WO2006103937A1 - 走査型プローブ顕微鏡システム - Google Patents

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WO2006103937A1
WO2006103937A1 PCT/JP2006/305203 JP2006305203W WO2006103937A1 WO 2006103937 A1 WO2006103937 A1 WO 2006103937A1 JP 2006305203 W JP2006305203 W JP 2006305203W WO 2006103937 A1 WO2006103937 A1 WO 2006103937A1
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microscope system
ray
scanning probe
probe microscope
scanning
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PCT/JP2006/305203
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English (en)
French (fr)
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Akira Saito
Masakazu Aono
Yuji Kuwahara
Jyunpei Maruyama
Ken Manabe
Original Assignee
Riken
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/225—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
    • G01Q30/02—Non-SPM analysing devices, e.g. SEM [Scanning Electron Microscope], spectrometer or optical microscope
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/10—STM [Scanning Tunnelling Microscopy] or apparatus therefor, e.g. STM probes
    • G01Q60/12—STS [Scanning Tunnelling Spectroscopy]

Definitions

  • the present invention relates to a scanning probe microscope (SPM) system, and more particularly, a scanning tunneling microscope (STM) and an atomic force microscope (AFM).
  • SPM scanning probe microscope
  • STM scanning tunneling microscope
  • AFM atomic force microscope
  • the present invention relates to a scanning probe microscope system using a microscopic method of scanning a probe (microprobe) represented by
  • the scanning probe microscope can be applied to the observation of systems without periodicity because it has the spatial resolution of the atomic scale and can obtain real space information. Has contributed greatly to the development of nanoscience in Japan.
  • the scanning probe microscope has a problem that the element cannot be identified.
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 an X-ray having a beam diameter of about ⁇ 1 to several mm is irradiated to a measurement object.
  • the X-ray irradiation area in the measurement target was a wide area with a diameter of about ⁇ 1 to several mm, and was excited using the probe of the scanning probe microscope as the collector of the emitted electrons. I tried to capture the emitted electrons of a specific elemental power.
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 electrons generated over a wide range are collected, resulting in a problem that the spatial resolution remains on the order of 10 m. It was. These problems are fundamental problems that are inseparable from these conventional technologies, and it is extremely difficult to obtain spatial resolution on an atomic scale. In order to increase the spatial resolution using this conventional technology, it is extremely difficult to realize that only a few nm at the tip of the probe of the scanning probe microscope is used as a conductor and the others are insulated. There was nothing but to establish technology.
  • Non-Patent Document 1 K. Tsuji et al., Jpn. J. Appl. Phys., 37, L1271— 1273 (1998)
  • Non-Patent Document 2 T. Matsushima et al., Rev. Sci. Instrum., 75, (2004) 2 149
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned various problems with respect to the prior art, and an object of the present invention is to provide an atomic scale spatial resolution and to identify an element.
  • the present invention provides high-intensity monochromatic X-rays with a small beam diameter.
  • a scanning probe microscope system is constructed with an extremely high SZN ratio combining a scanning probe microscope and an x-ray irradiation means that irradiates at an incident angle of 5 nm. That is, the scanning probe microscope system according to the present invention makes it possible to perform observation on an atomic scale and construction of a nanostructure while identifying a specific element, and select a scanning probe microscope and a specific element. This is a combination of high-intensity monochromatic X-rays that can be excited by the inner shell.
  • the scanning probe microscope system uses a small-diameter beam with a narrowed beam diameter as high-intensity monochromatic X-rays in order to obtain a high SZN ratio.
  • the scanning probe microscope system allows the small-diameter beam of the high-intensity monochromatic X-ray to be adjusted immediately below the observation point of the scanning probe microscope in a short time.
  • the present invention relates to an X-ray irradiation means for irradiating a measurement object with a high-intensity monochromatic X-ray having a beam diameter smaller than 1 mm, a probe disposed to face the measurement object, Scanning means comprising processing means for detecting and processing a tunnel current via the probe, and scanning means for relatively moving the measurement object, the probe, and the incident position of the high-intensity monochromatic X-ray with respect to the measurement object A type probe microscope.
  • the X-ray irradiating means irradiates a high-intensity monochromatic X-ray having a wavelength adjusted to an absorption edge of a desired element.
  • the present invention is the above-described invention, wherein the X-beam diameter of the high-intensity monochromatic X-ray irradiated from the X-ray irradiation means is 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less. .
  • the X-ray irradiation means irradiates the measurement target with high-intensity monochromatic X-rays under a total reflection condition.
  • the scanning unit has a rotation plane parallel to a horizontal plane in the XYZ orthogonal coordinate system and is irradiated with the X-ray irradiation unit force.
  • a ⁇ stage for controlling the angle of incidence of the line with respect to the object to be measured, and an Xt stage for controlling the movement of the probe in the X-axis direction in the XYZ Cartesian coordinate system to align the tip of the probe with the rotation center of the ⁇ stage Move in the Z-axis direction in the XYZ Cartesian coordinate system Control the zt stage to align the tip of the probe with the rotation center of the ⁇ stage, and control the movement in the Z axis direction in the XYZ Cartesian coordinate system to irradiate the rotation center of the ⁇ stage with the X-ray.
  • the present invention is the above-described invention, further comprising monitoring means for monitoring the vicinity of the observation point on the measurement object immediately below the probe.
  • the monitoring unit is positioned on the most upstream side with respect to the beam traveling direction of the high-intensity monochromatic X-ray irradiated from the X-ray irradiation unit and has a beam diameter of lmm.
  • An ion chamber that monitors the beam intensity of a high-intensity monochromatic X-ray beam that has passed through a pinhole of at least one pinhole and at least one pinhole for narrowing the diameter of the aperture and the pinhole of the aperture member.
  • an absorption plate that absorbs the high-intensity monochromatic X-rays irradiated to the measurement object to reduce the beam intensity, and the high-intensity monochromatic X-rays that have passed through the absorption plate are irradiated with the probe and the measurement.
  • the CCD camera that captures the shadow image, the reflector that reflects the shadow image on the screen and enters the CCD camera, and the fluorescent X-ray yield emitted from the measurement object and the probe are counted to obtain energy.
  • a semiconductor analyzer for analysis.
  • the probe has an insulating coating other than the tip.
  • the probe is composed of carbon nanotubes.
  • the present invention is the above-described invention, which is operated in an ultra-high vacuum environment.
  • the present invention is configured as described above, the atomic scale is identified while identifying the elements. It has an excellent effect of enabling observation with a spatial resolution of a module and construction of nanostructures.
  • FIG. 1 is a conceptual configuration explanatory diagram showing the principle of a scanning probe microscope system according to an example of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a conceptual configuration of a scanning mechanism.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a conceptual configuration of a monitoring mechanism.
  • FIGS. 4 (a), 4 (b), and 4 (c) are explanatory diagrams showing the state of a shadow image actually observed by the inventor of the present application.
  • FIG. 5 is a graph showing the energy dependence of fluorescent X-rays and emitted electrons.
  • Fig. 6 is a graph showing the energy dependence of the tunnel current on Si and Ge.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing a state observed with a scanning tunneling microscope showing respective observation points of Ge and Si when the graph shown in FIG. 6 is obtained.
