JP2538623B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、固体試料のイオンビームによる質量分析
に用いられる質量分析装置に関する。

（従来の技術） 従来のこの種の装置としては、イオン銃によりArイオ
ン等の１次イオンビームを発射し、この１次イオンビー
ムを、集束レンズ、ビーム制限アパーチャなどからなる
１次イオンビーム光学系を介して試料に照射し、試料か
ら発生する２次イオンを検出して質量分析する２次イオ
ン質量分析装置が一般的である。

（発明が解決しようとする問題点） 上記従来の装置では、１次イオンビームを試料に効率
良く照射させる必要があり、そのためには集束レンズの
光軸とビーム制限アパーチャの光軸とが一致し、中性粒
子除去用偏向電極を通過後のイオンビームの光軸が対物
レンズの光軸と一致して照射される試料面に微細なビー
ム径を形成することが望ましい。しかしながら、構造設
計の寸法公差および組立公差等によって上記光軸のズレ
は避けられなかった。

そこで従来では、試料に到達するイオンビーム量に基
づいて光軸合わせを行っていたが、イオンビーム光学系
にビームを偏向するための電極が介在していると、軸合
わせのための調整は極めて熟練を要し大変な労力と時間
を必要とする。また測定中に一旦光軸がずれてしまう
と、再調整には装置の超高真空を破る必要があるため極
めて困難な作業となる。そのため、往々にして不安定な
ままで作業を続けざるを得ない状況にあった。

このような点を考慮して、ビーム偏向電極のシールド
板に流れ込む電流を調整することにより、集束レンズと
ビーム制限アパーチャとの光軸合わせを行う手段が提案
されているが、この手段ではビーム偏向後の光軸合わせ
は困難であった。

この発明は、従来装置の上記のような問題点に関して
なされたもので、簡単でしかも短時間の調整作業により
１次イオンビームを効率良く試料に照射して高精度な質
量分析を可能とする。質量分析装置を提供することを目
的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） この発明は上記問題点を解決するために、イオン銃か
ら発射される１次イオンビームを集束レンズ、ビーム制
限アパーチャ、中性粒子除去用偏向電極および対物レン
ズからなる１次イオンビーム光学系を介して試料に照射
し、試料から発生する２次イオンビームを検出して上記
試料の質量分析を行う質量分析装置において、上記集束
レンズと上記ビーム制限アパーチレャとの間に設けられ
中心にイオンビーム通過用の開口を有しかつそれぞれが
電流計に接続された等分割された複数の電極片から成る
円板状のビームモニタ電極と、上記集束レンズとビーム
モニタ電極の光軸の延長上に設けられかつ電流計に接続
されたファラデーカップと、上記試料に接続された電流
計とを備え、これら各電流計によってビーム電流をモニ
タしながら上記光学系の機械的及び電気的光軸合わせを
行うようにしたことを要旨としている。

（作用） ビームモニタ電極は、それぞれが電流計に接続されか
つ等分割された複数の電極片で構成されているため、集
束レンズの光軸のずれは各電流計における指示値の相違
として示される。したがって、電流計をモニタしなが
ら、機械的あるいは電気的に光学系を調節することによ
り、集束レンズの光軸合わせ、即ち集束レンズの光軸と
ビームモニタ電極の光軸の一致が図られる。さらにファ
ラデーカップは集束レンズとビームモニタ電極の光軸の
延長上に設けられているため、中性粒子除去用の偏向電
極に電圧を印加しない状態でファラデーカップの電流計
をモニタしながら、カップに到達するイオンビームが最
大になるように集束レンズの焦点距離の調整を行う。こ
の状態で、中性粒子除去用偏向電極に電圧を印加してイ
オンビームを試料の方向に偏向させ、試料に設けた電流
計によってビーム量をモニタしながら、偏向電極の電圧
を調整してイオンビームの光軸を対物レンズの光軸に一
致させる。これによって、装置の真空を破る事無く１次
イオンビームの軸合わせを精密に行い、精度の高い質量
分析を実行する事が出来る。

