JPH0727771A

JPH0727771A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH0727771A
Application number: JP17001493A
Authority: JP
Inventors: Makiko Kono; 真貴子河野; Shigeyuki Hosoki; 茂行細木; Takeshi Hasegawa; 剛長谷川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-07-09
Filing date: 1993-07-09
Publication date: 1995-01-31

Abstract

(57)【要約】【構成】探針１の後方、即ち、探針１を挟んで試料２と
反対側に質量分析器５を設置する。探針からのパルス電
圧によって試料の分析希望個所がイオン化され、このイ
オンが質量分析手段への導入部７に入射する。質量分析
器５への荷電粒子の入射を妨げないように、駆動機構
３，４はすべて試料２側に設置してある。この質量分析
器５の検出系からは、探針１に印加したパルス電圧と同
期したパルスが出力される。この探針に印加したパルス
電圧と検出器から出力されるパルスの時間遅れを時間計
測回路６で計測する。【効果】ＳＰＭの空間分解能をもって、試料表面の分析
希望個所の物質の同定を簡便に行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体あるいは有機物，
生体物質等を観察、または微小な構造物を製作するため
の走査型プローブ顕微鏡(以下ＳＰＭ：Scanning Probe
Microscopeと略す）に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳＰＭはトンネル電流，原子間力，磁気
力，光（エバネッセントウエイブ），超音波等をプロー
ブとして試料の表面を観察したり、微小な構造物を操作
したり、あるいは構築したりすることができる顕微鏡で
ある。ＳＰＭの一群では、原子のレベルで観察や操作を
行うことができるが、その原子の種類の同定はできな
い。

【０００３】ところで、針状にした試料の原子の種類の
同定をするために、特開平1-287404号公報のように電界
イオン顕微鏡（ＦＩＭ）やアトムプローブ電界イオン顕
微鏡（ＦＩ−ＡＰ）とＳＴＭ／ＳＴＳ（ＳＴＭ：Scanni
ng Tunneling Microscope、ＳＴＳ：Scanning Tunnelin
g Spectroscopy）と結合している例がある。また、実開
平3−102754 号公報のように円筒鏡型分析器（ＣＭＡ）
内にＳＴＭを設置し、トンネル電子のエネルギを分析す
るという例もある。

【０００４】一方、元素の同定等に用いられる現行の分
析手段は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ），光電子
分光法（ＸＰＳ），オージェ電子分光法（ＡＥＳ）等が
存在するが、空間分解能としては、サブミクロン程度で
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、現在用
いられている走査型プローブ顕微鏡では、試料表面の原
子の種類を一義的には同定はできない。これは、プロー
ブとしてトンネル電流，原子間力，磁気力，光（エバネ
ッセントウエイブ），超音波等を用いても、どの場合も
同様に不可能である。また、電界イオン顕微鏡（ＦＩ
Ｍ）やアトムプローブ電界イオン顕微鏡（ＦＩ−ＡＰ）
とＳＴＭ／ＳＴＳ（ＳＴＭ：Scanning Tunneling M
icroscope、ＳＴＳ：Scanning Tunneling Spectroscop
y)と結合している例では、試料を針状にしてＳＴＭの探
針として用いるので、試料表面ではなく、探針の分析を
することとなる。

【０００６】一方、現状の他の分析手段であるところの
二次イオン質量分析法(ＳＩＭＳ)，光電子分光法(ＸＰ
Ｓ），オージェ電子分光法(ＡＥＳ）などは、それら装
置の分析感度を維持して分析するには、空間分解能が低
い(１〜０.１μ(ミクロン)）という問題点がある。この
空間分解能では、線幅０.５〜０.２μの１６Ｍ〜２５６
ＭＤＲＡＭプロセスで問題となる、０.０５〜０.０３μ
の異物の分析は不可能である。

【０００７】本発明の目的は、簡便に高い空間分解能で
試料表面の任意の個所の同定を行うことのできる装置を
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の装置は、試料表
面の微小部の分析を行うために、まず、超高真空中に設
置された、試料を保持する試料ホルダと前記試料に相対
する位置にある探針と、前記試料と前記探針の微小な位
置決めをする三軸微動駆動機構と粗動機構からなるＳＰ
Ｍユニットで試料表面の分析したい物質をイオン化し、
次に、このイオンを質量分離系で分離したものを荷電粒
子検出系で検出するものである。ただし、質量分析手段
（質量分離系と荷電粒子検出系の双方を含む）とＳＰＭ
ユニットの配置、及び前記ＳＰＭユニット，質量分離
系，荷電粒子検出系以外の部分については、バリエーシ
ョンが存在する。

