JPH0269692A - 荷電粒子ビームのエネルギーの球状ミラー分析器 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は荷電粒子ビームのエネルギーを分析する装置に
関し、詳細には、荷電粒子ビームのエネルギーの球状ミ
ラー分析器に関する。

本発明は光、Ｘ線およびオージェ電子分光技術、特にラ
スター分光分析を使用して固形物の表面を調査するため
の新規な電子分光計の製造に最も有利に使用することが
できる。

また、本発明は、例えば後方散乱イオンのエネルギーを
分析することによる固形物のイオン質量分光法における
荷電粒子ビームの他のエネルギー分析に適している。

現在のところ、固体状態物理学の開発には、その調査方
法の改良を必要としている。電子分光法では、二次電子
のエネルギーおよび角方向分布を測定する際の感度およ
び精度を高めること、およびエネルギー分析器が分析要
素として機能する電子分光計の使用によって試験物のミ
クロ走査領域を増大することが一般に必要である。

固体状態ミクロ電子波（ネテに関する製造方法の急速の
発展により、異なる製造段階におけるウェーハおよび集
積回路の表面構造の敏速かつ正確な品質管理を必要とし
ている。使用技術のうちの１つは定常波の利用に基づく
回折Ｘ線光電子分光法である。このような方法において
、使用する単色Ｘ線の強さ、要するに突出光電子の密度
は非常に小さいので、分析時間を数１０時間から数分ま
で短縮するために新規な床孔のエネルギー分析器の製造
を必要としている。

〔従来技術〕

在来の静電球状ミラーエネルギー分析器は電位差のある
２つの球状電極を備えている。荷電粒子ビームはミラー
の反射界に入り、そこから出て内側球状電極に影響する
。

点源および像が内側球状電極における直径方向に反対の
箇所に見られる静電球状ミラー回路（Ｎｕｃｌ、Ｉｎｓ
ｔｒｕｍ、Ｍｅｔｈ、、　　１９６６年、４２巻の７１
〜７６頁のＨ，Ｚ、５ａｒ−Ｅ　１著の「分析器として
の球状キャパシタ上のモア」を参照せよ）が知られてい
る。このような回路構成は荷電粒子ビームの正確な空間
集束を特徴とする電子−先糸のまれな例である。上記の
出版論文には、以下の事が示されている。すなわち、粒
子のエネルギーと、静電球状ミラーの遅延電位■が （上記式中、ｑは内側および外側球状電極の半径である
） として関係ずけられている場合、点源は球状収差なしに
直径方向反対の箇所に現われる。

この公知回路はそこにおける線形分散が分析される荷電
粒子ビームの勾配に依存し、軸方向のビーム行路が無分
散を特徴とするため、満足すべきものではなかった。か
くして、上記回路は高エネルギー解像力を有するエネル
ギー分析器に使用するには適していない。

また、２πまでの立体角で放出される光電子のエネルギ
ーおよび角分布を測定するためのデイスプレー型分析器
（Ｒｅｖ、Ｓｃｉ、Ｉｎ５ｔｒｕｎ＋、、　　１９８８
年、５９巻、第４版、５４５頁のヒロチダイモン著の「
荷電粒子のエネルギー及び角分散の新規なデイスプレー
型分析器」を参照）が知られている。この公知な分析器
はＳａｒ　−Ｅｆによる上記出版論文に述べられている
静電球状ミラーの正確な角集束を行うことができる。

このような分析器では、分散は荷電粒子行路の勾配に大
いに依存しており、そのエネルギー解像力を実質的に制
限してしまうという欠点がある。

しかも、分析器の良好な電子−光特性を得るのに、試験
中の荷電粒子ビームを通す内球窓が厳しい要件を満たさ
なければならない。在来の微細メツシュの窓を使用する
と、分析器の解像力を悪くするメツシュに及ぼす回折作
用およびレンズ作用により、広く発散する荷電粒子ビー
ムが集束しなくなる。

また、荷電粒子ビームのエネルギーのケプラトロン型分
析器が知られており（Ｎｕｃｌ、Ｉｎｓｔｒｕｍ、Ｍｅ
ｔｈ、。

１９６０年、６巻、１５７頁のＲ，Ｈ，リッチイーＪ、
Ｓ、シェカ、Ｒ，Ｄ、バークノフ著の［高伝達粒子分光
計としての球状キャパシタ」を参照）、この分析器は本
質的に、２つの同心の球状電極間に設定された界により
形成される静電ミラーである。荷電粒子源はディスクと
して成形され、内側球状電極の表面に配置されている。

