(57)【要約】【課題】簡単な装置構成で測定散乱イオンの散乱角度の任意設定を可能とし，試料中軽元素等を高感度，高分解能で測定する。【解決手段】真空容器３内試料２のビーム照射点２ａに，フィルタＹで特定イオン種のみ抽出したイオンビーム１を入射させ，散乱イオンを略扇形状の一様な磁場領域２６ａに通過させた後に１次元のイオン検出器８で検出する。磁場領域２６ａは，試料２よりも下流側に，略扇形状をなす２側線Ｌ３，Ｌ４がビーム照射点２ａと扇の要の位置Ｐ０とを通る直線Ｌ１にＰ０で直交する直線Ｌ２に対して線対称とし，イオン検出器８をＰ０に対してビーム照射点２ａと対称位置に移動可能に設ける。磁場領域２６ａは，該領域内で散乱イオンが描く軌跡が入射側と出射側とで略対称となる磁場強度とする。任意の散乱角度の散乱イオンのみを弁別する手段１０を設け，散乱角度に応じて散乱イオンが集束する位置にイオン検出器８を移動させる。【選択図】図１
2004020459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内の試料の表面上のビーム照射点に，所定のイオン抽出手段により特定イオン種のみが抽出されたイオンビームを入射させ，前記ビーム照射点から散乱した散乱イオンを一様な磁場領域に通過させた後にイオン検出器で検出することにより，前記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するイオン散乱分析装置において，
前記磁場領域をその磁場方向から見て略扇形状に発生させる扇状磁場発生手段を具備し，
前記扇状磁場発生手段が，前記略扇形状の要の位置が前記試料よりも前記イオンビームの入射方向下流側となり，かつ前記略扇形状をなす２つの側線が前記ビーム照射点と前記要の位置とを通る第１の直線に前記要の位置で直交する第２の直線に対し，前記第１及び第２の直線に垂直な方向から見て線対称となるよう配置され，
前記イオン検出器が，前記要の位置に対して前記ビーム照射点と対称な位置又はその近傍に配置されてなることを特徴とするイオン散乱分析装置。
【請求項２】
前記扇状磁場発生手段による磁場強度が，前記磁場領域内を通過する前記散乱イオンが描く略円弧状の軌跡が前記磁場領域への前記散乱イオンの入射側と出射側とで略対称となるよう設定されてなる請求項１に記載のイオン散乱分析装置。
【請求項３】
前記イオン検出器が，前記第１の直線と平行な１次元の分解検出機能を有してなる請求項１又は２のいずれかに記載のイオン散乱分析装置。
【請求項４】
前記ビーム照射点と前記磁場領域との間に配置され，所定の角度設定に応じて該角度設定された方向に散乱した前記散乱イオンのみを前記磁場領域側へ通過させる散乱イオン弁別手段と，
前記イオン検出器の位置を前記要の位置に対して前記ビーム照射点と対称な位置の近傍で移動可能とするイオン検出器移動手段と，を具備してなる請求項１〜３のいずれかに記載のイオン散乱分析装置。
【請求項５】
前記磁場領域のなす前記略扇形状の要の位置が，前記ビーム照射点に入射する前記イオンビームの延長線上に配置されてなる請求項１〜４のいずれかに記載のイオン散乱分析装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の直線に垂直な方向から見て，前記散乱イオンの散乱角度が４５°の方向に対し，前記磁場領域の前記略扇形状をなす前記散乱イオンの入射側の側線が略直角となるよう構成されてなる請求項１〜５のいずれかに記載のイオン散乱分析装置。
【請求項７】
前記イオン抽出手段が，
前記特定イオン種が抽出される前の抽出前イオンビームを偏向する磁場を発生させるイオンビーム偏向用磁場発生手段と，
前記イオンビーム偏向用磁場発生手段により前記ビーム照射点に向かう方向に偏向された前記特定イオン種のみを通過させるイオンビーム弁別手段と，を具備し，
前記イオンビーム偏向用磁場発生手段が，前記試料から前記イオンビームを遡る方向に散乱され，前記イオンビーム弁別手段を通過した後方散乱イオンも偏向するよう構成され，
前記イオンビーム偏向用磁場発生手段により偏向された後の前記後方散乱イオンを所定の後方散乱イオン検出器で検出することにより，前記後方散乱イオンのエネルギースペクトルも測定可能に構成されてなる請求項１〜６のいずれかに記載のイオン散乱分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，加速された水素或いはヘリウム等の単一エネルギーのイオンを試料表面に照射して，その試料表面で散乱された散乱イオンのエネルギースペクトルを測定することにより，試料成分元素の同定或いは深さ方向の組成分析を行うイオン散乱分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体開発の分野においては，高集積化或いは小型薄型化に伴い，半導体素子のゲート絶縁膜は，その実厚みの極薄化（１ｎｍ以下）が要求されており，従来のＳｉＯ２膜に代わってより耐電圧の高い酸窒化膜等の軽元素を含む誘電体膜や，実膜厚は従来と同じでも等価膜厚を下げるべく希土類酸化物である高誘電率の膜が採用されつつある。このような中で，膜厚測定，膜を構成する窒素や酸素の組成や分布の測定，基板からの硼素元素の突き抜け減少の測定等，基板の軽元素分析における深さ方向の分解能向上が要求されている。また，基板等の試料の表面層，例えば１原子層〜数原子層における空孔，不純物吸着，異常成長等の欠陥が試料の特性に大きな影響を及ぼすため，試料表面層の欠陥を高精度に測定することは極めて重要である。
