JPH0315748A - 荷電粒子エネルギー分析器 - 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、荷電粒子のエネルギー分析を利用した分析機
器に於いて、一点から放射状に放出される荷電粒子の放
出角度の分布を同時に計測することを目的とした分析機
器に関する。

（従来の技術とその課題） 荷電粒子、特に電子とイオンのエネルギー分析を行う分
光法は、固体表面、界面、薄膜、触媒等に関連した工学
、理学の多くの人々に活用されている。このうち、電子
の分光については、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ　Ｐｈｏｔｏｏ
ｌｅｅｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）　ＳＵ　
Ｐ　Ｓ（Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）等の分析機器を
通じてその分野の研究者、技術者に広く浸透している。

また、イオンの分光については、Ｉ　Ｓ　Ｓ　（　ｔｏ
ｎ　Ｓｅａｔｔｅｒ１ｎｇ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ
　）、Ｒ　Ｂ　Ｓ　（Ｒａｔｈｅｒｒｏｒｄ　Ｂａｃｋ
　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）等において広く一般に用いら
れている。

電子分光やイオン分光に関連した技術が精密さを加える
にしたがって、そのエネルギーのみならず進行方向（角
度）をも決定することが要求されるようになり、角度分
解電子分光法及び角度分解イオン分光法が生まれた。通
常の角度分解分光法においては、試料の微少領域に励起
源（光、電子、イオン等）を当て、放出又は散乱される
荷電粒子のうち特定方向に向かう粒子をエネルギー分析
する。この場合、検出角度の変更は試料の回転及び試料
を中心としたエネルギー分析器の回転によって行われる
。従って、荷電粒子のエネルギー分析において角度依存
性を求める測定では、多大の時間を要するのが常である
。

この様な荷電粒子の角度分解分光法の難点を克服するた
めに、特定の角度幅で角度とエネルギーを同時に分析す
る角度同時計測型電子エネルギー分析器がいくつか考案
されている。これらを、角度同時計測における特定角度
幅の設定の仕方で分類すると、第二図に示したように三
タイプに分類される。

タイブ１は、Ωの立体角幅の範囲に放出される荷電粒子
を同時にエネルギー分析する。タイブ２は、特定の方位
角φにおいてｅの極角幅の範囲に放出される荷電粒子を
エネルギー分析する。タイブ３は、特定の極角θにおい
てΦの方位角幅の範囲に放射される荷電粒子をエネルギ
ー分析する。

タイプ２と３の違いは、タイプ２では一平面上の角度幅
であるが、タイプ３では円錐面上の角度幅である点であ
る。このような三タイプの角度同時計測型エネルギー分
析器は考案され一部使用されているが、それら既存の角
度同時計測型エネルギ一分析器には次にのべるような課
題がある。

すなわち、タイプ１はもっとも高効率のエネルギー分析
器であり、望ましいタイプであるが、現在実現している
ものはエネルギー分析器自体が非常に複雅で高価である
上、計測制御系統も複雑かつ高価である。タイブ２のエ
ネルギー分析器は現在数挿実現しているが、実現してい
るものは基本的に同一平面内での角度分布しか測れない
。タイブ３のエネルギー分析器はＣＭＡ型エネルギー分
析２７ｚ　（　Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ旧ｒｒｏｒ＾ｎ
ａｌｙｚｅｒ　）がこのタイプに属するが、第二図にお
ｌナる極角θがθ−４２’　　１８．５’　に固定され
ている。θを可変できるようにしたエネルギー分析器が
実現してはいるが、θの可変範囲が狭いためほとんど使
われていないのが実状である。

（課題を解決するための手段） 本発明者は以上の問題点を解決するために、鋭意検討し
た結果、静電同心球面型又は同軸円筒鏡型のエネルギー
分析器において、該球面又は円筒の中心を通る対称中心
軸上に試料と出口アバーチャーを配置し、入射口と出射
口を前記対称中心軸を中心とする円弧状のスリットとし
、前記入射口のスリットに荷電粒子の偏向と変速を行う
ための電極を取り付け、前記出口アパーチャーの後段に
電子の検出器として位置敏感型検出器を設けることによ
り従来の課題を解決できることを見い出し本発明を完成
した。

