JP7179661B2 - ガスクラスターイオンビーム装置、分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面分析に用いるガスクラスターイオンビーム装置に係り、特にガスクラスターイオンビーム装置のクラスターサイズの制御とビーム電流の安定を実現する技術に関する。

従来よりガスクラスターイオンビーム（GCIB）銃は基板表面の清浄化、平滑化、ドーピング、エッチングなどの表面処理に用いられている。特に、表面分析装置の分野では、低損傷のスパッタリング銃として広く用いられている。

ガスクラスターは数十から数千個の気体分子の凝集体である。ガスクラスターはノズルから噴出された気体が断熱膨張により凝集されることで生成される。それを電子衝撃等でイオン化してできたものがガスクラスターイオンである。

ガスクラスターイオンは電場により加速・収束されて試料に照射されるが、気体分子一個当たりのエネルギーは加速電圧をガスクラスター構成分子数で割ったエネルギーとなる。このため、表面処理で用いられるその他のイオン、すなわちAr単原子イオンやGa原子イオン等、と比較して試料表面の損傷が極めて小さくなる。

ＧＣＩＢ銃を表面分析装置の分野で用いられるスパッタリングイオン銃として適応するためには、ビーム電流およびクラスターサイズの制御が必要である。

表面分析装置ではスパッタリングイオン銃を用いて深さ方向分析を行う。深さ方向分析とは、スパッタリングイオン銃により試料表面を削ることと表面の状態分析を繰り返し行うことで、各深さでの状態の情報を取得する手法であり、試料がスパッタリングイオン銃によって削られる速度を一定にすることで状態の深さ方向分布を見積もる手法である。

ＧＣＩＢ銃では、スパッタリングで試料を削る速度が主にビーム電流とクラスターサイズに依存する。

このため、表面分析装置用ＧＣＩＢ銃では、ビーム電流とクラスターサイズの制御が重要となる。さらに、ＧＣＩＢ銃はこれまで主に有機試料を低損傷で分析することに用いられてきたが、近年クラスターサイズを小さく制御することで無機試料を低損傷で分析することが求められている。

実際にクラスターサイズの制御は実現されており、いくつか市販もされている。それらは導入ガスの圧力制御またはマスフィルターといった機能によりクラスターサイズを制御している。

しかしながら、導入ガスとイオン化室の温度を効果的に制御してクラスターサイズとビーム電流を制御したＧＣＩＢ銃はない。

特開平４－３５４８６５号公報 特開２００８－１１６３６３号公報 特開２００６－１５６０６５号公報

Boldarev, A. S., et al., Rev. Sci. Instr. 77, 083112 (2006) Material Science and Engineering R 34 (2001) 231-295.

本発明は、各種の表面分析において、有機無機材料やその複合体からなる様々な種類の試料に対して、損傷を抑制しながら試料の深さ方向の分析を実現することを課題とする。

ガスクラスターイオンビーム(ＧＣＩＢ)のクラスターサイズの制御の原理を説明する。

(１)ガスクラスターサイズ
ガスクラスターサイズNは下記の（式１）によって表される。

Ｎ ＝ ３３（Γ^*／１０００）^2.35 …… (式１)
但し、Γ^* ＝ ｋ_h（０．７４ｄ／ｔａｎα）^0.85Ｐ₀Ｔ₀ ^-2.29
ｋ_hはビームを生成すべきソースガスのガス種に依存した定数（例えばＡｒでｋ_h ＝１６５０， Ｋｒでｋ_h ＝２８９０）、ｄはノズルの直径、αはノズル開き角の半角、Ｐ₀はソースガスの圧力、Ｔ₀はソースガスの温度である(Boldarev, A. S., et al., Rev. Sci. Instr. 77, 083112 (2006) 式(１)，(２))。圧力Ｐ₀はソースガスがノズルの噴出口を通過する際の圧力である。

ノズル径が変形せず、ガスクラスターが単一種で構成されているか又はその構成比が一定である場合は、上記(式１)から、導入ガスの圧力Ｐ₀の値と導入ガスの温度Ｔ₀の値とを制御することでガスクラスターサイズＮを制御できることが分かる。

