JP4639341B2 - Etching method by cluster ion bombardment and mass spectrometric method using the same - Google Patents

Etching method by cluster ion bombardment and mass spectrometric method using the same Download PDF

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Description

この発明は,イメージングが可能なクラスタイオン衝撃によるイオン化方法および装置に関し,特に薬物,可塑剤,顔料,フラーレン,アミノ酸,ペプチド,タンパク質の分子やDNA分子などの環境科学関連,ライフサイエンス関連試料(生体高分子試料を含む)の質量分析のために好適で,かつ試料の分子レベル空間情報(とくに二次元分布情報)の取得(イメージング)が可能なイオン化方法および装置に関する。さらにこの発明はクラスタイオン衝撃による材料表面(金属,半導体材料を含む)の微細なエッチング方法および装置に関する。   The present invention relates to an ionization method and apparatus capable of imaging by cluster ion bombardment, and in particular, environmental science-related and life science-related samples (biological samples) such as drugs, plasticizers, pigments, fullerenes, amino acids, peptides, protein molecules, and DNA molecules. The present invention relates to an ionization method and apparatus suitable for mass spectrometry of polymer samples (including polymer samples) and capable of acquiring (imaging) molecular level spatial information (particularly two-dimensional distribution information) of a sample. The present invention further relates to a fine etching method and apparatus for material surfaces (including metals and semiconductor materials) by cluster ion bombardment.

従来の生体試料のイメージングには,マトリックス支援レーザー脱離イオン化法(MALDI)と,イオン衝撃法(FAB/SIMS)が主に利用されている。たとえば,“Imaging mass spectrometry:a new tool to investigate the spatial organization of peptides and proteins in mammalian tissue sections”Current Opinion in Chemical Biology 2002,6,676−681,“Direct molecular imaging of Lymnaea stagnalis nervous tissue at subcellular spatial resolution by mass spectrometry”Anal.Chem.2005,77,735−741を参照。
MALDIは,レーザーを試料に照射し,これによるエネルギーによりマトリックスがアブレーションを受けて試料が脱離,イオン化されて分析されるものである。このため,レーザー光(一般的には337nmの波長)を吸収するマトリックス(例えばシナピン酸)を試料に塗布する必要がある。試料表面にマトリックス剤が塗布されているため,生体試料のイメージング測定に際してケミカルノイズが発生するという問題がある。また,レーザー照射で,表面深く試料がダメージを受けるので,破壊分析となってしまうという問題もある。さらに,レーザー光の集光(スポットサイズ)に限界があり(Bragg回折条件),その上,照射箇所が激しくスパッターされるので,高分解能のイメージング像を得ることが本質的に難しい。一回のレーザー照射で,多くのマトリックスや生体試料そのものが飛散するので,深さ方向分析には向かず,検出感度も低いという問題がある。
FAB/SIMSでは,高速原子,イオンを使用するので,一次衝撃粒子が深く試料に侵入し,試料を化学的に激しく破壊するという問題がある。
既に発明者は「クラスタイオン衝撃によるイオン化方法および装置」(electrosprayed droplet impact ionization)(EDI)を提案した(WO 2005/083415 A1)。このEDI法によれば,生体試料,薬物などを破壊することなく,極めてソフトに脱離,イオン化ができる。これは,EDIで用いる多価イオンクラスターの単位質量に対するエネルギーが1eV/u以下なので,衝撃波加熱のみによって表面層数分子のみが脱離,イオン化されるためである。
他方,シリコン系半導体の微細化は,数100オングストロームの膜厚にまで進んでいる。このような薄膜は,プラズマCVDやMBE(molecular beam epitaxy)などを用いて製作されている。膜を堆積する技術は大きな進展を見せているが,一旦生成した膜を再現性よく,原子レベルでエッチングし,除去する技術は開発が遅れている。プラズマエッチングでは,イオンの衝撃によるスパッタリングが主過程となり,極薄膜の損傷が避けられない。また,アルゴン原子(あるいはイオン)ビームを使用する技術(SIMS)もあるが,薄膜の表面数原子層のみをエッチングすることができず,薄膜の内部構造が損傷を受け,極精細半導体技術への応用が難しい。このような産業界の行き詰まりを打破するには,内部構造を全く損傷せず,表面数原子(分子)層のみをエッチングするブレークスルー技術の開発が必須となっている。
Conventional imaging of biological samples mainly uses matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI) and ion bombardment (FAB / SIMS). For example, "Imaging mass spectrometry: a new tool to investigate the spatial organization of peptides and proteins in mammalian tissue sections" Current Opinion in Chemical Biology 2002,6,676-681, "Direct molecular imaging of Lymnaea stagnalis nervous tissue at subcellular spatial resolution by mass spectrometry "Anal. Chem. 2005, 77, 735-741.
In MALDI, a sample is irradiated with a laser, and the matrix is ablated by the energy generated thereby, and the sample is desorbed and ionized for analysis. For this reason, it is necessary to apply to the sample a matrix (for example, sinapinic acid) that absorbs laser light (generally a wavelength of 337 nm). Since the matrix agent is applied to the sample surface, there is a problem that chemical noise is generated during imaging measurement of a biological sample. In addition, there is also a problem that the sample is damaged by laser irradiation, resulting in destructive analysis. Furthermore, there is a limit to the laser beam condensing (spot size) (Bragg diffraction condition), and furthermore, since the irradiated part is sputtered violently, it is essentially difficult to obtain a high-resolution imaging image. Since many matrices and biological samples themselves are scattered by a single laser irradiation, this method is not suitable for depth analysis and has a problem of low detection sensitivity.
In FAB / SIMS, since fast atoms and ions are used, there is a problem that primary impact particles penetrate deeply into the sample and chemically destroy the sample.
The inventor has already proposed "electrosprayed droplet impact ionization" (EDI) (WO 2005/083415 A1). According to this EDI method, desorption and ionization can be performed extremely softly without destroying biological samples, drugs, and the like. This is because, since the energy per unit mass of the multiply charged ion cluster used in EDI is 1 eV / u or less, only the surface layer number molecules are desorbed and ionized only by shock wave heating.
On the other hand, the miniaturization of silicon-based semiconductors has progressed to a film thickness of several hundred angstroms. Such a thin film is manufactured using plasma CVD, MBE (molecular beam epitaxy), or the like. The technology for depositing the film has shown great progress, but the technology for etching and removing the film once formed at the atomic level with good reproducibility has been delayed. In plasma etching, sputtering by ion bombardment is the main process, and damage to the ultrathin film is inevitable. There is also a technique (SIMS) that uses an argon atom (or ion) beam, but only a few atomic layers of the thin film cannot be etched, and the internal structure of the thin film is damaged, leading to the development of ultrafine semiconductor technology. Application is difficult. In order to overcome this industry deadlock, it is essential to develop breakthrough technology that etches only a few atomic (molecular) layers without damaging the internal structure at all.

