表面分析装置及び表面分析方法
【課題】多価イオンを用いて、試料表面の分析を高精度で短時間に行うことができる表面分析装置を提供する。
【解決手段】表面分析装置１は、試料５を搭載する試料台６と、試料台６に搭載した試料５に価数が１５以上の多価イオンビーム４を照射する多価イオン発生源３と、試料５に多価イオンビーム４を照射することにより生じる二次イオン７を検出する質量分析部８と、試料５に多価イオンビーム４を照射することにより生じる二次電子９を検出する二次電子検出部１０と、二次電子検出部１０からの二次電子検出信号を受け分析開始信号を生成し質量分析部へ送信する質量分析制御部１２を、備えて構成される。
【解決手段】表面分析装置１は、試料５を搭載する試料台６と、試料台６に搭載した試料５に価数が１５以上の多価イオンビーム４を照射する多価イオン発生源３と、試料５に多価イオンビーム４を照射することにより生じる二次イオン７を検出する質量分析部８と、試料５に多価イオンビーム４を照射することにより生じる二次電子９を検出する二次電子検出部１０と、二次電子検出部１０からの二次電子検出信号を受け分析開始信号を生成し質量分析部へ送信する質量分析制御部１２を、備えて構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多価イオンを試料へのイオン源として用いた表面分析装置及び表面分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子から電子を取り除くと正のイオンができるが、例えばＸｅ４４＋イオンのように、電子を２個以上取り去ったものを正の多価イオンという。多価イオンは極めて大きな内部エネルギーを持っており、多価イオンが固体表面と衝突すると、多数の二次電子が放出されたり（非特許文献１参照）、多価イオンの入射点まわりにナノメートルの大きさの構造変化が誘起されたりする（非特許文献２参照）など、数多くの特異的な現象が起こる。
この多価イオンと物質の特異な相互作用は、単一イオンインプランテーションや量子ドット作製などのナノメートル領域のプロセス技術に応用できる可能性があり、注目を集めている（非特許文献３参照）。
【０００３】
このような多価イオンを生成するイオン源としては、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型イオン源（ＥＣＲＩＳ）と電子ビーム型イオン源（ＥＢＩＳ）とが知られている。後者は前者に比べて得られるイオンの電離度が高いという特徴がある。
【０００４】
ＥＢＩＳとしては、原子物理学の研究用に開発された核融合研究所の装置が知られている（例えば、非特許文献４参照）。この装置は、電子源（カソード）、ドリフトチューブ、コレクタ、ソレノイド磁石、イオン引き出し用レンズなどから構成されている。カソードから出射した電子は、磁場中に配置されたドリフトチューブを通り、コレクタに捕集される。電子は、ドリフトチューブに形成される強磁場で圧縮され大電流密度の電子ビームとなっている。一方、カソード付近から導入された気体は、イオンに対して障壁となる、ドリフトチューブ内に形成される井戸型ポテンシャルによって、電子による衝突電離が進み、多価イオンとなる。
【０００５】
さらに、１９８８年には、ＥＢＩＳを改良したＥＢＩＴ（電子ビームイオントラップ）が開発された（非特許文献５参照）。このＥＢＩＴの多価イオン発生原理はＥＢＩＳと同じであるが、超伝導ヘルムホルツ型コイルを用い、ドリフトチューブを従来よりも短くして、ドリフトチューブ内のプラズマの不安定性を回避することにより、イオンの閉じ込め時間を改善し、高価数の多価イオンを安定に保持できる。このため、ＥＢＩＴでは、ドリフトチューブでの電子ビームの絞り込みを究極まで行い、高電離イオンを生成することを可能にした。
【０００６】
また、ＥＢＩＴとして、ウラン（Ｕ）まで完全電離できるように、電子の加速電圧を最大３００ｋＶとした装置が本発明者らにより開発されている（非特許文献６参照。）。このＥＢＩＴは、原子物理学の研究のために開発されたもので、生成可能な多価イオンの内部エネルギーとしては世界最高の性能を持っている。
【０００７】
ところで、イオンを用いた分析方法としては、従来から１価のイオンをスパッタ源とする二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）が知られている。
【０００８】
さらに、スパッタ源として低速の多価イオンを用いた表面分析の試みがなされている（非特許文献６参照。）。非特許文献６では、２ｋｅＶ〜５ｋｅＶの低速で、価数が４〜１２の多価イオンをＳｉ表面に照射した場合のＨ＋イオン（プロトン）の検出が報告されている。
【０００９】
【非特許文献１】J. W. McDonald, D. Schneider, M. W. ClarkandD. DeWitt, Phys. Rev. Lett., Vol. 68, (1992), p.2297
【非特許文献２】T. Meguro et al., Appl. Phys. Lett., Vol.79, (2001), p.3866
【非特許文献３】T. Schenkel et al., Appl. Phys., Vol.94, (2003), p.7017
【非特許文献４】小林 信夫、大谷 俊介 他７ 名、名古屋大学プラズマ研究所資料・技術報告、ＩＰＰＪ−ＤＴ−８４、１９８１年
【非特許文献５】ＭＡ. Levin他７名, Physica Scr., T２２, (1988), p.157
【非特許文献６】大谷俊介、桜井誠、プラズマ・核融合学会誌、73,(1997),p.1063
【非特許文献７】山崎泰規、第５２回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集、２９ｐ−Ｃ−３（２００５年春）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の技術では、１２価以下の多価イオンを用いた軽元素の分析手法は知られていたが、検出感度が低いものであり、固体等の表面に吸着した水素原子のような軽元素を分析することは困難であった。このため、軽元素の分析には、例えば１２時間程の非常に長い時間を要していた。従って、例えば被測定試料を超高真空下に保持して測定を行った場合であっても、真空槽の残留ガスや真空容器の内壁からの脱出ガスが被測定試料へ再付着するので、正しい分析を行うことが困難であった。
【００１１】
また、従来の１価のイオンをスパッタ源とする二次イオン質量分析装置により化合物からなる試料を分析する場合、試料の表面からスパッタされた粒子、すなわち二次イオンのイオン化率が違うので、化合物の化学両論的な組成が反映された二次イオン強度を得ることは困難であった。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑み、高い多価数を有する多価イオンを用いて被測定物の表面または表面近傍に存在する原子や分子を効率良く検出することができる表面分析装置と表面分析方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の表面分析装置は、試料を搭載する試料台と、試料台に搭載された試料に価数が１５以上の多価イオンビームを照射する多価イオン発生源と、試料に多価イオンビームが照射されることにより生じる二次イオンを検出する質量分析部と、試料に多価イオンビームが照射されることにより生じる二次電子を検出する二次電子検出部と、二次電子検出部からの二次電子検出信号を受けて分析開始信号を生成し質量分析部へ送信する質量分析制御部を、備えている。
上記構成において、二次電子検出部は、好ましくは、電気的に独立した複数の二次電子検出器を有する。
二次電子検出器は、好ましくは、複数のチャンネルトロン又は複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートからなる。
多価イオン発生源は、好ましくは、一端に多価イオン発生源からの多価イオンビームが入射され他端から多価イオンビームが出射される多価イオンガイドを備えており、多価イオンガイドの他端部はキャピラリー構造である。
【００１４】
上記構成によれば、試料の表面に１５価以上の多価イオンビームを照射することで、他手法では分析が困難であった所謂質量の小さいＨ＋等の元素を、高感度でかつ短時間で測定することができる。
【００１５】
本発明の表面分析方法は、多価イオンビームを１５価以上の価数で変化させて試料へ照射し、試料表面の特定の元素から生じる二次イオンのカウント数と価数との関係を算出して、特定の元素に対する多価イオンビームの価数を決定する。
上記構成において、好ましくは、試料が２以上の構成元素からなり、各構成元素から生じる二次イオンのカウント数と価数との関係を算出して、各構成元素の組成比を与える多価イオンの価数を決定する。
【００１６】
上記構成によれば、試料の表面に検出対象となる元素に対して１５価以上の最適な多価イオンビームを照射することで、他手法では分析が困難であった所謂、質量の小さいＨ＋等の元素を、高感度でかつ短時間で測定することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、１５価以上の多価イオンビームを試料に照射することにより試料から発生する二次イオンの信号は、価数の４乗等のべき数に比例して増大するために、試料表面の分析を短時間で分析することができる。このため、表面清浄化を施した試料の分析においても残留ガス等の再付着が起こらず高精度な分析を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明による多価イオンを用いた表面分析装置１の構成を模式的に示す断面図である。
図１において、本発明の多価イオンを用いた表面分析装置１は、試料５を搭載する試料台６と、試料台６に搭載された試料５に価数が１５以上の多価イオンビーム４を照射する多価イオン発生源３と、試料５に多価イオンビーム４が照射されることで生じる二次イオン７を検出する質量分析部８と、試料５に多価イオンビーム４が照射されることで生じる二次電子９を検出する二次電子検出部１０と、二次電子検出部１０からの二次電子検出信号を受け分析開始信号を生成し質量分析部８へ送信する質量分析制御部１２を、を含んで構成されている。
ここで、真空容器２に多価イオン発生源３が接続され、この真空容器２内には試料台６と質量分析部８と二次電子検出部１０とが配設され、質量分析制御部１２は、真空容器２の外部に配設されている。真空容器２は、図示しない真空排気装置により後述する多価イオン発生源３の真空排気装置とは独立に真空排気されてもよい。
【００１９】
本実施形態では、質量分析部８はＴＯＦ（飛行時間：Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）型の質量分析部８から構成されており、レンズ１４と飛行管１５と二次イオン７を検出する二次イオン検出器１６と、を備えているが、質量分析部８は各種の方式を用いることができる。
【００２０】
質量分析制御部１２は、二次イオン検出器１６からの信号を飛行時間毎に検出する多チャンネルアナライザ２０と、多価イオンビーム４が試料５に入射した時間を検出し、分析開始信号を多チャンネルアナライザ２０に送出する分析開始信号生成手段２１と、多チャンネルアナライザ２０からの信号を処理するコンピュータ２２と、から構成されている。
【００２１】
本発明による多価イオンを用いた表面分析装置１が、従来の質量分析装置と異なる点は下記の通りである。
（１）従来の質量分析装置装置が１価のイオンを試料に照射するのに対して１５価以上の多価イオンを用いる点。
（２）多価イオンが照射された試料５から発生する二次イオン７を、質量分析部８及び質量分析制御部１２で検出する点。
【００２２】
最初に、上記（１）の点に関し、多価イオン発生源３について説明する。本発明に用いる多価イオン発生源３は、１５価以上の多価イオンを発生できればその発生方法を問わない。
図２は多価イオン発生源３の構成例を模式的に示す断面図である。多価イオン発生源３において、第１の真空容器３１及び第２の真空容器３２は、それぞれ、真空排気装置３３，３４により独立に排気されるようになっている。第１の真空容器３１内は、多価イオン発生のためには、１×１０−５Ｐａ（パスカル）以下、特に１×１０−９Ｐａ以下の極高真空とする。例えば、Ｕ９２＋の生成には１０−１０Ｐａ（１０−１２Ｔｏｒｒ）の真空が必要である。このため、第１の真空容器３１は脱ガスのために、図示しないベーキング用ヒータなどを用いたベーキング手段を備えている。このベーキング手段を用いることで、第１の真空容器３１は２５０〜３００℃程度にまでベーキングすることができる。
ここで、第１及び第２の真空容器３１，３２は、少なくともそれらの対向面が、超伝導磁石３５からの磁場をドリフトチューブ３６に印加するように、非磁性材料から形成されている。非磁性材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ−３０４，ＳＵＳ−３１６）やアルミニウムを用いることができる。
【００２３】
第２の真空容器３２には、外部と熱的に遮断するために超伝導磁石３５が収容され、この超伝導磁石３５は、例えば１０Ｋ（−２６３℃）の極低温に冷却される。また、第２の真空容器３２の真空度は、１０−４Ｐａ程度の高真空にされる。このような高真空を得るためのベーキング手段は不要である。そして、第２の真空容器３２の第１の真空容器３１側の外周部には、磁気シールド部３７が設けられている。この磁気シールド部３７は、超伝導磁石３５からの磁場が、イオン源電極４０の電子源４１及びコレクタ４２側のドリフトチューブ３６に漏れないようにするために配設するものである。この磁気シールド部３７には、軟鉄などの強磁性材料を用いればよい。
【００２４】