すなわち、本発明は、試料にＸ線又は粒子を暇１・ナシ
、該試料から放出又は散乱される荷電粒子の運動エネル
ギーを分析する静電同心球面型又は同軸円筒鏡型のエネ
ルギー分析器において、静電同心球面又は同軸円筒鏡円
筒の中心を通る対称中心軸上に配置された試料と出口ア
パーチャー、前記対称中心軸を中心とする入射口及び出
射口用の円弧状スリット、前記入射口のスリットに取り
付けられた荷電粒子の偏向と変速を行うための電極及び
前記出口アパーチャーの後段に荷電粒子の検出器として
設けられた位置敏感型検出器、からなる荷電粒子エネル
ギー分析器、 前期荷電粒子エネルギー分析器にエネルギー分折器全体
を前記対称中心軸に沿って平行移動させるための移動機
構を前期荷電粒子エネルギー分析器に設けた荷電粒子エ
ネルギー分析器、及び出口アパーチャーと位置敏感型検
出器の間に対称中心軸を中心とする円弧状のスリットを
有した荷電粒子の偏向と加速を行うための電極を前期荷
電粒子エネルギー分析器に設けた荷電粒子エネルギー分
析器、 を提供するものである。

（作用） 以下本発明を詳細に説明する。

本発明による荷電粒子エネルギー分析器によれば、第二
図におけるタイブ３の機能を実現できるが、エネルギー
分析器と試料の前記対称中心軸に沿った位置関係を変え
ることができる機構を設けることにより、タイブ３の極
角θを選択できることになり、さらにはタイブ２の機能
を持たせることもできる。

第一図にその動作原理を示す。すなわち、試料の微少領
域から放出又は散乱される荷電粒子のうち、特定の極角
θにおけるΦの方位角幅の範囲内にあるもの全てを入射
スリットに取り込む。取り込まれた荷電粒子はエネルギ
ー分析され、特定のエネルギーを持った荷電粒子のみが
出射スリットからでて位置敏感型検出器で検出される。

ここで、エネルギー分析器が対称中心軸を中心とした同
転対称体又はその一部であり、第三図の（Ａ）のように
対称中心軸が試料の垂線に一致するように試料を設置し
ているため、Φの範囲にある荷電粒子は全て同等にエネ
ルギー分析され、さらには出射スリットからでてくる荷
電粒子の進行方向は試料から放出又は散乱されたときの
方位角によって決められる。従って、同一のエネルギー
をもった荷電粒子の方位角が、位置敏感型検出器のそれ
ぞれの位置に対応して決定される。

極角θの設定は、エネルギー分析器又は試料を対称中心
軸に添って平行移動させ、入射スリッ１・に取り付けた
偏向電極に適当なＷＰ電圧を与えることによってなされ
る。また、同時に、この偏向電極には入射スリットに入
射する荷電粒子の二ネルギーを調節するための加速又は
減速電圧をも供給できる。さらに、第四図に示すように
、出口アパーチャーと位置敏感型検出器の間の荷電粒子
の軌道上に、前記対称中心軸を中心とする円弧状のスリ
ットを有した電極を付けることによって、位置敏感型検
出器の検出効率の減少を防ぐこと、または、二次電子の
混入を防ぐことができる。

また、本発明のエネルギー分析器において第二図におけ
るタイプ２の測定を行う場合には、第三図の（Ｂ）のよ
うに試料を前記対称中心軸に平行にし、試料とエネルギ
ー分析器の前記対称中心軸に沿った位置関係と入射スリ
ットに取り付けた偏向電極へ与える静電圧を適当に決め
ればよい。

（実施例） 以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第五図は本発明の一実施態様の概略図である。

同図において１は半径が４５ｍｍと５５１ＩＩＩ１の内
外球面を有する１２０”の静電同心球面型エネルギー分
析器であり、２は該球面の中心３を通る対称中心軸であ
る。図中の４は測定対象試料であるが、前記対称中心軸
２が試料の垂線に一致するように設置されている。図中
の５．５’　，６．６’　は対称中心軸２上に中心を持
つ円弧状の入射スリットに取り付けられた電極である。

