JP2000292385A

JP2000292385A - 表面分析装置

Info

Publication number: JP2000292385A
Application number: JP11097204A
Authority: JP
Inventors: Takao Kusaka; 貴生日下
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-04-05
Filing date: 1999-04-05
Publication date: 2000-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】試料の位置決めや分析領域の把握を容易に
し、より信頼性の高い試料表面の電子像観察と電子分光
分析が可能な表面分析装置を提供する。【解決手段】固体試料９の表面から放出された電子を
レンズにより集束しエネルギー分析器１７で分光する分
光分析系と、該電子を用いて固体試料９表面の拡大像を
電子レンズで結像するための表面観察系の両機能を兼ね
備え、分光分析のためのレンズ系と結像のためのレンズ
系が同一のレンズ鏡筒２を使用していることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は表面分析技術に係わ
り、特に固体試料表面から放出された光電子の分光分析
および結像観察に関する。

【０００２】

【従来の技術】表面分析とは試料から放出される電子、
イオン、Ｘ線等のエネルギーや強度分布を調べることに
より、その試料の組成や化学結合状態、あるいは試料の
電子構造を分析するものである。試料表面から電子やイ
オン等を放出させるための励起線には、電子線、Ｘ線、
イオンといった電離放射線が用いられる。

【０００３】表面分析の一つの手法として光電子分光法
がある。光電子分光は、真空内に置かれた試料に高エネ
ルギーの単色光を照射し、外部光電効果によって放出さ
れる光電子のエネルギー分布（光電子スペクトル）を測
定する技術として知られている。固体内の原子は電子に
対する正のポテンシャルを形成し、そのポテンシャル井
戸の中に様々な電子準位が存在し得る。電子の入った被
占有準位としては、化学結合に寄与せずに原子核近傍の
深いポテンシャルの中に局在している内殻準位と、結合
形成に伴って原子軌道からできた価電子準位とがある。
これらの被占有準位の上には原子間に広がった空準位が
存在する。

【０００４】ここにエネルギーｈνの光が入射すると、
様々なエネルギーをもった電子が被占有準位から空準位
へ励起される。ｈνが充分に大きければ、励起後の電子
エネルギーは真空準位よりも高くなり、電子は固体の外
に飛び出す。電子の一部は、固体内を通って表面に到達
するまでに種々の散乱を受けてエネルギーを失うが、散
乱されずに表面に達した電子は固体外に放出される。

【０００５】放出電子の運動エネルギーＥｋは、Ｅｋ＝
ｈν−Ｅｂ−φで与えられる。ここでＥｂは電子の束縛
エネルギーを、φは試料の仕事関数を示す。

【０００６】光励起された直後の電子エネルギー分布を
決める最も強い因子は、被占有準位の状態密度であるの
で、散乱を受けなかった光電子のエネルギー分布を測定
することにより被占有準位の構造を知ることができる。

【０００７】固体の奥深くで励起された電子は、表面に
到達する前に散乱されるため、表面から飛び出せない。
このため、光電子分光で調べることができるのは、表面
から数十オングストローム程度の深さまでである。この
ことは、表面近傍の電子状態だけがスペクトルに寄与
し、表面の分析手段として光電子分光を使用し得ること
を示している。

【０００８】光電子分光は、光源のエネルギーによって
二つに分けることができる。エネルギーが小さい場合に
は、電子放出は価電子準位からしか起きない。エネルギ
ーが大きい場合には、より深い原子の内殻準位からも放
出が起きる。このため、価電子準位の電子構造を観測す
るには、真空紫外光源が用いられる。これは紫外線光電
子分光（ＵＰＳ：ＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔＰｈｏｔｏ
ｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）と呼ば
れる。また、内殻準位からの光電子放出を用いて原子の
内殻の電子構造を観察するには、Ｘ線光源が用いられ
る。これはＸ線光電子分光（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙＰｈ
ｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）
と呼ばれる。このように光電子分光は、化学遷移には現
れない被占有準位の電子構造を観察するために、非常に
有力な手段である。

