JPH0520855B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、PELS（陽子エネルギー損失スペ
クトル分析）による表面解析装置、即ち、加速さ
れたプロトンビーム等のイオンビームを試料に照
射し、試料表面数層からの散乱ビームを減速管中
を通過させて減速し、この減速された散乱ビーム
のエネルギーを測定することにより試料表面の物
性を解析する表面解析装置に関する。

〔従来の技術〕

第５図は、従来のPELSによる表面解析装置を
示す概略平均図である。イオン源２から引き出さ
れた例えばプロトンビーム等のイオンビームを加
速管６で加速し、加速されたイオンビームを必要
に応じて集束系８により集束させる。その後質量
分析マグネツト１０によりビーム偏向（質量分
析）を行う。偏向後、散乱チヤンバ１４内の試料
（図示省略）にイオンビームを照射するが、試料
の一部分にイオンビームを照射するために散乱チ
ヤンバ１４に入射前のビームライン上に１mmφ程
度のスリツト（図示省略）を設置している。尚、
イオンビームとしては、He等を使用すると１価
のイオン以外に２価のイオンも散乱される可能性
があり計測が複雑となるため、実際は、１価イオ
ンしか存在しないプロトンが用いられる。図中１
２は真空ポンプでるある。

試料に照射されたイオンビームは試料表面数層
で散乱される。この散乱ビームは一般に種々のエ
ネルギーを持つており、そのエネルギー幅を抑制
するために２mmφ程度のスリツト（図示省略）を
散乱後のビームライン上に設置している。そして
このスリツトを通過した散乱ビームを減速管１８
によつて減速させた後、測定器２０によつてその
エネルギースペクトルを測定する。この場合の減
速の電位は次のようにして決められる。

即ち、第６図も併せて参照して、イオン源２に
おけるイオンビームの引出し電圧をVe、加速管
６での加速電圧をＶ、散乱チヤンバ１４は接地さ
れているものとしてその電位を０とすれば、イオ
ンビームの全加速電圧Vaは、Va＝Ｖ＋Veとな
る。この電圧からオフセツト電圧Voだけ下がつ
た電位Vdを測定器２０が設置されている架台１
９（大地からは絶縁されている）の電位とすると
（即ち減速管１８での減速電圧を（Va−Vo）と
すると）、減速されて測定器２０に入る散乱ビー
ムのエネルギーはｑ×Vo〔eV〕となる（試料に
衝突した時のエネルギー損失を無視した場合）。
ここでｑはイオン、例えばプロトンの単位電荷で
ある。

この場合、試料に照射するイオンビームの加速
エネルギーは、試料表面でのイオンビームの中性
化確率を抑える等のために高い方が好ましく例え
ば100KeV程度であり、一方、散乱後のビーム
は、高精度でそのエネルギースペクトルを測定可
能とするために低い方が好ましく例えば1KeV程
度以下に減速する。

上記のように減速された散乱ビームのエネルギ
ースペクトルを測定することにより、固定の試料
表面の結晶構造等の物性を調べることができる。
例えば第７図を参照して、イオンビーム３と試料
１５との衝突により生じるイオンビーム３のエネ
ルギー損失をΔEとし、測定器２０に入射する散
乱ビーム４のエネルギーをＥとすると次の関係式
が成立する。

ΔE＝qVo−Ｅ ……(1) なぜならば、測定器２０に入射する散乱ビーム
４のエネルギーＥは次のように表され、 Ｅ＝qVa−ΔE−ｑ（Va−Vo） これを変形すれば(1)式が得られるからである。

また、ここでは測定器２０として例えばエネル
ギー分析器２１とチヤネルトロン等の検出器２２
を用いており、エネルギー分析器２１に印加する
電圧をV_ESAとすれば、上記エネルギーＥは次のよ
うに表現することもできる。ここでｋは定数であ
る。

