(57)【要約】【課題】高倍率の仕事関数顕微鏡を提供する。【解決手段】仕事関数顕微鏡１は、光を放出する高輝度紫外光ランプ２と、高輝度紫外光ランプ２から放出された光を分光して試料２２の表面に導き、試料表面の仕事関数に応じた光電子放出を生じさせるダブルモノクロメータ３と、ダブルモノクロメータ３からの光が照射された試料表面の仕事関数に応じて生じた光電子放出に基づいて、試料表面のコントラスト画像を生成する光放出電子顕微鏡ユニット２３とを備え、ダブルモノクロメータ３は、前段分光ユニット４と後段分光ユニットとを有しており、前段分光ユニット４と後段分光ユニットとの少なくとも一方に、トロイダル鏡７を設けた。【選択図】図１
2008008852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を放出する光源と、
前記光源から放出された光を分光して試料表面に導き、前記試料表面の仕事関数に応じた光電子放出を生じさせる分光器と、
前記分光器からの光が照射された試料表面の仕事関数に応じて生じた前記光電子放出に基づいて、前記試料表面のコントラスト画像を生成する光放出電子顕微鏡ユニットとを備え、
前記分光器は、入射した前記光を反射する第１反射手段と、
前記第１反射手段によって反射された光を回折する回折格子と、
前記回折格子により回折した光を反射して前記試料表面に導く第２反射手段とを有し、
前記第１反射手段と前記第２反射手段との少なくとも一方に、非球面鏡を設けたことを特徴とする仕事関数顕微鏡。
【請求項２】
前記非球面鏡は、前記第１反射手段に設けられており、
前記第１反射手段には、前記非球面鏡によって反射された光を反射して前記回折格子に導く平面鏡がさらに設けられ、
前記第２反射手段には、前記回折格子により回折した光を反射する球面鏡が設けられている請求項１記載の仕事関数顕微鏡。
【請求項３】
前記非球面鏡は、トロイダル鏡である請求項１記載の仕事関数顕微鏡。
【請求項４】
前記分光器は、ダブルモノクロメータによって構成されている請求項１記載の仕事関数顕微鏡。
【請求項５】
前記分光器は、前段分光ユニットと後段分光ユニットとを有し、
前記前段分光ユニットは、入射した前記光を反射する非球面鏡と、
前記非球面鏡により反射された光を反射する第１平面鏡と、
前記平面鏡により反射された光を回折する前段回折格子と、
前記回折格子により回折した光を反射して前記後段分光ユニットに導く第１球面鏡とを含み、
前記後段分光ユニットは、前記前段分光ユニットからの光を反射する第２球面鏡と、
前記第２球面鏡により反射された光を回折する後段回折格子と、
前記後段回折格子により回折した光を反射する第２平面鏡と、
前記第２平面鏡により反射された光を反射して前記試料表面に導く第３球面鏡とを含む請求項１記載の仕事関数顕微鏡。
【請求項６】
前記回折格子は、反射型回折格子である請求項１記載の仕事関数顕微鏡。
【請求項７】
前記光源は、高輝度紫外光ランプである請求項１記載の仕事関数顕微鏡。
【請求項８】
前記光源から放出された光を前記分光器の入射スリットに結像させる無収差結像レンズ系をさらに備える請求項１記載の仕事関数顕微鏡。
【請求項９】
前記分光器の出射スリットにおける像を前記試料表面に結像させる無収差結像レンズ系をさらに備える請求項１記載の仕事関数顕微鏡。
【請求項１０】
前記無収差結像レンズ系は、大気中に配置されて前記分光器からの光を透過させる第１無収差レンズと、真空中に配置されて前記第１無収差レンズを透過した光を前記試料表面に導く第２無収差レンズとを含む請求項９記載の仕事関数顕微鏡。
【請求項１１】
光源からの光を試料に照射する光電子顕微鏡であって、
前記光源からの光を平行光線にするコンデンサレンズと、
前記コンデンサレンズからの平行光線を前記試料の表面に集光する集光レンズとを備え、
前記集光レンズは、球面収差と色収差との双方を除去した無収差結像レンズ系によって構成されていることを特徴とする光電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を放出する光源と、光源から放出された光を分光して試料表面に導き、試料表面の仕事関数に応じた光電子放出を生じさせる分光器と、分光器からの光が照射された試料表面の仕事関数に応じて生じた光電子放出に基づいて、試料表面のコントラスト画像を生成する光放出電子顕微鏡ユニットとを備えた仕事関数顕微鏡、及び光電子顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属等の試料表面に水銀ランプからの光あるいは重水素ランプからの光を照射したときに発生する低速光電子に基づいて、試料表面のコントラスト画像を生成する光放出電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）が広く使われている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
また、水銀ランプ、重水素ランプからの光を分光器により分光して金属等の試料表面に照射する仕事関数顕微鏡の構成も知られている（例えば、非特許文献１）。
【０００４】
図１８は、Ｃｕ／Ｗ（１１０）のＰＥＥＭ像を示す図である。Ｗ（１１０）上のＣｕの成長過程を、水銀ランプ励起のＰＥＥＭ像により観察することができる。図１７に示すＣｕ／Ｗ（１１０）のＰＥＥＭ像の視野径は、１０μｍである。図１８に示されたＮは、基板上の銅層の数を表す。このＮは、ＬＥＥＭの量子サイズ効果により決定したものである。ＰＥＥＭ像では、Ｎが大きくなるにつれ、そのＣｕ層の領域が明るく観察されており、この実験結果から、Ｃｕ層が厚くなればなるほど、仕事関数が小さくなる（光電子収量が大きい）ことが予想される。
