JPH0727556Y2 - 荷電粒子エネルギ分析装置 - Google Patents

荷電粒子エネルギ分析装置

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JPH0727556Y2
JPH0727556Y2 JP1987059984U JP5998487U JPH0727556Y2 JP H0727556 Y2 JPH0727556 Y2 JP H0727556Y2 JP 1987059984 U JP1987059984 U JP 1987059984U JP 5998487 U JP5998487 U JP 5998487U JP H0727556 Y2 JPH0727556 Y2 JP H0727556Y2
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Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は荷電粒子エネルギ分析装置に関し、特定的に
は、スペクトル顕微鏡を含む荷電粒子顕微鏡に関する。
より特定的には、本考案は試料の表面の或る選択された
区域を調査するための、荷電粒子エネルギ分析装置に関
する。
〔従来技術、および考案が解決しようとする問題点〕
従来知られている、英国特許明細書A−1367302号に記
載されている試料の表面の或る選択された区域を調査す
るための荷電粒子エネルギ分析装置は、試料保持器、照
射源であって該試料保持器上の試料の一つの外表面に照
射を指向させそこから荷電粒子が射出されるようにする
もの、電磁レンズであって試料保持器が該レンズの磁気
映像フィールドの軸上に配置され該試料から射出された
粒子が該フィールドにより集束させられるもの、ダイヤ
フラムであって該フィールドの軸上に配置された収集用
開口を包含し該レンズの収集角を規定するもの、および
分析手段であって該試料から収集され該分析手段に受理
される荷電粒子のエネルギを分析するもの、を具備す
る。
この英国特許明細書A−1367302号の分析装置において
は、該分析手段がそこから荷電粒子を受理するところの
該試料の選択された区域は、そこから該収集用開口が荷
電粒子を受理するところの軸上の該試料の全区域であ
る。しかし、この分析装置においては、操作者が試料の
極めて小さく選択された区域からのみ受理される粒子を
検査することを可能にするものではないのであり、この
場合において該極めて小さく選択された区域は現在実用
されている直径約250ミクロンのオーダーではなく例え
ば直径10ないし50ミクロンのオーダーのものである。
本考案の目的は、前述の従来形における問題点にかんが
みて、改良された荷電粒子エネルギ分析装置を実現する
ことにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本考案においては、試料の表面の調査用の荷電粒子エネ
ルギ分析装置であって、 試料保持器、 照射源であって試料保持器上の試料の外表面へ照射を指
向させ該試料から荷電粒子を放出させるもの、 電磁レンズであって、該試料保持器が該電磁レンズの磁
気映像フイールドの軸上にあるように配置され該試料か
ら放出された粒子が該フイールドにより集束させられる
もの、 開口を有する第1のダイヤフラムであって、収集用の開
口を包含し、該開口が該フイールドの軸上に位置づけら
れて該試料の表面の或る面積を規定し、該面積から該収
集用開口が荷電粒子を受理するもの、および、 分析手段であって該試料から収集され該分析手段により
受理された荷電粒子のエネルギを分析するもの、を具備
する装置において、 開口を有する第2のダイヤフラムが設けられ、該第2の
ダイヤフラムは、該電磁レンズの軸上またはその近傍に
存在する追加の開口を包含し、該収集用開口と該分析手
段の間に位置して該試料の表面の該面積のみにおける或
る制限された部分を規定し、該制限された部分から荷電
粒子が集束させられ該分析手段へ供給される、ことを特
徴とする荷電粒子エネルギ分析装置、が提供される。
本考案が関与する荷電粒子は電子、正イオン、または負
イオンであることができるが、説明を容易にするために
下記においては正常には荷電粒子は電子に限定されるも
のとして説明される。
本装置においては、特に電子イマージョン式の電磁レン
ズが用いられる。試料にX線が射突すると、試料の表面
の選択された区域から光電子が射出され、該射出された
光電子はレンズの磁気映像フィールドに進入する。レン
ズにより生成されるフィールドは或るエネルギ範囲にわ
たる電子を映像化する。その結果生成される電子映像は
適切な映像エネルギ分析装置、例えばアカデミーオブサ
イエンス報告書第255B号、第76頁以下、パリのアカデミ
ーオブサイエンス1962年発行、におけるR.Castaing、L.
