JPH0313702B2

JPH0313702B2 -

Info

Publication number: JPH0313702B2
Application number: JP58197546A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Shiokawa
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1983-10-24
Filing date: 1983-10-24
Publication date: 1991-02-25
Also published as: DE3438987A1; DE3438987C2; JPS6091544A; US4639597A

Description

【発明の詳細な説明】発明の属する分野本発明は、オージエ分析装置に関し、特に、試
料の微小分析が行えるように電子銃を改良したオ
ージエ分析装置に関するものである。

従来の技術従来、この種のオージエ分析装置の電子銃で
は、電子レンズとして、静電レンズ、コイルを利
用した磁界レンズ、すなわちコイル励磁電子レン
ズが使用されている。しかしながら、静電レンズ
では、本来、球面収差係数が大きく、この収差に
よるボケのため、電子ビームをあまり細く絞るこ
とが出来なかつた。一方、第１図に示すような、
コイル励磁電子レンズ２０では、この球面収差係
数を上記静電レンズに絞べて桁違いに小さくし得
るものの、次のような欠点があつた。

第１に、コイル励磁電子レンズ２０のコイル２
１は、非常に大きな表面積を有し、脱ガスの量が
極端に大きいため、オージエ分析装置のように超
高真空を必要とする場合には、そのコイル２１を
真空中に置くことが出来ず、大気側に置かなけれ
ばならない。そのたため、コイル２１や磁極片２
２の全部または一部を真空壁２３で囲み込んだ
り、樹脂状物でモールドしたりしなければなら
ず、構造が非常に複雑になるとともに、磁極の間
隔d_nが大きくなるためその分コイル２１の励磁
力を強めなければならない。これらの結果、コイ
ル励磁電子レンズ２０自体が非常に大きなものと
なつしまう。特にオージエ分析装置では、オージ
エ電子７のエネルギー分析を行うための電子分光
器４，試料表面をエツチングするイオン銃３等を
試料１近傍に設置しなければならないため、この
大きなコイル励磁電子レンズ２０は、非常に深刻
な問題を発生させる。つまり、互いの空間的制約
により電子銃２先端から試料１までの距離、すな
わち作動距離d_wが非常に長くなつてしまうので
ある。レンズの球面収差係数は、この作動距離
d_wが長くなると急激に増大してしまうため、本
来，低い球面収差係数を持ち得る磁界レンズを使
いなががら、その特長を充分に生かすことが出来
ず、やはり電子ビーム５をあまり細く絞ることが
出来なかつた。

第２に、コイル２１を大気側に設置したとは言
え熱に弱いコイル２１が真空壁２３のすぐ近くに
置かれていること、及び複雑な状の真空壁２３を
シールするために数多くのエラストマーシール材
を使用していること、或いは、コイル２１のモー
ルドに樹脂状物体を使用していることにより、超
高真空を実現するめに不可欠な装置全体の焼出し
が充分に行なえず、各部からのガス放出量が大き
く、そのため表面分析に必要なだけの到達圧力を
得ることが非常に難しかつた。

第３に、励磁力が強く、またコイル励磁電子レ
ンズ２０を構成するコイル２１及び磁極片２２が
大きいため、周囲に対する完全全な磁気シールド
を行うことが難しく、試料１近傍の漏洩磁場によ
りオージエ電子７が偏向され、スペクトルに悪影
響を与える場合があつた。特に低エネルギーのオ
ージエ電子を測定する場合は、この影響はより深
刻である。

発明の目的本発明の目的は微小部のオージエ分析能力を大
幅に改善することの出来るオージエ分析装置を提
供することにある。

本発明の他の目的は電子ビームをより細く絞る
ことが出来るようにしたオージエ分析装置を提供
することにある。

本発明の更に他の目的は装置の到達圧力をより
低くできるオージエ分析装置を提供することにあ
る。

本発明のもつと他の目的は漏洩磁場を少なくし
たオージエ分析装置を提供することにある。

発明の構成本発明によれば、電子ビームを試料の表面上へ
放射して、該試料表面からオージエ電子を放出さ
せる電子銃と、前記オージエ電子を検出・分析す
る電子分光器とを有し、前記電子銃は、前記試料
表面へ延在する電子銃軸と、前記電子ビームを前
記電子銃軸に沿つて発生する電子源と、前記電子
ビームを前記試料表面の方へ前記電子銃軸に沿つ
て導く、前記電子源と前記試料表面の間の電子レ
ンズ系とをもオージエ分析装置に於いて、前記電
子レンズ系は、前記電子ビームを処理されたビー
ムに制御可能に集束するため、前記電子源に近接
した制御可能な静電レンズと、磁界を発生して、
前記処理されたビームを前記試料表面上に集束す
るための、前記静電レンズより前記試料表面に近
くの永久磁石を利用した磁界レンズとを有するこ
とを特徴とするオージエ分析装置が得られる。

