(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラメントで発生した電子をガスに照射することによりガスをイオン化し、イオン引出手段に加速電圧を印加してイオンをイオン銃から取り出すように構成したイオンビーム装置を備えた表面分析装置であって、前記加速電圧が印加されていない時のエミッション電流量が、加速電圧が印加されている時のエミッション電流量より少なくなるように、前記フィラメントが加熱制御される表面分析装置。
【請求項２】
エミッション電流量がゼロにならないように、前記フィラメントが加熱制御されることを特徴とした請求項１に記載した表面分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスイオン源を備えたイオンビーム装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスを電子衝撃法によってイオン化した後、生成したイオンを加速してイオンビームを作成するイオン銃は、表面分析でのイオンエッチング用に広く利用されている。
【０００３】
表面分析でイオンエッチングを行う目的は、主に、１）サンプル表面に付着している汚れを除去するためのクリーニングを行うことと、２）深さ方向に対する元素組成分布の分析を行う目的でサンプルの構成元素を表面から徐々に剥ぎ取っていく作業を行うことである。後者の手法を利用した分析はデプスプロファイリングと呼ばれている。
【０００４】
電子衝撃法でガスをイオン化するには、図１に示す構造のガスイオン銃が利用される。このイオン銃は次のように動作する。
【０００５】
フィラメント１が通電加熱されてフィラメント１から熱電子が放出され、その電子は一定の電場（１００〜２００Ｖ程度）で加速されてイオン化室であるグリッド２に導入される。グリッド内で運動する電子は、ある確率でグリッド内に浮遊するガス分子と衝突し、これをイオン化する。このようにして生成されたイオンはイオン引出電極３によって加速され、引出電極３に設けられた孔を通過してイオンビームが形成される。フィラメント加熱電流は、グリッドへの電子の流入量（これを通常エミッション電流量と呼ぶ）が一定になるように制御される。これは、定エミッション電流方式と呼ばれる。なお、イオン化の効率を上げるために磁場を重畳させるために、マグネット４が配置される場合がある。
【０００６】
さて、フィラメントはイオン銃を長時間動作させると断線し、新しいものと交換しなければならない。この断線の原因の最も支配的なものは、フィラメントの周囲の電場がイオンをフィラメント方向に引き込むことによりフィラメントがイオンスパッタされることである。この電場は、定エミッション電流制御を行うために、常に一定の値に制御されている。
【０００７】
断線の原因のその次に支配的なものは、フィラメントが真空中で高温度に熱せられることによる、フィラメント自身の蒸発である。これらの原因により、長時間の使用により、イオンスパッタおよび自身の蒸発によってフィラメントの線径が徐々に小さくなり、最終的な断線に至るのである。
【０００８】
このようにフィラメントがイオンスパッタされる度合いは、エミッション電流量およびイオン化室内に導入されているガスの圧力に依存し、どちらのパラメータについても、その値が大きいほどスパッタされる量が多くなり、フィラメントの消耗が激しくなる。
【０００９】
また、これらの値が同じであるならば、イオン加速電圧が低いほどフィラメントの消耗は激しい。これは、イオン加速電圧が高いほど、イオン引出電極によってイオン化室から引き出されるイオンの量が増加するために、フィラメント側に飛んでくるイオンの量は逆に少なくなるからである。従って、最もフィラメントの消耗が激しいのは、イオン化室にガスが導入され、エミッション電流が流れていて、かつイオン加速電圧が印加されていない時である。
【００１０】