Henryの論文、1962年発行、に記載されるもの、により
分析される。このようにエネルギ分解された映像は次い
で、もし必要ならばさらに増倍され、最終的な映像は映
像を登録するための蛍光スクリーンまたは他の適切な装
置上に投射される。
電磁イマージョンレンズおよび分析装置の強度を変化さ
せることにより光電子エネルギのスペクトルを記録する
ことができ、また最終スクリーン上に選択されたエネル
ギを表示することができる。該スペクトルは、試料の内
部、試料の表面、および該試料表面に付着または載置さ
れた原子または分子の組成、性質、および化学構造につ
いてなされるべき推論を可能にするところの情報を包含
する。光子、電子、イオン、または中性粒子(原子およ
び分子)による照射にひきつづいて試料から放出される
電子は、照射の性質および試料の性質に依存するエネル
ギ範囲を有する。
5ないし40電子ボルトのエネルギをもつ光子の照射適用
のような適用において、解放された電子は約零ないし5
電子ボルトまたは約零ないし40電子ボルトの範囲のエネ
ルギをもつ。そのように解放された電子は紫外線照射に
より発生した光電子である。照射光子のエネルギが100
電子ボルト程度以上であると、解放された電子はX線光
電子である。紫外線励起光電子、X線励起光電子のいず
れも化学的およびその他の情報を伝達することができ
る。
このように、電磁イマージョンレンズおよびエネルギ分
析手段を有する光電子顕微鏡は、物体の表面の詳細を拡
大し、該表面上の化学的環境の変化を表示することがで
きる。
本考案において用いられる好適な形式のレンズはシュノ
ーケル形電磁レンズ、すなわち、一つの主磁極片が隣接
する磁極片を越えてレンズ軸に沿うて延びているレンズ
である。そのようなレンズは、下記の文献、 シュプリンガー書店、1982年発行P.W.ホークス編「マグ
ネティックエレクトロンレンズ」第349〜412頁のT.ミュ
ーリーの論文、 に記述されている。しかし、射出された電子に対する集
束フィールドを発生させるためには他の形式の電磁レン
ズも用いることができる。本考案による装置はまた、エ
ネルギ分析された電子映像を拡大する手段および適切な
スクリーン上に最終映像を生成させる手段を包含するこ
とができる。
〔実施例〕
本考案および本考案の基礎となる理論が、添付図面を参
照しつつ、以下に特定的に記述される。
第1図に、エネルギ分析装置を有する高エネルギ射出式
顕微鏡が示される。該顕微鏡はシュノーケル形の電磁レ
ンズ10であって、顕微鏡軸上に中央磁極10aを有するも
の、環状同軸磁極10b、および該磁極10a,10bと一体化さ
れた基盤10cを具備する。該2個の磁極の間の環状溝内
にコイル10dが装着され、電流により付勢されると中央
磁極を励磁し、顕微鏡軸に沿いフィールドを発生させ
る。
シュノーケル形磁極片10aの突出端は真空容槽11の壁内
に封鎖されるが、該真空容槽は、排気マニホルド12を通
して超高真空、好適には10-10Torr以下の超高真空にま
で排気される。図に示されるように、該コイルは真空容
槽11の外側に装着される。
電磁レンズ軸上において磁極片10aの直前に試料保持器1
3が配置される。この試料保持器は真空容槽11内におい
てマニピュレータ14上に装着されており、該マニピュレ
ータは該試料保持器上に載置された試料の位置を任意の
方向に変化させることを可能にする。
該試料保持器に隣接して照射源15が配置されるが、該照
射源は代表的には、MgKαのX線照射源のようなX線照
射源であることができる。試料保持器上の試料をそのよ
うな照射源からの照射により射突することにより光電子
がレンズの磁界内へ射出させられ、これらの光電子は、
後述するように、レンズの下流側において集束させられ
る。
絶縁された試料の電荷中和を行うために、必要ならば低
エネルギの銃16を試料保持器に隣接して配置することが
できる。
試料から射出されるX線光電子は第1の開口ダイヤフラ
ム18を通過するが、該第1の開口ダイヤフラムは適切な
マニピュレータ20に装着されている。この第1の開口ダ
