JP2610035B2 - Surface analyzer - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、分析精度が高く、かつ、絶縁物分析に適性
を有する表面分析装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The present invention relates to a surface analyzer having high analysis accuracy and suitable for insulator analysis.

＜従来の技術＞ 固体を高速のイオンビームで衝撃すると、表面から
は、正電荷の二次イオン、負電荷の二次イオン、電気的
中性の原子・分子（スパッタ原子と呼ぶ）、光、二次電
子等が放出する。これらのうち、固体の組成を直接反映
するのは前３者であるので、固体の組成分析には、二次
イオン、スパッタ原子の質量分析法が用いられ、前者が
「二次イオン質量分析」、後者が「二次中性粒子質量分
析」と称されている。高精度の組成分析を行うには、正
電荷の二次イオン、負電荷の二次イオン、スパッタ原子
の３種類を同時に分析することが理想とされているが、
現状では、「正電荷二次イオンのみを分析する二次イオ
ン質量分析計」、「負電荷二次イオンのみを分析する二
次イオン質量分析計」、「スパッタ原子のみを分析する
二次イオン質量分析計」と言うように、機能の分化した
装置が開発されてはいるものの、３種類を同時に分析し
うる機器はなかった。<Conventional technology> When a solid is bombarded with a high-speed ion beam, positive ions, negative ions, electric neutral atoms and molecules (called sputtered atoms), light, Secondary electrons are emitted. Of these, the former three directly reflect the composition of the solid, so the mass analysis of the secondary ions and sputtered atoms is used for the composition analysis of the solid, and the former is "secondary ion mass spectrometry." The latter is called "secondary neutral particle mass spectrometry." To perform high-accuracy composition analysis, it is ideal to simultaneously analyze three types of positively charged secondary ions, negatively charged secondary ions, and sputtered atoms.
Currently, “secondary ion mass spectrometers that analyze only positively charged secondary ions”, “secondary ion mass spectrometers that analyze only negatively charged secondary ions”, and “secondary ion masses that analyze only sputtered atoms” Although analyzers with differentiated functions have been developed, as in "analyzers," none of the instruments can simultaneously analyze three types.

正電荷の二次イオンを分析する二次イオン質量分析計
としては、従来第３図に示すようなものが市販されてい
る。図中、１は例えば約10KeV程度のエネルギーを有す
る高速のアルゴンイオンビームを放出するイオン源、２
はイオン源１から放出される高速のイオンビーム（一次
イオンビーム）、３は分析すべき試料、４は試料台、５
は二次イオン、６はマスアナライザー、７は二次電子増
倍管、８は直流高電圧電源、９は出力端子、10は正の直
流電源、11はマスアナライザー６を通過した正電荷のイ
オンである。この動作は以下のとおりである。As a secondary ion mass spectrometer for analyzing a secondary ion having a positive charge, a conventional secondary ion mass spectrometer as shown in FIG. 3 is commercially available. In the figure, reference numeral 1 denotes an ion source which emits a high-speed argon ion beam having an energy of about 10 KeV, for example;
Is a high-speed ion beam (primary ion beam) emitted from the ion source 1, 3 is a sample to be analyzed, 4 is a sample stage, 5
Is a secondary ion, 6 is a mass analyzer, 7 is a secondary electron multiplier, 8 is a DC high voltage power supply, 9 is an output terminal, 10 is a positive DC power supply, and 11 is a positively charged ion passing through the mass analyzer 6. It is. This operation is as follows.

直流高電圧電源8,出力端子9,直流電源10以外の要素を
真空容器に収め充分に排気する。イオン源１から放出す
る一次イオンビーム２によって、分析すべき試料３を衝
撃する。この衝撃によって、試料３の表面から二次イオ
ンが放出する。二次イオンには、正電荷のものと負電荷
のものが含まれているが、直流電源10によって、試料台
４がマスアナライザー６よりも高い電位になっているの
で、正電荷の二次イオン５のみがマスアナライザー６に
入射する。マスアナライザー６に入射した二次イオン５
の内、特定の質量のイオン11だけが、二次電子増倍管７
に入射する。直流高電圧電源８は、二次電子増倍管７を
動作させるものであるが、同時にマスアナライザー６を
通過したイオン11を充分なエネルギーにまで加速する役
目も負うている。結局、二次電子増倍管７に入ったイオ
ン11の信号が出力端子９から出力されて、試料３の組
成、不純物等が固定されるものである。Elements other than the DC high-voltage power supply 8, output terminal 9, and DC power supply 10 are housed in a vacuum vessel and sufficiently exhausted. A sample 3 to be analyzed is bombarded by a primary ion beam 2 emitted from an ion source 1. Due to this impact, secondary ions are released from the surface of the sample 3. The secondary ions include positively charged ones and negatively charged ones. However, since the DC power supply 10 causes the sample stage 4 to have a higher potential than the mass analyzer 6, the positively charged secondary ions Only 5 enters the mass analyzer 6. Secondary ion 5 incident on mass analyzer 6
Of these, only ions 11 of a specific mass are
Incident on. The DC high-voltage power supply 8 operates the secondary electron multiplier 7, but also has a role of accelerating the ions 11 passing through the mass analyzer 6 to a sufficient energy. As a result, the signal of the ions 11 entering the secondary electron multiplier 7 is output from the output terminal 9, and the composition, impurities and the like of the sample 3 are fixed.

