JP2002162386A - 気体原子または気体分子の飛行時間型速度測定装置 - Google Patents
気体原子または気体分子の飛行時間型速度測定装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電場の漏れによる測定対象への悪影響を最小
限とし、かつ、低速度領域に至るまで速度分布を歪ませ
ることなく、高効率な速度分析を実現する。 【解決手段】 気体原子または気体分子をレーザー照射
によりイオン化するイオン化部（３）と、イオン化部で
生成されたイオンを導入し速度分離を行うためのドリフ
トチューブ（６）と、ドリフトチューブ（６）を通過し
たイオンを加速すると同時に空間的に収束させるための
二段加速収束部（８）と、この二段加速収束部（８）か
ら放出されたイオンを検出するイオン検出部（１１）と
を備える飛行時間型速度測定装置であって、前記ドリフ
トチューブ（６）のイオン化部側に電気的に絶縁された
引き込み部（７）を備え、また、前記二段加速収束部
（８）が、ドリフトチューブ側に設置された第一 グリ
ッド（９）とイオン検出部側に設置された第二のグリッ
ド（１０）とからなり、第一グリッド（９）とドリフト
チューブ（６）のイオン放出口との距離ｄと引き込み部
を含むドリフトチューブ長Ｌとが、Ｌ／ｄが１０〜５０
の範囲となるように設定されているものとする。
限とし、かつ、低速度領域に至るまで速度分布を歪ませ
ることなく、高効率な速度分析を実現する。 【解決手段】 気体原子または気体分子をレーザー照射
によりイオン化するイオン化部（３）と、イオン化部で
生成されたイオンを導入し速度分離を行うためのドリフ
トチューブ（６）と、ドリフトチューブ（６）を通過し
たイオンを加速すると同時に空間的に収束させるための
二段加速収束部（８）と、この二段加速収束部（８）か
ら放出されたイオンを検出するイオン検出部（１１）と
を備える飛行時間型速度測定装置であって、前記ドリフ
トチューブ（６）のイオン化部側に電気的に絶縁された
引き込み部（７）を備え、また、前記二段加速収束部
（８）が、ドリフトチューブ側に設置された第一 グリ
ッド（９）とイオン検出部側に設置された第二のグリッ
ド（１０）とからなり、第一グリッド（９）とドリフト
チューブ（６）のイオン放出口との距離ｄと引き込み部
を含むドリフトチューブ長Ｌとが、Ｌ／ｄが１０〜５０
の範囲となるように設定されているものとする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、気体原子
または気体分子の高効率速度測定装置に関するものであ
る。さらに詳しくは、気相合成反応において気体原子ま
たは気体分子の並進速度および回転または振動状態を測
定するのに有用な気体原子または気体分子の高効率速度
測定法装置に関するものである。
または気体分子の高効率速度測定装置に関するものであ
る。さらに詳しくは、気相合成反応において気体原子ま
たは気体分子の並進速度および回転または振動状態を測
定するのに有用な気体原子または気体分子の高効率速度
測定法装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】半導体上における薄膜生成な
ど、気相合成反応において、気体原子または気体分子の
並進速度、振動状態、および回転状態が、生成物の構造
や電気的性質を左右することが知られている。このた
め、反応物や生成物の並進速度、振動状態、および回転
状態を、測定し制御することは、気相合成反応を効率よ
く進めるうえで不可欠であるといえる。
ど、気相合成反応において、気体原子または気体分子の
並進速度、振動状態、および回転状態が、生成物の構造
や電気的性質を左右することが知られている。このた
め、反応物や生成物の並進速度、振動状態、および回転
状態を、測定し制御することは、気相合成反応を効率よ
く進めるうえで不可欠であるといえる。
【０００３】従来、気体原子または気体分子の並進速度
を測定するために、飛行時間型分析法が広く用いられて
きた。この測定手法においては、気体原子および気体分
子が、ある一定距離を飛行するのに要する時間を測定す
ることで速度を解析する。時間計測のトリガーの取り方
によって、 （１）チョッパーを用いて気体原子または気体分子のビ
ームをパルス化し、真空中を飛行させた後、質量検出器
で検出する方法 （２）気体原子または気体分子をパルスレーザーにより
イオン化した後、電場勾配のないチューブ（ドリフトチ
ューブ）内を飛行させ、マルチチャンネルプレートを用
いて検出する方法の二通りに大別される。上記（１）の
方法においては、気体がビーム化されていることが前提
となるため、反応物の速度分析には適用可能であるが、
一方で、生成物の速度分析には適用不可能である。ま
た、上記（１）の方法においては、長さ１ｍ程度にわた
って差動排気された大がかりな真空系が必要とされる。
を測定するために、飛行時間型分析法が広く用いられて
きた。この測定手法においては、気体原子および気体分
子が、ある一定距離を飛行するのに要する時間を測定す
ることで速度を解析する。時間計測のトリガーの取り方
によって、 （１）チョッパーを用いて気体原子または気体分子のビ
ームをパルス化し、真空中を飛行させた後、質量検出器
で検出する方法 （２）気体原子または気体分子をパルスレーザーにより
