3次元アトムプローブ(3DAP)3 Dimensional Atom Probe (Atom Probe Tomography)

3DAP(3次元アトムプローブ)は、微小領域において原子レベルの空間分解能と高い検出感度を有し、得られたデータから任意領域の抽出・解析を行うことで、鉄鋼などの結晶粒界における微量元素の分布や、半導体などの薄膜積層膜の界面評価などに適した分析手法です。

原理

先端径100nm程度の先鋭な針状試料に~10kV程度の正電圧をかけると、試料最先端で高電界となり電界蒸発現象1)が発生します。電界蒸発したイオンは2次元検出器によって原子配列が特定されます。また、検出器に到達するまでの飛行時間からイオン種も同定されます。このようにして個々に検出されたイオンを深さ方向へ連続的に検出し、検出された順番にイオンを並べる(データを再構築する)ことで3次元の原子分布が得られます。

1) 電界蒸発:試料表面の中性原子が正イオン化し表面から脱離する現象

3次元アトムプローブ(3DAP) の原理図
3DAPの基本原理図

特徴

試料の元素情報と3次元構造を原子レベルで解析できる手法で、二次イオン質量分析(SIMS)並みの感度と透過型電子顕微鏡(TEM)並みの空間分解能をもつ3次元解析手法です。また、得られたデータにおいて任意領域の抽出・解析が可能で、お客様のご要望に合わせ、さまざまな解析データをご提供します。

  • 高い空間分解能と質量分析による原子レベルの3次元構造の解析
  • ナノレベルの界面・クラスタ・粒界などへの元素分布の解析
3DAP・SIMS・TEMにおける特徴
  3DAP SIMS TEM
3次元イメージ 限定的 限定的
空間分解能 x,y 0.5nm 1µm~ 0.2nm
z 0.2nm 0.3nm 0.2nm
検出限界 100ppm 1ppb 1,000ppm

用途

半導体デバイス・化合物半導体・太陽電池・金属材料・セラミックスなどに適用します。

【適用実績】

  • 半導体デバイスにおける不純物分析
  • GaN-SBDのリーク転位へのドーパント偏析分析
  • GaN-LEDのMQW異常箇所の観察
  • GaAs系LDにおけるwell層の分析
  • Nb3Al超電導体の積層欠陥分析
  • Ni基超合金のγ相組成分析
  • EBSDで判別したステンレス異相粒界の元素偏析
  • Cu合金中の析出物、粒界偏析分析
  • 鉱物焼結体の粒界偏析分析
  • セラミック焼結体の粒界偏析分
  • セラミックコンデンサの誘電体/電極界面への元素偏析分析 など
Fin型トランジスタの模式図

3DAP分析の流れ

3DAP分析の流れ

事例1 Si超格子の深さ方向高分解能解析

φ極微小領域[φ50×30(nm)]における、1nm間隔に積層された質量数の異なるシリコン(28Siと30Si)を明確に分離しました。

Si超格子の深さ方向高分解能解析(3DAP像、Mass Spectrum)
Si超格子の深さ方向高分解能解析(Fin底部のマススペクトル)
Fin底部のマススペクトル

※試料ご提供元:慶應義塾大学 伊藤研究室 様

事例2 3DAP像から特定箇所を抽出

得られた3DAP像を基に、任意の領域を抜き取り詳細解析を行うことができます。

等濃度面を用いた界面表示

※試料ご提供元:東京大学 杉山先生

解析手法1 等濃度面を用いた界面表示

等濃度面は単位体積(Voxel)中の濃度が等しいVoxel同士を繋げて作成した面であり、界面の可視化や局所的な濃度分布を表示できます。

等濃度面を用いた界面表示

解析手法2 プロキシグラム (Proxigram)

等濃度面を基準面とした各点から法線方向に濃度を計算した濃度プロファイルがプロキシグラムであり、界面ラフネスの影響を除いて得られる濃度プロファイルは急峻性が向上します。

プロキシグラムの概念図
プロキシグラムの概念図

等濃度面から遠ざかると法線同士が重なるため、信頼できる解析範囲は基準面から±数nm以内になります

解析手法3 クラスタ解析

解析1)によって決定した以下のパラメータを用いてクラスタ解析を行います。

クラスタ解析の概念図
クラスタ解析の概念図
クラスタ解析の概念図

dmax:クラスタ原子間距離
Nmin:クラスタ構成最低原子数

1) 解析

  • Radial Distribution Function
  • Frequency Distribution Analysis
  • Nearest Neighbor Distribution
  • Cluster Size Distribution Analysis
  • Cluster Count Distribution Analysis

[ 更新日:2022/06/10 ]

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