次に、負電荷二次イオンの質量分析計を第４図にしめ
す。図中、１〜４、６〜９は第３図の対応する番号の要
素と同一の動作、機能を有する。21は負電荷の二次イオ
ン、22は負電荷イオン用マスアナライザー、23は負の直
流高電圧電源、24は高耐圧コンデンサー、25は負の直流
電源、26はマスアナライザー22を通過した負電荷のイオ
ンである。この動作は第３図に示す分析計の動作に類似
しているが、直流電源25によって試料台４に負の電圧を
かけて、試料３から放出する二次イオンのうち、負電荷
のものをマスアナライザー22に入射させている。またマ
スアナライザー22は、負電荷イオンの質量分析ができる
ように電気的極性が設定してある。マスアナライザー22
を通過したイオン26は、負の直流高電圧電源23によって
充分なエネルギーを得て二次電子増倍管７に入射し、マ
ススペクトルが出力端子９から出力される。コンデンサ
ー24は直流分をカットするためのものである。Next, a mass spectrometer for negatively charged secondary ions is shown in FIG. In the figure, reference numerals 1 to 4 and 6 to 9 have the same operations and functions as the correspondingly numbered elements in FIG. 21 is a secondary ion of negative charge, 22 is a mass analyzer for negative charge ions, 23 is a negative DC high voltage power supply, 24 is a high voltage capacitor, 25 is a negative DC power supply, and 26 is a negative charge passing through the mass analyzer 22. Is an ion. This operation is similar to the operation of the analyzer shown in FIG. 3, except that a negative voltage is applied to the sample table 4 by the DC power supply 25, and the secondary ions emitted from the sample 3 are negatively charged. It is incident on the mass analyzer 22. The electrical polarity of the mass analyzer 22 is set so that mass analysis of negatively charged ions can be performed. Mass analyzer 22
The ions 26 that have passed through have a sufficient energy from the negative DC high-voltage power supply 23 and are incident on the secondary electron multiplier 7, and the mass spectrum is output from the output terminal 9. The condenser 24 is for cutting a direct current component.

このように正電荷の二次イオン質量分析と負電荷の二
次イオン質量分析では、装置の大幅な電気的極性変更が
必要であるために、従来は正・負電荷二次イオンの同時
分析は困難であった。As described above, in the secondary ion mass spectrometry of the positive charge and the secondary ion mass spectrometry of the negative charge, it is necessary to change the electrical polarity of the device significantly. It was difficult.

第５図は従来の二次中性粒子質量分析計の構造の概要
を示したものである。図中１〜４、６〜９、11は第３図
の対応する番号の要素と同一の動作、機能を有するもの
である。31はスパッタ原子、32はイオン化室である。こ
の動作は以下のとおりである。FIG. 5 shows an outline of the structure of a conventional secondary neutral particle mass spectrometer. Elements 1 to 4, 6 to 9, and 11 in the figure have the same operations and functions as the correspondingly numbered elements in FIG. 31 is a sputter atom and 32 is an ionization chamber. This operation is as follows.

直流高電圧電源8,出力端子９以外の要素を真空容器に
収め充分に排気する。イオン源１から放出する一次イオ
ンビーム２によって、分析すべき試料３を衝撃する。こ
こまでは第３図の場合と同様である。この衝撃によっ
て、試料３の表面がスパッタされて電気的に中性な原子
・分子（スパッタ原子31）が放出する。スパッタ原子31
はイオン化室32に入りイオン化された後、マスアナライ
ザー６で質量を弁別され、特定の質量のイオン11だけ
が、引き続いて二次電子増倍管７に入る。以下第３図の
場合と同様、出力端子９からマススペクトルが出力さ
れ、試料３の組成分析がなされる。Elements other than the DC high-voltage power supply 8 and the output terminal 9 are housed in a vacuum vessel and sufficiently exhausted. A sample 3 to be analyzed is bombarded by a primary ion beam 2 emitted from an ion source 1. Up to this point, the operation is the same as in FIG. Due to this impact, the surface of the sample 3 is sputtered, and electrically neutral atoms and molecules (sputtered atoms 31) are emitted. Sputtered atoms 31
After entering the ionization chamber 32 and being ionized, the mass is discriminated by the mass analyzer 6, and only ions 11 having a specific mass subsequently enter the secondary electron multiplier 7. Thereafter, as in the case of FIG. 3, a mass spectrum is output from the output terminal 9 and the composition of the sample 3 is analyzed.

