JPH01313847A

JPH01313847A - 表面分析装置

Info

Publication number: JPH01313847A
Application number: JP63143531A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Nagai; 一敏長井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-06-13
Filing date: 1988-06-13
Publication date: 1989-12-19
Anticipated expiration: 2012-05-14
Also published as: JP2610035B2

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】〈産業上の利用分計〉本発明は、分析精度が高く、かつ、絶縁物分析に適性を
有する表面分析装置に関するものである。

〈従来の技術〉固体を真速のイオンビームで衝撃すると、表面からは、
正電荷の二次イオン、負電荷の二次イオン、電気的中性
の原子・分子（スパッタ原子と呼ぶ）、光、二次電子等
が放出する。これらのうち、固体の組成を直接反映する
のは前３者であるので、固体の組成分析には、二次イオ
ン、スパッタ原子の質量分析法が用いられ、前者が「二
次イオン質量分析」、後者が「二次中性粒子質量分析」
と称されている。高精度の組成分析を行うには、正電荷
の二次イオン、負電荷の二次イオン、スパッ夕原子の３
種類を同時に分析することが理想とされているが、現状
では、「正電荷二次イオンのみを分析する二次イオン質
量分析計」、「負電荷二次イオンのみを分析する二次イ
オン質量分析計」、「スパッタ原子のみを分析する二次
中性粒子質量分析計」と言うように、機能の分化した装
置が開発されてはいるものの、３種類を同時に分析しう
る機器はなかった。

正電荷の二次イオンを分析する二次イオン質量分析計と
しては、従来第３図に示すようなものが市販されている
。図中、１は例えば約１０　ＫｅＶ程度のエネルギーを
有する高速のアルゴンイオンビームを放出するイオン源
、２はイオン源１から放出される高速のイオンビーム（
−次イオンビーム）、３は分析すべき試料、４は試料台
、５は二次イオン、６はマスアナライザー、７は二次電
子増倍管、８は直流高電圧電源、９は出力端子、１０は
正の直流電源、１１はマスアナライザー６を通過した正
電荷のイオンである。この動作は以下のとおりである。

直流ｇ＊圧電ｒＡ８．出力端子９．直流電源１０以外の
要素を真空容器に収め充分に排気する。イオン源１から
放出する一次イオンビーム２によって、分析すべき試料
３を衝撃する。この衝撃によって、試料３の表面から二
次イオンが放出する。二次イオンには、正電荷のものと
負電荷のものが含まれているが、直流電源１０によって
、試料台４がマスアナライザー６よりも高い電位になっ
ているので、正電荷の二次イオン５のみがマスアナライ
ザー６に入射する。マスアナライザー６に入射した二次
イオン５の内、特定の質量のイオン１１だけが、二次電
子増倍管７に入射する。

直流高電圧′ｒｓ源８は、二次電子増倍管７を動作させ
るものであるが、同時にマスアナライザー６を通過した
イオン１１を充分なエネルギーにまで加速する役目も負
うている。結局、二次電子増倍管７に入ったイオン１１
の信号が出力端子９から出力されて、試料３の組成、不
純物等が固定されるものである。

次に、負電荷二次イオンの質量分析計を第４図にしめす
。図中、１〜４．６〜９は第３図の対応する番号の要素
と同一の動作、機能を有する。２１ζよ負電荷の二次イ
オン、２２は負電荷イオン用マスアナライザーＳ２３は
負の直流高電圧電源、２４は高耐圧コンデンサー、２５
は負の直流電源、２６はマスアナライザー２２を通過し
た負電荷のイオンである。この動作は第３図に示す分析
計の動作に類似しているが、直流電源２５によって試料
台４に負の電圧をかけて、試料３から放出する二次イオ
ンのうち、負電荷のものをマスアナライザー２２に入射
させている。またマスアナライザー２２は、負電荷イオ
ンの質量分析ができるように電気的極性が設定しである
。

マスアナライザー２２を通過したイオン２６は、負の直
流高電圧電源２３によって充分なエネルギーを得て二次
電子増倍管７に入射し、マススペクトルが出力端子９か
ら出力されろ。

コンデンサー２４は直流分をカットするためのものであ
る。

このように正電荷の二次イオン質量分析と負電荷の二次
イオン質量分析では、装置の大幅な電気的極性変更が必
要であるために、従来は正・負電荷二次イオンの同時分
析は困難であった。