(２)ＧＣＩＢのビーム電流
ガスクラスターイオンビームの電流値は中性のガスクラスターの生成量とガスクラスターのイオン化効率により制御する。

中性のガスクラスターイオンビームの強度Iは（式２）によって表される。

Ｉ ∝ Ｐ₀ｄ（Ｔ_b／Ｔ₀）^(γ/(γ-1)) ……（式２）
Ｔｂはソースガスの沸点、γはソースガスの比熱である(アルゴンガスでＴｂは８７．３０Ｋ、γは４．９８７[cal/mol・℃])。(Material Science and Engineering R 34 (2001) 231-295. （式2.6）)
上記(式２)から、ノズル径ｄがソースガスの圧力Ｐ₀と温度Ｔ₀とにより変形せずに、また、ソースガスに単一種または構成比一定のガス種を使用する場合にはソースガスの圧力Ｐ₀と温度Ｔ₀とを制御すればガスクラスターの生成量を制御することができることが分かる。

Ar原子をイオン化する場合のように、電子衝撃によってソースガスをイオン化する場合のイオン化効率は、熱電子を生成するイオン化用フィラメントに流すエミッション電流と電子を加速するためのイオン化電圧によって制御することができる。

ガスクラスターを電子衝撃によってイオン化する場合のイオン化効率は、エミッション電流とイオン化電圧に加えて、クラスターサイズＮを制御することにより制御することができる。

これはガスクラスターのイオン化効率がガスクラスターの断面積つまりガスクラスターサイズＮの2/3乗に比例するためである。ここで、ガスクラスターサイズＮは(式１)で表されており、制御可能であるから、ガスクラスターのイオン化効率も制御可能である(Material Science and Engineering R 34 (2001) 231-295. （Fig.9）)

(３) 温度制御方法
ガスクラスターの生成過程で断熱膨張する際のソースガスの温度Ｔ₀を制御するためにはノズルからソースガスを噴出させる直前のソースガスの温度を制御することが効果的である。
つまり、ガス導入路のうち、ソースガスがノズルに到達する直前に通過する部分の温度を制御することで断熱膨張する際のソースガスの温度制御が可能となり、また装置の小型化も可能となる。

ソースガスを温度制御するためには、加熱だけではなく冷却も重要である。これはヒーターによって加熱したノズルは真空中では冷えにくく、ノズルの温度を下げることが困難なためであり、ノズルやノズルが配置されたノズル支持体を冷却することで、ノズルから噴出される際のソースガスを冷却することができ、クラスターイオンの安定したイオン化を効果的に実現することができる。

イオン化室の温度を低温に保つと、イオン化用フィラメントの汚染や損傷が低減されるので、イオン化用フィラメントの長寿命化にも寄与する。また熱影響による立上げ直後のガスクラスターイオンビームの強度の変動も抑制することが可能となる。

上記課題を解決するため、本発明は、ノズル支持体によって支持されたノズルの噴出孔からソースガスが噴出されて形成されたガスクラスターが内部を飛行するイオン化室と、前記イオン化室内を飛行する前記ガスクラスターに熱電子を照射し、ガスクラスターイオンを生成するイオン化用フィラメントと、を有し、前記ガスクラスターイオンから成るガスクラスターイオンビームが前記イオン化室の外部に射出されるガスクラスターイオンビーム装置であって、冷却体と、前記冷却体を所定温度に冷却する冷却装置と、前記ノズルに前記ソースガスを供給するガス配管と、前記ソースガスを加熱するガス加熱装置と、前記ガスクラスターイオンビームが照射される試料が配置される試料室と、前記試料の表面の物理量を測定する測定装置とを有し、前記ノズル支持体と前記イオン化室とは互いに非接触にされると共に前記冷却体に接触され、前記ノズルから噴出される前記ソースガスの温度が制御される分析装置である。
本発明は、前記ノズルに供給される前記ソースガスの圧力を制御する圧力制御装置が設けられた分析装置である。
本発明は、内部に前記ノズル支持体が配置され真空排気される噴出槽と、内部に前記イオン化室が配置され真空排気されるイオン化槽と、を有し、前記噴出槽と前記イオン化槽とは互いに非接触にされると共に前記冷却体に接触された分析装置である。
本発明は、前記冷却体には前記冷却装置で冷却された冷却水が循環されて前記冷却体が冷却される分析装置である。
本発明は、ノズル支持体によって支持されるノズルの噴出孔からソースガスが噴出されて形成されたガスクラスターが内部を飛行するイオン化室と、前記イオン化室内を飛行する前記ガスクラスターに熱電子を照射し、ガスクラスターイオンを生成するイオン化用フィラメントと、を有し、前記ガスクラスターイオンから成るガスクラスターイオンビームが前記イオン化室の外部に射出されるガスクラスターイオンビーム装置であって、冷却体と、前記冷却体を所定温度に冷却する冷却装置と、前記ノズルに前記ソースガスを供給するガス配管と、前記ソースガスを加熱するガス加熱装置と、を有し、前記ノズル支持体と前記イオン化室とは互いに非接触にされると共に前記冷却体に接触され、前記ノズルから噴出される前記ソースガスの温度が制御されるガスクラスターイオンビーム装置である。
本発明は、前記ノズルに供給される前記ソースガスの圧力を制御する圧力制御装置が設けられたガスクラスターイオンビーム装置である。
本発明は、内部に前記ノズル支持体が配置され真空排気される噴出槽と、内部に前記イオン化室が配置され真空排気されるイオン化槽と、を有し、前記噴出槽と前記イオン化槽とは互いに非接触にされると共に前記冷却体に接触されたガスクラスターイオンビーム装置である。
本発明は、前記冷却体には前記冷却装置で冷却された冷却水が循環されて前記冷却体が冷却されるガスクラスターイオンビーム装置である。

