JPS62249042A - 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】 （産業上の利用分野〕 この発明は、ＰＥＬＳ　（陽子エネルギー損失スペクト
ル分析）による表面解析装置、即ち、加速されたプロト
ンビーム等のイオンビームを試料に照射し、試料表面数
層からの散乱ビームを減速管中を通過させて減速し、こ
の減速された散乱ビームのエネルギーを測定することに
より試料表面の物性を解析する表面解析装置に関する。

〔従来の技術〕

第６図は、従来のＰＥＬＳによる表面解析装置を示す概
略平面図である。イオン源２から引き出された例えばプ
ロトンビーム等のイオンビームを加速管６で加速し、加
速されたイオンビームを必要に応じて集束系８により集
束させる。その後質量分析マグネット１０によりビーム
偏向（質量分析）を行う。偏向後、散乱チャンバ１４内
の試料（図示省略）にイオンビームを照射するが、試料
の一部分にイオンビームを照射するために散乱チャンバ
１４に入射前のビームライン上に１１φ程度のスリット
（図示省略）を設置している。尚、イオンビームとして
は、Ｈｅ等を使用すると１　価のイオン以外に２価のイ
オンも散乱される可能性があり計測が複雑となるため、
実際は、１価イオンしか存在しないプロトンが用いられ
る。図中１２は真空ポンプでるある。

試料に照射されたイオンビームは試料表面数層で散乱さ
れる。この散乱ビームは一般に種々のエネルギーを持っ
ており、そのエネルギー幅を抑制するために２Ｉｌｌ１
１φ程度のスリット（図示省略）を散乱後のビームライ
ン上に設置している。そしてこのスリットを通過した散
乱ビームを減速管１８によって減速させた後、測定器２
０によってそのエネルギースペクトルを測定する。この
場合の減速後の電位は次のようにして決められる。

即ち、第７図も併せて参照して、イオン源２におけるイ
オンビームの引出し電圧をＶｅｓ加速管６での加速電圧
をＶ、散乱チャンバ１４は接地されているものとしてそ
の電位を０とすれば、イオンビームの全加速電圧Ｖａは
、Ｖａ　＝Ｖ＋Ｖｅとなる。この電圧からオフセット電
圧Ｖｏだけ下がった電位Ｖｄを測定器２０が設置されて
いる架台１９　（大地からは絶縁されている）の電位と
すると（即ち減速管１８での減速電圧を（Ｖａ　−Ｖ。

）とすると）、減速されて測定器２０に入る散乱ビーム
のエネルギーはｑＸＶｏ　　（ｅＶ）となる（試料に衝
突した時のエネルギー損失を無視した場合）。ここでｑ
はイオン、例えばプロトンの単位電荷である。この場合
、試料に照射するイオンビームの加速エネルギーは、試
料表面でのイオンビームの中性化確率を抑える等のため
に高い方が好ましく例えば１００ＫｅＶ程度であり、一
方、散乱後のビームは、高精度でそのエネルギースペク
トルを測定可能とするために低い方が好ましく例えばＩ
ＫｅＶ程度以下に減速する。

上記のように減速された散乱ビームのエネルギースペク
トルを測定することにより、固体の試料・表面の結晶構
造等の物性を調べることができる。

例えば第８図を参照して、イオンビーム３と試料１５と
の衝突により生じるイオンビーム３のエネルギー損失を
ΔＥとし、測定器２０に入射する散乱ビーム４のエネル
ギーをＥとすると次の関係式が成立する。

ΔＥ−ｑＶｏ　　−Ｅ　　　　　　　・　・　・　（１
）なぜならば、測定器２０に入射する散乱ビーム４のエ
ネルギーＥは次のように表され、 Ｅ＝ｑＶａ−ΔＥ−ｑ（Ｖａ　−Ｖｏ　）これを変形す
れば（１）式が得られるからである。

また、ここでは測定器２０として例えばエネルギー分析
器２１とチャネルトロン等の検出器２２を用いており、
エネルギー分析器２１に印加する電圧をＶ　、、Ａとす
れば、上記エネルギーＥは次のように表現することもで
きる。ここでｋは定数である。

