JPS63126148A - 荷電粒子アナライザ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ、産業上の利用分野 本発明は試料から放出される荷電粒子の運動のエネルギ
ーおよび方向分布を測定することにより、試料の組成、
構造酸は電子状態等を調査する装置に関し、特に試料か
ら放射される荷電粒子のエネルギー分布或は、注目する
エネルギーの粒子の放出される方向分布を２次元的に測
定するのに適した装置に関する。

口、従来の技術 従来、試料から放出される荷電粒子のエネルギーを分析
するには、ある適宜の方向の小さな立体角内に放出され
る粒子についてエネルギーを測定して、その方向に放出
される粒子エネルギー分布を調べる方法が一般に用いら
れており、放出粒子のエネルギーの角度分布を調べる場
合は、上記した小室角内の粒子のエネルギー分析装置を
、試料の粒子放射点を中心とする球面上で１次元的或は
２次元的に移動させ、上記球面を多くの画素域に区分し
て各画素毎に測定すると云う方法をとっている。この方
法によるときは、一つの方向の画素における成る値のエ
ネルギー粒子の放射強度を統計的なゆらぎが平均化され
るだけの時間をかけて測定し、その後隅の画素における
測定に移るので広い立体角内に放射される粒子のエネル
ギーの方向分布測定には大へんな時間を要していた。

上述した難点を解消する方法として第３図に示すような
方法がイーストマン（Ｅａｓｔｍａｎ）等によって提案
されている。この方法は導体の回転楕円面Ｍとその内側
に近接して面Ｍに平行に設けたグリッドＧ３とにより一
つのエネルギーローパスフィルタを構成し、楕円面Ｍの
一つの焦点位置に試料Ｓを置き、楕円面Ｍのもう一つの
焦点位置に小さな開口Ａを配置し、この開口を中心に楕
、　　円面Ｍと反対の側に開口Ａを中心とする同心球面
グリッドＧ４．Ｇ５を設けてバイパスフィルタとし、こ
れらのグリッドの外側に２次元的な荷電粒子検出器りを
配置したものである。試料Ｓから各方向に放出された荷
電粒子は直進し、Ｍ、Ｇ３よりなるローパスフィルタで
、成るエネルギーＥ１より低いエネルギーの粒子は楕円
面Ｍで丁度鏡面反射されたように向きを変え、開口Ａに
集中し、そのま＼直進してグリッドＧ４．Ｇ５よりなる
バイパスフィルタに入射し、成るエネルギーＥ２より高
いエネルギーの粒子のみがグリッドＧ５を通過して検出
器りに入射する。図から明らかなように検出器りに入射
する荷電粒子の密度分布は試料Ｓから各方向に放射され
エネルギーがＥｌとＥ２との間にあるエネルギーの方向
分布を平面上に投影したものになっている。

上述した方法では原理的にはグリッドはＧ３゜Ｇ４．Ｇ
５の３枚で足りるが、実際には検出器りを作動させるた
めに粒子を加速しなければならないから、加速グリッド
Ｇ５．Ｇ６と６６を通過した粒子が直進するように６６
と検出器りとの間の空間の電位を一定にするためのグリ
ッドＧ７、更に試料Ｓを囲んで同心２重球面のグリッド
Ｇｌ。

Ｇ２を設けねばならないから、全部で８枚のグリッドを
必要とし、更に根本的な欠点として、粒子の方向分布像
が歪むのである。図で一つの中心粒子軌跡ａを考え、試
料Ｓ側で、この軌跡の左右に、同じ角度θだけ離れた、
２本の粒子軌跡す。