イヤフラムおよび他の開口ダイヤフラムは、下記におい
て正常には「開口」という用語で言及される。開口18は
電子ビームの収集角を規定するのに用いられる。
開口18の下流には第2の開口21がマニピュレータ22に装
着されるが、開口21において形成される映像は、試料
S′の表面の一部の拡大された映像である。適切な倍率
は10Xと20Xの間にある。
試料の表面の単一の点からの電子の軌道が説明をわかり
やすくするために示されている。しかし、実際には、試
料の表面上の連続点が第2の開口21の面内において映像
形成させられるのである。
必要であるときは、マニピュレータ19に装着された観察
スクリーン17は、射出された光電子を観察するために第
2の開口21の面内の電子の通路内へ移動させられること
ができる。
第2図を参照しつつレンズの作用を詳細に考察すると、
コイルが付勢されると、部分10a,10b、および10cにより
形成される電磁石は破線であらわされるような磁界を発
生させる。単一磁極またはシュノーケルレンズの磁束線
は、或るエネルギ広がりをもつ電子によって表面の映像
がどのように形成されるかを示す。第2図に示される放
射線の線図は、実際の曲線状軌道を直線近似であらわし
たものである。スクリーンまたは開口が置かれていると
ころの一つの試料位置および一つの映像面について、一
つの与えられたレンズ励起は、集束された比較的小なる
エネルギ帯の電子に対応する。このエネルギ帯より小な
るエネルギを有する電子は、開口21の面で集束するには
不適格であり該開口を通過できないが、該エネルギ帯よ
り大なるエネルギを有する電子は集束されることがなく
その大部分もまた該開口を通過できない。レンズの中心
軸に沿うて射出される電子であって該開口の中心を通過
するものは、エネルギ値にかかわらずに該開口を通過す
るが、エネルギ分析器により選別除去される。
このようなレンズが用いられることにより、磁界は通常
の10Xないし20Xの倍率をもつ対物レンズとして動作す
る。光電子エネルギが1keV、焦点長が4mmである場合に
は、集束に必要なフィールド強さは0.1テスラであり、
電子ビームは顕微鏡の軸まわりに130°にわたりねじら
れることが計算される。
レンズ10の強度に従い、E1+ΔE′とE1−ΔE′の間の
エネルギを有する電子は開口18および21を通過し、それ
にシステムの中心軸に沿うて進行する他のエネルギを有
する幾らかの電子が加わる。該中心軸に沿うて進行しな
い他のエネルギを有する電子は開口21において選別除去
される。
映像の空間的連続性を維持し、かつ、ΔE″がΔE′に
比べて相当に小であるとしてE1+ΔE″とE1−ΔE″の
間のエネルギ帯を選択するために、第2の開口21の下流
にエネルギ分析装置23が配置される。
この装置23はCastaingおよびHenry形式であることが便
宜的であるが、この形式の装置は電子ミラー24および電
磁プリズム25を包含する。
分析装置23の下流には拡大レンズシステム26が存在し、
該拡大レンズシステムに続いて拡大された映像が記録さ
れ得る形式へ変換されることを許容するところの変換手
段が存在する。このような変換手段は、一対の電子増倍
チャンネルプレート27およびそれに続く蛍光体28を具備
することができる。それにより、結果として得られた光
映像が写真撮影されまたはテレビ撮像管30より検査され
ることができる。
分析装置23と拡大レンズ26の位置は、光学系列内におい
て交換することができる。
その他の光学的装置として、エネルギ分析装置の出口に
おける第3の開口31およびチャンネルトロン形電子増倍
装置32が存在し、該チャンネルトロン形電子増倍装置は
選択された区域のエネルギスペクトルを発生させるため
に開口31の後方へ移動させられることができる。
もし追加の拡大ステージが必要であるときは、映像エネ
ルギ分析装置の上流側または下流側に追加のレンズを設
けることができる。
本考案の変形実施例として、映像が保存されない形式の
装置が第3図に示される。
第3図実施例において多くの部分は第1図実施例の場合
