JP5262937B2 - 走査型プローブ光電子収量分光顕微法および走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は試料表面の局所的な電子構造分析を行うのに好適な走査型プローブ光電子収量分光顕微法および走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡に関する。

電子デバイス、光学デバイス、有機デバイス等において、表面状態を理解、制御することは素子特性、信頼性向上のために重要な要素となる。デバイスの小型化、複雑化などに伴い、表面の局所的な分析は特に重要である。

そのような技術としては、導体の表面形状を原子レベルで分析することができる走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）（G.Binning et al. Phys.Rev.Lett.50(1983)120）などに代表される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の研究が盛んである。また、近年では、近接場光を用いた近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）の登場により、従来の回折限界を超えた局所域への光の照射が可能となり、ナノスケールの材料分析が可能となった。

表面状態の分析の方法については特許文献１−５に開示がある。

特開平７−１２０４１８号公報 特開平７−１８１１５０号公報 特表２００１−５２０７５１号公報 特開２００５−２９２０１２号公報 特開平４−３０７５１０号公報

上述したＳＰＭなどはプローブ（あるいはカンチレバー）の汚染を抑制するなどの観点から真空環境下での測定を要する。ゆえに、デバイスの製造や使用環境下での表面状態の局所的な分析においては適さないという問題があった。

そして、大気を含む任意の環境下において、光の回折限界を超えて表面の局所的な電子構造評価を行う手段が確立されていない問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、近接場光を利用して表面の局所領域の分析を可能とし、かつ、大気を含む任意の環境下において表面状態の情報の取得を可能とする走査型プローブ光電子収量分光顕微法および走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡を提供することを目的とする。

本願の発明にかかる走査型プローブ光電子収量分光顕微法は、分光した近接場光をステージ上に搭載された試料に対し照射する近接場プローブを用いて、該試料の表面状態の情報を取得する走査型プローブ光電子収量分光顕微法であって、光電子スペクトルを取得するために該近接場光を該近接場光のエネルギーを変化させながら該試料に照射し、該近接場光の照射により該試料から放出される光電子を、該近接場プローブ先端の外壁部に形成され、かつ、大気を含むガス雰囲気下において空間電荷層が形成されないように正の高電圧にバイアスされた金属膜によって捕獲し、該光電子の捕獲による微小電流を測定し光電子スペクトルを取得することを特徴とする。

本願の発明にかかる走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡は、分光した近接場光を試料に照射し、該試料の表面状態の情報を取得する走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡であって、該試料を搭載し３次元方向の走査を行うステージと、外壁部には金属膜が形成され、かつ、先端に孔を有し、該孔から該試料に対し該近接場光を照射する近接場プローブと、該金属膜を該試料に対して、大気を含むガス雰囲気下において空間電荷層が形成されないように正の高電圧にバイアスする手段と、光電子スペクトルを取得するために該近接場光のエネルギーを変化させる手段と、該近接場光の照射によって該試料から放出される光電子が該金属膜に捕獲されることで生じる微小電流を測定し、光電子スペクトルを取得する手段とを備えたことを特徴とする。

本発明により近接場光を利用して表面の局所領域の分析ができる。

実施形態の走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡を説明する概念図である。 近接場プローブ先端の拡大図である。 走査型プローブ光電子収量分光顕微法について説明するフローチャートである。

実施の形態
実施形態は図１−３を参照して説明する。なお、同一材料または同一、対応する構成要素には同一の符号を付して複数回の説明を省略する場合がある。

図１は本実施形態の走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡を説明する概念図である。本実施形態の走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡は分光した近接場光を試料に照射し、試料の表面状態の情報を取得するものである。

本実施形態の走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡は試料１２を搭載し３次元方向の走査を可能とするｘｙｚステージ１４を備える。この試料１２の表面に、近接場プローブ１８から近接場光が照射される。近接場プローブ１８の先端部分は近接場プローブ先端２０と称する。図２には近接場プローブ先端２０の拡大図が示されている。図２に記載の通り、近接場プローブ先端２０は先鋭形状であり、かつ、光導波路４２が形成されている。光導波路４２は近接場プローブ先端２０だけでなく、近接場プローブ１８全体に渡って形成されており、励起光照射手段２２で生成した励起光を近接場光とし試料表面１３へ照射するために形成されるものである。本実施形態で励起光照射手段２２は光導波路４２へ励起光を供給するものであり、そのエネルギーを変化させる機能を有するものである。

