JPH1194780A - 仕事関数測定方法、仕事関数測定装置、及び試料ホルダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 材質の如何に関わりなく、かつ表面状態に左
右されることなく仕事関数を正確に測定すること。 【解決手段】 可動電極１２の表面に順次波長を走査し
ながら励起光Ｌλを照射して、可動電極の表面から光電
子が放出した時の光エネルギを求める第１の工程と（図
３（イ））、試料Ｓの表面に対して進退するように一定
の周波数で可動電極１２を振動させ、可動電極１２と試
料Ｓとの電位差を測定する第２の工程と（図３
（ロ））、この電位差に前回の工程で求めた光エネルギ
を加算した値を求める第３の工程とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、材料の特性や状
態、特に仕事関数を測定する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】特定の機能を備えた材料の開発などにお
いては、材料の特性を判定する手段として仕事関数を求
めることが行なわれる。このような仕事関数の測定に
は、通常、試料表面に対して一定の振幅で振動する電極
を対向させ、試料と電極との間の電位差を零位法で測定
する表面電位測定装置や、特開平1-138450号公報に示さ
れたような、一端が開口された陰極Ａの内部に陽極Ｂを
配設し、これら両極間に電界を掛けた状態で、陰極Ａの
開口部に試料Ｓを配設し、この表面に順次波長を変えな
がら光Ｌを照射し、光電子放出闇値以上の光が照射され
たときに光のエネルギを検出する光電子放出閾値測定装
置などが用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前者の装置によれば、
可動電極を試料に対向させるという簡単な操作で測定が
可能であるものの、測定結果が可動電極に付着した気体
分子に大きく左右されるため、試料自体の特性を正確に
把握することが困難であるという問題があり、また後者
の装置によれば、気体分子の影響をほとんど受けず、材
料自体の仕事関数を正確に把握できるものの、半導体物
質のように仕事関数がフェルミ準位に左右される物質に
あっては、材料を構成している元素や分子の仕事関数を
測定することができないという問題を抱えている。本発
明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、
その目的とするところは試料の種類や、気体分子の付着
の如何に関わりなく、試料の特性を正確に測定する方法
を提案することである。また、本発明の他の目的は、上
記測定方法を実施するための装置を提供することであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】このような問題を解決す
るために本発明においては、可動電極の表面に順次波長
を走査しながら励起光を照射して、前記可動電極の表面
から光電子が放出した時の光エネルギを求める工程と、
試料の表面に対して進退するように一定の周波数で可動
電極を振動させ、前記可動電極と前記試料との電位差を
測定する工程と、前記電位差に前記光エネルギを加算し
た値を求める工程とを備え、可動電極自体の仕事関数を
補正できるようにした。

【０００５】

【発明の実施の形態】そこで以下に本発明の詳細を図示
した実施例に基づいて説明する。図１は、本発明の一実
施例を示すものであって、図中符号１は、振動型表面電
位測定装置であり、また符号２は光電子放出閾値測定装
置である。、この実施例においては試料ホルダ３に一体
に組み込まれている。

【０００６】表面電位測定装置１は、励振器１１に取り
付けられた可動電極１２と、可動電極１２と試料との間
の電位差を検出する電位差測定回路１３とから構成され
ていて、可動電極１２は、この実施例では試料ホルダ３
に一体に組み込まれている。

【０００７】光電子放出閾値測定装置２は、下部に開口
２１ａを備えた筒状陰極２１の内部空間に、不平等電界
を形成するための陽極２２と、放電を制御する第１格子
電極２３、第２格子電極２４が上下関係となるように配
置された検出部２５を備えている。

【０００８】陽極２２には開口２１ａに光電子が進入し
たときに陰極２１との間で放電を生じさせるに足る高電
圧が高抵抗Ｒを介して放電電圧発生回路２６から供給さ
れ、また直流阻止用コンデンサＣを介して放電検出回路
２７が接続されている。

【０００９】第１格子電極２３は第１パルス発生器２８
が、また第２格子電極２４は第２パルス発生器２９が接
続されおり、図２に示したように第１格子電極２３には
常時は１００Ｖ程度の電圧を、また光電子に基づいて放
電（図２（ａ））が生じて発生した場合には、一定時間
Ｔｅ継続する４００Ｖ程度の電圧が印加され（図２
（ｂ））、また第２格子電極２４には常時は８０Ｖ程度
の電圧を、また放電によるパルスが検出された段階では
マイナス３０Ｖ程度の電圧（図２（ｃ））が印加されて
いる。

