JP2001235439A - Radiation electron microscope - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電子顕微鏡に関
し、特に、試料から放出された電子に基づいて試料表面
の拡大像を得る放射電子顕微鏡に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electron microscope, and more particularly to a radiation electron microscope for obtaining an enlarged image of a sample surface based on electrons emitted from the sample.
【０００２】[0002]
【従来の技術】放射電子顕微鏡の一つに、光電子放出効
果を利用して試料表面の拡大像を得る光電子放出顕微鏡
装置がある。光電子放出顕微鏡装置は、紫外線やＸ線等
の励起光を試料に照射し、その照射によって試料から放
出される光電子に基づいて試料表面の拡大像を得る装置
であり、試料表面における化学結合状態の違いを像コン
トラストとして識別することができるという大きな特徴
を有する。この光電子放出顕微鏡装置は、構成の違いか
ら結合型と走査型の２種類に大別されるが、ここでは、
結合型の光電子放出顕微鏡装置について説明する。2. Description of the Related Art As one of emission electron microscopes, there is a photoelectron emission microscope apparatus for obtaining an enlarged image of a sample surface by utilizing a photoelectron emission effect. A photoelectron emission microscope is a device that irradiates a sample with excitation light such as ultraviolet rays or X-rays and obtains an enlarged image of the sample surface based on photoelectrons emitted from the sample by the irradiation. A major feature is that differences can be identified as image contrast. This photoemission microscope apparatus is roughly classified into two types, a coupling type and a scanning type, due to the difference in configuration.
A coupled photoemission microscope will be described.
【０００３】結合型の光電子放出顕微鏡装置の一例とし
て、米国特許第５,２６６,８０９号明細書に記載されて
いるような装置がある。この光電子放出顕微鏡装置は、
図２に示すように、試料２０に励起光を照射する光源２
１と、電子像形成部を構成する対物レンズ２２、静電レ
ンズ２３ａ、２３ｂ、管状レンズ２４、チャンネルプレ
ート形イメージ管２５とから構成されている。このチャ
ンネルプレート形イメージ管２５には、一般に知られて
いる蛍光板等のスクリーンを用いることができる。[0003] An example of a combined photoemission microscopy device is the device described in US Patent No. 5,266,809. This photoemission microscope is
As shown in FIG. 2, a light source 2 for irradiating the sample 20 with excitation light
1, an objective lens 22, an electrostatic lens 23a, 23b, a tubular lens 24, and a channel plate type image tube 25 which constitute an electronic image forming unit. For the channel plate type image tube 25, a generally known screen such as a fluorescent plate can be used.
【０００４】光源２１から試料２０の表面に励起光が照
射されると、試料２０の表面から光電子が放出される。
試料２０の表面から放出された光電子は、試料２０と対
物レンズ２２の間に生成された一様な電界により加速さ
れた後、複数の電子レンズ（２３ａ、２３ｂ、２４）を
経てチャンネルプレート形イメージ管２５上に投影され
る。結果、チャンネルプレート形イメージ管２５に試料
２０の表面の拡大画像が形成される。When the surface of the sample 20 is irradiated with excitation light from the light source 21, photoelectrons are emitted from the surface of the sample 20.
Photoelectrons emitted from the surface of the sample 20 are accelerated by a uniform electric field generated between the sample 20 and the objective lens 22, and then pass through a plurality of electron lenses (23a, 23b, 24) to form a channel plate image. Projected onto tube 25. As a result, an enlarged image of the surface of the sample 20 is formed in the channel plate type image tube 25.
【０００５】上記の光電子放出顕微鏡装置は、観察の時
間分解能が高いという特徴を有することから、主に触媒
現象や表面拡散現象をリアルタイムに観察する手段とし
て用いられている。例えば、文献H.H.Rotermund: Surfa
ce Science Report 29 (1997) 256では、Ｐｔ上におけ
るＣＯとＯ2の触媒現象をＰＥＥＭ（光電子放出顕微鏡
装置）を用いてその場観察することにより、この触媒現
象における反応拡散過程の詳細を明らかにしている。[0005] The above-mentioned photoelectron emission microscope has a feature that the time resolution of observation is high. Therefore, it is mainly used as a means for observing a catalytic phenomenon and a surface diffusion phenomenon in real time. For example, reference HHRotermund: Surfa
ce Science Report 29 (1997) 256 clarifies the details of the reaction-diffusion process in this catalytic phenomenon by observing the catalytic phenomena of CO and O 2 on Pt using PEEM (photoelectron emission microscope) in situ. ing.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の放射電
子顕微鏡は、試料表面から放出された電子を対物レンズ
を用いて集束するように構成されているため、対物レン
ズによって生じる錯乱円（disc of confusionまたはcon
fusion circle）が顕微鏡の空間分解能に大きく影響す
る。具体的に説明すると、放射電子顕微鏡の空間分解能
は、試料表面が対物レンズからａだけ離れた位置にある
とき、対物レンズからその反対側の−ａ付近に生じる錯
乱円の直径ｄ＝４δＥ／ｅＦによって制限される（電子
顕微鏡の理論と応用Ｉ、電子顕微鏡学会編、丸善）。こ
こで、δＥは放出電子のエネルギー分布、Ｆは試料−対
物レンズ間に生成される電界、ｅは電子の電荷を表わ
す。このため、従来の放射電子顕微鏡は、走査型電子顕
微鏡や透過型電子顕微鏡に比べて空間分解能がかなり劣
るという欠点を有する。The above-mentioned conventional emission electron microscope is configured so that electrons emitted from the surface of a sample are focused by using an objective lens, so that a circle of confusion caused by the objective lens is obtained. confusion or con
fusion circle) greatly affects the spatial resolution of the microscope. More specifically, the spatial resolution of the emission electron microscope is such that when the sample surface is located at a position apart from the objective lens by a, the diameter of a circle of confusion generated near -a on the opposite side from the objective lens is d = 4δE / eF. (Theory and Application of Electron Microscopy I, edited by the Society of Electron Microscopy, Maruzen). Here, δE is the energy distribution of the emitted electrons, F is the electric field generated between the sample and the objective lens, and e is the charge of the electrons. For this reason, the conventional emission electron microscope has a disadvantage that spatial resolution is considerably inferior to scanning electron microscopes and transmission electron microscopes.
