散乱イオン分析装置及び散乱イオン分析方法
【課題】質量数の大きな元素から小さな元素まで分析でき、各元素の分析において十分な分析性能が得られる散乱イオン分析装置及び散乱イオン分析方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、分析可能な各元素に対応するビーム軸方向における試料台１４からアパーチャ１６までの第１の距離Ｌ１とアパーチャ１６からイオン検出器２０までの第２の距離Ｌ２とアパーチャ１６の開口１６ａの大きさφａとを予め取得しておき、この取得しておいた情報から分析の対象とする元素の種類に基づいて試料Ｓを分析するときの第１の距離Ｌ１と第２の距離Ｌ２とアパーチャ１６の開口１６ａの大きさφａとを決定し、この決定に基づいて試料台１４とアパーチャ１６とイオン検出器２０とのうちの少なくとも２つをビーム軸に沿って移動させると共にアパーチャ１６の開口１６ａの大きさを変更することを特徴とする。
【解決手段】本発明は、分析可能な各元素に対応するビーム軸方向における試料台１４からアパーチャ１６までの第１の距離Ｌ１とアパーチャ１６からイオン検出器２０までの第２の距離Ｌ２とアパーチャ１６の開口１６ａの大きさφａとを予め取得しておき、この取得しておいた情報から分析の対象とする元素の種類に基づいて試料Ｓを分析するときの第１の距離Ｌ１と第２の距離Ｌ２とアパーチャ１６の開口１６ａの大きさφａとを決定し、この決定に基づいて試料台１４とアパーチャ１６とイオン検出器２０とのうちの少なくとも２つをビーム軸に沿って移動させると共にアパーチャ１６の開口１６ａの大きさを変更することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギー又は中エネルギーのイオンビームを利用したラザフォード後方散乱分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ラザフォード後方散乱（Rutherford Backscattering Spectroscopy：ＲＢＳ）分析装置のうち、試料に照射されるイオンビームに平行な磁場を用いて前記試料から散乱する散乱イオンのエネルギー分析を行う平行磁場型のＲＢＳ分析装置として、特許文献１に記載の装置が知られている。
【０００３】
この装置は、図４に示されるように、イオンを加速してイオンビームｂｍを発生させる加速器部１００と、このイオンビームｂｍが試料ｓに照射されることで当該試料ｓから散乱した散乱イオンを検出し、この散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するスペクトロメータ部２００とで構成されている。
【０００４】
加速器部１００は、イオンを発生させ、このイオンからイオンビームｂｍを生成するイオン源１０２と、このイオン源１０２で生成したイオンビームｂｍを一方向に加速する加速管１０４とを備えている。
【０００５】
スペクトロメータ部２００は、内部に前記イオンビームｂｍが照射されると共に、このイオンビームｂｍが照射される位置に試料ｓがセットされる試料台２０１を有する真空容器２０２と、この真空容器２０２内にイオンビームｂｍの照射方向（ビーム軸）と平行な磁場（強磁場）ｂを形成するための磁場形成手段２０４とを備えている。
【０００６】
真空容器２０２内には、イオン検出器２０６とアパーチャ２０８とが配置されている。イオン検出器２０６は、真空容器２０２内において照射される前記イオンビームｂｍの上流側に配置され、イオンビームｂｍが照射されることで試料ｓから散乱（後方散乱）する散乱イオンを検出するものである。
【０００７】
アパーチャ２０８は、中央部に開口２０８ａを有する板状部材であり、イオン検出器２０６と試料ｓとの間を仕切るように配置されている。この開口２０８ａは、加速器部１００から真空容器２０２内に照射されるイオンビームｂｍの通過を許容すると共に、試料ｓから散乱した散乱イオンのうち特定の範囲の散乱角を有し且つ磁場形成手段２０４が形成する磁場ｂにより前記イオンビームｂｍのビーム軸に特定の領域で収束する散乱イオンの通過を許容するものである。
【０００８】
このように構成されるＲＢＳ分析装置においては、加速器部１００から試料ｓに向けてイオンビームｂｍが照射される。一方、磁場形成手段２０４によって、真空容器２０２内にイオンビームｂｍのビーム軸と平行な磁場（強磁場）ｂが形成される。
【０００９】
イオンビームｂｍが試料ｓの測定部位に到達すると、当該部位でイオンビームｂｍを構成するイオンが散乱（後方散乱）する。この試料ｓで後方散乱したイオン（散乱イオン）は、磁場ｂによってローレンツ力を受け、前記ビーム軸を取り巻く螺旋軌道に沿って加速器部１００側に移動する。この螺旋軌道は、散乱イオンの散乱角や当該散乱イオンの有するエネルギーによって変わる。従って、特定の散乱角で特定のエネルギーを有する散乱イオンのみがアパーチャ２０８の開口２０８ａの位置で前記特定の領域内に収束して当該開口２０８ａを通過し、イオン検出器２０６に到達する。
【００１０】
このように散乱イオンがイオン検出器２０６に到達すると、当該イオン検出器２０６によって散乱イオンの到達位置が検出される。そして、試料ｓからアパーチャ２０８までの距離やアパーチャ２０８からイオン検出器２０６までの距離、イオンビームｂｍのエネルギー、印加磁場強度、イオン検出器２０６への散乱イオンの前記到達位置等から散乱イオンのエネルギーを求めることができる。このようにして求めたデータに基づき高速高分解能のＲＢＳ分析が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−１９０９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図５（ａ）は、前記の散乱イオン分析装置（ＲＢＳ分析装置）における試料ｓを構成する元素の質量数と検出半径（ビーム軸を中心とした真空容器２０２の半径方向の位置ρｄｏ（図４参照））との関係を示す図である。この図からわかるように、前記の散乱イオン分析装置において質量数の大きな元素（重元素）を分析する場合、イオン検出器２０６における散乱イオンの検出半径ρｄｏが大きくなる。
【００１３】
しかし、散乱イオン分析装置において、直径の大きな真空容器内に強磁場を一様に形成することやイオン検出器を前記直径方向に大きくすることは技術的に困難であるため、例えば、前記の散乱イオン分析装置においては、分析可能な検出半径ρｄｏは、１５０ｍｍが限界となる。
【００１４】
従って、前記の散乱イオン分析装置において重元素の分析を行うためには試料台２０１からアパーチャ２０８までの距離Ｌを変更しなければならない。即ち、前記の散乱イオン分析装置においては、距離Ｌを大きくすることによって検出半径ρｄｏを小さくすることができるため、検出半径ρｄｏが１５０ｍｍよりも小さくなるように距離Ｌを変更しなければならない。
【００１５】
しかし、前記の散乱イオン分析装置においては、図５（ｂ）にも示されるように、距離Ｌが大きくなると質量数の小さな元素（軽元素）を分析する際の質量分解能が低下するといった問題が生じる。
【００１６】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、質量数の大きな元素から小さな元素まで分析でき、各元素の分析において十分な分析性能が得られる散乱イオン分析装置及び散乱イオン分析方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係る散乱イオン分析装置は、加速されたイオンビームが試料に照射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析装置であって、内部に前記イオンビームが照射されると共に前記イオンビームの入射方向と平行な磁場が形成される真空容器と、前記磁場が形成された真空容器内で前記イオンビームが当る位置に前記試料を保持し、前記イオンビームのビーム軸に沿って移動可能な試料台と、前記磁場が形成された真空容器内で前記試料から散乱する散乱イオンを検出し、前記ビーム軸に沿って移動可能なイオン検出器と、前記イオン検出器と前記試料台との間の位置に設けられ、前記イオン検出器側から前記試料台側に入射される前記イオンビームの通過を許容すると共に前記試料台側から前記イオン検出器側に向かって散乱する前記散乱イオンのうち特定の範囲の散乱角を有し且つ前記磁場により前記ビーム軸に特定の領域で収束する散乱イオンの通過を許容する開口が設けられ、この開口の大きさが変更可能で且つ前記ビーム軸に沿って移動可能なアパーチャと、前記ビーム軸方向における前記試料台から前記アパーチャまでの第１の距離と前記アパーチャから前記イオン検出器までの第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを制御するための制御手段とを備え、前記制御手段は、分析の対象とする元素の種類に相当する情報を入力するための入力部と、当該散乱イオン分析装置によって分析可能な各元素に対応する前記第１の距離と前記第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとが予め格納された記憶部と、前記入力部から入力された前記元素の種類に相当する情報に基づいて前記記憶部に格納されている前記各元素に対応する情報から前記試料を分析するときの前記第１の距離と前記第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを決定し、この決定に基づいて前記試料台と前記アパーチャと前記イオン検出器とのうちの少なくとも２つを前記ビーム軸に沿って駆動すると共に前記開口の大きさを変更するために前記アパーチャを駆動するための指令信号を出力する指令部とを有することを特徴とする。
【００１８】
かかる構成によれば、前記制御手段によって、前記試料を構成する元素のうち分析の対象とする元素を分析するのに適した前記第１の距離、前記第２の距離及び前記アパーチャの開口（以下、単に「前記開口」とも称する。）の大きさが決定され、この決定に基づいて当該散乱イオン分析装置の前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさがそれぞれ調節されることで、前記分析の対象とする元素の種類に関わらず十分な分析性能が得られる。
【００１９】
即ち、共通の前記真空容器内でＲＢＳ分析（以下、単に「分析」とも称する。）が行われる場合、対象とする元素の種類（詳細には元素の質量数）によって分析に適した前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさが異なるため、当該散乱イオン分析装置のように、分析の対象とする元素の種類に応じて前記第１の距離、前記第２の距離及び前記アパーチャの開口の大きさが調節可能とされることで、重元素から軽元素まで分析ができ、各元素の分析において十分な分析性能が得られる。
【００２０】
以下、詳細に説明する。従来の散乱イオン分析装置での分析のように、前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさがそれぞれ対象とする元素の種類に応じて変更されずに分析が行われると、前記元素の種類によって分析ができない場合や分析性能が低下する場合等があった。
【００２１】
具体的には、例えば、シリコンのような比較的軽い元素（軽元素）を十分な分析性能で分析できるように前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさが設定された散乱イオン分析装置では、金のような比較的重い元素（重元素）の分析が行われるとイオン検出器において散乱イオンの検出ができなくなり、そのため元素の分析ができない場合があった。即ち、前記第１の距離が軽元素の分析に適した大きさ（長さ）の散乱イオン分析装置では、重元素の分析を行うと、前記ビーム軸方向における前記イオン検出器の位置において、到達する散乱イオンの検出半径が大きくなるため（図５（ａ）参照）、前記イオン検出器によって検出できない場合があった。
【００２２】
そのため、例えば、金のような重元素を十分な分析性能で分析するためには、前記第１の距離を大きくして検出半径を小さくし、前記イオン検出器で確実に散乱イオンを検出する必要があった。
【００２３】
一方、金のような重元素を十分な分析性能で分析できるように前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさが設定された散乱イオン分析装置では、シリコンのような軽元素の分析が行われると質量分解能（分析性能）が低下して高精度の分析が行えない。即ち、前記の軽元素（シリコン）を分析する散乱イオン分析装置の設定よりも前記第１の距離を大きくし、前記イオン検出器における散乱イオンの検出半径を小さくして重元素を分析できるように設定した散乱イオン分析装置では、前記第１の距離が大きいために軽元素の分析において質量分解能が低下してしまう（図５（ｂ）参照）。
