JPH0135469B2 - - Google Patents
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の属する技術分野〕
本発明は固体の表面を分析する装置に係り、就
中試料表面をイオン衝撃してスパツタされた粒子
を分析する表面分析装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of the Invention] The present invention relates to an apparatus for analyzing the surface of a solid, and more particularly to a surface analysis apparatus for analyzing sputtered particles by bombarding the surface of a sample with ions.
表面分析装置は近年、工場、研究機関等に普及
し、その種類も多く、用途に適したものが選択さ
れている。
In recent years, surface analysis devices have become popular in factories, research institutions, etc., and there are many types, and one suitable for the application is selected.
核融合の研究においては、プラズマに不純物を
供給するプラズマ・壁相互作用の研究が重要であ
る。この用途には燃料として考えられている水素
の同位元素と、灰物質のヘリウムを分析できるも
のが必要である。水素、ヘリウム等を分析できる
表面分析装置に、二次イオン質量分析装置があ
る。これは、試料に一次イオンを照射し、表面か
らスパツタされた粒子のうちのイオンの質量分析
を行うものである。二次イオン質量分析装置を核
融合装置にとりつけて、プラズマ・壁相互作用の
研究に使用する場合には、従来二つの問題があつ
た。 In nuclear fusion research, it is important to study plasma-wall interactions that supply impurities to the plasma. This application requires the ability to analyze isotopes of hydrogen, which is considered a fuel, and helium, an ash material. A secondary ion mass spectrometer is a surface analyzer that can analyze hydrogen, helium, etc. This method involves irradiating a sample with primary ions and performing mass spectrometry on the ions among the particles spattered from the surface. Conventionally, there were two problems when attaching a secondary ion mass spectrometer to a nuclear fusion device and using it for research on plasma-wall interactions.
試料照射用の一次イオンを生成するイオン源か
らは、イオンの他に多量の作動気体(一次イオン
となるべき気体)が流出するが、この作動気体が
核融合装置を汚染しないような対策が必要であ
る。その対策としては、イオンビームのビームラ
インを差動排気する等があるが、装置が大形かつ
複雑になるという問題がある。これが第一の問題
である。 In addition to ions, a large amount of working gas (the gas that should become the primary ions) flows out from the ion source that generates primary ions for sample irradiation, but measures are needed to prevent this working gas from contaminating the fusion device. It is. Countermeasures include differential pumping of the ion beam beam line, but this poses a problem in that the apparatus becomes large and complicated. This is the first problem.
一方、二次イオン質量分析に利用される二次イ
オンの収率、すなわち一次イオン1個あたりの二
次イオンの数が非常に小さいから、二次イオンの
質量分析には非常に高感度の計測装置を必要とす
る。これが第二の問題である。 On the other hand, the yield of secondary ions used in secondary ion mass spectrometry, that is, the number of secondary ions per primary ion, is very small, so secondary ion mass spectrometry requires extremely sensitive measurement. Requires equipment. This is the second problem.
〔発明の目的〕
本発明は斯かる事情に鑑みて為されたもので、
その目的とするところは、第一に核融合装置等へ
の使用に適するように簡易で小形の質量分析装置
を提供すること、第二に高感度の計測装置を用い
なくても機能する質量分析装置を提供することに
ある。[Object of the invention] The present invention was made in view of the above circumstances, and
The objectives are, firstly, to provide a simple and compact mass spectrometer suitable for use in nuclear fusion devices, etc., and secondly, to provide a mass spectrometer that can function without the use of highly sensitive measurement equipment. The goal is to provide equipment.
