(57)【要約】【課題】真空中に、等電位の２枚の電極と、それら２枚の電極の間にそれらの電極電位よりも負の電位に保たれたグリッド電極を設け、２枚の電極間をイオンが共振往復運動する構造のイオン共振型質量分析装置において、一方の平行平板電極のほぼ中央に被検査試料をおき、周波数が掃引されるパルス変調された一次イオンビーム照射により、被分析試料の固体表面からスパッターされた、二次イオンの質量分析を前期パルスの変調周波数を掃引する事により行う装置に於いて、電極構造を小型単純化し、かつ二次イオン検出の安定化と高分解能化を大幅に達成できる二次イオン分析装置。【解決手段】２枚の電極の一方に置かれた被分析試料に、パルス化された一次イオンビームを照射して、固体表面から被分析二次イオンをスパッターさせる事と、電極間の二次イオン共振往復運動を電極に接続された電気的共振回路にて検出し、更に検出信号を、前記パルス周期に同期した同期検波する事などによって、課題を解決した。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に、２枚の平行平板電極と該平行平板電極の中間に、該平行平板電極と平行にグリッド電極とを設置し、２枚の該平行平板電極を直流的に等電位とし、該グリッド電極は該平行平板電極に対して負の電位に保ち、２枚の該平行平板電極の一方の電極のほぼ中央に被分析試料を載せ、該被分析試料表面に外部より一次イオンビームをパルス的に照射して、被分析試料表面より二次イオンをスパッターさせ、該一次イオンのパルス変調周波数を掃引して、該二次イオンの該平行平板電極の間での共振往復運動を電気的に測定することを特徴とするイオン共振型二次イオン質量分析計。
【請求項２】
前記平行平板電極に電気的共振回路を接続し、前記一次イオンの照射によって被分析試料表面からスパッターされた二次イオンの、前記２枚の平行平板電極間での共振運動を高周波電気信号として検知することを特徴とする請求項１記載のイオン共振型質量分析計。
【請求項３】
前記電気的共振回路で検出した高周波電気信号に、パルス的に照射される前記一次イオンの照射パルス周期に同期した同期検波を加える事を特徴とする請求項１記載のイオン共振型二次イオン質量分析計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は，金属等の固体表面のマイクロ分析に用いられる二次イオン質量分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体表面のイオンマイクロ分析法として、二次イオン質量分析は、よく知られている。分析されるべき固体表面に一次イオンビームを照射し、固体表面からスパッターされる二次イオンを質量分析して、固体表面の元素分布、不純物濃度等をマイクロ分析する方法である。（特許公告公報　昭和５２−４７７１３、昭和５３−１３１５１、昭和５４−６９１２等）固体表面分析用の二次イオン質量分析計の質量分析部には、これまで、各種の異なった動作原理のものが目的に応じて、用いられて来た。例えば，四重極質量分析計，扇形磁場型質量分析計等であるが、それぞれの装置に於いて，性能に一長一短があった。
【０００３】
二次イオン質量分析装置は、高真空に保たれた空間内に置かれた固体表面に一次イオンビームを照射し、固体表面からスパッターされた二次イオンを分析するものであるが、これらの装置は、高真空環境下に置かれる事に特徴がある。
【０００４】
これらの装置が置かれている環境の真空度が上がると、その装置器具表面に吸着しているコンタミネーションガスが真空中に放出されて、分析されるべき被検出物質との区別がつかなくなり、分析精度を極端に悪化させる。
【０００５】
