JPH08101142A - イオン散乱分光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 方位角及び極角の回転機構を必要とすること
なく、試料の方位角分解測定や極角分解測定を行い、試
料の方位角及び極角についての情報を得ることができる
イオン散乱分光装置を提供する。 【構成】 同軸形直衝突イオン散乱分光法を適用したイ
オン散乱分光装置において、照射イオンと同軸上に配置
する散乱イオンの検出器８を、方位角方向及び極角方向
に分割したマルチ・アノード８０を備えた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオン散乱分光装置に
関し、特に、直衝突イオン散乱分光装置において散乱粒
子を検出するアノードに関する。

【０００２】

【従来の技術】一定の運動エネルギーのイオンビームを
試料に照射すると、表面あるいは内部から小立体角で散
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装置が知られている。従来知られて
いるイオン散乱分光装置においては、多重散乱によって
元素濃度の測定精度が悪く、また、ブロッキング効果の
影響によって定量的な測定が困難であるという欠点があ
る。そこで、散乱角を１８０°とすることによってこの
ような分析上の困難を解消したものとして、同軸形直衝
突イオン散乱分光法（ＣＡＩＣＩＳＳ（Ｃｏａｘｉａｌ
Ｉｍｐａｃｔ−Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｉｏｎ Ｓｃａ
ｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）が開発さ
れている。この同軸形直衝突イオン散乱分光法において
は、散乱粒子のエネルギー測定を飛行時間法（ＴＯＦ法
（Ｔｉｍｅｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ Ｍｅｔｈｏｄ）が用い
られている。この同軸形直衝突イオン散乱分光法は、半
導体薄膜や超伝導薄膜のその場観察により、最表面原紙
構造を解析して薄膜成長の評価を行い、超薄型の半導体
素子や超伝導素子の開発に利用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
同軸形直衝突イオン散乱分光装置では、この散乱イオン
を検出することにより原子構造解析を行う場合、試料を
保持する試料ステージに方位角及び極角の回転機構が必
要であるという問題点がある。この試料ステージに設け
た方位角及び極角の回転機構は、試料を照射イオンビー
ムに対して試料の面内において回転させたり、傾斜させ
たりする機構であり、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て、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。図１０及
び図１１は、従来のイオン散乱分光装置における方位角
及び極角の回転機構による動作を説明する図であり、図
１０に示すように、試料を照射イオンビームに対して傾
斜させることにより極角を変更させ、また、図１１に示
すように、試料を試料面内で回転させることにより方位
角を変更させている。そして、図９に示すような単一ア
ノードを使用いた検出器によって、散乱粒子を検出して
いる。この単一アノードは、中央部分にイオン源からの
照射イオンビームを通過させるためアパーチャが形成さ
れた単一電極により構成されており、該単一アノードに
よる検出信号自体には、方位角や極角についての情報は
なく、方位角及び極角の回転機構によって該情報を得て
いる。

【０００４】一般に、半導体薄膜や超伝導薄膜等の素子
のその場観察を、製造工程において行う場合には、イオ
ン散乱分光装置を製造装置に設けることにより行うが、
このような製造装置は、方位角及び極角の回転機構を有
した試料ステージを備えていない場合が多く、試料の回
転や傾斜を行うことが困難であり、また、そのような機
構を備えた試料ステージを設けることは、装置のスペー
スやコストの面からも困難である。そこで、本発明は前
記した従来のイオン散乱分光装置の問題点を解決し、方
位角の及び極角の回転機構を必要とすることなく、試料
の方位角分解測定や極角分解測定を行い、試料の方位角
及極角についての情報を得ることができるイオン散乱分
光装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、同軸形直衝突
イオン散乱分光法を適用したイオン散乱分光装置におい
て、照射イオンと同軸上に配置する散乱イオンの検出器
を、方位角方向及び極角方向に分割したアノードを備え
た構成とすることによって、前記目的を達成する。本発
明のイオン散乱分光装置は、試料にイオンを照射するこ
とによって、照射イオンに対して１８０°の方向に散乱
される散乱粒子のエネルギーを飛行時間法によって測定
して、定量的な原子構造解析を行う装置であり、該散乱
粒子は照射イオンと同軸上に配置された散乱イオンの検
出器のアノードにより検出されるものである。本発明の
散乱イオンの検出器は、マイクロチャネルプレート（Ｍ
ＣＰ）とアノードとを備え、該アノードは方位角方向及
び極角方向に分割され、互いに電気的に絶縁された複数
個の電極部分から構成され、各電極からは個々に入射し
た散乱粒子を検出することができるものである。

