JPS60240039A - Ion gun - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
（イ）目的
（産業上の利用分野）
本発明はＥＳＣＡ（Ｘ線電子分光法）やＡＥＳ（オージ
ェ電子分光法）、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）、Ｉ
ＳＳ （イオン散乱分光）等に用いられるイオン銃に関
するものである。Detailed description of the invention (a) Purpose (industrial application field) The present invention is applicable to ESCA (X-ray electron spectroscopy), AES (Auger electron spectroscopy), SIMS (secondary ion mass spectrometry),
This relates to an ion gun used for SS (ion scattering spectroscopy) and the like.
（従来の技術）
固体表面の分析方法の一つとして加速したイオンを試料
表面に照射することによって、表面のクリーニング、吸
着不純物の除去、深さ方向の分析等を行なうスパッタリ
ングがある。このスパッタリングはＡＥＳやＥＳＣＡ等
の表面分析には、不可欠である。これまで、このような
イオンビームを得るには静圧型イオン銃がよく用いられ
て来た。(Prior Art) As one method for analyzing the surface of a solid, there is sputtering, which cleans the surface, removes adsorbed impurities, and performs analysis in the depth direction by irradiating the surface of a sample with accelerated ions. This sputtering is essential for surface analysis such as AES and ESCA. Until now, a hydrostatic ion gun has often been used to obtain such an ion beam.
その静圧型イオン銃では、分析室とイオンを作るイオン
化室に１０− ’ Ｔｏｒｒ程度まで不活性ガスを導入
する方法をとっていた。そのため分析室の排気ポンプの
作動を停止しなければならず、分析室中の残留ガスの分
圧も高くなる欠点があった。The static pressure ion gun used a method of introducing an inert gas to about 10-' Torr into the analysis chamber and the ionization chamber where ions are produced. Therefore, the operation of the exhaust pump in the analysis chamber must be stopped, which has the drawback of increasing the partial pressure of residual gas in the analysis chamber.
しかし、最近の分析技術の向上にともなって、このよう
な不純物気体をも無視できなくなってきた。そこで、分
析室とイオン化室を不完全に分離して、分析室を超高真
空に保ったまま使用できる差動排気型イオン銃が要求さ
れるようになってきた。However, with recent improvements in analysis technology, it has become impossible to ignore such impurity gases. Therefore, there has been a demand for a differential pump ion gun that can be used while the analysis chamber is kept at an ultra-high vacuum by completely separating the analysis chamber from the ionization chamber.
差動排気型イオン銃で用いられる従来のイオン源を第４
図に示す。The conventional ion source used in the differential pump ion gun
As shown in the figure.
熱電子発生源として熱電子放出を利用するカソード１、
カソード１から放出された電子を必要な運動エネルギー
に達するように加速するためのグリッド２、加速された
電子とガス原子の相互作用によってイオンを発生させる
イオン化室３、発生したイオンを引き出す引出し電極４
、カソード１と同電位か又は少し低い電位にして、電子
をイオン化室３に閉じこめるリペラー５を備えている。a cathode 1 that uses thermionic emission as a thermionic source;
A grid 2 for accelerating the electrons emitted from the cathode 1 to reach the required kinetic energy, an ionization chamber 3 for generating ions through interaction between the accelerated electrons and gas atoms, and an extraction electrode 4 for extracting the generated ions.
, a repeller 5 is provided that confines electrons in the ionization chamber 3 at the same potential as the cathode 1 or at a slightly lower potential.
イオン化室３で発生したイオンは引出し電極４に引かれ
、イオン化室３のアパーチャ６から出射してくる。Ions generated in the ionization chamber 3 are drawn to the extraction electrode 4 and exit from the aperture 6 of the ionization chamber 3.
（発明が解決しようとする問題点）
第４図に示されたイオン源では、カソード１から出射し
た電子の走行距離及び滞在時間が短く、またイオン生成
場所の分布が広いことから、イオン化効率やイオンのア
パーチャ６からの出射率が低い問題がある。そのため、
次のような問題が発生する。(Problems to be Solved by the Invention) In the ion source shown in FIG. 4, the traveling distance and residence time of the electrons emitted from the cathode 1 are short, and the distribution of ion generation locations is wide, so the ionization efficiency is low. There is a problem that the exit rate of ions from the aperture 6 is low. Therefore,
The following problems occur:
（１）イオン化室３のガス濃度を低くできない。(1) The gas concentration in the ionization chamber 3 cannot be lowered.
