JPH0754686B2 - エネルギ−・角度分布同時計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、試料面から励起・放出される荷電粒子のエネ
ルギースペクトルと角度分布情報を同時に計測するエネ
ルギー・角度分布同時計測装置に関する。

〔従来の技術〕

Ｘ線光電子分光法やオージェ電子分光法は、軟Ｘ線ある
いは電子線を試料に照射し、励起・放出された電子のエ
ネルギースペクトルを測定するものであるが、固体材料
の表面並びに表層に対する組成分析法、化学状態分析法
として広く用いられるに至っている。

これら光電子やオージェ電子の試料に対する放出角度分
布は、表層における組成の深さ方向分布や表面薄膜の膜
厚を与えることが知られており、表面酸化膜等の膜厚の
決定にも有力な情報を与える。さらに、本発明者等によ
り、単結晶試料の光電子放出角度分布が表層の結晶性並
びに原子構造に関する知見を与える光電子回折現象を示
すことが明らかにされ、光電子の角度分布測定の重要性
がますます高まってきている。

第４図は従来の光電子分光器の構成概要を示す図、第５
図は極角に関する１次元多チャンネル型の光電子分光器
の構成概要を示す図である。図中、21と31は静電偏向型
アナライザ、22と32は外側電極、23と33は内側電極、24
と34は試料、25と35は検出器、26はＸ線発生器、27は減
速レンズ、28と36は入口スリット、29と37は出口スリッ
ト、38は極角分布情報を示す。

第４図において、半球面型アナライザ21は、２個のオワ
ンのような半球面型電極をかぶせてそれぞれを外側電極
22及び内側電極23とし、外側電極22に負電位、内側電極
23に正電位を与えた所謂静電偏向型アナライザである。
この半球面型アナライザ21では、試料24にＸ線を照射す
ることによって励起、放出された光電子を一方から入口
スリット28を通して注入すると、エネルギーの違いによ
り異なる軌道をとり、所定のエネルギーの電子のみがそ
の放出角度に関係なく他方の出口スリット29に収束し取
り出すことができる。つまり、エネルギー毎に分散す
る、エネルギー選別タイプのアナライザであり、これに
より角度積分型のエネルギースペクトルを得ることがで
きる。

また、上記の半球面型アナライザはエネルギー分散の方
向が180°偏向であるが、偏向角135°としたトロイダル
面を用いて極角に関する１次元多チャンネル計測を可能
にしたものも提案されている。その構成概要を示したも
のが第５図である。これは、トロイダル面型アナライザ
31を135°偏向にすることによって、検出器35より所定
のエネルギーに関する極角分布情報38を検出するもので
ある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、第４図に示す光電子分光器は、主として
エネルギー分析に重点をおいているため、極角分布を計
測しようとすると、その測定に長時間を要する等の問題
がある。すなわちこの場合には、例えば入口スリットよ
り一定の狭い立体角で光電子を注入することによって所
定のエネルギーで且つ或る極角並びに方位角に関する情
報を取り出し、この角度を試料の２軸回転により順次変
えて同様の計測を繰り返すことによって角度分布を得る
ことになる。このように第４図に示す光電子分光器で
は、試料の角度を変えて同様の測定を繰り返し行わない
と角度分布が得られず、測定回数が非常に多くなるため
長い測定時間が必要となる。

また、第５図に示す135°偏向アナライザを用いた例の
場合には、円弧上に或るエネルギーの極角分布を得るこ
とはできるが、エネルギースペクトルを取得しようとす
る場合には、電場を掃引しなければならないので、やは
り測定回数が非常に多くなり、長い測定時間が必要にな
るという問題がある。