  • FIG. 1 shows an explanatory diagram of a conceptual configuration showing the principle of a scanning probe microscope system according to an example of an embodiment of the present invention.
  • This scanning probe microscope system 10 includes a probe 22 arranged opposite to a sample 30 to be measured, and a processing system 24 that detects and processes a physical quantity via the probe 22.
  • the scanning mechanism 26 that moves relative to the incident position of the beam of high-intensity monochromatic X-rays (described later) with respect to the sample 30, the probe 22, and the sample 30 (the scanning mechanism 26 will be described later with reference to FIG. 2).
  • the scanning mechanism 26 moves the sample 30 relative to the probe 22 and the incident position of the high-intensity monochromatic X-ray beam, so that the sample 30 and the probe 22 are moved.
  • X-ray irradiation that irradiates the sample 30 with high-intensity monochromatic X-rays and a scanning probe microscope 20 having a high-intensity monochromatic X-ray beam incident position
  • a mechanism 40 that the physical quantity is detected through the probe 22 of the scanning probe microscope 20 and the detected physical quantity is processed by the processing system 24, which is not different from the conventional scanning probe microscope. Therefore, the detailed configuration and description of the operation will be omitted as appropriate.
  • the wavelength to be measured is A high-intensity monochromatic X-ray that matches the absorption edge of the desired element enters the observation point (measurement point) of the sample 30 in the scanning probe microscope 20 from the X-ray irradiation mechanism 40.
  • the X-ray irradiation mechanism 40 reduces the beam diameter of the high-intensity monochromatic X-rays incident on the observation point to a diameter smaller than lmm, for example, about ⁇ 10 m (preferably ⁇ 10 m). (Note that the X-ray beam diameter in the conventional technology was ⁇ 1 to several mm as described above.) O
  • the incident angle ⁇ of the high-intensity monochromatic X-ray irradiated from the X-ray irradiation mechanism 40 to the sample 30 is reduced to, for example, about 0.1 ° to make a total reflection condition.
  • the incident angle ⁇ of the high-intensity monochromatic X-ray to the sample 30 is made shallow and the total reflection condition is established, the high-intensity monochromatic X-ray irradiated from the X-ray irradiation mechanism 40 penetrates deeply into the sample 30. Disappear.
  • the beam diameter to the sample 30 that has been a problem with conventional technology is approximately ⁇ 1 It is possible to prevent electron emission from a wide area that impairs spatial resolution due to X-ray irradiation, which is about several millimeters, and the influence of heat due to the use of high-intensity light (for example, probe-sample drift) Such as the instability of the measurement system represented by the above).
  • the beam line (BL) of the synchrotron radiation facility SPring-8 can be used.
  • the X-ray irradiation mechanism 40 monitors the vicinity of the observation point on the sample 30 immediately below the probe 22, and the scanning mechanism 26 generates high-intensity monochromatic X-rays with a small beam diameter of about ⁇ 10 m.
  • a monitoring mechanism 42 (see Fig. 3 for the monitoring mechanism 42) to enable accurate and short-time alignment with the observation point on the sample 30 directly under the probe 22 in vacuum while controlling the angle. However, it will be described in detail later).
  • a probe of a scanning probe microscope is used as an emission electron collector, and emission electrons from a specific excited element are obtained.
  • the emitted electrons are used for the signal in this way, the high brightness emitted from the X-ray irradiation mechanism 40 is obtained.
  • the beam diameter of monochromatic X-rays is reduced to about ⁇ 10 m, the emission area of emitted electrons extends to about 10 m, so it may be difficult to obtain spatial resolution on an atomic scale.
  • the beam diameter is narrowed down to about ⁇ 10 m, it may be difficult to align the observation point on the sample 30.
  • the scanning probe microscope system 10 detects changes in the tunnel current itself that occur when the high-intensity monochromatic X-ray energy crosses the absorption edge of a specific element as a physical quantity that cannot be emitted by the probe 22. Try to measure!
  • the scanning probe microscope system 10 uses high-intensity monochromatic X-rays, narrows the beam diameter of the high-intensity monochromatic X-rays, significantly increases the SZN ratio, and does not emit electrons as physical quantities.
  • the state of the material 'surface is analyzed with a spatial resolution at the atomic scale.
  • FIG. 2 shows a conceptual configuration explanatory diagram of the scanning mechanism 26
  • FIG. 3 shows a conceptual configuration explanatory diagram of the monitoring mechanism 42.
  • the scanning mechanism 26 moves in the X-axis direction in the first XYZ rectangular coordinate system (see the reference diagram showing the first XYZ rectangular coordinate system shown in FIG. 2).
  • a conventionally known X-axis direction movement control means (not shown) for controlling the movement and a conventionally known Y-axis direction movement control means for controlling movement in the Y-axis direction in the first XYZ orthogonal coordinate system.
  • a conventionally known Z-axis direction movement control means for controlling movement in the Z-axis direction in the first XYZ orthogonal coordinate system.
  • the scanning mechanism 26 has a new configuration that does not exist in the prior art.
  • a high-luminance monochromatic X-ray irradiated from the X-ray irradiation mechanism 40 that has a plane of rotation parallel to the horizontal plane and controls the incident angle ⁇ on the sample 30 ⁇ stage 26a and the X axis in the second XYZ Cartesian coordinate system
  • the Xt stage 26b for controlling the movement in the direction and aligning the tip of the probe 22 with the rotation center of the ⁇ stage 26a, and the movement in the Z-axis direction in the second XYZ Cartesian coordinate system.
  • the Zt stage 26c for aligning the tip of 22 with the rotation center of the ⁇ stage 26a and the movement in the Z axis direction in the second XYZ Cartesian coordinate system to control the rotation center of the ⁇ stage 26a with the X-ray irradiation mechanism 40
  • Zb step for adjusting the position of the high-intensity monochrome X-ray beam emitted from To adjust the height of the observation point of the sample 30 immediately below the probe 22 to the beam position of the high-intensity monochrome X-ray by controlling the movement in the Y-axis direction in the second XYZ rectangular coordinate system.
  • Yb stage 26e for aligning the tip of 22 with the rotation center of the ⁇ stage 26a and the movement in the Z axis direction in the second XYZ Cartesian coordinate system to control the rotation center of the ⁇ stage 26a with the X-ray irradiation mechanism 40
  • Zb step for adjusting the position of the high-intensity monochrome
  • the monitoring mechanism 42 includes a pinhole 42a-1 for positioning the beam diameter to ⁇ ⁇ ⁇ m at the most upstream position with respect to the beam traveling direction of the high-intensity monochromatic X-ray.
  • a pinhole 42a-1 for positioning the beam diameter to ⁇ ⁇ ⁇ m at the most upstream position with respect to the beam traveling direction of the high-intensity monochromatic X-ray.
  • Six pinholes with different diameters 42a—1, 42a—2, 42a—3, 42a—4, 42a—5, and 42a—6 are arranged in a row with position control to allow alignment.
