JPS583588B2 - イオン↓−電子複合分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は試料の状態分析（化合物状態）と元素分析と
を同一装置内で同時に行なえるようにしたイオンー電子
複合分析装置に関するものである。

一般に、物質を構成する各元素並びに原子等の定性、定
量分析や原子、分子等の結合状態の解析を行なうために
は、これらに関してあらゆる角度からその情報を得るこ
とが必要である。

例えば、走査形電子顕微鏡の如く物質の拡大像と共にそ
のＸ線分析をも可能ならしめる如く、物質の解明に当っ
て最近特に多種にわたる情報を得ることのできるような
装置が要望されてきている。

元素分析装置として従来よりよく使用されているものに
イオンマイクロアナライザー（以下これをＩＭＡと略称
する）がある。

これは真空中で試料表面にイオンビームを照射した時、
試料から発生する試料原子に基づく２次イオンを通常の
質量分析計を用いて質量・電荷比にわけて検出すること
により、試料の元素分析を行なう装置である。

しかし、■ＭＡを用いる分析は微視的な見方をすれば破
壊分析である。

すなわち、１次イオンビームの照射によって試料表面に
スパツタ現象が伴ない、時間と共にその試料は深さ方向
に削られていくからである。

これは試料の深さ方向の元素分析を行ない得るので大変
便利である反面、試料表面から深さ方向の結合状態分析
（化合物状態分析）を同一場所で行なえない欠点もある
。

つまり、ある試料の表面部分を分析しようとする場合、
その表面部分を構成する元素が何と例であるのかと同時
に、それらの元素がどのような結合をしているかを知る
必要がある。

この結合状態を分析する装置として、電子回折像による
分析装置が従来より使用されている。

これは真空中で試料表面に電子ビームを照射した時、試
料中で反射される反射電子を蛍光板等によって受けて、
電子回折パターンを形成させ、このバタン情報より試料
中の結合状態を分析する装置である。

ＩＭＡと電子回折分析装置とを交互に使用することによ
って、試料の表面から深さ方向への元素分析と結合状態
分析とを同一試料について行なうことが可能となる。

しかしながら、上記した分析を各独立の装置で行なうこ
とにすると１つの試料についての分析手数が増加し、分
析作業が著るしく繁雑なものとなる上、試料を１つの分
析装置から他の分析装置へ移しかえる時の位置合せが極
めて困難となる。

さらにその間に試料表面が大気と接触するため、試料表
面状態が変化してしまう恐れがある。

従って、この発明の目的は１つの装置によって試料の同
一点に電子線とイオンビームとを同時に照射でき、その
表面からの反射電子と２次イオンとを分析することによ
り表面から深さ方向への連続的な元素分析とその間にお
ける結合状態の変化を知ることができる新規かつ独自な
複合分析装置を提供することにある。

上記この発明の目的を達成するために、この発明ではＩ
ＭＡと電子回折分析装置とを同一装置内に構成し、しか
も電子線とイオンビームとを同一荷電粒子源から同時に
取り出して試料面に同時照射できる構成としている。

このような構成とすることにより、（１）イオン、電子
ビームの同一場所同時照射ができるので元素分析と状態
分析とが同時に行える、（２）イオンビームのエッチン
グ作用を利用して、表面より深さ方向への結合状態変化
およびその元素分布を動的に観察できる等の効果が得ら
れる。

以下、この発明を図面によって詳細に説明する。

第１図はこの発明に基づくイオンー電子複合分析装置の
基本的構成を示す図である。

同図において、荷電粒子源１はプラズマを利用したイオ
ン源、例えばデュオプラズマトロン形イオン銃であり、
ガス、例えば酸素ガスの雰囲気中で放電を行なわせるこ
とにより生起されるプラズマに外部より引出し電界とし
て負電圧を印加することにより、上記プラズマ中から負
イオン、例えば負の酸素イオンと電子ビームとを同時に
取り出すように構成されている。

このようにして取り出された負イオン並びに電子ビーム
４は静電レンズ２，３により細束化、平行ビーム化され
て試料６の表面に照射される。

偏向電極１１は試料６の任意場所にビーム４を偏向させ
るためのものである。

また、絞り１６は平行度の良い近軸ビームのみを通過さ
せるためのものである。

ここで、一次イオンと一次電子は同じ引出し電圧で同じ
静電レンズ２，３を通過するので、それぞれ同じ運動エ
ネルギーを持っている。

従って、静電レンズ２，３による焦点距離および偏向電
極１７による電場偏向距離はそれぞれの質量に対して無
関係であるので、一次イオンも一次電子も同じ位置に焦
点を結び、同じ距離だけ偏向される。

イオンビームおよび電子ビーム４の照射を受けた試料６
からは、２次イオン１９、反射電子１０がそれぞれ放出
される。

２次イオン１９は２次インオン引出し系１８を通過後、
セクタ電場７、セクタ磁場８および検出系９から構成さ
れる質量分析計によって質量荷電比に応じて分離され、
質量分析される。

その結果、試料を構成している元素の種類を知ることが
できる。

なお、質量分析計としてはセクタ電場７、セクタ磁場８
を備えた二重収束形質量分析計、セクタ磁場８のみを備
えた単収束形質量分析計、高周波電界を利用したマスフ
ィルタ等であってもよいことはもちろんである。

