JP2003075378A - 二次イオン分析装置及びイオンビームスパッタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二次粒子の放出角度依存性を簡便に測定可能
な二次イオン分析装置、及び種々の組成の薄膜、あるい
は種々の組成・サイズのクラスターより構成されるクラ
スター薄膜を簡便に形成可能なイオンビームスパッタ装
置を提供することを目的とする。 【解決手段】 試料ホルダ１７に保持された試料１５の
被測定面２９に、一次イオンビームを照射するイオン銃
２５と、試料１５から放出される二次粒子を分析する分
析部２７とを備えた二次イオン質量分析装置１１であ
る。試料ホルダ１７は、試料１５の被測定面２９内を通
る仮想回転軸を中心として試料を回転させ、イオン銃２
５は、一次イオンビームが仮想回転軸を含む一平面内の
軌道を通るように配置され、分析部２７は、仮想回転軸
と垂直方向に放出される二次粒子を分析するように配置
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二次イオン分析装
置及びイオンビームスパッタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】二次イオン分析装置６０は、例えば、図
１６〜図１９に示すように真空排気された試料室６７内
で試料６１の表面にイオン銃６３から酸素、アルゴン等
の一次イオンビームを照射し、イオン衝撃により放出さ
れる二次イオンを含んだ二次粒子を質量等の分析計６５
により捕捉・分析する構成となっている。

【０００３】そして、例えば、イオン銃６３は、一次イ
オンビームの軌道たる一次イオン光学軸Ａと試料表面に
垂直な線とのなす角度、すなわち入射角度が例えば６０
°となるように配置されている。これは、一般に入射角
６０°付近が最もスパッタ収率が高いことが知られてい
るためである。

【０００４】一方、質量等の分析計６５は、例えば次の
ように配置されている。すなわち、一次イオンビームに
よって種々の方向に二次粒子は放出されるが、これらの
二次粒子のうち、その軌道が試料６１の表面に垂直な線
と６０°をなす二次粒子を収集して、この質量等の分析
ができるように配置されている。すなわち、質量等の分
析計６５の二次イオン光学軸Ｂと試料６１の表面に垂直
な線とのなす放出角度が６０°となるように配置されて
いる。

【０００５】このように二次イオン分析装置６０におい
ては、放出角度が６０°をなす二次粒子を測定する構造
となっているが、イオン衝撃により固体表面から放出さ
れる二次粒子の組成・サイズ（クラスタの構成原子数）
は、入射角度が一定でも、放出角度によって様々なもの
が放出されることが知られている。そして、入射角度を
一定にし、放出角度を変化させ二次粒子の例えば質量分
析を行うことによって、例えば、分析精度の向上、表面
極近傍での深さ方向の組成分析等を行うことができるよ
うになる。

【０００６】その一例を挙げて説明するが、一般に放出
角度が小さいほど、すなわち試料表面に垂直に近いほど
試料内部から二次粒子が放出され、放出角度が大きいほ
ど試料表面から二次粒子が放出されることが知られてい
る。よって、放出角度を変化させつつ、放出された二次
粒子の組成を調べることによって、表面極近傍での試料
の深さ方向の組成分析が可能となるのである。

【０００７】この例にも見られるように、入射角度を一
定にしつつ、放出角度を変化させて二次粒子の質量分析
を行うことで非常に有効な測定情報を得ることができ
る。よって、このような測定が可能な装置が望まれてお
り、上述の二次イオン分析装置６０において、イオン銃
６３を固定して入射角度を一定とし、質量等の分析計６
５自体を回転させて放出角度を変化させることも考えら
れる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
装置６０においては、真空系を保ちつつ質量等の分析計
６５自体を回転させるには大規模な機構・装置が必要と
なるため、未だ放出角度分布の測定可能な二次イオン質
量分析装置は実用化されていない。

【０００９】一方、他の方法としては、図２０に示すよ
うに試料７１を覆うように円筒を半分に割った形状の例
えばアルミニウム製の板７３を配置し、この板７３に設
けた貫通孔７５を通してイオン銃６３から試料７１に向
かって一次イオンビームを照射する方法も考えられる。
この方法では、一次イオンビームによって生じた二次粒
子が、放出角度に応じて板７３の所定の位置に付着する
ため、これを改めて分析して放出角度分布を測定するの
である。

【００１０】ところが、この方法では、単量体（原子）
とクラスターの識別は不可能であり、かつ、測定効率が
著しく悪いという欠点があった。

【００１１】また、イオンビームスパッタ装置が知られ
ているが、この装置は、イオン銃から酸素、アルゴン等
のイオンビームをターゲットに照射し、このターゲット
から放出されたスパッタ粒子をワーク上に堆積させて薄
膜を形成するものである。この装置の利点として、蒸着
が困難な高融点材料や化合物でも比較的容易に薄膜を形
成することができ、付着力が大きく、大面積化が簡単で
あるということである。