Ｅ＝kqV_ESA ……(2) 従つて、(1)式および(2)式から分かるように、エ
ネルギー損失スペクトルはオフセツト電圧Voか
電圧V_ESAを変化させることにより求めることがで
きる。例えば、試料表面の第１層目の原子と第２
層目等の原子により散乱されるビームを比較する
と、第２層目等からの散乱ビームは格子内を走る
距離が長いためエネルギー損失ΔEが大きくなり、
例えば第８図のようなスペクトルが得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

所が上記のような装置においては、散乱角θ
（第７図参照）は10度程度にしか設定できなかつ
た。これは、散乱角θを０度から大きくするに従
つて散乱ビーム４の立体角が小さくなつてビーム
検出効率が低下するためと、散乱角θをあまり大
きくすると装置の各部分が機械的に干渉してしま
うためである。従つて散乱角θがこのように小さ
いため、散乱ビーム４が試料１５の表面の乱れの
影響（即ちエネルギーストラグリング）を受け
て、そのスペクトルがブロードになり解析精度が
あまり良くないという問題があつた。

また、イオンビーム３を試料１５で散乱させず
に測定器２０に直接入れて、エネルギー損失の原
点（即ち測定器２０におけるエネルギー損失ΔE
＝０の散乱ビーム４が入射する点）や装置のエネ
ルギー分解能を測定する場合には、上記散乱角θ
が０度になるように散乱チヤンバ１４以降のビー
ムトランスポートライン等を接続し直す必要があ
り、そのための作業およびアライメント調整に非
常に手間がかかると共に、組立の再現性も悪化す
るという問題もあつた。

これに対して発明者は、散乱角θと散乱ビーム
４の立体角との関係の詳細な検討により、散乱角
θをほぼ180度に設定すれば、シヤープなスペク
トルを得ることがでできると共にビーム検出効率
もかえつて大幅に向上することを見出した。

従つてこの発明は、散乱角がほぼ180度の測定
を行うことができると共に、エネルギー損失の原
点やエネルギー分解能の測定も容易に行うことが
できる表面解析装置を提供することを主たる目的
とする。

〔問題点を解決するための手段〕 この発明の表面解析装置は、試料に照射前のイ
オンビームおよび試料からの散乱ビームの経路上
に両ビームを偏向させる第１の偏向磁石を設け、
かつ第１の偏向磁石を通過して来る散乱ビームの
経路上に当該散乱ビームを第１の偏向磁石と同方
向に偏向させて前記減速管へ入射させる第２の偏
向磁石を設け、そして第１の偏向磁石における散
乱ビームの経路側の偏向角をφ₁、出射角をα₁、
エネルギー損失が零の散乱ビームの曲率半径をr₁
とし、第２の偏向磁石における偏向角をφ₂、入
射角をα₂、エネルギー損失が零の散乱ビームの曲
率半径をr₂とした場合、φ₁＝φ₂、α₁＝α₂＝（φ₁／
２）−90〔度〕かつr₁＝r₂としていることを特徴と
する。

〔作用〕

第１の偏向磁石は試料に照射するイオンビーム
と試料からの散乱ビームの軌道を分離させるの
で、散乱角をほぼ180度に設定することができる。
その場合、試料でのエネルギー損失を受けた程度
の違いにより、散乱ビームは第１の偏向磁石によ
つて分散されるけれども、この分散された散乱ビ
ームは、第１の偏向磁石とほぼ対称の構造をした
第２の偏向磁石によつて偏向されることによつ
て、再び一つの軌道に集束されて減速管に入射さ
れる。その結果、この発明の装置においては、シ
ヤープなスペクトルを得ることができると共にビ
ーム検出効率も大幅に向上する。しかも広範囲の
エネルギー損失の測定を正確に行うこともでき
る。

また、第１の偏向磁石を制御することにより、
イオンビームを試料に照射せずにそのまま減速管
へ導くことができ、これによつて装置の配置を変
更することなく容易にエエネルギー損失の原点や
エネルギー分解能を測定することができる。

〔実施例〕

第１図は、この発明の一実施例に係る表面解析
装置を示す概略平面図である。この装置も上述し
た従来の装置と原理は同様である。尚、従来例と
の相違点の説明に特に関係ない部分は省略してい
る。

