JPH0475457B2

JPH0475457B2 -

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Publication number: JPH0475457B2
Application number: JP58247537A
Authority: JP
Priority date: 1983-12-26
Filing date: 1983-12-26
Publication date: 1992-11-30
Also published as: JPS60135846A; DE3447541A1; US4652753A

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕本発明は、固体試料にイオンを照射し試料表面
から放出される二次イオンを質量分析することに
より、試料の元素分布および濃度を計測する二次
イオン質量分析装置に関する。

〔従来技術〕

第１図に従来の二次イオン質量分析装置を示
す。１はイオン銃、２はエネルギーフイルター、
３は四極子型質量分析計、４は試料である。そし
てエネルギーフイルタ２は引込み電極２１、スリ
ツト２２、偏向板２３および偏向板制御電源２４
から成つており、四極子型質量分析計３は四極子
３１、四極子制御電源３２、および検出器３３か
ら成つている。

第２図は上記のような装置において試料から放
出される二次イオンのエネルギー分布の一例を示
す図である。第２図に示すように、この分布は
0eVから始まり10eV付近に最大値を持ち、数十
eV以上まで続いているが、イオン数が最大値の
１／ｅとなるまでの範囲即ち二次イオンエネルギ
ー定数範囲はおよそ０〜20eVとなることが知ら
れている。試料４の電位が0Vである限り、この
二次イオンエネルギー定数範囲の二次イオンが分
析出来るように装置を構成しておけば試料から放
出される二次イオンの大部分は分析できることに
なる。そのため従来の二次イオン質量分析装置は
すべて、この単一の二次イオンエネルギー定数範
囲内の二次イオンを分析出来るように装置を構成
している。すなわち従来の装置におけるエネルギ
ーフイルターは、分解能が0.5程度で透過エネル
ギーを10〜20eVとすることにより、およそ５〜
20eVのイオンが透過出来るよう構成したものば
かりであり、また四極子型質量分析計３は20eV
程度までのイオンを質量分析出来るよう構成した
ものばかりである。

さて、試料４が導電性のものばかりであれば試
料電位の０ボルトは容易に確保できるので上述の
装置でも分析は可能である。しかしながら試料が
絶縁体である場合は、試料表面にイオン銃１によ
り照射されたイオンの電荷が蓄積されるため、試
料表面は０ボルトにとどまらず正、負のある電位
を持つことになる。その結果、試料表面から放出
される二次イオンは自身の運動エネルギーに、そ
の電位にもとづくポテンシヤルエネルギーが加わ
つてそのエネルギー分布が第２図のエネルギー軸
に沿つて平行移動してしまい、このため従来の装
置では正しい分析がなされなくなる。平行移動の
方向は照射イオン及び二次イオンの極性により決
まる。この問題の解決策としては、たとえば照射
イオンと反対の極性を持つ荷電粒子を重畳照射す
る等により電荷を中和する方法が試みられている
が、表面電位を常に0Vとなるように制御し平衡
させることは難しく、必ずしも有効な手段とはな
つていない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、従来の分析装置のこの欠点を
解決し、絶縁体試料に於いても二次イオン質量分
析を効果的に行う事が出来る改良された分析装置
を実現することにある。

〔発明の原理〕

二次イオン質量分析装置においては、イオン照
射された絶縁体表面の電位は、イオン照射量、二
次イオン放出量、試料の絶縁抵抗、試料ホルダー
等との静電容量及び試料表面付近に存在する荷電
粒子量等により決定されるが、これらそれぞれの
値は一定ではなく、かつ相互に関係し合つている
ため、表面電位も一定にはなり得ず、その時々の
条件によつて変化することになる。本発明は、こ
の表面電位が変動する範囲を超えて少なくとも２
つの二次イオンエネルギー定数範囲にまたがつて
二次イオンを分析出来るようにしたものである。

〔発明の構成〕

本発明によれば、試料にイオンを照射するため
のイオン銃と、エネルギーフイルタと、四極子型
質量分析計とを備えた二次イオン質量分析装置に
おいて、前記エネルギーフイルターの透過エネル
ギー巾を200eV以上を満足し、四極子型質量分析
計の質量分析可能な最大エネルギー値を300eV以
上になるように設定し、かつ、エネルギーフイル
ター、四極子型質量分析計のそれぞれにおけるイ
オンの透過エネルギー値がエネルギーフイルター
の透過エネルギー範囲内および四極子型質量分析
計の質量分析可能なエネルギー範囲内となるよう
にそれぞれの中心電位および試料の電位を設定す
ることを特徴とする二次イオン質量分析装置が得
られる。

