JP2001116708A - 結像型光電子放出顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】時間および空間分解能のいずれも良好で放電の
発生しない光電子放出顕微鏡を提供すること。 【解決手段】試料８および電子レンズ系１０の間に、所
定の運動エネルギーおよび放出角度を有する光電子を選
別および集束できるフィルター１を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子顕微鏡に係わ
り、特に試料に紫外線などの励起光を照射し、この照射
により発生した光電子を用いて表面の拡大像を形成する
光電子放出顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】光電子放出顕微鏡とは紫外線やＸ線など
の励起光を試料に照射し、この照射によって試料から発
生する光電子により試料表面の拡大像を形成する顕微鏡
で、表面における化学状態の違いを像のコントラストと
して識別できるという利点を有する。光電子放出顕微鏡
は結像型と走査型の２種類に大別されるが、本発明は結
像型に関する。従来の結像型光電子放出顕微鏡として
は、例えば米国特許第５２６６８０９号明細書に開示さ
れているように、試料表面の全域から発生した光電子
を、試料および対物レンズ間に生成した一様電界により
一定の加速電圧まで加速した後この加速された光電子を
用いて、複数の電子レンズより構成される電子レンズ系
により試料表面全域の拡大像を構成し、蛍光スクリーン
などに結像する。これに対し、走査型光電子放出顕微鏡
では、試料表面の微小領域からの光電子の情報を試料表
面を走査しながら収集し、拡大像を構成する。これらの
動作原理の違いにより走査型光電子放出顕微鏡と比べ、
結像型光電子放出顕微鏡は観察の時間分解能が高く、触
媒現象や表面拡散現象などをリアルタイムで観察できる
という利点を有する。また、２次元表示型球面鏡分析器
として、光電子を反射するフィルターが日本物理学会誌
４９巻４４７頁（１９９４年）に開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
結像型光電子放出顕微鏡には以下に述べる二つの課題が
存在する。まず第一に、結像型光電子放出顕微鏡は時間
分解能は高いものの空間分解能に劣る。これは光電子放
出顕微鏡の作動原理自身に由来する。すなわち電子顕微
鏡の理論と応用Ｉ（電子顕微鏡学会編、丸善、１９６３
年）の第６０頁から第６１頁に記載されているように、
試料および対物レンズ間の距離をａとすると、光電子放
射顕微鏡の空間分解能は試料表面から対物レンズと反対
側−ａ付近の距離に形成される錯円（ｄｉｓｃ ｏｆ
ｃｏｎｆｕｓｉｏｎまたはｃｏｎｆｕｓｉｏｎ ｃｉｒ
ｃｌｅ）の直径ｄ＝４δＥ／ｅＦに規定される。なお、
δＥは放出される光電子のエネルギー分布、Ｆは試料お
よび対物レンズ間の電界、ｅは電子の電荷を表す。

【０００４】第二の課題として従来の結像型光電子放出
顕微鏡では、試料および対物レンズ間に高電圧が印加さ
れているため、試料および対物レンズ間で放電が発生し
やすく、試料が損傷を受ける場合がある。

【０００５】ここで錯円の直径ｄ＝４δＥ／ｅＦを小さ
くして、光電子放出顕微鏡の空間分解能を向上する１つ
の方法は電界Ｆを大きくすることであるが、電界Ｆを大
きくすると、試料および対物レンズ間で放電がさらに発
生しやすくなり試料が損傷を受ける可能性がさらに高く
なるため、電界Ｆを無制限に大きくすることはできな
い。

【０００６】錯円の直径を小さくするもう１つの方法は
放出された光電子のエネルギー分布δＥを小さくするこ
とである。ただしδＥは放出された光電子のエネルギー
分布の幅そのものを表しているわけではなく、放出され
た光電子の強度分布が高いエネルギー値を代表的に表し
たものであることに注意する必要がある。たとえば放出
された光電子の運動エネルギーが０からＥ₀まで分布し
ているとすると、δＥの値は殆どＥ₀であるが、たとえ
放出電子のエネルギーが単色化されている（Ｅ＝Ｅ₀）
としても、やはりδＥの値は殆どＥ₀と解釈すべきであ
り、単色化によって空間分解能の向上はあまり望めな
い。なぜなら、同じ運動エネルギーＥ₀を持つ電子で
も、試料表面から放出される角度の違いによって錯円の
直径が広がってしまうからである。このことは、試料表
面の仕事関数に比べて過剰に大きなエネルギーの励起光
を用いると、必然的に空間分解能が低下することを意味
している。

