(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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検出するための散乱イオン検出器と，前記イオンビームと平行な磁場を少なくとも前記試料から前記散乱イオン検出器にかけて発生させる磁場発生手段と，前記試料と前記散乱イオン検出器との間の前記散乱イオン検出器に対して予め定められた位置に配置され，前記散乱イオン検出器側から前記試料に入射する前記イオンビームを通過させると共に，前記磁場発生手段の磁場により前記イオンビームのビーム軸に収束した特定のエネルギーと散乱角を有する前記散乱イオンを前記散乱イオン検出器側に通過させるための開口を備えた板状の弁別用スリットと，を具備してなる平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置において，
前記試料と前記弁別用スリットとの間に前記イオンビームと平行に移動し得るように配置され，前記散乱イオン検出器側から前記試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた板状の可動板状スリットと，
前記試料と前記可動板状スリットとの間に前記イオンビームと平行に移動し得るように配置され，前記散乱イオン検出器側から前記試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた筒状の可動筒状スリットと，
を具備してなることを特徴とする平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
【請求項２】
前記可動筒状スリットの軸方向の長さＬｓが，前記弁別用スリットと前記試料との間の距離Ｌに対し，１／６Ｌ＜Ｌｓ＜１／３Ｌの関係を満たすように定められた請求項１記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
【請求項３】
前記散乱イオン検出器が，２次元のイオン検出器である請求項１又は２のいずれかに記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
【請求項４】
前記散乱イオン検出器により検出された前記散乱イオンの検出位置に基づいて，前記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するエネルギースペクトル測定手段を具備してなる請求項１〜３のいずれかに記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
【請求項５】
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検出するための散乱イオン検出器と，前記イオンビームと平行な磁場を少なくとも前記試料から前記散乱イオン検出器にかけて発生させる磁場発生手段と，前記試料と前記散乱イオン検出器との間の前記散乱イオン検出器に対して予め定められた位置に配置され，前記散乱イオン検出器側から前記試料に入射する前記イオンビームを通過させると共に，前記磁場発生手段の磁場により前記イオンビームのビーム軸に収束した特定のエネルギーと散乱角を有する前記散乱イオンを前記散乱イオン検出器側に通過させるための開口を備えた板状の弁別用スリットと，を具備してなる平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置において，
前記散乱イオン検出器が，２次元のイオン検出器であることを特徴とする平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
【請求項６】
前記散乱イオン検出器により検出された前記散乱イオンの検出位置に基づいて，前記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するエネルギースペクトル測定手段を具備してなる請求項５に記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
【請求項７】
前記散乱イオン検出器により検出される散乱イオンの検出量分布に基づいて前記試料の結晶軸を検出する結晶軸検出手段を具備してなる請求項５又は６のいずれかに記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
【請求項８】
前記結晶軸検出手段が，前記散乱イオンの検出量が相対的に低い部分で形成される複数の帯状の低検出量領域を検出し，該低検出量領域に基づいて前記試料の結晶軸を検出するものである請求項７に記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
【請求項９】
前記結晶軸検出手段が，複数の前記低検出量領域が互いに交差する部分の中心位置と前記散乱イオン検出器を通過する前記イオンビームのビーム軸とのずれに基づいて前記試料の結晶軸を検出するものである請求項８に記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
【請求項１０】
前記結晶軸検出手段の検出結果に基づいて，前記イオンビームのビーム軸が前記試料に入射する角度を調節する入射角調節手段を具備してなる請求項７〜９のいずれかに記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
【請求項１１】
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検出するための散乱イオン検出器と，前記イオンビームと平行な磁場を少なくとも前記試料から前記散乱イオン検出器にかけて発生させる磁場発生手段と，前記試料と前記散乱イオン検出器との間の前記散乱イオン検出器に対して予め定められた位置に配置され，前記散乱イオン検出器側から前記試料に入射する前記イオンビームを通過させると共に，前記磁場発生手段の磁場により前記イオンビームのビーム軸に収束した特定のエネルギーと散乱角を有する前記散乱イオンを前記散乱イオン検出器側に通過させるための開口を備えた板状の弁別用スリットと，を具備してなる平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置を用いた散乱イオンのエネルギースペクトル測定方法であって，