【０００９】光電子分光装置は、線源からの単色光を試
料に照射し、照射により試料から発生した光電子をイン
プットレンズにより集束してアナライザーに導き、ここ
でエネルギー分光する。そして、分光された光電子を検
出器で検出して光電子のエネルギースペクトルを得、ス
ペクトルを解析して試料の組成や化学状態、電子構造な
どを分析する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来より、選択された
領域の光電子分光分析のために、試料の位置決めをした
り分析中の領域を判断するために、光学顕微鏡が表面観
察手段として使用されてきた。過去においては簡単な顕
微鏡で十分であったが、器械の進歩に伴い分析領域の大
きさは小さくなり、倍率の拡大、被写体深度の浅さ、安
定性の向上を含めて顕微鏡に対して新たな要求が課され
ている。顕微鏡は分析領域の中心に合わせなければなら
ないが、その手続は不便で種々の誤差を生じがちであ
る。上記誤差は分析領域が小さい程著しくなり、システ
ムの使用中は位置合せの誤差は明らかではないため、誤
った分析結果をもたらすおそれがある。倍率を大きくし
被写体深度を浅くするには顕微鏡の対物レンズを径が大
きく（又は）試料表面に近くすることによって、他の装
置の場合に使用可能な試料周囲の立体角が変化できるよ
うにすることが必要である。

【００１１】表面形態を観察する一般的なものとして走
査電子顕微鏡（ＳＥＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔ
ｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）がある。走査電子顕微
鏡では一本の集束電子ビームがサンプル面上をラスター
走査される。同表面から発せられた二次電子はラスター
位置と相関的に検出される。上記二次電子信号は電子的
に処理されて表面の位相的な特徴の様相もしくは映像を
提供する。しかし走査電子顕微鏡を光電子分光装置と同
じ高真空チャンバー内に設置するためには、電子線源や
二次電子検出器の増設のみならず、多くの可動部品を高
真空対応にする必要があり、非常に高額の装置となって
しまうという問題点がある。さらにインプットレンズの
光軸と二次電子像の位置合わせが必要な上に、電子ビー
ムの照射は試料表面ヘダメージを与える可能性が高い。

【００１２】また、形態観察の代表的なもう一つの手法
として透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉ
ｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）があ
るが、この場合には試料形状に制約があり、より一般的
な試料について固体表面を観察する目的には不適であ
る。

【００１３】以上のように、光電子分光分析の際に試料
の位置決めをしたり分析領域を判断するのに必要な表面
観察手段において、光学顕微鏡よりも高倍率でかつ簡易
に設置できる手法が提案されていないのが現状である。

【００１４】本発明は、上記の事情に鑑み、試料の位置
決めや分析領域の把握を容易にし、分析領域の位置合せ
の誤差による誤った分析を無くし、より信頼性の高い試
料表面の拡大像観察と電子分光分析が可能な表面分析装
置を提供することを目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】平坦な表面からの電子放
出像を観察する方法として、光電子顕微鏡に代表される
エミッション顕微鏡法が知られている（Ｗ．Ｅｎｇｅ
ｌ，Ｍ．Ｅ．Ｋｏｒｄｅｓｃｈ，Ｈ．Ｈ．Ｒｏｔｅｒｍ
ｕｎｄ，Ｓ．ＫｕｂａｌａａｎｄＡ．ｖｏｎＯｅｒ
ｔｚｅｎ，Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，３６（１
９９１）１４８−１５３．）。エミッション顕微鏡法は
平面状の試料表面から放出される電子（熱電子、光電子
等）を加速し、電子レンズで結像して表面を観察する方
法であり、その空間分解能は走査電子顕微鏡等には及ば
ないが、光学顕微鏡よりは拡大率が高く、リアルタイム
で像を観察できるので、放出強度の空間分布のみなら
ず、時間変化も高い時間分解能で観測できることが大き
な特徴である（Ｍ．ｍｕｎｄｓｃｈａｕ，Ｍ．Ｅ．Ｋｏ
ｒｄｅｓｃｈ，Ｂ．Ｒａｕｓｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｗ．Ｅ
ｎｇｅｌ，Ａ．Ｍ．ＢｒａｄｓｈａｗａｎｄＥ．Ｚ
ｅｉｔｌｅｒ，ＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２２
７（１９９０）２４６−２６０．）。

【００１６】本発明は、試料表面から放出された電子を
エネルギー分析器で分光する装置に、上記エミッション
顕微鏡の原理を応用し、試料表面から放出された電子を
利用して試料表面の拡大像観察をも行えるようにしたも
のである。

【００１７】すなわち、本発明は、固体試料表面から放
出された電子をレンズにより集束しエネルギー分析器で
分光する分光分析系と、該電子を用いて固体試料表面の
拡大像を電子レンズで結像するための表面観察系の両機
能を兼ね備えたことを特徴とする表面分析装置に関す
る。

