JP4717481B2 - 走査型プローブ顕微鏡システム - Google Patents

Description

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。

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、ナノ構造自体については、複数のナノ構造評価手法から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。

しかしながら、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から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。

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、これを観察しよ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しいことが指摘されていた。

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）。

ここで、上記した非特許文献１ならびに非特許文献２に開示されている技術においては、ビーム径がφ１〜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φ１〜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ーとして用いて励起された特定元素からの放出電子をとらえるようにしていた。

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１０μｍオーダーにとどまっ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。
Ｋ．Ｔｓｕｊｉ ｅｔ ａｌ．， Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．， ３７，Ｌ１２７１−１２７３（１９９８） Ｔ．Ｍａｔｓｕｓｈｉｍａ ｅｔ ａｌ．， Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．， ７５，（２００４）２１４９

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ようとするものである。

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Ｓ／Ｎ比の極めてよい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Ｓ／Ｎ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。

即ち、本発明は、測定対象に対してビーム径が１ｍｍよりも小径な高輝度単色Ｘ線を、上記測定対象への入射角を浅くして全反射条件で照射するＸ線照射手段と、上記測定対象に対してトンネル条件で配置される探針と、上記探針を介して上記高輝度単色Ｘ線励起によるトンネル電流の変化を検出して処理する処理手段と、上記測定対象と上記探針と上記測定対象に対する上記高輝度単色Ｘ線の入射位置とを相対的に移動する走査手段と、上記高輝度単色Ｘ線が透過した影で上記測定対象の領域内の観察を可能にする密度の高い蛍光結晶よりなるスクリーンを備えた監視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。

また、本発明は、上記処理手段が、上記測定対象へ入射される上記高輝度単色Ｘ線エネルギーが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検出するようにしたものである。

また、本発明は、上記Ｘ線照射手段から照射される上記高輝度単色Ｘ線のＸビーム径を、１μｍ以上１００μｍ以下であるようにしたものである。

また、本発明は、上記Ｘ線照射手段が、上記測定対象に対して全反射条件により上記高輝度単色Ｘ線を照射するように配置されたものである。

また、本発明は、上記走査手段が、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線照射手段から照射される上記高輝度単色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線照射手段から照射される上記高輝度単色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上記高輝度単色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。

また、本発明は、上記監視手段が、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ようにしたものである。

また、本発明は、上記監視手段が、上記Ｘ線照射手段から照射される上記高輝度単色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１ｍｍ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ー部材と、上記アパーチャー部材のピンホールを通過した上記高輝度単色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ーと、上記測定対象に照射された上記高輝度単色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上記高輝度単色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蛍光結晶よりなるスクリーンと、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。

また、本発明は、上記探針が、先端以外を絶縁コーティングされるようにしたものである。

また、本発明は、上記探針を、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。

また、本発明は、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。
また、本発明は、上記高輝度単色Ｘ線を、約０．１°の入射角で上記測定対象に入射するようにしたものである。
また、本発明は、上記高輝度単色Ｘ線のビーム径を約１０μｍにしたものである。

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。

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。

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いる。

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２４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く、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１ｍｍよりも小径、例えば、約φ１０μｍ程度（φ１０μｍが好ましい。）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φ１〜数ｍｍであった。）。

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α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φ１〜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きるようになる。

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φ１０μｍ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ーとして用いており、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φ１０μｍ程度まで小さく絞っても、放出電子の放出エリアは１０μｍ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φ１０μｍ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、放出電子ではなく、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で放出電子を集めるのではなく、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いる。

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、Ｓ／Ｎ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Ｓ／Ｎ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い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ＸＹＺ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。）とを備えている。

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φ１０μｍ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列に配置されたアパーチャー部材４２ａと、アパーチャー部材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ー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８００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いる。

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の光源から高輝度単色Ｘ線が照射されると、当該高輝度単色Ｘ線はアパーチャー部材４２ａの６個のピンホール４２ａ−１、４２ａ−２、４２ａ−３、４２ａ−４、４２ａ−５、４２ａ−６のいずれかを通過し、そのビーム強度がイオンチャンバー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を設けたが、入射光の輝度によっては、こうした吸収板４２ｃを設けなくてもよいことは勿論である。