【０００７】また、従来の放射電子顕微鏡は、試料−対
物レンズ間に高電圧が印加される構成のため、放電によ
って試料が損傷し易いという欠点も有する。Further, the conventional emission electron microscope has a drawback that the sample is easily damaged by electric discharge because of the configuration in which a high voltage is applied between the sample and the objective lens.
【０００８】本発明の目的は、上記欠点を解決し、高い
空間分解能で良質な電子像を得られる放射電子顕微鏡を
提供することにある。An object of the present invention is to solve the above-mentioned drawbacks and to provide a radiation electron microscope capable of obtaining a high-quality electron image with high spatial resolution.
【０００９】本発明のさらなる目的は、放電による試料
の損傷を防止することができる放射電子顕微鏡を提供す
ることにある。A further object of the present invention is to provide a radiation electron microscope capable of preventing a sample from being damaged by electric discharge.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の放射電子顕微鏡は、試料の表面から放出さ
れた特定の運動エネルギーを持つ電子を集束する球面鏡
と、前記球面鏡によって集束される電子の試料表面にお
ける放出角度を制限するアパーチャーと、前記球面鏡の
集束点を前記試料表面における電子の放出点として、そ
の電子像を投影して試料表面の拡大像を得る電子像形成
手段と、を少なくとも有することを特徴とする。In order to achieve the above object, an emission electron microscope according to the present invention comprises a spherical mirror for focusing electrons having a specific kinetic energy emitted from the surface of a sample, and the electron beam is focused by the spherical mirror. An aperture for limiting the emission angle of electrons on the sample surface, and an electron image forming means for obtaining an enlarged image of the sample surface by projecting an electron image of the focal point of the spherical mirror as an electron emission point on the sample surface. It is characterized by having at least.
【００１１】（作用）錯乱円の直径（ｄ＝４δＥ／ｅ
Ｆ）を小さくすることで、放射電子顕微鏡の空間分解能
を高くすることができる。錯乱円の直径を小さくする一
つの方法は、電界Ｆを大きくすることであるが、試料−
対物レンズ間に形成される電界の大きさには制限がある
ため、電界Ｆを無制限に大きくすることはできない。そ
のため、この方法では、放射電子顕微鏡の空間分解能を
十分に高くすることはできない。錯乱円の直径を小さく
するもう一つの方法は、放出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、この場合は、δＥが
放出電子のエネルギー分布の幅そのものを表わすもので
はく、放出電子の強度分布が高いエネルギー値を代表的
に表わしたものであるから、以下のようなことを考慮す
る必要がある。(Function) Diameter of confusion circle (d = 4δE / e)
By reducing F), the spatial resolution of the emission electron microscope can be increased. One way to reduce the diameter of the circle of confusion is to increase the electric field F,
Since the magnitude of the electric field formed between the objective lenses is limited, the electric field F cannot be increased without limit. Therefore, this method cannot sufficiently increase the spatial resolution of the emission electron microscope. Another method for reducing the diameter of the circle of confusion is to use the energy distribution δE of the emitted electrons.
Is to reduce the However, in this case, δE does not represent the width of the energy distribution of the emitted electrons, but the intensity distribution of the emitted electrons typically represents a high energy value. There is a need.
【００１２】放出電子の初期運動エネルギーが０からＥ
0まで分布している場合、放出電子のエネルギー分布はThe initial kinetic energy of the emitted electrons is 0 to E
When it is distributed to 0 , the energy distribution of the emitted electrons is
【００１３】[0013]
【数１】 であり、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(Equation 1) And even if the energy of the emitted electrons is monochromatic (E = E 0 ),
【００１４】[0014]
【数２】 と解釈すべきであり、その場合、単色化による空間分解
能の向上は殆ど望めない。その理由は、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
の違いによって錯乱円が広がってしまうためである。こ
のことは、試料表面の仕事関数（エネルギー障壁の高
さ）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する。よ
って、放出電子のエネルギー分布δＥを小さくするに
は、電子像形成に寄与する電子として、運動エネルギー
だけでなく、試料表面からの電子の放出角度も考慮して
選別する必要がある。(Equation 2) In this case, it is hardly expected to improve the spatial resolution by monochromatization. The reason is that, even with electrons having the same kinetic energy E 0 , the circle of confusion spreads due to the difference in the angle emitted from the sample surface. This means that the use of excitation light having an energy that is excessively large as compared with the work function of the sample surface (height of the energy barrier) inevitably lowers the spatial resolution. Therefore, in order to reduce the energy distribution δE of the emitted electrons, it is necessary to select electrons that contribute to the formation of an electron image in consideration of not only kinetic energy but also the emission angle of the electrons from the sample surface.