第５図は従来の二次中性粒子質量分析計の構造の概要を
示したものである。図中１〜４．６〜９．’１１は第３
図の対応する番号の要素と同一の動作、機能を有するも
のである。３１はスパッタ原子、３２はイオン化室であ
る。

この動作は以下のとおりである。

直流高電圧ｍ源８．出力端子９以外の要素を真空容器に
収め充分に排気する。イオン源１から放出する一次イオ
ンビーム２によって、分析すべき試料３を衝撃する。こ
こまでは第３図の場合と同様である。乙の？［ａによっ
て、試料３の表面がスパッタされてＪｉ４気的に中性な
原子・分子（スパッタ原子３１）が放出する。スパッタ
原子３１はイオン化室３２に入りイオン化された後、マ
スアナライザー６で質量を弁別され、特定の質量のイオ
ン１１だけが、引き続いて二次電子増倍＋１ｒ７に入る
。

以下第３図の場合と同様、出力端子９からマススペクト
ルが出力され、試料３の組成分析がなされる。

〈発明が解決しようとする課題〉上記３種類の分析計は、すべて、試料を衝撃する一次ビ
ームとして、荷電性のイオンビームを用いている。この
ことは、試料３が金属などの電導性のものの場合は、特
に問題はないが、絶縁物の場合には、−次イオンビーム
２の電荷が絶縁物表面に！積して、表面が高電位に帯電
してしまう。実施例によれば、１０　ｎｍＸ　１０　ｍ
ｍＸ　Ｏ，８−の形状の石英板にイオンビームを照射す
ると、表面の電位は瞬時に１００ＯＶＪＪ上に上昇する
。その結果、後続のイオンビームの入射が阻止されたり
、二次イオンのエネルギーが大幅に変化して、質量分析
計の測定条件から逸脱し、分析が進行しなくなることが
ある。これがこの種の分析機器の大きな欠点で、これを
回避するために、試料近傍に電子銃を置いて、試料表面
の帯電を電子で中和し、表面電位の上昇を抑えるなどの
方法がとられている。しかし、試料に対する電子衝撃、
あるいは電子銃からの輻射熱などのために、耐熱性の悪
い試料では、熱変質が生じて分析不能となることがある
。

本発明は、固体の組成分析において、分析精度を改善す
るために、正・負電荷の二次イオン、スパッタ原子の同
時分析を行い、かつ、耐熱性の悪い絶縁物試料に対して
も、熱変質などのトラブルを生じることなく分析が進行
する表面分析装置を提供することにある。

く課題を解決するための手段〉本発明は１本のマスアナライザーで、正電荷と負電荷の
二次イオン、スパッタ原子の３腫類の質量分析を同時に
行うために、３本の二次電子増倍管、３枚の電磁シャッ
ターを備えているほか、−次ビーム線源として、非荷電
性の高速原子線を放出する線源を使用する分析機器を提
供するものであって、装置構造がこれまでの二次イオン
質量分析針や二次中性粒子質量分析計と全く異なる。

く実　施　例〉第１図は、本発明の一実施例であって、１本の分析管で
、正電荷と負電荷の二次イオン、スパッタ原子の３種類
の質量分析を同時に行う装置の概要図である。図中、３
は試料、４は試料台であり、第３図の対応する番号の要
素と同一の動作、機能を有する。４１は高速原子線を放
射する線源、４２は高速原子線、４３は正電荷・負電荷
の二次イオンとスパッタ原子の混合した二次ビーム、４
４は二次イオン引きだし電極、４５は二次イオン引きだ
し電極４４に電圧を印加するパルス電源、４６は二次イ
オンの通過制御用ディフレクタ−１４７はディフレクタ
−４６を駆動するパルスｆｌｓ源、４８はイオン化室、
４９はイオン化室４８を駆動するパルス電源、５０はエ
ネルギーアナライザー、５１は四Ｉ！極型マスアナライ
ザー、５２，５３．５４は電磁シャッター、５５．５６
，５？はそれぞれの電磁シャッター５２．５３．５４を
駆動するパルス電源、５８．５９．６０は二次電子増倍
管、６１゜６２．６３はそれぞれの二次電子増倍管５８
゜５９．６０を駆動する直流高電圧電源、６４は負電荷
イオン加速用の正の直流高電圧電源、６５は直流分カッ
ト用の高耐圧コンデンサー、６６．６７．６８は信号出
力端子、６９はマスアナライザー５１を通過したイオン
である。

