表面科学技術者資格認定問題集	
  技術編解説
2010.4.30	
  7.16 	  11.18	
  .2010	  11.3.17	
  14.9.12	
  16.4.22 修正	  2017.03 改訂	  2017.04 改訂

問 １ 	
  次の測定法のうちかならずしも真空を必要としないものはどれか．適切なものだけをすべて含む
組合せを下の 1~5 の番号で答えなさい．
(a) 赤外分光法（IR），(b) X 線光電子分光法（XPS），(c) 電子エネルギー損失分光法（EELS），(d) 低速電子回折法（LEED），(e) イオン散乱分光法（ISS），(f) 走査トンネル顕微鏡（STM）
	
 1. (a) (b) (c)，2. (a) (e) (f)，3. (a) (f)，4. (c) (e) (f)，	
  5. (e) (f) (d)	 解 説 ：（技術１）	
  解答	
  3	
  	
 

（基礎６３）(a) 赤外分光法（IR）：プローブ/信号とも電磁波を用いる．電磁波は空気中で扱うことができるので真空は必要ない．ただし空気中の気体成分（水蒸気など）による吸収が測定に影響を与えることがある．
(b) X 線光電子分光法（XPS）：物質に X 線を照射して放出される光電子のエネルギーと強度を測定する．
XPS で対象となる光電子の非弾性散乱平均自由行程は空気中まして液中では極端に短く電子エネルギーの測定は困難となる．従って真空を必要とする．
(c) 電子エネルギー損失分光法（EELS）：入力（プローブ）および出力（信号）とも電子であり，試料に入射/散乱された電子の運動エネルギー損失を測定するため，その平均自由行程は測定時の飛翔距離に比べて長くなければならない．このような条件は真空中で達成される．
(d) 低速電子回折法（LEED）：入力（プローブ）および出力（信号）とも数 100eV 以下の低エネルギー
電子であり，大気中での平均自由行程は極めて短い．従って，真空を必要とする．
(e) イオン散乱分光法（ISS）：入力（プローブ）および出力（信号）ともイオンであり，試料に入射/散乱されたイオンの方向と運動エネルギーを測定する．ISS で用いるエネルギー領域のイオンのその平均自由
行程は測大気中では極めて短い．従って，真空を必要とする．
(f) 走査トンネル顕微鏡（STM）：導電性の探針と試料を数 nm 程度まで近づけ，その間に流れるトンネル
電流を測定する．目的により雰囲気は真空である必要はなく，液体中でも測定が行われる．

問 ２ 	
  圧力を表す単位は現在 Pa が用いられるが，従来は Torr が使われていた．次のうち適切な記述だけをすべて含む組み合わせを下の 1~5 の番号で答えなさい．

(a) Pa は SI 単位系の圧力の単位で，その次元は N/m2 である．
(b) 1 Pa は約 133 Torr であり，1 気圧は約 100 kPa である．
(c) 1 Torr は約 133 Pa であり，1 気圧は約 760 Torr である．
(d) 1 Pa は 1 m2 当り約 0.1 kg 重の力に相当する．
1. (a) (b)，2. (a) (b) (d)，3. (a) (c) (d)，4. (b) (c) (d)，1

5. (a) (b) (c)解 説 ：（技術２）	
 

解答	
  3

圧 力 の 単 位 系（SI	  国際単位）：圧力の国際単位は Pa（パスカル）であり，その次元は N/m2 である．こ
こで N（ニュートン）は力の単位（kg・m/s2）である．
従来は圧力の単位として Torr（トリチェリ）が用いられていた．
（現在では慣用的に用いることはあるが，国際単位系の単位としては採用されていない．）この単位は，1 気圧のもとで水銀柱を 760 mm 押し上げることが出来るので，1 気圧=760 mmHg=760 Torr となっている．押し上げられる水銀柱の高さで圧力を測定する場合，測定場所の重力により異なる．また，1 気圧=101.3 kPa=760 Torr であるので，1 Torr=101.3
103/760=133.3 Pa，1 Pa=760/101.3
さらに，1 N（ニュートン）=1 kg

103=7.5

10-3Torr=7.5 mTorr	  となる．

1 m/s2=1/9.807 kg 重=0.1 kg 重	  なので，1 Pa（1 気圧=101.3 kPa）では

1 m2 当り約 0.1 kg 重（1 気圧では 104 kg 重=10 ton 重）の力が加わっていることを表している．
（堀越源一，真空技術，pp7-9，東京大学出版会（物理工学実験４），第 3 版 2000 年）（福谷克之，応用物理，vol.78, pp903-907，2009）問 ３ 	
  真空中に残留する気体は理想気体の状態方程式	
  p=nkT に従う．ここで p は圧力，n は気体分子数
密度，k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，T は絶対温度である．27℃で 1.0 Pa のときの気体分子数密度で適切なものはどれか．1~5 の番号で答えなさい．
1.

1.4×1019 m-3， 2.

解 説 ：（技術３）

7.5×1019 m-3， 3.

2.4×1020 m-3， 4.

7.5×1020 m-3， 5.

2.4×1021 m-3

解答	
  3

気 体 の 圧 力 と 分 子 数 ：気体が閉じ込められている容器の壁にΔt の時間の間に速度 v の気体分子が入射することを考える．Δt の間に面積 dS の容器壁に入射する速度 v=(vx,vy,vz)の分子数は	
 dn(v) = dSΔt vx n g(v) dv3

g(v)は気体分子の速度分布関数である．（気体分子の速度分布関数については技術 5 の解説を参照）面積dS に入射する全分子数ΓdSΔt は壁に向かう粒子の和，つまり vx>0 である速度で積分すれば良い．
ΓdSΔt =∫dn(v) = dSΔt∫vx n g(v) dv3 = (1/4)n<v> dSΔt

Γ= (1/4)n<v>

入射した分子が壁で弾性的に反射されるとする．このとき質量 m の 1 個の分子の運動量変化は 2mvx であるので，Δt の間に面積 dS の容器壁に与えられる力積は
p dSΔt =∫2mvxΔt dn(v) =∫2mvx dSΔt vx n g(v) dv3= dSΔt∫2mvx vx n(m/2πkBT)3/2exp(-m(vx2+vy2+vz2)/2kBT) dv3 = dSΔt n kBT
それゆえ，p = n kBT が得られる．p は圧力，n は気体分子数密度，kB はボルツマン定数 1.38

10-23 J/K，T

は絶対温度である．
27℃で 1 Pa であるとき，T = 273+27 = 300 K．1 Pa = n

1.38

10-23 J/K

300 K より，n = 2.51020 m-3 が得られる．（技術 3，技術 8，技術 9）
また，単位時間当りに真空容器壁単位面積に入射する分子数は，密度 n を圧力で，平均速度を温度で置き換えると

Γ= p/(2πmkT)1/2	
  	  である．

2

問 ４ 	
  気体分子の平均自由行程の説明で適切な記述の組合せはどれか．適切な記述だけをすべて含む組
合せを下の 1~5 の番号で答えなさい．
(a) 気体分子が衝突せずに進行する平均距離である．
(b) 平均自由行程は気体分子数密度に逆比例する．
(c) 平均自由行程は気体分子の種類とは関係ない．
(d) 27℃，1 Pa のもとで平均自由行程が 6.5 mm であれば，10-3 Pa では 6.5 m である．

1. (a) (b) (c)，解 説 ：（技術４）

2. (a) (b) (d)，3. (a) (c) (d)，4. (b) (c) (d)，5. (a) (b) (c) (d)

解答	
  2

気 体 分 子 の 平 均 自 由 行 程：気体分子は空間を自由に運動しているが，分子が近づくと相互作用（衝突）
して互いに散乱される．分子間の平均距離は相互作用が生じる距離に比べて大きいので，1 回の衝突散乱
後には分子間の平均距離の程度を自由に運動していると考えて良い．気体分子を直径 d の剛体球と考える．2 個の分子の中心間の距離が d まで近づくと衝突する．単位体積当り n 個の分子が存在する中を速度v の分子がΔt 秒走ると，この間の衝突数は Δw =πd2n vΔt であり，1 回の衝突が生じると期待される距離（平均自由行程）はλ= vΔt/Δw = 1/πd2n = 1/σn ここでσは分子の衝突断面積である．平均自由行程
は分子の大きさ（衝突断面積σ）と分子数密度 n に反比例する．互いに運動している同種分子同士の衝突に関する平均自由行程はλ= vΔt/Δw = 1/√2πd2n = 1/√2σ n となる．
衝突断面積は分子の種類により異なり，したがって分子数密度 n が等しい場合でも気体分子の種類により平均自由行程は異なる．
25℃の窒素分子の衝突断面積（σ =πd2，d = 0.378 nm）（熊谷寛夫，富永五郎：真空の物理と応用，裳華房，1970，pp.49）を用いると，1 Pa において平均自由行程は約 6.5 mm となる．（福谷克之，応用物理，
vol.78, pp903-907，2009）
平均自由行程は衝突が 1 回生じると期待される距離であるから，N 個の分子が距離Δx = vΔt を走るとき生じる衝突数は NΔw =ΔN なので，自由に運動し続けている分子はΔN だけ減少する．
−ΔN = N vΔt/λ= NΔx/λ
Δt→0（Δx→0）の極限を考えて初期の分子数を N0 として N について解くと	
  N(x) = N0exp(-x/λ)を得る．
距離 x を衝突せずに運動した分子のうちΔN 個がΔx を走る間に衝突するので，分子が衝突せずに自由に運動する距離の平均は<x> = (1/N0)∫xN(x)dx/λ=λである．平均自由行程λより長く衝突せずに運動する分子数はn(x>λ) =∫dN(x＞λ) = N0∫λ∞exp(-x/λ)dx/λ= N0 [exp(-1)-0] = 0.37 N0
平均自由行程λより短い距離で衝突する分子数はn(0<x<λ) =∫dN(0<x<λ) = N0∫0λexp(-x/λ)dx/λ= N0 [exp(0)-exp(−1)]=0.63 N0
平均自由行程より短い距離で衝突する分子数と平均自由行程より長く衝突せずに運動する分子数の比は，
約 2：1 である．（技術 12）3

問 ５ 	
  気体の中の分子の平均速度は v=(8kT/πm)1/2 で表される．ここで k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，
T は絶対温度，m は分子の質量である．水素分子の平均速度は，27℃で 1800 m/s である．窒素分子の平均速度に最も近いものは次のどれか．1~5 の番号で答えなさい．

1.	
  1280 m/s， 2.	
  680 m/s， 3.	
  480 m/s， 4.	
  340 m/s， 5.	
  130 m/s

解 説 ：（技術５）	
  解答	
  3	
 
気体の平均速度は以下に述べるように，その分子質量の-1/2 乗に比例する．水素分子の分子量は２，窒素分子の分子量は２８であるから，窒素分子の平均速度は	
 v(窒素分子)	
 =1800	 m/s	
 (2/28)-1/2	
 =	
 480	
 m/s	
 

である．
気 体 の 速 度 分 布 と平 均 速 度 ：理想的な気体（理想気体）は気体分子間に相互作用はなく空間を自由に運動していると考える．このとき気体分子の速度分布は Maxwell の速度分布則で表現される．
単位体積当り n 個の粒子（質量を m とする）が含まれるとき，その粒子のうち速度が v = (vx,vy,vz)を含む
速度空間の微小体積 dv3 = dvxdvydvz の中にある粒子の数は以下の式で表される．（T は絶対温度）
dN = n(m/2πkBT)3/2exp(-m(vx2+vy2+vz2)/2kBT) dv3 = n g(v) dv3
ここで g(v)は Maxwell の速度分布関数である．また粒子の速さ v = |v| = (vx2+vy2+vz2)1/2 に関する分布関数 f(v)はf(v) dv = 4π(m/2πkBT)3/2 v2 exp(-mv2/2kBT) dv	
  である．

この分布関数 f(v)を用いると，気体分子の平均速度は，<v> =∫v f(v) dv = (8kBT/πm)1/2 となる．（技術 5，
技術 6，技術 7，技術 10）また気体分子の運動エネルギーの平均は以下のように求められる．
<E> =∫(mv2/2) f(v) dv = (m/2)<v2> = (3kBT/2)
この平均運動エネルギーから得られる熱速度は vT = (2<E>/m)1/2 = (<v2>)1/2 = (3kBT/m)1/2 である．
問 ６ 	
  気体分子の平均速度は v=(8kT/πm)1/2 で表される．ここで k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，T は絶
対温度，m は分子の質量である．水素分子の分子量を 2，アボガドロ数を 6.02×1023 /mol， 27℃で，水素分子の平均速度として適切な値は次のどれか．1~5 の番号で答えなさい．

1.	
  1800 m/s， 2.	
  600 m/s， 3.	
  480 m/s， 4.	
  180 m/s， 5.	
  60 m/s

解 説 ：（技術６）	
  解答	
  1	
 
気体中の分子の平均速度については，技術 5（気体の速度分布と平均速度）を参照．
v(水素分子) = (8×1.38×10-23 J/K×(27+273)K／π(0.002 kg/mol/6.02×1023/mol))1/2= 1800m/s

4

問 ７ 	
  気体の中の分子の平均速度は v=(8kT/πm)1/2 で表される．ここで k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，
T は絶対温度，m は分子の質量である．窒素分子の分子量を 28，アボガドロ数を 6.02×1023 /mol， 27℃
で，窒素分子の平均速度で最も近いものは次のどれか．1~5 の番号で答えなさい．
1.	
  1800 m/s	
  	
  2.	
  600 m/s	
  	
  3.	
  480 m/s	
  	
  4.	
  340 m/s	
  	
  5.	
  50 m/s

解 説 ：（技術７）	
  解答	
  3	
 
気体中の分子の平均速度については，技術 5（気体の速度分布と平均速度）を参照．	
 v(窒素分子) = (81.38

10-23J/K(27+273)K／π(0.028kg/mol/6.02

1023/mol))1/2= 480 m/s
問 ８ 	
  真空容器の壁面の単位面積に単位時間当りに衝突する分子数は	  Γ=p/(2πmkT)1/2	  で表される．ここで k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，T は絶対温度，m は分子の質量である．温度 27℃，圧力 p=1
Pa のもとでは 1cm２当り毎秒およそ 3×1018 個の分子が衝突する．壁面の原子数密度を 4×1014 個/cm２として，圧力 10-3 Pa で単位面積に入射する分子が容器壁面に全て付着する場合（付着確率=1），壁面の原子数密度と同じになる時間として適切なものを 1~5 の番号で答えなさい．

1. 約 13 秒，	
  2. 約 7 秒，	
  3. 約 1.3 秒，	
  4. 約 0.7 秒，	
 5. 約 0.13 秒

解 説 ：（技術８）	
  解答	
  5	
 
真空容器壁面に衝突する分子数については，技術 3 の解説（気体の圧力）を参照．	
 壁面に衝突する分子数は圧力に比例する．圧力 p = 1 Pa のもとで 1 cm２当り毎秒およそ 3×1018 個の分子が衝突するので，圧力 10-3 Pa のもとで単位面積に入射する分子数はn = 3×1018 個/cm2/s×0.001 Pa= 3×1015 個/cm2/s
付着確率１で壁面に分子が付着して壁面を覆うのに必要な時間は
t = 4×1014 個/cm２ ÷ 3×1015 個/cm2/s = 0.13 s
問 ９ 	  真空容器の壁面の単位面積に単位時間当りに衝突する分子数は	  Γ=p/(2πmkT)1/2	  で表される．ここで k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，T は絶対温度，m は分子の質量である．温度 27℃，圧力 p=1 Pa
で窒素ガスが真空容器に閉じ込められている．その真空容器の壁 1 cm２に単位時間当りに入射する分子数は次のどれが適切か．1~5 の番号で答えなさい．ただし窒素分子の分子量を 28，アボガドロ数
を 6.02×1023 /mol とする．
1. 約 3×1014 個/秒/cm2，	
  2. 約 3×1016 個/秒/cm2，	
  3. 約 3×1018 個/秒/cm2，	
 4. 約 3×1020 個/秒/cm2，	
  5. 約 3×1022 個/秒/cm2

	
 
	
 

5

解 説 ：（技術９）	
  解答	
  3	
 
真空容器壁面に衝突する分子数については，技術 3 の解説（気体の圧力）を参照．	
 Γ=1 Pa／(2π(0.028 kg/mol/6.02

1022 個/秒/m2=3=31023/mol)

1.38

10-23 J/K

(27+273)K)1/2

1018 個/秒/cm2

問 １ ０ 	  室温における空気分子の平均速度として適切なものは次のうちどれか．1~5 の番号で答えなさ
い．
1. 数 m/s，	  2. 数百 m/s，	
  3. 数万 m/s，	
  4. 数十 m/s，	
  5. 数千 m/s

解 説 ：（技術１０）解答	  2
気体分子の平均速度については	  技術５の解説（気体の速度分布と平均速度）を参照．
気体分子の分子量は窒素の場合 28 g/mol，蒸発原子の原子量も同程度であるが，水素分子の分子量は 2g/mol と小さい．水素分子を除いて，原子量・分子量を窒素の分子量で代表させる．室温（300 K）における窒素分子の平均速度は約 480 m/s であり（基礎 7 の解説を参照），空気を構成している気体分子の速度もあまり変わらない．つまり，数百 m/s である．

