JP6692108B2 - 分析装置及び分析システム - Google Patents

Description

本発明は、分析装置及び分析システムに関する。

近年、サブサーフェースにおける物質の状態が、物質の種々の性能の律速になっていることが判明している。サブサーフェースとは、物質の表面直下の原子数層分の領域を意味する。このサブサーフェースの状態を分析する手段として高分解能ラザフォード後方散乱分析（Ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ＨＲＢＳ）装置や、高分解能弾性反跳検出分析（Ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｒｅｃｏｉｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ；ＨＥＲＤＡ）装置等が知られている。ここでは中速イオン散乱法（Ｍｅｄｉｕｍ ｅｎｅｒｇｙ ｉｏｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ＭＥＩＳ）装置はＨＲＢＳの一種とみなし、ＨＲＢＳはＭＥＩＳを含めた述語とする。

ＨＲＢＳは、試料表面に定量対象の原子と比較して小さな原子量を持つイオンを照射し、試料表面の組成（構成元素の種類）を同定する分析手法である。試料表面にヘリウムイオン等を照射すると、試料中の原子核との弾性散乱により照射したイオンは後方に跳ね返る。このイオンの跳ね返り方は、衝突対象である試料中の構成元素の原子量によって異なる。そのため、跳ね返ってきたイオンのエネルギーを測定することによって試料のサブサーフェースの状態を測定することができる。例えば、非特許文献１には、ＨＲＢＳを用いた分析装置が記載されている。

ＨＥＲＤＡは、試料表面に定量対象の原子と比較して大きな原子量を持つイオンを照射し、試料表面から弾き出された反跳粒子を検出する分析手法である。例えば、試料の構成元素のうち照射するイオンより原子量の小さい水素元素は、イオン照射により前方に弾き出される。この弾き出された水素を検出することにより、試料中の水素含有量の定量化を行うことができる。例えば、非特許文献２には、ＨＥＲＤＡを用いた分析装置が記載されている。

ＨＲＢＳ及びＨＥＲＤＡのいずれの分析手法においても、検出感度を高めることが求められている。例えば、非特許文献３には、検出器の前にフィルターを設け、検出器に入射する迷走イオン（チャンバー壁面で衝突しながら入射するイオン、迷い粒子ともいう）を除去すると共に、検出器で発生する暗電流を抑制することで、ＨＲＢＳを用いた分析装置の検出感度を高めることが記載されている。

Ｋ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｍ．Ｍａｎｎａｍｉ，Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂ，１１３（１９９６）２７０−２７４． Ｋ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｋ．Ｎａｋａｊｉｍａ，Ｈ．Ｉｍｕｒａ，Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂ，１４０（１９９８）３９７−４０１． Ｈ．Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．，Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，８２，０６３３０１（２０１１）．

しかしながら、非特許文献１〜３に記載のＨＲＢＳ及びＨＥＲＤＡを用いた分析装置では、その検出感度が１０^１４個／ｃｍ^２程度であり、検出感度が十分とは言えなかった。

例えば、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体デバイスでは、ナノスケールの酸化物を形成する。その酸化物中及び酸化物と半導体との界面における水素は、トランジスタのチャネル移動度に大きな影響を及ぼす。そのため、この水素含有量を定量的に測定したいという要望が高まっている。しかしながら、この水素は、１０^１２個／ｃｍ^２という極めて微量しか存在せず、非特許文献１〜３に記載の分析装置の検出感度では正確な定量分析をすることができない。

検出感度を高めるという目的だけであれば、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；ＳＩＭＳ）を用いた分析装置も存在する。しかしながら、ＳＩＭＳは試料を削りながら測定するため、試料を破壊してしまう。そのため、非破壊で検出感度の高い分析装置が切に求められている。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、試料の表面近傍の状態を非破壊かつ高感度に分析することができる分析装置及び分析システムを提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討の結果、分析装置の検出器としてマイクロチャネルプレートを用いた従来の方法では検出感度に限界があるのではないかと考えた。そこで、位置検出のみが可能なマイクロチャネルプレートに変えて、位置検出に加えてエネルギー分析を行うことが可能な位置敏感半導体検出器を分析装置に用いた。その結果、本発明者らは、検出感度を２桁以上向上させることができるという想定以上の効果が発現することを見出し、本発明を完成させた。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明の一態様に係る分析装置は、被測定物を設置できる設置部を有するチャンバーと、加速器で発生したイオンビームを前記設置部に向けて導く導管と、前記設置部に設置された前記被測定物に前記イオンビームを照射することにより反跳した反跳粒子に磁場または電場を印加し、前記反跳粒子のエネルギーに対応する方向に前記反跳粒子の進行方向を変化させる分析部と、前記反跳粒子の軌跡と平行な平面に対して垂直な方向に延在し、前記反跳粒子をその進行方向毎に検出可能な検出部を有する位置敏感半導体検出器と、前記位置敏感半導体検出器に接続され、前記位置敏感半導体検出器で生じた電荷をデジタル化して計測する計測器と、を備える。

（２）本発明の一態様に係る分析装置は、被測定物を設置できる設置部を有するチャンバーと、加速器で発生したイオンビームを前記設置部に向けて導く導管と、前記設置部に設置された前記被測定物に照射された前記イオンビームのうち散乱した散乱イオンに磁場または電場を印加し、前記散乱イオンのエネルギーに対応する方向に前記散乱イオンの進行方向を変化させる分析部と、前記散乱イオンの軌跡と平行な平面に対して垂直な方向に延在し、前記散乱イオンをその進行方向毎に検出可能な検出部を有する位置敏感半導体検出器と、前記位置敏感半導体検出器に接続され、前記位置敏感半導体検出器で生じた電荷をデジタル化して計測する計測器と、を備える。

