(57)【要約】【発明が解決しようとする課題】  低エネルギー荷電粒子を含む広範囲な荷電粒子のエネルギー分析に有効な検出精度の優れた荷電粒子の入射位置検出器及びエネルギー分析装置を提供すること。【課題を解決するための手段】  荷電粒子のエネルギーに応じて変化する荷電粒子の入射位置を検出する荷電粒子の入射位置検出器において、入射位置における検出感度をその入射位置への入射が想定される荷電粒子のエネルギーに逆比例させて設定するか、若しくは前記入射位置検出器の本体の前に入射位置における減速能がその入射位置への入射が想定される荷電粒子のエネルギーに逆比例する減速材を配置する。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子のエネルギーに応じて変化する荷電粒子の入射位置を検出する荷電粒子の入射位置検出器において、入射位置における検出感度をその入射位置への入射が想定される荷電粒子のエネルギーに逆比例させて設定したことを特徴とする荷電粒子の入射位置検出器。
【請求項２】
検出感度が傾斜的にまたは階段状に変化しているものである請求項１に記載の荷電粒子の入射位置検出器。
【請求項３】
荷電粒子のエネルギーに応じて変化する荷電粒子の入射位置を検出する荷電粒子の入射位置検出器において、前記入射位置検出器の本体の前に入射位置における減速能がその入射位置への入射が想定される荷電粒子のエネルギーに逆比例する減速材を配置したことを特徴とする荷電粒子の入射位置検出器。
【請求項４】
減速材の厚みが傾斜的にまたは階段状に変化しているものである請求項３に記載の荷電粒子の入射位置検出器。
【請求項５】
イオン源から発したイオンビームを加速して測定試料の表面に衝突させ、これにより生じた散乱荷電粒子をスリットを通して弁別した後、磁界又は電界によりその軌道を偏向させて、荷電粒子の入射位置検出器に入射させ、その入射位置によって該荷電粒子のエネルギーを分析する荷電粒子のエネルギー分析装置において、前記荷電粒子の入射位置検出器が、入射位置における検出感度をその入射位置への入射が想定される荷電粒子のエネルギーに逆比例させて設定されたものである荷電粒子のエネルギー分析装置。
【請求項６】
イオン源から発したイオンビームを加速して測定試料の表面に衝突させ、これにより生じた散乱荷電粒子をスリットを通して弁別した後、磁界又は電界によりその軌道を偏向させて、荷電粒子の入射位置検出器に入射させ、その入射位置によって該荷電粒子のエネルギーを分析する荷電粒子のエネルギー分析装置において、前記荷電粒子の入射位置検出器が、同検出器の本体の前に、入射位置における減速能がその入射位置への入射が想定される荷電粒子のエネルギーに逆比例する減速材を配置したされたものである荷電粒子のエネルギー分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子やイオンなどの荷電粒子のエネルギー分析等に用いられる荷電粒子の入射位置検出器及び荷電粒子のエネルギー分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子やイオンなどの荷電粒子を用いた分析装置には、荷電粒子のエネルギー分析を用いたものがある。ラザフォード後方散乱分光法(RBS)もその１つで、分析対象に加速した水素イオンやヘリウムイオンを照射し、後方に散乱されるイオンエネルギー分布を測定して、非破壊で深さ方向の元素分析を可能とする。
【０００３】
例えば特許文献１（特開平７−１９０９６３号公報）には，高中エネルギーのイオンビームが入射した試料にて後方散乱された散乱イオンを，前記イオンビームと平行な磁場を用いてビーム軸に収束させる平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置が記載されている。前記公報に記載されたラザフォード後方散乱分析装置の概略構成を図７に示す。
【０００４】
４００ｋＶ程度の高電圧が給電されたイオン源１から発せられたヘリウムイオンビーム２は，加速管３を通過中に該加速管３に印加された電圧によって加速され，試料４に向かう。試料４表面において，弾性散乱された散乱イオン５は，ソレノイドコイル６１及びマグネットヨーク６２からなる電磁石６によって発生されたイオンビーム２のビーム軸に平行な磁場によって，軌道が曲げられ，螺旋運動を行いながら繰り返しビーム軸に接する（収束する）軌道を描く。