  • the positional relationship between the probe 22, sample 30, and the high-brightness monochromatic X-ray beam position in the form of a shadow A screen 42d to be shaded, an optical microscope system 42e for enlarging a shadow projected on the screen 42d (in this embodiment, the optical microscope system has a magnification up to 800 times) 42e, and an optical microscope system 42e
  • the CCD camera 42f that captures the enlarged shadow image, the reflector 42g that reflects the shadow image on the screen 42d and enters the CCD camera 42f, and the fluorescent X-ray yield emitted from the sample 30 and the probe 22 are counted.
  • a semiconductor analyzer (SDD) 42h for energy analysis.
  • the scanning probe microscope system 10 operates in an ultra-high vacuum environment.
  • a high-intensity monochromatic X-ray is irradiated from the light source of the X-ray irradiation mechanism 40
  • the high-intensity monochromatic X-ray is generated by the six pinholes 42a—aperture member 42a— 1, 42a-2, 42a-3, 42a-4, 42a-5, 42a-6 and the beam intensity are monitored by the ion chamber 42b.
  • the positional relationship between the probe 22, the sample 30, and the high-brightness monochromatic X-ray beam position is projected onto the downstream screen 42d in the form of a shadow, which is further magnified by the microscope system 42e and reflected by the reflector 42g. Reflected and taken by the most downstream CCD camera 42f.
  • the alignment of the high-intensity monochromatic X-ray beam to the observation point on the sample 30 immediately below the probe 22 is performed in real time by the scanning mechanism 26 shown in FIG. 2 while observing the shadow projected on the screen 42d. Can be achieved quickly.
  • the semiconductor analyzer 42h counts the fluorescent X-ray yields emitted from the sample 30 and the probe 22, performs further energy analysis, and thereby the surface of the sample 30 excited by high-intensity monochromatic X-rays.
  • the type of adsorbed atoms and probe 22 elements can be confirmed.
  • an absorption plate 42c is provided upstream of the screen 42d. Depending on the brightness of incident light, such an absorption plate 42c may not be provided. Of course.
  • the screen 42d itself uses a fluorescent crystal having a density higher than that of a simple fluorescent powder having a large particle diameter so that the inside of the region having a diameter of about ⁇ 10 m can be observed. /!
  • high-intensity monochrome X-rays are not directly incident on the CCD camera 42f!
  • the shadow image is guided to a height different from that of the high-intensity monochromatic X-ray beam through the reflecting mirror 42g.
  • FIG. 4 (a) and 4 (b) show an aperture member 42a for performing rough alignment between the observation point of the sample 30 immediately below the probe 22 and the position of the high-intensity monochromatic X-ray beam.
  • the six pinholes 42a—1, 42a—2, 42a—3, 42a—4, 42a—5, and 42a—6 are shown.
  • a state where a high-intensity monochromatic X-ray beam is passed through the pinhole that is, a state where the sample 30 is irradiated with a high-intensity monochromatic X-ray having a beam diameter of ⁇ 800 m is shown.
  • Fig. 4 (a) shows the state of the shadow magnified 300 times by the optical microscope system 42e
  • FIG. 4 (b) shows the state of the shadow magnified 800 times by the optical microscope system 42e. is there.
  • the aperture member 42a is moved and six pinholes 42a—1, 42a—2, 42a—3, 42a—4, 42a—5, In 42a-6, when a high-intensity monochromatic X-ray beam is passed through a pinhole with a diameter of ⁇ 10 ⁇ m and the sample 30 is irradiated with a high-intensity monochromatic X-ray with a beam diameter of ⁇ 10 m,
  • FIG. 4 (c) it is possible to perform highly accurate V alignment between the observation point of the sample 30 immediately below the probe 22 and the beam position of the high-intensity monochromatic X-ray.
  • the inventor of the present application fabricated a 0.3-ML Ge nano island on the clean surface of the Si (lll) substrate, aligned the observation points as shown in FIG. At this point, we tried to distinguish between Si and Ge, which are different elements mixed on the Si substrate surface.
  • Non-Patent Document 1 measurement was performed by moving the probe 22 away from the sample 30 rather than the tunnel state (the signals are all emitted electrons).
  • Fig. 5 shows the energy of the emitted electrons thus obtained. Dependencies are shown.
  • Figure 5 shows the X-ray fluorescence profile from the semiconductor analyzer 42h (established as fluorescence XAFS and proved correct) for reference.
  • the probe 22 is brought close to the sample 30 to be in a tunnel state, and the energy dependence of the tunnel current is measured.
  • the measurement results are shown in Fig. 6 (Tunnel current is added to the signal.)
  • Fig. 6 Tel current is added to the signal.
  • O In Fig. 6, at the observation points of Ge and Si in the scanning tunneling microscope image shown in Fig. 7. The profile of a tunnel current is shown.
  • the tunnel current profile shown in Fig. 6 shows a sharper step than the emission electron profile shown in Fig. 5, indicating that a new current component has been added compared to Fig. 5. Is seen.
  • the scanning probe microscope system 10 enables high-intensity monochromatic X-rays aligned with the absorption edge of a specific element to enter the observation point of the scanning probe microscope 20. This makes it possible to identify elements.
  • the beam diameter of the high-intensity monochromatic X-ray incident on the sample 30 is reduced to ⁇ 10 m, and the incident angle ⁇ of the high-intensity monochromatic X-ray on the sample 30 is set to 0.
  • the excess X-rays entering the sample 30 were reduced both in terms of beam size and penetration depth.
  • high-intensity X-rays can be used to increase the inner shell excitation efficiency directly below the probe 22 while preventing electron emission from a wide range of 1 to several millimeters in diameter, which impairs spatial resolution. Measurement system instability represented by thermal drift can be eliminated.
  • the bea High-intensity monochromatic X-rays with a diameter of about ⁇ 10 m can be accurately and quickly aligned with the observation point on the sample 30 immediately below the probe 22 while controlling the angle.
  • the scanning probe microscope system 10 can be used to create nanostructures by controlling local reactions using both probe bias and high-intensity monochromatic X-ray excitation, as well as observation of material surfaces. It is also possible to do.
  • observation and evaluation of the atomic arrangement on the surface of the sample 30, the electronic state of the atoms, the structure of the molecular arrangement, etc., or the construction, processing or manipulation of the nanostructure on the surface of the sample 30 Etc. can be performed while identifying elements.
  • the sample 30 and the probe 22 and the high-intensity monochromatic X-ray beam are moved by moving the sample 30 with respect to the probe 22 and the incident position of the high-intensity monochromatic X-ray beam.
  • this is not limited to the force that moves relative to the incident position.
  • the sample 30 and the probe 22 may be moved relative to each other by moving the probe 22 with respect to the sample 30 and the incident position of the high-intensity monochromatic X-ray beam.
  • the sample 30, the probe 22, and the incident position of the high-intensity monochromatic X-ray beam are moved relative to each other. Even if you do it.
  • the aperture member 42a is provided with six pinholes 4 2a-1, 42a-2, 42a-3, 42a-4, 42a-5, 42a-6, and coarse! ⁇ Alignment force ⁇ A force that can be used to perform highly accurate alignment.
  • the number of pinholes formed in one member of the aperture may be any number of one or more.