【００１０】これにより試料からの光電子を第２格子電
極２４の電位により陽極２２に引き込んで、光電子の数
に相当する放電を一定時間Ｔｅ生じさせる一方、過剰な
光電子の侵入を防止して火花放電への発展を防止するよ
うになっている。

【００１１】そして、検出部２５の近傍には光ビーム発
生装置３０が配置されている。この光ビーム発生装置３
０は、光源３１と、波長切換回路３２からの信号により
制御を受ける分光器３３とから構成されていて、試料等
に波長の異なる光を照射できるようになっている。

【００１２】３４は、エネルギ検出回路で、放電検出回
路２７から信号が出力した時に、試料に照射している光
ビームのスペクトルエネルギを検出するものである。

【００１３】試料ホルダ３は、試料をアースに接続し、
試料の表面が可動電極１２に対して平行となるよう、こ
の実施例では水平に保持する支持部３５を備え、リード
線を介して電位差測定回路１３に接続されている。

【００１４】３６は、仕事関数演算回路で、電位差測定
回路１３により測定された試料との電位差Ｖｓに、エネ
ルギ検出回路３４により測定された可動電極１２の仕事
関数Ｖ0を加算して出力するものである。

【００１５】つぎにこのように構成した装置の動作につ
いて説明する。図３（イ）に示したように、可動電極１
２をその試料対向面が光電子放出閾値測定装置２の検出
部２５に対向するように陰極２１の開口２１ａの下方に
配置して、光ビーム発生装置３１、３３の光Ｌλを波長
を変えながら照射する。

【００１６】可動電極１２が、これを構成している材料
の仕事関数、つまり光電子放出閥値を越えるエネルギを
持つ波長の光Ｌλの照射を受けると、その表面から光電
子を放出する。

【００１７】この光電子は、陽極２２に移動して放電を
起させるから、この時の光エネルギをエネルギ検出回路
３４により検出すれば、可動電極１２の仕事関数Ｖ0が
判明する。

【００１８】このようにして可動電極１２の仕事関数Ｖ
0が判明した段階で、図３（ロ）に示したように試料ホ
ルダ３に試料Ｓを載置して可動電極１２と間隙を持たせ
て対向させ、可動電極１２を試料に対して進退するよう
に振動させる。

【００１９】もとより、可動電極１２と試料Ｓとの間に
は半導体物理の分野でいう接触帯電現象が生じていて両
者の間には仕事関数の差に相当する電位差Ｖｓが誘起さ
れ、また可動電極１２と試料Ｓとの間にコンデンサが形
成されるため、一種の静電発電機を構成する。

【００２０】したがって、可動電極１２と試料Ｓとの仕
事関数に相当する電位差ＶSを超高入力インピーダンス
の測定手段からなる仕事関数演算回路３６により検出す
ることにより、試料Ｓの仕事関数を測定することができ
る。

【００２１】このように振動型表面電位測定装置１によ
れば、可動電極自体の仕事関数が判明していれば、試料
の種類に関わりなく仕事関数を求められるから、光電子
放出の閾値が仕事関数に一致しない半導体等の試料であ
っても、試料の組成に基づく仕事関数を正確に測定する
ことができる。

【００２２】なお、上述の実施例においては、可動電極
の仕事関数を検出してから、試料を測定するようにして
いるが、試料を測定した後に、可動電極の仕事関数を検
出して補正するようにしても同様の作用効果を奏するこ
とは明らかである。

【００２３】また、上述の実施例のおいては可動電極の
仕事関数を直接測定するようにしているが、標準試料を
介して測定することもできる。すなわち、光電子放出閾
値測定装置２により仕事関数が測定されている標準試料
を、振動型表面電位測定装置１により仕事関数を求め、
両測定値の差分を可動電極のガス吸着等に起因する補正
値として記憶しておく。

【００２４】そして振動型表面電位測定装置１により試
料を測定し、これにより得た値を前記補正値で補正する
ことにより、可動電極１２のガス吸着等に起因する誤差
を補正することができる。

【００２５】さらに上述の実施例においては、試料ホル
ダ３を光電子放出閾値測定装置２の陰極２１の開口２１
ａに対向させて配置しているが、搬送手段に取り付けて
移動できるようにしてもよい。

