JPS6355846A - 二次中性粒子質量分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、被分析物である試料に一次イオンビーム等を
照射してスパッタを行なうことにより発生する二次中性
粒子を紫外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なう、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 試料からスパッタされる二次中性粒子をイオン化して質
量スペクトルを測定することで試料の質量分析を行なう
二次中性粒子質量分析装置においては、二次中性粒子を
イオン化するのに紫外レーザが用いられる。このイオン
化に十分な出力をもつ紫外レーザは、エキシマレーザと
ＹＡＧレーザの２種類で、ともにパルスレーザである。

第２図に、このようなパルス紫外レーザを備えた従来の
二次中性粒子質量分析装置の一例を示す。

この二次中性粒子質量分析装置は、スイー、エイチ、ベ
ッカー（Ｃ０Ｈ１Ｂｅｃｋｅｒ）とケイ、ｆイー、　　
ジレン（Ｋ、　Ｔ、　Ｇ１１ｌｅｎ）がアナリティカル
　ケミストリー（Ａｎａｌ、Ｃｈｅｍ、）第５６巻、１
９８４年の１６７１ページに発表したものである。

試料５の表面をスパッタする一次イオンビームＰＢは、
−次イオン発生装置１から発生する。こノー次イオンビ
ームＰＢは、アルゴンまたは酸素等のガスをイオン化し
たものである。−次イオン発生装置１からの一次イオン
ビームＰＢは、電子レンズ２により収束させた後、偏向
電極３に入射させる。偏向電極３では、試料５からスパ
ッタされる二次中性粒子のイオン化を行なう紫外レーザ
４の発光に同期するよう一次イオンビームＰＢをパルス
化する。このパルス化された一次イオンビームＰＢが試
料の表面に照射されると、その衝撃によって試料５から
はパルス状に二次中性粒子と二次イオンとがスパッタさ
れる。このうち二次中性粒子は、レンズ６により試料５
の上方に集光される紫外レーザ４からの紫外レーザ光Ｕ
■により一イオン化されて光励起イオンＰＩとなる。こ
の光励起イオンＰＩは引き出し電極７、次いで収束レン
ズ系８を経て引き出される。引き出された光励起イオン
ＰＩは、飛行時間型質量分析計９を通過してイオン検出
器１０に到達する。同時に光励起されたイオンでも質量
が異なるとイオン検出器ＩＯに到達するまでの時間が異
なるため、この時間差を利用して、飛行時間型質量分析
計９で試料５の質量分析を行なうことができる。

第３図に偏向電極３によりパルス状にされた一次イオン
ビームＰＢと紫外線レーザ４からの紫外レーザパルスＵ
■のタイミングおよびこのタイミングで試料５からスパ
ッタされた二次イオンと光励起イオンＰＩがイオン検出
器１０で検出された信号である二次イオン信号１１と光
励起イオン信号１２を示す。−次イオンパルスの後に紫
外レーザパルスが発光するタイミングとなっているので
、−次イオンパルスの衝撃により試料５から発生する二
次イオンの信号である二次イオン信号１１は、紫外レー
ザパルスにより二次中性粒子をイオン化した光励起イオ
ンＰＩの信号である光励起イオン信号１２よりも早くイ
オン検出器１０に生起する。従って、両信号は、イオン
検出器１０に到達する時間の差を利用して区別が可能で
ある。

二次中性粒子と二次イオンとを比較すると、二次中性粒
子のほうがスパッタ量が多い。さらに、二次中性粒子の
量は試料に依存しにくい。このため、二次中性粒子の検
出により質量分析を行なうと感度や精度がよい。

発明が解決しようとする問題点 上記の二次中性粒子質量分析装置ではパルス−次イオン
を用いるため試料のスパッタ速度が遅い。

従って、二次イオン質量分析装置のように連続−次イオ
ンを用いた場合に比べ、分析に数千倍量上の時間を必要
とする欠点がある。特に、試料をスパッタしつつ深さ方
向の元素分布を測定していく深さ方向分析など、連続−
次イオンを用いても数十分を要する分析に上記の方法を
用いるのは不可能である。

また、上記の中性粒子質量分析装置では二次イオンを時
間差を利用して分離するため、利用できる質量分析器は
飛行時間型質量分析器のみであり、他の種類の質量分析
を利用できない欠点がある。