〔実施例〕

次に本発明につき詳細に説明する。

第３図は本発明の一実施例の構成を示す図であ
る。第１図におけると同じ構成要素には同一の名
称を付してある。四極子型質量分析計は第１図の
３で示したものと同種のものであるが、寸法その
他の規格が異つているので各参照数字にａを付し
てある。エネルギーフイルタ２についても同様で
ある。５は直流電源である。本実施例では正及び
負方向に少くとも２つの二次イオンエネルギー定
数範囲にまたがつて二次イオンが分析出来るよう
装置が構成されている。つまりイオン照射前の試
料電位（これは任意値に調整できる。例えば０ボ
ルトにするのは容易である。以下ではこれが０ボ
ルトであるとする。）を基準にとつて±100eV程
度までの範囲の二次イオンの分析が行えるように
している。

上記の±100eVという設定値には根拠がある。
そのためまず、±100eV程度までの範囲の二次イ
オン分析が可能であれば、既知である他の手法と
併用することにより、ほとんどすべての絶縁物の
二次イオン分析が可能となる理由について説明す
る。先に説明したように、イオン照射された絶縁
物試料の表面電位は一定とはなり得ず、条件によ
つて変化する。しかしその最大値はイオン照射電
圧Vpを越すことは出来ず、表面電位は０〜（Vp
−α）の範囲を変動することになる。ここにαは
数〜数＋Ｖ程度である。表面電位の変動の範囲を
小さくするためにはVpを小さくすればよい訳で
あるが、それには限界がある。これを次に説明す
る。

第４図は二次イオンイールドのイオン照射電圧
依存性を示している。この図から明らかなよう
に、イオン照射電圧が100V以下となると二次イ
オンイールドは急激に低下する。そのため実用的
に使用出来る最低イオン照射電圧は100V程度と
なる。またイオン銃においても、イオンの引き出
しとビーム形成のためには少なくとも100V以上
の照射電圧を必要とする。そこでイオン照射電圧
を（100＋α）Ｖ、すなわち100〜150V程度に設
定すれば、試料よりの二次イオン発生を充分なも
のにしつつ、しかも試料表面電位を常に０〜±
100V程度の範囲に入れることが可能になる。照
射イオンビームを細く絞る等の要求から加速電圧
を高くした場合であつても、従来からの電荷中和
法を併用することによつてほとんどの場合試料表
面電位を±100V程度にすることができる。特に、
中和用の反対極性の荷電粒子の電流を励起用の照
射イオンよりも多くし、かつ照射電圧を銃として
の限界値である100V程度まで下げるならば、試
料表面電位は必ず０〜±100V（極性は照射イオン
と反対）の範囲に入っていることになる。以上の
ようにして、試料表面電位を常に０〜±100V程
度の範囲内とすることは比較的簡単な方法により
実現出来るので、±100eV程度までの範囲の二次
イオン分析が可能となるよう装置を構成すれば、
ほとんどの絶縁物分析が可能となるのである。

第５図は上記の絶縁体試料でのエネルギー分布
の従来例および本実施例における分析エネルギー
範囲を示した図である。第５図において、曲線Ａ
は試料表面電位が０ボルトのときの二次イオンの
エネルギー分布であり、第２図に相当するもので
ある。曲線Ｂは試料表面電位が負の−65Vのとき
の二次イオンエネルギー分布であり、曲線Ｃは試
料表面電位が正の65Vのときの同様のものであ
る。範囲Ｄは従来の装置の分析エネルギー範囲で
ある。そしてＥは本実施例の分析エネルギー範囲
を示している。

