JP4011403B2 - イオン散乱分析装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
加速された水素或いはヘリウム等の単一エネルギーのイオンを試料表面に照射して，その試料表面で散乱された散乱イオンのエネルギースペクトルを測定することにより，試料成分元素の同定或いは深さ方向の組成分析を行うイオン散乱分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体開発の分野においては，集積化或いは小型薄型化に伴う素子の微細化によるゲート絶縁膜の等価厚みは極薄化（１ｎｍ以下）が避けられず，実膜厚が薄くなると共に，重元素を含む高誘電体の採用が始まりつつある。また，高密度磁気ディスク用の磁気抵抗薄膜ヘッドにおいては，１ｎｍ以下の極薄膜を積み上げた極薄多層膜構造を有するＧＭＲ或いはＴＭＲの採用が始まりつつある。
これらの材料では，表面層，具体的には１原子層〜数原子層における欠陥（例えば空孔，不純物吸着，或いは異常成長）によりその特性が大きく変動するため，開発プロセス或いは生産管理においては，その表面層の欠陥に関する情報が非常に重要な情報となる。
このような極薄膜の試料の表面層における欠陥に関する情報を分析する方法としては「２次イオン質量分析法：ＳＩＭＳ」，「オージェ電子分光法：ＡＥＳ」のように試料表面の表面スパッタを基本とする破壊的な分析方法では適用に限界があるため，試料表面を非破壊に分析可能な「ラザフォード後方散乱法：ＲＢＳ法」が注目されている。
しかしながら，一般的に広く知られるＲＢＳ法は，加速したイオンビームの照射により試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを表面障壁型の半導体検出器を用いて検出し，その検出されたエネルギースペクトルに基づいて試料表面下の元素組成分布を分析するものである。従って，その深さ方向の分解能は上記半導体検出器のエネルギー分解能によって決定され，高々数十ｎｍに留まっていた。そのため，このようなＲＢＳ法では，上述したような極薄膜の試料の表面層における欠陥を分析することは不可能であった。
そこで，従来のＲＢＳ法を改良することにより，試料表面の原子層毎の分析が可能な深さ分解能を実現した「高分解能ラザフォード後方散乱法：ＨＲＢＳ法」が木村（京都大学）等により考案され，「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｈｉｇｈ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ＲＢＳ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ」（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（１９９４）２２３２）においてＨＲＢＳ法を適用したイオン散乱分析装置として開示されている。（従来技術）
上記イオン散乱分析装置Ｂは，図２に示す如く，イオンビーム発生装置Ｘ（イオンビーム発生手段に該当）と，ウィーンフィルタＹ及びスリット７（イオン抽出手段に該当）と，四重極レンズ１１と，分析対象である試料２を配置する真空容器３と，上記試料２の表面から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定する電磁石スペクトロメータＺ（スペクトル測定手段に該当）とを具備して概略構成される。
上記イオンビーム発生装置Ｘは，ボンベ１５より供給されるガス（例えば，ヘリウムガス）を用いてイオン源１２によって生成された軽イオンを，コッククロフト型高電圧回路１４から供給される高電圧により加速管１３内で一定エネルギーに加速した後に照射する。
上記ウィーンフィルタＹ及び上記スリット７は，上記イオンビーム発生装置Ｘにより加速され照射されるイオンビーム１から特定のイオン種のみ（例えばヘリウム一価イオン）を抽出する。ここで，該ウィーンフィルタＹは，通過するイオンに対して，磁極１７，コイル１８，及びリターンヨーク１９で発生する磁場による偏向作用（イオンの運動量に比例）と，平行電極２０で発生する電場による偏向作用（イオンのエネルギーに比例）とが，互いに反対方向に働くように構成されたフィルタであり，上記イオンビーム１のうち特定のイオン種（例えばヘリウム一価イオン）のみを直進させると共に，それ以外のイオン種（例えばヘリウム二価イオン，水素原子イオン等）の軌道を曲げる特性を有するものである。上述した上記ウィーンフィルタＹの特性により，分析に利用される特定のイオン種以外のイオン種は，該ウィーンフィルタＹのイオンビーム入射方向下流に設けられ，直進するイオンのみが通過できるように設定された上記スリット７を通過できずに除去される。
このようにして特定のイオン種のみが抽出された上記イオンビーム１が，上記スリット７のイオンビーム入射方向下流に設けられた上記四重極レンズ１１により集束され，所定のビームスポットにより上記試料２表面に照射される。
上記試料２表面に照射された上記イオンビーム１は上記試料２表面で散乱され，その散乱イオンのうち，一部の散乱イオンが電磁石スペクトロメータＺに入射される。ここで，該電磁石スペクトロメータＺは，通過する散乱イオンを，コイル４，リターンヨーク５，及び磁極６で発生する磁場により，その散乱イオンのエネルギーに応じて偏向した後に検出素子８に対して導くものである。
これにより，上記検出素子８では，散乱イオンが検出される位置（磁場による偏向量）に基づいて，上記試料２表面から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを詳細に分析することが可能となる。
このように，上記イオン散乱分析装置Ｂは，従来のＲＢＳ法を適用したイオン散乱分析装置では測定し得なかった試料表面の原子層レベルの分析が可能とするものであり，上述した極薄膜の材料の表面層における欠陥の分析にも適用することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記イオン散乱分析装置Ｂで用いられる上記電磁石スペクトロメータＺは，従来用いられていた表面障壁型の半導体検出器と較べて寸法が大きいことに加え，その構成要素である上記コイル４が発熱するため，該電磁石スペクトロメータＺと，上記真空容器３とはある程度距離を有して設置する必要がある。
その結果，上記イオン散乱分析装置Ｂでは，以下のような問題点があった。
（問題点１）
通常の電子顕微鏡やその他の分析装置（高々１．５ｍ程度に抑えることが可能）と比較して，上記イオン散乱分析装置Ｂは，装置としての大型化を避けることができない（全長約４ｍとなっている）。
（問題点２）
ここで，ＲＢＳ法の散乱現象は，次の弾性散乱過程で記述される。
エネルギーＥ，質量Ｍ1の入射イオンが，分析対象試料の表面近傍の深さτの位置にある質量Ｍ2の成分原子によって衝突し，角度θで散乱されたとき，衝突直後のイオンのエネルギーＥ1は，次式により表される。
Ｅ1＝Ｋ（Ｍ1，Ｍ2，θ）・Ｅ 式１
但し，上式１におけるＫは，Ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌ Ｆａｃｔｏｒと（以下Ｋ因子という）呼ばれるものであり，次式の関係を有する係数である。
【数１】
上式２より，Ｍ1，Ｍ2，θが一定であれば，ＥとＥ1の比は常に一定であるため，上記試料から出射するイオンのエネルギーＥ1から，衝突した上記試料中の成分原子の質量が一意に算出可能となる。
更に，入射イオンが，上記試料２表面の法線に対してθ1で入射するなら，衝突までの間に上記試料２をＣＯＳθ1／τだけ移動し，上記試料２中成分原子との非弾性散乱により一定のエネルギーを失う。これらのエネルギーの損失から，衝突した原子の位置が深い程，検出される散乱イオンのエネルギーＥ1は低い値を示す。
このような現象が，ラザフォード後方散乱分析法の基本原理である。
ところで，上述したラザフォード後方散乱の原理において，試料表面元素の質量または深さ位置が散乱イオンのエネルギーにどのように反映するか，いわゆる分解能性能を表現するＫ因子（上式２）の特性に遡って考えてみる。
図５は，Ｋ因子の標的元素の質量差に対する変化量：（ΔＫ／Ｋ）／（ΔＭ2／Ｍ2）（但しΔＭ2＝１ａｍｕ）を種々の標的元素（Ｂ，Ｎ，Ｓ…）に対し，散乱角度（０〜１８０°）をパラメータとしてグラフ化したものである。
同図より明らかな如く，散乱角度が最後方（散乱角度＝１８０°）に近づくほどＫ因子の変化は大きく（感受性が高く）なり，標的元素の識別感度は高くなる。