Ｅ＝ｋｑｖ、３Ａ　　　　　　・・・　（２）従って、
（１）式および（２）式から分かるように、エネルギー
損失スペクトルはオフセント電圧Ｖｏか電圧Ｖ　ＥＩＡ
を変化させることにより求めることができる０例えば、
試料表面の第１層目の原子と第２層目等の原子により散
乱されるビームを比較すると、第２層目等からの散乱ビ
ームは格子内を走る距離が長いためエネルギー損失ΔＥ
が大きくなり、例えば第９図のようなスペクトルが得ら
れる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

所が上記のような装置においては、散乱角θ（第８図参
照）は１０度程度にしか設定できなかった。これは、散
乱角θを０度から大きくするに従って散乱ビーム４の立
体角が小さくなってビーム検出効率が低下するためと、
散乱角θをあまり大きくすると装置の各部分が機械的に
干渉してしまうためである。従って散乱角θがこのよう
に小さいため、散乱ビーム４が試料１５の表面の乱れの
影響（即ちエネルギーストラグリング）を受けて、その
スペクトルがブロードになり解析精度があまり良くない
という問題があった。

また、イオンビーム３を試料１５で散乱させずに測定器
２０に直接入れて装置のエネルギー分解能を測定する場
合には、上記散乱角θが０度になるように散乱チャンバ
１４以降のビームトランスポートライン等を接続し直す
必要があり、そのための作業およびアライメント調整に
非常に手間がかかると共に、組立の再現性も悪化すると
いう問題もあった。

これに対して発明者らは、散乱角θと散乱ビーム４の立
体角との関係の詳細な検討により、散乱角θをほぼ１８
０度に設定すれば、シャープなスベク１−ルを得ること
ができると共にビーム検出効率もかえって大幅に向上す
ることを見出し７た。

従ってこの発明は、散乱角がほぼ１８０度の測定を行う
ことができると共に、エネルギー分解能の測定も容易に
行うことができる表面解析装置を促供することを主たる
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の表面解析装置は、加速されたイオンビームを
試料に照射し５、試料表面数層からの散乱ビームを減速
管中を通過させて減速し７、この減速された散乱ビーム
のエネルギーを測定することにより試料表面の物性を解
析する装置において、試料に照射前のイオンビームおよ
び試料からの散乱ビームの経路上に両ビームを偏向させ
る第１の偏向磁石を設け、かつ第１の偏向磁石を通過し
て来る散乱ビームの経路上に、当該散乱ビームを第１の
偏向磁石とは逆方向に偏向させて前記減速管の中心軸付
近に集束させる第２の偏向磁石を設け−１それによって
散乱角がほぼ１８０度における測定を可能にしたことを
特徴とする。

〔作用〕

第１の偏向磁石は試料に照射するイオンビ・−ムと試料
からの散乱ビームを互いに反対方向に偏向させるので、
散乱角をほぼ１８０度に設定することができる。その場
合１、試料でのエネルギー損失を受けた程度の違いＣご
より１、散乱ビームは第１の偏向磁石によって分散され
るけれども、この分散された散乱ビー１９は、第２の偏
向磁石によって第１の偏向磁石とは逆方向に偏向させら
れて減速管の中心軸付近に集束させられる。その結果、
この発明の装置においては、シャープなスペクトルを得
ることができると共にビーム検出効率も大幅に向上する
。しかも広範囲のエネルギー損失の測定を正確に行うこ
ともできる。

また、第１の偏向磁石の極性切替えと磁束密度上昇とに
より、イオンビームを試料に照射せずに減速管へ導（こ
とができ、これによって装置の配置を変更することなく
エネルギー損失の絶対値を測定することができる。

〔実施例〕

第１図は、この発明の一実施例に係る表面解析装置を示
す概略平面図である。この装置も上述した従来の装置と
原理は同様である。尚、従来例との相違点の説明に特に
関係ない部分は省略している。