このような極薄膜の試料の表面層における欠陥に関する情報を分析する方法として，試料表面を非破壊に分析可能な「ラザフォード後方散乱法：ＲＢＳ法」が知られている。このＲＢＳ法は，加速したイオンビームの照射により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イオン検出器で検出し，検出されたイオンのエネルギースペクトルに基づいて試料表面下の元素組成分布を分析するものである。このＲＢＳ法の基本原理は以下の通りである。
【０００３】
今，イオンビームにより試料に照射される入射イオンのエネルギーがＥ０，該入射イオンの質量がＭ１であり，前記入射イオンが前記試料の表面（深さτ＝０）の質量Ｍ２の成分原子に衝突して角度θ（前記入射イオンの入射（進行）方向に対する角度，以下，散乱角度という）の方向に散乱したとき，衝突直後のそのイオン（即ち，散乱イオンという）のエネルギーＥ１は，次の（１）式で表される。
【数１】
2004020459.tif 000003
この（１）式より，Ｍ１，Ｍ２，及びθが既知ならば，Ｅ１／Ｅ０（＝ｋ）は一定であることがわかる。従って，散乱イオンのエネルギーを検出すれば，イオンビームによる入射イオンが衝突した原子の質量を特定できる。また，前記入射イオン（イオンビーム）が試料表面の法線に対して入射角θ１で入射し，前記試料の表面近傍の深さτの位置にある成分原子に衝突する場合，前記入射イオンが試料中をτ／ｃｏｓ（θ１）だけ移動して成分原子に衝突するまでに，試料中の成分原子の軌道電子との非弾性散乱により所定のエネルギーを失う。このため，前記入射イオンの試料中成分元素に衝突する直前のエネルギーは，元々の前記入射イオンのエネルギーＥ０から深さτに応じて連続的に減少する。同様に，衝突後の散乱イオンが試料表面の法線に対して出射角θ２で出射（散乱）した場合，該散乱イオンが試料中をτ／ｃｏｓ（θ２）だけ移動して試料表面から外部へ出るまでにエネルギーを失う。これらのエネルギー損失により，試料表面から散乱する前記散乱イオンのエネルギーは，衝突した原子の深さτが深いほどＥ１よりも低い値を示す。従って，ある特定の方向へ散乱した散乱イオンのみを弁別してそのエネルギースペクトルを測定すれば，そのうち最も高いエネルギー（最高エネルギー）が試料表面（深さτ＝０）からの散乱イオンによるものを表し，該最高エネルギーからのエネルギー差が試料表面からの深さ情報を表すことになる。さらに，各エネルギーを有する散乱イオン数をカウントすることにより，試料深さ方向の成分原子の分布を測定できることになる。
【０００４】
また，前記ＲＢＳ法による測定装置と同じ測定装置を用い，試料を傾けたイオンビームを試料に浅い角度で入射させると，試料中の原子のうちヘリウム等の前記入射イオンより軽い原子（主として水素原子）が試料表面から外に弾き出される現象が生じ，該現象は前記ＲＢＳ法と同様に弾性散乱であるので，試料中の軽原子が試料表面から弾き出される角度φ（前記入射イオンの入射（進行）方向に対する角度，以下，反跳角度という）を定めると，弾き出される軽原子（以下，反跳原子という）のエネルギーＥ２は一意に決まり，次の（２）式で表される。
【数２】
2004020459.tif 000004
また，前記ＲＢＳ法の場合と同様に，試料中の軌道電子との非弾性散乱により，前記反跳原子にも試料中での移動距離に応じたエネルギー損失が生じる。この反跳原子のエネルギースペクトルを前記ＲＢＳ法と同様に測定することによって，該反跳原子が存在した深さ情報（深さ分布）を得ることができる。この手法はＥＲＤＡ（Ｅｌａｓｔｉｃ　Ｒｅｃｏｉｌ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）と呼ばれ，他の分析手法では定量分析が困難な水素元素の組成分布分析に利用されている。
【０００５】
前記ＲＢＳ法では，試料の深さ方向の分解能は，散乱イオンのエネルギー分解能に依存するが，散乱イオンをそのまま表面障壁型の半導体検出器（イオン検出器）で検出する古典的なＲＢＳ法では，エネルギー分解能は１０〜２０ｋｅＶであり，昨今の〜１ｎｍの極薄膜を多数重ねた極薄多層膜構造を有する試料の分析には分解能が十分でなかった。そこで，古典的なＲＢＳ法を改良することにより，試料表面の原子層毎の分析が可能な深さ分解能を実現する「高分解能ラザフォード後方散乱法：ＨＲＢＳ法」が木村（京都大学）等により考案され，「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｈｉｇｈ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ＲＢＳ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｍｏｎｏｌａｙｅｒ　Ａｎａｌｙｓｉｓ」（Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（１９９４）２２３２）に示されている（従来技術）。
従来技術である前記ＨＲＢＳ法を適用したイオン散乱分析装置Ｂは，図２に示す如く，イオンビーム発生装置Ｘ，ウィーンフィルタＹ，スリット７，四重極レンズ１１，分析対象である試料２を配置する真空容器３，前記試料２の表面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電磁石スペクトロメータＺとを具備している。
