JPS63279549A - Surface analysis device - Google Patents
Surface analysis deviceInfo
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- JPS63279549A JPS63279549A JP62113950A JP11395087A JPS63279549A JP S63279549 A JPS63279549 A JP S63279549A JP 62113950 A JP62113950 A JP 62113950A JP 11395087 A JP11395087 A JP 11395087A JP S63279549 A JPS63279549 A JP S63279549A
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Landscapes
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(ト)技術分野
この発明は、深さ方向だけでなく試料の2次元平面の情
報を提供でき、しかも装置の占有面積の小さい表面解析
装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (g) Technical Field The present invention relates to a surface analysis device that can provide information not only in the depth direction but also in a two-dimensional plane of a sample, and that occupies a small area.
表面解析装置というのは、加速された陽子ビームを試料
に照射し、試料原子との衝突により散乱すした陽子ビー
ムを減速させ、この陽子ビームノエネルギー分布を測定
す、る事により、試料表面に存在する元素の同定、存在
量などを求めるための装置のことである。A surface analysis device irradiates a sample with an accelerated proton beam, decelerates the proton beam scattered by collisions with sample atoms, and measures the energy distribution of this proton beam. A device used to identify existing elements and determine their abundance.
試料の内部の結晶構造はX線回折によって分る。The internal crystal structure of the sample can be determined by X-ray diffraction.
試料の表面近くの結晶構造は電子線回折などによって調
べる事ができる。The crystal structure near the surface of a sample can be investigated by electron beam diffraction.
しかし、いずれの方法も、試料の一原子層又は二原子層
といった表面に於ける元素の分布などが分らない。However, with either method, the distribution of elements on the surface of a sample, such as a monoatomic layer or a diatomic layer, cannot be determined.
本発明者達は、表面に存在する元素量を測定する方法と
して、陽子エネルギー損失スペクトル分析法(Prot
on Energy Loss 5pectro
scopy;PELS)を開発した−(イ)PELSの
原理
新しい測定技術であるから、原理を簡単に説明する。The present inventors proposed proton energy loss spectroscopy (Proton energy loss spectroscopy) as a method for measuring the amount of elements present on the surface.
on Energy Loss 5pectro
Scopy; PELS) was developed - (a) Principle of PELS Since it is a new measurement technology, the principle will be briefly explained.
第3図に於て、質量Mの原子が静止している。In Figure 3, an atom of mass M is at rest.
これに対して、質量mの陽子が速度Uで接近し、原子M
によって散乱され、速度Vで角θの方向へ飛ぶものとす
る。原子Mの方は速度Wで角Φの方向へ跳ばされるもの
とする。運動量保存則からmυ=mvcoSθ+MWc
osΦ (1)0 = mV sin f)
−MWsinΦ (2)が成りたつ。On the other hand, a proton with mass m approaches with velocity U, and an atom M
, and fly at a speed V in the direction of an angle θ. It is assumed that the atom M is thrown at a velocity W in the direction of the angle Φ. From the law of conservation of momentum, mυ=mvcoSθ+MWc
osΦ (1)0 = mV sin f)
-MWsinΦ (2) holds.
完全弾性衝突するとして、エネルギー保存則が成立する
。Assuming a perfectly elastic collision, the law of conservation of energy holds true.
(1)〜(3)からWを消去すると
(/’+1)V −2UCO5eV−(r−1)U =
O(4)、となる。ここから、
7’+1
となる。When W is deleted from (1) to (3), (/'+1)V -2UCO5eV-(r-1)U =
O(4). From here, it becomes 7'+1.
但し M
7’= −(6)
とした。(5))て於て、負符号は(π−θ)に向う散
乱を示している。θシで向う散乱としては、正符号のみ
をとるのが正しい。However, M7'=-(6). In (5)), the negative sign indicates scattering toward (π-θ). It is correct to take only the positive sign for the scattering directed at θ.
陽子は散乱によってエネルギーを失う。散乱角が同一で
あれば、相手の原子が軽いほどエネルギー損失が大きい
。これにより、相手の原子が何であるかが分る。Protons lose energy through scattering. If the scattering angle is the same, the lighter the partner atom, the greater the energy loss. This tells us what the other atom is.
陽子の最初の運動エネルギーをEOとすると、である。Letting the initial kinetic energy of the proton be EO, then.
衝突後のエネルギーをElとする。これはEOより必ず
小さい。この比を減衰係数にという。Let the energy after the collision be El. This is always smaller than EO. This ratio is called the damping coefficient.
E l: K E O(8) である。E l: K E O (8) It is.
θが変数なのではなく、rが変数である。θは実験装置
によって一定となる。θ is not a variable, but r is. θ is constant depending on the experimental equipment.
本発明者等は、最初低散乱角(θ;0)の装置を開発し
た。例えば、特開昭59−180945号公報(S、5
9.10.15公開)、特開昭61−151958号公
報(5,61,7,10公開)は低散乱角のPELS装
置を■示している。The inventors first developed a device with a low scattering angle (θ; 0). For example, JP-A-59-180945 (S, 5
9.10.15) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 151958/1983 (published on 5, 61, 7, 10) disclose a PELS device with a low scattering angle.
しかし、低散乱角のものは、第12図に示すように、表
面の凹凸の影響を受けやすいという難点がある。−回散
乱の他に二回散乱が起ることもある。However, as shown in FIG. 12, those with low scattering angles have the disadvantage that they are easily affected by surface irregularities. - In addition to double scattering, double scattering may also occur.
また、低散乱角の場合、(9)式から分るようにFによ
るKの差が少なく、分解能が低いという欠点がある。Furthermore, in the case of a low scattering angle, there is a drawback that the difference in K due to F is small and the resolution is low, as can be seen from equation (9).
PELSの原理は、(9)式に端的に示されているが、
これは−回散乱による減衰である。多重散乱してはなら
ないのである。The principle of PELS is clearly shown in equation (9), but
This is the attenuation due to -fold scattering. Multiple scattering must not occur.
低散乱角を選んだのは、イールド(Yield)が高い
という理由による。第13図に、Au、 Siからの散
乱角θとイールドの関係を示す。The reason why a low scattering angle was chosen is that the yield is high. FIG. 13 shows the relationship between the scattering angle θ from Au and Si and the yield.
イールドの相対比は、幾何学的な関係によって決まり、
原子の物性によらない。The relative ratio of yields is determined by a geometric relationship,
It does not depend on the physical properties of atoms.
この図から、θ=180°(7)に於てもイールドが極
大になる事が分る。From this figure, it can be seen that the yield reaches its maximum even when θ=180° (7).
さらにθ=πであれば、(9)式から、rに関して分解
能が最も高くなりうるという事が分る。Furthermore, if θ=π, it can be seen from equation (9) that the resolution can be the highest with respect to r.
この時、減衰係数には、(9)でθ=πとおいて、とな
る。rは原子Mと陽子mの質量の比である。At this time, the damping coefficient is set as θ=π in (9). r is the ratio of the masses of atoms M and protons m.
原子質量単位1uと陽子質量mは僅かに違うが、これを
ほぼ同じとみなすとFは質量数と呼ぶことができる。Although the atomic mass unit 1u and the proton mass m are slightly different, if they are considered to be almost the same, F can be called the mass number.
ある元素を特定すれば、rを決定でき、Kカミ求まる。If a certain element is specified, r can be determined and K kami can be found.
例を挙げる。Give an example.
へlノ場合 r=26.98 K=0.8621
Gaの場合 r=69.72 K=0.9442
2Asの場合 /’=749 K=0.9479
9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。In the case of Helno r=26.98 K=0.8621
For Ga r=69.72 K=0.9442
For 2As /'=749 K=0.9479
It is 9. It is easy to calculate K for all elements.
つまり、陽子の最終的な運動エネルギーE1を測定すれ
ば、EOとの比からKが分る。そしてrが分り、陽子が
散乱された相手の原子が分る。In other words, by measuring the final kinetic energy E1 of a proton, K can be determined from the ratio to EO. Then, by knowing r, we can find out the atom to which the proton was scattered.
スルト、エネルギースペクトルから、その原子の存在量
が分るわけである。The amount of atoms present can be determined from the energy spectrum.
多くの場合、EOは100 keV程度とする。In many cases, EO is about 100 keV.
PELSの原理はこのように簡単である。The principle of PELS is thus simple.
