3D shave-off分析法の開発と装置化

• Project/Area Number: 19H02743
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 34020:Analytical chemistry-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 尾張 真則 東京大学, 環境安全研究センター, 教授 (70160950)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2021: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2019: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
• Keywords: 二次イオン質量分析法 / 三次元分析

Outline of Research at the Start

一辺が数マイクロメートルの固体を試料として，1～2時間の分析時間で，高い空間分解能と高感度での三次元分析ができる表面分析法を開発して装置化する。目標とする空間分解能は，X軸とY軸が数ナノメートル，Z軸が数10ナノメートルである。基礎となる分析法は，高い面方向分解能で，高感度なガリウム収束イオンビーム二次イオン質量分析法である。この目標を達成するために，一辺が数マイクロメートルのshave-off断面から同時に放出された複数のイオンをエネルギー収束・質量分散し，多元素を同時に，かつ元素ごとにZ軸方向で拡大結像できる検出原理を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

【改良二次イオン光学系の基本設計】前年度設計した二次イオン光学系には真空排気への考慮の不足、部品製作の困難性、組み立ての困難性などの問題点が発覚したため、新たに改良二次イオン光学系を設計した。設計にあたっては、結像特性の劣化を防ぐための二次イオン引出部の軸対称性、二次イオン放出角度分布の非対称性を補償するための二次イオン飛行軸補正、質量分析機能を支配する質量分散面内と断面縦方向拡大投影機能を支配する鉛直結像面内それぞれの独立した収束特性などを考慮した。
【イオン光学シミュレーションによるパラメータ最適化】基本設計に基づき、光学要素の幾何学的形状ならびにレンズ強度を決定する静電的パラメータの最適値を求めた。これに基づきイオン光学電極部品ならびに制御電源を設計した。シミュレーションにより、部品加工誤差と組立て誤差、印加電圧の必要精度を明らかにし、これらを満たすような仕様で、機械加工については外注により、電源については自作により製作した。
【試作二次イオン光学系の動作確認】試作した二次イオン光学系を一次イオンビーム照射装置に取り付け、実際に一次イオンを照射して二次イオン光学系による二次イオンの観察を試みた。取り付けにおいては既存の収束イオンビームとの精密な位置調整を行い、Shave-off条件で試料に一次イオンビームを照射することに成功した。発生した二次イオンが輸送光学系出口まではほぼ設計通り二次イオンが飛行することが確認でき、質量分析器に適切に入射させることができることがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2019年度中に、二次イオン光学系設計にとって重要な二次イオン放出に関する主要なパラメータを取得できている。2020年度はこれに基づき、二次イオンを質量分析器にまで導きつつ質量分析器の検出位置に試料断面の鉛直方向の拡大像を結像するための二次イオン光学系を設計し、質量分析器の入り口までは計画通りにイオンを輸送できることを確認した。質量分析器そのものは技術的に確立しているMattauch-Herzog型二重収束質量分析器であるため、今年度までに試作した二次イオン光学系を質量分析器に接続することで、当初目的とした三次元Shave-off分析を実現できる段階に達したと考えられる。

Strategy for Future Research Activity

研究代表者の科研費応募資格喪失に伴い、2020年度までで科研費による研究を終了する。

Research Products

• [Journal Article] Simulation of Secondary Ion Position on the Detector for Three-dimensional Shave-off Method (2020)
  • Author(s): So-Hee Kang, Shinnosuke Kishi, Kohei Matsumura, Bunbunoshin Tomiyasu, Masanori Owari
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology Volume: 18 Issue: 0 Pages: 116-120
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2020.116
  • NAID: 130007827474
  • ISSN: 1348-0391
  • Year and Date: 2020-04-02
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Study on the design of secondary ion optics to develop 3D shave-off SIMS (2019)
  • Author(s): Shinnosuke Kishi,Kohei Matsumura,So-Hee Kang,Bunbunoshin Tomiyasu,Masanori Owari
  • Organizer: 12th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simulation of secondary ions position on the detector for three-dimensional shave-off method (2019)
  • Author(s): So-Hee Kang,Shinnosuke Kishi,Kohei Matsumura,Bunbunoshin Tomiyasu,Masanori Owari
  • Organizer: 12th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '19
  • Int'l Joint Research