難である．多元素が同時に測定可能で，さらに深さ分解能に

.

は じ

め

に

優れた測定法として飛行時間測定(TOF)ERDA 法がある．
TOFERDA 法では水素から酸素程度までの軽元素を同位体

イオンビーム分析法は，運動エネルギーが数 MeV 程度のレベルで分離して，10 nm より優れた深さ分解能で測定する

イオンビームを用いて元素分析や元素の深さ分布測定を行うことが可能である．本解説では，軽元素の表面分析，深さ分手法で，ラザフォード後方散乱(RBS: Rutherford Backscat-

布測定に威力を発揮する TOF ERDA 法の原理と測定方法

tering Spectroscopy )法，反跳弾性粒子検出( ERDA: Elasticについて概説し，我々が開発している測定系について紹介すRecoil Detection Analysis ) 法 ， 粒 子 励 起 X 線 分 析 ( PIXE:

る．

Particle Induced Xray Emission)法，核反応(NRA: Nuclear

. ERDA 法と TOFERDA 法Reaction Analysis)法などが代表的なものである．イオンビーム分析法の特徴としては，
基礎となる物理量(断面積，阻止能)が詳細に調べられてい

ERDA 法はイオンビーム分析法の一つで，イオンビーム

るために，定量性に優れた測定が可能

が試料内原子によって弾性散乱される際に反跳される粒子を

測定結果がマトリックスの影響を受けない検出する(3)(4)．軽元素の測定に適しており，特に水素の分析

非破壊で分析可能に幅広く用いられている．以下に ERDA 法の原理についてといった点が挙げられる．測定は一般的には真空中で行う

簡単に説明する(1)(2)．

が，大気中で行うことも可能である．このような特徴からイ

入射イオンと試料内原子の弾性散乱において，反跳角を q

オンビーム分析法の分析対象は幅広く，金属，半導体といっとすると反跳粒子は q  90 °に放出される．このため反跳粒た固体材料から生物・生体，考古学資料と非常に多岐にわた子の検出はビーム軸に対して前方で行う必要がある．一般的っている(1)(2)．

な ERDA 分析では，試料に対して浅い角度でイオンビーム

近年，エネルギー・環境問題への関心の高まりから，水素を入射し，前方に反跳されて同じ試料面から出てくる粒子を吸蔵合金，リチウムイオン電池，燃料電池等の研究・開発が検出する(図)．入射エネルギー E0，質量 Mp の粒子が質量盛んになってきている．このような材料では水素を含む軽元素が重要な役割を果たす．加えて，ナノテクノロジーに代表される材料の微細化によって，表面・界面を対象とする研究がその重要性を増している．軽元素の表面分析が可能なイオ
ンビーム分析法としては ERDA 法が代表的である．しかし，コンベンショナルな ERDA 法(ストッパーフォイル法)
では通常，測定可能な元素が一種類に限定され，さらに，深さ分解能が 50 nm 程度であるため，表面の微細な測定は困

図1

ERDA 法の説明図． q, a, b はそれぞれ反跳角，
入射角，出射角を表す．

財団法人若狭湾エネルギー研究センター研究開発部エネルギー材料グループ主任研究員(〒914
0192 敦賀市長谷64521)
Development of TOFERDA Method for Light Element Analysis; Keisuke Yasuda(Energy Material Group, Research and Development
Department, The Wakasa Wan Energy Research Center, Tsuruga)
Keywords: time of flight elastic recoil detection analysis (TOFERDA), ion beam analysis, light elements, depth profiling, tandem accelerator
2013年 1 月10日受理[doi:10.2320/materia.52.382]




解

説

Mr の粒子と試料表面で弾性衝突した場合，反跳粒子のエネ

る．ストッパーフォイルには厚さが数 mm の高分子膜あるい

ルギー Er は以下の式で与えられる．

は金属膜が用いられる．ストッパーフォイル法では反跳粒子のイオン種を弁別して測定することが困難であり，一般的に

Er＝krE0,
kr ≡((M4 M＋MM ) cos q)
p

r

p

r

2

(1)