と同様であるが、シュノーケル形の電磁的電子レンズ11
0が真空容槽110内に封入され、試料保持器113がレンズ
軸上に装着される。X線源115が試料保持器113上の資料
S′を照射するよう配置され、低エネルギ銃116が試料
に隣接して配置される。
収集開口を形成する第1の開口118が試料表面区域を規
定するが、該試料表面区域から電子が受理され、収集さ
れた電子が第2の開口ダイヤフラムまたはスクリーン12
1において集束させられる。
スクリーン121上の映像が充分に鮮明であるように、ス
クリーンの上流側にチャンネル電子増倍装置131が装着
される。
スクリーン121は電子発光材料の薄い層で作られるかま
たはそれで被覆されている。さらにスクリーン121は透
明またはほぼ透明であり、それにより、発光が下流側か
ら観察できるようになっている。ミラー132は、観察者
Oまたは記録手段が、真空容槽111の窓133を通って観察
することを許容する。
開口121の下流側に静電多電極レンズ134が配置され、開
口121からの電子を受理し、減速し、かつ集束させる。
レンズ134の下流側にスリット135が存在し、該スリット
は、マニピュレータ136により寸法が変化させられるこ
とができ非映像静電エネルギ分析装置123の入口スリッ
トを形成する。
分析装置123は半球状の内側および外側の電極123a,123b
を有し、スリット135からの電子をヘルツオグプレート
(分析装置の入口および出口開口における周縁部磁界の
影響を低減させるためのヘルツオグスリットを有する平
坦なプレートを経由して受理する。ヘルツオグプレート
137は電極123a,123bにより生ずる縁部フィールド効果を
補正するのに役立つ。
分析装置123内において、電子はエネルギに応じて分離
させられ、集束プレーン検出器138により記録される。
該集束プレーン検出器は一対のチャンネル電子増倍プレ
ートから成る。この増幅された電子信号は、蛍光体140
へまで加速される。次いで、蛍光体140上に生成された
可視の映像は、光学的レンズ141を用いて、電荷結合検
出器列またはその他の電子的光感知式検出器142へ伝達
される。
適切な電子的処理手段(図示せず)を用いて、半球状分
析装置またはスペクトロメータ123により生成されたス
ペクトルを適切な記録媒体上へ読み出すことができる。
第3図に示される非映像化装置において追加の拡大ステ
ージが必要であるときは、追加のレンズを設けることが
できるが、該追加のレンズはエネルギ分析装置の上流側
に存在すべきである。さらに、開口が分析装置の前位に
存在すべきであり、それにより分析されるべき試料の区
域を試料の上にこの開口を適切に位置ぎめすることによ
り選択することができる。該選択された区域の光電的全
ススペクトルを、シュノーケルレンズ励起とエネルギ分
析装置を同期して走査することにより得ることができ
る。
第1図実施例、第3図実施例の両方において、そこから
の荷電粒子が分析手段により受理されるところの試料の
選択された制限された区域を変化させることが必要であ
る場合は、このことは幾つかの方法により実行すること
ができる。第1に、試料保持器は、第1図装置における
マニピュレータ14により分析装置の軸を横断する方向に
移動させられることができる。その代りに、隔離した電
極プレートの直交ペアの軸方向に間隔をおいた2つの組
33,33′;34,34′が荷電粒子の通路のまわりに配置され
ることができるのであり、該荷電粒子は開口21に接近し
荷電粒子のビームを偏向させるよう適切に付勢されてお
り、開口21に相対的に映像を移動させるのである(第1
図にのみ示されている)。適切に付勢された離隔した電
極プレートの直交ぺアの軸方向に間隔をおいたさらなる
2つの組35,35′:36,36′が、開口21の下流側に用いら
れることができるのであり、それにより軸に沿うてビー
ムを再整列させる。
第1図装置、第3図装置のような分析装置において期待
される空間分解能は、単一極形のレンズまたは非対称レ
ンズの球面収差係数および試料表面からの電子射出角度