イオン化した後、電場勾配のないチューブ（ドリフトチ
ューブ）内を飛行させ、マルチチャンネルプレートを用
いて検出する方法の二通りに大別される。上記（１）の
方法においては、気体がビーム化されていることが前提
となるため、反応物の速度分析には適用可能であるが、
一方で、生成物の速度分析には適用不可能である。ま
た、上記（１）の方法においては、長さ１ｍ程度にわた
って差動排気された大がかりな真空系が必要とされる。
【０００４】一方、上記（２）の方法においては、上記
（１）の方法と比較して、小規模な構成により実現可能
であり、ビーム化されていない気体の分析も可能であ
る。さらには、レーザー光による共鳴イオン化を利用す
ることにより、気体分子の振動および回転の状態を、選
択的に速度分析することが可能であるという利点を有す
る。
（１）の方法と比較して、小規模な構成により実現可能
であり、ビーム化されていない気体の分析も可能であ
る。さらには、レーザー光による共鳴イオン化を利用す
ることにより、気体分子の振動および回転の状態を、選
択的に速度分析することが可能であるという利点を有す
る。
【０００５】質量分析を目的とする飛行時間型分析器と
は異なり、速度分析が目的である飛行時間型分析器にお
いては、イオン化部（レーザーの集光点）とドリフトチ
ューブの間に対して、電圧の印加はまったく行われない
か、または、１０Ｖ以下の低い電圧の印加が行われる。
これは、１ｅＶよりはるかに小さい原子または分子の並
進エネルギー分布（並進速度分布）が、強い加速電場に
よる擾乱を受けるのを避けるためである。
は異なり、速度分析が目的である飛行時間型分析器にお
いては、イオン化部（レーザーの集光点）とドリフトチ
ューブの間に対して、電圧の印加はまったく行われない
か、または、１０Ｖ以下の低い電圧の印加が行われる。
これは、１ｅＶよりはるかに小さい原子または分子の並
進エネルギー分布（並進速度分布）が、強い加速電場に
よる擾乱を受けるのを避けるためである。
【０００６】電圧を印加しない場合には、イオン化した
原子または分子のうちでドリフトチューブの内部に入射
して検出部まで到達できるのは、ごく一部であり、この
ため検出の効率は低いといえる。特に、０．０５ｅＶ以
下の低エネルギー（低速度）の原子・分子では、検出部
に到着する前にチューブ側壁と衝突する確率が高いた
め、低速度領域における検出効率は著しく低下すること
が知られている。
原子または分子のうちでドリフトチューブの内部に入射
して検出部まで到達できるのは、ごく一部であり、この
ため検出の効率は低いといえる。特に、０．０５ｅＶ以
下の低エネルギー（低速度）の原子・分子では、検出部
に到着する前にチューブ側壁と衝突する確率が高いた
め、低速度領域における検出効率は著しく低下すること
が知られている。
【０００７】この問題を解決するために、イオン化部と
ドリフトチューブとの間に弱い引き込み電場を作り、イ
オンをドリフトチューブ内に引き込む方法が考案され
た。この方法においては、イオン化部の手前（ドリフト
チューブから遠い側）に金属製の穴の開いた電極を設置
し、これをアースするとともに、ドリフトチューブに対
して、１０Ｖ以下の負電圧を印加する。
ドリフトチューブとの間に弱い引き込み電場を作り、イ
オンをドリフトチューブ内に引き込む方法が考案され
た。この方法においては、イオン化部の手前（ドリフト
チューブから遠い側）に金属製の穴の開いた電極を設置
し、これをアースするとともに、ドリフトチューブに対
して、１０Ｖ以下の負電圧を印加する。
【０００８】以上のように、イオン化部とドリフトチュ
ーブとの間に１０Ｖ以下の電圧を印加することで、飛行
時間型速度分析器の検出効率を向上することが可能とな
る。従来技術においては、ドリフトチューブの外部に金
属製の電極が設けられ、このために分析器の構造が複雑
にならざるを得なかった。また、電極には、測定する気
体原子または気体分子が透過できるように穴があけられ
ているため、電極とドリフトチューブの間に発生する電
場の分布に歪みを生じさせる原因となっている。気体原
子または気体分子の速度分析の応用技術である固体表面
における反応生成物や脱離種の速度分析においては、電
極から漏れ出した電場が固体表面での反応に影響を与
え、測定対象である反応生成物の生成過程や速度分布を
乱す原因となり、正確な測定を行う上での妨げとなる。
ーブとの間に１０Ｖ以下の電圧を印加することで、飛行
時間型速度分析器の検出効率を向上することが可能とな
る。従来技術においては、ドリフトチューブの外部に金
属製の電極が設けられ、このために分析器の構造が複雑
にならざるを得なかった。また、電極には、測定する気
体原子または気体分子が透過できるように穴があけられ
ているため、電極とドリフトチューブの間に発生する電
場の分布に歪みを生じさせる原因となっている。気体原
子または気体分子の速度分析の応用技術である固体表面
における反応生成物や脱離種の速度分析においては、電
極から漏れ出した電場が固体表面での反応に影響を与
え、測定対象である反応生成物の生成過程や速度分布を
乱す原因となり、正確な測定を行う上での妨げとなる。
【０００９】そこで、この出願の発明は、以上の通りの
事情に鑑みてなされたものであり、電場の漏れによる測
定対象への悪影響を最小限とし、かつ、低速度領域にい
