３次元アトムレベル構造観察装置
【課題】 ３次元アトムレベル構造観察装置において、質量の近い元素同志の分析を行うために、小型の構成で分解能の向上を図る装置を提供する。
【解決手段】 ３次元構造物体１に対し電界を印加し、電界による３次元構造物体１から離脱した発散状の帯電原子種２に対し、複数のの扇形電場印加機構５を組み合わせてマルチターン飛行時間型質量分析器を構成することによって、発散性の帯電原子種イオンを分析器内を周回させて飛行イオン光路を長くして分解能を向上させる。また、飛行イオン光路中に高速のデフレクタやメカニカルチョッパ型の開閉器などを介して特定のイオン種のみを選択することにより、他の妨害イオンを予め排除してより分解能を高めることも出来る。この構成により質量分解能ｍ/Δｍ＝５，０００以上の分解能を実現できる。
【解決手段】 ３次元構造物体１に対し電界を印加し、電界による３次元構造物体１から離脱した発散状の帯電原子種２に対し、複数のの扇形電場印加機構５を組み合わせてマルチターン飛行時間型質量分析器を構成することによって、発散性の帯電原子種イオンを分析器内を周回させて飛行イオン光路を長くして分解能を向上させる。また、飛行イオン光路中に高速のデフレクタやメカニカルチョッパ型の開閉器などを介して特定のイオン種のみを選択することにより、他の妨害イオンを予め排除してより分解能を高めることも出来る。この構成により質量分解能ｍ/Δｍ＝５，０００以上の分解能を実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は３次元アトムレベル構造観察装置に関するものであり、特に、小型の装置構成で分解能を高めるための飛行イオン光路の構成に特徴のある３次元アトムレベル構造観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）の小型化、大容量化が急速に進んでおり、高密度磁気記録を実現するためのヘッド及び媒体の開発が求められている
媒体に微細に配列された記録ビットから発生する磁気的信号を再生ヘッドで高効率に電気信号に変換するために、ＭＲヘッドの微細化・薄層化が求められている。
【０００３】
この様に微細化・薄層化されたＭＲヘッドにおいては、スピンバルブ膜を構成する各層の層厚を精度良く形成するとともに、各層間の界面状態を良好に保つ必要がある。
例えば、膜厚分布が不均一であったり、界面が湾曲していたり、或いは、界面で構成原子が相互拡散して界面が不明確になっていれば、所望の特性が得られなくなる。
【０００４】
そこで、従来においては、界面におけるＸ線の反射を利用した２θ法を用いて、スピンバルブ膜等の各層の膜厚及び界面状態を評価して、結果を製造工程へフィードバックすることによって、性能の向上と製造歩留りの向上を図っていた。
【０００５】
しかし、２θ法は界面でのＸ線の反射強度を利用する手法であるため、界面で構成原子が相互拡散して界面が不明確になっている場合には精度の高い解析が困難であり、また、予期せぬ層が介在していた場合にも、精度の高い解析が困難であった。
【０００６】
そこで、この様な問題を解決する手法として、原子レベルの３次元構造を直接観察する手法として３次元アトムプローブ法が知られており（例えば、特許文献１或いは特許文献２参照）、このアトムプローブ法は針状に鋭角に形成された先端径が１μｍ以下の針状試料にパルス状高電界やレーザを照射し、このエネルギーで、表面の原子或いはクラスターを電解蒸発させ２次元位置検出器により試料の３次元原子レベルの構造を観察するものであるので、ここで、図１５を参照して従来の３次元アトムプローブ法を説明する。
【０００７】
図１５参照
図１５は、従来の３次元アトムプローブ法の原理の説明図であり、先端半径が例えば、１００ｎｍ（＝０．１μｍ）の針状試料６１にパルス高電圧を印加して針状試料６１の先端から構成物質６２，６３を電界蒸発させ、飛来する構成物質６２，６３の到達時間（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）を２次元位置検出器６４によって測定し、到達時間から構成物質６２，６３のイオン種を同定するとともに、２次元位置検出器６４の検出位置から飛来位置を同定するものである。
【０００８】
また、３次元アトムプローブ法ではないが、アトムプローブ法において、扇状電場印加部を質量分析器として設けることによって電界で試料から離脱した原子種を特定することも提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００２−０４２７１５号公報
【特許文献２】特開２００１−２０８６５９号公報
【特許文献３】特公平０７−００７６６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来の３次元アトムプローブ装置においては、針状試料からの発散性イオンの検出を行っていたため質量分解能（ｍ／Δｍ）はせいぜいｍ／Δｍ＝３００〜５００であるため、この分解能では質量の近い元素同士の分析、例えば、Ｓｉ基板中のＰの分析は不可能であるという問題がある。
【００１０】
このような質量の近い元素同士の分析を行うためには、ｍ／Δｍ＝５０００〜１００００以上の分解能が望まれている。
【００１１】
３次元アトムプローブ装置の分解能は、イオンの飛行時間に依存するために、飛行時間を長くすれば分解能は向上するが、針状試料と測定器との距離を大きく必要があり、且つ、イオンは発散性イオンであるため、距離の増大とともにイオンの広がりが大きくなり、面積の大きな測定器が必要になる。
【００１２】
このような大型の測定器を構成することは非現実的であるとともに、仮に実現できたとしても、針状試料と測定器との距離が大きくなるため、装置の全体構成が大型化するという問題がある。
【００１３】
したがって、本発明は、小型の装置構成で飛行イオン光路を長くして分解能を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、３次元構造物体１に対し電界を印加し、電界による３次元構造物体１からの元素の離脱現象を利用して、３次元構造物体１における離脱した元素の位置および原子種を観察する３次元アトムレベル構造観察装置において、３次元構造物体１への電界印加後、３次元構造物体１から離脱した発散状の帯電原子種２に対し、電界レンズ或いは磁界レンズの少なくとも一方を用いて平行性の帯電原子種２に変更する平行化機構３を設けたことを特徴とする。
【００１５】
このように、発散状の帯電原子種２を平行性の帯電原子種２に変更することによって、飛行イオン光路を長くしても位置検出機構６を大型化する必要がないので、従来の位置検出機構６のままで分解能を大幅に向上することができる。
【００１６】
この場合、３次元構造物体１に近接して引出電極を設けることが望ましく、特に、引出電極を平行化機構３と機械的に一体構造とすることによって装置構成を小型化することができる。
【００１７】
また、本発明は、３次元構造物体１に対し電界を印加し、電界による３次元構造物体１からの元素の離脱現象を利用して、３次元構造物体１における離脱した元素の位置および原子種を観察する３次元アトムレベル構造観察装置において、３次元構造物体１への電界印加後、３次元構造物体１から離脱した発散状の帯電原子種２に対し、少なくとも１つの扇形電場印加機構５を通過させることを特徴とする。
【００１８】
このように、扇形電場印加機構５を通過させることによって、狭い奥行きの場合にも、飛行イオン光路を長くすることができ、それによって、分解能を高めることができる。
【００１９】
この場合、扇形電場印加機構５の前段に、発散状の帯電原子種２を平行性の帯電原子種２に変更する平行化機構３を設けることが望ましく、それによって、扇形電場印加機構５内において異なった質量の帯電原子種２の位置検出機構６への到達時間が入れ代わることがない。
【００２０】
また、扇形電場印加機構５を複数設け、帯電原子種２が同一軌道上を複数回周回したのち、位置検出機構６に入射させる周回制御機構を設けることが望ましく、それによって、狭い空間で飛行イオン光路を周回数に比例して長くすることができ、ｍ／Δｍ＝５０００〜１００００以上の分解能も可能になる。
【００２１】
或いは、扇形電場印加機構５を複数設け、各扇形電場印加機構５を１回のみ通過したのち位置検出機構６に入射させるように構成しても良く、この場合には、用いた扇形電場印加機構５の数に比例して飛行イオン光路を長くすることができる。
【００２２】
また、帯電原子種２に対して、特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構を設けることが望ましく、それによって、分解能をより高めることができる。
【００２３】
例えば、特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構としては、偏向器、特に、静電偏向器が挙げられる。
【００２４】
この場合、偏向器の通過したのち、少なくとも１つの扇形電場印加機構５に導入されない原子種の通過位置に検出器を設けることが望ましく、それによって、最も主要な測定対象となる原子種の分解能に比べて低分解能ながら広い原子種の像を併せて得ることができ、最も主要な測定対象となる原子種の解析におけるバックグラウンドデータ等として役立てることができる。
【００２５】
また、特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構としては、開閉器、特に、回転円盤によるメカニカルチョッパ型開閉器或いはバルバノミラー型開閉器を用いても良いものであり、特定の飛行時間の原子種の到達予想時間に合わせて開閉器を開閉させることによって特定の飛行時間の原子種のみ扇形電場印加機構５に導入することができる。
【００２６】
