JPS6178041A - 表面原子配列構造の観察方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は、試料の表面に電子線を照射することによって
、Ｉｌ、面から発生する電磁波を該ｉ＆ｆ１波の固体表
面における全反射を利用して検出し、その走査像を表示
する表面原子配列構造の観察方法及びその装置に関する
ものである。

：従来の技術〕 半導体や金属の清浄な結晶表面、又はこの表面に金属な
どを１原子層程度吸着させた表面には、結晶の内部とは
全く異なった表面特有の超格子１造が形成されることは
良く知られている。しかしなから、これらの員俸的″Ｎ
兎子配置や位Ｍ、部も表面の園子構造−二〇いて：よ胎
と解明されていない。

例えば、Ｓ　ｉ　４１）ｉ１　　表面に：よ、／＼ルり
構造Ｓご比べて７倍の噴位胞をもつ　’　（７＋ｊｌ遣
−１こよばれるｌｆＪ　ｆｊｌ　ａか形成さ和る。二の
７ソ７ｉＩ迄についてどのよっな′ぐｆ配列構造二こ−
ってす）るかといつ問題に関２シ・か高まり、種々の手
段を用いた研究が退められている。それらのうち原子の
配列構造を観察する王な手段について次に説明する。

物質の拡大像を得る値１で分解能の高いものとじて：ま
電子顕微鏡、走査電子顕微鏡、；喝イオ／顕微鏡などが
ある。

電子顕微鏡や走査電子；１ｉＲ１境では、電子線の通；
〒方間に原子のボテンノセアレを投影した像が得られる
。それ故電子線力・結晶の特定の軸の方向にへ射すると
この方向に原子が多番々重なり、叩５原子柱状になり、
そのボテ／／ヤルの重弄された結晶の格子像が観察でき
る。従って二の４３子像１ま原子柱の像であって　個々
の原子の像ではない。しかも、結晶軸に平行に電子線が
人１）する時以外：！この格子像も得られない、　Ｆｌ
ｌｌち、電子顕微鏡や走査電子顕微鏡により表面におけ
る個々の原子の像を見るのは困難である。

これらに対して電場イオン顕微、ｉｌｌ（ＦＩＭ）では
、結晶表面における個々の原子配列像を観察することが
できるが、その観察は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａなどの高融点金
属に限られ、その他の物質では原子配列像を観察するの
は困難である。また上記電子顕微鏡、走査電子顕微鏡、
電場イオン顕微鏡などのいずれの方法でも原子のｔ！頻
毎の像は得られない。

また、試料表面に電子線を照射し、これによって試料表
面近傍から放出されたＸ線を検出するＸ線マイクロアナ
ライザ（ＸＭＡ）を用いた方法があるが、この方法では
、Ｘ線と試料表面とのなす角度が通常３０°以上と大き
く、また、検出する立体角も約１０”程度と大きくなっ
ている。このため、試料表面の元素からのＸ線だけでな
く、バルク内部の元素からのｘｌも同時に検出してしま
うことになる。この同時に検出されるバルク部分の厚さ
は表面から数μ腸（数万人）シこも及ぶため、検出を意
図する表面付近の故原子層からのＸ線はバルクからのＸ
線の中に埋もれて′−まう、この方ｌ去でｉま元素の種
類毎の像は得られるが、曳在の分解能２よおよそ５００
０人程度である。また電子線を細く絞っても、電子線が
試料内に拡散して表面より数μ鋼程度の所からのＸ線を
検出することになるので高分解能は得られない。

〔発明が解決しようとする問題８１ 表面の元素分析法としては、試料表面に電子線を照射し
、この電子線によるオーレエ効果を１）１用したオージ
ェ電子分光法（ＡＥＳ）かある、この方法は、怒度の点
でｉｌｌ最も優れているといわれているが、これは原子
番号の小さな元掌に封してのみであって、原子番号の大
きな元素に対しては、！変が著しビ低下するという問題
かある。

また、近年報告された方法に、反射高速電子回折法（Ｒ
）（εＥＤ）を用いた方法ｒ日本応用物理学会欧文誌：
　ＪＪＡＰ第１９巻第８号第１４５１百から第１４５７
頁まで：　１９８０年、井野正三他）かある、ごの方法
は、高エネルギー電子線を試ｎＲ面にＢｑ射し、試料表
面の元素が発生する特性Ｘ線を検出するものであるが、
そのＸ＆１取出角は３°ないし５°であって、特性Ｘ線
の強震も先に述べたオージェ電子分光法に比べて劣った
ものとなっている。

