JP3440300B2 - Time-of-flight velocity measuring device for gas atoms or gas molecules - Google Patents

Time-of-flight velocity measuring device for gas atoms or gas molecules

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JP3440300B2
JP3440300B2 JP2000360782A JP2000360782A JP3440300B2 JP 3440300 B2 JP3440300 B2 JP 3440300B2 JP 2000360782 A JP2000360782 A JP 2000360782A JP 2000360782 A JP2000360782 A JP 2000360782A JP 3440300 B2 JP3440300 B2 JP 3440300B2
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gas
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velocity measuring
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敦 久保
康博 石井
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The invention of this application relates to a high-efficiency velocity measuring device for gas atoms or gas molecules. More particularly, it relates to a gas atom or gas molecule high-efficiency velocimetry device useful for measuring the translational velocity and rotational or vibrational state of a gas atom or gas molecule in a gas phase synthesis reaction.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In gas phase synthesis reactions such as thin film formation on semiconductors, the translational velocity, vibrational state, and rotational state of gas atoms or gas molecules influence the structure and electrical properties of the product. It has been known. Therefore, it can be said that measuring and controlling the translational velocity, the vibration state, and the rotation state of the reactants and products are indispensable for efficiently proceeding the gas phase synthesis reaction.

【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。
Traditionally, time-of-flight analysis methods have been widely used to measure the translational velocity of gas atoms or molecules. In this measurement method, the velocity is analyzed by measuring the time required for gas atoms and gas molecules to fly a certain distance. Depending on how to set a trigger for time measurement, (1) a method of pulsing a beam of gas atoms or gas molecules using a chopper, flying in a vacuum, and then detecting with a mass detector (2) gas atoms or gas molecules Is ionized with a pulsed laser, then it is flown in a tube without an electric field gradient (drift tube) and is detected using a multi-channel plate. In the above method (1), since it is premised that the gas is made into a beam, it is applicable to the velocity analysis of the reaction product.
On the other hand, it is not applicable to rate analysis of products. In addition, the method (1) requires a large-scale vacuum system that is differentially evacuated over a length of about 1 m.

【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。
On the other hand, the above method (2) can be realized with a small-scale configuration as compared with the above method (1), and analysis of gas which has not been converted into a beam is also possible. Further, by utilizing the resonance ionization by laser light, there is an advantage that the vibrational and rotational states of gas molecules can be selectively subjected to velocity analysis.

【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。
Unlike the time-of-flight analyzer for the purpose of mass spectrometry, in the time-of-flight analyzer for the purpose of velocity analysis, between the ionization section (focusing point of laser) and the drift tube, No voltage is applied, or a low voltage of 10 V or less is applied.
This is to prevent the translational energy distribution (translational velocity distribution) of atoms or molecules much smaller than 1 eV from being disturbed by a strong accelerating electric field.

【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。
When no voltage is applied, only a small portion of the ionized atoms or molecules can enter the drift tube and reach the detection portion, and therefore the detection efficiency is low. . In particular, it is known that low-energy (low-velocity) atoms / molecules of 0.05 eV or less have a high probability of colliding with the tube side wall before arriving at the detection unit, so that the detection efficiency in the low-velocity region is significantly reduced. ing.

【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。
In order to solve this problem, a method has been devised in which a weak attracting electric field is created between the ionization section and the drift tube to attract ions into the drift tube. In this method, an electrode with a hole made of metal is installed in front of the ionization section (the side farther from the drift tube), this is grounded, and a negative voltage of 10 V or less is applied to the drift tube.

【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。
As described above, the detection efficiency of the time-of-flight velocity analyzer can be improved by applying a voltage of 10 V or less between the ionization section and the drift tube. In the prior art, a metal electrode is provided outside the drift tube, which complicates the structure of the analyzer. In addition, the electrode has a hole so that gas atoms or gas molecules to be measured can pass therethrough, which causes a distortion in the distribution of the electric field generated between the electrode and the drift tube. In the velocity analysis of reaction products and desorbed species on the solid surface, which is an applied technology of velocity analysis of gas atoms or gas molecules, the electric field leaked from the electrode affects the reaction on the solid surface and is the object of measurement. This may disturb the production process of reaction products and the velocity distribution, which hinders accurate measurement.

