JPH0456057A

JPH0456057A - レーザイオン化中性粒子質量分析装置

Info

Publication number: JPH0456057A
Application number: JP2162654A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Maruo; 丸尾　哲也; Toru Tanaka; 融田中; Yoshikazu Honma; 本間　芳和
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1992-02-24

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、被分析物である固体試料にイオンビームを当
て、生じる中性粒子をイオン化し質量スペクトルを測定
することにより、上記試料の質量分析を行うレーザイオ
ン化中性粒子質量分析装置に関するものである。

〔従来の技術〕

イオンビームにより、固体試料表面からスパッタリング
される二次イオンを検出する二次イオン質量分析法（Ｃ
，Ｈ，Ｂｅｃｋｅｒ　ａｎｄ　Ｋ、　Ｔ。

Ｇ１１ｌｅｎ　：アナリティカル・ケミストリ（Ａｎａ
ｌ。

Ｃｈｅｗ、）　５６　（１９８４）　ｐ、１６７１）は
、固体試料中の不純物の濃度を１表面から深さ方向に測
定することができる高感度微量分析法である。上記二次
イオン質量分析法の欠点は、二次イオンの発生効率が元
素に大きく依存するため、二次イオン強度が元素濃度に
比例せず、定量性に問題があることである。これに対し
、二次イオンと同時にスパッタリングされる中性粒子量
は元素濃度に比例するため、それを検出する中性粒子質
量分析法は定量性がよい分析法である。しかし、測定感
度は二次イオン質量分析法の方がすぐれている。このよ
うに感度の点ですぐれる二次イオンと、定量性にすぐれ
る中性粒子とを、同一の検出装置で検出することができ
れば１両者の欠点を補う有効な手段になり得る。ところ
が、従来ではつぎに示すような理由により、中性粒子を
検出でき、かつ、従来の二次イオン質量分析器と同等の
二次イオン検出能をもつ装置はなかった。つぎに、従来
の中性粒子質量分析装置の概要を示し、二次イオン測定
に欠点がある理由を記す。

中性粒子を検出するには、何らかの方法で中性粒子をイ
オン化する必要がある。イオン化する方法には、中性粒
子をパルス的にイオン化する方法と、イオン化率は悪い
が連続的にイオン化する方法がある。前者には強力な紫
外レーザを用いるレーザイオン化中性粒子質量分析法が
ある。第２図に従来のレーザイオン化中性粒子質量分析
装置を示す、第２図において、１はイオンビーム発生装
置であり、アルゴンあるいは酸素等のガスや金属蒸気を
供給してイオン化し、スパッタリングイオンビーム２を
発生する。ついで、スパッタリングイオンビーム２を静
電レンズ３を用いて収束した後、イオンパルス化電極４
によりパルス化して、固体試料５の表面を衝撃する。ス
パッタリングイオンビーム２の衝撃により中性粒子と二
次イオンが、固体試料５の表面から放出される。二次イ
オン６はイオン引出し電極７に引き出されるが、中性粒
子８は加速されないため、上記二次イオン６よりも遅い
速度で光イオン化領域９に入る。ここで中性粒子８は、
紫外レーザ発生器１０から発生した紫外レーザ光１１に
より光イオン化され、光励起イオン１２となる。この光
励起イオン１２はイオン弓き出し電極７により引き出さ
れ、飛行時間型質量分析器１３を通過して、イオン検出
器１４で電流信号に変換される。上記イオン検出器１４
から発生する電流信号は、デジタルオシロスコープ１５
等の電気波形計測器により電流検出される。

上記装置においては、光励起イオンを検出するために幾
つかの技術が用いられる。その第１は、短時間で発生す
る光励起イオンの質量分離手段である。紫外レーザ光１
１による発生する光励起イオン１２の発生時間は数十ｇ
ｅｅ程度である。このような短時間に発生する光励起イ
オン１２の測定に飛行時間型質量分析器１３が用いられ
る。飛行時間型質量分析器１３は、はぼ同時に発生した
粒子のうち。

低質量の粒子はど早く高質量の粒子はど遅く、検出器に
到着することを利用して質量分離する手段である。第２
の技術は、二次イオン６と光励起イオン１２とを分離す
る技術である１発生する二次イオン６と光励起イオン１
２は、同様にイオン検出器１４で検出される。したがっ
て、二次イオン６が光励起イオン１２の検出を妨害する
のを防ぐために。

