(57)【要約】  【課題】  検出ポートの付け替え，即ち検出角の変更を容易にすること。大形試料の分析を可能とすること。  【解決手段】  イオンが試料１０２から散乱した散乱したイオンを検出するラザフォード後方散乱分析装置等の試料分析装置に，スペクトル測定器１０４を上記散乱イオンの複数の散乱方向に対応した位置に位置決め自在に移動させる。例えば，イオンの照射点を中心に円弧運動可能に支持するガイドレール１０６上を移動させる。また，上記真空容器に設けられた検出ポート１０５を，散乱方向に対応した位置に位置決め自在に移動させる。具体的には，上記試料を内部に保持する固定側容器１０３ａと，上記検出ポート１０５が設けられ，上記固定側容器１０３ａに密着状且つ摺動自在に係合された可動側容器１０３ｂとから構成された真空容器の，上記可動側容器１０３ｂを摺動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン発生器から出射されたイオンビームを試料に照射する照射手段と，
上記試料を内部に保持する真空容器と，
上記照射手段により上記試料に照射されたイオンビームによって上記試料から所定の散乱角をなす複数の方向に散乱した散乱イオンを上記真空容器の外部に導く検出ポートと，
上記検出ポートを介して導出された上記散乱イオンのスペクトルを測定するスペクトル測定器とを備えた試料分析装置において，
上記スペクトル測定器を上記散乱イオンの上記複数の散乱方向に対応した位置に位置決め自在に移動させる測定器移動手段を具備してなることを特徴とする試料分析装置。
【請求項２】
上記真空容器に複数の上記検出ポートが配設され，
上記測定器移動手段は，上記複数の検出ポートに対応する複数の位置に上記スペクトル測定器を移動させるべく上記スペクトル測定器を上記真空容器の周りに上記真空容器の内部に保持された上記試料に照射される上記イオンビームの照射点を中心に円弧運動可能に支持するものである請求項１に記載の試料分析装置。
【請求項３】
上記各検出ポートに対応する位置に位置決めされたスペクトル測定器を上記検出ポートに密封状に接続する密封接続手段を更に備えてなる請求項２に記載の試料分析装置。
【請求項４】
上記測定器移動手段は，上記スペクトル測定器を上記真空容器の周りに配設された円弧状のレールに沿って移動させるものである請求項１〜３のいずれかに記載の試料分析装置。
【請求項５】
上記真空容器に設けられた検出ポートを，上記散乱イオンの上記複数の散乱方向に対応した位置に位置決め自在に移動させる検出ポート移動手段を更に備えてなる請求項１〜３のいずれかに記載の試料分析装置。
【請求項６】
上記真空容器は，上記試料を内部に保持する固定側容器と，上記検出ポートが設けられ，上記固定側容器に密着状且つ摺動自在に係合された可動側容器とから構成され，
上記検出ポート移動手段は，上記可動側容器を摺動させることにより該可動側容器に設けられた上記検出ポートを移動させるものである請求項５に記載の試料分析装置。
【請求項７】
上記照射手段は，上記イオンビームを鉛直方向から上記試料に照射するものである請求項１〜６のいずれかに記載の試料分析装置。
【請求項８】
上記照射手段は，上記イオン発生器から水平方向に出射されたイオンビームの出射方向を鉛直方向に偏向させる偏向器を介して，上記イオンビームを鉛直方向から上記試料に照射するものである請求項１〜６のいずれかに記載の試料分析装置。
【請求項９】
上記真空容器の内部に水平方向から上記試料を搬入する試料搬入手段を更に備えてなる請求項１〜８のいずれかに記載の試料分析装置。
【請求項１０】
上記真空容器の内部に保持された上記試料に照射される上記イオンビームの照射点に対して上記スペクトル測定器が配設された位置とは反対側の位置に上記試料を回転自在に保持する試料保持手段が設けられてなることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の試料分析装置。
【請求項１１】
イオン発生器から出射されたイオンビームを試料に照射する照射手段と，
上記試料を内部に保持する真空容器と，
上記照射手段により上記試料に照射されたイオンビームによって上記試料から所定の散乱角をなす複数の方向に散乱した散乱イオンを上記真空容器の外部に導く検出ポートと，
上記検出ポートを介して導出された上記散乱イオンのスペクトルを測定するスペクトル測定器とを備えた試料分析装置において，
上記照射手段は，上記イオンビームを鉛直方向から上記試料に照射するものであることを特徴とする試料分析装置。
【請求項１２】