【０００９】第一の装置の配置は、前記ＳＰＭユニット
の探針の後方に質量分析手段を設置する場合である。そ
の特徴は、探針の位置は固定し、試料ホルダの側に駆動
機構を備える。また、探針及び探針ホルダは可能な限り
小さくする。この時、試料の電位は検出する荷電粒子と
同じ極性にしておく。また、より効率良く荷電粒子を捕
集するために、荷電粒子の導入部を設ける。この導入部
は、一端が質量分離系につながり、反対側の端部は開口
部となった、探針，試料面より低電位の管状のものであ
る。前記開口部は、探針，試料面を覆うように設置さ
れ、質量分離系へと続く。換言すると、管状の荷電粒子
導入部の一端は質量分離系につながり、反対側の端部は
開口部となり、その中にＳＰＭユニットの一部を設置し
てある。ただし、配置は、試料，探針，荷電粒子導入
部，質量分離系の順番である。あるいは、前記導入部は
場合によっては、開口部よりやや奥に荷電粒子加速用の
電極を設けたり、電場、または磁場、或いは双方からな
る荷電粒子のトラップとなっていても良い。

【００１０】荷電粒子導入部の、ＳＰＭユニットと反対
の方向には、質量分離系が設置される。この質量分離系
は、磁場偏向型，二重収束型，四重極型，飛行時間型(T
OF)などが考えられる。また、前記質量分離系の先には
検出系が設けられるが、この検出系は、チャンネルトロ
ン，チャンネルプレート，写真乾板等を使用する。

【００１１】一方、第二の配置としてＳＰＭユニットの
探針の後方以外に質量分析手段を設置する場合は、前記
荷電粒子の導入部のかわりに、必ず荷電粒子のトラップ
を設ける。即ち、試料を保持する試料ホルダと前記試料
に相対する位置にある探針と、前記試料と前記探針の微
小な位置決めをする三軸微動駆動機構と粗動機構からな
るＳＰＭユニットを荷電粒子のトラップの中に設置す
る。このトラップは、試料面を一つの端面として必要最
小限の範囲で小さく作ることが望ましい。また、前記ト
ラップは電場、または磁場、或いは双方を使用して、荷
電粒子をトラップする。

【００１２】トラップの先には質量分離系を設けるが、
その時の質量分離系は、磁場偏向型，二重収束型，四重
極型，飛行時間型（ＴＯＦ）などが考えられる。また、
これらの質量分離系を使用する場合は、前記トラップと
質量分離系の間に荷電粒子加速用の電極（グリッド）を
設けるか、あるいはトラップの、質量分離系と反対の端
面に荷電粒子加速用バッキング電極を設ける。次に、前
記質量分離系の先に設ける検出系は、チャンネルトロ
ン，チャンネルプレート，写真乾板等を使用する。

【００１３】もう一つの場合として、荷電粒子トラップ
に検出系もあわせて設置することができる。この場合
は、トラップに磁場と、トラップ以外の電場（加速電場
と言われる）を加え、フーリエ変換質量分析法（ＦＴ−
ＭＳ）を行うこととなり、後述する質量分離系，荷電粒
子検出系は不要となる。

【００１４】また、以上のすべての手順で述べた、パル
ス電圧印加によって試料上の分析したい個所の物質をイ
オン化する過程を、レーザなどの電磁波，イオンビーム
などの荷電粒子線，分子線などの中性粒子線を照射する
ことで、アシストするための手段を備えた構成もある。

【００１５】

【作用】まず、探針の後方に質量分析手段を設置する場
合は、探針の位置は固定し、試料ホルダの側に駆動機構
を備える。また、探針及び探針ホルダは可能な限り小さ
くする。以上によって、ユニットで発生した荷電粒子の
ロスを最低限に押さえる。この時、試料の電位は検出す
る荷電粒子と同じ極性にしておく。

【００１６】また、より効率良く荷電粒子を捕集するた
めに、荷電粒子の導入部を設ける。この導入部は、必要
最小限に小さく、かつ探針と試料面を覆うように設置す
ることで、やはり、ユニットで発生した荷電粒子のロス
を最低限に押さえ、質量分離系へと続く。また、導入部
は通常試料面，探針よりも低い電位になっており、荷電
粒子が導入されやすくなっている。

