特別研究報告書
題

目（日本語，英語）

反跳水素検出法及び RBS 同時測定法の開発と応用(Development of recoil hydrogen detection
and its application for RBS co−measurement)

指 導 教 員

綿森 道夫

報 告 者
学籍番号： 1055092
氏名： 野村 志穂

平成 15 年 1 月 27 日

高知工科大学 電子・光システム工学コ−ス目次
第１章
はじめに ------------------------------------------------------------１−１ 水素について --------------------------------------------------------１−２ いろいろな水素測定法について --------------------------------１−３ カプトン薄膜について ---------------------------------------------

1
1
2
3

-------------------------------------------------------------

5

第２章

研究目的

第３章
原理と実験方法 --------------------------------------------------6
３−１ RBS 法の原理 -------------------------------------------------------6
３−１−１ スペクトルのエッジ位置と K-factor ------------------6
３−１−２ 後方散乱イオン収量と試料の散乱断面積 --------------- 10
３−１−３ 膜厚と阻止断面積 --------------------------------------------- 13
３−１−４ 多数の元素を含む試料の散乱スペクトルと Bragg の式-----３−２ 共鳴散乱法の原理 ------------------------------------------------------３−３ ERDA 法の原理 --------------------------------------------------------３−４ RUMP シミュレーションについて -------------------------------３−５ 実験装置 ------------------------------------------------------------------

20
25
26
34
45

第４章
ERDA の最適化 -----------------------------------------------------４−１ 反跳角依存性 -----------------------------------------------------------４−２ 入射角依存性 -----------------------------------------------------------４−３ 入射エネルギー依存性 -----------------------------------------------４−４ 深さ分解能 --------------------------------------------------------------４−４−１ 測れる深さ -----------------------------------------------------４−４−２ 立ち上がり位置からみた深さ分解能 --------------------４−４−３ スペクトル強度からみた深さ分解能 --------------------４−５ 最適化した測定条件 ---------------------------------------------------

47
47
50
53
60
60
63
66
68

第５章
ERDA−RBS 同時測定 --------------------------------------------- 70
５−１ ERDA−RBS 同時測定法 --------------------------------------------- 70
５−２ カプトンに対する同時測定スペクトル -------------------------- 70
５−２−１ カプトン H（標準カプトン） ----------------------------- 70
５−２−２ カプトン EN（異種モノマー混合） --------------------- 77i５−２−３ カプトン V（高寸法安定） --------------------------------- 79
５−３ 共鳴散乱法を用いた酸素分析 --------------------------------------- 82
５−４ まとめ --------------------------------------------------------------------- 90
第６章
ERDA 法を用いたカプトン膜の測定 --------------------------- 91
６−１ カプトン薄膜の種類と構造 ------------------------------------------ 91
６−２ カプトン H（標準カプトン）に対するイオンビーム照射の影響------ 93
６−３ カプトンＥＮ（異種モノマー混合）に対するイオンビーム照射の影響 ---------------------------------------------------------------------- 115
６−４ カプトン V（高寸法安定）に対するイオンビーム照射の影響------ 119
６−５ カプトン CB（カーボンブラック添加）に対するイオンビーム照射の影響 --------------------------------------------------------------------- 122
６−６ カプトン CR（コロナ放電）に対するイオンビーム照射の影響
６−７------ 126
カプトン MT（アルミナ添加）に対するイオンビーム照射の影響

６−８------- 130----------------------------- 185

膜の種類とビーム照射に対する考察-------------------------------------------------------------------- 140

第７章

結論

参考文献

-------------------------------------------------------------------------------

141-------------------------------------------------------------------------------------

142

謝辞

ii

第1章

はじめに

本研究では高速イオンビームを用いて試料中に存在する水素の含有量を測定する手法を開発することが目的であり、最初に水素分析の意義について概説する。

１−１ 水素について
水素は、太陽系の中で最も存在量の大きい元素であり、地表では、酸素、ケ
イ素に次いで 3 番目に多い元素である。原子番号は 1、質量数は 1.008、常温（25℃）1 気圧でガス状である。単体 H2 は、無色可燃性の気体で、すべての物
質中で一番軽い。同位体には 1H（水素）、2H（重水素）、3H（三重水素）の 3種類ある。それぞれの構造を図 1-1 で示す。原子核は 1H の場合は質量数が１な
2H の場合は陽子が１つと中性子 1 つので陽子が１つのみからなり、（質量数 2）、
3H の場合は陽子 1 つと中性子 2 つ（質量数 3）から成る（図 1-1 に示す）。

図 1-1 水素の構造-1-

水素の構造は通常図 1-1 で示すように原子核の周りを１つの電子が回っており、
これは原子番号が１であることから示される。水素イオン H+は水素原子から電子が 1 つ取れた構造を有するので陽子そのもので電子を持たない。2 個の水素原子が結合すると水素分子 H2 ができ、H−H の結合エネルギーは単結合のものとしては非常に大きく、室温では単体は比較的安定である。水素は CVD 法、表面の水素終端化、サーファクタント効果など、半導体表面の様々なプロセスに大きな影響を及ぼす。CVD 法とは、気体原料から化学反応を経て薄膜や粒子などの固体材料を合成するプロセスであり、各種材料形成に用いられている実用技術である。一般に CVD においては水素を流しながら薄膜を作成する場合が多々見られ、このことから薄膜中に存在する水素が薄膜に及ぼす影響を調べることは必要不可欠である。表面の水素終端化とは最近注目され始めた技術であり、本来酸素や炭素などの不純物原子に覆われて存在しているシリコン表面を清浄化する際、表面からはぎ取った酸素や炭素の代わりに水素を吸着させることによって表面を清浄なまま安定化させることである。表面に存在する水素の存在量に応じてシリコン表面の清浄度が決定されるために、表面に存在する水素の量を測定する手法が大切になってくる。サーファクタント効果とは、シリコン
表面に金属薄膜を成長させると、水素がない場合と比べて成長様式が異なる現象のことである。この場合も水素の存在量を知ることが非常に重要になってくる。いずれの場合にしても水素含有量と材料の性質には大きな相関が見られ、水素を含んだ材料に関しては水素含有量を測定することによって材料の性質をある程度予測することが可能になる。このことから水素含有量を測定することは非常に重要である。
この様に身近にあり且つ重要な水素を、本研究ではイオンビームを用いて、弾性反跳散乱分光法（以後略して ERDA 法；第 3 章で説明）を構築し、定量分析を行うこととする。

１−２ いろいろな水素測定法について
鉱物試料などの水素含有量の分析には、代表的なものとして 2 次イオン質量
分析 （SIMS）、高周波誘導結合プラズマ発光分析法（ICP）などを用いる。2次イオン質量分析（SIMS）とは 10KeV 程度に加速したイオンを試料に照射し、イオンとの直接衝突などによりスパッタした粒子の一部をイオン化し、この 2次イオンを質量分析計を用いて測定することにより定量分析を行う手法である。
高感度であるが、含有量を測定するためには標準試料で較正する必要があり、
しかも水素の含まれている材料の種類によって較正係数が異なるので、較正が-2-

複雑であるという欠点がある。さらに水素の含有量を求める場合、高感度であることから水素信号がバックグランドで現れ、試料内部の水素の信号との分離が難しい。水素の分析に対して SIMS はそれ程適した手法とはいえない。この手法は試料を破壊してしまう破壊分析法である。高周波誘導結合プラズマ発光分析法（ICP）とはイオンバーナーで試料を燃焼させたときのスペクトルから組成分析を行う分析法である。吸収スペクトルには物質固有の値があるので、その出方や強さで物質の同定や量が測れる。しかし水素の量を測るためには、イ
オンバーナーで燃焼させる時に加える酸素と水素の量を正確に把握するのが難しいので信頼性が落ちる。加えて試料を破壊してしまう欠点がある。
これに対して高速イオンビームを用いる ERDA 法は非破壊分析法であり、しかも水素含有量の定量のためには標準試料で較正する必要があるものの、較正が簡単である。さらには水素化合物中の水素のように水素結合した水素も、試料中に単独で存在する水素も同じように定量できる特徴がある。これは化学結合していようが単独で存在していようが反跳の K-factor（第 3 章で解説）を求める式は同じであり、反跳する水素の持つ初期エネルギーは同じであることによる。正確にいえば、化学結合した水素が化学結合を断ち切るために初期エネ
ルギーからわずかなエネルギー(20eV 程度)が必要であるが、反跳する水素が持
つ初期エネルギーは数百 keV 程度あり、ほとんど無視できる程度である。このことが標準試料による較正を簡単にする主要因にもなる。以上のように ERDA
法は水素分析に対して非破壊分析法であり、較正が簡単で定量に深さ分析ができるという優れた特徴を有するものの、他の手法に比べて感度が悪く（最低限数％含まれていることが必要）、しかも深さ分解能が悪い欠点がある（数百Å程度）。そこで本研究では、感度の向上は散乱断面積を大きくする方法がないのであきらめ（酸素に関しては共鳴散乱を用いれば散乱断面積が大きくなり、酸素検出の感度が上がる）、深さ分解能をよくする条件を探し（第 4 章）、その条件で実験することとする。

１−３ カプトン薄膜について
本研究では、水素含有量を較正するための標準試料としてカプトン薄膜
C22H10N2O5（東レ・デュポン社の商品名；物質名ポリイミド）を用いる。本研
究でカプトン薄膜を標準試料として選んだ理由は、カプトン薄膜中に存在している水素の量が比較的はっきりしていることと、カプトン薄膜を構成する他の元素が主として炭素、窒素、酸素といった比較的軽い元素から成り、ERDA ス
ペクトルに対する影響が少ないことである。水素を決められた量だけイオン注-3-

入によって注入した試料などでは、シリコンのように最初からある程度試料内に水素を未知量だけ含んでいるために水素含有量が不正確なものが多く、しかも比較的重い元素の中に含まれていることによって ERDA スペクトルに影響を及ぼす。結果としてなかなか都合のよい標準試料は存在しない（注入量を正確に制御できているとは言いがたい）。そこでカプトン薄膜を標準試料として選び絶対量測定の較正を行った（第３章）。カプトン薄膜を標準試料として用いる際の欠点は、イオンビームを照射中に水素含有量が変化することであり、イオン
ビームを照射するにつれて水素のスペクトルが減少することである（第 6 章）。
このことによってイオンビームを当てれば当てるほど水素スペクトルの実験的なばらつきは減るものの、較正値が変化することとなり、長時間イオンビームを照射したスペクトルを用いて較正を行うことはできない。しかしながらこの欠点は、誤差がある程度小さくなる最小のビーム照射量を用いれば克服できるのでこの試料を標準試料とした。なお、本研究においてはイオンビームの照射に比較的強いカプトン薄膜が存在するのではないかと考え、各種のカプトン薄膜を入手し、比較実験を行った。カプトン薄膜の種類によってはイオンビームの照射に対する水素の減少量が異なり、興味ある結果を得ることができた。選んだカプトン薄膜の素性及び、カプトン薄膜間のイオンビーム照射に対する変化に対しては第６章に詳しく述べる。

-4-

第２章

研究目的

本研究ではまず ERDA 法を習得し、本学のイオンビーム加速器で ERDA 法を利用できる様に ERDA 法を構築すること及び、実際に ERDA 法を用いて水素の含有量を定量分析することを目的とする。卒論時には RBS 法を用いた測定を行ったが、ERDA 法を構築していなかったために水素分析を行うことができなかった。今回、ERDA 法の原理から出発して、ラザフォードの公式から外れる水素の反跳断面積をシミュレーターに導入する方法を導き、シミュレーションをフルに活用することによって最適な ERDA 配置の条件（入射エネルギー
1.522MeV、反跳角 15°、入射角 80°、Al の吸収膜の厚さ 5μm）を求めた。
これによって実際に ERDA 法を用いて水素含有量の深さ分析が行えるようになった。
またもう一つのテーマとして、ERDA−RBS 同時測定法の開発がある。水素を測定できる ERDA 法と水素以外の元素を測定できる RBS 法の双方を同時利用することにより、すべての元素の測定が可能になる。これを構築すればいろ
いろな材料の分析に便利であると考えたからである。実際、第 6 章でこの ERDA−RBS 同時測定法及び共鳴散乱 RBS 法の応用として、カプトン薄膜に対するイ
オンビーム照射損傷の分析を行うこととする。

-5-

第３章

原理と実験方法

３−１

RBS 法の原理

３−１−１

スペクトルのエッジ位置と K-factor

RBS 法とは、He＋ をサンプルにあてたとき、跳ね返った He＋ のエネルギーを測定することにより、サンプル中に含まれる元素を調べる方法である。
跳ね返ってきた He＋ のエネルギーが高いということは、サンプル中に含まれる元素が重いということで、エネルギーが低いということは、含まれている元素が軽いということになる。このことを図 3‑1 に示す。図 3‑1 は入射イオンが試料に当たり、跳ね返ったイオンを SSD と呼ばれる半導体検出器で検出したあと、マルチチャンネルアナライザー（MCA）でスペクトルに表示できる形に変形するということを示している。SSD は跳ね返った He 粒子のエネルギーを分析できるので、図 3‑1 の装置立てで RBS を測定することができる。

図 3-1 RBS 法の概略図-6-

図 3-2 衝突モデル

次に K-factor の求め方について述べる。図 3-2 に示す様に、衝突前の入射粒子の質量を m1、速度を v0（この方向に x 軸を取る）、エネルギ−を E0とし、衝突後の速さを v1、散乱角をθ、エネルギ−を E1とする。また標的原子の質量をm2、衝突前は静止していてエネルギ−は 0、衝突後の速さを v2、移動方向をφとすると、エネルギ−及び運動量の保存則は
1
1
1
2
2
2
m1v0 = m1v1 + m2 v2（エネルギー保存則）
222
m1v0=m1v1cosθ＋m2v2 cosφ0=m1v1sinθ‐m2v2sinφ（運動量保存則）（運動量保存則）

（3-1）
（3-2）
（3-3）

で表わされる。
散乱前のエネルギ−E０と散乱後のエネルギ−E１の比を kinematic factor K と
いい
K =

E1
E0

（3-4）

で表す。
ここで E 0 =1
1
2
2
m1 v 0 , E1 = m1 v1
2
2

である。

これを求めるためにまずφを消す。
式（3-2）を 2 乗する。

(m2v2 cos φ ) 2 = (m1v0 − m1v1 cosθ ) 2

（3-5）

-7-

(m1v0 − m1v1 cosθ ) 2 = m12v02 − 2m12v0v1 cosθ + m12v12 cos 2 θ式（3-3）を 2 乗する。
(m2v2 sin φ ) 2 = (m1v1 sin θ ) 2（3-6）

式（3-5）＋式（3-6）を計算する。
(m2v2 cos φ ) 2 + (m2v2 sin φ ) 2 = (m1v0 − m1v1 cosθ ) 2 + (m1v1 sin θ ) 2
m22v22 (cos 2 φ + sin 2 φ ) = m12v02 − 2m12v0v1 cosθ + m12v12 (cos 2 θ + sin 2 θ )m22v22 = m12v02 − 2m12v0v1 cosθ + m12v12式（3-1）の両辺に 2m2 をかける。
m1 m2 v02 = m1 m2 v12 + m22 v 22

（3-8）

式（3-8）に（3-7）を代入する。
m1m2v02 = m1m2v12 + m12v02 − 2m12v0v1 cosθ + m12v12（3-9）

式（3-9）の両辺を m1 で割る。
m2v02 = m2v12 + m1v02 − 2m1v0v1 cosθ + m1v12(m1 + m2 )v12 − 2m1v0v1 cosθ + (m1 − m2 )v02 = 0ax 2 + 2bx + c = 0

v1 =

→

x=

− b ± b 2 − acam1v0 cosθ ± m12v02 cos 2 θ − (m1 + m2 )(m1 − m2 )v02=

(m1 + m2 )m1v0 cosθ ± v0 m12 cos 2 θ − (m1 + m2 )(m1 − m2 )(m1 + m2 )2
2
2
2
v1 m1 cosθ ± m1 cos θ − (m1 − m2 )=v0
(m1 + m2 )

-8-

（3-7）

=

m1 cosθ ± m12 cos 2 θ − m12 + m22(m1 + m2 )m1 cosθ ± m12 cos 2 θ − m12 (sin 2 θ + cos 2 θ ) + m22=(m1 + m2 )=m1 cosθ ± m22 − m12 sin 2 θ(m1 + m2 )

このとき

=

m1 cosθ − m22 − m12 sin 2 θ(m1 + m2 )だと解が負になる場合が出てくるので、
22
2
v1 m1 cosθ + m2 − m1 sin θ=
v0(m1 + m2 )を解とする。
よって、

1
m v2
E1 2 1 1 v12v
K=== 2 = ( 1 )2
E0 1
v0m1v02 v02
 m cosθ + m 2 − m 2 sin 2 θ 
2
1
= 1

(m1 + m2 )



2

（3-10）と表される。
そして RBS スペクトルにおける表面に相当する立ち上がりの位置は式（3-10）に一致する。
なお一般の元素は同位体を含んでいて、それぞれの質量数が異なるので、その含有量によって K の値が少しずつ異なり、散乱スペクトルのエネルギ−も異なる。
例として、図 3-3 のスペクトルを見てみると、Si 元素のように存在率によって階段状になればよいが、普通は識別できずになまってしまう。そこで K の値
も存在率 pi で平均して、

-9-

平均質量

m = ∑ ( p i mi )平均エネルギーからK m を算出、もしくは

K m E0 = ∑ pi ( K mi E0 )から K m を算出のいずれかの方法を用いる。両者の値はあまり異ならないが、本論文においてはより正確な K m を用いる（シミュレーションソフト XRUMP においてはこの
平均エネルギーを用いた K m が用いられている）。

図 3-3 RBS スペクトル上での同位体分離の例

３−１−２

後方散乱イオン収量と試料の散乱断面積

RBS スペクトルにおいて、縦軸には散乱される入射イオンの数が表されるが、標的原子の存在量によって散乱される入射イオンの数も変わってくる。このことを量的に表したものが散乱断面積である。この散乱断面積を用いて RBS 法では定量測定を行う。以下に散乱断面積の概念について述べる。
入射粒子は標的に衝突してさまざまな方向に散乱されるが、これを半導体検出器で観測する。半導体検出器は有限の大きさをもっているが、散乱は入射粒子線を中心にして軸対称に起こるから、標的を中心にして極座標で表すと半径１㎝の球内に半導体検出器の検出領域が写像される。このときの面積を㎝ 2 の単位で表した時の数値を（検出器の）立体角といい、sr （ステラジアン）で表す。
これを図 3‑4 に示す。

- 10 -

図 3-4 散乱断面積と立体角の考え方を示す模式図
半導体検出器が角θ、φで表される方向に立体角ΔΩで置かれているとする。
入射粒子の打ち込む位置を変えてこの立体角ΔΩ内に命中させる。まず標的核が１個だけある場合を考える。標的核より手前に入射方向に垂直な面 P（図 3-4）を考え、この粒子がこの面のどこを通過するかを x 軸から測った距離 b と x 軸のまわりの角φとで表す。こうすると、入射速度は決まっているのであるから、b、φが狙いを定めるパラメ−タということになる。粒子は標的核からク−ロン
力もしくは遮蔽ク−ロン力つまり中心力を受けるから、軌道は必ず x 軸を含む
平面内にある。角φで入射した粒子は散乱されても角φで出てくる。つまり狙いを本質的に決めるのは b であり、b を決めれば散乱角θが決まる。b を衝突パ
ラメ−タという。b をΔb だけ縮めた時に、θがΔθだけ増すとする。検出器の立体角のもう一方の広がりがφとφ＋Δφの間だとすると、立体角ΔΩはΔΩ
＝sinθΔθΔφで表される。