まず、スパッタリングイオンビーム２をレーザ１１と同
期するようにパルス化する。パルス状のイオンビーム２
により、試料表面からはパルス状の二次イオンとパルス
状の中性粒子とが発生する。二次イオン６はそのまま検
出器に向かって加速されるが、中性粒子８はレーザ１１
によるイオン化の後加速されるため１両者の間に時間的
な開きが生じる。これにより、二次イオンと光励起イオ
ンとを時間的に区別して測定することができる。第３の
技術は、短時間に発生するイオンの検出手段である。光
励起イオンはイオン検出器で電流量に変換し、デジタル
オシロスコープ等の検出器で測定される。本装置では、
二次イオンは光励起イオンと時間的に区別されているだ
けであるから、二次イオンを検出することは可能である
。

また、中性粒子の連続イオン化方法として、プラズマを
用いる従来袋Ｍ　（Ｈ，０ｅｃｈｓｎｅｒ　ｒエレクト
ロン・ガス・エスエヌ　エムニス」（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
　Ｇａｓ　ＳＮＭＳＪ　　（Ｓ　ＩＭＳ　　Ｖ発行））
を第３図に示す。図において２１．２２はプラズマ発生
用の電極であり、両者に高周波を印加して、アルゴン（
Ａｒ）ガス等のプラズマ２３を上記電極２１および２２
の間に発生させる。発生したプラズマのうち、Ａｒイオ
ンは負の電位によって固体試料２４を衝撃し、中性粒子
２５を発生させる。発生した中性粒子２５は、プラズマ
２３中を飛行するうちにプラズマ内部の電子と衝突を起
してイオン化される。このイオン２６はエネルギ分析器
２７を通過して、四重極質量分析器２８で質量分析され
る。また。

上記例では中性粒子２５を発生させるためにプラズマ中
のＡｒイオンを用いたが、イオンガン２９を設置してイ
オンビームを固体試料２４に照射することによっても、
発生させることができる。本装置を用いて二次イオンを
検出する場合には、イオンビームの照射によって固体試
料２４から発生した二次イオンを、四重極質量分析器２
８で検出すればよい。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記飛行時間型質量分析器を用いる従来技術は。

上記質量分析器における測定データの処理速度が遅いた
め、高感度分析に不可欠の積算データ量が不十分になる
し、測定時間が非常に長くなってしまう、また、ダイナ
ミックレンジが小さいため。

不純物に由来する微小電流を検出することが困難である
。深さ方向分析においては、スパッタリングに用いるイ
オンビームを非常に短いパルスにすると、上記のように
データの処理速度が遅いことからスパッタリング速度が
遅くなる。これをイオン電流の増加によって解決したと
しても、試料面が均一にスパッタリングできないため、
深さ方向分解能が低下してしまう。上記説明のように、
従来のレーザイオン化中性粒子質量分析装置においては
、二次イオンの高感度分析や深さ方向分析を行うのが困
難であった。

また、上記のような連続イオン化を用いる中性粒子質量
分析装置では、連続イオン化のイオン化率が低いために
、イオン化を行う空間領域を大きく設定する必要がある
。そのため、質量分析器と試料との間の距離が長くなる
。また、通常の二次イオン質量分析装置で行われている
ように、イオンを積極的に質量分析器に導入するための
電圧を、イオン化領域内部で印加することが困難である
ことから、質量分析器が検出できるイオン量が少なくな
ってしまう、さらに、プラズマを発生させる必要から真
空度が悪く、雑音も大きい、このため、中性粒子を検出
する場合でも、また二次イオンを検出する場合でも感度
が悪い。

本発明の目的は、レーザイオン化中性粒子質量分析装置
を用いて、二次イオン検出を行う場合の分析感度の向上
と、深さ方向分析への適用を図り。

二次イオン質量分析法と中性粒子質量分析法の利点を合
わせもつ装置を得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕上記目的は、真空中で被分析物の固体試料表面にイオン
ビームを照射し、上記固体試料表面から二次イオンおよ
び中性粒子をスパッタリングする手段と、上記中性粒子
をイオン化して光励起イオンを発生する紫外パルスレー
ザと、上記二次イオンまたは上記光励起イオンを電場や
磁場を利用して質量分析する質量分析器と、上記光励起
イオンの検出が予想される時間だけ、上記質量分析器か
らのイオンパルス信号を測定する検出時間限定手段を有
するイオンパルス検出器とを備え、上記パルスレーザの
発光と上記検出時間限定手段とを、同時に停止または動
作させる手段を設けることによって、上記パルスレーザ
の発光と上記検出時間限定手段とを作動させた場合に上
記光励起イオンの検出を、停止させた場合に上記二次イ
オンの検出を行うことで達成できる。

