JPH0376842B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、試料から放出される光電子の数を計
数する光電子計数装置に関する。

（従来技術） 従来、例えば試料表面を被覆する極めて薄い被
膜の膜厚を計測する方法としては、マイクロバラ
ンス法、放射化分析法、エンプソメトリー法、多
重干渉法オージエ電子法、Ｘ線光電子法が知られ
ている。

しかし、これらの計測法は、試料の取扱いに特
別な注意を必要としたり、装置が大型で且つ高価
であるなどの各種の問題があつた。

そこで本願発明者等は、非破壊で薄膜の膜厚計
測を短時間で簡単にできる膜厚計測方法として、
表面に薄膜を被覆した試料に規定の光電的仕事関
数以上の光エネルギーを与え、薄膜の下側に位置
する試料本体のみから電子を放出させ、この放出
電子が薄膜を通過するときの減衰が膜厚に依存す
ることから、空気中に存在する低エネルギー電子
を検出する機能をもつた光電子検出部を検出器と
した光電子計数装置で薄膜を通つて外部に放出さ
れた光電子を検出することで試料表面を被覆した
薄膜の膜厚を計測する方法を提案している（特願
昭59−118818号）。

第４図は、この光電子計数装置を使用した膜厚
計測方法における検出部の装置構成を示したもの
で、１は放出電子を検出する光電子検出部、２は
試料本体２ａの表面に薄膜２ｂが被覆された試料
であり、光源から所定強度の紫外線ビーム３を試
料表面に照射し、試料表面に規定の光電的仕事関
数以上の光エネルギーを与えている。

光電子検出部１は、ループ電極でなる陽極５、
第１グリツド電極６、第２グリツド電極７を備
え、ケース８の先端に開口した電子導入口９を試
料２のビーム照射位置に向けるように光電子検出
部１を配置している。

このような光電子検出部１による試料放出電子
の計数は、陽極５に例えば3.4KVという高い電圧
を印加すると共に第２グリツド電極７に100V、
第１グリツド電極６に80V程度の電圧をを印加
し、この状態で紫外線ビーム３の照射で試料から
放出された光電子を第１及び第２グリツド電極
６，７を介して陽極５に引き寄せる。陽極５の近
傍は高電圧によつて強い電界が発生しているの
で、引き寄せられた電子は高電界で加速され気体
放電現象を引き起こす。このため陽極電圧が低下
して電子数計数のための電圧パルスを発生する。

一方、気体放電現象による陽極電圧パルスの発
生と同時になだれ的な放電増幅を阻止するため、
陽極電圧パルスの発生から一定時間のあいだ第２
グリツド電極７の電圧を例えば400Vに高めて陽
極近傍の電界強度を下げ、且つ第１グリツド電極
６を−30Vに引き込んで外部からの電子の導入を
阻止すると共に、放電で生じた正イオンが試料に
ぶつかるのを防ぐ。この動作を試料から光電子が
放出される毎に繰り返す。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の光電子計数装
置にあつては、試料表面が完全な鏡面でない場
合、例えば第４図に示すように試料表面に照射し
た紫外線ビーム３が乱反射し、乱反射による反射
光１０が光電子検出部１の電子導入口９から内部
に入り、第１及び第２グリツド電極６，７に照射
され、反射光の照射を受けたグリツド電極自身か
ら光エネルギーで励起された低エネルギー電子を
放出するようになる。

第５図は光電子計数装置が試料からの反射光を
受けたときの照射光波長に対する計数率を示した
グラフであり、例えば試料として表面を一定方向
に研磨したアルミニウム板を使用している。

まず曲線S1、S2は全計数率を示し、S1は第６
図ａに示す研磨方向で試料を空気カウンタ１に対
し配置したときの計数率であり、またS2は第６
図ｂに示す研磨方向で試料を光電子検出部１に対
し配置したときの計数率を示す。

