JPH0620637A - イオン散乱分光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 同時に異なる方向からのイオン分散分光スペ
クトルを行い、試料が時間的に変化する場合においても
有効なイオン分散分光スペクトル測定が可能な飛行時間
形イオン散乱分光装置を提供する。 【構成】 イオン散乱分校装置において、複数の飛行時
間形イオン散乱分光装置９，１９と、複数の飛行時間形
イオン散乱分光装置９，１９のイオンビームｃ，ｄの照
射のタイミングを制御する手段３，１３，２１とを有
し、前記複数のイオンビームｃ，ｄを試料１の同一点に
対して異なる方向から照射させるとともに、前記複数の
イオンビームｃ，ｄの照射のタイミングをずらすことに
よって、同時に複数の方向からのイオン散乱分光スペク
トルを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体表面の元素分析や
構造解析を行う飛行時間形イオン散乱分光装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】運動エネルギーが一定のイオンビームを
固体表面に照射し、固体表面あるいは内部で散乱を受け
て、ある方向の小さな立体角中に散乱されてくるイオン
の運動エネルギースペクトルを測定するイオン散乱分光
（ＩＳＳ：Ｉｏｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｓｃｏｐｙ）が知られている。

【０００３】また、前記イオン散乱分光において、散乱
粒子のエネルギー測定の方法として飛行時間法（ＴＯＦ
法：Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｔｅ Ｍｅｔｈｏｄ）を用
いるものが知られている。図７は従来の飛行時間形のイ
オン散乱分光装置の構成図である。図において、４１は
試料、４２はゲート、４３はフライトチューブ、４０は
検出器、４６は入射イオンビーム、４７は散乱イオンビ
ームである。

【０００４】飛行時間形のイオン散乱分光装置において
は以下の様にして分光が行われる。試料４１に入射イオ
ンビーム４６が照射されると、該イオンビーム４６のイ
オン粒子は試料４１の原子と衝突して散乱される。そし
て、散乱されたイオン粒子はゲート４２を介してフライ
トチューブ４３に導入される。フライトチューブ４３は
電磁場のないドリフト領域であり、前記イオン粒子は衝
突した相手の原子の質量によって散乱後のエネルギーが
異なってくる。イオン粒子の速度はエネルギーの平方根
に比例するので、イオン粒子が電磁場のない領域を通過
するに従ってエネルギーによる時間差を生じ、検出器４
０に到達する時刻はイオン粒子のエネルギーに応じて異
なってくる。

【０００５】質量ｍのイオン粒子が初期エネルギーＥを
もって距離ｄを移動するときの飛行時間ｔｆは、以下の
式によって表される。 ｔｆ＝ｄ（ｍ／２Ｅ）^1/2 …（１） 前記式（１）によってイオン粒子の飛行時間ｔｆの測定
を行うことによってイオン粒子のエネルギーＥを計算す
ることができる。

【０００６】このとき、測定時間の開始は、入射イオン
ビームをパルス化したイオンビームとした場合にはその
パルス化のタイミングとすることができ、また、連続ビ
ームを用いた場合には電界シャッタのゲートのタイミン
グとすることができる。したがって、前記イオン散乱分
光に前記飛行時間方法を適用した飛行時間形イオン散乱
分光装置では、パルス化したイオンビームを試料に照射
し、散乱されて戻ってくるまでの時間を測定することに
よって散乱後のイオンの速度を求め、散乱に寄与した試
料の原子の質量を算出することができる。

【０００７】また、従来のイオン散乱分光装置におい
て、試料を様々な方向からの分析を行なう場合には、試
料を載せている試料ステージを駆動して試料を回転ある
いは傾斜させている。これによって、試料に対する照射
イオンビームの入射角度を変更させ異なる角度からのイ
オン散乱分光スペクトルを測定している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
従来のイオン散乱分光装置においては、以下の問題点を
有している。 （１）同時に異なった方向からのイオン散乱分光スペク
トルを測定を測定することができない。

【０００９】つまり、従来のイオン散乱分光装置におい
ては、ある方向からのイオン散乱分光スペクトルを測定
した後、試料ステージなどを駆動することによって試料
を機械的に移動し、各移動位置において試料に対して照
射イオンビームを照射することによって、それぞれ別の
異なる方向からのイオン散乱分光スペクトルを測定して
いる。

