JP4864501B2 - 3次元アトムレベル構造観察装置 - Google Patents
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Description
媒体に微細に配列された記録ビットから発生する磁気的信号を再生ヘッドで高効率に電気信号に変換するために、MRヘッドの微細化・薄層化が求められている。
例えば、膜厚分布が不均一であったり、界面が湾曲していたり、或いは、界面で構成原子が相互拡散して界面が不明確になっていれば、所望の特性が得られなくなる。
図15は、従来の3次元アトムプローブ法の原理の説明図であり、先端半径が例えば、100nm(=0.1μm)の針状試料61にパルス高電圧を印加して針状試料61の先端から構成物質62,63を電界蒸発させ、飛来する構成物質62,63の到達時間(TOF:Time of Flight)を2次元位置検出器64によって測定し、到達時間から構成物質62,63のイオン種を同定するとともに、2次元位置検出器64の検出位置から飛来位置を同定するものである。
図1参照
上記課題を解決するために、本発明は、3次元構造物体1に対し電界を印加し、電界による3次元構造物体1からの元素の離脱現象を利用して、3次元構造物体1における離脱した元素の位置および原子種を観察する3次元アトムレベル構造観察装置において、3次元構造物体1への電界印加後、3次元構造物体1から離脱した発散状の帯電原子種2に対し、電界レンズ或いは磁界レンズの少なくとも一方を用いて平行性の帯電原子種2に変更する平行化機構3を設けたことを特徴とする。
図2の上図は、本発明の実施例1の3次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料10から離脱した構成原子のイオン21の引き出しを容易にするを引出電極12と発散性のイオン21を平行化する電磁レンズ13とが一体化した平行化機構11、及び、2次元位置検出器20によって基本構成が構成され、電磁レンズ13の焦点位置に針状試料10の先端部が位置するように配置する。
図3参照
図3は、本発明の実施例2の3次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料10から離脱した構成原子のイオン21を平行ビームに整形する平行化機構11、平行化されたイオン21を周回させるマルチターン型飛行イオン光路30、及び、2次元位置検出器20によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構11の電磁レンズの焦点位置に針状試料10の先端部が位置するように配置する。
なお、静電4重極レンズ37〜42及び偏向器43〜46は必要に応じて多段構成となっている。
図4は、マルチターン型飛行イオン光路の分解能の周回数依存性の説明図であり、周回数を重ねることによって、周回数にほぼ比例して分解能が高まることが分かる。
因に、100回の周回数でm/Δm=100000の分解能が得られるので、5回周回させることによって大凡m/Δm=100000/20=5000の分解能が得られることになる。
図5は、マルチターン型飛行イオン光路内のイオン強度の周回数依存性の説明図であり、周回数を重ねることによって、イオンが損失により減少するので、周回数にほぼ比例して感度が低下することが分かる。
したがって、ある程度の感度を得るためには、周回数を制限する必要がある。
図6は、本発明の実施例3の3次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料10から離脱した構成原子のイオン21を平行ビームに整形する平行化機構11、平行化されたイオンを減速する減速レンズ17、減速されたイオン22を周回させるマルチターン型飛行イオン光路30、及び、2次元位置検出器20によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構11の電磁レンズの焦点位置に針状試料10の先端部が位置するように配置する。
但し、減速レンズは一般に集束性を有しているので、集束効果を受けた後に平行性を保つように、平行化機構11における平行化の程度を減速レンズによる集束効果を相殺するように調整する必要がある。
図7は、本発明の実施例4の3次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料10から離脱した構成原子のイオン21を平行ビームに整形する平行化機構11、平行化されたイオン21の内、最も主要な測定対象となるイオン種を選択的に偏向する偏向器18、偏向されたイオン23を周回させるマルチターン型飛行イオン光路30、マルチターン型飛行イオン光路30から取り出したイオン23を検出する2次元位置検出器20、及び、偏向器18でマルチターン型飛行イオン光路30方向に偏向されなかったイオン24を検出する2次元位置検出器25によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構11の電磁レンズの焦点位置に針状試料10の先端部が位置するように配置する。
図8は、本発明の実施例5の3次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料10から離脱した構成原子のイオン21を平行ビームに整形する平行化機構11、平行化されたイオンを減速する減速レンズ17、減速されたイオン22の内、最も主要な測定対象となるイオン種を選択的に偏向する偏向器18、偏向されたイオン23を周回させるマルチターン型飛行イオン光路30、マルチターン型飛行イオン光路30から取り出したイオン23を検出する2次元位置検出器20、及び、偏向器18でマルチターン型飛行イオン光路30方向に偏向されなかったイオン24を検出する2次元位置検出器25によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構11の電磁レンズの焦点位置に針状試料10の先端部が位置するように配置する。
