JPH0622915Y2

JPH0622915Y2 - 表面解析装置

Info

Publication number: JPH0622915Y2
Application number: JP15475887U
Authority: JP
Inventors: 正彦青木
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1987-10-07
Filing date: 1987-10-07
Publication date: 1994-06-15
Anticipated expiration: 2002-10-07
Also published as: JPH0160352U

Description

【考案の詳細な説明】 (ア)技術分野この考案は、ビーム輸送効率の高い装置を小型化する事
のできる表面解析装置に関する。

表面解析装置は、超高真空中に於て、加速された陽子ビ
ームを試料に当て、散乱された陽子のエネルギースペク
トラムを求め、これから試料表面の原子数分布を求める
装置である。

超高真空にするのは、陽子が気体分子によつて散乱され
る確率を実質的に０にするためである。気体分子と衝突
しない理想的な場合、陽子は、試料の原子によつて散乱
されるだけである。散乱によるエネルギー損失は、角度
と、原子の質量数Γによる。大きい質量数の原子によつ
て散乱されるほど、エネルギー損失が小さい。

散乱角が大きい程、エネルギー損失が大きい。

ある一定の散乱角の散乱陽子だけを観測すると、エネル
ギー損失によつて、散乱相手の原子の種類が分る。エネ
ルギー損失スペクトルを得る事により、相手の原子の試
料表面での存在量が分る。

(イ)ＰＥＬＳの原理このような測定方法は、陽子のエネルギー損失のスペク
トル分析により、試料表面状態を調べるので、Proton E
nergy Loss Spectroscopy(PELS)と言う。

初速がＵ、質量がｍの陽子の運動エネルギーE₀は、非相
対論的に、 E₀＝1/2mU² (1) と書くことができる。これは、多くの場合、約100keV程
度である。

最初静止していた質量Ｍの原子に、この陽子が衝突した
とする。散乱角をΘとする。散乱後の陽子のエネルギー
E₁は、 E₁＝ＫE₀ (2) Γ＝Ｍ／ｍ (4) となる。Γは原子質量を陽子質量で割つた値であるか
ら、ほぼ質量数に等しい。そこで、単に、これを質量数
と呼ぶ。

(3)から、散乱角Θが大きいほど、損失ΔＥが大きいと
いう事が分る。損失ΔＥは、 ΔＥ＝E₀−E₁ (5) ＝（１−Ｋ）E₀ (6) である。

PELSが開発された当初は、最もイールドの大きい小散乱
角（Θ０）領域が用いられたが、近ごろは、ΔＥが大
きい大散乱角（Θ＝180゜)が用いられる。Θ＝180゜とす
ると、往復の経路が同一になるので、陽子を加速する加
速管と減速する減速管とをまとめて、ひとつにすること
ができる。

Θ＝180゜のとき、散乱によるエネルギー損失が最も大き
い。減衰定数Ｋはとなる。

ΔＥを知る事によりΓが分る。Γは質量数であるので、
陽子の散乱の原因となつた原子を同定する事ができる。
ΔＥを変数として、散乱陽子の損失エネルギースペクト
ラムＹ（ΔＥ）を求めれば、陽子散乱の原因となつた原
子の分布を求める事ができる。

(ウ)従来技術第６図によつて、従来の表面解析装置を説明する。

イオン源１で陽子イオンが作られる。引出し電圧をVex
とし、電荷をｑとする。運動エネルギーはqVexである。
陽子イオンは高真空中を走行する。

マグネツト２によつて、曲げられる。これは質量分析作
用がある。

さらに、陽子は、加減速管３を通り、ここで加速され
る。加速された後、オリフイス４を通り、Ｑレンズ１
５、オリフイス１６を経て超高真空チヤンバ７の中の試
料１０に衝突する。

衝突後、陽子は多様な方向に散乱される。

このうちΘ＝180゜の方向に散乱された陽子がアクセプタ
ンススリツト８を反対に通る。そしてＱレンズ１５で絞
られる。オリフイス４を逆に通る。加減速管３で減速さ
れる。

さらに、マグネツト２へ入り、ここで半円弧の軌道を描
く。半円弧軌道の直径をＬとすると、となる。ただし、Ｂはマグネツト２の磁束密度、Eaは陽
子の運動エネルギーである。減速後の陽子エネルギーEa
は、散乱エネルギーロスΔＥだけ相互に異なる。このた
め、ΔＥの異なる陽子について、Ｌが異なる。

