JP2009079955A - Depth direction analysis method of sample - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電子分光装置等の電子分光装置による試料の深さ方向分析方法に関する。 The present invention relates to a sample depth direction analysis method using an electron spectrometer such as a photoelectron spectrometer.
光電子分光装置は、X線を試料表面に照射し、該照射により試料から放出される光電子を電子分光器で分析してエネルギースペクトルを得る装置で、該得られたスペクトルを解析することにより、試料表面の元素及び該元素の化学状態等を知ることが出来る。
図1はこの様な光電子分光装置の一概略例を示したものである。
A photoelectron spectrometer is an apparatus that irradiates a sample surface with X-rays, analyzes photoelectrons emitted from the sample by the irradiation with an electron spectrometer, and obtains an energy spectrum. By analyzing the obtained spectrum, It is possible to know surface elements and chemical states of the elements.
FIG. 1 shows a schematic example of such a photoelectron spectrometer.
図中1は分析室で、その内部は排気装置2により真空に排気される様に成っている。 In the figure, reference numeral 1 denotes an analysis chamber, the interior of which is evacuated to a vacuum by an exhaust device 2.
前記分析室1の中央部には試料ホルダ3に支持された試料4が配置されており、前記試料ホルダ3は試料ステージ5上に置かれている。この試料ステージは前記分析室1の側壁に取り付けられた試料ステージ位置調整機構6を調整することにより三次元(X,Y,Z)方向に移動させたり、X軸若しくはY軸を回転軸として傾斜させたりすることが出来る様に成っている。
A
7は光電子励起用X線源で、前記試料4にX線照射出来る様に前記分析室1の上部壁に取り付けられている。8はこのX線源の電源である。
Reference numeral 7 denotes an X-ray source for photoelectron excitation, which is attached to the upper wall of the analysis chamber 1 so that the
前記分析室1の上蓋には電子分光器9が取り付けられている。該電子分光器は、インプットレンズ部10と、該インプットレンズ部からの光電子をエネルギー分析するためのアナライザ11と、該アナライザで選別された光電子を検出するための検出器12から成っている。
An
前記インプットレンズ部10は、静電レンズ13,14を有し、更に、これらのレンズの間に、前記試料4の表面上で発生した光電子を取り込む領域を制限するための視野制限絞り15と、該視野制限絞りを通過した光電子の取り込み角度を制限することにより、レンズ系の球面収差によるボケを低減し、試料表面上の分析領域の精度を補償する角度制限絞り16とを有している。
The
前記静電レンズ13は前記試料4からの光電子を前記視野制限絞り15近傍に集束させるためのものであり、前記静電レンズ14は前記静電レンズ13で集光された光電子を減速させると共に、前記アナライザ11の入射スリットS上に集束させるためのものである。
The
前記視野制限絞り16は、その開口K1の中心が前記インプットレンズ部9の光軸O上に位置する様に、該インプットレンズ部の筒内を仕切る様に配置されている。該視野制限絞りとして、例えば、虹彩絞りが使用されており、開口径調整機構17を調整することにより、開口径を連続して変えることが出来る様に成っている。
前記角度制限絞り16は、その開口K2の中心が前記インプットレンズ部9の光軸O上に位置する様に、該インプットレンズ部の筒内を仕切る様に配置されている。該角度制限絞りとして、例えば、虹彩絞りが使用されており、開口径調整機構18を調整することにより、開口径を連続して変えることが出来る様に成っている。
The
The
19は電源ユニットで、前記各静電レンズ13,14への電圧、前記アナライザ11への電圧、及び前記検出器12への電圧を制御する。
A
20は制御装置で、前記検出器12からの信号に基づいて、光電子スペクトルを生成して表示装置21に表示させたり、前記電源ユニット19,試料ステージ装置調整機構6,開口径調整機構17,18に指令を送ったりする、いわゆる中央制御装置の働きをする。
A
この様な構成の装置において、試料を分析する場合、オペレーターは開口径調整機構17を調整して、視野制限絞り15の開口径をこの時の試料分析に最適な所定の大きさに設定する。又、開口径調整機構18を調整して、角度制限絞り16の開口径を、レンズ系の球面収差によるボケを低減する所定の大きさに設定する。
When analyzing a sample in the apparatus having such a configuration, the operator adjusts the aperture diameter adjusting mechanism 17 to set the aperture diameter of the
