JPS63150845A - 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】 労技術分野 この発明は、加速させたプロトンビームラ試料に照射し
、試料原子との衝突により散乱されたプロトンビームを
減速させ、このビームのエネルギー分布を測定すること
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。

結晶の内部の構造等を解析するには、Ｘ線回折線などが
用いられる。Ｘ線は、荷電粒子ではなく、極めて浸透力
の強い電磁波であって、内部まで深く浸透できるから、
バルク結晶の特性と調べるのに有用である。

しかし、結晶の表面の状態に調べるには、Ｘ線は有効で
ない。

表面の構造に調べる場合は、電子線回折が用いられる事
もある。試料にほぼ平行に近い角度で電子線を当てて、
回折角から、表面の構造と知る事ができる。

電子は荷電粒子であって、質量が小さいので、試料の内
部に至ること’ｘ　＜　、表面で散乱されるから、表面
の試験に適している。

これらは、回折現象を利用するものであって、多数の繰
返し結晶格子の存在ｔ　ｑｌ提としている。

より薄い表面、たとえば結晶表面の一層又は二層の成分
元素がなにか？という事は、回折を利用した手法では分
らない。

構造では’ｘ　＜　％成分元素は何であるか？という事
と調べるには元素に固有の特性を抽出できる測定法を用
いなければならない。

元素に固有の特性は、物理的、化学的に種々のものがあ
る。

しかし、化学的な性質は、その元素がかなりの分量だけ
集合しないと顕在化しないものである。

物理的な特性につい−ても、そのような制約のあるもの
が多い。

最も分りやすい元素の特性は、その質量数である。これ
は１つの原子についても決定できる確然とした物理量で
ある。

もちろん、原子ひとつについても、電子構造の違いによ
り、分光学的な特性の相違がある。しかし、発光スペク
トルなど分光学的な方法では、試料表面だけ）；存在す
る原子だけについての情報を得ることは難しい。

こうして、元素を特定する最も確実で、−膜性のある性
質は、その質量数である、という事ができる。

質量数の違いにより元素に特定し、表面に存在する元素
の量を測定できる方法として、本発明者等が新しく開発
したものが、陽子エネルギー損失スペクトル分析法（Ｐ
ｒｏｔｏｎ　ＥｎｅｒｇｙＬｏｓｓ　５ｐｅｃｔｒｏｓ
ｃｏｐｙＰＥＬＳ　）である。

これは回折法の一種ではない。加速した陽子ビームが試
料に当たると、その内のひとつの原子によって散乱され
、エネルギーを失う。このエネルギーロスは、衝突した
相手の原子の質量数によって異なる。

軽い原子に当たると、陽子は多くのエネルギーを失う。

重い原子に当ると陽子のエネルギー損失は、殆ど０であ
る。

このように、エネルギー損失によって、衝突の相手の原
子が何であるのか分る。

すると、衝突後の陽子ビームのエネルギー分布全測定す
ることにより、衝突の相手の原子の存在比率全米める事
ができる。

陽子のエネルギー損失が重要なデータなのである。散乱
角はたいして問題ではない。この点、結晶構造によって
、回折角が決まることを利用する回折法と異なる。

５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙというのは、分光学のことで
ある。

物質に光全照射して、物質からの発光、透過光などの波
長分布を調べるものである。光というのは、広く電磁波
一般にまで拡張されて考えられる。いずれにしても、光
の波長、すなわちエネルギー分布を調べる。

電磁波のエネルギーという枠とはみ出して、光を物質に
当てた時に放出される光電子のエネルギー分布と測定す
る場合も、スペクトロスコピーという言葉？使うことも
ある。

しかし、ここでは、さらに用語を拡張し、陽子のエネル
ギー分布を測定することをスペクトロスコピーと呼んで
いる。極めて異質の用語法である。

この用語は必ずしも妥当でないのかもしれない。

とにかく、スペクトロスコピーというが、光、電磁渡分
測定するのではない。散乱陽子のエネルギー分布を測定
することとスペクトロスコピーといっているのである。

＠）　ＰＥＬＳの原理 新しい測定技術であるから、原理全簡単に説明する。

第３図に於て、質量数Ｍの原子が０点に静止していると
する。これに対して、質量数ｍの陽子が速度Ｕで接近し
、これに衝突する。衝突後、散乱角θだけ曲った方向へ
、速度Ｖで飛んでゆくとする。

この衝突により、原子Ｍは、散乱角Φの方向に、速度Ｗ
で跳ばされたとする。電子と違い、陽子はかなり重いか
ら、原子Ｍｉ動かすことができる。

原子Ｍに運動を与えることになり、これが陽子のエネル
ギー損失になる。

運動量のＸ方向への保存則から、 ｍＵ＝：　　ｍＶｃｏｓθ＋　ＭＷｃｏｓΦ　　　（１
）Ｘ方向の保存則から、 ０＝　　ｍＶｓｉｎθ−ＭＷｓｉｎΦ　　　　（２）が
成り立つ。さらに、完全弾性衝突するとして、エネルギ
ー保存則 が成立する。（１）〜（３）からＷを消去すると（ｒ’
＋１　）　Ｖ２−２　ＵｃｏｓｅＶ　−（ｒ’−１）Ｕ
２＝　０　　（４）となる。ここから、 となる。ここで、正符号は、θにそう散乱を示している
。負符号はｅではなく、π−θに向う散乱を示している
。つまり、反対方向の散乱である。

