JP2009058434A - 散乱イオン分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分解能の向上、又は分解能が従来と同じであれば測定時間の短時間化を図ることができる散乱イオン分析装置を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、引出開口２１が設けられた引出部材２０と、散乱イオンの進行方向を偏向面Ｓに沿って偏向させる磁場形成手段３０と、散乱イオンの位置を検出するイオン検出器４０と、引出部材２０と磁場形成手段３０との中間位置に設けられ、偏向面Ｓにおいて、引出開口２１の開口中心と試料Ｔにおけるイオンビームの照射位置とを結ぶ線Ｃに直交する方向に沿って引出開口２１を通過した散乱イオンを発散又は集束させる磁気レンズ５０とを備え、磁気レンズ５０は、磁場形成手段３０を通過した散乱イオンのうち試料Ｔの同じ深さで散乱した散乱イオンがイオン検出器４０で集束するように、引出開口２１を通過した散乱イオンを発散又は集束させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速された水素やヘリウム等のイオンを試料に照射し、試料中の成分元素によって弾性散乱したイオンのエネルギースペクトルを測定することによって試料の組成分析を行う試料分析装置に関する。

近年、半導体開発や結晶性薄膜等の分野では、デバイス材料その他の試料の表面層についての情報の取得が重要とされている。このような情報を非破壊的に分析する手段として、ラザフォード後方散乱（Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＲＢＳ）法を用いた分析装置が知られている。

このＲＢＳ法とは、試料にイオン（水素イオンやヘリウムイオン等）を照射して当該試料を構成する原子の原子核で前記イオンを散乱させ、この散乱させた散乱イオンの数及びエネルギー（エネルギースペクトル）を計測し、その結果を解析することで、ターゲットの組成（元素の種類と量）や構造（深さ方向、分布と配列の状態）を知ることができる方法である。

この方法において、試料に照射されたイオンは、試料表面から数百ｎｍ〜数μｍの深さまで試料内部に入り込むことができる。そして、試料表面からΔｘの深さで弾性散乱する散乱イオンは、試料へ入射する際と試料から出射する際に試料中の軌道電子との非弾性散乱によりエネルギーを失う。そのため、試料内部に入り込んだ散乱イオンのエネルギーは、試料表面の原子核で散乱したイオンに比べてΔＥ_１だけ低くなる。このΔＥ_１は、固体中ではΔｘにほぼ比例するためこのΔＥ_１からイオンの衝突した原子核の試料表面からの深さΔｘを知ることができる。このように、ＲＢＳ法において、検出される散乱イオンのエネルギーは、試料の深さ方向の原子核の分布等を分析する上で重要となる。

このようなＲＢＳ法を用いたＲＢＳ分析装置（又はＲＢＳ試料分析装置）では、高電圧によって加速されたイオンが試料の測定点に照射され、これにより当該試料から散乱したイオンを検出器で検出してエネルギースペクトルが測定される。

この試料分析装置として、図７に示すような、試料Ｔで散乱させた散乱イオンのうちの一部を通過させるスリット１２１を有するスリット部材１２０と、このスリットを通過した散乱イオンの進行方向を当該散乱イオンの持つエネルギーに応じて偏向させる偏向手段１３０と、その偏向した散乱イオンが到達可能な位置に設けられるイオン検出器１４０とを備えた装置１００が知られている（非特許文献１参照）。

この装置１００では、試料Ｔに照射されたイオンが当該試料の測定点で散乱し、この散乱したイオン（散乱イオン）のうちの一部がスリット１２１を通過する。そして、このスリット１２１を通過した散乱イオンが偏向手段１３０によって偏向されてイオン検出器１４０に到達してその位置を検出される。

このとき、偏向手段１３０は一対の磁石１３０ａ，１３０ａによって構成され、当該磁石１３０ａ，１３０ａ間には前記スリット１２１を通過した散乱イオンの進行方向に対して直交する方向に向けて偏向するように一様な磁場が形成されている。この磁場中を前記散乱イオンが通過する際に、当該散乱イオンには前記磁場と直交し且つその進行方向と直交する方向の力（偏向力）が働いて進行方向が曲げられる。この力を受けた散乱イオンの偏向量は、当該散乱イオンのエネルギーが高いほど小さくなる。従って、偏向手段１３０は、前記散乱イオンの軌道を当該散乱イオンのエネルギーに応じて分離することになる。

