成蹊大学理工学研究報告
J. Fac. Sci. Tech., Seikei Univ.
Vol.43 No.2 (2006) pp.35-37（研究装置設備紹介・報告）

Ｃ60 スパッタイオン銃システム
工藤正博＊1，加藤 信彦＊2，青柳 里果＊3

C60 Sputter Ion Gun System
Masahiro KUDO＊1,Nobuhiko KATO＊2 and Satoka AOYAGI＊3

ABSTRACT：A new type of C60 ion sputtering gun system was installed as a component of the Time ofFlight Secondary Ion Mass Spectrometer (TOF-SIMS). The system was designed to provide a stablecurrent of C60 ion beam, which can be used as a new pulsed ion source for the measurement ofTOF-SIMS spectra from biomaterials. It can also be used as a new ion sputtering gun for depth profilingof so called “soft materials” because it can remove the surface layers of materials with the least damage
caused by ion- solid interaction. In this article, the performance of the system is reported with somepreliminary results paying special attention to its capability for the characterization of soft materials.
Keyword：C60, TOF-SIMS, Sputtering, Depth Profiling, Primary Ion Source(Received September 28, 2006)

１．はじめに一方，イオンを物質表面に照射し，イオンスパッタリン
グで表面を剥ぎ取りながら原子，分子の深さ方向の分布

Ga+やCs+などの単原子一次イオン源を備えたTOF-SIMSを計測するデプスプロファイル測定においてもクラスタ装置は，高い感度と高い空間分解能を有しているため，ーイオンの利用は新たな展開を可能にすると考えられる。

様々な試料最表面の評価に応用されてきた。しかしながすなわち，表面の損傷を大きく抑制することができるた

ら，固体表面に高い加速エネルギーの一次イオンを照射

め，従来では困難とされていた化学構造を保持したまますると試料表面が損傷されるため，試料表面の分子を大の有機分子のスパッタリングが可能となり，従来は不可きな質量を持つ二次イオンとして高感度に検出すること能であった高分子材料７）や生体関連試料などの化学状態は非常に困難である。近年この問題解決への効果的なア深さ方向分析の可能性を著しく高めると期待されている。

プローチとして，従来から用いられてきた単原子一次イ

本稿では，新たに導入したＣ60 スパッタイオン銃シスオン源に替え，SF5+ 1)〜 4)，Au3+，Bi3+，C60+ 5)〜 6)などのテムの基本性能を紹介し，これを用いて新たに構築するクラスター一次イオン源を用いる試みが行われはじめた。

クラスターＴＯＦ−ＳＩＭＳ装置を用いて行う研究予定

クラスター一次イオン源を使用する利点としては，クラの概要を紹介することにする。

スター一次イオンを構成する原子一個あたりの試料表面

２．導入設備の概要への衝突エネルギーが減少するため，試料表面へのダメージの減少が期待できる。また，一次イオンを構成する原子が，試料表面の極く浅い領域に同時に衝突するため，導入したシステムはアルバック-ファイ社製のＣ60 ス

試料表面への一次イオン照射エネルギー密度が増加し，パッタイオン銃システム（IOC-C60-10S）であり，Ｃ604)〜 6)銃本体とその制御システムから成っている。制御システ

その結果二次イオンの放出強度の増加が期待される。

ムはイオン銃本体の動作に必要な諸条件のコントロール：物質生命理工学科教授(Professor, Dept. of Materials andLife Science ),*2： 物 質 生 命 理 工 学 科 助 手 (Research Associate, Dept. ofMaterials and Life Science),*1に加えて，既有のＴＯＦ−ＳＩＭＳ装置に接続し，一次イオン源若しくは試料スパッタリング用のイオン銃として用いるためのイオンカラム制御システムおよびＴＯＦ*3：島根大生物資源科学部助教授−35−