結局、上記従来のものでは、いずれの光電子分光器を使
ってもエネルギー分散と極角分散を同時計測することは
できなかった。

本発明は、上記の問題点を解決するものであって、試料
から励起、放出される荷電粒子の極角分布を確保したま
まエネルギー分散を与え、エネルギー分散方向と極角分
散方向を検出面上で直交させることができるエネルギー
・角度分布同時計測装置を提供することを目的とするも
のである。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明は、試料から励起、放出される荷電粒
子にその極角分布を保持したままエネルギー分散を与え
て検出面上にエネルギー分散方向と極角分散方向を直交
させるエネルギー・角度分布同時計測装置であって、中
心軸から所定の半径の位置に入口と出口を設けて該中心
軸に直交する断面が所定の開き角の同心２重円弧で、か
つ中心軸を含む断面が入口から出口まで180°の同心２
重円弧を形成する内側電極と外側電極からなり、入口か
ら軸方向に180°偏向しエネルギー分散を与えるトロイ
ダル180°偏向アナライザを備え、入口側軸付近に試料
を配置し、出口側軸付近に２次元の検出器を配置したこ
とを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明のエネルギー・角度分布同時計測装置では、トロ
イダル180°偏向アナライザの入口側軸付近に試料を配
置し、所定の角度範囲で試料から励起、放出される荷電
粒子を注入すると、トロイダル180°偏向アナライザに
より入口に注入した極角分布を保持したままこの荷電粒
子に出口へ向けて180°偏向しエネルギー分散を与え
る。従って、出口側軸付近に配置した２次元の検出器に
は、直交座標系の２次元平面の軸方向にエネルギー分
散、軸と直角方向に極角分散したエネルギー・角度分布
情報が同時に得られる。そこで、軸方向を積算して取り
出すとエネルギー積分型角度分布が得られ、軸と直角方
向を積算して取り出すと角度積分型エネルギースペクト
ルが得られる。また、内側電極と外側電極に与える電位
と極性を反転させると正、負いずれの荷電粒子にも適用
することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明のエネルギー・角度分布同時計測装置の
１実施例構成を示す図、第２図はトロイダル180°偏向
アナライザの断面図である。図中、１はトロイダル180
°偏向アナライザ、２は外側電極、３は内側電極、４は
試料、５は検出器、６はアナライザ制御電源、７は直流
電源、８は２次元位置検出演算増幅器、９と10はADC、1
1は２次元多チャンネル計数回路、12はマイクロコンピ
ュータシステムを示す。

第１図において、トロイダル180°偏向アナライザ１
は、外側電極２と内側電極３からなり、それらは従来の
半球面型と異なりドーナツ或いは車両用のタイヤの外周
側半分を使用した形状のものである。また、その拡がり
角は、極角分布計測範囲に相当する90°〜120°程度と
なるのが一般的であるが、特にこの範囲に限定しなくて
もよい。このように外側電極２と内側電極３は、中心軸
から所定の半径の位置に入口と出口を設け、この中心軸
に直交する断面が所定の開き角の同心２重円弧で、かつ
中心軸を含む断面が入口から出口まで180°の同心２重
円弧を形成するものである。そして、外側電極２と内側
電極３のそれぞれにアナライザ制御電源６より電位を与
え、その中心軸近傍に試料４と検出器５が配置される。
従って、X,Y,Zの各座標軸を図示のように設定すると、
中心軸がＹ軸となり、トロイダル180°偏向アナライザ
１をXZ平面による断面で示すと第２図（ａ）、YZ平面に
よる断面で示すと第２図（ｂ）のようになる。前記試料
４はＸ軸及びＹ軸に平行又は略平行に置かれ、また、検
出器５はＸ軸、Ｙ軸に共に傾斜して置かれる。検出器５
は、マイクロチャンネルプレートを用いた市販の２次元
位置敏感検出器を置くことができ、直流電源７は、この
検出器５のマイクロチャンネルプレートにバイアスを与
えるものである。２次元位置検出演算増幅器８は、検出
器５の２次元位置に対応して計測信号を取り込みエネル
ギースペクトル、極角分布情報を得るための演算増幅を
行うものであり、ADC（アナログ−デジタルコンバー
タ）９、10は、この出力信号をデジタル信号に変換する
ものである。そして、このデジタル信号を２次元多チャ
ンネル計数回路11で計数してマイクロコンピュータシス
テム12に取り込み処理する。

上記の如き構成により、励起源からＸ線を照射して試料
４の表面を励起し、その表面から放出される光電子をト
ロイダル180°偏向アナライザ１の入口から注入する
と、トロイダル180°偏向アナライザ１では、図示のよ
うに光電子e^-の極角分布を保持したまま適当なエネルギ
ー分散を与える。すなわち、図示のように軸方向にエネ
ルギー分散を与え、これと直交する方向に極角分散を与
える。従って、検出器５では、エネルギー分散方向と極
角分散方向が直交する２次元分散によりその強度を計測
できる。

第３図はトロイダル180°偏向アナライザの補正レンズ
を説明するための図である。本発明のエネルギー・角度
分布同時計測装置で使用するトロイダル180°偏向アナ
ライザ１では、一定の拡がりをもってトロイダル180°
偏向アナライザ１の入口から注入された光電子を一旦ト
ロイダル180°偏向アナライザ１の中でクロスさせる。
従って、出口では再び拡がるので、その結像用と角度補
正用として、例えば第３図に示すように補正電極13が配
置される。この補正電極13は、出口側で再び拡がった光
電子が検出器５上にエネルギー分散を与えるように補正
し、極角分散においても、検出器５にそのまま入力する
と角度と検出間隔とが比例関係にならないのでこれを補
正する。このような補正電極（レンズ）は、試料とアナ
ライザとの間でもアナライザと検出器との間、場合によ
ってはその両方に配置してもよい。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。例えば上記の実施例で
は、平面形状の検出器を使用したが、検出面を極角分布
の検出方向に合わせた曲面で構成することによって、極
角分布の直線性を出すようにしてもよいし、平面形状の
検出器により極角分布の直線性を出すには、検出器の前
方に角度補正用にレンズを配置し、或いは直接角度補正
をすることなく検出器の計測信号を角度補正処理するよ
うに構成してもよい。

