(57)【要約】      （修正有）【課題】粒子分光測定、例えば光電子分光測定等におけるエネルギー分解能を向上させることができる分析装置を提供する。【解決手段】粒子放出試料１１から放出された荷電粒子に関する少なくとも一つのパラメーター、例えば粒子のエネルギー、開始方向、開始位置、又はスピンに関するパラメーターを決定するための方法である。方法は、荷電粒子のビームをレンズシステム１３によって測定領域の入口へ導くステップと、測定領域内で上記の少なくとも一つのパラメーターの指標となる粒子の位置を検出するステップと、を備える。さらに、粒子ビームが測定領域に入射する前に、同じ座標方向に少なくとも二回粒子ビームを偏向させるステップを備える。それによって、測定領域３の入口８における粒子ビームの位置及び方向の両方は、試料１１の物理的な操作の必要性をある程度除くように制御されることが可能である。【選択図】図４
2015045653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子放出試料（１１）から放出された荷電粒子に関する少なくとも一つのパラメーターを決定するための方法であって、
前記荷電粒子の粒子ビームを形成し、実質的に一直線の光学軸（１５）を有するレンズシステム（１３）によって前記粒子放出試料（１１）と測定領域（３）の入口（８）との間で粒子を輸送するステップと、
前記粒子ビームが前記測定領域に入射する前に、前記レンズシステムの前記光学軸と直交する少なくとも第１座標方向（ｘ、ｙ）において前記粒子ビームを偏向させるステップと、
前記測定領域における前記荷電粒子の位置を検出するステップと、を備え、前記位置は、少なくとも一つの前記パラメーターの指標となり、
前記荷電粒子の前記位置を検出する前記ステップは、二つの次元での位置の検出を含み、前記二つの次元での位置の一方は前記粒子のエネルギーの指標となり、前記二つの次元での位置の他方は前記粒子の開始方向の指標となり、
前記粒子ビームが前記測定領域に入射する前に、少なくとも同じ前記第１座標方向（ｘ、ｙ）において少なくとも二回、前記粒子ビームを偏向させるステップを特徴とする方法。
【請求項２】
前記粒子ビームの一回目の偏向は、第１の偏向器（３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ）によって実現され、前記粒子ビームの少なくとも二回目の偏向は、少なくとも第２の偏向器（３３Ａ’／３３Ｃ’、３３Ｂ’／３３Ｄ’）によって実現され、前記第２の偏向器は、前記第１の偏向器の下流に前記レンズシステム（１３）の前記光学軸（１５）に沿って前記第１の偏向器から離間して配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記粒子ビームは、前記粒子ビームが前記測定領域（３）に入射する前に、前記第１座標方向（ｘ）及び前記レンズシステム（１３）の前記光学軸（１５）と直交する第２座標方向（ｙ）においても少なくとも二回偏向される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記粒子ビームの偏向はすべてレンズシステム（１３）内で起こり、少なくとも一つのレンズ（Ｌ１）が前記粒子ビームの前記一回目の偏向の前に前記粒子に作用し、少なくとも一つのレンズ（Ｌ３）が前記粒子ビームの最後の偏向の後に前記粒子に作用する、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記粒子ビームの少なくとも一つの偏向は、偏向器パッケージ（２９）によって実現され、前記偏向器パッケージ（２９）は本質的に四極対称な形態で配置される四つの電極（３３Ａ〜３３Ｄ）を備え、前記四つの電極（３３Ａ〜３３Ｄ）は二つの電極対（３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ）を形成し、前記二つの電極対（３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ）はそれぞれの座標方向（ｘ、ｙ）における偏向器の役割を果たし、
前記偏向器パッケージ（２９）の前記二つの電極対の一方（３３Ａ／３３Ｃ）の間に第１の偏向器電圧（Ｖｘ）を印加するステップと、
前記偏向器パッケージ（２９）の前記二つの電極対の他方（３３Ｂ／３３Ｄ）の間に第２の偏向器電圧（Ｖｙ）を印加するステップと、
前記偏向器パッケージ（２９）の前記電極（３３Ａ〜３３Ｄ）に四極対称の電圧（±Ｖｑ）を印加し、前記偏向器電圧（Ｖｘ、Ｖｙ）に重畳させるステップと、をさらに備える、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記測定領域（３）の前記入口（８）を通過するように、前記粒子ビームを形成する前記粒子の角度分布（３９）の所定の部分（Ａ、Ｂ）が前記粒子ビームの前記偏向を制御するステップをさらに備える、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記粒子の前記角度分布の前記所定の部分（Ａ、Ｂ）が、前記測定領域（３）の前記入口（８）を前記レンズシステム（１３）の前記光学軸（１５）と実質的に平行な方向に通過するように、前記粒子ビームの前記偏向を制御するステップをさらに備える、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも一つのパラメーターは、
前記荷電粒子のエネルギー、
前記荷電粒子の開始方向、
前記荷電粒子の開始位置、及び
前記荷電粒子のスピン、
のうち少なくとも一つに関する、請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
粒子放出試料（１１）から放出された荷電粒子に関する少なくとも一つのパラメーターを決定することにより前記粒子放出試料（１１）を分析するための半球状偏向器型の光電子分光計であって、
測定領域（３）であって、前記粒子が前記測定領域に入射することを可能にする入口（８）を有する測定領域（３）と、
前記荷電粒子の粒子ビームを形成し、前記粒子放出試料と前記測定領域の前記入口との間で前記粒子を輸送するためのレンズシステム（１３）であって、実質的に一直線の光学軸（１５）を有するレンズシステム（１３）と、
前記粒子ビームが前記測定領域（３）に入射する前に、前記レンズシステムの前記光学軸と直交する少なくとも第１座標方向（ｘ、ｙ）において前記粒子ビームを偏向させるための第１の偏向器（３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ）を備える偏向装置（３１）と、
前記測定領域における前記荷電粒子の位置を検出するための検出装置（９）と、を備え、前記位置は前記少なくとも一つのパラメーターの指標となり、
前記検出装置（９）は、二つの次元での前記荷電粒子の位置を決定するように構成され、前記二つの次元での位置の一方は前記粒子のエネルギーの指標となり、前記二つの次元での位置の他方は前記粒子の開始方向の指標となり、
前記偏向装置（３１）は、前記粒子ビームが前記測定領域（３）に入射する前に、少なくとも同じ前記第１座標方向（ｘ、ｙ）において少なくとも二回前記粒子ビームを偏向させるための少なくとも第２の偏向器（３３Ａ’／３３Ｃ’、３３Ｂ’／３３Ｄ’）をさらに備えることを特徴とする半球状偏向器型の光電子分光計。
【請求項１０】