＜発明が解決しようとする課題＞ 上記３種類の分析計は、すべて、試料を衝撃する一次
ビームとして、荷電性のイオンビームを用いている。こ
のことは、試料３が金属などの電導性のものの場合は、
特に問題はないが、絶縁物の場合には、一次イオンビー
ム２の電荷が絶縁物表面に蓄積して、表面が高電位に帯
電してしまう。実施例によれば、10mm×10mm×0.8mm^tの
形状の石英板にイオンビームを照射すると、表面の電位
は瞬時に1000V以上に上昇する。その結果、後続のイオ
ンビームの入射が阻止されたり、二次イオンのエネルギ
ーが大幅に変化して、質量分析計の測定条件から逸脱
し、分析が進行しなくなることがある。これがこの種の
分析機器の大きな欠点で、これを回避するために、試料
近傍に電子銃を置いて、試料表面の帯電を電子で中和
し、表面電位の上昇を抑えるなどの方法がとられてい
る。しかし、試料に対する電子衝撃、あるいは電子銃か
らの輻射熱などのために、耐熱性の悪い試料では、熱変
質が生じて分析不能となることがある。<Problems to be Solved by the Invention> All of the above three types of analyzers use a charged ion beam as a primary beam that impacts a sample. This means that when the sample 3 is a conductive material such as a metal,
Although there is no particular problem, in the case of an insulator, the charge of the primary ion beam 2 accumulates on the surface of the insulator, and the surface is charged to a high potential. According to the embodiment, when a quartz plate having a shape of 10 mm × 10 mm × 0.8 mm ^t is irradiated with an ion beam, the potential on the surface instantaneously rises to 1000 V or more. As a result, the incidence of the subsequent ion beam may be blocked, or the energy of the secondary ions may change significantly, deviating from the measurement conditions of the mass spectrometer, and the analysis may not proceed. This is a major drawback of this type of analytical instrument.To avoid this, a method such as placing an electron gun near the sample, neutralizing the charge on the sample surface with electrons, and suppressing the rise in surface potential has been adopted. ing. However, due to electron impact on the sample, radiant heat from the electron gun, or the like, a sample with poor heat resistance may be deteriorated by heat to make analysis impossible.

本発明は、固体の組成分析において、分析精度を改善
するために、正・負電荷の二次イオン、スパッタ原子の
同時分析を行い、かつ、耐熱性の悪い絶縁物試料に対し
ても、熱変質などのトラブルを生じることなく分析が進
行する表面分析装置を提供することにある。The present invention performs simultaneous analysis of positive and negatively charged secondary ions and sputtered atoms in order to improve the analysis accuracy in the composition analysis of solids, and performs thermal analysis even on insulator samples having poor heat resistance. It is an object of the present invention to provide a surface analyzer capable of performing an analysis without causing a trouble such as deterioration.

＜課題を解決するための手段＞ 本発明は１本のマスアナライザーで、正電荷と負電荷
の二次イオン、スパッタ原子の３種類の質量分析を同時
に行うために、３本の二次電子増倍管、３枚の電磁シャ
ッター備えているほか、一次ビーム線源として、非荷電
性の高速原子線を放出する線源を使用する分析機器を提
供するものであって、装置構造がこれまでの二次イオン
質量分析計や二次中性粒子質量分析計と全く異なる。<Means for Solving the Problems> The present invention uses a single mass analyzer to simultaneously perform three types of mass analysis of secondary ions of positive charge and negative charge and three types of sputter atoms. A double tube, three electromagnetic shutters, and an analytical instrument that uses a source that emits an uncharged high-speed atomic beam as a primary beam source. It is completely different from a secondary ion mass spectrometer or a secondary neutral mass spectrometer.

＜実 施 例＞ 第１図は、本発明の一実施例であって、１本の分析管
で、正電荷と負電荷の二次イオン、スパッタ原子の３種
類の質量分析を同時に行う装置の概要図である。図中、
３は試料、４は試料台であり、第３図の対応する番号の
要素と同一の動作、機能を有する。41は高速原子線を放
射する線源、42は高速原子線、43は正電荷・負電荷の二
次イオンとスパッタ原子の混合した二次ビーム、44は二
次イオン引きだし電極、45は二次イオン引きだし電極44
に電圧を印加するパルス電源、46は二次イオンの通過制
御用ディフレクター、47はディフレクター46を駆動する
パルス電源、48はイオン化室、49はイオン化室48を駆動
するパルス電源、50はエネルギーアナライザー、51は四
重極型マスアナライザー、52,53,54は電磁シャッター、
55,56,57はそれぞれの電磁シャッター52,53,54を駆動す
るパルス電源、58,59,60は二次電子増倍管、61,62,63は
それぞれの二次電子増倍管58,59,60を駆動する直流高電
圧電源、64は負電荷イオン加速用の正の直流高電圧電
源、65は直流分カット用の高耐圧コンデンサー、66,67,
68は信号出力端子、69はマスアナライザー51を通過した
イオンである。<Embodiment> Fig. 1 shows an embodiment of the present invention, which is an apparatus for simultaneously performing three types of mass spectrometry of secondary ions of positive and negative charges and sputtered atoms in one analysis tube. FIG. In the figure,
Reference numeral 3 denotes a sample, and 4 denotes a sample stage, which has the same operation and function as the correspondingly numbered elements in FIG. 41 is a source for emitting a fast atom beam, 42 is a fast atom beam, 43 is a secondary beam of a mixture of positively and negatively charged secondary ions and sputtered atoms, 44 is a secondary ion extraction electrode, and 45 is a secondary ion Ion extraction electrode 44
, A pulse power supply for driving the deflector 46, a pulse power supply for driving the ionization chamber 48, a pulse power supply for driving the ionization chamber 48, an energy analyzer 50, 51 is a quadrupole mass analyzer, 52, 53, 54 are electromagnetic shutters,
55, 56, 57 are pulse power supplies for driving the respective electromagnetic shutters 52, 53, 54, 58, 59, 60 are secondary electron multipliers, 61, 62, 63 are respective secondary electron multipliers 58, DC high-voltage power supply for driving 59,60, 64 is a positive DC high-voltage power supply for negative charge ion acceleration, 65 is a high withstand voltage capacitor for cutting DC components, 66,67,
Reference numeral 68 denotes a signal output terminal, and reference numeral 69 denotes ions passing through the mass analyzer 51.

