元素測定装置及び方法
【課題】 試料が破壊されることなくスムーズな元素の離脱を可能とし、試料中の３次元的原子分布を容易且つ正確に再構成することができる。
【解決手段】 ３ＤＡＰにおいて、試料１１の元素の電界蒸発をアシストするための吸着ガスをチャンバー１内に導入する吸着ガス導入機構６が設けられる。吸着ガスとしては、試料１１の元素に吸着し易い（吸着率の高い）ガス種、例えば窒素ガスが選ばれる。
【解決手段】 ３ＤＡＰにおいて、試料１１の元素の電界蒸発をアシストするための吸着ガスをチャンバー１内に導入する吸着ガス導入機構６が設けられる。吸着ガスとしては、試料１１の元素に吸着し易い（吸着率の高い）ガス種、例えば窒素ガスが選ばれる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元構造物である試料に電界を印加し、電界による試料からの元素の離脱現象を利用して、離脱した元素の位置及び飛行時間を測定する元素測定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、３次元構造物である試料に電界を印加し、電界による試料からの元素の離脱現象を利用して、位置敏感型検出器（position sensitive detector）により、離脱した元素の位置及び飛行時間を検出する、いわゆる３次元アトムプローブ（Three Dimensional Atom Probe：以下、３ＤＡＰと略称する。）が開発されている。この３ＤＡＰを用いることにより、各元素が不均一に分布する合金状態の試料や、相異なる複数の材料が積層されてなる多層薄膜試料を、針状構造体の先端部位としたものを対象として、先端表面の元素から順次電界蒸発させてゆく。この電界蒸発により離脱した元素の位置及び飛行時間を位置敏感型検出器で検出することにより、試料中の原子分布を３次元的に再構成することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３３１６３４号公報
【特許文献２】特開平６−３２９５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の３ＤＡＰでは、試料を構成する材料により電界蒸発エネルギーが異なることから、各材料間の電界蒸発エネルギーの差に起因して、元素の離脱がスムーズに行われないという問題がある。このような材料間における電界蒸発エネルギーの相違により、甚だしくは試料が破壊されることもある。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、試料における各材料のスムーズな元素離脱を可能とし、試料が破壊されることもなく、試料中の３次元的原子分布を容易且つ正確に再構成することができる元素測定装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の元素測定装置は、３次元構造物である試料に電界を印加し、前記電界による前記試料からの元素の離脱現象を利用して、離脱した前記元素の位置及び飛行時間を測定する元素測定装置であって、内部に前記試料が配置されるチャンバーと、前記試料に前記電界を印加するための電源と、前記チャンバー内で前記試料と対向するように設置されており、前記試料から離脱した前記元素を検出する元素検出手段と、前記チャンバー内に吸着ガスを導入するガス導入手段とを含み、前記ガス導入手段により前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記電源により前記試料に前記電界を印加し、離脱した前記元素と当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記測定を行う。
【０００７】
本発明の元素測定方法は、元素検出手段が設置され、前記元素検出手段と対向するように３次元構造物である試料が配置されたチャンバー内に、吸着ガスを導入するステップと、前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記試料に所定の電界を印加するステップと、前記電界の印加により前記試料から離脱した前記元素と、当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記元素の位置及び結合状態を測定するステップとを含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の元素測定装置及び方法によれば、試料における各材料のスムーズな元素の離脱を可能とし、試料が破壊されることもなく、試料中の３次元的原子分布を容易且つ正確に再構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
−本発明の基本骨子−
本発明者は、各材料の均一な電界蒸発を得るべく、試料への吸着率の高いガス（吸着ガス）を用いて、この吸着ガスをチャンバー内に導入した状態で試料に電界を印加する構成に想到した。本発明の構成によれば、試料を構成する材料間で電界蒸発エネルギーが異なるにも係わらず、試料が破損等することなく試料を構成する各材料の原子を元素離脱させることができることが確認された。
【００１０】
吸着ガスの導入により、試料を構成する各材料の原子の良好な元素離脱が行われるメカニズムは、現在のところ十分には把握されていない状況にあるが、主なものとしては以下の２つが考えられる。
【００１１】
メカニズムＡ：
ここでは、試料の破損等の主原因が試料に印加される電界に起因して試料に加わる応力であると推測する。
図１に示すように、試料を針状構造体１０１の先端部分とした場合、針状構造体１０１への電界の印加により試料には応力が加わる。電界は尖鋭部位に集中し、電界の印加に起因する応力は電界の強さの２乗に比例するため、応力は電界の集中する試料先端部で最も大きくなる。ここで、試料が電界蒸発エネルギーの異なる複数材料の多層構造であり、電界蒸発エネルギーの高い材料（材料ａ）が前方（先端方向）に、電界蒸発エネルギーの低い材料（材料ｂ）が材料ａの後方に設けられている場合について考察する。電界蒸発が進み、材料ａが試料の最先端部に露出したとき（或いは材料ａが当初から試料の最先端部に設けられているとき）、材料ａには電界が集中して大きな応力が加わるものの、材料ａの電界蒸発エネルギーが高いために電界蒸発が生じ難い。このように、電界蒸発が遅滞した状態で最先端部の材料ａに大きな応力が加わり、この応力が主原因となって材料ｂや材料ａと材料ｂとの界面近傍等にダメージが生じ、試料の破損等が発生すると考える。
【００１２】
本発明では、図２に示すように、吸着ガスをチャンバー内へ導入し、針状構造体１０１へ電界を印加することにより、吸着ガス分子１０２は電界の集中する部分、即ち材料ａに特に吸着する。また、針状構造体１０１の後方に吸着ガス分子１０２が吸着した場合でも、吸着ガス分子１０２が先端方向へ移動してゆくと考えられる。この吸着ガス分子１０２の吸着により当該吸着部位の電界蒸発エネルギーが低下する。従って、吸着ガスの導入により、先端部に位置する材料ａの電界蒸発エネルギーが低下し、これにより材料ａの電界蒸発が促進され、材料ａに加わる応力が緩和される。この作用により、試料が破損等することなく試料のスムーズな元素離脱が実現する。なお、吸着ガスとして、試料を構成する各材料のうち、特定の材料、例えば最も電界蒸発エネルギーの高い材料に最も吸着し易い性質を有する吸着ガスを用いて、当該材料への吸着を促進するようにしても良い。
【００１３】
メカニズムＢ：
ここでは、試料の破損等の主原因が、試料を構成する各材料間で電界蒸発エネルギーが異なることに起因して試料表面の元素離脱が各材料で不均一となることにあると推測する。
図１と同様に、試料を針状構造体１０１の先端部分とした場合、針状構造体１０１への電界の印加により、電界蒸発エネルギーの低い材料から先に電界蒸発が発生する。これにより、各材料における元素の離脱の割合が不均一となり、試料表面が凹凸状となって、試料の破損等が発生すると考える。
【００１４】
本発明では、図３に示すように、吸着ガスをチャンバー内へ導入し、針状構造体１０１へ電界を印加することにより、吸着ガス分子１０２は電界の集中する部分に特に吸着する。また、針状構造体１０１の後方に吸着ガス分子１０２が吸着した場合でも、吸着ガス分子１０２が先端方向へ移動してゆくと考えられる。この吸着ガス分子１０２の吸着により当該吸着部位の電界蒸発エネルギーが低下する。従って、試料のうち電界蒸発エネルギーの高い材料の部分では電界蒸発が発生し難いため、当該高電界蒸発エネルギー材料の原子による突起部が生じても、当該突起部に特に吸着ガス分子１０２が吸着して優先的に電界蒸発が促進される。この作用により、電界蒸発エネルギーの低い材料の原子が先立って電界蒸発する割合が大幅に減少し、試料表面の凹凸が解消されることになる。
【００１５】
なお、メカニズムＡ，Ｂに共通して、試料を構成する各材料について、着目する特定材料の前方に、当該特定材料よりも電界蒸発エネルギーの高い材料が１種以上存在する場合に問題となる。換言すれば、本発明は試料が上記の構造を採る場合に特に効果的である。
【００１６】
ここで、試料への電界の印加に同期させて、当該試料にエネルギービームを照射することにより、試料の均一な元素離脱を、吸着ガス分子１０２による吸着と相俟って更に促進させることが可能となる。エネルギービームとしては、レーザ光や電子線等が好ましい。