さらに本発明の発明者らによって電磁波全反射角検出法
を利用した表面元素分析法が新たに提案されている。こ
の方法は、電子線励起によって表面付近から放射される
電磁波を１班波の全反射をｌｌ用して検出する方法で、
極表面の原子から放射されるｉｕｔ波を非常に高感度に
検出できる。従って、元素分析では極表面について非常
に高感度の分析結果が得られるようになってきている。

上記の元素分析法の原理を使って走査像を得る方法とし
ては、オージェ電子顕微鏡があるが、分解能があまり良
くないのが現状である。つまり、低エネルギーのオージ
ェ電子は、試料の深い所がら放出されたものは表面に到
達できないので、表面近くから放出されたものが主に検
出される。しかし、オージェ電子の信号の大きさは、通
常二次電子によるバンクグラウ／ト′に比べると小さく
ｓ／Ｎ（信号−雑音比）が悪いので、このオージェ電子
を信号とするオージェ電子顕微鏡は、分解能があまり良
くなく、現在およそ５０００人程度である。

上述のように従来の方法では、半導体や金属の清浄な結
晶表面、又はこの表面に金属などを１原子層程度吸着さ
せた表面の原子配列構造を観察しようとしても、これら
の元素が通常は微量であること、測定系がバルクを構成
する元素情報を拾ってしまうために電子顕微鏡や走査電
子顕微鏡は表面付近のみの元素の情報を分離して得るこ
とが困難であること、またオージェ電子顕微鏡ではＳ／
間が悪い、などの理由から十分に満足できる分解能を得
られる６のがなかった。さらに電場イオン顕微鏡では特
定の金属表面しか観察できないという欠点がある０本発
明は、上記の方法と異なり、電磁波の全反射を利用した
新しい原理に基づくものであって、表面の数原子層（極
表面）における原子配列構造を観察することが可能な表
面原子配列構造の観察方法及びその装置を提供すること
を目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明の表面原子配列構造の観察方法は、細
く収束させｊ；電子線を試料表面に照射して二次元的に
試料表面を走査し、該電子線照射によって試料表面から
発生する電磁波を電磁波の試料表面における全反射角ま
たはその近傍の角の取出角により検出し、検出した電磁
波による走査像を描かせて試料表面の原子配列構造を観
察することを特徴とするものであり、また、その観察装
置は、試料表面に電子線を照射することによって、電弧
口波の試料表面における全反射をｆｌｌ用して試料表面
から発生する電磁波を検出する表面原子配列構造観察装
置であって、試料を保持する試料保持手段、該試料保持
手段により保持された試料の表面に細い電子線を閤射し
二次元的に走査させる電子腺昭射手段、電ｉｆｉ波の試
料表面における全反射角またはその近傍の角の取出角で
試料表面に存在する元素から発生する電磁波を検出する
電磁波検出手段、該電磁波検出手段の出力信号を記憶す
る記憶手段、及び該記憶手段に記憶された出力信号を処
理し試料表面の走査像を表示する信号処理／表示手段を
Ａ（ｌｌしたことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明の表面原子配列構造の観察方法及びその装置は、
Ｘ線マイクロアナライザー（ＸＭＡ）走査像と同様な走
査像を得るものであるが、ｔｆｆｆ波全反射角検出法を
利用して表面原子の１Ｓ磁波の検出感度を著しく増大さ
せているところが従来と異なる。この１４（ｎ波全反射
角検出法を利用した表面元素分析法は、本発明の発明者
らが、電子線励起によって表面付近から放射されるＱｍ
波を検出する際に、電磁波の全反射を利用して検出する
と、極表面の原子から放射される電磁波を非常に高感度
に検出できることを発見し、この現象を利用したものと
して既にＩｚしているものである。

そこで、この電磁波全反射角検出法を利用し、電子線を
細く絞り、この電子線を表面と平行なＸ、ｙ方向に走査
させ、その電子線励起によって放射されるＴＬ峨波を試
料の表面における全反射角またはその近傍の角の取出角
で検出し、その電磁波走査像を描かせると、表面におけ
る原子配列構造の像が見えることになる。この方法は従
来のＸＭＡ走査像の分解能に比べるとおよそ１０００倍
程度分解能が向上する。