従って，標的元素を感度良く識別するためには，試料表面から散乱される散乱イオンのうち，散乱角度が最後方であるものを分析することが望ましい。
次に，図６は，検出系が捕捉する散乱イオンの散乱角度の幅（検出系の張る立体角）内における角度幅１°あたりのＫ因子の変化量：（ΔＫ／Ｋ）／Δθ（但しΔθ＝１°）を，散乱角度（０〜１８０°）をパラメータとしてグラフ化したものであり，検出系の有限の立体角内で補足される散乱イオンにおいて，その散乱角度の角度幅により元素識別能力を損なう度合いを表している。
同図より明らかな如く，検出系の有限の立体角内における元素識別能力の損失の度合いは，最前方（散乱角度＝０°）若しくは最後方（散乱角度＝１８０°）において最小となり，９０°付近で最大を示す。
従って，散乱角度（θ）が９０°付近である場合，その分析精度を確保する（Ｋ因子の変化を抑える）ためには，必然的に検出系の張る立体角を小さくせざるを得ず，散乱イオンの捕捉効率（検出感度）を低下させる。
このような理由により，その構成上，散乱イオンの散乱角度（θ）を９０°付近せざるを得ない従来公知の上記イオン散乱分析装置Ｂ（図２参照）では，分解能性能或いは感度の面で最適な分析を行っているとは言えない。
（問題点３）
一方，ＲＢＳ法における重要な分析手法の一例として，ダブル・チャネリング測定を利用した結晶性評価，軽元素の高精度定量，或いはイオン注入元素の格子間位置同定がある。
ここで，イオン・チャネリング現象の概要について図３（ａ）〜（ｃ）及び図４を用いて説明する。
結晶基盤である試料２に対して，結晶軸以外の方向からイオンビーム１を入射した場合には，図３（ａ）に示す如く，表面皮下の原子により多くの散乱が生じ，結果として測定されるエネルギースペクトルは図４中のＡのようにノイズの多いものとなり，試料２の表面層に関する情報を正確に把握することができない。
そこで，試料２を適当に傾けることにより，結晶軸の方向とイオンビーム１の入射方向とを揃えると，図３（ｂ）に示す如く，表面格子原子が，表面皮下の原子を隠すため，測定されるエネルギースペクトルは図４中のＢとなる。即ち，試料表面ピークが明確となると共に，エネルギースペクトルＡでは表面皮下の原子からの散乱によって隠れていた軽元素の信号を検出できる。このような，試料の結晶軸とイオンビームの入射方向とを揃えた条件（チャネリング条件）下での測定はイオン・チャネリング測定と呼ばれ，上述した結晶性評価等において効果的である。
更に，上記イオン・チャネリング測定のうち，散乱イオンを検出する方向についても試料２の結晶軸（図中では，試料２の格子原子の対角線方向）に揃えた図３（ｃ）に示すような条件（ダブル・チャネリング条件）での測定は，ダブル・チャネリング測定と呼ばれる。これによれば，上記イオン・チャネリング測定より更に深部信号が減少するため，より厳密な試料分析が可能となると共に，結晶格子間に存在する不純物による散乱イオンを効果的に検出することも可能となり，イオン注入不純物の格子間位置の同定に対しても効果的である。（測定されるエネルギースペクトルは図４中のＣ）
このように，ＲＢＳ法を用いた試料の分析においてダブル・チャネリング測定を利用することは，より多様な分析に応用できると共に，その分析精度を向上させるため，非常に重要である。
ここで，ダブル・チャネリング測定におけるチャネリング条件を満たすためには，イオンビーム入射方向を試料の結晶軸に揃えた状態で，散乱イオンの検出方向を試料の結晶軸に高精度に揃える必要がある。
しかしながら，上記従来のイオン散乱分析装置Ｂでは，その測定の度に，散乱イオンを検出する上記電磁石スペクトロメータＺを，試料の結晶軸に応じて高精度に設置することは困難であり，ダブル・チャネリング測定は事実上不可能とならざるを得なかった。
そこで，本発明は，上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，イオンビームの照射による散乱イオンを分析するイオン散乱分析装置であって，装置の小型化と共に，高い分解能且つ高感度な分析を実現し，更には容易にダブル・チャネリング測定が可能なものを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，本発明は，加速されたイオンビームを照射するイオンビーム発生手段と，加速されたイオンビームから特定のイオン種のみを抽出するイオン抽出手段と，特定のイオン種のみが抽出された上記イオンビームを真空容器内に配置された試料に照射した際に，上記試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するスペクトル測定手段とを具備し，上記イオン抽出手段及び上記スペクトル測定手段が，共通の偏向電磁石を備えて構成されてなるイオン散乱分析装置において，上記試料から散乱する上記散乱イオンが該偏向電磁石に入射する際の入射角と，該偏向電磁石に入射された上記散乱イオンが出射する際の出射角とを調整するために，上記偏向電磁石の磁極境界面の形状を，上記試料からの上記散乱イオンが入射される位置近傍と，上記散乱イオンが上記スペクトル測定手段に向けて出射する位置近傍において，任意に変更可能としたことを特徴とするイオン散乱分析装置として構成される。
このように構成することによって，従来のイオン散乱分析装置において，普及を妨げる大きな要因であった装置の巨大化を抑え，小型化を図ることが可能となる。
また，本発明に係るイオン散乱分析装置では，試料チャンバーに接続された単一のポートだけを使って，イオンビーム（１次ビーム）を入射し，散乱イオンを取り出すことが可能であるため，本分析装置専用に用意された試料チャンバだけでなく，本分析装置に接続できるポートを少なくとも一つ有するチャンバに接続して種々の条件の元での測定を行うことができる。
例えば，分子線エピタキシャル蒸着装置の成膜室を試料チャンバとして共用し，成膜しながら本装置で試料の組成変化を観察したり，試料台にヒータを取り付けた高温用チャンバに接続し，高温化での分析ができる。即ち，成膜過程や表面加工過程のｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）観察装置として利用することが可能な装置が構成できる。
更に，上記偏向電磁石が，上記試料から散乱する上記散乱イオンが該偏向電磁石に入射する際の入射角と，該偏向電磁石に入射された上記散乱イオンが出射する際の出射角とを任意に調整可能であるので，上記偏向磁石に入射される上記散乱イオンが，上記スペクトル測定手段上で一点に集束させ得る二重集束条件を満足するような所定の磁場を発生させるように該偏向磁石を調整することが可能となる。
即ち，測定される試料元素が異なり，二重集束条件が異なる場合であっても，その二重集束条件に応じて，上記散乱イオンの上記偏向磁石に対する入射角及び出射角を調整することにより，常に正確なエネルギー分析が可能となる。
また，上記偏向電磁石を，上記試料からの上記散乱イオンが入射される位置近傍と，上記散乱イオンが上記スペクトル測定手段に向けて出射する位置近傍に，機械的に回動可能な可動磁極を有してなる構造としてもよい。
【０００５】
また，上記スペクトル測定手段が，上記イオンビームの照射により，上記試料から散乱する上記散乱イオンのうち，最後方（散乱角１８０°）近傍に散乱する上記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するように設けられることが望ましい。
これにより，ＲＢＳ法を用いた試料分析のうち，最も高分解能で且つ高感度な分析を実現することが可能となる。
ここで，最後方に散乱する上記散乱イオンによって測定を行う場合には，イオンビームの入射方向を上記試料の結晶軸に揃えることで，同時に上記散乱イオンを検出する方向も上記試料の結晶軸に揃う（ダブル・チャネリング条件を満たす）ため，従来公知のイオン散乱分析装置では不可能であったダブル・チャネリング測定を実施可能である。
【０００６】
上記散乱イオンの入射点は，同時にイオンビームの出射点でもあるため，上記のように，上記試料（上記散乱イオン）に応じて上記偏向磁石に対する入射角を変更することは，同時にイオンビームの上記偏向磁石に対する出射角を変更していることになる。
そのため，上記偏向電磁石より上記イオンビーム入射方向上流に，１以上の４重極電磁レンズを設けることが望ましい。
これにより，イオンビームの集束発散状態を電気的に補正することが可能となり，上記偏向電磁石におけるイオンビームの出射角を変更した場合にも，所定のビームスポットを形成するイオンビームにより上記試料の表面を照射することが可能となる。
【０００７】
