JPH0355934B2 - - Google Patents

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JPH0355934B2
JPH0355934B2 JP57227414A JP22741482A JPH0355934B2 JP H0355934 B2 JPH0355934 B2 JP H0355934B2 JP 57227414 A JP57227414 A JP 57227414A JP 22741482 A JP22741482 A JP 22741482A JP H0355934 B2 JPH0355934 B2 JP H0355934B2
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anode
cathode
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ion
sample
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/10Ion sources; Ion guns

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は固体の表面を分析する装置に係り、就
中試料表面をイオン衝撃してスパツタされた粒子
を分析する表面分析装置に関する。 〔従来技術とその問題点〕 表面分析装置は近年、工場、研究機関等に普及
し、その種類も多く、用途に適したものが選択さ
れている。 核融合の研究においては、プラズマに不純物を
供給するプラズマ・壁相互作用の研究が重要であ
る。この用途には燃料として考えられている水素
の同位元素と、灰物質のヘリウムを分析できるも
のが必要である。水素、ヘリウム等を分析できる
表面分析装置に、二次イオン質量分析装置があ
る。これは、試料に一次イオンを照射し、表面か
らスパツタされた粒子のうちのイオンの質量分析
を行うものである。二次イオン質量分析装置を核
融合装置にとりつけて、プラズマ・壁相互作用の
研究に使用する場合には、従来二つの問題があつ
た。 試料照射用の一次イオンを生成するイオン源か
らは、イオンの他に多量の作動気体(一次イオン
となるべき気体)が流出するが、この作動気体が
核融合装置を汚染しないような対策が必要であ
る。その対策としては、イオンビームのビームラ
インを差動排気する等があるが、装置が大形かつ
複雑になるという問題がある。これが第一の問題
である。 一方、二次イオン質量分析に利用される二次イ
オンの収率、すなわち一次イオン1個あたりの二
次イオンの数、が非常に小さいから、二次イオン
の質量分析には非常に高感度の計測装置を必要と
する。これが第二の問題である。 〔発明の目的〕 本発明は斯かる事情に鑑みて為されたもので、
その目的とするところは、第一に核融合装置等へ
の使用に適するよう簡易で小形の質量分析装置を
提供すること、第二に高感度の計測装置を用いな
くても機能する質量分析装置を提供することにあ
る。 〔発明の概要〕 上記の目的を達成するためにこの発明は、排気
装置と気体供給装置を有する真空装置に接続して
使用される真空容器と、該真空容器に収容される
陽極と二つの陰極で試料の表面物質のイオンを発
生させる二次イオン発生部を形成し、該陽極は裁
頭円錐状の中空部を有し、該中空部の直径の小な
る開口部に対しては第一の陰極を、大なる開口部
に対しては第二の陰極を、それぞれの開口部を覆
うように配設し、第一の陰極には陽極の中空部と
同軸の貫通孔を設け、第二の陰極には陽極の中空
部の軸心の位置に表面分析される試料を配設し、
かつ、上記陽極の中空部に、陽極の内側表面に実
質的に平行である磁場を印加する手段を設け、陽
極には二つの陰極の電位よりも高く、第一の陰極
には第二の陰極の電位よりも高くない電位を与え
る手段とにより、表面分析に用いる二次イオン発
生装置を構成した。 〔発明の効果〕 放電空間に面して試料を配設し、かつ磁場の強
度分布を、放電で発生した一次イオンが試料表面
に衝突するのに適したものとして、差動排気系を
用いない小形で簡易な装置で高いガス効率で一次
イオンの試料照射を行い、スパツタされた試料表
面物質の粒子の大部分を占める中性原子を、二次
イオン発生部に閉じ込められている高温高密度の
電子群でイオン化して大量の二次イオンを発生さ
せ、二次イオンの検出へ高感度の計測装置を使用
する必要をなくした。 〔発明の実施例〕 第1図は本発明の一実施例を示す表面分析装置
の主要部縦断面図である。 1は真空容器で、排気装置と気体供給装置を有
する真空装置のポート2に排続されている。3は
裁頭円錐状の中空部4を有する陽極、5は該陽極
の中空部4の直径の小なる開口を覆うごとく配設
され、該陽極の中空部と同軸の貫通孔6を有する
第一の陰である。 7は第二の陰極で、上記陽極の中空部4の直径
の大なる開口を覆うごとく配設され、該陽極の中
空部4の軸心の位置には、該第二の陰極7の一部
をなす表面分析される試料8がホルダ9に保持さ
れて配設される。ホルダ9は図示されない電源出
力を印加される端子10から第二の陰極7への給
電径路を兼ねる。第二の陰極7は上記ポート2の
内部にある図示されない支持部により支持された
支柱11で、真空容器1と絶縁されて支持され
る。第一の陰極5は、上記ポート2の内部の支持
部により支持される支柱12により支持され、図
示されない電源から該支柱12を径て給電され
る。陽極1は接地された上記真空容器1に支持さ
れ、接地電位で使用される。 本発明は二次イオンの質量分析の方法に関し