一方、N1、N2は光電子検出部１の第１グリツ
ド電極６のみを−30Vに引き込んで外部からの電
子の侵入を阻止したときの計数値を示し、このと
き計数率は本来ほぼ零でなければならないが、試
料からの反射光が空気カウンタ内部のグリツド電
極に照射されることで電子が放出され、照射波長
240nｍ付近でピーク値をもつ計数率N1、N2がバ
ツクグラウンドノイズして計測される。

このような反射光によるバツクグラウンドノイ
ズN1、N2が発生した場合、真の計数率は全計数
率からバツクグラウンドノイズ分を差し引いた
（S1−N1）または（S2−N2）で与えられること
となるが、この場合反射光によるバツクグランド
ノイズが大きくなりすぎて正確な電子数の計数に
支障を来たすという問題があつた。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてな
されたもので、試料に照射した光が乱反射して
も、乱反射によるバツクグランドノイズを最小限
に抑えて試料から放出された光電子を正確に計数
できるようにした光電子計数装置を提供すること
を目的とする。

この目的を達成するため本発明にあつては、試
料表面で反射された光が光電子計数装置に照射さ
れる部分にその反射の光のエネルギーより仕事関
数が大きい膜を形成させることによりグリツド金
属から放出された光電子を膜を通過する間に減衰
させると共に膜から光電子を放出させないように
したものである。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を計測回路と共に示
した説明図である。

まず構成を説明すると、１は光電子検出部であ
り、ケース８の先端に試料２から放出された光電
子を導入するための電子導入口９を開口してお
り、この電子導入口９の背後となるケース内部に
第１グリツド電極６及び第２グリツド電極７を設
け、更に第２グリツド電極７の背後に高電圧が印
加されるループ状の陽極５を設けている。

この光電子検出部１の電子導入口９は試料２の
表面に向けられ、試料２は試料本体２ａの表面に
薄膜２ｂを形成しており、試料２の表面には光源
ユニツト４から所定波長の紫外線ビーム３が照射
されている。光源ユニツト４は重水素ランプ等の
光の光源１１、スリツト１２及び分光器１３を備
え、光源１１からの光をスリツト１２で絞り込ん
で分光器１３に入射し、分光器１３で所定波長の
紫外線を取り出し、スリツト１２を介して試料２
の表面に紫外線ビーム３として照射している。

このような光電子検出部１及び光源ユニツト４
の構成は、第４図の従来例と同じであるが、本発
明にあつては、試料２からの反射光が照射される
電子導入口９の背後に設けた第１グリツド電極６
及び第２グリツド電極７の表面に反射光のエネル
ギーより仕事関数の大きい膜として薄い塗膜を形
成している。この第１及び第２グリツド電極６，
７の表面に形成された塗膜の厚さは、300〜400Å
以上とされており、この程度の膜厚とすること
で、試料２の表面からの反射光１０の照射を第１
及び第２のグリツド電極６，７が受けても下地と
なるグリツド電極の金属からの光電子の放出を防
ぐ。

一方、第１及び第２グリツド電極６，７は、試
料２から放出された光電子を陽極５に導くための
電界を作り出す電極としての機能を持つているこ
とから、表面に薄い塗膜を形成した場合には膜厚
が大きいと電極としての機能が損われる。

そこで第１及び第２グリツド電極６，７の表面
に形成する薄膜の厚さを数μｍ以下に押え、低エ
ネルギー電子の放出を防ぐための薄い塗膜を形成
しても電極としての機能を損わないようにしてい
る。

次に第１図の実施例に示した光電子計数装置の
計数回路の構成を、その動作と共に説明する。

まず高圧電源１６は、光電子検出部１の陽極５
に３〜4KVの間となる規定の高電圧を印加して
いる。陽極５の印加電圧は、直流カツト用のコン
デンサＣを介して増幅器１７に入力接続され、試
料２から放出された光電子で引き起こされる気体
放電現象による電圧パルスを増幅出力する。光電
子検出部１の第２グリツド電極７にはパルス発生
器１８より、例えば100Vのグリツド電圧Vg２が
印加されており、また第１グリツド電極６にはパ
ルス発生器１９より80V程度のグリツド電圧Vg
１が印加されている。

