JPH0864170A - Extra fine region surface analyzing method and device therefor - Google Patents

Extra fine region surface analyzing method and device therefor

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JPH0864170A
JPH0864170A JP6195155A JP19515594A JPH0864170A JP H0864170 A JPH0864170 A JP H0864170A JP 6195155 A JP6195155 A JP 6195155A JP 19515594 A JP19515594 A JP 19515594A JP H0864170 A JPH0864170 A JP H0864170A
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英一 野村
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Abstract

PURPOSE: To accurately conduct elemental analysis in an ultra fine region by taking up one atom or a plurality of atoms on the surface of a specimen to the surface of a probe, and conducting electrical separation of the atom from the probe to perform mass spectrometry from the time of flight of an ion for element identification. CONSTITUTION: A surface atom of a specimen is stuck to the tip of a probe 12, the probe 12 is let to go back, a specimen holder 14 is removed from a scanning tunnel microscope 1, and placed outside the time of flight of an ion. A switch 30 is switched, output voltages of a straight polarity high voltage power source 24 and a straight polarity pulse generator 25 are adjusted to generate a pulse. The pulse generated is picked up by a logos key coil 29, and a clock of a mass spectrometry system 26 using a time of flight method is started. When the ion is separated, the clock is stopped by a signal sent from an ion detector, and by the time difference between the stop signal and the start signal, the time of flight is recorded. An element is identified based on the time of flight.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、極微領域表面の分析
方法とその装置に関するものである。さらに詳しくは、
この発明は、固体物質の極微小領域の元素分析をはじ
め、原子レベルでの表面極微細加工の機構解明や新物
質、新材料の創製等に有用な極微領域の表面分析の方法
とその装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for analyzing a surface of a microscopic area and an apparatus therefor. For more information,
The present invention relates to a method and apparatus for microscopic surface analysis, which is useful for elucidating the mechanism of surface microfabrication at the atomic level and for the creation of new materials and new materials, including elemental analysis of microscopic areas of solid substances. It is a thing.

【0002】[0002]

【従来の技術とその課題】従来より、種々の原理に基づ
く固体表面の分析装置が多数実用化されており、たとえ
ば静的二次イオン質量分析装置(Static−SIMS)、
蛍光による単一分子検出法、さらに走査トンネル顕微鏡
(STM)に代表される走査プローブ顕微鏡等がその代
表例として表面分析に利用されてきている。
2. Description of the Related Art Conventionally, many solid surface analyzers based on various principles have been put to practical use, for example, a static secondary ion mass spectrometer (Static-SIMS),
A single molecule detection method by fluorescence, and a scanning probe microscope typified by a scanning tunneling microscope (STM) have been used as a typical example for surface analysis.

【0003】しかしながら、これら従来の方法の場合に
は、任意の1個の原子を選び出して元素分析することが
難しく、さらに分析の分解能が劣るため、極微領域の元
素分析を必要とする半導体デバイスの表面分析等にとっ
て大きな課題となっていた。すなわち、たとえば、細く
絞った一次イオンビームを固体試料に照射し、試料表面
から放出される原子のイオンを質量分析法によって元素
を同定する静的二次イオン質量分析法の場合には、検出
感度、質量分解能に優れ、水素から重い分子まで検出で
きるという特徴を有しているものの、この方法では、任
意の1個の原子を選択し元素分析することができず、分
析の空間分解能が0.2μm以上にとどまる等の欠点が
あった。
However, in the case of these conventional methods, it is difficult to select any one atom for elemental analysis, and the resolution of the analysis is poor. It has been a big issue for surface analysis. That is, for example, in the case of static secondary ion mass spectrometry, in which a solid sample is irradiated with a finely focused primary ion beam, and the ions of atoms emitted from the sample surface are identified by mass spectrometry, the detection sensitivity is Although it has characteristics that it has excellent mass resolution and that it can detect from hydrogen to heavy molecules, this method cannot select any one atom for elemental analysis and has a spatial resolution of 0. There were drawbacks such as staying above 2 μm.

【0004】また、光学顕微鏡下で固体試料に通常雰囲
気中でレーザ光を照射し、1個の分子が発する蛍光を光
子計数法で高感度検出する単一分子検出法では、真空環
境を必要とせずに、分子1個を認知、検出できるもの
の、蛍光性を持たない分子が検出できず、しかも光学顕
微鏡を使用するために分子の位置の決定精度はμmオー
ダーにとどまる等の欠点があった。
A single molecule detection method in which a solid sample is irradiated with laser light in an ordinary atmosphere under an optical microscope and fluorescence emitted by one molecule is detected with high sensitivity by a photon counting method requires a vacuum environment. Without recognizing one molecule, the non-fluorescent molecule cannot be detected, and since the optical microscope is used, the accuracy of determining the position of the molecule remains in the μm order.

【0005】一方、試料表面の原子配列を実空間で直視
できる空間分解能を持つ装置として走査プローブ顕微鏡
が知られているが、認知した原子の原子種を同定するこ
とができないため表面分析のための手段とは呼べないも
のである。走査トンネル顕微鏡(STM)が開発された
直後に、その探針と試料表面との間隔を変えることで表
面の仕事関数を測定し、その値から原子種を同定する可
能性が考慮されたが、この方法によって特定の1個の原
子上における仕事関数が測定できたとしても、計測値は
周囲の原子配列の影響を大きく受けたものであり、特定
原子の原子種を一意的に決定できないという点で元素同
定精度が実用レベルに全く達していないという欠点があ
った。
On the other hand, a scanning probe microscope is known as a device having a spatial resolution capable of directly looking at the atomic arrangement on the surface of a sample in real space. However, since it is not possible to identify the atomic species of the recognized atoms, a scanning probe microscope is used. The means cannot be called. Immediately after the development of the scanning tunneling microscope (STM), the work function of the surface was measured by changing the distance between the probe and the sample surface, and the possibility of identifying atomic species from the value was considered. Even if the work function on a specific atom can be measured by this method, the measured value is greatly influenced by the surrounding atomic arrangement, and the atomic species of the specific atom cannot be uniquely determined. However, there was a drawback that the element identification accuracy did not reach the practical level at all.

【0006】[0006]

【課題点を解決するための手段】そこでこの発明は、上
記の通りの従来技術の課題を解決するものとしてなされ
たものであって、表面が導電性の探針を持つ走査プロー
ブ顕微鏡において、探針表面に試料表面上の1個または
複数個の原子を取り上げた後、この原子を探針から電界
脱離させ、そのイオンの飛行時間から原子の質量を分析
し、元素同定することを特徴とする極微領域表面の分析
方法を提供する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made as a solution to the problems of the prior art as described above, and in a scanning probe microscope having a conductive probe on its surface, After picking up one or more atoms on the sample surface on the needle surface, the atoms are desorbed from the probe by electric field, and the mass of the atom is analyzed from the flight time of the ion to identify the element. A method for analyzing a surface of a microscopic region is provided.

【0007】また、この発明は、表面が導電性の探針を
持つ走査プローブ顕微鏡とこの探針への電圧印加手段、
並びにイオン検出器とを備えた分析装置であって、探針
表面に試料表面の1個または複数個の原子を取り上げ、
探針に電圧を印加してこの原子をイオンとして電界脱離
させ、前方に配置したイオン検出器に到達するまでの飛
行時間から原子の質量を分析し、元素同定することを特
徴とする極微領域表面の分析装置も提供する。
Further, according to the present invention, a scanning probe microscope having a probe whose surface is conductive and a means for applying a voltage to the probe,
An analyzer equipped with an ion detector, wherein one or more atoms on the sample surface are picked up on the probe surface,
A microscopic area characterized by element identification by analyzing the mass of atoms from the flight time until reaching the ion detector placed in front by applying a voltage to the probe to desorb these atoms as ions A surface analyzer is also provided.

