JP3762993B2 - 原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法および原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡 - Google Patents
原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法および原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を、試料表面の観察と同時に行なうことのできる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法、およびそのための原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査プローブ顕微鏡法とは、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）を用いて、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査することで、試料表面の凹凸形状を観察する方法である。
【０００３】
ＳＰＭの例としては、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ:Atomic Force Microscope）や、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ:Scanning Tunneling Microscope）が挙げられる。
【０００４】
ＡＦＭでは、ピエゾ素子等を利用して３次元的に微小に操作される試料表面に対して、振動する微小な板状のレバーの先端に取り付けられた、先端が先鋭化された微小なプローブを試料表面に接近させて、プローブと試料表面との間に生じる原子間力をレバーの固有振動数の変化として検出する。そしてプローブと試料とを２次元的に走査しつつ、原子間力による振動数の変化が一定になるようにプローブと試料との間隔を調整し、その間隔を調整する場合にピエゾ素子に印加する電圧に基づいて、試料表面の原子間力を反映した凹凸形状が測定される。
【０００５】
このとき、原子間力は１０分の数ｎｍの間隔で変化するため、ＡＦＭを用いれば、試料表面の原子間力を反映した凹凸形状を原子レベルで観察することができる。
【０００６】
ＳＴＭでは、ピエゾ素子等を利用して３次元的に微小に走査される試料に対して、導電性の針状のプローブを接近させて、プローブと試料との間に流れる微小なトンネル電流に基づいて、試料表面の電子状態を反映した凹凸形状が測定される。
【０００７】
近年では、ＳＰＭと他の分析機器とを組み合わせた様々な複合装置も開発されている。このような複合装置として、例えば、ＳＰＭおよび試料内部から放出される二次電子の検出を行なう走査電子顕微鏡（ＳＥＭ:Scanning Electron Microscope)を組み合わせた装置が挙げられる（非特許文献１を参照）。
【０００８】
【非特許文献１】
http://www.omicron.de/products/gemini/nanoprobe-gemini.html
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の走査プローブ顕微鏡法では、観察している試料表面の凹凸形状を構成する元素の種類を同定することはできないという問題がある。また上述したように、様々な複合装置が開発されているが、これまでに上記の問題を解決できるものは開発されていない。
【００１０】
そこで本発明は、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を、試料表面の観察と同時に行なうことのできる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法、およびそのための原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにし、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程と、形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出工程とを含むとともに、上記２つの工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査工程とを同時に行なうことを特徴としている。
【００１２】
上記の構成によれば、プローブの先端と試料表面との間の距離を１０分の数ｎｍとすることで、試料表面を構成する原子は、プローブの先端を構成する原子の電子軌道と重なる電子軌道を持つ。このようなときに、プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加して、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成させると、形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移する。そしてこれにより、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーが放出される。
【００１３】
試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーは、プローブの先端を構成する原子および試料表面を構成する原子元素の組み合わせや、プローブ、あるいは試料表面に印加するバイアス電圧によって決定される。したがって、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出すれば、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００１４】
また上記の構成によれば、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔が形成されると、直ちにこの空孔準位より浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が遷移する。したがって、空孔形成工程と、走査工程とを同時に行なう、あるいは、検出工程と走査工程とを同時に行なうことで、観察している試料表面を構成する元素の種類の同定を、試料表面の観察と同時に行なうことができる。
【００１５】
また、本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにし、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、プローブの先端を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程と、形成された空孔準位よりも浅い、試料表面を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子がプローブの先端を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出工程とを含むとともに、上記２つの工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査工程とを同時に行なうことを特徴としている。
【００１６】
これによれば、形成された空孔準位よりも浅い、試料表面を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が、プローブの先端を構成する原子の内殻準位に形成された空孔に遷移することで、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーが放出される。このようにして放出される原子間遷移エネルギーは、プローブの先端を構成する原子および試料表面を構成する原子元素の組み合わせや、プローブ、あるいは試料表面に印加するバイアス電圧によって決定される。それゆえ、この原子間遷移エネルギーを検出することで、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００１７】
また、本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、上記プローブは試料表面に周期的に近接させる構成であって、上記検出工程では、上記プローブが試料表面に近接する周期（周波数）に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行なうことを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、空孔形成工程では、電子線またはＸ線を照射することでエネルギーを印加することを特徴としている。
【００１９】
上記の構成によれば、電子線やＸ線を照射することでエネルギーを印加すれば、原子間オージェ電子および/または原子間特性Ｘ線が、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーとして放出される。
【００２０】
原子間オージェ電子の運動エネルギーや、原子間特性Ｘ線のエネルギー（波長）は、プローブの先端を構成する原子および試料表面を構成する原子元素の組み合わせや、プローブ、あるいは試料表面に印加するバイアス電圧によって決定される。したがって、上記の構成によれば、原子間オージェ電子の運動エネルギー、あるいは、原子間特性Ｘ線のエネルギーを検出することで、試料表面を構成する原子のうち、プローブ先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００２１】
また、本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、走査工程で、プローブまたは試料表面にバイアス電圧を周期的に印加することを特徴としている。
【００２２】
一般に、物質に電子線あるいはＸ線を照射することでエネルギーを印加した場合、原子内オージェ電子や原子内特性Ｘ線が、原子内遷移エネルギーとして放出される。したがって、本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法において、プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加すれば、プローブを構成する原子および試料表面を構成する原子から、原子内遷移エネルギーが、原子間遷移エネルギーとともに放出される。
【００２３】
ここで、プローブ、あるいは試料表面に、バイアス電圧を周期的に印加すれば、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーのみを周期的に変化させることができるので、ノイズ強度に対する信号強度の比率をより良くして、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを効率よく検出することができる。
【００２４】
また、本発明では、原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供する。本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測する計測手段と、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査手段と、試料表面の凹凸形状を観察する観察手段と、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させ、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにする近接手段と、試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接したプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加する印加手段と、プローブに対して試料表面を相対的に走査しているときに、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子といった、異なる原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出手段とを備えていることを特徴としている。
【００２５】
上記の構成によれば、試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接したプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加して、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子といった、異なる原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを、プローブに対して試料表面を相対的に走査しながら検出することができる。これによれば、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を試料表面の観察と同時に行なうことのできる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができる。
【００２６】
また本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、上記プローブは試料表面に周期的に近接させる構成であって、上記検出手段は、上記プローブが試料表面に近接する周期（周波数）に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行なうものであることを特徴としている。
【００２７】
また本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、エネルギーの印加手段が、電子銃またはＸ線発生装置であることを特徴としている。
【００２８】
上記の構成によれば、電子線あるいはＸ線を照射することで、エネルギーを印加する原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができる。
【００２９】
また、本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、プローブまたは試料表面にバイアス電圧を周期的に印加するバイアス印加手段をさらに備えることを特徴としている。
【００３０】
一般に、物質に電子線あるいはＸ線を照射することでエネルギーを印加した場合、原子内オージェ電子や原子内特性Ｘ線が原子内遷移エネルギーとして放出される。したがって、印加手段によってプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加すれば、プローブを構成する原子および試料表面を構成する原子から、原子内遷移エネルギーが、原子間遷移エネルギーとともに放出される。
【００３１】
