JPS5835345B2 - マイクロプロ−ブ二次イオン質量分析計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、−次イオン用イオン源から放出された一次
イオンを質量分離器を分離し、そしてレンズ系を介して
径を絞った数ｌＩｍ〜１μｍ程度の細いアルゴンイオン
等の一次イオンビームを試料表面に当て或いはラスタし
、試料から出てくる二次イオンを四重極質量分析計で分
析して、試料中の各元素の濃度分布を分析するマイクロ
プローブ二次イオン質量分析計に関するものである。

従来、提案されている二重収束型質量分析計を用いたイ
オンプローブアナライザーではイオンエネルギー分析器
は必要ではないが、四重極質量分析計を用いたマイクロ
−プローブ二次イオン質量分析計ではイオンエネルギー
分析器が必要であり、例えば第１図に示すように、端縁
効果を無視できるように寸法の相当大きな球面静電イオ
ンエネルギー分析器を使用し、試料表面に対して一次イ
オンを斜方向から入射させている。

このような構造では分析すべき試料の表面に凹凸がある
時には入射−次イオンビームが斜めであるので、その部
分が影となり十分な分析を行なうことができない。

一般にこの種の分析装置において、試料を一次イオンビ
ームで破壊したくない場合には、−次イオンの電流密度
は小さい方がよいが、しかし試料の表面から内部へ向っ
ての各元素の濃度分布を分析する場合には電流密度は大
きい方がよい。

すなわち大電流の方が二次イオンの強度も大きく、質量
分析が容易となる。

一方、−次イオンビームの試料表面におけるスポットの
大きさに関しては、解像力を問題にしないで分析する場
合にはスポットを極端に小さくする必要はないが、装置
の解像力を大きくしない場合には、スポットの大きさを
できるだけ小さくする必要がある。

試料表面に当る一次イオンビームの径を小さくするため
に、−次イオン用イオン源から放出された一次イオンビ
ームを質量分離器で質量分離した後の特定の一次イオン
のスポットの径をａｔとし、径ｄ１の一次イオンを第１
縮小レンズで縮小して得られた一次イオンの径をｄ２と
し、さらにこれを最終レンズで縮小して試料表面上に径
ｄの一次イオンビームが得られるものとする。

今、ｄ１＝１間、第１縮小レンズの縮小率をＡ１、最終
レンズノ縮小率をＡ２、Ａ１ ×Ａ２−１ｏｏｏとする
と、もしレンズ系に収差がなければｄ＝１μｍとなる。

実際には、最終レンズの球面収差によって試料表面に当
る一次イオンビームの径が決まってしまう。

レンズの色収差を小さくできたとして、−次イオンの最
終系ｄと一次イオンビームの強度の最大値ｉ ｐｍａ
ｘとの間に次の関係が成立つ。

この式でβは質量分離後の一次イオンビームのスポット
の輝度であり、またＣｓは最終レンズの球面収差係数で
あり、すなわち、 Ｃ３＝Ｋｓ−ｆ （２）である
。

こ＼でＫｓはレンズの形状で決まる球面収差常数であり
、ｆはレンズの焦点距離である。

従って、上記関係式かられかるように、−次イオンビー
ムの電流強度をできるだけ太きくシ、そのスポットの径
をできるだけ小さくするためには、球面収差係数Ｃｓを
できるだけ小さくすることが必要である。

従って球面収差常数Ｋｓの小さい最善の静電レンズを用
いるとしても、焦点距離ｆを小さくシ、即ち最終レンズ
を試料にできるだけ接近できるようにすることが重要と
なる。

また上記型の分析形において、試料から出てくる二次イ
オンは普通Ｏ〜１００ ｅＶ 程度のエネルギー分布を
もっているが、四重極質量分析計で良好な分解能を得る
ためには、四重極部に入るイオンのエネルギーを１０
ｅＶ或いはそれ以下にする必要があり、従ってイオンエ
ネルギー分析器で二次イオン中ある幅のエネルギーをも
つものだけを四重極質量分析計に入れるようにしなくて
はならないＯ さらに、マイクロプローブ二次イオン質量分析計におい
ては分析上の応用として二次イオンの工ネルギー分布を
考察できることも重要である。

そこで、この発明の目的は、従来のイオンプローブ分析
計の欠点を除去すると共に上記した問題点を解決したマ
イクロプローブ二次イオン質量分析計を提供することに
ある。

従って、この発明による分析計においては、球面静電イ
オンエネルギー分析器に、セラミック円板の各場所場所
で球面の中心からの半径に比例した厚さの抵抗膜を表面
に付けたセラミック板を設けて端縁の電場の乱れを完全
になくシ、また−次イオンビームを球面静電イオンエネ
ルギー分析器を貫いて試料表面に垂直に入射させ、そし
て試料からの二次イオンを試料表面に垂直方向に堆り出
し、試料表面に凹凸があっても影ができないようにする
と共に最終レンズを試料に近い位置に配置できるように
構成される。