【００２６】すなわち図４は、上述の仕事関数測定方法
を利用した仕事関数測定装置の一実施例を示すものであ
り、また図５は、測定領域を拡大して示すものであっ
て、高インピーダンス電圧測定手段を内蔵した本体ケー
ス４０の上面にフレーム４１を設けて測定機構を配置
し、またフレーム４１の前方側に試料の位置を確認する
ための顕微鏡４３が、測定に障害とならないように転倒
により退避、または取り外し可能に設けられている。

【００２７】フレーム４１は、制御パネル４４が設けら
れた正面、及び切欠き部４１ａにより側方が開放されて
いて、試料の挿脱を可能に構成され、フレーム４１に囲
まれた領域にノブ４５により試料を上下動可能とする試
料載置台４７と、試料の上面に位置するように振動型表
面電位測定ユニット４８が配置され、制御パネル４４に
は、標準試料で測定された電位を設定するダイヤル５６
と、電位表示パネル５７が配置されている。

【００２８】振動型表面電位測定ユニット４８は、図６
に示したようにユニットケース４９の表面に、測定電位
のリード部を兼ねる片持梁状に固定された板バネ５０の
自由端側に導電性針状アーム５１を介して電極板５２を
固定して構成された振動電極を備えている。電極板５２
は、少なくとも試料と対向する面（図中、上面）を大気
に対して安定で、かつガス吸着の少ない材料、金（Ａ
ｕ）やタングステン（Ｗ）の板材により構成されてい
る。

【００２９】再び図４、５に戻って、振動型表面電位測
定ユニット４８は、電極板５２を下方にして取付け基板
５３を介してフレーム４１に固定され、電極板５２の下
方への最大変位点よりも若干下方に下面５４が位置し、
かつ図７に示したように電極板５２を露出させる窓５
５、及び顕微鏡４３による確認のための視野確保用の切
欠き部５６とを備えた位置決め用の基板５７が配置され
ている。

【００３０】窓５５には、下面から上面に拡開する斜面
５５ａが形成され、かつ少なくとも試料に対向する面、
及び窓５５の領域に大気に対して安定な材料、この実施
例で金のメッキ層が形成されている。

【００３１】この実施例において、ノブ４５を一方の方
向に回動して試料載置台４７を降下させ、前述したよう
に光電子放出閾値測定装置により仕事関数が予め測定さ
れた標準試料Ｓを試料載置台４７の所定位置に載置する
（図８（イ））。

【００３２】ついで、標準試料Ｓの表面が位置決め基板
５７に接触するまでノブ４５を他方向に回動すると、標
準試料Ｓの上面が位置決め用基板５７の下面に当接し、
電極板５２に対して一定の間隙ｇで位置決めされる（図
８（ロ））。

【００３３】この状態で、振動型表面電位測定ユニット
４８を作動させると、電極板５２は、基板５７の窓５５
の範囲で上下に一定の振幅、この実施例においては０．
５ｍｍ以下で振動する。

【００３４】この測定過程においては、電極板５２の側
方が安定な金の表面層を備えた基板５７の窓５５に囲ま
れているため、電極板５２は外乱を受けることなく、標
準試料Ｓの電位を発生する。このようにして検出された
標準試料Ｓの電位は、表示パネル５７に表示されるの
で、予め測定した値となるようにダイヤル４５により電
極板５２に印加する電位を調整すると、校正作業が終了
する。

【００３５】標準試料の測定が終了した段階で、ノブ４
５を操作して標準試料を取出し、前述と同様の過程によ
り目的の試料をセットする。これにより、試料の表面と
振動型表面電位測定ユニット４８の電極板５２との間隙
ｇが標準試料Ｓの測定時と同一の値に設定されるから、
試料の仕事関数を、真空環境を必要とすることなく大気
中で正確に測定することができる。

【００３６】ところで、標準試料Ｓは安定な金の薄板に
より構成されているが、長期間の間には大気中のイオン
などが付着して電位が変化する虞があるので、図９に示
したように金属板６０の中央に標準試料Ｓの表面を突出
させて位置決めすることができる凹部６１を形成し、他
方の金属板６２には少なくとも標準試料Ｓの測定領域と
間に間隙を形成できる凹部６３を形成したものを用意
し、標準試料Ｓを２枚の金属板６０、６２で挟んでネジ
６４、６４などの締め付け手段により挟持させるホルダ
６５に収容すると、標準試料Ｓの測定面と大気との接触
を断つことができ、校正電位を長期間維持することがで
きる。そして金属板６０、６２の対向面には金などの安
定な金属の層を形成しておくのが望ましい。