この発明は,上記のクラスタイオン衝撃を利用したイオン化方法および装置をイメージングが可能なように改良した方法および装置を提供するものである。
さらにこの発明は上記のクラスタイオン衝撃によるイオン化方法および装置を利用したエッチング方法および装置を提供するものである。
この発明によるクラスタイオン衝撃によるイオン化方法は,揮発性の液体の帯電液滴を大気圧下でエレクトロスプレー法によって生成して,生成した帯電液滴を真空室に導き,真空室内に形成した電場によって帯電液滴を試料の位置に向けて加速し,試料の位置の前方に配置したマスクの微細孔によって試料に衝突する帯電液滴のビームの広がり(ビーム径)を制限するものである。この発明によるイオン化方法は質量分析方法に利用でき,この場合には生成されたイオンを質量分析装置に導く。
揮発性の液体による帯電液滴はその多数が集団となって連続的に生成され,加速されて一種のビームとなって試料に向って進んでいく。このような帯電液滴ビームの広がり(ビーム径)が試料の前方に配置されたマスクによって制限され,マスクの微細孔を通過した一部の帯電液滴が試料に衝突する。このようにして,試料に衝突する帯電液滴の位置と範囲を制御することができる。帯電液滴の衝突位置を固定しておけば,試料の深さ方向の情報を得ることができるし,衝突位置を試料表面に対して二次元的に走査すれば,試料表面層の分子の二次元分布情報を得ることができる。
この発明は,特に,帯電液滴を試料に衝突させるべき位置を,上記微細孔の位置によって定めることにより,その利用価値が高まる。
二次元分布情報を得るために,上記マスクの微細孔と試料の少なくともいずれかを相対的に二次元的に走査するようにすればよい。この場合,マスクの微細孔と試料が必ずしも平行に変位する必要はなく,傾いていてもよい。特殊な形態では,上記マスクの微細孔を試料に対して二次元的に走査する。加えて,帯電液滴を電界または磁界により走査してもよい。
上記微細孔はマスクに形成された一つの微細孔であってもよいし,2つのマスク部材に形成された2つの交叉する微細スリットによって形成することもできる。
上記イオン化方法を用いて質量分析方法を実現することもでき,この場合には,帯電液滴の衝突によって脱離,イオン化された試料のイオンを質量分析装置に導入する。
揮発性の液体としては水が好ましいがメタノールやエタノールでもよい。水には,水に弱酸性溶液,弱アルカリ性溶液を添加したものを含む。帯電液滴の生成を容易にするために水に電解質を溶かして水溶液とし,これを帯電液滴の液体として用いるとよい。
この発明によるイオン化装置は,質量分析装置のイオン導入口の外側に設けられ,上記イオン導入口を通して質量分析装置の内部と連通し,内部に加速電極とマスクと試料台が配置された真空加速室を有する加速装置,および上記真空加速室の液滴導入口を通して上記真空加速室と連通する帯電液滴生成室を備え,この帯電液滴生成室内において,揮発性の液体の帯電液滴を生成する帯電液滴生成装置を備え,上記マスクは微細孔を有し,試料台の前方に配置され,試料台とマスクの微細孔とは試料台の面の方向に関連して(「関連して」とは,マスクの微細孔と試料台の面とが必ずしも平行に変位せず,斜め方向に変位してもよいことを含むことを意味する)相対的に位置調整可能に設けられ,上記帯電液滴生成装置によって生成された帯電液滴が上記帯電液滴生成室から上記液滴導入口を通して上記真空加速室に導かれ,高電圧が印加された上記加速電極によって加速されるとともに上記マスクの微細孔によってその広がりが制限され,上記微細孔を通過した帯電液滴が上記試料台上の試料に衝突し,これによって脱離,イオン化された試料のイオンが上記イオン導入口を通して質量分析装置に導入されるようになされているものである。
真空加速室と液滴生成室はこれらの間が特に区切られている必要はなく,単に領域(空間)を分けただけのものでもよい(一部重複していてもよい)。
上記のイオン化装置を用いて,この発明によるイオン化方法を実現することができる。
帯電液滴の生成には,好ましくはエレクトロスプレー法を用いる。温度制御された冷たい窒素(N)ガスを併用すると,冷却と帯電液滴の生成(噴霧)と真空室(真空加速室)への移送とを効率的に行うことができる。帯電液滴の生成は大気圧下(減圧された状態を含む)で行うことができる。大気圧下で帯電液滴を生成する場合,エレクトロスプレー法による帯電液滴の発生を効率よく行うことを目的として,窒素ガス(冷却してもよい)をネブライザーガスとして用いるとよい。大気圧下での帯電液滴生成室(イオン源)は,大気圧外気と隔絶した空間(閉空間)とすることが望ましい。これは,大気圧の外気(実験室内空気)によってエレクトロスプレー装置を含むイオン源の気体が汚染される可能性があるからである。清浄な窒素ネブライザーガスを使用することにより,イオン源内大気圧ガスは汚染されることがない。
この発明によると(特に上記エレクトロスプレー法によると),ミクロンオーダの帯電液滴集団によるビームを生成することが可能である。帯電液滴ビームはこのミクロンオーダの液滴サイズ(ビームの広がり,又はビームの径)を保ったまま,真空室(真空加速室)内にサンプリングされる。さらに,試料に衝突する前にマスクによってビーム径が制限され,微細孔を通過することによりサブミクロンオーダの帯電液滴ビーム径となる。
このようなクラスタイオンが真空室(真空加速室)内で電場により加速され,これによって運動エネルギーが付与され,試料(たとえば生体試料薄膜)を衝撃する。衝突界面において衝撃波が発生し,試料がピコ秒オーダーで脱離,イオン化される。
クラスタイオンで試料を衝撃しているので,衝突時にターゲット分子の電子,振動励起が起こると同時に,試料薄膜中の分子の運動エネルギーも効率よく励起される。このようにして,試料はクラスタイオンによってソフトに衝撃を受けるので,数万を超える分子量の分子であっても損傷を受けずにイオン化される。
また,正,負イオン同士の再結合寿命よりも短いピコ秒という短時間内に試料が気化され,イオン化されるので,正,負イオン同士の再結合が抑制され,発生したイオンを効率よく質量分析装置に導くことができる。
用いる生体試料としては,その乾燥を防ぐために凍結したものを用いるとよいが,この発明は乾燥した試料にも適用できるのはいうまでもない。
また,この発明は帯電液滴を利用したエッチング方法を提供している。
この発明によるエッチング方法は,エッチング用溶液の帯電液滴を生成して真空室に導き,真空室内に形成した電場によって帯電液滴を対象物の位置に向けて加速し,対象物表面に衝突させ,これによって対象物表面をエッチングするものである。
この発明によるエッチング装置は,大気圧下でエッチング用溶液の帯電液滴を生成する帯電液滴生成装置,および内部に加速電極と対象物を保持する保持台とが配置されるとともに上記帯電液滴生成装置で生成された帯電液滴の微細導入孔が形成された真空加速室を有し,上記帯電液滴生成装置において生成され上記微細導入孔を通して導入された帯電液滴を,高電圧が印加された上記加速電極で加速して上記保持台に保持された対象物の表面に衝突させ,対象物の表面をエッチングする加速装置を備えているものである。
帯電液滴は,大気圧下でのエレクトロスプレーで発生することができる。エレクトロスプレー発生用の溶液(エッチング用溶液,主に水溶液)として,フッ化水素酸,稀硝酸,酢酸などを用いることができる。フッ化水素酸の帯電液滴衝撃により,シリコンまたは酸化シリコンの原子レベルエッチングを行うことができる。稀硝酸の帯電液滴衝撃により,金属薄膜の原子レベルエッチングを行うことができる。酢酸水溶液の帯電液滴衝撃によっても,有機薄膜材料や無機材料(金属,半導体,絶縁体など)の原子,分子レベルエッチングを行うことができる。
エッチング用溶液は対象物と化学反応を生じさせるものである必要はない。エッチング用溶液は水溶液でもよく,有機溶媒(たとえばメタノール)でもよい,または水溶液に有機溶媒を入れたものでもよい。要するに,エッチング用溶液は多価に帯電するものであればよい。たとえば水(純水)をエッチング用溶液として用いることができる。もっとも,水に酢酸やアンモニア等の電解質を溶かして水溶液とする方がエレクトロスプレー法によって帯電液滴が生成しやすい。帯電液滴は数十価ないし数百価の電荷を帯びた多価帯電液滴であることが望ましい。
生成された帯電液滴をイオン・ガイドに通し,帯電した電荷が相対的に大きい液滴のみを選別して加速装置に導き,加速することが好ましい。
帯電液滴は上述のように多価に帯電したものであるから電場によってきわめて高速に(たとえば音速の10倍程度)に加速することが可能である。
この発明は,多価(たとえば質量が1000万(u),価数が100価,またはサイズがもっと大きくかつ価数がもっと多い)の帯電液滴を高速に加速して対象物(材料)表面に衝突させる技術を基盤とする。多価(たとえば100価)の電荷をもつ帯電液滴が高速で固体表面に衝突すると,界面に衝撃波が発生する。この衝撃波で生成する界面のガスは,水の超臨界流体(水)の臨界極限をはるかに超える極限的超臨界流体ガスである。界面における衝突は,コヒーレント(衝突する水分子がすべて同一方向をもって基板と衝突すること)に行われるので,現象の再現性が極めて高い。しかも,この超臨界状態は,高速なエネルギーの散逸過程によってピコ秒程度で緩和(冷却)するので,膜内部が損傷を受けない。さらに,表面から脱離する膜厚は数原子(分子)層に限定されるので,最適な超精細加工技術となる。エレクトロスプレーするエッチング用溶液の種類を選択することによって,上述のように各種半導体(Si,Geなど),酸化シリコン(半導体酸化物),絶縁体,有機材料薄膜など,そして金属(ステンレス鋼,ニッケル,鉄,銅,スズ,金,銀など)までも,原子レベルでのレイヤー・バイ・レイヤー(layer−by−layer)で,またこれに近い状態でエッチングすることが可能となる。イオン源(帯電液滴源)は大気圧エレクトロスプレーであるので,半導体製造装置への搭載が容易であり,原理が簡単なので,熟練した技術も必要ない。簡単かつ高効率,安価な技術である。
帯電液滴は電荷微粒子であるから,そのビームを,偏向電極によって直交する2方向(X,Y方向)に掃引することが可能である。帯電液滴ビームまたは対象物(その保持台)をXY方向に(2次元的に)広範囲に掃引または走査することにより,大面積加工技術を実現することも可能である。大面積高精細半導体材料,金属,有機薄膜,絶縁体膜などの精密加工が可能となる。微細パターンの形成には,マスクを用いて必要な部分のみをエッチングすればよい。
この発明によるエッチング方法における帯電液滴の衝突によって対象物表面から脱離,イオン化されたイオンを質量分析装置に導入するようにすることもできる。すなわち,この発明によるエッチング装置と質量分析装置とによって複合的エッチング表面分析装置,複合的質量分析装置または各種複合装置(走査型トンネル顕微鏡,光電子分光装置など)を実現することができる。
The present invention provides a method and apparatus in which the above ionization method and apparatus utilizing cluster ion bombardment are improved so that imaging is possible.