前記第２の偏向器（３３Ａ’／３３Ｃ’、３３Ｂ’／３３Ｄ’）は、前記第１の偏向器（３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ）の下流に、前記レンズシステム（１３）の前記光学軸（１５）に沿って前記第１の偏向器から離間して配置される、請求項９に記載の半球状偏向器型の光電子分光計。
【請求項１１】
前記偏向装置（３１）は、前記粒子ビームが前記測定領域（３）に入射する前に、前記第１座標方向（ｘ）及びレンズシステム（１３）の光学軸（１５）と直交する第２座標方向（ｙ）においても少なくとも二回前記粒子ビームを偏向させるように操作可能である、請求項９又は１０に記載の半球状偏向器型の光電子分光計。
【請求項１２】
前記偏向装置（３１）は、本質的に四極対称な形態で配置される四つの電極（３３Ａ〜３３Ｄ）を備える少なくとも一つの偏向器パッケージ（２９）を備え、前記偏向器パッケージ（２９）の前記四つの電極（３３Ａ〜３３Ｄ）は二つの電極対（３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ）を形成し、前記二つの電極対（３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ）は前記第１座標方向（ｘ）及び前記第２座標方向（ｙ）のそれぞれの座標方向における偏向器の役割を果たす、請求項１１に記載の半球状偏向器型の光電子分光計。
【請求項１３】
前記電極（３３Ａ〜３３Ｄ）のそれぞれに個別の電圧を印加するように構成された制御ユニット（３５）をさらに備える、請求項１２に記載の半球状偏向器型の光電子分光計。
【請求項１４】
前記レンズシステムの少なくとも一つのレンズ要素（Ｌ１）が前記偏向装置のすべての偏向器（３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ、３３Ａ’／３３Ｃ’、３３Ｂ’／３３Ｄ’）の上流に位置し、前記レンズシステムの他の少なくとも一つのレンズ要素（Ｌ３）が前記偏向装置のすべての偏向器の下流に位置するように、前記偏向装置（３１）と前記レンズシステム（１３）とが配置される、請求項９〜１３の何れか一項に記載の半球状偏向器型の光電子分光計。
【請求項１５】
前記偏向装置（３１）のすべての偏向器（３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ、３３Ａ’／３３Ｃ’、３３Ｂ’／３３Ｄ’）は、レンズ装置（１３）の同じレンズ要素（Ｌ２）内に配置される、請求項９〜１４の何れか一項に記載の半球状偏向器型の光電子分光計。
【請求項１６】
前記偏向装置（３１）は、前記レンズシステム（１３）の一体部品を形成する、請求項９〜１５の何れか一項に記載の半球状偏向器型の光電子分光計。
【請求項１７】
前記粒子ビームを形成する前記粒子の角度分布（３９）の所定の部分（Ａ、Ｂ）が、前記測定領域（３）の前記入口（８）を通過するように、前記偏向装置（３１）が前記粒子ビームを偏向させるように操作可能な制御ユニット（３５）をさらに備える、請求項９〜１６の何れか一項に記載の半球状偏向器型の光電子分光計。
【請求項１８】
前記制御ユニット（３５）は、前記粒子の前記角度分布（３９）の前記所定の部分（Ａ、Ｂ）が、前記測定領域（３）の前記入口（８）を前記レンズシステム（１３）の前記光学軸（１５）と実質的に平行な方向に通過するように、前記偏向装置（３１）が前記粒子ビームを偏向させるように操作可能である、請求項１７に記載の半球状偏向器型の光電子分光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば粒子放出試料から放出された荷電粒子のエネルギー、開始方向（start direction）及び開始位置（start position）を分析するための方法及び分析装置、並びにそのような分析装置を備える粒子分光計に関する。特に、本発明は、半球状偏向型の光電子分光計において使用するための方法及び分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術による半球状偏向器型の光電子分光計を、図１に示す。半球状偏向器型の光電子分光計１において、中心的な構成要素は測定領域３であり、測定領域３では電子のエネルギーが分析される。測定領域３は、二つの同中心の半球５から形成される。二つの同中心の半球５は、ベース板７の上に載置され、二つの同中心の半球５の間に静電場が印加される。電子は、入口８を通って測定領域３に入射し、ベース板７に対して垂直に近い方向で半球５の間の領域へ入射した電子は、静電場によって偏向させられる。偏向場によって定められる特定の範囲内の運動エネルギーを有するそれらの電子は、半円を通って進んだ後、検出装置９に到達することになる。典型的な装置において、電子は、電子源（典型的には、光子、電子、又はその他の粒子による励起後に電子を放出する試料１１）から半球の入口８まで、実質的に一直線である共通の光学軸１５を有する複数のレンズＬ１〜Ｌ３を備える静電レンズシステム１３によって輸送される。
【０００３】
以下に述べる説明には、座標系のｚ軸がレンズシステム１３の光学軸１５（大抵の場合、回転対称軸である）に沿っているデカルト座標系が用いられることになる。半球は、（ｙ、ｚ）平面に関して対称である。電子の軌道の方向は、（ｙ、ｚ）平面に対する電子の軌道の角度θｘと、（ｘ、ｚ）平面に対する電子の軌道の角度θｙとによって記述される。
【０００４】
レンズシステム１３及び検出装置９は、レンズ軸１５に垂直で、限られた角度範囲内にある限られた領域内に放出された電子のみを受け取ることになる。さらに、電子源は、（感度と分解能の観点から）最良の特性を達成するために、ｚ方向において狭い範囲内に配置されなければならない。このため、すべての座標方向における並進及び回転の両方、即ち６自由度、を可能とするマニピュレーター１７の上に試料を載置する必要がある。
【０００５】
例えば角度分解光電子分光（Ａｎｇｌｅ  Ｒｅｓｏｌｖｅｄ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＬＰＥＳ）といった多くの応用例において、完全な測定には、よく位置合わせされた（aligned）試料から３０°の円錐型の開口全体の立体角すべての検出を要する。試料及び励起エネルギー／運動エネルギーに応じて、必要となる角度範囲は変わり得る。角度分解能の要請も、用途に伴って変わるが、典型的には１°から０．１°よりも小角までの範囲である。エネルギー分解能においては、望ましい範囲は、用途に応じて０．５ｅＶから０．５ｍｅＶに至るまでである。高分解能の測定を達成するために、分析装置は十分な角度分解能及びエネルギー分解能を有していなければならないが、半球状の分析装置は、レンズ軸１５に垂直な限られた角度範囲内で放出された電子のみを受け取るので、試料マニピュレーター１７は非常に高い精度の動作及び繰返し精度を有していなければならない。マニピュレーター１７は、試料を精密に回転及び傾斜させ、３０°の立体角の完全なデータセットを築き上げることが必要とされる。
【０００６】
試料から放出された電子のエネルギー分散は、ΔＥ＝３．５×ｋＢ［ｅＶ／Ｋ］×Ｔ［Ｋ］で与えられる熱的広がりに依存する。ここで、ΔＥはｅＶ単位のエネルギー分散、ｋＢはボルツマン定数、Ｔはケルビン単位の温度である。従って、望ましいエネルギー分解能を達成するためには、試料１１は極低温まで冷却できることが必須である。例えば、１ｍｅＶ未満の広がりを得るには、最高でも３Ｋの試料温度を要する。
【０００７】