【０００６】本発明の第１の実施態様は、前記各アノー
ド毎の複数個のストップ信号によりそれぞれ時間測定が
可能な計時装置を備えるものであり、これによって、ア
ノード毎に散乱粒子のエネルギーを測定することができ
る。本発明の第２の実施態様は、散乱イオンの検出器を
照射イオンと同軸上において、試料側に接近させて配置
するものであり、これによって、検出できる散乱イオン
の散乱角を大きくすることができ、また、散乱イオンの
同一の散乱角に対して検出器のアノードの径を小径とす
ることができる。本発明の第３の実施態様は、散乱イオ
ンの検出器を照射イオンと同軸上において移動可能に配
置するものであり、これによって、試料の原子構造に関
する情報を得ることができる。本発明の第４の実施態様
は、照射イオンと同軸上において、試料と検出器との間
に静電型レンズを配置するものであり、これによって、
散乱ビームを絞り、散乱イオンの同一の散乱角に対して
検出器のアノードの径を小径とすることができる。

【０００７】

【作用】本発明のイオン散乱分光装置は、前記した構成
において、試料に加速されたイオンを照射し、該イオン
照射により照射イオンに対して１８０°の方向に散乱さ
る散乱粒子を照射イオンと同軸に配置した検出によって
検出する。この散乱イオンの検出において、照射イオン
の通過から散乱イオンの検出までの時間を測定する飛行
時間法によって、散乱イオンの持つエネルギーを測定
し、試料の原子構造を解析する。本発明の検出器のアノ
ードは方位角方向及び極角方向に分割されており、試料
から異なる方位角及び極角で散乱された散乱粒子を、該
方位角及び極角に対応して検出する。したがって、散乱
粒子の散乱の方位角及び極角についての情報は、該散乱
粒子を検出したアノードの検出器上における方位角方向
及び極角方向を知ることにより求めることができる。各
アノードが検出した信号は、飛行時間法におけるストッ
プ信号として用いられ、各アノード毎に散乱粒子の飛行
時間を測定する。

【０００８】本発明の第２の実施態様において、散乱イ
オンの検出器を照射イオンと同軸上において試料側に接
近させて配置することにより、近接していない位置にお
ける検出器よりも大きな散乱角の散乱粒子を検出するこ
とができる。また、同一の散乱角の散乱イオンを検出す
る場合には、近接していない位置における検出器より小
径のアノードで検出することができる。本発明の第３の
実施態様において、散乱イオンの検出器を照射イオンと
同軸上において移動しながら測定を行うと、同一のアノ
ードに入射する散乱粒子は、移動に伴って極角が異な
る。この測定結果は、試料の極角情報を有することにな
り、試料の原子構造に関する情報を得ることができる。
本発明の第４の実施態様において、照射イオンと同軸上
において試料と検出器との間に配置された静電型レンズ
は、試料から散乱された散乱イオンを検出器に向けて絞
る。これによって、散乱ビームを絞り、散乱イオンの同
一の散乱角に対して検出器のアノードの径を小径とする
ことができる。これによって、静電型レンズによる絞り
がないない場合よりも大きな散乱角の散乱粒子を検出す
ることができる。また、同一の散乱角の散乱イオンを検
出する場合には、静電型レンズによる絞りがないない場
合の検出器より小径のアノードで検出することができ
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳
細に説明する。 （本発明のイオン散乱分光装置の構成例）図１は、本発
明のイオン散乱分光装置の一構成例を説明するブロック
図であり、該構成は従来の同軸形直衝突イオン散乱分光
装置と、検出器及び時間・デジタル変換器の構成を除い
てほぼ同様の構成である。図１において、１は試料、２
は試料チャンバ、３はチューブ、４はイオン源、５はチ
ョピング電極、６はチョピングアパーチャ、７はマイク
ロチャネルプレート（ＭＣＰ）、８は検出器、１０はパ
ルス発生器、１１はプリアンプ、１２は時間・デジタル
変換器（ＴＤＣ（Ｔｉｍｅ Ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃ
ｏｎｖｅｒｔｅｒ）、１３はコンピュータ（ＣＰＵ）で
あり、チューブ３やイオン源４等を減圧する排気装置、
イオン源を制御するイオン源制御装置、各種電源等につ
いては通常の同軸形直衝突イオン散乱分光装置と同様で
あるため省略する。