【００３７】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
可動電極の表面に順次波長を走査しながら励起光を照射
して、可動電極の表面から光電子が放出した時の光エネ
ルギを求める工程と、試料の表面に対して進退するよう
に一定の周波数で可動電極を振動させ、可動電極と試料
との電位差を測定する工程と、電位差に前記光エネルギ
を加算した値を求める工程とを備えたので、可動電極の
状態の如何に関わりなく、試料の仕事関数を大気中で正
確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のー実施例を示す装置の構成図である。

【図２】光電子放出閾値測定装置の各電極の電圧変化を
示す波形図、

【図３】図（イ）、（ロ）は、それぞれ同上装置の動作
を示す説明図である。

【図４】図（イ）、（ロ）は、それぞれ振動型表面電位
測定法による装置の一実施例を示す正面図と、側面図で
ある。

【図５】同上装置の測定領域を拡大して示す図である。

【図６】図（イ）、（ロ）は、それぞれ振動型表面電位
測定ユニットの一実施例を示す上面図と側面図である。

【図７】図（イ）、（ロ）は、それぞれ同上装置の試料
位置決め用基板の一実施例を示す正面図と、Ａ−Ａ線に
おける断面図である。

【図８】図（イ）、（ロ）は、それぞれ同上装置の動作
を、試料セット前の状態と、測定可能状態とで示す図で
ある。

【図９】図（イ）乃至（ハ）は、それぞれ同上装置に適
した標準試料ホルダの一実施例を、ホルダを構成する金
属板、及び試料を収容した状態で示す図である。

【符号の説明】

１ 振動型表面電位測定装置 ２ 光電子放出閾値測定装置 ３ 試料ホルダ １１ 励振器 １２ 可動電極 ２５ 測定部 Ｓ 試料

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可動電極の表面に順次波長を走査しなが
   ら励起光を照射して、前記可動電極の表面から光電子が
   放出した時の光エネルギを求める工程と、試料の表面に
   対して進退するように一定の周波数で可動電極を振動さ
   せ、前記可動電極と前記試料との電位差を測定する工程
   と、 前記電位差に前記光エネルギを加算した値を求める工程
   とからなる仕事関数測定方法。
2. 【請求項２】 標準試料に順次波長を走査しながら励起
   光を照射して、前記標準試料から光電子が放出した時の
   光エネルギを求める工程と、 前記標準試料の表面に対して進退するように一定の周波
   数で可動電極を振動させ、前記可動電極と前記標準試料
   との電位差を測定する工程と、 試料の表面に対して進退するように一定の周波数で可動
   電極を振動させ、前記可動電極と前記試料との電位差を
   測定する工程と、 前記電位差に前記光エネルギを加算した値を求める工程
   とからなる仕事関数測定方法。
3. 【請求項３】 試料の表面に対して進退するように一定
   の周波数で振動する可動電極と、前記可動電極と前記試
   料との電位差を測定する手段とからなる表面電位計測手
   段と、 試料に順次波長を走査しながら励起光を照射する光ビー
   ム発生手段と、前記試料からの光電子を検出する光電子
   検出手段と、該光電子検出手段により光電子が検出され
   た時の前記励起光のエネルギを検出する手段とからなる
   光電子放出閾値測定手段と、 前記電位差と前記エネルギとの差分を求める手段と、 前記可動電極と前記光電子検出手段とに対向させるよう
   に試料を支持する試料ホルダとからなる仕事関数測定装
   置。
4. 【請求項４】 測定電位のリード部を兼ねる片持梁状に
   固定された弾性板の自由端側に電極板を固定した振動型
   表面電位測定手段と、前記電極板の下方への最大変位点
   よりも若干下方に下面が位置し、かつ電極板を露出させ
   る窓を備えた位置決め用の基板と、前記基板に対して昇
   降可能で、試料表面を前記基板に当接させる位置決め手
   段とからなる仕事関数測定装置。
5. 【請求項５】 前記基板の表面に安定な金属の層が形成
   されている請求項４に記載の仕事関数測定装置。
6. 【請求項６】 標準試料の表面を突出させて位置決めす
   ることができる凹部を備えた第１の金属板と、少なくと
   も試料の測定領域と間に間隙を形成できる凹部を形成し
   た第２の金属板と、試料を挟んで前記金属板を挟持する
   手段とからなる試料ホルダ。
7. 【請求項７】 前記金属板の対向面に安定な金属の層が
   形成されている請求項６に記載の試料ホルダ。