その結果、分析室の真空度が低下する。As a result, the degree of vacuum in the analysis chamber decreases.
３− （２）イオンビーム強度を高くできない。3- (2) The ion beam intensity cannot be increased.
（３）アパーチャ６の径を小さくできない。その結果、
アパーチャ６を出たイオンのうち、中心軸からずれたも
のが引出し電極４に衝突し、引出し電極が消耗する。(3) The diameter of the aperture 6 cannot be made small. the result,
Among the ions exiting the aperture 6, those deviated from the central axis collide with the extraction electrode 4, and the extraction electrode is consumed.
本発明は、イオンビームの集中度を高め、十分なイオン
ビーム強度を保ちつつ真空度を高めることができるイオ
ン銃を提供することを目的とするものである。An object of the present invention is to provide an ion gun that can increase the degree of concentration of an ion beam and increase the degree of vacuum while maintaining sufficient ion beam intensity.
本発明はまた、更に引出し電極の消耗を少なくしたイオ
ン銃を提供することを目的とするものである。Another object of the present invention is to provide an ion gun in which the consumption of extraction electrodes is reduced.
（ロ）発明の構成
（問題点を解決するための手段）
本発明は電子衝撃型のイオン源を備えたイオン銃であっ
て、そのイオン源ではイオン化室にグリッドを取りまい
て小形磁石が配置されており、熱電子発生源はその小形
磁石による磁界の零点近傍に配置されている。(B) Structure of the Invention (Means for Solving Problems) The present invention is an ion gun equipped with an electron impact type ion source, in which a small magnet is arranged surrounding a grid in an ionization chamber. The thermionic source is placed near the zero point of the magnetic field produced by the small magnet.
更に本発明では、イオンが取り出されるイオン４−
源のアパーチャ径が引出し電極の入口径より小さく設定
されている。Furthermore, in the present invention, the diameter of the aperture of the ion source from which ions are extracted is set smaller than the diameter of the entrance of the extraction electrode.
（実施例）
第１図は本発明の一実施例のイオン銃であり、第２図は
同実施例のイオン源部の拡大図である。(Embodiment) FIG. 1 shows an ion gun according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of the ion source section of the same embodiment.
第１図のイオン銃は、イオンを発生するイオン源１０と
、そのイオンを引き出し特定の方向へ導くレンズ系を有
する中間部分２０とからなり、中間部分２０の先端は分
析部等のある超高真空チャンバーに挿入される。The ion gun shown in FIG. 1 consists of an ion source 10 that generates ions, and an intermediate section 20 that has a lens system that extracts the ions and guides them in a specific direction. inserted into a vacuum chamber.
イオン源１０と中間部分２０とは軟鉄製のアパーチャ面
１１のアパーチャ１２によりつながっている。アパーチ
ャ１２の直径は例えば１ｍｍ以下というように小さい。The ion source 10 and the intermediate section 20 are connected by an aperture 12 in an aperture surface 11 made of soft iron. The diameter of the aperture 12 is small, for example, 1 mm or less.
イオン源１０内では熱電子を放出するカソード１３、カ
ソード１３から放出された電子を加速するグリッド１４
の他に、グリッド１４を取り囲むように小形で円筒形の
永久磁石１６が設けられている。そして、カソード１３
は永久磁石１６の磁場の零点近傍に位置するように固定
されている。Inside the ion source 10, there is a cathode 13 that emits thermoelectrons, and a grid 14 that accelerates the electrons emitted from the cathode 13.
In addition, a small cylindrical permanent magnet 16 is provided to surround the grid 14. And cathode 13
is fixed so as to be located near the zero point of the magnetic field of the permanent magnet 16.
グリッド１４の内側がイオン化室となる。The inside of the grid 14 becomes an ionization chamber.
１７はイオン化されるガスを供給すガス導入口、１８は
真空ポンプにつながるイオン源用ガス排気口である。17 is a gas inlet for supplying gas to be ionized, and 18 is an ion source gas exhaust port connected to a vacuum pump.