更にまた，上記イオンビームの照射により，上記散乱イオンと共に上記試料から散乱する中性散乱粒子のエネルギースペクトルを測定する中性散乱粒子スペクトル測定手段を更に具備してなる形態も考えられよう。
この場合には，測定された中性散乱粒子のエネルギースペクトルを用いて上記試料の元素定量性を補償することが可能となり，分析精度を更に向上し得る。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態及び実施例について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化し
た一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係るイオン散乱分析装置の概略構成を示す図，図２は従来公知のイオン散乱分析装置の概略構成を示す図，図３はイオンチャネリング現象の物理的解説図，図４はイオンビームを入射する角度とＲＢＳスペクトルとの関係を示す図，図５はＫ因子の標的元素の質量差に対する変化量を示す図，図６は検出系の張る立体角における角度幅１°あたりのＫ因子の変化量を示す図である。
【０００９】
本発明の実施の形態に係るイオン散乱分析装置は，図１に示す如くイオン散乱分析装置Ａとして具現化される。
該イオン散乱分析装置Ａは，イオンビーム発生装置Ｘ（イオンビーム発生手段に該当）と，四重極電磁レンズ１０と，偏向電磁石Ｗ（イオン抽出手段及びスペクトル測定手段に備えられる共通の偏向電磁石に該当）と，スリット７と，分析対象である試料２を配置する真空容器３と，検出素子８（スペクトル測定手段に該当）とを具備して概略構成される。
上記イオンビーム発生装置Ｘは，ボンベ１５より供給されるガス（例えば，ヘリウムガス）を用いてイオン源１２によって生成された軽イオンを，コッククロフト型高電圧回路１４から供給される高電圧により加速管１３内で一定エネルギーに加速した後に照射する。
上記四重極電磁レンズ１０は，上記イオンビーム発生装置Ｘより照射されたイオンビーム１が上記試料２の表面上で所定のスポット形状を形成するように，該四重極電磁レンズ１０のイオンビーム入射方向下流に設けられる上記偏向電磁石Ｗによって発生する磁場による偏向作用を考慮したレンズ条件に設定され，入射されるイオンビーム１を縦横発振状態（エミッタンス）に成形する。
上記偏向電磁石Ｗは，縦横発振状態に成形されたイオンビーム１を，対向する磁極６により挟まれた間隙６ｃ（図１に示す断面図参照）に導入する。ここで，該偏向電磁石Ｗは，磁極６，コイル４，及びリターンヨーク５により発生する磁場によって，特定のイオン種のみ（本実施形態ではヘリウム一価イオンとする）が９０°偏向された後に該偏向電磁石Ｗのイオンビーム入射方向下流に設けられる上記真空容器３に向けて出射されるように設定されている。従って，分析に利用されるヘリウム一価イオン以外のイオン種は，上記真空容器３のイオンビーム入射方向上流側に設けられ，直進するイオンのみが通過できるように設定された上記スリット７を通過できずに除去される。
このようにしてヘリウム一価イオンのみが抽出された上記イオンビーム１が，上記真空容器３に導入される
上記真空容器３に導入されたヘリウム一価イオンは，上述説明したイオン・チャネリングの条件を満たすべく好適に傾斜されて配置した上記試料２に照射され，散乱される。
上記試料２表面から散乱されたヘリウム一価イオンのうち，該真空容器３のイオンビーム入射方向，つまりは最後方（散乱角度１８０°）近傍に散乱されたヘリウム一価イオン（以下，単に散乱ヘリウム一価イオンという）は，上記スリット７を通過すると共に，上記偏向電磁石Ｗの上記磁極６の間隙６ｃに再び入射される。
この場合，上記偏向電磁石Ｗに入射された散乱ヘリウム一価イオンは，イオンビームが入射された場合と同様に，上記磁極６，上記コイル４，及び上記リターンヨーク５により発生する磁場によって，そのエネルギーに応じて偏向された後に，該偏向電磁石Ｗに設けられた上記検出素子８に向けて出射される。ここで，散乱ヘリウム一価イオンが該偏向電磁石Ｗに入射される際の入射角と，散乱ヘリウム一価イオンが該偏向電磁石Ｗから出射する際の出射角とは，後述する二重集束条件に従って好適に設定されることにより，散乱ヘリウム一価イオンは上記検出素子８上で一点に集束させることができる。
これにより，上記検出素子８では，一点に集束された散乱ヘリウム一価イオンが検出される位置（磁場による偏向量）に基づいて，上記試料２表面からの散乱ヘリウム一価イオンのエネルギースペクトルを正確に分析することが可能となる。
以上のように，本実施の形態に係る上記イオン散乱分析装置Ａは，従来公知の上記イオン散乱分析装置Ｂにおける上記ウィーンフィルタＹ及び上記電磁石スペクトロメータＺが，その機能を実現するため偏向電磁石による偏向作用を共に利用していることに着目し，その偏向電磁石を共通化したことを特徴点とする。その結果，従来公知のものと較べて，よりコンパクトな装置とすることが可能である。
更に，本実施の形態に係る上記イオン散乱分析装置Ａでは，上記検出素子８を，上記試料２表面からの散乱イオンのうち最後方近傍に散乱されたものを測定する位置に設けることが可能であるため，理論上最も高精度で且つ高感度な分析ができる。
ここで，最後方近傍に散乱された散乱イオンを分析に用いる場合には，図３（ｄ）に示す如く，上記試料２の結晶軸に対して入射されるイオンビームを揃えれば，必然的に散乱イオンの検出方向と上記試料２の結晶軸が揃うこととなる。
従って，本実施の形態に係る上記イオン散乱分析装置Ａは，従来公知の上記イオン散乱分析装置Ｂでは，事実上不可能であったダブル・チャネリング測定を上記試料２の傾きを好適に調整することにより容易に実現可能である。
【００１０】
次に，上記偏向電磁石Ｗにヘリウム一価イオンが入射される際の入射角と，該偏向電磁石Ｗからヘリウム一価イオンが出射する際の出射角の設定について説明する。
ここで，ヘリウム一価イオンが入射される際の入射角と，出射する際の出射角とは，上記試料から散乱されるヘリウム一価イオンが，上記検出素子８上で，再び一点に集束するような条件（二重集束条件）に従って設定する必要がある。ここで，このような条件とは，従来公知のイオン散乱分析装置に用いられる上記電磁石スペクトロメータＺの場合と同様に，磁場中の荷電粒子軌道に対する数値解析により容易に算出可能である。
例えば，試料２から上記偏向電磁石Ｗまでの距離，及び上記偏向電磁石Ｗから上記検出素子８までの距離が共に１７４ｍｍであって，該偏向電磁石Ｗ内の磁場により，ヘリウム一価イオンが１５０Ｒの軌道半径で１２０°偏向される場合には，上記偏向電磁石Ｗの入射角及び出射角は夫々，ヘリウム一価イオンの中心軌道の法線に対して４１°の角度で傾けることにより，上記二重集束条件が満たされ，ヘリウム一価イオンを上記検出素子８上の一点に集束させることができる。
しかし，分析される上記試料２が異なる場合には散乱イオンのエネルギーも異なるため，上記二重集束条件も異なることが考えられる。例えば，散乱された散乱イオンのエネルギーが小さい場合には，図中に矢印１ａで示す如く，上記偏向電磁石Ｗによって大きく偏向されるが，散乱された散乱イオンのエネルギーが大きい場合には，図中に矢印１ｂで示す如く，上記偏向電磁石Ｗによる偏向が小さくなる。
このように，分析される上記試料２によって異なる上記二重集束条件に適応するために，本実施の形態では，散乱イオンが入射される位置近傍の可動磁極６ａと，散乱イオンが出射される位置近傍の可動磁極６ｂとを，機械的に摺動可能な半円筒形状に形成し，不図示である回転機構により必要に応じて回動させる機構を有している。
このような構成を有することにより，試料の種別毎に算出される上記二重集束条件に応じて，上記各可動磁極６ａ，６ｂを摺動させることにより，上記偏向電磁石Ｗの磁極境界面の角度（形状）を任意に設定することが可能となり，上記二重集束条件が異なる場合であっても，常に上記散乱イオンを上記検出素子８上に一点で集束させるような磁場を発生させることが可能となる。
ここで，上記可動磁極６ａは，散乱イオンの入射点であると共に，上記イオンビーム発生装置Ｘから出射されたイオンビームの出射点でもあるため，上記可動磁極６ａを上記二重集束条件に応じて回動させた場合には，イオンビームが上記偏向電磁石Ｗから出射する際の出射角が変更されることに注意する必要がある。即ち，出射角の変更によってイオンビームの集束発散状態が変化し，上記試料２表面に形成されるイオンビームによるビームスポット（例えば０．１ｍｍφ以下）が変化する虞がある。
そこで，本実施形態では，上記偏向電磁石Ｗより上記イオンビーム入射方向上流に，４重極電磁レンズ１０を２つ設けている。