問 １ １ 	  圧力 1 Pa の真空中の気体分子の平均自由行程に近い長さは，次のうちどれか．1~5 の番号で答
えなさい．
1.	
  13 mm，	
  2.	
  13 cm，	
  3.	
  1.3 m，	  4.	
  13 m，	  5.	
  1.3 mm解 説 ：（技術１１）

解答	
  1

技術４の解説（平均自由行程）を参照．
技術４の解説では，1 Pa における平均自由行程を 6.5 mm としたが，分子は通常剛体でも球でもないので分子の衝突断面積を決定することは難しい．分子直径 d が 30％減少すると衝突断面積は 1/2 となり，平
均自由行程 b は 13 mm となる．分子直径が 2 倍になると衝突断面積は 4 倍となり，平均自由行程は 1/4（1.6 mm）となる．それゆえ適切な解答は，13mm となる．

問 １ ２ 	  気体分子が，衝突せずに進む距離について，次のうちもっとも適切なものはどれか．1~5 の番
号で答えなさい．（ただし必要なら e を自然対数の底として，1/e=0.37 であることを用いなさい）
1. 平均自由行程より常に短い
2. 平均自由行程より長い場合と短い場合がほぼ半々
3. 平均自由行程より長い場合と短い場合がおよそ 1:2
4. 平均自由行程より長い場合と短い場合がおよそ 2:1
5. 全て平均自由行程より長い

6

解答	
  3

解 説 ：（技術１２）

技術４の解説（気体分子の平均自由行程）を参照．
平均自由行程は衝突が 1 回生じると期待される距離であるから，N 個の分子が距離Δx=vΔt を走るとき
衝突せずに自由に運動し続けている分子はΔN だけ減少する．
−ΔN = N vΔt/λ= NΔx/λ
Δt→0（Δx→0）の極限を考えて初期の分子数を N0 として N について解くと	
  N(x)=N0exp(-x/λ)を得る．
距離 x を衝突せずに運動した分子のうちΔN 個がΔx を走る間に衝突するので，分子が衝突せずに自由に運動する距離の平均は<x> = (1/N0)∫xN(x)dx/λ=λである．平均自由行程λより長く衝突せずに運動する分子数はn(x>λ) =∫dN（x＞λ）= N0∫λ∞exp(-x/λ)dx/λ= N0 [exp(-1)-0]=0.37 N0
平均自由行程λより短い距離で衝突する分子数はn(0<x<λ) =∫dN（0<x<λ）= N0∫0λexp(-x/λ)dx/λ= N0 [exp(0)-exp(-1)] = 0.63 N0
平均自由行程より短い距離で衝突する分子数と平均自由行程より長く衝突せずに運動する分子数の比は，
約 2：1 である．

問 １ ３ 	  真空に排気するためのポンプには，以下のものが一般的である．これらのポンプのうち，主に低真空(圧力 10-1 Pa より高い圧力)で使用されるものはどれか，適切なものだけをすべて含む組合せを
下の 1~5 番号で答えなさい．
(a) 油回転ポンプ，(b) 油拡散ポンプ，(c) ターボ分子ポンプ，(d) サブリメーションポンプ，(e) ソープションポンプ，(f) イオンポンプ，(g) クライオポンプ，(h) スクロールポンプ

1. (a) (d) (e)，	
  2. (b) (c) (f)，	
  3. (a) (e) (h)，	  4. (e) (g) (h)，	
  5. (a) (d) (f)

解 説 ：（技術１３）	
 

解答	
  3	
 

技術 15 の解説を参照(a) 油回転ポンプ：大気圧から 0.1 Pa（約 10-3 Torr）程度の圧力で用いられる最も一般的なメカニカル真空ポンプ．吸気側と排気側のシールを油によって行うので，油蒸気の逆流を生じることがある．到達圧
力は 0.001 Pa 程度となるものもある．
(b) 油拡散ポンプ：気体輸送型ポンプ．油蒸気をノズルから吹き出し，その流れによって気体を輸送する．
油蒸気の吹き出す先の水冷された壁で油蒸気が凝縮するため，到達圧力は室温付近における油の蒸気圧に依存ずる．ノズルは 3~4 段あり，10−2~10-6 Pa で使用されることが多い．
(c) ターボ分子ポンプ：大気圧から使用できるものもあるが，通常油回転ポンプやスクロールポンプで排気した後，0.1 Pa 以下の圧力で用いる．
(d) サブリメーションポンプ	  基礎 15 の解説を参照．

7

(e) ソープションポンプ：吸着剤（モレキュラーシーブ）を冷却して気体を吸着する気体吸収型のポンプであり，大気圧から 0.1Pa までの圧力で用いられる．Oil free の真空を得る目的て使用することが多い．
(f) イオンポンプ	  基礎 15 の解説を参照．
(g) クライオポンプ	  基礎 15 の解説を参照．
(h) スクロールポンプ	
  準備中

問 １ ４ 	  真空に排気するためのポンプには，以下のものが一般的である．これらのポンプのうち，高真空(圧力 10-2 Pa より低い圧力)で用いられるポンプをはどれか，適切なものだけをすべて含む組合わせを下の 1~5 番号で答えなさい．
(a) 油回転ポンプ，(b) 油拡散ポンプ，(c) ターボ分子ポンプ，(d) サブリメーションポンプ，(e) ソープションポンプ， (f) イオンポンプ，(g) クライオポンプ，(h) スクロールポンプ，

1. (a) (b) (c) (d) (e)，2.(b) (c) (d) (e) (f)，3. (c) (d) (e) (f) (h)，4. (a) (c) (d) (f) (g) (h)5. (b) (c) (d) (e) (f) (g)解 説 ：（技術１４）	
 

解答	
  5	
 

準備中 	
  技術１３および１５の解説を参照．

問 １ ５ 	  気体輸送型真空ポンプのみを挙げたものは次のどれか．適切な組合せを 1~5 の番号で答えなさ
い．
1. 油回転ポンプ，	  ターボ分子ポンプ，	  油拡散ポンプ，	  スクロールポンプ
2. 油回転ポンプ，	  ソープションポンプ，油拡散ポンプ，	  クライオポンプ
3. 油回転ポンプ，	  ターボ分子ポンプ，	  クライオポンプ，メカニカルブースターポンプ
4. ターボ分子ポンプ，ソープションポンプ，油拡散ポンプ，イオンポンプ
5. 油回転ポンプ，ソープションポンプ，サブリメーションポンプ，スクロールポンプ

解 説 ：（技術１５）	
 

解答	
  3	
 

真空ポンプは，気 体 輸 送 型 真 空 ポ ン プ と気 体 溜 め 込 み 型 真 空 ポ
ン プ に大きく分類できる．前者では，真空容器内の気体分子を外に排気するものであるが，後者では真空容器内の気体分子を外に排気するのではなく，容器内の特定の場所に吸着・捕捉することによって浮遊する残留ガスを低減させるものである．
	
  気体輸送型真空ポンプには，油回転ポンプ，油拡散ポンプ，ターボ
分子ポンプ，スクロールポンプ，メカニカルブースターポンプがある．
気体溜め込み型真空ポンプには，ソープションポンプ，イオンポンプ，

8クライオポンプ，サブリメーションポンプがある．
●油 回 転 ポ ン プ：吸気側からシリンダー中に吸気し，油でシールされた回転隔壁によって排気側に気体を運ぶ．大気圧から減圧する「粗引き用」ポンプとして多く用いられており，10−2Pa程度まで到達できる．油蒸気が真空側に逆流することがあるが，フォアライントラップ（冷却された気体の通路を通過す
るうちに油蒸気を凝縮して液化させる）により油蒸気の逆流を抑制することができる．メカニカルブー
スターポンプやスクロールポンプでも，同様に特徴的な形をした回転子が回転して吸気側から排気側に気体を輸送する．
●油 拡 散 ポ ン プ：油蒸気をノズルから吹き出し，その流れによって気体を輸送する．油蒸気の吹き出す先の水冷された壁で油蒸気が凝縮するため，到達圧力は室温付近における油の蒸気圧に依存する．ノズルは3~4段あり，
10−2~10-6Pa程度の真空度で使用されることが多い．
●タ ー ボ 分 子 ポ ン プ：数段に重ねられた回転翼（タービン）が高速で回転して気体を排気側に輸送する．気体の種類にもよるが圧縮比は104程度以上となる．大気圧から動作するものもあるが，通常10−2Pa以下の圧力で使用される．回転翼の軸受けに油が用いられていない場
合には，Oil Freeの真空が得られ，超高真空にまで到達できるものもある．
●ソ ー プ シ ョ ン ポ ン プ ：吸着剤（モレキュラー・シーブ）を冷却し，残留ガスを吸着させて減圧する．動作する圧力は大気圧~
10−2Pa程度であり，Oil Freeの粗引き用として用いられる．
●ク ラ イ オ ポ ン プ：真空容器内に冷凍機によって極低温まで冷却した部位を設け，そこに残留ガス分子を凝縮・吸着させて捕捉する．排気速度が高く，
Oil freeの超高真空を得ることができる．その温度が上がれば吸着分子は脱離して容器内を浮遊するので，常に低温に維持する必要がある．
●イ オ ン ポ ン プ ：真空容器内の残留ガス分子を電子衝撃によってイオン化
し，高電圧で加速してチタン電極に打ち込んで捕捉する．その動作には
10−3Pa程度の高真空が必要で，極高真空まで到達することが可能である．
●サ ブ リ メ ー シ ョ ン ポ ン プ ：チタンなど気体を吸着しやすい材料を真空容器内で蒸発させて壁面に蒸着し，そこに残留ガスを吸着させ，それを繰り返すことで膜中に埋め込んで捕捉する．イオンポンプと組み合わせて用いることが多い．(図：真空ポンプ.com(www.shinku-pump.com)から転載)

9

問 １ ６ 	  気体溜込み型真空ポンプのみを挙げたものは次のどれか．適切な組合せを 1~5 の番号で答えな
さい．
1. クライオポンプ，ターボ分子ポンプ，油拡散ポンプ，スクロールポンプ
2. 油回転ポンプ，ソープションポンプ，サブリメーションポンプ，クライオポンプ
3. イオンポンプ，ターボ分子ポンプ，クライオポンプ，メカニカルブースターポンプ
4. ターボ分子ポンプ，ソープションポンプ，油拡散ポンプ，イオンポンプ
5. クライオポンプ，ソープションポンプ，サブリメーションポンプ，イオンポンプ

解 説 ：（技術１６）	
 

解答	
  5	
 

技術 15 の解説を参照．

問 １ ７ 	  ターボ分子ポンプについて適切な記述だけをすべて含む組合せを下の 1~5 の番号で答えなさ
い．
(a) 多数の回転翼が固定翼の間で高速に回転している．
(b) 回転翼外縁の速度は気体分子の平均速度の２倍以上でなければならない．
(c) 排気速度は気体の分子量に比例する．
(d) オイルフリーの真空を得ることが可能である．
(e) 一般に水素ガスの排気には適さない．

1. (a) (b) (c)，	
  2. (a) (d)，	
  3. (b) (d) (e)，	
  4. (b) (c) (d) (e)，	
  5. (a) (c) (d) (e)	 解 説 ：（技術１７）	
 

解答	
  2	
 

準備中	
  技術 15 の解説を参照．
問 １ ８ 	  真空容器中の圧力を測定する真空計のうち主に低真空（10-2 Pa より高い圧力）で用いるものはどれか，適切なものをすべて含む組合せを下の 1~5 の番号で答えなさい．低真空・高真空どちらにも適したものを含めてよい．
(a) ピラニーゲージ，(b) ペニングゲージ，(c) 冷陰極電離真空計，(d) マクラウド真空計，(e) ＢＡゲージ
1. (c) (d) (e)，解 説 ：（技術１８）	
 

2. (a) (b) (c) (d)，3. (a) (b) (d)，

解答	
  2	
 

準備中

10

4. (a) (c) (e)，5. (a) (b) (e)問 １ ９ 	  真空容器中の圧力を測定する真空計のうち主に高真空（10-2 Pa より低い圧力）で使用するのに適した真空計はどれか，適切なものをすべて含む組合せを下の 1~5 の番号で答えなさい．低真空・
高真空どちらにも適したものを含めてよい．
(a) ピラニーゲージ，(b) ペニングゲージ，(c) 三極管型熱陰極電離真空計，(d) マクラウド真空計，(e) ＢＡゲージ
1. (a) (b) (c)，解 説 ：（技術１９）	
 

2. (b) (c) (d)，3. (c) (e)，4. (a) (b) (d)，5. (a) (b) (e)

解答	
  3	
 

準備中

問 ２ ０ 	  次に挙げる真空計の組合せのうち，測定可能圧力が低い順に並んでいるのはどれか．1~5 の番
号で答えなさい．
1. B-A ゲージ＜三極管型電離真空計＜ペニングゲージ＜ピラニゲージ＜U 字管マノメータ
2. 三極管型電離真空計＜B-A ゲージ＜ペニングゲージ＜U 字管マノメータ＜ピラニゲージ
3. B-A ゲージ＜ペニングゲージ＜三極管型電離真空計＜ピラニゲージ＜U 字管マノメータ
4. B-A ゲージ＜ペニングゲージ＜三極管型電離真空計＜U 字管マノメータ＜ピラニゲージ
5. B-A ゲージ＜ピラニゲージ＜三極管型電離真空計＜ペニングゲージ＜U 字管マノメータ

解 説 ：（技術２０）	
 

解答	
  1	
 

準備中 	
  基礎 19 の解説を参照
B-A ゲージ：
三極管型(熱陰極電離)真空計：
ペニングゲージ：
ピラニゲージ：
U 字管マノメータ：通常 U 字型ガラス管に液体（水銀が多い）を満たし，U 字管の一方は封じられており，もう一方は測定圧力に接している．2 つの液面の高さの差によって圧力を測定する．高さ 100mm の
水銀マノメータの場合，2 つの液面の高さの差の測定限度は 1~0.1mm なので，測定可能圧力範囲はおよそ 0.1 気圧（104Pa）~0.001 気圧（102Pa）となる．

11

問 ２ １ 	
  次に挙げる真空計のうち，絶対圧を測定可能な測定器の組合せはどれか．下の 1~5 の番号で答えなさい．
(a) 三極管型熱陰極電離真空計，(b) ペニングゲージ，	  (c) ピラニーゲージ，(d) マクラウド真空計，	
  	
  	
  	
  (e) U 字管マノメータ

1. (a) (b) (c)，	
  2. (b) (c) (d)，	
  3. (a) (d)，	
  4. (b) (e)，	
  5. (d) (e)解 説 ：（技術２１）	
 

解答	
  5	
 

準備中 	
  基礎 20 の解説を参照

問 ２ ２ 	  Knudsen cell のような微小な面蒸発源の面法線方向を極軸にとり，極角 θ だけ傾いた方向で，距離 r に設置した基板上での成膜速度を v nm/s とする．
θ を固定した場合，成膜速度 v と r の関係は次のうちどれか．1~5 の番号で答えなさい．
1.	
  r に比例する．
2.	
  1/r に比例する．
3.	
  1/r2 に比例する．
4.	
  r には依存しない．
5.	
  r2 に比例する．

解 説 ：（技術２２）	
 

解答	
  3	
 

	
  基板を設置した位置が「微小な面蒸発源」から距離 r 離れた位置であるとして，r が「微小な面蒸発源」の直径よりも十分大きければ，基板にとっては，「微小な面蒸発源」は，点蒸発源と見做せる．点蒸
発源から気体分子等の散乱体のない真空中に放出される単位時間当たり蒸発粒子の量は，下図に示す様に，同じ立体角内であれば，距離が離れても変化しない．一方，その立体角内に置くことができる基板の面積は，図に示すように 距離 r2 に比例して大きくなる．したがって基板上の単位面積当たり単位時
間当たりに堆積する蒸着粒子の量：成膜速度 v は，1/ r2 に比例して変化する．

r

r

12

問 ２ ３ 	  Knudsen cell のような微小な面蒸発源の面法線方向を極軸にとり，極角 θ だけ傾いた方向で，距離 r に設置した基板上での成膜速度を v nm/s とする．
r を固定した場合，v と θ の関係は次のうちどれか．1~5 の番号で答えなさい．
1.	
  cos θ に比例する．
2.	
  sin θ に比例する．
3.	
  tan θ に比例する．
4.	
  sin θ に反比例する．
5.	
  cos θ に反比例する．

解 説 ：（技術２３）	
 

解答	
  1	
 

	
  気体分子等の散乱体のない真空を隔てて，基板が受け取る単位時間当たりの蒸発粒子の量：成膜速度は，基板上から見た，微小な面蒸発源の見込み立体角の大きさに比例する．距離 r が同じであればこの見込み角は，図の極角θに対して，cosθに比例する．すなわち，θ=0の増加とともに減少し，θ=90での成膜速度を１とすると，θ

で 0 となる．

極角 θ
0

20

40
60
80

問 ２ ４ 	  Knudsen cell のような微小な面蒸発源の面法線方向を極軸にとり，極角 θ だけ傾いた方向で，距離 r に設置した基板上での成膜速度を v nm/s とする．このとき微小な面蒸発源から蒸発分子の総量が最も多く飛び出す極角は次のうちどれか．1~5 の番号で答えなさい．
1.	
  θ＝0°
2.	
  θ＝30°3.	
  θ＝45°4.	
  θ＝60°5.	
  θ＝90°解 説 ：（技術２４）	
 