イオン検出器１４０は、前記のような偏向力を受けた散乱イオンの到達位置を検出する。その検出結果から散乱イオンのエネルギースペクトルを得ることができ、このエネルギースペクトルに基づいて試料の組成分析が可能となる。
ＡＩＰ Ｃｏｎｆ Ｐｒｏｃ（Ａｍ Ｉｎｓｔ Ｐｈｙｓ），Ｎｏ．４７５，Ｐｔ．１，Ｐａｇｅ５００−５０３（１９９９）

ところで、上記装置１００においては、通常、試料Ｔにおける同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンがイオン検出器１４０の同じ位置に到達できるよう、偏向手段１３０が設計されている。詳細には、同じ深さの原子核により散乱された各散乱イオンは、エネルギーが同一であるが、散乱角度が多少異なっている。このような各散乱イオンが偏向手段１３０の形成する磁場内を通過した後イオン検出器１４０の同じ位置に集束するような軌道を通るよう、偏向手段１３０が設計されている。

しかし、実際に上記装置１００で試料Ｔの分析を行うと、前記同じ深さの原子核で散乱された各散乱イオンは、散乱角が異なるとイオン検出器１４０よりも上流側若しくは下流側で集束するような軌道を通る。

また、前記各散乱イオンは、前記スリット部材１２０のスリット幅を広げるほど、よりイオン検出器１４０から離れた位置で集束するような軌道を通ることになる。即ち、試料Ｔに関し、より詳しい測定を行い又はより短時間での測定を行うために、スリット１２１を通過する散乱イオンを増やすためにスリット１２１の幅を広げると、スリット１２１を通過するイオンの散乱の範囲が大きくなるため前記集束位置がよりイオン検出器１４０から離れた位置となる。

このように、同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンがイオン検出器１４０から離れた位置で集束するような軌道を通ると、図８に示されるように、当該イオン検出器１４０における前記散乱イオンの到達位置は幅を有することとなる。そのため、当該装置１００の深さ分解能の低下、又は補正を行うためにより多くの散乱イオンを検出する必要があることから測定時間の長時間化といった問題が生じる。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、分解能の向上、又は分解能が従来と同じであれば測定時間の短時間化を図ることができる散乱イオン分析装置を提供することを課題とする。

そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係る散乱イオン分析装置は、加速されたイオンビームが試料に照射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンの進行方向を磁場によって偏向し、この偏向された散乱イオンを検出することでエネルギースペクトルを測定する散乱イオン分析装置であって、前記イオンビームと前記偏向されて検出された散乱イオンの軌道とを含んだ平面である偏向面において、この偏向面に沿った方向に所定の幅を有し、前記試料から所定範囲内の散乱角で散乱する散乱イオンを通過させる引出開口が設けられた引出部材と、前記引出開口を通過した散乱イオンの進行方向を前記偏向面に沿った方向に偏向させる磁場を形成する磁場形成手段と、前記散乱イオンの位置を検出することが可能な検出可能領域を有し、前記磁場形成手段が形成する磁場により偏向された散乱イオンが前記検出可能領域に到達するように配置されるイオン検出器と、前記引出部材と前記磁場形成手段との中間位置に設けられ、前記偏向面において、前記引出開口の開口中心と前記試料におけるイオンビームの照射位置とを結ぶ線に直交する方向に沿って前記引出開口を通過した散乱イオンを発散又は集束させる磁気レンズとを備え、この磁気レンズは、前記磁場形成手段を通過した散乱イオンのうち前記試料の同じ深さで散乱した散乱イオンが前記検出可能領域で集束するように、前記引出開口を通過した散乱イオンを発散又は集束させることを特徴とする。

かかる構成によれば、前記引出スリットを通過した散乱イオンのうち前記試料の同じ深さの原子核で散乱された散乱イオンは、前記検出可能領域で集束する軌道を通るように磁気レンズによって前記発散又は集束し、前記磁場形成手段が形成する磁場に導入される。即ち、前記試料の同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンが前記検出可能領域の同一位置に到達するような軌道を通るようになる。その理由は、以下のとおりである。

試料に照射されたイオンが前記試料を構成する原子核によって弾性散乱する際に、弾性散乱因子Ｋに比例したエネルギーを失うことが知られている。Ｋは、

で表される。ここで、Ｅ_１は散乱イオンのエネルギー、Ｅ_０は照射されるイオンのエネルギー、Ｍ_１は照射されるイオンの質量、Ｍ_２は試料を構成する原子核の質量、θは散乱角（イオンの照射方向と反射方向とがなす角）である。

