【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粒子ビームを分析試料に照射し、この分析試料から放出される特性Ｘ線を利用して、その分析試料の元素分析を行う元素分析方法に関する。 又、本発明は、この元素分析方法を達成する元素分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の元素分析装置には、図２
に示すような電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙ
ｚｅｒ）が広く用いられてきた。 この電子線マイクロアナライザは、粒子ビームとして電子ビームを使用し、この電子ビームを分析試料に照射し、分析試料に入射した電子により分析試料中の原子の電子をたたき出させることによりこの分析試料中の当該原子を励起状態にして分析試料から特性Ｘ線を放出させ、この分析試料から放出される特性Ｘ線を検出して、その分析試料の元素を特定するものである。

【０００３】詳しくは、この電子線マイクロアナライザは、電子ビームを発生する電子ビーム発生装置１０を有する。 レンズ１２及び走査コイル１３からなる照射機構は、この電子ビームを分析試料１１に照射させ、この分析試料１１に入射した電子を分析試料１１中の原子の電子をたたき出させることによりこの分析試料中の当該原子を励起状態にして分析試料１１から特性Ｘ線を放出させる。 Ｘ線検出器１４は、特性Ｘ線を検出する。 このＸ
線検出器１４の検出結果が、分析試料１１の元素分析に使用される。 なお、分析試料１１は試料微動装置１５上に載せられ、試料微動装置１５により真空室１６内における分析試料１１の位置を微調整される。 真空室１６は真空ポンプ１７により所定の真空度に保たれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）では、その原理によりＸ線発生領域（すなわち元素分析領域）が深さ数［μ
ｍ］程度までとかなり深いために、物質最表面層の元素分析は不可能である（図３参照）。

【０００５】具体的に説明すると、加速電圧：Ｖ ₀ ［ｋ
Ｖ］の電子ビームを平均原子量：Ａ、平均原子番号：
Ｚ、平均密度：ρ［ｇ／ｃｍ ³ ］の物質に入射したときのＸ線発生領域（すなわち元素分析領域）は、臨界励起電圧：Ｖ _k ［ｋＶ］（ただしＶ ₀ ＞Ｖ _k 、Ｖ ₀がＶ _kより小さいときには特性Ｘ線は発生しない）とすると、深さ０．０３３（Ｖ ₀ ^1.7 −Ｖ _k ^1.7 ）Ａ／ρＺ［μｍ］
（通常数［μｍ］）までの広い範囲となる。 この式によると、例えば１０［ｋＶ］の電子ビームをシリコンに打ち込んだときのＸ線発生領域（すなわち元素分析領域）
は、深さ１．３［μｍ］程度までとなる。

【０００６】このように、入射粒子として電子を利用した電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）においては、
特性Ｘ線を発生させるために、励起電圧：Ｖ _k ［ｋＶ］
（通常数［ｋＶ］）以上の高いエネルギーをもった電子を打ち込まなければならず、深さ数［μｍ］程度までといった深い領域の元素分析しかできないという問題点があった。

【０００７】また、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭ
Ａ）よりも浅い領域の元素分析法としてオージェ電子分光法（ＡＥＳ：Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅ
ｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）があるが、この手法をもってしても、元素分析領域は深さ数［ｎｍ］程度までであり、やはり物質最表面層の元素分析は不可能であった（図３参照）。

【０００８】更に、物質最表面層元素分析の従来法として、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａ
ｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｐｏｙ）
があるが、この手法は原理的に破壊分析であり、試料を非破壊で元素分析することができないという問題点があった（図３参照）。

【０００９】本発明の課題は、それ故、分析試料の物質最表面層の非破壊元素分析が可能な元素分析方法を提供することにある。

【００１０】本発明の別の課題は、分析試料の物質最表面層の非破壊元素分析が可能な元素分析装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、粒子ビームを分析試料に照射し、この分析試料から放出される特性Ｘ線を利用して、その分析試料の元素分析を行う元素分析方法において、前記粒子ビームとして陽電子ビームを使用し、この陽電子ビームを前記分析試料に照射し、前記分析試料に入射した陽電子を該分析試料中の原子の電子と対消滅させることによりこの分析試料中の当該原子を励起状態にして前記特性Ｘ線を発生させることを特徴とする元素分析方法が得られる。

【００１２】更に本発明によれば、陽電子ビームを発生する陽電子ビーム発生装置と、前記陽電子ビームを分析試料に照射させ、この分析試料に入射した陽電子を該分析試料中の原子の電子と対消滅させることによりこの分析試料中の当該原子を励起状態にして該分析試料から特性Ｘ線を放出させる照射手段と、前記特性Ｘ線を検出するＸ線検出器とを、備え、このＸ線検出器の検出結果が、前記分析試料の元素分析に使用されることを特徴とする元素分析装置が得られる。