この源から出る荷電粒子ビームは静電球状界により反射
され、検出ダイヤフラムのスリットに集束されて回路像
を形成する。この像は公知のエネルギー分析器を特徴づ
ける分散のため、粒子のエネルギーに依存している。し
かも、このケプシトロン型分析器は非常に大きな受入れ
角度を有している。

しかしながら、上記の分析器は、下記の要因：１）その
解像力をかなり制限する不適当な集束（ビームの初めの
発散についての第１近似としてのみ行なわれる）、およ
び２）ミラー界に設置された円形スリットダイヤフラム
を検出手段として使用する必要があり、作用界をゆがめ
たり、荷電粒子の検出を悪化したりする欠点により、−
Ｍに満足すべきものではなかった。

これらの公知装置すべての望ましくない特徴は源の表面
上のミクロ走査領域が小さいことにより分析速度が遅く
、これは穴が試験物の所定領域からのみ逃げる荷電粒子
を通す検出器の前方に設置された検出ダイヤフラムを使
用することに基因している。ダイヤフラムの穴を大きく
すると、バックグラウンドを増大し、分析器の解像力を
悪くしてしまう。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は定分散および広幅孔の条件下の正確な角集束お
よび試験中の表面のより大きい走査領域を確保する荷電
粒子ビームのエネルギーの球状ミラー分析器を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、上記目的は、荷電粒子ビーム源と、減
速電圧源に接続された２つの同心の球状電極とを備え、
内側の電極が荷電粒子のビームを通すようになっている
窓を有しており、また検出手段を備えている荷電粒子ビ
ームのエネルギーの球状ミラー分析器において、荷電粒
子ビーム源および検出手段は球状電極の中心に対して中
心対称に配置された球体のセグメントとして成形されて
おり、これらのセグメントのうちの少なくとも１つが内
側球状電極の表面に配置されていることを特徴とする球
状ミラー分析器によって達成される。

本発明によれば、分散がビーム行路の勾配に無関係であ
る、すなわち、行路の同一分散性として知られている状
態である荷電粒子ビームの理想的な角集束を得ることで
ある。しかも、エネルギースペクトルの任意の領域にお
ける無秩序に成形されたセグメントを表わす源の像は収
差がなく、内側球状電極の直径方向に反対の部分または
その幾何学的延長部に１対１の大きさで写され、像の確
実性を与えるという利点がある。

かくして、このエネルギー分析器は源の収差のない像ま
たはより大きい部分を与える条件で非常に大きい受入れ
角度で解像力を可成り増大することができる。

本発明の一実施例では、検出手段は内側球状電極のセグ
メント穴を表わす検出ダイヤフラムと、上記穴の背後に
配置され、ミクロチャンネル板を形成した検出器とを備
えている。この分析器は、−船釣には、内球の幾何学的
延長部に配置された球状セグメントである試験物の表面
から出る荷電粒子のエネルギーを分析し、この際、あら
ゆる行路が同一分散性であり、源像は無収差である。従
って、高い解像力が本質的に不変である場合、源の作用
領域および試験中の荷電粒子ビームを囲む立体角を数倍
増大させることができる。源に対して中心対称に配置さ
れた検出ダイヤフラムが内球のセグメント穴を表わし、
表面が内球と整合したミクロチャンネル板を受入れる場
合、高い解像力が本質的に不変である一次ビーム走査モ
ードで、試験物のより大きい領域がミクロ走査される。

本発明の他の実施例では、検出手段は同様にダイヤフラ
ム穴と整合され、位置感知性検出器を備えている。例え
ば、励磁をＸ線管から得る場合、幅狭い集束ビームで試
験物の表面を走査していけないときに、上記位置感ネロ
検出器の使用が必要である。この場合、Ｘ線は源のセグ
メント部分の全領域に入射される。ミクロチャンネル板
を備えた位置怒知検出器は像の確実性のため、試験物の
所定箇所における求める量（要素）の位置についての情
報を与え、試験中の表面のミクロ走査分析を行う際に速
度を高めるという特徴がある。