２次元のイオン検出器である前記散乱イオン検出器により検出される散乱イオンの検出位置に基づいて，前記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定してなることを特徴とする平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置を用いた散乱イオンのエネルギースペクトル測定方法。
【請求項１２】
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検出するための散乱イオン検出器と，前記イオンビームと平行な磁場を少なくとも前記試料から前記散乱イオン検出器にかけて発生させる磁場発生手段と，前記試料と前記散乱イオン検出器との間の前記散乱イオン検出器に対して予め定められた位置に配置され，前記散乱イオン検出器側から前記試料に入射する前記イオンビームを通過させると共に，前記磁場発生手段の磁場により前記イオンビームのビーム軸に収束した特定のエネルギーと散乱角を有する前記散乱イオンを前記散乱イオン検出器側に通過させるための開口を備えた板状の弁別用スリットと，を具備してなる平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置を用いた試料の結晶軸検出方法であって，
２次のイオン検出器である前記散乱イオン検出器により検出される散乱イオンの検出量分布に基づいて，前記試料の結晶軸を検出してなることを特徴とする平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置を用いた試料の結晶軸検出方法。
【請求項１３】
前記散乱イオン検出器による前記散乱イオンの検出量が相対的に低い部分で形成される複数の帯状の低検出量領域が互いに交差する部分の中心位置と，前記散乱イオン検出器を通過する前記イオンビームのビーム軸と，のずれに基づいて前記試料の結晶軸を検出してなる請求項１２に記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置を用いた試料の結晶軸検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開平７−１９０９６３号公報（公報１）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３に示す。
図３に示す如く，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。
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。
前記散乱イオン検出器８には，例えば２次元状に微細検出管が多数配列されたマイクロチャンネルプレートを用いることができる。前記散乱イオン検出器８の簡略的な外観を図４に示す。
図４に示す如く，前記散乱イオン検出器８は，その中心に，イオンビーム２を通過させるための小さな開口８１を備えたドーナツ型の形状を有する。前記散乱イオン検出器８の表面に２次元状に多数配列された微細検出管によって，前記スリット７を通過してきた散乱イオン５の位置を測定することが可能である。
試料４表面から散乱された同じ散乱角，同じエネルギーの散乱イオン５は，一旦スリット７の位置で収束した後，再度発散して，検出器中心から距離Ｒの位置に入射する。
エネルギーの異なる散乱イオン５が，スリット７の位置で収束するためには，散乱角度が異なることになるため，前記距離Ｒによりエネルギーを決定することができる。
このとき，測定したい散乱イオン５のエネルギーごとに磁場強度を変化させる，又は磁場強度を一定として，試料４と前記散乱イオン検出器８や前記スリット７との距離を変化させることにより，前記散乱イオン検出器８で検出される散乱イオン５，即ち，前記スリット７を通過する散乱イオン５をそのエネルギーごとに選別し，散乱イオン５のエネルギースペクトルを測定していた。
【０００３】
一方，ラザフォード後方散乱分析装置による散乱イオン５のチャネリング測定では，測定前に試料４の結晶軸を検出し，該結晶軸とイオンビーム２のビーム軸とが一致するよう軸合わせを行う必要がある。
従来，試料４の結晶軸を検出する方法としては，特開平５−３４６４１２号公報（公報２）に示されるように，Ｘ線反射を利用して試料４の結晶軸を検出する方法や，前記公報２の段落０００６〜０００７に従来技術として示されるように，試料４を回転させながら各回転位置ごとに散乱イオン５を検出し，検出された散乱イオン５の検出量に基づいて試料４の結晶軸を検出する方法等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，図３に示すような構成では，図５に示す通り，収束回数が異なる散乱イオン５１，５２，５３，５４，…は前記スリット７を通過してしまう。
なお，符号５１は収束回数が１回の散乱イオンの軌道を，符号５２は収束回数が２回の散乱イオンの軌道を，符号５３は収束回数が３回の散乱イオンの軌道を，符号５４は収束回数が４回の散乱イオンの軌道をそれぞれ表す。もちろん，収束回数が５回以上の散乱イオンも存在するが，図５には表していない。また，矢印Ｂは磁場の向きである。
収束回数が異なる散乱イオンが前記スリット７を通過すると，結局エネルギーの異なる散乱イオンが前記散乱イオン検出器８に入射することになる。例えば図６に示すように，前記散乱イオン検出器８の中心から７５ｍｍの同心円上には，散乱イオン５１，５２，５３，５４において，散乱エネルギー４００，１００，５０，３０ｋｅＶのイオンが入射することになり，エネルギー分析が困難になっていた。
【０００５】