二次イオン質量分析装置に於いても、上記と同様な現象が起きる。二次イオン質量分析装置の器具表面に吸着しているガスが、被検出物質粒子と混同すれば、結局固体表面元素のマイクロ分析の精度を悪化させてしまい、この測定法の信頼性を失わせてしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これまで、固体表面の分析装置として用いられてきた二次イオン質量分析装置は何れも装置構成が複雑で，重量が重くかさばり，高価なものであった。装置構成が複雑なる事は，真空で用いられる計測装置として、特に高真空、超高真空環境下での計測に於いては、致命的な欠点を持つ事であると、指摘されている。
【０００７】
特に，高真空、超高真空機器に於いては、真空容器の壁面や機器部品表面から発生するガスを最小にする事が絶対の要件である。これらの機器においては、わずかな吸着ガスの放出が発生しても、非常に大きな障害になるものである。二次イオン質量分析計の構造が複雑であることは、これらの構造物の表面積が大きくなる事につながり、多量の吸着ガス放出の原因となる。また機器の大型化は，使用の簡便さを損ねる。真空装置の構造としては、構造が単純で、真空雰囲気中に曝される部分の表面積が出来るだけ小さい事が要求される。
【０００８】
本発明は、電極構造を小型かつ、シンプルな構造とする事によって、構造体表面の吸着ガス量を極度に少なくする事を可能とし、小型軽量で低コストの二次イオン質量分析装置を実現する事を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明にかかる二次イオン質量分析装置は、その目的を達成するために、以下のような動作原理で作動する。
▲１▼　被検査試料の固体表面から放出した二次イオンに直流電場を印加して空間の一箇所で振動させて、特定の質量のイオンだけをバルクハウゼン・クルツ振動（Ｂ−Ｋ振動と略称する）させて分離する。
▲２▼　分離した二次イオンの振動を外部の電気的共振回路によって検知する。
▲３▼　振動の検知に同期検波の手法を用いる。
【００１０】
第１のイオン共振型二次イオン質量分析装置（請求項１に対応）は、二次イオンのＢ−Ｋ共振を、空間の一箇所のみで行わせしめ、これによって電極構造を著しく単純化し、小さくする事を可能にした。
【００１１】
これによって、従来適応が困難とされていた、イオン共振型質量分析装置を高真空、超高真空で用いられる二次イオン質量分析装置として適用を容易にした。
【００１２】
第２のイオン共振型質量分析装置（請求項２に対応）は、イオンの検出に関して、イオン共振振動用の加減速電極そのものを電気的共振回路の一部の構成部品となし、イオンの共振振動を、両電極間の変位電流として検出する事である。これにより、イオン検知用の電極を特別に具備する必要が無くなり、更に単純な電極構造を可能にした。
【００１３】
更に第３のイオン共振型二次イオン質量分析装置（請求項３に対応）は、電気信号検知に同期検波方式を採用している事である。一次イオンビーム発生パルスのパルス周期に同期した同期検波を行う事で、検出信号に含まれる外乱ノイズは遮断され、非常に安定した、高感度の測定を可能にした。
【００１４】
本発明は、二次イオンの質量分析に、直流電場の中でのイオンのバルクハウゼン・クルツ型共振を用いる。イオン共振型質量分析装置の原型としては、後述するようにＦａｒｖｉｔｒｏｎの名で呼ばれる質量分析装置が１９５０年―１９６０年台の初頭にＴｒｅｔｎｅｒにより発表された（Ｚ．Ａｎｇｅｗ．Ｐｈｙｓ．１１　３９５（１９５９））。これに対して、本発明と同じ発明者により、電極構造を非常に単純化し、かつ安定な動作を確保した改良型のイオン共振型質量分析装置が提案された。（特許願２００２−２７３０８６）。本発明の詳細の説明に入る前に、イオン共振型質量分析装置の原型である、Ｔｒｅｔｎｅｒ　の開示したイオン質量分析装置の簡単な動作説明を行っておく。
【００１５】
１９５９年から１９６０年台初頭、西ドイツの真空機器メーカー［ライボルト社］からＦａｒｖｉｔｒｏｎ［商品名］の名称で発表された電場だけを用いたイオン共振型質量分析計があったが、現在殆ど用いられていない。