【００１３】

【作用】このように本発明では、粒子ビームとして陽電子ビームを使用し、この陽電子ビームを分析試料に照射し、分析試料に入射した陽電子を分析試料中の原子の電子と対消滅させることによりこの分析試料中の当該原子を励起状態にして特性Ｘ線を発生させることによって、
電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）やオージェ電子分光法（ＡＥＳ）や二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）
などでは不可能であった物質最表面層の非破壊元素分析が可能となった。

【００１４】「特性Ｘ線」とは、物質に通常電子ビームなどを当て、原子の内殻電子をたたき出し、原子を励起状態に変え、その状態から元の基定状態に戻る際に放出される、各元素に固有な線スペクトル状Ｘ線をいう。
「陽電子による特性Ｘ線発生」では、物質に電子ビームではなく、陽電子ビームを当て、「原子の内殻電子をたたき出」す代わりに、「原子の内殻電子を入射陽電子と対消滅させる」ことにより、原子を励起状態に変え、特性Ｘ線を発生させる。 この手法により、物質最表面層の非破壊元素分析やバックグラウンドノイズの小さな元素分析、電子ビームでは不可能であった物質の元素分析などが可能になる。

【００１５】

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

【００１６】図１を参照すると、本発明の一実施例による元素分析方法を達成する元素分析装置は、図２と同様の参照符号で示される同様の部分を含む。 本元素分析装置は、粒子ビームとして陽電子ビームを発生する陽電子ビーム発生装置２０を有するものであり、以下、陽電子線マイクロアナライザ（ＰＰＭＡ：ＰｏｓｉｔｒｏｎＰ
ｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）と呼ぶ。 この陽電子線マイクロアナライザ（ＰＰＭＡ）においては、レンズ１２及び走査コイル１３からなる照射機構は、この陽電子ビームを分析試料１１に照射させ、この分析試料１１に入射した陽電子を分析試料１１中の原子の電子と対消滅させることによりこの分析試料１１中の当該原子を励起状態にして分析試料１１から特性Ｘ線を放出させる。 Ｘ線検出器１４は、当該特性Ｘ線を検出する。 このＸ線検出器１４の検出結果が、分析試料１１の元素分析に使用される。

【００１７】陽電子ビーム発生装置２０は、陽電子ビームの分析試料１１への入射エネルギーが１Ｖ〜１００ｋ
Ｖの範囲にある陽電子ビームを発生する。

【００１８】電子検出器２１は、分析試料１１への陽電子ビーム入射により分析試料１１から放出される２次電子又は反射電子を検出し、分析試料１１の表面の顕微鏡像を得る。

【００１９】分析試料１１に入射した陽電子が分析試料１１中の電子と対消滅するときに発生する消滅γ線を検出するγ線検出器（図示せず）を設けて、Ｘ線検出と同時計数をとるようにしても良い。

【００２０】分析試料１１への陽電子ビーム入射により分析試料１１で散乱される陽電子を検出する陽電子検出器（図示せず）を設けて、陽電子像を得るようにしても良い。

【００２１】更に、図２に示した電子ビーム発生装置１
０を併用するようにしても良い。 この場合、この電子ビーム発生装置１０が陽電子ビーム発生装置２０の代りに起動された時には、レンズ１２及び走査コイル１３からなる照射機構は、電子ビームを分析試料１１に照射させ、分析試料１１に入射した電子により分析試料１１中の原子の電子をたたき出させることによりこの分析試料１１中の当該原子を励起状態にして分析試料１１から特性Ｘ線を放出させる。 又、Ｘ線検出器１４は、当該特性Ｘ線を検出して、このＸ線検出器１４の検出結果が、分析試料１１の元素分析に使用される。

【００２２】次にこの陽電子線マイクロアナライザ（Ｐ
ＰＭＡ）の各部について説明する。

【００２３】陽電子ビームは、サイクロトロンや電子線形加速器などの加速器やβ ⁺崩壊性同位元素などを利用して得られるものを使用する。 陽電子は所定のエネルギーに加速された後、レンズ（収束レンズや対物レンズ）
１２で絞られ、分析試料１１上に照射される。 分析試料１１上に結像される陽電子ビームを真円にするために非点収差補正コイル（図示せず）を用いることもある。

【００２４】走査コイル（陽電子ビーム偏向コイル）１
３は、入射陽電子ビームを分析試料１１面上で任意に走査するためのコイルで、このコイル１３と同期してブラウン管（図示せず）を走査することによって、あらゆる信号の変化をブラウン管上に表示することができる。