（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載の分析装置において、前記検出部の延在方向かつ前記検出部に前記反跳粒子または前記散乱イオンが衝突する方向に対し垂直な方向に、前記検出部が平行移動する構成を有してもよい。

（４）上記（１）または（２）のいずれかに記載の分析装置において、前記検出部の延在方向かつ前記検出部に前記反跳粒子または前記散乱イオンが衝突する方向に対し垂直な方向に、前記検出部が複数並列していてもよい。

（５）上記（４）に記載の分析装置において、隣接する前記検出部の間に形成されるスリットの幅ｄと、隣接する前記検出部のピッチｐの比が、ｄ：ｐ＝０．５：１０〜２：１０の関係を満たしてもよい。

（６）上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の分析装置において、前記位置敏感半導体検出器に用いられる半導体の不感層の厚みが１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってもよい。

（７）上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の分析装置において、前記位置敏感半導体検出器に用いられる半導体が、ｎ型半導体に対しドーパント元素をイオン注入したｐｎ接合型の半導体であってもよい。

（８）上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の分析装置において、前記位置敏感半導体検出器に用いられる半導体が、半導体上に金属膜が積層されたショットキーバリア型の半導体であってもよい。

（９）上記（１）〜（８）のいずれか一つに記載の分析装置において、前記計測器が、前記電荷により生じる電位のピークが所定の閾値を超えている時間を測定することで適切な信号と不適切な信号とを区別してもよい。

（１０）上記（９）に記載の分析装置において、前記計測器が、前記電荷により生じる電位のピークが所定の閾値を上回るタイミングに同期して前記所定の閾値を増加させる閾値増加手段を備えてもよい。

（１１）本発明の一態様に係る分析システムは、上記（１）〜（１０）のいずれか一つに記載の分析装置と、前記分析装置にイオンビームを供給する加速器とを備える。

本発明の一態様に係る分析装置及び分析システムを用いることで、試料の表面近傍の状態を非破壊かつ高感度に分析することができる。

本発明の一態様にかかるＨＥＲＤＡを用いた分析装置を模式的に示した図である。 本発明の一態様に係る分析装置における位置敏感半導体検出器の第１の例を模式的に示した図である。 本発明の一態様に係る分析装置における位置敏感半導体検出器の第２の例を模式的に示した図である。 位置敏感半導体検出器の第２の例を図３のＡ−Ａ面で切断した断面図である。 ｄＴＯＴ方式を用いた処理回路の回路図である。 増加閾値Ｖｒｅｆを増加させるタイミングを説明する説明図である。 アモルファスカーボン中の水素量を実施例１の方法で測定した結果を示した図である。 アモルファスカーボン中の水素量を比較例１の方法で測定した結果を示した図である。

以下、本発明を適用した分析装置及び分析システムについて、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（分析装置、分析システム：ＨＥＲＤＡ）
図１は、本発明の一態様に係るＨＥＲＤＡを用いた分析装置を模式的に示した図である。
分析装置１００は、チャンバー１０と、導管２０と、分析部３０と、位置敏感半導体検出器４０と、計測器５０を備える。ＨＥＲＤＡでは、静電加速器を用いて加速された^４Ｈｅ^＋や^１６Ｏ^＋などのビームを試料表面に斜入射（表面から１５°程度）で入射し、前方３０°程度に反跳した反跳粒子（例えば、プロトン等）の数とエネルギーを測定する。以下、図１を基に各部材の構成と共に、測定原理について説明する。

以下、紙面裏面から表面に向けた方向をｚ方向、位置敏感半導体検出器４０に反跳粒子が入射する方向をｙ方向、ｚ方向及びｙ方向に垂直な方向をｘ方向とする。

チャンバー１０は、被測定物Ｓを設置できる設置部１１を有する。設置部１１は、測定中に被測定物Ｓが移動しないように、チャンバー１０のいずれかの場所によって固定されている。チャンバー１０の材質は公知のものを用いることができ、例えばステンレス等を用いることができる。

使用時は、チャンバー１０内は図示略の真空ポンプによって排気されている。真空ポンプは、公知のポンプを用いることができる。

チャンバー１０は複数の接続部１２を有する。接続部１２は、公知のフランジ等を用いることができる。この接続部１２のいずれかには、導管２０が接続されている。

導管２０は、図視略の加速器で発生したイオンビームをチャンバー１０内の設置部１１に設置された被測定物Ｓに導く。導管２０は、公知のものを用いることができる。

分析部３０は、導管２０と異なる接続部１２を介してチャンバー１０と接続される。ＨＥＲＤＡを用いた分析装置では、１５°程度で斜入射したイオンビームにより前方３０°程度に反跳する反跳粒子を検出するため、その角度に合せて分析部３０をチャンバー１０と接続する。

分析部３０内は、マグネットにより磁場が印加されている。電場を用いることもできるが、以下では磁場を用いた例で説明する。電荷を有する反跳粒子は、磁場によるローレンツ力を受けて、その進行方向が曲げられ変化する。この際、低エネルギーの反跳粒子は磁場によりその進行方向が大きく曲げられる。これに対し、高エネルギーのは、低エネルギーの反跳粒子と比較して、進行方向の変化が小さい。すなわち、分析部３０を通過させることで、反跳粒子が有するエネルギーに対応する方向に反跳粒子の進行方向を変化させることができる。