たるまで速度分布を歪ませることなく、高効率な速度分
析を実現する気体原子または気体分子の速度測定装置を
提供することを課題としている。
事情に鑑みてなされたものであり、電場の漏れによる測
定対象への悪影響を最小限とし、かつ、低速度領域にい
たるまで速度分布を歪ませることなく、高効率な速度分
析を実現する気体原子または気体分子の速度測定装置を
提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第一には、気体原子また
は気体分子をパルスレーザー照射によりイオン化するイ
オン化部と、イオン化部で生成されたイオンを導入し速
度分離を行うためのドリフトチューブと、ドリフトチュ
ーブを通過したイオンを加速すると同時に空間的に収束
させるための二段加速収束部と、この二段加速収束部か
ら放出されたイオンを検出するイオン検出部とを備える
飛行時間型速度測定装置であって、前記二段加速収束部
が、ドリフトチューブ側に設置された第一のグリッドと
イオン検出部側に設置された第二のグリッドとからな
り、第一のグリッドとドリフトチューブのイオン放出口
との距離ｄと引き込み部を有する場合にはこれを含むド
リフトチューブ長Ｌとが、Ｌ／ｄが１０〜５０の範囲と
なるように設定されていることを特徴とする飛行時間型
速度測定装置を提供する。
の課題を解決するものとして、第一には、気体原子また
は気体分子をパルスレーザー照射によりイオン化するイ
オン化部と、イオン化部で生成されたイオンを導入し速
度分離を行うためのドリフトチューブと、ドリフトチュ
ーブを通過したイオンを加速すると同時に空間的に収束
させるための二段加速収束部と、この二段加速収束部か
ら放出されたイオンを検出するイオン検出部とを備える
飛行時間型速度測定装置であって、前記二段加速収束部
が、ドリフトチューブ側に設置された第一のグリッドと
イオン検出部側に設置された第二のグリッドとからな
り、第一のグリッドとドリフトチューブのイオン放出口
との距離ｄと引き込み部を有する場合にはこれを含むド
リフトチューブ長Ｌとが、Ｌ／ｄが１０〜５０の範囲と
なるように設定されていることを特徴とする飛行時間型
速度測定装置を提供する。
【００１１】また、この出願の発明は、第二には、上記
の装置について、ドリフトチューブに対して印加される
負の電圧Ｖdが、−１０≦Ｖd≦−１Ｖの範囲に、第二の
グリッドに対して印加される負の電圧Ｖ2が−２ｋ≦Ｖ2
≦−１ｋＶの範囲に、また、第一のグリッドに対して印
加される負の電圧Ｖ1が、|Ｖd|＜|Ｖ1|＜|Ｖ2|の範囲
に、それぞれ設定されることを特徴とする飛行時間型速
度測定装置を提供し、第三には、ドリフトチューブのイ
オン導入口に、ドリフトチューブと電気的に絶縁された
引き込み部を備えており、引き込み部に印加される負の
電圧Ｖgが０＜|Ｖ g|≦|Ｖd|の範囲に設定されることを
特徴とする飛行時間型速度測定装置を提供し、さらに、
第四には、先端に気体導入用の直径５ｍｍ以下の開口を
有する全体が電気的にアースされた高磁気透過性金属製
シールドの内部に、イオン化部、ドリフトチューブ、二
段加速収束部、および、イオン検出部が設置されている
ことを特徴とする飛行時間型速度測定装置を提供する。
の装置について、ドリフトチューブに対して印加される
負の電圧Ｖdが、−１０≦Ｖd≦−１Ｖの範囲に、第二の
グリッドに対して印加される負の電圧Ｖ2が−２ｋ≦Ｖ2
≦−１ｋＶの範囲に、また、第一のグリッドに対して印
加される負の電圧Ｖ1が、|Ｖd|＜|Ｖ1|＜|Ｖ2|の範囲
に、それぞれ設定されることを特徴とする飛行時間型速
度測定装置を提供し、第三には、ドリフトチューブのイ
オン導入口に、ドリフトチューブと電気的に絶縁された
引き込み部を備えており、引き込み部に印加される負の
電圧Ｖgが０＜|Ｖ g|≦|Ｖd|の範囲に設定されることを
特徴とする飛行時間型速度測定装置を提供し、さらに、
第四には、先端に気体導入用の直径５ｍｍ以下の開口を
有する全体が電気的にアースされた高磁気透過性金属製
シールドの内部に、イオン化部、ドリフトチューブ、二
段加速収束部、および、イオン検出部が設置されている
ことを特徴とする飛行時間型速度測定装置を提供する。
【００１２】そして、第五には、この出願の発明は、上
記いずれかの装置によって気体原子または気体分子の速
度を測定する方法を提供する。
記いずれかの装置によって気体原子または気体分子の速
度を測定する方法を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】この出願の発明は上記のとおりの
特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。
特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。
【００１４】この出願の発明に係る飛行時間型速度測定
装置は、イオン化部、ドリフトチューブ、二段加速収束
部、および、イオン検出部を基本構成とする。外部の電
場および磁場による飛行中のイオンへの擾乱を防ぎ、二
段加速収束部およびイオン検出部に印加された電場の外
部漏出を遮蔽するために、これらのイオン化部、ドリフ
トチューブ、二段加速収束部、および、イオン検出部
は、金属製のシールドに覆われて設置される。シールド
の材料としては、高磁気透過性金属材料が適宜選択さ
