JPH0729538A - レーザイオン化中性粒子質量分析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】感度良くしかも効率的に測定を行うことのでき
るレーザイオン化中性粒子質量分析方法を提供するこ
と。 【構成】上記目的は、真空中で被分析物である固体試料
表面の所定の範囲の領域に収束イオンビームを照射しな
がら走査し、該イオンビームの照射領域から中性粒子を
スパッタリングさせ、該中性粒子にパルスレーザを照射
して光励起イオンとし、該光励起イオンを質量分析する
レーザイオン化中性粒子質量分析方法において、上記イ
オンビームを、上記パルスレーザの非発光時には分析領
域外に照射し、上記パルスレーザの発光時には分析領域
内に照射するような一巡のイオンビームの走査を行い、
かつ、上記イオンビームによるイオンの照射密度が少な
くとも分析領域内で均一であることを保ちながら、上記
イオンビームの一巡の走査を繰り返し行うことを特徴と
するレーザイオン化中性粒子質量分析方法とすることに
よって達成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体試料表面の被分析
領域にイオンビームを照射することにより発生する中性
粒子に紫外パルスレーザを照射し、発生した光励起イオ
ンの質量スペクトルを測定するレーザイオン化中性粒子
質量分析方法に係り、特に、感度良くしかも効率的に測
定を行うことのできるレーザイオン化中性粒子質量分析
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体試料の代表的な微量分析法として、
イオンビームによって表面からスパッタされる二次イオ
ンを検出する二次イオン質量分析法がある。しかし、二
次イオン発生効率の元素依存性や試料依存性が大きいた
め、二次イオンの強度が試料中の元素濃度に比例せず、
定量性に問題がある。これに対し、二次イオンと同時に
スパッタされる中性粒子量は原子濃度にほぼ比例するた
め、それを検出する中性粒子質量分析法は定量性の良い
分析法である。特に、中性粒子を高輝度レーザによりイ
オン化して質量分析するレーザイオン化中性粒子質量分
析法はイオン化効率の良い方法として知られている。深
さ方向分析の可能なレーザイオン化中性粒子質量分析装
置として、先に、レーザイオン化中性粒子質量分析装置
(特開平3‐291559号)が開示されている。この装置は二
次イオン質量分析装置としても利用可能である。以下
に、その原理構成について説明する。

【０００３】図10に上記レーザイオン化中性粒子質量分
析装置の構成概要を示す。図において、まず、イオンビ
ーム発生装置21からイオンビーム22を発生させる。次い
で、イオンビーム22を静電レンズ23を用いて集束した
後、走査電極24によって振動させ、固体試料25の表面を
走査しながら衝撃を与えると、イオンビーム22の衝撃に
よって固体試料25の表面から中性粒子26と二次イオン27
とがスパッタリングされる。ここで、中性粒子26はレー
ザ発生器28から発生させたパルスレーザ29によりイオン
化され光励起イオン30となる。二次イオン27と光励起イ
オン30とは引出し電極31により引き出され、磁場や電場
を利用した質量分析器32によって質量分離された後、イ
オン検出器33で電気パルス化され、パルス計数器34によ
って計数される。この装置で光励起イオン30を検出する
際には、混入する二次イオン27の量を減らすため、光励
起イオン30がイオン検出器33に到着する時間のみ検出を
行っている。