【００１７】
本発明においては、試料１０１の離脱した原子１０３は吸着ガス分子１０２と結合して複合イオン１０４として位置敏感型検出器へ向かって飛行する。この複合イオン１０４の位置敏感型検出器への到達位置及び飛行時間から、試料の原子分布を正確に３次元的に再構成することができる。
【００１８】
なお、特許文献１では、試料面の原子数層毎に原子配列を測定する表面分析法を行うに際して、試料面の原子とガス分子とを反応させて当該原子を脱離させてゆく技術が開示されている。特許文献１の発明は、表面分析法を前提として、ガス分子を利用した原子数層毎の脱離を可能とするものであって、３ＤＡＰ法を前提としてガス分子を利用した試料の均一な元素離脱を可能とする本発明とは、その構成は勿論のこと、目的及び作用効果も異なり、両者は別発明である。
【００１９】
また、特許文献２では、レーザ光を用いた薄膜形成に際して、Ｎ2ガスをラジカルとしてチャンバー内へ導入する技術が開示されているが、上記と同様に、本発明とはその構成は勿論のこと、目的及び作用効果も異なり、両者は別発明である。
【００２０】
−本発明を適用した具体的な実施形態−
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
［第１の実施形態］
（元素測定装置の構成）
図４は、第１の実施形態による元素測定装置（３ＤＡＰ）の概略構成を示す模式図である。
この元素測定装置は、内部に試料１１が配置されるチャンバー１と、試料１１に電界を印加するための電源２と、チャンバー１内で試料１１と対向するように設置されており、試料から離脱した元素を検出する元素検出手段である位置敏感型検出器３と、チャンバー１内において試料１１との間で高い直流バイアス電圧が印加される引出電極４と、チャンバー１内を所望の真空状態とするための真空ポンプ等を含む排気機構５と、チャンバー１内に吸着ガスを導入する吸着ガス導入機構６と、電源２及び位置敏感型検出器３と接続されたタイマー７とを備えて構成されている。
【００２２】
試料１１は、針状構造物の先端部分であり、正面から平面視した際に略同心円状となるように、隣接間で相異なる複数の材料の層が順次略円盤状に設けられてなる多層薄膜試料である。本実施形態では、例えば試料１１はその最先端から順に、Ｔａ（５ｎｍ程度）／Ｎｉ（３ｎｍ程度）／Ｃｏ（３ｎｍ程度）／Ｃｕ（２.５ｎｍ程度）／Ｃｏ（２ｎｍ程度）/Ｔａ（０．８ｎｍ程度）／Ｃｏ（１．５ｎｍ程度）／Ｐｔ（１３ｎｍ程度）／Ｎｉ（７ｎｍ程度）/Ｓｉ（基板）のように各層が積層されて構成されている。ここで、括弧内の記載は各層の膜厚である。
【００２３】
電源２は、試料１１と引出電極４との間に直流バイアス電圧を印加するとともに、当該直流バイアス電圧を印加した状態で、試料１１にパルス電圧を印加するためのものである。即ち、電源２は、当該元素測定装置の作動時には試料１１と引出電極４との間に高い直流バイアス電圧を与えておき、タイマー７の起動により試料１１に元素の電界蒸発を惹起する程度のパルス電圧を印加する。１回のパルス電圧の印加により１原子の電界蒸発を生ぜしめるのが理想的であるが、１回のパルス電圧の印加により同時に複数の原子が電界蒸発するという不測の事態を避ける趣旨から、ここでは１０回から１００回のパルス電圧の印加により１原子の電界蒸発が生じるようにパルス電圧を調節する。
【００２４】
位置敏感型検出器３は、平面状の元素検知面を備えており、試料１１から電界蒸発した原子（ここでは複合イオン）を２次元マップとして表示する機能を有している。電界蒸発現象を利用して試料１１の表面から１原子ずつ、１原子層毎に電界蒸発させてゆくことにより、２次元マップを試料１１の深さ方向に拡張させることができる。この２次元マップのデータを不図示のコンピュータに蓄積して所定の計算処理を行うことにより、試料１１の原子分布を３次元的に再構成することができる。
【００２５】
引出電極４は、空洞の円環形状の電極であり、試料１１と位置敏感型検出器３との間で試料１１の近傍に配置されており、電源２により試料１１との間に直流バイアス電圧が印加される。電源２により直流バイアス電圧に重畳してパルス電圧が試料１１に印加されると、電界蒸発した原子は複合イオンの状態で引出電極４の空洞部分を通過して位置敏感型検出器３へ向かって飛行する。
【００２６】
吸着ガス導入機構６は、試料１１の電界蒸発をアシストするための吸着ガスをチャンバー１内に導入するものである。吸着ガスとしては、試料１１の元素に吸着し易い（吸着率の高い）ガス種が選ばれる。ガス種の吸着率（分極エネルギー）は一般的に、
吸着率＝（１／２）αＦ2 α：分極率，Ｆ：電界強度（試料表面で最大）
で決定される。従って、分極率の大きいガス種を選ぶことが好ましい。ここでは、分極率が０．２（１０-40Ｊ-1Ｃ2ｍ2）より大きいガス種とする。具体的に、この条件を満たすガス種としては、Ｈ2，Ｎ2，ＣＯ2，ＣＯ，ＨＦ，ＨＣｌ，ＨＢｒ，ＨＩ，Ｈ2Ｏ，ＮＨ3，ＣＣｌ4，ＣＨＣｌ3，ＣＨ2Ｃｌ2，ＣＨ3Ｃｌ，ＣＨ4，ＣＨ3ＯＨ，ＣＨ3ＣＨ2ＯＨ，Ｃ6Ｈ6，Ｃ6Ｈ5ＣＨ3，o−Ｃ6Ｈ4（ＣＨ3）2，Ｈｅ，Ａｒ等のうちから選ばれた少なくとも１種が好適である。
【００２７】
タイマー７は、電源２の試料１１へ印加するパルス電圧を起動する機能を有している。タイマー７は更に、パルス電圧の印加により試料１１の先端から元素離脱が生じたときから複合イオンが位置敏感型検出器３に到達するまでの時間、即ち複合イオンの飛行時間を測定する機能も有している。
【００２８】
（元素測定方法）
以下、図４の３ＤＡＰを用いた試料１１の具体的な元素測定方法について、図５を用いて説明する。
先ず、チャンバー１内に位置敏感型検出器３の元素検知面と先端が対向するように、試料１１を先端部分に有する複数の針状構造体を備えた被測定部材２０を設置する。この状態で、真空機構５の作動により、チャンバー１を所定の真空度に調節する（ステップＳ１）。ここでは、いわゆる超高真空状態、例えば２×１０-8Ｐａ程度の圧力状態とする。
【００２９】
続いて、吸着ガス導入機構６の作動により、チャンバー１内に吸着ガスを導入する（ステップＳ２）。ここでは、吸着ガスとして窒素（Ｎ2）ガスをチャンバー１内が５×１０-3Ｐａ程度の圧力状態となるように導入する。
【００３０】
続いて、チャンバー１内が吸着ガスの雰囲気とされた状態で、タイマー７の起動により、試料１１に電源２の直流バイアス電圧に加えてパルス電圧、例えば５ｋＶのパルス電圧を加える（ステップＳ３）。このパルス電圧の印加により、試料１１の表面に吸着ガス分子、ここではＮ2が吸着して複合イオンを形成した状態で、例えば１０回〜１００回のパルス電圧に対応して１個の割合で複合イオンの電界蒸発が生じる。吸着ガス分子は、特に電界蒸発エネルギーの高い部位に吸着し易く、当該吸着により電界蒸発エネルギーが低下して複合イオンの電界蒸発が促進される。
【００３１】
続いて、電界蒸発した複合イオンが位置敏感型検出器３に到達した際の位置敏感型検出器３の元素検出面における位置を測定するとともに、タイマー７により複合イオンの飛行時間を測定する（ステップＳ４）。
【００３２】
そして、複合イオンの位置敏感型検出器３の元素検出面における位置及び飛行時間に基づき、２次元マップを作成する。具体的には、ステップＳ３及びＳ４からなる一連の工程を、試料１１を構成する各層の元素が（測定に要する分だけ）全て電界蒸発するまで繰り返し実行し（ステップＳ５）、試料１１の深さ方向に拡張させた２次元マップを作成する（ステップＳ６）。このようにして得られた２次元マップのデータを不図示のコンピュータを用いて解析することにより、試料１１の原子分布を３次元的に再構成する（ステップＳ７）。
【００３３】
ここで、上述した本実施形態の元素測定方法により、元素測定を途中まで実行した際の試料１１の状態を図６に示す。図６では、試料１１の表層の一部が電界蒸発した状態を表している。
上述した本実施形態の元素測定方法によれば、元素測定を実行した際の試料１１に破損等が生じることがなく、各層の元素離脱がスムーズに行われるという良好な結果が得られた。この事実は、上述のメカニズムＡ，Ｂによりそれぞれ以下のように説明できる。
【００３４】
メカニズムＡ：
試料１１のように、最上層に電界蒸発エネルギーの比較的高いＴａ層、その下層に電界蒸発エネルギーの比較的低いＮｉ層が設けられている場合、元素測定時における電界の印加により、電界の集中するＴａ層に吸着ガス分子が特に吸着し、この吸着によりＴａ層の電界蒸発エネルギーが低下し、Ｔａ層の元素離脱が促進される。このとき、電界蒸発エネルギーの低下に伴いＴａ層の応力が緩和されるため、試料１１に破損等が生じることはない。従って、試料１１では、図６のように良好な状態に元素離脱が行われた痕跡を示す。
【００３５】
メカニズムＢ：
ここでは比較のため、吸着ガスの導入を行わない従来の３ＤＡＰを用いて元素測定を実行した際の試料１１の状態を図７として、更に図６に図７を重ね合わせた様子を図８として示す。図７，８では、試料１１の表層の一部が電界蒸発した状態を表しており、破線が本実施形態、一点鎖線が従来例をそれぞれ示す。
【００３６】
