低速多価イオンと物質の相互作用の研究は、対応するイオン源の開発、普及を要したため、非常に新しい分野となっている。1980年代後半になって、代表的な多価イオン源であるElectron Beam Ion Source(EBIS)やElectron Cyclotron ResonanceIon Source(ECRIS)が普及し始め、それとともに、低速の多価イオンとガスや金属表面との相互作用の研究が盛んになってきた。1994年にはEBIS型のイオントラップによるU⁹²⁺の生成も可能になり、多価イオン研究は、新しい段階に入ってきている。

　多価イオンは、大きなクーロンポテンシャルエネルギー(イオン化に必要なエネルギー)を持っており、本実験で用いたArの場合にはAr¹⁶⁺で6keVになり、U⁹²⁺に至っては900keVにもなる。このポテンシャルエネルギーが起因しておこる現象をポテンシャル効果と呼ぶ。本研究では、2次イオン放出におけるポテンシャル効果に注目し、実験をおこなった。

　荷電粒子が固体ターゲットに衝突したとき、その入射位置周辺に様々な形でエネルギーが付与される。その結果、イオンまたは中性の2次粒子が表面から放出される現象、すなわち、スパッタリング現象が生じる。荷電粒子が標的へエネルギーを付与する過程は、入射エネルギーによって変化し、それに応じて2次粒子放出機構を分類することができる。

　入射エネルギーが数10keV/uより高い場合には、イオンは標的内の電子を励起・電離することにより、エネルギーを失う。すなわち、固体内には入射イオンの軌跡に沿って、励起、電離が引き起こされる。その結果、標的原子間にクーロン的な反発が生じ、原子やイオンが放出される(electronic sputteringの機構)。

　入射エネルギーがkeV領域まで下がってくると、入射粒子は標的の電子よりも遅くなり、電子的な励起断面積は非常に小さくなる。かわって、標的へのエネルギー付与機構として、入射イオンと標的原子間の弾性的な衝突過程が重要になってくる。このとき、標的原子は入射イオンと弾性衝突することにより直接運動エネルギーを受け取り、その後、カスケード状に標的内の他の原子と弾性衝突を繰り返した後、一部が表面から放出される(kinetic sputteringの機構)。

　これら二つの過程では、入射イオンの運動エネルギーが表面付近の原子に付与された結果、標的原子のボンドが切れ、2次粒子放出が引き起こされる。一方、低速多価イオンは大きなポテンシャルエネルギーを持っており、これが標的に付与される。多価イオンは固体表面に近づくと、激しく多電子移行をおこす。そのため、多価イオンの入射位置を中心に、表面周辺が一時的に帯電し、その領域では電荷を帯びた状態の原子が多数生成されると考えられる。この帯電状態が長時間続けば、その領域にある電荷を帯びた粒子が互いのクーロン相互作用により、運動エネルギーを得て2次粒子として放出される可能性がある(potential sputteringの機構)。

　比較的低エネルギーの多価イオンを使った低伝導性物質(Si,CsI等)のスパッタリング実験が、80年代後半を中心に幾つかおこなわれており、2次粒子収量の入射粒子価数依存性が調べられている。しかし、potential sputteringが期待できる入射価数が比較的大きい(〜10価)実験では、入射エネルギーも大きく(10keV以上)、kinetic sputteringが無視できない。このことに注意して、これらの実験結果について述べる。まず、2次粒子をH⁺とその他の粒子に分けて考えることができる。H⁺以外の2次粒子収量の価数依存性は、ある場合とない場合があり、価数依存性があっても非常に弱く、価数依存性の有無は明らかではない。これは、上に述べたように、kinetic sputteringがもっとも強くなる入射エネルギー範囲であるため、ポテンシャル効果が相対的に小さくなったことが原因と考えられる。一方、H⁺の場合には(Hは水や炭化水素の形で残留ガスとして試料表面に吸着していると考えられている)、その収量が価数の約3乗に比例するという結果が得られている。これについてモデルが報告されているが、kinetic sputteringが考慮されていない等の問題がある。

