JPH0541192A - 荷電粒子のエネルギー分布測定装置 - Google Patents

荷電粒子のエネルギー分布測定装置

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JPH0541192A
JPH0541192A JP3194530A JP19453091A JPH0541192A JP H0541192 A JPH0541192 A JP H0541192A JP 3194530 A JP3194530 A JP 3194530A JP 19453091 A JP19453091 A JP 19453091A JP H0541192 A JPH0541192 A JP H0541192A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明に関る電子分光装置は、試料の表面の
原子・分子等のエネルギー状態や組成を知るものに関す
る。 【構成】 本発明によれば、試料から放出された荷電粒
子は、ドリフト空間を走行する過程で、放出時の初速度
のうちの出力方向の速度差にもとずいて走行時間差が生
じる。このため、時間につれて電界が単調に変化する偏
向電極を通過する過程で、異なる角度に掃引され、した
がってドリフト空間において初速度に応じて生じた走行
時間差が、そのまま出力面板に空間分解されて現われ
る。また、アパーチャ手段と集束手段を設けることによ
り、試料から一定方向に放出された荷電粒子のみを、高
い分解能で出力面板に入射できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光電子のような荷電粒子
のエネルギー分布測定装置(例えば電子分光装置)に係
り、例えば試料表面の分子や原子のエネルギー状態、あ
るいは試料表面の組成を分析するために使用される。
【0002】
【従来の技術】真空中の試料に電子線や光を照射して、
試料から放出される2次電子、オージェ電子、光電子等
のエネルギー分布を測定することにより、その試料表面
の原子・分子のエネルギーや組成を知ることができる。
この放出されたエネルギー分布を求める方法として阻止
電場型と偏向電場型がある。
【0003】図5(a)は、従来の阻止電場型の電子分
光装置を説明する図である。阻止電場型の装置では、電
子線等で試料を走査して、その電圧とこの試料を透過す
る透過電子や2次電子等で試料1を測定する。まず、電
子銃20から電子線を試料1に照射する。照射された試
料1からは2次電子が発生したり、透過電子として試料
を透過する電子が得られることとなる。阻止電場型で
は、映像信号として2次電子の他に反射電子、吸収電
子、オージェ電子、X線、透過電子等の、1次電子の照
射によって生ずるすべての信号を利用することができ
る。試料1から発生した2次電子や透過電子は電子検出
装置21a,21bに入り、電子信号に変換された後に
電子信号処理回路22で処理される。この出力をブラウ
ン管などで測定することで、試料の形状の観察だけでな
く、その状態や組成の分析をすることができる。この阻
止電場型の電子分光装置の分解能は電子線の直径に依存
する。
【0004】図5(b)は、偏向電場型の電子分光装置
を説明する図である。電子銃20から電子線を試料1に
照射する。試料1から発生した電子線は静的な偏向場が
印加された偏向電極24を通過する。偏向電極24を通
過した電子線は、図5(a)の阻止電場型の電子分光装
置と同様に電子検出装置に入り、電子信号に変換された
後に電子信号処理回路22で処理される。この出力をブ
ラウン管23などで測定することで、試料の形状の観察
だけでなく、その状態や組成の分析をすることができ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の装置では、電子のエネルギーの分解能が数meVに
制限されていた。また、電子線の直径を細くすれば、分
解能を上げることができるが、一般的に、直径を細くす
ると電流が減少するので、分解能を向上させるのには限
界がある。
【0006】そこで本発明は、試料からの放出荷電粒子
(例えば光電子)のエネルギーを、高い分解能をもって
測定できるエネルギー分布測定装置を提供することを目
的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる荷電粒子
のエネルギー分布測定装置は、エネルギー線の照射によ
り試料から放出された荷電粒子が走行するためのドリフ
ト空間をあけて試料と対向する位置に設けられた電極を
有し、荷電粒子によるドリフト空間の通過時間がエネル
ギー線のパルス幅より十分に長くなるような電界を当該