発明の実施例次に図面を参照して本発明の実施例について詳
細に説明する。

第２図は本発明によるオージエ分析装置の一実
施例の構成を示した正面図、第３図は第２図に示
した永久磁石を利用した磁界レンズ、すなわち永
久磁石励磁電子レンズ３０を詳細に示し図で、第
３図ａは斜視図、第３図ｂは平面図，及び第３図
ｃは第３図ｂのＡ−Ａ断面図である。図中、第１
図と類似の機能を有するものには同一の記号を付
してある。

第２図を参照すると、本発明による電子銃２′
の電子レンズとして、電子源２４からの電子ビー
ム（図示せず）を受ける第１の静電レンズ２８、
この第１の静電レンズ２８を介した電子ビームを
受ける第２の静電レンズ２９、及びこの第２の静
電レンズ２９を介した電子ビームを試料１に収束
するための対物レンズなる永久磁石励磁電子レン
ズ３０を使用している。この電子銃２′は、シリ
ンドリカルミラー型オージエ電子分光器（以下，
C.M.A.と略呼す）８の内筒空間に組み込まれて
いる。

第３図を参照すると、永久磁石励磁電子レンズ
３０は、永久磁石３３を分割して使用し、試料１
から放出されたたオージエ電子７及びその他の粒
子を、その分割された永久磁石３３間の空間を通
して検出出来るようにしてある。又、永久磁石励
磁電子レンズ３０を構成する磁極片２２には、切
欠き３４が入つており、この切欠き３４の部分
を、イオン銃３（第２図）から放出されるイオン
ビーム６が通過するようにしてある。

このような構成により、本発明のオージエ分析
装置（第２図）は、従来のオージエ分析装置（第
１図）と比較して、以下に述べるような多数の改
善を行うことが出来た。

第１の改善点としては、対物レンズとして、コ
イル２１を使用せずに、真空中に直接置置くこと
が可能な永久磁石３３を使用したことにより、真
空壁２３やコイル２１のモールドが不要となつ
た。そのため、電子銃２′の構造が極端に簡単と
なつたばかりではなく、磁極片２２の間隔d_nを
小さくすることが出来、小さな励磁力にて動作さ
せることが出来た。また、オージエ分析装置にと
つて必要である発熱させないという条件下におい
ては、同一励磁力を得るのにコイル２１に比べ永
久磁石３３自身を非常に小さなものとすることが
出来る。これらにより、コイル２１を使用したレ
ンズ２０に比べ、永久磁石３３を使用したレンズ
３０では、その全体の大きさを数分の１以下にも
小さくすることが出来る。また第１及び第２の静
電レンズ２８，２９は、本来的に小さくすること
が出来る。これらにより、電子銃２′自体を、従
来の電子銃２に比べ非常に小さくすることが出
来、空間的制約が大幅に緩和され、作動距離d_w
を小さくすることが可能となつた。その結果、対
物レンズに低い球面収差係数を持ち得る磁界レン
ズ３０を使用したことと相まつて、この電子銃
２′では電子ビームを非常に細く絞ることが出来
るようになつた。

第２の改善点としては、真空壁２３やコイル２
１のモールドを使用せず構造が簡となつたこと、
及び永久磁石３３は200〜300℃以上の耐熱性を持
つていることにより、装置全体の焼き出しが充分
に得え、ガス放出量を小さくして到達圧力を非常
に低くすることが出来る。

第３の改善点としては、永久磁石３３の励磁力
は弱くて済む上に、永久磁石３３や磁極片２２も
小さいため、完全な磁気シールドを容易に行うこ
とが可能であり、スペクトルに影響を与えること
がなくなつた。

第４の改善点としては、C.M.A.8の内筒空間に
電子銃２′を設置し、C.M.A８を試料１法線上に
配置したことにより、C.M.A.８中心軸のまわり
全周にたつて、オージエ電子７を効率よく収集す
ることが出来る。そのため、非常に感度が高く、
かつ試料１の凹凸による形状効果のない測定を行
うことが出来るようになつた。又、C.M.A.８は、
非常に高精度で、特に漏洩磁場の影響に敏感であ
るため、その内筒空間にコイル２１を利用したレ
ンズ２０を設置しようとすると、構造が極度に複
雑となるとともに、スペクトルに対する悪影響も
顕著となる。。これに対し、永久磁石３３を利用
したレンズ３０では、レンズ３０自体が小さく、
漏洩磁場も小さいため、C.M.A.８内筒空間に容
易に組み込むことが出来、また、スペクトルに対
する影響もほとんどない。

