第 3 回 SIMS 研究会 2 次イオン質量分析法のハードウエア基礎講座 - SIMS 真空技術の基礎 2013 年 6 月 21 日 アメテック ( 株 ) カメカ事業部 三輪司郎
内容 1. SIMSにどうして真空が必要か? 2. 真空技術について - 真空を作る ( 真空ポンプの種類と仕組み ) - 真空を計る ( 真空ゲージの種類と仕組み ) - 真空を保持する ( 真空チャンバー フランジ ) 3. まとめ
Cameca IMS-7f に使われている真空ポンプ ゲージ類 ペニングゲージ イオンポンプ ターボ分子ポンプ Ti サブリメーションポンプ イオンゲージ
何個の真空ポンプ ゲージが使われているか イオンゲージ 3 台 ペニングゲージ 2 台 サーモカップルゲージ 2 台 ロータリーポンプ ( スクロールポンプ ) 1 台 ターボ分子ポンプ 6 台 イオンポンプ 2 台 Ti サブリメーションポンプ 1 台
SIMS 法の特長と超高真空の必要性 高感度分析 元素分析 深さ方向分析 ppm~ppb オーダの検出感度の分析が可能 水素をはじめ周期律表の全ての元素の分析ができる 試料中の元素の深さ分布がわかる (µm オーダから nm オーダの範囲 ) 面内分析 同位体分析 面内の元素分布を二次イオン像として知ることができる ミクロンオーダの領域での同位体比測定可能 残留ガスの表面吸着の影響を受ける
1e3 8e2 CAMECA Instrument Japan K.K. 微少ビーム照射時の H 表面吸着 C ameca IMS 7FNew 11/29/2012, 12:52 Sample: Depth Profile Data file: C:\Cameca IMS\Data\kobelco-2\H-depth.dp Recipe: D:\2012_DATA\Ametek\sample.rim Cs+ Ie: 15000eV Ip: 8.62e-03/8.49e-03nA Raster: 50um DT: On Gate: 100% P: 1.8e-10mbar SpleHV: -5000V MR: 400 FA: 1800um C D: 152um DeltaE: 80eV Comments: 大電流スパッタ 分析電流量 ~10pA スパッタ電流量 >10nA 1H Intens, c/s 6e2 4e2 2e2 装置真空度 ~1.8E 10 mbar 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Time, s 残留ガス吸着量 >1 次イオンによるスパッタ量
SIMS 装置上の超高真空の必要性 イオンレンズ 検出器 高電圧を印可して使用 放電させないため高真空が必要 Cs イオン源 金属 Cs を使用 酸化防止 ガスイオン源 ガスを真空槽に導入 残留ガスとの衝突によるビームの発散抑制 差動排気 部分ごとに最適な真空ポンプを配置
真空とはどのようなものか 表面分析装置 10-7 ~10-8 Pa 国際宇宙ステーション高度約 400km ~10-5 Pa 魔法瓶 100Pa 富士山頂 636hPa 極高真空超高真空高真空中真空低真空 Pa 10-9 10-6 10-3 1 10 3 1 気圧 ( 大気圧 ) 1atm = 1.01325 bar = 1013.25 mbar = 1013.25 hpa = 760 Torr 1 Torr 133.32 Pa 窒素ガスの平均自由行程 (T=300K)
超高真空技術の発展 CAMECA Instrument Japan K.K. 表面科学電子線回折 (LEED RHEED) フィールドエミッション (FEM FIM AtomProbe) SPM 技術 (STM AFM etc.) 各種表面分析装置 (SIMS AES XPS etc.) Si(111)7x7 STM 像 素粒子物理 工業技術 加速器 ( サイクロトロン シンクロトロン etc.) 半導体製造 (MBE 蒸着 スパッタ ) ブラウン管 他の科学技術の発展とともに真空技術も発展
MBE 装置と真空メーカー 代表的な真空機器メーカ =( 元 )MBE メーカー バリアン ( 米 ) アジレントリベール ( 仏 ) フィジカルエレクトロニクス ( 米 ) ガンマバキューム アルバックファイ VG( 英 ) サーモ VG シエンタアルバック ( 日 ) アネルバ ( 日 ): 日電バリアン 日電アネルバ キャノンアネルバ その他真空機器メーカ ファイファー ( 独 ): バルザースライボルト インフィコン ( 独 ): エドワーズ ( 英 ): アルカテル ( 仏 ): グランビルフィリップス ( 米 ): ターボ分子ポンプ 真空計
MBE( 分子線エピタキシー ) 装置 ; 超高真空を利用 真空系ソープションポンプ + イオンポンプ ドライポンプ + ターボ分子ポンプ K(Knudsen) セル 主として半導体薄膜の結晶成長に利用されるアリオス ( 株 ) 製の MBE 装置