二次イオン引きだし電極４４．ディフレクタ−４６，イ
オン化室４８の動作、ならびにシャッター５２．５３．
５４の電位のタイミングチャートを第２図に示す。

この実施例の動作は次のとおりである。パルス電極４５
，４７，４９，５５，５６，５７、直流高電圧電源６１
，６２，６３，３４、高耐圧コンデンサー６５２、信号
出力端子６６゜６７．６８以外の要素を真空容器に収め
充分に排気する。高速原子線源４１から放出される、エ
ネルギー０．５−１０　ＫｅＶ程度の高速原子綿４ｚで
、試料台４上の試料３を衝撃する。

これで試料３から正電荷・負電荷二次イオンとスパッタ
原子の混合した二次ビーム４３が連続的に発生する。こ
の時、引きだし電極４４、ディフレクタ−４６、イオン
化室４８、シャッター５２，５３．５４は第２図のＡモ
ードの状態であったとする。つまり二次イオン引きだし
電極４４は接地電位、ディフレクタ−４６はＯＮである
ので、二次ビーム４３中の正・負電荷二次イオンは共に
除去され、スパッタ原子のみがイオン化室４８に入る。

イオン化室４８もＯＮであるので、スパッタ原子はイオ
ン化され、エネルギーアナライザー５０を経て四重極型
マスアナライザー５１に入射する。エネルギーアナライ
ザー５０の役割については後で説明する。イオンはマス
アナライザー５１で質量弁別を受け、特定質量のイオン
６９だけがこれを通過する。シャッター５２．５３．５
４のうち、シャッター５３゜５４は接地電位、シャッタ
ー５２ｔ！けが負電位であるから、イオン６９ばシャッ
ター５２に引かれて二次電子増倍管５８に入る。直流高
電圧電源６１は二次電子増倍管５８を駆動すると同時に
、イオンを加速する役目も負う。

結局出力端子６６からマススペクトルが出力される。

次に、第２図のＢモードの状態になったとする。この時
は、第１図の二次イオン引きだし電１ｉｌＩ４４が正電
位、ディフレクタ−４６、イオン化室４８はＯＦＦであ
るために、二次ビーム４３の中の負電荷二次イオンおよ
びスパッタ原子がエネルギーアナライザー５０を通過し
てマスアナライザー５１に入射する。

しかし電荷を有しないスパッタ原子は質量弁別を受けな
いから、負電荷二次イオンのみが質量弁別され、特定の
質量のイオン６９のみがことを通過する。四重極型マス
アナライザー５１は、電荷の正負に関係なく、質量の大
きさだけでイオンを弁別する特性を有するから、マスア
ナライザー５１の電気的極性を変更することなく、負電
荷二次イオンも、正電荷二次イオンも分析できる。さて
シャッター５２．５３，５４はシャッター５２．５４が
接地電位、シャッター５３が正電位であるので、イオン
６９はシャッター５３に引かれて、二次電子増倍ｌｒ！
！：５９に入射する。この場合は、直流高電圧電源６２
の役目は二次電子増倍管５９の駆動のみであり、イオン
の加速は、直流高電圧電源６４が受は持つ。斯くして出
力端子６７からマススペクトルが出力される。

コンデンサー６５は直流分をカットするためのものであ
る。

次に、第２図のＣモード状態になったとする。この時は
、第１図の二次イオン引きだし電極４４は負電位、ディ
フレクタ−４６、イオン化室４８はＯＦＦであるために
、二次ビーム４３中の正電荷二次イオンおよびスパッタ
原子がエネルギーアナライザー５０を通過してマスアナ
ライザー５１に入射する。以下、上記と同様の過程を辿
って、正電荷二次イオンのマススペクトルが出力端子６
８から出力される。

この繰り返し婁ζよって、スパッタ原子、正電荷・負電
荷の二次イオンが順次質量分析されて出力されることに
なる。マスアナライザー５１の質量掃引速度を、第２図
のパルス幅よ秒充分にゆっくりとるようにすれば、出力
端子６６．６７．６８から出る信号の包絡線が３８ｉ類
のスペクトルを表すことになる。そして信号出力端子６
６．６７．６８を３チヤンネルの記録装置（図示省略）
に接続して、３つの信号を別々に記録する。

