JPH0828202B2 - 二次中性粒子質量分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、被分析対象である試料に一次イオンビーム
または光ビーム等を照射してスパッタを行うことにより
発生する二次中性粒子を紫外レーザ光によりイオン化し
た光励起イオンの質量スペクトルを測定することで試料
の質量分析を行う、二次中性粒子質量分析装置に関する
ものである。

従来の技術 一次イオンビーム等による試料のスパッタにより発生
する二次中性粒子は、同時に発生する二次イオンに比べ
てスパッタされる量が多いため、二次中性粒子質量分析
法は、二次イオンを計測する二次イオン質量分析法に比
べ高い感度が得られる。

試料からスパッタされる二次中性粒子を計測するため
には、二次中性粒子をイオン化することが必要である。
二次中性粒子に紫外レーザ光を照射してイオン化を行う
のに十分な強度を持つ光源にはエキシマレーザとYAGレ
ーザの２種のみが存在するが、これらがパルスレーザで
あることから、従来の二次中性粒子質量分析法では十分
な感度を得ることができなかった。以下、添付の図面を
参照して従来技術の二次中性粒子質量分析装置の原理と
構成を説明し、その問題点を検討する。

第５図はスパッタ手段に連続一次イオンビームを用い
た二次中性粒子質量分析装置の概略図である。図示の二
次中性粒子質量分析装置は、試料５に向けて一次ビーム
２を照射して二次中性粒子６を発生させる一次イオン発
生装置１と、二次中性粒子６を光励起する紫外レーザ光
８を照射する紫外パルスレーザと、光励起によりイオン
化した光励起イオン９を質量分析する質量分析計12とか
ら主として構成される。

一次イオン発生装置１は、アルゴンあるいは酸素等の
ガスを供給してこれをイオン化して一次イオンビーム２
を発生する。一次イオン発生装置１の前方には電子レン
ズ３と偏向電極４とが設けられている。従って、一次イ
オンビーム２は電子レンズ３により収束された後、偏向
電極４により試料５の表面を走査できるように制御され
る。第５図では一次イオンビーム２はイオン化領域７と
重なって図示されているが、一次ビーム２はイオン化領
域７を通過してもよく、或いは紫外レーザ光８の方向と
直角に照射されてもよい。また、偏向電極４により試料
５の検出位置を変更することができるが、試料５を移動
して検出位置を変更してもよい。このようにして一次イ
オンビーム２は試料５の所定の表面を衝撃して二次中性
粒子６を発生する。

一方、紫外パルスレーザは、二次中性粒子６にほぼ垂
直に紫外レーザ光８を照射する。この紫外レーザ光８は
二次中性粒子６を光励起してイオン化する。図中、参照
番号７は、二次中性粒子６がイオン化されるイオン化領
域を示す。イオン化領域７でイオン化された二次中性粒
子６は光励起イオン９となる。次いで光励起イオン９は
引き出し電極10と収束レンズ11により質量分析計12に引
き出され、イオン検出器13で分析される。

しかしながら、なるべく多くのイオンを分析計に収束
し検出感度を向上させるため、試料５と引き出し電極10
の間は数mm〜数cmほどであり、ここに数KVの電圧が印加
されるため、イオン化領域７付近に大きな電場勾配が形
成される。

第２図にイオン化領域の拡大図を示す。光の速度に対
し二次中性粒子６の速度は十分に遅いため、紫外レーザ
光８がイオン化領域７を横切る間に二次中性粒子６はほ
とんど移動しない。従って、一度のパルスでイオン化さ
れる二次中性粒子の量は光照射面の幅Lwに比例する。す
なわち、光イオンの量を大きくして高い感度を得るに
は、Lwをできるだけ広くとる必要がある。

発明が解決しようとする問題点 ところが、上述のようにイオン化領域７付近に大きな
電場勾配があるため、イオン化領域７の上部と下部とで
はイオンの引き出し電圧が異なり、質量分析器に入射す
る光励起イオンのエネルギーが幅広い分布を持つため質
量分解能が低下する。試料の分析に十分な質量分解能を
得るために光励起イオンの引き出し電圧を一定にするに
は、イオン化領域の幅Lwを小さくしてイオン化領域と引
き出し電極の距離を一定にしなければならない。このた
め現実には一度のパルス光でイオン化できる二次中性粒
子の量は小さくなり、高い感度を得ることができなかっ
た。

