(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析機器内の絶縁試料上を、所定表面電位にするための装置であって、前記試料は、２次電子または２次イオン放射領域を正の帯電状態にするように、前記試料からの放射を生じるための、エネルギビームを受け取る照射領域を有している装置において、
電子手段とイオン手段とを有しており、
前記電子手段は、正の帯電を中和するために、放射領域を有する試料領域を低エネルギ電子の電子ビームで照射し、該照射の際、前記２次電子または２次イオン放射領域の外側の電子ビーム照射領域は負の帯電状態にされ、
前記イオン手段は、正のイオンを、少なくとも、前記放射領域近傍の照射領域の部分に方向付けて照射し、前記部分内の負の帯電を中和し、
前記電子手段は、０．５ｅＶ以上のエネルギー部分を含み、かつ２ｅＶより小さな低エネルギで、０．５ｅＶより小さなエネルギ拡がりの電子ビームを発生するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
イオン手段は、１０ｅＶより小さなイオンエネルギの低エネルギイオンを方向付ける請求項１記載の装置。
【請求項３】
電子手段は、電子源と電子エネルギフィルタとを有しており、該電子エネルギフィルタは、前記電子源と試料との間に配設されていて、０．５ｅＶより小さな低エネルギ拡がりの電子ビームを発生する請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
電子手段は、熱電子エミッターを有しており、該熱電子エミッターは、２ｅＶより小さな仕事関数の電子放射材から形成されていて、０．５ｅＶより小さな低エネルギ拡がりの電子ビームを発生する請求項１から３までの何れか１記載の装置。
【請求項５】
電子手段は、試料から所定の距離の箇所に離隔されており、電子ビームは、前記試料の箇所で所定のビーム直径を有しており、前記距離と前記直径との比は、１０より小さい請求項１から４までの何れか１記載装置。
【請求項６】
エネルギビームをＸ線ビームとして、放射領域を正の帯電状態にするように、光電子の放射を生じさせる請求項１から５までの何れか１記載の装置。
【請求項７】
エネルギビームを正のイオンビームとして、放射領域を正の帯電状態にする請求項１〜６迄の何れか１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面分析の際の絶縁試料の表面電位の制御装置に関する。
【０００２】
本発明は、一般的に表面分析に関し、特に、電子及びイオン放射分光分析、例えば、Ｘ線光電子分光分析及び２次イオン質量分析、更に特に、絶縁試料の表面電位を制御して、その種の分光分析または質量分析を行うことができるようにすることに関する。
【０００３】
【従来の技術】
Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）装置では、Ｘ線ビームを用いて、試料の一部分を照射して、２次電子を放射させる（例えば、米国特許公開第５３１５１１３号公報（Ｌａｒｓｏｎ他））。これらの２次電子は、エネルギアナライザを用いて分析されて、表面の元素成分が決定される。しかし、絶縁試料では、２次電子は、Ｘ線照射領域内で正に帯電された表面から放射される。正の電位は、表面上で２次元方向に勾配を生じ、その際、放射された電子エネルギ及び飛翔経路に作用し、誤差が相応の分析中に導入される。
【０００４】
２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）では、表面は、正のイオンで照射され、それにより、表面から原子及びイオンが放射される。入射イオンによって、絶縁試料上に正の帯電が形成される。 Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）の場合、そのような帯電によって、分析中に誤差が入る。
【０００５】
この問題点の種々の解決手法としては、少なくともＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ）の場合、電位の勾配を平滑にするために試料の近傍に格子が挿入される（米国特許公開第４６８０４６７号公報（Ｂｒｙｓｏｎ）に開示されている）。しかし、これにより、干渉要素が導入されることになり、従って、適用可能領域が限定される。