ドリフト空間に形成するドリフト手段と、ドリフト空間
を通過した荷電粒子を、その進行方向と直交する方向に
掃引する偏向電極と、エネルギー線の照射時刻から所定
の時間遅延した時刻に単調に変化する掃引電圧を偏向電
極に印加する掃引電圧発生手段と、掃引された荷電粒子
が入射される出力面板と、試料から出力面板までの空間
を真空状態に保持する真空容器とを備えることを特徴と
する。
【0008】
【作用】本発明によれば、試料から放出された荷電粒子
は、ドリフト空間を走行する過程で、放出時の初速度の
うちの出力方向の速度差にもとずいて行路差が生じる。
このため、時間につれて電界が単調に変化する偏向電極
を通過する過程で、異なる角度に掃引され、したがって
ドリフト空間において初速度に応じて生じた行路差が、
そのまま出力面板に空間分解されて現われる。また、ア
パーチャ手段と集束手段を設けることにより、試料から
一定方向に放出された荷電粒子のみを、高い分解能で出
力面板に入射できる。
【0009】
【実施例】まず、実施例の説明に先立ち、本発明に係る
荷電粒子のエネルギー分布測定装置の一例として、電子
分光装置の原理を説明する。図1はその斜視図であり、
図2は側面図である。図示の通り、試料1の前方側に
は、ドリフトを生じさせる電極2、電子レンズ系3、偏
向電極4および螢光面5が形成された出力面板50が順
次に配設されている。また、試料1には超短パルス光な
どのデルタ関数状の励起パルスが入射されるようになっ
ており、試料1と電極2の間にはドリフトおよび加速の
ための電圧V1 が印加されている。また、一対の偏向電
極4間には、電位差が単調に変化する掃引電圧VS が印
加されている。ここで、試料1から電極2までの長さL
の空間は、試料1から放出された荷電粒子(例えば光電
子)にドリフトを生じさせ、かつ加速させる空間を構成
している。また、試料1から加速方向に放出された光電
子のみが、後方の集束および偏向空間に到達するように
するため、電極2の中央部には開口が形成され、電極2
が余分な光電子をカットするリミティングアパーチャの
役割を果している。そして、これらは全て真空容器に収
容されている。
【0010】次に、本発明に係る電子分光装置の動作及
び原理を説明する。
【0011】まず、真空容器内の試料1に対して、時間
幅が無視できるほどのパルス光をレーザーパルス光源
(図示せず。)より照射すると、試料1から光電子A〜
Eが、ほぼ同時に種々の方向に放出される。ここで、加
速方向と直交する初速度成分の大きい光電子D、Eはア
パーチャでもある電極2に衡突し、失なわれる。それ以
外の光電子A〜Cは、ドリフト空間を抜けて次の集束お
よび偏向空間に到達することになるが、この放出光電子
A〜Cの放出エネルギーは、照射された試料1の種類や
状態により各々に異なる。この放出エネルギーの差によ
り放出光電子の試料1からの走行速度および走行時間も
異なってくる。即ち、放出エネルギーが大きければ、走
行速度は速くなり、走行時間も短くなり、逆に、放出エ
ネルギーが小さければ、走行速度は遅くなり、走行時間
も長くなる。
【0012】図2の場合において、放出エネルギーが大
きい光電子Aと放出エネルギーがより小さい光電子B
と、さらに小さい光電子Cがあるとする。3つの放出光
電子A,B、Cは、試料1とリミッテングアパーチャー
を兼ねた電極2間に電圧が印加されているので、電極2
方向に移動していくことになるが、この過程で光電子A
の方が光電子Bに比べ、また光電子Bの方が光電子Cに
比べ放出エネルギーが大きいため、走行速度が速くな
り、光電子AはBに、BはCに先行することになる。ま
た、走行時間が経過するにつれ、光電子A、B、C間の
走行距離差が拡大して行く。つまり、A2 −B2 −C2
間の距離はA1 −B1 −C1 間の距離より長くなる。
【0013】次に、試料1からほぼ垂直に放出された光
電子A〜Cは、電極2の閉口を通過し、時間とともに減
少する斜状電圧が印加された偏向電極4を通過すること
になる。この時、先行する放出光電子の通過時の方が後
続の放出光電子の通過時に比べて、偏向電極4により大
きな電圧がかかることになる。このため先行する放出光
電子は、偏向電極4により大きい電圧がかかっている時
点に偏向電極4を通過するので、後続の放出光電子より
も大きく掃引される。
【0014】そして、この場合は、放出エネルギーは放
出光電子Aの方が放出光電子Bよりも大きいので、放出
光電子A2 は放出光電子B2 に先行し、先に偏向電極4
を通過することとなる。時間とともに偏向電極4にかか
る電圧は減少するので、放出光電子A2 の通過時の方が
放出光電子B2 の通過時に比べて偏向電極4にかかる電
