JP2011228069A - Time-of-flight secondary ion mass spectrometer using gas cluster ion beam - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスクラスターイオンビームを一次イオンビームに用いた飛行時間型二次イオン質量分析装置に関する。 The present invention relates to a time-of-flight secondary ion mass spectrometer using a gas cluster ion beam as a primary ion beam.
飛行時間型二次イオン質量分析法(Time of flight secondary ion mass spectrometry、以降TOF−SIMSと称する)はイオン源から数10keVの加速エネルギーで引き出された一次イオンを試料に照射し、試料から生成された二次イオンの質量を飛行時間に従って同定し、試料表面の原子・分子組成を明らかにする方法である。試料表面をGaイオンやAuイオン等の液体イオンビームによって二次元スキャンすると、質量の二次元分布を数μm以下の空間分解能で得ることができる。最近では有機物に対する二次イオン収率の向上を目指してGaイオンやAuイオンに変わって、BiイオンやC60イオンが使用され始めている。 Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (hereinafter referred to as TOF-SIMS) is generated from a sample by irradiating the sample with primary ions extracted from an ion source with acceleration energy of several tens of keV. In this method, the mass of secondary ions is identified according to the time of flight and the atomic / molecular composition of the sample surface is clarified. When the sample surface is two-dimensionally scanned with a liquid ion beam such as Ga ions or Au ions, a two-dimensional distribution of mass can be obtained with a spatial resolution of several μm or less. Recently, Bi ions and C 60 ions have begun to be used instead of Ga ions and Au ions for the purpose of improving the yield of secondary ions for organic substances.
一方これらのイオンに比べて、数百から数千の多数の原子・分子のサイズからなるガスクラスターイオンビーム(GCIB)は一個あたりのエネルギーが数eV以下と小さいため、GCIBを一次イオンとして用いる事ができれば、高分子試料をフラグメントに分解することが少なく、分子イオンの検出が期待できる。また二次イオン収量が大きいため感度向上が期待でき、TOF−SIMSの応用範囲が拡大すると考えられる。 On the other hand, a gas cluster ion beam (GCIB) having a size of hundreds to thousands of atoms / molecules has a small energy of several eV or less, so that GCIB is used as a primary ion. If it is possible, the polymer sample is hardly decomposed into fragments, and detection of molecular ions can be expected. Moreover, since the secondary ion yield is large, an improvement in sensitivity can be expected, and the application range of TOF-SIMS is considered to be expanded.
しかしながら、一次イオンビームとしてGCIBを従来の液体金属イオンに置き換えて使用すると次のような二つの問題点が生じる。
一つ目の問題点は、GCIBではクラスターサイズに対応して数10eV程度のエネルギー分布を持ち、レンズの色収差に起因するビームの広がりが不可避であるため、数μm程度のビーム径を得ることが困難なことである。従って、GCIBによって試料表面を二次元スキャンする場合、上述の液体イオンビームのような空間分解能を得ることはビーム光学系を複雑化し困難であった。
However, when GCIB is used as a primary ion beam in place of conventional liquid metal ions, the following two problems arise.
The first problem is that GCIB has an energy distribution of about several tens of eV corresponding to the cluster size, and the beam spread due to the chromatic aberration of the lens is inevitable, so that a beam diameter of about several μm can be obtained. It is difficult. Therefore, when the sample surface is two-dimensionally scanned by GCIB, it is difficult to obtain a spatial resolution like the above-described liquid ion beam because the beam optical system is complicated.
二つ目の問題点は、GCIBは広いサイズ分布を有するために、一定エネルギーで加速されたGCIBはサイズによって速度が異なり、試料までのドリフト空間を走行中にサイズに従い分離してしまい、従来のビームのように数nsec以下の短いイオンパケットを生成することが困難なことである。後述するように、TOF−SIMSでは一次ビームのイオンパケットの時間幅が小さいほど大きい質量分解能を得られるのだが、GCIBでは高々数μsecのイオンパケットしか得ることができない。従ってGCIBを試料に連続的に照射し、照射面から放出される二次イオンをパルス化する技術が必要である。
GCIBをTOF−SIMSの一次イオンビームとして用いるためにはこれらの2つの課題を解決する必要がある。
The second problem is that since GCIB has a wide size distribution, the speed of GCIB accelerated by a constant energy differs depending on the size, and the drift space to the sample is separated according to the size while traveling. It is difficult to generate a short ion packet of several nsec or less like a beam. As will be described later, in TOF-SIMS, the smaller the time width of the ion beam of the primary beam, the larger the mass resolution can be obtained, but in GCIB, only an ion packet of several μsec at most can be obtained. Therefore, there is a need for a technique for continuously irradiating the sample with GCIB and pulsing the secondary ions emitted from the irradiated surface.
In order to use GCIB as a primary ion beam of TOF-SIMS, it is necessary to solve these two problems.