【００１８】本発明の表面分析装置によれば、試料の位
置決めや分析領域の把握が容易になり、また、エミッシ
ョン顕微鏡の原理の応用により像観察の空間分解能を１
００ｎｍ程度とすることができ、光学顕微鏡よりも拡大
率が高く、光電子分光の分析領域決定に必要な空間分解
能を十分に満たすことができるため、より信頼性の高い
試料表面の電子像観察と電子分光分析が可能である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の表面分析装置にお
ける好ましい実施形態について説明する。

【００２０】固体試料表面からの電子放出には光電子放
出の他、熱電子放出、電界放出、表面伝導型電子放出な
どが知られているが、本発明の表面分析装置はこれらの
いずれをも適用することができる。

【００２１】光電子分光分析時に固体試料表面から光電
子を放出させるための励起線源としては、真空紫外光源
よりもエネルギーが大きい単色Ｘ線源を好ましく用いる
ことができる。

【００２２】また、光電子像観察時に固体試料表面から
光電子を放出させるための励起線源としては、単色化し
ていない紫外線照射装置を好ましく用いることができ、
例えば単色化されておらずエネルギーの低い水銀ランプ
の紫外線を固体試料表面に照射するのが好ましい。Ｈｅ
やＮｅの共鳴線などの単色化した紫外線を使用すると、
エネルギーが高いため、拡大像の空間分解能が低下して
しまう。一方、単色化されていない紫外線の照射では、
表面の仕事関数の場所的変化によって、光電子放出が変
わるため、表面状態の差をコントラストとした拡大像を
得ることが出来る。

【００２３】本発明の表面分析装置では、分光分析のた
めのレンズ系と結像のためのレンズ系に同一のレンズ鏡
筒を使用することが好ましい。これにより、単一の装置
で試料を移動することなく像の観察と分光分析を行うこ
とができる。なぜなら、結像用の電子レンズ系と分光分
析用の電子レンズ系が同一であるため、光軸が同一とな
り、試料とレンズ鏡筒の相対位置を移動する必要がない
からである。また、レンズ鏡筒が共通なため試料周辺の
空間配置の自由度が高くなる。

【００２４】分光分析のためのレンズ系と結像のための
レンズ系に同一のレンズ鏡筒を使用する場合の装置構成
の好ましい形態としては、例えば以下の３つの形態が採
用できる。１．像観察時に使用されるマルチチャンネル
プレート、蛍光体、ＣＣＤの３つを一体化した二次元検
出器を、分光分析時にレンズにより収束した電子をエネ
ルギ分析器へ導く際の入射スリットとして用いる。２．
像観察時に使用されるマルチチャンネルプレート、蛍光
体、ＣＣＤの３つを一体化した二次元検出器と、分光分
析時にレンズにより収束した電子を前記エネルギー分析
器へ導く入射スリットを、切り替えて使用する。３．像
観察時にはマルチチャンネルプレート、蛍光体、反射
鏡、カメラを使用し、分光分析時には入射スリット、エ
ネルギー分析器、検出器を使用し、それぞれを切り替え
て使用する。

【００２５】上記のような本発明の表面分析装置におい
ては、試料を移動することなく試料表面の光電子像観察
と光電子分光分析が可能となり、また、光電子分光の分
析領域決定に必要な空間分解能を十分に満たした像を観
察することができる。特に、上記１の形態とした場合に
は、観察した像の中心と分光分析時の分析領域の中心は
同一となり、分析位置の決定が極めて容易となる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明するが、本発明
はこれらの実施例に限定されるものではない。

【００２７】（実施例１）図１に本発明の第一の実施例
を示す。１は高真空チャンバーであり、排気部１９から
真空ポンプにより排気して、レンズ鏡筒２、試料９、試
料ステージ１０を１．３×１０^-7Ｐａ〜１．３×１０^-9
Ｐａの真空度に保っている。また半球型エネルギー分析
器１７はイオンポンプ（不図示）により１．３×１０^-8
Ｐａより良い真空度に保たれている。試料ステージ１０
はマニピュレータ１１により３軸方向の粗動および微動
と回転動作、傾斜動作ができるようになっている。１２
は水銀ランプを有する紫外線照射装置であり、石英ポー
ト１３を通して試料９に紫外線光を照射する。また１４
は単色Ｘ線源であり、イオンポンプ（不図示）により
１．３×１０^-8Ｐａの真空度に保たれていて、試料１２
に集束した軟Ｘ線を照射できる。レンズ鏡筒２は対物レ
ンズ３、静電レンズ４、５、６とアパーチャー７、８が
設置されており、光電子像の観察時と光電子分光分析時
で切り替えて使用する。二次元検出器１６はマルチチャ
ンネルプレート、蛍光膜、ＣＣＤから構成され、その中
心部には数ミリの穴が存在し、光電子分光分析時には入
射スリットの役目を果たす。光電子像観察時の二次元検
出器１６からの信号および光電子分光分析時の検出器１
８からの信号は真空外に設置されたコンピュータに送ら
れ、記録される（不図示）。