- 11 -

図 3-5 この小面積を通過した粒子が検出器に捕らえられる。
このとき、半導体検出器を狙うためには平面 P 上で衝突パラメ−タが b と b−
Δb の間にあり、軌道面の傾きがφとφ＋Δφの間にある小面積（図 3-5 の斜線部分）
Δσ＝ｂ・Δｂ・Δφ（3-11）
を粒子が通過する必要がある。Δσを立体角ΔΩへの散乱断面積という。ΔσをΔΩで割って規格化すると
dσ∆σb ⋅ ∆b ⋅ ∆φ
b db
= lim
= lim
=
dΩ ∆Ω→0 ∆Ω ∆Ω→0 sin θ ⋅ ∆θ ⋅ ∆φ sin θ dθ

（3-12）となり、これを微分散乱断面積という。
微分散乱断面積を求めるためには、db/dθの関係を両者に働く力を考えて力学的に求めてやればよい。両者に働く力は散乱角θが大きい場合(θ＞90°)には、クーロン力となり、このことからラザフォードの式が導かれた。入射粒子、標的原子の原子番号を Z１、Z２、質量数を M１、M２、入射粒子のエネルギーを E、
散乱角をθとすると、ラザフォードの式は CGS 静電単位系で2dσ  Z 1 Z 2 e 2 
4

= 

dΩ  4 E  sin 4 θ{ 1 − (M M ) sin θ + cosθ }
2

1

2

2

2

1 − ( M 1 M 2 ) 2 sin 2 θ（3-13）となり、MKS 単位系では
2dσ  Z 1 Z 2 q 2 
4

= 

dΩ  16πε 0 E  sin 4 θ{ 1 − (M M ) sin θ + cosθ }
2

1

2

2

1 − ( M 1 M 2 ) 2 sin 2 θ

2（3-14）となる。
微分散乱断面積を用いると、散乱角がθで立体角がΩの領域内に散乱粒子を- 12 -

集めるには、図 3-4 の平面 P において、図 3-5 のようなある領域でその面積が dσ 
（3-15）σ = ×Ω dΩ  θ
であるところを通過すればよい。これから微分散乱断面積は面積の次元をもつ。
フラックス密度 j０で多数の粒子を送り込むと、その内の j０Δσ個が単位時間内にΔσを通過し、立体角ΔΩの中に散乱される。このことから１個の標的核によって検出器の立体角Ω内に単位時間内に散乱される数νは dσ 
（3-16）
ν = j0 
 ×Ω
 dΩ  θとなる。実際の標的はビ−ムの当たる面積 S 内に標的核をマクロな数含む。これを n 個とし、ビ−ムの照射時間を t とすると、散乱された全収量ν０は
 dσ 
（3-17）
ν 0 = nj 0 t  ×Ω dΩ  θとなる。
さて、式（3-17）から次のことが言える。ビ−ムの当たる面積 S 内において原子密度 N で深さτ内にある原子は、単位面積当たり Nτ個の原子をもつ。このとき Nτは先ほどのマクロな数 n を用いて、
Nτ =

n
S

（3-18）で表され、入射粒子の総数を Q で表すと
Q=S j０ t（3-19）である。これらを式（3-17）に代入して
ν0 = N τdσQΩdΩ（3-20）となる。この式によって散乱収量すなわちスペクトルの高さを求めることがで
きる。

３−１−３

膜厚と阻止断面積

入射粒子が標的中を進むにつれて、速さが小さくなりエネルギ−を失う。入射粒子がΔx 進む間に失うエネルギ−ΔE は、入射粒子の種類、標的の密度や組成、入射粒子の速度に依存する。入射粒子のエネルギ−が E である時の単位長
さ当たりのエネルギ−損失は dE／dx と略して書かれ∆E

dE

lim ∆x ≡ dx ( E )（3-21）∆x → 0- 13 -

で定義される。
初期エネルギ−E０の粒子が標的中へ侵入する場合、表面から x の深さにおける入射粒子のエネルギ−E０はE ( x) = E 0 − ∫

x

0

dE
⋅ dx
dx

（3-22）

で与えられる。ところが、dE／dx は普通は E の関数として定義されるので
dx( E ) ⋅ dE
dE

dx =

（3-23）

より、−1

 dE x=∫ 
 dEE dx 
E0（3-24）となる。実際問題として、エネルギ−損失があまり大きくない場合、dE／dx もほとんど変化せず、一定と見てよい。このとき、一定な dE／dx をどのエネルギ−に対する値を用いるかで次の二つの近似が存在する。

dE
 dE 
= const = dx
 dx  E0

①

表面近似

②

平均エネルギー近似（3-25）dE
 dE 
= const = dx
 dx  E0 + E（3-26）

2

普通は表面近似を用いて
x = (E0 − E ) ×1
 dE  dx  E0

 dE 
E = E0 −  ×x dx  E0（3-27）（3-28）

を解析に使用する。
次にエネルギ−損失（dE／dx）の求め方を示す。
（dE／dx）は実際に厚さ t の物質（単元素物質でも化合物でも可）を用意し、入射エネルギ−E０を変えながら物質通過後のエネルギ−損失値ΔE を測定し、（dE／dx）＝ΔE／t によって求めるか、もしくは理論計算によって求める。理- 14 -

論計算で求める際は，より本質的な、（dE／dx）をその物質の密度 N で割ったε≡（１／N）（dE／dx）なる阻止断面積を用いることが多い。これは次の考え方による。
（dE／dx）は距離Δx を通過する際に失うエネルギ−の割合を表し
∆E =

dE
× ∆x
dx

（3-29）なる関係をもつ。このときエネルギーの減少分ΔE を決める因子は、正確には移動距離Δx ではなく、衝突した原子または電子の数である。物質の密度を Nとするとき、距離Δx の中には単位面積当たり N・Δx 個の原子が存在する。入射イオンのエネルギ−がΔx 通過後ΔE 減少したとき、単位面積当たりに１個の原子が存在することによる減少分がε（阻止断面積）となるので、阻止断面積
εは通過によって減少したエネルギ−ΔE を単位面積当たりの個数 N・Δx で割って、ε＝ΔE／（N・Δx）となる。これから
ε=

∆E
1 dE
=
N ⋅ ∆x N dx

（3-30）なる関係が得られる。今εが分かっているとすれば、式（3-30）からεに N を乗じることによって（dE／dx）を求めることができる。
さてεの理論計算は、1913 年にボ−アによって求められ、一般のラザフォ−
ド後方散乱法においては核外電子による損失が支配的で、それは古典論により
以下のように記述され

ε=4 πZ12 Z2 e 4 2 M e v 2lnme v 2I( I = 10 Z2 )（3-31）と表された。ここで Z１、Z２は入射イオン及び標的原子の原子番号、meは電子の質量、v は入射イオンの速度である。
現在におけるεの計算は、実験式と理論式を組み合わせ、最小二乗法で多項式近似を行った半経験公式で求めることが多い。
化合物に対する阻止断面積の求め方は、導出時の考え方でも明らかなように、それぞれの阻止断面積に存在比を乗じて加えればよい（Bragg の法則）｡
ε AmBn = m ε A + nε B
（3-32）
こうして得られた阻止断面積の値に密度 N を乗じて阻止能を求める。

- 15 -

図 3-6 散乱エネルギーE0 から深さを求める時の模式図

次に散乱イオンのエネルギ−E１から散乱の起こった深さを求める方法について述べる。図 3-6 において入射粒子のエネルギ−は E０であり、表面から深さ xの位置で散乱される直前のエネルギ−を E、θの方向に散乱されて物質外に出たときのエネルギーを E１とする。また、θ１、θ２はそれぞれ入射粒子、散乱粒子が標的の方線方向となす角である。このとき入射粒子が散乱されるまでに物質中を進む距離は x／cosθ１であるから
E = E0 −xdE( E0 )
×cos θ1 dx（3-33）となる。散乱直後の入射粒子のエネルギ−は KE であり、散乱経路によってE1 = KE −

x dE
x dE
( KE ) ≈ KE −( KE 0 )cos θ 2 dx
cos θ 2 dx

（3-34）

この二つの式からＥを消去することによって
 K dE
1 dE(E0 ) +( KE 0 ) ⋅ x
KE 0 − E1 = cos θ 2 dx
 cos θ 1 dx


（3-35）となる。式（3-35）において KＥ０は表面の原子によって散乱された入射粒子のもつエネルギ−に相当する。ここでΔE をＥ１と KE０との差とすると、式（3-35）は∆E ≡ KE 0 − E 1 = [ S 0 ]x

（3-36）- 16 -

ここで［S０］はエネルギ−損失因子又は S 因子と呼ばれ、
 K dE
1 dE[S 0 ] ≡ (E0 ) +( KE 0 )
cos θ 2 dx
 cos θ 1 dx


（3-37）である。阻止断面積 ε を用いると、式（3-30）から∆E = [ε 0 ] ⋅ Nx

（3-38）と表される。［ε０］は阻止断面積因子（stopping cross section factor）又はε因
子と呼ばれ
 K

1
[ε 0 ] ≡ ε (E0 ) +ε ( KE 0 )cos θ 2
 cos θ 1
（3-39）である。
これまでに説明した散乱断面積の概念とエネルギ−損失の概念を組み合わせて、密度 N なる物質のそれぞれの深さにおける散乱イオンの強度を求める。
今、MCA の１チャンネル当たりのエネルギ−幅をξとし、深さ xi から xi＋
τi の距離の間で散乱された粒子が i 番目のエネルギ−チャンネルのエネルギ−
幅ξ内にストアされるとする。ここでτi が既知であるとすると、垂直入射ビ−ムに対するチャネル i での散乱粒子の総数 Hi は式（3-20）より、Hi＝（dσ／dΩ（Ei））ΩＱNτi で与えられる。ここで、Ei は深さ xi における散乱直前のエネルギ−で、距離 xi を通過する際にいくらかのエネルギ−損失を受けている。
また、dσ／ｄΩ（Ei）はそのエネルギ−Ei に対する散乱断面積である。

- 17 -

図 3-7 単一の元素からなる試料の表面領域における散乱収量(a)散乱過程の模式図と(b)その RBS スペクトル入射角がθ１>0 の場合、ビームが試料中の厚さ τi の部分を横切る際に進む距
離は、τi/cosθ１で与えられるので、Hi は、
Hi =dσΩQN τ i
( Ei ) ⋅cos θ1dΩ（3-40）

式（3-40）を用いれば深さ xi での散乱収量が求まるが、これには散乱直前のエネルギ−Ei 及び、MCA１チャネルに対応する幅τi を求めてやる必要がある。
そこで、これらの計算を行う前に、より単純な形として、表面領域での散乱によるスペクトルを考え、その強度を求める。図 3-7 にこの表面領域での散乱過程とスペクトルを示す。この領域では散乱直前のエネルギ−は E０で近似されるから、表面領域に対するスペクトルの高さ H０は、式（3-40）より
H0 =dσΩQN τ 0
( E0 ) ⋅cos θ1dΩ（3-41）となる。
幅τ０内にある原子から散乱された粒子のエネルギ−は KE０と KE０−ξの間にあり、式（3-38）、（3-39）より表面領域の厚さτ０は、
ξNτ0 =（3-42）[ε0 ]で表される。すなわち厚さτ０は１チャネル当たりのエネルギ−ξより決定できる。式（3-41）、（3-42）より Nτ０を消去すると- 18 -

H0 =

ΩQξ
dσ
( E0 ) ⋅[ ε 0 ]cos θ1dΩ（3-43）を得る。

図 3-8 単一の元素からなる試料の深さ xi における散乱収量(a)散乱過程の模式図と(b)その RBS スペクトル次に図 3-８をもとに、深さ xi からの散乱イオン強度について考える。この場
合、深さ xi によって Nτi の項が式（3-42）から変化して、近似的にNτ i =ε ( KE i )[ε 0 ( E i )] ε ( E1,i )ξ（3-44）

で表される。ここで Ei は深さ xi における散乱直前のエネルギ−、E1,i は MCA
により計測された出射時のイオンのエネルギ−、ε（KEi）及び ε（E1,i）はエネ- 19 -

ルギ−がそれぞれ KEi及び E1,i のときの阻止断面積である。式（3-44）を式（3-42）に代入して、深さ xiにおける散乱イオン強度 Hiは

Hi =

dσ
ΩQξ
ε ( KE i )( Ei ) ⋅dΩ[ ε 0 ( Ei )] ⋅ cos θ1 ε ( E1,i )（3-45）となる。これが深さ xiにおける散乱イオン強度を求める式である。

３−１−４

多数の元素を含む試料の散乱スペクトルと Bragg の式

今までは単一の元素からなる試料に対して散乱イオン強度を求めたが、次に 2種類の元素 A、B からなる試料（化学式 AｍBｎ）について考え、その時の散乱イ
オン強度を求める。

- 20 -

図 3-9 ２種類の元素からなる試料の表面領域における散乱収量(a) 散乱過程の模式図と(b)その RBS スペクトル
今、この試料に粒子を入射させたときの様子が図 3-9(a)に、そしてその時得られる後方散乱スペクトルが図 3-9(b)に示されている。このスペクトルは元素 A
および B によって発生した 2 つの信号の重なりで構成されている。それぞれの信号のエッジは、それぞれの元素の kinematic factor K によって決まる。元素
A 及び B で散乱されたエネルギ−Eｉの粒子によって発生した信号の高さをそれ
ぞれ HＡ（Eⅰ）、HＢ（Eⅰ）とすると、エネルギ−Eⅰにおけるスペクトルの全体の高さは

H ( Ei ) = H A ( Ei ) + H B ( Ei )（3-46）となる。
表面付近での後方散乱では、元素 A 及び B による散乱強度は式（3-41）より

H A, 0 = σ A ( E0 ) ⋅H B ,0 = σ B ( E 0 ) ⋅ΩQN AABτ A, 0
cosθ1
ΩQN BAB τ B ,0cos θ1（3-47）（3-48）となる。この式で N AAB 、N BAB は分子 AｍBｎにおける単位体積当たりの原子 A と原子 B の数であり、τA,０、τB,０ は入射粒子が元素 A 及び B で散乱されて脱出する- 21 -

までにエネルギ−ξを失うのに要する試料の厚さである。ここで、A 原子と B原子による微分散乱断面積を σＡ（E０）、σＢ（E０）と略記した。
τA,０、τB,０は式（3-42）から
N AB τ A,0 =N ABτ B , 0 =ξ[ ε 0 ] ABAξ[ε 0 ]BAB（3-49）（3-50）

を満たす値であり、NAB は単位体積当たりの分子 AｍBｎ数の数、及び、 [ε 0 ] A 、
AB[ε 0 ] BAB はそれぞれ化合物 A B をτ , 、τ , の距離だけ通過して A 原子又は B
ｍ

ｎ

Ａ ０

Ｂ ０

原子によって散乱され、再び AｍBｎを通過して試料外に放出されたイオンに対する阻止断面積因子である（これの求め方は後回しにする）。ここで N AAB = mN AB 、
N BAB = nN AB で表されるので、式（3-47）、（3-48）はH A ,0 = σ A ( E 0 ) ⋅ΩQm ξ[ ε 0 ] AB
A cos θ1

（3-51）

H B ,0 = σ B ( E 0 ) ⋅ΩQnξ[ ε 0 ]BAB cos θ1（3-52）と表すことができる。
これらの高さの比を取るとH A,0 σ A ( E0 ) m [ ε 0 ]BAB=⋅ ⋅H B ,0 σ B ( E0 ) n [ ε 0 ] ABA

（3-53）となる。
今、[ ε 0 ]BAB
≈ 1 とおいて表面領域における組成比[ ε 0 ] ABA

m H A ,0 σ A ( E 0 )=n H B ,0 σ B ( E 0 )（3-54）を求める。一般の場合においてはこの近似で十分精度よく組成比を求めることができるが、さらに精度よく組成比を求める場合、式（3-54）を用いて得られた m／n の値から式（3-64）、（3-65）を用いて [ε 0 ] A 、 [ε 0 ] B の値を計算し、式
ABAB（3-53）に従って誤差内に収まるまで組成比 m／n の計算をくり返せばよい。
元素数が増えても全く同様の処理を行えばよい。
- 22 -

以上が表面領域における組成比の求め方であるが、任意の深さにおける組成比を求めるときは、式（3-47）、（3-48）が式（3-40）に対応した式ΩQN AAB τ A,icos θ1（3-55）ΩQN BABτ B ,iH B ,i = σ B ( Ei ) ⋅cosθ1（3-56）

H A,i = σ A ( Ei ) ⋅になり、式（3-49）、（3-50）が式（3-44）に対応した式
N AB τ A,i =ξε AB ( K A Ei )ε AB ( E1 A,i )[ ε 0 ( Ei )] ABA（3-57）N AB τ B ,i =ξε AB ( K B Ei )[ ε 0 ( Ei )] BAB ε AB ( E1B ,i )（3-58）になるから、散乱強度は
H A,i = σ A ( Ei ) ⋅ΩQm ξε AB ( K A Ei )⋅ε AB ( E1 A,i )[ ε 0 ( Ei )] AB
A cos θ1

（3-59）

H B ,i = σ B ( Ei ) ⋅ΩQnξ
ε AB ( K B Ei )⋅[ ε 0 ( Ei )]BAB cos θ1 ε AB ( E1B ,i )（3-60）

で求められる。その際、出発点として、式(3-51)、(3-52)を用いて表面領域での組成比を求め、それから式(3-59)、(3-60)の諸量を計算する。

図 3-102 種類の元素からなる試料で散乱を行った深さを求める時の散乱図

最後に散乱イオン強度を求める際に必要な物理量である多元素物質における- 23 -

阻止断面積因子（式(3-49)、(3-50)の右辺の分母の値や式(3-57)、(3-58)の右辺の値など）の求め方を示す。
ここでも２種類の元素 A、B からなる試料 AｍBｎ について、その阻止断面積を求める。
図 3-10 において E１,A、E１,Bはそれぞれの元素 A 及び B から散乱された後に検出された粒子のエネルギ−を表し、εAmBn は元素 A と B を存在比 m／n で含んでいる試料の阻止断面積を表すとする。今、入射粒子が深さ x まで侵入し、入射経路においてエネルギ−をΔEin 損失したとすると∆Ein = N AB ε inAmBnx
cos θ1（3-61）となり、NAB は分子 AｍBｎの体積密度である。脱出経路でのエネルギ−損失ΔEout
は衝突する相手の kinematic factor によるので、表面と深さ x とで散乱された粒子のエネルギー差 E は、入射粒子が原子 A からあるいは原子 B から散乱されるかによってΔEＡとΔEＢの２つの値をとる。これらの値はエネルギ−損失の概念から考えると、AB∆E A = [ ε ] ABx
A N

（3-62）∆E B = [ ε ] BAB N AB x

（3-63）となる。[ε]Ａ 、[ε]Ｂ は AｍBｎ分子を通過して A 原子及び B 原子によって散乱ＡＢ

ＡＢ

されるときの阻止断面積因子であり、式（3-38）、(3-39）を参考にして考えると、[ε ] ABA =1
K A ABAB
ε in +
ε out
,A
cosθ1
cosθ 2（3-64）[ε ]BAB =1
K B ABAB
ε in +
ε out
,B
cosθ1
cosθ 2（3-65）