圧は高くなっている。このため、放出光電子A2 の方が
放出光電子B2 に比べ大きく掃引される。その結果、放
出光電子Aに対応する蛍光面5上の掃引像A3 は、放出
光電子Bに対応する蛍光面5上の掃引像B3 よりも上部
にある。
【0015】この動作原理の説明において、放出光電子
の放出エネルギー差により、試料1から電極間2におい
てどの程度の走行時間差がでるかを定量的に示す。試料
1と電極2間の距離をL、印加電圧をV1 、試料からほ
ぼ垂直にV0 [eV]で光電子が放出されたときの試料
1から電極2までの走行時間Tは、運動方程式で簡単に
求められ、次式に示される通りである。 T=(2mL/eE)1/2 {(1+V0 /V1 1/2 −(V0 /V1 1/2 } ここでE=V1 /L、m:電子の質量、e:電子の電荷
とする。
【0016】上式で、例えば、L=0.1[m]、V1
=100Vの時、初速0eVの放出光電子と初速1eV
の放出光電子との走行時間差は、約30psとなる。一
方、偏向電極4により、どの程度の走行時間差が検出さ
れるかは、すでにストリーク管により実証されており、
1psないしそれを上回る時間分解能が得られることが
知られている。したがって、上記の例の1meVの差に
対応する約30psの時間分解能は、十分であることが
わかる。
【0017】ところが、実際、試料1から放出される光
電子は、ほぼ垂直に放出されるとは限らず、いろいろな
角度分布を持つ。図3で示すと、角度θ1 内で試料1か
ら放出された光電子はリミッテングアパーチャーとして
の電極2の開口を通過し、偏向電極4で掃引されること
になるが、角度θ1 以上で放出された光電子までが蛍光
面5上にストリーク像として結像されると測定上の誤差
の原因となる。例えば、角度θ2 およびθ1 で放出され
た放出光電子Dと放出光電子Aの放出エネルギーが同一
である場合に、放出光電子Dは迂回して走行することに
なるので、少なくとも放出光電子Aよりは長い時間がか
かり、その分、偏向電極4での掃引度は低くなり、エネ
ルギーは少ないものと見なされてしまう。このため、角
度θ1 以上で放出された放出光電子は、リミッテングア
パーチャーとしての電極2で捕獲することにする。
【0018】ところで、リミティングアパーチャーとし
ての電極2の開口は、サイズが小さい程、試料1から垂
直方向に放出された光電子のみが選択的に通過され、上
記の光電子の迂回による測定誤差は少なくなる。しか
し、あまりに開口が小さいと、通過する光電子自体が減
ってしまうので、感度が低下する。逆に、開口が大きす
ぎると、ストリークカメラで時間空間分解したときの分
解能が低下する。そこで、試料1と電極2の間に電子レ
ンズ系(図示せず)を設けるようにしてもよい。具体的
には、光電子測定系を電子レンズと電子直射型のストリ
ークカメラで構成し、試料からの光電子を上記の電子レ
ンズで収束させて、ストリーク管の入口絞り (リミテ
ィングアパーチャーの開口に相当)に集めてもよい。そ
して、電子レンズによる収束の程度と、上記開口の大き
さを適宜に選択することで、測定条件に応じて感度と分
解能を設定できる。なお、リミッテングアパーチャー電
極2で捕獲されなかった放出光電子は、そのままでは蛍
光面5に広がるので、測定に誤差を与えることにならな
いようにするため、放出光電子は集束電極3で集められ
て蛍光面5に広がらないようにされている。
【0019】図4は、本発明に係る電子分光装置の一実
施例を示す断面図である。この電子分光装置は、真空容
器としてのガラス容器16(16A,16B)に構成さ
れた本体と、レーザパルス光源10と、符号11〜13
で示される斜状電圧発生のための装置からなる。このガ
ラス容器16の一端側(容器16A側)には、レーザー
入射窓9と、レーザー入射窓9からのレーザーパルス光
が照射するようにガラス容器16内の一端に試料1を固
定する押しバネ17とが備えられ、他端側(容器16B
側)には、ガラス容器16内の真空性を保つための排気
用の真空ポンプ18が連結され、かつ試料1から放出さ
れた放出光電子の掃引像がストリーク像として結像され
る蛍光面5と、この蛍光面が形成される出力面版50を
備えている。ガラス容器16の内部には、試料1からほ
ぼ垂直に出射した放出光電子のみを通過させるリミッテ
ングアパーチャー電極2と、この放出光電子を偏向する
ための偏向電極4と、このリミッテングアパーチャー電
極2を通過した光電子を集束するための集束電極3と、
リミティングアパーチャー電極2を通過した光電子を加
速する陽極6とが設けられている。また、試料1にはガ
ラス容器16の壁を貫くリード線を介して外部電源から