図３は図２に示す電子源４１の構成を模式的に示す拡大断面図である。図示するように、電子源４１は、第１の真空容器３１の左側面の超高真空用フランジ３１ａに支持部３１ｂを介して、第１の真空容器３１の水平方向の中心軸上に配設されている。第２の真空容器３２内に収容した超伝導磁石３５の空隙（ボア）の直径はＤで示している。そして、図中の矢印は、排気経路を示している。電子源４１は、左から右方向に、フィラメント（カソード）電極４１ａ、フォーカス電極４１ｂ、アノード電極４１ｃ、スノート電極４１ｄの順に配置され、それぞれが、絶縁碍子４１ｅ，４１ｅにより絶縁されている。さらに、電子源４１は、カソード近傍の磁場を０（零）とするためのバッキングコイル（Ｂｕｃｋｉｎｇ ｃｏｉｌ）４３を備え、磁気シールド部４４に収容されている。
【００２５】
ここで、図２に示すように電子源４１から発生される電子ビームを、ドリフトチューブ３６に当てることなくコレクタ４２に導く必要がある。このため、上記のカソード電極４１ａ、アノード電極４１ｃ及びスノート電極４１ｄの各電極と絶縁碍子４１ｅ，４１ｅとは、嵌め合いにより組み立てることで、相互の軸を高い精度で一致させている。
【００２６】
一例として、３００ｍＡの電流をカソード電極４１ａから引き出す際は、フィラメント電位を基準にして、アノード電極４１ｃには＋１０ｋＶ、スノート電極４１ｄには＋１５ｋＶの電位を与える。このように、各電極とバッキングコイル４３及び磁気シールド部４４には最大＋１５ｋＶの高電圧が印加されるが、各部品を小型化することで相互の絶縁を確保しながら、磁気シールド部４４の直径を１００ｍｍに抑えることができる。この場合には、外径が１６２ｍｍで内径が１０２ｍｍの超高真空用フランジ３１ａに電子源４１を収容することができ、第２の真空容器３２の電子源４１側の直径を１５２ｍｍに抑えることができる。このため、超高真空用フランジ３１ａの内径は、磁気シールド部４４及びドリフトチューブ３６の直径よりも十分大きいので、電子源４１領域からの放出ガスを効率良く排気できる。このように、電子源４１の寸法を小さくすることで、超伝導磁石３５を収容する第２の真空容器３２の環状の空隙、即ち超伝導磁石３５のボア径を小さくすることができる。
【００２７】
ドリフトチューブ３６は、幾つかに分割された円筒形電極から構成されていて、その両端が、イオンに対して障壁（井戸型ポテンシャル）を形成するような電場配置となっている。
【００２８】
イオンとなる気体は、気体イオン導入手段４６によりドリフトチューブ３６の側面からその内部に導入される。気体イオン導入手段４６は、気体源４６ａ，流量調整部４６ｂ，第１の真空容器３１内への配管部４６ｃなどから構成されている。
【００２９】
一方、固体をイオンとする場合には、ソースとして固体イオン源を用いればよい。
図４は、固体のイオン源を有する多価イオン発生源３の構成を模式的に示す断面図である。図４に示す多価イオン発生源３が、図２に示す多価イオン発生源３と異なるのは、気体イオン導入手段４６の代わりに、コレクタ４２の右側に固体イオン導入手段４８を備えていることである。このような固体イオン導入手段４８は、所望のイオンを発生させる針状の固体材料を真空アーク放電させ、１価のイオンにする真空アーク型イオン源などを用いることができる。固体イオン導入手段４８から発生したイオンは、第１の真空容器３１中でコレクタ４２を通過してドリフトチューブ３６に注入される。
【００３０】
上記した気体イオン導入手段４６又は固体イオン導入手段４８からなるイオン導入手段によりドリフトチューブ３６に注入されるイオンは、一定時間、井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、電子による衝突電離が進み多価イオンとなる。この多価イオンのうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加して障壁を越えたものが、多価イオン発生源３の外部に取り出される。この際、イオンの電離度が究極、即ち、これ以上電子を当て続けても電離が進まない状態に達したときに、電場配置を変えて多価イオンが外に飛び出すようにして多価イオンビーム４を生成させる。
【００３１】
コレクタ４２は、ドリフトチューブ３６を通過する電子を捕集するための電極であり、例えば、サプレッサ電極、コレクタ電極、エクストラクター電極などの電極から構成されている。カソード及びコレクタ４２には、アースに対して最大−数十ｋＶから−３００ｋＶ程度の電圧が印加されている。この加速電圧は、所望の多価イオンが得られるための電圧であればよい。電子は、ドリフトチューブ３６の入射直前に最大加速電圧が印加され、ドリフトチューブ３６を通過した電子は、コレクタ４２の手前で２〜３ｋＶ程度に減速されてコレクタ４２に捕集される。このため、コレクタ４２には、この電圧と電子ビーム電流との積の電力が捕集される。この電力は、上記コレクタ４２手前の電圧が３ｋＶで電子ビーム電流が３００ｍＡの場合には９００Ｗとなり、絞られた状態でコレクタ４２に当たると、当たった場所が溶ける。したがって、コレクタ４２は、冷媒で冷却した電極構造として電子ビームを広げながら電子を捕集する。
【００３２】
次に、超伝導磁石３５について説明する。
図２及び図４に示すように、超伝導磁石３５は第１のコイル３５ａ及び第２のコイル３５ｂからなる、所謂ヘルムホルツ型コイルを用いている。第１のコイル３５ａ及び第２のコイル３５ｂの半径をａとし、これらのコイルの間隔を半径ａと同じａとしたときに、対向するコイルの中央部分の磁場を一様にすることができる。ここで、超伝導磁石３５は、図示しないＨｅを冷媒とするクライオスタットや閉サイクル冷凍機により冷却されて、超伝導状態に保持される。
【００３３】
上記多価イオン発生源３の特徴は、第２の真空容器３２内にイオン閉じ込めのための超伝導磁石３５が配置され、第２の真空容器３２の環状の空隙に第１の真空容器３１が挿入されていることである。つまり、超伝導磁石３５の空隙（ボア）内に第１の真空容器３１が挿入されていることである。上記のように、この第１の真空容器３１内には、電子源４１、ドリフトチューブ３６及びコレクタ４２からなるイオン源電極４０が配置されている。また、超伝導磁石３５を収容する第２の真空容器３２は、第１の真空容器３１から両者の真空を破らずに脱着が可能である。このため、イオン源電極４０を第１の真空容器３１に収納したものを作ればよく、超伝導磁石３５は市販品を用いることができるので製作が容易である。したがって、本発明に用いる多価イオン発生源３においては、従来の多価イオン発生源のように超伝導磁石３５とイオン源電極４０とを一体化した構造を精度良く製作する必要がない。
【００３４】
本発明に用いることができる多価イオン発生源３は以上のように構成されており、次にその動作について説明する。
図５は、多価イオン発生源３に印加される電源を説明するための模式的なブロック図である。電子の加速電圧が４０ｋＶの一例を示している。図示するように、電子源４１のフィラメント電極４１ａには１５Ｖ，２Ａ、フォーカス電極４１ｂには５０Ｖ，１ｍＡ、アノード電極４１ｃには１０ｋＶ、スノート電極４１ｄには１５ｋＶ，１ｍＡ、の電源が−３０ｋＶの電源に上乗せされて供給されている。また、ドリフトチューブ３６の各電極には、１０ｋＶの電源上に、第１電極５００Ｖ、第２電極５００Ｖ、第３電極５００Ｖがそれぞれ上乗せされて供給されている。
さらに、コレクタ４２のサプレッサ電極、コレクタ電極、エクストラクター電極には、それぞれ、２ｋＶ、３ｋＶ，５００ｍＡ、−３ｋＶの電源が、−３０ｋＶの電源に上乗せされて供給されている。
【００３５】
上述のように、電子源４１から発生された電子は、超伝導磁石３５の磁場中に配置されたドリフトチューブ３６を通る。図５に示す電源を用いた場合には、電子源４１とドリフトチューブ３６の間で電子が最大４０ｋＶまで加速される。この加速されてドリフトチューブ３６に入射した電子は、超伝導磁石３５によりドリフトチューブ３６に形成される強磁場で圧縮され大電流密度（〜１０００Ａ／ｃｍ２）の電子ビームとなり、コレクタ４２に捕集される。図５に示す電源を用いた場合には、コレクタ４２には２〜３ｋＶ位まで減速されて捕集される。この際、電子は、ドリフトチューブ３６の直前で最大加速電圧が印加される。原子を電離するためには、束縛電子の電離エネルギー以上のエネルギーを持った電子と衝突させなければならないので、重元素（例えば、キセノン（Ｘｅ）など）を完全に電離させるには１ｓ軌道の電離エネルギー（Ｘｅでは３５ｋｅＶ）より高いエネルギーが必要で、加速電圧３５ｋＶ以上が必要である。
【００３６】
一方、気体イオン導入手段４６から導入されるイオンとなる気体は、ドリフトチューブ３６内でイオン化される。ドリフトチューブ３６の電極は幾つかに分割されており、両端がイオンに対して障壁（井戸型ポテンシャル）が形成されるように電位が与えられている。イオンは一定時間、この井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、気体の原子を電子ビームに繰り返し衝突させることにより電離が進む。電子による衝突電離が進み多価イオンビーム４となる。この多価イオンのうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加し障壁を越えたものがイオン源外部に取り出される。このように、イオンの電離度が究極、即ち、これ以上電子を当て続けても電離が進まない状態に達したときに、電場配置を変えて多価イオンが外に飛び出すようにして多価イオンビーム４を生成させる。
このドリフトチューブ３６で生成した多価イオンが、ドリフトチューブ３６から引き出される際には、ドリフトチューブ３６とコレクタ４２との間において４０ｋＶで一且加速され、第１の真空容器３１を出る際は、この第１の真空容器３１はアース電位であるので１０ｋＶまで減速されて出射する。
【００３７】
得られる多価イオンビーム４の強度は、イオンがトラップされているドリフトチューブ３６の長さＬ１（図２参照）及びエミッション電流に比例し、電離度が究極に至るまでの時間は電子の電流密度に比例する。なお、ドリフトチューブ３６の長さが長すぎる場合にはプラズマの不安定性が出現し、高電離の多価イオンができなくなる。
また、電子ビーム電流密度は、超伝導磁石３５によりドリフトチューブ３６に印加される磁場強度が高いほど高くなる。但し、比例関係ではない。このため、単位時間当たりに得られる多価イオンビーム４の強度は、電子ビーム電流密度が高くトラップ領域が長いほど高くすることができる。
【００３８】
多価イオン発生源３は、以上の機構において従来の多価イオン発生源と同様である。
本実施形態の多価イオン発生源３の特徴は、イオン源電極４０を収納する第１の真空容器３１のための真空排気装置３３と、超伝導磁石３５を収容する第２の真空容器３２のための真空排気装置３４とを着脱して分離することができる点にある。このため、超伝導磁石３５を収容する第２の真空容器３２を、第１の真空容器３１から分離した状態で、第１の真空容器３１及び収容されているイオン源電極４０を十分に加熱して脱ガスをすることができる。したがって、多価イオン発生のための第１の真空容器３１を短時間で極高真空とすることができる。例えば、誤って電子ビームをドリフトチューブ３６に当てたときには、多価イオン発生源３では、イオン源電極４０を収納した第１の真空容器３１のみ修理すればよい。
これにより、多価イオン発生源３においては、イオン源電極４０の真空立ち上げが短時間で済むので、操作性、保守性に優れた多価イオン発生源３となる。
【００３９】
試料台６は、その位置が制御できるように可動な試料台とすればよい。例えば、試料台６は、ＸＹＺステージなどを用いることができる。このＸＹＺステージ６は、電歪素子やステップモーターを用いることができる。
【００４０】
次に、上記（２）の点に関し、多価イオンビーム４が照射された試料５から発生する二次イオン７の検出を行う質量分析部８及び質量分析制御部１２について詳しく説明する。
質量分析部８において、試料５へパルス状の多価イオンビーム４が照射されると試料５の表面に存在する元素から二次イオン７及び二次電子９が発生する。発生した二次イオン７は、レンズ１４で集められ飛行管１５へ入射し、二次イオン７の質量等で決まる飛行時間を経て、二次イオン検出器１６に入射する。
【００４１】
一方、試料５に多価イオンビーム４が照射したときに発生する二次電子９は、二次電子検出部１０によって検出される。この場合、１個の多価イオンビーム４の照射により数十個から数百個の二次電子９が発生するので、照射された多価イオンビーム４の数を正確に計測できる。この二次電子検出部１０は、試料５へ１個の多価イオンビーム４が照射したときに発生する二次電子９を高感度で検出できる二次電子検出器１０Ａ等を用いることが好ましい。
【００４２】
図１に示す二次電子検出部１０は、入射する多価イオンビーム４の試料５へのビーム進行方向に対して垂直面内に配置され、上下方向の１個ずつ、つまり２個の二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂが配設されている。図示するように、二次電子検出部１０と試料５との間には、二次電子９を集めるためのレンズ作用を有するグリッド１０Ｃなどのレンズを備えてもよい。さらに、二次電子増倍のために二次電子検出器１０Ａ等に印加する電圧を外部に漏らさないようにシールド部をさらに設けてもよい。このシールド部は金属からなり、二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂを取り囲む形状とすればよい。
【００４３】
分析開始信号を多チャンネルアナライザ２０に送出する分析開始信号生成手段２１は、二次電子検出部１０からの出力が入力され、その測定データの処理を行う。一般に、二次電子信号は雑音が多いため誤計測をする可能性がある。二次電子検出部１０は、生じる雑音による計測誤差を無くすために、上記のように電気的に独立した複数の二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂを備えて構成することができる。