【００１６】
被検査物質中のガス分子は、加速された電子の衝突を受けてイオン化され、イオンの走行方向に放物線状電位分布を持つ電場の中へ入れられる。放物線状電位分布の電場は、入り口側電極と其れと同電位の終端電極、また、該両電極の中央に置かれ、両電極の電位より低い電位の中央電極によって作られている。終端電極の外側に更に、信号検知電極が備えられる。
【００１７】
初め、電子との衝突によって作られたイオンは、入り口側電極を通過後中央電極に向けて加速を受け、中央電極の位置で最大速度を持つ。中央電極を通過後は、終端電極へ向けて減速される。終端電極の位置で速度零となったイオンは、運動方向を反転して、今度は前に減速電場として働いた電場が加速電場として働き、中央電極を通り越した後は、入り口側電極へ向けて減速を受けながら進む。このようにして、入り口側電極と終端電極の間をイオンは往復振動する事になる。
【００１８】
上記のような、イオンの振動運動は、放物線状電位分布の電場中における荷電粒子の振動運動として、広くバルクハウゼン・クルツ振動（略してＢ−Ｋ振動）の名前で知られている。荷電粒子の共振振動数は、電場分布が一定であれば、荷電粒子の持つ比電荷　ｍ／ｅ　によって決まる。
【００１９】
イオンを連続的に作らず、パルス状にして、間欠的に出し、そのパルス周波数を、丁度イオンのＢ−Ｋ振動数に同調させるようにすると、一群のイオン雲が入り口側電極に来るたびに新しいイオンが付け加わってイオンは増加し、共振現象を起こす。この共振イオン雲の両電極間の振動は、信号検知電極に於いて電気信号として検知される。
【００２０】
以上がＴｒｅｔｎｅｒにより提供されたイオン共振型質量分析計の原理であるが、これを高真空、超高真空に用いるのは、大きな欠点が存在した。このイオン振動型質量分析計の電極構造は極めて複雑である。構成要素で見ると、入り口電極、中央電極、終端電極、及び信号検知電極である。構成要素が多い事は、その構成分品に吸着するガス量を多くし、高真空、超高真空の雰囲気中でのガス発生を極端に多くする。
【００２１】
添付図面に示す通り、本発明における、電極構造は、Ｔｒｅｔｎｅｒが提唱したイオン共振型質量分析装置に比較して、極端に構成部品が少なく、また構造が単純である。これにより、二次イオン質量分析装置が容易に高真空、超高真空の中で用いられる事になり、簡単な装置構造にもかかわらず、安定した信頼性の高いマイクロ分析が可能になった。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図は、本発明の構造と動作原理を説明するためのものである。電場発生用の平行平板電極を電気的共振回路の一部に組み合わせた構造を取っている。図１中，１−Ａ，１−Ｂは平行平板電極、２はグリッド電極、３はイオン銃（図示していない）から発射される一次イオンビーム，４は被分析資料の固体表面からスパッターされた二次イオン，５は被分析試料、６は真空容器，７はイオンの加減速電源、８は電気的共振回路である。
【００２３】
この動作原理についは、図１を用いて説明を加える。１〜５までの各要素は真空ポンプで排気される真空容器６に収められている。
イオン銃から発生した一次イオンビームは、被分析試料４の表面に照射され、該被検査試料の固体表面からイオン４をスパッターして放出する。
【００２４】
ここで、一次イオンビームは、アルゴン、キセノン、クリプトン、酸素などの陽イオンが、３−２０ＫｅＶの電圧で加速されて、被分析試料５の表面に照射されている。　又、ここで一次イオンビームは、後述するように、パルス変調されており、その変調周波数が掃引される構造となっている。
【００２５】
被分析試料５は、真空容器６の外からロードロック機構（図示せず）を経て、試料搬送機構（図示せず）により、平行平板電極１−Ｂのほぼ中央に載置される。
【００２６】