上記（１）式からも分かるように、θが大きくなるほどＫは小さくなる。そのため、引出開口の前記偏向面における幅方向両端部を通過する各散乱イオンは、同じ深さの原子核で散乱した場合でも、散乱角の差Δθが生じるためにそのエネルギーにおいても差ΔＥが生じる（図８参照）。

このように前記引出開口の両端部を通過する散乱イオン間にエネルギー差ΔＥが生じると、両散乱イオンは、前記磁場形成手段の形成する磁場を通過する際に受ける偏向力にも差が生じる。そのため、図８に示す装置のように、引出開口を通過した散乱イオンの偏向方向がイオンビームの照射方向下流側となるように磁場形成手段の磁場が形成されている場合、前記エネルギー差ΔＥが生じた両散乱イオンは、イオン検出器の検出可能領域よりも上流側で集束するような軌道を通る。尚、前記偏向方向がイオンビームの照射方向上流側となるように磁場が形成されている場合、前記エネルギー差ΔＥが生じた両散乱イオンは、イオン検出器の検出可能領域よりも下流側で集束するような軌道を通る。

しかし、本発明においては、図１に示す装置のように、引出開口が設けられた引出部材と磁場形成手段との中間位置に前記磁気レンズが設けられると、前記散乱イオンが引出開口通過後に磁気レンズによって所定量だけ発散される。そのため、前記エネルギー差ΔＥが生じた両散乱イオンが前記検出可能領域で集束するような軌道を通るようになる。このように、前記試料の同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンが前記検出可能領域の同一位置に集束することで、より高精度なエネルギースペクトルを得ることができる。その結果、深さ分解能の向上、又は同一分解能であれば測定時間の短時間化を図ることができる。

本発明の散乱イオン分析装置では、前記引出開口は、前記偏向面と直交若しくは略直交する方向に延びるスリット状開口であってもよい。

かかる構成によれば、引出部材が散乱イオン分析装置へ設置される際に、前記偏向面と直交する方向においては厳密な位置調整を行う必要がないことから、当該装置の組み立て又は引出部材の交換が容易になる。

また、前記磁場形成手段は、前記引出開口を通過した散乱イオンの進行方向を前記偏向面に沿うと共に前記イオンビームの下流側に向けて偏向する磁場を形成し、前記磁気レンズは、前記散乱イオンを発散させる構成であってもよく、前記磁場形成手段は、前記引出開口を通過した散乱イオンの進行方向を前記偏向面に沿うと共に前記イオンビームの上流側に向けて偏向する磁場を形成し、前記磁気レンズは、前記散乱イオンを集束させる構成であってもよい。

これらの構成によっても、前記同様、前記試料の同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンが前記検出可能領域の同一位置に集束するような軌道を通るようになる。

また、前記磁場形成手段が前記引出開口を通過した散乱イオンの進行方向を前記偏向面に沿うと共に前記イオンビームの下流側に向けて偏向する磁場を形成する場合には、前記磁気レンズは、前記散乱イオンが発散するように磁極が配置された四重極レンズであってもよく、また、前記磁場形成手段が前記進行方向を前記偏向面に沿うと共に前記イオンビームの上流側に向けて偏向する磁場を形成する場合には、前記磁気レンズは、前記散乱イオンが集束するように磁極が配置された四重極レンズであってもよい。

かかる構成によれば、前記引出スリットを通過した散乱イオンを前記幅方向に発散又は集束させる磁気レンズを容易に得ることができる。さらに、四重極レンズは、励磁係数を変更することで、散乱イオンが通過する部分に形成される磁場強度を変更することができるため、前記同様、前記試料の同一深さで散乱された散乱イオンの前記検出可能領域における到達位置が集束するように容易に調整可能となる。

また、前記磁気レンズは、前記引出開口を通過した散乱イオンを前記発散又は集束させる部分の磁場強度を変更できる構成であってもよい。

かかる構成によれば、前記磁場強度を変更することで、当該磁気レンズを通過する散乱イオンの発散又は集束量を容易に調節することができる。そのため、前記試料の同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンの前記検出可能領域における到達位置が集束するように調整可能となる。

また、前記引出開口は、前記偏向面に沿った引出開口の幅を変更できる構成であってもよい。

かかる構成によれば、測定する試料や照射されるイオンの種類等によって適した前記引出開口の幅への変更が可能となる。さらに、同一の試料であっても前記引出開口の幅を変更することで、分解能や測定時間の変更が可能となる。