【０００７】したがって光電子放出顕微鏡の空間分解能
を向上するには、放出された光電子の運動エネルギーだ
けでなく表面からの放出角度も選別された光電子を用い
る必要がある。そこで放出された光電子の運動エネルギ
ーおよび放出角度を選別することのできるフィルターを
対物レンズと試料の間に設置すれば、δＥを小さくする
ことができるためる空間分解能を向上することが可能
で、さらに対物レンズと試料が分離されるため、試料に
高電圧を印加する必要はなく、試料付近の放電を抑制で
きる。

【０００８】本発明においては、時間および空間分解能
のいずれも良好で放電の発生しない光電子放出顕微鏡を
得るため、時間分解能の優れる結像型光電子放出顕微鏡
において、光電子の運動エネルギーおよび放出角度を選
別することのできるフィルターを対物レンズと試料の間
に設置し、結像型光電子放出顕微鏡の空間分解能を向上
し放電を抑制して、化学状態の違いを識別できるという
光電子放出顕微鏡の利点を最大限に活用しようとするも
のである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明によれ
ば、試料に励起光を照射し光電子を放出させるためのラ
ンプと、放出された光電子の中から所定の運動エネルギ
ーおよび放出角度を有する光電子を選別し所定の位置に
集束するフィルターと、集束された光電子から拡大像を
結像する電子レンズ系とを含んでなることを特徴とする
結像型光電子放出顕微鏡が提供される。

【００１０】ここで電子レンズ系とは対物レンズを含
み、従来の結像型光電子放出顕微鏡の鏡筒に含まれるも
のである。本発明においては試料および従来の結像型光
電子放出顕微鏡で使用されている電子レンズ系の間に、
所定の運動エネルギーおよび放出角度を有する光電子を
選別し集束できるフィルターを設置し、選別され集束さ
れた光電子を試料から放出された光電子として電子レン
ズ系により拡大像を形成する。このためδＥを非常に小
さくすることができ、空間分解能は向上する。また対物
レンズを含む電子レンズ系と試料はフィルターにより分
離されるため、試料に高電圧を印加する必要はなく、試
料付近の放電は抑制される。

【００１１】また本発明によれば、試料に励起光を照射
し光電子を放出させるためのランプと、放出された光電
子の中から所定の運動エネルギーおよび放出角度を有す
る光電子を選別し所定の位置に集束するフィルターを２
基以上該光電子の進行経路に沿って直列に接続すること
により構成されるフィルター系と、集束された光電子か
ら拡大像を結像する電子レンズ系とを含んでなることを
特徴とする結像型光電子放出顕微鏡が提供される。

【００１２】すなわち、フィルターの代わりに、フィル
ターを２基以上光電子の進行経路に沿って直列に接続す
ることにより構成されるフィルター系が使用される。複
数のフィルターを有するフィルター系を用いて光電子の
選別および集束を繰り返すことにより、より一層狭い範
囲の運動エネルギーおよび放出角度を有する光電子を選
別することができ、より一層の高空間分解能化が実現で
きる。

【００１３】また分解能向上および試料付近の放電抑制
以外に、本発明の効果として以下が挙げられる。まず第
１に本発明によれば、運動エネルギーと放出角度を様々
に選択することにより、仕事関数の分布や放出強度の角
度分布を定量的に把握することができるので、本発明で
開示される結像型光電子放出顕微鏡は観察装置としてだ
けでなく、表面の分析装置としても有効である。

【００１４】第２として、試料付近に高電界を形成する
必要がないことから放電による試料の損傷が抑制されて
おり、このため試料室へのガス導入を伴う実験が可能と
なる。

