多価イオンと固体表面との相互作用観測の為の予備実験
電子物性工学科［実験背景・目的］

大谷・山田研究室

塚原卓朗てアルゴン（Ar）一価イオンを n 形のガリ本研究室では、多価イオンと呼ばれる２ウム砒素（ GaAs）に照射する実験装置を製価以上の高価数の陽イオンが持つ大きな内作し、本測定器によって質量スペクトルの部エネルギーによって生じる現象に注目し測定を行った。

研究を行っている。
多価イオンと固体表面との相互作用では、［実験装置概要］

照射する多価イオンが運動エネルギーを持今回製作した実験装置の配置は、図の様たなくても、多価イオンの持つ大きな内部になっている。イオン源として希ガスイオエネルギーにより、ターゲットの物質に大ン銃を用い、QMS はイオン銃と直角に取りきな変化を与える。その為、通常では表面付けてある。試料の GaAs を固定する試料状態に変化を与えにくいダイヤモンドなど

台は稼動式で前後・左右・上下に移動し左とも相互作用を起こす事ができる。これら右に回転させる事ができる。それとイオンの事から、表面へ変化を与える事が難しい流測定の為にイオン銃正面と試料台直下に物質への多価イオンを用いた微細加工などファラデーカップが取り付けてある。またへの応用が考えられている。これまで、多固体表面との衝突実験の為に真空度を上げ価イオンが固体表面にどの様な変化を引きる必要があるので、衝突用真空チャンバー

起こすか STM などを用いて実験を行ってとイオン銃のそれぞれに、ターボ分子ポン来たが、今回新たな実験テーマとして多価プと補助ポンプとしてロータリーポンプがイオン照射によって、どの様な粒子が放出取り付けてある。これによって、通常実験されるかを観測する為に四重極型質量分析

装置内は 10e-9、実験中は 10e-8〜10e-6 程器（QMS）を導入した。本装置は、多価イ度の真空度が保たれている。

オン照射によって生成されると思われる、実験装置概要図

正負の二次放出イオンや中性粒子、それらリークバルブのクラスターを測定する為に最大測定 質
量/電荷比が 2000 まで、更にレンズ系や四重極の印加電圧などにより測定粒子の入射観測ポート
試料イオン銃側真空計

イオン化室電極

エネルギーを制御する事により最大 1keV程度までの高エネルギー粒子の質量スペクトル測定も可能となっている。
今回行った実験は、新規導入した質量分析器の立上げと、多価イオン生成装置（EBIT）を用いた照射実験の予備段階としファラデー・カップ
ターボ分子ポンプレンズ電極

四重極型質量分析器
イオン銃（ＱＭＳ）

［QMS の動作原理］

幅部で通過して来たイオンを Conversion

QMS の動作原理は、その名の由来となってDynode に衝突させて電子を放出させ、そいる四重極に直流と交流電圧を印加すると、の電子を電子増倍管で増幅、後段の外部アこの四重極が形成する電場が印加電圧に比ンプに信号を送り PC で処理を行う、とい

例した特定の質量のイオンのみを通過させ、う過程を経る。実際の測定において重要とそれ以外の質量のイオンを発散させる事をなるのは、四重極を通過する際のイオンの利用している。通過するイオンの運動方程運動エネルギーで、これは検出部に入射す

式はマシューの微分方程式としてしられてる粒子が元々持つ運動に加え、概念図に示おり、安定解となる直流と交流の電圧比をす四重極への直流印加電圧の Pole Bias と一定に保ったまま電圧を掃引し、その時のそれ以外の部分を四重極から浮かせた電圧

通過イオンの数をカウントする事によっての差である Ion Energy によって、四重極に質量スペクトルが得られる。

入射するイオンの運動エネルギーが定まる。
また、レンズがアインツェルレンズとして［QMS 装置概要］構成されている事から、これを加速モード今回導入した QMS の構成は、イオン化室・にするか減速モードにするか、その他の電静電レンズ系・四重極・増幅部で構成され極がプリ・フィルターとしてどの様に働かる検出部、別筐体の四重極に印加する直流せるかによっても、質量分解能や得られると交流の電源と制御装置、装置全体のコン質量スペクトルが大きく変化する。

トロールとデータ処理用の PC から成っている。装置立上げに際し検出部の電源の製作と検出部からの測定信号を PC に送る為のアンプ・A/D 変換などの装置類のセットアップも行った。
検出部電源回路図
ION Region