2

は複数元素を同時に測定することができない．さらに，反跳粒子がストッパーフォイルを通過する際のエネルギーストラ

ここで kr は運動学的因子とよばれる．衝突が試料内部で起グリングによって深さ分解能が悪化するという問題もある．

こった場合は，入射および反跳粒子が試料内を進む際にエネ入射イオンビームにヘリウムを用いて水素を測定した場合のルギーを失うため，測定されるエネルギーは Er よりも低く深さ分解能は 50 nm 程度である．

なる．表面からの深さ x において反跳された粒子が試料から出射する際のエネルギー E2(x)はE2(x)＝kr E0－x

一方， TOF ERDA 法では粒子のエネルギーと飛行時間(速度の逆数に比例)を同時に測定し，その相関から粒子弁別()

〈Sp〉 〈Sr〉＋
kr
sin a sin b(2)を行う．複数種類の元素を一度の測定で分析することができ，ストッパーフォイル法と比べて深さ分解能に優れた測定と表すことができる．ここで〈Sp〉,〈Sr〉は入射および反跳粒が可能である．TOFERDA 法の測定では，通常 2 台の透過子の阻止能の平均値，a, b は入射角および出射角をそれぞれ型検出器と 1 台のエネルギー検出器の計 3 台の検出器で粒表す．第 2 項が入射および反跳粒子の試料内でのエネルギ

子検出を行う．TOFERDA 法の検出器系の概略図を図にー損失を表す．式( 2 )は測定される反跳粒子のエネルギー

示す．2 台の透過型検出器で飛行時間測定を，エネルギー検と測定深さの関係を示しており，これを用いてエネルギーを出器でエネルギー測定をそれぞれ行う．透過型検出器は，粒深さに変換することができる．元素濃度の深さ分布 r(x)は子がフォイルを通過する際に発生する二次電子を検出す()

〈Sp〉 〈Sr〉 Y(E2)＋r(x)＝ kr
sin a sin b sr Nb DVe(3)となる．ここで Y (E2)はエネルギー E2 の反跳粒子の数， sr

る(5) ．二次電子検出にはマイクロチャネルプレート( MCP)
検出器が用いられる．フォイルには面密度(厚さ)が通常 1～
10 mg/cm2 程度の炭素薄膜を用いる．これはストッパーフォ

は反跳断面積，Nb は入射イオン数，DV は検出器の立体角，e は検出効率を表す．式( 2 ) , ( 3 )を用いることによって，ERDA 測定で得られた反跳粒子のエネルギースペクトルから元素濃度の深さ分布が得られる．
ERDA 測定では通常，静電加速器で加速された数 MeV の

イオンビームを試料に照射し，反跳粒子を荷電粒子検出器で検出する．一般的な ERDA 測定装置の概略を図に示す．
検出器の方向には反跳粒子に加えて散乱粒子も飛来する．さらに，試料には一般的に複数の元素が含まれているため，複数種類の反跳粒子が検出器方向に飛来する．このため，特定の元素を分析するためには，測定の際に散乱粒子と反跳粒
子，あるいは反跳粒子の種類を弁別することが必要となる．
最も広く用いられているのは，検出器の前に目的元素のみが

図3

通過するようなフォイルを設置する方法で，ストッパーフォ

TOFERDA 測定の検出器系．

イル法と呼ばれる．通常 ERDA 法と言えばストッパーフォ
イル法を指すと考えてよい．この方法では測定元素より原子番号が大きいイオンを入射ビームとして用いる．測定する反跳粒子は散乱粒子よりも物質中での飛程が長いため，適当な厚さのフォイルを選ぶことによって散乱粒子をフォイル中で停止させ，反跳粒子のみを検出器に入射させることができ

図4

図2

一般的な ERDA 測定装置．

ま て り あ 第52巻 第 8 号(2013)
Materia Japan

透過型検出器．フォイルに－ 1000 V ，静電ミラ
ーに－ 2000 V 程度の電圧を印加し，荷電粒子がフォイルを通過する際に発生した二次電子を
MCP 検出器で検出する．



イルの 1 / 100 ～ 1 / 1000 程度の厚さに相当する．図に透過型検出器の有感領域はフォイルの大きさで決定され，前方が型検出器の概略図を示す．炭素薄膜の厚さが薄いため，粒子

