(57)【要約】【課題】  高額・大型の設備が必要なく、小型、低コストの設備で絶縁された導電体試料の分析・評価を高感度・高精度に行うことができる新規な元素分析・評価方法とその装置を提供する。【解決手段】  ２から１００ｋｅＶの低エネルギーを有する正イオンを、軽元素及び重元素の少なくともいずれかの元素を含む絶縁された導電体試料３へ照射することにより、導電体試料３中に含まれる軽元素又は重元素から４ｋｅＶ以下の低エネルギー特性Ｘ線を発生させ、発生した特性Ｘ線を検出することにより導電体試料３中に含まれる軽元素又は重元素の分析・評価を行うこととする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２から１００ｋｅＶの低エネルギーを有する正イオンを、軽元素及び重元素の少なくともいずれかの元素を含む絶縁された導電体試料へ照射することにより、導電体試料中に含まれる軽元素又は重元素から４ｋｅＶ以下の低エネルギー特性Ｘ線を発生させ、発生した特性Ｘ線を検出することにより導電体試料中に含まれる軽元素又は重元素の分析・評価を行うことを特徴とする導電体試料中の元素分析・評価方法。
【請求項２】
導電体試料中の測定対象の軽元素が原子番号４番から１７番の元素であることを特徴とする請求項１に記載の元素分析・評価方法。
【請求項３】
導電体試料中の測定対象の重元素が原子番号１８番以上の元素であることを特徴とする請求項１に記載の元素分析・評価方法。
【請求項４】
正イオンビームを電場及び磁場の少なくともいずれかの印加により集束させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の元素分析・評価方法。
【請求項５】
正イオンビームを電場及び磁場の少なくともいずれかの印加により導電体試料上で走査させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の元素分析・評価方法。
【請求項６】
導電体試料の温度を変化させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の元素分析・評価方法。
【請求項７】
２から１００ｋｅＶの低エネルギーを有する正イオンを、軽元素及び重元素の少なくともいずれかの元素を含む絶縁された導電体試料に照射するイオン発生源と、
導電体試料を載置する絶縁体ステージと、
正イオンの照射により導電体試料中に含まれる軽元素又は重元素から発生する特性Ｘ線を検出するＸ線検出器と、
導電体試料を配置するチャンバーを備えていることを特徴とする導電体試料中の元素分析・評価装置。
【請求項８】
導電体試料中の測定対象の軽元素が原子番号４番から１７番の元素であることを特徴とする請求項７に記載の元素分析・評価装置。
【請求項９】
導電体試料中の測定対象の重元素が原子番号１８番以上の元素であることを特徴とする請求項７に記載の元素分析・評価装置。
【請求項１０】
イオン発生源からの正イオンビームを集束させるビーム集束手段を有することを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の元素分析・評価装置。
【請求項１１】
イオン発生源からの正イオンビームを導電体試料上で走査させるビーム走査手段を有することを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の元素分析・評価装置。
【請求項１２】
導電体試料の温度を変化させる手段を有することを特徴とする請求項７から１１のいずれかに記載の元素分析・評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、低エネルギーイオン照射による絶縁された導電体試料中の元素分析・評価方法とその装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、低エネルギーイオンを用いて絶縁された導電体試料中の元素を小型、低コストの設備で高感度・高精度に分析・評価することができる新規な元素分析・評価方法とその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特性Ｘ線を利用する材料分析・評価方法は工業、医学、科学研究などの分野で広く利用されている。この方法においては特性Ｘ線の発生方法及び発生装置は分析・評価の重要な要素である。今まで、材料分析・評価における特性Ｘ線の発生方法としては、主に加速電子線や、高エネルギーイオンを試料に衝突させる方法が使用されている。その場合の電子線の加速エネルギーは数ｋｅＶ〜数ＭｅＶのオーダーであり、高エネルギーイオンの加速エネルギーは数１００ｋｅＶ〜数ＭｅＶのオーダーである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の加速電子線及び高エネルギーイオンを照射して分析・評価を行う方法では、高額で大型の設備を必要とすることや、低エネルギー特性Ｘ線の発生効率が低いという問題があった。