上記の目的を達成するためにこの発明は真空容
器と、該真空容器に収容される陽極と三つの陰極
で試料の表面物質のイオンを発生させる二次イオ
ン発生部を形成し、該陽極は貫通した中空部を有
し、該中空部の両方の開口部に対しては第一及び
第二の陰極を、それぞれの開口部を覆うように配
設し、第一及び第二の陰極には陽極の中空部と同
軸の貫通孔を設け、第二の貫通孔の中に表面分析
される試料を保持する第三の陰極を設け、かつ、
上記陽極の中空部に、陽極の中空部の軸心に実質
的に平行である磁場を印加する手段を設け、陽極
には最も高く、第二の陰極には第一の陰極及び第
三の陰極のそれぞれの電位よりも高い電位を与え
る手段により表面分析に用いる二次イオン発生装
置を構成した。
In order to achieve the above object, the present invention forms a secondary ion generating section that generates ions of a surface substance of a sample using a vacuum container, an anode and three cathodes housed in the vacuum container, and the anode has a penetrating A first and a second cathode are disposed in both openings of the hollow part so as to cover the respective openings, and an anode is disposed in the first and second cathodes. a through hole coaxial with the hollow portion, a third cathode for holding a sample to be surface analyzed in the second through hole, and
means for applying a magnetic field substantially parallel to the axis of the hollow part of the anode in the hollow part of the anode, the highest in the anode, the second cathode in the first cathode and the third cathode; A secondary ion generator used for surface analysis was constructed by means of applying a potential higher than each potential.
本発明によれば、放電空間に面して試料を配設
し、かつ放電空間の電位の分布を放電で発生した
一次イオンが試料表面に高エネルギで衝突するよ
うにして試料の表面物質のスパツタ量を多くする
と共に差動排気系を用いない小形で簡易な装置で
高いガス効率で一次イオンの試料照射を行ない、
スパツタされた試料表面物質の粒子の大部分を占
める中性原子を放電空間に閉じ込められている高
温高密度の電子群でイオン化して大量の二次イオ
ンを発生させることができるため、二次イオンの
検出に高感度の計測装置を使用する必要がなくな
る。
According to the present invention, the sample is disposed facing the discharge space, and the potential distribution in the discharge space is adjusted such that primary ions generated by the discharge collide with the sample surface with high energy, thereby removing spatters from the surface material of the sample. In addition to increasing the amount of primary ions, the sample is irradiated with high gas efficiency using a small and simple device that does not use a differential pumping system.
Neutral atoms, which make up most of the particles on the surface of the sputtered sample, can be ionized by a group of high-temperature, high-density electrons confined in the discharge space, generating a large amount of secondary ions. There is no need to use highly sensitive measurement equipment to detect
第1図は本発明の一実施例を示す表面分析装置
の主要部縦断面図である。真空容器1は図示しな
い排気装置と気体供給装置とにポート2で接続さ
れ、この真空容器1内には筒状の陽極3と、この
陽極3の中空部4の開口を覆うようにしかも離間
しかつ近接して配設された第一の陰極5と、この
第一の陰極5にはその中心部に貫通孔6が設けら
れ、陽極3の中空部4の他方の開口を覆うように
配設された第二の陰極7には該陽極の中空部4と
同軸の貫通孔8が設けられている。9は第二の陰
極7に離間かつ近接して配設され、該第二の陰極
の貫通孔8の中に配設された試料10をホルダ1
1とともに保持する第三の陰極である。該ホルダ
11は図示されない電源出力を印加される端子1
2から第三の陰極9への給電経路を兼ねる。上記
第一の陰極5、第二の陰極7及び第三の陰極9
は、上記ポート2の内部の図示されない支持部に
支持された支柱によつて支持され、第一の陰極5
及び第二の陰極7へは該支柱によつて給電され
る。上記陽極3はポート2を介して接地された真
空容器1に支持され電気的には接地されている。
上記第一の陰極5に離間、かつ近接して、イオン
の質量を分析する装置が配設される。本発明は二
次イオンの質量分析の方法に関して何等の制限を
課すものではないが、本実施例においてはイオン
速度選択装置13を用いている。14はイオン検
出装置である。該イオン速度選択装置13は互に
絶縁された二板の導体板とそれを収容するケース
からなる。該イオン検出装置14には、フアラデ
ーカツプを用いている。イオン速度選択装置13
及びイオン検出装置14は、内部に通電径路を有
し、上記ポート内部の支持部によつて支持された
支柱15により支持される。陽極3、第一の陰極
5、第二の陰極7、第三の陰極9、イオン速度選
択装置13及びイオン検出装置14は上記真空容
器1に収容されている。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the main parts of a surface analysis device showing one embodiment of the present invention. The vacuum container 1 is connected to an exhaust device and a gas supply device (not shown) through a port 2, and inside the vacuum container 1 is a cylindrical anode 3, which is spaced apart so as to cover the opening of the hollow portion 4 of the anode 3. and a first cathode 5 disposed adjacent to the first cathode 5; a through hole 6 is provided in the center of the first cathode 5, and the first cathode 5 is disposed so as to cover the other opening of the hollow portion 4 of the anode 3; The second cathode 7 is provided with a through hole 8 coaxial with the hollow portion 4 of the anode. 9 is arranged apart from and close to the second cathode 7, and holds the sample 10 arranged in the through hole 8 of the second cathode in the holder 1.