【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。
Therefore, the invention of this application has been made in view of the circumstances as described above, and minimizes the adverse effect on the object to be measured due to the leakage of the electric field, and the velocity distribution is reduced to the low velocity region. An object of the present invention is to provide a velocity measuring device for gas atoms or gas molecules that realizes highly efficient velocity analysis without distortion.

【0010】[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。
Means for Solving the Problems The invention of this application is to solve the above-mentioned problems. Firstly, an ionization part for ionizing gas atoms or gas molecules by pulse laser irradiation, and an ionization part A drift tube for introducing velocity ions to perform velocity separation, a two-stage acceleration / focusing unit for accelerating ions that have passed through the drift tube and at the same time focusing them spatially, and ions emitted from this two-stage acceleration / focusing unit. A time-of-flight velocity measuring device comprising an ion detection unit for detecting the two-stage acceleration and convergence unit, the first grid installed on the drift tube side and the second grid installed on the ion detection unit side. And a distance d between the first grid and the ion emission port of the drift tube and, if it has a pull-in portion, a drift tube length L including this. But it provides a time-of-flight velocity measuring device, characterized in that L / d is set to be in the range of 10 to 50.

【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。
Secondly, the invention of this application is
Applied to the drift tube for the device
Negative voltage VdIs -10≤VdIn the range of ≦ −1V, the second
Negative voltage V applied to the grid2Is -2k≤V2
Marked in the range ≤ -1 kV and for the first grid
Negative voltage V applied1Is | Vd| <| V1| <| V2Range of |
The flight time type speed is characterized by
The third is the drift tube
Electrically insulated from the drift tube at the on-inlet
It is equipped with a pull-in part, and the negative
Voltage VgIs 0 <| V g| ≦ | VdTo be set in the range of |
Providing a characteristic time-of-flight velocity measuring device,
Fourth, the tip has an opening with a diameter of 5 mm or less for introducing gas.
Made entirely of highly magnetically permeable metal electrically grounded
Inside the shield, the ionization part, drift tube, and
A stage acceleration / focusing unit and an ion detection unit are installed.
A time-of-flight velocity measuring device is provided.

【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。
Fifthly, the invention of this application provides a method for measuring the velocity of a gas atom or a gas molecule by any one of the above devices.

【0013】[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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The invention of this application has the characteristics as described above, and the embodiments thereof will be described below.

【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。
The time-of-flight velocity measuring apparatus according to the invention of this application has an ionization section, a drift tube, a two-stage acceleration convergence section, and an ion detection section as basic components. In order to prevent external electric and magnetic fields from disturbing ions in flight and to shield external leakage of the electric field applied to the two-stage acceleration focusing unit and ion detection unit, these ionization units, drift tubes, two-stage acceleration The converging unit and the ion detecting unit are installed while being covered with a metal shield. As a material for the shield, a highly magnetically transparent metal material is appropriately selected, and it is particularly preferable to use mu metal. Also,
The entire shield is electrically grounded.

【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。
A gas introduction hole is opened at the tip of the shield, and gas atoms or gas molecules are introduced into the ionization section through the hole.

【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。
In the ionization section, the pulsed laser is applied to the gas atoms or gas molecules, thereby ionizing the gas atoms or gas molecules.

【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。
Next, the ions generated in the ionization section are introduced into the drift tube and subjected to velocity separation. The inlet to the drift tube is provided with a lead-in section that is electrically insulated from the drift tube. A negative voltage is applied to this attracting portion, and the ions are attracted to the drift tube without distorting the velocity distribution. In addition to the efficient drawing from the ionization part, the drawing part also has a function of converging the spatial spread of the ions in the stage before entering the drift tube. Ions fly through the drift tube in which there is no electric field gradient, then are ejected from the ion exit of the drift tube, and are accelerated by the two-stage acceleration converging unit. Further, the two-stage acceleration converging unit also has a function of converging the spatial spread of the ions simultaneously with acceleration.