【０００５】
特定のエネルギーと散乱角とをもった散乱イオン５がビーム軸に収束する位置にイオンビーム２を中心に通すように，アイリス型のスリット７（アパーチャ）が配置されており，そのスリット７により特定のエネルギーを有する散乱イオン５のみを弁別し，再度発散していく散乱イオン５を２次元の散乱イオン検出器８により検出しエネルギースペクトルを得ていた。このようにして得られたエネルギースペクトルに基づいて試料４の成分元素の同定や深さ方向の組成分析（イオンチャネリング分析）を行うことができる。
【０００６】
以下、この例でも用いられているイオン位置検出器によるエネルギー分析を説明するが、簡単のため、１次元位置検出器の場合を例に述べる。
【０００７】
荷電粒子のエネルギー分析には、磁界や電界を荷電粒子に印可しエネルギーに応じてその偏向量が異なることを利用して分析するものがある。その場合、荷電粒子が到達した位置を検出することでエネルギー分析が可能となる。
【０００８】
図２には、磁界を用いたエネルギー分析の模式図を示す。ここではラザフォード後方散乱分析法での散乱イオンエネルギー分析を例にして図示している。試料に入射し散乱されたヘリウムイオン（又は水素イオン）は、試料の元素に応じてそのエネルギーが変化する。これを分析するために偏向磁石に入射させると、エネルギーに応じて偏向量が変化するので、偏向磁石から一定距離隔てた位置検出器への入射位置が変化する。すなわち、低エネルギーの荷電粒子ほど磁界からの力を受けて軌道偏向が大きくなる。
【０００９】
エネルギー分析手法には図３に示したように電界で荷電粒子軌道を偏向させて到達位置を検出する手法も存在する。
【００１０】
いずれのエネルギー分析手法においても、荷電粒子の入射位置を検出する必要がある。荷電粒子の位置検出器には、位置敏感型検出器(ＰＳＤ)や蛍光板を利用して光に変換し、画像として検出する手法が存在する。
【００１１】
図４は、位置敏感型検出器の原理図を示したものである。荷電粒子が半導体検出器に入射し、その位置で電子・ホール対を生成し電荷として左右の電極に流れ出る仕組みになっている。左右の電極に流れ出る電荷量Ｑ１,Ｑ２は、荷電粒子の入射位置と電極との距離Ｌ１,L２に応じて配分されるので、これらから得られる演算式Ｑ１／（Ｑ１＋Ｑ２）が、入射位置を示すＬ２／（Ｌ１＋Ｌ２）に相当する。なお、位置敏感型検出器の等価回路を図５に示す。
【００１２】
別の位置検出器の原理として蛍光板を利用したものがある。図６に示すように荷電粒子が入射すると発光する蛍光板を配置し、その発光画像をレンズ、カメラで撮像して電気信号に変換し、位置検出するものである。
【００１３】
特許文献２（特開平４−２６０４５など）には、プラズマ中を通過したイオンを電界内に偏向させ、エネルギーに応じて異なる位置に到達したイオンを蛍光板に入射させる位置検出器で、その位置を検出する装置が開示されている。イオンが蛍光板に入射するとその位置で発光するので、その光像を電気信号に変換して、位置を検出し、エネルギー分析を行うものである。
【００１４】
これら従来の位置検出器では、異なるエネルギーをもつ荷電粒子が入射し、発光または電子・ホール対の生成を行い、信号として検出する。荷電粒子のエネルギーが異なると、発光量や電子・ホール対の生成量が異なり、電気信号に変換された信号のレベルが異なることになる。これを一定の増幅率のアンプを通した後にＡ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換することになり、高エネルギーの荷電粒子の位置はＳ／Ｎよく検出できるが、低エネルギー荷電粒子の位置の検出精度が劣る不利である。すなわち、Ａ／Ｄ変換器の有限分解能内に量子化誤差として埋れたり、電気ノイズに悪影響を及ぼされてしまう可能性を有している。
【００１５】
これを防ぐために、高精度のアンプで低エネルギーに相当する低いレンジの信号を増幅する方法が考えられるが、この方法では高エネルギー荷電粒子に相当する信号が飽和してしまい、不都合である。
