JP2012099221A

JP2012099221A - Gas cluster ion beam gun, surface analysis device and surface analytical method

Info

Publication number: JP2012099221A
Application number: JP2010243167A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Kunibe; 利寿国部
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: JP5583550B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a GCIB gun capable of emitting GCIB with a short pulse width short enough to be used for primary ions of TOF-SIMS.SOLUTION: A GCIB gun is provided with a primary shutter unit 41 for making GCIB emitted from an ionization chamber 30 pass only for a predetermined time and a selecting unit 59 for removing the GCIB outside a predetermined mass range of the GCIB passing the primary shutter unit 41. The selecting unit 59 has primary and secondary mirror electrodes 51a, 52a for reflecting GCIB alternately and moving the GCIB back and forth and a secondary shutter unit 53 disposed between the primary and secondary mirror electrodes 51a, 52a and for making the GCIB within the predetermined mass range pass only for a predetermined time, and the GCIB within the mass range is emitted from the selecting unit 59.

Description

本発明は、ガスクラスターイオンビーム銃（本発明では「ＧＣＩＢ銃」と呼ぶ）に関し、特にガスクラスターイオンビーム（本発明では「ＧＣＩＢ」と呼ぶ）を飛行時間型二次イオン質量分析（本発明では「ＴＯＦ−ＳＩＭＳ」と呼ぶ）の一次イオンビームに使用する技術に関する。 The present invention relates to a gas cluster ion beam gun (referred to as “GCIB gun” in the present invention), and in particular, to a gas cluster ion beam (referred to as “GCIB” in the present invention) for time-of-flight secondary ion mass spectrometry (in the present invention). The present invention relates to a technique used for a primary ion beam (referred to as “TOF-SIMS”).

ＴＯＦ−ＳＩＭＳは、イオン源から数１０ｋｅＶの加速エネルギーで引き出された一次イオンを試料に照射し、試料から生成された二次イオンの質量を飛行時間に従って同定し、試料表面の原子・分子組成を明らかにする表面分析方法である。また試料表面を極細の液体金属イオンビームを用いて二次元スキャンすることによって、質量の二次元分布が数μｍ以下の空間分解能で得られる。一次イオンには従来ＧａイオンやＡｕイオンが使用されていたが、最近では有機物に対する二次イオン収率の増大が得られるためＢｉイオンやＣ６０イオンが使用され始めている。 TOF-SIMS irradiates a sample with primary ions extracted from an ion source with acceleration energy of several tens of keV, identifies the mass of secondary ions generated from the sample according to the time of flight, and determines the atomic and molecular composition of the sample surface. It is a surface analysis method to clarify. Further, a two-dimensional distribution of mass can be obtained with a spatial resolution of several μm or less by two-dimensionally scanning the sample surface using an ultrafine liquid metal ion beam. Conventionally, Ga ions and Au ions have been used as primary ions, but recently, Bi ions and C60 ions have begun to be used because of the increase in secondary ion yield relative to organic matter.

一方、これらの従来のイオンビームに較べて数百個から数千個の原子・分子からなるＧＣＩＢは一個当たりのエネルギーが数ｅＶ以下のため、高分子試料をフラグメントに分解することが少なく、従来のイオンビームでは難しかった分子イオンの検出が期待できる。また二次イオン収量が大きいため感度向上が期待できる。これらのことから、ＧＣＩＢを一次イオンとして用いることができればＴＯＦ−ＳＩＭＳの応用範囲は拡大すると考えられる。
しかしながら、一次イオンビームとしてＧＣＩＢを従来の液体金属イオンに置き換えて使用しようとすると次のような問題点が生じる。 On the other hand, as compared with these conventional ion beams, GCIB composed of hundreds to thousands of atoms / molecules has energy of several eV or less, so that a polymer sample is hardly decomposed into fragments. It can be expected to detect molecular ions, which was difficult with this ion beam. Moreover, since the secondary ion yield is large, an improvement in sensitivity can be expected. From these things, if GCIB can be used as a primary ion, it is thought that the application range of TOF-SIMS expands.
However, if GCIB is used as a primary ion beam in place of conventional liquid metal ions, the following problems occur.

第一に、ＧＣＩＢは数１０〜数１０００の広いサイズ（クラスターイオン１個あたりの原子・分子の数）分布を有するために、一定エネルギーで加速されたＧＣＩＢはサイズによって速度が異なり、試料までのドリフト空間を走行中にパルス幅が広がり、従来のイオンビームのように数ｎｓｅｃ以下の短いイオンパケットを生成することが困難であった。例えばビームエネルギー５ｋｅＶのときサイズ２０００と２２００のイオンでは１０ｃｍ走行すると１．４１μｓｅｃの時間差が生じてしまう。 First, since GCIB has a wide size distribution (number of atoms / molecules per cluster ion) of several tens to several thousands, the speed of GCIB accelerated by a constant energy varies depending on the size. The pulse width is widened while traveling in the drift space, and it has been difficult to generate a short ion packet of several nsec or less like a conventional ion beam. For example, when the beam energy is 5 keV and the ions of size 2000 and 2200 travel 10 cm, a time difference of 1.41 μsec occurs.

従ってＧＣＩＢのサイズ選別を高分解能で行うことが求められている。特許文献１乃至特許文献３にはイオンビームの質量選別技術が開示されているが、いずれもＴＯＦ−ＳＩＭＳに使用するにはサイズ選別の分解能が不足しており、さらに定常ビームとして使用することが前提になっているため、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ用ＧＣＩＢのサイズ選別の課題を解決することはできなかった。 Therefore, it is required to perform GCIB size selection with high resolution. Patent Documents 1 to 3 disclose ion beam mass sorting techniques, but all of them lack resolution for size sorting to be used for TOF-SIMS, and can be used as a stationary beam. Since it is a premise, the problem of size selection of GCIB for TOF-SIMS could not be solved.

第二に、ＧＣＩＢは分子量が大きく速度が遅いため、横型ゲートによって連続イオンビームをパルス幅の短いイオンパケットに生成する場合、偏向電場を通過するのに無視できない時間を要し、パルス幅が長くなるという欠点があった。 Second, since GCIB has a large molecular weight and a low speed, when a continuous ion beam is generated by a lateral gate into an ion packet with a short pulse width, it takes a nonnegligible time to pass through the deflection electric field, and the pulse width is long. There was a drawback of becoming.

例えば５ｋｅＶのエネルギーを有するＡｒのクラスターサイズ２０００（質量数８００００）のイオンが２ｍｍの有効偏向電場領域を通過するのに要する時間は５７６ｎｓｅｃである。従って横型ゲートの偏向電極にはパルス幅２８８ｎｓｅｃ以上の電圧パルスを印加しなければならない。 For example, the time required for ions of Ar having a cluster size of 2000 (mass number 80000) having an energy of 5 keV to pass through a 2 mm effective deflection electric field region is 576 nsec. Therefore, a voltage pulse having a pulse width of 288 nsec or more must be applied to the deflection electrode of the horizontal gate.

イオンパケットのパルス幅を短くするためには偏向電場のビーム進行方向（軸方向）長さを極端に短くする必要があるが、イオンビームをＯＮ／ＯＦＦするための偏向角を十分に得るためには、偏向電場の軸方向長さが短いほど高い偏向電圧を要するので、偏向電場の軸方向長さは極端に短くはできない。
すなわちＧＣＩＢでは従来のイオンビームのように数ｎｓｅｃ以下のパルス幅の短いイオンパケットを生成することは困難であった。 In order to shorten the pulse width of the ion packet, it is necessary to extremely shorten the beam traveling direction (axial direction) length of the deflection electric field, but in order to obtain a sufficient deflection angle for turning on / off the ion beam. Since a higher deflection voltage is required as the axial length of the deflection electric field is shorter, the axial length of the deflection electric field cannot be extremely shortened.
That is, it is difficult for GCIB to generate an ion packet with a short pulse width of several nsec or less as in a conventional ion beam.