　ポテンシャルスパッタリングを研究するために、小型のEBIS型低速多価イオン源と以下に示す2次イオン検出装置を製作した。2次イオン検出装置には、1)大口径のmulti channel plate(MCP)を使い、でてくる2次イオンをすべて検出するようにし、2)2次イオンの種類はターゲットに入射粒子が衝突するときに生じる2次電子をトリガーにして、2次イオンの飛程時間を測定する方法(TOF法)をもちいた。この方法を採用することにより、1)ターゲットの帯電が起こらない程度の弱いビーム強度でも、ノイズの少ない計測ができ、2)入射粒子毎のイベントの測定が可能となり、3)multi-stop TAC(time amplitude converter)をもちいることにより、同時に生成される多数の2次イオン(多重2次イオン放出)を測定でき(ただし、m/qが異なっている場合)、4)TOFスペクトルの2次イオンのピークの幅より、出射エネルギー分布を決定できる。

　ポテンシャルスパッタリングの現象を理解するためには、入射エネルギーをできるだけ下げてkinetic sputteringを抑え、且つ、多電子移行の影響が顕著になるような高い価数を用いる必要があると考え、次の条件で2次イオンの測定をおこなった。入射イオンとして0.02keV-4.8keVのAr^q+(q＝4-16)を用い、標的として電気伝導性が低いC₆₀蒸着膜とCu(表面はCuO)を用いた。実験中の真空度は1×10^-7Torr程度であった。そのため、炭化水素など、残留ガスが吸着する系になっており、C_nHの他に非常に強いH⁺のピークが観測された。そこで、本研究では特に、定量的検出手段が非常に乏しいにも関わらず物性に大きな影響を与える表面上の水素に注目した。H⁺収量の入射イオン価数依存性、入射エネルギー依存性、出射エネルギー分布、等を測定し、H⁺のポテンシャルスパッタリング機構の解明を試みた。

　2次イオンの質量スペクトルを測定した結果、C_nH_m⁺(n＝1-3)の他にH⁺の非常に強いピークが観測された。C₆₀を標的にした場合、2次イオンの質量スペクトルにH_nO⁺が観測されないことと、多重2次イオン放出現象を調べた結果、H⁺とCH_m⁺に相関が強いことを見いだした。これより、本実験においてC₆₀からでてくるH⁺の供給源は水でないことが確かめられた。

　2次イオン収量の入射イオン価数依存性を調べた結果、C_nH_m⁺は、入射エネルギー300-1200eVの範囲で価数を7+から14+に変えると収量が〜3倍程度増加するだけであったが、H⁺の収量は、30倍以上増加した。入射イオンの価数を変え、H⁺収量を詳しく調べた結果、500eVで入射した場合はq^〜4.6、4800eVで入射した場合にはq^〜3.6といったべき依存性をもつことがわかった。この事からAr¹⁶⁺はAr⁺に比べて10⁵倍もH⁺に対して感度が良いことが予測される。表面が酸化されているCuOターゲットに関しても同様の価数依存性が得られ、表面状態に強く依存するものではないと考えられる。H₂⁺放出に関しても同様の結果を得た。

　Ar¹²⁺に関して入射エネルギー依存性を調べた結果、〜400eV以下では入射エネルギーに依存しないことがわかった。この入射エネルギー領域で、kinetic sputteringの影響がなくなったと考えられる。さらにH⁺のTOFスペクトルより出射エネルギー分布を求めた結果、kinetic sputteringによるもの(テイル部)とpotential sputteringによるもの(ピーク部)の2成分からなっていることがわかった。この2つの成分の入射エネルギーと価数に対する依存性から、keV程度の入射エネルギーでもkineticsputteringに起因する現象が無視できず、potential sputteringに起因する現象を見えづらくしていることが本研究により明らかになった。classical over barrier modelに基づいた考察の結果、potential sputteringによって生成されるH⁺の放出エネルギー分布は価数に依存しないと予想され、実験結果もそれに矛盾しないことがわかった。H⁺スパッタリングの価数依存性が非常に強いことから、低速多価イオンは、表面吸着水素を超高感度で検出でき、かつ、ほとんど基盤へ損傷を与えることのないプローブとして、非常に有用である考えられる。以上多価イオンによるプロトンスパッタリングを主に調べた。その中で価数依存性が非常に強いことから、表面吸着水素をダメージレスの高感度検出方法として適用できる可能性、さらに多価イオンと表面の相互作用を調べる手がかりとして、プロトンの放出過程を理解することは極めて重要であると考えられる。