【００１６】
すなわち、入射する位置検出器に入射する荷電粒子に広いダイナミックレンジが存在した場合、後段の信号処理・変換部がそれに対応できずにＳ／Ｎを悪くする問題がる。
【特許文献１】特開平７−１９０９６３号公報
【特許文献２】特開平４−２６０４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は上記した従来技術の問題点を解消し、低エネルギー荷電粒子を含む広範囲な荷電粒子のエネルギー分析に有効な検出精度の優れた荷電粒子の入射位置検出器を提供することをその課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を達成するために、本発明者らが提案する発明の特徴は以下の通りである。
（１）荷電粒子のエネルギーに応じて変化する荷電粒子の入射位置を検出する荷電粒子の入射位置検出器において、入射位置における検出感度をその入射位置への入射が想定される荷電粒子のエネルギーに逆比例させて設定したことを特徴とする荷電粒子の入射位置検出器（請求項１）。
（２）検出感度が傾斜的にまたは階段状に変化しているものである上記（１）に記載の荷電粒子の入射位置検出器。（請求項２）。
（３）荷電粒子のエネルギーに応じて変化する荷電粒子の入射位置を検出する荷電粒子の入射位置検出器において、前記入射位置検出器の本体の前に入射位置における減速能がその入射位置への入射が想定される荷電粒子のエネルギーに逆比例する減速材を配置したことを特徴とする荷電粒子の入射位置検出器（請求項３）。
（４）減速材の厚みが傾斜的にまたは階段状に変化しているものである上記（３）に記載の荷電粒子の入射位置検出器（請求項４）。
（５）イオン源から発したイオンビームを加速して測定試料の表面に衝突させ、これにより生じた散乱荷電粒子をスリットを通して弁別した後、磁界又は電界によりその軌道を偏向させて、荷電粒子の入射位置検出器に入射させ、その入射位置によって該荷電粒子のエネルギーを分析する荷電粒子のエネルギー分析装置において、前記荷電粒子の入射位置検出器が、入射位置における検出感度をその入射位置への入射が想定される荷電粒子のエネルギーに逆比例させて設定されたものである荷電粒子のエネルギー分析装置（請求項５）。
（６）イオン源から発したイオンビームを加速して測定試料の表面に衝突させ、これにより生じた散乱荷電粒子をスリットを通して弁別した後、磁界又は電界によりその軌道を偏向させて、荷電粒子の入射位置検出器に入射させ、その入射位置によって該荷電粒子のエネルギーを分析する荷電粒子のエネルギー分析装置において、前記荷電粒子の入射位置検出器が、同検出器の本体の前に、入射位置における減速能がその入射位置への入射が想定される荷電粒子のエネルギーに逆比例する減速材を配置したされたものである荷電粒子のエネルギー分析装置（請求項６）。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、位置検出器から得られる信号レベルが荷電粒子の入射エネルギーによらずほぼ一定にすることができ、後段のＡ／Ｄ変換器等の信号処理部でのＳ／Ｎ向上させることができ、最終的に荷電粒子エネルギー分析器全体の精度向上が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明につきその作用及び実施の形態を中心に説明する。
【００２１】
電界または磁界で偏向されて、異なるエネルギーが入射する位置検出器においても、前述のようにエネルギーが決まると位置検出器の入射位置は一意に決定する。従って、位置検出器の検出感度を入射位置に応じて想定される荷電粒子のエネルギーに対応して変化させ、荷電粒子の入射位置において、高エネルギー荷電粒子が入射する場合にはその入射位置の検出感度を低くし、低エネルギー荷電粒子が入射する場合にはその入射位置の検出感度を高く設定する。
【００２２】