また、上記の二次中性粒子質量分析装置ではイオン化
領域の幅を大きくするには紫外レーザ光の照射幅を大き
くしなければならないが、紫外レーザ光の単位面積当た
りの強度が低下することから二次中性粒子のイオン化効
率が低下し、感度が低下する。 そこで本発明は、イオ
ン化領域の幅を小さくすることなく光励起イオンのエネ
ルギーの一定のものとし、すなわち、光励起イオンを一
定の電位で加速して検出系に入射せしめ、二次中性粒子
質量分析装置の感度を向上することを目的とする。

さらに本発明は、紫外レーザ光の照射幅、すなわちイ
オン化領域を拡げることにより、さらに二次中性粒子質
量分析装置の感度を向上することを目的とする。

問題点を解決するための手段 従って本発明に従うと、一次ビームを発生し、該一次
ビームにより分析すべき試料の表面をスパッタして該試
料の表面より二次中性粒子を発生させる一次ビーム発生
装置と、紫外レーザ光を発生し、該二次中性粒子を該紫
外レーザ光により光励起してイオン化する紫外パルスレ
ーザと、該光励起イオンを引き出す電極系と、該光励起
イオンを質量分析する検出系とを備える二次中性粒子質
量分析装置であって、 さらに、該二次中性粒子のイオン化領域の空間電位を
等しくする電極板を備えることを特徴とする二次中性粒
子質量分析装置が提供される。

本発明で使用する一次ビームは、イオンビームまたは
光ビームでもよい。

本発明の１態様に従うと、該電極板は、該試料と等電
位に保持され且つ該イオン化領域と該光励起イオンを引
き出す電極系との間に設けられる。

本発明のさらに別の態様に従うと、該試料と該イオン
化領域との間に二次中性粒子を選択的に取り出す二次中
性粒子選択電極板を配置し、一方、イオン化領域の空間
電位を等しくさせる電極板は、イオン化領域と光励起イ
オンを引き出す電極系との間に設けられ且つ上記二次中
性粒子選択電極と等電位に保持される。

さらに本発明の好ましい態様に従うと、該紫外レーザ
光の光路に該紫外レーザ光とほぼ垂直に第１の反射鏡を
配置し、該第１の反射鏡に対向し且つ平行に第２の反射
鏡を配置して、該第１および第２の反射鏡の間を該紫外
レーザ光が複数回通過するように構成し、イオン化領域
を拡大する。

作用 上記した如く本発明では、二次中性粒子のイオン化領
域の空間電位を等しくする電極板を配置するため、従来
の二次中性粒子質量分析装置とは異なり、光イオン化領
域付近の電場勾配がなくなる。従って、光励起イオンの
引き出し電圧の違いにより起きる質量分解能の低下を考
慮する必要が無くなるため、光イオン化領域の幅を縮小
することがなくなり、二次中性粒子質量分析装置の検出
感度を向上することができる。

さらに本発明の態様に従い、一対の反射鏡を配置し、
その間を紫外レーザ光が複数回通過するように構成して
イオン化領域を拡大することができる。この結果、従来
の二次中性粒子質量分析装置に比べ、高感度な質量分析
を行うことができる。

さらに本発明の態様に従い、該試料と該イオン化領域
との間に該二次中性粒子を選択的に取り出す二次中性粒
子選択電極板を配置する。このような構成により試料か
ら発生する二次イオンに逆バイアスをかけることにより
二次中性粒子と分離して微量検出を可能とすることがで
きる。

以下、本発明を実施例により説明するが、これらの実
施例は本発明の単なる例示であって、本発明の技術的範
囲を何ら制限するものではないことは勿論である。

実施例 実施例１ 第１図は一次ビームに一次イオンビームを用いた場合
の本発明の二次中性粒子質量分析装置の特徴部分を説明
する図である。

本発明に従い、電極板14がイオン化領域７と引き出し
電極10との間に設けられる。すなわち、イオン化領域７
と引き出し電極10との間に、一次イオンビーム２による
試料５のスパッタおよびイオン化領域７からの光励起イ
オン９の飛び出しを妨げないように電極板14を設置す
る。この電極板14と試料５に等しい電圧を印加し、イオ
ン化領域７の電場勾配を無くする。