【００１５】第３に試料室にガスを導入する場合、結像
型光電子放射電子顕微鏡の電子レンズ系を含む鏡筒はフ
ィルターによって試料と分離されているので、差動排気
によって電子レンズ系を含む鏡筒付近を常に超高真空に
保持できる。したがって、たとえ鏡筒に高電圧を印加し
てもこの付近における放電も抑制される。

【００１６】第４はランプに関する。通常の光電子放出
顕微鏡においては、空間分解能の低下を防ぐために試料
表面の仕事関数よりわずかに大きいエネルギーの励起光
を選択する必要がある。このため仕事関数が５ｅＶ以下
の試料に対しては水銀ランプを用い、５ｅＶ以上の試料
に対しては重水素ランプを用いるというように、試料に
応じてランプを切り替える必要があった。しかしながら
本発明においては、放出角度を選別することによって空
間分解能の低下を防ぐので、励起光のエネルギーは仕事
関数を超えていればよい。したがって本発明では励起光
源の選択の幅が広がり、全体としての諸性能が向上でき
低価格化が実現できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明においては、放出された光
電子の中から所定の運動エネルギーおよび放出角度を有
する光電子を選別し集束するフィルターとして、以下の
２例を挙げることができる。これらのフィルターを採用
することにより、本発明に開示される結像型光電子放出
顕微鏡の諸機能はさらに好ましいものとなるが、本発明
はこれらに限定されない。

【００１８】まず第１例のフィルターはコイルを含んで
なり、前記試料の設置面に対して垂直方向または前記電
子レンズ系の光軸に対して平行方向となるよう該コイル
の内側に一様に形成された磁場を用いて、前記光電子を
選別および集束することを特徴とする。

【００１９】また第２例のフィルターは光電子が導入さ
れる第１アパーチャーと、前記選別された光電子が集束
される第２アパーチャーと、球面状または球面の一部の
曲面状の第１電極と、球面状または球面の一部の曲面状
でグリッド構造の第２電極とを含んでなり、該第２電極
は該第１電極の内側で同心となるよう配置され、該第２
電極の径は該第１電極の径の半分で、該第１および該第
２アパーチャーは該第２電極の内側に配置され、該第１
および該第２電極の内側にそれぞれ一様に形成された静
電場を用いて、前記光電子を選別および集束することを
特徴とする。

【００２０】ここで球面の一部の曲面とは点Ｏを頂点と
する錐がＯを中心とする球面上に切り取る曲面のことを
いい、例えば半球の曲面などを例として挙げることがで
きる。また電極の径とは電極が球面状の場合は、その球
の直径をいい、電極が球面の一部の曲面状の場合は上記
点Ｏを中心とする球の直径をいう。さらに第１および第
２電極が同心となるよう配置されるとは、第１および第
２電極に対応する球の中心またはそれぞれに対応する上
記点Ｏが同位置にあることを意味する。

【００２１】第１例においては、試料の設置面に対して
垂直方向または前記電子レンズ系の光軸に対して平行方
向に一様な磁場を形成し、この磁場の作用により特定の
運動エネルギーと放出角度をもつ光電子だけを特定の位
置に集束させるものである。試料の設置面に対して垂直
方向に一様な電場Ｆ₀と一様な磁場Ｂ₀が存在するときの
電子の運動を考えると、設置面に対して垂直方向の１次
元に投影した軌道は加速度−ｅＦ₀／ｍの等加速度運動
を行い、設置面に対して平行方向の２次元面に投影した
軌道は周期Ｔ＝２πｍ／ｅＢ₀の等速円運動を行う（ｍ
は電子の質量）。従って、設置面内に投影した電子軌道
は、放出された光電子の初期運動エネルギーや放出角度
に依存せずに時間ｔ_n＝ｎＴ（ｎは正の整数）におい
て、厳密に元の放出点位置に戻る。一方、時間ｔ_nにお
いて到達する垂直方向の距離は初速度の垂直成分に依存
する。