図２に記載のように近接場プローブ先端２０の光導波路４２は先端で開放面を有し近接場光を照射できるように構成されている。近接場プローブ１８は光を伝送することが可能な光ファイバを用いるものであり、一般的には石英製のものが多い。しかしながら、深紫外光を効率よく伝送するプローブとして知られているフッ素を添加した石英製のものが用いられてもよい。また、近接場プローブ先端２０の先鋭化のための加工としてはファイバを加熱し引っ張りにより成形する方法や、緩衝フッ酸溶液による選択化学エッチングによる方法などが用いられる。

図２に記載のように近接場プローブ先端２０の外壁部には金属膜４０が形成されている。近接場プローブ先端の外壁部分には、散乱光のプローブ内への侵入を抑制するためにＡｌなどの金属でコーティングされる場合がある。本発明における金属膜４０は、後述する「光電子の捕獲」のための電極として用いるため、耐食性の高いＡｕやＲｈ等を用いることが望ましい。

本実施形態の走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡はさらに前述した金属膜４０を試料１２に対して正電位となるように電圧を印加する手段を備える。このような電圧印加手段は図２においてバイアス印加手段４８として示されている。さらに、近接場プローブ１８の位置を検出するために、レーザー照射器２６、反射鏡２８、反射鏡３０、位置検出器３２を備える。レーザー照射器２６で発生させられたレーザー光が反射鏡２８を介して近接場プローブ１８の背面に照射され、近接場プローブ１８からの反射光が反射鏡３０を介して位置検出器３２に達する。そして、位置検出器３２は近接場プローブ１８のたわみによる変位で生じる反射光の偏向位置を検出する。

さらに、光電子検出手段１６を備える。光電子検出手段１６は、前述した近接場光の照射によって試料表面１３から放出される光電子が金属膜４０に捕獲されることで生じる微小電流を測定する手段である。本実施形態の光電子検出手段１６は図２に示されるように微小電流計である。

そして、制御装置３４は、励起光照射手段２２から照射される光のエネルギーを制御したり、位置検出器３２から出力される近接場プローブ１８の位置情報に基づいてｘｙｚステージ１４のｚ軸方向の制御を行ったり、ｘｙ軸方向の走査を行い試料表面１３の像を得るための制御などを行う。さらに試料表面１３の像を表示する表示装置３６を備える。

本実施形態の走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡は上述の構成を備える。次いで、この走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡を用いた走査型プローブ光電子収量分光顕微法について図３を参照して説明する。

図３は本実施形態の走査型プローブ光電子収量分光顕微法について説明するフローチャートである。まず、ステップ１００において、近接場プローブ先端２０から試料表面１３へ近接場光が照射される。ここで、近接場光はエネルギーを変化させながら試料表面１３へ照射されるものである。近接場光の照射により光電効果が起こり試料表面１３から光電子４６が放出される。この光電子４６は試料１２に対して正電位にバイアスされた金属膜４０によって捕獲される。そして、光電子検出手段１６で光電子を電流として検出する。

ステップ１００を終えるとステップ１０２へと処理が進められる。ステップ１０２では、ステップ１００において近接場光のエネルギーを変化させながら微小電流を検出することにより得られた試料表面１３の元素固有の電子構造を反映した光電子スペクトルを作成する。光電子スペクトルは例えば光電子収量像として表示装置３６へ表示される。

ステップ１０２を終えるとステップ１０４へと処理が進められる。ステップ１０４では、試料１２の仕事関数およびイオン化ポテンシャルが求められる。すなわち、あらかじめ光電子増倍管などにより取得された近接場光のエネルギー強度スペクトル（図３において１０６で示す）と、前述の光電子スペクトルから光電子収量のスペクトルを求める。そして試料表面１３から光電子放出が始まるエネルギーを求めることで試料１２の仕事関数およびイオン化ポテンシャルを算出する。