【００１２】このイオンビームスパッタ装置において
も、上述の二次イオン分析装置の場合と同様に、イオン
衝撃によりターゲットから放出されたスパッタ粒子（二
次粒子）の組成・サイズは、入射角度が一定でも、放出
角度によって様々なものが放出されることが知られてい
る。よって、所望の組成の薄膜又は所望の組成・サイズ
のクラスターより構成されるクラスター薄膜を得るため
には、ワークを所定の放出角度となる位置に調整して固
定すればよいが、従来の装置において組成・クラスター
サイズを変更して種々の組成の薄膜又は種々の組成・サ
イズのクラスターより構成されるクラスター薄膜を作製
するためには、その都度、ワークの位置を調整して固定
しなければならなかった。

【００１３】本発明は上記のような事情に基づいて完成
されたものであって、二次粒子の放出角度分布を簡便に
測定可能な二次イオン分析装置を提供するとともに、所
望の組成の薄膜又は所望の組成・サイズのクラスターよ
り構成されるクラスター薄膜を簡便に形成可能なイオン
ビームスパッタ装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの手段として、請求項１の発明は、試料ホルダと、こ
の試料ホルダに保持された試料の被測定面に、この被測
定面に対して斜方向から一次イオンビームを照射するイ
オン銃と、一次イオンビームが前記被測定面に照射され
ることによって前記試料から放出される二次粒子の分析
部とを備えた二次イオン分析装置において、前記試料ホ
ルダは、前記試料の前記被測定面内を通る仮想回転軸を
中心として前記試料を回転させ、前記イオン銃は、前記
一次イオンビームが前記仮想回転軸を含む一平面内の軌
道を通るように配置され、前記分析部は、前記仮想回転
軸と垂直方向に放出される前記二次粒子を分析するよう
に配置された構成としたところに特徴を有する。

【００１５】請求項２の発明は、試料ホルダと、この試
料ホルダに保持された試料の被測定面に、この被測定面
に対して斜方向から一次イオンビームを照射するイオン
銃と、一次イオンビームが前記被測定面に照射されるこ
とによって前記試料から放出される二次粒子の質量分析
部とを備えた二次イオン分析装置において、前記試料ホ
ルダは、前記試料の前記被測定面内を通る仮想回転軸を
中心として前記試料を回転させ、前記イオン銃は、前記
一次イオンビームが前記仮想回転軸を含む一平面内の軌
道を通るように配置され、前記質量分析部は、前記仮想
回転軸と垂直方向に放出される前記二次粒子を分析する
ように配置された構成としたところに特徴を有する。

【００１６】請求項３の発明は、請求項１又は２に記載
の二次イオン分析装置において、前記一次イオンビーム
の軌道と前記試料の前記被測定面に垂直な線とのなす角
度が、５０°〜７５°であるところに特徴を有する。

【００１７】請求項４の発明は、ターゲットホルダと、
このターゲットホルダに保持されたターゲットの被照射
面に、この被照射面に対して斜方向から一次イオンビー
ムを照射するイオン銃と、一次イオンビームが前記被照
射面に照射されることによって前記ターゲットから放出
される二次粒子を受けるワークを保持するワークホルダ
とを備えたイオンビームスパッタ装置において、前記タ
ーゲットホルダは、前記ターゲットの前記被照射面内を
通る仮想回転軸を中心として前記ターゲットを回転さ
せ、前記イオン銃は、前記一次イオンビームが前記仮想
回転軸を含む一平面内の軌道を通るように配置され、前
記ワークホルダは、前記仮想回転軸と垂直方向に放出さ
れる前記二次粒子を前記ワークが受ける位置に配置され
た構成としたところに特徴を有する。

【００１８】請求項５の発明は、請求項４に記載のイオ
ンビームスパッタ装置において、前記一次イオンビーム
の軌道と前記ターゲットの前記被照射面に垂直な線との
なす角度が、５０°〜７５°であるところに特徴を有す
る。

【００１９】

【発明の作用】＜請求項１及び２の発明＞請求項１及び
２の二次イオン分析装置によって、二次粒子の放出角度
分布を測定する原理について説明する。なお、ｘ軸、ｙ
軸、及びｚ軸の直交座標系を用いた図１〜図３を参照し
つつ説明する。

【００２０】まず、二次イオン分析装置における試料ホ
ルダ、イオン銃、及び分析部の配置について説明する。

【００２１】平板状の試料２は試料ホルダ７に保持さ
れ、この平板状の試料２の被測定面５は、傾斜していな
い状態ではｚ＝０の平面、すなわちｘｙ平面上で、かつ
原点（ｘ＝０、ｙ＝０、ｚ＝０）を含む位置に存在する
ものとし、この被測定面５上の原点に一次イオンビーム
が照射され、原点から放出される二次粒子を測定するも
のとする。