2 mmq ，後方が 10 mmq である．検出器系の立体角は後者

検出の際のエネルギーストラグリングの影響は小さく，深さで決定され，その値は 0.13 msr である． 2 台の透過型検出

分解能に優れた測定が可能となる．エネルギー検出器には通器の距離，すなわち TOF 測定の飛行距離は 611 mm である．

常シリコン半導体検出器が用いられる．入射ビームにはアル

図に信号処理系の回路図を示す．データ収集系のトリガ

ゴン，クリプトン，ヨウ素といった測定対象となる軽元素よー信号には SSD からの出力信号を用いた．データ収集系でり原子番号が大きい重イオンが用いられることが多い

は 2 台の透過型検出器における粒子の到達時間差と SSD でが(6)(8) ，ヘリウムのような軽イオンを用いることも可能で測定された波高をリストモードで記録する．時間差測定ではある(9)(10) ．次章以降では， TOF ERDA 測定の装置および後方透過型検出器からの信号を時間電圧変換モジュール

性能について紹介する．

(TAC: timetoamplitude convertor)のスタートに入力し，前方透過型検出器の信号を遅延させたものを TAC のストッ

. TOFERDA 測定装置

プに入力した．これは，前方透過型検出器の計数率が後方透過型検出器よりも10倍程度高く，これが TAC の不感時間を

ここでは TOF ERDA 測定装置の例として我々が若狭湾増加させてしまうことを防ぐためである．

エネルギー研究センターにおいて開発した測定系を紹介する．

.

TOFERDA 測定系は若狭湾エネルギー研究センター放射線研究棟の照射室 2 に設置されたイオン分析コースに構築された(11) ．測定では最大ターミナル電圧が 5 MV のタンデム




性

能

評

価

透過型検出器の検出効率加速器で加速されたイオンビームを入射ビームとして用い

TOFERDA 測定で定量的な分析を行うには，検出器系のる．ビームサイズはおよそ 1 × 1 mm2 である． TOF 測定用

検出効率を正確に求めることが重要である．エネルギー検出

方向のポートに取り付けられていのダクトは散乱槽の 40 °器に用いる SSD の荷電粒子に対する検出効率は 100 とみる．すなわち反跳粒子の測定角度はビーム軸に対して40°でなしてよい．これに対して透過型検出器の検出効率は100ある．散乱槽とダクトはターボ分子ポンプで排気されておより小さく，イオン種およびエネルギーによって変化するこり，測定中の真空度はおよそ 5 × 10－5 Pa に保持されていとが知られている(12)．ここでは，透過型検出器の検出効率

る．測定試料は 5 軸のゴニオメーターに取り付けられる．

を実験的に求めた．

測定系の写真を図に示す．検出器系は 2 台の透過型検出

測定は前方透過型検出器と SSD を用いて行われた．タン器とシリコン半導体検出器(SSD)で構成される．透過型検出

デム加速器で加速した水素，ヘリウム，炭素イオンを金標的

器 1 台は散乱槽内のターンテーブルに設置し(前方透過型検(厚さ 0.2 mm )に照射し，散乱されたイオンを測定した．

出器)，もう 1 台の透過型検出器(後方透過型検出器)と SSD

透過型検出器の二次電子放出用フォイルには( a )面密度 3

は TOF ダクト末端の小型チェンバー内に設置した． 2 台の

mg / cm2 の炭素フォイル，( b )面密度 10 mg / cm2 の炭素フォ透過型検出器で測定粒子の飛行時間を， SSD でエネルギー

イル，( c )面密度 10 mg / cm2 の炭素フォイルに CaF2 (面密をそれぞれ測定する．透過型検出器はフォイル，静電ミラー，度 16 mg / cm2 )を蒸着したものの 3 種類を用いてそれぞれ

MCP 検出器で構成される(図 4)．イオンがフォイルを通過測定を行った．透過型検出器の検出効率は，以下の式で求めした際に発生する二次電子を MCP 検出器で検出する．透過