以上より、本発明によれば、分解能の向上、又は分解能が従来と同じであれば測定時間の短時間化を図ることができる散乱イオン分析装置を提供することができるようになる。

以下、本発明の第１実施形態について図１を参照しつつ説明する。

図１は、分析装置の原理を示す模式図である。本実施形態においては、試料Ｔで弾性散乱した散乱イオンの進行方向をｚ軸、紙面に直交する方向をｙ軸、散乱イオンの進行方向に対して直交し且つ紙面に沿った方向をｘ軸としている。

本実施形態に係る試料分析装置（以下、単に「分析装置」とも称する。）１０は、ラザフォード後方散乱法を用いた分析装置１０である。即ち、分析装置１０は、加速された水素やヘリウム等のイオンを試料Ｔに照射し、試料中の成分元素の原子核で弾性散乱したイオンのエネルギースペクトルを測定することによって試料Ｔの組成分析を行う。

分析装置１０は、加速部１０Ａと検出部１０Ｂとで構成されている。加速部１０Ａは、イオン源１１を備え、このイオン源１１から出射されたイオンビームを加速し、この加速されたイオンビームを検出部１０Ｂに供給する。

検出部１０Ｂは、試料チャンバ１２と、引出部材２０と、磁場形成手段３０と、イオン検出器４０と、磁気レンズ５０と、が備えられている。試料チャンバ１２は試料（ターゲット）Ｔを内部に保持するものであり、引出部材２０は試料Ｔで散乱したイオン（散乱イオン）の一部を通過させるものであり、磁場形成手段３０は引出部材２０を通過した散乱イオンの進行方向を偏向させる磁場（偏向磁場）を形成するものであり、イオン検出器４０は磁場形成手段３０によって形成された偏向磁場で偏向された散乱イオンを検出するものであり、磁気レンズ５０は試料の同じ深さで散乱した散乱イオンがイオン検出器４０で集束するように引出部材Ｂを通過した散乱イオンを発散させるものである。この検出部１０Ｂは、加速部１０Ａから供給されたイオンビームを試料Ｔで弾性散乱させ、この散乱イオンを検出することで試料Ｔの組成（元素の種類と量）や構造（深さ方向、分布と配列の状態）を分析する。

具体的には、イオン源１１は、原料ガスとして供給されるヘリウム（Ｈｅ）ガスをイオン化（Ｈｅ^＋）してイオンビームを生成する。尚、原料ガスは、水素やアルゴン等であってもよい。

引出部材２０は、偏向面Ｓに沿った方向に所定の幅を有する引出開口２１を有する板状体である。偏向面Ｓは、試料Ｔに照射されるイオンビームと、試料Ｔで散乱した散乱イオンのうち磁場形成手段３０が形成する偏向磁場で偏向されてイオン検出器４０で検出される散乱イオンの軌道と、を含む平面である。本実施形態においては、図１の紙面（ｘｚ軸方向）に沿った面である。

引出開口２１は、偏向面Ｓにおいて、試料Ｔから所定範囲内の散乱角θで散乱する散乱イオンを通過させる開口であり、本実施形態では、偏向面Ｓと直交する方向に延びるスリット状開口２１である。即ち、引出部材２０は、中央部に細幅のスリット状開口２１が設けられた板状部材である。この引出部材２０は、前記スリット状開口２１の長手方向が偏向面Ｓと直交し、且つスリット状開口２１の幅（短手）方向中央と試料Ｔのイオンビーム照射点とを結ぶ線Ｃが引出部材２０の表面と直交するような姿勢で配置されている。

また、引出部材２０は、交換可能に分析装置１０に取り付けられている。そのため、測定する試料Ｔや照射されるイオンの種類等によって適した引出開口２１の幅（開口幅）への変更が可能となる。さらに、同一の試料Ｔやイオンであっても引出開口２１の幅を変更することで、分解能や測定時間の変更が可能となる。

このように引出部材２０を交換可能とした場合、引出開口２１を前記スリット状開口２１とすることで、引出部材２０が分析装置１０へ設置される際に、偏向面Ｓと直交する方向においては厳密な位置調整を行う必要がないため、当該装置１０の組み立て又は引出部材２０の交換が容易になる。