【００２２】以上の考察より、試料の設置面から一定の
距離離れた平面上に集束する光電子は、特定の運動エネ
ルギーと放出角度をもつ光電子だけであり、それ以外の
電子はこの平面上で適当に分散した分布をもつ。ここで
放出角度とは電子の放出方向と表面法線方向（あるいは
設置面）とがなす角度として定義され、一定の放出角度
であっても面内３６０°の任意性がある。なお、集束し
た電子の分布を像と見なすと、電場Ｆ₀および磁場Ｂ₀が
空間的に一様である限り、この像は厳密に試料表面と同
一形状であり歪みは全くない。

【００２３】第２例におけるフィルターを図１の１に例
示した。このフィルターでは電極が二つの同心球の半球
から構成されており、これらの電極が生成する電場によ
って試料表面から放出された光電子を反射する。印加す
る電場を適当な条件とすることにより、特定の運動エネ
ルギーおよび放出角度をもつ光電子だけを特定の位置に
集束する。ここで特定の位置とは光電子が入射される位
置に対して、同心球の中心を対称中心とする点対称の位
置である。

【００２４】本発明における結像型光電子放出顕微鏡
は、試料に励起光を照射し光電子を放出させるためのラ
ンプと、上記第１例および第２例のフィルターをそれぞ
れ１基以上該光電子の進行経路に沿って直列に接続する
ことにより構成されるフィルター系と、該フィルター系
により選別および集束された光電子から拡大像を結像す
る電子レンズ系とを含むことができる。

【００２５】また本発明における結像型光電子放出顕微
鏡は、試料に励起光を照射し光電子を放出させるための
ランプと、上記第１例または第２例のフィルターのいず
れか一方のみを２基以上該光電子の進行経路に沿って直
列に接続することにより構成されるフィルター系と、該
フィルター系により選別および集束された光電子から拡
大像を結像する電子レンズ系とを含むことができる。

【００２６】さらに本発明における結像型光電子放出顕
微鏡は、試料に励起光を照射し光電子を放出させるため
のランプと、該光電子の進行経路に沿って上記第１例お
よび第２例のフィルターをこの順に接続することにより
構成されるフィルター系と、該フィルター系により選別
および集束された光電子から拡大像を結像する電子レン
ズ系とを含むことができる。

【００２７】ここに記載したようなフィルター系を採用
することにより単一のフィルターでは実現不可能な性能
を実現できるようになり、所望とする結像型光電子放出
顕微鏡の要求性能や製造コストをより一層実現できるよ
うになる。ただし本発明はこれらに限定されない。フィ
ルター系を使用する場合、試料表面から放出された光電
子を最初のフィルターによって選別および集束し、この
集束面を新たな試料表面と見なして次のフィルターを用
いて選別および集束することにより、特定の運動エネル
ギーと放出角度をもつ電子だけを、さらに厳密に選別す
ることができる。またフィルターを３基以上接続した場
合も、同様の選別および集束が繰り返される。

【００２８】なお充分な空間分解能と良好な像コントラ
ストを得る上で、第１例のフィルター→第２例のフィル
ター→電子レンズ系の順に光電子が通過するように構成
することが望ましいが、第１および第２例のフィルター
の順序を入れ替えた構成や、第１および／または第２の
例のフィルターを複数回用いる構成、例えば、第１例の
フィルター→第２例のフィルター→第１例のフィルター
→電子レンズ系などの構成も本発明に含まれる。

【００２９】本発明で用いられる電子レンズ系として
は、例えば米国特許第５２６６８０９号明細書において
開示されているように、光電子が集束される面および対
物レンズ間に生成した一様な電界により光電子を一定の
加速電圧まで加速した後、複数の電子レンズによって蛍
光スクリーンなどに拡大像を結像する。試料表面から放
出された光電子を例えば第１例のフィルターによって選
別および集束後、さらに第２例のフィルターによって選
別し、選別された光電子を第２アパーチャー上に集束す
る。第２アパーチャー上に集束された光電子を試料表面
と見なし拡大像を結像すれば、特定の運動エネルギーお
よび放出角度をもつ光電子だけを用いて試料表面の拡大
像を形成したこととなる。この結果、前記した錯円の直
径を格段に小さくする（原理的にはゼロにする）ことが
可能となり、空間分解能の向上が達成される。