このような構造により、イオンビームにより試料から
スパッタされた二次中性粒子６はスパッタ時の速度を保
持したままイオン化領域７に入る。二次中性粒子６はイ
オン化領域７でイオン化された光励起イオン９となる
が、イオン化領域７には電場勾配が無いために加速され
ず、スパッタ時の初速度を保ったまま電極板14に到達す
る。電極板14に達した光励起イオン９は引き出し電極10
と電極板14の間の電位差Vaにより加速され、質量分析計
に入射する。

その結果として、二次中性粒子が試料と電極板14の間
のどの部分でイオン化されたとしても、光励起イオンは
電位差Vaで加速されるため、イオン化される位置による
引き出し電圧の違いはなくなる。従って、従来技術のご
とくイオン化領域の幅を縮小する必要がなくなる。

実施例２ 第２図は、本発明の好ましい態様に従い、一対の反射
鏡を配置してイオン化領域の拡大を図ったことを特徴と
する本発明の二次中性粒子質量分析装置の特徴部分を説
明する図である。

すなわち、第２図に示す装置では一対の反射鏡15、16
を配置して、紫外レーザ光を反射鏡15、16で反射させて
それらの間を複数回通過させる。このようにしてイオン
化領域は、反射鏡15、16で反射する幅だけ拡大される。

実施例１で説明したように本発明では、イオン化では
電場勾配が実質的になくなるため、イオン化領域の幅を
拡大しても、光励起イオンは一定の引き出し電圧で質量
分析計へ入射される。

一方、二次中性粒子をイオン化することによる紫外レ
ーザ光の光子数の減少はほとんど無い。また反射鏡15、
16での反射における光子数の減少は数％である。そのた
め、本実施例の構造を採用することにより紫外レーザ光
は数10〜数100回イオン化領域を通過することができ
る。その結果として、紫外レーザ光の光子密度を減少さ
せることなくイオン化領域の実質的な幅Lwを大きくする
ことができ、二次中性粒子質量分析の高感度化を図るこ
とができる。

実施例３ 第３図は 本発明の更に別の好ましい態様に従う二次
中性粒子質量分析装置の特徴部分を示す概略図である。
第３図に示す如く、本実施例の装置では、実施例２の装
置にさらに、イオン化領域７と試料５との間に二次中性
粒子選択電極板17が設けられている。電極板17は試料５
に対して正電位に、且つ電極板14と等電位に保持され
る。

すなわち、電極板17を試料５に対して正電位にするこ
とによって、試料５から二次イオンが飛び出すことを防
止し、電極板17を電極板14と等電位に保持することによ
ってイオン化領域７での電場勾配を無くす。

このような構造とすることによって、実施例１および
実施例２の装置の効果に加えて、微量分析の際に障害と
なる二次イオンの試料からの飛び出しを防止できる。す
なわち、連続一次イオンビームをスパッタ手段とした二
次中性粒子質量分析装置を用いた微量分析を行う場合に
は二次中性粒子と同時に発生する二次イオンが障害にな
る。本実施例では電極板17を設けたことにより、試料５
からスパッタされる正の二次イオンは電極板17にかけて
逆バイアスがかかるため、試料方向に引き戻される。そ
れに対して二次中性粒子は電極板17の影響を受けず、ス
パッタ時の速度を保ったままイオン化領域７に飛び出す
ことができる。さらに電極板14と17とは等電位に保持さ
れるため、二次中性粒子６は２枚の電極板14、17の間の
どこでイオン化されたとしても、電極板14の位置から引
き出し電極10により加速される。その結果、イオン化領
域の拡大を可能にすることができる。