磁場形成手段３０は、一対の偏向マグネット３０ａ，３０ａで構成されている。この偏向マグネット３０ａには電磁石が用いられ、磁場形成面３１が扇形となるように形成されている。この一対の偏向マグネット３０ａ，３０ａは、磁場形成面３１，３１がそれぞれ偏向面Ｓに沿うように、且つこれら磁場形成面３１，３１が互いに平行となるように配置されている。より詳細には、偏向マグネット３０ａは、磁場形成面３１の電磁石曲率半径が１５０ｍｍ、エッジ角（扇形の半径方向と散乱イオンの入射側端部又は出射側端部とのなす角）αが２６．５°、電磁石回転角βが９０°となるように形成されている。

この偏向マグネット３０ａ，３０ａ間に形成される磁場は一様な磁場で、当該磁場に入射した散乱イオンの進行方向を偏向面Ｓに沿うと共に試料Ｔに照射されるイオンビームの下流側に向けて偏向する向きの偏向磁場を形成する。即ち、一対の偏向マグネット３０ａ，３０ａは、図１において、入射した散乱イオンの進行方向を偏向面Ｓに沿って右側に曲げるような偏向磁場を形成している。

イオン検出器４０は、散乱イオンの到達位置を検出することが可能な検出部（検出可能領域）４１を有する。この検出部４１は、当該検出部４１に到達した散乱イオンのｘ軸方向における到達位置の違いを検出することができる。即ち、検出部４１は、ｘ軸方向に沿って１次元的に散乱イオンの到達位置の違いを検出することができる。

このようなイオン検出器４０は、偏向マグネット３０ａ，３０ａが形成する偏向磁場により偏向された散乱イオンが検出部４１に到達するような位置に配置される。即ち、イオン検出器４０は、検出部４１が偏向マグネット３０ａ，３０ａの出射側端部と対向するような位置となるように配置されている。

磁気レンズ５０は、磁場を形成し、この磁場を通過するイオン（荷電粒子）を発散させるレンズである。この、磁気レンズ５０は、引出部材２０と一対の偏向マグネット３０ａ，３０ａとの中間位置に設けられ、偏向面Ｓにおいて、引出開口２１の開口中心と試料Ｔにおけるイオンビームの照射位置とを結ぶ線Ｃに対して直交する方向、即ち、ｘ軸方向に沿って引出開口２１を通過した散乱イオンを発散させる。本実施形態では、磁気レンズ５０として四重極レンズが用いられている。

四重極レンズ５０は、散乱イオンの進行方向に対して垂直なｘｙ平面において、ｘ軸方向に発散作用、ｙ軸方向に集束作用を持たせた磁気レンズである。具体的には、図２に示すように、磁性体で形成された環状本体５１の内側に、中心方向へ突出した磁極部５２が４箇所設けられている。この磁極部５２は、環状本体５１の直径のうち、互いに直交する直径方向に沿って設けられている。これら各磁極部５２には、それぞれコイル５３が磁極部５２を中心に巻きつけられており、このコイル５３に電流を流すことで対向する磁極部５２ａ，５２ａ（又は５２ｂ，５２ｂ）同士が同一の極性で、隣り合う磁極部５２ａ，５２ｂ同士が異なる極性となるように構成されている。

このように構成された四重極レンズ５０は、各磁極部５２によって形成された磁場内を引出開口２１を通過した散乱イオンが通過するように引出部材２０と一対の偏向マグネット３０ａ，３０ａとの中間位置に配置される。その際、四重極レンズ５０は、対向する一方の磁極部５１ａ，５１ａを結ぶ方向がｘ軸及びｙ軸のプラス方向に対してそれぞれ４５°となるように配置される。このように配置されることで、四重極レンズ５０を通過する散乱イオンは、偏向面Ｓ、より詳細にはｘ軸方向に沿って発散する。また、四重極レンズ５０は、コイル５３に流れる電流量、換言すると、励磁係数を変更することで、内部に形成される磁場強度を変更できる。このように磁場強度を変更することで、四重極レンズ５０を通過する散乱イオンの発散量が容易に調節される。そのため、試料Ｔの同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンの検出部４１における到達位置が集束するように調整可能となる。尚、本実施形態においては、励磁係数を変更できる磁気レンズ５０が用いられているが、これに限定される必要はない。即ち、試料Ｔの同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンが検出部４１において集束するような軌道を通るように磁気レンズ５０で発散するように設定されていれば、励磁係数を固定した磁気レンズ５０が用いられてもよい。