【００２４】
そのため、シリコンのような軽元素を十分な分析性能（質量分解能）で分析するためには、第１の距離を小さくし、質量分解能を向上させる必要があった。
【００２５】
また、重元素から軽元素まで分析できるように、前記第１の距離のみ、又は前記第１の距離及び前記第２の距離が変更可能に構成された散乱イオン分析装置も考えられるが、通常、散乱イオン分析装置において前記開口の大きさが一定のままで前記第１の距離が大きくなるとそれに伴って深さ分解能が低下するため重元素の分析において深さ分解能が低下してしまう。
【００２６】
この深さ分解能は、図６からも分かるように、前記開口の大きさが小さければ、前記第１の距離が大きくなってもあまり低下しない。そのため、前記のように第１の距離を大きくした重元素の分析においては、前記開口を小さくして深さ分解能の低下を抑制する必要があった。
【００２７】
これに対し、当該散乱イオン分析装置においては、前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさが変更可能に構成されると共に前記制御手段が備えられ、この制御手段が分析の対象とする元素に応じて前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさをそれぞれ調節することによって、重元素から軽元素までの何れの元素の分析においても十分な分析性能を得ることが可能となった。
【００２８】
このような分析の対象とする元素に応じた前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさは、前記制御手段の記憶部に予め格納されている各元素に対応する情報に基づいて前記制御手段の指令部において決定される。
【００２９】
具体的には、前記記憶部に格納されている前記各元素に対応する情報は、元素の質量数が小さくなるほど前記第１の距離が小さくなると共に前記アパーチャの開口が大きくなり、元素の質量数が大きくなるほど前記第１の距離が大きくなると共に前記アパーチャの開口が小さくなるように設定されている。
【００３０】
このように設定されることで、軽元素の分析の際には、質量分解能の低下が抑制されると共に分析時間の短縮又は分析精度の向上が図られ、重元素の分析の際には、深さ分解能の低下が抑制されると共に質量分析性能が向上する。
【００３１】
詳細には、軽元素の分析が行われる場合、重元素の分析の際のように前記第１の距離が大きいと質量分解能が低下するが（図５（ｂ）参照）、前記第１の距離が小さくされることで質量分解能の低下が抑制される。また、軽元素の分析では、重元素と違って散乱断面積が小さいため、前記開口が大きくされることで、当該開口を通過して前記イオン検出器に到達する散乱イオンの数が増加することにより、分析に必要な数の散乱イオンが短時間で検出されることで分析時間の短縮化が図られ、又はより多くの散乱イオンが検出されることで分析精度の高精度化が図られる。
【００３２】
一方、重元素の分析が行われる場合、軽元素の分析の際のように前記第１の距離が小さいと検出半径が大きくなって前記イオン検出器での検出ができない場合があるが、前記第１の距離が大きくされることで検出半径が小さくなり、散乱イオンがより確実にイオン検出器によって検出される。また、通常、散乱イオン分析装置においては、前記開口の大きさが一定のままで前記第１の距離が大きくされるとそれに伴って深さ分解能が低下するが、当該散乱イオン分析装置においては、前記第１の距離が大きくなると前記開口が小さくなるため、深さ分解能の低下が抑制される（図６参照）。
【００３３】
また、重元素の分析においては、質量数が大きいほど質量分解能が低下するため質量数の近い元素分析が困難となるが、当該散乱イオン分析装置では、重元素の分析において、前記第１の距離を大きくしたときに前記開口を小さくして質量分解能を向上させることで質量数の近い元素分析の精度が向上する（図７参照）。
【００３４】
尚、重元素の分析においては、軽元素と違って散乱断面積が大きいため、前記開口が小さくても十分な数の散乱イオンが当該開口を通過して前記イオン検出器に到達するため、検出される散乱イオンの数の減少による分析時間の遅延や分析精度の低下は問題とならないレベルとなる。
【００３５】
以上のように、当該散乱イオン分析装置においては、前記記憶部に格納されている前記各元素に応じた情報から前記指令部が前記分析の対象とする元素に適した前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさを選択（決定）し、この選択に基づいて前記試料台、前記アパーチャ及び前記イオン検出器のうち少なくとも２つを移動させると共に前記開口の大きさを変更するための指令信号を出力する。この指令信号に基づいて前記第１の距離、第２の距離及び前記開口がそれぞれ調節され、その結果、当該散乱イオン分析装置においては、重元素から軽元素までの何れの元素の分析においても十分な分析性能が得られる。
【００３６】
本発明に係る散乱イオン分析装置においては、前記記憶部に格納されている前記各元素に対応する情報は、前記第１の距離と前記第２の距離との比が２：１となるように設定されているのが好ましい。このように前記第１の距離と前記第２の距離との比が２：１となることによって、分解能がより向上する。
【００３７】
また、前記アパーチャは、前記開口を絞る絞り機構と、前記制御手段の指令部から入力される指令信号により前記絞り機構を駆動する駆動手段とを備える構成であってもよい。
【００３８】
かかる構成によれば、前記アパーチャの開口の大きさを任意の大きさに変更することが可能となる。
【００３９】
また、前記アパーチャは、前記ビーム軸と直交する共通の面上に大きさの異なる複数の開口が一列に並ぶ開口部材と、前記制御手段の指令部から入力される指令信号により前記開口部材を前記開口の列に沿って移動させる移動手段とを備える構成であってもよい。
【００４０】
かかる構成によれば、簡易な構成によって前記開口の大きさの変更が可能となる。
【００４１】
また、上記課題を解消すべく、本発明に係る散乱イオン分析方法は、加速されたイオンビームが試料に照射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析方法であって、内部に前記イオンビームが照射されると共に前記イオンビームの入射方向と平行な磁場が形成される真空容器と、前記磁場が形成された真空容器内で前記イオンビームが当る位置に前記試料を保持する試料台と、前記磁場が形成された真空容器内で前記試料から散乱する散乱イオンを検出するイオン検出器と、前記イオン検出器と前記試料台との間の位置に設けられ、前記イオン検出器側から前記試料台側に入射される前記イオンビームの通過を許容すると共に前記試料台側から前記イオン検出器側に向かって散乱する前記散乱イオンのうち特定の範囲の散乱角を有し且つ前記磁場により前記イオンビームのビーム軸に特定の領域で収束する散乱イオンの通過を許容する開口が設けられたアパーチャとを備える散乱イオン分析装置を用い、当該散乱イオン分析方法によって分析可能な各元素に対応する前記ビーム軸方向における前記試料台から前記アパーチャまでの第１の距離と前記アパーチャから前記イオン検出器までの第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを予め取得しておき、この取得しておいた情報から分析の対象とする元素の種類に基づいて前記試料を分析するときの前記第１の距離と前記第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを決定する分析条件決定工程と、前記決定に基づいて前記試料台と前記アパーチャと前記イオン検出器とのうちの少なくとも２つを前記ビーム軸に沿って移動させると共に前記アパーチャの開口の大きさを変更する駆動工程とを備えることを特徴とする。
【００４２】
かかる構成によれば、前記分析条件決定工程で、前記予め取得しておいた情報から前記対象とする元素を分析するのに適した前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさが決定され、前記駆動工程で、前記決定に基づいて前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさがそれぞれ調節されることで、前記分析の対象とする元素の種類に関わらず十分な分析性能で分析することができる。即ち、当該散乱イオン分析方法によれば、重元素から軽元素までの分析ができ、各元素の分析において十分な分析性能で分析することができる。
【００４３】
具体的には、前記分析条件決定工程の予め取得しておいた前記各元素に対応する情報では、元素の質量数が小さくなるほど前記第１の距離が小さくなると共に前記アパーチャの開口が大きくなっており、元素の質量数が大きくなるほど前記第１の距離が大きくなると共に前記アパーチャの開口が小さくなっている。そのため、軽元素の分析の際には、質量分解能の低下が抑制されると共に分析時間の短縮又は分析精度の向上が図られ、重元素の分析の際には、深さ分解能の低下が抑制されると共に質量分析性能が向上する。
【００４４】
本発明に係る散乱イオン分析方法においては、前記分析条件決定工程の予め取得しておいた前記各元素に対応する情報では、前記第１の距離と前記第２の距離との比が２：１となっているのが好ましい。このように前記第１の距離と前記第２の距離との比が２：１となるようにして分析が行われることで、分解能がより向上する。
【発明の効果】
【００４５】
以上より、本発明によれば、質量数の大きな元素から小さな元素まで分析でき、各元素の分析において十分な分析性能が得られる散乱イオン分析装置及び散乱イオン分析方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施形態に係る散乱イオン分析装置の概略構成図を示す。
【図２】同実施形態に係る散乱イオン分析装置であって、（ａ）は、ビーム軸に沿って上方から見たアパーチャの概略構成図を示し、（ｂ）は、図２（ａ）における開口部の拡大図を示す。
【図３】他実施形態に係る散乱イオン分析装置において、ビーム軸に沿って上方から見たアパーチャの概略構成図を示す。
【図４】従来の散乱イオン検出器の構成図である。
【図５】散乱イオン分析装置の分析性能を示す図であって、（ａ）は、元素質量数と検出半径との関係を示す図であり、（ｂ）は、元素質量数と質量分解能との関係を示す図である。
【図６】散乱イオン分析装置の分析性能を示す図であって、アパーチャの開口の大きさと深さ分解能との関係を示す図である。
【図７】散乱イオン分析装置の分析性能を示す図であって、アパーチャの開口の大きさと質量分解能との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明の一実施形態について、図１乃至図２（ｂ）を参照しつつ説明する。
【００４８】
本実施形態に係る散乱イオン分析装置は、イオン照射装置１０に接続される真空容器１２と制御手段５０とを備える。イオン照射装置１０は、イオン源（図示省略）から供給される軽イオン（例えば水素イオンやヘリウムイオン）を高電圧により加速する加速器（図示省略）を備え、その加速したイオンを真空容器１２内にイオンビームＢｍとして照射する。本実施形態においては、イオン照射装置１０は、下方に接続される真空容器１２内にイオンビームＢｍを下向きに照射する。
【００４９】
真空容器１２は、箱型容器で、真空ポンプ（図示省略）によって真空引きされることで、その内部に真空が形成される。この真空容器１２の天壁にはイオン入射口１３が設けられ、このイオン入射口１３がイオン照射管（図示省略）を介してイオン照射装置１０に接続されている。
【００５０】
真空容器１２内には、その底部側から順に、試料ステージ（試料台）１４、アパーチャ（アパーチャ部材）１６、及びイオン検出器２０が配置されている。これらはイオンビームＢｍのビーム軸（照射軸）に沿って上下方向に配列されている。
【００５１】
具体的には、真空容器１２内には、上下方向に延びる支柱４１，４２が設けられ、これらの支柱４１，４２に取付部材４４，４６をそれぞれ介して試料ステージ１４及びアパーチャ１６が取付けられる。また、イオン検出器２０は検出器ブラケット４７の下面に固定されている。そしてこの検出器ブラケット４７は、取付部材４８を介して支柱４１，４２に取付けられる。検出器ブラケット４７の中央部にはイオンビームＢｍの通過を許容するための開口（貫通孔）４７ａが設けられている。
【００５２】