また，磁場強度や，試料４と前記散乱イオン検出器８と前記スリット７との位置関係を変化させることにより，散乱イオン５のエネルギースペクトルを測定する方法では，磁場強度変更後の安定化や試料４等の位置決めに手間と時間を要するという問題点があった。さらに，磁場強度の変更精度や試料４等の位置決め精度の制約により，散乱イオン５のエネルギースペクトルを高分解能で測定することが困難であるという問題点もあった。
例えば，散乱イオン５がＨｅ+イオンである場合，試料４表面からＨｅ+イオンがビーム軸（ｚ軸）に接する位置までの距離Ｌ（即ち，試料４〜前記スリット７間の距離）は，次の（ａ１）式で表される。
【数１】
0003938323.tif 000002
但し，ｍは散乱イオン５の質量，ｑｅは散乱イオンの電荷，ωcはサイクロトロン周波数，ｖはイオン速度，θは散乱イオン５の散乱角度，Ｅは散乱イオン５のエネルギー，Ｂは磁場強度を表す（以下同様）。
ここで，同じ散乱角度のＨｅ+イオンについて，３００ｋｅＶのイオンと２９９ｋｅＶのイオンとを選別（エネルギー分解能ΔＥ／Ｅ＝０．３％）するためには，例えば，２テスラ前後の磁場強度Ｂでエネルギースペクトルを検出する場合，必要な磁場強度Ｂの変化量はわずか３３．４ｇａｕｓｓ（＝２−２×√（２９９／３００）［テスラ］）と小さく，このような磁場強度Ｂの微小な変化を安定的に制御することは困難である。
また，試料４〜前記スリット７〜前記散乱イオン検出器８間の距離を変化させる場合，次の（ａ２）式を用いて考える。
【数２】
0003938323.tif 000003
但し，ｔは散乱イオン５が試料４表面で散乱した後に前記散乱イオン検出器８に到達するまでの経過時間，ｘ，ｙ，ｚは散乱イオン５が前記散乱イオン検出器８上に到達した位置をビーム軸をｚ軸として表した座標（即ち，ｚ＝Ｌ），ｒは散乱イオン５が前記散乱イオン検出器８上に到達した位置のｚ軸（ビーム軸）からの距離を表す（以下同様）。ここで，前記散乱イオン検出器８が前記公報１に示されるように円環状であり，ｒが一定であるとすれば，時間ｔは次の（ａ３）式で表される。
【数３】
0003938323.tif 000004
この（ａ３）式を（ａ２）式におけるｚの式に代入すると，次の（ａ４）式が導かれる。
【数４】
0003938323.tif 000005
また，前記スリット７の位置で前記散乱イオンはｚ軸（ビーム軸Ｏ）に接するので，前記散乱イオンが前記スリット７を通過後に前記散乱イオン検出器８に到達するまでの時間をｔ１とすれば，ｌ＝ｖｃｏｓθ・ｔ１と表されるので，これを（ａ２）式におけるｒの式に代入すると，次の（ａ５）式が導かれる。
【数５】
0003938323.tif 000006
ここで，Ｌ∝ｖであり，距離Ｌを変化させればその距離Ｌで収束する散乱イオンのｖも異なるので，前記スリット７〜前記散乱イオン検出器８間の距離ｌも変化させなければならないことがわかる。例えば，同じ散乱角度４５°のＨｅ+イオンについて，３００ｋｅＶのイオンと２９９ｋｅＶのイオンとを選別するためには，Ｌを０．５８４ｍｍ変化させる必要があるが，そのときのｌの変化量はわずか０．１４５ｍｍと小さい。さらに距離Ｌ，ｌの変化量は，散乱イオン５の速度ｖによって異なり（２９９ｋｅＶと２９８ｋｅＶとを選別するためのＬ，ｌの変化量は，それぞれ０．５９４ｍｍ，０．１７３ｍｍ），この微小な距離を安定的に制御することは困難である。
【０００６】
また，前記公報２に示される試料の結晶軸検出方法では，Ｘ線源及びＸ線検出器が必要となる上，そのＸ線源及びＸ線検出器の設置位置を結晶方位により変更可能な構成とする必要があり，装置が大型化及び高コスト化するという問題点があった。さらに，結晶軸の測定を行う際には，Ｘ線をモニターしながら軸調整を行う必要があり，この軸合わせに手間がかかるという問題点もあった。また，前記公報２に従来技術として示される前記方法においても，前記公報２に示されるように，試料を３６０°回転させながら散乱イオンを検出する手間が多大である上，軸合わせのための散乱イオン検出作業中，常にイオンビームを照射し続けることにより試料表面に汚染が生じるという問題点があった。
【０００７】
従って本発明は，このような従来の技術における課題を解決するために，平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置を改良し，試料とエネルギー弁別用のスリットとの間にイオンビームと平行に移動し得るように配置され，散乱イオン検出器側から前記試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた板状の可動板状スリットと，前記試料と前記可動板状スリットとの間に前記イオンビームと平行に移動し得るように配置され，前記散乱イオン検出器側から前記試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた筒状の可動筒状スリットとを具備することにより，収束回数の異なる散乱イオンを弁別し，好適にエネルギー分析を行うこと，さらに，高分解能でのエネルギースペクトル測定を容易に行うこと，並びに，試料に汚染を生じさせずかつ手間なく試料の結晶軸を検出して結晶軸とイオンビームとの軸合わせを行うこと，が可能な平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置及び該装置における試料の結晶軸検出方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために，本発明は，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検出するための散乱イオン検出器と，前記イオンビームと平行な磁場を少なくとも前記試料から前記散乱イオン検出器にかけて発生させる磁場発生手段と，前記試料と前記散乱イオン検出器との間の前記散乱イオン検出器に対して予め定められた位置に配置され，前記散乱イオン検出器側から前記試料に入射する前記イオンビームを通過させると共に，前記磁場発生手段の磁場により前記イオンビームのビーム軸に収束した特定のエネルギーと散乱角を有する前記散乱イオンを前記散乱イオン検出器側に通過させるための開口を