Furthermore, the present invention provides an etching method and apparatus using the above-described ionization method and apparatus by cluster ion bombardment.
In the ionization method by cluster ion bombardment according to the present invention, charged droplets of a volatile liquid are generated by an electrospray method under atmospheric pressure, the generated charged droplets are guided to a vacuum chamber, and an electric field formed in the vacuum chamber is used. The charged droplet is accelerated toward the position of the sample, and the spread (beam diameter) of the beam of the charged droplet that collides with the sample is limited by the fine hole of the mask arranged in front of the position of the sample. The ionization method according to the present invention can be used in a mass spectrometry method. In this case, the generated ions are guided to a mass spectrometer.
A large number of charged droplets of volatile liquid are continuously generated as a group, accelerated to form a kind of beam, and proceed toward the sample. The spread of the charged droplet beam (beam diameter) is limited by the mask arranged in front of the sample, and a part of the charged droplets that have passed through the fine holes of the mask collide with the sample. In this way, the position and range of the charged droplet that collides with the sample can be controlled. If the collision position of the charged droplets is fixed, information in the depth direction of the sample can be obtained, and if the collision position is scanned two-dimensionally with respect to the sample surface, two molecules of the sample surface layer are detected. Dimensional distribution information can be obtained.
In particular, the present invention increases its utility value by determining the position where the charged droplet should collide with the sample by the position of the micropore.
In order to obtain two-dimensional distribution information, at least one of the fine holes of the mask and the sample may be scanned relatively two-dimensionally. In this case, the fine holes of the mask and the sample are not necessarily displaced in parallel, and may be inclined. In a special form, the fine holes of the mask are scanned two-dimensionally with respect to the sample. In addition, the charged droplets may be scanned by an electric or magnetic field.
The fine hole may be one fine hole formed in the mask, or may be formed by two intersecting fine slits formed in two mask members.
A mass spectrometry method can also be realized by using the ionization method described above. In this case, ions of the sample that are desorbed and ionized by the collision of charged droplets are introduced into the mass spectrometer.
The volatile liquid is preferably water, but may be methanol or ethanol. Water includes water added with weakly acidic solution and weakly alkaline solution. In order to facilitate the generation of charged droplets, an electrolyte is dissolved in water to form an aqueous solution, which is used as a liquid for charged droplets.
An ionization apparatus according to the present invention is provided outside an ion inlet of a mass spectrometer, communicates with the inside of the mass spectrometer through the ion inlet, and includes an acceleration electrode, a mask, and a sample stage. And a charged droplet generation chamber communicating with the vacuum acceleration chamber through a droplet inlet of the vacuum acceleration chamber, and generating charged droplets of a volatile liquid in the charged droplet generation chamber With a charged droplet generator, the mask has fine holes and is placed in front of the sample stage, and the sample stage and the fine holes in the mask are related to the direction of the surface of the sample stage ("in relation" Means that the fine holes of the mask and the surface of the sample stage are not necessarily displaced in parallel but may be displaced in an oblique direction). Bands produced by a drop generator A droplet is guided from the charged droplet generation chamber to the vacuum acceleration chamber through the droplet introduction port, accelerated by the acceleration electrode to which a high voltage is applied, and limited in the spread by the fine holes of the mask, Charged droplets that have passed through the fine holes collide with the sample on the sample stage, and ions thus desorbed and ionized are introduced into the mass spectrometer through the ion inlet. It is.
The vacuum accelerating chamber and the droplet generating chamber do not need to be particularly separated from each other, and may be simply divided (regions may be partially overlapped).
The ionization method according to the present invention can be realized using the above ionization apparatus.
An electrospray method is preferably used for generating charged droplets. When cold controlled nitrogen (N 2 ) gas is used in combination, cooling, generation of charged droplets (spraying), and transfer to a vacuum chamber (vacuum acceleration chamber) can be performed efficiently. The generation of charged droplets can be performed under atmospheric pressure (including a reduced pressure state). When generating charged droplets under atmospheric pressure, nitrogen gas (which may be cooled) may be used as the nebulizer gas for the purpose of efficiently generating charged droplets by electrospraying. It is desirable that the charged droplet generation chamber (ion source) under atmospheric pressure is a space (closed space) isolated from the atmospheric pressure outside air. This is because there is a possibility that the gas of the ion source including the electrospray device may be contaminated by atmospheric pressure outside air (laboratory air). By using clean nitrogen nebulizer gas, the atmospheric pressure gas in the ion source is not contaminated.
According to the present invention (particularly according to the electrospray method), it is possible to generate a beam by a charged droplet population of the order of microns. The charged droplet beam is sampled in a vacuum chamber (vacuum acceleration chamber) while maintaining the droplet size (beam spread or beam diameter) of this micron order. Further, the beam diameter is limited by the mask before colliding with the sample, and the charged droplet beam diameter on the order of submicron is obtained by passing through the fine hole.
Such cluster ions are accelerated by an electric field in a vacuum chamber (vacuum acceleration chamber), thereby imparting kinetic energy and impacting a sample (for example, a biological sample thin film). A shock wave is generated at the collision interface, and the sample is desorbed and ionized in picosecond order.
Since the sample is bombarded with cluster ions, electron and vibration excitation of the target molecule occurs at the time of collision, and at the same time, the kinetic energy of the molecule in the sample thin film is efficiently excited. In this way, since the sample is softly impacted by the cluster ions, even molecules having a molecular weight exceeding tens of thousands are ionized without being damaged.
In addition, since the sample is vaporized and ionized within a short period of picoseconds shorter than the recombination lifetime between the positive and negative ions, recombination between the positive and negative ions is suppressed, and the generated ions are efficiently massed. It can be led to an analysis device.
As a biological sample to be used, a frozen sample may be used in order to prevent its drying, but it goes without saying that the present invention can be applied to a dried sample.
The present invention also provides an etching method using charged droplets.
In the etching method according to the present invention, charged droplets of an etching solution are generated and guided to a vacuum chamber, and the charged droplets are accelerated toward the position of an object by an electric field formed in the vacuum chamber and collide with the surface of the object. Thus, the surface of the object is etched.
An etching apparatus according to the present invention includes a charged droplet generator that generates charged droplets of an etching solution under atmospheric pressure, and an accelerating electrode and a holding base that holds an object disposed therein, and the charged droplets. It has a vacuum accelerating chamber with fine introduction holes for charged droplets generated by the generator, and a high voltage is applied to the charged droplets generated by the charged droplet generator and introduced through the fine introduction holes. And an accelerating device for accelerating and colliding with the surface of the object held on the holding table by etching with the acceleration electrode formed, and etching the surface of the object.
Charged droplets can be generated by electrospray at atmospheric pressure. Hydrofluoric acid, dilute nitric acid, acetic acid, or the like can be used as a solution for generating electrospray (etching solution, mainly aqueous solution). Atomic level etching of silicon or silicon oxide can be performed by impact of charged droplets of hydrofluoric acid. Atomic level etching of a metal thin film can be performed by charged droplet impact of dilute nitric acid. Atomized and droplet level etching of organic thin film materials and inorganic materials (metals, semiconductors, insulators, etc.) can also be performed by charged droplet impact of an acetic acid aqueous solution.
The etching solution need not be one that causes a chemical reaction with the object. The etching solution may be an aqueous solution, an organic solvent (for example, methanol), or an aqueous solution containing an organic solvent. In short, the etching solution only needs to be charged in a multivalent manner. For example, water (pure water) can be used as the etching solution. However, charged droplets are more likely to be generated by the electrospray method when an electrolyte such as acetic acid or ammonia is dissolved in water to form an aqueous solution. The charged droplet is preferably a multivalent charged droplet having a charge of several tens or hundreds of valences.
It is preferable that the generated charged droplets are passed through an ion guide, and only the droplets having a relatively large charged charge are selected and guided to an acceleration device for acceleration.
Since charged droplets are charged in a multivalent manner as described above, they can be accelerated at an extremely high speed (for example, about 10 times the speed of sound) by an electric field.