【００４４】
複数の二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂを備えた場合には、分析開始信号生成手段２１には、試料５から発生する複数の二次電子９の計測データが一致するか否かを判定する判定回路を設けることが好ましい。そして、複数の二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂの計測データが一致した場合に、正しい計測データであると判定すればよい。このように、多価イオンビーム４の照射では多数の二次電子９が放出されるため、少なくとも２個の二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂから得られた信号が一致したときのみ真の信号と見做すことで、正確なイオン数の計測が可能になる。
【００４５】
図６は、（Ａ）が分析開始信号生成手段２１の構成を示す模式図であり、（Ｂ）が分析開始信号生成手段２１で用いるＡＮＤ回路２４の真理値表を示す図である。
図６（Ａ）に示すように、分析開始信号生成手段２１は、判定回路として論理積演算を行うＡＮＤ回路２４等を備えている。その入力２４Ａ，２４Ｂには、２つの二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂの出力が接続されている。二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂの出力は図示しない増幅器によりＡＮＤ回路２４のハイレベル及びローレベルの信号を出力するように信号処理がされている。上記の二次電子検出器１０Ａとしては、二次電子９も検出できる所謂光電子増倍管を使用できる。このような電子増倍効果を有する二次電子検出器１０Ａとしては、複数のチャンネルトロンや複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートを用いることができる。
【００４６】
図６に示す二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂにおいては、多価イオン１個による二次電子９を検出したときには、ハイレベル、即ち１の信号をＡＮＤ回路２４に送出する。逆に、二次電子９を検出しない場合にはローレベル即ち０の信号をＡＮＤ回路２４に送出する。したがって、図６（Ｂ）のＡＮＤ回路２４の真理値表に示すように、ＡＮＤ回路２４においては、その２入力２４Ａ，２４Ｂが共に１の場合に出力２４Ｃが１となる。これ以外の入力の場合の出力２４Ｃは何れも０である。つまり、２つの二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂが共に、多価イオン１個による二次電子を検出したときには、ＡＮＤ回路２４は多価イオン１個が発生したと判断する。ＡＮＤ回路２４を用いた判定回路によれば、特に、試料５へ入射する多価イオンの強度が著しく弱い場合、例えば多価イオンのパルス周波数が１Ｈｚ又は１Ｈｚ以下の場合であっても多価イオンの発生を検出することができる。
【００４７】
なお、２入力ＡＮＤ回路２４を用いた判定回路について説明したが、精度を上げるために３入力以上の二次電子検出器を用いる場合には、二次電子検出器の数だけの入力を備えたＡＮＤ回路２４で行えばよい。これにより、複数の二次電子検出器の計測データが一致した場合に、多価イオンビーム４が照射されたという判定をすることができるので、雑音を除去して精度を高めることができる。
【００４８】
上記判定回路２４は、多価イオンのパルス周波数が１００Ｈｚ以上の場合には、二次電子検出部１０からの信号を、高速プリアンプで増幅し、この信号を時間弁別器（Ｔｉｍｉｎｇ Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ）を介して、多チャンネルアナライザ２０に入力する構成としてもよい。
【００４９】
本実施形態の表面分析装置１は以上のように構成されており、次にその動作について説明する。
多価イオン発生源３から発生した多価イオンビーム４が、試料５に照射される。この場合、試料５への多価イオンビーム４の照射位置は、可動な試料台６により位置制御がされている。
試料５の位置が決定された後、多価イオンビーム４が試料５に照射されると、試料５の所定位置に存在する原子に応じた二次イオン７が発生する。この場合に発生する二次電子９が二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂにより検出される。その有無が分析開始信号生成手段２１により判定される。したがって、分析開始信号生成手段２１のＡＮＤ回路２４の出力がハイレベルの場合が、試料５に多価イオンビーム４が照射された時間に対応する。
【００５０】
質量分析部８がＴＯＦ型の質量分析装置である場合には、質量分析制御部１２に入力されるＡＮＤ回路の出力２４Ｃがハイレベルとなった時刻が測定開始の時間となり、この信号を質量分析測定の開始信号と呼ぶことにする。
これにより、開始信号以降に得られるＴＯＦ型の質量分析部８における二次イオン検出器１６からの信号が、試料５から発生した二次イオン７の信号である。
次に、二次イオン７の信号検出が終了した時点で、二次イオン検出器１６から質量分析制御部１２へ、測定停止信号１６Ａが送出される。
したがって、上記開始信号から測定停止信号１６Ａまでの信号を解析することにより、試料５の所定位置に存在していた原子の質量分析を行うことができる。
【００５１】
本発明の表面分析装置１によれば、特に、１５価以上の多価イオンビーム４を用いることで、短時間に試料５から二次イオン７を発生させたり、スパッタリング効率を顕著に増加させたりすることができる。これにより、表面分析装置１によれば、１５価以上の多価イオンビーム４を試料５に照射することにより試料５から発生する二次イオン７の信号は、価数の４乗等のべき数に比例して増大するため、試料５の表面の分析を短時間で分析することができる。このため、表面清浄化を施した試料５の分析においても残留ガス等の再付着が起こらず高精度な分析を行うことができる。
【００５２】
本発明の表面分析装置１によれば、試料５の表面に１５価以上の多価イオンビーム４を照射することで、他手法では分析が困難であった所謂質量の小さいＨ＋等の元素を、高感度でかつ短時間で測定することができる。
【００５３】
また、試料５の位置決めを、ｎｍオーダーの分解能を有するＸＹＺステージ６により制御する場合には空間分解能を著しく高めることができる。したがって、表面分析装置１によれば、空間分解能が高く、微量な元素を高感度で、かつ、短時間で分析することができる。
【００５４】
上記の本発明の表面分析装置１においては、さらに、試料５の表面の観察するための観察装置を備えていてもよい。このような観察装置としては、電子線回折装置、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などが挙げられる。
【００５５】
本発明の表面分析装置１によれば、多チャンネルアナライザ２０の検出値からコンピュータ２２を用いた解析により種々の表面分析を行うことができる。
次に、表面分析方法の解析例について説明する。
（イ）１５価以上の多価イオンビーム４をパルスとして試料５に照射し、パルス毎の測定を所定の回数繰り返し行う。
（ロ）測定誤差を除去するために、上記（イ）の測定で取得した複数のデータをコンピュータ２２を用いて積算して、平均値が一定の値に収束した段階で多価イオンビーム４の照射を停止する。
上記の表面分析方法によれば、単元素からなる試料５の表面分析を短時間で行うことができる。
【００５６】
試料５が２つの元素Ａ，Ｂからなり、その原子比がｘ：ｙである場合の表面分析方法について説明する。この場合、試料５の化学式は、ＡｘＢｙである。
（イ）１５価の多価イオンビーム４をパルスとして試料５に照射し、パルス毎の測定を所定の回数繰り返し行う。
（ロ）測定誤差を除去するために、上記（イ）の測定で取得した複数のデータをコンピュータ２２を用いて積算して、平均値が一定の値に収束した段階で多価イオンビーム４の照射を停止する。
（ハ）１５価以上の多価イオンビーム４（価数＝１５＋ｎ）をパルスとして試料５に照射し、１回パルス毎の測定を所定の回数繰り返し行う。
（ニ）測定誤差を除去するために、上記繰り返し測定したデータをコンピュータ２２を用いて積算して、平均値が一定の値に収束した段階で多価イオンビーム４の照射を停止する。
（ホ）上記（ハ）及び（ニ）の測定を繰り返し行い、所定の多価数、例えば価数が５０までのデータを得る。
（へ）上記測定のデータから、構成元素Ａ及びＢの二次イオン７のカウント数と価数との関係を算出する。構成元素Ａ及びＢのカウント数の比（ｘ：ｙ）が得られる価数を求める。
（ト）上記（へ）のステップで構成元素Ａ及びＢのカウント数の比（ｘ：ｙ）が得られる価数を得た場合には、同じ組成の試料５を次回の測定の際には、この価数の多価イオンビーム４を照射すれば、化学量的組成が反映された表面分析を行うことができる。
なお、試料５が３つ以上の元素からなる場合にも、上記（イ）〜（ト）の測定において、さらに第３以上の元素Ｃ等の二次イオン７のカウント数と価数との関係を算出することにより表面分析ができる。
【００５７】
試料５が２つの元素Ａ，Ｂからなり、その組成が不明である場合の表面分析方法について説明する。
上記の原子比（ｘ：ｙ）が判明している試料５を標準試料とする。２つの元素Ａ，Ｂからなり、その組成が不明である試料５に対して、標準試料の化学量的組成が反映された分析ができる価数を有する多価イオンビーム４を照射し、上記（イ）及び（ロ）の測定を行い、元素Ａ，Ｂのカウント数を得る。得られた元素Ａ，Ｂのカウント数を、それぞれ、ｎａ、ｎｂとする。この元素Ａ，Ｂのカウント数ｎａ，ｎｂを、標準試料のカウント数を基準として比較することで、組成の不明な試料５の組成を求めることができる。
ここで、試料５が３つ以上の元素からなる場合にも、上記測定において、さらに第３以上の元素Ｃ等の二次イオン７のカウント数と標準試料のカウント数との関係を算出することにより表面分析ができる。
【００５８】
表面分析装置１においては、多価イオン発生源３と試料５との間に、さらに減速レンズを設けてもよい。減速レンズを設けることで、多価イオン発生源３から入射する多価イオンビーム４の加速電圧を制御することができる。この多価イオンビーム４が種々の多価イオンを含む場合には、所望の多価イオンを選択するために、さらに、イオン分離器を設けてもよい。イオン分離器としては、分析磁石（偏向磁石）や磁場及び電場によるウィーンフィルターなどを用いることができる。
【００５９】
表面分析装置１においては、多価イオン発生源３と試料５との間に、さらに多価イオンガイド２６を設けてもよい。
図７は、図１に示した多価イオンガイド２６の先端部の構成を模式的に示す断面図である。多価イオンガイド２６においては、その一端２６Ａに多価イオンビーム４を入射し、他端２６Ｂから多価イオンビーム４を出射する。つまり、多価イオンビーム４が、試料５を載置する試料台６に導くためのガイドとなっている。そして、多価イオンガイドの他端側２６Ｂの先端部２６Ｃが、直径がおおよそ１００ｎｍ以下程度の開口部を有する、所謂キャピラリー構造となっている。この多価イオンガイド２６は、好ましくは絶縁体からなり、例えばセラミックや石英ガラスを用いることができる。このようなキャピラリーは、例えば石英の細管を加熱溶融し、溶融状態にて引き伸ばし加工を行うことで製作することができる。
【００６０】
多価イオンビーム４が多価イオンガイド２６に入射すると、多価イオンガイド２６の内壁が帯電する。このために、多価イオンビーム４は多価イオンガイド２６の内壁から反発されて、多価イオンガイド２６の中心部を通過し、キャピラリー構造となっている先端部２６Ｃから試料５に入射する。これにより、多価イオンビーム４は、多価イオンガイドの先端部２６Ｃでそのビーム径が絞られ、即ち、収束して試料５に入射する。
【００６１】
（分析例１）
以下、本発明の表面分析装置１による分析例について説明する。
試料５となるＳｉ（シリコン）の（１００）表面を１２００℃で５秒間の加熱を３回行った後、表面に５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を、加速電圧を３ｋｅＶで照射した。二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂとしてはチャンネルトロンを用いた。さらに、試料５に照射される多価イオンビーム４を計測するために、試料５の裏面側に別のチャンネルトロンを配置した。
図８は、分析例１のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。図８において、横軸は飛行時間（ｎｓ）を、縦軸は検出した二次イオン７のカウント数を示している。図８から明らかなように、Ｓｉ表面からはＨ＋，Ｈ２＋，Ｏ＋，Ｏ２＋，Ｓｉ＋，Ｓｉ２＋，Ｓｉ３＋，Ｓｉ４＋，Ｓｉ２＋，ＳｉＯ＋の各イオンが検出されていることが分かる。
【００６２】
（分析例２）
Ｓｉ（シリコン）の（１００）表面を、所謂白木法によりウエット処理をし、９００℃で３分間のアニールを施した。この試料５の表面に５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を、分析例１と同じ条件で照射した。
図９に分析例２のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す。図９の横軸及び縦軸は図８と同じである。図９から明らかなように、Ｓｉ表面からはＨ＋，Ｈ２＋，Ｏ＋，Ｏ２＋，Ｓｉ＋，Ｓｉ２＋，Ｓｉ３＋，Ｓｉ４＋，Ｓｉ２＋，ＳｉＯ＋の各イオンが検出されていることが分かる。