【０００６】
他の解決手法では、試料が、低エネルギ電子で照射されることによって中性化される。これにより、技術的に有意義に改善されるが、一般的に、光放出領域よりも大きな領域が照射されるので、非均一に中性化され、それにより、光電子領域の外側の領域内に過剰な負の電荷が供給される。米国特許公開第５４３２３４５号公報（“Ｋｅｌｌｙ  ｐａｔｅｎｔ”）には、紫外線又は正イオンビームの照射を用いて負の過剰電荷を放電することによって電位勾配を平滑化することが開示されている。この、放射又はイオンを用いた技術は、電位勾配を極めて有意義に低減することができるが、幾らかの電位勾配が残存して、分析に影響を及ぼす。つまり、前述の米国特許公開第５４３２３４５号公報（“Ｋｅｌｌｙ  ｐａｔｅｎｔ”）は、第１に、紫外線放射用であり、正イオンを用いる点での詳細は殆ど開示されていない。イオン源は、通常のように、スパッタリング等に使用され、典型的には、１０ｅＶ以上の大きなエネルギのイオンを発生する（低エネルギ装置が経験的に使用されているにも拘わらず）。
【０００７】
既存のＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ）装置の一般的な問題点は、電子照射を利用しても、中性化装置の作動条件に敏感であることである。再生可能な光電子ピーク位置及びピーク形状も得難くなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、Ｘ線光電子分光分析装置又は２次イオン質量分析装置（その中で、試料は、エネルギビームを受け取る放射領域を有していて、試料から２次電子または２次イオン放射を発生し、それにより、放射領域に正の帯電を生じるようにする）内の絶縁試料の表面電位を実質的に均一にすることにある。他の課題は、勾配の何らかの残余（前述の背景技術によって生じるものよりも小さいながら）のある表面電位を実質的に均一にすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の各課題は、電子手段とイオン手段とを有しており、電子手段は、正の帯電を中和するために、放射領域を有する試料領域を低エネルギ電子の電子ビームで照射し、該照射の際、２次電子または２次イオン放射領域の外側の電子ビーム照射領域は負の帯電状態にされ、イオン手段は、正のイオンを、少なくとも、放射領域近傍の照射領域の部分に方向付けて照射し、部分内の負の帯電を中和し、電子手段は、０．５ｅＶ以上のエネルギー部分を含み、かつ２ｅＶより小さな低エネルギで、０．５ｅＶより小さなエネルギ拡がりの電子ビームを発生するように構成されていることによって解決される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
有利な実施例では、２ｅＶより小さな仕事関数の電子放射材から形成されていて、低エネルギ電子ビームを発生する熱電子エミッターを有する電子手段が設けられている。
【００１１】
他の実施例では、有利には、低エネルギ電子ビームと組み合わされて、イオンが、実質的に、１０ｅＶより小さなイオンエネルギを有しているように構成されている。別の実施例では、有利には、低エネルギ電子ビームと低イオンエネルギと組み合わされて、電子手段は、試料から所定の距離の箇所に離隔されており、電子ビームは、前記試料の箇所で所定のビーム直径を有しており、前記距離と前記直径との比は、１０より小さい。
【００１２】
【実施例】
実施例では、本発明で有用な装置が、表面分析用のＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ）と共に利用されている（例えば、既述の米国特許公開第５５１３１１３号公報（“Ｌａｒｓｏｎ  ｐａｔｅｎｔ“）に開示されている（ここには引用例として全体が挿入されている）。絶縁試料２（図１）は、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）装置４の真空室内に取り付けられている。Ｘ線６は、通常のように、試料の方に向けられており、その際、Ｘ線は、２次電子放射領域又は試料上のスポット１２（図２）を照射して、光電子（図示していない）を放出する。電子銃７は、低エネルギ電子８を送出して、試料に照射される。荷電粒子源１０は、正イオン１１のビームを試料の方に向ける。電子銃及びイオン源は、有利には、コンピュータ（既述の米国特許公開第５５１３１１３号公報（“Ｌａｒｓｏｎ  ｐａｔｅｎｔ“）に記載されているのと同様なシステムコンピュータでよい）によって制御される。