The present invention accelerates charged droplets of a multivalent number (for example, a mass of 10 million (u), a valence of 100, or a larger size and a higher valence) at high speed to accelerate the surface of an object (material). Based on technology that makes it collide. When a charged droplet having a multivalent (for example, 100 valent) charge collides with a solid surface at a high speed, a shock wave is generated at the interface. The interface gas generated by this shock wave is a supercritical fluid gas that far exceeds the critical limit of water supercritical fluid (water). Since collisions at the interface are coherent (all colliding water molecules collide with the substrate in the same direction), the reproducibility of the phenomenon is extremely high. Moreover, this supercritical state is relaxed (cooled) in about picoseconds by a high-speed energy dissipation process, so that the inside of the film is not damaged. Furthermore, since the film thickness desorbed from the surface is limited to a few atomic (molecular) layers, it is an optimum ultra-fine processing technology. By selecting the type of etching solution to be electrosprayed, various semiconductors (Si, Ge, etc.), silicon oxide (semiconductor oxide), insulators, organic material thin films, etc., and metals (stainless steel, nickel, etc.) as described above , Iron, copper, tin, gold, silver, etc.) can be etched in a layer-by-layer at the atomic level and in a state close to this. Since the ion source (charged droplet source) is an atmospheric pressure electrospray, it can be easily mounted on a semiconductor manufacturing apparatus and the principle is simple, so that no skill is required. It is a simple, highly efficient and inexpensive technology.
Since the charged droplets are charged fine particles, the beam can be swept in two directions (X and Y directions) orthogonal to each other by the deflection electrode. It is also possible to realize a large area processing technique by sweeping or scanning the charged droplet beam or the object (its holding table) in a wide range in the XY direction (two-dimensionally). Precision processing of large-area high-definition semiconductor materials, metals, organic thin films, insulator films, etc. becomes possible. In order to form a fine pattern, only a necessary portion may be etched using a mask.
In the etching method according to the present invention, ions desorbed and ionized from the surface of the object by collision of charged droplets can be introduced into the mass spectrometer. That is, the etching apparatus and the mass spectrometer according to the present invention can realize a composite etching surface analyzer, a composite mass spectrometer, or various composite devices (scanning tunnel microscope, photoelectron spectrometer, etc.).

第1図は,イオン化装置の構成図である。
第2図は,マスクとその駆動装置を示す斜視図である。
第3図は,マスクとその駆動装置の変形例を示す斜視図である。
第4図は,エッチング装置の実施例を示す構成図である。
第5A図ないし第5C図は対象物表面がエッチングされる現象を図案化して示すものである。
第6図は,エッチング装置の他の実施例を示す構成図である。
第7図は実験に用いたエッチング装置の構成を示すものである。
第8図および第9図はエッチングにより生じるイオンの質量分析結果を示すものである。
FIG. 1 is a block diagram of an ionization apparatus.
FIG. 2 is a perspective view showing the mask and its driving device.
FIG. 3 is a perspective view showing a modification of the mask and its driving device.
FIG. 4 is a block diagram showing an embodiment of the etching apparatus.
FIGS. 5A to 5C schematically show the phenomenon that the surface of the object is etched.
FIG. 6 is a block diagram showing another embodiment of the etching apparatus.
FIG. 7 shows the configuration of the etching apparatus used in the experiment.
8 and 9 show the results of mass analysis of ions generated by etching.

まずイオン化方法および装置の実施例について説明する。
第1図において,質量分析装置10のイオン導入口を含む部分にイオン化装置20が装備されている。
質量分析装置(たとえば飛行時間型質量分析装置)10のイオン導入口の部分には,孔11aがあけられたスキマー11が取付けられている。方向の揃ったイオンを孔11a(イオン導入口)を通して質量分析装置の内部へと導く。質量分析装置10の内部は,排気装置(図示略)により高真空に保たれている。
イオン化装置20は,帯電液滴生成室(イオン源室。一般的なエレクトロスプレー,ナノエレクトロスプレー,またはコールドエレクトロスプレーを備えたチャンバー)31を備えた帯電液滴生成装置30と,帯電液滴生成室31と一直線状に連なる真空加速室41を備えた加速装置40とから構成されている。
帯電液滴生成装置30は上述のエレクトロスプレー装置32を備え,このエレクトロスプレー装置32は,高電圧が印加される金属(導電性)細管(キャピラリー)33と,その周囲を間隔をあけて覆う囲繞管34とを備えている。これらの金属細管33と囲繞管34の先端部は帯電液滴生成室31内に突出している。金属細管33には帯電液滴となる冷却された,または室温の揮発性の液体(溶液)が供給される。金属細管33と囲繞管34との間の空間には冷却媒体,たとえば窒素(N)ガスがネブライザーガスとして供給される(大気圧またはその付近の圧力:これらを含めて大気圧という)。窒素ガスは窒素製造機もしくは窒素ボンベから供給され,または液体窒素から生成され,温度制御されて囲繞管34に導入される。窒素ガスによる冷却によって,よりサイズの大きな帯電液滴(クラスターイオン)の生成が可能となる。また,窒素ガスによる冷却を行なわなくても,キャピラリー33の先端を,後述する帯電液滴サンプリング用オリフィス34の小孔34aに十分近づけることにより,帯電液滴の乾燥を防ぎ,サイズの大きな帯電液滴を真空中に取り込むことができる。真空中に取り込まれた液滴は,溶媒の気化によってその温度が急減し,その結果,蒸気圧が下がるので,真空下での液滴のサイズの縮小はわずかであり,取り込まれた時点での体積をほぼ保って,真空中を飛行する。
高電圧が印加された金属細管33の先端からは高度に帯電した微細な液滴集団Dがビーム状に(直径数ミリメートル程度)帯電液滴生成室31内に噴霧される。また,窒素ガスが金属細管33の先端の周囲において囲繞管34の先端から帯電液滴生成室31内に噴射される。窒素ガスは帯電液滴の噴霧を助けるとともに帯電液滴を冷却し,さらに,冷却した状態で帯電液滴ビームDを真空加速室41の方向に移送する。窒素ガスは排気口を通して帯電液滴生成室31から外部に排出される。実験条件によっては,帯電液滴を冷却する必要はないが,冷却する方が望ましい。
帯電液滴は揮発性の液体である。帯電液滴が気化(乾燥)すると液滴サイズが小さくなる。帯電液滴の気化を抑制するために,帯電液滴の生成において,そして帯電液滴が真空加速室41に到達するまで,帯電液滴を冷却するのが窒素ガスである。冷却の温度は帯電液滴が固化する直前程度が好ましい。もっとも,帯電液滴を冷却することが必ずしも必要とならない場合もある。金属細管33の先端と帯電液滴サンプリング用オリフィス34の小孔34aとの距離を短くすれば(接近させれば),帯電液滴の乾燥(気化)を防ぐことができる。
帯電液滴となる揮発性の液体としては,代表的には電解質を含む水溶液(たとえば,水に酢酸またはアンモニアなどの弱酸性または弱アルカリ性溶液を添加したもの),または水等を挙げることができる。メタノールやアセトニトリルなどを水に混ぜてもよいし,メタノールなどのみでもよい。
帯電液滴生成装置の他の例としては,超音波振動装置がある。帯電液滴生成室31内は大気圧程度であるが,減圧状態に保ってもよい。帯電液滴生成室31を大気に開放してもよい(たとえば周壁等を省略する)。
帯電液滴生成室31と真空加速室41との境界にはオリフィス34が設けられ,このオリフィス34に小さな孔34aが形成されている。この小さな孔34aが帯電液滴導入口である。帯電液滴導入口34aを通して帯電液滴生成室31と真空の帯電液滴加速室41とが連通している。
金属細管33の先端から噴霧されビーム状となった帯電液滴集団Dは,冷却兼搬送用窒素ガスとともに帯電液滴生成室31内を真空加速室41の方向に移動し,オリフィス34の小さな孔34aを通って真空加速室41内に導入される。