これにより，上記可動磁極６ａの回動によって生じたイオンビームの集束発散状態のズレを，上記４重極電磁レンズ１０によって電気的に補正することが可能となり，上記二重集束条件の変化に応じてイオンビームの出射角（集束発散状態）が変更された場合であっても，所定のビームスポットを形成するイオンビームにより上記試料の表面を照射することが可能となる。
【００１１】
ここで，上記試料２にイオンビームが照射された場合には，全てが散乱イオンとして後方散乱するとは限らず，電荷を上記試料２に奪われて，或いは貰い受けて中性散乱粒子となるものがある。そして，それら中性散乱粒子のエネルギースペクトルは，上記試料２の内部組成を知る上で重要な情報となり得る。
そこで，本実施の形態に係るイオン散乱分析装置Ａでは，図１に示す如く，上記偏向電磁石Ｗに対する散乱イオンの入射軸と同軸上に，中性散乱粒子を検出する中性散乱粒子検出手段９を設けている。上記中性散乱粒子検出手段９としては，数ｍｅＶのエネルギーギャップを持つ超伝導トンネル接合型の検出器を用いることで，低エネルギーの中性散乱粒子も検出することできる。
これにより，イオンビームの照射により，散乱イオンと同時に生成される中性散乱粒子を正確に検出することが可能となり，例えば上記試料２の元素定量性の補償に利用することが可能であり，装置としての分析精度を向上させることができる。ここで，該中性散乱粒子検出手段９には，図中に示す如く，入射されるイオンビームの混入を防止するためのイオンビーム遮蔽板９ａが設けられることが望ましい。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明は，加速されたイオンビームを照射するイオンビーム発生手段と，加速されたイオンビームから特定のイオン種のみを抽出するイオン抽出手段と，特定のイオン種のみが抽出された上記イオンビームを真空容器内に配置された試料に照射した際に，上記試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するスペクトル測定手段とを具備し，上記イオン抽出手段及び上記スペクトル測定手段が，共通の偏向電磁石を備えて構成されてなるイオン散乱分析装置において，上記試料から散乱する上記散乱イオンが該偏向電磁石に入射する際の入射角と，該偏向電磁石に入射された上記散乱イオンが出射する際の出射角とを調整するために，上記偏向電磁石の磁極境界面の形状を，上記試料からの上記散乱イオンが入射される位置近傍と，上記散乱イオンが上記スペクトル測定手段に向けて出射する位置近傍において，任意に変更可能としたことを特徴とするイオン散乱分析装置として構成される。
このように構成することによって，従来のイオン散乱分析装置において，普及を妨げる大きな要因であった装置の巨大化を抑え，小型化を図ることが可能となる。
また，本発明に係るイオン散乱分析装置では，試料チャンバーに接続された単一のポートだけを使って，イオンビーム（１次ビーム）を入射し，散乱イオンを取り出すことが可能であるため，本分析装置専用に用意された試料チャンバだけでなく，本分析装置に接続できるポートを少なくとも一つ有するチャンバに接続して種々の条件の元での測定を行うことができる。
例えば，分子線エピタキシャル蒸着装置の成膜室を試料チャンバとして共用し，成膜しながら本装置で試料の組成変化を観察したり，試料台にヒータを取り付けた高温用チャンバに接続し，高温化での分析ができる。即ち，成膜過程や表面加工過程のｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）観察装置として利用することが可能な装置が構成できる。
更に，上記偏向電磁石が，上記試料から散乱する上記散乱イオンが該偏向電磁石に入射する際の入射角と，該偏向電磁石に入射された上記散乱イオンが出射する際の出射角とを任意に調整可能であるので，上記偏向磁石に入射される上記散乱イオンが，上記スペクトル測定手段上で一点に集束させ得る二重集束条件を満足するような所定の磁場を発生させるように該偏向磁石を調整することが可能となる。
即ち，測定される試料元素が異なり，二重集束条件が異なる場合であっても，その二重集束条件に応じて，上記散乱イオンの上記偏向磁石に対する入射角及び出射角を調整することにより，常に正確なエネルギー分析が可能となる。
また，上記偏向電磁石を，上記試料からの上記散乱イオンが入射される位置近傍と，上記散乱イオンが上記スペクトル測定手段に向けて出射する位置近傍に，機械的に回動可能な可動磁極を有してなる構造としてもよい。
【００１３】
また，上記スペクトル測定手段が，上記イオンビームの照射により，上記試料から散乱する上記散乱イオンのうち，最後方（散乱角１８０°）近傍に散乱する上記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するように設けられることが望ましい。
これにより，ＲＢＳ法を用いた試料分析のうち，最も高分解能で且つ高感度な分析を実現することが可能となる。
ここで，最後方に散乱する上記散乱イオンによって測定を行う場合には，イオンビームの入射方向を上記試料の結晶軸に揃えることで，同時に上記散乱イオンを検出する方向も上記試料の結晶軸に揃う（ダブル・チャネリング条件を満たす）ため，従来公知のイオン散乱分析装置では不可能であったダブル・チャネリング測定を実施可能である。
【００１４】
上記散乱イオンの入射点は，同時にイオンビームの出射点でもあるため，上記のように，上記試料（上記散乱イオン）に応じて上記偏向磁石に対する入射角を変更することは，同時にイオンビームの上記偏向磁石に対する出射角を変更していることになる。
そのため，上述した形態の場合には，上記偏向電磁石より上記イオンビーム入射方向上流に，１以上の４重極電磁レンズを設けることが望ましい。
これにより，イオンビームの集束発散状態を電気的に補正することが可能となり，上記偏向電磁石におけるイオンビームの出射角を変更した場合にも，所定のビームスポットを形成するイオンビームにより上記試料の表面を照射することが可能となる。
【００１５】
更にまた，上記イオンビームの照射により，上記散乱イオンと共に上記試料から散乱する中性散乱粒子のエネルギースペクトルを測定する中性散乱粒子スペクトル測定手段を更に具備してなる形態も考えられよう。
この場合には，測定された中性散乱粒子のエネルギースペクトルを用いて上記試料の元素定量性を補償することが可能となり，分析精度を更に向上し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係るイオン散乱分析装置の概略構成を示す図。
【図２】 従来公知のイオン散乱分析装置の概略構成を示す図。
【図３】 イオンチャネリング現象の物理的解説図。
【図４】 イオンビームを入射する角度とＲＢＳスペクトルとの関係を示す図。
【図５】 Ｋ因子の標的元素の質量差に対する変化量を示す図。
【図６】 検出系の張る立体角における角度幅１°あたりのＫ因子の変化量を示す図。
【符号の説明】
Ａ …イオン散乱分析装置
Ｂ …イオン散乱分析装置
Ｗ …分析電磁石
Ｘ …イオンビーム発生装置
Ｙ …ウィーンフィルタ
Ｚ …電磁石スペクトロメータ
１ …イオンビーム
２ …試料
３ …真空容器
４ …コイル
５ …リターンヨーク
６ …磁極
６ａ…可動磁極
６ｂ…可動磁極
６ｃ…間隙
７ …スリット
８ …検出素子
９ …中性散乱粒子検出手段
９ａ…イオンビーム遮蔽板
１０…四重極電磁レンズ
１１…四重極レンズ
１２…イオン源
１３…加速管
１４…コッククロフト型高電圧回路
１５…ボンベ
１６…絶縁ガス充填タンク
１７…磁極
１８…コイル
１９…リターンヨーク
２０…平行電極
【発明の属する技術分野】
加速された水素或いはヘリウム等の単一エネルギーのイオンを試料表面に照射して，その試料表面で散乱された散乱イオンのエネルギースペクトルを測定することにより，試料成分元素の同定或いは深さ方向の組成分析を行うイオン散乱分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体開発の分野においては，集積化或いは小型薄型化に伴う素子の微細化によるゲート絶縁膜の等価厚みは極薄化（１ｎｍ以下）が避けられず，実膜厚が薄くなると共に，重元素を含む高誘電体の採用が始まりつつある。また，高密度磁気ディスク用の磁気抵抗薄膜ヘッドにおいては，１ｎｍ以下の極薄膜を積み上げた極薄多層膜構造を有するＧＭＲ或いはＴＭＲの採用が始まりつつある。