【０００４】
この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたもので、高額・大型の設備が必要なく、小型、低コストの設備で絶縁された導電体試料の分析・評価を高感度・高精度に行うことができる新規な元素分析・評価方法とその装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、２から１００ｋｅＶの低エネルギーを有する正イオンを、軽元素及び重元素の少なくともいずれかの元素を含む絶縁された導電体試料へ照射することにより、導電体試料中に含まれる軽元素又は重元素から４ｋｅＶ以下の低エネルギー特性Ｘ線を発生させ、発生した特性Ｘ線を検出することにより導電体試料中に含まれる軽元素又は重元素の分析・評価を行うことを特徴とする導電体試料中の元素分析・評価方法を提供する。
【０００６】
また、第２には、上記第１の発明において、導電体試料中の測定対象の軽元素が原子番号４番から１７番の元素であることを、第３には、重元素が原子番号１８番以上の元素であることを、第４には、上記第１から第３のいずれかの発明において、正イオンビームを電場及び磁場の少なくともいずれかの印加により集束させることを特徴とする元素分析・評価方法を提供する。
【０００７】
そして、第５には、上記第１から第４のいずれかの発明において、正イオンビームを電場及び磁場の少なくともいずれかの印加により導電体試料上で走査させることを、第６には、上記第１から５のいずれかの発明において、導電体試料の温度を変化させることを特徴とする元素分析・評価方法を提供する。
【０００８】
さらに、この出願の発明は、第７には、２から１００ｋｅＶの低エネルギーを有する正イオンを、軽元素及び重元素の少なくともいずれかの元素を含む絶縁された導電体試料に
照射するイオン発生源と、導電体試料を載置する絶縁体ステージと、正イオンの照射により導電体試料中に含まれる軽元素又は重元素から発生する特性Ｘ線を検出するＸ線検出器と、導電体試料を配置するチャンバーを備えていることを特徴とする導電体試料中の元素分析・評価装置を提供する。
【０００９】
また、第８には、上記第７の発明において、導電体試料中の測定対象の軽元素が原子番号４番から１７番の元素であることを、第９には、重元素が原子番号１８番以上の元素であることを、第１０には、上記第７から第９のいずれかの発明において、イオン発生源からの正イオンビームを集束させるビーム集束手段を有することを特徴とする元素分析・評価装置を提供する。
【００１０】
そして、第１１には、上記第７から第１０のいずれかの発明において、イオン発生源からの正イオンビームを導電体試料上で走査させるビーム走査手段を有することを、第１２には、上記第７から第１１のいずれかの発明において、導電体試料の温度を変化させる手段を有することを特徴とする元素分析・評価装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
この出願の発明によれば、低エネルギー正イオン照射によって絶縁された導電体試料中に含まれる軽元素の特性Ｘ線又は重元素の低エネルギー特性Ｘ線（ともにＸ線エネルギー４ｋｅＶ以下）が高効率で励起されることを利用しているため、従来の電子線照射励起により特性Ｘ線を発生させる手法を用いた場合に比べ、導電体試料中の軽元素又は重元素の組成や化学状態などの分析・評価を高感度・高精度で行うことができ、また従来の高エネルギーイオン照射励起により特性Ｘ線を発生させる手法を用いた場合に比べ、１桁から数桁低い加速電圧のイオンを用いるため、設備の小型化、低コスト化ができる。また、この出願の発明によれば、正イオンの加速電圧が低いために材料への進入深さも浅く、材料の表面の高感度分析や三次元的な分析できる。
【００１２】
従来は、低エネルギーの正イオンを絶縁された導電体試料に照射して、導電体試料に含まれる元素の特性Ｘ線を発生できることは知られていなかった。この出願の発明は、低エネルギーの正イオンを用いて絶縁された導電体試料に含まれる軽元素の特性Ｘ線又は重元素の低エネルギーＸ線を高効率で発生させるという今までの常識を破る斬新な手法を用いたものであり、新しい材料分析・評価技術の基礎的研究及び新製品の開発に大きく寄与するものと期待される。この技術が実用化により、物理、化学、生物、医薬などの分野において、基礎研究の発展にも大いにインパクトを持ち、非常に大きな経済効果を持つものと期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１４】
まず、導電体試料中の元素分析・評価方法について説明する。この出願の発明は、２から１００ｋｅＶの低エネルギーを有する正イオンを、軽元素及び重元素の少なくともいずれかの元素を含む絶縁された導電体試料へ照射することにより、導電体試料中に含まれる軽元素又は重元素から４ｋｅＶ以下の低エネルギー特性Ｘ線を発生させ、発生した特性Ｘ線を検出することにより導電体試料中に含まれる軽元素又は重元素の分析・評価を行うことを特徴とする。