このような測定が可能であるためには、陽子が一回だけ
散乱される事が必要である。For such measurements to be possible, it is necessary that the protons be scattered only once.
また、Elを直接測定するかわりに、エネルギーロスΔ
E=(1−K)EQを測定する事もできる。Also, instead of directly measuring El, the energy loss Δ
It is also possible to measure E=(1-K)EQ.
陽子エネルギーロスの分布を測定することがら、PEL
Sの名前があるわけである。To measure the distribution of proton energy loss, PEL
There is a name for S.
(ロ) シャドウ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、陽子mが衝突し散乱されると、前
方に陽子が到達しえない部分が生ずる。これをシャドウ
コーンといっている。 。(b) Depth analysis using shadow cone As shown in FIG. 4, when protons m collide with heavy atoms M and are scattered, a portion is created in front of the protons that the protons cannot reach. This is called a shadow cone. .
原子Mの遠くを通る陽子は殆んど散乱されず、近くを通
る陽子は散乱されやすい。このためシャドウコーンがで
きる。Protons that pass far away from the atom M are hardly scattered, and protons that pass close to the atom M are easily scattered. This creates a shadow cone.
陽子の進行方向をX軸とし、これに直角な方向をy軸と
する。The direction in which the protons travel is defined as the X-axis, and the direction perpendicular to this is defined as the y-axis.
原子と陽子の間に働く斥力がクーロンカであるとすれば
、
シャドウコーンの式は
によって与えられる。eは電荷素置、2は陽子の電荷、
Zは原子の電荷(eを単位として)である。If the repulsive force acting between an atom and a proton is a Kulonka, the formula for the shadow cone is given by. e is the charge element, 2 is the charge of the proton,
Z is the charge of the atom (in units of e).
シャドウコーンを巧みに利用すると、試料の一層目がど
の原子で構成されているか?という事が分る。By skillfully using the shadow cone, you can determine which atoms are made up of the first layer of the sample. I understand that.
第5図に於て、GaAs試料の表面に陽子ビームを垂直
入射させたとする。Gaによっても、 Asによっても
散乱されるので、第6図にζ示すように、エネルギー損
失分布について、2つのピークが生ずる。In FIG. 5, it is assumed that a proton beam is vertically incident on the surface of a GaAs sample. Since it is scattered by both Ga and As, two peaks occur in the energy loss distribution, as shown in FIG. 6.
次に、第7図に示すように、陽子ビームを斜入射させる
6そして、第2層目の原子が、第1層目の原子の作るシ
ャドウコーンに入るようにする。Next, as shown in FIG. 7, a proton beam is made obliquely incident 6, and the atoms in the second layer are made to enter the shadow cone formed by the atoms in the first layer.
この場合、陽子エネルギー損失分布に於て、第1層目の
原子に対応するものだけが現われる。第8図に示すとお
り、Gaのピークだけが現われる。これらの結果から、
試料の第1層目がGaであることが分る。In this case, only those corresponding to the atoms in the first layer appear in the proton energy loss distribution. As shown in FIG. 8, only the Ga peak appears. From these results,
It can be seen that the first layer of the sample is Ga.
に)電子衝突を利用した深さ分析
陽子ビームが試料の中へ入ると、電子との衝突によって
も、陽子はエネルギーを失う。電子衝突lIζよるエネ
ルギーロスは試料の中を走行する距離に比例している。) Depth analysis using electron collisions When a proton beam enters a sample, the protons lose energy due to collisions with electrons. Energy loss due to electron collision lIζ is proportional to the distance traveled within the sample.
第9図によって説明する。This will be explained with reference to FIG.
表層と角θ/2をなす陽子ビームがある。これが第1層
の5点で散乱されて、θ/2の方向に散乱される場合と
第2層のG点で散乱、される場合について、エネルギー
ロスの差異がある。エネルギーロス差は
θ
ΔF = 2 d S cosec −(12)である
。dは層間距離、Sは電子の阻止能である。There is a proton beam making an angle θ/2 with the surface layer. There is a difference in energy loss between the case where this is scattered at five points on the first layer and in the direction of θ/2 and the case where it is scattered at point G on the second layer. The energy loss difference is θ ΔF = 2 d S cosec − (12). d is the interlayer distance, and S is the electron stopping power.
θが小さいほどΔFが大きい。θ=πであっても、例え
ばd=5.6人、S = 10 eV/人 とすると、
ΔF=112eV となる。The smaller θ is, the larger ΔF is. Even if θ=π, for example, if d=5.6 people and S=10 eV/person,
ΔF=112eV.
垂直入射(θ=π)であっても、1層目と2層目の散乱
陽子のエネルギーが約100eV程度異なる。Even at normal incidence (θ=π), the energies of the scattered protons in the first and second layers differ by about 100 eV.
これは、散乱の主体である原子Mが同一であっても、1
層目と2層目で異なったエネルギー損失ニなるという事
である。This means that even if the atoms M that are the main cause of scattering are the same, 1
This means that the energy losses in the first and second layers are different.
θを十分に小さくシ、ΔFを大きくすれば、1層目での
異種原子、2層−での異種原子からの陽子散乱を識別す
ることができる。If θ is made sufficiently small and ΔF is made large, proton scattering from foreign atoms in the first layer and from foreign atoms in the second layer can be identified.
(3)測定装置の概要
第10図に、散乱角θが180°である場合の、従来の
PELS測定装置の概要を示している。(3) Overview of measuring device FIG. 10 shows an overview of a conventional PELS measuring device when the scattering angle θ is 180°.
イオン源Aから引出された陽子イオンビームは、マグネ
ツ)Bによって質量分析される。1価の陽子イオンのみ
が選ばれて、加速管Cへ入り加速される。The proton ion beam extracted from the ion source A is subjected to mass analysis by a magnet B. Only monovalent proton ions are selected, enter the acceleration tube C, and are accelerated.
引出しのエネルギーEeXと、加速管Cでの加速エネル
ギーEaCCの和である運動エネルギーEOを持つよう
になり、このエネルギーで試料Σに当たる。It has a kinetic energy EO which is the sum of the extraction energy EeX and the acceleration energy EaCC in the accelerating tube C, and this energy hits the sample Σ.
試料Σの表面原子により陽子が散乱される。Protons are scattered by surface atoms of sample Σ.
θ=πの散乱角のもののみが加速管を逆に走る。Only those with a scattering angle of θ=π run in the opposite direction through the accelerator tube.
θ≠πθものはチャンバ壁に衝突し、イオンから中性分
子H2に戻り、排気される。Those with θ≠πθ collide with the chamber wall, return from ions to neutral molecules H2, and are exhausted.
θ=πのものは加速管を逆に走るから、減速される。つ
まり、こんどは減速管として働らく。The one with θ=π runs in the opposite direction through the accelerator tube, so it is decelerated. In other words, it will now work as a speed reducer.
減速のエネルギーEdecは、加速エネル:Jf −E
accに等しい
Eacc = Edec (+3)同一
の加速管C1減速管りで陽子ビームを加速し、減速でき
るのが、θ−πの場合の優れて有利な点である。The deceleration energy Edec is the acceleration energy: Jf −E
Eacc = Edec (+3) The great advantage of the θ-π case is that the proton beam can be accelerated and decelerated by the same accelerator tube C1 deceleration tube.
減速された陽子ビームはマグネットEで直角に曲げられ
、マグネットFでさらに直角に曲げられ6゜そり、−C
,陽子、よアカ、イヶーG蒜。いわす、。The decelerated proton beam is bent at right angle by magnet E, further bent at right angle by magnet F, warped by 6 degrees, -C
, Yoko, Yoaka, Igar G Garlic. Iwasu.
マグネットE1Fの2つのマグネットが要るのは、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、これを一点に収束させるためである。The reason why the two magnets E1F are required is to converge the proton beam energy, which varies due to scattering loss ΔE, to one point.
一点に収束された陽子ビームは、アナライザーGで、エ
ネルギーが検出される。The energy of the proton beam focused on one point is detected by the analyzer G.
アナ7ライザーの極板の間には電圧VQ、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のいずれかのチャンネルに入
る。どのチャンネルに入ったかということで、スリット
から降下した位置までの距離りが分る。これから、入射
した時の陽子の運動エネルギーが分る。A voltage VQ is applied between the electrode plates of the analyzer 7. The protons entering through the slits enter one of the channels of the microchannel plate H, drawing a parabola. Depending on which channel it enters, the distance from the slit to the position it descended to can be determined. From this, we can find out the kinetic energy of the proton when it is incident.