；′Ｘ施例〕 以下、実施例を図面を参照しつつ説明する。なお、本発
明は電磁波を検出するものであるが、以下ｘｌを例にと
り説明する。

第１図は本発明の表面原子配列構造の観察装置の１実施
例概略構成を示す図である。第１図にお線、８はＸ線涜
出器、９は記録装置、１０はデータ処理袋！、１）は表
示装置をそれぞれ示している。

本発明の表面原子配列構造の観察装置は、第１図図示の
ように、鏡体部ｌをもち１０−’Ｔｏｒｒ以上の高真マ
に排気できる真空槽２を本体とし、これに試ｔ’４３を
保持するための試料ホルダー４、電子線６を放射する電
子鏡５、Ｘ線７を高感度に検出測定できるＸ線検出３８
、Ｘ線検出Ｈ８で検出されたＸ線の検出信号を記録する
記録装置９、記録装置９に記録された信号を処理するデ
ータ処理装置１０、及びデータ処理袋２１０で処理され
たＸ線の検出信号を試料表面の走査像として表示する表
示装置ｌｌなどから構成される。１）１体部１には、−
号の走査顕微鏡その他の走査分析装置と同様に収束レン
ズ、封物レンズ、ＵＡ向ココイルｔクリ及びそれやの制
ｊＨ手段が装備され、電子鏡５から放射された電子線を
細く且つ強いビームに収束させ　電子線を試料表面と平
行μｘ、ｙ方向に二次元的に走査させるＩ能を育するこ
とは勿論であり、本発明はこの鏡体部１の構成に１定を
加えるものでｉ！ない。

なた、電子線収束手段は、電子線をなるべく細く収束さ
せ、平行性がよく強度の大きい一−ムを作成するものが
望ましい、また、試料ホルダー４は、通常用いられる回
転手段や並進手段例えばヘローズを用いて試料の位１や
傾斜を変えることができる駆動機構を儂え、Ｘ線検出器
８も検出角度（取出角）や位置を変えることができる！
ＩＣ動機横を備え、試料を移動、回転させ或いはＸｖＡ
の検出器１を移動させ、試料３の表面から放射されたＸ
％１７が全反射角θ、（一般に小さな角）で検出される
ように調整可能に構成されることが望ましい、さらにＸ
線検出器８は、Ｘ線７を検出すると同時にＸ′ｋｌＡの
エネルギーの分析もできることが望ましい。

第１図図示の表面原子配列構造の観察装置において、電
子鏡５から放出された電子線を鏡体部１内で制’ＭＬで
試料３の表面に照射し、試料３の表面と平行なｘ、ｙ方
向に二次元的に走査させると、試料表面からＸ線７が放
射される。このＸ線７を、Ｘ線検出器８により試料３の
表面に対してＸ線の全反射角またはその近傍の角の取出
角で検出すると、橿表面の原子から放出されたＸ線のみ
を非常に高感度に検出できる。これを記録装置９に記録
し、データ処理装置（コンピュータ）１０により処理し
て電子線の走査同期信号に同期させ走査像を表示装置１
）に層かせる。

第２図は電子線が試料表面に入射し多重散乱を起こして
拡散してゆく様子を説明するための図、第３図はその表
面付近の拡大図で、電子線励起によって放射されるＸ線
とその検出位置の例を説明するための図、第４図はＳ　
ｉ　（ｉｌｌ）表面にＡｇを１．２人（１原子層）吸着
させた試料から放射されるＸ線のエネルギー分布の嘴定
例を示す図、第５図はＸ線の取出角とＳｉＫα線に対す
るＡｇＬαβ線の比の値との関係を説明するための図で
ある。

表面に入射した電子Ｖ！は原子によって散乱を繰り返し
ながら第２図図示のように拡散してゆくといわれており
、従って電子線励起によって放射されるＸ線も、第２図
図示のような領域から発生する０通常のＸ線の＋３過能
はｌμｆｎより大きいので、ｘｖＡ渣出器２１或いは２
２を使って大きい取出角で検出する従来の方法では、電
子線のビームの径を絞っても、結晶内に入った電子が多
重散乱をして第３図図示斜線の部分のように拡散した開
城から反射されるｘｌを全部検出してしまう、そのため
、Ｘ線検出器２１を使った反射法にしす、Ｘ線検出器２
２を使った透過法にしろ　Ｘ線の走査線の分解能はＸ線
の発生ｔｎ域の大きさ程度のものしか１“トられない、
従来この取出角は、先に述べたように数十度から小さい
場合でも数置というものであったが、これは、取出角の
大小によって検出されるｘＨの強度がさほど変化するも
のではない、という認識に基づくものであって、そのた
めに精密な位置決めを要しない大きな取出角を採用して
いたものである。従って表面元素分析装置においても取
出角を大きくとるような検出器の配置がなされていた。