この装置においては、散乱チヤンバ１４の手前
側に例えば電磁石から成る概ねＴ形をした第１の
偏向磁石３０を設け、その左右にイオンビーム３
の加速系と散乱ビーム４の測定系とを配置してお
り、これによつて180度の散乱角θにおける測定
を可能にしている。

即ち、イオン源２から引き出され、質量分析マ
グネツト１０で質量分析された例えばプロトンビ
ーム等のイオンビーム３は、何枚かの電極７を有
する加速管６によつて例えば従来と同様に
100Kev程度のエネルギーにまで加速され、その
経路上に設けられた偏向磁石３０で偏向されて例
えば超高真空の散乱チヤンバ１４内に導かれ、試
料１５に照射される。この場合、試料１５は、前
述した散乱角θが180度になるように設定されて
おり、従つてイオンビーム３は試料１５の表面に
垂直に入射すると共に、当該試料１５からの散乱
ビーム４もその表面に垂直に出て行く。

従つて上記散乱ビーム４は、イオンビーム３と
同一経路を逆向きに進むことによつて偏向磁石３
０を通過し、そこでイオンビーム３とは左右反対
側に偏向される。つまり偏向磁石３０によつて、
試料１５に照射前のイオンビーム３と試料１５か
らの散乱ビーム４の軌道が分離される。ちなみ
に、この例の場合の偏向磁石３０の磁束の向きは
紙面に対して上向きである。

尚、加速管６の下流側に設けたＱレンズ（静電
三重四極子レンズ）８ａおよび散乱チヤンバ１４
の手前側に設けたＱレンズ８は、それぞれ、イオ
ンビーム３あるいは散乱ビーム４を整形してその
発散（特に紙面に上下方向の発散）を防止するた
めのものであり、いずれも必須のものではない
が、測定をより正確にするためにはこの実施例の
ように設けるのが好ましい。

一方、偏向磁石３０を通過して来る散乱ビーム
４の経路上には、当該散乱ビーム４を偏向磁石３
０と同方向に偏向させて、何枚かの電極１７を有
する減速管１８の中心軸付近に入射させる第２の
偏向磁石３２を設けている。この偏向磁石３２も
例えば電磁石から成り、その磁束の向きは紙面に
対して上向きである。

そして減速管１８によつて散乱ビーム４をその
エネルギーが例えば従来と同様に1KeV程度以下
になるように減速し、測定器２０によつてそのエ
ネルギースペクトルを測定するようにしている。

上記のような偏向磁石３２を設ける理由は次の
とおりである。即ち、偏向磁石３０を通過して来
る散乱ビーム４は、試料１５でのエネルギー損失
ΔEを受けた程度の違いにより、例えば第１図中
に４ａ（そのエネルギー損失ΔE＝０）および４ｂ
（そのエネルギー損失ΔE≠０）で模式的に示すよ
うに偏向磁石３０によつて分散されるので、この
分散された散乱ビーム４を偏向磁石３２によつて
再び一つの軌道にまとめて減速管１８に入射させ
るためである。

これは、分散した散乱ビーム４は、減速管１８
を通過して分散したまま、あるいは場合によつて
は減速管１８でレンズ作用を受けて更に分散する
等して測定器２０に入るため、測定器２０に入射
する効率がエネルギー損失ΔEによつて異なり、
即ちビーム輸送効率がエネルギー損失ΔEによつ
て異なり、測定の信頼性、定量性等を低下させる
原因になるからである。

そのため、偏向磁石３０における散乱ビーム４
の経路側と偏向磁石３２とは、ほぼ対称の構造を
している。即ち、偏向磁石３０における散乱ビー
ム４の経路側の偏向角をφ₁、出射角をα₁、エネ
ルギー損失ΔE＝０の散乱ビーム４ａの曲率半径
をr₁とし、偏向磁石３２における偏向角をφ₂、入
射角をα₂、上記散乱ビーム４ａの曲率半径をr₂と
した場合、 φ₁＝φ₂、 α₁＝α₂＝（φ₁／２）−90〔度〕かつ r₁＝r₂ ……(3) としている。より具体的には、この実施例におい
ては、φ₁＝φ₂＝90°、α₁＝α₂＝−45°（α₁、α₂は
図
示のような場合を一般的にマイナス表示する。）
としている。

