JPS5947423B2 - 固体表面分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子と負イオンおよび正イオンの分離 Ｊを目
的とした四重極磁場レンズ群を備えた正イオンおよび負
イオン発生用イオン源装置、ならびに上記イオン源を備
えた固体分析装置に関する。

第１図は従来のデユオプラズマトロンイオン源装置の構
成を示す。同図において、カソード１の ０加熱によつ
て放射された電子２と、電源４によりカソード１と中間
電極３の間に印加された電圧によつて加速された正イオ
ン５がカソード１を衝撃することにより発生した二次電
子６とは前記の電源４によつて加速され、気体分子に衝
突して電離させる。この電離により、さらに正イオン５
、負イオン７、電子８などが発生する。放電気体の圧力
が１０−３丁ｏｒｒないし１０Ｔｏｒｒ程度の範囲にあ
るときは、この電離により生成された正イオン５、負イ
オンＴ、ならびに電子２、６、８などの荷電粒子がプラ
ズマ９を形成し、このプラズマ９が中間電極３からアノ
ード１０の方向に噴出する。

ここで、中間電極３とアノード１０の間には磁石１１に
よつて励磁された磁界１２が存在し、これによつてプラ
ズマ９は集束され、その密度が高まる。従来はこのよう
にアノード１０から噴出したプラズマ９からイオンを引
き出し、イオン源として利用していた。第２図は、第１
図に示したデユオプラズマトロンイオン源装置を一次イ
オン源として備えた固体分析装置の従来例を示す。

一次イオンとしてイオン源からの正イオンを利用する場
合には、アノード１０を正の高電圧とし、これに対して
引出し電極１３を低電圧にすれば、プラズマ９中に含ま
れる荷電粒子中の正イオン５のみが引き出し電極１３を
通過する。しかし負イオン７および前記諸過程で生じた
各電子２、６、８は電源１４により引出し電極１３とア
ノード１０の間に印加された電圧によつて抑制され、引
き出し電極１３を通過し得ない。よつて純粋に正イオン
５のみを取り出すことができる。この正イオン５には電
源１４により加えられた電圧が一次加速電圧として作用
し、加速された正イオン５は静電レンズ１５で集束され
たのち試料１６を衝撃する。

この正イオン１５の衝撃により、試料１６から二次イオ
ンＩＴが放出する。二次イオン１７は電源（図示せず）
によつて試料１６と二次イオン引出し電極１８の間に加
えられた電圧により加速されたのち磁場１９で質量分析
され、イオンコレクタ２０で検出される。一方負イオン
Ｔを利用する場合には、電源１４によりアノード１０に
対し引き出し電極１３に正の高電圧を印加する。

このようにすれば、正イオン５はアノード１０と引き出
し電極１３の間の電場により抑制され引き出し電極１３
を通過できないが、負イオンＴおよび各電子２，６，８
は正イオン５とは反対にアノード１０と引き出し電極１
３の間で加速され、引き出し電極１３を通過することが
できる。しかし、負イオンＴには各電子２，６，８が混
合するため、純粋に負イオン衝撃のみによる固体のイオ
ン化を行なう場合の障害になわ、かつこれらの電子２，
６，８は試料１６の表面を衝撃し、試料の温度上昇や汚
染の原因となる。また、負イオンを利用する場合に、加
速用の電源１４に各電子２，６，８の放出による余分の
電力を持たせる必要が生じる。

たとえば、加速電源１４として必要な電力を計算すると
次の通クである。ある動作条件では、正イオン５による
イオン電流は１０−５Ａ、負イオンＴのイオン電流は１
０−６Ａ、各電子２，６，８によるイオン電流１０−２
Ａがイオン源から噴出する。一次イオン加速電圧１４を
１０４Ｖとすると、正イオン５を利用する場合に必要な
一次イオン加速電源の電力は１０−５Ａと１０４Ｖの積
０．ＩＷである。しかし、負イオンＴを利用する場合に
、電子２，６，８が負イオンＴに加わるために、一次イ
オン加速電源の電力１４としては、（１０−６ ＋１０
−２）Ａと１０４ｖとの積１００Ｗが必要となる。ここ
で、負イオン７と電子２，６，８とが区別できれば、負
イオンＴのみを利用するとき電源１４の電力は１０−６
Ａ×１０４Ｖ＝ ０．０ＩＷに減少できるはずである。
従来、デユオプラズマトロンイオン源単体のままで負イ
オンＴのみを取り出すことは不可能であつた。