た．
検出効率＝

図6
図5




TOFERDA 測定装置の外観．

透過型検出器と SSD で同時計数された数(4)SSD のカウント数

測定系の回路図．CFD はディスクリミネーター，
SCA はシングルチャネルアナライザー，TAC は
時間電圧変換モジュールをそれぞれ表す．

解説

図に測定で得られた透過型検出器の検出効率を示す．エネ

mg/cm2 の炭素フォイルを用いた場合，炭素に対しては96

ルギーが同じ場合，測定粒子の原子番号が大きくなるほど検以上の検出効率が得られている．これに対してヘリウムでは出効率が高くなることがわかる．これはフォイルでの二次電

60 ～ 80 ，水素に対しては 55 以下である．面密度が 10

子放出量は粒子のフォイル中での阻止能と正の相関があるた

mg/cm2 の炭素フォイルを用いると，水素，ヘリウムに対すめである．エネルギーが同じ場合，粒子の原子番号が大きくる検出効率は10程度向上する．さらにこれに CaF2 を蒸着なるほど阻止能が大きくなるため放出される二次電子の数がしたフォイルを用いると，特にエネルギーが高い側での検出多くなり，MCP 検出器で検出される確率，すなわち検出効

効率が向上し，ヘリウムや水素の測定には CaF2 を蒸着した率が 高くなる(12) ．二次電子 放出用フォイルに面密度がフォイルを用いることが有効であることがわかる．一方，炭3素の測定では面密度が 3 mg/cm2 の炭素フォイルの使用で十分高い検出効率が得られている．
前述のように透過型検出器の検出効率はイオンのフォイル中での阻止能と正の相関があり，阻止能の関数として表すことができる．阻止能はイオンの原子番号とともに増加するた
め，炭素より原子番号が大きい元素については，十分高い( 96 以上)検出効率で検出可能であることがわかる．原子
番号がヘリウムと炭素の間の元素については，ヘリウムと炭素の測定結果から内挿によって検出効率が求められる．


時間分解能とエネルギー分解能

TOF 測 定 の 時 間 分 解能 は TOF ERDA 測定 の 質 量 分 解

能，深さ分解能に大きく影響する重要な性能指標である．ここでは，金薄膜によって散乱されたヘリウムイオンの測定か
ら時間分解能の評価を行った．ヘリウムイオンビームのエネ
ルギーは 5.7 MeV で，試料にはシリコンウェハーの上に金をコートしたもの(面密度2.1 mg/cm2)を用いた．図に測定で得られた TOF とエネルギーの二次元プロットを示す．

図8

図7

透過型検出器の検出効率．●が水素，■がヘリウ
ム，▲が炭素に対する検出効率をそれぞれ示す．
二次電子放出用フォイルには(a)面密度 3 mg/cm2の炭素フォイル，(b)面密度 10 mg/cm2 の炭素フォイル，(c)面密度 10 mg/cm2 の炭素フォイルにCaF2(面密度16 mg/cm2)を蒸着したものの 3 種類を用いた．(b)では炭素に対する検出効率は測定していない．

ま て り あ 第52巻 第 8 号(2013)
Materia Japan

シリコンウェハーに金(面密度2.1 mg/cm2)をコートした試料を用いて， 5.7 MeV のヘリウムビームの弾性散乱測定によって得られた， TOF 測定による時間差と SSD で測定された運動エネル
ギーの 2 次元プロット．シリコンウェハー中で散乱されたイオンは散乱点が深いほどシリコン中
でエネルギーを失うため，連続的なエネルギー分
布となる．ここで，エネルギーおよび時間差の値
は ADC ( Analog to Digital Converter ) の 出 力 値
で，単位は通例に従ってチャネル( ch. )とした．
図右側のスケールバーは収量を濃淡で表しており，単位はカウントである．矢印で示した部分が金によって散乱されたイベントである．



矢印で示した部分が金によって散乱されたイベントである．
このイベントを用いて作成した TOF スペクトルを図に示す．これからピークの幅は 390 ps(FWHM)と求められた．
ピークの幅(Dt )は以下の式で表わすことができる．