備えた板状の弁別用スリットと，を具備してなる平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置において，前記試料と前記弁別用スリットとの間に前記イオンビームと平行に移動し得るように配置され，前記散乱イオン検出器側から前記試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた板状の可動板状スリットと，前記試料と前記可動板状スリットとの間に前記イオンビームと平行に移動し得るように配置され，前記散乱イオン検出器側から前記試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた筒状の可動筒状スリットと，を具備してなることを特徴とする平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置として構成されている。
この発明では，散乱イオン検出器側から試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた板状の可動板状スリットが，前記試料と弁別用スリットとの間に前記イオンビームと平行に移動し得るように配置され，前記散乱イオン検出器側から試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた筒状の可動筒状スリットが，前記試料と前記可動板状スリットとの間に前記イオンビームと平行に移動し得るように配置される。前記可動板状スリットと前記可動筒状スリットとの位置関係を適当に設定すれば，前記弁別用スリットを通過させる特定の収束回数の散乱イオンを除いた他の収束回数の散乱イオンを，前記可動板状スリットか前記可動筒状スリットにあてて，前記可動板状スリットより前記散乱イオン検出器側に到達するのを防止することができる。このため，好適にエネルギー分析を行うことが可能になる。
前記平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置において，前記可動筒状スリットの軸方向の長さＬｓは，例えば前記弁別用スリットと前記試料との間の距離Ｌに対し１／６Ｌ＜Ｌｓ＜１／３Ｌの関係を満たすように定められる。
さらに，前記散乱イオン検出器が，２次元のイオン検出器，即ち，前記散乱イオン検出器の検出面上での前記散乱イオンの検出位置を検知可能なものであれば，前記散乱イオン検出器により検出された前記散乱イオンの検出位置に基づいて，前記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するエネルギースペクトル測定手段を具備するものも考えられる。
これにより，保有エネルギーごとにその検出位置（具体的には，イオンビームのビーム軸からの距離）が異なる前記散乱イオンを同時に検出できるので，測定対象とする前記散乱イオンのエネルギーごとに磁場発生手段による磁場強度や前記試料，前記弁別用スリット，及び前記散乱イオン検出器の相互間の距離を変更する必要がなく，１度の測定で前記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定することが可能となる。２次元のイオン検出器としては，例えば２次元状に微細検出管が多数配列されたマイクロチャンネルプレートや，１次元（線状）のイオン検出器を複数配列したもの等が考えられる。
【０００９】
また，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検出するための散乱イオン検出器と，前記イオンビームと平行な磁場を少なくとも前記試料から前記散乱イオン検出器にかけて発生させる磁場発生手段と，前記試料と前記散乱イオン検出器との間の前記散乱イオン検出器に対して予め定められた位置に配置され，前記散乱イオン検出器側から前記試料に入射する前記イオンビームを通過させると共に，前記磁場発生手段の磁場により前記イオンビームのビーム軸に収束した特定のエネルギーと散乱角を有する前記散乱イオンを前記散乱イオン検出器側に通過させるための開口を備えた板状の弁別用スリットと，を具備してなる平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置において，前記散乱イオン検出器が，２次元のイオン検出器であることを特徴とする平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置として構成されたものも考えられる。
これにより，前述したように，保有エネルギーごとにその検出位置が異なる前記散乱イオンを同時に検出できるので，前記散乱イオン検出器により検出された前記散乱イオンの検出位置に基づいて，前記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するエネルギースペクトル測定手段を具備すれば，１度の測定で前記散乱イオンのエネルギースペクトルを測定することが可能となる。
【００１０】
また，前記散乱イオン検出器により検出される散乱イオンの検出量分布に基づいて前記試料の結晶軸を検出する結晶軸検出手段を具備するものも考えられる。
この場合，前記結晶軸検出手段が，前記散乱イオンの検出量が相対的に低い部分で形成される複数の帯状の低検出量領域を検出し，該低検出量領域に基づいて前記試料の結晶軸を検出するものが考えられ，さらに，前記結晶軸検出手段が，複数の前記低検出量領域が互いに交差する部分の中心位置と前記散乱イオン検出器を通過する前記イオンビームのビーム軸とのずれに基づいて前記試料の結晶軸を検出するものが考えられる。
これは，イオンの散乱が前記試料の成分原子によって阻まれるいわゆるブロッキング現象により，前記試料の結晶面に沿った方向に散乱される前記散乱イオンの検出量は相対的に低くなるので，前記散乱イオンの検出量分布から，複数の前記結晶面の方向，及びそれら結晶面が交差する軸である結晶軸を検出（特定）するものである。これにより，Ｘ線源等を要せず，１回の前記散乱イオンの検出で前記試料の結晶軸を検出することができる。