これらの材料では，表面層，具体的には１原子層〜数原子層における欠陥（例えば空孔，不純物吸着，或いは異常成長）によりその特性が大きく変動するため，開発プロセス或いは生産管理においては，その表面層の欠陥に関する情報が非常に重要な情報となる。
このような極薄膜の試料の表面層における欠陥に関する情報を分析する方法としては「２次イオン質量分析法：ＳＩＭＳ」，「オージェ電子分光法：ＡＥＳ」のように試料表面の表面スパッタを基本とする破壊的な分析方法では適用に限界があるため，試料表面を非破壊に分析可能な「ラザフォード後方散乱法：ＲＢＳ法」が注目されている。
しかしながら，一般的に広く知られるＲＢＳ法は，加速したイオンビームの照射により試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを表面障壁型の半導体検出器を用いて検出し，その検出されたエネルギースペクトルに基づいて試料表面下の元素組成分布を分析するものである。従って，その深さ方向の分解能は上記半導体検出器のエネルギー分解能によって決定され，高々数十ｎｍに留まっていた。そのため，このようなＲＢＳ法では，上述したような極薄膜の試料の表面層における欠陥を分析することは不可能であった。
そこで，従来のＲＢＳ法を改良することにより，試料表面の原子層毎の分析が可能な深さ分解能を実現した「高分解能ラザフォード後方散乱法：ＨＲＢＳ法」が木村（京都大学）等により考案され，「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｈｉｇｈ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ＲＢＳ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ」（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（１９９４）２２３２）においてＨＲＢＳ法を適用したイオン散乱分析装置として開示されている。（従来技術）
上記イオン散乱分析装置Ｂは，図２に示す如く，イオンビーム発生装置Ｘ（イオンビーム発生手段に該当）と，ウィーンフィルタＹ及びスリット７（イオン抽出手段に該当）と，四重極レンズ１１と，分析対象である試料２を配置する真空容器３と，上記試料２の表面から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定する電磁石スペクトロメータＺ（スペクトル測定手段に該当）とを具備して概略構成される。
上記イオンビーム発生装置Ｘは，ボンベ１５より供給されるガス（例えば，ヘリウムガス）を用いてイオン源１２によって生成された軽イオンを，コッククロフト型高電圧回路１４から供給される高電圧により加速管１３内で一定エネルギーに加速した後に照射する。
上記ウィーンフィルタＹ及び上記スリット７は，上記イオンビーム発生装置Ｘにより加速され照射されるイオンビーム１から特定のイオン種のみ（例えばヘリウム一価イオン）を抽出する。ここで，該ウィーンフィルタＹは，通過するイオンに対して，磁極１７，コイル１８，及びリターンヨーク１９で発生する磁場による偏向作用（イオンの運動量に比例）と，平行電極２０で発生する電場による偏向作用（イオンのエネルギーに比例）とが，互いに反対方向に働くように構成されたフィルタであり，上記イオンビーム１のうち特定のイオン種（例えばヘリウム一価イオン）のみを直進させると共に，それ以外のイオン種（例えばヘリウム二価イオン，水素原子イオン等）の軌道を曲げる特性を有するものである。上述した上記ウィーンフィルタＹの特性により，分析に利用される特定のイオン種以外のイオン種は，該ウィーンフィルタＹのイオンビーム入射方向下流に設けられ，直進するイオンのみが通過できるように設定された上記スリット７を通過できずに除去される。
このようにして特定のイオン種のみが抽出された上記イオンビーム１が，上記スリット７のイオンビーム入射方向下流に設けられた上記四重極レンズ１１により集束され，所定のビームスポットにより上記試料２表面に照射される。
上記試料２表面に照射された上記イオンビーム１は上記試料２表面で散乱され，その散乱イオンのうち，一部の散乱イオンが電磁石スペクトロメータＺに入射される。ここで，該電磁石スペクトロメータＺは，通過する散乱イオンを，コイル４，リターンヨーク５，及び磁極６で発生する磁場により，その散乱イオンのエネルギーに応じて偏向した後に検出素子８に対して導くものである。
これにより，上記検出素子８では，散乱イオンが検出される位置（磁場による偏向量）に基づいて，上記試料２表面から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを詳細に分析することが可能となる。
このように，上記イオン散乱分析装置Ｂは，従来のＲＢＳ法を適用したイオン散乱分析装置では測定し得なかった試料表面の原子層レベルの分析が可能とするものであり，上述した極薄膜の材料の表面層における欠陥の分析にも適用することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記イオン散乱分析装置Ｂで用いられる上記電磁石スペクトロメータＺは，従来用いられていた表面障壁型の半導体検出器と較べて寸法が大きいことに加え，その構成要素である上記コイル４が発熱するため，該電磁石スペクトロメータＺと，上記真空容器３とはある程度距離を有して設置する必要がある。
その結果，上記イオン散乱分析装置Ｂでは，以下のような問題点があった。
（問題点１）
通常の電子顕微鏡やその他の分析装置（高々１．５ｍ程度に抑えることが可能）と比較して，上記イオン散乱分析装置Ｂは，装置としての大型化を避けることができない（全長約４ｍとなっている）。
（問題点２）
ここで，ＲＢＳ法の散乱現象は，次の弾性散乱過程で記述される。
エネルギーＥ，質量Ｍ1の入射イオンが，分析対象試料の表面近傍の深さτの位置にある質量Ｍ2の成分原子によって衝突し，角度θで散乱されたとき，衝突直後のイオンのエネルギーＥ1は，次式により表される。
Ｅ1＝Ｋ（Ｍ1，Ｍ2，θ）・Ｅ 式１
但し，上式１におけるＫは，Ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌ Ｆａｃｔｏｒと（以下Ｋ因子という）呼ばれるものであり，次式の関係を有する係数である。
【数１】
更に，入射イオンが，上記試料２表面の法線に対してθ1で入射するなら，衝突までの間に上記試料２をＣＯＳθ1／τだけ移動し，上記試料２中成分原子との非弾性散乱により一定のエネルギーを失う。これらのエネルギーの損失から，衝突した原子の位置が深い程，検出される散乱イオンのエネルギーＥ1は低い値を示す。
このような現象が，ラザフォード後方散乱分析法の基本原理である。
ところで，上述したラザフォード後方散乱の原理において，試料表面元素の質量または深さ位置が散乱イオンのエネルギーにどのように反映するか，いわゆる分解能性能を表現するＫ因子（上式２）の特性に遡って考えてみる。
図５は，Ｋ因子の標的元素の質量差に対する変化量：（ΔＫ／Ｋ）／（ΔＭ2／Ｍ2）（但しΔＭ2＝１ａｍｕ）を種々の標的元素（Ｂ，Ｎ，Ｓ…）に対し，散乱角度（０〜１８０°）をパラメータとしてグラフ化したものである。
同図より明らかな如く，散乱角度が最後方（散乱角度＝１８０°）に近づくほどＫ因子の変化は大きく（感受性が高く）なり，標的元素の識別感度は高くなる。
従って，標的元素を感度良く識別するためには，試料表面から散乱される散乱イオンのうち，散乱角度が最後方であるものを分析することが望ましい。
次に，図６は，検出系が捕捉する散乱イオンの散乱角度の幅（検出系の張る立体角）内における角度幅１°あたりのＫ因子の変化量：（ΔＫ／Ｋ）／Δθ（但しΔθ＝１°）を，散乱角度（０〜１８０°）をパラメータとしてグラフ化したものであり，検出系の有限の立体角内で補足される散乱イオンにおいて，その散乱角度の角度幅により元素識別能力を損なう度合いを表している。
同図より明らかな如く，検出系の有限の立体角内における元素識別能力の損失の度合いは，最前方（散乱角度＝０°）若しくは最後方（散乱角度＝１８０°）において最小となり，９０°付近で最大を示す。
従って，散乱角度（θ）が９０°付近である場合，その分析精度を確保する（Ｋ因子の変化を抑える）ためには，必然的に検出系の張る立体角を小さくせざるを得ず，散乱イオンの捕捉効率（検出感度）を低下させる。
このような理由により，その構成上，散乱イオンの散乱角度（θ）を９０°付近せざるを得ない従来公知の上記イオン散乱分析装置Ｂ（図２参照）では，分解能性能或いは感度の面で最適な分析を行っているとは言えない。
（問題点３）