真空加速室41内には,加速電極42と試料台43とマスク50とが設けられている。加速電極42には正または負の(帯電液滴の極性とは反対の)高電圧(たとえば10KV)が印加される。真空加速室41内に導入された帯電液滴Dは加速電極42によって加速かつ収束(フォーカス)され,試料台43上に設けられた試料Sに斜めに衝突し,試料からイオン化された分子が脱離する。スキマー11にあけられたイオン導入口11aを通して質量分析装置10の内部と真空加速室41とは連通しており,帯電液滴の衝突により発生し,試料S(試料台43)の面から飛び出たイオン分子(または原子)はこのイオン導入口11aを通して質量分析装置10内に導入される。
上述のように帯電液滴生成装置30によって生成される帯電液滴ビーム(帯電液滴集団)の径(広がり)はミリメートルオーダーのものである。帯電液滴(クラスターイオン)の直径は数ミクロンから数ナノメートルの範囲に及ぶ。これを巨大クラスタ−イオンという。この巨大クラスタ−イオンビームがミリメートルオーダーの広がりを保ったまま帯電液滴生成室31から真空加速室41に導入され,加速電極42の電場によって加速される。たとえば巨大クラスタ−イオンには百万eV(106eV)程度の運動エネルギーが付与される。
試料台43には,たとえば乾燥を防ぐために凍結した生体試料薄膜Sが保持される。加速されたクラスタ−イオンがこの生体試料薄膜S(たとえば低温冷凍機に取り付けられた基板に乗せられた生体組織試料)を衝撃する。これによってピコ秒という短時間内に薄膜試料が気化される。脱離したイオンには正イオンと負イオンが等量存在するが,これらの再結合寿命よりも短い時間帯でイオンが発生するので,発生したイオンの再結合(中性化反応)が防止され,多くのイオンが真空加速室41からイオン導入口11aを通って質量分析装置10内に供給される。これによって高感度の質量分析が可能となる。
また,クラスタイオンによって試料を衝撃する際に,衝突界面に衝撃波が発生する。この衝撃波の働きによってタンパク質のような数万を超える分子量の分子であっても損傷を受けることなく脱離・イオン化される。すなわち,タンパク質を含む生体分子の質量分析(たとえば,オーソゴナル(直交型)飛行時間型質量分析)が可能となる。
真空加速室41内で加速される帯電液滴集団によるビームDの飛行経路上であって試料台41の少し前の位置に,マスク50が,その面が帯電液滴ビームの飛行方向(Z方向という)とほぼ垂直方向(XY方向という)になる(沿う)ように配置されている。マスク50は駆動装置60によってその面に沿う方向に二次元的に微少変位するように駆動される。
マスク50は具体的には第2図に示すように,1枚のうすい板(絶縁板が好ましい)50に微細孔50aが形成されたものであり,試料台43の手前において,直交するX,Y方向に移動自在なステージ(図示略)上に支持されている。マスク50のX方向の変位はピエゾ素子61によって,Y方向の変位はピエゾ素子62によって駆動される。駆動装置60はピエゾ素子61,62を含む。X,Y方向の駆動は,ピエゾ素子以外に機械的なものを用いてもよい。マスク50の駆動と連動して,クラスターイオンビームを電場で偏向し,最大強度のイオンビームを調整することもできる。
帯電液滴集団の飛行経路に対してマスク50の面は垂直になっている。ミリメートルオーダーのビーム状帯電液滴集団Dの広がりはその殆どがマスク50によって制限され,試料Sには達しない。帯電液滴の一部がマスク50の微細孔50aを通り,上述のように試料に衝突して,試料をイオン化する。たとえば,直径3mmの広がりをもつ(ビーム径の)帯電液滴ビームが直径数μm〜0.1μmの大きさのビームに制限されて試料Sに衝突する。
このようにして,帯電液滴が衝突する試料の位置が小さい範囲に制限される。マスク50をXY方向に動かすことにより,帯電液滴が衝突する試料の位置を変えることができる。したがって,試料の表面において帯電液滴の衝突位置を二次元的に走査して,二次元的な分子レベル情報を得ることが可能となる。
マスク50(その微細孔50a)は試料表面上の帯電液滴が衝突する位置を定めるものである。帯電液滴の衝突位置を固定しておけば分子レベルの深さ方向の分布情報を得ることができる。上記のように,帯電液滴の衝突位置を一次元的または二次元的に変位させれば,試料表面層の分子レベルの一次元的または二次元的情報を得ることができる。マスク50を変位させる(走査する)代わりに,試料台43を変位させても(走査しても)よい。可能ならば,帯電液滴を電場または磁場によって偏向させ,走査することもできる。
マスク50は,第3図に示すように,互いに交叉する微細スリット51a,52aが形成された2つのマスク板51,52を重ねて構成し,微細スリット51a,52aの交叉位置を微細孔としてもよい。マスク板51はX方向に変位可能に支持され,かつピエゾ素子61によりX方向に駆動され,マスク板52はY方向に変位可能に支持され,かつピエゾ素子62によりY方向に駆動される。
次にエッチング方法および装置の実施例について説明する。
第4図は質量分析装置と複合化されたエッチング装置20Aを示している。この図において第1図に示すものと同一物には同一符号を付し,重複説明を避ける。
第1図に示すイオン化装置と異なる点は,まず第1に,エレクトロスプレーによって生成される帯電液滴の溶液としてエッチング用溶液(水溶液を含む)が用いられていることである。
エッチング装置および方法は,大気圧下でのエレクトロスプレーで発生させたエッチング用溶液の帯電液滴を真空中に導き,これを10kV程度の電位差で加速し,対象物Suを衝撃するものである。エレクトロスプレー発生用のエッチング溶液として,フッ化水素酸,稀硝酸,酢酸などを用いることができる。フッ化水素酸の帯電液滴衝撃により,シリコンまたは酸化シリコンの原子レベルエッチングを行うことができる。稀硝酸の帯電液滴衝撃により,金属薄膜の原子レベルエッチングを行うことができる。酢酸の帯電液滴衝撃により,有機薄膜材料の原子,分子レベルエッチングを行うことができる。エッチング用溶液は単なる水,有機溶媒などでもよい。
エッチング用溶液は対象物と化学反応を生じさせるものである必要はない。エッチング用溶液は水溶液でもよく,有機溶媒(たとえばメタノール)でもよい,または水溶液に有機溶媒を入れたものでもよい。要するに,エッチング用溶液は多価に帯電するものであればよい。たとえば水(純水)をエッチング用溶液として用いることができる。もっとも,水に酢酸やアンモニア等の電解質を溶かして水溶液とする方がエレクトロスプレー法によって帯電液滴が生成しやすい。帯電液滴は数十価ないし数百価の電荷を帯びた多価帯電液滴であることが望ましい。水でもエッチングが可能となるのは,帯電液滴と試料との衝突界面に生じる衝撃波の領域に種々の反応活性種が生成し,これらが,金属,半導体,絶縁体などをエッチングするからである。このようなエッチング作用は,反応性エッチングであり,原子レベルでのlayer−by−layerエッチングを可能にする。このようなクラスターイオンを用いるエッチングでは,表面にクレーターが生じないので,試料内部の損傷なしで,表面のみのエッチングが可能となる。
第1図に示す方法および装置と異なる点は,第2に,真空加速室41内に試料台に代えて保持台43Aが設けられていることである。保持台43Aには,エッチングすべき対象物Suが固定的に保持される。
窒素ガスは必ずしも使用する必要はない。帯電液滴を冷却する必要も必ずしもない。常温に近い温度の純度の高い窒素ガスを帯電液滴生成室31に導入する,または充満させることによって不純物の混入を抑制することができる。マスク50を設ける必要は必ずしもない。帯電液滴は多価(数十価ないし数百価)に帯電したものであるから電場によってきわめて高速に(たとえば音速の10倍程度)に加速することが可能である。また帯電液滴のビームを偏向電極によって直交する2方向(X,Y方向)に掃引することが可能である。帯電液滴ビームまたは保持台43Aを掃引(2次元的に走査)することにより,大面積エッチングが可能となる。
このエッチング方法は,一例として質量が1000万(u),価数が100価というような帯電液滴を対象物Suの表面に高速で衝突させるものである。第5A図に示すように,100価の電荷をもつ帯電液滴が音速の約10倍の速度で固体表面に衝突すると,第5B図に示すように界面に衝撃波が発生する。この衝撃波で生成する界面ガスは,水の超臨界流体(水)の臨界極限をはるかに超える極限的超臨界流体ガスである。界面における衝突は,コヒーレント(衝突する水分子がすべて同一方向をもって基板と衝突すること)に行われるので,現象の再現性が極めて高い。しかも,この超臨界状態は,ピコ秒程度で緩和(冷却)するので,膜内部が損傷を受けない。さらに,第5C図に示すように,表面から脱離する膜厚は数原子(分子)層に限定されるので,超精細加工技術やlayer−by−layerでの表面分析技術には最適なエッチング法である。
エレクトロスプレーする液体の種類を選択することによって,上述のように各種半導体(Si,Geなど),酸化シリコン(半導体酸化物),絶縁体,有機材料薄膜などの,さらには上述したような金属についてさえもlayer−by−layerでのエッチング技術が可能となる。イオン源(帯電液滴源)は,大気圧エレクトロスプレーであるので,半導体製造装置への搭載が容易であり,原理が簡単なので,熟練した技術も必要ない。簡単かつ高効率,安価な技術である。微細パターンの形成には,マスク50を用いて,必要な部分のみをエッチングすればよい。帯電液滴または保持台43Aをxy方向に掃引することにより,大面積高精細半導体材料,金属,有機薄膜,絶縁体膜などの精密加工が可能となる。
実験によると,1回の帯電液滴衝撃で,有機材料表面の数分子層のみが脱離し,下層の試料は全く損傷を受けないことが確認された。これは脱離効率が大きく,かつ脱離する膜の厚さが数分子層に限られるという優れたエッチング技術だからである。
帯電液滴の衝突によって(すなわちエッチングによって)対象物Suの表面から脱離,イオン化されたイオンは,質量分析装置10に導入路(イオン導入口11a)を通って導入され,質量分析される。
第6図はエッチング方法および装置の他の実施例を示している。
高電圧が印加される金属細管33Bをもつエレクトロスプレー装置32Bはエッチング装置20B本体の外部に設けられ,大気に露出している。もちろん,エレクトロスプレー装置32Bを帯電液滴生成室内に設けてもよい。エレクトロスプレー装置32Bによってエッチング用溶液の帯電液滴が生成される。
エッチング装置20Bの本体は,荒引き室71と,調整室72と,加速装置40Bの真空加速室41Bとを備え,これらの室71,72,41Bが一直線状に連なっている。
荒引き室71はロータリーポンプ等で排気された真空度がやや低いものである。調整室72と真空加速室41Bは高真空に保たれる。調整室72には四重極イオンガイド73が設けられている。エレクトロスプレー装置32Bで生成されたエッチング用溶液の帯電液滴は荒引き室71のオリフィスの微細孔71aを経て荒引き室71に入り,さらに微細孔72aを経て調整室72に導かれ,イオンガイド73によってその広がりが抑制され,絞られた帯電液滴ビームが形成される。また,イオンガイド73には高周波電界が印加され,帯電した電荷と質量がが比較的大きい液滴のみが選別される。選別された帯電液滴ビームは微細孔41aを経て真空加速室41Bに導入される。
真空加速室41B内には,加速電極42B,偏向電極44および保持台43Bがこの順序で配置されている。保持台43B上にはエッチング加工すべき対象物Suが固定されている。
帯電液滴ビームは高電圧が印加された加速電極42Bにより加速され,対象物Suに衝突し,上述のように対象物Suがエッチングされる。この実施例では帯電液滴ビームは対象物Suの表面に垂直に衝突する。帯電液滴ビームは偏向電極44の間を通過するときに,偏向電極44に印加される掃引電圧に応じて掃引される。したがって,帯電液滴は対象物表面を走査することになる。
偏向電極44に代えてコイルに通電することにより磁界により帯電液滴を掃引してもよい。帯電液滴ビームを掃引する代わりに保持台43Bを2次元的に走査してもよい。また,マスクを設けることもできる。
第7図は実験に用いたエッチング装置20Cを示している。このエッチング装置20Cは飛行時間型質量分析装置10と複合化されたものであるが,基本的な構造は第6図に示すエッチング装置20Bと同じであるので,同一物には同一符号を付し重複を避ける。
荒引き室71にはリングレンズ71bが設けられ,調整室72は,別個に排気される2つの室72A,72Bに分けられ,これらの両室72A,72Bにわたって高周波四重極イオンガイド73が設けられている。
