JP6692108B2 - Analysis device and analysis system - Google Patents
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Description
本発明は、分析装置及び分析システムに関する。 The present invention relates to an analysis device and an analysis system.
近年、サブサーフェースにおける物質の状態が、物質の種々の性能の律速になっていることが判明している。サブサーフェースとは、物質の表面直下の原子数層分の領域を意味する。このサブサーフェースの状態を分析する手段として高分解能ラザフォード後方散乱分析(High−resolution Rutherford Back Scattering;HRBS)装置や、高分解能弾性反跳検出分析(High−resolution Elastic Recoil Detection Analysis;HERDA)装置等が知られている。ここでは中速イオン散乱法(Medium energy ion scattering;MEIS)装置はHRBSの一種とみなし、HRBSはMEISを含めた述語とする。 In recent years, it has been found that the state of the substance in the sub-surface is rate-limiting for various performances of the substance. The sub-surface means a region for a few atomic layers just below the surface of the substance. As a means for analyzing the state of this subsurface, a high-resolution Rutherford backscattering analysis (HRBS) device and a high-resolution elastic recoil detection analysis device (HERDA) are used. It has been known. Here, the medium energy ion scattering (MEIS) device is regarded as a kind of HRBS, and HRBS is a predicate including MEIS.
HRBSは、試料表面に定量対象の原子と比較して小さな原子量を持つイオンを照射し、試料表面の組成(構成元素の種類)を同定する分析手法である。試料表面にヘリウムイオン等を照射すると、試料中の原子核との弾性散乱により照射したイオンは後方に跳ね返る。このイオンの跳ね返り方は、衝突対象である試料中の構成元素の原子量によって異なる。そのため、跳ね返ってきたイオンのエネルギーを測定することによって試料のサブサーフェースの状態を測定することができる。例えば、非特許文献1には、HRBSを用いた分析装置が記載されている。 HRBS is an analysis method for identifying the composition (type of constituent element) of the sample surface by irradiating the sample surface with ions having a smaller atomic weight than the atoms to be quantified. When the surface of the sample is irradiated with helium ions or the like, the irradiated ions bounce backward due to elastic scattering with atomic nuclei in the sample. How the ions bounce back depends on the atomic weights of the constituent elements in the sample that is the object of collision. Therefore, the state of the subsurface of the sample can be measured by measuring the energy of the rebounded ions. For example, Non-Patent Document 1 describes an analyzer using HRBS.
HERDAは、試料表面に定量対象の原子と比較して大きな原子量を持つイオンを照射し、試料表面から弾き出された反跳粒子を検出する分析手法である。例えば、試料の構成元素のうち照射するイオンより原子量の小さい水素元素は、イオン照射により前方に弾き出される。この弾き出された水素を検出することにより、試料中の水素含有量の定量化を行うことができる。例えば、非特許文献2には、HERDAを用いた分析装置が記載されている。 HERDA is an analysis method in which the sample surface is irradiated with ions having a larger atomic weight than the atoms to be quantified, and recoil particles ejected from the sample surface are detected. For example, among the constituent elements of the sample, a hydrogen element having a smaller atomic weight than the ion to be irradiated is ejected forward by the ion irradiation. By detecting the ejected hydrogen, the hydrogen content in the sample can be quantified. For example, Non-Patent Document 2 describes an analyzer using HERDA.
HRBS及びHERDAのいずれの分析手法においても、検出感度を高めることが求められている。例えば、非特許文献3には、検出器の前にフィルターを設け、検出器に入射する迷走イオン(チャンバー壁面で衝突しながら入射するイオン、迷い粒子ともいう)を除去すると共に、検出器で発生する暗電流を抑制することで、HRBSを用いた分析装置の検出感度を高めることが記載されている。 In both the HRBS and HERDA analysis methods, it is required to increase the detection sensitivity. For example, in Non-Patent Document 3, a filter is provided in front of the detector to remove stray ions that enter the detector (also referred to as ions that enter while colliding on the chamber wall surface, stray particles) and are generated by the detector. It is described that the detection sensitivity of an analyzer using HRBS is increased by suppressing the dark current that occurs.
しかしながら、非特許文献1〜3に記載のHRBS及びHERDAを用いた分析装置では、その検出感度が1014個/cm2程度であり、検出感度が十分とは言えなかった。 However, in the analyzers using HRBS and HERDA described in Non-Patent Documents 1 to 3, the detection sensitivity was about 10 14 / cm 2 , and the detection sensitivity was not sufficient.
例えば、MOSFETなどの半導体デバイスでは、ナノスケールの酸化物を形成する。その酸化物中及び酸化物と半導体との界面における水素は、トランジスタのチャネル移動度に大きな影響を及ぼす。そのため、この水素含有量を定量的に測定したいという要望が高まっている。しかしながら、この水素は、1012個/cm2という極めて微量しか存在せず、非特許文献1〜3に記載の分析装置の検出感度では正確な定量分析をすることができない。 For example, in semiconductor devices such as MOSFETs, nanoscale oxides are formed. Hydrogen in the oxide and at the interface between the oxide and the semiconductor has a great influence on the channel mobility of the transistor. Therefore, there is an increasing demand for quantitatively measuring the hydrogen content. However, this hydrogen exists only in an extremely small amount of 10 12 / cm 2 , and accurate quantitative analysis cannot be performed with the detection sensitivity of the analyzers described in Non-Patent Documents 1 to 3.
検出感度を高めるという目的だけであれば、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry;SIMS)を用いた分析装置も存在する。しかしながら、SIMSは試料を削りながら測定するため、試料を破壊してしまう。そのため、非破壊で検出感度の高い分析装置が切に求められている。 There is also an analyzer using a secondary ion mass spectrometry (SIMS) only for the purpose of increasing the detection sensitivity. However, SIMS destroys the sample because it measures while scraping the sample. Therefore, there is an urgent need for an analyzer that is nondestructive and has high detection sensitivity.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、試料の表面近傍の状態を非破壊かつ高感度に分析することができる分析装置及び分析システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an analyzer and an analysis system capable of nondestructively and highly sensitively analyzing the state near the surface of a sample.
本発明者は、鋭意検討の結果、分析装置の検出器としてマイクロチャネルプレートを用いた従来の方法では検出感度に限界があるのではないかと考えた。そこで、位置検出のみが可能なマイクロチャネルプレートに変えて、位置検出に加えてエネルギー分析を行うことが可能な位置敏感半導体検出器を分析装置に用いた。その結果、本発明者らは、検出感度を2桁以上向上させることができるという想定以上の効果が発現することを見出し、本発明を完成させた。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
As a result of intensive studies, the present inventor has thought that the conventional method using a microchannel plate as a detector of an analyzer may have a limit in detection sensitivity. Therefore, instead of a microchannel plate capable of only position detection, a position-sensitive semiconductor detector capable of performing energy analysis in addition to position detection was used in the analyzer. As a result, the present inventors have found that an unexpected effect that the detection sensitivity can be improved by two digits or more is exhibited, and completed the present invention.
