JPH09106780A

JPH09106780A - 表面分析装置および方法

Info

Publication number: JPH09106780A
Application number: JP8132426A
Authority: JP
Inventors: Peter A Coxon; アランコクソンピーター; Bruce J Mcintosh; ジョセフマッキントッシュブルース
Original assignee: THERMO INSTR SYST Inc
Current assignee: THERMO INSTR SYST Inc
Priority date: 1995-05-26
Filing date: 1996-05-27
Publication date: 1997-04-22
Also published as: EP0744617A3; GB9510699D0; EP0744617A2; US5665967A

Abstract

(57)【要約】【課題】電子エネルギー分光法および二次イオン飛行
時間型質量分析法の技術によって試料表面を解析するた
めの装置および方法を提供する。【解決手段】前者の技術のために、本発明は、典型的
には半球状電極（４６，６７）を有する、実質的に従来
の電子エネルギー解析器（１４）である。本発明は、後
者の技術のために、同一のエネルギー解析器がイオン解
析器として、直線ドリフト領域（図３の５３、５４）と
共同して用いられ、一次イオンビームガン（８）が、少
なくとも第一オーダー時間集束特性を有する飛行時間型
質量分析計である。【効果】両方の技術にエネルギー解析器（１４）を用
いることにより、この組合せ装置は、２つの技術のため
の異なる解析器からなる従来の組合せ装置と比較して、
非常に安価に提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子分光法および
二次イオン質量分析法により、試料の表面の組成を分析
する装置に関する。特に、本発明は、二次イオン飛行時
間型質量分析計を組み合わせた電子エネルギー分光計、
および公知の電子エネルギー分光計を二次イオン質量分
析計として使用し得る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】二次イ
オン質量分析法および様々な電子分光法（例えば、Ｘ線
光電子分光法 XPS、化学分析用電子分光法 EXCA 、紫外
線光電子分光法 USP等）が、固体試料の表面の化学構造
を調査するために一般的に用いられている。前者の技術
において、一次放射ビームは、試料に衝突し、質量解析
器で解析される二次イオンを放出させる。後者の技術で
は、一次放射ビームは、表面から電子を放出させ、この
電子のエネルギーが荷電粒子エネルギー解析器によって
測定され、それらが放射される表面の化学的性質に付い
ての情報をもたらす。

【０００３】典型的な二次イオン質量分析計は、扇形磁
場、四極子および飛行時間型質量解析器からなるが、飛
行時間型解析器は、表面から遊離したイオンのパルスか
ら完全な質量スペクトルを効率よく記録する機能のため
に、特に興味深い。

【０００４】典型的な従来の XPSおよびESCA装置は、表
面から放射されたイオンを集めて解析器に伝播する静電
レンズまたは磁気レンズとともに、筒状鏡解析器または
部分球状エネルギー解析器を備えている。この一般的な
部類の装置の説明は、米国特許第4,255,656 号およびHu
ghes and Philips, Surface and interface Analysis(1
982 vol 4(5) pp 220-260) で見ることができる。多く
のこの様な装置は、表面のエネルギーろ過映像を形成す
ることもできる。SIMSおよびESCA表面解析装置は、両方
とも、電子および／またはイオンの放出を起こす手段も
設けられている。これは、Ｘ線源、電子源、イオン源、
ＵＶおよび／またはレーザ光源から構成することができ
る。また典型的には、両方の装置は、ＵＨＶハウジング
および真空システムが組み込まれ、調査中の表面の汚染
を防止している。

【０００５】原則的には、パルス化されたイオン源によ
り発生させられるイオンを質量分析する飛行時間型質量
分析計は、抜出し(extraction)または加速領域、零電界
ドリフト領域およびイオン検出器のみからなる必要があ
る。集群内のイオンの空間的分離が最小であり、これら
の運動エネルギーがドリフト管に進入する時点で同一で
あると仮定すると、イオンは、その質量／荷電比にした
がって時間的に分離され順次検出器に到達するであろ
う。しかしながら、実際には、質量の解像度は、同一の
質量／荷電比のイオンを異なる時間に検出器に到達させ
る結果となる、集群内のイオンの運動エネルギーの広が
りによって、著しく減少する。より高速度のイオンに、
同一の質量／荷電比を有するより低速度のイオンより長
い距離を移動させる時間集束（time-focusing ）によっ
てこの問題を小さくすることは公知である。

【０００６】この方法は、1968年の米国特許第3,576,99
2 号に説明されており、この特許は、もし正確に寸法合
わせすれば、直線ドリフト領域と屈曲ドリフト領域との
組合せが時間集束を行なう結果となることを教示してい
る。この特許は、屈曲ドリフト領域が、屈曲構造、典型
的には筒状、球状または円環状の静電イオン回折板を有
することができることを示唆している。次いで、この概
念の多くの変更、例えばPoshenriederの英国特許第1,40
5,180 号(1975)、Gohlkeの米国特許第4,774,408 号(198
8)、Bakker(Int. Journal Mass Spectrom and Ion Phy
s, 1971 vol 6 pp 291-5)およびWollnik による概説(Ma
ss Spectom. Rev. 1993, vol 12 pp 89-114）が説明さ
れている。

【０００７】Rose, OndreyおよびProch (Int. Journal
Mass Spectrom. Ion Proc. 1992 vol 113 pp 81-98)
は、従来の飛行時間型質量分析計に静電レンズを組み込
み、その結果光電子を解析し、かつ飛行時間型質量分析
によってイオンの質量を決定できる装置となることを教
示している。しかしながら、この装置のイオン／電子源
は固体表面ではなく分子ビームであり、レンスはグリッ
ドと荷電粒子軸に沿って設けられた３つの電極とからな
る。従って、この装置は、米国特許第3,576,992号で要
求されるような効果的な時間集束を得るために必要な屈
曲ドリフト領域を提供しない。発明者等の知るかぎりで
は、イオンおよび電子が実質的に同一の通路に沿って移
動する電子エネルギー解析およびイオン質量分析の両方
に用いる装置は報告されていない。