マグネットによる磁場は、図１におけるｚ方向に印加される。電場を用いる場合は、反跳粒子の進行方向に対して垂直で、ｚ方向ではない方向に電場を印加する。被測定物Ｓから反跳した反跳粒子は、分析部３０のカーブに沿って曲がる。そのため、分析部３０のカーブの内回り側から外回り側に向かうに従って、反跳粒子のエネルギーが高エネルギーになる。

分析部３０では、反跳粒子のエネルギー量に応じて進行方向が変化した反跳粒子だけではなく、迷い粒子も生まれる。迷い粒子とは、分析部３０等の壁面に衝突した反跳粒子である。迷い粒子は、壁面に衝突することでその進行方向が変化している。そのため、分析部３０を通過後の迷い粒子は、エネルギー量に応じた位置に導かれない。つまり、この迷い粒子は、分析装置におけるノイズの原因の一つとなる。分析装置の検出感度を高めるためには、この迷い粒子を適切に切り分ける必要がある。

位置敏感半導体検出器４０は、分析部３０に接続されている。位置敏感半導体検出器４０には、分析部３０でその進行方向が変化した反跳粒子が入射する。位置敏感半導体検出器４０は、位置敏感かつエネルギー分析を行うことができる検出器である。位置敏感とは、検出器のどの位置に入射粒子（ここでは、反跳粒子）が入射したかを判断できることを意味する。すなわち、位置敏感半導体検出器４０は、反跳粒子がどの位置に入射してきたかを判断することができると共に、入射する反跳粒子を適切なものか不適切なものかを入射する反跳粒子のエネルギー量に応じて分別することができる。

位置敏感半導体検出器４０は、反跳粒子または散乱イオンの軌跡と平行な平面に対して垂直な方向に延在し、反跳粒子または散乱イオンをその進行方向毎に検出可能な検出部を有する。ここで、「反跳粒子または散乱イオンをその進行方向毎に検出可能」とは、反跳粒子または散乱イオンの有するエネルギー量に沿って反跳粒子または散乱イオンを検出できることを意味する。
具体的には例えば、以下の二つのものを上げることができる。図２は、本発明の一態様に係る分析装置における位置敏感半導体検出器の第１の例を模式的に示した図である。図３及び図４は、本発明の一態様に係る分析装置における位置敏感半導体検出器の第２の例を模式的に示した図である。図４は、図３の位置敏感半導体検出器のＡ−Ａ面における切断面である。

図２に示す第１の例の位置敏感半導体検出器４１は、ｚ方向に延在する１枚の検出部４２と、検出部４２をｘ方向に移動させるスライダ４３を有する。検出部４２はｘ方向に平行移動することができればよく、スライダ４３は無くてもよい。
検出部４２に反跳粒子が入射すると、検出部４２において電荷が誘起される。この電荷は計測器５０でデジタル化され、一つのピーク強度を有する信号として計測される。

位置敏感半導体検出器４１に入射する反跳粒子は、分析部３０のマグネットにより分析され、ｘ方向の位置毎に有するエネルギー量が異なる。そのため、検出部４２をどの位置に配置した際に、どの程度の強度のピークが得られるかは想定することができる。例えば、図２において検出部４２を最も左に配置する場合は、検出部４２に入射する反跳粒子は分析部３０を内回りしてきた反跳粒子が主である。すなわち、低エネルギーの反跳粒子が主として入射する。これに対し、図２において検出部４２を右に平行移動するにつれて、検出部４２に入射する反跳粒子は高エネルギーとなる。そして、最も右に検出部４２を配置した場合に、検出部４２に入射する反跳粒子は最も高エネルギーとなる。

所定の位置に検出部４２を設定した際に、検出部４２に入射する反跳粒子は、分析部３０で適切に分析された反跳粒子と、壁面等に衝突して迷い粒子となった反跳粒子である。このとき、迷い粒子となった反跳粒子のエネルギー量は、分析部３０で適切に分析された反跳粒子のエネルギー量と異なる。そのため、位置敏感半導体検出器４１では、分析部３０で適切に分析された反跳粒子と、壁面等に衝突して迷い粒子となった反跳粒子を明確に判断することができる。すなわち、迷い粒子となった反跳粒子を計測器５０でノイズとして処理することができる。

従来の位置敏感のマイクロチャネルプレート等では、粒子が入射したことしか判断できないため、分析部３０で適切に分析された反跳粒子と迷い粒子となった反跳粒子とを判別することができなかった。すなわち、所望のデータとノイズは、いずれも同じデータとして計測器５０で読み取られ、切り分けることができなかった。これに対し、位置敏感半導体検出器４１はどの程度のエネルギーが入射するかを判別することができるため、所望のデータとノイズの切り分けを計測器５０で行うことができる。したがって、位置敏感半導体検出器４１が、位置敏感かつエネルギー分析を行うことができる検出器であることで、被測定物Ｓから生じた反跳粒子の数をより高精度に検出することができる。

反跳粒子が例えばプロトンの場合、プロトンは、被測定物Ｓ中の水素に起因するため、位置敏感半導体検出器４１に入射するプロトンの数を高精度に検出することで、被測定物Ｓ中の水素量をより精密に定量することができる。