【００１５】本発明は、上記の知見に基づいてなされた
ものであり、球面鏡によって試料の表面から放出された
電子のうち特定の運動エネルギーを持つ電子のみが集束
されるとともに、その球面鏡によって集束される電子の
試料表面における放出角度がアパーチャーによって制限
され、その球面鏡の集束点を試料表面における電子の放
出点として、その電子像が投影されるようになってい
る。この構成によれば、特定の運動エネルギーおよび電
子の放出角度を持つ電子のみが電子像形成に寄与するこ
とになるので、放出電子のエネルギー分布δＥを小さく
することができる。また、球面鏡の集束点を試料表面に
おける電子の放出点としてその電子像が投影されるた
め、その投影系を構成する対物レンズなどの複数の電子
レンズ部に高電圧が印加されても、従来のように放電に
よって試料が損傷することはない。The present invention has been made on the basis of the above-described findings. Among the electrons emitted from the surface of a sample by a spherical mirror, only electrons having a specific kinetic energy are focused, and the electrons are focused by the spherical mirror. The emission angle of the electrons on the sample surface is limited by the aperture, and the electron image is projected using the focal point of the spherical mirror as the electron emission point on the sample surface. According to this configuration, only electrons having a specific kinetic energy and an electron emission angle contribute to the formation of an electron image, so that the energy distribution δE of the emitted electrons can be reduced. In addition, since the electron image is projected using the focal point of the spherical mirror as an electron emission point on the sample surface, even if a high voltage is applied to a plurality of electron lens units such as an objective lens that constitutes the projection system, the conventional method is used. Thus, the sample is not damaged by the discharge.
【００１６】なお、特定の運動エネルギーと放出角度を
持つ光電子だけを特定の位置に集束する構成について
は、特開平7-110311号公報および特開平7-318521号公報
に記載されているが、これら公報に記載のものは、表面
分析あるいは電子分光を目的とするものであり、電子顕
微鏡としての作用を有していない。本発明では、そのよ
うな構成を電子顕微鏡に適用するとともに、その集束点
を試料表面における電子の放出点として電子像が投影さ
れるようになっている。The configuration for focusing only photoelectrons having a specific kinetic energy and emission angle to a specific position is described in JP-A-7-110311 and JP-A-7-318521. The one described in the gazette is intended for surface analysis or electron spectroscopy, and does not have an action as an electron microscope. In the present invention, such a configuration is applied to an electron microscope, and an electron image is projected using the focal point as an electron emission point on the sample surface.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】本発明の放射電子顕微鏡は、通常
の電子顕微鏡の構成（電子像形成部）に加えて、前述の
放出電子のエネルギー分布δＥを小さくするための手段
として、試料の表面から放出された電子を反射して特定
の運動エネルギーを持つ電子のみを集束する球面鏡（凹
面鏡、半球面鏡を含む）と、その球面鏡によって集束さ
れる電子の試料表面における放出角度を制限するための
アパーチャーとを備える。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The emission electron microscope according to the present invention is not limited to the structure of an ordinary electron microscope (electron image forming section), but also includes a means for reducing the energy distribution δE of the emitted electrons described above. Mirrors (including concave mirrors and hemispherical mirrors) that reflect only electrons with a specific kinetic energy by reflecting electrons emitted from the mirror, and an aperture for limiting the emission angle of the electrons focused by the spherical mirrors on the sample surface And
【００１８】球面鏡は、例えば球の中心が同一の２つの
半球状電極から構成される。このような電極構造を採用
するものとしては、例えば試料表面から放出される電子
のエネルギー分析を行う２次元表示型球面鏡分析器（大
門寛、日本物理学会誌、４９巻、４４７頁）などがあ
り、本形態ではその装置構成を適用している。これら電
極により生成される電場によって、試料表面から放出さ
れた電子が反射され、特定の運動エネルギーを持つ電子
だけが特定の位置に集束される。その集束点は、試料表
面における電子の放出点に対して、球面鏡の球の中心を
対称中心とする点対称の位置関係になっており、また、
その集束角度は、試料表面における電子の放出角度と一
致している。よって、この球面鏡の集束点は、試料表面
における電子の放出点とみなすことができる。The spherical mirror comprises, for example, two hemispherical electrodes having the same sphere center. As a device adopting such an electrode structure, for example, there is a two-dimensional display type spherical mirror analyzer (Hiroshi Daimon, Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 49, p. 447) for analyzing the energy of electrons emitted from the sample surface. In this embodiment, the device configuration is applied. The electric field generated by these electrodes reflects electrons emitted from the sample surface, and focuses only electrons having a specific kinetic energy to a specific position. The focal point has a point-symmetrical positional relationship with respect to the electron emission point on the sample surface with respect to the center of the sphere of the spherical mirror, and
The convergence angle matches the electron emission angle on the sample surface. Therefore, the focal point of the spherical mirror can be regarded as an electron emission point on the sample surface.