また、フィラメント自身の蒸発の量は、フィラメント温度が高いほど激しくなる。すなわち、エミッション電流量が多いほど激しくなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなイオン銃においては、ガスがイオン化室に導入されながらエミッション電流が所定量流れるように制御され、イオンエッチングが必要な時には前記グリッドと引出電極間にイオン加速電圧が印加される。この時、サンプル表面の短時間のクリーニングを行うことが目的の場合には、必要な期間だけイオン化室にガスを導入し、そのクリーニングが終了したら直ちにイオン化室へのガス導入を停止すればフィラメントのイオンスパッタを抑えることができるが、実際には、引き続いてイオンエッチングを何度か行わなければならない場合があることも考慮して、一定の時間はガス導入したままにしておくことが多い。
【００１２】
また、デプスプロファイリングを行う場合には、分析の間は常にイオン化室にガスが導入されている状態にするのが一般的である。これは、デプスプロファイリングでは、イオンエッチングと元素組成分析とを１サイクルとして、このサイクルを数十回から数百回にわたって行うため、各サイクルの度毎にイオン化室へのガス導入を「する／しない」をいちいち制御していると、イオン化室のガス圧が安定するまで、すなわち常に一定のイオン電流量を得る条件が満たされるまでに要する時間を各サイクルごとに待たなければならず、トータルの分析時間が長くなってしまうからである。
【００１３】
このようなことから、実際の使用に際しては、フィラメントの消耗が最も激しい時間、すなわちイオン加速電圧が印加されていない時間の総計が、実際にイオンエッチングを行わなければならない時間、すなわちイオン加速電圧が印加されている時間の総計よりも長いという状況も発生する場合が多く、フィラメントの寿命が極めて短くなってしまうという結果を招いている。
【００１４】
一方、フィラメントが断線した瞬間から以後、イオン化室は動作不能となる。従って、分析の途中、特にデプスプロファイリングの途中で断線が発生するのは極力回避されなければならず、フィラメントの寿命はできるだけ長いことが望まれる。
【００１５】
本発明は以上の点に鑑みて成されたもので、その目的は、フィラメントの消耗を最小限に抑えることができるイオンビーム装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、フィラメントで発生した電子をガスに照射することによりガスをイオン化し、イオン引出手段に加速電圧を印加してイオンをイオン銃から取り出すように構成したイオンビーム装置を備えた表面分析装置であって、前記加速電圧が印加されていない時のエミッション電流量が、加速電圧が印加されている時のエミッション電流量より少なくなるように、前記フィラメントが加熱制御される表面分析装置である。
請求項２の発明は、エミッション電流量がゼロにならないように、前記フィラメントが加熱制御されることを特徴とした請求項１に記載した表面分析装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図２は、本発明のイオンビーム装置の一例を示した図である。
【００１９】
図２において、５はガスイオン銃の真空容器であり、ガス貯蔵室６に貯えられたアルゴンガスはガス流量調整弁７を介して真空容器５に導入される。真空容器５内のガス圧力は圧力測定器（図示せず）で測定されており、この圧力測定器に接続されたガス流量調整器（図示せず）は、真空容器５内のガス圧力が所定圧力に維持されるように前記ガス流量調整弁７を制御する。
【００２０】
真空容器５内には、電子を発生させるためのフィラメント８、イオン化室９、およびイオン化室９で生成された陽イオンを引き出すための引出電極１０が配置されている。
【００２１】
前記フィラメント８は、エミッション電流量制御部１１に接続されると共に、エミッション電源１２を介して前記イオン化室９に接続されている。また、イオン化室９は、イオン加速電源１３を介して接地電位に保たれた引出電極１０に接続されている。前記エミッション電源１２はエミッション電源制御部１４に接続され、また、イオン加速電源１３はイオン加速電源制御部１５に接続されている。