特開２００５−７１６４２号公報JP 2005-71642 A 特開２００５−７１６４３号公報JP 2005-71643 A 特開２００７−２３４５０８号公報JP 2007-234508 A

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、ＴＯＦ−ＳＩＭＳの一次イオンに使用できるほど短いパルス幅のＧＣＩＢを射出できるＧＣＩＢ銃を提供することにある。 The present invention was created to solve the above-described disadvantages of the prior art, and an object of the present invention is to provide a GCIB gun that can emit a GCIB having a pulse width that is short enough to be used as a primary ion of TOF-SIMS. .

上記課題を解決するために本発明は、真空容器と、前記真空容器内にガスクラスターを生成するノズル室と、生成された前記ガスクラスターをイオン化するイオン化室とを有し、イオン化された前記ガスクラスターからなるＧＣＩＢを前記イオン化室から射出するＧＣＩＢ銃であって、前記イオン化室から射出された前記ＧＣＩＢを予め決められた時間だけ通過させる第一のシャッター部と、前記第一のシャッター部を通過した前記ＧＣＩＢのうち予め決められた質量範囲外の前記ＧＣＩＢを除去する選別部とを有し、前記選別部は、前記ＧＣＩＢを交互に反射して往復移動させる第一、第二のミラー電極と、前記第一、第二のミラー電極の間に配置され、前記質量範囲内の前記ＧＣＩＢを、予め決められた時間だけ通過させる第二のシャッター部と、を有し、前記質量範囲内の前記ＧＣＩＢを前記選別部から射出するＧＣＩＢ銃である。
本発明はＧＣＩＢ銃であって、前記第二のシャッター部は、前記ＧＣＩＢの飛行経路を間に挟んで互いに対向する一対の偏向電極板と、前記一対の偏向電極板のうち一方の偏向電極板に正電圧を印加し、他方の偏向電極板に負電圧を印加する電源装置と、前記電源装置の出力電圧値を制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記質量範囲外の前記ＧＣＩＢが前記一対の偏向電極板の間を飛行しているときは、前記一対の偏向電極板に互いに逆極性の電圧を印加して、前記ＧＣＩＢを偏向除去し、前記質量範囲内の前記ＧＣＩＢが前記一対の偏向電極板の間を飛行しているときは、前記一対の偏向電極板をそれぞれ接地電位にして、前記ＧＣＩＢを通過させるように構成されたＧＣＩＢ銃である。
本発明はＧＣＩＢ銃であって、前記第一のシャッター部を通過した前記ＧＣＩＢの進行方向を曲げる四重極偏向電極部を有し、前記選別部は進行方向を曲げられた前記ＧＣＩＢが入射する位置に配置されたＧＣＩＢ銃である。
本発明はＧＣＩＢ銃であって、前記選別部から射出された前記ＧＣＩＢのパルス幅を圧縮する圧縮部を有し、前記圧縮部は、前記ＧＣＩＢが順に通過する第一、第二の通過孔がそれぞれ設けられた第一、第二の加速電極と、前記第一の加速電極に前記ＧＣＩＢと同極性の電圧をパルス状に印加し、前記第一の通過孔から前記第一、第二の加速電極間に進入した前記ＧＣＩＢを前記第一の電極から前記第二の電極に向けて加速させるパルス電源と、を有するＧＣＩＢ銃である。
本発明は、前記ＧＣＩＢ銃を有する表面分析装置である。
本発明は、前記ＧＣＩＢ銃から照射されたイオンビームを試料に照射して表面分析を行う表面分析方法である。 In order to solve the above problems, the present invention includes a vacuum vessel, a nozzle chamber that generates a gas cluster in the vacuum vessel, and an ionization chamber that ionizes the generated gas cluster, and the ionized gas A GCIB gun for ejecting cluster GCIB from the ionization chamber, wherein the GCIB ejected from the ionization chamber is allowed to pass for a predetermined time, and passes through the first shutter portion. The GCIB includes a sorting unit that removes the GCIB out of a predetermined mass range, and the sorting unit includes first and second mirror electrodes that alternately reflect and reciprocate the GCIB. And a second shutter disposed between the first and second mirror electrodes and allowing the GCIB within the mass range to pass through for a predetermined time. It has a over portion, a GCIB gun for emitting the GCIB within the mass range of the sorting unit.
The present invention is a GCIB gun, wherein the second shutter portion includes a pair of deflection electrode plates facing each other across the flight path of the GCIB, and one of the pair of deflection electrode plates. A power supply device that applies a positive voltage to the other deflection electrode plate and a control device that controls an output voltage value of the power supply device, and the control device is outside the mass range. When the GCIB is flying between the pair of deflection electrode plates, voltages having opposite polarities are applied to the pair of deflection electrode plates to deflect and remove the GCIB, and the GCIB within the mass range is When flying between a pair of deflection electrode plates, the GCIB gun is configured to pass the GCIB while setting the pair of deflection electrode plates to ground potential.
The present invention is a GCIB gun having a quadrupole deflecting electrode portion that bends the traveling direction of the GCIB that has passed through the first shutter portion, and the sorting portion is incident on the GCIB that is bent in the traveling direction. A GCIB gun placed in position.
The present invention is a GCIB gun having a compression section that compresses the pulse width of the GCIB emitted from the sorting section, and the compression section has first and second passage holes through which the GCIB passes in order. A voltage having the same polarity as that of the GCIB is applied in pulses to the first and second acceleration electrodes provided respectively, and the first and second acceleration electrodes are applied from the first passage hole. And a pulse power source that accelerates the GCIB that has entered between the electrodes from the first electrode toward the second electrode.
The present invention is a surface analysis apparatus having the GCIB gun.
The present invention is a surface analysis method for performing surface analysis by irradiating a sample with an ion beam irradiated from the GCIB gun.

ＧＣＩＢのサイズ選別法である飛行時間法の原理を説明する。
第一のシャッター部から一定距離だけ離れた位置に第二のシャッター部を設置する。第一のシャッター部からパルス幅Ｔ₁のパルスビームを第二のシャッター部に向けて入射する。第二のシャッター部までの飛行時間をＴ₀、第二のシャッター部のパルス幅をＴ₂とすると、サイズ選別の分解能Ｒ＝Ｍ／ΔＭはＲ＝Ｔ₀／２（Ｔ₁＋Ｔ₂）で与えられる。すなわち飛行距離を大きくすれば分解能を大きくすることができる。 The principle of the time-of-flight method, which is a GCIB size selection method, will be described.
The second shutter unit is installed at a position away from the first shutter unit by a certain distance. A pulse beam having a pulse width T ₁ is incident from the first shutter portion toward the second shutter portion. Flight time T ₀ until the second shutter portion, when the pulse width of the second shutter portion is T _2, the resolution R = M / ΔM size selected in _{R = T 0/2 (T} 1 + T 2) Given. That is, the resolution can be increased by increasing the flight distance.

しかしながら、装置サイズによって飛行距離は制限され、分解能は制限される。このような装置サイズによる制限を受けないようにするために、本発明では第一、第二のミラー電極から成る静電型ミラーイオントラップを用いており、パルスビームをトラップ内で往復移動させ、飛行距離を長くすることができる。往復運動中、サイズの小さいイオンはサイズの大きなイオンを追い越すので、追い越しが生じないように経路中に第二のシャッター部を配置して不要サイズのイオンを一周期毎に除去し、一定時間後にサイズのそろったイオンを取り出す。 However, the flight distance is limited by the device size, and the resolution is limited. In order to avoid being restricted by such a device size, the present invention uses an electrostatic mirror ion trap composed of first and second mirror electrodes, and reciprocates the pulse beam within the trap. The flight distance can be increased. During reciprocating movement, small ions overtake large ions, so a second shutter is placed in the path to prevent overtaking, and unnecessary size ions are removed every cycle. Take out the ions of the same size.

ＴＯＦ−ＳＩＭＳの一次イオンに使用できるほど短いパルス幅のＧＣＩＢを得ることができる。このことにより、ＴＯＦ−ＳＩＭＳの分解能が向上し、高分子材料や生体材料を従来より低損傷かつ高効率でイオン化できるのでＴＯＦ−ＳＩＭＳの応用範囲が拡大する。 A GCIB having a pulse width that is short enough to be used as a primary ion of TOF-SIMS can be obtained. As a result, the resolution of TOF-SIMS is improved, and polymer materials and biomaterials can be ionized with lower damage and higher efficiency than before, so the application range of TOF-SIMS is expanded.