（実施例） 第１図は、この発明の１実施例質量分析装置にかかる
一次イオン光学系の構成図である。

図面において、10はArイオン等の１次イオンビームを
発射するイオン銃であって、フィラメント（カソード）
11、中間電極12、アノード13およびイオンビームの引出
し方向を決定する引出し電極14から構成されている。20
はイオン銃10から発射されるイオンビームを集束するた
めの集束レンズ、30はレンズ20で集束されたイオンビー
ムを偏向するための偏向機構であって、一対のＸ方向偏
向電極31a,31bと一対のＹ方向偏向電極32a,32bとからな
る。40はビームモニタ電極であって、４個の等分割され
た扇形の電極片41、42、43、44からなり、その中心には
イオンビームが通過するのに十分な開口部45を有してい
る。なお、図示はしていないが、上記イオン銃10のアノ
ード電極13と引出し電極14とには、機械的軸合わせのた
めの方向ネジが設けられており、これらのネジによるイ
オンビームの調整方向は、ビームモニタ電極40の開口部
45を通過するビームが開口部45の中心を通るように光軸
を移動する方向である。また第２図（ａ）に示すよう
に、ビームモニタ電極40の各電極片41、42、43、44に
は、電流計111、112、113、114が接続されており、各電
極片41、42、43、44にイオンビームが照射されたときイ
オンビームの照射量に比例して発生する電流量を検出す
る。

50はビーム制限アパーチャであり、試料90にイオンビ
ームを導く開口部51が形成されている。なお、ビームモ
ニタ電極40とこのビーム制限アパーチャ50との間には、
開口部45を通過したイオンビームを偏向してアパーチャ
50の開口部51に導くための一対のビーム偏向電極52と、
この偏向電極52の電界をシールドするシールド板53とが
設けられている。

60は、イオンビームの走査機構であり、一対のＸ方向
走査電極61a,61bともう一対のＸ方向走査電極71a,71b
と、さらに一対のＹ方向走査電極62a,62bともう一対の
Ｙ方向走査電極72a,72bとが、図示するように２重に配
置されて設けられている。80は対物レンズであり、この
実施例では３個の電極片81、82、83からなっている。各
電極片81、82、83は、イオンビームを試料90に導くため
の開口81a,82a,83aと、偏向電極52によって偏向されな
い状態のイオンビームを通過させるべく設けられた開口
81b,82b,83bを有している。100は、対物レンズ80の開口
81b,82b,83bの延長上に設けられたファラデーカップと
称する電極であり、イオンビームの照射量を電流量に変
換して検出する為のものである。なお、第２図（ｂ）お
よび（ｃ）に示すように、試料90とファラデーカップ10
0とには、電流計115、116が接続されており、それぞれ
に入射するイオンビーム量を電流量に換算して検出す
る。

なお、上記ビーム走査機構60の光軸および対物レンズ
80における各開口81a,82a,83aの光軸は、偏向電極52に
よって偏向されたイオンビームの光軸に一致している。

次に上記実施例における作用を説明する。先ずイオン
銃10から１次イオンビームが発射されると、このイオン
ビームは集束レンズ20によって集束され、偏向機構30に
よって偏向された後、ビームモニタ電極40およびビーム
制限アパーチャ50のそれぞれの開口部45、51を通過して
試料90に到達する。なおこのとき、偏向電極52によって
イオンビームを偏向させることにより、ビーム中に含ま
れる中性粒子を除去する。試料90にイオンビームが照射
されると、試料90は２次イオンを発生するので、この２
次イオンを検出して質量分析を行う。なお２次イオンビ
ームの検出機構を含む質量分析のための手段は、図示し
ていない。

ここで、上記イオンビームを試料90に対し効率良く照
射させるために、イオンビーム光学系の調整、即ち集束
レンズ20の光軸調整および焦点位置の調整、さらにビー
ム制限アパーチャ50の光軸調整とが必要である。この実
施例では、先ずビームモニタ電極40の各電極片に入射す
るイオンビーム量をモニタしてイオンビームの光軸のず
れを検出し、軸合わせを行う。即ち、ビームモニタ電極
40の各電極片41〜44にイオンビームが照射されると、こ
の照射量に比例して各電極片41〜44に電流が発生し、各
電流計111〜114によってその値が検出される。今、電流
計111の指示値が最大であり、以下各指示値が電流計11
4、112、113の順で大きい（114＞112＞113）ものとする
と、集束レンズ20を通過したイオンビームの光軸は電極
片41側にずれていることがわかる。従って、各電流計11
1〜114の指示値をモニタしながら、アノード13と引出し
電極14とに設けられた調整ネジによって光軸を電極片43
方向にずらすことにより、機械的に光軸を調整する。こ
の手順を繰り返すことにより、各電流計の指示値を等し
くさせて、光軸を開口45の中心に一致させる。次に、焦
点レンズ20を電気的に作動させて、レンズの焦点距離を
変化させる。このとき焦点距離の変化にもかかわず各電
極片41〜44に流れ込む電流量が各片間で等しければ、イ
オンビームは、ビームモニタ電極40の光軸に一致したこ
とになる。一方、各電極片間で電流量が異なれば、イオ
ンビームとビームモニタ電極40の光軸とが平行でないの
で、偏向機構30を作動させて両者が平行となるように調
整する。