本実施形態の走査型プローブ光電子収量分光顕微法および走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡によれば、近接場光を用いるため、光の回折限界を超えて表面状態の局所的な分析ができる。また、近接場光のエネルギーを変化させながら微小電流を検出することにより試料表面１３の元素固有の電子構造を反映した光電子スペクトルを生成できる。さらに、金属膜４０を試料１２に対して正バイアスとするため、空間電荷層が形成されず大気を含むガス雰囲気下での分析ができ、光電子の捕獲効率を高め、測定感度を向上させることができる。このような観点からは前述の正バイアスは高電圧であることが望ましい。

本実施形態の構成により、上述した分析に加えて試料表面１３の表面形状を測定することが可能である。すなわち、近接場プローブ１８と試料１２との間の原子間力やシェアフォースなどの相互作用力を測定することで試料表面１３の表面形状を測定できる。

本実施形態では近接場光のエネルギーを変化させながら試料表面に近接場光を照射することとしたが、そのエネルギーを固定して照射を行うことも考えられる。その場合、検出対象元素に特有の光電子収量を測定することにより試料表面の当該検出対象元素の分布を測定することができる。

また、本実施形態の測定を真空中で行った場合の電子構造と、任意の雰囲気下で行った場合の電子構造とを比較することにより、当該雰囲気ガスが試料表面の電子構造に与える影響について測定することもできる。

その他、様々な変形が考えられる。例えば、光電子スペクトルの取得のみで仕事関数やイオン化ポテンシャルを要しない場合は図３のステップ１０４を省略してもよい。

１２ 試料、 １６ 光電子検出手段、 １８ 近接場プローブ、 ２０ 近接場プローブ先端、 ２２ 励起光照射手段、 ４０ 金属膜、 ４４ 近接場光、 ４８ バイアス印加手段

Claims (6)

1. 分光した近接場光をステージ上に搭載された試料に対し照射する近接場プローブを用いて、前記試料の表面状態の情報を取得する走査型プローブ光電子収量分光顕微法であって、
   光電子スペクトルを取得するために前記近接場光を前記近接場光のエネルギーを変化させながら前記試料に照射し、
   前記近接場光の照射により前記試料から放出される光電子を、前記近接場プローブ先端の外壁部に形成され、かつ、大気を含むガス雰囲気下において空間電荷層が形成されないように正の高電圧にバイアスされた金属膜によって捕獲し、
   前記光電子の捕獲による微小電流を測定し光電子スペクトルを取得することを特徴とする走査型プローブ光電子収量分光顕微法。
2. 前記近接場プローブと前記試料との相互作用力により前記試料の表面形状をさらに測定する請求項１に記載の走査型プローブ光電子収量分光顕微法。
3. 光電子収量のスペクトルを取得するために、近接場光のエネルギー強度スペクトルを求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ光電子収量分光顕微法。
4. 分光した近接場光を試料に照射し、前記試料の表面状態の情報を取得する走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡であって、
   前記試料を搭載し３次元方向の走査を行うステージと、
   外壁部には金属膜が形成され、かつ、先端に孔を有し、前記孔から前記試料に対し前記近接場光を照射する近接場プローブと、
   前記金属膜を前記試料に対して、大気を含むガス雰囲気下において空間電荷層が形成されないように正の高電圧にバイアスする手段と、
   光電子スペクトルを取得するために前記近接場光のエネルギーを変化させる手段と、
   前記近接場光の照射によって前記試料から放出される光電子が前記金属膜に捕獲されることで生じる微小電流を測定し、光電子スペクトルを取得する手段とを備えたことを特徴とする走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡。
5. 前記近接場プローブと前記試料の相互作用力を測定し前記試料の表面形状を取得する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡。
6. 光電子収量のスペクトルを取得するために、近接場光のエネルギー強度スペクトルを求めることを特徴とする請求項４又は５に記載の走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡。

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