【００１０】イオン源４から発せられた照射イオンビー
ムは、チューブ３を通過して試料チャンバ２内の試料１
に入射され、該入射イオン粒子は試料１の原子と衝突し
て散乱される。イオン源４から発せられるイオンビーム
の試料１への照射は、チョピング電極５及びチョピング
アパーチャ６によって制御される。試料１に対してイオ
ンビームを照射しない場合には、チョピング電極５に電
圧を印加してイオンビームがチョピングアパーチャ６を
通過しないように偏向させ、逆に、試料１にイオンビー
ムを照射する場合には、チョピング電極５への電圧印加
を停止してイオンビームがチョピングアパーチャ６を通
過するようにする。このチョピング電極の制御は、パル
ス発生器１０からの信号によって行われる。散乱された
散乱イオンビームは、照射イオンビームに対して１８０
°の方向に散乱され、ＭＰＣ７によって増感された後、
検出器８によって検出される。ＭＰＣ７と検出器８との
間には図示しない検出器電源によって電圧が印加されて
いる。散乱イオンが検出器８によって検出されると、そ
の検出信号はプリアンプ１１を介して時間・デジタル変
換器１２にストップ信号として入力される。時間・デジ
タル変換器１２は、前記パルス発生器１０からのスター
ト信号と該ストップ信号との間の時間間隔を測定して、
コンピュータ１３に測定信号を送る。コンピュータ１３
は、該測定信号に基づいて飛行時間法により原子構造を
解析する。

【００１１】（本発明のイオン散乱分光装置に用いる検
出器の構成）次に、本発明のイオン散乱分光装置に用い
る検出器の構成について、図２の検出器の斜視図、及び
図３の検出器の平面図を用いて説明する。本発明のイオ
ン散乱分光装置に用いる検出器におけるアノードは、そ
の電極部分を複数個に分割して構成されるものである
（以下、このアノードをマルチ・アノード８０とい
う）。本発明のマルチ・アノード８０は、従来のアノー
ドと同様に中心部分に照射イオンビームを通すためのア
パーチャ６が開けられ、試料１側の面には散乱イオンを
検出するための複数個の分割された電極８１が形成され
ている。この電極８１は、散乱イオンの極角方向に対応
して径方向についての分割と、散乱イオンの方位角方向
に対応して周方向についての分割とが行われ、各電極８
１の間は電気的に絶縁されている。また、検出器８のイ
オン源側の面には前記電極８１に接続される信号線８３
が引き出されている。

