JPH0783859A - 局所的光電子検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高い空間分解能かつ高いＳ／Ｎ比で局所的な光
電子検出を行うことのできる検出装置を提供する。 【構成】探針の周囲に探針とは別の補助電極を設け、こ
の補助電極を探針の周囲に入射する光電子を遮蔽する手
段として構成した。試料４からの光電子を受容する探針
１と、探針１の周囲に設けられた補助電極３と、試料４
に対して探針１と補助電極３とを相対的に移動させる移
動手段５０と、探針１と試料４との間及び補助電極３と
試料４との間に各々電圧を印加する電圧印加手段６０
と、探針１の受容する試料４からの光電子により探針１
と試料４との間に流れる電流を検出する電流検出手段７
０と、電流検出手段７により検出された電流の情報を表
示する表示手段８０とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光電子分析装置、特に局
所的に光電子を検出するための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物質表面にその物質の仕事関数よりも大
きなエネルギーを持つ光を照射すると、表面から光電子
が飛び出してくるという現象が知られている。この現象
を表面分析に利用することが知られており、例えば、Ob
servation of local Photoemission using a scanning
tunneling microscope J.K.Gimzewski 他 Ultramicro
scopy 42-44(1992)366-370に報告されている。すなわ
ち、超高真空中において光をスポットに絞って試料表面
に当て、出てくる光電子をＳＴＭ（走査型トンネル顕微
鏡）の探針により局所的に捕獲して表面の仕事関数の違
いに由来する像を得るという報告がなされている。この
報告においては、ＳＴＭ探針の周囲を先端部を除いて絶
縁体でコートすることにより、空間分解能を高める手法
が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た局所的光電子分析法にあっては、期待されるほど空間
分解能が得られず、バックグラウンドノイズも大きいと
いう問題があった。本発明は、このような問題点に鑑み
てなされたもので、高い空間分解能かつ高いＳ／Ｎ比で
局所的な光電子検出を行うことのできる検出装置を提供
することを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的のために、本発
明者らは、従来の検出法では期待される空間分解能が得
られず、バックグラウンドノイズも大きいという現象に
ついて、その原因を究明した。その結果、ＳＴＭ探針に
コートした絶縁体に光電子が飛び込むことによる絶縁体
のチャージアップやこのチャージが絶縁体表面で拡散す
るといった新たな問題が生じていることが分かった。

【０００５】そこで本発明では、探針の周囲に探針とは
別の補助電極を設け、この補助電極を探針の周囲に入射
する光電子を遮蔽する手段として構成したものである。
具体的には、図１に示す如く、試料４からの光電子を受
容する探針１と、探針１の周囲に設けられた補助電極３
と、試料４に対して探針１と補助電極３とを相対的に移
動させる移動手段５０と、探針１と試料４との間及び補
助電極３と試料４との間に各々電圧を印加する電圧印加
手段６０と、探針１の受容する試料４からの光電子によ
り探針１と試料４との間に流れる電流を検出する電流検
出手段７０と、電流検出手段７により検出された電流の
情報を表示する表示手段８０とを有する光電子検出装置
である。

【０００６】

【作用】上記の如き本発明の局所的光電子検出装置にお
いては、探針１の周囲に電気的に独立な補助電極３が設
けられ、好ましくは探針１と補助電極３にはそれぞれ独
立に試料に対して正の電位が与えられるため、試料４表
面の探針１の先端に対向する領域から発した光電子が探
針１に取り込まれる。そして、光５の照射により、探針
１の先端に対向する領域の周囲で発生した光電子は補助
電極３を通じて排出されるため、探針１の先端に対向す
る領域のみから発した光電子が探針１に受容される。従
って、従来の如く、探針の周囲に設けられる絶縁体のチ
ャージアップや絶縁体表面の電子の拡散といった問題は
解決され、探針１の鋭さに応じた高い空間分解能で光電
子を検出することが可能となる。