れ、特にミューメタルを用いることが好ましい。また、
シールド全体は、電気的にアースされている。
装置は、イオン化部、ドリフトチューブ、二段加速収束
部、および、イオン検出部を基本構成とする。外部の電
場および磁場による飛行中のイオンへの擾乱を防ぎ、二
段加速収束部およびイオン検出部に印加された電場の外
部漏出を遮蔽するために、これらのイオン化部、ドリフ
トチューブ、二段加速収束部、および、イオン検出部
は、金属製のシールドに覆われて設置される。シールド
の材料としては、高磁気透過性金属材料が適宜選択さ
れ、特にミューメタルを用いることが好ましい。また、
シールド全体は、電気的にアースされている。
【００１５】シールドの先端には、気体導入用の穴が開
口されており、気体原子または気体分子はこの穴を通過
してイオン化部へと導入される。
口されており、気体原子または気体分子はこの穴を通過
してイオン化部へと導入される。
【００１６】イオン化部においては、気体原子または気
体分子に対してパルスレーザーが照射され、これにより
気体原子または気体分子はイオン化する。
体分子に対してパルスレーザーが照射され、これにより
気体原子または気体分子はイオン化する。
【００１７】次いで、イオン化部で生成されたイオン
は、ドリフトチューブへ導入され、速度分離が行われ
る。ドリフトチューブへの導入口においては、ドリフト
チューブと電気的に絶縁された引き込み部が備えられて
いる。この引き込み部に対しては、負の電圧が印加され
ており、イオンはその速度分布を歪めることなく、ドリ
フトチューブへと引き込まれる。この引き込み部は、イ
オン化部からの効率的な引き込みに加えて、ドリフトチ
ューブに入射する前の段階でのイオンの空間的な広がり
を収束させる作用も有する。イオンは、電場勾配が存在
しないドリフトチューブを飛行した後、ドリフトチュー
ブのイオン出射口から出射され、二段加速収束部により
加速される。また、この二段加速収束部は、加速と同時
にイオンの空間的な広がりを収束する作用も有する。
は、ドリフトチューブへ導入され、速度分離が行われ
る。ドリフトチューブへの導入口においては、ドリフト
チューブと電気的に絶縁された引き込み部が備えられて
いる。この引き込み部に対しては、負の電圧が印加され
ており、イオンはその速度分布を歪めることなく、ドリ
フトチューブへと引き込まれる。この引き込み部は、イ
オン化部からの効率的な引き込みに加えて、ドリフトチ
ューブに入射する前の段階でのイオンの空間的な広がり
を収束させる作用も有する。イオンは、電場勾配が存在
しないドリフトチューブを飛行した後、ドリフトチュー
ブのイオン出射口から出射され、二段加速収束部により
加速される。また、この二段加速収束部は、加速と同時
にイオンの空間的な広がりを収束する作用も有する。
【００１８】この二段加速収束部は、ドリフトチューブ
側に設置された第一のグリッドおよびイオン検出部側に
設置された第二のグリッドにより構成される。二つのグ
リッドには、それぞれ負の電圧が印加されていることか
ら、イオンの加速および広がりの収束がなされる。第一
のグリッドとドリフトチューブのイオン放出口との距離
ｄと引き込み部を含むドリフトチューブ長Ｌについて
は、それらの比であるＬ／ｄが１０〜５０の値をとる範
囲に設定されることが好ましい。
側に設置された第一のグリッドおよびイオン検出部側に
設置された第二のグリッドにより構成される。二つのグ
リッドには、それぞれ負の電圧が印加されていることか
ら、イオンの加速および広がりの収束がなされる。第一
のグリッドとドリフトチューブのイオン放出口との距離
ｄと引き込み部を含むドリフトチューブ長Ｌについて
は、それらの比であるＬ／ｄが１０〜５０の値をとる範
囲に設定されることが好ましい。
【００１９】二段加速収束部により加速および広がりを
収束されたイオンは、イオン検出部により検出される。
イオン検出部には、たとえばマルチチャンネルプレート
が用いられ、検出信号はプリアンプなどを通じて増幅さ
れ、さらには計測機器に入力され、イオンの速度分布が
解析される。
収束されたイオンは、イオン検出部により検出される。
イオン検出部には、たとえばマルチチャンネルプレート
が用いられ、検出信号はプリアンプなどを通じて増幅さ
れ、さらには計測機器に入力され、イオンの速度分布が
解析される。
【００２０】ドリフトチューブに対して印加される負の
電圧Ｖdは、−１０≦Ｖd≦−１Ｖで示される範囲に設定
されることが好適である。また、第二のグリッドに対し
て印加される負の電圧Ｖ2は、−２ｋ≦Ｖ2≦−１ｋＶで
示される範囲に設定されることが好適である。また、第
一のグリッドに対して印加される負の電圧Ｖ1は、|Ｖ d|
＜|Ｖ1|＜|Ｖ2|で示される範囲に設定される。さらに、
引き込み部に対して印加される負の電圧Ｖgは、０＜|Ｖ
g|≦|Ｖd|の範囲で設定される。
電圧Ｖdは、−１０≦Ｖd≦−１Ｖで示される範囲に設定
されることが好適である。また、第二のグリッドに対し
て印加される負の電圧Ｖ2は、−２ｋ≦Ｖ2≦−１ｋＶで
示される範囲に設定されることが好適である。また、第
一のグリッドに対して印加される負の電圧Ｖ1は、|Ｖ d|
＜|Ｖ1|＜|Ｖ2|で示される範囲に設定される。さらに、
引き込み部に対して印加される負の電圧Ｖgは、０＜|Ｖ