【００２２】ここで、試料ホルダ７は、試料２の被測定
面５内を通る仮想回転軸、ここではｘ軸を中心として回
動可能に構成されている。つまり、試料ホルダ７を回動
させると、被測定面５がｘ軸を中心として傾斜するよう
になっている。

【００２３】そして、イオン銃１は、一次イオンビーム
が仮想回転軸（ｘ軸）を含む一平面内（ｘｚ平面内）の
軌道を通るように配置されている。すなわち、ここで一
次イオンビームの軌道を一次イオン光学軸Ａとすると、
この光学軸Ａがｘｚ平面（ｙ＝０）に含まれるようにイ
オン銃１が配置されている。そして、この光学軸Ａがｚ
軸から一定角度θ１となるように配置されている（図１
（ａ）（斜視図）、図１（ｃ）（ｘｚ平面図）参照）。

【００２４】一方、分析部３は、仮想回転軸（ｘ軸）と
垂直方向に放出される二次粒子の質量を分析するように
配置されている。すなわち、ここで分析部３によって分
析される二次粒子の軌道を二次イオン光学軸Ｂという
と、この光学軸Ｂが仮想回転軸（ｘ軸）と垂直になって
おり、言い換えればｙｚ平面（ｘ＝０）に含まれるよう
に分析部３が配置されている。そして、この光学軸Ｂ
は、ｚ軸から一定角度θ２となるように配置される（図
１（ａ）（斜視図）、図１（ｂ）（ｙｚ平面図）参
照）。このような配置とすると、ｚ軸方向から見れば一
次イオン光学軸Ａと二次イオン光学軸Ｂとは直交する関
係となっている（図１ｄ（ｘｙ平面図）参照）。

【００２５】次に、図２及び図３に示すようにθ１＝６
０°、かつθ２＝３０°とした場合を一例として、被測
定面５がｘ軸を中心としてθ、例えば±３０°傾斜した
場合における入射角度及び放出角度の変化について説明
する。

【００２６】この場合において放出角度θｏｕｔは、測
定面５に垂直な線Ｃと二次イオン光学軸Ｂとのなす角度
で、言い換えれば検出角度であり、

【００２７】θｏｕｔ＝３０°−θ

【００２８】となり、０°〜６０°の範囲で変化する
（図３（ｂ）（ｙｚ平面図）、図３（ａ）（斜視図）参
照）。

【００２９】一方、入射角度θｉｎは、被測定面５に垂
直な線Ｃと一次イオン光学軸Ａとのなす角度であり、 θｉｎ =cos^-1(cos60°・cosθ) = 62°± 2° となり、傾斜角度θが変化しても、ほぼ一定に保たれて
いることがわかる（図３（ａ）（斜視図）、図３（ｃ）
（ｘｚ平面図）参照）。つまり、±３０°傾斜させた場
合の入射角度と放出角度との関係は図４のようになり、
放出角度θｏｕｔは変動するが、入射角度θｉｎは、ほ
ぼ一定に保たれることになる。

【００３０】このように請求項１及び２に記載の二次イ
オン分析装置では、被測定面５を傾斜させることによ
り、入射角度θｉｎをほぼ一定に保ちつつ、放出角度θ
ｏｕｔを容易に変化させることがでる。よって、二次粒
子の放出角度分布を簡便に測定することができる。

【００３１】＜請求項３の発明＞一般に、一次イオンビ
ームの軌道と試料の被測定面５に垂直な線とのなす角θ
１が大きくなるほど、被測定面５が傾斜した場合におい
ても入射角度θｉｎの変化量が小さくなる。例えば、上
述の例でθ１を５０°、６０°、７５°とし、被測定面
５を例えば±３０°傾斜した場合には、θｉｎはそれぞ
れ、53°± 3°、62°± 2°、 76°± 1°の範囲
で変化する。

【００３２】一方、θ１が大きくなり過ぎるとスパッタ
収率が低下し、６０°付近でスパッタ収率（二次粒子の
発生率）が高いことが知られている。そこで、請求項３
の発明では、θ１を５０°〜７５°とし、入射角度θｉ
ｎの変化量が小さく、かつスパッタ収率を維持すること
で、効率よく放出角度分布を測定できる二次イオン分析
装置とした。

【００３３】＜請求項４及び５の発明＞請求項４及び５
の発明は、請求項１〜３に記載の二次イオン分析装置に
おける試料の代わりにターゲットを、試料ホルダの代わ
りにターゲットホルダを、分析部の代わりにワークホル
ダを備えた構造であって、ターゲットホルダ、イオン
銃、ワークホルダの配置関係が上述の請求項１〜３記載
の二次イオン分析装置と同様の関係になっているイオン
ビームスパッタ装置である。

