大気雰囲気測定表面分析装置

【課題】大気雰囲気下、試料の表層のみを分析でき、しかも構成物質の分子量まで測定することのできる大気雰囲気測定表面分析装置を提供する。
【解決手段】先端から末端まで内部を貫通する貫通孔を有し、その先端部が試料表面に近接するように配置される探針と、前記探針の先端部周辺にプラズマを供給する手段と、前記探針と試料の間にパルス電圧を印加するための電源と、前記探針−試料間へのパルス電圧印加に起因して前記探針先端部と対する試料表面から脱離すると共に前記プラズマによる作用を受けて生成された試料イオンを前記貫通孔を介して真空室内へ導入するために前記探針の末端部の貫通孔開口部に近接して配置されるイオン導入手段と、前記真空室内に配置され前記イオン導入手段により導入された試料イオンを質量分析するための質量分析器とを備えた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、大気雰囲気下で測定することのできる表面分析装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、表面分析は、X線光電子分光装置(X-ray photoelectron spectrometer、XPS、あるいは、electron spectrometer for chemical analysis、ESCAと呼ばれる)やオージェ電子分光装置(Auger electron spectrometer、AESと呼ばれる)などによって行なわれてきた。
【0003】
X線光電子分光装置とは、アルミニウムKα線やマグネシウムKα線などのX線単色光を用い、該X線を物質に照射したときに物質から放出される光電子の運動エネルギー分布、角度分布、スピンなどを測定することにより、物質の元素分析、状態分析を行なう分析装置である。
【0004】
また、オージェ電子分光装置とは、2keV程度の電子線を固体表面に入射させ、散乱電子のエネルギー分析をして、オージェ効果による放出電子を検出し、固体表面近傍に存在する不純物元素の同定や吸着種の分析を行なう分析装置である。
【0005】
なお、オージェ効果とは、外殻(例えばL殻)の電子が内殻(例えばK殻)にできた空孔に落ち込む際に、エネルギーを外殻(例えばL殻)の他の電子に与えて、その電子を殻外に放出させる現象のことである。
【0006】
これらの表面分析装置では、測定試料を超高真空容器内に保持し、測定は超高真空下で行なわれている。そして、試料表面で炭素などの元素が検出された場合、それが汚れに由来するものなのかどうか、もし汚れ由来のものであるとすると、その汚れ成分はどこから来たものなのか、という詳しい情報が求められる。
【0007】
【非特許文献1】岩波理化学辞典(第5版)、1998年2月、岩波書店刊、オージェ電子分光法の条、光電子分光法の条。
【0008】
【非特許文献2】物理学辞典、1984年9月、培風館刊、オージェ効果の条。
【0009】
【特許文献1】特開2001−216933号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
従来の表面分析装置の問題点の一つは、試料を真空室内に設置するため、表面状態に変化が発生する場合があることであった。例えば、生体試料の場合、真空中に置かれることにより、水分が蒸発して乾燥が起きる。その結果、表面形状や化学結合状態に変化が起こり、本来の試料とは異なったものへと変化してしまう。
【0011】
また、X線光電子分光装置やオージェ電子分光装置では、化学結合状態を知ることはできるが、分子量の違いや低分子化合物の測定はできない。
【0012】
また、X線や電子線を照射する方法では、試料の最表面だけでなく、数ナノメートルの深さまでを含んだ情報となり、試料表面一分子層のみの分析は困難である。
【0013】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、大気雰囲気下、試料の表層のみを分析でき、しかも構成物質の分子量まで測定することのできる大気雰囲気測定表面分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
この目的を達成するため、本発明にかかる大気雰囲気測定表面分析装置は、
先端から末端まで内部を貫通する貫通孔を有し、その先端部が試料表面に近接するように配置される探針と、
前記探針の先端部周辺にプラズマを供給する手段と、
