JP4130904B2

JP4130904B2 - 平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置

Info

Publication number: JP4130904B2
Application number: JP2003161013A
Authority: JP
Inventors: 主税一原; 明小林; 憲一井上
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: JP2004361283A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオンビーム照射による分析装置に係り、詳しくは、ヘリウムや水素等の単一エネルギーのイオンを照射し、試料中の原子核との弾性散乱によって後方に跳ね返された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や深さ方向の組成分析を行なうイオン散乱分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のイオン散乱分析装置として、例えば、高エネルギーまたは中エネルギーのイオンビームが入射した試料中の原子核で後方に跳ね返された散乱イオンを、前記イオンビームと平行な磁場を用いてビーム軸に収束させ、散乱イオンを検出する平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置が知られている（特許文献１参照）。このラザフォード後方散乱分析装置は、図５に示すように、４００ｋｖ程度の高電圧が給電されたイオン源２１からヘリウムイオンビーム２２が発せられ、このヘリウムイオンビーム２２は、加速管２３に印加された電圧によって加速され、試料２４に照射される。試料２４の表面で弾性散乱された散乱イオン２５は、ソレノイドコイル２６およびマグネットコイル２７からなる、磁場発生手段の電磁石２８によって発生した、イオンビーム２２のビーム軸に平行な磁場により軌道が曲げられて、螺旋運動を繰り返しながらビーム軸に収束する。特定のエネルギーと散乱角とをもった散乱イオン２５がビーム軸に収束する位置に板状のアパーチャ２９が配置され、このアパーチャ２９の中心部にはイオンビーム２２を通すように開口部が設けられている。前記試料２４の配設位置に対して、アパーチャ２９の配置位置を変化させる方法、または、前記磁場強度を変化させる方法等によって、特定のエネルギーを有する散乱イオン２５のみが弁別され、アパーチャ２９を通過して再度発散していく散乱イオン２５が散乱イオン検出器３０により検出され、そのエネルギースペクトルが測定される。このようにして得られたエネルギースペクトルに基づいて、試料２４の成分元素の同定、および深さ方向の組成分析、即ちイオンチャネリング分析を行なうことができる。
【０００３】
前記散乱イオン検出器３０としては、例えば、２次元状に微細検出管が多数配列されたマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）が用いられている。図６は、このマイクロチャンネルプレートを用いた散乱イオン検出器３０の外観を簡略的に示したもので、散乱イオン検出器３０は、その中心部に、イオンビーム２２を通過させるための小さな開口３１を設けたドーナツ型の形状をしている。イオンビーム２２の照射により、試料２４の表面から散乱した同一散乱角、同一エネルギーの散乱イオン２９は、一旦、アパーチャ２９の位置で収束した後、再度発散して散乱イオン検出器３０の中心から距離Ｒの位置に入射する。エネルギーの異なる散乱イオン２５が同じアパーチャ２９の位置で収束すれば、散乱角度が異なることになるため、前記の距離Ｒの位置には入射せず、従って、同一エネルギーを有する散乱イオンを選別することができる。
【０００４】
