(57)【要約】【課題】デフレクターを用いたチョッパーを有する飛行時間型の質量選別器によって質量選別を行うと、イオンビームはデフレクターによって進行方向に対して垂直方向に偏向される。その結果、イオンビームの少なくとも一部は軸に対して斜めにアパーチャー電極を通過するため、加工対象物又は試料上のクラスターイオンの照射位置が移動してしまうという課題があった。【解決手段】帯電物質を飛行させる等電位空間を有するフライトチューブと、該フライトチューブに対して該帯電物質が飛行する方向の下流側に設置されたデフレクターと、該デフレクターに対して該帯電物質が飛行する方向の下流側に設置された第一のアパーチャー電極と、該デフレクターと該第一のアパーチャー電極の間に設置された出射側アパーチャー電極と、を備える質量選別器。【選択図】図１
2014197538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯電物質を飛行させる等電位空間を有する真空容器と、
該真空容器に対して該帯電物質が飛行する方向の下流側に設置されたデフレクターと、
該デフレクターに対して該帯電物質が飛行する方向の下流側に設置された第一のアパーチャー電極と、
該デフレクターと該第一のアパーチャー電極の間に設置された第二のアパーチャー電極と、
を少なくとも有することを特徴とする質量選別器。
【請求項２】
前記等電位空間を囲むように配置されたフライトチューブを更に有する請求項１に記載の質量選別器。
【請求項３】
前記デフレクターに入射する際の帯電物質の飛行方向の延長線が、前記第一のアパーチャー電極の開口部の周辺部と交わることを特徴とする請求項１または２に記載の質量選別器。
【請求項４】
前記デフレクターに入射する際の帯電物質の飛行方向の延長線が、前記第二のアパーチャー電極の開口部の周辺部と交わることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の質量選別器。
【請求項５】
前記第一のアパーチャー電極及び前記出射側アパーチャー電極の開口部の中心を結ぶ線と前記帯電物質が照射される被照射物が設置される平面との交点を基準として、
該出射アパーチャー電極の開口部の見込み角は、該第一のアパーチャー電極の開口部の見込み角よりも小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の質量選別器。
【請求項６】
前記第一のアパーチャー電極の開口部と、前記出射側アパーチャー電極の開口部が同一のサイズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の質量選別器。
【請求項７】
前記デフレクターは電場を形成することによって帯電物質を偏向することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の質量選別器。
【請求項８】
前記デフレクターは磁場によって帯電物質を偏向することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の質量選別器。
【請求項９】
前記フライトチューブに対して前記帯電物質が飛行する方向の上流側に設置され、該帯電物質をチョッピングするトリガー用チョッパーを有すること、
を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の質量選別器。
【請求項１０】
前記トリガー用チョッパーは、
前記フライトチューブに対して前記帯電物質が飛行する方向の上流側に設置されたトリガー用デフレクターと、
該フライトチューブと該トリガー用デフレクターとの間に設置されたトリガー用アパーチャー電極と、
を有することを特徴とする請求項９に記載の質量選別器。
【請求項１１】
前記トリガー用デフレクターと前記トリガー用アパーチャー電極との間に設置された入射側アパーチャー電極を有することを特徴とする請求項１０に記載の質量選別器。
【請求項１２】
前記トリガー用デフレクターに入射する際の帯電物質の飛行方向の延長線が、前記トリガー用アパーチャー電極の開口部の周辺部と交わることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の質量分析器。
【請求項１３】
前記トリガー用デフレクターに入射する際の帯電物質の飛行方向の延長線が、前記入射側アパーチャー電極の開口部の周辺部と交わることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の質量選別器。
【請求項１４】
前記トリガー用デフレクターは電場を形成することによって帯電物質を偏向することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の質量選別器。
【請求項１５】
前記トリガー用チョッパーは、前記フライトチューブに対して前記帯電物質が飛行する方向の上流側に設置され、該帯電物質を反射させる電場を形成する電極であることを特徴とする請求項９に記載の質量選別器。
【請求項１６】
前記トリガー用デフレクターは磁場によって帯電物質を偏向することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の質量選別器。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の質量選別器と、
前記フライトチューブに対して前記帯電物質としてのイオンが飛行する方向の最も上流側に設置されたイオン源と、
を有することを特徴とするイオン銃。
【請求項１８】
前記イオン源はパルス的にイオンを発生させるパルスイオン源であることを特徴とする請求項１７に記載のイオン銃。
【請求項１９】
前記イオン源は、
クラスターの原料となるガス又は液体を減圧雰囲気下に噴射するノズルと
ノズルから噴射されたクラスターをイオン化するイオン化部と、
を有することを特徴とする請求項１７又は１８に記載のイオン銃。
【請求項２０】
請求項１７〜１９のいずれか１項に記載のイオン銃と、
イオンが照射される被照射物を保持するステージと、
を有することを特徴とするクラスターイオン照射装置。
【請求項２１】
請求項１７〜１９のいずれか１項に記載のイオン銃と、