半円弧軌道を描いた陽子は位置検出器９に入射する。位
置検出器は一次元に多数のマイクロチヤンネルが並んで
おり、どのチヤンネルも増幅機能を持つ。マイクロチヤ
ンネルの位置が前記のＬに対応するから、どのマイクロ
チヤンネルに入射するかという事は、エネルギーEaによ
つて決まる。

マイクロチヤンネルごとに入射陽子数を計数してゆけ
ば、エネルギーEaについてのスペクトルＹ(Ea)を得る。

(エ)考案が解決すべき問題点陽子が通過してゆく空間は、全て高真空状態に保たれな
ければならない。

しかし、各空間で要求される真空度が異なる。そこで、
いくつかの独立の真空排気装置がそれぞれの空間に設け
られる。真空度の差を維持するために、各空間の間には
オリフイス、スリツトが設けられる。

オリフイス、スリツトは板に穴を穿つたものである。穴
径が問題である。真空度の差を維持するためには、穴は
小さくなければならない。

しかし、穴が小さくなると、散乱された陽子が、穴を通
りにくくなるので、輸送効率が低下する。位置検出器に
入る陽子数が減少する。

こうなると、測定時間が長くかかるし、S/N比が低下す
る。

こういうわけで、スリツトの穴径の設定は、かなり難し
い問題である。

真空度の差を維持でき、しかも陽子が通りやすいように
穴径が広い方が良い。このため、板に単に穴を穿つたも
のの他に、円筒を穴に続けて設けた仕切板を使うことも
ある。前者を、スリツトといい、後者をオリフイスとい
う。

オリフイスの直径を小さくし、長さを長くするほど、コ
ンダクタンスが小さくなるので、両側の空間の圧力差を
保つことができる。しかし、陽子ビームを通すため、直
径をあまり小さくする事ができない。

そうすると、オリフイスを長くするしか途がない。

第６図に於て、Ｑレンズ１５と超高真空チヤンバ７の間
のオリフイス１６は、このようなわけで、かなり長いも
のである。

超高真空チヤンバは、10^-11〜10^-10Torrの超高真空でな
ければならない。しかし、Ｑレンズ１５の部分は、これ
より１桁真空度が低くてもよい。

Ｑレンズ１５は、散乱された陽子ビームを収束されるた
めのものである。

従来例に於て、Ｑレンズ１５とオリフイス１６とが直列
に設けられているため、この部分が長くなりすぎる、と
いう欠点があつた。

第７図にこの部分のみを拡大して示す。

試料１０の直前にアクセプタンススリツト８がある。こ
れはΘ≠180゜の陽子ビームをカツトするためのスリツト
である。

Θ＝180゜のもののみを通すためにある。180゜といつて
も、当然に幅がある。Θ＝180゜±εのものがアクセプタ
ンススリツト８を通る。幅εは、スリツト８の穴径によ
つて決まる。

アクセプタンススリツト８を通過した散乱陽子ビームは
拡がつてゆく。発散ビームの直径Ｗは、走行距離に比例
して増加する。

第６図、第７図に示すように、Ｑレンズ１５とアクセプ
タンススリツト８の距離Ｓが長いので、発散ビーム直径
Ｗが大きくなつている。

発散しきつたビームを収束させるのであるからＱレンズ
１５の内径を大きくしなければならない。するとＱレン
ズ１５を囲むチヤンバも大きくなつてしまう。

距離Ｓが長くなるのは、オリフイス１６が介在するから
である。オリフイス１６は超高真空チヤンバ７の超高真
空を保つために十分な長さがなければならない。

このため、距離Ｓが長く、ビームが発散してしまう。

第７図では、Ｑレンズ１５と加減速管３の間の空間をス
リツト１４で仕切つている。

Ｑレンズ１５と加減速管３のある空間で真空度が異なる
からスリツト１４で仕切らなければならない。

真空度の差を維持するために、スリツト１４の空径ｄを
小さくすると、散乱ビームが穴を通らず、板面に当た
る。これは陽子ビームの損失である。信号ビームが減
る。S/N比が下るので望ましくない。ビーム輸送効率が
低いのである。