【０００８】米国特許第3,576,992 号および英国特許第
1,405,180 号の飛行時間型質量分析計と、ESCAおよびXP
S にしばしば用いられる従来の部分球状電子エネルギー
解析器とは外見上同一性があるけれども、それらの幾何
学的パラメータを決定する荷電粒子光学理論は全くこと
なることが理解されている。飛行時間型分析計の場合に
は、屈曲部分の長さに対する直線部分の長さを選択し
て、時間集束が達成できるようにする必要がある。これ
に反して、電子エネルギー分光計の場合には、これらの
長さは、電子をそのエネルギーに従って分散させるとと
もに集束させるという解析システムにとっての必要性に
よって決定される。したがって、飛行時間型質量分析計
に適した装置の寸法は、一般的には、その装置を電子分
光計として用いるのには適しておらず、またその逆もそ
うである。このように、XPS およびESCA等の実験のため
の電子エネルギー分光計と飛行時間型二次イオン質量分
析計とを備える装置は明らかに表面分析において万能な
装置であるけれども、両方の技術を組み合わせた装置の
報告は、単一の真空ハウジングに設けられた別々の質量
および電子エネルギー解析器を教示しているだけである
（例えばJahn, Petrat等（J. Vac. Sci. Technol. 1994
vol A12(3) pp671-676)およびSiegbahn（J. Electron.
Spectros. Related Phenom. 1990 vol 51 pp 11-31
））。

【０００９】本発明の目的は、電子分光法および飛行時
間型質量分析法の両方を組合せ、かつ別々の質量および
エネルギー解析器の設備を必要としない表面解析装置を
提供することにある。

【００１０】本発明の他の目的は、時間集束飛行時間型
質量解析器としても使用可能な部分球状電極荷電粒子エ
ネルギー解析器を備えた表面解析装置を提供することに
ある。

【００１１】本発明の更なる目的は、電子のエネルギー
解析を提供でき、あるいは飛行時間型質量解析器のイオ
ン飛行経路を構成し得る単一の静電回折手段をイオンお
よび電子が通過する、電子エネルギー分光法および二次
イオン質量分析法を組み合わせた表面解析方法を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】これら目的に鑑み、本発
明によれば、電子分光法および二次イオン質量分析法に
より試料表面を解析する装置であって、ａ）試料を照射し、該試料に表面から電子を放射させる
照射手段と；ｂ）試料を照射し、該試料から１つ以上の二次イオンの
集群を発生させ、該集群の各々における二次イオンが初
期運動エネルギーの広がりを有する、照射手段および該
二次イオンを電位傾向を通過させて加速する加速手段
と；ｃ）それに衝突する前記電子または前記イオンの数を示
す電気信号を生成する荷電粒子検出手段と；ｄ）前記試料および前記荷電粒子検出手段の間に設けら
れる、 1)少なくとも幾つかの前記電子あるいは前記電位差を通
過した後のイオンが進入して方向を変えることなく離脱
し、かつ前記集群各々のイオンが、その速度に従って時
間的に分離する、直線ドリフト領域; および 2)荷電粒子が一方向から進入しかつ他方向から離脱する
とともに、概念上の入口平面および出口平面を備え、該
入口平面を通過した電子のエネルギー分散電子画像を該
出口平面に形成することができ、そして前記集群の各々
において所定の質量／電荷比のイオンはより早いイオン
がより長い経路を取り、従ってより長い移動時間を有す
る、荷電粒子回折手段と；ｅ）少なくとも電子が伝播する場合に、電子が放射され
る表面の少なくとも一部の荷電粒子画像が前記出口平面
に形成されるように、前記直線ドリフト領域の少なくと
も１つを通過する前記電子あるいは前記イオンを伝播す
る荷電粒子集束手段と；ｆ）前記荷電粒子回折手段および荷電粒子集束手段を構
成する電極に電位を供給し、イオンまたは電子を所望さ
れるように伝播する、スイッチ転換可能な電源供給手段
と；ｇ）前記荷電粒子回折手段および荷電粒子集束手段がイ
オンを伝播させるときに操作可能であり、前記集群にお
ける前記イオンの各々が前記荷電粒子検出手段に移動す
るのに要した時間を測定し、これによって少なくとも前
記表面の一部から放射されたイオンの少なくとも幾つか
の質量／電荷比を決定する手段と；ｈ）前記荷電粒子回折手段および荷電粒子集束手段が電
子を伝播させるときに操作可能であり、所望の範囲のエ
ネルギーを有する電子のみを前記荷電粒子検出手段に到
達させ、これによって少なくとも幾つかの電子が前記試
料から放射させられるエネルギーを決定する手段と；を
備え、前記直線ドリフト領域を通過する間での、同一の
質量対荷電比を有したイオンの分散した初期運動エネル
ギーによる時間的な分離は、同一の質量／電荷比を有す
るものの、異なるエネルギーを有するイオンが、異なる
経路に沿って前記荷電粒子回折手段を通過して移動する
ことで要した異なる時間によって相殺され、それによっ
て前記集群の各々における同一の質量対電子比を有する
イオンが同時に前記荷電粒子検出器に到達するように配
設されることを特徴とする、電子分光法および二次イオ
ン質量分析法により試料表面を解析する装置が提供され
る。