本実施形態に係る分析装置１０は、以上の構成からなり、次に、この分析装置１０の作用について説明する。

加速部１０Ａにおいて、イオン源１１から出射（照射）されたイオンビームが所定の速度まで加速され、検出部１０Ｂの試料チャンバ１２内に保持された試料Ｔに向けて照射される。照射されたイオンビームは、試料Ｔに衝突する。その際、当該イオンビームを構成する各イオンが試料Ｔを構成している原子の原子核と衝突して弾性散乱する。詳細には、照射されたイオンビームは、試料Ｔ表面から数百ｎｍ〜数μｍまでの深さまで入り込むことができ、各深さ位置に存在する原子の原子核と衝突して弾性散乱する。この弾性散乱したイオンのうち、所定方向、即ち、引出部材２０の引出開口２１の方向へ向かって散乱した散乱イオンだけが引出開口２１を通過する。

このように通過した散乱イオンは、四重極レンズ５０を通過し、偏向マグネット３０ａ，３０ａ間に形成された偏向磁場中を通過する。このとき、偏向磁場中を通過する散乱イオンには、前記偏向磁場と直交し且つ当該散乱イオンの進行方向と直交する方向の力（偏向力）が働いて進行方向が曲げられる。この力を受けた散乱イオンの偏向量は、当該散乱イオンのエネルギーが高いほど小さくなる。従って、一対の偏向マグネット３０ａ，３０ａは、散乱イオンの軌道を当該散乱イオンのエネルギーに応じて分離することになる。

イオン検出器４０は、前記のような偏向力を受けた散乱イオンが検出部４１へ到達した到達位置を検出する。この検出結果から散乱イオンのエネルギースペクトルを得ることができ、このエネルギースペクトルに基づいて試料Ｔの組成分析が可能となる。

このとき、四重極レンズ５０は、試料Ｔの同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンが検出部４１で集束するように、引出開口２１を通過した散乱イオンを発散する。このときの発散方向は、偏向面Ｓにおいて、引出開口２１の開口中心と試料Ｔにおけるイオンビームの照射位置とを結ぶ線Ｃに対して直交する方向である。

より詳細には、引出開口２１は、偏向面Ｓに沿って幅を有するため、試料Ｔ表面から同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンであっても、引出開口２１の偏向面Ｓに沿った幅の一方側端部２１ａを通過する散乱イオンと、他方側端部２１ｂを通過する散乱イオンとでは、散乱角の差Δθが生じている。この散乱角の差Δθは、一方側端部２１ａを通過する散乱イオンの散乱角θ_１と他方側端部２１ｂを通過する散乱イオンの散乱角θ_２との差である。この場合、同じ深さの原子核で散乱した場合でも、上記のように、散乱イオンのエネルギーが散乱角θに伴って変化するため、散乱角θ_１と散乱角θ_２との散乱イオン間においてエネルギー差ΔＥが生じる。

このように引出開口２１の両端部２１ａ，２１ｂを通過する散乱イオン間にエネルギー差ΔＥが生じると、両散乱イオンは、偏向マグネット３０ａ，３０ａの形成する偏向磁場を通過する際に受ける偏向力にも差が生じる。

そのため、散乱イオンが引出開口２１通過後に四重極レンズ５０によってｘ軸方向に所定量だけ発散されることで、前記エネルギー差ΔＥが生じた両散乱イオンが検出部４１で集束するような軌道を通るようになる。このように、試料Ｔの同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンが検出部４１の同一位置に集束することで、より高精度なエネルギースペクトルを得ることができる。その結果、深さ分解能の向上、又は同一分解能であれば測定時間の短時間化を図ることができる。

次に、本発明の第２実施形態について図３を参照しつつ説明するが、上記第１実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成ついてのみ詳細に説明する。

第２実施形態に係る分析装置１０ｂでは、一対の偏向マグネット３０ｂ，３０ｂは、これら偏向マグネット３０ｂ，３０ｂ間に形成される偏向磁場が一様な磁場で、入射した散乱イオンの進行方向を偏向面Ｓに沿うと共に試料Ｔに照射されるイオンビームの上流側に向けて偏向する向きの偏向磁場を形成する。

このように、散乱イオンの偏向方向が第１実施形態と逆方向となるように磁場が形成され、図３において散乱イオンが左方向に曲がる軌道を通る。そのため、この軌道にあわせて、扇形の磁場形成面３１ｂの湾曲する向きも第１実施形態と反対になるように配置される。

四重極レンズ５０’は、本実施形態においては、当該四重極レンズ５０’を通過する散乱イオンがｘ軸方向に沿って集束するような磁場を形成するように各磁極部５２が配置されている。即ち、四重極レンズ５０’は、第１実施形態における四重極レンズ５０における磁場配置を環状本体５１の中心軸を回転中心として９０°回転させた配置となる様に各磁極のコイル５３の励磁電流の正負を反転させている。