このように球面の中心からの半径に比例した厚さの抵抗
膜を表面に取付けたセラミック板を設けることによって
、球面静電イオンエネルギー分析器の小型化に伴なう端
縁での乱れの増大を防止でき、従って球面静電イオンエ
ネルギー分析器を小さく構成して最終レンズと試料との
距離を小さくでき、その結果−次イオンビームの試料面
でのスポット径を小さくさせることができる。

また、この発明による分析計においては、試料と球面静
電イオンエネルギー分析器の上記セラミック板との間に
サプレッション電極が設けられ、またセラミック板の貫
通部にも円筒電極を設け、試料が金属から成る場合には
、このサプレッション電極に試料と同じ電位を加え、減
速電場が試料表面に達するのを防ぐと共にサプレッショ
ン電極と円筒電極とに適当な電位を与え試料に適当な負
電位を与え１ｅＶ〜１００ｅＶ程度の初速度をもつイオ
ンを球面静電イオンエネルギー分析器の入口に適当な速
度をもって集束するようにし、また試料が絶縁物の場合
には一次イオンとして負イオンを用いサプレッション電
極に適当な負電圧をかけ試料から放出される二次電子の
一部を試料に押し戻して試料が帯電しないように構成さ
れ得る。

さらに、この発明においては、残留ガスを分析するため
の別のイオン源を設け、残留ガスを測定する際には球面
静電イオンエネルギー分析器の電位をゼロにし、この別
のイオン源からのイオンを四重極質分析計に入れて分析
できるようにすることもできる。

以下添付図面の第２・３図を参照してこの発明をさらに
説明する。

第２図にはマイクロプローブ二次イオン質量分析計の全
体構成を概略的にし、１はアルゴンイオン等を放出する
イオン源、２は質量分離器で、イオン源１から放出され
た一次イオンを磁場により質量分離して特定のイオンの
みを取り出す。

３は第１縮小レンズで、質量分離器２で分離された特定
の一次イオンビームの径を絞る。

４はスリット５は偏向用電極、６は最終レンズで、この
最終レンズ６によって、−次イオンビームは更に絞られ
数μｍ〜１μｍ程度の細い一次イオンビームに形成され
る。

また７は球面静電イオンエネルギー分析器、８は試料、
９は残留ガス分析用の別のイオン源、１０は四重極質量
分析計、１１は二次電子増倍器である。

第３図にはこの発明による分析計の一実施例の主要部を
断面図で示す。

第３図において、１２は球面静電イオンエネルギー分析
器で、この分析器１２には半径ｒに比例した厚さをもつ
抵抗膜を表面につけたセラミック板１３が設けられてい
る。

試料１４は球面静電イオンエネルギー分析器１２の入口
を威すセラミック板１３の開口部１３ａの下方に位置さ
れ、適当な電源に接続される。

この試料１４と球面静電イオンエネルギー分析器１２の
セラミック板１３との間にサプレッション電極１５が配
置され、このサプレッション電極１５はセラミック板１
３の開口部１３と共に円筒状レンズを形成している。

１６は最終レンズで、これは−次イオンのイオン源から
の一次イオンビームを球面静電イオンエネルギー分析器
１２の壁を貫いてセラミック板１３の開口部１３ａおよ
びサプレッション電極１５を通って試料１４の表面に垂
直に入射させるように位置決めされる。

サプレッション電極１５は前述のように、試料１４が金
属の場合には試料１４と同じ電位に接続されて試料表面
に減速電場が達するのを阻止すると共に１ ｅＶ〜１０
０ ｅＶの初速度のイオンを適当な速度をもって球面静
電イオンエネルギー分析器１２の入口に集めるように作
用する。

またサプレッション電極１５は、絶縁物の試料の場合に
は適当な負電圧をかけられ、試料１４から放出される二
次電子の一部を試料に押し戻して試料帯電しないように
作用する。

１７は残留ガス分析用の別のイオン源で、このイオン源
１７からのイオンは一次イオンビームと同様に球面静電
イオンエネルギー分析器１２の壁を貫いて供給され得る
。

１８は円筒状レンズで、球面静電イオンエネルギー分析
器１２のセラミック板１３と四重極質量分析計１９との
間に配置されている。

以上説明してきたように、この発明の分析計においては
、半径ｒに比例した厚さの抵抗膜を表面につけたセラミ
ック板を用いて端縁の電場の乱れを完全１こ除去してい
るので従来と比較して寸法の小さな球面静電イオンエネ
ルギー分析器を使用でき、コンパクトに構成することが
でき、また試料に対する一次イオンビームの入射および
二次イオンの取り出しを垂直方向に行なっているので試
料１こ凹凸があっても影ができず、また最終レンズを試
料の近くに配置することができ、電流密度の大きくてス
ポットの小さい一次イオンビームを得ることができ、試
料の形状に関係なく満足な解像力を得ることができる。