D t＝

Dt 2int＋

ml 2

8E

DE 2＋

m
Dl 2
2E




質量分解能と測定可能元素

複数元素を同時に分析する場合，測定の際にそれぞれの元素を分離することが必要である．分析の基礎となる反跳断面(5)

積や阻止能の値は元素毎に異なるため，元素分離は定量分析には必須である．このため，元素分離できる範囲が元素の測

ここで， Dtint は測定系の時間分解能， m, E はヘリウムイオ

定可能範囲と言っても差し支えない．そこで，開発した測定

ンの質量およびエネルギー，DE は測定系に入射するヘリウ系の元素分離性能，すなわち質量分解能を高分子フィルム試

ムイオンのエネルギー広がり， l, Dl は飛行距離およびその料 の TOF ERDA 測 定 を 行 う こ と に よ っ て 実 験 的 に 求 め変化を表す．ここで，式( 5 )の第 2 項，第 3 項の寄与は 10

た ． 測 定 試 料 に は 厚 さ が 100 mm の PET ( Polyethylene

ps 以下であり，TOF スペクトルのピークの幅は測定の時間

terephthalate, H8C10O4 ) フ ィ ル ム を 用 い ， こ れ に 5.7 MeV

分解能によるものとみなしてよい．以上から， TOF 測定系のヘリウムビームを照射して反跳粒子(H, C, O)および散乱の時間分解能は 390 ps と求められた．前方，後方それぞれヘリウムを測定した．図(a)に測定で得られたエネルギーの透過型検出器の時間分解能は等しいと仮定すると，透過型と時間差の二次元プロットを示す．水素，ヘリウム，炭素，検出器の時間分解能は 280 ps となる．

酸素の 4 元素がきれいに分離して測定できていることがわ

TOF 測定でのエネルギー分解能は次式で求められる．

DE＝

8E 3
Dt
ml 2

(6)

かる．検出された粒子の質量は，以下の式で求められる．
M＝a･(t－b)2･(E＋c)(7)

ここで，t, E は時間差とエネルギーの測定値で，a, b, c は定炭素イオンに対する TOF 測定およびシリコン半導体検出器数である．図11(a)の点線内のイベントから式( 7 )を用いて(SSD)を用いたエネルギー測定でのエネルギー分解能を図作成した質量スペクトルを図11(b)に示す．質量分解能はそに示す． SSD のエネルギー分解能の値は O'Connor らの式

れぞれの質量のピークの幅から求めた．得られた質量分解能

を用いて求めた(13) ．図 10 から炭素のエネルギーがおよそ 5を図に示す．質量分解能は質量が大きくなると悪化する傾MeV 以 下 で は TOF 測 定 で 得 ら れ る エ ネ ル ギ ー 分 解 能 が向がみられる．今回の測定で質量が最も大きい酸素(質量数SSD を用いた場合よりも優れることがわかる(8) ．エネルギ

16)に対しても質量分解能は 1 未満であり，少なくとも酸素

ー分解能は深さ分解能に大きな影響を及ぼす．計算によると，より軽い元素に対しては同位体分離して測定が可能であるこ

TOF 測定での深さ分解能の値は SSD 測定時に対して，入射とがわかった．さらにこの結果を二次式を用いて外挿するとエネルギーが 3.5 MeV のときは 66 ，入射エネルギーが 2

質量数22までは質量分解能が 1 未満であると推測された．

MeV のときは50になる．このため，TOF 測定において優れたエネルギー分解能が得られることは，深さ分布の高分解

TOFERDA 測定での質量分解能は以下の式で表わすこと

ができる．
2

能測定において大きな利点となる．

D m ＝m2(DEE) ＋(2Dt t)(8)

ここで，Dm, DE, Dt はそれぞれ質量分解能，エネルギー分
解能，時間分解能である．式( 8 )からわかるように，質量分解能の値は質量に比例する．さらに，検出される粒子の原
子番号が大きくなるほど SSD のエネルギー分解能が悪化す