で与えられる。
阻止断面積因子における入射時の阻止断面積εin の値を入射エネルギ−E0 のときの値で代用し、出射時のεout を入射エネルギ−E0 の粒子が原子 A もしくは
原子 B で散乱されたとして KAE0 及び KBE0 のときの値を用いる。このとき式（3-64）、（3-65）は[ ε 0 ] ABA =K A AB1
ε ( E0 ) +ε AB ( K A E0 )cos θ1cos θ 2- 24 -（3-66）

[ ε 0 ] BAB =K B AB1
ε ( E0 ) +ε AB ( K B E0 )cos θ1cos θ 2

（3-67）となる。これらの式を式（3-62）、（3-63）に代入してエネルギ−損失と深さ xの関係を求める。
ここで２種類の元素からなる阻止断面積εAB は、Bragg の加法則

ε AB = mε A + nε B

（3-68）
で求める。このとき m／n の比が既知である必要がある。
深さ x が大きくなると、表面近似を用いて式（3-62）、（3-63）によりエネル
ギ−損失量を求める方法は、実際の値から ずれ が生じるようになる。この時は深さ x をいくつかの厚さ t に区切って、各厚さ t において表面近似を用い、入射時のエネルギ−損失の式
Ein = E0 −= E0 −

t dE( E0 )cos θ1 dxt
N AB ε AB ( E0 )cos θ1（3-69）

から入射時のエネエルギ−Ein を求め、式（3-66）、（3-67）の E0 の代わりに代入する。こうすることによって、あらゆる深さにおける阻止断面積因子を求めることができる。

３−２

共鳴散乱法の原理

入射イオンのエネルギ−が大きくなると、酸素や炭素等の軽元素に対する収量はラザフォ−ドの式から大きくはずれ、一般に原子核に近づきすぎたイオン
はク−ロン力以外の力も受けるために特定のエネルギ−で共振してしまい、標的原子核の微分散乱断面積が大きく見える現象を共鳴散乱と言う。
軽元素に対して、共鳴散乱を利用すると検出感度を上げることができ、通常は Si 基板からの信号などに埋もれてしまい検出が容易でない元素を検出することができる。

- 25 -

入射エネルギー３.083MeV
散乱角 168°

図 3-11 共鳴散乱を用いて測定した SBT 薄膜のスペクトル
図 3-11 に共鳴散乱を用いて測定した SBT 薄膜のスペクトルの例を示す。酸素元素に対しては入射ヘリウムイオンのエネルギーが 3.045MeV、散乱角
θ=170°付近で共鳴が起こる。そこでこの付近のエネルギー、散乱角で実験を行
うと酸素共鳴スペクトルを得ることができる。この例では入射エネルギーは3.083MeV で散乱角 θ=168°である。シミュレーション結果も合わせて表示する。図中に示した尖った三角の部分が共鳴散乱によって検出された酸素の信号である。
含まれている量は微妙だが、信号が大きくなるので図 3-11 に見られるように酸素共鳴を用いることにより酸素が検出できる。

３−３

ERDA 法の原理

Elastic Recoil Detection Analysis（弾性反跳散乱分析法）とは、He+をサンプルに照射し、サンプル内に含まれている水素を試料表面から前方に弾き飛ばすことにより、水素の含有量の定量分析を行う方法である。弾性反跳実験には、- 26 -

透過型 ERDA 法と反射型 ERDA 法と呼ばれる 2 種類の方法がある。本研究では反射型 ERDA 法を採用した。ここでは反射型 ERDA 法を用いて弾性反跳実験の原理について説明する。

図 3-12反射型 ERDA 法の模式図

反射型 ERDA 実験は図 3-12 に示すように、試料にすれすれでイオンを入射させ、表面からすれすれで出てきた反跳粒子を検出することからなる。試料内に存在する元素より重い入射イオンを用いて軽元素（本研究では水素）の深さ分布を調べるためには、検出器の前に吸収する膜を置き、散乱してきた重い入射イオンを止めなければならない（図 3-12 の吸収膜）。反跳した粒子のエネル
ギーは衝突によって入射イオンからエネルギーを与えられることによって決められ、反跳粒子の質量数に依存する。ERDA 法において重要な概念は反跳のk-factor と反跳の断面積である。最初に反跳の k-factor を導く。
衝突前の入射粒子の質量を m1、速度を v0（この方向に x 軸を取る）、エネル
ギ−を E0とし、衝突後の速さを v1、散乱角をθ、エネルギ−を E1とする。また
標的原子の質量を m2、衝突前は静止していてエネルギ−は 0、衝突後の速さをv2、移動方向をφ（これを反跳角という）とすると、エネルギ−及び運動量の保
存則は
1
1
1
2
2
2
m1v0 = m1v1 + m2 v2222
m1v0=m1v1cosθ＋m2v2 cosφ0=m1v1sinθ‐m2v2sinφで表わされる。

（エネルギー保存則）（3-70）（運動量保存則）（運動量保存則）（3-71）（3-72）- 27 -

ここで E0 =

1
1
1
2
2
2
m1v0 、 E1 = m1v1 、 E2 = m2v2 である。
2
2
2

反跳前の入射粒子のエネルギ−E０と反跳後の反跳粒子のエネルギ−E2 の比を反跳の kinematic factor K といい
E
K = 2（3-73）
E0で表す。
これを求めるためにまずθを消す。
式（3-71）を 2 乗すると、(m1v1 cosθ ) 2 = (m1v0 − m2v2 cos φ ) 2（3-73）= m12v02 − 2m1m2v0v2 cos φ + m22v22 cos 2 φ
次に式（3-72）を 2 乗する。
(m1v1 sin θ ) 2 = m22v22 sin 2 φ（3-74）

式（3-73）＋式（3-74）を計算すると、(m1v1 cosθ ) 2 + (m1v1 sin θ ) 2 = (m1v0 − m2v2 cos φ ) 2 + (m2v2 sin φ ) 2
m12v12 (sin 2 θ + cos 2 θ ) = m12v02 − 2m1 m2v0v2 cos φ + m22v22 (sin 2 φ + cos 2 φ )m12v12 = m12v02 − 2m1m2v0v2 cos φ + m22v22式（3-70）の両辺に 2m1 をかける。

m12 v 02 = m1 m2 v 22 + m12 v12（3-76）

式（3-76）に（3-75）を代入する。

m12v02 = m1m2v22 + m12v02 − 2m1m2v0v2 cos φ + m22v22
m1m2v22 + m22v22 − 2m1m2v0v2 cos φ = 0
m2 (m1 + m2 )v22 − 2m1m2v0v2 cos φ = 0（3-77）

式（3-77）の両辺を m2 で割る。

(m1 + m2 )v22 − 2m1v0v2 cos φ = 0（3-78）- 28 -（3-75）

式（3-78）の両辺を v2 で割ることにより v2 は求まり、(m1 + m2 )v2 − 2m1v0 cos φ = 0v2 =（3-79）

2m1
v0 cos φ
m1 + m2

v2
2m1
cos φ
=
v0 m1 + m2
よって反跳の K-factor は
m2v22 m2 v2 2 m2
4m12
k'=
=
⋅
( ) =
cos 2 φ
2
2
m1v0
m1 v0
m1 (m1 + m2 )4m1m2=
cos 2 φ（3-80）
2(m1 + m2 )と表される。
式（3-80）において反跳角φと K−factor の関係をグラフで表すと図 3-13 のようになる。
尚、このグラフは入射粒子 He、標的粒子 H とした場合の反跳角φと反跳の K−factor の関係を示すグラフである。

ヘリウムが水素に衝突するときの反跳のK-factorの反跳角依存性
0.70
0.60
K-factor

0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
0

20

40

60

80

100

反跳角φ

図 3-13

反跳角φと K−factor の関係

また、定量分析では、試料の中に存在する粒子の数を決定しなければならない。
それは散乱現象の起こる確率によって特徴付けられた反跳断面積という概念を通じて求めることができる。
反跳断面積とは試料内原子の存在量と反跳される反跳イオンの数の関係を量- 29 -

で示したものである。３−１−２節で説明した RBS 法の散乱断面積に対応するものである。ERDA 法では RBS 法と同様に反跳断面積の考え方を用いて定量測定を行う。
入射粒子によって標的粒子はさまざまな方向に反跳されるが、これを半導体検出器で観測する。半導体検出器は有限の大きさをもっているが、散乱は入射
粒子線を中心にして軸対称に起こる。標的を中心にして極座標で表すと半径１㎝の球内に半導体検出器の検出領域が写像される。このときの面積を㎝ 2 の単位で表した時の数値を（検出器の）立体角といい、sr （ステラジアン）で表す。
反跳断面積を求める際は、まず質量中心系を使用して考え、その解を実験室系に変換する。散乱中心において等速度 V0 で入射した粒子は、質量中心系で異なる角度ξに反跳する。散乱角度ξがインパクト・パラメーター（衝突パラメーター）に対して単調的に減少する関数であるので、ρ(ξ)からρ(ξ)+dρ(ξ)の間のインパクト・パラメーターを持つ粒子だけが、ξからξ+dξの間の角度に反跳する。決められた時間の間にξからξ+dξの角度に反跳してくる粒子の数は 2πρ(ξ)dρ(ξ)N0 に等しい（ここで N0 はビームの断面積の決められた面
積を通じて通過してくる粒子の数である）。このことから質量中心系における反跳断面積は次の式で表わされることがわかる。
ρ (ξ ) dρ (ξ )dσ c =dΩ（3-81）sin ξ dξ
ここで、ｄΩは角度ξからξ+dξで表される円錐の立体角である。
クーロンポテンシャル中で電荷をもった粒子の散乱に対しては、弾性衝突において最も古典的である。クーロンポテンシャル V(R)=α/R については
α 2 cot 2 (ξ / 2)
2
（3-82）
ρ (ξ ) =µ 2V04で、角度ξの関数としてのインパクト・パラメーターを求めることができる。
111
ここでμは還元質量である（ =）。
+µ m1 m2式（3-81）と式（3-82）から反跳断面積を計算すると、dρ (ξ ) 1 dρ 2 (ξ )=
ρ (ξ )
dξ
2 dξ

1 d
=
2 dξ
=

ξ
α 2 cot 2 ( )
µV
2

2

4
0

α2 d
ξ
cot 2 ( )2 4
2µ V0 dξ2

- 30 -

dα2ξξcot( )=⋅ 2 cot( ) ×
2 4
2µ V0
2 dξ
2
2
α
ξ d
ξ
= 2 4 cot( ) cot( )
2 dξ
2
µ V0

ξ

cos( )ddξ2cot( ) =2dξdξ sin( ξ )2ξξ− sin 2 ( ) − cos 2 ( )
2
2 ×1
=
ξ
2
sin 2 ( )
2
1

=−

ξ

2 sin 2 ( )2dσ Cρ (ξ ) dρ (ξ )
=
⋅
dΩ
dξ
sin ξ
1
α2
ξ
1
( 2 4 ) cot( )(−=)ξ
sin ξ µ V022 sin 2 ( )2ξ=cos( )
2 (−
)

1

2

2 sin 2 ( )
2

α
2 4
ξ
2 sin( ) cos( ) µ V0 sin( )

= −

2

1

(

ξ

ξ

2

2

α2

ξ

)

ξ

4 µ 2V04 sin 4 ( )2

よって、反跳断面積 dσC は式（3-83）ように表すことができる。
2





α
 dΩ
dσ C =  2 µV 2 sin 2 ( ξ ) 


0
2 


（3-83）

クーロン反発作用ポテンシャルα=Z1Z2e2 について式（3-83）は次のように書くことができる。

- 31 -(dσ
Z1Z 2e 2)C = ()2ξdΩ
4 EC sin 2 ( )2（3-84）

ここで、Z1 は入射粒子の原子番号、Z2 は試料原子の原子番号である。また、ECは質量中心系での還元質量を持った入射粒子の散乱前のエネルギーであるので、

EC =

1 2
µv0
2

と表わされる。
クーロン散乱については、量子力学的計算も同じ結果になる。
式（3-84）を用いると、質量中心系における反跳断面積(dσ/dΩ)C を求めることができる。これを実験室系での反跳断面積の式(dσ/dΩ)L に変形するために、両者間の変形の関係を考慮しなければならない。
立体角(dΩ)c の中に散乱した粒子の総数は、立体角(dΩ)L の中で測られた数と等しい。したがって反跳における保存関係は、

(

dσ
dσ
)C sin ξdξ = ( ) L sin ϕdϕdΩdΩ（3-85）

で表わされる。
反跳角の質量中心系と実験室系での角度間の変形(2φ=π−ξ)を用いて、実験室系に対する反跳断面積(dσ/dΩ)φを得ることができる。

(

dσ
dσ
)ϕ = ( )C 4 cos ϕdΩdΩ（3-86）式（3-86）および質量中心系と実験室系間のエネルギー間の変形を行うと、次式によって実験室系での反跳断面積を求めることができる。
dσ
Z Z e2 M
1( )ϕ = ( 1 2 ) 2 ( 1 + 1) 2
（3-87）dΩ
2 E0
M2
cos3 ϕ
このとき、E0 は MeV の単位で表され、e2 ≈ 1.4398×10-13MeV･cm および(dσ/dΩ)Φは cm2 の単位で表される。
式（3-87）によって求められる反跳角と反跳断面積の関係及び入射エネルギ
ーと反跳断面積の関係の計算結果を下図（図 3-14 及び図 3-15）に示す。

- 32 -

反跳断面積[b]ヘリウムが水素に衝突するときの水素の反跳断面積の反跳角
依存性
4.50
4.00
3.50
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
0

図 3-14

10

20

30
40
反跳角

50

60

70

反跳角と反跳断面積の関係（式 3-87 による計算結果）

ヘリウムが水素に衝突するときの水素の反跳断面積のエネ
ルギー依存性
3

反跳断面積[b]

2.5
2
1.5
1
0.5
0
0.5

図 3-15

1

1.5

2
2.5
3
入射エネルギー[MeV]

3.5

4

4.5

入射エネルギーと反跳断面積の関係（式 3-87 による計算結果）

図 3-14 は、反跳角と反跳断面積の関係をグラフ化したものである。ここでは、入射エネルギーE0 を 1MeV とし、反跳角 0°〜60°の場合の反跳断面積を求めてグラフ化した。
また図 3-15 は、入射エネルギーと反跳断面積の関係をグラフ化したものである。ここでは反跳角 20°で固定し、入射エネルギーE0 を 0.5MeV〜４MeV と可変した場合の反跳断面積を求めてグラフ化した。

- 33 -

３−４

RUMP シミュレーションについて

実験データの解析には、汎用スペクトル解析プログラム(XRUMP)を用いた。
解析の方法は次の通りである。まず初めにプログラムに実験データを入力し、画面上に下図 3-16 のようなスペクトルを表示させる。

図 3-16

実験結果スペクトル

次に理論スペクトルの算出に必要な実験装置の特性・幾何配置、入射イオンビームの情報を入力する。そして、予想される試料の組成・膜厚などを入力する。
これを表 3-1 に示す。

- 34 -

==========================================================
Beam:
3.063 MeV
4He+
10.00 uCoul @ 0.00 nA
Geometry:
General Theta:
5.60 Phi:
11.70 Psi:
10.46
MCA:
Econv:
3.816 216.027 First chan: 0.0 NPT: 1024
Detector:
FWHM: 15.0 keV Tau: 0.5
Omega: 2.100
Correction: 1.1600#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
11800.00
SBT
auto
Sr
1.000
Bi
2.000
Ta 2.000O
9.000
2275.00
nm
auto
O
0.200
Pt
1.000
3
6100.00
SiO2
auto
O
2.000
Si
1.000
4

100.00

um

auto

Si

1.000

表 3-1 XRUMP に実験装置の特性・幾何配置、予測される試料の組織等を入力した例
この例では、入射エネルギー3.063MeV でビーム（4He）を（表 3-1 で BEAMで表わされる）、立体角 2.100msr（表 3-1 で Omega で表わされる）、散乱角の補角 11.7°（表 3-1 で Phi で表わされる）、試料法線方向から出射角 10.46°（表 3-1 で Psi で表わされる）、試料法線方向から入射角 5.6°（表 3-1 で Theta
で表わされる）で入射させ、0ch〜1024ch の間で測定するという条件であり（表3-1 の NPT で表わされる）、幾何学的配置を図 3-17 に示す。また、表 3-1 の試料情報の模式図を図 3-18 に示す。

図 3-17

幾何学的配置- 35 -

SBT
PtO

180 nm
275 nm

SiO 2

610 nmSi
SBT＝Sr1.0Bi2.0Ta2.0O9.0
PtO＝Pt1.0O0.2
SiO２＝SiO2
図 3-18 予測した試料の組成・膜厚の例
図３-18 で示した試料の構造を XRUMP に入力したが、これは表 3-1 で 1 層目
膜厚 1800SBT（SBT 単位は SBT においてÅと同じ）、Sr1.0、Bi2.0、Ta2.0、
O9.0、2 層目膜厚 275nm、O0.2、Pt1.0、3 層目膜厚 6100SiO2、O2.0、Si1.0、4 層目膜厚 100nm、Si1.0 と書いてある部分であり、この構造を仮定してシミュ
レーションを行ったことを示している。
これらのデータを基にプログラムは理論値を計算し、実験スペクトルと同一画面上に図 3-19 のような理論スペクトルを表示する。

- 36 -

Energy(MeV)
1.0

140
120

1.5

2.0

2.5

3.0

+

3.063MeV He →SBT

100
80
60
40
20
0
100

200

300

400

500

600

700

800

Channel

図 3-19

予測した組成でのシミュレーション

この結果、実験スペクトルと理論スペクトルとの間におおよその一致が見られるならば想定された試料の組成・膜厚が真の値であるとみなすことができる。
一致が見られない場合は、実験スペクトルと理論スペクトルとの間のグラフィック上の差異を確認し、この差が縮まるように試料の情報を入力し直すことにより、試料の組成・膜厚を真の値に近づける（表 3-2）
。修正後のスペクトルは
図 3-20 のようになる。

- 37 -

==========================================================RBS File:C:¥cgs¥s3083.rbs
Identifier: ! C:¥cgs¥s3083.txt
LTCT Text:
ASCII file read
Date:
Beam:
3.063 MeV
4He+
10.00 uCoul @ 0.00 nA
Geometry:
General Theta:
5.60 Phi:
11.70 Psi:
10.46
MCA:
Econv:
3.816 216.027 First chan: 0.0 NPT: 1024
Detector:
FWHM: 15.0 keV Tau: 0.5
Omega: 2.100
Correction: 1.1600#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
11950.00
SBT
auto
Sr
0.071
Bi
0.145
Ta 0.150
O0.500
C 0.2552
100.00
SBT
auto
Sr
0.010
Bi 110.000
Ta 0.001
O
0.800
Pt 250.000
3100.00
SBT
auto
Sr
1.000
Bi
0.500
Ta 0.010
O
8.100
Pt
3.900
Si
0.100
4
2100.00
SBT
auto
Pt
0.850
Si
0.150
with fuzzing of 200.00 in 10 steps
55600.00 SiO2
auto
O 10.000
Si
6.000
with fuzzing of 600.00 in 3 steps* 6
100.00
um
auto
Si
1.000
==========================================================
表 3-2 XRUMP に修正後の組成・膜厚を入力した例- 38 -

Energy(MeV)
1.0

140
120

1.5

2.0

2.5

3.0

+

3.063MeV He →SBT

100
80
60
40
20
0
100

200

300

400

500

600

700

800

Channel

図 3-20

修正後のスペクトル

ERDA で反跳水素の検出を行う場合には、実際に実験を行うエネルギーが 1MeVよりも高く、このため反跳断面積がラザフォードの式（3-87）からはずれるので、シミュレーションを行う際は注意が必要である。
本研究においては、Tirira 等が提唱した反跳断面積を使う。この式は、
 dσ H ( EHe ,φ ) 
−1
−2
In 
 = A1EHe + A2 + A3 EHe + A4 EHedΩ（3-88）