【0008】[0008]

【作用】この発明は、上記の通りと方法とそのための装
置からなることを特徴としているが、その方法の原理に
ついて説明すると以下の通りに特徴づけられる。すなわ
ち、この発明の方法では、まず、固体表面の個々の原子
を観察できる走査プローブ顕微鏡の探針を任意の指定し
た極微領域の原子の上に位置させ、探針と固体表面間に
印加した電圧による電界蒸発等の方法によって、固体表
面上の指定した原子の1個もしくは複数個を引き抜き、
原子を探針に付着させる。次に、探針を固体表面から離
して正の電圧を印加する。すると、探針表面に付着した
原子は電界脱離し、正イオンとなって探針前方に向かっ
て飛行する。この飛行のエネルギーは印加した電圧Vの
大きさによって決定されるので、イオン検出器までの距
離をlとし、そこに到達するまでの時間をtとすると、
この原子の質量mとイオンの価数nの比は、次式として
表される。
The present invention is characterized by the above-mentioned method and the apparatus therefor. The principle of the method will be described as follows. That is, in the method of the present invention, first, a probe of a scanning probe microscope capable of observing individual atoms on a solid surface is positioned above atoms in an arbitrarily specified microscopic region, and a voltage applied between the probe and the solid surface is applied. One or more of the specified atoms on the solid surface are extracted by a method such as electric field evaporation by
Attach the atom to the probe. Next, the probe is separated from the solid surface and a positive voltage is applied. Then, the atoms attached to the surface of the probe are desorbed from the electric field, become positive ions, and fly toward the front of the probe. Since the energy of this flight is determined by the magnitude of the applied voltage V, if the distance to the ion detector is l and the time to reach it is t,
The ratio between the mass m of the atom and the valence number n of the ion is represented by the following equation.

【0009】[0009]

【数1】 [Equation 1]

【0010】ここでaは定数である。これにより、イオ
ン検出器までの到達時間tを計測することで、原子の質
量mが求まり、その値から元素が同定できることにな
る。そこで、この発明の方法では、探針から脱離させた
イオンの質量分析に飛行時間法を用いる。これによっ
て、分析対象である特定の1個の原子を逃すことなく、
その質量を測定することが可能となる。つまり、どのよ
うな箇所の原子に対しても透過率が100%であるよう
な質量分析器が構成される。
Here, a is a constant. Thus, by measuring the arrival time t to the ion detector, the mass m of the atom can be obtained, and the element can be identified from the value. Therefore, in the method of the present invention, the time-of-flight method is used for mass spectrometry of the ions desorbed from the probe. By this, without missing one specific atom to be analyzed,
It is possible to measure the mass. That is, a mass spectrometer having a transmittance of 100% for atoms at any position is constructed.

【0011】電界や磁界の強度を掃引して質量スペクト
ルを得る方式の質量分析器は、これまでにも広く利用さ
れているが、従来の場合では、透過条件からはずれた質
量のイオンは分析器を透過できず、検出器に到達しない
等の欠点がある。しかしながら、この発明によって、こ
のような欠点は解消され、高精度での質量分析と、それ
による元素同定が可能となる。
Mass spectrometers of the type in which the intensity of an electric field or a magnetic field is swept to obtain a mass spectrum have been widely used so far, but in the conventional case, an ion having a mass deviated from the transmission condition is analyzed. There is a defect that it cannot pass through and does not reach the detector. However, the present invention eliminates such drawbacks and enables mass spectrometry with high accuracy and elemental identification by it.

【0012】分析のための装置構成では、この発明にお
いては探針を持つ走査プローブ顕微鏡と、この探針への
電圧印加手段とともに、イオン検出器とを有することと
しているが、原子の探針表面からの電界脱離のための手
段として、対向電極を持つことや、パルスレーザ装置を
配設することが考慮される。さらには、イオン信号取出
し部にマルチアノードを用いることや、角度収束型リフ
レクトロンとイオン集束用の長焦点型静電レンズを備え
ること等により、より高精度での分析を可能とする。
According to the present invention, the apparatus structure for analysis has a scanning probe microscope having a probe, and an ion detector together with a means for applying a voltage to the probe. As a means for desorbing the electric field from the device, it is considered to have a counter electrode or to arrange a pulse laser device. Furthermore, by using a multi-anode for the ion signal extraction unit, and by providing an angle-focusing reflectron and a long-focus electrostatic lens for focusing ions, it is possible to perform analysis with higher accuracy.

【0013】以下、実施例を示してさらに詳しくこの発
明の分析方法とその装置について説明する。
Hereinafter, the analysis method and apparatus of the present invention will be described in more detail with reference to examples.

【0014】[0014]

【実施例】実施例1 添付した図面の図1は、この発明の分析装置の概略を例
示したものである。この例では、走査トンネル顕微鏡
(1)の探針(12)は、たとえば直径0.5mmのタ
ングステン線の先端を電解研磨によって尖らせたもの
で、先端の曲率半径は約50nmである。この探針(1
2)はピエゾ駆動機構(15)によって、X,Y,Z方
向に制御され、試料ホルダ(14)に取り付けられた試
料(13)に相対するようにバイトンゴムを用いた除振
機構(16)の上に載せられている。一方、探針(1
2)から距離lだけ離れた位置に、たとえば二枚重ねの
有効直径75mmのマイクロチャンネルプレート電子増
倍板(以下、MCP)(21)と蛍光スクリーン(2
2)からなるイオン検出器を設置する。以上のものは、
試料の前後移動機構(41)、イオン検出器の上下移動
機構(42)とともに、たとえば10-7Pa以下の超高
真空に保持された直径25cm、長さ40cmの超高真
空槽(43)に収められている。探針(12)から電界
脱離した1個ないし数個のイオンを検出するために、気
体によるイオンの散乱が無視できる超高真空雰囲気とす
る。
EXAMPLE 1 FIG. 1 of the accompanying drawings schematically illustrates an analyzer of the present invention. In this example, the probe (12) of the scanning tunneling microscope (1) is, for example, a tip of a tungsten wire having a diameter of 0.5 mm, which is sharpened by electrolytic polishing, and the radius of curvature of the tip is about 50 nm. This probe (1
2) is controlled by the piezo drive mechanism (15) in the X, Y, and Z directions, and of the vibration isolation mechanism (16) using viton rubber so as to face the sample (13) attached to the sample holder (14). It is listed above. On the other hand, the probe (1
2) At a position separated by a distance l, for example, two stacked microchannel plate electron multiplier plates (hereinafter, MCP) (21) with an effective diameter of 75 mm and a fluorescent screen (2
Install the ion detector consisting of 2). More than that
Along with the sample back-and-forth moving mechanism (41) and the ion detector up-and-down moving mechanism (42), an ultra-high vacuum chamber (43) having a diameter of 25 cm and a length of 40 cm held in an ultra-high vacuum of, for example, 10 −7 Pa or less. It is contained. In order to detect one or several ions that have been desorbed from the probe (12) by an electric field, an ultrahigh vacuum atmosphere in which the scattering of ions by a gas can be ignored.