形状はほぼ図の通りで、図の太線が電極面となっている
。このとき、電極５，５′は試料４と同一電圧で、電極
６には、エネルギー分析器１の外球面電圧と荷電粒子軌
道８の中心軌道上の電位との差の約４割までの電圧を加
える。電極６′には、エネルギー分析器１の内球面電圧
と荷電粒子軌道８の中心軌道上の電位との差の約４割ま
での電圧を加える。試料４から軌道７に沿って放出され
た荷電粒子は、電極５，５’　，６．６’　によって軌
道７と対称中心軸２を含む面内で曲げられ８の軌道に入
る。すなわち、試ｆ４４が対称中心軸２上のどこにある
かによって測定の極角θは決まり、ある極角θで放出さ
れた荷電粒子が入射スリットの出口面から垂直に出対し
、軌道８に入るように電極５．５’　，６．６’に加え
る直流電圧を決めればよい。このとき、測定できる方位
角幅Φと設定可能な極角θの範囲は電極５．５’　，６
．６’の形状によるが、本実施例では方位角幅Φは ７５″、設定可能な極角θの範囲は４０〜９０″となる
よう設計した。

また、θ−９０゜の位置で試料表面を前記対称中心軸２
に平行にすることにより（４′の試料位置）、第二図に
おけるタイプ２の測定が可能となる。このときの極角ｅ
の測定範囲は７５″である。

第五図において９は対称中心軸２上に中心を持つ円弧状
の出射スリットであり、１０は対称中心軸２上に設置し
た出口アバーチャーである。出射スリット９と出口アバ
ーチャー１０の電位は８の中心軌道上の電位と同じであ
る。静電同心球面型エネルギー分析器１で分散された荷
電粒子のうち特定のエネルギーを持ったものだけが出射
スリット９と出口アバーチャ−１０を通過し単一エネル
ギー化される。図中の１１は偏向電極であるが、対称中
心軸２上に中心のある円弧状のスリットをもつ。１２は
位置敏感型検出器であり、有効直径ほぼ２５市のマイク
ロチャンネルプレート（ＭＣＰ）を二枚用いている。偏
向電極１１は出口アバーチャ−１０と同電位を保つが、
位置敏感型検出器１２との間では加速あるいは減速電圧
を与えることができる。加速電圧を与えたときは位置敏
感型検出器１２への入射方向を直角に近くし、位置敏感
型検出器１２の検出効率を高めることができる。一方、
減速電圧を与えたときは、出口アバーチャ−１０などか
らの散乱二次電子の位置敏感型検出器１２への混入を防
ぐことができる。

位置敏感検出器によって荷電粒子は電子に変換７〜８ され、１０　　　倍に増幅され、１３のマルチアノード
を励起する。マルチアノードは、３０本の放射状の電極
より構戊されており、１本が方位角にして２．５＠に対
応する。３０本の電極にはそれぞれ、前置増幅器とパル
ス波高弁別器が接続されており、２．５ａおきの荷電粒
子の強度が同時に計測される。

次に、以上の詳述した本発明の角度同時計測型荷電粒子
エネルギー分析器の機能を確かめるために、以下のよう
な実験を行った。第５図において、４の試料としてＳｉ
（１１１）ウエハーを用いた。

第５図のすべての部分を超高真空槽内に設置し、−１０ 槽内を３Ｘ１０　　　Ｔｏｒｒに排気した。また、この
真空槽は、第５図紙面にほぼ直角方向より、６　Ｋ　Ｖ
　−　１　ｎ　Ａ、ビーム径約１００人の電子ビームで
試料表面（図の右側面）を照射できる走査電子顕微鏡の
鏡体と接続されている。Ｓｉ試料を加熱消浄化後、表面
が７×７表面超格子構造を呈していることを、前述電子
ビームを用いた反射高速電子回折により確かめた。

該電子ビームにより、試料表面からはオージ工電子，非
［ｌｉｔ性２次電子等が放出される。このうち、Ｓｔ　
　ＫＬＬオージェ電子（運動エネルギー１６１３ｅＶ）
を該荷電粒子エネルギー分析器で分析した。

第６図はその結果を示すものである。３０個のマルチア
ノードのチャンネル番号を横軸に示し、縦軸には、各チ
ャンネルでのＫＬＬオージェ電子強度がプロットしてあ
る。各グラフの試料の回転角中は、第５図４の位置の試
料を中心軸２の回りに回転させた角度である。また、こ
の場合偏向電極６，６′間には電位差は与えられていな
い。各グラフ中の構造は、Ｓｔ　（１１１）７Ｘ７表面
から放出されるＫＬＬオージエ電子の異方性を反映して
いる。実際、試料の回転に伴ってグラフの構造が左右に
移行して（１ることかわかる。グラフ中の矢印はＳｔ（
１１１）面内の対称軸方向であるが、これの移行の様子
からマルチアノードのチャンネル当りの角度が２，５°
であることがわかる。