【００３４】このため、請求項１〜３の場合と同様にタ
ーゲットホルダを回転させて、被照射面をθ傾斜させる
ことによって、入射角度θｉｎをほぼ一定に保ちつつ、
θｏｕｔを容易に変化させることができる。よって、種
々の組成の薄膜又は種々の組成・サイズのクラスターよ
り構成されるクラスター薄膜を簡便に形成することがで
きる。

【００３５】さらに一次イオンビームの軌道とターゲッ
トの被照射面に垂直な線とのなす角度が、５０°〜７５
°とすると、種々の組成の薄膜又は種々の組成・サイズ
のクラスターより構成されるクラスター薄膜を効率よく
形成することができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】＜第１実施形態＞以下、本発明の
第１実施形態を、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の直交座標系を
用いた図５〜図８を参照しつつ説明する。

【００３７】本実施形態の二次イオン質量分析装置１１
には、真空排気された試料室１３が設けられ、その中に
平板状の試料１５が配置されている。この試料１５は、
傾斜しない状態では、その被測定面２９がｚ＝０の平面
（ｘｙ平面）となるように、かつ原点（ｘ＝０、ｙ＝
０、ｚ＝０）を含むように配置されている。そして、こ
の試料１５は、その底部を試料ホルダ１７により保持さ
れている。この試料ホルダ１７のｘ軸方向の一側面に
は、ｘ軸を仮想回転軸とした回転軸部材１９が取り付け
られ、この回転軸部材１９は、試料室１３に設けた図示
しない貫通孔を通って、試料室１３の外側に突出してい
る。そして、この回転軸部材１９は図示しないベアリン
グにより回転自由に支持されるとともにその端部には、
傾斜角度を表示したノブ２３が取り付けられている。こ
のノブ２３を回動させると試料ホルダ１７がｘ軸を中心
として回動し、これにともなって試料の被測定面２９が
ｘ軸を中心として傾斜する構造となっている。

【００３８】そして、試料室１３の上方には、差動排気
型マイクロビームイオン銃２５、及び四重極質量分析計
２７が備えられている。なお、試料室１３は、公知の方
法、例えばＯリング等によって内部の気密を保つ構造と
なっている。

【００３９】ここで、差動排気型マイクロビームイオン
銃２５、及び四重極質量分析計２７の配置を説明する。

【００４０】差動排気型マイクロビームイオン銃２５
は、一次イオンビームが仮想回転軸（ｘ軸）を含む一平
面内（ｘｚ平面内）の軌道を通るように配置されてい
る。すなわち、ここで一次イオンビームの軌道を一次イ
オン光学軸Ａとすると、この光学軸Ａがｘｚ平面（ｙ＝
０）に含まれるように差動排気型マイクロビームイオン
銃２５が配置されている。そして、この光学軸Ａがｚ軸
から６０°となるように配置されている（図５、図６参
照）。

【００４１】一方、四重極質量分析計２７は、仮想回転
軸（ｘ軸）と垂直方向に放出される二次粒子の質量を分
析するように配置されている。すなわち、ここで四重極
質量分析計２７の二次粒子導入部３１の中心軸を二次イ
オン光学軸Ｂとすると、この軸Ｂが仮想回転軸（ｘ軸）
と垂直になっており、言い換えればｙｚ平面（ｘ＝０）
に含まれるように四重極質量分析計２７が配置されてい
る。そして、この光学軸Ｂは、ｚ軸から３０°となるよ
うに配置される（図５、図７参照）。このような配置と
すると、ｚ軸方向から見れば一次イオン光学軸Ａと二次
イオン光学軸Ｂとは直交する関係となっている（図８参
照）。

【００４２】次に、この二次イオン質量分析装置１１の
動作について説明する。まず、差動排気型マイクロビー
ムイオン銃２５から、一次イオンビームが一次イオン光
学軸Ａに沿って、被測定面２９に照射され、一次イオン
ビームが被測定面２９に照射されることによって試料１
５から二次イオンを含む二次粒子が放出される。そし
て、この二次粒子は、種々の放出角度で放出されている
が、このうち、二次イオン光学軸Ｂの方向のものが、二
次粒子導入部３１に備えられた中性粒子イオン化部３
２、次に静電レンズ３３を通過して、分析部３５に送ら
れて質量分析が行われる。

【００４３】そして、本実施形態の二次イオン質量分析
装置１１においては、差動排気型マイクロビームイオン
銃２５及び四重極質量分析計２７を上述のように配置し
ている。このため、被測定面２９が、ｚ＝０の平面上に
存在する場合には、入射角度は６０°となり、放出角度
は、３０°となる。

