JP2000340161A - 光電子顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料表面−対物レンズ間での放電が生じ難
く、かつ高い空間分解能を達成できる光電子顕微鏡装置
を提供する。 【解決手段】 紫外光９等を固体試料６の表面に照射す
ることによって発生する光電子を、対物レンズ２等を介
して検出する光電子顕微鏡装置において、固体試料６の
表面と対物レンズ２の間に、円筒形静電レンズ１０（ま
たは円形ワイヤ）を備えることを特徴とする光電子顕微
鏡装置。この円筒形静電レンズ１０は、電圧印加によ
り、固体試料６の表面付近に発散型の電位分布を形成す
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、紫外光またはＸ線
を固体試料の表面に照射することによって発生する光電
子を結像して、固体試料の表面を観察する光電子顕微鏡
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光電子顕微鏡（Photo-Emission Electro
n Microscopy：ＰＥＥＭ）は、表面科学の分野で広く応
用されている。しかし、ＰＥＥＭの空間分解能は数１０
〜数１００ｎｍ程度であり、透過電子顕微鏡や走査電子
顕微鏡などの分解能と比べると桁違に悪いのが現状であ
る。この空間分解能および像質が改善されれば、ＰＥＥ
Ｍの有用性は飛躍的に向上すると考えられる。

【０００３】ＰＥＥＭの空間分解能を決めている主要な
因子として、 （１）電子レンズの収差 （２）光電子の信号量 の二つが挙げられる。すなわち、高い空間分解能を得る
には、電子レンズの収差の影響をできるだけ小さくし、
かつ光電子の信号量を大きくする必要がある。

【０００４】上記（２）の光電子の信号量については、
近年、光電子の信号量を増幅する高性能なマルチチャン
ネルプレートが開発されており、その信号量を十分確保
できるようになってきている。

【０００５】一方、上記（１）の電子レンズの収差につ
いては、試料表面から対物レンズまでのギャップをでき
るだけ小さくすれば、収差の影響が小さくなる。また、
対物レンズまでの加速電圧を大きくとるほど電子の速度
が大きくなり（波長が短くなり）、収差の影響を押さえ
て空間分解能を上げることができる。しかしながら、加
速電圧とギャップの値には、おのずと限界が存在する。
小さなギャップ間に大きな電圧を印加すると、試料表面
−対物レンズ間で放電の危険が生じるからである。この
放電防止の点から、通常、試料表面にかかる電界は、少
なくとも、５０ｋＶ／ｃｍ以下にする必要がある。特
に、放電し易い試料または条件（雰囲気など）において
は、５ｋＶ／ｃｍでも放電が発生することもある。

【０００６】実際には、例えばギャップを５ｍｍとする
と、最大加速電圧は精々２５ｋＶ程度であり、場合によ
っては２.５ｋＶ程度が限界値となる。しかし、このよ
うな低い加速電圧では、色収差や球面収差の影響を強く
受け、分解能が制限されてしまう。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
の従来技術の課題を解決すること、すなわち、試料表面
−対物レンズ間での放電が生じ難く、かつ高い空間分解
能を達成できる光電子顕微鏡装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、紫外光または
Ｘ線を固体試料の表面に照射することによって発生する
光電子を、少なくとも対物レンズを介して検出する光電
子顕微鏡装置において、該固体試料の表面と該対物レン
ズの間に、円筒形静電レンズまたは円形ワイヤを備える
ことを特徴とする光電子顕微鏡装置である。

【０００９】以下、本発明の光電子顕微鏡装置の円筒形
静電レンズまたは円形ワイヤの機能およびその有効性
を、本発明以外の手段と比較して説明する。

【００１０】ＰＥＥＭでは、試料表面−電子レンズ間の
一様な加速電場によって形成される虚像の広がりが、そ
の空間分解能を制限している。この虚像は、試料表面−
電子レンズ間の距離をａとして、試料表面からほぼ−ａ
の位置に形成され、その錯円（disc of confusion)の径
δは次式で与えられる。

【００１１】δ＝ａ（ΔＥ／Ｅ） ここで、ΔＥは光電子の初期エネルギーの広がり（初期
エネルギー分布）、Ｅは加速電圧によって与えるエネル
ギーを表す。

【００１２】初期エネルギー分布ΔＥを固定すると、分
解能を上げるにはＥ／ａ、すなわち試料表面にかかる電
界を大きくする必要がある。しかし、それでは放電の危
険性が必然的に増加してしまう。したがって、放電の危
険性を避けつつ高い分解能を得るには、Ｅ／ａを低く押
さえたまま、虚像の広がりを小さくしなければならな
い。

