JPH0426045A - 荷電粒子エネルギー分析装置 - 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】 ［発明の目的コ 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プラズマ中を通過させた荷電粒子のエネルギ
ーを分析できて、プラズマの空間電場の測定に用いられ
る荷電粒子エネルギー分析装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、プラズマの各種パラメータを測定でき、特にプラ
ズマの空間電位を直接かつ局所的に測定できる装置とし
て荷電粒子エネルギー分析装置が知られている。

荷電粒子エネルギー分析装置を備えた重イオンビームプ
ローブ装置の概念図を第３図に示す。この装置は、イオ
ン発生部］で生成されたイオンビームがスイーププレー
ト２で所定の入射角に調整されて、プラズマ３中に入射
される。プラズマ３中に入射したイオンビームはプラズ
マとの相互作用（電子衝突、イオン化反応）によって−
価の重イオンビームが二価あるいはそれ以上の荷電数を
持った二次イオンビームとなって飛出し、荷電粒子エネ
ルギー分析装置４に入射して、そこでエネルギー分析さ
れる。プラズマ３を通過したイオンビームの強度、エネ
ルギー、運動量にはプラズマの状態を示す種々のパラメ
ータ情報が含まれる。

そこで、プラズマ３に入射させるイオンビームのエネル
ギーと入射角とを調整して任意の観測点にイオンビーム
を入射させ、その部分を通過したイオンビームのエネル
ギー分析を行うことによりプラズマの局所的な空間電位
を測定でき、プラズマ断面にわたってイオンビームを入
射させれば、二次元的な観測が可能となる。

第４図に荷電粒子エネルギー分析装置４のエネルギー分
析原理を示す。

互いに平行に対向配置された平行平板電極５ａ５ｂに偏
向用高圧電源６による電圧を印加して、平行平板電極５
ａ、５ｂ間に電界Ｅを発生させ、この電界Ｅか発生して
いる平行平板電極５ａ。

５ｂ間にイオンビームを入射させる。平行平板電極５ａ
、５ｂ間に入射したイオンビームは電界Ｅによって偏向
して図中破線で示す放物線状の軌跡を描いて入射位置か
ら所定距離Ｘ離れた位置に到達する。電界Ｅによって偏
向を受けたイオンビームの予定到達位置には、第５図に
示すような電気的に接離して近接配置された２枚の金属
プレート７ａ、７ｂを備えたビーム位置検出器７が設置
されている。金属プレート７ａ、７ｂ上に形成されるイ
オンビームのビームプロファイルは到達距離に応じて図
中左右方向へ移動するので、ビームプロファイルの形成
比率に応じて金属プレート７ａ。

７ｂからそれぞれ出力される電流をアンプ８で増幅した
後、測定系へ導きそこで２つの信号の比からイオンビー
ムの到達距離を求める。イオンビームの到達距離Ｘはイ
オンビームのエネルギーＵに比例するので、検出された
到達距離Ｘからイオンビームのエネルギーが検出できる
。

ところで、重イオンビームによるプラズマポテンシャル
の測定には、一般に１０−６のエネルギー分解能が要求
される。上記した荷電粒子エネルギー分析装置のエネル
ギー分解能はビーム位置検出器７の空間分解能に依存す
る。また、平行平板電極５ａ、５ｂ間に印加する電界Ｅ
を弱くして到達距離Ｘをｎ倍にすれば、同じ分解能の検
出器であってもそのエネルギー分解能はｎ倍に向上する
。

しかし、分析装置自体もｎ倍の到達距離に応した十分の
大きさが必要となる。

１０−６のエネルギー分解能を実現するためには、例え
ばビーム到達距離（Ｘ）を５００　ｍ　ｍとした場合、 ５００１．０−６−５１．０−７μｍ　−０，５μｍの
空間分解能が必要となり、現実にはこの様な分解能の実
現は極めて困難である。

一方、ビーム位置検出器７は、上記したように近接配置
した２つの金属プレート７ａ、７ｂに入射するイオンビ
ームの電荷を電流として検出し、両金属プレート７ａ、
７ｂからそれぞれ出力される電流１．、Ｉ２の比から到
達位置を検出している。２つの金属プレー）７ａ、７ｂ
上に形成されるビーム形状をａｘａとした場合、到達位
置ＰはＰ＝　（ａ／２）（１２ＩＩ　）／　（１２子Ｉ
ｌ）となる。このため、検出位置の精度は、アンプ８の
直線性やドリフト、さらに測定系に取り込むときのＡ／
Ｄ変換精度等により左右される。