で表わされ、それぞれの反跳角に対する係数 A1〜A4 が表になっている。この値を表（3-3）に示す。
A1
A2
A3
A4
Φ(deg)
00.76511.72015.6116-1.701150.7581
1.73215.6302-1.7148100.7366
1.77165.6797-1.752715
0.6994
1.84925.7417-1.8049200.64491.98075.7890-1.856825
0.57322.18405.7880-1.890630
0.47792.47585.7117-1.889735
0.36512.86825.5349-1.840840
0.23493.36875.2445-1.7350
表 3-3 それぞれの反跳角に対する係数- 39 -

この式を用いて反跳角φ=20°の時の反跳断面積を求めグラフに示す（図 3-21）。
参考のためにラザフォードの反跳断面積の値も同時に示す。両者はかなり異なっていることがわかる。

TiriraとRutherfordによる反跳断面積
3

反跳断面積[b]2.5

TiriraRutherford

2
1.5
1
0.5
0
0

図 3-21

1

2
3
入射エネルギー[Mev]4

5

Tirira と Rutherford による反跳断面積

次にこの散乱断面積を XRUMP で使う方法について述べる。XRUMP では
XSECT と E2COF の２つの値を用いて反跳断面積を入力することでラザフォー
ドの式からずれた反跳断面積を取り扱うことができる。具体的には XRUMP では XSECT と E2COF の２つを値を用いて、

dσ
E 2COF= XSECT +dΩE2で示される式に従って反跳断面積を計算する。
その際、XRUMP では通常のｂ[バーン]単位ではなく、ｂ[バーン]を 0.1602 で割った単位（XRUMP 内部単位）を使用する。そこで Tirira の反跳断面積から XRUMP で使用される XSECT とE2COF を求める方法について次に述べる。
まず、Tirira の反跳断面積をあるエネルギー範囲で計算する。
（例えば、入射エネルギーが 2MeV の場合なら１〜２MeV、入射エネルギーが３MeV なら 1.5〜
3MeV）表 3-4 にその例を示す（この例では 0.80〜1.52MeV までを計算している）。

- 40 -

エネルギー
（MeV）

エネルギー
（KeV）

反跳断面積
反跳角 15°

反跳断面積
反跳角 20°

反跳断面積
反跳角 30°

0.80
0.82
0.84
0.86
0.88
0.90
0.92
0.94
0.96
0.98
1.00
1.02
1.04
1.06
1.08
1.10
1.12
1.14
1.16
1.18
1.20
1.22
1.24
1.26
1.28
1.30
1.32
1.34
1.36
1.38
1.40
1.42
1.44
1.46
1.48
1.50
1.52

800
820
840
860
880
900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
1100
1120
1140
1160
1180
1200
1220
1240
1260
1280
1300
1320
1340
1360
1380
1400
1420
1440
1460
1480
1500
1520

0.867563536
0.845997033
0.823932237
0.801677313
0.779477206
0.75752388
0.735965301
0.714913191
0.694449649
0.674632727
0.655501112
0.637078011
0.619374362
0.602391483
0.586123227
0.570557744
0.55567891
0.541467478
0.527901999
0.514959564
0.502616384
0.490848254
0.479630912
0.468940312
0.45875284
0.449045465
0.439795859
0.430982471
0.422584583
0.414582339
0.40695676
0.399689744
0.392764058
0.386163319
0.379871972
0.373875264
0.368159215

0.926690836
0.904898317
0.882327579
0.859338672
0.836221741
0.813207694
0.790477734
0.76817171
0.746395327
0.72522631
0.704719605
0.684911754
0.665824537
0.647467996
0.629842925
0.612942921
0.596756053
0.581266224
0.566454277
0.552298883
0.538777251
0.525865701
0.513540108
0.50177626
0.490550127
0.479838073
0.469617012
0.459864527
0.450558946
0.441679403
0.433205868
0.425119168
0.417400986
0.410033859
0.403001158
0.396287076
0.389876597

1.147210646
1.12190687
1.095244164
1.067714735
1.039721747
1.011591761
0.983586161
0.955911374
0.928727873
0.902157978
0.876292553
0.851196696
0.826914542
0.803473299
0.780886601
0.759157305
0.73827979
0.718241863
0.699026306
0.680612149
0.662975697
0.646091367
0.629932355
0.61447117
0.599680059
0.585531337
0.571997652
0.559052175
0.546668753
0.534822015
0.523487452
0.512641463
0.502261387
0.492325517
0.482813098
0.473704322
0.464980305

表 3-4 Tirira の反跳断面積を求めた例

エネルギーの−2 乗（

1反跳断面積のグラフを求める。線形近）と2(エネルギー)
0.1602- 41 -

似の近似曲線を用いて XSECT と E2COF を求める
（図 3-22、
図 3-23、
図 3-24）。

Eの-2乗と反跳断面積の関係（反跳角15°）反跳断面積/0.1602

6

y = 2.9027x + 1.1032

5
4
3
2
1
0
0

0.5

1
1/(エネルギー)

1.5

2

2

図 3-22 エネルギーの−2 乗と反跳断面積の関係（反跳角 15°の場合）

Eの−2乗と反跳断面積の関係（反跳角20°）反跳断面積/0.1602

7
y = 3.1324x + 1.1612

6
5
4
3
2
1
0
0

0.5

1
1/(エネルギー)

1.5

2

2

図 3-23 エネルギーの−2 乗と反跳断面積の関係（反跳角 20°の場合）- 42 -

反跳断面積/0.1602

Eの−2乗と反跳断面積の関係（反跳角30°）
8
7
6
5
4
3
2
1
0

y = 3.9991x + 1.3129

0

0.5

1

1.5

2

2

1/(エネルギー)

図 3-24 エネルギーの−2 乗と反跳断面積の関係（反跳角 30°の場合）
図 3-22、
図 3-23、
図 3-24 から、
反跳角 15°の場合の XSECT は 1.1032 、
E2COF
は 2.9027、反跳角 20°の場合の XSECT は 1.1612、E2COF は 3.1324、反跳角30°の場合の XSECT は 1.3129、E2COF は 3.9991 が求められる。
求めた XSECT と E2COF を XSECT＋E2COF/E2 に代入し、エネルギーの関数として Tirira の値と XRUMP の値を再計算して求めグラフにする（図 3-25、図3-26、図 3-27）。

Tiriraの値とXRUMPの値の関係（反跳角15°の場合）
6
Tirira
XRUMP

反跳断面積

5
4
3
2
1
0
0

0.5

1
入射エネルギー[MeV]1.52

図 3-25 Tirira の値と XRUMP の値の関係（反跳角 15°の場合）- 43 -

Tiriraの値とXRUMPの値の関係（反跳角20°の場合）
6
Tirira
XRUMP

反跳断面積

5
4
3
2
1
0
0

0.5

1
入射エネルギー[MeV]1.52

図 3-26 Tirira の値と XRUMP の値の関係（反跳角 20°の場合）

反跳断面積

Tiriraの値とXRUMPの値の関係（反跳角30°の場合）
8
7
6
5
4
3
2
1
0

Tirira
XRUMP

0

0.5

1
1.5
入射エネルギー[MeV]2

図 3-27 Tirira の値と XRUMP の値の関係（反跳角 30°の場合）
Tirira の値は XRUMP で使われる２つの係数で十分表現できるので、以下の解析においてはこれらの値を用いた。

- 44 -

３−５

１
２
３
４
５
６

実験装置

イオン源
Li カナル
イオン分析電磁石
タンデム加速器
イオン偏向電磁石
試料室（半導体検出器とゴニオメータを含む）
図 3-28 高知工科大学（A154）の実験装置

本研究に使用した実験装置の概略を図 3-28 に示す。この装置は、おおまかにいって、イオン源とタンデム型加速器から構成されている。まず、He ガスはデュ
オプラズマトロン型イオン源（1）によって、電子を剥ぎ取られてイオン化され、Li カナル中（2）を通過する際に Li の蒸気によって電子を与えられ、He−に変換される。その後、イオン分析電磁石（3）によって、He−イオンのみタンデム型加速器（4）に送り込まれる。加速器内に入った He−イオンは、最初に正の高電圧で一旦加速された後、ストリッピングガスによって再び電子が剥ぎ取られ、- 45 -

今度は負の高電圧で再び加速される。イオン偏向電磁石（5）によって、He＋ とHe2＋とに弁別され、コリメータスリットを通って試料室内（6）に導かれる。試料室内には、サンプルの取り付けられたゴニオメータと半導体検出器が置かれている。この半導体検出器によって、散乱イオンのエネルギーを測定することができる。

図 3-29 に試料室内の様子を示す。

図 3-29 試料室内の様子
写真右のコリメータスリットから入射した He イオンビームは、写真左側のゴニ
オメータ上に取り付けられた試料で散乱され半導体検出器で検出される。

- 46 -

第４章

ERDA の最適化

４−１

反跳角依存性

反跳角の依存性を見るために入射エネルギーを一定（1.522MeV）、入射角を一定（80°）、反跳角を 25°〜40°と変えながら実験を行った。それらのスペクトルを図 4-1 に示す。

図 4-1 反跳角依存性
ここで試料は水素含有量がほぼ化学量論組成の C22H10N2O5 で一定であり、水素含有量の較正に用いることができる標準カプトン膜（東レ・デュポン社の商品名；物質名ポリイミド）を用いた。
反跳角依存性のグラフから、入射角が一定であると表面に存在する水素からの信号が現れるチャンネル（反跳エネルギー）が変化する。そして RBS 法や
ERDA 法において横軸のチャンネルの位置は試料表面からの深さを表わしているので、1 チャンネルあたりに相当する水素の存在する層の厚さが反跳角によって異なることを意味している。よって ERDA 法では、反跳角によって深さ分解能が変化する。
以上のことをふまえ、各反跳角依存性のグラフをシミュレーションと比較す- 47 -

る（図 4-2〜図 4-5）。

図 4-2 入射角 80°反跳角 40°の場合

図 4-3 入射角 80°反跳角 35°の場合- 48 -

図 4-4 入射角 80°反跳角 30°の場合

図 4-5 入射角 80°反跳角 25°の場合
いずれもシミュレーションと一致していることがわかる。

- 49 -

４−２

入射角依存性

入射角の依存性を見るために入射エネルギー一定（1.522MeV）、入射角を 70°〜85°と変えながら、反跳角を一定（30°）として実験を行った。それらのスペクトルを図 4-6 に示す。

図 4-6 入射角依存性
試料は４−１節の反跳角依存性の時と同じ標準カプトン膜を用いた。入射角依存性のグラフから、反跳角が一定であるとカウント数（強度）が変わるのみで表面に存在する水素からの反跳エネルギー（立ち上がりチャンネル）が変化せず、入射角が変化するとスペクトル強度のみが変化することがわかった。ERDA
法において水素含有量の深さ分解能は、４−４節で述べる様に表面に存在する水素からの信号が、それぞれの実験条件における深さ分解能のためにどれ程ｘ軸方向にずれるかが主要因であって、y 軸方向の信号強度は、深さ分解能が変化すると同じような割合で変化するので、x 軸方向のずれ程重要ではない。４−４
節では両方の場合に対して深さ分解能を調べているが、最終的に深さ分解能は x軸方向のずれから決定される。
これらのスペクトルに対してもシミュレーションと比較する（図 4-7〜図4-10）。

- 50 -

図 4-7

入射角 70°反跳角 30°の場合

図 4-8 入射角 75°反跳角 30°の場合- 51 -

図 4-9 入射角 80°反跳角 30°の場合

図 4-10

入射角 85°反跳角 30°の場合

いずれもシミュレーションと一致していることがわかる。

- 52 -

４−３

入射エネルギー依存性

入射エネルギーの依存性を見るために、入射エネルギーを 1.522MeV〜
2.500MeV と変えながら、入射角を一定（80°）、反跳角を一定（30°）の条件で実験を行った。それらのスペクトルを図 4-11 に示す。

図 4-11 入射エネルギー依存性
試料は標準のカプトンである。入射エネルギーが４−１節、４−２節で使用された 1.522MeV の時の典型的な水素のスペクトルに対して、入射エネルギーを
1.722MeV、2.522MeV と変化させるに従って大きく形が変わってくる。この原因をつきとめる為にシミュレーションと比較・検討した。
最初に入射エネルギーを 1.722MeV にした場合のシミュレーションと実験ス
ペクトルの比較を図 4-12 に示す。ここでシミュレーションでは検出器前におかれる Al の吸収膜の厚さをメーカー公称値の 4.45μm と設定した。

- 53 -

図 4-121.722MeV の場合

図 4-12 において実験スペクトル上で０〜５０チャンネルに現れる信号強度の増加は、検出器の直前においた Al の吸収膜を透過してきた He の散乱信号で、この場合はカプトンに含まれる最も重い元素、すなわち酸素からの散乱信号による。この He の散乱信号の出現位置は、Al の吸収膜の厚さに敏感に左右されるので、実験とシミュレーションを比較することによって Al の吸収膜の厚さを正確に決定することができる。図 4-12 においてシミュレーションでは Al の吸収膜の厚さをメーカー公称値の 4.45μm に設定しているが、実験ではシミュレーションよりも低エネルギー側に He の散乱信号が現れている。このことから酸素によって散乱された He 粒子は Al の吸収膜によってシミュレーションよりも多くのエネルギーの減少を引き起こされることとなり、Al の吸収膜の膜厚はメーカー公称値 4.45μm よりも多少厚いかもしれないことがわかる。

- 54 -

図 4-131.722MeV で膜厚 4.8μｍの場合

一方シミュレーションで Al の吸収膜の膜厚を 4.8μｍにした時は、シミュレー
ション信号において透過したＨｅの信号は現れないので実際の膜厚は例え厚くても 4.8μｍ以内であり、ほぼメーカー公称値の範囲以内であることがわかった。
このことを図 4-13 に示す。
次に入射エネルギーを 2.500MeV にした場合の標準カプトンからの ERDA 実
験スペクトルとシミュレーションを図 4-14 に示す。

- 55 -

図 4-142.500MeV、膜厚 4.45μｍの場合

図 4-14 から、Al の吸収膜の膜厚をメーカー公称値の 4.45μｍにすると全然合わず、Al の吸収膜の膜厚に比べて入射エネルギーが高すぎる場合はシミュレーションでは全く実験結果を説明することができない。従って実験において何が起こっているかを予測することは不可能であり、この場合は入射エネルギーをある程度下げてシミュレーションスペクトルに近くなるようにするか、Al 吸収膜の膜厚を厚いものにして実験を行わなければならないことがわかった。
念のために Al の吸収膜の膜厚をどの程度まで厚くすると、入射エネルギー
2.500MeV で ERDA の実験が可能であるのかシミュレーションから考察してみる。
図 4-15 に Al の吸収膜の膜厚を 7.3μｍにした場合のシミュレーション結果を示す。この時 He の入射エネルギーは 2.500MeV である。

- 56 -

図 4-15

2.500MeV、膜厚 7.3μｍの場合

図 4-15 で示されるように、Al の吸収膜の膜厚を 7.3μｍにするとシミュレー
ションでわずかに He の散乱信号がでる。そこで Al の吸収膜の膜厚を 7.5μｍにしてシミュレーションを行う。この結果を図 4-16 に示す。

- 57 -

図 4-162.500MeV、膜厚 7.5μｍの場合

図 4-16 から、Al の吸収膜の膜厚を 7.5μｍにするとシミュレーションで Heの信号がでないので、入射エネルギーを 2.500MeV にした時は少なくとも Al の吸収膜の膜厚を 7.5μｍ以上にしなければ水素分析はできない。
最後に入射エネルギー1.522MeV の場合について、現在の Al の吸収膜の膜厚が 4.45μｍで最適であるかどうかを考察する。

- 58 -

図 4-171.522MeV の場合

図 4-17 に入射エネルギー1.522MeV の場合の実験とシミュレーションの結果を示す。Al の吸収膜の膜厚を 4.45μm としてシミュレーションを行ったもので、シミュレーションは実験スペクトルをよく再現している。又、図からわかる様に入射エネルギーが 1.522MeV の場合は、カプトンにおいて酸素と散乱した He
粒子は全て Al の吸収膜中で止まり、スペクトル上に現れていない。1.722MeV
で酸素によって散乱された He イオンが 4.45μm の Al の吸収膜を通過したので、1.522MeV の場合でも酸素より重い元素によって散乱された He は、K-factor が大きいことによって、出射エネルギーが大きくなり、Al 膜を通過する可能性がある。そこで重い元素を含んだ試料を仮定してシミュレーションを行い、Al の吸収膜の膜厚が 4.45μm の時に入射エネルギーが 1.522MeV という条件でどの元素までなら散乱した He イオンの信号が現れないかを確かめる。Pb（質量数207.2）を含んだ試料（シミュレーションにおいてカプトン膜にわずかに Pb の成分を加える）に対するシミュレーション結果を図 4-18 に示す。

- 59 -

図 4-18

Pb を含んだ試料に対するシミュレーション結果

図 4-18 において、シミュレーションのスペクトルは Pb が含まれた分だけ相対的に水素の含有量が減って信号強度が減少するが、重い元素である Pb によって散乱された He の信号は現れず、実際問題として Al の吸収膜の膜厚 4.45μｍ、入射エネルギー1.522MeV において、散乱した He の信号が実際の ERDA スペ
クトルに現れる可能性はほとんどない。したがって、1.522MeV の入射エネルギ
ーに対して Al の吸収膜の膜厚は 4.45μｍ（〜5μｍ程度）が最適である。

４−４

深さ分解能

４−４−１

測れる深さ

図 4-6 において、水素の信号強度の大きくなる 80°付近を選び、主として反跳角を変えた時にどの程度の深さまで測定することができるのかをシミュレー
ションで検討する。試料は標準のカプトン膜である。以下にどこまで測れるかを求める方法について概略を示す。
最初に XRUMP にカプトン膜に対して適当な膜厚を入力してシミュレーショ
ンを行う。この時得られたシミュレーションスペクトルが、０チャンネル付近
まで信号が存在して、チャンネルの途中から信号が消失していなければ入力し- 60 -

た膜厚は十分厚く、実験のスペクトルはそれよりも薄い情報しか表わしていな
いことになる。一方で入力した膜厚が小さければ、シミュレーションスペクト
ルはある深さ以上で膜がなくなることによって、途中のチャンネルで信号強度が消失する。このことを利用すれば、膜厚をいろいろ変えてシミュレーションを実行した時、丁度０チャンネルでシミュレーションスペクトルが終わる時が測れる深さの限界となる。具体的にはある膜厚でのシミュレーション結果と、その膜厚の値を少しずつ変えてシミュレーションしたものと比較する。共に０チャンネル付近でシミュレーションスペクトルが終わってどちらも変化しなくなる時の深さの値が測れる深さの限界となる。
実際に入射角 80°反跳角 25°の場合を例に取り、どうやってどこまで測れるか決めたかを述べる。まず XRUMP に実験条件を入力しスペクトルを表示する（図4-19）。このスペクトルは入射角 80°、反跳角 25°で標準カプトンに対して
ERDA 測定をしたものである。