陽子の運動エネルギーが大゛きければ大きいほど、アナ
ライザーGでの飛程りが大きくなる。The greater the proton's kinetic energy, the greater its range in analyzer G.
アナライザーGのスリットに入射した時の陽子の運動エ
ネルギーをEa1人射入射時の陽子ビームと平行電極と
のなす角を1、平行電極距離をh1極板間静電圧をVO
とすると、
である。・飛程りの分布から、陽子エネルギーEaの分
布が分る。つまり、陽子のエネルギー分布を測定するこ
とができる。The kinetic energy of the protons when they enter the slit of the analyzer G is Ea1 The angle between the proton beam and the parallel electrode at the time of incidence is 1, the parallel electrode distance is h1, the electrostatic voltage between the plates is VO
Then, .・The distribution of proton energy Ea can be found from the distribution of range. In other words, it is possible to measure the energy distribution of protons.
第10図の装置は全て高真空中にある。特に試料Σのあ
る部分は超高真空でなければならない。真空でなければ
、陽子が気体分子に衝突し、これによってエネルギー損
失を生じ、試料Σによる散乱損失ΔEを知る事ができな
いようになるからである。The apparatus of Figure 10 is all in high vacuum. In particular, a certain part of the sample Σ must be under ultra-high vacuum. This is because if there is no vacuum, protons will collide with gas molecules, resulting in energy loss, making it impossible to know the scattering loss ΔE due to the sample Σ.
簡単のため第10図に於て真空チャンバ、真空iト気装
置の図示を省略している。For the sake of simplicity, the vacuum chamber and vacuum device are not shown in FIG. 10.
(ロ)陽子のエネルギー変化 第11図によって陽子のエネルギー変化を説明する。(b) Energy change of protons The energy change of protons will be explained with reference to FIG.
左から右へ陽子の位置が移動する。これはポテンシャル
エネルギーを表現している。The position of the proton moves from left to right. This represents potential energy.
イオン源での陽子のイオン引出し電圧がVexである。The ion extraction voltage of protons at the ion source is Vex.
陽子電荷をqとすると、これによるポテンシャルエネル
ギーがqVexである。イオン源を出た時は、これだけ
のエネルギーが運動エネルギーになっている。If the proton charge is q, the potential energy due to this is qVex. When the ion source leaves the source, this amount of energy has become kinetic energy.
加速管Cでの加速電圧がVaccである。加速管を出て
、試料Σに当る直前の運動エネルギーはq(Vex +
Vacc )となる。これがEoである。約100k
eV程度であ”る。 ゛
陽子ビームが試料に当たり散乱される。散乱によるエネ
ルギー損失をΔEとする。The accelerating voltage at accelerating tube C is Vacc. The kinetic energy just before it leaves the accelerator tube and hits the sample Σ is q(Vex +
Vacc). This is Eo. Approximately 100k
The proton beam hits the sample and is scattered. Let the energy loss due to scattering be ΔE.
次に、加速管を逆行してゆき、 qVaccに等しい運
動エネルギーを失う。It then moves backwards through the accelerator tube, losing kinetic energy equal to qVacc.
アナライザーGに入った時の運動エネルギーEaは
Ea==qVO−ΔE (+51で
ある。ここでvOは引出し電圧Vexに等しい。The kinetic energy Ea when it enters the analyzer G is Ea==qVO−ΔE (+51, where vO is equal to the extraction voltage Vex.
エネルギー損失が0であると仮定した時のアナライザー
Gへの入射エネルギーという事もできる。It can also be said to be the incident energy to the analyzer G assuming that the energy loss is 0.
Eaは0.5keV程度とし、散乱陽子エネルギーE。Ea is about 0.5 keV, and the scattered proton energy E.
E s= q (Vex + Vacc )−ΔE
(1c9を100keV程度とする。E s = q (Vex + Vacc) - ΔE
(1c9 is about 100 keV.
E、は本来、変数のはずである。しかし、対象となる原
子を予め決めておき、これに対するE。E should originally be a variable. However, the target atom is determined in advance, and E is applied to it.
がQ、5keV程度になるようにVaccを決定するの
である。Vacc is determined so that Q is approximately 5 keV.
(+) P E L S装置の全体 第14図はPELS装置の全体の概略斜視図である。(+) Entire P E L S device FIG. 14 is a schematic perspective view of the entire PELS device.
イオン源から出た陽子ビームは、アインツエルレンズで
集束され、マグネットで曲げられ、加減速管で加速され
る。The proton beam emitted from the ion source is focused by an Einzel lens, bent by a magnet, and accelerated by an acceleration/deceleration tube.
超高真空チャンバの中に試料がセットされて0る。試料
はマニピュレータによって操作する事ができる。A sample is set in an ultra-high vacuum chamber and evacuated. The sample can be manipulated using a manipulator.
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。The accelerated proton beam is focused by a Q lens and hits a sample in an ultra-high vacuum chamber.
試料面で散乱された陽子の内、θ=180°のものが超
高真空チャンバから出てゆき、減速される。Among the protons scattered on the sample surface, those with θ=180° exit the ultra-high vacuum chamber and are decelerated.
これがマグネット1.2によって1800曲げられアナ
ライザーに入る。ここで、エネルギーロスΔEが測定さ
れる。This is bent 1800 degrees by magnet 1.2 and enters the analyzer. Here, energy loss ΔE is measured.
(1)従来技術の問題点 以上で、PELS装置の概略を説明した。(1) Problems with conventional technology The outline of the PELS device has been described above.
試料に当てる陽子イオンビームは数組の直径を持ってい
る。The proton ion beam that hits the sample has several diameters.
試料の平面位置分解能は陽子ビームスポットサイズによ
って制限される。ビーム径が数闘であるから、位置分解
能も数闘であった。The planar position resolution of the sample is limited by the proton beam spot size. Since the beam diameter was several degrees, the position resolution was also several degrees.
しかし、目的によっては、試料の表面の原子配置状態を
、より高い分解能で観察したいという場合がある。However, depending on the purpose, there may be cases where it is desired to observe the atomic arrangement state on the surface of the sample with higher resolution.
もうひとつの問題は、装置の全体が大きくなしすぎる、
という事である。Another problem is that the entire device is too large.
That's what it means.
180°散乱であるから、入射ビームと出射ビームとを
分けなければならない。これは電界の作用ではできない
。ローレンツ力を利用しなければならず、マグボットを
必要とする。Since it is a 180° scattering, the incident beam and the outgoing beam must be separated. This cannot be done by the action of an electric field. Must use Lorentz force and requires Magbot.
イオン源から出た陽子イオンをマグネットにより90°
偏向させ試料に当てる。試料で散乱されて戻ってきたビ
ームを90°偏向させ、場合によってはさらに900偏
向させて静電アナライザー〇に入射させる。Proton ions emitted from the ion source are held at 90° by a magnet.
Deflect it and hit the sample. The beam that has been scattered by the sample and returned is deflected by 90 degrees, and in some cases further deflected by 900 degrees, and is made incident on the electrostatic analyzer 〇.
このため、イオン源、マグネット、静電アナライザーを
結ぶ線と、マグネット、試料を結ぶ線が直交した形にな
る。さらに、このような装置は同一水平面上にあり、陽
子ビニムは水平面上を運動する。Therefore, the line connecting the ion source, magnet, and electrostatic analyzer is perpendicular to the line connecting the magnet and sample. Furthermore, such devices are co-horizontal, and the proton binim moves on the horizontal plane.
このようなわけで、装置の構成部品の配置が複雑であや
、しかも水平面に分布しているから装置の占有面積が広
くなりすぎる。スペースをとりすぎるという問題があっ
た。For this reason, the arrangement of the components of the device is complicated and distributed in a horizontal plane, resulting in an excessively large area occupied by the device. The problem was that it took up too much space.
従来の装置は、2m幅X3m奥行の面積が必要であった
。The conventional device required an area of 2 m wide x 3 m deep.
eつ 目 的
平面位置分解能の高い表面解析装置を提供する事が本発
明の第1の目的である。つまり、深さ方向だけでなく平
面方向の情報も提供する事、ができるようなPELS原
理を用いた表面解析装置である。A first object of the present invention is to provide a surface analysis device with high plane position resolution. In other words, it is a surface analysis device using the PELS principle that can provide information not only in the depth direction but also in the planar direction.