各取付部材４４，４６，４８には、上下駆動機構が設けられており、試料ステージ１４、アパーチャ１６及びイオン検出器２０は、イオンビームＢｍ（ビーム軸）に沿って、それぞれ上下に移動可能である。
【００５３】
真空容器１２の外側には当該真空容器内にイオンビームＢｍと平行な磁場Ｂを形成する磁場形成手段として磁場形成用コイルＭが設けられている。
【００５４】
試料ステージ１４は、水平な試料載置面を有し、この試料載置面の上に試料（例えば半導体デバイスや成膜された基板）Ｓがセットされる。この試料Ｓのセット位置は、当該試料Ｓの測定部位にイオンビームＢｍが上から照射される位置である。
【００５５】
アパーチャ１６は、本実施形態においては平板状に形成され、その厚み方向がイオンビームＢｍ（磁場Ｂ方向）と平行となる向きで配置される。このアパーチャ１６の中央には当該アパーチャ１６を厚み方向に貫通する開口１６ａが設けられ、この開口１６ａをイオンビームＢｍが上から下に通過する。さらに、この開口１６ａは、試料ステージ１４上の試料Ｓから散乱（後方散乱）する散乱イオンのうち特定の散乱角θｓで且つ特定のエネルギーを持つ散乱イオンのみを下から上に通過させる。
【００５６】
アパーチャ１６には、絞り機構１８ａと、この絞り機構１８ａを駆動するための駆動手段１８ｂとが設けられている。この絞り機構１８ａは、駆動手段１８ｂによって駆動されることで開口１６ａを絞ること、即ち、開口１６ａの大きさφａを変更する（図２（ｂ）参照）。
【００５７】
具体的には、絞り機構１８ａは、カメラのシャッターや光量絞りに用いられる機構と同様の構成であり、複数枚の絞り羽根１１８ａ，１１８ａ，…と、これら絞り羽根を駆動するための絞り環１１８ｂとを有する。各絞り羽根１１８ａは、アパーチャ１６の開口１６ａの周方向に沿って配置され、開口１６ａ周縁部に回動ピン（図示省略）によって回動可能に取り付けられる。これら各絞り羽根１１８ａの外縁の一部によって開口が形成され、前記回動ピン周りに回動することで開口１６ａが絞られ、若しくは解放されて開口の大きさφａが変化する。各絞り羽根１１８ａは、開口１６ａと同心となるように配置された絞り環（図示省略）にも接続されており、この絞り環が駆動手段１８ｂによって、開口１６ａの中心軸周りに回動させられる（図２（ｂ）の矢印α）ことで、当該絞り環に接続された各絞り羽根１１８ａが前記回動ピン周りに回動し、開口の大きさφａを変化させる。
【００５８】
イオン検出器２０は、当該アパーチャ１６の開口１６ａを通過してきた散乱イオンの到達位置、詳しくは、イオンビームＢｍに対して直交する平面上での二次元位置、より詳しくは、前記平面上におけるビーム軸からの距離（検出半径）を検出し、その検出信号を増幅器（図示省略）に向けて出力する。このイオン検出器２０の中央にも、前記イオンビームＢｍを通過させるための貫通孔２０ａが設けられている。尚、本発明においてイオン検出器２０の具体的な構成は限定されない。このイオン検出器２０は、イオンビームＢｍの通過領域を確保するように設けられるものであって、かつ、散乱イオンの到達位置を検知できるものであればよい。
【００５９】
磁場形成用コイルＭは、真空容器１２内にイオンビームＢｍと平行な上向きの磁場Ｂを形成するためのもので、イオンビームＢｍを中心（螺旋軸）とする螺旋状に巻かれている。この磁場形成用コイルＭは、常電導コイルでもよく、超電導コイルであってもよい。尚、本実施形態において、磁場形成用コイルＭは、形成する磁場Ｂの強度を変更可能に構成されている。また、本発明に係る磁場形成手段は、イオンビームＢｍの照射方向に相対面する永久磁石対が併用されたものでもよい。
【００６０】
制御手段５０は、試料ステージ１４からアパーチャ１６までの距離（第１ギャップ）Ｌ１と、アパーチャ１６からイオン検出器２０までの距離（第２ギャップ）Ｌ２と、アパーチャ１６の開口１６ａの大きさφａとを制御するためのものである。この制御手段５０は、試料ステージ１４、アパーチャ１６及びイオン検出器２０を上下に移動させるために取付部材４４，４６，４８に接続され、また、アパーチャ１６の絞り機構１８ａを駆動して開口１６ａの大きさφａを変更できるように駆動手段１８ｂにも接続されている。制御手段５０は、入力部５２と記憶部５４と指令部５６とを有する。
【００６１】
入力部５２は、情報を入力するためのもので、本実施形態では、試料Ｓを分析する際に分析の対象とする元素（以下、単に「分析対象元素」とも称する。）の種類に相当する情報、例えば、元素記号、元素番号、元素名等を指令部５６に入力するものである。
【００６２】
記憶部５４は、所定の情報を出し入れ自由に格納することができるものである。本実施形態においては、記憶部５４は、散乱イオン分析装置で分析可能な各元素に対応する第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａ（以下、単に「ギャップ・開口情報」とも称する。）が格納されている。
【００６３】
このギャップ・開口情報は、例えば、各種実験やシミュレーション等によって予め取得されたもので、当該散乱イオン分析装置によってある元素の分析が行われたときに十分な分析性能が得られるような第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａの各値（以下、単に「ギャップ・開口値」とも称する。）を前記元素に関連付けた情報である。具体的には、ギャップ・開口情報は、分析対象元素の質量数が小さくなるほど第１ギャップＬ１が小さくなると共に開口１６ａの大きさφａが大きくなり、分析対象元素の質量数が大きくなるほど第１ギャップＬ１が大きくなると共に開口１６ａの大きさφａが小さくなるように設定されている。
【００６４】
尚、記憶部５４に格納されているギャップ・開口情報は、散乱イオン分析装置の分解能がより向上するため、第１ギャップＬ１と第２ギャップＬ２との比が２：１となるように設定されているのが好ましい。また、ギャップ・開口情報は、各元素に対してギャップ・開口値が対応するように設定されていてもよく、質量数の近い元素同士でグループ分けした各グループに対してギャップ・開口値が対応するように設定されてもよい。
【００６５】
指令部５６は、入力部５２から入力された前記情報に基づいて、記憶部５４に格納されているギャップ・開口情報の中から入力された元素に対応するギャップ・開口値を選択して決定し、この決定に基づいて、試料ステージ１４、アパーチャ１６及び検出器ブラケット４７の各取付部材４４，４６，４８に指令信号を出力する。この指令信号は、当該指令信号を受信した各取付部材４４，４６，４８がイオンビームＢｍのビーム軸に沿って上下に移動して、試料ステージ１４とアパーチャ１６との相対距離（第１ギャップＬ１）及びアパーチャ１６とイオン検出器２０との相対距離（第２ギャップ）の大きさを調節するための信号である。また、前記指令信号は、当該指令信号を受信したアパーチャ１６の駆動手段１８ｂが絞り機構１８ａを駆動して開口１６ａの大きさφａを調節するためにも用いられる。
【００６６】
本実施形態に係る散乱イオン分析装置は、以上の構成からなり、次に、この散乱イオン分析装置の作用を説明する。
【００６７】
試料ステージ１４に試料Ｓがセットされ、図略の真空ポンプによって真空容器１２内が真空引きされる。一方、入力部５２からは、分析対象元素の種類に相当する情報が指令部５６に対して入力される。前記情報が入力された指令部５６は、記憶部５４に格納しているギャップ・開口情報の中から分析対象元素に対応するギャップ・開口値を選び出して決定する。
【００６８】
この決定したギャップ・開口値に基づいて、指令部５６は、第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａを調節する。具体的には、指令部５６は、まず、試料ステージ１４の高さ位置を調節するために取付部材４４に指令信号を出力する。この出力信号を受けて取付部材４４が試料ステージ１４の高さ位置を調節する。この高さ位置は、真空容器１２内に形成された一様な磁場Ｂ内であり、試料Ｓに照射されるイオンビームＢｍの出力等に基づいて調節される。
【００６９】
試料ステージ１４の高さ位置が調節されると、指令部５６は、試料ステージ１４からアパーチャ１６までの間隔が決定された第１ギャップＬ１となるように、アパーチャ１６の高さ位置を調節するために取付部材４６に指令信号を出力する。この信号を受けて取付部材４６がアパーチャ１６の高さ位置を調節する。
【００７０】
アパーチャ１６の高さ位置が調節されると、指令部５６は、アパーチャ１６からイオン検出器２０までの間隔が決定された第２ギャップＬ２となるように、イオン検出器２０の高さ位置を調節するために取付部材４８に指令信号を出力する。この信号を受けて取付部材４８が検出器ブラケット４７、即ち、この検出器ブラケット４７に固定されたイオン検出器２０の高さ位置を調節する。
【００７１】
このようにして第１ギャップ及び第２ギャップが調節された後、指令部５６がアパーチャ１６の駆動手段１８ｂに出力信号を出力し、この信号を受けて駆動手段１８ｂが絞り機構１８ａを駆動して開口１６ａの大きさφａが調節される。
【００７２】
尚、本実施形態においては、試料ステージ１４の高さ位置、アパーチャ１６の高さ位置、イオン検出器２０の高さ位置、開口１６ａの大きさφａが順に調節されるが、これに限定されない。即ち、調節した後の各ギャップＬ１，Ｌ２及び開口１６ａの大きさφａが指令部５６によって決定されたギャップ・開口値となるように試料ステージ１４、アパーチャ１６及びイオン検出器２０の高さ位置及び開口１６ａの大きさφａが調節されれば、本実施形態と異なる順で調節されてもよく、全てが同時に調節されてもよい。
【００７３】
このように分析対象元素の分析に適した第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａが調節された後、イオン照射装置１０がイオンビームＢｍを下向きに照射する。このイオンビームＢｍは、真空容器１２内の検出器ブラケット４７の開口４７ａ及びアパーチャ１６の開口１６ａを順に通って試料ステージ１４上の試料Ｓの測定部位に当る。一方、真空容器１２の外部に設けられた磁場形成用コイルＭがその通電により真空容器１２内に磁場Ｂを形成するが、磁場Ｂの方向がイオンビームＢｍの照射方向と平行な方向（図１においては上向き）であるため、当該イオンビームＢｍは、磁場Ｂの影響を受けることなく試料Ｓの測定部位に向かって直進する。尚、本実施形態において、磁場Ｂは２Ｔ程度の強磁場である。
【００７４】
この試料Ｓの測定部位へのイオンビームＢｍの照射によって、当該部位でイオンビームＢｍを構成するイオンが散乱（後方散乱）する。その散乱したイオン、即ち、散乱イオンは、当該散乱イオンの散乱角θｓ、当該散乱イオンのもつ電荷とエネルギーから磁場Ｂに起因するローレンツ力を受け、イオンビームＢｍを取り巻く螺旋軌道を描きながら上方に移動（サイクロトロン運動）する。この螺旋軌道を決定する散乱角θｓや波長は、散乱イオンのもつエネルギーによって変わる。従って、特定のエネルギーと散乱角をもつ散乱イオンのみがアパーチャ１６の位置でビーム軸の周囲に収束し、当該アパーチャ１６の開口１６ａを通過してイオン検出器２０に到達する。このようにして、分析対象元素を分析するために必要な、即ち、イオン検出器２０での検出対象となる散乱イオンがアパーチャ１６によって選別される。
【００７５】
このようにして、分析対象元素の分析に必要な散乱イオンは、アパーチャ１６の開口１６ａを通過してイオン検出器２０に到達する。イオン検出器２０においては、この到達した散乱イオンのイオンビームＢｍに対して直交する平面上での二次元位置（検出半径）を検出し、その検出信号を増幅器（図示省略）に向けて出力する。
【００７６】
そして、試料Ｓからアパーチャ１６までの距離やアパーチャ１６からイオン検出器２０までの距離、イオンビームＢｍのエネルギー、印加磁場Ｂの強度、イオン検出器２０における散乱イオンの検出半径等から散乱イオンのエネルギーが求められる。このようにして求めたデータに基づいて高速高分解能の分析が行われる。
【００７７】
以上のように、当該散乱イオン分析装置では、指令部５６（制御手段５０）によって、試料Ｓを構成する元素のうち分析対象元素を分析するのに適したギャップ・開口値が決定され、この決定に基づいて実際の第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａがそれぞれ調節されることで、分析対象元素の種類に関わらず十分な分析性能が得られる。
【００７８】