Ｃを考えると、軌跡す、ｃの試料側での方向がツ・・し
変化したときの、開口Ａ側の方向変化の倍率は、軌跡す
については縮小、Ｃについては拡大となっており、この
歪みを補正するため検出器りの面を軌＃ａに対して垂直
より図で右下がりに傾けるがこのような形で歪みが？ｉ
［ｉ正できるためにはθは、余り大きくとれない。また
試料面上で軌跡ａを中心とする頂角２θの円錐面に沿っ
て放射された成るエネルギーの粒子の検出器り面上の像
は円にはならない。もう一つの根本的な欠点は、電子の
軌跡は光の反射の場合と異なり、回転楕円面の鏡を使っ
ても、電子の軌跡から考えた仮想的な反射面は回転楕円
面とは正確に一致しないことである。この不一致は取り
出す立体角が太き（なると、しだいに太き（なり、収束
しな（なる。従ってこの方法では余り大きな立体角の測
定はできないのである。

なお上の方法ではＭは回転楕円面であるから製作が稍面
倒である。面Ｍは球面で置換しても、球の半径に比し試
料Ｓと開口Ａとの間の距離が十分小さければ、Ｓから出
た特定エネルギーの粒子は、近似的にＡの位置に集まる
から一応目的を達成することができるが、この場合も中
心軌跡ａから離れると収差が目立って来るため、収差の
制限から、上述した方法より一度に測定できる立体角は
更に小さくなる。

ハ１発明が解決しようとする問題点 本発明は上述したような状況に鑑み試料から放出される
荷電粒子のエネルギー分析を行う装置で、簡単な構造で
大きな立体角内に放出される荷電粒子のエネルギーの角
度分布が一度に測定できるような構成を提供しようとす
るものである。

二０問題点解決のための手段 第１図に示すように、球面のグリッド１と、その外側に
グリッド１と同心的に球面の電極２を配置し、グリッド
１の内側で同グリッドの球面中心より離れた位置に試料
Ｓを置き、グリッド１の中心に関して試料Ｓと対称の位
置に開口Ａを有する遮蔽板３を配置し、この遮蔽板のグ
リッド１等と反対側の空間に開口Ａに対向させて荷電粒
子に対する２次元的な検出手段４を配置した。

ホ０作用 試料Ｓから放出される荷電粒子を電子とする。

グリッド１は試料Ｓと同電位で、グリッド１の内側及び
更に図で下方の空間では電界はＯである。

グリッド１に対して電極２を一定の負電位に保つ。試料
Ｓから放射される電子はグリッド１の面までは直進し、
グリッド１と電極２との間の空間Ｆに入射し、この空間
Ｆ内ではグリッド１の球面中心を焦点とする楕円軌動を
画き、エネルギーと試料からの放射方向によって成る電
子は電極２に入射して吸収され、成る電子は空間Ｆで反
転して再びグリッド１の内側の空間に出る。こ＼で或特
定のエネルギーを持った電子は空間Ｆで反転して試料Ｓ
からグリッド１に向って放射したときと平行な方向で再
びグリッド１の内側の空間に戻って来る。図ではこのよ
うな軌道を画く電子の軌道が三つ画いである。これらの
軌道においてグリッド１の球面中心Ｏと夫々の軌道の楕
円部分の中心Ｏから一番遠い所とを結ぶ直線が長軸であ
るが、その長軸に関して対称の形であり、従ってＳから
出た特定エネルギーの電子はＳから放射されたときと同
じ角度（図のθ）で開口Ａを通過する。つまり、特定エ
ネルギーの電子によるＳの像がＡに形成され、それらの
電子が試料Ｓから出射した方向と平行な方向で開口へを
通過する。このため開口Ａに対向させて配置した検出器
４の面には、試料Ｓから放射された特定エネルギーの電
子の角度分布の歪みのない分布像（球面を平面に投影す
ることによる歪みはあるが）が形成される。検出面をＡ
を中心とする球面にすれば、球面を平面に投影すること
による歪みもなくなる。