【００４４】ここで試料ホルダ１７を回転させて、ｘ軸
を回転軸として被測定面２９をθ、例えば±３０°傾斜
させると、放出角度θｏｕｔは、

【００４５】θｏｕｔ＝３０°−θ

【００４６】となり、０°〜６０°の範囲で変化する
（図３（ｂ）、図３（ａ）参照）。

【００４７】一方、入射角度θｉｎは、 θｉｎ =cos^-1(cos60°・cosθ) = 62°± 2° となり、傾斜角度θが変化しても、ほぼ一定に保たれて
いることがわかる（図３（ａ）、図３（ｃ）、図４参
照）。

【００４８】このように本実施形態記載の二次イオン質
量分析装置１１では、被測定面２９を傾斜させるための
試料ホルダ１７を備えるという簡単な構造によって、入
射角度θｉｎをほぼ一定に保ちつつ、放出角度θｏｕｔ
を容易に変化させることがでる。これにより、従来困難
とされていた二次粒子の放出角度分布を簡便に測定で
き、組成制御合金薄膜の作製、高効率クラスタ発生源等
を研究する上での有効な情報を得ることができる。

【００４９】（表面組成解析）次に本実施形態の二次イ
オン質量分析装置１１による分析の一例としてニッケル
−銅合金の表面組成解析を行った。ここでは、一次イオ
ンビームとしてアルゴンイオンビームを使用し、アルゴ
ンイオンとニッケル−銅合金（Ni₈₀Cu₂₀）の小板との衝
撃の際に放出された粒子を測定した。イオン衝撃条件
は、イオン加速電圧：３kV、イオン電流１５０nA、衝撃
時真空度：１ｘ１０^−５ Paであった。そして、ノブ２
３を回転させ被測定面２９を傾斜させることによって放
出角度を０°（垂直）、１５°、３０°、４５°、６０
°と変化させて測定した。ニッケルはm/e=58、60に、銅
はm/e=63、65にそれぞれ同位体を有するが、以後、高同
位体存在比のイオン、即ち、⁵⁸Ni⁺、及び、⁶³Cu⁺の強度
(Intensity)を、それぞれニッケルイオン強度、銅イオ
ン強度と定義する。

【００５０】図９には、ニッケル−銅合金（Ni₈₀Cu₂₀）
の小板にアルゴンイオンを衝撃した際の質量スペクトル
の一例として、垂直から６０°方向（放出角度６０°）
に放出された二次イオンの典型的な質量スペクトルを示
す。放出角度が０°（垂直）、１５°、３０°、４５
°、６０°の場合について、このような質量スペクトル
を測定し、ニッケル／銅イオン強度比(Intensity Rati
o)をそれぞれ計算して、その結果を図１０のグラフにプ
ロットした。図１０よりイオン強度比は、放出角度の増
加と共に減少することが分かった。

【００５１】一般に、固体表面から放出される原子（イ
オン）に関して、表面第１層を構成する原子は高角度方
向へ、深部に存在する原子は低角度方向（垂直方向近
傍）へと選択的に放出されることが知られている。

【００５２】ここで、本ニッケル−銅合金試料では、図
１０より、高角度方向に銅イオンが、低角度方向（垂直
方向近傍）にニッケルイオンが、選択的に放出されてい
ることが判明した。従って、図１１に模式的に示すよう
に表面第１層での銅の富化、及び、それに続く下層での
銅枯渇層（ニッケル富化層）の存在が示唆された。な
お、一般的にこの枯渇層より下層でバルク組成（合金本
来の組成）に近づくことが知られている。

【００５３】このように本実施形態の二次イオン質量分
析装置１１を用いれば、ノブ２３を回転させ被測定面２
９を傾斜させるという簡単な操作によって容易に放出角
度を変化させて、表面組成解析を行うことができる。

【００５４】（スパッタ放出アルミニウム・クラスター
の放出機構解析）次に本実施形態の二次イオン質量分析
装置１１による分析の一例としてスパッタ放出アルミニ
ウム・クラスターの放出機構解析を行った。ここでは、
一次イオンビームとしてアルゴンイオンビームを使用
し、アルゴンイオンと金属アルミニウムの小板（純度9
9.999%）との衝撃の際に放出された粒子を測定した。イ
オン衝撃条件は、イオン加速電圧：３kV、イオン電流１
５０nA、衝撃時真空度：１ｘ１０^−５ Paであった。

【００５５】そして、ノブ２３を回転させ被測定面２９
を傾斜させることによって放出角度を０°（垂直）、１
５°、３０°、４５°、６０°と変化させて測定した。
質量スペクトルの一例として、垂直方向（放出角度０
°）に放出された二次イオンの質量スペクトルを図１２
に示す。図１２には、アルミニウム単量体イオン（Al_１
⁺）に加え、２量体イオン（Al₂ ⁺）が明らかに認められ
た。一般に、固体表面のスパッタにより放出される多量
体（クラスター）イオン（Al_n ⁺）の強度は、クラスター
構成原子数ｎの増加と共に指数関数的に減少することが
知られており、本測定では、３量体以上のクラスターは
検出されなかった。尚、m/e=40に見られるピークは、イ
オン衝撃によって注入されたアルゴンイオンの再放出に
よるものである。