第２の例の位置敏感半導体検出器４４は、ｚ方向に延在かつ並列する複数の検出部４５を有する。検出部４５の間には複数のスリット４６が設けられている。溝状のスリット４６は位置感度を高めるためのものであり、必ずしも必須のものではない。電極のみを複数並列して設置してもよい。スリット４６を設ける場合は、図４に示すように、スリット４６はその断面において位置敏感半導体検出器４４の不感層４７をそれぞれ分離できればよく、半導体の厚さ方向全体に渡って貫通している必要はない。不感層４７については、後述する。

スリット４６は、ドライエッチング等を用いて形成することができる。例えば、ドライエッチングによりスリット幅１０μｍ未満、深さ１００μｍ以上の高アスペクト比の溝を形成することができる。

位置敏感半導体検出器４４は、それぞれ区分けされた複数の検出部４５を有する。各検出部４５に入射する反跳粒子は、分析部３０のマグネットによって分析されているため、位置によりそのエネルギー量が異なる。そのため、各検出部４５に入射する反跳粒子のエネルギー量は想定することができる。したがって、第２の例の位置敏感半導体検出器４４は、第１の例の位置敏感半導体検出器４１と同様に、各検出部４５において、分析部３０で適切に分析された反跳粒子と、壁面等に衝突して迷い粒子となった反跳粒子を明確に判断することができる。すなわち、位置敏感半導体検出器４４は、位置敏感かつエネルギー分析を行うことができる。つまり、位置敏感半導体検出器４４に入射する反跳粒子、例えばプロトンの数を高精度に検出し、この例では被測定物Ｓ中の水素量をより精密に定量することができる。

位置敏感半導体検出器４４において、隣接する検出部４５の間に形成されるスリット４６の幅ｄと、隣接する検出部４５のピッチｐの比が、ｄ：ｐ＝０．５：１０〜２：１０の関係を満たすことが好ましい。ここで、隣接する検出部４５のピッチとは、図４に示すように、一つの検出部４５の端部から隣接する検出部４５の対応する端部までの距離を意味する。

スリット４６の幅ｄと、隣接する検出部４５のピッチｐが上述の関係を満たせば、位置敏感半導体検出器４４の有感面積を広くすることができる。有感面積とは、位置敏感半導体検出器４４における検出部４５の面積を意味する。有感面積を広くすることができれば、位置敏感半導体検出器４４に入射する反跳粒子を高効率で計測することができ、より精密な測定が可能となる。例えば、ピッチｐが１００μｍ、スリットの幅ｄが１０μｍとすることが好ましい。

第１の例の位置敏感半導体検出器４１及び第２の例の位置敏感半導体検出器４４のいずれにおいても、検出部４２，４５の不感層４７の厚みは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。

入射した反跳粒子による電荷の誘起は、半導体のｐｎ接合の界面及び半導体と金属を接合した際のショットキー接合の界面で生じる。そのため、不感層４７とは、これらの接合界面に至るまでの層を意味する。例えば、ｐｎ接合する場合は、ｎ型半導体に形成されたｐ型半導体が不感層４７となる。ショットキー接合する場合は、半導体上に積層された金属層が不感層４７となる。

ＨＥＲＤＡを用いた分析装置において被測定物Ｓから発生する反跳粒子は、数百ｋｅＶ程度であり、電子線の分野においてはそのエネルギーは小さい。そのため、入射した反跳粒子が電荷を誘起するためには、接合界面までの厚み（すなわち、不感層４７の厚み）が薄いことが好ましい。不感層４７の厚みは、薄ければ薄い程良いが、制御性の観点から１０ｎｍ以上であることが好ましい。

不感層４７は、以下の手段で形成することができる。
ｐｎ接合を形成する場合は、ｎ型半導体にドーパント元素を注入し、ｐ型半導体を形成することができる。例えば、ｎ型半導体をＳｉとし、そこに加えるドーパント元素がボロンとすることができる。

ドーパント元素の注入方法としては、熱拡散方法とイオンビームによる注入方法がある。深さの制御性の観点からは、イオンビームによる注入方法であることが好ましい。
ショットキー接合を形成する場合は、半導体上に、スパッタ等で金属膜を積層することができる。膜厚制御性の面及びコストの面から位置敏感半導体検出器４１，４４に用いる半導体は、ショットキーバリア型の半導体であることが好ましい。

上述のように、位置敏感半導体検出器は、位置敏感かつエネルギー分析を行うことができる検出器であるため、迷い粒子を分離しノイズの少ない検出を行うことができる。またこの他にも、マイクロチャネルプレートと比較して、熱揺らぎによる偽シグナルが発生しないという利点も有する。マイクロチャネルプレートは、高電圧を用いた電子倍増方式により入射した反跳粒子を計測する。そのため、熱揺らぎによる偽シグナルが発生しやすい。マイクロチャネルプレートでは、この偽シグナルを除去するために、反跳粒子入射時の２次電子シグナルとのコインシデンスを取るなど、様々な機構が必要となる。これに対し、位置敏感半導体検出器４１，４４は、バイアス電圧が２０Ｖ程度と低いため、熱揺らぎによる偽シグナルがそもそも発生せず、容易に高精度の測定を行うことができる。また高電圧による突発的な放電等による故障の恐れもない。

図１に戻り、計測器５０は、位置敏感半導体検出器４０で誘起された電荷からなる電流パルスを電圧パルスに変換する電流電圧変換回路と、電流電圧変換回路からのアナログ信号（電圧パルス）を処理する処理回路とを有する。

計測器５０において、処理回路でアナログ信号を処理する方法は、第１の例の位置敏感半導体検出器４１または第２の例の位置敏感半導体検出器４４のいずれを選択するかにより異なる。