本実施例の二次中性粒子質量分析装置を用いることに
より、従来では1ppm程度であった検出感度を0.01ppmま
で改善することが可能となった。

実施例４ 第４図は、スパッタ手段にパルスレーザビームを用い
た場合の本発明の二次中性粒子質量分析装置の特徴部分
を示す図である。

第４図に示すように、１パルスのレーザビーム18によ
り試料から飛び出すスパッタ粒子は参照番号19のような
スパッタ粒子雲を形成する。本発明に従い、試料５と等
電位に保持された電極板14をスパッタ粒子19を覆うよう
に設置し、この間を反射鏡15、16を用いて多重反射させ
たレーザ光を通過させると、スパッタ粒子雲19の大部分
をイオン化し、等電圧で引き出すことができる。

発明の効果 以上説明したように、本発明によればイオン化領域を
等電位とすることにより、イオン化領域で生成された光
励起イオンはすべて引き出し電圧を一定にできるため、
質量分解能を低下させることなくイオン化領域を広げる
ことができる。

さらに、一対の反射鏡を配置して紫外レーザ光を多重
反射させることにより、光の強度を減少させることなく
光の照射面積を広げて光励起イオンの量を多くできるこ
とから、分析感度の向上を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の１態様に従う二次中性粒子質量分析
装置の特徴部分を示す概略図であり、 第２図は、本発明のさらに別の態様に従い、紫外レーザ
光の反射を利用して光イオン化領域を拡大した二次中性
粒子質量分析装置の特徴部分を示す概略図であり、 第３図は、本発明のさらに別の態様に従い二次中性粒子
から二次イオンを分離した構造を採用する、二次中性粒
子質量分析装置の特徴部分を示す概略図であり、 第４図は、スパッタ手段にパルスレーザビームを用いた
場合の本発明の二次中性粒子質量分析装置の特徴部分を
示す概略図であり、 第５図は、従来技術の二次中性粒子質量分析装置の概略
図であり、 第６図は、第５図に示した従来技術の二次中性粒子質量
分析装置の二次中性粒子のイオン化領域の拡大図であ
る。 （主な参照番号） １……一次イオンビーム発生装置、 ２……一次イオンビーム、３……電子レンズ、 ４……偏向電極、５……試料、 ６……二次中性粒子、７……イオン化領域、 ８……紫外レーザ光、９……光励起イオン、 10……引き出し電極、11……収束レンズ、 12……質量分析計、13……イオン検出器、 14……電極板、15,16……反射鏡、 17……二次中性粒子選択電極板、 18……パルスレーザビーム、 19……スパッタ粒子雲、

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一次ビームを発生し、該一次ビームにより
   分析すべき試料の表面をスパッタして該試料の表面より
   二次中性粒子を発生させる一次ビーム発生装置と、紫外
   レーザ光を発生し、該二次中性粒子を該紫外レーザ光に
   より光励起してイオン化する紫外パルスレーザと、該光
   励起イオンを引き出す電極系と、該光励起イオンを質量
   分析する検出系とを備える二次中性粒子質量分析装置で
   あって、 さらに、該二次中性粒子のイオン化領域の空間電位を等
   しくする電極板を備えることを特徴とする二次中性粒子
   質量分析装置。
2. 【請求項２】該一次ビーム発生装置はイオンビームまた
   は光ビームを発生する装置であることを特徴とする特許
   請求の範囲の第１項に記載の二次中性粒子質量分析装
   置。
3. 【請求項３】該電極板は、該試料と等電位に保持され且
   つ該イオン化領域と該光励起イオンを引き出す電極系と
   の間に設けられていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項または第２項に記載の二次中性粒子質量分析装
   置。
4. 【請求項４】該試料と該イオン化領域との間に該二次中
   性粒子を選択的に取り出す二次中性粒子選択電極板を配
   置し、上記したイオン化領域の空間電位を等しくさせる
   電極板は、該イオン化領域と該光励起イオンを引き出す
   電極系との間に設けられ且つ該二次中性粒子選択電極と
   等電位に保持されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項又は第２項に記載の二次中性粒子質量分析装置。
5. 【請求項５】該紫外レーザ光の光路に該紫外レーザ光と
   ほぼ垂直に第１の反射鏡を配置し、該第１の反射鏡に対
   向し且つ平行に第２の反射鏡を配置し、かくして該第１
   および第２の反射鏡の間を該紫外レーザ光が複数回通過
   して該イオン化領域を拡大することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の二次
   中性粒子質量分析装置。