対象物Suの表面から離脱したイオンは引出し電極19によって集められ,質量分析装置10の導入室14内に配置され,Nガスが導入された高周波四重極イオンガイド16を通って収束かつ低速度化(コリジョン・ダンピング)されて分析室17内に導かれる。真空加速室41Bには対象物Suの出入口18も設けられている。
エッチング液には1Mの酢酸水溶液が用いられ,第5A図に示すように,約100価の水分子が音速の約10倍(12Km/s)の速度で対象物Suに衝突する。
第8図は対象物(試料)として,100ML(モノレイヤ)アルギニン(Arg)層上に,10ML(モノレイヤ)のグラミシジン(Gramicidin)の層が形成されたものを用いたときに得られた質量分析結果を示している。横軸は時間(分),縦軸は相対強度を示している。最初は上層のグラミシジンがエッチングされ,その後,しだいに下層のアルギニンがエッチングされていることが分る。すなわち,layer−by−layerまたはこれに近い状態でエッチングが行なわれていることが分る。
第9図は,シリコン上に1nm厚の錫(Sn)箔が形成された対象物(Sn(1nm)on Si)を用いたときに得られた実験結果を示している。エッチングは,最初は錫(Sn)(Sn,H(SnO),H(SnO))について支配的で,次第にシリコン(H(SiO,H(SiO)がエッチングされている様子が分る。金属の一つである錫(Sn)がlayer−by−layerで,またはこれに近い状態でエッチングされるのである。
以上により,有機材料薄膜,半導体,絶縁体,金属等のエッチングがlayer−by−layerで(またはこれに近い状態で)行なわれていることが分る。酸化物半導体,グラファイト,ダイヤモンドなどのエッチングも可能である。
First, an embodiment of an ionization method and apparatus will be described.
In FIG. 1, an ionizer 20 is installed in a portion including the ion inlet of the mass spectrometer 10.
A skimmer 11 having a hole 11a is attached to a portion of an ion introduction port of a mass spectrometer (for example, a time-of-flight mass spectrometer) 10. Ions having the same direction are introduced into the mass spectrometer through the holes 11a (ion introduction ports). The inside of the mass spectrometer 10 is kept at a high vacuum by an exhaust device (not shown).
The ionization device 20 includes a charged droplet generation device 30 including a charged droplet generation chamber (ion source chamber; a chamber equipped with a general electrospray, nanoelectrospray, or cold electrospray) 31, and charged droplet generation. It is comprised from the acceleration apparatus 40 provided with the vacuum acceleration chamber 41 connected with the chamber 31 in a straight line form.
The charged droplet generating device 30 includes the above-described electrospray device 32. The electrospray device 32 includes a metal (conductive) capillary tube (capillary) 33 to which a high voltage is applied, and an enclosure that covers the periphery with a space therebetween. Tube 34. The tips of the metal thin tube 33 and the surrounding tube 34 protrude into the charged droplet generation chamber 31. The thin metal tube 33 is supplied with a cooled or room temperature volatile liquid (solution) that becomes charged droplets. A cooling medium, for example, nitrogen (N 2 ) gas, is supplied as a nebulizer gas in the space between the metal thin tube 33 and the surrounding tube 34 (atmospheric pressure or pressure in the vicinity thereof: the atmospheric pressure including these). Nitrogen gas is supplied from a nitrogen production machine or a nitrogen cylinder, or is generated from liquid nitrogen, and is introduced into the surrounding tube 34 under temperature control. Cooling with nitrogen gas makes it possible to generate larger-sized charged droplets (cluster ions). Further, even if cooling with nitrogen gas is not performed, the tip of the capillary 33 is sufficiently close to a small hole 34a of a charged droplet sampling orifice 34, which will be described later, to prevent drying of the charged droplet, and a large-sized charged liquid. Drops can be taken into the vacuum. Since the temperature of the droplets taken into the vacuum is drastically decreased due to the vaporization of the solvent, and the vapor pressure is lowered as a result, the size reduction of the droplets under vacuum is slight. Fly in a vacuum with almost the same volume.
From the tip of the metal thin tube 33 to which a high voltage is applied, a highly charged fine droplet group D is sprayed into the charged droplet generating chamber 31 in a beam shape (about several millimeters in diameter). Nitrogen gas is injected into the charged droplet generation chamber 31 from the tip of the surrounding tube 34 around the tip of the metal thin tube 33. The nitrogen gas helps spray the charged droplets and cools the charged droplets, and further transfers the charged droplet beam D toward the vacuum acceleration chamber 41 in the cooled state. Nitrogen gas is discharged to the outside from the charged droplet generation chamber 31 through the exhaust port. Depending on the experimental conditions, it is not necessary to cool the charged droplets, but it is preferable to cool them.
A charged droplet is a volatile liquid. When charged droplets vaporize (dry), the droplet size decreases. In order to suppress the vaporization of the charged droplets, it is nitrogen gas that cools the charged droplets in the generation of the charged droplets and until the charged droplets reach the vacuum acceleration chamber 41. The cooling temperature is preferably about just before the charged droplets solidify. However, it may not always be necessary to cool the charged droplets. If the distance between the tip of the metal thin tube 33 and the small hole 34a of the charged droplet sampling orifice 34 is shortened (closed), drying (vaporization) of the charged droplet can be prevented.
Typical examples of the volatile liquid that becomes a charged droplet include an aqueous solution containing an electrolyte (for example, water added with a weakly acidic or weakly alkaline solution such as acetic acid or ammonia), water, or the like. . Methanol or acetonitrile may be mixed with water, or only methanol may be used.
Another example of the charged droplet generator is an ultrasonic vibration device. The inside of the charged droplet generation chamber 31 is about atmospheric pressure, but may be kept in a reduced pressure state. The charged droplet generation chamber 31 may be opened to the atmosphere (for example, a peripheral wall or the like is omitted).