前記イオンビーム発生装置Ｘは，高圧ターミナル１６内において，ボンベ１５より供給されるガス（例えば，ヘリウムガス）を導入し，これをプラズマ放電によりイオン化するイオン源１２によって生成されたイオンを，コッククロフト型高電圧回路１４から供給される高電圧により加速管１３内で一定エネルギーに加速した後に照射する。
前記ウィーンフィルタＹ及び前記スリット７は，前記イオンビーム発生装置Ｘにより加速され出射されるイオンビーム１から特定のイオン種のみ（例えばヘリウム一価イオン）を抽出（弁別）する。ここで，該ウィーンフィルタＹは，通過するイオンに対して，磁極１７，コイル１８，及びリターンヨーク１９で発生させた磁場と，平行電極２０で発生させた電場とが直交するよう構成されたフィルタであり，前記イオンビーム１のうち特定のイオン種（例えばヘリウム一価イオン）のみを直進させるとともに，それ以外のイオン種（例えばヘリウム二価イオン，水素原子イオン等）の軌道を曲げる特性を有するものである。このウィーンフィルタＹの特性により，分析に利用される特定のイオン種以外のイオンは，該ウィーンフィルタＹのイオンビーム入射方向下流に設けられた前記スリット７を通過できずに除去される。
このようにして特定のイオン種のみが抽出（弁別）された前記イオンビーム１が，前記スリット７のイオンビーム入射方向下流に設けられた前記四重極レンズ１１により集束され，前記試料２表面の所定のビーム照射点に照射される。
前記試料２表面の前記ビーム照射点に照射された前記イオンビーム１は前記試料２表面で散乱し，その散乱イオンのうち，特定方向に散乱した一部の散乱イオンが前記真空容器３の所定の位置に設けられたポート３ａを通って前記電磁石スペクトロメータＺに入射する。さらに，前記電磁石スペクトロメータＺは，入射した散乱イオンを，コイル４，リターンヨーク５，及び磁極６で発生させた磁場により，その散乱イオンのエネルギーに応じて偏向した後にイオン検出器８に導き，該イオン検出器８で検出される散乱イオンの１次元方向の位置（磁場による偏向量）に基づいて，前記試料２表面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。
これにより，散乱イオンのエネルギー差がわずかであっても，前記電磁石スペクトロメータＺの磁場によって前記イオン検出器８に到達する位置のずれが大きく拡大されるので，散乱イオンのエネルギー分解能が高まり，従来のＲＢＳ法を適用したイオン散乱分析装置では測定し得なかった試料深さ方向の原子層レベルでの分析が可能なる。
【０００６】
一方，前記ＲＢＳ法においては，イオン・チャネリング現象を利用した結晶性評価，軽元素の高精度定量化，及びイオン注入元素の格子間位置同定等の分析手法が重要となる。試料２が結晶基板である場合，結晶軸以外の方向から前記イオンビーム１を照射すると，試料２表面からその深さ方向に一様に分布した格子原子全てが標的（イオンビーム１の衝突対象）となり，図７のグラフ線Ｇ１に示すように，比較的高いレベルの（最高エネルギーＥｍａｘとの差が小さい）エネルギースペクトルが得られる。このようなエネルギースペクトルでは，格子原子に衝突した散乱イオンが多すぎて（即ち，ノイズレベルが高い），測定対象となる格子間空間に存在する不純物である軽元素に衝突した散乱イオンを精度よく検出できない（即ち，ＳＮ比が小さい）。これに対し，イオンビーム１が試料２の結晶軸に平行に入射するよう試料２を傾けると，イオンビーム１の照射方向から見て試料２表面の各格子原子が，より深層側のの格子原子を隠すので，得られる散乱イオンのエネルギースペクトルは，図７のグラフ線Ｇ２に示すように，ノイズとなる格子原子に衝突した散乱イオンのレベルを低く抑えられるので，ＳＮ比が上がり，格子間空間に存在する軽元素に衝突した散乱イオンを高感度で検出できる。このような現象を生じさせるためには，イオンビーム１の照射方向と試料２の結晶軸とを１°以内に合わせるという精度の高い角度条件（以下，イオン・チャネリング条件という）を満足する必要がある。さらに該イオン・チャネリング条件を満たしながら，散乱イオンの検出方向（前記散乱角度θ）も試料２の結晶格子の軸に沿った方向に設定するいわゆる「ダブルチャネリング条件」とすると，よりノイズレベルが下がって高感度で不純物軽元素の位置（深さ）を特定できる。このような測定を，一般にダブルチャネリング測定という。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記イオン散乱分析装置Ｂでは，前記真空容器３の所定の位置に設けられた前記ポート３ａを通過する散乱イオンしか測定できず，測定対象とする散乱イオンの前記散乱角度θを自由に設定できないため，前記ダブルチャネリング測定が行えないという問題点があった。また，前記ポート３ａの位置を複数設けて切り替える場合には，ポート切り替えごとに真空容器３の真空を破る必要があり再度真空状態を作るのに多大な時間を要するだけでなく，極薄膜が大気にさらされて吸着汚染を招くので現実的でない。また，前記ＲＢＳ法による測定に加えて前記ＥＲＤＡによる試料の深さ方向の含有水素の分布も同じ装置を使って分析したいというニーズもあるが，試料が大気に触れると大気中の水分が試料表面に吸着して該水分中の水素が前記含有水素の定量化を阻害する。このため，試料を加熱して乾燥させる必要が生じ，測定の長時間化や試料の変質といった問題から，試料の含有水素測定が困難であるという問題点があった。