【００２８】光電子像観察時には、単色化されておらず
エネルギーの低い水銀ランプの紫外線を使用する。単色
化されていない紫外線の照射では、表面の仕事関数の場
所的変化によって、光電子放出が変わるため、表面状態
の差をコントラストとした拡大像を得ることが出来る。
また真空外に紫外線照射装置１２を設置出来るため、シ
ャッターなどの機構をつければ簡単に紫外線照射のオン
オフが可能になる。

【００２９】紫外線照射により試料９より放出された光
電子は、試料９と対物レンズ３の間に印加される加速電
圧により数ｋｅＶから数十ｋｅＶに加速され、対物レン
ズ３の後焦点面に配置されたアパーチャー８を通過した
電子が静電レンズ５、６によって拡大され、二次元検出
器１６上に像を形成する。この像はＣＣＤの出力信号と
してコンピュータに送られ、観察および記録される。水
銀ランプを有する紫外線照射装置１２を使用した場合、
光電子像の空間分解能はおよそ１００ｎｍであった。

【００３０】光電子分光を行う際には、単色Ｘ線源１４
を使用し、ＡｌＫα（１４８６．６ｅＶ）、ＭｇＫα
（１２５３．６ｅＶ）などの集束した軟Ｘ線を試料９に
照射する。試料９より放出された光電子は、レンズ鏡筒
２内のレンズ４、５、６とアパーチャー７、８で集束か
つ減速し、二次元検出器１６の中心部にある入射スリッ
トから半球型エネルギー分析器１７へ導かれる。半球型
エネルギー分析器１７で分光された特定エネルギーの電
子は検出器１８で検出され、増幅器を経てその出力信号
はコンピュータに送られ、記録される。半球型エネルギ
ー分析器１７の内半球および外半球に印加する電圧と、
レンズ鏡筒２への印加電圧を連動してスキャンすること
で、光電子のエネルギースペクトルを得ることが出来
る。

【００３１】光電子分光を行う際の分析領域は、レンズ
４、５、６に印加する電圧とアパーチャー７、８の開閉
度の組み合わせで決まり、１００μｍ□から１０００μ
ｍ×５００μｍの間で変化させる事が出来る。分光分析
の光軸は光電子像観察時の光軸と同一なので、５軸マニ
ピュレータ１１を使用して、分析したい位置の中心を光
電子像の中心位置に移動させることで、分析位置の決定
を行う。

【００３２】（実施例２）本実施例では入射スリットの
役目を兼ねる二次元検出器１６（図１）を使用せず、図
２に示すように、二次元検出器２１と入射スリット２２
を切り替えて使用することを特徴とする。

【００３３】実施例１の二次元検出器１６の場合、中央
に数ｍｍの穴が存在するため、光電子像観察の際に像の
中心部に数ピクセルの欠損が生じてしまう。そこで光電
子像観察時には二次元検出器２１を、光電子分光時には
入射スリット２２をレンズ鏡筒２の上部に移動して使用
することで、欠損の無い像観察と分光分析が可能にな
る。

【００３４】例えば、表面の反応や吸着状態の時間変化
を“その場”観察する様な、分光分析より像観察を重視
した使用方法の際には、本実施例の二次元検出器２１を
使用した方が欠損の無い像観察ができるため良い。

【００３５】（実施例３）本実施例では実施例２と同様
の効果が得られる、図３および図４に示すような、別の
装置構成を説明する。

【００３６】光電子像観察時には、図３のように、ＭＣ
Ｐ付き蛍光板２３に像を結像し、その輝度コントラスト
像を反射鏡２４およびビューポート２５を介して（ＣＣ
Ｄ）カメラ２６で記録する。この時得られる光電子像に
は欠損は無い。またカメラを通さずに直接像を（蛍光板
を）目視することが可能となる。

【００３７】光電子分光分析時には、図４のように、Ｍ
ＣＰ付き蛍光板２３と反射鏡２４を上に移動し、一体化
した半球型エネルギー分析器１７、検出器１８、入射ス
リット２２をレンズ鏡筒２の上部へ移動して分光分析を
行う。