解答	
  3	
 

	
  前問（技術 23）で，成膜速度 v は，v=Acosθ という θ 依存性をもつ．もし，微小な面蒸発源から極角 θ の微小幅 dθ に， g(θ)・dθ の依存性をもって蒸発粒子が放出されているとする．図のように半径 1の球を考え，この球面上の 極角 θ と θ＋dθ の間に相当する球面上の帯状の領域の面積は，2π・sinθ・dθ

13

になる．この単位面積当たりを通り過ぎる単位時間当たりの成膜粒子の量：すなわち成膜速度 v=Acosθは，g(θ)・dθ＝ Acosθ2π・sinθ・dθと表せる．したがって，g(θ)=2πA・sinθ・cosθ	  と表され，θ=45°で最大となる．

z

θ
dθ
y

x

φ

問 ２ ５ 	  次の文章中の（a）~（e）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
	  薄膜が下地の結晶に対して一定の方位関係を持ちながら成長する場合，（	  a	  ）薄膜という．異種元素からなる（	  a	  ）薄膜が接する界面を，（	  b	  ）界面と呼ぶ．また， （	  a	  ）薄膜を多数積層し，組成と結晶周期を人為的に制御して作製した結晶を（	  c	  ）格子と呼ぶ．このような（	  a	  ）薄膜の，成長過程におけるその場結晶構造モニターの手法として，（	  d	  ）が，また，膜厚のモニターとしては（	  e	  ）が最も一般的に用いられる．

1. (a) エピタキシャル，(b) ナノ，(c) 結晶，(d) MEED，	
  (e) 剛体振り子

2. (a) エピタキシャル，(b) ヘテロ，(c) 自然，(d) LEED，	 

3. (a) エピタキシャル，(b) ヘテロ，(c) 人工，(d) RHEED，	
  (e) 水晶振動子

4. (a) アモルファス，	  (b) ホモ，(c) 人工，(d) RHEED，	
  (e) タイマー

5. (a) アモルファス，	  (b) ナノ，(c) 人工，(d) TEM，	  	  (e) XPS解 説 ：（技術２５）	
 (e) 水晶振動子

解答	
  3	
 

	
  エ ピ タ キ シ ャ ル 薄 膜 成 長：薄膜結晶成長技術の一つであり，基板となる結晶の上に結晶成長を行い，基板結晶面にそろえて原子配列する成長の様式である．基板と薄膜が同じ物質である場合をホモエピタ
キシャル，異なる物質である場合をヘテロエピタキシャル成長と呼ぶ．結晶成長の方法として分子線エ
ピタキシー法や有機金属気相成長法，液相エピタキシー法などがある．エピタキシャル成長が起こるには格子定数のほぼ等しい結晶を選ぶ必要があり，温度による膨張係数の近いものでなくてはならない．
	  ヘ テ ロ 界 面：電子デバイスの多くは異物質の薄膜を重ねた多層膜で作られており，異物質間の界面を
ヘテロ界面といい，その構造は多層膜の物性を左右する重要な因子となる．例えば GaAs と AlGaAs の界
面での 2 次元電子系の生成や，磁性・非磁性多層膜を利用した巨大磁気抵抗効果素子などでヘテロ界面

14

が主役を演じる．
	  RHEED 振 動 ：反射高速電子回折(RHEED)における鏡面反射点の強度は，結晶成長中の表面粗さによって変化する．原子レベルで平坦な場合に最大の反射強度を示すが，2 次元核成長様式によって表面が原子レベルで凸凹しているときには反射強度が弱くなるので，1 原子層ずつの成長にしたがって強度が振動し，その振動の回数を数えることで成長した層数を知ることができる．
	  水 晶 振 動 子 膜 厚 計：圧電体である水晶の結晶に電場を印加すると圧電体に変形が生ずる．水晶片の固有振動数に等しい振動数の交流電場を印加すると共鳴現象がおき，その固有振動数は非常に安定しているので時計に利用されている．この水晶振動子の表面に金属などの物質が蒸着されると固有振動数が低下する．この変化量は蒸着物質の質量に比例するので，共振現象を用いてこの共振周波数の変化を正確に検出すれば蒸着物質の量（密度がわかっていれば膜厚）が測定できる．

問 ２ ６ 	  電気めっき法と真空蒸着法に関する以下の記述のうち，適切な記述を次の 1~5 の番号で答えな
さい．
1. 電気めっき法は水中で行うため真空装置を必要とせず，大面積化が可能である．
2. 電気めっき法は簡便な方法であるが膜厚の制御ができない．
3. 真空蒸着法で膜厚を制御するためには超高真空装置を必要とする．
4. 真空蒸着法では大面積化が不可能である．
5. 真空蒸着法では膜厚の制御はできない．

解 説 ：（技術２６）	
  解答	
  1
真 空 蒸 着 法：必ずしも超高真空（10-5~10-9 Pa）を必要としない．残留ガスの影響を受けにくい物質については，蒸発物質原子（分子）の平均自由行程が真空槽の大きさより長ければよいので，高真空（10-1~10-5 Pa）においても真空蒸着が行われる．
電 解 め っ き 法：電解めっき法では，溶液中のイオンが電極で中性化されて膜として堆積する．堆積する膜に含まれる原子数は，ファラデーの法則により中性化されたイオンの電荷 Q = I ! t に比例する．ここで Iは電流， t は電流を流す時間である．膜の堆積速度と膜厚は，それぞれ電流 I と電流を流す時間 t により制御することができる．
薄 膜 の 厚 さ 測 定 と 制 御 ：真空蒸着法では，水晶振動子を用いた膜厚モニターにより 0.1 nm 程度の精度で膜厚（蒸着物質の面密度）が測定される．この信号を蒸着電源（電流）にフィードバックすることにより膜の成長速度および膜厚の制御を行うことが出来る．

15

問 ２ ７ 	
  ニッケルイオン（Ni2+）の濃度が 0.50 mol/l の溶液中から，表裏の表面積の合計 6.0 cm2（厚さは無視）のステンレス基板上に Ni を 2.5 nm の厚さで電解めっきしたい．次の記述の中から正しい操作
を選び 1~5 の番号で答えなさい．ただし，アボガドロ数を 6.0 × 1023 /mol，ファラデー定数を 105 C /mol とし，Ni 原子１個の占有面積を 0.25 nm2，Ni１原子層の厚さを 0.25 nm とする．
1.

0.4 A の電流を 20 秒間流す．

2.

0.4 V の電圧を 20 秒間かける．

3.

0.4 mA の電流を 20 秒間流す．

4.

0.4 mV の電圧を 20 秒間かける．

5.

0.4 A の電流を 10 秒間流す．

解 説 ：（技術２７）	
  	
  解答	
  3
電気めっき法の計算：面積 6.0 cm2 厚さ 2.5 nm の Ni 膜に含まれる Ni 原子数 n は
n = 6.01014[nm2]2.5[nm]/0.25[nm2] / 0.25[nm] = 2.41016

n 個の Ni 原子を析出させるために必要な電荷量 Q は，（Ni イオンは 2 価であるから）
Q=2

1016

2.4

105 [C/mol] / 6.0

10.23[1/mol] = 8.0

10-3[C] = 0.4[mA]

20[s]

である．

問 ２ ８ 	  X 線の波長（λ nm）とエネルギー（E eV）の関係を表す式は下記のどれか．1~5 の番号で答えなさい．ただしプランク定数 h =6.6×10-34 J・s，光速度 c = 3.0×108 m，素電荷 q = 1.6×10-19 C とする．

1. λ=1.24

103/E，	
  2. λ=1.24/E，	
  3. λ=1.24/E1/2，	
  4. λ=1.24

解 説 ：（技術２８）	
 

解答	
  1	
  	
 

10-2/E1/2，5. λ=1.24

10-2/E	
 （基礎３）

基礎 2 の解説の一部を引用．
	  電磁波のエネルギーはアインシュタインの関係式 E = h!（ ! は振動数），波長は " = c /! なので，! = hc / E ．
つまり，電磁波の場合，波長はエネルギーに反比例する．プランク定数，光速度と素電荷の値を代入し，E を eV 単位で表すと " = 1.24 ! 10 4 / E [Å]となる．よって 1 eV のエネルギーの光の波長は 1.2 µ m，100 eVの光の波長は 12.4 nm となり，電子波よりずっと長いことがわかる．可視光は 400 nm から 750 nm の波
長範囲なので，エネルギーは 2 eV 弱から 3 eV 強の範囲になる．1Åの波長のＸ線は 12.4 keV のエネルギ
ーである．
	
 

16

問 ２ ９ 	  エネルギー分散型 X 線分光法（EDS）について適切な記述の組合せはどれか下の 1~5 の番号で答えなさい．
(a) X線の蛍光励起の補正を必要とする．
(b) 同時に多数の元素の分析が可能である．
(c) Si単結晶に微量のLiをドープした半導体検出器では，その冷却が必要である．
(d) 波長分散型 X 線分光法 (WDX) に比べてエネルギー分解能が高い．

1. (a) (b)，	
  2. (b) (c)，	
  3. (c) (d)，	
  4. (a) (d)，	
  5. (a) (c)

解 説 ：（技術２９）	
 

解答	
  2	
  	
 

（分析法各論１９）Si(Li)結晶

X 線分光法は，上図	
 (a)	
 波長分散型分光法（Wavelength-Dispersive	 X-Ray	 Spectroscopy,	
 WDS）と	 (b)	
 エネルギー分散型分光法（Energy-	
 Dispersive	 X-Ray	 Spectroscopy,	
 EDS）に分類できる．	
 
WDS では，分光結晶（湾曲結晶）によるブラッグ反射を利用し，特定の波長の X 線のみを検出する．
上図(a)での回折角θを使って， 2d sin θ = λ を満たす波長 λ の X 線の強度を X 線検出器で測定する．上
図(a)の分光結晶の角度と検出器の位置（ θ − 2θ ）関係を保ちながら θ を変えて，１点ずつそれぞれの λの X 線強度を測定して X 線スペクトルを得る．	
 一方，EDS では，上図(b)のように，半導体結晶を検出器として使う．その真性領域に X 線光子が入ると電子正孔対を励起し，その対の数は X 線のエネルギーに比例して多くなるので，発生する電圧パルスの波高から各 X 線光子のエネルギーを測定することができる．次々に入射する X 線光子からのパルスをマルチチャンネルアナライザーで測定すればスペクトル全体を測定し，多元素を同時に分析することができる．検出器結晶として高純度の Si 結晶（シリコンドリフト検出器	
 Silicon	
 Drift	 Detector,	 SDD）や Li をドープした Si 結晶が用いられる．Si(Li)結晶検出器では，Li の拡散・偏析を抑えるため，液体窒素での冷却が常時必要である．SDD では雑音低減のために使用時のみペルティエ素子によって冷却するだけでよい．また，SDD では電極の配置と電圧パルスの増幅のための電界効果トランジスタの配置を工夫することによって雑音が低減され，Si(Li)型検出器に比べて X 線光子エネルギーの分別時間（時定数）を短くすることができ，その結果，高計数率の計測が可能である．	
 	
  エネルギー分解能と測定感度は，WDS のほうが EDS より優れているが（下図参照），WDS は測定できる
X 線エネルギーの範囲が狭く，機械的駆動機構を要する分光器の設置に制約が多いのが欠点である．	
 17

測定例（試料：数原子層の Au と Ga が吸着した Si 結晶表面）	  電子線マイクロアナライザー（Electron	 Probe	 Micro	 Analyzer,	 EPMA）では，元素分析を主目的としたものであり，特性 X 線検出器に WDS を用いるために定量精度は良いが検出効率が悪く，より高い照射電流を必要とする．２次電子像や透過電子像の観察を主目的とする走査電子顕微鏡（SEM）や透過電子顕微鏡（TEM）には，定性的な組成分析のために EDS を取り付けることが多い．	
  TEM-EDS に関しては，分析法各論 19 または「表面科学」誌 2015 年 8 月号掲載の例題 57 を参照ください．	
 透 過 電 子 顕 微 鏡 (TEM)に お け る EDS の 定 量 分 析 ；TEM 観察に用いる薄膜試料においては，入射電子の試料中の拡散はバルク試料ほど大きくない．そのため，X 線の吸収や蛍光励起などのいわゆる ZAF 補正を必要としない Cliff-Lorimer 法（薄膜近似法）が提案されている．
シ リ コ ン ド リ フ ト 検 出 器 (SDD)；ベルチェ冷凍機（異なる金属を結合し電圧をかけると，接合点で熱の吸収，放出が起こるベルチェ効果を利用）を用いたシリコン半導体 X 線検出器．
液体窒素冷却のシリコンリチウム半導体検出器に劣らないエネルギー分解能を有し，高計数率測定が可能である．

問 ３ ０ ド・ブロイによれば電子の運動量と波長（λ）の間には λ = h/p（ここに h はプランク定数，p は運動量）の関係がある．電子のド・ブロイ波長（λ nm）と電子のエネルギー(E eV)の関係を表す式はどれか．1~5 の番号で答えなさい．ただし，相対論的な補正を考えないとする．（プランク定数 h =6.6×10-34 J・s，素電荷 q= 1.6×10-19 C，電子質量 m = 9.1×10-31 kg）
1. λ=1.2×103/E，	
  2. λ=1.2/E，	
  3. λ=1.2/E1/2，	
  4. λ=1.2×10-2/E1/2，	
  5. λ=1.2×10-2/E

解 説 ：（技術３０）	
 

解答	
  3	
  	
 

（基礎４）

	
  基礎４の解説を引用．	
 ド・ブロイの式 p = h / ! ，および波数と波長との関係 k = 2" / ! から p = hk / 2! と書け，これをベクトルで!

!

書くと p = hk / 2! となる．一方，エネルギー E と運動量 p との関係は E = p 2 / 2m であり，また加速電圧 Vのときには E = eV （ e は素電荷）と書けるので，
1/ 2& h2 #!
' = $$!
% 2mE "

1/ 2

& h2 #!
=$$ 2meV !
%"プランク定数，電子の質量，素電荷の値を代入すると ! = (150.4 / V )1 / 2 [Å]となる．よって E = 150 eV のときに ! = 1 Å， E = 15 keV で ! = 0.1 Åとなる．波長がエネルギーの平方根に反比例することが重要．

18

問 ３ １ 	  電子の検出に用いられる代表的な検出器だけをすべて含む組合せはどれか．下の 1~5 の番号で答えなさい．
(a) シンチレータ＋光電子増倍管， (b) 光電子増倍管，(c) チャンネルトロン，

1. (a) (c)，2. (b) (c) (d)，解 説 ：（技術３１）	
 

	
  	
  	
  (d) 半導体検出器

3. (c) (d)，4. (a) (c) (d)，5. (b), (d)のみ

解答	
  4	
 

(a) シンチレータ＋光電子増倍管：シンチレーション検出器とも呼ばれる．X 線，電子，イオンなどが蛍光体に入射すると蛍光が発生する．この蛍光を光電子増倍管に導き，最終的には電流（パルス）として観測する．
(b) 光電子増倍管：入射した光（可視光が多い）を真空中に置かれた光電面に導き，発生した光電子に電界を加えて加速しながら多段の二次電子発生面により電子数を増倍させたのち，電流として観測する．
(c) チャンネルトロン：(d) 半導体検出器：半導体の pn 接合における空乏層に入射した X 線や電子は，ほぼそのエネルギーに応じた数の電子-正孔対を発生させる．電子-正孔対は空乏層の電界によってそれぞれ n 型および p 型領域に輸送され，電流が流れる．この電流の大きさは発生した電子-正孔対に比例する．電子を検出する場合にはシリコンの浅い pn 接合を用いる．電子や X 線が入射しないとき流れる暗電流を抑制するため冷却されることがある．（参考：APD）

問 ３ ２ 	  電子顕微鏡の電子源として主にタングステン(W)ヘヤピン型，LaB6 単結晶型，ショットキー型，
冷陰極電界放出型電子源が用いられている．次の記述のうち適切なものだけをすべて含む組合せはど
れか．下の 1~5 の番号で答えなさい．
(a) 輝度：小→大W ヘヤピン型，LaB6 単結晶型，ショットキー型，冷陰極電界放出型(b) ビーム径：大→小W ヘヤピン型，LaB6 単結晶型，ショットキー型，冷陰極電界放出型(c) 電子のエネルギー幅：小→大W ヘヤピン型，LaB6 単結晶型，ショットキー型，冷陰極電界放出型(d) ビーム径：小→大W ヘヤピン型，LaB6 単結晶型，ショットキー型，冷陰極電界放出型(e) ビーム電流の安定性：不良→良W ヘヤピン型，LaB6 単結晶型，ショットキー型，冷陰極電界放出型

1. (a) (b)，	
  2. (b) (c) (e)，	
  3. (a) (c) (d)，	
  4. (a) (b) (c) (e)，	
  5. (c) (d) (e)19解 説 ：（技術３２）	
 

解答	
  1	
 

準備中

問 ３ ３ 	  磁気レンズの収差について適切な記述だけをすべて含む組合せはどれか．下の 1~5 の番号で答えなさい．
(a) 球面収差はレンズの中心軸から離れた部分を通過する電子ビームに対する焦点距離が中心軸付
近を通過する電子ビームに対する焦点距離に比べて短くなるために生じる．
(b) 凹レンズの働きをするものだけなので球面収差を補正することはできない．
(c) 色収差は電子線のエネルギー分布幅，加速電圧の変動，および試料を通過する電子がエネルギーを失うことなどが原因である．
(d) 非点収差はレンズの均一性や非対称性，汚れ，試料の磁性などによりレンズの磁場の軸対称性が崩れて，入射電子が一点で焦点を結ばなくなることによる．