g|≦|Ｖd|の範囲で設定される。
【００２１】上記のように引き込み部に対して電圧を印
加することで、イオン化部と引き込み部、引き込み部と
ドリフトチューブとの間にそれぞれイオンレンズを生じ
させ、ドリフトチューブに入射する前の段階での空間的
な広がりを抑えることができる。
加することで、イオン化部と引き込み部、引き込み部と
ドリフトチューブとの間にそれぞれイオンレンズを生じ
させ、ドリフトチューブに入射する前の段階での空間的
な広がりを抑えることができる。
【００２２】また、上記のように第一のグリッドおよび
第二のグリッドに対して電圧を印加することで、歪みの
ない加速電場を発生することが可能となり、ドリフトチ
ューブから入射した気体原子または気体分子を高い効率
で検出部へと導くことができる。
第二のグリッドに対して電圧を印加することで、歪みの
ない加速電場を発生することが可能となり、ドリフトチ
ューブから入射した気体原子または気体分子を高い効率
で検出部へと導くことができる。
【００２３】以上により、この出願によりはじめて、引
き込み電場による気体原子または気体分子の速度分布の
擾乱を減ずることが可能となり、零速度付近の低速度領
域に至るまで高い精度での速度測定が実現される。
き込み電場による気体原子または気体分子の速度分布の
擾乱を減ずることが可能となり、零速度付近の低速度領
域に至るまで高い精度での速度測定が実現される。
【００２４】また、引き込み電場のシールド外への漏洩
を微小とすることができることから、シールド外部に置
かれた反応試料表面などへの悪影響を防ぐことも可能と
なる。
を微小とすることができることから、シールド外部に置
かれた反応試料表面などへの悪影響を防ぐことも可能と
なる。
【００２５】さらには、この出願の発明である飛行時間
型速度測定装置は、外部電極を必要としないことから、
小型で扱いやすい構造を持つものである。
型速度測定装置は、外部電極を必要としないことから、
小型で扱いやすい構造を持つものである。
【００２６】この出願の発明は、以上の特徴を持つもの
であるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明す
る。
であるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明す
る。
【００２７】
【実施例】実施例１ 図１は、この出願の発明である飛行時間型速度測定装置
の構成について例示した概要図である。
の構成について例示した概要図である。
【００２８】この出願の発明である飛行時間型速度測定
装置においては、測定対象である気体原子または気体分
子は、円錐形の金属製のシールド（１）先端に設けられ
た直径３ｍｍ程度の気体導入穴（２）を通過して、シー
ルド内部のイオン化部（３）へと導入される。シールド
内に導入された気体原子または気体分子は、シールド
（１）の側面に設けられた直径約１ｍｍのレーザー導入
穴（４）からイオン化部（３）へ入射されるレーザー光
（５）により、イオン化される。
装置においては、測定対象である気体原子または気体分
子は、円錐形の金属製のシールド（１）先端に設けられ
た直径３ｍｍ程度の気体導入穴（２）を通過して、シー
ルド内部のイオン化部（３）へと導入される。シールド
内に導入された気体原子または気体分子は、シールド
（１）の側面に設けられた直径約１ｍｍのレーザー導入
穴（４）からイオン化部（３）へ入射されるレーザー光
（５）により、イオン化される。
【００２９】シールド（１）は電気的にアースされてお
り、ドリフトチューブ（６）入射口の引き込み部（７）
に対して−１．４Ｖ、ドリフトチューブ（６）に対して
−５Ｖの電圧を印加することで、気体イオンは、その速
度分布を歪められることなく、ドリフトチューブ（６）
内部へと引き込まれる。この出願の発明の飛行時間型速
度測定装置においては、従来技術とは異なり、シールド
（１）がアースされているため、これが電極として働
き、外部に加速用電極を必要としない。
り、ドリフトチューブ（６）入射口の引き込み部（７）
に対して−１．４Ｖ、ドリフトチューブ（６）に対して
−５Ｖの電圧を印加することで、気体イオンは、その速
度分布を歪められることなく、ドリフトチューブ（６）
内部へと引き込まれる。この出願の発明の飛行時間型速
度測定装置においては、従来技術とは異なり、シールド
（１）がアースされているため、これが電極として働
き、外部に加速用電極を必要としない。
【００３０】ドリフトチューブ（６）内部へと取り込ま
れたイオンは、電場勾配の存在しないドリフトチューブ
（６）内部を１０ｃｍ程度飛行し、二段加速収束部
（８）へ入射する。二段加速収束部（８）は、ドリフト
チューブ（６）の出射口から約５ｍｍの位置に設置され
た第一のグリッド（９）、および、約１１ｍｍの位置に
設置された第二のグリッド（１０）により構成される。
これら二つのグリッドにより加速および収束されたイオ
ンは、マルチチャンネルプレート（１１）により検出さ
れる。検出信号は、プリアンプを通じて増幅され、オシ
ロスコープなどの測定機器へと入力される。
れたイオンは、電場勾配の存在しないドリフトチューブ
（６）内部を１０ｃｍ程度飛行し、二段加速収束部
（８）へ入射する。二段加速収束部（８）は、ドリフト
チューブ（６）の出射口から約５ｍｍの位置に設置され
