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RBS/HFS/PIXE/NRA (ラザフォード後方散乱分析/水素前方散乱分析/粒子励起X線分析/核反応分析)

Analytical Resolution versus Detection Limit

RBS

特徴: 定量分析に標準試料なしで絶対定量が可能

定量分析 検出感度 化学結合状態 破壊測定 空間分解能/ビーム径 深さ分解能
Yes 0.001- 10at% No No(非破壊) 1mm 5-20nm

加速粒子分析技術

  • RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry(ラザフォード後方散乱分析)
  • HFS:Hydrogen Forward Scattering(水素前方散乱分析)
  • PIXE:Particle Induced X-ray Emission(粒子励起X線分析)
  • NRA:Nuclear Reaction Analysis(核反応分析)
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装置構成

  • He+ 、He2+などの軽いイオンを、数MeVのエネルギーに加速し、分析磁場を通すことで、イオン種とエネルギーをそろえて、試料表面に照射する
  • RBSの通常の条件では、2.2 MeVの He2+ イオンが使用される
装置構成図

高加速(MeV)イオンビームプロセス

■ 元素同定の方法
  • 内殻電子エネルギー準位
  • 質量
  • 原子核エネルギー準位
高加速(MeV)イオンビームプロセスの図

RBSの基礎と原理

■ RBS分析の特徴

He+、He2+のような軽いイオンをMeV程度の高エネルギーに加速し試料に照射する事で、固体中の原子核によりラザフォード後方散乱されたイオンのエネルギーを検出する

  • 非破壊で深さ方向の組成分析が可能
  • 結晶性評価が可能
  • 絶対定量が可能

構成原子の物理量(散乱確率)がほぼ完全に分かっているため、標準試料による構成が不要

RBS 検出機のレイアウト

2つの検出機を用いて同時にデータを測定可能

図
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エネルギー損失の原理

試料表面および内部での衝突について

試料表面および内部での衝突についての図

元素の散乱率とエネルギー

元素の散乱率とエネルギーの図

RBSデータの解説

  • Channel numberは後方散乱エネルギーに対応する
  • 表層は右側(高エネルギー側)であり、低エネルギー側ほど試料中の深い情報を示す
  • 重い元素ほど、単位濃度あたりのピークが大きくなる
RBSデータの解説の図
RBSデータの解説の図
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膜厚に対する膜密度の影響

  • RBS分析の基本単位は(atoms/cm2)
  • Density x thickness = atoms/cm2 = ρ
膜厚に対する膜密度の影響図
  • RBS測定のみで膜厚を計算するためには、膜密度を仮定する必要がある
  • 膜厚がTEM, SEM, profilometryなどにより、すでに得られている場合、膜密度を求める事が可能である

Grazing angle Detectorの併用

Grazing angle Detectorの併用図
  • 元素は試料から深さ方向に対して最小のエネルギー損失で直接後方側へ散乱する
  • 試料表層より浅い方向に散乱した元素は、深さに対して大きなエネルギーを損失する
  • この差を用いて、RBSの深さ分解能を向上させることが可能である
  • また、一つの散乱方向より得たデータの不確かさを補う事が可能である

HFS

■ HFSの原理

He はHより重いため 、Hに対するHeの後方散乱は生じない

Hは弾性的な反跳により前方に散乱される

■ HFS検出機のレイアウト
HFS検出機のレイアウトの併用図
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SiN薄膜のRBS/HFS 分析例

分析例の図

NRA

■ NRA分析の特徴

RBS分析では、入射粒子の運動エネルギーが低いため、標的原子のクーロン斥力により原子核内に入りこむ事はできない(ラザフォード散乱)。

NRA分析では、クーロン障壁越えたエネルギーの粒子を照射し、原子核内の核反応によって放出されるγ線をも含めた粒子のエネルギーと強度を測定する。

重元素とは核反応が生じないため、重元素中の軽元素を高感度で測定可能(B、C、N、O etc..)

TiO2膜のRBS/NRA 分析例

分析例の図

PIXE

■ PIXE分析の特徴

PIXE分析では、加速されたイオン(He+ etc..)によって、標的原子の内殻電子が電離されると、同一原子の外殻電子が遷移する。その過程に中に軌道間のエネルギーの差に対応した特性X線、もしくはオージェ電子が放出される。PIXE分析では、特性X線を測定する事により元素を分析する。

Na ~Uまでの元素を高感度に分析が可能

Steel膜のRBS/PIXE 分析例

分析例の図

RBSによる結晶性評価

RBSによる結晶性評価の図
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