The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
(1)本発明の一態様に係る分析装置は、被測定物を設置できる設置部を有するチャンバーと、加速器で発生したイオンビームを前記設置部に向けて導く導管と、前記設置部に設置された前記被測定物に前記イオンビームを照射することにより反跳した反跳粒子に磁場または電場を印加し、前記反跳粒子のエネルギーに対応する方向に前記反跳粒子の進行方向を変化させる分析部と、前記反跳粒子の軌跡と平行な平面に対して垂直な方向に延在し、前記反跳粒子をその進行方向毎に検出可能な検出部を有する位置敏感半導体検出器と、前記位置敏感半導体検出器に接続され、前記位置敏感半導体検出器で生じた電荷をデジタル化して計測する計測器と、を備える。 (1) An analyzer according to one aspect of the present invention is installed in a chamber having an installation part on which an object to be measured can be installed, a conduit for guiding an ion beam generated by an accelerator toward the installation part, and the installation part. An analysis in which a magnetic field or an electric field is applied to recoil particles recoiled by irradiating the measured object with the ion beam, and the traveling direction of the recoil particles is changed to a direction corresponding to the energy of the recoil particles. And a position-sensitive semiconductor detector that has a detection unit that extends in a direction perpendicular to a plane parallel to the trajectory of the recoil particles and that can detect the recoil particles in each traveling direction thereof, and the position. And a measuring instrument connected to the sensitive semiconductor detector and digitizing and measuring charges generated in the position sensitive semiconductor detector.
(2)本発明の一態様に係る分析装置は、被測定物を設置できる設置部を有するチャンバーと、加速器で発生したイオンビームを前記設置部に向けて導く導管と、前記設置部に設置された前記被測定物に照射された前記イオンビームのうち散乱した散乱イオンに磁場または電場を印加し、前記散乱イオンのエネルギーに対応する方向に前記散乱イオンの進行方向を変化させる分析部と、前記散乱イオンの軌跡と平行な平面に対して垂直な方向に延在し、前記散乱イオンをその進行方向毎に検出可能な検出部を有する位置敏感半導体検出器と、前記位置敏感半導体検出器に接続され、前記位置敏感半導体検出器で生じた電荷をデジタル化して計測する計測器と、を備える。 (2) An analyzer according to one aspect of the present invention is installed in a chamber having an installation part on which an object to be measured can be installed, a conduit for guiding an ion beam generated by an accelerator toward the installation part, and the installation part. A magnetic field or an electric field is applied to scattered ions among the ion beams irradiated to the DUT, and an analysis unit that changes the traveling direction of the scattered ions in a direction corresponding to the energy of the scattered ions, A position-sensitive semiconductor detector that extends in a direction perpendicular to a plane parallel to the trajectory of scattered ions and has a detection unit that can detect the scattered ions in each traveling direction, and is connected to the position-sensitive semiconductor detector. And a measuring instrument which digitizes and measures the electric charge generated in the position sensitive semiconductor detector.
(3)上記(1)または(2)のいずれかに記載の分析装置において、前記検出部の延在方向かつ前記検出部に前記反跳粒子または前記散乱イオンが衝突する方向に対し垂直な方向に、前記検出部が平行移動する構成を有してもよい。 (3) In the analyzer according to any one of (1) and (2), a direction perpendicular to an extending direction of the detection unit and a direction in which the recoil particles or the scattered ions collide with the detection unit. In addition, it may have a configuration in which the detection unit moves in parallel.
(4)上記(1)または(2)のいずれかに記載の分析装置において、前記検出部の延在方向かつ前記検出部に前記反跳粒子または前記散乱イオンが衝突する方向に対し垂直な方向に、前記検出部が複数並列していてもよい。 (4) In the analyzer according to any one of (1) and (2) above, a direction perpendicular to the extending direction of the detection unit and the direction in which the recoil particles or the scattered ions collide with the detection unit. In addition, a plurality of the detection units may be arranged in parallel.
(5)上記(4)に記載の分析装置において、隣接する前記検出部の間に形成されるスリットの幅dと、隣接する前記検出部のピッチpの比が、d:p=0.5:10〜2:10の関係を満たしてもよい。 (5) In the analyzer described in (4) above, the ratio of the width d of the slit formed between the adjacent detection units and the pitch p of the adjacent detection units is d: p = 0.5. The relationship of: 10 to 2:10 may be satisfied.
(6)上記(1)〜(5)のいずれか一つに記載の分析装置において、前記位置敏感半導体検出器に用いられる半導体の不感層の厚みが10nm以上500nm以下であってもよい。 (6) In the analyzer according to any one of (1) to (5), the thickness of the dead layer of the semiconductor used in the position-sensitive semiconductor detector may be 10 nm or more and 500 nm or less.
(7)上記(1)〜(6)のいずれか一つに記載の分析装置において、前記位置敏感半導体検出器に用いられる半導体が、n型半導体に対しドーパント元素をイオン注入したpn接合型の半導体であってもよい。 (7) In the analyzer according to any one of (1) to (6), the semiconductor used for the position-sensitive semiconductor detector is a pn junction type in which a dopant element is ion-implanted into an n-type semiconductor. It may be a semiconductor.
(8)上記(1)〜(6)のいずれか一つに記載の分析装置において、前記位置敏感半導体検出器に用いられる半導体が、半導体上に金属膜が積層されたショットキーバリア型の半導体であってもよい。 (8) In the analyzer according to any one of (1) to (6), the semiconductor used for the position-sensitive semiconductor detector is a Schottky barrier type semiconductor in which a metal film is laminated on the semiconductor. May be
(9)上記(1)〜(8)のいずれか一つに記載の分析装置において、前記計測器が、前記電荷により生じる電位のピークが所定の閾値を超えている時間を測定することで適切な信号と不適切な信号とを区別してもよい。 (9) In the analyzer according to any one of (1) to (8) above, it is appropriate that the measuring instrument measures a time during which a peak of a potential generated by the electric charge exceeds a predetermined threshold value. A distinct signal may be distinguished from an inappropriate signal.
(10)上記(9)に記載の分析装置において、前記計測器が、前記電荷により生じる電位のピークが所定の閾値を上回るタイミングに同期して前記所定の閾値を増加させる閾値増加手段を備えてもよい。 (10) In the analyzer according to (9), the measuring instrument may include a threshold value increasing unit that increases the predetermined threshold value in synchronization with a timing when a peak of a potential generated by the electric charge exceeds a predetermined threshold value. Good.
(11)本発明の一態様に係る分析システムは、上記(1)〜(10)のいずれか一つに記載の分析装置と、前記分析装置にイオンビームを供給する加速器とを備える。 (11) An analysis system according to an aspect of the present invention includes the analysis device according to any one of (1) to (10) above, and an accelerator that supplies an ion beam to the analysis device.
本発明の一態様に係る分析装置及び分析システムを用いることで、試料の表面近傍の状態を非破壊かつ高感度に分析することができる。 By using the analysis device and the analysis system according to one embodiment of the present invention, the state near the surface of the sample can be analyzed nondestructively and with high sensitivity.
以下、本発明を適用した分析装置及び分析システムについて、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
Hereinafter, an analyzer and an analysis system to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
In the drawings used in the following description, in order to make the features of the present invention easier to understand, the features may be enlarged for convenience, and the dimensional ratios of the respective components may differ from the actual ones. Sometimes. Further, the materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately modified and implemented within the scope of the invention.
(分析装置、分析システム:HERDA)
図1は、本発明の一態様に係るHERDAを用いた分析装置を模式的に示した図である。
分析装置100は、チャンバー10と、導管20と、分析部30と、位置敏感半導体検出器40と、計測器50を備える。HERDAでは、静電加速器を用いて加速された4He+や16O+などのビームを試料表面に斜入射(表面から15°程度)で入射し、前方30°程度に反跳した反跳粒子(例えば、プロトン等)の数とエネルギーを測定する。以下、図1を基に各部材の構成と共に、測定原理について説明する。
(Analyzer, analysis system: HERDA)
FIG. 1 is a diagram schematically showing an analyzer using HERDA according to one embodiment of the present invention.