また、帯電原子種２に対して減速機構４を設けても良く、帯電原子種２を減速すると帯電原子種２の飛行時間が長くなるので、それによって、分解能をより高めることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明においては、装置構成を大型化することなく飛行時間を長くすることができ、且つ、位置検出機構を大型化する必要がないので、分解能の飛躍的向上と装置構成の小型化を両立することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明は、発散性のイオン光路に、平行ビーム形成レンズ及び扇形電場印加機構の少なくとも一方を設け、イオンの発散を防ぐことによって飛行距離を延ばした場合にも位置検出器の大型化が不要にし、また、扇形電場印加機構を設けることによって、同じ空間内における飛行距離を延ばすものである。
【００２９】
特に、複数の扇形電場印加機構を組み合わせてマルチターン飛行時間型質量分析器を構成することによって、飛行距離は、マルチターン飛行時間型質量分析器内を通過する周回数で決定され、同じ空間で任意の飛行距離を実現することができる。
【００３０】
また、飛行イオン光路中に、高速のデフレクターやメカニカルチョッパ型開閉器或いはバルバノミラー型開閉器等の開閉器を介して特定のイオン種のみを選択することによって、他のイオン種を予め排除しても良く、それによって、分解能をより高めることができる。
【実施例１】
【００３１】
ここで、図２を参照して、本発明の実施例１の３次元アトムプローブ装置を説明する。 図２参照
図２の上図は、本発明の実施例１の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１の引き出しを容易にするを引出電極１２と発散性のイオン２１を平行化する電磁レンズ１３とが一体化した平行化機構１１、及び、２次元位置検出器２０によって基本構成が構成され、電磁レンズ１３の焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００３２】
また、図２の下図は、平行化機構１１の具体的構成図であり、純鉄製の中空円錐台状の薄板部材からなる引出電極１２と、引出電極１２の直後に内部にコイル１４を収容した磁極部材１５からなる電磁レンズ１３を配置し、両者はフッ素樹脂等からなる非磁性部材１６によって一体構成されている。
【００３３】
この実施例１においては、分解能を高めるためにイオンの飛行距離を延ばしてもイオンは平行化されて発散しないため、２次元位置検出器２０は大型化する必要がなく、奥行きさえ確保すれば、奥行きに直交する二次元的な大きさの増大を回避しコンパクトな観察装置を実現することができる。
【実施例２】
【００３４】
次に、図３を参照して、本発明の実施例２の３次元アトムプローブ装置を説明する。
図３参照
図３は、本発明の実施例２の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を平行ビームに整形する平行化機構１１、平行化されたイオン２１を周回させるマルチターン型飛行イオン光路３０、及び、２次元位置検出器２０によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構１１の電磁レンズの焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００３５】
この場合のマルチターン型飛行イオン光路３０は、４つの扇形電場印加機構３１〜３４と各扇形電場印加機構３１〜３４間に設けられた静電４重極レンズ３７〜４２及び偏向器４３〜４６によって構成される（必要ならば、ｈｔｔｐ：／／ｍａｓｓ．ｐｈｙｓ．ｗａｎｉ．ｏｓａｋａ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／ｔｏｙｏｄａｍ／，第４８回質量分析学会総合討論会試料，２０００年５月１２日参照）。
なお、静電４重極レンズ３７〜４２及び偏向器４３〜４６は必要に応じて多段構成となっている。
【００３６】
また、入力側の扇形電場印加機構３１にはイオンゲート３５が設けられており、扇形電場印加機構３１に印加する電圧のタイミングを制御することによって、針状試料１０から離脱して平行化されたイオン２１を扇形電場印加機構３１に設けたイオンゲート３５を介して扇形電場印加機構３２に入射する。
【００３７】
また、出力側の扇形電場印加機構３４にはイオンゲート３６が設けられており、扇形電場印加機構３４に印加する電圧のタイミングをイオン２１の周回状況に応じて制御することによって、マルチターン型飛行イオン光路３０内を周回するイオン２１を扇形電場印加機構３４に設けたイオンゲート３６から取り出して、２次元位置検出器２０で検出する。
【００３８】
この実施例２においては、マルチターン型飛行イオン光路３０を設けているので、周回数を制御することによって、飛行距離、したがって、飛行時間を任意に制御することができ、周回数に応じた分解能を得ることができる。
【００３９】
例えば、マルチターン型飛行イオン光路３０の一周の光路長を１００ｃｍとした場合に、５周させることによって、ｍ／Δｍ＝５０００の分解能を実現することが可能になり、これにより、従来、高分解能の元素分析ができなかった、Ｓｉ基板中のＳｉの同位体元素である30Ｓｉ（原子量≒２９．９７）と30Ｐ（原子量≒３０．９７）の分析が可能になる。
【００４０】
図４参照
図４は、マルチターン型飛行イオン光路の分解能の周回数依存性の説明図であり、周回数を重ねることによって、周回数にほぼ比例して分解能が高まることが分かる。
因に、１００回の周回数でｍ／Δｍ＝１０００００の分解能が得られるので、５回周回させることによって大凡ｍ／Δｍ＝１０００００／２０＝５０００の分解能が得られることになる。
【００４１】
図５参照
図５は、マルチターン型飛行イオン光路内のイオン強度の周回数依存性の説明図であり、周回数を重ねることによって、イオンが損失により減少するので、周回数にほぼ比例して感度が低下することが分かる。
したがって、ある程度の感度を得るためには、周回数を制限する必要がある。
【実施例３】
【００４２】
次に、図６を参照して、本発明の実施例３の３次元アトムプローブ装置を説明するが、この実施例３の３次元アトムプローブ装置は上述の実施例２の３次元アトムプローブ装置の平行化機構の直後に減速レンズを設けたものである。
【００４３】
図６参照
図６は、本発明の実施例３の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を平行ビームに整形する平行化機構１１、平行化されたイオンを減速する減速レンズ１７、減速されたイオン２２を周回させるマルチターン型飛行イオン光路３０、及び、２次元位置検出器２０によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構１１の電磁レンズの焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００４４】
この場合の減速レンズ１７は、電子顕微鏡或いは収束イオンビーム堆積装置等において使用されている減速レンズを用いるものであり、例えば、多段電極によって構成される。
但し、減速レンズは一般に集束性を有しているので、集束効果を受けた後に平行性を保つように、平行化機構１１における平行化の程度を減速レンズによる集束効果を相殺するように調整する必要がある。
【００４５】
この減速レンズ１７によりイオン２２のエネルギーを２／３程度に落とした場合には、同じ周回数で飛行時間は１．５倍になるので、例えば、３回の周回でほぼｍ／Δｍ＝５０００の分解能を実現することが可能になる。
【実施例４】
【００４６】
次に、図７を参照して、本発明の実施例４の３次元アトムプローブ装置を説明するが、この実施例４の３次元アトムプローブ装置は上述の実施例２の３次元アトムプローブ装置の平行化機構の直後に偏向器を設けるとともに、偏向器によりマルチターン型飛行イオン光路方向に偏向されなかったイオン種を検出する第２の２次元位置検出器を設けたものである。
【００４７】
図７参照
図７は、本発明の実施例４の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を平行ビームに整形する平行化機構１１、平行化されたイオン２１の内、最も主要な測定対象となるイオン種を選択的に偏向する偏向器１８、偏向されたイオン２３を周回させるマルチターン型飛行イオン光路３０、マルチターン型飛行イオン光路３０から取り出したイオン２３を検出する２次元位置検出器２０、及び、偏向器１８でマルチターン型飛行イオン光路３０方向に偏向されなかったイオン２４を検出する２次元位置検出器２５によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構１１の電磁レンズの焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００４８】
このように、実施例４においては予め偏向器１８によって最も主要な測定対象となるイオン種を選択しているので、マルチターン型飛行イオン光路３０において周回を重ねても、異なった質量のイオン種の２次元位置検出器２５への到達時間の前後関係が入れ交わることがないので他元素からの妨害（ノイズ）を低減でき、より精度の高い分析が可能になる。
【００４９】
また、偏向器１８でマルチターン型飛行イオン光路３０方向に偏向されなかったイオン２４を２次元位置検出器２５で検出しているので、最も主要な測定対象となるイオン種の分解能に比べて低分解能ながら広い原子種の像を併せて得ることができ、最も主要な測定対象となるイオン種の解析におけるバックグラウンドデータ等として役立てることができる。
【実施例５】
【００５０】
次に、図８及び図９を参照して、本発明の実施例５の３次元アトムプローブ装置を説明するが、この実施例５の３次元アトムプローブ装置は上述の実施例２の３次元アトムプローブ装置の平行化機構の直後に減速レンズ及び偏向器を設けるとともに、偏向器によりマルチターン型飛行イオン光路方向に偏向されなかったイオン種を検出する第２の２次元位置検出器を設けたものである。
【００５１】
図８参照