従来の３ＤＡＰでは、図７のように、その各層の材料における電界蒸発エネルギーの差に起因して、試料１１の表面が図中矢印で示すような凹凸形状となる。即ち、電界蒸発エネルギーの比較的高い最上層のＴａ層やＲｕ層，Ｐｔ層よりも、電界蒸発エネルギーの比較的低いＣｕ層やＮｉ層，Ｃｏ層等の方が速く元素離脱が生じてしまい、結果として試料１１の表面が不均一な凹凸形状となる。このように従来の３ＤＡＰでは、試料１１における各層の元素離脱がスムーズに行われず、甚だしくは試料１１が破壊されることもある。
【００３７】
これに対して、本実施形態の３ＤＡＰでは、図６のように、試料１１の表面は図中矢印で示す部分に凹凸形状がなく、滑らかな形状となった。これは、試料１１の各層で略均一な元素離脱が生じたことを意味している。従って、本実施形態の３ＤＡＰでは、試料１１における各層の元素離脱がスムーズに行われることが判る。この様子は、図８のように本実施形態の結果と従来例の結果とを重ね合わせて比較すると更に明確となる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の３ＤＡＰによれば、試料１１における各層のスムーズな元素離脱を可能とし、試料１１が破壊されることもなく、試料１１中の３次元的原子分布を容易且つ正確に再構成することができる。
【００３９】
［第２の実施形態］
（元素測定装置の構成）
図９は、第２の実施形態による元素測定装置（３ＤＡＰ）の概略構成を示す模式図である。
本実施形態の３ＤＡＰは、図４に示した第１の実施形態の３ＤＡＰの構成に加え、試料１１にレーザ光を照射するためのレーザ機構１０を備えて構成されている。なお、図４の構成部材等と同一のものについては同符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４０】
レーザ機構１０は、例えばフェムトパルスの半導体励起チタンサファイヤレーザ等を有しており、試料１１への電界の印加に同期して当該試料１１の表面にレーザ光を照射し、試料１１からの電界蒸発をアシストするものである。レーザ機構１０による試料１１へのレーザ光照射により、試料１１の先端からの元素離脱を吸着ガス分子による吸着と相俟って更に促進させることが可能となり、特に試料に電界蒸発エネルギーの高い材料が存する場合等においても、材料によらず試料１１の最先端からの順次の元素離脱が得られる。
なお、レーザ機構１０の代わりに、電子線照射機構を設置し、エネルギービームとして電子線を試料１１に照射するようにしても良い。
【００４１】
タイマー１２は、電源２、位置敏感型検出器３及びレーザ機構１０と接続されており、電源２の試料１１へ印加するパルス電圧を起動するとともに、当該パルス電圧の印加とレーザ機構１０のレーザ光の照射との同期をとる機能を有している。タイマー１２は更に、パルス電圧の印加により試料１１の先端から元素離脱が生じたときから複合イオンが位置敏感型検出器３に到達するまでの時間、即ち複合イオンの飛行時間を測定する機能も有している。
【００４２】
（元素測定方法）
以下、図９の３ＤＡＰを用いた試料１１の具体的な元素測定方法について、図１０を用いて説明する。
先ず、チャンバー１内に位置敏感型検出器３の元素検知面と先端が対向するように、試料１１を先端部分に有する複数の針状構造体を備えた被測定部材２０を設置する。この状態で、真空機構５の作動により、チャンバー１を所定の真空度に調節する（ステップＳ１１）。ここでは、いわゆる超真空状態、例えば２×１０-8Ｐａ程度の圧力状態とする。
【００４３】
続いて、吸着ガス導入機構６の作動により、チャンバー１内に吸着ガスを導入する（ステップＳ１２）。ここでは、吸着ガスとして窒素（Ｎ2）ガスをチャンバー１内が５×１０-6Ｐａ程度の圧力状態となるように導入する。
【００４４】
続いて、チャンバー１内が吸着ガスの雰囲気とされた状態で、タイマー１２の起動により、試料１１に電源２の直流バイアス電圧に加えてパルス電圧、例えば５ｋＶのパルス電圧を加えるとともに、当該パルス電圧と同期するようにレーザ機構１０により試料１１にレーザ光を照射する（ステップＳ１３）。このパルス電圧の印加及びレーザ光の照射により、試料１１の表面では、当該先端に位置する層の元素に吸着ガス分子、ここではＮ2が吸着して複合イオンを形成した状態で、例えば１０回〜１００回のパルス電圧に対応して１個の割合で複合イオンの電界蒸発が生じる。吸着ガス分子は、特に電界蒸発エネルギーの高い部位に吸着し易く、当該吸着により電界蒸発エネルギーが低下して複合イオンの電界蒸発が促進される。
【００４５】
続いて、電界蒸発した複合イオンが位置敏感型検出器３に到達した際の位置敏感型検出器３の元素検出面における位置を測定するとともに、タイマー１２により複合イオンの飛行時間を測定する（ステップＳ１４）。
【００４６】
そして、複合イオンの位置敏感型検出器３の元素検出面における位置及び飛行時間に基づき、２次元マップを作成する。具体的には、ステップＳ１３及びＳ１４からなる一連の工程を、試料１１を構成する各層の元素が全て電界蒸発するまで繰り返し実行し（ステップＳ１５）、試料１１の深さ方向に拡張させた２次元マップを作成する（ステップＳ１６）。このようにして得られた２次元マップのデータを不図示のコンピュータを用いて解析することにより、試料１１の原子分布を３次元的に再構成する（ステップＳ１７）。
【００４７】
なお、図５及び図１０のフロー図等におけるプログラムコード等は、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭなどに記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム、及び当該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は本発明の実施形態に含まれる。
【００４８】
具体的に、前記プログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭのような記録媒体に記録し、或いは各種伝送媒体を介し、コンピュータに提供される。前記プログラムを記録する記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、不揮発性メモリカード等を用いることができる。他方、前記プログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給するためのコンピュータネットワーク（ＬＡＮ、インターネットの等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等）システムにおける通信媒体（光ファイバ等の有線回線や無線回線等）を用いることができる。
【００４９】
また、コンピュータが供給されたプログラムを実行することにより上述の実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）あるいは他のアプリケーションソフト等と共同して上述の実施形態の機能が実現される場合や、供給されたプログラムの処理の全てあるいは一部がコンピュータの機能拡張ボードや機能拡張ユニットにより行われて上述の実施形態の機能が実現される場合も、かかるプログラムは本発明の実施形態に含まれる。
【００５０】
例えば、図１１は、パーソナルユーザ端末装置の内部構成を示す模式図である。この図１１において、１２００はコンピュータＰＣである。ＰＣ１２００は、ＣＰＵ１２０１を備え、ＲＯＭ１２０２またはハードディスク（ＨＤ）１２１１に記憶された、あるいはフレキシブルディスクドライブ（ＦＤ）１２１２より供給されるデバイス制御ソフトウェアを実行し、システムバス１２０４に接続される各デバイスを総括的に制御する。
【００５１】
ＰＣ１２００のＣＰＵ１２０１、ＲＯＭ１２０２またはハードディスク（ＨＤ）１２１１に記憶されたプログラムにより、本実施形態における図５のステップＳ１〜Ｓ７及び図１０のステップＳ１１〜Ｓ１７等の手順が実現される。
【００５２】
１２０３はＲＡＭであり、ＣＰＵ１２０１の主メモリ、ワークエリア等として機能する。１２０５はキーボードコントローラ（ＫＢＣ）であり、キーボード（ＫＢ）１２０９や不図示のデバイス等からの指示入力を制御する。
【００５３】
１２０６はＣＲＴコントローラ（ＣＲＴＣ）であり、ＣＲＴディスプレイ（ＣＲＴ）１２１０の表示を制御する。１２０７はディスクコントローラ（ＤＫＣ）であり、ブートプログラム（起動プログラム：パソコンのハードやソフトの実行（動作）を開始するプログラム）、複数のアプリケーション、編集ファイル、ユーザファイル及びネットワーク管理プログラム等を記憶するハードディスク（ＨＤ）１２１１や、フレキシブルディスク（ＦＤ）１２１２とのアクセスを制御する。
【００５４】
１２０８はネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）であり、ＬＡＮ１２２０を介して、ネットワークプリンタ、他のネットワーク機器、あるいは他のＰＣと双方向のデータのやり取りを行う。
【００５５】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００５６】
（付記１）３次元構造物である試料に電界を印加し、前記電界による前記試料からの元素の離脱現象を利用して、離脱した前記元素の位置及び飛行時間を測定する元素測定装置であって、
内部に前記試料が配置されるチャンバーと、
前記試料に前記電界を印加するための電源と、
前記チャンバー内で前記試料と対向するように設置されており、前記試料から離脱した前記元素を検出する元素検出手段と、
