JPH0619973B2 - 静電補正飛行時間型二次イオン顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、パルス一次イオンビームを試料に照射し試料
から発生する二次イオンを引き出して特定の質量のイオ
ン種による試料の拡大像を得る飛行時間型二次イオン顕
微鏡に関する。

〔従来の技術〕

試料表面の成分を分析するものとして、イオンビームを
試料表面に照射することによってその試料表面から発生
する二次イオンを引き出して試料の元素像を得る二次イ
オン顕微鏡がある。この二次イオン顕微鏡により元素像
を得る手法として、走査型と写像型の二種類が実用化さ
れている。

第４図は走査型の二次イオン分析装置を説明するための
図、第５図は写像型の二次イオ分析装置を説明するため
の図、第６図はイオン種の検出例を示す図であり、２
１、２４は試料、２２、２６は質量分析系、２３、２７
は表示装置、２５は静電レンズ系、３１は磁場、３２は
検出器、３３は蛍光板を示す。

走査型のイオン分析装置は、第４図に示すように一次イ
オンビームｉを細く絞って試料２１上を走査するもので
あり、その試料２１から発生する二次イオンを引き出し
て質量分析系２２で分析対象のイオン種に固定した上で
試料像を得る。

また、写像型の二次イオン分析装置は、第５図に示すよ
うに一次イオンビームｉを絞らずに太いままで試料２４
に照射し、引き出された二次イオンは、静電レンズ系２
５で拡大像として結像するものであり、このレンズ系に
質量分析系２６を組み合わせることにより、特定元素の
イオン像を得る。

これらの二次イオン分析装置で使用される質量分析系で
は、第６図に示すようにイオン種を一定のエネルギーに
揃えて磁場３１の中を走らせる。そうすると、イオン種
は、磁場３１の中で質量の違いによって異なる半径の弧
を描く。すなわち、重いイオン種は大きな径を描き、軽
いイオン種は小さな径を描くので、第６図(a)に示すよ
うに１点に検出器３２を配置して磁場を掃引することに
よって任意の質量のイオン種を検出することができ、ま
た、第６図(b)に示すように蛍光板３３を配置すること
によって所定の質量数の範囲でイオン種を検出すること
ができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来の手法には種々の欠点がある。
例えば走査型は、細く絞ったイオンビームを照射して試
料表面を走査するため、長い分析時間を要し、装置の安
定度が厳しく要求される。すなわち、長い分析時間のう
ちに変化を受けるような試料では使用できないという問
題がある。また、写像型にも共通の問題であるが、いず
れも大型の電磁石を有しているため、焼き出しが困難で
あり、このような装置に不可欠な超高真空が得にくいこ
とである。

本発明は、上記の問題点を解決するものであって、超高
真空に馴染み、高い精度でイオン照射により試料の分析
が可能な静電補正飛行時間型二次イオン顕微鏡を提供す
ることを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明は、パルス一次イオンビームを試料に
照射し試料から発生する二次イオンを引き出して自由空
間の飛行時間に対応して特定質量のイオン種による試料
の拡大像を得る飛行時間型二次イオン顕微鏡であって、
試料から発生する二次イオンを引き出すカソードレンズ
系、該カソードレンズ系で引き出した二次イオンを時間
集束させる静電型のセクタ、該静電型のセクタで時間集
束させたイオン種ごとに試料の拡大像を得る静電型の拡
大レンズ系、該拡大レンズ系で得た試料の拡大像につい
てゲートパルスにより像検出動作する像検出手段を備
え、ゲートパルスのタイミングを制御することによりイ
オン種を選択することを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明の静電補正飛行時間二次イオン顕微鏡では、カソ
ードレンズ系で試料から発生する二次イオンを引き出し
て加速するので、像検出手段には、静電型拡大レンズ系
を通して飛行時間に対応してイオン種毎の試料像が結像
される。この飛行空間において、エネルギーのばらつき
は、静電型のセレクタ時間収束作用により補正される。
従って、像検出手段でゲートパルスのタイミングを制御
することにより特定のイオン種の像を高い分解能で選択
検出することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