【０００４】この装置においてイオンビーム22を走査す
るのは、二次イオン質量分析法の場合と同様に、深さ方
向分析を行うためである。一般に、二次イオン質量分析
法における深さ方向分析では、イオンビームを固体試料
表面の広い範囲に亘って走査し、平坦な中央付近からの
二次イオンのみを検出する方法が採られる。これによ
り、平坦でない端の部分の影響を取り除くことができ、
良好な深さ方向分解能を得ることができる。この手法を
そのままレーザイオン化中性粒子質量分析法における深
さ方向分析に適用した場合には、以下のような問題が生
じる。すなわち、図11に、二次イオン質量分析法におけ
る深さ方向分析の手法をそのままレーザイオン化中性粒
子質量分析法における深さ方向分析に適用した場合の、
イオンビームが固体試料表面上を照射する領域と、光励
起イオンの元となる中性粒子がスパッタされる中央付近
の領域と、光励起イオンの元になる中性粒子の発生位置
との関係を示す。図11からわかるように、二次イオン質
量分析法における深さ方向分析を行う場合と同様に、平
坦である中央付近のみから発生する中性粒子をイオン化
して光励起イオンとして検出し、平坦でない端の部分の
影響を除くことによって深さ方向分解能を良好にするこ
とが可能である。一方、パルスレーザによる光励起イオ
ンの発生は時間的に離散的であるので、光励起イオンの
元になる中性粒子の発生位置は、イオンビームが走査さ
れることによって、固体試料の上に離散的に存在するこ
とになる。このとき、二次イオン質量分析法における深
さ方向分析の手法をそのままレーザイオン化中性粒子質
量分析法における深さ方向分析に適用した場合、発生す
る全ての光励起イオンを利用することができない。例え
ば、イオンビームが走査される領域のうち、中央付近の
９％を深さ方向分析に利用する場合には、紫外パルスレ
ーザの繰り返し周波数が100Hzであっても、実際に利用
される光励起イオンは僅か９個のレーザパルスによって
発生したものに限られてしまう。

【０００５】この問題を解決するために、本発明者等
は、特願平4‐268365号の発明において、イオンビーム
がその照射領域を１回走査するのに要する時間をパルス
レーザの発光間隔と等しくし、イオンビームの照射領域
のうち中央部分からスパッタされた中性粒子にパルスレ
ーザを照射する手段を設けた装置を開示した。図12は、
この発明によるレーザイオン中性粒子質量分析装置にお
ける、パルスレーザの発光と走査電極に掃引する電圧と
の関係の一例を示した図である。この発明では、パルス
レーザの発光と同期をとってＸ方向の走査電極とＹ軸方
向の走査電極に電圧を掃引することによって、イオンビ
ームが被分析領域を１回走査するのに要する時間をパル
スレーザの発光間隔と等しくし、さらに、イオンビーム
が照射される領域のうち中央部分から発生した中性粒子
にパルスレーザが照射されるようにする。具体的には、
パルスレーザの繰り返し周波数を f 、走査線の数を n
としたとき,図12に示すように、Ｘ方向の走査電極とＹ
軸方向の走査電極にそれぞれf Hz 、n × f Hzの鋸歯状
電圧を掃引する。これによって、まず、Ｘ方向の走査電
極の電圧が或る所定の値になったときのみ、パルスレー
ザが発光することになる。すなわち、イオンビームが被
分析領域の或る所定の位置にきたときのみパルスレーザ
が発光するようになる。中性粒子は有限の速度を有する
ので、スパッタリングされてからイオン化される空間領
域に達するまでに有限の時間を要する。この時間を t
秒とする。イオンビームの照射領域のうち中央部分をス
パッタリングした時刻から t 秒後にパルスレーザが発
光するようにパルスレーザの発光の位相を調整する。こ
のようにすることによって、図13に示すように、平坦で
ある中央部分からのみの中性粒子をイオン化して光励起
イオンとして検出することが可能となり、深さ方向分解
能を良好にするとともに、パルスレーザによって発生し
た光励起イオンを全て利用できるために、感度も良好に
することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
技術においては、イオンビームの照射領域全体を１回走
査するのに要する時間を該パルスレーザの発光間隔と等
しくし、イオンビームの照射領域のうち中央部分からス
パッタされた中性粒子にパルスレーザが照射されるよう
にすることによって感度を高くしていた。この方法の問
題点は、パルスレーザの発光繰り返し周波数に比べてイ
オンビームの走査速度が速いため、パルスレーザの発光
繰り返し周波数を高くして行くと、技術的に走査が困難
になることである。また、パルスレーザの発光と次の発
光との間にイオンビームを停止させることは、試料の消
費を抑えるのに必要な技術であるが、この場合には走査
速度をさらに速くする必要があるため、技術的により困
難となる。