た第一のグリッド（９）、および、約１１ｍｍの位置に
設置された第二のグリッド（１０）により構成される。
これら二つのグリッドにより加速および収束されたイオ
ンは、マルチチャンネルプレート（１１）により検出さ
れる。検出信号は、プリアンプを通じて増幅され、オシ
ロスコープなどの測定機器へと入力される。
【００３１】図２は、以上で示した構造を持つ飛行時間
型速度測定装置を構成する各部位に対し、上記の通り電
圧を印加することで現れる電位分布を数値シミュレーシ
ョンにより求めた結果である。図２の中心部を貫通する
直線はイオンの飛跡を表す。図２に示すように、この出
願の発明により、２段加速収束部において、同径方向に
対して歪みのない等電位面を得ることが可能となる。ま
た、図２に示すように、引き込み部の負電位Ｖgをドリ
フトチューブの負電位Ｖdよりも低く（|Ｖg|＜|Ｖd|）
設定することによって、引き込み部とドリフトチューブ
との間にイオンレンズを生じさせ、ドリフトチューブ内
でのイオンの収束を飛躍的に向上させることが可能とな
る。実施例２ 図３は、この出願の発明である飛行時間型速度測定装置
の応用例のひとつを示したものである。
型速度測定装置を構成する各部位に対し、上記の通り電
圧を印加することで現れる電位分布を数値シミュレーシ
ョンにより求めた結果である。図２の中心部を貫通する
直線はイオンの飛跡を表す。図２に示すように、この出
願の発明により、２段加速収束部において、同径方向に
対して歪みのない等電位面を得ることが可能となる。ま
た、図２に示すように、引き込み部の負電位Ｖgをドリ
フトチューブの負電位Ｖdよりも低く（|Ｖg|＜|Ｖd|）
設定することによって、引き込み部とドリフトチューブ
との間にイオンレンズを生じさせ、ドリフトチューブ内
でのイオンの収束を飛躍的に向上させることが可能とな
る。実施例２ 図３は、この出願の発明である飛行時間型速度測定装置
の応用例のひとつを示したものである。
【００３２】排気された真空チャンバー（３１）内に、
この出願の発明の飛行時間型速度測定装置（３２）を設
置し、真空チャンバー（３１）上部に取り付けられた窓
（３３）よりレーザー光を入射する。窓（３３）の上方
にはレンズ（３４）が設置されており、飛行時間型速度
測定装置（３２）のイオン化部にレーザー光が集光され
るよう設計されている。
この出願の発明の飛行時間型速度測定装置（３２）を設
置し、真空チャンバー（３１）上部に取り付けられた窓
（３３）よりレーザー光を入射する。窓（３３）の上方
にはレンズ（３４）が設置されており、飛行時間型速度
測定装置（３２）のイオン化部にレーザー光が集光され
るよう設計されている。
【００３３】導入口（３５）からは、気体原子または気
体分子が真空チャンバー（３１）内部へと導入され、さ
らに、気体導入穴を通って飛行時間型速度測定装置（３
２）内部へ導入される。前述の通り、イオンの検出はマ
ルチチャンネルプレートにより行われ、検出信号は、マ
ルチチャンネルプレートに直結したプリアンプ（３６）
で増幅された後、デジタルオシロスコープへ入力され、
積算され、さらには、コンピュータへと入力され、速度
分析が行われる。
体分子が真空チャンバー（３１）内部へと導入され、さ
らに、気体導入穴を通って飛行時間型速度測定装置（３
２）内部へ導入される。前述の通り、イオンの検出はマ
ルチチャンネルプレートにより行われ、検出信号は、マ
ルチチャンネルプレートに直結したプリアンプ（３６）
で増幅された後、デジタルオシロスコープへ入力され、
積算され、さらには、コンピュータへと入力され、速度
分析が行われる。
【００３４】図４は、この実施例において行われた水素
分子の速度分析の結果を示したグラフである。シールド
外部における水素ガス圧力は４×１０-6Ｔｏｒｒ、ガス
セルの温度は５００°Ｃ、選択的にイオン化した水素分
子の振動および回転状態はそれぞれｖ＝０、Ｊ＝５であ
った。図４において、実線は実測値を、また、破線は理
論値を表している。実測値と理論値の比較により、この
出願の発明の飛行時間型速度測定装置は、０．０５ｅＶ
以下の低エネルギー、すなわち、３０００ｍ／ｓ以下の
低速度においても、速度分析が可能であることが明らか
である。実施例３ さらに、図５は、この出願の発明である飛行時間型速度
測定装置の応用例のひとつを示したものである。
分子の速度分析の結果を示したグラフである。シールド
外部における水素ガス圧力は４×１０-6Ｔｏｒｒ、ガス
セルの温度は５００°Ｃ、選択的にイオン化した水素分
子の振動および回転状態はそれぞれｖ＝０、Ｊ＝５であ
った。図４において、実線は実測値を、また、破線は理
論値を表している。実測値と理論値の比較により、この
出願の発明の飛行時間型速度測定装置は、０．０５ｅＶ
以下の低エネルギー、すなわち、３０００ｍ／ｓ以下の
低速度においても、速度分析が可能であることが明らか
である。実施例３ さらに、図５は、この出願の発明である飛行時間型速度
測定装置の応用例のひとつを示したものである。
【００３５】図３と同様の構成において、飛行時間型速
度測定装置（５２）の気体導入穴（５７）の直前に、試
料（５８）を設置する。この試料（５８）に対して、分
子線（５９）などを照射することにより、反応生成物
（６０）を生成し、さらに、この反応生成物（６０）を
飛行時間型速度測定装置（５２）内部へと導入すること