次にこの実施例の各構成品の特性を如何に構成
しているかについて説明する。エネルギーフイル
ター２ａは分解能を１程度に大きくし、透過エネ
ルギー値に対するそのエネルギ巾を大きくしてあ
る。分解能をＲ、イオンの透過エネルギー値を
E₀eV、エネルギーフイルター透過エネルギー巾
をΔEとすると、ΔE＝E₀×Ｒの関係がある。偏向
板２３ａの板間電圧は透過中心エネルギーが
200eVとなるように設定され、透過エネルギー巾
ΔEはE₀（透過エネルギー値）×Ｒ（分解能）すなわ
ち200eV×１＝200eVとなつている。すなわち透
過エネルギー範囲としては100〜300eVとなつて
いる。また、引き込み電極２１を試料表面に接近
せるとともに、引き込み電極２１やその他のイオ
ン軌道部の電位、すなわち偏向板２３ａの板間中
心電位等は、二次イオンの極性とは反対の方向へ
200V程度下げられている。更にまた四極子型質
量分析計３ａは、四極子３１ａの長さを従来の装
置の４倍程度として質量分析可能なエネルギー範
囲を大きくしている。しかしながら四極子をその
ままで長くすると必要精度を維持することが難し
くなるため、全体を４分割し連結させて使用して
いる。この場合、各四極子は精度を維持してお
り、連結部のみにて若干悪くなつているだけで、
割合的に非常に小さく、ほとんど悪影響がない。
分析可能な最大エネルギー値は、四極子の長さ及
びこれに印加する交流電圧の周波数の２乗に比例
するため、従来の装置の16倍すなわち300eV程度
までのエネルギーを持つイオンの質量分析が出来
るようにしてある。具体的には四極子の長さと交
流電圧の周波数が（四極子の長さ）²×（交流電圧
の周波数）²≧2.0（但し、長さをｍ（メートル）単
位、周波数をＭHz（10⁶回／秒）単位とした場合）
の関係を満足するようにする。また、イオン軌道
部すなわち四極子３１ａの中心電位は、エネルギ
ーフイルター２ａ同様に直流電源３２ａにより
200V程度下げられている。試料４は接地電位と
なつている。

試料表面電位が0Vの場合、試料から放出され
た二次イオンには引き込み電位によつて200eVの
ポテンシヤルエネルギーが加えられ、200eV余り
のエネルギーにてエネルギーフイルター２ａを透
過し、そのまま四極子型質量分析計３ａに入り、
質量分析され、検出器３３ａに入る。試料４の表
面電位が±100Vの場合は、二次イオンは300eV
或いは100eV余りのエネルギーを持つことになる
が、この値はエネルギーフイルター２ａの透過エ
ネルギー範囲（100eV〜300eV）及び四極子型質
量分析計３ａの分析可能エネルギー範囲（0eV〜
300eV）に入つているため、従来同様に支障なく
質量分析されることになる。以上のようにして、
試料表面電位が±100V程度まで（すなわち第５
図における２次イオンエネルギー定数範囲が10ケ
含まれる範囲まで）変動する絶縁体試料において
も二次イオン質量分析を行うことが可能となる。
この実施例では、分析エネルギー範囲Ｅに含まれ
る二次イオンエネルギー定数範囲が10ケとなつて
いるが、一般には２つ以上あればかなり効果を示
し、多くの絶縁物の分析ができる。３ケ以上であ
れば大体の絶縁物の分析ができ、５ケ以上あれば
十分である。勿論２つの代りに2.5などの端数で
あつてもよく、これらはその都度必要によつて定
める。次に殆どすべての絶縁物（例えばガラス）
の分析において効果を持たせるためには、第５図
に示す分析エネルギー範囲Ｅに10ケの２次イオン
エネルギー定数範囲が含まれていればよいので、
透過エネルギー値を200eVにした場合、この値が
第５図のエネルギー0eVに対応することになる。
よつて、試料表面電位が±100V変動する殆どす
べての絶縁物の分析を行う場合でも、この試料の
変動範囲は、第５図に示すように２次イオンエネ
ルギー定数範囲が10ケ含まれる範囲に入つている
ことになる。第６図は本発明の別の実施例の構成
を示す。この図では四極子型質量分析系およびエ
ネルギーフイルターの参照数字にはｂを付してあ
る。６は第２の電源電圧である。本実施例も先の
実施例と同じく正及び負方向にそれぞれ数ケの二
次イオンエネルギー定数範囲、すなわち、±
100eV程度までの二次イオンの分析が行えるよう
にしている。エネルギーフイルター２ｂは従来の
装置と同様、分解能が0.5程度のものを使用し、
透過エネルギーを400eVに設定し、透過エネルギ
ー範囲を300〜500eVとしている。またイオン軌
道部の電位は200V程度下げられている。四極子
型質量分析計３ｂは四極子３１ｂの長さを従来の
２倍、周波数を２倍とし、質量分析可能な最大エ
ネルギーはやはり従来装置の16倍すなわち300eV
程度としつている。四極子３１ｂの中心電位は接
地電位である。試料は、エネルギーフイルター２
ｂのイオン軌道部と反対極性で200V程度高い電
位となつている。

