(57)【要約】【課題】散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するにあたり、特定の散乱イオンを検出対象から除外するためのデフレクタに求められる必要電力を削減する。【解決手段】散乱イオン１８をそのエネルギーに応じて第１の方向に偏向する磁気形成手段２４と、その偏向された散乱イオンの到達位置を検出するイオン検出器２８と、特定のイオンを検出対象から除外するデフレクタ２６とが用いられる。デフレクタ２６は、イオン検出器２８に向かう散乱イオン１８を第１の方向と直交する第２の方向に偏向する電場を形成して、当該第２の方向への偏向量が一定以上の散乱イオンを前記イオン検出器の散乱イオン検出可能領域から逸脱させる。その電場は、当該電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほどその偏向量を大きくするような強さ分布または形状を有する。【選択図】図１
2008064524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームが試料に入射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析装置であって、
前記試料から散乱する散乱イオンの進行方向を当該散乱イオンの進行方向と直交する第１の方向に偏向させる磁場を形成する磁場形成手段と、
前記散乱イオンの位置を検出することが可能な検出可能領域を有し、前記磁場形成手段が形成する磁場により偏向された散乱イオンが前記検出可能領域に到達するように配置されるイオン検出器と、
前記磁場形成手段と前記イオン検出器との間の位置に設けられ、前記磁場形成手段から前記イオン検出器に向かう散乱イオンを前記第１の方向と直交する第２の方向に偏向する電場を形成して、当該第２の方向への偏向量が一定以上の散乱イオンを前記イオン検出器の散乱イオン検出可能領域から当該第２の方向へ逸脱させるデフレクタとを備え、
このデフレクタは、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での電場の強さが大きくなる強さ分布をもつ電場を形成することを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項２】
請求項１記載の散乱イオン分析装置において、
前記デフレクタは、互いに対向する電極対を有し、この電極対を構成する電極同士の間に前記電場を形成するものであり、これらの電極は、当該電極同士の間に形成される電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での前記電極間の距離が小さくなるように配置されることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項３】
請求項２記載の散乱イオン分析装置において、
前記各電極は平面状の電極面を有し、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での前記電極間の距離が小さくなるように一方の電極面が他方の電極面に対して傾いていることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項４】
イオンビームが試料に入射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析装置であって、
前記試料から散乱する散乱イオンの進行方向を当該散乱イオンの進行方向と直交する第１の方向に偏向させる磁場を形成する磁場形成手段と、
前記第１の方向についてのイオンの位置を検出することが可能な検出可能領域を有し、前記磁場形成手段が形成する磁場により偏向された散乱イオンが前記検出可能領域に到達するように配置されるイオン検出器と、
前記磁場形成手段と前記イオン検出器との間の位置に設けられ、前記磁場形成手段から前記イオン検出器に向かう散乱イオンを前記第１の方向と直交する第２の方向に偏向する電場を形成して、当該第２の方向への偏向量が一定以上の散乱イオンを前記イオン検出器の散乱イオン検出可能領域から当該第２の方向へ逸脱させるデフレクタとを備え、
このデフレクタは、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが当該電場を通過する距離が大きくなる形状をもつ電場を形成することを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項５】
請求項４記載の散乱イオン分析装置において、
前記デフレクタは、互いに対向する電極対を有し、この電極対を構成する電極同士の間に前記電場を形成するものであり、これらの電極は、当該電極同士の間に形成される電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが当該電場を通過する距離が大きくなる形状を有することを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項６】
請求項５記載の散乱イオン分析装置において、
前記各電極は、前記散乱イオンの入口端及び出口端が前記第２の方向から見て直線である形状を有し、かつ、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが当該電場を通過する距離が大きくなるように前記入口端に対して前記出口端が傾いていることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項７】