で、試料表面上での反応にかかわる気体原子または気体
分子の速度分析を実施することが可能となる。
度測定装置（５２）の気体導入穴（５７）の直前に、試
料（５８）を設置する。この試料（５８）に対して、分
子線（５９）などを照射することにより、反応生成物
（６０）を生成し、さらに、この反応生成物（６０）を
飛行時間型速度測定装置（５２）内部へと導入すること
で、試料表面上での反応にかかわる気体原子または気体
分子の速度分析を実施することが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】以上、詳しく説明した通り、この出願の
発明により、電場の漏れによる測定対象への悪影響を最
小限とし、かつ、低速度領域に至るまで速度分布を歪ま
せることなく、高効率な速度分析を実現する気体原子ま
たは気体分子の速度測定装置が提供される。
発明により、電場の漏れによる測定対象への悪影響を最
小限とし、かつ、低速度領域に至るまで速度分布を歪ま
せることなく、高効率な速度分析を実現する気体原子ま
たは気体分子の速度測定装置が提供される。
【００３７】この出願の発明により、外部電極を必要と
しない小型の構造を持つ飛行時間型速度測定装置が、は
じめて技術的に実現されるものである。
しない小型の構造を持つ飛行時間型速度測定装置が、は
じめて技術的に実現されるものである。
【００３８】この出願の発明により、分子線による薄膜
生成などの固体の表面反応において生成脱離する気体原
子または気体分子の速度を高精度で測定することが可能
となる。したがって、この出願の発明は、半導体表面上
の酸化膜生成や水素終端反応など、原子または分子レベ
ルでの固体表面における反応制御を実現する技術とし
て、その実用化が強く期待される。
生成などの固体の表面反応において生成脱離する気体原
子または気体分子の速度を高精度で測定することが可能
となる。したがって、この出願の発明は、半導体表面上
の酸化膜生成や水素終端反応など、原子または分子レベ
ルでの固体表面における反応制御を実現する技術とし
て、その実用化が強く期待される。
【図１】この出願の発明である飛行時間型速度測定装置
の構成について示した概要図である。
の構成について示した概要図である。
【図２】この出願の発明である飛行時間型速度測定装置
を構成する各部位に対し、電圧を印加することであらわ
れる電位分布を数値シミュレーションにより求めた結果
を示した等高線図である。
を構成する各部位に対し、電圧を印加することであらわ
れる電位分布を数値シミュレーションにより求めた結果
を示した等高線図である。
【図３】この出願の発明である飛行時間型速度測定装置
の応用例のひとつを示した概要図である。
の応用例のひとつを示した概要図である。
【図４】この出願の発明の実施例における水素分子の速
度分析結果を示したグラフである。
度分析結果を示したグラフである。
【図５】この出願の発明である飛行時間型速度測定装置
の応用例のひとつを示した概要図である。
の応用例のひとつを示した概要図である。
１ シールド ２ 気体導入穴 ３ イオン化部 ４ レーザー導入穴 ５ レーザー光 ６ ドリフトチューブ ７ 引き込み部 ８ 二段加速収束部 ９ 第一グリッド １０ 第二グリッド １１ マルチチャンネルプレート ３１ 真空チャンバー ３２ 飛行時間型速度測定装置 ３３ 窓 ３４ レンズ ３５ 導入口 ３６ プリアンプ ５１ 真空チャンバー ５２ 飛行時間型速度測定装置 ５３ 窓 ５４ レンズ ５６ プリアンプ ５７ 気体導入穴 ５８ 試料 ５９ 分子線 ６０ 反応生成物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 康博 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 矢田 雅規 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内
Claims (5)
- 【請求項１】 気体原子または気体分子をパルスレーザ
ー照射によりイオン化するイオン化部と、イオン化部で
生成されたイオンを導入し速度分離を行うためのドリフ
トチューブと、ドリフトチューブを通過したイオンを加
速すると同時に空間的に収束させるための二段加速収束
部と、この二段加速収束部から放出されたイオンを検出
するイオン検出器とを備える飛行時間型速度測定装置で
あって、前記二段加速収束部が、ドリフトチューブ側に
設置された第一のグリッドとイオン検出部側に設置され
た第二のグリッドとからなり、第一のグリッドとドリフ
トチューブのイオン放出口との距離ｄと引き込み部を有
する場合にはこれを含むドリフトチューブ長Ｌとが、Ｌ
／ｄが１０〜５０の範囲となるように設定されているこ
とを特徴とする飛行時間型速度測定装置。 - 【請求項２】 ドリフトチューブに対して印加される負
の電圧Ｖdが、−１０≦Ｖd≦−１Ｖの範囲に、第二のグ
リッドに対して印加される負の電圧Ｖ2が−２ｋ≦Ｖ2≦
−１ｋＶの範囲に、また、第一のグリッドに対して印加
される負の電圧Ｖ1が、|Ｖd|＜|Ｖ1|＜|Ｖ2|の範囲に、
それぞれ設定されることを特徴とする請求項１の飛行時
間型速度測定装置。 - 【請求項３】 ドリフトチューブのイオン導入口に、ド
リフトチューブと電気的に絶縁された引き込み部を備え