二次イオン引きだし電極44,ディフレクター46,イオン
化室48の動作、ならびにシャッター52,53,54の電位タイ
ミングチャートを第２図に示す。FIG. 2 shows the operation of the secondary ion extraction electrode 44, the deflector 46, the ionization chamber 48, and the potential timing chart of the shutters 52, 53, 54.

この実施例の動作は次のとおりである。パルス電極4
5,47,49,55,56,57、直流高電圧電源61,62,63,34、高耐
圧コンデンサー65,、信号出力端子66,67,68以外の要素
を真空容器に収め充分に排気する。高速原子線源41から
放出される、エネルギー0.5−10KeV程度の高速原子線42
で、試料台４上の試料３を衝撃する。これで試料３から
正電荷・負電荷二次イオンとスパッタ原子の混合した二
次ビーム43が連続的に発生する。この時、引きだし電極
44、ディフレクター46、イオン化室48、シャッター52,5
3,54は第２図のＡモードの状態であったとする。つまり
二次イオン引きだし電極44は接地電位、ディフレクター
46はONであるので、二次ビーム43中の正・負電荷二次イ
オンは共に除去され、スパッタ原子のみがイオン化室48
に入る。イオン化室48もONであるので、スパッタ原子は
イオン化され、エネルギーアナライザー50を経て四重極
型マスアナライザー51に入射する。エネルギーアナライ
ザー50の役割については後で説明する。イオンはマスア
ナライザー51で質量弁別を受け、特定質量のイオン69だ
けがこれを通過する。シャッター52,53,54のうち、シャ
ッター53,54は接地電位、シャッター52だけが負電位で
あるから、イオン69はシャッター52に引かれて二次電子
増倍管58に入る。直流高電圧電源61は二次電子増倍管58
を駆動すると同時に、イオンを加速する役目も負う。結
局出力端子66からマススペクトルが出力される。The operation of this embodiment is as follows. Pulse electrode 4
Elements other than 5,47,49,55,56,57, DC high-voltage power supplies 61,62,63,34, high-voltage capacitor 65, and signal output terminals 66,67,68 are housed in a vacuum vessel and exhausted sufficiently. . A fast atomic beam 42 with an energy of about 0.5-10 KeV emitted from a fast atomic beam source 41
Then, the sample 3 on the sample stage 4 is impacted. As a result, a secondary beam 43 in which positive and negative secondary ions and sputtered atoms are mixed is continuously generated from the sample 3. At this time, the extraction electrode
44, deflector 46, ionization chamber 48, shutters 52, 5
3, 54 are in the A mode shown in FIG. In other words, the secondary ion extraction electrode 44 is ground potential, deflector
Since 46 is ON, both the positive and negative charge secondary ions in the secondary beam 43 are removed, and only the sputtered atoms are removed from the ionization chamber 48.
to go into. Since the ionization chamber 48 is also ON, the sputtered atoms are ionized and enter the quadrupole mass analyzer 51 via the energy analyzer 50. The role of the energy analyzer 50 will be described later. The ions are subjected to mass discrimination by the mass analyzer 51, and only ions 69 having a specific mass pass therethrough. Of the shutters 52, 53, 54, since the shutters 53, 54 have the ground potential and only the shutter 52 has the negative potential, the ions 69 are drawn by the shutter 52 and enter the secondary electron multiplier 58. DC high voltage power supply 61 is a secondary electron multiplier 58
At the same time as driving the ion. Eventually, the output terminal 66 outputs a mass spectrum.