ところで、原子間遷移エネルギーは、プローブまたは試料表面に印加するバイアス電圧によって決定される。そこで、プローブ、または試料表面に、バイアス電圧を周期的に印加すれば、原子間遷移エネルギーのみを周期的に変化させることができるので、ノイズ強度に対する信号強度の比率をより良くして、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを効率よく検出することができる。それゆえ、プローブ、あるいは試料表面にバイアス電圧を周期的に印加するバイアス印加手段をさらに備えることで、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を効率よく行なえる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について、図１〜図５に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３３】
まず、本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法の説明を行なう前に、本発明がどのような原理に基づいて発案されたかについて説明する。
【００３４】
＜原子内遷移エネルギーについて＞
試料表面を構成する原子の内殻準位に存在する電子、すなわち内殻電子を励起するエネルギー（以下、このエネルギーを「励起エネルギー」という）を試料表面に印加すると、内殻準位には空孔が形成される。このとき、形成された空孔準位よりも浅い、同原子内の内殻準位または価電子帯にある電子が、内殻準位に形成された空孔を満たすために遷移してくるが、その際に、真空中にエネルギーが、オージェ電子や特性Ｘ線などの形態で放出される。このようにして放出されるエネルギーは、原子内で生じる電子遷移に基づくことから、ここでは、「原子内遷移エネルギー」という。
【００３５】
原子内遷移エネルギーは、試料表面を構成する原子元素の種類によって異なる。したがって、原子内遷移エネルギーを調べれば、試料表面を構成する原子の元素の種類を同定することができる。
【００３６】
例えば、電子線やＸ線を照射して、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成すれば、空孔が形成された内殻準位よりも浅い、同原子内の内殻準位または価電子帯の電子が、内殻準位に形成された空孔に遷移することによって、原子内オージェ電子および/または原子内特性Ｘ線が、原子内遷移エネルギーとして放出される。
【００３７】
原子内オージェ電子の運動エネルギーや、原子内特性Ｘ線のエネルギー（波長）は、試料表面を構成する原子の元素の種類によって異なる。そこで、原子内オージェ電子の運動エネルギー、あるいは原子内特性Ｘ線のエネルギーを調べれば、試料表面を構成する原子の元素の種類を同定することができる。
【００３８】
＜原子間遷移エネルギーについて＞
ここで、試料表面から１０分の数ｎｍの距離に、他の原子（以下、この原子を「原子Ａ」と呼ぶ）が存在しているときに、試料表面にエネルギーを印加することによって、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔が形成された場合を考える。
【００３９】
試料表面から１０分の数ｎｍの距離に原子Ａがあれば、試料表面を構成する原子の電子軌道と、原子Ａの電子軌道とが重なることになる。このように互いの電子軌道が重なっているときに、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔が形成されると、この空孔が形成された内殻準位よりも、より浅いエネルギーをもつ、原子Ａ側の内殻準位または価電子帯に存在する電子が、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔を満たすために遷移する。そしてこの電子の遷移によって、エネルギーが放出される。このとき放出されるエネルギーは、試料表面を構成する原子と、原子Ａといった、異なる原子間での電子の遷移によって生じることから、ここでは、「原子間遷移エネルギー」という。
【００４０】
原子間遷移エネルギーは、試料表面を構成する原子および原子Ａの元素の組み合わせによって決まる、ある特定のエネルギーをもっている。そのため、その特定のエネルギーを計測すれば、試料表面を構成する原子のうち、原子Ａと重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００４１】
例えば、試料表面を構成する原子の電子軌道と、原子Ａの電子軌道とが重なっているときに、電子線やＸ線を照射して、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成すれば、形成された空孔準位よりも浅い、原子Ａの内殻準位または価電子帯の電子が試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔に遷移することで、原子間オージェ電子および/または原子間特性Ｘ線が、原子間遷移エネルギーとして放出される（このとき、放出される原子間オージェ電子と原子間特性Ｘ線との強度比率は、様々な条件に依存する）。
【００４２】
原子間オージェ電子の運動エネルギーや、原子間特性Ｘ線のエネルギー（波長）は、試料表面を構成する原子および原子Ａの原子元素の種類によって異なる。そこで、原子間オージェ電子の運動エネルギーや、原子間特性Ｘ線のエネルギーを調べれば、原子Ａと重なる電子軌道をもつ、試料表面上の局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００４３】
本発明は、このように、異なる種類の原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを利用したものである。以下、本実施形態にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法、および原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡について、具体的に説明する。
【００４４】
＜原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法について＞
本実施形態にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程と、形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出する検出工程とを含むとともに、上記２つの工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査工程とを同時に行なう構成である。なお、本実施形態において、上述した「空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位」とは、プローブの先端を構成する原子内の複数の内殻準位のうち、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔の空孔準位よりも電子エネルギーのより高い（真空準位側に向かう方向）内殻準位、言い換えれば、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔の空孔準位よりも束縛エネルギーのより浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位を示している。
【００４５】
本実施形態において、プローブを構成する材質は、特に限定されるものではない。例えば、走査工程において、物性値としてプローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力を計測する場合には、プローブを電気伝導体から構成すればよく、具体的には、金属コートのシリコンなどを用いることができる。
【００４６】
また、走査工程において、物性値としてプローブと試料表面との近接相互作用によって決定されるトンネル電流を計測する場合には、プローブを電気伝導体から構成すればよい。このとき電気伝導体として、例えば、白金・イリジウム（Ｐｔ-Ｉｒ）を使用すればよい。
【００４７】
プローブの曲率半径は、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度とすればよく、特に限定されるものではない。
【００４８】
また、本実施形態において、試料表面としては、電荷移動によってチャージアップしない程度の導電性を有する表面物質を用いればよい。
【００４９】
本実施形態では、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離（いわゆる結晶の原子間距離程度）に近接させる。このとき、プローブの先端と試料表面との間の距離が、０．２ｎｍ〜０．３ｎｍの範囲内になることがより好ましい。これによって、プローブの先端を構成する原子の電子軌道と、試料表面を構成する原子の電子軌道とが重なる。
【００５０】
このようにプローブの先端と試料表面とを近接させて、図１に示すように、プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加して、試料表面を構成する原子の内殻準位に存在する電子（内殻電子）を励起するとともに、この内殻準位に空孔を形成する。
【００５１】
試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔には、形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が遷移する。そしてこれにより試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーが放出される。
【００５２】
本実施形態では、上述のようにして放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出する。原子間遷移エネルギーの検出には、分析器（アナライザー）を用いればよい。
【００５３】
このようにして放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーは、試料表面およびプローブ先端を構成する原子内で生じる電子遷移によって放出される原子内遷移エネルギーとは異なるエネルギーを有している。また、原子間遷移エネルギーは、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子の元素の組み合わせや、プローブ、あるいは試料表面に印加するバイアス電圧に依存する。
【００５４】
なお、本実施形態では、同原子内、すなわち試料表面を構成する原子内の、形成された空孔準位よりも浅い内殻準位または価電子帯にある電子が、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔を満たすために遷移してくることで、試料表面原子内遷移エネルギーが放出される。
【００５５】
また、エネルギーを印加することで、プローブを構成する原子の内殻準位にも空孔が形成され、この空孔には、プローブを構成する原子内の、プローブを構成する原子に形成された空孔準位よりも浅い内殻準位または価電子帯にある電子が遷移してくる。そしてこれによりプローブ先端原子内遷移エネルギーが放出される。
【００５６】
試料表面原子内遷移エネルギーおよびプローブ先端原子内遷移エネルギーは、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーとともに放出されるため、原子間遷移エネルギーを判別するのが困難になる虞がある。ここで、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーは、プローブまたは試料表面に印加するバイアス電圧によって決定されることから、本実施形態では、プローブ、または試料表面に、バイアス電圧を周期的に印加させる。そうすれば、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーのみが周期的に変化するので、試料表面原子内遷移エネルギーおよびプローブ先端原子内遷移エネルギーと、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーとを分離することで、ノイズ強度に対する信号強度の比率をより良くすることができる。そしてこれにより、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを効率よく検出することができる。
【００５７】
また、プローブを試料表面に周期的に近接させる構成とすれば、原子間遷移エネルギーは、プローブが試料表面に近接したときのみ放出される。そこで、プローブが試料表面に近接する周期（周波数）に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行なうようにすれば、より高感度で、原子間遷移エネルギーを検出することができる。
【００５８】
なお、本実施形態では、例えば電子線やＸ線を照射することで、エネルギーを印加することができる。電子線やＸ線のエネルギーは、特に限定されるものではないが、１ｋｅＶ以上が好ましい。また、電子線やＸ線のビーム径は、数十μｍ以下が最も望ましいが、１ｍｍ以下であればよく、特に限定されるものではない。
【００５９】
電子線やＸ線を照射すると、試料表面を構成する原子の内殻準位に存在する電子が励起されるとともに、内殻準位には空孔が形成される。そしてこの空孔に、形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯に存在する電子が遷移し、これによって原子間オージェ電子および/または原子間特性Ｘ線が、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーとして放出される。本実施形態では、放出される原子間オージェ電子の運動エネルギー、あるいは、原子間特性Ｘ線のエネルギー（波長）を検出する。
【００６０】
図２に、電子線やＸ線の照射によって、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔が形成されたときに、この空孔に、試料表面を構成する原子の価電子帯から電子が遷移してくるときと、プローブの先端を構成する原子の価電子帯から電子が遷移してくるときとの、それぞれの場合を示す電子エネルギーダイアグラムを示す。
【００６１】
同図に示すように、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔に、試料表面を構成する原子の価電子帯から電子が遷移してくることで、運動エネルギー（Ｅｋ１）を有する原子内オージェ電子が放出される。
【００６２】
一方で、上記空孔に、プローブの先端を構成する原子の価電子帯から電子が遷移してくると、運動エネルギー（Ｅｋ２）を有する原子間オージェ電子が放出される。これら、原子内オージェ電子（Ｅｋ１）、原子間オージェ電子（Ｅｋ２）は、それぞれ、図３に示すように、異なる運動エネルギーを有している。また、原子間オージェ電子の運動エネルギーは、プローブを構成する原子と試料表面を構成する原子との原子元素の組み合わせや、プローブに印加するバイアス（Ｖｓ）に依存する。そのため、原子内オージェ電子の運動エネルギー（Ｅｋ１）と、原子間オージェ電子の運動エネルギー（Ｅｋ２）とを判別することができる。したがって、原子間オージェ電子の運動エネルギーを検出すれば、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００６３】
ここでは図示しないが、電子線やＸ線を照射することで放出される原子間特性Ｘ線は、原子内特性Ｘ線のエネルギーと異なるエネルギーを有している。そしてまた、原子間特性Ｘ線のエネルギーは、プローブ原子と試料表面原子との組み合わせや、プローブに印加するバイアス（Ｖｓ）に依存する。それゆえ、原子内特性Ｘ線のエネルギーと、原子間特性Ｘ線のエネルギーとを判別することができる。したがって、原子間特性Ｘ線のエネルギーを検出すれば、試料表面を構成する原子のうち、プローブ先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００６４】
