(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速された一次イオンを試料表面に照射し、このとき試料表面から放出される二次イオンを、加速電極にパルス電圧を印加することにより、検出器方向に飛行させるようにした小型飛行時間型二次イオン質量分析装置において、前記加速電極に対するパルス電圧の印加を、前記一次イオンの照射が完了するよりも早い時点で行うようにしたことを特徴とする小型飛行時間型二次イオン質量分析装置。
【請求項２】
加速電極に対するパルス電圧の印加のタイミングを、一次イオンの照射が完了するよりも早い時点と、一次イオンの照射が完了した時点とに切り換えられるようにしてある請求項１に記載の小型飛行時間型二次イオン質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、小型飛行時間型二次イオン質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ＳＩＭＳ）の一つに、飛行時間型質量分析装置（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ＴＯＦ−ＭＳ）と組み合わせた、飛行時間型二次イオン質量分析装置（以下、ＴＯＦ−ＳＩＭＳという）があり、このＴＯＦ−ＳＩＭＳにも、大型のＴＯＦ−ＳＩＭＳと、１ｍ（縦）×１ｍ（横）×１．５ｍ（高さ）といった小型のＴＯＦ−ＳＩＭＳとがある。
【０００３】
前記小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳは、イオンの飛行行程をできるだけ短くなるようにして、その全体構成がコンパクト、小型になるように、例えば図１に示すように構成されている。
【０００４】
すなわち、図１は、小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳの要部の一般的な構成を概略的に示すもので、この図において、１は一次イオン２の発生源で、環状に形成されており、その内部には二次イオン３を検出する検出器４が設けられている。５は一次イオン発生源１の前段側に設けられる試料６の保持台である。７，８は一次イオン発生源１と試料保持台５との間に設けられるパルスイオン光学系、一次イオン加速電極である。９は一次イオン発生源１の前方側に設けられる飛行管、１０は一次イオン発生源１の内側に設けられる延長飛行管である。１１は一次イオン発生源１から飛行してくる一次イオン２および試料６から飛行してくる二次イオン３をそれぞれ試料６およびイオン検出器４方向に屈折させるるリフレクターである。
【０００５】
上記小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳの動作について、図６を参照しながら説明する。なお、この図では、説明の便宜上、試料６、加速電極８、検出器４を一直線上に配置して示している。
【０００６】
従来においては、試料（例えば半導体ウェハ）６をアース電位に保持し、その表面６ａに対して、適宜のエネルギー（例えば数ｋｅＶ〜２０ｋｅＶ）で加速された一次イオン２を照射し、このとき試料表面１ａから放出される二次イオン３を、加速電極（二次イオン引出し電極ともいう）８にパルス電圧を印加することにより、検出器５方向に飛行させるよう構成されている。なお、この図において、１２は加速電極８に印加するパルス電圧の発生源、１３は電源のオンまたはオフを切り換えるスイッチ、１４はスイッチ７を制御する回路である。
【０００７】
ところで、従来の小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおいて用いられる一次イオン２としては、Ａｒ（アルゴン）やＸｅ（キセノン）などのイオンビームが用いられるが、図４または図６において符号２Ａで示すように、ガウス分布状態の波の束（波束）となっている。この波束状態の一次イオン２を、３０ｎｓｅｃ（ナノ秒）といったきわめて短い時間内に試料表面６ａに照射している。
【０００８】
そして、上記ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおいては、質量数の大きさが例えば１６以上の元素の質量分解性能向上の観点から、前記ガウス分布状態の一次イオン２の束（波束）の全てが試料表面６ａに到達し終わった時点（図４における符号ＴE で示す）で、加速電極８に対して、図４において符号（ａ）で示すように、所定のパルス電圧を印加し、前記一次イオン２の試料６に対する照射に伴って発生した二次イオン３を加速するようにしていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように、一つの波束２Ａにおける一次イオン２の全てが試料表面６ａに到達した時点ＴE において、二次イオン３を加速させるためのパルス電圧を加速電極８に印加した場合、例えば質量数の小さいＨ（水素）やＨｅ（ヘリウム）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）などの軽元素（図６において符号３Ｌで示す）は、前記パルス電圧が加速電極８に印加された時点においては、試料表面６ａからかなり離れた位置に到達しているため、十分な加速電圧が印加されずほとんど加速されないため、従来の小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおいては、前記軽元素を、図４において曲線Ｉで示すように、ほとんど検出できなかった。なお、図６において、３Ｈは質量数が１６より大きい元素を示している。
【００１０】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、例えば質量数１６以下の所謂軽元素を確実に測定することができる小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、加速された一次イオンを試料表面に照射し、このとき試料表面から放出される二次イオンを、加速電極にパルス電圧を印加することにより、検出器方向に飛行させるようにした小型飛行時間型二次イオン質量分析装置において、前記加速電極に対するパルス電圧の印加を、前記一次イオンの照射が完了するよりも早い時点で行うようにしている（請求項１）。