An orifice 34 is provided at the boundary between the charged droplet generation chamber 31 and the vacuum acceleration chamber 41, and a small hole 34 a is formed in the orifice 34. This small hole 34a is a charged droplet introduction port. The charged droplet generation chamber 31 and the vacuum charged droplet acceleration chamber 41 communicate with each other through the charged droplet introduction port 34a.
The charged droplet group D sprayed from the tip of the metal thin tube 33 and formed into a beam shape moves in the charged droplet generation chamber 31 in the direction of the vacuum acceleration chamber 41 together with the cooling and transporting nitrogen gas, and a small hole in the orifice 34 It is introduced into the vacuum acceleration chamber 41 through 34a.
In the vacuum acceleration chamber 41, an acceleration electrode 42, a sample stage 43, and a mask 50 are provided. A positive or negative high voltage (for example, 10 KV) opposite to the polarity of the charged droplet is applied to the acceleration electrode 42. The charged droplet D introduced into the vacuum acceleration chamber 41 is accelerated and converged (focused) by the accelerating electrode 42, and obliquely collides with the sample S provided on the sample stage 43, and the ionized molecules are desorbed from the sample. Release. The inside of the mass spectrometer 10 and the vacuum accelerating chamber 41 communicate with each other through the ion introduction port 11a opened in the skimmer 11, and is generated by the collision of the charged droplet and jumps out from the surface of the sample S (sample stage 43). Ion molecules (or atoms) are introduced into the mass spectrometer 10 through the ion introduction port 11a.
As described above, the diameter (spread) of the charged droplet beam (charged droplet group) generated by the charged droplet generator 30 is in the millimeter order. The diameter of the charged droplets (cluster ions) ranges from a few microns to a few nanometers. This is called a giant cluster-ion. This huge cluster-ion beam is introduced from the charged droplet generation chamber 31 to the vacuum acceleration chamber 41 while maintaining the spread of millimeter order, and is accelerated by the electric field of the acceleration electrode 42. For example, a kinetic energy of about 1 million eV (106 eV) is given to a large cluster ion.
The sample stage 43 holds, for example, a frozen biological sample thin film S to prevent drying. The accelerated cluster ions strike the biological sample thin film S (for example, a biological tissue sample placed on a substrate attached to a low-temperature refrigerator). As a result, the thin film sample is vaporized within a short time of picoseconds. Equal amounts of positive and negative ions exist in the desorbed ions, but ions are generated in a time period shorter than their recombination lifetime, preventing recombination (neutralization reaction) of the generated ions. , Many ions are supplied from the vacuum acceleration chamber 41 into the mass spectrometer 10 through the ion inlet 11a. This enables highly sensitive mass spectrometry.
In addition, when a sample is bombarded by cluster ions, a shock wave is generated at the collision interface. Due to the action of the shock wave, even a molecule having a molecular weight exceeding tens of thousands such as a protein is desorbed and ionized without being damaged. That is, mass spectrometry (for example, orthogonal (orthogonal) time-of-flight mass spectrometry) of biomolecules including proteins becomes possible.
On the flight path of the beam D by the charged droplet group accelerated in the vacuum accelerating chamber 41 and just before the sample stage 41, the mask 50 has its surface in the flight direction (Z direction) of the charged droplet beam. ) And substantially vertical (referred to as XY direction). The mask 50 is driven by the driving device 60 so as to be slightly displaced two-dimensionally in the direction along the surface.
Specifically, as shown in FIG. 2, the mask 50 has a thin plate 50 (preferably an insulating plate) formed with fine holes 50a. It is supported on a stage (not shown) that is movable in the Y direction. The displacement of the mask 50 in the X direction is driven by the piezo element 61, and the displacement in the Y direction is driven by the piezo element 62. The driving device 60 includes piezo elements 61 and 62. For driving in the X and Y directions, a mechanical device other than the piezo element may be used. In conjunction with the driving of the mask 50, the cluster ion beam can be deflected by an electric field to adjust the ion beam having the maximum intensity.
The surface of the mask 50 is perpendicular to the flight path of the charged droplet group. Most of the spread of the beam-like charged droplet group D in the millimeter order is limited by the mask 50 and does not reach the sample S. A part of the charged droplet passes through the fine hole 50a of the mask 50, collides with the sample as described above, and ionizes the sample. For example, a charged droplet beam having a diameter of 3 mm (with a beam diameter) is limited to a beam having a diameter of several μm to 0.1 μm and collides with the sample S.
In this way, the position of the sample where the charged droplet collides is limited to a small range. By moving the mask 50 in the XY directions, the position of the sample where the charged droplet collides can be changed. Therefore, it is possible to obtain the two-dimensional molecular level information by two-dimensionally scanning the collision position of the charged droplet on the surface of the sample.
The mask 50 (its fine hole 50a) determines the position where the charged droplet on the sample surface collides. If the collision position of the charged droplet is fixed, distribution information in the depth direction at the molecular level can be obtained. As described above, if the collision position of the charged droplet is displaced one-dimensionally or two-dimensionally, one-dimensional or two-dimensional information on the molecular level of the sample surface layer can be obtained. Instead of displacing (scanning) the mask 50, the sample stage 43 may be displaced (scanned). If possible, the charged droplets can be deflected by an electric or magnetic field and scanned.
As shown in FIG. 3, the mask 50 is formed by superposing two mask plates 51 and 52 having micro slits 51a and 52a intersecting with each other, and the crossing position of the micro slits 51a and 52a is a micro hole. Good. The mask plate 51 is supported so as to be displaceable in the X direction and is driven in the X direction by the piezo element 61, and the mask plate 52 is supported so as to be displaceable in the Y direction and is driven in the Y direction by the piezo element 62.
Next, examples of the etching method and apparatus will be described.
FIG. 4 shows an etching apparatus 20A combined with a mass spectrometer. In this figure, the same components as those shown in FIG.
A difference from the ionization apparatus shown in FIG. 1 is that, firstly, an etching solution (including an aqueous solution) is used as a solution of charged droplets generated by electrospray.
In the etching apparatus and method, charged droplets of an etching solution generated by electrospray under atmospheric pressure are guided into a vacuum, and this is accelerated by a potential difference of about 10 kV, and impacts the object Su. As an etching solution for generating electrospray, hydrofluoric acid, diluted nitric acid, acetic acid, or the like can be used. Atomic level etching of silicon or silicon oxide can be performed by impact of charged droplets of hydrofluoric acid. Atomic level etching of a metal thin film can be performed by charged droplet impact of dilute nitric acid. Atomic and molecular level etching of organic thin film material can be performed by charged droplet impact of acetic acid. The etching solution may be simple water or an organic solvent.
The etching solution need not be one that causes a chemical reaction with the object. The etching solution may be an aqueous solution, an organic solvent (for example, methanol), or an aqueous solution containing an organic solvent. In short, the etching solution only needs to be charged in a multivalent manner. For example, water (pure water) can be used as the etching solution. However, charged droplets are more likely to be generated by the electrospray method when an electrolyte such as acetic acid or ammonia is dissolved in water to form an aqueous solution. The charged droplet is preferably a multivalent charged droplet having a charge of several tens or hundreds of valences. Etching with water is possible because various reactive species are generated in the shock wave region generated at the collision interface between the charged droplet and the sample, and these etch metal, semiconductor, insulator, etc. . Such etching action is reactive etching, and enables layer-by-layer etching at the atomic level. In etching using such cluster ions, no crater is generated on the surface, so that only the surface can be etched without damage inside the sample.
The second difference from the method and apparatus shown in FIG. 1 is that a holding table 43A is provided in the vacuum acceleration chamber 41 in place of the sample table. The object Su to be etched is fixedly held on the holding table 43A.
Nitrogen gas is not necessarily used. It is not always necessary to cool the charged droplets. By introducing or filling the charged droplet generation chamber 31 with high-purity nitrogen gas at a temperature close to room temperature, mixing of impurities can be suppressed. It is not always necessary to provide the mask 50. Since charged droplets are charged in a multivalent number (several tens to hundreds), they can be accelerated by an electric field at a very high speed (for example, about 10 times the speed of sound). Further, the charged droplet beam can be swept in two directions (X and Y directions) orthogonal to each other by the deflection electrode. Large area etching can be performed by sweeping (two-dimensionally scanning) the charged droplet beam or the holding table 43A.