【００１９】アパーチャーは、所定の大きさのリング状
の開口であり、観察あるいは検出に寄与する電子の放出
角度を制限するものである。球面鏡によって反射された
電子のうち特定の放出角度で放出された電子のみがこの
アパーチャーを通過して集束される。このアパーチャー
により制限される電子の放出角度は、球面鏡の集束点か
らアパーチャーまでの距離を変えることにより任意に設
定することができる。The aperture is a ring-shaped opening having a predetermined size and limits the emission angle of electrons that contribute to observation or detection. Of the electrons reflected by the spherical mirror, only those emitted at a specific emission angle pass through this aperture and are focused. The electron emission angle limited by the aperture can be arbitrarily set by changing the distance from the focal point of the spherical mirror to the aperture.
【００２０】電子像形成部は、例えば前述した米国特許
第５,２６６,８０９号明細書等の公報に記載の電子顕微
鏡の装置構成と同様のものである。この電子像形成部で
は、上記球面鏡の集束点を試料表面における電子の放出
点としてその電子像が蛍光スクリーン上に投影される。
これにより、蛍光スクリーン上に試料表面の拡大像が形
成される。The electronic image forming section has the same configuration as the electron microscope described in, for example, the aforementioned US Pat. No. 5,266,809. In the electron image forming section, an electron image is projected on a fluorescent screen with the focal point of the spherical mirror as an electron emission point on the sample surface.
Thereby, an enlarged image of the sample surface is formed on the fluorescent screen.
【００２１】以下、本発明の放射電子顕微鏡の具体的な
構成について図面を参照して説明する。Hereinafter, a specific configuration of the emission electron microscope of the present invention will be described with reference to the drawings.
【００２２】図１は、本発明の一実施例である光電子放
出顕微鏡の概略構成図である。この光電子放出顕微鏡
は、試料６の表面から特定の放出角度で放出された特定
の運動エネルギーを持つ光電子のみを特定の位置に集束
する球面鏡電子選別器１と、この球面鏡電子選別器１の
集束点を試料６の表面における光電子の放出点としてそ
の光電子像を蛍光スクリーン１０へ投影する鏡筒９とか
らなる。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a photoelectron emission microscope according to one embodiment of the present invention. The photoelectron emission microscope includes a spherical mirror electron selector 1 for focusing only photoelectrons having a specific kinetic energy emitted from a surface of a sample 6 at a specific emission angle at a specific position, and a focusing point of the spherical mirror electron selector 1. And a lens barrel 9 for projecting a photoelectron image on a fluorescent screen 10 as a photoelectron emission point on the surface of the sample 6.
【００２３】球面鏡電子選別器１は、半球電極２、半球
グリッド電極３、ガードリング４、アパーチャー５，８
からなる。半球電極２と半球グリッド電極３は同一の球
中心Ｏを持ち、半球グリッド電極３は半球電極２の１／
２の径を有する。半球電極２の一部には、励起光として
の紫外線を導入するための紫外線導入ポート７が設けら
れており、この紫外線導入ポート７から導入される紫外
線によって試料６の表面が照射される。これら半球電極
２、３間において生成される電場によって球面鏡が形成
され、この球面鏡により、試料６の表面から放出された
光電子が反射され、特定の運動エネルギーを持つ光電子
のみが特定の位置に集束される。この球面鏡の集束点と
試料６の表面における電子の放出点とは、球中心６を対
称中心として点対称の位置関係になっており、また、球
面鏡の集束角度θ1は、試料６の表面における電子の放
出角度θ2と一致している。The spherical mirror electronic selector 1 comprises a hemispherical electrode 2, a hemispherical grid electrode 3, a guard ring 4, apertures 5, 8,
Consists of The hemispherical electrode 2 and the hemispherical grid electrode 3 have the same spherical center O, and the hemispherical grid electrode 3 is 1 /
It has a diameter of 2. A part of the hemispherical electrode 2 is provided with an ultraviolet ray introduction port 7 for introducing ultraviolet rays as excitation light, and the surface of the sample 6 is irradiated with the ultraviolet rays introduced from the ultraviolet ray introduction port 7. An electric field generated between the hemispherical electrodes 2 and 3 forms a spherical mirror. The spherical mirror reflects photoelectrons emitted from the surface of the sample 6 and focuses only photoelectrons having a specific kinetic energy at a specific position. You. The focal point of the spherical mirror and the electron emission point on the surface of the sample 6 are in a point-symmetrical positional relationship with respect to the center of symmetry of the spherical center 6, and the focal angle θ 1 of the spherical mirror is This is consistent with the electron emission angle θ 2 .