〔作用〕

まず、本発明により中性粒子を検出する方法を説明する
１本発明は、連続イオンビーム、電場掃引や磁場掃引を
用いて単一質量のイオンだけを分離する質量分析器、高
繰り返しパルスレーザ、イオン検出時間限定手段を基本
構成要素とする０本発明は第１に、従来のレーザイオン
化中性粒子質量分析法と異なり、連続イオンビームをス
パッタリングに用いる。これにより、適度なスパッタリ
ング速度が得られるとともに、均一なスパッタリングが
可能になるため、高い深さ方向分解能が得られる。上記
スパッタリング法を採用すると、二次イオンが連続して
発生するため光励起イオンの検出を妨げる。そこで第２
の手段として、イオン検出時間限定手段を用いる。これ
は光励起イオンが発生後にイオン検出器へ到着する時間
を予想し。

その時間だけイオン検出器の検出機能を作動する手段で
ある。これにより、光励起イオンが発生していない時に
二次イオンを検出することが無くなるため、二次イオン
の強度は大幅に減少する。上記方法によれば、従来法の
ように二次イオンを完全に検出しないわけではなく、Ｓ
ａ定平手段よって狭くなった測定時間に比例して強度を
低下させる。

例えば、測定時間幅を１秒の繰り返し測定に対して１μ
ｓｅｃに設定すると、１０’分の１になる０時間幅は後
に記すように１〜１０μｓｅｃ程度が適当である。上記
測定時間限定手段を用いて二次イオンの強度を１０５〜
１０６分の１程度にする。しがし、試料構成元素の二次
イオン量は多量であるため、このままでは微量不純物の
高感度分析が行えない、そこで第３の手段として、検出
したい質量のイオンだけを分離する電場掃引や磁場掃引
型の質量分析器を用いる。上記方法は、全ての質量の光
励起イオンを一度に検出する従来法に比べて性能が劣る
が、実際の分析では、数種類の質量のイオンだけを検出
すれば目的が達成できるので、大きな問題とはならない
、上記分析器を採用することで二次イオンの質量分離も
行えることから、試料構成元素の強度が大きな二次イオ
ンの影響を受けることなく、微量不純物の光励起イオン
を測定することができる。同質量の二次イオンと光励起
イオンならば、レーザのパルス幅、イオン限定手段の時
間幅、二次イオン収率などによるが、２〜５桁はど光励
起イオンの強度が大きく、二次イオンは光励起イオンの
測定の妨げにはならない。

本発明の装置を用いて二次イオンを検出する場合には、
上記測定時間限定手段とパルスレーザの作動を停止させ
ればよい。また、従来のレーザイオン化中性粒子質量分
析法とは異なり、深さ方向分析が可能であることと、従
来の二次イオン質量分析法で用いられている高感度な電
場掃引や磁場掃引型の質量分析器を用いることと、プラ
ズマを用いた中性粒子質量分析器と異なり、質量分析器
を試料に近づけることや、電場による二次イオンの収集
が可能であること等により、従来の二次イオン質量分析
装置と比較しても同等の高感度な分析を行うことができ
る６実際の装置では、質量分析器の測定質量を設定した
り、測定したデータを記録する等の働きをもつデータ処
理装置を用いて、上記測定時間限定手段とパルスレーザ
の制御番することにより、任意の質量の中性粒子と二次
イオンの検出を連続的に行うことが可能になる。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明によるレーザイオン化中性粒子質量分析
装置の一実施例を示す構成図である。第１図において、
イオンビーム発生器！３１より連続イオンビーム３２を
発生する。ついで、上記連続イオンビーム３２を静電レ
ンズ３３により収束したのち、走査電極３４によって振
動させ、試料３５の表面上を走査しながら衝撃を与える
。この操作により均一なスパッタリングが可能になる。

連続イオンビーム３２の衝撃により、中性粒子３６と二
次イオン３７とがスパッタリングされる。中性粒子３６
は、紫外レーザ光３８によりイオン化され、光励起イオ
ン３９となる。この光励起イオン３９は引き出し電極４
０によりイオン化領域から引き出され、磁場や電場を利
用した質量分析器４１で質量分離されたのち、イオン検
出器４２で電気パルス化され、パルス計算器４３で計数
される。計数値はデータ処理装置４４に記録される。