図 4-19

入射角 80°、反跳角 25°の実験スペクトル

次に、表 4-2 のような組成を仮定してシミュレーションを実行し、実験スペク
トルと比較する。

- 61 -

==========================================================#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
1
4.45
um
auto
Al
1.000
* 2
3500.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
==========================================================
表 4-2 試料の組成
表 4-2 において、♯で表わされる列の下に試料の各層ごとの組成を記述し、試料の組成をシミュレーションに与える訳であるが、ERDA を用いて水素分析を行う際は、第１層目に Al の吸収層の膜厚を記述すると約束する。従って試料の標準のカプトンの組成及び膜厚は第２層目に記述する。標準のカプトンの場
合、組成は C22H10N2O5 である。また、カプトン膜の厚さは、カプトンの密度を考慮して、KAP ユニットをあらかじめ XRUMP に入力し、3500KAP の場合は、内部の KAP ユニットを利用して、カプトン薄膜の厚さが 3500Åになる様にシ
ミュレーションを調整してくれる（第 6 章参照）。表 4-2 の試料状態（カプトン
膜の厚さは 3500Å）からスタートしてカプトン膜の膜厚を変化させた時のシミュレーションスペクトルの変化の様子を図 4-20 に示す。

図 4-20

膜厚を変えてシミュレーションした例- 62 -

図４-20 から膜厚が 3200Åよりも厚くなるとシミュレーションスペクトルは変化していないことがわかる。変化しなくなる直前の値までが測れる深さとなるので、入射角 80°、反跳角 25°の場合には測れる深さは 3200Åとなる。
入射エネルギー1.522MeV、Al の吸収膜の厚さが 4.45μｍの時に、入射角を80°と 85°に変化させ、反跳角を 15°から 40°に変化させた場合の測れる深さの見積もりを、実験スペクトルとシミュレーションを比較することで行った。
結果を表 4-3 に示す。
実験日

入射角[°]

反跳角[°]

測れる深さ[Å]

5月8日

80

25

3200

5月8日

80

30

2800

5月8日

80

35

2200

5月8日

80

40

1200

8 月 27 日

80

20

3200

8 月 27 日

80

30

2700

8 月 27 日

85

15

2000

表 4-3 測れる深さの例
表 4-3 において、実験日が 2 回記載されているのは、同様の実験を別々の日に行ったためであり、5 月 8 日に行った入射角 80°、反跳角 30°の実験では、測れる深さが 2800Åと見積もられ、8 月 27 日の同じ条件の実験では測れる深さが 2700Åと見積もられている。このことから実験とシミュレーションは共に成功していることがわかる。
表 4-3 を見ると、同じ入射角であれば反跳角が小さい程より深くまで測ることができ、入射角をわずかに大きくしただけで測れる深さが大きく減少することがわかった。

４−４−２

立ち上がり位置からみた深さ分解能

ERDA 法を用いた表面水素の分析として深さ分解能を見積もる際に、最初に立ち上がり位置の変化に着目した方法について述べる。これは表面層に存在する水素が、どの程度の深さまで 0 であったらスペクトルに違いが表れるかを立
ち上がりの位置から調べることからなる。
入射角 80°反跳角 25°の場合を例に取り、その方法を説明する。まず、
XRUMP に実験条件を入力しスペクトルを表示する（図 4-19 参照）。この時用- 63 -

いた試料の組成を表わす条件は前出の表 4-2 と同じものである。次に試料である標準カプトンの組成を２つの領域に分け、表面側のカプトン膜の組成において水素含有量を０とし、内部のカプトン膜の組成を標準の組成のままとし、表面側の水素が存在しないカプトン膜の膜厚を調整してシミュレーションを行う。
この時用いた試料の構造を定義するファイルを表 4-4 に示す。
==========================================================#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
1
4.45
um
auto
Al
1.000
2
150.00KAP
auto
C 22.000
N
2.000
O
5.000
* 3
3500.00
KAP
auto
C 22.000
N
2.000
O
5.000
H 10.000==========================================================
表 4-4 試料の組成
表 4-4 において♯の下の列の 2 番目の行が表面側の水素の存在しないカプト
ン膜の組成と膜厚を表わしている（1 番目の行は前述した様に Al の吸収膜を記述している）。この表 4-4 及び表面側のカプトン膜の膜厚を変えてシミュレーシ
ョンした結果を、実験スペクトルと共に図 4-21 に示す。
図 4-21 から、表面側のカプトン膜の膜厚を変えてシミュレーションを行うと、実験結果のスペクトルとシミュレーションしたスペクトルの立ち上がり位置に違いが表れるが、実験のスペクトルから明確にずれていると判断できる厚さ、
今回の場合は 100Åが明らかに分解できる深さであり、これが立ち上がり位置からみた深さ分解能として定義できる（立ち上がり位置から見た深さ分解能は、
仮に表面から 0〜50Å程度水素の存在しない層が存在しても、実験のスペクトルが誤差を含んで幅を持っているのでスペクトル的には区別できないが、100Åも存在しない層があれば明らかに区別できることをいう）。

- 64 -

図 4-21

膜厚を変えてシミュレーションした例

入射エネルギー1.522MeV、Al の吸収膜の膜厚が 4.45μｍの時に、主として反跳角を変化させた時の立ち上がり位置から見た深さ分解能を同様にして求め、
表 4-5 に示す。
実験日

入射角[°]

反跳角[°]

立ち上がり位置から見た深さ分解能[Å]

5月8日

80

25

100

5月8日

80

30

100

5月8日

80

35

120

8 月 27 日

80

20

140

8 月 27 日

80

30

100

8 月 27 日

85

15

80

表 4-5 立ち上がり位置からみた深さ分解能
表 4-5 から立ち上がり位置から見た深さ分解能は反跳角が 20°、30°、35°と変化してもそれ程変わらず、入射角が 85°、反跳角 15°の時に多少よくなる
ことがわかった（深さ分解能 80Å）。

- 65 -

４−４−３スペクトル強度からみた深さ分解能

次にスペクトルの強度から深さ分解能を見積もる方法について述べる。この方法ではスペクトルの平坦な部分に対して、水素の含有量が０の層を考えることから始める。そしてその水素の含有量が０の層の厚さがどの程度薄ければ実験スペクトルとの区別がつかないかをシミュレーションと比較し、明らかに実験スペクトルと区別がつく水素の含有量が０の層の厚さを求めて深さ分解能とするのである。具体的に入射角 80°反跳角 25°の場合を例に取り、その方法を説明する。まず、XRUMP に実験条件を入力してスペクトルを表示する（前出の図 4-19）。次に、表 4-6 のような組成を仮定してシミュレーションを行う。ここで表 4-6 において、♯の下の第 1 層目は Al の吸収膜を表わし、2 行目は立ち
上がり位置から平坦な位置までの部分のスペクトルを形成するカプトン膜の領域を表わしており、標準のカプトンの組成である。3 行目が水素の含有量を０としたカプトン膜であり、ここの層の厚さがスペクトルの信号強度に与える影響というものが注目する部分である。
==========================================================#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
1
4.45
um
auto
Al
1.000
2
1500.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
3
40.00
KAP
auto
C 22.000
N
2.000
O
5.000
* 4
2000.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
==========================================================
表 4-6 試料の組成
図 4-22 に挟んだ水素の含有量が０の膜の膜厚を少しずつ変えた時のシミュレー
ションスペクトルの変化を実験スペクトルと共に示す。この図から実験結果のスペクトルとシミュレーションから得られたスペクトル強度に明らかな違いが表れる水素含有量が０の層の膜厚、今回の場合は 40Åがスペクトル強度からみた深さ分解能である。

- 66 -

図 4-22

膜厚を変えてシミュレーションした例

入射エネルギー1.522MeV、Al の吸収膜の膜厚が 4.45μｍの時に、主として反跳角を変化させた時のスペクトル強度から見た深さ分解能を同様にして求め、
表 4-7 に示す。
実験日

入射角[°]

反跳角[°]

スペクトル強度から見た深さ分解能[Å]

5月8日

80

25

40

5月8日

80

30

100

5月8日

80

35

250

8 月 27 日

80

20

60

8 月 27 日

80

30

80

8 月 27 日

85

15

30

表 4-7 スペクトル強度からみた深さ分解能
表 4-7 から、スペクトル強度から見た深さ分解能は反跳角が小さくなる程小さく良くなり、反跳角 15°において最小の 30Åを達成した。

- 67 -

４−５

最適化した測定条件

４−４節においていくつかのスペクトルに対して１）どこまで深くはかれる
か、２）信号の立ち上がり位置から見た深さ分解能はどの程度か、３）スペク
トル強度から見た深さ分解能はどの程度か、を検討してきた。その結果、１）
より深く内部の情報を得たい時は入射角を 80°にして反跳角をできるだけ小さ
くすればよいことが、２）信号の立ち上がり位置から深さ分解能を見積もっても、スペクトル強度から深さ分解能を見積もっても、両者で値の大きさは異なるものの深さ分解能の大きさの傾向は同じであることが、３）深さ分解能は反跳角のみならず入射角にも依存し、反跳角が小さい程、そして入射角が大きい
程よくなることがわかった。まとめると、より深い内部の情報を得たい時は入射角 80°、反跳角 20°での測定がよく（約 3200Åまで測定可能）、よりよい深さ分解能で測定を行いたい時は入射角 85°、反跳角 15°での測定がよい（立ち上がり位置から見て約 80Å程度の深さ分解能）。本研究においてはよりよい深さ
分解能で表面から内部に存在する水素を精度よく測定したいので、ERDA 測定条件
入射エネルギー
Al の吸収膜の膜厚
入射角
反跳角
出射角

1.522MeV
5μｍ
85°
15°
80°

という条件で実験を行った。参考までに XRUMP へ入力する条件ファイルを表4-8 に示し、この条件における試料と入射ビーム、検出器の幾何配置を図 4-23に示す。

- 68 -

==========================================================
Beam:
1.522 MeV
4He+
3.00 uCoul @ 2.00 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi: 165.00 Psi:
80.00
MCA:
Econv:
0.768 54.766 First chan: 0.0 NPT: 1024
Detector:
FWHM: 85.0 keV Tau: 5.0 Omega: 3.500
Correction:
1.0000#Thickness
Sublayers
Composition . . .
1
5.00
um
auto
Al
1.000
* 2
2000.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
==========================================================
表 4-8 総合的に判断した最適測定条件

図 4-23

ＥＲＤＡ法の幾何学配置- 69 -

第５章

ERDA−RBS 同時測定

５−１

ERDA−RBS 同時測定法

本研究では ERDA−RBS 同時測定法を行うことも目的とする。今回の場合
ERDA 法では、水素の測定のみであり、その結果水素の分析しかできない。RBS法では、水素以外の元素は測定できるが水素の測定ができずその結果水素の分析ができない。したがって、水素とその他の元素を同時に分析しようと思えば、ERDA 法と RBS 法を同時に行う必要性がある。ERDA−RBS 同時測定法は、
図 5-1 のように前方と後方の両方に SSD を取り付けて測定を行う。図 5-1 の右側の SSD を ERDA 用の SSD とし、測定を行った時に前方（右側）に反跳してきた水素を検出する。左側の SSD を RBS 用の SSD とし、測定を行った時に後方（左側）に散乱した水素以外の元素を検出する。以下にこの ERDA−RBS 同時測定法を構築する際のポイントについて、カプトン膜を利用して考察する。

図 5-1 ERDA−RBS 同時測定法の模式図

５−２

カプトンに対する同時測定スペクトル５−２−１

カプトン H（標準カプトン）

５−１節で説明した ERDA−RBS 同時測定法を用いて試料カプトン H（標準- 70 -

タイプのカプトン）の測定を行った。そのときの実験スペクトルとシミュレー
ションを図 5-2、図 5-3 に示す。

図 5-2 カプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定時のスペクトル（ERDA）

図 5-3 カプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定時のスペクトル（RBS）- 71 -

==========================================================
Beam:
1.522 MeV
4He+
3.00 uCoul @ 2.00 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi: 165.00 Psi:
80.00
MCA:
Econv:
0.768 54.766 First chan: 0.0 NPT: 1024
Detector:
FWHM: 85.0 keV Tau: 5.0
Omega: 3.500
Correction: 1.0000#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
1
5.00
um
auto
Al
1.000
* 2
2000.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
==========================================================
表 5-1 カプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定時の試料構造ファイル（ERDA）==========================================================
Beam:
1.522 MeV
4He+
3.00 uCoul @ 2.00 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi:
11.00 Psi:
74.00
MCA:
Econv:
1.798 124.000 First chan: 0.0 NPT: 1024
Detector:
FWHM: 15.0 keV Tau: 5.0
Omega: 1.700
Correction: 1.0000#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
* 13200.00
KAP auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
Ag 0.070==========================================================
表 5-2 カプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定時の試料構造ファイル（RBS）
表 5-1、表 5-2 にカプトン H に対する ERDA−RBS の同時測定時の試料構造
ファイルを ERDA と RBS のそれぞれについて示す。同時 ERDA 法の場合、第4 章で説明したように吸着層をおくので、1 層目が Al になっているが、RBS の場合は吸着層がない。また RBS の方が測れる深さが深いため、イオンビームが膜を通過してしまわないように膜厚を ERDA の場合に比べ厚く設定してある。
RBS のスペクトルには、不純物の信号が出ているが、これは不純物が何かを判別できないため仮に Ag を入れてある。しかし、双方の場合において同じ組成ということがわかり、2 つの組成を再現できることがわかった。ERDA のスペク

- 72 -

トルについては第 4 章で詳しく調べているのでここでは RBS のスペクトルについて考察する。まず C（炭素）の存在量を変えた場合の識別について考察する。
C（炭素）のスペクトルは標準組成では図 5-4 に示されるように表わされており、標準の組成から±7 以上存在量が変化すると識別できることが図 5-5 からわかった。

図 5-4 標準組成時におけるスペクトルに及ぼす炭素成分の寄与- 73 -

図 5-5 炭素の存在量変化に対するスペクトルの変化
次に N（窒素）に対して存在量を変えた場合の識別について考察する。N（窒素）のスペクトルは標準組成では図 5-6 に示されるように表わされており、標準の組成から−2 の場合では識別できないが、＋5 以上存在量が変化すると識別できることが図 5-7 からわかった。

- 74 -

図 5-6 標準組成時におけるスペクトルに及ぼす窒素成分の寄与

図 5-7 窒素の存在量変化に対するスペクトルの変化
次に O（酸素）に対して存在量を変えた場合の識別について考察する。O（酸素）のスペクトルは標準組成では図 5-8 に示されるように表わされており、標- 75 -

準の組成から−2 、＋3 以上存在量が変化すると識別できることが図 5-9 からわかった。

図 5-8 標準組成時におけるスペクトルに及ぼす酸素成分の寄与

図 5-9 酸素の存在量変化に対するスペクトルの変化- 76 -

尚この条件でカプトン膜に対して測れる深さは O（酸素）という元素で決められ、2200Åであることがわかった。

５−２−２

カプトン EN（モノマー混合）

カプトン H と同様に、ERDA−RBS 同時測定法を用いて試料カプトン EN（モノマー混合タイプ）の測定を行った。そのときの実験スペクトルとシミュレー
ションを図 5-10、図 5-11 に示す。

図 5-10カプトン EN に対する ERDA−RBS 同時測定時のスペクトル（ERDA）- 77 -

図 5-11

カプトン EN に対する ERDA−RBS 同時測定時のスペクトル（RBS）==========================================================
Beam:
1.522 MeV
4He+
3.00 uCoul @ 2.00 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi: 165.00 Psi:
80.00
MCA:
Econv:
0.768 54.766 First chan: 0.0 NPT: 1024
Detector:
FWHM: 85.0 keV Tau: 5.0
Omega: 3.500
Correction: 1.0000#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
1
5.00
um
auto
Al
1.000
* 2
2000.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
==========================================================
表 5-3 カプトン EN に対する ERDA−RBS 同時測定時の試料構造ファイル（ERDA）- 78 -

==========================================================
Beam:
1.522 MeV
4He+
3.00 uCoul @ 2.00 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi:
11.00 Psi:
74.00
MCA:
Econv:
1.798 124.000 First chan: 0.0 NPT: 1024
Detector:
FWHM: 15.0 keV Tau: 5.0
Omega: 1.700
Correction: 1.0000#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
* 13200.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
Ag
0.070
==========================================================
表 5-4 カプトン EN に対する ERDA−RBS 同時測定時の試料構造ファイル（RBS）
表 5-3、表 5-4 にカプトン EN 同時測定時の試料構造ファイルを ERDA と RBSに対して示す。この構造で実験スペクトルとシミュレーションスペクトルとが合うので、カプトン H と同じ組成であることがわかった。

５−２−３

カプトン V（高寸法安定タイプ）

カプトン H と同様に、ERDA−RBS 同時測定法を用いて試料カプトン V（高寸法安定タイプ）の測定を行った。そのときの実験スペクトルとシミュレーシ
ョンを図 5-12、図 5-13 に示す。

- 79 -

図 5-12カプトン V に対する ERDA−RBS 同時測定時のスペクトル（ERDA）

図 5-13カプトン V に対する ERDA−RBS 同時測定時のスペクトル（RBS）- 80 -

==========================================================
Beam:
1.522 MeV
4He+
3.00 uCoul @ 2.00 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi: 165.00 Psi:
80.00
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Detector:
FWHM: 85.0 keV Tau: 5.0
Omega: 3.500
Correction: 1.0000#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
1
5.00
um
auto
Al
1.000
* 2
2000.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
==========================================================
表 5-5 カプトン V に対する ERDA−RBS 同時測定時の試料構造ファイル（ERDA）==========================================================
Beam:
1.522 MeV
4He+
3.00 uCoul @ 2.00 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi:
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74.00
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Thickness
Sublayers
Composition . . .
* 13200.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
Ag 0.070==========================================================
表 5-6 カプトン V に対する ERDA−RBS 同時測定時の試料構造ファイル（RBS）
表 5-5、表 5-6 にカプトン V に対して ERDA−RBS 同時測定時の試料構造フ
ァイルを ERDA と RBS に対して示す。この構造で実験スペクトルとシミュレーションスペクトルとが合うので、カプトン H と同じ組成であることがわかった。

- 81 -

５−３共鳴散乱法を用いた酸素分析

酸素の検出感度を上げる為に、カプトン H、カプトン EN、カプトン V に対して共鳴散乱法を用いてスペクトルを測定した。最初にカプトン H の場合について示す。

図 5-14

入射エネルギー3.041MeV の場合の共鳴散乱 RBS スペクトル

図 5-14 に入射エネルギー3.041MeV の場合の共鳴散乱 RBS スペクトルを示す。標準組成を仮定した時のシミュレーション結果も合わせて示す。実験とシミュレーションによい一致が見られ、この構造が適していることがわかる。試料構造ファイルは同時 RBS 法の場合と全く同じもので、参考までにこの時用いた試料構造ファイルを表 5-7 に示す。

- 82 -

==========================================================
Beam:
3.041 MeV
4He+
1.00 uCoul @ 3.20 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi:
11.00 Psi:
74.00
MCA:
Econv:
1.798 124.000 First chan: 0.0 NPT: 1024
Detector:
FWHM: 15.0 keV Tau: 5.0
Omega: 0.900
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Thickness
Sublayers
Composition . . .
* 1
9000.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
Ag 0.100==========================================================
表 5-7 入射エネルギー3.041MeV の場合の試料構造ファイル
入射エネルギーとして 3.041MeV を選んだ理由は、共鳴エネルギー3.045MeVよりわずかに低いエネルギーで、共鳴し始める条件でシミュレーションと実験が一致するかどうかを調べるためで（共鳴は 3.045MeV で突然起こる訳ではなく、共鳴エネルギーの前後 7〜8MeV から徐々に酸素の散乱断面積が増加し始める）、本実験においては一致していることがわかった。一般に共鳴エネルギー付
近において、入射エネルギーが低い程表面側に存在する酸素に対する感度が良くなるので、入射エネルギー3.041MeV という条件は極表面に存在する酸素に対して、その組成を調べることになる（入射エネルギーの精度は共鳴散乱の場合、他の実験から±1KeV の精度で決定できることがわかっている）。
次に入射エネルギーをわずかに変化させた場合の結果について示す。図 5-15に入射エネルギー3.050MeV の時の実験スペクトルとシミュレーションスペク
トルを、図 5-16 に入射エネルギー3.060MeV の時の実験スペクトルとシミュレーションスペクトルを示す。