しかし、上記イオン源に磁石と電極を組込むことにより
、磁場で負イオンと電子とを分離できることを明らかに
し、先に出願した。その出願では、負イオンと電子との
同一磁場強度に対する偏向量が大きく異なることを利用
した。しかし、磁場の集束性を利用する形ではなかつた
ので、磁場偏向された後の負イオンビームは広がつたま
まの状態であつた。そのために、後程ビームを細く絞る
ときに強度が高くならないか、あるいは十分細く絞るこ
とはできなかつた。そこで、もし、電子と負イオンとを
分離すると同時に負イオンの集束ができれば、ビーム強
度が高い状態で、細く絞ることができる。この点を実現
したのが、本特許出願である。以下その原理および実施
例について説明する。第３図および第４図は、本発明の
イオン源部の原理説明図である。

第３図は正イオン源、第４図は負イオンと電子とを分離
しかつ負イオンを集束させる負イオン源の動作説明図で
ある。両図において、磁極２１，２２，２３は四重極レ
ンズ群を構成する。

磁極２１および２３の断面図を第５図に、磁極２２の断
面図を第６図に示す。２９はプラズマ発生手段から正イ
オンまたは負イオンと電子とを引き出すための電圧発生
用の電源である。

正イオンを必要とするとき、電極２０に対してアノード
１０に高い電圧を印加する。逆に、負イオンを必要とす
る場合はアノード１０を低い電位にする。第３図および
第４図で、対向電極２１，２２，２３の部分の空間で紙
面におよそ垂直方向に磁界が存在する。第３図および第
４図で、負イオンＴ、正イオン５および電子２，６，８
の軌道は、通常よりも拡大して示してある。すなわち、
それらのビームの開き角を実際のものより５〜１０倍大
きくとつてある。両図によりその動作を次に説明する。
第３図において、プラズマ発生源のアノード１０に対し
て引き出し電極２８に電源２９により負の電位を与える
。

このとき電極２８を通過できるのは正イオン５のみであ
る。負イオンおよび電子はアノード１０から噴出しても
、上述の負の電位により逆にアノード１０に戻される。
正イオン５は磁場形の四重極レンズ群により横方向およ
び縦方向に集束され、電極２４に結像される。第３図の
３組のレンズによＶ）２８を通過したイオンビーム５は
２４の位置で点状に集束させることができる。第４図は
、負イオン源として利用する。

第３図と異なる点は、プラズマ発生源のアノード１０に
対して電極２８に印加する電源の電位２９を逆に正にす
ることである。アノード１０から噴出した正イオンは直
ちにこの電位により戻されアノード１０に到達する。一
方、アノード１０から噴出した負イオン７および電子２
，６，８の中、負イオンは四重極レンズ群によ勺縦方向
および横方向に集束され、電極２４を通過する。一方、
電子はその質量が負イオンの１／２０００以下である。
そこで、負イオンを集束する磁場強度では、電子は磁界
に巻きつく形で小さい軌道半径を持ちつつ移動し、磁極
２１にトラツプされる。そのため、電極２４を通過でき
るのは負イオンのみである。以上第３図および第４図を
用いて説明したように、電源電圧２９の符号のみ正負の
違いがあるが、ほぼ同一構造によＶ，正イオン源または
負イオン源として、電子を含まないでかつ、それらのイ
オンビームを細く絞つた状態で用いることができる。第
７図は、電極２４の形をかえた本発明の別の負イオン源
の構成を示す。動作は、第３図〜第４図の説明と同様で
ある。ただし、電子２，６，８は電極２４と電極２８と
の円筒内壁に衝突し、消滅する。一般に、電極２４の役
目は、以下のイオン加速電場を印加すること、および差
動排気孔のためと考えられる。

第８図は、第４図および第３図に示した本発明によるイ
オン源を用いた固体分析装置の説明図である。

第７図において、イオン源から正イオン５を利用する場
合には、電源２９によジアノード１０に対して電極２８
に負の電位を印加し、かつ電源１４によ勺引き出し電極
１３に電極２４に対して負のイオン加速電圧を加える。
電極２４を通過した正イオンのみが加速電場により加速
されたのち、静電レンズ１５によつて集束された試料１
６を衝撃する。この際、試料１６から放出した二次イオ
ン１７は加速されたのち扇形磁場１８で質量分離され、
イオンコレクタ１９で検出される。また負イオン７を利
用する場合には、電圧２９に負イオン源の符号の電位を
与える。さらに電源１４によつて引き出し電極１３に電
極２４よりも正のイオン加速電圧を加えればよい。この
加速電場により負イオン７は加速され、靜電レンズ１５
で集束されたのち試料１６に衝突する。この撃突により
、試料１６から正イオン５が試料１６に衝突したときと
同様に二次イオン１７が放出される。この二次イオン７
は扇形磁場１８によシ質量分離されたのち、イオンコレ
クタ１９で検出される。このように負イオン７を利用す
る場合、各種の過程で生成した電子２，６，８は第４図
で示したように磁場型の四重極レンズ群の作用により、
電極２４を通過することはできない。そのために、電子
を含まない純粋に負イオン７のみを電極２４から取り出
すことができる。そこで、負イオン衝撃のみによる固体
のイオン化を行なうことができる。四重極レンズ群をつ
けてプラズマから負イオンを取勺出す際の効果としては
、（１）電子を含まないで負イオンのみを分離できるこ
と、（２）負イオンビームは横方向および縦方向共に点
に集束させることができる。