さらに，前記結晶軸検出手段の検出結果に基づいて，前記イオンビームのビーム軸が前記試料に入射する角度を調節する入射角調節手段を具備すれば，ビーム軸と前記試料の結晶軸とを一致させることが可能となる。
また，本発明は，２次元のイオン検出器である前記散乱イオン検出器を有する前記平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置を用いた散乱イオンのエネルギースペクトル測定方法，或いは試料の結晶軸検出方法として捉えたものであってもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下，添付図面を参照して，本発明の実施の形態につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明の具体的な例であって，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平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置の要部を説明するための図である。
本発明の実施の形態に係る平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置の基本的な構成は，従来の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置と同様である。
図１に示しているのは，イオンビーム２，試料４と，従来の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置と同様の，電磁石（磁場発生手段の具体例）６，アイリス型スリット（弁別用スリットの具体例）７，及び散乱イオン検出器８と，本発明の実施の形態に係る平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置の特徴的な構成である。
前記散乱イオン検出器８は，前記イオンビーム２が入射した試料４にて後方散乱された散乱イオンを検出するためのものであり，前記電磁石７は，前記イオンビーム２と平行な矢印Ｂ方向に向く磁場を少なくとも前記試料４から前記散乱イオン検出器８にかけて発生させる。また，前記アイリス型スリット７は，前記試料４と前記散乱イオン検出器８との間の前記散乱イオン検出器８に対して予め定められた位置に配置され，前記散乱イオン検出器８側から前記試料４に入射する前記イオンビーム２を通過させると共に，前記電磁石６の磁場により前記イオンビーム２のビーム軸に収束した特定のエネルギーと散乱角を有する前記散乱イオンを前記散乱イオン検出器８側に通過させるための開口７１を備えた円盤状のものである。
（収束回数の異なる散乱イオンの弁別）
そして，本発明の実施の形態に係る平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置が，特徴とするところは，前記試料４と前記アイリス型スリット７との間に前記イオンビーム２と平行に移動し得るように配置され，前記散乱イオン検出器８側から前記試料４に入射するイオンビーム２を通過させる開口９１を備えた円盤状の円盤型スリット（可動板状スリットの具体例）９と，前記試料４と前記円盤型スリット９との間に前記イオンビーム２と平行に移動し得るように配置され，前記散乱イオン検出器８側から前記試料４に入射するイオンビーム２を通過させる開口１０１を備えた筒状の円筒型スリット（可動筒状スリットの具体例）１０とを具備する点である。
【００１２】
以下，本発明の実施の形態に係る平行磁場型ラザフォード公報散乱分析装置の詳細について説明する。
一般に，一様な平行磁場中においては，微小点から生成された荷電粒子は必ず磁場と平行な軸に収束する。
前記平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置について言い換えれば，前記電磁石６によって発生する一様で平行な矢印Ｂ方向に向く磁場中においては，前記磁場と平行な前記イオンビーム２が入射した前記試料４にて散乱された散乱イオンは，必ず前記イオンビーム２のビーム軸上に収束する。
さらに，前記試料４と前記アイリス型スリット７との距離をＬで表すとき，前記アイリス型スリット７の開口７１を通過する散乱イオンは，前記距離Ｌの整数分の１の間隔（Ｌ／Ｎ，ただしＮは整数である）で，前記ビーム軸に対して収束する。前記整数Ｎが収束回数となる。
このような収束回数Ｎが異なる多数の散乱イオンのうちの一部は，前記円筒型スリット１０に衝突する。前記円筒型スリット１０の軸方向の長さをＬｓで表すとき，次式（１）を満たすＮ回以上の収束周期の散乱イオンは，収束周期が短いために必ず前記円筒型スリット１０に衝突し，前記アイリス型スリット７には到達しない。
Ｌｓ＞Ｌ／Ｎ                                                  （１）
例えば前記円筒型スリット１０の軸方向の長さＬｓを次式（２）を満たすように定めると，６回以上収束する全ての散乱イオンを排除することができる。
Ｌ／６＜Ｌｓ＜Ｌ／３                                          （２）
また，収束回数が偶数のとき，散乱イオンは，必ず前記試料４と前記アイリス型スリット７との間の中央にあたる位置で収束することになる。このため，前記試料４と前記アイリス型スリット７との間の中央にあたる位置に前記円筒型スリット１０を配置すれば，前記円筒型スリット１０に収束回数が偶数回数の散乱イオンを衝突させて，前記アイリス型スリット７に到達するのを阻止することができる。
さらに，前記円盤型スリット９を，前記アイリス型スリット７の直近から収束回数が１回のイオンが開口９１を通過しない所まで，前記試料４側に配置すれば，収束回数が１回の散乱イオンを前記円盤型スリット９に衝突させ，前記アイリス型スリット７に到達するのを阻止することができる。
結局のところ，上式（２）を満たすような前記円筒型スリット１０を用いると，前記円筒型スリット１０と前記アイリス型スリット７との位置関係を適当に定めることにより，収束回数が１，２，３，５の散乱イオンを弁別することが可能になる。