て、何等の制限を課すものではないが、本実施例
においては、イオン速度選択装置13を用いてい
る。14はイオン検出装置である。該イオン速度
選択装置13は、互に絶縁された二板の導伝板
と、それを収容するケースからなる。該イオン検
出装置14はフアラデーカツプを用いている。イ
オン速度選択装置13及イオン検出装置14は、
内部に通電径路を有し、上記ポートの支持部によ
り支持された支柱15により支持される。陽極
3、第一の陰極5、第二の陰極7、イオン速度選
択装置13及びイオン検出装置14は、上記真空
容器1に収容されている。 16はコイルで、図示されない電源とともに磁
場発生装置を構成する。16aは一様巻きされた
コイル、16bは長平方向に巻数を変化させたコ
イルで、二つのコイル16aと16bはコイル
6を構成し、図示されない電源により励磁された
コイル16は、上記陽極の中空部4の全体に、陽
極3の内側表面において、該内側表面に実質的に
平行である磁場を印加し、かつイオン速度選択装
置にほぼ一様な磁場を印加する。 第2図は本発明の表面分析装置の主要部動作説
明図である。第1図と共通する部分には同一番号
を符し、説明の重複は避ける。コイル16は第2
図では図示せず、その作る磁場を示す磁力線17
を第2図に示してある。陽極3は接地され、第二
の陰極7には電源18により負の電位が与えられ
ている。第一の陰極5には電源18及び19によ
り第二の陰極7より更に低い電位が与えられる。 以下第1図及び第2図を参照して本発明の作用
を説明すると、一次イオンとなるべき気体例えば
アルゴンは、本実施例ではポート2を通して真空
容器1に供給され、陽極の中空部4に達する。該
陽極の中空部4には、印加された磁場と電極間電
圧により作られる電場により、一種のPIG放電が
発生し自持する。放電を安全に自続させるため
に、第二の陰極の電位は第二の陰極の電位により
高くないことを要する。陽極の中空部4には、高
温高密度の電子群が閉じ込められていて、気体の
分子をイオン化する。イオン化された分子(例え
ばアルゴンの原子)は、電磁場から受ける力によ
り、陽の中空部4を例えば第2図に軌跡20とし
て示す様に運動しながら、磁場の弱い部分に置か
れた試料の方向に移動し、高い確率で試料の表面
に衝突する。試料の表面に入射する一次イオン
は、本発明で用いているPIG放電では低い作動ガ
ス圧力で充分な量が得られるから、本発明では一
次イオン照射のための差動排気系が不要であり、
表面分析装置が小形化かつ簡易化できる。 従来の二次イオン質量分析は、スパツタされた
粒子のうち大部分を占める中性原子は利用でき
ず、非常に少量しか含まれていない二次イオンを
用いていたため、二次イオンの検出には特殊な高
密度の計測装置を必要としていた。本発明では、
スパツタされた粒子のほぼ全部に近い中性原子を
利用する。イオン衝撃を受け、試料表面から放出
された中性原子は、PIG放電の電子群の中を運動
し、その一部はイオン化されて第一の陰極の貫通
孔6を通過する。イオン速度選択装置13は、導
体板間電圧を設定して所定の速度のイオンだけを
イオン検出装置14に導くものである。第一の陰
極の貫通孔6を通過し、イオン速度選択装置13
の入射孔に達したイオンは、一定のエネルギを持
つから、その速度によつて質量が求まる。すなわ
ち、イオン速度選択装置13の導体板間電圧を変
化させて、イオン検出装置14の検出するイオン
電流値との対応を得ることにより、試料8の表面
分析ができる。PIG放電の電子群は、試料8から
スパツタされた中性原子を効率よくイオン化する
から、イオン検出装置14の検出するイオン電源
は従来の表面分析装置のイオン電源より非常に大
きくなり、特殊な高感度の計測装置を使用する必
要はない。 〔発明の実施例〕 作動気体はどこから導入してもよく、例えば端
子10から導入してよい磁場発生装置は、実施例
で示した空心コイルでなくてもよい。 イオンの質量分析は、実施例で示した速度選択
方式でなくてもよい。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of the Invention] The present invention relates to an apparatus for analyzing the surface of a solid, and more particularly to a surface analysis apparatus for analyzing sputtered particles by bombarding the surface of a sample with ions. [Prior art and its problems] In recent years, surface analysis devices have become widespread in factories, research institutions, etc., and there are many types, and one suitable for the application is selected. In nuclear fusion research, it is important to study plasma-wall interactions that supply impurities to the plasma. This application requires the ability to analyze isotopes of