【００５６】放出角度が、０°（垂直）、１５°、３０
°、４５°、６０°で測定された単量体及び２量体イオ
ン強度を図１３に、２量体／単量体イオン強度比を図１
４にそれぞれ示す。単量体イオン強度（Al_１ ⁺強度）
は、放出角度の増加と共に単調に減少したが、２量体イ
オン強度（Al₂ ⁺強度）は、放出角度１５°で最大値を取
った後、放出角度の増加と共に減少した。このようなイ
オン強度の放出角度依存性故に、２量体／単量体イオン
強度比は放出角度約３０°に最大値を有する凸関数とな
った（図１４）。

【００５７】一般に、スパッタによるクラスターの放出
は、(i)スパッタにより放出された個々の原子（単量
体）が、放出の過程で再結合しクラスターとなる“再結
合機構”、あるいは、(ii)クラスターが直接叩き出され
る“直接放出機構”によるものとされている。再結合機
構によるクラスター放出の場合、放出されるクラスター
量は、放出単量体量の関数であり、単量体量の減少と共
に、単調に減少する事が知られている。一方、直接放出
機構によるクラスター放出の場合、クラスターと単量体
の放出量との間に量的相関は認められていない。かかる
理論的背景を踏まえ、図１３及び図１４の放出角度依存
性を考慮すると、クラスター放出機構は以下のように考
えられる。

【００５８】すなわち、低放出角度（垂直方向近傍）で
は、放出角度の増加と共に単量体イオン強度（Al_１ ⁺強
度）が減少しているにもかかわらずに、２量体／単量体
イオン強度比が増加する傾向にある。この傾向は、再結
合機構の場合の傾向、すなわち、クラスター量が、単量
体量の減少と共に単調に減少する傾向とは相違する。よ
って、クラスター放出機構が、低放出角度（垂直方向近
傍）では、直接放出機構によるものであると考えられ
る。

【００５９】一方、高放出角度では、放出角度の増加と
共に単量体イオン強度（Al_１ ⁺強度）が減少しており、
これに伴って２量体／単量体イオン強度比も単調に減少
する傾向にある。この傾向は、再結合機構の場合の傾
向、すなわち、クラスター量が、単量体量の減少と共に
単調に減少する傾向と合致する。よって、クラスター放
出機構が、高放出角度では、再結合機構によるものであ
ると考えられる。

【００６０】このように本実施形態の二次イオン質量分
析装置１１を用いれば、ノブ２３を回転させ被測定面２
９を傾斜させるという簡単な操作によって容易に放出角
度を変化させて、非常に有効な測定情報を得ることがで
きる。

【００６１】＜第２実施形態＞次に本発明の第２実施形
態を、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の直交座標系を用いた図１
５を参照しつつ説明する。なお、第１実施形態と同じ構
成については、同一の符号を付し、構造、作用及び効果
の説明は省略する。

【００６２】本実施形態のイオンビームスパッタ装置４
０には、真空排気された試料室１３が設けられ、その中
に平板状のターゲット４１が配置されている。このター
ゲット４１は、傾斜しない状態では、その被照射面４３
がｚ＝０の平面（ｘｙ平面）となるように、かつ原点
（ｘ＝０、ｙ＝０、ｚ＝０）を含むように配置されてい
る。

【００６３】そして、このターゲット４１は、その底部
をターゲットホルダ４５により保持されている。このタ
ーゲットホルダ４５のｘ軸方向の一側面には、ｘ軸を仮
想回転軸とした回転軸部材１９が取り付けられ、この回
転軸部材１９は、試料室１３に設けた図示しない貫通孔
を通って、試料室１３の外側に突出している。そして、
この回転軸部材１９は図示しないベアリングにより回転
自由に支持されるとともにその端部には、傾斜角度を表
示したノブ２３が取り付けられている。このノブ２３を
回動させるとターゲットホルダ４５がｘ軸を中心として
回動し、これにともなってターゲット４１の被照射面４
３がｘ軸を中心として傾斜する構造となっている。

【００６４】そして、試料室１３の上方には、差動排気
型マイクロビームイオン銃２５、及び平板上のワーク４
７を保持したワークホルダ４９が備えられている。な
お、試料室１３は、公知の方法、例えばＯリング等によ
って内部の気密を保つ構造となっている。

