JPH08166364A - 光電子分光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】小型で容易な装置構成で物質の微小領域の分析
を行うことができる光電子分光装置を提供する。 【構成】Ｘ線源１から発生するＸ線を照射光学系５によ
ってＸ線マイクロビームに集光し、該Ｘ線マイクロビー
ムを分析しようとする試料６に照射して、試料６から放
出される光電子を観測する光電子分光装置において、Ｘ
線源としてレーザープラズマＸ線源１を用い、該レーザ
ープラズマＸ線源１と照射光学系５との間に、可視光を
透過しＸ線を遮断する第１のフィルター２ａと、可視光
を遮断しＸ線を透過する第２のフィルター２ｂとを切替
え自在に配置し、該フィルター２ａ，２ｂと照射光学系
５との間に、Ｘ線を分光して集光するＸ線分光器３を配
置し、照射光学系５を、Ｘ線のほか可視光に対しても集
光可能に形成したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｘ線マイクロビームを
用いて物質の微小領域の分析を行う光電子分光装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の微細化、複合材料の
開発及び生物学の研究が進み、物質の微小領域の化学状
態や電子状態の分析への要求が高まっている。光電子分
光法は、Ｘ線を物質に照射し、物質から放出される光電
子の運動エネルギーの分析を行う電子分光法の１種であ
る。照射するＸ線のエネルギーをＥ_x、放出される光電
子の運動エネルギーをＥ_k、測定装置の仕事関数をφ_sp
とすると、電子の結合エネルギーＥ_bは、 Ｅ_b＝Ｅ_x−Ｅ_k−φ_sp で表される。したがって放出される光電子の運動エネル
ギーＥ_kを測定することによって、電子の結合エネルギ
ーＥ_bを求めることができ、物質を構成している元素及
びその元素の化学状態に関する情報を得ることができ
る。放出される光電子は、物質中の平均自由工程が短い
ために、光電子分光は極表面（表面から数ｎｍ〜数十ｎ
ｍ）の分析法である。したがって、物質の表面汚染が分
析に大きく影響を与えることになるために、超高真空中
で分析を行う必要がある。

【０００３】一方、物質の微小領域の分析には、Ｘ線照
射光学系を用いてマイクロビーム化したＸ線を物質に照
射して分析を行う方法が開発されつつある。さらに、Ｘ
線マイクロビームと試料との少なくともいずれか一方を
１次元あるいは２次元的に走査して、物質を構成する元
素及び化学状態の１次元あるいは２次元分布を測定する
方法も同様に開発されつつある。このように、物質の微
小領域の化学状態や電子状態の分析を行うために、Ｘ線
マイクロビームを用いた光電子分光装置の開発が進めら
れている。Ｘ線マイクロビームを用いた物質の微小領域
の分析では、マイクロビームの径が１μｍ以下になるた
めに、分析領域を別の方法で予め設定しておく必要があ
る。従来は、Ｘ線の光学系とは独立に、可視光用の光学
顕微鏡用の光学系を構成して装置に組み込み、分析領域
の設定を行う方法が採用されていた。

【０００４】また物質に照射するＸ線としては、従来よ
り電子線励起型Ｘ線源からのＸ線や、ガス放電によるＸ
線が使用されており、前者としては通常、Ａｌもしくは
Ｍｇのターゲットに電子を衝突させることによって発生
する、それぞれ１．５ｋｅＶと１．２ｋｅＶのエネルギ
ーを持つ特性Ｘ線が用いられていた。またエネルギーの
低い領域では、後者によるＨｅＩＩ（４０．８ｅＶ）の
輝線が用いられていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のＸ線マイク
ロビームを用いた物質の微小領域の分析方法では、分析
領域を予め設定しておくために、Ｘ線の光学系とは独立
に、光学顕微鏡の照明光学系及び結像光学系を超高真空
装置内に構成しなければならず、装置が大型化するとい
う問題点があった。また試料の分析を行うＸ線の光学系
と、試料の位置決めを行う可視光の光学系とのアライメ
ントを行う必要があるから、装置が複雑化する原因にな
っていた。また従来はＸ線源として電子線励起型Ｘ線源
などを用いており、したがって照射するＸ線のエネルギ
ーは、それぞれのＸ線源で発生する特性Ｘ線のエネルギ
ーで固定されていた。すなわちＸ線のエネルギーを変え
ることによって、得られる光電子スペクトルの帰属を容
易に行うことができるが、従来の電子線励起型Ｘ線源な
どを用いる方法では、複数の電子線励起型Ｘ線源などを
装置に取り付けなくてはならず、装置が一層大型で複雑
になってしまう問題点がある。