【００６３】
（分析例３）
試料５となるＳｉ（シリコン）の（１００）表面を１２００℃で１２時間加熱して表面清浄化を行った後、表面に５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を、分析例１と同じ条件で照射した。
図１０に分析例３のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す。図１０の横軸及び縦軸は図８と同じである。図１０から明らかなように、Ｓｉ表面からはＨ＋，Ｈ２＋，Ｓｉ＋，Ｓｉ２＋，Ｓｉ３＋，Ｓｉ４＋，Ｓｉ２＋の各イオンが検出されていることが分かる。
【００６４】
（分析例１〜３の比較）
分析例１及び分析例２のＳｉ表面から検出される二次イオン７は、その種類が同じであることが分かる。また、検出されたＨ＋イオンのカウント数もほぼ同じ位である。
一方、分析例３の試料５からは、分析例１及び分析例２で検出されたＯ＋，Ｏ２＋，ＳｉＯ＋が検出されないことが分かる。また、検出されたＨ＋イオンのカウント数は、分析例１及び分析例２よりもほぼ１桁小さいことが分かる。これらの結果から、分析例３の場合には、Ｓｉの表面における水素の量が非常に少ないことが分かる。
【００６５】
（分析例４）
試料５となるＳｉの（１００）表面を１２００℃で１２時間加熱して表面清浄化を行った後、表面に５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を、分析例１と同じ条件で照射した。
図１１に分析例４のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す。図１１は、Ｓｉ（１００）表面をアニールした後１０分及び４５分経過したときのプロファイルを示しており、横軸及び縦軸は図８と同じである。
図１１から明らかなように、Ｓｉ表面からはＨ＋，Ｈ２＋，Ｓｉ＋，Ｓｉ２＋，Ｓｉ３＋の各イオンが検出され、特に４５分経過後では、Ｈ＋のカウント数が著しく増大していることが分かる。
【００６６】
図１１の挿入図は、アニール後のＨ＋イオンのイールドの時間依存性を示す図である。図の横軸はアニール後の経過時間（分）を示し、縦軸はＨ＋イオンのイールドを示している。この挿入図から、アニール直後ではＨ＋イオンは殆ど検出されないことが分かり、１０分，２０分，３０分，４０分，４５分経過後にはＨ＋イオンが検出され、しかも、イールドは経過時間と共に増加することが分かる。
分析例４の結果によれば、Ｓｉ表面の清浄化処理直後からの経過時間と共に水素が増大していく様子を観察することができた。
【００６７】
分析例４に示すように、長時間の測定時間を要する従来技術では、分析が困難であった試料５となるＳｉ表面に形成した清浄表面を正確に評価できることが判明した。
【００６８】
（分析例５）
試料５となるＳｉ（シリコン）の（１１１）表面を１２００℃で５秒間の加熱を３回行った後、表面へ２９価，３４価，３８価，４４価，５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を、加速電圧１７５ｋｅＶで照射した。
図１２は、分析例５において、２９価のＸｅイオン（Ｘｅ２９＋）及び５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を照射したときのＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。図１２において、横軸は飛行時間（ｎｓ）を、縦軸は検出した二次イオン７のカウント数を示している。
図１２から明らかなように、２９価のＸｅイオン（Ｘｅ２９＋）の照射によりＳｉ表面からＨ＋，Ｓｉ３＋，Ｓｉ２＋，Ｓｉ＋の各イオンが検出されていることが分かる。５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）の照射によりＳｉ表面から検出されるイオンは、２９価のＸｅイオン（Ｘｅ２９＋）の照射により検出されたイオンの他に、さらに、Ｈ２＋，Ｓｉ４＋が検出され、しかも検出されたイオンのカウント数が多いことが分かる。
【００６９】
図１３は、分析例５において検出したＨ＋イオン及びＳｉ＋イオンのスパッタリングイールドの価数依存性を示す図である。図１３において、横軸は照射したＸｅイオンの価数を示し、縦軸はＨ＋イオン及びＳｉ＋イオンのスパッタリングイールドを示している。
図１３から明らかなように、Ｈ＋イオンのスパッタリングイールドは、価数ｑに対して、４．１乗、つまり、ｑ４．１で増加していることが分かる。同様に、Ｓｉ＋イオンのスパッタリングイールドは、価数ｑに対して、１．５乗、つまりｑ１．５で増加することが分かった。
【００７０】
（分析例６）
試料５となるＳｉＯ２の表面へ１５価から５０価まで５価ずつ増加させた種々の価数のＩイオン（Ｉ１５＋，Ｉ２０＋，Ｉ２５＋，Ｉ３０＋，Ｉ３５＋，Ｉ４０＋，Ｉ４５＋，Ｉ５０＋）を加速電圧１７５ｋｅＶで照射した。
図１４は、分析例６において、１５価のＩイオン（Ｉ１５＋）及び５０価のＩイオン（Ｉ５０＋）を照射したときのＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。図１４において、横軸は飛行時間（ｎｓ）を、縦軸は検出した二次イオン７のカウント数を示している。
図１４から明らかなように、１５価のＩイオン（Ｉ１５＋）照射ではＳｉ表面からＨ＋，Ｓｉ＋の各イオンが検出されていることが分かる。５０価のＩイオン（Ｉ５０＋）の照射によりＳｉ表面から検出されるイオンは、１５価のＩイオン（Ｉ２９＋）の照射により検出されたイオン（Ｈ＋，Ｓｉ＋）の他に、さらに、Ｏ＋，Ｏ２＋，ＳｉＯ＋が検出され、しかも検出された各イオンのカウント数が多いことが分かる。
【００７１】
分析例６における多価イオンによるＳｉＯ２膜の表面分析の場合には、酸素が陽イオンとして検出されている点が多価イオンによる表面分析の特徴である。これに対して、１価イオンを照射源とする従来のＳＩＭＳ分析の場合には、酸素が陰イオンとして検出されていた。
【００７２】
図１５は、分析例６において検出したＳｉ＋イオン及びＯ＋イオンのスパッタリングイールドの価数依存性を示す図である。図１５において、横軸は照射したＩイオンの価数を、縦軸はＳｉ＋イオン及びＯ＋イオンのスパッタリングイールドを示している。
図１５から明らかなように、Ｓｉ＋イオンのスパッタリングイールドは、価数ｑに対してほぼ比例して増加していることが分かる。
一方、Ｏ＋イオンのスパッタリングイールドは、価数ｑに対して２．５乗、つまりｑ2.5で増加することが分かった。価数が３５価よりも大きい場合（ｑ＞３５）では、Ｏ＋イオンのイールドがＳｉ＋イオンのイールドよりも大きくなることが判明した。従って、価数が５０価（Ｉ５０＋）の場合には、Ｏ＋のスパッタリングイールドは、Ｓｉ＋のスパッタリングイールドの約２倍であり、ＳｉＯ２の化学量論的組成を反映した二次イオン７の収率となっていることが判明した。
【００７３】
（分析例７）
試料５をＳｉＯ２からＴｉＯ２とした以外は、分析例６と同様に１５価から５０価まで５価ずつに増加させた種々の価数のＩイオン（Ｉ１５＋，Ｉ２０＋，Ｉ２５＋，Ｉ３０＋，Ｉ３５＋，Ｉ４０＋，Ｉ４５＋，Ｉ５０＋）を、加速電圧１７５ｋｅＶで照射した。試料５がＴｉＯ２の場合には、価数が２５価以上でＴｉ＋やＯ＋のイオン信号が得られた。
図１６は、分析例７において検出したＴｉ＋イオン及びＯ＋イオンのスパッタリングイールドの価数依存性を示す図である。図１６において、横軸は照射したＩイオンの価数を、縦軸はＴｉ＋イオン及びＯ＋イオンのスパッタリングイールドを示している。
図１６から明らかなように、Ｔｉ＋イオンのスパッタリングイールドは、価数ｑが３０以上ではほぼ比例して増加していることが分かる。
一方、Ｏ＋イオンのスパッタリングイールドは、価数ｑに対して４乗、つまりｑ４で増加することが分かった。価数が３５価よりも大きい場合（ｑ＞３５）では、Ｏ＋イオンのイールドがＴｉ＋イオンのイールドよりも大きくなることが判明した。従って、価数が５０価（Ｉ５０＋）の場合には、Ｏ＋のスパッタリングイールドは、Ｔｉ＋のスパッタリングイールドの約２倍であり、ＴｉＯ２の化学量論的組成を反映した二次イオン７の収率となっていること判明した。
【００７４】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態において、多価イオンガイド２６の形状や真空容器２の構造や付属させる観察機器の構成などは、試料５に応じて適宜変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明による多価イオンを用いた表面分析装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】多価イオン発生源の構成例を模式的に示す断面図である。
【図３】図２に示す電子源の構成を模式的に示す拡大断面図である。
【図４】固体のイオン源を有する多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】多価イオン発生源に印加される電源を説明するための模式的なブロック図である。
【図６】（Ａ）は分析開始信号生成手段の構成を示す模式図、（Ｂ）は分析開始信号生成手段で用いるＡＮＤ回路の真理値表を示す図である。
【図７】図１に示した多価イオンガイドの先端部の構成の模式的断面図である。
【図８】分析例１のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。
【図９】分析例２のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。
【図１０】分析例３のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。
【図１１】分析例４のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。
【図１２】分析例５において、２９価のＸｅイオン（Ｘｅ２９＋）及び５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を照射したときのＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。
【図１３】分析例５において検出したＨ＋イオン及びＳｉ＋イオンのスパッタリングイールドの価数依存性を示す図である。
【図１４】分析例６において、１５価のＩイオン（Ｉ１５＋）及び５０価のＩイオン（Ｉ５０＋）を照射したときのＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。
【図１５】分析例６において検出したＳｉ＋イオン及びＯ＋イオンのスパッタリングイールドの価数依存性を示す図である。
【図１６】分析例７において検出したＴｉ＋イオン及びＯ＋イオンのスパッタリングイールドの価数依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１：表面分析装置
２：真空容器
３：多価イオン発生源
４：多価イオンビーム
５：試料
６：試料台
７：二次イオン
８：質量分析部
９：二次電子
１０：二次電子検出部
１０Ａ，１０Ｂ：二次電子検出器
１０Ｃ：グリッド
１２：質量分析制御部
１４：レンズ
１５：飛行管
１６：二次イオン検出器
１６Ａ：測定停止信号
２０：多チャンネルアナライザ
２１：分析開始信号生成手段
２２：コンピュータ
２４：ＡＮＤ回路
２４Ａ，２４Ｂ：入力
２４Ｃ：出力
２６：多価イオンガイド
２６Ｃ：先端部
３１：第１の真空容器
３１ａ：超高真空用フランジ
３１ｂ：支持部
３２：第２の真空容器
３３：第１の真空容器の真空排気装置
３４：第２の真空容器の真空排気装置
３５：超伝導磁石
３５ａ：第１のコイル
３５ｂ：第２のコイル
３６：ドリフトチューブ
３７，４４：磁気シールド部
４０：イオン源電極
４１：電子源
４１ａ：フィラメント（カソード）電極
４１ｂ：フォーカス電極
４１ｃ：アノード電極
４１ｄ：スノート電極
４１ｅ：絶縁碍子
４２：コレクタ
４３：バッキングコイル
４６：気体イオン導入手段
４６ａ：気体源
４６ｂ：流量調整部
４６ｃ；配管部
４８：固体イオン導入手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多価イオンを試料へのイオン源として用いた表面分析装置及び表面分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子から電子を取り除くと正のイオンができるが、例えばＸｅ４４＋イオンのように、電子を２個以上取り去ったものを正の多価イオンという。多価イオンは極めて大きな内部エネルギーを持っており、多価イオンが固体表面と衝突すると、多数の二次電子が放出されたり（非特許文献１参照）、多価イオンの入射点まわりにナノメートルの大きさの構造変化が誘起されたりする（非特許文献２参照）など、数多くの特異的な現象が起こる。
この多価イオンと物質の特異な相互作用は、単一イオンインプランテーションや量子ドット作製などのナノメートル領域のプロセス技術に応用できる可能性があり、注目を集めている（非特許文献３参照）。
【０００３】
このような多価イオンを生成するイオン源としては、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型イオン源（ＥＣＲＩＳ）と電子ビーム型イオン源（ＥＢＩＳ）とが知られている。後者は前者に比べて得られるイオンの電離度が高いという特徴がある。
【０００４】