例えば、電流ＩＩ、Ｉ２の測定精度を５Ｘ１０１とし、
ａ−１０ｍｍとすると、測定精度（位置分解能）ΔＰは
、 となる。

逆に、この位置分解能（１，７５μｍ　）で、１ｏ−６
のエネルギー分解能を得るためには、ビーム到達距離Ｘ
を１７５０ｍｍとする必要があり、この様に大型化され
た分析装置の組立て精度の悪化を考えると現実的でない
。

〔発明が解決しようとする課題〕

したがって、従来の荷電粒子エネルギー分析装置は、装
置の大きさを制限しながら高いエネルギー分解能を実現
するのが難しいという問題があった。

本発明は以上のような実情に鑑みてなされたもので、装
置を大型化することなく、ユＯ−６といった極めて高い
エネルギー分解能を実現できる荷電粒子エネルギー分析
装置を提供することを目的とする。

また、 ［発明の構成コ 〔課題を解決するための手段〕 本発明は上記課題を解決するために、プラズマ中を通過
した荷電粒子からなるイオンビームを所定の電圧が印加
されている平行電極間に入射させ、この平行電極間に印
加されている電界によって偏向された前記イオンビーム
の到達距離に基づいて前記荷電粒子のエネルギーを分析
する荷電粒子エネルギー分析装置において、前記イオン
ビームが前記平行電極へ入射するときの入射経路に沿っ
て設けられ、前記イオンビームを減速し、かつその広が
りを抑制する電界を発生ずる複数の電極からなるビーム
減速用静電レンズを設けた構成とした。

〔作　用〕

本発明は、以上のような手段を講じたことにより、ビー
ム減速用静電レンズが発生する電界によって、平行電極
間に入射するイオンビームか減速され、かつその広がり
が抑制されて集束されたイオンビームとなる。このよう
にして減速されたイオンビームが平行電極間の電界によ
って偏向されて所定の位置に到達する。イオンビームか
減速されることから、イオンビームの到達距離を長くす
ることなく１０−６のエネルギー分解能が得られるもの
となる。

〔実施例〕

以下、本発明装置の実施例について説明する。

第１図は本実施例の荷電粒子エネルギーの検出原理を示
す図である。本実施例に係る装置は、平行平板電極１０
ｇ、１０ｂにビーム偏向用高圧電源１１が接続されてい
て、プラズマを通過したイオンビームの平行平板電極１
０ａ、１．Ｏｂ間への入射位置にはビーム減速用静電レ
ンズ１２が設置されている。このビーム減速用静電レン
ズ１２は、互いに所定距離隔てて配列された複数の環状
電極からなり、これら環状電極の中空円で形成されるト
ンネル内をイオンビームが通過するように配置されてい
る。各環状電極は互いに隣接する環状電極に抵抗を介し
て接続されていて、平行平板電極１０ｂに最も近接した
一端の環状電極１．２　ａが平行平板電極１０ｂに接続
され、他端の環状電極がアースされている。この様に構
成されるビーム減速用静電レンズ１２には、ビーム減速
用高圧電源１３から電圧が印加される。

一方、イオンビーム入射側となる平行平板電極１０ｂの
ビーム予定到達位置にはビーム位置検出用ケイ光板１４
が設けられている。このビーム位置検出用ケイ光板１４
にはレンズ１５が対向配置されていて、このレンズ１５
の結像位置に２次元状に配列されたフォトセンサからな
るビーム位置検出器］６が設置されている。ビーム位置
検出器１６からの出力信号はアンプ］７を介して測定系
へ導かれる構成となっている。

次に、この様に構成された本実施例の作用について説明
する。

ビーム減速用静電レンズ１２に減速用高圧電源１３から
電圧か印加されるとビーム減速用静電レンズ１２の複数
の環状電極にて形成されるトンネル内にイオンビームの
入射方向と対向する方向に電界Ｅ２が発生する。これに
よってビーム減速用静電レンズ１２の電界Ｅ２に入射し
たイオンビムは減速される。平行平板電極１０ａ、１０
ｂ間に減速して入射したイオンビームは、平行平板電極
］、　Ｏａ、　　］、　Ｏｂ間に印加されている電界Ｅ
］によって偏向しエネルギーに応して位置検出用ケイ光
板１４が設置されている領域の所定到達位置に入射する
。このとき、位置検出用ケイ光板］４の設置箇所に入射
するイオビームは、そのビーム形状が拡散しないように
、ビーム減速用静電レンズ１２のレンズ効果によってフ
ォーカスされる。なお、このレンズ効果は各環状電極間
の間隔や印加電圧等により決定される。