そこで本発明は、試料のスパッタに連続−次イオンビー
ムを用いることにより、上述の二次中性粒子質量分析装
置を用いた場合と比べて分析時間の短縮を図り、二次イ
オン質量分析装置と同等の速度で試料の微量分析を行う
ことを可能とする二次中性粒子質量分析装置を提供する
ことを目的とする。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するための本発明の二次中性粒子質量
分析装置は、試料の表面をスパッタする一次イオンビー
ムを発生させる一次イオン発生装置と、上記試料がスパ
ッタされて発生する二次中性粒子を選択的に取り出す電
極板と、該二次中性粒子をイオン化して光励起イオンと
する紫外光を該二次中性粒子の通路上の所定位置に発生
させる紫外線パルスレーザと、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質量分析手
段とを備える。

上記電極板は、上記試料と上記所定位置との間に設け、
しかも上記試料に対して正電位に保持する。上記正電位
は約１００■であることが好ましい。

本発明の二次中性粒子質量分析装置はさらに、上記引き
出し電極系から引き出された光励起イオンを選択的に上
記質量分析計に入射するための偏向電極を備えることが
望ましい。

詐Ｊ 本発明では、上記のように、試料と二次中性粒子の光励
起イオン化位置との間に電極板を設置し、電極板を試料
に対して正電位とする。このようにして電極板と試料と
の間に生ずる電界を利用して二次中性粒子と正の二次イ
オンとの分離を図り、分離の後、二次中性粒子のみを紫
外レーザ光によりイオン化する。イオン検出器には光励
起イオンのみが検出されるため、従来の二次中性粒子質
量分析装置とは異なり、イオン検出器に到達する時間差
を利用して光励起イオンと二次イオンの分離を行なう必
要が無く、連続−次イオンの使用が可能になる。この結
果、従来より連続−次イオンビームを利用してきた二次
イオン質量分析装置と同等の高速で試料の分析を行なう
ことができる。

実施例 本発明を以下に図面を参照して説明する。第１図は、本
発明の二次中性粒子質量分析装置の一実施例である。

試料５の表面をスパッタする一次イオンビームＰＢは、
−次イオン発生装置１から発生する。この−次イオンビ
ームＰＢは、アルゴンまたは酸素等のガスをイオン化し
たものである。−次イオン発生装置１からの一次イオン
ビームＰＢは、電子レンズ２により収束させて、直接試
料５の表面に入射される。

試料５からは、−次イオンビームＰＢの衝撃により二次
中性粒子と二次イオンとがスパッタされる。このうち二
次中性粒子のみを取り出して、紫外レーザ４からの紫外
レーザ光ＵＶを照射するために、試料５と紫外レーザ光
Ｕ■による二次中性粒子のイオン化領域との間に電圧を
印加できる電極板１５を設ける。ただし、この電極ｖｉ
１５は、−次イオンビームＰＢによる試料５のスパック
およびスパックによる二次中性粒子の飛び出しを妨げな
いように設置する。電極板１５を試料５に対して、正電
圧Ｖｇとすることにより、電界が発生し、正の二次イオ
ンには試料５に押し戻す力が働く。試料５から飛び出す
粒子のエネルギーは約１０ｅＶ程度であるため、正電圧
Ｖｇは例えば１００■程度にすると二次イオンの飛び出
しを防ぐことができる。

このような電極板１５の働きにより、二次イオンが試料
５のほうに押し戻されるのに対し、二次中性粒子は電界
の影響を受けず電極板の上側に飛び出すことができるた
め、電極板の上側で紫外レーザ４からの紫外レーザ光Ｕ
■をレンズ６により集光して二次中性粒子のみに照射し
、光励起イオンＰＩを生成する。この光励起イオンＰＩ
は引き出し電極７に入射される。光励起イオンＰＩは紫
外レーザ光ＵＶによる電子の励起により生成されるため
、すべて正のイオンであり、引き出し電極７に試料５に
対して負の電圧を印加することにより光励起イオンＰＩ
を検出系に引き出すことができる。なお、試料５から飛
び出す負の二次イオンは電極板１５により引き出される
が、引き出し電極７が逆バイアスであるため、引き出し
電極７を通過することができない。

引き出し電極７の上側に到達できた粒子はさらに収束レ
ンズ系８を通して収束させる。この地点まで到達できた
粒子には、スパッタにより発生した二次中性粒子が紫外
レーザ光Ｕ■により励起された光励起イオンのほかに、
紫外レーザ光Ｕ■で励起できなかった中性粒子がある。

後者の中性粒子を除去するために、収束レンズ系８を通
過した粒子を偏向電極１６の中を通過させる。この偏向
電極１６により光励起イオンＰＩの軌道が変化するため
、光励起イオンＰＩのみを分離して質量分析計１７に入
射させることができる。光励起イオンＰＩはパルス状に
発生することから、図示の例では飛行時間型質量分析計
の場合を示している。この飛行時間型質量分析計を通過
した光励起イオンＰＩは、イオン検出器１０で検出され
る。質量分析計１７として、飛行時間型質量分析計の他
、既存の扇型電場質量分析計や四重桶型質量分析計を用
いることも可能である。これらの質量分析計の選択は、
測定対象となる試料に合わせて行なう。