すなわち、本発明では各入射位置における検出感度を入射が想定される荷電粒子のエネルギー（エネルギーの大きさ）に逆比例（反比例）させて設定した位置検出器を提案するものである。なお、ここで逆比例と説明したが、数学的に厳密な逆比例の意味ではなく、入射する荷電粒子が高エネルギーの場合はその入射位置の検出感度を低エネルギーの電荷粒子の入射位置の検出感度より低く、入射する荷電粒子が低エネルギーの場合はその入射位置の検出感度を高エネルギーの電荷粒子の入射位置の検出感度を高くするという、荷電粒子のエネルギーの大きさと検出器の検出感度との関係が相対的に反対の関係にあることから便宜上逆比例と使っているだけである。
【００２３】
この様な荷電粒子の入射エネルギーの大きさに逆比例する傾斜した感度を有する入射位置検出器では、どのようなエネルギーの荷電粒子が入射しても位置検出器から得られる信号は、ほぼ一定のレベルとすることができる。こうして位置検出器から得られる信号レベルが入射エネルギーによらずほぼ一定にすることができれば、後段のＡ／Ｄ変換器等の信号処理部でのＳ／Ｎを有利に向上させることが可能となる。これにより、最終的に荷電粒子のエネルギー分析の精度を高めることができるのである。
【００２４】
この位置検出器の感度を変化させる方法としては、たとえば発光型位置検出器において、蛍光板に塗布する蛍光物質（ＺｎＳなど）の密度を入射が想定される荷電粒子のエネルギーに逆比例するよう傾斜的にまたは階段状に変化させて発光効率を変化させたり、発光物質の塗布厚さを同様に傾斜的にまたは階段状に変化させることで、感度を変化させることができる。すなわち、高エネルギー側には薄く塗布し、低エネルギー側では濃くまたは厚く塗布することで、発光効率を制御することができる。蛍光材の塗布においては、蛍光材を分散させた溶剤を平板に塗布するのが一般的であるが、傾斜的に厚さと濃度を変化させるには、通常の1/10程度の濃度に薄めた溶剤を平板に流し込み、平板自体を傾斜して保持し溶剤が乾燥するまで保持すればよく、または、同じく薄めた溶剤を複数回に分けて塗布する手法で、厚く濃くする部位の塗布回数を増やすことが望ましい。これによって、荷電粒子の入射エネルギーによらずほぼ一定の発光量を得ることができ、後段での発光画像をレンズ、カメラで撮像して電気信号に変換した場合、信号のダイナミックレンジが小さく、Ｓ／Ｎのよい処理が可能となる。
【００２５】
また、一様な検出感度を有する通常の位置検出器においても、この位置検出器本体の前（入射側）に、各入射位置におけるその減速能が入射が想定される荷電粒子のエネルギーに逆比例する減速材を配置する工夫を施すことによって前記の検出感度を変化させた場合と同様な作用・機能を付与することができ、同様な効果を達成することができる。
【００２６】
すなわち、この位置検出器では高エネルギー荷電粒子が通過する入射位置では減速材の減速能を高く設定し、また低エネルギー荷電粒子が通過する入射位置では減速材の減速能を低く設定し、荷電粒子のエネルギーの大きさにこれが通過する減速材の減速能を逆比例させる。この様な減速材を検出器本体に付設することにより、検出器本体に入射する異なるエネルギーを持った荷電粒子は全てほぼ同じエネルギーに制御することにでき、結果として位置検出器から得られる信号レベルはほぼ一定とすることが可能となる。こうしてやはり検出器から得られる信号レベルが入射エネルギーによらずほぼ一定にすることができるので、後段のＡ／Ｄ変換器等の信号処理部でのＳ／Ｎを有利に向上させることが可能となり、最終的に荷電粒子のエネルギー分析の精度を高めることができるのである。
【００２７】
そしてこの発明によれば前記の検出感度を変化させる発明の効果に加えて、検出感度が一様である既存の検出器を利用して、比較的容易に実施できる利点がある。
【００２８】
また、検出器本体に配置する上記減速材としては、高分子膜（マイラーやポリイミドなど）またはカーボン膜のような軽元素で構成されたその減速能が一定の方向に変化する透過膜を用いると良い。
【００２９】
特に、その厚みが傾斜的にまたは階段状に変化しているものが好ましい。これは一様な減速能を備える減速材を使用するに当たって荷電粒子が通過する位置での減速能をその厚みによって調整するものである。つまり、通過する荷電粒子のエネルギーに応じて、その厚みが傾斜的にまたは階段状に変化した減速材を配置することで、高エネルギー荷電粒子には減速材の厚い部分を通過させ、低エネルギー荷電粒子には減速材薄い部分を通過させることができる。この様にして検出器に入射する荷電粒子はほぼ同じエネルギーを有することにでき、結果として位置検出器から得られる信号レベルはほぼ一定とすることが可能となる。