まず、第１の例の位置敏感半導体検出器４１を用いる場合について説明する。
位置敏感半導体検出器４１では、検出部４２は１つである。そのため、電流電圧変換回路からのアナログ信号（電圧パルス）をデジタル信号に変換するアナログデジタル（ＡＤ）コンバータは１つでよい。ＡＤコンバータによって、波高値を求める方式は、フィルター積分方式、デジタル積分法式等を用いることができる。この他にも、ＴＯＴ（Ｔｉｍｅ ｏｖｅｒ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）方式のＡＤコンバータを用いてもよい（国際公開第２０１１／０３９８１９号参照）。これらは信号をＡＤコンバータに入力する前に置かれた増幅器の種類や信号の入力頻度により使い分ける。

フィルター積分方式とは、パルスの立ち上がり時間と減衰時間との合計であるパルス波長が数十ｎｓｅｃの電圧パルスを、フィルター（ＣＲ積分）により数μｓｅｃまで波形整形を行い、この波形整形された電圧パルスが閾値電圧を超えてから一定時間（例えば５００ｎｓｅｃ）を経過した際にサンプルホールドし、そのピーク値を１回だけＡＤ変換することで電圧パルスの波高値を求める方式である。

デジタル積分法式とは、パルスの立ち上がり時間と減衰時間との合計であるパルス波長が数十ｎｓｅｃの電圧パルスを、フィルター（ＣＲ積分）により数μｓｅｃまで波形整形を行い、この波形整形された電圧パルスが閾値電圧を超えてから一定時間（例えば２０ｎｓｅｃ）間隔で例えば８回ＡＤ変換し、このＡＤ変換することで求められた波高値を全て加算することで電圧パルスの波高値を求める方式である。

ＴＯＴ方式とは、パルスの立ち上がり時間と減衰時間との合計であるパルス波長が数十ｎｓｅｃの電圧パルスを、フィルター（ＣＲ積分）により数μｓｅｃまで波形整形を行い、この波形整形された電圧パルスが閾値電圧を超えてから同じ閾値電圧に戻るまでのパルス時間幅を測定することで電圧パルスの波高値を求める方式である。

第１の例の位置敏感半導体検出器４１では、ＡＤコンバータは１つで足る。そのため、制御回路や処理回路が複雑になることはない。したがって、通常のフィルター積分方式、デジタル積分方式を用いて波高値を測定することが好ましい。ただし、位置敏感半導体検出器４１は、検出部４２を動かしながら測定する必要がある。そのため、１箇所ずつデータを集める必要があり、全てのデータを測定するのに時間はかかる。

次いで、第２の例の位置敏感半導体検出器４４を用いる場合について説明する。
位置敏感半導体検出器４４では、検出部４５が複数ある。そのため、複数の検出部４５からのデータを並列処理する必要がある。この場合、フィルター積分法式、デジタル積分方式では、オペアンプからなる比較器の数が膨大になる。例えば、全長１００ｍｍの位置敏感半導体検出器４４の中に１００μｍピッチで検出部４５を並列させる１０００チャンネルの検出器を考えると、ＡＤコンバータの入力チャンネル数も１０００個必要となる。入力チャンネルが１０００個程度あるフィルター積分方式やデジタル積分方式のＡＤコンバータには膨大な比較器が必要で高価であり、場所をとるため、コストがかかる。また処理回路や制御回路が複雑化することも考えられる。

そのため、位置敏感半導体検出器４４のような多チャンネルの用途では、ＴＯＴ方式の処理回路を用いることが好ましい。ＴＯＴ方式では、ＡＤコンバータの各チャンネルに対して比較器が１個で済むため、設備が大掛かりになることを避けることができる。

処理回路での測定精度をより高めるためには、ｄＴＯＴ（ｄｉｎａｍｉｃ Ｔｉｍｅ ｏｖｅｒ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）方式を採用する事がより好ましい。ｄＴＯＴ方式とは、電荷により生じる電位のピークが所定の閾値を上回るタイミングに同期して所定の閾値を増加させるＴＯＴ方式を変形させた測定方式である。そのため、ｄＴＯＴ方式の処理回路は、電荷により生じる電位のピークが所定の閾値を上回るタイミングに同期して所定の閾値を増加させる閾値増加手段を備える。ｄＴＯＴ方式は、国際公開第２０１１／０３９８１９号で提案されているように核医学診断装置の分野で提案されたものではあるが、ＨＥＲＤＡやＨＲＢＳ等の極表面分析の分野では知られておらず、用いられていた例はない。

図５は、ｄＴＯＴ方式を用いた処理回路の回路図である。処理回路５１は、比較器５２と、基準パルス発生器５３と、初期閾値電源５４と、抵抗５５，５６と、コンデンサ５７と、カウンタ回路５８とを備える。

比較器５２は、波形整形されたアナログパルスＰａと基準電圧に相当する初期閾値Ｖｔｈまたは増加閾値Ｖｒｅｆとを比較する。基準パルス発生器５３は、アナログパルスＰａが初期閾値Ｖｔｈよりも大きいときに、所定の時間に亘って所定の波高値の基準パルスＰｍを発生させるパルス発生器である。初期閾値電源５４は、基準電圧に相当する初期閾値Ｖｔｈを比較器５２に出力する。抵抗５５は、初期閾値電源５４と比較器５２との間に接続される。コンデンサ５７と抵抗５６は、増加閾値Ｖｒｅｆの増加に用いられる。カウンタ回路５８は、比較器５２から出力されるデジタルパルスＰｄの波高値を計測する。ここで、コンデンサ５７及び抵抗５６が閾値増加手段に相当する。