そこで、第８図のように、Ｑレンズ１５と加減速管３の
間の仕切りを、オリフイス４にかえる。オリフイス４は
内径Ｄを前述のスリツト穴径ｄより大きくできる。

内径Ｄが大きくなるので、陽子ビームが通りやすくな
る。

しかし、反面、オリフイス４とすることによりビームラ
インが長くなりすぎる。このため真空にするべき空間が
増える。これは壁面からのガス放出が増える事になるの
で、真空排気装置の能力を増強しなければならない、と
いう事になる。

(オ)目的陽子のビームラインが短かく、装置をコンパクトにする
事ができ、しかも、ビーム輸送効率の高い表面解析装置
を提供する事が本考案の目的である。

(カ)構成オリフイス１６は、真空度の差を保つために必要であつ
た。しかし、これがあるため陽子ビームはＱレンズ１５
に至るまえに拡がつてしまう。

本考案はこのような欠点を解決するため、Ｑレンズとオ
リフイスとを合体し、同一の部分に設けることにする。

Ｑレンズが超高真空チヤンバの方へ接近できるので、ビ
ーム拡がりが小さいうちに、これをＱレンズで収束させ
ることができる。また、従来Ｑレンズのために費された
空間を省くことができるので、ビームラインを短かくで
きる。

第１図は本考案の表面解析装置の略縦断面図である。

イオン源１、マグネツト２、加減速管３、Ｑレンズ５、
超高真空チヤンバ７と、いくつかの真空排気装置とより
なつている。

イオン源１では陽子イオンビームを生ずる。水素ボンベ
から送給された水素ガスが、イオン源１で電子と陽子に
電離される。

このため、イオン源１は真空に引かれており、熱陰極、
グリツド電極、引出し電極などにより、陽子イオンを生
ずる。引出し電圧をVexとすると、運動エネルギーEeは Ee＝qVex (9) である。陽子ビームはマグネツト２で軌道を曲げられ
る。この軌道の曲率半径Reはである。スリツト３１、３２を通過し、さらに直進し
て、加減速管３に入り、ここで加速される。加速電圧を
Vaccとすると、加速後のエネルギーEoは Eo＝qVex＋qVacc (11) である。加速された陽子は、オリフイス４を経て、オリ
フイス６を通過し、超高真空チヤンバ７へ至る。

アクセプタンススリツト８を通り、陽子は、試料１０に
衝突する。試料１０はホルダ１１に貼付けられている。
ホルダ１１は、マニユピレータ１２により、回転昇降自
在に保持されている。

陽子が通過する全ての空間は高真空に保たれなければな
らない。このため、適数の真空排気装置２１〜２４が設
けられる。

陽子が試料１０に当たると、試料表面の原子によつて陽
子が散乱される。Θが90゜以下のものは、試料の内部へ
入つてしまう。90゜以上のものは、試料の外部へ弾きと
ばされる。Θが(180−ε）〜180゜のものがアクセプタン
ススリツト８の穴を反対向きに通過する。

原子との衝突によるエネルギー損失をΔＥとすると、散
乱後の陽子エネルギーE₁は E₁＝E₀−ΔＥ (12) ΔＥ＝（１−Ｋ）E₀ (13) となる。これが、オリフイス６、Ｑレンズ５を反対向き
に通過する。

Ｑレンズ５は散乱ビームを絞るためのものである。アク
セプタンススリツト８の近くにあるから、散乱ビームが
あまり拡がつていない。これを絞るのであるから容易で
ある。Ｑレンズ内径も小さくて済む。

オリフイス６は、超高真空チヤンバ７と、次段の排気室
１９の真空度の差を保つために設けられる。第６図のオ
リフイス１６に該当する。

Ｑレンズ５で絞られた陽子ビームは、加減速管３を反対
向きに通過する。減速電圧は加速電圧Vaccに等しいの
で、減速後の陽子エネルギーEaは Ea＝E₁−qVacc (14) ＝qVex−ΔＥ (15) となる。

