JPS63276861A - エネルギ選別機能を有する電子線の案内方法と電子分光計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、直交する二つの方向（特に、一平面でのみ
集束するシステムの場合、エネルギ選別する方向と、こ
の方向に直交する方向）で異なった集束作用を有するエ
ネルギ分散系の集束エネルギ選別を備えた電子照射方法
と、前記の照射系を有する少なくとも一個のエネルギ分
散系を備えた電子分光計に関する。

一定のエネルギを存する電子線は、表面と気体の取扱及
び研究に使用されている。集束エネルギ選別に対して、
個別に分析器又はモノクロメータとして、あるいは分析
器とモノクロメータを組み合わせにした、所謂電子衝撃
型分光計として導入されているエネルギ分散系が公知で
ある。

分析器としてのエネルギ分散系は、例えば紫外線又はＸ
線光電子分光（ＥＳＣＡと言う名称で公知である）、及
びオージェ分光で使用されている。

この場合、試料から検出した電子を分析器によって運動
エネルギに関して分析する。この場合、試料と分析器の
間にあるレンズ系は、電子線の照射、電子エネルギを分
析器の通過エネルギに調整すること、及び試料の結像面
を分析器の入射スリットに合わせるために必要な像の拡
大又は縮小のために必要である。

エネルギ分散系は、例えば、逆充電効果分光のような、
単色化した電子線を作るために使用される。前記の分析
器の場合と同じように、電子線の照射、エネルギと像の
大きさを調整するため、モノクロメータと試料の間にレ
ンズ系が挿入される。

電子衝撃型分光計では、陰極から放出された電子が一個
又はそれ以上の個数のレンズ系中で単色化され、一つの
ケンズ系を通過して試料上に達する。この場合、通常、
試料の所の電子のエネルギは、モノクロメータ中でのエ
ネルギとは異なっている。試料に衝突した電子は、試料
によって散乱され、例えば、振動量子を励起して特性エ
ネルギ損失を被る。これ等の散乱電子は、−個のレンズ
系によって一個又はそれ以上の個数のエネルギ分散構成
要素の入射絞り上に導入される。これ等の構成要素は、
散乱電子をエネルギ分布に関して分析し、検出器中で検
出する。この種の電子分光計は、特に振動ベクトルの分
析、及び固体表面での電子損失の研究に導入されていて
、一連のメーカーによって製造されている。

電子衝撃型分光計では、試料に入射する電子の最大到達
電流強度、及びそれによってもたらされる試料から発生
する有効信号の強度は、モノクロメータ中の空間電荷に
よって制限される。理論計算（Ｈ，Ｉｂａｃｈ、　Ｄ、
　Ｌ、　Ｍｉｌｌｓ、　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｅｎｅｒｇ
ｙＬｏｓｓ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　５ｕ
ｒｆａｅｅ　Ｖｉｂａｒａｔｔｏｎｓ。

Ａｃａｄｅｍｉｃ　ＰｒｅｓｓＩＮｅｗ　Ｙｏｒｋ＋　
１９８２＋　ｐ、１６Ｎ、）は、モノクロメータの電流
強度がモノクロメータを通過する電子線のエネルギ幅に
依存し、系の設計パラメータに僅かな程度でしか影響を
受けないことを示している。

特に、入射絞り又は出射絞りとしてスリットを装備した
一個又はそれ以上の個数の共軸偏向電極（Ｃｙｌｉｎｄ
ｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｄｅｎｓｏｒ）を使用する場合、空
間電荷に関して望ましい関係が存在する。この場合、入
射絞りから出た電子を出射絞りに集束させること、及び
エネルギ選別は、半径方向に関してのみ行われ、他方、
この方向に対して垂直な向きでは、集束もエネルギ選別
も行われない。半径面に垂直な向きに集束性がないこと
は、（この発明による照射系ではない）有効信号の強度
に関して不利な効果をもたらす。同じことは、分析器に
対しても、そこに共軸偏向電極が導入しである場合、同
じ様に当てはまる。

この周知の共軸偏向電極の欠点を以下のように補償する
企てがされている（ヨーロッパ特許第００１３００３号
公報参照）。即ち、陰極から放出された電子が半径平面
ないで適切なレンズ系を通過してモノクロメータの入射
スリットに集束し、この面に垂直な方向では、エミショ
ン系とレンズ系をそれに応じて設計することによりモノ
クロメータと試料の間及び試料と分析器の間で、はぼ平
行な電子線進路にして中間集束点なしに検出器に集束さ
せることである。自由な集束性のない照射方法に比べて
、この照射系は改良されている。

前記に類似な集束は、米国特許第４．５５９．４４９号
公報に記載されている。

しかしながら、より詳しい研究によると、一連の決定的
な欠点が残っているこを示している。即ち、検出器に達
した電子線の開き角が、半径面に垂直な向きには小さい
ことで、このために、光学の原理により強度が弱くなっ
ている。更に、電子線はこの半径面に対して垂直な方向
で試料に平行に入射している。