1. (a) (b) (c)，解 説 ：（技術３３）	
 

2. (a) (b) (d)，3. (a) (c) (d)，4. (b) (c) (d)，5. (a) (d)のみ

解答	
  3	
 

準備中
問 ３ ４ 	  金属表面に印加した電界強度 F [V/nm]とそれによって放出された電流値 I [A]の関係を，縦軸

ln[ I / F 2 ] ，横軸1 / F としたグラフは Fowler-Nordheim プロット（F-N プロット）と呼ばれ，電界電子
放射の電流-電界特性として知られている．Fowler-Nordheim プロットの概形として適切な図はどれか．
1~5 の番号で答えなさい．

ln(I/F2)ln(I/F2)ln(I/F2)

1/F
(1)

1/F
(2)

20

1/F
(3)

ln(I/F2)

ln(I/F2)

1/F

1/F
	
 

	
 

(4)

解 説 ：（技術３４）	
 

(5)
解答	
  3	
  	
 

（基礎４５）

基礎 45 の解説を引用
電 界 電 子 放 出：金属など導体の表面に十分に強い電界が加えられたとき，導体内から電子が放出される現象．金属などの導体内から電子を外部に放出するには，仕事関数（基礎４０の解説参照）以上のエネ
ルギーを電子に与えなければならないが，表面に充分強い電界が存在すると電子を導体内に閉じ込めているエネルギー障壁が薄く（＜1 nm）なり，電子がその障壁をトンネル効果によって透過出来るようになる．（表面科学会編「新版 表面科学の基礎と応用」（エヌティーエス，2004 年），pp.806 参照）
このとき観測される電流 I は Fawler-Nordheim の式 I=AF2exp(−Bφ3/2/F)	
  で近似的に表される．ここで Fは電界，φ は仕事関数，A および B は定数である．電界 F は導体に加えられる電圧 V に比例するから，
I=A’V2exp(−B’φ3/2/V)	
  ともあらわされる．
平坦な面に強電界を加えることは難しいが，鋭く尖った針状電極に負の高電圧（数 kV）を加えると，針状電極先端には容易に 1010 V/m 程度の強電界を発生させることができ，電界電子放出が生じる．電界電子放出が生じているとき，観測される電流を I，印加電圧を V（電界 F）として，1/V（または 1/F）を横軸に，I/V2（I/F2）の対数を縦軸とした図（Fawler-Nordheim プロット，F−N プロット）を描くと直線の関係が得られる．この傾きは仕事関数 φ3/2 に比例する．

問 ３ ５ 	  次の文章中の（a）~（d）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
	  X 線光電子分光法（XPS）の分光器は，（	  a	  ）が一般的に用いられており，インプットレンズで分光器に入る電子のエネルギーを（	  b	  ）するため，運動エネルギーが（	  c	  ），そのエネルギー分解能は
（	
  d	
  ）．
1. (a) 阻止電場型，(b) 加速，	  (c) 大きくなると，(d) 高分解能化する
2. (a) 静電半球型，(b) 加速，	  (c) 変わっても，	  (d) 変化しない3. (a) 円筒鏡型，	
  (b) 加速，	  (c) 小さくなると，(d) 劣化する
4. (a) 円筒鏡型，	
  (b) 一定に，(c) 変わると，	  	  (d) 大きく変化する
5. (a) 静電半球型，(b) 一定に，(c) 変わっても，	  (d) 変化しない

解 説 ：（技術３５）	
 

解答	
  5	
  	
 

（分析法各論５３）	
  	
 

21

	
  右図に X 線光電子分光装置の概略図を示す．X 線管（またはシンクロトロン放射光）からの X 線が試料を照射すると光電効果に
よって光電子が試料表面から放出される．それをインプットレン
ズによって集め，適切なエネルギーまで加減速して中心エネルギ
ーを決められた値にして電子分光器に入れる．	
 
現在使われている電子分光器の多くは静電同心半球型アナラ
イザー（Concentric	
 Hemispherical	
 Analyzer）である．これは他の型の電子分光器に比べて高分解能が得られ，かつ「明るい」（検出効率が高い）．内側半球に＋の電位，外側半球に―の電位を印加し，両者の間の電圧を V 0 とすると，電極間に作られる電場は球対称となる．半球の中心からの距離をｒとすると，クーロン力の「逆自乗則」と同じ 1 r 2 となる．この場合，電子の軌道は，ケプラーの法則に従う惑星の軌道と同じになる．
ケプラー運動では，特定の条件を満たす軌道（アナライザーの中心軌道）のみが円軌道で，それからずれると楕円軌道か放物線軌道となる．内側半球と外側半球の半径をそれぞれ R1 と R 2 とすると，(R 2 + R1 ) 2 のちょうど真ん中の軌道を描く電子のエネルギー Ekin は次の式で書ける．	
 	
 Ekin =

	 eV0
R 2 R1 − R1 R 2

これより低い運動エネルギーの電子は内側に曲げられ，高いエネルギーの電子は外側の軌道を通るので，出射側でエネルギーに応じて動径方向に分散する．現在の電子分光器では，２次元検出器（マルチチャ
ンナルプレート）が使われており，動径方向に分散したエネルギースペクトルと同時に放出角（つまり運動量の表面平行成分）分布をいっぺんに取ることができる．	
 中心エネルギー（pass	
 energy）が E kin のとき，エネルギー分解能は，	 	 ΔEkin =

	 wEkin
R1 + R 2と書けるので（ w は分光器の入射スリットの幅）， E kin が常に一定になるよ
うに，インプットレンズで加減速すると，常に同じ分解能でエネルギー分析
できる．	
 
	
  X 線のエネルギーを hν ，試料の仕事関数を φ ，E b を放出される前に電子がいた電子状態のフェルミ準位から測った束縛エネルギーとすると，エネルギ√3×√3-Ag

ー保存則によって，電子分光器で測定される光電子のエネルギー E kin から束縛エネルギーを求められる；	
 Eb = hν − Ekin − φ .	
 

0.6eV

内殻準位からの光電子を検出して，その E b を求めることによって，(1)元素分析，(2)	
 バンド湾曲，(3)化学環境，などの情報を得ることができる．	
 
内殻準位の E b は元素固有の値なので，元素分析ができることになる．また，半導体の場合，表面近傍でバンド湾曲が起こっていることがあり，そのときには，内殻準位のエネルギーがシフトする．右図（下）は，Si(111)-7

22

7清

7×7
Si 2p 内殻準位光電子ス
2p 3/2ペクトル
1/2 （S. Kono, et al.,2p
Phys. Rev. Lett. 58, 113(1993)より転載．）

浄表面から測定した Si	
 2p の内殻準位光電子スペクトルである．スピン軌道相互作用によって 2p1/2 と
2p3/2 に分裂している．この表面に銀を 1 原子層蒸着して Si(111)-√3√3-Ag 表面構造にすると，同じ形を保ったまま光電子ピークが 0.6	 eV ほど束縛エネルギーが浅い方向にシフトしている．これは，表面直下で上向きのバンド湾曲が行ったことを示している．	
 また，内殻準位のスペクトルを高分解能で測定すると，2 つ以上の成分に分裂していることがある．
これは，化学状態を反映した「chemical	
 shift」と言われる現象である．同じ元素の原子でも化学的環境の異なる結合状態をとっているときには，内殻準位の束縛エネルギーが微妙にずれることに起因する．	
 問 ３ ６ 	  透過電子顕微鏡の対物レンズの収差について適切な記述の組合せはどれか，下の 1~5 の番号で答えなさい．
(a) 加速電圧の変動は球面収差の原因となる．
(b) 球面収差は対物絞りの孔径を大きくするほど大きくなる．
(c) 絞りの汚れは対物レンズの収差の原因にはならない．
(d) 球面収差は電子顕微鏡の分解能に大きな影響を与える．

1．(a)と(b)， 	
  2．(b)と(c)， 	
  3．(c)と(d)， 	
  4．(a)と(d)， 	
  5．(a)と(c)解 説 ：（技術３６）	
 
準備中

解答	
  3	
  	
 

（分析法各論１６）

各論 16 の解説を参照	
 問 ３ ７ 	  次の文章中の（a）~（f）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
結晶性試料に電子が入射すると，（	  a	  ）現象によって特定の方向に強く曲げられる電子がある．この電子が対物絞りでカットされて生じるのは（	  b	  ）コントラストである．
（	  c	  ）薄膜を 1 万倍程度で撮影した像においては，このコントラストが支配的である．試料をまっすぐに通過した電子波と試料で曲げられた電子波が対物絞りを通過した後に（	  d	  ）する結果生じるのが（	  e	  ）コントラストで
ある．（	
  f	
  ）像のコントラストはこの典型的な例である．

1. (a) 回折，	  (b) 散乱，	  (c) アモルファス，(d) 散乱，	  (e) 透過，	  (f) 暗視野
2. (a) 干渉，	  (b) 位相，	  (c) 金属，	
  	
  	
 

(d) 回折，	  (e) 回折，	  (f) 明視野

3. (a) 透過，	  (b) 透過，	  (c) 絶縁体，	
  	 (d) 干渉，	  (e) 回折，	  (f) 結晶格子4. (a) 回折，	  (b) 回折，	  (c) 金属，	
  	
  	
 

(d) 干渉，	  (e) 位相，	  (f) 結晶格子5. (a) 散乱，	  (b) 位相，	  (c) 金属，	
  	
  	
 

(d) 回折，	  (e) 散乱，	  (f) 結晶格子

解 説 ：（技術３７）	
 

解答	
  4	
  	
 

（分析法各論１７）23結晶性試料に電子波が照射されると，図１に示すように，結晶格子が回折格子のはたらきをして波の回折が起きる．個々の原子によって散乱されて生じる球面波が重なって干渉し，特定の方向に強い波が生じることを回折という．定性的にはホイヘンスの原理で理解できる．図のように回折波の進む方向を 2θ とし，結晶の格子定数を d とすると，Bragg の公式	  2d sin θ = nλ 	 ( n は整数，λ は電子波の波長)	
 が成り立つ． n = 0 の波は特に透過波と言われ，結晶性に依らず必ず生じる．	
 	  これら透過波と回折波をレンズに入れると，図２に示すように，後焦点面（レンズから焦点距離だけ離れた位置）に回折パターンが形成され，その後ろの像面（スクリーン）に実像が結ばれる．図２からわかるように，回折パターンの中心の点（00 スポット）は透過波からできており，回折波はそれぞれの回折スポットを形成している．透過波と回折波が像面上で重なって干渉パターンができるが，図 1. 結晶性試料による電子波の回折

それが実像に他ならない．	
 	
  後焦点面に絞り（アパーチャー，対物絞りと呼ばれる）を入れて特定の回折スポットだけを選択（または除去）すると，実像において，その回折波を生じた箇所が明るく（暗く）なるので，微粒子などの局所的な結晶構造などを同定できる．このようにして作ったコントラストを回折コントラストという．透過波だけを絞りで選んで回折波を除いて結像させたものを明視野像という．絞りの位置をずらせて特定の回折スポットのみで結像させた場合を暗視野像といい，特定の結晶を観察したり，格子欠陥の解析に用いたりする．	
 
図 3 はスチールのなかの転位の TEM 像である．転位近傍で格子が歪み

図 2. レンズによる回折パターンと実像の形成

Bragg 回折条件が少しずれるために，その回折波をつかった暗視野像では線状に暗く観察される．回折コントラストの例である．	
  	
 	
  結晶試料の１つの格子面からの回折波と透過波との２つの波だけを対物絞りで選んで実像を得ると，像面ではそれら２つの波の干渉縞となり，それは格子の面間隔に対応した像となっており，格子縞と呼ばれる．また，多数の回折波を取り込んで結像させると結晶格子の単位格子内の原子配列を示す高分解能像が得られるが，それは結晶格子像と呼ばれる．ただし，焦点ずれによって像が変わるので，原子配列の直接的な像とは限らない．このような回折波との干渉による像のコントラス
トを一般に位相コントラスト呼ぶ．	
 
図４は，直径 30	
 nm 程度の Pd 微粒
子の高分解能 TEM 像である．よく見ると細かな格子状の模様が見えるが，これが結晶格子像である．	
 図 3. スチールのなかの転位のTEM 像．Wikimedia Commons(Wikityke at the English language
Wikipedia)より転載．

24

図 4. Pd 多重双晶粒子の TEM
像 ． Wikimedia Commons (P.
Fraundorf)から転載．

問 ３ ８ 	
  金属試料を透過電子顕微鏡観察するときに電子照射損傷を少なくするために有効な方法に関す
る適切な記述の組合せはどれか下の 1~5 の番号で答えなさい．
(a) 加速電圧を低くする．
(b) 電子線を収束して像を明るくする．
(c) 試料の厚さをできるだけ薄くする．
(d) 小さな孔径の集束絞りを用いる．

1. (a) (b)， 	
  2. (b) (c)， 	
  3. (c) (d)， 	
  4. (a) (d)， 	
  5. (a) (c)

解 説 ：（技術３８）	
 準備中

問 ３ ９ 	
 

解答	
  4	
  	
 

（分析法各論１８）

各論 18 の解説を参照	
 結晶材料の透過電子回折について適切な記述の組合せはどれか下の 1~5 の番号で答えなさい．
(a) 回折図形は対物レンズの後焦点面に形成される．
(b) 回折スポットの位置は加速電圧を変えても変化しない．
(c) 結晶格子面間隔が大きいほど回折スポットの間隔は小さくなる．
(d) 回折現象は試料による電子の吸収によって生じる．

1．(a) (b)， 	
  2．(b) (c)， 	
  3．(c) (d)， 	
  4．(a) (d)， 	
  5．(a) (c)

解 説 ：（技術３９）	
 
準備中

解答	
  5	
  	
 

（分析法各論２０）

各論 20 の解説を参照	
 問 ４ ０ 	  中エネルギーイオン散乱法に関する適切な記述の組合せはどれか，下の 1~5 の番号で答えなさ
い．
(a) 表面障壁型の半導体検出器が使われる．
(b) 静電型もしくは磁場型のアナライザーが使われる．
(c) 入射イオンには Ne や Ar イオンが使われる．
(d) 高エネルギーイオン散乱法よりも，表面に敏感である．
(e) 同一照射量では，高エネルギーイオン散乱法よりも試料の照射損傷が大きい．

1. (a) (b) (c)，2. (b) (c) (d)，3. (b) (d) (e)，25

4. (a) (c) (d)，5. (c) (d) (e)解 説 ：（技術４０）	
 

解答	
  3	
  	
 

（分析法各論６８）

数 10 keV〜数 100 keV の中エネルギー領域のイオンを用いるイオン散乱（中エネルギーイオン散乱,
Middle Energy Ion Scattering, MEIS）では，トロイダル型アナライザ(静電アナライザ)と二次元検出器を用いてエネルギースペクトルと角度スペクトルが同時に得られるように設計されている．磁場型アナラ
イザと 1 次元検出器を用いてエネルギースペクトルを高い分解能と感度で測定する場合もあり，特に，
高分解能ラザフォード散乱と呼ばれることもある．
表面障壁型の半導体検出器では，イオンが通過する際に電子-正孔対を生じる空乏層までイオンが到達しないので，中低エネルギーイオンの検出には向いていない．イオンの種類としては水素（プロトン）
やヘリウムを使うことが多い．高エネルギーイオン散乱(High Energy Ion Scattering, HEIS, MeV 領域のイオンを使用)よりもエネルギー分解能が高く，表面 1 原子層の識別も可能である．	
 イオン散乱における試料損傷は固体中におけるイオンのエネルギー損失の大きさに比例する．イオン
が固体中を通過するとき，固体中の電子との非弾性衝突による励起やイオン化過程によってそのエネルギーを失う．このときイオンが失うエネルギーはイオンが通過した距離に比例する．この単位距離当たりに失うエネルギーがわかれば，エネルギースペクトルを深さスケールに変換することができる．MEISや HEIS に用いられる水素やヘリウムイオンのエネルギー損失のピークは概略 100 keV から 1 MeV の間にあることから，同一照射量では，MEIS の方が HEIS より試料損傷が大きいといえる．

問 ４ １ 	  低エネルギーイオン散乱分光法について適切な記述の組合せはどれか．下の 1~5 の番号で答え
なさい．
(a) 表面障壁型の半導体検出器が使われる．
(b) 静電型または飛行時間型のアナライザが使われる．
(c) 入射イオンには He や Ne イオンなどが使われる．
(d) 高エネルギーイオン散乱法よりも定量精度が高い．
(e) 表面原子配列に敏感である．

1. (a) (b) (c)，解 説 ：（技術４１）	
 

2. (b) (c) (d)，

解答	
  3	
  	
 