装置占有面積が小さい表面解析装置を提供する事が本発
明の第2の目的である。A second object of the present invention is to provide a surface analysis device that occupies a small area.
←)構 成
本発明のPELS装置は、陽子ビームを水平に運動させ
るのではなく、上から下へ、下から上へと垂直に運動さ
せる。←) Configuration The PELS device of the present invention does not move the proton beam horizontally, but moves it vertically from top to bottom and from bottom to top.
また平面位置分解能を高めるためビーム径の小さいマイ
クロビームを用いる。In addition, a microbeam with a small beam diameter is used to increase the plane position resolution.
そして、二次元位置情報を得やすくするため、陽子ビー
ムを二次元的に走査するようにしている。In order to easily obtain two-dimensional position information, the proton beam is scanned two-dimensionally.
さらに、散乱ビームと入射ビームが異なる経路を−とる
ためにマグネットで90°あるいは180°ビームを曲
げなくてもよいようにした装置を与える。Furthermore, the present invention provides an apparatus that eliminates the need for magnets to bend the beam by 90 DEG or 180 DEG in order for the scattered beam and the incident beam to take different paths.
このためにウィーンフィルタを用いている。For this purpose, a Wien filter is used.
第1図によって本発明の表面解析装置の概略を示す。FIG. 1 shows an outline of the surface analysis apparatus of the present invention.
イオン源1は、マイクロビームを発生できるイオン源で
ある。たとえば水素ビームを扱うことのできるガス電界
電離型イオン源を使用する。これによると、陽子ビーム
スポットサイズが1μmφ以下にできる。The ion source 1 is an ion source that can generate a microbeam. For example, a gas field ionization type ion source that can handle hydrogen beams is used. According to this, the proton beam spot size can be reduced to 1 μmφ or less.
イオン源は下向きに据付けられており、陽子イオンを下
向きに出射する。The ion source is installed facing downward and emits proton ions downward.
陽子ビームは下向きに進み、ウィーンフィルタ2を真直
に通り抜ける。The proton beam travels downward and passes straight through the Wien filter 2.
第1図に於て、水平面上にX軸、Y軸をとり、鉛直上向
きに2軸をとる。In FIG. 1, the X-axis and Y-axis are placed on the horizontal plane, and the two axes are placed vertically upward.
この座標系でいえば、ビームはZ軸に反平行シテ飛んで
いるという事ができる。Z方向と表現する。In this coordinate system, the beam can be said to be flying antiparallel to the Z axis. Expressed as the Z direction.
ウィーンフィルタ2を2方向に抜ける。It passes through the Wien filter 2 in two directions.
ウィーンフィルタ2は、電場Eと磁場°Bとを直角に発
生させたフィルタである。これは特定の速度7を持つ荷
電粒子だけを真直ぐに通すが、それ以外の速度Vの荷電
粒子は電場の方向へ曲げられる。The Wien filter 2 is a filter in which an electric field E and a magnetic field °B are generated at right angles. This allows only charged particles with a specific velocity 7 to pass straight through, while charged particles with other velocities V are bent in the direction of the electric field.
曲げられる程度は速度Vの基準値からのずれによる。The degree of bending depends on the deviation of the speed V from the reference value.
電場と磁場により荷電粒子はローレンッカアを受けるが
、MKS単位系で
F=Q(E十¥XB) (17)と
なる。ある速度に対しては
V=・ (国
となる。このようになる速度を直進速度voと呼ぶこと
にする。電場と磁場による力が完全に打消しあって、こ
の粒子は直進することができるからである。A charged particle undergoes Lorenkar due to the electric field and magnetic field, but in the MKS unit system, F=Q(Ex\XB) (17). For a certain speed, V=. It is from.
E+ (voxB)=o (19)である
。これ以外の速度を持つ粒子はウィーンフィルタを直進
できず、経路が曲げられる。E+ (voxB)=o (19). Particles with other velocities cannot travel straight through the Wien filter, and their paths are bent.
残りの力Fは ?=q(盲X百)(2φ ただし、 u = v −vo @l)である。The remaining force F is ? = q (blind x 100) (2φ however, u = v − vo @l).
ウィーンフィルタの電場と磁場の方向は直交する。The directions of the electric field and magnetic field of the Wien filter are orthogonal.
電場がX方向に、磁場がY方向にあるとする。Assume that the electric field is in the X direction and the magnetic field is in the Y direction.
陽子の速度ベクトル成分を(u、v%W)とする。電場
は(E、0.0)、磁場は(0、B10)である。力の
成分F、、 Fy、 FZについて、(14式を具体的
に書けば、F’x=q(E−wB) HF’
y=o 固
F’z=quB (23)である。直
進速度voは、
であるという事が分る。Z方向成分だけがあってこの大
きさがE/Bだという事である。これは、ウィーンフィ
ルタを上から下へ抜ける往きのビームに於て満足されな
ければならない条件である。この座標では、Z軸を上向
きにとっている。下向きのビームの速度は負という事に
なり、(241の2成分E/Bは負の数である。Let the proton velocity vector component be (u, v%W). The electric field is (E, 0.0) and the magnetic field is (0, B10). Regarding the force components F,, Fy, FZ, (Written Equation 14 specifically, F'x=q(E-wB) HF'
y=o hard F'z=quB (23). It can be seen that the straight-line speed vo is as follows. There is only a Z-direction component, and this magnitude is E/B. This is a condition that must be satisfied in the beam passing through the Wien filter from top to bottom. In this coordinate, the Z axis points upward. The velocity of the downward beam is negative, so the two-component E/B of 241 is a negative number.
ベクトルで示すのは煩雑であるから、Z成分の直進速度
をwoといい、以後、’o=E/Bという意味で使う事
もある。Since it is complicated to express it as a vector, the straight-line velocity of the Z component is called wo, and hereinafter it is sometimes used to mean 'o=E/B.
ウィーンフィルタ2を上から下へ抜ける時に、この条件
下で直進できる。When passing through the Wien filter 2 from top to bottom, it is possible to go straight under this condition.
しかし、下から上へ抜ける時は、たとえ絶対値が同じで
あってもウィーンフィルタを直進できない。限らすX方
向に曲がる事になる。However, when passing from the bottom to the top, it is not possible to go straight through the Wien filter even if the absolute values are the same. It will bend in the X direction.
どのように曲がるか?という事については後に述べる。how to bend? I will talk about that later.
ウィーンフィルタで曲がるから、入射(下向き)ビーム
と、散乱(上向き)ビームとを分離できるのである。Since it is bent by a Wien filter, it is possible to separate the incident (downward) beam from the scattered (upward) beam.
加減速管3は、複数の電極が陽子ビームの進行方向に配
置され、静電圧が印加されたものである。The acceleration/deceleration tube 3 has a plurality of electrodes arranged in the direction in which the proton beam travels, and an electrostatic voltage is applied thereto.
加減速管3を上から下へ通ると加速される。下から上へ
通ると減速される。When passing through the acceleration/deceleration tube 3 from top to bottom, it is accelerated. Passing from the bottom to the top will slow you down.
スリット4は、陽子ビームの経路の途中に設けられる。The slit 4 is provided in the middle of the proton beam path.
これは陽子Hだけを通すものである。イオン源からはH
の他にH2H2などのイオンも出る惧れがある。これら
は質量、電荷が陽子Hと異なるので、運動エネルギー、
速度が陽子と異なる。This allows only protons H to pass through. H from the ion source
In addition, ions such as H2H2 may also be released. These have different mass and charge from protons H, so their kinetic energy,
The speed is different from that of protons.
これらは除去しなければならない。ウィーンフィルタ2
は、これらを直進させずに曲げるので、スリット4の後
面に当たってしまう。H以外のイオンを除去するのがス
リット4の役割である。These must be removed. Vienna filter 2
Since these are bent instead of going straight, they hit the rear surface of the slit 4. The role of the slit 4 is to remove ions other than H.
X方向の走査電極5は、X方向の電界EXを生じ、陽子
ビームをX方向へ振る作用がある。The scanning electrode 5 in the X direction generates an electric field EX in the X direction, and has the effect of swinging the proton beam in the X direction.
Y方向の走査電極6は、Y方向の電界EVを生じ、陽子
ビームをY方向へ振る作用がある。The scanning electrode 6 in the Y direction generates an electric field EV in the Y direction, and has the effect of swinging the proton beam in the Y direction.