これは（π−θ）とすると得られるわけであるから、（
５）の内、正符号のみを取るのが正しい。

但し とした。

陽子の最初の運動エネルギーｔＥｏとすると、である。

衝突後のエネルギーｔ’Ｅｔとする。そして、減衰係数
Ｋｋ Ｅ１＝　　ＫＥｏ（８） で定義すると、 （１”＋１）２ である。

（９）式は、回折強度の式ではない。θ方向に散乱され
る陽子のエネルギーである。ｅ依存性を持つが、ゆるや
かな依存性である。

つまり、全てのｅについてＥ、を測定しなくてもよいの
である。あるひとつのＯについて散乱後のＥｌを測定す
るだけでよい。「が相手の原子を特定する因子である。

（−）ｆ変数とせず、固定するので、この点でも回折法
とは異なる。

さて、どのようなθをとるかが問題である。

本発明者は、最初、低散乱角の方法に用いていた。

例えば、特開昭５９−１８０９４５号公報（Ｓ、５９゜
１０．１５公開）にはΘ＝０のものを説明している。

さらに特開昭６１−１５１９５８号公報（５，６１−７
゜１０公開）もΘ＝０のものを主に説明している。

ところが低散乱角のものは、第１２図に示すように、表
面に凹凸があれば、−回散乱の他に二回散乱なども起こ
りやすく、表面状態の影響を受けやすいという欠点があ
る。

また、（９）から、Θ＝Ｏの近傍では、「によるＫの相
違が少なく、「を区別しにくいという事がある。

Ｏ＝０以外の方がよいという事が分る。

第１３図に示すように、散乱のＹｉｅｌｄは、Θ＝０．
１８０°の近傍で大きくなる。このため、０＝１８０゜
の近傍も有望な散乱角領域であるという事が分った。

さらに、（９）式から０＝π（１８０°のこと）で、Ｋ
は「依存性が最も強くなる。つまり、衝突相手の原子に
判別しやすいという事である。

そこで、本発明者等は、Ｏ＝πの散乱に用いる手法全開
発した。特願昭６１−１６４２９９号（Ｓ。

６１．７．１２出願）に詳しく説明しである。

Θ＝πであると、入射方向と散乱方向が一致するから、
陽子ビームを分離する必要がある。このため、磁石全周
いて、９０°ビーム全曲げて試料に入射し、これと反平
行に散乱されたビームは、９０゜曲げて測定系の方へと
りだすようにした。

Θ＝πであれば、「によるＫの相異が最も著しくなるか
ら、相手方の原子の質量Ｍｆ！：、最も判然と識別する
事ができる。

そこでΘ＝πの時を考える。（９］から、である。

「は衝突相手の原子の質量Ｍと、陽子質量の比である。

質量数というのは、原子質量単位１ｕ＝量である。陽子
の質量ｍは１．６７２６４８５　Ｘ　１０　　ｋｇであ
る。陽子質量と原子質量単位は僅かに異なるのであるが
、これ全開じとみなすと、Ｆは質量数に等しい。そこで
Ｆｋ質量数と呼ぶ。例を挙げる。

○の場合　　ｒ’＝１６．ｏｏ　　　Ｋ＝０．７７８５
Ａｌの場合　　ｒ’＝２６．９８　　　Ｋ＝０，８６２
１Ｓｉの場合　　ｒ’＝２８．０８５　　Ｋ＝０．８６
７２Ｇａ　（７）場合　　ｒ’＝６９．７２　　　Ｋ＝
０．９４４２２Ａｓの場合　　Ｉ’＝７４．９　　　Ｋ
＝０．９４７９９Ｉｎノ場合　　Ｉ’＝１１４．８２　
　Ｋ＝０．９６５８ｓｂの場合　　ｒ’＝１２１．７　
　　Ｋ＝０．９６７７ｐｂの場合　　ｒ’＝２０７．２
　　　Ｋ＝０．９８０８８Ｂｉの場合　　ｒ＝２０８．
９８　　Ｋ＝０．９８１０４である。全ての元素につい
て、Ｋを計算するのは容易である。

例えば、陽子の最初のエネルギーＥ。ｋ　１００ｋｅＶ
とすると、ＧａのＥｌは９４．４２２　ｋｅＶ、Ａｓ　
ノＥ１は９４．７９９ｋｅＶとなる。この差をΔＥと書
くと、ΔＥ　　　＝　　　　８７７ｅＶ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１１）とな
る。より軽いＧａによって散乱された陽子はより多くの
エネルギーを失うのである。この差が３７７６Ｖである
から、その陽子がＧａ、Ａｓのいずれによって散乱され
てきたのかが分る。

ＰｂトＢｉノ場合ΔＥ＝１６ｅＶである。

もしも装置の分解能が５ｅＶであれば、ｐｂとＢｉも判
別できる。

このように、ＰＥＬＳの原理は簡単である。しかし、こ
のような測定が可能であるためには、散乱が一回である
、という事が必要である。多重散乱されてはいけない。

このため、あまりエネルギーが高すぎない事が必要であ
る。逆にエネルギーが低いと、ΔＥが小さくなって相手
方の原子を分けることができない。１００ｋｅＶという
のは、１回散乱近似全可能とするエネルギーである。

