(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料にイオンビームを照射するとともに、試料を旋回させてそのイオンビームの試料に対する入射角を変化させた状態で、試料表面から散乱するイオンの飛行時間を計測することによって試料表面の分析を行うイオン散乱分光分析装置において、散乱イオンの検出器を、少なくとも照射イオンビームを含み且つ試料の旋回面を含む限られた方向に沿った散乱イオンを検出するよう、実質上長方形状としたことを特徴とするイオン散乱分光分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、イオンビームを利用して、結晶の構造解析など試料表面の分析を行うイオン散乱分光分析装置に関するもので、特に試料に対する照射イオンと試料からの散乱イオンとが略同軸方向になるように配置された同軸形直衝突イオン散乱分光装置に係るものである。
【０００２】
【従来技術】
イオン散乱分光分析装置では、試料に一定時間イオンビームを照射することによって発生する散乱イオンを、その飛行時間ごとにカウントして、飛行時間分布を求めて結晶構造の解析が行われる。例えば、ＧａＡｓをＳｉ基板上に形成するＧａＡｓ／Ｓｉヘテロエピタキシャル結晶成長の研究などでは、結晶成長段階に形成されるＡｓ／Ｓｉの結晶構造を精密に制御することが要求され、そのために結晶表面に対する原子層レベルでの評価が必要となる。同軸形直衝突イオン散乱分光分析装置は、物質極表面の結晶構造を元素ごとに解析することができるので、このような目的に使われる。
【０００３】
図５は、従来の同軸径イオン散乱分光分析装置の原理構成を示したもので、１０は解析すべき結晶試料、１１は照射イオンビームでありイオン源（図示省略）から放射されるイオンを一定時間間隔でパルス状に試料に投射する。１２は試料から放射される散乱イオンのビームを示し、１３はこの散乱イオンの検出器で中央に照射イオンビーム１１を通す穴を設けたドーナツ型検出器（外形Ｒ）である。検出器１３には検出されたイオン強度を測定する回路及び照射イオンビームが照射された試料から発生した散乱イオンが、この検出器１３に到達するまでの時間（イオン飛行時間）を計測する回路が付設されており、散乱イオンの飛行時間に対するイオン強度分布が測定できるようになっている。
【０００４】
この装置において、試料に対する照射イオンビーム１１の入射角αを、例えば１０°に設定して、飛行時間Ｔに対する散乱イオン強度Ｉを測定したグラフの一例を図６（ａ）に示す。図６（ａ）は前記Ａｓ／Ｓｉの例で、ＡｓのピークとＳｉのピークが判別でき、これによって定性又は定量が行える。
【０００５】
一方、この装置によって特定元素、例えばＡｓの結晶構造（原子の層構造など）を解析するためには、図５の試料１０をｚ軸の回りに回動し、照射イオンビームに対する入射角αを変化させて、それぞれの測定データを比較解析することが行われる。
【０００６】
図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、Ａｓ／Ｓｉの散乱イオン強度の入射角依存性を示すグラフで、ａは入射角を１０°、ｂは２０°、ｃは３０°に設定したときのデータである。このように入射角の変化による散乱イオンの強度を追跡解析することにより、ＡｓやＳｉの結晶構造が解明できる。
【０００７】
しかしながら、これらのデータから結晶構造を解析するには、かなり複雑なデータ処理が必要であり、解析に時間と手間を要するのが実情であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、前述の問題点をクリヤし、精密に且つ簡単に構造解析を行う手法を創案すべく、実験研究を進めた結果、次のことを見出した。すなわち、イオンビームを試料に照射したとき、試料結晶から放射される散乱イオンは３次元的に出ることから、入射角を変化させたときの散乱イオンも検出器によって３次元的に補足される。一方、結晶構造の入射角依存性に直接関係する散乱イオンは、試料の回転軸ｚに垂直で且つ照射イオンビームを含む平面ＸＹに沿った方向のものが最も強く関係し、これら以外の散乱イオン、例えば平面ＸＹに直交する面内に散乱するイオン成分は、入射角依存性を測定する場合には、ノイズとなることがわかった。
【０００９】
したがって、本発明は、試料から放射される散乱イオンのうち、照射イオンビームを含み且つ試料回転軸と交差する平面（試料の旋回が行われる平面）内に散乱するイオンビームのみを検出し、この平面以外に３次元的に散乱するイオン成分はデータとして検出しないようにしたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるイオン散乱分光分析装置は、試料にイオンビームを照射するとともに、試料を旋回させてそのイオンビームの試料に対する入射角を適宜変化させた状態で、試料表面から散乱するイオンの飛行時間を計測することによって試料表面の分析を行うイオン散乱分光分析装置において、散乱イオンの検出器を、少なくとも照射イオンビームを含み且つ試料の旋回面を含む限られた方向に沿った散乱イオンを検出するよう、実質上長方形状としたことを特徴とする。
【００１１】
【作用】
一定方向からのイオンビームに対して、試料の回動手段によって試料を回転させることによって、この回転軸と直交する試料中の特定平面に対して適宜入射角を設定して、試料にイオンビームを照射して散乱イオンを発生させるとともに試料を回動して、散乱イオンの入射角依存性を測定する場合、結晶構造の入射角依存性に最も強く関係する特定の方向の散乱イオンのみを検出し、ノイズとなる３次元的な散乱イオンをカットするようにしたので、精密な構造解析ができる。
【００１２】
【実施例】