に関係している。分解能対射出角度の特性が、2つの相
異なる収差係数、すなわち2mmおよび10mmの場合につい
て、第4図にグラフ状に示される。レンズの倍率は10X
に選ばれている。分解識別しうる試料区域の直径は下記
の方法により評価される。
いま、試料がレンズの対物面に存在し、試料表面からの
電子の軌道が、透過式電子顕微鏡における電子映像の形
成に類似した態様で開口21または121の選択された区域
へと形成されるものと考える。透過式電子顕微鏡により
生成される選択された区域の直径は下記の関係式で与え
られる。
ここに、dは試料における実際に分解識別された選択面
積、 dSAは正規分布的に選択された面積であって、dAを選択
された開口区域の直径Mをレンズの倍率とするときdA÷
Mに等しいもの、 dCSは対物レンズに関しレンズの球面収差による混同が
最小である円板形の直径である。この関係式において
は、その他の収差は無視することができる。
対物レンズに関し球面収差による混同が最小である円板
形の直径は、下記の関係式で与えられる。
ここに、dCSは前述のように定義されるものであり、α
は試料からの放射線の半分角であり、CSは与えられた励
起条件下におけるレンズについての球面収差係数であ
る。
球面収差係数はレンズ励起に依存するものであり、通常
焦点における物体および無限遠における該物体の映像に
ついて規定されるものであり、そのような条件下におけ
る球面収差は通常CSOであらわされ、CSとは下記の関係
を有する。
関係式(3)該当する倍率は10Xである。したがってCS
=1.464CSOである。
シュノーケル形または単一磁極片形のレンズについて
は、焦点距離4mmにおけるCSOの代表的な値は2mmであり
(前出の文献「マグネティックエレクトロンレンズ」第
395〜第396頁におけるT.Mulveyの論文を参照された
い)、それゆえ、CSの値は2.928mmに等しく、0.2ラジア
ンの半分角(すなわち約11.5°)の半分角についての混
同判断用の円板形の直径dCSは11.7ミクロンである。
dCSの値が決定されると、次はdSAの値が必要となる。
選択用開口として動作させるため直径250ミクロンの開
口が単一磁極片形のレンズの映像面に置かれ、倍率が10
Xであると、dSAの値は250÷10ミクロンでありこの値は2
5ミクロンに等しい。
dCS=11.6ミクロンおよびdSA=25ミクロンの条件を用い
て選択された面積は、関係式(1)により与えられ、2
7.6ミクロンに等しい。このことは第4図の特性図にあ
らわされる数値に適合する。0.2ラジアンより小なる半
分角にすると分解能はより良好になるが、感度が劣化す
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本考案の一実施例としての荷電粒子エネルギ分
析装置の概略を示す断面図、 第2図は第1図装置における電磁的電子レンズを拡大し
て示す断面図、 第3図は本考案の変形実施例を示す図、 第4図は本考案実施例の装置における電磁レンズの与え
られた球面収差係数について、試料表面から射出される
電子の角度拡散の関数としての空間分解能の変化をあら
わす特性図である。 10……電磁レンズ、10a……中央磁極、10b,10c……環状
同軸状磁極、10c……基盤、11……真空容槽、12……排
気マニホルド、13……試料保持器、14……マニピュレー
タ、15……照射源、16……低エネルギの銃、17……観察
スクリーン、18……開口、19……マニピュレータ、20…
…マニピュレータ、21……開口、22……マニピュレー
タ、23……エネルギ分析装置、24……電子ミラー、25…
…電磁プリズム、26……拡大レンズシステム、27……電
子増倍チャンネルプレート、28……蛍光体、30……テレ
ビ撮像管、31……開口、32……チャンネルトロン形電子
増倍装置、33,33′,34,34′……電極プレートの直交ぺ
ア、35,35′,36,36′……電極プレートの直交ペア。