イオンビームが試料に入射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析装置であって、
前記試料から散乱する散乱イオンの進行方向を当該散乱イオンの進行方向と直交する第１の方向に偏向させる磁場を形成する磁場形成手段と、
前記散乱イオンの位置を検出することが可能な検出可能領域を有し、前記磁場形成手段が形成する磁場により偏向された散乱イオンが前記検出可能領域に到達するように配置されるイオン検出器と、
前記磁場形成手段と前記イオン検出器との間の位置に設けられ、前記磁場形成手段から前記イオン検出器に向かう散乱イオンを前記第１の方向と直交する第２の方向に偏向する電場を形成して、当該第２の方向への偏向量が一定以上の散乱イオンを前記イオン検出器の散乱イオン検出可能領域から当該第２の方向へ逸脱させるデフレクタとを備え、
このデフレクタは、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での電場の強さが大きくなる強さ分布をもち、かつ、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが当該電場を通過する距離が大きくなる形状をもつ電場を形成することを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項８】
イオンビームが試料に入射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定する方法であって、
磁場の形成により、前記試料から散乱する散乱イオンの進行方向を当該散乱イオンの進行方向と直交する第１の方向に偏向させる偏向操作と、
前記第１の方向についてのイオンの位置を検出することが可能な検出可能領域を有するイオン検出器の当該検出可能領域に前記偏向操作により偏向された散乱イオンを到達させてその到達位置を検出する検出操作と、
前記磁場と前記イオン検出器との間の位置に、前記磁場から前記イオン検出器に向かう散乱イオンを前記第１の方向と直交する第２の方向に偏向する電場を形成して、当該第２の方向への偏向量が一定以上の散乱イオンを前記イオン検出器の散乱イオン検出可能領域から当該第２の方向へ逸脱させるイオン逸脱操作とを含み、
前記イオン逸脱操作では、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での電場の強さが大きくなる強さ分布をもつ電場を形成することを特徴とする散乱イオン分析方法。
【請求項９】
イオンビームが試料に入射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定する方法であって、
磁場の形成により、前記試料から散乱する散乱イオンの進行方向を当該散乱イオンの進行方向と直交する第１の方向に偏向させる偏向操作と、
前記第１の方向についてのイオンの位置を検出することが可能な検出可能領域を有するイオン検出器の当該検出可能領域に前記偏向操作により偏向された散乱イオンを到達させてその到達位置を検出する検出操作と、
前記磁場と前記イオン検出器との間の位置に、前記磁場から前記イオン検出器に向かう散乱イオンを前記第１の方向と直交する第２の方向に偏向する電場を形成して、当該第２の方向への偏向量が一定以上の散乱イオンを前記イオン検出器の散乱イオン検出可能領域から当該第２の方向へ逸脱させるイオン逸脱操作とを含み、
前記イオン逸脱操作では、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが当該電場を通過する距離が大きくなる形状をもつ電場を形成することを特徴とする散乱イオン分析方法。
【請求項１０】
請求項８または９記載の散乱イオン分析方法において、
前記散乱イオンには、第１の価数を有するイオンと、前記第１の価数よりも高い第２の価数を有し、かつ、前記第１の価数を有するイオンよりも高いエネルギーを有するイオンとが含まれ、
前記選別操作では、前記第２の価数をもつイオンのみを前記検出可能領域に到達させて前記第１の価数をもつイオンを前記検出可能領域から逸脱させる電場を形成することを特徴とする散乱イオン分析方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の散乱イオン分析方法において、
前記散乱イオンには、２価のヘリウムイオンとこの２価のヘリウムイオンよりもエネルギーの低い１価のヘリウムイオンとが含まれ、
前記選別操作では、前記２価のヘリウムイオンのみを前記検出可能領域に到達させて前記１価のヘリウムイオンを前記検出可能領域から逸脱させる電場を形成することを特徴とする散乱イオン分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体その他の材料の分析等に好適な散乱イオン分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体開発や結晶性薄膜等の分野では、デバイス材料その他の試料の表面層についての情報の取得が重要とされている。このような情報を非破壊的に分析する手段として、ラザフォード後方散乱（Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＲＢＳ）分析装置が知られている。このＲＢＳ分析装置では、高電圧によって加速されたイオン（例えば水素イオンやヘリウムイオン）が試料の適所にビーム入射され、これにより当該試料から散乱したイオンのエネルギースペクトルが測定される。