【００１２】なお、図２に示すマルチ・アノード８０で
は、径方向に２分割され、周方向に８分割される構成例
を示し、図３に示すマルチ・アノードでは、径方向に４
分割され、周方向に１２分割される構成例を示してい
る。図３において、マルチ・アノード８０の最外郭の環
状部分は、周方向に電極ａ₁ 〜電極ａ₁₂の１２分割され
て、その内側の環状部分は、周方向に電極ｂ₁ 〜電極ｂ
₁₂の１２分割されて、さらにその内側の環状部分は、周
方向に電極ｃ₁ 〜電極ｃ₁₂の１２分割されて、最も内側
の環状部分は、周方向に電極ｄ₁ 〜電極ｄ₁₂の１２分割
される。そして、これら電極に対して、それぞれ信号線
Ａ₁ 〜Ａ₁₂，Ｂ₁ 〜Ｂ₁₂，Ｃ₁ 〜Ｃ₁₂，Ｄ₁ 〜Ｄ₁₂が接
続されている。このマルチ・アノードの形成は、例え
ば、絶縁基板８４の一方の面に対して周知の成膜技術を
用いて、マスクパターンによって分割した電極８１を形
成したり、あるいは、絶縁基板８４面上に形成した導電
部の一部を削除することにより形成することができる。
なお、このマルチ・アノード８０の電極の個数、径方向
の分割数、周方向の分割数、径方向の長さ、周方向の角
度等は、必要に応じて任意に設定することができるもの
であり、イオン散乱分光装置における試料１と検出器８
との距離や検出器８の径や分解能に応じて設定すること
ができる。

【００１３】（本発明の実施例の作用）次に、本発明の
実施例の作用について説明する。本発明のイオン散乱分
光装置の検出器のマルチ・アノードが備える各電極８０
は、時間・デジタル変換器１２により図４に示すような
出力信号を得る。なお、図４は注目している元素からの
ピークのみを選択して示している。この出力信号は、飛
行時間法におけるＴＯＦスペクトルを形成する。本発明
のイオン散乱分光装置においては、図５に示すように、
試料１は測定中において固定されており、試料１からの
散乱イオンは一点鎖線で示すように、試料の表面構造に
応じて異なる方位角及び極角で散乱され、本発明のマル
チ・アノード８０中の電極に入射される。マルチ・アノ
ード８０の電極は、前記したように径方向及び周方向に
分割されているため、各電極に入射される散乱イオンの
方位角及び極角はそれぞれ異なり、各電極のマルチ・ア
ノード８０における位置によって、散乱イオンの方位角
及び極角を知ることができ、試料の空間的な原子構造を
知ることができる。時間・デジタル変換器１２は、マル
チ・アノード８０の各電極の検出信号を個別に時間分析
できるものであり、分割された電極の個数と同数の時間
処理ができるよう構成されている。

【００１４】これによって、各アノードに入射された散
乱イオンのエネルギー分析と空間的な角度分解測定を行
う。この空間的な角度分解測定は、散乱角が１８０°だ
けでなく、１８０°付近のある角度範囲の角度情報を得
ることができる。例えば、散乱に寄与した原子の近傍に
ある原子からのブロッキング効果を利用して、近傍原子
の位置を決定することができる。この近傍原子の位置決
定のためには、例えば、散乱角を１８０°±２０°程度
を検出することができるようなＭＰＣ及び多数個の電極
からなるマルチ・アノードとの組み合わせによる検出器
を構成する。

【００１５】図４に示すように注目している元素からの
ピークのみを選択し、図３に示す電極ａ₁ 〜ａ₁₂の信号
を用いて方位角分解を行った結果を図６に示している。
図６から、ある方位角方向では、ブロッキング効果によ
って散乱強度が弱くなっいることを示し（９０°毎の電
極ａ₃ ，電極ａ₇ ，電極ａ₁₁，電極ａ₁₅）、原子の位置
に対応して変化している。したがって、本発明のイオン
散乱分光装置では、試料を回転運動させることなく、一
度の測定で方位角方向の軸合わせ及び表面原子の構造解
析を行うことができる。