陽子ビームの経路の最下端にステージ7がある。There is a stage 7 at the lowest end of the proton beam path.
この上に試料Σを戴置する。ステージγはx、 y1z
方向に移動する事ができる。つまり試料Σは、X、7%
Z方向に動かすことができる。Place sample Σ on top of this. Stage γ is x, y1z
You can move in the direction. In other words, sample Σ is X, 7%
It can be moved in the Z direction.
これらの装置の全体は真空容器の中に収容されている。The entire device is housed in a vacuum container.
試料Σに於ける真空度が最も高い。10−10〜10−
’、” Torr程度の超高真空である。The degree of vacuum in sample Σ is the highest. 10-10~10-
',' This is an ultra-high vacuum of about Torr.
イオン源1の真空度は低(10−’〜10−5Torr
程度である。イオン源1から試料Σに至る空間も高真空
に保たれる。The degree of vacuum in the ion source 1 is low (10-' to 10-5 Torr).
That's about it. The space from the ion source 1 to the sample Σ is also maintained at a high vacuum.
必要な真空度が異なるので、小さい穴を有する板によっ
て空間を仕切り、各空間に真空排気装置を設ける。そし
て各空間を差動排気する。Since the required degree of vacuum differs, the spaces are partitioned by plates with small holes, and each space is equipped with an evacuation device. Then, each space is differentially pumped.
(ロ)作 用
イオン源1は、極めて細い陽子イオンビームを発生する
。ビ7ム径は1μmφ以下である。従来のものは0.2
MM〜0,5ar*φであるから、これに比べて極めて
細い。(b) Operation The ion source 1 generates an extremely narrow proton ion beam. The diameter of the beam 7 is 1 μmφ or less. The conventional one is 0.2
Since it is MM~0.5ar*φ, it is extremely thin compared to this.
イオン源から出た陽子イオンは、Z軸方向に延 −びた
経路を進行する。そこで、この経路をZ軸経路と呼ぶ。Proton ions emitted from the ion source travel along a path extending in the Z-axis direction. Therefore, this path is called the Z-axis path.
ウィーンフィルタ2はイオン源から出た陽子イオンビ・
−ムのみを直進させる。そこで、H2+やH2++がも
し混在してもウィーンフィルタ2で曲げられ、スリット
4に当たって除去される。The Wien filter 2 collects proton ions from the ion source.
- Only the vehicle moves straight ahead. Therefore, even if H2+ and H2++ are present, they are bent by the Wien filter 2, hit the slit 4, and are removed.
陽子ビームのみが、ウィーンフィルタダ2を通り抜け、
スリット4を通る。ここまでの運動エネルギーはq V
exである。Vexはイオン引出し電圧である。Only the proton beam passes through the Wien filter 2,
Pass through slit 4. The kinetic energy up to this point is q V
It is ex. Vex is the ion extraction voltage.
さらに、加減速管3を加速方向へ通り抜けて加速される
。加速電圧Vaccを得て、約100keV程度の速さ
になる。運動エネルギーはq (Vex + Vacc
)である。Furthermore, it passes through the acceleration/deceleration tube 3 in the acceleration direction and is accelerated. An accelerating voltage Vacc is obtained, resulting in a speed of about 100 keV. Kinetic energy is q (Vex + Vacc
).
ここまでは鉛直下向きのビームである。Up to this point, the beam is pointing vertically downward.
さらに、X方向の走査電極5とY方向の走査電極6とが
あり、ここを通り抜ける時に、X方向、Y方向にビーム
が振られる。Furthermore, there are a scanning electrode 5 in the X direction and a scanning electrode 6 in the Y direction, and when passing through these, the beam is swung in the X direction and the Y direction.
陽子ビームはさらに、ステージ7の上に戴置された試料
Σに当たる。ビームをX%Y方向にで振る事により、試
料Σの表面を広い範囲でX%Y方向に走査する事ができ
る。The proton beam further impinges on the sample Σ placed on the stage 7. By swinging the beam in the X%Y direction, the surface of the sample Σ can be scanned over a wide range in the X%Y direction.
試料の原子と衝突し、180°散乱された陽子は、全く
同一の経路を反対に戻り、走査電極6.5を逆に通り抜
ける。The protons that collided with atoms of the sample and were scattered by 180° return along exactly the same path in the opposite direction and pass through the scanning electrode 6.5 in the opposite direction.
電場に対しては、時間反転不変性があるので、電極をそ
のまま反対方向に通り抜ける事ができる。Since the electric field has time reversal invariance, it can pass through the electrode in the opposite direction.
もちろんエネルギーロスΔEがあるので、完全に反対方
向というわけではない。Of course, since there is energy loss ΔE, the direction is not completely opposite.
さらに陽子は、加減速管3を減速方向に通り抜けて減速
される。Further, the protons pass through the acceleration/deceleration tube 3 in the deceleration direction and are decelerated.
減速電圧と加速電圧は等しい。Deceleration voltage and acceleration voltage are equal.
減速された陽子はスリット4の穴を通り、ウィーンフィ
ルタ2を反対向きに通る。The decelerated protons pass through the slit 4 and pass through the Wien filter 2 in the opposite direction.
ウィーンフィルタ2は下向きの直進速度woを持つ粒子
のみを直進させる。上向きの速度をもつ粒子は、直進条
件を満足しない。したがってウィーンフィルタを通る際
陽子は電場の方向へ曲がる。The Wien filter 2 allows only particles with a downward straight speed wo to travel straight. Particles with upward velocity do not satisfy the straight-line condition. Therefore, when passing through the Wien filter, protons are bent in the direction of the electric field.
彎曲の程度は速度Wによる。これは運動エネルギーによ
るが、エネルギー損失ΔEによる。The degree of curvature depends on the speed W. This is due to kinetic energy, but also due to energy loss ΔE.
それゆえ、W点で陽子は位置検出器8の方向に偏寄する
。偏寄量とエネルギー損失ΔEの間には一定の関係があ
る。Therefore, at point W, the protons are biased towards the position detector 8. There is a certain relationship between the amount of bias and energy loss ΔE.
つまり、位置検出器8に於て、陽子がZ軸とLだけ離れ
た位置に到達したとすると、偏寄量りと、ΔEとの間に
は一意的な関係が存在する。偏寄量りからΔEが分り、
散乱対象原子の質量Mが分かる。In other words, if the protons arrive at a position separated by L from the Z axis in the position detector 8, a unique relationship exists between the amount of bias and ΔE. ΔE can be found from the deviation amount,
The mass M of the atom to be scattered is known.
このような測定を、陽子ビームをX、Y方向に振りなが
ら行なうと、試料表面の原子の局所的な分布が分かる。By performing such measurements while swinging the proton beam in the X and Y directions, the local distribution of atoms on the sample surface can be determined.
X、Y走査の範囲が限られているので、試料表面上の一
部の平面的情報しか得られない。Since the range of X and Y scanning is limited, only planar information on a portion of the sample surface can be obtained.
広く試料全体の平面的情報を得るためには、ステージ7
を動かし、試料をx1Y方向に移動させて、゛再び同様
の測定を行なう。In order to broadly obtain planar information of the entire sample, stage 7
, move the sample in the x1Y direction, and perform the same measurement again.
このような測定を繰返すことによって、試料表面全体の
原子分布を測定で象る。By repeating such measurements, the atomic distribution over the entire surface of the sample can be simulated.
第18図は、A、B原子量からなる表面を持つ試t[を
本発明のPELS装置でビーム走査している動作を示す
。走査は左から右へとなされている。入射ビームが試料
に当たり、散乱ビームが試料から上方へ飛んでゆく。FIG. 18 shows the beam scanning operation of sample t[ having a surface composed of A and B atomic weights with the PELS apparatus of the present invention. Scanning is done from left to right. The incident beam hits the sample and the scattered beam travels upward from the sample.
第18図はビームと試料面が直角である場合を示す。こ
れは一層目の元素組成を調べるためのものである。FIG. 18 shows the case where the beam and the sample surface are at right angles. This is to investigate the elemental composition of the first layer.
第18図(b)はA原子のスペクトルの位置に対する関
係を示している。試料の中央部の表面がB原子層で覆わ
れているので、A原子スペクトルは中央部でほぼ0とな
り、両端で大きい値となっている。FIG. 18(b) shows the relationship of the A atom to the position of the spectrum. Since the surface of the central part of the sample is covered with the B atomic layer, the A atomic spectrum is approximately 0 in the central part and has large values at both ends.