なお、イオン化室４８がＯＮの時には、装置内部の残留
ガスがイオンになって、イオン化したスパッタ原子に混
入して二次電子増倍＃ｒＲ５８に入る結果、スパッタ原
子のマススペクトルのＳ／Ｎ比を低下させる恐れがある
。

このような残留ガスイオンの除去に、エネルギーアナラ
イザー５０が有効である。つまり、試料３から放出する
二次イオン、スパッタ原子のエネルギーはそれぞれ数〜
数１０ｅＶ、数ｅＶであるのに対して、残留ガスイオン
は熱運動エネルギー程度であるから、０．１ｅＶどまり
である。よって、エネルギーアナライザー５０を、はぼ
１ｅＶＪ］上のイオンに対してのみ透過性をもたせるよ
うに設定しておけば、残留ガスイオンの影響は排除でき
ろ。

本発明の他の実施例として、第１図の二次イオン引きだ
し電極４４とその駆動電源４５を取り除いた場合がある
。二次イオンは試料３を出る時にすでに、数ｅＶ〜数１
０ｅＶの運動エネルギーをもっているから、電極４４で
ことさら引き出さなくても、マスアナライザー５１に入
射して、上記の場合と全く同様に合析が進行する。ただ
し、二次イオンの分析感度は低下する。

以上、正電荷・負電荷二次イオンとスパッタ原子を同時
に質量分析する装置について述べたが、本発明には、試
料３を衝撃する二次ビームに、高速原子線４２を使用し
ていると云う特徴がある。−次ビームの衝撃によって、
二次イオン、二次電子等の荷電粒子が放出するために、
試料３が絶縁物の場合には、表面は帯電する。しかし実
測によれば、１０ｍ１１×１０＋ｍ＋＋Ｘ０．８−の形
状の石英板に高速原子線を照射した時の表面電位の上昇
はわずかに数Ｖであり、分析の障害にはならない。した
がって、プラスチックスなどの熱に弱い材料の分析にも
、本発明は適用できるものである。

〈発明の効果〉近年、半導体素子の開発・製造、セラミックス・ガラス
工業、金属・プラスチックスを含めた新材料開発等広い
分析において、高精度の組成分析の必要性はますます高
まり、固体からスパッタする、正・負電荷の二次イオン
、電気的に中性な原子・分子（スパッタ原子）を分析す
ることが盛んになっている。二次イオン、スパッタ原子
の総和が、固体の成分濃度、不純物濃度に比例すること
に着目した、本発明になる二次イオン、スパッタ原子の
同時分析技術は、定量分析の精度向上に、特に重要な意
味を持っていると考えられる。

また、固体の衝撃に非荷電性ビームを用いて、帯電に起
因する分析上のトラブルを避ける手法は、金属、半導体
、絶縁物の混成でなる電子素子等の分析が重要となって
いる現在、大きな効果をもたらすものと期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２図は実施例
の動作状態を示すタイムチャート、第３図は従来の二次
イオン質量分析計を示す構成図、第４図は従来の負電荷
二次イオン質量分析計を示す構成図、第５図は従来の二
次中性粒子′Ｉ！１量分析計を示す構成図である。図　面　中、１はアルゴンイオンビームを放出するイオン源、２は二
次イオンビーム、３は分析試料、４は試料台、５は二次
イオン、６はマスアナライザー、７は二次電子１倍管、
８は直流高電圧電源、９は高抵抗、１０は正の直流電源
、１１は正電荷のイオン、２１は負電荷二次イオン、２
２は負電荷イオン用マスアナライザー、２３は負の直流
高電圧電源、２４は高耐圧コンデンサー、２５は負の直
流電源、２６は負電荷のイオン、３１はスパッタ原子、
３２はイオン化室、４１は高速原子線源、４２は高速原
子線、４３は正電荷・負電荷二次イオンとスパッタ原子
の混合した二次ビーム、４４は二次イオン引きだし電極
、４５はパルス電源、４６は二次イオン通過制御ディフ
レクタ−１４７はディフレクタ−駆動用パルス電源、４
８はイオン化室、４９はイオン化室駆動用パルス電源、
５０はエネルギーアナライザー、５１は四重極型マスア
ナライザー、５２．５３．５４は電磁シャッター、５５
゜５６．５７は電磁シャッター駆動用パルス電源、５８
，５９，６０は二次電子増倍管、６１．６２，６３は二
次電子増倍管駆動用の直流高電圧電源、６４は負電荷イ
オン加速用の正の直流高電圧電源、６５は直流分カット
用の高耐圧コンデンサー、６６．６７゜６８は信号出力
端子、６９はイオンである。特　　許　　出　　願　　人日本電信電話株式会社代　　　　理　　　　人