ノズルに供給されるソースガスの温度とノズルから噴出されるソースガスの温度とは等しいから、ガス配管の噴出槽内に位置する部分のうち、ノズルに近い近接部分を加熱することにより、ノズルに供給されるソースガスが加熱され、ノズルから噴出されるソースガスが加熱されることになる。

従って、近接部分の温度を測定して近接部分の温度が一定温度を維持するように制御することで、ノズルに供給されるソースガスの温度が制御され、その結果、ノズルから噴出されるソースガスの温度が制御され、ガスクラスターイオンのサイズが一定値に維持される。

更に、ソースガスが噴出孔から噴出される際の圧力が一定圧力を維持するように制御されると、更にガスクラスターサイズが一定値に維持される。

ガスクラスターイオンのサイズとガスクラスターイオンビームの電流値とを一定値に維持することができるので、試料のスパッタリング速度が安定し、高精度の深さ方向分析を行うことができる。

本発明の一例のガスクラスターイオンビーム装置 ガスクラスターイオンビーム装置を有するスパッタリング装置の一例 ガスクラスターイオンビーム装置を有する分析装置の一例 ガスクラスターイオンビーム装置を有する分析装置の他の例 (ａ)、(ｂ)：ビーム電流値と時間の関係を示すグラフ (ｃ)、(ｄ)：噴出槽及びイオン化用フィラメントを取り付けるフランジの温度と時間の関係を示すグラフ (ａ)：ガスクラスターイオンサイズと圧力の関係を示すグラフ (ｂ)：ビーム電流値と圧力の関係を示すグラフ ガスクラスターイオンビームの電流値とガスクラスターイオンサイズとの関係を示すグラフ

図１の符号２は本発明の一例のガスクラスターイオンビーム装置であり、噴出部３とイオン化部４と冷却体１８とを有している。噴出部３は内部に真空雰囲気が形成される噴出槽５を有しており、イオン化部４は、内部に真空雰囲気が形成されるイオン化槽６を有している。噴出槽５の内部にはノズル支持体１３が配置されており、イオン化槽６の内部にはイオン化室１４が配置されている。

冷却体１８は環状形の平板形形状であり、冷却体１８の中央には貫通孔である通過孔２８が設けられている。

冷却体１８の四面のうち、外周側面と内周側面とは曲面であり、他の二面は平面であり、噴出槽５とイオン化槽６とノズル支持体１３とイオン化室１４とは、それぞれ筒形形状である。噴出槽５の開口の縁とノズル支持体１３の開口の縁とは、冷却体１８の表面のうちの同じ一平面にそれぞれ接続されている。符号４７は、その一平面を示している。

他方、イオン化槽６の開口の縁とイオン化室１４の開口の縁とは、冷却体１８の表面のうちの反対側の一平面４８にそれぞれ接続されて、イオン化室１４はセラミック製支持体４０によって冷却体１８に固定されている。

ここでは、ノズル支持体１３は冷却体１８に固定されており、また、不図示の部材によって噴出槽５に固定されている。ノズル支持体１３の重量は噴出槽５と冷却体１８とによって支持されている。

噴出槽５とイオン化槽６との外部にはソースガスが充填されたガス源３２が配置されている。ここではソースガスにはアルゴンガスが用いられているが、他の希ガスや窒素ガス、酸素ガス等のガスを用いることができる。

噴出槽５とノズル支持体１３とは有底であり、噴出槽５の底面にはガス源３２に接続されたガス配管３１が気密に挿通され、ノズル支持体１３の底面には、ノズル支持体１３の内部に配置されたノズル１７が固定されており、ガス配管３１の先端はノズル支持体１３の底面においてノズル１７に接続されている。

ガスクラスターイオンビーム装置２は制御装置８を有しており、ガス源３２は制御装置８によって動作が制御され、圧力制御されたソースガスがノズル１７に供給されるようになっている。