分析室1内の真空度は前記制御装置20で常に監視されており、前記分析室1の真空度が所定の範囲に入ると、前記制御装置20は試料4にX線照射を行うためのX線照射指令をX線源電源8に送る。又、該制御装置は前記電子分光器9の静電レンズ13,14,アナライザ11及び検出器12にこの時の試料分析に適する所定の電圧を印加するための指令をそれぞれ電源ユニット19に送る。
The degree of vacuum in the analysis chamber 1 is constantly monitored by the
この様な指令により、前記電源ユニット19から前記静電レンズ13に、該静電レンズ13により試料4からの光電子を前記視野制限絞り15の開口近傍に集束する様な電圧が供給され、前記静電レンズ14に、前記視野制限絞り15の開口上に集束した光電子を減速させると共に、前記アナライザ11の入射スリットS上に集束する様な電圧が印加される。
In accordance with such a command, a voltage is supplied from the
この様な状態において、前記制御装置20からの指令を受けた前記X線源電源8の作動により前記X線源7からX線が発生し、試料4に照射される。該X線照射により、該試料から光電子が放出される。
In such a state, X-rays are generated from the X-ray source 7 by the operation of the X-ray source power supply 8 in response to a command from the
該光電子は前記静電レンズ13によって視野制限絞り15近傍に集束され、該視野制限絞りの開口K1,角度制限絞り16の開口K2を通過した光電子は静電レンズ14により減速及び集束されてアナライザ11に導かれる。
The photoelectrons are focused in the vicinity of the
該アナライザでエネルギー選別された光電子は検出器12で検出される。該検出器は検出した光電子の信号を電気信号に変換して出力する。
The photoelectrons subjected to energy selection by the analyzer are detected by the
前記制御装置20は、該出力信号に基づく光電子スペクトルを生成して表示装置21に表示させる。
さて、光電子分光装置における試料分析において、微細積層構造の半導体デバイスの深さ方向分析を行う場合がある。 In the sample analysis in the photoelectron spectrometer, the depth direction analysis of a semiconductor device having a fine stacked structure may be performed.
この様な深さ方向分析を行う場合、加速したイオン(例えば、Arイオン)を試料表面に照射して該試料表面をエッチングして、該試料内部を表面から露出させる行程と、該露出面の分析を行う行程とを交互に行い、各深さの露出面の分析を行うことによって、試料の深さ方向分析している。 When performing such depth direction analysis, a process of irradiating the sample surface with accelerated ions (for example, Ar ions) to etch the sample surface to expose the inside of the sample from the surface, The depth direction of the sample is analyzed by alternately performing the analysis process and analyzing the exposed surface at each depth.
しかし、この方法は試料を破壊してしまう問題がある。 However, this method has a problem of destroying the sample.
別の深さ方向分析方法として、前記試料ステージ位置調整機構6を調整して、試料ステージ5をX軸若しくはY軸を回転軸として傾斜させる行程と、該傾斜角度における試料分析を行う行程とを交互に行い、各傾斜角における試料分析を行うことによって、試料の深さ方向分析している。この方法を詳説すると、図2に示す様に、試料傾斜角0°の時(図2の(a))は、分析深さToは光電子の脱出深さdに等しく、非弾性平均自由行程に近似している。試料傾斜角θの時(図2の(b))は、分析深さTは、T=dcosθとなるので、試料傾斜角を変え、その都度、光電子スペクトルを得ることにより、試料の深さ方向分析が可能となる。尚、この深さ方向分析方法においては、前記インプットレンズ部10へ取り込まれるの試料4からの光電子は、光軸Oに沿ったもの(光軸Oに平行なもの)に固定されている。
As another depth direction analysis method, the process of adjusting the sample stage
しかしながら、この方法は、試料ステージ5自体を何度も異なった角度に傾斜させねばならず、操作が厄介である。 However, this method is difficult to operate because the sample stage 5 itself has to be inclined at different angles many times.