【０００３】
前記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための具体的手段として、特許文献１は、前記散乱イオンの進行方向を該イオンの持つエネルギーに応じて偏向させる偏向手段と、その偏向した散乱イオンが到達可能な位置に設けられるイオン検出器とを備えた装置を開示する。
【０００４】
前記偏向手段は、電磁石からなり、前記散乱イオンの進行方向に対して直交する方向の磁場を形成する。この磁場と前記散乱イオンのもつ電荷との相互作用で当該散乱イオンに前記磁場と直交する方向の偏向力が与えられるが、この偏向力を受けた散乱イオンの偏向量は当該散乱イオンのエネルギーが高いほど小さくなる。従って、前記偏向手段は前記散乱イオンの軌道を当該散乱イオンのエネルギーに応じて分離することになる。
【０００５】
前記イオン検出器は、前記のような偏向操作を受けた散乱イオンの当該偏向の方向（以下「第１の方向」と称する。）についての到達位置を検出する。その検出結果に基づき、前記散乱イオンのエネルギースペクトルが測定される。
【０００６】
しかし、前記偏向手段が前記散乱イオンを偏向させる量は当該イオンのエネルギーだけでなく当該イオンの価数にも依存するので、前記偏向操作を受ける散乱イオンの中に互いに価数の異なるイオンが混在する場合、その散乱イオンの前記第１の方向への偏向量のみでは正確なエネルギー分別ができない場合がある。例えば、前記散乱イオンの中に１価の低エネルギーイオンと２価の高エネルギーイオンとが混在する場合、或る１価の低エネルギーイオンのもつエネルギーが或る２価の高エネルギーイオンがもつエネルギーの１／４であると、電磁気学上、両イオンの前記第１の方向への偏向量は等しくなる。この場合には、一つのイオン検出位置に対して２種類のイオンエネルギーが対応することになるため、正確なエネルギースペクトルの測定をすることができないことになる。
【０００７】
かかる不都合を解消するための手段として、前記特許文献１の図６は、特定のイオンを前記イオン検出器の検出対象から除外するためのデフレクタを具備する装置を開示する。
【０００８】
前記デフレクタは、一対の電極を具備し、これらの電極同士の間に電位差が与えられることにより、前記偏向手段のすぐ下流側で前記偏向方向と直交する方向の電場（電界）を形成する。この電場は、当該電場の方向、すなわち、前記第１の方向と直交する方向（以下「第２の方向」と称する。）に前記散乱イオンを偏向させるが、この第２の方向への偏向量は前記散乱イオンのｑ／Ｅｉ（ｑはイオンの価数、Ｅｉはイオンのエネルギー）に比例するので、その偏向量の差を利用して特定のイオンのみイオン検出器の検出可能領域から逸脱させて測定対象から除外することが可能である。具体的に、前記特許文献１には、前記散乱イオンに高エネルギーの水素イオンと低エネルギーの窒素イオンとが含まれる場合において、前記デフレクタが前記窒素イオンのみを前記第２の方向に大きく偏向させて前記イオン検出器の検出可能領域から逸らす例が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２３３８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記デフレクタが、イオンを確実にイオン検出器の検出可能領域から逸脱させて特定のイオンのみを検出可能領域に導くためには、前記第２の方向について、前者のイオンの偏向量と後者のイオンの偏向量との間に十分な差を与える必要があり、そのためには当該偏向量の差に見合うだけの電位差が前記電極間に要求される。この要求される電位差が大きいほど必要電力が増え、電源も含めて装置が大掛かりになり、また、電極間放電防止手段等の専用設備が増えることになる。従って、装置の小型化及びコストの削減のためには前記デフレクタの必要電力を低減させることが大きな課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、前記課題を解決するために、検出対象として選別されるべきイオン群（例えば高エネルギー高価数のイオン群）及び除外されるべきイオン群（例えば低エネルギー低価数のイオン群）におけるイオンエネルギーの幅に着目した。すなわち、前記各イオン群にはイオンのエネルギーに幅があるため、これに応じて各イオン群における各イオンの偏向量（前記デフレクタによる前記第２の方向への偏向量）にも幅が生じる。そして、その幅分だけ、高エネルギー側のイオンエネルギーの最低値と、低エネルギー側のイオン群におけるイオンエネルギーの最高値との差が縮まり、ひいては前記第２の方向への偏向量の差が縮まる。この偏向量の差の縮小が、前記両イオン群を差別化するために要求されるデフレクタの必要電力を大きくする。換言すれば、前記各イオン群での前記デフレクタによる偏向量の幅を削減することが、前記イオン群間の偏向量の差を拡大し、ひいては前記デフレクタの必要電力を低減させることになる。
【００１１】