【０００７】上記の如き本発明の基本構成において、表
示手段８０としては、電流検出手段７０により検出され
た電流に対応する信号と移動手段５０による前記探針１
と試料４との位置関係に対応する信号とを記憶する記憶
手段と、前記記憶手段に記憶された各信号に基づいて試
料面上の光電子量を表示するモニター手段とを有する構
成とすることが望ましい。この構成によれば、試料面上
の光電子発生の分布を検出することができ、試料４につ
いての光電子による２次元的評価が可能となる。

【０００８】また、電圧印加手段として、探針１と試料
４との間の印加電圧、及び補助電極３と試料４との間の
印加電圧のうちの少なくとも一方の電圧を変化させ、探
針と補助電極との各試料に対する電位を相対的に変化す
るための電圧可変手段を設けることも可能である。この
ような構成によれば、探針１に受容される光電子と探針
の周囲の補助電極３に受容される光電子とのバランスを
変えることができ、探針による光電子検出領域を制御で
き、実質的な分解能を変えることが可能となる。

【０００９】

【実施例】以下に本発明の実施例について詳述する。図
２は、本実施例の局所的光電子分析装置の構成を示すブ
ロック図である。本発明の局所的光電子分析装置におい
て、探針１はタングステン（Ｗ）製であり、探針１の周
囲に酸化ケイ素（SiO2）からなる絶縁膜２を介して形成
されたアルミニウム製の補助電極３が設けられている。
試料４と探針１との間に所定の電圧Ｖ１が第１電圧印加
手段１０により印加され、試料４と補助電極３との間に
所定の電圧Ｖ２が第２電圧印加手段１１により印加され
る。

【００１０】試料４はアクチュエータ７上に載置されて
おり、アクチュエータ７は上下及びＸＹ平面内で移動可
能な移動ステージ８上に搭載されている。移動ステージ
８の上下移動により試料４が探針１に対してほぼ適切な
間隙をもって配置され、アクチュエータ７により試料４
は探針１に対して水平方向及び垂直方向に微小に移動さ
れる。アクチュエータ７は第１駆動手段１３により駆動
制御され、移動ステージ８は第２駆動手段１４により駆
動制御される。他方、探針保持手段９は探針１及び補助
電極３を保持すると共に、第３駆動手段１５により水平
面内でＸおよびＹ方向に移動させる。そして、これら３
つの駆動手段１３、１４、１５を演算制御手段（コンピ
ュータ）１６により制御することによって、探針１は試
料４に対して適切な間隙を維持して配置され、試料４上
の任意の位置に探針１を設定することが可能である。

【００１１】このよう構成において、試料４上に光を照
射したときに発生する光電子により、探針１と試料４と
の間に流れる電流が電流測定手段１２により測定され
る。そして、探針１の試料４に対する位置情報と、該位
置において電流測定手段１２で測定された電流値とに基
づいて、試料表面より飛び出してくる光電子数の情報
が、演算制御手段１６において記憶され、その記憶情報
がＣＲＴ１７にて試料の光電子検出像として表示され
る。

【００１２】第１駆動手段１３、第２駆動手段１４およ
び第３駆動手段１５は、それぞれＧＰＩＢケーブルを通
して演算制御手段１６によって制御される。そして、探
針１の試料４に対する位置は、アクチュエータ７および
移動ステージ８の移動量をもとに演算制御手段１６によ
って算出される。また、本実施例では、アクチュエータ
７によって、探針１と試料４との間を所定の間隔に維持
した状態で試料４を探針１に対してＸＹ方向に走査させ
る。この走査させる速度および走査範囲は、演算制御手
段１６から第１駆動手段１３に指令を出し、第１駆動手
段１３よりアクチュエータ７に送られる走査信号（三角
波）の周波数と振幅を変えることで適宜設定できる。

【００１３】図３は、本実施例の局所的光電子検出装置
の全体構造を示す概略図である。この局所的光電子検出
装置は、導電性を有する探針１、探針１に絶縁膜２を介
して設けられた補助電極３、探針１を保持する探針保持
具９、探針保持具９をＸＹ方向に位置調整する駆動装置
２５、基台２０、探針保持具９を保持するための基台２
０に形成された支持台２０ａ、試料４、試料ホルダー２
６、試料ホルダー２６をＸＹＺ方向に移動させる３次元
アクチュエータ７、アクチュエータ７が設置された移動
ステージ８、光源２１と光源２１からの光５を集光する
レンズ２２を備えている。