イオンを照射される被照射物を保持するステージと、
前記被照射物から放出された中性粒子又は荷電粒子を検出する検出器と、
を有することを特徴とする質量分析装置。
【請求項２２】
請求項１７〜１９のいずれか１項に記載のイオン銃と、
イオンを照射される被照射物を保持するステージと、
該被照射物から放出された中性粒子又は荷電粒子を検出する検出器と、
を有することを特徴とする質量顕微鏡。
【請求項２３】
前記検出器は、二次イオン質量分析器であることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の質量顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンの飛行時間と運動エネルギーの関係からイオンの質量電荷比を選別する質量選別器、並びにそれを用いたイオン銃、イオン照射装置及び質量顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
クラスターイオンビームは、高圧のガスをノズルから真空中に噴射することでクラスター化した粒子や、固体の蒸気が冷却されてクラスター化した粒子を、電子衝撃や光イオン化によりイオン化することで得ることができる。
【０００３】
またイオン化過程を経なくても、帯電した液滴又は固体若しくは液体の表面を電界蒸発によって直接イオン化することで、クラスター化した粒子からなるクラスターイオンビームを生成することができる。
【０００４】
固体表面へのクラスターイオンの照射は、エッチング、スパッタリング、成膜等の表面プロセスに用いられる。また大きな質量を持つクラスターイオンを照射すると、フラグメントを抑制しつつ高分子をイオン化できる効果を有することから、表面分析装置への応用も有効である（特許文献１）。これらへの応用に際しては、クラスターイオンのサイズにより、被照射物のスパッター効率やイオン化効率が変化するため、所定のサイズを有するクラスターイオンを選別してから対象物へ照射することが望ましい。
【０００５】
クラスターイオン照射装置は、クラスターイオン銃、ビーム制御部及び照射部を有する。クラスターイオン銃はクラスターイオン生成部及び質量選別器からなる。各部分は真空ポンプで排気され、全体として真空容器を構成する。
【０００６】
クラスターイオン生成部で生成されたクラスターイオンには、通常は様々なサイズを有するクラスターが含まれるため、質量選別器に入射した後、所定のサイズを有するクラスターイオンを選別してから、対象物へ照射することが多い。
【０００７】
質量選別の方式には磁場型（特許文献２）、四重極型、また飛行時間型等が存在するが、大質量を持つクラスターイオンには飛行時間型が適している。飛行時間型質量選別とは、イオンの飛行距離とエネルギーが判っている場合に、質量選別の前にパルス化（本発明において、イオンの飛行時間計測の基準となるパルスをトリガーパルスという）したイオンの飛行時間とエネルギーとの関係から当該イオンを質量によって選別する方式である。
【０００８】
この場合、イオンの飛行時間と質量の関係は式１で表わされるため、質量の違いに応じて飛行時間にも差が生じる（本発明において、この関係を質量分散という）。この関係を利用することで、特定の飛行時間を有するイオンのみを取り出すことで、質量の揃ったイオンを得ることができる。
【数１】
2014197538.tif 000003
【０００９】
ここで、ｍはイオンの質量、ｚはイオンの価数、ｔはイオンが等電位空間を飛行する時間、Vはイオンの通過電圧、Ｌは飛行距離、ｅは素電荷である。
【００１０】
一方、飛行時間型質量選別においては、質量選別されるイオンの質量ｍ及びその質量差Δｍと、当該イオンの飛行時間ｔ及びその時間差Δｔとの関係は式２で表わされる。時間差Δｔは、トリガーパルスの時間幅及び飛行時間ｔを測定する計測誤差等により支配される。
【数２】
2014197538.tif 000004
ここで、（Δｍ/ｍ）は質量分解能であり、高い質量分解能を得るためには、トリガーパルスの時間幅を短くすることにより時間差Δｔを短くすることが有効である。
【００１１】
パルス化されたイオンを生成する手段としては、（１）パルス的にイオンを発生させるイオン源を用いる方式や、（２）時間的に連続に（ＤＣ的）イオンを発生させるイオン源とイオンを一時的に遮断するチョッパーを組み合わせる方式が用いられる。尚、本発明において、イオンを進行方向に一定時間のみ通過させることでパルス化する動作をチョッピング、その動作を行う機構をチョッパーという。
【００１２】
チョッパーには、大別して、リターディング方式（ｒｅｔａｒｄｉｎｇ）とブランカー方式（ｂｌａｎｋｅｒ）の２種類の形式がある。
【００１３】
リターディング方式はイオン源から放出されたイオンの進行方向に対して逆方向のクーロン力を印加することによりイオンを反射させるものである。
【００１４】
ブランカー方式は、イオンの飛行方向をイオンに進行方向に対して垂直方向に偏向させる平行平板型の静電型のデフレクター又は磁場によってイオンを偏向させるデフレクターと、イオンが通過する開口部を有するアパーチャー電極とを組み合わせたものである。
ブランカー方式では、デフレクターに適当な電圧を印加しときに、アパーチャー電極に入射したイオンの少なくとも一部がアパーチャー電極の開口部を通過する。また、それとは異なる適当な電圧を印加したときには、イオン軌道はアパーチャー電極に衝突するように偏向されるため、イオンは開口部を通過しない。かかる動作により、イオンを進行方向に一定時間のみ通過させる、あるいは遮断することができる。
【００１５】
静電型のブランカー方式は高速でパルス化できる特長を有し、マイクロ秒オーダー、又はそれ以下の短い時間幅でのパルス化を可能とするため、飛行時間型質量選別に用いられることが多い。
飛行時間型質量選別器では、様々な質量のクラスターイオンが混在したクラスターイオンビームに質量分散を生じさせ、特定の飛行時間を有するクラスターイオンを取り出すことにより、質量の揃ったクラスターイオンビームを得る（質量選別する）ことができる。
【００１６】