【0015】走査トンネル顕微鏡(1)は、超高真空槽
(43)外にある走査トンネル顕微鏡コントローラ(1
7)によって制御される。スイッチ(30)をコントロ
ーラ側に倒せば、試料(13)の表面の原子配列を描き
出したり、指定した原子の上に探針を移動して静止させ
ることができる。一方、超高真空槽(43)外に設置し
た正極性の直流高電圧電源(23)と分圧用高抵抗(3
1)によって、イオン検出器の2枚のMCP(21)の
表面と裏面の間に2kV、MCP(21)裏面と蛍光ス
クリーン(22)の間には、たとえば3kVの電圧を与
える。1個の水素原子から重い原子までのあらゆる元素
が1keV以上のエネルギーでMCP(21)の表面に
衝突すると、数mV以上の波高の電気パルスが蛍光スク
リーンに接続した端子に発生する。この電気パルスは、
直流電圧阻止用コンデンサ(33)を通って、前置増幅
器(27)で増幅された後、飛行時間法による質量分析
システム(26)において検出される。
The scanning tunneling microscope (1) is a scanning tunneling microscope controller (1) located outside the ultra-high vacuum chamber (43).
7). When the switch (30) is tilted to the controller side, the atomic arrangement on the surface of the sample (13) can be drawn, or the probe can be moved to rest on the designated atom. On the other hand, a positive DC high voltage power source (23) installed outside the ultra high vacuum chamber (43) and a high voltage dividing resistor (3)
According to 1), a voltage of 2 kV is applied between the front surface and the back surface of the two MCPs (21) of the ion detector, and a voltage of, for example, 3 kV is applied between the back surface of the MCP (21) and the fluorescent screen (22). When any element from one hydrogen atom to a heavy atom collides with the surface of MCP (21) with an energy of 1 keV or more, an electric pulse with a wave height of several mV or more is generated at the terminal connected to the fluorescent screen. This electrical pulse
After being amplified by the preamplifier (27) through the DC voltage blocking capacitor (33), it is detected in the time-of-flight mass spectrometry system (26).

【0016】さらにこの図1の例では、、もう一つの正
極性高電圧電源(24)と正極性パルス電圧発生器(2
5)を有し、これらの出力が重畳されたものをスイッチ
(30)の切り替えによって探針(12)に与えること
ができるようにしている。たとえば、正極性直流高電圧
電源(24)による出力電圧は0から+10kVの範囲
で可変でき、正極性パルス電圧発生器(25)による出
力パルス波形は+0.4kVから+4kVの範囲で可変
できるようにしている。直流高電圧とパルス波高のそれ
ぞれに比例する電圧信号を飛行時間法による質量分析シ
ステム(26)に送り原子の質量算出に用いる。パルス
電圧の発生は、ロゴスキー・コイル(29)とコンスタ
ント・フラクション波形弁別器(28)で検知され、飛
行時間法による質量分析システム(26)に飛行時間の
計測開始信号を発する。
Further, in the example of FIG. 1, another positive voltage source (24) and a positive pulse voltage generator (2) are used.
5) is provided so that the output in which these outputs are superimposed can be given to the probe (12) by switching the switch (30). For example, the output voltage from the positive DC high voltage power supply (24) can be varied in the range of 0 to +10 kV, and the output pulse waveform of the positive pulse voltage generator (25) can be varied in the range of +0.4 kV to +4 kV. ing. A voltage signal proportional to each of the DC high voltage and the pulse wave height is sent to the mass spectrometry system (26) by the time-of-flight method and used to calculate the mass of the atom. Generation of the pulse voltage is detected by the Rogowski coil (29) and the constant fraction waveform discriminator (28), and a time-of-flight measurement start signal is issued to the time-of-flight mass spectrometry system (26).

【0017】以下、上記の装置の構成において、試料
(13)の表面に存在する任意の単原子の元素を分析す
る際の手順を説明する。すなわちまず、試料(13)を
載せた試料ホルダ(14)を走査トンネル顕微鏡(1)
の試料ホルダ受けに取り付け、スイッチ(30)を走査
トンネル顕微鏡コントローラ側に切り替え、許される範
囲内でトンネル電流値を小さく設定し、分析試料表面の
原子配列を乱すことのないように配慮しながら観察す
る。この観察結果をもとに、元素同定をしたい試料(1
3)の表面原子の上に探針(12)を移動し、瞬間的に
バイアス電圧やトンネル電流を原子配列観察時より高め
る等の方法によって、この原子を探針先端上に付着させ
て取り上げる。
The procedure for analyzing an arbitrary monoatomic element present on the surface of the sample (13) in the configuration of the above apparatus will be described below. That is, first, the sample holder (14) on which the sample (13) is placed is attached to the scanning tunneling microscope (1).
Attached to the sample holder receiver, switch (30) to the scanning tunneling microscope controller side, set the tunnel current to a small value within the allowable range, and observe it while not disturbing the atomic arrangement on the surface of the analytical sample. To do. Based on this observation result, the sample (1
The atom (12) is attached to the tip of the probe by a method such as moving the probe (12) onto the surface atom of (3) and instantaneously increasing the bias voltage and the tunnel current more than when observing the atomic arrangement.

【0018】次に、探針(12)をいっぱいに後退させ
て試料との衝突を避けた上で試料ホルダ(14)を走査
トンネル顕微鏡(1)から取り外し、イオンの飛行空間
外に置く。スイッチ(30)を切り替えて、正極性直流
高電圧電源(24)と正極性パルス発生器(25)の出
力電圧を調節しながら(たとえばパルス電圧と直流電圧
の比を1:5ないし1:9の範囲で選び、この比率を固
定する)パルスを発生させる。パルス発生の度にロゴス
キー・コイル(29)がこれをピックアップし、飛行時
間法による質量分析システム(26)の計時を開始させ
る。探針(12)に付着した試料原子が電界脱離してい
なければ、イオン検出器は信号を発しないが、脱離する
とイオン検出器から送られる信号によって計時が停止
し、この停止信号と開始信号との時間差がその脱離イオ
ンの飛行時間として記録される。たとえばこの実施例の
質量分析システムでは、一回の開始信号で最大8個まで
の脱離したイオンの飛行時間を計測できる。付着原子の
電界脱離の起きやすさと探針先端の電界強度、さらに探
針への印加電圧の三者の間には明白な相関があるため、
最初は探針への印加電圧を低めにして、パルスを出しな
がら徐々に印加電圧を増していくことで、付着原子の検
出もれを防ぐことができる。実際には、パルス電圧と直
流電圧の比率は上記の範囲からはずれても何らさしつか
えないが、パルス休止中に直流電圧だけで付着原子が脱
離してしまうと飛行時間が計測できず、この原子は分析
もれとなる。直流電圧だけ(すなわちパルス休止中)で
は電界脱離せず、パルス電圧が重畳されたときだけ脱離
が起きるようにする。
Next, the probe (12) is fully retracted to avoid collision with the sample, and the sample holder (14) is removed from the scanning tunneling microscope (1) and placed outside the ion flight space. The switch (30) is switched to adjust the output voltage of the positive DC high voltage power supply (24) and the positive pulse generator (25) (for example, the ratio of the pulse voltage to the DC voltage is 1: 5 to 1: 9). Select the range of, and fix this ratio) Generate a pulse. Each time a pulse is generated, the Rogowski coil (29) picks it up and causes the time-of-flight mass spectrometry system (26) to start timing. If the sample atoms attached to the probe (12) are not desorbed by the electric field, the ion detector does not generate a signal, but when desorbed, the signal sent from the ion detector stops the timing, and the stop signal and start signal Is recorded as the flight time of the desorbed ions. For example, the mass spectrometry system of this embodiment can measure the flight times of up to eight desorbed ions with one start signal. Since there is a clear correlation between the ease of electric field desorption of attached atoms, the electric field strength at the tip of the probe, and the applied voltage to the probe,
By first lowering the voltage applied to the probe and gradually increasing the voltage applied while generating a pulse, it is possible to prevent detection failure of attached atoms. Actually, the ratio of the pulse voltage to the DC voltage may be out of the above range without any problem, but if the attached atoms are desorbed only by the DC voltage during the pulse pause, the flight time cannot be measured, and this atom is Analysis will be missed. The electric field is not desorbed only by the DC voltage (that is, while the pulse is stopped), and the desorption is caused only when the pulse voltage is superimposed.