上述した所から明らかなように、グリッド１と電極２と
は第３図の従来例のＧ３．Ｍのようなローパスフィルタ
を構成しているのではない。即ち本発明の構成では、エ
ネルギーフィルタ成るエネルギーＥｃを境にしてそれよ
り高いエネルギーの粒子は全て電極２に入射し、Ｅｃよ
り低いエネルギーの粒子だけが反射してくるというよう
な機能を持ったものではな（、ある特定エネルギーの粒
子だけは、開口Ａに集まりこれを通過するが、その他の
エネルギーの粒子は遮蔽板３上に分散して開口へを通過
できないという機能でエネルギーの選別が行われるので
ある。このため第３図の従来例のようにローパスフィル
タとバイパスフィルタを組合わせて特定のエネルギーの
粒子を選別する必要がなく、原理的にはグリッドは図の
グリッド１一つだけでよいのであり、検出器を作動させ
るため、粒子加速の必要があるとしても開口Ａを中心と
する２つのグリッドを追加すれば十分であって、電極２
もグリッド１も球面であることと相俟って構造的に大へ
ん簡単なものである。

第１図に例示した軌道を画く粒子が全て同一エネルギー
を有するものであることについて簡単に説明しておく。

第２図に示すように、半径Ｒの球を考え、この球の外側
にこの球の中心Ｏからの距離の２乗に反比例する引力の
場があるとすると、球面上の任意の点Ｐから図のＹ軸と
平行の方向に飛びだした粒子はその速度によって、図の
ように大小種々な楕円軸道を画く。これらの楕円は全て
Ｏを一つの焦点としているが、その中で特に長軸が図の
Ｙ軸と一致している軌道群を考える。このような軌道群
の中の特別なものとして、球面の頂点ＴからＹ軸方向に
飛出した粒子について、ＴＵ＝Ｒの点Ｕを上端とする直
線軌道がある。また球面の横のＱ点からＹ方向に飛出し
た粒子については上述の軌道は球面に沿う円弧となる。

これらの場合について球面から飛出すときの初速度を求
める。球面上の引力の強さをｇとするとＴ点から測った
Ｕ点の位置のエネルギーＥは Ｅ＝ｇＲ／２ 粒子の質量をｍ２球面上から飛出すときの初速をＶとす
ると、第２図で、Ｔ点から飛出してＵ点で折返す粒子の
初速Ｖは運動のエネルギーと位置のエネルギーを等しい
と置いて ±ｍｖ２　＝−ＬｇＲ 故に　　　ｖ＝７９（７殆− 次に球面に沿って円軌道を画（粒子の速度Ｖを考えると
、 ｖ　＝　−ｆ’ａ）ｇ／処 でＶ＝Ｖ　　０一般の場合については第２図でＪで示さ
れる軌道を考える。この軌道は軌道の球面上の出発点Ｐ
を通る水平線に関し上下対称であるから、軌道の上側の
焦点位置ｆは球の中心Ｏから２Ｒｃｏｓθの所にある。

軌道の頂点と焦点との距離Ｘは楕円上の一点と二つの焦
点を結ぶ長さの和が一定２Ｒであるから、 Ｘ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ） 故に球の中心Ｏから軌道頂点までの距離はＲ（１＋ｃｏ
ｓθ）である。軌道頂点における水平速度をＵとすると
、面積速度一定の法則により、Ｒｙｓｉｎθ＝Ｒ（１＋
ｃｏｓθ）Ｕ 故に 軌道頂点における位置のエネルギーＬはまた運動のエネ
ルギーには 球面上の出発点における運動のエネルギーからＫを引い
たものがＬに等しいから 上式を整理すると、 ％Ｒ。