前記チャンバー内に吸着ガスを導入するガス導入手段と
を含み、
前記ガス導入手段により前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記電源により前記試料に前記電界を印加し、離脱した前記元素と当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記測定を行うことを特徴とする元素測定装置。
【００５７】
（付記２）前記吸着ガスは、分極率が０．２（１０-40Ｊ-1Ｃ2ｍ2）より大きいガス種であることを特徴とする付記１に記載の元素測定装置。
【００５８】
（付記３）前記吸着ガスは、Ｈ2，Ｎ2，ＣＯ2，ＣＯ，ＨＦ，ＨＣｌ，ＨＢｒ，ＨＩ，Ｈ2Ｏ，ＮＨ3，ＣＣｌ4，ＣＨＣｌ3，ＣＨ2Ｃｌ2，ＣＨ3Ｃｌ，ＣＨ4，ＣＨ3ＯＨ，ＣＨ3ＣＨ2ＯＨ，Ｃ6Ｈ6，Ｃ6Ｈ5ＣＨ3，o−Ｃ6Ｈ4（ＣＨ3）2，Ｈｅ，Ａｒのうちから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする付記２に記載の元素測定装置。
【００５９】
（付記４）前記電源による前記電界の印加と同期して、前記試料にエネルギービームを照射する照射手段を更に含むことを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の元素測定装置。
【００６０】
（付記５）前記試料は、針状構造物の先端部分であり、正面から平面視した際に略同心円状となるように、隣接間で相異なる複数の材料が順次略円盤状に設けられてなるものであることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の元素測定装置。
【００６１】
（付記６）前記試料は、着目する特定の前記材料の前方に、当該特定の前記材料よりも電界蒸発エネルギーの高い前記材料が１種以上設けられてなるものであることを特徴とする付記５に記載の元素測定装置。
【００６２】
（付記７）元素検出手段が設置され、前記元素検出手段と対向するように３次元構造物である試料が配置されたチャンバー内に、吸着ガスを導入するステップと、
前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記試料に所定の電界を印加するステップと、
前記電界の印加により前記試料から離脱した前記元素と、当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記元素の位置及び結合状態を測定するステップと
を含むことを特徴とする元素測定方法。
【００６３】
（付記８）前記吸着ガスは、分極率が０．２（１０-40Ｊ-1Ｃ2ｍ2）より大きいガス種であることを特徴とする付記７に記載の元素測定方法。
【００６４】
（付記９）前記吸着ガスは、Ｈ2，Ｎ2，ＣＯ2，ＣＯ，ＨＦ，ＨＣｌ，ＨＢｒ，ＨＩ，Ｈ2Ｏ，ＮＨ3，ＣＣｌ4，ＣＨＣｌ3，ＣＨ2Ｃｌ2，ＣＨ3Ｃｌ，ＣＨ4，ＣＨ3ＯＨ，ＣＨ3ＣＨ2ＯＨ，Ｃ6Ｈ6，Ｃ6Ｈ5ＣＨ3，o−Ｃ6Ｈ4（ＣＨ3）2，Ｈｅ，Ａｒのうちから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする付記８に記載の元素測定方法。
【００６５】
（付記１０）前記試料に前記電界を印加するステップにおいて、前記電界の印加と同期するように、前記試料にエネルギービームを照射することを特徴とする付記７〜９のいずれか１項に記載の元素測定方法。
【００６６】
（付記１１）前記試料は、針状構造物の先端部分であり、正面から平面視した際に略同心円状となるように、隣接間で相異なる複数の材料が順次略円盤状に設けられてなるものである特徴とする付記７〜１０のいずれか１項に記載の元素測定方法。
【００６７】
（付記１２）前記試料は、着目する特定の前記材料の前方に、当該特定の前記材料よりも電界蒸発エネルギーの高い前記材料が１種以上設けられてなるものであることを特徴とする付記１１に記載の元素測定方法。
【００６８】
（付記１３）コンピュータに、
元素検出手段が設置され、前記元素検出手段と対向するように３次元構造物である試料が配置されたチャンバー内に、吸着ガスを導入するステップと、
前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記試料に所定の電界を印加するステップと、
前記電界の印加により前記試料から離脱した前記元素と、当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記元素の位置及び結合状態を測定するステップと
を含む元素測定方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【００６９】
（付記１４）コンピュータに、
元素検出手段が設置され、前記元素検出手段と対向するように３次元構造物である試料が配置されたチャンバー内に、吸着ガスを導入するステップと、
前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記試料に所定の電界を印加するステップと、
前記電界の印加により前記試料から離脱した前記元素と、当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記元素の位置及び結合状態を測定するステップと
を含む元素測定方法を実行させるためのプログラム。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】吸着ガスにより試料を構成する各材料の原子の良好な元素離脱が行われるメカニズムＡ，Ｂを説明するための模式図である。
【図２】メカニズムＡを説明するための模式図である。
【図３】メカニズムＢを説明するための模式図である。
【図４】第１の実施形態による元素測定装置（３ＤＡＰ）の概略構成を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態による元素測定方法を示すフロー図である。
【図６】第１の実施形態の元素測定方法により元素測定を実行した際の試料の状態を示す模式図である。
【図７】従来の元素測定方法により元素測定を実行した際の試料の状態を示す模式図である。
【図８】第１の本実施形態の元素測定方法により元素測定を実行した際の試料の状態と、従来の元素測定方法により元素測定を実行した際の試料の状態とを重ね合わせて示す模式図である。
【図９】第２の実施形態による元素測定装置（３ＤＡＰ）の概略構成を示す模式図である。
【図１０】第２の実施形態による元素測定方法を示すフロー図である。
【図１１】パーソナルユーザ端末装置の内部構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ チャンバー
２ 電源
３ 位置敏感型検出器
４ 引出電極
５ 排気機構
６ 吸着ガス導入機構
７，１２ タイマー
１０ レーザ機構
１１ 試料
２０ 被測定部材
１０１ 針状構造体
１０２ 吸着ガス分子
１０３ 原子
１０４ 複合イオン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元構造物である試料に電界を印加し、電界による試料からの元素の離脱現象を利用して、離脱した元素の位置及び飛行時間を測定する元素測定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、３次元構造物である試料に電界を印加し、電界による試料からの元素の離脱現象を利用して、位置敏感型検出器（position sensitive detector）により、離脱した元素の位置及び飛行時間を検出する、いわゆる３次元アトムプローブ（Three Dimensional Atom Probe：以下、３ＤＡＰと略称する。）が開発されている。この３ＤＡＰを用いることにより、各元素が不均一に分布する合金状態の試料や、相異なる複数の材料が積層されてなる多層薄膜試料を、針状構造体の先端部位としたものを対象として、先端表面の元素から順次電界蒸発させてゆく。この電界蒸発により離脱した元素の位置及び飛行時間を位置敏感型検出器で検出することにより、試料中の原子分布を３次元的に再構成することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３３１６３４号公報
【特許文献２】特開平６−３２９５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の３ＤＡＰでは、試料を構成する材料により電界蒸発エネルギーが異なることから、各材料間の電界蒸発エネルギーの差に起因して、元素の離脱がスムーズに行われないという問題がある。このような材料間における電界蒸発エネルギーの相違により、甚だしくは試料が破壊されることもある。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、試料における各材料のスムーズな元素離脱を可能とし、試料が破壊されることもなく、試料中の３次元的原子分布を容易且つ正確に再構成することができる元素測定装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の元素測定装置は、３次元構造物である試料に電界を印加し、前記電界による前記試料からの元素の離脱現象を利用して、離脱した前記元素の位置及び飛行時間を測定する元素測定装置であって、内部に前記試料が配置されるチャンバーと、前記試料に前記電界を印加するための電源と、前記チャンバー内で前記試料と対向するように設置されており、前記試料から離脱した前記元素を検出する元素検出手段と、前記チャンバー内に吸着ガスを導入するガス導入手段とを含み、前記ガス導入手段により前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記電源により前記試料に前記電界を印加し、離脱した前記元素と当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記測定を行う。
