巨大クラスターイオン衝撃による極端環境場を利用した超高感度材料分析

2008 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06J02328
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 二宮 啓 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• キーワード: 質量分析 / クラスター / 二次イオン / 深さ方向分析

研究概要

二次イオン質量分析法(SIMS)は重要な表面分析法の1つであるが、近年半導体や金属材料においては表面局所分析の感度向上や数ナノメートルオーダの深さ方向分解能が要求され、また有機無機の混在する多層膜や生体組織中の生体高分子についてはそれらの分子を破壊することなくイオン化することも求められている。しかし既存のSIMS装置でプローブとして使われている単原子や二原子分子のイオンビームを用いる限り、これまでのSIMS分析の性能向上や有機物でのSIMSによる深さ方向分析は原理的に不可能であった。本研究ではそれらの現状を打破する技術としてサイズが数100原子以上の巨大クラスターをプローブとして用いることを提唱している。第3年度目の研究では有機物試料で実際にSIMSによる深さ方向分析を実施するため、ビームスキャン用ディフレクタを設置し、かつエッチングと分析を連続的に行なえるシステムを構築した。実験ではITO/GLASS基板上にスピンコーティング法により作製したPoly methyl methacrylate、Polystyrene、Polycarbonate等の代表的な高分子薄膜試料(膜厚は数10nmから100nm程度)や真空蒸着法により作製した有機物半導体材料からなる多層膜試料を5.5keVのArクラスタービームを用いて分析した。この実験ではエッチングを続けても有機物試料と基板との界面に到達するまで二次イオン強度は一定を維持し、界面に到達した後ではそのシグナルは速やかに減少した。少なくとも二桁以上のダイナミックレンジが得られたため、有機物試料と基板との界面は容易に判別可能であった。また深さ方向分解能の指標となる二次イオン強度の84-16%遷移距離は10nm以下と非常に高い深さ方向分解能が得られることも判明した。