【００１３】本発明は、さらに、電子エネルギー分光法
および二次イオン質量分析法によって試料表面を解析す
る方法を提供し、この方法は、ａ）前記試料が電子分光法で解析される場合、照射によ
り、前記表面から電子を放射させ；ｂ）前記試料が二次イオン質量分析法で解析される場
合、前記表面から二次イオンの１つ以上の集群を発生さ
せ、前記各々の集群を構成する二次イオンは初期運動エ
ネルギーの広がりを有し、次いで前記各々の集群を構成
する二次イオンに電位傾向を通過させてこれを加速し；ｃ）前記工程ａ）またはｂ）で各々発生させた前記電子
または前記イオンを、 1)少なくとも幾つかの前記電子あるいは前記イオンが進
入して方向を変えることなく離脱し、かつ前記集群各々
のイオンが、その速度に従って時間的に分離する直線ド
リフト領域、および 2)荷電粒子が一方向から進入しかつ他方向から離脱する
とともに、概念上の入口平面および出口平面を備え、こ
れらは該入口平面を通過した電子のエネルギー分散電子
画像を該出口平面に形成することができるように配置さ
れ、そして前記集群の各々において所定の質量／電荷比
のイオンはより早いイオンがより長い経路を取り、従っ
てより長い移動時間を有する、荷電粒子回折手段、を介
して移動させ；ｄ）前記電子およびイオンが少なくとも１つの前記直線
ドリフト領域を通過する際に、少なくとも前記電子を集
束させて、電子が放射される表面の少なくとも一部の荷
電粒子画像が前記入口平面に形成されるようにし；ｅ）前記直線ドリフト手段および荷電粒子回折手段を通
過した後の電子またはイオンを検出し、それらの個数を
示す信号を形成し；ｆ）二次イオン質量分析法で試料を解析する場合に、前
記集群における前記イオンの少なくとも幾つかが、前記
直線ドリフト手段および荷電粒子回折手段を介して前記
荷電粒子検出手段に移動するのに要した時間を測定し、
これによって少なくとも前記表面の一部から放射された
イオンの少なくとも幾つかの質量／電荷比を決定し；か
つｇ）電子分光法で試料を解析する場合に、所望の範囲の
エネルギーを有する電子のみを、前記荷電粒子回折手段
を介して前記荷電粒子検出手段に到達させ、これによっ
て少なくとも幾つかの電子が前記試料から放射させられ
るエネルギーを決定する；ことからなり、二次イオン質
量分析法で試料を解析する場合には、前記直線ドリフト
領域を通過する間での、同一の質量対荷電比を有したイ
オンの分散した初期運動エネルギーによる時間的な分離
は、同一の質量／電荷比を有するものの、異なるエネル
ギーを有するイオンが、異なる経路に沿って前記荷電粒
子回折手段を通過して移動することで要した異なる時間
によって相殺され、それによって前記集群の各々におけ
る同一の質量対電子比を有するイオンは、前記直線ドリ
フト領域および前記荷電粒子回折手段を介して移動する
のに同一の時間を要するものである。

【００１４】本発明の方法は、電子分光法と二次イオン
質量分析法とを組み合わせてなり、電子およびイオンが
同一の荷電粒子回折手段を通過する方法を提供し、した
がってこの方法は、従来法と比較して、より簡単で廉価
に行なわれる。

【００１５】この方法は、時間集束二次イオン質量分析
法であり、これを提供する幾つかの態様を包含する。最
初に、直線ドリフト領域および荷電粒子回折手段の相対
長さは、上記相殺が行なわれるように決定され、この場
合には、直線ドリフト領域の電極に供給される電位は、
イオンが同一のエネルギーを持ってこの領域に進入しか
つ離脱するうなものである。次に、イオンは、異なるエ
ネルギーを持って、荷電粒子回折手段および少なくとも
一部の直線ドリフト領域を介して移動させることができ
る。このようにして、ドリフト経路の直線および屈曲部
分を介する相対移動時間は、装置の寸法を変更すること
なしに調節することができる。便利には、これは、荷電
粒子回折手段の中央軌道を、イオンが直線ドリフト手段
の少なくとも一部を横断するのとは異なる電位に維持す
ることによって達成できる。

【００１６】

【発明の実施の形態及び作用・効果】従って、本発明
は、組み合わされた表面解析用の電子エネルギー分光計
と飛行時間型二次イオン解析器とを提供し、この装置で
は、電子エネルギー解析器と入力レンズシステムとが、
飛行時間型質量解析器のドリフト領域の少なくとも一部
としても機能し、それによって別々の質量およびエネル
ギー解析器を設ける必要がない。飛行時間型モードにお
いて、第一オーダー時間集束が提供される。このモード
では、荷電粒子集束手段は、伝播効率を改善するため
に、荷電粒子回折手段の入口平面に二次イオン画像を形
成することに用いることが好ましい。

【００１７】如何なる所定の質量／電荷比のイオンに対
しても、飛行時間型分析計のドリフト領域に進入した時
の初期エネルギーは、ドリフト領域のどの直線部分の端
部においても、到達時間の広がりを引き起こす。しかし
ながら、所定の質量／電荷比を有するイオンのために、
より早い（即ち、よりエネルギーが高い）イオンは、荷
電粒子回折手段を介するより長い経路を取り、これによ
ってより遅いイオンは荷電粒子回折手段を介して、より
早いものよりも短い移動時間を有するであろう。この装
置は、ドリフト領域の直線部分において、異なった初期
イオンエネルギーにより発生した位置的な広がりを、荷
電粒子回折手段における相反する効果によって相殺し、
これによって二次イオンモードにおける質量解像度を増
加させるように構成されている。本発明によれば、この
時間集束は、幾つかの方法によって得ることができる。

【００１８】最初に、ドリフト領域の屈曲部分（荷電粒
子回折手段）および直線部分の相対長さは、時間集束が
行なわれるように選択され得る。直線ドリフト領域は、
事実上大部分が試料と荷電粒子回折手段の入口との距離
で構成され、かつ典型的には荷電粒子集束手段からなる
ため、この距離は電子エネルギー分光計の要請によって
固定される。同様に、荷電粒子回折手段の寸法は、これ
が高機能電子エネルギー解析器として機能する必要から
決定される。したがって、本発明では、時間集束は、荷
電粒子回折手段の出口と荷電粒子検出手段との間に直線
ドリフト領域部分を設けることで提供される。（実際、
装置の寸法を電子分光計として用いるのに最適化する
と、直線ドリフト部分が短すぎることが判った。）また
は、荷電粒子集束手段の物理的長さを二次イオン質量分
析計モードにおいて得られる時間集束に要求されるもの
とし、その中に静電レンズシステムを設けて電子エネル
ギー分光計モードにおいて適切な操作を提供するように
することも本発明の範囲内である。残念ながら、この試
みは物理的に大きな装置となる結果を招く傾向がある。
第二に、そして最も好ましくは、時間集束は、電粒子回
折手段と、直線ドリフト手段の少なくとも一部とを介し
て、異なるエネルギーを持ってイオンを移動させる手段
を配設することで達成することができる。このようにし
て、ドリフト経路の直線および屈曲部を通過する移動時
間は相互に調整され、これによって時間集束が装置の寸
法を変更せずに得ることができる。したがって、本発明
に係る装置において、時間集束二次イオン質量分析法
は、電子エネルギー分光計としの装置の使用に対して如
何なる妥協も行なわずに、達成され得る。