次に、第２図のＢモードの状態になったとする。この
時は、第１図の二次イオン引きだし電極44が正電位、デ
ィフレクター46、イオン化室48はOFFであるために、二
次ビーム43の中の負電荷二次イオンおよびスパッタ原子
がエネルギーアナライザー50を通過してマスアナライザ
ー51に入射する。しかし電荷を有しないスパッタ原子は
質量弁別を受けないから、負電荷二次イオンのみが質量
弁別され、特定の質量のイオン69のみがここを通過す
る。四重極型マスアナライザー51は、電荷の正負に関係
なく、質量の大きさだけでイオンを弁別する特性を有す
るから、マスアナライザー51の電気的極性を変更するこ
となく、負電荷二次イオンも、正電荷二次イオンも分析
できる。さてシャッター52,53,54はシャッター52,54が
接地電位、シャッター53が正電荷であるので、イオン69
はシャッター53に引かれて、二次電子増倍管59に入射す
る。この場合は、直流高電圧電源62の役目は二次電子増
倍管59の駆動のみであり、イオンの加速は、直流高電圧
電源64が受け持つ。斯くして出力端子67からマススペク
トルが出力される。コンデンサー65は直流分をカットす
るためのものである。Next, it is assumed that the state of the B mode shown in FIG. 2 has been reached. At this time, since the secondary ion extraction electrode 44 shown in FIG. 1 has a positive potential and the deflector 46 and the ionization chamber 48 are OFF, the negatively charged secondary ions and sputtered atoms in the secondary beam 43 are reduced by the energy analyzer 50. Pass through and enter the mass analyzer 51. However, since sputter atoms having no charge do not undergo mass discrimination, only negatively charged secondary ions are mass discriminated, and only ions 69 of a specific mass pass therethrough. The quadrupole mass analyzer 51 has the characteristic of discriminating ions only by the magnitude of the mass irrespective of whether the charge is positive or negative, without changing the electrical polarity of the mass analyzer 51. Also, positively charged secondary ions can be analyzed. Now, since the shutters 52, 53, 54 have the ground potential and the shutter 53 has the positive charge, the ions 69
Is pulled by the shutter 53 and enters the secondary electron multiplier 59. In this case, the function of the DC high-voltage power supply 62 is only to drive the secondary electron multiplier 59, and the acceleration of ions is performed by the DC high-voltage power supply 64. Thus, a mass spectrum is output from the output terminal 67. The condenser 65 is for cutting a direct current component.

次に、第２図のＣモード状態になったとする。この時
は、第１図の二次イオン引きだし電極44は負電位、ディ
フレクター46、イオン化室48はOFFであるために、二次
ビーム43中の正電荷二次イオンおよびスパッタ原子がエ
ネルギーアナライザー50を通過してマスアナライザー51
に入射する。以下、上記と同様の過程を辿って、正電荷
二次イオンのマススペクトルが出力端子68から出力され
る。Next, it is assumed that the state is changed to the C mode state in FIG. At this time, since the secondary ion extraction electrode 44 shown in FIG. 1 has a negative potential, the deflector 46 and the ionization chamber 48 are OFF, the positively charged secondary ions and sputter atoms in the secondary beam 43 are supplied to the energy analyzer 50. Pass through and mass analyzer 51
Incident on. Hereinafter, the mass spectrum of the positively charged secondary ions is output from the output terminal 68 by following the same process as described above.

この繰り返しによって、スパッタ原子、正電荷・負電
荷の二次イオンが順次質量分析されて出力されることに
なる。マスアナライザー51の質量掃引速度を、第２図の
パルス幅より充分にゆっくりとるようにすれば、出力端
子66,67,68から出る信号の包絡線が３種類のスペクトル
を表すことになる。そして信号出力端子66,67,68を３チ
ャンネルの記録装置（図示省略）に接続して、３つの信
号を別々に記録する。By this repetition, sputtered atoms and secondary ions of positive and negative charges are sequentially mass-analyzed and output. If the mass sweep speed of the mass analyzer 51 is made sufficiently slower than the pulse width shown in FIG. 2, the envelope of the signal output from the output terminals 66, 67, 68 will represent three types of spectra. The signal output terminals 66, 67, and 68 are connected to a three-channel recording device (not shown) to record three signals separately.

なお、イオン化室48がONの時には、装置内部の残留ガ
スがイオンになって、イオン化したスパッタ原子に混入
して二次電子増倍管58に入る結果、スパッタ原子のマス
スペクトルのS/N比を低下させる恐れがある。このよう
な残留ガスイオンの除去に、エネルギーアナライザー50
が有効である。つまり、試料３から放出する二次イオ
ン、スパッタ原子のエネルギーはそれぞれ数〜数10eV、
数eVであるのに対して、残留ガスイオンは熱運動エネル
ギー程度であるから、0.1eVどまりである。よって、エ
ネルギーアナライザー50を、ほぼ1eV以上のイオンに対
してのみ透過性をもたせるように設定しておけば、残留
ガスイオンの影響は排除できる。When the ionization chamber 48 is ON, the residual gas inside the apparatus becomes ions, which are mixed into the ionized sputter atoms and enter the secondary electron multiplier 58, and as a result, the S / N ratio of the mass spectrum of the sputter atoms May be reduced. To remove such residual gas ions, use an energy analyzer 50
Is valid. That is, the energy of the secondary ions and sputtered atoms emitted from the sample 3 is several to several tens eV, respectively.
Since the residual gas ions have a thermal kinetic energy of about several eV, it is only about 0.1 eV. Therefore, if the energy analyzer 50 is set to have a permeability only for ions of approximately 1 eV or more, the influence of residual gas ions can be eliminated.

