JPH01117263A - エネルギー・角度分布同時検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、トロイダル電場により試料から励起、放出さ
れる荷電粒子のエネルギー分散方向と極角分散方向を直
交させて同時に検出するエネルギー・角度分布同時検出
装置に関する。

（従来の技術〕 固体材料の表面並びに表層の組成分析、化学状態分析を
行うものとしてＥ　Ｓ　ＣＡ　（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　５
ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｆｏｒ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　
Ａｎａｌｙｓｉｓ　；光電子分光装置）がよく知られて
いる。第５図及び第６図は従来のＥＳＣＡの例を示す図
である。

第５図は従来のＥＳＣＡの構成概要を示す図、第６図は
補角に関する１次元多チャンネル型のＥＳＣＡの構成概
要を示す図である０図中、２１と３１は静電偏向型アナ
ライザ、２２と３２は外側電極、２３と３３は内側電極
、２４と３４は試料、２５と３５は検出器、２６はＸ線
発生器、２７は減速レンズ、２８と３６は入ロスリフト
、２９と３７は出口スリット、３８は極角分布情報、３
８は収束レンズを示す。

第５図において、半球面型アナライザ２１は、２個のオ
ワンのような半球面型電極をかぶせてそれぞれを外側電
極２２及び内側電極２３とし、外側電極２２に負電位、
内側電極２３に正電位を与えた所謂静電偏向型アナライ
ザである。この半球面型アナライザ２１では、試料２４
にＸ線を照射することによって励起、放出された光電子
をある微小立体角ΔΩのもののみ入射点０に集め、入口
スリット２８を通して注入すると、電場により１８０”
偏向を受はエネルギー的に分離されてエネルギーの違い
により異なる軌道をとる。従って、所定のエネルギーの
電子のみがその放出角度に関係なく他方の出ロスリント
２９でΔΩについて収束させ取り出すことができる。つ
まり、エネルギー毎に分散するエネルギー選別タイプの
アナライザであり、これにより角度積分型のエネルギー
スペクトルを得ることができる。そこで、エネルギー分
析を行う場合には、電場に印加する電圧をスキャンする
ことになるが、電子の試料からの出射角θを見るために
は、入射点Ｏに対して試料の傾きを変える必要がある。

第６図に示すＥＳＣＡは、第５図に示す従来からのＥＳ
ＣＡと異なり、エンゲルハルツ（Ｉｌ、　Ａ。

［！ｎｇｅｌｈａｒｄｔ）等が提案した方法である。上
記の半球面型アナライザはエネルギー分散の方向が１８
０″偏向であるが、これは、偏向角１３５’としたトロ
イダル面を用いて補角に関する１次元多チャンネル計測
を可能にしたもので、電場として中心回転軸の２軸に対
し回転対象になった変形トロイダル電場を用いたもので
あり、第６図はその断面を示している。そのため、試料
上の０より２軸−と直角な方向に出射した電子はすべて
が同等であり１３５”偏向され出口に一度収束する。こ
れは円錐状の収束レンズ３９で再び二次元検出器３５の
円弧上に収束する。従って、ｚ軸に垂直な任意の方向θ
に出射した光電子は同時に二次元検出器３５上で検出で
きる。光電子のエネルギー分析を行うには電場の電圧を
スキャンして行うことが必要となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、第５図に示すＥＳＣＡは、主としてエネ
ルギー分析に重点をおいているため、極角分布を計測し
ようとすると、その測定に長時間を要する等の問題があ
る。この場合には、入ロスリフトより一定の狭い立体角
で光電子を注入することによって所定のエネルギーで且
つ成る補角並びに方位角に関する情報を取り出すので、
Ｘ線により励起されてサンプル表面から出てくる光電子
の角度分布θは一度に一方向のみにしか分析できず、又
エネルギーＥについても偏向電場の電圧をスキャンしな
ければその分布を見ることができない、即ち、Ｅ−θ平
面で考えると、−度に一点のみしか取れない、従って、
角度を試料の２軸回転により順次変えて同様の計測を繰
り返すことによって角度分布を得ることになる。このよ
うに第５図に示すＥＳＣＡでは、試料の角度を変えて同
様の測定を繰り返し行わないと角度分布が得られず、測
定回数が非常に多くなるため長い測定時間が必要となる
。