This is the third cathode held together with 1. The holder 11 has a terminal 1 to which a power output (not shown) is applied.
It also serves as a power feeding path from the second cathode 9 to the third cathode 9. The first cathode 5, the second cathode 7 and the third cathode 9
is supported by a column supported by a support part (not shown) inside the port 2, and the first cathode 5
And the second cathode 7 is supplied with power by the pillar. The anode 3 is supported by the vacuum container 1 which is grounded via the port 2, and is electrically grounded.
A device for analyzing the mass of ions is provided at a distance from and close to the first cathode 5 . Although the present invention does not impose any restrictions on the method of mass spectrometry of secondary ions, an ion velocity selection device 13 is used in this embodiment. 14 is an ion detection device. The ion velocity selection device 13 consists of two conductive plates that are insulated from each other and a case that accommodates them. The ion detection device 14 uses a Faraday cup. Ion velocity selection device 13
The ion detection device 14 has an electrically conductive path inside and is supported by a support column 15 supported by a support section inside the port. The anode 3, the first cathode 5, the second cathode 7, the third cathode 9, the ion velocity selection device 13, and the ion detection device 14 are housed in the vacuum container 1.
真空容器1の外周囲に設けられたコイル16は
図示されない電源と共に磁場発生装置を構成して
いる。励磁されたコイル16は陽極の中空部4の
全体にその軸心に実質的に平行である磁場を印加
し、かつイオン速度選択装置にほぼ一様な磁場を
印加する。 A coil 16 provided around the outer periphery of the vacuum container 1 constitutes a magnetic field generator together with a power source (not shown). The energized coil 16 applies a magnetic field substantially parallel to its axis throughout the anode cavity 4 and applies a substantially uniform magnetic field to the ion velocity selection device.
第2図は本発明の表面分析装置の主要部動作説
明図である。第1図と共通する部分には同一番号
を符してその説明の重複を避ける。コイル16は
第2図では示していないが動作中は陽極に磁場が
かかつている状態で説明する。また第二の陰極7
には電源17により負の電位が与えられていて、
第一の陰極5には電源、17,18により、第三
の陰極9には電源17,19によりそれぞれ第二
の陰極7の電位より更に低い電位が与えられてい
る。 FIG. 2 is an explanatory diagram of the operation of the main parts of the surface analysis device of the present invention. Parts common to those in FIG. 1 are designated by the same numbers to avoid duplication of explanation. Although the coil 16 is not shown in FIG. 2, the description will be made assuming that a magnetic field is applied to the anode during operation. Also, the second cathode 7
is given a negative potential by the power supply 17,
A potential lower than the potential of the second cathode 7 is applied to the first cathode 5 by power sources 17 and 18, and to the third cathode 9 by power sources 17 and 19, respectively.