【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。
The two-stage acceleration converging unit is composed of a first grid installed on the drift tube side and a second grid installed on the ion detection unit side. Since a negative voltage is applied to each of the two grids, the acceleration and spread of the ions are converged. Regarding the distance d between the first grid and the ion emission port of the drift tube and the drift tube length L including the pull-in portion, L / d, which is the ratio thereof, may be set in a range of 10 to 50. preferable.

【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。
Ions whose acceleration and spread are converged by the two-stage acceleration converging unit are detected by the ion detecting unit.
A multi-channel plate, for example, is used for the ion detector, and the detection signal is amplified through a preamplifier or the like, and is further input to a measuring instrument to analyze the velocity distribution of ions.

【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。
Negative applied to the drift tube
Voltage VdIs −10 ≦ VdSet within the range indicated by ≤-1V
Is preferably performed. Also, for the second grid
Negative voltage V applied2Is −2k ≦ V2≤-1kV
It is preferable that the range is set. Also,
Negative voltage V applied to one grid1Is | V d|
<| V1| <| V2It is set within the range indicated by |. further,
Negative voltage V applied to the pull-in partgIs 0 <| V
g| ≦ | VdIt is set in the range of |.

【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。
By applying a voltage to the pull-in portion as described above, ion lenses are formed between the ionization portion and the pull-in portion, and between the pull-in portion and the drift tube, respectively. The spatial spread of can be suppressed.

【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。
Further, by applying a voltage to the first grid and the second grid as described above, it becomes possible to generate an accelerating electric field without distortion, and gas atoms or gas incident from the drift tube can be generated. The molecule can be guided to the detection section with high efficiency.

【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。
As described above, for the first time in this application, it is possible to reduce the disturbance of the velocity distribution of gas atoms or gas molecules due to the drawing electric field, and to realize velocity measurement with high accuracy even in the low velocity region near zero velocity. It

【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。
Further, since the leakage of the drawing electric field to the outside of the shield can be made minute, it is possible to prevent the adverse effect on the surface of the reaction sample placed outside the shield.

【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。
Furthermore, since the time-of-flight velocity measuring device of the invention of this application does not require external electrodes,
It has a compact and easy-to-use structure.

【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。
The invention of this application has the above-mentioned features, but the following examples will be given to explain it more specifically.

【0027】[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。
Embodiment 1 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the configuration of a time-of-flight velocity measuring device according to the invention of this application.

【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。
In the time-of-flight velocity measuring apparatus according to the invention of this application, the gas atom or gas molecule to be measured is introduced into the conical metal shield (1) with a diameter of about 3 mm provided at the tip of the shield. It passes through the hole (2) and is introduced into the ionization section (3) inside the shield. Gas atoms or gas molecules introduced into the shield are generated by laser light (5) incident on the ionization section (3) from a laser introduction hole (4) having a diameter of about 1 mm provided on the side surface of the shield (1). Ionized.

【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。
The shield (1) is electrically grounded, and the entrance (7) of the entrance of the drift tube (6).
To the drift tube (6) by applying a voltage of −1.4 V to the drift tube (6) and a voltage of −5 V to the drift tube (6) without distorting its velocity distribution.
It is drawn inside. In the time-of-flight velocity measuring device of the invention of this application, unlike the prior art, since the shield (1) is grounded, it acts as an electrode and does not require an external acceleration electrode.

【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。
The ions taken into the drift tube (6) fly about 10 cm inside the drift tube (6) where there is no electric field gradient, and enter the two-stage acceleration converging section (8). The two-stage acceleration converging unit (8) has a first grid (9) installed at a position of about 5 mm from the exit of the drift tube (6) and a second grid (9) installed at a position of about 11 mm ( 10).
The ions accelerated and focused by these two grids are detected by the multi-channel plate (11). The detection signal is amplified through a preamplifier and input to measurement equipment such as an oscilloscope.