【０００７】
本発明の元素測定方法は、元素検出手段が設置され、前記元素検出手段と対向するように３次元構造物である試料が配置されたチャンバー内に、吸着ガスを導入するステップと、前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記試料に所定の電界を印加するステップと、前記電界の印加により前記試料から離脱した前記元素と、当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記元素の位置及び結合状態を測定するステップとを含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の元素測定装置及び方法によれば、試料における各材料のスムーズな元素の離脱を可能とし、試料が破壊されることもなく、試料中の３次元的原子分布を容易且つ正確に再構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
−本発明の基本骨子−
本発明者は、各材料の均一な電界蒸発を得るべく、試料への吸着率の高いガス（吸着ガス）を用いて、この吸着ガスをチャンバー内に導入した状態で試料に電界を印加する構成に想到した。本発明の構成によれば、試料を構成する材料間で電界蒸発エネルギーが異なるにも係わらず、試料が破損等することなく試料を構成する各材料の原子を元素離脱させることができることが確認された。
【００１０】
吸着ガスの導入により、試料を構成する各材料の原子の良好な元素離脱が行われるメカニズムは、現在のところ十分には把握されていない状況にあるが、主なものとしては以下の２つが考えられる。
【００１１】
メカニズムＡ：
ここでは、試料の破損等の主原因が試料に印加される電界に起因して試料に加わる応力であると推測する。
図１に示すように、試料を針状構造体１０１の先端部分とした場合、針状構造体１０１への電界の印加により試料には応力が加わる。電界は尖鋭部位に集中し、電界の印加に起因する応力は電界の強さの２乗に比例するため、応力は電界の集中する試料先端部で最も大きくなる。ここで、試料が電界蒸発エネルギーの異なる複数材料の多層構造であり、電界蒸発エネルギーの高い材料（材料ａ）が前方（先端方向）に、電界蒸発エネルギーの低い材料（材料ｂ）が材料ａの後方に設けられている場合について考察する。電界蒸発が進み、材料ａが試料の最先端部に露出したとき（或いは材料ａが当初から試料の最先端部に設けられているとき）、材料ａには電界が集中して大きな応力が加わるものの、材料ａの電界蒸発エネルギーが高いために電界蒸発が生じ難い。このように、電界蒸発が遅滞した状態で最先端部の材料ａに大きな応力が加わり、この応力が主原因となって材料ｂや材料ａと材料ｂとの界面近傍等にダメージが生じ、試料の破損等が発生すると考える。
【００１２】
本発明では、図２に示すように、吸着ガスをチャンバー内へ導入し、針状構造体１０１へ電界を印加することにより、吸着ガス分子１０２は電界の集中する部分、即ち材料ａに特に吸着する。また、針状構造体１０１の後方に吸着ガス分子１０２が吸着した場合でも、吸着ガス分子１０２が先端方向へ移動してゆくと考えられる。この吸着ガス分子１０２の吸着により当該吸着部位の電界蒸発エネルギーが低下する。従って、吸着ガスの導入により、先端部に位置する材料ａの電界蒸発エネルギーが低下し、これにより材料ａの電界蒸発が促進され、材料ａに加わる応力が緩和される。この作用により、試料が破損等することなく試料のスムーズな元素離脱が実現する。なお、吸着ガスとして、試料を構成する各材料のうち、特定の材料、例えば最も電界蒸発エネルギーの高い材料に最も吸着し易い性質を有する吸着ガスを用いて、当該材料への吸着を促進するようにしても良い。
【００１３】
メカニズムＢ：
ここでは、試料の破損等の主原因が、試料を構成する各材料間で電界蒸発エネルギーが異なることに起因して試料表面の元素離脱が各材料で不均一となることにあると推測する。
図１と同様に、試料を針状構造体１０１の先端部分とした場合、針状構造体１０１への電界の印加により、電界蒸発エネルギーの低い材料から先に電界蒸発が発生する。これにより、各材料における元素の離脱の割合が不均一となり、試料表面が凹凸状となって、試料の破損等が発生すると考える。
【００１４】
本発明では、図３に示すように、吸着ガスをチャンバー内へ導入し、針状構造体１０１へ電界を印加することにより、吸着ガス分子１０２は電界の集中する部分に特に吸着する。また、針状構造体１０１の後方に吸着ガス分子１０２が吸着した場合でも、吸着ガス分子１０２が先端方向へ移動してゆくと考えられる。この吸着ガス分子１０２の吸着により当該吸着部位の電界蒸発エネルギーが低下する。従って、試料のうち電界蒸発エネルギーの高い材料の部分では電界蒸発が発生し難いため、当該高電界蒸発エネルギー材料の原子による突起部が生じても、当該突起部に特に吸着ガス分子１０２が吸着して優先的に電界蒸発が促進される。この作用により、電界蒸発エネルギーの低い材料の原子が先立って電界蒸発する割合が大幅に減少し、試料表面の凹凸が解消されることになる。
【００１５】
なお、メカニズムＡ，Ｂに共通して、試料を構成する各材料について、着目する特定材料の前方に、当該特定材料よりも電界蒸発エネルギーの高い材料が１種以上存在する場合に問題となる。換言すれば、本発明は試料が上記の構造を採る場合に特に効果的である。
【００１６】
ここで、試料への電界の印加に同期させて、当該試料にエネルギービームを照射することにより、試料の均一な元素離脱を、吸着ガス分子１０２による吸着と相俟って更に促進させることが可能となる。エネルギービームとしては、レーザ光や電子線等が好ましい。
【００１７】
本発明においては、試料１０１の離脱した原子１０３は吸着ガス分子１０２と結合して複合イオン１０４として位置敏感型検出器へ向かって飛行する。この複合イオン１０４の位置敏感型検出器への到達位置及び飛行時間から、試料の原子分布を正確に３次元的に再構成することができる。
【００１８】
なお、特許文献１では、試料面の原子数層毎に原子配列を測定する表面分析法を行うに際して、試料面の原子とガス分子とを反応させて当該原子を脱離させてゆく技術が開示されている。特許文献１の発明は、表面分析法を前提として、ガス分子を利用した原子数層毎の脱離を可能とするものであって、３ＤＡＰ法を前提としてガス分子を利用した試料の均一な元素離脱を可能とする本発明とは、その構成は勿論のこと、目的及び作用効果も異なり、両者は別発明である。
【００１９】
また、特許文献２では、レーザ光を用いた薄膜形成に際して、Ｎ2ガスをラジカルとしてチャンバー内へ導入する技術が開示されているが、上記と同様に、本発明とはその構成は勿論のこと、目的及び作用効果も異なり、両者は別発明である。
【００２０】
−本発明を適用した具体的な実施形態−
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
［第１の実施形態］
（元素測定装置の構成）
図４は、第１の実施形態による元素測定装置（３ＤＡＰ）の概略構成を示す模式図である。
この元素測定装置は、内部に試料１１が配置されるチャンバー１と、試料１１に電界を印加するための電源２と、チャンバー１内で試料１１と対向するように設置されており、試料から離脱した元素を検出する元素検出手段である位置敏感型検出器３と、チャンバー１内において試料１１との間で高い直流バイアス電圧が印加される引出電極４と、チャンバー１内を所望の真空状態とするための真空ポンプ等を含む排気機構５と、チャンバー１内に吸着ガスを導入する吸着ガス導入機構６と、電源２及び位置敏感型検出器３と接続されたタイマー７とを備えて構成されている。
【００２２】
試料１１は、針状構造物の先端部分であり、正面から平面視した際に略同心円状となるように、隣接間で相異なる複数の材料の層が順次略円盤状に設けられてなる多層薄膜試料である。本実施形態では、例えば試料１１はその最先端から順に、Ｔａ（５ｎｍ程度）／Ｎｉ（３ｎｍ程度）／Ｃｏ（３ｎｍ程度）／Ｃｕ（２.５ｎｍ程度）／Ｃｏ（２ｎｍ程度）/Ｔａ（０．８ｎｍ程度）／Ｃｏ（１．５ｎｍ程度）／Ｐｔ（１３ｎｍ程度）／Ｎｉ（７ｎｍ程度）/Ｓｉ（基板）のように各層が積層されて構成されている。ここで、括弧内の記載は各層の膜厚である。
【００２３】