hydrogen, which is considered a fuel, and helium, an ash material. A secondary ion mass spectrometer is a surface analyzer that can analyze hydrogen, helium, etc. This method involves irradiating a sample with primary ions and performing mass spectrometry on the ions among the particles spattered from the surface. Conventionally, there were two problems when attaching a secondary ion mass spectrometer to a nuclear fusion device and using it for research on plasma-wall interactions. In addition to ions, a large amount of working gas (the gas that should become the primary ions) flows out from the ion source that generates primary ions for sample irradiation, but measures are needed to prevent this working gas from contaminating the fusion device. It is. Countermeasures include differential pumping of the ion beam beam line, but this poses a problem in that the apparatus becomes large and complicated. This is the first problem. On the other hand, because the yield of secondary ions used in secondary ion mass spectrometry (i.e., the number of secondary ions per primary ion) is very small, it is difficult to use secondary ion mass spectrometry with very high sensitivity. Requires measuring equipment. This is the second problem. [Object of the invention] The present invention was made in view of the above circumstances, and
The objectives are, firstly, to provide a simple and compact mass spectrometer suitable for use in nuclear fusion devices, etc., and secondly, a mass spectrometer that can function without the use of highly sensitive measurement equipment. Our goal is to provide the following. [Summary of the Invention] In order to achieve the above object, the present invention provides a vacuum container used in connection with a vacuum device having an exhaust device and a gas supply device, and an anode and two cathodes housed in the vacuum container. to form a secondary ion generating part that generates ions of the surface substance of the sample, the anode has a hollow part in the shape of a truncated cone, and the first A cathode, and a second cathode for large openings, are arranged to cover each opening, the first cathode is provided with a through hole coaxial with the hollow part of the anode, and the second cathode is provided with a through hole coaxial with the hollow part of the anode. The sample to be surface analyzed is placed on the cathode at the axis of the hollow part of the anode.