【0019】この例の装置では、飛行距離lが長いほ
ど、または付着原子を脱離させるために探針(12)に
印加するパルス電流のパルス幅が短いほど、質量分解能
は高くなる。たとえば飛行距離lを10cm、パルス幅
を5nsに設定し、Δmを質量mにおけるピークの半値
幅としたとき、得られた質量分解能m/Δmは約30で
ある。実施例2 図2は、探針によって取り上げた試料表面原子を対向電
極を用いて電界脱離させる方法を用いた分析装置を例示
したものである。この例では、小さい方の開口径が4m
m、大きい方の開口径が25mm、円錐台の高さが23
mmである中空の円錐台状の金属電極からなる可動式の
対向電極(51)を設置している。そして、円錐台側面
の角度は、探針先端から脱離したイオンがイオン検出器
の検出有効範囲内に飛来するように調整してある。対向
電極(51)は超高真空槽外から対向電極移動機構(5
2)によって位置制御され、X,Y,Zの3方向に数m
mのストロークで微調節されるようにしている。
In the apparatus of this example, the longer the flight distance 1 or the shorter the pulse width of the pulse current applied to the probe (12) for desorbing the attached atoms, the higher the mass resolution. For example, when the flight distance 1 is set to 10 cm and the pulse width is set to 5 ns, and Δm is the half width of the peak at mass m, the obtained mass resolution m / Δm is about 30. Example 2 FIG. 2 exemplifies an analyzer using a method of desorbing the surface atoms of a sample picked up by a probe using an opposing electrode. In this example, the smaller opening diameter is 4m
m, the larger opening diameter is 25 mm, and the height of the truncated cone is 23
A movable counter electrode (51) made of a hollow frustoconical metal electrode having a size of mm is installed. The angle of the side surface of the truncated cone is adjusted so that the ions desorbed from the tip of the probe fly into the detection effective range of the ion detector. The counter electrode (51) is a counter electrode moving mechanism (5
The position is controlled by 2), and it is several meters in 3 directions of X, Y and Z.
Fine adjustment is made with a stroke of m.

【0020】実施例1では探針(12)に正の高電圧を
印加したが、この例では接地電位に保ったまま対向電極
(51)に負の高電圧を印加する。このため、実施例1
の正極性直流高電圧電源(24)と正極性パルス電圧発
生器(25)は、それぞれ負極性直流高電圧電源(5
4)と負極性パルス電圧発生器(55)に置き換えられ
ている。出力電圧の可変範囲等の特性は同じものであ
る。これにより、探針(12)への回路を切り替える必
要がなくなり、実施例1のスイッチ(30)は不要とな
り、走査トンネル顕微鏡(1)はその本来の構成が常時
保たれる。
In Example 1, a positive high voltage was applied to the probe (12), but in this example, a negative high voltage is applied to the counter electrode (51) while maintaining the ground potential. Therefore, the first embodiment
The positive polarity DC high voltage power supply (24) and the positive polarity pulse voltage generator (25) of
4) and a negative pulse voltage generator (55). The characteristics such as the variable range of the output voltage are the same. As a result, there is no need to switch the circuit to the probe (12), the switch (30) of the first embodiment is unnecessary, and the original configuration of the scanning tunneling microscope (1) is always maintained.

【0021】また、MCP(21)の表面をたとえば−
5kV、蛍光スクリーン(22)を接地電位とするた
め、実施例1の正極性直流高電圧電源(23)は、負極
性直流高電圧電源(53)に置き換えられている。これ
により、接地電位の蛍光スクリーン(22)に前置増幅
器(27)を直結でき、直流電圧阻止用コンデンサ(3
3)が不要なため、高周波特性の向上が期待できる。さ
らに、探針表面原子の脱離電圧すなわち対向電極の電位
に関わらず、イオン検出器に入射するイオンのエネルギ
ーは常に5keVと一定であるため、装置の動作安定性
に大きく寄与する。
The surface of the MCP (21) is, for example,
In order to set the fluorescent screen (22) at 5 kV to the ground potential, the positive DC high voltage power supply (23) of Example 1 is replaced with the negative DC high voltage power supply (53). As a result, the preamplifier (27) can be directly connected to the fluorescent screen (22) of the ground potential, and the DC voltage blocking capacitor (3
Since 3) is unnecessary, improvement of high frequency characteristics can be expected. Furthermore, regardless of the desorption voltage of the atom on the probe surface, that is, the potential of the counter electrode, the energy of the ions incident on the ion detector is always 5 keV, which greatly contributes to the operational stability of the device.

【0022】ただ、この実施例では、探針(12)から
脱離した付着原子のイオンが飛行する空間は無電界空間
ではなく、等速度運動を仮定した前記のm/nの算出式
が成立しなくなる。そこで、この例では、静電界中の荷
電粒子の挙動のコンピュータ・シミュレーションによっ
て、m/n値ならびに対向電極電位Vを様々に変化さ
せ、その場合の飛行時間tを求めて対応表を作成し、分
析結果の飛行時間tならびに対向電極電位Vから対応表
により逆にm/nの値を求める。また、装置には磁界を
全く使っていないため、静電界の性質により、電位、時
間、質量等を正規化無次元量で記述すれば、一つの場合
についてのシミュレーションで得られた正規化時間を定
数倍するだけで、あらゆる質量のイオンの飛行時間が一
度に得られる。
However, in this embodiment, the space in which the ions of the attached atoms desorbed from the probe (12) fly is not an electric field-free space, and the above formula for calculating m / n is assumed, assuming uniform velocity motion. Will not do. Therefore, in this example, the computer simulation of the behavior of the charged particles in the electrostatic field is performed to change the m / n value and the counter electrode potential V variously, and the flight time t in that case is obtained to create a correspondence table, From the flight time t and the counter electrode potential V of the analysis result, the value of m / n is determined in reverse by the correspondence table. In addition, since no magnetic field is used in the device, if the potential, time, mass, etc. are described by the normalized dimensionless quantity due to the property of the electrostatic field, the normalized time obtained by simulation for one case can be obtained. Just by multiplying by a constant, the flight time of ions of any mass can be obtained at once.

【0023】そこで、以下、試料(13)の表面に存在
する任意の原子の元素分析の手順を説明する。すなわ
ち、まず、試料(13)を載せた試料ホルダ(14)を
走査トンネル顕微鏡(1)の試料ホルダ受けに取り付
け、許される範囲内でトンネル電流値を小さく設定し、
分析試料表面の原子配列を乱すことのないように配慮し
ながら観察する。この観察結果をもとに、元素同定をし
たい表面原子の上に探針(12)を移動し、瞬間的にバ
イアス電圧やトンネル電流を原子配列観察時より高める
等の方法によって、この原子を探針先端上に付着させて
取り上げる。
Therefore, the procedure for elemental analysis of arbitrary atoms existing on the surface of the sample (13) will be described below. That is, first, the sample holder (14) on which the sample (13) is placed is attached to the sample holder receiver of the scanning tunneling microscope (1), and the tunnel current value is set small within the allowable range.
Observe with care not to disturb the atomic arrangement on the surface of the analytical sample. Based on this observation result, the probe (12) is moved onto the surface atom for which element identification is desired, and the bias voltage or tunnel current is instantaneously increased by a method such as that when observing the atomic arrangement. Pick up on the tip of the needle.