８朝穴ｔ＋ｚΔθ士に２０）＝−ヲニ（ｔ−ｔ−２−υ
十（イ）２のとなり、θを含む項が消えてυ＝〆８Ｒ／
ｙｗｔ−となり、上記した軌道群に属する粒子の初速度
が全て等しいことが証明された。上述した楕円群に属す
る軌道は楕円が球面と交わる２点において、軌道方向が
互いに平行であり、全て等しい初速度を有しており第１
図において例示された軌道はこのような軌道群に属する
ので、全てが同じ初速度を持っているのである。モして
ｇの値はグリッドと球面電極間の電位差で決まるがら、
グリッドと球面電極との間に電圧を変えることにより、
検出しようとする粒子のエネルギーを変えることができ
るのである。

へ、実施例 第１図は本発明の一実施例を示す。グリッド１と電極２
とはＯを共通中心とする同心球面であり、この実施例で
はグリッドの半径に対して電極の半径は２倍である。原
理的には電極２の半径をグリッド半径の２倍にしておけ
ば試料がら立体角２πステラジアン（半球面全体）の範
囲を一度に測定することができる。要求される立体角が
さ程大きくないときは電極半径はグリッド半径の２倍よ
り小さくてもよい。５はグリッド１と電極２の夫々の縁
の間に設けられた同心円状のガードリングで、抵抗６に
図のように接続されており、抵抗６の一端はグリッド１
に接続されると共に接地されており、他端は電極２に接
続されると共に電源７の負極側に接続されており、ガー
ドリング５によってグリッド１と電極２間の電界がグリ
ッド及び電極２の縁で乱れるのを防いでいる。３は半球
形のグリッド１の底面に位置する遮蔽板で導体で作られ
ており、これも接地されている。上の構成で電源７の出
力電圧を変えることで検出される荷電粒子のエネルギー
走査が行われる。遮蔽板３には中心Ｏからグリッドの半
径より稍小さい距離だけ離れた所に試料Ｓをセットする
窓Ｗが設けられて、０を中心にしてＷと対称の位置に開
口Ａが穿たれている。ｈｌ、ｈ２はグリッド１及び球面
電極２に穿たれた小孔で、この小孔を通して試料Ｓを励
起する励起線例えばＸ線が試料面に入射せしめられる。

４は遮蔽板３の下方で開口へに対向して配置された粒子
検出器で、この実施例では蛍光板であり、その上面には
グリッド８，９が蛍光板と平行に張設されており、グリ
ッド８は接地、９は正の高電圧が印加してあり、グリッ
ド８を通過した電子はグリッド８，９間で蛍光板４に垂
直の方向に加速されて蛍光板４に当たり、これを発光さ
せる。蛍光板４の発光パターンが試料Ｓから放射される
電子のうち成る特定のエネルギーを持ったものの放射角
度分布を示す。蛍光板４の代わりにチャンネルプレート
を置いて電子の分布パターンを電気的な映像信号に変換
するようにしてもよい。或は上述したような２次元的な
電子検出手段ではな（，１次元的な検出器で電子検出面
を一方向に走査するようにしてもよい。

電極２の半径１４ｃｍ１グリツド１の半径７　ｅｌｌ　
、１０点から試料窓Ｗの中心及び開口Ａの中心までの距
ＭＬ　５　ｃｒａ　、開口Ａの孔径１＋ｗ＋＋としたと
き、エネルギー分解能（ΔＥ／Ｅ　）は約１／１００で
ある。

エネルギー分解能は試料Ｓ及び開口Ａの位置をグリッド
１の縁に近づける程向上する。開口Ａの下側に開口Ａを
中心として同心２正半球形のグリッドよりなるバイパス
フィルターを置（ことにより一部エネルギー分解能を向
上させうる。

本発明の装置は上述したように試料から放射される荷電
粒子のうち任意のエネルギーを有す・るものの放射角度
による分布を測定する場合の外、検出手段４の所に位置
分解能のない検出器を配置することにより大きい立体角
内に放射される全荷電粒子のエネルギー分布を測定する
こともでき、大きい立体角内に放射される荷電粒子の全
部を合わせて検出するからきわめて明るいエネルギー分
析器となる。なお、第１図における試料Ｓの荷電粒子放
射点は、試料そのものでなく、試料上の一点から放射さ
れる粒子をレンズ系により収束させた収束点であっても
よい。