【００１７】実際の手順としては、まず、通常のＳＰＭ
と同様に探針を試料表面に接近させ、試料表面の像を得
る。次に、観察視野の中に同定したい個所を決定し、そ
の座標に探針を移動させる。そこで、同定したい個所の
大きさ等によって、適当なΔＺだけＺ軸微動機構を動か
し探針を移動させ、探針と試料の間にパルス電圧を印加
する。このパルス電圧印加によって、試料上の分析した
い個所の物質がイオン化される。この時飛び出す荷電粒
子の方向は一定せず、しかも荷電粒子の数が少ないとい
う問題点を、本発明の構成が、効率良く荷電粒子を閉じ
込め、運動の方向をある程度コントロールすることによ
って解決している。

【００１８】ここで、パルス電圧に同調させてトラップ
の電場，磁場を発生させるのも良いし、また、このパル
スは質量分離系として後述する飛行時間型（ＴＯＦ）を
用いる場合のトリガともなる。このようにして発生した
荷電粒子は、導入部を経て質量分離系に到達し、その質
量に応じて分離される。次に、検出系に到達するが、こ
こで、質量分離された試料上の物質の荷電粒子が検出さ
れ、分析希望の物質の同定が可能となる。

【００１９】一方、探針の後方以外に質量分析手段を設
置する場合は、必ず荷電粒子のトラップを設ける。即
ち、ＳＰＭのユニットを荷電粒子のトラップの中に設置
する。実際の手順は、トラップ内で、通常のＳＰＭと同
様に、探針を試料表面に接近させ、試料表面の像を得
る。次に、観察視野の中に同定したい個所を決定し、そ
の座標に探針を移動させる。そこで、同定したい個所の
大きさ等によって、適当なΔＺだけＺ軸微動機構を動か
し探針を移動させ、パルス電圧を印加する。パルス電圧
印加によって、試料上の分析したい個所の物質がイオン
化される。この時、飛び出す荷電粒子の方向が一定でな
いことと、しかも荷電粒子の数が少ないために、効率良
く荷電粒子を閉じ込め、運動の方向をある程度コントロ
ールすることが必要であるため、荷電粒子のトラップを
設けている。従って、本トラップは必要最小限に小さい
ものとすることも重要である。このパルス電圧に同調さ
せてトラップの静電場，静磁場を発生させると、試料や
探針に対する電場，磁場の影響を最小限に押さえること
ができる。

【００２０】トラップ内の荷電粒子を引き出すには、バ
ッキング電極、または加速用電極を、常に作用させる
か、或いはパルス的に作用させるかの双方があり、特に
後者の場合は、このパルスが質量分離系として後述する
飛行時間型（ＴＯＦ）を用いる場合のトリガとなる。ま
た、ポンピングによって（パルス電圧を間歇的に繰り返
し印加する）、トラップ内に荷電粒子を多く発生させた
のちに、トラップのバッキング電極か、加速用電極にパ
ルス電圧を印加しても良い。この場合はバッキング電
極，加速用電極に印加したパルス電圧が、質量分離系と
して後述する飛行時間型（ＴＯＦ）を用いる場合のトリ
ガとなる。このようにして発生した荷電粒子は、導入部
を経て質量分離系に到達し、その質量に応じて分離され
る。次に、検出系に到達するが、ここで、質量分離され
た試料上の物質の荷電粒子が検出され、分析希望の物質
の同定が可能となる。

【００２１】また、トラップは静電場、または静磁場、
或いは双方を使用するが、ここに検出系もあわせて設置
することができる。トラップ内に検出系を設けた場合
は、フーリエ変換質量分析法（ＦＴ−ＭＳ）を行うこと
となり、先に述べた加速電極，質量分離系，荷電粒子検
出器は不要となり、簡単な構造となる。また、ポンピン
グによってトラップ内に荷電粒子を多く発生させたのち
に、トラップの加速電極に電圧を印加すると、実質的に
検出感度が向上する。

【００２２】また、以上のすべての手順で述べた、パル
ス電圧印加によって試料上の分析したい個所の物質をイ
オン化する過程を、電磁波，荷電粒子線，中性粒子線を
照射することで、アシストすることによって、探針に印
加するパルス電圧を低く押さえ、制御性を高くすること
ができる。