クラスターイオン照射装置において、質量選別されたクラスターイオンは、ビーム制御部で加減速、収束又は発散の制御が行われた後、照射部に配置した被照射物である加工対象物又は試料に照射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２０１１−２９０４３号公報
【特許文献２】ＷＯ１０/０２９９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記のように、質量選別前のクラスターイオンビームには様々なサイズを有するクラスターが含まれるため、飛行時間型質量選別には高い質量分解能が求められる。
高い質量分解能を達成するためには、飛行時間の異なるクラスターイオンを短い時間差で選別する必要があることから、ブランカー方式のチョッパーを飛行時間型質量選別に用いることが有効である。
【００１９】
一方、質量選別されたクラスターイオンを加工対象物又は試料に照射する際には、加工対象物又は試料上におけるクラスターイオンビームの照射位置を精度良く制御することが必要となる。
加工対象物上の照射位置の精度によって、エッチング等の加工精度や、試料からの二次イオンや中性粒子を測定する際の二次イオンや中性粒子の空間分布の測定精度が、影響されるからである。
【００２０】
特に、イオン照射により生じた２次イオンを飛行時間型の質量分析器によって測定する、いわゆる飛行時間型二次イオン質量分析装置（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）の一次イオンとしてクラスターイオンを照射するときには、位置精度良く、かつ時間的に短いパルスでの照射が求められる。
【００２１】
しかし、従来、位置精度の制御は十分になされているとはいえない場合があった。例えば、ブランカー方式のチョッパーを用いた場合、デフレクターがクラスターイオンビームをその進行方向に対して垂直方向に偏向するため、クラスターイオンビームの少なくとも一部は、軌道が変更され、質量選別前の進行方向に対して斜めにアパーチャー電極を通過する。斜めに通過したクラスターイオンビームは、偏向されなかったクラスターイオンビームとは異なる被照射物上の位置を照射する。リターディング方式のチョッパーを使用した場合にも同様に、クラスターイオンビームの軌道が偏向されることで照射位置の精度の低下が生じる。
【００２２】
したがって、ブランカー方式のチョッパーを有する飛行時間型質量選別器によって質量選別を行う際に、加工対象物又は試料上のクラスターイオンの照射位置の精度が低くなるという課題があった。
【００２３】
本発明は上記課題に鑑み、質量選別したイオンを加工対象物又は試料に対して位置精度良く照射できる飛行時間型のイオン質量選別器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明による質量選別器は、
帯電物質を飛行させる等電位空間を有する真空容器と、
該真空容器に対して該帯電物質が飛行する方向の下流側に設置されたデフレクターと、
該デフレクターに対して該帯電物質が飛行する方向の下流側に設置された第一のアパーチャー電極と、
該デフレクターと該第一のアパーチャー電極の間に設置された第二のアパーチャー電極と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、イオンを位置精度良く照射できる飛行時間型の質量選別器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）本発明によるクラスターイオン照射装置、（ｂ）第１の実施形態によるイオン質量選別器、（ｃ）従来のイオン質量選別器。
【図２】（ａ）パルスイオン源を有するイオン質量選別器、（ｂ）リターディング方式のチョッパーを有するイオン質量選別器、（ｃ）入射側アパーチャーを有するイオン質量選別器、（ｄ）イオンレンズを有するイオン質量選別器。
【図３】（ａ）従来のイオン質量選別器のイオン軌道計算結果、（ｂ）第一の実施形態によるイオン質量選別器のイオン軌道計算結果、（ｃ）トリガー用デフレクターに電圧を印加したときの従来のイオン質量選別器のイオン軌道計算結果、（ｄ）トリガー用デフレクターに電圧を印加したときの第二の実施形態によるイオン質量選別器のイオン軌道計算結果。
【図４】（ａ）第一の実施形態によるビーム平均位置と透過率の関係、（ｂ）第二の実施形態によるビーム平均位置と透過率の関係、（ｃ）従来のイオン質量選別器におけるゲート用アパーチャー電極とイオン軌道の関係の模式図、（ｄ）本発明によるイオン質量選別器におけるゲート用アパーチャー電極及び出射側アパーチャー電極とイオン軌道の関係の模式図、（ｅ）ゲート用アパーチャー電極及び出射側アパーチャー電極の見込み角。
【図５】（ａ）パルス式のデフレクターに印加する電圧、（ｂ）２値切り替え式のデフレクターに印加する電圧、（ｃ）２値繰り返し式のデフレクターに印加する電圧。
【図６】（ａ）第５の実施形態によるイオン質量選別器、（ｂ）出射側アパーチャー電極の設置位置が異なる変形例、（ｃ）ゲート用アパーチャー電極と出射側アパーチャーの設置方向の変形例。
【図７】（ａ）第６の実施形態によるイオン質量選別器、（ｂ）入射側アパーチャーを有する変形例、（ｃ）入射側アパーチャーの設置位置が異なる変形例、（ｄ）入射側アパーチャーの設置方向の変形例。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（第１の実施形態）
本実施形態におけるイオン質量選別器と、それを有するクラスターイオン照射装置の動作方法を、二次イオン質量分析装置への応用を例にとり、図１に基づき説明する。
【００２８】
（動作原理）
図１（ａ）に示すように、本実施形態におけるクラスターイオン照射装置１２は、ノズル２、イオン化部３、質量選別器４、収束部５、照射ステージ６を有し、各部分は全体として真空容器１を構成する。また、ノズル２、イオン化部３及び質量選別器４はイオン銃１０を構成する。さらに、本実施形態におけるクラスターイオン照射装置１２は図示されない真空排気系及び信号処理系を有する。被照射物７は照射ステージ６上に設置される。
【００２９】