第５の改善点としては、永久磁石３３を分割
し、その間からオージエ電子７を検出するように
したため、オージエ電子７の軌道に制限されるこ
となく、作動距離d_wを小さくすることが出来、
更に電子ビーム５を小さく絞ることが出来るよう
になつた。なお、このレンズ３０において、永久
磁石３３は必らずしも円対称に設置される必要は
なく、磁極片２２の電子ビーム５が通過する孔付
近でのみ円対称であればよい。更に、オージエ電
子７の検出効率を低下させないためには、試料１
側から見た永久磁石３３の幅を小さくすればよ
く、また、C.M.A.８の検出口には、構造上３〜
４ケ所に梁がすでに存在しているためこれら梁の
方向を永久磁石３３と一致させることにより、実
質的な検出効率の低下をほとんどなくすことが出
来る。

第６の改善点としては、オインビーム６がレン
ズ３を通過出来るようにしたために、電子ビーム
５とイオンビーム６の開き角を小さくすることが
出来、高精度な深さ方向分析を行うことが出来る
ようになつた。試料１に凹凸がある場合、イオン
ビーム６の入射角が浅いとイオンビーム６の影が
数多く発生し、特に深さ方向分析が正しく行えな
いたため、電子ビーム５とイオンビーム６の開き
角は小さい程望ましい。永久磁石３３を利用し磁
界レンズ３０では、永久磁石３３や磁極片２２に
切欠き３４や、穴を加工することが出来、また、
質量数の大きいイオンビーム６に対しては、磁界
は作用力が非常に小さいことから、レンズ３０の
中をイオンビーム６が通過出来るようにし、電子
ビーム５とイオンビーム６の開き角を小さくする
ことが容易に出来る。

以上のように、本発明のオージエ分析装置は、
オージエ分析にとつて重要な多くの要請内容を満
足することがかる。

次に、第４図の動作模式図により、静電レンズ
２８，２９と永久磁石励磁電子レンズ３０の組み
合せにおける動作の説明を行う。図中、ｆは試料
上の焦点，θ₀は開き角、θ_aはアクセプタンス角、
３１は静電電極、３２は可変電圧電源を示す。

電子源２４から放出された数keVのエネルギー
を持つた電子ビーム５は、レンズ２８，２９及び
３により、それぞれ収束され、試料上の焦点ｆに
細いビームを形成する。レンズ２８，２９では電
界の勾配により、レンズ３０では磁界の勾配によ
り、電子ビーム５が収束力を受ける。この場合レ
ンズ２８，２９は、可変高圧電源３２により焦点
距離を変更させることは可能であるが、レンズ３
０では焦点距離は固定されたままである。しかし
ながら、レンズ２９による焦点距離を変更するこ
とにより、レンズ３０による最終的な焦点ｆを変
更させることが出来る。すなわち、ビーム５の焦
点調整はレンズ２９によつて行なわれる。レンズ
２８は、電子ビーム５の縮少率、すなわちアクセ
プタンス角θ_aを変させることにより、ビーム電流
量を規定する。

この電子銃２′では、対物レンズであるレンズ
３０に磁界レンズを使用しているため、球面収差
係数が本来的に非常に小さくし得る。レンズ２
８，２９は静電レンズのため球面収差係数c_sは大
きいが、実際のボケd_sは、d_s∝c_s・α³（α…開き
角）という関係にあるため、開き角αが非常に小
さいレンズ２８，２９では、球面収差の問題はほ
とんど無視出来る。以上のような動作原理により
コイル２１を使用せずに、低い球面収差係数を持
ち得る電子銃２′構成することが出来るのである。
但し、この電子銃２′の場合、レンズ３０の磁界
が固定であるため、電子ビーム５の加速電圧を桁
違いに変えて使用することはあまり望ましくな
い。しかしながらオージエ分析においては、加速
電圧が３〜5kVの時に検出感度が最大値を示し、
それ以外の範囲では、感度が低下するばかりか、
試料１のダメージや分析そのものが困難となる場
合もあり、加速電圧を桁違いに変える必要性は全
くない。