このことは、散乱電子の空間角度の内、僅かな角度範囲
のものしか捕捉できないことを意味している。更に、前
記の様式の照射系は、往々使用される低エネルギの場合
、取り出し作業の不均一によって避は難いような、小さ
な電位の乱れに対して弱い。

従って、この発明の課題は、試料及び検出器の所で高い
電流密度であって、高いエネルギ分解能を得ることので
きる、集束エネルギ選別機能を有する照射系、又は電子
分光計を提供することにある。

前記の課題を解決するため、巻頭に述べた様式のこの発
明による方法は、以下のことによって特徴付けられてい
る。即ち、直交する二方向で電子の異なる集束が、エネ
ルギ系の前後に接続した円対称でないレンズ系によって
補正され、エネルギ分散系の見掛は上の又は実際の入射
絞りが、このエネルギ分散系の外の所定の像面上に結像
されるか、あるいは、エネルギ分散系の外にある対象物
がこの分散系の見掛は上又は実際の出射絞り上に結像さ
れることによる。

記載したこの目的に対して導入されたレンズ系は、直交
する二つの方向で異なった集束作用を有するが、エネル
ギ分散系中での集束過程と電子軌道を考慮して設計、又
は寸法法めされる。この発明の特別な構成では、四角な
レンズ断面形状が使用され、その幅と高さは、エネルギ
分散系中の垂直二方向で電子の異なった集束作用により
、前記の結像が生じるように、相互に調整される。エネ
ルギ分散系として共軸偏向電極を使用する場合、四角形
状の対称軸は、半径面に対して平行及び垂直である必要
がある。レンズの断面形状の幅と高さは、３次元ラプラ
ス方程式を解き、専門家には公知の方法で電子軌道を３
次元で計算して算出される。

像収差、特にスリットの結像に対して重要な非点収差の
補正のために、一個又はそれ以上の個数のレンズ系の場
合、四角からずらし、対称軸に沿った内幅が、例えば台
形又は階段状又は湾曲した先細りを有するレンズ断面形
状にすると効果的であることが示されている。

この発明による照射系を有する装置に属する電子モノク
ロメータは、このモノクロメータと試料の間に後置補正
レンズ系を有し、分析器は、試料と分析器の間に前置補
正レンズ系を有する。また、電子衝撃型分光計は、モノ
クロメータと試料の間及び／又は試料と分析器の間に前
記のレンズ系を備えている。以下に、この発明を主とし
てモノクロメータと分析器に関して対称に構成した電子
衝撃型分光計に基づき説明する。電子衝撃型分光計は、
前記の様に、後置レンズ系を有するモノクロメータと前
置レンズ系を有する分析器とから成るので、種々の応用
例に対して有利さをもって、この発明を後置レンズ系を
有するモノクロメータ及び前置レンズ系を有する分析器
に導入できる。

モノクロメータと試料の間、又は試料と分析器の間の異
なった集束性は、この発明による配置を米国特許第４．
５５９．４４９号公報の分光計と区別している。後者の
場合には、前記した位置に二方向に対して異なった集束
作用がなくて、電子線の偏向用レンズがあるだけである
。

モノクロメータ及び／又は分析器内にエネルギ分散系と
しての共軸偏向電極の代わりに、一平面内でのみ集束す
る平行平板電極も使用できる。所望の集束が生じるよう
にレンズ系を適切に調整して設計（レンズ形状の幅と高
さの選択）し、直交する二方向で異なっているが、零で
はない集束度を有するエネルギ分散系も使用できる。

以下に、この発明を一実施例に基づき、添付図面の助け
でより詳しく説明する。

第１図に示す電子衝撃型分光計はエミション系１と、二
つのモノクロメータ２，３と、前記モノクロメータと試
料７の間、及び試料７と分析器１１゜１２の間にそれぞ
れ三つの構成要素４．５及び６又は８，９及び１０から
成るレンズ系と、二つの分析器１１．１２と、−個の検
出器１３を有する。モノクロメータと試料及び試料と分
析器との間の二つのレンズ系は、互いに対称であるので
、レンズ要素４と１０．５と９、及び６と８は互いに同
一にしである。

このレンズ要素４〜６（又は８〜１０）は、第２ａ〜２
０図及び第３　ａ　％ＪＣ図に示しである。これ等の内
、レンズ要素４は台形状又は階段状に縮小していて、要
素５と６は、四角の形状に形成しである。