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φ１０μｍ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く、密度の高い蛍光結晶が用いられている。

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いように、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いる。

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っ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像が示されている。

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い位置合わせを行うために、アパーチャー部材４２ａの６個のピンホール４２ａ−１、４２ａ−２、４２ａ−３、４２ａ−４、４２ａ−５、４２ａ−６のうちで径がφ８００μｍの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φ８００μｍ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倍に拡大した像を示すものであり、図４（ｂ）は光学顕微鏡システム４２ｅにより影絵を８００倍に拡大した像を示すものである。

この図４（ｂ）に示す８００倍の高倍率の状態で、アパーチャー部材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φ１０μｍ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φ１０μｍ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い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かかる時間は約２時間であった。目視不可能なビーム径がφ１０μｍ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（１１１）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。）。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（１１．１１ｋｅＶ）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、高い空間分解能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。）。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１０μｍ程度に比べて１０ｎｍ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φ１０μｍ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０．１°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φ１０μｍ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、放出電子ではなく、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った。

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が、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よい。

（２）上記した実施の形態においては、アパーチャー部材４２ａは６個のピンホール４２ａ−１、４２ａ−２、４２ａ−３、４２ａ−４、４２ａ−５、４２ａ−６を備え、粗い位置合わせか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が、これに限られるものではないことは勿論であり、アパーチャー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φ１０μｍにした場合を例示したが、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、１μｍ以上１００μｍ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Ｓ／Ｎ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い。

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。

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は、走査機構の概念構成説明図である。 図３は、モニタリング機構の概念構成説明図である。 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像である。 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す走査型トンネル顕微鏡像である。

符号の説明

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 アパーチャー部材
４２ａ−１、４２ａ−２、４２ａ−３、４２ａ−４、４２ａ−５、４２ａ−６ ピンホール
４２ｂ イオンチャンバー
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

Claims (12)

1. 測定対象に対してビーム径が１ｍｍよりも小径な高輝度単色Ｘ線を、前記測定対象への入射角を浅くして全反射条件で照射するＸ線照射手段と、
   前記測定対象に対してトンネル条件で配置される探針と、前記探針を介して前記高輝度単色Ｘ線励起によるトンネル電流の変化を検出して処理する処理手段と、前記測定対象と前記探針と前記測定対象に対する前記高輝度単色Ｘ線の入射位置とを相対的に移動する走査手段と、前記高輝度単色Ｘ線が透過した影で前記測定対象の領域内の観察を可能にする密度の高い蛍光結晶よりなるスクリーンを備えた監視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いて、
   前記処理手段は、前記測定対象へ入射される前記高輝度単色Ｘ線エネルギーが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検出する
   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前記高輝度単色Ｘ線のＸビーム径は、１μｍ以上１００μｍ以下である
   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前記高輝度単色Ｘ線を照射するように配置された
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
5. 請求項１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線照射手段から照射される前記高輝度単色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前記探針の先端を前記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前記θステージの回転中心を前記Ｘ線照射手段から照射される前記高輝度単色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前記高輝度単色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に記載の走査型プローブ顕微鏡システムにおいて、
   前記監視手段は、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
   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いて、
   前記監視手段は、
   前記Ｘ線照射手段から照射される前記高輝度単色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１ｍｍ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ー部材と、
   前記アパーチャー部材のピンホールを通過した前記高輝度単色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ーと、
   前記測定対象に照射された前記高輝度単色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前記高輝度単色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蛍光結晶よりなるスクリーンと、
   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エ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、
    超高真空環境において動作させる
    ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
11. 請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡システムにおいて、
    前記高輝度単色Ｘ線は、約０．１°の入射角で前記測定対象に入射する
    ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡システム。
12. 請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡システムにおいて、
    前記高輝度単色Ｘ線は、ビーム径が約１０μｍ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。