【００１９】実際上、イオンは、直線ドリフト手段の少
なくとも一部をイオンが横切るのとは異なる電位で荷電
粒子回折手段をバイアスすることにより、異なるエネル
ギーを持って、ドリフト領域の屈曲および直線部分を通
過して移動させることができる。典型的には、荷電粒子
回折手段は２つの屈曲（一部筒状あるいは一部球状）電
極を備えるであろうし、これら電極間には中央軌道が存
在し、これに沿って確実に回折手段の通過エネルギーを
備えた荷電粒子が移動する。このような回折手段が従来
の電子エネルギー解析器として用いられる場合、解析す
べき電子が発生した電位に比例して、（電極に供給され
る電位の調節によって）中央軌道の電位を変化させる手
段を設けることは公知であるが、ドリフト領域の屈曲お
よび直線部分が異なる電位で維持される飛行時間型質量
分析計は知られていなかった。

【００２０】いずれの飛行時間型質量分析計でも、二次
イオンを発生させる照射手段は、イオンの集群を生成さ
せなければならない。したがって、この装置は、試料表
面に一次イオンの集群を照射し、飛行時間型解析に適し
た二次イオンの集群を有利させるイオンビームガンを備
えていてもよい。典型的には、試料は高い正電圧（例え
ば+4,000ボルト）に維持され、そして接地されたエキス
トラクタ電極が前記試料と前記荷電粒子集束手段との間
に設けられて、正電荷の二次イオンを+4keV エネルギー
に加速する。これらは、次いで接地電位の直線ドリフト
手段の少なくとも一部を、4keVのエネルギーを持って横
断するであろう。または、試料は、その加熱および／ま
たは冷却を容易にするために接地電位に維持され、エキ
ストラクタ電極が、正電荷の二次イオンのために-4,000
ボルトに、あるいは負電荷の二次イオンのために+4,000
ボルトに維持される。これは、次のドリフト領域を、接
地電位ではなく、±4,000 ボルトにバイアスして、イオ
ンが4keVのエネルギーでこれら領域を横切るようにする
ことが必要であるが、それにもかかわらず、ある環境下
では有利である。更なる変更において、連続した一次ビ
ームが用いられ、二次イオンの飛行を遮断しかつ必要な
イオン集群を発生させるためにエキストラクタ電極の電
位は切り換えられる。しかしながら、一次イオンビーム
が継続し、飛行時間型分析計にイオンが受容され得ない
期間で試料表面の損傷が発生するため、この方法はあま
り好ましくない。

【００２１】他の二次イオン発生装置もまた使用でき
る。例えばレーザ脱離またはレーザアブレーションを行
なう１つ以上のレーザを設けてもよく、また試料は中性
子を被爆させてもよい。また、例えば試料の表面上の領
域に向けられたレーザで共振または非共振多重光子イオ
ン化（resonant or non-resonant multiphoton inoniza
tion) を用いて、試料表面からスパッタされた中性分子
または原子を後イオン化することも本発明の範囲内であ
る。このようなイオン化方法で生成されたイオンは、本
発明を説明する目的で二次イオンとして考えられる。

【００２２】一次または二次イオンビームのゲーティン
グ方法は、その機能に有意に影響し、注意深く選択しな
ければならない。飛行時間型質量分析の分野において、
多くの適切な組合せ、例えば米国特許第4,912,327 号に
開示される一次イオンガン等が知られている。

【００２３】最も好ましい態様において、本発明の荷電
粒子回折手段および直線ドリフト手段は、上述したよう
に各々、半球状の解析器と、従来の表面解析を目的とす
る電子エネルギー分光計の入力レンズ配列とから構成す
ることができる。この種の装置は装置の機械的配列に対
して単に最低限の変更を加えることで、組み合わされた
電子分光計および二次イオン質量分析計に変換すること
ができる。

【００２４】さらに別の対応において、本発明に係る装
置は、例えば欧州特許第 246841 B1号明細書に教示され
るように、特定範囲のエネルギーを有する電子のみから
なる試料表面の電子画像を形成するよう配置できる。本
発明に係る装置は、また、アパーチャ手段を設けること
で、表面のエネルギー選択電子画像および質量選択二次
イオン画像を形成するのに用いることができ、このアパ
ーチャ手段はイオンおよび電子が受け取られる試料表面
の範囲を限定し、この範囲を表面全体に走査させて表面
のより大きな範囲の画像を作り上げる。このような「マ
イクロプローブ」装置は、電子エネルギー分光計および
二次イオン質量分析計の両方において、公知である。

【００２５】

【実施例】本発明の実施例について、添付の図面を参照
して更に詳細に説明する。図１は、本発明に係る表面分
析用装置の単純化した断面図であり;図２は、図１の装
置の部分的拡大図であり;図３は、電子エネルギー分光
器として使用される図１の装置の光学的配置の単純化し
た図であり;図４は、二次イオン質量分析計として使用
される図１の装置の光学的配置の単純化した図である。

【００２６】最初に図１を参照すると、本発明に係る装
置は、試料２を照射して試料２に電子の放出を生じさせ
るための手段を含んでおり、単色Ｘ線源が備えられてい
る。Ｘ線源１は、試料２の面積を照射して光電子を放出
させ、装置をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）のために使用
することを可能にする。Ｘ線源１は、ポンプ系（図示し
ない）により超高真空（１０^-8 torr より良好）に保持
される球形の真空ハウジング４上のフランジ３に取り付
けられている。試料２は、ハウジング４上のフランジ７
に取り付けられた位置決め部材６によって支持されるホ
ルダー５上に載置される。位置決め部材６は、装置外部
の制御手段を操作することにより、試料２の表面の任意
の部分を分析できるように試料２を位置決めするのを可
能にする。