即ち、共通の真空容器１２内で分析が行われる場合、分析対象元素の種類（元素の質量数）によって分析に適した第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａが異なるため、当該散乱イオン分析装置のように、分析対象元素の種類に応じて第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａが調節可能とされることで、重元素から軽元素まで分析ができ、各元素の分析において十分な分析性能が得られる。
【００７９】
具体的には、記憶部５４に格納されているギャップ・開口情報は、前記のように元素の質量数が小さくなるほど第１ギャップＬ１が小さくなると共に開口１６ａの大きさφａが大きくなり、元素の質量数が大きくなるほど第１ギャップＬ１が大きくなると共に開口１６ａの大きさφａが小さくなるように設定されている。そのため、軽元素の分析の際には、質量分解能の低下が抑制されると共に分析時間の短縮又は分析精度の向上が図られ、重元素の分析の際には、深さ分解能の低下が抑制されると共に質量分析性能が向上する。
【００８０】
即ち、軽元素の分析が行われる場合には、第１ギャップＬ１が大きいと質量分解能が低下するため（図５（ｂ）参照）、第１ギャップＬ１を小さくすることにより質量分解能の低下が抑制される。また、軽元素の分析では、重元素と違って散乱断面積が小さいため、開口１６ａを大きくして当該開口１６ａを通過してイオン検出器２０に到達する散乱イオンの数を増加させることにより、分析に必要な数の散乱イオンが短時間で検出されて分析時間の短縮化が図られ、又はより多くの散乱イオンが検出されることで分析精度の高精度化が図られる。
【００８１】
一方、重元素の分析が行われる場合には、第１ギャップＬ１が小さいとイオン検出器２０の検出位置において検出半径が大きくなり過ぎ、当該イオン検出器２０で散乱イオンの検出ができない場合があるため、第１ギャップＬ１を大きくして検出半径を小さくすることにより散乱イオンがより確実にイオン検出器２０によって検出される。
【００８２】
また、通常、散乱イオン分析装置においては、開口１６ａの大きさφａが一定のままで第１ギャップＬ１が大きくなると、それに伴って深さ分解能が低下するが、当該散乱イオン分析装置においては、第１ギャップＬ１が大きくなると開口１６ａが小さくなるため、深さ分解能の低下が抑制される（図６参照）。これは、深さ分解能がエネルギー分解能に比例するためである。即ち、前記開口が大きいと異なるエネルギーの散乱イオンが同じ検出器に入射する確率が高くなるためエネルギー分解能が悪化（低下）し、これにより深さ分解能が低下する。
【００８３】
さらに、重元素の分析においては、質量数が大きいほど質量分解能が低下するため質量数の近い元素分析が困難となるが、当該散乱イオン分析装置では重元素の分析の際に開口１６ａが小さくされるため、図７から分るように、質量分解能が向上し、質量数の近い元素分析の精度が向上する。ここで、図７は、入射イオンを４００ｋｅＶのＨｅ＋イオンがシリコン（Ｓｉ）と金（Ａｕ）に入射し、磁場Ｂが２Ｔ、δρα＝０．１ｍｍのときの、質量分解能δＭ２とφａとの関係を示す図である。ここで、δραは、同一標的原子（Ｓｉ又はＡｕ）から散乱されたイオン（Ｈｅ＋）の検出位置の広がりを示すものであり、以下の式（１）で表される。
【００８４】
【数１】
ここで、Ｍ１は入射イオンの質量、Ｍ２は標的原子の質量であり、Ｅｉｎは入射イオンの持つエネルギーであり、Ｅｃは本実施形態に係る散乱イオン分析装置（いわゆるサイクロトロンＲＢＳ）における特性エネルギーを示し、具体的には以下の式（２）により定義され、Ｌは標的原子からアパーチャまでの距離であり、ρ０ｄはρ＝２Ｒ０の関係を満たしこのＲ０は反射されたイオンのサイクロトロン半径であり、φａはアパーチャの開口径である。
【００８５】
【数２】
この式（２）において、ωｃはイオンのサイクロトロン運動の角周波数である。
【００８６】
尚、重元素の分析においては、軽元素と違って散乱断面積が大きいため、開口１６ａが小さくても十分な数の散乱イオンが当該開口１６ａを通過してイオン検出器２０に到達するため、検出される散乱イオンの数の減少による分析時間の遅延や分析精度の低下は問題とならないレベルとなる。
【００８７】
以上のように、当該散乱イオン分析装置においては、制御手段５０によって第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａがそれぞれ調節されることにより、重元素から軽元素までの何れの元素の分析においても十分な分析性能が得られる。
【００８８】
尚、本発明に係る散乱イオン分析装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００８９】
例えば、アパーチャ１６の開口１６ａの大きさφａを変更する手段として、図３に示されるような、大きさの異なる複数の開口１６ｂ，１６ｃ，…の設けられた開口部材１９ａと、これを開口の配列方向に移動させる移動手段１９ｃとを有し、開口１６ｂ，１６ｃ，…のうち、分析対象元素に対応した径をもつ開口を択一的にイオンビームＢｍの通過する部位に位置させるものでもよい。
【００９０】
具体的には、アパーチャ１６は、アパーチャ本体１９ａと、開口部材１９ｂと、移動手段１９ｃと備える。アパーチャ本体１９ａは、イオンビームＢｍに対して直交する板状部材であり、中央にイオンビームＢｍの通過する開口ｈが設けられている。この開口ｈの大きさ（開口径）は、開口部材１９ｂに設けられた複数の開口１６ｂ，１６ｃ，…のいずれの開口よりも大きい。
【００９１】
開口部材１９ｂは、イオンビームＢｍのビーム照射方向に貫通し、大きさの異なる複数の開口１６ｂ〜１６ｅが一列に設けられ、アパーチャ本体１９ａの上面に前記開口の配列方向に沿って移動可能に配設されている。そして、開口部材１９ｂは、当該開口部材１９ｂに接続された移動手段１９ｃによってアパーチャ本体１９ａ上を前記配列方向（図３の矢印β参照）に沿って移動させられる。詳細には、移動手段１９ｃは、開口部材１９ｂの複数の開口１６ｂ〜１６ｅのうちの分析対象元素に対応する開口と、アパーチャ本体１９ａに設けられている開口ｈとが上下に並び、この上下に並んだ開口の中央をイオンビームＢｍが通過するような位置に開口部材１９ｂを移動させる。
【００９２】
以上のように構成されることで、簡易な構成によってアパーチャ１６の開口の大きさの変更が可能となる。
【符号の説明】
【００９３】
１２ 真空容器
１４ 試料ステージ（試料台）
１６ アパーチャ
１６ａ 開口
２０ イオン検出器
５０ 制御手段
５２ 入力部
５４ 記憶部
５６ 指令部
Ｂ 磁場
Ｂｍ イオンビーム
Ｌ１ 第１ギャップ（第１の距離）
Ｌ２ 第２ギャップ（第２の距離）
Ｓ 試料
φａ 開口の大きさ
θｓ 散乱角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギー又は中エネルギーのイオンビームを利用したラザフォード後方散乱分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ラザフォード後方散乱（Rutherford Backscattering Spectroscopy：ＲＢＳ）分析装置のうち、試料に照射されるイオンビームに平行な磁場を用いて前記試料から散乱する散乱イオンのエネルギー分析を行う平行磁場型のＲＢＳ分析装置として、特許文献１に記載の装置が知られている。
【０００３】
この装置は、図４に示されるように、イオンを加速してイオンビームｂｍを発生させる加速器部１００と、このイオンビームｂｍが試料ｓに照射されることで当該試料ｓから散乱した散乱イオンを検出し、この散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するスペクトロメータ部２００とで構成されている。
【０００４】
加速器部１００は、イオンを発生させ、このイオンからイオンビームｂｍを生成するイオン源１０２と、このイオン源１０２で生成したイオンビームｂｍを一方向に加速する加速管１０４とを備えている。
【０００５】
スペクトロメータ部２００は、内部に前記イオンビームｂｍが照射されると共に、このイオンビームｂｍが照射される位置に試料ｓがセットされる試料台２０１を有する真空容器２０２と、この真空容器２０２内にイオンビームｂｍの照射方向（ビーム軸）と平行な磁場（強磁場）ｂを形成するための磁場形成手段２０４とを備えている。
【０００６】
真空容器２０２内には、イオン検出器２０６とアパーチャ２０８とが配置されている。イオン検出器２０６は、真空容器２０２内において照射される前記イオンビームｂｍの上流側に配置され、イオンビームｂｍが照射されることで試料ｓから散乱（後方散乱）する散乱イオンを検出するものである。
【０００７】
アパーチャ２０８は、中央部に開口２０８ａを有する板状部材であり、イオン検出器２０６と試料ｓとの間を仕切るように配置されている。この開口２０８ａは、加速器部１００から真空容器２０２内に照射されるイオンビームｂｍの通過を許容すると共に、試料ｓから散乱した散乱イオンのうち特定の範囲の散乱角を有し且つ磁場形成手段２０４が形成する磁場ｂにより前記イオンビームｂｍのビーム軸に特定の領域で収束する散乱イオンの通過を許容するものである。
【０００８】
このように構成されるＲＢＳ分析装置においては、加速器部１００から試料ｓに向けてイオンビームｂｍが照射される。一方、磁場形成手段２０４によって、真空容器２０２内にイオンビームｂｍのビーム軸と平行な磁場（強磁場）ｂが形成される。
【０００９】
イオンビームｂｍが試料ｓの測定部位に到達すると、当該部位でイオンビームｂｍを構成するイオンが散乱（後方散乱）する。この試料ｓで後方散乱したイオン（散乱イオン）は、磁場ｂによってローレンツ力を受け、前記ビーム軸を取り巻く螺旋軌道に沿って加速器部１００側に移動する。この螺旋軌道は、散乱イオンの散乱角や当該散乱イオンの有するエネルギーによって変わる。従って、特定の散乱角で特定のエネルギーを有する散乱イオンのみがアパーチャ２０８の開口２０８ａの位置で前記特定の領域内に収束して当該開口２０８ａを通過し、イオン検出器２０６に到達する。
【００１０】
このように散乱イオンがイオン検出器２０６に到達すると、当該イオン検出器２０６によって散乱イオンの到達位置が検出される。そして、試料ｓからアパーチャ２０８までの距離やアパーチャ２０８からイオン検出器２０６までの距離、イオンビームｂｍのエネルギー、印加磁場強度、イオン検出器２０６への散乱イオンの前記到達位置等から散乱イオンのエネルギーを求めることができる。このようにして求めたデータに基づき高速高分解能のＲＢＳ分析が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−１９０９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図５（ａ）は、前記の散乱イオン分析装置（ＲＢＳ分析装置）における試料ｓを構成する元素の質量数と検出半径（ビーム軸を中心とした真空容器２０２の半径方向の位置ρｄｏ（図４参照））との関係を示す図である。この図からわかるように、前記の散乱イオン分析装置において質量数の大きな元素（重元素）を分析する場合、イオン検出器２０６における散乱イオンの検出半径ρｄｏが大きくなる。
【００１３】
しかし、散乱イオン分析装置において、直径の大きな真空容器内に強磁場を一様に形成することやイオン検出器を前記直径方向に大きくすることは技術的に困難であるため、例えば、前記の散乱イオン分析装置においては、分析可能な検出半径ρｄｏは、１５０ｍｍが限界となる。
【００１４】
従って、前記の散乱イオン分析装置において重元素の分析を行うためには試料台２０１からアパーチャ２０８までの距離Ｌを変更しなければならない。即ち、前記の散乱イオン分析装置においては、距離Ｌを大きくすることによって検出半径ρｄｏを小さくすることができるため、検出半径ρｄｏが１５０ｍｍよりも小さくなるように距離Ｌを変更しなければならない。
【００１５】
しかし、前記の散乱イオン分析装置においては、図５（ｂ）にも示されるように、距離Ｌが大きくなると質量数の小さな元素（軽元素）を分析する際の質量分解能が低下するといった問題が生じる。