【００１３】本来、その錯円が形成されるのは、一様電
界によって、光電子が放物線状に曲げられることが原因
である。もし、任意の角度に放出された光電子が直線状
の軌道をとるならば、虚像の位置は試料表面と一致し、
錯円の径は０になる。このような理想的軌道を与える電
界は、理論上、電界＝０を除いてはあり得ない。ただ
し、試料の狭い領域で、虚像の位置を試料表面に近付け
ることによって、錯円の径を小さくすることは可能であ
る。その一つの方法として、試料に対向する電子レンズ
の外形を非平面にする方法がある。しかし、この方法で
は、レンズの加工精度や試料の位置に強い制約が生じる
ので、あまり実用的とはいえない。

【００１４】そこで、本発明では、試料表面−電子レン
ズ間に円筒形静電レンズまたは円形ワイヤを付加し、試
料に対して正の電位をこの円筒形静電レンズまたは円形
ワイヤに与えることにより、試料表面付近に発散型の電
位分布を形成する。この発散型の電位分布により、虚像
は−ａの位置よりも試料表面側に近付き、錯円の径を小
さくすることができるのである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、発明の好適な実施形態につ
いて説明する。

【００１６】図１は、本発明の光電子顕微鏡装置の主要
部についての一実施形態を示す模式図である。図１に示
す光電子顕微鏡装置は、鏡筒１内に、対物レンズ２、中
間レンズ３、投影レンズ４を備え、各々のレンズが減速
−加速型静電レンズを構成している。さら光電子を検出
する側に蛍光板５が設けられ、真空容器７の側壁のうち
紫外光９を導入する箇所には紫外光導入用ポート８が設
けられている。

【００１７】この紫外光導入用ポート８から紫外光９を
固体試料６の表面に照射すると、光電子が発生する。こ
の光電子を、加速電圧の印加によって減速−加速型静電
レンズ側に投入し、光電子の結像および蛍光板５への投
影を行なう。このような光電子の検出によって、固体試
料６の表面の像を観察できる。この際の加速電圧は、特
に制限されない。また、固体試料６の表面と対物レンズ
２の間のギャップは、諸条件に応じて適宜設定できる。

【００１８】そして、図１に示す光電子顕微鏡装置にお
いては、固体試料６の表面と対物レンズ２の間に、円筒
形静電レンズ１０が設けられている。この円筒形静電レ
ンズ１０は、セラミック部材１１により電子レンズの鏡
筒１から絶縁されかつ固定され、また紫外光９が透過で
きるようにグリッド状になっている。

【００１９】不図示の電圧印加手段により、この円筒形
静電レンズ１０に電位（試料６に対して正の電位）を印
加すれば、固体試料６の表面付近に発散型の電位分布を
形成でき、これにより、虚像を固体試料６の表面側に近
付け、錯円の径を小さくできる。

【００２０】この円筒形静電レンズ１０は、発散型の電
位分布を形成できるものであれば良く、従来より知られ
る各種の円筒形静電レンズを使用できる。この円筒形静
電レンズ１０に印加する電圧も、諸条件に応じて適宜決
定すれば良いが、通常は、２０ｋＶ以下程度が好まし
い。

【００２１】図２は、図１に示した円筒形静電レンズ１
０の代わりに使用できる円形ワイヤーを示す模式図であ
る。この図２に示す円形ワイヤー１２を使用して、電位
を印加した場合も、同様に固体試料６の表面付近に発散
型の電位分布を形成でき、錯円の径を小さくできる。こ
の円形ワイヤー１２は、マニピュレータ等の手段により
上下移動可能な構成にするとよい。

【００２２】この円形ワイヤー１２も、発散型の電位分
布を形成できるものであれば良く、従来より知られる各
種の円形ワイヤーを使用できる。この円形ワイヤー１２
に印加する電圧についても、諸条件に応じて適宜決定す
れば良い。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００２４】＜実施例１＞図１に示した光電子顕微鏡装
置を作製した。本実施例においては、円筒形静電レンズ
１０として、内径５０ｍｍ、長さ１０ｍｍの形状の円筒
レンズを用いた。また、固体試料６の表面と対物レンズ
２の間のギャップは５ｍｍとした。