ＥＢＩＳとしては、原子物理学の研究用に開発された核融合研究所の装置が知られている（例えば、非特許文献４参照）。この装置は、電子源（カソード）、ドリフトチューブ、コレクタ、ソレノイド磁石、イオン引き出し用レンズなどから構成されている。カソードから出射した電子は、磁場中に配置されたドリフトチューブを通り、コレクタに捕集される。電子は、ドリフトチューブに形成される強磁場で圧縮され大電流密度の電子ビームとなっている。一方、カソード付近から導入された気体は、イオンに対して障壁となる、ドリフトチューブ内に形成される井戸型ポテンシャルによって、電子による衝突電離が進み、多価イオンとなる。
【０００５】
さらに、１９８８年には、ＥＢＩＳを改良したＥＢＩＴ（電子ビームイオントラップ）が開発された（非特許文献５参照）。このＥＢＩＴの多価イオン発生原理はＥＢＩＳと同じであるが、超伝導ヘルムホルツ型コイルを用い、ドリフトチューブを従来よりも短くして、ドリフトチューブ内のプラズマの不安定性を回避することにより、イオンの閉じ込め時間を改善し、高価数の多価イオンを安定に保持できる。このため、ＥＢＩＴでは、ドリフトチューブでの電子ビームの絞り込みを究極まで行い、高電離イオンを生成することを可能にした。
【０００６】
また、ＥＢＩＴとして、ウラン（Ｕ）まで完全電離できるように、電子の加速電圧を最大３００ｋＶとした装置が本発明者らにより開発されている（非特許文献６参照。）。このＥＢＩＴは、原子物理学の研究のために開発されたもので、生成可能な多価イオンの内部エネルギーとしては世界最高の性能を持っている。
【０００７】
ところで、イオンを用いた分析方法としては、従来から１価のイオンをスパッタ源とする二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）が知られている。
【０００８】
さらに、スパッタ源として低速の多価イオンを用いた表面分析の試みがなされている（非特許文献６参照。）。非特許文献６では、２ｋｅＶ〜５ｋｅＶの低速で、価数が４〜１２の多価イオンをＳｉ表面に照射した場合のＨ＋イオン（プロトン）の検出が報告されている。
【０００９】
【非特許文献１】J. W. McDonald, D. Schneider, M. W. ClarkandD. DeWitt, Phys. Rev. Lett., Vol. 68, (1992), p.2297
【非特許文献２】T. Meguro et al., Appl. Phys. Lett., Vol.79, (2001), p.3866
【非特許文献３】T. Schenkel et al., Appl. Phys., Vol.94, (2003), p.7017
【非特許文献４】小林 信夫、大谷 俊介 他７ 名、名古屋大学プラズマ研究所資料・技術報告、ＩＰＰＪ−ＤＴ−８４、１９８１年
【非特許文献５】ＭＡ. Levin他７名, Physica Scr., T２２, (1988), p.157
【非特許文献６】大谷俊介、桜井誠、プラズマ・核融合学会誌、73,(1997),p.1063
【非特許文献７】山崎泰規、第５２回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集、２９ｐ−Ｃ−３（２００５年春）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の技術では、１２価以下の多価イオンを用いた軽元素の分析手法は知られていたが、検出感度が低いものであり、固体等の表面に吸着した水素原子のような軽元素を分析することは困難であった。このため、軽元素の分析には、例えば１２時間程の非常に長い時間を要していた。従って、例えば被測定試料を超高真空下に保持して測定を行った場合であっても、真空槽の残留ガスや真空容器の内壁からの脱出ガスが被測定試料へ再付着するので、正しい分析を行うことが困難であった。
【００１１】
また、従来の１価のイオンをスパッタ源とする二次イオン質量分析装置により化合物からなる試料を分析する場合、試料の表面からスパッタされた粒子、すなわち二次イオンのイオン化率が違うので、化合物の化学両論的な組成が反映された二次イオン強度を得ることは困難であった。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑み、高い多価数を有する多価イオンを用いて被測定物の表面または表面近傍に存在する原子や分子を効率良く検出することができる表面分析装置と表面分析方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の表面分析装置は、試料を搭載する試料台と、試料台に搭載された試料に価数が１５以上の多価イオンビームを照射する多価イオン発生源と、試料に多価イオンビームが照射されることにより生じる二次イオンを検出する質量分析部と、試料に多価イオンビームが照射されることにより生じる二次電子を検出する二次電子検出部と、二次電子検出部からの二次電子検出信号を受けて分析開始信号を生成し質量分析部へ送信する質量分析制御部を、備えている。
上記構成において、二次電子検出部は、好ましくは、電気的に独立した複数の二次電子検出器を有する。
二次電子検出器は、好ましくは、複数のチャンネルトロン又は複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートからなる。
多価イオン発生源は、好ましくは、一端に多価イオン発生源からの多価イオンビームが入射され他端から多価イオンビームが出射される多価イオンガイドを備えており、多価イオンガイドの他端部はキャピラリー構造である。
【００１４】
上記構成によれば、試料の表面に１５価以上の多価イオンビームを照射することで、他手法では分析が困難であった所謂質量の小さいＨ＋等の元素を、高感度でかつ短時間で測定することができる。
【００１５】
本発明の表面分析方法は、多価イオンビームを１５価以上の価数で変化させて試料へ照射し、試料表面の特定の元素から生じる二次イオンのカウント数と価数との関係を算出して、特定の元素に対する多価イオンビームの価数を決定する。
上記構成において、好ましくは、試料が２以上の構成元素からなり、各構成元素から生じる二次イオンのカウント数と価数との関係を算出して、各構成元素の組成比を与える多価イオンの価数を決定する。
【００１６】
上記構成によれば、試料の表面に検出対象となる元素に対して１５価以上の最適な多価イオンビームを照射することで、他手法では分析が困難であった所謂、質量の小さいＨ＋等の元素を、高感度でかつ短時間で測定することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、１５価以上の多価イオンビームを試料に照射することにより試料から発生する二次イオンの信号は、価数の４乗等のべき数に比例して増大するために、試料表面の分析を短時間で分析することができる。このため、表面清浄化を施した試料の分析においても残留ガス等の再付着が起こらず高精度な分析を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明による多価イオンを用いた表面分析装置１の構成を模式的に示す断面図である。
図１において、本発明の多価イオンを用いた表面分析装置１は、試料５を搭載する試料台６と、試料台６に搭載された試料５に価数が１５以上の多価イオンビーム４を照射する多価イオン発生源３と、試料５に多価イオンビーム４が照射されることで生じる二次イオン７を検出する質量分析部８と、試料５に多価イオンビーム４が照射されることで生じる二次電子９を検出する二次電子検出部１０と、二次電子検出部１０からの二次電子検出信号を受け分析開始信号を生成し質量分析部８へ送信する質量分析制御部１２を、を含んで構成されている。
ここで、真空容器２に多価イオン発生源３が接続され、この真空容器２内には試料台６と質量分析部８と二次電子検出部１０とが配設され、質量分析制御部１２は、真空容器２の外部に配設されている。真空容器２は、図示しない真空排気装置により後述する多価イオン発生源３の真空排気装置とは独立に真空排気されてもよい。
【００１９】
本実施形態では、質量分析部８はＴＯＦ（飛行時間：Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）型の質量分析部８から構成されており、レンズ１４と飛行管１５と二次イオン７を検出する二次イオン検出器１６と、を備えているが、質量分析部８は各種の方式を用いることができる。
【００２０】
質量分析制御部１２は、二次イオン検出器１６からの信号を飛行時間毎に検出する多チャンネルアナライザ２０と、多価イオンビーム４が試料５に入射した時間を検出し、分析開始信号を多チャンネルアナライザ２０に送出する分析開始信号生成手段２１と、多チャンネルアナライザ２０からの信号を処理するコンピュータ２２と、から構成されている。
【００２１】
本発明による多価イオンを用いた表面分析装置１が、従来の質量分析装置と異なる点は下記の通りである。
（１）従来の質量分析装置装置が１価のイオンを試料に照射するのに対して１５価以上の多価イオンを用いる点。
（２）多価イオンが照射された試料５から発生する二次イオン７を、質量分析部８及び質量分析制御部１２で検出する点。
【００２２】
最初に、上記（１）の点に関し、多価イオン発生源３について説明する。本発明に用いる多価イオン発生源３は、１５価以上の多価イオンを発生できればその発生方法を問わない。
図２は多価イオン発生源３の構成例を模式的に示す断面図である。多価イオン発生源３において、第１の真空容器３１及び第２の真空容器３２は、それぞれ、真空排気装置３３，３４により独立に排気されるようになっている。第１の真空容器３１内は、多価イオン発生のためには、１×１０−５Ｐａ（パスカル）以下、特に１×１０−９Ｐａ以下の極高真空とする。例えば、Ｕ９２＋の生成には１０−１０Ｐａ（１０−１２Ｔｏｒｒ）の真空が必要である。このため、第１の真空容器３１は脱ガスのために、図示しないベーキング用ヒータなどを用いたベーキング手段を備えている。このベーキング手段を用いることで、第１の真空容器３１は２５０〜３００℃程度にまでベーキングすることができる。
ここで、第１及び第２の真空容器３１，３２は、少なくともそれらの対向面が、超伝導磁石３５からの磁場をドリフトチューブ３６に印加するように、非磁性材料から形成されている。非磁性材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ−３０４，ＳＵＳ−３１６）やアルミニウムを用いることができる。
【００２３】
第２の真空容器３２には、外部と熱的に遮断するために超伝導磁石３５が収容され、この超伝導磁石３５は、例えば１０Ｋ（−２６３℃）の極低温に冷却される。また、第２の真空容器３２の真空度は、１０−４Ｐａ程度の高真空にされる。このような高真空を得るためのベーキング手段は不要である。そして、第２の真空容器３２の第１の真空容器３１側の外周部には、磁気シールド部３７が設けられている。この磁気シールド部３７は、超伝導磁石３５からの磁場が、イオン源電極４０の電子源４１及びコレクタ４２側のドリフトチューブ３６に漏れないようにするために配設するものである。この磁気シールド部３７には、軟鉄などの強磁性材料を用いればよい。
【００２４】
図３は図２に示す電子源４１の構成を模式的に示す拡大断面図である。図示するように、電子源４１は、第１の真空容器３１の左側面の超高真空用フランジ３１ａに支持部３１ｂを介して、第１の真空容器３１の水平方向の中心軸上に配設されている。第２の真空容器３２内に収容した超伝導磁石３５の空隙（ボア）の直径はＤで示している。そして、図中の矢印は、排気経路を示している。電子源４１は、左から右方向に、フィラメント（カソード）電極４１ａ、フォーカス電極４１ｂ、アノード電極４１ｃ、スノート電極４１ｄの順に配置され、それぞれが、絶縁碍子４１ｅ，４１ｅにより絶縁されている。さらに、電子源４１は、カソード近傍の磁場を０（零）とするためのバッキングコイル（Ｂｕｃｋｉｎｇ ｃｏｉｌ）４３を備え、磁気シールド部４４に収容されている。
【００２５】
ここで、図２に示すように電子源４１から発生される電子ビームを、ドリフトチューブ３６に当てることなくコレクタ４２に導く必要がある。このため、上記のカソード電極４１ａ、アノード電極４１ｃ及びスノート電極４１ｄの各電極と絶縁碍子４１ｅ，４１ｅとは、嵌め合いにより組み立てることで、相互の軸を高い精度で一致させている。
【００２６】
一例として、３００ｍＡの電流をカソード電極４１ａから引き出す際は、フィラメント電位を基準にして、アノード電極４１ｃには＋１０ｋＶ、スノート電極４１ｄには＋１５ｋＶの電位を与える。このように、各電極とバッキングコイル４３及び磁気シールド部４４には最大＋１５ｋＶの高電圧が印加されるが、各部品を小型化することで相互の絶縁を確保しながら、磁気シールド部４４の直径を１００ｍｍに抑えることができる。この場合には、外径が１６２ｍｍで内径が１０２ｍｍの超高真空用フランジ３１ａに電子源４１を収容することができ、第２の真空容器３２の電子源４１側の直径を１５２ｍｍに抑えることができる。このため、超高真空用フランジ３１ａの内径は、磁気シールド部４４及びドリフトチューブ３６の直径よりも十分大きいので、電子源４１領域からの放出ガスを効率良く排気できる。このように、電子源４１の寸法を小さくすることで、超伝導磁石３５を収容する第２の真空容器３２の環状の空隙、即ち超伝導磁石３５のボア径を小さくすることができる。
【００２７】
ドリフトチューブ３６は、幾つかに分割された円筒形電極から構成されていて、その両端が、イオンに対して障壁（井戸型ポテンシャル）を形成するような電場配置となっている。
【００２８】
イオンとなる気体は、気体イオン導入手段４６によりドリフトチューブ３６の側面からその内部に導入される。気体イオン導入手段４６は、気体源４６ａ，流量調整部４６ｂ，第１の真空容器３１内への配管部４６ｃなどから構成されている。
【００２９】
一方、固体をイオンとする場合には、ソースとして固体イオン源を用いればよい。