半球５は、検出器平面（半球状の分析装置における測定領域３の入口８の平面と一致する）におけるｙ方向に沿って、電子のエネルギーに対して電子を分散させる。ｘ方向において、検出器平面内の位置は、半球５の入口８の平面内のｘ座標の直立像（direct image）である。半球５の入口８は、ｘ方向における狭いスリットとして形成され、以下では測定領域の入射スリット、又は単に入射スリットと呼ぶ。電子が狭い入射スリット８を通って半球５に入射することが可能である場合、二次元検出装置９は、エネルギー分散に関する情報と入射スリット８に沿った分布に関する情報とを同時に与えることになる。二次元検出装置９は、典型的には、マルチチャンネルの電子増倍板（ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ  ｐｌａｔｅ：ＭＣＰ）１９を備える。マルチチャンネルの電子増倍板は、半球５の入射スリット８と同じ平面内に配置され、入ってくる電子の位置において、測定可能な電気信号を発生させる。従って、入ってくる電子の位置は、リンのスクリーン（phosphorous screen）及びビデオカメラ２１によって光学的に記録することも、例えばディレイライン又は抵抗性陽極検波器（resistive anode detector）上の電気パルスとして記録することもできる。代わりに、エネルギーが選択された電子のいくつかが、スピン検出器２５に繋がっている出口孔部２３を通って半球領域を離れた後、特に電子のスピンに関して、さらに分析されてもよい。一種のスピン検出器において、（負の）ｚ方向に近い方向で半球５を出た電子は、第１のレンズシステムと、９０°偏向器と、ターゲット上への第２のレンズシステムとからなる配列を通過し、その後散乱電子の分布が測定される。いくつかの装置は、偏向器と共に載置され、互いに対して９０°の角度をなす（即ち、一つは（ｙ、ｚ）平面内で曲がり、一つは（ｘ、ｚ）平面に平行である）そのようなスピン検出器を二つ含む。それらの入口孔部は、半球の（ｙ、ｚ）対称平面内に、且つＭＣＰ検出器のそれぞれの側上の異なる半径方向（ｙ）の位置（different radial (y) positions）に位置する。
【０００８】
半球５の間で与えられた電場のため、パスエネルギー（Ｅｐ）と呼ばれる、ある所定の運動エネルギーの電子は、ＭＣＰ検出器１９の中心に衝突することになり、エネルギー窓と呼ばれる範囲がＭＣＰの感度領域内に入る（fall within）ことになる。エネルギー分散（ｄｙ／ｄＥ）はＥｐに反比例し、一方エネルギー窓はＥｐに正比例する。従って、エネルギー分解能と情報速度（information rate）との間の適切な妥協を達成するためには、通常は放出された電子の運動エネルギーＥｋを適切なパスエネルギーに合わせて調整することが必要である。このエネルギーの調整は、レンズシステム１３によって行われる。レンズシステム１３は、光学軸１５に沿って配置された同中心の電極（円筒、切頭円錐、開口等）の形態の一連のレンズ要素Ｌ１〜Ｌ３から成る。レンズ要素Ｌ１〜Ｌ３は、それぞれ電圧源に接続されている。エネルギーの調整（加速又は減速）を行う他に、レンズシステム１３は、試料を半球５から便利な距離に設置することも可能にし、また、現在の文脈において最も重要なことには、レンズシステム１３によって、半球の入射スリット８の平面における電子の分布の制御を行うことができる。加速又は減速は、試料１１と半球の入口８との間の電位差によって、直接的に制御され、一方その他のレンズ電圧は電子の分布を制御するために用いられる。レンズシステム１３は、それぞれイメージングモード及び角度分解モード（角度モード）と呼ばれる、二つの異なるモードで操作され得る。イメージングモードでは、（一次式まででは（to first order））放出点と入射スリット８の平面内の（ｘ、ｙ）位置との間の点対点の対応が存在し、試料１１からの取り出し角（take-off angle）には依存しない。従って、入射スリット８は、入射スリットと同じ形状で、レンズの倍率によって決まる大きさの試料の領域から放出された電子を選別することになる。即ち、通常はｙ方向において狭い範囲内の領域となる。角度モードでは、レンズ電圧は、その代わりに、レンズ軸に対して同じ角度（θｘ、θｙ）で放出された電子が、図２に示すように、入射スリット８の平面２６内の同じ点（ｘ、ｙ）に集束させられるように準備される。図２において、ｙ軸及びｚ軸は任意単位で、異なるスケールで示されている。ここで、最終位置は、一次式まででは開始位置に依存せず、従って割と臨界的ではない（fairly uncritical）。そうして、入射スリット８に受け入れられた電子は、ｙ方向におけるそれらの取り出し角を狭い範囲内で有し、その範囲は入射スリット幅及び角度分散（ｄｙ／ｄθｙ）によって定まり、一方、ｘ方向における異なる取り出し角は、入射スリット８に沿って分布する。しかし、角度分散は、レンズシステムの回転対称性（ｄｘ／ｄθｘ＝ｄｙ／ｄθｙ）のため、ｘ方向とｙ方向とで等しい。イメージングモードにおける倍率及び角度モードにおける角度分散の両方は、レンズ電圧を事前に計算された関数に従って調整することにより、随意に選択され、（Ｅｋ／Ｅｐ）の広い範囲にわたって一定に保たれることが可能である。
【０００９】
与えられたパスエネルギーにおける半球５のエネルギー分解能は、入射スリット８の幅と、電子が半球に入射するときの半径方向における電子ビームの角度広がり（即ち、ｄｙ／ｄｚの広がり）と、の両方に影響を受ける。入射スリット８のそれぞれの大きさに対して、対応する角度広がりが存在し、対応する角度広がりは強度と分解能との最適な組み合わせを与える。狭い入射スリット、即ち高いエネルギー分解能、に対して、対応する角度広がりは非常に小さく、典型的には１〜２°である。この角度広がりは、図３に示すように、入射スリット８を別のスリット２７（以下、開口スリットという）と組み合わせることによって定められる。開口スリット２７の前には多少の距離がある。入射スリット（（ｘ、ｚ）平面）に沿った方向において、分解能の要請からのそのような角度の制限は存在しない。しかし、中央の（ｙ、ｚ）平面に対する、半球の後の出射角度は、この中央の（ｙ、ｚ）平面に対する入射角度（ｄｘ／ｄｚ）と同じものである（図１における、中央の平面内の軌道及び別の平面内の軌道を参照）から、スピン検出器の入口孔部に到達するように意図された電子の方向は、非常にｚ方向に近いものである必要がある。
【００１０】
放出する試料１１の放出点の、レンズシステム１３の光学軸１５に関する不揃いを補うために、通常ｘ方向において作用する一つの偏向器と、ｙ方向に作用する一つの偏向器とが、レンズシステムに組み込まれる。ｘ偏向器及びｙ偏向器は、レンズ軸１５に沿って互いの後ろに設置されてもよいが、ｘ偏向器及びｙ偏向器は、四つの電極から成る一つの偏向器パッケージ（deflector package）２９の中に組み入れられることの方が多い。ｘ偏向器及びｙ偏向器はそれぞれ、９０°近い方位角をカバーする（図１を参照）。
【００１１】
以下、従来技術による粒子分光計のいくつかの問題点が、図１を参照しながら論じられることになる。便宜上、議論は主にレンズシステム１３の角度分解操作モード（角度操作モード）に言及することになる。しかし、議論の大部分は、イメージングモードにおけるマッピングにも等しく良く当てはめることができることは理解されるべきである。
【００１２】
極低温まで効率的に冷却するための必要条件は、試料１１が冷媒と非常に良い熱接触状態にある必要があり、熱輻射から効率的に遮蔽されている必要もあるということを含む。この必要条件は、角度範囲全体をカバーできるように、十分な自由度をもってマニピュレーター１７の上に載置することとは相容れない。試料１１を機械的に動かすことも、放出領域又は分光計の分析装置に対して可視（visible）領域が変わるという危険性をもたらすため、異なる角度で取得されるスペクトルが、不注意で試料の異なる部分からも取得されてしまう。