図１は、本発明の実施例である同軸形直衝突イオン散乱分光分析装置の概略構成を示す図で、１はイオン源、２はチョッピング電極、３はパルス発生器、４はチョッピングアパーチャ、５は試料の回動手段、６は検出器、７は時間測定手段、８はプリアンプ、９はコンピュータ、ＴＰは試料、Ｉｎは照射イオンビーム、Ｉｓは散乱イオンである。
【００１３】
次に、図１のイオン散乱分光分析装置の動作を、図２〜４を用いて説明する。イオン源１は、ガス供給源（図示省略）から供給されたガスをイオン化してイオンを生成し、これを照射イオンビームＩｎとして照射する。チョッピング電極２はパルス発生器３によってパルス状の電圧が所定の周期で印加される。チョッピング電極２を通過した照射イオンビームＩｎは印加された電圧によって偏向され、チョッピングアパーチャ４によってその進行を遮断され、電圧が印加されていない場合のみ、その進路上に設けられたチョッピングアパーチャ４の孔を通過して試料ＴＰに投射される。これによって、イオン源１から発生した照射イオンビームＩｎはチョッピング電極２に印加されたパルス電圧に応じてパルス状の照射イオンビームＩｎとなり、チョッピングアパーチャ４を通過した照射イオンビームＩｎが試料に衝突することによって、散乱イオンＩｓが検出器６で検出される。  一方、パルス発生器３はチョッピング電極２の電圧をゼロとした時点、すなわちパルス電圧の立ち下がりをトリガとして時間測定手段７に対してスタート信号を送る。また、プリアンプ８は検出器６が検出した散乱イオンＩｓの検出信号を受けて時間測定手段７に対してストップ信号を送る。時間測定手段７は上述したスタート信号からストップ信号までの時間を計測し、時間信号としてコンピュータ９に出力する。そして、一定時間照射イオンビームＩｎを照射することによって発生した散乱イオンを、その飛行時間ごとにカウントして、散乱イオンの飛行時間に対するイオン強度分布を求める。
【００１４】
上述した測定方法を用いて、散乱イオンの飛行時間に対するイオン強度分布を求めるが、試料の結晶構造を解明するためには、図３に示すように照射イオンビームの試料に対する入射角をθ１  〜θｎ  と順次変化させ、それぞれの角度において各散乱イオンの飛行時間を測定することが行われる。そのため試料ＴＰを、回動手段５によって照射イオンビームＩｎの入射角をθ１  〜θｎ  に順次設定し、照射イオンビームＩｎを照射する。
【００１５】
すなわち、本発明実施例では、図２に示すように、検出器６はドーナツ型ではなく、短辺ａ、長辺ｂの長方形状に構成されている。これにより、試料結晶面からの散乱イオンＩｓは照射イオンビームＩｎを含み且つ試料の回転軸ｚに直交する平面（試料旋回面）ＸＹに沿った方向の散乱イオンＩｓのみが検出器に入る。この平面ＸＹは上下に厚さａをもった平面を意味する。この場合厚さａは、検出器の短辺の長さに相当し、また照射イオンビームＩｎのビーム径より、若干大きい程度である。このように構成することにより、前記平面ＸＹ以外の方向に３次元的に放射される散乱イオンＩｓ’はカットされ検出されないことは明らかである。すなわち、入射角依存性のデータに対して、ノイズとなるような３次元方向の散乱イオンＩｓ’は完全にカットされるわけである。
【００１６】
図４は、本実施例によりＡｓ／Ｓｉの構造解析を行うべく、照射イオンビームＩｎの入射角度を変化させたときの散乱イオンＩｓの飛行時間分布を示すグラフで、ａは入射角αを１０°、ｂは入射角αを２０°、ｃは入射角αを３０°にそれぞれ設定したものである。このグラフでもわかるように、図６のグラフと比べて、各元素のピークにはノイズが含まれていないため、きわめてシャープなピークが得られ、構造解析がより精密にでき、ノイズ処理のための複雑なデータ処理も不要となる。
【００１７】
なお、実際の測定では、コンピュータ９により、上述した方法によって誤差を排除された散乱イオンの飛行時間と予め準備した複数の標準試料について求めた散乱イオンの飛行時間とを比較することによって、試料ＴＰの構造解析が行われる。
【００１８】
なお、本発明の実施態様として、以下のような実施例も含まれる。
【００１９】
（１）ドーナツ型検出器の前面にマスクを取りつけることで検出面積を狭めても、本発明の目的は達成でき、これによって既存装置に容易に本発明を適用できる。（２）また、前記マスクの可動機構を備えることで検出面積が可変となるので、最適な分解能を設定して測定を行うこともできる。
【００２０】
（３）スイッチのＯＮ／ＯＦＦで選択可能であって、互いに絶縁した複数の検出面からなる検出器を使用することで、実質上長方形状の受光面の信号のみを取り込むようにしても、本発明の目的は達せられる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、検出器において、試料の回転軸と平行な方向の検出面積を狭くして、結晶構造の入射角依存性に最も強く関係する特定の方向の散乱イオンのみを検出し、ノイズとなる３次元的な散乱イオンをカットするようにしたので、精度のよい試料の構造解析が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す全体図である。
【図２】本発明の検出器の構成・配置を示す図である。
【図３】イオンビームの入射角設定について示す図である。
【図４】本発明に係る装置による散乱イオンの飛行時間に対するイオン強度分布を示す図である。
【図５】従来の検出器の構成・配置を示す図である。
【図６】従来装置による散乱イオンの飛行時間に対するイオン強度分布を示す図である。
【図１】
0003563102.tif 000002
【図２】
0003563102.tif 000003
【図３】
0003563102.tif 000004
【図４】
0003563102.tif 000005
【図５】
0003563102.tif 000006
【図６】
0003563102.tif 000007