  • the force exemplified when the beam diameter of the high-intensity monochromatic X-ray incident on the sample 30 is ⁇ 10 m is not limited to this.
  • a beam diameter smaller than the conventional beam diameter that is, a beam diameter smaller than 1 mm, for example, a beam diameter of 100 ⁇ m or less can be appropriately selected.
  • the scanning probe microscope system 10 is preferably operated in an ultra-high vacuum environment. In this way, when the scanning probe microscope system 10 is operated in an ultra-high vacuum environment, excess emitted electrons can be suppressed around the probe 22 and the SZN ratio of the signal can be improved.
  • the environment in which the scanning probe microscope system 10 is operated is not limited to the ultra-high vacuum environment. Depending on the measurement object, the scanning probe microscope system 10 is not used in an environment that is not an ultra-high vacuum environment. May be operated.
  • the present invention can be used for observation and evaluation of the atomic arrangement on the sample surface, the electronic state of the atoms, the structure of the molecular arrangement, etc., and can also be used for the construction, processing or manipulation of the nanostructure on the sample surface. be able to.

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Abstract

　原子スケールの空間分解能により元素を同定することを可能にするものであり、測定対象に対してビーム径が１ｍｍよりも小径である高輝度単色Ｘ線を照射するＸ線照射手段と、上記測定対象に対向して配置される探針と、上記探針を介してトンネル電流を検出して処理するための処理手段と、測定対象と上記探針と上記測定対象に対する高輝度単色Ｘ線の入射位置とを相対的に移動するための走査手段とを備える走査型プローブ顕微鏡とを有する。

Description

明 細 書
走査型プローブ顕微鏡システム 技術分野
[0001] 本発明は、走査型プローブ顕微鏡（SPM : Scanning Probe Microscope)シス テムに関し、さらに詳細には、走査型トンネル顕微鏡（STM : Scanning Tunneling Microscope)や原子間力顕微鏡（AFM : Atomic Force Microscope)に代表 される探針 (マイクロプローブ）を走査する顕微法を用いた走査型プローブ顕微鏡シ ステムに関する。
背景技術
[0002] 従来のナノ構造評価手法の多くは、限られた個別情報を提供するのみであり、ナノ 構造自体にっ 、ては、複数のナノ構造評価手法力 それぞれ得られる個別情報を 総合判断することにより解釈されてきた。
こうした従来のナノ構造評価手法のなかで、走査型プローブ顕微鏡は、原子スケー ルの空間分解能があって実空間情報が得られるため、周期性のない系の観察にも 適用することができ、今日におけるナノサイエンスの発展に大きく貢献してきた。 し力しながら、走査型プローブ顕微鏡においては、元素を同定することができないと いう問題点があった。
このため、上記した問題点に鑑み、原子スケールの空間分解能での元素分析の試 みが、電子状態、振動状態あるいは静電容量などの観点力 種々提案されているが 、元素分析が行われた実際の例は、ごく限られた特殊な材料の測定対象や条件での みわずかに報告されているに過ぎないものであり、一般的な手法としては存在してい ないものであった。
[0003] 一方、走査型プローブ顕微鏡に元素選択性を付与するための手法として、 X線を 用いる手法が提案されている。この手法は、測定対象に対して X線を照射することに より、走査型プローブ顕微鏡の観察下の特定原子種に選択的な内殻励起を起こし、 これを観察しょうとするものである (非特許文献 1参照)。
ところが、この X線を用いる手法では励起効率が小さいことから、入射光の光子密 度の大幅な増大が望ま 、ことが指摘されて 、た。
こうした指摘に鑑みて、入射光の光子密度を大幅に増大する手法として、最近、高 輝度光源であるシンクロトロン放射光の利用例が報告されている (非特許文献 2参照
) o
[0004] ここで、上記した非特許文献 1ならびに非特許文献 2に開示されて 、る技術にお!ヽ ては、ビーム径が φ 1〜数 mm程度の X線を測定対象に照射しているため、測定対 象における X線の照射領域が φ 1〜数 mm程度の径を備えるような広い領域となると ともに、走査型プローブ顕微鏡の探針を放出電子のコレクタ一として用いて励起され た特定元素力もの放出電子をとらえるようにして 、た。
このため、非特許文献 1ならびに非特許文献 2に開示されている技術によれば、広 範囲で発生する電子を集めてしまうため、空間分解能は 10 mオーダーにとどまつ ているという問題点があった。なお、こうした問題点は、こうした従来の技術と不可分 な原理的な問題点であり、原子スケールの空間分解能を得ることは極めて困難であ る。この従来の技術を用いて空間分解能を上げるには、むしろ走査型プローブ顕微 鏡の探針の先端の数 nmだけを導体にし、それ以外を絶縁コートするなどという、極 めて実現が困難である技術を確立するほかはないものであった。
非特許文献 1 :K. Tsuji et al. , Jpn. J. Appl. Phys. , 37, L1271— 1273 ( 1998)
非特許文献 2 :T. Matsushima et al. , Rev. Sci. Instrum. , 75, (2004) 2 149
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 本発明は、従来の技術に対する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたも のであり、その目的とするところは、原子スケールの空間分解能を備えるとともに元素 を同定することを可能にした走査型プローブ顕微鏡システムを提供しょうとするもので ある。
課題を解決するための手段
[0006] 上記目的を達成するために、本発明は、ビーム径が小径な高輝度単色 X線を一定 の入射角で照射する x線照射手段と走査型プローブ顕微鏡とを組み合わせた SZN 比の極めてよ 、走査型プローブ顕微鏡システムを構成するようにしたものである。 即ち、本発明による走査型プローブ顕微鏡システムは、特定の元素を識別しながら 原子スケールの観察やナノ構造の構築を行うこと可能にするものであり、走査型プロ ーブ顕微鏡と特定の元素の選択的な内殻励起が可能な高輝度単色 X線とを組み合 わせたものである。