ノズル２にはガス導入配管を通じてクラスターの原料となるＡｒ、Ｎｅ、Ｈｅ、Ｋｒ等の希ガスや、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＯ２、ＳＦ６、Ｃｌ２、ＮＨ４等の分子性ガス、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール、及び水等が供給される。これらの水やアルコールには、酸や塩基を混ぜても良い。
【００３０】
ガス導入圧は特に限定されないが、０．００１〜１００気圧の範囲内であればよく、０．１〜２０気圧であるとさらによい。
【００３１】
ノズル２からガスが減圧雰囲気下で真空容器１の内部に超音速で噴射される際に、供給されたガス又は液体は超断熱膨張により冷却され、原子又は分子の集合体であるクラスターを含むガスが生成される。
【００３２】
少なくともクラスターとガスのいずれかはスキマー９を経てイオン化部３に入射する。イオン化部３には、例えば熱フィラメントなどの電子源が配置されている。そして、電子源で発生した電子により、クラスターを構成する原子又は分子をイオン化し、クラスターイオンビームＡを生成する。
【００３３】
イオン化部３では様々なサイズを有するクラスターイオン及びモノマーイオンが生成される。それらを含むクラスターイオンビームＡは質量選別器４に入射し、質量選別器４で質量選別される。
【００３４】
質量選別器４は、図１（ｂ）に示すように、トリガー用デフレクター２０、トリガー用アパーチャー電極２１、真空容器１内に形成される等電位空間を囲むように配置されたフライトチューブ２２、ゲート用デフレクター２３、ゲート用アパーチャー電極としての第一のアパーチャー電極２６、及び出射側アパーチャー電極としての第二のアパーチャー電極２４を有する。トリガー用デフレクター２０とトリガー用アパーチャー電極２１、またゲート用デフレクター２３とゲート用アパーチャー電極２６は各々ブランカー式のチョッパーを構成する。
【００３５】
クラスターイオンビームＡはトリガー用デフレクター２０を構成する一対の平行平板電極の間に入射する。これらの平行平板電極には異なった電位が印加されることで電場が形成される。また、クラスターイオンビームＡの飛行方向の下流側には、トリガー用アパーチャー電極２１が設置される。
【００３６】
トリガー用デフレクター２０を構成する平行平板電極間にトリガー用パルス電源３０によって適当な電圧ＶＴｐａｓｓを印加すると、クラスターイオンビームＡはトリガー用アパーチャー電極２１の開口部を通過する。一方、トリガー用パルス電源３０から上記とは異なる電圧ＶＴｓｔｏｐを印加すると、クラスターイオンビームＡはトリガー用デフレクター２０により偏向され、トリガー用アパーチャー電極２１の開口部以外の場所に衝突する。つまりクラスターイオンビームＡは遮断される。
【００３７】
ここで、図５（ａ）のように、トリガー用デフレクター２０にパルス的にＶＴｐａｓｓを印加して（トリガーパルス）、イオンを飛行方向に一定時間のみ通過させることでパルス的にチョッピングを行う。尚、図５（ｂ）のように、トリガー用デフレクター２０に印加する電圧をＶＴｓｔｏｐＬからＶＴｓｔｏｐＨまで変化させる際に、ＶＴｐａｓｓを印加しても良く、図５（ｃ）のようにＶＴｐａｓｓを含む範囲で電圧を繰り返して変化させても良い。尚、図５（ａ）等のグラフにおいて、電圧を示す線の傾きは模式的なものである。
【００３８】
尚、図２（ｂ）のように、トリガー用デフレクター２０とトリガー用アパーチャー電極２１に換えて、高電圧を印加してイオンを反射させるリターディング方式のチョッパー２００を用いても良い。
【００３９】
高速回転するアパーチャーつき円形平板を使用してクラスターイオンＡのチョッピングを行ってもよく、また、電極への電圧の印加に代えて、磁場によりクラスターイオンビームＡのイオン軌道を偏向させてもよい。
【００４０】
さらには、図２（ａ）にようにパルス的にガスを噴射するノズル、あるいはパルス的にクラスターをイオン化するイオン化部を用いても、パルス化されたクラスターイオンビームＡを得ることができる。
【００４１】
かかるパルス化されたクラスターイオンビームＡは、トリガー用アパーチャー電極２１の下流に設置されたフライトチューブ２２に入射する。フライトチューブ２２には図示されない電源から、内部が等電位空間となるように電圧が印加される。クラスターイオンはフライトチューブ２２内部の等電位空間中で等速運動を行う。この過程でクラスターイオンやモノマーイオンは、それぞれの有する質量電荷比に応じて質量分散を生じる。
なお、真空容器１内部に等電位空間を形成できる構成であれば良く、フライトチューブ２２の替わりに複数のアパーチャー電極を配置する構成でも良い。
【００４２】
フライトチューブ２２の下流にはゲート用デフレクター２３が設置される。クラスターイオンやモノマーイオンは、質量の小さい順に、ゲート用デフレクター２３を構成する一対の平行平板電極の間に入射する。ゲート用デフレクター２３はトリガー用デフレクター２０と同様に平行平板電極の間に電場を形成する。ゲート用デフレクター２３の下流側にはゲート用アパーチャー電極２６が設置される。
【００４３】
尚、図２（ｄ）のようにフライトチューブ２２の上流側又は下流側、あるいは両側にイオンレンズ２８及び２９を設置して、フライトチューブ２２中のクラスターイオンビームＡの軌道を制御することができる。その結果、透過率を向上させることができる。
【００４４】
所望の質量を有するクラスターイオンがゲート用アパーチャー電極２６を通過するタイミングで、ゲート用パルス電源３１によってゲート用デフレクター２３にパルス的にＶＧｐａｓｓを印加（ゲートパルス）すると、所望の質量を有するイオンを取りだすことができる。その反対に、所望の質量を有するイオンがゲート用アパーチャー電極２６を通過しない時には、ゲート用デフレクター２３にＶＧｓｔｏｐを印加するとよい（図５（ａ））。所望の質量とは異なる質量を有するイオンＣをゲート用アパーチャー電極２６で遮断するためである。また、所望の質量を有するクラスターイオンの少なくとも一部は出射アパーチャー電極２４の開口部を通過する。
尚、トリガー用デフレクター２０と同様に、図５（ｂ）又は図５（ｃ）のように、ゲート用デフレクター２３にＶＧｐａｓｓを印加しても良い。
【００４５】
ゲート用デフレクター２３に印加するＶＧｐａｓｓの時間幅を調整することで、所望の質量を有するクラスターイオンのみを選別することもできるし、異なる質量を有する２以上のクラスターイオン群からなるパルス状のイオンビームを作成することもできる。