【0024】次に、探針(12)をいっぱいに後退させ
て試料との衝突を避けた上で試料ホルダ(14)を走査
トンネル顕微鏡(1)から取り外し、イオンの飛行空間
外に置く。試料ホルダ(14)がはずされた開口部に対
向電極移動機構(52)によって対向電極(51)を挿
入し、探針(12)の前方数mmの位置に固定する。対
向電極(51)は付着させた原子を電界脱離させるため
の高電圧を印加するため、接地電位にある試料ホルダ開
口部に接触させないようにする。
Next, the probe (12) is fully retracted to avoid collision with the sample, and then the sample holder (14) is removed from the scanning tunneling microscope (1) and placed outside the ion flight space. The counter electrode (51) is inserted into the opening from which the sample holder (14) has been removed by the counter electrode moving mechanism (52) and fixed at a position several mm in front of the probe (12). Since the counter electrode (51) applies a high voltage for desorbing the attached atoms to the electric field, it should not come into contact with the sample holder opening at ground potential.

【0025】負極性直流高電圧電源(54)と負極性パ
ルス発生器(55)の出力電圧を調節しながら(たとえ
ばパルス電圧と直流電圧の比を1:5ないし1:9の範
囲で選び、この比率を固定する)パルスを発生させる。
パルスの発生をもとに対向電極(51)によって電界脱
離したイオンの飛行時間を計測し、その飛行時間tをも
とに実施例1と同様に質量分析を行い、元素を同定す
る。
While adjusting the output voltage of the negative DC high voltage power supply (54) and the negative pulse generator (55) (for example, the ratio of the pulse voltage to the DC voltage is selected in the range of 1: 5 to 1: 9, Generate a pulse (fix this ratio).
The flight time of the ions desorbed by the electric field by the counter electrode (51) is measured based on the generation of the pulse, and the mass spectrometry is performed based on the flight time t in the same manner as in Example 1 to identify the element.

【0026】この例では、実際に対向電極電位が−1.
2kVの場合、タングステンの3価イオンとシリコン2
価イオンの飛行時間の中央値は、それぞれ510ns、
240nsであった。飛行時間の分布幅の広さで決まる
質量分解能は実施例1の場合と同等であった。実施例3 図3は、探針によって取り上げた試料表面原子を脱離さ
せるためにパルス幅の短いパルス・レーザを用いたこの
発明の装置例を示したものである。つまり、実施例1お
よび2とは異なる、2つの互いに独立な変更を加えてい
る。この2つの変更とは、 ・パルス幅の短いパルスレーザを用いたこと、 ・イオン検出器の信号出力部を変えたこと である。これらの変更を加えたことにより、質量分解能
の改善効果をより顕著なものとしている。
In this example, the counter electrode potential is actually -1.
At 2 kV, trivalent ions of tungsten and silicon 2
The median time of flight of valence ions is 510 ns,
It was 240 ns. The mass resolution determined by the breadth of the flight time distribution was the same as in Example 1. Embodiment 3 FIG. 3 shows an example of the device of the present invention which uses a pulse laser having a short pulse width to desorb sample surface atoms picked up by a probe. That is, different from the first and second embodiments, two mutually independent changes are added. These two changes are: -a pulse laser with a short pulse width was used-a signal output part of the ion detector was changed. By making these changes, the effect of improving the mass resolution becomes more remarkable.

【0027】この例では、探針(12)の表面上に取り
上げた原子を飛行時間法による質量分析のために電界脱
離させるに際し、Nd−YAGレーザの3倍高調波(波
長355nm)を探針(12)の先端だけに集光して照
射するようにしている。このため、実施例1の正極性パ
ルス電圧発生器(25)を外し、正極性直流高電圧電源
(24)のみが探針(12)にスイッチ(30)を介し
て接続される。一方、超高真空槽(43)の外にパルス
・レーザ(61)(Nd−YAG、パルス幅35ps、
3倍高調波の1パルスあたりのエネルギー5mJ)を設
置し、ピンホール(62)、凸レンズ(63)、サファ
イア真空窓(64)を用いて、レーザ光を探針(12)
の先端に照射する。そして、探針(12)の先端に集光
されて再び発散してくるレーザ光は超高真空槽(43)
の内壁で反射、散乱させるのではなく、もう一つのサフ
ァイア真空窓(65)から超高真空槽外に逃がすように
している。ピンホール(62)は、探針(12)に照射
されるレーザのパワーを減じるためのものである。入射
側のサファイア窓(64)の表面でのレーザ光の僅かな
反射をバイプラナ放電管(66)で捕らえて、この出力
信号により飛行時間法による質量分析システム(26)
の計時を開始する。
In this example, when the atoms picked up on the surface of the probe (12) are desorbed by the electric field for the time-of-flight mass spectrometry, the third harmonic (wavelength 355 nm) of the Nd-YAG laser is detected. Only the tip of the needle (12) is focused and irradiated. Therefore, the positive pulse voltage generator (25) of the first embodiment is removed, and only the positive DC high voltage power supply (24) is connected to the probe (12) via the switch (30). On the other hand, outside the ultra-high vacuum chamber (43), a pulse laser (61) (Nd-YAG, pulse width 35 ps,
An energy (5 mJ per pulse of triple harmonic) is installed, and a pinhole (62), a convex lens (63) and a sapphire vacuum window (64) are used to probe a laser beam (12).
Irradiate the tip of. Then, the laser light that is focused on the tip of the probe (12) and diverges again is an ultra-high vacuum chamber (43).
Instead of being reflected and scattered by the inner wall of the, the other sapphire vacuum window (65) escapes to the outside of the ultra-high vacuum chamber. The pinhole (62) is for reducing the power of the laser with which the probe (12) is irradiated. The slight reflection of the laser light on the surface of the sapphire window (64) on the incident side is captured by the biplanar discharge tube (66), and the output signal is used for the time-of-flight mass spectrometry system (26).
Start timing.

【0028】また、この例のイオン検出器では、イオン
検出信号取り出し部の構造が実施例1および2と異なっ
ており、蛍光スクリーンの代わりに図4に示した同心円
環状のアルミニウム蒸着電極をもつマルチアノード(6
7)を用いている。8つの各円環の幅は便宜的に各アノ
ード面積が同じになるように決めている。それぞれの円
環部から出力される信号がそれぞれ独立した直流電圧阻
止コンデンサ(33)と前置増幅器(27)を通して、
飛行時間法による質量分析システム(26)の計時を停
止させる。本装置の飛行時間法による質量分析システム
(26)は、イオンが検出器上のどの円環アノードに、
いつ入射したかを認識できるものである。
Further, in the ion detector of this example, the structure of the ion detection signal extracting portion is different from those of the first and second embodiments, and a multi-tube having the concentric annular aluminum vapor deposition electrode shown in FIG. 4 is used instead of the fluorescent screen. Anode (6
7) is used. The width of each of the eight rings is determined so that the anode areas are the same for convenience. The signals output from the respective annular parts pass through a DC voltage blocking capacitor (33) and a preamplifier (27) which are independent of each other,
The time-of-flight mass spectrometry system (26) is stopped. The mass spectrometry system (26) by the time-of-flight method of this device is such that the ion on which annular anode on the detector is
It can recognize when it is incident.

【0029】試料(13)の表面に存在する任意の原子
の元素を分析する際の手順は次の通りである。すなわ
ち、まず試料(13)を走査トンネル顕微鏡(1)によ
って観察した結果をもとに、元素を同定したい試料(1
3)の表面原子の上に探針(12)を移動し、この原子
を探針先端上に付着させて取り上げる。次いで探針(1
2)をいっぱいに後退させて試料との衝突を避けた上で
試料ホルダ(14)を走査トンネル顕微鏡(1)から取
り外し、イオンの飛行空間外に置く。
The procedure for analyzing an element of an arbitrary atom existing on the surface of the sample (13) is as follows. That is, first, based on the result of observing the sample (13) with the scanning tunneling microscope (1), the sample (1
The probe (12) is moved onto the surface atom of 3), and this atom is attached and picked up on the tip of the probe. Then the probe (1
The sample holder (14) is removed from the scanning tunneling microscope (1) after the 2) is fully retracted to avoid collision with the sample, and is placed outside the ion flight space.