and means for applying a magnetic field substantially parallel to the inner surface of the anode in the hollow portion of the anode, the anode having a potential higher than the potential of the two cathodes, the first cathode having a second cathode; A secondary ion generator used for surface analysis was constructed by applying a potential not higher than the potential of the secondary ion generator. [Effects of the invention] A differential pumping system is not used because the sample is placed facing the discharge space and the intensity distribution of the magnetic field is suitable for the primary ions generated by the discharge to collide with the sample surface. The sample is irradiated with primary ions with high gas efficiency using a small and simple device, and the neutral atoms that make up most of the particles on the sputtered sample surface are removed using high-temperature, high-density particles that are confined in the secondary ion generator. By ionizing with a group of electrons and generating a large amount of secondary ions, there is no need to use highly sensitive measurement equipment to detect secondary ions. [Embodiment of the Invention] FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of the main part of a surface analysis device showing an embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a vacuum container, which is connected to a port 2 of a vacuum device having an exhaust device and a gas supply device. 3 is an anode having a truncated conical hollow portion 4; 5 is a first anode having a through hole 6 coaxial with the hollow portion 4 of the anode; It is the shadow of A second cathode 7 is disposed so as to cover the large diameter opening of the hollow part 4 of the anode, and a part of the second cathode 7 is located at the axis of the hollow part 4 of the anode. A sample 8 whose surface is to be analyzed is held and placed in a holder 9. The holder 9 also serves as a power supply path from a terminal 10 to which a power output (not shown) is applied to the second cathode 7. The second cathode 7 is insulated from the vacuum vessel 1 and supported by a column 11 that is supported by a support portion (not shown) inside the port 2 . The first cathode 5 is supported by a column 12 supported by a support section inside the port 2, and is supplied with power via the column 12 from a power source (not shown). The anode 1 is supported by the grounded vacuum vessel 1 and is used at ground potential. Although the present invention does not impose any restrictions on the method of mass spectrometry of secondary ions, the ion velocity selection device 13 is used in this embodiment. 14 is an ion detection device. The ion velocity selection device 13 consists of two conductive plates that are insulated from each other and a case that accommodates them. The ion detection device 14 uses a Faraday cup. The ion velocity selection device 13 and the ion detection device 14 are
It has an electrically conductive path inside and is supported by a column 15 supported by the support portion of the port. The anode 3, the first cathode 5, the second cathode 7, the ion velocity selection device 13, and the ion detection device 14 are housed in the vacuum container 1. A coil 16 constitutes a magnetic field generator together with a power source (not shown). 16a is a coil wound uniformly, 16b is a coil whose number of turns is varied in the longitudinal direction, and the two coils 16a and 16b are the coil 1.
6 and is excited by a power supply (not shown), applies a magnetic field substantially parallel to the inner surface of the anode 3 throughout the hollow portion 4 of the anode, and ionizes the anode. Apply a substantially uniform magnetic field to the speed selection device. FIG. 2 is an explanatory diagram of the operation of the main parts of the surface analysis device of the present invention. Parts common to those in FIG. 1 are designated by the same numbers to avoid duplication of explanation. The coil 16 is the second
Lines of magnetic force 17, which are not shown in the figure, indicate the magnetic field created by the magnetic field.
is shown in Figure 2. The anode 3 is grounded, and the second cathode 7 is given a negative potential by a power source 18. A lower potential than the second cathode 7 is applied to the first cathode 5 by power supplies 18 and 19. The operation of the present invention will be explained below with reference to FIGS. 1 and 2. In this embodiment, a gas to become primary ions, such as argon, is supplied to the vacuum vessel 1 through the port 2, and is supplied to the hollow part 4 of the anode. reach In the hollow part 4 of the anode, a type of PIG discharge is generated and sustained by the applied magnetic field and the electric field created by the interelectrode voltage. In order to safely sustain the discharge, the potential of the second cathode must not be higher than the potential of the second cathode. A group of high-temperature, high-density electrons is confined in the hollow part 4 of the anode, and ionizes gas molecules. Due to the force received from the electromagnetic field, ionized molecules (for example, argon atoms) move in the positive hollow part 4 as shown as a locus 20 in FIG. , and collides with the surface of the sample with a high probability. In the PIG discharge used in the present invention, a sufficient amount of primary ions incident on the surface of the sample can be obtained with a low working gas pressure, so the present invention does not require a differential pumping system for primary ion irradiation.