図８は、本発明の実施例５の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を平行ビームに整形する平行化機構１１、平行化されたイオンを減速する減速レンズ１７、減速されたイオン２２の内、最も主要な測定対象となるイオン種を選択的に偏向する偏向器１８、偏向されたイオン２３を周回させるマルチターン型飛行イオン光路３０、マルチターン型飛行イオン光路３０から取り出したイオン２３を検出する２次元位置検出器２０、及び、偏向器１８でマルチターン型飛行イオン光路３０方向に偏向されなかったイオン２４を検出する２次元位置検出器２５によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構１１の電磁レンズの焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００５２】
図９参照
図９は、本発明の実施例５の３次元アトムプローブ装置に用いる偏向器の概略的構成図であり、通常の静電偏向器からなる。
この場合に、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン種の内、最も主要な測定対象となるイオン種の通過予想時間に合わせて偏向器１８に電圧をパルス的に印加することによって、イオン種の選別作用をより高めることができる。
【００５３】
また、この場合の減速レンズ１７も、電子顕微鏡或いは収束イオンビーム堆積装置等において使用されている減速レンズを用いるものであり、例えば、多段電極によって構成される。
但し、減速レンズは一般に集束性を有しているので、集束効果を受けた後に平行性を保つように、平行化機構１１における平行化の程度を減速レンズによる集束効果を相殺するように調整する必要がある。
【００５４】
このように、実施例５においては予め偏向器１８によって最も主要な測定対象となるイオン種を選択しているので、マルチターン型飛行イオン光路３０において周回を重ねても、異なった質量のイオン種の２次元位置検出器２５への到達時間の前後関係が入れ交わることがないので他元素からの妨害（ノイズ）を低減でき、より精度の高い分析が可能になる。
また、減速レンズ１７によって、減速しているので、同じ周回回数でも分解能を向上することができる。
【実施例６】
【００５５】
次に、図１０及び図１１を参照して、本発明の実施例６の３次元アトムプローブ装置を説明するが、この実施例５の３次元アトムプローブ装置は上述の実施例２の３次元アトムプローブ装置の平行化機構の直後にメカニカルチョッパ型開閉器を設けたものである。
【００５６】
図１０参照
図１０は、本発明の実施例６の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を平行ビームに整形する平行化機構１１、平行化されたイオン２１の内、最も主要な測定対象となるイオン種を選択的に通過させるメカニカルチョッパ型開閉器２６、メカニカルチョッパ型開閉器２６を通過したイオン２１を周回させるマルチターン型飛行イオン光路３０、マルチターン型飛行イオン光路３０から取り出したイオン２１を検出する２次元位置検出器２０によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構１１の電磁レンズの焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００５７】
図１１参照
図１１は、本発明の実施例６の３次元アトムプローブ装置に用いるメカニカルチョッパ型開閉器の概略的構成図であり、所定の位置に開口部２８を有する回転円盤２７からなる。
この場合、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン種の内、最も主要な測定対象となるイオン種の通過予想時間に合わせて開口部２８がイオン２１の通過位置に来るように回転円盤２７の回転を制御することによって、イオン種を選別することができる。
【００５８】
このように、実施例６においては予めメカニカルチョッパ型開閉器２６によって最も主要な測定対象となるイオン種を選択しているので、マルチターン型飛行イオン光路３０において周回を重ねても、異なった質量のイオン種の２次元位置検出器２５への到達時間の前後関係が入れ交わることがないので他元素からの妨害（ノイズ）を低減でき、より精度の高い分析が可能になる。
【実施例７】
【００５９】
次に、図１２を参照して、本発明の実施例７の３次元アトムプローブ装置を説明するが、この実施例７の３次元アトムプローブ装置は上述の実施例６の３次元アトムプローブ装置のメカニカルチョッパ型開閉器をガルバノミラー型開閉器に置き換えただけであるので、ガルバノミラー型開閉器の構成のみを説明する。
【００６０】
図１２参照
図１２は、本発明の実施例７の３次元アトムプローブ装置に用いるガルバノミラー型開閉器の概略的構成図であり、支持軸４７に固定された回転軸４８を軸として回転自在に回転する遮蔽板４９からなる。
【００６１】
この場合、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン種の内、最も主要な測定対象となるイオン種の通過予想時間に合わせて遮蔽板４９を倒すように回転を制御することによって、イオン種を選別することができる。
【００６２】
このように、実施例７においては予めガルバノミラー型開閉器によって最も主要な測定対象となるイオン種を選択しているので、マルチターン型飛行イオン光路３０において周回を重ねても、異なった質量のイオン種の２次元位置検出器２５への到達時間の前後関係が入れ交わることがないので他元素からの妨害（ノイズ）を低減でき、より精度の高い分析が可能になる。
【実施例８】
【００６３】
次に、図１３を参照して、本発明の実施例８の３次元アトムプローブ装置を説明するが、この実施例８の３次元アトムプローブ装置は上述の実施例６の３次元アトムプローブ装置の平行化機構の直後に減速レンズを設けたものである。
【００６４】
図１３参照
図１３は、本発明の実施例８の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を平行ビームに整形する平行化機構１１、平行化されたイオンを減速する減速レンズ１７、減速されたイオン２２の内、最も主要な測定対象となるイオン種を選択的に通過させるメカニカルチョッパ型開閉器２６、メカニカルチョッパ型開閉器２６を通過したイオン２１を周回させるマルチターン型飛行イオン光路３０、マルチターン型飛行イオン光路３０から取り出したイオン２３を検出する２次元位置検出器２０によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構１１の電磁レンズの焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００６５】
この実施例８においては予めメカニカルチョッパ型開閉器２６によって最も主要な測定対象となるイオン種を選択しているので、マルチターン型飛行イオン光路３０において周回を重ねても、異なった質量のイオン種の２次元位置検出器２５への到達時間の前後関係が入れ交わることがないので他元素からの妨害（ノイズ）を低減でき、より精度の高い分析が可能になる。
また、減速レンズ１７によって、減速しているので、同じ周回回数でも分解能を向上することができる。
【実施例９】
【００６６】
次に、図１４を参照して、本発明の実施例９の３次元アトムプローブ装置を説明する。
図１４参照
図１４は、本発明の実施例９の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を発散状態のままで入射する３段の扇形電場印加機構５１〜５３からなる蛇行型飛行イオン光路５０、及び、蛇行型飛行イオン光路５０から取り出したイオン２１を検出する２次元位置検出器２０から構成される。
【００６７】
この場合、扇形電場印加機構５１のエネルギー集束系の焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置するとともに、千鳥状に対向配置された各扇形電場印加機構５１の入出力部のエネルギー集束系の焦点が互いに一致するように配置する。
【００６８】
この場合も、蛇行型飛行イオン光路５０によって飛行距離を長くしているので、分解能を向上することができる。
なお、この場合の分解能も飛行距離に略比例するので、扇形電場印加機構の大きさ、段数、相互の対向距離に依存し、これらを調整することによって、奥行き方向に対して横方向の大きさをあまり大きくすることなくｍ／Δｍ＝３０００程度の分解能を実現することができる。
【００６９】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載した条件・構成に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、実施例１乃至実施例４においては、平行化機構を引出電極と静電レンズとを一体化して構成しているが別体で構成しても良いものであり、さらには、引出電極を設けることなく、静電レンズのみで平行化機構を構成しても良いものである。
【００７０】
また、上記の実施例１乃至実施例８においては、第４段目の扇形電場印加機構にイオンゲートを設けてイオンを取り出しているが、第２段目或いは第３段目の扇形電場印加機構にイオンゲートを設けてイオンを取り出し、この取り出しイオンゲートに対向するように２次元位置検出器を配置しても良いものである。
【００７１】
さらには、第２段目乃至第４段目の全ての扇形電場印加機構に取り出し用のイオンゲートを設けて任意の段数における扇形電場印加機構でイオンを取り出すようにしても良いものであり、２次元位置検出器の設置スペースに制限がある場合に有効となる。
【００７２】
また、上記の実施例７において、平行化機構１１とガルバノミラー型開閉器との間に減速レンズ１７を設けても良いものであり、それによって、同じ周回数で測定行う場合には、より分解能が高くなるとともに、予めイオン種を選択しているので他のイオン種によるノイズが低減され、より精度の高い分析が可能になる。
【００７３】
また、上記の実施例９においては、蛇行型飛行イオン光路を３段構成で構成しているが、３段構成に限られるものであり、必要とする分解能に応じて段数を設定すれば良い。
【００７４】
また、上記の実施例９においては平行化機構、減速レンズ、偏向器、或いは、開閉器を設けていないが、平行化機構及び／または減速レンズ及び／または偏向器或いは開閉器を設けても良いものである。
