JPS5812978B2 - イオン線装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、イオンマイクロアナライザ、イオン打込み装
置などのイオン線装置、さらに詳しくは、これらイオン
線装置のイオン源の改良に関する。

最近、二次イオン分析法やイオン注入法などの分野にお
いて、固体成分イオンの利用度か高まってきている。

二次イオン分析法では、現在、主としてガス成分元素、
例えば０２＋，Ａｒ＋，Ｎｅ＋などが一次イオンとして
利用されている。

一般にイオン照射下における元素のイオン化率は、元素
の種類により大幅に変化し、Ｏ−やＡｒ＋イオンを利用
した場合には、第１図に示すように、１３ｅ ，Ｍｇ，
Ａｌ，Ｃａ，Ｉｎ，Ｒｅなどのイオン化率は極めて高い
が、Ｓ，Ａｓ，Ｓｅ，Ｃｄ，Ｔｅ，Ａｕ，Ｐｔなどは極
めて低い値を示す。

したがってＡｓ，Ｓｅ，Ｃｄ，Ｔｅ，Ａｕなどの分析を
行なう場合の感度はＢ ｅ ＋ Ｍｇ ＋Ａ７などに比
較して極めて低いことになる。

これは二次イオン分析法の一つの問題点とされている。

第２図に一次イオンとしてＣＳ＋イオンを用いた場合の
原子番号と相対イオン化率の関係を示す。

第１図と比較してわかるように、ＣＳ＋イオン照射の場
合、イオン化率の低いＳ，Ａｓ，Ｓｅ，Ｃｄ，Ｔｅ，Ａ
ｕなどが著るしく高いイオン化率を示すことがわかる。

Ｃｓ＋以外のＮａ十，Ｋ＋も同様な挙動を示す。

一方半導体分野においてもイオン注入法が盛んに行なわ
れており、Ｂ、 Ａｓ 、 Ｔ ｅなどのイオンが利用
されている。

これらのイオンは、これらの元素を含むガス状化合物を
放電によりイオン化させることにより生成させていた。

この場合には、必要とするガス状態の化合物が存在する
ことが不可欠であり、任意元素のイオンを単独で生成さ
せることは困難である。

また最近では、金属表面へのイオン注入を行なうことに
より、表面の耐熱性、表面硬度の改善を計っている例も
あり、今後ますます固体イオン源の重要度が増す傾向に
ある。

しかし現状では、上記のような要求をみたす固体イオン
源は存在せず、この分野の工業的発展が阻止されている
現状にある。

次に本発明を二次イオン分析法に利用した場合の実施例
について記述する。

はじめに二次イオン分析法の従来法について概略を記す
。

第３図に従来の二次イオン分析計の原理を示す。

二次イオン分析計は、主に一次イオン照射系、質量分析
計および走査形イオン顕微鏡より構成されている。

一次イオン照射系の役割は、イオンビームの発生と制御
を行ない試料表面に任意強度、任意形状のビームを照射
することにある。

一次イオン照射系は、ガスリーク制御装置１、カソード
２、中間電極３、アノード４、引出電極５、コンデンサ
レンズ６、対物紋り７、対物レンズ８、偏向電極９およ
びフィラメント電源１９、放電電源２０、加速電源２１
、レンズ電源２２より構成されている。

イオン銃（１ ，２，３，４．５より構成）より放出さ
れたイオンビーム１０は、レンズ系６，８により試料１
１上に集束され、照射される。

一方一次イオンビームは、偏向電極９と走査電源２８に
より、試料上の任意点に照射できるとともにＴＶ状に走
査させることもできる。

なお、２３は二次イオン加速電源、２４はセクタ電場電
源、２５はセクタ磁場電源である。

質量分析計は、二次イオン引出電極１２、セクタ電場１
３、β−スリット１５、セクタ磁場１４、イオン検知器
１６およびセクタ電磁場１３，１４、の駆動電源、イオ
ン電流増幅器２６および二次イオン信号の取り出し装置
２７より構成されている。

動作原理は、一次イオン照射によって発生した二次イオ
ン１８は、セクタ電場１３とセクタ磁場１４により、質
量・電荷比に分離され、検知器により検出され、読み出
し装置２７により読み出される。

また、必要に応じては、ＣＲＴ１７の輝度変調信号とし
て利用される。

走査形イオン顕微鏡は、上記した一次イオン照射系、質
量分析計などの補助手段とＣＲＴより構成されており、
一次イオンをＣＲＴの電子ビームと同期させて走査させ
るとともに試料から放出される二次イオンを質量分析計
により質量・電荷比に分け、特定イオンとして取り出し
、ＣＲＴ１７の輝度変調信号として利用することにより
、試料表面の元素分布を得る役割をもつ。