The
以下、紙面裏面から表面に向けた方向をz方向、位置敏感半導体検出器40に反跳粒子が入射する方向をy方向、z方向及びy方向に垂直な方向をx方向とする。
Hereinafter, the direction from the back surface of the paper to the front surface is the z direction, the direction in which recoil particles are incident on the position
チャンバー10は、被測定物Sを設置できる設置部11を有する。設置部11は、測定中に被測定物Sが移動しないように、チャンバー10のいずれかの場所によって固定されている。チャンバー10の材質は公知のものを用いることができ、例えばステンレス等を用いることができる。
The
使用時は、チャンバー10内は図示略の真空ポンプによって排気されている。真空ポンプは、公知のポンプを用いることができる。
During use, the
チャンバー10は複数の接続部12を有する。接続部12は、公知のフランジ等を用いることができる。この接続部12のいずれかには、導管20が接続されている。
The
導管20は、図視略の加速器で発生したイオンビームをチャンバー10内の設置部11に設置された被測定物Sに導く。導管20は、公知のものを用いることができる。
The
分析部30は、導管20と異なる接続部12を介してチャンバー10と接続される。HERDAを用いた分析装置では、15°程度で斜入射したイオンビームにより前方30°程度に反跳する反跳粒子を検出するため、その角度に合せて分析部30をチャンバー10と接続する。
The
分析部30内は、マグネットにより磁場が印加されている。電場を用いることもできるが、以下では磁場を用いた例で説明する。電荷を有する反跳粒子は、磁場によるローレンツ力を受けて、その進行方向が曲げられ変化する。この際、低エネルギーの反跳粒子は磁場によりその進行方向が大きく曲げられる。これに対し、高エネルギーのは、低エネルギーの反跳粒子と比較して、進行方向の変化が小さい。すなわち、分析部30を通過させることで、反跳粒子が有するエネルギーに対応する方向に反跳粒子の進行方向を変化させることができる。
A magnetic field is applied to the inside of the
マグネットによる磁場は、図1におけるz方向に印加される。電場を用いる場合は、反跳粒子の進行方向に対して垂直で、z方向ではない方向に電場を印加する。被測定物Sから反跳した反跳粒子は、分析部30のカーブに沿って曲がる。そのため、分析部30のカーブの内回り側から外回り側に向かうに従って、反跳粒子のエネルギーが高エネルギーになる。
The magnetic field generated by the magnet is applied in the z direction in FIG. When an electric field is used, the electric field is applied in a direction perpendicular to the traveling direction of the recoil particles and not in the z direction. The recoil particles recoiled from the object S to be measured bend along the curve of the
分析部30では、反跳粒子のエネルギー量に応じて進行方向が変化した反跳粒子だけではなく、迷い粒子も生まれる。迷い粒子とは、分析部30等の壁面に衝突した反跳粒子である。迷い粒子は、壁面に衝突することでその進行方向が変化している。そのため、分析部30を通過後の迷い粒子は、エネルギー量に応じた位置に導かれない。つまり、この迷い粒子は、分析装置におけるノイズの原因の一つとなる。分析装置の検出感度を高めるためには、この迷い粒子を適切に切り分ける必要がある。
In the
位置敏感半導体検出器40は、分析部30に接続されている。位置敏感半導体検出器40には、分析部30でその進行方向が変化した反跳粒子が入射する。位置敏感半導体検出器40は、位置敏感かつエネルギー分析を行うことができる検出器である。位置敏感とは、検出器のどの位置に入射粒子(ここでは、反跳粒子)が入射したかを判断できることを意味する。すなわち、位置敏感半導体検出器40は、反跳粒子がどの位置に入射してきたかを判断することができると共に、入射する反跳粒子を適切なものか不適切なものかを入射する反跳粒子のエネルギー量に応じて分別することができる。
The position-
位置敏感半導体検出器40は、反跳粒子または散乱イオンの軌跡と平行な平面に対して垂直な方向に延在し、反跳粒子または散乱イオンをその進行方向毎に検出可能な検出部を有する。ここで、「反跳粒子または散乱イオンをその進行方向毎に検出可能」とは、反跳粒子または散乱イオンの有するエネルギー量に沿って反跳粒子または散乱イオンを検出できることを意味する。
具体的には例えば、以下の二つのものを上げることができる。図2は、本発明の一態様に係る分析装置における位置敏感半導体検出器の第1の例を模式的に示した図である。図3及び図4は、本発明の一態様に係る分析装置における位置敏感半導体検出器の第2の例を模式的に示した図である。図4は、図3の位置敏感半導体検出器のA−A面における切断面である。
The position-
Specifically, for example, the following two can be raised. FIG. 2 is a diagram schematically showing a first example of the position-sensitive semiconductor detector in the analyzer according to the aspect of the present invention. 3 and 4 are diagrams schematically showing a second example of the position-sensitive semiconductor detector in the analyzer according to the aspect of the present invention. FIG. 4 is a cross section taken along plane AA of the position sensitive semiconductor detector of FIG.
図2に示す第1の例の位置敏感半導体検出器41は、z方向に延在する1枚の検出部42と、検出部42をx方向に移動させるスライダ43を有する。検出部42はx方向に平行移動することができればよく、スライダ43は無くてもよい。
検出部42に反跳粒子が入射すると、検出部42において電荷が誘起される。この電荷は計測器50でデジタル化され、一つのピーク強度を有する信号として計測される。
The position-
When recoil particles are incident on the
位置敏感半導体検出器41に入射する反跳粒子は、分析部30のマグネットにより分析され、x方向の位置毎に有するエネルギー量が異なる。そのため、検出部42をどの位置に配置した際に、どの程度の強度のピークが得られるかは想定することができる。例えば、図2において検出部42を最も左に配置する場合は、検出部42に入射する反跳粒子は分析部30を内回りしてきた反跳粒子が主である。すなわち、低エネルギーの反跳粒子が主として入射する。これに対し、図2において検出部42を右に平行移動するにつれて、検出部42に入射する反跳粒子は高エネルギーとなる。そして、最も右に検出部42を配置した場合に、検出部42に入射する反跳粒子は最も高エネルギーとなる。
The recoil particles that enter the position-
所定の位置に検出部42を設定した際に、検出部42に入射する反跳粒子は、分析部30で適切に分析された反跳粒子と、壁面等に衝突して迷い粒子となった反跳粒子である。このとき、迷い粒子となった反跳粒子のエネルギー量は、分析部30で適切に分析された反跳粒子のエネルギー量と異なる。そのため、位置敏感半導体検出器41では、分析部30で適切に分析された反跳粒子と、壁面等に衝突して迷い粒子となった反跳粒子を明確に判断することができる。すなわち、迷い粒子となった反跳粒子を計測器50でノイズとして処理することができる。
When the
従来の位置敏感のマイクロチャネルプレート等では、粒子が入射したことしか判断できないため、分析部30で適切に分析された反跳粒子と迷い粒子となった反跳粒子とを判別することができなかった。すなわち、所望のデータとノイズは、いずれも同じデータとして計測器50で読み取られ、切り分けることができなかった。これに対し、位置敏感半導体検出器41はどの程度のエネルギーが入射するかを判別することができるため、所望のデータとノイズの切り分けを計測器50で行うことができる。したがって、位置敏感半導体検出器41が、位置敏感かつエネルギー分析を行うことができる検出器であることで、被測定物Sから生じた反跳粒子の数をより高精度に検出することができる。
In a conventional position-sensitive microchannel plate or the like, it is only possible to determine that particles have entered, and therefore it is not possible to distinguish between recoil particles that have been appropriately analyzed by the
反跳粒子が例えばプロトンの場合、プロトンは、被測定物S中の水素に起因するため、位置敏感半導体検出器41に入射するプロトンの数を高精度に検出することで、被測定物S中の水素量をより精密に定量することができる。
When the recoil particles are, for example, protons, the protons are derived from hydrogen in the object S to be measured. Therefore, by detecting the number of protons incident on the position-
第2の例の位置敏感半導体検出器44は、z方向に延在かつ並列する複数の検出部45を有する。検出部45の間には複数のスリット46が設けられている。溝状のスリット46は位置感度を高めるためのものであり、必ずしも必須のものではない。電極のみを複数並列して設置してもよい。スリット46を設ける場合は、図4に示すように、スリット46はその断面において位置敏感半導体検出器44の不感層47をそれぞれ分離できればよく、半導体の厚さ方向全体に渡って貫通している必要はない。不感層47については、後述する。
The position-
スリット46は、ドライエッチング等を用いて形成することができる。例えば、ドライエッチングによりスリット幅10μm未満、深さ100μm以上の高アスペクト比の溝を形成することができる。
The