真空技術について 1 - 真空を作る ( 真空ポンプの種類と仕組み ) 荒引き排気系 本排気系 1~10-1 Pa までの真空を作る ロータリポンプ スクロールポンプ ソープションポンプ 補助ポンプ 10-7 ~10-9 Pa までの真空を作る 拡散ポンプ イオンポンプ ターボ分子ポンプ クライオポンプ 本排気系の補助をしてさらに真空を向上する チタンサブリメーションポンプ 非蒸散ゲッター (NEG) 単一真空ポンプで大気から超高真空まで排気できるポンプはない
荒引き排気用ポンプ ( 背圧ポンプ ) ロータリポンプ オイルを真空シールとして利用し ロータリエンジンの逆の動きで真空を作る 最も一般的 ( 安価 ) 若干のオイルが真空チャンバーへ混入 スクロールポンプ コンプレッサーを逆回転して真空発生 オイルフリーの真空が得られる ロータリより高価 メンテ周期短い ソープションポンプ 液体窒素で吸着材を冷却 ガスを液化 ( 固化 ) する 古くからある単純な構造のドライポンプ 排気量に限界有り ダイアフラムポンプ メンブレンのゴムを伸び縮みさせて真空引きする ドライポンプ 到達圧が高い (200~1000Pa)
荒引き排気用ポンプの構造 ロータリポンプの概念図 スクロールポンプの概念図 ダイアフラムポンプの概念図 ソープションポンプの概念図
本排気用ポンプ ( 主ポンプ ) イオンポンプ 高電界で放電イオン化したガスを磁場により吸着材に閉じ込める 無振動 クリーン 排気量の割にサイズが大きい 油拡散ポンプ オイルを加熱蒸散して気体分子と衝突させる 安価 オイルの蒸散がありトラップ必須 ( よりトラップと組み合わせれば 10-8Pa 以下も可能 ) ターボ分子ポンプ ジェットエンジンのような羽でガスを掻き出す 現在最も広く利用されている 若干の振動 時としてクラッシュすることあり クライオポンプ ヘリウム冷凍機でガス吸着フィンを冷却 排気速度が大きい ( 特に水 ) 振動が大きい
本排気用ポンプの構造 油拡散ポンプの概念図 ターボ分子ポンプの概念図 クライオポンプの概念図
補助ポンプ ( 到達真空度向上 ) チタンサブリメーションイオンポンプ Ti フィラメントに電気を流して Ti を蒸発 ( 昇華 ) させ ガスを吸着させる H の排気速度大 排気速度はフィラメント周りの壁の面積 非蒸散ゲッターポンプ (Non-Evaporable Getter = NEG) Zr 系の金属パネルを活性化してガスをトラップする コールドトラップ ( 試料周り設置した ) パネルを冷却してガスをトラップ NEG; SAES SORB AC Cartridge Pump
真空技術について 2 - 真空を計る ( 真空計の種類と仕組み ) 大気圧 ~ 低真空領域 (1atm~10-1 Pa) ガイスラー管ピラニーサーモカップルクリスタルゲージ 放電時の色の変化を見る 安価 非定量的 気体分子が測定子から奪った熱量から圧力を求めるピラニー :Pt 抵抗体 サーモカップル : 熱電対 水晶振動子の波長のずれ 大気圧付近の精度がよい 中真空から超高真空領域 (10-1 ~10-9 Pa) ペニング ( コールドカソード ) ゲージ電離真空計 =イオンゲージ ( 三極管 シュルツ B-Aゲージ ヌードゲージ ) エキストラクターゲージ ペニング放電を利用 耐久性悪い 熱電子によりガスをイオン化 電流測定 軟 X 線のバックグランドを低下 = 超高真空測定 単一真空計で大気から超高真空まで計測可能な真空計はない
真空計の種類と仕組み 1 サーモカップルゲージの概念図 ピラニーゲージの概念図
真空計の仕組み 2 B-A ゲージの概念図 エクストラクターゲージの概念図
真空技術について 3 - 真空を保持する ( 真空チャンバー フランジ ) 真空チャンバー材料 ステンレス (SUS304/316 ) 最も一般的 溶接容易 各種内面処理不可欠アルミガス放出少ない 溶接難ガラス形を自由に作れる 割れやすい ガス放出有り 真空フランジ形式 バルブ 真空チャンバー 配管を接続する部分 コンフラットナイフエッジ+Cuガスケットでシールする JISフランジ平面と溝付きフランジを組み合わせて利用 ボルト止めシール材ゴムO-ring アルミ中空スプリングリング (HELICOFLEX) NW(KF) センターリング+クランプ 各真空槽を隔離したり 繋いだりする アングルバルブ ゲートバルブ等
各種真空フランジ 1 CAMECA Instrument Japan K.K. JIS フランジ (VF) JIS フランジ (VG) JIS フランジ HELICOFLEX NW(KF) フランジ
各種真空フランジ 2 コンフラット コンフラットフランジ Cu ガスケット (Ag コート品有り ) コンフラットフランジの呼び方 日本 米 EU ICF-34 CF 1-1/3" 16 CF ICF-70 CF 2-3/4" 38 CF ICF-114 CF 4-1/2 63 CF ICF-152 CF 6" 100 CF ICF-204 CF 8" 150 CF ICF-253 CF 10" 200 CF