【００４６】
質量選別され、パルス化されたクラスターイオンビームＢは、収束部５（例えば静電レンズ４０）で加減速及びフォーカスされた後、照射ステージ６に保持された被照射物７に照射される。
【００４７】
クラスターイオンを被照射物７に照射する際には、収束して試料上を走査する走査型として照射してもいいし、被照射物７の特定領域に一括して照射する投影型として照射してもよい。
【００４８】
被照射物７から生じた二次イオン等の荷電粒子又は中性粒子は分析装置８で分析される。分析装置８として飛行時間型の二次イオン質量分析器を用いれば、クラスターイオンによる飛行時間型二次イオン質量分析が可能となる。分析装置８にイオン化装置付きの中性粒子検出器を用いれば、クラスターイオンによる中性粒子質量分析が可能となる。
また、被照射物の表面を二次元的に質量分析して、測定対象物の表面における各物質の分布情報を得ることで、質量顕微鏡としても使用できる。
【００４９】
尚、本実施形態ではクラスターイオンを例として説明しているが、クラスターイオン以外にも、分子イオン、フラーレンイオン、帯電液滴等のフライトチューブ内を飛行可能な帯電した物質（本発明において、帯電物質と称する）についても本発明を適用可能である。
【００５０】
また、平行平板型のデフレクターに代えて、磁場を印加してイオンを偏向させるデフレクターを用いても良い。
【００５１】
本発明におけるイオンは各種クラスターイオンを含む。クラスターとは原子あるいは分子が、分子間相互作用によって２個以上結合した物体を指し、クラスターイオンとは、クラスターが電荷を帯びたものを指す。またクラスターイオンは、単一種の原子又は分子から構成されてもよく、２種類以上の原子又は分子から構成されてもよい。
【００５２】
また、イオン源は、上記したノズル２及びイオン化部３の組み合わせに限定させることはなく、固体の蒸気が冷却されてクラスター化した粒子を電子衝撃や光イオン化してもよいし、帯電した液滴又は固体若しくは液体表面を電界蒸発によって直接イオン化してもよい。イオン源は気体、液体、固体又はそれらの混合状態のいずれでもよく、金やビスマス等の金属をクラスターイオンにしてもよい。
【００５３】
（イオン光学シミュレーション１）
ここで、本発明と従来技術との比較を行うために、まず、図１（ｃ）に示すような、出射アパーチャー電極２４を設けない従来の質量選別器のイオン光学シミュレーション結果を示す。
【００５４】
図３（ａ）は、正電荷を有するクラスターイオンの軌道である。クラスターイオンビームＡの運動エネルギーは１０［ｋｅＶ］、トリガー用デフレクター２０に入射したクラスターイオンビームＡの発散角は１度である。
【００５５】
トリガー用デフレクター２０及びゲート用デフレクター２３の長さは、双方とも２０［ｍｍ］、平行平板電極の間の距離は１２［ｍｍ］である。トリガー用デフレクター２０の端からトリガー用アパーチャー電極２１までの距離と、ゲート用デフレクター２３の端からゲート用アパーチャー電極２６までの距離と、双方とも４０［ｍｍ］である。
トリガー用アパーチャー電極２１とゲート用アパーチャー電極２６は、いずれも厚さが１［ｍｍ］の板状電極であり、直径１［ｍｍ］の円形開口部を有する。
【００５６】
フライトチューブ２２は長さ２３０［ｍｍ］、直径２０［ｍｍ］の円筒型の電極である。トリガー用アパーチャー電極２１とフライトチューブ２２の距離は４［ｍｍ］であり、フライトチューブ２２とゲート用デフレクター２３の距離は５［ｍｍ］である。
【００５７】
フライトチューブ２２の中心軸と、トリガー用アパーチャー電極２１及びゲート用アパーチャー電極２６の円形開口部は同軸配置となっている。ゲート用アパーチャー電極２６から被照射物７までの距離は１２０［ｍｍ］である。
【００５８】
尚、図３では説明を簡単するために、出射アパーチャー電極２４の下流の静電レンズ４０は省略されている。
【００５９】
本実施形態では、フライトチューブ２２、トリガー用アパーチャー電極２１、及びゲート用アパーチャー電極２６は接地されているが、適当な電圧を印加しても良い。
【００６０】
トリガー用デフレクター２０にはＶＴｐａｓｓとして０［Ｖ］の電圧を印加すると、クラスターイオンビームＡは偏向されることなく被照射物７の中心軸の延長線上に入射する。本明細書では、このようにクラスターイオンビームＡが偏向されていない状態を横方向のシフトが０［ｍｍ］と定義する。
【００６１】
図３（ａ）では、ゲート用デフレクター２３に一例として＋／−１００［Ｖ］、すなわち平行平板電極の一方に１００［Ｖ］、他方に-１００［Ｖ］を印加した。以下、特に断りが無い限り、デフレクターを構成する平行平板電極には、同様に０［Ｖ］を中心に極性が異なるが絶対値の等しい電圧を印加する。
この電圧は、ゲート用デフレクター２３に印加する電圧をＶＴｐａｓｓである０［Ｖ］からＶＴｓｔｏｐである３１０［Ｖ］まで切り替える際に過渡的に印加される電圧である。
【００６２】
ゲート用デフレクター２３で偏向されたクラスターイオンビームＡの一部はゲート用アパーチャー電極２６に衝突するものの、その他は開口部を通過して被照射物７に入射する。その際、クラスターイオンビームＡの軌道は、一部が偏向することにより、中心軸の延長線上から広がりをもつ場合がある。クラスターイオンビームＡを構成するクラスターイオンビームＣはゲート用アパーチャー電極２６で遮断され、残りのクラスターイオンビームＢは被照射物７の中心軸に対して偏った範囲に入射する。本明細書では、この状態を横方向のシフトが発生した状態と定義する。
【００６３】
ここで、複数のクラスターイオンをフライトチューブから被照射物へ向けて飛行させた時に、各々のクラスターイオンが被照射物に到達した位置の平均をビーム平均位置と定義する。また、トリガー用デフレクター２０に入射したクラスターイオンビームＡと被照射物７に到達したクラスターイオンビームＢとの電流又はイオン数の比を透過率と表わす。
透過率とビーム平均位置の関係をプロットしたグラフが図４（ａ）である（シンボルは黒四角）。透過率が最大値の１４％の範囲はビーム平均位置が６［ｍｍ］であり、クラスターイオンビームが高い透過率で照射される範囲は被照射物７の中心軸から６［ｍｍ］である。つまり、ゲート用デフレクター２３による偏向の影響で、ゲート用アパーチャー電極２６の開口部のサイズの６倍という大きな範囲にイオンビームＢが拡散している。