【００２３】以上によって、試料上の分析希望個所の物
質の同定が高い空間分解能で可能となった。

【００２４】

【実施例】（実施例１）図１，図２，図３に実施例１を示す。図１
はフローチャート、図２はシステム全体の説明図、図３
はＳＰＭユニット付近の説明図である。本実施例は、探
針１の後方、即ち探針１を挟んで試料２と反対側に質量
分析器５がある例である。探針１はタングステン製であ
るが、質量分析器５への荷電粒子の入射を妨げないよう
に、駆動機構３，４はすべて試料２側に設置してある。

【００２５】まず、探針１にバイアス電圧２Ｖを印加し
ながら、粗動機構４で試料２を探針１から約１ｎｍ程度
まで接近させる。次に、微動機構３をＸＹ平面に走査
し、試料の表面の凹凸像を得る。試料表面上のある部分
の組成を分析するために、探針１を希望の位置まで、ま
た、場合によってはｚ軸方向をある距離だけ移動させ、
電圧を印加する。ただし、分析したい個所の大きさによ
って、適切な距離をｚ軸方向に移動させ、適切な電圧の
パルス電圧（ｍｓ〜ｐｓ）を印加する必要がある。これ
によって分析希望個所がイオン化され、このイオンが質
量分析器５への導入部７に入射する。導入部７は探針
１，試料表面２を覆うように設置され、しかも、試料面
２や探針１より低い電位に設定されている。また、必要
最小限の断面積になっている。従って、発生した荷電粒
子が効率良く質量分析器へと導かれる。質量分析器５の
検出器からは、探針１に印加したパルス電圧と同期した
パルスが出力される。この探針に印加したパルス電圧と
検出器から出力されるパルスの時間遅れを時間計測回路
６で測定する。この飛行時間差は、荷電粒子の質量と相
関があるので、これによって荷電粒子の、つまり試料表
面の希望個所の物質の同定を行うことができる。

【００２６】（実施例２）図４，図５に実施例２を示
す。図４はシステム全体のブロック図、図５は荷電粒子
のトラップの説明図である。本実施例は、図４に示すよ
うに、探針１の後方以外に質量分析器５がある例で、そ
のために、探針１と試料２の間に荷電粒子のトラップ１
０（図５）が設置されている。本実施例では探針１側に
微動機構３が、試料２側に粗動機構４が設置されてい
る。この場合、トラップの高さは探針１の長さより低
く、トラップ全体の大きさは可能な限り小さくなってお
り、トラップ１０にはトラップ電極１１，バッキング電
極１２，荷電粒子の引出し部１３がある。

【００２７】まず、探針１にバイアス電圧数Ｖを印加し
ながら、粗動機構４で試料２を探針１から約１ｎｍ程度
まで接近させる。次に、微動機構３をＸＹ平面に走査
し、試料の表面の凹凸像を得る。試料表面上のある部分
の組成を分析するために、探針１をその位置まで、ま
た、場合によってはｚ軸方向をある距離だけ移動させ、
電圧を印加する。ただし、分析したい個所の大きさによ
って、適切な距離をｚ軸方向に移動させ、適切な電圧の
パルス電圧を印加する必要がある。

【００２８】この時のパルスの印加方法は、１回だけで
なく、複数回の印加（ポンピング）も良い。これによっ
て分析希望個所がイオン化され、このイオンがトラップ
１０内に収束する。ここに、バッキング電極１２からパ
ルス電圧を印加して、質量分析器５（本実施例では飛行
時間型）の方へ荷電粒子を送り出す。

【００２９】質量分析器５の検出器からは、バッキング
電極１２に印加したパルス電圧と同期したパルスが出力
される。このバッキング電極１２に印加したパルス電圧
と検出器から出力されるパルスの時間遅れを時間計測回
路６で測定する。この飛行時間差は、荷電粒子の質量と
相関があるので、これによって荷電粒子の、つまり試料
表面の物質の同定を行うことができる。

【００３０】（実施例３）図６に実施例３を示す。本実
施例は探針１の後方以外に質量分析器５がある例で、し
かも、探針１と試料２の間に設置された荷電粒子のトラ
ップ１０が質量分析器を兼ねている。本実施例では探針
１側に微動機構３が、試料２側に粗動機構４が設置され
ている。この場合、トラップ１０の高さは探針１の長さ
より低く、トラップ全体の大きさは可能な限り小さくな
っている。また、トラップ１０は、磁場１４，トラップ
電極１１，加速電極１５，検出電極１６で構成されてい
る。