荷電粒子ビームのエネルギーの球状ミラー分析器の両実
施例では、内側電極の表面の窓は源および像の球状セグ
メントの中心を通る対称軸線上に収束する子午線平面に
配置された複数の長さ方向スロットよりなる。このよう
な窓箔は遅延界への入口（又はこれからの出口）に及ぼ
す子午線平面における荷電粒子ビームの回折作用を本質
的に防ぎ、これはビームの角集束を大幅に向上させ、か
つ球状ミラーエネルギー分析器の解像力を増大する利点
となる。

〔実施例〕

荷電粒子ビームのエネルギー用の球状ミラー分析器（第
１図）は２つの球状の同心電極、すなわち、半径Ｒ１を
有しかつ粒子を通過さけるように位置した窓部２を備え
ている内側電極１と、半径Ｒ２を有しかつ対応する源（
図示せず）からの減速用電圧を受ける外側電極３と、荷
電粒子ビーム４と、ダイヤフラム５′および検出器６よ
り構成される検出手段５と、励磁用放射線発生器７　（
電子ガンまたはＸ−緑またはイオンユニット）とを備え
ている。中心を点Ａとした球状セグメントを表わす荷電
粒子ビーム源４は第１図に示すように、電極１の内球の
表面またはその幾何学的延長部に配置されている。中心
Ｂを有する内側球状電極１のセグメント穴を表わすダイ
ヤフラム５′は源４に対して中心対称をなして配置され
ている。荷電粒子検出器６はダイヤフラム５′の背後に
設置されている。

この球状ミラーエネルギー分析器は、源４をこの分析器
の内側球状電極１の箇所Ｂに設置し、検出用ダイヤフラ
ム５′を内側電極１の球面の幾何学的延長部に源４の直
径方向反対側に配置した逆の回路を使用してもよい。後
者の場合、検出器６はまた内側球状電極１を越えて配置
される。このような回路構成では、エネルギー分析器の
パラメータは本質的に変わらない。一般に、′ｔＡ４お
よび検出用ダイヤフラム５′の穴は無秩序に成形された
球状セグメント、詳細には、丸いまたは四角形の球状セ
グメントすなわち狭幅ストリップである。

作動中、このエネルギー分析器は理想の集束を伴う球状
ミラーの２つの特性、すなわち、ビーム行路のエネルギ
ー同一分散性および像の確実性を使用する。例示上、理
想の角集束を伴う静電球状ミラーを通る電子−光関係を
特徴づける荷電粒子ビームの通過を考えてみる。第２図
は静電球状ミラーからの内部反射における荷電粒子ビー
ムの行路を示している。点源および像が点Ａ、Ｂのとこ
ろで対称軸線上に配置されていると想定する。図面につ
いて説明すると、座標Ｘ１、Ｘ２、αおよびα、は内側
球状電極１の表面上の入口および出口点の位置および内
側球状電極１における対称軸線に対する行路勾配を示し
ている。エネルギーおよび運動量の保存法則によれば、
下記式が得られる。

Ｘｌ−α＝α、−Ｘ２・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・＋２１上記式中、ω−３”　　（２
Ｓ−１）ｓｉｎ２（Ｘ、　−α）但し、Ｓは静電球状ミ
ラーの反射周囲であり、ｑおよびＥは粒子の電荷および
運動エネルギー、■はミラーの電極１．３間の反射電位
である。

再び第２図を参照すると、源からの距離および球中心へ
の像は夫々 である。

線値は内側球状電極１の半径の分数で表わされる。理想
の角集束の場合、Ｓ＝１である。式（３）から下記式（
７）が得られる。

Ｘ＝２　（Ｘ＋−α）・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・（７）式（７）を式（２）に
置換えると、式（５）、（６）を参照してα−α１およ
び１．＝１□＝１が得られる。Ｓ＝１では、球状領域を
越える無秩序行路の両技路は対称軸線に対して同じ角度
αで傾斜され、ａＡおよび像Ｂは球中心のまわりに対称
である。理想の角集束を特徴とする条件のために球状ミ
ラーのエネルギー分散を行うことを考えてみる。この場
合、エネルギー分散りはビームエネルギーが変化すると
きのエネルギー分析器における像移動を特徴づける。従
って、下記式が得られる。