本実施形態によれば、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔が形成されると、直ちにこの空孔へとプローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が遷移する。したがって、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍ距離に近接させて、このプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程、あるいは、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される原子間遷移エネルギーを検出する検出工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブに対して試料表面を相対的に走査させる走査工程とを同時に行なえば、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を、試料表面の観察と同時に行なうことができる。
【００６５】
このようなことから、本実施形態にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法によれば、試料表面を構成する原子一つ一つを、元素を区別しながら観察することができる。それゆえ、本実施形態にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法を、例えば、ナノメータースケールに細線化した、半導体表面パターンの評価に利用することができる。
【００６６】
また例えば、アトミック・マニュピュレーションの技術を利用して、少量ではあるが、機能性のある任意の分子や、クラスターを将来的に作成することもできると考えられる。
【００６７】
なお、本実施形態にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法の「空孔形成工程」、「検出工程」を、それぞれ、「プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、プローブの先端を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程」、「形成された空孔準位よりも浅い、試料表面を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子がプローブの先端を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出する検出工程」としてもよい。
【００６８】
この場合には、プローブの先端を構成する内殻準位に形成された空孔準位よりも浅い、試料表面を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が、プローブの先端を構成する原子の内殻準位に形成された空孔に遷移し、これにより試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーが放出される。そこで、この原子間遷移エネルギーを検出すれば、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００６９】
＜原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡について＞
次に、本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡について説明する。本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、図４に示すように、主として、計測手段（図示せず）と、走査手段１と、観察手段（図示せず）と、近接手段（図示せず）と、印加手段２と、検出手段３とを備えて構成されている。
【００７０】
計測手段は、走査手段１の備えるプローブ４と、該走査手段１の図示しない試料ステージに搭載される試料５表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測するものである。走査手段１は、プローブ４に対して、試料５表面を相対的に走査するものである。観察手段は、試料５表面の凹凸形状を観察するものである。
【００７１】
近接手段は、プローブ４の先端を試料５表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させるものである。印加手段２は、試料５表面から１０分の数ｎｍの距離に近接したプローブ４の先端および試料表面にエネルギーを印加するものである。
【００７２】
検出手段３は、プローブ４に対して試料５表面を相対的に走査しているときに、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子といった、異なる原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出するものである。検出手段３としては、分析器（アナライザー）を用いればよい。
【００７３】
なお、本実施形態では、印加手段２および検出手段の位置は、必要に応じて適宜、調節可能に設けられているものとする。
【００７４】
本実施形態において、印加手段２としては、特に限定されているものではない。したがって、印加手段２として、例えば、電子銃、あるいはＸ線発生装置を用いることができる。
【００７５】
このような構成において、試料５表面に対して、プローブ４の先端が１０分の数ｎｍの距離に近接したときに、印加手段２を介してプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加する。そして、エネルギーの印加によって、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子といった、異なる原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを、検出手段３で検出する。このとき、プローブ４に対して試料５表面を相対的に走査しながら、原子間遷移エネルギーを検出するので、観察している試料５表面を構成する原子のうち、プローブを構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を、試料５表面の観察と同時に行なうことができる。
【００７６】
本実施形態では、上述した構成に加えて、さらに、プローブ４または試料５表面に、バイアス電圧を周期的に印加するバイアス印加手段（図示せず）を備える構成とすることが好ましい。
【００７７】
原子間遷移エネルギーは、プローブ４を構成する原子と試料５表面を構成する原子との原子元素の組み合わせだけではなく、プローブ４、または試料５表面に印加するバイアス電圧によっても決定されるので、プローブ４または試料５表面にバイアス電圧を周期的に印加すれば、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーのみが周期的に変化する。これによれば、ノイズ強度に対する信号強度の比率をより良くして、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを効率よく検出することができる。このようにすれば、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を効率よく行なえる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができる。
【００７８】
以上のように、本実施形態の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡によれば、原子間遷移エネルギーを検出しながら、プローブ４に対して試料５表面を相対的に走査することで、試料５表面の凹凸形状を原子レベルで観察できるとともに、その凹凸形状を構成する原子の元素の種類を同定することのできる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡とすることができる。
【００７９】
【実施例】
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。
【００８０】
図５は、本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡の一例として、原子間オージェ分析走査プローブ顕微鏡の構成を概略的に示している。
【００８１】
同図に示すように、原子間オージェ分析走査プローブ顕微鏡は、内部が真空状態とされる真空容器１０内に設置された試料操作部４０、該試料操作部４０に対向して配置されたプローブ部５０、プローブ部５０および試料操作部４０に焦点をもつ電子線源部２０、該電子線源部２０に対向して配置された蛍光板部６０、および電子分光部８０を有している。
【００８２】
プローブ部５０および試料操作部４０は、真空容器１０内に配置された支持台１１上に保持されている。支持台１１は、真空容器１０の外部より操作できる動作伝達機構を備えたＸＹＺステージ１２上に保持されている。
【００８３】
プローブ部５０には、短冊形のレバー部５１ａ先端に突起部５１ｂを持つカンチレバー５１が設けられている。カンチレバー５１を保持するカンチレバーホルダ５２には、ピエゾ素子５３が設置されている。このピエゾ素子５３に交流電圧を印加することにより、カンチレバー５１のレバー部５１ａを振動させることができる。
【００８４】
試料操作部４０には、表面観察および元素分析が行なわれる試料４１が載置され、試料４１を固定する試料ステージ４２が、円筒状の走査ピエゾ素子４３上に保持されている。走査ピエゾ素子４３は、進退駆動部４４内に配置されており、進退駆動部４４はその下部に設置された試料ステージ台４５にシェアピエゾ４６を介して載置されている。
【００８５】
試料ステージ台４５に載置された進退駆動部４４は、シェアピエゾ４６による電歪効果に基づいて数ｍｍにわたり、プローブ部５０に対して接近あるいは離れる方向に移動する。
【００８６】
試料ステージ４２を保持している走査ピエゾ４３は、そのもう一端を進退駆動部４４に保持されている。走査ピエゾ４３は、試料ステージ４２を試料面鉛直方向であるＺ方向に移動させるＺ方向移動用ピエゾ素子（不図示）と、試料ステージ４２を試料面内方向であるＸ−Ｙ方向に移動させるＸ方向移動用ピエゾ素子（不図示）、およびＹ方向移動用ピエゾ素子（不図示）によって構成されている。これらのピエゾ素子は電圧の制御による電歪効果によって、試料４１とカンチレバー５１の相対位置を、３次元的に制御することができる。
【００８７】
真空容器１０には、試料４１およびカンチレバー５１に向かい、電子線源部２０が配置されている。
【００８８】
電子線源部２０に対向する位置には、電子線源部２０から放出され、試料４１およびカンチレバー５１周辺を通過した電子線を光信号に変換する蛍光板部６０が配置され、電子線の通過位置を視覚的に感知することができる。
【００８９】
真空容器１０には、試料４１およびカンチレバー５１に向かい、電子検出部７０が配置されている。電子検出部７０は、スリット７１、引き込み電極７２、光電子増倍管７３を有している。電子線源部２０より放出された電子は、試料４１あるいはカンチレバー５１に衝突する。このとき、試料４１あるいはカンチレバー５１から放出さる２次電子はスリット７１を通過し、引き込み電極７２により加速され、光電子増倍管７３に進入する。光電子増倍管７３に進入した電子は、１０６倍程度に増幅され、電気信号として検出される。
【００９０】
真空容器１０には、電子分光部８０が、試料４１およびカンチレバー５１に向かい配置されている。電子分光部８０は、スリット８１、電子引き込み部８２、エネルギー分光部８３、および電子検出部８４から構成されている。試料４１およびカンチレバー５１から放出された電子は、スリット８１を通過し、電子引き込み部８２内で収束され、エネルギー分光部８３に進入する。エネルギー分光部８３は半球状の外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂにより構成されている。エネルギー分光部８３に進入した電子は、外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂの間の真空空間を飛行し、外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂの電位差により進行方向を変えられ、特定の運動エネルギーで進入した電子のみが、外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂに衝突することなく、電子検出部８４に進入する。エネルギー分光部８３を通過し、電子検出部８４に進入する電子の運動エネルギーは、外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂの電位差により選択できる。
【００９１】
このような構成の原子間オージェ分析走査プローブ顕微鏡は、試料ステージ４２上に配置された試料４１表面の形状を、試料４１表面およびカンチレバー５１先端部との間で働く原子間力による、カンチレバー５１の共鳴周波数の変化に基づいて測定することができるとともに、試料４１およびカンチレバー５１から放出されるオージェ電子による元素分析も可能になっている。
【００９２】
原子間力に基づいて試料４１の表面を測定する場合は、試料４１は試料ステージ４２上に載置されて保持されている。
【００９３】
カンチレバー５１は、交流電圧を印加することにより、電歪効果により周期的な振動を発生するピエゾ素子５３を備えた、カンチレバーホルダ５２に保持されている。
【００９４】
カンチレバー５１の振動は、図示しない変位検出機構によって電子的な信号に変換され、信号電圧は図示しない増幅回路、および位相調整回路を介し、ピエゾ素子５３に印加される。この電圧によりピエゾ素子５３は振動し、その振動がカンチレバー５１に伝達され、カンチレバー５１からは再び信号電圧が出力される。このような自励発振回路により、カンチレバー５１は、その固有振動数で発振状態となり、振動を続ける。
【００９５】
このような状態でカンチレバー５１の発振周波数を測定しつつ、試料操作部４０に取り付けられた進退駆動部４４を前進させ、試料４１表面をカンチレバー突起部５１ｂに接近させる。
【００９６】
そして、試料４１表面とカンチレバー突起部５１ｂ表面の距離が十分の数ｎｍまで接近されると、試料４１表面とカンチレバー突起部５１ｂ表面間で働く力によって、カンチレバー５１の発振周波数が変化する。そして、この周波数の変化が一定になるように、試料ステージ４２が走査ピエゾ４３によってＺ方向（上下方向）に制御される。このとき、試料４１がプローブ部５０に対して水平に走査されるように、走査ピエゾ４３によって、試料ステージ４２がＸ−Ｙ方向に走査される。
【００９７】
これにより、試料４１表面のＸ−Ｙ座標の各点上でのカンチレバー突起部５１ｂと、試料４１表面の相対的な距離、すなわち試料表面の凹凸が測定される。測定された凹凸は、画像表示装置によって画像表示される。
【００９８】
このように試料４１およびカンチレバー５１に働く力は、両表面を構成する原子間に作用するファンデルワールス力などに基づいており、したがって試料４１表面を原子レベルで測定することができる。