比較器５２は、信号入力（プラス側）端子に与えられる電圧パルスが基準電圧入力（マイナス側）に設定される所定の閾値を超えると出力をＯＮし、その電圧パルスが基準電圧として設定される所定の閾値を下回ると出力をＯＦＦする。すなわち、アナログパルスＰａが基準電圧として設定される初期閾値Ｖｔｈを上回るときに、比較器５２はデジタルパルスＰｄの出力をＯＮする。そして、アナログパルスＰａがピーク値を過ぎて減衰しながら基準電圧として設定される増加閾値Ｖｒｅｆを下回るときに、比較器５２は出力をＯＦＦする。比較器５２は、デジタルパルスＰｄを基準パルス発生器５３とカウンタ回路５８に出力する。

初期閾値Ｖｔｈは、一定の電圧値である。また、初期閾値Ｖｔｈは低い電圧値であることが好ましい。これは、電圧パルスは波高値が高いほど初期閾値Ｖｔｈを上回るまでの時間が短く、波高値が低いほど初期閾値Ｖｔｈを上回るまでの時間が長いからである。その結果、仮に異なる波高値の電圧パルスを同時に計測したとすると、初期閾値Ｖｔｈを上回るタイミングは波高値が高い電圧パルスの方が早い。そこで、初期閾値Ｖｔｈをできるだけ低く設定すれば、この立ち上がりのタイミングのばらつきを抑えることができる。

基準パルス発生器５３は、デジタルパルスＰｄがＯＮするときの立ち上がりをトリガーとして、所定の時間幅および所定の波高値の基準パルスＰｍを発生させる。この基準パルス発生器５３は、コンデンサ５９および抵抗６０を有するワンショットマルチバイブレータ回路（単安定マルチバイブレータ回路）で構成される。基準パルスＰｍはコンデンサ５７および抵抗５６に与えられる。基準パルス発生器５３は、基準パルスＰｍのＯＮからＯＦＦまでの間に他のパルスが入力されても他の基準パルスＰｍを出力しない。基準パルスＰｍの所定の時間幅は、基準パルス発生器５３を構成するコンデンサ５９の容量と抵抗６０の値の積により定まる時定数によって決まる。基準パルスＰｍの所定の波高値は、固定の電圧値である。基準パルスＰｍがＯＦＦのときの波高値は、初期閾値Ｖｔｈと同じ電圧値である。

基準パルスＰｍがコンデンサ５７に印加される間、コンデンサ５７は電荷を蓄積する。電荷の蓄積によりコンデンサ５７は比較器５２に設定される基準電圧を上昇させる。これにより、コンデンサ５７は基準パルスＰｍの所定の時間幅に亘り増加閾値Ｖｒｅｆを増加させる。コンデンサ５７の容量と抵抗５６の値との積により定まる時定数は、増加閾値Ｖｒｅｆが増加する時間、すなわち基準パルスＰｍの所定の時間幅に合わせて設定する。

このように、基準パルスＰｍを抵抗５６およびコンデンサ５７を介して比較器５２の基準電圧としてフィードバックさせると、増加閾値Ｖｒｅｆは初期閾値Ｖｔｈを超えてからの時間とともに上昇する。増加閾値Ｖｒｅｆの電圧値は、Ｖｍ×（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ））によって定まる。ここで、Ｖｍは基準パルスＰｍの波高値である。ｔは増加閾値Ｖｒｅｆが初期閾値Ｖｔｈを超えてから時間である。τはコンデンサ１１の容量と抵抗１２の値との積によって定まる時定数である。増加閾値Ｖｒｅｆは、ｔの値が大きくなるに従って指数関数的に増加して波高値Ｖｍに漸近する。時定数τが大きくなるに従って波高値Ｖｒｅｆに近づくまでの時間が長くなり、時定数τが小さくなるに従って波高値Ｖｒｅｆに近づくまでの時間が短くなる。よって、基準電圧Ｐｍのパルス時間幅Ｔｍの範囲内で、コンデンサ５７と抵抗５６との組み合わせによって、時定数τを自由に設定できる。

カウンタ回路５８は、デジタルパルスＰｄのパルス時間幅を計測することにより、パルスの波高値を計測する。すなわち、カウンタ回路５８は、デジタルパルスＰｄの立ち上がりに同期してカウンターパルスを発生させるとともに、デジタルパルスＰｄの立ち下がりに同期してカウンターパルスを停止させる。そして、この間に計数されるパルスのカウント数に応じてアナログパルスＰａの波高値が計測される。

このように、ｄＴｏＴの回路は通常のＴｏＴ同様、比較器が１個とシンプルなため、約１０ミリメートル角のサイズの特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ； ＡＳＩＣ）に数十チャンネルのＡＤコンバータを容易に作りこむことができ、多データの並列処理に適する。

次に、図６を参照して、増加閾値Ｖｒｅｆを増加させるタイミングを説明する。図６は、縦軸をパルス波高値とし横軸をパルス時間幅とするタイミングチャートである。Ｐａ１，Ｐａ２，Ｐａ３は比較器５２に入力されるアナログパルスである。Ｐｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３は比較器５２から出力されるデジタルパルスである。Ｗｔｏｔ１，Ｗｔｏｔ２，Ｗｔｏｔ３はＰｄ１，Ｐｄ２，Ｐｄ３のパルス幅である。Ｐｍは基準パルス発生器５３から出力される基準パルスである。Ｔｍは基準パルスＰｍのパルス幅であり、Ｖｍは基準パルスＰｍの波高値である。増加閾値Ｖｒｅｆは基準パルスの波高値Ｖｍに近づくように増加する。

