(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次イオン質量分析法を実施する装置であって、
該装置は、
ａ）標的面であって、該標的面は、該標的面上に堆積された試料を支える、標的面と、
ｂ）一次イオンのビームを該試料の方に導き、該試料から二次イオンと中性粒子とをたたき出すように構成されるイオン源であって、該イオン源の少なくとも一部分は真空中で動作するように構成される、イオン源と、
ｃ）該標的面と該試料とを囲む第１のチャンバであって、該第１のチャンバは、該二次イオンと中性粒子とを冷却するために該試料の位置において高い圧力を維持するように気体を提供する入口を有し、該高い圧力は、１０−３〜１０００トルの範囲内である、第１のチャンバと、
ｄ）該二次イオンおよび該中性粒子を受け、さらに、該二次イオンおよび該中性粒子を冷却するイオンガイドであって、該試料の位置における圧力は、少なくとも該イオンガイドの圧力と等しいか、または該イオンガイドの圧力よりも高い、イオンガイドと
を備えている、装置。
【請求項２】
冷却経路の少なくとも一部分は前記イオンガイドに沿って存在する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記試料の位置における前記高い圧力に前記冷却経路の長さをかけることによって得られる積は、１０−３トルｃｍよりも大きい、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記中性粒子は、後にイオン化される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１のチャンバの中への入口は、前記試料に気体を導く導管である、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記気体は、パルス状である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記高い圧力は、約１０ｍトルである、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記イオン源の出力端部は、前記試料から１ｃｍ未満にある、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記一次イオンのビームは、クラスタイオンを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
アパーチャを有するスキマをさらに備え、該スキマは、前記二次イオンを受け、かつ該スキマの該アパーチャを介して前記イオンガイドの中に該二次イオンを導くように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記イオン源は、前記スキマの前記アパーチャを介して前記一次イオンのビームを前記試料の方に導き、該試料から二次イオンと中性粒子とをたたき出すように構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記イオン源は、前記スキマの一部分と一体化している、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
二次イオン質量分析法の方法であって、
ａ）標的面を提供することであって、該標的面は、該標的面上に堆積された試料を支える、ことと、
ｂ）一次イオンのビームを該試料の方に導き、該試料から二次イオンと中性粒子とをたたき出すことと、
ｃ）該二次イオンと中性粒子とを冷却するために該試料の位置において高い圧力を提供することであって、該高い圧力は、１０−３〜１０００トルの範囲内である、ことと、
ｄ）該二次イオンおよび該中性粒子を受け、さらに、該二次イオンおよび該中性粒子を冷却するイオンガイドを提供することであって、該試料の位置における圧力は、少なくとも該イオンガイドの圧力と等しいか、または該イオンガイドの圧力よりも高い、ことと
を包含する、方法。
【請求項１４】
ステップｃ）は、前記高い圧力を維持するために気体を提供することを包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記気体は、パルス状である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記高い圧力は、約１０ｍトルである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
冷却経路の少なくとも一部分は前記イオンガイドに沿って存在する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記試料の位置における前記高い圧力に前記二次イオンの冷却経路軌道の長さをかけることによって得られる積は、１０−３トルｃｍよりも大きい、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記中性粒子を後にイオン化することをさらに包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
ステップｃ）は前記試料に気体を送達することを包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
ステップｂ）において、前記ビームは前記試料から１ｃｍ未満である、請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記一次イオンのビームはクラスタイオンを備えている、請求項１３に記載の方法。
【請求項２３】
アパーチャを有するスキマを提供することと、
前記二次イオンを受け、かつ該アパーチャを介して該二次イオンを前記イオンガイドの中に導くことと
をさらに包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項２４】