また、本発明による走査型プローブ顕微鏡システムは、高い SZN比を得るために 高輝度単色 X線としてビーム径を絞り込んだ小径のビームを用いるようにしたもので ある。
また、本発明による走査型プローブ顕微鏡システムは、その高輝度単色 X線の小径 のビームを短時間で走査型プローブ顕微鏡の観察点直下に合わせ込めるようにした ものである。
[0007] 即ち、本発明は、測定対象に対してビーム径が lmmよりも小径な高輝度単色 X線 を照射する X線照射手段と、上記測定対象に対向して配置される探針と、上記探針 を介してトンネル電流を検出して処理する処理手段と、測定対象と上記探針と上記 測定対象に対する高輝度単色 X線の入射位置とを相対的に移動する走査手段とを 有する走査型プローブ顕微鏡とを有するようにしたものである。
[0008] また、本発明は、上記した発明において、上記 X線照射手段は、波長を所望の元 素の吸収端に合わせた高輝度単色 X線を照射するようにしたものである。
[0009] また、本発明は、上記した発明において、上記 X線照射手段から照射される高輝度 単色 X線の Xビーム径は、 1 μ m以上 100 μ m以下であるようにしたものである。
[0010] また、本発明は、上記した発明において、上記 X線照射手段は、上記測定対象に 対して全反射条件により高輝度単色 X線を照射するようにしたものである。
[0011] また、本発明は、上記した発明において、上記走査手段は、 XYZ直交座標系にお ける水平面に平行な回転平面を有して上記 X線照射手段力 照射される高輝度単 色 X線の上記測定対象に対する入射角の制御を行う Θステージと、 XYZ直交座標 系における X軸方向への移動を制御して上記探針の先端を上記 Θステージの回転 中心に合わせるための Xtステージと、 XYZ直交座標系における Z軸方向への移動を 制御して上記探針の先端を上記 Θステージの回転中心に合わせるための ztステー ジと、 XYZ直交座標系における Z軸方向への移動を制御して上記 Θステージの回転 中心を上記 X線照射手段力 照射される高輝度単色 X線のビーム位置に合わせるた めの Zbステージと、 XYZ直交座標系における Y軸方向への移動を制御して上記探 針の直下の上記測定対象の観察点の高さを高輝度単色 X線のビーム位置に合わせ るための Ybステージとを有するようにしたものである。
[0012] また、本発明は、上記した発明において、さらに、上記探針の直下の上記測定対象 上の観察点近傍を監視する監視手段を有するようにしたものである。
[0013] また、本発明は、上記した発明において、上記監視手段は、上記 X線照射手段から 照射される高輝度単色 X線のビーム進行方向に対して最上流に位置してビーム径を lmmよりも小径に絞るための少なくとも 1以上のピンホールを備えたアパーチャ一部 材と、上記アパーチャ一部材のピンホールを通過した高輝度単色 X線のビームのビ ーム強度をモニターするイオンチャンバ一と、上記測定対象に照射された高輝度単 色 X線を吸収してビーム強度を低減する吸収板と、上記吸収板を通過した高輝度単 色 X線が照射されて上記探針と上記測定対象と上記高輝度単色 X線のビーム位置と の位置関係が影絵の形で投影されるスクリーンと、上記スクリーンに投影された影絵 を拡大する光学顕微鏡システムと、上記光学顕微鏡システムにより拡大された影絵を 撮像する CCDカメラと、上記スクリーンの影絵を反射して上記 CCDカメラへ入射する ための反射鏡と、上記測定対象および上記探針から放出される蛍光 X線収量をカウ ントしてエネルギー分析する半導体分析器とを有するようにしたものである。
[0014] また、本発明は、上記した発明において、上記探針は、先端以外を絶縁コーティン グされたものとした。
[0015] また、本発明は、上記した発明において、上記探針は、カーボンナノチューブにより 構成するようにしたものである。
[0016] また、本発明は、上記した発明において、超高真空環境において動作させるように したものである。
発明の効果
[0017] 本発明は、以上説明したように構成されているので、元素を識別しながら原子スケ ールの空間分解能による観察やナノ構造の構築を行うことが可能になるという優れた 効果を奏する。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態の一例による走査型プローブ顕微鏡システムの原 理を示す概念構成説明図である。
[図 2]図 2は、走査機構の概念構成説明図である。
[図 3]図 3は、モニタリング機構の概念構成説明図である。
圆 4]図 4 (a) (b) (c)は、本願発明者により実際に観測された影絵の状態を示す説明 図である。
[図 5]図 5は、蛍光 X線と放出電子のエネルギー依存性を示すグラフである。
[図 6]図 6は、 Si上、 Ge上でのトンネル電流のエネルギー依存性を示すグラフである
[図 7]図 7は、図 6に示すグラフを得た際の Ge、 Siのそれぞれの観測点を示した走査 型トンネル顕微鏡で観察した状態を示す説明図である。
符号の説明
[0019] 10 走査型プローブ顕微鏡システム
20 走査型プローブ顕微鏡
22 探針
24 処理システム
26 走査機構
26a Θステージ
26b Xtステージ
26c Ztステージ
26d Zbステージ
26e Ybステージ
30 試料
40 X線照射機構
42 モニタリング機構 42a アパーチャ一部材
42a— 1、 42a— 2、 42a— 3、 42a— 4、 42a— 5、 42a— 6 ピンホール
42b イオンチャンバ一
42c 吸収板
42d スクリーン
42e 光学顕微鏡システム
42f CCDカメラ
42g 反射鏡
42h 半導体分析器
発明を実施するための最良の形態
[0020] 以下、添付の図面を参照しながら、本発明による走査型プローブ顕微鏡システムの 実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
[0021] 図 1には、本発明の実施の形態の一例による走査型プローブ顕微鏡システムの原 理を示す概念構成説明図が示されて!/ヽる。
この走査型プローブ顕微鏡システム 10は、測定対象たる試料 (サンプル： sample) 30に対向して配置される探針 22と、当該探針 22を介して物理量を検出して処理す る処理システム 24と、試料 30と探針 22と試料 30に対する高輝度単色 X線 (後述する 。）のビームの入射位置とを相対的に移動する走査機構 26 (走査機構 26については 、図 2を参照しながら後に詳述する。なお、この実施の形態においては、走査機構 26 は、試料 30を探針 22ならびに高輝度単色 X線のビームの入射位置に対して移動す ることにより、試料 30と探針 22と高輝度単色 X線のビームの入射位置との相対的な 移動を実現している。）とを有する走査型プローブ顕微鏡 20と、試料 30に対して高輝 度単色 X線を照射する X線照射機構 40とを有して構成されている。なお、走査型プロ ーブ顕微鏡 20の探針 22を介して物理量を検出し、検出した物理量を処理システム 2 4により処理する点については、従来より公知の走査型プローブ顕微鏡と変わるもの ではなぐ従来の技術を利用することができるので、その詳細な構成ならびに作用の 説明は適宜に省略する。
そして、走査型プローブ顕微鏡システム 10においては、その波長を測定したい所 望の元素の吸収端にあわせた高輝度単色 X線を、 X線照射機構 40から走査型プロ ーブ顕微鏡 20における試料 30の観察点 (測定点）に入射する。その際に、 X線照射 機構 40によって、当該観察点に入射される高輝度単色 X線のビーム径を lmmよりも 小径、例えば、約 φ 10 m程度（ φ 10 mが好ま 、。 )まで小さく絞る（なお、従来 の技術における X線のビーム径は、上記したように φ 1〜数 mmであった。 ) o