この装置においては、散乱チャンバ１４の手前側に例え
ば電磁石から成る第１の偏向磁石３０を設け、言わば当
該偏向磁石３０が三角形の頂点となるようにイオンビー
ム３の加速系と散乱ビーム４の測定系とを配置しており
、これによって１８０度の散乱角θにおける測定を可能
にしている。

即ち、イオン源２から引き出され、質量分析マグネット
１０で質量分析された例えばプロトンビーム等のイオン
ビーム３は、何枚かの電極７を有する加速管６によって
例えば従来と同様に１００ＫｅＶ程度のエネルギーにま
で加速され、その経路上に設けられた偏向磁石３０で偏
向されて例えば超高真空の散乱チャンバ１４内に導かれ
、試料１５に照射される。この場合、試料１５は、前述
した散乱角θが１８０度になるように設定されており、
従ってイオンビーム３は試料１５の表面に垂直に入射す
ると共に、当該試料１５からの散乱ビーム４もその表面
に垂直に出て行く。

従って上記散乱ビーム４は、イオンビーム３と同一経路
を逆向きに進むことによって偏向磁石３０を通過し、そ
こでイオンビーム３とは反対方向に偏向される。つまり
偏向磁石３０によって、試料１５に照射前のイオンビー
ム３と試料１５からの散乱ビーム４の軌道が分離される
。尚、この例の場合の偏向磁石３０の磁束の向きは紙面
に対して下向きである。

偏向磁石３０を通過して来る散乱ビーム４の経路上には
、当該散乱ビーム４を偏向磁石３０とは逆方向に偏向さ
せて１、何枚かの電極１７を存する減速管１８の中心軸
付近に集束させる第２の偏向磁石４０を設けている。こ
の偏向磁石４０も例えば電磁石から成り、この例の場合
のその磁束の向きは紙面に対して上向きである。

そして減速管１８によって散乱ビーム４をそのエネルギ
ーが例えば従来と同様にＩ　ＫｅＶ程度以下になるよう
に減速し、測定器２０によってそのエネルギースペクト
ルを測定するようにしている。

上記のような偏向磁石４０を設ける理由は次のとおりで
ある。即ち、偏向磁石３０を通過して来る散乱ビーム４
は、試料１５でのエネルギー損失ΔＥを受けた程度の違
いにより、例えば第１図中に４ａ（そのエネルギー損失
ΔＥａ−０）　、４　ｂ（そのエネルギー損失ΔＥｂン
０）、４ｃ（そのエネルギー損失ΔＥｃ＞ΔＥｂ）で模
式的に示すように偏向磁石３０によって分散されるので
、この分散された散乱ビーム４を偏向磁石４０によって
減速管１８の中心軸付近に再び集束させるためである。

その場合、例えば第２図に示すように、偏向磁石４０の
代わりに２組の電極５１．５２から成る偏向電極５０を
設け、これによって上記散乱ビーム４が減速管１８の中
心軸付近を通るようにその軌道を修正するような考えも
あるけれども、散乱ビーム４に含まれるビームのエネル
ギー損失ΔＥの範囲が広い場合には、第１図のような偏
向磁石４０を用いる方が好ましいと言える。

これは、散乱ビーム４に含まれるエネルギー損失ΔＥの
範囲が広い場合には、偏向磁石３０を通過することによ
る当該散乱ビーム４の分散が大きくなるけれども、偏向
電極５０は散乱ビームの４の軌道を偏向（修正）する作
用はあるものの、大きく分散した散乱ビーム４（例えば
第２図中の４０参照）を集束させる作用は殆どないから
である。

そして分散した散乱ビーム４は、減速管１８を通過して
分散したまま、あるいは場合によっては減速管１８でレ
ンズ作用を受けて更に分散する等して測定器２０に入る
ため、ビーム輸送効率が低下するだけでなく、測定器２
０に入る効率がエネルギー損失ΔＥによって異なり、測
定の信頼性、定量性等を低下させる原因にもなる。