【０００７】本発明の目的は、上記従来技術の有してい
た課題を解決して、感度良くしかも効率的に測定を行う
ことのできるレーザイオン化中性粒子質量分析方法を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、真空中で被
分析物である固体試料表面の所定の範囲の領域に集束イ
オンビームを照射しながら走査し、該イオンビームの照
射領域から中性粒子をスパッタリングさせ、該中性粒子
にパルスレーザを照射して光励起イオンとし、該光励起
イオンを質量分析するレーザイオン化中性粒子質量分析
方法において、上記イオンビームを、上記パルスレーザ
の非発光時には分析領域外に照射し、上記パルスレーザ
の発光時には分析領域内に照射するような一巡のイオン
ビームの走査を行い、かつ、上記イオンビームによるイ
オンの照射密度が少なくとも分析領域内で均一であるこ
とを保ちながら、上記イオンビームの一巡の走査を繰り
返し行うことを特徴とするレーザイオン化中性粒子質量
分析方法とすることによって達成することができる。

【０００９】

【作用】イオンビームの走査速度を低下させるために、
イオンビームの照射領域全体を１回の走査で行うのでは
なく、複数の走査の組合せによって行う。この走査で
は、イオンビームの発光時においてはイオンビームの照
射位置が必ずイオンビーム照射領域中央部の分析領域に
あること、及び、発光と次の発光との間には分析領域外
部をスパッタリングすることにより、分析領域よりもあ
る程度広い範囲を均一にスパッタリングして深さ方向分
析を行う。また、イオンビームの走査方法を単純にする
ため、１回の走査において方形の渦巻状に走査を行い、
その領域全体をパルスレーザの発光ごとにノコギリ歯状
に少しずつ移動させる。さらに、試料の不要の消費を抑
えるために、パルスレーザの発光と次の発光との間にイ
オンビームを停止させる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の分析方法について、実施例に
よって具体的に説明する。

【００１１】

【実施例１】本発明分析方法の実施に用いたレーザイオ
ン化中性粒子質量分析装置の一例の構成は図１に示した
通りで、図１によって本発明方法の手順について以下に
説明する。すなわち、まず、イオンビーム発生装置１か
らイオンビーム２を発生させる。次いで、イオンビーム
２を静電レンズ３を用いて集束した後、Ｘ軸、Ｙ軸２対
からなる走査電極４によって振動させ、固体試料５の表
面を走査しながら衝撃を与える。イオンビーム２の衝撃
によって、固体試料５の表面から中性粒子６と二次イオ
ン７とがスパッタリングされる。中性粒子６はレーザ発
生器８から発生したパルスレーザ９によってイオン化さ
れて光励起イオン10となる。二次イオン７と光励起イオ
ン10とは引出し電極11によって引き出され、磁場や電場
を利用した質量分析器12によって質量分離された後、イ
オン検出器13で電気パルス化され、パルス計数器14によ
って計数される。

【００１２】図２に、固体試料５の表面上におけるイオ
ンビーム照射領域を正方形とした場合の１回のイオンビ
ーム走査の一例を示す。図１の走査電極４のＸ、Ｙ両軸
に対して走査電極電源15から所定の電圧を印加すること
によって、図２のようなイオンビームの走査が可能とな
る。分析領域内から発生する中性粒子のみをイオン化し
た光励起イオン10をパルス計数器14で計数するために
は、以下の走査を行う。

【００１３】すなわち、走査電極電源15からイオンビー
ム２の照射位置が分析領域内であることを示す信号を発
生させ、この信号を検出時間限定装置16に入力させる。
検出時間限定装置16は、走査電極電源15からの信号が入
力するのと同時にレーザ発生器８からパルスレーザ９を
発生させるとともに、信号が入力した瞬間から所定の時
間( t 秒)遅らせてパルス計数器14の動作を開始させ
る。この時間の遅れは、試料直上で発生した光励起イオ
ン10が検出器に到達するのに要する時間と同じにする。