図４は、固体のイオン源を有する多価イオン発生源３の構成を模式的に示す断面図である。図４に示す多価イオン発生源３が、図２に示す多価イオン発生源３と異なるのは、気体イオン導入手段４６の代わりに、コレクタ４２の右側に固体イオン導入手段４８を備えていることである。このような固体イオン導入手段４８は、所望のイオンを発生させる針状の固体材料を真空アーク放電させ、１価のイオンにする真空アーク型イオン源などを用いることができる。固体イオン導入手段４８から発生したイオンは、第１の真空容器３１中でコレクタ４２を通過してドリフトチューブ３６に注入される。
【００３０】
上記した気体イオン導入手段４６又は固体イオン導入手段４８からなるイオン導入手段によりドリフトチューブ３６に注入されるイオンは、一定時間、井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、電子による衝突電離が進み多価イオンとなる。この多価イオンのうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加して障壁を越えたものが、多価イオン発生源３の外部に取り出される。この際、イオンの電離度が究極、即ち、これ以上電子を当て続けても電離が進まない状態に達したときに、電場配置を変えて多価イオンが外に飛び出すようにして多価イオンビーム４を生成させる。
【００３１】
コレクタ４２は、ドリフトチューブ３６を通過する電子を捕集するための電極であり、例えば、サプレッサ電極、コレクタ電極、エクストラクター電極などの電極から構成されている。カソード及びコレクタ４２には、アースに対して最大−数十ｋＶから−３００ｋＶ程度の電圧が印加されている。この加速電圧は、所望の多価イオンが得られるための電圧であればよい。電子は、ドリフトチューブ３６の入射直前に最大加速電圧が印加され、ドリフトチューブ３６を通過した電子は、コレクタ４２の手前で２〜３ｋＶ程度に減速されてコレクタ４２に捕集される。このため、コレクタ４２には、この電圧と電子ビーム電流との積の電力が捕集される。この電力は、上記コレクタ４２手前の電圧が３ｋＶで電子ビーム電流が３００ｍＡの場合には９００Ｗとなり、絞られた状態でコレクタ４２に当たると、当たった場所が溶ける。したがって、コレクタ４２は、冷媒で冷却した電極構造として電子ビームを広げながら電子を捕集する。
【００３２】
次に、超伝導磁石３５について説明する。
図２及び図４に示すように、超伝導磁石３５は第１のコイル３５ａ及び第２のコイル３５ｂからなる、所謂ヘルムホルツ型コイルを用いている。第１のコイル３５ａ及び第２のコイル３５ｂの半径をａとし、これらのコイルの間隔を半径ａと同じａとしたときに、対向するコイルの中央部分の磁場を一様にすることができる。ここで、超伝導磁石３５は、図示しないＨｅを冷媒とするクライオスタットや閉サイクル冷凍機により冷却されて、超伝導状態に保持される。
【００３３】
上記多価イオン発生源３の特徴は、第２の真空容器３２内にイオン閉じ込めのための超伝導磁石３５が配置され、第２の真空容器３２の環状の空隙に第１の真空容器３１が挿入されていることである。つまり、超伝導磁石３５の空隙（ボア）内に第１の真空容器３１が挿入されていることである。上記のように、この第１の真空容器３１内には、電子源４１、ドリフトチューブ３６及びコレクタ４２からなるイオン源電極４０が配置されている。また、超伝導磁石３５を収容する第２の真空容器３２は、第１の真空容器３１から両者の真空を破らずに脱着が可能である。このため、イオン源電極４０を第１の真空容器３１に収納したものを作ればよく、超伝導磁石３５は市販品を用いることができるので製作が容易である。したがって、本発明に用いる多価イオン発生源３においては、従来の多価イオン発生源のように超伝導磁石３５とイオン源電極４０とを一体化した構造を精度良く製作する必要がない。
【００３４】
本発明に用いることができる多価イオン発生源３は以上のように構成されており、次にその動作について説明する。
図５は、多価イオン発生源３に印加される電源を説明するための模式的なブロック図である。電子の加速電圧が４０ｋＶの一例を示している。図示するように、電子源４１のフィラメント電極４１ａには１５Ｖ，２Ａ、フォーカス電極４１ｂには５０Ｖ，１ｍＡ、アノード電極４１ｃには１０ｋＶ、スノート電極４１ｄには１５ｋＶ，１ｍＡ、の電源が−３０ｋＶの電源に上乗せされて供給されている。また、ドリフトチューブ３６の各電極には、１０ｋＶの電源上に、第１電極５００Ｖ、第２電極５００Ｖ、第３電極５００Ｖがそれぞれ上乗せされて供給されている。
さらに、コレクタ４２のサプレッサ電極、コレクタ電極、エクストラクター電極には、それぞれ、２ｋＶ、３ｋＶ，５００ｍＡ、−３ｋＶの電源が、−３０ｋＶの電源に上乗せされて供給されている。
【００３５】
上述のように、電子源４１から発生された電子は、超伝導磁石３５の磁場中に配置されたドリフトチューブ３６を通る。図５に示す電源を用いた場合には、電子源４１とドリフトチューブ３６の間で電子が最大４０ｋＶまで加速される。この加速されてドリフトチューブ３６に入射した電子は、超伝導磁石３５によりドリフトチューブ３６に形成される強磁場で圧縮され大電流密度（〜１０００Ａ／ｃｍ２）の電子ビームとなり、コレクタ４２に捕集される。図５に示す電源を用いた場合には、コレクタ４２には２〜３ｋＶ位まで減速されて捕集される。この際、電子は、ドリフトチューブ３６の直前で最大加速電圧が印加される。原子を電離するためには、束縛電子の電離エネルギー以上のエネルギーを持った電子と衝突させなければならないので、重元素（例えば、キセノン（Ｘｅ）など）を完全に電離させるには１ｓ軌道の電離エネルギー（Ｘｅでは３５ｋｅＶ）より高いエネルギーが必要で、加速電圧３５ｋＶ以上が必要である。
【００３６】
一方、気体イオン導入手段４６から導入されるイオンとなる気体は、ドリフトチューブ３６内でイオン化される。ドリフトチューブ３６の電極は幾つかに分割されており、両端がイオンに対して障壁（井戸型ポテンシャル）が形成されるように電位が与えられている。イオンは一定時間、この井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、気体の原子を電子ビームに繰り返し衝突させることにより電離が進む。電子による衝突電離が進み多価イオンビーム４となる。この多価イオンのうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加し障壁を越えたものがイオン源外部に取り出される。このように、イオンの電離度が究極、即ち、これ以上電子を当て続けても電離が進まない状態に達したときに、電場配置を変えて多価イオンが外に飛び出すようにして多価イオンビーム４を生成させる。
このドリフトチューブ３６で生成した多価イオンが、ドリフトチューブ３６から引き出される際には、ドリフトチューブ３６とコレクタ４２との間において４０ｋＶで一且加速され、第１の真空容器３１を出る際は、この第１の真空容器３１はアース電位であるので１０ｋＶまで減速されて出射する。
【００３７】
得られる多価イオンビーム４の強度は、イオンがトラップされているドリフトチューブ３６の長さＬ１（図２参照）及びエミッション電流に比例し、電離度が究極に至るまでの時間は電子の電流密度に比例する。なお、ドリフトチューブ３６の長さが長すぎる場合にはプラズマの不安定性が出現し、高電離の多価イオンができなくなる。
また、電子ビーム電流密度は、超伝導磁石３５によりドリフトチューブ３６に印加される磁場強度が高いほど高くなる。但し、比例関係ではない。このため、単位時間当たりに得られる多価イオンビーム４の強度は、電子ビーム電流密度が高くトラップ領域が長いほど高くすることができる。
【００３８】
多価イオン発生源３は、以上の機構において従来の多価イオン発生源と同様である。
本実施形態の多価イオン発生源３の特徴は、イオン源電極４０を収納する第１の真空容器３１のための真空排気装置３３と、超伝導磁石３５を収容する第２の真空容器３２のための真空排気装置３４とを着脱して分離することができる点にある。このため、超伝導磁石３５を収容する第２の真空容器３２を、第１の真空容器３１から分離した状態で、第１の真空容器３１及び収容されているイオン源電極４０を十分に加熱して脱ガスをすることができる。したがって、多価イオン発生のための第１の真空容器３１を短時間で極高真空とすることができる。例えば、誤って電子ビームをドリフトチューブ３６に当てたときには、多価イオン発生源３では、イオン源電極４０を収納した第１の真空容器３１のみ修理すればよい。
これにより、多価イオン発生源３においては、イオン源電極４０の真空立ち上げが短時間で済むので、操作性、保守性に優れた多価イオン発生源３となる。
【００３９】
試料台６は、その位置が制御できるように可動な試料台とすればよい。例えば、試料台６は、ＸＹＺステージなどを用いることができる。このＸＹＺステージ６は、電歪素子やステップモーターを用いることができる。
【００４０】
次に、上記（２）の点に関し、多価イオンビーム４が照射された試料５から発生する二次イオン７の検出を行う質量分析部８及び質量分析制御部１２について詳しく説明する。
質量分析部８において、試料５へパルス状の多価イオンビーム４が照射されると試料５の表面に存在する元素から二次イオン７及び二次電子９が発生する。発生した二次イオン７は、レンズ１４で集められ飛行管１５へ入射し、二次イオン７の質量等で決まる飛行時間を経て、二次イオン検出器１６に入射する。
【００４１】
一方、試料５に多価イオンビーム４が照射したときに発生する二次電子９は、二次電子検出部１０によって検出される。この場合、１個の多価イオンビーム４の照射により数十個から数百個の二次電子９が発生するので、照射された多価イオンビーム４の数を正確に計測できる。この二次電子検出部１０は、試料５へ１個の多価イオンビーム４が照射したときに発生する二次電子９を高感度で検出できる二次電子検出器１０Ａ等を用いることが好ましい。
【００４２】
図１に示す二次電子検出部１０は、入射する多価イオンビーム４の試料５へのビーム進行方向に対して垂直面内に配置され、上下方向の１個ずつ、つまり２個の二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂが配設されている。図示するように、二次電子検出部１０と試料５との間には、二次電子９を集めるためのレンズ作用を有するグリッド１０Ｃなどのレンズを備えてもよい。さらに、二次電子増倍のために二次電子検出器１０Ａ等に印加する電圧を外部に漏らさないようにシールド部をさらに設けてもよい。このシールド部は金属からなり、二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂを取り囲む形状とすればよい。
【００４３】
分析開始信号を多チャンネルアナライザ２０に送出する分析開始信号生成手段２１は、二次電子検出部１０からの出力が入力され、その測定データの処理を行う。一般に、二次電子信号は雑音が多いため誤計測をする可能性がある。二次電子検出部１０は、生じる雑音による計測誤差を無くすために、上記のように電気的に独立した複数の二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂを備えて構成することができる。
【００４４】
複数の二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂを備えた場合には、分析開始信号生成手段２１には、試料５から発生する複数の二次電子９の計測データが一致するか否かを判定する判定回路を設けることが好ましい。そして、複数の二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂの計測データが一致した場合に、正しい計測データであると判定すればよい。このように、多価イオンビーム４の照射では多数の二次電子９が放出されるため、少なくとも２個の二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂから得られた信号が一致したときのみ真の信号と見做すことで、正確なイオン数の計測が可能になる。
【００４５】
図６は、（Ａ）が分析開始信号生成手段２１の構成を示す模式図であり、（Ｂ）が分析開始信号生成手段２１で用いるＡＮＤ回路２４の真理値表を示す図である。
図６（Ａ）に示すように、分析開始信号生成手段２１は、判定回路として論理積演算を行うＡＮＤ回路２４等を備えている。その入力２４Ａ，２４Ｂには、２つの二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂの出力が接続されている。二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂの出力は図示しない増幅器によりＡＮＤ回路２４のハイレベル及びローレベルの信号を出力するように信号処理がされている。上記の二次電子検出器１０Ａとしては、二次電子９も検出できる所謂光電子増倍管を使用できる。このような電子増倍効果を有する二次電子検出器１０Ａとしては、複数のチャンネルトロンや複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートを用いることができる。
【００４６】
図６に示す二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂにおいては、多価イオン１個による二次電子９を検出したときには、ハイレベル、即ち１の信号をＡＮＤ回路２４に送出する。逆に、二次電子９を検出しない場合にはローレベル即ち０の信号をＡＮＤ回路２４に送出する。したがって、図６（Ｂ）のＡＮＤ回路２４の真理値表に示すように、ＡＮＤ回路２４においては、その２入力２４Ａ，２４Ｂが共に１の場合に出力２４Ｃが１となる。これ以外の入力の場合の出力２４Ｃは何れも０である。つまり、２つの二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂが共に、多価イオン１個による二次電子を検出したときには、ＡＮＤ回路２４は多価イオン１個が発生したと判断する。ＡＮＤ回路２４を用いた判定回路によれば、特に、試料５へ入射する多価イオンの強度が著しく弱い場合、例えば多価イオンのパルス周波数が１Ｈｚ又は１Ｈｚ以下の場合であっても多価イオンの発生を検出することができる。