また、陽子に用いる理由は、イオンの中性化率が低いと
いうことと、電荷状態が＋１　しかなく安定していると
いう事である。

ＰＥＬＳの利点は、衝突による陽子のエネルギー損失だ
け全測定すればよいという事である。原子について予め
知っておかなければならない事は、質量数Ｆだけである
。

これは、Ｘ線などの回折に於ける回折因子などの情報と
不要とするという事である。

また、通常の原子・原子散乱の場合は散乱断面積σ（０
゜φ〕を測定し、ポテンシャル全米めるが、ＰＥＬＳの
場合、原子ポテンシャルがどんなものであってもよいし
、・散乱断面積を測定する必要がない。

ウ　シャドーコーンによる深さ分析 第４図に示すように、重い原子Ｍに向って、陽子ｍが衝
突すると、前方）テ、陽子が到達しない部分が生ずる。

これをシャドーコーン（ｓｈａｄｏｗ　ｃｏｎｅ　）と
いっている。

陽子の走行方向で、原子Ｍ−ｉ含む線をＸ軸とする。Ｘ
軸に遠い陽子は散乱角が小さい。Ｘ軸ン；近い陽子は散
乱角が大きい。このためにシャドーコーンができるので
ある。

原子の電荷をＺｅ　１陽子の電荷をｚｅとすると、極座
標系に於て、クーロン散乱の場合の散乱軌跡の方程式は 一＝（εＣＯＳθ−１）Ｂ　　　　　　　　（１２））
、　　＝　　−（１４） となる事が知られている。ここでｂは、陽子が、最初に
Ｘ軸と離れている距離である。

Ｅｏは陽子の運動エネルギーでの式に与えられるものと
同じである。（１２）から散乱角の範囲は、２ｃｏｓ　
”　１／ε　であることが分る。すなわち、散乱角θは Θ＝　π−２ＣＯ５−（１６） ε である。

近似的に、ｙ軸上でｙ−ｂの点で折曲げられた陽子ビー
ムが角ｅの方向へ飛ぶと考える。すると陽子ビームの散
乱後の軌跡は ｙ−ｂ　　　　＝　　　　　　ｘｔａｎｅ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　（１７ンで与えら
れる。シャドーコーンの形状全決定するのは主に小角散
乱の陽子ビームである。

そこで、散乱角ｅが小さいという近似（つまり、ｂが大
きい〕をして、 つまり と近似できる。（１７）の包路線がシャドーコーンであ
るから、（１７）をｂで偏微分し、 これから これを（１７ンに代入し、 となる。

シャドーコーンを巧みに用いると、第５図〜第８図に示
すように、１層目がどの原子で構成されているかという
事が分る。

第５図に於て、試料面に垂直に陽子ビームを入射させ、
反方向（ｅ＝πンの陽子のエネルギー分布を測定したと
する。

第６図のように、２つのピークが生ずる。試料がＧａＡ
ｓであるとする。第６図だけでは、１層目にあるのがＧ
ａかＡｓか分らない。

そこで斜め方向に陽子ビーム全入射させる。第７図はこ
れに示す。２層目の元素全一層目の元素によるシャドー
コーンの中へ入れてしまう。こうすると、第８図に示す
ように、陽子のエネルギー分布は、ひとつのピークを持
つだけになる。こうして、第１層の元素がＧａである、
と（八う事が分る。

（１）電子衝突全利用した深さ分析 ＰＥＬＳによって、表層の第１層の原子と、第２層の原
子と全識別する事ができる。

ＰＥＬＳは陽子と、原子との衝突によるエネルギー損失
分布から、原子を特定するものである。

しかし、陽子は、試料の中で電子による散乱の影響も受
ける。電子は質量が小さいので、陽子の運動を殆ど妨げ
る事はないが、荷電粒子同士であるし、電子の数が多い
から、電子によってエネルギーを失う。

このエネルギー損失により、反対に第１層目か、第２層
目かという事が分る。

第９図によって説明する。

第１層目の５点で散乱される場合と、第２層目のＧ点で
散乱される場合を考える。層面となす角ヲ０／２とし、
θ／２の方向シー散乱されるものを考える。散乱角がθ
である。これは０／２の方向にだけ散乱される、という
事ではない。ブラッグ回折条件を示しているわけではな
い。任意の方向に散乱されるが、θ／２の方向でのエネ
ルギー分布に測定する、という事である。

電子による阻止能をＳとする。これは、電子の存在する
試料の中？陽子が単位長さ全通過する際に失うエネルギ
ーとして定義される。

２層目で散乱される陽子は、ＦＧＨだけ長い行路を進み
、余分の阻止能による作用を受ける。１層目、２層目敗
舌りのエネルギー差に八Ｆとするとである。

たとえば、ｄ　＝　５．６人、Ｓ　＝　１０ｅｖ／人、
Θ＝３０゜とすると、 ΔＦ　　　　＝　　　　４３２ｅＶ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２４）となる
。これは０が小さいので、ΔＦが大きくなっている。Θ
＝１８０°とすると、ΔＦ　＝　１１２ｅＶとなる。