アナログパルスＰａ１が初期閾値Ｖｔｈを上回るタイミングに同期してデジタルパルスＰｄ１は立ち上がり、アナログパルスＰａ１が増加閾値Ｖｒｅｆを下回るタイミングに同期してデジタルパルスＰｄ１は立ち下がる。デジタルパルスＰｄ１の立ち上がりをトリガーとして基準パルスＰｍは立ち上がり、所定の時間Ｔｍを経過後基準パルスＰｍは立ち下がる。基準パルスＰｍの立ち上がりに同期して増加閾値Ｖｒｅｆは増加する。増加閾値ＶｒｅｆはアナログパルスＰａ１とのクロスポイント電位Ｖｃｐ1を超えた後も増加し、基準パルスＰｍの立ち下がりに同期して初期閾値Ｖｔｈまで減衰する。Ｐａ２，Ｐａ３についてもＰａ１と同様であるため説明を省略する。

アナログパルスＰａ１，Ｐａ２，Ｐａ３と初期閾値Ｖｔｈとのクロスポイント電位Ｖｃｐ１´，Ｖｃｐ２´，Ｖｃｐ３´は、近い時間内に発生するが、クロスポイント電位Ｖｃｐ１，Ｖｃｐ２，Ｖｃｐ３は、Ｖｃｐ１´，Ｖｃｐ２´，Ｖｃｐ３´に比べて時間の間隔が十分広い。そして、パルス時間幅Ｗｔｏｔ１，Ｗｔｏｔ２，Ｗｔｏｔ３は、アナログパルスＰａ１，Ｐａ２，Ｐａ３のパルス波高値に対応して十分に差が出ている。
すなわち、ＴＯＴ方式と比較してｄＴＯＴ方式を用いることで、パルスの時間幅を波高値に精密に変換することができる。

第２の例の半導体検出器４４は、第１の例の半導体検出器４１と異なり、データを並列処理する。そのため、より高速でデータの処理を行うことができる。またｄＴＯＴ方式を用いることで、装置が大掛かりになることを避け、かつ精密な計測を行うことができる。

（分析装置、分析システム：ＨＲＢＳ）
本発明のＨＲＢＳを用いた測定装置は、被測定物を設置できる設置部を有するチャンバーと、加速器で発生したイオンビームを設置部に向けて導く導管と、設置部に設置された被測定物に照射されたイオンビームのうち散乱した散乱イオンに磁場を印加し、散乱イオンのエネルギーに対応する方向に散乱イオンの進行方向を変化させる分析部と、前記散乱イオンの軌跡と平行な平面に対して垂直な方向に延在する検出部を有する位置敏感半導体検出器と、位置敏感半導体検出器に接続され、位置敏感半導体検出器で生じた電荷をデジタル化して計測する計測器と、を備える。

分析部で分離されるもの及び位置敏感半導体検出器で検出されるものが、反跳粒子から散乱イオンに変化したこと以外は、上述のＨＥＲＤＡを用いた分析装置１００と同様である。

そのため、ＨＲＢＳを用いた分析装置とＨＥＲＤＡを用いた分析装置とで、構成上の違いはほとんどない。ＨＲＢＳを用いた分析装置とＨＥＲＤＡを用いた分析装置１００との構成上の違いは、図１においてチャンバー１０と分析部３０の接続をより導管２０に近い接続部１２を介して行う点である。

この異なる接続部１２を用いるのは、ＨＥＲＤＡが被測定物Ｓから弾き出された反跳粒子を計測するのに対して、ＨＲＢＳが被測定物Ｓによって弾性散乱した散乱イオンを計測するためである。ＨＲＢＳでは導管２０から入射したイオンビームが被測定物Ｓによって後方散乱されるため、分析部３０はＨＥＲＤＡの場合と比較して導管２０側に接続される。
その他の構成は、上述のＨＥＲＤＡを用いた分析装置１００と同様の構成を用いることができるため、説明を省く。

本発明の分析装置（ＨＥＲＤＡを用いた分析装置及びＨＲＢＳを用いた分析装置）は、位置敏感かつエネルギー分析を行うことができる位置敏感半導体検出器を有する。そのため、従来の分析装置に比べて、検出精度を２桁も高めることができる。その結果、ＨＥＲＤＡを用いた分析装置では試料中の軽元素の定量分析、ＨＲＢＳを用いた分析装置では試料中の元素の組成分析をより精密に行うことができる。例えば、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体デバイスの酸化物中及び酸化物と半導体との界面における水素等の非常に微量な水素の含有も定量化することができる。また鉄鋼中の水素の量を測定することで、鉄鋼の脆性を計測することもできる。この他、燃料電池の汚染等の確認も行うことができる。

（分析システム）
本発明の分析システムは、上述の分析装置と、分析装置にイオンビームを供給する加速器とを備える。イオンビームは、加速器から分析装置の導管に供給される。
加速器は、１ＭＶ程度のエネルギーを出力することができる加速器であれば特に問わない。例えば、公知のタンデム型加速器等を用いることができる。
本発明の分析システムは、上述の分析装置を有するため、試料の表面近傍の状態を非破壊かつ高感度に分析することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示す構成の分析装置を準備した。水素を含んだアモルファスカーボンを被測定物として、設置部に設置した。この水素含有アモルファスカーボンに対して、加速器により５００ｋｅＶの^１６Ｏ^＋をイオンビームとして照射した。
そして、アモルファスカーボンからイオンビームにより弾き出されたプロトンを半導体検出器で検出した。このとき分析部は、入射口から射出口に至るまで９０°カーブする９０°マグネットを用いた。半導体検出器は、図２にしめす第１の半導体検出器を用いた。検出部は、幅１ｍｍ×長さ８ｍｍとし、幅方向に平行移動させて２１回、検出を行った。その結果を、図７に示す。図７において、縦軸は水素シグナルのカウント数であり、横軸は水素のエネルギー強度である。