Claims (12)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料の表面の調査用の荷電粒子エネルギ分
    析装置であって、 試料保持器、 照射源であって試料保持器上の試料の外表面へ照射を指
    向させ該試料から荷電粒子を放出させるもの、 電磁レンズであって、該試料保持器が該電磁レンズの磁
    気映像フイールドの軸上にあるように配置され該試料か
    ら放出された粒子が該フイールドにより集束させられる
    もの、 開口を有する第1のダイヤフラムであって、収集用の開
    口を包含し、該開口が該フイールドの軸上に位置づけら
    れて該試料の表面の或る面積を規定し、該面積から該収
    集用開口が荷電粒子を受理するもの、および、 分析手段であって該試料から収集され該分析手段により
    受理された荷電粒子のエネルギを分析するもの、 を具備する装置において、 開口を有する第2のダイヤフラムが設けられ、該第2の
    ダイヤフラムは、該電磁レンズの軸上またはその近傍に
    存在する追加の開口を包含し、該収集用開口と該分析手
    段の間に位置して該試料の表面の該面積のみにおける或
    る制限された部分を規定し、該制限された部分から荷電
    粒子が集束させられ該分析手段へ供給される、 ことを特徴とする荷電粒子エネルギ分析装置。
  2. 【請求項2】試料からの荷電粒子が受理されるところの
    該試料の制限された面積を変化させる手段をさらに具備
    する、実用新案登録請求の範囲第1項記載の装置。
  3. 【請求項3】該試料の制限された面積を変化させる手段
    が、該試料の通路を該分析装置の軸に対して偏向させる
    手段を具備する、実用新案登録請求の範囲第2項記載の
    装置。
  4. 【請求項4】該装置が、電子エネルギ分析用顕微鏡の形
    式のものである、実用新案登録請求の範囲第1項記載の
    装置。
  5. 【請求項5】該装置が、電子エネルギ分析用スペクトロ
    メータの形式のものである、実用新案登録請求の範囲第
    1項記載の装置。
  6. 【請求項6】該装置が、増倍用レンズであって荷電粒子
    の通路内にエネルギ分析手段に先立つ位置に存在するも
    のをさらに具備する、実用新案登録請求の範囲第1項記
    載の装置。
  7. 【請求項7】該電磁レンズがシュノーケル形レンズであ
    る、実用新案登録請求の範囲第1〜第6項のいずれかに
    記載の装置。
  8. 【請求項8】該電磁レンズが実質的に相異なる直径をも
    つ非対称磁極片の複数個を有する、実用新案登録請求の
    範囲第1〜第6項のいずれかに記載の装置。
  9. 【請求項9】該荷電粒子エネルギ分析装置が電磁式、静
    電式、または電磁・静電組み合わせ式のものである、実
    用新案登録請求の範囲第1〜第8項のいずれかに記載の
    装置。
  10. 【請求項10】該レンズの磁界の強さと該エネルギ分析
    手段の磁界の強さを同時に変化させることにより荷電粒
    子のエネルギを変化させる手段を具備する、実用新案登
    録請求の範囲第1〜第9項のいずれかに記載の装置。
  11. 【請求項11】該試料保持器が大地から隔離されること
    ができ、大地電位に対して正または負に静電的にバイア
    スされることができるようになっている、実用新案登録
    請求の範囲第1〜第10項のいずれかに記載の装置。
  12. 【請求項12】電子、イオン、中性粒子(原子または分
    子)、または光子のビームにより衝撃される絶縁された
    試料の荷電を中和する手段を具備する、実用新案登録請
    求の範囲第1〜第11項のいずれかに記載の装置。
JP1987059984U 1986-04-22 1987-04-22 荷電粒子エネルギ分析装置 Expired - Lifetime JPH0727556Y2 (ja)

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