以下、第1図及び第2図を参照して本発明の作
用を説明する。一次イオンとなるべき気体、例え
ばアルゴンは本実施例ではポート2を通して真空
容器1に供給され、陽極の中空部4に達する。該
陽極の中空部4には、印加された磁場と電極間電
圧により作られる電場により、クロストフイール
ド放電が発生し自続する。放電を安定に自続させ
るために、第二の陰極7の電位は第一の陰極5の
電位より高くなければならない。陽極の中空部4
には、高温高密度の電子群が閉じ込められていて
気体の分子をイオン化する。イオン化された分子
(例えばアルゴンの原子イオン)は、電磁場から
受ける力により、陽極の中空部4を運動しその一
部は試料の方向に移動し、第二の陰極7と試料1
0を保持する第三の陰極9に与えられた電位差に
より、高エネルギで試料10の表面に衝突する。
試料の表面に入射する一次イオンは、本発明で用
いているクロストフイールド放電では低い作動ガ
ス圧力で充分な量が得られかつ一次イオンのエネ
ルギが高く試料表面からスパツタされる表面物質
の量が多いから、本発明では一次イオン照射のた
めの差動排気が不要であり、表面分析装置が小形
化かつ簡易化できる。 The operation of the present invention will be explained below with reference to FIGS. 1 and 2. In this embodiment, a gas to become primary ions, such as argon, is supplied to the vacuum vessel 1 through the port 2 and reaches the hollow part 4 of the anode. In the hollow part 4 of the anode, a cross-field discharge is generated and self-sustaining due to the applied magnetic field and the electric field created by the voltage between the electrodes. In order to sustain stable discharge, the potential of the second cathode 7 must be higher than the potential of the first cathode 5. Hollow part 4 of anode
A group of high-temperature, high-density electrons are trapped in the gas, which ionizes gas molecules. Ionized molecules (for example, atomic ions of argon) move in the hollow part 4 of the anode due to the force received from the electromagnetic field, and some of them move in the direction of the sample, and then move between the second cathode 7 and the sample 1.
Due to the potential difference applied to the third cathode 9, which maintains zero, it collides with the surface of the sample 10 with high energy.
In the crossed field discharge used in the present invention, a sufficient amount of primary ions incident on the surface of the sample can be obtained with a low working gas pressure, and the energy of the primary ions is high, so a large amount of surface material is spattered from the sample surface. Therefore, the present invention does not require differential pumping for primary ion irradiation, and the surface analysis apparatus can be made smaller and simpler.
従来の二次イオン質量分析は、スパツタされた
粒子のうち大部分を占める中性原子は利用できず
非常に少量しか含まれていない二次イオンを用い
ているため、二次イオンの検出には特殊な高感度
の計測装置を必要としていた。本発明では、スパ
ツタされた粒子のほぼ全部に近い中性原子を利用
する。イオン衝撃を受け、試料表面から放出され
た中性原子は、クロストフイールド放電の電子群
の中を運動し、その一部はイオン化されて第一の
陰極の貫通孔6を通過する。イオン速度選択装置
13は、導体板間に電圧を与えて所定の速度のイ
オンだけをイオン検出装置14に導くものであ
る。第一の陰極の貫通孔6を通過し、イオン速度
選択装置13の入射孔に達したイオンは、一定の
エネルギを持つから、その速度によつて質量が求
まる。すなわち、イオン速度選択装置13の導体
板間電圧を変化させて、イオン検出装置14の検
出するイオン電流との対応を得ることにより、試
料10の表面分析ができる。クロストフイールド
放電の電子群は、試料10からスパツタされた中
性原子を効率よくイオン化するから、イオン検出
装置14の検出するイオン電流は従来の表面分析
装置のイオン電流より非常に大きくなり、特殊な
高感度の計測装置を使用する必要はない。 In conventional secondary ion mass spectrometry, the neutral atoms that make up most of the sputtered particles cannot be used, and only a small amount of secondary ions are used, so it is difficult to detect secondary ions. This required special, highly sensitive measurement equipment. The present invention utilizes nearly all neutral atoms in the sputtered particles. Neutral atoms released from the sample surface upon ion bombardment move in the electron group of the crossed field discharge, and a portion of them is ionized and passes through the through hole 6 of the first cathode. The ion velocity selection device 13 applies a voltage between conductor plates and guides only ions with a predetermined velocity to the ion detection device 14. Since the ions that have passed through the through hole 6 of the first cathode and reached the entrance hole of the ion velocity selection device 13 have a certain amount of energy, their mass can be determined based on their velocity. That is, by changing the voltage between the conductor plates of the ion velocity selection device 13 and obtaining a correspondence with the ion current detected by the ion detection device 14, the surface of the sample 10 can be analyzed. The electron group of the crossed field discharge efficiently ionizes the neutral atoms sputtered from the sample 10, so the ion current detected by the ion detection device 14 is much larger than that of the conventional surface analysis device, and a special There is no need to use highly sensitive measuring equipment.