特許文献2では、イメージング質量分析計において、0.5〜1mm程度のビーム径を有する一次イオンビームを試料に照射し、広い照射面から脱離した二次イオンの相対位置関係を保持したまま、TOF−SIMSを用いて試料の二次元質量分布を得る方法が開示されている。つまり、試料表面をイオンビームで二次元スキャンするのではなく、照射面の異なる位置から放出される二次イオンの相対位置関係をそのまま保持させる方法により、一つ目の課題は解決できると考えられる。 In Patent Document 2, in an imaging mass spectrometer, a sample is irradiated with a primary ion beam having a beam diameter of about 0.5 to 1 mm, and the relative positional relationship of secondary ions desorbed from a wide irradiation surface is maintained. A method for obtaining a two-dimensional mass distribution of a sample using TOF-SIMS is disclosed. In other words, it is considered that the first problem can be solved by a method in which the relative positional relationship of secondary ions emitted from different positions on the irradiation surface is maintained as it is rather than two-dimensionally scanning the sample surface with an ion beam. .
しかしながら特許文献2には、二つ目の課題である一次イオンビームが連続である場合の二次イオンのパルス化技術は記述されていない。
連続的に生成される二次イオンのパルス化法として、本分野では、ガスクロマトグラフィー(GC−MS)などで用いられる直交加速法が広く知られているが、この方法では試料の二次元位置情報が損なわれてしまうという問題がある。
However, Patent Document 2 does not describe a secondary ion pulsing technique when the primary ion beam, which is the second problem, is continuous.
An orthogonal acceleration method used in gas chromatography (GC-MS) or the like is widely known in this field as a method for pulsing secondary ions generated continuously. In this method, a two-dimensional position of a sample is used. There is a problem that information is lost.
また、連続イオンビームをパルス幅の短いイオンパケットに生成するため、マスゲート(非特許文献1参照)を用いた横型ビーム偏向法(横型ゲート)もよく知られているが、この方法においても分子量の大きなイオンの場合、偏向電場を通過するのに無視できない時間を要し、パルス幅が長くなるという欠点がある。たとえば2mmの有効偏向電場領域を加速エネルギー2keVを有する質量数5000のイオンが通過するのに要する時間は230nsecである。従って偏向電極にはパルス幅115nsec以上の電圧パルスを印加しなければならない。パルス幅を短くするために偏向電場のビーム進行方向(軸方向)長さを極端に短くする必要があるが、ビームをON/OFFするための偏向角を十分に得るためには高い偏向電圧を要するので、偏向電場の軸方向長さは極端に短くはできない。 Further, in order to generate a continuous ion beam into an ion packet with a short pulse width, a lateral beam deflection method (lateral gate) using a mass gate (see Non-Patent Document 1) is also well known. In the case of large ions, there is a disadvantage that a non-negligible time is required to pass through the deflection electric field, and the pulse width becomes long. For example, the time required for an ion having a mass number of 5000 having an acceleration energy of 2 keV to pass through an effective deflection electric field region of 2 mm is 230 nsec. Therefore, a voltage pulse having a pulse width of 115 nsec or more must be applied to the deflection electrode. In order to shorten the pulse width, it is necessary to extremely shorten the beam traveling direction (axial direction) length of the deflection electric field, but in order to obtain a sufficient deflection angle for turning on / off the beam, a high deflection voltage is required. Therefore, the axial length of the deflection electric field cannot be made extremely short.
一般に、飛行時間型の質量分析計の分解能RはR=M/ΔM=T/2ΔTで与えられる。ここにTは二次イオンの飛行時間、ΔTは二次イオンパケットの時間幅である。
分解能を大きくするにはΔTを一定に保持しつつ、Tを大きくすればよい。分析計を大型化させず飛行時間Tを大きくする方法としては、同一軌道を周回させる方法(非特許文献2参照)、あるいはイオンミラーを用いた多重反射法(特許文献1参照)が知られているが、二次元情報を維持したまま多重周回や多重反射が可能かどうかは現在のところ不明である。
つまり、GCIBをTOF−SIMSの一次イオンビームとして用いるためには、試料の二次元情報を保持した状態で高質量数の二次イオンをパルス化する技術が必要であるが、現在までその具体的な技術は見つかっていなかった。
In general, the resolution R of a time-of-flight mass spectrometer is given by R = M / ΔM = T / 2ΔT. Here, T is the flight time of the secondary ions, and ΔT is the time width of the secondary ion packet.
In order to increase the resolution, it is only necessary to increase T while keeping ΔT constant. As a method of increasing the flight time T without increasing the size of the analyzer, a method of circulating the same orbit (see Non-Patent Document 2) or a multiple reflection method using an ion mirror (see Patent Document 1) is known. However, it is currently unknown whether multiple rounds and multiple reflections are possible while maintaining two-dimensional information.
In other words, in order to use GCIB as a primary ion beam of TOF-SIMS, a technique for pulsing high-mass secondary ions while retaining the two-dimensional information of the sample is necessary. No technology has been found.
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、照射面の二次元情報を保持したまま高質量数の二次イオンをパルス化できるGCIBを用いたTOF−SIMS装置を提供することにある。 The present invention was created in order to solve the above-mentioned disadvantages of the prior art, and its purpose is a TOF using GCIB capable of pulsing secondary ions having a high mass number while maintaining the two-dimensional information of the irradiated surface. -To provide a SIMS device.