【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。
FIG. 2 shows the results of numerical simulation for the potential distribution that appears when the voltage is applied as described above to each part constituting the time-of-flight velocity measuring device having the structure described above. A straight line penetrating the central portion of FIG. 2 represents a track of ions. As shown in FIG. 2, according to the invention of this application, it is possible to obtain an equipotential surface having no distortion in the same radial direction in the two-stage acceleration convergence part. Further, as shown in FIG. 2, the negative potential V g of the lead-in portion is lower than the negative potential V d of the drift tube (| V g | <| V d |).
By setting, it becomes possible to generate an ion lens between the pulling-in part and the drift tube, and it is possible to dramatically improve the convergence of ions in the drift tube. Embodiment 2 FIG. 3 shows one application example of the time-of-flight velocity measuring device according to the invention of this application.

【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。
In the evacuated vacuum chamber (31),
The time-of-flight velocity measuring device (32) of the invention of this application is installed, and a laser beam is incident through a window (33) attached to the upper part of the vacuum chamber (31). A lens (34) is installed above the window (33) and is designed so that laser light is focused on the ionization part of the time-of-flight velocity measuring device (32).

【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。
Gas atoms or gas molecules are introduced into the vacuum chamber (31) from the inlet (35), and further the time-of-flight velocity measuring device (3) is passed through the gas inlet hole.
2) It is introduced inside. As described above, the detection of ions is performed by the multi-channel plate, and the detection signal is the preamplifier (36) directly connected to the multi-channel plate.
After being amplified by, it is input to the digital oscilloscope,
The accumulated values are further input to a computer for speed analysis.

【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。
FIG. 4 is a graph showing the results of the velocity analysis of hydrogen molecules performed in this example. The hydrogen gas pressure outside the shield was 4 × 10 −6 Torr, the gas cell temperature was 500 ° C., and the vibration and rotation states of the selectively ionized hydrogen molecules were v = 0 and J = 5, respectively. In FIG. 4, the solid line represents the measured value and the broken line represents the theoretical value. By comparing the measured value with the theoretical value, the time-of-flight velocity measuring device of the invention of this application shows 0.05 eV.
It is apparent that the velocity analysis is possible even at the low energy below, that is, at the low velocity of 3000 m / s or less. Third Embodiment Furthermore, FIG. 5 shows one application example of the time-of-flight velocity measuring device according to the invention of this application.

【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。
In the structure similar to that shown in FIG. 3, the sample (58) is placed immediately before the gas introduction hole (57) of the time-of-flight velocity measuring device (52). By irradiating the sample (58) with a molecular beam (59) or the like, a reaction product (60) is produced, and the reaction product (60) is further subjected to a time-of-flight velocity measuring device (52). By introducing into the inside, it becomes possible to carry out velocity analysis of gas atoms or gas molecules involved in the reaction on the sample surface.

【0036】[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。
As described above in detail, according to the invention of this application, it is possible to minimize the adverse effect on the object to be measured due to the leakage of the electric field, and to distort the velocity distribution up to the low velocity region and to achieve high efficiency. An apparatus for measuring a velocity of a gas atom or a gas molecule is provided that realizes a simple velocity analysis.

【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。
According to the invention of this application, a time-of-flight velocity measuring device having a small structure which does not require an external electrode is technically realized for the first time.

【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。
According to the invention of this application, it is possible to measure with high accuracy the velocity of gas atoms or gas molecules produced and desorbed in the surface reaction of a solid such as thin film formation by molecular beam. Therefore, the invention of this application is strongly expected to be put into practical use as a technique for realizing reaction control on the solid surface at the atomic or molecular level, such as oxide film formation on the semiconductor surface and hydrogen termination reaction.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a time-of-flight velocity measuring device according to the invention of this application.

【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。
FIG. 2 is a contour diagram showing the result of a numerical simulation for the potential distribution that appears when a voltage is applied to each part of the time-of-flight velocity measuring device of the invention of this application.

