JPH02230648A - 表面解析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （７）技術分野 この発明は、イオン源から出た陽子を３方向に偏向させ
る静電偏向器を持つ表面解析装置の、静電偏向器電極と
電源の改良に関する。

表面解析装置は、真空中で加速した陽子を試料表面に当
て、散乱された陽子のエネルギー損失分分を測定するこ
とにより、試料表面の元素の分析を行なうものである。

陽子のエネルギー損失バは、相手方の元素の質量と、散
乱角ｅによる。相手方の元素の質量が小さいほど、散乱
角ｅが大きいほど、エネルギー損失が大きい。

散乱角ｅはいくらでもよいのであるが、イールドが比較
的大きいこと、試が大きくなること、表面の凹凸の影響
を受けにくいこと、などから、１８０°に選ぶことが多
い。

つまり、試料に入射する陽子と、反平行な散乱陽子のみ
を測定の対象にする。

入射エネルギーをＥＯｘ散乱エネルギーをＥ１とすると
、この間には比例関係がある。

Ｅ１：ＫＥｏ このＫは、相手方の原子の質量数をＩ゛とじて、θ＝１
８０°のとき、 である。損失部は、 部　＝ｇｏ−Ｅ１ ＝　　（　１−Ｋ　）Ｅｏ　　　　　　　　　　（５）
である。相手の原子質量数によりパが一義的に決まる。

そこで、散乱陽子のエネルギーロススペクトルｒ（ｗ）
を求めると、試料表面の原子の存在量が求められること
になる。

（イ）従来技術 第２図によって、従来例に係る表面解析装置の概略を説
明する。

これはイオン源１、マグネット２、加減速管３、試料４
、位置検出器６、などを含んでいる。

イオン源１から引出し電圧ｖｅｘで陽子イオンが引出さ
れる。エネルギーＥｅは Ｅｅ　　＝　　ｑＶｅｘ である。これがマグネット２で円弧軌道を描き、コリメ
ータ５のスリットを通って、加減速管３に入る。ここで
加速される。

加速電圧をｖａｃｅとして、 Ｅｏ　＝　　ｑＶｅｘ　　＋　ｑＶａｃｃ　　　　　　
　　　（力となる。試料４に陽子が衝突する。エネルギ
ー損失！を伴うので、散乱された（θ＝　１８０’　）
陽子のエネルギーＥ１は Ｅ１＝　ｑＶｅｘ　　−｝−　ｑＶａｃｃ−ハ（ｓｌと
なる。これが加減速管３を逆シー通るので、加速電圧分
だけ減速されて、エネルギーＥａがＥａ　＝　ｑＶａｘ
　−　ＩＪ　　　　　　　　　　（９１となる。これが
コリメータ５を通り、マグネット２に入り、半円軌道を
描いて、位置検出器６に入る。半円軌道の直径＆は によって与えられる。位置検出器に入射する点Ｋは位置
検出器の出力によって分る。点Ｋがエネル４’　−　Ｅ
ａに応じて変わる。位置検出器のそれぞれの部分に入射
した陽子の数を計数すると、試料表面の元素分布を知る
事ができる。

これらの装置は全て高真空中にある。陽子は高真空中を
飛行する。しかし、簡単のため真空容器や真空排気装置
の図示を省略している。

表面解析装置の基本形においては、イオン源１で生じｋ
陽子ビームを、直進（直線ＡＢ）させてマグネット２へ
入射させる。マグネット２では、磁束密度Ｂに応じた基
本半径Ｒｏの円弧軌道Ωを描く。

ところで、Ｃ点はコリメータのスリット位置によって決
まる。Ｂ点はイオン源１の出口方向の延長線とマグネッ
ト２の交点として決まる。つまり、Ｂ％Ｃは機構上の定
点である。自由に変えることができない。