【００２２】
このようなイオン銃の後段にはイオンビーム光学系１６が配置されており、イオンビーム光学系１６は、収束レンズや対物レンズや偏向器等を備えている。１７は試料室であり、試料室１７には試料１８が配置されている。１９は、試料室１７に取り付けられたオージェ電子分光器などの分析装置である。
【００２３】
２０はホストコンピュータであり、ホストコンピュータ２０はバスを介してＣＰＵ２１に接続されている。このバスには、前記エミッション電流量制御部１１、エミッション電源制御部１４、イオン加速電源制御部１５、分析装置１９、およびＲＯＭとＲＡＭから成るメモリ部２２が接続されている。このメモリ部２２のＲＯＭには、上述したデプスプロファイリングの分析プログラムなどが書き込まれている。
【００２４】
以上、図２の装置構成について説明したが、次にこの装置の動作について説明する。
【００２５】
上述したように、真空容器５内のガス圧力は所定圧力に維持されている。この状態で、オペレータがホストコンピュータ２０にデプスプロファイリングの指示を行うと、ホストコンピュータ２０は、ＣＰＵ２１にその指示があったことを知らせる。この指示を受けたＣＰＵ２１は、メモリ部２２のＲＯＭに書き込まれているデプスプロファイリングプログラムに基づき各構成に制御信号を送る。
【００２６】
デプスプロファイリングプログラムは、試料分析とイオンエッチングが交互に行われるようにプログラムされており、ＣＰＵ２１は、まず、分析装置１９に分析開始の指示を行う。すると、分析装置１９は試料分析を始める。
【００２７】
また、この試料分析の時に試料にイオンビームが照射されないように、ＣＰＵ２１は、イオン加速電圧オフの信号をイオン加速電源制御部１５に送る。この信号を受けたイオン加速電源制御部１５は、イオン加速電圧が０Ｖになるようにイオン加速電源１３を制御する。
【００２８】
さらに、ＣＰＵ２１は、エミッション電流量を例えば０．５ｍＡとするための制御信号をエミッション電流量制御部１１に送ると共に、フィラメント８の電位をイオン化室９に対して数１００Ｖの負の電位とするための制御信号をエミッション電源制御部１４に送る。
【００２９】
この制御信号を受けたエミッション電流量制御部１１はフィラメント８を加熱し、フィラメント８から熱電子が発生する。また、エミッション電源制御部１４は、フィラメント８の電位が上述のようになるようにエミッション電源１２を制御するので、フィラメント８で発生した熱電子はイオン化室９の方に加速されてイオン化室に進入する。このようにしてフィラメント８とイオン化室９の間にエミッション電流が流れると、前記エミッション電流量制御部１１は、そのエミッション電流量が０．５ｍＡとなるようにフィラメント８の加熱量を制御する。
【００３０】
ところで、後でも説明するが、試料のイオンエッチング時のエミッション電流量は通常２０〜３０ｍＡ程度に設定されるが、この０．５ｍＡという値は、それに比べるとかなり低い値である。フィラメントの材質が例えばタングステンの場合、エミッション電流が２０〜３０ｍＡの時にはフィラメントの温度は２，７００度程度であるが、このようにエミッション電流が０．５ｍＡの時にはフィラメント温度は２，５００度程度となり、２００度も低くなる。このため、従来の方式、すなわち、試料分析時もイオンエッチング時と同じエミッション電流を流す方式に比べて、フィラメントの蒸発量はかなり少なくなる。
【００３１】
また、このようにエミッション電流量が少なくなると、イオン化室９におけるガスのイオン化率が低下し、イオンはあまり生成されない。このため、生成された陽イオンがフィラメントを照射する量は、上述した従来の方式に比べてかなり少なくなる。すなわち、フィラメントがイオンスパッタされる量は従来の方式に比べてかなり少なくなる。
【００３２】
さて、分析装置１９による試料分析が終わると、ＣＰＵ２１は、試料のイオンエッチングのために、エミッション電流量を例えば３０ｍＡとするための制御信号をエミッション電流量制御部１１に送る。この制御信号を受けたエミッション電流量制御部１１は、エミッション電流量が３０ｍＡとなるようにフィラメント８の加熱量を制御する。このエミッション電流量の増加により、イオン化室９におけるガスのイオン化は激しくなり、多くのイオンが生成される。