【００２７】試料２を照射し、これから１個または数個
の二次イオン束を生じさせるための照射手段は、真空ハ
ウジング４上のフランジ９に取り付けられた一次イオン
ガン８を含んでいる。ガン８は、これが一次イオン、典
型的には液体金属イオン源からのＧａ⁺ の束を発生でき
るようにゲートで制御され、これら一次イオン束は試料
２の表面の小さい面積に集束され、これによって、その
表面から飛行時間型質量分析に適する二次イオン束が放
出される。図２は、試料ホルダー５の領域をより詳細に
説明するもので、束として構成された二次イオンを加速
するための手段を示しており、この加速手段は、エキス
トラクタ電極１０、およびこれと試料ホルダー５および
試料２との間に接続された電源１１を含んでいる。好都
合には、エキストラクタ電極１０は接地されており、試
料ホルダー５は電源１１により＋４ｋＶに保持される
が、他の電圧も適当ならば使用できる。このようにし
て、ガン８からの一次イオン束に対応して試料２の表面
から放出された二次イオン束は、エキストラクタ電極１
０と試料ホルダー５との間に存在する電位勾配を通して
加速される。エキストラクタ電極１０は、後退可能な支
持部材１６に取り付けられており、これを使用しないと
きは試料の付近から引っ込めることができる。表面から
二次イオンの放出を生じさせるために、ガン８の代わり
に、任意の好適な照射源を使用でき、例えばレーザー脱
離、レーザーアブレーションまたは多光子イオン化の実
験を行うためには１種または数種のレーザーを使用でき
ることが分かるであろう。更に、負の二次イオンを分析
しようとする場合には、試料ホルダー５の電位を電源１
１によってエキストラクタ電極１０に関して負の電位に
保持することができる。

【００２８】試料２の表面から放出された電子またはイ
オンは、全体として１４で示される荷電粒子偏向手段の
入口管１３にフランジ１５によって結合された出口管１
２を通過する。荷電粒子偏向手段１４を通過した後、少
なくとも若干の電子またはイオンは、全体として１７で
示される荷電粒子検出手段に達する。この手段１７は、
そこに入った電子またはイオンの数を表示する電気的信
号を生じさせる。検出手段１７は、装置を電子−エネル
ギー分光器として使用する場合に従来の多チャンネル検
出器として役立てうる６チャンネル電子増幅器１８、お
よび二次イオン質量分析器モードにおいてイオン検出器
として使用されるチャンネル板検出器１９、および電子
エネルギー分光器として操作されるある種のモードにお
ける電子検出器を含んでいる。

【００２９】イオンまたは電子は、試料２から、一連の
電界レンズ素子２０〜３０を通って荷電粒子偏向手段１
４に伝達される。ある種の電子分光法モードに使用する
ために、単極磁気レンズ３１も備えられている。荷電粒
子偏向手段１４と多チャンネル板検出器１９との間に
は、更に三つのレンズ素子３２〜３４も備えられてい
る。

【００３０】図３は、装置を電子分光器として使用する
場合に採用しうる光学的配置の単純化した図である。試
料２の表面の電子像は、電界レンズ素子２０〜２２、磁
性レンズ３１、あるいは一緒に作用する電界レンズおよ
び磁性レンズの両方を含む第一レンズ３６によって形成
される。像３５は、調節可能な開口３７の平面内に形成
され、この開口の大きさを調節して、電子が集められる
試料表面の面積を決定することができる。二次電子像３
８は、電界レンズ素子２３〜２５を含む第二レンズ３９
によって形成され、それらの間には集束角度を調節する
ための調節可能な開口４１が設けられている。電界レン
ズ素子２６〜３０を含む第三レンズ４２は、電子像３８
からのその焦点距離に位置しており、従ってその背部焦
点平面は、荷電粒子偏向手段１４の入口平面４３と同一
平面にあり、電界レンズ素子３２〜３４を含む第四レン
ズ４４は、荷電粒子偏向手段１４の出口平面４５に関し
て同様に位置している。このようにして、試料表面のエ
ネルギー濾過電子像は、チャンネル板検出器１９の平面
内に形成される一方で、試料の選択された面積の電子エ
ネルギースペクトルは、出口平面４５上で、チャンネル
電子増幅器１８（その入口はこの平面に位置している）
によって同時に記録することができる。レンズ４２およ
び４４を半球形分析器を含む荷電粒子偏向手段と組み合
わせることにより可能にされた像形成およびスペクトル
記録の結合モードは、ＥＰ２４６８４１号特許明細書で
詳細に論じられているが、これは本発明の必須要件では
ない。例えば、その代わりとして、電子像３８が入口平
面４３内に形成されるようにレンズを調節し、より普通
の操作モードを提供することができる。更に、普通の電
子−エネルギー分光器の場合のように、試料２を離れる
電子を減速させて、典型的には電界レンズ素子２７およ
び後続の全ての素子を試料の電位とは異なる電位に保持
し、これにより、電子が荷電粒子偏向手段を通過する前
またはその間に電子の運動エネルギーを変化させること
によって、荷電粒子偏向手段のエネルギー解像力を高め
ることができる。

【００３１】荷電粒子偏向手段１４は、二つの半球形電
極４６、４７を含む普通の分析器であり、図１には概要
だけが示されている。これは概念的な入口枠および出口
枠（それぞれ４３、４５）を有し、入口平面４３を通過
する電子のエネルギー分散像が出口平面４５内に形成さ
れ、電子ビームが分析器に入るときの電子ビームの拡散
角度を制限するためのα−角度制限器４８が備えられる
ようになっている。電極４６、４７は基板４９から支持
されており、カバー５０が備えられている。分析器１４
には、電子分光法に普通に使用される従来型のものと異
なる特色はない。図４は、二次イオン飛行時間型質量分
析法に使用する場合の装置の光学的配置を示す図であ
る。先に説明したように、試料２の表面から放出された
二次イオンは、加速電極１０により加速され、二次イオ
ン像５１が、電界レンズ素子２０〜３０（これらは、図
３と一致するように、図４では第一、第二および第三の
レンズ３６、３９、４２として示されている）によっ
て、荷電粒子偏向手段１４の入口平面４３内に形成され
るように集束される。調節可能な開口３５は、ここでは
集束角度決定開口として役立つ。荷電粒子偏向手段１４
は、ここでは二次イオン像５１の像５２を出口平面４５
内に生じさせ、第四レンズ４４（電界レンズ素子３２〜
３４を含む）は、この像の焦点をはずしてチャンネル板
増幅器１９上に伝達するために用いられる。このよう
に、レンズ４４は検出器への損傷を最小限にするために
用いられ、そうしないと、集束した二次イオン像がその
表面上に形成される場合に損傷が起こることがある。二
次イオンモードにチャンネル電子増幅器１８を用いるの
は好ましくない。なぜならば、その入口の結合構造が平
らな表面を決定せず、それ故に、これらを使用すると、
イオンが衝突する位置に応じて飛行時間に変動が生じる
からである。