上記試料分析装置がラザフォード後方散乱分析装置である請求項１〜１１のいずれかに記載の試料分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，加速されたＨｅ，Ｈ等の軽イオンを試料に照射し，試料中の成分元素によって弾性散乱されたイオンのエネルギースペクトルを測定することによって試料の組成分析を行う試料分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化，多層化が進展するなか，半導体技術や結晶性薄膜技術の分野では，エピタキシャル成膜やＭＢＥ成膜（分子線エピタキシー法による成膜）等による半導体デバイス材料の研究開発が盛んに行われている。特に，半導体がより一層集積化，多層化するに従い，ゲート絶縁膜の等価厚み等の極薄膜化が避けられない状況にあり，また，次世代半導体として開発が進んでいるＭＲＡＭ等も実膜厚がオングストロームレベルの膜構造を構成していることもあって，半導体デバイス材料の極薄膜の高精度な膜厚計測の要求が高まってきた。かかる要求に応えるためには，半導体デバイス材料の組成分析を行う試料分析装置の性能の向上が必須である。
従来，上記極薄膜の研究開発や製造開発においては，表面スパッタを基本とする２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ法）やオージェ電子分光法（ＡＥＳ法）を用いた分析装置により半導体デバイス材料の組成分析が行われている。しかし，上記分析装置では試料の表面に損傷層が生成されることから深さ分解能に限界があった。そのため，非破壊手法である１００ＫｅＶ程度の水素イオンを用いたイオン散乱分析方法や，３００ＫｅＶ以上の高エネルギーイオンを用いたラザフォード後方散乱分析方法（ＲＢＳ分析方法）等により試料の組成を分析する試料分析装置が注目されるようになってきた。
【０００３】
ここで，図６を用いて，非破壊的に試料の組成を分析する組成分析方法の一例である上記ＲＢＳ分析方法の基本原理について説明する。
加速されたＨｅ，Ｈ等の軽イオンを試料に照射したとき，入射イオンと試料内の成分原子との衝突はほとんど弾性散乱とみなすことができる。即ち，図６に示すように，エネルギーＥ0，質量Ｍ1のイオン６１が試料の表面に照射されて，試料の表面近傍の深さτにある質量Ｍ２の成分原子６２に衝突すると，上記イオン６１は，この質量Ｍ2の成分原子６２により散乱角（検出角）θの方向へ弾性散乱されて跳ね返される。この跳ね返された散乱イオン６３のエネルギーＥ1は，次式で与えられる。
Ｅ1＝ｋ（Ｍ1，Ｍ2，θ）Ｅ0  ……（１）
【数１】
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ここで，ｋはkinematic factor（以下，「Ｋファクター」と称す。）と呼ばれ，イオンの衝突時におけるエネルギーロスの割合を示す。
上記の（２）式は，Ｍ1，Ｍ2，及びθが一定であれば，Ｅ0とＥ1との比Ｅ0／Ｅ1は常に一定であることを示している。即ち，弾性散乱されて跳ね返された散乱イオン６３のエネルギーＥ1は，試料内の成分原子６２の質量Ｍ2の関数となる。従って，散乱イオン６３のエネルギースペクトルを測定することにより試料を構成する元素の質量を算出することができる。
更に，試料表面の法線に対して質量Ｍ1のイオンがα1の角度で入射する場合は，試料の表面深さτに位置する成分原子に衝突するまでの間に試料中をcosα1／τだけ移動し，この移動中に試料内の成分原子の軌道電子と非弾性散乱することにより一定のエネルギーが失われる。従って，散乱イオンのエネルギーＥ1は原子の位置（深さτ）が深いほど小さくなり，そのエネルギー損失量ΔＥは，深さτにほぼ線形に比例する。そのため，エネルギー損失量ΔＥから出射されたイオンが衝突して散乱した位置，即ち，衝突された成分原子の位置深さを知ることができる。
前記に示した（２）式より明らかなように，検出角θが変われば，上記Ｋファクターも変化する。従って，図７に示すように，検出角θを変化させることにより，同じ試料であっても散乱イオンのエネルギースペクトルは異なる。即ち，異なる検出角θからの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，複数の元素から構成される試料の各元素の組成を分析することができる。尚，図７（ａ）は検出角５０度で測定された散乱エネルギースペクトルの実測例，（ｂ）は検出角８０度で測定された散乱エネルギースペクトルの実測例である。
【０００４】
一般に，ＲＢＳ分析方法による組成分析は，高エネルギー軽イオンをプローブとした弾性散乱によって，試料表面下の元素組成分布が数１０ｎｍ（数１００Å）程度の深さ分解能で非破壊的に試料の組成を分析できる特徴を持ち，しかも，分析時間も短く，更に定量性に優れた方法であると認知されている。その一方で，試料に対する深さ分解能に関しては専ら半導体検出器のエネルギー分解能に依存しているため，従来のＲＢＳ分析装置では深さ分解能に限界がある。しかしながら，非特許文献１に記載の高分解能ＲＢＳ分析装置によれば，ＨｅやＨ等の単一エネルギーのイオンを試料に照射し，試料中の成分元素によって弾性散乱されたエネルギースペクトルを電磁石スペクトロメータ等により磁場偏向させ，この磁場偏向されたエネルギースペクトルを半導体イオン検出器によって測定することにより，高い深さ分解能で試料の組成分析を行うことが可能である。以下に，上記電磁石スペクトロメータを用いた高分解能ＲＢＳ分析装置Ｙの概要及びその基本動作について図８を用いて説明する。
