作成： 2001/01/05 米沢 仲四郎
データ番号 ：040237
中性子による元素の深さ方向分析
目的 ：固体物質中におけるホウ素、リチウム等軽元素の深さ方向濃度分布の中性子による非破壊測定
放射線の種別 ：中性子,アルファ線,陽子,軽イオン
放射線源 ：原子炉 (20 MW)
フルエンス（率）：2.5x109/(cm2 s)
利用施設名 ：米国NIST(National Institute of Standards and Technology)の原子炉(NBSR)
照射条件 ：真空
応用分野 ：半導体開発、材料物性研究
概要 ：
中性子深さ方向元素分析(NDP)は、(n, α)反応等によって放出される荷電粒子のエネルギー損失を利用して、固体表面付近における元素の深さ方向分布を測定する非破壊分析法である。NDPは固体表面から数 μm領域のホウ素及びリチウム等の軽元素を約10 nmの分解能及び1011〜1012 atom/cm2 の検出限界で測定することができ、半導体デバイス、光学素子及び太陽電池開発及び材料物性研究等に応用されている。
詳細説明 ：
ホウ素やリチウムは熱中性子によって(n, α)反応を起こし、一定の運動エネルギーを持つα粒子と反跳荷電粒子を放出する。この反応の断面積は3837 barn (10B)及び940 barn (6Li) と非常に大きい。α粒子等の荷電粒子は物質中を通過する際電子と相互作用をし、エネルギーを失いながら直進する。物質中における荷電粒子のエネルギー損失は物質によって異なる阻止能によって決まり、また物質通過後の荷電粒子エネルギーは通過した物質の深さに依存する。ホウ素等の中性子照射によって荷電粒子を放出する元素を含む試料に中性子照射をし、発生する荷電粒子のエネルギースペクトルを測定することにより、試料中におけるホウ素等の深さ方向濃度分布を求めることができる。この分析法は中性子深さ方向分析(NDP, Neutron Depth Profiling)と呼ばれ、1972年Zieglerらによって開発された(参考資料１)。NDP法は表1に示すように、中性子照射によって(n, α)、(n, p)反応等の荷電粒子放出を伴う核反応を起こす同位体(元素)に適用することができる。表には核反応と関連する核データ及び米国NIST(National Institute of Standards and Technology)の冷中性子NDP装置を用いた時の検出限界を示す。
表1 Summary of the NDP reaction characteristics and example detection sensitivities for the 20 MW NIST reactor.（原論文1より引用。 Reproduced, with permission of the copyrighter, from R.G.Downing, G.P.Lamaze, J.K.Langland, S.T.Hwang, J. Res. Nation. Inst. Stand. Technol., Vol. 98, 109-126(1993), Table 1(Data Source 1, pp.110), copyright(1993) by National Institute of Standards and Technology.）
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Elem. Reaction %Abundance or Energy of emitted Cross section Detection
(atoms/mCi)a Particles (barns) limit
(keV) (atoms/cm2)b
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He 3He(n,p)3H 0.00014 572 191 5333 1.5×1012
Li 6Li(n,α)3H 7.5 2055 2727 940 9.0×1012
Bea 7Be(n,p)7Li (2.5×1014) 1438 207 48000 1.7×1011
B 10B(n,α)7Li 19.9 1472 840 3837 2.1×1012
N 14N(n,p)14C 99.6 584 42 1.83 4.5×1015
O 17O(n,α)14C 0.038 1413 404 0.24 3.5×1016
Naa 22Na(n,p)22Ne (4.4×1015) 2247 103 31000 2.3×1011
S 33S(n,α)30Si 0.75 3081 411 0.19 6.0×1016
Cl 35Cl(n,p)35S 75.8 598 17 0.49 1.7×1016
K 40K(n,p)40Ar 0.012 2231 56 4.4 1.9×1015
Nia 59Ni(n,α)56Fe (1.3×1020) 4757 340 12.3 7.0×1014
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aRadioactive species.
bDetection limit based on 0.1 cps, 0.013 Sr detector solid angle,and a neutron
intensity of 6×109s-1.