各種真空バルブ VAT 社 ゲートバルブ 角形ゲートバルブ ダイアフラムバルブ アングルバルブ
超高真空を作る CAMECA Instrument Japan K.K. 背圧ポンプ = ロータリーポンプ主ポンプ = ターボ分子ポンプ補助ポンプ =Ti サブリメーション + 十分なベーキング チャンバーの壁面に吸着しているガスを放出する
SIMS 分析における真空の影響 ~ 大気ガス元素分析時の BG とは 残留ガス (H2, H2O, CO2, N2, O2 あるいは hydroca) 等が 分析領域に吸着してイオン化するもの Ion Intensity (a.u.) Imax I BG Cmax : ピーク濃度 Imax : ピークイオン強度 I BG : B.G. 強度 2ndary Ion Intensity ± j I =nj y C j I p I p : Current of primary ion c j : concentration of element j y ± : 2ndary Ion yield n j j ± j : transmission Depth (a.u) C DL = C max I BG 真空度 I max スパッタ速度 (1 次イオン電流密度 ) 検出限界を向上するには 1. 真空度の向上 2. スパッタ速度の増大 が必要
Quad.SIMS による大気ガス元素分析 10 21 #H,C,O in GaAs Cs@2keV, 70nA, 250um Sputter rate ~4.5nm/sec H 装置構造の単純な Quad.SIMS では 適切なベーキングで良好な真空が得られる 10 20 O C 低スパッタ速度での大気ガス分析が可能 H, C, O Concentration (atoms/cm3) 10 19 10 18 H BG: 3.4E+18 H に関しては電子 ( 質量 0 のイオン ) による BG が高い 10 17 C BG: 4.3E+16 O BG: 3.9E+16 10 16 0 250 500 750 1000 1250 Depth (nm)
セクター SIMS での大気ガス元素検出限界向上 10 19 長時間のプリスパッタによる試料ホルダー表面 インプットレンズ付近のコーティング 低スパッタ速度での大気ガス分析が可能 (b) 10 18 (b) Background level (atoms/cm 3 ) 10 18 10 17 10 16 1 H + 76 AsH + 12 C + 16 O + Background level (atoms/cm 3 ) 10 17 10 16 C,O の BG は Quad.SIMS と同レベル 12 C - 1 H - 87 AsC + 16 O - 91 AsO + 10 15 0 50 100 150 200 Time (hours) BG の Pre-sputter 時間依存性 10 15 0 5 10 15 20 Sputtering Rate (nm/sec) BG の sputter rate 依存性
通常質量分解能での Si 中の P 分析 1E+19 Si 中の P 分析 = 高質量分解能モード利用 Si P 110keV Tilt 0 SiO2 5nm 検出イオン : 30 Si+ 31 P negative 1E+18 atu #5-2 1.06E13 装置の真空状態良好 残留ガス H も小 (SiH イオンも減少 ) Concentration (atoms/cm3) 1E+17 1E+16 kuma #5-1 1.06E13 kuma #21-2 1.07E13 kuma #22-2 1.06E13 P の検出限界向上 1E+15 1E15 atoms/cm3 1E+14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Depth (microns)
まとめ SIMS にとって 真空は 必要不可欠なものであり 多数の真空ポンプを利用して超高真空状態を維持しています 各種真空ポンプの原理と用法を正しく理解し 装置の真空を常に良好に保つことが大切です 大気成分元素の分析など装置の真空に深く関わるような元素の分析を行う時には注意が必要です 資料元アルバック機工 : http://www.ulvac-kiko.com/faq/index.html VAT( 株 ):http://www.vatskk.co.jp/ 真空のページ :http://www.nucleng.kyoto-u.ac.jp/people/ikuji/edu/vac/index.html アリオス株式会社 :http://www.arios.co.jp/products/mbe.html