（比較例１）
比較例１は、実施例１の分析装置と比較して、半導体検出器をマイクロチャネルプレートに変更した点のみが異なる。その他の構成及び測定条件は同じとした。測定結果を図８に示す。図８において、縦軸は水素シグナルのカウント数であり、横軸は水素の入射した幅方向の位置である。

図７及び図８に示すように、実施例１では水素シグナルとノイズの強度比が１０００：１であるのに対し、比較例１では水素シグナルとノイズの強度比が１０：１である。すなわち、同条件で分析を行った場合、実施例１の分析装置は比較例１の分析装置に対して２桁感度が高いことが確認できる。

図７と図８において横軸が異なるのは、比較例１はエネルギー分析能を有さず、位置分析しかできないためである。いずれでも、カウント数がゼロ付近で検出されているものがノイズである。

１０…チャンバー、１１…設置部、１２…接続部、２０…導管、３０…分析部、４０…半導体検出器、４１…第１の半導体検出器、４２…検出部、４３…スライダ、４４…第２の半導体検出器、４５…検出部、４６…スリット、４７…不感層、４８…半導体、５０…計測器、５１…処理回路、５２…比較器、５３…基準パルス発生器、５４…初期閾値電源、５５，５６，６０…抵抗、５７，５９…コンデンサ、５８…カウンタ回路、１００…分析装置

Claims (9)

1. 被測定物を設置できる設置部を有するチャンバーと、
   加速器で発生したイオンビームを前記設置部に向けて導く導管と、
   前記設置部に設置された前記被測定物に前記イオンビームを照射することにより反跳した反跳粒子に磁場又は電場を印加し、前記反跳粒子のエネルギーに対応する方向に前記反跳粒子の進行方向を変化させる分析部と、
   前記反跳粒子の軌跡と平行な平面に対して垂直な方向に延在し、前記反跳粒子をその進行方向毎に検出可能な複数の検出部を有する位置敏感半導体検出器と、
   前記位置敏感半導体検出器に接続され、前記位置敏感半導体検出器で生じた電荷をデジタル化して計測する計測器と、を備え、
   前記複数の検出部は、前記複数の検出部の延在方向かつ前記複数の検出部に前記反跳粒子が衝突する方向に対し垂直な方向に並列された複数の検出部であり、
   前記計測器は、ＡＤコンバータを備え、
   前記ＡＤコンバータは、複数の入力チャンネルを備え、
   前記複数の入力チャンネルは、それぞれ閾値電圧が異なり、
   前記複数の検出部のそれぞれは、異なる入力チャンネルに設定されている分析装置。
2. 被測定物を設置できる設置部を有するチャンバーと、
   加速器で発生したイオンビームを前記設置部に向けて導く導管と、
   前記設置部に設置された前記被測定物に照射された前記イオンビームのうち散乱した散乱イオンに磁場又は電場を印加し、前記散乱イオンのエネルギーに対応する方向に前記散乱イオンの進行方向を変化させる分析部と、
   前記散乱イオンの軌跡と平行な平面に対して垂直な方向に延在し、前記散乱イオンをその進行方向毎に検出可能な複数の検出部を有する位置敏感半導体検出器と、
   前記位置敏感半導体検出器に接続され、前記位置敏感半導体検出器で生じた電荷をデジタル化して計測する計測器と、を備え、
   前記複数の検出部は、前記複数の検出部の延在方向かつ前記複数の検出部に前記散乱イオンが衝突する方向に対し垂直な方向に並列された複数の検出部であり、
   前記計測器は、ＡＤコンバータを備え、
   前記ＡＤコンバータは、複数の入力チャンネルを備え、
   前記複数の入力チャンネルは、それぞれ閾値電圧が異なり、
   前記複数の検出部のそれぞれは、異なる入力チャンネルに設定されている分析装置。
3. 前記複数の検出部のうち隣接する検出部の間に形成されるスリットの幅ｄと、隣接する前記検出部のピッチｐの比が、ｄ：ｐ＝０．５：１０〜２：１０の関係を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の分析装置。
4. 前記位置敏感半導体検出器に用いられる半導体の不感層の厚みが、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析装置。
5. 前記位置敏感半導体検出器に用いられる半導体が、ｎ型半導体に対しドーパント元素をイオン注入したｐｎ接合型の半導体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の分析装置。
6. 前記位置敏感半導体検出器に用いられる半導体が、半導体上に金属膜が積層されたショットキーバリア型の半導体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の分析装置。
7. 前記計測器が、前記電荷により生じる電位のピークが所定の前記閾値電圧を超えている時間を測定することで適切な信号と不適切な信号とを区別することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の分析装置。
8. 前記計測器が、前記電荷により生じる電位のピークが所定の前記閾値電圧を上回るタイミングに同期して前記所定の前記閾値電圧を増加させる閾値電圧増加手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の分析装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の分析装置と、
   前記分析装置にイオンビームを供給する加速器とを備える分析システム。

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