【００１３】
試料面からの光電子の放出により、放射領域１２は正に帯電される。低エネルギ電子によって照射される領域１４は、放射領域よりも大きく且つ放射領域を含み、従って、正の帯電を中性化するが、放射領域の外側の領域内に過剰な負の帯電を生じさせる。イオンビーム１１は、負の帯電を中性化するために、放射領域に近い、この領域の少なくとも部分１６に向けられる。この図では、正のイオンの領域は、電子照射領域１４よりも大きいように示されているにも拘わらず、イオンビームは、照射領域と等しいか、又は小さな領域に向けられている（但し、放射領域の周囲の有意領域は、イオンビームによって覆われていて、放射領域内及び放射領域の周囲の電位勾配を有効に最小にするとする）。典型的なＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ）分光計では、Ｘ線放射領域１２は、直径１ｍｍ又はそれ以下であり、電子領域１４は、直径１〜１０ｃｍであり、イオン領域１６は、直径１０〜５０ｃｍである。
【００１４】
本発明の１実施例によると、ビーム１１のイオンは、実質的に、１０ｅＶより小さな低イオンエネルギである。適切なイオン銃（図３）では、イオン化室１８は、熱フィラメント２０を有しており、この熱フィラメントは、電子を放出し、この電子は、管状格子２２の正の電位によって加速されて、その中のアルゴンガスをイオン化する。放出電流は、格子の電流計２３で測定される。ガスは、ガス供給部２６からの調整入り口２４を通って、約２５ｍＰａの室圧力にする。圧力は、引き出し電極として作用する室１８の電流計３０によって検出される。イオン化室内の開口１９の後ろに続いて、円筒コンデンサレンズ３１、開口３６、一対のビーム偏向板３２、円筒対物レンズ３３、ビーム走査用のオプションとして、円筒集合４極乃至８極偏向板３４が設けられている。これらの部材を有する管３８は、比較的低いフローティング状態の電圧に設定されている。イオンは、管を通って高電圧格子２２から加速され、接地された円錐形出口リング４０内に貫入し、それから、接地された試料２に照射される。レンズ電圧は、ビーム電圧の比として制御される。管３８内には、偏向板３２の位置に約５°の屈曲部が設けられていて、イオンビームからの中性原子を除去するようにされている。前述の構成は、適切なイオン源を示すにも拘わらず、有利又は所望な低エネルギ源（使用される装置に適合することができる）を利用することができる。
【００１５】
他の実施例によると、照射電子は、比較的狭いエネルギ拡がりを有しており、この拡がりは、実質的に０．５ｅＶより小さく、例えば、０．３ｅＶである。つまり、有利には、電子は、非常に低いエネルギを有しており、有利には、２ｅＶより小さい（通常の照射の場合の約１〜１０ｅＶの拡がりと比較して）。電子銃７（図４）は、典型的には、電流で加熱された熱電子エミッター４２を有しており、その際、放射された電子は、円筒状引出し器４４を通して加速される。
【００１６】
所望のエネルギ拡がりを達成するための有利な手段では、熱電子エミッター４２は、例えば、１ｅＶの場合に、２ｅＶより小さな仕事関数を有している電子放射材から形成されている。比較のために挙げると、通常のタングステンエミッターは、約４．５ｅＶの仕事関数を有している。低い仕事関数では、エミッターは、低い温度で作動され、それにより、実質的に、ボルツマン分布の高エネルギ端部でのエネルギ分布及び分割の幅が低減される。例えば、エミッターは、ディスクに溶接された支持脚部４９での電流によって加熱されたプラチナディスク４８上のバリウム−ストロンチウム酸化物のフィルム４６から形成するとよい。このフィルムは、同様に、真空管内のエミッター用に利用されるニッケル容器上に形成すると有利である。適切なエミッターは、モデルＥＳ−０１５バリウム酸化ディスクカソード、Ｋｉｍｂａｌｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｉｎｃ．Ｗｉｌｔｏｎ，ＮＨである。
【００１７】