【０００６】更に近年では、種々の分野、特に半導体関
係の分野で重要な固体のバンド構造に関する情報を得る
ために、１００ｅＶから１ｋｅＶのエネルギー領域のＸ
線による光電子分光法が求められている。しかし、従来
の電子線励起型Ｘ線源などでは、４０ｅＶ以上１ｋｅＶ
以下のエネルギー領域のＸ線で、実験室レベルで有効に
使用できるＸ線源が存在しなかった。本発明は、かかる
問題点に鑑みてなされたもので、小型で容易な装置構成
で物質の微小領域の分析を行うことができ、さらに３０
ｅＶから１ｋｅＶのエネルギー領域のＸ線を１つのＸ線
源から得ることができる光電子分光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】本発明は上記目的を達成
するためになされたものであり、すなわち、Ｘ線源から
発生するＸ線を照射光学系によってＸ線マイクロビーム
に集光し、該Ｘ線マイクロビームを分析しようとする試
料に照射して、試料から放出される光電子を観測する光
電子分光装置において、Ｘ線源としてレーザープラズマ
Ｘ線源を用い、該レーザープラズマＸ線源と照射光学系
との間に、可視光を透過しＸ線を遮断する第１のフィル
ターと、可視光を遮断しＸ線を透過する第２のフィルタ
ーとを切替え自在に配置し、該フィルターと照射光学系
との間に、Ｘ線を分光して集光するＸ線分光器を配置
し、照射光学系を、Ｘ線のほか可視光に対しても集光可
能に形成したことを特徴とする光電子分光装置である。

【０００８】

【作用】Ｘ線マイクロビームによる試料の微小領域の分
析を行うに先立って、先ず試料の位置決めを行う。レー
ザープラズマＸ線源からは、Ｘ線のほか可視光も発生す
るから、第１のフィルターを光路中に挿入し、第２のフ
ィルターを光路外に除去すると、レーザープラズマＸ線
源から発生した光のうち、可視光のみが第１のフィルタ
ーを通過してＸ線分光器に至る。Ｘ線分光器には可視光
に対する分光能力はなく、単に集光光学系として作用し
て照射光学系の２次光源を形成する。したがって可視光
による２次光源を照射光学系によって試料の表面に集光
し、これを適宜の手段、例えば光学顕微鏡の結像光学系
によって観測することにより、分析しようとする領域の
位置決めを行うことができる。

【０００９】しかる後、第１のフィルターを光路外に除
去し、第２のフィルターを光路中に挿入すると、レーザ
ープラズマＸ線源から発生した光のうち、Ｘ線のみが第
２のフィルターを通過してＸ線分光器に至り、Ｘ線分光
器において指定したエネルギーを有するＸ線が分光され
た後に集光されて、照射光学系の２次光源を形成する。
したがって前記Ｘ線分光器において指定したエネルギー
を有するＸ線による２次光源を照射光学系によってマイ
クロビームに集光して、試料に照射することにより、設
定した分析位置での光電子分光分析を行うことができ
る。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明を具体的に説明するが、本発
明は実施例に限定されるものではない。本発明による光
電子分光装置の第１実施例を、図１を用いて説明する。
光源のレーザープラズマＸ線源１は、レーザー（ＹＡＧ
レーザー等）をターゲット物質上に集光することによっ
て、ターゲット物質による直径数百μｍの高密度プラズ
マを生成させる。ターゲット物質を適当に選ぶことによ
って、この高密度プラズマからは、可視光からＸ線のエ
ネルギー領域までの連続した光が放射され、この光のう
ち、分析位置の設定には可視光を使用し、分光分析には
Ｘ線を使用する。レーザープラズマＸ線源１は、テープ
上のターゲット上に集光するＹＡＧレーザーの径を変え
ることによって、生成する高密度プラズマの大きさを変
化させることができる。可視光で分析位置を設定する場
合には、レーザーの集光径を約１ｍｍ程度にする。また
Ｘ線によって分光分析を行うときには、ＹＡＧレーザー
を例えば直径１００μｍまで集光する。またレーザープ
ラズマＸ線源１のターゲットにＷ等の重元素を用いるこ
とによって、数十ｅＶから１ｋｅＶまでのエネルギー領
域で連続したＸ線を得ることができる。このＸ線をＸ線
分光器３で分光することによって、エネルギー可変のＸ
線源として使用することができる。