【００９９】
さらに、カンチレバー５１あるいは試料４１表面から放出される原子間オージェ電子を測定する場合には、上述の場合と同様、カンチレバー５１は発振状態で試料４１表面に接近している。
【０１００】
このような状態で、電子線源２０から、試料４１およびカンチレバー５１先端に向かい、電子線を照射する。このとき、蛍光板部６０に投影される電子線の影を観察するか、あるいは電子検出部７０に進入する２次電子強度を観察する、もしくはカンチレバー５１に電子が照射されることにより流れる電流を検出することにより、電子線源部２０から放出された電子線を、カンチレバー５１先端および試料４１表面に集中的に照射するよう調整する。
【０１０１】
試料４１表面に照射された電子線は、試料４１中の原子の内殻電子を励起してオージェ過程を誘発し、試料４１からはオージェ電子が放出される。
【０１０２】
試料４１から放出されたオージェ電子の一部はスリット８１および電子引き込み部８２を通過し、エネルギー分光部８３に進入する。
【０１０３】
エネルギー分光部８３の外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂには、それぞれ適当な電圧が印加されており、両者電極間には電界が形成されている。エネルギー分光部８３に進入したオージェ電子の軌道は、上述電界内で曲げられ、所定のエネルギーを有するオージェ電子のみが、電子検出部８４に進入する。このことにより、試料４１から放出されるオージェ電子のエネルギー分析が可能になる。
【０１０４】
このように、検出されるオージェ電子は、電子線照射位置全域から放出されたオージェ電子であり、したがって、観察領域の平均的な元素分析が可能である。
【０１０５】
さらに、カンチレバー５１による試料４１表面の観察を行なう場合、カンチレバー５１は試料４１上で振動しているため、カンチレバー５１先端は周期的に試料４１表面に接近する。このとき、カンチレバー５１の振幅は数十ｎｍであり、最近接時は、試料４１表面に１０分の数ｎｍまで接近する。
【０１０６】
このような状態で、試料４１表面の観察位置に電子線源部２０より電子線を照射すると、試料４１に照射された電子線は試料４１の原子の内殻電子を励起し、試料４１の原子の内殻準位に空孔を生じさせる。このときカンチレバー５１先端が１０分の数ｎｍまで接近していると、カンチレバー５１先端の外殻電子（価電子）が試料４１の原子の内殻準位に生じた空孔に供給される。このときカンチレバー５１から原子間の電子の授受により生成するオージェ電子、すなわち原子間オージェ電子が放出される。そのエネルギーは、カンチレバー５１の元素と試料表面の元素の組み合わせにより決定される。
【０１０７】
さらにこのとき、試料４１あるいはプローブ部５１にバイアス電圧を印加することにより、前記原子間オージェ電子のエネルギーは、バイアス電圧に依存して変化する。これにより、試料４１、およびカンチレバー５１内でおこる原子内オージェ電子と、前記オージェ電子を分離して検出することができる。
【０１０８】
このような原子間オージェ過程は、カンチレバー５１先端と試料４１表面の原子間のみで起こるため、原子間オージェ電子を測定することにより、カンチレバー５１による試料４１の表面構造観察点の元素分析を、原子レベルの空間分解能で測定することができる。
【０１０９】
また、上述の原子間オージェ電子は、カンチレバー５１が試料４１表面に周期的に数オングストロームまで接近するときのみ生成する。したがって電子分光部８０における検出をカンチレバー５１の発振周波数に同期させることにより、高感度での検出が可能である。
【０１１０】
電子分光部８０の外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂには、上述の原子間オージェ電子がもつエネルギーの電子がエネルギー分光部８３を通過できるような所定の電圧を印加し、前述のカンチレバー５１による表面形状観察を行いながら、電子分光部８０の電子検出部８４にて検出される電子の強度を画像化することにより、試料４１表面における表面構造の観察と、特定元素の濃度分布を同時に観察することができる。
【０１１１】
【発明の効果】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、以上のように、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにし、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程と、形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出工程とを含むとともに、上記２つの工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査工程とを同時に行なう構成である。
【０１１２】
また、本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、以上のように、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにし、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、プローブの先端を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程と、形成された空孔準位よりも浅い、試料表面を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子がプローブの先端を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出工程とを含むとともに、上記２つの工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査工程とを同時に行なう構成である。
【０１１３】
それゆえ、プローブを構成する原子と試料表面を構成する原子との原子元素の組み合わせや、プローブ、または試料表面に印加するバイアス電圧によって決まる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを利用することで、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を、試料表面の観察と同時に行なうことができるという効果を奏する。
【０１１４】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、以上のように、上記プローブは試料表面に周期的に近接させる構成であって、上記検出工程では、上記プローブが試料表面に近接する周期（周波数）に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行 なう構成である。
【０１１５】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、以上のように、空孔形成工程では、電子線またはＸ線を照射することでエネルギーを印加する構成である。
【０１１６】
これによれば、原子間遷移エネルギーとして放出される原子間オージェ電子、あるいは原子間特性Ｘ線のエネルギーを検出することで、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を行なうことができるという効果を奏する。
【０１１７】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、以上のように、走査工程で、プローブまたは試料表面にバイアス電圧を周期的に印加する構成である。
【０１１８】
それゆえ、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーのみを周期的に変化させることができるので、ノイズ強度に対する信号強度の比率をより良くして、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを効率よく検出することができるという効果を奏する。
【０１１９】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、以上のように、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測する計測手段と、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査手段と、試料表面の凹凸形状を観察する観察手段と、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させ、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにする近接手段と、試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接したプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加する印加手段と、プローブに対して試料表面を相対的に走査しているときに、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子といった、異なる原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出手段とを備えている構成である。
【０１２０】
それゆえ、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を、試料表面の観察と同時に行なうことのできる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができるという効果を奏する。
【０１２１】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、以上のように、上記プローブは試料表面に周期的に近接させる構成であって、上記検出手段は、上記プローブが試料表面に近接する周期（周波数）に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行なう構成である。
【０１２２】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、以上のように、エネルギーの印加手段が、電子銃またはＸ線発生装置である構成である。
【０１２３】
それゆえ、電子線あるいはＸ線を照射することで、エネルギーを印加する原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができるという効果を奏する。
【０１２４】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、以上のように、プローブまたは試料表面に、バイアス電圧を周期的に印加するバイアス印加手段をさらに備える構成である。
【０１２５】
それゆえ、原子間遷移エネルギーのみを周期的に変化させることができるので、ノイズ強度に対する信号強度の比率をより良くして、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを効率よく検出することができる。それゆえ、試料表面を構成する元素の種類の同定を効率よく行なえる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法において、プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加しているときの、プローブおよび試料表面の様子を示す図である。
【図２】 試料表面を構成する原子、およびプローブを構成する原子の電子エネルギーダイアグラムを示す図である。
【図３】 放出される電子エネルギーに対する、原子内オージェ電子、および原子間オージェ電子それぞれの運動エネルギー（信号強度）を示すグラフである。
【図４】 本発明の実施の一形態にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示す正面図である。
【図５】 実施例に示す原子間オージェ分析走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１ 走査手段
２ 印加手段
３ 検出手段
４ プローブ
５ 試料
１０ 真空容器
１１ 支持台
１２ ＸＹＺステージ
２０ 電子線源部
４０ 試料操作部
４１ 試料
４２ 試料ステージ
４３ 走査ピエゾ
４４ 進退駆動部
４５ 試料ステージ台
４６ シェアピエゾ
５０ プローブ部
５１ カンチレバー
５２ カンチレバーホルダ
５３ ピエゾ素子
６０ 蛍光板部
６１ 蛍光板
７０ 電子検出部
７１ スリット
７２ 引き込み電極
７３ 光電子増倍管
８０ 電子分光部
８１ スリット
８２ 電子引き込み部
８３ エネルギー分光部
８４ 電子検出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を、試料表面の観察と同時に行なうことのできる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法、およびそのための原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査プローブ顕微鏡法とは、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）を用いて、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査することで、試料表面の凹凸形状を観察する方法である。
【０００３】
ＳＰＭの例としては、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ:Atomic Force Microscope）や、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ:Scanning Tunneling Microscope）が挙げられる。
【０００４】
ＡＦＭでは、ピエゾ素子等を利用して３次元的に微小に操作される試料表面に対して、振動する微小な板状のレバーの先端に取り付けられた、先端が先鋭化された微小なプローブを試料表面に接近させて、プローブと試料表面との間に生じる原子間力をレバーの固有振動数の変化として検出する。そしてプローブと試料とを２次元的に走査しつつ、原子間力による振動数の変化が一定になるようにプローブと試料との間隔を調整し、その間隔を調整する場合にピエゾ素子に印加する電圧に基づいて、試料表面の原子間力を反映した凹凸形状が測定される。
【０００５】
このとき、原子間力は１０分の数ｎｍの間隔で変化するため、ＡＦＭを用いれば、試料表面の原子間力を反映した凹凸形状を原子レベルで観察することができる。
【０００６】
ＳＴＭでは、ピエゾ素子等を利用して３次元的に微小に走査される試料に対して、導電性の針状のプローブを接近させて、プローブと試料との間に流れる微小なトンネル電流に基づいて、試料表面の電子状態を反映した凹凸形状が測定される。
【０００７】
近年では、ＳＰＭと他の分析機器とを組み合わせた様々な複合装置も開発されている。このような複合装置として、例えば、ＳＰＭおよび試料内部から放出される二次電子の検出を行なう走査電子顕微鏡（ＳＥＭ:Scanning Electron Microscope)を組み合わせた装置が挙げられる（非特許文献１を参照）。
【０００８】
【非特許文献１】