前記特許文献１に開示された散乱イオンのエネルギーの選別方法では、収束回数が異なる散乱イオンが同一散乱角でアパーチャ２９を通過すると、結局エネルギーの異なる散乱イオンが散乱イオン検出器３０に入射することになり、エネルギー分析が困難となる。このため、アパーチャ２９を通過し、前記散乱イオン検出器３０の同一Ｒ上に入射する散乱イオンから、収束回数の異なる散乱イオンを弁別してエネルギースペクトル測定を高分解能で容易に行なう散乱イオンの弁別方法が開示されている（特許文献２参照）。この方法では、イオンビームのビーム軸に沿ってイオンビームを通過させる開口をそれぞれ備え、イオンビームと平行に移動し得る、可動板スリットと筒状の可動筒状スリットとを所要の間隔を設けて配置し、検出対象とする特定の収束回数の散乱イオン以外の異なる収束回数の散乱イオンが検出器に到達することが防止される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１９０９６３号公報（第４頁〜第５頁）
【特許文献２】
特開２００３−２１６０９号公報（［００１１］〜［００１３］）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の従来技術のエネルギースペクトル測定には、以下のような問題があった。
【０００７】
即ち、２次元イオン検出器として、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）を用いる場合、
（１）イオンビームとして）数百ｋｅＶのヘリウムイオンを用いた場合、散乱イオンの検出効率が約１０％と小さい。
（２）所要の検出効率を得るためには数ｋＶの高圧印加が必要であり、装置が大掛かりとなる。
（３）エネルギースペクトルのエネルギーレンジを広くとるためには検出器の大面積化が必要であるが、マイクロチャンネルプレートではφ４０ｍｍ程度以上の大径化が困難である。
（４）２次元の位置出力方法としては、図７に簡略して示した、上下全面がシート抵抗であり、上下に直交して端部電極Ｘ１、Ｘ２およびＹ１、Ｙ２を配置した位置検出器３２をマイクロチャンネルプレートの出側に配置し、この位置検出器３２を用いて、マイクロチャンネルプレートから出力される電子群位置信号、即ち散乱イオンの入射位置に対応し生じる電圧降下を測定し、４チャンネル位置演算法により測定結果を解析して位置検出を行なう方法がよく用いられる。しかし、マイクロチャンネルプレートの大面積化に伴って前記位置検出器３２が大面積化されると、検出部の歪、即ち抵抗の歪が大きくなり、位置検出精度が低下する。また、イオンビーム通過のための開口を有する、マイクロチャンネルプレート型のイオン検出器で上記４チャンネル位置演算法を用いると、前記位置検出器３２にもイオンビーム通過用の開口が必要となるため、その抵抗の歪が増加し、位置検出精度がますます低下する。
【０００８】
一方、特許文献２に開示されたように、可動筒状スリットを用いて収束回数の異なる散乱イオンを弁別する方法では、前記可動筒状スリットに散乱イオンが衝突した際に発生する不要粒子がノイズとなり、エネルギースペクトルのＳ／Ｎが低下する。また、測定したい散乱イオンのエネルギーや散乱角度および収束回数により、可動筒状スリットの長さおよびその位置を前記ビーム軸に平行方向に可変にする必要があり、装置構成および検出操作が煩雑になる。
【０００９】
そこで、この発明の課題は、装置構成および検出操作が煩雑にならず、散乱イオンの位置検出精度が良好で、かつ、収束回数の異なる散乱イオンを弁別してそのエネルギー量を検出でき、エネルギースペクトルのレンジを広くとれる散乱イオン検出器を備えた平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【００１１】
即ち、請求項１に係る平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置は、イオンビームが入射した試料により後方散乱された散乱イオンを検出するための散乱イオン検出器と、前記イオンビームの入射方向と平行な磁場を少なくとも前記試料から散乱イオン検出器にかけて発生させる磁場発生手段と、前記試料と散乱イオン検出器との間に、この散乱イオン検出器に対して所要の位置に配置され、前記イオンビームを通過させ、かつ、前記磁場発生手段によりイオンビームのビーム軸に収束した特定のエネルギーと散乱角とを有する散乱イオンを、散乱イオン検出器側に通過させるための開口を設けた弁別用アパーチャを備えた平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置において、前記散乱イオン検出器が、半導体材料で形成され、イオンビーム通過用の開口を有し、散乱イオン検出器の中心からの距離と、中心角との２次元位置情報をそれぞれ独立に検出するように形成され、この散乱イオン検出器の出力側にエネルギー弁別回路および位置演算回路を設けて、散乱イオンの２次元の位置検出機能と、散乱イオンのエネルギー量および収束回数を弁別する機能とを兼ね備えるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