−ＳＩＭＳとのインターフェースとしての機能も併せ持っている。このシステムの特徴としては，（１）Ｃ60 スパ
ッタイオン銃としてのＤＣイオンビームによる試料スパッタに加えて，従来のＧａ−ＴＯＦ−ＳＩＭＳから新たにＣ60−ＴＯＦ−ＳＩＭＳへの変更を可能にするパルス化一次イオン源としての使用が可能なこと，（２）加速電圧を 1〜10ｋＶの領域で変化させることが可能であり，最大イオン電流として 100ｎＡを安定して得ることができること，（３）ビーム径を１㎜φ以下とすることが可能である，等をあげることができる。
図２. C60 イオン銃システムにおける電流量の時間変化

３．導入システムの基本性能
スパッタビームの性状を評価するために，10keV でビＣ60 銃から得られるイオン電流量は，Ｃ60 を封入してーム径１㎜φ以下の場合と２㎜φ以上の場合について，過熱・気化し，電子衝撃でイオン化する際のリザバー温シリコン基板のスパッタリングによって形成されるクレ度に大きく依存する。図１は横軸にリザバーの温度，縦ーターの観察を行った。表面プロフィロメーターを用い軸に試料に到達した全電流量として検出したイオン電流た評価では，ビーム径が１㎜以下の場合４㎜角のラスタ量の関係を示したものである。イオンビームのエネルギー領域においてクレーターの底部分は１㎜角以上の，十ーは 10keV を用いた。

分に広い領域において平坦性を示し，デプスプロファイ
ル測定において深さ分解能を十分高めたデータを得ることが可能であることが確かめられた。
20深さ（nm）-20-60-100-1400

図１. Ｃ60 銃システムにおける全電流量のリザバー温度

1000

2000
3000
X軸（um）

4000依存性
図３. Ｃ60 イオン銃によるスパッタクレーター底部の形
この図から明らかなように，全イオン電流は 350℃近状測定

辺から検出され始め，400℃以上で急激に増加することがわかる。

４．今後の展開イオン源の安定性を評価するために，同じく 10keV のビームを用いて約 3.5 時間にわたる電流量変化を検証し新たに導入したイオン銃システムは TOF-SIMS 用パた結果を図２に示す。この図から見て取れるように，約ルス一次イオン源および有機・生物関連試料のスパッタ

3 時間での電流値のばらつきは 1.17 パーセントであり，リングに対して，得られる電流量，安定性および寿命，TOF-SIMS 測定ならびにスパッタ銃としての使用に十ビームの収束性のいずれにおいても十分対応できる性能分見合う性能を有していることが明らかになった。イオを有することが確認できた。今後はクラスター一次イオン源としての寿命も考慮して，加熱温度としては 410〜ンの持つ特異な性能としての，TOF-SIMS における高感430℃程度がふさわしいことがわかった。

度化，高質量領域で顕著に顕れる分子イオンの高い強度での生成，フラグメンテーションの抑制８），９），表面敏感−36−

性の向上等について，より具体的な系での検証を行う予定である。
本研究設備は私学助成研究設備補助金を受けて導入されたものである。

引用文献
1) F.Kotter, E.Niehuis and A.Benninghoven, Secondary Ion
Mass Spectrometry XI (SIMS-XI) (1998) 459.
2) F.Kotter and A,Benninghoven, Appl. Surfece Sci.,133, 47(1998).
3) B.Hagenhoff, P.L.Cobben, C.Bendel, E. Niehuis and A.
Benninghoven Secondary Ion Mass Spectrometry XI(SIMS-XI) (1998) 585.
4) Greg Gillen and Albert Fahey, Appl. Surf. Sci. 203-204,209 (2003).
5) F. Kollmer, Appl. Surf. Sci. 231-232, 153(2004).
6) D.E.Weibel, N.Lockyer and J.C.Vickerman, Appl. Surfece
Sci., 231-232, 146(2004).
7) D. Briggs and E.J. Hearn, Int. J. Mass Spectrom. Ion proc.
6747 (1985).
8) N. Davies, D.E. Weidel, P. Blenkinsopp, N. Lockyer, R.
Hill and J.C. Vickerman, Appl. Surf. Sci. 203-204, 223(2003).
9) M.J.van Stipdonk, “ToF-SIMS:Surface Analysis by Mass
Spectrometry”, p334(I M Publications,Chichester, 2001)．

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