上記(3)式を満たす場合、偏向磁石３０において
一つの軌道から分離された散乱ビーム４ａと散乱
ビーム４ｂとは、偏向磁石３０から出て行くとき
は互いに平行となり、そして偏向磁石３２におい
て偏向磁石３０におけるのとはちようど逆の態様
で偏向されて、再び一つの軌道にまとめられて偏
向磁石３２から出て行く。

その結果、散乱ビーム４は、そのエネルギー損
失ΔEの違いに拘わらず、一つの中心軌道で減速
管１８に入射し、そしてそこを通過して測定器２
０に入射するため、エネルギー損失ΔEの違いに
よる測定器２０への入射効率の違いが無くなり、
エネルギー損失ΔEの大きなものから小さいもの
まで広範囲の測定が正確に行えるようになる。従
つて、例えば散乱ビーム４の軌道のずれによる検
出効率の変化を補正する等の必要性も全く無くな
る。

尚、上述したような偏向磁石３０および３２の
代わりに、第２図に示したような偏向磁石３４お
よび３６を設けた表面解析装置が同一出願人によ
つて別途提案されているけれども、この発明はそ
の装置を更に改良したものであると言える。

即ち、第２図の装置も、偏向磁石３４によつて
イオンビーム３と散乱ビーム４の軌道を分離して
180度の散乱角θにおける測定を可能にし、偏向
磁石３４によつて分散された散乱ビーム４を偏向
磁石３６によつて減速管１８の中心軸付近に集束
させてエネルギー損失ΔEの違いによる測定器２
０への入射効率の違いを無くするようにしたもの
であるが、偏向磁石３６にはこの実施例のように
エネルギー損失ΔEの異なる散乱ビーム４の中心
軌道を出射時に一つにまとめるという機能は無い
ため、広範囲のエネルギー損失ΔEの散乱ビーム
４を測定する場合はこの実施例の方がより正確で
ある。

尚、測定器２０は、例えば第３図に示すような
構成のものとすれば、広範囲のエネルギー測定を
一括して行うことができる。即ち、測定器２０は
この例では、平行平板アナライザ２３、マイクロ
チヤネルプレート２４、位置検出器２５等を備え
ており、散乱ビーム４をそのエネルギー、即ちエ
ネルギー損札ΔEの違いによつてマイクロチヤネ
ルプレート２４上の各点に分散させ、その入射位
置を位置検出器２５および位置演算器２６によつ
て検出し、そして各位置におけるカウントをマル
チチヤネルアナライザ２７に表示するようにして
いる。従つて、このような測定器２０によれば、
試料１５を傾ける（その角度は、試料により、ま
た何層目の原子でビームを散乱させるかにより異
なる）だけで表面各層からの散乱ビームの量を一
括して測定することができ、従来のようにオフセ
ツト電圧Voやエネルギー分析器２１に印加する
電圧V_ESAを変化させることなく例えば第８図のよ
うなスペクトルを効率良く得ることができる。そ
のためスペクトル分析中の状態変化の影響を排除
することができるという利点がある。

第４図は、散乱角の変化に対する最適化した立
体角の変化を示す図であり、縦軸は対数目盛であ
る。この図かる分かるように、散乱角θを180度
に設定した場合、最適化した立体角ΔΩ〔str〕、即
ビーム検出効率は、例えば散乱角θが20度の場合
に比べて数百倍（試料１５が金の場合）〜数千倍
（試料１５がシリコンの場合）向上する。しかも、
散乱角θが180度の場合は散乱ビーム４は試料１
５の表面の乱れの影響を受けないため、換言すれ
ば散乱ビーム４は試料表面の原子の影響のみを受
けるため、シヤープなスペクトルを得ることがで
き、これによつて解析精度も向上する。