【００１６】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、質量数の大きな元素から小さな元素まで分析でき、各元素の分析において十分な分析性能が得られる散乱イオン分析装置及び散乱イオン分析方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係る散乱イオン分析装置は、加速されたイオンビームが試料に照射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析装置であって、内部に前記イオンビームが照射されると共に前記イオンビームの入射方向と平行な磁場が形成される真空容器と、前記磁場が形成された真空容器内で前記イオンビームが当る位置に前記試料を保持し、前記イオンビームのビーム軸に沿って移動可能な試料台と、前記磁場が形成された真空容器内で前記試料から散乱する散乱イオンを検出し、前記ビーム軸に沿って移動可能なイオン検出器と、前記イオン検出器と前記試料台との間の位置に設けられ、前記イオン検出器側から前記試料台側に入射される前記イオンビームの通過を許容すると共に前記試料台側から前記イオン検出器側に向かって散乱する前記散乱イオンのうち特定の範囲の散乱角を有し且つ前記磁場により前記ビーム軸に特定の領域で収束する散乱イオンの通過を許容する開口が設けられ、この開口の大きさが変更可能で且つ前記ビーム軸に沿って移動可能なアパーチャと、前記ビーム軸方向における前記試料台から前記アパーチャまでの第１の距離と前記アパーチャから前記イオン検出器までの第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを制御するための制御手段とを備え、前記制御手段は、分析の対象とする元素の種類に相当する情報を入力するための入力部と、当該散乱イオン分析装置によって分析可能な各元素に対応する前記第１の距離と前記第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとが予め格納された記憶部と、前記入力部から入力された前記元素の種類に相当する情報に基づいて前記記憶部に格納されている前記各元素に対応する情報から前記試料を分析するときの前記第１の距離と前記第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを決定し、この決定に基づいて前記試料台と前記アパーチャと前記イオン検出器とのうちの少なくとも２つを前記ビーム軸に沿って駆動すると共に前記開口の大きさを変更するために前記アパーチャを駆動するための指令信号を出力する指令部とを有することを特徴とする。
【００１８】
かかる構成によれば、前記制御手段によって、前記試料を構成する元素のうち分析の対象とする元素を分析するのに適した前記第１の距離、前記第２の距離及び前記アパーチャの開口（以下、単に「前記開口」とも称する。）の大きさが決定され、この決定に基づいて当該散乱イオン分析装置の前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさがそれぞれ調節されることで、前記分析の対象とする元素の種類に関わらず十分な分析性能が得られる。
【００１９】
即ち、共通の前記真空容器内でＲＢＳ分析（以下、単に「分析」とも称する。）が行われる場合、対象とする元素の種類（詳細には元素の質量数）によって分析に適した前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさが異なるため、当該散乱イオン分析装置のように、分析の対象とする元素の種類に応じて前記第１の距離、前記第２の距離及び前記アパーチャの開口の大きさが調節可能とされることで、重元素から軽元素まで分析ができ、各元素の分析において十分な分析性能が得られる。
【００２０】
以下、詳細に説明する。従来の散乱イオン分析装置での分析のように、前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさがそれぞれ対象とする元素の種類に応じて変更されずに分析が行われると、前記元素の種類によって分析ができない場合や分析性能が低下する場合等があった。
【００２１】
具体的には、例えば、シリコンのような比較的軽い元素（軽元素）を十分な分析性能で分析できるように前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさが設定された散乱イオン分析装置では、金のような比較的重い元素（重元素）の分析が行われるとイオン検出器において散乱イオンの検出ができなくなり、そのため元素の分析ができない場合があった。即ち、前記第１の距離が軽元素の分析に適した大きさ（長さ）の散乱イオン分析装置では、重元素の分析を行うと、前記ビーム軸方向における前記イオン検出器の位置において、到達する散乱イオンの検出半径が大きくなるため（図５（ａ）参照）、前記イオン検出器によって検出できない場合があった。
【００２２】
そのため、例えば、金のような重元素を十分な分析性能で分析するためには、前記第１の距離を大きくして検出半径を小さくし、前記イオン検出器で確実に散乱イオンを検出する必要があった。
【００２３】
一方、金のような重元素を十分な分析性能で分析できるように前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさが設定された散乱イオン分析装置では、シリコンのような軽元素の分析が行われると質量分解能（分析性能）が低下して高精度の分析が行えない。即ち、前記の軽元素（シリコン）を分析する散乱イオン分析装置の設定よりも前記第１の距離を大きくし、前記イオン検出器における散乱イオンの検出半径を小さくして重元素を分析できるように設定した散乱イオン分析装置では、前記第１の距離が大きいために軽元素の分析において質量分解能が低下してしまう（図５（ｂ）参照）。
【００２４】
そのため、シリコンのような軽元素を十分な分析性能（質量分解能）で分析するためには、第１の距離を小さくし、質量分解能を向上させる必要があった。
【００２５】
また、重元素から軽元素まで分析できるように、前記第１の距離のみ、又は前記第１の距離及び前記第２の距離が変更可能に構成された散乱イオン分析装置も考えられるが、通常、散乱イオン分析装置において前記開口の大きさが一定のままで前記第１の距離が大きくなるとそれに伴って深さ分解能が低下するため重元素の分析において深さ分解能が低下してしまう。
【００２６】
この深さ分解能は、図６からも分かるように、前記開口の大きさが小さければ、前記第１の距離が大きくなってもあまり低下しない。そのため、前記のように第１の距離を大きくした重元素の分析においては、前記開口を小さくして深さ分解能の低下を抑制する必要があった。
【００２７】
これに対し、当該散乱イオン分析装置においては、前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさが変更可能に構成されると共に前記制御手段が備えられ、この制御手段が分析の対象とする元素に応じて前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさをそれぞれ調節することによって、重元素から軽元素までの何れの元素の分析においても十分な分析性能を得ることが可能となった。
【００２８】
このような分析の対象とする元素に応じた前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさは、前記制御手段の記憶部に予め格納されている各元素に対応する情報に基づいて前記制御手段の指令部において決定される。
【００２９】
具体的には、前記記憶部に格納されている前記各元素に対応する情報は、元素の質量数が小さくなるほど前記第１の距離が小さくなると共に前記アパーチャの開口が大きくなり、元素の質量数が大きくなるほど前記第１の距離が大きくなると共に前記アパーチャの開口が小さくなるように設定されている。
【００３０】
このように設定されることで、軽元素の分析の際には、質量分解能の低下が抑制されると共に分析時間の短縮又は分析精度の向上が図られ、重元素の分析の際には、深さ分解能の低下が抑制されると共に質量分析性能が向上する。
【００３１】
詳細には、軽元素の分析が行われる場合、重元素の分析の際のように前記第１の距離が大きいと質量分解能が低下するが（図５（ｂ）参照）、前記第１の距離が小さくされることで質量分解能の低下が抑制される。また、軽元素の分析では、重元素と違って散乱断面積が小さいため、前記開口が大きくされることで、当該開口を通過して前記イオン検出器に到達する散乱イオンの数が増加することにより、分析に必要な数の散乱イオンが短時間で検出されることで分析時間の短縮化が図られ、又はより多くの散乱イオンが検出されることで分析精度の高精度化が図られる。
【００３２】
一方、重元素の分析が行われる場合、軽元素の分析の際のように前記第１の距離が小さいと検出半径が大きくなって前記イオン検出器での検出ができない場合があるが、前記第１の距離が大きくされることで検出半径が小さくなり、散乱イオンがより確実にイオン検出器によって検出される。また、通常、散乱イオン分析装置においては、前記開口の大きさが一定のままで前記第１の距離が大きくされるとそれに伴って深さ分解能が低下するが、当該散乱イオン分析装置においては、前記第１の距離が大きくなると前記開口が小さくなるため、深さ分解能の低下が抑制される（図６参照）。
【００３３】
また、重元素の分析においては、質量数が大きいほど質量分解能が低下するため質量数の近い元素分析が困難となるが、当該散乱イオン分析装置では、重元素の分析において、前記第１の距離を大きくしたときに前記開口を小さくして質量分解能を向上させることで質量数の近い元素分析の精度が向上する（図７参照）。
【００３４】
尚、重元素の分析においては、軽元素と違って散乱断面積が大きいため、前記開口が小さくても十分な数の散乱イオンが当該開口を通過して前記イオン検出器に到達するため、検出される散乱イオンの数の減少による分析時間の遅延や分析精度の低下は問題とならないレベルとなる。
【００３５】
以上のように、当該散乱イオン分析装置においては、前記記憶部に格納されている前記各元素に応じた情報から前記指令部が前記分析の対象とする元素に適した前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさを選択（決定）し、この選択に基づいて前記試料台、前記アパーチャ及び前記イオン検出器のうち少なくとも２つを移動させると共に前記開口の大きさを変更するための指令信号を出力する。この指令信号に基づいて前記第１の距離、第２の距離及び前記開口がそれぞれ調節され、その結果、当該散乱イオン分析装置においては、重元素から軽元素までの何れの元素の分析においても十分な分析性能が得られる。
【００３６】
本発明に係る散乱イオン分析装置においては、前記記憶部に格納されている前記各元素に対応する情報は、前記第１の距離と前記第２の距離との比が２：１となるように設定されているのが好ましい。このように前記第１の距離と前記第２の距離との比が２：１となることによって、分解能がより向上する。
【００３７】
また、前記アパーチャは、前記開口を絞る絞り機構と、前記制御手段の指令部から入力される指令信号により前記絞り機構を駆動する駆動手段とを備える構成であってもよい。
【００３８】
かかる構成によれば、前記アパーチャの開口の大きさを任意の大きさに変更することが可能となる。
【００３９】
また、前記アパーチャは、前記ビーム軸と直交する共通の面上に大きさの異なる複数の開口が一列に並ぶ開口部材と、前記制御手段の指令部から入力される指令信号により前記開口部材を前記開口の列に沿って移動させる移動手段とを備える構成であってもよい。
【００４０】
かかる構成によれば、簡易な構成によって前記開口の大きさの変更が可能となる。
【００４１】
また、上記課題を解消すべく、本発明に係る散乱イオン分析方法は、加速されたイオンビームが試料に照射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析方法であって、内部に前記イオンビームが照射されると共に前記イオンビームの入射方向と平行な磁場が形成される真空容器と、前記磁場が形成された真空容器内で前記イオンビームが当る位置に前記試料を保持する試料台と、前記磁場が形成された真空容器内で前記試料から散乱する散乱イオンを検出するイオン検出器と、前記イオン検出器と前記試料台との間の位置に設けられ、前記イオン検出器側から前記試料台側に入射される前記イオンビームの通過を許容すると共に前記試料台側から前記イオン検出器側に向かって散乱する前記散乱イオンのうち特定の範囲の散乱角を有し且つ前記磁場により前記イオンビームのビーム軸に特定の領域で収束する散乱イオンの通過を許容する開口が設けられたアパーチャとを備える散乱イオン分析装置を用い、当該散乱イオン分析方法によって分析可能な各元素に対応する前記ビーム軸方向における前記試料台から前記アパーチャまでの第１の距離と前記アパーチャから前記イオン検出器までの第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを予め取得しておき、この取得しておいた情報から分析の対象とする元素の種類に基づいて前記試料を分析するときの前記第１の距離と前記第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを決定する分析条件決定工程と、前記決定に基づいて前記試料台と前記アパーチャと前記イオン検出器とのうちの少なくとも２つを前記ビーム軸に沿って移動させると共に前記アパーチャの開口の大きさを変更する駆動工程とを備えることを特徴とする。