位置敏感半導体検出器44は、それぞれ区分けされた複数の検出部45を有する。各検出部45に入射する反跳粒子は、分析部30のマグネットによって分析されているため、位置によりそのエネルギー量が異なる。そのため、各検出部45に入射する反跳粒子のエネルギー量は想定することができる。したがって、第2の例の位置敏感半導体検出器44は、第1の例の位置敏感半導体検出器41と同様に、各検出部45において、分析部30で適切に分析された反跳粒子と、壁面等に衝突して迷い粒子となった反跳粒子を明確に判断することができる。すなわち、位置敏感半導体検出器44は、位置敏感かつエネルギー分析を行うことができる。つまり、位置敏感半導体検出器44に入射する反跳粒子、例えばプロトンの数を高精度に検出し、この例では被測定物S中の水素量をより精密に定量することができる。
The position-
位置敏感半導体検出器44において、隣接する検出部45の間に形成されるスリット46の幅dと、隣接する検出部45のピッチpの比が、d:p=0.5:10〜2:10の関係を満たすことが好ましい。ここで、隣接する検出部45のピッチとは、図4に示すように、一つの検出部45の端部から隣接する検出部45の対応する端部までの距離を意味する。
In the position-
スリット46の幅dと、隣接する検出部45のピッチpが上述の関係を満たせば、位置敏感半導体検出器44の有感面積を広くすることができる。有感面積とは、位置敏感半導体検出器44における検出部45の面積を意味する。有感面積を広くすることができれば、位置敏感半導体検出器44に入射する反跳粒子を高効率で計測することができ、より精密な測定が可能となる。例えば、ピッチpが100μm、スリットの幅dが10μmとすることが好ましい。
If the width d of the
第1の例の位置敏感半導体検出器41及び第2の例の位置敏感半導体検出器44のいずれにおいても、検出部42,45の不感層47の厚みは、10nm以上100nm以下であることが好ましい。
In both the position-
入射した反跳粒子による電荷の誘起は、半導体のpn接合の界面及び半導体と金属を接合した際のショットキー接合の界面で生じる。そのため、不感層47とは、これらの接合界面に至るまでの層を意味する。例えば、pn接合する場合は、n型半導体に形成されたp型半導体が不感層47となる。ショットキー接合する場合は、半導体上に積層された金属層が不感層47となる。
The induction of electric charges by the incident recoil particles occurs at the interface of the pn junction of the semiconductor and the interface of the Schottky junction when the semiconductor and the metal are joined. Therefore, the
HERDAを用いた分析装置において被測定物Sから発生する反跳粒子は、数百keV程度であり、電子線の分野においてはそのエネルギーは小さい。そのため、入射した反跳粒子が電荷を誘起するためには、接合界面までの厚み(すなわち、不感層47の厚み)が薄いことが好ましい。不感層47の厚みは、薄ければ薄い程良いが、制御性の観点から10nm以上であることが好ましい。
Recoil particles generated from the object S to be measured in an analyzer using HERDA are about several hundred keV, and the energy is small in the field of electron beams. Therefore, in order for the incident recoil particles to induce electric charges, it is preferable that the thickness up to the bonding interface (that is, the thickness of the dead layer 47) is thin. The thickness of the
不感層47は、以下の手段で形成することができる。
pn接合を形成する場合は、n型半導体にドーパント元素を注入し、p型半導体を形成することができる。例えば、n型半導体をSiとし、そこに加えるドーパント元素がボロンとすることができる。
The
When forming a pn junction, a dopant element can be injected into an n-type semiconductor to form a p-type semiconductor. For example, the n-type semiconductor can be Si, and the dopant element added thereto can be boron.
ドーパント元素の注入方法としては、熱拡散方法とイオンビームによる注入方法がある。深さの制御性の観点からは、イオンビームによる注入方法であることが好ましい。
ショットキー接合を形成する場合は、半導体上に、スパッタ等で金属膜を積層することができる。膜厚制御性の面及びコストの面から位置敏感半導体検出器41,44に用いる半導体は、ショットキーバリア型の半導体であることが好ましい。
As a method of implanting the dopant element, there are a thermal diffusion method and an ion beam implantation method. From the viewpoint of depth controllability, an ion beam implantation method is preferable.
When forming a Schottky junction, a metal film can be laminated on the semiconductor by sputtering or the like. From the viewpoint of film thickness controllability and cost, the semiconductor used for the position
上述のように、位置敏感半導体検出器は、位置敏感かつエネルギー分析を行うことができる検出器であるため、迷い粒子を分離しノイズの少ない検出を行うことができる。またこの他にも、マイクロチャネルプレートと比較して、熱揺らぎによる偽シグナルが発生しないという利点も有する。マイクロチャネルプレートは、高電圧を用いた電子倍増方式により入射した反跳粒子を計測する。そのため、熱揺らぎによる偽シグナルが発生しやすい。マイクロチャネルプレートでは、この偽シグナルを除去するために、反跳粒子入射時の2次電子シグナルとのコインシデンスを取るなど、様々な機構が必要となる。これに対し、位置敏感半導体検出器41,44は、バイアス電圧が20V程度と低いため、熱揺らぎによる偽シグナルがそもそも発生せず、容易に高精度の測定を行うことができる。また高電圧による突発的な放電等による故障の恐れもない。
As described above, since the position-sensitive semiconductor detector is a detector that is position-sensitive and can perform energy analysis, it is possible to separate stray particles and perform detection with less noise. In addition to this, compared with the microchannel plate, it also has an advantage that a false signal due to thermal fluctuation does not occur. The microchannel plate measures the recoil particles that have entered by the electron multiplication method using a high voltage. Therefore, a false signal is likely to occur due to thermal fluctuation. In order to remove this spurious signal, the microchannel plate requires various mechanisms such as taking coincidence with the secondary electron signal at the time of recoil particle incidence. On the other hand, the position-
図1に戻り、計測器50は、位置敏感半導体検出器40で誘起された電荷からなる電流パルスを電圧パルスに変換する電流電圧変換回路と、電流電圧変換回路からのアナログ信号(電圧パルス)を処理する処理回路とを有する。
Returning to FIG. 1, the measuring
計測器50において、処理回路でアナログ信号を処理する方法は、第1の例の位置敏感半導体検出器41または第2の例の位置敏感半導体検出器44のいずれを選択するかにより異なる。
In the measuring
まず、第1の例の位置敏感半導体検出器41を用いる場合について説明する。
位置敏感半導体検出器41では、検出部42は1つである。そのため、電流電圧変換回路からのアナログ信号(電圧パルス)をデジタル信号に変換するアナログデジタル(AD)コンバータは1つでよい。ADコンバータによって、波高値を求める方式は、フィルター積分方式、デジタル積分法式等を用いることができる。この他にも、TOT(Time over threshold)方式のADコンバータを用いてもよい(国際公開第2011/039819号参照)。これらは信号をADコンバータに入力する前に置かれた増幅器の種類や信号の入力頻度により使い分ける。
First, the case of using the position
The position-
フィルター積分方式とは、パルスの立ち上がり時間と減衰時間との合計であるパルス波長が数十nsecの電圧パルスを、フィルター(CR積分)により数μsecまで波形整形を行い、この波形整形された電圧パルスが閾値電圧を超えてから一定時間(例えば500nsec)を経過した際にサンプルホールドし、そのピーク値を1回だけAD変換することで電圧パルスの波高値を求める方式である。 The filter integration method is a voltage pulse whose pulse wavelength, which is the sum of pulse rise time and decay time, of several tens of nanoseconds is shaped by a filter (CR integration) up to several μsec. Is a method of obtaining the peak value of the voltage pulse by sample-holding when a certain time (for example, 500 nsec) has passed after the threshold voltage exceeds the threshold voltage and AD-converting the peak value only once.