【００１４】また、図３に、複数回のイオンビーム走査
を組み合わせることによって、イオンビーム照射領域の
中心部が均一にスパッタリングされることを示す。同図
に示されるように、各々のイオンビーム走査において、
イオンビームは必ず分析領域を通過する。各々の通過時
点においてパルスレーザを発光させることによって、分
析領域から発生する中性粒子のイオン化が可能となる。
図５(A)には、図２で示した走査方法を得る場合の、走
査電源15から発生するＸ軸、Ｙ軸それぞれへの電圧変化
を示す。それぞれの電圧変化に対応したイオンビームの
走査軌跡を図４に示した。また、図５(B)には、従来技
術による電圧変化を示した。図から明らかなように、電
圧変化の急峻性が従来技術の場合と比べて減少するた
め、イオンビームの走査を容易に行うことができるよう
になった。

【００１５】図６は各走査において走査の一部を共有さ
せた場合の例である。図３、４で示した走査例では、隣
接するイオンの走査方向が逆になるため、分析領域外に
出たイオン照射位置が再び分析領域内に入るのに必要な
時間が不均一となり、そのため、レーザを発生させるタ
イミングが不均一となることがあった。これに対して、
図６のような走査方法を採れば、どのイオンビームの走
査も同一方向となり、パルスレーザを発生させるタイミ
ングの変化が小さくなる。この走査方法は、走査の一部
が重なりあうため、この部分のスパッタ速度を速くさせ
る必要がある。しかし、このスパッタの重なる部分を分
析領域から十分に離すことにより、分析領域におけるス
パッタの均一性を維持することができる。

【００１６】

【実施例２】図３、４や図６で示した走査方法は、走査
の度ごとに軌跡の形が異なるため、制御が難しくなるこ
ともあった。図７に、軌跡の形を一定させる走査方法の
一例を示す。図７(A)は基本となる軌跡で、図に示すよ
うに方形の渦巻状とする。この場合、軌跡が渦巻となる
ため、１回の走査に要するイオンの軌跡の移動距離は実
施例１の場合よりは多くなる。移動距離をできるだけ短
くするため、渦巻は後述する条件に合うできるだけ少な
い回数とする。渦巻の回数が少ないと、そのままでは均
一のスパッタができないので、図７(B)に示すように、
渦巻全体を向かって下方に移動させた後、図８(A)のよ
うに斜め上方に移動させる走査、つまりノコギリ歯状の
走査を行う。図８(B)の中央に示すノコギリ歯状の軌跡
は渦巻の中心が移動する軌跡を表している。図８(B)に
は、ノコギリ歯状の走査の最初の渦巻の位置(破線)及び
最後の位置(実線)を示したが、このような走査によっ
て、点線の範囲と実線の範囲とが交わった領域は常にイ
オンビームの走査が行われることから、この領域におい
て均一なスパッタが保証される。レーザの発光を渦巻状
の走査の中心付近で行えば、常に均一なスパッタが行わ
れる領域からの中性粒子をイオン化することができる。

【００１７】

【実施例３】次に、イオンビームの発生をレーザが発光
していない時点において停止させる実施例について説明
する。図９はこのような操作のタイミングを示した図で
ある。図３、図４、図６、図７、図８に示すような操作
方法により、イオンビームの１回の走査を短時間に行う
ことが可能となる。１回の走査に必要な時間を T₁ と
し、レーザの発光間隔を T₂ とすると( T₁ 〈 T₂ )、イ
オンビームの照射により消費される試料量は T₁/T₂ と
なり、減少する。そのため、効率的に測定を行うことが
可能となる。