上記課題を解決するために本発明は、真空槽と、前記真空槽内を真空排気する真空排気装置と、前記真空槽内に配置される分析試料の表面にガスクラスターイオンビームを照射し、前記ガスクラスターイオンビームが照射された照射面から、前記分析試料のイオンから成る正または負電荷を有する二次イオンを放出させるイオン銃と、前記照射面から放出された前記二次イオンを前記分析試料上から引き出す引出電極と、前記引出電極によって引き出された前記二次イオンがパルス加速されるパルスゲート電極部と、前記パルスゲート電極部で加速された前記二次イオンの空間的・時間的収束をおこなう複数の扇形静電型分析器と、前記複数の扇形静電型分析器を通過した前記二次イオンの入射位置を入射時刻に対応して検出するイオン検出器とを有するTOF−SIMS装置であって、前記パルスゲート電極部は、前記引出電極で加速された前記二次イオンの進行方向に配置され、第一、第二の通過孔がそれぞれ設けられた第一、第二の電極と、前記第一の電極にパルス状の電圧を印加し、前記第一の通過孔から前記第一、第二の電極間に進入した前記二次イオンを前記第一の電極から前記第二の電極に向けて加速させるパルス電源とを有し、前記パルスゲート電極部で加速された前記二次イオンは、電荷質量比に応じた時刻で、所定の収束位置で収束した後、前記二次イオンの空間的・時間的収束をおこなう前記複数の扇形静電型分析器に入射するようにされ、前記複数の扇形静電型分析器は、それぞれ環状の外周電極と前記外周電極の内周に位置する内周電極によって形成される環状のイオン通路を有し、前記外周電極と前記内周電極の間に印加される電圧により、前記イオン通路に入射した前記二次イオンは、電荷質量比に応じた時間で前記イオン通路を通過するようにされたTOF−SIMS装置である。 In order to solve the above problems, the present invention irradiates a surface of an analysis sample disposed in a vacuum chamber, a vacuum exhaust device that evacuates the vacuum chamber, and a gas cluster ion beam, An ion gun for emitting secondary ions having positive or negative charges made of ions of the analysis sample from an irradiation surface irradiated with a gas cluster ion beam, and the secondary ions emitted from the irradiation surface of the analysis sample An extraction electrode drawn from above, a pulse gate electrode portion in which the secondary ions extracted by the extraction electrode are pulse-accelerated, and spatial and temporal convergence of the secondary ions accelerated by the pulse gate electrode portion Ion detection that detects a plurality of sector electrostatic analyzers to be performed and an incident position of the secondary ions that have passed through the plurality of sector electrostatic analyzers according to an incident time The pulse gate electrode portion is arranged in the traveling direction of the secondary ions accelerated by the extraction electrode, and is provided with first and second passage holes, respectively. A pulsed voltage is applied to the first and second electrodes and the first electrode, and the secondary ions that have entered between the first and second electrodes from the first passage hole are moved to the first electrode. The secondary ion accelerated by the pulse gate electrode portion converges at a predetermined convergence position at a time corresponding to a charge mass ratio. Thereafter, the secondary ions are incident on the plurality of sectoral electrostatic analyzers that perform spatial and temporal convergence of the secondary ions, and the plurality of sectoral electrostatic analyzers each include an annular outer circumferential electrode and the outer circumferential surface. Formed by the inner circumference electrode located on the inner circumference of the electrode. And the secondary ions incident on the ion passages pass through the ion passages in a time corresponding to a charge-mass ratio by a voltage applied between the outer peripheral electrode and the inner peripheral electrode. It is a TOF-SIMS device that is allowed to pass through.
本発明はTOF−SIMS装置であって、前記複数の扇形静電型分析器は、入射した前記二次イオンの電荷質量比が同じでもエネルギーが大きいほど長い時間で通過させるように構成されている。 The present invention is a TOF-SIMS device, wherein the plurality of fan-shaped electrostatic analyzers are configured to allow a longer time to pass as the energy increases even if the charge mass ratio of the incident secondary ions is the same. .
一次イオンビームを試料表面でスキャンすることなく試料の二次元質量分布を検出できるので大幅な計測時間の短縮になる。
GCIBを一次イオンビームに利用すると高分子、生体試料に対しても二次元質量分布を検出可能になるので、医療分野等に応用範囲が飛躍的に拡大する。
Since the two-dimensional mass distribution of the sample can be detected without scanning the primary ion beam on the sample surface, the measurement time is greatly shortened.
When GCIB is used for a primary ion beam, a two-dimensional mass distribution can be detected even for a polymer and a biological sample, so that the application range is greatly expanded in the medical field and the like.