まず、本発明を説明する前に、本発明の基本となる飛行
時間型二次イオン顕微鏡を説明する。

第７図は飛行時間型二次イオン顕微鏡の１実施例構成を
示す図、第８図は質量と飛行時間との関係を説明するた
めの図、第９図は検出ピークを説明するための図であ
る。

第７図に示す飛行時間型二次イオン顕微鏡の動作を説明
する。第７図において、４１は試料、４２、４３はレン
ズ、４４はチャンネルプレート、４５は蛍光板、４６は
ビデオカメラを示す。今、試料４１がパルス状（一般的
に１ｎ″程度）の一次イオンビームｉ^＋で照射される
と、その瞬間に各種の質量数をもつ二次イオンが発生す
る。試料４１に印加されている電圧をＶとすると、これ
ら引き出された二次イオンは、初期エネルギーを無視す
ればｅＶなるエネルギーを持つことになる。そこで、イ
オンの質量数をＭ、試料４１とチャンネルプレート４４
の間の距離をＬとすると、この二次イオンが発生してか
らチャンネルプレート４４に到達するに要する飛行時間
（ＴＯＦ;Time Of Flight）ｔ_Ｍは となる。ただし、ｋは定数である。この式から明らかな
ように飛行時間ｔ_Ｍは、質量数Ｍの平方根に比例する。
従って、第８図に示すように質量数Ｍの小さいイオン種
５３は質量数Ｍの大きいイオン種５４より速い速度で自
由空間を走ってチャンネルプレート４４に到達すること
になる。

例えば試料にパルス一次イオンビームを照射してから時
間とともに第９図(a)に示すような二次イオンのピーク
がチャンネルプレート４４に現れるとすると、このピー
クの質量Ｍとの関係は第９図(b)に示す関係として観る
ことができる。そこで、パルスイオンビーム照射の時、
ｔ_Ｍ時間にゲートパルスＶ_Ｇ（〜１ｎ秒）をチャンネル
プレート４４に与えれば、このパルス供給時間内だけチ
ャンネルプレート４４は増幅作用を有するから、螢光板
４５には質量数Ｍの一定イオン種から成る像（試料の分
析領域の拡大像）が現れることになる。つまり、飛行時
間ｔ_Ｍを所望の分析イオンを応じて選び直せばそれぞれ
の場合に相応したイオン種の像が得られることになる。

チャンネルプレート４４は、例えば二次タンデム型にな
っていて出力端には正電圧Ｖ_２が印加されていると共に
正のゲート電圧Ｖ_Ｇがパルス的に加えられるようになっ
ている。このチャンネルプレート４４で増倍された像信
号は、その後段にある螢光板４５を光らせ、そして、最
終的な像検出は、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Devic
e)等を内蔵したビデオカメラ４６あるいはＣＰＵにて行
われる。なお、拡大像の結像の仕組みは、一般の電子放
出顕微鏡(Electrom Emission Microsope)と同様であ
る。

ところで、上記の飛行時間型二次イオン顕微鏡では、二
次イオンの初期エネルギーｅＵ_０を無視したが、実際に
は引き出されたイオンのエネルギーＥは Ｅ＝ｅ（Ｕ_０＋Ｖ） であり、この分の影響で飛行時間にボケを生じるため質
量分解能の低下が起きる。この初期エネルギーの影響を
軽減する目的で上記の飛行時間型二次イオン顕微鏡に改
善を加えたのが本発明の静電補正飛行時間型二次イオン
顕微鏡である。

第１図は本発明に係る静電補正飛行時間型二次イオン顕
微鏡の１実施例構成を示す図、第２図は静電型のセクタ
における時間収束作用を説明するための図、第３図は二
次イオンのエネルギー分布を示す図である。