【００６５】ここで、差動排気型マイクロビームイオン
銃２５、及びワークホルダ４９の配置を説明する。

【００６６】差動排気型マイクロビームイオン銃２５
は、一次イオンビームが仮想回転軸（ｘ軸）を含む一平
面内（ｘｚ平面内）の軌道を通るように配置されてい
る。すなわち、ここで一次イオンビームの軌道を一次イ
オン光学軸Ａとすると、この光学軸Ａがｘｚ平面（ｙ＝
０）に含まれるように差動排気型マイクロビームイオン
銃２５が配置されている。そして、この光学軸Ａがｚ軸
から６０°となるように配置されている（図１５参
照）。

【００６７】一方、ワークホルダ４９は、仮想回転軸
（ｘ軸）と垂直方向に放出される二次粒子をワーク４７
が受ける位置に配置されている。

【００６８】すなわち、ワークホルダ４９に保持された
ワーク４７に対して垂直な線、これを二次イオン光学軸
Ｂとすると、この軸Ｂが仮想回転軸（ｘ軸）と垂直にな
っており、言い換えればｙｚ平面（ｘ＝０）に含まれる
ようにワークホルダ４９が配置され、二次イオン光学軸
Ｂ方向に放出される二次粒子を優先的にワーク４７に付
着する構成となっている。そして、この光学軸Ｂは、ｚ
軸から３０°となるように配置される（図１５参照）。

【００６９】次に、このイオンビームスパッタ装置４０
の動作について説明する。まず、差動排気型マイクロビ
ームイオン銃２５から、一次イオンビームが一次イオン
光学軸Ａに沿って、被照射面４３に照射され、一次イオ
ンビームが、被照射面４３に照射されることによってタ
ーゲット４１から二次イオンを含む二次粒子が放出され
る。そして、この二次粒子は、種々の放出角度で放出さ
れているが、このうち、二次イオン光学軸Ｂの方向のも
のが、強調されてワーク４７に堆積する。

【００７０】そして、本実施形態のイオンビームスパッ
タ装置４０においては、差動排気型マイクロビームイオ
ン銃２５及びワークホルダ４９を上述のように配置して
いる。このため、被照射面４３が、ｚ＝０の平面上に存
在する場合には、入射角度は６０°となり、放出角度
は、３０°となる。

【００７１】ここでターゲットホルダ４５を回転させ
て、ｘ軸を回転軸として被照射面４３をθ、例えば±３
０°傾斜させると、放出角度θｏｕｔは、

【００７２】θｏｕｔ＝３０°−θ

【００７３】となり、０°〜６０°の範囲で変化する
（図３（ｂ）、図３（ａ）参照）。

【００７４】一方、入射角度θｉｎは、 θｉｎ =cos^-1(cos60°・cosθ) = 62°± 2° となり、傾斜角度θが変化しても、ほぼ一定に保たれて
いることがわかる（図３（ａ）、図３（ｃ）、図４参
照）。

【００７５】このように本実施形態に記載のイオンビー
ムスパッタ装置４０では、被照射面４３を傾斜させるた
めのターゲットホルダ４５を備えるという簡単な構造に
よって、入射角度θｉｎをほぼ一定に保ちつつ、放出角
度θｏｕｔを容易に変化させることがでる。これによ
り、種々の組成の薄膜又は種々の組成・サイズのクラス
ターより構成されるクラスター薄膜を簡便に作製するこ
とができる。

【００７６】＜他の実施形態＞本発明は上記記述及び図
面によって説明した実施形態に限定されるものではな
く、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に
含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内
で種々変更して実施することができる。

【００７７】（１）上記した実施形態では、試料ホルダ
１７に回転軸部材１９が取り付けられ、この端部にノブ
２３が取り付けられたもの、又はターゲットホルダ４５
に回転軸部材１９が取り付けられ、この端部にノブ２３
が取り付けられたものによって被測定面２９又は被照射
面４３を傾斜させる構成としたが、これに限られずに、
公知の手段、例えば、ゴニオメータ等を使用して被測定
面２９又は被照射面４３を傾斜させてもよいことは勿論
である。

【００７８】（２）上記した実施形態では、イオン銃
は、差動排気型マイクロビームイオン銃２５としたが、
これに限られず、例えば電子振動型イオン銃、フローテ
ィング型イオン銃等であってもよいことは勿論である。

【００７９】（３）上記した実施形態では、分析部は、
四重極質量分析計２７としたが、特に限定されず、他の
形式の分析計、例えば飛行時間型質量分析計、磁界偏向
型質量分析計等であってもよい。また、ドリフトチュー
ブ、イオンエネルギーアナライザー等を備えていても良
い。

【００８０】（４）上記した実施形態では、θ１＝６０
°、かつθ２＝３０°としたが、θ１、θ２は特に制限
されず、０°＜θ１＜９０°、０°＜θ２＜９０°であ
ればいずれの角度であっても良い。θ１は、５０°≦θ
１≦７５°がさらに望ましい。