本発明の他の実施例として、第１図の二次イオン引き
だし電極44とその駆動電源45を取り除いた場合がある。
二次イオンは試料３を出る時すでに、数eV〜数10eVの運
動エネルギーをもっているから、電極44でことさら引き
出さなくても、マスアナライザー51に入射して、上記の
場合と全く同様に分析が進行する。ただし、二次イオン
の分析感度は低下する。As another embodiment of the present invention, there is a case where the secondary ion extraction electrode 44 and its driving power supply 45 in FIG. 1 are removed.
Since the secondary ions already have a kinetic energy of several eV to several tens eV when they leave the sample 3, the secondary ions are incident on the mass analyzer 51 without being further extracted by the electrode 44, and the analysis proceeds in the same manner as described above. I do. However, the sensitivity of secondary ion analysis is reduced.

以上、正電荷・負電荷二次イオンとスパッタ原子を同
時に質量分析する装置について述べたが、本発明には、
試料３を衝撃する一次ビームに、高速原子線42を使用し
ていると云う特徴がある。一次ビームの衝撃によって、
二次イオン、二次電子等の荷電粒子が放出するために、
試料３が絶縁物の場合には、表面は帯電する。しかし実
測によれば、10mm×10mm×0.8mm^tの形状の石英板に高速
原子線を照射した時の表面電位の上昇はわずかに数Ｖで
あり、分析の障害にはならない。したがって、プラスチ
ックスなどの熱に弱い材料の分析にも、本発明は適用で
きるものである。As described above, the apparatus for mass spectrometric analysis of the positively and negatively charged secondary ions and sputtered atoms simultaneously has been described.
There is a feature that the fast atomic beam 42 is used for the primary beam impacting the sample 3. By the impact of the primary beam,
To release charged particles such as secondary ions and secondary electrons,
When the sample 3 is an insulator, the surface is charged. However, according to actual measurement, when a quartz plate having a shape of 10 mm × 10 mm × 0.8 mm ^t is irradiated with a high-speed atomic beam, the rise in surface potential is only a few volts and does not hinder the analysis. Therefore, the present invention is applicable to the analysis of heat-sensitive materials such as plastics.