図9は、本発明の実施例5の3次元アトムプローブ装置に用いる偏向器の概略的構成図であり、通常の静電偏向器からなる。
この場合に、針状試料10から離脱した構成原子のイオン種の内、最も主要な測定対象となるイオン種の通過予想時間に合わせて偏向器18に電圧をパルス的に印加することによって、イオン種の選別作用をより高めることができる。
但し、減速レンズは一般に集束性を有しているので、集束効果を受けた後に平行性を保つように、平行化機構11における平行化の程度を減速レンズによる集束効果を相殺するように調整する必要がある。
また、減速レンズ17によって、減速しているので、同じ周回回数でも分解能を向上することができる。
図10は、本発明の実施例6の3次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料10から離脱した構成原子のイオン21を平行ビームに整形する平行化機構11、平行化されたイオン21の内、最も主要な測定対象となるイオン種を選択的に通過させるメカニカルチョッパ型開閉器26、メカニカルチョッパ型開閉器26を通過したイオン21を周回させるマルチターン型飛行イオン光路30、マルチターン型飛行イオン光路30から取り出したイオン21を検出する2次元位置検出器20によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構11の電磁レンズの焦点位置に針状試料10の先端部が位置するように配置する。
図11は、本発明の実施例6の3次元アトムプローブ装置に用いるメカニカルチョッパ型開閉器の概略的構成図であり、所定の位置に開口部28を有する回転円盤27からなる。
この場合、針状試料10から離脱した構成原子のイオン種の内、最も主要な測定対象となるイオン種の通過予想時間に合わせて開口部28がイオン21の通過位置に来るように回転円盤27の回転を制御することによって、イオン種を選別することができる。
図12は、本発明の実施例7の3次元アトムプローブ装置に用いるガルバノミラー型開閉器の概略的構成図であり、支持軸47に固定された回転軸48を軸として回転自在に回転する遮蔽板49からなる。
図13は、本発明の実施例8の3次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料10から離脱した構成原子のイオン21を平行ビームに整形する平行化機構11、平行化されたイオンを減速する減速レンズ17、減速されたイオン22の内、最も主要な測定対象となるイオン種を選択的に通過させるメカニカルチョッパ型開閉器26、メカニカルチョッパ型開閉器26を通過したイオン21を周回させるマルチターン型飛行イオン光路30、マルチターン型飛行イオン光路30から取り出したイオン23を検出する2次元位置検出器20によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構11の電磁レンズの焦点位置に針状試料10の先端部が位置するように配置する。
また、減速レンズ17によって、減速しているので、同じ周回回数でも分解能を向上することができる。
図14参照
図14は、本発明の実施例9の前提となる3次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料10から離脱した構成原子のイオン21を発散状態のままで入射する3段の扇形電場印加機構51〜53からなる蛇行型飛行イオン光路50、及び、蛇行型飛行イオン光路50から取り出したイオン21を検出する2次元位置検出器20から構成される。
本発明の実施例9の3次元アトムプローブ装置は、図14の構成に少なくとも平行化機構を設けたものである。
なお、この場合の分解能も飛行距離に略比例するので、扇形電場印加機構の大きさ、段数、相互の対向距離に依存し、これらを調整することによって、奥行き方向に対して横方向の大きさをあまり大きくすることなくm/Δm=3000程度の分解能を実現することができる。
再び、図1参照
(付記1) 3次元構造物体1に対し電界を印加し、前記電界による3次元構造物体1からの元素の離脱現象を利用して、前記3次元構造物体1における離脱した元素の位置および原子種を観察する3次元アトムレベル構造観察装置において、前記3次元構造物体1への電界印加後、3次元構造物体1から離脱した発散状の帯電原子種2に対し、電界レンズ或いは磁界レンズの少なくとも一方を用いて平行性の帯電原子種2に変更する機構を設けたことを特徴とする3次元アトムレベル構造観察装置。
(付記2) 前記3次元構造物体1に近接配置する引出電極を、前記平行性の帯電原子種2に変更する機構と機械的に一体構造としたことを特徴とする付記1に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
(付記3) 前記平行性の帯電原子種2に対し、少なくとも1つの扇形電場印加機構5を通過させることを特徴とする付記1または付記2に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
(付記4) 前記扇形電場印加機構5の前段に、発散状の帯電原子種2を平行性の帯電原子種2に変更する機構を設けたことを特徴とする付記3に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
(付記5) 前記扇形電場印加機構5を複数設け、前記平行性の帯電原子種2が同一軌道上を複数回周回したのち、位置検出機構6に入射させる周回制御機構を設けたことを特徴とする付記3または付記4に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