一方、反射電子１０は表面に蛍光体１３を塗布した蛍光
板１４により可視光に変換され、電子回折像としてガラ
ス窓１１を通してカメラ１２により撮影される。

この電子回折像から試料を構成している元素の結合状態
（化合物状態）を知ることができる。

なお、装置の主要部分は真空容器５の中に入れられ、真
空排気系１５により排気される。

また、必要に応じて上述した電場偏向電極１１に磁場偏
向電極等を付加することなどによって電子ビームとイオ
ンビームとを分離して照射することもできるし、走査機
能を持たせることも可能である。

従って、この発明による装置の使用法として、イオンビ
ームと電子ビームとを同時に使用する他に、各々単独で
も使用できるので必要に応じて使い分けることができる
。

さらに、イオンと電子とを同時に同一場所に照射しても
、どちらか一方の出力を無視して、他方の出力のみを利
用するような使い方もできることは云うまでもない。

実施例１ この発明による装置を使用して、鉄鋼中に偏析している
化合物の解析を行なった。

鉄鋼におけるぜい性などの物理的性質は、主としてその
中の不純物の偏析などに負うところが太きい。

鏡面研磨した鉄鋼試料表面に電子ビームとイオンビーム
を照射する。

試料からの２次イオンを分析した結果、マンガンの偏析
があることが判明した。

２次イオン分析だけではマンガンの存在量はわかるが、
マンガンの起源すなわち親分子が何であるかは解明でき
ない。

従って、同時に照射した電子ビームによる試料からの反
射電子の電子回折像を分析することによって、その起源
がＭｎＳであることが明らかになった。

以上の結果、２次イオンの分析により元素分析を行ない
、反射電子の回折像の分析により結合状態の解析を行な
うことにより、従来困難とされていた元素分析と結晶解
析とを同一分析点について同時に実施できる。

また、イオンのエッチング作用を利用することにより深
さ方向の元素分析および結晶構造をダイナミックに観測
することが可能になった。

実施例２ この発明による装置を使用して、酸化チタン（ＴｉＯｘ
）透明導電性薄膜の解析を行なった。

従来より、酸化スズ（ＳｎＯ２）系の透明導電性薄膜が
広く利用されているが、この場合、導電膜を生成させる
時、下地を４００℃以上の高温に保つ必要があり、下地
材料に制限があった。

この欠点を除くために常温における透明導電性膜の生成
法が要望されている。

このような観点により、下地上にチタンを蒸着し、表面
の酸化法として酸素プラズマ中にさらし、強制酸化させ
て透明導電性膜が生成されている。

このようにして作られた薄膜は９０％の透明度に対して
表面抵抗として５０Ω／ｓｑ程度の低い抵抗をもつこと
および下地との付着力が著るしく高いなどのすぐれた性
質をもっている。

しかし、このような性質を示す物性的な裏付けが、現在
の技術では解明できず常に同一特性をもつ膜の生成が困
難であった。

そこで、試料表面に電子ビームとイオンビームを照射し
て、試料からの２次イオンを質量分析したところ、Ｔｉ
＋，０＋イオンが主成分であり、Ｃｕ＋，Ｆｅ＋，Ｃｒ
＋などが不純物元素として混入していることが明らかに
なった。

この結果より、少なくとも、試料表面にはＴｉＯｘ膜が
生成されていることがわかる。

しかし、生成膜がＴｉＯかＴｉＯ２かについては不明で
あり、また結晶構造に関する情報も得られない。

従って、下地との付着性が強い原因についても解明でき
ない。

次に、同時に照射した電子ビームによる試料からの反射
電子の電子回折像を分析した。

その結果、電子回折パターンは強度の弱いリングパター
ンと一方向に並んだ強度の強い斑点が現われていること
が観察された。

このパターンを解析した結果、生成膜はＴｉＯ２，Ｔｉ
Ｏ，Ｔｉの混合物より生成されており、Ｔ１０２はルチ
ル結晶から成っており、かつａ，ｂ軸がアットランダム
にＣ軸が表面に垂直に立った微結晶から構成されている
ことが明らかになった。

以上述べたように、この発明によって２次イオン分析と
電子回折分析とを複合化させたことにより、固体表面の
元素分析と状態分析（結晶状態）とが同一場所で同時に
出来るようになった。

従って、従来不可能または困難とされていた固体表面の
総合特性を解明することが可能となり、工業上大きな利
益がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるイオンー電子複合分析装置の基
本構成を示す図である。 １・・・・・・荷電粒子源、２，３・・・・・・静電レ
ンズ、６・・・・・・試料、７・・・・・・セクタ電場
、８・・・・・・セクタ磁場、９・・・・・・検出系、
１１・・・・・・ガラス窓、１２・・・・・・カメラ、
１３・・・・・・蛍光体、１４・・・・・・蛍光板、１
５・・・・・・真空排気系、１６・・・・・・絞り、１
７・・・・・・偏向電極、１８・・・・・・２次イオン
引出し系。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空中において同一荷電粒子源から１次電子線と負
   の１次イオン線とを同時に取り出して両者を試料上に同
   時に照射せしめる手段と、上記の１次電子線の照射によ
   って上記試料から反射される反射電子の電子回折像を形
   成せしめる手段と、上記の負の１次イオン線の照射によ
   って上記試料から発生する２次イオンを質量分析する手
   段とを備えたことを特徴とするイオンー電子複合分析装
   置。 ２ 上記照射手段が電子線と負イオン線とを同時に放射
   するデュオプラズマトロン形イオン銃と、上記銃によっ
   て放射された上記画線を細束化及び平行化する静電レン
   ズと、上記レンズを通過した上記画線を上記試料の任意
   の場所に偏向する偏向電極とよりなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のイオンー電子複合分析装置
   。