電源２は、試料１１と引出電極４との間に直流バイアス電圧を印加するとともに、当該直流バイアス電圧を印加した状態で、試料１１にパルス電圧を印加するためのものである。即ち、電源２は、当該元素測定装置の作動時には試料１１と引出電極４との間に高い直流バイアス電圧を与えておき、タイマー７の起動により試料１１に元素の電界蒸発を惹起する程度のパルス電圧を印加する。１回のパルス電圧の印加により１原子の電界蒸発を生ぜしめるのが理想的であるが、１回のパルス電圧の印加により同時に複数の原子が電界蒸発するという不測の事態を避ける趣旨から、ここでは１０回から１００回のパルス電圧の印加により１原子の電界蒸発が生じるようにパルス電圧を調節する。
【００２４】
位置敏感型検出器３は、平面状の元素検知面を備えており、試料１１から電界蒸発した原子（ここでは複合イオン）を２次元マップとして表示する機能を有している。電界蒸発現象を利用して試料１１の表面から１原子ずつ、１原子層毎に電界蒸発させてゆくことにより、２次元マップを試料１１の深さ方向に拡張させることができる。この２次元マップのデータを不図示のコンピュータに蓄積して所定の計算処理を行うことにより、試料１１の原子分布を３次元的に再構成することができる。
【００２５】
引出電極４は、空洞の円環形状の電極であり、試料１１と位置敏感型検出器３との間で試料１１の近傍に配置されており、電源２により試料１１との間に直流バイアス電圧が印加される。電源２により直流バイアス電圧に重畳してパルス電圧が試料１１に印加されると、電界蒸発した原子は複合イオンの状態で引出電極４の空洞部分を通過して位置敏感型検出器３へ向かって飛行する。
【００２６】
吸着ガス導入機構６は、試料１１の電界蒸発をアシストするための吸着ガスをチャンバー１内に導入するものである。吸着ガスとしては、試料１１の元素に吸着し易い（吸着率の高い）ガス種が選ばれる。ガス種の吸着率（分極エネルギー）は一般的に、
吸着率＝（１／２）αＦ2 α：分極率，Ｆ：電界強度（試料表面で最大）
で決定される。従って、分極率の大きいガス種を選ぶことが好ましい。ここでは、分極率が０．２（１０-40Ｊ-1Ｃ2ｍ2）より大きいガス種とする。具体的に、この条件を満たすガス種としては、Ｈ2，Ｎ2，ＣＯ2，ＣＯ，ＨＦ，ＨＣｌ，ＨＢｒ，ＨＩ，Ｈ2Ｏ，ＮＨ3，ＣＣｌ4，ＣＨＣｌ3，ＣＨ2Ｃｌ2，ＣＨ3Ｃｌ，ＣＨ4，ＣＨ3ＯＨ，ＣＨ3ＣＨ2ＯＨ，Ｃ6Ｈ6，Ｃ6Ｈ5ＣＨ3，o−Ｃ6Ｈ4（ＣＨ3）2，Ｈｅ，Ａｒ等のうちから選ばれた少なくとも１種が好適である。
【００２７】
タイマー７は、電源２の試料１１へ印加するパルス電圧を起動する機能を有している。タイマー７は更に、パルス電圧の印加により試料１１の先端から元素離脱が生じたときから複合イオンが位置敏感型検出器３に到達するまでの時間、即ち複合イオンの飛行時間を測定する機能も有している。
【００２８】
（元素測定方法）
以下、図４の３ＤＡＰを用いた試料１１の具体的な元素測定方法について、図５を用いて説明する。
先ず、チャンバー１内に位置敏感型検出器３の元素検知面と先端が対向するように、試料１１を先端部分に有する複数の針状構造体を備えた被測定部材２０を設置する。この状態で、真空機構５の作動により、チャンバー１を所定の真空度に調節する（ステップＳ１）。ここでは、いわゆる超高真空状態、例えば２×１０-8Ｐａ程度の圧力状態とする。
【００２９】
続いて、吸着ガス導入機構６の作動により、チャンバー１内に吸着ガスを導入する（ステップＳ２）。ここでは、吸着ガスとして窒素（Ｎ2）ガスをチャンバー１内が５×１０-3Ｐａ程度の圧力状態となるように導入する。
【００３０】
続いて、チャンバー１内が吸着ガスの雰囲気とされた状態で、タイマー７の起動により、試料１１に電源２の直流バイアス電圧に加えてパルス電圧、例えば５ｋＶのパルス電圧を加える（ステップＳ３）。このパルス電圧の印加により、試料１１の表面に吸着ガス分子、ここではＮ2が吸着して複合イオンを形成した状態で、例えば１０回〜１００回のパルス電圧に対応して１個の割合で複合イオンの電界蒸発が生じる。吸着ガス分子は、特に電界蒸発エネルギーの高い部位に吸着し易く、当該吸着により電界蒸発エネルギーが低下して複合イオンの電界蒸発が促進される。
【００３１】
続いて、電界蒸発した複合イオンが位置敏感型検出器３に到達した際の位置敏感型検出器３の元素検出面における位置を測定するとともに、タイマー７により複合イオンの飛行時間を測定する（ステップＳ４）。
【００３２】
そして、複合イオンの位置敏感型検出器３の元素検出面における位置及び飛行時間に基づき、２次元マップを作成する。具体的には、ステップＳ３及びＳ４からなる一連の工程を、試料１１を構成する各層の元素が（測定に要する分だけ）全て電界蒸発するまで繰り返し実行し（ステップＳ５）、試料１１の深さ方向に拡張させた２次元マップを作成する（ステップＳ６）。このようにして得られた２次元マップのデータを不図示のコンピュータを用いて解析することにより、試料１１の原子分布を３次元的に再構成する（ステップＳ７）。
【００３３】
ここで、上述した本実施形態の元素測定方法により、元素測定を途中まで実行した際の試料１１の状態を図６に示す。図６では、試料１１の表層の一部が電界蒸発した状態を表している。
上述した本実施形態の元素測定方法によれば、元素測定を実行した際の試料１１に破損等が生じることがなく、各層の元素離脱がスムーズに行われるという良好な結果が得られた。この事実は、上述のメカニズムＡ，Ｂによりそれぞれ以下のように説明できる。
【００３４】
メカニズムＡ：
試料１１のように、最上層に電界蒸発エネルギーの比較的高いＴａ層、その下層に電界蒸発エネルギーの比較的低いＮｉ層が設けられている場合、元素測定時における電界の印加により、電界の集中するＴａ層に吸着ガス分子が特に吸着し、この吸着によりＴａ層の電界蒸発エネルギーが低下し、Ｔａ層の元素離脱が促進される。このとき、電界蒸発エネルギーの低下に伴いＴａ層の応力が緩和されるため、試料１１に破損等が生じることはない。従って、試料１１では、図６のように良好な状態に元素離脱が行われた痕跡を示す。
【００３５】
メカニズムＢ：
ここでは比較のため、吸着ガスの導入を行わない従来の３ＤＡＰを用いて元素測定を実行した際の試料１１の状態を図７として、更に図６に図７を重ね合わせた様子を図８として示す。図７，８では、試料１１の表層の一部が電界蒸発した状態を表しており、破線が本実施形態、一点鎖線が従来例をそれぞれ示す。
【００３６】
従来の３ＤＡＰでは、図７のように、その各層の材料における電界蒸発エネルギーの差に起因して、試料１１の表面が図中矢印で示すような凹凸形状となる。即ち、電界蒸発エネルギーの比較的高い最上層のＴａ層やＲｕ層，Ｐｔ層よりも、電界蒸発エネルギーの比較的低いＣｕ層やＮｉ層，Ｃｏ層等の方が速く元素離脱が生じてしまい、結果として試料１１の表面が不均一な凹凸形状となる。このように従来の３ＤＡＰでは、試料１１における各層の元素離脱がスムーズに行われず、甚だしくは試料１１が破壊されることもある。
【００３７】
これに対して、本実施形態の３ＤＡＰでは、図６のように、試料１１の表面は図中矢印で示す部分に凹凸形状がなく、滑らかな形状となった。これは、試料１１の各層で略均一な元素離脱が生じたことを意味している。従って、本実施形態の３ＤＡＰでは、試料１１における各層の元素離脱がスムーズに行われることが判る。この様子は、図８のように本実施形態の結果と従来例の結果とを重ね合わせて比較すると更に明確となる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の３ＤＡＰによれば、試料１１における各層のスムーズな元素離脱を可能とし、試料１１が破壊されることもなく、試料１１中の３次元的原子分布を容易且つ正確に再構成することができる。
【００３９】
［第２の実施形態］
（元素測定装置の構成）
図９は、第２の実施形態による元素測定装置（３ＤＡＰ）の概略構成を示す模式図である。
本実施形態の３ＤＡＰは、図４に示した第１の実施形態の３ＤＡＰの構成に加え、試料１１にレーザ光を照射するためのレーザ機構１０を備えて構成されている。なお、図４の構成部材等と同一のものについては同符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４０】
レーザ機構１０は、例えばフェムトパルスの半導体励起チタンサファイヤレーザ等を有しており、試料１１への電界の印加に同期して当該試料１１の表面にレーザ光を照射し、試料１１からの電界蒸発をアシストするものである。レーザ機構１０による試料１１へのレーザ光照射により、試料１１の先端からの元素離脱を吸着ガス分子による吸着と相俟って更に促進させることが可能となり、特に試料に電界蒸発エネルギーの高い材料が存する場合等においても、材料によらず試料１１の最先端からの順次の元素離脱が得られる。
なお、レーザ機構１０の代わりに、電子線照射機構を設置し、エネルギービームとして電子線を試料１１に照射するようにしても良い。
【００４１】
タイマー１２は、電源２、位置敏感型検出器３及びレーザ機構１０と接続されており、電源２の試料１１へ印加するパルス電圧を起動するとともに、当該パルス電圧の印加とレーザ機構１０のレーザ光の照射との同期をとる機能を有している。タイマー１２は更に、パルス電圧の印加により試料１１の先端から元素離脱が生じたときから複合イオンが位置敏感型検出器３に到達するまでの時間、即ち複合イオンの飛行時間を測定する機能も有している。
【００４２】
（元素測定方法）
以下、図９の３ＤＡＰを用いた試料１１の具体的な元素測定方法について、図１０を用いて説明する。