しかし、本発明の発明者らは、先にも述べたように電子
線励起によって表面付近から放射されるＸ線を検出する
際に、Ｘ線の全反射を利用して検出すると、極表面の原
子から放射されるＸ線を非常に高感度に検出できること
を発見し、このＸ線全反射角検出法を利用した表面元素
分析法を提案した。具体的には、Ｓ　ｉ　（１）１）表
面にＡｇを１．２人（１原子層）吸着させた試料から放
射されるＸ線のエネルギー分布を測定した第４図の例を
参照すると明らかである。第４図において、試料表面の
ＡｇからのＡｇＬαβ締がバンクグラウンドＢの中から
突き出たピークを作っているが、そのうちｄは取出角β
が比較的大きい場合であり、Ｃ１ｂ、ａとなるに従って
取出角βを小さくして試料の表面に対してＸｉａの全反
射角θ。またはその近傍の角の取出角に近づけていった
場合を示している。特に、ａのピークはバルクのＳｉＫ
α線に匹敵する強度を示しているのが注目される。この
取出角βを１．０°付近から小さくしていった場合の５
ｉＫｃｒｖＡに対するＡｇＬαβ線の値の変化を示した
のが第５図である。この第５図から明らかなように全反
射角θ。またはその近傍の角の取出角は、１．０　’以
下の角度で認められる。なお、５１（ｌｉｔ）表面にＡ
ｇを１．２人（ｌ原子層）＠看させた例により説明した
が、他の試料や他の元素についても同様である。従って
、Ｘ＆ＩＩの全反射角近傍を取出角とすれば、きわめて
感度の高い表面元素分析が可能となる。

上述のことから、第３図図示のように、原子の大きさ程
度（例えば３人程度）またはそれ以下に細く絞った電子
線で表面を照射すれば、表面におけるｌ原子ないしは数
原子から放射されるＸ線のみを検出できる。この電子線
を試料の表面に平行なｘ、ｙ方向に走査させれば極表面
における原子配列構造が観察可能となる。この方法によ
り特性ｘ′ｇＡを信号として取出しその走査像を描かせ
れば、原子の種類毎の原子配列構造の像が観察でき、ま
たＸｖＡの取出角を変えると表面からの深さを選択的に
変えた場合の原子配列構造の像が観察できる。

以上の説明から明らかなように、本発明の表面原子配列
構造の観察方法及びその装置によれば、電子線のビーム
を、例えば３人程度（原子の大きさ程度）にすると原子
を個々に観察することができ、それより大きい５人程度
或いはそれ以上の径であっても先に述べたような「７×
７構造」とよばれる８Ｉ溝遣、その信金や恨、ニッケル
、インジウムなど種々の金属を吸着させてできる各種の
表面超構造を観察することができる。従って元素の種類
毎に例えばインジウムのある位置、そのユニットの大き
さなどｆｌｌＩａの中味を観察することができる。また
、電子線のビームを３人より小さい１人程変にするとに
、Ｌ、Ｍ、・・・・・・などの各電子殻に対応する特性
Ｘ線の像を観察することもできる。

さらには試料の周囲に複数個に分けて、或いは試料を囲
むようなＸｇ検出器を使うことによって、試料表面から
放出されるＸ線の検出の効率を上げ高感度に測定するこ
ともできる。