＜発明の効果＞ 近年、半導体素子の開発・製造、セラミックス・ガラ
ス工業、金属・プラスチックスを含めた新材料開発等広
い分野において、高精度の組成分析の必要性はますます
高まり、固体からスパッタする、正・負電荷の二次イオ
ン、電気的に中性な原子・分子（スパッタ原子）を分析
することが盛んになっている。二次イオン、スパッタ原
子の総和が、固体の成分濃度、不純物濃度に比例するこ
とに着目した、本発明になる二次イオン、スパッタ原子
の同時分析技術は、定量分析の精度向上に、特に重要な
意味を持っていると考えられる。また、固体の衝撃に非
荷電性ビームを用いて、帯電に起因する分析上のトラブ
ルを避ける手法は、金属、半導体、絶縁物の混成でなる
電子素子等の分析が重要となっている現在、大きな効果
をもたらすものと期待される。<Effects of the Invention> In recent years, in a wide range of fields such as the development and manufacture of semiconductor devices, the ceramics and glass industry, and the development of new materials including metals and plastics, the necessity of high-accuracy composition analysis has been further increased. The analysis of secondary ions of positive and negative charges, and electrically neutral atoms and molecules (sputter atoms) has become popular. Focusing on the fact that the sum of secondary ions and sputtered atoms is proportional to the solid component concentration and impurity concentration, the secondary ion and sputtered atom simultaneous analysis technology according to the present invention is particularly important for improving the accuracy of quantitative analysis. It is considered to have a meaning. In addition, the use of uncharged beams for the impact of solids to avoid analytical troubles caused by charging is currently important in the analysis of metals, semiconductors, and electronic devices composed of a mixture of insulators. It is expected to have a great effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２図は実施例
の動作状態を示すタイムチャート、第３図は従来の二次
イオン質量分析計を示す構成図、第４図は従来の負電荷
二次イオン質量分析計を示す構成図、第５図は従来の二
次中性粒子質量分析計を示す構成図である。 図面中、 １はアルゴンイオンビームを放出するイオン源、２は一
次イオンビーム、３は分析試料、４は試料台、５は二次
イオン、６はマスアナライザー、７は二次電子増倍管、
８は直流高電圧電源、９は高抵抗、10は正の直流電流、
11は正電荷のイオン、21は負電荷二次イオン、22は負電
荷イオン用マスアナライザー、23は負の直流高電圧電
源、24は高耐圧コンデンサー、25は負の直流電源、26は
負電荷のイオン、31はスパッタ原子、32はイオン化室、
41は高速原子線源、42は高速原子線、43は正電荷・負電
荷二次イオンとスパッタ原子の混合した二次ビーム、44
は二次イオン引きだし電極、45はパルス電源、46は二次
イオン通過制御ディフレクター、47はディフレクター駆
動用パルス電源、48はイオン化室、49はイオン化室駆動
用パルス電源、50はエネルギーアナライザー、51は四重
極型マスアナライザー、52,53,54は電磁シャッター、5
5,56,57は電磁シャッター駆動用パルス電源、58,59,60
は二次電子増倍管、61,62,63は二次電子増倍管駆動用の
直流高電圧電源、64は負電荷イオン加速用の正の直流高
電圧電源、65は直流分カット用の高耐圧コンデンサー、
66,67,68は信号出力端子、69はイオンである。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a time chart showing an operation state of the embodiment, FIG. 3 is a block diagram showing a conventional secondary ion mass spectrometer, and FIG. And FIG. 5 is a block diagram showing a conventional secondary neutral particle mass spectrometer. In the drawing, 1 is an ion source for emitting an argon ion beam, 2 is a primary ion beam, 3 is an analysis sample, 4 is a sample stage, 5 is a secondary ion, 6 is a mass analyzer, 7 is a secondary electron multiplier,
8 is a DC high voltage power supply, 9 is a high resistance, 10 is a positive DC current,
11 is a positively charged ion, 21 is a negatively charged secondary ion, 22 is a mass analyzer for negatively charged ions, 23 is a negative DC high voltage power supply, 24 is a high withstand voltage capacitor, 25 is a negative DC power supply, and 26 is a negative charge , 31 is a sputtered atom, 32 is an ionization chamber,
41 is a fast atom beam source, 42 is a fast atom beam, 43 is a secondary beam in which positive and negative charge secondary ions and sputtered atoms are mixed, 44
Is a secondary ion extraction electrode, 45 is a pulse power supply, 46 is a secondary ion passage control deflector, 47 is a deflector drive pulse power supply, 48 is an ionization chamber, 49 is an ionization chamber drive pulse power supply, 50 is an energy analyzer, and 51 is an energy analyzer. Quadrupole mass analyzer, 52, 53, 54 are electromagnetic shutters, 5
5,56,57 are pulse power supplies for electromagnetic shutter drive, 58,59,60
Is a secondary electron multiplier, 61, 62, 63 are DC high voltage power supplies for driving the secondary electron multiplier, 64 is a positive DC high voltage power supply for negatively charged ion acceleration, and 65 is a DC High voltage capacitor,
66, 67 and 68 are signal output terminals, and 69 is an ion.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】分析すべき試料を載せる試料台と、 試料台上の試料を衝撃する高速原子線を放射する線源
と、 試料から放出した二次イオンを引きだすための二次イオ
ン引きだし電極と、 二次イオン引きだし電極の後段にあって、二次イオンの
通過の許否を制御するディフレクターと、 ディフレクターの後段にあって、試料から放出したスパ
ッタ原子をイオン化するイオン化室と、 イオン化室の後段に設置されたエネルギーアナライザー
と、 エネルギーアナライザーの後段にあって、二次イオンお
よびイオン化したスパッタ原子の質量を弁別する１本の
四重極型マスアナライザーと、 四重極型マスアナライザーを通過した正電荷二次イオ
ン，負電荷二次イオンおよびイオン化したスパッタ原子
を各々別々に検出する３本の二次電子増倍管と、 四重極型マスアナライザーと各二次電子増倍管との間に
あって、正電荷二次イオン，負電荷二次イオンおよびイ
オン化したスパッタ原子が二次電子増倍管へ入射するこ
との許否を電気的に制御する第1,第2,第３のシャッター
と、 経時的に連続して順次循環する第1,第2,第３のモードの
中で、第１のモードでは第１のシャッタを負電位にする
とともに第2,第３のシャッタを接地電位とし、第２のモ
ードでは第２のシャッタを正電位にするとともに第1,第
３のシャッタを接地電位とし、第３のモードでは第３の
シャッタを負電位にするとともに第1,第２のシャッタを
接地電位とするように各シャッタにパルス電圧を印加す
る電子回路と、 前記第1,第2,第３のモードの中で、二次イオン引きだし
電極を、第１のモードでは接地電位とし、第２のモード
では正電位とし、第３のモードでは負電位とするよう二
次イオン引きだし電極に対し電圧を印加する電子回路
と、 前記第1,第2,第３のモードの中で、ディフレクターを、
第１のモードでは二次イオンの通過を拒否させ、第2,第
３のモードでは二次イオンの通過を許容させるよう動作
させる電子回路と、 前記第1,第2,第３のモードの中で、イオン化室を、第１
のモードではイオン化動作させ、第2,第３のモードでは
イオン化動作を停止させる電子回路と、を有することを