作動気体はどこから導入してもよく、例えば端
子12から導入してよい。磁場発生装置は、実施
例で示した空心コイルでなくてもよい。イオンの
質量分析は、実施例で示した速度選択方式でなく
てもよい。
The working gas may be introduced from anywhere, for example from the terminal 12. The magnetic field generator does not have to be the air-core coil shown in the embodiment. Ion mass spectrometry does not need to be performed using the rate selection method shown in the examples.
第1図は本発明の一実施例を示す表面分析装置
の主要部縦断面図、第2図は本発明の主要部動作
説明図である。
1……真空容器、2……真空装置のポート、3
……陽極、4……陽極の中空部、5……第一の陰
極、6……第一の陰極の貫通孔、7……第二の陰
極、8……第二の陰極の貫通孔、9……第三の陰
極、10……試料、16……コイル、17,1
8,19……電源。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of the main parts of a surface analysis device showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram of the operation of the main parts of the present invention. 1... Vacuum container, 2... Vacuum device port, 3
... anode, 4 ... hollow part of anode, 5 ... first cathode, 6 ... through hole in first cathode, 7 ... second cathode, 8 ... through hole in second cathode, 9...Third cathode, 10...Sample, 16...Coil, 17,1
8,19...Power supply.
Claims (1)
り、貫通した中空部を有しかつこの中空部の軸心
を前記磁場に平行に配置した陽極と、この陽極の
開口部の一端に離間かつ近接してこの開口部を覆
うように配設されかつこの陽極の軸心方向に貫通
孔を有する第一の陰極と、この第一の陰極と対向
し前記陽極の他の開口端に離間かつ近接してこの
開口部を覆うように配設されかつ前記第一の陰極
に設けられた貫通孔と同軸の貫通孔を有する第二
の陰極と、この第二の陰極の貫通孔に離間して挿
入されかつ分析すべき試料を前記陽極の方向に向
けて保持してなる第三の陰極と、前記第一の陰極
の貫通孔に離間かつ近接して設けたイオンの質量
を分析するイオン質量分析部と、前記陽極に最も
高い電位を与える手段と、前記第二の陰極に第一
及び第三の陰極のそれぞれの電位より高い電位を
与える手段とを具備したことを特徴とする表面分
析装置。1. An anode which is housed in a vacuum container to which a magnetic field is applied, has a hollow part extending through it, and whose axis is arranged parallel to the magnetic field; a first cathode disposed close to the opening so as to cover the opening and having a through hole in the axial direction of the anode; and a second cathode disposed to cover this opening and having a through hole coaxial with the through hole provided in the first cathode, and inserted into the through hole of the second cathode at a distance. a third cathode that holds a sample to be analyzed facing the anode, and an ion mass spectrometer that analyzes the mass of ions, which is provided spaced apart from and close to the through hole of the first cathode. A surface analysis device comprising: a means for applying the highest potential to the anode; and a means for applying a potential higher than each of the first and third cathodes to the second cathode.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57227437A JPS59121746A (en) | 1982-12-28 | 1982-12-28 | Surface spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP57227437A JPS59121746A (en) | 1982-12-28 | 1982-12-28 | Surface spectrometer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS59121746A JPS59121746A (en) | 1984-07-13 |
JPH0135469B2 true JPH0135469B2 (en) | 1989-07-25 |
Family
ID=16860844
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP57227437A Granted JPS59121746A (en) | 1982-12-28 | 1982-12-28 | Surface spectrometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS59121746A (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03266346A (en) * | 1990-03-14 | 1991-11-27 | Toshiba Corp | Apparatus for generating ion |
-
1982
- 1982-12-28 JP JP57227437A patent/JPS59121746A/en active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPS59121746A (en) | 1984-07-13 |
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