また，仮に，前記電磁石スペクトロメータＺの磁場へ入射させる散乱イオンの方向（前記散乱角度θ）を自由に設定できたとしても，前記磁場を通過後の散乱イオンが前記イオン検出器８上で適正に焦点を結ぶようにするためには，前記散乱角度θに応じて前記電磁石スペクトロメータＺの前記磁極６等の角度を精度良く微調整する必要があるが，重く大きな前記磁極６等を高精度で位置決めするには大掛かりで高精度な前記磁極６等の位置決め装置を設ける必要がありこれも現実的でない。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，簡単な装置構成により，検出する散乱イオンの散乱角度を任意に設定することによりイオン・チャネリング条件やダブルチャネリング条件の設定を可能とし，その結果，試料中の軽元素や含有水素について，感度が高く試料深さ方向の分解能が高い分析を可能とするイオン散乱分析装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は，真空容器内の試料の表面上のビーム照射点に，所定のイオン抽出手段により特定イオン種のみが抽出されたイオンビームを入射させ，前記ビーム照射点から散乱した散乱イオンを一様な磁場領域に通過させた後にイオン検出器で検出することにより，前記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するイオン散乱分析装置において，前記磁場領域をその磁場方向から見て略扇形状に発生させる扇状磁場発生手段を具備し，前記扇状磁場発生手段が，前記略扇形状の要の位置が前記試料よりも前記イオンビームの入射方向下流側となり，かつ前記略扇形状をなす２つの側線が前記ビーム照射点と前記要の位置とを通る第１の直線に前記要の位置で直交する第２の直線に対し，前記第１及び第２の直線に垂直な方向から見て線対称となるよう配置され，前記イオン検出器が，前記要の位置に対して前記ビーム照射点と対称な位置又はその近傍に配置されてなることを特徴とするイオン散乱分析装置として構成されるものである。
このような構成により，後述するＢａｒｂａｒ則の原理に従い前記略扇形状の一様な磁場領域に入射した前記散乱イオンを偏向させ，前記要の位置に対して前記ビーム照射点と対称な位置又はその近傍，即ち，前記イオン検出器上に集束させることができるので，以下のような応用が図れる。
なお，Ｂａｒｂａｒ則の条件をより厳密に満たすものとして，前記扇状磁場発生手段による磁場強度が，前記磁場領域内を通過する前記散乱イオンが描く略円弧状の軌跡が前記磁場領域への前記散乱イオンの入射側と出射側とで略対称となるよう設定されたものが考えられる。
【０００９】
例えば，前記イオン検出器が，前記第１の直線と平行な１次元の分解検出機能を有するものであれば，Ｂａｒｂａｒ則の原理により，前記散乱イオンを，前記第１の直線と平行な線上において，前記散乱イオンの微小なエネルギー差に応じた位置に集束させることができるので，前記１次元の分解検出機能を有する検出器により，イオンの検出位置ごとの分布を測定すれば，精度の高いエネルギースペクトル分布を測定できる結果，前記試料の深さ方向の分解能の高いイオン分析が可能となる。
【００１０】
さらに，前記ビーム照射点と前記磁場領域との間に配置され，所定の角度設定に応じて該角度設定された方向に散乱した前記散乱イオンのみを前記磁場領域側へ通過させる散乱イオン弁別手段と，前記イオン検出器の位置を前記要の位置に対して前記ビーム照射点と対称な位置の近傍で移動可能とするイオン検出器移動手段と，を具備するものも考えられる。
この場合，前記磁場領域へ通過させる前記散乱イオンの散乱方向（前記散乱角度）を前記散乱イオン弁別手段により任意に変更すると，後述するように，前記散乱イオンは，前記要の位置に対して前記ビーム照射点と対称な位置の近傍において，前記散乱角度に応じた位置に集束するので，その集束位置に前記イオン検出器を移動させれば，前記散乱角度を任意に選んでイオン分析を行うことが可能となり，その結果，イオン・チャネリング条件或いはダブルチャネリング条件の設定が可能となる。
【００１１】
また，より具体的な構成の例としては，前記磁場領域のなす前記略扇形状の要の位置が，前記ビーム照射点に入射する前記イオンビームの延長線上に配置されたもの，さらには，前記第１及び第２の直線に垂直な方向から見て，前記散乱イオンの散乱角度が４５°の方向に対し，前記磁場領域の前記略扇形状をなす前記散乱イオンの入射側の側線が略直角となるよう構成されたもの等が考えられる。
【００１２】
また，前記イオン抽出手段が，前記特定イオン種が抽出される前の抽出前イオンビームを偏向する磁場を発生させるイオンビーム偏向用磁場発生手段と，前記イオンビーム偏向用磁場発生手段により前記ビーム照射点に向かう方向に偏向された前記特定イオン種のみを通過させるイオンビーム弁別手段と，を具備し，前記イオンビーム偏向用磁場発生手段が，前記試料から前記イオンビームを遡る方向に散乱され，前記イオンビーム弁別手段を通過した後方散乱イオンも偏向するよう構成され，前記イオンビーム偏向用磁場発生手段により偏向された後の前記後方散乱イオンを所定の後方散乱イオン検出器で検出することにより，前記後方散乱イオンのエネルギースペクトルも測定可能に構成されたものも考えられる。