【００８１】（５）上記した実施形態では、ターゲット
４１から二次イオンを含む二次粒子が放出され、これが
ワーク４７に堆積する構成としたが、ターゲットホルダ
４５とワークホルダ４９との間にスリットを設けて、二
次イオン光学軸Ｂの方向のものを、強調してワーク４７
に堆積する構成としてもよいことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作用の説明図

【図２】同じく説明図

【図３】同じく説明図

【図４】傾斜に伴う入射角度及び放出角度の変化を示す
グラフ

【図５】本発明の第１実施形態の一部切り欠き斜視図

【図６】本発明の第１実施形態のｘｚ平面図

【図７】本発明の第１実施形態のｙｚ平面図

【図８】本発明の第１実施形態のｘｙ平面図

【図９】放出角度６０°におけるイオンの質量スペクト
ル

【図１０】放出角度とイオン強度比との相関関係を示す
グラフ

【図１１】深さに対する銅元素濃度を示す図

【図１２】放出角度０°におけるイオンの質量スペクト
ル

【図１３】放出角度とイオン強度との相関関係を示すグ
ラフ

【図１４】放出角度とイオン強度比との相関関係を示す
グラフ

【図１５】本発明の第２実施形態の一部切り欠き斜視図

【図１６】従来例の一部切り欠き斜視図

【図１７】従来例のｙｚ平面図

【図１８】従来例のｘｙ平面図

【図１９】従来例のｘｚ平面図

【図２０】他の従来例の斜視図

【符号の説明】

１１…二次イオン質量分析装置 １５…試料 １７…試料ホルダ ２５…差動排気型マイクロビームイオン銃（イオン銃） ２７…四重極質量分析計（分析部） ２９…被測定面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥山 文雄 愛知県名古屋市昭和区川名山町128−４ 杁中住宅３−32 Ｆターム(参考） 2G001 AA05 BA06 CA05 DA02 FA14 GA13 JA06 JA08 KA01 MA05 PA12 SA07 4K029 CA15 DC37 JA02 5C033 QQ01 QQ05 QQ07 5C034 DD01 DD06 DD09

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料ホルダと、この試料ホルダに保持さ
   れた試料の被測定面に、この被測定面に対して斜方向か
   ら一次イオンビームを照射するイオン銃と、 一次イオンビームが前記被測定面に照射されることによ
   って前記試料から放出される二次粒子の分析部とを備え
   た二次イオン分析装置において、 前記試料ホルダは、前記試料の前記被測定面内を通る仮
   想回転軸を中心として前記試料を回転させ、 前記イオン銃は、前記一次イオンビームが前記仮想回転
   軸を含む一平面内の軌道を通るように配置され、 前記分析部は、前記仮想回転軸と垂直方向に放出される
   前記二次粒子を分析するように配置されていることを特
   徴とする二次イオン分析装置。
2. 【請求項２】 試料ホルダと、 この試料ホルダに保持された試料の被測定面に、この被
   測定面に対して斜方向から一次イオンビームを照射する
   イオン銃と、 一次イオンビームが前記被測定面に照射されることによ
   って前記試料から放出される二次粒子の質量分析部とを
   備えた二次イオン分析装置において、 前記試料ホルダは、前記試料の前記被測定面内を通る仮
   想回転軸を中心として前記試料を回転させ、 前記イオン銃は、前記一次イオンビームが前記仮想回転
   軸を含む一平面内の軌道を通るように配置され、 前記質量分析部は、前記仮想回転軸と垂直方向に放出さ
   れる前記二次粒子を分析するように配置されていること
   を特徴とする二次イオン分析装置。
3. 【請求項３】 前記一次イオンビームの軌道と前記試料
   の前記被測定面に垂直な線とのなす角度が、５０°〜７
   ５°である請求項１又は２に記載の二次イオン分析装
   置。
4. 【請求項４】 ターゲットホルダと、 このターゲットホルダに保持されたターゲットの被照射
   面に、この被照射面に対して斜方向から一次イオンビー
   ムを照射するイオン銃と、 一次イオンビームが前記被照射面に照射されることによ
   って前記ターゲットから放出される二次粒子を受けるワ
   ークを保持するワークホルダとを備えたイオンビームス
   パッタ装置において、 前記ターゲットホルダは、前記ターゲットの前記被照射
   面内を通る仮想回転軸を中心として前記ターゲットを回
   転させ、 前記イオン銃は、前記一次イオンビームが前記仮想回転
   軸を含む一平面内の軌道を通るように配置され、 前記ワークホルダは、前記仮想回転軸と垂直方向に放出
   される前記二次粒子を前記ワークが受ける位置に配置さ
   れていることを特徴とするイオンビームスパッタ装置。
5. 【請求項５】 前記一次イオンビームの軌道と前記ター
   ゲットの前記被照射面に垂直な線とのなす角度が、５０
   °〜７５°である請求項４に記載のイオンビームスパッ
   タ装置。