次に、永久磁石３３を利用した磁界レンズ３０
の上記以外の実施例を示す。

第５図は、本発明に使用される永久磁石磁電子
レンズ３０の他の一実施例を示したものであり、
焦点距離が固定である永久磁石３３利用の欠点を
補うものである。すなわち、永久磁石３３を利用
した磁界レンズ３０において、その磁極片２２に
与える電位を利用し、ここに電界勾配を作ること
により電子ビーム５を磁界及び電界の両方で制御
出来るようにしたことを特徴としている。２つの
磁極片２２は必然的に同一電位となるため、例え
ば、その間に１枚の電位可変の電極３１を置くだ
けで焦点距離が自由に変えられる静電３極レンズ
が構成される。そこでこの２つの磁極片２２と電
極３１からなる静電３極レンズを補助的に使うこ
とにより、収差係数の低い磁界レンズの特徴を生
かしたまま加速電圧の変化に対する焦点距離の補
正を行うことが出来る。

第６図及び第７図も、本発明に使用される永久
磁石励電子レンズ３０の他の一実施例を示したも
のであり、焦点距離を可変としたものである。す
なわち、永久磁石３３を利用した磁界レンズ３０
において、透過する磁力量を変更することの出来
る短絡機構を磁極間に設置して、焦点距離が変更
出来るようにしたことを特徴としている。図中、
３７は磁性体の棒、３８は接点、３９は小さなコ
イルである。

第６図の場合は、機械的な接触を利用した短絡
機構である。この短略機構は、通常リレースイツ
チと呼ばれているものと同等の動作を行い、磁
気、電気、熱等の利用して、磁性体で両磁極と接
続されいる接点３８を着脱し、透過磁力量を変更
させることにより、レンズを形している部分の磁
界を変化させ、焦点距離を変えることが出来る。
この短絡機構を複数ケ設置すれば、焦点距離を細
かく変化させることも出来る。

第７図の場合は、透磁率の変化を利用した短絡
機構である。この短絡機構は、両磁極に接続され
ている磁性体の細い棒３７に小さなコイル３９が
取付けられ３７の中の磁束密度を変えられるよう
になつている。すなわちコイル３９を動作させて
いない時は、棒３７内部の磁束密度は低く、高い
透磁率を持つているため、透過磁力量は大きい
が、コイル３９を動作させると、棒３７内部の磁
束密度が高くなり、飽和点に近づくに従い、透磁
率が低下し、透過磁力量は減少してくることにな
り、焦点距離を連続的に変化させることが出来
る。

第８図も、また本発明に使用される永久磁石励
磁電子レンズ３０の他の一実施例を示した一部断
面斜視図であり漏洩磁界による分析結果に対する
悪影響をより小さくしたものである。すなわち、
永久磁石３３を利用した磁界レンズ３０におい
て、その外面に非磁性膜３５と磁性膜３６を交互
にメツキしたことを特徴としている。

通常、漏洩磁界を減少させるためには、磁性体
の板で磁界発生源を被つて磁気シールドを行う。
また、より完全とするためには間に非磁性体の板
を挾んで何重かの磁性体の板で被えばよい。又、
同一の厚みであれば、一重より何重にもした方が
シールド効果が良いことが知られている。しかし
ながらオージエ用電子銃は、永久磁石励磁電子レ
ンズ３０の大きさが非常に重要な要素であり、ま
た外面形状も複雑であるため、このような従来方
式は適用が難かしい。

これに対し、第８図に示したものでは、ほぼそ
のままの形状で容易に磁気シールド効果を持たす
ことが出来る。例えば、このレンズ全体に、まず
数十μ程度の銅メツキを行つて非磁性体膜３５を
作り、次に鉄またはニツケルメツキを同程度行つ
て磁性体膜３６を作る。この作業を何層か繰り返
す。このようにして、どんな複雑な形状でも、わ
わずか１〜２mm程度の厚みのみで完全な磁気シー
ルドが行える。もし必要であれば、部分的にマス
キングを行い、一部メツキを除去することも可能
である。

第９図及び第１０図は本発明に使用される電子
銃２′の他の一実施例を表わす模式図であり、そ
れぞれのビーム径に対し、最大の照射電流が得ら
れるようにしものである。すなわち、焦点距離が
変えられる２つの静電レンズ２８，２９（第４
図）の間にアパーチヤ４０を設置することによ
り、電子ビームの開き角θ₀が、縮少率に依存して
自動的に変されるようにしことを特徴としたオー
ジエ分析装置である。