本発明のＧＣＩＢ銃の内部構成図Internal configuration diagram of the GCIB gun of the present invention 第一のシャッター部と選別部の構造を説明するための模式図Schematic diagram for explaining the structure of the first shutter part and the sorting part 圧縮部の構造を説明するための模式図Schematic diagram for explaining the structure of the compression unit 本発明のＧＣＩＢ銃の第二例の内部構成図The internal block diagram of the 2nd example of the GCIB gun of this invention

本発明のＧＣＩＢ銃の構造を説明する。
図１はＧＣＩＢ銃１０の一例の内部構成図を示している。
ＧＣＩＢ銃１０は、真空容器１１と、真空容器１１内に中性のガスクラスターを生成するノズル室２０と、生成されたガスクラスターをイオン化するイオン化室３０と、イオン化されたガスクラスターから成るＧＣＩＢをパルス化するパルス化室４０と、パルス化されたＧＣＩＢを真空容器１１の外側に射出する射出室５０を有している。 The structure of the GCIB gun of the present invention will be described.
FIG. 1 shows an internal configuration diagram of an example of the GCIB gun 10.
The GCIB gun 10 includes a GCIB including a vacuum vessel 11, a nozzle chamber 20 that generates a neutral gas cluster in the vacuum vessel 11, an ionization chamber 30 that ionizes the generated gas cluster, and an ionized gas cluster. A pulsed chamber 40 for pulsing and an injection chamber 50 for injecting the pulsed GCIB to the outside of the vacuum vessel 11 are provided.

ここでは真空容器１１は接地電位に置かれている。
ノズル室２０とイオン化室３０とパルス化室４０と射出室５０は真空容器１１の内側にそれぞれ配置され、この順序で直列に接続されている。射出室５０は銃口１３に接続されている。 Here, the vacuum vessel 11 is placed at the ground potential.
The nozzle chamber 20, the ionization chamber 30, the pulse chamber 40, and the injection chamber 50 are respectively arranged inside the vacuum vessel 11, and are connected in series in this order. The injection chamber 50 is connected to the muzzle 13.

ノズル室２０で生成されたガスクラスターは、イオン化室３０とパルス化室４０と射出室５０を順に通って、銃口１３から真空容器１１の外側に射出されるようになっている。
ここでは真空容器１１の銃口１３には不図示の真空槽が気密に接続され、真空容器１１の内側は外側の大気と遮断されている。 The gas cluster generated in the nozzle chamber 20 passes through the ionization chamber 30, the pulse chamber 40, and the injection chamber 50 in this order, and is ejected from the muzzle 13 to the outside of the vacuum vessel 11.
Here, a vacuum chamber (not shown) is hermetically connected to the muzzle 13 of the vacuum vessel 11, and the inside of the vacuum vessel 11 is shut off from the outside atmosphere.

ノズル室２０とイオン化室３０とパルス化室４０と射出室５０には真空排気装置１５₁、１５₂、１５₃、１５₄がそれぞれ接続され、内部は真空排気されて真空雰囲気を維持されている。
ノズル室２０内には、ノズル２１とスキマー２２が配置されている。 Vacuum exhaust devices 15 ₁ , 15 ₂ , 15 ₃ and 15 ₄ are connected to the nozzle chamber 20, the ionization chamber 30, the pulse chamber 40 and the injection chamber 50, respectively, and the inside is evacuated to maintain a vacuum atmosphere. .
A nozzle 21 and a skimmer 22 are arranged in the nozzle chamber 20.

ノズル２１にはガス導入部１６が接続され、ガス導入部１６からノズル２１にソースガスが供給されると、ノズル２１は先端からソースガスを噴出できるように構成されている。本実施例ではソースガスとしてＡｒガスを使用する。
スキマー２２はノズル２１の先端と対向して配置されている。 The gas introduction part 16 is connected to the nozzle 21, and when the source gas is supplied from the gas introduction part 16 to the nozzle 21, the nozzle 21 is configured to eject the source gas from the tip. In this embodiment, Ar gas is used as the source gas.
The skimmer 22 is disposed to face the tip of the nozzle 21.

真空排気されたノズル室２０内にノズル２１の先端からソースガスを噴出させると、噴出されたソースガスの超音速噴流は、断熱膨張により熱運動が並進運動に変換されて温度が下がり、ガス原子（分子）はファンデルワールス力によって互いに引き寄せられ、数百〜数千個の原子（分子）の集団からなる中性のガスクラスターが生成される。
生成されたガスクラスターの中心部はスキマー２２によって切り出され、イオン化室３０に導かれる。 When the source gas is ejected from the tip of the nozzle 21 into the evacuated nozzle chamber 20, the supersonic jet of the ejected source gas is converted into a translational motion by adiabatic expansion, and the temperature is lowered. (Molecules) are attracted to each other by van der Waals forces, and a neutral gas cluster composed of a group of hundreds to thousands of atoms (molecules) is generated.
The central part of the generated gas cluster is cut out by the skimmer 22 and guided to the ionization chamber 30.

イオン化室３０内には、導入されたガスクラスターをイオン化するイオン化部３１と、ＧＣＩＢを加速してパルス化室４０に導く引出電極部３４が配置されている。
ここではイオン化部３１は、イオン化室３０内に熱電子を放出するフィラメント３２と、放出された熱電子を加速してガスクラスターに照射する熱電子加速電極３３を有している。 In the ionization chamber 30, an ionization unit 31 that ionizes the introduced gas cluster and an extraction electrode unit 34 that accelerates GCIB and guides it to the pulsed chamber 40 are arranged.
Here, the ionization part 31 has the filament 32 which discharge | releases a thermoelectron in the ionization chamber 30, and the thermoelectron acceleration electrode 33 which accelerates the emitted thermoelectron and irradiates a gas cluster.

加速された熱電子がガスクラスターに照射されると、電子衝撃によりガスクラスターはイオン化する。
形成されたガスクラスターイオンは、引出電極部３４が形成する電場により加速されて引き出されてＧＣＩＢとなり、パルス化室４０に導かれる。 When accelerated thermoelectrons are irradiated to the gas cluster, the gas cluster is ionized by electron impact.
The formed gas cluster ions are accelerated and extracted by the electric field formed by the extraction electrode portion 34 to become GCIB, and are guided to the pulse chamber 40.

本実施例ではＡｒのガスクラスターはイオン化部３１でほとんどが一価の陽イオンになり、引出電極部３４で加速される間に５ｋｅＶの運動エネルギーを得る。
パルス化室４０内には、イオン化室３０から射出されたＧＣＩＢを予め決められた時間Ｔ₁だけ通過させてパルス化する第一のシャッター部４１が配置されている。 In this embodiment, most of the Ar gas clusters become monovalent cations in the ionization part 31 and obtain kinetic energy of 5 keV while being accelerated by the extraction electrode part 34.
The pulsed chamber 40, the first shutter portion 41 for pulsed by passing through a time period T ₁ which is previously decided GCIB emitted from the ionization chamber 30 is disposed.

図２は第一のシャッター部４１と、後述する選別部５９の構造を説明するための模式図である。
第一のシャッター部４１はここではＧＣＩＢの飛行経路を間に挟んで互いに平行に対向する一対のパルス化電極板４２、４３を有している。 FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the structure of the first shutter unit 41 and the selection unit 59 described later.
Here, the first shutter section 41 has a pair of pulsed electrode plates 42 and 43 facing each other in parallel with the GCIB flight path in between.

一対のパルス化電極板４２、４３にはそれぞれ電源装置５４が電気的に接続されている。電源装置５４は一方のパルス化電極板４２に正電圧を印加し、他方のパルス化電極板４３に負電圧を印加するように構成されている。
以下では、イオン化室３０とパルス化室４０との間の隔壁を第一の隔壁１７と呼び、パルス化室４０と射出室５０との間の隔壁を第二の隔壁１８と呼ぶ。 A power supply device 54 is electrically connected to each of the pair of pulsed electrode plates 42 and 43. The power supply device 54 is configured to apply a positive voltage to one pulsed electrode plate 42 and to apply a negative voltage to the other pulsed electrode plate 43.
Hereinafter, the partition between the ionization chamber 30 and the pulse chamber 40 is referred to as a first partition 17, and the partition between the pulse chamber 40 and the injection chamber 50 is referred to as a second partition 18.