本実施形態における偏向マグネット３０ｂ，３０ｂが形成する偏向磁場の向きが第１実施形態とは逆方向となるため、散乱イオンの偏向方向も逆向きとなる。このように偏向される場合、前記引出開口２１の一方側端部２１ａを通過する散乱イオンと、他方側端部２１ｂを通過する散乱イオンとのエネルギー差によって、第１実施形態では、検出部４１よりも上流側で集束するように偏向するが、本実施形態においては、検出部４１よりも下流側で集束するように偏向される。そのため、四重極レンズ５０’の磁極部５２の配置をｘ方向に集束するように配置することで、前記エネルギー差ΔＥが生じた両散乱イオンが検出部４１で集束するような軌道を通るようになる。このように、試料Ｔの同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンが検出部４１の同一位置に集束することで、より高精度なエネルギースペクトルを得ることができる。その結果、深さ分解能の向上、又は同一分解能であれば測定時間の短時間化を図ることができる。

図１に示す分析装置１０において、イオン種がヘリウム（Ｈｅ）、イオンビームのエネルギーが４００ｋｅＶ、試料（ターゲット）Ｔがシリコン、引出開口２１の中心を通る線Ｃとイオンビームの照射方向とのなす角（中心散乱角θ）が６０°、引出開口２１の見込み角（引出開口２１の中心を通る線Ｃと、引出開口２１の両端部２１ａ又は２１ｂを通過する散乱イオンの散乱角との差）が±０．２°、電磁石曲率が１５０ｍｍ、電磁石のエッジ角が２６．５°、電磁石回転角が９０°、四重極レンズの励磁係数が０．０９に設定される。この場合のシミュレーションの結果を図４に示す。

また、上記引出開口２１の見込み角を±０．８°に変更し、他の値はそのままでシミュレーションを行った結果を図５に示す。

さらに、図４における実施例の四重極レンズの励磁係数を０に変更し、他の値はそのまま、即ち、従来の磁気レンズを備えない分析装置でのシミュレーションを行った結果を図６に示す。

図４に示すように、試料Ｔの最表面からの散乱イオンは、検出部４１のｘ軸方向において０．１ｍｍ（およそ０．０５ｍｍ）以下に集束している。また、エネルギーが１０ｋｅＶずつ下がるような深さの原子核で散乱した散乱イオンについても、検出部４１において、ｘ軸方向の到達位置が集束していることが分かる。尚、検出部４１のｙ軸方向には発散しているが、エネルギー分析にｙ軸方向は関係しないため問題にならない。以下の見込み角が±０．８°の場合も同様である。

また、図５に示すように、見込み角を±０．８°にしても、試料Ｔの最表面で散乱した散乱イオンは、検出部４１のｘ軸方向において０．１８ｍｍに集束し、エネルギーが５０ｋｅＶ異なった散乱イオンにおいても、０．８ｍｍまで集束している。

これらに対し、図６に示すように、磁気レンズを備えない分析装置においては、試料Ｔの最表面で散乱した散乱イオンは、検出部４１のｘ軸方向において０．９１ｍｍの広がりをもつ。

以上の結果より、四重極レンズ（磁気レンズ）５０を用いることで、引出開口２１の見込み角（開口幅）を４倍にしても、従来の分析装置程度のエネルギー分解能が得られることが分かる。また、同じ見込み角であれば、極めて良好な深さ方向のエネルギー分解能が得られることが分かる。

尚、本発明の分析装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施形態においては、磁気レンズは、ｘｙ方向において一方が発散作用で、他方が集束作用を有するものであるが、これに限定される必要はない。即ち、磁気レンズとして、いわゆる磁界レンズ（シリンドリカルレンズ）のようなｘｙ方向の両方向において集束作用を有するようなものであってもよい。

この磁界レンズとは、コイルに直流の電流を流して作られた磁力線を、透磁率の高い材料で出来た枠（磁路）に閉じ込め、枠の一部に切り欠きを設けることで、磁力線を空間に漏洩させ、回転対称な磁界を作ったものである。そして、この回転対称な磁界内にスリットを通過した散乱イオンを通過させることで、当該散乱イオンをｘｙ方向において集束させることができる。