アパーチャ面１１にはｖａとして、例えば２ＫＶが印加
され、アパーチャ面１１と永久磁石】６により電子を閉
じこめるリペラーの役目をしている。カソード１３には
更にそれよりｖｂとして例えば２００ｖが印加され、グ
リッド１４には更にそれよりＶｃとして例えば２００Ｖ
が印加されて使用される。For example, 2 KV is applied as VA to the aperture surface 11, and the aperture surface 11 and the permanent magnet [6] function as a repeller to confine electrons. For example, 200V is applied to the cathode 13 as Vb, and to the grid 14, for example, 200V is applied as Vc.
is applied and used.
中間部分２０ではアパーチャ１２の近くに引出し電極２
１が設けられ、それにつづいて、引き出されたイオンを
集束させ偏向させるレンズ系２２〜２５が設けられてい
る。２６はこの中間部分２０を排気するための排気口で
あり、中間部分２０とイオン源１０とはアパーチャ１２
でつながって差動排気が行なわれる。中間部分２０には
また、分析部等の高真空チャンバーとの間にアパーチャ
２８が設けられ、ここでも作動排気が行なわれる。In the intermediate portion 20, an extraction electrode 2 is provided near the aperture 12.
1 is provided, followed by lens systems 22 to 25 for focusing and deflecting the extracted ions. 26 is an exhaust port for exhausting the intermediate portion 20, and the intermediate portion 20 and the ion source 10 are connected to the aperture 12.
differential pumping is performed. The intermediate portion 20 is also provided with an aperture 28 between it and a high vacuum chamber such as an analysis section, and operational evacuation is also performed here.
引出し電極２１は接地され、レンズ系２２〜２５にはそ
れぞれ適当な電圧が印加される。The extraction electrode 21 is grounded, and appropriate voltages are applied to each of the lens systems 22 to 25.
イオン源１０を詳細に示す第２図において、永久磁石１
６からの磁力線３０は図に表わされるような形をしてお
り、磁界が零になる点が存在する。In FIG. 2, which shows the ion source 10 in detail, the permanent magnet 1
The magnetic field lines 30 from 6 have a shape as shown in the figure, and there is a point where the magnetic field becomes zero.
図ではこの点の近傍にカソードとしてのＬａＢ６を素材
とする固体の熱電子発生源１３が設置されている。In the figure, a solid thermionic generation source 13 made of LaB6 as a cathode is installed near this point.
アパーチャ１２の直径は例えば１ｍｍあるいはそれ以下
というように小さく開けられており、引出し電極２１の
先端の入口２７の直径はアパーチャ１２の直径に比べる
と十分に大きくされている。The diameter of the aperture 12 is small, for example 1 mm or less, and the diameter of the inlet 27 at the tip of the extraction electrode 21 is made sufficiently larger than the diameter of the aperture 12.
本実施例において、イオン源１０でガス導入口１７から
供給されたガスはイオン化室に拡散する。In this embodiment, gas supplied from the gas inlet 17 of the ion source 10 diffuses into the ionization chamber.
カソード１３から放出された電子は電界によってグリッ
ド１４方向に引かれ、加速され、永久磁石１６の磁界に
より螺旋運動をしながらガスに衝突し、イオン化を起さ
せる。このとき、カソード１３が磁界零の点の近傍に置
かれているので、放出された電子はカソード１３とグリ
ッド１４との７−
間の電界及び磁界によって、第２図に示されるような磁
力線３０を中心軸とする螺旋運動をしながらイオン源の
中心軸３１ （アパーチャ１２はこの軸３１上にある）
近くに集まり、この中心軸３１に沿って螺旋運動をしな
がらアパーチャ１２の方向へ移動する。それ故、イオン
化はアパーチャ１２を通る中心軸３１近傍で、しかもア
パーチャ１２の近くで生じる。Electrons emitted from the cathode 13 are pulled toward the grid 14 by the electric field, are accelerated, and collide with the gas while moving in a spiral due to the magnetic field of the permanent magnet 16, causing ionization. At this time, since the cathode 13 is placed near the point of zero magnetic field, the emitted electrons are caused by the electric and magnetic fields between the cathode 13 and the grid 14 to form lines of magnetic force 30 as shown in FIG. The central axis 31 of the ion source is moved in a spiral around the central axis (the aperture 12 is on this axis 31).
