JPH01276561A - 飛行時間型／偏向二重収束型切換質量分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、飛行時間型／偏向二重収束型切換質量分析装
置に関する。

〔従来の技術〕

第３図は写像型イオンマイクロアナライザの従来例を示
す図であり、１１はイオン源、１２と１６は静電レンズ
、１３は一次イオンビーム、１４は試料、１５は二次イ
オンビーム、１７は入口スリット、１８は球面電場、１
９はエネルギースリット、２０は中間レンズ、２１は一
様扇形磁場、２２は質量分離スリット、２３は投影レン
ズ、２４は蛍光スクリーンを示す。

イオンマイクロアナライザ（ＩＭＡ）は、−次イオンビ
ームの照射により試料表面から放出される試料原子の二
次イオンを質量分析し、固体表面の微小部分の元素分析
を行うものであり、大別すると一次イオンを走査してイ
オン像を得る走査型と、走査せずに直接イオン像を得る
写像型がある。

そのうち従来の写像型［ＭＡのイオン光学図を示したの
が第３図である。

第３図に示すＩＭＡでは、イオン源１１で発生した比較
的太い一次イオンビーム１３が試料１４の分析領域全体
に照射され、この領域から放出された二次イオン１５が
接続光学系を構成する静電レンズ１６を通して質量分析
系ＭＳへ送られる。

そして、この質量分析系ＭＳで質量分析され、投影レン
ズ２３で特定質量のイオンのみの像が二次元検出器であ
る例えば蛍光スクリーン２４上に投影される。

上記のようなＩＭＡでは、試料１４の表面から放出され
る二次イオン１５のエネルギー幅が大きいため、質量分
析系ＭＳとして球面電場１８と一様扇形磁場２１を直列
に接続した二重収束質量分析系が使用され、入口スリッ
ト１７の位置にイオン源部のクロスオーバーを形成し質
量分離スリット２２の位置に像を作ることによって二次
イオンの質量分離を行っている。

しかし、上記構成のＩＭＡは、クロスオーバーとイオン
像の双方についてエネルギーの収差が零であるようにし
二重収束条件を満足させるためにはその調整作業に熟練
と時間を要し、また、図示のように質量分析系が電場１
８、中間レンズ２０、磁場２１を直列に並べた大掛りな
構成になってしまう等の問題がある。

そこで、本出願人は、質量分析系において磁場及び該磁
場と直交する方向の電場を同一領域に存在させた重畳場
質量分析系を用いたＩＭＡを提案（特願昭６２−２３４
１３０号）した。以下にその概要を説明する。

第４図は写像型イオンマイクロアナライザの改良例を示
す図、第５図は重畳場発生手段の概略図、第６図はｆ＝
０のトロイダル電場の分布を説明するための図、第７図
は重畳場発生手段の具体的な構成例を示す図、第８図は
基板の形状を説明するための図である。図中、第３図と
同一記号は同一のものを示し、３１は重畳場、３２は一
様磁場、３３はトロイダル電場、３４は投影レンズ、３
５は質量選択スリット、３６は蛍光スクリーン、３７と
３７′は磁極片、３８と３８′は基板を示す。

第４図において、重畳場３１は、紙面に垂直な一様磁場
３２と紙面上で該−電磁場３２に直交する方向を持つト
ロイダル電場３３を同一領域に存在させたものである。

０はイオンの中心軌道であり、イオン像に関しては、接
続光学系１６により試料表面のイオン像Ｆが形成され、
重畳場３１により変換されたイオン像Ｆ′が蛍光スクリ
ーン３６の位置にＦ“とじて投影される。

イオンビームの中心軌道が等電位面上に存在するように
した電場と、この電場に略直交する一様磁場とを同時に
存在させた重畳場中を飛行するイオンの運動を第５図に
示す円筒座標（ｒ、　　φ。

２）で説明する。

第５図において、一対の基板３８．３８′は、その表面
に多数の線状電極が同心状に配置されたものであり、一
対の磁極片３７．３７′の表面に取り付けられる。そし
て、一対の磁極片３７．３７′によってその間に垂直な
方向の一様磁場が形成され、一対の基板３８．３８′上
の電極に適当な電位を与えることによって上記磁場に直
交する方向を持つ電場が形成される。

ここで、２＝０の平面内のｒ＝ａの円周（イオンビーム
の中心軌道）上において、電場は、強さが一定で中心方
向を向いており、磁場は２方向を向いているものとし、
ｚ＝０、ｒ＝ａの近傍の電磁場を取り扱うため、 ｒ＝ａ　　（１＋ρ） ｚ＝ａζ　　　　　（ただし、ρ、ζくく１）とおく。