このようにすれば、２次元の位置検出のみならず、上記エネルギー検出機能により、イオン検出器の同一Ｒ上（図６参照）に入射した散乱イオンについて、エネルギー量や、散乱角度および収束回数などのエネルギー情報を得ることができる。それにより、収束回数の弁別のための前記可動板スリットや可動筒状スリットの配置も不要となり、装置構成が簡略化され、また、前記可動筒状スリットに衝突した散乱イオンによる不要粒子が発生しないため、エネルギースペトルのＳ／Ｎの低下を防止できる。また、散乱イオン検出器の位置演算機能、即ち前記検出器の出力側に設ける位置演算回路が、イオンビーム通過用の開口の影響を受けず、前述の全面シート抵抗型の２次元（Ｘ−Ｙ座標系）検出器では不可能であった、イオンビーム通過用開口を設けた状態での、位置演算歪の小さい大面積の散乱イオン検出器での位置検出が可能となる。さらに、前記散乱イオン検出器をＳｉやＧｅなどの半導体材料で検出すれば、散乱イオンの検出効率（単位時間あたりのカウント数／単位時間あたりの入射する散乱イオンの数）をほぼ１００％まで高めることができ、入射した散乱イオンのエネルギー量を測定できる。また、入射した散乱イオンにより生起される電子・正孔対を電気信号に変換するために、散乱イオン検出器に印加するバイアス電圧も１００Ｖ以下で済んで、検出器の大面積化が可能となる。そして、散乱イオン検出器に位置演算機能のみならず、エネルギー弁別機能をも付与することにより、所望のエネルギー、散乱角および収束回数の散乱イオンについての情報だけを取得することが可能となる。
【００１７】
請求項２に係る平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置は、前記散乱イオン検出器の一方の検出面に、複数の同心円状の環状電極が、他方の検出面に、周方向に分割された複数の扇形状電極がそれぞれ装着されたことを特徴とする。
【００１８】
このようにすれば、上記環状電極により、半径方向の位置検出が可能となり、上記扇形状電極により、中心角、即ち周方向の位置検出が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図４に基づいて説明する。
【００２２】
図１（（ａ）および（ｂ））は、本発明の実施形態に係る平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置に用いられる２次元の散乱イオン検出器である半導体検出器１を示したもので、この平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置の基本的構成は、図５で示した平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置と同様である。前記２次元の散乱イオン検出器１は放射線検出用のＳｉなどの半導体材料で形成され、その中心部にイオンビーム通過用の開口２が設けられている。そして、この検出器１の一方の検出面１ａには、複数の同心円状の環状電極３が、他方の検出面１ｂには、周方向に分割された複数の扇形状電極４がそれぞれ形成されており、各電極３、３ａ、３ｂおよび４、４ａ、４ｂは抵抗５ａおよび５ｂで接続され、いずれの面でも、抵抗５ａおよび５ｂの両端側、即ち端部電極３ａ、３ｂおよび４ａ、４ｂに、パルス増幅器６ａ、６ｂおよび６ｃ、６ｄが、直流カット用のコンデンサ７を介してそれぞれ接続され、Ａ〜Ｄの各チャンネル（ｃｈ）が形成されている。環状電極３を設けた検出面１ａ側には、入射した散乱イオンにより生起される電子・正孔対を電気信号に変換するために、抵抗５ａを介して直流電源８で、バイアス電圧が印加されるようになっている。そして、前記パルス増幅器６ａ〜６ｄの出力は、図２に示すように、エネルギー弁別機能を有する弁別回路９、パルスの同期性を判断するコインシデンス機能（同期機能）を有する回路１０、位置演算機能を有する演算回路１１を経て信号処理され、試料とした固体物質表層部の原子素性等の分析データが得られる。なお、前記パルス増幅器６ａ〜６ｄの出力側に、多チャンネル波高分析器を接続し、蓄積したデータをパソコンで解析してエネルギー量を決定することも可能である。