択一選択的に、所望のエネルギ拡がりは、電子源、例えば、熱電子エミッター４２’と試料との間に配設された半球静電アナライザ５０（図５）のような電子エネルギフィルタ（必要に応じて、１つ以上の中間レンズ５２を有している）によって達成するとよい。そのようなフィルタは、本願用に構成された静電又は電磁エネルギアナライザ、例えば、円筒静電アナライザ、又は、既述の米国特許公開第５５１３１１３号公報（“Ｌａｒｓｏｎ  ｐａｔｅｎｔ“）に開示されたタイプの半球静電アナライザ（図示のような）にするとよい。
【００１８】
試料での照射電子の最大電流は、試料の直ぐ近くの空間電荷によって制限されており、その最大値は、電子銃と試料との間隔Ｌと試料の照射電子ビームの直径との比Ｌ／Ｄの二乗に反比例する。この直径は、一般的に、電子銃の出口の直径とほぼ同じである。比Ｌ／Ｄは、有利には、１０より小さい、更に有利には、６より小さくすべきであり、その際、Ｄは、電子銃の出口でのビーム直径であるとする。
【００１９】
特に有利には、前述の実施例の少なくとも２つ、有利には、全てを組み合わせ利用するとよい。従って、有利な実施例では、イオンエネルギは、１０ｅＶよりも小さく、照射電子は、低仕事関数のエミッターで達成される０．５ｅＶより小さな狭エネルギ拡がりで２ｅＶより小さなエネルギを有しており、電子銃の距離とビーム直径との比は、１０よりも小さい。一層有利には、照射電子は、２ｅＶより小さな仕事関数の電子エミッターで形成される。
【００２０】
前述の改善実施例では、米国特許公開第５４３２３４５号公報（“Ｋｅｌｌｙ  ｐａｔｅｎｔ”）に開示されている電位よりも実質的に一層均一であるということが分かった。つまり、装置は、有意義に一層ローバストであり、従来技術よりも一層信頼性が高く、その際、試料のタイプの範囲と表明領域は、分析的な結果及び設定電子照射電流の感度での前述の変化なしに分析することができる。電子銃を低電子エネルギ及び近接距離にすることによって、高い照射電流密度にすることができる。光電子密度は、絶縁試料上の焦点化された１０ミクロンの直径Ｘ線ビームスポットの場合に約４０ｎＡ／ｍｍ２に達する。中性電子流の場合には、光電子電流よりも少なくとも１０倍大きくするのが有利であり、こうすることによって、組み合わされた改善実施例により、４００ｎＡ／ｍｍ２に達することができる。
【００２１】
本発明は、同様に、試料表面を正の帯電状態にする他の分析装置（例えば、表面を正のイオンで照射する２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）装置）で絶縁試料を中性化するのに利用される。電子照射及び低エネルギ正イオンを導入することは、実質的に、 Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）と同様にして行われる。図１では、Ｘ線６は、正イオンのビーム（イオン１１の中性化ビームから分離される）に代えられている。
【００２２】
本発明について、上述の特定の実施例を用いて説明したが、本発明の技術思想内で種々の変更及び変化することができ、従属請求項の範囲は、当業者にとって明らかである。従って、本発明は、従属請求項乃至該従属請求項と等化的な内容によって限定されるに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の略図
【図２】図１の試料の表面を示す図
【図３】図１の装置で使用されるイオン銃の略図
【図４】図１の装置で使用される電子銃の略図
【図５】図１の電子源の代わりに、電子エネルギフィルタを組み入れた源を備えた実施例の略図
【符号の説明】
２  試料
４  Ｘ線光電子装置
６  Ｘ線
７  電子銃
８  低エネルギ電子
１２  スポット
１０  荷電粒子源
１１  正イオン
１２  Ｘ線放射領域
１４  電子照射領域
１６  イオン領域
２０  熱フィラメント
２２  管状格子
２６  ガス供給部
３２  ビーム偏向板
３４  偏向板
４０  リング
４２  熱電子エミッター
４４  円筒状引き出し器
４８  プラチナディスク
５０  半球静電アナライザ
５２  中間レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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