前記スキマの前記アパーチャを介して前記一次イオンのビームを前記試料の方に導き、該試料から前記二次イオンと中性粒子とをたたき出すように前記イオン源を構成することをさらに包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記イオン源は、前記スキマの一部分と一体化している、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（分野）
本出願人の教示は、二次イオン質量分析計における二次イオンを冷却する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（導入）
二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）は表面分析技術であり、該技術において、試料は、一次イオンで衝撃され、二次イオンおよび中性粒子をたたき出す。二次イオンは、一般的に高い内部励起を有し、それは対象とするイオンの分裂をまねく。二次イオンは、分裂を防ぐために安定化される必要がある。また、一次イオンは、気体分子と衝突し、それによって、試料を衝撃するよりも、むしろ減速して、散乱し得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
（概要）
本出願人の教示の一局面に従って、二次イオン質量分析法を実施する装置が提供される。装置は、標的面であって、標的面上に堆積された試料を支える、標的面と、一次イオンのビームを試料の方に導き、試料から二次イオンと中性粒子とをたたき出すように構成されるイオン源であって、イオン源の少なくとも一部分は真空中で動作するように構成され得る、イオン源とを備えている。一次イオンのビームは、連続的であり得るかまたはパルス状であり得る。一次イオンは、Ｃ６０イオンなどのクラスタイオンを備え得る。装置はまた、標的面と試料とを囲む第１のチャンバを備えている。第１のチャンバは、二次イオンと中性粒子とを冷却するために試料の位置で高い圧力を維持するように気体を提供する入口を有し、高い圧力は、約１０−３〜約１０００トルの範囲内であり、好ましくは約１０ｍトルである。高い圧力はまた、約１０−１〜約１００トルの範囲内であり得る。二次イオンと中性粒子とを冷却するために提供される気体は、チャンバの中にパルスとして注入されるかまたは連続的に導入され得る。装置は、試料からの二次イオンおよび中性粒子を受ける冷却経路をさらに備え得、二次イオンおよび中性粒子は、冷却経路に沿って冷却される。試料の位置における高い圧力に冷却経路の長さをかけることによって得られる積は、１０−３トル＊ｃｍよりも大きくあり得る。中性粒子は、例えば、レーザ光を用いるか、イオン−イオン電荷移動によってか、ＶＵＶ光を用いる光イオン化によってか、または当該分野において公知の他の技術によって、後にイオン化され得る。第１のチャンバの中への入口は、試料に気体を導く導管であり得る。イオン源の出力端部は、試料から１ｃｍ未満にあり得る。イオン源の出力端部はまた、試料から１ｍｍ以下にあり得る。装置は、アパーチャを有するスキマをさらに備え、スキマは、中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンを受け、スキマのアパーチャを介してＲＦイオンガイドの中に二次イオンを導くように構成される。さらにイオン源は、スキマのアパーチャを介して一次イオンのビームを試料の方に導き、試料から二次イオンと中性粒子とをたたき出すように構成され得る。また、イオン源は、スキマの一部分と一体化され得る。
【０００４】
別の局面において、二次イオン質量分析法の方法が提供される。方法は、標的面であって、標的面上に堆積された試料を支える、標的面を提供することを包含する。方法はまた、一次イオンのビームを試料の方に導き、試料から二次イオンと中性粒子とをたたき出すことと、二次イオンと中性粒子とを冷却するために試料の位置で高い圧力を提供することであって、高い圧力は、約１０−３〜約１０００トルの範囲内であり、好ましくは約１０ｍトルである、こととを包含する。高い圧力はまた、約１０−３〜約１００トルの範囲内であり得る。一次イオンのビームは、連続的であり得るかまたはパルス状であり得る。一次イオンは、Ｃ６０イオンなどのクラスタイオンを備え得る。方法は、高い圧力を維持するために気体を提供することをさらに包含する。気体は、連続的に提供され得るかまたはパルス状の気体であり得る。方法は、試料からたたき出された二次イオンおよび中性粒子を冷却経路の中に導き、二次イオンおよび中性粒子が冷却経路に沿って冷却されるようにすることを、さらに包含する。試料の位置における高い圧力に冷却経路の長さをかけることによって得られる積は、１０−３トル＊ｃｍよりも大きくあり得る。中性粒子は、例えば、レーザ光を用いるか、イオン−イオン電荷移動によってか、ＶＵＶ光を用いる光イオン化によってか、または当該分野において公知の他の技術によって、後にイオン化され得る。方法は、試料に気体を送達することをさらに包含し得る。一次イオンのビームは試料に導かれ得る。方法は、アパーチャを有するスキマを提供することと、中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンを受け、アパーチャを介してＲＦイオンガイドの中に二次イオンを導くこととをさらに包含し得る。さらに、イオン源は、スキマのアパーチャを介して一次イオンのビームを試料の方に導き、試料から二次イオンと中性粒子とをたたき出すように構成され得る。また、イオン源は、スキマの一部分と一体化され得る。
【０００５】
本発明は、少なくとも、以下の項目も提供する。
（項目１）
二次イオン質量分析法を実施する装置であって、
ａ）標的面であって、該標的面上に堆積された試料を支える、標的面と、
ｂ）一次イオンのビームを該試料の方に導き、該試料から二次イオンと中性粒子とをたたき出すように構成されるイオン源であって、該イオン源の少なくとも一部分は真空中で動作するように構成される、イオン源と、
