JPH0562421B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 目的 （産業上の利用分野） 本発明はESCA（Ｘ線電子分光法）やAES（オー
ジエ電子分光法）、SIMS（二次イオン質量分析）、
ISS（イオン散乱分光）等に用いられるイオン銃
に関するものである。

（従来の技術） 固体表面の分析方法の一つとして加速したイオ
ンを試料表面に照射することによつて、表面のク
リーニング、吸着不純物の除去、深さ方向の分析
等を行なうスパツタリングがある。このスパツタ
リングはAESやESCA等の表面分析には、不可欠
である。これまで、このようなイオンビームを得
るには静圧型イオン銃がよく用いられて来た。そ
の静圧型イオン銃では、分析室とイオンを作るイ
オン化室に10^-5Torr程度まで不活性ガスを導入
する方法をとつていた。そのため分析室の排気ポ
ンプの作動を停止しなければならず、分析室中の
残留ガスの分圧も高くなる欠点があつた。

しかし、最近の分析技術の向上にともなつて、
このような不純物気体をも無視できなくなつてき
た。そこで、分析室とイオン化室を不完全に分離
して、分析室を超高真空に保つたまま使用できる
差動排気型イオン銃が要求されるようになつてき
た。

差動排気型イオン銃で用いられる従来のイオン
源を第４図に示す。

熱電子発生源として熱電子放出を利用するカソ
ード１、カソード１から放出された電子を必要な
運動エネルギーに達するように加速するためのグ
リツド２、加速された電子とガス原子の相互作用
によつてイオンを発生させるイオン化室３、発生
したイオンを引き出す引出し電極４、カソード１
と同電位か又は少し低い電位にして、電子をイオ
ン化室３に閉じこめるリペラー５を備えている。

イオン化室３で発生したイオンは引出し電極４
に引かれ、イオン化室３のアパーチヤ６から出射
してくる。

（発明が解決しようとする問題点） 第４図に示されたイオン源では、カソード１か
ら出射した電子の走行距離及び滞在時間が短く、
またイオン生成場所の分布が広いことから、イオ
ン化効率やイオンのアパーチヤ６からの出射率が
低い問題がある。そのため、次のような問題が発
生する。

(1) イオン化室３のガス濃度を低くできない。そ
の結果、分析室の真空度が低下する。

(2) イオンビーム強度を高くできない。

(3) アパーチヤ６の径を小さくできない。その結
果、アパーチヤ６を出たイオンのうち、中心軸
からずれたものが引出し電極４に衝突し、引出
し電極が消耗する。

本発明は、イオンビームの集中度を高め、十分
なイオンビーム強度を保ちつつ真空度を高めるこ
とができるイオン銃を提供することを目的とする
ものである。

本発明はまた、更に引出し電極の消耗を少なく
したイオン銃を提供することを目的とするもので
ある。

(ロ) 発明の構成 （問題点を解決するための手段） 本発明は電子衝撃型のイオン源を備えたイオン
銃であつて、そのイオン源は、イオン源中心軸上
に熱電子発生源となるカソードとイオン取出し用
アパーチヤを有し、その間にカソードよりも高電
位に保たれたグリツドを備えているとともに、グ
リツドの側方を取り囲みイオン源中心軸上に中心
軸をもつ両端の開いた円筒型で、カソードよりも
低電位に保たれた永久磁石をさらに備え、イオン
取出し用アパーチヤはその永久磁石に電気的に接
続されて永久磁石の開口部のうちのイオン取出し
側の開口部を閉じる強磁性体の円板に形成され、
かつ、前記カソードは前記永久磁石の磁界の零点
付近に配置されている。

更に本発明では、イオンが取り出されるイオン
源のアパーチヤ径が引出し電極の入口径より小さ
く設定されている。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例のイオン銃であり、
第２図は同実施例のイオン源部の拡大図である。

第１図のイオン銃は、イオンを発生するイオン
源１０と、そのイオンを引き出し特定の方向へ導
くレンズ系を有する中間部分２０とからなり、中
間部分２０の先端は分析部等のある超高真空チヤ
ンバーに挿入される。