図9




5.7 MeV のヘリウムビームの金(面密度2.1 mg/
cm2 )による弾性散乱イベントの時間差スペクト
ル ． 時 間 差 の 値 は ADC ( Analog to Digital Converter )の出力値で，単位は通例に従ってチャネル(ch.)とした．時間差(nsec)とチャネル(ch.)の
関 係 は ， 時 間 差 ( nsec ) ＝ － 0.1181 × チ ャ ネ ル( ch. ) ＋ 326.3 で あ る ． ピ ー ク の 幅 は 390 ps(FWHM)と求められた．

図10

炭素イオンに対する TOF 測定(実線)およびシリコン半導体検出器( SSD )を用いたエネルギー測定(点線)でのエネルギー分解能．

解説

るため，重イオンほど質量分解能が悪化する． Kottler らは重イオンに対するエネルギー分解能を向上させるために，厚さが 50 nm の窒化シリコン薄膜窓をもつガスイオンチェン
バーをエネルギー検出器として用いた TOF ERDA 検出系を開発した．これによってカルシウム(質量数 40 )程度の元素まで 1 より良い質量分解能での測定が可能であると報告している(8)．
以上の結果から，エネルギー検出器として SSD を用いた
場合には，水素からネオン程度までの元素を同位体レベルで分離して測定できることがわかった．さらにエネルギー検出器としてガスイオンチェンバーを用いることによって分離可能範囲が水素からカルシウム程度まで広がる(8)．この範囲であれば試料にどのような元素が含まれていても測定が可能である．さらに重元素が含まれている試料でも，その元素の質
量数が質量分解能以上に離れている場合は測定が可能である．実際，エネルギー 検出器として SSD を用いた TOF 
ERDA 測 定 に よ っ て Al2O3 Ti 多 層 膜 を 分 析 し た 例 も ある(14)．


深さ分解能

TOFERDA 法の特徴の一つとして元素の深さ分布測定が可能なことが挙げられる．これは特に薄膜の分析に威力を発揮する．ここでは深さ方向分析の際の重要な指標である深さ
分解能を実験的に調べた．
測定試料には，シリコンウェハーに炭素をコーティングしたものを用いた．炭素の厚さはおよそ 100 nm である．この
図11 ( a ) PET フィルムの TOF ERDA 測定で得られたエネルギーと時間差の二次元スペクトル．ここで，エネルギーおよび時間差の値は ADC ( Analog to Digital Converter )の出力値で，単位は通例に従ってチャネル( ch. )とした．図右側のスケールバーは収量を濃淡で表しており，単位はカウントである．( b ) ( a )の点線内のイベントで作成した質量スペクトル．

試料にエネルギーが 3.5 MeV のヘリウムビームを照射してTOFERDA 測定を行い，炭素の TOF スペクトルから試料表面での深さ分解能を評価した．深さ分解能は入射角，出射角(図 1 参照)に依存するため，(入射角，出射角)＝( 20 °,), (30°)の 2 つの条件で測定を行った．図に(入射
20°
, 10°
角，出射角)＝( 30 °)の測定で得られたエネルギーと時, 10 °
間差の 2 次元プロット，および炭素の TOF スペクトルを示す． TOF スペクトル(図 13 ( b ))において表面付近を誤差関数でフィットすることによって，時間差の広がりを求め，この値から式( 6 )を用いてエネルギー広がりを求めた．深さ
分解能はエネルギー広がり( dE )から以下の式で計算され
る(1)．

dx＝
[S ]p,r＝krdE[S ]p,rS p ( E 0) S r ( E2 )
＋
sin a
sin b

(9)
(10)

ここで，Sp, Sr は入射および反跳粒子の炭素中での阻止能，E0, E2 は入射および反跳粒子のエネルギー，a, b は入射角および反射角を表す． kr は運動学的因子である．測定で得ら
図12 5.7 MeV ヘリウムビームを用いた PET フィルム試料の測定で得られた質量分解能．質量分解能が1 以下であれば隣り合う質量の元素，あるいは同位体を分離できるため，炭素，窒素，酸素を分離して測定すること可能である．

れたエネルギー広がり，および深さ分解能を表に示す．
(入射角，出射角)＝(30°)の測定において炭素に対して, 10°
6.4 nm という深さ分解能が得られた．(入射角，出射角)＝( 30 °)の深さ分解能が( 20 °)よりも良くなるのは，, 10 °, 20 °
同じ深さを測定した場合，前者のほうが(入射ヘリウムより