3. (b) (c) (e)，4. (a) (c) (d)，5. (c) (d) (e)（分析法各論６９）

低エネルギーイオン散乱では，電場や磁場と位置検出器を用いた検出システムもしくは飛行時間型の検出系が用いられる．表面障壁型の半導体検出器では，イオンが通過する際に電子-正孔対を生じる空乏層までイオンが到達しないので，低エネルギーイオンは検出できない．入射イオンには He や Ne が良く使われ，これらの他にも，散乱強度を上げるためや元素識別能を上げるために Ar や Kr などが使われる．
散乱イオンを電場や磁場を用いた検出システムを用いて分析する場合，定量精度は散乱イオンの価数分
布（中性，1 価，2 価，・・・）に依存する．散乱断面積についても核電荷の電子による遮蔽計算精度に依存することなどの問題があるため，通常，高エネルギーイオン散乱よりも定量精度は悪い．イオンのエネルギーが低いほど，シャドウコーンやブロッキングコーンの影響が明瞭に現れること，内部まで侵入した散乱イオンは中性化確率が高くなるために検出確率が下がることなどから，低エネルギーイオン26散乱は表面原子配列に敏感であるといえる．
低エネルギーイオン散乱（Low Energy Ion Scattering, LEIS）では，数 100 eV から数 keV のエネルギー領域のイオンビームを使い，電場や磁場によるビームの偏向と位置検出器を用いた検出システム，もしくは飛行時間型の検出系が用いられる．入射イオンには He や Ne が良く使われるが，散乱強度を上げる
ためや元素識別能を上げるために Ar や Kr なども使われる．電場や磁場を用いた検出システムを使う場
合，定量精度は散乱イオンの価数分布（中性，1 価，2 価，・・・）に依存する．散乱断面積についても
核電荷の電子による遮蔽計算精度に依存することなどの問題があるため，通常，LEIS は HEIS よりも定量精度は悪い．イオンのエネルギーが低いほど，シャドウコーンやブロッキングコーンの影響が明瞭に現れること，内部まで侵入した散乱イオンは中性化確率が高くなるために検出確率が下がることなどから，LEIS は表面原子配列に敏感であり，実空間での構造解析手法となる．
LEIS は，ISS, ICISS, CAICISS, TOF-ICISS 等の総称である．通常のイオン散乱分光（Ion Scattering
Spectroscopy, ISS）では散乱角が 90 度付近の散乱角で測定されているのに対し，ICISS（Impact Collision Ion
Scattering Spectrometry, 直衝突イオン散乱分光）では，180 度方向に後方散乱されたイオンを測定する．
ISS の 90 度散乱と比べ，構造解析が容易(直感的に理解しやすい)であるが，180 度散乱であるために散乱強度は低くなる．CAICISS（Co-Axial ICISS）は飛行時間型(TOF)-ICISS と原理的に同一であるが，発明者により異なる名前が付けられたものである．
HEIS や MEIS が主に組成分析に用いられるのに対して，LEIS は主に構造解析手法として使われる．
イオン散乱の基礎に関しては，基礎編 58，59（表面科学会誌 2015 年 2 月号掲載例題 44 および例題 45）の解説を参照してください．

問 ４ ２ 	  次の文章中の（a）~（e）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
	  原子間力顕微鏡(AFM)のカンチレバーは，通常（	  a	  ）から微細加工技術で作られる．そのため，カンチレバー先端の突起の材料は，通常，（	  b	  ）から出来ている．しかし，（	  c	  ）で作製された探針もある．また，（	  d	  ）探針のような（	  e	  ）測定などの様々な用途に合わせた特殊な材料をコートした探針もある．

1. (a) ガラス，	
  	
  	
  	
  	
  (b) ガラス，	  (c) ダイヤモンド，	  	  	  (d) PtIr，	  	  	  (e) 導電性
2. (a) シリコンウェハー，(b) シリコン，(c) ガラス，	
  	
  	
  	
  	
  	
  (d) 水晶，	  	  (e) 熱伝導
3. (a) 水晶，	
  	
  	
  	
  	
  	
  (b) 水晶，	  	  (c) 窒化ガリウム，	  	  	  (d) 磁性薄膜，(e) 磁気力
4. (a) シリコンウェハー，(b) シリコン，(c) シリコンナイトライド，(d) 水晶，	  (e) 熱伝導
5. (a) シリコンウェハー，(b) シリコン，(c) シリコンナイトライド，(d) 磁性薄膜，(e)磁気力

解 説 ：（技術４２）	
 
準備中

解答	
  5	
  	
 

（分析法各論２８）

各論 28 の解説を参照	
 27

問 ４ ３ 	
  次の文章中の（a）~（e）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
	  深い溝のような構造を原子間力顕微鏡（AFM）で測定する場合は，アスペクト比の（	  a	  ）探針を持つ特殊なカンチレバーや探針先端に（	  b	  ）を付けたカンチレバーなどが使われる．また，
（	
  c	
  ）引
力領域で原子分解能を得る場合は，（	  d	  ）力を減らすように先端曲率半径が（	  e	  ）以下の鋭く尖らす処理を行った探針を使用する．
1. (a) 大きい，(b) カーボンナノチューブ，(c) 微弱な，	  (d) 長距離，	  (e) 数 nm
2. (a) 小さい，(b) 金薄膜，	
  	
  	
 

(c) 強い，	  	  (d) 短距離，	  (e) 数 10nm

3. (a) 小さい，(b) 金薄膜，	  	 (c) 強い，	  	  (d) 長距離，	  (e) 数 nm

4. (a) 大きい，(b) カーボンナノチューブ，(c) 微弱な，	  (d) 短距離，	  (e) 数 10nm
5. (a) 小さい，(b) カーボンナノチューブ，(c) 微弱な，	  (d) 短距離，	  (e) 数 nm

解 説 ：（技術４３）	
 
準備中

解答	
  1	
  	
 

（分析法各論２９）

各論 29 の解説を参照	
 問 ４ ４ 	  次の文章中の（a）~（e）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
	  走査トンネル顕微鏡（STM）では（	  a	  ）探針先端から（	  b	  ）試料表面に流れるトンネル電流を測定している．トンネル電流は，片側の電極のフェルミ面近傍の電子が他方の電極のフェルミ面近傍の（	  c	  ）準位に電子がトンネルすることにより電流が流れる．そのため，トンネル電流は片側の電極のフェルミ面近傍の電子数に（	  d	  ）し，その数はフェルミ面近傍の電子の状態密度と電子のフェルミ分布関数の（	  e	  ）で決まる．
1. (a) 導電性，	
  (b) 導電性，	
  (c) 空いている，(d) 比例，	
  (e) 積2. (a) 絶縁性，	
  (b) 導電性，	
  (c) 詰まっている，(d) 依存，	  (e) 差3. (a) 絶縁性，	
  (b) 絶縁体，	
  (c) 詰まっている，(d) 関係，	  (e) 差4. (a) 導電性，	
  (b) 導電性，	
  (c) 詰まっている，(d) 比例，	  (e) 積5. (a) 絶縁性，	
  (b) 導電性，	
  (c) 空いている，

解 説 ：（技術４４）	
 

解答	
  1	
  	
 

(d) 比例，	
  (e) 積（分析法各論３０）	  STM では電流を流すので，探針も試料もある程度の導電性をもっている必要がある．たとえば，試料表面がごく薄い絶縁体で被覆された金属結晶の場合，電子がトンネルして流れるのであれば STM 測定が可能である．
	  トンネルギャップでの電子のトンネル現象を微視的にみれば，一方の電極（たとえば試料）の占有状
態にある電子が他方の電極（たとえば探針）の空状態（非占有状態）に入ることになる．あるエネルギーでの占有状態にある電子の数は，そのエネルギーでの状態密度と，その状態を電子が占有する確率を表すフェルミ分布関数の積で表せる．フェルミ分布関数は温度によって変化するので，たとえば試料が半導体の場合，室温でトンネル電流が流れて測定可能であったが，低温に冷却するとトンネルする電子が無くなり，測定不能になる場合もある．	
 28

問 ４ ５ 	  原子間力顕微鏡（AFM）とケルビンプローブフォース顕微鏡（KFM）について，次の記述のう
ち適切なものだけをすべて含む組合せはどれか．下の 1~5 より選びなさい．
(a) AFM は，プローブ先端と試料表面の原子間に働く力を測定するものであり，測定原理上プローブや試料の導電性を必要としない．
(b) KFM は，プローブと試料表面の仕事関数差（静電気力）を測定するものである．
(c) AFM も KFM も，プローブ先端の曲率半径が大きいほど高い面内分解能が期待できる．
(d) AFM も KFM も測定環境の湿度（試料表面に吸着する水分）に影響されにくい．
(e) AFM では，雰囲気を制御しながら導電性プローブを用いて電圧を印加することによって局所的な試料表面の加工（酸化・エッチングなど）が可能となる．
1. (a) (b) (c)，2. (a) (c) (d)，解 説 ：（技術４５）	
 

3. (a) (b) (e)，4. (b) (c) (d)，5. (b) (c) (e)

解答	
  3	
 

準備中

問 ４ ６ 	  次の文章中の（a）~（e）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
	  一般に低速電子線は表面敏感なので，表面の振動分光として（	  a	  ）がよく用いられるが，赤外吸収やラマン散乱を用いても配置の工夫をすれば表面敏感な測定が可能となる．例えば，金属ナノ微粒子や
薄膜の（	
  b	
  ）共鳴や，（	  c	  ）検出器などの高感度イメージ検出器を利用することによって，最表面
や，単分子レベルのラマン散乱の検出が可能となることが知られている．通常の配置における測定では（	  b	  ）共鳴が光学的に励起できないことから，誘電体の（	  d	  ）を用いた手法や，金属表面の（	  e	  ）を使うことによって（	  b	  ）を励起することが行われる．
1. (a) HREELS，(b) プラズモン，(c) CCD，	
  (d) 全反射，	
  	
  	
  	
  (e) 荒れ
2. (a) XPS，	
 (b) バンド，	  	  (c) APD，	
  (d) ブリュスター角，(e) 平坦性

3. (a) UPS，	
 (b) エキシトン，(c) APD，	
  (d) 全反射，	
  	
  	
  	
  (e) 荒れ

4. (a) HREELS，(b) エキシトン，(c) CCD，	
  (d) ブリュスター角，(e) 平坦性
5. (a) HREELS，(b) プラズモン，(c) CCD，	
  (d) 屈折，	
  	
  	
  	
 

解 説 ：（技術４６）	
 

解答	
  1	
  	
 

(e) 荒れ（基礎８２	
  分析法各論９９）

分析法各論 93, 99 の解説を参照．
HREELS：単色化した低速電子(数〜10eV)を試料に照射し，散乱される電子のエネルギー分析を行うと弾性散乱ピークの低エネルギー側に，表面振動過程の励起によってエネルギーを失った電子による損失
ピークが観測される．表面振動励起による非弾性散乱過程には，双極子散乱，衝突散乱および共鳴散乱がある．その特 徴 は☆表面吸着種，吸着位置・構造，吸着子間相互作用，反応中間体および反応経路に関する情報が得られる．

29

☆赤外吸収，ラマン散乱などの他の振動分光学的手法よりも高い表面感度（単分子層の 0.1%検出可能）を持っている．
☆原則として，すべての振動モードの測定が可能である．
☆双極子散乱，衝突散乱の選択則を用いて，表面吸着種の対称性に関する情報が得られる．
☆入射電子は低速で小電流(＜10-9A)のため，電子照射による表面の損傷は極めて少ない．
CCD：電荷結合素子(Charge Coupled Device)の略．CCD は MOS 構造半導体の一種で，シリコン基板表面の酸化膜上に多数の電極を設け，各電極に隣同士で異なる電圧を与えることによりポテンシャルウェル
を作り出し，これを利用して電荷を保持できるようにしている．

問 ４ ７ 	  次の文章中の（a）~（e）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
	  表面における赤外領域の吸収を高感度に測定するためには，感度よく測定できる配置を選ぶ必要がある．金属表面の（	  a	  ）を用いる高感度反射法では，金属の屈折率と表面膜の屈折率を考慮して高感度な角度を選択する．この時反射率は偏光方向によって大きく変化し，表面の法線ベクトルと入射ベクトルのなす平面に対して偏光方向が（	  b	  ）な（	
  c	  ）偏光で励起すると感度が良く，それに垂直な偏光では表面はほとんど観測されない．この差を利用して両偏光の反射率の差から表面の寄与を見積もることができる．一方で，全反射分光法では誘電体と真空境界の全反射を利用している．（	  d	  ）の多重反射を利用して強度を稼ぐこともでき，赤外領域で透明な（	  e	  ）などが良く用いられる．
1. (a) 外部反射，	
  (b) 平行，	  	  (c) p，	  (d) プリズム，	  	  (e) Si
2. (a) 内部反射，	
  (b) 平行，	  	  (c) s，	  (d) プリズム，	  	  (e) グラファイト
3. (a) 内部反射，	
  (b) 垂直，	  	  (c) p，	  (d) プリズム，	  	  (e) SiO2
4. (a) 外部反射，	
  (b) 垂直，	  	  (c) s，	  (d) ミラー対，	  	  (e) Si
5. (a) 弾性散乱，	
  (b) 平行，	  	  (c) p，	  (d) ミラー対，	  	  (e) Ag解 説 ：（技術４７）	
 

解答	
  1	
  	
 

（分析法各論１００）（基礎 14 の解説の一部を引用）
赤外反射法は，金属，半導体などの鏡面上に吸着した化学種の振動のうち，表面に垂直な振動成分が赤外光と強く相互作用（表面選択律）し，高感度でスペクトルを得る．
全反射吸収スペクトル法は，赤外線がプリズム内を全反射する際にプリズムの外側にわずかにしみだ
す光を利用する．入射角やプリズムの屈折率を変えることにより，薄膜などの深さ方向の分析もできる．
プリズムには赤外光が透過する Si を用いることが多い．

30

問 ４ ８ 	
  次の文章中の（a）~（e）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
	  マイケルソン干渉計を用いて，全光の強度の干渉を測定し，二つの光路の光路差をスキャンすること
で（	  a	  ）を得，それを（	  b	  ）することによりスペクトルを得る手法は市販の赤外分光計で良く用いられる．この手法はスキャンする（	  c	  ）取れば高分解能でスペクトルを検出することができ，また，高次の回折効果を考える必要がないので，（	  d	  ）スペクトルの測定を行う際に有利である．また，同様の手法を（	  e	  ）に応用することも可能である．
1. (a) インターフェログラム，(b) フーリエ変換，(c) 距離を長く，(d) 広帯域，	  (e) ラマン散乱
2. (a) 電場波形，	
  	
  	
  	
  	
  (b) フーリエ変換，(c) 間隔を細かく，(d) 低周波数，(e) 光電子分光
3. (a) インターフェログラム，(b) ラプラス変換，(c) 間隔を細かく，(d) 広帯域，(e) ラマン散乱
4. (a) 電場波形，	
  	
  	
  	
  (b) ルジャンドル変換，(c) 距離を長く，(d) 低周波数，(e) 光電子分光
5. (a) インターフェログラム，(b) フーリエ変換，(c) 間隔を細かく，(d) 広帯域，(e) ラマン散乱	 解 説 ：（技術４８）	
 

解答	
  1	
  	
 

（分析法各論１０１）

分析法各論１０１の解説を引用．
	  赤外（Infrared, IR）吸収分光法では，赤外線を試料に照射し，透過または反射された強度の周波数依存性を測定して吸収スペクトル（IR スペクトル）を得る．用いる赤外線の波長領域は通常 2.5〜25µm（波数 4000〜400cm-1）である．この領域の光を物質に照射すると，特定の分子や化学結合の固有振動数と同じ周波数の IR が強く吸収されるため，分子の同定や構造の情報を得ることができる．横軸に光の波長や波数，縦軸に透過率（%T），反射率（%R）または吸光度（Abs）などにしたものが IR スペク
トルである．赤外吸収が起こるためには分子振動による双極子モーメントの変化が必要であり，例えば
酸素分子（O2）は等核二原子分子であるため分子振動による双極子モーメントの変化は生じないので，
赤外吸収は起きない（このような分子はラマン分光法で測定可能）．これに対して一酸化炭素分子（CO）
や二酸化炭素分子（CO2）では分子振動による双極子モーメントの変化が生じるため吸収ピークが観測される．
赤外吸収分光装置は，分散型分光光度計とフーリエ変換型分光光度計(FTIR)の 2 種類に大別される．
分散型は，試料を透過した後の光を回折格子により分散させ，各波長の強度を順次検出器で検出する．
	
  FTIR では，連続スペクトルを持つ赤外光源からの光をマイケルソン干渉計に入れ，移動鏡を動かすことによって生じる光路差が波長によって異なるので，移動鏡の位置により異なる光の干渉波が得られる．移動鏡の各位置における干渉波の信号強度分布（インターフェログラムと呼ぶ）を測定し，それをフーリエ変換することで，各波数成分の光の強度分布，つまり通常のスペクトルに分離できる．この計算はコンピュータで高速に処理できる．つまり，分散型分光光度計の回折格子の代わりに，干渉波を計
算で分光し，IR スペクトルを測定する装置が FTIR である．その干渉波を試料に照射し，透過した光のインターフェログラムから試料の吸収スペクトルが得られる．通常，IR スペクトルは，試料が無い場
合のスペクトル（バックグランドスペクトル）と試料がある場合のスペクトル（サンプルスペクトル）の比によって縦軸を透過率として表わす．
	