【００１０】図８は従来のイオン散乱分光装置の動作図
である。図８の（ｂ）は、図８の（ａ）の状態から試料
を機械的に移動して、試料に対する照射ビームの入射角
度を変更した状態を示す図であり、この位置において図
８の（ａ）とは異なる方向からのイオン散乱分光スペク
トルを測定を行なう。また、図８の（ｃ）は、図８の
（ａ）あるいは図８の（ｂ）の状態から図８の（ｂ）と
は反対の方向に試料を機械的に移動して、試料に対する
照射ビームの入射角度を変更した状態を示す図であり、
さらに他の異なる方向からのイオン散乱分光スペクトル
を測定を行なうものである。

【００１１】前記の様に異なる方向からのイオン散乱分
光スペクトルを測定を行なうためには、その度ごとに試
料の位置を調節させる必要があり、それぞれのイオン散
乱分光スペクトルの測定時刻は異なる。したがって、イ
オン散乱分光スペクトルを同時に測定することはできな
い。 （２）したがって、試料が時間的に変化する様な場合な
どにおいて、有効な測定をすることができない。

【００１２】つまり、試料が時間的に変化する場合にお
いて、従来のイオン散乱分光装置では別の方向からのイ
オン散乱分光スペクトルの測定が同時に行うことができ
ないため、それらの測定結果には時間的なずれが存在す
る。したがって、試料が時間的に変化すると試料の同一
の状態のイオン散乱分光スペクトル測定を得ることがで
きないという問題点を有している。

【００１３】本発明は上記の問題点を除去し、同時に異
なる方向からのイオン散乱分光スペクトルを行い、試料
が時間的に変化する場合においても有効なイオン散乱分
光スペクトル測定が可能な飛行時間形イオン散乱分光装
置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題点
を克服するために、イオン散乱分校装置において、複数
の飛行時間形イオン散乱分光装置と、複数の飛行時間形
イオン散乱分光装置のイオンビームの照射のタイミング
を制御する手段とを有し、前記複数のイオンビームを試
料の同一点に対して異なる方向から照射させるととも
に、前記複数のイオンビームの照射のタイミングをずら
すことによって、同時に複数の方向からのイオン散乱分
光スペクトルを測定するものである。

【００１５】

【作用】本発明によれば、試料の同一点に対して異なる
方向から複数のイオンビームをタイミングをずらせなが
ら照射することができ、これによって、異なった方向か
らのイオン散乱分光スペクトルを同時に測定することが
できる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図を参照しな
がら詳細に説明する。図１は本発明の飛行時間形イオン
散乱分光装置の構成図であり、同軸形直衝突イオン散乱
分光装置（ＣＡＩＣＩＳＳ：Ｃｏａｘｉａｌ Ｉｍｐａ
ｃｔ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｉｏｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉ
ｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）に適用した実施例で
ある。

【００１７】図において、１は試料、２，１２はイオン
源、３，１３はチョッピング電極、４，１４は検出器、
５は試料チャンバ、９，１９は飛行時間形イオン散乱分
光装置、２１はタイミング回路、２２，２３は飛行時間
測定回路、ａ，ｂはタイミング信号、ｃ，ｄはパルスビ
ーム、ｅ，ｆは検出器出力である。本発明の飛行時間形
イオン散乱分光装置は、イオン源とチョッピング電極と
検出器とからなるイオン散乱分光装置を複数個試料チャ
ンバ５に設置し、それぞれのイオン散乱分光装置から照
射されるイオンビームを試料１の同一点に対して異なる
方向から照射するものである。

【００１８】一方の飛行時間形イオン散乱分光装置９
は、イオン源２とチョッピング電極３と検出器４とから
なり、パルスビームｃを試料１に照射するものであり、
また、他方の飛行時間形イオン散乱分光装置１９は、イ
オン源１２とチョッピング電極１３と検出器１４とから
なり、パルスビームｄを試料１に照射するものである。
そして、それらの飛行時間形イオン散乱分光装置は、試
料チャンバ５に対する取付け角度を異ならせるなどによ
ってパルスビームの試料１に対する入射角度を異ならせ
るとともに、試料１の同一点に照射されるよう位置決め
される。