これにより，前方側（前記散乱角度が０°〜９０°）へ散乱した前記散乱イオンは，前記略扇形状の磁場領域通過後のイオンを検出する前記イオン検出器にて，後方側（前記散乱角度が約１８０°）へ散乱した前記後方散乱イオンは，前記後方散乱イオン検出器にてそれぞれ測定できるので，測定対象となる前記試料中の元素の種類に応じて，好適な方向の散乱イオンを選んで分析することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態及び実施例について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係るイオン散乱分析装置Ａの構成図，図２は本発明の実施の形態に係るイオン散乱分析装置Ａにおける磁場領域内及びその前後の散乱イオンの軌道の解析結果を表す図，図３はラザフォード後方散乱法における散乱イオンの散乱角度と試料の標的原子の質量感受性との関係を表すグラフ，図４はラザフォード後方散乱法における散乱イオンの散乱角度と散乱角度の１°のずれに対する角度感受性との関係を表すグラフ，図５はラザフォード後方散乱法における散乱イオンの散乱角度と散乱断面積との関係を表すグラフ，図６は従来の高分解能ラザフォード後方散乱法を適用したイオン散乱分析装置Ｂの構成図，図７はラザフォード後方散乱法におけるイオンチャネリング現象を説明するための散乱イオンのエネルギースペクトルの一例を表すグラフ，図８は本発明の実施例に係るイオン散乱分析装置Ａ１の構成図である。
【００１４】
まず，図１を用いて，本発明の実施の形態に係るイオン散乱分析装置Ａの構成について説明する。
本イオン散乱分析装置Ａは，図６に示した従来の前記イオン散乱分析装置Ｂの前記真空容器３から前記電磁石スペクトロメータＺまでの部分を他に置き換えたものであり，その他の部分は従来の前記イオン散乱分析装置Ｂと同じである。以下，従来の前記イオン散乱分析装置Ｂと異なる部分の構成について説明する。
本イオン散乱分析装置Ａは，コイル２４，リターンヨーク２５，略扇形状の磁極２６等により構成され，一様な（均一な）磁場領域２６ａをその磁場方向（図１の紙面に垂直な方向）から見て略扇形状に発生させる扇状偏向電磁石２７（前記扇状磁場発生手段の一例）を具備している。前記扇状偏向電磁石２７は，発生させる前記磁場領域２６ａの前記略扇形状の要の位置Ｐ０が，試料２よりも前記イオンビーム１の入射方向下流側（図１において試料２より下側）となり，かつ前記磁場領域２６ａの前記略扇形状をなす２つの側線Ｌ３，Ｌ４が前記ビーム照射点２ａと前記要の位置Ｐ０とを通る直線Ｌ１（前記第１の直線の一例）に前記要の位置Ｐ０で直交する直線Ｌ２（前記第２の直線の一例）に対し，前記直線Ｌ１及びＬ２に垂直な方向（図１の紙面に垂直な方向）から見て線対称となるよう配置されている。図１に示す例では，前記要の位置Ｐ０は，前記ビーム照射点２ａに入射する前記イオンビーム１の延長線上に配置されている。
また，前記ビーム照射点２ａと前記磁場領域２６ａとの間には，所定の角度設定に応じて該角度設定された方向に前記ビーム照射点２ａから散乱した散乱イオンのみを前記磁場領域２６ａ側へ通過させる可動スリット又はアパーチャ等で構成される散乱イオン弁別手段１０が配置されている。さらに，１次元の分解検出機能を有する（１次元アレイ型の）前記イオン検出器８が，その検出面の略中心が前記要の位置Ｐ０に対して前記ビーム照射点２ａと対称な位置Ｐ１に位置するとともに，その１次元の検出方向が前記直線Ｌ１に沿う（平行となる）よう配置されている。さらに，前記イオン検出器８には，その位置を前記位置Ｐ１の近傍で，前記磁場領域２６ａに対して離接する方向に移動可能とするアクチュエータであるイオン検出器移動装置２９（前記イオン検出器移動手段の一例）が設けられている。
【００１５】
本イオン散乱分析装置Ａは，「均一扇形磁界型プリズム垂直入出射分光系」におけるＢａｒｂａｒ則の原理を応用したものである。このＢａｒｂａｒ則とは，所定の原点から出射して，扇形状の均一磁場にその扇形状の一方の側線に対して垂直入射したイオン又は電子が，その均一磁場の扇形状の他方の側線に対して垂直出射されるように磁場強度が設定された場合，前記イオン又は電子が出射された前記原点と，前記均一磁場の扇形状の要の位置と，前記均一磁場を出射した前記イオン又は電子がそのエネルギーが同一であるものごとに同一の位置に集束する焦点とが一直線上に並ぶという法則である。これについては，刊行物「電子工学」（裏克巳著，共立全書，ｐ１４７〜１５６）等に詳しい。
以下，図２に示す具体例を用いて，本イオン散乱分析装置Ａにおける前記Ｂａｒｂａｒ則に基づく作用について説明する。
図２（ａ）は，前記散乱イオン弁別手段１０により，試料２表面の前記ビーム照射点２ａから，前記直線Ｌ１（前記ビーム照射点２ａと前記要の位置Ｐ０とを通る直線）に対して４５°±２．２５°（θｃ＝４５°±２．２５°）の方向に散乱した散乱イオンのみが前記磁場領域２６ａ側に通過するように設定したとき，所定の中心エネルギーＥ及びＥ±１０％のエネルギーを有する散乱イオンが前記磁場領域２５ａ内及びその前後で描く軌跡を表したものである。前述したように，本イオン散乱分析装置Ａでは，前記イオンビーム１の試料２への入射方向の延長線上に前記要の位置Ｐ０を位置させているので，θｃ＝θ（前記散乱角度）となる。ここで，前記磁場領域２６ａの前記扇形状の両側線Ｌ３，Ｌ４は，前記直線Ｌ２（前記直線Ｌ１と前記要の位置Ｐ０で直交する直線）に対してそれぞれ４５°（従って，前記直線Ｌ２に対して線対象）となるよう構成されている。従って，前記直線Ｌ１及びＬ２に垂直な方向（図２の紙面に垂直な方向）から見て，θｃ＝４５°の方向（即ち，前記散乱角度θ＝４５°の方向）に対し，前記磁場領域２６ａの前記略扇形状をなす前記散乱イオンの入射側の側線Ｌ３が直角となる。また，該入射側の側線Ｌ３に垂直入射した前記中心エネルギーＥを有する散乱イオンが，前記磁場領域２６ａ内を通過する際に描く円弧状の軌跡が前記磁場領域２６ａへの散乱イオンの入射側（図２（ａ）におけるＬ２の右側）と出射側（同左側）とで対称となるよう，前記磁場領域２６ａの磁場強度が設定されている。例えば，散乱イオンがＨｅ＋，その前記中心エネルギーＥ＝２５０ｋｅＶである場合であって，前記磁場領域２６ａが図２（ａ）に示す形状及び寸法（単位はｍｍ）をなす場合，前記磁場強度は１．４テスラ程度である。