このように、横軸を位置座標とすることができる。エネ
ルギーロスΔEではない。もともとのPELSは、ある
位置に於けるΔEf:測定するだけであったが、本発明
では、ビーム走査できるので、このように局所的な変化
を知ることができるのである。In this way, the horizontal axis can be used as the position coordinate. It is not energy loss ΔE. The original PELS only measured ΔEf at a certain position, but in the present invention, the beam can be scanned, so local changes can be detected in this way.
第18図(c)はB原子スペクトルの位置による変化で
ある。試料の中央にB原子の層が存在する、という事が
分る。FIG. 18(c) shows changes in the B atom spectrum depending on the position. It can be seen that there is a layer of B atoms in the center of the sample.
これは、試料に対して垂直にビームを当て、一層目を調
べている。This uses a beam perpendicular to the sample to examine the first layer.
第19図は試料に対して斜めに陽子ビームを当てている
。2層目の組成を調べるためである。ステージを傾けて
このような入射角とする。散乱角は180°で、ある。In FIG. 19, the proton beam is applied obliquely to the sample. This is to investigate the composition of the second layer. The stage is tilted to obtain this angle of incidence. The scattering angle is 180°.
第19図(b)、(C)は2層目でのA原子、B原子の
スペクトルである。(C)から2層目にもB原子が拡散
している、という事が分る。(b)に於けるA原子スペ
クトルの中央部に於ける減少は、B原子の拡散によりA
原子が2層目からいくらかの割合で排除されている事を
意味する。FIGS. 19(b) and 19(C) are spectra of A atoms and B atoms in the second layer. It can be seen from (C) that B atoms are also diffused into the second layer. The decrease in the central part of the A atom spectrum in (b) is due to the diffusion of B atoms.
This means that some percentage of atoms are excluded from the second layer.
(■ウィーンフィルタによるエネルギー分析第2図によ
ってウィーンフィルタに於ける陽子の運動を説明する。(■Energy analysis using a Wien filter The motion of protons in a Wien filter is explained using Figure 2.
電場はX方向に存在する。平行電極がyz平而面平行に
なるよう対向して設けられる。The electric field exists in the X direction. Parallel electrodes are provided facing each other so as to be parallel to the yz plane.
磁場はY方向に存在する。磁石がその端面をX2面に平
行になるよう対向して設けられている。The magnetic field exists in the Y direction. The magnets are provided facing each other so that their end faces are parallel to the X2 plane.
ウィーンフィルタ2の空間の中心Oを原点とする座標系
を考える。Z軸上に、上からU、 OlWの3点をとる
。Consider a coordinate system whose origin is the center O of the Wien filter 2 space. Take the three points U and OlW from the top on the Z axis.
電極と磁石で囲まれる空間には、一様な電場、磁場が存
在するものとする。It is assumed that uniform electric and magnetic fields exist in the space surrounded by the electrodes and magnets.
Z軸上でいえばU〜0〜Wがウィーンフィルタの内部空
間である。On the Z-axis, U~0~W is the internal space of the Wien filter.
イオン源1から下方へ出た陽子は、ウィーンフィルタの
Z軸に沿って、U、O,Wと直進してゆく。Protons emitted downward from the ion source 1 travel straight along the Z-axis of the Wien filter in the direction of U, O, and W.
加減速管3を下から上へ抜けた陽子散乱ビームは、ウィ
ーンフィルタのZ軸下端点Wからウィーンフィルタに入
る。The proton scattered beam passing through the acceleration/deceleration tube 3 from bottom to top enters the Wien filter from the lower end point W of the Z-axis of the Wien filter.
下から上へ向う陽子に対しては、電場EがX方向に力を
及ぼす。磁場BもX方向に力を及ぼす。For protons moving from bottom to top, electric field E exerts a force in the X direction. Magnetic field B also exerts a force in the X direction.
電場Eの力も、磁場Bの力もほぼ同じである。The force of the electric field E and the force of the magnetic field B are almost the same.
ただし磁場Bによる力は、エネルギーロスがあるので、
電場Eによる力より僅かに小さい。However, the force due to magnetic field B has energy loss, so
It is slightly smaller than the force due to the electric field E.
いずれにしても、陽子はウィーンフィルタに於て、電場
Eによる力のほぼ2倍の力でX方向へ押されている。In any case, the protons are pushed in the X direction in the Wien filter with a force that is approximately twice as strong as the force due to the electric field E.
この力のため、陽子の経路は、Z軸からずれて、X方向
へ傾き、ウィーンフィルタの上端面のある一点Tからウ
ィーンフィルタを抜ける。Due to this force, the proton path deviates from the Z axis and tilts in the X direction, passing through the Wien filter from a point T on the top surface of the Wien filter.
この後、直進して、位置検出器8のいずれかのマイクロ
チャンネルに入る。このマイクロチャンネルとZ軸、と
の距離をLとする。After this, it goes straight and enters one of the microchannels of the position detector 8. Let L be the distance between this microchannel and the Z axis.
ウィーンフィルタ2のZ軸方向の高さをSとする。ウィ
ーンフィルタ2の中心から、位置検出器8の検出面まで
のZ方向距離をNとする。Let S be the height of the Wien filter 2 in the Z-axis direction. Let N be the distance in the Z direction from the center of the Wien filter 2 to the detection surface of the position detector 8.
散乱ビームのウィーンフィルタ内での運動は単純でない
。The motion of the scattered beam within the Wien filter is not simple.
そこで、以下、ウィーンフィルタを下から上へ抜ける陽
子運動を説明する。Therefore, the movement of protons passing through the Wien filter from bottom to top will be explained below.
陽子の質量がmであるので、運動方程式は、(2+i〜
(23)より
m5=q(E−wB) (25)m曇=
q u B (26jとなる。電場
Eは定数であるので、これはい0から消去できる。Since the mass of the proton is m, the equation of motion is (2+i~
From (23), m5=q(E-wB) (25) m cloudy=
q u B (26j. Since the electric field E is a constant, this can be erased from 0.
(25)、(26)を初期条件、t=o、u=o、W=
Wlという条件を付けて解く。(25) and (26) are initial conditions, t=o, u=o, W=
Solve with the condition Wl.
これは簡単に解けて、
w−wO==(wl−wO) C05(Ωt)
’(27)u = (wl−wO) sin (Ωt
) C28)B
Ω=□ しく至)となる。Wlは
散乱陽子のZ方向の速さであり正である。WOは入射陽
子のZ方向の速さであってE/Bに等しく、これは負の
値である。第2図でEは正、Bは負としている。wOの
絶対値1wolよりも、wlはエネルギー損失ΔEの分
だけ小さい。しかし、(wl −wo )が1wolの
ほぼ2倍であることに注意すべきである。(27)、内
から
(w−wO) + u2−(wl −wO)2(刻であ
る事が分る。第15図は速度ベクトル(u、w)の関係
を示す速度空間図である。円になっている。This is easy to solve, w-wO==(wl-wO) C05(Ωt)
'(27) u = (wl-wO) sin (Ωt
) C28) B Ω=□ Shikuto). Wl is the speed of the scattered protons in the Z direction and is positive. WO is the speed of the incident proton in the Z direction and is equal to E/B, which is a negative value. In Figure 2, E is positive and B is negative. wl is smaller than the absolute value of wO, 1wol, by the amount of energy loss ΔE. However, it should be noted that (wl - wo ) is almost twice as large as 1 wol. (27), it can be seen that (w-wO) + u2-(wl-wO)2 (time) from within. Fig. 15 is a velocity space diagram showing the relationship between velocity vectors (u, w). It's a circle.
ウィーンフィルタ2の内部空間が十分に広ければ、陽子
の速度u、wは、w==wlの点から、この円を右まわ
りに変化してゆく。この円はWOを中心とし半径(wl
−wo )の円であるが、woが負であり、wlは(
−WO)にほぼ等しいので、このような図になる。If the internal space of the Wien filter 2 is sufficiently wide, the proton velocities u and w will change clockwise around this circle from the point w==wl. This circle is centered at WO and has a radius (wl
−wo ), but wo is negative and wl is (
-WO), so the diagram looks like this.
Wの値が減少し、Uの値が増加してゆく。The value of W decreases and the value of U increases.
第15図のような速度変化をする時、陽子がどのような
軌跡を描くのかという事を第16図に示す。Figure 16 shows what kind of trajectory a proton draws when its velocity changes as shown in Figure 15.