【０００５】
加速器１１９内の図示しないイオン源から水平に出射されたイオンビームは，電場と磁場とが直行するＥ×Ｂフィルタ１１７によって，イオンビーム中から，例えばヘリウム一価イオンのみが選別される。ヘリウム二価，水素原子イオン及び水素分子イオンは上記Ｅ×Ｂフィルタ１１７により軌道を曲げられた後にスリット１０７で除去される。選別されたヘリウム一価イオンは図示しない四重極磁気レンズにより収束され，測定チャンバ（測定用真空容器）１０３の内部に導かれ，ゴニオメータ１０９により保持された試料１０２の表面に対して水平方向から照射される。この試料の表面に照射されたイオンビームはその表面及び表面下の元素により弾性散乱され，その一部が測定チャンバ１０３の周囲に配置された電磁石スぺクトロメータ１０４に入射され，その軌道が磁場偏向されて，イオン検出器１０８により検出される。
上記電磁石スペクトロメータ１０４は不図示の磁気ヨーク，ポールピース等で構成されており，寸法が比較的大きく重量があり，また，発熱する励磁コイルを含むことから，通常，測定チャンバ１０３の外部に配設されている。この電磁石スペクトロメータ１０４は，測定チャンバ１０３内の試料表面で弾性散乱されたイオンビームを分光分析してスペクトル化した後に，上記イオン検出器１０８に導く。試料の表面で弾性散乱したイオンビームのエネルギー分布は，前記の通り試料表面の元素やその構成及び深さ，位置等の薄膜構造に依存して異なるため，検出角θ（試料表面に対する散乱角θ）を変更して散乱されたイオンビームを検出することで，試料表面の上記薄膜構造を単独分離して分析することができる。そのため，従来の高分解能ＲＢＳ分析装置では，異なる検出角θのもとにイオンビームを検出し得るように，上記測定チャンバ１０３の外周面に，検出角θが異なる複数の検出ポートが設けられており，上記電磁石スペクトロメータ１０４は上記複数の検出ポートに連結可能な構造をしている。
【０００６】
一方，特許文献１には，測定用真空容器１０３の内側に磁極を配置し，励磁コイルを上記測定用真空容器の外側に配置し，上記励磁コイルにより発生した磁束を上記測定用真空容器の外壁によって隔てられた磁極に導くための磁気ヨークを上記測定用真空容器の内側と外側とにそれぞれ備えた試料分析装置が提案されている。これにより，磁場分析と散乱イオンのエネルギースペクトルの検出とを試料が配置された測定用真空容器内で行うことが可能となるため，装置寸法を小型化することができ，更に，励磁コイルの発熱が分析に与える悪影響を回避することができる。
また，イオンビームを用いた試料分析装置の従来例として，特許文献２に記載のイオンビーム分析装置が知られている。
【特許文献１】特開２００２−２３７２７１号公報
【特許文献２】特許第３２３５６８１号公報
【非特許文献１】森  芳一  外３名，「Ｒ＆Ｄ  神戸製鋼技報」第５２巻  第５２号（通巻第２０１号），特集：薄膜技術，Ｐ５３〜Ｐ５６  高分解能ＲＢＳ分析装置，［online］，２００２年９月１日，株式会社神戸製鋼所  コミュニケーションセンター，［平成１５年８月４日検索］，インターネット＜http://www.kobelco.co.jp/technology-review/vol52#2.＞又は＜http://www.kobelco.co.jp/technology-review/pdf/52#2/053-056.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら，上記従来の非特許文献１に記載の分析装置は，上記電磁石スペクトロメータを複数の検出ポートに連結可能な構造をしているものの，検出ポートを別の検出ポートに付け替えて散乱イオンの検出角を変えために，一旦電磁石スペクトロメータを測定チャンバや取付ブラケット等から取り外す必要がある。かかる付け替え作業は作業効率が悪く，甚だ面倒であった。
また，電磁石スペクトロメータを測定チャンバから取り外すことにより，測定チャンバ内が大気開放されるため，検出ポート付け替え後に再度測定チャンバ内を真空状態に戻す必要がある。このように，電磁石スペクトロメータを別の検出ポートに付け替える度に真空を破らなければならないとすると，真空排気などに多大な時間を要するだけでなく，試料が極薄膜である場合は，試料の表面が大気に触れることによりコンタミネーション（吸着汚染）を招来することになってしまう。