【００３０】

【実施例】図１に本発明で開示される結像型光電子放出
顕微鏡の例として、２種類のフィルターが電子の進行経
路に沿って接続されている場合を示すが、本発明はこれ
に限定されない。１は第２フィルター、２はＯを中心と
する半球状の第１電極、３はＯを中心とする半球状でグ
リッド構造の第２電極であり、第１電極２の１／２の径
を有する。４は電場補正用の複数のガードリングを示し
ており、第１および第２電極間の端の電場が球対称から
ずれることを防ぐために用いられる。５および６は中心
Ｏに対して対称に配置されたアパーチャーを示してお
り、孔の径は最低観察倍率における観察領域程度に設定
すればよいが、ここではいずれもφ５００μｍとした。
７は紫外線を導入するためのポート、８は試料、９は試
料８の設置面に対して垂直方向に一様な磁場を生成する
ためのコイルを模式的に示しており、第１フィルターを
構成している。１０は電子レンズ系を示している。ま
た、１１は最終的に表面の拡大像が形成される蛍光スク
リーンである。矢印の付された直線および曲線は電子の
進行経路を示している。１２は真空容器（不図示）の壁
の一部を示しており、第１および第２フィルターならび
に電子レンズ系はドライポンプで構成された差動排気シ
ステムによって超高真空に保持されている。また試料８
周辺には種々のガスが導入できるようになっている（不
図示）。

【００３１】試料８は第１アパーチャー６に対して負お
よび正に可変の電位を印加することができるようになっ
ており、この値が負のときは試料から放出された電子は
加速されるが、正のときは減速されるので第１アパーチ
ャー６はハイパスフィルターとして作用する。またコイ
ル９によって試料垂直方向に磁場を形成できるようにな
っているので、領域Ａにおける電子は試料表面垂直方向
に等加速（減速）度運動、試料表面平行方向に等速円運
動を行う。アパーチャー５および６ならびに第２電極３
は等電位に設定され、従って領域Ｂ内で電子は等速直線
運動を行う。第１電極２は第２電極３に対して負の電位
をもっており、領域Ｃ内で電子は第１電極２に対して反
射するような曲線軌道をとる。電子レンズ系１０は第２
アパーチャー５に対して正の高電圧（数ｋＶから数１０
ｋＶ程度）が印加されており、領域Ｄにおいて電子は放
物線軌道をとる。

【００３２】ポート７から重水素ランプによる紫外線を
導入し、第２電極３および第１アパーチャー６を通して
試料８に照射する。この照射により試料８から光電子が
放出され、試料表面垂直方向の電場および磁場により垂
直方向に等加速（減速）運動、面内に等速円運動を行
う。このとき電場および磁場の値を適当に設定すること
により、放出された光電子の中で特定の運動エネルギー
と放出角度をもつ成分だけを第１アパーチャー６面内に
集束する。また、試料８表面に異なる仕事関数をもつ領
域が分布している場合、ハイパスフィルターとしての減
速電場を適当に選ぶことにより、第１アパーチャー６面
上で像のコントラストが高くなる条件を見つけることが
できる。第１アパーチャー６面上に集束した電子の運動
エネルギーをＥとすると、第２電極３に対する第１電極
２の電位を−Ｅに設定すれば、同一の運動エネルギーを
もつ電子だけが選択されて第２アパーチャー５面上に集
束される。したがって、第１アパーチャー６面上に比べ
てさらにコントラストが向上した強度分布を第２アパー
チャー５面上に形成することができる。第２アパーチャ
ー５面を試料表面と見なして、電子レンズ系１０を用い
て適当な加速電圧条件のもとで、蛍光スクリーン１１上
に拡大像を形成する。その結果、低加速から高加速の広
い加速電圧条件にわたって大幅な分解能向上が達成され
る。