【００３０】
そして、この発明によれば一様な感度を有する既存の検出器を利用して、一層容易に実施できる利点がある。
【００３１】
なお、前述した本体の感度を変化させた検出器を用いて且つ上述の減速能を変化させた減速材を配置して構成することも可能である。両者を併用することで、一方のみ使用するよりも、検出される荷電粒子のエネルギーの高低幅が広い場合に対応できる。
【００３２】
次に、本発明を図１に示す実施形態に基づいてより具体的に説明する。
【００３３】
ここではラザフォード後方散乱分析法(RBS分析)において、４００ｋｅＶ程度に加速した水素イオンを試料に入射させ、試料内の原子核で反発された水素イオンのエネルギーを測定する例である。試料内に重元素があると散乱イオンのエネルギーは大きく、逆に軽元素があると散乱イオンのエネルギーは小さくなるので、エネルギー分析をおこなうことで、試料の成分構成が分析できる。
【００３４】
散乱イオンのエネルギーを分析するためにスリットを通過させて１カ所から偏向磁石に入射させる。イオンエネルギーに応じて偏向量が変化する。すなわち低エネルギーイオンは磁界からの力を受けて大きく偏向するのに対し、高エネルギーイオンは偏向しにくい。偏向磁石から一定距離を隔てたところに、位置検出器を配置し、入射位置を検出する。図では、高エネルギーイオンほど上部に入射することになる。
【００３５】
一般に、位置検出器の荷電粒子に対する感度は、高エネルギー粒子になるほど高く、低エネルギー粒子では低い。そこで、本実施形態では、高エネルギー粒子が入射する図上部に向かって厚くなるように配置した傾斜型の減速材を位置検出器の前、すなわち入射側前面にマイラー膜を設置している。このマイラー膜は位置検出器の表面に、高エネルギー側が0.7μmで厚く、低エネルギー側では０μmになるように傾斜的に厚さを変化させて成膜したものである。このような薄膜を単体で保持する事は難しいので、位置検出器の前面にCVD法等により成膜するのが望ましい。マスキング等により成膜時間を傾斜的に変化させることで膜厚が制御可能である。
【００３６】
この場合、高エネルギー側の４００ｋｅＶイオンを２００ｋｅＶ程度に減速させることを想定している。これにより、高エネルギー粒子ほど大きく減速され、位置検出器に入射する時には、ほぼ同じエネルギーになり、位置検出器での信号レベルは一定になる。
位置検出器の両端の電極から得られる電荷はアンプを通って、位置演算され、Ａ／Ｄ変換される。従って、この位置検出器によれば荷電粒子エネルギー分析器全体の検出精度が向上する。
【００３７】
なお、本実施例では、簡単のために１次元の位置検出器を例にしたが、特許文献１（特開平７−１９０９６３号公報）で用いられているような２次元の位置検出器に適用することも同様に可能である。この場合は、中心から周方向にかけて入射が想定される荷電粒子のエネルギーの大きさに対して検出感度もしくは減速能を逆比例に設定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例の概略を示す図である。
【図２】磁界による従来のエネルギー分析の原理を示す図ある。
【図３】電界による従来のエネルギー分析の原理を示す図ある。
【図４】位置敏感型の入射位置検出器の原理を示した図である。
【図５】位置敏感型の入射位置検出器の等価回路を示した図である。
【図６】発光型の入射位置検出器の原理を示した図である。
【図７】従来の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置の概略構成例を示す図。
【００３９】
１…イオン源、
２…イオンビーム
３…加速管
４…試料
５…散乱イオン
６…電磁石、ソレノイドコイル６１、マグネットヨーク６２
７…アイリス型スリット（アパーチャ）
８…イオン検出器
【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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