第一のシャッター部４１の一対のパルス化電極板４２、４３がそれぞれ接地電位にされているときは、イオン化室３０から第一の隔壁１７の第一の貫通孔１７ａを通って射出されたＧＣＩＢは、一対のパルス化電極板４２、４３の間を直進し、第二の隔壁１８の第二の貫通孔１８ａを通って射出室５０に導かれるようになっている。 When the pair of pulsed electrode plates 42 and 43 of the first shutter portion 41 are at the ground potential, GCIB ejected from the ionization chamber 30 through the first through hole 17a of the first partition wall 17 is used. Is linearly moved between the pair of pulsed electrode plates 42 and 43 and guided to the injection chamber 50 through the second through hole 18 a of the second partition wall 18.

一方、電源装置５４から一対のパルス化電極板４２、４３に互いに逆極性の直流電圧が印加されると、一対のパルス化電極板４２、４３の間に電場が形成され、一対のパルス化電極板４２、４３の間を飛行するＧＣＩＢは電場からの電磁力により進行方向を曲げられて、第二の隔壁１８に衝突し、遮断されるようになっている。 On the other hand, when DC voltages having opposite polarities are applied from the power supply device 54 to the pair of pulsed electrode plates 42 and 43, an electric field is formed between the pair of pulsed electrode plates 42 and 43, The GCIB flying between the plates 42 and 43 is bent in the traveling direction by the electromagnetic force from the electric field, collides with the second partition wall 18 and is cut off.

電源装置５４には制御装置５５が接続されている。制御装置５５は一対のパルス化電極板４２、４３に印加する電圧をそれぞれ制御するように構成されている。
制御装置５５は、ＧＣＩＢが一対のパルス化電極板４２、４３の間に入射し始める前に、予め一対のパルス化電極板４２、４３に対して互いに逆極性の直流電圧を印加しておくように構成されている。 A control device 55 is connected to the power supply device 54. The control device 55 is configured to control voltages applied to the pair of pulsed electrode plates 42 and 43, respectively.
The controller 55 applies DC voltages having opposite polarities to the pair of pulsed electrode plates 42 and 43 in advance before the GCIB starts to be incident between the pair of pulsed electrode plates 42 and 43. It is configured.

このとき、一対のパルス化電極板４２、４３の間に入射するＧＣＩＢは、第二の隔壁１８に衝突して遮断される。
制御装置５５は、ＧＣＩＢが一対のパルス化電極板４２、４３の間に連続的に入射している間に、予め決められた時間Ｔ₁だけパルス状に一対のパルス化電極板４２、４３をそれぞれ接地電位にするように構成されている。 At this time, the GCIB incident between the pair of pulsed electrode plates 42 and 43 collides with the second partition wall 18 and is blocked.
Controller 55, while the GCIB is continuously incident between a pair of pulsed electrode plates 42 and 43, the pair of pulsed electrode plates 42 and 43 only in pulses T ₁ predetermined time Each is configured to have a ground potential.

一対のパルス化電極板４２、４３がそれぞれ接地電位にされている間に一対のパルス化電極板４２、４３の間に入射するＧＣＩＢは、直進して第二の貫通孔１８ａを通過し、すなわちＧＣＩＢは予め決められた時間幅Ｔ₁にパルス化される。 The GCIB incident between the pair of pulsed electrode plates 42 and 43 while the pair of pulsed electrode plates 42 and 43 are at the ground potential, respectively, travels straight and passes through the second through hole 18a. The GCIB is pulsed to a predetermined time width T ₁ .

本実施例では、制御装置５５は一対のパルス化電極板４２、４３にそれぞれ印加する電圧値を５μｓｅｃの時間でパルス状に同時にゼロにするように構成されており、第一のシャッター部４１に入射するＧＣＩＢは５μｓｅｃの時間幅のパケットにパルス化されて第一のシャッター部４１を通過する。 In the present embodiment, the control device 55 is configured so that the voltage value applied to each of the pair of pulsed electrode plates 42 and 43 is simultaneously zeroed in a pulse shape for a time of 5 μsec. The incident GCIB is pulsed into packets having a time width of 5 μsec and passes through the first shutter unit 41.

第一のシャッター部４１でパルス化されたＧＣＩＢのパケットは、数百〜数千の範囲のサイズ分布を有するため、大きいサイズのＧＣＩＢは小さいサイズのＧＣＩＢより速度が遅く、第一のシャッター部４１を通過した後の飛行距離（飛行時間）が長いほどパケットの時間幅（パルス幅）が広がる。 Since the GCIB packet pulsed by the first shutter unit 41 has a size distribution in the range of several hundred to several thousand, the speed of the large size GCIB is slower than that of the small size GCIB. The longer the flight distance (time of flight) after passing through, the wider the packet time width (pulse width).

図１を参照し、射出室５０内には、第一のシャッター部４１を通過したＧＣＩＢのうち予め決められた質量範囲外のＧＣＩＢを除去する選別部５９と、選別部５９から射出されたＧＣＩＢのパルス幅を圧縮する圧縮部７１が配置されている。 Referring to FIG. 1, in the injection chamber 50, the GCIB that has passed through the first shutter unit 41 removes GCIB outside the predetermined mass range from the GCIB, and the GCIB ejected from the screening unit 59. A compression unit 71 for compressing the pulse width is arranged.

図２を参照し、選別部５９は、ＧＣＩＢを交互に反射して往復移動させる第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａと、第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａの間に配置され、予め決められた質量範囲内のＧＣＩＢを、予め決められた時間Ｔ₂だけ通過させる第二のシャッター部５３とを有している。 Referring to FIG. 2, the selection unit 59 is disposed between the first and second mirror electrodes 51a and 52a and the first and second mirror electrodes 51a and 52a that alternately reciprocate the GCIB. And a second shutter portion 53 for allowing GCIB within a predetermined mass range to pass through for a predetermined time T ₂ .

第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａは、ＧＣＩＢの飛行経路上に第一のシャッター部４１に近い側から第一のミラー電極５１ａ、第二のミラー電極５２ａの順に配置されており、ＧＣＩＢの飛行経路と交差する位置には第一、第二のミラー貫通孔５６ａ、５７ａがそれぞれ設けられている。 The first and second mirror electrodes 51a and 52a are arranged in the order of the first mirror electrode 51a and the second mirror electrode 52a from the side closer to the first shutter portion 41 on the GCIB flight path. First and second mirror through holes 56a and 57a are respectively provided at positions intersecting the flight path.

第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａはそれぞれ電源装置５４に電気的に接続されている。電源装置５４は第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａにそれぞれＧＣＩＢと同極性の直流電圧を印加するように構成されている。 The first and second mirror electrodes 51 a and 52 a are each electrically connected to the power supply device 54. The power supply 54 is configured to apply a DC voltage having the same polarity as GCIB to the first and second mirror electrodes 51a and 52a.

第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａに電圧が印加されていないときは、第一、第二のミラー貫通孔５６ａ、５７ａに入射するＧＣＩＢのパケットは、第一、第二のミラー貫通孔５６ａ、５７ａを通過するようになっている。 When no voltage is applied to the first and second mirror electrodes 51a and 52a, the GCIB packet incident on the first and second mirror through holes 56a and 57a is transmitted to the first and second mirror through holes. It passes through 56a and 57a.

一方、電源装置５４から第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａに電圧が印加されると、第一、第二のミラー貫通孔５６ａ、５７ａに入射するＧＣＩＢのパケットは、第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａがそれぞれ形成する電場により反射されるようになっている。 On the other hand, when a voltage is applied from the power supply 54 to the first and second mirror electrodes 51a and 52a, the GCIB packets incident on the first and second mirror through holes 56a and 57a are first and second. The mirror electrodes 51a and 52a are reflected by the electric field formed.