なお、本発明の表面原子配列構造の観察方法及びその装
置は、上記実施例に限定されるものではなく、固体表面
及び液体表面を中心とした元素分析装置として、試料の
表面に対してＸ線の全反射角またはその近傍の角の取出
角で検出するＸＷｌ検出器を設けることにより、電子顕
微鏡、各種走査電子顕微鏡、反射高速電子回折装置（Ｒ
ＨＥＥＤ）、分子線エビタクシ−装置、各種Ｘ１Ｊ装置
、その他原子配列構造が観察可能なあらゆるｇＬ置に適
用し得るものであり、種々の変形が可能であることは云
うまでもない０本発明の表面原子配列構造の観察装置で
は、従来の分析装置において観察できた数μ−程度の表
面でなく、１原子ないし数原子層の極表面における個々
の原子およびそれらの配列構造の観察像を得ることがで
きるので、これらは従来の方法にはないすぐれた特徴を
もち、化合物や合金の表面の研究など枚挙にいとまがな
い程多くの基礎的・応用的研究が可能となる。即ち、物
理、化学、金属学、電子工学などの基礎学問分野、半導
体工業、エレクトロニクス工業、金属工業、触媒工業、
原子カニ業その他の技術分野に広（応用することができ
る。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従来
の電子顕微鏡では勿論、を場イオン顕微鏡でも特別な高
融点金属以外の物質については困難であった固体の橿表
面における原子配列構造が観察でき、原子の１）類毎や
特性Ｘ線の種類毎の原子配列構造も観察できる。また原
子が結晶のように規則的に配列していない場合でも観測
可能である。さらには、取出角を変化させることによっ
て、表面からの深さを変えた原子配列構造が観察できる
ので、表面付近における立体的な原子配列構造の観察が
可能となる。電子線の径に応して固体の掻表面における
様々な構造が観察できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の表面原子配列構造の観察装置の１実施
例概略構成を示す図、第２図は試料表面に入射した電子
が試料内の原子によって多重散乱して拡散してゆく様子
を説明するための図、第３図は第２図の表面近傍の拡大
図で、電子線励起によって放射されるＸ線とその検出位
置の例を説明するための図、第４図はＳ　ｉ　（１）１
）表面にＡｇを１．２人（ｌ原子層）吸着させた試料か
ら放射されるＸ線のエネルギー分布の測定例を示す図、
第５図はＸ線の取出角と５ｉＫｅｘｖＡに対するＡｇＬ
αβ線の比の値との関係を説明するための図である。 ｌ・・・鏡体部、２・・・真空槽、３・・・試料、４・
・・試料ホルダー、５・・・電子銃、６・・・電子線、
７・・・Ｘ線、８．２１．２２と２３・・・Ｘ線検出器
、９・・・記録装置、ｌＯ・・・データ処理装置、１）
・・・表示装置。 特許出願人　　新技術開発事業団 代理人弁理士　阿　ｆＪＢ　　　龍　吉ザ　１）！１

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料表面の原子配列構造を像観察する表面原子配
   列構造の観察方法であって、細く収束させた電子線を試
   料表面に照射して二次元的に試料表面を走査し、該電子
   線照射によって試料表面から発生する電磁波を電磁波の
   試料表面における全反射角またはその近傍の角の取出角
   により検出し、検出した電磁波による走査像を描かせて
   試料表面の原子配列構造を観察することを特徴とする表
   面原子配列構造の観察方法。
2. （２）取出角を変えて試料表面から発生する電磁波を検
   出することを特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記
   載の表面原子配列構造の観察方法。
3. （３）電子線の径を変えて二次元的に試料表面を走査す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記載の
   表面原子配列構造の観察方法。
4. （４）試料表面に電子線を照射することによって、電磁
   波の試料表面における全反射を利用して試料表面から発
   生する電磁波を検出し、その走査像を観察する表面原子
   配列構造の観察装置であって、試料を保持する試料保持
   手段、該試料保持手段により保持された試料の表面に細
   い電子線を照射し二次元的に走査させる電子線照射手段
   、電磁波の試料表面における全反射角またはその近傍の
   角の取出角で試料表面に存在する元素から発生する電磁
   波を検出する電磁波検出手段、該電磁波検出手段の出力
   信号を記憶する記憶手段、及び該記憶手段に記憶された
   出力信号を処理し試料表面の走査像を表示する信号処理
   ／表示手段を具備したことを特徴とする表面原子配列構
   造の観察装置。
5. （５）試料保持手段は、試料を移動、回転、傾斜させる
   ことのできる駆動機構を有し、電磁波の取出角を調整で
   きるように構成されたことを特徴とする特許請求の範囲
   第（４）項に記載の表面原子配列構造の観察装置。
6. （６）電磁波検出手段は、検出位置、検出角度を変える
   ことのできる駆動機構を有し、試料からの距離及び電磁
   波の取出角を調整できるように構成されたことを特徴と
   する特許請求の範囲第（４）項に記載の表面原子配列構
   造の観察装置。
7. （７）電磁波検出手段は、試料の周囲に同一の取出角で
   電磁波を検出する複数個の電磁波検出部を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第（４）項に記載の表面原子
   配列構造の観察装置。