所が上記偏向磁石４０によれば、偏向磁石３０によって
分散された散乱ビーム４は、減速管１８の中心軸付近に
集束させられ、その状態で減速管１８を通過して測定器
２０に入射される。しかもその際、散乱ビーム４は減速
管１８の中心軸付近を通過するため、減速管１８によっ
てレンズ作用を受けてその軌道がずれるようなことも殆
ど起こらない。従って上記のような偏向磁石４０によれ
ば、測定器２０に対する散乱ビーム４の輸送効率が向上
すると共に、散乱ビーム４に含まれるビームのエネルギ
ー損失へＥの違いによる測定器２０への入射効率の違い
も無くなる。散乱ビーム４の輸送効率が向上すれば、測
定に必要なデータを早く取ることができるため、測定中
の試料の物性変化を少なくすることができ、また、エネ
ルギー損失ΔＥの違いによる入射効率の違いが無くなれ
ば、エネルギー損失ΔＥの大きなものから小さいものま
で広範囲の測定が正確に行えるようになる。

尚、測定器２０は、例えば第３図に示すような構成のも
のとすれば、広範囲のエネルギー測定を一括して行うこ
とができる。即ち、測定器２０はこの例では、平行平板
アナライザ２３、マイクロチャネルプレート２４、位置
検出器２５等を備えており、散乱ビーム４をそのエネル
ギー、即ちエネルギー損失ΔＥの違いによってマイクロ
チャネルプレート２４上の各点に分散させ、その入射位
置を位置検出器２５および位置演算器２６によって検出
し、そして各位置におけるカウントをマルチチャネルア
ナライザ２７に表示するようにしている。従って、この
ような測定器２０によれば、試料１５の表面各層からの
散乱ビームの量を一括して測定することができ、従来の
ようにオフセット電圧Ｖｏやエネルギー分析器２１に印
加する電圧ｖ　ｔｓａを変化させることなく例えば第９
図のようなスペクトルを得ることができる。そのためス
ペクトル分析中の状態変化の影響を排除することができ
るという利点がある。

第４図は、散乱角の変化に対する最適化した立体角の変
化を示す図であり、縦軸は対数目盛である。この図から
分かるように、散乱角θを１８０度に設定した場合、最
適化した立体角ΔΩ（ｓｔｒ〕、即ちビーム検出効率は
、例えば散乱角θが２０度の場合に比べて数百倍（試料
１５が金の場合）〜数千倍（試料１５がシリコンの場合
）向上する。しかも、散乱角θが１８０度の場合は散乱
ビーム４は試料１５の表面の乱れの影響を受けないため
、換言すれば散乱ビーム４は試料表面の原子の影響のみ
を受けるため、シャープなスペクトルを得ることができ
、これによって解析精度も向上する。

一方、装置のエネルギー分解能を測定する場合は、偏向
磁石３０の極性を切り替えて磁束の向きを上記の場合と
は逆転させ（即ち紙面に対して上向きとし）、かつその
磁束密度を所定の値にまで上昇させることにより、第１
図のＡで示すようにイオンビーム３を偏向磁石３０の入
口付近で大きく偏向させてそのまま（即ち試料１５に照
射せずに）偏向磁石４０、減速管１８の中心軸を通して
測定器２０に入射させることができる。これによって、
装置の配置を変更することなく、エネルギー分解能を測
定することができる。従って従来の装置のようにアライ
メント調整等に手間がかかったり、組立ての再現性が悪
化したりするようなことはない。

更に、第１図と第６図とを比べれば明らかなように、こ
の発明に係る装置においては、イオンビーム３の加速系
と散乱ビーム４の測定系とが散乱チャンバ１４に対して
同じ側にしかも互いに接近して配置できるため、装置が
大幅に小形化されるという利点もある。