また，上記従来のいずれの分析装置においても，イオン源や加速管等からなる加速器１１９と測定チャンバ１０３との間にはフィルタ，スリット等の複数のビームライン機器が配設されており，これらのビームライン機器の設定を容易に調整できるように，上記加速器１１９，複数のビームライン機器，上記測定チャンバ１０３とを水平線上に配設して，上記加速器１１９から水平方向に出射されたイオンビームが試料に照射するよう構成されているものがほとんどである。一方，装置の設置場所等の制約上，加速器１１９を階上に，測定チャンバ１０３を階下に設置して，イオンビームを鉛直下方に出射するよう構成された装置もあるが，この場合も上記ビームライン機器の設定を容易に調整できるように，上記複数のビームライン機器，測定チャンバ１０３を水平線上に配設して，加速器１１９から鉛直下方に出射されたイオンビームの方向を偏向マグネット等により鉛直方向から水平方向に偏向させて，水平方向に偏向されたイオンビームが上記ビームライン機器を介して試料に水平に照射するよう構成されている。
しかしながら，近年においては，生産効率を向上させるためにウェハ等のデバイス材料は大形化されており，大きいものでその外径が約３０ｃｍｍ（１２インチ）のものもある。このウェハの成膜工程の途中段階でその薄膜構造を分析評価する場合は，この大形のウェハをそのまま分析評価することが最も好ましいのであるが，上記従来のいずれの分析装置あっても，例えば，厚さ２ｍｍ，１０×１０ｍｍの方形にカットして小片化したウェハでなければ分析することができず，上記大形のウェハをそのまま分析することができなかった。その理由は，イオンビームが水平にウェハに照射するためには，ゴニオメータ等により試料台を並進，回転させてウェハの照射角度や位置等を自由に設定する必要があるが，厚さが２ｍｍ，外径が約３０ｃｍの大形ウェハは非常に割れ易いため，クリーン環境下での手動ハンドリングによる受け渡しや固定方法では落下によるウェハの破損やコンタミネーション（吸着汚染）を引き起こしかねないからである。
また，上記大形ウェハを測定チャンバ内に挿入，移動する場合は，人的な介在を無くし，ハンドリングロボットによるウェハの自動搬送を行うことが好ましい。このとき，ウェハの挿入は，ウェハの破損，汚染等を防止し，安全性，確実性を考慮してウェハを水平に維持したまま行うことが望ましいが，上記従来のいずれの分析装置であっても，ウェハを鉛直方向から挿入する構造であったため上記大形ウェハを水平にして挿入することが困難であった。
また，仮にウェハの水平挿入が可能であったとしても，イオンビームがウェハに水平に照射するように試料台を回転させてウェハを水平状態から略鉛直状態にする必要があるが，上記大形ウェハを不安定な略鉛直状態に保持することは，却ってウェハの破損，汚染を招くおそれがある。更に，測定チャンバ内で大形ウェハを回転，保持する構造は複雑であり好ましくない。従って，上記大形ウェハ等を組成分析するにあたっては，試料台に水平に置かれた試料に対して鉛直方向からイオンビームを照射するよう構成された装置により行われるべきである。
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，検出ポートの付け替えを容易にし，鉛直方向或いは水平方向から照射されて試料により散乱された散乱イオンの検出角を容易に変更することが可能でり，しかも，大形の試料であっても試料の破損やコンタミネーションを伴わない試料分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明は，イオン発生器から出射されたイオンを試料に照射する照射手段と，上記試料を内部に保持する真空容器と，上記照射手段により上記試料に照射されたイオンによって上記試料から所定の散乱角をなす複数の方向に散乱した散乱イオンを上記真空容器の外部に導く検出ポートと，上記検出ポートを介して導出された上記散乱イオンのスペクトルを測定するスペクトル測定器とを備えた試料分析装置において，上記スペクトル測定器を上記散乱イオンの上記複数の散乱方向に対応した位置に位置決め自在に移動させる測定器移動手段を具備してなることを特徴とする試料分析装置として構成されている。これにより，電磁石スペクトロメータやイオン検出器等からなるスペクトル測定器を完全に取り外すことなく検出ポートの付け替えを容易に行うことが可能となり，併せて付け替え作業の効率も向上する。
このとき，上記真空容器に複数の上記検出ポートが配設されている場合は，上記測定器移動手段は，上記複数の検出ポートに対応する複数の位置に上記スペクトル測定器を移動させるべく上記スペクトル測定器を上記真空容器の周りに上記真空容器の内部に保持された上記試料に照射される上記イオンの照射点を中心に円弧運動可能に支持するものであることが望ましい。これにより，例えば円筒形の真空容器に設けられた複数の検出ポートに対する上記スペクトル測定器の連結を容易に行うことができる。