さらに、 X線照射機構 40から照射される高輝度単色 X線の試料 30への入射角 αを 、例えば、約 0. 1° 程度まで浅くして全反射条件にする。このように、高輝度単色 X 線の試料 30への入射角 αを浅くして全反射条件にすると、 X線照射機構 40から照 射される高輝度単色 X線が試料 30内へ深く侵入しなくなる。
即ち、高輝度単色 X線のビーム径を小さく絞ることと、試料 30への入射角 αを浅くし て全反射条件にすることにより、試料 30に入る余分な X線を、それぞれビーム径の大 きさという点と試料 30への侵入深さという点で減らすことができるようになる。
高輝度単色 X線のビーム径を小さく絞るとともに試料 30への入射角 aを浅くして全 反射条件にすることにより、従来の技術で問題となっていた試料 30へのビーム径が 約 φ 1〜数 mm程度である X線の照射による空間分解能を損なう広範囲領域からの 電子放出を防ぐことができるようになるとともに、高輝度光の使用による熱の影響 (例 えば、探針-試料間ドリフトに代表される測定系の不安定性などである。）を除去する ことがでさるよう〖こなる。
X線照射機構 40における光源としては、例えば、放射光施設 SPring— 8のビーム ライン (BL)を用いることができる。
また、 X線照射機構 40は、探針 22の直下の試料 30上の観察点近傍を監視して、 約 φ 10 m程度の微小ビーム径の高輝度単色 X線を、走査機構 26により超高真空 中で探針 22の直下の試料 30上の観察点に角度制御しながら精度良く短時間で合 わせこむことを可能にするためのモニタリング機構 42 (モニタリング機構 42について は、図 3を参照しながら後に詳述する。）を備えている。
また、従来の技術においては、走査型プローブ顕微鏡の探針を放出電子コレクタ 一として用いており、励起された特定の元素からの放出電子を得ていた。しかしなが ら、このようにシグナルに放出電子を用いると、 X線照射機構 40から照射される高輝 度単色 X線のビーム径を約 φ 10 m程度まで小さく絞っても、放出電子の放出エリ ァは 10 m程度にわたるため、原子スケールの空間分解能を得ることが困難である という恐れがある。ところが、ビーム径を約 φ 10 m程度よりも絞り込むと、試料 30上 の観察点への位置合わせが困難になる恐れがある。
このため、走査型プローブ顕微鏡システム 10においては、放出電子ではなぐ内殻 励起で生じたフェルミ準位近傍の状態変化をトンネル電流の強度変化として捉えるよ うにした。つまり、走査型プローブ顕微鏡システム 10は、探針 22で放出電子^^める のではなぐ物理量として高輝度単色 X線エネルギーが特定の元素の吸収端をまた ぐことで生じるトンネル電流自体の変化を測るようにして!/ヽる。
以上のように、走査型プローブ顕微鏡システム 10では、高輝度単色 X線を用い、当 該高輝度単色 X線のビーム径を小さく絞り、 SZN比を著しく高くし、さらに物理量とし て放出電子ではなくトンネル電流の変化 (差分)をとらえることにより、原子スケールの 空間分解能で物質表面の状態'組成分析を行うものである。
従って、この走査型プローブ顕微鏡システム 10を用いれば、物質表面の観察のみ ならず、探針バイアスと高輝度単色 X線励起との両方を用いてローカルな反応を制 御することにより、ナノ構造を作製することも可能になる。
なお、シグナルの SZN比を高めるためには、探針 22に入る余分な放出電子をでき る限り除く必要がある。このため、探針 22の先端以外を絶縁コーティングしたり、探針 22としてカーボンナノチューブのように非常にアスペクト比の高 、ものを用いることが 好ましい。
ここで、図 2には走査機構 26の概念構成説明図が示されており、図 3にはモニタリ ング機構 42の概念構成説明図が示されている。
走査機構 26は、従来の走査型プローブ顕微鏡と同様に、第 1の XYZ直交座標系（ 図 2に示す第 1の XYZ直交座標系を示す参考図を参照する。 )における X軸方向へ の移動を制御する従来より公知の X軸方向移動制御手段（図示せず。）と、第 1の XY Z直交座標系における Y軸方向への移動を制御する従来より公知の Y軸方向移動制 御手段（図示せず。）と、第 1の XYZ直交座標系における Z軸方向への移動を制御す る従来より公知の Z軸方向移動制御手段（図示せず。 )とを備えて!/、る。 さらに、走査機構 26は、従来の技術には存在しない新規な構成として、第 2の XYZ 直交座標系（図 2に示す第 2の XYZ直交座標系を示す参考図を参照する。 )におけ る水平面に平行な回転平面を有して X線照射機構 40から照射される高輝度単色 X 線の試料 30に対する入射角 αの制御を行う Θステージ 26aと、第 2の XYZ直交座標 系における X軸方向への移動を制御して探針 22の先端を Θステージ 26aの回転中 心に合わせるための Xtステージ 26bと、第 2の XYZ直交座標系における Z軸方向へ の移動を制御して探針 22の先端を Θステージ 26aの回転中心に合わせるための Zt ステージ 26cと、第 2の XYZ直交座標系における Z軸方向への移動を制御して Θス テージ 26aの回転中心を X線照射機構 40から照射される高輝度単色 X線のビーム 位置に合わせるための Zbステージ 26dと、第 2の XYZ直交座標系における Y軸方向 への移動を制御して探針 22の直下の試料 30の観察点の高さを高輝度単色 X線のビ ーム位置に合わせるための Ybステージ 26eとを有して構成されている。
また、モニタリング機構 42は、高輝度単色 X線のビーム進行方向に対して最上流に 位置してビーム径を φ ΐθ μ mに絞るためのピンホール 42a— 1を含んで段階的なビ ーム位置合わせができるように径の異なる 6個のピンホール 42a— 1、 42a— 2、 42a —3、 42a— 4、 42a— 5、 42a— 6が位置制御可能な状態で 1列に配置されたァパー チヤ一部材 42aと、ァノ一チヤ一部材 42aの 6個のピンホール 42a— 1、 42a— 2、 42 a— 3、 42a— 4、 42a— 5、 42a— 6のいずれかを通過した高輝度単色 X線のビーム のビーム強度をモニターするイオンチャンバ一 42bと、試料 30に照射された高輝度 単色 X線を吸収してビーム強度を低減する吸収板 42cと、吸収板 42cを通過した高 輝度単色 X線が照射されて探針 22と試料 30と高輝度単色 X線のビーム位置との位 置関係が影絵の形で投影されるスクリーン 42dと、スクリーン 42dに投影された影絵を 拡大する光学顕微鏡システム（この実施の形態においては、光学顕微鏡システムは 8 00倍までの倍率を有する。）42eと、光学顕微鏡システム 42eにより拡大された影絵 を撮像する CCDカメラ 42fと、スクリーン 42dの影絵を反射して CCDカメラ 42fへ入射 するための反射鏡 42gと、試料 30および探針 22から放出される蛍光 X線収量をカウ ントしてエネルギー分析する半導体分析器 (SDD) 42hとを有して構成されて 、る。 以上の構成において、走査型プローブ顕微鏡システム 10は、超高真空環境で動 作させることが好ましいものであり、 X線照射機構 40の光源カゝら高輝度単色 X線が照 射されると、当該高輝度単色 X線はアパーチャ一部材 42aの 6個のピンホール 42a— 1、 42a— 2、 42a— 3、 42a— 4、 42a— 5、 42a— 6の!ヽずれ力を通過し、そのビーム 強度がイオンチャンバ一 42bでモニターされる。
その後に、探針 22と試料 30と高輝度単色 X線のビーム位置との位置関係は、影絵 の形で下流のスクリーン 42dに投影され、さらにそれは顕微鏡システム 42eで拡大さ れ、反射鏡 42gで反射されて最下流の CCDカメラ 42fで撮影される。