本発明はこの様に問題に鑑みてなされたものであり、新規な試料の深さ方向分析方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a novel method for analyzing the depth direction of a sample.
本発明の試料の深さ方向分析方法は、分析室内に試料ステージに支持されて配置された試料に電離放射線を照射する照射手段と、視野制限絞り,角度制限絞り、前記試料から放出された電子を前記視野制限絞りに集束させる第1レンズ、該集束された電子を減速及び集束させる第2レンズ,該減速及び集束された電子をエネルギーによって選別するアナライザ及び該アナライザで選別された電子を検出する検出器を備えた電子分光器と、前記試料ステージを少なくとも光軸に垂直な軸を回転軸として傾斜させることが出来る試料ステージ駆動機構と、前記視野制限絞りの開口径を変えることが出来る視野制限絞り開口径駆動機構と、前記角度制限絞りの開口径を変えることが出来る角度制限絞り開口径駆動機構と、前記各レンズの強度を変えることが出来るレンズ電源とを備えた電子分光装置による試料の深さ方向分析方法であって、前記試料ステージを角度θ傾斜させた状態で、前記第1レンズの強度を順次変えて前記試料から取り込み角αの異なる電子を前記視野制限絞りに集束させ、同時に、各取り込み角度の電子が通過する様に前記角度制限絞りの開口径を変え、その都度、前記検出器で検出された電子に基づくスペクトルを前記取り込み角αから求められる分析深さ毎に求める様にしたことを特徴とする。 The sample depth direction analysis method of the present invention comprises an irradiation means for irradiating a sample placed on a sample stage supported by a sample stage in an analysis chamber, a field limit stop, an angle limit stop, and electrons emitted from the sample. A first lens for focusing the light on the field limiting diaphragm, a second lens for decelerating and focusing the focused electrons, an analyzer for sorting the slowed and focused electrons by energy, and detecting the electrons sorted by the analyzer An electron spectrometer equipped with a detector, a sample stage drive mechanism capable of tilting the sample stage around at least an axis perpendicular to the optical axis, and a field limit capable of changing the aperture diameter of the field limit stop Aperture aperture drive mechanism, an angle limit aperture drive mechanism that can change the aperture diameter of the angle limit aperture, and a strength of each lens A depth direction analysis method of a sample by an electron spectrometer equipped with a lens power source capable of taking in from the sample by sequentially changing the intensity of the first lens while the sample stage is inclined at an angle θ A spectrum based on electrons detected by the detector each time an electron having a different angle α is focused on the field-limiting aperture, and at the same time, the aperture diameter of the angle-limiting aperture is changed so that electrons of each capture angle pass. Is obtained for each analysis depth obtained from the capture angle α.
本発明の試料の深さ方向分析方法は、分析室内に試料ステージに支持されて配置された試料に電離放射線を照射する照射手段と、視野制限絞り,角度制限絞り、前記視野制限絞りに集束された電子を減速及び集束させるレンズ,該減速及び集束された電子をエネルギーによって選別するアナライザ及び該アナライザで選別された電子を検出する検出器を備えた電子分光器と、前記試料の下方に配置され前記試料が放出された電子を前記視野制限絞りに集束させる結像レンズと、前記試料ステージを少なくとも光軸に垂直な軸を回転軸として傾斜させることが出来る試料ステージ駆動機構と、前記視野制限絞りの開口径を変えることが出来る視野制限絞り開口径駆動機構と、前記角度制限絞りの開口径を変えることが出来る角度制限絞り開口径駆動機構と、前記各レンズの強度を変えることが出来るレンズ電源とを備えた電子分光装置による試料の深さ方向分析方法であって、前記試料ステージを角度θ傾斜させた状態で、前記結像レンズの強度を順次変えて前記試料から取り込み角αの異なる電子を前記視野制限絞りに集束させ、同時に、各取り込み角度の電子が通過する様に前記角度制限絞りの開口径を変え、その都度、前記検出器で検出された電子に基づくスペクトルを前記取り込み角αから求められる分析深さ毎に求める様にしたことを特徴とする。 The depth direction analysis method for a sample according to the present invention includes an irradiation means for irradiating a sample placed on a sample stage supported by a sample stage in an analysis chamber, a field limiting aperture, an angle limiting aperture, and the field limiting aperture. An electron spectrometer having a lens for decelerating and focusing the electrons, an analyzer for selecting the decelerated and focused electrons by energy, and a detector for detecting the electrons selected by the analyzer; An imaging lens that focuses the electrons emitted from the sample onto the field limiting aperture, a sample stage drive mechanism that can tilt the sample stage at least about an axis perpendicular to the optical axis, and the field limiting aperture A field-limiting diaphragm aperture drive mechanism that can change the aperture diameter of the lens, and an angle-limited diaphragm aperture that can change the aperture diameter of the angle-limiting diaphragm A method for analyzing the depth direction of a sample by an electron spectroscopic device including a moving mechanism and a lens power source capable of changing the intensity of each lens, wherein the imaging is performed in a state where the sample stage is inclined at an angle θ. By sequentially changing the intensity of the lens, the electrons having different capture angles α from the sample are focused on the field-limiting aperture, and at the same time, the aperture diameter of the angle-limiting aperture is changed so that electrons of each capture angle pass, A spectrum based on electrons detected by the detector is obtained for each analysis depth obtained from the capture angle α.