イオン源１０と中間部分２０とは軟鉄製のアパ
ーチヤ面１１のアパーチヤ１２によりつながつて
いる。アパーチヤ１２の直径は例えば１mm以下と
いうように小さい。

イオン源１０内では熱電子を放出するカソード
１３、カソード１３から放出された電子を加速す
るグリツド１４の他に、グリツド１４を取り囲む
ように小形で円筒形の永久磁石１６が設けられて
いる。そして、カソード１３は永久磁石１６の磁
場の零点近傍に位置するように固定されている。
グリツド１４の内側がイオン化室となる。

１７はイオン化されるガスを供給すガス導入
口、１８は真空ポンプにつながるイオン源用ガス
排気口である。

アパーチヤ面１１にはVaとして、例えば2KV
が印加され、アパーチヤ面１１と永久磁石１６に
より電子を閉じこめるリペラーの役目をしてい
る。カソード１３には更にそれよりVbとして例
えば200Vが印加され、グリツド１４には更にそ
れよりVcとして例えば200Vが印加されて使用さ
れる。

中間部分２０ではアパーチヤ１２の近くに引出
し電極２１が設けられ、それにつづいて、引き出
されたイオンを集束させ偏向させるレンズ系２２
〜２５が設けられている。２６はこの中間部分２
０を排気するための排気口であり、中間部分２０
とイオン源１０とはアパーチヤ１２でつながつて
差動排気が行なわれる。中間部分２０にはまた、
分析部等の高真空チヤンバーとの間にアパーチヤ
２８が設けられ、ここでも作動排気が行なわれ
る。

引出し電極２１は接地され、レンズ系２２〜２
５にはそれぞれ適当な電圧が印加される。

イオン源１０を詳細に示す第２図において、永
久磁石１６からの磁力線３０は図に表わされるよ
うな形をしており、磁界が零になる点が存在す
る。図ではこの点の近傍にカソードとしての
LaB₆を素材とする固体の熱電子発生源１３が設
置されている。

アパーチヤ１２の直径は例えば１mmあるいはそ
れ以下というように小さく開けられており、引出
し電極２１の先端の入口２７の直径はアパーチヤ
１２の直径に比べると十分に大きくされている。

本実施例において、イオン源１０でガス導入口
１７から供給されたガスはイオン化室に拡散す
る。カソード１３から放出された電子は電界によ
つてグリツド１４方向に引かれ、加速され、永久
磁石１６の磁界により螺旋運動をしながらガスに
衝突し、イオン化を起させる。このとき、カソー
ド１３が磁界零の点の近傍に置かれているので、
放出された電子はカソード１３とグリツド１４と
の間の電界及び磁界によつて、第２図に示される
ような磁力線３０を中心線とする螺旋運動をしな
がらイオン源の中心軸３１（アパーチヤ１２はこ
の軸３１上にある）近くに集まり、この中心軸３
１に沿つて螺旋運動をしながらアパーチヤ１２の
方向へ移動する。それ故、イオン化はアパーチヤ
１２を通る中心線３１近傍で、しかもアパーチヤ
１２の近くで生じる。

生じたイオンはグリツド１４とアパーチヤ面１
１との電位差（例えば約200V）に引かれてアパ
ーチヤ１２から飛び出し、さらにアパーチヤ面１
１と引出し電極２１との電位差（例えば約2KV）
に引かれ、レンズ系の各電極２２〜２５を通過
後、アパーチヤ２８を経てイオン銃出口から出射
される。

第３図は他の実施例におけるアパーチヤ面１１
を示すものであり、アパーチヤ１２を取り囲む突
起４０が設けられている。この突起４０はアパー
チヤ面１１と同じ軟鉄で形成されている。永久磁
石１６からの磁力線は、突起４０がなくても十分
な性能をもつているが、この突起４０により一層
中心軸方向に集中するようになり、イオン化効率
が向上する利点がある。

本発明で使用される小形の磁石としては、アル
ニコ５、アルニコ８又はフエライトなどを素材と
する永久磁石が最も好ましい。永久磁石の場合、
小形にできるので、真空のイオン化室内に装着す
るのが容易である。

また、熱電子発生源としては、タングステンな
どのフイラメントでも可能であるが、第２図に示
されているようなLaB₆のような固体の熱電子発
生源を使用すれば、フイラメント切れなどがなく
好都合である。