紫外線ビーム３の照射により、試料２から放出
された光電子は光電子検出部１の第１及び第２の
グリツド電極６，７に引かれて陽極５に引き寄せ
られ、陽極５の近傍に至るとその高電界による加
速を受けて気体放電現象を生じ、このため陽極電
圧Vaが低下して増幅器１７より第２図の信号波
形図に示すような電圧パルスが出力される。パル
ス発生器１８，１９は、この電圧パルスを受けて
予め定めた一定時間Teのあいだ、第２グリツド
電極７のグリツド電圧Vg２をそれまでの100Vか
ら300V分高い400Vに引き上げて陽極５の周辺の
電界を下げ、雪崩的な放電現象を阻止する。同時
にパルス発生器１９が第１グリツド電極６に対す
るグリツド電圧Vg１をそれまでの80Vから−
30Vに引き込んで光電子検出部１に光電子が侵入
するのを阻止する。それと共に気体放電により生
じた正イオンを捕獲し、この正イオンが試料２に
ぶつかり２次電子が放出されるのを防いでいる。

この結果、増幅器１７は試料２からの放出電子
を検出する毎に気体放電現象に伴つて生ずる電圧
パルスを出力して計数回路２０に与え、計数回路
２０で単位時間当りのパルス数、即ち計数率Ｎが
求められる。計数回路２０による計数率（カウン
ト数）Ｎは演算回路２１に与えられ、計数率Ｎに
基づいて試料２の表面に形成された薄膜の膜厚Ｔ
を、膜厚Ｔが増加するに従つて計数率Ｎが指数関
数的に減少する関係にある事から得られた次式に
よつて演算される。

log Ｎ＝log No−Ｔ／2.3λ ……(1) 但し、λは薄膜内の電子の平均自由工程（オン
グストローム） Noは膜厚が零のときのカウント数 さらに詳細に説明するならば、薄膜がない状態
で試料から光電子の放出が始まるエネルギーは、
仕事関数と呼ばれる値（物質により異なる）であ
り、この値以上の照射光エネルギーを試料に与え
れば光電子の放出が始まる。また照射光エネルギ
ーに対する放出電子数の特性は、試料表面の膜の
厚さによつても変化する。即ち、膜の存在により
光電子の放出が妨げられ、放出量が膜が厚くなる
ほど低下する。この時の照射光エネルギーを下地
となる試料の仕事関数以上に設定した場合、計数
率Ｎは膜厚Ｔに依存して、 Ｎ＝No・exp（−Ｔ／λ） と表わすことができる。この式につき両辺の常用
対数をとつたものが前記(1)式である。

演算回路２１で求められた膜厚Ｔは、例えば
CRTやプリンタ等の表示手段２２に与えられ、
計測された膜厚Ｔが表示される。

第３図は第１図の実施例に示したように、光電
子検出部１の内部に設けられた第１及び第２グリ
ツド電極６，７の表面に、膜厚が300〜400Å以上
で且つ数μｍ以下の薄い塗膜を形成したときの照
射波長に対する計数率を示したグラフ図であり、
試料としては第６図に示したと同じ表面を一定方
向に研磨したアルミニウム板を使用しており、全
計数率S1及びバツクグラウンドノイズN1は第６
図ａのように試料を配置した場合であり、また全
計数率S2とバツクグラウンドノイズＮには第６
図ｂに示したように試料を配置した場合である。