NDPに利用される中性子吸収断面積は、1/v則によって中性子が低エネルギーになるほど大きくなるため、中性子源としては低エネルギーの冷中性子ビームが適している。NDP装置の一例としてNISTの冷中性子実験設備のNDP装置を図1に示す。図はNISTの初期の冷中性子源で、45Kに冷却された固体重水冷中性子源を利用したNDP装置を示す。冷中性子は、135 mm厚のサファイヤ単結晶を通して高速中性子を取り除いた後、ビームシャッター内のコリメータを通してステンレス製真空チェンバー(直径610 mm)内の試料に照射される。試料から放射されるα粒子及び反跳荷電粒子は表面障壁型シリコン検出器によって検出され、通常のα線スペクトロメーターとほぼ同じ電子回路を介して荷電粒子スペクトルが得られる。本装置の固体重水冷中性子源は1995年に液体軽水素冷中性子源に変更され、さらに冷中性子を効率良くNDP装置まで導くため、スーパーミラーの曲線ガイド管が設置され、サファイヤフイルターが取除かれた。これらの改造により、中性子束が約2倍に増加されて2.5 x109 n/cm2 sとなり、検出下限値は4倍以上改善された。
図1 A schematic layout of Cold Tube-West showing the relative positions of the cold source, sapphire filters, collimators, and the sample chamber.（原論文1より引用。 Reproduced, with permission of the copyrighter, from R.G.Downing, G.P.Lamaze, J.K.Langland, S.T.Hwang, J. Res. Nation. Inst. Stand. Technol., Vol. 98, 109-126(1993), Figure 7(Data Source 1, pp.118), copyright(1993) by National Institute of Standards and Technology. ）
NISTの冷中性子NDP装置によるホウ素の荷電粒子スペクトル及び深さ方向分布の測定例を図2に示す。10B(n, α)反応により、94%は478 keVのγ線放出を伴った4He(1472 keV)と7Li(840 keV)が、そして残りの6%は4He(1776 keV)と7Li(1013 keV)が放出される。図2(a)と(b)に示すスペクトルからは、各ピークが試料中のホウ素の深さ方向分布に応じた広がりを持って観察されている。深さ方向分布は4He(1472 keV)又は7Li(840 keV)のピークを使用し、測定した物質中における各粒子の阻止能の値から計算される。図2(c)には4He(1472 keV)を使用して得られたホウ素の深さ方向分布図を示す。
図2 Energy profiles of particles emitted by the 10B reaction for (a) a 2nm thick surface deposition, (b) a 740 nm thick borosilicate glass film on Si, and (c) the depth profile using only the 1472 keV alpha particles from a borophosphosilicate glass film, 1.2 μm thick.（原論文1より引用。 Reproduced, with permission of the copyrighter, from R.G.Downing, G.P.Lamaze, J.K.Langland, S.T.Hwang, J. Res. Nation. Inst. Stand. Technol., Vol. 98, 109-126(1993), Figure4(Data Source 1, pp.113), copyright(1993) by National Institute of Standards and Technology.）
NDP法は半導体のp-型ドーパントとして重要なホウ素に最も高感度で、その検出下限はppmレベルと低く、深さ方向の分解能も約10 nmと小さい。このことから半導体材料デバイス、光学素子及び太陽電池等の開発及び材料物性の研究に応用されてきた。更に、リチウム、窒素及びヘリウム−3等への応用研究も行われている。
コメント ：
NDP法は良質な中性子ビームが利用できるかどうかに左右されるため、これまでその研究は米国及びヨーロッパで活発に行われてきたが、我国では武蔵工大炉で行われたのみだった。最近日本原子力研究所JRR-3Mの冷及び熱中性子を利用した分析も行われている。本分析法は酸素(17O)の分析も可能であり、材料腐食及び酸化皮膜研究にも有望である。
原論文１ Data source 1：
Neutron depth profiling: Overview and description of NIST facilities
R.G.Downing, G.P.Lamaze, J.K.Langland, S.T.Hwang
National Institute of Standards and Technology (NIST), U.S.A.
J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., Vol. 98, pp.109-126 (1993)
原論文２ Data source 2：
Neutron depth profiling with the new NIST cold neutron source
G.P.Lamaze, H.Chen-Mayer, J.K.Langland, R.G.Downing,
National Institute of Standards and Technology (NIST), U.S.A.
Surface and Interface Analysis., Vol. 25, pp.217-220 (1997)
参考資料１ Reference 1：
Techniques for Determining Concentration Profiles of Boron Impurities in Substrates.
J.F.Ziegler, G.W.Cole, J.E.E.Baglin
J. Appl. Phys.,Vol. 43, 3809 (1972)
キーワード：中性子深さ方向分析, 原子炉, 熱中性子, 冷中性子, 荷電粒子, ホウ素, リチウム, 固体材料, 表面分析, neutron depth profiling, nuclear reactor, thermal neutron, cold neutron, charged particle, boron, lithium, solid material, surface analysis
分類コード：040103, 040402, 040501