本発明は、このような観点からなされたものであり、イオンビームが試料に入射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析装置であって、前記試料から散乱する散乱イオンの進行方向を当該散乱イオンの進行方向と直交する第１の方向に偏向させる磁場を形成する磁場形成手段と、前記散乱イオンの位置を検出することが可能な検出可能領域を有し、前記磁場形成手段が形成する磁場により偏向された散乱イオンが前記検出可能領域に到達するように配置されるイオン検出器と、前記磁場形成手段と前記イオン検出器との間の位置に設けられ、前記磁場形成手段から前記イオン検出器に向かう散乱イオンを前記第１の方向と直交する第２の方向に偏向する電場を形成して、当該第２の方向への偏向量が一定以上の散乱イオンを前記イオン検出器の散乱イオン検出可能領域から逸脱させるデフレクタとを備え、このデフレクタは、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での電場の強さが大きくなる強さ分布をもつ電場を形成するものである。
【００１２】
この装置では、まず前記磁場によってこの磁場を通過する散乱イオンの進行方向が第１の方向に偏向される。その偏向度合いは当該散乱イオンが有するエネルギーが小さいほど、また当該散乱イオンの価数が多いほど、大きくなる。さらに、その下流側のデフレクタが形成する電場を前記散乱イオンが通過する際に、当該散乱イオンの進行方向が前記第１の方向と直交する第２の方向に偏向される。
【００１３】
この装置のデフレクタが形成する電場は、この電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での電場の強さが大きくなる強さ分布をもつので、等価のイオン群の中でエネルギーの高いイオンは比較的強い電場の作用を受け、逆にエネルギーの低いイオンは比較的弱い電場の作用を受ける。従って、等価なイオンについてはそのエネルギーのばらつきにかかわらず前記第２の方向への偏向量が平均化される。このような等価なイオン同士での偏向量の平均化は、互いに価数の異なるイオン群間での偏向量の差を拡大する。この偏向量の差の拡大は、前記イオン群を差別化するために求められるデフレクタの必要電力、つまり、特定の価数をもつイオン群のみをイオン検出器の検出可能領域に導いて他の価数をもつイオン群を前記検出可能領域から逸脱させる（すなわち検出対象から除外する）ために求められるデフレクタの必要電力を削減する。
【００１４】
具体的に、前記デフレクタとしては、互いに対向する電極対を有し、この電極対を構成する電極同士の間に前記電場を形成するものであり、これらの電極は、当該電極同士の間に形成される電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での前記電極間の距離が小さくなるように配置されるものが、好適である。
【００１５】
より具体的に、前記各電極は平面状の電極面を有し、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での前記電極間の距離が小さくなるように一方の電極面が他方の電極面に対して傾いているものであれば、当該電極面を相互に傾けるだけの簡単な構成で前記電場の強さに適正な勾配を与えることができる。
【００１６】
また本発明に係る装置は、前記デフレクタが、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での電場の強さが大きくなる強さ分布をもつ電場を形成する代わりに、もしくは、当該強さ分布に加え、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが当該電場を通過する距離が大きくなる形状をもつ電場を形成するものであってもよい。
【００１７】
このような電場では、等価のイオン群の中でエネルギーの高いイオンは比較的長い距離にわたって前記電場の作用を受け、逆にエネルギーの低いイオンは比較的短い距離でのみ電場の作用を受ける。従って、この装置においても、等価なイオンについてはそのエネルギーのばらつきにかかわらず前記第２の方向への偏向量が平均化される。この等価なイオン同士での前記第２の方向への偏向量の平均化は、前記と同様、特定の価数をもつイオン群のみをイオン検出器の検出可能領域に導いて他の価数をもつイオン群を前記検出可能領域から逸脱させる（すなわち検出対象から除外する）ために求められるデフレクタの必要電力を削減する。
【００１８】
具体的に、前記デフレクタとしては、互いに対向する電極対を有し、この電極対を構成する電極同士の間に前記電場を形成するものであって、これらの電極は、当該電極同士の間に形成される電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが当該電場を通過する距離が大きくなる形状を有するものが、好適である。
【００１９】
より具体的に、前記各電極は、前記散乱イオンの入口端及び出口端が前記第２の方向から見て直線である形状を有し、かつ、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが当該電場を通過する距離が大きくなるように前記入口端に対して前記出口端が傾いているものであれば、当該電極の形状の設定だけで前記偏向量の平均化を達成することが可能である。
【００２０】