- 83 -

図 5-15

入射エネルギー3.050MeV の場合の共鳴散乱 RBS スペクトル

図 5-16

入射エネルギー3.060MeV の場合の共鳴散乱 RBS スペクトル

共によく一致していることがわかる。共鳴散乱が起こるのは、3.045MeV 以上の入射エネルギーの場合であるので、3.041MeV の入射エネルギーは今回の研究- 84 -

では低すぎ、3.050MeV も共鳴エネルギーに近く十分な信号が得られないため、本研究では 3.060MeV を用いることとし、以後はそのエネルギーで解析を行う
こととする。入射エネルギーを 3.060MeV に設定すれば、極表面というよりも表面からわずかに内に入った領域を検出している訳であるが、共鳴散乱 RBS 法にとってその領域の信号が一番安定である。
入射エネルギー3.060MeV でカプトン EN、カプトン V でも解析を行い、その結果を図 5-17 と図 5-18 に示す。この時シミュレーションに使用した試料構造
ファイルは標準カプトンの場合と同じ標準組成のものであり、これは５−２節で述べた ERDA−RBS 同時測定法で設定した RBS 法の試料構造ファイル（共に標準組成のまま）表 5-4、表 5-6 に対応するものである。

図 5‑17カプトン EN の場合の共鳴散乱 RBS スペクトル- 85 -

図 5‑18

カプトン V の場合の共鳴散乱 RBS スペクトル

図 5‑17 と図 5‑18 から両方とも標準の組成であっていることがわかる。
次にカプトン H に対してどの程度組成を変化させるとスペクトルに変化が表れるかについて調べる。まず C（炭素）に対して存在量を変えた場合の識別能
力について考察する。C の元素が共鳴散乱 RBS スペクトルに及ぼす寄与は標準組成の時には図 5-19 の矢印で示される部分で表わされ、標準の組成から−7、＋10 以上存在量が変化するとシミュレーションスペクトルに変化が表われ識別できることがわかった。このことを図 5-20 に示す。

- 86 -

図 5-19

標準組成時における炭素成分が共鳴散乱スペクトルに及ぼす寄与

図 5-20炭素の存在量が変化した時のシミュレーションスペクトルの変化

次に N（窒素）に対して存在量を変えた場合の識別能力について考察する。N
元素が共鳴散乱 RBS スペクトルに及ぼす寄与は標準組成の時には図 5-21 の矢- 87 -

印で示される部分で表わされ、標準の組成から−2（つまり窒素含有量 0） の場
合では識別できないが、＋8 以上存在量が変化すると識別可能であることが図5-22 からわかった。

図 5-21

標準組成時における窒素成分が共鳴散乱スペクトルに及ぼす寄与

図 5-22窒素の存在量が変化した時のシミュレーションスペクトルの変化- 88 -

最後に O（酸素）に対して存在量を変えた場合の識別能力について考察する。
O 元素が共鳴散乱スペクトルに及ぼす寄与は標準組成の時には図 5-23 の矢印で表わされる部分で表わされ、標準の組成から−1、＋1.5 以上存在量が変化すると識別可能であることが図 5-24 からわかった。

図 5-23

標準組成時における酸素成分が共鳴散乱スペクトルに及ぼす寄与- 89 -

図 5-24

酸素の存在量が変化した時のシミュレーションスペクトルの変化

これらのことより、共鳴散乱の場合は酸素に関しては存在量で−1、＋1.5 の変化が識別できるので、−2、＋3 変化しなければ識別できない同時 RBS よりも高感度であり共鳴散乱 RBS 法の方が有効であるが、他の元素に関しては感度にそれ程違いがなく十分 RBS 測定が可能であることがわかった。参考までに共鳴散乱 RBS 法でどこまで測れるかを調べると、O（酸素）によって決定され 5700
Åでまで測れることがわかった。

５−４ まとめ
本章では ERDA−RBS 同時測定と共鳴散乱を行った。その結果、酸素に関しては共鳴散乱の方が高感度であるが、その他の元素に関してはそれ程の違いがなく同時測定法でも RBS 測定が有効であり、水素を含む全ての元素の分析が可能であることがわかった。

- 90 -

第6章

ERDA 法を用いたカプトン膜の測定

６−１

カプトン薄膜の種類と構造

本研究では H（標準タイプ）、EN（異種モノマー混合）、V（高寸法安定タイプ）、CR（コロナ放電）、MT（アルミナ添加）、CB（カーボンブラック添加）の 6 種類のカプトン薄膜について ERDA 法による水素測定を行った。標準タイプの構造は、PMDA（pyromellitic acid dianhydride）（図 6-1 に構造を示す）と ODA（4,4’-oxydianiline）（図 6-2 に構造を示す）の合成物 PMDA−ODA の構造になるので図 6-3 のような構造になる。

図 6-1 PMDA の構造

図 6-2 ODA の構造- 91 -

図 6-3 PMDA−ODA（カプトン）の構造
化学式で有機物を表す時の約束から、図では炭素と水素が省略されているので、PMDA と ODA の構造を省略せずに書くと図 6-4、図 6-5 で示すようになり、
PMDA−ODA は図 6-6 のように示される。

図 6-4 PMDA の構造

図 6-5 ODA の構造- 92 -

図 6-6 PMDA−ODA（カプトン）の構造
図 6-6 から炭素、水素、窒素、酸素の数を数えると炭素 22 個、水素 10 個、窒素 2 個、酸素 5 個になるので、カプトン薄膜の組成は C22H10N2O5 となる。カプ
トン C22H10N2O5 は、分子量が 382.1、密度が 1.42ｇ/cm3 と東レ・デュポン社から公表されている。
次に XRUMP で用いる KAP 単位に変換するプロセスについて説明する。KAP
単位は 1cm3 当たり何個の原子が存在するかを 1023 個の単位で表わしたものであり、382.1ｇのカプトンが 1mol すなわち 6.023×1023atoms となるので、1 cm3のカプトンは 1.42ｇであることから、
6.023 × 10 23[atoms ]1.42[ g ] ×= 2.238 × 1021[atoms ]382.1[ g ]より 1cm3 当たりカプトン分子は 2.238×1021 個存在する。
１つのカプトン分子には C22 個、H10 個、N2 個、O5 個の計 39 個の原子が含まれているので 1cm3 当たりに含まれている総原子数は2.238×1021[atoms]×39[個]=8.7282×1022[atoms]となる。
これからカプトンの原子数密度は 1023atoms/cm3 の単位で 0.8728 と表わされる。
これが KAP 単位であり、KAP 0.8728 を XRUMP 中に入力しなければならない。

６−２

カプトン H に対するイオンビーム照射の影響

カプトン薄膜に高速のイオンビームを少しでも照射すると、ビームの当たった領域において薄膜の色が黒色に変化し、イオンビーム照射による損傷が認められる。高速イオンビームを試料に照射した時、散乱断面積が極めて小さいので必然的に試料中の元素との衝突確率が小さく、この為非破壊分析と言われて来た。その上高速のイオンビームが試料内を走行中に原子核や電子に与えるエ- 93 -

ネルギーは十分小さく、試料内の極所的な温度もほとんど上昇しない。このことから高速のイオンビーム照射におけるカプトン薄膜の照射損傷は未だにそのメカニズムが不明であり、興味が持たれて来ている。高速のイオンビーム照射による損傷は主として水素の脱離に寄与すると言われているが、ERDA 法でこのことを確かめる。
最初に標準のカプトン薄膜（カプトン H）に対して、イオンビーム照射時のスペクトルの変化を ERDA 法及び RBS 法で調べた。1μC 照射時の ERDA−RBS 同時測定法のスペクトルを図 6-7、図 6-8 に、共鳴散乱 RBS 法のスペクト
ルを図 6-9 に示す。1μC の照射に対しては照射損傷の影響はそれ程大きくない
ことによって、標準組成を仮定したシミュレーションで 3 つのスペクトルとも
すべて一致した。

図 6-7 1μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定のスペクトル（ERDA）- 94 -

図 6-8 1μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定のスペクトル（RBS）

図 6-9 1μC 照射時のカプトンＨに対する共鳴散乱 RBS 測定のスペクトル
この時の試料構造ファイルを表 6-1、表 6-2、表 6-3 に示す。

- 95 -

==========================================================RBS File: C:¥cgs¥h85_15_01m'.rbs
Identifier: ! C:¥cgs¥h85_15_01m'.txt
LTCT Text:
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Beam:
1.522 MeV
4He+
1.00 uCoul @ 2.00 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi: 165.00 Psi:
80.00
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Thickness
Sublayers
Composition . . .
1
5.00
um
auto
Al
1.000
* 2
2000.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
==========================================================
表 6-1 1μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定時の試料構造ファイル（ERDA） 標準組成条件を適用==========================================================RBS File:C:¥cgs¥h85_15_01f'.rbs
Identifier: ! C:¥cgs¥h85_15_01f'.txt
LTCT Text:
ASCII file read
Date:
Beam:
1.522 MeV
4He+
1.00 uCoul @ 2.00 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi:
11.00 Psi:
74.00
MCA:
Econv:
1.798 124.000 First chan: 0.0 NPT: 1024
Detector:
FWHM: 15.0 keV Tau: 5.0
Omega: 1.700
Correction: 1.0000#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
* 13200.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
Ag 0.070==========================================================
表 6-2 1μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定時の試料構造ファイル（RBS） 標準組成条件を適用- 96 -

==========================================================RBS File:C:¥cgs¥h3086_01f'.rbs
Identifier: ! C:¥cgs¥h3086_01f'.txt
LTCT Text:
ASCII file read
Date:
Beam:
3.060 MeV
4He+
1.00 uCoul @ 3.50 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi:
11.00 Psi:
74.00
MCA:
Econv:
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Correction: 1.0000#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
* 1
9000.00
KAP
auto
C 22.000
H 10.000
N
2.000
O
5.000
Ag 0.100==========================================================
表 6-3
1μC 照射時のカプトンＨに対する共鳴散乱 RBS 測定時の試料構造ファイル 標準組成条件を適用
ERDA−RBS 同時測定法において ERDA 法で用いる試料構造ファイルは、4 章で説明したように吸着層をおくので 1 層目が Al になっているが、RBS 法の場合
は吸着層がない。また RBS 法の方が測れる深さが深いため、イオンビームが膜を通過してしまわないように膜厚を ERDA 法の場合に比べて厚く設定してある。
RBS 法のスペクトルには不純物の信号が出ているが、これは不純物が何かを判別できないために仮に Ag を入れてシミュレーションを行った。しかし、双方の場合において同じ組成ということがわかり、2 つの組成を再現できることがわかった。また、共鳴散乱 RBS 法のスペクトルの場合も標準組成で実験と一致する
ことがわかった。この時、ERDA−RBS 同時測定法のスペクトルに比べて酸素の感度が良くなっている。
次にイオンビームの照射量を増やした時のスペクトルの変化について調べる。
5μC 照射時の ERDA−RBS 同時測定法のスペクトルを図 6-10、図 6-11 に、共鳴散乱 RBS 法のスペクトルを図 6-12 に示す。この時は、標準組成から組成が異なるものの、その組成に対しては 3 つのスペクトルが同時に一致することが確かめられた。

- 97 -

図 6-10 5μC 照射時のカプトン H に対する ERDA−RBS 同時測定のスペクトル（ERDA）

図 6-11 5μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定のスペクトル（RBS）- 98 -

図 6-12 5μC 照射時のカプトンＨに対する共鳴散乱 RBS 測定のスペクトル==========================================================RBS File: C:¥cgs¥h85_15_05m'.rbs
Identifier: ! C:¥cgs¥h85_15_05m'.txt
LTCT Text:
ASCII file read
Date:
Beam:
1.522 MeV
4He+
1.00 uCoul @ 2.00 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi: 165.00 Psi:
80.00
MCA:
Econv:
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FWHM: 85.0 keV Tau: 5.0
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Correction: 1.0000#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
1
5.00
um
auto
Al
1.000
* 2
2000.00
KAP
auto
C 21.500
H
8.000
N
1.500
O
4.750
==========================================================
表 6-4 5μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定の試料構造ファイル（ERDA）- 99 -

==========================================================RBS File:C:¥cgs¥h85_15_05f'.rbs
Identifier: ! C:¥cgs¥h85_15_05f'.txt
LTCT Text:
ASCII file read
Date:
Beam:
1.522 MeV
4He+
1.00 uCoul @ 2.00 nA
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General Theta:
85.00 Phi:
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74.00
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Correction: 1.0000#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
* 13200.00
KAP
auto
C 21.500
H
8.000
N
1.500
O
4.750
Ag 0.050==========================================================
表 6-5 5μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定の試料構造ファイル（RBS）==========================================================RBS File:C:¥cgs¥h3086_05f'.rbs
Identifier: ! C:¥cgs¥h3086_05f'.txt
LTCT Text:
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Date:
Beam:
3.060 MeV
4He+
1.00 uCoul @ 3.50 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi:
11.00 Psi:
74.00
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Thickness
Sublayers
Composition . . .
* 1
9000.00
KAP
auto
C 21.500
H
8.000
N
1.500
O
4.750
Ag 0.050==========================================================
表 6-6
5μC 照射時のカプトンＨに対する共鳴散乱 RBS 測定の
試料構造ファイル

- 100 -

表 6-4、表 6-5 に 5μC 照射時の ERDA−RBS 同時測定法の、表 6-6 に 5μC 照
射時の共鳴散乱 RBS 法の試料構造ファイルを示す。3 つの試料構造ファイルとも同じ組成を与えている。この試料構造ファイルと 1μC 照射時の試料構造ファ
イルを比べると、それぞれの元素の含有量が減少していることがわかる。具体的には標準組成で C22H10N2O5 であったものが C21.5H8N1.5O4.75 と、炭素元素（C）
で 98%、水素元素（H）で 80%、窒素元素（N）で 75%、酸素元素（O）で 95%となっており、水素元素と窒素元素での減少割合が大きい。窒素元素のスペク
トルに与える影響は他元素に比べて小さいので（第 5 章参照）今回の減少分が正確かどうかはわからないが、水素元素に関しては大きく減少している。照射損傷に関する検討は後（６−８節）で詳しく述べる。
次にイオンビームの照射量を 10μC にした時の ERDA−RBS 同時測定法のス
ペクトルを図 6-13、図 6-14 に、共鳴散乱 RBS 法のスペクトルを図 6-15 に示す。
3 つのスペクトルのいずれも満たす 1 つの組成状態を表わす試料構造ファイル
を表 6-8、表 6-9、表 6-10 に示す。

図 6-1310μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定のスペクトル（ERDA）- 101 -

図 6-14

図 6-1510μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定のスペクトル（RBS）

10μC 照射時のカプトンＨに対する共鳴散乱 RBS 測定のスペクトル- 102 -

==========================================================RBS File: C:¥cgs¥h85_15_10m'.rbs
Identifier: ! C:¥cgs¥h85_15_10m'.txt
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Date:
Beam:
1.522 MeV
4He+
1.00 uCoul @ 2.00 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi: 165.00 Psi:
80.00
MCA:
Econv:
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FWHM: 85.0 keV Tau: 5.0
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Correction: 1.0000#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
1
5.00
um
auto
Al
1.000
* 2
2000.00
KAP
auto
C 21.000
H
6.000
N
1.000
O
4.500
==========================================================
表 6-7
10μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定の試料構造ファイル（ERDA）==========================================================RBS File:C:¥cgs¥h85_15_10f'.rbs
Identifier: ! C:¥cgs¥h85_15_10f'.txt
LTCT Text:
ASCII file read
Date:
Beam:
1.522 MeV
4He+
1.00 uCoul @ 2.00 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi:
11.00 Psi:
74.00
MCA:
Econv:
1.798 124.000 First chan: 0.0 NPT: 1024
Detector:
FWHM: 15.0 keV Tau: 5.0
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Correction: 1.0000#
Thickness
Sublayers
Composition . . .
* 13200.00
KAP
auto
C 21.000
H
6.000
N
1.000
O
4.500
Ag 0.030==========================================================
表 6-8 10μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定の試料構造ファイル（RBS）- 103 -

==========================================================RBS File:C:¥cgs¥h3086_10f'.rbs
Identifier: ! C:¥cgs¥h3086_10f'.txt
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3.060 MeV
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1.00 uCoul @ 3.50 nA
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General Theta:
85.00 Phi:
11.00 Psi:
74.00
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1.798 124.000 First chan: 0.0 NPT: 1024
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FWHM: 15.0 keV Tau: 5.0
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Thickness
Sublayers
Composition . . .
* 1
9000.00
KAP
auto
C 21.000
H
6.000
N
1.000
O
4.500
Ag
0.030
==========================================================
表 6-9 10μC 照射時のカプトンＨに対する共鳴散乱 RBS 測定の
試料構造ファイル
表 6-7 は 10μC 照射時の ERDA−RBS 同時測定法における ERDA 法の試料構
造ファイル、表 6-8 は ERDA−RBS 同時測定法における RBS 法の試料構造フ
ァイル、表 6-9 は 10μC 照射時の共鳴散乱 RBS 法の試料構造ファイルである。
3 つの試料構造ファイルは同じ組成を表わしており、この組成で 3 つの実験スペ
クトルとシミュレーションスペクトルが一致する。この試料構造ファイルと 1
μC 照射時の試料構造ファイル、5μC 照射時の試料構造ファイルを比べると、
イオンビーム照射によってそれぞれの元素の含有量がその照射量に応じて徐々に減少していることがわかる。10μC 照射時のカプトンの組成は C21H6N1O4.5である。
次にイオンビームの照射量を 15μC にした時の ERDA−RBS 同時測定法のス
ペクトルを図 6-16、図 6-17、共鳴散乱 RBS 法のスペクトルを図 6-18 に示す。
3 つのスペクトルのいずれも満たす 1 つの組成状態を表わす試料構造ファイル
を表 6-10、表 6-11、表 6-12 に示す。

- 104 -

図 6-1615μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定のスペクトル（ERDA）

図 6-1715μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定のスペクトル（RBS）- 105 -

図 6-18

15μC 照射時のカプトンＨに対する酸素共鳴 RBS 測定のスペクトル==========================================================RBS File: C:¥cgs¥h85_15_15m'.rbs
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1.522 MeV
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1.00 uCoul @ 2.00 nA
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General Theta:
85.00 Phi: 165.00 Psi:
80.00
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FWHM: 85.0 keV Tau: 5.0
Omega: 4.100
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Sublayers
Composition . . .
1
5.00
um
auto
Al
1.000
* 2
2000.00
KAP
auto
C 20.500
H
4.400
N
0.500
O
4.250
==========================================================
表 6-10 15μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定の試料構造ファイル（ERDA）- 106 -