【００１３】
弁別が可能となることの説明を具体的に行うために，図２に前記円筒型スリットと前記円盤型スリットとの位置関係を３例示す。なお，図５と同様，図２における符号５１は収束回数が１回の散乱イオンの軌道を，符号５２は収束回数が２回の散乱イオンの軌道を，符号５３は収束回数が３回の散乱イオンの軌道を，符号５４は収束回数が４回の散乱イオンの軌道をそれぞれ表す。
前記円筒型スリット１０が上式（２）を満たすようなものであれば，収束回数が６回以上の散乱イオンは前記円筒型スリット１０に衝突し，前記アイリス型スリット７には到達しないので，以降では収束回数が５回以下の散乱イオンのみを考慮する。
例えば図２（ａ）の例では，前記円筒型スリット１０の先端１０２が，前記試料４と前記アイリス型スリット７との間の中央にあたる位置から，やや前記試料４側に配置されている。また，前記円盤型スリット９は，前記アイリス型スリット７の直近まで退避している。
この配置では，前記円筒型スリット１０が前記試料４と前記アイリス型スリット７との間の中央にあたる位置を遮るので，収束回数が偶数である散乱イオン５２，５４は前記円筒型スリット１０に衝突する。
また，散乱イオン５の収束回数が３の場合，前記試料４と前記アイリス型スリット７との間の中央にあたる位置からＬ／６の位置で収束する。前記円筒型スリット１０の軸方向長さＬｓはＬ／６より大きいので，図２（ａ）の円筒型スリット１０の配置では，収束回数３の散乱イオン５３も前記円筒型スリット１０に衝突する。散乱イオン５の収束回数が５の場合の軌道は，図２に示していないが，収束回数が５の散乱イオンが収束する位置と，前記試料４と前記アイリス型スリット７との間の中央にあたる位置との距離は，収束回数が３の散乱イオン５３の場合よりも小さくなるため，収束回数が５の散乱イオンも前記円筒型スリット１０に衝突する。
図２（ａ）の例についてまとめると，前記円筒型スリット１０によって収束回数が２回以上の散乱イオンは全て阻止される。このとき，前記円盤型スリット９を前記アイリス型スリット７の直近に退避させれば，前記円盤型スリット９の開口９１を収束回数が１回の散乱イオン５１が通過して，前記散乱イオン５１のみが前記アイリス型スリット７に到達する。すなわち，図２（ａ）の例では，収束回数が１回の散乱イオン５１のみが弁別される。
また，図２（ｂ）の例では，前記円筒型スリット１０の後端１０３が，前記試料４と前記アイリス型スリット７との間の中央にあたる位置を遮らない程度に，前記試料４側に配置されている。また，前記円盤型スリット９は，前記試料４と前記アイリス型スリット７との間の中央にあたる位置に配置されている。
この配置では，収束回数が１回の散乱イオン５１は，前記円盤型スリット９に衝突し，前記アイリス型スリット７に到達しない。
また，収束回数が３回，４回，５回の散乱イオンは，前記円筒型スリット１０に衝突し，前記アイリス型スリット７に到達しない。
図２（ｂ）の例では，前記円盤型スリット９によって収束回数１回の散乱イオンが阻止され，また，前記円筒型スリット１０によって収束回数が３，４，５回の散乱イオンは阻止される。このとき，収束回数が２回の散乱イオン５２のみが，前記円筒型スリット１０に衝突せず，前記円盤型スリット９の開口９１を通過する。すなわち，図２（ａ）の例では，収束回数が２回の散乱イオン５２のみが弁別される。
また，図２（ｃ）の例では，前記円筒型スリット１０の中央位置が，前記試料４と前記アイリス型スリット７との間の中央にあたる位置に配置されている。また，前記円盤型スリット９は前記アイリス型スリット７の直近から離れた前記試料４側の位置に配置されている。
この配置では，収束回数が１回の散乱イオン５１は，前記円盤型スリット９に衝突し，前記アイリス型スリット７に到達しない。
また，前記円筒型スリット１０が前記試料４と前記アイリス型スリット７との間の中央にあたる位置を遮るので，収束回数が偶数である散乱イオン５２，５４は前記円筒型スリット１０に衝突する。
また，収束回数が３の散乱イオン５３は，前記円筒型スリット１０の軸方向長さＬｓがＬ／３より小さいので，前記円筒型スリット１０に衝突しない。
さらに，収束回数が５の散乱イオンは，収束する位置が前記散乱イオン５３より前記試料４と前記アイリス型スリット７との間の中央にあたる位置に近く，前記円筒型スリット１０の軸方向長さＬｓによっては衝突してしまう場合がある。前記円筒型スリット１０の軸方向長さＬｓがＬ／５より小さければ，収束回数が５の散乱イオンも衝突しない。
このとき，収束回数が３の散乱イオン５３，又は収束回数が５の散乱イオンのいずれかが前記開口９１を通過するように前記円盤型スリット９を配置すれば，他方は前記円盤型スリット９に衝突するから，収束回数が３又は５の散乱イオンを弁別することができる。
このように，本発明の実施の形態に係る平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置では，散乱イオン検出器側から試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた円盤型スリットが，前記試料とアイリス型スリットとの間に前記イオンビームと平行に移動し得るように配置され，前記散乱イオン検出器側から試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた円筒型スリットが，前記試料と前記円筒型スリットとの間に前記イオンビームと平行に移動し得るように配置され，さらに前記円筒型スリットの軸方向の長さＬｓが，前記散乱イオン検出器と前記試料との間の距離Ｌに対し，１／６Ｌ＜Ｌｓ＜１／３Ｌの関係を満たすように定められるため，収束回数が１，２，３，５の散乱イオンを弁別することができる。その結果，好適にエネルギー分析を行うことが可能となる。
なお，前記実施の形態は好ましい例であり，本発明における可動板状スリット，及び可動筒状スリットは，それぞれ前記円盤型スリット，及び前記円筒型スリットの構成に限られるものではない。
【００１４】
（散乱イオンのエネルギースペクトル測定）