【００３１】まず、探針１にバイアス電圧数Ｖを印加し
ながら、粗動機構４で試料２を探針１から約１ｎｍ程度
まで接近させる。次に、微動機構３をＸＹ平面に走査
し、試料２の表面の凹凸像を得る。試料２表面上のある
部分の組成を分析するために、探針１を希望の位置ま
で、また、場合によってはｚ軸方向をある距離だけ移動
させ、電圧を印加する。ただし、分析したい個所の大き
さによって、適切な距離をｚ軸方向に移動させ、適切な
電圧のパルス電圧を印加する必要がある。この時のパル
スの印加方法は、１回だけでなく、複数回印加（ポンピ
ング）しても良い。これによって分析希望個所がイオン
化され、このイオンがトラップ内に飛び出したところ
で、磁場に平行な一対の加速電極１５にサイクロトロン
共鳴周波数の交流電圧を一定時間かけイオンを強制的に
加速する。

【００３２】加速されて、回転半径の大きくなったイオ
ンを磁場に平行なもう一対の検出電極１５，検出回路１
７によって検出する。この検出回路１７からの信号は、
コンピュータ１８に転送され、離散フーリエ変換によっ
て周波数スペクトルとなり、そのまま質量スペクトルと
なる。これによって荷電粒子の、つまり試料表面の物質
の同定を行う。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、ＳＰＭの空間分解能を
もって、試料表面の分析希望個所の物質の同定を簡便に
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例一のフローチャート。

【図２】本発明の実施例一の説明図。

【図３】本発明の実施例一の試料付近の説明図。

【図４】本発明の実施例二のブロック図。

【図５】本発明の実施例二の荷電粒子トラップの斜視
図。

【図６】本発明の実施例三のブロック図。

【符号の説明】

１…探針、２…試料、５…質量分析手段、６…時間計測
回路、７…荷電粒子導入部、８…真空容器、９…ＳＰＭ
ユニット、１１…トラップ電極、１３…荷電粒子引出し
部、１９…ＳＰＭ制御系、２１…パルス電圧発生器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料と、質量分析手段との間に、前記試料
を保持する試料ホルダと、前記試料に相対する位置にあ
る探針と、前記試料と前記探針の微小な位置決めをする
三軸微動機構と粗動機構を備え、前記試料と前記探針の
間の距離を一定に保つためのプローブの測定系と制御系
及び、前記試料と平行な面内に前記探針を走査させる制
御系とを備える走査型プローブ顕微鏡を有することを特
徴とする微小部分析装置。
【請求項２】試料を保持する試料ホルダと、前記試料に
相対する位置にある探針と、前記試料と前記探針の微小
な位置決めをする三軸微動機構と粗動機構を備え、前記
試料と探針の間の距離を一定に保つためのプローブの測
定系と制御系及び、探針を試料と平行な面内に走査させ
る制御系とを備える走査型プローブ顕微鏡を有し、前記
探針の後方に質量分析手段を有することを特徴とする微
小部分析装置。
【請求項３】試料を保持する試料ホルダと、前記試料に
相対する位置にある探針と、前記試料と前記探針の微小
な位置決めをする三軸微動機構と粗動機構を備え、前記
試料と前記探針の間の距離を一定に保つためのプローブ
の測定系と制御系及び、前記探針を前記試料と平行な面
内に走査させる制御系とを備える走査型プローブ顕微鏡
を有し、前記探針の後方に質量分析手段を有し、かつ、
前記探針と質量分析手段との間に荷電粒子導入部、或い
は荷電粒子トラップを有することを特徴とする微小部分
析装置。
【請求項４】質量分析手段と、試料を保持する試料ホル
ダと、前記試料に相対する位置にある探針と、前記試料
と前記探針の微小な位置決めをする三軸微動機構と粗動
機構を備え、前記試料と前記探針の間の距離を一定に保
つためのプローブの測定系と制御系、及び、前記探針を
前記試料と平行な面内に走査させる制御系とを備える走
査型プローブ顕微鏡を有し、前記探針の周囲に荷電粒子
トラップ部を有することを特徴とする微小部分析装置。
【請求項５】請求項１，２，３または４において、前記
探針にパルス電圧を印加する手段を備えた微小部分析装
置。
【請求項６】請求項１，２，３または４において、前記
試料の表面分析部に、レーザなどの電磁波，イオンビー
ムなどの荷電粒子線、あるいは分子線などの中性粒子線
を照射する手段を併せもつ微小部分析装置。