Claims

【特許請求の範囲】

（１）分析すべき試料を載せる試料台と、試料台上の試料を衝撃する高速原子線を放射する線源と
、試料から放出した二次イオンを引きだすための二次イオ
ン引きだし電極と、二次イオン引きだし電極の後段にあって、二次イオンの通過の許否を制御するディフレクターと、ディフレクターの後段にあって、試料から放出したスパ
ッタ原子をイオン化するイオン化室と、イオン化室の後段に設置されたエネルギーアナライザー
と、エネルギーアナライザーの後段にあって、二次イオンおよびイオン化したスパッタ原子の質量を弁
別する１本の四重極型マスアナライザーと、四重極型マスアナライザーを通過した正電荷二次イオン
、負電荷二次イオンおよびイオン化したスパッタ原子を
各々別々に検出する３本の二次電子増倍管と、四重極型マスアナライザーと各二次電子増倍管との間に
あって、正電荷二次イオン、負電荷二次イオンおよびイ
オン化したスパッタ原子が二次電子増倍管へ入射するこ
との許否を電気的に制御する第１、第２、第３のシャッ
ターと、経時的に連続して順次循環する第１、第２、第３のモー
ドの中で、第１のモードでは第１のシャッタを負電位に
するとともに第２、第３のシャッタを接地電位とし、第
２のモードでは第２のシャッタを正電位にするとともに
第１、第３のシャッタを接地電位とし、第３のモードで
は第３のシャッタを負電位にするとともに第１、第２の
シャッタを接地電位とするように各シャッタにパルス電
圧を印加する電子回路と、前記第１、第２、第３のモードの中で、二次イオン引き
だし電極を、第１のモードでは接地電位とし、第２のモ
ードでは正電位とし、第３のモードでは負電位とするよ
う二次イオン引きだし電極に対し電圧を印加する電子回
路と、前記第１、第２、第３のモードの中で、ディフレクター
を、第１のモードでは二次イオンの通過を拒否させ、第
２、第３のモードでは二次イオンの通過を許容させるよ
う動作させる電子回路と、前記第１、第２、第３のモードの中で、イオン化室を、
第１のモードではイオン化動作させ、第２、第３のモー
ドではイオン化動作を停止させる電子回路と、を有する
ことを特徴とする表面分析装置。
（２）分析すべき試料を載せる試料台と、試料台上の試料を衝撃する高速原子線を放射する線源と
、二次イオン引きだし電極の後段にあって、二次イオンの通過の許否を制御するディフレクターと、ディフレクターの後段にあって、試料から放出したスパ
ッタ原子をイオン化するイオン化室と、イオン化室の後段に設置されたエネルギーアナライザー
と、エネルギーアナライザーの後段にあって、二次イオンおよびイオン化したスパッタ原子の質量を弁
別する１本の四重極型マスアナライザーと、四重極型マスアナライザーを通過した正電荷二次イオン
３負電荷二次イオンおよびイオン化したスパッタ原子を
各々別々に検出する３本の二次電子増倍管と、四重極型マスアナライザーと各二次電子増倍管との間に
あって、正電荷二次イオン、負電荷二次イオンおよびイ
オン化したスパッタ原子が二次電子増倍管へ入射するこ
との許否を電気的に制御する第１を第２、第３のシャッ
ターと、経時的に連続して順次循環する第１、第２、第３のモー
ドの中で、第１のモードでは第１のシャッタを負電位に
するとともに第２、第３のシャッタを接地電位とし、第
２のモードでは第２のシャッタを正電位にするとともに
第１、第３のシャッタを接地電位とし、第３のモードで
は第３のシャッタを負電位にするとともに第１、第２の
シャッタを接地電位とするように各シャッタにパルス電
圧を印加する電子回路と、前記第１、第２、第３のモードの中で、ディフレクター
を、第１のモードでは二次イオンの通過を拒否させ、第
２、第３のモードでは二次イオンの通過を許容させるよ
う動作させる電子回路と、前記第１、第２、第３のモードの中で、イオン化室を、
第１のモードではイオン化動作させ、第２、第３のモー
ドではイオン化動作を停止させる電子回路と、を有する
ことを特徴とする表面分析装置。