【００３３】
さらに、ＣＰＵ２１は、イオン化室９の電位を引出電極１０に対して数ｋＶの正の電位とするための制御信号（イオン加速電圧オンの信号）をイオン加速電源制御部１５に送る。この信号を受けたイオン加速電源制御部１５は、イオン化室９の電位がそのようになるようにイオン加速電源１３を制御するので、イオン化室９で生成された陽イオンは引出電極１０の方に加速される。
【００３４】
そして、引出電極１０を通過したイオンは、イオンビーム光学系１６で収束および偏向されて試料１８を照射する。この照射により、試料１８はエッチングされる。
【００３５】
このようなイオンエッチングが所定時間行われると、ＣＰＵ２１は、イオン加速電圧オフの信号をイオン加速電源制御部１５に送る。この信号を受けたイオン加速電源制御部１５は、イオン加速電圧が０Ｖになるようにイオン加速電源１３を制御する。この制御により、生成された陽イオンの引出電極１０からの放出は止まり、試料１８のイオンエッチングは終わる。
【００３６】
さらに、ＣＰＵ２１は、エミッション電流量を前記０．５ｍＡとするための制御信号をエミッション電流量制御部１１に送るので、試料のイオンエッチング終了後においてはエミッション電流量は０．５ｍＡとなり、フィラメント温度はそれまでより２００度程度低くなる。なお、試料のイオンエッチングが終わっても、フィラメント８の電位はイオン化室９に対して数１００Ｖの負の電位とされている。
【００３７】
次に、ＣＰＵ２１は、分析装置１９に分析開始の指示を行う。この指示を受けた分析装置１９は試料分析を行い、試料分析が終わると、上述したイオンエッチングと試料分析が所定回繰り返し行われる。
【００３８】
以上説明したように、図２の装置においては、フィラメントの寿命を延ばすために、イオン加速電圧が印加されていない間はエミッション電流量が極めて低い値に設定されるが、この時にエミッション電流量を完全にゼロにしてしまわないことが本発明の特徴であり、その理由は以下のとおりである。
【００３９】
エミッション電流量を完全にゼロにすると、フィラメント温度は急激に常温近くまで低下していく。これが再び熱せられることにより、フィラメントの急激な冷却と加熱による膨張・収縮が発生する。このサイクルが何回も繰り返されることによって、フィラメントがイオンスパッタおよび自身の蒸発による消耗以外の原因、たとえば特定の結晶粒界からの割れの発生等によって断線してしまう可能性が非常に高くなる。
【００４０】
なお、上記例では、エミッション電流量は、イオン加速電圧オフの時に０．５ｍＡに設定され、また、イオン加速電圧オンの時に３０ｍＡに設定されたが、図２の装置においてはこの値は任意に設定可能である。たとえば、エミッション電流量の設定が０．１〜３０ｍＡの間を０．１ｍＡきざみで設定できるようになっている場合には、イオン加速電圧が印加されていない場合には０．１〜１ｍＡ程度の値に設定し、イオン加速電圧が印加されている場合には２０〜３０ｍＡ程度の値に設定すれば良い。
【００４１】
以上、図２の装置について説明したが、図３は、エミッション電流量やイオンエッチングのオン／オフ等を制御する回路がアナログ回路によって構成されている例を示したものである。
【００４２】
図３において、フィラメント２３はエミッション電流量制御部２４に接続されている。このエミッション電流量制御部２４は、イオン加速電圧を印加しない時のエミッション電流量Ｉ１を決める基準抵抗Ｒ１と、イオン加速電圧を印加する時のエミッション電流量Ｉ２（Ｉ２＞Ｉ１）を決める基準抵抗Ｒ２と、それらの基準抵抗の何れか一方と切り替えて接続される切替スイッチＡと、フィードバック制御回路２５を備えている。このフィードバック制御回路２５は前記切替スイッチＡに接続されており、フィードバック制御回路２５は、前記フィラメント２３とイオン化室２６間に流れるエミッション電流が前記Ｉ１またはＩ２になるように、フィラメント２３の加熱電流を制御するものである。