そこで、重畳場におけるイオンの軌道を決定する方程式
を一次近似で表すと、 ｒ方向に関しては、 ｄφＺ　　　　　　　　　　　　　　　ａ。

２方向に関しては、 ｄφ２ となる、ここで、係数Ｋｒ”及びＫｚ２は、電場と磁場
によって決まる定数であり、磁場として一様磁場を用い
た場合には、 ａ　　　　　　　　　ａ　　ｚ Ｋ　ｒ　”　＝　３　＋　１−３−　＋　（−）ａ、ａ
ｌｌｌ Ｋｚ”＝−（−＋１ ａ・ と表される。そして、係数Ｋｒ”は、ｒ方向の一次のイ
オンの収束特性を決定し、Ｋｚ”は、２方向の一次のイ
オンの収束特性を決定する。また、γとβは、それぞれ
質量及び速度の相対変化率である。ｌは、電場を中心軌
道の廻りにティラー展開した時の一次の展開係数であり
、 （４＝−（１＋ｃ） で表される。ここで、Ｃは、イオンビームの中心軌道平
面内の中心軌道と一致する等電位線の曲率半径ａと、ｚ
軸を含む平面内のその中心軌道を通る等電位線の曲率半
径Ｒ０との比（ａ／Ｒ，）である。また、ａ、及びａ、
は、それぞれ磁場及び電場が単独で存在すると仮定した
時のイオンの中心軌道の半径である。そして、ａとの間
には、１／ａ　＝　ｌ／ａ、　　←１／ａ。

なる関係がある。

また、ｒ方向の像位置での分散りは、 Ｄ＝ａδ（１＋Ｘ） δ−（γ＋＜　２−−　）βｌ／Ｋｒ”ａ　― で表される。ただし、Ｘは像倍率である。

そこで、分散りについて考察すると、 ａ／ａ、＝２ の場合には、 δ＝γ／　Ｋ　ｒ　” となり、質囚分散のみが生じ、同一質量であればイオン
の速度やエネルギーによる分散は生じないので、このま
まで二重収束の条件が成立する。また、 ａ／ａ、＝０ 即ちａ、が無限大の場合には、 δ＝（γ＋２β）／Ｋｒ”となり、このときはイオンは
電場による力のみを受け、すべてのイオンが自分の持つ
運動エネルギーだけで分散が生じ、エネルギー分離が起
こる。

また、立体収束の条件は、上記双方の場合ともＫｒ”　
＝Ｋｚ”　＝１を成立させればよい、従って、ａ／ａＩ
Ｉ＝２の場合には、１−０の時に上記の条件を成立させ
ることができ、ｃ＝−１、即ちＲ１−−ａとすればよい
。これは、Ｚ軸を含む平面内のその中心軌道を通る等電
位線の曲率半径Ｒ０として第６図に示すように第５図と
は逆方向の半径ａを与えることである。また、ａ／ａ、
＝Ｑの場合には、ｐ＝−２の時に上記の条件を成立させ
ることができ、Ｃ＝１、即ちＲ，＝ａとすればよい。

これは、等電位線の曲率半径Ｒ１をａに一致させること
である。

１＝ｏ及び１＝−２の条件を満足する電場及びそれに重
畳する一様磁場を発生するための重畳場発生手段の構成
例を示したのが第７図である。

第７図において、基板３８．３８′は、セラミック等の
絶縁物でつくられ、第８図に示すようにイオンの中心軌
道に沿った円弧状の形状が与えられている。そして、そ
の対向する面には、塗布や蒸着等の処理により薄い抵抗
被膜３９．３９′が形成されており、さらにその抵抗液
ＩＩ！３９．３９′の上に、例えば０．５ｍｍ幅の多数
の同心円弧上電極Ａｔ　〜Ａｈ１Ｂ＋　”Ｂｎが０．５
ｍｍのピンチで配列されている。この電極パターンは、
例えばマスクを使った４電体の塗布や蒸着、或いは通常
の電子機器で使用されるプリント基板と同様のパターン
露光及びエツチングの技術等により作製することができ
る。このようにして作製されたそれぞれの基板の電極に
は、電場電１ｉ４０から引き出し線を介して所定の電圧
が印加される。メモリ４１は、各電極ＡＩ−Ａ−、Ｂ＋
〜Ｂ７に印加すべき電圧を記憶させておくものであり、
その記憶された情報を読み出し、各電極の電圧情報とし
て電源４０に供給するのが読み出し制御回路４２である
。