【００３３】分解能の向上が達成される理由は、第２ア
パーチャー５面上は特定の運動エネルギーと放出角度を
もつ電子だけが集束されるので、原理的に錯円の式中の
δＥがゼロになるためである。実際には電場および磁場
の分布が理想的条件からずれることからδＥを完全にゼ
ロにすることはできないが、従来の光電子放出顕微鏡の
δＥと比べ格段に小さくすることができ、空間分解能が
向上する。さらに試料８は対物レンズを含む電子レンズ
系１０から分離されているため、試料付近に高電圧を印
加する必要はなく、したがって試料付近の放電が抑制さ
れ試料が損傷を受けることはない。

【００３４】

【発明の効果】本発明における結像型光電子放出顕微鏡
においては、試料および対物レンズを含む電子レンズ系
の間に、特定の運動エネルギーおよび放出角度を有する
光電子を選別および集束できるフィルターが配置されて
いるため、結像型光電子放出顕微鏡の空間分解能が向上
され、試料付近での放電が抑制される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光電子放出顕微鏡の構成例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 第２フィルター ２ 第１電極 ３ 第２電極 ４ ガードリング ５ 第２アパーチャー ６ 第１アパーチャー ７ ポート ８ 試料 ９ 第１フィルターを構成するコイル １０ 電子レンズ系 １１ 蛍光スクリーン １２ 真空容器の壁

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に励起光を照射し光電子を放出させ
   るためのランプと、放出された光電子の中から所定の運
   動エネルギーおよび放出角度を有する光電子を選別し所
   定の位置に集束するフィルターと、集束された光電子か
   ら拡大像を結像する電子レンズ系とを含んでなることを
   特徴とする結像型光電子放出顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記フィルターはコイルを含んでなり、
   前記試料の設置面に対して垂直方向または前記電子レン
   ズ系の光軸に対して平行方向となるよう該コイルの内側
   に一様に形成された磁場を用いて、前記光電子を選別お
   よび集束することを特徴とする請求項１記載の結像型光
   電子放出顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記フィルターは光電子が導入される第
   １アパーチャーと、前記選別された光電子が集束される
   第２アパーチャーと、球面状または球面の一部の曲面状
   の第１電極と、球面状または球面の一部の曲面状でグリ
   ッド構造の第２電極とを含んでなり、該第２電極は該第
   １電極の内側で同心となるよう配置され、該第２電極の
   径は該第１電極の径の半分で、該第１および該第２アパ
   ーチャーは該第２電極の内側に配置され、該第１および
   該第２電極の内側にそれぞれ一様に形成された静電場を
   用いて、前記光電子を選別および集束することを特徴と
   する請求項１記載の結像型光電子放出顕微鏡。
4. 【請求項４】 試料に励起光を照射し光電子を放出させ
   るためのランプと、放出された光電子の中から所定の運
   動エネルギーおよび放出角度を有する光電子を選別し所
   定の位置に集束するフィルターを２基以上該光電子の進
   行経路に沿って直列に接続することにより構成されるフ
   ィルター系と、集束された光電子から拡大像を結像する
   電子レンズ系とを含んでなることを特徴とする結像型光
   電子放出顕微鏡。
5. 【請求項５】 試料に励起光を照射し光電子を放出させ
   るためのランプと、請求項２および３記載のフィルター
   をそれぞれ１基以上該光電子の進行経路に沿って直列に
   接続することにより構成されるフィルター系と、該フィ
   ルター系により選別および集束された光電子から拡大像
   を結像する電子レンズ系とを含んでなることを特徴とす
   る結像型光電子放出顕微鏡。
6. 【請求項６】 試料に励起光を照射し光電子を放出させ
   るためのランプと、請求項２または３記載のフィルター
   のいずれか一方のみを２基以上該光電子の進行経路に沿
   って直列に接続することにより構成されるフィルター系
   と、該フィルター系により選別および集束された光電子
   から拡大像を結像する電子レンズ系とを含んでなること
   を特徴とする結像型光電子放出顕微鏡。
7. 【請求項７】 試料に励起光を照射し光電子を放出させ
   るためのランプと、該光電子の進行経路に沿って請求項
   ２および３記載のフィルターをこの順に接続することに
   より構成されるフィルター系と、該フィルター系により
   選別および集束された光電子から拡大像を結像する電子
   レンズ系とを含んでなることを特徴とする結像型光電子
   放出顕微鏡。