スリツト３２を通つた後、陽子はマグネツト２の磁場を
受けて、半円軌道を描いて飛行する。これは、位置検出
器９のいずれかのマイクロチヤンネルに入射する。

マグネツトに入つた点Ｋから、位置検出器の近接端Ｍま
でのマグネツト辺にそう距離をｌとする。

陽子の位置検出器への入射点をＮとする。位置検出器の
長手方向にそう、端点Ｍからの距離をｘとする。

どのマイクロチヤンネルに入つたかという事、つまり、
入射点Ｎのｘ座標がわかるようになつている。

Ｌ＝ｌ＋ｘ (16) であつて、Ｌは既に述べたようにである。(16)、(17)から、エネルギーEaとｘの関係を求
める事ができる。

各チヤンネルに入る陽子数を計数し、ｘの関数として、
イールドＹ(x)を得ることができる。これは、(16)、(17)
の関係から、Eaに関するイールドＹ(Ea)とすることがで
きる。

あるいは(15)を使つて、エネルギー損失ΔＥを横軸にと
つたエネルギー損失スペクトルＹ（ΔＥ）を求める事が
できる。

散乱陽子の運動エネルギースペクトルＹ(Ea)を求める部
分をアナライザーという。

これは、図示したような磁界型のものの他に、電界型の
ものがある。

これは、平行な２枚の電極板の間に電圧を加えておき、
一方の電極板の底面に位置検出器を長手方向に設け、同
じ電極板の位置検出器と遠れた一点に穴を穿つたもので
ある。

この穴から、散乱陽子ビームを斜めに入射させる。する
と、電界の作用で陽子は電極間で放物線を描く。

放物線を描いた時の飛程を位置検出器によつて検出す
る。飛程は、陽子運動エネルギーに比例する。したがつ
て、運動エネルギースペクトルＹ(Ea)が得られる。

この他に、磁界、電界を併用したアナライザーもあり、
本考案は、どのようなアナライザーを持つものに対して
も適用することができる。

本考案の特徴は、オリフイス６とＱレンズ５を同一の場
所に設けたところにある。

Ｑレンズは、ビームを電界又は磁界の作用で収束させる
ものである。

第６図の場合、Ｑレンズのある場所で真空排気を行なう
ようになつていたから、磁界型のＱレンズは採用できな
かつた。

しかし、本考案の場合、Ｑレンズと、真空排気装置２３
のつながれた排気室１９とは別であるので、磁界型Ｑレ
ンズも使用可能である。

磁界型Ｑレンズを用いた場合の例を、第２図、第３図に
よつて説明する。

円形の鉄芯３４の内部に、内方を向いた４つの磁極３５
が形成されている。磁極３５にはコイル３６が巻回して
ある。コイル３６に直流電流を流して、これら４つの磁
極３５を磁化する。４つのうち、対向する磁極は同極と
し、隣接する磁極は異極とする。

すると磁力線は、４極を頂点とする正方形にそうように
生ずる。

陽子が４つの磁極の間を通ると、ある方向には収束する
方向の力を受け、これと直角な方向には発散する力を受
ける。

このような４重極を、陽子のビーム方向に３段並べてい
る。１段目と３段目の磁極の方向は同じである。しか
し、２段目の極配置はこれらと反対になるようにしてあ
る。

こうして、いずれの方向にもビームを収束させる事がで
きるようにしている。

第２図に示すように、磁界型のＱレンズは、真空室の外
部に設けられる。磁界の作用は、真空室の壁面によつて
妨げられないからである。

Ｑレンズの内径は、たとえば20mm程度とすることができ
る。オリフイス４の内径は、たとえば30mm程度である。

真空室の壁面は、非磁性体の金属で作らなければならな
い。これは非磁性のステンレスで作ることができる。

電界型Ｑレンズの例を第４図、第５図によつて説明す
る。

絶縁物によつて真空室の壁面を構成する。絶縁壁３８
に、４つの電極３９を正方形の頂点に対応するように設
ける。

電極３９は例えばアルミニウムとする。絶縁壁３８はた
とえばセラミツクとする。これに穴を穿ち電極３９を差
しこみ、コバールガラス、接着剤などで密封する。

４つの電極のうち、互に対向するものは同極であるよう
にする。こうすると、陽子は、ある方向に収束力、それ
と直角の方向に発散力をうける。

このような電気四重極がビームラインの方向に３段設置
される。１段、３段は同じ電極配置であり、２段はこれ
と反対の電極配置である。

こうして、陽子ビームはこれらのＱレンズによつて絞ら
れるようになる。

絶縁壁３８がオリフイスとなつている。

(キ)作用試料直前のアクセプタンススリツト８は、散乱角Θが18
0−ε≦Θ≦180゜の陽子のみを通す。εをスリツト８の
穴径によつて決定しているのである。

アクセプタンススリツト８を通つた陽子が、すぐにＱレ
ンズ５の間に入る。充分に拡散する前にＱレンズに入る
から、まだ細いビームのままである。

内径の小さいＱレンズによつて、陽子ビームを細く絞る
事ができる。このため、加減速管の直後にあるオリフイ
ス４の穴を通り易くなる。オリフイス４の板面に当たら
ず穴を通るので、陽子輸送効率が上る。