【００４２】
かかる構成によれば、前記分析条件決定工程で、前記予め取得しておいた情報から前記対象とする元素を分析するのに適した前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさが決定され、前記駆動工程で、前記決定に基づいて前記第１の距離、前記第２の距離及び前記開口の大きさがそれぞれ調節されることで、前記分析の対象とする元素の種類に関わらず十分な分析性能で分析することができる。即ち、当該散乱イオン分析方法によれば、重元素から軽元素までの分析ができ、各元素の分析において十分な分析性能で分析することができる。
【００４３】
具体的には、前記分析条件決定工程の予め取得しておいた前記各元素に対応する情報では、元素の質量数が小さくなるほど前記第１の距離が小さくなると共に前記アパーチャの開口が大きくなっており、元素の質量数が大きくなるほど前記第１の距離が大きくなると共に前記アパーチャの開口が小さくなっている。そのため、軽元素の分析の際には、質量分解能の低下が抑制されると共に分析時間の短縮又は分析精度の向上が図られ、重元素の分析の際には、深さ分解能の低下が抑制されると共に質量分析性能が向上する。
【００４４】
本発明に係る散乱イオン分析方法においては、前記分析条件決定工程の予め取得しておいた前記各元素に対応する情報では、前記第１の距離と前記第２の距離との比が２：１となっているのが好ましい。このように前記第１の距離と前記第２の距離との比が２：１となるようにして分析が行われることで、分解能がより向上する。
【発明の効果】
【００４５】
以上より、本発明によれば、質量数の大きな元素から小さな元素まで分析でき、各元素の分析において十分な分析性能が得られる散乱イオン分析装置及び散乱イオン分析方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施形態に係る散乱イオン分析装置の概略構成図を示す。
【図２】同実施形態に係る散乱イオン分析装置であって、（ａ）は、ビーム軸に沿って上方から見たアパーチャの概略構成図を示し、（ｂ）は、図２（ａ）における開口部の拡大図を示す。
【図３】他実施形態に係る散乱イオン分析装置において、ビーム軸に沿って上方から見たアパーチャの概略構成図を示す。
【図４】従来の散乱イオン検出器の構成図である。
【図５】散乱イオン分析装置の分析性能を示す図であって、（ａ）は、元素質量数と検出半径との関係を示す図であり、（ｂ）は、元素質量数と質量分解能との関係を示す図である。
【図６】散乱イオン分析装置の分析性能を示す図であって、アパーチャの開口の大きさと深さ分解能との関係を示す図である。
【図７】散乱イオン分析装置の分析性能を示す図であって、アパーチャの開口の大きさと質量分解能との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明の一実施形態について、図１乃至図２（ｂ）を参照しつつ説明する。
【００４８】
本実施形態に係る散乱イオン分析装置は、イオン照射装置１０に接続される真空容器１２と制御手段５０とを備える。イオン照射装置１０は、イオン源（図示省略）から供給される軽イオン（例えば水素イオンやヘリウムイオン）を高電圧により加速する加速器（図示省略）を備え、その加速したイオンを真空容器１２内にイオンビームＢｍとして照射する。本実施形態においては、イオン照射装置１０は、下方に接続される真空容器１２内にイオンビームＢｍを下向きに照射する。
【００４９】
真空容器１２は、箱型容器で、真空ポンプ（図示省略）によって真空引きされることで、その内部に真空が形成される。この真空容器１２の天壁にはイオン入射口１３が設けられ、このイオン入射口１３がイオン照射管（図示省略）を介してイオン照射装置１０に接続されている。
【００５０】
真空容器１２内には、その底部側から順に、試料ステージ（試料台）１４、アパーチャ（アパーチャ部材）１６、及びイオン検出器２０が配置されている。これらはイオンビームＢｍのビーム軸（照射軸）に沿って上下方向に配列されている。
【００５１】
具体的には、真空容器１２内には、上下方向に延びる支柱４１，４２が設けられ、これらの支柱４１，４２に取付部材４４，４６をそれぞれ介して試料ステージ１４及びアパーチャ１６が取付けられる。また、イオン検出器２０は検出器ブラケット４７の下面に固定されている。そしてこの検出器ブラケット４７は、取付部材４８を介して支柱４１，４２に取付けられる。検出器ブラケット４７の中央部にはイオンビームＢｍの通過を許容するための開口（貫通孔）４７ａが設けられている。
【００５２】
各取付部材４４，４６，４８には、上下駆動機構が設けられており、試料ステージ１４、アパーチャ１６及びイオン検出器２０は、イオンビームＢｍ（ビーム軸）に沿って、それぞれ上下に移動可能である。
【００５３】
真空容器１２の外側には当該真空容器内にイオンビームＢｍと平行な磁場Ｂを形成する磁場形成手段として磁場形成用コイルＭが設けられている。
【００５４】
試料ステージ１４は、水平な試料載置面を有し、この試料載置面の上に試料（例えば半導体デバイスや成膜された基板）Ｓがセットされる。この試料Ｓのセット位置は、当該試料Ｓの測定部位にイオンビームＢｍが上から照射される位置である。
【００５５】
アパーチャ１６は、本実施形態においては平板状に形成され、その厚み方向がイオンビームＢｍ（磁場Ｂ方向）と平行となる向きで配置される。このアパーチャ１６の中央には当該アパーチャ１６を厚み方向に貫通する開口１６ａが設けられ、この開口１６ａをイオンビームＢｍが上から下に通過する。さらに、この開口１６ａは、試料ステージ１４上の試料Ｓから散乱（後方散乱）する散乱イオンのうち特定の散乱角θｓで且つ特定のエネルギーを持つ散乱イオンのみを下から上に通過させる。
【００５６】
アパーチャ１６には、絞り機構１８ａと、この絞り機構１８ａを駆動するための駆動手段１８ｂとが設けられている。この絞り機構１８ａは、駆動手段１８ｂによって駆動されることで開口１６ａを絞ること、即ち、開口１６ａの大きさφａを変更する（図２（ｂ）参照）。
【００５７】
具体的には、絞り機構１８ａは、カメラのシャッターや光量絞りに用いられる機構と同様の構成であり、複数枚の絞り羽根１１８ａ，１１８ａ，…と、これら絞り羽根を駆動するための絞り環１１８ｂとを有する。各絞り羽根１１８ａは、アパーチャ１６の開口１６ａの周方向に沿って配置され、開口１６ａ周縁部に回動ピン（図示省略）によって回動可能に取り付けられる。これら各絞り羽根１１８ａの外縁の一部によって開口が形成され、前記回動ピン周りに回動することで開口１６ａが絞られ、若しくは解放されて開口の大きさφａが変化する。各絞り羽根１１８ａは、開口１６ａと同心となるように配置された絞り環（図示省略）にも接続されており、この絞り環が駆動手段１８ｂによって、開口１６ａの中心軸周りに回動させられる（図２（ｂ）の矢印α）ことで、当該絞り環に接続された各絞り羽根１１８ａが前記回動ピン周りに回動し、開口の大きさφａを変化させる。
【００５８】
イオン検出器２０は、当該アパーチャ１６の開口１６ａを通過してきた散乱イオンの到達位置、詳しくは、イオンビームＢｍに対して直交する平面上での二次元位置、より詳しくは、前記平面上におけるビーム軸からの距離（検出半径）を検出し、その検出信号を増幅器（図示省略）に向けて出力する。このイオン検出器２０の中央にも、前記イオンビームＢｍを通過させるための貫通孔２０ａが設けられている。尚、本発明においてイオン検出器２０の具体的な構成は限定されない。このイオン検出器２０は、イオンビームＢｍの通過領域を確保するように設けられるものであって、かつ、散乱イオンの到達位置を検知できるものであればよい。
【００５９】
磁場形成用コイルＭは、真空容器１２内にイオンビームＢｍと平行な上向きの磁場Ｂを形成するためのもので、イオンビームＢｍを中心（螺旋軸）とする螺旋状に巻かれている。この磁場形成用コイルＭは、常電導コイルでもよく、超電導コイルであってもよい。尚、本実施形態において、磁場形成用コイルＭは、形成する磁場Ｂの強度を変更可能に構成されている。また、本発明に係る磁場形成手段は、イオンビームＢｍの照射方向に相対面する永久磁石対が併用されたものでもよい。
【００６０】
制御手段５０は、試料ステージ１４からアパーチャ１６までの距離（第１ギャップ）Ｌ１と、アパーチャ１６からイオン検出器２０までの距離（第２ギャップ）Ｌ２と、アパーチャ１６の開口１６ａの大きさφａとを制御するためのものである。この制御手段５０は、試料ステージ１４、アパーチャ１６及びイオン検出器２０を上下に移動させるために取付部材４４，４６，４８に接続され、また、アパーチャ１６の絞り機構１８ａを駆動して開口１６ａの大きさφａを変更できるように駆動手段１８ｂにも接続されている。制御手段５０は、入力部５２と記憶部５４と指令部５６とを有する。
【００６１】
入力部５２は、情報を入力するためのもので、本実施形態では、試料Ｓを分析する際に分析の対象とする元素（以下、単に「分析対象元素」とも称する。）の種類に相当する情報、例えば、元素記号、元素番号、元素名等を指令部５６に入力するものである。
【００６２】
記憶部５４は、所定の情報を出し入れ自由に格納することができるものである。本実施形態においては、記憶部５４は、散乱イオン分析装置で分析可能な各元素に対応する第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａ（以下、単に「ギャップ・開口情報」とも称する。）が格納されている。
【００６３】
このギャップ・開口情報は、例えば、各種実験やシミュレーション等によって予め取得されたもので、当該散乱イオン分析装置によってある元素の分析が行われたときに十分な分析性能が得られるような第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａの各値（以下、単に「ギャップ・開口値」とも称する。）を前記元素に関連付けた情報である。具体的には、ギャップ・開口情報は、分析対象元素の質量数が小さくなるほど第１ギャップＬ１が小さくなると共に開口１６ａの大きさφａが大きくなり、分析対象元素の質量数が大きくなるほど第１ギャップＬ１が大きくなると共に開口１６ａの大きさφａが小さくなるように設定されている。
【００６４】
尚、記憶部５４に格納されているギャップ・開口情報は、散乱イオン分析装置の分解能がより向上するため、第１ギャップＬ１と第２ギャップＬ２との比が２：１となるように設定されているのが好ましい。また、ギャップ・開口情報は、各元素に対してギャップ・開口値が対応するように設定されていてもよく、質量数の近い元素同士でグループ分けした各グループに対してギャップ・開口値が対応するように設定されてもよい。
【００６５】
指令部５６は、入力部５２から入力された前記情報に基づいて、記憶部５４に格納されているギャップ・開口情報の中から入力された元素に対応するギャップ・開口値を選択して決定し、この決定に基づいて、試料ステージ１４、アパーチャ１６及び検出器ブラケット４７の各取付部材４４，４６，４８に指令信号を出力する。この指令信号は、当該指令信号を受信した各取付部材４４，４６，４８がイオンビームＢｍのビーム軸に沿って上下に移動して、試料ステージ１４とアパーチャ１６との相対距離（第１ギャップＬ１）及びアパーチャ１６とイオン検出器２０との相対距離（第２ギャップ）の大きさを調節するための信号である。また、前記指令信号は、当該指令信号を受信したアパーチャ１６の駆動手段１８ｂが絞り機構１８ａを駆動して開口１６ａの大きさφａを調節するためにも用いられる。
【００６６】
本実施形態に係る散乱イオン分析装置は、以上の構成からなり、次に、この散乱イオン分析装置の作用を説明する。
【００６７】
試料ステージ１４に試料Ｓがセットされ、図略の真空ポンプによって真空容器１２内が真空引きされる。一方、入力部５２からは、分析対象元素の種類に相当する情報が指令部５６に対して入力される。前記情報が入力された指令部５６は、記憶部５４に格納しているギャップ・開口情報の中から分析対象元素に対応するギャップ・開口値を選び出して決定する。
【００６８】
この決定したギャップ・開口値に基づいて、指令部５６は、第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａを調節する。具体的には、指令部５６は、まず、試料ステージ１４の高さ位置を調節するために取付部材４４に指令信号を出力する。この出力信号を受けて取付部材４４が試料ステージ１４の高さ位置を調節する。この高さ位置は、真空容器１２内に形成された一様な磁場Ｂ内であり、試料Ｓに照射されるイオンビームＢｍの出力等に基づいて調節される。