この第３図の実測データから明らかなように、
光電子検出部１の第１及び第２のグリツド電極
６，７の表面に薄い塗膜を形成することで試料２
の表面での乱反射による反射光１０が第１及び第
２グリツド電極６，７に照射されたとしても、塗
膜の下地金属となるグリツド電極からの光電子の
放出が阻止され、また塗膜からも光電子が放出さ
れない。従つて、全計数率S1、S2に対するバツ
クグラウンドノイズN1、N2の計数率を塗膜の仕
事関数以下の照射波長領域では低めに押えること
ができる。例えば、第３図の実測データにあつて
は、第５図に示したグリツド電極の表面に塗膜を
形成していない場合に比べ、バツクグラウンドノ
イズが約半分以下に押えられることが確認されて
いる。従つて、真の計数率が全計数率とバツクグ
ラウンドノイズとの差で与えられることから、従
来のグリツド電極の表面に薄い塗膜を形成してい
ない場合には比べ、膜厚を求めるために使用する
試料放出電子の計数率のＳ／Ｎ比を大幅に改善す
ることができる。

尚、上記の実施例にあつては、第１及び第２の
グリツド電極６，７の表面に薄い塗膜を形成して
いたが、例えば光電子検出部１のケース８の内面
に反射光１０若しくは外部からのノイズ光が照射
される場合も予想されることから、ケース８の内
面についてもグリツド電極と同様薄い塗膜を形成
すればＳ／Ｎ比は更に改善される。即ち、試料に
より反射された光が照射されることにより光電子
を放出する部分に薄い塗膜を形成することが必要
である。

また、本実施例に於いては仕事関数が大きい膜
として塗膜を使用したが、本発明はこれに限定さ
れるものなく、他の膜として酸化膜、窒化膜等を
使用しても良い。

更に、本実施例に於いて光電子計数装置を膜厚
測定を例にして説明したが、本発明はそれに限定
されるものではなく、例えば試料の光電的仕事関
数計測または試料表面の汚れ度合等を計数する光
電子計数装置にも応用できる。

（発明の効果） 以上説明してきたように本発明によれば、試料
表面で反射された光が光電子計数装置に照射され
る部分に光のエネルギーより仕事関数が大きい膜
を形成し、試料表面で反射した反射光の照射をグ
リツド電極が受けても表面膜からは光電子が放出
されず、更にこの皮膜によりグリツド電極に至る
光エネルギーを減衰させると共に、グリツド電極
から低エネルギー電子が放出されても膜を通過す
る間にエネルギーを奪つて外部に放出させないよ
うにしたため、試料の反射光に起因したバツクグ
ラウンドノイズを最小限に押え、正確な試料放出
電子の計数を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を計測回路と共に示
した説明図、第２図は第１図の光電子計数装置の
電極電圧の時間変化を示した信号波形図、第３図
は本発明による照射光波長に対する計数率の測定
結果を示したグラフ図、第４図は従来の光電子計
数装置における反射光の問題を示した説明図、第
５図は従来装置における照射光波長に対する計数
率とバツクグランドノイズの関数を示したグラフ
図、第６図は第５図の計測データを得るときの試
料研磨による反射光の方向と光電子検出部の関係
を示した説明図である。 １：光電子検出部、２：試料、２ａ：試料本
体、２ｂ：薄膜、３：紫外線ビーム、４：光源ユ
ニツト、５：陽極、６：第１グリツド電極、７：
第２グリツド電極、８：ケース、９：電子導入
口、１０：反射光、１１：光源、１２：スリツ
ト、１３：分光器、１６：高圧電源、１７：増幅
器、１８，１９：パルス発生器、２０：計数回
路、２１：演算回路、２２：表示手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 試料に光を照射して、該試料から放出される
   光電子を電子導入口から入射し、該光電子の数を
   計数する光電子計数装置に於いて、 上記試料表面で反射された光が照射される上記
   光電子計数装置の部分に、試料に照射した光のエ
   ネルギーより仕事関数が大きい膜を形成したこと
   を特徴とする光電子計数装置。