（３）差動排気を十分行なうことができる、および（４
）イオン源を小型化できることなどである。ここで（１
）｝よび（２）については、すでに説明を行なつた。（
３）項で、第１図カソード１、中間電極３およびアノー
ド１０の部分が使用状態では１０−１Ｔ０ｒｒの圧力で
ある。従来はアノード１０の部分で差動排気を行ない、
それ以降は１０−７ＴＯｒｒにしていた。しかし、本発
明のように、アノード１０のほかに電極２４でも差動排
気を行なわせることができる。そのために、電極２４以
降の排気系は小型化できる。（４）については、従来の
デユオプラズマトロンイオン源に小さな四重極レンズ群
を付加するだけで正負両用イオン源として働くので、全
体として小型化できる。本発明では、（１）〜（４）の
効果を積の形で同時に満足させることができる。また（
２）について、数値的な比較を行なえば次の通ジである
。従来の数値として第２図の構成の場合を考慮する。従
来は電極２４の位置で、０．４ｍｍφのとき負イオンは
２×１０−５Ａ１正イオンは４×１０−５Ａであつた。
本発明では０．４ｍｍφで負イオン２．５×１０−４Ａ
１正イオン５×１０−４Ａといずれも約１２倍イオン電
流を増すことができた。従来法では、０．１ｍｍφのと
き負イオン２×１０−６Ａ、正イオン４×１０−６Ａで
あつた。一方、本発明では０．１ｍｍφのとき負イオン
２×１０−４Ａ、正イオン４×１０−４Ａであつた。す
なわち、本発明では四重極レンズ群の動作によ勺負イオ
ンおよび正イオンを集束させることができるので、イオ
ン電流を余ジそこなわずに任意の大きさのビームを得る
ことができる。この点、従来法では、単なる磁場による
電子とイオンとの質量分離だけであ乞ビーム径を小さく
するときは、イオン電流もそのビームの面積に比例して
急激に減少する。イオン源から多量のイオンビームを引
き出したいのが実状である。本発明の負イオンの電流が
従来法におけるよりも、ビーム径０．４ＴｎＷＬφ で
は約１２倍、０．１ｍｍφでは約１００倍と大きくする
ことができるので、その利用分野が著しく拡大すると考
えられる。次に、上記した本発明の正負両用イオン源を
具備した固体分析装置において、負イオンを取わ出す際
の効果につき説明する。

本発明の効果は、（１）負イオンのみによるイオン化現
象の解明、（２）電子照射による悪影響（試料の局部的
な加熱、試料表面への汚染の付着および汚染物質の固化
など）を伴なわないでの固体表面分析できる、（３）イ
オン加速電源の小形化および容量の小形化できる（従来
の約１／１００）、（４）同一ビーム径に対する負イオ
ン電流が従来よりも約１０〜１００に増加する（前述の
イオン源の効果（２）で説明済）、（５）負イオンおよ
び正イオンのビーム集束性が向上する（従来より約１０
〜５０倍：電極２４の位置で正イオンおよび負イオンが
点状に集束するため）ことなどである。

以上の本発明の効果により，真の意味で固体表面分析を
容易に行うことができるようになつた。

本発明では、四重極レンズ群として３組の場合について
説明したが、必要とするビームの条件により、２組とか
４組でもよい。またレンズ群を溝成する磁極として、永
久磁石でもよいし電磁石で強度を可変させてもよい。電
極２４として、孔を持つ例を本発明で説明したが、その
部分がメツシユになつていたわ、複数の孔を持つていて
もよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のデユオプラズマトロンイオン源の構成の
概略を示す説明図、第２図は第１図に示したイオン源を
備えた従来の固体分析装置の説明図、第３図は本発明の
イオン源装置の正イオンの動作説明図、第４図は本発明
のイオン源装置の負イオンの動作説明図、第５図および
第６図は第３図および第４図の四重極レンズ群の構成す
る磁極の断面図、第Ｔ図は、本発明のイオン源の一例を
示す断面図、第８図は本発明の一例を示す固体表面分析
装置の説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ プラズマ発生手段、上記プラズマ発生手段から正イ
   オンまたは負イオンと電子を引き出す手段、およびそれ
   らの引き出された正イオンまたは負イオンと電子を磁場
   型の四重磁レンズ群により正イオンまたは負イオンのみ
   を分離および集束させる構成を持つ正負両用イオン源を
   持つことを特徴とする固体表面分析装置。