第１図において、１は試料、２、３はレンズ、４はチャ
ンネルプレート、５は蛍光板、６はビデオカメラ、７は
エネルギセクタを示す。ここで、試料１には正の高電圧
Ｈ．Ｖが印加されていて、一次イオンビームがパルスで
照射される。試料１の極く近傍には引き出し電極があ
り、試料１を含めていわゆるカソードレンズ（レンズ
２）系を形成している。そして、パルス一次イオンビー
ムの照射によって試料１から二次イオンが発生すると、
この二次イオンがレンズ２から引き出されて静電型のエ
ネルギセクタ７、静電レンズ３を経て拡大されチャンネ
ルプレート４の入力面上に結像する。

本発明の静電補正飛行時間型二次イオン顕微鏡は、上記
のように光学的経路の途中に静電型のエネルギセクタ７
を設けるものである。このエネルギセクタ７を通過して
結像に寄与するイオンは、エネルギセクタ７の動作条件
で決まる一定とエネルギー幅のものだけとなるので、エ
ネルギーのばらつきによる分解能の低下を避けることが
できる。また、このエネルギセクタ７は、いわゆるポッ
シェンリーダー（Poscherieder）型のアナライザともな
る。すなわち、第２図に示すようにエネルギーの大きい
ものは小さいものより大きい径で走り或る点で時間収束
する。そのため、第３図に示すように二次イオンのエネ
ルギー幅が大きくても時間集束、すなわち飛行時間幅が
ほとんど零になる。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。例えばレンズの数は拡大
率を考慮して適宜増やしても良いし、ゲートパルスはチ
ャンネルプレート前方に置かれた阻止メッシュに供給す
る方式でも良い。また、ビデオカメラは、ＣＣＤのよう
に同時取込型であればどんな像検出であっても良い。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、画像
機能を有する二次イオン分析装置の第三の新しい方式を
与えるものであり、単純な静電レンズや静電型のエネル
ギセクタで構成されるため、製作が容易であり、超高真
空になじむ。また、画像分解能、質量分解能共に従来の
二形式と同等であり、正負イオンの切り替えも同様に可
能である。さらに、極短パルス（１ｎ秒程度）で全面の
イオン像を同時に採取するので、分解時間が早く、変化
し易い試料の分析にも使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る静電補正飛行時間型二次イオン顕
微鏡の１実施例構成を示す図、第２図は静電型のセクタ
における時間収束作用を説明するための図、第３図は二
次イオンのエネルギー分布を示す図、第４図は走査型の
二次イオン分析装置を説明するための図、第５図は写像
型の二次イオン分析装置を説明するための図、第６図は
イオン種の検出例を示す図、第７図は飛行時間型二次イ
オン顕微鏡の１実施例構成を示す図、第８図は質量と飛
行時間との関係を説明するための図、第９図は検出ピー
クを説明するための図である。 １……試料、２、３……レンズ、４……チャンネルプレ
ート、５……蛍光板、６……ビデオカメラ、７……エネ
ルギセクタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パルス一次イオンビームを試料に照射し試
   料から発生する二次イオンを引き出して自由空間の飛行
   時間に対応して特定質量のイオン種による試料の拡大像
   を得る飛行時間型二次イオン顕微鏡であって、試料から
   発生する二次イオンを引き出すカソードレンズ系、該カ
   ソードレンズ系で引き出した二次イオンを時間集束させ
   る静電型のセクタ、該静電型のセクタで時間集束させた
   イオン種ごとに試料の拡大像を得る静電型の拡大レンズ
   系、該拡大レンズ系で得た試料の拡大像についてゲート
   パルスにより像検出動作する像検出手段を備え、ゲート
   パルスのタイミングを制御することによりイオン種を選
   択することを特徴とする静電補正飛行時間型二次イオン
   顕微鏡。