【００６４】
またデフレクターの印加電圧を１００［Ｖ］にしたことに伴い、クラスターイオンビームの照射範囲は実質的に８［ｍｍ］程度に広がることになる。一次イオンビームの太さはＴＯＦ-ＳＩＭＳの空間分解能に影響するため、上記の裾は、ＴＯＦ-ＳＩＭＳの一次イオンとしてクラスターイオンを照射するときには、空間分解能を悪化させる要因となる。
【００６５】
（イオン光学シミュレーション２）
次に、本実施形態における質量選別器のイオン光学シミュレーション結果を図３（ｂ）に示す。ゲート用アパーチャー電極２６の上流側３４［ｍｍ］の位置に、厚さが１［ｍｍ］の板状電極であり、直径１［ｍｍ］の円形開口部を有する出射アパーチャー電極２４が設置されていることを除き、他の電極やシミュレーション条件は図３（ａ）の場合と同様である。また、ゲート用デフレクター２３に＋／−１００［Ｖ］を印加した。
【００６６】
図３（ｂ）では、クラスターイオンは出射アパーチャー電極２４を通過するものの、一部のクラスターイオンはゲート用アパーチャー電極２６に衝突し、被照射物７に入射するクラスターイオンビームＢは減少する。つまり透過率は低くなる。
【００６７】
本実施形態では、出射アパーチャー電極２４とゲート用アパーチャー電極２６の開口部が同一のサイズになっているが、両者の大きさを異なったものにしても良い。例えば図４（ｅ）にように、被照射物７の表面（設置される平面）と、ゲート用アパーチャー電極２６及び出射アパーチャー電極２４の開口部の中心を結ぶ線Ｙとの交点Ｚを基準とした、出射アパーチャー電極２４の開口部の見込み角Ｈが、ゲート用アパーチャー電極２６の開口部の見込み角Ｇよりも小さくなるよう開口部のサイズを設定しても良い。
【００６８】
さらに、ゲート用デフレクター２３で偏向されたイオンの軌道の漸近線のうち、ゲート用アパーチャー電極２６の開口部の縁を通過する漸近線（図４（ｄ）の実線Ｅ）が出射側アパーチャー電極２４の開口部周囲の電極部分と交わるように（つまりイオンを遮断する）、両者の開口部のサイズを決定しても良い。
【００６９】
本実施形態におけるゲート用アパーチャー電極２６に印加する電圧を変化させたときの、クラスターイオンビームの透過率とビーム平均位置の関係をプロットしたのが図４（ａ）である（シンボルは白抜きの円）。
【００７０】
（結果の比較）
被照射物７に入射するクラスターイオンビームの透過率が１２％以上となる範囲が、従来の質量選別器の６［ｍｍ］から本実施形態では２［ｍｍ］以下に低減した。したがって、クラスターイオンビームＢの入射位置の広がり（精度）は１／３以下に改善した。
【００７１】
図３（ａ）のイオン光学シミュレーションでは、図４（ｃ）に模式的に示すように、図ゲート用デフレクター２３に入射する際にフライトチューブの中心軸Ｘから離れているクラスターイオンビームＥが大きく偏向して被照射物７に入射するため、横方向のシフトが大きくなる。
一方、図３（ｂ）のイオン光学シミュレーションでは、図４（ｄ）に模式的に示すように、フライトチューブの中心軸Ｘから離れているクラスターイオンビームＥはゲート用アパーチャー電極２６に遮断される。その結果、フライトチューブの中心軸Ｘに近いクラスターイオンビームＦのみがゲート用アパーチャー電極２６を通過するため、クラスターイオンビーム全体として横方向のシフトが小さくなる。
【００７２】
図４（ａ）に示すように、従来の質量選別器とゲート用デフレクター２３とゲート用アパーチャー電極２６との距離が等しいにも関わらず、本実施形態では横方向のシフトが抑制されている。
したがって、本実施形態の質量選別器を有するクラスターイオン処理装置によって、クラスターイオンによりエッチング等の加工をするときは、加工精度を向上させることができる。また本実施形態の質量選別器を有するＴＯＦ-ＳＩＭＳの空間分解能を向上させることできる。
【００７３】
また逆に、一定の横方向のシフトを受容すれば、ゲート用デフレクター２３とゲート用アパーチャー電極２６との距離を短縮することもできる。
その結果、フライトチューブの長さと比較して、ゲート用デフレクター２３とゲート用アパーチャー電極２６との距離を短縮できるため、クラスターイオンの飛行時間の計測精度が向上する。
【００７４】
（第２の実施形態）
本実施形態によるイオン質量選別器（図２（ｃ））は、入射側アパーチャー電極２７が、トリガー用デフレクター２０とトリガー用アパーチャー電極２１の間に設置され、これらの３者の位置関係を除き、第１の実施形態と同様である。
【００７５】
トリガー用デフレクター２０と入射側アパーチャー電極２７は５［ｍｍ］であり、入射側アパーチャー電極２７とトリガー用アパーチャー電極２１の距離は３４［ｍｍ］である。本実施形態では入射側アパーチャー電極２７は接地されているが、電圧を印加しても良い。
【００７６】
図３（ｄ）に、本実施形態における質量選別器のイオン光学シミュレーション結果を示す。トリガー用デフレクター２０に＋／−２５［Ｖ］の電圧を印加していることを除き、各電極に印加する電圧は、第一の実施形態と同様である。またクラスターイオンビームＡの加速エネルギー等も同様である。
【００７７】
トリガー用デフレクター２０に図５（ａ）のように電圧が印加され、クラスターイオンビームＡをパルス化する。その際には、偏向された状態で少なくとも一部のクラスターイオンがトリガー用アパーチャー電極２１と入射側アパーチャー電極２７を通過する。トリガー用デフレクター２０に印加された＋／−２５［Ｖ］は、ＶＴｐａｓｓとＶＴｓｔｏｐとの間のいずれか電圧である。
入射側アパーチャー電極２７がない場合、かかるクラスターイオンは、図３（ｃ）に示すように、フライトチューブの中心軸Ｘに対して斜めにフライトチューブ２２に入射するため、フライトチューブ２２からその下流にかけてのクラスターイオンの軌道に影響する。
【００７８】
そこで、第１の実施形態と同様に、出射アパーチャー電極２４を設けた本実施形態におけるビーム平均位置と透過率の関係を、図４（ｂ）に示す（シンボルは白抜きの円）。比較のため、出射アパーチャー電極２４を設けない従来の質量選別器のイオン光学シミュレーションを実施した結果も図４（ｂ）に示す（シンボルは黒四角）。尚、トリガー用デフレクター２０には同様に＋／−２５［Ｖ］の電圧を印加している。