陽子ビームは、２点Ｂ，Ｃを通り、しかも、Ｂ１Ｃ点で
の方向も決められている。つまり、マグネット中での陽
子ビーム軌道Ωは機構的に定まっているのである。

基本半径Ｒ１は という関係を満足しなければならない。

測定対象となる元素はＡｓ％Ｇａ、、Ｐ１・・・など、
試料物質によって多様である。

これら元素によって、エネルギー損失部が異なる。にも
拘わらず、位置検出器６の中へ散乱ビームを入れなけれ
ばならない。このｋめには、ａω式の散乱後のエネルギ
ーＥａが、ある範囲になるように、Ｅｅ，Ｂを変える、
という事である。Ｅｅは引出し陽子エネルギーであるが
、磁束密度Ｂはこれの平方根に比例するように変えなけ
ればならない。

このようト；、基本半径Ｒ１が決まっているという事は
、イオン源１の引出電圧’Ｖｅｘと、マグネットＢの磁
束密度の関係を固定する、という事である。

はなはだ不自由であって、使いにくい。

対象となる元素が２種類あって、これらの元素からの散
乱の微細なスペクトルを観察したいという場合がある。

このような場合、マグネット磁束密度Ｂを変える事なく
、陽子引出し電圧Ｖｅｘ　（引出しエネルギーＥｅ　）
をふたどおりに変えた方が便利である。

そこで本発明者は、マグネットに対して、ふたとおりの
入射ができるように、２つの静電偏向器を用いた表面解
析装置を発明した。

特願昭６３−２７６５６７　（　Ｓ　６３．　１０．　
３１出願）である。

第２図に於て、陽子イオンの経路であるＡ点に第１静電
偏向電極１０がある。これの電源が第１静電偏向器電源
９である。電極間に電圧を加えないと、ビームはＡＢ方
向に直進する。これを第１ラインという。電極板をｋ，
ｌとする。ｋに対してｌの電圧ｖｌによって、この電源
の電圧ということにする。

電圧ηに正電圧を加えると、陽子はＡからＤの方向へ偏
向される。Ｄの位置に第２の静電偏向電極１１がある。

これによって、ビームを反対向きに曲げ、Ｅ点からマグ
ネットへ入れる。マグネットで、より小さい基本半径Ｒ
２の円弧ＥＣを描いて、コリメータ５のスリットに入る
。

基本半径Ｒ２が小さいということは、同じ磁束密度Ｂに
対し、引出しエネルギーＥＯが小さいという事である。

このようなＡ，　Ｄ，　Ｅを通る第２のビームを第２ラ
インという。

前記の特願昭６３　−　２７６５６７には、これだけし
か開示されていない。

その後、第３のビームラインＡＦを作り、ビームダンバ
１２へ陽子ビームを入射できるように改良を重ねた。こ
れは開示していない改良である。ビームダンパ１２は、
ファラデーカップなどのイオン計数素子であり、陽子イ
オンビームの強度を予め測定することができる。

第３ラインという事にする。第１静電偏向電極１０に負
電圧を与える事により、ビームダンバ１２に陽子ビーム
を入射させる事ができる。

第２静電偏向電極１１の電源１３は、ある決まった極性
の電圧を電極１１間に印加していればよｂ′ｈ０ しかし、第１静電偏向電極１ロのための電源９は、正の
高電圧、負の高電圧、及びＯボルト近辺の電圧を発生す
るものでなければならない。

第２ｒ：ＩＡＫ示すモノハ、特願昭６３　−　２７６５
６７　Ｋ完全には記載されていない。第２図の、３ライ
ンを有する表面解析装置は未だ開示されていない。しか
し、本発明者が試作して実験したものであるので、従来
技術として説明した。

各ビームラインを選択するために、静電偏向電極１０に
与える電圧は、 ｌ　　　　　　ｋ 第１ライン　　　　　〜Ｏ　　　　　〜Ｏ第２ライン　
　　　　士”１　／　２　　　　　−ｖ１　／　２第３
ライン　　　　−ｖ２／２＋ｖ２／２ということである
。■１、ｖ２は数ｋＶのオーダである。

（ウ）発明が解決しようとする問題点 第１ライン、第２ラインの軌道設定は特に重要である。

第２ラインＡＤＥのように、ビームを強く曲げる時は、
電源９が強い正電圧を生じている。この場合は、比較的
正確に電源電圧を規定できる。電圧のドリフトも少ない
。

ところが、第１ラインのように、直進する場合が問題で
ある。例えば、アライメントが完全な場合は、電極１０
にＯｖを印加すればよい（アライメントがずれている場
合は、数Ｖ〜数十Ｖ程度である。）電圧を印加しないの
であるから、簡単であるように思われるが、実はそうで
はない。