ここでは、第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａの間には、第一、第二のレンズ電極５１ｂ、５２ｂが配置されている。第一、第二のレンズ電極５１ｂ、５２ｂは、ＧＣＩＢの飛行経路上に第一のミラー電極５１ａに近い側から第一のレンズ電極５１ｂ、第二のレンズ電極５２ｂの順に配置されており、ＧＣＩＢの飛行経路と交差する位置には第一、第二のレンズ貫通孔５６ｂ、５７ｂがそれぞれ設けられている。 Here, first and second lens electrodes 51b and 52b are arranged between the first and second mirror electrodes 51a and 52a. The first and second lens electrodes 51b and 52b are arranged in the order of the first lens electrode 51b and the second lens electrode 52b from the side close to the first mirror electrode 51a on the GCIB flight path. First and second lens through holes 56b and 57b are respectively provided at positions intersecting the flight path.

電源装置５４は、第一のレンズ電極５１ｂに第一のミラー電極５１ａよりも絶対値の小さい同極性の直流電圧を印加し、第二のレンズ電極５２ｂに第二のミラー電極５２ａよりも絶対値の小さい同極性の直流電圧を印加するように構成されている。第一、第二のレンズ電極５１ｂ、５２ｂが形成する電場により、パケットは、第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａで確実に反射されるようになっている。 The power supply device 54 applies a DC voltage of the same polarity having a smaller absolute value than that of the first mirror electrode 51a to the first lens electrode 51b, and has an absolute value greater than that of the second mirror electrode 52a. Are applied so as to apply a DC voltage having the same polarity. The packets are reliably reflected by the first and second mirror electrodes 51a and 52a by the electric fields formed by the first and second lens electrodes 51b and 52b.

第一のミラー電極５１ａを間に挟んで第一のレンズ電極５１ｂとは逆側と、第一のミラー電極５１ａと第一のレンズ電極５１ｂの間と、第一のレンズ電極５１ｂを間に挟んで第一のミラー電極５１ａとは逆側には、接地電位に置かれた接地電極５１ｃ、５１ｄ、５１ｅがそれぞれ配置されており、第一のミラー電極５１ａと第一のレンズ電極５１ｂがそれぞれ形成する電場が漏れないようにされている。 The first mirror electrode 51a is sandwiched between the first lens electrode 51b, the first mirror electrode 51a and the first lens electrode 51b, and the first lens electrode 51b is sandwiched between them. On the opposite side of the first mirror electrode 51a, ground electrodes 51c, 51d, 51e placed at the ground potential are respectively arranged, and the first mirror electrode 51a and the first lens electrode 51b are formed respectively. The electric field is not leaked.

また、第二のミラー電極５２ａを間に挟んで第二のレンズ電極５２ｂとは逆側と、第二のミラー電極５２ａと第二のレンズ電極５２ｂの間と、第二のレンズ電極５２ｂを間に挟んで第二のミラー電極５２ａとは逆側には、接地電位に置かれた接地電極５２ｃ、５２ｄ、５２ｅがそれぞれ配置されており、第二のミラー電極５２ａと第二のレンズ電極５２ｂがそれぞれ形成する電場が漏れないようにされている。 Also, the second mirror electrode 52a is sandwiched between the second lens electrode 52b, the second mirror electrode 52a and the second lens electrode 52b, and the second lens electrode 52b. On the opposite side of the second mirror electrode 52a, ground electrodes 52c, 52d, and 52e placed at the ground potential are disposed, respectively, and the second mirror electrode 52a and the second lens electrode 52b are provided. The electric field that is formed is prevented from leaking.

第二のシャッター部５３は、ここではＧＣＩＢの飛行経路を間に挟んで互いに平行に対向する一対の偏向電極板５３ａ、５３ｂを有している。
一対の偏向電極板５３ａ、５３ｂはそれぞれ電源装置５４に電気的に接続されている。電源装置５４は一方の偏向電極板５３ａに正電圧を印加し、他方の偏向電極板５３ｂに負電圧を印加するように構成されている。 Here, the second shutter section 53 has a pair of deflection electrode plates 53a and 53b facing each other in parallel with the GCIB flight path in between.
The pair of deflection electrode plates 53a and 53b are electrically connected to the power supply device 54, respectively. The power supply device 54 is configured to apply a positive voltage to one deflection electrode plate 53a and to apply a negative voltage to the other deflection electrode plate 53b.

第二のシャッター部５３の一対の偏向電極板５３ａ、５３ｂがそれぞれ接地電位にされているときは、第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａの間を飛行するＧＣＩＢは、一対の偏向電極板５３ａ、５３ｂの間を直進して通過するようになっている。 When the pair of deflection electrode plates 53a and 53b of the second shutter portion 53 are at the ground potential, the GCIB flying between the first and second mirror electrodes 51a and 52a is a pair of deflection electrode plates. It passes through between 53a and 53b.

一方、電源装置５４から一対の偏向電極板５３ａ、５３ｂにそれぞれ逆極性の直流電圧が印加されると、一対の偏向電極板５３ａ、５３ｂの間に電場が形成され、一対の偏向電極板５３ａ、５３ｂの間を飛行するＧＣＩＢは電場からの電磁力により進行方向を曲げられて、真空容器１１の壁面に衝突し、除去されるようになっている。 On the other hand, when a reverse DC voltage is applied from the power supply device 54 to the pair of deflection electrode plates 53a and 53b, an electric field is formed between the pair of deflection electrode plates 53a and 53b. The GCIB flying between 53b is bent in the traveling direction by the electromagnetic force from the electric field, collides with the wall surface of the vacuum vessel 11, and is removed.

制御装置５５は、第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａと第一、第二のレンズ電極５１ｂ、５２ｂと、一対の偏向電極板５３ａ、５３ｂに印加する電圧をそれぞれ制御するように構成されている。
ＧＣＩＢの運動エネルギーが分かっている場合には、第一のシャッター部４１を通過してから所定距離を移動するまでの時間は、ＧＣＩＢのサイズ（すなわち質量）に応じて計算で求めることができる。 The control device 55 is configured to control the voltages applied to the first and second mirror electrodes 51a and 52a, the first and second lens electrodes 51b and 52b, and the pair of deflection electrode plates 53a and 53b, respectively. ing.
When the kinetic energy of GCIB is known, the time from passing through the first shutter unit 41 to moving a predetermined distance can be obtained by calculation according to the size (ie, mass) of GCIB.

制御装置５５は、第二の貫通孔１８ａを通過したＧＣＩＢのパケットが第一のミラー貫通孔５６ａに入射する時刻に、第一のミラー電極５１ａと第一のレンズ電極５１ｂに印加する電圧値をゼロにするように構成されている。
第二の貫通孔１８ａを通過した後、第一のミラー貫通孔５６ａに入射するＧＣＩＢのパケットは、第一のミラー貫通孔５６ａと第一のレンズ貫通孔５６ｂを順に通過する。 The control device 55 determines the voltage value to be applied to the first mirror electrode 51a and the first lens electrode 51b at the time when the GCIB packet that has passed through the second through hole 18a enters the first mirror through hole 56a. Configured to be zero.
After passing through the second through hole 18a, the GCIB packet incident on the first mirror through hole 56a sequentially passes through the first mirror through hole 56a and the first lens through hole 56b.

制御装置５５は、予め決められた質量範囲内のＧＣＩＢが第二のシャッター部５３に到達する時刻に、あらかじめ決められた時間Ｔ₂だけ一対の偏向電極板５３ａ、５３ｂの電圧値をゼロにし、他の時刻は一対の偏向電極板５３ａ、５３ｂに互いに逆極性の直流電圧を継続して印加しておくように構成されている。 Control device 55, the time when the GCIB within the mass range determined in advance reaches the second shutter portion 53, and by the time T ₂ to a predetermined pair of deflection electrode plates 53a, a voltage value of 53b to zero, At other times, DC voltages having opposite polarities are continuously applied to the pair of deflection electrode plates 53a and 53b.

第一のレンズ貫通孔５６ｂを通過したＧＣＩＢのうち、予め決められた質量範囲内のＧＣＩＢは第二のシャッター部５３を通過してパルス化される。一方、予め決められた質量範囲外のＧＣＩＢは、この質量範囲内のＧＣＩＢよりも早く又は遅く第二のシャッター部５３に到達するので除去される。 Of the GCIBs that have passed through the first lens through hole 56b, GCIBs within a predetermined mass range pass through the second shutter portion 53 and are pulsed. On the other hand, GCIB outside the predetermined mass range reaches the second shutter unit 53 earlier or later than GCIB within the mass range, and is thus removed.