一方，ＲＢＳ法における重要な分析手法の一例として，ダブル・チャネリング測定を利用した結晶性評価，軽元素の高精度定量，或いはイオン注入元素の格子間位置同定がある。
ここで，イオン・チャネリング現象の概要について図３（ａ）〜（ｃ）及び図４を用いて説明する。
結晶基盤である試料２に対して，結晶軸以外の方向からイオンビーム１を入射した場合には，図３（ａ）に示す如く，表面皮下の原子により多くの散乱が生じ，結果として測定されるエネルギースペクトルは図４中のＡのようにノイズの多いものとなり，試料２の表面層に関する情報を正確に把握することができない。
そこで，試料２を適当に傾けることにより，結晶軸の方向とイオンビーム１の入射方向とを揃えると，図３（ｂ）に示す如く，表面格子原子が，表面皮下の原子を隠すため，測定されるエネルギースペクトルは図４中のＢとなる。即ち，試料表面ピークが明確となると共に，エネルギースペクトルＡでは表面皮下の原子からの散乱によって隠れていた軽元素の信号を検出できる。このような，試料の結晶軸とイオンビームの入射方向とを揃えた条件（チャネリング条件）下での測定はイオン・チャネリング測定と呼ばれ，上述した結晶性評価等において効果的である。
更に，上記イオン・チャネリング測定のうち，散乱イオンを検出する方向についても試料２の結晶軸（図中では，試料２の格子原子の対角線方向）に揃えた図３（ｃ）に示すような条件（ダブル・チャネリング条件）での測定は，ダブル・チャネリング測定と呼ばれる。これによれば，上記イオン・チャネリング測定より更に深部信号が減少するため，より厳密な試料分析が可能となると共に，結晶格子間に存在する不純物による散乱イオンを効果的に検出することも可能となり，イオン注入不純物の格子間位置の同定に対しても効果的である。（測定されるエネルギースペクトルは図４中のＣ）
このように，ＲＢＳ法を用いた試料の分析においてダブル・チャネリング測定を利用することは，より多様な分析に応用できると共に，その分析精度を向上させるため，非常に重要である。
ここで，ダブル・チャネリング測定におけるチャネリング条件を満たすためには，イオンビーム入射方向を試料の結晶軸に揃えた状態で，散乱イオンの検出方向を試料の結晶軸に高精度に揃える必要がある。
しかしながら，上記従来のイオン散乱分析装置Ｂでは，その測定の度に，散乱イオンを検出する上記電磁石スペクトロメータＺを，試料の結晶軸に応じて高精度に設置することは困難であり，ダブル・チャネリング測定は事実上不可能とならざるを得なかった。
そこで，本発明は，上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，イオンビームの照射による散乱イオンを分析するイオン散乱分析装置であって，装置の小型化と共に，高い分解能且つ高感度な分析を実現し，更には容易にダブル・チャネリング測定が可能なものを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，本発明は，加速されたイオンビームを照射するイオンビーム発生手段と，加速されたイオンビームから特定のイオン種のみを抽出するイオン抽出手段と，特定のイオン種のみが抽出された上記イオンビームを真空容器内に配置された試料に照射した際に，上記試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するスペクトル測定手段とを具備し，上記イオン抽出手段及び上記スペクトル測定手段が，共通の偏向電磁石を備えて構成されてなるイオン散乱分析装置において，上記試料から散乱する上記散乱イオンが該偏向電磁石に入射する際の入射角と，該偏向電磁石に入射された上記散乱イオンが出射する際の出射角とを調整するために，上記偏向電磁石の磁極境界面の形状を，上記試料からの上記散乱イオンが入射される位置近傍と，上記散乱イオンが上記スペクトル測定手段に向けて出射する位置近傍において，任意に変更可能としたことを特徴とするイオン散乱分析装置として構成される。
このように構成することによって，従来のイオン散乱分析装置において，普及を妨げる大きな要因であった装置の巨大化を抑え，小型化を図ることが可能となる。
また，本発明に係るイオン散乱分析装置では，試料チャンバーに接続された単一のポートだけを使って，イオンビーム（１次ビーム）を入射し，散乱イオンを取り出すことが可能であるため，本分析装置専用に用意された試料チャンバだけでなく，本分析装置に接続できるポートを少なくとも一つ有するチャンバに接続して種々の条件の元での測定を行うことができる。
例えば，分子線エピタキシャル蒸着装置の成膜室を試料チャンバとして共用し，成膜しながら本装置で試料の組成変化を観察したり，試料台にヒータを取り付けた高温用チャンバに接続し，高温化での分析ができる。即ち，成膜過程や表面加工過程のｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）観察装置として利用することが可能な装置が構成できる。
更に，上記偏向電磁石が，上記試料から散乱する上記散乱イオンが該偏向電磁石に入射する際の入射角と，該偏向電磁石に入射された上記散乱イオンが出射する際の出射角とを任意に調整可能であるので，上記偏向磁石に入射される上記散乱イオンが，上記スペクトル測定手段上で一点に集束させ得る二重集束条件を満足するような所定の磁場を発生させるように該偏向磁石を調整することが可能となる。
即ち，測定される試料元素が異なり，二重集束条件が異なる場合であっても，その二重集束条件に応じて，上記散乱イオンの上記偏向磁石に対する入射角及び出射角を調整することにより，常に正確なエネルギー分析が可能となる。
また，上記偏向電磁石を，上記試料からの上記散乱イオンが入射される位置近傍と，上記散乱イオンが上記スペクトル測定手段に向けて出射する位置近傍に，機械的に回動可能な可動磁極を有してなる構造としてもよい。
【０００５】
また，上記スペクトル測定手段が，上記イオンビームの照射により，上記試料から散乱する上記散乱イオンのうち，最後方（散乱角１８０°）近傍に散乱する上記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するように設けられることが望ましい。
これにより，ＲＢＳ法を用いた試料分析のうち，最も高分解能で且つ高感度な分析を実現することが可能となる。
ここで，最後方に散乱する上記散乱イオンによって測定を行う場合には，イオンビームの入射方向を上記試料の結晶軸に揃えることで，同時に上記散乱イオンを検出する方向も上記試料の結晶軸に揃う（ダブル・チャネリング条件を満たす）ため，従来公知のイオン散乱分析装置では不可能であったダブル・チャネリング測定を実施可能である。
【０００６】
上記散乱イオンの入射点は，同時にイオンビームの出射点でもあるため，上記のように，上記試料（上記散乱イオン）に応じて上記偏向磁石に対する入射角を変更することは，同時にイオンビームの上記偏向磁石に対する出射角を変更していることになる。
そのため，上記偏向電磁石より上記イオンビーム入射方向上流に，１以上の４重極電磁レンズを設けることが望ましい。
これにより，イオンビームの集束発散状態を電気的に補正することが可能となり，上記偏向電磁石におけるイオンビームの出射角を変更した場合にも，所定のビームスポットを形成するイオンビームにより上記試料の表面を照射することが可能となる。
【０００７】
更にまた，上記イオンビームの照射により，上記散乱イオンと共に上記試料から散乱する中性散乱粒子のエネルギースペクトルを測定する中性散乱粒子スペクトル測定手段を更に具備してなる形態も考えられよう。
この場合には，測定された中性散乱粒子のエネルギースペクトルを用いて上記試料の元素定量性を補償することが可能となり，分析精度を更に向上し得る。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態及び実施例について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化し
た一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係るイオン散乱分析装置の概略構成を示す図，図２は従来公知のイオン散乱分析装置の概略構成を示す図，図３はイオンチャネリング現象の物理的解説図，図４はイオンビームを入射する角度とＲＢＳスペクトルとの関係を示す図，図５はＫ因子の標的元素の質量差に対する変化量を示す図，図６は検出系の張る立体角における角度幅１°あたりのＫ因子の変化量を示す図である。
【０００９】
本発明の実施の形態に係るイオン散乱分析装置は，図１に示す如くイオン散乱分析装置Ａとして具現化される。