ここで、ビーム減速用静電レンズ１２によるイオンビー
ムの減速によって、そのエネルギーＵ。

が１　／　ｎになったとすると、そのときのエネルギー
分解能ΔＵと空間分解能ΔＸとの関係は、ΔＵ／（Ｕｏ
／ｎ）−ΔＸ／Ｘ 、、　　ΔＵ／Ｕｏ−ｎ−’−ΔＸ／Ｘしたがって、 ΔＵ／Ｕｏ−１０ ΔＸ／Ｘ＝１．７５μｍ１５００ｍｍ　−３，５Ｘ　１
０−６の時には、ｎ−３，５とすれば、］０−６のエネ
ルギー分解能と１，７５μｍの空間分解能を実現できる
。

一方、平行平板電極１０ａ、１０ｂ間で偏向したイオン
ビームが所定の到達位置に入射すると、位置検出用ケイ
光板１４の到達位置が発光する。

この光像はレンズ１５によってビーム位置検出器１６の
受光面に結像され、この光像が光電変換された到達位置
検出信号がアンプ１７で増幅された後、測定系へ送信さ
れる。測定系では、到達位置検出信号からイオンビーム
の到達位置を判断する。

この様な本実施例によれば、ビーム減速用静電レンズ１
２によって平行平板電極１０ａ、１０ｂ間に入射するイ
オンビームを減速し、かつビーム拡散を抑制するように
したので、装置を大型化することなく、位置検出器の分
解能に対する要求を低減でき、容易に１０−６のエネル
ギー分解能を実現できる。

また、到達位置検出部においては、位置検出用ケイ光板
１４を備え、この位置検出用ケイ光板１４の発光を検出
するようにしたので、レンズ１５、位置検出器１６．ア
ンプ１７等の到達位置検出系は高電圧が印加されている
平行平板電極１０ｂからは絶縁されることとなり、従来
のように平行平板電極１０ｂに電気的に接続された到達
位置検出系を高電位に浮かせる等の対策を講する必要が
なくコストダウンを図ることができる。しかも、レンズ
１５の倍率を上げることにより、位置分解能の向上を図
ることができ、より高精度なエネルギー分析が可能とな
る。

なお、本発明は上記一実施例に限定されるものではない
。例えば、到達位置検出系における位置検出器７、アン
プ８．Ａ／Ｄ変換機能を備えた電気／光変換器２１を平
行平板電極１０ｂと同じ高電位とし、アース電位となる
光／電気変換器２２へは光ケーブル２３を介して検出信
号を伝送するように構成することもでき、装置を大型化
することなく要求に応え得る高いエネルギー分解能を実
現できるといった本発明の効果を得ることかできる。

［発明の効果コ 以上詳記したように本発明によれば、装置を大型化する
ことなく、１０−６といった極めて高いエネルギー分解
能を実現できる荷電粒子エネルギー分析装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る荷電粒子エネルギー分析
の原理図、第２図は同実施例の到達位置検出系の変形部
分の構成図、第３図は従来よりある重イオンビームプロ
ーブ装置の概念図、第４図は従来の荷電粒子エネルギー
分析の原理図、第５図は位置検出器のビーム受光面を示
す図である。 １０ａ、１０ｂ・・・平行平板電極、１１・・・ビーム
偏光用高圧電源、１２・・・減速用静電レンズ、１３・
・・ビーム減速用高圧電源、１４・・・位置検出用ケイ
光板、１５・・・レンズ、１６・・・位置検出器、１７
・・アンプ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマ中を通過した荷電粒子からなるイオンビ
   ームを所定の電圧が印加されている平行電極間に入射さ
   せ、この平行電極間に印加されている電界によって偏向
   された前記イオンビームの到達距離に基づいて前記荷電
   粒子のエネルギーを分析する荷電粒子エネルギー分析装
   置において、前記イオンビームが前記平行電極へ入射す
   るときの入射経路に沿って設けられ、前記イオンビーム
   を減速し、かつその広がりを抑制する電界を発生する複
   数の電極からなるビーム減速用静電レンズを設けたこと
   を特徴とする荷電粒子エネルギー分析装置。
2. （２）前記イオンビームの予定到達位置に設置され前記
   到達位置に対応する箇所を発光させる位置検出用ケイ光
   板と、この位置検出用ケイ光板による光像を所定の結像
   位置に結像するレンズと、このレンズの結像位置に設置
   され前記光像を光電変換した到達位置検出信号を出力す
   る光位置検出器とを備えたことを特徴とする請求項１記
   載の荷電粒子エネルギー分析装置。