【００７５】
また、上記の実施例４或いは実施例５においては、偏向器として構成が簡単な静電偏向器を用いているが、静電偏向器に限られるものではなく、偏向磁石を用いることを排除するものではない。
【００７６】
ここで再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１） ３次元構造物体１に対し電界を印加し、前記電界による３次元構造物体１からの元素の離脱現象を利用して、前記３次元構造物体１における離脱した元素の位置および原子種を観察する３次元アトムレベル構造観察装置において、前記３次元構造物体１への電界印加後、３次元構造物体１から離脱した発散状の帯電原子種２に対し、電界レンズ或いは磁界レンズの少なくとも一方を用いて平行性の帯電原子種２に変更する平行化機構３を設けたことを特徴とする３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記２） 上記３次元構造物体１に近接配置する引出電極を、上記平行化機構３と機械的に一体構造としたことを特徴とする付記１記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記３） ３次元構造物体１に対し電界を印加し、前記電界による３次元構造物体１からの元素の離脱現象を利用して、前記３次元構造物体１における離脱した元素の位置および原子種２を観察する３次元アトムレベル構造観察装置において、前記３次元構造物体１への電界印加後、３次元構造物体１から離脱した発散状の帯電原子種２に対し、少なくとも１つの扇形電場印加機構５を通過させることを特徴とする３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記４） 上記扇形電場印加機構５の前段に、発散状の帯電原子種２を平行性の帯電原子種２に変更する平行化機構３を設けたことを特徴とする付記３記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記５） 上記扇形電場印加機構５を複数設け、上記帯電原子種２が同一軌道上を複数回周回したのち、位置検出機構６に入射させる周回制御機構を設けたことを特徴とする付記３または４に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記６） 上記扇形電場印加機構５を複数設け、前記各扇形電場印加機構５を１回のみ通過したのち位置検出機構６に入射させることを特徴とする付記３または４に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記７） 上記帯電原子種２に対して、特定の飛行時間の原子種２のみを選択する選別機構を設けたことを特徴とする付記３乃至６のいずれか１に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記８） 上記特定の飛行時間の原子種２のみを選択する選別機構が、偏向器であることを特徴とする付記７記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記９） 上記偏向器が、静電偏向器であることを特徴とする付記８記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記１０） 上記偏向器の通過したのち、上記少なくとも１つの扇形電場印加機構５に導入されない原子種の通過位置に検出器を設けたことを特徴とする付記８または９に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記１１） 上記特定の飛行時間の原子種２のみを選択する選別機構が、開閉器であることを特徴とする付記７記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記１２） 上記開閉器が、回転円盤によるメカニカルチョッパ型開閉器或いはバルバノミラー型開閉器のいずれかであることを特徴とする付記１１記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記１３） 上記帯電原子種２に対して減速機構４を設けたことを特徴とする付記１乃至１２のいずれか１に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の活用例としては、原子量が接近しているＳｉとＰ等を分離して分析する必要のある半導体基板の不純物濃度分布の検出が典型的な検出対象であるが、原子量が接近していない場合の組成構造や界面状態等の分析・観察にも適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例１の３次元アトムプローブ装置の説明図である。
【図３】本発明の実施例２の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図４】マルチターン型飛行イオン光路の分解能の周回数依存性の説明図である。
【図５】マルチターン型飛行イオン光路内のイオン強度の周回数依存性の説明図である。
【図６】本発明の実施例３の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図７】本発明の実施例４の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図８】本発明の実施例５の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図９】本発明の実施例５の３次元アトムプローブ装置に用いる偏向器の概略的構成図である。
【図１０】本発明の実施例６の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図１１】本発明の実施例６の３次元アトムプローブ装置に用いるメカニカルチョッパ型開閉器の概略的構成図である。
【図１２】本発明の実施例７の３次元アトムプローブ装置に用いるガルバノミラー型開閉器の概略的構成図である。
【図１３】本発明の実施例８の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図１４】本発明の実施例９の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図１５】従来の３次元アトムプローブ法の原理の説明図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ ３次元構造物体
２ 帯電原子種
３ 平行化機構
４ 減速機構
５ 扇形電場印加機構
６ 位置検出機構
１０ 針状試料
１１ 平行化機構
１２ 引出電極
１３ 電磁レンズ
１４ コイル
１５ 磁極部材
１６ 非磁性部材
１７ 減速レンズ
１８ 偏向器
２０ ２次元位置検出器
２１ イオン
２２ イオン
２３ イオン
２４ イオン
２５ ２次元位置検出器
２６ メカニカルチョッパ型開閉器
２７ 回転円盤
２８ 開口部
３０ マルチターン型飛行イオン光路
３１ 扇形電場印加機構
３２ 扇形電場印加機構
３３ 扇形電場印加機構
３４ 扇形電場印加機構
３５ イオンゲート
３６ イオンゲート
３７ 静電４重極レンズ
３８ 静電４重極レンズ
３９ 静電４重極レンズ
４０ 静電４重極レンズ
４１ 静電４重極レンズ
４２ 静電４重極レンズ
４３ 偏向器
４４ 偏向器
４５ 偏向器
４６ 偏向器
４７ 支持軸
４８ 回転軸
４９ 遮蔽板
５０ 蛇行型飛行イオン光路
５１ 扇形電場印加機構
５２ 扇形電場印加機構
５３ 扇形電場印加機構
６１ 針状試料
６２ 構成物質
６３ 構成物質
６４ ２次元位置検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は３次元アトムレベル構造観察装置に関するものであり、特に、小型の装置構成で分解能を高めるための飛行イオン光路の構成に特徴のある３次元アトムレベル構造観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）の小型化、大容量化が急速に進んでおり、高密度磁気記録を実現するためのヘッド及び媒体の開発が求められている
媒体に微細に配列された記録ビットから発生する磁気的信号を再生ヘッドで高効率に電気信号に変換するために、ＭＲヘッドの微細化・薄層化が求められている。
【０００３】
この様に微細化・薄層化されたＭＲヘッドにおいては、スピンバルブ膜を構成する各層の層厚を精度良く形成するとともに、各層間の界面状態を良好に保つ必要がある。
例えば、膜厚分布が不均一であったり、界面が湾曲していたり、或いは、界面で構成原子が相互拡散して界面が不明確になっていれば、所望の特性が得られなくなる。
【０００４】
そこで、従来においては、界面におけるＸ線の反射を利用した２θ法を用いて、スピンバルブ膜等の各層の膜厚及び界面状態を評価して、結果を製造工程へフィードバックすることによって、性能の向上と製造歩留りの向上を図っていた。
【０００５】
しかし、２θ法は界面でのＸ線の反射強度を利用する手法であるため、界面で構成原子が相互拡散して界面が不明確になっている場合には精度の高い解析が困難であり、また、予期せぬ層が介在していた場合にも、精度の高い解析が困難であった。
【０００６】
そこで、この様な問題を解決する手法として、原子レベルの３次元構造を直接観察する手法として３次元アトムプローブ法が知られており（例えば、特許文献１或いは特許文献２参照）、このアトムプローブ法は針状に鋭角に形成された先端径が１μｍ以下の針状試料にパルス状高電界やレーザを照射し、このエネルギーで、表面の原子或いはクラスターを電解蒸発させ２次元位置検出器により試料の３次元原子レベルの構造を観察するものであるので、ここで、図１５を参照して従来の３次元アトムプローブ法を説明する。
【０００７】
図１５参照