【００２４】アパーチャー８は、所定の大きさのリング
状の開口であり、上記球面鏡によって集束される光電子
の試料表面からの放出角度を制限する。このアパーチャ
ー８は、そのリング状の開口の中心と上記球面鏡の集束
点とを結んだ線上方向に移動可能に構成されており、球
面鏡の集束点からの距離を制御することによって、必要
な電子の放出角度を任意に設定することができる。図１
に模式的に示した電子軌道から分かるように、この移動
操作はアパーチャーサイズを連続的に変えることと実質
的に同等の作用を持つ。すなわち、アパーチャー８を移
動操作することにより光電子の放出角度の制限範囲を連
続的に変えることができる。The aperture 8 is a ring-shaped opening having a predetermined size, and limits the emission angle of the photoelectrons focused by the spherical mirror from the sample surface. The aperture 8 is configured to be movable in the direction of a line connecting the center of the ring-shaped opening and the focal point of the spherical mirror, and by controlling the distance from the focal point of the spherical mirror, necessary electrons are emitted. The emission angle can be set arbitrarily. FIG.
As can be seen from the electron trajectory schematically shown in FIG. 5, this moving operation has substantially the same effect as continuously changing the aperture size. That is, the moving range of the aperture 8 can continuously change the limit range of the photoelectron emission angle.
【００２５】アパーチャー８をリング状の開口とする理
由は次のとおりである。試料表面上において表面の法線
方向を極軸（ｚ軸）とする極座標（ｒ，θ，φ）を考え
る。ここで、ｒは動系方向の長さ、θは極角、φは方位
角を表わす。アパーチャーにリング状の開口を設けた場
合、その開口を通過できる電子はｚ軸からの角度がθと
θ＋Δθの範囲に放出される電子であり、その全立体角
は２π（ｃｏｓθ−ｃｏｓ（θ＋Δθ））となる。ここ
で、θおよびΔθはリング径およびリング幅によってそ
れぞれ決まる値である。θ＝０の特別な場合は、２π
（１−ｃｏｓΔθ）となり、アパーチャーの中心に孔が
あることを示す。この値はθ＞０の場合に比べて小さい
値になっている。その理由は、電子の放出方向を方位角
φについて３６０°積分した結果が、中心に孔がある場
合よりもリング状の開口を用いる方が大きくなるためで
ある。このように、中心に孔をもつアパーチャーよりも
リング状の開口を持つアパーチャーの方が電子像に関す
る信号量は多くなることから、アパーチャー８をリング
状の開口とすることで、より信号量の多い電子像を提供
することができる。The reason why the aperture 8 is formed as a ring-shaped opening is as follows. Consider polar coordinates (r, θ, φ) with the normal direction of the surface as the polar axis (z axis) on the sample surface. Here, r represents the length in the moving system direction, θ represents the polar angle, and φ represents the azimuth angle. When a ring-shaped aperture is provided in the aperture, electrons that can pass through the aperture are electrons emitted in the range of θ and θ + Δθ from the z-axis, and the total solid angle is 2π (cos θ−cos (θ + Δθ)). ). Here, θ and Δθ are values determined by the ring diameter and the ring width, respectively. In the special case of θ = 0, 2π
(1-cosΔθ), indicating that there is a hole at the center of the aperture. This value is smaller than when θ> 0. This is because the result of integrating the electron emission direction by 360 ° with respect to the azimuth angle φ is larger when a ring-shaped opening is used than when a hole is provided at the center. As described above, the aperture having a ring-shaped aperture has a larger signal amount regarding an electron image than the aperture having a hole at the center, and therefore, the aperture 8 has a ring-shaped aperture, so that the signal amount is larger. An electronic image can be provided.
【００２６】アパーチャー５は、有効観察領域を制限す
るためのもので、半球電極２、３からなる球面鏡の集束
点に配置される。このアパーチャー５の開口の大きさ
は、最低観察倍率において、必要とされる観察領域が得
られるように設定されるが、ここではφ５００μｍとし
てある。The aperture 5 is for limiting the effective observation area, and is arranged at the focal point of a spherical mirror composed of the hemispherical electrodes 2 and 3. The size of the aperture of the aperture 5 is set so that a required observation area can be obtained at the minimum observation magnification, and here, it is φ500 μm.
【００２７】ガードリング４は、半球電極２と半球グリ
ッド電極３の両半球電極間に形成される電場の補正を行
うものである。このガードリング４により、半球電極２
と半球グリッド電極３の間の端の電場が球対称からずれ
ることを防止する。The guard ring 4 corrects an electric field formed between the hemispherical electrodes 2 and the hemispherical grid electrodes 3. The guard ring 4 allows the hemispherical electrode 2
The electric field at the end between the electrode and the hemispherical grid electrode 3 is prevented from deviating from spherical symmetry.
【００２８】鏡筒９は、対物レンズ、投射レンズなどの
複数の電子レンズからなり、球面鏡電子選別器１によっ
て結像された光電子像を蛍光スクリーン１０へ投影す
る。これら鏡筒９および蛍光スクリーン１０によって構
成される電子像形成部は、前述した米国特許第５,２６
６,８０９号明細書等の公報に開示されている電子顕微
鏡の装置構成と同様のものである。The lens barrel 9 is composed of a plurality of electronic lenses such as an objective lens and a projection lens, and projects the photoelectron image formed by the spherical mirror electronic selector 1 onto the fluorescent screen 10. The electronic image forming unit constituted by the lens barrel 9 and the fluorescent screen 10 is described in US Pat.
It has the same configuration as that of the electron microscope disclosed in the official gazette of US Pat. No. 6,809 or the like.