制御装置５５は、第二の反射工程として、第一のミラー電極５１ａから第二のミラー電極５２ａに向かって第二のシャッター部５３を通過したＧＣＩＢのパケットが、第二のレンズ貫通孔５７ｂに到達する時刻に、第二のミラー電極５２ａと第二のレンズ電極５２ｂにそれぞれ直流電圧を印加するように構成されている。 As a second reflection process, the control device 55 causes the GCIB packet that has passed through the second shutter portion 53 from the first mirror electrode 51a toward the second mirror electrode 52a to enter the second lens through hole 57b. At the time of arrival, a DC voltage is applied to each of the second mirror electrode 52a and the second lens electrode 52b.

第一のミラー電極５１ａから第二のミラー電極５２ａに向かって第二のシャッター部５３を通過したＧＣＩＢは、第二のミラー電極５２ａで反射され、再び第二のシャッター部５３に到達する。ガスクラスターのパルス幅は、第二のシャッター部５３と第二のミラー電極５２ａの間の往復移動により広がっている。 The GCIB that has passed through the second shutter part 53 from the first mirror electrode 51a toward the second mirror electrode 52a is reflected by the second mirror electrode 52a and reaches the second shutter part 53 again. The pulse width of the gas cluster is widened by the reciprocating movement between the second shutter portion 53 and the second mirror electrode 52a.

制御装置５５は上述のように構成されており、第一の選別工程として、第二のミラー電極５２ａで反射されたＧＣＩＢのうち、予め決められた質量範囲内のＧＣＩＢが第二のシャッター部５３を通過してパルス化される。一方、予め決められた質量範囲外のＧＣＩＢは、この質量範囲内のＧＣＩＢよりも早く又は遅く第二のシャッター部５３に到達するので除去される。 The control device 55 is configured as described above, and as a first sorting step, GCIB within a predetermined mass range out of GCIB reflected by the second mirror electrode 52a is the second shutter unit 53. Is pulsed through. On the other hand, GCIB outside the predetermined mass range reaches the second shutter unit 53 earlier or later than GCIB within the mass range, and is thus removed.

制御装置５５は、第一の反射工程として、第二のミラー電極５２ａから第一のミラー電極５１ａに向かって第二のシャッター部５３を通過したＧＣＩＢのパケットが、第一のレンズ貫通孔５６ｂに到達する時刻に、第一のミラー電極５１ａと第一のレンズ電極５１ｂにそれぞれ直流電圧を印加するように構成されている。 As a first reflection process, the control device 55 causes a GCIB packet that has passed through the second shutter portion 53 from the second mirror electrode 52a toward the first mirror electrode 51a to enter the first lens through hole 56b. At the time of arrival, a DC voltage is applied to each of the first mirror electrode 51a and the first lens electrode 51b.

第二のミラー電極５２ａから第一のミラー電極５１ａに向かって第二のシャッター部５３を通過したＧＣＩＢは、第一のミラー電極５１ａで反射され、再び第二のシャッター部５３に到達する。ガスクラスターのパルス幅は、第二のシャッター部５３と第二のミラー電極５２ａの間の往復移動により広がっている。 The GCIB that has passed through the second shutter part 53 from the second mirror electrode 52a toward the first mirror electrode 51a is reflected by the first mirror electrode 51a and reaches the second shutter part 53 again. The pulse width of the gas cluster is widened by the reciprocating movement between the second shutter portion 53 and the second mirror electrode 52a.

制御装置５５は上述のように構成されており、第二の選別工程として、第一のミラー電極５１ａで反射されたＧＣＩＢのうち、予め決められた質量範囲内のＧＣＩＢが第二のシャッター部５３を通過してパルス化される。一方、予め決められた質量範囲外のＧＣＩＢは、この質量範囲内のＧＣＩＢよりも早く又は遅く第二のシャッター部５３に到達するので除去される。 The control device 55 is configured as described above. As a second sorting step, the GCIB within a predetermined mass range out of the GCIB reflected by the first mirror electrode 51a is the second shutter unit 53. Is pulsed through. On the other hand, GCIB outside the predetermined mass range reaches the second shutter unit 53 earlier or later than GCIB within the mass range, and is thus removed.

制御装置５５は、第二の反射工程と、第一の選別工程と、第一の反射工程と、第二の選別工程を、この順序で、予め決められた回数繰り返した後、第一のミラー電極５１ａから第二のミラー電極５２ａに向かって第二のシャッター部５３を通過したＧＣＩＢのパケットが、第二のレンズ貫通孔５７ｂに到達する時刻に、第二のレンズ電極５２ｂと第二のミラー電極５２ａの電圧値をゼロにするように構成されている。 The control device 55 repeats the second reflection process, the first selection process, the first reflection process, and the second selection process in this order a predetermined number of times, and then the first mirror. When the GCIB packet that has passed through the second shutter portion 53 from the electrode 51a toward the second mirror electrode 52a reaches the second lens through hole 57b, the second lens electrode 52b and the second mirror The voltage value of the electrode 52a is configured to be zero.

予め決められた質量範囲内のＧＣＩＢは、第二のシャッター部５３で除去されずに、第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａ間を予め決められた回数往復移動した後、第二のレンズ貫通孔５７ｂと第二のミラー貫通孔５７ａを順に通過して選別部５９の外側に射出される。 The GCIB within the predetermined mass range is not removed by the second shutter unit 53, but is moved back and forth between the first and second mirror electrodes 51a and 52a a predetermined number of times, and then the second lens. The light passes through the through-hole 57b and the second mirror through-hole 57a in order, and is emitted to the outside of the selection unit 59.

ＧＣＩＢは第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａ間を移動するたびに第二のシャッター部５３でサイズ選別されることにより、サイズの小さいＧＣＩＢがサイズの大きいＧＣＩＢを追い越すことが生じないようになっている。 The GCIB is subjected to size selection by the second shutter unit 53 each time it moves between the first and second mirror electrodes 51a and 52a, so that the small GCIB does not overtake the large GCIB. It has become.

本実施例では、第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａ間の往復距離ＬはＬ＝６００ｍｍである。サイズ２０００の２ｋｅＶのＡｒのＧＣＩＢは、第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａ間の往復距離をＴ＝１７３μｓｅｃの時間で移動することが計算で求められる。
従って、第一、第二の選別工程を、周期Ｔ＝１７３μｓｅｃで繰り返すと、サイズ２０００付近のＧＣＩＢが選別される。 In this embodiment, the reciprocating distance L between the first and second mirror electrodes 51a and 52a is L = 600 mm. The size of 2 keV Ar GCIB of size 2000 is calculated by moving the reciprocating distance between the first and second mirror electrodes 51a and 52a in a time of T = 173 μsec.
Therefore, when the first and second sorting steps are repeated at a cycle T = 173 μsec, GCIBs having a size of about 2000 are sorted.

本実施例では、第一、第二の選別工程では、一対の偏向電極板５３ａ、５３ｂに印加する電圧値をＴ₂＝５μｓｅｃの時間でパルス状にゼロにするように定める。また、第二の反射工程と、第一の選別工程と、第一の反射工程と、第二の選別工程の一連の工程を５０回繰り返すように定める。 In the present embodiment, in the first and second sorting steps, the voltage value applied to the pair of deflecting electrode plates 53a and 53b is determined to be zero in a pulse shape at a time of T ₂ = 5 μsec. Moreover, it determines so that a series of processes of a 2nd reflection process, a 1st selection process, a 1st reflection process, and a 2nd selection process may be repeated 50 times.

すると、サイズ２０００付近のＧＣＩＢは、第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａ間を１００往復することになり、１００往復後のＧＣＩＢのサイズ分解能Ｒは、Ｒ＝Ｔ／（２×δｔ）＝１７３×１００／（２×（５＋５））＝８６５となる。
すなわち本実施例では、選別部５９を通過したＧＣＩＢは、サイズが２０００（サイズ分解能８６５）、時間幅が５μｓｅｃのパケットである。 Then, the GCIB near the size 2000 reciprocates 100 times between the first and second mirror electrodes 51a and 52a, and the size resolution R of the GCIB after 100 reciprocations is R = T / (2 × δt) = 173 × 100 / (2 × (5 + 5)) = 865.
That is, in the present embodiment, the GCIB that has passed through the selection unit 59 is a packet having a size of 2000 (size resolution 865) and a time width of 5 μsec.