(ハ) 発明の効果 本発明では、イオン源において磁場の影響と、
永久磁石とアパチヤ面による電子閉込め効果とに
より、イオン化がアパーチヤ軸の近くで、しかも
アパーチヤの近くで生じるので、アパーチヤが小
さくてもアパーチヤから出射する率が高くなる。
また、電子が螺旋運動をするのでイオン化室内で
の電子の走行距離と滞在時間が長くなるため、イ
オン化率も高くなる。

そして、イオン化率及びアパーチヤからのイオ
ンの出射率が高くなる結果、アパーチヤを１mmあ
るいはそれ以下というように小さくできるので、
イオン化室と分析室に通じる中間部との間の差動
排気が有効に行なわれ、例えばイオン化室で10^-5
Torr、中間部で10^-7Torrで使用できる。これに
対し、従来のイオン銃では、これと同様の性能を
得ようとするとそれぞれ10^-4，10^-6Torr程度で
使用しなければならなかつた。

さらに、アパーチヤの直径を小さくできる結
果、引出し電極の入口の直径をそれより十分に大
きくすることができ、アパーチヤから出射された
イオンが引出し電極に当たることがなくなり、引
出し電極が劣化するという問題もなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２
図は同実施例のイオン源部を拡大して示す端面
図、第３図は他の実施例におけるアパーチヤ近傍
を示す要部断面図、第４図は従来のイオン銃で使
用されているイオン源部を示す概略図である。 １０……イオン源、１２……アパーチヤ、１３
……熱電子発生源、１６……磁石、２１……引出
し電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ イオンを発生させる電子衝撃型のイオン源
   と、そのイオン源中心軸上の先端のイオン取出し
   用アパーチヤからイオンを引き出す引出し電極
   と、引き出されたイオンを特定の方向へ導くレン
   ズ系とを備えたイオン銃において、 前記イオン源は、イオン源中心軸上にある後記
   カソードと前記アパーチヤとの間に配置され、後
   記カソードよりも高電位に保たれたグリツドと、 前記グリツドの側方を取り囲みイオン源中心軸
   上に中心軸をもつ両端の開いた円筒型で、後記カ
   ソードよりも低電位に保たれた永久磁石と、 前記永久磁石に電気的に接続され、前記永久磁
   石のイオン取出し側の開口部を閉じる強磁性体の
   円板にてなり、前記アパーチヤを有するアパーチ
   ヤ面と、 前記永久磁石による磁界の零点付近に配置され
   た熱電子発生源となるカソードと、を備えている
   ことを特徴とするイオン銃。 ２ 前記アパーチヤは直径が１mm以下であり、イ
   オン源とレンズ系部との間で差動排気がなされる
   特許請求の範囲第１項に記載のイオン銃。 ３ 前記熱電子発生源はLaB₆等の固体熱電子発
   生源である特許請求の範囲第１項に記載のイオン
   銃。 ４ イオンを発生させる電子衝撃型のイオン源
   と、そのイオン源の一端のイオン取出し用アパー
   チヤからイオンを引き出す引出し電極と、引き出
   されたイオンを特定の方向へ導くレンズ系とを備
   えたイオン銃において、 前記イオン源は、イオン源中心軸上にある後記
   カソードと前記アパーチヤとの間に配置され、後
   記カソードよりも高電位に保たれたグリツドと、 前記グリツドの側方を取り囲みイオン源中心軸
   上に中心軸をもつ両端の開いた円筒型で、後記カ
   ソードよりも低電位に保たれた永久磁石と、 前記永久磁石に電気的に接続され、前記永久磁
   石のイオン取出し側の開口部を閉じる強磁性体の
   円板にてなり、前記アパーチヤを有するアパーチ
   ヤ面と、 前記永久磁石による磁界の零点付近に配置され
   た熱電子発生源となるカソードと、を備えてお
   り、 かつ、前記アパーチヤ径は前記引出し電極の入
   口径より小さいことを特徴とするイオン銃。 ５ 前記アパーチヤは直径が１mm以下であり、イ
   オン源とレンズ系部との間で差動排気がなされる
   特許請求の範囲第４項に記載のイオン銃。 ６ 前記熱電子発生源はLaB₆等の固体熱電子発
   生源である特許請求の範囲第４項に記載のイオン
   銃。