図２（ａ）に示すように，θｃ＝４５°±２．２５°の方向に散乱した散乱イオンのうち，前記所定のエネルギーＥを有する散乱イオンは，前記Ｂａｒｂａｒ則に従って，前記要の位置Ｐ０に対して前記ビーム照射点２ａと対称な点Ｐ１に集束する。さらに，それだけでなく，前記中心エネルギーＥ＋１０％のエネルギーを有する散乱イオンの焦点（集束点）Ｐ２，及び同Ｅ−１０％のエネルギーを有する散乱イオンの焦点Ｐ３も，前記点Ｐ１の近傍において，前記直線Ｌ１上に並ぶことがわかる。従って，前述したように前記点Ｐ１に，１次元の検出方向が前記直線Ｌ１に沿う（平行な）方向となるように前記イオン検出機器８を配置すれば，わずかなエネルギー差の散乱イオンのエネルギースペクトルを高分解能で検出することが可能となる。
【００１６】
図２（ｂ）は，図２（ａ）と同じ条件下で，前記散乱イオン弁別手段１０の移動により，散乱イオンの散乱方向のみを変化させ，θｃ＝３０°の場合とθｃ＝５０°の場合のそれぞれにおける散乱イオンの描く軌跡を表したものである。この場合，前記磁場領域２６ａを出射した散乱イオンが焦点を結ぶ位置が前記直線Ｌ１からずれて，それぞれ前記磁場領域２６ａから若干離れた位置Ｐ３０（θｃ＝３０°），及び前記磁場領域２６ａに若干近い位置Ｐ５０（θｃ＝５０°）となるが，散乱イオンのエネルギーのばらつき（±１０％）に対する焦点の位置の変化は，いずれの場合も前記直線Ｌ１に略平行は方向に変化する。従って，前記散乱イオン弁別手段１０により任意に設定された散乱イオンの方向（例えば，θｃ＝３０°〜５０°）に応じて，前記イオン検出器移動装置２９により，前記イオン検出器８を，その１次元の検出方向を前記直線Ｌ１に平行な（或いは略平行な）方向に維持しながら，散乱イオンが焦点を結ぶ位置（Ｐ１〜Ｐ３，Ｐ３０，Ｐ５０等）に移動させれば，任意の前記散乱角度θの散乱イオンについてエネルギースペクトルの測定が可能となる。その結果，前記散乱イオン弁別手段１０及び前記イオン検出器移動装置２９により，試料２の結晶軸の方向に応じて，前記イオン検出器８で検出する散乱イオンの前記散乱角度θを微調整できるので，比較的容易に前記ダブルチャネリング測定を行うことが可能となる。
【００１７】
次に，前記散乱角度θ＝４５°（＝θｃ）の散乱イオンが，前記磁場領域２６ａに垂直入射するよう構成されていることの意義について説明する。
図３のグラフは，それぞれ質量の異なる代表的な標的元素（試料２中における前記イオンビーム１の衝突対象となる元素）につて，横軸を前記散乱角度θとし，縦軸を前記標的元素の質量差に対する前記（１）式における因子ｋの感受性（以下，標的質量感受性という），即ち，（Δｋ／ｋ）／（ΔＭ２／Ｍ２）の値（但し，ΔＭ２＝１ａｍｕ）としてグラフ化したものである。図３に示すように，前記散乱角度θが後方側（θ＝１８０°）に近いほど，前記標的質量感受性が高いことがわかる。また，前記標的元素が前記イオンビーム１による入射イオンに質量が近い軽元素（Ｂ等）であるほどその傾向が顕著である。このことから，前記標的元素の識別能力（即ち，標的質量識別能力）を上げるためには，前記散乱角度θをより後方側（θ＝１８０°側）とすることが望ましいことがわかる。
【００１８】
一方，図３のグラフは，それぞれ質量の異なる代表的な前記標的元素について，横軸を前記散乱角度θとし，縦軸を測定対象とする散乱イオンの前記散乱角度の立体角（前記散乱イオン弁別手段１０で通過させる散乱イオンの立体角）Δθ＝１°あたりの前記（１）式における因子ｋの感受性（以下，角度感受性という），即ち，（Δｋ／ｋ）／Δθの値としてグラフ化したものである。散乱イオンのエネルギースペクトル分析の感度を上げるためには，検出する散乱イオンの数を増やす，即ち，前記散乱イオン弁別手段１０により前記散乱角度の立体角Δθを大きくすることが望ましいが，これが散乱イオンのエネルギースペクトル測定精度に与える影響を抑えるためには前記角度感受性が低いことが望ましい。図４に示すように，前記角度感受性は，前記散乱角度θ＝９０°付近で最大となり，前記散乱角度が前方（θ＝０°）又は後方（θ＝１８０°）となるに従って小さくなることがわかる。また，前記標的元素が前記イオンビーム１による入射イオンに質量が近い軽元素（Ｂ等）であるほどその傾向が顕著である。
【００１９】
また，図５は，それぞれ質量の異なる代表的な前記標的元素について，横軸を前記散乱角度θとし，縦軸を散乱断面積［ｍｂ／Ｓｔｒ］，即ち，散乱頻度としてグラフ化したものである。前記散乱頻度が高い方向（前記散乱角度）の散乱イオンを測定するほど，検出できる散乱イオンの数が増えるので，散乱イオンのエネルギースペクトル測定感度を高くできる。図５に示すように，前記散乱角度が前方側（θ＝０°）に近いほど，前記散乱頻度が指数関数的に高くなることがわかる。また，前記標的元素が前記イオンビーム１による入射イオンに質量が近い軽元素（Ｂ等）であるほど前記散乱頻度は低い。
前記図４及び図５から，散乱イオン分析の感度を上げるためには，前記散乱角度θを０°に近づけることが望ましいことがわかる。従って，前記散乱角度θについて，元素識別能力と分析感度とはトレードオフの関係にあることがわかる。ここで，前記標的元素が軽元素である場合，前記散乱角度θ＝３０〜５０°とすれば，元素識別能力は前記標的元素が重元素である場合と同等程度に止まるが（図３の破線間），前記角度感受性が比較的小さく（図４の破線間），前記散乱頻度の高い（図５の破線間）散乱イオンを検出することになるので，感度の高いエネルギースペクトル分析が可能となる。従って，前記標的元素が軽元素である場合，前記散乱角度θ＝３０°〜５０°の範囲で測定することが，元素識別能力と分析感度とのバランス上適していることがわかる。