【００１１】レーザープラズマＸ線源１に続いてはフィ
ルター２が設置されており、可視光とＸ線の切り替え
は、このフィルター２で行う。フィルター２は第１のフ
ィルター２ａと第２のフィルター２ｂとからなり、両フ
ィルター２ａ，２ｂは切替え自在に配置されている。第
１のフィルター２ａは可視光を透過しＸ線を遮断するよ
うに形成されており、例えばガラス板を用いることがで
きる。第２のフィルター２ｂは可視光を遮断しＸ線を透
過するように形成されており、例えばＢｅ、Ｓｉ等の薄
膜フィルターを用いることができる。また好ましくは、
第２のフィルター２ｂには、高次の不必要なＸ線をカッ
トするために、エネルギー領域に合わせて効果的なフィ
ルターを数種類用意しておき、それらを切り替えて使用
することが望ましい。

【００１２】フィルター２に続いてはＸ線分光器３が配
置されている。光電子分光分析で使用するＸ線のエネル
ギーを可変とするために、Ｘ線分光器３の分光素子とし
て、結晶、グレーティングもしくは多層膜反射鏡を使用
することができる。例えば第１の放物面ミラー、平面グ
レーティング及び第２の放物面ミラーの組合せによって
Ｘ線分光器３を実現することができ、また第１の放物面
ミラー、第１の多層膜ミラー、第２の多層膜ミラー及び
第２の放物面ミラー等によっても実現することができ
る。Ｘ線分光器３には可視光の分光能力はないので、Ｘ
線分光器３は可視光に対しては単に集光光学系として作
用し、光源１の像をＸ線分光器３の透過後に例えば等倍
で結像させるように配置しておく。

【００１３】Ｘ線分光器３の集光位置には挿脱自在に空
間フィルター４が配置されており、すなわち分光分析を
行う場合には、空間フィルター４を光路中に挿入するこ
とによって、数十μｍからサブμｍまでの必要なマイク
ロビーム径を実現することができる。例えば照射光学系
５の縮小倍率が５０倍のときに、１μｍのマイクロビー
ムを形成するためには、５０μｍの空間フィルター４を
挿入すればよい。

【００１４】空間フィルター４に続いては照射光学系５
が配置されており、この照射光学系５を用いて、試料６
上に照射光学系５の倍率で縮小して照射する。Ｘ線のマ
イクロビームを形成するためには、一般的には、非球面
反射鏡（楕円鏡、ガイドチューブ等）、非球面を組み合
わせた反射鏡（ウォルター鏡等）、球面を組み合わせた
反射鏡（カークパトリック・ベッツ鏡、シュバルツシル
ド鏡等）、回折を利用したゾーンプレート等のＸ線照射
光学系が用いられている。しかし本実施例では、照射光
学系５を可視光の集光光学系としても用いるために、反
射鏡上にＸ線反射増加用の金属単層膜を形成した反射型
の光学系や、反射鏡上に２種類の層を交互に積層してな
る多層膜を形成し、２種類の層の一方に金属層を使用し
た反射型の光学系を用いることが好ましい。さらに好ま
しくは、異なるエネルギーのＸ線の場合もＸ線の反射率
がほぼ一定でかつ集光位置が変化しないように、全反射
を利用した反射鏡（ウォルター鏡、楕円鏡、カークパト
リック・ベッツ鏡等）に金属単層膜を形成した光学系を
用いるのが望ましい。なお当然にこの光学系５として
は、単一の光学素子であっても良い。

【００１５】照射光学系５の集光位置には分析しようと
する試料６が配置されており、この試料６は試料ステー
ジ７上に載置されている。試料ステージ７は例えば１次
元あるいは２次元方向に移動自在に配置して、分析位置
の走査を行うこともできる。試料６に照射される可視光
の反射方向には、光学顕微鏡の結像光学系、すなわち可
視光用対物レンズ８と可視光用ＣＣＤ９が配置されてお
り、また試料６の上方には、光電子エネルギー分析器１
０が配置されている。対物レンズ８の倍率は例えば２０
倍とすることができる。また光電子エネルギー分析器１
０としては、静電半球型のものや円筒鏡型のものなどを
用いることができる。また全体の光電子分光装置として
は、上記のほかに、試料交換機構、イオンビームエッチ
ング装置、超高真空チャンバー、真空ポンプ、測定デー
タ解析システム、光学顕微鏡像観察システム、システム
制御機構などから構成されている。

【００１６】本実施例は以上のように構成されており、
Ｘ線による試料の微小領域の分析を行うに先立って、先
ず分析しようとする試料領域の位置決めを行うが、この
分析位置の設定は、次のようにして行う。レーザープラ
ズマＸ線源１から発生する光（可視光〜Ｘ線）の内、第
１のフィルター２ａを用いて可視光だけを透過させる。
Ｘ線分光器３には可視光の分光能力はないので、Ｘ線分
光器３は集光光学系として作用する。Ｘ線分光器３によ
って作られた光源像を２次光源として、照射光学系５に
よって可視光で試料６を照明する。この際、空間フィル
ター４は使用しない。この照明された領域を、対物レン
ズ８と可視光用ＣＣＤ９で観察することによって、試料
６表面の可視光像を得ることができる。光学顕微鏡で観
察した視野の中心が、Ｘ線のマイクロビームの照射位置
に対応するように調整しておくと、分析したい場所を視
野の中心に設定することで微小領域分析の位置設定を行
うことができる。