また，この場合，上記各検出ポートに対応する位置に位置決めされたスペクトル測定器を上記検出ポートに密封状に接続する密封接続手段を更に備えてなるものであることが考えられる。
更に，上記測定器移動手段は，上記スペクトル測定器を上記真空容器の周りに配設された円弧状のレールに沿って移動させるものであることが望ましい。
【０００９】
また，上記真空容器に設けられた検出ポートを，上記散乱イオンの上記複数の散乱方向に対応した位置に位置決め自在に移動させる検出ポート移動手段を更に備えてなることも考えられる。この場合，上記真空容器は，上記試料を内部に保持する固定側容器と，上記検出ポートが設けられ，上記固定側容器に密着状且つ摺動自在に係合された可動側容器とから構成され，上記検出ポート移動手段は，上記可動側容器を摺動させることにより該可動側容器に設けられた上記検出ポートを移動させるものであることが望ましい。これにより，スペクトル測定器を別の検出ポートに付け替える場合であっても，上記真空容器内の真空状態が破られることなくなり，真空状態を維持したまま検出ポートを移動させて散乱イオンの検出角を容易に変更することができるだけでなく，散乱イオンの検出角を任意に設定することが可能となる。更に真空状態が維持されているため，試料の破損やコンタミネーションが防止され得る。
【００１０】
また，上記照射手段は，上記イオンビームを鉛直方向から上記試料に照射するものであってもよい。また，上記照射手段は，上記イオン発生器から水平方向に出射されたイオンビームの出射方向を鉛直方向に偏向させる偏向器を介して，上記イオンビームを鉛直方向から上記試料に照射するものであってもよい。これにより，大形のウェハ等の試料を分析する場合であっても，試料を不安定な鉛直状態に保持する必要がないため，試料の破損が防止され，試料に負担をかけずに組成分析を実行することが可能となる。
また，上記真空容器の内部に水平方向から上記試料を搬入する試料搬入手段を更に備えてなることが望ましい。これにより，試料が安定した水平状態に維持されたまま真空容器内に搬入されるため，大形の試料であっても破損しにくくなる。
また，上記真空容器の内部に保持された上記試料に照射される上記イオンの照射点に対して上記スペクトル測定器が配設された位置とは反対側の位置に上記試料を回転或いは伸縮自在に保持する試料保持手段を更に備えてなるものであってもよい。
【００１１】
また，イオン発生器から出射されたイオンを試料に照射する照射手段と，上記試料を内部に保持する真空容器と，上記照射手段により上記試料に照射されたイオンによって上記試料から所定の散乱角をなす複数の方向に散乱した散乱イオンを上記真空容器の外部に導く検出ポートと，上記検出ポートを介して導出された上記散乱イオンのスペクトルを測定するスペクトル測定器とを備えた試料分析装置において，上記照射手段は，上記イオンビームを鉛直方向から上記試料に照射するものであることが考えられる。
これにより，大形のウェハ等の試料を分析する場合であっても，試料を不安定な鉛直状態に保持する必要がなくなり，試料の破損が防止され，試料に負担をかけずに組成分析を実行することが可能となる。
更に，上記試料分析装置がラザフォード後方散乱分析装置であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように，本発明は，水平方向或いは鉛直方向から照射されたイオンが試料に照射して散乱した散乱したイオンを検出するラザフォード後方散乱分析装置等の試料分析装置に，上記スペクトル測定器を上記散乱イオンの上記複数の散乱方向に対応した位置に位置決め自在に移動させることにより，具体的には，上記イオンの照射点を中心に円弧運動可能に支持するレール上を移動させることにより，電磁石スペクトロメータやイオン検出器等からなるスペクトル測定器を完全に取り外すことなく，検出ポートの付け替えを容易に行うことが可能となり，併せて付け替え作業の効率も向上する。
また，上記真空容器に設けられた検出ポートを，上記散乱イオンの上記複数の散乱方向に対応した位置に位置決め自在に移動させることにより，具体的には，上記試料を内部に保持する固定側容器と，上記検出ポートが設けられ，上記固定側容器に密着状且つ摺動自在に係合された可動側容器とから構成された真空容器の，上記可動側容器を摺動させることにより該可動側容器に設けられた上記検出ポートを移動させることにより，スペクトル測定器を別の検出ポートに付け替える場合であっても，上記真空容器内の真空を破ることなく，真空状態を維持したまま検出ポートを移動させて散乱イオンの検出角を容易に変更することが可能となり，しかも，試料の破損，コンタミネーションが防止され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下添付