本発明であるGCIBを使用したTOF−SIMS装置の構造を説明する。図1は本発明であるTOF−SIMS装置10の一例の内部構成図を示している。
TOF−SIMS装置10は真空槽11と真空排気装置12を有している。真空排気装置12は真空槽11に接続され、真空槽11内を真空排気可能に構成されている。
真空槽11内には試料台14が配置され、試料台14には分析試料5が載置されている。
The structure of the TOF-SIMS device using the GCIB according to the present invention will be described. FIG. 1 shows an internal configuration diagram of an example of a TOF-
The TOF-
A
TOF−SIMS装置10は銃口からGCIBを放出可能なイオン銃13を有している。イオン銃13は銃口が真空槽11内に位置するように真空槽11の内壁を気密に貫通して設置され、真空槽11内の分析試料5表面にGCIBを照射できるように構成されている。
真空槽11内の分析試料5表面と対面する位置には数Φの開口径の平板形状の引出電極15が配置されている。
The TOF-
A plate-
分析試料5を載置する試料台14には試料電源16が電気的に接続され、二次イオンの正又は負の電荷に対応して、負又は正の直流電圧が印加される。引出電極15は電気的に接地され、試料台14と引出電極15との間に電場を形成できるように構成されている。
A
後述するように分析試料5にGCIBが照射されると、照射面から放出される二次イオンは、分析試料5と引出電極15との間の電場により、照射面での、分析試料5から引出電極15に向けて加速されて引き出される。
As will be described later, when GCIB is irradiated to the
引出電極15のビーム下流(引出電極15で引き出された二次イオンの進行方向)には平板形状の第一、第二の電極21a、21bがこの順に並んで配置されている。第一、第二の電極21a、21bにはそれぞれ第一、第二の通過孔23a、23bが設けられている。ここでは第一、第二の通過孔23a、23bの大きさはどちらもΦ3あり、第一、第二の電極21a、21bの間の間隔は10mmにされている。
Flat plate-shaped first and
第一の電極21aにはパルス電源22が電気的に接続され、第二の電極21bは電気的に接地されている。パルス電源22は第一の電極21aにパルス状の電圧を印加して、第一、第二の電極21a、21b間に電場を形成できるように構成されている。
A
後述するように照射面での相対的な二次元位置関係を維持したまま第一の通過孔23aから第一、第二の電極21a、21b間に進入する二次イオンは、第一、第二の電極21a、21b間の電場により、第一の電極21aから接地された第二の電極21bに向けて加速され、第二の通過孔23bを通過した後、二次イオンの電荷質量比(q/m)に応じた時刻に所定の収束位置(以後、空間収束点30と呼ぶ)で収束するようにされている。ここでqとmはそれぞれ二次イオンの電荷と質量を示している。
As will be described later, the secondary ions that enter between the first and
第一、第二の電極21a、21b間に位置する二次イオンを、進行方向に垂直な平面内での相対的な二次元位置関係を維持したまま、電荷質量比に応じた時刻に所定の空間収束点30で収束させるような加速をパルス加速と呼ぶ。
The secondary ions located between the first and
引出電極15によって引き出された二次イオンをパルス加速する装置をパルスゲート電極部と呼ぶと、パルスゲート電極部は第一、第二の電極21a、21bとパルス電源22とで構成されている。
When a device for accelerating the secondary ions extracted by the
空間収束点30のビーム下流側には時間的・空間的収束が可能な複数の扇形静電型分析器40が配置されている。ここではこのような分析器40の一例としてTRIFT型分析器が配置されている(非特許文献4)。
A plurality of fan-shaped
ここで「時間的収束」とは、分析器40への二次イオンの入射点からイオン検出器50に到達するまでの飛行時間が、入射する二次イオンの質量の違いにより生じる時間の違い以外全く同じになる、すなわち、初期条件(光軸に垂直な面内での位置座標、角度及びエネルギー)が違っても、質量と電荷が同じであれば、全く同時にイオン検出器50に到達することを意味する。
Here, “temporal convergence” means that the flight time from the incident point of the secondary ions to the
「空間的収束」とは分析器40の入射点における光軸(中心軌道)に垂直な平面内での相対的な二次元位置関係(二次イオン像)を保持したまま、エネルギーの初期条件に依存せずイオン検出器50に拡大または縮小を除いて入射する、すなわち結像することを意味する。つまり、複数の二次イオンの試料上での相対的な二次元位置関係と同じ二次元位置関係でイオン検出器50の検出面に到達することを意味する。
“Spatial convergence” refers to the initial condition of energy while maintaining the relative two-dimensional positional relationship (secondary ion image) in a plane perpendicular to the optical axis (center trajectory) at the incident point of the
空間収束点30からTRIFT型分析器40までの経路を第一のドリフト距離L3と呼ぶ。パルスゲート電極部で加速された二次イオンは、電荷質量比に応じた時刻で空間収束点30で収束した後、第一のドリフト距離L3経路中に設置されたレンズ35によって平行化して、TRIFT型分析器40に入射するようにされている。TRIFT型分析器40では分析試料5からの二次イオン像が検出位置で結像するためには入射二次イオンは平行化されていることが必要である。
(非特許文献4)B.W.Schueler,Microsc.Microanal.Microstruct,3(1992)p119
TRIFT型分析器40はここでは三つの曲線部411、412、413と四つの直線部D1、D2、D3、D4を有し、直線部と曲線部は真空槽11内で全体として環状になるように交互に並んで配置されている。TRIFT型分析器40の曲率R0=Dとすると、符号D1、D2、D3、D4の直線部の長さはそれぞれD/2、D、D、D/2である。
A path from the
(Non-Patent Document 4) B. W. Schueler, Microsc. Microanal. Microstruct, 3 (1992) p119
Here, the
曲線部411、412、413はそれぞれ外周電極41a1、41a2、41a3と、外周電極41a1、41a2、41a3の内周に位置する内周電極41b1、41b2、41b3を有している。以後外周電極41a1、41a2、41a3と内周電極41b1、41b2、41b3との間の位置で形成される環状の通路をイオン通路と呼ぶ。 The curved portions 41 1 , 41 2 , 41 3 are respectively the outer peripheral electrodes 41a 1 , 41a 2 , 41a 3 and the inner peripheral electrodes 41b 1 , 41b 2 , 41b located on the inner periphery of the outer peripheral electrodes 41a 1 , 41a 2 , 41a 3. Has three . Hereinafter, an annular passage formed at a position between the outer peripheral electrodes 41a 1 , 41a 2 , 41a 3 and the inner peripheral electrodes 41b 1 , 41b 2 , 41b 3 is called an ion passage.