【００２５】試料微動装置１５は、分析試料１１のＸ、
Ｙ（水平方向）、Ｚ（上下方向）移動、回転、傾斜などを行うものである。

【００２６】Ｘ線検出器１４は通常波長分散型Ｘ線分光器（ＷＤＳ）を使用するが、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）を併設することもある。 前者の特長は、その優れた波長分解能にあり、後者の特長は多元素同時分析が可能であることである。

【００２７】電子検出器２１は、例えばシンチレータと光電子増倍管よりなっており、２次電子や反射電子を検出する。 また、半導体検出器によって反射電子を検出することもできる。

【００２８】真空ポンプ１７は、ロータリポンプやディフェージョンポンプ、ターボ分子ポンプ、イオンポンプなどを使用する。

【００２９】観察光学系（図示せず）は、試料微動装置１５と併用して、分析試料１１の分析位置を探索確認したり、分析位置をＸ線分光器の焦点を合わせたりするのに利用する。

【００３０】また、必要に応じて、上述の陽電子検出器（図示せず）を用いて陽電子の検出・分析などを行ったり、上述のγ線検出器（図示せず）を用いて消滅γ線の検出・分析などを行うことも有効である。

【００３１】さらに、陽電子ビームの誘導に、陽電子ビーム誘導用コイル（図示せず）による磁場を利用することもある。

【００３２】ここで、入射粒子として電子ではなく陽電子を利用すると、どのようなメリットがあるかを電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）と比較して説明する。

【００３３】前記のように、電子を利用した電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）の場合には、特性Ｘ線を発生させるために、励起電圧：Ｖ _k ［ｋＶ］（通常数［ｋ
Ｖ］）以上の高いエネルギーをもった電子を打ち込まなければならず、深さ数［μｍ］程度までといった深い領域の元素分析しかできなかった。 このため、電子を利用した電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）では、物質最表面層の元素分析が不可能であった。

【００３４】これに対して、入射粒子として陽電子を使用する陽電子線マイクロアナライザ（ＰＰＭＡ）では、
陽電子が分析試料中の電子と対消滅するときのエネルギー収支により、励起電圧：Ｖ _kは０となる。 すなわち、
どんな低エネルギーの陽電子でもＸ線を発生せることができ、そのような低エネルギー（数〜数十［Ｖ］）の陽電子を利用することにより、物質最表面層の元素分析が非破壊で可能となる（図３参照）。

【００３５】具体的に説明すると、加速電圧：Ｖ ₀ ［ｋ
Ｖ］の陽電子ビームを平均原子量：Ａ、平均原子番号：
Ｚ、平均密度：ρ［ｇ／ｃｍ ³ ］の物質に入射したときのＸ線発生領域（すなわち元素分析領域）は、深さ０．
０３３Ｖ ₀ ^1.7 Ａ／ρＺ［μｍ］（サブ［オングストローム］〜数［μｍ］）までとなり、電子ビームを使用するときに存在した「加速電圧：Ｖ ₀の下限値（すなわち、励起電圧：Ｖ _k ）」がなくなる（０になる）。 したがって、十分低エネルギー（数〜数＋［Ｖ］）の陽電子でもＸ線を発生させることが可能であり、そのような十分低エネルギー（数〜数十［Ｖ］）の陽電子を試料に入射すれば、物質最表面層の元素分析が非破壊で可能となる。 また、陽電子のエネルギーを次第に上げていくことにより、物質最表面層から物質表面近傍、さらにより深い領域へと深さ方向非破壊元素分析が可能になる。

【００３６】以上のように、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）では深さ数［μｍ］程度までの深い領域の元素分析しかできないのに対して、陽電子線マイクロアナライザ（ＰＰＭＡ）を使用すれば、物質最表面層から物質表面近傍、さらにより深い領域へと、物質最表面層〜深さ数［μｍ］程度までの深さ方向非破壊元素分析が可能になる。 特に、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭ
Ａ）では不可能であった物質最表面層の元素分析が陽電子線マイクロアナライザ（ＰＰＭＡ）では非破壊で可能となることが、最大の特長である。

【００３７】また、十分低エネルギー（数〜数十［Ｖ］）の陽電子を入射した場合、そのとき発生するバックグランドノイズはかなり小さくなるため、精度（Ｓ
／Ｎ）の良いデータが得られることも、陽電子線マイクロアナライザ（ＰＰＭＡ）の特長としてあげることができる。

【００３８】さらに、入射した陽電子が分析試料中の電子と対消滅するときに放出する消滅γ線を検出し、Ｘ線検出と同時計数をとるようにして、より一層のバックグラウンドノイズ除去による精度（Ｓ／Ｎ）の向上を図ってもよい。