【００６９】
試料ステージ１４の高さ位置が調節されると、指令部５６は、試料ステージ１４からアパーチャ１６までの間隔が決定された第１ギャップＬ１となるように、アパーチャ１６の高さ位置を調節するために取付部材４６に指令信号を出力する。この信号を受けて取付部材４６がアパーチャ１６の高さ位置を調節する。
【００７０】
アパーチャ１６の高さ位置が調節されると、指令部５６は、アパーチャ１６からイオン検出器２０までの間隔が決定された第２ギャップＬ２となるように、イオン検出器２０の高さ位置を調節するために取付部材４８に指令信号を出力する。この信号を受けて取付部材４８が検出器ブラケット４７、即ち、この検出器ブラケット４７に固定されたイオン検出器２０の高さ位置を調節する。
【００７１】
このようにして第１ギャップ及び第２ギャップが調節された後、指令部５６がアパーチャ１６の駆動手段１８ｂに出力信号を出力し、この信号を受けて駆動手段１８ｂが絞り機構１８ａを駆動して開口１６ａの大きさφａが調節される。
【００７２】
尚、本実施形態においては、試料ステージ１４の高さ位置、アパーチャ１６の高さ位置、イオン検出器２０の高さ位置、開口１６ａの大きさφａが順に調節されるが、これに限定されない。即ち、調節した後の各ギャップＬ１，Ｌ２及び開口１６ａの大きさφａが指令部５６によって決定されたギャップ・開口値となるように試料ステージ１４、アパーチャ１６及びイオン検出器２０の高さ位置及び開口１６ａの大きさφａが調節されれば、本実施形態と異なる順で調節されてもよく、全てが同時に調節されてもよい。
【００７３】
このように分析対象元素の分析に適した第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａが調節された後、イオン照射装置１０がイオンビームＢｍを下向きに照射する。このイオンビームＢｍは、真空容器１２内の検出器ブラケット４７の開口４７ａ及びアパーチャ１６の開口１６ａを順に通って試料ステージ１４上の試料Ｓの測定部位に当る。一方、真空容器１２の外部に設けられた磁場形成用コイルＭがその通電により真空容器１２内に磁場Ｂを形成するが、磁場Ｂの方向がイオンビームＢｍの照射方向と平行な方向（図１においては上向き）であるため、当該イオンビームＢｍは、磁場Ｂの影響を受けることなく試料Ｓの測定部位に向かって直進する。尚、本実施形態において、磁場Ｂは２Ｔ程度の強磁場である。
【００７４】
この試料Ｓの測定部位へのイオンビームＢｍの照射によって、当該部位でイオンビームＢｍを構成するイオンが散乱（後方散乱）する。その散乱したイオン、即ち、散乱イオンは、当該散乱イオンの散乱角θｓ、当該散乱イオンのもつ電荷とエネルギーから磁場Ｂに起因するローレンツ力を受け、イオンビームＢｍを取り巻く螺旋軌道を描きながら上方に移動（サイクロトロン運動）する。この螺旋軌道を決定する散乱角θｓや波長は、散乱イオンのもつエネルギーによって変わる。従って、特定のエネルギーと散乱角をもつ散乱イオンのみがアパーチャ１６の位置でビーム軸の周囲に収束し、当該アパーチャ１６の開口１６ａを通過してイオン検出器２０に到達する。このようにして、分析対象元素を分析するために必要な、即ち、イオン検出器２０での検出対象となる散乱イオンがアパーチャ１６によって選別される。
【００７５】
このようにして、分析対象元素の分析に必要な散乱イオンは、アパーチャ１６の開口１６ａを通過してイオン検出器２０に到達する。イオン検出器２０においては、この到達した散乱イオンのイオンビームＢｍに対して直交する平面上での二次元位置（検出半径）を検出し、その検出信号を増幅器（図示省略）に向けて出力する。
【００７６】
そして、試料Ｓからアパーチャ１６までの距離やアパーチャ１６からイオン検出器２０までの距離、イオンビームＢｍのエネルギー、印加磁場Ｂの強度、イオン検出器２０における散乱イオンの検出半径等から散乱イオンのエネルギーが求められる。このようにして求めたデータに基づいて高速高分解能の分析が行われる。
【００７７】
以上のように、当該散乱イオン分析装置では、指令部５６（制御手段５０）によって、試料Ｓを構成する元素のうち分析対象元素を分析するのに適したギャップ・開口値が決定され、この決定に基づいて実際の第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａがそれぞれ調節されることで、分析対象元素の種類に関わらず十分な分析性能が得られる。
【００７８】
即ち、共通の真空容器１２内で分析が行われる場合、分析対象元素の種類（元素の質量数）によって分析に適した第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａが異なるため、当該散乱イオン分析装置のように、分析対象元素の種類に応じて第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａの大きさφａが調節可能とされることで、重元素から軽元素まで分析ができ、各元素の分析において十分な分析性能が得られる。
【００７９】
具体的には、記憶部５４に格納されているギャップ・開口情報は、前記のように元素の質量数が小さくなるほど第１ギャップＬ１が小さくなると共に開口１６ａの大きさφａが大きくなり、元素の質量数が大きくなるほど第１ギャップＬ１が大きくなると共に開口１６ａの大きさφａが小さくなるように設定されている。そのため、軽元素の分析の際には、質量分解能の低下が抑制されると共に分析時間の短縮又は分析精度の向上が図られ、重元素の分析の際には、深さ分解能の低下が抑制されると共に質量分析性能が向上する。
【００８０】
即ち、軽元素の分析が行われる場合には、第１ギャップＬ１が大きいと質量分解能が低下するため（図５（ｂ）参照）、第１ギャップＬ１を小さくすることにより質量分解能の低下が抑制される。また、軽元素の分析では、重元素と違って散乱断面積が小さいため、開口１６ａを大きくして当該開口１６ａを通過してイオン検出器２０に到達する散乱イオンの数を増加させることにより、分析に必要な数の散乱イオンが短時間で検出されて分析時間の短縮化が図られ、又はより多くの散乱イオンが検出されることで分析精度の高精度化が図られる。
【００８１】
一方、重元素の分析が行われる場合には、第１ギャップＬ１が小さいとイオン検出器２０の検出位置において検出半径が大きくなり過ぎ、当該イオン検出器２０で散乱イオンの検出ができない場合があるため、第１ギャップＬ１を大きくして検出半径を小さくすることにより散乱イオンがより確実にイオン検出器２０によって検出される。
【００８２】
また、通常、散乱イオン分析装置においては、開口１６ａの大きさφａが一定のままで第１ギャップＬ１が大きくなると、それに伴って深さ分解能が低下するが、当該散乱イオン分析装置においては、第１ギャップＬ１が大きくなると開口１６ａが小さくなるため、深さ分解能の低下が抑制される（図６参照）。これは、深さ分解能がエネルギー分解能に比例するためである。即ち、前記開口が大きいと異なるエネルギーの散乱イオンが同じ検出器に入射する確率が高くなるためエネルギー分解能が悪化（低下）し、これにより深さ分解能が低下する。
【００８３】
さらに、重元素の分析においては、質量数が大きいほど質量分解能が低下するため質量数の近い元素分析が困難となるが、当該散乱イオン分析装置では重元素の分析の際に開口１６ａが小さくされるため、図７から分るように、質量分解能が向上し、質量数の近い元素分析の精度が向上する。ここで、図７は、入射イオンを４００ｋｅＶのＨｅ＋イオンがシリコン（Ｓｉ）と金（Ａｕ）に入射し、磁場Ｂが２Ｔ、δρα＝０．１ｍｍのときの、質量分解能δＭ２とφａとの関係を示す図である。ここで、δραは、同一標的原子（Ｓｉ又はＡｕ）から散乱されたイオン（Ｈｅ＋）の検出位置の広がりを示すものであり、以下の式（１）で表される。
【００８４】
【数１】
ここで、Ｍ１は入射イオンの質量、Ｍ２は標的原子の質量であり、Ｅｉｎは入射イオンの持つエネルギーであり、Ｅｃは本実施形態に係る散乱イオン分析装置（いわゆるサイクロトロンＲＢＳ）における特性エネルギーを示し、具体的には以下の式（２）により定義され、Ｌは標的原子からアパーチャまでの距離であり、ρ０ｄはρ＝２Ｒ０の関係を満たしこのＲ０は反射されたイオンのサイクロトロン半径であり、φａはアパーチャの開口径である。
【００８５】
【数２】
この式（２）において、ωｃはイオンのサイクロトロン運動の角周波数である。
【００８６】
尚、重元素の分析においては、軽元素と違って散乱断面積が大きいため、開口１６ａが小さくても十分な数の散乱イオンが当該開口１６ａを通過してイオン検出器２０に到達するため、検出される散乱イオンの数の減少による分析時間の遅延や分析精度の低下は問題とならないレベルとなる。
【００８７】
以上のように、当該散乱イオン分析装置においては、制御手段５０によって第１ギャップＬ１、第２ギャップＬ２及び開口１６ａがそれぞれ調節されることにより、重元素から軽元素までの何れの元素の分析においても十分な分析性能が得られる。
【００８８】
尚、本発明に係る散乱イオン分析装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００８９】
例えば、アパーチャ１６の開口１６ａの大きさφａを変更する手段として、図３に示されるような、大きさの異なる複数の開口１６ｂ，１６ｃ，…の設けられた開口部材１９ａと、これを開口の配列方向に移動させる移動手段１９ｃとを有し、開口１６ｂ，１６ｃ，…のうち、分析対象元素に対応した径をもつ開口を択一的にイオンビームＢｍの通過する部位に位置させるものでもよい。
【００９０】
具体的には、アパーチャ１６は、アパーチャ本体１９ａと、開口部材１９ｂと、移動手段１９ｃと備える。アパーチャ本体１９ａは、イオンビームＢｍに対して直交する板状部材であり、中央にイオンビームＢｍの通過する開口ｈが設けられている。この開口ｈの大きさ（開口径）は、開口部材１９ｂに設けられた複数の開口１６ｂ，１６ｃ，…のいずれの開口よりも大きい。
【００９１】
開口部材１９ｂは、イオンビームＢｍのビーム照射方向に貫通し、大きさの異なる複数の開口１６ｂ〜１６ｅが一列に設けられ、アパーチャ本体１９ａの上面に前記開口の配列方向に沿って移動可能に配設されている。そして、開口部材１９ｂは、当該開口部材１９ｂに接続された移動手段１９ｃによってアパーチャ本体１９ａ上を前記配列方向（図３の矢印β参照）に沿って移動させられる。詳細には、移動手段１９ｃは、開口部材１９ｂの複数の開口１６ｂ〜１６ｅのうちの分析対象元素に対応する開口と、アパーチャ本体１９ａに設けられている開口ｈとが上下に並び、この上下に並んだ開口の中央をイオンビームＢｍが通過するような位置に開口部材１９ｂを移動させる。
【００９２】
以上のように構成されることで、簡易な構成によってアパーチャ１６の開口の大きさの変更が可能となる。
【符号の説明】
【００９３】
１２ 真空容器
１４ 試料ステージ（試料台）
１６ アパーチャ
１６ａ 開口
２０ イオン検出器
５０ 制御手段
５２ 入力部
５４ 記憶部
５６ 指令部
Ｂ 磁場
Ｂｍ イオンビーム
Ｌ１ 第１ギャップ（第１の距離）
Ｌ２ 第２ギャップ（第２の距離）
Ｓ 試料
φａ 開口の大きさ
θｓ 散乱角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速されたイオンビームが試料に照射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析装置であって、
内部に前記イオンビームが照射されると共に前記イオンビームの入射方向と平行な磁場が形成される真空容器と、
前記磁場が形成された真空容器内で前記イオンビームが当る位置に前記試料を保持し、前記イオンビームのビーム軸に沿って移動可能な試料台と、
前記磁場が形成された真空容器内で前記試料から散乱する散乱イオンを検出し、前記ビーム軸に沿って移動可能なイオン検出器と、
前記イオン検出器と前記試料台との間の位置に設けられ、前記イオン検出器側から前記試料台側に入射される前記イオンビームの通過を許容すると共に前記試料台側から前記イオン検出器側に向かって散乱する前記散乱イオンのうち特定の範囲の散乱角を有し且つ前記磁場により前記ビーム軸に特定の領域で収束する散乱イオンの通過を許容する開口が設けられ、この開口の大きさが変更可能で且つ前記ビーム軸に沿って移動可能なアパーチャと、
前記ビーム軸方向における前記試料台から前記アパーチャまでの第１の距離と前記アパーチャから前記イオン検出器までの第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを制御するための制御手段とを備え、