従って、高輝度単色 X線のビームの探針 22の直下の試料 30上の観察点への位置 合わせは、スクリーン 42dに投影された影絵を見ながら、図 2に示す走査機構 26によ りリアルタイムですばやく達成することができる。
また、半導体分析器 42hは、試料 30および探針 22から放出される蛍光 X線収量を カウントし、さらにエネルギー分析を行って、これにより、高輝度単色 X線で励起され た試料 30の表面の吸着原子や探針 22の元素の種類を確認することができる。 なお、この実施の形態においては、スクリーン 42dのダメージの低減のために、スク リーン 42dの上流に吸収板 42cを設けた力 入射光の輝度によっては、こうした吸収 板 42cを設けなくてもよ 、ことは勿論である。
また、この実施の形態においては、スクリーン 42d自体も、径が φ 10 m程度の領 域内を観察することができるように、粒径の大きい単なる蛍光粉末ではなぐ密度の 高 、蛍光結晶が用いられて!/、る。
また、この実施の形態においては、 CCDカメラ 42fに高輝度単色 X線が直接に入 射されな！/、ように、影絵の像は反射鏡 42gを通して高輝度単色 X線のビームとは異な る高さに導かれるようになされて 、る。
次に、本発明による走査型プローブ顕微鏡システム 10を用いて本願発明者が行つ た実験について説明すると、まず、図 4 (a) (b) (c)には本願発明者により実際に観測 された影絵の状態を示す説明図が示されている。
ここで、図 4 (a) (b)は、探針 22の直下の試料 30の観察点と高輝度単色 X線のビー ム位置との粗!、位置合わせを行うために、アパーチャ一部材 42aの 6個のピンホール 42a— 1、 42a— 2、 42a— 3、 42a— 4、 42a— 5、 42a— 6のうちで径カ S φ 800 μ m(D ピンホールに高輝度単色 X線のビームを通過させた状態、即ち、試料 30にビーム径 が φ 800 mの高輝度単色 X線が照射された状態が示されている。なお、図 4 (a)は 光学顕微鏡システム 42eにより影絵を 300倍に拡大した状態を示すものであり、図 4 ( b)は光学顕微鏡システム 42eにより影絵を 800倍に拡大した状態を示すものである。 この図 4 (b)に示す 800倍の高倍率の状態で、アパーチャ一部材 42aを移動して 6 個のピンホール 42a— 1、 42a— 2、 42a— 3、 42a— 4、 42a— 5、 42a— 6のうちで径 が φ 10 μ mのピンホールに高輝度単色 X線のビームを通過させ、試料 30にビーム 径が φ 10 mの高輝度単色 X線が照射された状態にすると、図 4 (c)に示されるよう に、探針 22の直下の試料 30の観察点と高輝度単色 X線のビーム位置との精度の高 Vヽ位置合わせを行うことができる。
また、図 4 (c)においては、全反射の反射スポットが見えており、ここでは入射角と高 輝度単色 X線のビーム位置との双方が理想的な条件になっていることがわかる。 本願発明者の実験によれば、本発明による走査型プローブ顕微鏡システム 10を用 いることにより、マシンタイム開始から図 4 (c)に示す状態に至るまでに力かる時間は 約 2時間であった。目視不可能なビーム径が φ ΐθ μ mの高輝度単色 X線を探針 22 の直下の試料 30の観察点に位置合わせすることを考慮すると、非常に効率的な位 置制御が可能であることが理解される。
また、本願発明者は、 Si ( l l l)基板の清浄表面上に膜厚 0. 3MLの Geナノアイラ ンドを作製し、図 4 (c)に示す状態のように観察点の位置合わせを行い、観察点にお ける Si基板表面に混在する異種元素たる Siと Geとの識別を試みた。
まず、非特許文献 1に示すように、トンネル状態よりも探針 22を試料 30から離して 測定した (シグナルは全て放出電子である。 ) o図 5には、こうして得られた放出電子 のエネルギー依存性が示されている。なお、図 5には、半導体分析器 42hからの蛍 光 X線プロファイル（蛍光 XAFSとして既に確立され、正しさが証明されている。）を参 考として示した。
図 5によれば、半導体分析器 42hで見られる Geの K吸収端（11. l lkeV)において 、放出電子にも増加が見られ、走査型プローブ顕微鏡システム 10で 0. 3MLという極 薄 Geからの微小な放出電子の検出が可能であることがわかる。ただし、このままでは 従来の技術に示されているように、広い領域の放出電子を測るため、高い空間分解 會を得ることは困難である。
そこで、走査型プローブ顕微鏡システム 10においては、探針 22を試料 30に近づ けてトンネル状態にし、トンネル電流のエネルギー依存性を測定するようにした。その 測定結果が、図 6に示されている（シグナルにはトンネル電流が加わる。 ) oなお、図 6 においては、図 7に示す走査型トンネル顕微鏡像の Ge、 Siのそれぞれの観測点に おけるトンネル電流のプロファイルを示すものである。
この図 6に示すトンネル電流のプロファイルは、図 5に示す放出電子プロファイルよ りも鮮明な段差が見えており、図 5に比べて新たな電流成分が加わったことがわかる 従来に比べて大きな改善が見られる。
さらに、 Si上と Ge上とで、プロファイルに差が見られる。即ち、プロファイルの高低の 段差が、 Geよりも Siの方が大きい。即ち、図 7に示すように、 20nm程しか離れていな い観測点にもかかわらず、元素間でこうした違いが得られたことは、元素識別の空間 分解能が従来の 10 m程度に比べて lOnm程度まで (約 1000倍）、大幅に改善さ れたことを示している。
以上において説明したように、走査型プローブ顕微鏡システム 10は、特定元素の 吸収端にあわせた高輝度単色 X線を走査型プローブ顕微鏡 20の観察点に入射する ことを可能にするものであり、これにより元素識別を行うことが可能になった。
また、走査型プローブ顕微鏡システム 10においては、試料 30へ入射する高輝度単 色 X線のビーム径を φ 10 mまで絞り、さらに高輝度単色 X線の試料 30への入射角 αを 0. まで浅く全反射条件にして、試料 30に入る余分な X線をビームサイズとい う点でも侵入深さという点でも減少した。これにより、高輝度 X線を用いて探針 22の直 下の内殻励起効率を上げながらも、空間分解能を損なう従来のような 1〜数 mm径の 広範囲からの電子放出を防ぎ、さらに、熱ドリフトに代表される測定系の不安定性を 除くことができるようになった。
さらに、 X線照射機構 40における光源として放射光施設 SPring— 8のビームライン (BL)を用いるような場合でも、当該放射光施設における超高真空中において、ビー ム径が φ 10 m程度の高輝度単色 X線を、探針 22の直下の試料 30上の観測点に 、角度制御しながら、精度良く短時間で合わせこむことが可能になった。
また、従来はシグナルに放出電子のみを用いたために、 X線のビームを絞ってもま だ空間分解能を損なっていたが、走査型プローブ顕微鏡システム 10においては、放 出電子ではなぐ試料 30へ入射される高輝度単色 X線エネルギーが特定元素の吸 収端をまたぐことで生じるトンネル電流自体の変化を測るものであるため、その結果、 従来の 1000倍の空間分解能で物質表面の状態'組成分析を行うことが可能になつ た。
また、走査型プローブ顕微鏡システム 10を用いれば、物質表面の観察のみならず 、探針バイアスと高輝度単色 X線励起との両方を用いてローカルな反応を制御するこ とにより、ナノ構造を作製することも可能になる。
即ち、上記した走査型プローブ顕微鏡システム 10によれば、試料 30の表面の原子 配列、原子の電子状態、分子配列の構造などの観察や評価あるいは試料 30の表面 のナノ構造の構築、加工あるいは操作などを、元素を識別しながら行うことができるよ うになる。