【００３２】従って、飛行時間型分光器の飛行路は、第
一直線ドリフト領域５３、第二直線ドリフト領域５４、
および荷電粒子偏向手段１４を含む湾曲ドリフト領域
（軌道５６で代表される）からなっている。

【００３３】従来の飛行時間型質量分析計におけるよう
に、エキストラクタ電極１０によって加速されたイオン
束は、第一および第二の直線ドリフト領域５３および５
４の両方でのそれらの速度に従って、経時的に分離する
であろう。また、エキストラクタ電極１０は各束中の全
てのイオンに同じ付加的位置エネルギーを与えるので、
異なる質量／電荷比を有するイオンは、経時的に分離さ
れる。先に説明したように、この分離は、任意の所定の
質量／電荷比を有するイオンに関して試料２の表面上で
これらイオンが形成される時点で存在する初期位置エネ
ルギーの拡散によってぼやける。本発明によれば、この
エネルギー拡散効果は、イオンの初期速度に従って長さ
の異なる軌道に沿って移動するイオンの通過中に、飛行
路内に荷電粒子偏向手段１４を含めることによって低減
される。このように、直線ドリフト路５３および５４の
相対的長さ、および荷電粒子偏向手段の路長５５を適正
に選択することによって、同じ質量／電荷比を有するイ
オンの経時的分離（これは初期運動エネルギーが拡散す
るためにイオンが直線ドリフト領域を通過する間に起こ
る）は、イオンが荷電粒子偏向手段を通ってそれらの異
なる軌道に沿って移動するのに要する時間が異なること
によって相殺される。簡単にいうと、最高の位置エネル
ギーを有するイオンは、入口平面に最も速く到達する
が、その後は、これらのイオンは荷電粒子偏向手段１４
を通る際により大きな半径の（従ってより長い）通路を
要するので、減速される。ドリフト領域５３および５４
の相対的長さを適正に選択することにより、所定の質量
／電荷比を有する全てのイオンが、チャンネル板増幅器
１９に同時に達するようにすることができる。

【００３４】本発明によれば、この時間−集束化作用
は、装置の様々な部分の長さの調節によって得ることが
できるが、長さ５３および５４は、典型的には図３に示
す電子分光法モードの必要条件により決められ、正確な
時間−集束化は、このモードに最適化した長さでは得ら
れないようである。

【００３５】結局、イオンは、荷電粒子偏向手段に入る
前に、しかしそれらが直線ドリフト領域の大部分を移動
した後で、加速（または必要により減速）される。この
加速（または減速）は、第三レンズ４２の最後の電界レ
ンズ素子３０と、後続の全ての素子（半球形電極４６お
よび４７を含むが、第四レンズ４４を構成する素子３２
〜３４は必ずしも含まれるとは限らない）との間で電位
差を維持することによって行われる。このようにして、
イオンの運動エネルギーは、荷電粒子偏向手段を通るそ
れらの通過に関して増大（または減少）し、このため、
直線ドリフト領域５３および荷電粒子偏向手段を通るそ
れらの飛行時間は、相対的な物理的長さが正確でない場
合であっても、時間−集束化を得るために調節すること
ができる。

【００３６】以下で用いられる記号は、下記に説明する
意味を有する。Ｒ_o ：荷電粒子偏向手段１４の中心軌道の半径（５
７）。Ｅ_p ：荷電粒子偏向手段１４の通過エネルギー。

【００３７】Ｖ_o ：試料２に印可されるバイアス電圧。Ｅ_o ：試料２から放出されるイオンのエネルギー（＝ｅ
Ｖ_o ）。Ｅ_r ：荷電粒子偏向手段１４の標準のエネルギー（＝Ｅ
_o −Ｅ_p ）。

【００３８】ｄ₁ ：設置電位に維持される直線ドリフト
領域５３、５４の部分、従ってイオンはエネルギーＥ_o
でそれらを横切る。ｄ₂ ：分析器減速電位に維持される直線ドリフト領域５
３、５４の部分、従ってイオンはエネルギーＥ_p ＝（Ｅ
_o −Ｅ_r ）でそれらを横切る。

【００３９】ｄ_i ：電位Ｖ_i に維持されるレンズ内の直
線ドリフト領域５３、５４の部分に対応する様々な長
さ、イオンはこれらをエネルギーＥ_i ＝ｅ（Ｖ_o −Ｖ
_i ）で横切る。

【００４０】単純な関係Ｅ＝1/2 ｍｖ² およびｔ＝ｄ／
ｖから、上記定義の各領域を通る飛行時間は、

【００４１】

【数１】

【００４２】（式中、ｄはｄ₁ 、ｄ₂ 、ｄ_i または分析
器のためにはπＲ_o と同じである）である。従って、エ
ネルギーＥ_o のイオンについて、分析器を通る全飛行時
間は、下記式で与えられる。

【００４３】

【数２】

【００４４】試料表面から放出される幾つかのイオン
は、エネルギーＥ＝Ｅ_o ＋ΔＥを有し、これはＥ_o （１
＋δ）として表すことができ、ここでδ＝ΔＥ／Ｅ_o で
ある。半球形分析器について、生じた長円形路のほぼ主
軸の長さＲは下記式

【００４５】

【数３】

【００４６】により与えられること、およびこれらのイ
オンが分析器を通る遷移時間は（Ｒ／Ｒ_o ）^3/2 に比例
するであろうことを示すことができる。従って、エネル
ギーＥのイオンが分析器を通る全飛行時間は、下記式に
より与えられる。

【００４７】

【数４】

【００４８】得ようとする一次時間集束化については
（前記のように）、下記のとおりである。

【００４９】

【数５】

【００５０】微分し、δ＝０を代入して再び整理する
と、次のようになる。

【００５１】

【数６】

【００５２】この式は、任意の与えられた構成配置につ
いて一次時間集束化を達成するために要求されるＥ_p の
値（それ故に分析器の減速電位）の計算に使用できる。
例えば、入口平面４３上で表面の二次イオン像を形成す
るために入射レンズを用いない単純な場合には、ｄ_i ＝
０であり、この式は次のように簡略化される。