図１５は、従来の３次元アトムプローブ法の原理の説明図であり、先端半径が例えば、１００ｎｍ（＝０．１μｍ）の針状試料６１にパルス高電圧を印加して針状試料６１の先端から構成物質６２，６３を電界蒸発させ、飛来する構成物質６２，６３の到達時間（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）を２次元位置検出器６４によって測定し、到達時間から構成物質６２，６３のイオン種を同定するとともに、２次元位置検出器６４の検出位置から飛来位置を同定するものである。
【０００８】
また、３次元アトムプローブ法ではないが、アトムプローブ法において、扇状電場印加部を質量分析器として設けることによって電界で試料から離脱した原子種を特定することも提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００２−０４２７１５号公報
【特許文献２】特開２００１−２０８６５９号公報
【特許文献３】特公平０７−００７６６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来の３次元アトムプローブ装置においては、針状試料からの発散性イオンの検出を行っていたため質量分解能（ｍ／Δｍ）はせいぜいｍ／Δｍ＝３００〜５００であるため、この分解能では質量の近い元素同士の分析、例えば、Ｓｉ基板中のＰの分析は不可能であるという問題がある。
【００１０】
このような質量の近い元素同士の分析を行うためには、ｍ／Δｍ＝５０００〜１００００以上の分解能が望まれている。
【００１１】
３次元アトムプローブ装置の分解能は、イオンの飛行時間に依存するために、飛行時間を長くすれば分解能は向上するが、針状試料と測定器との距離を大きく必要があり、且つ、イオンは発散性イオンであるため、距離の増大とともにイオンの広がりが大きくなり、面積の大きな測定器が必要になる。
【００１２】
このような大型の測定器を構成することは非現実的であるとともに、仮に実現できたとしても、針状試料と測定器との距離が大きくなるため、装置の全体構成が大型化するという問題がある。
【００１３】
したがって、本発明は、小型の装置構成で飛行イオン光路を長くして分解能を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、３次元構造物体１に対し電界を印加し、電界による３次元構造物体１からの元素の離脱現象を利用して、３次元構造物体１における離脱した元素の位置および原子種を観察する３次元アトムレベル構造観察装置において、３次元構造物体１への電界印加後、３次元構造物体１から離脱した発散状の帯電原子種２に対し、電界レンズ或いは磁界レンズの少なくとも一方を用いて平行性の帯電原子種２に変更する平行化機構３を設けたことを特徴とする。
【００１５】
このように、発散状の帯電原子種２を平行性の帯電原子種２に変更することによって、飛行イオン光路を長くしても位置検出機構６を大型化する必要がないので、従来の位置検出機構６のままで分解能を大幅に向上することができる。
【００１６】
この場合、３次元構造物体１に近接して引出電極を設けることが望ましく、特に、引出電極を平行化機構３と機械的に一体構造とすることによって装置構成を小型化することができる。
【００１７】
また、本発明は、３次元構造物体１に対し電界を印加し、電界による３次元構造物体１からの元素の離脱現象を利用して、３次元構造物体１における離脱した元素の位置および原子種を観察する３次元アトムレベル構造観察装置において、３次元構造物体１への電界印加後、３次元構造物体１から離脱した発散状の帯電原子種２に対し、少なくとも１つの扇形電場印加機構５を通過させることを特徴とする。
【００１８】
このように、扇形電場印加機構５を通過させることによって、狭い奥行きの場合にも、飛行イオン光路を長くすることができ、それによって、分解能を高めることができる。
【００１９】
この場合、扇形電場印加機構５の前段に、発散状の帯電原子種２を平行性の帯電原子種２に変更する平行化機構３を設けることが望ましく、それによって、扇形電場印加機構５内において異なった質量の帯電原子種２の位置検出機構６への到達時間が入れ代わることがない。
【００２０】
また、扇形電場印加機構５を複数設け、帯電原子種２が同一軌道上を複数回周回したのち、位置検出機構６に入射させる周回制御機構を設けることが望ましく、それによって、狭い空間で飛行イオン光路を周回数に比例して長くすることができ、ｍ／Δｍ＝５０００〜１００００以上の分解能も可能になる。
【００２１】
或いは、扇形電場印加機構５を複数設け、各扇形電場印加機構５を１回のみ通過したのち位置検出機構６に入射させるように構成しても良く、この場合には、用いた扇形電場印加機構５の数に比例して飛行イオン光路を長くすることができる。
【００２２】
また、帯電原子種２に対して、特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構を設けることが望ましく、それによって、分解能をより高めることができる。
【００２３】
例えば、特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構としては、偏向器、特に、静電偏向器が挙げられる。
【００２４】
この場合、偏向器の通過したのち、少なくとも１つの扇形電場印加機構５に導入されない原子種の通過位置に検出器を設けることが望ましく、それによって、最も主要な測定対象となる原子種の分解能に比べて低分解能ながら広い原子種の像を併せて得ることができ、最も主要な測定対象となる原子種の解析におけるバックグラウンドデータ等として役立てることができる。
【００２５】
また、特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構としては、開閉器、特に、回転円盤によるメカニカルチョッパ型開閉器或いはバルバノミラー型開閉器を用いても良いものであり、特定の飛行時間の原子種の到達予想時間に合わせて開閉器を開閉させることによって特定の飛行時間の原子種のみ扇形電場印加機構５に導入することができる。
【００２６】
また、帯電原子種２に対して減速機構４を設けても良く、帯電原子種２を減速すると帯電原子種２の飛行時間が長くなるので、それによって、分解能をより高めることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明においては、装置構成を大型化することなく飛行時間を長くすることができ、且つ、位置検出機構を大型化する必要がないので、分解能の飛躍的向上と装置構成の小型化を両立することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明は、発散性のイオン光路に、平行ビーム形成レンズ及び扇形電場印加機構の少なくとも一方を設け、イオンの発散を防ぐことによって飛行距離を延ばした場合にも位置検出器の大型化が不要にし、また、扇形電場印加機構を設けることによって、同じ空間内における飛行距離を延ばすものである。
【００２９】
特に、複数の扇形電場印加機構を組み合わせてマルチターン飛行時間型質量分析器を構成することによって、飛行距離は、マルチターン飛行時間型質量分析器内を通過する周回数で決定され、同じ空間で任意の飛行距離を実現することができる。
【００３０】
また、飛行イオン光路中に、高速のデフレクターやメカニカルチョッパ型開閉器或いはバルバノミラー型開閉器等の開閉器を介して特定のイオン種のみを選択することによって、他のイオン種を予め排除しても良く、それによって、分解能をより高めることができる。
【実施例１】
【００３１】
ここで、図２を参照して、本発明の実施例１の３次元アトムプローブ装置を説明する。 図２参照
図２の上図は、本発明の実施例１の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１の引き出しを容易にするを引出電極１２と発散性のイオン２１を平行化する電磁レンズ１３とが一体化した平行化機構１１、及び、２次元位置検出器２０によって基本構成が構成され、電磁レンズ１３の焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００３２】
また、図２の下図は、平行化機構１１の具体的構成図であり、純鉄製の中空円錐台状の薄板部材からなる引出電極１２と、引出電極１２の直後に内部にコイル１４を収容した磁極部材１５からなる電磁レンズ１３を配置し、両者はフッ素樹脂等からなる非磁性部材１６によって一体構成されている。
【００３３】
この実施例１においては、分解能を高めるためにイオンの飛行距離を延ばしてもイオンは平行化されて発散しないため、２次元位置検出器２０は大型化する必要がなく、奥行きさえ確保すれば、奥行きに直交する二次元的な大きさの増大を回避しコンパクトな観察装置を実現することができる。
【実施例２】
【００３４】
次に、図３を参照して、本発明の実施例２の３次元アトムプローブ装置を説明する。
図３参照
図３は、本発明の実施例２の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を平行ビームに整形する平行化機構１１、平行化されたイオン２１を周回させるマルチターン型飛行イオン光路３０、及び、２次元位置検出器２０によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構１１の電磁レンズの焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００３５】
この場合のマルチターン型飛行イオン光路３０は、４つの扇形電場印加機構３１〜３４と各扇形電場印加機構３１〜３４間に設けられた静電４重極レンズ３７〜４２及び偏向器４３〜４６によって構成される（必要ならば、ｈｔｔｐ：／／ｍａｓｓ．ｐｈｙｓ．ｗａｎｉ．ｏｓａｋａ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／ｔｏｙｏｄａｍ／，第４８回質量分析学会総合討論会試料，２０００年５月１２日参照）。
なお、静電４重極レンズ３７〜４２及び偏向器４３〜４６は必要に応じて多段構成となっている。
【００３６】
また、入力側の扇形電場印加機構３１にはイオンゲート３５が設けられており、扇形電場印加機構３１に印加する電圧のタイミングを制御することによって、針状試料１０から離脱して平行化されたイオン２１を扇形電場印加機構３１に設けたイオンゲート３５を介して扇形電場印加機構３２に入射する。