==========================================================RBS File:C:¥cgs¥h85_15_15f'.rbs
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1.522 MeV
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74.00
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FWHM: 15.0 keV Tau: 5.0
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Composition . . .
* 13200.00
KAP
auto
C 20.500
H
4.400
N
0.500
O
4.250
Ag 0.030==========================================================
表 6-11 15μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定の試料構造ファイル（RBS）==========================================================RBS File:C:¥cgs¥h3086_15f'.rbs
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Beam:
3.060 MeV
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General Theta:
85.00 Phi:
11.00 Psi:
74.00
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FWHM: 15.0 keV Tau: 5.0
Omega: 0.900
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Thickness
Sublayers
Composition . . .
* 1
9000.00
KAP
auto
C 20.500
H
4.400
N
0.500
O
4.250
Ag 0.030==========================================================
表 6-12 15μC 照射時のカプトンＨに対する共鳴散乱 RBS 測定の
試料構造ファイル

- 107 -

表 6-10 は 15μC 照射時の ERDA−RBS 同時測定法における ERDA 法の試料構
造ファイル、表 6-11 は ERDA−RBS 同時測定法における RBS 法の試料構造フ
ァイル、表 6-12 は 15μC 照射時の共鳴散乱 RBS 法の試料構造ファイルである。
3 つの試料構造ファイルは同じ組成を表わしており、この組成で 3 つの実験スペ
クトルとシミュレーションスペクトルが一致する。この試料構造ファイルと 1
μC 照射時の試料構造ファイル、5μC 照射時の試料構造ファイル、10μC 照射
時の試料構造ファイルを比べると、イオンビーム照射によってそれぞれの元素の含有量がその照射量に応じて徐々に減少していることがわかる。15μC 照射
時のカプトンの組成は C20.5H4.4N0.5O4.25 である。
次にイオンビームの照射量を 20μC にした時の ERDA−RBS 同時測定法のス
ペクトルを図 6-19、図 6-20 に、共鳴散乱 RBS 法のスペクトルを図 6-21 に示す。
3 つのスペクトルのいずれも満たす 1 つの組成状態を表わす試料構造ファイル
を表 6-13、表 6-14、表 6-15 に示す。

図 6-1920μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定のスペクトル（ERDA）- 108 -

図 6-20

図 6-2120μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定のスペクトル（RBS）

20μC 照射時のカプトンＨに対する共鳴散乱 RBS 測定のスペクトル- 109 -

==========================================================RBS File: C:¥cgs¥h85_15_20m'.rbs
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Beam:
1.522 MeV
4He+
1.00 uCoul @ 2.00 nA
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General Theta:
85.00 Phi: 165.00 Psi:
80.00
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FWHM: 85.0 keV Tau: 5.0
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Composition . . .
1
5.00
um
auto
Al
1.000
* 2
2000.00
KAP
auto
C 20.000
H
3.500
O
4.000
==========================================================
表 6-13 20μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定の試料構造ファイル（ERDA）==========================================================RBS File:C:¥cgs¥h85_15_20f'.rbs
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Date:
Beam:
1.522 MeV
4He+
1.00 uCoul @ 2.00 nA
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General Theta:
85.00 Phi:
11.00 Psi:
74.00
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1.798 124.000 First chan: 0.0 NPT: 1024
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FWHM: 15.0 keV Tau: 5.0
Omega: 1.700
Correction: 1.0000#
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Sublayers
Composition . . .
* 13200.00
KAP
auto
C 20.000
H
3.500
O
4.000
Ag 0.020==========================================================
表 6-14 20μC 照射時のカプトンＨに対する ERDA−RBS 同時測定の試料構造ファイル（RBS）- 110 -

==========================================================RBS File:C:¥cgs¥h3086_20f'.rbs
Identifier: ! C:¥cgs¥h3086_20f'.txt
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3.060 MeV
4He+
1.00 uCoul @ 3.50 nA
Geometry:
General Theta:
85.00 Phi:
11.00 Psi:
74.00
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1.798 124.000 First chan: 0.0 NPT: 1024
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FWHM: 15.0 keV Tau: 5.0
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Thickness
Sublayers
Composition . . .
* 1
9000.00
KAP
auto
C 20.000
H
3.500
O
4.000
Ag 0.020==========================================================
表 6-15 20μC 照射時のカプトンＨに対する共鳴散乱 RBS 測定の
試料構造ファイル
表 6-13 は 20μC 照射時の ERDA−RBS 同時測定法における ERDA 法の試料構
造ファイル、表 6-14 は ERDA−RBS 同時測定法における RBS 法の試料構造フ
ァイル、表 6-15 は 20μC 照射時の共鳴散乱 RBS 法の試料構造ファイルである。
3 つの試料構造ファイルは同じ組成を表わしており、この組成で 3 つの実験スペ
クトルとシミュレーションスペクトルが一致する。この試料構造ファイルと 1
μC 照射時の試料構造ファイル、5μC 照射時の試料構造ファイル、10μC 照射
時の試料構造ファイル、15μC 照射時の試料構造ファイルを比べると、イオンビーム照射によってそれぞれの元素の含有量がその照射量に応じて徐々に減少していることがわかる。20μC 照射時のカプトンの組成は C20H3.5O4 である。この時窒素元素（N）は完全に消失して含まれていないことになった。
以上からイオンビーム照射量が増加するとそれぞれの元素の存在量が減少することがわかる。ERDA−RBS 同時測定法及び共鳴散乱 RBS 法から求めたイオ
ンビーム照射量を 1μC から 20μC まで 1μC ごとに増加させた時の組成の変化
を表 6-16 に示す。この表において酸素の組成は主として共鳴散乱 RBS スペク
トルから測定されたものである。

- 111 -

イオンビー
ム照射量

組成

(μC)

表 6-161

C22H10N2O5

2

C22H9.8N1.9O4.9

3

C21.9H9N1.75O4.8

4

C21.7H8.5N1.7O4.8

5

C21.5H8N1.5O4.75

6

C21.4H7.6N1.45O4.73

7

C21.3H7.2N1.4O4.7

8

C21.2H6.8N1.3O4.7

9

C21.1H6.2N1.2O4.6

10

C21H6N1O4.5

11

C20.9H5N1O4.4

12

C20.8H4.8N1O4.3

13

C20.7H4.6N1O4.3

14

C20.6H4.5N1O4.2

15

C20.5H4.4N0.5O4.25

16

C20.4H4N0.5O4.2

17

C20.3H3.8N1O4.2

18

C20.2H3.6N0.5O4.2

19

C20.1H3.5O4.1

20

C20H3.5O4

イオンビーム照射による組成比の変化（カプトン H）

これを元素ごとにグラフ化して図 6-22、図 6-23、図 6-24、図 6-25 に示す。

- 112 -

イオンビーム照射による組成の変化（C元素）
カプトンH
23

組成比

22
21
20
19
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
イオンビーム照射量[μC]

図 6-22

イオンビーム照射による組成の変化（C 元素）

組成比

イオンビーム照射による組成の変化（H元素）
カプトンH
11
10
9
8
7
6
5
4
3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
イオンビーム照射量[μC]

図 6-23

イオンビーム照射による組成の変化（H 元素）- 113 -

イオンビーム照射による組成の変化（N元素）
カプトンH

組成比

3

2

1

0
1 2

3 4 5

図 6-246 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
イオンビーム照射量[μC]

イオンビーム照射による組成の変化（N 元素）

イオンビーム照射による組成の変化（O元素）
カプトンH

組成比

6

5

4

3
1 2

3 4 5

図 6-256 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
イオンビーム照射量[μC]

イオンビーム照射による組成の変化（O 元素）

いずれの元素もイオンビーム照射に伴ってその含有量が減少していくが、炭素の含有量の減少に比べると他の元素の減少分が大きい様に感じられる。そこで C（炭素）、N（窒素）、H（水素）、O（酸素）の減衰する割合を求めるために、最初の値で規格化して 1 枚のグラフにして図 6-26 に示す。

- 114 -

組成比の変化量

組成の変化の割合（カプトンH）

C（実験値）

1.2

H（実験値）

1

N（実験値）
O（実験値）

0.8

C（近似曲線）0.6
H（近似曲線）

0.4

N（近似曲線）0.2

O（近似曲線）

0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
イオンビーム照射量[μC]

図 6-26組成の変化の割合（カプトン H）

図 6-26 より C（炭素）と O（酸素）の組成の減少は緩やかだが、H（水素）の組成の減少は急であることがわかった。また N（窒素）は、存在量が元々少なく RBS スペクトルに対する感度が低いためにはっきりとはわからない。
以上からカプトン H（標準カプトン）においては、イオンビームの照射量の増加によってどの元素の含有量も徐々に減少することがいえるが、主として水素の含有量が大きく減少していることがいえる。結果として更にイオンビームを照射し続けると炭素と酸素のみの化合物になってしまうと考えられる。

６−３

カプトンＥＮに対するイオンビーム照射の影響

カプトン EN（異種モノマー混合）に対してカプトン H（標準カプトン）と同様の実験を行う。イオンビームの照射量を 1μC から 10μC まで 1μC ごとに増加させた時の組成の変化について、その結果を表 6-17 に示す。各イオンビー
ム照射量に対する組成は、ERDA−RBS 同時測定法及び共鳴散乱 RBS 法を用いて実験とシミュレーションを比較することで求めた。

- 115 -

イオンビ
ーム照射

組成

量(μC)

表 6-171

C22H10N2O5

2

C22H8.5N1O5

3

C21.5H7.5N1O4.9

4

C21.5H7N1O4.9

5

C21H6.5N1O4.8

6

C21H6.2N1O4.8

7

C20H5.9N1O4.7

8

C20H5.6N1O4.6

9

C19H5.3N1O4.6

10

C19H5N1O4.5

イオンビーム照射による組成比の変化（カプトン EN）

カプトン EN の組成はイオンビーム照射量が 1μC の時は標準組成と同じである
ことがわかる。これからカプトン EN は異種モノマー混合と記載されているが（東レ・デュポン社は各種カプトン薄膜を提供してくれたが、内部組成等の情報については一切教えてくれなかった）、組成的に見る限り、標準組成のままであり異種モノマーがどの様なものでどの様に結合しているかはわからなかった。
イオンビーム照射に対する組成の変化を元素ごとにグラフ化して図 6-27、図6-28、図 6-29、図 6-30 に示す。

イオンビーム照射による組成の変化（C元素）
カプトンEN
23

組成比

22
21
20
19
18
1

図 6-27

2

3

4

5
6
7
8
イオンビーム照射量[μC]910イオンビーム照射による組成の変化（C 元素）- 116 -

11

イオンビーム照射による組成の変化（H元素）
カプトンEN
11
10
組成比

9
8
7
6
5
4
1

2

図 6-28

3

4

5
6
7
8
イオンビーム照射量[μC]

9

10

11

イオンビーム照射による組成の変化（H 元素）

イオンビーム照射による組成の変化（N元素）
カプトンEN

組成比

3

2

1

0
1

2

図 6-29

3

4

5
6
7
8
イオンビーム照射量[μC]910イオンビーム照射による組成の変化（N 元素）- 117 -

11

イオンビーム照射による組成の変化（O元素）
カプトンEN

組成比

6

5

4

3
1

2

図 6-30

3

4

5
6
7
8
イオンビーム照射量[μC]

9

10

11

イオンビーム照射による組成の変化（O 元素）

標準のカプトン H の場合と同様に、C（炭素）、N（窒素）、H（水素）、O（酸素）の組成の減衰する割合を求めるために、最初の値で規格化して 1 枚のグラフにして図 6-31 に示す。

組成の変化の割合（カプトンEN）
1.2
C（実験値）
H（実験値）
N（実験値）
O（実験値）
C（近似曲線）
H（近似曲線）N（近似曲線）O（近似曲線）組成比の変化量

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1

2

3

4
5
6
7
8
9
イオンビーム照射量[μC]

図 6-311011組成の変化の割合（カプトン EN）

図 6-31 より C（炭素）と O（酸素）の組成の減少は緩やかだが、H（水素）の組成の減少は急であることがわかった。また N（窒素）に関しては、存在量が- 118 -

元々少ないためはっきりとはわからない。この傾向は標準のカプトン H の場合（図 6-26 参照）とほとんど同じである。
以上からカプトン EN（異種モノマー混合）においては、イオンビームの照射量の増加によってどの元素の含有量も徐々に減少しており、特に水素の含有量の減少が著しいことがわかった。

６−４

カプトン V に対するイオンビーム照射の影響

カプトン V（高寸法安定）に対してカプトン H（標準カプトン）と同様の実験を行う。イオンビームの照射量を 1μC から 10μC まで 1μC ごとに増加させた時の組成の変化について、その結果を表 6-18 に示す。各イオンビーム照射量に対する組成は、ERDA−RBS 同時測定法及び共鳴散乱 RBS 法を用いて実験とシミュレーションを比較することで求めた。
イオンビ
ーム照射

組成

量(μC)

表 6-181

C22H10N2O5

2

C21.8H8.2N1O5

3

C21.7H7N1O4.9

4

C21.6H6.5N1O4.9

5

C21.5H6N1.5O4.8

6

C21.4H5.8N1O4.8

7

C21.3H5.5N1O4.7

8

C21.2H5.3N1O4.7

9

C21.1H5N1O4.6

10

C21H4.7N1O4.5

イオンビーム照射による組成比の変化（カプトン V）

カプトン V の組成も、イオンビーム照射量が 1μC の時は標準組成と同じであることがわかった。カプトン V には 高寸法安定 という名称がついているが、組成的に見ると標準組成であり、どの様に 高寸法安定 を行ったのかはわからなかった。イオンビーム照射に対する組成の変化を元素ごとにグラフ化して
図 6-32、図 6-33、図 6-34、図 6-35 に示す。

- 119 -

イオンビーム照射による組成の変化（C元素）
カプトンV

組成比

23

22

21

20
1

2

図 6-32

3

4

5
6
7
8
イオンビーム照射量[μC]

9

10

11

イオンビーム照射による組成の変化（C 元素）

イオンビーム照射による組成の変化（H元素）
カプトンV
11
10
組成比

9
8
7
6
5
4
1

図 6-33

2

3

4

5
6
7
8
イオンビーム照射量[μC]910イオンビーム照射による組成の変化（H 元素）- 120 -

11

イオンビーム照射による組成の変化（N元素）
カプトンV

組成比

3

2

1

0
1

2

図 6-34

3

4

5
6
7
8
イオンビーム照射量[μC]

9

10

11

イオンビーム照射による組成の変化（N 元素）

イオンビーム照射による組成の変化（O元素）
カプトンV

組成比

6

5

4

3
1

2

図 6-35

3

4

5
6
7
8
イオンビーム照射量[μC]

9

10

11

イオンビーム照射による組成の変化（O 元素）

標準のカプトン H の場合と同様に、C（炭素）、N（窒素）、H（水素）、O（酸素）の組成の減衰する割合を求めるために、最初の値で規格化して 1 枚のグラフにして図 6-36 に示す。

- 121 -

組成の変化の割合（カプトンV）
1.2
C（実験値）
H（実験値）
N（実験値）
O（実験値）
C（近似曲線）
H（近似曲線）N（近似曲線）O（近似曲線）組成比の変化量

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1

2

3

4
5
6
7
8
9
イオンビーム照射量[μC]

図 6-361011

組成の変化の割合（カプトン V）

図 6-36 より C（炭素）と O（酸素）の組成の減少は緩やかだが、H（水素）の組成の減少は急であることがわかった。また N（窒素）に関しては、存在量が元々少ないためはっきりとはわからない。
以上からカプトン V（高寸法安定タイプ）においては、イオンビームの照射量の増加によってどの元素の含有量も徐々に減少し、その減少の割合は標準のカプトンとほとんど同じであることがわかった。

６−５

カプトン CB に対するイオンビーム照射の影響

カプトン CB（カーボンブラック添加）に対してカプトン H（標準カプトン）と同様の実験を行う。イオンビームの照射量を 1μC から 12μC まで 1μC ごとに増加させた時の組成の変化について、その結果を表 6-19 に示す。各イオンビ
ーム照射量に対する組成は、ERDA−RBS 同時測定法及び共鳴散乱 RBS 法を用
いて実験とシミュレーションを比較することで求めた。

- 122 -

イオンビ
ーム照射

組成

量(μC)

表 6-191

C22H9N2O6.5

2

C22H8.5N2O6.3

3

C22H8N2O6.1

4

C21.5H7.5N2O5.9

5

C21.5H6.8N1.5O5.7

6

C21.4H6.4N1.5O5.6

7

C21.4H6.2N1.5O5.5

8

C21.3H6N1.5O5.4

9

C21.2H5.8N1.5O5.3

10

C21.1H5.3N1O5.2

11

C21.1H5.2N1O5.1

12

C21H5N1O5

イオンビーム照射による組成比の変化（カプトン CB）

カプトン CB においては、その組成はイオンビーム照射量が 1μC の時の結果が標準組成と異なり、H（水素）が 1 で、O（酸素）が 6.5 となった。これからCB（カーボンブラック添加）という名称で、C（炭素）の含有量が増えるというよりもむしろ O（酸素）の含有量が増え、わずかに H（水素）の含有量が減ったように思われる。イオンビーム照射に対する組成の変化を元素ごとにグラフ化して図 6-37、図 6-38、図 6-39、図 6-40 に示す。

- 123 -

イオンビーム照射による組成の変化（C元素）
カプトンCB

組成比

23

22

21

20
1

2

図 6-37

3

4

5
6
7
8
9
イオンビーム照射量[μC]

10

11

12

13

イオンビーム照射による組成の変化（C 元素）

イオンビーム照射による組成の変化（H元素）
カプトンCB
10

組成比

9
8
7
6
5
4
1

2

図 6-38

3

4

5
6
7
8
9
イオンビーム照射量[μC]

10

11

12

イオンビーム照射による組成の変化（H 元素）- 124 -

13

イオンビーム照射による組成の変化（N元素）
カプトンCB

組成比

3

2

1

0
1

2

図 6-39

3

4

5
6
7
8
9
イオンビーム照射量[μC]

10

11

12

13

イオンビーム照射による組成の変化（N 元素）

イオンビーム照射による組成の変化（O元素）
カプトンCB

組成比

7

6

5

4
1

2

図 6-40

3

4

5
6
7
8
9
イオンビーム照射量[μC]

10

11

12

13

イオンビーム照射による組成の変化（O 元素）

標準のカプトン H の場合と同様に、C（炭素）、N（窒素）、H（水素）、O（酸素）の組成の減衰する割合を求めるために、最初の値で規格化して 1 枚のグラフにして図 6-41 に示す。

- 125 -

組成の変化の割合（カプトンCB）
1.2
C（実験値）
H（実験値）
N（実験値）
O（実験値）
C（近似曲線）
H（近似曲線）N（近似曲線）O（近似曲線）組成比の変化量

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1

2

3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
イオンビーム照射量[μC]

図 6-41

組成の変化の割合（カプトン CB）

図 6-41 より C（炭素）の組成の減少は緩やかだが、標準カプトン H、カプトン
EN、カプトン V に比べて O（酸素）の組成の減少は大きく、H（水素）の組成の減少も急であることがわかった。また N（窒素）に関しては、存在量が元々少ないためはっきりとはわからない。カプトン CB は標準組成と異なった組成を持ち、しかもイオンビーム照射に対して他のカプトン薄膜よりも O（酸素）の含有量の減少が著しいことが特徴である。
以上からカプトン CB（カーボンブラック添加）においては、イオンビームの照射量の増加によってどの元素の含有量も徐々に減少することがいえる。