【００５３】

【数７】

【００５４】実際的な態様において、ｄ₁ ＝０．８ｍ、
ｄ₂ ＝０．２９ｍ、Ｒ_o ＝０．１５ｍ、故にＥ_p ＝１．
２５Ｅ_o である。この値は、これらの寸法では湾曲ドリ
フト領域が直線ドリフト領域に対して大きすぎるため、
イオンが分析器内へ加速されることを意味する。しかし
ながら他の構成配置では、イオンを加速するよりは減速
する必要があであろう。

【００５５】好ましい場合、減速モードに入射レンズを
使用して分析器の入口スリットへイオンを集束させる場
合は、ｄ_i ≠０であり、Ｅ_p ／Ｅ_o の値は典型的には減
少するであろう。実際に、これらの状況における時間集
束化のための最適条件は、ｄ _i を正確に測定することは
困難なので、実験によって見出すべきであり、前記の装
置では集束化を採用する場合、Ｅ_p ／Ｅ_o の最適値は約
１．０９であることが見出された。

【００５６】電界レンズ素子２０〜３０、３２〜３４、
および荷電粒子偏向手段１４の電極４６、４７の各々に
は、切り換え可能な電源手段５８（図１）により、リー
ド線５９〜７４を用いて、好適な電圧が印可される。こ
れらのリード線は、真空ハウジング内の電気フィードス
ルー（図示しない）を介してレンズ素子に接続されてい
る。有利にはコンピュータ制御される電源５８は、前記
のように電子−エネルギー分光計として装置を操作する
のに必要な全ての電位を供給し、必要な場合、正の二次
イオン質量型分光計として操作するための逆極性の電位
を供給する。電子分光法モードにおいて、電極４６、４
７に供給される電位は、エネルギー分散電子像が、出口
平面４５（この場合、チャンネル電子増幅器１８の入口
が照射される）において、またはチャンネル板増幅器１
９において形成され、これにより、ある範囲のエネルギ
ーを有する電子だけが荷電粒子検出手段１７に達するこ
とができるような電位である。データ処理手段７５は、
増幅器１８および１９からリード線７６、７７を介して
信号を受け入れ、少なくとも若干の電子が試料２の表面
から立ち去る際のエネルギーを決定することができる。

【００５７】二次イオン質量分光法モードにおいて、デ
ータ処理手段７５は、リード線７８を介して一次イオン
ガン８をも制御し、従来の飛行時間型二次イオン質量分
光計の場合のように、予定された時間的間隔で一次イオ
ン束を発生させる。手段７５には、一次イオン束の各々
から放出された二次イオンの各々がチャンネル板検出器
１９に移動するのに要する時間を測定し、これにより、
それらの質量／電荷比を与えるための手段を組み込まれ
ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る表面分析用装置の単純
化した断面図である。

【図２】図２は、図１の装置の部分的拡大図である。

【図３】図３は、電子エネルギー分光器として使用さ
れる図１の装置の光学的配置の単純化した図である。

【図４】図４は、二次イオン質量分析計として使用さ
れる図１の装置の光学的配置の単純化した図である。

【符号の説明】

１・・・Ｘ線源２・・・試料４・・・真空ハウジング５・・・試料ホルダー６・・・位置決め部材８・・・一次イオンガン１０・・・エキストラクタ電極１１・・・電源１４・・・荷電粒子偏向手段１６・・・支持部材１７・・・荷電粒子検出手段１８・・・電子増幅器１９・・・チャンネル板検出器２０〜３０・・・電界レンズ素子３６・・・第一レンズ３９・・・第二レンズ４２・・・第三レンズ４４・・・第四レンズ５３・・・第一直線ドリフト領域５４・・・第二直線ドリフト領域

フロントページの続き (72)発明者ブルースジョセフマッキントッシュイギリスアールエイチ19 １イージーウエストサセックスイーストグリンスティードセント．レオナーズパーク 133