つまり、垂直入射の場合、１層目と、２層目では、散乱
陽子のエネルギーが約ｔｏｏｅｖ程度異なる。

さらに、θに小さくした場合はΔＦが大きいので、１層
目での異種原子、２層目での異種原子からの陽子散乱？
識別できる。

オ　測定装置の概要 第１０図にＰＥＬＳの一測定装詮の概要を示す。こｎは
、散乱角Ｏが１８０°のものである。

イオン源Ａから引出された陽子イオンビームは、マグネ
ットＢによって質量分析される。これによって１価の陽
子イオンのみが加速管Ｃへ導かれる。

引出しのエネルギーＥｓｘと、加速管での加速エネルギ
ーＥａｃｃの和である運動エネルギーＥ。ｋ持って、試
料Σに当る。

試料では、表面の数層にある原子によって散乱される。

陽子はさまざまな方向に散乱される。どの方向にどれだ
け散乱されるか？という事は、原子と陽子の間に働く力
の性質による。

これはどうでもよいことで、ちょうど散乱角Ｏが１８０
°であるもののみが、入射方向と逆の方向に飛び出し、
加速管Ｃの中と逆に走る。加速管全通に走るのであるか
ら、これは減速管りとして働く。

減速のエネルギーＥｄｅｃは、加速エネルギーＥａｃｃ
に等しい。

Ｅｄｅｃ　　＝　　Ｅａｃｃ　　　　　　　　　　（２
５）となるのが、Θ＝１８０°　の配位の便利な点のひ
とつである。同一の加速管Ｃによって減速できるのは、
Θ＝１８０°の場合のみである。

減速された陽子ビームは、マグネツ）Ｅで直角に曲げら
れる。さらにマグネットＦで直角に曲げられる。

２つのマグネットＥ、Ｆを要するのは、陽子ビームエネ
ルギーは、散乱損失ΔＥによるバラツキがあり、これを
収束させるため、マグネットが２つ必要になるのである
。

さらに、陽子ビームは、アナライザーＧに入る。

ここには、２枚の平行板の間に電圧Ｖ。がかかつている
。スリットから入った陽子は、放物線を描いて、マイク
ロチャンネルプレートＨのチャンネルのどれかに入る。

スリットから陽子が降下した位置ｆでの距離をＬとする
。これは、陽子のエネルギーが大きいほど大きくなるし
、陽子のエネルギーが小さいほど小さくなる。Ｌによっ
て、陽子エネルギーＥａが分る。

陽子の電荷ｆ　ｚｅとすると、アナライザーＧの空間に
於て、陽子は板面に直角な方向にｚａＶｏ／ｈの力全受
ける。

陽子の長手方向の速さｐｕ、板面に直角な速さｉｖとす
ると、Ｕは一定である。Ｖは変動する。

スリットに入った時、板面となす角を中とする。

これは一定である。

１、・ら である。

これは、重力下で物体を投げた場合の運動と等価である
。陽子がアナライザーＧの中で板面に平行に進む距離り
は、（２６）、（２７）からである。最も高い分解能が
得られるのはｌＩ’＝４５゜の時である。

（２８）から、陽子のエネルギーＥａに比例した距離り
の地点に陽子が到達するという事が分る。

これによって、Ｅａの分布、つまり陽子のエネルギー分
布を測定できる。

力陽子のエネルギー変化 第１０図の右下に、エネルギーロスΔＥ又はＬとイール
ドの図に示している。Ｌは、陽子エネルギーＥａに比例
するから、ＬによってＥａ、又はΔＥが分る。

次に、Ｅａ　、八Ｅ７ｚどの関係全説明する。

第１１図にポテンシャルエネルギーの配分を示す。ここ
でｑは陽子電荷で、これまでｚｅと書いていたものであ
る。ｚ＝ｌであるからｑ＝＝ｅである。

イオン源Ａでの引出し電圧ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｖｏ
ｌｔａｇｅをＶｅｘとする。これが加速管Ｃで加速され
る。カロ速電圧をＶａｃｃとする０ 右下りの斜線が加速管Ｃでの運動である。加速管Ｃを出
た後のポテンシャルエネルギーの下降分はｑ　（Ｖｅｘ
　＋　Ｖａｃｃ　）でやる。これが全て運動エネルギー
になっている。

折線と、上破線の差が運動エネルギーである。

底辺が試料Σに衝突している状態全表わす。散乱によっ
てΔＥのエネルギーを失う。

このあと減速管Ｄ（加速管と同一）で減速される。これ
はＶｈｃｃに等しい。

アナライザーではＶ。の電圧を極板間にかける。

これはＶａｃｃに等しい。

アナライザーではＶ。の電圧に極板間にかける。

これ’１Ｖａｘに等しくしておく。こうすると、イオン
源の陽極と、アナライザの陽極が同電位になる。従って
、これらの極板を導線で接続できる。

さらに、加速、減速が同一の装置で行なわれるから、Ｖ
ｅｘのリップルはＶ。のリップルに等しくなる。

ΔＥとＥａの和がｑｖｏである。ΔＥは散乱によるエネ
ルギー損失であって、（Ｉ　Ｋ）Ｅｏである。

Ｅａがアナライザーに入る時に陽子が持っている運動エ
ネルギーである。Ｅａが測定できＶ。は既知であるので
、ΔＥが分る。

ΔＥ＝ｑｖｏ−Ｅａ（２９） である。

減速するのは、運動エネルギーの分解能を上げるためで
ある。既に述べたように、数十ｅＶの分解能が要求され
るが、１００ｋｅＶのエネルギーをもつものを、このよ
うな分解能で叩定するのは困難である。