【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。
FIG. 3 is a schematic diagram showing one application example of the time-of-flight velocity measuring device according to the invention of this application.

【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。
FIG. 4 is a graph showing the results of velocity analysis of hydrogen molecules in the example of the invention of this application.

【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。
FIG. 5 is a schematic diagram showing one application example of the time-of-flight velocity measuring device according to the invention of this application.

【符号の説明】 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[Explanation of symbols] 1 shield 2 gas introduction holes 3 Ionization part 4 Laser introduction hole 5 laser light 6 drift tubes 7 Retractor 8 Two-step acceleration convergence unit 9 First grid 10 Second grid 11 multi-channel plate 31 vacuum chamber 32 Time-of-flight velocity measuring device 33 windows 34 lens 35 inlet 36 preamplifier 51 vacuum chamber 52 Time-of-flight velocity measuring device 53 windows 54 lens 56 preamp 57 Gas introduction hole 58 samples 59 molecular beam 60 reaction products

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (56)参考文献 A.T.J.B.Eppink,D. H.Parker,“Velocity map imaging of io ns and electrons u sing electrostatic lenses”,Rev.Sci.I nstrum.,1997年 9月,vo l.68,no.9,p.3477−3484 A.Kubo他3名,”An Int ense Pulsed Atomic Hydrogen Beam Sou rce”,Jpn.J.Appl.Ph ys.,2000年10月,vol.39,p p.6101−6104 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/62 - 27/70 JICSTファイル(JOIS) IEEE Xplore Web of Science─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Masanori Yada 1-2-1 Sengen, Tsukuba, Ibaraki Prefectural Government, Science and Technology Agency, Institute for Materials Research (56) References A. T. J. B. Eppink, D.H. Parker, "Velocity map of ions and electrons using electrostatic lenses," Rev. Sci. Instrum. , September 1997, vol. 68, no. 9, p. 3477-3484 A. Kubo and 3 others, "An Intense Pulsed Atomic Hydrogen Beam Source", Jpn. J. Appl. Phys. , October 2000, vol. 39, pp. 6101-6104 (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 27/62-27/70 JISST file (JOIS) IEEE Xplore Web of Science

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【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。
1. An ionization part for ionizing a gas atom or a gas molecule by pulse laser irradiation, a drift tube for introducing ions generated in the ionization part to perform velocity separation, and accelerating ions passing through the drift tube. A time-of-flight velocity measuring device comprising a two-stage acceleration / focusing unit for simultaneously spatially focusing and an ion detector for detecting ions emitted from the two-stage acceleration / focusing unit, The part is composed of a first grid installed on the drift tube side and a second grid installed on the ion detection part side, and the distance d between the first grid and the ion emission port of the drift tube and the retracting part are set. When having, the drift tube length L including this is L
The time-of-flight velocity measuring device is characterized in that / d is set in a range of 10 to 50.
【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。
2. The negative voltage V d applied to the drift tube is within a range of −10 ≦ V d ≦ −1 V, and the negative voltage V 2 applied to the second grid is −2 k. ≤V 2
In the range of −1 kV, and the negative voltage V 1 applied to the first grid is in the range of | V d | <| V 1 | <| V 2 |
The time-of-flight velocity measuring device according to claim 1, wherein each of them is set.
【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。
3. A drift tube having an ion inlet is provided with a door.
Equipped with lift tube and electrically insulated retractor
The negative voltage V applied to the pull-in portion. gIs 0 <| V
g| ≦ | VdThe range is set to |
2 time-of-flight velocity measuring device.
【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。
4. An ionization part, a drift tube, a two-stage acceleration converging part, and a highly magnetically permeable metal shield, which is electrically grounded as a whole and has an opening with a diameter of 5 mm or less for introducing a gas at its tip. The time-of-flight velocity measuring device according to any one of claims 1 to 3, further comprising an ion detector.
【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。
5. A high-efficiency velocity measuring method for gas atoms or gas molecules, wherein velocity measurement is performed by the apparatus according to any one of claims 1 to 4.
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