ヨーク４３は、磁極片３７．３７′をつなぐものであり
、励磁コイル４４は、磁場電源４５から励磁電流が供給
され、ヨーク４３を励磁するものである。制御装置４６
は、モード切り換え、倍率変更等、全体の制御を行うも
のであり、読み出し制御回路４２、電場電源４０、磁場
電源４５及び接続光学系を制御する。

上記のような構成により電極間に任意の係数Ｃをもつト
ロイダル電場を形成することができ、ｌの値を任意に設
定することができる。また、接続光学系の中の各レンズ
の強度の組み合わせを適宜変えることにより、入カスリ
フトの位置におけるクロスオーバーの大きさを変え、像
の倍率を変えることができる。

以上のようにＳＩＭＳ（二次イオン質量分析装置）又は
ＳＮＭＳ　（二次中性子買足分析装置）等に多電極を用
い重畳場を、特にａ／ａ、＝２、ａ／ａ、＝−１の条件
で用いると、二重収束で且つ立体収束を成立させること
ができる。そのため、イオンの質量差による分離が高分
解能（Ｒ＝１０゜０００）でできるので、サンプル表面
の局所から出るイオンの高分解能の質量スペクトルやイ
オン像、エネルギースペクトルやエネルギー像を得るこ
とができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の装置では、質量の広い範囲（ｍ／
ａ；１〜２５０）の同時検出はできない。

すなわち、全部のイオンを検出するためには、磁場を掃
引しなければない。従って、パルス状のイオンビームや
イオンが時間的に変動する場合には適用が難しいという
問題がある。

一方、パルス状のイオンビームを使いイオンの飛行時間
を測定するものにＴＯＦＭＳ（飛行時間型質量分析装置
）がある、イオンを加速すると、質量の重いものは遅く
、逆に軽いものは速く飛行する。ＴＯＦＭＳは、このよ
うな質量の差によりスピードが違うのを利用して質量を
時間的に分離するものである。従って、−次イオンをパ
ルスで試料に照射し、Δｔの間隔で放出されるイオンを
検出するというように同時検出タイプであり、パルス状
のイオンビームの検出に向いているが、感度はともかく
として質量分解能が精々Ｒ＝１，０００程度しかない。

実際の表面分析では、上述の質量分解能と局所分析（局
所微小サンプル量分析）が同時に要求されることは稀で
あるが、上記の装置はいずれもこのような要求に応える
ことができない。

本発明は、上記の課題を解決するものであって、１つの
質量分析系で飛行時間型質量分析と立体収束二重収束質
量分析を行うことができる飛行時間型／偏向二重収束型
切換質量分析装置を提供することを目的とするものであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

そのために本発明は、イオン源から試料に一次ビームを
照射することによって試料から放出される二次イオンを
導入して試料の分析を行う質量分析装置において、質量
分析系に磁場と該磁場に直交する方向の電場を同一領域
に存在させた重畳場を用い、電場のみを印加する飛行時
間型質量分析と重畳場を印加する偏向二重収束型質量分
析とを切り換えられるようにしたことを特徴とするもの
である。

〔作用〕

本発明の飛行時間型／偏向二重収束型切換質量分析装置
では、磁場を零にして電場のみを印加する飛行時間型質
量分析から磁場も印加する重畳場に移行制御することに
よって偏向二重収束型質量分析を行うことができるので
、１つの質量分析系で飛行時間型質量分析と立体収束二
重収束質量分析を簡単に切り換え制御することができる
。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明の飛行時間型／偏向二重収束型切換質量
分析装置の１実施例を示す図であり、１は重畳場、２は
入口スリット、３と４は静電レンズ、５は出口スリット
、Ｃｍ　Ｃ２はクロスオーバー点、１１〜■３はイオン
像を示す。

第１図において、重ｉ場ｌは、第４図で説明した重畳場
３１と同様の、−電磁場と一様磁場に直交する方向を持
つトロイダル電場を同一領域に存在させたものであり、
入口と出口に静電レンズ３．４を配置した偏向角φ。＝
１８０°の場合を示している０本発明は、この重畳場１
を持つ分析系により電場だけを印加する従来のボッジエ
ンリーダ（Ｐ　ｏｓｈｅｎｒｉｅｄｅｒ）型のＴＯＦＭ
Ｓと電場及びＭｉ場を重畳する偏向型の高分解能二重収
束型ＭＳを同一のパスによって切り換えて実現するもの
である。