ノズル１７にはガス配管３１の内部とノズル支持体１３の内部とを接続する噴出孔２６が設けられている。

噴出槽５又はイオン化槽６の少なくとも一方には真空排気装置４９が接続されている。真空排気装置４９は制御装置８によって制御されており、真空排気装置４９が制御装置８によって制御されて動作すると、噴出槽５とイオン化槽６とノズル支持体１３とイオン化室１４との内部は真空排気され、真空雰囲気が形成され、制御装置８によってガス源３２が動作され、ソースガスがガス配管３１を通過してノズル１７に供給されると噴出孔２６からノズル支持体１３の内部に形成された真空雰囲気中にソースガスが噴出される。

ノズル１７から噴出されたソースガスの分子又は原子は断熱膨張によって速度が同一の値となり、ソースガスの分子又は原子から成るソースガス粒子は並進して高密度になり、ファンデルワールス力によりソースガス粒子が凝集して中性のガスクラスターが生成される。

冷却体１８の二個の平面４７，４８のうち、噴出槽５の開口とノズル支持体１３との開口とが接続された一平面４７には、貫通孔２７を有するスキマー３４が取り付けられている。

貫通孔２７は、ノズル支持体１３の内部に位置しており、ノズル１７の噴出孔２６は貫通孔２７に向けられている。

噴出孔２６と貫通孔２７と通過孔２８とは、中心軸線が一致するように一直線に並んで配置されており、形成された中性のガスクラスターの流れは、周辺部分がスキマー３４によって除去され、中心部分がビーム状に成形されて貫通孔２７と通過孔２８とを通過する。

イオン化室１４の壁のうち、冷却体１８側には入口孔２９が形成され、その反対側には出口孔３０が形成されており、入口孔２９は通過孔２８と対面して配置されており、ガスクラスタービームの進行方向には入口孔２９が位置している。

イオン化室１４のうち入口孔２９が形成された壁と出口孔３０が形成された壁との間には、イオン化用フィラメント２３が配置されている。

イオン化槽６の外部には加熱電源２５ａが配置されており、イオン化槽６には、熱電子用導入端子３９ａが設けられている。イオン化用フィラメント２３は熱電子用導入端子３９ａを介して加熱電源２５ａに電気的に接続されており、制御装置８によって加熱電源２５ａが動作を開始すると加熱電源２５ａからイオン化用フィラメント２３に電流が供給されてイオン化用フィラメント２３を流れ、イオン化用フィラメント２３が加熱される。

噴出槽５と、イオン化槽６と、ノズル支持体１３とは接地電位に接続されており、イオン化室１４はセラミック製支持体４０により接地電位と絶縁されている。イオン化室１４は、加速電圧（正電圧）が印加されており、イオン化用フィラメント２３には加速電圧を基準としたイオン化電圧（負電圧）が印加されており、イオン化用フィラメント２３が所定温度に昇温されるとイオン化用フィラメント２３からイオン化室１４の内部に熱電子が放出される。

スキマー３４によってビーム状に成形されたガスクラスターは入口孔２９からイオン化室１４の内部に入射し、イオン化室１４の内部を走行する間に放出された熱電子が照射され、ガスクラスターが電子と衝突するとイオン化してガスクラスターのイオンが生成される。

イオン化室１４の出口孔３０が位置する部分の外側には、引出電極３５が配置されている。

形成されたガスクラスターのイオンは引出電極３５に印加された加速電圧を基準として引出電圧（負電圧）によって吸引され、出口孔３０からガスクラスターイオンビームとしてイオン化室１４の外部に引き出され、さらに加速電圧によって加速される。

加速されたガスクラスターイオンビームの走行先にはウィーンフィルタ３６とベンド電極３７とがこの順序で配置されている。

ウィーンフィルタ３６に印加される電圧とベンド電極３７に印加される電圧とは制御装置８によって制御されており、ガスクラスターイオンビーム中のガスクラスターイオンは、ウィーンフィルタ３６に印加される電圧によってArモノマーイオン（原子イオン）が除去され、ベンド電極３７に印加される電圧によってイオンの方向が曲げられて中性のガス粒子が除去され、単一種類のイオンから成るガスクラスターイオンビームが絞り穴３８を通過する。

絞り穴３８を通過したガスクラスターイオンビームはガスクラスターイオンビーム装置２から射出され、試料に照射されると、試料表面がスパッタリングされる。

図２の符号１２ａは上記ガスクラスターイオンビーム装置２を有するスパッタリング装置の例であり、図３の符号１２ｂと図４の符号１２ｃとは、上記ガスクラスターイオンビーム装置２を有する分析装置の例である。図２と後述する図３、４では制御装置８と制御装置８が制御する装置との電気的接続は省略する。