他方、エンゲルハルツ等の提案したＥＳＣＡでは、第６
図に示す如くトロイダル電場と二次元検出器を用いて、
試料から色々な角度θで出る光電子を角度の分布を保っ
たまま二次元検出器の円弧上に収束させることができる
。このときの角度θと直角方向の微小ひらき角±αのビ
ームについては、検出器上の一点Ｐ′に再び収束するよ
うに考慮されている。従って、電子のエネルギーＥの分
布は、この円弧に沿って円弧状のスリット（エネルギー
分離用スリット）を置き電場電圧をスキャンすることに
よって測定することになる。この場合エネルギーの分散
は、Ｚ軸を回転軸とする円錐の母線に沿って起こる。又
角度θと直角方向の微小ひらき角αの収束面もこの円錐
面と一致する。

即ちこの円錐面がＥ−θの面となる。従って、この円錐
面上に沿って二次元検出器を置けば原理的にはＥ−θの
同時検出ができるが、現実には次のような問題点がある
。

■、既存の二次元検出器は平面状のものであるため、こ
れを円錐面に加工することは難しい。

■、出口に置かれた収束レンズのギャップをあまり広く
出来ないため、エネルギーの幅が取れない。

結局、平面型の二次元検出器でも円弧上に成るエネルギ
ーの極角分布を得ることはできるが、エネルギースペク
トルを取得しようとする場合には、電場を掃引しなけれ
ばならないので、やはり測定回数が非常に多くなり、長
い測定時間が必要になるという問題がある。

以上のように上記従来のＥＳＣＡでは、いずれのタイプ
を使ってもエネルギー分散と補角分散を同時計測するこ
とはできなかった。

本発明は、上記の問題点を解決するものであって、トロ
イダル電場と平面状の二次元検出器を用いて試料表面よ
り出射する電子のエネルギー分布と角度分布を広い範囲
にわたって同時検出することができるエネルギー・角度
分布同時検出装置を提供することを目的とするものであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明のエネルギー・角度分布同時検出装置
は、トロイダル電場により試料から励起、放出される荷
電粒子にその極角分布を保持したままエネルギー分散を
与えて検出面上にエネルギー分散方向と極角分散方向を
直交させるエネルギー・角度分布同時検出装置であって
、トロイダル電場入口と試料との間に上下対称な一対の
平行平板電極からなる補正レンズを配置し、該平行平板
電極は、対抗する内面に多数の抵抗被膜と線状電極が配
列されてなり、表面上で異なる電位差が形成できるよう
に構成したことを特徴とする。

〔作用〕

本発明のエネルギー・角度分布同時検出装置では、試料
から励起、放出された荷電粒子を注入すると、試料とト
ロイダル１８０”偏向アナライザの入口との間で補正レ
ンズにより補角分散の補正がなされ、トロイダル１８０
”偏向アナライザにより入口に注入した補角分散を保持
したまま出口に向けて１８０’のエネルギー分散を与え
るので、出口付近の２次元平面検出器で直交座標計の２
次元平面の軸方向にエネルギー分散、軸と直角方向に補
角分散したエネルギー・角度分布情報が同時に得られる 〔実施例〕 以下、図面を参照し２つ実施例を説明する。

第１図は本発明のエネルギー・角度分布同時検出装置の
１実施例構成を示す図、第２図はトロイダル１８０″偏
向アナライザの断面図、第３図は補正電極の構成例を示
す図、第４図は補正電極による集束作用を説明するため
の図である０図中、■はトロイダル１８０’偏向アナラ
イザ、２は外側電極、３は内側電極、４は試料、５は検
出器、６はアナライザ制御電源、７は直流電源、８は２
次元位置検出演算増幅器、９と１０はＡＤＣｌｌｌは２
次元多チヤンネル計数回路、１２はマイクロコンピュー
タシステム、１３は補正レンズを示す。

第１図において、トロイダル１８０”偏向アナライザ１
は、外側電極２と内側電極３からなり、それらは従来の
半球面型と異なりドーナツ或いは車両用のタイヤの外周
側半分を使用した形状のものである。また、その拡がり
角は、極角分布計測範囲に相当する９０°〜１２０°程
度となるのが一般的であるが、特にこの範囲に限定しな
くてもよい、そして、外側電極２と内側電極３のそれぞ
れにアナライザ制御電源６より電位を与え、その中心軸
近傍に試料４と検出器５が配置される。従って、ｘ、ｙ
、ｚの各座標軸を図示のように設定すると、中心軸が２
軸となり、トロイダル１８００偏向アナライザ１をｘｙ
平面による断面で示すと第２図（ａｌ、２Ｘ平面による
断面で示すと第２図（ｂｌのようになる。前記試料４は
ｙ軸及びｙ軸に平行又は略平行に置かれ、また、検出器
５はｙ軸、ｙ軸に共に傾斜して置かれる。検出器５は、
マイクロチャンネルプレートを用いた市販の２次元位置
敏感検出器を置くことができ、直流電源７は、この検出
器５のマイクロチャンネルプレートにバイアスを与える
ものである。２次元位置検出演算増幅器８は、検出器５
の２次元位置に対応して計測信号を取り込みエネルギー
スペクトル、極角分布情報を得るための演算増幅を行う
ものであり、ＡＤＣ（アナログ−デジタルコンバータ）
９．１０は、この出力信号をデジタル信号に変換するも
のである。そして、このデジタル信号を２次元多チヤン
ネル計数回路１１で計数しマイクロコンピュータシステ
ム１２に取り込み処理する。