ｃ）該標的面と該試料とを囲む第１のチャンバであって、該第１のチャンバは、該二次イオンと中性粒子とを冷却するために該試料の位置において高い圧力を維持するように気体を提供する入口を有し、該高い圧力は、約１０−３〜約１０００トルの範囲内である、第１のチャンバと
を備えている、装置。
（項目２）
前記試料からの二次イオンおよび中性粒子を受ける冷却経路をさらに備え、該二次イオンおよび中性粒子は、該冷却経路に沿って冷却される、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記試料の位置における前記高い圧力に前記冷却経路の長さをかけることによって得られる積は、１０−３トル＊ｃｍよりも大きい、項目２に記載の装置。
（項目４）
前記中性粒子は、後にイオン化される、項目１に記載の装置。
（項目５）
前記第１のチャンバの中への入口は、前記試料に気体を導く導管である、項目１に記載の装置。
（項目６）
前記気体は、パルス状である、項目１に記載の装置。
（項目７）
前記高い圧力は、約１０ｍトルである、項目１に記載の装置。
（項目８）
前記イオン源の出力端部は、前記試料から１ｃｍ未満にある、項目１に記載の装置。
（項目９）
前記一次イオンのビームは、クラスタイオンを含む、項目１に記載の装置。
（項目１０）
アパーチャを有するスキマをさらに備え、該スキマは、前記二次イオンを受け、かつ該スキマの該アパーチャを介してＲＦイオンガイドの中に該二次イオンを導くように構成される、項目１に記載の装置。
（項目１１）
前記イオン源は、前記スキマの前記アパーチャを介して前記一次イオンのビームを前記試料の方に導き、該試料から二次イオンと中性粒子とをたたき出すように構成される、項目１０に記載の装置。
（項目１２）
前記イオン源は、前記スキマの一部分と一体化している、項目１０に記載の装置。
（項目１３）
二次イオン質量分析法の方法であって、
ａ）標的面であって、該標的面上に堆積された試料を支える、標的面を提供することと、
ｂ）該試料から二次イオンと中性粒子とをたたき出すために、一次イオンのビームを該試料の方に導くことと、
ｃ）該二次イオンと中性粒子とを冷却するために該試料の位置において高い圧力を提供することであって、該高い圧力は、約１０−３〜約１０００トルの範囲内である、ことと
を包含する、方法。
（項目１４）
ステップｃ）は、高い圧力を維持するために気体を提供することを包含する、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記気体は、パルス状である、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記高い圧力は、約１０ｍトルである、項目１３に記載の方法。
（項目１７）
前記試料からたたき出された二次イオンおよび中性粒子を冷却経路の中に導くことと、該二次イオンおよび中性粒子が該冷却経路に沿って冷却されるようにすることとを、さらに包含する、項目１３に記載の方法。
（項目１８）
前記試料の位置における前記高い圧力に前記二次イオンの冷却経路軌道の長さをかけることによって得られる積は、１０−３トル＊ｃｍよりも大きい、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
前記中性粒子を後にイオン化することをさらに包含する、項目１３に記載の方法。
（項目２０）
ステップｃ）は前記試料に気体を送達することを包含する、項目１３に記載の方法。
（項目２１）
ステップｂ）において、前記一次イオンのビームは前記試料に導かれる、項目１３に記載の方法。
（項目２２）
前記一次イオンのビームはクラスタイオンを備えている、項目１３に記載の方法。
（項目２３）
アパーチャを有するスキマを提供することと、
前記二次イオンを受け、かつ該アパーチャを介して該二次イオンをＲＦイオンガイドの中に導くことと
をさらに包含する、項目１３に記載の方法。
（項目２４）
前記スキマの前記アパーチャを介して前記一次イオンのビームを前記試料の方に導き、該試料から前記二次イオンと中性粒子とをたたき出すように前記イオン源を構成することをさらに包含する、項目２３に記載の方法。
（項目２５）
前記イオン源は、前記スキマの一部分と一体化している、項目２３に記載の方法。
出願人のこれらの特徴および他の特徴は、本明細書において説明される。
【０００６】
当業者は、下記に説明される図面が図示の目的のためのみであることを理解する。図面は、本出願人の教示の範囲を限定することは決して意図されない。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本出願人の教示の様々な実施形態に従う、二次イオン質量分析法システムを概略的に図示する。
【図２】図２は、様々な実施形態に従う、アパーチャを有するスキマを含む、二次イオン質量分析法システムを概略的に図示する。
【図３】図３は、様々な実施形態に従う、スキマの一部分と一体化したイオン源を含む、二次イオン質量分析法システムを概略的に図示する。
【図４】図４は、様々な実施形態に従う、試料に気体を送達する導管である入口を有するチャンバを含む、二次イオン質量分析計システムを概略的に図示する。
【図５】図５は、様々な実施形態に従う、試料のすぐ近くに配置されたイオン源の出力端部を含む、二次イオン質量分析計システムを概略的に図示する。
【図６】図６は、試料に気体を送達する導管と、試料のすぐ近くに配置されたイオン源の出力端部とを含む、二次イオン質量分析法システムを概略的に図示する。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（様々な実施形態の詳細な説明）