先ず、チャンバー１内に位置敏感型検出器３の元素検知面と先端が対向するように、試料１１を先端部分に有する複数の針状構造体を備えた被測定部材２０を設置する。この状態で、真空機構５の作動により、チャンバー１を所定の真空度に調節する（ステップＳ１１）。ここでは、いわゆる超真空状態、例えば２×１０-8Ｐａ程度の圧力状態とする。
【００４３】
続いて、吸着ガス導入機構６の作動により、チャンバー１内に吸着ガスを導入する（ステップＳ１２）。ここでは、吸着ガスとして窒素（Ｎ2）ガスをチャンバー１内が５×１０-6Ｐａ程度の圧力状態となるように導入する。
【００４４】
続いて、チャンバー１内が吸着ガスの雰囲気とされた状態で、タイマー１２の起動により、試料１１に電源２の直流バイアス電圧に加えてパルス電圧、例えば５ｋＶのパルス電圧を加えるとともに、当該パルス電圧と同期するようにレーザ機構１０により試料１１にレーザ光を照射する（ステップＳ１３）。このパルス電圧の印加及びレーザ光の照射により、試料１１の表面では、当該先端に位置する層の元素に吸着ガス分子、ここではＮ2が吸着して複合イオンを形成した状態で、例えば１０回〜１００回のパルス電圧に対応して１個の割合で複合イオンの電界蒸発が生じる。吸着ガス分子は、特に電界蒸発エネルギーの高い部位に吸着し易く、当該吸着により電界蒸発エネルギーが低下して複合イオンの電界蒸発が促進される。
【００４５】
続いて、電界蒸発した複合イオンが位置敏感型検出器３に到達した際の位置敏感型検出器３の元素検出面における位置を測定するとともに、タイマー１２により複合イオンの飛行時間を測定する（ステップＳ１４）。
【００４６】
そして、複合イオンの位置敏感型検出器３の元素検出面における位置及び飛行時間に基づき、２次元マップを作成する。具体的には、ステップＳ１３及びＳ１４からなる一連の工程を、試料１１を構成する各層の元素が全て電界蒸発するまで繰り返し実行し（ステップＳ１５）、試料１１の深さ方向に拡張させた２次元マップを作成する（ステップＳ１６）。このようにして得られた２次元マップのデータを不図示のコンピュータを用いて解析することにより、試料１１の原子分布を３次元的に再構成する（ステップＳ１７）。
【００４７】
なお、図５及び図１０のフロー図等におけるプログラムコード等は、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭなどに記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム、及び当該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は本発明の実施形態に含まれる。
【００４８】
具体的に、前記プログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭのような記録媒体に記録し、或いは各種伝送媒体を介し、コンピュータに提供される。前記プログラムを記録する記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、不揮発性メモリカード等を用いることができる。他方、前記プログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給するためのコンピュータネットワーク（ＬＡＮ、インターネットの等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等）システムにおける通信媒体（光ファイバ等の有線回線や無線回線等）を用いることができる。
【００４９】
また、コンピュータが供給されたプログラムを実行することにより上述の実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）あるいは他のアプリケーションソフト等と共同して上述の実施形態の機能が実現される場合や、供給されたプログラムの処理の全てあるいは一部がコンピュータの機能拡張ボードや機能拡張ユニットにより行われて上述の実施形態の機能が実現される場合も、かかるプログラムは本発明の実施形態に含まれる。
【００５０】
例えば、図１１は、パーソナルユーザ端末装置の内部構成を示す模式図である。この図１１において、１２００はコンピュータＰＣである。ＰＣ１２００は、ＣＰＵ１２０１を備え、ＲＯＭ１２０２またはハードディスク（ＨＤ）１２１１に記憶された、あるいはフレキシブルディスクドライブ（ＦＤ）１２１２より供給されるデバイス制御ソフトウェアを実行し、システムバス１２０４に接続される各デバイスを総括的に制御する。
【００５１】
ＰＣ１２００のＣＰＵ１２０１、ＲＯＭ１２０２またはハードディスク（ＨＤ）１２１１に記憶されたプログラムにより、本実施形態における図５のステップＳ１〜Ｓ７及び図１０のステップＳ１１〜Ｓ１７等の手順が実現される。
【００５２】
１２０３はＲＡＭであり、ＣＰＵ１２０１の主メモリ、ワークエリア等として機能する。１２０５はキーボードコントローラ（ＫＢＣ）であり、キーボード（ＫＢ）１２０９や不図示のデバイス等からの指示入力を制御する。
【００５３】
１２０６はＣＲＴコントローラ（ＣＲＴＣ）であり、ＣＲＴディスプレイ（ＣＲＴ）１２１０の表示を制御する。１２０７はディスクコントローラ（ＤＫＣ）であり、ブートプログラム（起動プログラム：パソコンのハードやソフトの実行（動作）を開始するプログラム）、複数のアプリケーション、編集ファイル、ユーザファイル及びネットワーク管理プログラム等を記憶するハードディスク（ＨＤ）１２１１や、フレキシブルディスク（ＦＤ）１２１２とのアクセスを制御する。
【００５４】
１２０８はネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）であり、ＬＡＮ１２２０を介して、ネットワークプリンタ、他のネットワーク機器、あるいは他のＰＣと双方向のデータのやり取りを行う。
【００５５】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００５６】
（付記１）３次元構造物である試料に電界を印加し、前記電界による前記試料からの元素の離脱現象を利用して、離脱した前記元素の位置及び飛行時間を測定する元素測定装置であって、
内部に前記試料が配置されるチャンバーと、
前記試料に前記電界を印加するための電源と、
前記チャンバー内で前記試料と対向するように設置されており、前記試料から離脱した前記元素を検出する元素検出手段と、
前記チャンバー内に吸着ガスを導入するガス導入手段と
を含み、
前記ガス導入手段により前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記電源により前記試料に前記電界を印加し、離脱した前記元素と当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記測定を行うことを特徴とする元素測定装置。
【００５７】
（付記２）前記吸着ガスは、分極率が０．２（１０-40Ｊ-1Ｃ2ｍ2）より大きいガス種であることを特徴とする付記１に記載の元素測定装置。
【００５８】
（付記３）前記吸着ガスは、Ｈ2，Ｎ2，ＣＯ2，ＣＯ，ＨＦ，ＨＣｌ，ＨＢｒ，ＨＩ，Ｈ2Ｏ，ＮＨ3，ＣＣｌ4，ＣＨＣｌ3，ＣＨ2Ｃｌ2，ＣＨ3Ｃｌ，ＣＨ4，ＣＨ3ＯＨ，ＣＨ3ＣＨ2ＯＨ，Ｃ6Ｈ6，Ｃ6Ｈ5ＣＨ3，o−Ｃ6Ｈ4（ＣＨ3）2，Ｈｅ，Ａｒのうちから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする付記２に記載の元素測定装置。
【００５９】
（付記４）前記電源による前記電界の印加と同期して、前記試料にエネルギービームを照射する照射手段を更に含むことを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の元素測定装置。
【００６０】
（付記５）前記試料は、針状構造物の先端部分であり、正面から平面視した際に略同心円状となるように、隣接間で相異なる複数の材料が順次略円盤状に設けられてなるものであることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の元素測定装置。
【００６１】
（付記６）前記試料は、着目する特定の前記材料の前方に、当該特定の前記材料よりも電界蒸発エネルギーの高い前記材料が１種以上設けられてなるものであることを特徴とする付記５に記載の元素測定装置。
【００６２】
（付記７）元素検出手段が設置され、前記元素検出手段と対向するように３次元構造物である試料が配置されたチャンバー内に、吸着ガスを導入するステップと、
前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記試料に所定の電界を印加するステップと、
前記電界の印加により前記試料から離脱した前記元素と、当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記元素の位置及び結合状態を測定するステップと
を含むことを特徴とする元素測定方法。
【００６３】
（付記８）前記吸着ガスは、分極率が０．２（１０-40Ｊ-1Ｃ2ｍ2）より大きいガス種であることを特徴とする付記７に記載の元素測定方法。
【００６４】