本発明のによれば、著しく簡単に試料の深さ方向分析が出来る。 According to the present invention, the depth direction analysis of a sample can be performed extremely easily.
本発明は、次の原理に基づくものである。 The present invention is based on the following principle.
試料を傾斜させて深さ方向分析を行った場合、その試料傾斜角がθの時(図2の(b)の状態)は、分析深さtは、光電子の脱出深さをdとすると、T=dcosθとなることは、既に説明した。 When the sample is tilted and depth direction analysis is performed, when the sample tilt angle is θ (the state shown in FIG. 2B), the analysis depth t is d. It has already been explained that T = d cos θ.
さて、試料にX線を照射した時に、該試料からは色々な角度で光電子は放出されている。この時、例えば図3に示す様に、角度(取り込み角度)αの光電子を電子分光器に取り込むと、該取り込まれた光電子は、dcos(θ−α)の深さ(=Tα)から検出されたものである。そこで、この光電子の取り込み角を変えていけば、色々な分析深さに対する光電子を検出出来、種々の分析深さに対する光電子スペクトルが得られる筈である。 Now, when the sample is irradiated with X-rays, photoelectrons are emitted from the sample at various angles. At this time, for example, as shown in FIG. 3, when photoelectrons having an angle (taken angle) α are taken into the electron spectrometer, the taken photoelectrons are detected from the depth (= Tα) of dcos (θ−α). It is a thing. Therefore, if this photoelectron uptake angle is changed, photoelectrons at various analysis depths can be detected, and photoelectron spectra at various analysis depths should be obtained.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は本発明の試料の深さ方向分析方法を実施する電子分光装置の1概略例を表したものである。図中、前記図1にて使用された記号と同一記号の付されたものは同一構成要素を示す。 FIG. 2 shows one schematic example of an electron spectroscopic apparatus that performs the sample depth direction analysis method of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in FIG. 1 denote the same components.
図2に示す光電子分光装置が図1に示す光電子分光装置と構成上で異なるところは以下の通りである。 The photoelectron spectrometer shown in FIG. 2 differs from the photoelectron spectrometer shown in FIG. 1 in the following configuration.