【００３７】
また、出力側の扇形電場印加機構３４にはイオンゲート３６が設けられており、扇形電場印加機構３４に印加する電圧のタイミングをイオン２１の周回状況に応じて制御することによって、マルチターン型飛行イオン光路３０内を周回するイオン２１を扇形電場印加機構３４に設けたイオンゲート３６から取り出して、２次元位置検出器２０で検出する。
【００３８】
この実施例２においては、マルチターン型飛行イオン光路３０を設けているので、周回数を制御することによって、飛行距離、したがって、飛行時間を任意に制御することができ、周回数に応じた分解能を得ることができる。
【００３９】
例えば、マルチターン型飛行イオン光路３０の一周の光路長を１００ｃｍとした場合に、５周させることによって、ｍ／Δｍ＝５０００の分解能を実現することが可能になり、これにより、従来、高分解能の元素分析ができなかった、Ｓｉ基板中のＳｉの同位体元素である30Ｓｉ（原子量≒２９．９７）と30Ｐ（原子量≒３０．９７）の分析が可能になる。
【００４０】
図４参照
図４は、マルチターン型飛行イオン光路の分解能の周回数依存性の説明図であり、周回数を重ねることによって、周回数にほぼ比例して分解能が高まることが分かる。
因に、１００回の周回数でｍ／Δｍ＝１０００００の分解能が得られるので、５回周回させることによって大凡ｍ／Δｍ＝１０００００／２０＝５０００の分解能が得られることになる。
【００４１】
図５参照
図５は、マルチターン型飛行イオン光路内のイオン強度の周回数依存性の説明図であり、周回数を重ねることによって、イオンが損失により減少するので、周回数にほぼ比例して感度が低下することが分かる。
したがって、ある程度の感度を得るためには、周回数を制限する必要がある。
【実施例３】
【００４２】
次に、図６を参照して、本発明の実施例３の３次元アトムプローブ装置を説明するが、この実施例３の３次元アトムプローブ装置は上述の実施例２の３次元アトムプローブ装置の平行化機構の直後に減速レンズを設けたものである。
【００４３】
図６参照
図６は、本発明の実施例３の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を平行ビームに整形する平行化機構１１、平行化されたイオンを減速する減速レンズ１７、減速されたイオン２２を周回させるマルチターン型飛行イオン光路３０、及び、２次元位置検出器２０によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構１１の電磁レンズの焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００４４】
この場合の減速レンズ１７は、電子顕微鏡或いは収束イオンビーム堆積装置等において使用されている減速レンズを用いるものであり、例えば、多段電極によって構成される。
但し、減速レンズは一般に集束性を有しているので、集束効果を受けた後に平行性を保つように、平行化機構１１における平行化の程度を減速レンズによる集束効果を相殺するように調整する必要がある。
【００４５】
この減速レンズ１７によりイオン２２のエネルギーを２／３程度に落とした場合には、同じ周回数で飛行時間は１．５倍になるので、例えば、３回の周回でほぼｍ／Δｍ＝５０００の分解能を実現することが可能になる。
【実施例４】
【００４６】
次に、図７を参照して、本発明の実施例４の３次元アトムプローブ装置を説明するが、この実施例４の３次元アトムプローブ装置は上述の実施例２の３次元アトムプローブ装置の平行化機構の直後に偏向器を設けるとともに、偏向器によりマルチターン型飛行イオン光路方向に偏向されなかったイオン種を検出する第２の２次元位置検出器を設けたものである。
【００４７】
図７参照
図７は、本発明の実施例４の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を平行ビームに整形する平行化機構１１、平行化されたイオン２１の内、最も主要な測定対象となるイオン種を選択的に偏向する偏向器１８、偏向されたイオン２３を周回させるマルチターン型飛行イオン光路３０、マルチターン型飛行イオン光路３０から取り出したイオン２３を検出する２次元位置検出器２０、及び、偏向器１８でマルチターン型飛行イオン光路３０方向に偏向されなかったイオン２４を検出する２次元位置検出器２５によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構１１の電磁レンズの焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００４８】
このように、実施例４においては予め偏向器１８によって最も主要な測定対象となるイオン種を選択しているので、マルチターン型飛行イオン光路３０において周回を重ねても、異なった質量のイオン種の２次元位置検出器２５への到達時間の前後関係が入れ交わることがないので他元素からの妨害（ノイズ）を低減でき、より精度の高い分析が可能になる。
【００４９】
また、偏向器１８でマルチターン型飛行イオン光路３０方向に偏向されなかったイオン２４を２次元位置検出器２５で検出しているので、最も主要な測定対象となるイオン種の分解能に比べて低分解能ながら広い原子種の像を併せて得ることができ、最も主要な測定対象となるイオン種の解析におけるバックグラウンドデータ等として役立てることができる。
【実施例５】
【００５０】
次に、図８及び図９を参照して、本発明の実施例５の３次元アトムプローブ装置を説明するが、この実施例５の３次元アトムプローブ装置は上述の実施例２の３次元アトムプローブ装置の平行化機構の直後に減速レンズ及び偏向器を設けるとともに、偏向器によりマルチターン型飛行イオン光路方向に偏向されなかったイオン種を検出する第２の２次元位置検出器を設けたものである。
【００５１】
図８参照
図８は、本発明の実施例５の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を平行ビームに整形する平行化機構１１、平行化されたイオンを減速する減速レンズ１７、減速されたイオン２２の内、最も主要な測定対象となるイオン種を選択的に偏向する偏向器１８、偏向されたイオン２３を周回させるマルチターン型飛行イオン光路３０、マルチターン型飛行イオン光路３０から取り出したイオン２３を検出する２次元位置検出器２０、及び、偏向器１８でマルチターン型飛行イオン光路３０方向に偏向されなかったイオン２４を検出する２次元位置検出器２５によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構１１の電磁レンズの焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００５２】
図９参照
図９は、本発明の実施例５の３次元アトムプローブ装置に用いる偏向器の概略的構成図であり、通常の静電偏向器からなる。
この場合に、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン種の内、最も主要な測定対象となるイオン種の通過予想時間に合わせて偏向器１８に電圧をパルス的に印加することによって、イオン種の選別作用をより高めることができる。
【００５３】
また、この場合の減速レンズ１７も、電子顕微鏡或いは収束イオンビーム堆積装置等において使用されている減速レンズを用いるものであり、例えば、多段電極によって構成される。
但し、減速レンズは一般に集束性を有しているので、集束効果を受けた後に平行性を保つように、平行化機構１１における平行化の程度を減速レンズによる集束効果を相殺するように調整する必要がある。
【００５４】
このように、実施例５においては予め偏向器１８によって最も主要な測定対象となるイオン種を選択しているので、マルチターン型飛行イオン光路３０において周回を重ねても、異なった質量のイオン種の２次元位置検出器２５への到達時間の前後関係が入れ交わることがないので他元素からの妨害（ノイズ）を低減でき、より精度の高い分析が可能になる。
また、減速レンズ１７によって、減速しているので、同じ周回回数でも分解能を向上することができる。
【実施例６】
【００５５】
次に、図１０及び図１１を参照して、本発明の実施例６の３次元アトムプローブ装置を説明するが、この実施例５の３次元アトムプローブ装置は上述の実施例２の３次元アトムプローブ装置の平行化機構の直後にメカニカルチョッパ型開閉器を設けたものである。
【００５６】
図１０参照
図１０は、本発明の実施例６の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を平行ビームに整形する平行化機構１１、平行化されたイオン２１の内、最も主要な測定対象となるイオン種を選択的に通過させるメカニカルチョッパ型開閉器２６、メカニカルチョッパ型開閉器２６を通過したイオン２１を周回させるマルチターン型飛行イオン光路３０、マルチターン型飛行イオン光路３０から取り出したイオン２１を検出する２次元位置検出器２０によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構１１の電磁レンズの焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００５７】
図１１参照
図１１は、本発明の実施例６の３次元アトムプローブ装置に用いるメカニカルチョッパ型開閉器の概略的構成図であり、所定の位置に開口部２８を有する回転円盤２７からなる。
この場合、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン種の内、最も主要な測定対象となるイオン種の通過予想時間に合わせて開口部２８がイオン２１の通過位置に来るように回転円盤２７の回転を制御することによって、イオン種を選別することができる。
【００５８】