既に述べたように、ｑＶａｃｃは１００に６Ｖ程度であ
る。ｑＶａｘは数ｋｅｖ〜２０ｋｅｖテアル。

実際には、入射陽子のエネルギーではすく、散乱された
陽子のエネルギーＥｓ　ｆ　１００ｋｅＶにする。

そして、アナライザーに入るエネルギーＥａをＱ、５ｋ
ｅＶにしている。

対象たる原子を予め決めてふ・き、これに対する陽子の
散乱エネルギーロスΔＥを計算する。そして、 ｑＶａｘ　　　＝　　ｑＶ。　＝　　　ΔＥ　　−１−
Ｅａ　　　　　　　　　　　　　　　（３０ＪからＶｅ
ｘ　、　ｖｏ　ｔ’決める。加速電圧Ｖａｃｃは、Ｅｓ
　　＝　　Ｅａ　　＋　　ｑＶａｃｃ　　　　　　　（
３１）から決まる。（３１）はＶａｃｃ　　と減速電圧
が等しいから成立つ式である。

Ｅａ　＝　Ｑ、５ｋｅＶの値に固定すると、どのチャン
ネルに陽子が主に入るか、という事が予め決まる。

ｍｅ＝１８０’１！：選ぶ理由 第１２図は低角散乱（Ｏ→０）の場合の陽子散乱の説明
図である。最初、本発明者等は低角散乱条件により、主
に実験全進めた。しかし、表面には凹凸があるので、第
１層からの同−角散乱であっても、エネルギー差が生ず
る。これは低角散乱の不利な点である。

第１３図は散乱角とイールドの関係を示すグラフである
。イールドというのは、単位時間内に、散乱された陽子
が何個その角度の単位立体角に散乱されるか全示す値で
ある。ＡｕとＳｉの場合を示す。０＝０６と１８０°の
近傍でイールドが大きくなる。

イールドが大きいと、測定時間が短くて済むし、ノイズ
などの影響も受けに＜＜ｙる。イールドは大きいほうが
望ましい。

イールドの点だけからいえば０＝０の近傍がよいわけで
あるが、第１２図によって説明したような欠点があるの
で、ｅ＝１８０°の方がむしろ望ましい、という事が分
ってきたのである。

（２）ＰＥＬＳ装置の全体 第１４図はＰＥＬＳ装置の全体の概略斜視図である。

イオン源からでた陽子ビームは、アインツエルレンズを
経て、マグネットを通り加減連管で加速される。超高真
空チャンバの中に試料がセットされている。試料はマニ
ピュレータによって操作することができる。加速された
陽子ビームはｑレンズで絞られて、超高真空チャンバ内
の試料に当たる。

試料面で散乱されたものの内、Θ＝１８０°　の散乱角
の陽子ビームのみが、反対方向にチャンバから出てゆく
。

これが減速された後、偏向マグネット１、偏向マグネッ
ト２によって、　１８０’曲げられて、マルチチャンネ
ルアナライザーに入る。ここでＥａが測定される。

これらの構成は、第１０図に示したものに対応している
。

これらの他に、イオン源電源（Ｖｅｘ　ｆ！：供給）、
マグネット電源、加速電源、パソコンなどがある。

陽子ビームが通過する空間は高真空に保たれなければな
らない。このため、ターボ分子ポンプ、差動排気部、イ
オンポンプなどが設置されている。

ω従来技術 以上で、ＰＥＬＳの原理、構成、作用などを説明した。

本発明は、減速された陽子ビームが、２つの偏向マグネ
ットＥ１ＦによってアナライザーＧに導かれる部分の改
良に関する。

減速された散乱後の陽子ビームを偏向させなければなら
ない理由は、散乱角が１８０°だからである。

入射ビームと散乱ビームとを分離するため、どうしても
マグネットを使わなければならない。

本発明者等は、最初の内、低角散乱のＰＥＬＳＩ採用し
ていた。例えば、特開昭５９−１８０９４５号公報（Ｓ
、５９．１０．１５公開）、特開昭６１−１５１９５８
号公報（Ｓ、６１．７．１０公開）　には、低角散乱の
ＰＥＬＳについて説明している。この場合、入射ビーム
と散乱ビームが異なる経路を直進することができる。

ところが、ｅ＝１８０°であると、散乱ビームと入射ビ
ームが同一直線上を往復することになる。

このため第１０図に示すように、入射ビーム全偏向させ
るためのマグネットＢと、散乱ビームｔＳ向させるため
のマグネットＥが必要であった。

しかし、それだけでは足らない。

入射ビームはエネルギーが一定で（ｑＶｅ：ｔ　）ある
から、磁場によってこｎｆ偏向させても、拡散するとい
う事がない。速度が一定であるから、磁場中での彎曲部
の曲率半径Ｒが共通になるからである。

散乱ビームの方はそういうわけにはゆかない。

散乱ロスによる運動エネルギーＥａのバラツキがあるか
らである。

そこで、従来は、散乱さｎたビームビ、２つのマグネッ
トＥ、Ｆにより１８０°偏向させてアナライザーＧのス
リットへ導入していた。

第２図は従来例のマグネット配置図を示している。

試料Σて散乱されΘ＝１８０°の方向へ進む陽子ビーム
は、ＱレンズＡ、減速管りを経て、第１マグネツトＥに
入る。ここで９０°彎曲する。

エネルギーの低い陽子は、小さい曲率半径Ｒ１で曲る。

エネルギーの高い陽子は、大きい曲率半径Ｒ２で曲る。

マグネット配置図た後、２つのビームＴ１、Ｔ２は平行
であるが、前後に離れてしまう。

これを再び合一させる必要がある。

そこで、もうひとつの偏向マグネットＦを用いる。

これにより、エネルギーの大きいものは、大きい曲率半
径Ｒ４で彎曲する。エネルギーの小さいものは小さい曲
率半径Ｒ３で彎曲してゆく。マグネットＦの出口では、
ビームがひとつに重なる。