【００１３】
ある程度は、上述のｘ偏向器及び／又はｙ偏向器を用いて、（イメージングモードにおいて）軸から外れて発射した電子や（角度モードにおいて）レンズシステム１３の光学軸１５に沿わない方向に発射した電子を入射スリット８の中心に導くことにより、試料１１を動かすのを避けることは可能である。特開昭５８−２００１４４号公報に開示された方法は、このテーマの一つの変形例を提供する。しかし、この技術で入射スリット８の中心に到達する軌道は、一般的な場合、光学軸１５に対して角度をなすことになるため、そのようなアプローチの実際の適用可能性は、どれも非常に限られている。従って、（スリットを横切る）ｙ方向における偏向のために、それらの軌道は、角度を定める開口スリット２７及び入射スリット８の組み合わせによって妨げられたり、許容できないエネルギー分解能の低下を招いたりすることになる。（スリットに沿った）ｘ方向においては、比較的小さな初期角度範囲内の軌道のみが、スピン検出器システムに許容される角度範囲内に出ていくことになる。入射スリット８に沿った分布全体を利用することが意図されている場合、一般的に、角度のスケールが非常に小さな偏向のためにさえ激しく歪められるというさらなる問題がある。
【００１４】
さらに、達成可能な角度分解能は、レンズシステム１３の角度分散に依存する。これは、ｙ方向において最も明らかに見られ、ｙ方向において、分解能は角度分散によって分割される入射スリット幅よりも良くはならない。この観点から、大きな分散をもって作動可能であることが望ましいことが多い。一方、観測できるθｘの範囲は、（半球の入射スリットの長さ）／（角度分散）とレンズの前側開口（the lens front aperture）のアクセプタンスとのうち、より小さい方によって制限されている。従って、分散が大きくなるとともに、半球の入射スリットの長さに由来する制限が厳しくなりすぎて、観測できるθｘの範囲はレンズのアクセプタンスよりも遥かに小さくなる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開昭５８−２００１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述の問題のうちの一つ若しくはそれ以上を解決すること、又は少なくとも緩和することが、本発明の目的である。
【００１７】
特に、粒子分光測定、例えば光電子分光測定等におけるエネルギー分解能を向上させることが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この目的及びその他の目的は、粒子放出試料から放出された荷電粒子に関する少なくとも一つのパラメーターを決定する方法によって達成される。その一つのパラメーターは、例えば、荷電粒子のエネルギー、開始方向、開始位置、又はスピンに関する。
その方法は、
前記荷電粒子の粒子ビームを形成し、実質的に一直線の光学軸を有するレンズシステムによって前記粒子放出試料と測定領域の入口との間で粒子を輸送するステップと、
粒子ビームが測定領域に入射する前に、レンズシステムの光学軸と直交する少なくとも第１座標方向に粒子ビームを偏向させるステップと、
前記測定領域内の前記荷電粒子の位置を検出するステップと、を備え、その位置は少なくとも一つの前記パラメーターの指標となる。
【００１９】
さらに、その方法は、粒子ビームが測定領域に入射する前に、少なくとも同じ第１座標方向に少なくとも二回、粒子ビームを偏向させるステップを備える。
【００２０】
粒子放出試料と測定領域の入口との間で粒子ビームを同じ座標方向に二回偏向させることによって、測定領域の入口における粒子ビームの位置及び方向の両方を制御することができる。
【００２１】
好適には、粒子ビームの測定領域への入射前に、粒子ビームは、レンズシステムの光学軸と直交する二つの座標方向のそれぞれにおいて、少なくとも二回偏向される。これは、レンズシステムの光学軸に沿ったｚ軸を有する三次元のデカルト座標系を仮定すると、粒子ビームは、好適にはｘ方向及びｙ方向のそれぞれにおいて少なくとも二回、粒子の視点から見ると測定領域の入口の上流側へ（upstream the entrance of the measurement region）偏向されることを意味する。四つの条件（二つの直交した方向における位置及び方向）を満たすために、少なくとも二つの自由度がそれぞれの方向において必要である。
【００２２】
その方法によって、粒子ビームを形成する粒子の角度分布の所定の部分が測定領域の入口を通過することが可能となる。好適には、粒子ビームの偏向は制御され、粒子の角度分布の前記所定の部分が、測定領域の入口をレンズシステムの光学軸と実質的に平行な方向に通過する。粒子ビームの角度分布の任意の部分（上記のデカルト座標系のｘ軸又はｙ軸に沿った部分だけではない）を分析するために、粒子ビームの偏向は、粒子ビームが測定チャンバーに入射する前に、ｘ軸及びｙ軸方向のそれぞれにおいて二回行われなければならないことがある。
【００２３】
本発明の一実施形態において、第１及び少なくとも第２の方向は制御され、粒子の角度分布の前記所定の部分が、所定の開始方向（θｘ０、θｙ０）で、又は所定の範囲内の開始方向内において試料から放出された粒子のみを含む。
【００２４】
その方法によって、レンズシステムの光学軸に平行でない方向に放出された粒子を、測定領域の入口へレンズ軸と実質的に平行な方向に入射させることが可能になるので、試料表面は、表面の法線に対する放出角であってレンズ軸と平行な望ましい放出角を有するように方向付けられなければならないという基準が排除され、基準が排除されたことによって、次に（in turn）、試験試料（test sample）を動かしてこの方向付けを達成する必要性が減じられる。従って、本発明は新しいタイプの粒子ビーム操作を開示する。この新しいタイプの粒子ビーム操作により、ある程度、試験試料の物理的な操作の必要性が除かれる。
【００２５】
特に、提唱される粒子ビーム操作によって、試験試料を上記の三次元デカルト座標系のｘ方向及びｙ方向に傾斜させ、回転させる必要性が減じられる。
【００２６】
マニピュレーターの複雑な可動性の必要性が低減されるため、試験試料に対して直接冷却が行われることを可能にするマニピュレーターを使用することができる。上述のように、このマニピュレーターによって、試験試料のより効率的な冷却が可能になり、より効率的な冷却が可能になることによって、次に、分光分析器によって得られる測定のエネルギー分解能の向上がもたらされる。マニピュレーターの複雑な可動性の必要性が低減されることにより、試験試料は、冷却板に直接取り付けられることが可能になり、試験試料は約２Ｋまで冷却されることが可能になる。約２Ｋまでの冷却が可能になると、本発明による分光分析器を用いて、狭いバンド幅の励起源を使用するという条件では、結果として約０．７ｍｅＶのエネルギー分解能が得られる。
【００２７】
角度分解能を維持しながらエネルギー分解能が向上するという利点の他に、上述した方法を行うことが可能な分析装置を備える粒子分光計は、６軸マニピュレーター等の試験試料の複雑な動作を可能にするマニピュレーターを有する分光計よりも低コストで製造することができる。
【００２８】