図２のスパッタリング装置１２ａと図３、４の分析装置１２ｂ、１２ｃとでは、絞り穴３８よりもガスクラスターイオンビームの下流側に収束偏向槽５３が配置されている。

収束偏向槽５３の内部には集束レンズ５１と偏向電極５４とが配置されている。集束レンズ５１に印加される電圧・電流と偏向電極５４に印加される電圧・電流とは制御装置８によって制御されている。

収束偏向槽５３は絞り穴３８を通過したガスクラスターイオンビームが入射する位置に配置されており、ガスクラスターイオンビーム装置２から射出されたガスクラスターイオンビームは収束偏向槽５３の内部に入射し、集束レンズ５１によって収束され、偏向電極５４により飛行方向が調整されて試料５５、６５、７５へと照射される。ここでは試料５５、６５、７５上での照射領域の大きさと形状は偏向電極５４により制御することができる。

曲げられたガスクラスターイオンビームの進行方向には、試料室５２、６２、７２が配置されている。試料室５２、６２、７２は真空排気装置５８、６８、７８によって真空排気され、真空雰囲気が形成されている。

試料室５２、６２、７２の内部には試料５５、６５、７５が配置されており、試料室５２、６２、７２の内部に入射したガスクラスターイオンビームは試料５５、６５、７５の表面に照射され、試料５５、６５、７５の表面がスパッタリングされ、真空雰囲気内で新しい表面を露出させる。

従って、試料室５２、６２、７２に試料５５、６５、７５の表面を分析する分析装置を設けておくと、試料５５、６５、７５の深さ方向の分析を行うことができる。

ところで、イオン化用フィラメント２３が発熱するとイオン化用フィラメント２３が配置されたイオン化室１４は高温に昇温する。イオン化室１４が昇温するとイオン化室１４の熱放射によってイオン化槽６の温度も昇温する。従って、イオン化室１４とノズル支持体１３の間や、イオン化槽６と噴出槽５との間に熱伝導があった場合はノズル支持体１３や噴出槽５が昇温してしまう。

噴出槽５とイオン化槽６とノズル支持体１３とセラミック製支持体４０とは冷却体１８に接触されており、イオン化室１４の重量はセラミック製支持体４０を介して冷却体１８によって支持されている。

イオン化室１４は噴出槽５とノズル支持体１３とは非接触にされ、また、イオン化槽６も噴出槽５とノズル支持体１３とは非接触にされている。要するに、ノズル支持体１３は、イオン化室１４とイオン化槽６とから分離されており、イオン化室１４とイオン化槽６とから熱伝導による熱は伝達されないようになっている。

冷却体１８は冷却装置１９に接続され、冷却装置１９から冷却水が供給されている。冷却体１８の内部には空洞から成る液体通路が設けられており、冷却体１８に供給された冷却水は液体通路を流れて熱交換して昇温した後、冷却装置１９に戻って冷却されて冷却体１８に供給される。

冷却体１８には冷却用温度センサ４５が設けられており、冷却体１８の温度は冷却用温度センサ４５によって測定され、制御装置８は、冷却体１８の温度が予め設定された設定温度を維持するように、冷却装置１９によって冷却する冷却水の温度を制御する。

但し、冷却水の温度は制御装置８により冷却装置１９に設けられたセンサによって測定し、制御装置８は冷却水の温度が予め記憶された温度になるように冷却装置１９を動作させることで、冷却体１８を設定温度にしてもよい。

その結果、冷却体１８は室温よりも冷却され、イオン化室１４とイオン化槽６とが高温に昇温しても、イオン化槽６やイオン化室１４への熱伝導は無く、ノズル支持体１３に熱が伝導されないようになっている。

ガス源３２には圧力制御装置１０が設けられている。制御装置８にはソースガスの圧力値が設定されており、圧力制御装置１０は、ガス源３２からノズル１７に供給されるソースガスの圧力値を、制御装置８に設定された圧力値になるように制御する。

ガス配管３１には、ガス配管３１を加熱するガス加熱装置１５が設けられている。ここでは、ガス加熱装置１５はガス配管３１に接触された金属ブロック２１と、金属ブロック２１を加熱する抵抗加熱ヒータ２２とを有している。噴出槽５の外部には加熱用電源２５ｂが配置されており、抵抗加熱ヒータ２２は電流導入端子３９ｂを介して加熱用電源２５ｂに電気的に接続されている。