【００１７】次に、Ｘ線を照射して分光分析を行う。す
なわちフィルター２を第２のフィルター２ｂに切り替え
て、Ｘ線分光器３で目的とするエネルギーのＸ線を取り
出す。この目的のエネルギーのＸ線による光源像を２次
光源とし、照射光学系５を用いてマイクロビームを形成
し、このＸ線マイクロビームを試料６上に照射する。発
生した光電子のエネルギー分析を、光電子エネルギー分
析器１０によって行う。光電子の２次元像は、試料ステ
ージ７をスキャンすることによって得ることができる。

【００１８】以上のように本実施例によれば、分析位置
の設定と分光分析とを同一の光源１及び同一の照射光学
系５を用いて行うことができるから、装置が簡単にな
る。またＸ線の光軸と可視光の光軸とが一致するので、
光学顕微鏡で観察した視野の中心がＸ線の照射位置に対
応する。また光学顕微鏡の対物レンズ８の焦点位置と照
射光学系５の集光位置を一致されるように配置しておけ
ば、光学顕微鏡でピントのあった位置が、最もＸ線の集
光された位置と一致するので、試料６のＸ線の光軸方向
のアライメントも同時に行うことができる。

【００１９】また、レーザープラズマＸ線源１とＸ線分
光器３とを適宜組み合わせることによって、３０ｅＶか
ら１ｋｅＶまで、連続的にＸ線のエネルギーを変化させ
ることができる。したがって従来、実験室レベルで有効
な光源が存在しなかったエネルギー領域のＸ線を得るこ
とができる。このエネルギー領域のＸ線を用いて分光分
析を行うことによって、固体のバンド構造に関する情報
を得ることができる。さらに、照射するＸ線のエネルギ
ーを容易に変えることができるので、光電子スペクトル
の帰属を従来より容易に行うことができる。

【００２０】次に図２は本発明の第２実施例を示す。上
記第１実施例では可視光又はＸ線を試料６の斜め上方よ
り照射し、その反射方向に光学顕微鏡の対物レンズ８と
可視光用ＣＣＤ９を配置したが、この第２実施例では可
視光又はＸ線を試料６の垂直上方より照射し、照射光学
系５と試料６との間に可視光用ビームスプリッター１１
を配置したものである。すなわち分析位置の設定を行う
ときには、ビームスプリッター１１を光路中に挿入し、
ビームスプリッター１１で反射した可視光を対物レンズ
８に入射させる。またＸ線による分光分析を行うときに
は、ビームスプリッター１１を図２中２点鎖線で示した
ように光路外に除去する。このように構成しても、上記
第１実施例と同様の効果を得ることができる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、小型で
容易な装置構成で微小領域の分析を行うことができる光
電子分光装置を得ることができ、さらに３０ｅＶから１
ｋｅＶのエネルギー領域のＸ線を１つのＸ線源から得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す概略正面図である。

【図２】第２実施例を示す概略正面図である。

【符号の説明】

１…レーザープラズマＸ線源 ２…フィルター ２ａ…第１のフィルター ２ｂ…第２のフィル
ター ３…Ｘ線分光器 ４…空間フィルター ５…照射光学系 ６…試料 ７…試料ステージ ８…可視光用対物レ
ンズ ９…可視光用ＣＣＤ １０…光電子エネル
ギー分析器 １１…可視光用ビームスプリッター

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｘ線源から発生するＸ線を照射光学系によ
   ってＸ線マイクロビームに集光し、該Ｘ線マイクロビー
   ムを分析しようとする試料に照射して、試料から放出さ
   れる光電子を観測する光電子分光装置において、 前記Ｘ線源としてレーザープラズマＸ線源を用い、 該レーザープラズマＸ線源と前記照射光学系との間に、
   可視光を透過しＸ線を遮断する第１のフィルターと、可
   視光を遮断しＸ線を透過する第２のフィルターとを切替
   え自在に配置し、 該フィルターと前記照射光学系との間に、Ｘ線を分光し
   て集光するＸ線分光器を配置し、 前記照射光学系を、Ｘ線のほか可視光に対しても集光可
   能に形成したことを特徴とする光電子分光装置。