電源９は数ｋＶの定格の電源であるが、このような電源
によって、Ｏｖを正しく出力するのは困難である。どう
してもＯｖからドリフトしてしまう。

ところが、０／から少しでもドリフトすると、直線軌跡
ＡＢが動いてしまう。Ｂ点から陽子ビームがずれると、
コリメータ５のスリットへ入る事ができない。

このように大きい定格電圧を持つ電源に対してＯｖの出
力を正確に出すように要求するのは困難である。

もうひとつは、第１静電偏向器電源９が両極性（バイボ
ーラ）電源でなければならないという事である。第２ラ
インと、第３ラインとを切りかえる時に極性を変えなけ
ればならない。

（ニ）構　成 本発明に於ては、陽子ビームをマグネットに入れるため
の第１ライン、第２ラインを選ぶためには第１静電偏向
電極に、同じ極性の電圧を印加しなければならないよう
にする。そして、ビームダンバに入る第３ラインが直進
する軌跡とする。

ビームダンパに入るビームは多少ふらついても差支えが
ない。ファラデイカップのように開口の大きい検出器を
使うので、ビームが左右に多少ふれても検出器に入りう
る。

重要な軌道である第１ライン、第２ラインに沿って陽子
を運動させるときは、第１静電偏向電源が、同極性（例
えば正）の電圧＋ｖ１、＋ｖ２を生ずるようにする。ｖ
ｌ１ｖ２は定格電圧に近い値であるから、正確な値に制
御することができる。Ｏｖを正確に４えることよりもず
っと容易である。

本発明に於で、各ビームラインを選択するため、第１静
電偏向電極１０に与える電圧は、ｊｋ 第１　５イン＋Ｖ１／２　　　　　”１／２第２ライン
　　　　＋”２　／　２　　　　＝　Ｖ２　／　２第３
ライン　　　　　０　　　　　　　０となるのである。

図面によって説明する。第１図は本発明の表面解析装置
の構成図である。

イオン源１、マグネット２、加減速管３、試料４、位置
検出器６が設けられる。これは従来の表面解析装置と同
じである。

静電偏向器によって、イオン源１から出た陽子ビームを
、３のビームラインに振り分ける。この分け方に工夫が
なされる。

イオン源１の陽子の出射方向は、第２図の場合、マグネ
ットの入射辺ＵＷに直角であった。本発明ではそうでは
なく、出射方向がマグネット入射辺ＵＮに対して平行に
近くなる。

そして、陽子ビームの進行経路のＦ点に、第１静電偏向
電極１０を設ける。この電極１０も異形の電極である。

一方の電極板ｋは円弧状に曲っている。他方の両極板ｌ
は平板状である。

第１静電偏向電源９が、第１静電偏向電極１０に直流電
圧を印加する。この電圧の値により、陽子ビームはＦ点
から３つのラインに分けられる。

第１ラインはＦＢＣと進むものである。これは、マグネ
ット中で、より大きい基本半径Ｒ１を描く。

第１ラインを選択するために、第１静電偏向電極１０に
は、最も大きい正電圧ｖ１を加える。つまり、極板ｌに
＋ｖｌ／２、極板ｋに−ｖ１／２の゛電圧を加える。

この場合、イオン源の電位をＱＶにとっている。

電極板ｋは円弧状、ｌは平板状であるので、この間に生
ずる静電界が一様ではない。したがって、ビームの偏向
角を簡単をて計算することはできない。

このような異形の電極板の間に生ずる静電界を正しく求
めて、厳密に軌道計算しなければならな＋１）。

第２ラインは第１静電偏向電極１０からＦＨＥと進むも
のである。経路の途中に第２静電偏向電極１１を設ける
。第２静電偏向電源１３が、電極１１の電極板ｔ，ｓに
電圧を印加している。これは、単純な円弧軌道を描《も
のであってよい。

第２ラインＦＨＥを通ったビームは、マグネット中で、
より小さい基本半径Ｒ２　（　Ｑ点を中心として）゜の
軌道を描く。

第３ラインは、第１静電偏向電極１０に於て曲げられず
、ここを直進して抜けてゆき、ビームダンバ１２に入る
ものである。直線ＦＪである。この場合、電源９が発生
すべき電圧はＱＶである。