ｼｬﾝﾄ抵抗Extractor

Lens 1/3

Lens 2

Entrance

VVVVV

Filament

Electron Energy
分圧用可変抵抗器V

ION Energy

V［検出部概要］検出部は概略図の様に、イオン化室・静電レンズ・四重極・増幅部の 4 つの部分から構成されている。中性粒子の測定の場合、イオン化室で粒子をイオン化し、それを静電レンズで収束、四重極で質量選別し、増［測定結果］

測定条件は、GaAs と Ar の衝突角度 45°、イオン化室 OFF、Ion Energy 4.02v 測定
レンジは上図が 60-80 下図が 1-100。
上図、下図共に質量数 69 と 71 にピークが出ている。これらのピークは、ピークの比が Ga の同位体の存在比の 3：2 に近い事から、69：Ga と 71：Ga と同定した。両図に見られる特徴として得られたスペクトルのピークに左裾広がりの傾向が見られる。こ装置立上げを確認する為に行った残留ガ

れはイオンの入射エネルギーが高い時に見ス分析の質量スペクトルは上図の様になっられる現象で、下図の低質量側が持ち上がた。測定条件はイオン化室を点けた状態でっているのは、これらのピークの広がりに

Ion Energy 7.53v・測定質量レンジ 15-45。

よってピークが加算されスペクトルが持ち質量数 16 ：O、17：OH、18：H2O、28：上げられた為だと思われる。

N2・CO、40：Ar、44：CO2 が同定できる。
検証用にチャンバー内に吹いた Ar が最大ピークを示している事から、立上げた装置が正常に動作している事が確認できた。

この質量スペクトルは、上記測定と同一条件の時に、イオン銃の加速電圧を変化させた時の質量スペクトルの変化である。
収量を比較する為に、縦軸のカウント数をGaAs に Ar+を照射した時の、二次放出イ10e7 個に固定してある。この図より分かる

オンの質量スペクトルは上図の様になった。

通り、2kv の時は殆ど Ga のピークを観測する事はできないが、エネルギーを上げるられたデータより本装置の質量分解能のは、につれて収量は増えている。3.5kv で最大2.5e-2 となった。多価イオンを用いた衝突となり、後は徐々に減少している。今回の実験の予備実験として行った Ar+と GaAs実験装置では、イオンビーム径が測定できの衝突実験では、衝突エネルギー変化・衝なかった事もあり、何故このような事が起突角度依存性の両実験において、装置上のきたのか原因は特定できていない。

制限により十分な測定を行う事が出来なかった。エネルギー変化ではビーム径や形状、衝突イオン流の強度など、角度依存性につAr入射角に対する二次放出イオンのグラフ

いては、衝突角または測定角を固定できな1かった為に十分な実験データとはいえない0.8ものとなり、それ以降の解析などの議論をする事が出来なかった。

0.6
収量比

測定を通じて得られた本質量分析器の問題
0.4点として、調整パラメータの多さが挙げられる。検出部だけでも 10 箇所以上設定項目0.2があり、また検出部以降のアンプ・A/D 変001020304050

入射角[度]

換部などの調整も含めればかなりの数となる事と、測定対象によって装置設定が異な

このグラフは、Ar と GaAs の衝突角度を変る為に装置のチューニングが非常に難しい化させた時の収量を最大収量を得た 45 °ものとなっている。今後の課題として、この時の値を 1 とした表したもので、測定条れらの調整の自動化や簡易化、設定データ件は、イオン銃加速電圧 3kv 、イオン化室の蓄積などが必要と思われる。

OFF、Ion Energy 0v 測定レンジ 35-85、

また、QMS 装置の測定原理により、測定測定角度＝衝突角度＋90°で測定を行った。

データは測定粒子のイオン化効率、レンズ

本実験は、実験装置の制限によりイオン銃系や四重極を通過する際のイオンの透過率と QMS の角度が 90°に固定されている事なども考慮する必要があり、定性・定量的から、衝突角を変化させると同時に測定角な議論をする為には、これらの基礎データも変化してしまう為、厳密な意味での角度の測定が必要だと思われる。

依存性の測定とはなっていない。現状の実験装置構成においては、衝突角 45°近辺において二次放出イオンは最大値となることが確認できた。
［まとめ・展望］
今回の一連実験により QMS 装置の立上げと、動作確認をする事ができた。また得［参考文献］[1] 電子・イオンビームハンドブック第 2 版
日本学術振興会第 132 委員会編
[2] イオンビーム工学 イオン・固体相互作用編
藤本文範・小牧研一郎 共著[3] 真空技術とその物理
T.A.Delcahr 著 石川和雄訳[4] 真空技術［第 3 版］
堀越源一著
[5] 電子・原子・分子の衝突
高柳和夫著