【００２９】なお、球面鏡電子選別部１の内部と鏡筒９
および試料の周辺とは、超高真空に保持する必要がある
ため、図1の例では、真空容器１１（図１では、容器の
一部が示されている。）が設けられている。この真空容
器１１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ようになっている。また、
この真空容器１１は、試料周辺に種々のガスが導入でき
るようにもなっている。The interior of the spherical mirror electronic sorting unit 1 and the barrel 9
Since it is necessary to maintain an ultra-high vacuum around the sample and around the sample, a vacuum vessel 11 (a part of the vessel is shown in FIG. 1) is provided in the example of FIG. The vacuum vessel 11 is maintained at an ultra-high vacuum by a differential pumping system constituted by a dry pump. Also,
The vacuum vessel 11 is also adapted to introduce various gases around the sample.
【００３０】上述のように構成された光電子放射顕微鏡
では、試料６の表面から放出される光電子は以下のよう
な軌道をとる。In the photoelectron emission microscope configured as described above, photoelectrons emitted from the surface of the sample 6 take the following trajectory.
【００３１】アパーチャー５および半球グリッド電極３
は等電位に設定される。このため、領域Ａ内では、光電
子は等速直線運動を行う。半球電極２は半球グリッド電
極３に対して負の電位を持つように設定される。このた
め、領域Ｂ内では、光電子は半球電極２によって反射さ
れるような曲線軌道をとる。鏡筒９はアパーチャー５に
対して正の高電圧（数ｋＶから数十ｋＶ程度）が印加さ
れる。このため、領域Ｃでは、光電子は放物線軌道をと
る。Aperture 5 and hemispherical grid electrode 3
Are set to the same potential. For this reason, in the region A, the photoelectrons perform a uniform linear motion. The hemispherical electrode 2 is set to have a negative potential with respect to the hemispherical grid electrode 3. Therefore, in the region B, the photoelectrons take a curved trajectory as reflected by the hemispherical electrode 2. The lens barrel 9 is applied with a positive high voltage (about several kV to several tens kV) to the aperture 5. Therefore, in the region C, the photoelectrons take a parabolic orbit.
【００３２】次に、この光電子顕微鏡の動作について具
体的に説明する。以下の動作説明では、励起用の紫外線
源として重水素ランプを用いている。Next, the operation of the photoelectron microscope will be specifically described. In the following description of the operation, a deuterium lamp is used as an ultraviolet source for excitation.
【００３３】試料６が球面鏡電子選別部１の内部の所定
の位置にセットされる。重水素ランプからの紫外線は、
紫外線ポート７から球面鏡電子選別部１の内部へ導入さ
れ、半球グリッド電極３を通して試料６に照射される。
この紫外線照射により、試料６の表面から光電子が放出
される。A sample 6 is set at a predetermined position inside the spherical mirror electronic sorting unit 1. UV light from the deuterium lamp
The sample 6 is introduced from the ultraviolet port 7 into the inside of the spherical mirror electron sorting unit 1 and irradiates the sample 6 through the hemispherical grid electrode 3.
By this ultraviolet irradiation, photoelectrons are emitted from the surface of the sample 6.
【００３４】球面鏡電子選別部１では、試料６の表面か
ら放射された光電子のうち特定の運動エネルギーを持つ
光電子のみが半球電極２および半球グリッド電極３から
なる球面鏡によってアパーチャー５近傍に集束される。
例えば、半球電極２の電位が−Ｅに設定されている場合
は、運動エネルギーＥを持つ電子だけが球面鏡によって
選択されて集束される。さらに、その球面鏡によって集
束される光電子の試料表面からの放出角度がアパーチャ
ー８によって制限される。この結果、球面鏡電子選別部
１の集束点には、試料６の表面から特定の放出角度で放
出された特定の運動エネルギーを持つ光電子のみが集束
される。In the spherical mirror electron sorting unit 1, only the photoelectrons having a specific kinetic energy among the photoelectrons emitted from the surface of the sample 6 are focused near the aperture 5 by the spherical mirror composed of the hemispherical electrode 2 and the hemispherical grid electrode 3.
For example, when the potential of the hemispherical electrode 2 is set to -E, only electrons having kinetic energy E are selected and focused by the spherical mirror. Further, the emission angle of the photoelectrons focused by the spherical mirror from the sample surface is limited by the aperture 8. As a result, only the photoelectrons having a specific kinetic energy emitted from the surface of the sample 6 at a specific emission angle are focused on the focusing point of the spherical mirror electron sorting unit 1.
【００３５】アパーチャー５を通過した光電子は、鏡筒
９内の対物レンズ部において、一様な電界により加速さ
れた後、複数の静電レンズを経て蛍光スクリーン１０上
に結像される。その結果、蛍光スクリーン１０上には、
試料６の表面の拡大像（試料６の表面における化学結合
状態の違いを像コントラストとして表わしたもの）が表
示される。The photoelectrons that have passed through the aperture 5 are accelerated by a uniform electric field in the objective lens section in the lens barrel 9 and then imaged on the fluorescent screen 10 through a plurality of electrostatic lenses. As a result, on the fluorescent screen 10,
An enlarged image of the surface of the sample 6 (a difference in the chemical bonding state on the surface of the sample 6 expressed as an image contrast) is displayed.