（６）作　用 第１静電偏向電極１　０　Ｋ．　＋Ｖｌ／２、一ｖｕ／
２ノ’！圧を加えると、陽子ビームはＬ　Ｆ　Ｂ　Ｃと
いう第１ラインを描いてマグネットに入る。マグネット
中で０点を中心とする大きい基本半径Ｒ１を描いて進む
。

第１静電偏向電極１０に、十’／２　／　２、−　’／
２　／２の電圧を加えると、陽子ビームはＬＦＨＥとい
う第２ラインを描いてマグネットに入る。マグネット中
でＱ点を中心とする小さい基本半径町を描いて進む。

第１ライン、第２ラインを通った陽子は、加減速管３を
経て試料４に衝突する。１８０°散乱されたものが加減
速管を反対に通り、マグネット２に入？て、半円軌道Ｃ
Ｋを描いて位置検出器６に入肘する。これにより陽子の
エネルギー損失分布を求め、試料表面の解析をすること
ができる。

第１静電偏向電極１０に、０／，ＱＶを印加すると、陽
子ビームはＬＦＪと直進してビームダンバ１２に入る。

これは、陽子ビーム量を測定するものである。第３ライ
ンである。

ａ）効　果 ビーム軌跡を厳密に設定しなければならない第１ライン
、第２ラインについては、第１静電偏向電源９が大きい
電圧を発生するようになっている。

定格に近い電圧であるので、精度良く制御することがで
きる。

電源９が■ｖを発生しなければならないのは第３ライン
である。Ｏｖの近傍では、電源の出力が安定せず、電圧
がドリフトしやすい。しかし、たとえドリフトしても、
ビームダンバ１２には入るので、ビーム流量を測定する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の表面解析装置の概略構成図。 第２図は本発明者が以前に作製した表面解析装置の概略
構成図。 １・・・・・・イオン源 ２・・・・・・マグネット ３・・・・・・加減速管 ４・・・・・・・・試　　料 ５・・・・・・・コリメータ ６・・・・・・位置検出器 ９・・・・・・第１静電偏向電源 １０・・・・・・第１静電偏向電極 １１・・・・・・第２静電偏向電極 １２・・・・・・ビームダンバ １３・・・・・・第２静電偏向電源 発　　明　　者　　　　青　　　木　　　正　　　彦特
許出願人　　日新電機株式会社 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 陽子ビームを発生する真空に保たれたイオン源１と、該
   イオン源１から生じた陽子ビームと試料４によつて散乱
   された陽子ビームとを真空中に於て偏向させるマグネッ
   ト２と、マグネット２で偏向した陽子ビームと散乱され
   た陽子ビームとを通すスリットを有するコリメータ５と
   、コリメータ５を通つた入射陽子ビームを真空中で加速
   して試料４に当て試料４で散乱された散乱角Θ＝１８０
   °の陽子ビームを逆に通して減速する加減速管３と、減
   速された陽子ビームがコリメータ５を通りマグネット２
   に入り半円軌道を描いた後にこれを入射させて位置検出
   する位置検出器６とよりなり、位置検出器６のビーム入
   射位置により陽子の運動エネルギー分布を求めるように
   した表面解析装置に於て、イオン源１とマグネット２の
   間に陽子ビームを偏向させるための第１静電偏向電極１
   ０、第２静電偏向電極１１を設け、これらにより、陽子
   ビームの進行軌跡が３つになるようにし、そのうちふた
   つの第１ライン、第２ラインはマグネット２に異なる点
   から入りコリメータ５に達し、第３ラインは直進する事
   とし、第１静電偏向電極１０に同一の極性で異なる電圧
   を印加することにより第１ライン、第２ラインのいずれ
   かを選択でき、第２静電偏向電極１１によつていずれか
   のラインの陽子軌跡をさらに曲げてマグネットに入射さ
   せ、第１静電偏向電極１０に電圧を加えない場合陽子ビ
   ームがビームダンパ１２に入射するようにした事を特徴
   とする表面解析装置。