【００１９】なお、前記複数の飛行時間形イオン散乱分
光装置の個数は、２個に限らずそれ以上の個数を設定す
ることもできる。また、そのパルスビームの試料１に対
する入射角度の設定は、前記した様に試料チャンバ５に
対する飛行時間形イオン散乱分光装置の取付け角度の調
節に限らず、パルスビームの偏向などの他の手段によっ
て行うこともできる。

【００２０】また、前記チョッピング電極３及びチョッ
ピング電極１３にはタイミング回路２１が接続されて、
それぞれタイミング信号ａ及びタイミング信号ｂが入力
される。また、前記タイミング回路２１は２つの飛行時
間測定回路２２及び飛行時間測定回路２３と接続され、
タイミング信号ａ及びタイミング信号ｂを入力させてい
る。

【００２１】一方、前記検出器４及び検出器１４は、飛
行時間測定回路２２及び飛行時間測定回路２３と接続さ
れ、それぞれ検出器出力ｅ及び検出器出力ｆを出力して
いる。イオン源２及びイオン源１２から発せられたイオ
ンビームは、チョッピング電極３及びチョッピング電極
１３によってパルス化され試料１の同一点に照射され
る。チョッピング電極３及びチョッピング電極１３によ
るパルス化はタイミング回路２１からのタイミング信号
ａおよびタイミング信号ｂによって行われる。そして、
試料１によって散乱されたイオン粒子は、検出器４及び
検出器１４によって検出される。

【００２２】前記検出器４及び検出器１４の検出出力ｅ
及びｆは、それぞれ飛行時間測定回路２２及び飛行時間
測定回路２３に入力されイオン粒子の飛行時間が測定さ
れる。次に、前記図１に示す２つの飛行時間形イオン散
乱分光装置の動作例を図２の本発明のイオン散乱分光装
置のタイムチャートによって説明する。

【００２３】タイミング回路２１は内蔵するクロック信
号などを分周などの信号処理によってタイミング信号ｔ
を形成し、さらにタイミング信号ａとタイミング信号ｂ
を形成する。タイミング信号ａとタイミング信号ｂは、
タイミング信号ｔを分周して位相をずらせることなどに
よって得られる。また、前記タイミング信号ａとタイミ
ング信号ｂは同じ周期で位相がずれた信号であれば良
く、前記の様にタイミング信号ｔから形成するものに限
定されるものではない。

【００２４】タイミング信号ａ及びタイミング信号ｂは
それぞれチョッピング電極３及びチョッピング電極１３
に入力され、パルスビームｃ及びパルスビームｄを形成
する。パルスビームｃ及びパルスビームｄは、イオン源
２及びイオン源１２からの連続イオンビームを前記チョ
ッピング電極３及びチョッピング電極１３によって偏向
することによって得られる。

【００２５】パルスビームｃ及びパルスビームｄは、タ
イミング信号ａ及びタイミング信号ｂの位相のずれによ
って発生時刻に時間的差が生じる。この時間的差によっ
て、イオン散乱分光装置９からのパルスビームｃとイオ
ン散乱分光装置１９からのパルスビームｄは同時ではな
く時間をずらせて交互に試料１に照射されることにな
る。

【００２６】一方、タイミング信号ａ及びタイミング信
号ｂは同時に飛行時間測定回路２２及び飛行時間測定回
路２３に入力され、イオン粒子の飛行時間測定の計時を
スタートする。パルスビームｃが試料１に照射される
と、イオン粒子は試料１によって散乱される。散乱され
たイオン粒子はイオン散乱分光装置９側の検出器４によ
って検出されるとともに、イオン散乱分光装置１９側の
検出器１４によっても検出され、それぞれの検出器の検
出器出力ｅ及びｆは飛行時間測定回路２２及び飛行時間
測定回路２３に入力される。

【００２７】一方、パルスビームｄが試料１に照射され
ると、イオンは試料１によって散乱される。散乱された
イオン粒子はイオン散乱分光装置１９側の検出器１４に
よって検出されるとともに、イオン散乱分光装置９側の
検出器４によっても検出され、それぞれの検出器の検出
器出力ｆ及びｅは飛行時間測定回路２３及び飛行時間測
定回路２２に入力される。