次に，前記散乱イオン検出器８として，その中央部に前記イオンビーム２を通過させる開口を有する２次元のイオン検出器を用いた場合の前記散乱イオンの選別（分別）方法について説明する。
前記散乱イオン検出器８として２次元のイオン検出器を用いた場合には，前記電磁石６による磁場強度や，前記試料４〜前記スリット７〜前記散乱イオン検出器８間の距離を変化させる必要がない。以下，これについて説明する。
前記散乱イオンが前記散乱イオン検出器８に到達した位置の前記イオンビーム２のビーム軸からの距離ｒは，前述した（ａ５）式で表される。
ここでｒは，２次元のイオン検出器である前記散乱イオン検出器８により検出したイオンの位置（ｘ，ｙ）（ｚ軸＝ビーム軸とする）から，ｒ＝√（ｘ2＋ｙ2）により求まるので，ｒが求まれば，（ａ５）式により，その位置（ビーム軸からの距離がｒの位置）に到達した前記散乱イオンのエネルギーが求まる。そして，例えば，同じ散乱角度のＨｅ+イオンについて，２テスラ前後の磁場強度下で３００ｋｅＶのイオンと２９９ｋｅＶのイオンとを選別（エネルギー分解能ΔＥ／Ｅ＝０．３％）するためには，前記散乱イオン検出器８の位置検出分解能（例えば，前記マイクロチャンネルプレートにおける前記微細検出管の間隔）が０．３３ｍｍ程度であれば足り，この程度の位置検出分解能を有する２次元のイオン検出器を構成することは容易である。仮に，前記試料４〜前記スリット７間の距離Ｌを３５０ｍｍ，前記スリット７〜前記散乱イオン検出器８間の距離ｌを１２０ｍｍ，前記磁場強度Ｂを２テスラ，前記散乱イオン検出器８の検出範囲の半径を１００ｍｍ，その位置検出分解能を０．３３ｍｍとすれば，１ｋｅＶ以下の前記エネルギー分解能ΔＥ／Ｅで，１５０ｋｅＶ〜３００ｋｅＶの範囲の散乱Ｈｅ+イオンを１度に測定することが可能となり，従来，１５０回の測定を要して得られたデータを１回の測定で得られることになる。これにより，磁場強度や，前記試料４等の位置関係を変化させる手間が省けるとともに，試料へのイオン照射時間が短縮され，試料表面の汚染を最小限に抑えることができる。さらに，前記マイクロチャンネルプレート等である２次元の前記散乱イオン検出器８の位置検出分解能を０．３３ｍｍより小さくすることも可能であり，従来の方法では困難であった１ｋｅＶ以下のエネルギー分解能を得ることも可能となる。上述した前記散乱イオンの検出位置に基づくエネルギーの計算（即ち，エネルギースペクトルの測定）は，例えば，前記散乱イオン検出器８による検出量データを取り込むインターフェースを備えた計算機等（前記エネルギースペクトル測定手段の一例）により実行すればよい。
【００１５】
（試料の結晶軸検出，軸合わせ）
次に，前記散乱イオン検出器８として，その中央部に前記イオンビーム２を通過させる開口を有する２次のイオン検出器を用いた場合の前記試料４の結晶軸検出及び該結晶軸と前記イオンビーム２のビーム軸との軸合わせについて説明する。
図７は，前記散乱イオン検出器８に２次元のイオン検出器を用いた平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置の概略構成及び前記散乱イオン検出器８上におけるイオン検出量の分布を表す図である。
前記イオンビーム２のビーム軸が前記試料４の結晶軸と一致していない（ずれている）場合，イオンの散乱が前記試料４の成分原子によって阻まれるいわゆるブロッキング現象により，前記試料４の結晶面に沿った方向に散乱される前記散乱イオンの検出量は低くなる。このため，例えば，前記イオンビーム２のビーム軸が，前記試料４の＜１１１＞軸から少しずれている場合，前記散乱イオン検出器８により検出される前記散乱イオンの検出量の分布を濃度分布（白抜きの部分が前記散乱イオンの検出量が低い部分）として示すと，図７（の８ａ）に示すように，前記散乱イオンの検出量が相対的に低い部分（検出量＝０を含む）で形成される帯状の低検出量領域（以下，低検出量ラインＬlowという）が複数形成される。該低検出量ラインＬlowの特定方法としては，例えば，全体の平均イオン検出量に対して所定比率以下の部分を前記低検出量ラインＬlowとする等の方法が考えられる。前記低検出量ラインＬlowそれぞれは，前記試料４の結晶面それぞれに対応するため，前記イオンビーム２のビーム軸Ｏと前記低検出量ラインＬlowが互いに交差する部分の中心位置Ｏ１（交点）とのずれが，前記ビーム軸Ｏと前記試料４の結晶軸（＜１１１＞軸）とのずれを表すことになる。従って，前記試料４の測定前に，一度だけ前記散乱イオンの分布を検出することにより，前記ビーム軸Ｏと前記低検出量ラインＬlowの交点Ｏ１とのずれ（相対位置関係）がわかれば，そのずれ分だけ前記イオンビーム２が前記試料４に入射する角度を調節することによって前記ビーム軸Ｏと前記試料４の結晶軸とを一致させる（軸合わせする）ことができる。
【００１６】
以下，前記ビーム軸Ｏと前記低検出量ラインＬlowの交点Ｏ１とのずれに基づく軸合わせの方法について説明する。
まず，前記散乱イオン検出器８上において，前記散乱イオンが検出される位置（ｘ，ｙ）（前記ビーム軸Ｏをｚ軸とする）と前記ビーム軸Ｏとの距離ｒは，前述した（ａ４）式で表される。
また，前記散乱イオン検出器８の検出面（ｘ−ｙ平面）方向の角度（即ち，図９に示すように前記ビーム軸Ｏ方向から見たときの角度）をψとし（図８参照），前記検出位置（ｘ，ｙ）のψ＝ψb’とすると，前記散乱イオンの散乱角度θの前記散乱イオン検出器８の検出面に平行な方向の角度成分ψbは，以下のようにして求められる。
前述した（ａ５）式を導出したのと同様に，前記散乱イオンが前記スリット７を通過後に前記散乱イオン検出器８に到達するまでの時間をｔ１とすれば，ｌ＝ｖｃｏｓθ・ｔ１と表されるので，これを（ａ２）式におけるｘ，ｙの式に代入すれば，ψｂとψb’の差Δψb（図９参照）に関する次の（ａ６）式が導かれる。
【数６】
0003938323.tif 000007
この（ａ６）式より，ψbは次の（ａ７）式により求めることができる。
【数７】
0003938323.tif 000008