また本発明は、イオンビームが試料に入射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定する方法であって、磁場の形成により、前記試料から散乱する散乱イオンの進行方向をその散乱イオンが有向させる偏向操作と、前記第１の方向についてのイオンの位置を検出することが可能な検出可能領域を有するイオン検出器の当該検出可能領域に前記偏向操作により偏向された散乱イオンを到達させてその到達位置を検出する検出操作と、前記磁場と前記イオン検出器との間の位置に、前記磁場から前記イオン検出器に向かう散乱イオンを前記第１の方向と直交する第２の方向に偏向する電場を形成して、当該第２の方向への偏向量が一定以上の散乱イオンを前記イオン検出器の散乱イオン検出可能領域から当該第２の方向へ逸脱させるイオン逸脱操作とを含み、前記イオン逸脱操作では、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での電場の強さが大きくなる強さ分布、前記電場を通過する散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが当該電場を通過する距離が大きくなる形状の少なくとも一方をもつ電場を形成するものである。
【００２１】
この方法は、第１の価数を有するイオンと、前記第１の価数よりも高い第２の価数を有し、かつ、前記第１の価数を有するイオンよりも高いエネルギーを有するイオンとを含む散乱イオンの分析に好適である。この場合、前記選別操作では、前記第２の価数をもつイオンのみを前記検出可能領域に到達させて前記第１の価数をもつイオンを前記検出可能領域から逸脱させる電場を形成すればよい。
【００２２】
より具体的に、前記散乱イオンとして、２価のヘリウムイオンとこの２価のヘリウムイオンよりもエネルギーの低い１価のヘリウムイオンとが含まれる場合には、前記２価のヘリウムイオンのみを前記検出可能領域に到達させて前記１価のヘリウムイオンを前記検出可能領域から逸脱させる電場を形成すればよい。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、本発明は、磁場により第１の方向に偏向された散乱イオンのうちの特定のイオンをイオン検出器の散乱イオン検出可能領域から前記第１の方向と直交する第２の方向へ逸脱させるための電場として、その散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での電場の強さが大きくなる強さ分布をもつ電場や、前記散乱イオンのエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが当該電場を通過する距離が大きくなる形状の電場を形成するものであるので、その電場の形成のために求められる必要電力を低減して装置の小型化及びコストの削減に寄与することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の第１の実施の形態を図１〜図４を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は、イオン入射装置１０と、散乱イオン分析装置２０とからなる分析システムを示す平面図である。前記イオン入射装置１０は、試料１２に対して特定の入射イオン１４を含むイオンビーム１６を所定の角度から入射する。前記散乱イオン分析装置２０は、前記イオンビーム１６の入射によって前記試料１２から散乱した散乱イオン１８のエネルギースペクトルを測定する。この散乱イオン分析装置２０及び前記試料１２は図略の真空容器内に収容される。
【００２６】
この実施の形態では、前記入射イオン１４にヘリウムイオンが用いられる。このヘリウムイオンには、低エネルギーの１価のヘリウムイオンＨｅ＋と、高エネルギーの２価のヘリウムイオンＨｅ＋＋とが含まれる。ただし、本発明の対象となる散乱イオンはこれに限られず、プローブとして用いられるＬｉなどの軽イオンも対象となり得る。
【００２７】
前記イオン入射装置１０は、図略の加速器、ウィンフィルタ、及び四重極磁気レンズを含む。前記加速器は、前記入射イオン１４を高電圧の印加により加速させて前記イオンビーム１６を生成する。前記ウィンフィルタは、前記イオンビーム１６中の不純物を除去する。前記四重極磁気レンズは前記イオンビーム１６を前記試料１２上の所定位置に収束させる。
【００２８】
前記散乱イオン分析装置２０は、スリット２２と、磁場形成器２４と、デフレクタ２６と、イオン検出器２８とを備える。
【００２９】
前記スリット２２は、前記試料１２から散乱する散乱イオン１８のうち、所定方向に進行するイオンについてのみその通過を許容し、他のイオンの通過を阻止する。
【００３０】
前記磁場形成器２４は、前記スリット２２の下流側に設けられ、上下方向（図１では奥行き方向）の磁場３０を形成する。具体的には、上下一対の電磁石３２，３４を具備し、これら電磁石３２，３４がその間に前記磁場３０を形成する。この磁場３０は、当該磁場３０を通過する前記散乱イオン１８の進行方向をその散乱イオン１８が有するエネルギーに対応した度合いで第１の方向に偏向させる。この第１の方向は、水平方向であって前記散乱イオン１８の進行方向と直交する方向（図１に示す例では右向き）であり、前記偏向の度合いは、電磁気学上、前記散乱イオン１８のもつエネルギー及び当該散乱イオン１８の価数に依存する。
【００３１】
なお、この磁場形成器２４には永久磁石の利用も可能である。
【００３２】
前記デフレクタ２６は、前記磁場形成器２４と前記イオン検出器２８との間の位置であって、図例ではすぐ下流側の位置に設けられている。このデフレクタ２６は、前記磁場３０を通過した散乱イオン１８のうちの特定のイオン（この実施の形態では１価のヘリウムイオン）を検出対象から除外するためのものであり、その詳細は後述する。
【００３３】
前記イオン検出器２８は、上下方向及び左右方向に制限された検出可能領域を有し、この検出可能領域に前記散乱イオン１８のうちの特定のイオン（この実施の形態では２価のヘリウムイオン）が到達するように配置される。そして、その散乱イオン１８の到達位置を検出する。