http://www.omicron.de/products/gemini/nanoprobe-gemini.html
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の走査プローブ顕微鏡法では、観察している試料表面の凹凸形状を構成する元素の種類を同定することはできないという問題がある。また上述したように、様々な複合装置が開発されているが、これまでに上記の問題を解決できるものは開発されていない。
【００１０】
そこで本発明は、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を、試料表面の観察と同時に行なうことのできる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法、およびそのための原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにし、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程と、形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出工程とを含むとともに、上記２つの工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査工程とを同時に行なうことを特徴としている。
【００１２】
上記の構成によれば、プローブの先端と試料表面との間の距離を１０分の数ｎｍとすることで、試料表面を構成する原子は、プローブの先端を構成する原子の電子軌道と重なる電子軌道を持つ。このようなときに、プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加して、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成させると、形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移する。そしてこれにより、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーが放出される。
【００１３】
試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーは、プローブの先端を構成する原子および試料表面を構成する原子元素の組み合わせや、プローブ、あるいは試料表面に印加するバイアス電圧によって決定される。したがって、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出すれば、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００１４】
また上記の構成によれば、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔が形成されると、直ちにこの空孔準位より浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が遷移する。したがって、空孔形成工程と、走査工程とを同時に行なう、あるいは、検出工程と走査工程とを同時に行なうことで、観察している試料表面を構成する元素の種類の同定を、試料表面の観察と同時に行なうことができる。
【００１５】
また、本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにし、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、プローブの先端を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程と、形成された空孔準位よりも浅い、試料表面を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子がプローブの先端を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出工程とを含むとともに、上記２つの工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査工程とを同時に行なうことを特徴としている。
【００１６】
これによれば、形成された空孔準位よりも浅い、試料表面を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が、プローブの先端を構成する原子の内殻準位に形成された空孔に遷移することで、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーが放出される。このようにして放出される原子間遷移エネルギーは、プローブの先端を構成する原子および試料表面を構成する原子元素の組み合わせや、プローブ、あるいは試料表面に印加するバイアス電圧によって決定される。それゆえ、この原子間遷移エネルギーを検出することで、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００１７】
また、本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、上記プローブは試料表面に周期的に近接させる構成であって、上記検出工程では、上記プローブが試料表面に近接する周期（周波数）に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行なうことを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、空孔形成工程では、電子線またはＸ線を照射することでエネルギーを印加することを特徴としている。
【００１９】
上記の構成によれば、電子線やＸ線を照射することでエネルギーを印加すれば、原子間オージェ電子および/または原子間特性Ｘ線が、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーとして放出される。
【００２０】
原子間オージェ電子の運動エネルギーや、原子間特性Ｘ線のエネルギー（波長）は、プローブの先端を構成する原子および試料表面を構成する原子元素の組み合わせや、プローブ、あるいは試料表面に印加するバイアス電圧によって決定される。したがって、上記の構成によれば、原子間オージェ電子の運動エネルギー、あるいは、原子間特性Ｘ線のエネルギーを検出することで、試料表面を構成する原子のうち、プローブ先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００２１】
また、本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、走査工程で、プローブまたは試料表面にバイアス電圧を周期的に印加することを特徴としている。
【００２２】
一般に、物質に電子線あるいはＸ線を照射することでエネルギーを印加した場合、原子内オージェ電子や原子内特性Ｘ線が、原子内遷移エネルギーとして放出される。したがって、本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法において、プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加すれば、プローブを構成する原子および試料表面を構成する原子から、原子内遷移エネルギーが、原子間遷移エネルギーとともに放出される。
【００２３】
ここで、プローブ、あるいは試料表面に、バイアス電圧を周期的に印加すれば、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーのみを周期的に変化させることができるので、ノイズ強度に対する信号強度の比率をより良くして、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを効率よく検出することができる。
【００２４】
また、本発明では、原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供する。本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測する計測手段と、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査手段と、試料表面の凹凸形状を観察する観察手段と、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させ、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにする近接手段と、試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接したプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加する印加手段と、プローブに対して試料表面を相対的に走査しているときに、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子といった、異なる原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出手段とを備えていることを特徴としている。
【００２５】
上記の構成によれば、試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接したプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加して、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子といった、異なる原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを、プローブに対して試料表面を相対的に走査しながら検出することができる。これによれば、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を試料表面の観察と同時に行なうことのできる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができる。
【００２６】
また本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、上記プローブは試料表面に周期的に近接させる構成であって、上記検出手段は、上記プローブが試料表面に近接する周期（周波数）に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行なうものであることを特徴としている。
【００２７】
また本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、エネルギーの印加手段が、電子銃またはＸ線発生装置であることを特徴としている。
【００２８】
上記の構成によれば、電子線あるいはＸ線を照射することで、エネルギーを印加する原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができる。
【００２９】
また、本発明の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、プローブまたは試料表面にバイアス電圧を周期的に印加するバイアス印加手段をさらに備えることを特徴としている。
【００３０】
一般に、物質に電子線あるいはＸ線を照射することでエネルギーを印加した場合、原子内オージェ電子や原子内特性Ｘ線が原子内遷移エネルギーとして放出される。したがって、印加手段によってプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加すれば、プローブを構成する原子および試料表面を構成する原子から、原子内遷移エネルギーが、原子間遷移エネルギーとともに放出される。
【００３１】
ところで、原子間遷移エネルギーは、プローブまたは試料表面に印加するバイアス電圧によって決定される。そこで、プローブ、または試料表面に、バイアス電圧を周期的に印加すれば、原子間遷移エネルギーのみを周期的に変化させることができるので、ノイズ強度に対する信号強度の比率をより良くして、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを効率よく検出することができる。それゆえ、プローブ、あるいは試料表面にバイアス電圧を周期的に印加するバイアス印加手段をさらに備えることで、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を効率よく行なえる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について、図１〜図５に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３３】
まず、本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法の説明を行なう前に、本発明がどのような原理に基づいて発案されたかについて説明する。
【００３４】
＜原子内遷移エネルギーについて＞
試料表面を構成する原子の内殻準位に存在する電子、すなわち内殻電子を励起するエネルギー（以下、このエネルギーを「励起エネルギー」という）を試料表面に印加すると、内殻準位には空孔が形成される。このとき、形成された空孔準位よりも浅い、同原子内の内殻準位または価電子帯にある電子が、内殻準位に形成された空孔を満たすために遷移してくるが、その際に、真空中にエネルギーが、オージェ電子や特性Ｘ線などの形態で放出される。このようにして放出されるエネルギーは、原子内で生じる電子遷移に基づくことから、ここでは、「原子内遷移エネルギー」という。
【００３５】
原子内遷移エネルギーは、試料表面を構成する原子元素の種類によって異なる。したがって、原子内遷移エネルギーを調べれば、試料表面を構成する原子の元素の種類を同定することができる。
【００３６】
例えば、電子線やＸ線を照射して、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成すれば、空孔が形成された内殻準位よりも浅い、同原子内の内殻準位または価電子帯の電子が、内殻準位に形成された空孔に遷移することによって、原子内オージェ電子および/または原子内特性Ｘ線が、原子内遷移エネルギーとして放出される。
【００３７】
原子内オージェ電子の運動エネルギーや、原子内特性Ｘ線のエネルギー（波長）は、試料表面を構成する原子の元素の種類によって異なる。そこで、原子内オージェ電子の運動エネルギー、あるいは原子内特性Ｘ線のエネルギーを調べれば、試料表面を構成する原子の元素の種類を同定することができる。
【００３８】
＜原子間遷移エネルギーについて＞
ここで、試料表面から１０分の数ｎｍの距離に、他の原子（以下、この原子を「原子Ａ」と呼ぶ）が存在しているときに、試料表面にエネルギーを印加することによって、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔が形成された場合を考える。
【００３９】