トロイダル電場とは、第１図及び第２図に示す如く半径
ｒ、の円板の中心を２軸より距離ａだけ離して置き、こ
れを２軸を中心として回転してできるような回転対称な
場である。即ちｚ軸を中心とする回転方向の角θに関し
ては回転対称である。

そして、光電子は、試料０点を出射し００′に沿って電
場に導入される。０点より００′に対しある角度αで出
射したビームは０点で再び集束する。

エネルギーの違いによる分散はビームの進行方向と直角
に起こる。即ちエネルギーの収束面はビーム軸に対し直
角になり、第２のα収束面はｚ軸を回転中心とする円筒
面となる。

上記の如き構成により、励起源からＸ線を照射して試料
４の表面を励起し、その表面から放出される光電子をト
ロイダル１８０°偏向アナライザｌの入口から注入する
と、トロイダル１８０＠偏向アナライザ１では、図示の
ように光電子ｅ−の極角分布を保持したまま適当なエネ
ルギー分散を与える。すなわち、図示のように軸方向に
エネルギー分散を与え、これと直交する方向に極用分散
を与える。従って、検出器５では、エネルギー分散方向
と極角分散方向が直交する２次元分散によりその強度を
計測できる。

本発明のエネルギー・角度分布同時検出装置で使用する
トロイダル１８０°偏向アナライザ１では、検出器５に
収束させるため、一定の拡がりをもってトロイダル１８
０°偏向アナライザ１の入口から注入された光電子を一
旦トロイダル１８００偏向アナライザ１の中でクロスさ
せて再び収束させる。この場合、第２図中）に示すよう
にエネルギーはｚ軸方向に直線的に分散するが、補角は
、円筒面Ａ上に分散することになる。この極用分散を曲
面から平面に角度補正するのが扇形の補正レンズ１３で
ある。この補正レンズ１３の具体的な構成例を示したの
が第３図である°。

第３図に示す補正レンズ１３は、トロイダル１８０”偏
向アナライザの入口側に設けられ、一対の上下対称な扇
状の平行平板電極１４からなるものであり、２軸に回転
対称な位置にある。そして、その表面には、抵抗膜１５
と線状電極１６が交互に多数配列され、第一収束点への
収束を行わせると同時に第２収束面を平面化してここで
二次元検出器５により補角θの分散とエネルギーＥの分
散の同時検出を行わせるものである。従って、円筒状の
収束面を平面に変えるため、入口の補正レンズ１３には
補角θによって別々のポテンシャルを与えることができ
るようになっている。即ち、扇型の補正レンズ１３の表
面は、第３図に示す如く導体の線状電極１６とその間を
うめる抵抗膜１５で構成しているので、補角θによって
電位に勾配を付けることができる。その収束作用の調整
される様子を示したのが第４図である。

例えば回転半径ｒｓ＝１６ｃｍ、腕の長さａ　−８ｃｍ
、電極ギャップＧ、＝４ｃｍのトロイダル電場を用い、
入口側に線状電極１６と抵抗膜１５によって構成する扇
型の補正レンズ１３を用い電子ビームを回転軸より２０
ｍｍの位置に収束させるようにすれば、エネルギー幅Δ
Ｅ／Ｅ＝±Ｏ６ｌ、０幅１０００の電子ビームを４　ｃ
　ｍ　ｘ　４　ｃ　ｍの二次元検出器上で同時にα収束
させ、二次元でΔＥとθに関し同時検出が可能であるこ
゛とが発明者により実証された。この時入口の補正レン
ズには補角θに関し電位勾配を持たせてα収束が平面に
なるようにする。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である０例えば上記の実施例では
、励起源としてＸ線発生器を使用し、Ｘ線を試料に照射
したが、電子ビームやイオンビーム、紫外線等を試料に
照射してもよい。更に、試料から励起、放出され電界に
より偏向できる荷電粒子であれば電子に限らずイオンで
あってもよい、この場合、与える電位の極性を反転させ
ることにより直ちに正、負いずれのイオンに対しても適
用可能となるΦで、近年表面研究法として発展しつつあ
るイオン散乱分光法におけるイオンのエネルギー・角度
分布測定にも利用できる。