【００１５】
正イオンとしてはいずれの正イオンも使用可能であるが、好ましいものとしては、Ｇａ+イオン、あるいは周期表１８族元素の正イオンであるＨｅ+、Ｎｅ+、Ａｒ+、Ｋｒ+、Ｘ
ｅ+などが例示される。これらの正イオンは試料物質と化学反応しないなどの利点がある
。
【００１６】
正イオンのエネルギー（加速電圧）は２から１００ｋｅＶであるが、そのエネルギーは正イオンの種類によって異なる。正イオンのエネルギーが上記範囲より高くなると、高額・大型の設備が必要となり、小型、低コストの設備で軽元素又は重元素を含む導電体材料の分析・評価を高感度・高精度に行うという所期の目的を達成することができない。正イオンのエネルギーが上記範囲より低くなると、軽元素又は重元素の特性Ｘ線の発生効率が悪くなる。
【００１７】
この出願の発明により発生する特性Ｘ線のエネルギーは４ｋｅＶ以下の低エネルギーのものであり、その下限値は０．１ｋｅＶ程度である。
【００１８】
この出願の明細書において、軽元素とは原子番号４番から１７番までのものをいう。軽元素を含む導電体試料を例示すると、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、あるいは導電性合金、導電性化合物などを挙げることができる。また、この出願の明細書において、重元素とは原子番号１８以上のものをいう。重元素を含む導電体試料を例示すると、Ｃｕ、Ｉｎ、Ａｕ、あるいはこれらを含む導電性合金、導電性化合物などを挙げることができる。導電性合金の例としてはステンレス鋼、ＴｉＡｌなど、導電性化合物の例としてはＳｉＣ、ＧａＡｓなどがある。
【００１９】
そして、上記の導電体試料は、例えば、ＳｉＯ2、ＮａＣｌ、ＭｇＯなどの絶縁体ステ
ージに導電体試料を蒸着して、電気的に孤立した絶縁状態にする。導電体試料を絶縁状態とする理由は、入射低エネルギー正イオンは絶縁された導電体試料表面と衝突し、その表面と物理的に、化学的に相互作用し、導電体試料に含まれる元素の特性Ｘ線を励起するからである。導電体試料の絶縁体ステージへの蒸着方法としては、真空蒸着法、スパッター法などがあるが、これに限定されることはない。
【００２０】
この出願の方法で利用する元素特性Ｘ線発生の原理と分析・評価の手順を模式的に図１に示す。上記の範囲の低エネルギー正イオンを導電体試料に照射すると、照射イオンは導電体試料と相互作用をし、導電体試料に含まれる原子の内殻電子空孔を生成させ、外側電子殻からその空孔への電子遷移により、特性Ｘ線が発生する。
【００２１】
この出願の方法では、このようにして発生した特性Ｘ線を検出して、導電体試料中の軽元素又は重元素を高感度・高精度で分析・評価する。特性Ｘ線の検出は、Ｓｉ（Ｌｉ）Ｘ線分光検出器などの半導体検出器を用いて行うことができるが、これに限定されない。
【００２２】
また、表１に、この出願の発明による元素分析・評価方法と既存の代表的な元素分析・評価方法を比較して示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
この出願の発明では、特性Ｘ線を発生させる際に、発生効率の制御の目的で、導電体試料の温度を変化させてもよいし、導電体試料を真空中に配置してもよい。温度を変化させる場合には、実験装置に実現できる、導電体試料を絶縁体ステージに保てる温度範囲の間であれば任意の温度とすることができる。たとえばＡｌに対しては−２６９℃（Ｈｅの液化温度）〜６６０℃（Ａｌの融点）、Ｃｕに対しては−２６９℃〜１０８４℃（Ｃｕの融点）とすることができる。また導電体試料は、空気中に配置してもよいし、希ガス中に配置してもよい。
【００２５】
また、イオンビームの導電体試料上での照射位置を制御するために、イオンビームに、磁場及び電場の少なくともいずれかを印加して収束させたり、走査させたりしてもよい。
【００２６】
次に、導電体試料中の元素分析・評価装置について説明する。
【００２７】
図２は、この出願の発明による元素分析・評価装置の一構成例を模式的に示す図である。図２において、１はイオン発生源、２は低エネルギーのイオンビーム、３は導電体試料、４は導電体試料３を絶縁するための絶縁体ステージ、５は導電体試料３からの特性Ｘ線を検出するＸ線検出器、６はイオンビーム２を集束させるレンズである。
【００２８】
イオン発生源１は、低エネルギーを有する正イオンのビーム２を出射し、導電体試料３に照射する。正イオンのエネルギー（加速電圧）は２から１００ｋｅＶであるが、そのエネルギーはイオン種によって異なる。正イオンのエネルギーが上記範囲より高くなると、高額・大型の設備が必要なく小型、低コストの設備で軽元素又は重元素を含む絶縁された導電体試料の分析・評価を高感度・高精度に行うという所期の目的を達成することができない。正イオンのエネルギーが上記範囲より低くなると、軽元素又は重元素の特性Ｘ線の発生効率が悪くなる。