こうして、アナライザーＧのスリット５に入る。

アナライザーＧでは運動エネルギーの大きいもの程遠く
まで飛んで位置検出部４によって検出される。スリット
から位置検出部までの飛程りが、エネルギーＥａに比例
する。

このよう１１ふたつの磁石の配直については、特願昭６
１−１６４２９９号（Ｓ、６１．７．１２出願）に於て
説明しである。

第２図によってこれ全説明する。

マグネットＥに、５点で陽子が入射したとする。

速い陽子はＲ２にそって進み、Ｎ点でマグネットＥから
出る。

遅い陽子はＲ１にそって進みに点でマグネットＥから出
る。

２つの軌跡の中心０１．０２は、５点に於て直線ＪΣに
対して直角に引いた直線上にある。つまりＪｌｏ１、０
２は一直線上にある。

さらシζ、マグネツートＥから出た時に、平行軌跡Ｔ１
、Ｔ２にならなければならない。

ツマリ、偏向角ＪＯＩＫ１ＪＯ２Ｎは、等しくなくては
ならない。ということは、 ＫＯｌ　　７　ＮＯ２＜８２） という事である。

しかも、三角形ＪＯＩＫ１ＪＯ２Ｎ　　は二等辺三角形
である。すると ／ＫＪＯＩ　　＝　　／ＮＪＯ２（３８）となる。これ
は、Ｊ、に、Ｈの３点が同一直線上にある、という事で
ある。

そして、／ＫＪＯ１＝α、とすると、偏向角ＪＯＩＫ、
ＪＯ２Ｎ＋＋＋：φ、は、 φｌ　＝　π−２α１（３４） である。さらに、平行軌跡Ｔ１、Ｔ２の距離は、（Ｒ２
−Ｒ１５ｉｎφ１Ｃある。

すると、これを一点に収束させるためのマグネットＦに
課される条件は、次のようになる。

（１）ビームの入射点ｌｘ、ｙ１出射点をＺとすると、
ｘｌｙｌｚは同一直線上にある。

（１１）マグネットの斜角α２と、偏向角φ２の間には
φ２　；　π−２α２　　　　　　　　（３５）の関係
があり、 （＋Ｄ　Ｔ　１、Ｔ２の距離が（Ｒ４−Ｒ８）　　であ
るから、（Ｒ４−Ｒ２）ｓｉｎφ２　＝　（Ｒ２−Ｒ１
）　ｓｉｎφ１　　　　　（３６）マグネットによって
運動エネルギーが変らない事と、（３６）から、 Ｒ４ｓｉｎφ２＝　　Ｒ２５ｉｎφ１（８’ＯＲ３ｓｍ
φ２＝　　Ｒ１５ｉｎφ１Ｃ，８Ｂ）が成立する。（３
７）、（３８）は、マグネットによるサイクロトン周波
数の比が胛φ２／！１１φ１だという事である。これは
、同一の磁場を生ずるマグネットでなければならないと
いう事ではない。異なる磁場を与えるマグネットであっ
てもよい。

さらに全偏向角をφｔとすると φｔ　＝　φ、＋φ２　　　　　　　　　（８９）でな
ければならない。φｔ　＝　１８０’の例と図示してい
るが、そうでなくてもよい。またφ１４＝φ２従ってα
１〜α２てあってもよいのは勿論である。さらにＲ１４
Ｒ３、Ｒ２キＲ４であってもよい。

前記出願は、φ１＝φ２、Ｒ１−Ｒ３、Ｒ２＝Ｒ４のみ
をクレームしている。最も作りやすいからであろうと考
えられる。

に）発明が解決すべき問題点 このように、ふたつのマグネットＥ１Ｆｇ使うと、エネ
ルギーの異なる散乱ビームに一点に収束させる事ができ
る。

しかし、このような装置には次の難点がある。

炙υマグネットを２個使うので装置が大型になる。

■ビームは理想的には一点に収束するわけである。

しかし、実際には、マグネットのフリンジング効果やド
リフトによって、内側全通ったビームと、外側と通った
ビームとでは、同じ効率で計測することができない。

１３）高電位架台の形状が複雑になる。

■マグネットの形状により、曲率半径Ｒの上限と下限が
制限される。これは、散乱、減速後の陽子の運動エネル
ギーＥａがあまりバラついてはならないという事である
。測定対象となる原子の質量があまりに異なったもので
あってはならない。