【００２８】したがって、検出器４及び検出器１４は両
方ともパルスビームｃ及びパルスビームｄによる散乱イ
オンを検出し、飛行時間測定回路２２及び飛行時間測定
回路２３にも両方の検出器出力が入力されることにな
る。飛行時間法によるイオン散乱散分光スペクトル測定
においては、イオン散乱分光装置９側の検出器４はパル
スビームｃによるイオン粒子の散乱を測定し、またイオ
ン散乱分光装置１９側の検出器１４はパルスビームｄに
よるイオン粒子の散乱を測定する必要があるため、それ
ぞれの検出器出力ｅおよび検出器出力ｆを選別する必要
がある。

【００２９】そこで、飛行時間測定回路２２及び飛行時
間測定回路２３において、タイミング信号ａ及びタイミ
ング信号ｂの入力をトリガとしてゲート信号ｇ及びゲー
ト信号ｈを形成し、このゲート信号ｇ及びゲート信号ｈ
によって前記検出器出力ｅおよび検出器出力ｆを選別す
る。前記ゲート信号ｇ及びゲート信号ｈは、タイミング
信号ａ及びタイミング信号ｂの入力によって立ち上が
り、次のタイミング信号ｂ及びタイミング信号ａの前に
立ち下がる信号である。

【００３０】検出器出力ｅの選別は飛行時間測定回路２
２において行われ、検出器出力ｅをゲート信号ｇによっ
てゲートすることによって出力ｉを得る。一方、検出器
出力ｆの選別は飛行時間測定回路２３において行われ、
検出器出力ｆをゲート信号ｈによってゲートすることに
よって出力ｊを得る。これによって、イオン散乱分光装
置９の測定による検出出力ｉとイオン散乱分光装置１９
の測定による検出出力ｊとを選別することができる。

【００３１】イオン散乱分光装置９の測定による検出出
力ｉとイオン散乱分光装置１９の測定による検出出力ｊ
とは、試料１の同一点における異なる角度からの測定出
力となる。次に、飛行時間の計時は次のようにして行わ
れる。飛行時間測定回路２２においては、飛行時間の計
時は前記した様にタイミング信号ａの入力によってスタ
ートし、検出器出力ｅをゲート信号ｇでゲートして得ら
れる出力ｉによってストップする。

【００３２】一方、飛行時間測定回路２３においても同
様にして、飛行時間の計時はタイミング信号ｂの入力に
よってスタートし、検出器出力ｆをゲート信号ｈでゲー
トして得られる出力ｊによってストップする。前記の飛
行時間測定回路によって得られた飛行時間は、イオン源
からのイオンビームがチョッピング電極を通過してから
散乱イオン粒子が検出器によって検出されるまでの時間
間隔であり、この計測時間とイオンビームが走行する距
離とからエネルギーを測定することができる。

【００３３】飛行時間測定回路によって得られるデータ
は図示されていないデータ処理コンピュータによって処
理される。次に、本発明のイオン散乱分光装置による測
定例について説明する。図３，図４，図５及び図６は表
面構造図である。図において、Ａ及びＢは原子であり、
ｃはイオン散乱分光装置９からのパルスビームであり、
ｄはイオン散乱分光装置１９からのパルスビームであ
る。

【００３４】図３及び図４の様な原子Ａ及び原子Ｂの構
造に対して、図３の様にイオン散乱分光装置９から発せ
られるパルスビームｃのみを照射させる場合には、パル
スビームｃは原子Ｂと衝突してイオン粒子が散乱させら
れる。しかし、原子Ａは原子Ｂの陰に隠れてしまうた
め、パルスビームｃとの衝突は起きない。したがって、
パルスビームｃによって得られるのは、原子Ｂについて
のデータであり、原子Ａについてのデータは得られない
ことになる。

【００３５】一方、図４はイオン散乱分光装置９からの
パルスビームｃとイオン散乱分光装置１９からのパルス
ビームｄの両方を原子Ａ及び原子Ｂに照射するものであ
り、本発明のイオン散乱分光装置に対応するものであ
る。この場合には、パルスビームｃは原子Ｂと衝突して
イオン粒子が散乱させられ、パルスビームｄは原子Ｂ及
び原子Ａと衝突してイオン粒子が散させられる。したが
って、パルスビームｃによって原子Ｂについてのデータ
が得られ、パルスビームｄによって原子Ａ及び原子Ｂに
ついてのデータが得られことになり、原子Ｂの陰に隠れ
ている原子Ａについてのデータも得ることができる。