つぎに、集束レンズ20の焦点位置を決定する。中性粒
子除去用偏向電極52に電位を印加しない場合、アパーチ
ャ50を通過したイオンビームはファラデーカップ100に
向かうが、イオンビームが上記調整した光軸上に位置す
るとファラデーカップ100に対する照射量が上昇する。
従って、ファラデーカップ100に設けられた電流計116に
よって、電流値が最高になるように集束レンズ20と偏向
機構30とを再調整し、集束レンズ20の焦点位置調整を行
う。

次に、中性粒子除去用偏向電極52に電位を印加し、対
物レンズ80の光軸にイオンビームを一致させる。先ず対
物レンズ80に電位を印加しない状態で、中性粒子除去用
偏向電極52に印加する電位を徐々に増加し、試料90に到
達するビーム電流量を変化させる。このとき、試料90に
設けた電流計115は、電極52のある偏向電圧値でピーク
を持つ。この偏向電圧の状態で、走査機構60の各電極61
a,61b,62a,62b,71a,71b,72a,72bにバイアス電圧を与
え、試料90に到達するビーム電流量が極大となるように
する。これによって、対物レンズ80の光軸に、電極52に
よって偏向後の光軸即ちビーム制限アパーチャ50の光軸
が一致する。なおこの後、対物レンズ80にイオンビーム
を集束するための電圧を印加し、さらに走査機構60に上
記決定したバイアス電圧に加えて走査幅を制御する走査
電位を与え、質量分析のための準備をする。

以上説明したように、この実施例では、集束レンズ20
の微細な光軸調整および焦点位置調整、さらにビーム制
限アパーチャ50の光軸調整を、ビームモエタ電極40の各
電極片と試料90およびファラデーカップ100とに設けた
電流計によってビーム電流量をモニタしながら、イオン
銃10に設けられた調整ネジ、集束レンズ20、中性粒子除
去用電極、ビーム走査機構等によって、機械的、電気的
に実施することができる。しかもその手順および走査
は、極めて容易である。

［発明の効果］ 以上実施例を挙げて説明したように、この発明によれ
ば、イオンビームの微細な光軸合わせを装置の真空性を
破ること無く極めて容易に実施することが出来、従って
高精度の質量分析を行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の１実施例質量分析装置にかかる１
次イオン光学系の構成図、第２図は第１図に示す装置の
要部説明図である。 10……イオン銃、20……集束レンズ 40……ビームモニタ電極 41、42、43、44……電極片 45……開口 50……ビーム制限アパーチャ 52……中性粒子除去用偏向電極 80……対物レンズ、90……試料 100……ファラデーカップ 111、112、113、114、115、116……電流計

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン銃から発射される１次イオンビーム
   を集束レンズ、ビーム制限アパーチャ、中性粒子除去用
   偏向電極および対物レンズからなる１次イオンビーム光
   学系を介して試料に照射し、試料から発生する２次イオ
   ンビームを検出して上記試料の質量分析を行う質量分析
   装置において、上記集束レンズと上記ビーム制限アパー
   チャとの間に設けられ中心にイオンビーム通過用の開口
   を有しかつそれぞれが電流計に接続された等分割された
   複数の電極片から成る円板状のビームモニタ電極と、上
   記集束レンズとビームモニタ電極の光軸の延長上に設け
   られかつ電流計に接続されたファラデーカップと、上記
   試料に接続された電流計とを備え、これら各電流計によ
   ってビーム電流をモニタしながら上記光学系の機械的及
   び電気的光軸合わせを行うようにしたことを特徴とする
   質量分析装置。
2. 【請求項２】１次イオンビーム光学系は、試料を走査し
   て照射するためのビーム走査機構を有し、かつこのビー
   ム走査機構にはイオンビーム光軸調整のためのバイアス
   電圧印加手段が設けられていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の質量分析装置。