様々な要素に関して出願人の教示に関連して用いられるフレーズ「ａ」または「ａｎ」が、文脈が明らかに別のことを示さない限り、「１つ以上」または「少なくとも１つ」を包含することは理解されるべきである。図１を参照すると、出願人の教示に従う様々な実施形態において、概略図は、一次イオンのビーム１４を試料１６の方に導き、試料１６から二次イオン１８と中性粒子１９とをたたき出すように構成されるイオン源１２を有する二次イオン質量分析法システム１０を図示する。様々な実施形態において、一次イオンのビームは、連続的であり得るかまたはパルス状であり得る。一次イオンは、当該分野において公知のように金属クラスタもしくは有機クラスタであり得るクラスタイオン、または任意の他の適切な投射イオン（ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ  ｉｏｎ）を含み得る。投射イオンは、種々の電荷状態を備え得る。例えば、一次イオンは、試料を衝撃したとき残留物を残さない、安定した丈夫な大きな分子であるＣ６０イオンを備え得る。イオン源１２の少なくとも一部分は、真空中で動作するように構成され得る。試料１６は、標的面２０の上に支持される。対象とするイオンの分裂をまねく高い内部励起を有し得る二次イオンを冷却し、安定化させるために、高い圧力が試料１６の位置に提供され得る。二次イオンの急速な冷却は、そのような分裂を防ぎ得る。試料の位置における高い圧力は、二次イオンおよび中性粒子の急速な冷却を促進し得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−３〜約１０００トルの範囲内であり、好ましくは約１０ｍトルの圧力を備え得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−１〜約１００トルの範囲内であり得る。様々な実施形態において、中性粒子は、当該分野において周知であるように、後にイオン化され得る。例えば、中性粒子は、レーザ光を用いるか、イオン−イオン電荷移動イオン化によってか、またはＶＵＶ光を用いる光イオン化によって、後にイオン化され得るが、これらの手段に限定されない。チャンバ２２は、標的面と試料とを囲み得る。様々な実施形態において、チャンバ２２は、気体を提供する入口２４を備え、高い圧力を維持し、そして中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンをＲＦイオンガイド２６の中に導き、該二次イオンの焦点をＲＦイオンガイドに合わせる。気体は、一般的には当該分野において周知の窒素、ヘリウム、またはアルゴンを含むがこれらに限定されない不活性気体であり得る。様々な局面において、気体は、連続的に提供され得るかまたはパルスとして注入され得る。ポンプ２８は、約１０−２〜約１０−１０トルであり得る、イオン源１２の圧力と、チャンバ２２の圧力とを調節し得る。冷却経路は試料から二次イオンおよび中性粒子を受け得、二次イオンおよび中性粒子は冷却経路に沿って冷却され得る。冷却経路の少なくとも一部分は、ＲＦイオンガイドに沿って置かれ得る。中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンは、ＲＦイオンガイド２６を通過して、これに限定するものではないが、四重極質量分析計、飛行時間質量分析計、イオントラップ質量分析計、またはフーリエ変換質量分析計を含む質量分析計の中に入り得る。
【０００９】
図２に示されるように、出願人の教示に従った様々な実施形態において、概略図は、一次イオンのビーム３４を試料３６の方に導き、試料３６から二次イオン３８と中性粒子３９とをたたき出すように構成される、イオン源３２を有する二次イオン質量分析法システム３０を図示する。様々な実施形態において、一次イオンのビームは、連続的であり得るかまたはパルス状であり得る。一次イオンは、当該分野において公知のように金属クラスタもしくは有機クラスタであり得るクラスタイオン、または任意の他の適切な投射イオンを含み得る。投射イオンは、種々の電荷状態を備え得る。例えば、一次イオンは、試料を衝撃したとき残留物を残さない、安定した丈夫な大きな分子であるＣ６０イオンを備え得る。イオン源３２の少なくとも一部分は、真空中で動作するように構成され得る。試料３６は、標的面４０の上に支持される。対象とするイオンの分裂をまねく高い内部励起を有し得る二次イオンを冷却し、安定化させるために、高い圧力が試料３６の位置に提供され得る。二次イオンの急速な冷却は、そのような分裂を防ぎ得る。試料の位置における高い圧力は、二次イオンおよび中性粒子の急速な冷却を促進し得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−３〜約１０００トルの範囲内であり、好ましくは約１０ｍトルの圧力を備え得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−１〜約１００トルの範囲内であり得る。様々な実施形態において、中性粒子は、当該分野において周知であるように、後にイオン化され得る。例えば、中性粒子は、レーザ光を用いるか、イオン−イオン電荷移動イオン化によってか、またはＶＵＶ光を用いる光イオン化によって、後にイオン化され得るが、これらの手段に限定されない。第１のチャンバ４２は、標的面と試料とを囲み得る。様々な実施形態において、第１のチャンバ４２は、気体を提供する入口４４を備え、高い圧力を維持する。様々な局面において、システム３０は、アパーチャ５２と５３とを有するスキマ５０を備えている。一次イオンはアパーチャ５３を通過してチャンバ４２の中に入る。気体は、中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンを、スキマ５０のアパーチャ５２を通って、第２のチャンバ５４の中に配置されるＲＦイオンガイド４６の中に導き、該二次イオンの焦点をＲＦイオンガイドに合わせる。様々な実施形態において、イオン源３２は、スキマ５０のアパーチャ５３を介して、一次イオン３４のビームを導き、試料３６から二次イオンと中性粒子とをたたき出すように構成され得る。第２のチャンバ５４の圧力は、第１のチャンバ４２の圧力、例えば１０ｍトルよりも低くあり得る。気体は、一般的には当該分野において周知の窒素、ヘリウム、またはアルゴンを含むがこれらに限定されない不活性気体であり得る。様々な局面において、気体は、連続的に提供され得るかまたはパルスとして注入され得る。ポンプ４８は、約１０−２〜約１０−１０トルであり得る、イオン源３２の圧力と、チャンバ５４の圧力とを調節し得る。冷却経路は試料から二次イオンおよび中性粒子を受け得、二次イオンおよび中性粒子は冷却経路に沿って冷却され得る。冷却経路の少なくとも一部分は、ＲＦイオンガイドに沿って置かれ得る。中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンは、ＲＦイオンガイド４６を通過して、これに限定するものではないが、四重極質量分析計、飛行時間質量分析計、イオントラップ質量分析計、またはフーリエ変換質量分析計を含む質量分析計の中に入り得る。