【００３４】
この実施の形態では、前記イオン検出器２８に従来周知の位置敏感型のもの、例えばＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）を利用した検出器が用いられる。このイオン検出器２８は、特定方向に一次元的に位置敏感であり、その特定方向が前記第１の方向と合致する姿勢で配置される。そして、このイオン検出器２８は、その検出可能領域に散乱イオンが到達すると、その到達位置によって波高相対比の異なるパルス信号を当該検出器２８の両端から出力する。
【００３５】
このイオン検出器２８は、図２に示される信号処理装置４０に接続される。この信号処理装置４０には、前記イオン検出器２８から出力される前記パルス信号すなわち前記散乱イオンの到達位置についての検出信号が入力される。この信号処理装置４０は、前記検出信号を演算処理することにより、前記散乱イオン１８のエネルギースペクトルに関する測定データを作成する。
【００３６】
この演算処理装置４０は、２つのアンプ４２と、Ａ／Ｄ変換器４４と、演算制御部４６とを含む。前記各アンプ４２は、前記イオン検出器２８の両端から出力される信号を増幅する。前記Ａ／Ｄ変換器４４は、前記各アンプ４２による増幅信号をデジタル化してそのデジタル信号を演算制御部４６に入力する。この演算制御部４６には例えばキーボードからなる入力装置３６が接続され，この入力装置３６は適当な操作を受けることにより前記演算処理部４６にその演算処理に必要なデータを入力する。演算処理部４６は、ＣＰＵ４７、ＲＡＭ４８、メモリ４９等を含み、前記Ａ／Ｄ変換器４４から入力される信号と前記入力装置３６から入力されるデータとに基づき、前記散乱イオン１８のエネルギースペクトルに関する測定データを演算して図略の外部出力機器に出力する。
【００３７】
次に、前記デフレクタ２６の具体的構成を説明する。
【００３８】
このデフレクタ２６は、図３および図４に示されるような上下一対の電極５２，５４を備える。各電極５２，５４は平板状で、これらの電極５２，５４が互いに対向する面である電極面５２ａ，５４ａは平面である。両電極５２，５４は図略の電源に接続され、この電源から与えられる当該電極５２，５４の間に電位差により、当該電極５２，５４の間に上下方向の電場５０を形成する。
【００３９】
この実施の形態では、上側の電極５２が負電極、下側の電極５４が正電極であり、両電極５２，５４間に形成される前記電場５０は上向きである。よって、この電場５０は当該電場５０を通過する前記散乱イオン１８（１価のヘリウムイオン及び２価のヘリウムイオン）の進行方向を上向きに偏向させる。すなわち、前記第１の方向と直交する第２の方向に偏向させる。この偏向は、図３に示すように、低エネルギーイオンである１価のヘリウムイオン１８Ｌの軌道を前記イオン検出器２８の検出可能領域から当該第２の方向へ逸脱させて高エネルギーイオンである２価のヘリウムイオン１８Ｈのみを前記検出可能領域に到達させるために行われる。このようなヘリウムイオンの選別が実現されるように、前記電極５２，５４間の電位差が設定される。
【００４０】
さらに、この装置の特徴として、前記電極５２，５４は、これら電極５２，５４同士の間に形成される電場５０を通過する散乱イオン１８のエネルギーが大きいほど当該散乱イオン１８が通過する軌道上での前記電極５２，５４間の距離が小さくなるように配置される。具体的には、図４に示されるように、前記磁場形成器２４での偏向量が小さい高エネルギーイオンが通過する側（図１では上側、図４では左側）での電極面５２ａ，５４ａ間の距離が、前記磁場形成器２４での偏向量が大きい低エネルギーイオンが通過する側（図１では下側、図４では右側）での電極面５２ａ，５４ａ間の距離よりも小さくなる向きに、前記電極面５２ａ，５４ａ同士が傾いている。
【００４１】
次に、この分析システムの作用を説明する。
【００４２】
前記イオン入射装置１０からヘリウムイオンを含むイオンビーム１６が試料１２に対して所定の角度で入射されると、その入射部位で前記試料２０からイオンが散乱する。この散乱イオン１８には、１価のヘリウムイオンと２価のヘリウムイオンとが混在する。
【００４３】
これらの散乱イオン１８のうち、特定の方向に散乱した散乱イオン１８のみが前記スリット２２を通過し、磁場形成器２４への進入を許容される。この散乱イオン１８は、前記磁場形成器２４において形成された上向きの磁場３０と、当該散乱イオン１８自身のもつ電荷との相互作用により第１の方向（図例では水平方向右向き）に偏向され、前記イオン検出器２８に向かう。
【００４４】
しかし、前記磁場３０が前記散乱イオン１８を偏向させる量は当該イオンのエネルギーだけでなく当該イオンの価数にも依存するので、この磁場３０による前記第１の方向への偏向量のみでは正確なエネルギー分別は困難である。例えば、或る１価の低エネルギーヘリウムイオンのもつエネルギーが或る２価の高エネルギーヘリウムイオンがもつエネルギーの１／４であると、電磁気学上、両イオンの前記第１の方向への偏向量は等しくなる。この場合には、一つのイオン検出位置に対して２種類のイオンエネルギーが対応することになるため、正確なエネルギースペクトルの測定をすることができない。
【００４５】
その正確なエネルギースペクトルの測定は、次のデフレクタ２６が行うもう一つの偏向操作によって達成される。このデフレクタ２６は、前記散乱イオン１８を上向きに（すなわち第２の方向に）偏向させるための電場５０を形成する。この電場５０が前記散乱イオン１８に与える上向き偏向量Δｙは次の（１）式で表される。