さらに、従来技術による分光計のようなものにおける試験試料の複雑な動作は、試験試料の正確に規定された領域への連続的な照射を困難にし、従って、試験試料の正確に規定された領域を分析することを困難にする。本発明は、試験試料の複雑な動作の必要性を排除するため、試験試料の正確に規定された目標領域への照射及び試験試料の正確に規定された目標領域の分析が容易になる。特に、試料位置は、多くの場合物理的に関連のあるすべての情報が得られるほど十分に大きな立体角内の全方向をカバーする一連の長い測定の間、不変に保たれることが可能である。
【００２９】
測定領域において、荷電粒子は静電場によって偏向され、偏向後の粒子の位置は検出装置によって検知される。測定領域、測定領域の入口、及び検出装置の設計に応じて、粒子のエネルギー、開始方向、又は開始位置といった様々な粒子に関連するパラメーターは、検出された位置から決定することができる。好適には、検出は二つの次元での粒子位置の検出を含む。二つの次元での粒子位置の一方は実質的に粒子のエネルギーを表し、他方は測定領域の入射平面内の直線に沿った粒子の空間分布を表す。入射平面内の直線に沿った（典型的には、スリット型の入口の長さ方向）粒子の空間分布から、粒子の開始方向及び開始位置に関する情報が得られるため、二次元検出装置によって、粒子のエネルギーと粒子の開始方向又は開始位置との両方を同時に決定することが可能になる。
【００３０】
しかし、測定領域への入口における粒子ビームの位置及び方向の両方を制御する能力のもう一つの結果は、それぞれの座標方向におけるビームの偏向が一回である場合と比べて、より大きな角度範囲が検出可能である点である。さらに、強度並びに（エネルギー及び角度の）分解能を維持しながら、より大きな角度範囲を調べることができる。同じ座標方向における二度の偏向の使用は、測定領域への入口における粒子ビームの位置及び方向の両方を制御し、実質的にレンズの前側開口のアクセプタンス角度によって定まる立体角内の角度範囲を、試料を動かすことなしに調べることを可能にする。これは、単一の偏向器の組では事実上不可能である。
【００３１】
本発明はまた、粒子放出試料から放出された荷電粒子に関する少なくとも一つのパラメーターを決定するための分析装置を提供し、分析装置は上述した方法を実行することができる。この目的のために、分析装置は荷電粒子が測定領域に入射することを可能にする入口を有する測定領域と、測定領域内の荷電粒子の位置を検出するための検出装置と、を備え、荷電粒子の位置は上記の少なくとも一つのパラメーターの指標となる。さらに、分析装置は実質的に一直線の光学軸を有するレンズシステムを備え、レンズシステムは試料から放出された荷電粒子の粒子ビームを形成するように操作可能であり、試料と上記の測定領域の入口との間で粒子を輸送する。分析装置は、粒子ビームが測定領域に入射する前に、レンズシステムの光学軸と直交する少なくとも第１座標方向に粒子ビームを偏向させるための第１の偏向器と、粒子ビームが測定領域に入射する前に、少なくとも同じ第１座標方向に少なくとも二回粒子ビームを偏向させるように操作可能な少なくとも第２の偏向器と、を備える偏向装置をさらに含む。
【００３２】
好適には、少なくとも第２の偏向器は、第１の偏向器の下流に、レンズシステムの光学軸に沿って第１の偏向器から離間して配置される。上記の議論から理解されるように、第１及び少なくとも第２の偏向器を組み合わせた効果は、ビームのどの部分がどの方向で測定領域に入射するかを制御することである。この制御によって、ビームの選択された部分が、レンズ軸（即ち、レンズシステムの光学軸）の方向に沿って測定領域に入射することができるようになる。
【００３３】
偏向装置は、好適には、分析装置のレンズシステム中に一体化される。これは、レンズシステムと偏向装置とが一体部品を形成することを意味する。偏向装置とレンズシステムとの一体化により、分析器の小型設計ができ、分析器の中の別個の部品の数が減じられる。しかしながら、偏向装置はまた、分析器のレンズシステムの上流若しくは下流に配置されることも可能であり、レンズシステムの二つのレンズの間に配置されることも可能であり、又は少なくとも二つの偏向器がレンズシステムに関して異なる位置に配置されることも可能である。
【００３４】
以上で議論した理由のため、偏向装置は、好適には、粒子ビームの粒子が測定領域の入口を通過する前に、粒子ビームをレンズシステムの光学軸と直交する座標方向、即ちｘ方向及びｙ方向のそれぞれにおいて二回偏向させるように操作可能である。
【００３５】
この目的のために、偏向装置は例えば四つの偏向器を備えることが可能であり、四つの偏向器のうち二つは粒子ビームをｘ方向に偏向させるように操作可能であり、二つは粒子ビームをｙ方向に偏向させるように操作可能である。
【００３６】
本発明の好ましい実施形態において、偏向装置は二つの偏向器パッケージ（deflector packages）を備え、それぞれの偏向器パッケージは、粒子ビームをｘ方向及びｙ方向の両方において偏向させるように操作可能である。この目的のために、それぞれの偏向器パッケージは二つの電極対を備えることが可能であり、二つの電極対は、電圧がそれぞれの対の電極間に印加されたとき、電場の二つの直交成分を発生させるように操作可能である。それぞれの偏向器パッケージの四つの電極は、好適には本質的に四極対称（quadrupolar symmetry）な形態で配置される。
【００３７】
分析装置は、制御された電圧を偏向装置の電極に印加することによって粒子ビームの偏向を制御するための制御ユニットをさらに備える。
【００３８】
制御ユニットは、試料から放出された粒子の特定の開始方向を決定するように構成されることが可能である。放出された粒子は、事前に計算された関数に従った偏向電圧を印加することによって、レンズシステムの光学軸に沿って測定領域に入射する。
【００３９】
一応用例において、電圧はｙ方向における一連の開始角度（start angle）θｙが連続的に測定システムによって記録されるような方法で走査されることになる。それぞれのθｙに対して、測定領域の入口のスリット長さによって制限されたｘ方向における角度θｘの範囲が記録されるため、検出器システムによって定められる窓（window）の中のそれぞれのエネルギーに対する角度分布の二次元マップが得られる。そのような角度走査の間、ｘ方向の偏向は、典型的には一定に保たれることになり、（θｘ、θｙ）内の長方形の領域にわたるマップが得られる。レンズが高い角度分散で操作されると、ｘ方向の異なる偏向を有するそのような多数の走査を組み合わせて、レンズの前側開口のアクセプタンス角度全体にわたる完全なマップを得ることが可能である。検出器のエネルギー窓よりも大きなエネルギー範囲をカバーするために、試料と測定領域との間の加速電圧又は減速電圧を走査することも可能である。この応用例は、例えば角度分解光電子分光（Ａｎｇｌｅ  Ｒｅｓｏｌｖｅｄ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＲＰＥＳ）に利用できるが、それに限定されない。
【００４０】
別の応用例においては、偏向器電圧は、一つの選択された方向（θｘ０、θｙ０）の周りの狭い立体角内で放出された粒子がレンズの光学軸に沿って測定領域に入射することになるように、制御ユニットによってセットされることになり、エネルギー分析の後、この特定の初期方向を有する狭いエネルギー範囲内の粒子は、スピン検出器に入ることが可能となる。
【００４１】
両方の場合で、制御ユニットは、レンズの集束特性及び分散特性を維持するため、及び必要な偏向角を与えるために、レンズの電圧及び偏向器電極の電圧を、事前に計算された関数に従って変化させることになる。