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子分光法および二次イオン質量分析法に
より試料表面を解析する装置であって、ａ）試料を照射し、該試料に表面から電子を放射させる
照射手段と；ｂ）試料を照射し、該試料から１つ以上の二次イオンの
集群を発生させ、該集群の各々における二次イオンが初
期運動エネルギーの広がりを有する、照射手段および該
二次イオンを電位傾向を通過させて加速する加速手段
と；ｃ）それに衝突する前記電子または前記イオンの数を示
す電気信号を生成する荷電粒子検出手段と；ｄ）前記試料および前記荷電粒子検出手段の間に設けら
れる、 1)少なくとも幾つかの前記電子あるいは前記電位差を通
過した後のイオンが進入して方向を変えることなく離脱
し、かつ前記集群各々のイオンが、その速度に従って時
間的に分離する、直線ドリフト領域; および 2)荷電粒子が一方向から進入しかつ他方向から離脱する
とともに、概念上の入口平面および出口平面を備え、該
入口平面を通過した電子のエネルギー分散電子画像を該
出口平面に形成することができ、そして前記集群の各々
において所定の質量／電荷比のイオンはより早いイオン
がより長い経路を取り、従ってより長い移動時間を有す
る、荷電粒子回折手段と；ｅ）少なくとも電子が伝播する場合に、電子が放射され
る表面の少なくとも一部の荷電粒子画像が前記出口平面
に形成されるように、前記直線ドリフト領域の少なくと
も１つを通過する前記電子あるいは前記イオンを伝播す
る荷電粒子集束手段と；ｆ）前記荷電粒子回折手段および荷電粒子集束手段を構
成する電極に電位を供給し、イオンまたは電子を所望さ
れるように伝播する、スイッチ転換可能な電源供給手段
と；ｇ）前記荷電粒子回折手段および荷電粒子集束手段がイ
オンを伝播させるときに操作可能であり、前記集群にお
ける前記イオンの各々が前記荷電粒子検出手段に移動す
るのに要した時間を測定し、これによって少なくとも前
記表面の一部から放射されたイオンの少なくとも幾つか
の質量／電荷比を決定する手段と；ｈ）前記荷電粒子回折手段および荷電粒子集束手段が電
子を伝播させるときに操作可能であり、所望の範囲のエ
ネルギーを有する電子のみを前記荷電粒子検出手段に到
達させ、これによって少なくとも幾つかの電子が前記試
料から放射させられるエネルギーを決定する手段と；を
備え、前記直線ドリフト領域を通過する間での、同一の質量対
荷電比を有したイオンの分散した初期運動エネルギーに
よる時間的な分離は、同一の質量／電荷比を有するもの
の、異なるエネルギーを有するイオンが、異なる経路に
沿った前記荷電粒子回折手段を通過して移動することで
要した異なる時間によって相殺され、それによって前記
集群の各々における同一の質量対電子比を有するイオン
が同時に前記荷電粒子検出器に到達するように配設され
ることを特徴とする、電子分光法および二次イオン質量
分析法により試料表面を解析する装置。
【請求項２】前記ａ）、ｃ）、ｄ）、ｅ）、ｆ）および
ｈ）で特定された手段が、電子エネルギー分光計を構成
し、前記ｂ）、ｃ）、ｄ）、ｅ）、ｆ）およびｇ）で特
定された手段が、二次イオンの時間集束を提供する二次
イオン質量分析計を構成することを特徴とする請求項１
記載の装置。
【請求項３】前記荷電粒子集束手段が、前記荷電粒子回
折手段の入口平面に、二次イオン画像を形成することを
特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項４】前記荷電粒子回折手段および前記直線ドリ
フト領域が、これらの物を通過するイオンによって取ら
れる経路の相対長さが、二次イオンの第一オーダー時間
集束を得られるように、寸法決めされることを特徴とす
る請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】二次イオンを、異なるエネルギーを持って
前記荷電粒子回折手段および前記直線ドリフト領域を介
して移動させる手段をさらに備え、前記エネルギーが、
第一オーダー時間集束を得るように選択されることを特
徴とする請求項１〜３の何れかに記載の装置。
【請求項６】前記荷電粒子回折手段を構成する電極が、
荷電粒子回折手段の通過エネルギーを正確に有する荷電
粒子がそれに沿って移動する前記電極間の中心軌道の電
位が、荷電粒子が前記直線ドリフト領域の少なくとも一
部を横断する際の電位と異なるような電位に、電気的に
バイアスされることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】請求項１のｂ）の照射手段が、パルス化一
次イオンビームガンからなり、エキストラクタ電極が、
前記試料と前記荷電粒子集束手段との間に設けられるこ
とを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の装
置。
【請求項８】前記エキストラクタ電極が、前記荷電粒子
回折手段がイオンを伝播する場合に、電気的に接地され
ることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】前記荷電粒子回折手段が、半球状荷電粒子
エネルギー解析器からなることを特徴とする請求項１か
ら８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】電子エネルギー分光法および二次イオン
質量分析法によって試料表面を解析する方法であって、ａ）前記試料が電子分光法で解析される場合、照射によ
り、前記表面から電子を放射させ；ｂ）前記試料が二次イオン質量分析法で解析される場
合、前記表面から二次イオンの１つ以上の集群を発生さ
せ、前記各々の集群を構成する二次イオンは初期運動エ
ネルギーの広がりを有し、次いで前記各々の集群を構成
する二次イオンに電位傾向を通過させてこれを加速し；ｃ）前記工程ａ）またはｂ）で各々発生させた前記電子
または前記イオンを、 1)少なくとも幾つかの前記電子あるいは前記イオンが進
入して方向を変えることなく離脱し、かつ前記集群各々
のイオンが、その速度に従って時間的に分離する直線ド
リフト領域、および 2)荷電粒子が一方向から進入しかつ他方向から離脱する
とともに、概念上の入口平面および出口平面を備え、こ
れらは該入口平面を通過した電子のエネルギー分散電子
画像を該出口平面に形成することができるように配設さ
れ、そして前記集群の各々において所定の質量／電荷比
のイオンはより早いイオンがより長い経路を取り、従っ
てより長い移動時間を有する、荷電粒子回折手段、を介
して移動させ；ｄ）前記電子およびイオンが少なくとも１つの前記直線
ドリフト領域を通過する際に、少なくとも前記電子を集
束させて、電子が放射される表面の少なくとも一部の荷
電粒子画像が前記入口平面に形成されるようにし；ｅ）前記直線ドリフト手段および荷電粒子回折手段を通
過した後の電子またはイオンを検出し、それらの個数を
示す信号を形成し；ｆ）二次イオン質量分析法で試料を解析する場合に、前
記集群における前記イオンの少なくとも幾つかが、前記
直線ドリフト手段および荷電粒子回折手段を介して前記
荷電粒子検出手段に移動するのに要した時間を測定し、
これによって少なくとも前記表面の一部から放射された
イオンの少なくとも幾つかの質量／電荷比を決定し；か
つｇ）電子分光法で試料を解析する場合に、所望の範囲の
エネルギーを有する電子のみを、前記荷電粒子回折手段
を介して前記荷電粒子検出手段に到達させ、これによっ
て少なくとも幾つかの電子が前記試料から放射させられ
るエネルギーを決定する；ことからなり、二次イオン質量分析法で試料を解析する場合には、前記
直線ドリフト領域を通過する間での、同一の質量対荷電
比を有したイオンの分散した初期運動エネルギーによる
時間的な分離は、同一の質量／電荷比を有するものの、
異なるエネルギーを有するイオンが、異なる経路に沿っ
て前記荷電粒子回折手段を通過して移動することで要し
た異なる時間によって相殺され、それによって前記集群
の各々における同一の質量対電子比を有するイオンは、
前記直線ドリフト領域および前記荷電粒子回折手段を介
して移動するのに、同一の時間を要することを特徴とす
る電子エネルギー分光法および二次イオン質量分析法に
よって試料表面を解析する方法。
【請求項１１】直線ドリフト領域および荷電粒子回折手
段の相対長さが、二次イオンがこれらの物を介して取る
経路の相対長さが第一オーダー時間集束を得られるよう
に、寸法ぎめされることを特徴とする請求項１０記載の
方法。
【請求項１２】二次イオンを、異なるエネルギーを持っ
て、荷電粒子回折手段および少なくとも一部の直線ドリ
フト領域を介して移動せしめ、かつこのエネルギーを第
一オーダ時間集束が得られるように選択することを特徴
とする請求項１０記載の方法。