They gather close together and move in the direction of the aperture 12 while making a spiral movement along this central axis 31. Ionization therefore occurs near the central axis 31 passing through the aperture 12 and near the aperture 12.
生じたイオンはグリッド１４とアパーチャ面１１との電
位差（例えば約２００Ｖ）に引かれてアパーチャ１２か
ら飛び出し、さらにアパーチャ ゛面１１と引出し電極
２１との電位差（例えば約２ＫＶ）に引かれ、レンズ系
の各電極２２〜２５を通過後、アパーチャ２８を経てイ
オン銃出口から出射される。The generated ions are attracted by the potential difference between the grid 14 and the aperture surface 11 (for example, about 200 V) and fly out from the aperture 12, and are further attracted by the potential difference between the aperture surface 11 and the extraction electrode 21 (for example, about 2 KV), and are drawn into the lens system. After passing through each of the electrodes 22 to 25, the ion beam passes through the aperture 28 and is emitted from the ion gun outlet.
第３図は他の実施例におけるアパーチャ面１１を示すも
のであり、アパーチャ１２を取り囲む突起４０が設けら
れている。この突起４０はアパーチャ面１１と同じ軟鉄
で形成されている。永久磁石１６からの磁力線は、突起
４０がなくても十分８−
な性能をもっているが、この突起４０により一層中心軸
方向に集中するようになり、イオン化効率が向上する利
点がある。FIG. 3 shows the aperture surface 11 in another embodiment, in which a protrusion 40 surrounding the aperture 12 is provided. This protrusion 40 is made of the same soft iron as the aperture surface 11. Although the magnetic lines of force from the permanent magnet 16 have sufficient performance without the protrusion 40, the protrusion 40 makes them more concentrated in the direction of the central axis, which has the advantage of improving ionization efficiency.
本発明で使用される小形の磁石としては、アルニコ５、
アルニコ８又はフェライトなどを素材とする永久磁石が
最も好ましい。永久磁石の場合、小形にできるので、真
空のイオン化室内に装着するのが容易である。The small magnets used in the present invention include Alnico 5,
Permanent magnets made of Alnico 8 or ferrite are most preferred. In the case of permanent magnets, they can be made small, so they can be easily installed inside a vacuum ionization chamber.
また、熱電子発生源としては、タングステンなどのフィ
ラメントでも可能であるが、第２図に示されているよう
な］−ａＢｓのような固体の熱電子発生源を使用すれば
、フィラメント切れなどがなく好都合である。In addition, a filament such as tungsten can be used as the thermionic source, but if a solid thermionic source such as -aBs shown in Figure 2 is used, the filament will not break. It's very convenient.
（ハ）発明の効果
本発明では、イオン源において磁場の影響により、イオ
ン化がアパーチャ軸の近くで、しかもアパーチャの近く
で生じるので、アパーチャが小さくてもアパーチャから
出射する率が高くなる。また、電子が螺旋運動をするの
でイオン化室内での電子の走行距離と滞在時間が長くな
るため、イオン化率も高くなる。(C) Effects of the Invention In the present invention, ionization occurs near the aperture axis and also near the aperture due to the influence of the magnetic field in the ion source, so even if the aperture is small, the rate of emission from the aperture is high. In addition, since the electrons move in a spiral manner, the travel distance and residence time of the electrons within the ionization chamber become longer, resulting in a higher ionization rate.
そして、イオン化率及びアパーチャからのイオンの出射
率が高くなる結果、アパーチャを１ｍｍあるいはそれ以
下というように小さくできるので、イオン化室と分析室
に通じる中間部との間の差動排気が有効に行なわれ、例
えばイオン化室で１０−５Ｔｏｒｒ、中間部で１０−’
Ｔｏｒｒで使用できる。これに対し、従来のイオン銃
では、これと同様の性能を得ようとするとそれぞれ１０
−’。As a result of increasing the ionization rate and the rate of ion exit from the aperture, the aperture can be made as small as 1 mm or less, allowing effective differential pumping between the ionization chamber and the intermediate section leading to the analysis chamber. For example, 10-5 Torr in the ionization chamber and 10-' in the middle part.
Can be used with Torr. On the other hand, with conventional ion guns, if you try to obtain the same performance as this, each
-'.
