表面分析方法及表面分析装置与流程

本发明涉及分析固体试样的表面的方法及装置。

背景技术：

1、在作为电池用材料等使用的金属、半导体材料的研究与开发中，对固体试样的表面测量各种电特性或物性从而进行评价是非常重要的。此外，在进行附着于试样表面的污染物质的解析、金属的腐蚀的解析等时，也需要针对固体试样的表面测量电特性。

2、作为这样的测量固体表面的电特性的装置之一，已知有开尔文探针力显微镜(kel v i n probe force m i croscopy：kpfm)(参照非专利文献1～3)。如非专利文献1所示，可以说kpfm是主要用于掌握试样表面的形状的原子力显微镜(atomi c force m icroscope：afm)的发展形式。

3、在afm中，使前端锐利的探针一边在该探针的大致延伸方向上振动一边接近试样的表面，以该探针的振动的周期、振幅成为恒定的方式调整探针的前端与试样之间的距离，并且以非接触的方式使探针在该试样上移动。此时的探针的振动方向的面内的该探针的轨迹反映试样表面的凹凸，因此能够测量试样表面的形状。

4、在kpfm中，在像这样在探针振动的状态下对探针施加消除在该探针与试样之间产生的接触电位差这样的直流电压，基于该直流电压的值计算表面电位。此外，已知表面电位与功函数具有规定的关系，能够利用该关系根据表面电位求出功函数。

5、在目前市售的许多afm中，作为可选功能，能够进行基于kpfm的测量。此外，还有如非专利文献3公开那样的kpfm专用的制品。

6、现有技术文献

7、非专利文献

8、非专利文献1：大西洋，“熟练运用开尔文探针力显微镜(kpfm)”，《化学与工业》，2011年，vo l.64，pp.468-469

9、非专利文献2：佐藤宣夫等2人，“开尔文探针表面力显微镜的开发及其基础特性”，《千叶工业大学研究报告理工编》，2014年，no.61，pp.53-58

10、非专利文献3：“扫描型开尔文探针系统(skp系列)”，[在线]，[2021年11月4日检索]，株式会社东京仪器，互联网＜url：https://www.tokyo i nst.co.jp/products/detai l/work_funct i on_sur face_potent i a l_measurement/kt01/i ndex.htm l＞

11、非专利文献4：古桥治，“质子的二电子转移过程引起的分子二价离子的分光学”，电气通信大学博士(理学)论文，报告编号：甲第244号，2001年

12、非专利文献5：“离子散射分光”，[在线]，[2021年11月4日检索]，赛默飞世尔科技公司(thermo f i sher sc i ent i f i c i nc.)，互联网＜url：https://www.jp.xpssimp l i f i ed.com/i on_scatter i ng_spect roscopy.php＞

技术实现思路

1、发明要解决的技术问题

2、通过利用kpfm，能够以非破坏且非接触的方式，将金属材料或半导体材料的特性分布、金属表面的腐蚀状态等作为表面电位或功函数的二维分布的变化来掌握。此外，在非专利文献3所记载的kpfm中，不仅能够测量金属材料、半导体材料，还能够测量氧化物等电介质材料。然而，在使用kpfm的表面电位分布测量中存在以下问题。

3、(1)在kpfm中，需要一边反复探索消除试样与探针之间的接触电位这样的电压，一边使探针在试样表面上移动。因此，与通常的afm相比，需要减慢探针的移动速度(即扫描速度)，花费较长的测量时间。这导致测量处理量的降低。此外，在想要得到试样上的遍及较广范围的表面电位分布时，若测量时间长，则由于测量中的试样的热膨胀或收缩，得到的分布图像有可能变形。

4、(2)在kpfm中，通常使用激光检测探针的微小的位移。因此，在试样具有光学活性的情况下，若源自上述激光的光照射到试样，则有可能对测量造成影响。

5、(3)在kpfm中，需要用于将探针与试样之间的距离高精度地维持为恒定的反馈电路等，因此装置的构成复杂，装置昂贵。

6、进而，在新型材料的研究与开发中，想要使用相同的装置同时获取固体试样的表面中的各种电特性、物性等信息这样的期望也很强烈。但是，能够通过kpfm测量的限于试样上的某个部位的表面电位、功函数及它们的分布，而无法通过afm、kpfm测量例如固体表面中的第二电离能、电子的自旋(sp i n)状态等信息。