電場掃引の方法としては、トロイダル１８０＠偏向アナ
ライザの内側電極や外側電極の電位を変えるだけでなく
、この方法に代えて入口側における減速レンズの電位を
変えてもよい。

以上のように、本発明のエネルギー・角度分布同時計測
装置は、トロイダル１８０”偏向アナライザを用いるこ
とにより、検出面において直交する２つの次元のそれぞ
れを電子運動エネルギー分散と角度分散に対応させ、２
次元位置敏感検出器を通してエネルギー、角度両次元に
ついて多チヤンネル計測を行うことができるので、エネ
ルギースペクトルの角度分布という多元的情報の同時取
得を可能にする。また、一方の次元のみ多チヤンネル計
測とすることにより、容易に角度積分型エネルギースペ
クトル或いはエネルギー積分型角度分布のいずれかの高
感度測定とすることもできる。

ところで、高機能材料の開発、高密度集積回路技術の発
展は、材料評価技術の発展に負うところが大きい。この
材料評価においては、材料物質に関する、より詳細な情
報をより速やかに得ることが求められている０本発明は
、このような要請に応えるものであって、電子の運動エ
ネルギーと角度分布の両者を同時に多チヤンネル計測で
きるので、現在材料表面の組成、化学状態分析に活用さ
れている光電子分光法、オージェ電子分光法に対し、角
度分布測定を同時に可能とし、且つ全体の測定速度の飛
躍的向上をもたらす、この角度分布測定によれば、深さ
方向分解能、表面膜厚、或いは表層原子構造に関する情
報をも提供できるので、物質表面の組成、化学状態、構
造に関する詳細な情報を高速で提供することができ、高
度先端材料の開発を更に強力に推進する力となる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、トロ
イダル電場の入口にこれと同一の回転軸を持つ扇型の補
正レンズを置くので、回転軸の所に平面化された収束面
を作りこの上で補角θとエネルギーＥを展開させてθと
Ｅの同時検出を行わせることができる。特に、トロイダ
ル１８０’偏向アナライザを採用することにより、試料
から励起、放出される荷電粒子の極角分布を保持したま
ま適当なエネルギー分散が得られるので、エネルギー分
散方向と極角分散方向を検出面で直交させることができ
る。従って、この直交する２次元分散により２次元位置
検出システムを効率的に利用でき、エネルギー・角度両
者の同時多チヤンネル計測を可能にすると共に、市販の
電子分光器と同程度以上の計数率を維持しつつ高いエネ
ルギー分解能と角度分解能を実現できる。また、トロイ
ダル１８０’偏向アナライザを使用することによって、
その入口と試料との間、出口と検出器との間に充分な距
離（空間）を確保することができるので、構造的に有利
である。さらには、エネルギー・角度分布の同時計測が
可能となるので、１軸の試料回転だけで高速に全立体角
のエネルギー・角度分布を計測することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のエネルギー・角度分布同時検出装置の
１実施例構成を示す図、第２図はトロイダル１８０°偏
向アナライザの断面図、第３図は補正電極の構成例を示
す図、第４図は補正電極による集束作用を説明するため
の図、第５図は従来のＥＳＣＡの構成概要を示す図、第
６図は補角に関する１次元多チャンネル型のＥＳＣＡの
構成概要を示す図である。 １・・・トロイダル１８０６偏向アナライザ、２・・・
外側電極、３・・・内側電極、４・・・試料、５・・・
検出器、６・・・アナライザ制御電源、７・・・直流電
源、８・・・２次元位置検出演算増幅器、９と１０・・
・ＡＤＣｌｌｌ・・・２次元多チヤンネル計数回路、１
２はマイクロコンピュータシステム、１３・・・補正レ
ンズ。 出　願　人　　日本電子株式会社 代理人　弁理士　阿　部　龍　吉（外３名）第２図 （α） つ丁 級 （ｂ） 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）トロイダル電場により試料から励起、放出される
   荷電粒子にその極角分布を保持したままエネルギー分散
   を与えて検出面上にエネルギー分散方向と極角分散方向
   を直交させるエネルギー・角度分布同時検出装置であっ
   て、トロイダル電場入口と試料との間に上下対称な一対
   の平行平板電極からなる補正レンズを配置し、該平行平
   板電極は、対抗する内面に多数の抵抗被膜と線状電極が
   配列されてなり、表面上で異なる電位差を形成できるよ
   うに構成したことを特徴とするエネルギー・角度分布同
   時検出装置。