【００４７】
なお、２入力ＡＮＤ回路２４を用いた判定回路について説明したが、精度を上げるために３入力以上の二次電子検出器を用いる場合には、二次電子検出器の数だけの入力を備えたＡＮＤ回路２４で行えばよい。これにより、複数の二次電子検出器の計測データが一致した場合に、多価イオンビーム４が照射されたという判定をすることができるので、雑音を除去して精度を高めることができる。
【００４８】
上記判定回路２４は、多価イオンのパルス周波数が１００Ｈｚ以上の場合には、二次電子検出部１０からの信号を、高速プリアンプで増幅し、この信号を時間弁別器（Ｔｉｍｉｎｇ Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ）を介して、多チャンネルアナライザ２０に入力する構成としてもよい。
【００４９】
本実施形態の表面分析装置１は以上のように構成されており、次にその動作について説明する。
多価イオン発生源３から発生した多価イオンビーム４が、試料５に照射される。この場合、試料５への多価イオンビーム４の照射位置は、可動な試料台６により位置制御がされている。
試料５の位置が決定された後、多価イオンビーム４が試料５に照射されると、試料５の所定位置に存在する原子に応じた二次イオン７が発生する。この場合に発生する二次電子９が二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂにより検出される。その有無が分析開始信号生成手段２１により判定される。したがって、分析開始信号生成手段２１のＡＮＤ回路２４の出力がハイレベルの場合が、試料５に多価イオンビーム４が照射された時間に対応する。
【００５０】
質量分析部８がＴＯＦ型の質量分析装置である場合には、質量分析制御部１２に入力されるＡＮＤ回路の出力２４Ｃがハイレベルとなった時刻が測定開始の時間となり、この信号を質量分析測定の開始信号と呼ぶことにする。
これにより、開始信号以降に得られるＴＯＦ型の質量分析部８における二次イオン検出器１６からの信号が、試料５から発生した二次イオン７の信号である。
次に、二次イオン７の信号検出が終了した時点で、二次イオン検出器１６から質量分析制御部１２へ、測定停止信号１６Ａが送出される。
したがって、上記開始信号から測定停止信号１６Ａまでの信号を解析することにより、試料５の所定位置に存在していた原子の質量分析を行うことができる。
【００５１】
本発明の表面分析装置１によれば、特に、１５価以上の多価イオンビーム４を用いることで、短時間に試料５から二次イオン７を発生させたり、スパッタリング効率を顕著に増加させたりすることができる。これにより、表面分析装置１によれば、１５価以上の多価イオンビーム４を試料５に照射することにより試料５から発生する二次イオン７の信号は、価数の４乗等のべき数に比例して増大するため、試料５の表面の分析を短時間で分析することができる。このため、表面清浄化を施した試料５の分析においても残留ガス等の再付着が起こらず高精度な分析を行うことができる。
【００５２】
本発明の表面分析装置１によれば、試料５の表面に１５価以上の多価イオンビーム４を照射することで、他手法では分析が困難であった所謂質量の小さいＨ＋等の元素を、高感度でかつ短時間で測定することができる。
【００５３】
また、試料５の位置決めを、ｎｍオーダーの分解能を有するＸＹＺステージ６により制御する場合には空間分解能を著しく高めることができる。したがって、表面分析装置１によれば、空間分解能が高く、微量な元素を高感度で、かつ、短時間で分析することができる。
【００５４】
上記の本発明の表面分析装置１においては、さらに、試料５の表面の観察するための観察装置を備えていてもよい。このような観察装置としては、電子線回折装置、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などが挙げられる。
【００５５】
本発明の表面分析装置１によれば、多チャンネルアナライザ２０の検出値からコンピュータ２２を用いた解析により種々の表面分析を行うことができる。
次に、表面分析方法の解析例について説明する。
（イ）１５価以上の多価イオンビーム４をパルスとして試料５に照射し、パルス毎の測定を所定の回数繰り返し行う。
（ロ）測定誤差を除去するために、上記（イ）の測定で取得した複数のデータをコンピュータ２２を用いて積算して、平均値が一定の値に収束した段階で多価イオンビーム４の照射を停止する。
上記の表面分析方法によれば、単元素からなる試料５の表面分析を短時間で行うことができる。
【００５６】
試料５が２つの元素Ａ，Ｂからなり、その原子比がｘ：ｙである場合の表面分析方法について説明する。この場合、試料５の化学式は、ＡｘＢｙである。
（イ）１５価の多価イオンビーム４をパルスとして試料５に照射し、パルス毎の測定を所定の回数繰り返し行う。
（ロ）測定誤差を除去するために、上記（イ）の測定で取得した複数のデータをコンピュータ２２を用いて積算して、平均値が一定の値に収束した段階で多価イオンビーム４の照射を停止する。
（ハ）１５価以上の多価イオンビーム４（価数＝１５＋ｎ）をパルスとして試料５に照射し、１回パルス毎の測定を所定の回数繰り返し行う。
（ニ）測定誤差を除去するために、上記繰り返し測定したデータをコンピュータ２２を用いて積算して、平均値が一定の値に収束した段階で多価イオンビーム４の照射を停止する。
（ホ）上記（ハ）及び（ニ）の測定を繰り返し行い、所定の多価数、例えば価数が５０までのデータを得る。
（へ）上記測定のデータから、構成元素Ａ及びＢの二次イオン７のカウント数と価数との関係を算出する。構成元素Ａ及びＢのカウント数の比（ｘ：ｙ）が得られる価数を求める。
（ト）上記（へ）のステップで構成元素Ａ及びＢのカウント数の比（ｘ：ｙ）が得られる価数を得た場合には、同じ組成の試料５を次回の測定の際には、この価数の多価イオンビーム４を照射すれば、化学量的組成が反映された表面分析を行うことができる。
なお、試料５が３つ以上の元素からなる場合にも、上記（イ）〜（ト）の測定において、さらに第３以上の元素Ｃ等の二次イオン７のカウント数と価数との関係を算出することにより表面分析ができる。
【００５７】
試料５が２つの元素Ａ，Ｂからなり、その組成が不明である場合の表面分析方法について説明する。
上記の原子比（ｘ：ｙ）が判明している試料５を標準試料とする。２つの元素Ａ，Ｂからなり、その組成が不明である試料５に対して、標準試料の化学量的組成が反映された分析ができる価数を有する多価イオンビーム４を照射し、上記（イ）及び（ロ）の測定を行い、元素Ａ，Ｂのカウント数を得る。得られた元素Ａ，Ｂのカウント数を、それぞれ、ｎａ、ｎｂとする。この元素Ａ，Ｂのカウント数ｎａ，ｎｂを、標準試料のカウント数を基準として比較することで、組成の不明な試料５の組成を求めることができる。
ここで、試料５が３つ以上の元素からなる場合にも、上記測定において、さらに第３以上の元素Ｃ等の二次イオン７のカウント数と標準試料のカウント数との関係を算出することにより表面分析ができる。
【００５８】
表面分析装置１においては、多価イオン発生源３と試料５との間に、さらに減速レンズを設けてもよい。減速レンズを設けることで、多価イオン発生源３から入射する多価イオンビーム４の加速電圧を制御することができる。この多価イオンビーム４が種々の多価イオンを含む場合には、所望の多価イオンを選択するために、さらに、イオン分離器を設けてもよい。イオン分離器としては、分析磁石（偏向磁石）や磁場及び電場によるウィーンフィルターなどを用いることができる。
【００５９】
表面分析装置１においては、多価イオン発生源３と試料５との間に、さらに多価イオンガイド２６を設けてもよい。
図７は、図１に示した多価イオンガイド２６の先端部の構成を模式的に示す断面図である。多価イオンガイド２６においては、その一端２６Ａに多価イオンビーム４を入射し、他端２６Ｂから多価イオンビーム４を出射する。つまり、多価イオンビーム４が、試料５を載置する試料台６に導くためのガイドとなっている。そして、多価イオンガイドの他端側２６Ｂの先端部２６Ｃが、直径がおおよそ１００ｎｍ以下程度の開口部を有する、所謂キャピラリー構造となっている。この多価イオンガイド２６は、好ましくは絶縁体からなり、例えばセラミックや石英ガラスを用いることができる。このようなキャピラリーは、例えば石英の細管を加熱溶融し、溶融状態にて引き伸ばし加工を行うことで製作することができる。
【００６０】
多価イオンビーム４が多価イオンガイド２６に入射すると、多価イオンガイド２６の内壁が帯電する。このために、多価イオンビーム４は多価イオンガイド２６の内壁から反発されて、多価イオンガイド２６の中心部を通過し、キャピラリー構造となっている先端部２６Ｃから試料５に入射する。これにより、多価イオンビーム４は、多価イオンガイドの先端部２６Ｃでそのビーム径が絞られ、即ち、収束して試料５に入射する。
【００６１】
（分析例１）
以下、本発明の表面分析装置１による分析例について説明する。
試料５となるＳｉ（シリコン）の（１００）表面を１２００℃で５秒間の加熱を３回行った後、表面に５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を、加速電圧を３ｋｅＶで照射した。二次電子検出器１０Ａ，１０Ｂとしてはチャンネルトロンを用いた。さらに、試料５に照射される多価イオンビーム４を計測するために、試料５の裏面側に別のチャンネルトロンを配置した。
図８は、分析例１のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。図８において、横軸は飛行時間（ｎｓ）を、縦軸は検出した二次イオン７のカウント数を示している。図８から明らかなように、Ｓｉ表面からはＨ＋，Ｈ２＋，Ｏ＋，Ｏ２＋，Ｓｉ＋，Ｓｉ２＋，Ｓｉ３＋，Ｓｉ４＋，Ｓｉ２＋，ＳｉＯ＋の各イオンが検出されていることが分かる。
【００６２】
（分析例２）
Ｓｉ（シリコン）の（１００）表面を、所謂白木法によりウエット処理をし、９００℃で３分間のアニールを施した。この試料５の表面に５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を、分析例１と同じ条件で照射した。
図９に分析例２のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す。図９の横軸及び縦軸は図８と同じである。図９から明らかなように、Ｓｉ表面からはＨ＋，Ｈ２＋，Ｏ＋，Ｏ２＋，Ｓｉ＋，Ｓｉ２＋，Ｓｉ３＋，Ｓｉ４＋，Ｓｉ２＋，ＳｉＯ＋の各イオンが検出されていることが分かる。
【００６３】
（分析例３）
試料５となるＳｉ（シリコン）の（１００）表面を１２００℃で１２時間加熱して表面清浄化を行った後、表面に５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を、分析例１と同じ条件で照射した。
図１０に分析例３のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す。図１０の横軸及び縦軸は図８と同じである。図１０から明らかなように、Ｓｉ表面からはＨ＋，Ｈ２＋，Ｓｉ＋，Ｓｉ２＋，Ｓｉ３＋，Ｓｉ４＋，Ｓｉ２＋の各イオンが検出されていることが分かる。
【００６４】
（分析例１〜３の比較）
分析例１及び分析例２のＳｉ表面から検出される二次イオン７は、その種類が同じであることが分かる。また、検出されたＨ＋イオンのカウント数もほぼ同じ位である。
一方、分析例３の試料５からは、分析例１及び分析例２で検出されたＯ＋，Ｏ２＋，ＳｉＯ＋が検出されないことが分かる。また、検出されたＨ＋イオンのカウント数は、分析例１及び分析例２よりもほぼ１桁小さいことが分かる。これらの結果から、分析例３の場合には、Ｓｉの表面における水素の量が非常に少ないことが分かる。
【００６５】
（分析例４）
試料５となるＳｉの（１００）表面を１２００℃で１２時間加熱して表面清浄化を行った後、表面に５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を、分析例１と同じ条件で照射した。
図１１に分析例４のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す。図１１は、Ｓｉ（１００）表面をアニールした後１０分及び４５分経過したときのプロファイルを示しており、横軸及び縦軸は図８と同じである。
図１１から明らかなように、Ｓｉ表面からはＨ＋，Ｈ２＋，Ｓｉ＋，Ｓｉ２＋，Ｓｉ３＋の各イオンが検出され、特に４５分経過後では、Ｈ＋のカウント数が著しく増大していることが分かる。
【００６６】
図１１の挿入図は、アニール後のＨ＋イオンのイールドの時間依存性を示す図である。図の横軸はアニール後の経過時間（分）を示し、縦軸はＨ＋イオンのイールドを示している。この挿入図から、アニール直後ではＨ＋イオンは殆ど検出されないことが分かり、１０分，２０分，３０分，４０分，４５分経過後にはＨ＋イオンが検出され、しかも、イールドは経過時間と共に増加することが分かる。
分析例４の結果によれば、Ｓｉ表面の清浄化処理直後からの経過時間と共に水素が増大していく様子を観察することができた。
【００６７】
分析例４に示すように、長時間の測定時間を要する従来技術では、分析が困難であった試料５となるＳｉ表面に形成した清浄表面を正確に評価できることが判明した。
【００６８】
（分析例５）