【００３９】このように、陽電子を利用すると、電子を利用したときと比べて、精度（Ｓ／Ｎ）の良い分析が可能になる。 これはすなわち、陽電子を利用すると、電子を利用したときに比べて、少ない電荷量での分析が可能になること、つまり、試料に与える照射効果が小さくてすむことを意味している。 したがって、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）では不可能であった、帯電に敏感な絶縁物質試料表面の分析や緩く表面に結合した吸着原子の分析が、陽電子線マイクロアナライザ（ＰＰＭ
Ａ）では可能になることも、大きな特長である。

【００４０】次にこの陽電子線マイクロアナライザ（Ｐ
ＰＭＡ）の作用を説明する。

【００４１】１）サイクロトロンや電子線形加速器などの加速器やβ ⁺崩壊性同位元素などを利用して得られる陽電子ビームを所定のエネルギーまで加速し、レンズ１
２で収束し、分析試料１１に入射する。 このとき、陽電子ビームのエネルギーは１［Ｖ］〜１００［ｋＶ］まで可変であり、それに応じて元素分析領域も物質最表面層〜数［μｍ］程度まで可変となる。 特に、陽電子ビームのエネルギーが十分低い（数〜数十［Ｖ］）ときには、
物質最表面層の非破壊元素分析が可能となる。 また、陽電子ビームの誘導に、上述の陽電子誘導用コイル（図示せず）による磁場を利用することもある。

【００４２】２）走査コイル１３を用いて、入射陽電子ビームを分析試料１１表面上で走査する。 このとき発生する電子を電子検出器２１で検出し、顕微鏡像を得ることにより分析試料１１表面の形態観察を行うことができる。

【００４３】３）試料微動装置１５により、上記顕微鏡像及び上述の観察光学系（図示せず）を利用して、分析位置の調整・確認を行う。

【００４４】４）試料１１から放出される特性Ｘ線をＸ
線検出器１４で検出し、元素分析を行う。 また、上述の陽電子検出器（図示せず）や上述のγ線検出器（図示せず）などを併用して、より詳細な分析を行うこともある。

【００４５】本発明の主要原理である「陽電子による特性Ｘ線発生」は、物質から特性Ｘ線を放出させ利用する他の事例にも広く適用できる。 すなわち、（１）「陽電子による特性Ｘ線発生」を利用した「分析陽電子顕微鏡」、（２）「陽電子による特性Ｘ線発生」を利用した「軟Ｘ線出現電圧スペクトル法」、（３）「陽電子による特性Ｘ線発生」を利用した「Ｘ線発生装置」、（４）
「陽電子による特性Ｘ線発生」を利用した「Ｘ線回折装置」、（５）「陽電子による特性Ｘ線発生」を利用した「蛍光Ｘ線分析装置」などの新装置を、本発明の主要原理を応用して考案することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、粒子ビームとして陽電子ビームを使用し、この陽電子ビームを分析試料に照射し、分析試料に入射した陽電子を分析試料中の原子の電子と対消滅させることによりこの分析試料中の当該原子を励起状態にして特性Ｘ線を発生させることによって、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭ
Ａ）やオージェ電子分光法（ＡＥＳ）や二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）などでは不可能であった物質最表面層の非破壊元素分析が可能となった。 また、入射する陽電子ビームのエネルギーを変化させることにより、物質最表面層から物質表面近傍、さらにより深い領域へと、
物質最表面層〜深さ数［μｍ］程度までの深さ方向非破壊元素分析が可能になる。 更に、入射する陽電子ビームのビーム径を十分に絞れば、深さ方向に面方向を加えた３次元非破壊元素分析も可能である。

【００４７】また、本発明では、十分低エネルギー（数〜数十［Ｖ］）の陽電子を利用できるので、発生するバックグラウンドノイズを小さくすることができ、精度（Ｓ／Ｎ）の良いデータを得ることができる。 更に入射陽電子が分析試料中の電子と対消滅するときに放出する消滅γ線を検出し、Ｘ線検出と同時計数をとれば、更に高精度の分析が可能になる。

【００４８】また、上述のように、本発明では、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）より高精度の分析が可能になるので、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）
よりも少ない電荷量での分析が可能になり、分析試料に与える照射効果を小さくすることができる。 これにより、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）では不可能であった、帯電に敏感な絶縁物質試料表面の分析や緩く表面に結合した吸着原子の分析が、本発明では可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による元素分析方法を達成する元素分析装置の概略図である。

【図２】従来の元素分析方法を達成する元素分析装置の概略図である。

【図３】従来及び本発明の元素分析方法を説明するための図である。

【符号の説明】

１０ 電子ビーム発生装置 １１ 分析試料 １３ 走査コイル １４ Ｘ線検出器 １５ 試料微動装置 １６ 真空室 １７ 真空ポンプ ２０ 陽電子ビーム発生装置 ２１ 電子検出器