（ａ５）式及び（ａ７）式により，前記低検出量ラインＬlowの交点Ｏ１の位置情報から，前記散乱イオンのエネルギー，前記散乱イオンの散乱角度θの試料表面に垂直な方向の角度成分θb，同試料表面に平行な方向の角度成分ψbを求めることができる。従って，前記ビーム軸に対する前記試料の角度（即ち，前記ビーム軸が前記試料に入射する角度）を調節する所定の入射角調節手段（不図示）により，前記試料をψb方向の軸と前記ビーム軸とを含む面に沿った調節角度φ＝θbだけ傾斜させる（調節する）ことにより，前記ビーム軸と前記試料の結晶軸とを一致させることができる。
このように，前記ビーム軸Ｏと前記低検出量ラインＬlowの交点Ｏ１とのずれ（即ち，座標（ｘ，ｙ））に基づいて軸合わせを行うことができる。上述した前記散乱イオンの検出量分布に基づく前記試料の結晶軸の検出，及び前記入射角調節手段による調節角度の計算は，例えば，前記散乱イオン検出器８による検出量データを取り込むインターフェースを備えた計算機等（前記結晶軸検出手段の一例）により実行すればよい。
図１０は，上述した方法で前記試料の結晶軸と前記ビーム軸Ｏとを一致させたときの前記散乱イオン検出器８上におけるイオン検出量の分布を濃度分布（白抜きの部分が前記散乱イオンの検出量が低い部分）として表したものである。図１０に示すように前記低検出量ラインＬlowの交点Ｏ１と前記ビーム軸Ｏとが一致することがわかる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明した通り，本発明では，散乱イオン検出器側から試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた板状の可動板状スリットが，前記試料と弁別用スリットとの間に前記イオンビームと平行に移動し得るように配置され，前記散乱イオン検出器側から試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた筒状の可動筒状スリットが，前記試料と前記可動板状スリットとの間に前記イオンビームと平行に移動し得るように配置されるため，前記可動板状スリットと前記可動筒状スリットとの位置関係を適当に設定すれば，前記弁別用スリットを通過させる特定の収束回数の散乱イオンを除いた他の収束回数の散乱イオンを，前記可動板状スリットか前記可動筒状スリットにあてて，前記可動板状スリットより前記散乱イオン検出器側に到達するのを防止することができる。このため，好適にエネルギー分析を行うことが可能になる。
さらに，前記平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置において，前記可動筒状スリットの軸方向の長さＬｓを，例えば前記散乱イオン検出器と前記試料との間の距離Ｌに対し，１／６Ｌ＜Ｌｓ＜１／３Ｌの関係を満たすように定めれば，収束回数が１，２，３，５の散乱イオンを弁別することが可能となる。
【００１８】
また，前記散乱イオン検出器として，試料に入射するイオンビームを通過させる開口を備えた２次元のイオン検出器を用いれば，１回の測定で広範囲のエネルギースペクトルを測定できるので，測定工数を大幅に縮減できるとともに，試料へのイオンビーム照射時間を短縮できるので，試料表面の汚染も最小限に抑えることができる。さらに，前記散乱イオン検出器の位置検出分解能を上げる（例えば，０．３３ｍｍ以下）ことにより，従来困難であった１ｋｅＶ以下の高分解能でエネルギーエネルギースペクトルを測定することが可能となる。
また，前記２次元のイオン検出器を用いることにより，Ｘ線源及びＸ線検出装置を設けたり，試料を回転させながら散乱イオン検出を長時間行う必要がなく，シンプルな構成で間便かつ短時間で，しかも試料表面の汚染を最小限に抑えながら試料の結晶軸を検出して該結晶軸とイオンビームとの軸合わせを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係る平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置の要部を説明するための図。
【図２】  収束回数が異なる散乱イオンの弁別を具体的に説明するための図。
【図３】  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。
【図４】  散乱イオン検出器の簡略的な外観の一例を示す図。
【図５】  収束回数が異なる散乱イオンの描く軌道を示す図。
【図６】  散乱イオンのエネルギーと散乱イオン検出器の中心からの距離との関係を収束回数の異なる散乱イオン毎に示す図。
【図７】  散乱イオン検出器に２次元のイオン検出器を用いた平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置の概略構成及び散乱イオン検出器上におけるイオン検出量の分布を表す図。
【図８】  イオンビームのビーム軸方向から見た試料表面からの散乱イオンの散乱角度を表す図。
【図９】  イオンビームのビーム軸方向から見た散乱イオンの散乱角度と散乱イオンが検出器に到達した位置の角度との差を表した図。
【図１０】  試料の結晶軸とイオンビームのビーム軸とを一致させたときの散乱イオン検出器上におけるイオン検出量の分布を表す図。
【符号の説明】
２…イオンビーム
４…試料
６…電磁石
７…アイリス型スリット（アパーチャ）
８…散乱イオン検出器
９…円盤型スリット
１０…円筒型スリット
９１，１０１…開口
Ｏ…イオンビームのビーム軸
８ａ…散乱イオン検出器上におけるイオン検出量の分布（濃度分布）
【図１】
0003938323.tif 000009
【図２】
0003938323.tif 000010
【図３】
0003938323.tif 000011
【図４】
0003938323.tif 000012
【図５】
0003938323.tif 000013
【図６】
0003938323.tif 000014
【図７】
0003938323.tif 000015
【図８】
0003938323.tif 000016
【図９】
0003938323.tif 000017
【図１０】
0003938323.tif 000018