  FTIR は分散型と比較した場合に以下の利点をもつ．①多波長同時検出のため短時間で IR スペクトル31

が測定可能．②スリットを使っていないので明るく，結果として高 S/N の IR スペクトルが得られる．
③He-Ne レーザーなどを利用して鏡の位置を正確にモニターするため波数精度が高い．また，移動鏡の移動距離を長くすればフーリエ変換による波数精度が上がる．
・ マ イ ケ ル ソ ン 干 渉 計 ；アルバート・マイケルソンが発明した最も一般的な干渉法用光学機器である．
光のビ‐ムを 2 つの経路に分割し，反射させて再び合流させることで干渉縞を生み出す．2 つの経路の長さを変えたり，経路上の物質を変えたりすることで様々な干渉縞を検出器上に生成することができる．
・ イ ン タ ー フ ェ ロ グ ラ ム ；広い波長分布（あるいは周波数分布）をもつ光源から出る複数の光束が干渉計という分光器を経て一括干渉された合成波形のこと．インターフェログラムをフーリエ変換することにより各周波数成分に分解することができる．
・ フ ー リ エ 変 換 分 光 光 度 計 ；赤外吸収分光装置は分散型分光光度計とフーリエ変換型分光光度計の 2種類に大別される．分散型分光計ではダブルビームとすることによってスペクトル測定時の二酸化炭素
や水蒸気などの測定環境の変動を補償することは可能であるが，シングルビーム方式フーリエ変換赤外分光計では測定環境の変化を十分に補償できず，二酸化炭素や水の赤外吸収がバックグラウンド信号として現れることもある．しかし，材料の表面分析などでは明るい光学系をもつフーリエ変換赤外分光計が有利である．

問 ４ ９ 	  次の文章中の（a）~（e）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
	  ラマン散乱分光はフォノンによるレーザー光の散乱スペクトルを測定するものであり，レーザーと同じ周波数を持った（	  a	  ）散乱光からフォノンの周波数分だけずれた波長の光を検出する．励起レーザ
ーは（	
  b	
  ）や（	
  c	  ），分光器などを用いてカットされ，周波数シフトした光だけが検出される．元のレーザーよりも（	  d	  ）周波数の散乱光をアンチストークス光，（	  e	  ）周波数の散乱光をストーク
ス光という．
1. (a) レイリー，(b) スーパーノッチフィルター，(c) エッジフィルター，(d) 高い，(e) 低い
2. (a) レイリー，(b) スーパーノッチフィルター，(c) 偏光フィルター，(d) 高い，(e) 低い
3. (a) レイリー，(b) バンドパスフィルター，	
  (c) 偏光フィルター，	
  (d) 低い，(e) 高い
4. (a) ブリルアン，(b) バンドパスフィルター，(c) エッジフィルター，(d) 低い，(e) 高い
5. (a) ブリルアン，(b) コールドフィルター，	
  (c) 偏光フィルター，	
  (d) 高い，(e) 低い

解 説 ：（技術４９）	
 

解答	
  1	
  	
 

（分析法各論１０２）

分析法各論１０２の解説を引用．	
 ・ス ト ー ク ス 光 ，ア ン チ ス ト ー ク ス 光：入射光と同じエネルギーで散乱するのをレイリー散乱と呼び，入射光と異なるエネルギーで散乱するのをラマン散乱という．ラマン散乱の中で，散乱光のエネルギ
ーが低い光をストークス光とよび，散乱光のエネルギーが高い光をアンチストークス光と呼ぶ．
・ レ イ リ ー 散 乱 ；波長に比べて十分小さい微粒子による光の散乱で，波長の変化が生じないもの．
・ノ ッ チ フ ィ ル タ ー：決まった周波数のみをカットするフィルターで，レイリー散乱を除去することに
使われる．

32

・コ ー ル ド フ ィ ル タ ー：防熱のためのフィルターで，キセノンランプ，水銀ランプ，ハロゲンランプな
どの高温発熱体の光源を使用するときに用いられる．
・ バ ン ド パ ス フ ィ ル タ ー ：誘電体多層膜により特定の波長の光を透過する機能を有する．一例として
太陽光に含まれる Hα 線のみを透過する Hα フルター等がある．
・ エ ッ ジ フ ィ ル タ ー ：ある周波数以上の光をカットする．
・偏 光 フ ィ ル タ ー：細長い分子や結晶などが向きを揃えて配列させ，その方向に沿った振動成分のみを透過する性質を有する．

問 ５ ０ 	  下記のうち真空・減圧を利用しないものはどれか．適切な語句だけをすべて含む組合せを下の1~5 より選びなさい．
(a) 真空包装，	  	 (b) 吸盤，	  	  	 (c) 真空蒸発， (d) 真空蒸留，(e) フリーズドライ，(f) ドライクリーニング，	
  	
  	
  	
  (g) 真空パック，(h) ブラウン管，	  	  (i) 真空蒸着，	  	
  (j) 真空成膜， (k) 蛍光灯

1. (f)，	
  2. (b)，	
  3. (b) (c)，	
  4. (b) (c) (f)，	
  5. (b) (c) (f) (g)解 説 ：（技術５０）	
 

解答	
  1	
 

準備中

問 ５ １ 	  真空の領域とその応用分野に関して，適切な記述だけをすべて含む組合せを下の１〜5 の番号で答えなさい．
(a) 低真空（大気圧〜100 Pa）	  ‐	
  圧力差利用（真空包装・掃除機）(b) 中真空（100 Pa〜0.1 Pa） 	
  ‐	
  電子源，イオン源(c) 高真空（0.1 Pa〜10‐5 Pa）	  ‐	
  ネオン管(d) 超高真空（10-5 Pa〜10-9 Pa）‐	
  光電子分光(e) 極高真空（10-9 Pa 以下） 	
  ‐	  スペースチャンバー（地上の宇宙実験施設）

1. (a) (b) (c) (d) (e)， 2. (a) (c) (d) (e)， 3. (a) (b) (d) (e)，	 解 説 ：（技術５１）	
 

解答	
  5	
 

準備中

33

4. (a) (d) (e)，5. (a) (d)問 ５ ２ 	  大気圧から減圧してゆく過程で現れる現象に関して，適切な記述だけをすべて含む組合せを下の１〜5 の番号で答えなさい．
(a) 水の沸点が低下する(b) 空気圧が減少する(c) 真空容器内外に圧力差が生じる(d) 音が聞こえなくなる(e) 断熱効果がある(f) 真空紫外線が透過できる(g) 高電圧でも常に電気を絶縁できる
1. (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)，	
  2. (a) (c) (d) (e) (f) (g)，	
  3. (a) (b) (c) (d) (f) (g)，4. (a) (b) (c) (d) (e) (f)，	
 解 説 ：（技術５２）	
 	
  5. (a) (b) (c) (d)

解答	
  1	
 

準備中

問 ５ ３ 	  熱平衡状態にある真空容器内の気体分子の状態を述べている次の記述のうち適切なものだけをすべて含む組合せを下の１〜5 の番号で答えなさい．
(a) 分子同士あるいは分子と真空容器壁面の衝突を無数に繰り返している．
(b) 気体は分子の集まりで 0℃，1 気圧の気体 1 モルは，いかなる種類のものでも 22.4l の体積を占め，アボガドロ数 6.02×1023 個の分子から成り立っている．
(c) 真空容器内の気体分子は速度分布を持って運動している．
(d) 真空容器内のすべての気体分子の速さは等しい．

1. (a) (b) (c) (d)，2. (b) (c) (d)，3. (a) (c) (d)，4. (a) (b) (d)，5. (a) (b) (c)

解 説 ：（技術５３）	
 

解答	
  5	
 

準備中

問 ５ ４ 	  気体の圧力とは，どういうことか．次の文章のうち適切なものだけをすべて含む組合せを下の１〜5 の番号で答えなさい．
(a) 圧力は，気体分子から器壁が受ける単位面積あたりの力の垂直成分の時間平均．
(b) 大気の押す力の大きさは，1 m2 当たり 100,000 N もある．
(c) 圧力は，壁面に入射して跳ね返る気体分子が単位時間に壁面に与える単位面積あたりの力積である．
(d) 圧力は，壁に衝突する気体分子の数に比例する．
(e) 圧力は，国際単位として，Pa，N/ｍ2，Torr のすべてが採用されている．

34

1. (a) (b) (c) (d) (e)，2. (a) (c) (d) (e)，3. (a) (b) (d) (e)，4. (a) (b) (c) (e)，5. (a) (b) (c) (d)

解答	
  5

解 説 ：（技術５４）

圧 力 の 定 義 ：気体の圧力とは，巨視的には気体が壁面の単位面積あたりに及ぼす力の垂直成分の時間平均であるが，微視的には壁面の単位面積あたりに入射する気体分子が壁面に単位時間あたりに与える力積である．したがって圧力は壁に衝突する気体分子数に比例する．
圧 力 の 単 位 系（SI 国際単位）：圧力の国際単位は Pa（パスカル）であり，その次元は N/m2 である．こ
こで N（ニュートン）は力の単位（kg・m/s2）である．従来は圧力の単位として Torr（トリチェリ）が用いられていた．（現在でも慣用的に用いることはあるが，国際単位系の単位としては採用されていない．）この単位は，1 気圧のもとで水銀柱を 760 mm 押し上げることが出来るので，1 気圧 = 760 mmHg
= 760 Torr となっている．さらに，1 N（ニュートン）= 1kg

1 m/s2 = 1/9.807 kg 重 = 0.1 kg 重 なので，

1 気圧= 101.3 kPa では 1 m2 当り約 104 kg 重= 10 ton 重の力が加わっていることを表している．

問 ５ ５ 	  超高真空を達成し，維持するのにベーキングは不可欠である．ベーキングの目的として適切な記述だけをすべて含む組合せを下の１〜5 の番号で答えなさい．
(a) 質の良い真空の実現(b) 到達圧力の改善(c) 漏れ探し(d) 蒸着に十分な平均自由行程の確保(e) 真空容器内壁の吸着分子の数を減少
1. (a) (b) (c) (d)，	
  2. (a) (c) (d) (e)，	
  3. (a) (b) (d)，	
  4. (a) (b) (c) (e)，	
  5. (a) (b) (e)解 説 ：（技術５５）	
 

解答	
  5	
 

準備中

問 ５ ６ 	  表面分析装置の排気系のうち適切な記述はどれか．適切なものをすべて含む組合せを下の１〜5の番号で答えなさい．
(a) 補助ポンプとして RP（ﾛｰﾀﾘｰﾎﾟﾝﾌﾟ）と TMP（ﾀｰﾎﾞ分子ポンプ）を組み合わせ，主排気用ポンプ系としてイオンポンプと Ti ゲッタポンプとを組み合わせる．
(b) 補助ポンプとしてと RP（ﾛｰﾀﾘｰﾎﾟﾝﾌﾟ）を用い，主排気用ポンプ系として油拡散ポンプや，クライオポンプを使用する．
(c) 補助ポンプとして RP（ﾛｰﾀﾘｰﾎﾟﾝﾌﾟ）を用い，主排気用ポンプ系として TMP（ﾀｰﾎﾞ分子ポンプ）
を組み合わせて用いる．
(d) 補助ポンプとして RP（ﾛｰﾀﾘｰﾎﾟﾝﾌﾟ）と TMP（ﾀｰﾎﾞ分子ポンプ）を組み合わせ，主排気用ポンプ系としてメカニカルブースタポンプを２段直列に組み合わせて用いる．

35

1. (a) (b) (c) (d)，	
  2. (a) (c) (d)，	
  3. (a) (b) (d)，	
  4. (a) (b) (c)，	
  5. (a) (b)

解 説 ：（技術５６）	
 

解答	
  4	
 

準備中

問 ５ ７ 	  次の文章中の（a）~（e）にあてはまる語句として適切な組合せは次のどれか，下の 1~5 の番
号で答えなさい．
走査電子顕微鏡（SEM）の電子源は主に電界放出型，（	  a	  ）型の２種類に分類される．この中で輝度が高い電子源は（	  b	  ）型である．（	  b	  ）型電子源はサーマルタイプと（	  c	  ）タイプに分類され，近年のサーマルタイプではタングステンティップに酸化ジルコニウムを被覆させた（	  d	  ）タイプが主流となっている．
1. (a) 熱電子放出，	  (b) 電界放出，	  (c) コールド，	  	  (d) LaB6
2. (a) 熱電子放出，	  (b) 電界放出，	  (c) ショットキー，(d) コールド
3. (a) 熱電子放出，	  (b) 電界放出，	  (c) コールド，	  	  (d) ショットキー
4. (a) ショットキー，(b) 熱電子放出，(c) コールド，	  	  (d) LaB6
5. (a) ショットキー，(b) 電界放出，	  (c) コールド，	  	  (d) 熱電子放出

解 説 ：（技術５７）	
 

解答	
  3	
  	
 

（分析法各論１０９）

準備中 	
 

問 ５ ８ 	  エネルギー分散型 X 線分光器（EDS）に関する適切な記述の組合せはどれか．下の 1〜5 の番号で答えなさい．
(a) EDS は主に半導体検出器を利用したものである．
(b) 波長分散型 X 線分光器（WDS）に比較してエネルギー分解能が高い．
(c) シリコンリチウム型検出器は冷却不要である．
(d) シリコンドリフト検出器（SDD）はシリコンリチウム検出器に比べて高計数率が特長
である．
(e) EDS は WDS に比較して多数の元素が同時分析できる点が特長である．

1. (a) (b) (c)，解 説 ：（技術５８）	
 

2. (a) (c) (d)，

解答	
  3	
  	
 

3. (a) (d) (e)，4.( a) (b) (d)，5. (a) (c) (e)（分析法各論１１０）（分析法各論 5 の解説の一部を引用）技術 29 の解説を参照．
エ ネ ル ギ ー 分 散 型 X 線 分 光 器 (EDS) ：	  EDS に用いられている X 線検出器は，シリコン単結晶に微量のリチウムをドープした半導体検出器(SSD)である．この検出器は，X 線が入射するとその X 線のエネル

36

ギーに比例した電荷を発生させる．この電荷は電界効果型トランジスター(FET)で蓄積され，電荷量に比
例した波高値をもつパルス電圧に変換される．これをマルチチャンネルアナライザー(MCA)で波高値ごとのパルス数として計測し表示する．これにより横軸に X 線エネルギー，縦軸に X 線フォトン数をとったスペクトルができ，多数の元素を同時に分析することができる．
透 過 電 子 顕 微 鏡 (TEM)に お け る EDS の 定 量 分 析 ：TEM 観察に用いる薄膜試料においては，入射電子の試料中の拡散はバルク試料ほど大きくない．そのため，X 線の吸収や蛍光励起などのいわゆる ZAF 補正を必要としない Cliff-Lorimer 法（薄膜近似法）が提案されている．
シ リ コ ン ド リ フ ト 検 出 器 (SDD)：ベルチェ冷凍機（異なる金属を結合し電圧をかけると，接合点で熱の吸収，放出が起こるベルチェ効果を利用）を用いたシリコン半導体 X 線検出器．液体窒素冷却のシリコ
ンリチウム半導体検出器に劣らないエネルギー分解能を有し，高計数率測定が可能である．

問 ５ ９ 	  次の文章中の（a）~（e）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
走査トンネル顕微鏡（STM）は，先端の鋭い探針と試料の間に流れるトンネル電流が，探針・試料間の距離 r を変えたとき r に対して（	  a	  ）で変化することを利用して，原子レベルの高い空間分解能を得ている．探針・試料間にかけるバイアス電圧を変化させて，電流−電圧曲線（I-V 曲線）を測定することで，試料の局所的な（	  b	  ）を調べることができる．また，（	  c	  ）の過程を用いれば，例えば，探針・試料間に置いた分子の振動モードが計測される．トンネル電流の大きさは，トンネル障壁の高さと幅（探針・試料間の距離）によるので，トンネル電流の距離依存性を調べることで，局所的な（	  d	  ）に関する情報を得ることも可能である．大気中で用いる探針は，PtIr など（	  e	  ）金属を用いる．真空中で用いる探針は，通常，W のワイヤを KOH 等の水溶液中で電解研磨して作製する．
1. (a) 1/r，	
 (b) 凹凸， 	 (c) 弾性トンネル，	  (d) 仕事関数，	
  (e) 酸化しやすい

2. (a) 指数関数，(b) 凹凸， 	 (c) 非弾性トンネル，(d) 状態密度，	
  (e) 酸化しにくい

3. (a) 指数関数，(b) 状態密度，(c) 弾性トンネル，	  (d) 仕事関数，	
  (e) 酸化しやすい
4. (a) 1/r，	  	  	  (b) 仕事関数，(c) 非弾性トンネル，(d) 状態密度，(e) 酸化しにくい

5. (a) 指数関数，(b) 状態密度，(c) 非弾性トンネル，(d) 仕事関数，	
  (e) 酸化しにくい

解 説 ：（技術５９）	
 

解答	
  4	
  	
 

（分析法各

論１１６）
分析法各論 116 の解説を引用． 	
 走査トンネル顕微鏡（STM）では，図１のように原子尺度で先鋭化した探針を試料表面に近づけ，試料と探針間にバイ

図 1.
図 1.

アス電圧 Vt を印加する．試料・探針間の距離を s とすると，流れるトンネル電流 I t は， Vt が大きくないとき( eVt << φ )

(

)

(1)
I t ∝ ρ (E F )⋅ (Vt d )⋅ exp − κ φ ⋅ sと書けるので， s に対して指数関数的に依存する．ここで φ は探t

針と試料の仕事関数( φT と φS )の平均値であり（図２参照）， κ は

37
図 2.