なお、本実施例では制御装置５５は、第一のシャッター部４１でのパケット化を１００Ｈｚで繰り返すように構成されている。第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａの間をパケットが１００往復移動するのに要する時間は約１７ｍｓｅｃであり、第一、第二のミラー電極５１ａ、５２ａの間には二個以上のパケットが同時に配置されないようになっている。 In this embodiment, the control device 55 is configured to repeat packetization at the first shutter unit 41 at 100 Hz. The time required for the packet to reciprocate 100 times between the first and second mirror electrodes 51a and 52a is about 17 msec, and there are two or more packets between the first and second mirror electrodes 51a and 52a. Are not arranged at the same time.

図３は圧縮部７１の構造を説明するための模式図である。
圧縮部７１は、第一、第二の加速電極７２、７３を有している。第一、第二の加速電極７２、７３は、選別部５９から射出されたＧＣＩＢの飛行経路上に、選別部５９に近い側から第一の加速電極７２、第二の加速電極７３の順に並んで配置されている。ＧＣＩＢの飛行経路と交差する位置には第一、第二の通過孔７２ａ、７３ａが設けられており、ＧＣＩＢは第一、第二の通過孔７２ａ、７３ａを順に通過するようになっている。 FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the structure of the compression unit 71.
The compression unit 71 includes first and second acceleration electrodes 72 and 73. The first and second accelerating electrodes 72 and 73 are arranged in the order of the first accelerating electrode 72 and the second accelerating electrode 73 from the side close to the sorting unit 59 on the GCIB flight path emitted from the sorting unit 59. Is arranged in. First and second passage holes 72a and 73a are provided at positions intersecting with the GCIB flight path, and the GCIB passes through the first and second passage holes 72a and 73a in this order.

本実施例では第一、第二の加速電極７２、７３はφ３の円形孔板であり、ＧＣＩＢの飛行経路に対して直角に向けられて、３０ｍｍの間隔で互いに平行に対向して配置されている。
第一の加速電極７２にはパルス電源７４が電気的に接続され、第二の加速電極７３は接地電位に置かれている。パルス電極７４は第一の加速電極７２にＧＣＩＢと同極性の直流電圧をパルス状に印加するように構成されている。 In this embodiment, the first and second accelerating electrodes 72 and 73 are φ3 circular hole plates, which are oriented perpendicular to the GCIB flight path and are opposed to each other in parallel at an interval of 30 mm. Yes.
A pulse power source 74 is electrically connected to the first acceleration electrode 72, and the second acceleration electrode 73 is placed at the ground potential. The pulse electrode 74 is configured to apply a DC voltage having the same polarity as GCIB to the first acceleration electrode 72 in a pulsed manner.

ＧＣＩＢが第一、第二の加速電極７２、７３の間を飛行している間に、第一の加速電極７２に真空容器１１に対してＧＣＩＢと同極性の直流電圧を印加すると、第一の加速電極７２から第二の加速電極７３に向かってＧＣＩＢが加速され、後述する計算式で求まる所定位置で空間・時間的に圧縮される。 When a DC voltage having the same polarity as GCIB is applied to the first acceleration electrode 72 to the vacuum vessel 11 while the GCIB is flying between the first and second acceleration electrodes 72, 73, the first GCIB is accelerated from the accelerating electrode 72 toward the second accelerating electrode 73 and is compressed in space and time at a predetermined position determined by a calculation formula described later.

本実施例ではＧＣＩＢのパケットが、第一の加速電極７２を通過した後、第二の加速電極７３に到達する前に１５００Ｖの急峻な立ち上がりのパルス電圧を印加する。
第一、第二の加速電極７２、７３の間を飛行するＧＣＩＢは電場Ｅ₁＝５×１０⁴Ｖ／ｍで加速される。
第一の加速電極７２に電圧を印加してから距離Ｌ₂までの所要時間は次式で与えられる。第１項は第一、第二の加速電極７２、７３間の所要時間、第２項はドリフト空間Ｌ₂の所要時間である。 In the present embodiment, after the GCIB packet passes through the first acceleration electrode 72 and before reaching the second acceleration electrode 73, a pulse voltage with a steep rise of 1500 V is applied.
The GCIB flying between the first and second acceleration electrodes 72 and 73 is accelerated by an electric field E ₁ = 5 × 10 ⁴ V / m.
The required time from the application of a voltage to the first acceleration electrode 72 to the distance L ₂ is given by the following equation. The first term first, the time required between the second acceleration electrode 72 and 73, the second term is the time required for the drift space L _2.

ここに、Ｕ₁：イオンの初期加速電圧（引出電極部３４での加速電圧）
Ｕ₂＝Ｕ₁＋Ｅ₁×（ｓ−ｓ₀）
ｓ₀：パルスゲートの中間点
ｓ−ｓ₀：パルスゲートの中間点からの位置
δ＜＜１、Ｅ₁×（ｓ−ｓ₀）／Ｕ₁＜＜１として上式を級数展開し、一次の項を求めると Here, U ₁ : initial acceleration voltage of ions (acceleration voltage at the extraction electrode portion 34)
U ₂ = U ₁ + E ₁ × (s−s ₀ )
s ₀ : Intermediate point of pulse gate s−s ₀ : Position from intermediate point of pulse gate δ << 1, E ₁ × (s−s ₀ ) / U ₁ << 1 The term of

Ｌ₂＝２Ｕ₁／Ｅ₁と選ぶことにより、第一、第二の加速電極７２、７３間のＧＣＩＢはパケット内での相対位置に依存せずＬ₂＝２００ｍｍの位置で空間収束する。
この位置に予め試料５を配置しておくと、圧縮部７１から射出されたＧＣＩＢはほぼ同時刻に試料５に照射される。 By selecting L ₂ = 2U ₁ / E ₁ , the GCIB between the first and second acceleration electrodes 72 and 73 is spatially converged at a position of L ₂ = 200 mm without depending on the relative position in the packet.
If the sample 5 is arranged in advance at this position, the GCIB injected from the compression unit 71 is irradiated to the sample 5 at approximately the same time.

すなわち本発明によると、ＴＯＦ−ＳＩＭＳの一次イオンに使用できるほど短いパルス幅のＧＣＩＢを得ることができる。このことにより、ＴＯＦ−ＳＩＭＳの分解能が向上し、高分子材料や生体材料を従来より低損傷かつ高効率でイオン化できるのでＴＯＦ−ＳＩＭＳの応用範囲が拡大する。 That is, according to the present invention, a GCIB having a pulse width that is short enough to be used as a primary ion of TOF-SIMS can be obtained. As a result, the resolution of TOF-SIMS is improved, and polymer materials and biomaterials can be ionized with lower damage and higher efficiency than before, so the application range of TOF-SIMS is expanded.

＜ＧＣＩＢ銃の第二例＞
本発明のＧＣＩＢ銃の第二例の構造を説明する。
図４はこのＧＣＩＢ銃１０’の内部構成図を示している。上述の第一例のＧＣＩＢ銃１０と構造の同じ部分には同じ符号を付して示している。 <Second example of GCIB gun>
The structure of the second example of the GCIB gun of the present invention will be described.
FIG. 4 shows an internal configuration diagram of the GCIB gun 10 ′. The same parts as those in the GCIB gun 10 of the first example are denoted by the same reference numerals.

第二例のＧＣＩＢ銃１０’では、第一例のＧＣＩＢ銃１０と異なり、放出室５０内には、選別部５９と圧縮部７１に加えて、ＧＣＩＢの進行方向と直角な成分を有する電場を形成して、ＧＣＩＢの進行方向を曲げる四重極偏向電極部７６が配置されている。 In the GCIB gun 10 ′ of the second example, unlike the GCIB gun 10 of the first example, an electric field having a component perpendicular to the traveling direction of the GCIB is generated in the discharge chamber 50 in addition to the selection unit 59 and the compression unit 71. A quadrupole deflecting electrode portion 76 that is formed and bent in the traveling direction of the GCIB is disposed.