【００３８】（実施例４）本実施例では本発明の表面分
析装置の応用について述べる。

【００３９】固体表面からの電子放出には光電子放出以
外にも熱電子放出や電界放出、表面伝導型電子放出など
が知られている。この中で電界放出、表面伝導型電子放
出はフラットディスプレーを実現させる有力候補として
研究が進められている。電界放出素子や表面伝導型電子
放出素子をフラットディスプレーの電子源として用いる
場合、電子放出部付近の３次元形状や材料の物性が素子
特性を大きく左右するため、良好な特性をもつフラット
ディスプレーを実現するには電子放出部の微小領域にお
ける電子放出現象を十分把握し、また制御する必要があ
る。

【００４０】そこで本発明の表面分析装置を用いて、フ
ラットディスプレーのように平面上に配置された電子源
からの放出電子を分析したところ、個々の放出点の強度
分布やゆらぎ、エネルギースペクトルについての情報を
得ることができた。さらにこれらの放出電子像と並行し
て素子表面からの光電子像を観察すれば、放出電子像の
位置関係が明らかになるだけでなく、表面状態と電子放
出との関係を解析することが可能になった。

【００４１】上記の分析は、固体試料から電子を放出す
るための機構（例えば試料に電圧を印加するための電極
など）のみを追加すれば、図１〜４の装置構成のどれに
おいても分析が可能である。

【００４２】本発明の実施例１〜４においては、光電子
分光に使用するエネルギー分析器として半球型エネルギ
ー分析器を提示したが、これに限られる物ではなく、本
発明の要旨を変更しない範囲で分析器を変えても差し支
えない。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、試料を移動することな
く試料表面の光電子像観察と光電子分光分析が可能な、
表面分析装置を提供することができる。また、光電子分
光分析時の分析領域決定に必要な空間分解能を十分に満
たした像を観察することが可能となり、試料の位置決め
や分析領域の把握が容易にできるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における実施例１を説明する表面分析装
置の概略図である。

【図２】本発明における実施例２を説明する表面分析装
置の概略図である。

【図３】本発明における実施例３を説明する表面分析装
置の概略図である。

【図４】本発明における実施例３を説明する表面分析装
置の概略図である。

【符号の説明】

１高真空チャンバー２レンズ鏡筒３対物レンズ４、５、６静電レンズ７、８アパーチャー９試料１０試料ステージ１１５軸マニピュレータ１２紫外線照射装置１３石英ポート１４単色Ｘ線源１６二次元検出器１７半球型エネルギー分析器１８検出器１９排気部２１二次元検出器２２入射スリット２３ＭＣＰ付き蛍光板２４反射鏡２５ビューポート２６カメラ

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体試料表面から放出された電子をレン
ズにより集束しエネルギー分析器で分光する分光分析系
と、該電子を用いて固体試料表面の拡大像を電子レンズ
で結像するための表面観察系の両機能を兼ね備えたこと
を特徴とする表面分析装置。
【請求項２】前記固体試料表面から放出された電子が
光電子であり、光電子分光分析と光電子像観察が可能で
あることを特徴とする、請求項１に記載の表面分析装
置。
【請求項３】単色Ｘ線源と、単色化していない紫外線
照射装置の両方を装備し、前記光電子分光分析時には該
光電子がＸ線励起によるものであり、前記光電子像観察
時には該光電子が紫外線励起によるものであることを特
徴とする、請求項２に記載の表面分析装置。
【請求項４】前記固体試料表面から放出された電子
が、熱電子放出、電界放出、表面伝導型電子放出のいず
れかにより放出された電子であることを特徴とする、請
求項１に記載の表面分析装置。
【請求項５】前記分光分析のためのレンズ系と結像の
ためのレンズ系が同一のレンズ鏡筒を使用することを特
徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の表面分析装
置。
【請求項６】像観察時に使用されるマルチチャンネル
プレート、蛍光体、ＣＣＤの３つを一体化した二次元検
出器が、分光分析時にレンズにより収束した電子を前記
エネルギー分析器へ導く際の入射スリットを兼ねている
ことを特徴とする、請求項５に記載の表面分析装置。
【請求項７】像観察時に使用されるマルチチャンネル
プレート、蛍光体、ＣＣＤの３つを一体化した二次元検
出器と、分光分析時にレンズにより収束した電子を前記
エネルギー分析器へ導く入射スリットを、切り替えて使
用することを特徴とする、請求項５に記載の表面分析装
置。
【請求項８】像観察時にはマルチチャンネルプレー
ト、蛍光体、反射鏡、カメラを使用し、分光分析時には
入射スリット、エネルギー分析器、検出器を使用し、そ
れぞれを切り替えて使用することを特徴とする、請求項
５に記載の表面分析装置。