ており、引き込み部に印加される負の電圧Ｖ gが０＜|Ｖ
g|≦|Ｖd|の範囲に設定されることを特徴とする請求項
２の飛行時間型速度測定装置。 - 【請求項４】 先端に気体導入用の直径５ｍｍ以下の開
口を有する全体が電気的にアースされた高磁気透過性金
属製シールドの内部に、イオン化部、ドリフトチュー
ブ、二段加速収束部、および、イオン検出部が設置され
ていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの
飛行時間型速度測定装置。 - 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかの装置によ
り速度測定を行うことを特徴とする気体原子または気体
分子の高効率速度測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000360782A JP3440300B2 (ja) | 2000-11-28 | 2000-11-28 | 気体原子または気体分子の飛行時間型速度測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000360782A JP3440300B2 (ja) | 2000-11-28 | 2000-11-28 | 気体原子または気体分子の飛行時間型速度測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002162386A true JP2002162386A (ja) | 2002-06-07 |
| JP3440300B2 JP3440300B2 (ja) | 2003-08-25 |
Family
ID=18832322
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000360782A Expired - Lifetime JP3440300B2 (ja) | 2000-11-28 | 2000-11-28 | 気体原子または気体分子の飛行時間型速度測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3440300B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2295797C1 (ru) * | 2005-06-16 | 2007-03-20 | Институт аналитического приборостроения Российской Академии Наук (ИАнП РАН) | Времяпролетный масс-спектрометр |
| CN109521224A (zh) * | 2018-12-24 | 2019-03-26 | 大连理工大学 | 一种脉冲推力器离子速度测量装置 |
| CN110658359A (zh) * | 2018-06-29 | 2020-01-07 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 度量工具及其使用方法以及带电粒子侦测系统 |
-
2000
- 2000-11-28 JP JP2000360782A patent/JP3440300B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2295797C1 (ru) * | 2005-06-16 | 2007-03-20 | Институт аналитического приборостроения Российской Академии Наук (ИАнП РАН) | Времяпролетный масс-спектрометр |
| CN110658359A (zh) * | 2018-06-29 | 2020-01-07 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 度量工具及其使用方法以及带电粒子侦测系统 |
| CN110658359B (zh) * | 2018-06-29 | 2022-02-22 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 度量工具及侦测其中电离原子的方法与带电粒子侦测系统 |
| US12374522B2 (en) | 2018-06-29 | 2025-07-29 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Detection systems in semiconductor metrology tools |
| CN109521224A (zh) * | 2018-12-24 | 2019-03-26 | 大连理工大学 | 一种脉冲推力器离子速度测量装置 |
| CN109521224B (zh) * | 2018-12-24 | 2020-11-13 | 大连理工大学 | 一种脉冲推力器离子速度测量装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3440300B2 (ja) | 2003-08-25 |
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