外周電極41a1、41a2、41a3と内周電極41b1、41b2、41b3には不図示の電源装置が電気的に接続され、電源装置は外周電極41a1、41a2、41a3と内周電極41b1、41b2、41b3との間のイオン通路に電場を形成するように構成されている。 A power supply device (not shown) is electrically connected to the outer peripheral electrodes 41a 1 , 41a 2 , 41a 3 and the inner peripheral electrodes 41b 1 , 41b 2 , 41b 3, and the power supply devices are connected to the outer peripheral electrodes 41a 1 , 41a 2 , 41a 3 . An electric field is formed in the ion passage between the inner peripheral electrodes 41b 1 , 41b 2 , and 41b 3 .
分析器40に入射する二次イオンは、二次イオンの電荷質量比に応じた時間でイオン通路を通過し、かつ同じ電荷質量比でもエネルギーが大きい二次イオンはエネルギーが小さい二次イオンより長い時間でイオン通路を通過するようになっている。
The secondary ions incident on the
具体的には、イオン通路内では、同一の電荷質量比を有する複数の二次イオンのうち、エネルギーの大きい二次イオンはエネルギーの小さい二次イオンより外周電極41a1、41a2、41a3に近い経路を飛行し、実質的に長い飛行距離を飛行するため、イオン通路を通過するまでに長い時間がかかる。 Specifically, in the ion passage, among a plurality of secondary ions having the same charge-mass ratio, a secondary ion having a higher energy is applied to the outer peripheral electrodes 41a 1 , 41a 2 , 41a 3 than a secondary ion having a lower energy. It takes a long time to pass through the ion path because it flies along a close path and flies over a substantially long flight distance.
TRIFT型分析器40からイオン検出器50までの経路を第二のドリフト距離L4と呼ぶと、分析器40を通過した二次イオンは、第二のドリフト距離L4を飛行してイオン検出器50に入射するようになっている。
When a route from
同一の電荷質量比を有する複数の二次イオンのうち、エネルギーの大きい二次イオンはエネルギーの小さい二次イオンより第一のドリフト距離L3と第二のドリフト距離L4とを短い時間で通過するが、その時間差だけ、イオン通路を通過するのに長い時間がかかるようにされている。 Among a plurality of secondary ions having the same charge-mass ratio, a secondary ion having a high energy passes through the first drift distance L 3 and the second drift distance L 4 in a shorter time than a secondary ion having a low energy. However, it takes a long time to pass through the ion passage by the time difference.
言い換えると、同一の電荷質量比を有する二次イオンは、エネルギーの差に依らず、第一のドリフト距離L3とイオン通路と第二のドリフト距離L4の全体を同じ時間で通過するようにされている。 In other words, secondary ions having the same charge-mass ratio pass through the first drift distance L 3 , the ion path, and the entire second drift distance L 4 in the same time regardless of the energy difference. Has been.