【００１６】（本発明の第２の構成例）次に、図７を用
いて本発明の第２の構成例について説明する。図７に示
す構成は、検出器８を照射イオンビーム上において試料
側に近接させて配置するものである。図７において、検
出器８がチョピング板の近傍配置を符号で示し、試料
側に近接させた配置を符号で示している。符号の配
置では、図中の一点鎖線で示す散乱イオンの散乱角αを
検出する。本発明の第２の構成の検出器は符号で示す
位置に配置されており、この検出器が符号の配置と同
じ散乱角の散乱イオンを検出する場合には、より小さな
径で充分検出可能となる。また、本発明の他の構成にお
いて、同じ径の検出器を符号の位置に配置した場合に
は、同じ符号の配置において符号に示す大径の検出
器を配置したものと同等となり、散乱角αより大きな角
度の散乱イオンの散乱角βの散乱イオン（図中の二点鎖
線で示す）の検出が可能となる。また、図７に示す構成
において、検出器８を符号と符号の位置間で移動可
能とする場合には、マルチ・アノード中の一つの電極に
注目すると、該電極に入射される散乱イオンの極角が移
動とともに変化する。この変化は、原子構造の極角情報
を含むものであり、その検出結果から空間的な原子構造
を得ることができる。

【００１７】（本発明の第３の構成例）次に、図８を用
いて本発明の第２の構成例について説明する。図８に示
す構成は、試料と検出器との間に偏向電極９を配置する
ものである。この偏向電極９は、試料からの散乱イオン
を絞って検出器８に入射するものである。試料から散乱
された大きな散乱角の散乱イオンは、この偏向電極９に
よって絞られる。絞れて検出器に入射される散乱イオン
の散乱角は、偏向電極９がない場合に比較して大きな散
乱角とすることができ、小さな径の検出器によって大き
な散乱角を検出することができる。

【００１８】（実施例の効果）通常の薄膜製造装置は、
試料の可動機構を有していないか、あるいは有している
場合であっても、限定した動きしかできない場合が多
い。このような薄膜製造装置に対して、本発明のイオン
散乱分光装置を適用すると、試料を駆動する機構を必要
としないため、試料の角度を固定したままで薄膜の成長
過程のその場加観察を行うことができる。また、本発明
のイオン散乱分光装置の時間・デジタル変換器は、複数
個の電極からの検出信号を同時に処理することができ、
方位角、極角の角度分解装置を一度の測定によって行う
ことができ、測定時間を短縮することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
方位角及び極角の回転機構を必要とすることなく、試料
の方位角分解測定や極角分解測定を行い、試料の方位角
及極角についての情報を得ることができるイオン散乱分
光装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオン散乱分光装置の一構成例を説明
するブロック図である。

【図２】本発明のイオン散乱分光装置の検出器の斜視図
である。

【図３】本発明のイオン散乱分光装置の検出器の平面図
である。

【図４】本発明のイオン散乱分光装置のＴＯＦスペクト
ルである。

【図５】本発明の方位角及び極角を説明する図である。

【図６】本発明のイオン散乱分光装置の方位角分解図で
ある。

【図７】本発明の第２の構成例を説明する図である。

【図８】本発明の第３の構成例を説明する図である。

【図９】従来のイオン散乱分光装置の単一アノードの正
面図である。

【図１０】従来のイオン散乱分光装置における極角の回
転機構による動作を説明する図である。

【図１１】従来のイオン散乱分光装置における方位角の
回転機構による動作を説明する図である。

【符号の説明】

１…試料、２…試料チャンバ、３…チューブ、４…イオ
ン源、５…チョピング電極、６…チョピングアパーチ
ャ、７…マイクロチャネルプレート、８…検出器、９…
偏向電極、１０…パルス発生器、１１…プリアンプ、１
２…時間・デジタル変換器、１３…コンピュータ、８０
…マルチ・アノード、８１…電極、８２…絶縁部、８３
…信号線、８４…基板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同軸形直衝突イオン散乱分光法を適用し
   たイオン散乱分光装置において、照射イオンと同軸上に
   配置する散乱イオンの検出器は、方位角方向及び極角方
   向に分割したアノードを備えていることを特徴とするイ
   オン散乱分光装置。