この場合、対称軸線に沿った分散はエネルギーに対して
式（６）を微分したものである。すなわち、式（９）か
ら、１く１の場合、分散は大いに行路勾配αに依存して
いる。しかしながら、■が増大すると、関数Ｄ（α）は
本質的に段階関数となる。ｌ−１の場合、Ｄ（α）曲線
は高さの２倍の段階になる。従って、源４およびその像
が内側球状電極の表面に存在する場合、理想の角集束（
すなわち、５＝１）では、球状ミラーのエネルギー分散
は最大になり、（内側球状電極１の半径の２倍に等しい
）、源４から粒子が逃げる角度（球状ミラーの行路の同
一分散性として知られる特性）とは無関係である。理想
の角集束では、増分因数は一定である。従って、内側球
状電極ｌの表面またはその幾何学的延長部に配置された
無秩序形状の球状セグメントを表わす′ｔＡ４の像は電
極１の直径方向反対の部分に１対１の大きさで中心対称
に写される（像の確実性）。

第３図は本発明による球状ミラーにおける像の確実性の
特性を示している。図面を参照すると、エネルギーが球
状ミラーの理想の角集束の場合の整合エネルギーに相当
する荷電粒子の空間ビームの集中が起る。その結果、中
心対称点ａ′、ｂ′Ｃ′に点ａａ、ｂ、Ｃの像が形成さ
れ、これらの像は収差がない。この場合、ａｂ＝ａ’ｂ
’およびｂｃ＝ｄ’ｃ’である。

本発明の課題をなす荷電粒子ビームのエネルギーの球状
ミラー分析器は次のように作用する。遅延電位■が電極
ｌ、３間に印加される。発生器７から一次ビームによっ
て励磁された源４は対称軸線に対して異なる角度αで荷
電粒子を放出し、これらの粒子は窓２を通して静電球状
場へ導びかれる。条件（１）を満足する場合、源４から
出る荷電粒子すべてが上記静電場で反射され、勾配αに
かかわらず、ダイヤフラム５′のセグメント穴に入り、
そこで検出器６により検出される。第１図は源４の表面
が放出した複数の荷電粒子ビームのうちのたった１つの
ビームを示している。このビームはミラーから反射され
、検出手段５の窓の中心対称点に理想的に集束される。

遅延電位Ｖの所定値では、式（１）に対応する運動エネ
ルギーＥを有する粒子が検出ダイヤフラム５′の穴に集
束される。勾配αにかかわらず、すべての行路について
２Ｒ。

となる線形エネルギー分散のため、他のエネルギー値を
有する粒子はダイヤフラム５′の穴には集束されず、分
散され、その少量がダイヤフラム５′の穴に入る。遅延
電位Ｖを変化させることによって、分析された荷電粒子
ビームにおける全運動エネルギースペクトルを夫々の部
分に記録することができる。

第４図に示す回路を参照して本エネルギー分析器の作用
を例として説明する。検出器６は外面が内側球状電極１
の表面と整合されるようにダイヤフラム５′の穴に嵌合
された球状セグメントを表わすミクロチャンネル板であ
る。図示の実施例では、理想の集束を特徴とするミラー
におけるビーム行路の同一分散性および像の確実性のよ
うな特性を使用している。

本エネルギー分析器の作用は本質的に次の如くである。

１、走査モード。第４図に示すように、発生器７からの
薄電子、イオン又は光子ビームを表わす励磁ミクロプロ
ーブが源４の全セグメント表面を一線ずつ走査する。例
えば求めるべき化学元素の原子の成るオージェ遷移に相
応する設定運動エネルギーを有する電子の理想的用集束
のために調整された球状ミラーに二次電子が達する。

この球状ミラーを特徴づける像確実性の特性により、設
定振動エネルギーを有する二次電子の集束ビームはミク
ロプローブがセグメント４の表面上を移動するのと同期
してミクロチャンネル板６の表面を走査する。中心対称
像は源４の走査領域を再現する。各時点で、ミクロチャ
ンネル板６に局部的にのみ、すなわち、断定時に二次電
子ビームが集束する部分に記録を行う。

ミクロチャンネル板６から出力される信号を増幅し、こ
れを使用して、セグメント４の表面上のミクロプローブ
の移動と同期してビーム走査を行うビデオ信号処理構造
で電子ビームの強さを調整する。このビデオ信号処理構
造のスクリーンに形成された像はセグメントの走査領域
全体にわたる設定エネルギーを有する二次電子源の分布
を示す。