(付記6) 前記扇形電場印加機構5を複数設け、前記各扇形電場印加機構5を1回のみ通過したのち位置検出機構6に入射させることを特徴とする付記3または付記4に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
(付記7) 前記平行性の帯電原子種2に対して、特定の飛行時間の原子種2のみを選択する選別機構を設けたことを特徴とする付記3乃至付記6のいずれか1に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
(付記8) 前記特定の飛行時間の原子種2のみを選択する選別機構が、偏向器であることを特徴とする付記7に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
(付記9) 前記偏向器が、静電偏向器であることを特徴とする付記8に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
(付記10) 前記偏向器を通過したのち、前記少なくとも1つの扇形電場印加機構5に導入されない原子種の通過位置に検出器を設けたことを特徴とする付記8または付記9に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
(付記11)前記特定の飛行時間の原子種2のみを選択する選別機構が、開閉器であることを特徴とする付記7に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
(付記12) 前記開閉器が、回転円盤によるメカニカルチョッパ型開閉器或いはバルバノミラー型開閉器のいずれかであることを特徴とする付記11に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
(付記13) 前記平行性の帯電原子種2に対して減速機構4を設けたことを特徴とする付記1乃至付記12のいずれか1に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
2 帯電原子種
3 平行化機構
4 減速機構
5 扇形電場印加機構
6 位置検出機構
10 針状試料
11 平行化機構
12 引出電極
13 電磁レンズ
14 コイル
15 磁極部材
16 非磁性部材
17 減速レンズ
18 偏向器
20 2次元位置検出器
21 イオン
22 イオン
23 イオン
24 イオン
25 2次元位置検出器
26 メカニカルチョッパ型開閉器
27 回転円盤
28 開口部
30 マルチターン型飛行イオン光路
31 扇形電場印加機構
32 扇形電場印加機構
33 扇形電場印加機構
34 扇形電場印加機構
35 イオンゲート
36 イオンゲート
37 静電4重極レンズ
38 静電4重極レンズ
39 静電4重極レンズ
40 静電4重極レンズ
41 静電4重極レンズ
42 静電4重極レンズ
43 偏向器
44 偏向器
45 偏向器
46 偏向器
47 支持軸
48 回転軸
49 遮蔽板
50 蛇行型飛行イオン光路
51 扇形電場印加機構
52 扇形電場印加機構
53 扇形電場印加機構
61 針状試料
62 構成物質
63 構成物質
64 2次元位置検出器
Claims (8)
- 3次元構造物体に対し電界を印加し、前記電界による3次元構造物体からの元素の離脱現象を利用して、前記3次元構造物体における離脱した元素の位置および原子種を観察する3次元アトムレベル構造観察装置において、前記3次元構造物体への電界印加後、3次元構造物体から離脱した発散状の帯電原子種に対し、電界レンズ或いは磁界レンズの少なくとも一方を用いて平行性の帯電原子種に変更する機構を備えることを特徴とする3次元アトムレベル構造観察装置。
- 前記平行性の帯電原子種に対し、少なくとも1つの扇形電場印加機構を通過させることを特徴とする請求項1に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
- 前記扇形電場印加機構を複数設け、前記平行性の帯電原子種が同一軌道上を複数回周回したのち、位置検出機構に入射させる周回制御機構を設けたことを特徴とする請求項2に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
- 前記平行性の帯電原子種に対して、特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構を設けたことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
- 前記特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構が、偏向器であることを特徴とする請求項4に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
- 前記偏向器を通過したのち、前記少なくとも1つの扇形電場印加機構に導入されない原子種の通過位置に検出器を設けたことを特徴とする請求項5に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
- 前記特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構が、開閉器であることを特徴とする請求項4に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
- 前記平行性の帯電原子種に対して減速機構を設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の3次元アトムレベル構造観察装置。
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