一次イオンビーム発生用のイオン銃や、試料導入用のロードロック機構、あるいは試料の搬送機構等については、特に詳述はしないが、現在この分野で広く用いられている構造体を用いる事が出きる。
【００２７】
被分析試料表面からスパッターされたイオン４は、イオン加減速電源７によって印可された加減速電場によって先ず加速され，グリッド電極２に向かって移動する。イオン４がグリッド電極２を通過した時点で，今度は同じイオン加減速電源７によって印可された加減速電場は減速作用をイオンに与える。イオンはここで減速されつつ平行平板電極１のもう一枚の電極１−Ａ方向に飛翔する。イオンが平行平板電極１−Ａに到着した時点で、その速度は零となり，ここで反転して，再びグリッド電極２に向かう。このとき、イオン加減速電源７によって印可された加減速電場は加速場として働く。かくてイオン４はグリッド電極２を中心にして，２枚の平行平板電極１−Ａ，１−Ｂの間で振動を繰り返す。
【００２８】
図１では模式的にイオン４が振動しながら右方向へ移動するような感じに描いてあるが，これは説明の便の為であって、実際は右方向への移動は行わずに被分析資料上の限られた一箇所で上下振動をする。
【００２９】
その際の振動数はイオン４の質量の関数であって、振動数（周波数）をｆ，平行平板電極１の極間距離をＬ，イオン加減速電源１１の電圧をＶ，イオン４の質量をＭとすれば，ｆ∝［√（Ｖ／Ｍ）］／Ｌの関係となる。
【００３０】
一次イオンビーム３はパルス的に照射されているが、その照射パルス周期を掃引すれば、パルス周波数が上記のｆと同期したところで，２枚の平行平板電極１−Ａ，１−Ｂの間には定常的に，質量数Ｍのイオン４のＢ−Ｋ型共振振動が持続する。質量の小さいイオンは高い周波数で，大きいイオンは低い周波数で振動する事になる。
【００３１】
このイオン振動を電気的共振回路８が検知する。さらに電気的共振回路８の出力を，一次イオンを加速するパルス周期に同期させる同期検波をする事によって，イオン共振とは関係の無い外乱ノイズ、あるいは電気的共振回路８に発生するハーモニックス等を除去する事が出来て，検知の信頼性が格段に向上する。
【００３２】
【発明の効果】
本発明では、イオンの共振振動が、一箇所で行われるようになされる為、装置の小型化が実現できた。かつ、固体表面よりスパッターされたイオンの検出をイオン共振用電極と組み合わせた外部の電気的共振回路で行うために、イオン検知用電極を不要とし、電極構造が非常に簡単となった。又同期検波方式の検知回路は、外乱ノイズに影響されない計測方法の実現を可能にした。これは、装置を小型化し、そこから放出される吸着ガスの量を少なくする事が出来たので、高真空、超高真空での、二次イオン質量分析を容易にした。又、電極の小型軽量化による製造コストの削減と、高感度の測定により使用範囲の拡大に大きな効果があった。
【００３３】
又、従来からイオンマイクロ分析に用いられてきた、四重極型質量分析装置や、扇形磁場型質量分析装置に比べれば、本発明のイオン共振型質量分析装置は格段に部品数が削減され、又構造が簡単である。これにより、従来、二次イオン質量分析装置を高真空、超高真空の環境下で用いる際に必要とした、設計上、組みたて加工上、あるいは機器操作上必要とされた注意、煩雑さを格段に軽減出来た。従って、従来から複雑で、高度な操作技能、取り扱い知識を必要とした二次イオン質量分析によるイオンマイクロ分析法を簡便で、非常に取り扱いやすいものとした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動作を示す原理図
【符号の説明】
１−Ａ，１−Ｂ　平行平板電極
２　グリッド電極
３　一次イオンビーム
４　イオン
５　被分析試料
６　真空容器
７　イオンの加減速電源
８　共振回路
【図１】
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