さらに、分析器40は、一端から入射する複数の二次イオンを、入射するときの進行方向(光軸)に垂直な平面内での相対的な二次元位置関係と同じ二次元位置関係で他端から射出するように構成されている。
Furthermore, the
二次イオンは照射面での相対的な二次元位置関係を保持したまま分析器40の一端に入射するので、照射面での相対的な二次元位置関係と同じ二次元位置関係で分析器40の他端から射出され、第二のドリフト距離L4を互いに平行に飛行した後、照射面での相対的な二次元位置関係と同じ二次元位置関係を保持したままイオン検出器50に入射する。
Since the secondary ions are incident on one end of the
イオン検出器50は平面状に束ねられた多数のチャンネル型二次電子増倍管を有するマイクロチャンネルプレート(MCP)であり、入射する二次イオンの入射位置を入射時刻に対応して検出するように構成されている。
The
真空槽11の外側にはデータ処理部51が配置されている。データ処理部51はイオン検出器50とパルス電源22に接続され、パルス電源22でのパルス電圧の印加開始時刻と、イオン検出器50で検出される二次イオンの入射時刻とから、当該二次イオンの電荷質量比を計算するように構成されており、従って、計算結果から分析試料5の照射面を構成する原子・分子の電荷質量比の二次元分布を得ることができる。
A
本発明のTOF−SIMS装置10を用いた質量分析方法を説明する。
真空槽11内を真空排気する。以後、真空排気を継続して、真空槽11内の真空雰囲気を維持する。
真空槽11内の真空雰囲気を維持しながら不図示の搬入機構により真空槽11内に分析試料5を搬入し、引出電極15と対面する試料台14上に配置する。試料台14にここでは2000Vの電圧を印加し、電気的に接地された引出電極15との間に電場を形成しておく。
A mass spectrometry method using the TOF-
The inside of the
While maintaining the vacuum atmosphere in the
イオン銃13から分析試料5の照射面にGCIBを照射する。以後、照射面の質量分析を終えるまでGCIBの照射を継続する。
GCIBが照射された照射面から、分析試料5のイオンからなる正または負電荷を有する二次イオンが放出される。この二次イオンは、分析試料5と引出電極15の間の電場により照射面での相対的な二次元位置関係を維持したまま、分析試料5から引出電極15に向けて互いに平行に飛行するように加速される。
The irradiation surface of the
Secondary ions having positive or negative charges made of ions of the
引出電極15により加速された一価の二次イオンのエネルギー分布は、中心値が2000eVに数eV〜数10eVの初期エネルギーを付加した分布になる。
引出電極15によって引き出された二次イオンは、照射面での相対的な二次元位置関係を維持したまま、パルスゲート電極部の第一の通過孔23aから、第一、第二の電極21a、21b間に進入し、第二の通過孔23bを通過する。
The energy distribution of the monovalent secondary ions accelerated by the
The secondary ions extracted by the
TRIFT型分析器40の三つの曲線部411、412、413を、二次イオンの進行方向の上流側から下流側に向かって順に第一、第二、第三の静電分析器と呼ぶ。
第一、第二、第三の静電分析器411、412、413の外周電極41a1、41a2、41a3に正電圧を、内周電極41b1、41b2、41b3に負電圧を印加し、2100eVより大きく2200eVより小さいエネルギーの二次イオンが通過できるような電場をイオン通路に形成しておく。
The three curved portions 41 1 , 41 2 , 41 3 of the
A positive voltage is applied to the outer peripheral electrodes 41a 1 , 41a 2 and 41a 3 of the first, second and third electrostatic analyzers 41 1 , 41 2 and 41 3 , and a negative voltage is applied to the inner peripheral electrodes 41b 1 , 41b 2 and 41b 3 . A voltage is applied, and an electric field is formed in the ion passage so that secondary ions having energy greater than 2100 eV and less than 2200 eV can pass.
ここでは第一の静電分析器411の下流側の直線部D2にはスリット43が配置されている。スリット43は第一の静電分析器411に入射する二次イオンのうちエネルギーが2100eV以下若しくは2200eV以上の二次イオンの飛行経路と交差するように配置されている。
Here, a
パルスゲート電極部の第二の通過孔23bを通過した二次イオンは、照射面での相対的な二次元位置関係を維持したまま、第一のドリフト距離L3を飛行した後、第一の静電分析器411に入射する。
Secondary ions have passed through the
後述するパルス電圧印加工程の前は、一価の二次イオンは2100eVより小さいエネルギーで第一の静電分析器411に入射するので、スリット43に衝突して吸収され、イオン検出器50には到達しない。
また二価以上の二次イオンは2200eVより大きいエネルギーで第一の静電分析器411に入射するので、スリット43に衝突して吸収され、イオン検出器50には到達しない。
Before the pulse voltage application step described later, monovalent secondary ions are incident on the first electrostatic analyzer 41 1 with energy smaller than 2100 eV. Will not reach.
Further, since secondary ions having a valence of 2 or more are incident on the first electrostatic analyzer 41 1 with energy larger than 2200 eV, they collide with the
次にパルス電圧印加工程として、第一の電極21aに急峻な立ち上がりで200Vの正電圧(パルス電圧と呼ぶ)を印加し、少なくともパルス電圧の印加開始時に第一の通過孔23aを通過している二次イオンが第二の通過孔23bを通過するまでの時間はパルス電圧を印加し続ける。
Next, as a pulse voltage application step, a positive voltage of 200 V (referred to as a pulse voltage) is applied to the
第一、第二の電極21a、21bの間にはE1=2×104V/mの大きさの電場が形成される。第一、第二の電極21a、21bの間に位置する二次イオンは形成された電場E1により、第一の電極21aから第二の電極21bに向けて加速され、第二の通過孔23bを通過する。
An electric field having a magnitude of E 1 = 2 × 10 4 V / m is formed between the first and
第二の通過孔23bを通過した後の二次イオンの飛行距離をL2とすると、第一、第二の電極21a、21bにパルス電圧の印加を開始してから二次イオンが距離L2まで飛行するのに要する所要時間t1-2は次式で与えられる。第一項は第一、第二の電極21a、21b間での所要時間、第二項は第二の通過孔23bを通過してからの所要時間である。
When the flight distance of the secondary ions having passed through the
ここに、U1=U0(1+δ)
U0:引出電極15での加速電圧
δ=ΔU/U0 ΔU:第一の通過孔23aに入射するときの二次イオンのエネルギー(初期エネルギー)分布の半値全幅
U2=U1+E1×s
s:パルス電圧の印加を開始した時刻における第一、第二の電極21a、21b間での二次イオンの位置(第二の電極21bから測定した距離)
δ<<1、E1×s/U0<<1として上式を級数展開し、一次の項を求めると
U 0 : acceleration voltage δ at the
s: The position of the secondary ion between the first and
When δ << 1 and E 1 × s / U 0 << 1 are expanded in series, the first order term is obtained.