電位が与えられる。集束電極3には外部電源からリード
線を介して可変の電位が与えられ、蛍光面5上のスポッ
トサイズを最小にするように調整されている。試料と陽
極の間の電圧は、この場合、10KVが印加され陽極は
接地されている。陽極6の出力側にある偏向電極4の一
方は接地され、他方には斜状電圧がリード線を介して印
加されるようになっている。なお、試料1が交換できる
ように、ガラス容器16の試料1が固定されている端部
は脱着可能とされている。また、一層の高真空状態を保
つために、容器16Aと容器16Bの間にはリング19
a,19bを用いているが、リングの代わりに銅のリン
グを金属フランジで押し付ければ、より高真空状態を保
つことができる。また、このガラス容器16のリミッテ
ングアパーチャー電極2と試料1の間の距離Lは、エネ
ルギー差が走行時間差に反映されるぐらいに十分でなけ
ればならなく、この場合は100mmとする。また、こ
の間に印加される電圧を100Vにして、リミッテング
アパーチャー電極2の開口径は、100μmとする。
【0020】また、斜状電圧発生装置は、上記レーザー
パルス光源10からのレーザーパルス光がハーフミラー
15を反射して入射するPINダイオード11と、遅延
回路12と、斜状電圧発生回路13からなる。この斜状
電圧発生装置によって生じた斜状電圧は、偏向電極4に
印加され、リミッテングアパーチャー電極2を通過して
集束および加速された光電子を掃引する。
【0021】次に、実施例の動作を説明する。
【0022】まず、レーザーパルス光源10から1ps
のパルス光が試料1に入射し、種々の放出エネルギーを
持つ光電子群が実質的に同時に放出されて、試料1とリ
ミッテングアパーチャー電極2の間にかかる100Vの
低電圧でゆっくり加速される。これらの放出光電子のう
ち、試料1からほぼ垂直に放出されたもののみがリミッ
テングアパーチャー電極2を通過することになる。さら
に、リミッテングアパーチャー電極2を通過した放出光
電子は集束電極3で集束され、偏向電極4の間に入る。
【0023】一方、超短パルスレーザー光の一部はハー
フミラー15で反射され、PINダイオード11に入射
し、電気パルスを発生させる。さらに、この電気パルス
は遅延回路12で適当量遅延されてから斜状電圧発生回
路13をトリガーして斜状電圧発生させる。この斜状電
圧は、ガラス容器16を貫くリード線を介していて偏向
電極4に印加される。この斜状電圧は、時間の経過とと
もに減少するので、偏向電極4に印加される電圧も減少
することになり、偏向電極4に時間的に遅く到達した放
出光電子ほど、図面上で下側に掃引され、蛍光面5上で
ストリーク像として結像される。なお、試料1からほぼ
垂直に放出されなかったものは、リミッテングアパーチ
ャー電極2に捕獲されるので、蛍光面5上にストリーク
像として結像されない。また、試料1から完全に垂直で
はなく、ほぼ垂直に放出された光電子についても、リミ
ッテングアパーチャー電極2に捕獲されることはない
が、集束電極3により集束されるので蛍光面5上に広が
らず測定上の誤差を取り除くことができる。
【0024】上記実施例において、分解能を高めるため
に、ガラス容器16の内壁にはその表面に生じる電荷に
よって放出光電子の速度が変動しないように、Al等の
金属8a,8bをガラス容器の内部壁に蒸着してウォー
ル電極を形成することもでき、図4の実施例の場合は、
ウォール電極8aの電位を試料と同一にしている。ま
た、放出エネルギーが違う電子に走行時間差がより顕著
に現れるように、試料1とリミッテングアパーチャー電
極2間の電圧V1 を負の電圧にしてもよい。さらに、M
CP7を蛍光面5の表面に配置すれば、偏向電極4によ
り掃引された放出光電子をより明るく蛍光面5にストリ
ーク像として結像させることができる。このような電子
分光装置の構成によれば、放出光電子の放出エネルギー
が0〜10eVの範囲で0.5meV以内のエネルギー
分解能が得られる。
【0025】なお、上記実施例で試料1から光電子を実
質的に同時に放射させる励起エネルギー線は、超短パル
スレーザー光となっているが、これに限られず、超短電
子ビームの照射でも可能である。また、X線、紫外線、
可視光線なども使用することもできる。また、偏向電極
4に偏向電圧を印加する方法としては、両方の偏向板に
たがいに逆位相の斜状電圧を印加するいわゆるプッシュ
プル掃引も可能である。さらに、試料1から放出される
ものがイオンの場合も、陰イオンであれば、上記実施例
と同様の方法で順極性の電圧を印加すればよく、陽イオ
ンであれば実施例と逆極性の電圧を印加すればよい。ま
た、MCP7、蛍光面5のかわりに電子ビーム衝撃型固