【００２５】この光電子顕微鏡装置に、固体試料６を設
置した。この固体試料６および円筒形静電レンズ１０を
アース準位と一致させ、加速電圧１５ｋＶの条件でＰＥ
ＥＭ像観察を行った。その結果、約２００ｎｍの空間分
解能が得られた。この空間分解能は、円筒レンズ１０を
設けない場合の分解能に完全に一致している。

【００２６】次に、円筒形静電レンズ１０に２.５ｋＶ
の電圧を印加して同様のＰＥＥＭ像観察を行った。する
と、ＰＥＥＭ像はピンボケ状態になったが、対物レンズ
１０によるフォーカスつまみでピント調整を行った結
果、約５０ｎｍの空間分解能が達成された。この空間分
解能は、円筒レンズ１０を設けない場合の分解能２００
ｎｍに比べて１／４の値である。

【００２７】すなわち、本実施例の光電子顕微鏡装置を
用い、その円筒形静電レンズ１０に電圧を印加して、固
体試料６の表面付近に発散型の電位分布を形成すれば、
円筒形静電レンズ１０を使用しない従来の光電子顕微鏡
装置と比較して、同一条件（同一の加速電圧、ギャップ
等）における空間分解能を格段に向上できることが確認
できた。

【００２８】＜実施例２＞実施例１の光電子顕微鏡装置
において、円筒形静電レンズ１０の代わりに、図２に示
した円形ワイヤー１２を取り付けた。本実施例において
は、円形ワイヤー１２として、直径５０ｍｍの円形ワイ
ヤーを用い、マニピュレータにより上下移動を可能にし
た構成にした。

【００２９】この光電子顕微鏡装置に、放電しやすい材
料からなる固体試料６を設置した。この固体試料６およ
び円形ワイヤー１２をアース準位と一致させ、加速電圧
６ｋＶの条件でＰＥＥＭ像観察を実施しようとしたとこ
ろ、放電が生じる場合があったので観察は不可能であっ
た。

【００３０】そこで、加速電圧を５ｋＶとし、かつ、こ
の円形ワイヤー１２に２ｋＶの電圧を印加し、上下位置
とピント調整を行った結果、約２００ｎｍの空間分解能
が得られた。この空間分解能は、円形ワイヤー１２を設
けない場合の分解能６００ｎｍに比べて１／３の値であ
り、加速電圧１５ｋＶに相当するものである。

【００３１】すなわち、本実施例の光電子顕微鏡装置に
おいても、同様に、空間分解能を格段に向上できること
が確認できた。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光電子顕
微鏡装置は、試料表面−電子レンズ間に円筒形静電レン
ズまたは円形ワイヤを備えているので、試料表面付近に
発散型の電位分布を形成でき、これにより色収差等を低
減でき、空間分解能を向上できる。

【００３３】さらに、試料表面−電子レンズ間のギャッ
プを狭くしなくても、また、加速電圧を特に高くしなく
ても空間分解能を向上できるので、電子レンズと試料間
で生じる放電を抑制できる。すなわち、たとえ試料が放
電し易い材料であっても、放電の危険をおかさずに、高
い空間分解能でＰＥＥＭ観察を実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光電子顕微鏡装置の主要部の一実施形
態を示す模式図である。

【図２】図１に示した円筒形静電レンズ１０の代わりに
使用できる円形ワイヤーを示す模式図である。

【符号の説明】

１ 鏡筒 ２ 対物レンズ ３ 中間レンズ ４ 投射レンズ ５ 蛍光板 ６ 固体試料 ７ 真空容器 ８ 紫外光導入ポート ９ 紫外光 １０ 円筒形静電レンズ １１ セラミック部材 １２ 円形ワイヤー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 紫外光またはＸ線を固体試料の表面に照
   射することによって発生する光電子を、少なくとも対物
   レンズを介して検出する光電子顕微鏡装置において、該
   固体試料の表面と該対物レンズの間に、円筒形静電レン
   ズまたは円形ワイヤを備えることを特徴とする光電子顕
   微鏡装置。
2. 【請求項２】 円筒形静電レンズまたは円形ワイヤに電
   圧を印加する手段を備える請求項１記載の光電子顕微鏡
   装置。
3. 【請求項３】 円筒形静電レンズまたは円形ワイヤに印
   加する電圧が、２０ｋＶ以下である請求項２記載の光電
   子顕微鏡装置。
4. 【請求項４】 円筒形静電レンズまたは円形ワイヤは、
   固体試料の表面付近に発散型の電位分布を形成するもの
   である請求項１〜３の何れか一項記載の光電子顕微鏡装
   置。