これは仮想軌跡である。ウィーンフィルタが無限に広が
っており、E、 Bが存在すれば、陽子はやがて上昇運
動から下降運動、に変わる。さらに上昇、下降を続けて
ゆく。This is a virtual trajectory. If the Wien filter extends infinitely and E and B exist, the protons will eventually change from upward motion to downward motion. It continues to rise and fall.
単なる回転ではなく、下方へWOの速さで下降してゆく
。回転速度はΩであるが、これはサイクロトロン角周波
数である。It's not just a rotation, it's descending at the speed of WO. The rotational speed is Ω, which is the cyclotron angular frequency.
ウィーンフィルタ2は実際には狭いので、陽子の運動は
、この軌跡の最初の一部で終りになる。Since the Wien filter 2 is actually narrow, the movement of the protons ends in the first part of this trajectory.
第15図ではwlから点ホまでで、第16図では、点へ
まででウィーンフィルタの外へ飛びだす。In Fig. 15, it jumps out of the Wien filter from wl to point E, and in Fig. 16, it jumps to point E.
第15図、第16図はウィーンフィルタ内での陽子の軌
跡WTが単純な放物線や円でない事を示している。FIGS. 15 and 16 show that the trajectory WT of protons within the Wien filter is not a simple parabola or circle.
(2711(28)を積分しt = oで、X=O1Z
= −s/2という初期条件をつけると(W点)
2 Ω
となる。ウィーンフィルタ2を出ると直進運動になるか
ら、出射点ててのXの値、w、uの値が必要である。(integrate 2711(28), t = o, X = O1Z
If we set the initial condition of = -s/2 (point W), it becomes 2 Ω. Since it moves in a straight line after leaving the Wien filter 2, the values of X, w, and u at the exit point are required.
点TでZ = s/2であるから、点Tに到達した時の
時間tは
s ==−(wl−wO) sin (Ωt ) +w
Ot (33)Ω
によって求められる。Since Z = s/2 at point T, the time t when reaching point T is s ==-(wl-wO) sin (Ωt) +w
It is determined by Ot (33)Ω.
これを解析的に解くことができないので、Ωt〈く1と
いう仮定をして、5In(Ωt)の1項目だけをとる事
にする。コンピュータで計算する場合は(33)式をそ
のまま解いてtを求めればよい。Since this cannot be solved analytically, we will assume that Ωt < 1 and take only one item, 5In(Ωt). When calculating with a computer, t can be found by solving equation (33) as it is.
すると、このような仮定で となる。これは(Ωt)の2次以上の項を落している。Then, with such an assumption becomes. This drops the quadratic or higher order terms of (Ωt).
以下の計算はこの近似の範囲でのみ正しいのである。The calculations below are correct only within this approximation.
すると点Tに於けるY座標は、同じ近似で点Tに於ける
X方向の速度Uは
となる。T点より陽子は直進して、位置検出器8のある
1点に入る。Z軸からの距離りは、同様の近似で
L = X + u (N −−) / wl
(37)検出器8に至るまでの時間である。Then, the Y coordinate at point T is the same approximation, and the velocity U at point T in the X direction is. From point T, the protons go straight and enter a point on the position detector 8. The distance from the Z axis is L = X + u (N −-) / wl using a similar approximation.
(37) This is the time required to reach the detector 8.
結局、位置検出器8の入射位置りは、 という事になる。In the end, the incident position of the position detector 8 is That's what it means.
Wlは散乱陽子のZ方向の速度である。エネルギー損失
ΔEがなければ、wl=1wOlである。Wlの上限は
これによって決まる。これは、相手の原子の質量Mが無
限大である極限に対応する。Wl is the velocity of the scattered protons in the Z direction. If there is no energy loss ΔE, wl=1wOl. The upper limit of Wl is determined by this. This corresponds to the limit where the mass M of the other atom is infinite.
wlの下限は0である。軽い元素との衝突によりwlは
小さくなりうる。The lower limit of wl is 0. Collisions with lighter elements can reduce wl.
第17図はウィーンフィルタからT点で出射する時の出
射陽子ビームの範囲を示している。FIG. 17 shows the range of the emitted proton beam when it is emitted from the Wien filter at point T.
二点鎖線で示す曲線イが、wl=1wolの極限である
。つまり、原子の質量数Mが無限大で、ΔEが0である
極限である。Curve A shown by a two-dot chain line is the limit of wl=1wol. In other words, this is the limit where the mass number M of the atom is infinite and ΔE is 0.
一点鎖線で示す曲線ハが、wl=min(wl)の極限
である。つまり、相手の原子が軽い元素であり、ロスΔ
Eが大きい場合の極限である。Curve C shown by a dashed-dotted line is the limit of wl=min(wl). In other words, the partner atom is a light element, and the loss Δ
This is the limit when E is large.
通常は、曲線イ、ハで囲まれる曲線口から、ウィーンフ
ィルタを出ることになる。Normally, the signal exits the Wien filter through the curved opening surrounded by curves A and C.
(38)式から、Lは、E、Bが単独である場合より、
約2倍大きいという事が分る。From formula (38), L is smaller than when E and B are alone,
It turns out that it is about twice as large.
最も曲りの少ない曲線イであっても十分にZ軸から離れ
うる。このため、ウィーンフィルタによって、入射ビー
ム、散乱ビームを分離する事ができるのである。Even curve A with the least curvature can be sufficiently far away from the Z axis. Therefore, the Wien filter can separate the incident beam and scattered beam.
(2)エネルギー分解能
WOとwlは、次の式によってエネルギーに関係づけら
れる。(2) Energy resolution WO and wl are related to energy by the following equation.
−m w12= (q Vex−ΔF )
(40)これから
を得る。Lを(ΔE)で微分すると、
となる。1/W1の3乗の変化をする。質量数Mの小さ
い原子に対して、特に分解能が高いという事(ホ)効
果
(1) マイクロビームを使うので、位置分解能が高
くなる。−m w12= (q Vex−ΔF )
(40) Get something from this. When L is differentiated by (ΔE), it becomes. The change is 1/W1 to the third power. The fact that the resolution is particularly high for atoms with a small mass number M (e) is effective.
Consequences (1) Using a microbeam increases positional resolution.
(11)陽子ビームを二次元平面に於て走査するので、
試料の二次元の情報を得ることができる。(11) Since the proton beam is scanned on a two-dimensional plane,
Two-dimensional information about the sample can be obtained.
(110ウィーンフィルタを使うから、上向き、下向き
ビームの分離が簡単である。マグネットを入射側、出射
側(1又は2個)に設ける必要がない0
りφ ビームは垂直方向に存在する。全ての装置も上下
方向に配置される。また上下にリニヤに並ぶ。このため
装置の占有面積を減す事ができる。(Since a 110 Wien filter is used, it is easy to separate the upward and downward beams. There is no need to install a magnet on the input side and output side (1 or 2). The beams exist in the vertical direction. All The devices are also arranged vertically.Also, they are arranged vertically in a linear manner.Therefore, the area occupied by the devices can be reduced.
たとえば2mX2mの面積に納める事ができるようにな
る。For example, it will be possible to fit it into an area of 2m x 2m.