【００１４】試料４は、アルミニウム基板に金を200nm
蒸着し、さらにその上にセシウムを10〜50nm蒸着して作
成した。試料４はアースに接続されており、試料ホルダ
ー２６には接着により取り付けられている。アクチュエ
ータ７は、ピエゾ素子を用いたチューブスキャナ型と呼
ばれるもので、ピエゾ素子に適当な電圧を印可すること
で試料４を探針１に対してＸＹ方向に走査させる。この
アクチュエータ７は試料をＺ方向に変位させる際に微動
機構としても機能する。さらに、アクチュエータ７は移
動ステージ８に設置され、この移動ステージ８はアクチ
ュエータ７ごと試料４をＺ方向に移動させる。移動ステ
ージ８は、軸受２３およびねじ２４を介してねじ部２４
ａで支持されている。ねじ部２４ａは、ねじ山のピッチ
が0.3mm に設定され、基台２０に形成された支持部２０
ｂに設けられためねじ２０ｃと螺合している。図示して
いない駆動機構によってねじ２４を回転させると移動ス
テージ８はＺ方向に移動する。この移動ステージ８は、
試料４を探針１に接近させる際に粗動機構として機能す
る。

【００１５】探針保持具９は、支持台２０ａにより基台
２０に支持されている。駆動装置２５は、ＸおよびＹ方
向に取り付けられており、探針１および探針保持具９を
ＸおよびＹ方向に位置調整することができ、光源２１か
らの光５の試料４上の照射位置に探針１を位置合わせす
る。光源２１は、633nm （Ｈｅ−Ｎｅレーザー）の光５
を発し、この光５はレンズ２２により試料４上で約１mm
径のスポットとして集光され、試料４を照射する。

【００１６】図４は、本実験例で用いたチューブスキャ
ナ型アクチュエータの概念斜視図である。アクチュエー
タ７は、円筒上の厚電セラミックス３０の外周面にＸ方
向走査用の厚電素子に対する電極３１ａ，３１ｂおよび
Ｙ方向走査用の厚電素子に対する電極３２ａ，３２ｂ
が、それぞれＸ方向同士、Ｙ方向同士で対向するように
設けられている。厚電セラミックス３０の内周面には、
各電極３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂに対する共通電
極３３が設けられている。ＸＹ方向に走査するときは、
それぞれの方向の各電極間に大きさが同じで符号の異な
る電位を印加する。また、Ｚ方向に移動させるときは、
正負どちらか一方の電圧を設定して、この電圧をＸ、Ｙ
全ての外周面の各電極と共通電極３３との間にそれぞれ
等しく印加することで、素子をＺ方向に伸縮させる。

【００１７】補助電極３は、探針１に酸化ケイ素（SiO
2）からなる絶縁膜２を介して設けられいるが、以下に
図５を用いて探針１に絶縁膜２と補助電極３を形成した
過程を説明する。 (1) まず、太さ１mmのタングステン製のワイヤーをその
一端から５mmまでエッチング液（ＮａＯＨ水溶液）に浸
す。そして、ワイヤーを徐々に引き上げて液浸部分をエ
ッチングにより除去する。引き上げ後、ワイヤーの一端
は、先端半径が50〜100nm の鋭い針状に形成される。こ
の後、所定の長さ20mmとなるようにワイヤーの他端側を
切断して探針１を得る。 （図５ａ） (2) 次に、この探針１の先端約10mmの表面部分にＰＶＤ
法（物理的気層成長法）により約50nm厚の酸化ケイ素膜
（絶縁膜）２を成膜し、さらに、酸化ケイ素膜上にアル
ミニウム膜３を約200nm 厚で成膜する。（図５ｂ） (3) この後、酸化ケイ素膜２およびアルミニウム膜３が
形成された探針１先端部のさらにその先端側を、フッ化
水素（HF）水溶液４０に浸す。（図５ｃ）そして、タン
グステンの探針１が先端に現れるまで液浸部分の酸化ケ
イ素の絶縁膜２およびアルミニウム膜３をエッチングす
ることで、探針１と電気的に絶縁された補助電極３を形
成する。（図５ｄ） 以下、再び図２を用いて本実施例の局所的光電子検出装
置による表面分析過程を説明する。

