現象を用いて前記試料を深さ方向に加工し、前記質量分布を表す二次元像または前記表面像に前記加工の進度に対応する深さ情報を付帯させ、
   前記深さ情報を持つ前記質量分布を表す二次元像を用いて三次元の質量毎の立体像を形成し、または前記深さ情報を持つ前記表面像を用いて三次元データを形成することを特徴とするイオンビーム装置。
8. 請求項６に記載のイオンビーム装置であって、
   前記イオンビーム装置は液状媒体供給手段を備え、
   前記イオン液体を含む液状媒体の量を調整し、または前記イオン液体を含む液状媒体を補充することを特徴とするイオンビーム装置。