本発明ではスパッタリングに連続イオンビーム３２を用
いるために、質量分析器４１で検出される二次イオン３
７は連続である。これに対して、光励起イオン３９は紫
外レーザ３８によるイオン化のたびに発生するため、光
励起イオン３８は二次イオン３７に対してピーク値は高
いが飛び飛びの量となる。この違いを利用して両者を区
別する。第１図にはその手段の一例を示した６紮外レー
ザ検出器４５により紫外レーザの発光信号４６を発生さ
せる。この信号４６をトリガ信号発生器４７に導入し、
所定の時間の後、検出開始信号４８を発生させる。この
検出開始信号４８をイオン検出器４２とパルス計数器４
３との間に設置した信号ゲート４９に導入して、上記検
出開始信号４８が導入された時からのイオンパルスを検
出するようにする。光励起イオンが発生してからパルス
信号に変換されるまでには、数〜数１０μｓｅｃ程度の
時間がかかるため１発光信号４６の受信から検出開始信
号の発信の間は数〜数１０μｍ１ｉ（３Ｃの遅延が必要
である。計数を終了するには、上記のトリガ信号発生器
４７から所定の時間径検出停止信号５０を発生させ、上
記検出停止信号の受信により信号ゲート４９で検出を終
了させる。上記操作により、光励起イオンが発生してい
る時間だけの検出が可能になる。検出時間幅を１０μｓ
ｅｃ以下にすれば、検出される二次イオンの量は連続で
計数される場合の１０−５程度となり、光励起イオンの
量に比べて無視することができる。二次イオンを検出す
る場合には、紫外レーザ光３８や検出時間限定手段を必
要としない、そこで、データ処理装置４４によって紫外
レーザ光３８の発光を停止し、信号ゲート４９の検出時
間限定能を停止させる。データ処理装置４４は、質量分
析器４１が検出する質量の制御も行うことから、任意の
質量の中性粒子や二次イオンを連続して測定することが
可能になる。

〔発明の効果〕

上記のように本発明によるレーザイオン化中性粒子質量
分析装置は、真空中で被分析物の固体試料表面にイオン
ビームを照射し、上記固体試料表面から二次イオンおよ
び中性粒子をスパッタリングする手段と、上記中性粒子
をイオン化して光励起イオンを発生する紫外パルスレー
ザと、上記二次イオンまたは上記光励起イオンを電場や
磁場を利用して質量分析する質量分析器と、上記光励起
イオンの検出が予想される時間だけ、上記質量分析器か
らのイオンパルス信号を測定する′検出時間限定手段を
有するイオンパルス検出器とを備え、上記パルスレーザ
の発光と上記検出時間限定手段とを同時に停止または動
作させる手段を設けたことにより、従来の二次イオン質
量分析装置とほぼ同感度で二次イオンを検出できるため
、中性粒子質量分析法と二次イオン質量分析法との、両
者の利点を共有する分析を行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザイオン化中性粒子質量分析
装置の一実施例を示す構成図、第２図は従来のレーザイ
オン化中性粒子質量分析装置を示す図、第３図は従来の
プラズマを用いた中性粒子質量分析装置を示す図である
。３２・・・イオンビーム　　　３５・・・固体試料３６
・・・中性粒子　　　　　３７・・二次イオン３８・・
紫外レーザ光　　　３９・・・光励起イオン４１・・・
質量分析器　　　　４２・・・イオン検出器４３・・・
パルス計数器　　　４７・・・トリガ信号発生器特許出
願人　日本電信電話株式会社代理人弁理士　　中　村　純之助３２−−−−−イオンビーム３５−−−−一固体試′料３６−−−−−申佐粘子３７−−−−−二）文イオン３８−−−−一窒外し−ヂ光４２−−−−−１オンオ東゛工５４３−−−−−ハ０ルス１寸数呉４７−−−−−−　）りがイ番号勇４主器第１図

Claims

【特許請求の範囲】

１、真空中で被分析物の固体試料表面にイオンビームを
照射し、上記固体試料表面から二次イオンおよび中性粒
子をスパッタリングする手段と、上記中性粒子をイオン
化して光励起イオンを発生する紫外パルスレーザと、上
記二次イオンまたは上記光励起イオンを電場や磁場を利
用して質量分析する質量分析器と、上記光励起イオンの
検出が予想される時間だけ、上記質量分析器からのイオ
ンパルス信号を測定する検出時間限定手段を有するイオ
ンパルス検出器とを備え、上記パルスレーザ発光と上記
検出時間限定手段とを、同時に停止または動作させる手
段を設けたレーザイオン化中性粒子質量分析装置。