【００４２】
本発明のさらなる実施形態において、四極対称の電圧が、少なくとも一つの偏向器パッケージにおける偏向器電圧に重畳される。そのような電圧によって、一つの平面内で焦点合わせすること及び直交した平面内で焦点をぼかすこと（defocusing）が可能になり、そのような電圧は角度マップにおける歪みを低減するために印加することができる。
【００４３】
以上で簡単に議論したように、分析器の検出装置は、典型的には、測定領域内での荷電粒子のさらなる偏向の後の荷電粒子の位置を検出するように配置される。粒子の偏向の大きさは、粒子の運動エネルギーに依存するため、特定の方向における粒子の検出位置は、粒子のエネルギーの指標となる。また上述したように、検出装置は、好適には、測定領域内の荷電粒子のエネルギーと開始方向又は開始位置との両方を決定するために、測定領域内の荷電粒子の二つの次元での位置を検出することが可能である。この目的のために、検出装置は、例えば、マルチチャンネルの電子増倍板（ＭＣＰ）を備えることができる。マルチチャンネルの電子増倍板は、入ってくる粒子の位置において、測定可能な電気信号を発生させる。従って、入ってくる粒子の位置は、リンのスクリーン及びビデオカメラによって光学的に記録することも、例えばディレイライン又は抵抗性陽極検波器上の電気パルスとして記録することもできる。
【００４４】
分析装置は、好適には、背景技術の部分で記述されたような半球状の光電子分光計といった半球状偏向器型の粒子分光計において使用される。従って、この場合、測定領域は上述の座標系の（ｙ、ｚ）平面に関して対称である二つの同中心の半球を備えることが可能である。半球は、ベース板の上に載置され、二つの半球の間に印加される静電場を有することが可能である。ベース板に対して垂直に近い方向で半球の間の領域へ入射した粒子は、場によって偏向され、偏向場によって定められる特定の範囲内の運動エネルギーを有する電子は、半円を通って進んだ後、検出装置に到達することになる。この実施形態において、測定領域の入口、即ち半球への入口は、典型的にはx方向に沿ったスリットであり、この測定領域の入口によって、二つの次元での検出が可能である検出装置は、エネルギー分布に関する情報と入射スリットに沿った分布に関する情報とを同時に与えることが可能になる。入射スリットに沿った分布に関する情報は、レンズ装置の操作モードに応じて粒子の開始方向及び開始位置のどちらの指標にもなる。
【００４５】
本発明の改良された実施形態において、分析装置はスピン検出器を備える。従来技術によるスピン検出器においては、スピン検出器の入口のレンズの軸の周りの狭い角度範囲内でスピン検出器に入射した電子のみが許容される。従来技術による分光計においては、このことは、電子はまた、分光計のレンズ軸の方向に対して平行に試料を飛び出さなければならないことを意味している。しかし、試験試料の代わりに、又は試験試料に加えて提案された電子ビーム操作の原理の別の利点は、レンズシステムのアクセプタンス内のどんな方向において試料から放出された電子であっても、スピン検出器の入口のレンズの方向に沿ってスピン検出器に入射するように運ばれることが可能であるということである。また本発明は、光電子分光計といった、上述したような分析装置を備える粒子分光計を提供する。好ましい実施形態において、粒子分光計は、背景技術の部分において上述されたように、半球状偏向器型の光電子分光計である。
【００４６】
本発明は、以下に与えられる詳細な説明及び例示のためだけに与えられるその付随的な図面から、より完全に理解されるようになるであろう。異なる図面において、同一の参照番号は同一の要素を表す。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来技術による半球状偏向器型の光電子分光計を示す図である。
【図２】図１に示された光電子分光計のレンズシステムを通った粒子の軌道を示す図である。
【図３】開口スリット及び図１に示された光電子分光計の測定領域の入射スリットを示す図である。
【図４】本発明の一つの例示的な実施形態による半球状偏向器型の光電子分光計を示す図である。
【図５Ａ】本発明の一つの例示的な実施形態による分析装置の二つの偏向器パッケージの端面図である。
【図５Ｂ】本発明の一つの例示的な実施形態による分析装置の二つの偏向器パッケージの端面図である。
【図６】本発明の例示の実施形態による分析装置の一部を示す図である。
【図７】偏向器電圧が図５Ａ及び図５Ｂに示された偏向器パッケージの電極に印加されることが可能である例示的な方法を示す図である。
【図８Ａ】偏向器電位が印加されていない場合の、本発明による分析装置のレンズシステムを通った粒子の軌道を示す図である。
【図８Ｂ】偏向器電位が印加されている場合の、本発明による分析装置のレンズシステムを通った粒子の軌道を示す図である。
【図９】放出された粒子の角度分布の選択された部分が、本発明の原理に従ってどのように偏向されることができるかを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図４は、本発明の例示的な実施形態による粒子分光計３０を図解している。以下に説明される差異の他には、粒子分光計３０の構成要素及び機能性は、背景技術の部分で図１〜３を参照して記述された従来技術による半球状偏向器型の光電子分光計１の構成要素及び機能性と同一である。図４に示された構成要素で図１〜３に示された構成要素に対応するものには、同じ参照番号が与えられており、そのさらなる説明は省略する。
【００４９】
従って、粒子分光計３０は、粒子放出試料１１から放出された荷電粒子のエネルギーと開始方向又は開始位置との分析のために適合される分析装置を備えた半球状偏向器型の光電子分光計である。
【００５０】
図４に見られるように、分析装置は、第１の偏向器パッケージ２９と第２の偏向器パッケージ２９’とを備える偏向装置３１を含む。第１の偏向器パッケージ２９及び第２の偏向器パッケージ２９’のそれぞれは、背景技術の部分に記述された図１の単一の偏向器パッケージ２９の通りに考案され、設計される。
【００５１】
第１の偏向器パッケージ２９及び第２の偏向器パッケージ２９’の端面図をそれぞれ図解する図５Ａ及び図５Ｂを同時に参照すると、これは第１及び第２の偏向器パッケージのそれぞれが四つの電極３３Ａ〜３３Ｄ及び３３Ａ’〜３３Ｄ’を備え、電極のそれぞれが９０°に近い方位角をカバーしていることを意味する。それぞれの偏向器パッケージにおいて二つの対向して配置された電極は、電極対３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ、３３Ａ’／３３Ｃ’、３３Ｂ’／３３Ｄ’を形成する。これらの電極対は、偏向器電圧Ｖｘ、Ｖｙの印加によって電極間に電場を発生させるように操作可能であるため、一つの座標方向において偏向器パッケージの電極間を通過する荷電粒子を偏向させるように操作可能である。従って、そのような電極対のそれぞれは、一つの座標方向において荷電粒子を偏向させるための偏向器を形成する。
【００５２】
座標系のｚ軸がレンズシステム１３の光学軸１５に沿っており、半球５が（ｙ、ｚ）平面に関して対称である三次元のデカルト座標系を仮定すると、それぞれの偏向器パッケージ２９、２９’の一方の電極対３３Ａ／３３Ｃ、３３Ａ’／３３Ｃ’は、ｘ方向に荷電粒子を偏向させるように配置され、それぞれの偏向器パッケージ２９、２９’の他方の電極対３３Ｂ／３３Ｄ、３３Ｂ’／３３Ｄ’は、ｙ方向に荷電粒子を偏向させるように配置される。ｘ方向に荷電粒子を偏向させるように配置された電極対は、以下では時としてｘ偏向器と呼ばれることになり、ｙ方向に荷電粒子を偏向させるように配置された電極対は、以下では時としてｙ偏向器と呼ばれることになる。