まず、ボッジエンリーダ型のＴＯＦＭＳとして動作させ
る場合には、第１図ｆａｔに示すようにイオンビームを
入口の静電レンズ３により平行ビームにして入射し、中
央で一度収束するようしているこの場合、重畳場ｌにお
ける磁場は零、電場はＣｍ１、即ち、Ｋ　ｒ　”　＝　
Ｋ　ｚ　”　＝　Ｉ　Ｌ制御すルコトによって立体収束
を実現している。従って、収束点では、イオンのエネル
ギーと２つの方向に関し、３重の時間収束が成立する。

上記のボッジエンリーグ型のＴＯＦＭＳから立体収束且
つエネルギー収束重畳場ＭＳに切り換えて動作させる例
を示したのが第１図ｔｂ＋である。この場合には、先に
説明したように電場と磁場を逆方向にかけ、ａｌａ、＝
２、ａｌａ、＝−１、Ｃ−１、Ｋｒ”　＝Ｋｚ”　＝１
とするごとによって立体収束が実現する。しかも、ａｌ
ａ、＝２、ａｌａ、＝−１の条件によりエネルギー収束
が実現する。そして、図示のように入口の静電レンズ３
は、クロスオーバー点Ｃ１の縮小像を人口に結ばせるよ
うにすれば、直接写像型の二次イオン質量分析装置とし
て用いることができる。この場合、第２のクロスオーバ
ー点Ｃ２は、重畳場の出口にできるので、ここに質量分
離のためのスリットを置いて高分解能の質量スペクトル
を得ることができる。

第１図（ａｌに示す飛行時間型と同図（ｂｌに示す偏向
二重収束型との切り換え制御は、第７図に示す回路によ
って行うことができる。即ち、第７図に示す制御装置４
６により磁場電源４５をオン／オフし、読み出し制御回
路４２及び接続光学系を上記所望の条件が成立するよう
に制御することによって第１図ｆａｔ又は（ｂｌに示す
ようなイオン軌道制御を行えばよい。

第２図はエネルギー分離を伴う立体収束二重収束重畳場
質量分析装置として構成した例を示す図である。

第１図ｆｂ）に示した例は、ａｌａ、＝’ｌの条件によ
ってエネルギー分散が全く起こらないが、第２図に示す
場合には、場の一部をｃ＝ｌ、Ｋｒｔ＝ＫＺ”＝１の球
面電場６で形成し、重畳場７との継目にクロスオーバー
像をつくり、ここでエネルギーを選択できるようにして
いる。従って、偏向角φが１８０°の電場と例えば１５
０’の磁場により部分的な球面電場と重畳場を形成して
いる。

ただし、二重収束、即ちアクロマチイックなイオン像を
得るためには、電場の中央に中間のイオン像をつくるよ
うにする必要がある。

（発明の効果〕 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、多電
極電場と一様磁場との重畳場を用い、ボッジエンリーグ
型の飛行時間型質量分析装置と、高分解能の偏向型質量
分析装置を同一の質量分析系で実現しているので、サン
プル表面の局所的に存在する掻徽小体積中の元素分析と
サンプル表面に存在する元素の高分解能／高空間分解能
による分析を同−測定内で同時に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の飛行時間型／偏向二重収束型切換買置
分析装置の１実施例を示す図、第２図はエネルギー分離
を伴う立体収束二重収束重畳場質量分析装置として構成
した例を示す図、第３図は写像型イオンマイクロアナラ
イザの従来例を示す図、第４図は写像型イオンマイクロ
アナライザの改良例を示す図、第５図は重畳場発生手段
の概略図、第６図は１＝０のトロイダル電場の分布を説
明するための図、第７図は重畳場発生手段の具体的な構
成例を示す図、第８図は基板の形状を説明するための図
である。 １・・・重畳場、２・・・入口スリット、３と４・・・
静電し７ノ入５・・・出口スリット、ＣＬ　Ｃ２・・・
クロスオーバー点、１１〜■３・・・イオン像。 出　願　人　　日本電子株式会社 代理人　弁理士　阿　部　龍　吉（外４名）第１図 （ａ） 第２図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）イオン源から試料に一次ビームを照射することに
   よって試料から放出される二次イオンを導入して試料の
   分析を行う質量分析装置において、質量分析系に磁場と
   該磁場に直交する方向の電場を同一領域に存在させた重
   畳場を用い、電場のみを印加する飛行時間型質量分析と
   重畳場を印加する偏向二重収束型質量分析とを切り換え
   られるようにしたことを特徴とする飛行時間型／偏向二
   重収束型切換質量分析装置。