第７図は第６図の回転角φ−０″の試料位置で偏向電極
の効果を確かめたグラフである。偏向電極電圧強度は偏
向電極６，６′の電位を球面雷極１の間の電圧の何％加
えたかで表わし、正の符号は電極６，６′間に球面電極
と順方向、負の記号は逆方向の電圧を加えたことを表わ
す。これを見ると、偏向電極電圧の変化に伴ってＫＬＬ
オージ工電子強度の異方性パターンが変化することがわ
かるが、これは、第５図において試料表面からのオージ
エ電子検出極角の変化に伴った変化を表わしている。検
出極角の正確な決定は今回の実施例では行われていない
。

なお、以上の説明では静電同心球面型エネルギー分析器
の場合について述べたが、同軸円筒鏡型エネルギー分析
器に対しても同様の角度同時計測の機能を持たせること
ができる。この場合、異なる点は入射スリットに取り付
ける電極の形状及び電圧配分のみであり、他の部分は基
本的に変わらない。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明の角度同時計測型荷電粒子
エネルギー分析器を用いると以下のような利点がある。

■角度依存性の測定の効率が数十倍から百倍程度向上し
、測定時間がそれだけ短縮する。これにより、表面の汚
染など系の時間的変動の影響の少ない測定が可能となる
。

■角度依存性の測定に装置の機械的移動が伴わないため
、震動が除去でき、極微少領域（数１００〜数１０００
人）の測定にも適合できる。

■φ２　０　３　＋ｕコンフラットフランジなどの真空
フランジにエネルギー分析器と移動機構を設置でき、大
掛かりな回転機構は不要なため、装置を小型化でき、汎
用性、操作性がマ曽す。

■計ＡＩＩ７回路系としては一次元の位置敏感検出回路
系で十分であり、比較的安価でデータ処理も簡単である
。

【図面の簡単な説明】

第一図は本発明の原理を説明するための概念図、第二図
は、角度同時計測型荷電粒子エネルギー分析の基本的な
三種類のタイプを説明するための図第三図は試料と本発
明の角度同時計測型荷１は粒子エネルギー分析器の位置
関係を示す概略図、第四図は出口アバーチャー、偏向電
極及び位置敏感型検出器の位置関係を示す概略図、第五
図は本発明の一実施態様の概略図、第六図，第七図はＳ
ｔ（１１１）７Ｘ７表面に本発明の角度同時計測型荷電
粒子エネルギー分析器を適用したときの測定例である。 １；静電同心球面型エネルギー分析器、　２；対称中心
軸、　３；静電同心球面型エネルギー分析器の中心、　
４．４’　　．測定試料、　　　５．５′６．６’　　
；人口スリット上の電極、　　７，８；荷電粒子の軌道
、　　９；出射スリット、　　１０：出口アパーチャ−
　　１１；加速または減速電極、１２；位置敏感型検出
謬、　　１３；マルチアノード 第三図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料にＸ線又は粒子を照射し、該試料から放出又
   は散乱される荷電粒子の運動エネルギーを分析する静電
   同心球面型又は同軸円筒鏡型のエネルギー分析器におい
   て、 静電同心球面又は同軸円筒鏡円筒の中心を通る対称中心
   軸上に配置された試料と出口アパーチャー、 前記対称中心軸を中心とする入射口及び出射口用の円弧
   状スリット、 前記入射口のスリットに取り付けられた荷電粒子の偏向
   と変速を行うための電極、及び 前記出口アパーチャーの後段に荷電粒子の検出器として
   設けられた位置敏感型検出器、 からなることを特徴とする荷電粒子エネルギー分析器。
2. （２）エネルギー分析器全体を前記対称中心軸に沿って
   平行移動させるための移動機構を設けたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の荷電粒子エネルギー
   分析器。
3. （３）出口アパーチャーと位置敏感型検出器の間に対称
   中心軸を中心とする円弧状のスリットを有した荷電粒子
   の偏向と加減速を行うための電極を設けてなることを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）又は（２）項記載の荷
   電粒子エネルギー分析器。