加熱用電源２５ｂが出力する電力は制御装置８によって制御されており、抵抗加熱ヒータ２２が通電されて発熱すると、ガス配管３１は加熱される。

ガス配管３１のノズル１７に接続された部分の近傍を近接部分２０とすると、近接部分２０の温度は、噴出孔２６を取り囲むノズル１７の部分の温度と同じ温度になっており、近接部分２０の温度を制御することで、ノズル１７の噴出孔２６を制御するようになっている。

ここでは、近接部分２０は金属ブロック２１の内部に配置されており、近接部分２０の外周は金属ブロック２１に接触されている。

抵抗加熱ヒータ２２は金属ブロック２１の内部に配置されており、抵抗加熱ヒータ２２が発熱すると、金属ブロック２１が加熱され、昇温した金属ブロック２１によって近接部分２０が加熱される。

近接部分２０には制御装置８に接続された温度センサ４４が設けられており、制御装置８は温度センサ４４によって近接部分２０の温度を測定し、測定された温度が記憶された所定の温度に一致するように加熱用電源２５ｂを制御して抵抗加熱ヒータ２２を発熱させる。

ここで、噴出槽５とノズル支持体１３とは、室温(ここでは２７℃とする)よりも低温に冷却された冷却体１８に接触して冷却されているので、冷却体１８が冷却されているときに加熱用電源２５ｂを停止させると近接部分２０や噴出孔２６の周囲は室温よりも低温に冷却される。

冷却体１８が０℃以下に冷却されているときに加熱用電源２５ｂによって抵抗加熱ヒータ２２に通電されて抵抗加熱ヒータ２２を発熱させると、近接部分２０の温度を０℃以上３００℃以下の温度に維持することができる。

ガスクラスターのサイズを表面分析に適切な大きさにするためには、ノズルから噴出されるソースガスの温度を１０℃以上１００℃以下の一定温度に制御することが望ましい。

制御装置８には室温が所定温度として記憶されており、制御装置８によって抵抗加熱ヒータ２２が電流制御されながら通電され、近接部分２０を室温に近い温度にすることができる。

また、ノズル１７に供給されるソースガスの圧力は、圧力制御装置１０によって所定圧力を維持するように制御されており、イオン化室１４やイオン化槽６の温度が変化しても、ノズル１７から噴出されるソースガスの温度は変化せず、また、ガス源３２に充填されたソースガスの圧力が変化してもノズル１７から噴出されるソースガスの圧力は変化しないようになっている。

そのため、ガスクラスターイオンビーム強度(ガスクラスターイオンビームの電流値)やガスクラスターイオンのサイズは一定値が維持されるので、ガスクラスターイオンビームが照射される試料５５、６５、７５のスパッタリングレートも一定値に維持される。

圧力制御装置１０は、供給するソースガスの圧力を２００ｋＰａ以上２ＭＰａ以下の範囲に制御することが可能であり、ガスクラスターのサイズを安定して適切な大きさにするためには３００ｋＰａ以上１０００ｋＰａ以下の範囲で一定値に制御することが望ましい。ソースガスの流量は、ここでは５～３００ｃｃｍに設定されている。

圧力制御装置１０によって供給するソースガスの圧力を制御することでソースガスが噴出孔２６を通過する際の圧力を制御するようになっている。

図３の符号１２ｂと図４の符号１２ｃとは、上記ガスクラスターイオンビーム装置２を有する分析装置の一例であり、試料室６２、７２には試料６５、７５の表面分析を行う測定装置６０、７０が設けられている。測定装置６０、７０は制御装置８によって制御されている。

図３の分析装置１２ｂの測定装置６０は、Ｘ線源６１と、静電半球型エネルギーアナライザーである分析器６４とを有しており、Ｘ線源６１によって真空雰囲気中に配置された試料６５の表面にＸ線が照射されると、試料６５の表面のＸ線が照射された部分から放出された光電子が分析器６４に入射する。

分析器６４が入射した光電子のエネルギー分布を測定し、測定結果を制御装置８に送信すると、制御装置８により、試料６５中の元素の同定とその化学結合状態等を表示することができる。

測定後、Ｘ線の照射を停止し、収束偏向槽５３を通過したガスクラスターイオンビームは試料室６２に入射し、試料６５に照射され、試料６５の表面がスパッタリングされ、新しい表面が露出され、Ｘ線源６１と分析器６４とによる測定を行うことができる。このように、測定装置６０による表面分析と、ガスクラスターイオンビーム装置２によって試料６５の新しい表面の露出とを繰り返すと、試料６５の深さ方向の知見が得られる。

図４の分析装置１２ｃでは、試料室７２に設けられた測定装置７０は、一次イオン銃７１と分析器７４とを有しており、一次イオン銃７１によって真空雰囲気中に配置された試料７５の表面に一次イオンが照射されると試料７５の表面の一次イオンが照射された部分から二次イオンが放射され、分析器７４に入射する。