【００１８】まず、試料４上に光を集光した状態で、第
３駆動手段１５により探針１の先端を試料４上の光の照
射位置に合わせる。この時、電流測定手段１２で測定さ
れる電流値をモニターすることにより、探針１は光電子
６を十分に取り込む位置にあることを確認する。次に、
光を試料４に照射しない状態で、電流測定手段１２によ
り探針１と試料４との間に流れる電流を測定しながら、
演算制御手段１６によって第２駆動手段１４を制御して
移動ステージ８を探針１に向けて移動させる。この時、
探針１には第１電圧印加手段１０により試料４に対して
＋５Ｖのバイアス電圧を印加しておく。また、補助電極
３は、第２電圧印加手段１１により探針１と同電位にし
ておく。電流測定手段１２によって探針１と試料４との
間に電界放射による電流が検出されたら移動ステージ８
を停止させる。その後、探針１および補助電極３の電位
を試料４に対して＋０．５Ｖに設定し、第１の駆動制御
手段１３を介してアクチュエータ７を駆動し試料４を探
針１に接近させ、トンネル電流が検出されたら試料４を
停止させる。この後、アクチュエータ７により試料４を
探針１から離れる方向に約50nm移動させる。以上の操作
により、探針１と試料４との距離が設定される。

【００１９】この状態で探針１に試料４に対して＋２Ｖ
の電圧をかけ、両者の間に電流が流れない事が確認でき
た。従って、探針１で試料４を走査する際に電流測定手
段１２で測定される電流値は、光の照射によって試料４
より発生する光電子６の数と対応することになる。探針
１と試料４との距離が設定されたら、第１の電圧印可手
段１０により、探針１の試料４に対する電位（Ｖ１）を
＋0.1 〜2.0 Ｖに設定する。また、第２電圧印可手段１
１により、補助電極３の試料４に対する電位（Ｖ２）を
Ｖ１と等しい値に設定する。この後、演算制御手段１６
により走査領域を設定し、アクチュエータ７で試料４を
ＸＹ方向に移動させることにより、探針１に対して試料
４を走査をさせる。

【００２０】なお、試料４は充分平坦に形成されている
ので、探針１をＸＹ方向に走査する際は、Ｚ方向に対す
るフィードバック制御は行わなくてよい。走査中は、電
流測定手段１２によって探針１と試料４との間に流れる
電流を測定する。演算制御手段１６は、試料４上での探
針１の位置（ＸＹ平面での位置）と、この位置での電流
測定手段１２による測定結果とを対応させて、試料４よ
り発生した光電子６数のデータを取り込む。このデータ
はＣＲＴ１７に送られ、試料４の光電子検出像として画
面上に表示される。

【００２１】以上の過程により試料４の分析を行ったと
ころ、高空間分解能かつ高Ｓ／Ｎ比の像が得られた。こ
れは、試料４における探針１の先端付近から発生した光
電子６のみが探針１に取り込まれた為である。第１電圧
印可手段１０により試料４に対する探針１の電位（Ｖ
１）を＋ 0.1〜2.0 Ｖに、第２電圧印可手段１１により
試料４に対する補助電極３の電位（Ｖ２）をＶ１より0.
1 〜1.0 Ｖ程度高く設定したところ、Ｖ２の電位を高く
するに従い電流測定手段１２により測定される電流値が
減少するのが確認された。これは、試料４における探針
１先端付近以外で発生した光電子６はほとんどが補助電
極３に取り込まれ、探針１には試料４における探針１先
端の極近傍で発生した光電子６のみが取り込まれるよう
なったことを意味している。この状態で試料４を探針１
に対して走査させたところ、Ｖ１とＶ２が同電位の時よ
りも高い空間分解能の像を得ることができた。尚、上記
実施例の構成においては、全て超高真空中で行うことが
望ましい。