試料表面から１０分の数ｎｍの距離に原子Ａがあれば、試料表面を構成する原子の電子軌道と、原子Ａの電子軌道とが重なることになる。このように互いの電子軌道が重なっているときに、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔が形成されると、この空孔が形成された内殻準位よりも、より浅いエネルギーをもつ、原子Ａ側の内殻準位または価電子帯に存在する電子が、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔を満たすために遷移する。そしてこの電子の遷移によって、エネルギーが放出される。このとき放出されるエネルギーは、試料表面を構成する原子と、原子Ａといった、異なる原子間での電子の遷移によって生じることから、ここでは、「原子間遷移エネルギー」という。
【００４０】
原子間遷移エネルギーは、試料表面を構成する原子および原子Ａの元素の組み合わせによって決まる、ある特定のエネルギーをもっている。そのため、その特定のエネルギーを計測すれば、試料表面を構成する原子のうち、原子Ａと重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００４１】
例えば、試料表面を構成する原子の電子軌道と、原子Ａの電子軌道とが重なっているときに、電子線やＸ線を照射して、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成すれば、形成された空孔準位よりも浅い、原子Ａの内殻準位または価電子帯の電子が試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔に遷移することで、原子間オージェ電子および/または原子間特性Ｘ線が、原子間遷移エネルギーとして放出される（このとき、放出される原子間オージェ電子と原子間特性Ｘ線との強度比率は、様々な条件に依存する）。
【００４２】
原子間オージェ電子の運動エネルギーや、原子間特性Ｘ線のエネルギー（波長）は、試料表面を構成する原子および原子Ａの原子元素の種類によって異なる。そこで、原子間オージェ電子の運動エネルギーや、原子間特性Ｘ線のエネルギーを調べれば、原子Ａと重なる電子軌道をもつ、試料表面上の局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００４３】
本発明は、このように、異なる種類の原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを利用したものである。以下、本実施形態にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法、および原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡について、具体的に説明する。
【００４４】
＜原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法について＞
本実施形態にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程と、形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出する検出工程とを含むとともに、上記２つの工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査工程とを同時に行なう構成である。なお、本実施形態において、上述した「空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位」とは、プローブの先端を構成する原子内の複数の内殻準位のうち、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔の空孔準位よりも電子エネルギーのより高い（真空準位側に向かう方向）内殻準位、言い換えれば、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔の空孔準位よりも束縛エネルギーのより浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位を示している。
【００４５】
本実施形態において、プローブを構成する材質は、特に限定されるものではない。例えば、走査工程において、物性値としてプローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力を計測する場合には、プローブを電気伝導体から構成すればよく、具体的には、金属コートのシリコンなどを用いることができる。
【００４６】
また、走査工程において、物性値としてプローブと試料表面との近接相互作用によって決定されるトンネル電流を計測する場合には、プローブを電気伝導体から構成すればよい。このとき電気伝導体として、例えば、白金・イリジウム（Ｐｔ-Ｉｒ）を使用すればよい。
【００４７】
プローブの曲率半径は、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度とすればよく、特に限定されるものではない。
【００４８】
また、本実施形態において、試料表面としては、電荷移動によってチャージアップしない程度の導電性を有する表面物質を用いればよい。
【００４９】
本実施形態では、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離（いわゆる結晶の原子間距離程度）に近接させる。このとき、プローブの先端と試料表面との間の距離が、０．２ｎｍ〜０．３ｎｍの範囲内になることがより好ましい。これによって、プローブの先端を構成する原子の電子軌道と、試料表面を構成する原子の電子軌道とが重なる。
【００５０】
このようにプローブの先端と試料表面とを近接させて、図１に示すように、プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加して、試料表面を構成する原子の内殻準位に存在する電子（内殻電子）を励起するとともに、この内殻準位に空孔を形成する。
【００５１】
試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔には、形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が遷移する。そしてこれにより試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーが放出される。
【００５２】
本実施形態では、上述のようにして放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出する。原子間遷移エネルギーの検出には、分析器（アナライザー）を用いればよい。
【００５３】
このようにして放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーは、試料表面およびプローブ先端を構成する原子内で生じる電子遷移によって放出される原子内遷移エネルギーとは異なるエネルギーを有している。また、原子間遷移エネルギーは、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子の元素の組み合わせや、プローブ、あるいは試料表面に印加するバイアス電圧に依存する。
【００５４】
なお、本実施形態では、同原子内、すなわち試料表面を構成する原子内の、形成された空孔準位よりも浅い内殻準位または価電子帯にある電子が、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔を満たすために遷移してくることで、試料表面原子内遷移エネルギーが放出される。
【００５５】
また、エネルギーを印加することで、プローブを構成する原子の内殻準位にも空孔が形成され、この空孔には、プローブを構成する原子内の、プローブを構成する原子に形成された空孔準位よりも浅い内殻準位または価電子帯にある電子が遷移してくる。そしてこれによりプローブ先端原子内遷移エネルギーが放出される。
【００５６】
試料表面原子内遷移エネルギーおよびプローブ先端原子内遷移エネルギーは、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーとともに放出されるため、原子間遷移エネルギーを判別するのが困難になる虞がある。ここで、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーは、プローブまたは試料表面に印加するバイアス電圧によって決定されることから、本実施形態では、プローブ、または試料表面に、バイアス電圧を周期的に印加させる。そうすれば、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーのみが周期的に変化するので、試料表面原子内遷移エネルギーおよびプローブ先端原子内遷移エネルギーと、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーとを分離することで、ノイズ強度に対する信号強度の比率をより良くすることができる。そしてこれにより、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを効率よく検出することができる。
【００５７】
また、プローブを試料表面に周期的に近接させる構成とすれば、原子間遷移エネルギーは、プローブが試料表面に近接したときのみ放出される。そこで、プローブが試料表面に近接する周期（周波数）に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行なうようにすれば、より高感度で、原子間遷移エネルギーを検出することができる。
【００５８】
なお、本実施形態では、例えば電子線やＸ線を照射することで、エネルギーを印加することができる。電子線やＸ線のエネルギーは、特に限定されるものではないが、１ｋｅＶ以上が好ましい。また、電子線やＸ線のビーム径は、数十μｍ以下が最も望ましいが、１ｍｍ以下であればよく、特に限定されるものではない。
【００５９】
電子線やＸ線を照射すると、試料表面を構成する原子の内殻準位に存在する電子が励起されるとともに、内殻準位には空孔が形成される。そしてこの空孔に、形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯に存在する電子が遷移し、これによって原子間オージェ電子および/または原子間特性Ｘ線が、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーとして放出される。本実施形態では、放出される原子間オージェ電子の運動エネルギー、あるいは、原子間特性Ｘ線のエネルギー（波長）を検出する。
【００６０】
図２に、電子線やＸ線の照射によって、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔が形成されたときに、この空孔に、試料表面を構成する原子の価電子帯から電子が遷移してくるときと、プローブの先端を構成する原子の価電子帯から電子が遷移してくるときとの、それぞれの場合を示す電子エネルギーダイアグラムを示す。
【００６１】
同図に示すように、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔に、試料表面を構成する原子の価電子帯から電子が遷移してくることで、運動エネルギー（Ｅｋ１）を有する原子内オージェ電子が放出される。
【００６２】
一方で、上記空孔に、プローブの先端を構成する原子の価電子帯から電子が遷移してくると、運動エネルギー（Ｅｋ２）を有する原子間オージェ電子が放出される。これら、原子内オージェ電子（Ｅｋ１）、原子間オージェ電子（Ｅｋ２）は、それぞれ、図３に示すように、異なる運動エネルギーを有している。また、原子間オージェ電子の運動エネルギーは、プローブを構成する原子と試料表面を構成する原子との原子元素の組み合わせや、プローブに印加するバイアス（Ｖｓ）に依存する。そのため、原子内オージェ電子の運動エネルギー（Ｅｋ１）と、原子間オージェ電子の運動エネルギー（Ｅｋ２）とを判別することができる。したがって、原子間オージェ電子の運動エネルギーを検出すれば、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００６３】
ここでは図示しないが、電子線やＸ線を照射することで放出される原子間特性Ｘ線は、原子内特性Ｘ線のエネルギーと異なるエネルギーを有している。そしてまた、原子間特性Ｘ線のエネルギーは、プローブ原子と試料表面原子との組み合わせや、プローブに印加するバイアス（Ｖｓ）に依存する。それゆえ、原子内特性Ｘ線のエネルギーと、原子間特性Ｘ線のエネルギーとを判別することができる。したがって、原子間特性Ｘ線のエネルギーを検出すれば、試料表面を構成する原子のうち、プローブ先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００６４】
本実施形態によれば、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔が形成されると、直ちにこの空孔へとプローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が遷移する。したがって、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍ距離に近接させて、このプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程、あるいは、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が、試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される原子間遷移エネルギーを検出する検出工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブに対して試料表面を相対的に走査させる走査工程とを同時に行なえば、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を、試料表面の観察と同時に行なうことができる。
【００６５】
このようなことから、本実施形態にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法によれば、試料表面を構成する原子一つ一つを、元素を区別しながら観察することができる。それゆえ、本実施形態にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法を、例えば、ナノメータースケールに細線化した、半導体表面パターンの評価に利用することができる。
【００６６】
また例えば、アトミック・マニュピュレーションの技術を利用して、少量ではあるが、機能性のある任意の分子や、クラスターを将来的に作成することもできると考えられる。
【００６７】
なお、本実施形態にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法の「空孔形成工程」、「検出工程」を、それぞれ、「プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、プローブの先端を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程」、「形成された空孔準位よりも浅い、試料表面を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子がプローブの先端を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出する検出工程」としてもよい。