第一項はL2=2U0/E1=200mmと選ぶことによりゼロになる。つまりt1-2はパルス電圧の印加を開始した時刻における二次イオンの位置sに依存しなくなり、δ=0とすると、同一の電荷質量比(q/m)を有する二次イオンはL2=200mmの位置に同時に到達することになる。L2=200mmの位置が前述の空間収束点30である。
The first term becomes zero by choosing L 2 = 2U 0 / E 1 = 200 mm. That is, t 1-2 does not depend on the position s of the secondary ion at the time when the application of the pulse voltage is started. If δ = 0, the secondary ion having the same charge mass ratio (q / m) is L 2. = A position of 200 mm is reached at the same time. The position where L 2 = 200 mm is the aforementioned
第二項は同一の電荷質量比(q/m)を有する二次イオンの初期エネルギー分布ΔUに基づくL2の位置での時間差(L2の位置を通過する時刻の分布の半値全幅)である。以後この第二項の値をδの時間差と呼ぶ。 Paragraph is the same charge-to-mass ratio the time difference at the location of the initial energy distribution based on .DELTA.U L 2 of (q / m) secondary ions having a (full width at half maximum of the distribution of the time that passes through the position of the L 2) . Hereinafter, the value of the second term is referred to as a time difference of δ.
上述のように初期エネルギー分布の半値全幅ΔUは数10eVに達する場合もある。二次イオンの加速電圧U0=2000V、ΔU=20Vとすると、δ=ΔU/U0=0.01(1%)となる。 As described above, the full width at half maximum ΔU of the initial energy distribution may reach several tens of eV. If the acceleration voltage U 0 of secondary ions is 2000 V and ΔU = 20 V, δ = ΔU / U 0 = 0.01 (1%).
パルス電圧で加速された一価の二次イオンは、第二の通過孔23bを通過するまでに、δ=0とすると、2000eVより大きく2200eVより小さい範囲のエネルギーに加速され、照射面での二次元相対位置関係を維持したまま、第一のドリフト距離L3を飛行した後、TRIFT型分析器40に入射する。
The monovalent secondary ions accelerated by the pulse voltage are accelerated to energy in a range larger than 2000 eV and smaller than 2200 eV when δ = 0 before passing through the
前述のようにTRIFT型分析器40のイオン通路の電場は2100eVより大きく2200eVより小さいエネルギーの二次イオンを通過させるように設定されているので、このエネルギー範囲の一価の二次イオンはスリット43に衝突せずにイオン通路を通過する。
As described above, the electric field in the ion passage of the
なおパルス電圧で加速された二価以上の二次イオンは、2200eVより大きいエネルギーで第一の静電分析器411に入射するので、スリット43に衝突して吸収され、イオン通路を通過しない。
In addition, since the bivalent or more secondary ions accelerated by the pulse voltage are incident on the first electrostatic analyzer 41 1 with energy larger than 2200 eV, they are absorbed by colliding with the
δ=0とすると、同時に空間収束点30を通過する同一の電荷質量比を有する複数の二次イオンのうち、エネルギーの大きい二次イオンはエネルギーの小さい二次イオンより短い時間で第一のドリフト距離L3を通過し、早い時刻に第一の静電分析器411の一端に入射するが、曲率半径が大きいためにイオン通路を長い時間で通過するので、エネルギーの小さい二次イオンより遅い時刻に第三の静電分析器413の他端から射出され、短い時間で第二のドリフト距離L4を通過して、エネルギーの小さい二次イオンと同じ時刻にイオン検出器50に入射する。
When δ = 0, among the plurality of secondary ions having the same charge-mass ratio that simultaneously pass through the
しかしながら、同一の電荷質量比を有する複数の二次イオンは空間収束点30を通過時にδの時間差を有しているので、δの時間差を有したままTRIFT型分析器40に到達することになる。
イオン検出器50は入射する二次イオンの入射位置を入射時刻に対応して検出する。
However, since a plurality of secondary ions having the same charge mass ratio have a time difference of δ when passing through the
The
パルス電源22でのパルス電圧の印加開始時刻と、イオン検出器50で検出される二次イオンの入射時刻とから、二次イオンの電荷質量比を計算する。ここではイオン検出器50に到達する二次イオンは一価なので、電荷質量比から質量を計算してもよい。計算結果から、分析試料5の照射面を構成する原子・分子の二次元の相対位置情報と電荷質量比の情報の両方を同時に得ることができる。
The charge mass ratio of the secondary ions is calculated from the application start time of the pulse voltage at the
次に本発明であるTOF−SIMS装置10の質量分解能R=m/Δmを評価する。ここでΔmは質量分布におけるピークの半値全幅である。
空間収束点30からTRIFT型分析器40を経由してイオン検出器50までの飛行距離、すなわち第一のドリフト距離L3とイオン通路と第二のドリフト距離L4との和をL5とすると、質量分解能Rは次式で表される。
Next, the mass resolution R = m / Δm of the TOF-
If the flight distance from the
ここにv0=√(2qU0/m)である。
ここでは飛行距離L5=2mであり、質量分解能Rを評価すると、L5/L2=10、δ=0.01より、R=1000の質量分解能が得られることがわかる。
Here, v 0 = √ (2qU 0 / m).