所で上記偏向磁石３０．４０の配置等は、より細かく言
えば、減速管１８に入射する散乱ビーム４の減速管１８
の中心軸に対する傾きφとその入口部での偏位ｄ（共に
第５図参照）がエネルギー損失ΔＥに大きく依存せず、
しかも各ビームの軌道に大きな違いを与えないようなも
のを採用するのが好ましい。また偏向磁石４０は、一平
面（例えば水平面）内における偏向・集束作用を有する
ものでも良いけれども、二手面（例えば水平面および垂
直面）における偏向・集束が可能な二重集束磁石とする
方がより好ましい。そのようすれば、散乱ビーム４の輸
送効率、測定精度等が一層向上するからである。

上記のような偏向磁石３０．４０の配置等の具体例を第
５図に示す。偏向磁石３０は図示のような形状であり、
偏向角α１、α□は共に４５°、曲率半径ρ１、ρ２は
共に５０ＣＩ％角度β１、β２は共に０°としている。

一方偏向磁石４０は、二重集束磁石であり、偏向角α、
は４５°、曲率半径ρ３は約５０ｃｍ、角度β１、β、
は共にＯｏとしている。そして偏向磁石３０と試料１５
との距離Ｌ１は１００ｃｍ、偏向磁石３０と４０との距
離Ｌ２は５０ｃｏ＋、偏向磁石４０と減速管１８との距
離り、は５０ｃｍとしている。

上記例のような構成において、試料１５として例えばＧ
ａＡｓを用いる場合、ＧａとＡｓからの散乱ビーム４の
エネルギー損失ΔＥの差は約３８０ｅＶあるけれども、
散乱ビーム４の偏位ｄおよび（頃きφは、Ｇａからのも
のはそれぞれＯｃｍ、１゜４７°、Ａｓからのものはそ
れぞれＯｃｍ、　１．　３７°となり、この傾きφの差
は無視し得る値である。つまり、Ｇａからの散乱ビーム
４とＡｓからの散乱ビーム４とは減速管１８に入射する
際はほぼ同一軌道となり、前述したように測定器２０に
おいていずれも正確な測定が可能となる。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明においては、散乱角をほぼ１８０
度に設定することができ、これによってシャープなスペ
クトルが得られると共にビーム検出効率も大幅に向上す
る。また、減速管に入射する散乱ビームをその中心軸付
近に集束させることができるので、ビームの輸送効率が
向上すると共に、広範囲のエネルギー損失の測定を正確
に行うことが可能となる。

更に、装置の配置を変更することなくエネルギー分解能
の測定も可能であり、しかも装置の大きさも従来の装置
に比べて小形化される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係る表面解析装置を示
す概略平面図である。第２図は、偏向電極を用いた表面
解析装置の例を部分的に示す概略平面図である。第３図
は、第１図の測定器の一例を示す概略図である。第４図
は、散乱角の変化に対する最適化した立体角の変化を示
す図である。 第５図は、第１図の偏向磁石の具体的な配置等の一例を
示す概略平面図である。第６図は、従来の表面解析装置
を示す概略平面図である。第７図は、第６図の装置の電
位の区分を示す図である。第８図は、第６図の装置の原
理を説明するための図である。第９図は、第６図の装置
によって得られるスペクトルを説明するための図である
。 ２・・・イオン源、３・・・イオンビーム、４，４ａ、
４ｂｌ　　４ｃ・・・散乱ビーム、１５・・・試料、１
８・・・減速管、２０・・・測定器、３０・・・第１の
偏向磁石、４０・・・第２の偏向磁石、θ・・・散乱角

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）加速されたイオンビームを試料に照射し、試料表
   面数層からの散乱ビームを減速管中を通過させて減速し
   、この減速された散乱ビームのエネルギーを測定するこ
   とにより試料表面の物性を解析する装置において、試料
   に照射前のイオンビームおよび試料からの散乱ビームの
   経路上に両ビームを偏向させる第１の偏向磁石を設け、
   かつ第１の偏向磁石を通過して来る散乱ビームの経路上
   に、当該散乱ビームを第１の偏向磁石とは逆方向に偏向
   させて前記減速管の中心軸付近に集束させる第２の偏向
   磁石を設け、それによって散乱角がほぼ１８０度におけ
   る測定を可能にしたことを特徴とする表面解析装置。