【００４６】
Δｙ＝（ｌ／２）＊Ｌ＊（Ｖｄ／ｄ）＊（ｑ／Ｅｉ）  …（１）
ここで、ｌは散乱イオン１８が前記電場５０を通過する距離、Ｖｄは電極５２，５４間の電位差、Ｌは電場５０の中心からイオン検出器２８までの距離、ｄは電極５２，５４間の距離、ｑはイオンの価数（電荷数）、Ｅｉはイオンのエネルギーである。
【００４７】
前記（１）式に示されるように、散乱イオン１８の偏向量Δｙは、その価数ｑに比例し、エネルギーＥｉに反比例する。従って、図３に示される１価のヘリウムイオン１８Ｌの価数が２価のヘリウムイオン１８Ｈの価数の１／２であっても、当該１価のヘリウムイオン１８Ｌのエネルギーが当該２価のヘリウムイオン１８Ｈのエネルギーより十分小さければ、１価のヘリウムイオン１８Ｌの偏向量Δｙは２価のヘリウムイオン１８Ｈの偏向量Δｙよりも大きくなり、その偏向量の差δによって１価のヘリウムイオン１８Ｌのみを前記イオン検出器２８の検出可能領域から逸脱させることができる。この偏向量の差δは前記電極５２，５４間の電位差Ｖｄに依存するので、当該偏向量の差δが十分に与えられるように前記電位差Ｖｄが設定される必要がある。
【００４８】
ここで、従来のデフレクタ２６では、電極５２，５４間の距離ｄが全体にわたって均一であって、電場５０の強さ（＝Ｖｄ／ｄ）も均一であるため、図５及び図６に示すように、同じ１価のヘリウムイオン１８Ｌであってもそのエネルギーの幅と同等分だけ前記偏向量Δｙに幅Ｒ１ができる。同様に、同じ２価のヘリウムイオン１８Ｈであっても、そのエネルギーの幅と同等分だけ前記偏向量Δｙに幅Ｒ２ができる。これらの幅Ｒ１，Ｒ２が大きいほど、前記偏向量Δｙの差δ、すなわち、１価のヘリウムイオン１８Ｌ側での偏向量Δｙの最小値と２価のヘリウムイオン１８Ｈ側での偏向量Δｙの最大値との差δが縮小される。換言すれば、この差δを十分大きな値に確保するために必要とされる電極間電位差Ｖｄは大きくなる。
【００４９】
これに対し、図３および図４に示されるデフレクタ２６では、前記電極間距離ｄ及び電場５０の強さ（＝Ｖｄ／ｄ）が一様ではなく、高イオンエネルギー側での電極間距離ｄが低イオンエネルギー側での電極間距離ｄより小さくなるように（すなわち高イオンエネルギー側での電場５０の強さが低イオンエネルギー側での電場５０の強さより大きくなるように）両電極５２，５４が配置されているので、前記（１）式から明らかなように、イオンエネルギーの大小差による偏向量Δｙのばらつきは、前記電場５０の強さの勾配によって相殺される。この相殺は、図７に示されるように、同じ１価のヘリウムイオン間での前記偏向量Δｙを平均化し、同様に同じ２価のヘリウムイオン間での前記偏向量Δｙを平均化する。すなわち、前記偏向量幅Ｒ１，Ｒ２を縮小する。これら偏向量幅Ｒ１，Ｒ２の縮小は、１価のヘリウムイオン１８Ｌの偏向量Δｙの最小値と２価のヘリウムイオン１８Ｈの偏向量Δｙの最大値との差δを拡大し、この偏向量差δの拡大は、前記電極５２，５４間に求められる電位差Ｖｄひいてはデフレクタ２６の必要電力を削減する。これら電位差Ｖｄ及び必要電力の削減は、装置全体の小型化、低コスト化に寄与する。
【００５０】
前記偏向量Δｙの平均化は、前記（１）式に示される距離ｌ、すなわち、前記電場５０を前記散乱イオン１８が通過する距離に大小差を与えることによっても達成される。この距離ｌの大小差の付与は、前記電極５２，５４の形状の工夫によって実現可能である。
【００５１】
その例を第２の実施の形態として図８に示す。同図の電極５２，５４は、ともに平面視略台形状をなしている。すなわち、前記各電極５２，５４は、前記散乱イオン１８の入口端５２ｂ，５４ｂ及び出口端５２ｃ，５４ｃが前記第２の方向すなわち上下方向から見て直線である形状を有し、かつ、前記電場５０を通過する散乱イオン１８のエネルギーが大きいほど（すなわち当該散乱イオン１８が図５上側の領域を通るほど）当該散乱イオン１８が当該電場５０を通過する距離が大きくなるように前記入口端５２ｂ，５４ｂに対して前記出口端５２ｃ，５４ｃが傾いている。
【００５２】
この装置では、前記イオンエネルギーの大小差による偏向量Δｙのばらつきが前記電場５０を前記散乱イオン１８が通過する距離ｌの勾配によって相殺される。従って、前記第１の実施の形態と同様に、同じ１価のヘリウムイオン間での前記偏向量Δｙの平均化、及び同じ２価のヘリウムイオン間での前記偏向量Δｙの平均化が果たされ、ひいては前記電極５２，５４間に求められる電位差Ｖｄ及びデフレクタ２６の必要電力の削減が達成され得る。
【００５３】
なお、この第２の実施の形態において、前記電極５２，５４の形状は図８に示される形状に限定されない。要は、前記距離ｌに前記のようなエネルギー分離方向についての大小差が与えられる形状であればよい。
【００５４】
また、この第２の実施の形態において、前記電極間距離ｄは一様でもよいが、前記第１の実施の形態と同様に前記電極間距離ｄに勾配が与えられてもよい。すなわち、前記電極５２，５４間を通過する散乱イオン１８のエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが通過する軌道上での電場の強さが大きくなる強さ分布を有し、かつ、前記散乱イオン１８のエネルギーが大きいほど当該散乱イオンが当該電場を通過する距離が大きくなる形状を有する電場が形成されてもよい。この場合には、前記強さ分布（電極間距離ｄの大小差）及び前記形状（イオン通過距離ｌの大小差）との双方によって偏向量Δｙの均一化が可能となる。
【００５５】