【００４３】
また、フィラメント２３は、エミッション電源２７を介して前記イオン化室２６に接続されている。また、イオン化室２６はイオン加速電圧発生回路２８に接続されており、このイオン加速電圧発生回路２８は切替スイッチＢに接続されている。切替スイッチＢは、イオン加速電圧値設定用基準抵抗Ｒ０と接地電極Ｅの何れか一方と切り替えられて接続されるものである。
【００４４】
このような構成において、試料分析の時には切替スイッチＢが接地電極Ｅ側に接続され、この接続により、イオン加速電圧発生回路２８は、加速電圧をイオン化室２６と引出電極（図示せず）間に印加しない。
【００４５】
また、前記切替スイッチＡは、切替スイッチＢの切り替えと連動して切り替わるように構成されており、切替スイッチＡは図中点線で示すように基準抵抗Ｒ１側に接続される。この接続により、前記フィードバック制御回路２５は、エミッション電流量が例えば０．５ｍＡとなるようにフィラメント２３を加熱する。
【００４６】
一方、試料のイオンエッチングの時には切替スイッチＢが基準抵抗Ｒ０側に接続され、この接続により、イオン加速電圧発生回路２８は、イオン加速電圧をイオン化室２６と引出電極（図示せず）間に印加する。
【００４７】
また、この切替スイッチＢの切り替わりにより、切替スイッチＡは図中実線で示すように基準抵抗Ｒ２側に接続される。この接続により、前記フィードバック制御回路２５は、エミッション電流量が例えば３０ｍＡとなるようにフィラメント２３を加熱する。
【００４８】
このようなアナログ回路によっても、イオン加速電圧が印加されていない間はエミッション電流量が極めて低い値に設定され、フィラメントの寿命を延ばすことができる。
【００４９】
さて、上述した例では、エミッション電流量制御部はフィードバック制御を行うので、イオン加速電圧オフ時にも、フィラメントとイオン化室間に電子加速電圧を印加する必要がある。すなわち、電子加速電圧をオフにするとエミッション電流が流れなくなり、エミッション電流量制御部は必要以上にフィラメントを加熱してしまう。
【００５０】
しかしながら、イオン加速電圧オフ時にエミッション電流を流さないようにすれば、ガスのイオン化は行われず、陽イオンによるフィラメントのイオンスパッタを抑えることができる。
【００５１】
そこで、前記エミッション電流量制御部とは別にフィラメント加熱制御部を設け、イオン加速電圧オフ時には、前記電子加速電圧の印加を中止すると共に、そのフィラメント加熱制御部の制御によりフィラメント加熱量をイオン加速電圧オン時より少なくなるようにすれば良い。なお、この電子加速電圧オフの時、前記エミッション電流量制御部の制御は中断される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスイオン銃を説明するために示した図である。
【図２】本発明のイオンビーム装置の一例を示した図である。
【図３】本発明のイオンビーム装置の一例を示した図である。
【符号の説明】
１…フィラメント、２…グリッド、３…イオン引出電極、４…マグネット、５…真空容器、６…ガス貯蔵室、７…ガス流量調整弁、８…フィラメント、９…イオン化室、１０…引出電極、１１…エミッション電流量制御部、１２…エミッション電源、１３…イオン加速電源、１４…エミッション電源制御部、１５…イオン加速電源制御部、１６…イオンビーム光学系、１７…試料室、１８…試料、１９…分析装置、２０…ホストコンピュータ、２１…ＣＰＵ、２２…メモリ部、２３…フィラメント、２４…エミッション電流量制御部、２５…フィードバック制御回路、２６…イオン化室、２７…エミッション電源、２８…イオン加速電圧発生回路、Ａ、Ｂ…切替スイッチ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ０…基準抵抗、Ｅ…接地電極
【図１】
0003544483.tif 000002
【図２】
0003544483.tif 000003
【図３】
0003544483.tif 000004