第1図は本発明の表面解析装置の全体略構成図。
第2図はウィーンフィルタ内での陽子ビームの運動を説
明するための斜視図。
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層を識別できる事を説明する散乱断
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をAu、 Si
について示すグラフ。
第14図はPELS装置の実際を示す略斜視図。
第15図はウィーンフィルタ内空間が無限に拡がつてい
ると仮定した場合のX方向速度成分u1Z方向速度成分
Wの時間的変化を示す図。
第16図はウィーンフィルタ内空間が無限に拡がってい
ると仮定した場合の陽子の運動を示す図。
第17図はウィーンフィルタへ入る時の散乱陽子のZ方
向速度W1の値により、ウィーンフィルりから斜出対さ
れる角度が異なることを示す図。
第18図はビームを試料へ垂直に当てて、A原子層の上
にB原子層が存在する試料の表面の原子分布を調べる方
法を示す図。
第19図はビームを試料へ斜めに当てて、試料の2層目
の原子分布を調べる方法を示す図。
1 ・・・・・・・・・・・・ イ オ ン 源
2・・・・・・・・・・・・ウィーンフィルタ3・・・
・・・・・・・・・加減速管
4 ・・・・・・・・・・・・ ス リ ッ ト
5・・・・・・・・・・・・X走査電極6・・・・・・
・・・・・・Y走査電極7・・・・・・・・・・・・ス
テ − ジ8・・・・・・・・・・・・位置検出器A
・・・・・・・・・・・・イ オ ン 源B・・・・・
・・・・・・・マグネットC・・・・・・・・・・・・
加 速 管D・・・・・・・・・・・・減 速 管E%
F・・・・・・・・・マグネット
G・・・・・・・・・・・・アナライザーH・・・・・
・・・・・・・位置検出器L・・・・・・・・・・・・
アナライザーに於る飛程(位置検出器の検出点のZ軸か
らの距離)
M・・・・・・・・・・・・原子質量
m・・・・・・・・・・・・陽子質量
N・・・・・・・・・・・・ウィーンフィルタの中心か
ら位置検出器までのZ方向距離
0・・・・・・・・・・・・ウィーンフィルタの中心(
原点)U・・・・・・・・・・・・イオン源から出た陽
子のウィーンフィルタへの入射点
W・・・・・・・・・・・・散乱ビームのウィーンフィ
ルタへの入射、白Σ・・・・・・・・・・・・試
料W・・・・・・・・・・・・Z方向速度成分U・・・
・・・・・・・・・X方向速度成分wO・・・・・・・
・・イオン源から出た陽子のZ方向速度成分
wl・・・・・・・・・散乱減速後の陽子のZ方向速度
成分
Vex・・・・・・イオン引出し電圧
Vacc・・・・・・加速電圧
Ea・・・・・・アナライザーに入射した時の電圧ΔE
・・・・・・散乱によるエネルギー損失Vo・・・・・
・アナライザー電圧
発明者 青木正彦FIG. 1 is an overall schematic diagram of the surface analysis apparatus of the present invention. FIG. 2 is a perspective view for explaining the movement of a proton beam within the Wien filter. FIG. 3 is an explanatory diagram of the velocity relationship before and after the proton m collides with the atom M. FIG. 4 is an explanatory diagram of a shadow cone that occurs in front when protons are scattered by atoms. FIG. 5 is a GaAs crystal surface diagram for explaining normal incidence scattering in PELS. FIG. 6 is a PELS proton energy loss diagram in the incident direction of FIG. 5. Figure 7 shows G for explaining oblique incidence scattering in PELS.
aAs surface diagram. FIG. 8 is a PELS proton energy loss diagram in the incident direction of FIG. 7. FIG. 9 is a scattering cross-sectional view illustrating that the first layer and the second layer can be distinguished by an increase in proton energy loss due to electron collision. Figure 10 is a diagram showing the principle configuration of PELS. Figure 11 is a proton potential energy configuration diagram. FIG. 12 is an explanatory diagram of a scattered beam at a low scattering angle. Figure 13 shows the difference in yield depending on the scattering angle for Au and Si.
Graph showing about. FIG. 14 is a schematic perspective view showing the actual PELS device. FIG. 15 is a diagram showing temporal changes in the X-direction velocity component u1 and the Z-direction velocity component W, assuming that the space inside the Wien filter extends infinitely. FIG. 16 is a diagram showing the movement of protons assuming that the space inside the Wien filter extends infinitely. FIG. 17 is a diagram showing that the angle at which the scattered protons are obliquely exited from the Wien filter varies depending on the value of the Z-direction velocity W1 of the scattered protons when entering the Wien filter. FIG. 18 is a diagram showing a method of examining the atomic distribution on the surface of a sample in which a B atomic layer exists on an A atomic layer by applying a beam perpendicularly to the sample. FIG. 19 is a diagram showing a method of examining the atomic distribution in the second layer of a sample by applying a beam obliquely to the sample. 1 ・・・・・・・・・・・・ Ion source 2・・・・・・・・・Wien filter 3...
・・・・・・・・・Acceleration/deceleration tube 4 ・・・・・・・・・・・・ Slit 5・・・・・・・・・X scanning electrode 6・・・・・・
...... Y scanning electrode 7 ...... Stage 8 ...... Position detector A
・・・・・・・・・・・・Aeon Source B・・・・・・
・・・・・・Magnet C・・・・・・・・・・・・
Acceleration pipe D・・・・・・・・・Deceleration pipe E%
F・・・・・・Magnet G・・・・・・・・・Analyzer H・・・・
・・・・・・Position detector L・・・・・・・・・・・・
Range of the analyzer (distance from the Z-axis of the detection point of the position detector) M・・・・・・・・・Atomic mass m・・・・・・・・・Proton mass N・・・・・・・・・Distance in the Z direction from the center of the Wien filter to the position detector 0・・・・・・・・・・・・Center of the Wien filter (
Origin) U......Incidence point of protons emitted from the ion source into the Wien filter W......Incidence of the scattered beam into the Wien filter, White Σ・・・・・・・・・Test
Fee W・・・・・・・・・Z-direction velocity component U...
......X-direction velocity component wO...
... Z-direction velocity component wl of protons emitted from the ion source ... Z-direction velocity component Vex of protons after scattering deceleration ... Ion extraction voltage Vacc ... Accelerating voltage Ea... Voltage ΔE when incident on the analyzer
...Energy loss Vo due to scattering...
・Analyzer voltage inventor Masahiko Aoki
Claims (2)
たイオン源1と、真空中にあって電場Eと磁場Bとを互
に垂直に生じイオン源1から生じた陽子ビームが直進す
るように電場E、磁場Bを設定してあるウィーンフィル
タ2と、真空中にあってウィーンフィルタ2から出た陽
子ビームを通し陽子以外の荷電粒子を排除するスリット
4と、真空中にあってスリット4を通った陽子ビームを
加速して試料Σへ当て試料Σで散乱された散乱角θ=1
80°の陽子ビームを逆方向に通して減速する加減速管
3と、試料Σを超高真空中に保つ超高真空チャンバと、
試料Σを移動自在に保持するステージ7と、加減速管3
と試料Σとの間に設けられて陽子ビームを試料面に於て
二次元的に走査するX走査電極5、Y走査電極6と、試
料Σで散乱され減速された後ウィーンフィルタ2で経路
を曲げられた陽子を入射させて検出するためウィーンフ
ィルタ2の斜側方の真空中に設けられた位置検出器8と
より構成される事を特徴とする表面解析装置。(1) An ion source 1 kept in a vacuum that generates a microbeam of protons, and an electric field E and a magnetic field B in a vacuum that are perpendicular to each other so that the proton beam generated from the ion source 1 travels straight. A Wien filter 2 in which an electric field E and a magnetic field B are set, a slit 4 in a vacuum that passes the proton beam emitted from the Wien filter 2, and excludes charged particles other than protons; The proton beam that has passed through is accelerated and applied to the sample Σ and scattered by the sample Σ. Scattering angle θ = 1
An acceleration/deceleration tube 3 that passes an 80° proton beam in the opposite direction to decelerate it, and an ultra-high vacuum chamber that keeps the sample Σ in an ultra-high vacuum.
A stage 7 that movably holds the sample Σ and an acceleration/deceleration tube 3
An X scanning electrode 5 and a Y scanning electrode 6 are provided between the proton beam and the sample Σ to two-dimensionally scan the proton beam on the sample surface. A surface analysis device comprising a position detector 8 provided in a vacuum on an oblique side of a Wien filter 2 in order to detect bent protons incident thereon.
子ビームスポットサイズが1μm以下である事を特徴と
する特許請求の範囲第(1)項記載の表面解析装置。(2) The surface analysis apparatus according to claim (1), wherein the ion source 1 is a gas field ionization type ion source, and the proton beam spot size is 1 μm or less.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62113950A JPS63279549A (en) | 1987-05-11 | 1987-05-11 | Surface analysis device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62113950A JPS63279549A (en) | 1987-05-11 | 1987-05-11 | Surface analysis device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63279549A true JPS63279549A (en) | 1988-11-16 |
Family
ID=14625269
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62113950A Pending JPS63279549A (en) | 1987-05-11 | 1987-05-11 | Surface analysis device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS63279549A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0501257A2 (en) * | 1991-02-22 | 1992-09-02 | Shimadzu Corporation | Ion scattering spectrometer |
-
1987
- 1987-05-11 JP JP62113950A patent/JPS63279549A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0501257A2 (en) * | 1991-02-22 | 1992-09-02 | Shimadzu Corporation | Ion scattering spectrometer |
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