第４図、第５図は質量分析計１７に飛行時間型質量分析
計を用いた場合の測定例である。両図とも、横軸は質量
、縦軸はイオンの計数量の対数（任意単位）をとったも
のである。どちらも連続−次イオンＰＩを用いており、
第４図が電極板１５を使用しない場合で、第５図が電極
板１５を使用した場合である。

第４図においては、試料の構成元素の種類にもよるが構
成元素の強度ビークＡに対し、二次イオン強度Ｂは１０
０〜１０００分の１はどになる。そのため約ＩＱＱｐｐ
ｍ以下の濃度の元素を分析できない。これに対し第５図
の場合では、二次イオン強度を電気的なノイズＣ以下に
できるため、パルス−次イオンを用いて二次イオンを分
離した場合と同等の感度が得られた。

第６図は上述の二次中性粒子質量分析装置を用いてケイ
素基板中に形成された幅５０ｎｍのホウ素ドープ層（濃
度１ｏｏｐｐｍ　＞の深さ方向分析を行なった測定例で
ある。横軸は測定時間、縦軸はイオン計数量である。こ
の図かられかるように深さ方向分析を数十分で行なうこ
とができた。従来の二次中性粒子質量分析装置を用いる
のではこのような試料の深さ方向分析を行なうには数万
分の時間が必要であり、限られた時間内で分析を行なう
ことはほぼ不可能である。この結果から明らかなように
、本発明の二次中性粒子質量分析装置を用いることとに
より著しく測定速度を向上できた。

発明の詳細 な説明したように、この発明による二次中性粒子質量分
析装置では、連続−次イオンビームとスパッタされた二
次中性粒子を選択的に取り出すための電極板を組み合わ
せて使用する。このため、従来より連続−次イオンビー
ムを利用してきた二次イオン質量分析法と同等の高速度
で二次中性粒子質量分析装置による試料の分析が可能と
なる。

従って、従来は測定に時間がかかりすぎて不可能であっ
た深さ方向分析等に二次中性粒子質量分析装置を適用で
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の二次中性粒子質量分析装置の一実施例
を示す図であり、 第２図は従来の二次中性粒子質量分析装置の一実施例を
示す図であり、 第３図は第１図に示した二次中性粒子質量分析装置にお
ける各パルスのタイミングおよびイオン検出器で検出さ
れる信号のタイミングを示す図であり、 第４図は本発明の二次中性粒子質量分析装置を用いた測
定例で、光励起イオン偏向用の電極板を用いなかった場
合を示すグラフであり、第５図は本発明の二次中性粒子
質量分析装置を用いた測定例で、光励起イオン偏向用の
電極板を用いた場合を示すグラフであり、 第６図は本発明の二次中性粒子質量分析装置を用いて深
さ方向分析を行なった測定例を示すグラフである。 （主な参照番号） １・・−次イオン発生装置、 ２・・電子レンズ、　　３・・偏向電極、４・・紫外レ
ーザ、　　　５・・試料、７・・引き出し電極、 ９・・飛行時間型質量分析計、 １０・・イオン検出器、１１・・二次イオン信号、１２
・・光励起イオン信号、 １５・・偏向電極板、　　１７・・質量分析計、Ａ・・
構成元素の強度ピーク、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）被分析物である試料に一次イオンビームを照射し
   てスパッタを行なうことにより発生する二次中性粒子を
   紫外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該試料の質量分析を行なう二次中性
   粒子質量分析装置であって、上記試料の表面をスパッタ
   する一次イオンビームを発生させる一次イオン発生装置
   と、上記試料がスパッタされて発生する二次中性粒子を
   選択的に取り出す電極板と、該二次中性粒子をイオン化
   して光励起イオンとする紫外光を該二次中性粒子の通路
   上の所定位置に発生させる紫外線パルスレーザと、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
   分析する質量分析手段と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. （２）上記電極板は、上記試料と上記所定位置との間に
   設けられ且つ上記試料に対して正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項に記載の二次中性粒
   子質量分析装置。
3. （３）上記質量分析手段は、偏向電極と、質量分析計と
   を備えることを特徴とする特許請求の範囲第１項または
   第２項のいずれか１項に記載の二次中性粒子質量分析装
   置。
4. （４）上記質量分析手段は、扇型電場質量分析計、四重
   極型質量分析計および飛行時間型質量分析計のいずれか
   １種の質量分析計を備えることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の二次中性
   粒子質量分析装置。