1.0 Å-1eV-1/2 程度の定数である． ρ (E F )はフェルミ準位 E F での試料の状態密度である．トンネル電流 I t を
バイアス電圧 Vt で微分すると， eVt が φ に比べて充分小さくなくとも	
 dI t∝ ρ (E F + eVt )⋅ exp − κ φ ⋅ s
dVt

(

)

(2)	
 

と書け， E F から eVt だけ離れたエネルギー準位での状態密度を求めることができる．
(1) (2)式から，トンネル電流の s 依存性を調べれば，仕事関数の平均値 φ を求めることができる；⎛ d ln	
 I t ⎞	 	   2 ⎛ d ln	  I t ⎞ 2	 ⎟⋅
= 0.00952 ⋅ ⎜φ [eV ] =⎜⎟
8m ⎝ ds ⎠2(3)⎜ ds[Å] ⎟⎝⎠

これまでは弾性トンネル過程のみを考えてきたが，探針と試料表面の間にある分子の振動などがトンネル電子によって励起され，その結果非弾性トンネルが起こる場合がある．特定の振動モードは Vt のある値で励起されはじめ，その結果 I t が急激に変化する．それによってその振動エネルギーを知ることができる．
問 ６ ０ 	  次の文章中の（a）~（e）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
	  実験室系の X 線回折測定では一般に，銅の（	  a	  ）を入射 X 線として利用する．この（	
  a	
  ）は主
に CuKα1 線と CuKα2 線からなり，個々の（	  a	  ）の強度で加重平均された CuK ! 線とも呼ばれる．CuK !
線の波長は（	  b	  ）Å である．高分解能測定においては，完全結晶の回折現象を利用したモノクロメー
タ・コリメータ（単にモノクロメータとも呼ばれる）結晶素子により，（	  c	  ）と（	  d	  ）された X 線
を利用する．この場合には CuKα1 線のみが取り出され，その波長は（	  e	  ）Å である．
1. (a) 特性 X 線，	
  (b) 1.54059，	
  (c) 単色化，	
  (d) 平行化，	  (e) 1.5444
2. (a) 特性 X 線，	
  (b) 1.5418， 	  (c) 単色化，	
  (d) 平行化，(e) 1.54059

3. (a) 白色 X 線，	
  (b) 1.5418， 	  (c) 白色化，	
  (d) 量子化，(e) 1.54059

4. (a) 白色 X 線，	
  (b) 1.56059，	
  (c) 規格化，	
  (d) 量子化，	  (e) 1.54059
5. (a) 特性 X 線，	
  (b) 0.7107， 	  (c) 白色化，	
  (d) 平衡化，	
  (e) 0.7102	
 解 説 ：（技術６０）	
 

解答	
  2	
  	
 

（分析法各論１１７）

	
  実験室で使用される X 線は，Coolidge 管など熱陰極から放出された熱電子を加速して金属ターゲットに衝突させて得られる特性 X 線（Kα線）である．その金属ターゲットは多くの場合銅（Cu）であるが，目的に応じてモリブデン（Mo），鉄（Fe），クロム（Cr）が使用されることがある．銅の Kα線は，2p3/2→1s および 2p1/2→1s の電子遷移に対応してわずかに波長の異なる 2 種類の X 線（Kα1：波長 1.54059 Å，および Kα2：波長 1.5520 Å）を含み，その強度比は 2：1 となっている．Kα1 および Kα2 の波長を分離できないときには，その強度に重み付け平均した波長（1.5444 Å）を用いる．
高分解能測定では，使用する X 線の波長広がりを制限するため完全に近い結晶で作製されたモノクロメ
ータ素子により単色化され，Kα1X 線のみが取り出される．

38

問 ６ １ 	
  透過電子回折で試料から距離 L に置かれた平板スクリーン上で，回折図形を観察する．スクリーン上の中心スポットと回折スポットとの距離を r，その回折スポットに対応する試料結晶の格子面間隔を d，電子線の波長をλとすると r と d の積 r・d として適切な表現はどれか．1~5 の番号で答
えなさい．
1.	
  (λL)1/2	
  	
  2.	
  λL	
  	
  3.	
  λ/L	
  	  4.	
  λ2/L	  	  5.	
  L2/λ解 説 ：（技術６１）	
 

解答	
  2	
 

準備中 	
 

問 ６ ２ 	  真空容器の壁面の単位面積に単位時間当りに入射する気体分子数は	  Γ=p/(2πmkT)1/2 で表される（p は圧力，m は気体分子の質量，k はボルツマン定数 1.38

10-23 J/K，T は絶対温度）．たとえば，

空気の場合，温度 27℃	 p =	 1 Pa のもとではおよそ 1 cm２当り毎秒 3×1018 個の分子が入射する．真空容器壁面に円形開孔があり理想的な真空ポンプが接続されている．理想的な真空ポンプは開孔に入射する気体分子を全て吸い込み，真空容器への気体分子の逆流が無いものである．接続されている理想的な真空ポンプの開孔面積が 80 cm2（直径約 10 cm の開孔）である場合，このポンプの排気速度は次のうちいずれが適切か．1~5 の番号で答えなさい．（アボガドロ数を 6×1023 /mol とする．）
1. 約 9 リットル/秒，	  2. 約 90 リットル/秒，	
  3. 約 45 リットル/秒，
4. 約 450 リットル/秒，5. 約 900 リットル/秒

解 説 ：（技術６２）	
 

解答	
  5	
 

圧力 p のもとで単位面積の真空容器壁に単位時間に入射する分子数は（技術３の解説を参照）
Γ=p/(2πmkT)1/2	
  	 である．容器壁に穴があいていて，面積 dS に入射した分子全てが空間から取り除かれるとする．このようなことは真空ポンプの開口部で生じる．面積 dS に入射した分子が逆流しない（理想的な真空ポンプの）場合，空間から取り除かれる分子数は時間Δt の間に面積 dS に入射する分子数に等しい．単位面積に単位時間に入射する分子数は Γ= (1/4)n<v> = p/(2πmkBT)1/2，	
 これを単位体積当りの分子数 n で割れば，単位
面積-単位時間に取り除かれる気体の体積，ポンプの開口部単位面積あたりの排気速度となる．	
 空気（平均分子量 29）で温度 300 K のとき，理想ポンプの排気速度は	
 Γ/n = <v>/4 = (kBT/2πm)1/2 = 11.6 [l/s/cm2]
である．問題では開口部面積が 80cm2（直径約 10 cm の開孔）であるので，排気速度は
排気速度= 11.6 [l/s/cm2]×80 cm2 = 928[l/s]
となる．

39

問 ６ ３ 	  真空中に残留する気体は理想気体の状態方程 s 式	  p = nkT に従う（p は圧力，n は気体分子数
密度，k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，T は絶対温度）．10-4 Pa のときの気体分子数密度で最も適切なものはどれか．（温度を 27℃とする．）1~5 の番号で答えなさい．
1.	
  1.4×1014 m-3，	
  2.	
  2.4×1016 m-3，	
  3.	
  2.4×1018 m-3，	
 4.	
  7.5×1020 m-3，	
 5.	
  2.4×1022 m-3	 	 解 説 ：（技術６３）	
 

解答	
  2	
 

技術３の解説を参照．
P = nkT = 10-4Pa = n

1.38×10-23 J/K(273+27) K より	
  n = 2,41016 m-3	
  が得られる．

問 ６ ４ 	  超高真空領域の圧力を測定する真空計として不適切な真空計は何か．不適切な真空計だけをすべて含む組合せを下の 1~5 の番号で答えなさい．
(a) マクラウド真空計，	
  (b) 熱電対真空計，	
  (c) ベアード・アルパート真空計，	
 (d) ピラニ真空計，	  	  	
  (e) エクストラクタ真空計	
 1.	
  (a) (c) (d)，	
  2.	
  (a) (c) (e)，	
  3. (a) (b) (d)，	
  4. (a) (b) (c)，	
  5. (c) (d) (e)	 解 説 ：（技術６４）	
 

解答 3	
 

準備中

問 ６ ５ 	  真空中に残留する気体は理想気体の状態方程式	
  p = nkT に従う．ここで p は圧力，n は気体分子数密度，k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，T は絶対温度である．27℃で 100 Pa のときの気体分子数密度として最も適切なものはどれか．1~5 の番号で答えなさい．

1.	
  2.4×1023 m-3， 2.	
  2.7×1021 m-3， 3.	
  2.4×1020 m-3， 4.	
  2.7×1024 m-3， 5.	
  2.4×1022

解 説 ：（技術６５）	
 

解答 5	
 

技術３の解説を参照．
p = 100 Pa として計算する．
p = nkT = 102Pa = n

1.38×10-23J/K(273+27) K より	
  n = 2,41022 m-3	
  が得られる．

問 ６ ６ 	  真空中に残留する気体は理想気体の状態方程式	
  p = nkT に従う．ここで p は圧力，n は気体分子数密度，k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，T は絶対温度である．27℃で 1.0×10-3 Pa のときの気体
分子数密度として最も適切なものはどれか．1~5 の番号で答えなさい．

1.	
  2.7×1020 m-3， 2.	
  2.7×1016 m-3， 3.	
  2.4×1019 m-3， 4.	
  2.4×1017 m-3， 5.	
  2.4×1018 m-3	 40解 説 ：（技術６６）	
 

解答 4	
 

技術問３の解説を参照．P = 10-3 Pa として計算する．
p = nkT = 103Pa = n

1.38×10-23J/K(273+27) K より	
  n = 2,41017 m-3	
  が得られる．

問 ６ ７ 	  真空中に残留する気体は理想気体の状態方程式	
  p = nkT に従う．ここで p は圧力，n は気体分子数密度，k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，T は絶対温度である．27℃で 1.0×10-10 Pa のときの気体
分子数密度として最も適切なものはどれか．1~5 の番号で答えなさい．
1.	
  2.4×1010 m-3， 2.	
  2.7×1012 m-3， 3.	
  2.4×109 m-3， 4.	
  2.4×1011 m-3， 5.	
  2.7×109 m-3

解 説 ：（技術６７）	
 

解答 1	
 

技術問３の解説を参照．p=10-10 Pa として計算する．
p = nkT=10-10Pa = n

1.38×10-23J/K(273+27) K より	
  n = 2,41010 m-3	
  が得られる．

問 ６ ８ 	  気体の中の分子の平均速度は v =(8kT/πm)1/2 で表される．ここで k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，
T は絶対温度，m は分子の質量である．水素分子の平均速度は，温度 27℃で 1800 m/s である．ヘリウ
ムの平均速度として最も近いものは次のどれか．1~5 の番号で答えなさい．
1.	
  1270 m/s， 2.	
  900 m/s， 3.	
  750 m/s， 4.	
  450 m/s， 5.	
  330 m/s

解 説 ：（技術６８）	
 

解答 1	
 

技術５の解説を参照．ヘリウムの原子量を 4 として計算する．
気体の平均速度は vT = (8kBT/πm)1/2 である．
水素分子の分子量は２，ヘリウムの原子量は４であるから，ヘリウムの平均速度は	 	
 v(ヘリウム原子) = 1800m/s×(2/4)-1/2 = 1270 m/s

問 ６ ９ 	  気体の中の分子の平均速度は v = (8kT/πm)1/2 で表される．ここで k はボルツマン定数 1.38×10-23
J/K，T は絶対温度，m は分子の質量である．ヘリウム原子の原子量を 4，アボガドロ数 NA を 6.02×1023/mol として， 27℃でのヘリウム原子の平均速度は次のどれか．1~5 の番号で答えなさい．
1.	
  1800 m/s， 2.	
  1270 m/s， 3.	
  1100 m/s， 4.	
  980 m/s， 5.	
  760 m/s

解 説 ：（技術６９）	
 

解答 2	
 

技術 5 の解説を参照．ヘリウムの原子量を 4 とし，アボガドロ数 NA を用いて計算する．
気体の平均速度は vT = (8kBT/πm)1/2 である．
ヘリウムの原子量は４であるから，ヘリウム原子の質量は m = 0.004 kg/NA，ヘリウムの平均速度は	 	
 v(ヘリウム原子) = (8kBT/πm)1/2 = (8kBTNA/0.004π)1/2 = 1270 m/s

41問 ７ ０ 	  気体中の分子の平均速度は v = (8kT/πm)1/2 で表される．ここで k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，
T は絶対温度，m は分子の質量である．酸素分子の分子量を 32，アボガドロ数 NA を 6.02×1023 /mol
として， 27℃での酸素分子の平均速度に近いものは次のどれか．1~5 の番号で答えなさい．
1.	
  1270 m/s， 2.	
  680 m/s， 3.	
  580 m/s， 4.	
  450 m/s， 5.	
  250 m/s

解 説 ：（技術７０）	
 

解答 4	
 

技術 5 の解説を参照．酸素の分子量を 32，アボガドロ数 NA を用いて計算する．
気体の平均速度は vT = (8kBT/πm)1/2 である．
酸素の分子量は 32 であるから，酸素分子のの質量は m=0.032 kg/NA，酸素分子の平均速度は	
 	
 v(酸素分子) = (8kBT/πm)1/2 = (8kBTNA/0.032π)1/2 = 450 m/s

問 ７ １ 	  真空中で気体分子が真空容器の壁面の単位面積に単位時間当りに衝突する数は	 Γ = p/(2πmkT)1/2	  で表される．ここで k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，T は絶対温度，m は分子の質量である．空気の場合，温度 27℃，圧力 p = 1.0 Pa のもとでは 1 cm２当り毎秒およそ 3×1018 個の分子が衝突する．壁面の原子数密度を 4×1014 個/cm2 として，p = 1×10-4 Pa のもとで単位面積に入射する分子が容器壁面に全て付着する場合（付着確率 = 1 ），壁面の原子数密度と同じになる時間として適切なものを 1~5 の番号で答えなさい．
1. 約 13 秒， 	  2. 約 7 秒， 	  3. 約 1.3 秒， 	  4. 約 0.7 秒，	
 解 説 ：（技術７１）	
 5. 約 0.13 秒

解答 3	
 

真空容器壁面に衝突する分子数については，技術 3 の解説（気体の圧力）を参照．	
 壁面に衝突する分子数は圧力に比例する．圧力 p = 1 Pa のもとで 1 cm２当り毎秒およそ 3×1018 個の分子が衝突するので，圧力 10-4 Pa のもとで単位面積に入射する分子数はn = 3×1018 個/cm2/s×0.0001 Pa = 3×1014 個/cm2/s
付着確率１で壁面に分子が付着して壁面を覆うのに必要な時間は
t = 4×1014 個/cm２÷3×1014 /cm2/s = 1.3 s
問 ７ ２ 	  真空容器の壁面の単位面積に単位時間当りに衝突する気体分子数は	  Γ=p/(2πmkT)1/2	  で表される．ここで k はボルツマン定数 1.38×10-23 J/K，T は絶対温度，m は分子の質量である．温度 27℃，圧力 p = 1×10-6 Pa で窒素ガスが真空容器に閉じ込められているとき，その真空容器の壁 1cm2 に単位時間当りに入射する分子数は次のどれが適切か．1~5 の番号で答えなさい．ただし窒素分子の分子量を28，アボガドロ数を 6.02×1023 /mol とする．
1. 約 3×104 個/秒/cm2， 	  2. 約 3×106 個/秒/cm2， 	
  3. 約 3×108 個/秒/cm2，
4. 約 3×1010 個/秒/cm2，	
  5. 約 3×1012 個/秒/cm2

解 説 ：（技術７２）	
 

解答	
  5	
 

42

真空容器壁面に衝突する分子数については，技術 3 の解説（気体の圧力）を参照．	
 Γ= 10-6 Pa／(2π(0.028kg/mol/6.02

1016 個/秒/m2 = 3=31023/mol)

1.38

10-23J/K(27+273)K)1/2

1012 個/秒/cm2

問 ７ ３ 	  Knudsen cell のような微小な面蒸発源の面法線方向を極軸にとる．極角 θ だけ傾いた方向で，距離 r に設置した基板上での成膜速度を I(θ) [nm/s]とし，この微小な面蒸発源から放出される蒸発分子の放出量の極角 θ 依存性を g(θ)とするとき，適切な記述の組合せを下の 1~5 の中から選びなさい．
(a) θ=0のとき，I(θ)は最大となり，g(θ)は，ゼロとなる．

(b) θ=90から 80(c) θ=0のとき，I(θ)は最大となり，g (θ)も，最大となる．

(d) θ=90のとき，I(θ)，g (θ)とも，θ=0(e) θ＝0°から 10まで変化するとき，I(θ)と g (θ)は，ともに増加する．

のときと等しい．

まで θ が増加するとき，I(θ)は減少し，g (θ)は増加する．

1. (a) (b) (d)，	
  2. (b) (c) (d)，	
  3. (c) (d) (e)，	
  4. (a) (d) (e)，	
  5. (a) (b) (e)解 説 ：（技術７３）	
 

解答	
  5	
 

	
  気体分子等の散乱体のない真空を隔てて，基板が受け取る単位時間当たり蒸発粒子の量：成膜速度 I(θ)
は，基板上から見た，微小な面蒸発源の見込み立体角の大きさに比例する．面蒸発源と基板との距離が同じであれば，この見込み角は，図の極角θに対して，cosθ に比例する．したがって，
	
  	
  	