またサプレッション電極の作用で試料の材質に関係なく
満足な分析を行なうことができる。

さらにこの発明による分析計においては残留ガス分析用
のイオン源を備えているので残留ガスの分析も行なうこ
とができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は従来型の四重極質分析計を用いたマイクロプロ
ーブニ次イオン分析計の原理を示し、第２図はマイクロ
プローブニ次イオン分析計の全体構成を示し、第３図は
この発明の一実施例を概略的に示す。 図中、１２は球面静電イオンエネルギー分析器、１３は
表面に抵抗膜をつけたセラミック板、１４は試料、１５
はサプレッション電極、１６は最終レンズ、１７は残留
ガス分析用の別のイオン源、１９は四重極質量分析計で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １−次イオン用イオン源から放出された一次イオンを質
   量分離器で分離しそしてレンズ系を介して径を絞った特
   定の細い一次イオンビームを試料表面に当て、試料から
   出てくる二次イオンを四重極質量分析計で分析して試料
   中の各元素の濃度分布を分析するように構成したマイク
   ロプローブ二次イオン質量分析計において、球面静電イ
   オンエネルギー分析器を有し、この球面静電イオンエネ
   ルギー分析器が試料に対向した開口位置と四重極質量分
   析計に対向した開口位置とを通る面上に端縁の電場の乱
   れを除去するため球面の中心からの半径に比例した厚さ
   の抵抗膜を表面に取付けたセラミック板を備え、−次イ
   オンビームを球面静電イオンエネルギー分析器を貫いて
   試料表面に垂直に入射し、そして試料表面からの二次イ
   オンを試料表面に垂直な方向に増り出すようにし、レン
   ズ系の最終レンズを試料に近い位置に配置したことを特
   徴とするマイクロプローブ二次イオン質量分析計。 ２−次イオン用イオン源から放出された一次イオンを質
   量分離器で分離しそしてレンズ系を介して径を絞った特
   定の細い一次イオンビームを試料表面に当て、試料から
   出てくる二次イオンを四重極質量分析計で分析して試料
   中の各元素の濃度分布を分析するように構成したマイク
   ロプローブ二次イオン質量分析計１こおいて、球面静電
   イオンエネルギー分析器を有し、この球面静電イオンエ
   ネルギー分析器が試料に対向した開口位置と四重極質量
   分析計に対向した開口位置とを通る面上に、端縁の電場
   の乱れを除去するため球面の中心からの半径に比例した
   厚さの抵抗膜を表面に取付けたセラミック板を備え、−
   次イオンビームを球面静電イオンエネルギー分析器を貫
   いて試料表面に垂直１こ入射し、そして試料表面からの
   二次イオンを試料表面に垂直な方向に取り出すようにし
   、レンズ系の最終レンズを試料に近い位置に配置し、さ
   らに、試料と球面静電イオンエネルギー分析器の抵抗膜
   を備えたセラミック板との間にサプレッション電極を設
   け、試料が金属である場合にはサプレッション電極を試
   料と同じ電位に接続し、また試料が絶縁物である場合に
   は一次イオンに負イオンを用いサプレッション電極を適
   当な負電圧に保つことを特徴とするマイクロプローブ二
   次イオン質量分析計。 ３−次イオン用イオン源から放出された一次イオンを質
   量分離器で分離しそしてレンズ系を介して径を絞った特
   定の細い一次イオンビームを試料表面に当て、試料から
   出てくる二次イオンを四重極質量分析計で分析して試料
   中の各元素の濃度分布を分析するように構成したマイク
   ロプローブ二次イオン質量分析計において、球面静電イ
   オンエネルギー分析器を有し、この球面静電イオンエネ
   ルギー分析器が試料に対向した開口位置と四重極質量分
   析計に対向した開口位置とを通る面上に、端縁の電場の
   乱れを除去するため球面の中心からの半径に比例した厚
   さの抵抗膜を表面に取付けたセラミック板を備え、−次
   イオンビームを球面静電イオンエネルギー分析器を貫い
   て試料表面に垂直に入射し、そして試料表面からの二次
   イオンを試料表面に垂直な方向に取り出すようにし、レ
   ンズ系の最終レンズを試料に近い位置に配置し、さらに
   、残留ガスを分析するための別のイオン源を設け、球面
   静電イオンエネルギー分析器の電位をゼロにし、上記別
   のイオン源からのイオンを球面静電イオンエネルギー分
   析器を貫いて四重極質量分析計へ入れることを特徴とす
   るマイクロプローブ二次イオン質量分析計。