【００１０】
図３を参照すると、出願人の教示に従った様々な実施形態において、概略図は、一次イオンのビーム６４を試料６６の方に導き、試料６６から二次イオン６８と中性粒子６９とをたたき出すように構成される、イオン源６２を有する二次イオン質量分析法システム６０を図示する。様々な実施形態において、一次イオンのビームは、連続的であり得るかまたはパルス状であり得る。一次イオンは、当該分野において公知のように金属クラスタもしくは有機クラスタであり得るクラスタイオン、または任意の他の適切な投射イオンを含み得る。投射イオンは、種々の電荷状態を備え得る。例えば、一次イオンは、試料を衝撃したとき残留物を残さない、安定した丈夫な大きな分子であるＣ６０イオンを備え得る。イオン源６２の少なくとも一部分は、真空中で動作するように構成され得る。試料６６は、標的面７０の上に支持される。対象とするイオンの分裂をまねく高い内部励起を有し得る二次イオンを冷却し、安定化させるために、高い圧力が試料６６の位置に提供され得る。二次イオンの急速な冷却は、そのような分裂を防ぎ得る。試料の位置における高い圧力は、二次イオンおよび中性粒子の急速な冷却を促進し得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−３〜約１０００トルの範囲内であり、好ましくは約１０ｍトルの圧力を備え得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−１〜約１００トルの範囲内であり得る。様々な実施形態において、中性粒子は、当該分野において周知であるように、後にイオン化され得る。例えば、中性粒子は、レーザ光を用いるか、イオン−イオン電荷移動イオン化によってか、またはＶＵＶ光を用いる光イオン化によって、後にイオン化され得るが、これらの手段に限定されない。第１のチャンバ７２は、標的面と試料とを囲み得る。様々な実施形態において、第１のチャンバ７２は、気体を提供する入口７４を備え、高い圧力を維持する。様々な局面において、システム６０は、アパーチャ８２を有するスキマ８０を備えている。様々な実施形態において、イオン源６２は、スキマ８０の一部分と一体化され得る。イオン源６２の出力端部８１は、試料６６のすぐ近くに配置され得る。そのような配置は、一次イオンが、気体と衝突し、減速し、散乱しそして分裂し、それによって、試料に向かう一次イオンの軌道および二次イオンの発生の効率に影響を及ぼすという、望ましくない結果を軽減し得る。気体は、中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンを、スキマ８０のアパーチャ８２を通って、第２のチャンバ８４の中に配置されるＲＦイオンガイド７６の中に導き、該二次イオンの焦点をＲＦイオンガイドに合わせる。第２のチャンバ８４の圧力は、第１のチャンバ７２の圧力、例えば１０ｍトルよりも低くあり得る。気体は、一般的には当該分野において周知の窒素、ヘリウム、またはアルゴンを含むがこれらに限定されない不活性気体であり得る。様々な局面において、気体は、連続的に提供され得るかまたはパルスとして注入され得る。ポンプ７８は、約１０−２〜約１０−１０トルであり得る、イオン源６２の圧力と、第２のチャンバ８４の圧力とを調節し得る。冷却経路は試料から二次イオンおよび中性粒子を受け得、二次イオンおよび中性粒子は冷却経路に沿って冷却され得る。冷却経路の少なくとも一部分は、ＲＦイオンガイドに沿って置かれ得る。中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンは、ＲＦイオンガイド７６を通過して、これに限定するものではないが、四重極質量分析計、飛行時間質量分析計、イオントラップ質量分析計、またはフーリエ変換質量分析計を含む質量分析計の中に入り得る。
【００１１】
図４を参照すると、出願人の教示に従った様々な実施形態において、概略図は、一次イオンのビーム９４を試料９６の方に導き、試料９６から二次イオン９８と中性粒子９９とをたたき出すように構成される、イオン源９２を有する二次イオン質量分析法システム９０を図示する。様々な実施形態において、一次イオンのビームは、連続的であり得るかまたはパルス状であり得る。一次イオンは、当該分野において公知のように金属クラスタもしくは有機クラスタであり得るクラスタイオン、または任意の他の適切な投射イオンを含み得る。投射イオンは、種々の電荷状態を備え得る。例えば、一次イオンは、試料を衝撃したとき残留物を残さない、安定した丈夫な大きな分子であるＣ６０イオンを備え得る。イオン源９２の少なくとも一部分は、真空中で動作するように構成され得る。試料９６は、標的面１００の上に支持される。対象とするイオンの分裂をまねく高い内部励起を有し得る二次イオンを冷却し、安定化させるために、高い圧力が試料９６の位置に提供され得る。二次イオンの急速な冷却は、そのような分裂を防ぎ得る。試料の位置における高い圧力は、二次イオンおよび中性粒子の急速な冷却を促進し得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−３〜約１０００トルの範囲内であり、好ましくは約１０ｍトルの圧力を備え得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−１〜約１００トルの範囲内であり得る。様々な実施形態において、中性粒子は、当該分野において周知であるように、後にイオン化され得る。