【0030】次に、スイッチ(30)を正極性直流高電
圧電源(24)に切り替える。レーザ・パルスを探針
(12)に照射し、探針(12)に印加する直流電圧を
徐々に上げながら、飛行時間の計時によってイオンの到
来を確認するプロセスを繰り返す。探針(12)の電圧
が付着原子の離脱電圧(付着している原子の種類や他の
要因によって異なる)に達したときに付着原子のイオン
化脱離が起きて、イオン検出器で検出することができ
る。
Next, the switch (30) is switched to the positive DC high voltage power supply (24). The process of irradiating the probe (12) with a laser pulse and gradually increasing the DC voltage applied to the probe (12) and repeating the process of confirming the arrival of ions by measuring the flight time is repeated. When the voltage of the probe (12) reaches the detachment voltage of the attached atom (it depends on the type of attached atom and other factors), the ionization and desorption of the attached atom occurs and the ion detector detects it. You can

【0031】この例では、実施例1および2よりも元素
同定における質量分解能が向上する。その理由は次のよ
うに考えることができる。飛行時間法による質量分析で
は、パルス幅が短いほど質量分解能が増すが、高電圧の
電気パルスではパルス幅を5nsより短くすることは困
難であるため、ピコ秒以下の強力な光パルスを容易に発
生することのできるレーザ光を用いている。もちろん、
タングステン等の金属探針に直流電圧を印加しレーザ・
パルスを照射したときの電界脱離の機構は、レーザ・エ
ネルギーの吸収による探針温度の上昇に基づくものであ
るため、パルス幅が短かくなったとしても、単純にその
割合だけ質量分解能が向上するわけではない。
In this example, the mass resolution in element identification is improved as compared with Examples 1 and 2. The reason can be considered as follows. In mass spectrometry by the time-of-flight method, the shorter the pulse width, the higher the mass resolution, but it is difficult to make the pulse width shorter than 5 ns with a high-voltage electric pulse. Therefore, it is easy to generate a strong optical pulse of picosecond or less. A laser beam that can be generated is used. of course,
Applying a DC voltage to a metal probe of tungsten, etc.
The mechanism of electric field desorption upon irradiation with a pulse is based on the rise in the probe temperature due to the absorption of laser energy, so even if the pulse width becomes short, the mass resolution is simply improved by that proportion. It doesn't.

【0032】また、この実施例では、平常温度において
電界脱離が起こらない程度に直流電圧を印加しておき、
レーザ光吸収によって探針の温度が上昇し、その温度に
おける電界脱離電圧値よりも印加直流電圧が上回ったと
きだけ電界脱離が起こるようにする。このようにする
と、パルス照射後には探針軸部への熱放散によって探針
先端の温度は平常温度に戻るが、パルス幅35psのレ
ーザ光による探針先端の温度上昇および下降には1ns
程度の時間を要すると考えられ、この期間であればいつ
でも電界脱離する可能性がある。この温度上昇および下
降を迅速に行うために、探針先端のできるだけ小さな領
域だけにレーザ光を照射する。
Further, in this embodiment, a DC voltage is applied to the extent that electric field desorption does not occur at normal temperature,
The absorption of the laser light causes the temperature of the probe to rise, and the electric field desorption occurs only when the applied DC voltage exceeds the electric field desorption voltage value at that temperature. With this arrangement, after the pulse irradiation, the temperature of the tip of the probe returns to the normal temperature due to the heat dissipation to the shaft of the probe, but the temperature of the tip of the probe rises and falls by the laser beam with the pulse width of 35 ps, and it takes 1 ns.
It is considered that it takes some time, and there is a possibility that the electric field will be desorbed at any time during this period. In order to rapidly raise and lower the temperature, laser light is irradiated only on the smallest possible area at the tip of the probe.

【0033】飛行時間法による質量分析では、飛行距離
lが一定であることが前提であるが、これまでに示した
実施例のように、飛行距離10cmの位置に有効直径7
5mmのイオン検出器を設けた構造であると、探針表面
上の広い領域に付着した原子をもれなく検出できるが、
イオン検出器の中心に入射するイオン飛行距離(10c
m)とイオン検出器の最外周部に入射するイオンの飛行
距離(10.68cm)とでは6.8%もの違いがあ
る。実施例1および2では、同じ質量のイオンでも検出
器の中央に入射するのと最外周部に入射するのでは、飛
行時間に6.8%のバラツキがあり、これが質量分解能
を低下させる要因の一つであったが、この実施例では、
検出器への入射場所の半径をマルチアノード(67)で
認識し、質量算出式m/n=a・V・(t/l)2 の中
で飛行距離lの値を各円環アノードごとに変えている。
In the mass spectrometry by the time-of-flight method, it is premised that the flight distance l is constant, but as in the embodiments shown so far, the effective diameter 7 is set at the position where the flight distance is 10 cm.
With a structure with a 5 mm ion detector, it is possible to detect all the atoms attached to a large area on the probe surface.
Flight distance of ions incident on the center of the ion detector (10c
There is a difference of 6.8% between m) and the flight distance (10.68 cm) of the ions incident on the outermost periphery of the ion detector. In Examples 1 and 2, there is a variation of 6.8% in the flight time between the ions having the same mass entering the center of the detector and the ions entering the outermost part of the detector, which is a factor that reduces the mass resolution. It was one, but in this example,
The radius of the incident point on the detector is recognized by the multi-anode (67), and the value of the flight distance l is calculated for each annular anode in the mass calculation formula m / n = a · V · (t / l) 2. Changing.

【0034】以上の改良によって、この例では、超高真
空槽のコンパクトさに影響をおよぼす飛行空間長を変え
ることなく、元素同定の質量分解能m/Δmを100に
まで高めることができた。実施例4 図5は、現在実用化されている表面分析装置のうち最高
の質量分解能をもつ二次イオン質量分析装置(SIM
S)と同等の質量分解能をもたせた、この発明による単
原子の元素分析装置の概略図を示したものである。
With the above-mentioned improvement, in this example, the mass resolution m / Δm for elemental identification could be increased to 100 without changing the flight space length that affects the compactness of the ultra-high vacuum chamber. Example 4 FIG. 5 shows a secondary ion mass spectrometer (SIM) having the highest mass resolution among surface analyzers currently in practical use.
3 is a schematic view of a monoatomic elemental analyzer according to the present invention having a mass resolution equivalent to that of S).