【００１８】

【発明の効果】以上述べてきたように、レーザイオン化
中性粒子質量分析方法を本発明構成の方法とすることに
よって、従来技術の有していた課題を解決して、感度良
くしかも効率的に測定を行うことのできるレーザイオン
化中性粒子質量分析方法を提供することができた。すな
わち、イオンビームにより試料のスパッタ領域の一部を
走査する過程において、非分析領域と分析領域にまたが
る走査を行い、それら複数の走査を組み合わせることに
より、スパッタ領域全体を均一にスパッタできる走査を
行えば、走査速度を高くすることなく、イオンビームの
照射位置が分析領域に存在する時点のみにレーザを発生
させることができ、効率的に中性粒子の光イオン化を行
うことができた。また、方形の渦巻状に回転させる走査
とノコギリ歯状に移動させる走査を組み合わせることに
より、１回ごとの軌跡の形を変化させることなく、上記
均一なスパッタが可能となる。さらに、これらの操作に
より、１回の走査時間が短くなることから、レーザの発
光と次の発光との間にイオンビーム照射を停止させるこ
とにより、測定試料の消費を少なくすることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の本発明方法の実施に用いたレーザイ
オン化中性粒子質量分析装置の一例の構成を示す図。

【図２】イオンビームの１回走査の軌跡例を示す図。

【図３】イオンビームの走査の組合せ例を示す図。

【図４】イオンビームの走査の組合せ例を示す図。

【図５】イオンビーム走査電極に印加する電圧の比較を
示す図で、(A) は本発明方法の場合、(B) は従来方法の
場合。

【図６】イオンビームの走査の回転方向を同一方向にし
た場合の例を示す図。

【図７】イオンビームの走査の軌跡を同一の形にした場
合の例を示す図(実施例２)で、(A) は基本となる軌跡、
(B) は(A)を下方に移動させた場合の軌跡を示す図。

【図８】イオンビームの走査の軌跡を同一の形にした場
合の例を示す図(実施例２)で、(A) は図７(B)を斜め上
方に移動させた場合の軌跡を示す図、(B) は渦巻の中心
が移動する軌跡を示す図である。

【図９】イオンビームの停止を行う場合のレーザの発光
との時間的関係を示した図。

【図１０】従来技術の方法において用いられてきたレー
ザイオン化中性粒子質量分析装置。

【図１１】レーザ深さ方向分析に利用する場合の問題点
を説明する図。

【図１２】従来技術においてイオンビームの走査電極に
印加する電圧変化を示す図。

【図１３】従来技術におけるイオンビームの走査方法を
示す図。

【符号の説明】

１…イオンビーム発生装置、２…イオンビーム、３…静
電レンズ、４…走査電極、５…固体試料、６…中性粒
子、７…二次イオン、８…レーザ発生器、９…パルスレ
ーザ、10…光励起イオン、11…引出し電極、12…質量分
析器、13…イオン検出器、14…パルス計数器、15…走査
電極電源、16…検出時間限定装置、21…イオンビーム発
生装置、22…イオンビーム、23…静電レンズ、24…走査
電極、25…固体試料、26…中性粒子、27…二次イオン、
28…レーザ発生器、29…パルスレーザ、30…光励起イオ
ン、31…引出し電極、32…質量分析器、33…イオン検出
器、34…パルス計数器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空中で被分析物である固体試料表面の所
   定の範囲の領域に集束イオンビームを照射しながら走査
   し、該イオンビームの照射領域から中性粒子をスパッタ
   リングさせ、該中性粒子にパルスレーザを照射して光励
   起イオンとし、該光励起イオンを質量分析するレーザイ
   オン化中性粒子質量分析方法において、上記イオンビー
   ムを、上記パルスレーザの非発光時には分析領域外に照
   射し、上記パルスレーザの発光時には分析領域内に照射
   するような一巡のイオンビームの走査を行い、かつ、上
   記イオンビームによるイオンの照射密度が少なくとも分
   析領域内で均一であることを保ちながら、上記イオンビ
   ームの一巡の走査を繰り返し行うことを特徴とするレー
   ザイオン化中性粒子質量分析方法。
2. 【請求項２】上記イオンビーム照射の一巡の走査を渦巻
   状に行い、かつ、該渦巻の中心の位置を一巡の走査ごと
   に異ならしめることを特徴とする請求項１記載のレーザ
   イオン化中性粒子質量分析方法。
3. 【請求項３】上記パルスレーザの非発光時には上記イオ
   ンビームを停止させることを特徴とする請求項１及び２
   記載のレーザイオン化中性粒子質量分析方法。