サ　　　目　　　　　　　的 散乱減速後の陽子ビームと偏向するためのマグネットヲ
ひとつに減すことのできる表面解析装置全提供する事が
本発明の目的である。

シ構　成 本発明では、減速後の陽子ビーム全曲げるために、マグ
ネットをひとつだけ用いる。

陽子ビームを一点に収束しようとするから、２つのマグ
ネットが必要なのである。

第２図に於て、Ｊｌに１Ｎ１０１．０２　の各点、及び
マグネット出射後の軌跡Ｔ１、Ｔ２は同一平面上にある
。この平面を基準ビーム面三という事にする。

とにかく、Ｔ１、Ｔ２が同一面上にある、という事がい
える。すると、幅の広いアナライザーＧ全使い、アナラ
イザーの開口を拡げ、基準ビーム面三がアナライザー開
口に入るようにすればよい。

一点に収束することを要求せず、一平面にあるという事
を利用するのである。

第１図は本発明のマグネット１、アナライザー３の関係
全示す斜視図である。マグネット１は第２図のマグネッ
トＥに対応する。アナライザー３は、第２図のアナライ
ザーＧよりも幅の広いものである。測定原理は変わらな
い。

マグネット１に関する記号は、第２図のマグネットＥに
対するものと同一のもの全村している。

散乱後の陽子ビームは、マグネット１の間へ５点で入射
する。

エネルギーの低いものは、小さい曲率半径を有する軌跡
Ｒ１にそって進み、Ｎ点で磁場から出ろ。

エネルギーの高いものは、大きい曲率半径？有する軌跡
Ｒ２にそって進み、Ｎ点で磁場から出る。

Ｒ１の中心ｉ０１、Ｒ２の中心全０２とすると、Ｊｌｏ
１、０２及びに１Ｎは基準ビーム面三の上にある。

Ｋ、Ｎ点と出た後、直線の軌跡Ｔ１１Ｔ２になる。

これらも基準ビーム面三の上にある。

アナライザーＧの底面？、基準ビーム面三に対して、中
の角度全すすように設け、かつ、アナライザーのスリッ
ト５が、基準ビーム面三に横切るようにする。

スリット５に沿ってＺ軸ととる。アナライザーの底面か
ら立てた法線方向ｔ’！軸とする。スリットから位置検
出部４へ向けてＸ軸を取る。

陽子ビームはＴ　１．Ｔ　２に拡がるが、これは、細長
いスリット５からアナライザーＧの中へ入る。

アナライザーＧには、上から下へ向けてＶ。の電圧が掛
かつている。陽子ビームは、スリット５に通った後、ｘ
ｙ平面と平行な面の中に進むが、ｖｏのために底、板の
方へ押されて、位置検出部４のいずれかのチャンネルに
落下する。

ｘｙｚ座標の原点０は、マグネット１での陽子ビーム入
射点Ｊｉ通り、基準ビーム面三と直角な平面と、スリッ
ト５の中心線の交点として決める。

アナライザーの横幅が長ければ、このような事が可能で
ある。

ビームＴ１は、短い飛程と描き、Ｑｌで位置検出部に落
ちる。

ビームＴ２は、長い飛程に描ぎ、Ｑ２で位置検出部に落
ちる。

エネルギーの高い陽子は、２の大きいところでスリット
に入射し、アナライザーでの飛程りが大きい。

エネルギーの低いものは、Ｚの小さいところでスリット
に入射し、アナライザーでの飛程りが小さい。

結局、陽子が位置検出部４に落下する点は曲線となる。

位置検出部４の全面に落下するのではない。

この軌跡を検出点軌跡Ｔと呼ぶ。

検出点軌跡Ｔ全米める。検出点１ｑとする。

（２８）式から、Ｑ点のＸ座標は である。Ｑ点の２座標は、マグネット１での偏向量によ
る。

ｚ　　＝　　Ｒ５１ｎφ　　　　　　　　　（４１）で
ある。φは偏向角で／ＫｏＩＪなどである。Ｒは曲率半
径である。陽子ビームのサイクロトロン角周波数にＲ＝
ｉ乗じたものが、陽子の速度Ｖであるから、 ΩｃＲ＝　　Ｖ　　　　　　　　　　　　（４２Ｊサイ
クロトロン角周波数ΩＣは であり、 であるので、 ｚ　　＝　　−ＦｔＫＳｉｎφ（４５）Ｈ （４０）、（４５）からエネルギーＥａ　ｆ！：消去す
ると、となる。つまり、ｘｚ面に於て軌跡Ｔは放物線全
描く。

こわはサイクロトロン周波数Ωｃｔ含んでいる。

陽子と他の原子のイオンでは質量が異なるから、ΩＣが
異なる。

そこで、Ｔに沿うような切りこみを入れた板で、位置検
出部４の上面を、もしも、マスクしたとすれば、他の原
子のイオンは、マスクに遮られて位置検出部に入らない
。

このマスクによって、他のイオンの存在にょって生じた
かもしれないカウントエラーと防ぐことができる。

スリット５及び位置検出部４の２方向の幅■は、エネル
ギーＥａのバラツキが大きいほど大きいものにしなけれ
ばならない。エネルギーＥａのバラツキは、対象となる
原子の質量Ｍのバラツキと密接な関係がある。

たとえばｎ＝１Ｑｔ＊程度にしておくと、かなり広い質
量範囲でカバーすることができる。

マグネットでの偏向角φは９０°であってもよい。

しかし、９０°でなくてもよい。

９０°であれば（４１）式から、２方向のビームの分離
が良くなるという長所がある。しかし、ビームはＸ方向
に分解できればよいのであるから、２方向の分離はあま
り重要でない。