（付記９）前記吸着ガスは、Ｈ2，Ｎ2，ＣＯ2，ＣＯ，ＨＦ，ＨＣｌ，ＨＢｒ，ＨＩ，Ｈ2Ｏ，ＮＨ3，ＣＣｌ4，ＣＨＣｌ3，ＣＨ2Ｃｌ2，ＣＨ3Ｃｌ，ＣＨ4，ＣＨ3ＯＨ，ＣＨ3ＣＨ2ＯＨ，Ｃ6Ｈ6，Ｃ6Ｈ5ＣＨ3，o−Ｃ6Ｈ4（ＣＨ3）2，Ｈｅ，Ａｒのうちから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする付記８に記載の元素測定方法。
【００６５】
（付記１０）前記試料に前記電界を印加するステップにおいて、前記電界の印加と同期するように、前記試料にエネルギービームを照射することを特徴とする付記７〜９のいずれか１項に記載の元素測定方法。
【００６６】
（付記１１）前記試料は、針状構造物の先端部分であり、正面から平面視した際に略同心円状となるように、隣接間で相異なる複数の材料が順次略円盤状に設けられてなるものである特徴とする付記７〜１０のいずれか１項に記載の元素測定方法。
【００６７】
（付記１２）前記試料は、着目する特定の前記材料の前方に、当該特定の前記材料よりも電界蒸発エネルギーの高い前記材料が１種以上設けられてなるものであることを特徴とする付記１１に記載の元素測定方法。
【００６８】
（付記１３）コンピュータに、
元素検出手段が設置され、前記元素検出手段と対向するように３次元構造物である試料が配置されたチャンバー内に、吸着ガスを導入するステップと、
前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記試料に所定の電界を印加するステップと、
前記電界の印加により前記試料から離脱した前記元素と、当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記元素の位置及び結合状態を測定するステップと
を含む元素測定方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【００６９】
（付記１４）コンピュータに、
元素検出手段が設置され、前記元素検出手段と対向するように３次元構造物である試料が配置されたチャンバー内に、吸着ガスを導入するステップと、
前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記試料に所定の電界を印加するステップと、
前記電界の印加により前記試料から離脱した前記元素と、当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記元素の位置及び結合状態を測定するステップと
を含む元素測定方法を実行させるためのプログラム。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】吸着ガスにより試料を構成する各材料の原子の良好な元素離脱が行われるメカニズムＡ，Ｂを説明するための模式図である。
【図２】メカニズムＡを説明するための模式図である。
【図３】メカニズムＢを説明するための模式図である。
【図４】第１の実施形態による元素測定装置（３ＤＡＰ）の概略構成を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態による元素測定方法を示すフロー図である。
【図６】第１の実施形態の元素測定方法により元素測定を実行した際の試料の状態を示す模式図である。
【図７】従来の元素測定方法により元素測定を実行した際の試料の状態を示す模式図である。
【図８】第１の本実施形態の元素測定方法により元素測定を実行した際の試料の状態と、従来の元素測定方法により元素測定を実行した際の試料の状態とを重ね合わせて示す模式図である。
【図９】第２の実施形態による元素測定装置（３ＤＡＰ）の概略構成を示す模式図である。
【図１０】第２の実施形態による元素測定方法を示すフロー図である。
【図１１】パーソナルユーザ端末装置の内部構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ チャンバー
２ 電源
３ 位置敏感型検出器
４ 引出電極
５ 排気機構
６ 吸着ガス導入機構
７，１２ タイマー
１０ レーザ機構
１１ 試料
２０ 被測定部材
１０１ 針状構造体
１０２ 吸着ガス分子
１０３ 原子
１０４ 複合イオン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元構造物である試料に電界を印加し、前記電界による前記試料からの元素の離脱現象を利用して、離脱した前記元素の位置及び飛行時間を測定する元素測定装置であって、
内部に前記試料が配置されるチャンバーと、
前記試料に前記電界を印加するための電源と、
前記チャンバー内で前記試料と対向するように設置されており、前記試料から離脱した前記元素を検出する元素検出手段と、
前記チャンバー内に吸着ガスを導入するガス導入手段と
を含み、
前記ガス導入手段により前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記電源により前記試料に前記電界を印加し、離脱した前記元素と当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記測定を行うことを特徴とする元素測定装置。
【請求項２】
前記吸着ガスは、分極率が０．２（１０-40Ｊ-1Ｃ2ｍ2）より大きいガス種であることを特徴とする請求項１に記載の元素測定装置。
【請求項３】
前記電源による前記電界の印加と同期して、前記試料にエネルギービームを照射する照射手段を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の元素測定装置。
【請求項４】
元素検出手段が設置され、前記元素検出手段と対向するように３次元構造物である試料が配置されたチャンバー内に、吸着ガスを導入するステップと、
前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記試料に所定の電界を印加するステップと、
前記電界の印加により前記試料から離脱した前記元素と、当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記元素の位置及び結合状態を測定するステップと
を含むことを特徴とする元素測定方法。
【請求項５】
前記試料に前記電界を印加するステップにおいて、前記電界の印加と同期するように、前記試料にエネルギービームを照射することを特徴とする請求項４に記載の元素測定方法。
【請求項１】
３次元構造物である試料に電界を印加し、前記電界による前記試料からの元素の離脱現象を利用して、離脱した前記元素の位置及び飛行時間を測定する元素測定装置であって、
内部に前記試料が配置されるチャンバーと、
前記試料に前記電界を印加するための電源と、
前記チャンバー内で前記試料と対向するように設置されており、前記試料から離脱した前記元素を検出する元素検出手段と、
前記チャンバー内に吸着ガスを導入するガス導入手段と
を含み、
前記ガス導入手段により前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記電源により前記試料に前記電界を印加し、離脱した前記元素と当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記測定を行うことを特徴とする元素測定装置。
【請求項２】
前記吸着ガスは、分極率が０．２（１０-40Ｊ-1Ｃ2ｍ2）より大きいガス種であることを特徴とする請求項１に記載の元素測定装置。
【請求項３】
前記電源による前記電界の印加と同期して、前記試料にエネルギービームを照射する照射手段を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の元素測定装置。
【請求項４】
元素検出手段が設置され、前記元素検出手段と対向するように３次元構造物である試料が配置されたチャンバー内に、吸着ガスを導入するステップと、
前記チャンバー内に吸着ガスを導入した状態で、前記試料に所定の電界を印加するステップと、
前記電界の印加により前記試料から離脱した前記元素と、当該元素に吸着した前記吸着ガスとの複合体を前記元素検出手段により検出し、前記元素の位置及び結合状態を測定するステップと
を含むことを特徴とする元素測定方法。
【請求項５】
前記試料に前記電界を印加するステップにおいて、前記電界の印加と同期するように、前記試料にエネルギービームを照射することを特徴とする請求項４に記載の元素測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−２６０８０７（Ｐ２００６−２６０８０７Ａ）
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−７３１５８（Ｐ２００５−７３１５８）
【出願日】平成１７年３月１５日（２００５．３．１５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【出願人】（５９３１６５４８７）学校法人金沢工業大学 (202)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月１５日（２００５．３．１５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【出願人】（５９３１６５４８７）学校法人金沢工業大学 (202)
【Ｆターム（参考）】
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