【００３６】以上説明したように、本実施例の光電子放
射顕微鏡では、特定の運動エネルギーを持ち、かつ、特
定の放出角度を持つ光電子だけがアパーチャー５面上に
結像されるので、原理的に錯乱円のサイズを小さくする
ことができる。よって、鏡筒９および蛍光スクリーンか
らなる電子顕微鏡部の空間分解能を、低加速から高加速
にわたる広い加速電圧条件にわたって大きくすることが
できる。As described above, in the photoelectron emission microscope of the present embodiment, only photoelectrons having a specific kinetic energy and having a specific emission angle are imaged on the aperture 5 surface. The size of the circle of confusion can be reduced. Therefore, the spatial resolution of the electron microscope unit including the lens barrel 9 and the fluorescent screen can be increased over a wide range of acceleration voltage conditions from low acceleration to high acceleration.
【００３７】また、本実施例の光電子放射顕微鏡は、空
間分解能を大きくとることができる他に、以下のような
特徴も有している。The photoelectron emission microscope of the present embodiment has the following features in addition to a high spatial resolution.
【００３８】試料６から放出された光電子が直接、鏡筒
９を介して蛍光スクリーン１０に投影される、球面鏡電
子選別部１のような構成を持たない通常の電子顕微鏡に
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（エネルギー障壁の高さ）よりわずかに大きな
エネルギーを持つ励起光を用いる必要がある。例えば、
仕事関数が５ｅＶ以下の試料に対しては水銀ランプを用
い、仕事関数が５ｅＶ以上の試料に対しては重水素ラン
プを用いる。これに対して、本実施例のように、電子像
形成に寄与する光電子として、運動エネルギーだけでな
く、光電子の放出角度をも考慮して光電子の選別が行わ
れるものにおいては、励起光のエネルギーは仕事関数を
超えていれば良く、例えば軟Ｘ線を励起光として用いて
も空間分解能が低下することはない。In an ordinary electron microscope which does not have a configuration like the spherical mirror electron selection unit 1 in which photoelectrons emitted from the sample 6 are directly projected on the fluorescent screen 10 through the lens barrel 9, the spatial resolution is reduced. In order to prevent this, it is necessary to use excitation light having an energy slightly larger than the work function (the height of the energy barrier) of the sample surface. For example,
A mercury lamp is used for a sample having a work function of 5 eV or less, and a deuterium lamp is used for a sample having a work function of 5 eV or more. On the other hand, in the case where the photoelectrons contributing to the formation of an electron image are selected not only in terms of kinetic energy but also in terms of the emission angle of the photoelectrons, as in this embodiment, the energy of the excitation light is Should just exceed the work function. For example, even if soft X-rays are used as the excitation light, the spatial resolution does not decrease.
【００３９】なお、電子像形成に寄与する電子の放出角
度を制限する構成としては、アパーチャーを対物レンズ
などの後焦点面に配置することも考えられるが、この場
合には、電子がすでに高電圧状態で加速された状態にあ
るために、必要な電子の放出角度を設定するのにアパー
チャーのサイズを非常に小さなもの（例えば、数μｍの
孔径）にする必要があり、また、制限される電子の放出
角度が加速電圧の変化に応じて変化するという不具合も
生じる。これに対して、本実施例の光電子放射顕微鏡で
は、放射電子顕微鏡（鏡筒９）の加速電圧とは独立に電
子の放出角度を制限するように構成されていることか
ら、そのような不具合を生じることがなく、また、アパ
ーチャーのサイズも桁違いに大きなものを用いることが
できる。この比較から分かるように、本実施例の光電子
放射顕微鏡は、加工精度やコストの面からも有利なもの
になっている。As a configuration for limiting the emission angle of electrons contributing to the formation of an electron image, it is conceivable to dispose an aperture on the back focal plane of an objective lens or the like. Due to the accelerated state, the aperture size needs to be very small (for example, a hole diameter of several μm) in order to set the required electron emission angle, and the limited electron There is also a problem in that the emission angle of the gas changes according to the change in the acceleration voltage. On the other hand, the photoelectron emission microscope of the present embodiment is configured to limit the electron emission angle independently of the acceleration voltage of the emission electron microscope (barrel 9). This does not occur, and the size of the aperture can be increased by orders of magnitude. As can be seen from this comparison, the photoelectron emission microscope of the present embodiment is advantageous in terms of processing accuracy and cost.
【００４０】以上説明した実施例は、光電子放出に適用
した例であったが、この他、周知の電子放出にも適用す
ることができる。例えば二次電子放出に適用することも
できる。この場合は、試料表面から放出された二次電子
に基づいて電子像が形成される。The embodiment described above is an example in which the present invention is applied to photoelectron emission. However, the present invention can also be applied to a known electron emission. For example, it can be applied to secondary electron emission. In this case, an electron image is formed based on the secondary electrons emitted from the sample surface.