φが大きいとマグネットを大ｔくしｌｘければならない
。

φが小さいと、アナライザー〇装置く空間が制限さｎる
。この点でφは３０°〜１５０°と考えられる。望まし
くは４５°〜１３５°程度である。

内　　効　　　　　果 （１）マグネットＦ−４略すことができる。かさ高いマ
グネットの数に減らすことができるので、装置がより小
型になる。

■高電位架台がより単純化される。

３）試料からアナライザーに至る出射ラインが短縮され
る。このため、加減速管を短縮することも可能である。

■運転パラメータが減少する。操作がより簡単になる。

■分析の再現性が向上する。

（ｅ一様な輸送効率全実現できる。

の広い質量範囲にわたって、同時に計測できる。

３）検出点軌跡Ｔに沿う切りこみに入れたマスクで位置
検出部を覆うことにより、陽子以外のイオンが検出部へ
入るのを完全に防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のマグネット、アナライザーの配置を略
示する斜視図。 第２図はＰＥＬＳに於ける（−１＝１８０°の場合の散
乱ビーム偏向のための磁石の配置図。 第３図は原子Ｍに陽子ｍが衝突した前後の速度関係の説
明図。 第４図は原子による陽子の散乱に於て、前方に生ずるシ
ャドウコーンの説明図。 第５図はＰＥＬＳに於て垂直入射散乱を説明するための
ＧａＡｓ結晶表層図。 第６図は第５図の入射方向に於るＰＥＬＳの陽子エネル
ギー損失図。 第７図はＰＥＬＳに於て斜入射散乱を説明するためのＧ
ａＡｓ表層図。 第８図は第７図の入射方向に於るＰＥＬＳの陽子エネル
ギー損失図。 第９図は電子衝突による陽子エネルギー損失の増加によ
って、第１層、第２層を識別できる事全説明する散乱断
面図。 第１０図はＰＥＬＳの原理構成図。 第１１図は陽子のポテンシャルエネルギー配位図。 第１２図は低散乱角に於る散乱ビームの説明図。 第１３図は散乱角によるイールドの相異ｆ：Ａｕ　。 Ｓｉについて示すグラフ。 第１４図はＰＥＬＳ装置の実際全示す略斜視図。 １　・・・・マグネット ４　・・・・位置検出部 ５　　・・・・　　ス　　リ　　ッ　　トＡ・・・・イ
オン源 Ｂ　・・・・　マグネット Ｃ・・・・加速管 Ｄ・・・・減速管 Ｅ　・・・・　マグネット Ｆ　・・・・　マグネット Ｇ　・・・・　アナライザー Ｊ　・・・・　マグネットへの陽子ビームの入射点Ｋ　
・・・・　遅い陽子のマグネットからの出射点Ｎ　・・
・・　速い陽子のマグネットからの出射点０ＩＮｏ４　
・・　マグネット中の軌跡の回転中心Ｒ１〜Ｒ４・・　
マグネット中での円軌跡Ｔ１、Ｔ２　　・・　マグネッ
ト全出た後の直線軌跡Ｑ、Ｑ１．Ｑ２　　・・　アナラ
イザーでの検出点Σ・・・・試　　料 ４′＼　　・・・・　　Ｑ　　し　　ン　　ズ三　・・
・・　基準ビーム面 Ｔ・・・・検出点軌跡 発　　明　者　　　　　　　　松　　１）　恭　　博特
許出願人　　　　日新電機株式会社 出願代理人　弁理士　　　川　瀬　茂　樹パ手続補正書
（自発） 昭和６２年　６月２５日 １、事件の表示 昭和６１年特許願第２９９２６９号 ２発明の名称 表面解析装置 ＆補正をする者 事件との関係　　特許出願人 郵便番号　　　　０１５ 住　　所　　　　京都市右京区梅津高畝町４７番地図面
。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）陽子ビームを発生する真空中に保たれたイオン源
   Ａと、イオン源Ａから生じたイオンビームを真空中に於
   て偏向させるマグネットＢと、陽子ビームを真空中で加
   速して試料Σに当て試料Σで散乱された散乱角Θ＝１８
   ０°の陽子ビームを逆に通して減速する加減速管３と、
   試料Σを超高真空中に保持する超高真空チャンバーと、
   減速された陽子ビームを真空中に於て角φだけ偏向させ
   、平行なビームＴ＿１、Ｔ＿２として出射するマグネッ
   ト１と、幅の広い位置検出部４とスリット５とを有し、
   スリット５から平行ビームＴ＿１、Ｔ＿２を入射させ陽
   子ビームのエネルギーＥａを飛程Ｌから検出するアナラ
   イザーＧとよりなり、マグネット１はビーム入射点Ｊと
   出射点Ｋに、Ｎ、・・が同一直線上にあるような形状で
   あり、平行ビームＴ＿１、Ｔ＿２及びマグネット１中で
   の円軌道ビームＲ＿１、Ｒ＿２を含む基準ビーム面三が
   アナライザーのスリット５を通り、かつ平行ビームＴ＿
   １、Ｔ＿２がスリット５に直交するように設けてある事
   を特徴とする表面解析装置。
2. （２）アナライザーＧの位置検出部４に、陽子ビームの
   検出点軌跡Υに対応する切り込みを有するマスクを置い
   て、陽子以外のイオンビームを遮断することを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の表面解析装置。
3. （３）偏向角φが４５°〜１３５°である事を特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の表面解析装置。