結局、Ｑレンズを試料に近づける事ができたという事に
意義がある。Ｑレンズを近づけたにも拘わらず、オリフ
イス６が存在しうるので、超高真空チヤンバ７の高真空
を保つことができる。

オリフイス６とＱレンズ５を一体化したので、ビームラ
インが短かくなる。ビームラインが短かくなれば、装置
の寸法を、従来よりも短かくする事ができる。それ自体
に意義があるし、また真空排気装置の負担を軽減する事
ができる。

(ク)効果アクセプタンススリツト８とＱレンズ５とを近づける事
ができるので、散乱陽子ビームを絞るのが容易である。
内径の小さいＱレンズによつて効率よく絞る事ができ
る。

細いビームであるから、後段のスリツトやオリフイスを
通過する事ができる。このためビーム輸送効率を上げる
事ができる。

しかも、超高真空チヤンバと排気室の間にはオリフイス
が存在し、両空間の真空度の差を保つことができる。

ビーム輸送効率が高まると、より多くの散乱陽子ビーム
を位置検出器に入射させる事ができる。このため、S/N
比が上り、測定に必要な時間を短縮する事ができる。

また、Ｑレンズとして磁界型のものを使う事ができる。

ビームラインが短かくなるので、装置をよりコンパクト
にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の表面解析装置の概略全体構成図。第２図は磁界型Ｑレンズを使つた場合のＱレンズ近傍中
央縦断面図。第３図は第２図のIII−III断面図。第４図は電界型Ｑレンズを使つた場合のＱレンズ近傍中
央縦断面図。第５図は第４図のＶ−Ｖ断面図。第６図は従来例に係る表面解析装置の概略全体構成図。第７図は従来例の装置においてＱレンズと加減速管をス
リツトによつて仕切つた場合の縦断面図。第８図は従来例の装置においてＱレンズと加減速管をオ
リフイスによつて仕切つた場合の縦断面図。１……イオン源２……マグネツト３……加減速管４……オリフイス５……Ｑレンズ６……オリフイス７……超高真空チヤンバ８……アクセプタンススリツト９……位置検出器 10……試料 11……ホルダ 12……マニピユレータ 15……Ｑレンズ 16……オリフイス 21〜24……真空排気装置 31,32……スリツト 34……鉄芯 35……磁極 36……コイル 38……絶縁壁 39……電極

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】真空中に於て陽子ビームを発生するイオン
源１と、真空中に於て陽子ビーム軌道を曲げるマグネツ
ト２と、真空中に於てマグネツト２を通つた陽子を加速
して試料に当て試料で散乱された陽子のうちΘ180゜の
散乱角で散乱された陽子を減速する加減速管３と、真空
中で散乱された陽子ビームを絞るＱレンズ５と、超高真
空中に於て試料１０を内部に保持する超高真空チヤンバ
７と、試料１０の直前に設けられ入射陽子ビームと散乱
角Θが180゜から一定範囲にある散乱ビームとを通すアク
セプタンススリツト８と、加減速管３の空間と超高真空
チヤンバ７の間に設けられ両空間の真空度の差を維持す
るための円筒状のオリフイス６と、散乱され減速された
陽子ビームの運動エネルギー分布を測定するアナライザ
ーとよりなる表面解析装置に於て、Ｑレンズ５とオリフ
イス６とが同一位置に設けられている事を特徴とする表
面解析装置。
【請求項２】Ｑレンズが磁界型のＱレンズである事を特
徴とする実用新案登録請求の範囲第(1)項記載の表面解
析装置。
【請求項３】Ｑレンズが電界型のＱレンズである事を特
徴とする実用新案登録請求の範囲第(1)項記載の表面解
析装置。