ここでは分析器７４は飛行時間型二次イオン質量分析装置であり、分析器７４に入射した二次イオンは分析器７４によって質量分析され、測定結果が制御装置８に送信されると、制御装置８によって試料７５の表面に含まれる物質の同定や含有率が表示される。

この分析装置１２ｃの場合も、収束偏向槽５３を通過したガスクラスターイオンビームは試料室７２に入射し、試料７５に照射されると試料７５の表面がスパッタリングされ、新しい表面が露出されるので、深さ方向の知見が得られる。

なお、上記ガスクラスターイオンビーム装置を有する分析装置には、オージェ電子分光法分析装置、オージェ電子回折法分析装置、ラザフォード後方散乱法分析装置等、光電子を用いる分析装置に限定されるものではなく、試料表面にガスクラスターイオンビームを照射して試料の新しい表面を露出させて分析する分析装置が広く含まれる。

上記ノズル支持体１３は、冷却体１８によってイオン化室１４との間の熱伝導が遮断されており、イオン化室１４からの熱伝導による熱移動が無いようにされているが、イオン化室１４から放出された輻射熱が冷却体１８の通過孔２８とスキマー３４の貫通孔２７とを通過してノズル支持体１３に到達すると、ノズル支持体１３は加熱される。

ノズル支持体１３は真空断熱環境に置かれているので、時間が経過すると温度が上昇する。

図５(ａ)～(ｄ)はアルゴンガスをソースガスに用いた場合の上記ガスクラスターイオンビーム装置２のガス加熱装置１５の効果を説明するためのグラフである。

図５(ａ)、(ｂ)は、時間を横軸に記載しガスクラスターイオンビーム電流の電流値(ビーム電流)を縦軸に記載した場合の通電時間とガスクラスターイオンビームの電流値との関係を示すグラフであり、図５(ａ)はガス加熱装置１５を停止させ冷却装置１９による冷却体１８の冷却を行ったときの関係を示すグラフであり、図５(ｂ)は、冷却装置１９による冷却体１８の冷却とガス加熱装置１５によるガス配管３１の近接部分２０の加熱の両方を行ったときの関係を示すグラフである。

図５(ａ)、(ｂ)を比較すると、図５(ｂ)の方がビーム電流値の時間変化は小さいことが読み取れ、ガス加熱装置１５による温度制御の効果が分かる。

図５(ｃ)、(ｄ)は、時間を横軸に記載し、フィラメント取付フランジの温度と噴出槽との温度を縦軸に記載した場合の、時間と温度の関係を示すグラフであり、図５(ａ)、(ｂ)と同様に、図５(ｃ)はガス加熱装置１５を停止させ冷却装置１９による冷却体１８の冷却を行ったときの関係を示すグラフであり、図５(ｄ)は冷却装置１９による冷却体１８の冷却とガス加熱装置１５によるガス配管３１の近接部分２０の加熱の両方を行った場合である。

図５(ｃ)、(ｄ)の間にはフィラメント取付フランジの温度変化に相違は無いが、図５(ｄ)の方が噴出槽の温度変動は小さいことは明らかである。

図６(ａ)はソースガス圧力を横軸に記載し、ガスクラスターサイズを縦軸に記載したときの、異なる温度に於ける圧力とガスクラスターサイズの関係を示すグラフであり、温度が低いときや圧力が高いときにはガスクラスターサイズが大きくなり、温度が高いときや圧力が低いときにはガスクラスターサイズが小さくなることが示されている。

図６(ｂ)はソースガス圧力を横軸に記載し、ビーム電流値を縦軸に記載したときの、異なる温度に於けるソースガス圧力とビーム電流値の関係を示すグラフであり、温度が低いときや圧力が高いときにはビーム電流値が大きくなり、温度が高いときや圧力が低いときにはビーム電流が小さくなることが示されている。

図７は、ビーム電流値を横軸に記載し、ガスクラスターイオンのサイズを縦軸に記載した場合の、異なるイオン化電力に於けるビーム電流値とガスクラスターサイズの関係を示すグラフであり、符号ＮＯＲはイオン化電流が１５ｍＡ、イオン化電圧が１５０Ｖのときの関係を示しており、符号ＨＰはイオン化電流が４０ｍＡ、イオン化電圧が２５０Ｖのときの関係を示している。