該イオン散乱分析装置Ａは，イオンビーム発生装置Ｘ（イオンビーム発生手段に該当）と，四重極電磁レンズ１０と，偏向電磁石Ｗ（イオン抽出手段及びスペクトル測定手段に備えられる共通の偏向電磁石に該当）と，スリット７と，分析対象である試料２を配置する真空容器３と，検出素子８（スペクトル測定手段に該当）とを具備して概略構成される。
上記イオンビーム発生装置Ｘは，ボンベ１５より供給されるガス（例えば，ヘリウムガス）を用いてイオン源１２によって生成された軽イオンを，コッククロフト型高電圧回路１４から供給される高電圧により加速管１３内で一定エネルギーに加速した後に照射する。
上記四重極電磁レンズ１０は，上記イオンビーム発生装置Ｘより照射されたイオンビーム１が上記試料２の表面上で所定のスポット形状を形成するように，該四重極電磁レンズ１０のイオンビーム入射方向下流に設けられる上記偏向電磁石Ｗによって発生する磁場による偏向作用を考慮したレンズ条件に設定され，入射されるイオンビーム１を縦横発振状態（エミッタンス）に成形する。
上記偏向電磁石Ｗは，縦横発振状態に成形されたイオンビーム１を，対向する磁極６により挟まれた間隙６ｃ（図１に示す断面図参照）に導入する。ここで，該偏向電磁石Ｗは，磁極６，コイル４，及びリターンヨーク５により発生する磁場によって，特定のイオン種のみ（本実施形態ではヘリウム一価イオンとする）が９０°偏向された後に該偏向電磁石Ｗのイオンビーム入射方向下流に設けられる上記真空容器３に向けて出射されるように設定されている。従って，分析に利用されるヘリウム一価イオン以外のイオン種は，上記真空容器３のイオンビーム入射方向上流側に設けられ，直進するイオンのみが通過できるように設定された上記スリット７を通過できずに除去される。
このようにしてヘリウム一価イオンのみが抽出された上記イオンビーム１が，上記真空容器３に導入される
上記真空容器３に導入されたヘリウム一価イオンは，上述説明したイオン・チャネリングの条件を満たすべく好適に傾斜されて配置した上記試料２に照射され，散乱される。
上記試料２表面から散乱されたヘリウム一価イオンのうち，該真空容器３のイオンビーム入射方向，つまりは最後方（散乱角度１８０°）近傍に散乱されたヘリウム一価イオン（以下，単に散乱ヘリウム一価イオンという）は，上記スリット７を通過すると共に，上記偏向電磁石Ｗの上記磁極６の間隙６ｃに再び入射される。
この場合，上記偏向電磁石Ｗに入射された散乱ヘリウム一価イオンは，イオンビームが入射された場合と同様に，上記磁極６，上記コイル４，及び上記リターンヨーク５により発生する磁場によって，そのエネルギーに応じて偏向された後に，該偏向電磁石Ｗに設けられた上記検出素子８に向けて出射される。ここで，散乱ヘリウム一価イオンが該偏向電磁石Ｗに入射される際の入射角と，散乱ヘリウム一価イオンが該偏向電磁石Ｗから出射する際の出射角とは，後述する二重集束条件に従って好適に設定されることにより，散乱ヘリウム一価イオンは上記検出素子８上で一点に集束させることができる。
これにより，上記検出素子８では，一点に集束された散乱ヘリウム一価イオンが検出される位置（磁場による偏向量）に基づいて，上記試料２表面からの散乱ヘリウム一価イオンのエネルギースペクトルを正確に分析することが可能となる。
以上のように，本実施の形態に係る上記イオン散乱分析装置Ａは，従来公知の上記イオン散乱分析装置Ｂにおける上記ウィーンフィルタＹ及び上記電磁石スペクトロメータＺが，その機能を実現するため偏向電磁石による偏向作用を共に利用していることに着目し，その偏向電磁石を共通化したことを特徴点とする。その結果，従来公知のものと較べて，よりコンパクトな装置とすることが可能である。
更に，本実施の形態に係る上記イオン散乱分析装置Ａでは，上記検出素子８を，上記試料２表面からの散乱イオンのうち最後方近傍に散乱されたものを測定する位置に設けることが可能であるため，理論上最も高精度で且つ高感度な分析ができる。
ここで，最後方近傍に散乱された散乱イオンを分析に用いる場合には，図３（ｄ）に示す如く，上記試料２の結晶軸に対して入射されるイオンビームを揃えれば，必然的に散乱イオンの検出方向と上記試料２の結晶軸が揃うこととなる。
従って，本実施の形態に係る上記イオン散乱分析装置Ａは，従来公知の上記イオン散乱分析装置Ｂでは，事実上不可能であったダブル・チャネリング測定を上記試料２の傾きを好適に調整することにより容易に実現可能である。
【００１０】
次に，上記偏向電磁石Ｗにヘリウム一価イオンが入射される際の入射角と，該偏向電磁石Ｗからヘリウム一価イオンが出射する際の出射角の設定について説明する。
ここで，ヘリウム一価イオンが入射される際の入射角と，出射する際の出射角とは，上記試料から散乱されるヘリウム一価イオンが，上記検出素子８上で，再び一点に集束するような条件（二重集束条件）に従って設定する必要がある。ここで，このような条件とは，従来公知のイオン散乱分析装置に用いられる上記電磁石スペクトロメータＺの場合と同様に，磁場中の荷電粒子軌道に対する数値解析により容易に算出可能である。
例えば，試料２から上記偏向電磁石Ｗまでの距離，及び上記偏向電磁石Ｗから上記検出素子８までの距離が共に１７４ｍｍであって，該偏向電磁石Ｗ内の磁場により，ヘリウム一価イオンが１５０Ｒの軌道半径で１２０°偏向される場合には，上記偏向電磁石Ｗの入射角及び出射角は夫々，ヘリウム一価イオンの中心軌道の法線に対して４１°の角度で傾けることにより，上記二重集束条件が満たされ，ヘリウム一価イオンを上記検出素子８上の一点に集束させることができる。
しかし，分析される上記試料２が異なる場合には散乱イオンのエネルギーも異なるため，上記二重集束条件も異なることが考えられる。例えば，散乱された散乱イオンのエネルギーが小さい場合には，図中に矢印１ａで示す如く，上記偏向電磁石Ｗによって大きく偏向されるが，散乱された散乱イオンのエネルギーが大きい場合には，図中に矢印１ｂで示す如く，上記偏向電磁石Ｗによる偏向が小さくなる。
このように，分析される上記試料２によって異なる上記二重集束条件に適応するために，本実施の形態では，散乱イオンが入射される位置近傍の可動磁極６ａと，散乱イオンが出射される位置近傍の可動磁極６ｂとを，機械的に摺動可能な半円筒形状に形成し，不図示である回転機構により必要に応じて回動させる機構を有している。
このような構成を有することにより，試料の種別毎に算出される上記二重集束条件に応じて，上記各可動磁極６ａ，６ｂを摺動させることにより，上記偏向電磁石Ｗの磁極境界面の角度（形状）を任意に設定することが可能となり，上記二重集束条件が異なる場合であっても，常に上記散乱イオンを上記検出素子８上に一点で集束させるような磁場を発生させることが可能となる。
ここで，上記可動磁極６ａは，散乱イオンの入射点であると共に，上記イオンビーム発生装置Ｘから出射されたイオンビームの出射点でもあるため，上記可動磁極６ａを上記二重集束条件に応じて回動させた場合には，イオンビームが上記偏向電磁石Ｗから出射する際の出射角が変更されることに注意する必要がある。即ち，出射角の変更によってイオンビームの集束発散状態が変化し，上記試料２表面に形成されるイオンビームによるビームスポット（例えば０．１ｍｍφ以下）が変化する虞がある。
そこで，本実施形態では，上記偏向電磁石Ｗより上記イオンビーム入射方向上流に，４重極電磁レンズ１０を２つ設けている。
これにより，上記可動磁極６ａの回動によって生じたイオンビームの集束発散状態のズレを，上記４重極電磁レンズ１０によって電気的に補正することが可能となり，上記二重集束条件の変化に応じてイオンビームの出射角（集束発散状態）が変更された場合であっても，所定のビームスポットを形成するイオンビームにより上記試料の表面を照射することが可能となる。
【００１１】
ここで，上記試料２にイオンビームが照射された場合には，全てが散乱イオンとして後方散乱するとは限らず，電荷を上記試料２に奪われて，或いは貰い受けて中性散乱粒子となるものがある。そして，それら中性散乱粒子のエネルギースペクトルは，上記試料２の内部組成を知る上で重要な情報となり得る。
そこで，本実施の形態に係るイオン散乱分析装置Ａでは，図１に示す如く，上記偏向電磁石Ｗに対する散乱イオンの入射軸と同軸上に，中性散乱粒子を検出する中性散乱粒子検出手段９を設けている。上記中性散乱粒子検出手段９としては，数ｍｅＶのエネルギーギャップを持つ超伝導トンネル接合型の検出器を用いることで，低エネルギーの中性散乱粒子も検出することできる。