研究成果

• [雑誌論文] Precise and fast SIMS depth profiling of polymer materials with large Ar cluster ion beams (2009)
  • 著者名/発表者名: S. Ninomiya, K. Ichiki, H. Yamada, Y. Nakata, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Rapid Communications in Mass Spectrometry (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] SIMS Depth Profiling of Organic Materials with Ar Cluster Ion Beam (2009)
  • 著者名/発表者名: S. Ninomiya, K. Ichiki, H. Yamada, Y. Nakata, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Transactions of the Materials Research Society of Japan accepted
  • 査読あり
• [雑誌論文] The emission process of secondary ions from solids bombarded with large gas cluster ions (2009)
  • 著者名/発表者名: S. Ninomiya, K. Ichiki, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B accepted
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low Damage Etching of Polymer Materials for Depth Profile Analysis Using Large Ar Cluster Ion Beam (2009)
  • 著者名/発表者名: S. Ninomiya, K. Ichiki, H. Yamada, Y. Nakata, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Journal of Surface Analysis 15, No.3 ページ: 275-278
  • 査読あり
• [雑誌論文] Size-selected High Density Large Gas Cluster Ion Beam Irradiation (2009)
  • 著者名/発表者名: K. Ichiki, S. Ninomiya, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Transactions of the Materials Research Society of Japan accepted
  • 査読あり
• [雑誌論文] Processing Techniques of Biomaterials : Using Gas Cluster Ion Beam for Imaging Mass Spectrometry (2009)
  • 著者名/発表者名: H. Yamada, K. Ichiki, Y. Nakata, S. Ninomiya, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Transactions of the Materials Research Society of Japan accepted
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Processing Technique of Cell Surface Using Gas Cluster Ions for Imaging Mass Spectrometry (2009)
  • 著者名/発表者名: H. Yamada, K. Ichiki, Y. Nakata, S. Ninomiya, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Journal of the Mass Spectrometry Society of Japan accepted
  • 査読あり
• [雑誌論文] Imaging Mass Spectrometry with Nuclear Microprobes for Biological Applications (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakata, H. Yamada, Y. Honda, S. Ninomiya, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of crater formation and sputtering process with largegas cluster impact by molecular dynamics simulations (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Aoki, T. Seki, S. Ninomiya, K. Ichiki. J. Matsuo
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Matrix-free high-resolution imaging mass spectrometry with high-energy ion projectiles (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakata, Y. Honda, S. Ninomiya, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Journal of Mass Spectrometry 44 ページ: 128-136
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low Damage Etching and SIMS Depth Profiling with Large Ar Cluster Ions (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Ninomiya, K. Ichiki, H. Yamada, Y. Nakata, Y. Honda, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Transactions of the Materials Research Society of Japan 33[4] ページ: 1043-1046
  • 査読あり
• [雑誌論文] A fragment-free ionization technique for organic mass spectrometry with large Ar cluster ions (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Ninomiya, Y. Nakata, Y. Honda, K. Ichiki, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Applied Surface Science 255 ページ: 1588-1590
  • 査読あり
• [雑誌論文] Secondary ion emission from Si bombarded with large Ar cluster ions under UHV conditions (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Ninomiya, K. Ichiki, Y. Nakata, Y. Honda, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Applied Surface Science 255 ページ: 880-882
  • 査読あり
• [雑誌論文] SIMS Analysis of Biological Mixtures with Fast Heavy Ion Irradiation (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Honda, Y. Nakata, S. Ninomiya, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Transactions of the Materials Research Society of Japan 33[4] ページ: 1039-1041
  • 査読あり
• [雑誌論文] What size of cluster is most appropriate for SIMS? (2008)
  • 著者名/発表者名: J. Matsuo, S. Ninomiya, Y. Nakata, Y. Honda, K. Ichiki, T. Seki, T. Aoki
  • 雑誌名: Applied Surface Science 255 ページ: 1235-1238
  • 査読あり
• [雑誌論文] MD simulation study of the sputtering process by high-energygas cluster impact (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Aoki, T. Seki, S. Ninomiya, J. Matsuo
  • 雑誌名: Applied Surface Science 255 ページ: 944-947
  • 査読あり
• [雑誌論文] High sputtering yields of organic compounds by large gas cluster ions (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Ichiki, S. Ninomiya, Y. Nakata, Y. Honda, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Applied Surface Science 255 ページ: 1148-1150
  • 査読あり
• [雑誌論文] Yield enhancement of molecular ions with MeV ion-induced electronic excitation (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakata, Y. Honda, S. Ninomiya, T. Seki. T. Aoki, J. Matsuo
  • 雑誌名: Applied Surface Science 255 ページ: 1591-1594
  • 査読あり
• [雑誌論文] 高速重イオンを利用したイメージング質量分析 (2008)
  • 著者名/発表者名: 中田由彦, 山田英丙, 本田善郎, 二宮啓, 瀬木利夫, 青木学聡, 松尾二郎
  • 雑誌名: Journal of the Mass Spectrometry Society of Japan 56(4) ページ: 201-208
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recent Progress in Cluster Ion Beam-Towards Nano-Processing and Advanced Material Analysis (クラスターイオンの新しい展開〜ナノプロセスから先端分析応用〜) (2008)
  • 著者名/発表者名: J. Matsuo, S. Ninomiya, T. Aoki, T. Seki
  • 雑誌名: Journal of Surface Analysis 14, No.3 ページ: 196-203
  • 査読あり
• [学会発表] Arクラスターイオンによるポリマー試料のSIMS深さ方向分析 (2009)
  • 著者名/発表者名: 二宮啓
  • 学会等名: 第56回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 筑波大
  • 年月日: 2009-03-30
• [学会発表] Low Damage Etching of Polymer Materials for Depth Profile Analysis Using Large Ar Cluster Ion Beam (2009)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ninomiya
  • 学会等名: The international workshop for Surface Analysis and Standardization' 09 (iSAS09)
  • 発表場所: Okinawa Convention Center, Okinawa
  • 年月日: 2009-03-18
• [学会発表] SIMS depth profiling of organic films with Ar cluster ion beams (2009)
  • 著者名/発表者名: 二宮啓
  • 学会等名: 9th Workshop on Cluster Ion Beam Technology
  • 発表場所: AIST, Tokyo Waterfront
  • 年月日: 2009-03-12
• [学会発表] SIMS Depth Profiling of Organic Materials with Ar Cluster Ion Beam (2008)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ninomiya
  • 学会等名: The IUMRS International Conference in Asia 2008 (IUMRS-ICA2008)
  • 発表場所: Nagoya Congress Center, Nagoya
  • 年月日: 2008-12-10
• [学会発表] 巨大クラスターイオンを用いたポリマー材料の二次イオン測定 (2008)
  • 著者名/発表者名: 二宮啓
  • 学会等名: 第69回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 中部大
  • 年月日: 2008-09-03
• [学会発表] ArクラスターSIMSによる有機EL薄膜の深さ方向分析 (2008)
  • 著者名/発表者名: 二宮啓
  • 学会等名: 第69回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 中部大
  • 年月日: 2008-09-02
• [学会発表] Emission process of secondary ions from solids with large gas cluster ions (2008)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ninomiya
  • 学会等名: 23rd International Conference on Atomic Collisions in Solids (ICACS23)
  • 発表場所: Phalaborwa, South Africa
  • 年月日: 2008-08-19
• [学会発表] High-rate and low-damage etching of organic materials with large gas cluster ions (2008)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ninomiya
  • 学会等名: 21st Annual SIMS Workshop
  • 発表場所: San Antonio, Texas, USA
  • 年月日: 2008-05-15
• [備考]
  • URL: http://sakura.nucleng.kyoto-u.ac.jp/