Here, the flight distance is L 5 = 2 m, and when the mass resolution R is evaluated, it is understood that a mass resolution of R = 1000 is obtained from L 5 / L 2 = 10 and δ = 0.01.
本発明のTOF−SIMS装置10では、パルスゲート電極部と引出電極15の間に、二次イオンの初期エネルギー分布の半値全幅ΔUを小さくするエネルギーフィルターを配置してもよい。この場合には上式の結果から質量分解能Rの向上に繋がるので好ましい。
In the TOF-
5……分析試料
10……飛行時間型二次イオン質量分析装置(TOF−SIMS)
11……真空槽
12……真空排気装置
15……引出電極
21a、21b……第一、第二の電極
22……パルス電源
23a、23b……第一、第二の通過孔
40……複数の扇形静電型分析器(TRIFT型分析器、分析器)
41a1、41a2、41a3……外周電極
41b1、41b2、41b3……内周電極
50……イオン検出器
5 ...
DESCRIPTION OF
41a 1 , 41a 2 , 41a 3 ... outer peripheral electrode 41b 1 , 41b 2 , 41b 3 ... inner
Claims (1)
前記真空槽内を真空排気する真空排気装置と、
前記真空槽内に配置される分析試料の表面にガスクラスターイオンビームを照射し、前記ガスクラスターイオンビームが照射された照射面から、前記分析試料のイオンから成る正または負電荷を有する二次イオンを放出させるイオン銃と、
前記照射面から放出された前記二次イオンを前記分析試料上から引き出す引出電極と、
前記引出電極によって引き出された前記二次イオンがパルス加速されるパルスゲート電極部と、
前記パルスゲート電極部で加速された前記二次イオンの空間的・時間的収束をおこなう複数の扇形静電型分析器と、
前記複数の扇形静電型分析器を通過した前記二次イオンの入射位置を入射時刻に対応して検出するイオン検出器と
を有する飛行時間型二次イオン質量分析装置であって、
前記パルスゲート電極部は、前記引出電極で加速された前記二次イオンの進行方向に配置され、第一、第二の通過孔がそれぞれ設けられた第一、第二の電極と、前記第一の電極にパルス状の電圧を印加し、前記第一の通過孔から前記第一、第二の電極間に進入した前記二次イオンを前記第一の電極から前記第二の電極に向けて加速させるパルス電源とを有し、
前記パルスゲート電極部で加速された前記二次イオンは、電荷質量比に応じた時刻で、所定の収束位置で収束した後、前記二次イオンの空間的・時間的収束をおこなう前記複数の扇形静電型分析器に入射するようにされ、
前記複数の扇形静電型分析器は、それぞれ環状の外周電極と前記外周電極の内周に位置する内周電極によって形成される環状のイオン通路を有し、前記外周電極と前記内周電極の間に印加される電圧により、前記イオン通路に入射した前記二次イオンは、電荷質量比に応じた時間で前記イオン通路を通過するようにされた飛行時間型二次イオン質量分析装置。 A vacuum chamber;
An evacuation device for evacuating the vacuum chamber;
A surface of an analysis sample disposed in the vacuum chamber is irradiated with a gas cluster ion beam, and secondary ions having positive or negative charges made of ions of the analysis sample are irradiated from the irradiation surface irradiated with the gas cluster ion beam. An ion gun that emits
An extraction electrode for extracting the secondary ions emitted from the irradiation surface from the analysis sample;
A pulse gate electrode portion in which the secondary ions extracted by the extraction electrode are pulse-accelerated;
A plurality of fan-shaped electrostatic analyzers that perform spatial and temporal convergence of the secondary ions accelerated by the pulse gate electrode unit;
A time-of-flight secondary ion mass spectrometer comprising: an ion detector that detects an incident position of the secondary ion that has passed through the plurality of sector electrostatic analyzers according to an incident time;
The pulse gate electrode portion is arranged in the traveling direction of the secondary ions accelerated by the extraction electrode, and the first and second electrodes respectively provided with first and second passage holes, and the first A pulsed voltage is applied to the first electrode, and the secondary ions entering between the first and second electrodes through the first passage hole are accelerated from the first electrode toward the second electrode. A pulse power supply
The secondary ions accelerated by the pulse gate electrode portion are converged at a predetermined convergence position at a time corresponding to a charge mass ratio, and then the plurality of sectors for performing spatial and temporal convergence of the secondary ions. To enter the electrostatic analyzer,
The plurality of sector electrostatic analyzers each have an annular ion passage formed by an annular outer peripheral electrode and an inner peripheral electrode located on the inner periphery of the outer peripheral electrode, and the outer peripheral electrode and the inner peripheral electrode A time-of-flight secondary ion mass spectrometer configured such that the secondary ions incident on the ion passage pass through the ion passage in a time corresponding to a charge-mass ratio by a voltage applied therebetween.
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