このように、実施例６においては予めメカニカルチョッパ型開閉器２６によって最も主要な測定対象となるイオン種を選択しているので、マルチターン型飛行イオン光路３０において周回を重ねても、異なった質量のイオン種の２次元位置検出器２５への到達時間の前後関係が入れ交わることがないので他元素からの妨害（ノイズ）を低減でき、より精度の高い分析が可能になる。
【実施例７】
【００５９】
次に、図１２を参照して、本発明の実施例７の３次元アトムプローブ装置を説明するが、この実施例７の３次元アトムプローブ装置は上述の実施例６の３次元アトムプローブ装置のメカニカルチョッパ型開閉器をガルバノミラー型開閉器に置き換えただけであるので、ガルバノミラー型開閉器の構成のみを説明する。
【００６０】
図１２参照
図１２は、本発明の実施例７の３次元アトムプローブ装置に用いるガルバノミラー型開閉器の概略的構成図であり、支持軸４７に固定された回転軸４８を軸として回転自在に回転する遮蔽板４９からなる。
【００６１】
この場合、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン種の内、最も主要な測定対象となるイオン種の通過予想時間に合わせて遮蔽板４９を倒すように回転を制御することによって、イオン種を選別することができる。
【００６２】
このように、実施例７においては予めガルバノミラー型開閉器によって最も主要な測定対象となるイオン種を選択しているので、マルチターン型飛行イオン光路３０において周回を重ねても、異なった質量のイオン種の２次元位置検出器２５への到達時間の前後関係が入れ交わることがないので他元素からの妨害（ノイズ）を低減でき、より精度の高い分析が可能になる。
【実施例８】
【００６３】
次に、図１３を参照して、本発明の実施例８の３次元アトムプローブ装置を説明するが、この実施例８の３次元アトムプローブ装置は上述の実施例６の３次元アトムプローブ装置の平行化機構の直後に減速レンズを設けたものである。
【００６４】
図１３参照
図１３は、本発明の実施例８の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を平行ビームに整形する平行化機構１１、平行化されたイオンを減速する減速レンズ１７、減速されたイオン２２の内、最も主要な測定対象となるイオン種を選択的に通過させるメカニカルチョッパ型開閉器２６、メカニカルチョッパ型開閉器２６を通過したイオン２１を周回させるマルチターン型飛行イオン光路３０、マルチターン型飛行イオン光路３０から取り出したイオン２３を検出する２次元位置検出器２０によって基本構成が構成され、この場合も平行化機構１１の電磁レンズの焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置する。
【００６５】
この実施例８においては予めメカニカルチョッパ型開閉器２６によって最も主要な測定対象となるイオン種を選択しているので、マルチターン型飛行イオン光路３０において周回を重ねても、異なった質量のイオン種の２次元位置検出器２５への到達時間の前後関係が入れ交わることがないので他元素からの妨害（ノイズ）を低減でき、より精度の高い分析が可能になる。
また、減速レンズ１７によって、減速しているので、同じ周回回数でも分解能を向上することができる。
【実施例９】
【００６６】
次に、図１４を参照して、本発明の実施例９の３次元アトムプローブ装置を説明する。
図１４参照
図１４は、本発明の実施例９の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図であり、針状試料１０から離脱した構成原子のイオン２１を発散状態のままで入射する３段の扇形電場印加機構５１〜５３からなる蛇行型飛行イオン光路５０、及び、蛇行型飛行イオン光路５０から取り出したイオン２１を検出する２次元位置検出器２０から構成される。
【００６７】
この場合、扇形電場印加機構５１のエネルギー集束系の焦点位置に針状試料１０の先端部が位置するように配置するとともに、千鳥状に対向配置された各扇形電場印加機構５１の入出力部のエネルギー集束系の焦点が互いに一致するように配置する。
【００６８】
この場合も、蛇行型飛行イオン光路５０によって飛行距離を長くしているので、分解能を向上することができる。
なお、この場合の分解能も飛行距離に略比例するので、扇形電場印加機構の大きさ、段数、相互の対向距離に依存し、これらを調整することによって、奥行き方向に対して横方向の大きさをあまり大きくすることなくｍ／Δｍ＝３０００程度の分解能を実現することができる。
【００６９】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載した条件・構成に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、実施例１乃至実施例４においては、平行化機構を引出電極と静電レンズとを一体化して構成しているが別体で構成しても良いものであり、さらには、引出電極を設けることなく、静電レンズのみで平行化機構を構成しても良いものである。
【００７０】
また、上記の実施例１乃至実施例８においては、第４段目の扇形電場印加機構にイオンゲートを設けてイオンを取り出しているが、第２段目或いは第３段目の扇形電場印加機構にイオンゲートを設けてイオンを取り出し、この取り出しイオンゲートに対向するように２次元位置検出器を配置しても良いものである。
【００７１】
さらには、第２段目乃至第４段目の全ての扇形電場印加機構に取り出し用のイオンゲートを設けて任意の段数における扇形電場印加機構でイオンを取り出すようにしても良いものであり、２次元位置検出器の設置スペースに制限がある場合に有効となる。
【００７２】
また、上記の実施例７において、平行化機構１１とガルバノミラー型開閉器との間に減速レンズ１７を設けても良いものであり、それによって、同じ周回数で測定行う場合には、より分解能が高くなるとともに、予めイオン種を選択しているので他のイオン種によるノイズが低減され、より精度の高い分析が可能になる。
【００７３】
また、上記の実施例９においては、蛇行型飛行イオン光路を３段構成で構成しているが、３段構成に限られるものであり、必要とする分解能に応じて段数を設定すれば良い。
【００７４】
また、上記の実施例９においては平行化機構、減速レンズ、偏向器、或いは、開閉器を設けていないが、平行化機構及び／または減速レンズ及び／または偏向器或いは開閉器を設けても良いものである。
【００７５】
また、上記の実施例４或いは実施例５においては、偏向器として構成が簡単な静電偏向器を用いているが、静電偏向器に限られるものではなく、偏向磁石を用いることを排除するものではない。
【００７６】
ここで再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１） ３次元構造物体１に対し電界を印加し、前記電界による３次元構造物体１からの元素の離脱現象を利用して、前記３次元構造物体１における離脱した元素の位置および原子種を観察する３次元アトムレベル構造観察装置において、前記３次元構造物体１への電界印加後、３次元構造物体１から離脱した発散状の帯電原子種２に対し、電界レンズ或いは磁界レンズの少なくとも一方を用いて平行性の帯電原子種２に変更する平行化機構３を設けたことを特徴とする３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記２） 上記３次元構造物体１に近接配置する引出電極を、上記平行化機構３と機械的に一体構造としたことを特徴とする付記１記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記３） ３次元構造物体１に対し電界を印加し、前記電界による３次元構造物体１からの元素の離脱現象を利用して、前記３次元構造物体１における離脱した元素の位置および原子種２を観察する３次元アトムレベル構造観察装置において、前記３次元構造物体１への電界印加後、３次元構造物体１から離脱した発散状の帯電原子種２に対し、少なくとも１つの扇形電場印加機構５を通過させることを特徴とする３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記４） 上記扇形電場印加機構５の前段に、発散状の帯電原子種２を平行性の帯電原子種２に変更する平行化機構３を設けたことを特徴とする付記３記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記５） 上記扇形電場印加機構５を複数設け、上記帯電原子種２が同一軌道上を複数回周回したのち、位置検出機構６に入射させる周回制御機構を設けたことを特徴とする付記３または４に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記６） 上記扇形電場印加機構５を複数設け、前記各扇形電場印加機構５を１回のみ通過したのち位置検出機構６に入射させることを特徴とする付記３または４に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記７） 上記帯電原子種２に対して、特定の飛行時間の原子種２のみを選択する選別機構を設けたことを特徴とする付記３乃至６のいずれか１に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記８） 上記特定の飛行時間の原子種２のみを選択する選別機構が、偏向器であることを特徴とする付記７記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記９） 上記偏向器が、静電偏向器であることを特徴とする付記８記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記１０） 上記偏向器の通過したのち、上記少なくとも１つの扇形電場印加機構５に導入されない原子種の通過位置に検出器を設けたことを特徴とする付記８または９に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記１１） 上記特定の飛行時間の原子種２のみを選択する選別機構が、開閉器であることを特徴とする付記７記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記１２） 上記開閉器が、回転円盤によるメカニカルチョッパ型開閉器或いはバルバノミラー型開閉器のいずれかであることを特徴とする付記１１記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
