JPH0426181B2 - - Google Patents

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、構造或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。

ロ 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
た小立体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或
に区分して各画素毎に測定すると云う方法をとつ
ている。この方法によるときは、一つの方向の画
素における或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、その後隣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
つて提案されている。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
リツドＧ３とにより一つのエネルギーローパスフ
イルタを構成し、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ツ
ドＧ４，Ｇ５を設けてハイパスフイルタとし、こ
れらのグリツドの外側に２次元的な荷電粒子検出
器Ｄ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
ローパスフイルタで、或るエネルギー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
まゝ直進してグリツドＧ４，Ｇ５よりなるハイパ
スフイルタに入射し、或るエネルギーＥ２をより
高いエネルギーの粒子のみがグリツドＧ５を通過
して検出器Ｄに入射する。図から明らかなように
検出器Ｄに入射する荷電粒子の密度分布は試料Ｓ
からの各方向に放射されエネルギーがＥ１とＥ２
との間にあるエネルギーの方向分布を平面上に投
影したものになつている。

上述した方法では原理的にはグリツドはＧ３，
Ｇ４，Ｇ５の３枚で足りるが、実際には検出器Ｄ
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、加速グリツドＧ５，Ｇ６とＧ６を通過し
た粒子が直進するようにＧ６と検出器Ｄとの間の
空間の電位を一定にするためのグリツドＧ７、更
に試料Ｓを囲んで同心２重球面のグリツドＧ１，
Ｇ２を設けねばならないから、全部で８枚のグリ
ツドを必要とし、更に根本的な欠点として、粒子
の方向の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ｂ，
ｃを考えると、軌跡ｂ，ｃの試料側での方向が少
し変化したときの、開口Ａ側の方向変化の倍率
は、軌跡ｂについては縮小，ｃについては拡大と
なつており、この歪みを補正するため検出器Ｄの
面を軌跡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補正できるためには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の円錐面に沿つて放射された
或るエネルギーの粒子の検出器Ｄ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
を使つても、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大きくなる
と、しだいに大きくなり、収束しなくなる。従つ
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つて来るため、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 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。

ニ 問題点解決のための手段 第１図のように、球面のグリツド１と、その外
側にグリツド１と同心的に球面の電極２を配置
し、グリツド１の内側で同グリツドの球面中心よ
り離れた位置に試料Ｓを置き、グリツド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、この遮蔽板のグリツド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 作用 試料Ｓから放出される荷電粒子を電子とする。
グリツド１は試料Ｓと同電位で、グリツド１の内
側及び更に図で下方の空間では電界は０である。
グリツド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ツド１の面
までは直進し、グリツド１と電極２との間の空間
Ｆに入射し、この空間Ｆ内ではグリツド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つて或る電子は電極２に
入射して吸収され、或る電子は空間Ｆで反転して
再びグリツド１の内側の空間に出る。こゝで或特
定のエネルギーを持つた電子は空間Ｆで反転して
試料Ｓからグリツド１に向つて放射したときと平
行な方向で再びグリツド１の内側の空間に戻つて
来る。図ではこのような軌道を画く電子の軌道が
三つ画いてある。これらの軌道においてグリツド
１の球面中心０と夫々の軌道の楕円部分の中心０
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、従つて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Ａ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、グリツド１と
電極２とは第３図の従来例のＧ３，Ｍのようなロ
ーパスフイルタを構成しているのではない。即ち
本発明の構成では、エネルギーフイルタのように
或るエネルギー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
うな機能を持つたものではなく、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
るか、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Ａ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イルタとハイパス
フイルタを組合わせて特定のエネルギーを粒子を
選別する必要がなく、原理的にはグリツトは図の
グリツト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つのグリツドを追加すれば十
分であつて、電極２もグリツド１も球面であるこ
とと相俟つ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０からの距
離の２乗に反比例する静電気力による引力の場が
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荷電粒子はその速度に
よつて、図のように大小種々な楕円軌道を画く。
これらの楕円は全て０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点から測つたＵ点の位置のエネルギ
ーＥは Ｅ＝gR／２ 粒子の質量をｍ、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 １／２mv²＝１／２gR 故にｖ＝√ 次に球面に沿つて円軌道を画く粒子の速度ｖを考
えると、 v′＝√ でｖ＝v′。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０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０から軌道頂点までの距離はＲ（１
＋cosθ）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、 Rvsinθ＝Ｒ（１＋cosθ）ｕ 故に ｕ＝simθ／１＋cosθｖ 軌道頂点における位置のエネルギーＬは Ｌ＝gRcosθ／１＋cosθ また運動のエネルギーは Ｋ＝mv²sim²θ／２（１＋cosθ）² 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 １／２mu²（１−sim²θ／（１＋cosθ）²）gRcosθ／
１＋cosθ 上式を整理すると、 １／２mu²（１＋2cosθ＋cos2θ）＝gR／
２（１＋2cosθ＋cos2θ） となり、θを含む項が消えてｕ＝√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
つているのである。そしてｇの値はグリツドと球
面電極間の電位差で決まるから、グリツドと球面
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。

ヘ 実施例 第１図は本発明の一実施例を示す。グリツド１
と電極２は０を共通中心とする同心球面であり、
この実施例ではグリツ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
ツド半径の２倍にしておけば試料から立体角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ツド半径の２倍より
小さくでもよい。５はグリツド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
の一端はグリツド１に接続されていると共に接地
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、カードリング５
によつてグリツド１と電極２間の電界がグリツド
及び電極２の縁で乱れるのを防いている。３は半
球形のグリツド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０からグリツドの半径より稍小さい距離
だけ離れた所に試料Ｓをセツトする窓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。ｈ１，ｈ２はグリツド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Ａ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、その上面にはグリツド８，９が蛍光
板と平行に張設されており、グリツド８は接地、
９は正の高電圧が印加してあり、グリツド８を通
過した電子はグリツド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或る特定のエネルギーを持
つたものの放射角度分布を示す。蛍光板４の代わ
りにチヤ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
段ではなく、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14cm、グリツド１の半径７cm、０
点から試料窓Ｗの中心及び開口Ａの中心までの距
離５cm、開口Ａの孔径１mm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の位置をグリツド
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重半球形のグリツドより
なるハイパスフイルターを置くことにより一層エ
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、試料そのものではなく、資料上の一
点から放射される粒子レンズ系により収束させた
収束点であつてもよい。

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ツドと電
極だけであり、基本的にローパスフイルタとハイ
パスフイルタを要する第３図の構成に比し構造が
大へん簡単である。また、グリツドを構成してい
るワイヤの近辺を通る荷電粒子及びワイヤに当た
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
下とバツクグラウンド増加と云う２重の障碍作用
を有するから、グリツドは成るべく少ない方がよ
いが、本発明では基本的にはグリツドは一枚でよ
く第３図の従来例が最小限三枚必要であるのに比
し、グリツド数が少く、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
がバツクラウンドも少ないことを意味している。
また近似式を使つておらず、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……グリツド、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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 球状のグリツドの外側に、このグリツドと同
   心に球状電極を配置し、上記グリツドの内側でグ
   リツドの縁線に近い位置に荷電粒子放射点を設
   け、グリツ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、上記グリツドの球面
   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
   グリツ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 特許請求の範囲第１項においてグリツド及び
   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。