例えば、中性粒子は、レーザ光を用いるか、イオン−イオン電荷移動イオン化によってか、またはＶＵＶ光を用いる光イオン化によって、後にイオン化され得るが、これらの手段に限定されない。第１のチャンバ１０２は、標的面と試料とを囲み得る。様々な実施形態において、チャンバ１０２は、気体を提供する導管１０４を備え、高い圧力を維持し、そして中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンをＲＦイオンガイド１０６の中に導き、該二次イオンの焦点をＲＦイオンガイドに合わせる。導管１０４は、試料に気体を送達し、二次イオンおよび中性粒子の急速な冷却を促進し得る。気体は、一般的には当該分野において周知の窒素、ヘリウム、またはアルゴンを含むがこれらに限定されない不活性気体であり得る。様々な局面において、気体は、連続的に提供され得るかまたはパルスとして注入され得る。ポンプ１０８は、約１０−２〜約１０−１０トルであり得る、イオン源９２の圧力と、チャンバ１０２の圧力とを調節し得る。冷却経路は試料から二次イオンおよび中性粒子を受け得、二次イオンおよび中性粒子は冷却経路に沿って冷却され得る。冷却経路の少なくとも一部分は、ＲＦイオンガイドに沿って置かれ得る。中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンは、ＲＦイオンガイド１０６を通過して、これに限定するものではないが、四重極質量分析計、飛行時間質量分析計、イオントラップ質量分析計、またはフーリエ変換質量分析計を含む質量分析計の中に入り得る。
【００１２】
図５を参照すると、出願人の教示に従った様々な実施形態において、概略図は、一次イオンのビーム１１４を試料１１６の方に導き、試料１１６から二次イオン１１８と中性粒子１１９とをたたき出すように構成される、イオン源１１２を有する二次イオン質量分析法システム１１０を図示する。様々な実施形態において、一次イオンのビームは、連続的であり得るかまたはパルス状であり得る。一次イオンは、当該分野において公知のように金属クラスタもしくは有機クラスタであり得るクラスタイオン、または任意の他の適切な投射イオンを含み得る。投射イオンは、種々の電荷状態を備え得る。例えば、一次イオンは、試料を衝撃したとき残留物を残さない、安定した丈夫な大きな分子であるＣ６０イオンを備え得る。イオン源１１２の少なくとも一部分は、真空中で動作するように構成され得る。試料１１６は、標的面１２０の上に支持される。対象とするイオンの分裂をまねく高い内部励起を有し得る二次イオンを冷却し、安定化させるために、高い圧力が試料１１６の位置に提供され得る。二次イオンの急速な冷却は、そのような分裂を防ぎ得る。試料の位置における高い圧力は、二次イオンおよび中性粒子の急速な冷却を促進し得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−３〜約１０００トルの範囲内であり、好ましくは約１０ｍトルの圧力を備え得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−１〜約１００トルの範囲内であり得る。様々な実施形態において、中性粒子は、当該分野において周知であるように、後にイオン化され得る。例えば、中性粒子は、レーザ光を用いるか、イオン−イオン電荷移動イオン化によってか、またはＶＵＶ光を用いる光イオン化によって、後にイオン化され得るが、これらの手段に限定されない。第１のチャンバ１２２は、標的面と試料とを囲み得る。様々な実施形態において、第１のチャンバ１２２は、気体を提供する入口１２４を備え、高い圧力を維持する。様々な局面において、システム１１０は、アパーチャ１３２を有するスキマ１３０を備えている。様々な実施形態において、イオン源１１２の出力端部１３１は、試料１１６のすぐ近くに配置され得る。様々な実施形態において、イオン源１１２の出力端部１３１は、試料から１ｃｍ未満にあり得るが、これに限定されない。様々な実施形態において、イオン源１１２の出力端部１３１はまた、試料から１ｍｍ以下にあり得るが、これに限定されない。様々な局面において、システムの構成に従ってイオン源の出力端部は、試料に触れないで、試料にできるだけ近くに配置され得る。そのような配置は、一次イオンが、気体と衝突し、減速し、散乱しそして分裂し、それによって、試料に向かう一次イオンの軌道および二次イオンの産出に影響を及ぼすという、望ましくない結果を軽減し得る。気体は、中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンを、スキマ１３０のアパーチャ１３２を通って、第２のチャンバ１３４の中に配置されるＲＦイオンガイド１２６の中に導き、該二次イオンの焦点をＲＦイオンガイドに合わせる。第２のチャンバ１３４の圧力は、第１のチャンバ１２２の圧力、例えば１０ｍトルよりも低くあり得る。気体は、一般的には当該分野において周知の窒素、ヘリウム、またはアルゴンを含むがこれらに限定されない不活性気体であり得る。様々な局面において、気体は、連続的に提供され得るかまたはパルスとして注入され得る。ポンプ１２８は、約１０−２〜約１０−１０トルであり得る、イオン源６２の圧力と、第２のチャンバ１３４の圧力とを調節し得る。冷却経路は試料から二次イオンおよび中性粒子を受け得、二次イオンおよび中性粒子は冷却経路に沿って冷却され得る。冷却経路の少なくとも一部分は、ＲＦイオンガイドに沿って置かれ得る。中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンは、ＲＦイオンガイド１２６を通過して、これに限定するものではないが、四重極質量分析計、飛行時間質量分析計、イオントラップ質量分析計、またはフーリエ変換質量分析計を含む質量分析計の中に入り得る。
【００１３】