【００５３】
図６は分析装置の一部のより詳細な図を示しており、図６に図解されるように、偏向器パッケージ２９、２９’の電極３３Ａ〜３３Ｄ、３３Ａ’〜３３Ｄ’に印加される偏向器電圧は、制御ユニット３５によって制御される。同じ制御ユニット３５が、レンズシステム１３のレンズＬ１〜Ｌ３を構成する複数の同中心の電極に印加されるレンズ電圧を制御するように構成されることも可能である。
【００５４】
偏向装置３１のそれぞれの電極対３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ、３３Ａ’／３３Ｃ’、３３Ｂ’／３３Ｄ’の間に印加される偏向器電圧Ｖｘ、Ｖｙの符号及び絶対値は、制御ユニット３５によって独立に制御される。図５Ａ及び図５Ｂに図解されるように、第１の偏向器パッケージ２９におけるｘ偏向器３３Ａ／３３Ｃの偏向器電圧はＶｘ１と表され、第２の偏向器パッケージ２９’におけるｘ偏向器３３Ａ’／３３Ｃ’の偏向器電圧はＶｘ２と表される。同様に、第１及び第２の偏向器パッケージにおけるｙ偏向器３３Ｂ／３３Ｄ、３３Ｂ’／３３Ｄ’の偏向器電圧はそれぞれＶｙ１、Ｖｙ２と表される。
【００５５】
このように、それぞれの偏向器パッケージ２９、２９’における偏向器電極３３Ａ〜３３Ｄ、３３Ａ’〜３３Ｄ’は、対向する電極３３Ａ／３３Ｃ、３３Ａ’／３３Ｃ’の一つの対の間に印加される電圧ΔＶｘがｘ方向にのみ偏向をもたらし、直交する対３３Ｂ／３３Ｄ、３３Ｂ’／３３Ｄ’の間に印加される電圧ΔＶｙがｙ方向にのみ偏向をもたらすように配置される。従って、必要な偏向（Δｘ’、Δｙ’）はどんなものでも、ｘ方向及びｙ方向における偏向のための電圧の組み合わせを印加することによって達成することができる。そのため、偏向器電極に印加される電圧の適切な組み合わせにより、レンズシステム１３に入る荷電粒子の入射角がどのような組み合わせであっても、偏向器領域からの出射方向、即ち荷電粒子が偏向装置３１の最後の偏向器を通過した時の荷電粒子の方向がレンズ軸１５に対して平行であることと、荷電粒子の偏向器領域からの出射がレンズ軸１５に沿って起こることとを同時に達成することが可能である。これは、この特定の方向への軌道が、偏向装置３１の後に（即ち、粒子の視点から見て偏向装置の下流に）位置するレンズシステム１３の部分によって実質的に不変であることを意味する。
【００５６】
図７に図解されるように、四極対称の電圧Ｖｑが、偏向器パッケージの電極に印加される偏向器電圧Ｖｘ、Ｖｙに重畳されることが可能である。図７は第１の偏向器パッケージ２９のみを示しているが、四極対称の電圧Ｖｑが、第１の偏向器パッケージ２９及び第２の偏向器パッケージ２９’の何れか、又は両方における偏向器電圧に重畳されることが可能であることは理解されるべきである。これらの重畳される電圧Ｖｑはまた、一つの平面内で焦点合わせすること及び直交した平面内で焦点をぼかすことを達成するように、制御ユニット３５によって制御され、それによって角度マップにおける歪みを低減する。
【００５７】
図８Ａ及び図８Ｂは、レンズシステム１３の角度操作モード中に第１及び第２の偏向器パッケージ２９、２９’に偏向器電位ΔＶｘ、ΔＶｙが印加されていない場合及び印加されている場合の、粒子放出試料１１（例示された座標系において、ｚ＝０に位置しており、ｙ＝０を中心に小さな幅を有している）からの荷電粒子の異なる開始方向に対する、レンズシステム１３を通ったいくつかの軌道の（ｙ、ｚ）平面における射影を示す図である。図の縦軸は、以前に議論した三次元座標系のｙ座標を示し、横軸は同じ座標系のz方向における試料からの距離、即ちレンズシステム１３の光学軸１５に沿った試料からの距離を示す。軸は任意単位で、異なるスケールで描かれている。実線で示された軌道は、レンズシステムの光学軸１５に関して取り出し角０°で試料１１から放出された粒子の軌道であり、一方破線及び一点鎖線で示された軌道は、それぞれ取り出し角４°及び８°の対応する軌道である。
【００５８】
図８Ａは、偏向器パッケージ２９、２９’に偏向器電位が印加されていない場合の、レンズシステム１３が角度モードにおいて操作されるときの軌道を図示する。レンズ軸１５上に放出された粒子は、異なるレンズＬ１〜Ｌ３（図４〜６を参照）の影響下にあるレンズシステムによって、入射スリット８の平面２６の中心へ導かれることになる。レンズ軸に対してその他の角度（θｘ、θｙ）で放出された粒子は、入射スリット平面２６上のその他の定められた位置に集束されることになる。
【００５９】
図８Ｂは、偏向器電位Ｖｘ、Ｖｙが印加されている場合の、レンズシステム１３が角度モードにおいて操作されるときの軌道を図示する。この例示的な実施形態において、偏向器パッケージ２９、２９’の電極３３Ａ〜３３Ｄ、３３Ａ’〜３３Ｄ’に印加された偏向器電圧は、粒子の角度分布の一部、即ちレンズ軸１５に対して取り出し角８°で放出された粒子を含む部分が、入射スリット８の平面の中心へ導かれるように制御され、粒子はレンズ軸１５の方向において測定領域３に入射する。レンズ軸に対してその他の角度（θｘ、θｙ）で放出された粒子は、入射スリット平面上のその他の定められた位置に集束されることになる。
【００６０】
この例示的な実施形態において、選択された軌道が徐々にレンズ軸１５へ近付くように、第１の偏向器パッケージ２９は、粒子の軌道を「下方へ」曲げ、一方第２の偏向器パッケージ２９’は、逆の方向に曲げる。その他の方向で開始した軌道は、偏向させなかった場合と実質的に同じ分散を保ちながら、すべて実質的に同じ量だけずれた位置でレンズシステムを出ることになる。
【００６１】
図９Ａ〜９Ｃも、放出された粒子の角度分布の選択された部分Ａ、Ｂが、たとえ試料１１からの取り出し角θｘ、θｙがどんなものであっても、本明細書に記載された発明の構想を用いて、選択された部分がレンズ装置の光学軸１５に対して実質的に平行な方向において測定領域３の入口８に入射するように偏向されることができる方法を図解する。図９Ａ及び図９Ｂは、粒子ビームの角度分布を図解しており、粒子ビームは参照番号３９によって表される。また、図９Ｃは粒子ビームの偏向の後に半球の入射平面２６上に描かれるこれらの角度分布を示す。
【００６２】
図９Ａ及び図９Ｃは、粒子ビームの角度分布の部分Ａの望ましい偏向をともに図解し、図９Ｂ及び図９Ｃは、粒子ビームの角度分布の部分Ｂの望ましい偏向をともに図解する。部分Ａ及び部分Ｂは、測定領域３において例えば粒子のエネルギー、開始方向、開始位置、又はスピンに関して分析するために選択された粒子を含んでいる。図８Ｂに図示された例に従って、単一の座標方向（ｙ方向）における二つの偏向は、図９Ａ中の縦破線によって限定されたストリップ（strip）内の角度分布の任意の選択された部分Ａをレンズ軸１５と実質的に平行な方向において測定領域に入射させるのに十分なものである。一方、レンズ軸１５に直交する二つの座標方向（即ち、ｘ方向及びｙ方向）のそれぞれにおける二つの偏向が、図９Ｂ中の縦破線によって限定されたストリップ内の角度分布の任意の選択された部分Ｂをレンズ軸と実質的に平行な方向において測定領域に入射させるためには必要である。図９Ｂ中の縦破線の間の角度分布の任意の選択された部分は、その部分の中心を（θｘ、θｙ）として、固定された開始方向θｘ≠０の軌道がｘ＝０及びｄｘ／ｄｚ＝０で出ていくように電圧Ｖｘを設定し、連続した方向θｙがｙ＝０及びｄｙ／ｄｚ＝０で出ていくように電圧Ｖｙを変化させれば、測定領域に入射させることが可能である。