一方、エネルギー損失の原点や装置のエネルギ
ー分解能を測定する場合は、偏向磁石３０の極性
や磁束密度を制御することにより、偏向磁石３０
に入射されたイオンビーム３をそのまま（即ち試
料１５に照射せずに）エネルギー損失ΔE＝０の
散乱ビーム４ａと同一軌道で出射させることがで
きる。従つて従来のように装置の配置を変更する
必要はなく、それゆえアライメント調整等に手間
がかかつたり組立の再現性が悪化したりするよう
なことはない。

特にこの実施例のように、前述した条件φ₁＝
φ₂＝90°に加えて偏向磁石３０のイオンビーム３
の経路側の偏向角φ₀も90°としておけば、エネル
ギー損失の原点やエネルギー分解能を測定する場
合は、偏向磁石３０の励磁を単にオフするだけで
良く、それによつてイオンビーム３は第１図中に
Ａで示すように、偏向磁石３０中を直進してエネ
ルギー損失ΔE＝０の散乱ビーム４ａと同一軌道
で出射するようになる。従つて、エネルギー損失
の原点やエネルギー分解能の測定が極めて容易に
なる。

ちなみに、第２図の装置においても、偏向磁石
３４の極性切換えと磁束密度上昇とによつて、同
図中にＢで示すようにイオンビーム３を大きく偏
向させてエネルギー損失の原点やエネルギー分解
能の測定をすることができるけれども、上述した
実施例であれば偏向磁石３０の励磁をオフするだ
けで良いのでその方が遥かに容易である。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明においては、散乱角をほ
ぼ180度に設定して測定を行うことができ、それ
によつてシヤープなスペクトルが得られると共に
ビーム検出効率も大幅に向上する。しかも、減速
管に入射する散乱ビームの中心軌道をそのエネル
ギー損失の違いに拘わらず一つにすることができ
るので、エネルギー損失の違いによる検出効率の
変化が無くなり、広いエネルギー範囲の測定を正
確に行うことができる。また、装置の配置を変更
することなく容易にエネルギー損失の原点やエネ
ルギー分解能の測定を行うこともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係る表面解析
装置を示す概略平面図である。第２図は、表面解
析装置の先行例を部分的に示す概略平面図であ
る。第３図は、第１図の測定器の一例を示す概略
図である。第４図は、散乱角の変化に対する最適
化した立体角の変化を示す図である。第５図は、
従来の表面解析装置を示す概略平面図である。第
６図は、第５図の装置の電位の区分を示す図であ
る。第７図は、第５図の装置の原理を説明するた
めの図である。第８図は、第５図の装置によつて
得られるスペクトルを説明するための図である。 ２……イオン源、３……イオンビーム、４，４
ａ，４ｂ……散乱ビーム、１５……試料、１８…
…減速管、２０……測定器、３０……第１の偏向
磁石、３２……第２の偏向磁石。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加速されたイオンビームを試料に照射し、試
   料表面数層からの散乱ビームを減速管中を通過さ
   せて減速し、この減速された散乱ビームのエネル
   ギーを測定することにより試料表面の物性を解析
   する装置において、試料に照射前のイオンビーム
   および試料からの散乱ビームの経路上に両ビーム
   を偏向させる第１の偏向磁石を設け、かつ第１の
   偏向磁石を通過して来る散乱ビームの経路上に当
   該散乱ビームを第１の偏向磁石と同方向に偏向さ
   せて前記減速管へ入射させる第２の偏向磁石を設
   け、そして第１の偏向磁石における散乱ビームの
   経路側の偏向角をφ₁、出射角をα₁、エネルギー
   損失が零の散乱ビームの曲率半径をr₁とし、第２
   の偏向磁石における偏向角をφ₂、入射角をα₂、
   エネルギー損失が零の散乱ビームの曲率半径をr₂
   とした場合、φ₁＝φ₂、α₁＝α₂＝（φ₁／２）−90
   〔度〕かつr₁＝r₂としていることを特徴とする表
   面解析装置。