デジタル積分法式とは、パルスの立ち上がり時間と減衰時間との合計であるパルス波長が数十nsecの電圧パルスを、フィルター(CR積分)により数μsecまで波形整形を行い、この波形整形された電圧パルスが閾値電圧を超えてから一定時間(例えば20nsec)間隔で例えば8回AD変換し、このAD変換することで求められた波高値を全て加算することで電圧パルスの波高値を求める方式である。 The digital integration method is a voltage pulse whose pulse wavelength, which is the sum of pulse rise time and decay time, of several tens of nanoseconds is shaped by a filter (CR integration) up to several μsec. Is a method of calculating the peak value of the voltage pulse by performing AD conversion, for example, eight times at a constant time (for example, 20 nsec) after exceeding the threshold voltage, and adding all the peak values obtained by this AD conversion.
TOT方式とは、パルスの立ち上がり時間と減衰時間との合計であるパルス波長が数十nsecの電圧パルスを、フィルター(CR積分)により数μsecまで波形整形を行い、この波形整形された電圧パルスが閾値電圧を超えてから同じ閾値電圧に戻るまでのパルス時間幅を測定することで電圧パルスの波高値を求める方式である。 In the TOT method, a voltage pulse whose pulse wavelength, which is the sum of the pulse rise time and the decay time, is several tens of nanoseconds is waveform-shaped by a filter (CR integration) up to several μsec. This is a method of obtaining the peak value of a voltage pulse by measuring the pulse time width from when the voltage exceeds the threshold voltage until it returns to the same threshold voltage.
第1の例の位置敏感半導体検出器41では、ADコンバータは1つで足る。そのため、制御回路や処理回路が複雑になることはない。したがって、通常のフィルター積分方式、デジタル積分方式を用いて波高値を測定することが好ましい。ただし、位置敏感半導体検出器41は、検出部42を動かしながら測定する必要がある。そのため、1箇所ずつデータを集める必要があり、全てのデータを測定するのに時間はかかる。
In the position
次いで、第2の例の位置敏感半導体検出器44を用いる場合について説明する。
位置敏感半導体検出器44では、検出部45が複数ある。そのため、複数の検出部45からのデータを並列処理する必要がある。この場合、フィルター積分法式、デジタル積分方式では、オペアンプからなる比較器の数が膨大になる。例えば、全長100mmの位置敏感半導体検出器44の中に100μmピッチで検出部45を並列させる1000チャンネルの検出器を考えると、ADコンバータの入力チャンネル数も1000個必要となる。入力チャンネルが1000個程度あるフィルター積分方式やデジタル積分方式のADコンバータには膨大な比較器が必要で高価であり、場所をとるため、コストがかかる。また処理回路や制御回路が複雑化することも考えられる。
Next, the case of using the position-
The position-
そのため、位置敏感半導体検出器44のような多チャンネルの用途では、TOT方式の処理回路を用いることが好ましい。TOT方式では、ADコンバータの各チャンネルに対して比較器が1個で済むため、設備が大掛かりになることを避けることができる。
Therefore, in a multi-channel application such as the position
処理回路での測定精度をより高めるためには、dTOT(dinamic Time over threshold)方式を採用する事がより好ましい。dTOT方式とは、電荷により生じる電位のピークが所定の閾値を上回るタイミングに同期して所定の閾値を増加させるTOT方式を変形させた測定方式である。そのため、dTOT方式の処理回路は、電荷により生じる電位のピークが所定の閾値を上回るタイミングに同期して所定の閾値を増加させる閾値増加手段を備える。dTOT方式は、国際公開第2011/039819号で提案されているように核医学診断装置の分野で提案されたものではあるが、HERDAやHRBS等の極表面分析の分野では知られておらず、用いられていた例はない。 In order to further improve the measurement accuracy in the processing circuit, it is more preferable to adopt the dTOT (dynamic Time over threshold) method. The dTOT method is a measurement method which is a modification of the TOT method in which the predetermined threshold value is increased in synchronization with the timing when the potential peak generated by the electric charge exceeds the predetermined threshold value. Therefore, the processing circuit of the dTOT system includes a threshold value increasing unit that increases the predetermined threshold value in synchronization with the timing when the peak of the potential generated by the electric charge exceeds the predetermined threshold value. Although the dTOT method has been proposed in the field of nuclear medicine diagnostic equipment as proposed in WO 2011/039819, it is not known in the field of polar surface analysis such as HERDA and HRBS. No examples have been used.