【００２０】
【実施例】
前記イオン散乱分析装置Ａは，前述したように，前記散乱角度が前方側寄り（例えば，θ＝３０°〜５０°）の散乱イオンを検出することにより，特に，試料２中の軽元素の測定に適したものである。しかし，試料２中の重元素（前記標的元素が重元素，Ａｕ等）を測定する場合，図３より，前記散乱角度θが前方側では元素識別能力が著しく悪化するため，後方側（θ＝１８０°側）で測定する必要がある。また，重元素では，図５より，前記散乱角度θを後方側としても，軽元素を前方側で測定する場合と同等の前記散乱頻度（即ち，前記散乱断面積）を確保できる。従って，前記標的元素の質量（種類）に応じて，前記散乱角度θが前方側，後方側のいずれでも測定できることが望ましい。そこで，これを実現するものとして，図８に前記イオン散乱分析装置Ａの応用例であるイオン散乱分析装置Ａ１を示す。
本イオン散乱分析装置Ａ１は，前記イオン散乱分析装置Ａから，前記ウィーンフィルタＹ及びスリット７を除去し，その代わりに，前記四重極磁気レンズ１１と前記真空容器３との間に，偏向電磁石Ｗ（イオンビーム偏向用磁場発生手段の一例）と，１次元の分解検出機能を有する（１次元アレイ型の）新たなイオン検出器である後方散乱イオン検出器８’と，新たなスリット７’（前記イオンビーム弁別手段の一例）とを設けたものである。これは，先に特許出願済みの「特願２００２−１４７９７２号」に示されるイオン散乱分析装置に本発明を適用した例である。
前記偏向電磁石Ｗは，前記イオンビーム発生装置Ｘから出射された所定のイオンビーム１’（前記抽出前イオンビームの一例）を，対向する磁極６’により挟まれた間隙６ｃ’（図８の断面図参照）に導入する。ここで，該偏向電磁石Ｗは，磁極６’，コイル４’，及びリターンヨーク５’により発生する磁場によって，特定のイオン種（例えば，ヘリウム一価イオン）が約９０°偏向された後に，該約９０°の方向に配置された前記真空容器３内の前記試料２の前記ビーム照射点２ａに向けて出射されるように設定されている。従って，分析に利用される前記特定のイオン種以外のイオンは，前記真空容器３のイオンビーム入射方向上流側に設けられた前記スリット７’を通過できずに除去される。このようにして特定イオン種のみが抽出された前記イオンビーム１が，前述したイオン・チャネリングの条件を満たすべく好適に傾斜されて前記真空容器３内に配置された前記試料２表面の前記ビーム照射点２ａに照射される。
さらに，前記ビーム照射点２ａから前方側（例えば，θ＝３０〜５０°）へ散乱する散乱イオンは，前記イオン散乱分析装置Ａと同様に，前記散乱イオン弁別手段１０及び前記磁場領域２６ａを通過して前記イオン検出器８により検出される。
【００２１】
一方，前記ビーム照射点２ａからの散乱イオンのうち，前記試料２へ入射する前記イオンビーム１を遡る方向，即ち，前記散乱角度θ≒１８０°の方向に散乱した散乱イオン（以下，後方散乱イオンという）は，前記スリット７’を通過した後，前記偏向電磁石Ｗの前記磁極６’の間隙６ｃ’に再び入射する。そして，前記偏向電磁石Ｗ内に入射した前記後方散乱イオンは，前記イオンビーム１’（前記抽出前イオンビーム）と同様に，前記磁極６’，前記コイル４’，及び前記リターンヨーク５’により発生する磁場によって，そのエネルギーに応じて偏向された後に，該偏向電磁石Ｗの磁場外に設けられた前記後方散乱イオン検出器８’に向けて出射される。ここで，前記後方散乱イオンが該偏向電磁石Ｗに入射する際の入射角と，同出射する際の出射角とは，後述する二重集束条件に従って好適に設定されることにより，前記後方散乱イオンの軌道焦点を前記後方散乱イオン検出器８’上で結ばせることができ，その結果，前記後方散乱イオンのエネルギースペクトルを正確に分析することが可能となる。
【００２２】
次に，前記偏向電磁石Ｗに前記後方散乱イオンが入射する際の入射角と，同出射する際の出射角の設定について説明する。
ここで，前記後方散乱イオンの前記入射角と前記出射角とは，前記後方散乱イオンが，前記後方散乱イオン検出器８’上で一点に集束する（焦点を結ぶ）ような条件（二重集束条件）に従って設定する必要がある。この条件とは，従来の前記イオン散乱分析装置Ｂに用いられる前記電磁石スペクトロメータＺの場合と同様に，磁場中の荷電粒子軌道に対する数値解析により容易に算出可能である。
例えば，試料２から前記偏向電磁石Ｗまでの距離，及び前記偏向電磁石Ｗから前記後方散乱イオン検出器８’までの距離がともに１７４ｍｍであって，該偏向電磁石Ｗ内の磁場により，前記後方散乱イオンが１５０Ｒの軌道半径で１２０°偏向される場合には，前記後方散乱イオンの前記入射角及び前記出射角は，それぞれ前記後方散乱イオンの中心軌道の法線に対して４１°の角度で傾けることにより，前記二重集束条件が満たされ，前記後方散乱イオンを前記後方散乱イオン検出器８’上の一点に集束させることができる。
しかし，分析される前記試料２が異なる場合には前記後方散乱イオンのエネルギーも異なるため，前記二重集束条件も異なることが考えられる。例えば，前記後方散乱イオンのエネルギーが小さい場合には，図８中に矢印１ａで示す如く，前記偏向電磁石Ｗによって大きく偏向されるが，前記後方散乱イオンのエネルギーが大きい場合には，図８中に矢印１ｂで示す如く，前記偏向電磁石Ｗによる偏向が小さくなる。