【００１２】
上記構成の小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおいては、例えば、一次イオンの照射が開始される時点（図３において、符号ＴB で示す）において、加速電極に対してパルス電圧を印加するようにした場合、前記一次イオンの照射によって発生したＨ、Ｈｅ、Ｂ、Ｃなどの軽元素に所定の加速電圧が印加されるので、確実に加速され、検出効率が大幅に向上する。
【００１３】
そして、前記小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおいて、請求項２に記載のように、加速電極に対するパルス電圧の印加のタイミングを、一次イオンの照射が完了するよりも早い時点と、一次イオンの照射が完了した時点とに切り換えられるようにした場合、軽元素から重元素まで広い範囲にわたって元素や分子の検出が可能になり、検出範囲の広い小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳを得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。この発明の小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳは、基本的な装置の構成は、図１に示したものと変わるところがない。この発明の小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳが、従来のそれと大きく異なる点は、加速電極８に対するパルス電圧の印加を、一次イオン２の照射が完了するよりも早い時点で行うようにしたことである。図２は、このようにしたときの動作説明図で、この図においても、説明の便宜上、試料６、加速電極８、検出器４を一直線上に配置して示している。
【００１５】
例えば、図４において符号（ｂ）で示すように、前記パルス電圧の印加を、一次イオン２の照射が開始される時点ＴB で行うようにした場合、図２に示すように、一次イオン２の照射によって発生したＨ、Ｈｅ、Ｂ、Ｃなどの軽元素のイオン３Ｌに対して所定の加速電圧が印加されることになる。したがって、前記軽元素イオンの加速が確実に行われ、その検出効率が大幅にアップする。
【００１６】
図２は、この発明の小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおける検出器４の出力を表すもので、図の横軸は時間を、縦軸は強度を表している。そして、この図から分かるように、この発明の小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳによれば、従来の小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおいては検出することが困難であったＢ、Ｃといった軽元素や、ＣＨ、ＣＨ2 、ＣＨ3 といった分子量が比較的小さい分子をも高感度（確実）に検出することができるに至ったのである。
【００１７】
したがって、この発明によれば、図５において、符号IIで示すように、質量数が１６以下においても、１００％の検出効率を維持できるに至ったのである。
【００１８】
上述の実施の形態においては、加速電極８に対するパルス電圧の印加を、一次イオン２の照射が開始される時点ＴB で行うようにしているが、この発明は、これに限られるものではなく、少なくとも、一次イオン２の照射が完了するまでに行うようにしてあればよい。例えば、図４において符号ＴM で示す、波束２Ａのほぼ中央の時点で行うようにしてもよい。そして、前記パルス電圧の印加の時点が、一次イオン照射開始時点ＴB に近づくほど、より小さい質量の元素（または分子）に対する加速効率が改善され、一次イオン照射終了時点ＴE に近づくほど、より小さい質量の元素等の加速効率は落ちる。したがって、検出対象の軽元素や分子の種類に応じて、前記加速電極８に対するパルス電圧の印加タイミングを設定すればよい。
【００１９】
そして、前記加速電極８に対するパルス電圧の印加のタイミングを、一次イオン２の照射が完了するよりも早い時点と、一次イオン２の照射が完了した時点とに切り換えられるようにした場合、軽元素から重元素まで広い範囲にわたって元素や分子の検出が可能になり、検出範囲の広い小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳを得ることができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおいては、従来のこの種の小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおいては不可能であった軽元素あるいは低分子量の分子の測定が可能になり、特に、半導体分野において重要なボロンなどの金属元素や、有機物評価に重要な役割を担う炭素や炭化水素の検出を行うことができる。したがって、この発明の小型ＴＯＦ−ＳＩＭＳを用いることにより、より精度の高い定量分析が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の小型飛行時間型二次イオン質量分析装置の要部の構成を概略的に示す図である。
【図２】前記装置の動作を説明するための図である。
【図３】前記装置の検出出力の一例を示す図である。
【図４】波束と電圧印加のタイミングとの関係を示す説明図で、（ａ）は従来例、（ｂ）はこの発明のものをそれぞれ示している。
【図５】検出効率を説明するための図である。
【図６】従来の装置の動作説明するための図である。
【符号の説明】
２…一次イオン、３…二次イオン、４…検出器、６…試料、６ａ…試料表面、８…加速電極、ＴE …一次イオン照射完了時点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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