In this etching method, as an example, charged droplets having a mass of 10 million (u) and a valence of 100 are collided with the surface of the object Su at high speed. As shown in FIG. 5A, when a charged droplet having a valence of 100 collides with the solid surface at a speed about 10 times the speed of sound, a shock wave is generated at the interface as shown in FIG. 5B. The interface gas generated by this shock wave is a supercritical fluid gas that far exceeds the critical limit of water supercritical fluid (water). Since collisions at the interface are coherent (all colliding water molecules collide with the substrate in the same direction), the reproducibility of the phenomenon is extremely high. In addition, the supercritical state relaxes (cools) in about picoseconds, so that the inside of the film is not damaged. Furthermore, as shown in FIG. 5C, since the film thickness desorbed from the surface is limited to a few atoms (molecules) layer, it is optimal for ultra-fine processing technology and surface analysis technology using layer-by-layer. Is the law.
By selecting the type of liquid to be electrosprayed, various semiconductors (Si, Ge, etc.), silicon oxide (semiconductor oxide), insulators, organic material thin films, etc. Even layer-by-layer etching techniques are possible. Since the ion source (charged droplet source) is an atmospheric pressure electrospray, it can be easily mounted on a semiconductor manufacturing apparatus and the principle is simple, so that no skill is required. It is a simple, highly efficient and inexpensive technology. For the formation of the fine pattern, only a necessary portion may be etched using the mask 50. By sweeping the charged droplets or the holding table 43A in the xy direction, precision processing of a large-area high-definition semiconductor material, metal, organic thin film, insulator film, or the like is possible.
According to experiments, it was confirmed that only a few molecular layers on the surface of the organic material were detached by a single charged droplet impact, and the underlying sample was not damaged at all. This is because the desorption efficiency is high and the thickness of the desorbed film is limited to a few molecular layers.
Ions desorbed and ionized from the surface of the object Su by collision of charged droplets (that is, by etching) are introduced into the mass spectrometer 10 through the introduction path (ion introduction port 11a) and subjected to mass analysis.
FIG. 6 shows another embodiment of the etching method and apparatus.
An electrospray apparatus 32B having a metal thin tube 33B to which a high voltage is applied is provided outside the main body of the etching apparatus 20B and is exposed to the atmosphere. Of course, the electrospray device 32B may be provided in the charged droplet generation chamber. Charged droplets of the etching solution are generated by the electrospray device 32B.
The main body of the etching apparatus 20B includes a roughing chamber 71, an adjustment chamber 72, and a vacuum acceleration chamber 41B of the acceleration device 40B, and these chambers 71, 72, and 41B are connected in a straight line.
The roughing chamber 71 has a slightly low degree of vacuum exhausted by a rotary pump or the like. The adjustment chamber 72 and the vacuum acceleration chamber 41B are kept at a high vacuum. A quadrupole ion guide 73 is provided in the adjustment chamber 72. The charged droplet of the etching solution generated by the electrospray device 32B enters the roughing chamber 71 through the fine hole 71a of the orifice of the roughing chamber 71, and is further guided to the adjustment chamber 72 through the fine hole 72a. The spread is suppressed by 73, and a charged charged droplet beam is formed. In addition, a high frequency electric field is applied to the ion guide 73, and only charged droplets having a relatively large charge and mass are selected. The selected charged droplet beam is introduced into the vacuum acceleration chamber 41B through the fine hole 41a.
In the vacuum acceleration chamber 41B, an acceleration electrode 42B, a deflection electrode 44, and a holding base 43B are arranged in this order. An object Su to be etched is fixed on the holding table 43B.
The charged droplet beam is accelerated by the acceleration electrode 42B to which a high voltage is applied, collides with the object Su, and the object Su is etched as described above. In this embodiment, the charged droplet beam collides perpendicularly with the surface of the object Su. When the charged droplet beam passes between the deflection electrodes 44, it is swept according to the sweep voltage applied to the deflection electrode 44. Therefore, the charged droplet scans the surface of the object.
Instead of the deflection electrode 44, the charged droplets may be swept by a magnetic field by energizing the coil. Instead of sweeping the charged droplet beam, the holding table 43B may be scanned two-dimensionally. A mask can also be provided.
FIG. 7 shows an etching apparatus 20C used in the experiment. The etching apparatus 20C is combined with the time-of-flight mass spectrometer 10, but the basic structure is the same as the etching apparatus 20B shown in FIG. Avoid duplication.
The roughing chamber 71 is provided with a ring lens 71b, and the adjustment chamber 72 is divided into two chambers 72A and 72B that are evacuated separately, and a high-frequency quadrupole ion guide 73 is provided over both the chambers 72A and 72B. It has been.
Ions released from the surface of the object Su are collected by the extraction electrode 19, arranged in the introduction chamber 14 of the mass spectrometer 10, and converged and reduced through the high-frequency quadrupole ion guide 16 into which N 2 gas has been introduced. The velocity is increased (collision damping) and guided into the analysis chamber 17. The vacuum acceleration chamber 41B is also provided with an entrance / exit 18 for the object Su.
A 1M aqueous acetic acid solution is used as the etchant, and as shown in FIG. 5A, about 100-valent water molecules collide with the object Su at a speed of about 10 times the speed of sound (12 Km / s).
FIG. 8 shows mass spectrometry results obtained when a 10 ML (monolayer) gramicidin layer is formed on a 100 ML (monolayer) arginine (Arg) layer as an object (sample). Is shown. The horizontal axis represents time (minutes) and the vertical axis represents relative intensity. It can be seen that the upper gramicidin is etched first, and then the lower arginine is gradually etched. That is, it can be seen that etching is performed in a layer-by-layer or a state close thereto.
FIG. 9 shows experimental results obtained when using an object (Sn (1 nm) on Si) in which a tin (Sn) foil having a thickness of 1 nm is formed on silicon. Etching is predominant for tin (Sn) (Sn + , H + (SnO), H + (SnO) 2 ) and gradually silicon (H + (SiO 2 ) 2 , H + (SiO 2 ) 3 ). It can be seen that is etched. Tin (Sn), which is one of the metals, is etched by layer-by-layer or in a state close thereto.
From the above, it can be seen that etching of organic material thin films, semiconductors, insulators, metals, and the like is performed by layer-by-layer (or in a state close to this). Etching of oxide semiconductor, graphite, diamond, etc. is also possible.

Claims (8)

エッチング用溶液として水,水溶液または有機溶媒を用い,このエッチング用溶液の多価帯電液滴を大気圧下でエレクトロスプレー法により生成して真空室に導き,
真空室内に形成した電場によって多価帯電液滴を対象物の位置に向けて加速し,対象物表面に衝突させ,これによって対象物の層構造表面をレイヤー・バイ・レイヤーでエッチングする,
クラスタイオン衝撃によるエッチング方法。
Using water, an aqueous solution or an organic solvent as the etching solution, polyvalent charged droplets of this etching solution are generated by electrospray at atmospheric pressure and guided to a vacuum chamber.
Multi-charged droplets are accelerated toward the position of the object by the electric field formed in the vacuum chamber and collide with the object surface, thereby etching the layer structure surface of the object layer-by-layer.
Etching method by cluster ion bombardment.
上記多価帯電液滴が数十価ないし数百価の電荷を帯びたものである,請求項1に記載のエッチング方法。The etching method according to claim 1 , wherein the multivalent charged droplet has a charge of several tens to hundreds. 多価帯電液滴および対象物の少なくともいずれか一方を二次元的に走査する,請求項1に記載のエッチング方法。The etching method according to claim 1 , wherein at least one of the multivalent charged droplet and the target is scanned two-dimensionally. 対象物の位置の前方にマスクを配置し,マスクの微細孔によって対象物に衝突する多価帯電液滴ビームの広がりを制限する,請求項1に記載のエッチング方法。The etching method according to claim 1 , wherein a mask is disposed in front of the position of the object, and the spread of the multivalent charged droplet beam that collides with the object is limited by the fine holes of the mask. 多価帯電液滴を対象物に衝突させるべき位置を,上記微細孔の位置によって定める,請求項4に記載のエッチング方法。The etching method according to claim 4 , wherein a position at which the multivalent charged droplet is to collide with the object is determined by the position of the fine hole. 上記マスクと対象物の少なくともいずれかを相対的に二次元的に走査する,請求項4または5に記載のエッチング方法。The etching method according to claim 4 or 5 , wherein at least one of the mask and the object is relatively two-dimensionally scanned. 上記対象物が半導体,半導体酸化物,絶縁体,金属または有機材料である,請求項1に記載のエッチング方法。The etching method according to claim 1 , wherein the object is a semiconductor, a semiconductor oxide, an insulator, a metal, or an organic material. 請求項1から6のいずれか一項に記載のエッチング方法における多価帯電液滴の衝突によって対象物の層構造表面から脱離,イオン化されたイオンを質量分析装置に導入する,質量分析方法。A mass spectrometric method for introducing ions desorbed and ionized from the surface of a layer structure of an object by collision of multivalent charged droplets in the etching method according to claim 1 into a mass spectrometer.
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