【００６８】
この場合には、プローブの先端を構成する内殻準位に形成された空孔準位よりも浅い、試料表面を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が、プローブの先端を構成する原子の内殻準位に形成された空孔に遷移し、これにより試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーが放出される。そこで、この原子間遷移エネルギーを検出すれば、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定することができる。
【００６９】
＜原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡について＞
次に、本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡について説明する。本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、図４に示すように、主として、計測手段（図示せず）と、走査手段１と、観察手段（図示せず）と、近接手段（図示せず）と、印加手段２と、検出手段３とを備えて構成されている。
【００７０】
計測手段は、走査手段１の備えるプローブ４と、該走査手段１の図示しない試料ステージに搭載される試料５表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測するものである。走査手段１は、プローブ４に対して、試料５表面を相対的に走査するものである。観察手段は、試料５表面の凹凸形状を観察するものである。
【００７１】
近接手段は、プローブ４の先端を試料５表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させるものである。印加手段２は、試料５表面から１０分の数ｎｍの距離に近接したプローブ４の先端および試料表面にエネルギーを印加するものである。
【００７２】
検出手段３は、プローブ４に対して試料５表面を相対的に走査しているときに、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子といった、異なる原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出するものである。検出手段３としては、分析器（アナライザー）を用いればよい。
【００７３】
なお、本実施形態では、印加手段２および検出手段の位置は、必要に応じて適宜、調節可能に設けられているものとする。
【００７４】
本実施形態において、印加手段２としては、特に限定されているものではない。したがって、印加手段２として、例えば、電子銃、あるいはＸ線発生装置を用いることができる。
【００７５】
このような構成において、試料５表面に対して、プローブ４の先端が１０分の数ｎｍの距離に近接したときに、印加手段２を介してプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加する。そして、エネルギーの印加によって、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子といった、異なる原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを、検出手段３で検出する。このとき、プローブ４に対して試料５表面を相対的に走査しながら、原子間遷移エネルギーを検出するので、観察している試料５表面を構成する原子のうち、プローブを構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を、試料５表面の観察と同時に行なうことができる。
【００７６】
本実施形態では、上述した構成に加えて、さらに、プローブ４または試料５表面に、バイアス電圧を周期的に印加するバイアス印加手段（図示せず）を備える構成とすることが好ましい。
【００７７】
原子間遷移エネルギーは、プローブ４を構成する原子と試料５表面を構成する原子との原子元素の組み合わせだけではなく、プローブ４、または試料５表面に印加するバイアス電圧によっても決定されるので、プローブ４または試料５表面にバイアス電圧を周期的に印加すれば、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーのみが周期的に変化する。これによれば、ノイズ強度に対する信号強度の比率をより良くして、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを効率よく検出することができる。このようにすれば、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を効率よく行なえる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができる。
【００７８】
以上のように、本実施形態の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡によれば、原子間遷移エネルギーを検出しながら、プローブ４に対して試料５表面を相対的に走査することで、試料５表面の凹凸形状を原子レベルで観察できるとともに、その凹凸形状を構成する原子の元素の種類を同定することのできる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡とすることができる。
【００７９】
【実施例】
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。
【００８０】
図５は、本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡の一例として、原子間オージェ分析走査プローブ顕微鏡の構成を概略的に示している。
【００８１】
同図に示すように、原子間オージェ分析走査プローブ顕微鏡は、内部が真空状態とされる真空容器１０内に設置された試料操作部４０、該試料操作部４０に対向して配置されたプローブ部５０、プローブ部５０および試料操作部４０に焦点をもつ電子線源部２０、該電子線源部２０に対向して配置された蛍光板部６０、および電子分光部８０を有している。
【００８２】
プローブ部５０および試料操作部４０は、真空容器１０内に配置された支持台１１上に保持されている。支持台１１は、真空容器１０の外部より操作できる動作伝達機構を備えたＸＹＺステージ１２上に保持されている。
【００８３】
プローブ部５０には、短冊形のレバー部５１ａ先端に突起部５１ｂを持つカンチレバー５１が設けられている。カンチレバー５１を保持するカンチレバーホルダ５２には、ピエゾ素子５３が設置されている。このピエゾ素子５３に交流電圧を印加することにより、カンチレバー５１のレバー部５１ａを振動させることができる。
【００８４】
試料操作部４０には、表面観察および元素分析が行なわれる試料４１が載置され、試料４１を固定する試料ステージ４２が、円筒状の走査ピエゾ素子４３上に保持されている。走査ピエゾ素子４３は、進退駆動部４４内に配置されており、進退駆動部４４はその下部に設置された試料ステージ台４５にシェアピエゾ４６を介して載置されている。
【００８５】
試料ステージ台４５に載置された進退駆動部４４は、シェアピエゾ４６による電歪効果に基づいて数ｍｍにわたり、プローブ部５０に対して接近あるいは離れる方向に移動する。
【００８６】
試料ステージ４２を保持している走査ピエゾ４３は、そのもう一端を進退駆動部４４に保持されている。走査ピエゾ４３は、試料ステージ４２を試料面鉛直方向であるＺ方向に移動させるＺ方向移動用ピエゾ素子（不図示）と、試料ステージ４２を試料面内方向であるＸ−Ｙ方向に移動させるＸ方向移動用ピエゾ素子（不図示）、およびＹ方向移動用ピエゾ素子（不図示）によって構成されている。これらのピエゾ素子は電圧の制御による電歪効果によって、試料４１とカンチレバー５１の相対位置を、３次元的に制御することができる。
【００８７】
真空容器１０には、試料４１およびカンチレバー５１に向かい、電子線源部２０が配置されている。
【００８８】
電子線源部２０に対向する位置には、電子線源部２０から放出され、試料４１およびカンチレバー５１周辺を通過した電子線を光信号に変換する蛍光板部６０が配置され、電子線の通過位置を視覚的に感知することができる。
【００８９】
真空容器１０には、試料４１およびカンチレバー５１に向かい、電子検出部７０が配置されている。電子検出部７０は、スリット７１、引き込み電極７２、光電子増倍管７３を有している。電子線源部２０より放出された電子は、試料４１あるいはカンチレバー５１に衝突する。このとき、試料４１あるいはカンチレバー５１から放出さる２次電子はスリット７１を通過し、引き込み電極７２により加速され、光電子増倍管７３に進入する。光電子増倍管７３に進入した電子は、１０６倍程度に増幅され、電気信号として検出される。
【００９０】
真空容器１０には、電子分光部８０が、試料４１およびカンチレバー５１に向かい配置されている。電子分光部８０は、スリット８１、電子引き込み部８２、エネルギー分光部８３、および電子検出部８４から構成されている。試料４１およびカンチレバー５１から放出された電子は、スリット８１を通過し、電子引き込み部８２内で収束され、エネルギー分光部８３に進入する。エネルギー分光部８３は半球状の外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂにより構成されている。エネルギー分光部８３に進入した電子は、外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂの間の真空空間を飛行し、外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂの電位差により進行方向を変えられ、特定の運動エネルギーで進入した電子のみが、外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂに衝突することなく、電子検出部８４に進入する。エネルギー分光部８３を通過し、電子検出部８４に進入する電子の運動エネルギーは、外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂの電位差により選択できる。
【００９１】
このような構成の原子間オージェ分析走査プローブ顕微鏡は、試料ステージ４２上に配置された試料４１表面の形状を、試料４１表面およびカンチレバー５１先端部との間で働く原子間力による、カンチレバー５１の共鳴周波数の変化に基づいて測定することができるとともに、試料４１およびカンチレバー５１から放出されるオージェ電子による元素分析も可能になっている。
【００９２】
原子間力に基づいて試料４１の表面を測定する場合は、試料４１は試料ステージ４２上に載置されて保持されている。
【００９３】
カンチレバー５１は、交流電圧を印加することにより、電歪効果により周期的な振動を発生するピエゾ素子５３を備えた、カンチレバーホルダ５２に保持されている。
【００９４】
カンチレバー５１の振動は、図示しない変位検出機構によって電子的な信号に変換され、信号電圧は図示しない増幅回路、および位相調整回路を介し、ピエゾ素子５３に印加される。この電圧によりピエゾ素子５３は振動し、その振動がカンチレバー５１に伝達され、カンチレバー５１からは再び信号電圧が出力される。このような自励発振回路により、カンチレバー５１は、その固有振動数で発振状態となり、振動を続ける。
【００９５】
このような状態でカンチレバー５１の発振周波数を測定しつつ、試料操作部４０に取り付けられた進退駆動部４４を前進させ、試料４１表面をカンチレバー突起部５１ｂに接近させる。
【００９６】
そして、試料４１表面とカンチレバー突起部５１ｂ表面の距離が十分の数ｎｍまで接近されると、試料４１表面とカンチレバー突起部５１ｂ表面間で働く力によって、カンチレバー５１の発振周波数が変化する。そして、この周波数の変化が一定になるように、試料ステージ４２が走査ピエゾ４３によってＺ方向（上下方向）に制御される。このとき、試料４１がプローブ部５０に対して水平に走査されるように、走査ピエゾ４３によって、試料ステージ４２がＸ−Ｙ方向に走査される。
【００９７】
これにより、試料４１表面のＸ−Ｙ座標の各点上でのカンチレバー突起部５１ｂと、試料４１表面の相対的な距離、すなわち試料表面の凹凸が測定される。測定された凹凸は、画像表示装置によって画像表示される。
【００９８】
このように試料４１およびカンチレバー５１に働く力は、両表面を構成する原子間に作用するファンデルワールス力などに基づいており、したがって試料４１表面を原子レベルで測定することができる。
【００９９】
さらに、カンチレバー５１あるいは試料４１表面から放出される原子間オージェ電子を測定する場合には、上述の場合と同様、カンチレバー５１は発振状態で試料４１表面に接近している。
【０１００】
このような状態で、電子線源２０から、試料４１およびカンチレバー５１先端に向かい、電子線を照射する。このとき、蛍光板部６０に投影される電子線の影を観察するか、あるいは電子検出部７０に進入する２次電子強度を観察する、もしくはカンチレバー５１に電子が照射されることにより流れる電流を検出することにより、電子線源部２０から放出された電子線を、カンチレバー５１先端および試料４１表面に集中的に照射するよう調整する。
【０１０１】
試料４１表面に照射された電子線は、試料４１中の原子の内殻電子を励起してオージェ過程を誘発し、試料４１からはオージェ電子が放出される。
【０１０２】
試料４１から放出されたオージェ電子の一部はスリット８１および電子引き込み部８２を通過し、エネルギー分光部８３に進入する。
【０１０３】
エネルギー分光部８３の外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂには、それぞれ適当な電圧が印加されており、両者電極間には電界が形成されている。エネルギー分光部８３に進入したオージェ電子の軌道は、上述電界内で曲げられ、所定のエネルギーを有するオージェ電子のみが、電子検出部８４に進入する。このことにより、試料４１から放出されるオージェ電子のエネルギー分析が可能になる。
【０１０４】
このように、検出されるオージェ電子は、電子線照射位置全域から放出されたオージェ電子であり、したがって、観察領域の平均的な元素分析が可能である。
【０１０５】
さらに、カンチレバー５１による試料４１表面の観察を行なう場合、カンチレバー５１は試料４１上で振動しているため、カンチレバー５１先端は周期的に試料４１表面に接近する。このとき、カンチレバー５１の振幅は数十ｎｍであり、最近接時は、試料４１表面に１０分の数ｎｍまで接近する。
【０１０６】
このような状態で、試料４１表面の観察位置に電子線源部２０より電子線を照射すると、試料４１に照射された電子線は試料４１の原子の内殻電子を励起し、試料４１の原子の内殻準位に空孔を生じさせる。このときカンチレバー５１先端が１０分の数ｎｍまで接近していると、カンチレバー５１先端の外殻電子（価電子）が試料４１の原子の内殻準位に生じた空孔に供給される。このときカンチレバー５１から原子間の電子の授受により生成するオージェ電子、すなわち原子間オージェ電子が放出される。そのエネルギーは、カンチレバー５１の元素と試料表面の元素の組み合わせにより決定される。
【０１０７】
さらにこのとき、試料４１あるいはプローブ部５１にバイアス電圧を印加することにより、前記原子間オージェ電子のエネルギーは、バイアス電圧に依存して変化する。これにより、試料４１、およびカンチレバー５１内でおこる原子内オージェ電子と、前記オージェ電子を分離して検出することができる。