体撮像デバイスを出力面の内面に配置してもよい。
【0026】
【発明の効果】以上、詳細に説明した通り本発明では、
試料から放出された荷電粒子は、ドリフト空間を走行す
る過程で、放出時の初速度のうちの加速方向の速度差に
もとずいて走行時間差が生じる。このため、時間につれ
て電界が単調に変化する偏向電極を通過する過程で、異
なる角度に掃引され、したがってドリフト空間において
初速度に応じて生じた走行時間差が、そのまま出力面板
に空間分解されて現われる。また、アパーチャ手段と集
束手段を設けることにより、試料から一定方向に放出さ
れた荷電粒子のみを、高い分解能で出力面板に入射でき
る。本発明では、リミッテングアパーチャー電極を通過
するほぼ垂直に放出された光電子のみのエネルギー分布
を、偏向電極を利用したストリーク方式によって求めて
いる。このため、高分解能を得ることができる電子分光
装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電子分光装置の動作および原理を
説明する斜視図である。
【図2】図1の側面図である。
【図3】図2の要部を示す図である。
【図4】本発明に係る電子分光装置の一実施例を示す図
である。
【図5】従来の構成を説明する図である。
【符号の説明】
1…試料、 2…電極(リミティングアパーチャー電極)、 3…電子レンズ系、 4…偏向電極、 5…蛍光面。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料を保持するための試料保持部と、 この試料にパルス状のエネルギー線を照射する励起源
    と、 前記エネルギー線の照射により前記試料から放出された
    荷電粒子が走行するためのドリフト空間をあけて前記試
    料と対向する位置に設けられた電極を有し、前記荷電粒
    子による前記ドリフト空間の通過時間が前記エネルギー
    線のパルス幅より十分に長くなるような電界を当該ドリ
    フト空間に形成するドリフト手段と、 前記ドリフト空間を通過した前記荷電粒子を、その進行
    方向と直交する方向に掃引する偏向電極と、 前記エネルギー線の照射時刻から所定の時間遅延した時
    刻において単調に変化する掃引電圧を前記偏向電極に印
    加する掃引電圧発生手段と、 前記掃引された荷電粒子が入射される出力面板と、 前記試料から前記出力面板までの空間を真空状態に保持
    する真空容器と、 を備えることを特徴とする荷電粒子のエネルギー分布測
    定装置。
  2. 【請求項2】 前記試料保持部は、前記試料を取り換え
    可能に構成されている請求項1記載の荷電粒子のエネル
    ギー分布測定装置。
  3. 【請求項3】 前記励起源は、超短パルス光を出力する
    パルス光源であり、前記試料からは光電子が放出される
    請求項1記載の荷電粒子のエネルギー分布測定装置。
  4. 【請求項4】 前記ドリフト手段は、前記試料から一定
    方向に放出された前記荷電粒子のみを通過させる開口を
    有するアパーチャ手段を更に有する請求項1記載の荷電
    粒子のエネルギー分布測定装置。
  5. 【請求項5】 前記ドリフト手段と前記偏向電極の間に
    は、前記荷電粒子を加速する加速手段が更に設けられて
    いる請求項1記載の荷電粒子のエネルギー分布測定装
    置。
  6. 【請求項6】 前記ドリフト手段と前記偏向電極の間に
    は、前記荷電粒子のビームを前記出力面板に結像する集
    束手段が更に設けられている請求項1記載の荷電粒子の
    エネルギー分布測定装置。
  7. 【請求項7】 前記励起源は一定時間間隔で繰り返すパ
    ルス状のエネルギー線を出力するよう構成され、前記掃
    引電圧発生手段は前記励起源の繰り返し周期に同期しな
    がら所定の時間遅延した時刻において単調に変化するシ
    ンクロスキャン型の掃引電圧を発生するよう構成されて
    いる請求項1記載の荷電粒子のエネルギー分布測定装
    置。
  8. 【請求項8】 前記出力面板には螢光面が形成されてい
    る請求項1記載の荷電粒子のエネルギー分布測定装置。
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JPH0627058A (ja) * 1992-07-09 1994-02-04 Agency Of Ind Science & Technol 電子分光方法とこれを用いた電子分光装置
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