図面を参照しながら，本発明の一実施形態について説明し，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は本発明の第１の実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置Ｘ１の構成を示す全体図，図２は本発明の第１の実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置Ｘ１の構成を説明する模式断面図，図３は本発明の第２の実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置Ｘ２の構成を示す全体図，図４は本発明の第３の実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置Ｘ３の構成を示す全体図，図５は図４に示すラザフォード後方散乱分析装置Ｘ３の真空容器周辺部の拡大図，図６は衝突したイオンの弾性散乱を示す模式図，図７は散乱エネルギースペクトルの実測例を示す図，図８は従来のラザフォード後方散乱分析装置Ｙの構成を示す全体図である。
【００１４】
まず，図１の全体図及び図２の模式断面図に基づいて，本発明の第１の実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置（以下，「ＲＢＳ分析装置」と略す。）Ｘ１の構成について説明する。尚，言うまでもないが，ＲＢＳ分析装置は弾性散乱されたイオンのエネルギースペクトルを測定することによって試料の組成分析を行う試料分析装置の単なる一例に過ぎない。
本ＲＢＳ分析装置Ｘ１では，測定チャンバ１０３の鉛直上方に配設された加速器１１９（イオン発生器）において，ヘリウムガスボンベ１１５から送り出されたヘリウムはイオン源１１２でイオン化され，その後，イオン化された一価のヘリウムイオンが上記Ｅ×Ｂフィルタ１１７により選別されて，この一価のヘリウムイオンだけが加速管１１３に送り出される。上記加速管１１３内では，上記一価のヘリウムイオンは，高圧電源回路１１４から高電圧が供給されることにより，この高電圧に対応したエネルギーが蓄えられて加速される。その後，加速されたイオン１０１は鉛直下方へ出射され，ビームダクト１１６を通り，途中，Ｑマグネット１１１により収束されて，加速器１１９の鉛直下方に位置する測定チャンバ１０３（真空容器）内の試料１０２に照射される。このように，加速器１１９から出射されたイオンが測定チャンバ１０３（真空容器）内の試料１０２に照射される構成が照射手段に相当する。
上記試料１０２に照射され，試料１０２の表面又は内部で弾性散乱されたイオンのうち，スペクトル測定器１２３が連結された検出ポート１０５に飛び込んだ散乱イオンだけがスペクトル測定器１２３を構成するスペクトロメータ１０４によって分光分析されてスペクトル化され，そのうちの特定のエネルギースペクトルだけが上記スペクトル測定器１２３を構成するイオン検出器１０８により検出される。
【００１５】
測定チャンバ１０３は，円筒形の測定チャンバであり，内部を真空状にするため，測定チャンバ１０３近傍には内部の空気を排出して真空化するターボ分子ポンプ１３０が設けられている。また，この測定チャンバ１０３には，試料１０２に照射されたイオンによって上記試料１０２から所定の散乱角をなす複数の方向に散乱した散乱イオンを上記測定チャンバ１０３の外部に導く検出ポート１０５が設けられている。この検出ポート１０５は，複数の散乱方向に散乱した散乱イオンを複数の角度から検出するために予め上記スペクトロメータ１０４と密封状に接続されている。また，上記円筒形の測定チャンバ１０３の中心軸（円筒軸）にあたる位置には試料１０２を保持する図示しない試料台が配置されている。この試料台に保持された試料１０２において弾性散乱された散乱イオンのうち，上記スペクトロメータ１０４が連結された検出ポート１０５に飛び込んだ散乱イオンだけが上記スペクトロメータ１０４に入射する。また，上記試料台は上記測定チャンバ１０３の中心軸を中心にして上記測定チャンバ１０３の円周方向に回転自在に支持される。上記測定チャンバ１０３の外部には，上記試料台と連接され，上記試料台を保持するとともに上記測定チャンバ１０３の円周方向に回転させる試料保持手段の一例であるゴニオメータ１０９が上記測定チャンバ１０３の円周面と直交する面のいずれか一方に配設されている。上記ゴニオメータ１０９は上記スペクトル測定器１０４との干渉を避けるため，上記測定チャンバ１０３の内部の上記試料１０２に照射される上記イオンビーム１０１の照射点に対して上記スペクトル測定器１２３が配設された位置とは反対側の位置に上記試料１０２を回転自在に保持するよう配設されている。
【００１６】