【0035】この例では、探針(12)の直前に長焦点
型静電レンズ(72)を配置し、探針(12)の先端か
ら広い角度広がりで脱離してくるイオンを絞って角度収
束型リフレクトロン(71)の入射点に送り込んでい
る。図6は、この実施例で用いた長焦点型静電レンズ
(72)の構造を例示したものである。これは、走査ト
ンネル顕微鏡(1)の試料ホルダ(14)に作りつけた
単レンズ(Einzel lens) で、走査トンネル顕微鏡(1)
による観察において原子分解能を損なうことのないよう
に極力軽量かつ高剛性であることを目標に小型化したも
のである。タンタル製の試料ホルダ(14)には、2個
の試料固定爪(87)と固定ネジ(88)で試料(1
3)を固定する位置のすぐ近くに、試料表面と面位置に
なる高さ(ここでは、0.4mm)の円環上突起(8
1)が一体加工されている。試料ホルダ(14)の裏面
には、マコール製の円環状絶縁板(83)をはさんで、
単レンズの中央電極になるステンレス板円環(84)と
端電極になるステンレス板円環(85)が3本の電極固
定用ステンレス・ネジ(86)で固定され、イオン通過
用開口(82)が貫いている。単レンズ使用時には、試
料ホルダ(14)と端電極円環(85)を接地電位に
し、探針印加電圧の半分程度でかつこれに連動する電圧
を中央電極円環(84)に印加する。中央電極円環(8
4)の外径が他の円環より小さいのは、単レンズ出射後
のイオン軌道が影響を受けないように中央電極円環(8
4)の電圧の影響を端電極円環(85)で効果的にシー
ルドするためである。
In this example, a long focus type electrostatic lens (72) is arranged immediately before the probe (12), and ions desorbing from the tip of the probe (12) with a wide angular spread are narrowed down to converge the angle. It is sent to the incident point of the mold reflectron (71). FIG. 6 illustrates the structure of the long-focus electrostatic lens (72) used in this example. This is a single lens (Einzel lens) built into the sample holder (14) of the scanning tunneling microscope (1).
It was made compact with the goal of being as lightweight and highly rigid as possible so as not to impair the atomic resolution in observation by. The sample holder (14) made of tantalum has two sample fixing claws (87) and a fixing screw (88), and the sample (1
3) Immediately near the position where the sample is fixed, an annular protrusion (8 mm in this case) having a height (0.4 mm in this case) that becomes the surface position of the sample surface.
1) is integrally processed. On the back surface of the sample holder (14), a ring-shaped insulating plate (83) made by Macor is sandwiched,
The stainless steel plate ring (84) which becomes the central electrode of the single lens and the stainless steel plate ring (85) which becomes the end electrodes are fixed by three stainless steel screws (86) for fixing the electrode, and the ion passage opening (82). Is running through. When a single lens is used, the sample holder (14) and the end electrode ring (85) are set to the ground potential, and a voltage that is about half the probe applied voltage and that is linked to this is applied to the center electrode ring (84). Central electrode ring (8
The outer diameter of 4) is smaller than that of the other rings because the central electrode ring (8
This is because the effect of the voltage of 4) is effectively shielded by the end electrode ring (85).

【0036】以上のように、この実施例では、角度収束
型リフレクトロン(71)とイオン集束用の長焦点型静
電レンズ(72)を備えていることが大きな特徴であ
る。本発明に用いるリフレクトロン(71)は静電ミラ
ー部にグリッドを全く用いないことが従来の飛行時間型
SIMSに用いられるリフレクトロンとの違いである。
極めて多数個の試料表面原子を破壊的に放出させて質量
分析するSIMSとは異なり、この発明では探針先端に
取り上げた所望の1個の原子を逃さず検出して質量分析
することが必須であるため、グリッド電極によってリフ
レクトロン(71)の透過率を落とすことは許されな
い。また、探針(12)から離脱したイオンが定められ
た方向に通るように入射しないと、リフレクトロン(7
1)は設計上機能しないが、これらの条件は装置の軸あ
わせ機能によって充足されることになる。ただ、許容角
度拡がりだけは他の配慮が必要となり、良好な時間収束
性を保証できる角度拡がりは、角度収束型リフレクトロ
ン(71)をもってしても10度程度に限られるため、
探針(12)の直前に長焦点型静電レンズ(72)を配
置し、探針(12)の先端から広い角度拡がりで脱離し
てくるイオンをリフレクトロン(71)の入射点に集束
させている。
As described above, this embodiment is characterized in that the angle focusing reflectron (71) and the ion focusing long focus electrostatic lens (72) are provided. The reflectron (71) used in the present invention is different from the reflectron used in the conventional time-of-flight SIMS in that no grid is used in the electrostatic mirror section.
Unlike SIMS in which a very large number of sample surface atoms are destructively released and mass spectrometry is performed, in the present invention, it is essential to detect and mass detect one desired atom picked up at the tip of the probe. Therefore, it is not allowed to reduce the transmittance of the reflectron (71) by the grid electrode. Also, if the ions that have left the probe (12) do not enter so as to pass in a predetermined direction, the reflectron (7
Although 1) does not work by design, these conditions will be satisfied by the axis alignment function of the device. However, other consideration is required only for the allowable angle spread, and since the angle spread that can guarantee good time convergence is limited to about 10 degrees even with the angle convergence type reflectron (71),
A long focus electrostatic lens (72) is arranged immediately before the probe (12) to focus the ions desorbed from the tip of the probe (12) with a wide angle spread at the incident point of the reflectron (71). ing.

【0037】また、角度収束型リフレクトロン(71)
とイオン集束用の長焦点型静電レンズ(72)によって
イオンが集束されるので、理想的にはイオンは一点に集
束されるはずであるが、イオン光学系の収差と装置の軸
合わせ時の融通に対応するため、イオン検出器の検出有
効直径は50mmのものを用いている。実際に、試料
(13)の表面に存在する任意の単原子の元素を分析す
るには、まず、試料(13)を走査トンネル顕微鏡
(1)によって観察した結果をもとに、元素同定をした
い表面原子の上に探針(12)を移動し、この原子を探
針先端上に付着させて取り上げ、次に、試料ホルダ(1
4)を横に移動させて、探針(12)を試料(13)の
表面上から単レンズのイオン通過用開口(82)の中心
に動かす。これ以降の手順は他の実施例と同じである。
Also, an angle-converging reflectron (71)
Since the ions are focused by the long focus electrostatic lens (72) for focusing the ions, the ions should ideally be focused at one point. In order to accommodate flexibility, an ion detector having a detection effective diameter of 50 mm is used. Actually, in order to analyze an element of an arbitrary monatom existing on the surface of the sample (13), first, it is desired to identify the element based on the result of observing the sample (13) with a scanning tunneling microscope (1). The probe (12) is moved onto the surface atom, and this atom is attached and picked up on the tip of the probe, and then the sample holder (1
4) is moved laterally to move the probe (12) from the surface of the sample (13) to the center of the ion passage opening (82) of the single lens. The procedure thereafter is the same as that of the other embodiments.

【0038】このような、操作によって、この実施例で
は、実際に、パルス幅5nsの電圧パルスによるイオン
化脱離でもm/Δm=約1000の質量分解能が得ら
れ、それぞれの元素のみならず、各元素の同位体まで明
瞭に識別することができた。パルス幅が短く、かつイオ
ンの運動エネルギーが安定な直流電圧だけで決まるレー
ザ・パルスによるイオン化脱離をこの実施例と組み合わ
せると、質量分解能はさらに高まり、29Si(m/n=
28.976)と28SiH(m/n=28.985)と
の識別(質量分解能m/Δm=3000程度が必要)ま
でも可能になると考えられる。
By such an operation, in this embodiment, the mass resolution of m / Δm = about 1000 is actually obtained even by the ionization desorption by the voltage pulse having the pulse width of 5 ns. The isotopes of the elements could be clearly identified. Combining ionization and desorption by a laser pulse with a short pulse width and stable kinetic energy of ions, which is determined only by a direct current voltage, further improves mass resolution, and 29 Si (m / n =
It is considered possible to discriminate between 28.976) and 28 SiH (m / n = 28.985) (mass resolution m / Δm = 3000 is required).