ト、効果 本発明エネルギー分析装置は上述したような構成で、主
要部は一組の同心半球状のグリッドと電極だけであり、
基本的にローパスフィルタとバイパスフィルタを要する
第３図の構成に比し構造が大へん簡単である。また、グ
リッドを構成しているワイヤの近辺を通る荷電粒子軌道
及びワイヤに当たる荷電粒子は軌道が乱れ、このような
軌道の乱れた荷電粒子は目的のエネルギーの粒子の検出
器への到達率を低下させる一方目的外のエネルギーの粒
子で検出器に入射するものが増すので、感度低下とバッ
クグラウンド増加と云う２重の障碍作用を有するから、
グリッドは成るべ（少ない方がよいが、本発明では基本
的にはグリッドは一枚でよ（、第３図の従来例が最小限
三枚必要であるのに比し、グリッド数が少（、第３図の
従来例では目的エネルギーの粒子の検出器への到達率（
透過率）は３４％程度であるが、本発明ではその２倍の
約６６％である。そしてこのことは他方では本発明の方
がバックグラウンドも少ないことを意味している。また
近似式を使っておらず、全立体角で収束が保証されるの
で、広い立体角の測定域を確保でき、第３図の従来装置
では一度に測定できる範囲は１．８ステラジアン程度で
あるが、本発明では６．２８ステラジアン程度と第３図
に示すような従来例の約３倍である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例装置の要部縦断側面図、第２
図は本発明における電子軌道の説明図、第３図は従来の
一例の装置の縦断側面図である。 １・・・グリッド、２・・・電極、３・・・遮蔽板、４
・・・荷電粒子検出手段、５・・・ガードリング、Ｓ・
・・試料、Ａ・・・開口、Ｗ・・・窓。 代理人　　弁理士　縣　　浩　介 ｓ１図 第３図 特開昭Ａ１−９７Ｍ；４”；暑姉正め内宛市１絣手続補
正書（自発） 昭和６２年　１月２３日 特許庁長官　黒　１）明　雄　殿 １、事件の表示　　昭和６１年特許願第２７１５４５号
２）発明の名称 荷電粒子アナライザー ３、補正する者 事件との関係　　特許出願人 住　所　千葉県千葉市弥生町１番纏１７０号東大西千葉
宿舎１棟５０３号 氏名　大　門　寛 ４、代　理　人 住　所　　大阪市東区横堀５丁目１６番地中甚ビル内氏
　名　　（７０４５）弁理士　　縣　　浩　介５、補正
により増加する発明の数　　　　　０６、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 ８、補正の内容 １　明細書の第２頁第９行「ある適宜の方向・・・」を
、「ある適宜の方向・・・」と補正します。 ２　明細書の第２頁第１４行「小丘角内の粒子・・・」
を、「小立体角内の粒子・・・」と補正します。 ３　明細書の第８頁第１５行「エネルギーフィルタ成る
・・・」を、「エネルギーフィルタのように成る・・・
」と補正します。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）球状のグリッドの外側に、このグリッドと同心に
   球状電極を配置し、上記グリッドの内側でグリッドの縁
   線に近い位置に荷電粒子放射点を設け、グリッドの球面
   中心と上記粒子放射点とを含む平面上に遮蔽板を配置し
   、上記グリッドの球面中心に関して、上記粒子放射点と
   対称の位置において上記遮蔽板に開口を設け、この遮蔽
   板の上記グリッドとは反対の側において、上記開口に対
   向させて荷電粒子検出手段を配置したことを特徴とする
   荷電粒子アナライザー。
2. （２）特許請求の範囲第１項においてグリッド及び電極
   が半球でなく、球の一部または全部である荷電粒子アナ
   ライザー。