上記試料台へは真空ハンドリングロボット１１８（試料搬入手段の一例）により試料１０２がセットされる。上記真空ハンドリングロボット１１８は，上記測定チャンバ１０３の内部で保持された上記試料台へ上記試料１０２を水平状態に維持したまま水平方向から挿入する装置である。そのため，上記試料１０２を上記測定チャンバ１０３に挿入する挿入口は上記測定チャンバ１０３の円周面曲率面上に設けられている。尚，大気ハンドリングロボット１２４は上記真空ハンドリングロボット１１８に試料１０２を搬入する装置である。
【００１７】
前記したように，検出角θを変えて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複数の元素から構成される試料の各元素を分析することができる。従って，試料の組成分析を行うにあたっては上記スペクトロメータ１０４を他の検出ポート１０５に付け替える作業が必要である。本ＲＢＳ分析装置Ｘ１においては，従来のようにスペクトロメータ１０４やイオン検出器１０８等からなるスペクトル測定器１２３を完全に取り外すことなく検出ポート１０５の付け替えを容易に行うことを可能にするため，上記スペクトロメータ１０４を上記散乱イオンの複数の散乱方向に対応した位置に位置決め自在に移動させる測定機移動手段の一例であるガイドレール１０６がガイドレール架台１２１に設けられている。具体的には，このガイドレール１０６は，上記測定チャンバ１０３に設けられた複数の検出ポート１０５に対応する複数の位置に上記スペクトル測定器１２３を移動させるべく上記スペクトル測定器１２３を上記測定チャンバ１０３の周りに上記測定チャンバ１０３の内部に保持された試料に照射されるイオンビーム１０１の照射点を中心に円弧運動可能に支持されている。そのため，上記ガイドレール架台１２１に設けられた上記ガイドレール１０６は上記測定チャンバ１０３の周りに円弧状に形成されて配設されている。これにより，上記スペクトル測定器１２３を上記測定チャンバ１０３の周りに配設された円弧状のガイドレール１０６に沿って移動させることにより，上記スペクトル測定器１２３を他の検出ポート１０５に対応する位置に移動させることが可能となり，スペクトル測定器を完全に取り外すことなく，検出ポートの付け替えを容易に行うことができる。この場合，上記スペクトル測定器１２３には，上記ガイドレール１０６と連結して上記スペクトル測定器１２３を上記ガイドレール１０６に沿ってスライド移動し得るようスライド機構を設ける必要がある。尚，上記測定チャンバ１０３内を真空状態に保持するために，上記各検出ポート１０５に対応する位置に位置決めされたスペクトル測定器１２３を上記検出ポート１０５に密封状に接続し得るよう，上記検出ポート１０５と上記スペクトル測定器１２３との接続部にはＯリングやラビリンスシール等のシール部材（密封接続手段の一例）が設けられている。
【００１８】
上記スペクトル測定器１２３を上記ガイドレール１０６に沿って移動させる場合，上記スペクトル測定器１２３を手動で移動させることが考えられるが，上記スペクトル測定器１２３を上記ガイドレール１０６に沿って電動駆動させるモータ等の駆動手段により移動させることも考えられる。例えば，上記スペクトル測定器１２３の位置を検出し得るポテンショメータやロータリエンコーダ等の位置検出手段により検出された上記スペクトル測定器１２３の位置信号に基づいて，上記電動機に所望の回転量に応じた駆動信号を出力して，遠隔操作により上記スペクトル測定器１２３の駆動をコントロールして，上記スペクトル測定器１２３を所望の位置に位置決め自在に移動させるよう構成されていてもよい。
【００１９】
続いて，図３の全体図を用いて，本発明の第２の実施形態に係るＲＢＳ分析装置Ｘ２の構成について説明する。
上述の第１の実施形態におけるＲＢＳ分析装置Ｘ１では，加速器１１９から鉛直下方へ出射されたイオンビーム１０１を，上記測定チャンバ１０３の内部に保持された試料１０２へ鉛直方向から照射するよう構成されていたが，本ＲＢＳ分析装置Ｘ２は，上記ＲＢＳ分析装置Ｘ１とは異なり，図３に示すように，上記加速器１１９ａから水平方向に出射されたイオンビーム１０１が偏向マグネット１２０（偏向器の一例）により鉛直下方に偏向されるよう構成されている。尚，鉛直下方に偏向されたイオンビーム１０１が測定チャンバ１０３（真空容器）内の試料１０２に鉛直方向から照射される点においては相違しない。
このように構成されたＲＢＳ分析装置Ｘ２であっても，上記加速器１１９ａから水平方向に出射されたイオンビーム１０１の出射方向を鉛直方向に偏向させる偏向マグネット１２０を介して，上記イオンビーム１０１を鉛直方向から上記試料に照射するよう構成されることにより，上記測定器移動手段の一例であるガイドレール１０６を適用することが可能であり，これにより，上記スペクトル測定器１２３を上記散乱イオンの複数の散乱方向に対応した位置に位置決め自在に移動させることができる。
【００２０】