次に従来装置の問題点について簡単に記す。

第３図に示したように従来のイオン銃としては、デユオ
プラズマトロン形が多く採用されており、イオンは放電
現象を利用することにより生成させていた。

したがってイオンとして取り出せる元素はガス状で存在
することが不可欠な条件である。

固体成分イオンを利用する場合には、イオン銃の中に新
しく蒸発源を設け固体材料を加熱蒸発させ、ガス状にし
てイオン化を行なう方法が採用されていた。

この場合、次のような問題点があり現在実用化が行われ
ていない。

（１）融点が高く蒸気圧の低い元素または化合物に限ら
れる。

（２）安定な蒸発特性が得られず、イオンビームが不安
定である。

（３）イオン銃部が高温になり、電極その他の溶融事故
が起る。

（４）イオン源の汚染が著るしい。

本発明は、上記の従来装置の問題点を除去する目的で発
明されたものである。

本発明による固体イオン源を採用した二次イオン分析計
の概略図を第４図に、同分析計のイオン源部分の詳細図
を第６図に示す。

本発明の固体イオン源の基本的な考え方は、イオンビー
ムを固体イオン源材料に照射し、二次的に放出される固
体構成元素イオンをイオン源として利用することにある
。

本発明のイオン源装置は、イオン励起用イオンビーム照
射系とイオン照射を受けて二次的に放出されるイオンビ
ームを引出すための固体イオン引出系より構成されてい
る。

イオン励起用イオンビーム照射系は、ガス導入装置２９
、カソード３０、中間電極３１、アノード３２、引出電
極３３およびフィラメント電源４２、放電電源４１、加
速電源４０より構成されるデュオプラズマトロン形イオ
ン銃、イオンビーム集束用レンズ系３４、イオンビーム
を偏向させるための偏向電極３５およびその駆動電源３
８より構成されている。

固体イオン引出系は、固体試料支持台３６または固体イ
オン源４３、引出電極４５および制御電極３７より構成
されている。

なお３９は分圧器、４６はバイアス抵抗である。

次に本発明によるイオン源の動作原理について説明する
。

第４図の一次イオン励起用イオン源において、一次イオ
ン引出し電極３３、静電レンズ系３４、偏向電極３５は
、イオン源材料４３と同電位に保たれており、励起用イ
オン源２９，３０，３１、３２はイオン加速電源４０に
より、さらに高い電圧が印加されている。

励起用イオン源２９，３０，３Ｌ３２，３３より放出さ
れたイオンビーム４４は静電レンズ３４により、イオン
源材料４３上に集束される。

偏向電極３５はイオンビーム４４の照射位置を任意に変
えるのに利用される。

イオン照射を受けたイオン源材料４３はスパツタ現象に
より中性粒子とともにイオン源材料による二次イオンが
放出される。

そのようにして生成されたイオンは、イオン源材料４３
と制御電極３７およびイオン引出し電極４５のつくる電
場によりビームとして引出される。

本発明では、イオン衝撃法を採用しており、イオン源材
料の種類を選択することにより、任意の固体成分イオン
を取り出すことが可能である。

以上において、制御電極３７は本発明の目的のためには
必らずしも必要ではない。

しかし、制御電極３７かないと、励起用イオンビーム４
４はイオン源材料４３と引出し電極４５のつくる電場に
よりイオンビームが偏向を受け、ビームをイオン源材料
４３の上に正確に照射することが困難となるので制御電
極３７を第４図のように設ける方が望ましい。

そして、その電位をイオン源材料４３とほぼ同電位（±
２００Ｖ程度）に保てば、イオンビームの引出し電極４
５による不正偏向をさけイオン源材料４３上の任意の点
を正確に照射することができるようになる。

さらに、イオン源材料４３から放出されるイオンが正（
又は負）のとき制御電極３７の電位をイオン源材料４３
の電位より２００Ｖ程度正の電位又は２００ｖ程度負の
電位）に保てば、イオン源材料４３より放出されるイオ
ンビームは遠方焦点をもち、ビームの発散がさけられ、
イオン電流を効率よく試料１１上に到達させることがで
きる。

次に実施例について記す。

第４図において、励起用イオン源に２０ｋ■、イオン源
材料４３に１０ｋＶの高圧を印加し、種々の固体イオン
を取り出した例を下記の表に示す。

表よりＮａＣ１又はＡ７をＡｒ＋イオンで衝撃した場合
、取り出せる二次イオン電流は、ＮａＣｌではイオン化
効率が高く、励起用イオン電流４４とほぼ同程度のイオ
ン電流が取り出せるのに対してイオン化率の低いＡｌで
は二桁程度減少していることがわかる。