【００７９】
図４（ｂ）が示すとおり、被照射物７に入射するクラスターイオンビームの透過率が１２％以上となる範囲が、従来の質量選別器の６［ｍｍ］から本実施形態の質量選別器では１．５［ｍｍ］程度に低減した。したがって、クラスターイオンビームの入射位置の精度は１／４に改善した。
【００８０】
トリガー用デフレクター２０に電圧を印加した状態においても、フライトチューブ２２内での中心軸Ｘに対してのクラスターイオンの傾きを抑制できるため、ゲート用アパーチャー電極２６の下流での横方向のシフトも低減される。
【００８１】
（第３の実施形態）
本実施形態によるイオン質量選別器（図２（ａ））は、トリガー用デフレクター２０とトリガー用アパーチャー電極２１に代えて、パルス的にイオンを発生できるパルスイオン源１１を有することを除き、第１の実施形態と同様である。
【００８２】
パルスイオン源１１はトリガー用チョッパーと同等のパルス幅でパルス化されたクラスターイオンビームＤを発生させることができる。例えば、パルスレーザーやパルス駆動できる電子銃を、ガスや固体、あるいは液体に照射することでクラスターイオンを発生させるものであっても良い。さらには、パルス的に高電圧を印加するエレクトロスプレー等の帯電液滴を発生させるものであっても良い。
【００８３】
さらには、パルス的にガスを噴射するノズル、あるいはパルス的にクラスターをイオン化するイオン化部を用いてもパルス化されたクラスターイオンビームＤを生成するものでも良い。
【００８４】
本実施形態では、トリガー用デフレクター２０を有しないため、フライトチューブの中心軸Ｘに対してのクラスターイオンビームＤの傾きが低減されるという特長を有する。
【００８５】
（第４の実施形態）
本実施形態によるイオン質量選別器（図２（ｂ））は、トリガー用デフレクター２０とトリガー用アパーチャー電極２１に代えて、リターディング方式のトリガー用チョッパー２００を有することを除き、第１の実施形態と同様である。
【００８６】
トリガー用チョッパー２００は一例として２個の同軸円筒型の電極で構成される。下流側の円筒電極にはパルス的に電圧が印加されるが、上流側の円筒電極は接地される。尚、後者には適当な電圧を印加しても良い。下流側の円筒電極にクラスターイオンビームＡが通過できない程度の電場を発生させる電圧を印加することで、クラスターイオンビームＡを遮断し、チョッピングを行う。
【００８７】
同軸円筒型に代えて、同軸のアパーチャー電極を用いても良い。またメッシュ電極を用いても良い。
【００８８】
本実施形態では、リターディング方式のトリガー用チョッパー２００は、パルスイオン源を用いることなく、フライトチューブの中心軸Ｘに対してのクラスターイオンビームＡの傾きが低減されるという特長を有する。
【００８９】
（第５の実施形態）
本実施形態によるイオン質量選別器（図６（ａ））は、ゲート用デフレクター２３に入射する前のクラスターイオンＡの飛行方向の延長線と、出射側アパーチャー電極２４およびゲート用アパーチャー電極２６の開口部との位置関係が異なることを除き、第１の実施形態と同様である。
【００９０】
トリガー用デフレクター２０とトリガー用アパーチャー電極２１によってパルス化されたクラスターイオンビームＡは、フライトチューブ２２を経て、ゲート用デフレクター２３を構成する一対の平行平板電極の間に入射する。その後、クラスターイオンビームＡは、ゲート用デフレクター２３で偏向されるが、本実施形態では、ゲート用デフレクター２３によって適当な角度に偏向されたクラスターイオンＢがゲート用アパーチャー電極２６を通過する。図６（ａ）に示すように、ゲート用アパーチャー電極２６の開口部の中心は、ゲート用デフレクター２３に入射する前のクラスターイオンビームＡの飛行方向の延長線上から外れているためである。
【００９１】
一方、所望の質量とは異なる質量を有するイオンＣは、ゲート用アパーチャー電極２６の開口部を通過することができないため、ゲート用アパーチャー電極２６で遮断される。イオンＣがゲート用デフレクター２３で偏向される角度は、所望の質量を有するクラスターイオンビームＢの偏向される角度とは異なる、またはイオンＣが偏向されないためである。
【００９２】
他方、イオン源等から放出される中性粒子は、ゲート用デフレクター２３に入射する前のクラスターイオンビームＡの飛行方向の延長線上に概ね沿って飛行する。そのため、ゲート用デフレクター２３で偏向されない中性粒子Ｊは、ゲート用デフレクター２３を通過後も当該延長線に沿って飛行を続ける。
ここで、当該延長線が、ゲート用アパーチャー電極２６の開口部の周辺部に交わるよう、ゲート用アパーチャー電極２６を設置すると、中性粒子Ｃはゲート用アパーチャー電極２６の開口部を通過することができないため、遮断される。
【００９３】
かかる構成により、ゲート用アパーチャー電極２６の下流で、中性粒子の存在量が減少する効果があるため、中性粒子との衝突に起因するクラスターイオンビームＢの減衰や、被照射物７への中性粒子照射による汚染を抑制する効果を有する。
【００９４】
尚、図６（ｂ）のように、当該延長線が、出射側アパーチャー電極２４の開口部の周辺部に交わるよう、出射側アパーチャー電極２４を設置しても良い。かかる場合、フライトチューブ２２を通過した中性粒子Ｊは出射側アパーチャー電極２４によって遮断されるため、出射側アパーチャー電極２４の下流で、中性粒子の存在量をより減少させる効果を有する。
【００９５】
ゲート用デフレクター２３に入射する前のクラスターイオンビームＡの中心軸が出射側アパーチャー電極２４の開口部の周辺部に交わる位置が、開口部から適当な距離だけ離れていれば、より効果的に中性粒子を遮断できる。一例として、クラスターイオンビームＡのビーム径より、当該距離が大きい場合が挙げられる。
【００９６】
出射側アパーチャー電極２４およびゲート用アパーチャー電極２６の中心軸は、図６（ａ）および図６（ｂ）のように、フライトチューブ２２の中心軸と平行でもよい。また、図６（ｃ）のように、クラスターイオンビームＢの飛行方向と平行なイオンレンズ４０の光軸と平行であってもよい。かかる場合は、イオンレンズ４０とゲート用アパーチャー電極２６の間の電場の乱れが小さくなり、イオンレンズ４０の収差が低減する効果を有する。