前記制御手段は、分析の対象とする元素の種類に相当する情報を入力するための入力部と、当該散乱イオン分析装置によって分析可能な各元素に対応する前記第１の距離と前記第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとが予め格納された記憶部と、前記入力部から入力された前記元素の種類に相当する情報に基づいて前記記憶部に格納されている前記各元素に対応する情報から前記試料を分析するときの前記第１の距離と前記第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを決定し、この決定に基づいて前記試料台と前記アパーチャと前記イオン検出器とのうちの少なくとも２つを前記ビーム軸に沿って駆動すると共に前記開口の大きさを変更するために前記アパーチャを駆動するための指令信号を出力する指令部とを有することを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の散乱イオン分析装置において、
前記記憶部に格納されている前記各元素に対応する情報は、元素の質量数が小さくなるほど前記第１の距離が小さくなると共に前記アパーチャの開口が大きくなり、元素の質量数が大きくなるほど前記第１の距離が大きくなると共に前記アパーチャの開口が小さくなるように設定されていることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項３】
請求項２に記載の散乱イオン分析装置において、
前記記憶部に格納されている前記各元素に対応する情報は、前記第１の距離と前記第２の距離との比が２：１となるように設定されていることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の散乱イオン分析装置において、
前記アパーチャは、前記開口を絞る絞り機構と、前記制御手段の指令部から入力される指令信号により前記絞り機構を駆動する駆動手段とを備えることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の散乱イオン分析装置において、
前記アパーチャは、前記ビーム軸と直交する共通の面上に大きさの異なる複数の開口が一列に並ぶ開口部材と、前記制御手段の指令部から入力される指令信号により前記開口部材を前記開口の列に沿って移動させる移動手段とを備えることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項６】
加速されたイオンビームが試料に照射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析方法であって、
内部に前記イオンビームが照射されると共に前記イオンビームの入射方向と平行な磁場が形成される真空容器と、前記磁場が形成された真空容器内で前記イオンビームが当る位置に前記試料を保持する試料台と、前記磁場が形成された真空容器内で前記試料から散乱する散乱イオンを検出するイオン検出器と、前記イオン検出器と前記試料台との間の位置に設けられ、前記イオン検出器側から前記試料台側に入射される前記イオンビームの通過を許容すると共に前記試料台側から前記イオン検出器側に向かって散乱する前記散乱イオンのうち特定の範囲の散乱角を有し且つ前記磁場により前記イオンビームのビーム軸に特定の領域で収束する散乱イオンの通過を許容する開口が設けられたアパーチャとを備える散乱イオン分析装置を用い、
当該散乱イオン分析方法によって分析可能な各元素に対応する前記ビーム軸方向における前記試料台から前記アパーチャまでの第１の距離と前記アパーチャから前記イオン検出器までの第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを予め取得しておき、この取得しておいた情報から分析の対象とする元素の種類に基づいて前記試料を分析するときの前記第１の距離と前記第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを決定する分析条件決定工程と、
前記決定に基づいて前記試料台と前記アパーチャと前記イオン検出器とのうちの少なくとも２つを前記ビーム軸に沿って移動させると共に前記アパーチャの開口の大きさを変更する駆動工程とを備えることを特徴とする散乱イオン分析方法。
【請求項７】
請求項６に記載の散乱イオン分析方法において、
前記分析条件決定工程の予め取得しておいた前記各元素に対応する情報では、元素の質量数が小さくなるほど前記第１の距離が小さくなると共に前記アパーチャの開口が大きくなっており、元素の質量数が大きくなるほど前記第１の距離が大きくなると共に前記アパーチャの開口が小さくなっていることを特徴とする散乱イオン分析方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の散乱イオン分析方法において、
前記分析条件決定工程の予め取得しておいた前記各元素に対応する情報では、前記第１の距離と前記第２の距離との比が２：１となっていることを特徴とする散乱イオン分析方法。
【請求項１】
加速されたイオンビームが試料に照射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析装置であって、
内部に前記イオンビームが照射されると共に前記イオンビームの入射方向と平行な磁場が形成される真空容器と、
前記磁場が形成された真空容器内で前記イオンビームが当る位置に前記試料を保持し、前記イオンビームのビーム軸に沿って移動可能な試料台と、
前記磁場が形成された真空容器内で前記試料から散乱する散乱イオンを検出し、前記ビーム軸に沿って移動可能なイオン検出器と、
前記イオン検出器と前記試料台との間の位置に設けられ、前記イオン検出器側から前記試料台側に入射される前記イオンビームの通過を許容すると共に前記試料台側から前記イオン検出器側に向かって散乱する前記散乱イオンのうち特定の範囲の散乱角を有し且つ前記磁場により前記ビーム軸に特定の領域で収束する散乱イオンの通過を許容する開口が設けられ、この開口の大きさが変更可能で且つ前記ビーム軸に沿って移動可能なアパーチャと、
前記ビーム軸方向における前記試料台から前記アパーチャまでの第１の距離と前記アパーチャから前記イオン検出器までの第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを制御するための制御手段とを備え、
前記制御手段は、分析の対象とする元素の種類に相当する情報を入力するための入力部と、当該散乱イオン分析装置によって分析可能な各元素に対応する前記第１の距離と前記第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとが予め格納された記憶部と、前記入力部から入力された前記元素の種類に相当する情報に基づいて前記記憶部に格納されている前記各元素に対応する情報から前記試料を分析するときの前記第１の距離と前記第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを決定し、この決定に基づいて前記試料台と前記アパーチャと前記イオン検出器とのうちの少なくとも２つを前記ビーム軸に沿って駆動すると共に前記開口の大きさを変更するために前記アパーチャを駆動するための指令信号を出力する指令部とを有することを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の散乱イオン分析装置において、
前記記憶部に格納されている前記各元素に対応する情報は、元素の質量数が小さくなるほど前記第１の距離が小さくなると共に前記アパーチャの開口が大きくなり、元素の質量数が大きくなるほど前記第１の距離が大きくなると共に前記アパーチャの開口が小さくなるように設定されていることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項３】
請求項２に記載の散乱イオン分析装置において、
前記記憶部に格納されている前記各元素に対応する情報は、前記第１の距離と前記第２の距離との比が２：１となるように設定されていることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の散乱イオン分析装置において、
前記アパーチャは、前記開口を絞る絞り機構と、前記制御手段の指令部から入力される指令信号により前記絞り機構を駆動する駆動手段とを備えることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の散乱イオン分析装置において、
前記アパーチャは、前記ビーム軸と直交する共通の面上に大きさの異なる複数の開口が一列に並ぶ開口部材と、前記制御手段の指令部から入力される指令信号により前記開口部材を前記開口の列に沿って移動させる移動手段とを備えることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項６】
加速されたイオンビームが試料に照射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析方法であって、
内部に前記イオンビームが照射されると共に前記イオンビームの入射方向と平行な磁場が形成される真空容器と、前記磁場が形成された真空容器内で前記イオンビームが当る位置に前記試料を保持する試料台と、前記磁場が形成された真空容器内で前記試料から散乱する散乱イオンを検出するイオン検出器と、前記イオン検出器と前記試料台との間の位置に設けられ、前記イオン検出器側から前記試料台側に入射される前記イオンビームの通過を許容すると共に前記試料台側から前記イオン検出器側に向かって散乱する前記散乱イオンのうち特定の範囲の散乱角を有し且つ前記磁場により前記イオンビームのビーム軸に特定の領域で収束する散乱イオンの通過を許容する開口が設けられたアパーチャとを備える散乱イオン分析装置を用い、
当該散乱イオン分析方法によって分析可能な各元素に対応する前記ビーム軸方向における前記試料台から前記アパーチャまでの第１の距離と前記アパーチャから前記イオン検出器までの第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを予め取得しておき、この取得しておいた情報から分析の対象とする元素の種類に基づいて前記試料を分析するときの前記第１の距離と前記第２の距離と前記アパーチャの開口の大きさとを決定する分析条件決定工程と、
前記決定に基づいて前記試料台と前記アパーチャと前記イオン検出器とのうちの少なくとも２つを前記ビーム軸に沿って移動させると共に前記アパーチャの開口の大きさを変更する駆動工程とを備えることを特徴とする散乱イオン分析方法。
【請求項７】
請求項６に記載の散乱イオン分析方法において、
前記分析条件決定工程の予め取得しておいた前記各元素に対応する情報では、元素の質量数が小さくなるほど前記第１の距離が小さくなると共に前記アパーチャの開口が大きくなっており、元素の質量数が大きくなるほど前記第１の距離が大きくなると共に前記アパーチャの開口が小さくなっていることを特徴とする散乱イオン分析方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の散乱イオン分析方法において、
前記分析条件決定工程の予め取得しておいた前記各元素に対応する情報では、前記第１の距離と前記第２の距離との比が２：１となっていることを特徴とする散乱イオン分析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２２３８０３（Ｐ２０１０−２２３８０３Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７２０９８（Ｐ２００９−７２０９８）
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度，独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構，「ナノメータ極薄膜の高分機能・高速組成分析技術に関する基盤研究」（委託研究），産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度，独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構，「ナノメータ極薄膜の高分機能・高速組成分析技術に関する基盤研究」（委託研究），産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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