  	
  I(θ)=A cosθ
一方，微小な面蒸発源から極角 θ の微小幅 dθ に，g(θ)・dθ の依存性をもって蒸発粒子が放出されているとする．いま，図のように，半径 1 の球を考え，この球面上の極角 θ と θ＋dθ の間に相当する球面上の帯状の領域の面積は，2π・sinθ・dθ になる．この単位面積当たりを通り過ぎる単位時間当たりの成膜粒子の量：すなわち成膜速度 I(θ)=Acosθ は，

	
  	
  	
  	
 

g(θ)・dθ＝ Acosθ2π・sinθ・dθと表せる．したがって，
g(θ)=2πA・sinθ・cosθ	
  	
  	
 
と表される．

z

θ
dθ
y

x

φ
43

問 ７ ４ 	  次のスパッタ成膜に関する記述について，適切なものだけをすべて含む組合せを下の 1~5 の中から選びなさい．
(a) 膜中には，しばしばスパッタガスに用いた Ar が取り残されることがある．スパッタガス圧を低めに設定することで，この Ar 量を少なくすることができる．
(b) スパッタガス圧を高くしていくと，膜密度は低下する場合が多い．
(c) 金属ターゲットをスパッタガスに Ar を用いてスパッタし，室温成膜する場合，Mo のほうが，Cr よりも引っ張り応力になりやすい．
(d) ZnO 膜を Ar＋5 %O2 でスパッタ成膜する場合，ターゲット法線方向に基板を置く場合より，ターゲットを斜め横から見込む位置に基板をおくほうが，C 軸配向した膜ができやすい．
(e) 室温成膜した膜に圧縮応力が働いていた場合，スパッタガス圧を高めにすると，応力を緩和できる場合がある．

1. (a) (c) (e)，	
  2. (a) (b) (d)，	
  3. (b) (d) (e)，	
  4. (a) (d) (e)，	
  5. (b) (c) (e)解 説 ：（技術７４）	
 

解答	
 3	
 

	
  スパッタ成膜では，通常，成膜容器に希薄なアルゴンガスを導入し，直流電界または，高周波電界をかけてプラズマ状態をつくり，正イオン化されたアルゴンをカソードに向けて加速し，ターゲットに衝突させることによって，ターゲット原子を跳ね飛ばし真空中に飛散させる．この真空中に飛散したター
ゲット原子が，基板に到達して堆積し，薄膜成長が起きる．
	  このとき，雰囲気にあるアルゴン分子（原子）は，常に基板上に物理吸着しては，再蒸発を繰り返している．この頻度は，雰囲気アルゴンガス圧が高くなるほど，増加する．しかし，ターゲット原子が飛来して，基板上に堆積するとき，これらの物理吸着したアルゴン分子は跳ね飛ばされて再蒸発し，薄膜中に取り込まれる確率は少ない．一方，ターゲットに衝突した Ar イオンは，その運動エネルギーを，飛散するターゲット原子に受け渡す形で，減速するが，一部はこの過程が起こらず，衝突時にターゲット
から電子を受け取って中性化すると同時に弾性散乱によって，ターゲットから散乱される．散乱される
方向は，ターゲットの接戦方向に近い方向が最大となるが，ターゲット法線方向，言わば正反射方向にもかなりのアルゴン分子（原子）が散乱（反射）される．この中性のアルゴン粒子は，弾性散乱のため，ターゲットに向けて加速されていたイオンの時と同オーダーの運動エネルギーを持っているため，成膜中の堆積膜に到達すると，高い確率で，内部にめり込み，薄膜の成長とともに膜中に取り込まれていく．
(a) スパッタガスとしてのアルゴンガス分子（原子）は，上記の高い運動エネルギーを得たまま基板に向かう中性の高速アルゴン原子と同じ質量をもっているので，高速アルゴン原子と衝突すると，高い確率で，高速アルゴン原子を減速し，膜中に取り込まれるのを防ぐ．したがって，スパッタガス圧が増加す
ると，膜中に取り込まれるアルゴン原子の量が少なくなる．
(b) アルゴンガス分子（原子）は，通常用いられる薄膜材料元素のなかでは，中程度の原子量 40 をもつ
ので，通常のスパッタ粒子（＝成膜粒子）を効率よく散乱する．したがって，スパッタガス圧が高くなると，この散乱が頻繁に起こるようになり，基板から見て，ターゲットから直接飛び込んでくるスパッ44

タ粒子に比べ，散乱を繰り返して斜めに飛び込んでくる粒子の割合が増える．斜めに堆積する粒子が多くなると，既に堆積している堆積粒子のつくる島の反対側は，遮蔽されるため，堆積されない領域ができる（自己遮蔽効果）．これが繰り返されると，膜密度が低下する場合が多い．
(c) 高い運動エネルギーをもったアルゴン原子が，成長中の堆積膜に衝突すると，堆積膜を踏み固めて密度を上げる効果がある．また，膜中に取り込まれたアルゴン原子は凝集し，本来の堆積膜の結晶格子を拡張したり，微細な気泡となって堆積膜を押し拡げようとするため，膜中に圧縮応力が発生しやすい．
高い運動エネルギーをもったアルゴン原子は，ターゲットで中性化と同時に弾性散乱されて発生するが，その量はアルゴン原子の質量数より大きい質量数をもつターゲット元素の場合ほど，多くなる．Mo はCr より，質量数が大きいので，圧縮応力によりなりやすい．
(d) ZnO をスパッタする場合，スパッタ粒子のうち，O は負イオンになりやすい．すると正イオンである
アルゴンイオンが加速されたのと逆方向に加速される．通常は，これはターゲット面法線方向である．
もし，ターゲット法線方向に基板を置いている場合，堆積する ZnO 膜の C 軸配向性は，この高速 O 負イオンによって破壊される．したがって，この高速 O 負イオンの飛来しないターゲットを斜めに見込む
位置に基板を置くほうが，C 軸配向膜ができやすい．
(e) ターゲットにおける弾性散乱された高速アルゴン原子の飛来により堆積膜が圧縮応力となる場合には，スパッタガスのアルゴンガス圧を高くすると，高速アルゴン原子との衝突が頻繁に起こり，効率よく減速されるので，膜は圧縮応力から引っ張り応力に転換する．この転換点のアルゴンガス圧は，装置
形状や，ターゲット元素の原子量によって異なる．ターゲット元素の原子量が小さいと，低いアルゴン
ガス圧で転換が起こる．

問 ７ ５ 	  次のスパッタ成膜に関する記述について，適切なものだけをすべて含む組合せを下の 1~5 の中から選びなさい．
(a) スパッタ粒子がターゲットから放出されたときの運動エネルギー分布は，1~数 eV 付近にピー
クをもつ．
(b) マグネトロンスパッタ法では，スパッタカソード内に設置した磁石による磁場と，カソード電圧のつくる電界とで，プラズマを発生させるので，鉄などの強磁性体のターゲットをスパッタすることはできない(c) スパッタガス圧を上げると，成膜速度は増加するが，スパッタガス圧が一定値を超えると，減少に転ずる．
(d) パルスレーザーデポジション法では，成膜粒子の運動エネルギーは，100 meV 以下である．
(e) 酸化物や，窒化物などを，反応性スパッタ法で成膜する場合，投入電力，基板温度，スパッタ
ガス圧等の成膜条件を設定すれば，成膜速度もほぼ決まる．

1. (a) (e)，	  	
  2. (a) (b)，	
  	
  3. (c) (d)，	
  4. (a) (c)，	
  5. (b) (e)

	
 

45

解 説 ：（技術７５）	
 

解答	
  4	
 

準備中

問 ７ ６ 膜の結晶性に関する次の記述のうち，適切なものだけをすべて含む組合せを下の１〜5 の中から選びなさい．
(a) 膜の結晶性を高めるためには，基板温度は蒸着物質の融点以上に設定する必要がある．
(b) 膜の結晶性を高めるための基板温度は，蒸着物質の融点の絶対温度の 1/2〜1/3 程度でよい．
(c) 単結晶膜の成長には，蒸着粒子の堆積速度が，再蒸発速度に近いと良い．
(d) 成膜速度が速いほうが，膜に欠陥が入りにくく，膜質が向上する．
(e) 一般にイオンシャワーを照射しながら成膜すると，結晶性が向上する．

1. (b) (c) (e)，	
  2. (a) (c) (d)，	
  3. (b) (d) (e)，	
  4. (a) (c) (e)，	
  5. (a) (b) (c)

解 説 ：（技術７６）	
 

解答	
  1	
 

準備中

問 ７ ７ 	  次の文章中の（a）~（e）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．
X 線発生装置である（	  a	  ）では，数 10 keV に加速された（	  b	  ）をターゲット金属に照射して X
線を発生させている．放射された X 線のスペクトルをみると，広域の波長範囲に分布する（	
  c	
  ）と，
特定の波長に極めて強い強度をもつ（	  d	  ）がある．
（	  c	  ）は，電子が物質によって制動を受けることによって発生するものである．（	  d	  ）は，（	  e	  ）の電子が励起されてできた正孔に上の準位から電子が落ち込むことによって，その２つの準位間のエネルギー差を持つ X 線として放出されたものである．
1. (a) X 線管，	  	  	
  (b) 電子，	  (c) 連続 X 線，	
  (d) 特性 X 線，(e) 内殻準位
2. (a) X 線管，	  	  	
  (b) イオン， (c) 白色 X 線，	
  (d) 単色 X 線，(e) 最外殻
3. (a) シンクロトン，(b) 電子，	  (c) 背景輻射，	  (d) 輝線，	  	 (e) 価電子帯

4. (a) シンクロトン，(b) 陽子，	  (c) 白色 X 線，	
  (d) 特性 X 線，(e) 最内殻
5. (a) クーリッジ管，(b) 電子，	  (c) 制動放射，	  (d) 単色 X 線，(e) K 殻

解 説 ：（技術７７）	
 

解答	
  1	
 

（技術 60 の解説を引用）実験室で使用される X 線は，Coolidge 管など熱陰極から放出された熱電子を加速して金属ターゲットに衝突させて得られる連続 X 線と特定の波長を持つ特性 X 線（Kα線）である．
連続 X 線は，主として入射電子の減速が原因である制動放射によって発生する．特性 X 線はターゲット
中の金属原子の内殻電子が入射電子により励起または外部に放出され，生じた内殻（多くの場合 K 殻）の正孔状態にエネルギーの高い外殻（多くの場合 L 殻，M 殻）電子が遷移して余分のエネルギーを X 線として放出するので，放出される特性 X 線の波長（エネルギー）はターゲットを構成する原子に特有で46

ある．その金属ターゲットは多くの場合銅（Cu）であるが，目的に応じてモリブデン（Mo），鉄（Fe），
クロム（Cr）が使用されることがある．銅の Kα線は，2p3/2→1s および 2p1/2→1s の電子遷移に対応する
わずかに波長の異なるに種類の X 線（Kα1：波長 1.54059 Å，および Kα2：波長 1.5520 Å）を含み，その強度比は 2：1 となっている．Kα1 および Kα2 の波長を分離できないときには，その強度に重み付けした波長（1.5444Å）を用いる．また連続 X 線を利用するためにはタングステン（W）ターゲットを使用する．
高分解能測定では，使用する X 線の波長広がりを制限するため完全に近い結晶で作製されたモノクロメ
ータ素子により単色化され，Kα1X 線のみが取り出される．
問 ７ ８ 	  次の文章中の（a）~（f）に入れる語句として適切な組合せを下の 1~5 から選びなさい．	
 	
  電子線の干渉性，つまり波としての品質は，（	  a	  ）で表される．それには，波連が進行方向にどれだけ長く続いているかを表す縦（	  a	  ）と，波面の横方向の広がりを表す横（	  a	  ）の２つがある．
縦（	  a	  ）は，電子線の（	  b	  ）によって決まる．エネルギーの揃った電子線ほど一定波長の電子波になるので，縦（	  a	  ）は長くなる．横（	  a	  ）は，電子源の（	  c	  ）によって決まる．電子源の（	  c	  ）が小さく点源に近いほど横（	  a	  ）は長くなる．横（	  a	  ）は，電子顕微鏡や電子回折において，
（	
  d	
  ）
や原子位置の解像度に影響する．
（	  e	  ）電子銃からの電子線は，（	  f	  ）電子線に比べて両方の（	
  a	
  ）
が長い．
1.(a) コヒーレンス長，(b) 単色性，(c) サイズ，(d) 空間分解能，(e) 電界放射，(f) 熱電子放射
2. (a) 干渉距離，	  	  (b) エネルギー，(c) 振動，(d) 波数分解能，(e) 市販，	  	
  (f) 自作
3. (a) デバイ長，	  	  (b) 干渉性，	
  (c) 大きさ，(d) 空間分解能，(e) 電界放射，(f) 熱電子放射
4. (a) 遮蔽長，	  	  	
  (b) 干渉性，	
  (c) サイズ，(d) 波長分解能，(e) 熱電子放射，(f) 電界放射
5. (a) コヒーレンス長，(b) 干渉性，(c) サイズ，(d) 波長分解能，(e) 熱電子放射，(f) 電界放射

解 説 ：（技術７８）	
 

解答	
  1	
 

準備中

問 ７ ９ 	  走査トンネル顕微鏡法(STM)に関する文章中の（a）~（d）に入れる語句として適切な組合せ
はどれか，下の１~5 の番号で答えなさい．
	  1/f 雑音成分は，多くの場合，測定したい信号と同じ（	  a	  ）領域に現れてしまうため，この雑音をローパスフィルターで取り除くことは難しい．また，STM 測定でしばしば問題になる，除振台を通過してくる機械的な振動による（	  b	  ）雑音成分も同様である．このような雑音の影響を低減するには，ロックインアンプを用いた変調測定が有用である．しかし，ロックイン計測は，信号形状が走査方向に非対称に歪んでしまう問題を避けることができない．矩形波的な信号がオンラインのローパスフィルターに入力されると，フィルターは信号の急激な変化を（	  c	  ）ことで高周波成分を除くため，観測される信号，即ち STM 像は必ず時刻の（	  d	  ）側へずれて歪んでしまう．このずれは，オンラインのフィルタ
ーでは信号が次にどのように変化するかを前もって知ることが出来ないことに由来しており，因果的フィルターと呼ばれる．

47

1. (a) 低周波数，(b) 低周波，(c) 遅らせる，(d) 遅い
2. (a) 高周波数，(b) 高周波，(c) 遅らせる，(d) 遅い
3. (a) 低周波数，(b) 低周波，(c) 早める，	  (d) 早い
4. (a) 高周波数，(b) 高周波，(c) 早める，	  (d) 早い
5. (a) 低周波数，(b) 低周波，(c) 早める，	  (d) 遅い

解 説 ：（技術７９）	
 

解答	
  1	
 

準備中

問 ８ ０ 	  走査プローブ顕微鏡法(SPM)に関する文章の（a）~（e）に入れる語句として適切な組合せはど
れか，下の１~5 の番号で答えなさい．
	  一般的な SPM 装置において，探針位置はピエゾ素子に印加する電圧に（	  a	  ）して変化すると仮定されている．しかし，実際には，ピエゾ素子の x y z の３軸にはクロストーク（相互干渉）が存在し，動作特性は（	  b	  ）で，ヒステリシス（履歴特性）を持ち，これらが測定に悪影響を与える．チューブ型のピエゾ素子では，例えば左側面が収縮し右側面が伸張することによって探針先端が中心から左方向に動かされる．このクロストークを考慮せず測定を行った場合，平らな試料を測定した画像は，ピエゾ素子の可動範囲の中心から周辺に向かって，徐々に（	  c	  ）なるように観測される．また，ピエゾ素子の動作特性は，一般に，（	  d	  ）電圧側で近似的に線形と見なせるが，（	  e	  ）電圧側では伸張量に飽和傾向が見られ，さらに時間的にも変化する．従って，SPM により正しい画像を得るにはこうしたピエゾ素子の特性をあらかじめ調べておくことが大切である．
1. (a) 反比例，(b) 非線形，(c) 高く，(d) 高，(e) 低
2. (a) 反比例，(b) 線形，(c) 高く，(d) 低，(e) 高

3. (a) 比例，(b) 線形，(c) 低く，(d) 低，(e) 高

4. (a) 比例，(b) 非線形，(c) 低く，(d) 低，(e) 高

5. (a) 比例，(b) 線形，解 説 ：（技術８０）	
 (c) 高く，(d) 低，(e) 高

解答	
 4	
 

準備中

問 ８ １ 	  物理蒸着成膜法(PVD)と化学気相成長法（CVD）に関する以下の記述のうち，適切な記述だけをすべて含む組合せを下の 1~5 の番号で答えなさい．
(a) PVD 法は，原子，分子，イオンが直進し，基板に衝突して付着するので被覆性が優れている．
(b) PVD 法は，原子，分子，イオンが直進し，基板に衝突して付着するので付着性が優れている．
(c) PVD 法は，物理的な作用のみで原料を輸送するので，不純物が少ない．
(d) CVD 法は，ガス状の分子が漂いながら付着するので，付着性が優れている．
(e) CVD 法は，化学反応を用いて，原料を基板に供給するので，不純物が多い．

48

1. (a) (b) (e)，2. (a) (c) (d)，解 説 ：（技術８１）	
 

解答	
 4	
 

3. (b) (c) (d)，

準備中

49

4. (b) (c) (e)，5. (b) (d) (e)