図5は、dTOT方式を用いた処理回路の回路図である。処理回路51は、比較器52と、基準パルス発生器53と、初期閾値電源54と、抵抗55,56と、コンデンサ57と、カウンタ回路58とを備える。
FIG. 5 is a circuit diagram of a processing circuit using the dTOT method. The
比較器52は、波形整形されたアナログパルスPaと基準電圧に相当する初期閾値Vthまたは増加閾値Vrefとを比較する。基準パルス発生器53は、アナログパルスPaが初期閾値Vthよりも大きいときに、所定の時間に亘って所定の波高値の基準パルスPmを発生させるパルス発生器である。初期閾値電源54は、基準電圧に相当する初期閾値Vthを比較器52に出力する。抵抗55は、初期閾値電源54と比較器52との間に接続される。コンデンサ57と抵抗56は、増加閾値Vrefの増加に用いられる。カウンタ回路58は、比較器52から出力されるデジタルパルスPdの波高値を計測する。ここで、コンデンサ57及び抵抗56が閾値増加手段に相当する。
The
比較器52は、信号入力(プラス側)端子に与えられる電圧パルスが基準電圧入力(マイナス側)に設定される所定の閾値を超えると出力をONし、その電圧パルスが基準電圧として設定される所定の閾値を下回ると出力をOFFする。すなわち、アナログパルスPaが基準電圧として設定される初期閾値Vthを上回るときに、比較器52はデジタルパルスPdの出力をONする。そして、アナログパルスPaがピーク値を過ぎて減衰しながら基準電圧として設定される増加閾値Vrefを下回るときに、比較器52は出力をOFFする。比較器52は、デジタルパルスPdを基準パルス発生器53とカウンタ回路58に出力する。
The
初期閾値Vthは、一定の電圧値である。また、初期閾値Vthは低い電圧値であることが好ましい。これは、電圧パルスは波高値が高いほど初期閾値Vthを上回るまでの時間が短く、波高値が低いほど初期閾値Vthを上回るまでの時間が長いからである。その結果、仮に異なる波高値の電圧パルスを同時に計測したとすると、初期閾値Vthを上回るタイミングは波高値が高い電圧パルスの方が早い。そこで、初期閾値Vthをできるだけ低く設定すれば、この立ち上がりのタイミングのばらつきを抑えることができる。 The initial threshold value Vth is a constant voltage value. The initial threshold value Vth is preferably a low voltage value. This is because the higher the peak value of the voltage pulse, the shorter the time until it exceeds the initial threshold Vth, and the lower the peak value, the longer the time until it exceeds the initial threshold Vth. As a result, if voltage pulses with different peak values are measured at the same time, the voltage pulse with the higher peak value is earlier in the timing of exceeding the initial threshold value Vth. Therefore, by setting the initial threshold value Vth as low as possible, it is possible to suppress the variation in the rising timing.
基準パルス発生器53は、デジタルパルスPdがONするときの立ち上がりをトリガーとして、所定の時間幅および所定の波高値の基準パルスPmを発生させる。この基準パルス発生器53は、コンデンサ59および抵抗60を有するワンショットマルチバイブレータ回路(単安定マルチバイブレータ回路)で構成される。基準パルスPmはコンデンサ57および抵抗56に与えられる。基準パルス発生器53は、基準パルスPmのONからOFFまでの間に他のパルスが入力されても他の基準パルスPmを出力しない。基準パルスPmの所定の時間幅は、基準パルス発生器53を構成するコンデンサ59の容量と抵抗60の値の積により定まる時定数によって決まる。基準パルスPmの所定の波高値は、固定の電圧値である。基準パルスPmがOFFのときの波高値は、初期閾値Vthと同じ電圧値である。
The
基準パルスPmがコンデンサ57に印加される間、コンデンサ57は電荷を蓄積する。電荷の蓄積によりコンデンサ57は比較器52に設定される基準電圧を上昇させる。これにより、コンデンサ57は基準パルスPmの所定の時間幅に亘り増加閾値Vrefを増加させる。コンデンサ57の容量と抵抗56の値との積により定まる時定数は、増加閾値Vrefが増加する時間、すなわち基準パルスPmの所定の時間幅に合わせて設定する。
The
このように、基準パルスPmを抵抗56およびコンデンサ57を介して比較器52の基準電圧としてフィードバックさせると、増加閾値Vrefは初期閾値Vthを超えてからの時間とともに上昇する。増加閾値Vrefの電圧値は、Vm×(1−exp(−t/τ))によって定まる。ここで、Vmは基準パルスPmの波高値である。tは増加閾値Vrefが初期閾値Vthを超えてから時間である。τはコンデンサ11の容量と抵抗12の値との積によって定まる時定数である。増加閾値Vrefは、tの値が大きくなるに従って指数関数的に増加して波高値Vmに漸近する。時定数τが大きくなるに従って波高値Vrefに近づくまでの時間が長くなり、時定数τが小さくなるに従って波高値Vrefに近づくまでの時間が短くなる。よって、基準電圧Pmのパルス時間幅Tmの範囲内で、コンデンサ57と抵抗56との組み合わせによって、時定数τを自由に設定できる。
In this way, when the reference pulse Pm is fed back as the reference voltage of the
カウンタ回路58は、デジタルパルスPdのパルス時間幅を計測することにより、パルスの波高値を計測する。すなわち、カウンタ回路58は、デジタルパルスPdの立ち上がりに同期してカウンターパルスを発生させるとともに、デジタルパルスPdの立ち下がりに同期してカウンターパルスを停止させる。そして、この間に計数されるパルスのカウント数に応じてアナログパルスPaの波高値が計測される。
The
このように、dToTの回路は通常のToT同様、比較器が1個とシンプルなため、約10ミリメートル角のサイズの特定用途向け集積回路(Application Specific Integrated Circuit; ASIC)に数十チャンネルのADコンバータを容易に作りこむことができ、多データの並列処理に適する。 As described above, since the dToT circuit is as simple as one ToT and has only one comparator, an application specific integrated circuit (ASIC) with a size of about 10 millimeters square has several dozen channels of AD converters. Is suitable for parallel processing of multiple data.
次に、図6を参照して、増加閾値Vrefを増加させるタイミングを説明する。図6は、縦軸をパルス波高値とし横軸をパルス時間幅とするタイミングチャートである。Pa1,Pa2,Pa3は比較器52に入力されるアナログパルスである。Pd1,Pd2,Pd3は比較器52から出力されるデジタルパルスである。Wtot1,Wtot2,Wtot3はPd1,Pd2,Pd3のパルス幅である。Pmは基準パルス発生器53から出力される基準パルスである。Tmは基準パルスPmのパルス幅であり、Vmは基準パルスPmの波高値である。増加閾値Vrefは基準パルスの波高値Vmに近づくように増加する。
Next, the timing of increasing the increase threshold Vref will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a timing chart in which the vertical axis represents the pulse peak value and the horizontal axis represents the pulse time width. Pa1, Pa2, and Pa3 are analog pulses input to the
アナログパルスPa1が初期閾値Vthを上回るタイミングに同期してデジタルパルスPd1は立ち上がり、アナログパルスPa1が増加閾値Vrefを下回るタイミングに同期してデジタルパルスPd1は立ち下がる。デジタルパルスPd1の立ち上がりをトリガーとして基準パルスPmは立ち上がり、所定の時間Tmを経過後基準パルスPmは立ち下がる。基準パルスPmの立ち上がりに同期して増加閾値Vrefは増加する。増加閾値VrefはアナログパルスPa1とのクロスポイント電位Vcp1を超えた後も増加し、基準パルスPmの立ち下がりに同期して初期閾値Vthまで減衰する。Pa2,Pa3についてもPa1と同様であるため説明を省略する。 The digital pulse Pd1 rises in synchronization with the timing when the analog pulse Pa1 exceeds the initial threshold Vth, and the digital pulse Pd1 falls in synchronization with the timing when the analog pulse Pa1 falls below the increase threshold Vref. The reference pulse Pm rises with the rising of the digital pulse Pd1 as a trigger, and the reference pulse Pm falls after a lapse of a predetermined time Tm. The increase threshold value Vref increases in synchronization with the rising of the reference pulse Pm. The increase threshold Vref increases even after exceeding the cross point potential Vcp1 with the analog pulse Pa1 and attenuates to the initial threshold Vth in synchronization with the fall of the reference pulse Pm. Since Pa2 and Pa3 are the same as Pa1, the description thereof will be omitted.