イオン照射前を基準にとつて試料表面電位が
0Vの場合、試料４から放出された二次イオンは
試料自身に印加された電位及び引き込み電位によ
り400eVのポテンシヤルエネルギーが加えられ、
400eV余りのエネルギーにてエネルギーフイルタ
ー２ｂを透過する。しかし四極子３１ｂの中心電
位は接続電位であるため、エネルギーフイルター
２ｂを出た二次イオンは四極子型質量分析計３ｂ
の中で200eV余りまで減速されてから質量分析さ
れることになる。一般には減速によりビームは拡
がつてしまうが、この場合は本質的に収束効果を
持つている四極子内での減速であるため、この悪
影響は最少となつている。試料表面電位が±
100Vの場合は二次イオンはエネルギーフイルタ
ー２ｂの中では500eV及び300eV、四極子質量分
析計３ａの中では300eV及び100eVのエネルギー
を持つことになり、支障なく質量分析されること
になる。

本発明は、第３図、第６図の実施例に限られる
訳ではなく、多くの変形が可能である。例えば、
試料の電位及び引き込み電位の大きさは特に限定
されるべきものではなく、エネルギーフイルター
の分解能の大きさを勘案して最終的に透過エネル
ギー範囲が少くとも２つ以上の所定の数の二次イ
オンエネルギー定数範囲に適合出来るような任意
の値を選ぶことが出来る。また、四極子３１ａ，
３１ｂの長さ、周波数及び中心電位も透過エネル
ギーの大きさとの関連で同様に任意の値を選ぶこ
とが出来る。このエネルギーフイルターの透過エ
ネルギー範囲と質量分析計の分析可能エネルギー
範囲は必らずしも一致している必要はなく、総合
した範囲、すなわちどちらか小さい範囲の方が少
なくとも２つの二次イオンエネルギー定数範囲に
またがつていればよい。更に、エネルギーフイル
ター２ａ，２ｂの形状も平行平板型、円筒型、半
円球型、円筒鏡型等すべての型式の静電偏向型に
変形することが出来る。更に又、エネルギーフイ
ルター２ａ，２ｂの設定位置も、四極子型質量分
析計３ａ，３ｂの後方に移動させることも出来る
し、更に検出器３３の位置を中心軸からずらすだ
けの非常に簡単な形とすることも出来る。また、
一層簡便な実施例として、照射イオンの極性等の
条件を限定することにより、試料表面電位の変化
範囲を一方の極性のみとするようにすれば、質量
分析すべき２次イオンのエネルギー範囲を上述の
半分とすることも出来る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、絶縁体試
料の二次イオン質量分析を行うことが出来る。従
つて従来主に金属及び抵抗の比較的低い半導体に
限られていた二次イオン質量分析装置の利用範囲
を、高抵抗半導体、ガラス、セラミツク、高分子
材料、岩石、生体等の絶縁体関係へ拡げることが
出来る。

また、本発明の広い分析エネルギー範囲の装置
は、導電体試料に対してもその放出されるほとん
どすべての二次イオンを検出出来るため、分析の
感度が高くなるばかりでなく、エネルギー分布の
変化に影響されることなく定量性のよい分析を行
うことも出来る。特に、引き込み電圧を大きくし
た場合は、質量分析の実質の検出角が大きくなる
とともに、放出される二次イオン量そのものを多
くすることが出来るため、この効果が著しい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の二次イオン質量分析装置の構成
を模式的に示す図、第２図は二次イオンのエネル
ギー分布の一例を示す図、第３図は本発明の一実
施例である分析装置の構成を模式的に示す図、第
４図は二次イオンイールドのイオン照射加速電圧
依存性を示す図、第５図は絶縁体試料でのエネル
ギー分布と従来例及び本実施例による分析エネル
ギー範囲を示す図、第６図は本発明の他の実施例
を模式的に示した図である。記号の説明：１はイオン銃、２ａはエネルギー
フイルター、３ａは四極子型質量分析計、４は試
料、５と６は直流電源、２１は引き込み電極、２
２はスリツト、２３ａは偏向板、２４ａは偏向板
制御電源、３１ａは四極子、３２ａは四極子制御
電源、３３ａは検出器をそれぞれ示している。

Claims

【特許請求の範囲】１試料にイオンを照射するためのイオン銃と、
エネルギーフイルタと、四極子型質量分析計とを
備えた二次イオン質量分析装置において、前記エネルギーフイルターの透過エネルギー巾
を200eV以上、四極子型質量分析計の質量分析可
能な最大エネルギー値を300eV以上になるように
設定し、かつ、エネルギーフイルター、四極子型
質量分析計のそれぞれにおけるイオンの透過エネ
ルギー値がエネルギーフイルターの透過エネルギ
ー範囲内および四極子型質量分析計の質量分析可
能エネルギー範囲内となるようにそれぞれの中心
電位および試料の電位を設定することを特徴とす
る二次イオン質量分析装置。