図９は、前記図４に示されるように電極間距離ｄに勾配を与える場合の具体例を示している。同図の横軸は、エネルギー分離方向（イオン検出器２８の幅方向）の位置に相当するもので、その位置を通過する散乱イオンのエネルギーＥｉと、中心部位を通過する散乱イオンのエネルギーＥ０との比を示している。
【００５６】
また、図１０は、前記図８に示されるように散乱イオンが電場を通過する距離ｌに勾配を与える場合の具体例を示している。同図の縦軸は、前記距離ｌの２倍に相当する電極長さ２ｌを示している。
【００５７】
また、図１１は、前記電極間距離ｄ及びイオン通過距離ｌの双方に勾配を与える場合の具体例を示している。同図の縦軸は、前記電極長さ２ｌを前記電極間距離ｄで除した値（＝２ｌ／ｄ）を示している。
【００５８】
なお、本発明では、前記図９〜図１１に示されるように前記電極間距離ｄや前記イオン通過距離ｌが高エネルギーイオン側から低エネルギーイオン側に向かって直線的に変化するものに限られない。例えば当該電極間距離ｄやイオン通過距離ｌが階段状に変化するように電極の配置や形状が設定されたものでもよい。ただし、当該電極間距離ｄやイオン通過距離ｌが急変する箇所があると、その箇所を通過する散乱イオンの測定が不安定になるおそれがあるのに対し、前記のような直線的な勾配が設定されれば、全域にわたって安定した散乱イオンの測定を行うことが可能である。
【実施例】
【００５９】
前記図１〜図４に示される装置を、１価のヘリウムイオンＨｅ＋と２価のヘリウムイオンＨｅ＋＋とを含む散乱イオンの分析に適用する。同装置において、各散乱イオン１８が電場５０を通過する距離ｌは５５ｍｍ、電場５０の中心からイオン検出器２８までの距離Ｌは２２５ｍｍ、電極間距離ｄは中心部位が２４ｍｍであって前記図９に示される勾配が与えられている。また、イオン検出器２８の検出可能領域の幅寸法Ｗ（図７）は１００ｍｍである。
【００６０】
前記散乱イオン中に、５００ｋｅＶのエネルギーをもつＨｅ＋と２ＭｅＶのエネルギーをもつＨｅ＋＋とが混在する場合、これらのヘリウムイオンは磁場形成器２４において理論上同一の軌道を通る。ここで、従来のように前記電極間距離ｄが電場５０の全域にわたって均一である場合、Ｈｅ＋の偏向量Δｙの最小値とＨｅ＋＋の偏向量Δｙの最大値との差δを２．４ｍｍまで確保するためには、図１２に示されるように、電極間電位差Ｖｄを６０ｋＶに設定しなければならない。これに対し、本実施例では、図１３に示されるように３４ｋＶの電位差Ｖｄで前記と同等の偏向量差δ（＝２．４ｍｍ）を確保することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る散乱イオン分析装置を含む分析システムの全体構成を示す平面図である。
【図２】前記散乱イオン分析装置のイオン検出器に接続される信号処理装置のブロック図である。
【図３】前記散乱イオン分析装置におけるデフレクタの作用を散乱イオンの進行方向と直交する方向から見た図である。
【図４】前記デフレクタを散乱イオンの進行方向と平行な方向から見た図である。
【図５】前記散乱イオン分析装置における各散乱イオンの軌道例を示す図である。
【図６】従来の散乱イオン分析装置における散乱イオンの検出位置分布例を示す図である。
【図７】本発明に係る散乱イオン分析装置における散乱イオンの検出位置分布例を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る散乱イオン分析装置を含む分析システムの全体構成を示す平面図である。
【図９】本発明に係る散乱イオン分析装置において設定される電極間距離の勾配の例を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る散乱イオン分析装置において設定される電極長さの勾配の例を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る散乱イオン分析装置において設定される電極長さと電極間距離の比の勾配の例を示すグラフである。
【図１２】従来の散乱イオン分析装置における電極間電位差とＨｅ＋−Ｈｅ＋＋間の偏向量差の例を示すグラフである。
【図１３】本発明に係る散乱イオン分析装置における電極間電位差とＨｅ＋−Ｈｅ＋＋間の偏向量差の例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１０    イオン入射装置
１２    試料
１４    入射イオン
１６    イオンビーム
１８    散乱イオン
１８Ｈ  １価のヘリウムイオン
１８Ｌ  ２価のヘリウムイオン
２０    散乱イオン分析装置
２４    磁場形成器
２６    デフレクタ
２８    イオン検出器
３０    磁場
５０    電場
５２    電極
５２ａ  電極面
５２ｂ  入口端
５２ｃ  出口端
５４    電極
５４ａ  電極面
５４ｂ  入口端
５４ｃ  出口端
【図１】
2008064524.tif 000003
【図２】
2008064524.tif 000004
【図３】
2008064524.tif 000005
【図４】
2008064524.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008064524.tif 000008
【図７】
2008064524.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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