試料4からの光電子の取り込み角度を電子光学的に変化させるために、取り込み角度制御ユニット22を設け、該ユニットを制御装置20の指令により作動させる様に成した。又、前記制御装置20が生成した光電子スペクトル信号を記憶するためのメモリ23を設けた。
In order to change the taking-in angle of the photoelectrons from the
この様な構成の装置において、初期状態として、試料4からの光電子のうち、光軸Oに沿った(光軸Oに平行な)、いわゆる、取り込み角度0°の電子が視野制限絞り15の開口近傍に集束する様な電圧が、該視野制限絞りの開口近傍に集束する光電子を減速させると共に、アナライザ11の入射スリットS上に集束する様な電圧が、電源ユニット19から静電レンズ13、14にそれぞれ印加される様に、制御装置20から前記電源ユニット19に指令を送る。更に、前記制御装置20の指令を試料ステージ位置調整機構6に送り、試料ステージ5をX軸若しくはY軸を回転軸として角度θ傾斜させる。
In the apparatus having such a configuration, as an initial state, among the photoelectrons from the
この状態において、X線源7からのX線が試料4に照射されると、該試料から光電子が放出され、該光電子は前記静電レンズ13によって視野制限絞り15近傍に集束され、該視野制限絞りの開口K1,角度制限絞り16の開口K2を通過した光電子は静電レンズ14により減速及びアナライザ11の入射スリットS上に集束されて該アナライザに導かれる。該アナライザに導かれた光電子は、取り込み角0°で取り込まれた光電子で、前記図2の(b)で説明した様に、分析の深さTo(=dcosθ)の光電子である。
In this state, when the
該アナライザでエネルギー選別された光電子は検出器12で検出され、電気信号に変換されて出力される。前記制御装置20は、該出力信号に基づく光電子スペクトルを生成して一旦メモリ23に記憶させる。
The photoelectrons subjected to energy selection by the analyzer are detected by the
次に、試料4からの光電子のうち、光軸Oからの開き角、いわゆる、取り込み角度がα1の電子が視野制限絞り15の開口近傍に集束する様な電圧が、該視野制限絞りの開口近傍に集束する光電子を減速させると共に、アナライザ11の入射スリットS上に集束する様な電圧が、電源ユニット19から静電レンズ13、14にそれぞれ印加される様に、制御装置20から前記電源ユニット19に指令を送る。更に、前記角度制限絞り16の開口径が、前記視野制限絞り15の開口の1近傍に集束する取り込み角度α1の光電子のみを通過させる様な開口径D1になる様に、前記制御装置20から前記開口径調整機構18に指令を送る。
Next, among the photoelectrons from the
この状態において、X線源7からのX線が試料4に照射されると、図5の光線図中の光線Aに示す様に、該試料から放出された光電子のうち、取り込み角α1で取り込まれた光電子のみが前記静電レンズ13によって視野制限絞り15近傍に集束され、該視野制限絞りの開口K1,角度制限絞り16の開口K2を通過した光電子は静電レンズ14により減速及びアナライザ11の入射スリットS上に集束されて該アナライザに導かれる。該アナライザに導かれた光電子は、取り込み角α1で取り込まれた光電子で、前記原理で説明した様に、分析の深さT1(=dcos(θ−α1))の光電子である。
In this state, when the
該アナライザでエネルギー選別された光電子は検出器12で検出され、電気信号に変換されて出力される。前記制御装置20は、該出力信号に基づく光電子スペクトルを生成して一旦メモリ23に記憶させる。
The photoelectrons subjected to energy selection by the analyzer are detected by the
次に、試料4からの光電子のうち、光軸Oからの開き角、いわゆる、取り込み角度がα2の電子が視野制限絞り15の開口近傍に集束する様な電圧が、該視野制限絞りの開口近傍に集束する光電子を減速させると共に、アナライザ11の入射スリットS上に集束する様な電圧が、電源ユニット19から静電レンズ13、14にそれぞれ印加される様に、制御装置20から前記電源ユニット19に指令を送る。更に、前記角度制限絞り16の開口径が、前記視野制限絞り15の開口の1近傍に集束する取り込み角度α2の光電子のみを通過させる様な開口径D2になる様に、前記制御装置20から前記開口径調整機構18に指令を送る。尚、開口径がD2に可変された角度制御絞りを図5においては15‘で表し、開口径の変化が分かる様に、前記開口径D1の時の角度制御絞り15の右に描いたが、実際には、同じ位置に配置されている。
Next, among the photoelectrons from the
この状態において、X線源7からのX線が試料4に照射されると、図5の光線図中の光線Bに示す様に、該試料から放出された光電子のうち、取り込み角α2で取り込まれた光電子のみが前記静電レンズ13によって視野制限絞り15近傍に集束され、該視野制限絞りの開口K1,角度制限絞り16の開口K2を通過した光電子は静電レンズ14により減速及びアナライザ11の入射スリットS上に集束されて該アナライザに導かれる。該アナライザに導かれた光電子は、取り込み角α2で取り込まれた光電子で、前記原理で説明した様に、分析の深さT2(=dcos(θ−α2))の光電子である。