前記探針と試料の間にパルス電圧を印加するための電源と、
前記探針−試料間へのパルス電圧印加に起因して前記探針先端部と対する試料表面から脱離すると共に前記プラズマによる作用を受けて生成された試料イオンを前記貫通孔を介して真空室内へ導入するために前記探針の末端部の貫通孔開口部に近接して配置されるイオン導入手段と、
前記真空室内に配置され前記イオン導入手段により導入された試料イオンを質量分析するための質量分析器と
を備えたことを特徴としている。
【0015】
また、前記探針の貫通孔は、探針の中心軸に沿った内径100μmφ以下の細孔であることを特徴としている。
【0016】
また、前記探針はカンチレバーによって支持されており、カンチレバーを探針と共に振動させる加振手段と、カンチレバーの振動を検出する手段と、振動検出手段からの検出信号に基づいて試料探針間距離を制御する制御手段とを設けることにより、探針と試料の相互作用に関する情報を得るようにしたことを特徴としている。
【0017】
また、前記プラズマの代わりに1次イオンビームまたは高速中性粒子ビームを照射することを特徴としている。
【発明の効果】
【0018】
本発明にかかる大気雰囲気測定表面分析装置によれば、
先端から末端まで内部を貫通する貫通孔を有し、その先端部が試料表面に近接するように配置される探針と、
前記探針の先端部周辺にプラズマを供給する手段と、
前記探針と試料の間にパルス電圧を印加するための電源と、
前記探針−試料間へのパルス電圧印加に起因して前記探針先端部と対する試料表面から脱離すると共に前記プラズマによる作用を受けて生成された試料イオンを前記貫通孔を介して真空室内へ導入するために前記探針の末端部の貫通孔開口部に近接して配置されるイオン導入手段と、
前記真空室内に配置され前記イオン導入手段により導入された試料イオンを質量分析するための質量分析器と
を備えたので、
大気雰囲気下、試料の表層のみを分析でき、しかも構成物質の分子量まで測定することのできる大気雰囲気測定表面分析装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明にかかる大気雰囲気測定表面分析装置の一実施例である。
【0020】
図中1は、質量分析器である。質量分析器1は、内径100μmφ以下のアパーチャ2を備えた真空容器7中に置かれている。真空容器7の内部は、ロータリーポンプとターボ分子ポンプで構成された真空排気系3により真空排気されている。真空容器7は、アパーチャ2を介して大気とつながっているため、質量分析器1の周囲をより高真空に保つため、真空容器7の内部にはもう一つの真空容器16が設けられ、該真空容器16の内部をロータリーポンプとターボ分子ポンプで構成された別の真空排気系13で排気することにより、差動排気系を構成させる。質量分析器1は真空容器16の内部に置かれる。
【0021】
真空容器7は移動機構14上に置かれ、試料6の上方を任意の方向に向けて移動可能になっている。真空容器7に設けられた前記アパーチャ2に対面する移動機構14の位置には、小さな貫通孔15が設けられ、該貫通孔15の試料6側開口部には、その中心軸に沿ってイオンが通過するための内径100μmφ以下の細孔18を有する筒状の探針5がカンチレバー17を介する形で移動系4に固定され、試料6の表面9に向けて対向配置されている。
【0022】
この探針5は、カンチレバー17によって支えられており、所定の周波数で試料方向に振動させられている。そして、探針5の先端と試料6表面との間に働く分子間力や磁力など諸々の引力斥力によってカンチレバー17の振動周波数が変化する過程を、レーザ光10をカンチレバー17に当て、カンチレバー17から反射してくるレーザ光10をフォトディテクタ11で受光することによって検知し、該振動周波数が変化しないように、探針5と試料6表面間の距離を制御する図示しないピエゾ素子の印加電圧にフィードバックさせ、ピエゾ素子を試料方向に伸び縮みさせて探針5の先端と試料6表面との距離を常に一定に保つことでカンチレバーの振動周波数を一定値に制御する。その様子を図2に示す。
【0023】
尚、図示しないピエゾ素子は、通常、試料6の下か、移動系4のカンチレバー17取り付け部など、ピエゾ素子の伸び縮みによって探針5の先端と試料6表面との距離を変化させることが可能な位置に置かれる。そして、そのときにフィードバックされる制御情報を図示しないデータ収集系に送信することにより、試料6表面の凹凸情報を測定する。これにより、探針5がなぞる試料6表面の凹凸の状態を観察することが可能になる。この動作自体は、走査型プローブ顕微鏡(SPM)の原理として既に広く知られているものである。