The surface analysis device can be made smaller and simpler. Conventional secondary ion mass spectrometry cannot utilize the neutral atoms that make up the majority of sputtered particles, and uses only a very small amount of secondary ions, so it is difficult to detect secondary ions. This required special high-density measurement equipment. In the present invention,
Almost all of the sputtered particles are neutral atoms. Neutral atoms released from the sample surface upon ion bombardment move in the electron group of the PIG discharge, and a part of them is ionized and passes through the through hole 6 of the first cathode. The ion velocity selection device 13 sets the voltage between the conductor plates and guides only ions with a predetermined velocity to the ion detection device 14. The ion velocity selector 13 passes through the through hole 6 of the first cathode.
Ions that reach the entrance hole have a certain amount of energy, so their mass can be determined by their velocity. That is, the surface of the sample 8 can be analyzed by changing the voltage between the conductor plates of the ion velocity selection device 13 and obtaining a correspondence with the ion current value detected by the ion detection device 14. Since the electron group of the PIG discharge efficiently ionizes the neutral atoms sputtered from the sample 8, the ion power source detected by the ion detector 14 is much larger than the ion power source of a conventional surface analyzer, and a special high-speed There is no need to use a sensitivity measuring device. [Embodiments of the Invention] The working gas may be introduced from anywhere, for example, the magnetic field generator which may be introduced from the terminal 10 does not have to be an air-core coil as shown in the embodiments. Ion mass spectrometry does not need to be performed using the rate selection method shown in the examples.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例を示す表面分析装置
の主要部縦断面図、第2図は本発明の主要部動作
説明図である。 1…真空容器、2…真空装置のポート、3…陽
極、4…陽極の中空部、5…第一の陰極、6…第
一の陰極の貫通孔、7…第二の陰極、8…試料、
16…コイル、18,19…電源。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of the main parts of a surface analysis device showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram of the operation of the main parts of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Vacuum container, 2... Port of vacuum device, 3... Anode, 4... Hollow part of anode, 5... First cathode, 6... Through hole of first cathode, 7... Second cathode, 8... Sample ,
16...Coil, 18,19...Power supply.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 排気装置を有する真空装置に接続して使用さ
れ、下記陽極と二つの陰極を収容する真空容器
と、裁頭円錐状の中空部を有する陽極と、該陽極
の中空部の直径の小なる開口を覆うごとく配設さ
れ、該陽極の中空部と同軸の貫通孔を有する第一
の陰極と、上記陽極の中空部の直径の大なる開口
を覆うごとく配設され、該陽極の中空部の軸心の
位置に表面分析される試料を配設された第二の陰
極と、 上記陽極の中空部に、陽極の内側表面に実質的
に平行である磁場を印加する手段と、第二の陰極
には陽極電位より低く、第一の陰極には第二の陰
極の電位より高くない電位を与える手段と、を具
備することを特徴とする表面分析装置。
[Scope of Claims] 1. A vacuum container that is used in connection with a vacuum device having an exhaust device and that houses the following anode and two cathodes, an anode that has a truncated cone-shaped hollow part, and a hollow part of the anode. A first cathode is disposed so as to cover a small diameter opening in the anode and has a through hole coaxial with the hollow part of the anode, and a first cathode is disposed so as to cover a large diameter opening in the hollow part of the anode. a second cathode having a sample to be analyzed on the surface disposed at the axis of the hollow part of the anode; and means for applying a magnetic field substantially parallel to the inner surface of the anode to the hollow part of the anode. , means for applying a potential lower than the anode potential to the second cathode and not higher than the potential of the second cathode to the first cathode.
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