６−６

カプトン CR に対するイオンビーム照射の影響

カプトン CR（コロナ放電）に対してカプトン H（標準カプトン）と同様の実験を行う。イオンビームの照射量を 1μC から 20μC まで 1μC ごとに増加させた時の組成の変化について、その結果を表 6-20 に示す。各イオンビーム照射量に対する組成は、ERDA−RBS 同時測定法及び共鳴散乱 RBS 法を用いて実験とシミュレーションを比較することで求めた。

- 126 -

イオンビ
ーム照射

組成

量(μC)

表 6-201

C22H10.5N2O10

2

C22H9.9N2O10

3

C22H9.2N2O9.9

4

C22H8N1O9.9

5

C21.5H7.8N1O9.8

6

C21.5H7.2N1O9.8

7

C21.5H6.9N1O9.7

8

C21.5H6.5N1O9.6

9

C21H6.3N1O9.6

10

C21H6N1O9.5

11

C21H5.8N1O9.5

12

C20.8H5.6N1O8.8

13

C20.8H5.4N1O8

14

C20.5H5N1O8.5

15

C20.5H4.9N1O8.5

16

C20.4H4.7N1O9.3

17

C20.4H4.6O9.3

18

C20.2H4.5O9.2

19

C20.2H4.3O9

20

C20H4O9

イオンビーム照射による組成比の変化（カプトン CR）

カプトン CR においては、その組成はイオンビーム照射量が 1μC の時の結果が標準組成と異なり、H（水素）が 0.5 で、O（酸素）が 10 となった。イオンビーム照射に対する組成の変化を元素ごとにグラフ化して図 6-42、図 6-43、図 6-44、
図 6-45 に示す。

- 127 -

イオンビーム照射による組成の変化（C元素）
カプトンCR
23

組成比

22
21
20
19
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
イオンビーム照射量[μC]

図 6-42

イオンビーム照射による組成の変化（C 元素）

組成比

イオンビーム照射による組成の変化（H元素）
カプトンCR
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
イオンビーム照射量[μC]

図 6-43

イオンビーム照射による組成の変化（H 元素）- 128 -

イオンビーム照射による組成の変化（N元素）
カプトンCR

組成比

3

2

1

0
1 2

3 4 5

図 6-446 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
イオンビーム照射量[μC]

イオンビーム照射による組成の変化（N 元素）

イオンビーム照射による組成の変化（Ｏ元素）
カプトンCR

組成比

11

10

9

8
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
イオンビーム照射量[μC]

図 6-45

イオンビーム照射による組成の変化（O 元素）

標準カプトン H の場合と同様に、C（炭素）、N（窒素）、H（水素）、O（酸素）の組成の減衰する割合を求めるために、最初の値で規格化して 1 枚のグラフにして図 6-46 示す。

- 129 -

組成の変化の割合（カプトンCR）

組成比の変化量

1.2
C（実験値）
H（実験値）
N（実験値）
O（実験値）
C（近似曲線）
H（近似曲線）N（近似曲線）O（近似曲線）

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021
イオンビーム照射量[μC]

図 6-46組成の変化の割合（カプトン CR）

図 6-46 より C（炭素）と O（酸素）の組成の減少は緩やかだが、H（水素）の組成の減少は急であることがわかった。また N（窒素）に関しては、存在量が元々少ないためはっきりとはわからない。この傾向は標準カプトンの場合及びカプトン EN の場合とほとんど同じである。
以上からカプトン CR（コロナ放電）においては、イオンビームの照射量の増加
によってどの元素の含有量も徐々に減少することがいえる。

６−７

カプトン MT に対するイオンビーム照射の影響

カプトン MT（アルミナ添加）に対してカプトン H（標準カプトン）と同様の実験を行う。このとき、C の組成が他の膜と同様の 22 だとシミュレーションとあわないので（図 6-47 参照）、合うように組成を調整した結果 12 になった（図6-48 参照）。その際カプトン MT がアルミナ添加と記載されているので Al（アルミ）や酸素の組成を増やしてシミュレーションを行う等の試行錯誤を行う。
Al や酸素の調整ではどうしても実験結果を再現することができなかったので、シミュレーションが一番実験を再現した組成 C12H6N2O6（この時の実験とシミュレーションのスペクトルを図 6-48 に示す）からのイオンビーム照射に対する組成の変化を求めることにした。イオンビームの照射量を 1μC から 20μC まで 1μC ごとに増加させた時の組成の変化について、その結果を表 6-21 に示す。

- 130 -

各イオンビーム照射量に対する組成は、ERDA−RBS 同時測定法及び共鳴散乱
RBS 法を用いて実験とシミュレーションを比較することで求めた。

図 6-47

C の存在量を 22 にした時のスペクトル

図 6-48C の存在量を 12 にした時のスペクトル- 131 -

イオンビ
ーム照射

組成

量(μC)

表 6-21

1

C12H6N2O6

2

C12H5.5N2O6

3

C12H5N2O6

4

C12H4.5N2O6

5

C11.5H4N1O5.5

6

C11.5H3.6N1O5.5

7

C11.5H3.5N1O5.5

8

C11.5H3.4N1O5.5

9

C11H3N1O5.5

10

C11H3N1O5

11

C11H2.8N1O5

12

C11H2.6N1O5

13

C10.5H2.4N1O4.5

14

C10.5H2.4N1O4.5

15

C10.5H2.3N1O4.5

16

C10.5H2.1N1O4.4

17

C10H2O4.3

18

C10H1.9O4.2

19

C10H1.8O4.1

20

C10H1.8O4

イオンビーム照射による組成比の変化（カプトン MT）

カプトン MT においては、その組成はイオンビーム照射量が 1μC の時の結果が標準組成と異なり、C（炭素）が 12 で、H（水素）が 6、O（酸素）が 6 である
ことがわかった。イオンビーム照射に対する組成の変化を元素ごとにグラフ化
して図 6-49、図 6-50、図 6-51、図 6-52 に示す。

- 132 -

イオンビーム照射による組成の変化（C元素）
カプトンMT
13

組成比

12
11
10
9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
イオンビーム照射量[μC]

図 6-49

イオンビーム照射による組成の変化（C 元素）

イオンビーム照射による組成の変化（H元素）
カプトンMT
7

組成比

6
5
4
3
2
1
1 2

3 4 5

図 6-506 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
イオンビーム照射量[μC]

イオンビーム照射による組成の変化（H 元素）- 133 -

イオンビーム照射による組成の変化（N元素）
カプトンMT

組成比

3

2

1

0
1 2

3 4 5

図 6-516 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
イオンビーム照射量[μC]

イオンビーム照射による組成の変化（N 元素）

イオンビーム照射による組成の変化（O元素）
カプトンMT
7
6
組成比

5
4
3
2
1
0
1

2

図 6-52345

6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
イオンビーム照射量[μC]

イオンビーム照射による組成の変化（O 元素）

標準のカプトンの場合と同様に、C（炭素）、N（窒素）、H（水素）、O（酸素）の組成の減衰する割合を求めるために、最初の値で規格化して 1 枚のグラフにして図 6-53 に示す。

- 134 -

組成の変化の割合（カプトンMT）
1.2
C（実験値）
H（実験値）
N（実験値）
O（実験値）
C（近似曲線）
H（近似曲線）N（近似曲線）O（近似曲線）組成比の変化量

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021
イオンビーム照射量[μC]

図 6-53

組成の変化の割合（カプトン MT）

図 6-53 より元々少ない C（炭素）の含有量の減少も他のカプトン薄膜に比べて激しく、O（酸素）や H（水素）の組成の減少も急である。N（窒素）に関して
は、存在量が元々少ないためはっきりとはわからない。カプトン MT は他のカ
プトン薄膜に比べてイオンビーム照射に弱く、その組成を大きく変えていくことが特徴である。
以上からカプトン MT（アルミナ添加）においては、イオンビームの照射量の増加によってどの元素の含有量も比較的急激に減少し、他のカプトン薄膜よりも早く炭素化することがわかった。

６−８膜の種類とビーム照射に対する考察

６−２節から６−７節まで 6 種類のカプトン薄膜に対してそれぞれイオンビ
ーム照射量に対する膜の組成の変化を調べて来た。ここではイオンビーム照射に対するカプトン薄膜間の違いについて比較・検討する。
図 6-54、図 6-55、図 6-56、図 6-57 に C（炭素）、H（水素）、N（窒素）、O（酸素）の各元素別に、カプトン H、カプトン EN、カプトン V、カプトン CB、
カプトン CR、カプトン MT のそれぞれの膜に対するイオンビーム照射時の組成への影響を示す。図 6-54 が C（炭素）元素に対するもの、図 6-55 が H（水素）元素に対するもの、図 6-56 が N（窒素）元素に対するもの、図 6-57 が O（酸- 135 -

素）元素に対するものである。

組成の変化の割合（C元素）

カプトンH
カプトンEN

23

カプトンV
カプトンCB

組成比の変化量

21

カプトンCR

19

カプトンMT
カプトンH（近似曲線）

17

カプトンEN（近似曲線）

15

カプトンV（近似曲線）
カプトンCR（近似曲線）

13

カプトンCR（近似曲線）

11

カプトンMT（近似曲線）9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 111213 141516 171819 2021
イオンビーム照射量[μC]
図 6-54

組成の変化の割合（C 元素）

組成の変化の割合（H元素）
カプトンH（実験値）
カプトンEN（実験値）
カプトンV（実験値）
カプトンCB（実験値）
カプトンCR（実験値）
カプトンMT（実験値）
カプトンH（近似曲線）
カプトンEN（近似曲線）
カプトンV（近似曲線）
カプトンCB（近似曲線）
カプトンCR（近似曲線）
カプトンMT（近似曲線）13

組成比の変化量

11
9
7
5
3
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021
イオンビーム照射量[μC]
図 6-55組成の変化の割合（H 元素）- 136 -

組成の変化の割合（N元素）

カプトンH（実験値）
カプトンEN（実験値）

3

カプトンV（実験値）

組成比の変化量

カプトンCB（実験値）
カプトンCR（実験値）

2

カプトンMT（実験値）
カプトンH（近似曲線）
カプトンEN（近似曲線）
カプトンV（近似曲線）

1

カプトンCB（近似曲線）
カプトンCR（近似曲線）
カプトンMT（近似曲線）01 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021
イオンビーム照射量[μC]

図 6-56組成の変化の割合（N 元素）- 137 -

組成の変化の割合（O元素）11

カプトンH（実験値）
カプトンEN（実験値）
カプトンV（実験値）

10
組成比の変化量

カプトンCB（実験値）

9

カプトンCR（実験値）
カプトンMT（実験値）

8

カプトンH（近似曲線）

7カプトンEN（近似曲線）
カプトンV（近似曲線）

6

カプトンCB（近似曲線）

5カプトンCR（近似曲線）
カプトンMT（近似曲線）4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021
イオンビームの照射量[μC]

図 6-57

組成の変化の割合（O 元素）

図 6-54 からイオンビーム照射に対する炭素元素の存在量の変化は、カプトン
EN を除きほぼ同じ様に減少していることがわかる。カプトン MT において最初に薄膜に含まれていた炭素の量が少ないことは不思議であるが、RBS のスペク
トルから標準組成の炭素量では実験を再現しないことは既に６−７節で述べた通りである。いずれにしてもカプトン MT まで含めてイオンビーム照射に対する炭素元素の存在量の変化は、カプトン EN を除きほぼ同様であることから、炭素はカプトン薄膜の種類（これは主として作製法の違いに起因すると思われる）によらずに一様であることが言え、イオンビーム照射が薄膜に及ぼす効果が明確にはわからないものの、一種の熱的なものであるとすると炭素と他の元素の結合の形態はそれ程違いがないのかも知れない（炭素は有機化合物では構造の骨格をなすので、それ程イオンビーム照射に関して違いが現れないのかも知れない）。それに対してカプトン EN は異種モノマー混合と記載されているが、炭素元素の結合の仕方が他の種類のカプトン薄膜とは異なっているのかも知れず、その結果がイオンビーム照射に対して もろい という結果を与えたのかも知れない。
次にイオンビーム照射に対する水素元素の存在量の変化についてであるが、- 138 -

これは図 6-55 を見ればわかる通り、カプトン薄膜の種類によらずほぼ一様な組成減少を引き起こしており、いずれの場合においても 10μC〜12μC の照射でほぼ半分に、20μC の照射ではほぼ 40%になっていることがわかる。先程の炭素の存在量の変化に比べると、水素の場合は含有量が大きく減少しており、このままイオンビームを照射し続けると、水素が一方的に脱離していくことが考えられる。この時の酸素の挙動に関しては後で説明する。
続いてイオンビーム照射に対する窒素元素の存在量の変化についてであるが、これは一応図 6-56 に示してあるが、今回の実験においてはっきりわからないのがこの元素の挙動である。今回用いた RBS 法というものは簡単に組成の深さ分析ができる特徴があるものの、いくつかの元素に関してはあまり感度が良いとは言えず、今回の実験においては窒素元素に対する感度不足という結果になった（第 5 章参照）。従って窒素元素に関しては、イオンビームの照射と共に多分存在量が減少しているであろうとしかいえない。カプトン薄膜間の違いに関しても明確なことはわからなかった。窒素元素に対しては窒素の共鳴散乱という手法で感度を向上させることができるが、これは今後の課題とする。
最後にイオンビーム照射に対する酸素元素の存在量の変化についてであるが、この結果を図 6-57 に示す。酸素元素の存在量に関しては、共鳴散乱 RBS 法を用いることによって他の元素よりも高感度で、恐らく最も感度良く分析できており（感度は次が水素元素で、炭素元素、窒素元素と続く）、結果もカプトン
CR における 11μC〜15μC のイオンビーム照射に対するバラつきは完全には説明できないものの、この実験がイオンビームを照射することによって始めてデータを得ることができ、しかもそのイオンビームの照射の影響を調べるという種類のものであるため、実験スペクトルを得るために照射しているビーム量が最小限であることに起因するかも知れない。いずれにしても元々酸素含有量の多いカプトン CR ではイオンビーム照射によってそれ程酸素含有量が減少しな
いものの、他の種類のカプトン薄膜は比較的多くの酸素原子が脱離しており、20μC のイオンビーム照射で酸素含有量は約 70%程度になっている。このこと
から酸素は水素に次いでその含有量が減少し、脱離の過程で一部分は H2O（水分子）の形になっていると推測される。そして元々の構造において H2O（水分子）のユニットに近い部分が存在すればする程、水素や酸素の脱離が著しいのではないかと想像している。
以上のことから、ERDA 法を較正するための水素に関する標準試料という観点で見れば、1)水素の組成又は含有量が明確に分かっていること及び、2)イオンビーム照射に対して含有量の変化が少なく照射に強いことの 2 点が必要条件となり、これを満たす一番適当な試料としては標準のカプトン H 又はカプトン V
であるといえる。

- 139 -

第7章

結論

本研究ではまず ERDA 法を習得することから始め、本学のイオンビーム加速器で ERDA 法を利用できる様に ERDA 法を構築した。その上で実際に ERDA法を用いて水素の含有量の定量分析を行った。修士論文はこの一連の実験の流れに沿って記述してある。まず第 3 章で ERDA 法の原理を学び、ラザフォードの公式から外れる水素の反跳断面積をシミュレーターに導入した。第 4 章ではシミュレーションをフルに活用することによって、最適な ERDA 配置の条件（入射エネルギー1.522MeV、反跳角 15°、入射角 80°、Al の吸収膜の厚さ 5μm）を求めた。これによって実際に ERDA 法を用いて水素含有量の深さ分析が行えるようになった。
もう一つのテーマとして、第 5 章で ERDA−RBS 同時測定法の開発を行った。
また第 6 章でこの ERDA−RBS 同時分析法及び共鳴散乱 RBS 法の応用として、
カプトン薄膜 6 種類に対するイオンビーム照射損傷の分析を行った。それぞれのカプトン薄膜に対する照射損傷の効果を考察し、６−８節にまとめたが自分なりにとても興味深いものであった。
以上の実験を通して、水素元素の分析を含めた高速イオンビームを用いた材料の組成分析というテーマは一通り実施できたと考えている。

- 140 -

参考文献
1) Wei-Kan Chu, James W. Mayer, Marc-A. Nicolet 『 Backscattering
Spectrometry』 （Academic Press, New York, 1978）
・・・内容は英語で書かれているが、RBS 法の標準テキストであり、RBS 法
全般について詳しく書かれている。本論文では主に第 3 章にて RBS 法の原理等を学ぶために用いた。
2) Jorge Tirira, Yves Serruys and Patrick Trocellier 『 Forward Recoil
Spectrometry』（Plenum Press, New York, 1996）
・・・内容は英語で書かれているが、ERDA 法について詳しく書かれている。
本論文では主に第 3 章にて ERDA 法の原理等を学ぶために用いると共に、ラザフォードの式から外れた反跳断面積を求める時に用いた Tiriraの値もこの本から引用した。一部分を日本語に訳したが、訳に大変手間取った。
3) 綿森道夫『大阪大学工学部博士論文』（1990）
・・・RBS 法について書かれている。内容が日本語で書かれているので RBS法の取り掛かりの勉強に用いた。中でも付録に RBS 法の原理について詳しく書かれており、本論文では主に第 3 章にて RBS 法の原理（散乱断面積等を含む）を学ぶために用いた。
4) 寺崎順子『大阪大学卒業論文』（1998）
・・・RBS 法について書かれている。中でも共鳴散乱の説明がわかりやすく、
本論文では主に第 3 章にて共鳴散乱法を学ぶために使用した。
5) 庄野利之,脇田久伸編著『入門機器分析化学』（三共出版 1990）
・・・いろいろな分析法について書かれてある。本論文では主に第 1 章にて他の水素分析の手法を調べるため用いた。
6) 寺崎順子和訳『Rump/Genplot マニュアル』（CGS 社発行）
・・・本論文で使用しているシミュレーションソフトの使い方の和訳（原本は英語）。シミュレーションソフトを使用する際に頻繁に参考にした。
7) Web&HP 研究会編著『Fireworks3 Web 画像作成スーパーテクニック』（ソーテック社 2000）
・・・本論文中の図（グラフを除く）を作成する際に使用した Fireworks の使い方について書かれている。
Fireworks を使用する際に参考にした。

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謝辞
今回の研究と論文の作成にあたり、終始丁寧なご指導とご教示を賜りました
高知工科大学大学院電子・光エレクトロニクスコース綿森道夫助教授に深い感
謝の意を表します。本論文は綿森道夫助教授のおかげで完成したといっても過言ではありません。
高知工科大学大学院電子・光エレクトロニクスコース在学中にご指導を賜った原央コース長に心から感謝致します。
また高知工科大学大学院電子・光エレクトロニクスコース在学中、本研究の実験遂行、各過程で終始ご厚意、ご協力を頂きました高知工科大学大学院電子・
光エレクトロニクスコース、河津哲教授・成沢忠教授・河東田隆教授・神戸宏教授・矢野政顕教授・畠中兼司教授・平木昭夫教授・平尾孝教授・山本哲也教授、八田章光助教授・野中弘二助教授・橘昌良助教授・高村禎二助教授、武田光由実験講師、西田謙助手の方々には重ねて感謝の意を述べさせていただきます。特に河津哲教授には折にふれいろいろな助言を頂きました。
そして本研究を遂行するにあたり細部にわたり実験にご協力いただいた、高知工科大学大学院工学研究科基盤工学専攻電子・光エレクトロニクスコース金子哲弥氏に感謝いたします。
最後になりましたが、第 6 章でカプトン薄膜を分析するにあたり、カプトン
薄膜を提供して頂きました東レ・デュポン社の三宅隼氏にも重ねて感謝致します。

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