7、本发明是为了解决上述技术问题中的至少一个而完成的，其主要目的在于提供一种能够在短时间内高效地测量固体试样中的表面电位的分布等的表面分析方法及装置。

8、此外，本发明的另一目的在于提供一种能够在获取固体试样的表面电位的同时一并获取除此以外的与固体表面的电特性、物性相关联的信息的表面分析方法及装置。

9、用于解决上述技术问题的方案

10、本发明所涉及的表面分析方法的一方案具有：

11、离子照射工序，以规定的入射角对固体试样的表面照射动能一致的特定的离子种类的离子流；

12、观测工序，对所述离子流观测与存在于所述固体试样的表面的原子或分子之间发生电荷转移反应并散射的离子；

13、信息计算工序，基于所述观测工序中的离子的观测结果，求出与所述固体试样的表面中的电特性或物性相关的信息。

14、此外，本发明所涉及的表面分析装置的一方案具备：

15、离子照射部，以规定的入射角对固体试样的表面照射动能一致的特定的离子种类的离子流；

16、观测部，对所述离子流观测与存在于所述固体试样的表面的原子或分子之间发生电荷转移反应并散射的离子；

17、信息计算部，基于所述观测部对离子的观测结果，求出与所述固体试样的表面中的电特性或物性相关的信息。

18、发明效果

19、根据本发明所涉及的表面分析方法及表面分析装置的上述方案，不需要在kpfm中实施的探索消除接触电位的电压那样的麻烦的操作，因此能够在短时间内获取例如固体试样的表面上的某一点的表面电位等信息。此外，即使在获取固体试样的表面上的规定的一维区域或二维区域内的表面电位的分布的情况下，也能够在与kpfm相比足够短的测量时间内得到其结果。由此，能够实现测量的处理量的提高，并且能够不受测量中的试样的热膨胀与收缩的影响地得到良好的分布图像。

20、此外，根据本发明所涉及的表面分析方法及表面分析装置的上述方案，除了获取表面电位、由其求得的功函数等信息以外，还能够一并获取固体表面中的第二电离能、电子的自旋状态等在现有的装置中难以获取的与固体表面相关的有用的信息。由此，例如针对金属等导电体材料、半导体材料等，能够得到以往无法得到的新的认知。

技术特征：

1.一种表面分析方法，其特征在于，具有：

2.如权利要求1所述的表面分析方法，其特征在于，与所述固体试样的表面中的电特性或物性相关的信息为第二电离能、表面电位或电子的自旋状态中的至少任一个。

3.如权利要求1所述的表面分析方法，其特征在于，所述特定的离子种类为质子，在所述观测工序中，观测在所述固体试样的表面产生电荷反转并且散射的负极性的氢离子。

4.如权利要求1所述的表面分析方法，其特征在于，以在该表面上二维地扫描所述固体试样的表面中的离子流的照射位置的方式使该离子流及/或该固体试样移动，在所述信息计算工序中，使用伴随该移动而得到的信息来进行所述固体试样的表面中的该信息的映射。

5.如权利要求1所述的表面分析方法，其特征在于，在所述离子照射工序中，变更离子流向所述固体表面的入射角度，在所述观测工序中，通过变更作为观测对象的离子的散射角度，能够观测不伴随电荷转移反应而散射的离子。

6.如权利要求1所述的表面分析方法，其特征在于，在对所述固体试样施加了电压的状态下，进行基于所述离子照射工序、所述观测工序及所述信息计算工序的、与所述固体试样的表面中的电特性或物性相关的信息的获取。

7.如权利要求1所述的表面分析方法，其特征在于，通过来自外部的作用使所述固体试样的状态变化，在所述信息计算工序中，获取与所述固定试样的状态变化的有无的差异相应的信息。

8.如权利要求1所述的表面分析方法，其特征在于，在空间上缩窄与所述固体试样的表面接触的离子流，获取针对该固体试样的表面中的微小区域的信息。

9.如权利要求1所述的表面分析方法，其特征在于，在所述离子照射工序中，对所述固体试样的表面间歇地照射离子流，在所述观测工序中，与照射离子流的期间相对应地观测散射离子。

10.一种表面分析装置，其特征在于，具备：

11.如权利要求10所述的表面分析装置，其特征在于，所述信息计算部求出第二电离能、表面电位或电子的自旋状态中的至少一个作为所述信息。

12.如权利要求10所述的表面分析装置，其特征在于，所述特定的离子种类是质子，所述观测部观测在所述固体试样的表面产生电荷反转并且散射的负极性的氢离子。

13.如权利要求10所述的表面分析装置，其特征在于，还具备：扫描部，所述扫描部以在该表面上二维地扫描所述固体试样的表面中的离子流的照射位置的方式使该离子流及/或该固体试样移动，所述信息计算部使用伴随由所述扫描部实现的离子流及/或固体试样的移动而得到的信息，进行所述固体试样的表面中的该信息的映射。

14.如权利要求10所述的表面分析装置，其特征在于，所述离子照射部能够变更离子流相对于所述固体试样的入射角度，所述观测部能够变更作为观测对象的离子的散射角度。

15.如权利要求10所述的表面分析装置，其特征在于，还具备对所述固体试样施加电压的电压施加部。

16.如权利要求10所述的表面分析装置，其特征在于，还具备通过来自外部的作用使所述固体试样的状态变化的变化引发部，所述信息计算部获取与由所述变化引发部引起的所述固定试样的状态变化的有无的差异相应的信息。

17.如权利要求10所述的表面分析装置，其特征在于，所述离子照射部包含在空间上缩窄与所述固体试样的表面接触的离子流的缩小部。

18.如权利要求10所述的表面分析装置，其特征在于，所述离子照射部能够间歇地照射离子流。

技术总结
本发明的表面分析装置的一方案具备：离子照射部(10、11、12、13)，以规定的入射角对固体试样(S)的表面照射动能一致的特定的离子种类的离子流；观测部(16、17、18)，对离子流观测与存在于固体试样的表面的原子或分子之间产生电荷转移反应并散射的离子；以及信息计算部(2)，基于观测部对离子的观测结果求出与固体试样的表面中的电特性或物性相关的信息。由此，能够在短时间内高效地获取固体试样的表面电位等与电特性、物性相关的信息的分布。

技术研发人员：古桥治
受保护的技术使用者：株式会社岛津制作所
技术研发日：
技术公布日：2024/7/11