また励起用イオンとして０２＋イオンを利用した場合に
はＮａＣｌはＡｒ＋照射の場合とほぼ同じであるが、Ａ
ｌでは約１桁電流が増加していることがわかる。

以上はＮａＣｌ，Ａｌについて記したが、他の多くの固
体材料に対しても本発明を適用し、表と同様良好な結果
が得られる。

本発明を適用すれば従来困難であった任意の固体成分イ
オンが取り出せることが明らかになった。

最後に本発明のイオン源をイオンマイクロアナライザに
利用した場合を第４図にしたがって説明する。

イオン源材料４３としては、陽性元素イオンを取り出す
ためにＮａＣｌを用いた。

励起用イオンビーム４４としてはＡｒ＋イオンを利用し
、イオン源材料４３上で０． ５ ｍｍφになるように
調整した。

また照射エネルギーは５ｋｅＶに保った。イオン源材料
４３のＮａＣｌから二次的に放出されるイオンは、レン
ズ系６，８により集束され、試料１１上に照射される。

本実施例では、従来困難とされていた固体成分イオンの
一つであるＮａ＋イオンを種々の金属試料に照射し、二
次イオン化率の測定を行なった。

すでに第１図および第２図に示したように、一次イオン
としての陽性元素イオンに対して特に強いイオン化率を
示す元素と陰性元素イオンに対して強いイオン化率を示
す元素があり且つ両者は明確に区別される。

このような理由から両者を同時に利用すれば、イオン化
率が増加するとともに元素間のイオン化率が平均化され
ることが期待できる。

本実施例では、一次イオンとして陽性元素イオンである
Ｎａ＋イオンビームを用い、試料室に陰性ガスである０
２ガスを導入し、上記のイオン化率の向上およびイオン
化率の平均化を計った。

第５図に測定結果の一例を示す。図より次のことがいえ
る。

（１）各元素のイオン化率は、ほぼ１．５桁程度の範囲
に入っており、従来の４〜５桁の差が著るしく縮まって
いる。

（２）二次イオン化率の絶対値は、陽性または陰性元素
イオン照射で、高イオン化率を示す値で平均化が達成さ
れている。

上記二つの実施例より、本発明の特徴および効果を要約
すると次の通りである。

（ａ） 従来困難とされていた任意固体イオンをビー
ムとして取り出せる。

（ｂ） 本発明の制御電極を採用することにより、励
起用イオンビームが他の電極系の干渉なしにイオン源材
料の任意場所に照射できるようになり、イオン衝撃形イ
オン源の実用化が達成された。

（ｃ） 本発明のイオン源をイオンマイクロアナライ
ザに適用することにより、イオンマイクロアナライザの
最も重要な感度および定量性の向上に役立つ高イオン化
率およびイオン化率の平均化が達成された。

【図面の簡単な説明】

第１図は一次イオンとして陰性イオン、０−を用いて各
元素のイオン化率を示した図、第２図は一次イオンとし
て陽性イオンであるＣｓ＋イオンを用いて各元素のイオ
ン化率を示した図、第３図は、従来のガスイオン源を備
えたイオンマイクロアナライザの原理構成図、第４図は
本明に係る実施例を示す図、第５図は本発明の効果を示
す図、第６図は第４図のイオン源部分の拡大図である。 図において、１：ガスリーク制御装置、２：カソード、
３：中間電極、４：アノード、５：引出電極、６：コン
デンサレンズ、７：対物絞り、８：対物レンズ、９：偏
向電極、１０：イオンビーム、１１：試料、１２：二次
イオン引出電極、１３：セクタ電場、１４：セクタ磁場
、１５：β−スリット、１６：イオン検知器、１ ７
：ＣＲＴ，１ ８：二次イオン、１９：フィラメント電
源、２０：放電電源、２１：加速電源、２２：レンズ電
源、２３：二次イオン加速電源、２４：セクタ電場電源
、２５：セクタ磁場電源、２６：イオン電流増幅器、２
７：二次イオン信号の取り出し装置、２８：走査電源、
２９：ガス導入装置、３０：カソード、３１：中間電極
、３２：アノード、３３：引出電極、３４：イオンビー
ム集束用レンズ系、３５：偏向電極、３６：固体試料支
持台、３７：制御電極、３８：偏向電極の駆動電源、３
９：分圧器、４０：加速電源、４１：放電電源、４２：
フィラメント電源、４３：固体イオン源、４４：イオン
ビーム、４５：引出電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ イオン線装置において、ガスイオン源からの励起用
   イオンビームを固体イオン源となる固体材料に照射して
   得られる該固体材料のイオンを制御電極を通して引出し
   電極により引き出し、試料に照射すると共に前記制御電
   極を前記固体イオン源から放出されるイオンが正（また
   は負）のとき、前記励起用イオンビームに影響を与えな
   い程度に該固体イオン源の電位より正（または負）の電
   位に保持するようにしたことを特徴とするイオン線装置
   。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のイオン線装置において
   、前記制御電極に前記励起用イオンビームの軌導に沿っ
   て該イオンビームの通過孔を設けたことを特徴とするイ
   オン線装置。