【００４１】[0041]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
運動エネルギーおよび電子の放出角度を考慮して電子像
形成に寄与する電子を選別するように構成されているの
で、放出電子のエネルギー分布δＥを小さくして錯乱円
の広がりを抑えることができ、空間分解能の向上を図る
ことができる。As described above, according to the present invention,
Since it is configured to select electrons contributing to electron image formation in consideration of kinetic energy and emission angle of electrons, the energy distribution δE of emitted electrons can be reduced to suppress the spread of a circle of confusion, and The resolution can be improved.
【００４２】加えて、低加速電圧から高加速電圧まで広
い範囲にわたって高い空間分解能を得ることができるの
で、従来のものよりも良質な像観察を行うことができ
る。In addition, since a high spatial resolution can be obtained over a wide range from a low accelerating voltage to a high accelerating voltage, it is possible to observe a higher quality image than the conventional one.
【００４３】また、放電による試料の損傷を防ぐことが
できるので、例えば半導体装置などの製造工程における
歩留まりの向上を図ることができる。Further, since damage to the sample due to discharge can be prevented, the yield in the manufacturing process of, for example, a semiconductor device can be improved.
【００４４】さらに、種々の励起光源を使用することが
できるとともに、電子の放出角度の制限を自由に選択す
ることができるので、仕事関数の分布や電子の放出強度
の角度分布を定量的に把握することができる。Furthermore, various excitation light sources can be used, and the restriction of the electron emission angle can be freely selected, so that the distribution of the work function and the angular distribution of the electron emission intensity can be quantitatively grasped. can do.
【図１】本発明の一実施例の光電子放出顕微鏡の概略構
成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a photoelectron emission microscope according to one embodiment of the present invention.
【図２】米国特許第５,２６６,８０９号明細書に記載さ
れた光電子放出顕微鏡の概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a photoelectron emission microscope described in US Pat. No. 5,266,809.
１ 球面鏡電子選別部 ２ 半球電極 ３ 半球グリッド電極 ４ ガードリング ５，８ アパーチャー ６ 試料 ７ 紫外線導入ポート ９ 鏡筒 １０ 蛍光スクリーン １１ 真空容器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Spherical-mirror electron-separation part 2 Hemisphere electrode 3 Hemisphere grid electrode 4 Guard ring 5, 8 Aperture 6 Sample 7 Ultraviolet light introduction port 9 Lens tube 10 Fluorescent screen 11 Vacuum container
Claims (9)
ネルギーを持つ電子を集束する球面鏡と、 前記球面鏡によって集束される電子の試料表面における
放出角度を制限するアパーチャーと、 前記球面鏡の集束点を前記試料表面における電子の放出
点として、その電子像を投影して試料表面の拡大像を得
る電子像形成手段と、を少なくとも有することを特徴と
する放射電子顕微鏡。1. A spherical mirror for focusing electrons having a specific kinetic energy emitted from a surface of a sample, an aperture for limiting an emission angle of the electrons focused by the spherical mirror on the sample surface, and a focusing point of the spherical mirror. An electron image forming means for projecting an electron image as an electron emission point on the sample surface to obtain an enlarged image of the sample surface;
て、 試料に励起光を照射する照射手段をさらに有し、 前記球面鏡が、前記励起光の照射により試料から放出さ
れる光電子を反射して集束するように構成されているこ
とを特徴とする放射電子顕微鏡。2. The emission electron microscope according to claim 1, further comprising an irradiation unit for irradiating the sample with excitation light, wherein the spherical mirror reflects photoelectrons emitted from the sample by irradiation of the excitation light. An emission electron microscope configured to be focused.
て、 前記球面鏡は、同一の球心を有する第１および第２の半
球状電極からなることを特徴とする放射電子顕微鏡。3. The emission electron microscope according to claim 1, wherein said spherical mirror comprises first and second hemispherical electrodes having the same spherical center.
て、 前記第１の半球状電極は、前記第２の半球状電極の２倍
の径を有することを特徴とする放射電子顕微鏡。4. The emission electron microscope according to claim 3, wherein the first hemispherical electrode has a diameter twice as large as that of the second hemispherical electrode.
て、 前記第２の半球状電極がグリッド構造の電極であること
を特徴とする放射電子顕微鏡。5. The emission electron microscope according to claim 3, wherein the second hemispherical electrode is a grid-structured electrode.
て、 前記アパーチャーは、その中心と前記球面鏡の集束点と
を結ぶ線上の方向に移動可能に構成されていることを特
徴とする放射電子顕微鏡。6. The emission electron microscope according to claim 1, wherein the aperture is configured to be movable in a direction on a line connecting a center of the aperture and a focal point of the spherical mirror. .
て、 前記アパーチャーが、所定の大きさのリング状の開口で
あることを特徴とする放射電子顕微鏡。7. The emission electron microscope according to claim 1, wherein the aperture is a ring-shaped opening having a predetermined size.
て、 前記球面鏡の集束点に配置された所定の大きさのアパー
チャーをさらに有することを特徴とする放射電子顕微
鏡。8. The emission electron microscope according to claim 1, further comprising an aperture of a predetermined size arranged at a focal point of the spherical mirror.
て、 前記球面鏡の集束角度と試料表面における電子の放出角
度が一致するように構成されていることを特徴とする放
射電子顕微鏡。9. The emission electron microscope according to claim 1, wherein the convergence angle of the spherical mirror and the emission angle of electrons on the surface of the sample coincide with each other.
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