試料５となるＳｉ（シリコン）の（１１１）表面を１２００℃で５秒間の加熱を３回行った後、表面へ２９価，３４価，３８価，４４価，５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を、加速電圧１７５ｋｅＶで照射した。
図１２は、分析例５において、２９価のＸｅイオン（Ｘｅ２９＋）及び５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を照射したときのＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。図１２において、横軸は飛行時間（ｎｓ）を、縦軸は検出した二次イオン７のカウント数を示している。
図１２から明らかなように、２９価のＸｅイオン（Ｘｅ２９＋）の照射によりＳｉ表面からＨ＋，Ｓｉ３＋，Ｓｉ２＋，Ｓｉ＋の各イオンが検出されていることが分かる。５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）の照射によりＳｉ表面から検出されるイオンは、２９価のＸｅイオン（Ｘｅ２９＋）の照射により検出されたイオンの他に、さらに、Ｈ２＋，Ｓｉ４＋が検出され、しかも検出されたイオンのカウント数が多いことが分かる。
【００６９】
図１３は、分析例５において検出したＨ＋イオン及びＳｉ＋イオンのスパッタリングイールドの価数依存性を示す図である。図１３において、横軸は照射したＸｅイオンの価数を示し、縦軸はＨ＋イオン及びＳｉ＋イオンのスパッタリングイールドを示している。
図１３から明らかなように、Ｈ＋イオンのスパッタリングイールドは、価数ｑに対して、４．１乗、つまり、ｑ４．１で増加していることが分かる。同様に、Ｓｉ＋イオンのスパッタリングイールドは、価数ｑに対して、１．５乗、つまりｑ１．５で増加することが分かった。
【００７０】
（分析例６）
試料５となるＳｉＯ２の表面へ１５価から５０価まで５価ずつ増加させた種々の価数のＩイオン（Ｉ１５＋，Ｉ２０＋，Ｉ２５＋，Ｉ３０＋，Ｉ３５＋，Ｉ４０＋，Ｉ４５＋，Ｉ５０＋）を加速電圧１７５ｋｅＶで照射した。
図１４は、分析例６において、１５価のＩイオン（Ｉ１５＋）及び５０価のＩイオン（Ｉ５０＋）を照射したときのＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。図１４において、横軸は飛行時間（ｎｓ）を、縦軸は検出した二次イオン７のカウント数を示している。
図１４から明らかなように、１５価のＩイオン（Ｉ１５＋）照射ではＳｉ表面からＨ＋，Ｓｉ＋の各イオンが検出されていることが分かる。５０価のＩイオン（Ｉ５０＋）の照射によりＳｉ表面から検出されるイオンは、１５価のＩイオン（Ｉ２９＋）の照射により検出されたイオン（Ｈ＋，Ｓｉ＋）の他に、さらに、Ｏ＋，Ｏ２＋，ＳｉＯ＋が検出され、しかも検出された各イオンのカウント数が多いことが分かる。
【００７１】
分析例６における多価イオンによるＳｉＯ２膜の表面分析の場合には、酸素が陽イオンとして検出されている点が多価イオンによる表面分析の特徴である。これに対して、１価イオンを照射源とする従来のＳＩＭＳ分析の場合には、酸素が陰イオンとして検出されていた。
【００７２】
図１５は、分析例６において検出したＳｉ＋イオン及びＯ＋イオンのスパッタリングイールドの価数依存性を示す図である。図１５において、横軸は照射したＩイオンの価数を、縦軸はＳｉ＋イオン及びＯ＋イオンのスパッタリングイールドを示している。
図１５から明らかなように、Ｓｉ＋イオンのスパッタリングイールドは、価数ｑに対してほぼ比例して増加していることが分かる。
一方、Ｏ＋イオンのスパッタリングイールドは、価数ｑに対して２．５乗、つまりｑ2.5で増加することが分かった。価数が３５価よりも大きい場合（ｑ＞３５）では、Ｏ＋イオンのイールドがＳｉ＋イオンのイールドよりも大きくなることが判明した。従って、価数が５０価（Ｉ５０＋）の場合には、Ｏ＋のスパッタリングイールドは、Ｓｉ＋のスパッタリングイールドの約２倍であり、ＳｉＯ２の化学量論的組成を反映した二次イオン７の収率となっていることが判明した。
【００７３】
（分析例７）
試料５をＳｉＯ２からＴｉＯ２とした以外は、分析例６と同様に１５価から５０価まで５価ずつに増加させた種々の価数のＩイオン（Ｉ１５＋，Ｉ２０＋，Ｉ２５＋，Ｉ３０＋，Ｉ３５＋，Ｉ４０＋，Ｉ４５＋，Ｉ５０＋）を、加速電圧１７５ｋｅＶで照射した。試料５がＴｉＯ２の場合には、価数が２５価以上でＴｉ＋やＯ＋のイオン信号が得られた。
図１６は、分析例７において検出したＴｉ＋イオン及びＯ＋イオンのスパッタリングイールドの価数依存性を示す図である。図１６において、横軸は照射したＩイオンの価数を、縦軸はＴｉ＋イオン及びＯ＋イオンのスパッタリングイールドを示している。
図１６から明らかなように、Ｔｉ＋イオンのスパッタリングイールドは、価数ｑが３０以上ではほぼ比例して増加していることが分かる。
一方、Ｏ＋イオンのスパッタリングイールドは、価数ｑに対して４乗、つまりｑ４で増加することが分かった。価数が３５価よりも大きい場合（ｑ＞３５）では、Ｏ＋イオンのイールドがＴｉ＋イオンのイールドよりも大きくなることが判明した。従って、価数が５０価（Ｉ５０＋）の場合には、Ｏ＋のスパッタリングイールドは、Ｔｉ＋のスパッタリングイールドの約２倍であり、ＴｉＯ２の化学量論的組成を反映した二次イオン７の収率となっていること判明した。
【００７４】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態において、多価イオンガイド２６の形状や真空容器２の構造や付属させる観察機器の構成などは、試料５に応じて適宜変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明による多価イオンを用いた表面分析装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】多価イオン発生源の構成例を模式的に示す断面図である。
【図３】図２に示す電子源の構成を模式的に示す拡大断面図である。
【図４】固体のイオン源を有する多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】多価イオン発生源に印加される電源を説明するための模式的なブロック図である。
【図６】（Ａ）は分析開始信号生成手段の構成を示す模式図、（Ｂ）は分析開始信号生成手段で用いるＡＮＤ回路の真理値表を示す図である。
【図７】図１に示した多価イオンガイドの先端部の構成の模式的断面図である。
【図８】分析例１のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。
【図９】分析例２のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。
【図１０】分析例３のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。
【図１１】分析例４のＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。
【図１２】分析例５において、２９価のＸｅイオン（Ｘｅ２９＋）及び５０価のＸｅイオン（Ｘｅ５０＋）を照射したときのＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。
【図１３】分析例５において検出したＨ＋イオン及びＳｉ＋イオンのスパッタリングイールドの価数依存性を示す図である。
【図１４】分析例６において、１５価のＩイオン（Ｉ１５＋）及び５０価のＩイオン（Ｉ５０＋）を照射したときのＴＯＦ−ＳＩＭＳによるプロファイルを示す図である。
【図１５】分析例６において検出したＳｉ＋イオン及びＯ＋イオンのスパッタリングイールドの価数依存性を示す図である。
【図１６】分析例７において検出したＴｉ＋イオン及びＯ＋イオンのスパッタリングイールドの価数依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１：表面分析装置
２：真空容器
３：多価イオン発生源
４：多価イオンビーム
５：試料
６：試料台
７：二次イオン
８：質量分析部
９：二次電子
１０：二次電子検出部
１０Ａ，１０Ｂ：二次電子検出器
１０Ｃ：グリッド
１２：質量分析制御部
１４：レンズ
１５：飛行管
１６：二次イオン検出器
１６Ａ：測定停止信号
２０：多チャンネルアナライザ
２１：分析開始信号生成手段
２２：コンピュータ
２４：ＡＮＤ回路
２４Ａ，２４Ｂ：入力
２４Ｃ：出力
２６：多価イオンガイド
２６Ｃ：先端部
３１：第１の真空容器
３１ａ：超高真空用フランジ
３１ｂ：支持部
３２：第２の真空容器
３３：第１の真空容器の真空排気装置
３４：第２の真空容器の真空排気装置
３５：超伝導磁石
３５ａ：第１のコイル
３５ｂ：第２のコイル
３６：ドリフトチューブ
３７，４４：磁気シールド部
４０：イオン源電極
４１：電子源
４１ａ：フィラメント（カソード）電極
４１ｂ：フォーカス電極
４１ｃ：アノード電極
４１ｄ：スノート電極
４１ｅ：絶縁碍子
４２：コレクタ
４３：バッキングコイル
４６：気体イオン導入手段
４６ａ：気体源
４６ｂ：流量調整部
４６ｃ；配管部
４８：固体イオン導入手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を搭載する試料台と、
上記試料台に搭載された試料に価数が１５以上の多価イオンビームを照射する多価イオン発生源と、
上記試料に多価イオンビームが照射されることにより生じる二次イオンを検出する質量分析部と、
上記試料に多価イオンビームが照射されることにより生じる二次電子を検出する二次電子検出部と、
上記二次電子検出部からの二次電子検出信号を受けて分析開始信号を生成し上記質量分析部へ送信する質量分析制御部を、備えた、表面分析装置。
【請求項２】
前記二次電子検出部は、電気的に独立した複数の二次電子検出器を有する、請求項１に記載の表面分析装置。
【請求項３】
前記二次電子検出器は、複数のチャンネルトロン又は複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートからなる、請求項２に記載の表面分析装置。
【請求項４】
前記多価イオン発生源は、一端に前記多価イオン発生源からの多価イオンビームが入射され他端から前記多価イオンビームが出射される多価イオンガイドを備えており、該多価イオンガイドの他端部はキャピラリー構造である、請求項１に記載の表面分析装置。
【請求項５】
多価イオンビームを１５価以上の価数で変化させて試料へ照射し、
上記試料表面の特定の元素から生じる二次イオンのカウント数と価数との関係を算出して、上記特定の元素に対する多価イオンビームの価数を決定する、表面分析方法。
【請求項６】
前記試料が２以上の構成元素からなり、各構成元素から生じる二次イオンのカウント数と価数との関係を算出し、各構成元素の組成比を与える多価イオンの価数を決定する、請求項５に記載の表面分析方法。
【請求項１】
試料を搭載する試料台と、
上記試料台に搭載された試料に価数が１５以上の多価イオンビームを照射する多価イオン発生源と、
上記試料に多価イオンビームが照射されることにより生じる二次イオンを検出する質量分析部と、
上記試料に多価イオンビームが照射されることにより生じる二次電子を検出する二次電子検出部と、
上記二次電子検出部からの二次電子検出信号を受けて分析開始信号を生成し上記質量分析部へ送信する質量分析制御部を、備えた、表面分析装置。
【請求項２】
前記二次電子検出部は、電気的に独立した複数の二次電子検出器を有する、請求項１に記載の表面分析装置。
【請求項３】
前記二次電子検出器は、複数のチャンネルトロン又は複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートからなる、請求項２に記載の表面分析装置。
【請求項４】
前記多価イオン発生源は、一端に前記多価イオン発生源からの多価イオンビームが入射され他端から前記多価イオンビームが出射される多価イオンガイドを備えており、該多価イオンガイドの他端部はキャピラリー構造である、請求項１に記載の表面分析装置。
【請求項５】
多価イオンビームを１５価以上の価数で変化させて試料へ照射し、
上記試料表面の特定の元素から生じる二次イオンのカウント数と価数との関係を算出して、上記特定の元素に対する多価イオンビームの価数を決定する、表面分析方法。
【請求項６】
前記試料が２以上の構成元素からなり、各構成元素から生じる二次イオンのカウント数と価数との関係を算出し、各構成元素の組成比を与える多価イオンの価数を決定する、請求項５に記載の表面分析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−２５０９０３（Ｐ２００９−２５０９０３Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０１９８４（Ｐ２００８−１０１９８４）
【出願日】平成２０年４月９日（２００８．４．９）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（５０４１３３１１０）国立大学法人電気通信大学 (383)
【出願人】（５０４１５０４５０）国立大学法人神戸大学 (421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月９日（２００８．４．９）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（５０４１３３１１０）国立大学法人電気通信大学 (383)
【出願人】（５０４１５０４５０）国立大学法人神戸大学 (421)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]