特徴とする表面分析装置。1. A sample stage on which a sample to be analyzed is mounted, a source for emitting a high-speed atomic beam that bombards the sample on the sample stage, and a secondary ion extraction electrode for extracting secondary ions emitted from the sample. A deflector located after the secondary ion extraction electrode to control the passage of secondary ions, an ionization chamber located after the deflector to ionize sputtered atoms emitted from the sample, and a deflector located after the ionization chamber An installed energy analyzer, a quadrupole mass analyzer at the subsequent stage of the energy analyzer that discriminates the mass of secondary ions and ionized sputtered atoms, and a positive charge that has passed through the quadrupole mass analyzer Three secondary electron multipliers for separately detecting secondary ions, negatively charged secondary ions and ionized sputter atoms, It is located between the quadrupole mass analyzer and each secondary electron multiplier to determine whether positively charged secondary ions, negatively charged secondary ions and ionized sputtered atoms can enter the secondary electron multiplier. Out of the first, second, and third shutters, which are controlled in a controlled manner, and the first, second, and third modes that circulate sequentially and sequentially over time, in the first mode, the first shutter is operated in a negative manner. Potential, and the second and third shutters are set to the ground potential. In the second mode, the second shutter is set to the positive potential and the first and third shutters are set to the ground potential. In the third mode, the third shutter is set to the ground potential. An electronic circuit for applying a pulse voltage to each shutter so that one of the shutters has a negative potential and the first and second shutters have a ground potential; The second ion extraction electrode is set to the ground potential in the first mode, and is set to the ground potential in the second mode. A positive potential, and the electronic circuit in the third mode for applying a voltage to the secondary ion extraction electrode to a negative potential, said first, second, in the third mode, the deflector,
An electronic circuit operable to reject secondary ions in the first mode and to allow secondary ions in the second and third modes; and Then, the ionization chamber
An electronic circuit for performing an ionization operation in the second mode and stopping the ionization operation in the second and third modes. 【請求項２】分析すべき試料を載せる試料台と、 試料台上の試料を衝撃する高速原子線を放射する線源
と、 二次イオン引きだし電極の後段にあって、二次イオンの
通過の許否を制御するディフレクターと、 ディフレクターの後段にあって、試料から放出したスパ
ッタ原子をイオン化するイオン化室と、 イオン化室の後段に設置されたエネルギーアナライザー
と、 エネルギーアナライザーの後段にあって、二次イオンお
よびイオン化したスパッタ原子の質量を弁別する１本の
四重極型マスアナライザーと、 四重極型マスアナライザーを通過した正電荷二次イオ
ン，負電荷二次イオンおよびイオン化したスパッタ原子
を各々別々に検出する３本の二次電子増倍管と、 四重極型マスアナライザーと各二次電子増倍管との間に
あって、正電荷二次イオン，負電荷二次イオンおよびイ
オン化したスパッタ原子が二次電子増倍管へ入射するこ
との許否を電気的に制御する第1,第2,第３のシャッター
と、 経時的に連続して順次循環する第1,第2,第３のモードの
中で、第１のモードでは第１のシャッタを負電位にする
とともに第2,第３のシャッタを接地電位とし、第２のモ
ードでは第２のシャッタを正電位にするとともに第1,第
３のシャッタを接地電位とし、第３のモードでは第３の
シャッタを負電位にするとともに第1,第２のシャッタを
接地電位とするように各シャッタにパルス電圧を印加す
る電子回路と、 前記第1,第2,第３のモードの中で、ディフレクターを、
第１のモードでは二次イオンの通過を拒否させ、第2,第
３のモードでは二次イオンの通過を許容させるよう動作
させる電子回路と、 前記第1,第2,第３のモードの中で、イオン化室を、第１
のモードではイオン化動作させ、第2,第３のモードでは
イオン化動作を停止させる電子回路と、を有することを
特徴とする表面分析装置。2. A sample stage on which a sample to be analyzed is placed, a source for emitting a high-speed atomic beam that bombards the sample on the sample stage, and a secondary ion extraction electrode at a stage subsequent to the secondary ion extraction electrode. A deflector for controlling the permission, an ionization chamber that is located downstream of the deflector and ionizes sputtered atoms emitted from the sample, an energy analyzer that is installed downstream of the ionization chamber, and a secondary ion that is located downstream of the energy analyzer. And a quadrupole mass analyzer that discriminates the mass of ionized sputter atoms, and separately separates positively charged secondary ions, negatively charged secondary ions, and ionized sputtered atoms that have passed through the quadrupole mass analyzer. Three secondary electron multipliers to be detected, between the quadrupole mass analyzer and each secondary electron multiplier, First, second, and third shutters for electrically controlling whether ions, negatively charged secondary ions, and ionized sputtered atoms can enter the secondary electron multiplier; Among the circulating first, second, and third modes, in the first mode, the first shutter is set to the negative potential, and the second and third shutters are set to the ground potential. In the second mode, the second shutter is set to the second potential. Each shutter is set to a positive potential and the first and third shutters are set to the ground potential. In the third mode, the third shutter is set to the negative potential and the first and second shutters are set to the ground potential. An electronic circuit for applying a pulse voltage to the shutter; and a deflector in the first, second, and third modes,
An electronic circuit operable to reject secondary ions in the first mode and to allow secondary ions in the second and third modes; and Then, the ionization chamber
An electronic circuit for performing an ionization operation in the second mode and stopping the ionization operation in the second and third modes.