【0039】[0039]

【発明の効果】この発明により、以上詳しく説明したと
おり、固体試料表面上の原子配列を実空間で直視して選
んだ所望の1個または少数個の原子の元素同定が可能と
なる。さらに、材料の極微小領域の元素分析のみなら
ず、それを通じた原子レベル表面極微細加工の機構解明
や新物質、新材料の創製等に大きく寄与するものとな
る。
As described in detail above, the present invention enables elemental identification of a desired one or a small number of atoms selected by looking directly at the atomic arrangement on the surface of a solid sample in real space. Furthermore, it will contribute not only to elemental analysis of ultrafine areas of materials, but also to elucidation of the mechanism of atomic level surface ultrafine processing and creation of new materials and new materials through such analysis.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の単原子の元素分析装置を示した構成
図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a single atom elemental analysis device of the present invention.

【図2】対向電極を用いたこの発明による単原子の元素
分析装置を示した構成図である。
FIG. 2 is a block diagram showing a monatomic element analyzer according to the present invention using a counter electrode.

【図3】質量分解能を向上させたこの発明による単原子
の元素分析装置を示した構成図である。
FIG. 3 is a block diagram showing a monatomic element analyzer according to the present invention with improved mass resolution.

【図4】図3に示した元素分析装置で用いたマルチアノ
ードの電極パターン形状を示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing an electrode pattern shape of a multi-anode used in the elemental analysis device shown in FIG.

【図5】極めて高い質量分解能をもつこの発明による単
原子の元素分析装置を示した構成図である。
FIG. 5 is a block diagram showing a monatomic elemental analyzer according to the present invention having extremely high mass resolution.

【図6】図5に示した元素分析装置で用いたイオン集束
用静電レンズ組み込み型試料ホルダの構造を示した図で
ある。
6 is a view showing the structure of a sample holder incorporating an electrostatic lens for ion focusing used in the elemental analysis device shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 走査トンネル顕微鏡 12 探針 13 試料 14 試料ホルダ 15 ピエゾ駆動機構 16 除振機構 17 走査トンネル顕微鏡コントローラ 21 マイクロチャンネルプレート電子増倍板(MC
P) 22 蛍光スクリーン 23 正極性直流高電圧電源 24 正極性直流高電圧電源 25 正極性パルス電圧発生器 26 飛行時間法による質量分析システム 27 前置増幅器 28 コンスタント・フラクション波形弁別器 29 ロゴスキー・コイル 30 スイッチ 31 分圧用高抵抗 32 パルス阻止用高抵抗 33 直流電圧阻止用コンデンサ 34 負荷抵抗 41 試料の前後移動機構 42 イオン検出器の上下移動機構 43 超高真空槽 51 対向電極 52 対向電極移動機構 53 負極性直流高電圧電源 54 負極性直流高電圧電源 55 負極性パルス電圧発生器 61 パルス・レーザ 62 ピンホール 63 凸レンズ 64 サファイア真空窓 65 サファイア真空窓 66 バイプラナ放電管 67 マルチアノード 68 絶縁性基板 69 信号取り出し部 71 角度収束型リフレクトロン 72 長焦点型静電レンズ 81 円環状突起 82 イオン通過用開口 83 円環状絶縁板 84 中央電極円環 85 端電極円環 86 電極固定用ネジ 87 試料固定爪 88 固定ネジ
1 Scanning Tunneling Microscope 12 Tip 13 Sample 14 Sample Holder 15 Piezo Drive Mechanism 16 Vibration Isolation Mechanism 17 Scanning Tunneling Microscope Controller 21 Micro Channel Plate Electron Multiplier (MC
P) 22 Fluorescent screen 23 Positive DC high voltage power supply 24 Positive DC high voltage power supply 25 Positive pulse voltage generator 26 Time-of-flight mass spectrometry system 27 Preamplifier 28 Constant fraction waveform discriminator 29 Rogowski coil 30 switch 31 high resistance for voltage division 32 high resistance for pulse blocking 33 capacitor for DC voltage blocking 34 load resistance 41 sample back-and-forth moving mechanism 42 ion detector up-and-down moving mechanism 43 ultra-high vacuum chamber 51 counter electrode 52 counter electrode moving mechanism 53 Negative DC high voltage power supply 54 Negative DC high voltage power supply 55 Negative pulse voltage generator 61 Pulse laser 62 Pinhole 63 Convex lens 64 Sapphire vacuum window 65 Sapphire vacuum window 66 Biplanar discharge tube 67 Multi-anode 68 Insulating substrate 69 Signal Take-out part 7 1 Angle Converging Reflectron 72 Long Focus Electrostatic Lens 81 Circular Protrusion 82 Ion Passing Opening 83 Circular Insulating Plate 84 Central Electrode Ring 85 End Electrode Ring 86 Electrode Fixing Screw 87 Sample Fixing Claw 88 Fixing Screw

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01J 37/28 Z ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical indication H01J 37/28 Z

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 表面が導電性の探針を持つ走査プローブ
顕微鏡において、探針表面に試料表面の1個または複数
個の原子を取り上げ、この原子を探針から電界脱離させ
てそのイオンの飛行時間から質量分析し、元素同定する
ことを特徴とする極微領域表面の分析方法。
1. In a scanning probe microscope having a conductive probe on its surface, one or more atoms on the sample surface are picked up on the probe surface, and these atoms are desorbed from the probe by an electric field to remove the ions. A method of analyzing a surface of a microscopic area, which is characterized by mass spectrometric analysis from flight time to identify elements.
【請求項2】 取り上げた1個または複数個の原子を対
向電極により電界脱離させる請求項1の極微領域表面の
分析方法。
2. The method for analyzing a surface of a microscopic region according to claim 1, wherein one or a plurality of the picked-up atoms are desorbed by an electric field by a counter electrode.
【請求項3】 取り上げた1個または複数個の原子をパ
ルス・レーザにより電界脱離させる請求項1の極微領域
表面の分析方法。
3. The method for analyzing a surface of a microscopic region according to claim 1, wherein the picked-up one or a plurality of atoms are subjected to electric field desorption by a pulse laser.
【請求項4】 表面が導電性の探針を持つ走査プローブ
顕微鏡とこの探針への電圧印加手段、並びにイオン検出
器とを備えた分析装置であって、探針表面に試料表面の
1個または複数個の原子を取り上げ、探針に電圧を印加
してこの原子をイオンとして電界脱離させ、前方に配置
したイオン検出器に到達するまでの飛行時間から原子の
質量を分析し、元素同定することを特徴とする極微領域
表面の分析装置。
4. An analyzer equipped with a scanning probe microscope having a conductive probe on its surface, a means for applying a voltage to the probe, and an ion detector, wherein one surface of the sample is the probe surface. Alternatively, a plurality of atoms are picked up, a voltage is applied to the probe, the atoms are desorbed as an ion by electric field, and the mass of the atom is analyzed from the flight time until it reaches the ion detector arranged in front, and the element identification is performed. An analyzer for a surface of a microscopic area, which is characterized by:
【請求項5】 電界脱離のための対向電極を備えている
請求項4の分析装置。
5. The analyzer according to claim 4, further comprising a counter electrode for desorption of an electric field.
【請求項6】 電界脱離のためのパルスレーザー装置を
備えている請求項4の分析装置。
6. The analyzer according to claim 4, further comprising a pulse laser device for desorption of the electric field.
【請求項7】 イオン信号取り出し部に同心円環状のア
ルミニウム蒸着電極を持つマルチアノードを備えている
ことを特徴とする請求項4の分析装置。
7. The analyzer according to claim 4, wherein the ion signal extracting portion is provided with a multi-anode having concentric annular aluminum vapor deposition electrodes.
【請求項8】 角度収束型リフレクトロンとイオン集束
用の長焦点型静電レンズを備えている請求項4の分析装
置。
8. The analyzer according to claim 4, further comprising an angle-focusing reflectron and a long-focusing electrostatic lens for focusing ions.
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