【００６３】
再度図６を参照すると、第１の偏向器パッケージ２９及び第２の偏向器パッケージ２９’は、荷電粒子が粒子放出試料１１と測定領域３の入口８との間の道筋の上にある偏向子パッケージの電極対３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ、３３Ａ’／３３Ｃ’、３３Ｂ’／３３Ｄ’の間を通過するように、レンズシステム１３の光学軸１５の周りに同心円状に配置され、いくらかの距離だけ離隔される。別の用途には個々のレンズ要素Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の異なる組み合わせが必要になる可能性があるので、別の用途のために、レンズ装置１３中のレンズ要素の数及び／又はレンズ装置１３全体（一体化した偏向装置３１を含む）の長さは、実質的に変更が可能である。好適には、偏向装置３１の偏向器は何れも、レンズ要素Ｌ２内に配置されるが、上記のレンズ要素Ｌ２の端からおよそ一つのレンズ要素の半径よりもレンズ要素Ｌ２の端の近くに位置するべきではない。さらに、第１の偏向器パッケージ２９及び第２の偏向器パッケージ２９’の間の距離は、好適には、最小でもレンズ要素Ｌ２の半径であるべきであり、偏向器パッケージはレンズ要素Ｌ２内に配置される。従って、第１の偏向器パッケージ２９及び第２の偏向器パッケージ２９’があるレンズ要素の半径を有する同じレンズ要素Ｌ２内に配置される場合、第１の偏向器パッケージ２９は、好適には、レンズ要素Ｌ２の始端から最小でも一つのレンズ要素の半径だけ離間して位置し、第２の偏向器パッケージ２９’は、好適には、第１の偏向器パッケージ２９とレンズ要素Ｌ２の終端との両方から最小でも一つのレンズ要素の半径だけ離間して位置する。これは、荷電粒子が次の偏向器に入る前にその方向を変化させるための時間を荷電粒子に与えるためだけでなく、第１及び第２の偏向器パッケージの間で静電電位がクロストークするのを避けるためでもある。
【００６４】
さらに、偏向装置３１の偏向器３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ、３３Ａ’／３３Ｃ’、３３Ｂ’／３３Ｄ’は、好適には、偏向器電極及び電極間の隔たりを含む領域には偏向器電極自身によって発生したもの以外の電場が実質的に存在しないように、レンズ装置１３のレンズ要素Ｌ１〜Ｌ３に関して配置される。この目的のために、図５Ａ及び図５Ｂに図解されるように、偏向器電極３３Ａ〜３３Ｄ、３３Ａ’〜３３Ｄ’は、好適には、円筒形のチューブ４１、４１’の中に配置され、偏向器電極３３Ａ〜３３Ｄ、３３Ａ’〜３３Ｄ’の電位は円筒形のチューブ４１、４１’の電位を参照させられる（with their electrical potentials referred to the potential of this tube）。従って、偏向装置３１が二つの偏向器パッケージ２９、２９’を備え、偏向器パッケージ２９、２９’のそれぞれが四つの電極３３Ａ〜３３Ｄ、３３Ａ’〜３３Ｄ’を備える好ましい実施形態において、それぞれの偏向器パッケージの電極は、実質的に円筒形状の偏向器パッケージを形成するように、四重の回転対称性を有する円筒形の領域を形成し、円筒形の偏向器パッケージは外側の円筒形のチューブ４１、４１’の中に配置される。
【００６５】
図面に示された例示的な実施形態においてはレンズシステム１３に一体化しているが、偏向装置３１の偏向器３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ、３３Ａ’／３３Ｃ’、３３Ｂ’／３３Ｄ’がレンズシステム１３及びレンズシステム１３の個々のレンズ要素Ｌ１〜Ｌ３との関連において別の様態で配置されることも可能であるということは理解されるべきである。例えば、偏向装置３１及び偏向装置３１のすべての偏向器は、試料１１とレンズシステム１３の始端との間の「上流の位置」に配置されることも、又はレンズシステム１３の出口と半球５の入射スリット８との間の「下流の位置」に配置されることも可能である。そのような配置が偏向動作とレンズ動作とをさらに分離する限りは、そのような配置はいくつかの状況において有利である可能性がある。例えば、全体として一度に一つの単一方向の観測専用となっているシステム（例えば、スピン検出専用システム）のために、偏向装置３１の上流の位置は一体化された解決手法よりも広い角度範囲を可能にする。しかし、試料１１とレンズ装置１３との間の距離が増加すると、通常の用途のためのアクセプタンス角度の好ましくない減少をもたらすことになる。偏向装置３１の下流の位置では、最後のアクティブレンズ要素Ｌ３と測定領域３の入射スリット８との間の距離が増加すると、分散及びエネルギー範囲の柔軟性を減少させることになる。
【００６６】
従って、本発明の好ましい実施形態において、偏向装置３１の偏向器３３Ａ／３３Ｃ、３３Ｂ／３３Ｄ、３３Ａ’／３３Ｃ’、３３Ｂ’／３３Ｄ’は、少なくとも一つのレンズが粒子ビームの第１の偏向の前に粒子ビームに作用し、少なくとも一つのレンズが粒子ビームの最後の偏向の後に粒子ビームに作用するように、レンズ装置１３の個々のレンズ要素Ｌ１〜Ｌ３に関して配置される。また、偏向装置３１のすべての偏向器は、好適には、レンズシステム１３の同じレンズ要素Ｌ２内に配置される。これは、偏向装置のすべての偏向器が同じ電位に囲まれることを意味する。これは、粒子ビームの角度分布の所望の部分がレンズ軸１５と平行に測定領域３の入口８を通過するようにするために必要な偏向器電圧及びレンズ電圧の制御を容易にするという点で有利である。
【００６７】
以上で議論したように、好ましい設計において、偏向器電極は四重の回転対称性を有する二つの偏向器パッケージ２９、２９’の中に詰められた円筒形の部分のような形状であり、二つの偏向器パッケージは断面及び長さの両方において同一である。しかし、これらの特徴は何れも分析装置の操作のために不可欠なものではないことは理解されるべきである、平板状又はその他の形状の電極が考えられ、例えば角度のパターンの歪みを低減するという利点を有し得る。少なくとも一つのパッケージ中に８個（又は４ｎ個）の電極を有する構成も可能である。（ｘ、ｚ）及び（ｙ、ｚ）平面に関する鏡映対称性は、実用上の観点から非常に望ましいが、厳密に必要というわけではない。
【００６８】
本発明は以上に記述された実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内の様々なものであり得る。
【符号の説明】
【００６９】
１  光電子分光計
３  測定領域
５  半球
７  ベース板
８  入射スリット
９  検出装置
１１  粒子放出試料
１３  レンズシステム
１５  光学軸
１７  マニピュレーター
１９  ＭＣＰ検出器
２１  ビデオカメラ
２３  出口孔部
２５  スピン検出器
２６  入射スリット平面
２７  開口スリット
２９  第１の偏向器パッケージ
２９’  第２の偏向器パッケージ
３０  粒子分光計
３１  偏向装置
３３Ａ〜３３Ｄ、３３Ａ’〜３３Ｄ’  偏向器電極
３５  制御ユニット
３９  粒子ビーム
４１、４１’  チューブ
【図１】
2015045653.tif 000003
【図２】
2015045653.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【外国語明細書】
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