イオン化のための投入電力（イオン化電流とイオン化電圧の積)を大きくしたときの方がガスクラスターイオンサイズは小さくなることがわかる。

Ａｒのガスクラスターイオンサイズとスパッタ速度の関係を測定した。測定結果を下記表１に示す。

表１から、ガスクラスターサイズNが４５０のスパッタ速度は、ガスクラスターサイズNが２５００のスパッタ速度の１０倍程度であることが分かる。但し、ソースガスがＡｒの場合は、Ｓｉに対するスパッタ速度の方がＳｉＯ₂に対するスパッタ速度よりも大きい(早い)。４５０の場合の１．３ｎｍ／ｍｉｎの値はＳｉに対するスパッタ速度であり、２５００の場合の０．１ｎｍ／ｍｉｎの値はＳｉＯ₂に対するスパッタ速度であることから、４５０のＳｉＯ₂に対するスパッタ速度はＳｉに対するスパッタ速度よりも小さい値になると考えられる。

また、４５０の場合のビーム電流の大きさは、２５００の場合の１／４程度であったことから、４５０のＳｉＯ₂に対するスパッタ速度は２５００のＳｉＯ₂に対するスパッタ速度の数倍程度の大きさになると予想される。

２……ガスクラスターイオンビーム装置
５……噴出槽
６……イオン化槽
１０……圧力制御装置
１２ｂ、１２ｃ……分析装置
１３……ノズル支持体
１４……イオン化室
１５……ガス加熱装置
１７……ノズル
１８……冷却体
１９……冷却装置
２３……イオン化用フィラメント
２６……噴出孔
３１……ガス配管
５５……試料
５２、６２、７２……試料室

Claims (8)

1. ノズル支持体によって支持されたノズルの噴出孔からソースガスが噴出されて形成されたガスクラスターが内部を飛行するイオン化室と、
   前記イオン化室内を飛行する前記ガスクラスターに熱電子を照射し、ガスクラスターイオンを生成するイオン化用フィラメントと、
   を有し、前記ガスクラスターイオンから成るガスクラスターイオンビームが前記イオン化室の外部に射出されるガスクラスターイオンビーム装置であって、
   冷却体と、前記冷却体を所定温度に冷却する冷却装置と、前記ノズルに前記ソースガスを供給するガス配管と、前記ソースガスを加熱するガス加熱装置と、
   前記ガスクラスターイオンビームが照射される試料が配置される試料室と、
   前記試料の表面の物理量を測定する測定装置とを有し、
   前記ノズル支持体と前記イオン化室とは互いに非接触にされると共に前記冷却体に接触され、前記ノズルから噴出される前記ソースガスの温度が制御される分析装置。
2. 前記ノズルに供給される前記ソースガスの圧力を制御する圧力制御装置が設けられた請求項１記載の分析装置。
3. 内部に前記ノズル支持体が配置され真空排気される噴出槽と、
   内部に前記イオン化室が配置され真空排気されるイオン化槽と、を有し、
   前記噴出槽と前記イオン化槽とは互いに非接触にされると共に前記冷却体に接触された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の分析装置。
4. 前記冷却体には前記冷却装置で冷却された冷却水が循環されて前記冷却体が冷却される請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の分析装置。
5. ノズル支持体によって支持されるノズルの噴出孔からソースガスが噴出されて形成されたガスクラスターが内部を飛行するイオン化室と、
   前記イオン化室内を飛行する前記ガスクラスターに熱電子を照射し、ガスクラスターイオンを生成するイオン化用フィラメントと、
   を有し、前記ガスクラスターイオンから成るガスクラスターイオンビームが前記イオン化室の外部に射出されるガスクラスターイオンビーム装置であって、
   冷却体と、前記冷却体を所定温度に冷却する冷却装置と、前記ノズルに前記ソースガスを供給するガス配管と、前記ソースガスを加熱するガス加熱装置と、
   を有し、
   前記ノズル支持体と前記イオン化室とは互いに非接触にされると共に前記冷却体に接触され、前記ノズルから噴出される前記ソースガスの温度が制御されるガスクラスターイオンビーム装置。
6. 前記ノズルに供給される前記ソースガスの圧力を制御する圧力制御装置が設けられた請求項５記載のガスクラスターイオンビーム装置。
7. 内部に前記ノズル支持体が配置され真空排気される噴出槽と、
   内部に前記イオン化室が配置され真空排気されるイオン化槽と、を有し、
   前記噴出槽と前記イオン化槽とは互いに非接触にされると共に前記冷却体に接触された請求項５又は請求項６のいずれか１項記載のガスクラスターイオンビーム装置。
8. 前記冷却体には前記冷却装置で冷却された冷却水が循環されて前記冷却体が冷却される請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載のガスクラスターイオンビーム装置。

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