アナログパルスPa1,Pa2,Pa3と初期閾値Vthとのクロスポイント電位Vcp1´,Vcp2´,Vcp3´は、近い時間内に発生するが、クロスポイント電位Vcp1,Vcp2,Vcp3は、Vcp1´,Vcp2´,Vcp3´に比べて時間の間隔が十分広い。そして、パルス時間幅Wtot1,Wtot2,Wtot3は、アナログパルスPa1,Pa2,Pa3のパルス波高値に対応して十分に差が出ている。
すなわち、TOT方式と比較してdTOT方式を用いることで、パルスの時間幅を波高値に精密に変換することができる。
Crosspoint potentials Vcp1 ′, Vcp2 ′, Vcp3 ′ between the analog pulses Pa1, Pa2, Pa3 and the initial threshold value Vth are generated in a short time, but the crosspoint potentials Vcp1, Vcp2, Vcp3 are Vcp1 ′, Vcp2 ′, The time interval is sufficiently wider than that of Vcp3 '. The pulse time widths Wtot1, Wtot2, Wtot3 are sufficiently different corresponding to the pulse crest values of the analog pulses Pa1, Pa2, Pa3.
That is, by using the dTOT method as compared with the TOT method, it is possible to accurately convert the pulse time width into a peak value.
第2の例の半導体検出器44は、第1の例の半導体検出器41と異なり、データを並列処理する。そのため、より高速でデータの処理を行うことができる。またdTOT方式を用いることで、装置が大掛かりになることを避け、かつ精密な計測を行うことができる。
Unlike the
(分析装置、分析システム:HRBS)
本発明のHRBSを用いた測定装置は、被測定物を設置できる設置部を有するチャンバーと、加速器で発生したイオンビームを設置部に向けて導く導管と、設置部に設置された被測定物に照射されたイオンビームのうち散乱した散乱イオンに磁場を印加し、散乱イオンのエネルギーに対応する方向に散乱イオンの進行方向を変化させる分析部と、前記散乱イオンの軌跡と平行な平面に対して垂直な方向に延在する検出部を有する位置敏感半導体検出器と、位置敏感半導体検出器に接続され、位置敏感半導体検出器で生じた電荷をデジタル化して計測する計測器と、を備える。
(Analyzer, analysis system: HRBS)
The measuring apparatus using the HRBS of the present invention includes a chamber having an installation part on which an object to be measured can be installed, a conduit for guiding an ion beam generated by an accelerator toward the installation part, and an object to be measured installed on the installation part. A magnetic field is applied to scattered scattered ions in the irradiated ion beam to change the traveling direction of the scattered ions in a direction corresponding to the energy of the scattered ions, and a plane parallel to the trajectory of the scattered ions. A position-sensitive semiconductor detector having a detector extending in a vertical direction, and a measuring device connected to the position-sensitive semiconductor detector for measuring electric charges generated in the position-sensitive semiconductor detector by digitizing the electric charges are provided.
分析部で分離されるもの及び位置敏感半導体検出器で検出されるものが、反跳粒子から散乱イオンに変化したこと以外は、上述のHERDAを用いた分析装置100と同様である。
The
そのため、HRBSを用いた分析装置とHERDAを用いた分析装置とで、構成上の違いはほとんどない。HRBSを用いた分析装置とHERDAを用いた分析装置100との構成上の違いは、図1においてチャンバー10と分析部30の接続をより導管20に近い接続部12を介して行う点である。
Therefore, there is almost no difference in configuration between the analyzer using HRBS and the analyzer using HERDA. The structural difference between the analyzer using the HRBS and the
この異なる接続部12を用いるのは、HERDAが被測定物Sから弾き出された反跳粒子を計測するのに対して、HRBSが被測定物Sによって弾性散乱した散乱イオンを計測するためである。HRBSでは導管20から入射したイオンビームが被測定物Sによって後方散乱されるため、分析部30はHERDAの場合と比較して導管20側に接続される。
その他の構成は、上述のHERDAを用いた分析装置100と同様の構成を用いることができるため、説明を省く。
This
Other configurations can be the same as the configuration of the
本発明の分析装置(HERDAを用いた分析装置及びHRBSを用いた分析装置)は、位置敏感かつエネルギー分析を行うことができる位置敏感半導体検出器を有する。そのため、従来の分析装置に比べて、検出精度を2桁も高めることができる。その結果、HERDAを用いた分析装置では試料中の軽元素の定量分析、HRBSを用いた分析装置では試料中の元素の組成分析をより精密に行うことができる。例えば、MOSFETなどの半導体デバイスの酸化物中及び酸化物と半導体との界面における水素等の非常に微量な水素の含有も定量化することができる。また鉄鋼中の水素の量を測定することで、鉄鋼の脆性を計測することもできる。この他、燃料電池の汚染等の確認も行うことができる。 The analysis device of the present invention (the analysis device using HERDA and the analysis device using HRBS) has a position-sensitive semiconductor detector capable of performing position-sensitive and energy analysis. Therefore, the detection accuracy can be improved by two digits as compared with the conventional analyzer. As a result, the analyzer using HERDA can quantitatively analyze the light elements in the sample, and the analyzer using HRBS can more accurately analyze the composition of the elements in the sample. For example, it is possible to quantify the content of a very small amount of hydrogen such as hydrogen in the oxide of a semiconductor device such as MOSFET and at the interface between the oxide and the semiconductor. The brittleness of steel can also be measured by measuring the amount of hydrogen in the steel. In addition, it is possible to confirm the contamination of the fuel cell.
(分析システム)
本発明の分析システムは、上述の分析装置と、分析装置にイオンビームを供給する加速器とを備える。イオンビームは、加速器から分析装置の導管に供給される。
加速器は、1MV程度のエネルギーを出力することができる加速器であれば特に問わない。例えば、公知のタンデム型加速器等を用いることができる。
本発明の分析システムは、上述の分析装置を有するため、試料の表面近傍の状態を非破壊かつ高感度に分析することができる。
(Analysis system)
An analysis system of the present invention includes the above-described analysis device and an accelerator that supplies an ion beam to the analysis device. The ion beam is delivered from the accelerator to the analyzer conduit.
The accelerator is not particularly limited as long as it can output energy of about 1 MV. For example, a known tandem accelerator or the like can be used.
Since the analysis system of the present invention has the above-mentioned analysis device, it can analyze the state near the surface of the sample nondestructively and with high sensitivity.
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be modified and changed.
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below. The present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
図1に示す構成の分析装置を準備した。水素を含んだアモルファスカーボンを被測定物として、設置部に設置した。この水素含有アモルファスカーボンに対して、加速器により500keVの16O+をイオンビームとして照射した。
そして、アモルファスカーボンからイオンビームにより弾き出されたプロトンを半導体検出器で検出した。このとき分析部は、入射口から射出口に至るまで90°カーブする90°マグネットを用いた。半導体検出器は、図2にしめす第1の半導体検出器を用いた。検出部は、幅1mm×長さ8mmとし、幅方向に平行移動させて21回、検出を行った。その結果を、図7に示す。図7において、縦軸は水素シグナルのカウント数であり、横軸は水素のエネルギー強度である。
(Example 1)
An analyzer having the configuration shown in FIG. 1 was prepared. Amorphous carbon containing hydrogen was set as the object to be measured in the installation section. This hydrogen-containing amorphous carbon was irradiated with 500 keV 16 O + as an ion beam by an accelerator.
Then, the protons ejected from the amorphous carbon by the ion beam were detected by the semiconductor detector. At this time, the analysis unit used a 90 ° magnet that curves 90 ° from the entrance to the exit. As the semiconductor detector, the first semiconductor detector shown in FIG. 2 was used. The detection unit had a width of 1 mm and a length of 8 mm, and was moved in parallel in the width direction to perform detection 21 times. The result is shown in FIG. 7. In FIG. 7, the vertical axis represents the number of hydrogen signal counts, and the horizontal axis represents the energy intensity of hydrogen.