【００３６】また、図５及び図６の様な原子Ａ及び原子
Ｂの構造に対して、図５の様にイオン散乱分光装置１９
から発せられるパルスビームｄのみを照射させる場合に
は、パルスビームｄは原子Ｂと衝突してイオン粒子が散
乱させられる。しかし、原子Ａは原子Ｂの陰に隠れてし
まうため、パルスビームｄとの衝突は起きない。したが
って、パルスビームｄによって得られるのは、原子Ｂに
ついてのデータであり、原子Ａについてのデータは得ら
れないことになる。

【００３７】一方、図６はイオン散乱分光装置９からの
パルスビームｃとイオン散乱分光装置１９からのパルス
ビームｄの両方を原子Ａ及び原子Ｂに照射するものであ
り、本発明のイオン散乱分光装置に対応するものであ
る。この場合には、パルスビームｄは原子Ｂと衝突して
イオン粒子が散乱させられ、パルスビームｃは原子Ａ及
び原子Ｂと衝突してイオン粒子が散させられる。したが
って、パルスビームｄによって原子Ｂについてのデータ
が得られ、パルスビームｃによって原子Ａ及び原子Ｂに
ついてのデータが得られことになり、原子Ｂの陰に隠れ
ている原子Ａについてのデータも得ることができる。

【００３８】この様に、本発明のイオン散乱分光装置に
よれば、表面構造の異なる方向からのデータを従来のイ
オン散乱分光装置の様に試料の移動を行うことなく得る
ことができる。次に、図３及び図４と図５及び図６との
間の２つの表明構造の状態が温度によって変化する場合
の測定例について説明する。

【００３９】２つの表明構造の状態が変化するときの境
界温度の測定を行う場合には、図４及び図６の様に異な
る方向からイオンビームを照射し、前記の様にしてイオ
ン分校散乱スペクトルを同時に測定しながら温度を変化
させることによって行うことができる。従来のイオン散
乱分光装置では、異なる方向からのイオン分校散乱スペ
クトルを同時に行うことができないため、前記の様な２
つの表明構造の状態が変化するときの境界温度の測定は
非常に困難である。

【００４０】前記実施例においては、直衝突形イオン散
乱分光装置を例にして説明したが、本発明は直衝突形に
限定されるものではなく、飛行時間法による他の形態に
よるイオン散乱分光装置に適用することができる。な
お、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本
発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、それらを
本発明の範囲から排除するものではない。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、 （１）同時に異なった方向からのイオン散乱分光スペク
トルを測定を測定することができる。 （２）試料が時間的に変化する様な場合などにおいて、
時間変化に伴う測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の飛行時間形イオン散乱分光装置の構成
図である。

【図２】本発明のイオン散乱分光装置のタイムチャート
である。

【図３】試料の表面構造図である。

【図４】試料の表面構造図である。

【図５】試料の表面構造図である。

【図６】試料の表面構造図である。

【図７】従来の飛行時間形のイオン散乱分光装置の構成
図である。

【図８】従来のイオン散乱分光装置の動作図である。

【符号の説明】

１…試料、２，１２…イオン源、３，１３…チョッピン
グ電極、４，１４…検出器、５…試料チャンバ、９，１
９…飛行時間形イオン散乱分光装置、２１…タイミング
回路、２２，２３…飛行時間測定回路、ａ，ｂ…タイミ
ング信号、ｃ，ｄ…パルスビーム、ｅ，ｆ…検出器出
力、ｇ，ｈ…ゲート信号、ｉ，ｊ…出力、Ａ，Ｂ…原子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン散乱分光装置において、（ａ）複
   数の飛行時間形イオン散乱分光装置と、（ｂ）前記複数
   の飛行時間形イオン散乱分光装置のイオンビームの照射
   のタイミングを制御する手段とを有し、（ａ）前記複数
   のイオンビームを試料の同一点に対して異なる方向から
   照射させるとともに、前記複数のイオンビームの照射の
   タイミングをずらすことによって、同時に複数の方向か
   らのイオン散乱分光スペクトルを測定することを特徴と
   するイオン散乱分光装置。