In this state, when the
該アナライザでエネルギー選別された光電子は検出器12で検出され、電気信号に変換されて出力される。前記制御装置20は、該出力信号に基づく光電子スペクトルを生成して一旦メモリ23に記憶させる。
The photoelectrons subjected to energy selection by the analyzer are detected by the
次に、試料4からの光電子のうち、光軸Oからの開き角、いわゆる、取り込み角度がα3の電子が視野制限絞り15の開口近傍に集束する様な電圧が、該視野制限絞りの開口近傍に集束する光電子を減速させると共に、アナライザ11の入射スリットS上に集束する様な電圧が、電源ユニット19から静電レンズ13、14にそれぞれ印加される様に、制御装置20から前記電源ユニット19に指令を送る。更に、前記角度制限絞り16の開口径が、前記視野制限絞り15の開口の1近傍に集束する取り込み角度α3の光電子のみを通過させる様な開口径D3になる様に、前記制御装置20から前記開口径調整機構18に指令を送る。尚、開口径がD3に可変された角度制御絞りを図5においては15‘‘で表し、開口径の変化が分かる様に、前記開口径D2の時の角度制御絞り15’の右に描いたが、実際には、15と同じ位置に配置されている。
Next, among the photoelectrons from the
この状態において、X線源7からのX線が試料4に照射されると、図5の光線図中の光線Cに示す様に、該試料から放出された光電子のうち、取り込み角α3で取り込まれた光電子のみが前記静電レンズ13によって視野制限絞り15近傍に集束され、該視野制限絞りの開口K1,角度制限絞り16の開口K2を通過した光電子は静電レンズ14により減速及びアナライザ11の入射スリットS上に集束されて該アナライザに導かれる。該アナライザに導かれた光電子は、取り込み角α3で取り込まれた光電子で、分析の深さt3前記原理で説明した様に、分析の深さT3(=dcos(θ−α3))の光電子である。
In this state, when the
該アナライザでエネルギー選別された光電子は検出器12で検出され、電気信号に変換されて出力される。前記制御装置20は、該出力信号に基づく光電子スペクトルを生成して一旦メモリ23に記憶させる。
The photoelectrons subjected to energy selection by the analyzer are detected by the
以後この様に取り込み角を変えて、光電子スペクトルを生成する一連の動作を繰り返す。 Thereafter, the series of operations for generating the photoelectron spectrum is repeated by changing the capture angle in this way.
その後、前記制御装置20は、前記メモリ23から、各取り込み角に対応した分析深さ信号と、該各分析深さに対する光電子スペクトル信号を読み出し、各分析深さに対する光電子スペクトルが表示装置21に表示させる。
Thereafter, the
尚、前記例では、試料4からの光電子を静電レンズ13にて視野制限絞り15の開口K1近傍に集束させる様に成したが、前記試料4の下方に、磁界型結像レンズを配置し、前記静電レンズ13を使用せず、この磁界型結像レンズを使って前記試料4からの光電子を前記視野制限絞り15の開口K1近傍に集束させるようにしても良く、この方がより広い取り込み角度の光電子を集束させることが出来る。
In the above example, the photoelectrons from the
又、前記例では、光電子分光装置に夜試料の深方向分析方法について説明したが、この方法はオージェ電子分光装置等他の電子分光装置についても応用可能である。 In the above example, the method for analyzing the deep direction of the night sample in the photoelectron spectrometer has been described, but this method can also be applied to other electron spectrometers such as an Auger electron spectrometer.
1…分析室
2…排気装置
3…試料ホルダ
4…試料
5…試料ステージ
6…試料ステージ位置調整機構
7…光電子励起用X線源
8…X線源の電源
9…電子分光器
10…インプットレンズ
11…アナライザ
12…検出器
13…集束レンズ
14…集束レンズ
15…視野制限絞り
16…角度制限絞り
17…開口径調整機構
18…開口径調整機構
19…電源ユニット
20…制御装置
21…表示装置
22…取り込み角制御ユニット
23…メモリ
S…入射スリット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Analysis chamber 2 ...
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