【００２２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ＳＴＭ探
針の周囲に、ＳＴＭ探針とは電気的に絶縁された補助電
極を設けたので、試料表面のＳＴＭ探針先端に対向する
位置以外の領域から発した光電子はこの補助電極に取り
込まれ、排出される。そのため、ＳＴＭ探針には探針先
端の極近傍の狭い領域からの光電子のみが取り込まれ、
また、絶縁体の光電子によるチャージアップや絶縁体表
面の電子の拡散の問題も起こらない。したがって、空間
分解能およびＳ／Ｎ比が改善される。また、ＳＴＭ探針
に対する補助電極の電位を適宜設定することで、測定時
の検出感度や空間分解能を変えることができる。

【００２３】そして、上述の如き本発明の局所的光電子
検出装置によれば、種々の薄膜の膜圧の測定を高分解能
で行うことが可能となる。例えば、金の表面にセシウム
を蒸着する場合、蒸着するセシウムを厚くするに従って
表面の仕事関数が徐々に減少するため、表面からの光電
子の発生量を本発明の装置によって検出することによっ
て、セシウム蒸着層の厚さの情報を得ることができ、蒸
着層の均一性や局所的欠陥などを極めて高い分解能にて
検出することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による局所的光電子検出装置の概略構成
図。

【図２】本発明の実施例の概略構成を示すブロック図。

【図３】本発明の実施例の全体構造を示す概略構成図。

【図４】本発明の実施例に用いるアクチュエーターの概
略斜視図。

【図５】本発明の実施例に用いる探針の製造過程を示す
概略図。

【符号の説明】

１・・・探針 ２０・・・基台 ２・・・絶縁膜 ２０ａ・・支持台 ３・・・補助電極 ２０ｂ・・支持部 ４・・・試料 ２０ｃ・・・めねじ ５・・・光 ２１・・・光源 ６・・・光電子 ２２・・・集光レン
ズ ７・・・アクチュエータ ２３・・・軸受け ８・・・移動ステージ ２４・・・ねじ ９・・・探針保持具 ２４ａ・・ねじ部 １０・・・第１電圧印可手段 ２５・・・駆動装
置 １１・・・第２電圧印可手段 ２６・・・試料ホ
ルダー １２・・・電流測定手段 ３０・・・厚電セ
ラミックス １３・・・第１駆動手段 ３１ａ、３１ｂ・
・・Ｘ方向走査用電極 １４・・・第２駆動手段 ３２ａ，３２ｂ・
・・Ｙ方向走査用電極 １５・・・第３駆動手段 ３３・・・共通電
極 １６・・・演算制御手段 ４０・・・フッ化
水素水溶液 １７・・・ＣＲＴ ５０・・・移動手
段 ６０・・・電圧印加手段 ７０・・・電流検出手段 ８０・・・表示手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料からの光電子を受容する探針と、該探
   針の周囲に設けられた補助電極部材と、前記探針と前記
   補助電極とをを試料に対して相対的に移動させる移動手
   段と、前記探針と前記試料との間及び前記補助電極と前
   記試料との間に各々電圧を印加する電圧印加手段と、前
   記探針の受容する光電子により該探針と前記試料との間
   に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出
   手段により検出された電流の情報を表示する表示手段と
   を有することを特徴とする局所的光電子検出装置。
2. 【請求項２】前記表示手段は、前記電流検出手段により
   検出された電流に対応する信号と前記走査手段による前
   記探針と試料との位置関係に対応する信号とを記憶する
   記憶手段と、前記記憶手段に記憶された各信号に基づい
   て試料面上の光電子量を表示するモニター手段とを有し
   ていることを特徴とする請求項１記載の局所的光電子検
   出装置。
3. 【請求項３】前記電圧印加手段は、前記探針と前記試料
   との間の印加電圧、及び前記補助電極と前記試料との間
   の印加電圧のうちの少なくとも一方の電圧を変化させ、
   前記探針と前記補助電極との各試料に対する電位を相対
   的に変化するための電圧可変手段を有していることを特
   徴とする請求項１記載の局所的光電子検出装置。