図６を参照すると、出願人の教示に従った様々な実施形態において、概略図は、一次イオンのビーム１４４を試料１４６の方に導き、試料１４６から二次イオン１４８と中性粒子１４９とをたたき出すように構成される、イオン源１４２を有する二次イオン質量分析法システム１４０を図示する。様々な実施形態において、一次イオンのビームは、連続的であり得るかまたはパルス状であり得る。一次イオンは、当該分野において公知のように金属クラスタもしくは有機クラスタであり得るクラスタイオン、または任意の他の適切な投射イオンを含み得る。投射イオンは、種々の電荷状態を備え得る。例えば、一次イオンは、試料を衝撃したとき残留物を残さない、安定した丈夫な大きな分子であるＣ６０イオンを備え得る。イオン源１４２の少なくとも一部分は、真空中で動作するように構成され得る。試料１４６は、標的面１５０の上に支持される。対象とするイオンの分裂をまねく高い内部励起を有し得る二次イオンを冷却し、安定化させるために、高い圧力が試料１４６の位置に提供され得る。二次イオンの急速な冷却は、そのような分裂を防ぎ得る。試料の位置における高い圧力は、二次イオンおよび中性粒子の急速な冷却を促進し得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−３〜約１０００トルの範囲内であり、好ましくは約１０ｍトルの圧力を備え得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−１〜約１００トルの範囲内であり得る。様々な実施形態において、中性粒子は、当該分野において周知であるように、後にイオン化され得る。例えば、中性粒子は、レーザ光を用いるか、イオン−イオン電荷移動イオン化によってか、またはＶＵＶ光を用いる光イオン化によって、後にイオン化され得るが、これらの手段に限定されない。第１のチャンバ１５２は、標的面と試料とを囲み得る。様々な実施形態において、第１のチャンバ１５２は、気体を提供する導管１５４を備え、高い圧力を維持し、そして中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンをＲＦイオンガイド１５６の中に導き、該二次イオンの焦点をＲＦイオンガイドに合わせる。導管１５４はイオン源１４２の近くに配置され得、導管１５４は試料に気体を送達し、二次イオンおよび中性粒子の急速な冷却を促進し得る。様々な局面において、システム１４０は、アパーチャ１６２を有するスキマ１６０を備えている。様々な実施形態において、イオン源１４２の出力端部１６１は、試料１４６のすぐ近くに配置され得る。様々な実施形態において、イオン源１４２の出力端部１６１は、試料から１ｃｍ未満にあり得るが、これに限定されない。様々な実施形態において、イオン源１４２の出力端部１６１はまた、試料から１ｍｍ以下にあり得るが、これに限定されない。様々な局面において、システムの構成に従ってイオン源の出力端部は、試料に触れないで、試料にできるだけ近くに配置され得る。そのような配置は、一次イオンが、気体と衝突し、減速し、散乱しそして分裂し、それによって、試料に向かう一次イオンの軌道および二次イオンの産出に影響を及ぼすという、望ましくない結果を軽減し得る。気体は、中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンを、スキマ１６０のアパーチャ１６２を通って、第２のチャンバ１６４の中に配置されるＲＦイオンガイド１５６の中に導き、該二次イオンの焦点をＲＦイオンガイドに合わせる。第２のチャンバ１６４の圧力は、第１のチャンバ１５２の圧力、例えば１０ｍトルよりも低くあり得る。気体は、一般的には当該分野において周知の窒素、ヘリウム、またはアルゴンを含むがこれらに限定されない不活性気体であり得る。様々な局面において、気体は、連続的に提供され得るかまたはパルスとして注入され得る。ポンプ１５８は、約１０−２〜約１０−１０トルであり得る、イオン源１４２の圧力と、第２のチャンバ１６４の圧力とを調節し得る。冷却経路は試料から二次イオンおよび中性粒子を受け得、二次イオンおよび中性粒子は冷却経路に沿って冷却され得る。冷却経路の少なくとも一部分は、ＲＦイオンガイドに沿って置かれ得る。中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンは、ＲＦイオンガイド１５６を通過して、これに限定するものではないが、四重極質量分析計、飛行時間質量分析計、イオントラップ質量分析計、またはフーリエ変換質量分析計を含む質量分析計の中に入り得る。
【００１４】
図１〜図６に示される実施形態は、イオンガイドとインタフェースされるが、イオンガイドは必ずしも必要ではない。様々な実施形態は、イオンガイドを必ずしも必要としない。
【００１５】
以下の説明は、いかなる特定の実施形態に限定されるのではなく任意の実施形態に適用され得る、出願人の教示の一般的な使用法を述べる。動作時、真空中において動作するように構成され得るイオン源は、一次イオンのビームによって標的面に堆積された試料を衝撃し、一次イオンのビームは、試料から二次イオンと中性粒子とをたたき出す。様々な局面において、一次イオンのビームは、連続的であり得るかまたはパルス状であり得る。イオン源は一般的に、約１０−２〜約１０−１０トルで動作し得る。二次イオンは一般的に、対象とするイオンの分裂をまねき得る高い内部励起を有し得るので、試料の位置に高い圧力を提供し、二次イオンおよび中性粒子の急速な冷却を促進することによって、二次イオンは安定化され得る。高い圧力は、約１０−３〜約１０００トルの範囲内であり、好ましくは約１０ｍトルの圧力を備え得る。様々な局面において、高い圧力は、約１０−１〜約１００トルの範囲内であり得る。様々な実施形態において、中性粒子は、当該分野において周知であるように、後にイオン化され得る。例えば、中性粒子は、レーザ光を用いるか、イオン−イオン電荷移動イオン化によってか、またはＶＵＶ光を用いる光イオン化によって、後にイオン化され得るが、これらの手段に限定されない。第１のチャンバ１５２は、標的面と試料とを囲み得る。高い圧力は、入口を通って第１のチャンバに気体を送達することによって提供され得る。気体は、導管を通って第１のチャンバの試料に送達され得る。様々な局面において、気体は、連続的に提供され得るかまたはパルスとして注入され得る。