レンズ要素４．５と６の内法形状の幅と高さは、半径面
（第１図の図面内）で、モノクロメータの出射絞りを試
料面上に結像していて（第４ａ図）、しかし半径面に垂
直な方向では、入射絞りが試料面上に結像している（第
４ｂ図）、従って、共軸偏向電極によって半径面での結
像と協働し、両方向で第一モノクロメータの入射絞りの
像が試料面に生じる。この作用に対して、第一モノクロ
メータと第二モノクロメータの間に何もレンズ要素が存
在しないことが重要である。むしろ、試料面上に必要と
する結像は、モノクロメータと協働しレンズ系４〜６に
よって主に達成される。同じ様に、レンズ要素８．９と
１０の形状の高さと幅は、半径面で試料を第一分析器の
入射絞り上に、またこの半径面に垂直な向きでは、試料
を最後の分析器の出射絞り上に結像するように調整され
ている。

従って、全体として試料の像が第二分析器の出射絞り上
に生じる。

この発明によるレンズ系を使用して得られる単色化した
電子線が、検出器で計った分解能の関数として第５図の
曲線ａに示しである。この値と比較するため、モノクロ
メータと分析器に関して同じ構造である以外は、この発
明のレンズ系のないスペクトロメータに対する同様な値
が曲線すに示しである。結果は、試料面で１００ｅＶの
電子エネルギに対して、　（分解能あたり）モノクロメ
ータと分析器の電子エネルギは１ｅＶになることを示し
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、それぞれ二個のモノクロメータと二個の分析
器を有するこの発明による電子衝撃型スペクトロメータ
の模式図。 第２ａ−２Ｃ図は、第１図に示したレンズ系のレンズ要
素の断面形状。 第３　ａ−３ｃ図は、第１図に示したレンズ系の別なレ
ンズ要素の断面形状。 第４ａｄｂ図は、モノクロメータの出射絞りと試料間の
電子軌道： （ａ）半径平面内；　（ｂ）この半径平面に垂直方向。 第５図は、この発明の照射系を備えた装置及び備えてな
い装置を用いて検出器によって得られた単色化した電流
のエネルギ分解能に対するグラフ。 図中引用記号： １・・・エミション系、 ２．３・・・モノクロメータ、 ４〜６．８〜１０・・・レンズ構成要素、７・・・試料
、 １１、１２・・・分析器、 １３・・・検出器、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）直交する二方向に異なる集束作用を有するエネルギ
   分散系で集束エネルギ選別機能を有する電子導入方法に
   おいて、 直交する二方向で異なる集束作用が、エネルギ分散系の
   前置又は後置レンズ系によって、エネルギ分散系の見掛
   け上又は実際の入射絞りが、この分散系外の所定の像面
   上に結像されるか、あるいは、エネルギ分散系の外の対
   象物がこの分散系の見掛け上又は実際の出射絞り上に結
   像されるように、補正されることを特徴とする方法。 ２）四角形、特に先細りした四角形のレンズ断面形状の
   レンズ系が使用されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ３）エミション系と、直交する二方向に異なる集束作用
   を有する少なくとも一個のエネルギ分散系を有する電子
   分光計において、 試料（７）の前でエネルギ選別するエネルギ分散系（２
   、３）に後置され、円対称でなく、直交する二方向に異
   なる集束性を有し、エネルギ分散系の集束特性と協働し
   、エネルギ分散系（２、３）の見掛け上又は実際の入射
   絞りの像を試料面に発生させるレンズ系（４〜６）、及
   び／又は試料の後でエネルギ選別するエネルギ分散系（
   １１、１２）に前置された、円対称でなく、直交する二
   方向で異なる集束性を有し、エネルギ分散系の集束特性
   と協働し、試料の像をエネルギ分散系（１１、１２）の
   見掛け上又は実際の出射絞り上に結像するレンズ系（８
   〜１０）を備えていることを特徴とする電子分光計。 ４）試料（７）の前のエネルギ分散系（２、３）及び／
   又は試料（７）の後のエネルギ分散系（１１、１２）は
   一方の方向にのみ集束させることを特徴とする特許請求
   の範囲第３項記載の電子分光計。 ５）レンズ要素（４〜６又は８〜１０）の一つ又はそれ
   以上の先細りしたレンズ断面形状が、非円対称に構造に
   してあることを特徴とする特許請求の範囲第３又は４項
   記載の電子分光計。 ６）一個又はそれ以上の先細りしたレンズ断面形状は、
   四角形であることを特徴とする特許請求の範囲第５項記
   載の施錠装置。 ７）レンズ要素の一個又はそれ以上の先細りした断面形
   状は、一つの軸に沿って台形、階段状又は湾曲した縮小
   部を有することを特徴とする特許請求の範囲第５項記載
   の電子分光計。 ８）試料前でエネルギ選別するエネルギ分散系（２、３
   ）は、第一モノクロメータとこれに直接続く第二モノク
   ロメータによって構成されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第３〜７項のいずれか１項に記載の電子分光
   計。 ９）エネルギ分散系は、共軸偏向電極で構成されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３〜８項記載の電子
   分光計。