ま て り あ 第52巻 第 8 号(2013)
Materia Japan試料の表面が理想的に平坦であれば入射角，出射角の値には依存しない．しかし，本測定でのエネルギー広がりは，(入射角，出射角)＝(30°)のほうが(20°)よりも大きく, 10°, 20°
なっている．これは試料表面が nm レベルでは平坦ではな)
く，深さ分解能に優れている(入射角，出射角)＝(30°, 10°の測定では表面の粗さが見えてしまっている可能性を示唆している．
上記の結果は測定対象が炭素単体の場合のものである．測定対象が化合物や混合物の場合には深さ分解能は変わってくる．これについて簡単に考察する．測定対象が炭素を含む化合物や混合物の場合，式( 10 )の Sp, Sr が炭素単体の値とは変わってくる．一方，式( 9 )の dE は変化しない．このため深さ分解能は炭素単体の場合とは異なる値となる．化合物または混合物に重元素を含む場合，一般的には Sp, Sr の値は炭素単体より大きくなるので，深さ分解能は向上する(値が小さくなる)ことが予想される．さらに，測定対象が炭素以外の元素の場合は，Sp, Sr の値に加えて kr, dEの値も変わる．
一般的には，測定元素の原子番号が大きくなるほど dE が小さくなり Sr が大きくなるため，深さ分解能が向上すると考
えられる．



測定感度

TOFERDA 測定での測定感度を決定する要因として以下の事柄が挙げられる(1)．
測定対象となる元素のカウント数
バックグラウンドレベル
照射損傷による測定元素のロスのためのビーム照射量の制
図 13

シリコンウェハーに炭素をコーティングした試料の TOF ERDA 測定結果．( a ) エネルギーと時間差の 2 次元プロット．エネルギーおよび時間 差 の 値 は ADC ( Analog to Digital Converter )の出力値で，単位は通例に従ってチャネル(ch.)とした．図右側のスケールバーは収量を濃淡で表しており，単位はカウントである．(b) 炭素の時間差スペクトル．表面付近を誤差関数でフィットすることによって，時間差の広がりは 2.7 ns(FWHM)と求められた．

限
これらについては測定対象元素の種類，試料の組成，形態(金属，絶縁体，有機物等)によって変わるため，一般的な測定感度の値を求めることは困難であるが，おおざっぱには
0.1～1のオーダーと考えられる．

.

お

わ

り

に

TOFERDA 法は軽元素の元素分析および深さ分布測定を非破壊で行える分析手法である．本解説では TOF ERDA
表1

3.5 MeV のヘリウムビームを用いた TOF-ERDA
による炭素測定における試料表面でのエネルギ
ー広がり，および深さ分解能．

入射，出射角エネルギー広がり(keV)[S]p,r(keV/mm)

深さ分解能
(nm)

30°
, 10°

54

8527

6.4

, 20°
20°

38

4524

8.4

法の原理と測定方法を説明し，測定装置，および性能について紹介した．コンベンショナルな ERDA 法であるストッパ
ーフォイル法は特に水素分析のツールとして，静電加速器を有している多くの施設で行われている．これに対して TOFERDA 測定を行っている施設は多くない． TOF ERDA ではアルゴンやヨウ素といった重イオンビームを用いた測定が主流であるが，軽イオンであるヘリウムビームを用いた測定も可能である．ヘリウムビームを用いた TOF ERDA であれば，RBS やストッパーフォイル ERDA といったコンベンも試料中での阻止能が大きい)反跳炭素が試料中を進む距離

ショナルなイオンビーム分析を行っている加速器施設で実施が長くなるためである．これは式( 9 )の[S ]p,r に現れる．一

可能であり，今後は多くの加速器施設で TOF ERDA 測定

方，エネルギー広がりは，測定系の時間分解能と立体角が有が実施されることを期待している．

限であることに起因する運動学的広がりによるものであり，



TOFERDA による元素濃度の定量分析には反跳断面積の解説

値が必要である(式( 3 ))． TOF ERDA による軽元素分析
では，重イオンビームを用いた場合，あるいはエネルギーが低いヘリウムビームを用いた場合には，反跳断面積はラザフ
ォード断面積で記述できる．しかし，ヘリウムビームのエネ
ルギーが高くなると(標的が炭素や窒素の場合はおよそ 2
MeV 以上)，核力の影響によって反跳断面積がラザフォード