四重極偏向電極部７６は第一のシャッター部４１を通過したＧＣＩＢが入射する位置に配置されている。選別部５９は、第一のシャッター部４１を通過した後、四重極偏向電極部７６で進行方向を曲げられたＧＣＩＢが入射する位置に配置されている。圧縮部７１は、選別部５９から射出された後、四重極偏向電極部７６で進行方向を曲げられたＧＣＩＢが入射する位置に配置されている。 The quadrupole deflection electrode unit 76 is disposed at a position where the GCIB that has passed through the first shutter unit 41 enters. The selection unit 59 is disposed at a position where the GCIB whose traveling direction is bent by the quadrupole deflection electrode unit 76 enters after passing through the first shutter unit 41. The compression unit 71 is disposed at a position where the GCIB whose direction of travel is bent by the quadrupole deflection electrode unit 76 after being emitted from the selection unit 59 is incident.

ここでは、第一のシャッター部４１と四重極偏向電極部７６と圧縮部７１はこの順に一列に並んで配置され、選別部５９はこの列に対して四重極偏向電極部７６の側方位置に、第一のミラー電極５１ａを四重極偏向電極部７６に向けて配置されている。
選別部５９の第二のミラー電極５２ａには第二のミラー貫通孔５７ａが設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。 Here, the first shutter part 41, the quadrupole deflecting electrode part 76, and the compressing part 71 are arranged in a line in this order, and the selecting part 59 is located on the side of the quadrupole deflecting electrode part 76 with respect to this line. At the position, the first mirror electrode 51 a is disposed toward the quadrupole deflection electrode portion 76.
The second mirror electrode 52a of the sorting unit 59 may or may not be provided with the second mirror through hole 57a.

四重極偏向電極部７６は、断面が扇形の四つの電極を有しており、各電極に印加する電圧値を制御することにより、四重極偏向電極部７６の内部を通過するＧＣＩＢの進行方向を９０°偏向させることができるように構成されている。
四重極偏向電極部７６と選別部５９の間には第三の貫通孔１９ａが設けられた第三の隔壁１９が配置されている。 The quadrupole deflecting electrode section 76 has four electrodes having a fan-shaped cross section, and the progress of GCIB passing through the inside of the quadrupole deflecting electrode section 76 by controlling the voltage value applied to each electrode. The direction can be deflected by 90 °.
Between the quadrupole deflection electrode part 76 and the selection part 59, the third partition wall 19 provided with a third through hole 19a is arranged.

第一のシャッター部４１を通過したＧＣＩＢは、四重極偏向電極部７６内を通過中に進行方向を曲げられて、四重極偏向電極部７６から射出される。
四重極偏向電極部７６から射出されたＧＣＩＢのうち、所定の電荷質量比のＧＣＩＢは、第三の貫通孔１９ａを通過して選別部５９に入射する。一方、電荷質量比が所定の値と異なるＧＣＩＢは第三の隔壁１９に衝突して遮断される。 The GCIB that has passed through the first shutter portion 41 is bent in the traveling direction while passing through the quadrupole deflection electrode portion 76 and is emitted from the quadrupole deflection electrode portion 76.
Among the GCIBs emitted from the quadrupole deflection electrode unit 76, GCIBs having a predetermined charge-mass ratio pass through the third through hole 19a and enter the selection unit 59. On the other hand, GCIB whose charge mass ratio is different from a predetermined value collides with the third partition wall 19 and is blocked.

選別部５９に入射したＧＣＩＢのうち、予め決められた質量範囲内のＧＣＩＢは、予め決められた回数往復移動を繰り返した後、選別部５９の第一のミラー貫通孔５６ａから射出される。予め決められた質量範囲外のＧＣＩＢは、第二のシャッター部５３で除去される。 Of the GCIBs incident on the sorting unit 59, GCIBs within a predetermined mass range are reciprocated a predetermined number of times and then ejected from the first mirror through hole 56a of the sorting unit 59. GCIB outside the predetermined mass range is removed by the second shutter unit 53.

選別部５９から射出されたガＧＣＩＢは、四重極偏向電極部７６の内部を通過中に進行方向を９０°曲げられて、四重極偏向電極部７６から射出され、圧縮部７１に入射する。
第二例のＧＣＩＢ銃１０’は、第一例のＧＣＩＢ銃１０に較べて、真空容器１１の長手方向である銃身の長さを短く形成でき、装置の設計が容易になる。 The gas GCIB emitted from the sorting unit 59 is bent by 90 ° in the traveling direction while passing through the inside of the quadrupole deflection electrode unit 76, is emitted from the quadrupole deflection electrode unit 76, and enters the compression unit 71. .
Compared to the GCIB gun 10 of the first example, the GCIB gun 10 ′ of the second example can be formed with a shorter barrel length, which is the longitudinal direction of the vacuum vessel 11, and the design of the apparatus becomes easier.

１０……ＧＣＩＢ銃
１１……真空容器
２０……ノズル室
３０……イオン化室
４１……第一のシャッター部
５９……選別部
５１ａ……第一のミラー電極
５２ａ……第二のミラー電極
５３……第二のシャッター部
５３ａ、５３ｂ……一対の偏向電極板
５４……電源装置
５５……制御装置
７１……圧縮部
７２……第一の加速電極
７２ａ……第一の通過孔
７３……第二の加速電極
７３ａ……第二の通過孔
７４……パルス電源
７６……四重極偏向電極部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... GCIB gun 11 ... Vacuum container 20 ... Nozzle chamber 30 ... Ionization chamber 41 ... First shutter part 59 ... Sorting part 51a ... First mirror electrode 52a ... Second mirror electrode 53 ...... Second shutter part 53a, 53b ... A pair of deflection electrode plates 54 ... Power supply device 55 ... Control device 71 ... Compression part 72 ... First acceleration electrode 72a ... First passage hole 73 ... ... second acceleration electrode 73a ... second passage hole 74 ... pulse power supply 76 ... quadrupole deflection electrode section

Claims

A vacuum vessel, a nozzle chamber for generating a gas cluster in the vacuum vessel, and an ionization chamber for ionizing the generated gas cluster, and ejecting GCIB composed of the ionized gas cluster from the ionization chamber A GCIB gun,
A first shutter that allows the GCIB ejected from the ionization chamber to pass through for a predetermined time;
A selection unit that removes the GCIB out of a predetermined mass range from the GCIB that has passed through the first shutter unit;
The sorting unit
First and second mirror electrodes that alternately reflect and reciprocate the GCIB;
A second shutter unit disposed between the first and second mirror electrodes and passing the GCIB within the mass range for a predetermined time;
Have
A GCIB gun that injects the GCIB within the mass range from the sorting unit.

The second shutter part is
A pair of deflection electrode plates facing each other across the flight path of the GCIB,
A power supply device that applies a positive voltage to one deflection electrode plate of the pair of deflection electrode plates and applies a negative voltage to the other deflection electrode plate;
A control device for controlling an output voltage value of the power supply device;
Have
The controller is
When the GCIB outside the mass range is flying between the pair of deflection electrode plates, voltages having opposite polarities are applied to the pair of deflection electrode plates to deflect and remove the GCIB,
2. The configuration according to claim 1, wherein when the GCIB within the mass range is flying between the pair of deflection electrode plates, the pair of deflection electrode plates are set to a ground potential and the GCIB is allowed to pass therethrough. GCIB gun.

A quadrupole deflecting electrode part that bends the traveling direction of the GCIB that has passed through the first shutter part;
The GCIB gun according to claim 1, wherein the selection unit is disposed at a position where the GCIB whose traveling direction is bent is incident.

A compression unit that compresses the pulse width of the GCIB injected from the selection unit;
The compression unit is
First and second acceleration electrodes each provided with first and second passage holes through which the GCIB sequentially passes;
A voltage having the same polarity as that of the GCIB is applied to the first acceleration electrode in a pulsed manner, and the GCIB that has entered between the first and second acceleration electrodes from the first passage hole is removed from the first electrode. A pulsed power source that accelerates toward the second electrode;
The GCIB gun according to any one of claims 1 to 3, further comprising:

A surface analyzer having the GCIB gun according to any one of claims 1 to 4.

A surface analysis method for performing surface analysis by irradiating a sample with an ion beam irradiated from the GCIB gun according to any one of claims 1 to 4.