（付記１３） 上記帯電原子種２に対して減速機構４を設けたことを特徴とする付記１乃至１２のいずれか１に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の活用例としては、原子量が接近しているＳｉとＰ等を分離して分析する必要のある半導体基板の不純物濃度分布の検出が典型的な検出対象であるが、原子量が接近していない場合の組成構造や界面状態等の分析・観察にも適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例１の３次元アトムプローブ装置の説明図である。
【図３】本発明の実施例２の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図４】マルチターン型飛行イオン光路の分解能の周回数依存性の説明図である。
【図５】マルチターン型飛行イオン光路内のイオン強度の周回数依存性の説明図である。
【図６】本発明の実施例３の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図７】本発明の実施例４の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図８】本発明の実施例５の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図９】本発明の実施例５の３次元アトムプローブ装置に用いる偏向器の概略的構成図である。
【図１０】本発明の実施例６の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図１１】本発明の実施例６の３次元アトムプローブ装置に用いるメカニカルチョッパ型開閉器の概略的構成図である。
【図１２】本発明の実施例７の３次元アトムプローブ装置に用いるガルバノミラー型開閉器の概略的構成図である。
【図１３】本発明の実施例８の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図１４】本発明の実施例９の３次元アトムプローブ装置の概念的構成図である。
【図１５】従来の３次元アトムプローブ法の原理の説明図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ ３次元構造物体
２ 帯電原子種
３ 平行化機構
４ 減速機構
５ 扇形電場印加機構
６ 位置検出機構
１０ 針状試料
１１ 平行化機構
１２ 引出電極
１３ 電磁レンズ
１４ コイル
１５ 磁極部材
１６ 非磁性部材
１７ 減速レンズ
１８ 偏向器
２０ ２次元位置検出器
２１ イオン
２２ イオン
２３ イオン
２４ イオン
２５ ２次元位置検出器
２６ メカニカルチョッパ型開閉器
２７ 回転円盤
２８ 開口部
３０ マルチターン型飛行イオン光路
３１ 扇形電場印加機構
３２ 扇形電場印加機構
３３ 扇形電場印加機構
３４ 扇形電場印加機構
３５ イオンゲート
３６ イオンゲート
３７ 静電４重極レンズ
３８ 静電４重極レンズ
３９ 静電４重極レンズ
４０ 静電４重極レンズ
４１ 静電４重極レンズ
４２ 静電４重極レンズ
４３ 偏向器
４４ 偏向器
４５ 偏向器
４６ 偏向器
４７ 支持軸
４８ 回転軸
４９ 遮蔽板
５０ 蛇行型飛行イオン光路
５１ 扇形電場印加機構
５２ 扇形電場印加機構
５３ 扇形電場印加機構
６１ 針状試料
６２ 構成物質
６３ 構成物質
６４ ２次元位置検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元構造物体に対し電界を印加し、前記電界による３次元構造物体からの元素の離脱現象を利用して、前記３次元構造物体における離脱した元素の位置および原子種を観察する３次元アトムレベル構造観察装置において、前記３次元構造物体への電界印加後、３次元構造物体から離脱した発散状の帯電原子種に対し、電界レンズ或いは磁界レンズの少なくとも一方を用いて平行性の帯電原子種に変更することを特徴とする３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項２】
３次元構造物体に対し電界を印加し、前記電界による３次元構造物体からの元素の離脱現象を利用して、前記３次元構造物体における離脱した元素の位置および原子種を観察する３次元アトムレベル構造観察装置において、前記３次元構造物体への電界印加後、３次元構造物体から離脱した発散状の帯電原子種に対し、少なくとも１つの扇形電場印加機構を通過させることを特徴とする３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項３】
上記扇形電場印加機構を複数設け、上記帯電原子種が同一軌道上を複数回周回したのち、位置検出機構に入射させる周回制御機構を設けたことを特徴とする請求項２記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項４】
上記帯電原子種に対して、特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構を設けたことを特徴とする請求項２または３に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項５】
上記特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構が、偏向器であることを特徴とする請求項４記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項６】
上記偏向器の通過したのち、上記少なくとも１つの扇形電場印加機構に導入されない原子種の通過位置に検出器を設けたことを特徴とする請求項５記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項７】
上記特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構が、開閉器であることを特徴とする請求項４記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項８】
上記帯電原子種に対して減速機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項１】
３次元構造物体に対し電界を印加し、前記電界による３次元構造物体からの元素の離脱現象を利用して、前記３次元構造物体における離脱した元素の位置および原子種を観察する３次元アトムレベル構造観察装置において、前記３次元構造物体への電界印加後、３次元構造物体から離脱した発散状の帯電原子種に対し、電界レンズ或いは磁界レンズの少なくとも一方を用いて平行性の帯電原子種に変更することを特徴とする３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項２】
３次元構造物体に対し電界を印加し、前記電界による３次元構造物体からの元素の離脱現象を利用して、前記３次元構造物体における離脱した元素の位置および原子種を観察する３次元アトムレベル構造観察装置において、前記３次元構造物体への電界印加後、３次元構造物体から離脱した発散状の帯電原子種に対し、少なくとも１つの扇形電場印加機構を通過させることを特徴とする３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項３】
上記扇形電場印加機構を複数設け、上記帯電原子種が同一軌道上を複数回周回したのち、位置検出機構に入射させる周回制御機構を設けたことを特徴とする請求項２記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項４】
上記帯電原子種に対して、特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構を設けたことを特徴とする請求項２または３に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項５】
上記特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構が、偏向器であることを特徴とする請求項４記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項６】
上記偏向器の通過したのち、上記少なくとも１つの扇形電場印加機構に導入されない原子種の通過位置に検出器を設けたことを特徴とする請求項５記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項７】
上記特定の飛行時間の原子種のみを選択する選別機構が、開閉器であることを特徴とする請求項４記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【請求項８】
上記帯電原子種に対して減速機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の３次元アトムレベル構造観察装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−４０９６６（Ｐ２００７−４０９６６Ａ）
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７７５３８（Ｐ２００６−７７５３８）
【出願日】平成１８年３月２０日（２００６．３．２０）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２０日（２００６．３．２０）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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