これにより，イオンビームの照射により，散乱イオンと同時に生成される中性散乱粒子を正確に検出することが可能となり，例えば上記試料２の元素定量性の補償に利用することが可能であり，装置としての分析精度を向上させることができる。ここで，該中性散乱粒子検出手段９には，図中に示す如く，入射されるイオンビームの混入を防止するためのイオンビーム遮蔽板９ａが設けられることが望ましい。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明は，加速されたイオンビームを照射するイオンビーム発生手段と，加速されたイオンビームから特定のイオン種のみを抽出するイオン抽出手段と，特定のイオン種のみが抽出された上記イオンビームを真空容器内に配置された試料に照射した際に，上記試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するスペクトル測定手段とを具備し，上記イオン抽出手段及び上記スペクトル測定手段が，共通の偏向電磁石を備えて構成されてなるイオン散乱分析装置において，上記試料から散乱する上記散乱イオンが該偏向電磁石に入射する際の入射角と，該偏向電磁石に入射された上記散乱イオンが出射する際の出射角とを調整するために，上記偏向電磁石の磁極境界面の形状を，上記試料からの上記散乱イオンが入射される位置近傍と，上記散乱イオンが上記スペクトル測定手段に向けて出射する位置近傍において，任意に変更可能としたことを特徴とするイオン散乱分析装置として構成される。
このように構成することによって，従来のイオン散乱分析装置において，普及を妨げる大きな要因であった装置の巨大化を抑え，小型化を図ることが可能となる。
また，本発明に係るイオン散乱分析装置では，試料チャンバーに接続された単一のポートだけを使って，イオンビーム（１次ビーム）を入射し，散乱イオンを取り出すことが可能であるため，本分析装置専用に用意された試料チャンバだけでなく，本分析装置に接続できるポートを少なくとも一つ有するチャンバに接続して種々の条件の元での測定を行うことができる。
例えば，分子線エピタキシャル蒸着装置の成膜室を試料チャンバとして共用し，成膜しながら本装置で試料の組成変化を観察したり，試料台にヒータを取り付けた高温用チャンバに接続し，高温化での分析ができる。即ち，成膜過程や表面加工過程のｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）観察装置として利用することが可能な装置が構成できる。
更に，上記偏向電磁石が，上記試料から散乱する上記散乱イオンが該偏向電磁石に入射する際の入射角と，該偏向電磁石に入射された上記散乱イオンが出射する際の出射角とを任意に調整可能であるので，上記偏向磁石に入射される上記散乱イオンが，上記スペクトル測定手段上で一点に集束させ得る二重集束条件を満足するような所定の磁場を発生させるように該偏向磁石を調整することが可能となる。
即ち，測定される試料元素が異なり，二重集束条件が異なる場合であっても，その二重集束条件に応じて，上記散乱イオンの上記偏向磁石に対する入射角及び出射角を調整することにより，常に正確なエネルギー分析が可能となる。
また，上記偏向電磁石を，上記試料からの上記散乱イオンが入射される位置近傍と，上記散乱イオンが上記スペクトル測定手段に向けて出射する位置近傍に，機械的に回動可能な可動磁極を有してなる構造としてもよい。
【００１３】
また，上記スペクトル測定手段が，上記イオンビームの照射により，上記試料から散乱する上記散乱イオンのうち，最後方（散乱角１８０°）近傍に散乱する上記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するように設けられることが望ましい。
これにより，ＲＢＳ法を用いた試料分析のうち，最も高分解能で且つ高感度な分析を実現することが可能となる。
ここで，最後方に散乱する上記散乱イオンによって測定を行う場合には，イオンビームの入射方向を上記試料の結晶軸に揃えることで，同時に上記散乱イオンを検出する方向も上記試料の結晶軸に揃う（ダブル・チャネリング条件を満たす）ため，従来公知のイオン散乱分析装置では不可能であったダブル・チャネリング測定を実施可能である。
【００１４】
上記散乱イオンの入射点は，同時にイオンビームの出射点でもあるため，上記のように，上記試料（上記散乱イオン）に応じて上記偏向磁石に対する入射角を変更することは，同時にイオンビームの上記偏向磁石に対する出射角を変更していることになる。
そのため，上述した形態の場合には，上記偏向電磁石より上記イオンビーム入射方向上流に，１以上の４重極電磁レンズを設けることが望ましい。
これにより，イオンビームの集束発散状態を電気的に補正することが可能となり，上記偏向電磁石におけるイオンビームの出射角を変更した場合にも，所定のビームスポットを形成するイオンビームにより上記試料の表面を照射することが可能となる。
【００１５】
更にまた，上記イオンビームの照射により，上記散乱イオンと共に上記試料から散乱する中性散乱粒子のエネルギースペクトルを測定する中性散乱粒子スペクトル測定手段を更に具備してなる形態も考えられよう。
この場合には，測定された中性散乱粒子のエネルギースペクトルを用いて上記試料の元素定量性を補償することが可能となり，分析精度を更に向上し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係るイオン散乱分析装置の概略構成を示す図。
【図２】 従来公知のイオン散乱分析装置の概略構成を示す図。
【図３】 イオンチャネリング現象の物理的解説図。
【図４】 イオンビームを入射する角度とＲＢＳスペクトルとの関係を示す図。
【図５】 Ｋ因子の標的元素の質量差に対する変化量を示す図。
【図６】 検出系の張る立体角における角度幅１°あたりのＫ因子の変化量を示す図。
【符号の説明】
Ａ …イオン散乱分析装置
Ｂ …イオン散乱分析装置
Ｗ …分析電磁石
Ｘ …イオンビーム発生装置
Ｙ …ウィーンフィルタ
Ｚ …電磁石スペクトロメータ
１ …イオンビーム
２ …試料
３ …真空容器
４ …コイル
５ …リターンヨーク
６ …磁極
６ａ…可動磁極
６ｂ…可動磁極
６ｃ…間隙
７ …スリット
８ …検出素子
９ …中性散乱粒子検出手段
９ａ…イオンビーム遮蔽板
１０…四重極電磁レンズ
１１…四重極レンズ
１２…イオン源
１３…加速管
１４…コッククロフト型高電圧回路
１５…ボンベ
１６…絶縁ガス充填タンク
１７…磁極
１８…コイル
１９…リターンヨーク
２０…平行電極
Claims (5)
- 加速されたイオンビームを照射するイオンビーム発生手段と，
加速されたイオンビームから特定のイオン種のみを抽出するイオン抽出手段と，
特定のイオン種のみが抽出された上記イオンビームを真空容器内に配置された試料に照射した際に，上記試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するスペクトル測定手段とを具備し，上記イオン抽出手段及び上記スペクトル測定手段が，共通の偏向電磁石を備えて構成されてなるイオン散乱分析装置において，
上記試料から散乱する上記散乱イオンが該偏向電磁石に入射する際の入射角と，該偏向電磁石に入射された上記散乱イオンが出射する際の出射角とを調整するために，上記偏向電磁石の磁極境界面の形状を，上記試料からの上記散乱イオンが入射される位置近傍と，上記散乱イオンが上記スペクトル測定手段に向けて出射する位置近傍において，任意に変更可能としたことを特徴とするイオン散乱分析装置。 - 上記スペクトル測定手段が，上記イオンビームの照射により，上記試料から散乱する上記散乱イオンのうち，最後方（散乱角１８０°）近傍に散乱する上記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するように設けられてなる請求項１に記載のイオン散乱分析装置。
- 上記偏向電磁石より上記イオンビーム入射方向上流に，１以上の４重極電磁レンズが設けられてなる請求項１或いは２のいずれかに記載のイオン散乱分析装置。
- 上記イオンビームの照射により，上記散乱イオンと共に上記試料から散乱する中性散乱粒子のエネルギースペクトルを測定する中性散乱粒子スペクトル測定手段を更に具備してなる請求項１〜３のいずれかに記載のイオン散乱分析装置。
- 上記偏向電磁石は，上記試料からの上記散乱イオンが入射される位置近傍と，上記散乱イオンが上記スペクトル測定手段に向けて出射する位置近傍に，機械的に回動可能な可動磁極を有してなる請求項１〜４のいずれかに記載のイオン散乱分析装置。
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