【０１０８】
このような原子間オージェ過程は、カンチレバー５１先端と試料４１表面の原子間のみで起こるため、原子間オージェ電子を測定することにより、カンチレバー５１による試料４１の表面構造観察点の元素分析を、原子レベルの空間分解能で測定することができる。
【０１０９】
また、上述の原子間オージェ電子は、カンチレバー５１が試料４１表面に周期的に数オングストロームまで接近するときのみ生成する。したがって電子分光部８０における検出をカンチレバー５１の発振周波数に同期させることにより、高感度での検出が可能である。
【０１１０】
電子分光部８０の外部電極８３ａ、および内部電極８３ｂには、上述の原子間オージェ電子がもつエネルギーの電子がエネルギー分光部８３を通過できるような所定の電圧を印加し、前述のカンチレバー５１による表面形状観察を行いながら、電子分光部８０の電子検出部８４にて検出される電子の強度を画像化することにより、試料４１表面における表面構造の観察と、特定元素の濃度分布を同時に観察することができる。
【０１１１】
【発明の効果】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、以上のように、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにし、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程と、形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出工程とを含むとともに、上記２つの工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査工程とを同時に行なう構成である。
【０１１２】
また、本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、以上のように、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにし、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、プローブの先端を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程と、形成された空孔準位よりも浅い、試料表面を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子がプローブの先端を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出工程とを含むとともに、上記２つの工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査工程とを同時に行なう構成である。
【０１１３】
それゆえ、プローブを構成する原子と試料表面を構成する原子との原子元素の組み合わせや、プローブ、または試料表面に印加するバイアス電圧によって決まる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを利用することで、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を、試料表面の観察と同時に行なうことができるという効果を奏する。
【０１１４】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、以上のように、上記プローブは試料表面に周期的に近接させる構成であって、上記検出工程では、上記プローブが試料表面に近接する周期（周波数）に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行 なう構成である。
【０１１５】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、以上のように、空孔形成工程では、電子線またはＸ線を照射することでエネルギーを印加する構成である。
【０１１６】
これによれば、原子間遷移エネルギーとして放出される原子間オージェ電子、あるいは原子間特性Ｘ線のエネルギーを検出することで、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を行なうことができるという効果を奏する。
【０１１７】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法は、以上のように、走査工程で、プローブまたは試料表面にバイアス電圧を周期的に印加する構成である。
【０１１８】
それゆえ、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーのみを周期的に変化させることができるので、ノイズ強度に対する信号強度の比率をより良くして、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを効率よく検出することができるという効果を奏する。
【０１１９】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、以上のように、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測する計測手段と、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査手段と、試料表面の凹凸形状を観察する観察手段と、プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させ、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにする近接手段と、試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接したプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加する印加手段と、プローブに対して試料表面を相対的に走査しているときに、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子といった、異なる原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出手段とを備えている構成である。
【０１２０】
それゆえ、観察している試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類の同定を、試料表面の観察と同時に行なうことのできる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができるという効果を奏する。
【０１２１】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、以上のように、上記プローブは試料表面に周期的に近接させる構成であって、上記検出手段は、上記プローブが試料表面に近接する周期（周波数）に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行なう構成である。
【０１２２】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、以上のように、エネルギーの印加手段が、電子銃またはＸ線発生装置である構成である。
【０１２３】
それゆえ、電子線あるいはＸ線を照射することで、エネルギーを印加する原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができるという効果を奏する。
【０１２４】
本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡は、以上のように、プローブまたは試料表面に、バイアス電圧を周期的に印加するバイアス印加手段をさらに備える構成である。
【０１２５】
それゆえ、原子間遷移エネルギーのみを周期的に変化させることができるので、ノイズ強度に対する信号強度の比率をより良くして、試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを効率よく検出することができる。それゆえ、試料表面を構成する元素の種類の同定を効率よく行なえる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法において、プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加しているときの、プローブおよび試料表面の様子を示す図である。
【図２】 試料表面を構成する原子、およびプローブを構成する原子の電子エネルギーダイアグラムを示す図である。
【図３】 放出される電子エネルギーに対する、原子内オージェ電子、および原子間オージェ電子それぞれの運動エネルギー（信号強度）を示すグラフである。
【図４】 本発明の実施の一形態にかかる原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示す正面図である。
【図５】 実施例に示す原子間オージェ分析走査プローブ顕微鏡の概略の構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１ 走査手段
２ 印加手段
３ 検出手段
４ プローブ
５ 試料
１０ 真空容器
１１ 支持台
１２ ＸＹＺステージ
２０ 電子線源部
４０ 試料操作部
４１ 試料
４２ 試料ステージ
４３ 走査ピエゾ
４４ 進退駆動部
４５ 試料ステージ台
４６ シェアピエゾ
５０ プローブ部
５１ カンチレバー
５２ カンチレバーホルダ
５３ ピエゾ素子
６０ 蛍光板部
６１ 蛍光板
７０ 電子検出部
７１ スリット
７２ 引き込み電極
７３ 光電子増倍管
８０ 電子分光部
８１ スリット
８２ 電子引き込み部
８３ エネルギー分光部
８４ 電子検出部
Claims (7)
- プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにし、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、試料表面を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程と、
形成された空孔準位よりも浅い、プローブの先端を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子が試料表面を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出工程とを含むとともに、
上記２つの工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査工程とを同時に行ない、
上記プローブは試料表面に周期的に近接させる構成であって、
上記検出工程では、上記プローブが試料表面に近接する周期に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行なうことを特徴とする原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法。 - プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させて、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにし、該プローブの先端および試料表面にエネルギーを印加することで、プローブの先端を構成する原子の内殻準位に空孔を形成する空孔形成工程と、
形成された空孔準位よりも浅い、試料表面を構成する原子の内殻準位または価電子帯の電子がプローブの先端を構成する原子の内殻準位に形成された空孔へ遷移するときに放出される試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出工程とを含むとともに、
上記２つの工程のうちの少なくとも１つの工程と、プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測しながら、プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査工程とを同時に行ない、
上記プローブは試料表面に周期的に近接させる構成であって、
上記検出工程では、上記プローブが試料表面に近接する周期に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行なうことを特徴とする原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法。 - 空孔形成工程では、電子線またはＸ線を照射することでエネルギーを印加することを特徴とする請求項１または２に記載の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法。
- 走査工程で、プローブまたは試料表面にバイアス電圧を周期的に印加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡法。
- プローブと試料表面との近接相互作用によって決定される原子間力やトンネル電流などの物性値を計測する計測手段と、
プローブに対して試料表面を相対的に走査する走査手段と、
試料表面の凹凸形状を観察する観察手段と、
プローブの先端を試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接させ、試料表面を構成する原子の電子軌道とプローブの先端を構成する原子の電子軌道とを重なるようにする近接手段と、
試料表面から１０分の数ｎｍの距離に近接したプローブの先端および試料表面にエネルギーを印加する印加手段と、
プローブに対して試料表面を相対的に走査しているときに、プローブを構成する原子と、試料表面を構成する原子といった、異なる原子間での電子の遷移によって生じる試料・プローブ間の原子間遷移エネルギーを検出し、試料表面を構成する原子のうち、プローブの先端を構成する原子と重なる電子軌道をもつ、局所的な原子のみの元素の種類を同定する検出手段とを備えており、
上記プローブは試料表面に周期的に近接させる構成であって、
上記検出手段は、上記プローブが試料表面に近接する周期に合わせて、原子間遷移エネルギーの検出を行なうものであることを特徴とする原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡。 - エネルギーの印加手段が、電子銃またはＸ線発生装置であることを特徴とする請求項５に記載の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡。
- プローブまたは試料表面にバイアス電圧を周期的に印加するバイアス印加手段をさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載の原子間遷移エネルギー分析走査プローブ顕微鏡。
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- 2003-01-29 JP JP2003020979A patent/JP3762993B2/ja not_active Expired - Lifetime
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