イオン源の出力端部は、試料のすぐ近くに配置され得、このことは、一次イオンが、気体と衝突し、減速し、散乱しそして分裂することを防ぎ得る。様々な実施形態において、イオン源の出力端部は、試料から１ｃｍ未満にあり得るが、これに限定されない。様々な実施形態において、イオン源の出力端部はまた、試料から１ｍｍ以下にあり得るが、これに限定されない。様々な局面において、システムの構成に従ってイオン源の出力端部は、試料に触れないで、試料にできるだけ近くに配置され得る。冷却経路は試料から二次イオンおよび中性粒子を受け得、二次イオンおよび中性粒子は冷却経路に沿って冷却され得る。冷却経路の少なくとも一部分は、ＲＦイオンガイドに沿って置かれ得る。気体は、中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンをＲＦイオンガイドの中に導き、二次イオンの焦点をＲＦイオンガイドに合わせることを助け得る。様々な実施形態において、イオンガイドは必ずしも必要とされない。アパーチャを有するスキマはまた、中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンを受け、スキマのアパーチャを通って、第１のチャンバの圧力、例えば１０ｍトルよりも低い圧力であり得る第２のチャンバの中にあり得るＲＦイオンガイドの中に二次イオンを導くために用いられ得る。イオン源は、スキマの一部分と一体化され得る。イオン源は、スキマのアパーチャを介して一次イオンのビームを試料の方に導き、試料から二次イオンと中性粒子とをたたき出すように構成され得る。様々な局面において、一次イオンのビームは、連続的に提供され得るかまたはパルスとして注入され得る。中性粒子の後のイオン化によって生成されるイオンを含み得る二次イオンは、ＲＦイオンガイドを通過し得、質量分析され得る。ＤｏｕｇｌａｓおよびＦｒｅｎｃｈによる米国特許第４，９６３，７３６号において説明されるように、ＲＦイオンガイドは、イオンを焦点に集めることによって追加の利益を提供し得る。
【００１６】
二次イオンの気体との衝突による冷却は、１回よりも多い衝突が起る場合には、効率的であり得る。また、一次イオンが気体と衝突しない、従って一次イオンが試料を衝撃する前に分裂しない場合には、二次イオン質量分析法はより効率的であり、またはより良く制御され得る。但し、少数の衝突はなおも許容され得る。次の式は、衝突回数の確率を定義し得る。
【００１７】
【数１】
0005495373.tif 000002
ここで、Ｎは衝突の期待平均回数であり、σは衝突断面積であり、ｎ（ｘ）気体分子の密度であり、ｘは、軌道に沿った座標であり、Ｌは軌道の長さである。
【００１８】
簡易形式において、この要件は、気体の圧力、すなわち第１のチャンバの中の試料の位置での高い圧力と、標的面から試料領域の下流までの二次イオンの軌道の長さ、すなわち標的面４０からスキマのアパーチャ５２までの冷却経路の長さとの積は、１０−３トル＊ｃｍ（圧力＊長さ＝１０−３トル＊ｃｍ）に等しいとして、記述され得る。これは、衝突による冷却がなんらかの影響を有するための下限を表す。気体の圧力、すなわち第１のチャンバ中の試料の位置での高い圧力と、標的面から試料領域の下流までの二次イオンの軌道の長さ、すなわち冷却経路の長さとの積が、１０−３トル＊ｃｍよりも大きくなるように、気体が提供され得る。これは、ほとんどの実施形態において圧力は一定ではないので、推定であることは注意されるべきである。式１は、衝突回数のより正確な推定を得るために用いられ得る。冷却は、チャンバ５４の圧力に従って、アパーチャ５２を超えて継続し得る。
【００１９】
出願人の教示が様々な実施形態に関連して説明されるが、出願人の教示がそのような実施形態に限定されることは意図されない。それどころか、当業者によって理解されるように、本出願人の教示は、様々な代替案、修正および均等物を包含する。
【００２０】
様々な実施形態において、一次イオンは、金属クラスタまたは有機クラスタであり得るクラスタイオンであり得るが、これに限定されない。一次イオンは、Ｃ６０、グリセリン、水、金、または元素原子イオン（ｅｌｅｍｅｎｔａｌ  ａｔｏｍｉｃ  ｉｏｎ）であり得る。
【００２１】
様々な実施形態において、気体は一般的に不活性気体であり得、窒素、アルゴンまたはヘリウムを含むがこれらに限定されない。様々な局面において、気体は、連続的に提供され得るかまたはパルスとして注入され得る。
【００２２】
様々な実施形態において、イオンガイドは、多重極であり得るが、これに限定されない。例えば、イオンガイドは、四重極、六重極、または八重極であり得る。イオンガイドはＲＦリングガイドまたは任意のＲＦガイドであり得、該ＲＦガイドにおいて、イオンの放射状の逃散を防ぐために、イオンを放射状に閉じ込めるかまたは集中させるために、ＲＦ場が用いられる。イオンガイドは、直線イオントラップとしても公知である２Ｄトラップまたは衝突セル（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ  ｃｅｌｌ）であり得るが、これに限定されない。
【００２３】
様々な実施形態において、質量分析計は、四重極質量分析計、飛行時間質量分析計、フーリエ変換質量分析計、リニアイオントラップ、３−Ｄイオントラップ、またはオービトラップ（ｏｒｂｉｔｒａｐ）質量分析計であり得るが、これらに限定されない。
【００２４】
すべてのそのような修正または変形は、本明細書に添付された特許請求の範囲によって定義されるように、本出願人の教示の領域内および範囲内であると考えられる。
【図１】
0005495373.tif 000003
【図２】
0005495373.tif 000004
【図３】
0005495373.tif 000005
【図４】
0005495373.tif 000006
【図５】
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【図６】
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