断面積からずれることが知られている．このため，元素濃度の定量的な測定を行うには反跳断面積を求める必要がある．
我々はヘリウムビームを窒素等の軽元素に入射したときの反跳断面積の測定を行っている(15) ．この結果を用いることによってヘリウムビームを用いた場合でも TOF ERDA 測定
で軽元素濃度の定量分析が可能になる．
本研究は豊田中央研究所の日比章五研究員と共同で行ったものである．加速器を用いた測定には若狭湾エネルギー研究センター加速器グループの協力を得た．また，本研究の一部
は科学研究費補助金・基盤研究(C)19760621, 22560835の助成を受けた．ここに謝意を表する．

文★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

献( 1 ) Y. Wang and M. Nastasi: Handbook of Model Ion Beam
Materials Analysis, MRS, Warredale, (2009).
( 2 ) 藤本文範，小牧研一郎イオンビームによる物質分析・物質
改質，内田老鶴圃，(2000).
( 3 ) J. L'Ecuyer, C. Brassard, C. Cardinal, J. Chabbal, L.
Desch âenes, J. P. Labrie, B. Terreault, J. G. Martel and R. St.Jacques: J. Appl. Phys., 47(1976), 381382.
( 4 ) B. L. Doyle and P. S. Peercy: App. Phys. Lett., 34(1979), 811

ま て り あ 第52巻 第 8 号(2013)
Materia Japan813.
( 5 ) F. Busch, W. Pfeffer, B. Kohlmeyer, D. Schull and F.
Puhlhoffer: Nucl. Instr. and Meth., 171(1980), 7174.
( 6 ) W. Wong, S. Hayakawa, K. Maeda, S. Fukuda, M. Yanokura,
M. Aratani, K. Kimura, Y. Gohshi and I. Tanihata: Nucl. Instr.
and Meth. B, 124(1997), 9599.
( 7 ) W. Bohne, J. Rohrich and G. Roschert: Nucl. Instr. and Meth.
B, 139(1998), 219224.
( 8 ) C. Kottler, M. Dobeli, F. Glaus and M. Suter: Nucl. Instr. andMeth. B, 248(2006), 155162.
( 9 ) K. Yasuda, C. Batchuluun, R. Ishigami and S. Hibi: Nucl. Instr.
and Meth. B, 268(2010), 20232027.
(10) K. Yasuda, C. Batchuluun, R. Ishigami and S. Hibi: Nucl. Instr.
and Meth. B, 269(2011), 10191022.
(11) S. Hatori et al.: Nucl. Instr. and Meth. B, 241(2005), 862869.
(12) Y. Zhang, H. J. Whitlow, T. Winzell, I. F. Bubb, T. Sajavaara,
K. Arstila and J. Keinonen: Nucl. Instr. and Meth. B, 149(1999), 477
489.
(13) D. J. O'Connor and T. Chunyu: Nucl. Instr. and Meth. B, 36(1989), 178
188.
(14) M. Msimanga, D. Wamwangi, C. M. Comrie, C. A. Pineda
Vargas, M. Nkosi and T. Hlatshwayo: Nucl. Instr. and Meth.
B, 296(2013), 5460.
( 15 ) 安田啓介，土田秀次，間嶋拓也財団法人若狭湾エネルギー
研究センター平成23年度年報，34
35.

安田啓介

1997年 4 月 京都大学大学院理学研究科博士課程単位取得退学
1997年 5 月 大阪大学核物理研究センター教務補佐員
1999年 6 月 大阪大学核物理研究センター COE 研究員
1999年 6 月 博士(理学)1999年11月 若狭湾エネルギー研究センター現在に至る
専門分野イオンビーム応用◎イオンビームを用いた分析装置開発と材料分析に従事．最近は X 線を用いた装置開発も行っている．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