また、上記実施形態において、磁気レンズ５０は、１個しか用いられていないが、複数個用いられてもよい。この場合、各磁気レンズ５０は、同じ深さの原子核で散乱した散乱イオンが検出部４１で集束するようにそれぞれ磁極を配置する。

第１実施形態に係る散乱イオン分析装置の原理を示す模式図である。 同実施形態に係る散乱イオン分析装置の四重極レンズの正面図を示す。 第２実施形態に係る散乱イオン分析装置の原理を示す模式図である。 第１実施形態に係る散乱イオン分析装置を用いたシミュレーションの結果を示す図である。 同実施形態に係る散乱イオン分析装置を用いた他の条件でのシミュレーションの結果を示す図である。 従来の散乱イオン分析装置を用いたシミュレーションの結果を示す図である。 従来の散乱イオン分析装置の原理を示す模式図である。 従来の散乱イオン分析装置で測定する際にイオン検出器で発散する散乱イオンの軌道を示す図である。

符号の説明

１０ 散乱イオン分析装置（分析装置）
２０ 引出部材
２１ 引出開口（スリット状開口）
３０ 磁場形成手段
４０ イオン検出器
５０ 磁気レンズ（四重極レンズ）
Ｃ 引出開口中心と試料における照射位置とを結ぶ線
Ｓ 偏向面
Ｔ 試料

Claims (8)

1. 加速されたイオンビームが試料に照射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンの進行方向を磁場によって偏向し、この偏向された散乱イオンを検出することでエネルギースペクトルを測定する散乱イオン分析装置であって、
   前記イオンビームと前記偏向されて検出された散乱イオンの軌道とを含んだ平面である偏向面において、この偏向面に沿った方向に所定の幅を有し、前記試料から所定範囲内の散乱角で散乱する散乱イオンを通過させる引出開口が設けられた引出部材と、
   前記引出開口を通過した散乱イオンの進行方向を前記偏向面に沿った方向に偏向させる磁場を形成する磁場形成手段と、
   前記散乱イオンの位置を検出することが可能な検出可能領域を有し、前記磁場形成手段が形成する磁場により偏向された散乱イオンが前記検出可能領域に到達するように配置されるイオン検出器と、
   前記引出部材と前記磁場形成手段との中間位置に設けられ、前記偏向面において、前記引出開口の開口中心と前記試料におけるイオンビームの照射位置とを結ぶ線に直交する方向に沿って前記引出開口を通過した散乱イオンを発散又は集束させる磁気レンズとを備え、
   この磁気レンズは、前記磁場形成手段を通過した散乱イオンのうち前記試料の同じ深さで散乱した散乱イオンが前記検出可能領域で集束するように、前記引出開口を通過した散乱イオンを発散又は集束させることを特徴とする散乱イオン分析装置。
2. 請求項１に記載の散乱イオン分析装置において、
   前記引出開口は、前記偏向面と直交若しくは略直交する方向に延びるスリット状開口であることを特徴とする散乱イオン分析装置。
3. 請求項１又は２に記載の散乱イオン分析装置において、
   前記磁場形成手段は、前記引出開口を通過した散乱イオンの進行方向を前記偏向面に沿うと共に前記イオンビームの下流側に向けて偏向する磁場を形成し、
   前記磁気レンズは、前記散乱イオンを発散させることを特徴とする散乱イオン分析装置。
4. 請求項３記載の散乱イオン分析装置において、
   前記磁気レンズは、前記散乱イオンが発散するように磁極が配置された四重極レンズであることを特徴とする散乱イオン分析装置。
5. 請求項１又は２に記載の散乱イオン分析装置において、
   前記磁場形成手段は、前記引出開口を通過した散乱イオンの進行方向を前記偏向面に沿うと共に前記イオンビームの上流側に向けて偏向する磁場を形成し、
   前記磁気レンズは、前記散乱イオンを集束させることを特徴とする散乱イオン分析装置。
6. 請求項５記載の散乱イオン分析装置において、
   前記磁気レンズは、前記散乱イオンが集束するように磁極が配置された四重極レンズであることを特徴とする散乱イオン分析装置。
7. 請求項１〜３，５のいずれか一項に記載の散乱イオン分析装置において、
   前記磁気レンズは、前記引出開口を通過した散乱イオンを前記発散又は集束させる部分の磁場強度を変更できることを特徴とする散乱イオン分析装置。
8. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の散乱イオン分析装置において、
   前記引出開口は、前記偏向面に沿った引出開口の幅を変更できることを特徴とする散乱イオン分析装置。

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