【００９７】
（第６の実施形態）
本実施形態によるイオン質量選別器（図７（ａ））は、トリガー用デフレクター２０に入射する前のクラスターイオンＡの飛行方向の延長線が、トリガー用アパーチャー電極２１によってパルス化されたクラスターイオンビームＬの飛行方向とは同一ではない、すなわちトリガー用デフレクター２０によって適当な角度で偏向されたクラスターイオンＬがトリガー用アパーチャー電極２１を通過することを除き、第１の実施形態と同様である。
【００９８】
クラスターイオンビームＡの少なくとも一部がパルス化される際に、クラスターイオンビームＬはトリガー用デフレクター２０で偏向され、トリガー用アパーチャー電極２１を通過する。また、クラスターイオンビームＡがトリガー用デフレクター２０で充分偏向されない時は、トリガー用アパーチャー電極２１の開口部の周辺部で遮断される。
【００９９】
一方、イオン源等から放出される中性粒子はトリガー用デフレクター２０に入射する前のクラスターイオンビームＡの飛行方向の延長線上に概ね沿って飛行するが、トリガー用デフレクター２０で偏向されないため、そのまま当該延長線に沿って飛行を続ける。ここで、トリガー用デフレクター２０に入射する前のクラスターイオンＡの飛行方向が、トリガー用アパーチャー電極２１の開口部の周辺部に交わるよう設置しておけば、当該中性粒子の少なくとも一部はトリガー用アパーチャー電極２１で遮断される。
【０１００】
トリガー用デフレクター２０に入射する前のクラスターイオンビームＡの中心軸がトリガー用アパーチャー電極２１の開口部の周辺部に交わる位置が、開口部から適当な距離だけ離れていれば、より効果的に中性粒子Ｊを遮断できる。一例として、クラスターイオンビームＡのビーム径より、当該距離が大きい場合が挙げられる。
【０１０１】
かかる場合、トリガー用アパーチャー電極２１より下流の中性粒子の存在量を減少させるため、中性粒子に起因するクラスターイオンビームＢの減衰を抑制する効果を有する。
【０１０２】
また、図７（ｂ）のように、トリガー用デフレクター２０とトリガー用アパーチャー電極２１の間に、入射側アパーチャー電極２７を設置しても良い。入射側アパーチャー電極２７により、フライトチューブ２２内での中心軸Ｘに対してのクラスターイオンの傾きを抑制できる効果が期待できることは、第２の実施形態と同様である。
【０１０３】
さらには、図７（ｃ）のように、トリガー用デフレクター２０に入射する前のクラスターイオンＡの飛行方向が、入射側アパーチャー電極２７の開口部の周辺部に交わるよう設置しておけば、イオン源等から放出される中性粒子Ｍの少なくとも一部は入射側アパーチャー電極２７で遮断する。かかる場合、入射側アパーチャー電極２７の下流で、中性粒子の存在量をより減少させ、クラスターイオンＬの減衰を抑制する効果を有する。
【０１０４】
また、図７（ｄ）のように、トリガー用アパーチャー電極２１の中心軸が、トリガー用デフレクター２０に入射する前のクラスターイオンＡの飛行方向と平行であってもよく、かかる場合は製作が容易であると利点がある。一方、入射側アパーチャー電極２７やトリガー用アパーチャー電極２１の中心軸を、図７（ａ）、図７（ｂ）および図７（ｃ）のように、フライトチューブ２２の中心軸と平行にしてもよく、この場合はトリガー用アパーチャー電極２１とフライトチューブ２２の電場の乱れが小さくなり、フライトチューブ２２内におけるイオン軌道の乱れが少なくなる効果を有する。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明に係る飛行時間型質量選別器は、イオン源及びイオンを照射される被照射物を保持するステージと組み合わせることで、クラスターイオン照射装置として使用することができる。また、本発明に係る飛行時間型質量選別器を被照射物から放出された中性粒子又は荷電粒子を検出する検出器と組み合わせることで、表面分析装置として使用することができる。また、表面分析装置における検出器として二次イオン質量分析器を使用する場合、本発明に係る飛行時間型質量選別器を検出器の一部として使用することもできる。
【符号の説明】
【０１０６】
１  真空容器
２  ノズル
３  イオン化部
４  質量選別器
５  収束部
６  照射ステージ
７  被照射物
８  分析装置
９  スキマー
１０  イオン銃
１１  パルスイオン源
１２  クラスターイオン照射装置
２０  トリガー用デフレクター
２１  トリガー用アパーチャー電極
２２  フライトチューブ
２３  ゲート用デフレクター
２４  出射側アパーチャー電極
２６  ゲート用アパーチャー電極
２７  入射側アパーチャー電極
３０  トリガー用パルス電源
３１  ゲート用パルス電源
４０  イオンレンズ
Ａ  クラスターイオンビーム
Ｂ  質量選別されたクラスターイオンビーム
Ｃ  所望の質量とは異なる質量を有するイオン
Ｄ  パルスイオン源でパルス化されたクラスターイオンビーム
Ｅ  フライトチューブの中心軸から遠いクラスターイオンビーム
Ｆ  フライトチューブの中心軸から近いクラスターイオンビーム
Ｇ  ゲート用アパーチャー電極２６の開口部の見込み角
Ｈ  出射アパーチャー電極２４の開口部の見込み角
Ｊ  遮断された中性粒子
Ｋ  トリガー用アパーチャー電極で遮断されたクラスターイオンビーム
Ｌ  トリガー用アパーチャー電極を通過したクラスターイオンビーム
Ｍ  入射アパーチャーで遮断された中性粒子
Ｘ  フライトチューブの中心軸
Ｙ  ゲート用アパーチャー電極２６と出射アパーチャー電極２４の開口部を結ぶ線
Ｚ  被照射物を設置すべき位置と中心軸Ｙとの交点
【図１】
2014197538.tif 000005
【図２】
2014197538.tif 000006
【図４】
2014197538.tif 000007
【図５】
2014197538.tif 000008
【図６】
2014197538.tif 000009
【図７】
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【図３】
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