１０−” Ｔｏｒｒ程度で使用しなければならなかった
。It had to be used at about 10-'' Torr.
さらに、アパーチャの直径をホさくできる結果、引出し
電極の入口の直径をそれより十分に大きくすることがで
き、アパーチャから出射されたイオンが引出し電極に当
たることがなくなり、引出し電極が劣化するという問題
もなくなる。Furthermore, as the diameter of the aperture can be made smaller, the diameter of the entrance of the extraction electrode can be made sufficiently larger than that, which prevents the ions emitted from the aperture from hitting the extraction electrode, which eliminates the problem of deterioration of the extraction electrode. It disappears.
第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は同実
施例のイオン源部を拡大して示す端面図、第３図は他の
実施例におけるアパーチャ近傍を示す要部断面図、第４
図は従来のイオン銃で使用されているイオン源部を示す
概略図である。
１０・・・・・・イオン源、１２・・・・・・アパーチ
ャ、１３・・・・・・熱電子発生源、１６・・・・・・
磁石、２１・・・・・・引出し電極。
代理人 弁理士 野口繁雄
第２図
Ｖｂ Ｖｃ
第３図FIG. 1 is a cross-sectional view showing one embodiment of the present invention, FIG. 2 is an end view showing an enlarged view of the ion source section of the same embodiment, and FIG. 3 is a cross-sectional view of main parts showing the vicinity of the aperture in another embodiment. Figure, 4th
The figure is a schematic diagram showing an ion source used in a conventional ion gun. 10...Ion source, 12...Aperture, 13...Thermionic source, 16...
Magnet, 21... Extraction electrode. Agent Patent Attorney Shigeo Noguchi Figure 2 Vb Vc Figure 3
Claims (6)
の発生したイオンを特定の方向へ導くレンズ系とを備え
たイオン銃において、 前記イオン源のイオン化室に小形磁石が配置されている
とともに、熱電子発生源がその小形磁石による磁界の零
点近傍に配置されていることを特徴とするイオン銃。(1) In an ion gun equipped with an electron impact type ion source that generates ions and a lens system that guides the generated ions in a specific direction, a small magnet is disposed in the ionization chamber of the ion source, and , an ion gun characterized in that a thermionic generation source is placed near the zero point of the magnetic field generated by the small magnet.
磁石である特許請求の範囲第１項に記載のイオン銃。(2) The ion gun according to claim 1, wherein the small magnet is a built-in cylindrical permanent magnet surrounding a grid.
源である特許請求の範囲第１項に記載のイオン銃。(3) The ion gun according to claim 1, wherein the thermionic source is a solid thermionic source such as LaB5.
の発生したイオンを特定の方向へ導くレンズ系とを備え
たイオン銃において、 前記イオン源のイオン化室に小形磁石が配置されている
とともに、熱電子発生源がその小形磁石による磁界の零
点近傍に配置されており、かつ、イオンが取り出される
前記イオン源のアパーチャ径は引出し電極の入口径より
小さいことを特徴とするイオン銃。(4) In an ion gun equipped with an electron impact type ion source that generates ions and a lens system that guides the generated ions in a specific direction, a small magnet is disposed in the ionization chamber of the ion source, and An ion gun characterized in that a thermionic generation source is arranged near the zero point of the magnetic field produced by the small magnet, and an aperture diameter of the ion source from which ions are taken out is smaller than an entrance diameter of the extraction electrode.
ある特許請求の範囲第４項に記載のイオン銃。(5) The ion gun according to claim 4, wherein the small magnet is a cylindrical permanent magnet surrounding a grid.
源である特許請求の範囲第４項に記載のイオン銃。(6) The ion gun according to claim 4, wherein the thermionic source is a solid thermionic source such as LaB5.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59095330A JPS60240039A (en) | 1984-05-11 | 1984-05-11 | Ion gun |
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|---|---|---|---|
| JP59095330A JPS60240039A (en) | 1984-05-11 | 1984-05-11 | Ion gun |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60240039A true JPS60240039A (en) | 1985-11-28 |
| JPH0562421B2 JPH0562421B2 (en) | 1993-09-08 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59095330A Granted JPS60240039A (en) | 1984-05-11 | 1984-05-11 | Ion gun |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60240039A (en) |
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