次に，図４の全体図及び図５の拡大図を用いて，本発明の第３の実施形態に係るＲＢＳ分析装置Ｘ３の構成について説明する。
本ＲＢＳ分析装置Ｘ３は，上記ＲＢＳ分析装置Ｘ１とは異なり，図４に示すように，差動排気ポンプ１２５を具備して構成されている。
また，上記測定チャンバ１０３に設けられた上記検出ポート１０５を，試料１０２から散乱した散乱イオンの散乱方向に対応した位置に位置決め自在に移動させる検出ポート移動手段が本ＲＢＳ分析装置Ｘ３に備えられている点においても上記ＲＢＳ分析装置Ｘ１とは異なる。具体的には，上記測定チャンバ１０３が，上記試料１０２を内部に保持する固定側容器１０３ａと，上記検出ポート１０５が設けられ，上記固定側容器１０３ａに密着状且つ摺動自在に係合された可動側容器１０３ｂとから構成され，上記可動側容器１０３ｂを上記測定チャンバ１０３の円周方向へ摺動させることにより該可動側容器１０３ｂに設けられた上記検出ポート１０３を移動させるよう構成されている。このように構成されたＲＢＳ分析装置Ｘ３によれば，スペクトル測定器１２３を別の検出ポートに付け替える場合であっても，上記測定チャンバ１０３内の真空を破ることなく，真空状態を維持したまま検出ポート１０５を移動させることが可能となり，その結果，散乱イオンの検出角を容易に変更することができ，しかも，試料１０２の破損或いはコンタミネーションが防止され得る。
上記測定チャンバ１０３内は真空状態に維持されなければならないため，上記固定側容器１０３ａと上記可動側容器１０３ｂとの係合部１２７から空気等の流体の侵入を防ぎ，上記係合部１２７を密封状態となるよう構成されていなければならない。そのため，上記係合部１２７には，上記固定側容器１０３ａと上記可動側容器１０３ｂとが摺動可能であり，しかもシール効果の大きいラビリンスシール等のシール部材１２８が設けられている。このように，上記固定側容器１０３ａと上記可動側容器１０３ｂとが上記シール部材１２８を介して係合されることにより，上記測定チャンバ１０３内が真空状態に維持される。また，上記測定チャンバ１０３内は超高真空状態であることが要求されるため，図５の摺動部１２６の拡大図（ａ）に示すように，上記係合部１２７に設けられた複数のシール部材１２８の間に差動排気ポンプ１２５を連結して，外部から侵入した空気等の流体を排気して上記測定チャンバ１０３の内部を超高真空状態に維持するよう構成されている。
尚，上記係合部１２７は，上記シール部材１２８によらなくても，上記固定側容器１０３ａと上記可動側容器１０３ｂとが摺動する摺動面のいずれか一方の摺動面に多数のラビリンス加工を施し，ラビリンス効果により気密を保持するよう構成されていてもよい。
【００２１】
また，前記第１の実施形態におけるＲＢＳ分析装置Ｘ１と同様に，上記スペクトル測定器１２３を上記ガイドレール１０６に沿って電動駆動させるモータ等の駆動手段により移動させるよう構成されていてもよい。この場合，上記駆動手段は上記可動真空容器１０３ｂと連動して上記スペクトル測定器１２３を駆動させる必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置Ｘ１の構成を示す全体図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置Ｘ１の構成を説明する模式断面図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置Ｘ２の構成を示す全体図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置Ｘ３の構成を示す全体図。
【図５】図４に示すラザフォード後方散乱分析装置Ｘ３の真空容器周辺部の拡大図。
【図６】衝突したイオンの弾性散乱を示す模式図。
【図７】散乱エネルギースペクトルの実測例を示す図。
【図８】従来のラザフォード後方散乱分析装置Ｙの構成を示す全体図。
【符号の説明】
【００２３】
１０１…イオンビーム
１０２…試料
１０３…測定チャンバ（真空容器）
１０４…スペクトロメータ
１０５…検出ポート
１０６…ガイドレール
１０７…イオン選別用スリット
１０８…イオン検出器
１０９…ゴニオメータ
１１１…Ｑマグネット
１１２…イオン源
１１３…加速管
１１４…高圧電源回路
１１５…ヘリウムガスボンベ
１１６…ビームダクト
１１８…真空ハンドリングロボット
１１９…加速器
１２０…偏向マグネット（偏向器）
１２１…レール架台
１２２…四重極磁気レンズ
１２３…スペクトル測定器
１２４…大気ハンドリングロボット
１２５…差動排気ポンプ
１２８…シール材
１３０…ターボ分子ポンプ
【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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