【００２９】
ここで、正イオン、導電体試料３、絶縁体ステージ４については、前述の導電体試料中の元素分析・評価方法と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００３０】
図２の装置を用いて元素の分析・評価を行う際には、先ず、チャンバー（図示せず）内に導電体試料３を配置する。このとき、導電体試料３は絶縁体ステージ４に載置させるが、例えば、真空蒸着法により絶縁体ステージ４に蒸着させて絶縁させるようにしてもよい。チャンバー内は、必要に応じて、適切な真空度の真空状態としたり、不活性ガスを導入させたりする。また、導電体試料３の物性や、化学状態を変化させる目的で、導電体試料３の温度を変化させてもよい。この場合、ヒーターや冷却装置等公知の手段を用いることができ、軽元素又は重元素の特性Ｘ線の発生効率が変化する。
【００３１】
次に、イオン発生源１を作動させて、上記の範囲の低エネルギーの正イオンビーム２を導電体試料３に照射させる。イオンビーム２を照射させる時に、必要に応じて、イオンビーム２をレンズ６で集束させたり、ビームスキャナー（図示せず）で走査させたりしてもよい。低エネルギーの正イオンの照射により、照射イオンは導電体試料３と相互作用をし、導電体試料３に含まれる原子の内殻電子空孔を生成させ、外側電子殻からその空孔への電子遷移により、特性Ｘ線が発生する。このＸ線をＸ線検出器５で検出する。Ｘ線検出器５としては、Ｓｉ（Ｌｉ）Ｘ線分光検出器などの半導体検出器が好ましく用いられるが、これに限定されない。
【００３２】
そしてＸ線検出器５で検出した特性Ｘ線のデータに基づいて軽元素又は重元素の特性Ｘ線を高感度、高精度で分析・評価することができる。また、必要に応じて、導電体試料３から発生する可視光、紫外光、オージェ電子、二次電子、二次イオンなど（特性Ｘ線以外のもの）を検出するための検出器（図示せず）が配置されていてもよい。検出器の配置数は、検出すべき励起信号の数に応じて適宜設定することができる。また、検出器の種類も測定する励起信号に応じて従来使用されている公知のものを使用することができる。
【実施例】
【００３３】
次に、この出願の発明による実施例を示す。もちろん、この出願の発明は前述の実施の形態及び以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
＜実施例１＞
低エネルギー正イオンとして１０ｋｅＶのＧａ+イオン、導電体試料としてＡｌを真空
蒸着法で絶縁体ステージＳｉＯ2に蒸着した。チャンバーの真空度は１×１０-5Ｐａ以下
にした。Ｘ線の検出はＳｉ（Ｌｉ）Ｘ線エネルギー分光検出器を用いた。
【００３４】
室温で低エネルギー正イオンを試料に照射すると、Ｘ線エネルギー分光検出器により、試料の特性Ｘ線が検出された。図３（ａ）にこの実施例において低エネルギーイオン照射により励起されたＸ線スペクトルを示す。また、比較のために、図３（ａ）に同じ導電体試料を用い１０ｋｅＶの電子ビーム照射により励起されたＸ線スペクトルを示す。これらのスペクトルを比較すると、電子線に比べ、低エネルギーイオンにより励起された特性Ｘ線では、導電体試料（Ａｌ）の特性Ｘ線が効率的に励起されることが確認された。
＜実施例２＞
低エネルギー正イオンとして３０ｋｅＶのＧａ+イオン、導電体試料としてＩｎを真
空蒸着法で絶縁体ステージＳｉＯ2に蒸着した。チャンバーの真空度は１×１０-5Ｐａ以
下にした。Ｘ線の検出はＳｉ（Ｌｉ）Ｘ線エネルギー分光検出器を用いた。
【００３５】
室温で低エネルギー正イオンを試料に照射すると、Ｘ線エネルギー分光検出器により、試料の特性Ｘ線が検出された。図３（ｂ）にこの実施例において低エネルギーイオン照射により励起されたＸ線スペクトルを示す。このスペクトルから、低エネルギーイオンにより励起された導電体試料（Ｉｎ）の特性Ｘ線が効率的に励起されることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この出願の発明で利用する元素特性Ｘ線発生の原理と分析・評価の手順を模式的に示す図である。
【図２】この出願の発明による軽元素分析・評価装置の一構成例を模式的に示す図である。
【図３】（ａ）は実施例１において低エネルギーイオン照射により励起されたＸ線スペクトルを示す図及び電子ビームにより励起されたＸ線スペクトルを示す図、（ｂ）は実施例２において低エネルギーイオン照射により励起されたＸ線スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    イオン発生源
２    イオンビーム
３    導電体試料
４    絶縁体ステージ
５    Ｘ線検出器
６    レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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