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

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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。