【００２３】
既に図５で示したように、試料２４により後方散乱され、弁別用アパーチャ２９の開口を通過して、半導体材料で形成された散乱イオン検出器３０に入射したヘリウムイオンにより、散乱イオン検出器３０として用いられ、バイアス電圧が印加された前記半導体検出器１（図１参照）に電子・正孔対が生起されると、正と負のパルスがそれぞれ発生する。この正負のパルスは、半導体検出器１のそれぞれの面１ａ、１ｂに形成した、前記複数の環状電極３、および扇形状電極４の中の１つに到達し、各電極３、３ａ、３ｂおよび４、４ａ、４ｂをそれぞれ接続した抵抗５ａ、５ｂを介してそれぞれの面の端部電極３ａ、３ｂおよび４ａ、４ｂまでの総抵抗値に応じて電荷分割され、端部電極３ａ、３ｂおよび４ａ、４ｂにそれぞれ接続されたパルス増幅器６ａ、６ｂおよび６ｃ、６ｄに到達する。この電荷分割により、後方散乱されたヘリウムイオンの半導体検出器１への入射位置を正確に算出することが可能となる。
【００２４】
前記入射位置の算出は、具体的には、前記Ａ〜Ｄチャンネルに現れるパルス増幅器６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの出力波高値をそれぞれ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると、コインシデンス回路１０で、各出力が同期された後、位置演算回路１１により、比率Ａ／（Ａ＋Ｂ）が演算されて半径方向の位置Ｒが決定される。同様に比率Ｃ／（Ｃ＋Ｄ）が演算されて半導体検出器１上での中心角、即ち周方向の位置が決定される。なお、前記環状電極３や扇形状電極４の数は多い程、位置の分解能は高くなる。
【００２５】
また、前記半導体検出器１では、環状電極３を設けた面側のパルス増幅器６ａ、６ｂの出力波高値の和（Ａ＋Ｂ）、扇形状電極４を設けた面側のパルス増幅器６ｃ、６ｄ側の出力波高値の和（Ｃ＋Ｄ）に基づいて、入射したヘリウムイオンのエネルギー量も求めることができるため、位置演算回路１１により算出した位置へ入射したヘリウムイオンのエネルギー量の大小を、前記弁別回路９で弁別、比較することにより、入射したヘリウムイオンの収束回数も判定することができる。
【００２６】
上記収束回数の判定を具体的に説明するために、散乱イオン、即ち散乱粒子のエネルギーと、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）中心、即ち半導体検出器１の中心からの距離Ｒとの関係の一例を、分析条件とともに、図３に示す。図３に示した例では、半導体検出器１の中心からの距離Ｒが１５ｍｍの位置に収束回数Ｎが１〜４回の散乱イオンが入射した場合のエネルギーが示され、Ｒ＝１５ｍｍの位置では、収束回数Ｎ＝１の散乱イオンのエネルギーは４００ｅＶ、Ｎ＝２の散乱イオンのエネルギーは１００ｅＶ、Ｎ＝３およびＮ＝４では散乱イオンのエネルギーは５０ｅＶ以下となっている。従って、距離Ｒ＝１５ｍｍの位置に入射した場合のパルス増幅器６ａ、６ｂおよび６ｃ、６ｄの出力波高値の和、（Ａ＋Ｂ）および（Ｃ＋Ｄ）の解析から求めた散乱イオンのエネルギーと、図５に示したＲ＝１５ｍｍの位置での散乱イオンのエネルギーとを比較することにより、入射散乱イオンの収束回数を判定することができる。
【００２７】
さらに、図２に示したように、パルス増幅器６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの出力側に設けたパルス波高を弁別するエネルギー弁別回路９で、例えば、２００ｋｅＶ以上のエネルギーに相当するパルス波高だけを通すようにすれば、収束回数が１回（Ｎ＝１）の散乱イオンだけのエネルギースペクトルを得ることができる。
【００２８】
なお、上述のように、散乱イオンの周方向の入射位置の検出が可能なことにより、試料の結晶軸（チャンネル軸）を簡便に検出でき、散乱分析前の前記結晶軸とイオンビームのビーム軸との軸合わせが容易となる。
【００２９】