９図は比較的大きなビーム径（アクセプタンス
角θ_aが大）で使用する場合を示しており、第第１
の静電レンズ２８（第４図）の焦点距離が長く縮
少率小さいため、電子源２４の像としてのビーム
径は大きい値となつている。同時に、アパーチヤ
４によつて決められている開き角θ₀も大きくなつ
ているため球面収差によるビームのボケも大きい
値となつている。これに対し第１０図は、小さな
ビーム径（アクセプタンス角θ_aが小）で使用する
場合を示しており、縮小率が大きいため、ビーム
径を小さくすることが出来る。また、アパーチヤ
４０により開き角θ₀も小さくなつているため、球
面収差によるボケも小さい。このように、縮少率
に依存してて開き角θ₀が自動的に変れるため、常
に、縮少率によつて決められるビーム径と球面収
差によるビームのボケの大きさをほぼ等しくする
ことが出来る。このことはそれぞれのビーム径に
対し常に最大の開き角、すなち最大電流が自動的
に得られることを意味している。

なお、本発明に使用される永久磁石励磁電子レ
ンズ３０としては第３図及び第５図〜第８図に示
され実施例に限定されないのは勿論である。特
に、第３図に示したものは、複数の構成要件を含
むものを採用したが、当然のことながら、これら
構成要件のうちの一つを単独で、または、いくつ
かを他の組み合せで採用することも出来る。ま
た、オージエ電子分光器としては、第２図に示さ
れた１段のC.M.A８に限られず、２段のダブル
パスC.M.A.や、その他半球型、バントパス型等
の一般の電子分光器を使用しても良い。電子源２
４は熱陰極型や冷陰極型とすることも出来るし、
静電レンズ２８，２９としては、３極型（第４
図）のみならず、円筒型、バトラー型等の一般の
静電レンズを採用することが出来る。また本実施
例は、オージエ分析装置（AES：Auger
electron spectroscopy）の単独装置に限られず、
ESCA（electron spectroscopy for chemical
analysis）、SIMS（secondary ion mass
spectroscopy），ISS（ionscattering
spectroscopy）等他の表面分析装置との複合装置
においも実現出来ることは言うまでもない。

発明の効果以上説明したように本発明によれば微小部分の
表面分析を確実にかつ高精度に行うことの出来る
オージエ分析装置を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のオージエ分析装置の構成を示し
た断面図、第２図は本発明によるオージエ分析装
置の一実施例の構成を示した断面図、第３図は第
２図に示す永久磁石励磁電子レンズ３０の一実施
例を示した図で、第３図ａは斜視図、第３図ｂは
平面図、及び第３図ｃは第３図ｂのＡ−Ａ断面
図、第４図は本発明の動作例を示す模式図、第５
図〜第８図は本発明に使用される永久磁石励磁電
子レンズ３０の他の一実施例を示した図、第９図
と第１０図は本発明に使用される電子銃の他の一
実施例を示した模式図である。１……試料、２，２′……電子銃、３……イオ
ン銃、４……オージエ電子分光器、５……電子ビ
ーム、６……イオンビーム、７……オージエ電
子、８……シリンドリカルミラー型オージエ電子
分光器、２０……コイル励磁電子レンズ、２１…
…コイル、２２……磁極片、２３……真空壁、２
４……電子源、２８，２９……静電レンズ、３０
……永久磁石励磁電子レンズ、３１……静電電
極、３２……可変高圧電源、３３……永久磁石、
３４……レンズの切欠き、３５……非磁性体膜、
３６……磁性体膜、３７……磁性体棒、３８……
接点、３９……小さなコイル、４０……アパーチ
ヤ。

Claims

【特許請求の範囲】

１電子ビームを試料の表面上へ放射して、該試
料表面からオージエ電子を放出させる電子銃と、
前記オージエ電子を検出・分析する電子分光器と
を有し、前記電子銃は、前記試料表面へ延在する
電子銃軸と、前記電子ビームを前記電子銃軸に沿
つて発生する電子源と、前記電子ビームを前記試
料表面の方へ前記電子銃軸に沿つて導く、前記電
子源と前記試料表面の間の電子レンズ系とをもつ
オージエ分析装置に於いて、前記電子レンズ系
は、前記電子ビームを処理されたビームに制御可
能に集束するための、前記電子源に近接した制御
可能な静電レンズと、磁界を発生して、前記処理
されたビームを前記試料表面上に集束するため
の、前記静電レンズより前記試料表面に近くの永
久磁石を利用した磁界レンズとを有することを特
徴とするオージエ分析装置。