また、励起源としてＸ線発生器を使用し、Ｘ線を試料に
照射したが、電子ビームやイオンビーム、紫外線等を試
料に照射してもよい。更に、試料から励起、放出され電
界により偏向できる荷電粒子であれば電子に限らずイオ
ンであってもよい。この場合、与える電位の極性を反転
させることにより直ちに正、負いずれのイオンに対して
も適用可能となるので、近年表面研究法として発展しつ
つあるイオン散乱分光法におけるイオンのエネルギー・
角度分布測定にも利用できる。

電場掃引の方法としては、トロイダル180°偏向アナラ
イザの内側電極や外側電極の電位を変えるだけでなく、
この方法に代えて入口側における減速レンズの電位を変
えてもよい。

以上のように、本発明のエネルギー・角度分布同時計測
装置は、トロイダル180°偏向アナライザを用いること
により、検出面において直交する２つの次元のそれぞれ
を電子運動エネルギー分散と角度分散に対応させ、２次
元位置敏感検出器を通してエネルギー、角度両次元につ
いて多チャンネル計測を行うことができるので、エネル
ギースペクトルの角度分布という多元的情報の同時取得
を可能にする。また、一方の次元のみ多チャンネル計測
とすることにより、容易に角度積分型エネルギースペク
トル或いはエネルギー積分型角度分布のいずれかの高感
度測定とすることもできる。

ところで、高機能材料の開発、高密度集積回路技術の発
展は、材料評価技術の発展に負うところが大きい。この
材料評価においては、材料物質に関する、より詳細な情
報をより速やかに得ることが求められている。本発明
は、このような要請に応えるものであって、電子の運動
エネルギーと角度分布の両者を同時に多チャンネル計測
できるので、現在材料表面の組成、化学状態分析に活用
されている光電子分光法、オージェ電子分光法に対し、
角度分布測定を同時に可能とし、且つ全体の測定速度の
飛躍的向上をもたらす。この角度分布測定によれば、深
さ方向分解能、表面膜厚、或いは表層原子構造に関する
情報をも提供できるので、物質表面の組成、化学状態、
構造に関する詳細な情報を高速で提供することができ、
高度先端材料の開発を更に強力に推進する力となる。

〔発明の効果〕 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、トロ
イダル180°偏向アナライザを採用することにより、試
料から励起、放出される荷電粒子の極角分布を保持した
まま適当なエネルギー分散が得られるので、エネルギー
分散方向と極角分散方向を検出面で直交させることがで
きる。従って、この直交する２次元分散により２次元位
置検出システムを効率的に利用でき、エネルギー・角度
両者の同時多チャンネル計測を可能にすると共に、市販
の電子分光器と同程度以上の計数率を維持しつつ高いエ
ネルギー分解能と角度分解能を実現できる。また、トロ
イダル180°偏向アナライザを使用することによって、
その入口と試料との間、出口と検出器との間に充分な距
離（空間）を確保することができるので、構造的に有利
である。さらには、エネルギー・角度分布の同時計測が
可能となるので、１軸の試料回転だけで高速に全立体角
のエネルギー・角度分布を計測することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のエネルギー・角度分布同時計測装置の
１実施例構成を示す図、第２図はトロイダル180°偏向
アナライザの断面図、第３図はトロイダル180°偏向ア
ナライザの補正電極を説明するための図、第４図は従来
の光電子分光器の構成概要を示す図、第５図は極角に関
する１次元多チャンネル型の光電子分光器の構成概要を
示す図である。 １……トロイダル180°偏向アナライザ、２……外側電
極、３……内側電極、４……試料、５……検出器、６…
…アナライザ制御電源、７……直流電源、８……２次元
位置検出演算増幅器、９と10……ADC、11……２次元多
チャンネル計数回路、12……マイクロコンピュータシス
テム、13……補正電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料から励起、放出される荷電粒子にその
   極角分布を保持したままエネルギー分散を与えて検出面
   上にエネルギー分散方向と極角分散方向を直交させるエ
   ネルギー・角度分布同時計測装置であって、中心軸から
   所定の半径の位置に入口と出口を設けて該中心軸に直交
   する断面が所定の開き角の同心２重円弧で、かつ中心軸
   を含む断面が入口から出口まで180°の同心２重円弧を
   形成する内側電極と外側電極からなり、入口から軸方向
   に180°偏向しエネルギー分散を与えるトロイダル180°
   偏向アナライザを備え、入口側軸付近に試料を配置し、
   出口側軸付近に２次元の検出器を配置したことを特徴と
   するエネルギー・角度分布同時計測装置。