図４は、他の実施形態の２次元の半導体イオン検出器１２を示したものである。この２次元の半導体イオン検出器１２では、その一方の検出面に設けた内周側および外周側の同心円状の環状電極１３ａおよび１３ｂを抵抗膜１４で接続している点が、図１に示した２次元散乱イオン検出器１とは異なる。このように、抵抗５ａ（図１（ｃ）参照）の代わりに抵抗膜１４を用いると、検出面の構造が簡素化され、図１に示した２次元の散乱イオン検出器１の場合と同様に、入射する散乱イオンの位置およびエネルギーの分解機能および収束回数の判定機能が得られる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、この発明では、平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置に用いられる、イオンビーム通過用開口を設けた散乱イオン検出器を半導体材料から形成し、２次元（Ｒ−θ座標系）位置検出機能と、弁別機能を有するエネルギー検出機能とを兼ね備えるようにしたので、前記開口を設けた状態で、入射する散乱イオンの位置を精度よく検出でき、かつ、散乱イオンのエネルギースペクトルのみならずエネルギー量を検出でき、また、装置構成を煩雑にする可動板スリットや可動筒状スリットを配置しなくても、所望のエネルギー、散乱角および収束回数の散乱イオンについての情報だけを弁別し、取得することが可能となる。
【００３１】
さらに、位置演算歪を小さくできるため、検出器の大面積化が可能となって、散乱イオンのエネルギースペクトルのエネルギーレンジをより広く取ることができる。そして、検出効率が著しく向上するため、イオンビーム生成用に特に高圧印加を必要としない。これらによって、装置構成が大掛かりならず、また、煩雑化せずに、分析範囲および精度が向上した平行磁場型ラザフォード後方散乱装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）この発明の実施形態の散乱イオン検出器の正面図
（ｃ）同上の側面図
【図２】図１の散乱イオン検出器のエネルギー弁別機能を有する出力制御回路を示す説明図
【図３】図１の散乱イオン検出器に入射する散乱イオンのエネルギーが収束回数により異なる状況を示す説明図
【図４】（ａ）他の実施形態の散乱イオン検出器の正面図
（ｂ）同上の側面図
【図５】従来の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置の概略構成例を示す説明図
【図６】散乱イオン検出器の外観を簡略して示した説明図
【図７】従来の２次元（Ｘ−Ｙ）位置検出器を簡略して示した説明図
【符号の説明】
１：半導体検出器１ａ、１ｂ：検出面２：開口
３：環状電極３ａ、３ｂ：端部電極４：扇形状電極
４ａ、４ｂ：端部電極５ａ、５ｂ：抵抗６ａ〜６ｄ：パルス増幅器
７：コンデンサ８：直流電源９：弁別回路
１０：コインシデンス回路１１：演算回路１２：半導体検出器
１３：環状電極１４：抵抗膜
Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２：端部電極

Claims

イオンビームが入射した試料により後方散乱された散乱イオンを検出するための散乱イオン検出器と、前記イオンビームの入射方向と平行な磁場を少なくとも前記試料から散乱イオン検出器にかけて発生させる磁場発生手段と、前記試料と散乱イオン検出器との間に、この散乱イオン検出器に対して所要の位置に配置され、前記イオンビームを通過させ、かつ、前記磁場発生手段によりイオンビームのビーム軸に収束した特定のエネルギーと散乱角とを有する散乱イオンを、散乱イオン検出器側に通過させるための開口を設けた弁別用アパーチャを備えた平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置において、前記散乱イオン検出器が、半導体材料で形成され、イオンビーム通過用の開口を有し、散乱イオン検出器の中心からの距離と、中心角との２次元位置情報をそれぞれ独立に検出するように形成され、この散乱イオン検出器の出力側にエネルギー弁別回路および位置演算回路を設けて、散乱イオンの２次元の位置検出機能と、散乱イオンのエネルギー量および収束回数を弁別する機能とを兼ね備えるようにしたことを特徴とする平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
前記散乱イオン検出器の一方の検出面に、複数の同心円状の環状電極が、他方の検出面に、周方向に分割された複数の扇形状電極がそれぞれ装着されたことを特徴とする請求項１に記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。