２、静止モード。発生器７は二次電子を励磁する広い放
射線ビーム（電子、イオン、光子）を放出する。このビ
ームはセグメント４を一様に照明するために使用するも
のである。設定運動エネルギー（例えば、成るオージェ
遷移のエネルギ、または励磁用量子と内部原子レベルの
結合用エネルギーとの示差工翠ルギー）を有する二次電
子の理想的集束に球状ミラーを調整する。

セグメント４の異なる部分から逃げる二次電子ビームを
位置感知検出器の表面に集束させ、かくしてセグメント
４の露出領域の中心対称像を形成する。他のエネルギー
値を有する未集束二次電子により発生される背景信号お
よび真正信号を記録手段の増幅器／コレクタ装置に入力
し、ノイズを抑制し、セグメント４の露出領域における
設定エネルギーを有する二次電子の源の分布を特徴づけ
る位置データを得る。

両モードとも、球状ミラーを特徴づける像確実性の特性
のため、露出すべき領域は本エネルギー分析器では限定
されない。この領域は公知の電子スペクトロメータにお
ける走査領域を広さ２倍程度、越える内側球状電極１の
表面のかなりの部分をなしてもよい。内側球状電極１の
直径が源４の大きさに対して十分大きいとき、上記源４
のディスク形であり、検出器６の表面は平らであっても
よい。この場合、集束性および分散値は本質的に影響さ
れない。

第５図は球状ミラーエネルギー分析器の別の実施例を概
略的に示しており、この実施例では、内側球状電極１の
孔窓２は対称軸線上に収束する子午線平面に配列された
複数の長さ方向のスロットよりなる。

また、このエネルギー分析器は界の作用領域を保護すべ
き電位にある円形導体の系を備えている。

この図示のエネルギー分析器は上記と同様に作動する。

別々のスロットの縁界は極の角度に関係のない２次元界
である。従って、孔窓２を通る経路では、ビーム行路は
子午線平面で屈折されず、広く発散するビームの集束は
ゆがめられない。これらのスロットは内側球状電極１の
表面での界乱が最小であるのに十分狭くなっているべき
である。

スロット間の隙間は孔窓の透明性が悪くならないように
小さくなっているべきである。

〔発明の効果〕

本発明は光、Ｘ線およびオージェ電子分光分析技術、特
にラスク分光分析を使用して固形物の表面を調査するた
めの新規な電子分光計の製造に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による荷電粒子ビームのエネルギー用の
球状ミラー分析器の概略図；第２図は本発明による静電
球状ミラーからの内部反射における荷電粒子ビームの行
路を示す図；第３図は本発明による球状ミラーにおける
像確実性の特性を示す図；第４図は本発明による荷電粒
子ビームのエネルギー用の球状ミラー分析器の実施例の
図；第５図は本発明による球状ミラーエネルギー分析器
の別の実施例の概略図である。 １・・・内側電極、２・・・窓、３・・・外側電極、４
・・・荷電粒子ビーム源、５・・・検出手段、５′・・
・ダイヤフラム、６・・・検出器、７・・・励磁放射線
発生器、Ｒ３・・・内側電極１の半径、Ｒ２・・・外側
電極３の半径。 Ｆ万、３ ＦＩＧ、　４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、荷電粒子ビーム源（４）と、減速電圧源に接続され
   た２つの同心の球状電極（１、３）とを備え、内側の電
   極（１）が荷電粒子のビームを通すようになっている窓
   を有しており、また検出手段（５）を備えている荷電粒
   子ビームのエネルギーの球状ミラー分析器において、荷
   電粒子ビーム源（４）および検出手段（５）は球状電極
   の中心に対して中心対称に配置された球体のセグメント
   として成形されており、これらのセグメントのうちの少
   なくとも１つが内側球状電極（１）の表面に配置されて
   いることを特徴とする荷電粒子ビームのエネルギーの球
   状ミラー分析器。 ２、検出手段（５）には、内側球状電極（１）のセグメ
   ント穴を表わす検出ダイヤフラム（５′）と、ミクロチ
   ャンネル板よりなる検出器（６）が形成されていること
   を特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビームのエネルギ
   ーの球状ミラー分析器。 ３、検出手段（５）は本質的に位置感知検出器であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビームのエネル
   ギーの球状ミラー分析器。 ４、内側電極（１）の表面上の窓（２）は対称軸線上に
   収束する子午線平面に配列された複数の長さ方向スロッ
   トよりなることを特徴とする請求項１、２又は３記載の
   荷電粒子ビームのエネルギーの球状ミラー分析器。