(比較例1)
比較例1は、実施例1の分析装置と比較して、半導体検出器をマイクロチャネルプレートに変更した点のみが異なる。その他の構成及び測定条件は同じとした。測定結果を図8に示す。図8において、縦軸は水素シグナルのカウント数であり、横軸は水素の入射した幅方向の位置である。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 differs from the analyzer of Example 1 only in that the semiconductor detector is changed to a microchannel plate. Other configurations and measurement conditions were the same. The measurement result is shown in FIG. In FIG. 8, the vertical axis is the number of hydrogen signal counts, and the horizontal axis is the position in the width direction where hydrogen is incident.
図7及び図8に示すように、実施例1では水素シグナルとノイズの強度比が1000:1であるのに対し、比較例1では水素シグナルとノイズの強度比が10:1である。すなわち、同条件で分析を行った場合、実施例1の分析装置は比較例1の分析装置に対して2桁感度が高いことが確認できる。 As shown in FIGS. 7 and 8, the hydrogen signal-to-noise intensity ratio in Example 1 is 1000: 1, whereas the hydrogen signal-to-noise intensity ratio in Comparative Example 1 is 10: 1. That is, when the analysis is performed under the same conditions, it can be confirmed that the analyzer of Example 1 has a two-digit higher sensitivity than the analyzer of Comparative Example 1.
図7と図8において横軸が異なるのは、比較例1はエネルギー分析能を有さず、位置分析しかできないためである。いずれでも、カウント数がゼロ付近で検出されているものがノイズである。 The horizontal axes in FIGS. 7 and 8 are different because Comparative Example 1 does not have energy analysis capability and can only perform position analysis. In any case, noise is detected when the count number is near zero.
10…チャンバー、11…設置部、12…接続部、20…導管、30…分析部、40…半導体検出器、41…第1の半導体検出器、42…検出部、43…スライダ、44…第2の半導体検出器、45…検出部、46…スリット、47…不感層、48…半導体、50…計測器、51…処理回路、52…比較器、53…基準パルス発生器、54…初期閾値電源、55,56,60…抵抗、57,59…コンデンサ、58…カウンタ回路、100…分析装置 10 ... Chamber, 11 ... Installation part, 12 ... Connection part, 20 ... Conduit, 30 ... Analysis part, 40 ... Semiconductor detector, 41 ... First semiconductor detector, 42 ... Detection part, 43 ... Slider, 44 ... 2 semiconductor detector, 45 ... Detection part, 46 ... Slit, 47 ... Insensitive layer, 48 ... Semiconductor, 50 ... Measuring instrument, 51 ... Processing circuit, 52 ... Comparator, 53 ... Reference pulse generator, 54 ... Initial threshold value Power source, 55, 56, 60 ... Resistor, 57, 59 ... Capacitor, 58 ... Counter circuit, 100 ... Analytical device
Claims (9)
加速器で発生したイオンビームを前記設置部に向けて導く導管と、
前記設置部に設置された前記被測定物に前記イオンビームを照射することにより反跳した反跳粒子に磁場又は電場を印加し、前記反跳粒子のエネルギーに対応する方向に前記反跳粒子の進行方向を変化させる分析部と、
前記反跳粒子の軌跡と平行な平面に対して垂直な方向に延在し、前記反跳粒子をその進行方向毎に検出可能な複数の検出部を有する位置敏感半導体検出器と、
前記位置敏感半導体検出器に接続され、前記位置敏感半導体検出器で生じた電荷をデジタル化して計測する計測器と、を備え、
前記複数の検出部は、前記複数の検出部の延在方向かつ前記複数の検出部に前記反跳粒子が衝突する方向に対し垂直な方向に並列された複数の検出部であり、
前記計測器は、ADコンバータを備え、
前記ADコンバータは、複数の入力チャンネルを備え、
前記複数の入力チャンネルは、それぞれ閾値電圧が異なり、
前記複数の検出部のそれぞれは、異なる入力チャンネルに設定されている分析装置。 A chamber having an installation part on which an object to be measured can be installed,
A conduit for guiding the ion beam generated by the accelerator toward the installation section,
A magnetic field or an electric field is applied to the recoil particles recoiled by irradiating the object to be measured installed in the installation section with the ion beam, and the recoil particles have a direction corresponding to the energy of the recoil particles. An analysis unit that changes the direction of travel,
A position-sensitive semiconductor detector that has a plurality of detection units that extend in a direction perpendicular to a plane parallel to the trajectory of the recoil particles and that can detect the recoil particles in each traveling direction thereof,
A measuring instrument that is connected to the position-sensitive semiconductor detector and that digitizes and measures the electric charge generated in the position-sensitive semiconductor detector ;
The plurality of detection units are a plurality of detection units arranged in a direction perpendicular to the extending direction of the plurality of detection units and the recoil particles colliding with the plurality of detection units,
The measuring instrument includes an AD converter,
The AD converter includes a plurality of input channels,
The plurality of input channels have different threshold voltages,
The analyzer in which each of the plurality of detection units is set to a different input channel .
加速器で発生したイオンビームを前記設置部に向けて導く導管と、
前記設置部に設置された前記被測定物に照射された前記イオンビームのうち散乱した散乱イオンに磁場又は電場を印加し、前記散乱イオンのエネルギーに対応する方向に前記散乱イオンの進行方向を変化させる分析部と、
前記散乱イオンの軌跡と平行な平面に対して垂直な方向に延在し、前記散乱イオンをその進行方向毎に検出可能な複数の検出部を有する位置敏感半導体検出器と、
前記位置敏感半導体検出器に接続され、前記位置敏感半導体検出器で生じた電荷をデジタル化して計測する計測器と、を備え、
前記複数の検出部は、前記複数の検出部の延在方向かつ前記複数の検出部に前記散乱イオンが衝突する方向に対し垂直な方向に並列された複数の検出部であり、
前記計測器は、ADコンバータを備え、
前記ADコンバータは、複数の入力チャンネルを備え、
前記複数の入力チャンネルは、それぞれ閾値電圧が異なり、
前記複数の検出部のそれぞれは、異なる入力チャンネルに設定されている分析装置。 A chamber having an installation part on which an object to be measured can be installed,
A conduit for guiding the ion beam generated by the accelerator toward the installation section,
A magnetic field or an electric field is applied to scattered ions scattered out of the ion beam with which the object to be measured installed in the installation unit is changed, and the traveling direction of the scattered ions is changed to a direction corresponding to the energy of the scattered ions. An analysis section to
A position-sensitive semiconductor detector that extends in a direction perpendicular to a plane parallel to the trajectory of the scattered ions, and has a plurality of detection units that can detect the scattered ions in each traveling direction thereof,
A measuring instrument that is connected to the position-sensitive semiconductor detector and that digitizes and measures the electric charge generated in the position-sensitive semiconductor detector ;
The plurality of detection units are a plurality of detection units arranged in a direction perpendicular to the extending direction of the plurality of detection units and the collision direction of the scattered ions to the plurality of detection units,
The measuring instrument includes an AD converter,
The AD converter includes a plurality of input channels,
The plurality of input channels have different threshold voltages,
The analyzer in which each of the plurality of detection units is set to a different input channel .
前記分析装置にイオンビームを供給する加速器とを備える分析システム。 An analyzer according to any one of claims 1 to 9 ,
And an accelerator for supplying an ion beam to the analyzer.
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