なお、上記した実施の形態は、以下の（1)乃至（5)に示すように変形することができ るものである。
(1)上記した実施の形態においては、試料 30を探針 22ならびに高輝度単色 X線 のビームの入射位置に対して移動することにより、試料 30と探針 22と高輝度単色 X 線のビームの入射位置とを相対的に移動するようにした力 これに限られるものでは ないことは勿論である。例えば、探針 22を試料 30ならびに高輝度単色 X線のビーム の入射位置に対して移動することにより、試料 30と探針 22とを相対的に移動するよう にしてもよいし、また、探針 22と試料 30と高輝度単色 X線のビームの入射位置とをそ れぞれ移動することにより、試料 30と探針 22と高輝度単色 X線のビームの入射位置 とを相対的に移動するようにしてもょ 、。
(2)上記した実施の形態においては、アパーチャ一部材 42aは 6個のピンホール 4 2a— 1、 42a— 2、 42a— 3、 42a— 4、 42a— 5、 42a— 6を備え、粗!ヽ位置合わせ力 ^ ら精度の高い位置合わせまで行うことができるようにした力 これに限られるものでは ないことは勿論であり、アパーチャ一部材に形成されるピンホールの数は 1個以上の 任意の数でよい。
(3)上記した実施の形態においては、試料 30へ入射される高輝度単色 X線のビー ム径を φ 10 mにした場合を例示した力 これに限られるものではないことは勿論で あり、従来のビーム径より小径、即ち、 1mmよりも小径のビーム径、例えば、 以 上 100 μ m以下のビーム径を適宜に選択することができる。
(4)上記した実施の形態においては、走査型プローブ顕微鏡システム 10は超高真 空環境で動作させることが好ましいものである旨を説明した。このように、走査型プロ ーブ顕微鏡システム 10を超高真空環境で動作させると、探針 22の周囲で余分な放 出電子を抑えることができるため、シグナルの SZN比を向上することができる。しかし ながら、走査型プローブ顕微鏡システム 10を動作させる環境は超高真空環境に限ら れるものではないことは勿論であり、測定対象によっては、超高真空環境ではない環 境で走査型プローブ顕微鏡システム 10を動作させてもよい。
(5)上記した実施の形態ならびに上記した（1)乃至 (4)に示す変形例は、適宜に 組み合わせるようにしてもよ!、。
産業上の利用可能性
本発明は、試料表面の原子配列、原子の電子状態、分子配列の構造などの観察 や評価に利用することができ、さらには、試料表面のナノ構造の構築、加工あるいは 操作などにも利用することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 測定対象に対してビーム径が lmmよりも小径な高輝度単色 X線を照射する X線照 射手段と、
前記測定対象に対向して配置される探針と、前記探針を介してトンネル電流を検出 して処理する処理手段と、測定対象と前記探針と前記測定対象に対する高輝度単 色 X線の入射位置とを相対的に移動する走査手段とを有する走査型プローブ顕微 鏡と
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
[2] 請求項 1に記載の走査型プローブ顕微鏡システムにお 、て、
前記 X線照射手段は、波長を所望の元素の吸収端に合わせた高輝度単色 X線を 照射する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
[3] 請求項 1または 2のいずれか 1項に記載の走査型プローブ顕微鏡システムにおいて 前記 X線照射手段から照射される高輝度単色 X線の Xビーム径は、 1 μ m以上 100 μ m以" hである
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
[4] 請求項 1、 2または 3のいずれか 1項に記載の走査型プローブ顕微鏡システムにお いて、
前記 X線照射手段は、前記測定対象に対して全反射条件により高輝度単色 X線を 照射する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
[5] 請求項 1、 2、 3または 4のいずれ力 1項に記載の走査型プローブ顕微鏡システムに おいて、
前記走査手段は、
XYZ直交座標系における水平面に平行な回転平面を有して前記 X線照射手段 力 照射される高輝度単色 X線の前記測定対象に対する入射角の制御を行う Θステ ージと、 XYZ直交座標系における X軸方向への移動を制御して前記探針の先端を前記
0ステージの回転中心に合わせるための xtステージと、
XYZ直交座標系における Z軸方向への移動を制御して前記探針の先端を前記
0ステージの回転中心に合わせるための ztステージと、
XYZ直交座標系における Z軸方向への移動を制御して前記 Θステージの回転中 心を前記 X線照射手段力 照射される高輝度単色 X線のビーム位置に合わせるため の Zbステージと、
XYZ直交座標系における Y軸方向への移動を制御して前記探針の直下の前記 測定対象の観察点の高さを高輝度単色 X線のビーム位置に合わせるための Ybステ ージと
を有する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
[6] 請求項 1、 2、 3、 4または 5のいずれか 1項に記載の走査型プローブ顕微鏡システ ムにおいて、さらに、
前記探針の直下の前記測定対象上の観察点近傍を監視する監視手段を を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
[7] 請求項 6に記載の走査型プローブ顕微鏡システムにお 、て、
前記監視手段は、
前記 X線照射手段から照射される高輝度単色 X線のビーム進行方向に対して最 上流に位置してビーム径を lmmよりも小径に絞るための少なくとも 1以上のピンホー ルを備えたアパーチャ一部材と、
前記アパーチャ一部材のピンホールを通過した高輝度単色 X線のビームのビー ム強度をモニターするイオンチャンバ一と、
前記測定対象に照射された高輝度単色 X線を吸収してビーム強度を低減する吸 収板と、
前記吸収板を通過した高輝度単色 X線が照射されて前記探針と前記測定対象と 前記高輝度単色 X線のビーム位置との位置関係が影絵の形で投影されるスクリーン と、 前記スクリーンに投影された影絵を拡大する光学顕微鏡システムと、 前記光学顕微鏡システムにより拡大された影絵を撮像する CCDカメラと、 前記スクリーンの影絵を反射して前記 CCDカメラへ入射するための反射鏡と、 前記測定対象および前記探針から放出される蛍光 X線収量をカウントしてェネル ギー分析する半導体分析器と
を有する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
[8] 請求項 1、 2、 3、 4、 5、 6または 7のいずれか 1項に記載の走査型プローブ顕微鏡シ ステムにおいて、
前記探針は、先端以外を絶縁コーティングされた
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
[9] 請求項 1、 2、 3、 4、 5、 6または 7のいずれか 1項に記載の走査型プローブ顕微鏡シ ステムにおいて、
前記探針は、カーボンナノチューブにより構成された
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
[10] 請求項 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8または 9のいずれ力 1項に記載の走査型プローブ顕 微鏡システムにおいて、
超高真空環境にぉ 、て動作させる
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
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