【0024】
移動系4と試料6との間には、ヘリウムプラズマ導入系8が用意されており、任意のタイミングでヘリウムプラズマを大気下、試料6の表面9に向けて降りかけることができる構成になっている。12は試料6と探針5の間に高電圧をパルス的に印加できる高圧電源である。このような構成の大気雰囲気測定表面分析装置は、以下のように動作する。
【0025】
まず、移動系4を動かし、探針5で試料表面9を走査することにより、試料表面9の凹凸形状を観察し、分析する位置を特定させる。このとき、試料6は大気雰囲気に置かれている。
【0026】
次に、ヘリウムプラズマ導入系8からヘリウムプラズマを大気下、分析する位置の周辺に照射する。これにより、試料6の表層物質9の分子を削り取り、更にヘリウムプラズマ自身と反応させて、その分子をイオン化させる。
【0027】
次に、探針5と試料6との間に高圧電源12でパルス電圧を印加することにより、そのイオンを探針5の細孔18、貫通孔15、ならびにアパーチャ2を介して真空容器7および真空容器16中の質量分析器1に導く。質量分析器1に導かれた表層物質イオンは、質量分析器1により質量分析されて、その分子量を知ることができる。
【0028】
尚、本願発明では、ヘリウムプラズマの代わりに、SIMSやFABのように、1次イオンビームや高速中性粒子ビームなどもイオン化手段として使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【0029】
表面分析に広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】本発明にかかる大気雰囲気測定表面分析装置の一実施例を示す図である。
【図2】本発明にかかる大気雰囲気測定表面分析装置の動作を説明する図である。
【符号の説明】
【0031】
1:質量分析器、2:アパーチャ、3:真空排気系、4:移動系、5:探針、6:試料、7:真空容器、8:ヘリウムプラズマ導入系、9:試料表面(表層物質)、10:レーザ光、11:フォトディテクタ、12:高圧電源、13:真空排気系、14:移動機構、15:貫通孔、16:真空容器、17:カンチレバー、18:細孔

【特許請求の範囲】
【請求項1】
先端から末端まで内部を貫通する貫通孔を有し、その先端部が試料表面に近接するように配置される探針と、
前記探針の先端部周辺にプラズマを供給する手段と、
前記探針と試料の間にパルス電圧を印加するための電源と、
前記探針−試料間へのパルス電圧印加に起因して前記探針先端部と対する試料表面から脱離すると共に前記プラズマによる作用を受けて生成された試料イオンを前記貫通孔を介して真空室内へ導入するために前記探針の末端部の貫通孔開口部に近接して配置されるイオン導入手段と、
前記真空室内に配置され前記イオン導入手段により導入された試料イオンを質量分析するための質量分析器と
を備えたことを特徴とする大気雰囲気測定表面分析装置。
【請求項2】
前記探針の貫通孔は、探針の中心軸に沿った内径100μmφ以下の細孔であることを特徴とする請求項1記載の大気雰囲気測定表面分析装置。
【請求項3】
前記探針はカンチレバーによって支持されており、カンチレバーを探針と共に振動させる加振手段と、カンチレバーの振動を検出する手段と、振動検出手段からの検出信号に基づいて試料探針間距離を制御する制御手段とを設けることにより、探針と試料の相互作用に関する情報を得るようにしたことを特徴とする請求項1または2記載の大気雰囲気測定表面分析装置。
【請求項4】
前記プラズマの代わりに1次イオンビームまたは高速中性粒子ビームを照射することを特徴とする請求項1、2、または3記載の大気雰囲気測定表面分析装置。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2007−280633(P2007−280633A)
【公開日】平成19年10月25日(2007.10.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−101865(P2006−101865)
【出願日】平成18年4月3日(2006.4.3)
【出願人】(000004271)日本電子株式会社 (811)
【Fターム(参考)】