このように，分析される前記試料２によって異なる前記二重集束条件に適応するために，本イオン散乱分析装置Ａ１では，前記後方散乱イオンが入射される位置近傍の可動磁極６ａ’と，前記後方散乱イオンが出射される位置近傍の可動磁極６ｂ’とを，機械的に摺動可能な半円筒形状に形成し，不図示である回転機構により必要に応じて回動させる機構を有している。
このような構成を有することにより，試料２の種類毎に算出される前記二重集束条件に応じて，前記各可動磁極６ａ’，６ｂ’を摺動させることにより，前記偏向電磁石Ｗの磁極境界面の角度（形状）を任意に設定することが可能となり，前記二重集束条件が異なる場合であっても，常に前記散乱イオンを前記後方散乱イオン検出器８’上に一点で集束させるような磁場を発生させることが可能となる。
ここで，前記可動磁極６ａ’は，前記後方散乱イオンの入射点であると同時に，前記イオンビーム発生装置Ｘから出射されたイオンビーム１’の出射点でもあるため，前記可動磁極６ａ’を前記二重集束条件に応じて回動させた場合には，前記イオンビーム１’が前記偏向電磁石Ｗから出射する際の出射角が変更されてしまう。即ち，前記イオンビーム１’の出射角の変化によって前記イオンビーム１’の集束発散状態が変化し，前記試料２表面に形成される前記イオンビーム１によるビームスポット（例えば０．１ｍｍφ以下）が変化するおそれがある。
そこで，本イオン散乱分析装置Ａ１では，前記偏向電磁石Ｗより前記イオンビーム１’の上流側に設けられた２つの前記四重極電磁レンズ１０により，前記可動磁極６ａ’の回動によって生じたイオンビームの集束発散状態のズレを，前記四重極電磁レンズ１０によって電気的に補正する。これにより，前記二重集束条件の変化に応じて前記イオンビーム１’の出射角が変化した場合であっても，その集束発散状態が調節されて所定のビームスポットを形成する前記イオンビーム１を前記ビーム照射点２ａに照射させることが可能となる。
【００２３】
以上示したように，本イオン散乱分析装置Ａ１は，前記扇状偏向電磁石２７を用いて前方側の任意の方向（例えば，θ＝３０°〜５０°）に散乱した散乱イオンを自在に検出できることに加え，従来の前記イオン散乱分析装置Ｂにおける前記ウィーンフィルタＹ及び前記電磁石スペクトロメータＺが，その機能を実現するため偏向電磁石による偏向作用をともに利用していることに着目し，その偏向電磁石を共用化したことを特徴点とする。その結果，前記標的元素が軽元素である場合には，前記イオン検出器８により前方側への散乱イオンのエネルギースペクトルを測定でき，前記標的元素が重元素である場合には，前記後方散乱イオン検出器８’により後方側への散乱イオンのエネルギースペクトルを測定できるので，測定対象に好適な方法を任意に選択してイオン分析できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，磁場領域の適切な形状と配置，及び散乱イオンの散乱角度とイオン検出器の任意設定機構の具備といった簡単な装置構成により，検出する散乱イオンの散乱角度を任意に設定できるので，イオン・チャネリング条件やダブルチャネリング条件の設定を可能とし，その結果，試料中の軽元素や含有水素について，感度が高く試料深さ方向の分解能が高い分析が可能となる。
さらに，１つの磁場発生手段を，試料に照射するイオンビームのイオン種を抽出する手段と，試料後方へ散乱する後方散乱イオンの偏向手段とで共用化する構成を付加することにより，試料前方への散乱イオンの測定と試料後方への散乱イオンの測定とを任意に切り替えることができるので，測定対象（軽元素が重元素か）に応じた柔軟性の高いイオン散乱分析が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るイオン散乱分析装置Ａの構成図。
【図２】本発明の実施の形態に係るイオン散乱分析装置Ａにおける磁場領域内及びその前後の散乱イオンの軌道の解析結果を表す図。
【図３】ラザフォード後方散乱法における散乱イオンの散乱角度と試料の標的原子の質量感受性との関係を表すグラフ。
【図４】ラザフォード後方散乱法における散乱イオンの散乱角度と散乱角度の１°のずれに対する角度感受性との関係を表すグラフ。
【図５】ラザフォード後方散乱法における散乱イオンの散乱角度と散乱断面積との関係を表すグラフ。
【図６】従来の高分解能ラザフォード後方散乱法を適用したイオン散乱分析装置Ｂの構成図。
【図７】ラザフォード後方散乱法におけるイオンチャネリング現象を説明するための散乱イオンのエネルギースペクトルの一例を表すグラフ。
【図８】本発明の実施例に係るイオン散乱分析装置Ａ１の構成図。
【符号の説明】
１…特定イオン種のみ抽出されたイオンビーム
１’…特定イオン種抽出前のイオンビーム
１ａ，１ｂ…後方散乱イオンの軌跡
２…試料
３，２３…真空容器
４，４’，１８…コイル
５，５’，１９，２５…リターンヨーク
６，６’，１７，２６…磁極
６ａ’，６ｂ’…可動磁極
６ｃ’…磁極で挟まれた間隙
７，７’…スリット
８，８’…イオン検出器
２９…イオン検出器移動装置
１０…散乱イオン弁別手段
１１…四重極磁気レンズ
１２…高圧ターミナル
１３…加速管
１４…コッククロフト型高電圧回路
１５…ボンベ
１６…イオン源
２０…平行電極
２６ａ…磁場領域
２７…扇状偏向電磁石
２９…イオン検出器移動装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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