【０００５】
図１９は、Ｃｕ／Ｗ（１１０）の被覆率に対する仕事関数の変化を示すグラフである。このＣｕ／Ｗ（１１０）の系については、Ｂａｕｅｒらにより、（マクロな）仕事関数が、図１８に示すように、既に測定されている。横軸は、Ｎを単位とした、平均的な層数として被覆率が与えられている。図１８では、仕事関数は、Ｎ＝２の手前で極小値を示し、その後、Ｎが増大するにつれて仕事関数が増大している。つまり、Ｃｕの層数が増加すればするほど、仕事関数は増大する。その結果、光放出電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）によって観察すれば、Ｃｕの層が厚いところが暗く観察されるはずであり、図１７の観察結果と矛盾する。
【０００６】
以上のように、図１８のＰＥＥＭによる観察結果と図１９の（マクロな）仕事関数の測定結果とは矛盾している。こうしたことから、分光した紫外線を励起源としてＰＥＥＭ像を取得し、空間分解された仕事関数を測定することができる仕事関数顕微鏡が望まれている。
【特許文献１】特開２００５−１０６５４７号公報（平成１７年４月２１日公開）
【特許文献２】特開２０００−２１５８４１号公報（平成１２年８月４日公開）
【非特許文献１】後藤敬典他著、ＰＥＥＭによる仕事関数の絶対計測とＡＥＳの仕事関数補正、マイクロビームアナリシス第１４１委員会第１１０回研究会資料、日本学術振興会、平成１４年１２月２日（月）〜１２月３日（火）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の分光器により試料表面に光を照射する仕事関数顕微鏡の構成では、迷光が生じてシャープなカットオフを得ることができず、また、輝度が低いため、高倍率により試料を観察することが出来ないという問題を生じる。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、輝度がほとんど低下しない明るい像を得ることができ、高倍率の仕事関数顕微鏡及び光電子顕微鏡を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る仕事関数顕微鏡は、上記課題を解決するために、光を放出する光源と、前記光源から放出された光を分光して試料表面に導き、前記試料表面の仕事関数に応じた光電子放出を生じさせる分光器と、前記分光器からの光が照射された試料表面の仕事関数に応じて生じた前記光電子放出に基づいて、前記試料表面のコントラスト画像を生成する光放出電子顕微鏡ユニットとを備え、前記分光器は、入射した前記光を反射する第１反射手段と、前記第１反射手段によって反射された光を回折する回折格子と、前記回折格子により回折した光を反射して前記試料表面に導く第２反射手段とを有し、前記第１反射手段と前記第２反射手段との少なくとも一方に、非球面鏡を設けたことを特徴とする。
【００１０】
この特徴により、入射した光を反射する第１反射手段と、回折格子により回折した光を反射して試料表面に導く第２反射手段との少なくとも一方に、非球面鏡が設けられる。このため、収差を減少させることができ、分光器の出射スリットに結像する像の広がりを抑えることができる。このため、分光器の入射スリットの像を、輝度をほとんど低下させることなく、出射スリットに結ぶことができる。従って、輝度がほとんど低下しない明るい像を得ることができ、高倍率の仕事関数顕微鏡を提供することができる。
【００１１】
本発明に係る仕事関数顕微鏡では、前記非球面鏡は、前記第１反射手段に設けられており、前記第１反射手段には、前記非球面鏡によって反射された光を反射して前記回折格子に導く平面鏡がさらに設けられ、前記第２反射手段には、前記回折格子により回折した光を反射する球面鏡が設けられていることが好ましい。
【００１２】
上記構成によれば、第１反射手段の球面鏡を非球面鏡に置き換えて、収差を減少させて、分光器の出射スリットに結像する像の広がりを抑えることができ、輝度がほとんど低下しない明るい像を得ることができる高倍率の仕事関数顕微鏡を提供することができる。
【００１３】
本発明に係る仕事関数顕微鏡では、前記非球面鏡は、トロイダル鏡であることが好ましい。
【００１４】
上記構成によれば、トロイダル鏡であると、上下左右の球面の半径が異なるので、その半径をそれぞれ変えることにより、収差を容易に減少させることができる。
【００１５】
本発明に係る仕事関数顕微鏡では、前記分光器は、ダブルモノクロメータによって構成されていることが好ましい。
【００１６】
上記構成によれば、ダブルモノクロメータによって分光器を構成するので、迷光を低減することができ、シャープなカットオフが得られる仕事関数顕微鏡を提供することができる。
【００１７】
本発明に係る仕事関数顕微鏡では、前記分光器は、前段分光ユニットと後段分光ユニットとを有し、前記前段分光ユニットは、入射した前記光を反射する非球面鏡と、前記非球面鏡により反射された光を反射する第１平面鏡と、前記平面鏡により反射された光を回折する前段回折格子と、前記回折格子により回折した光を反射して前記後段分光ユニットに導く第１球面鏡とを含み、前記後段分光ユニットは、前記前段分光ユニットからの光を反射する第２球面鏡と、前記第２球面鏡により反射された光を回折する後段回折格子と、前記後段回折格子により回折した光を反射する第２平面鏡と、前記第２平面鏡により反射された光を反射して前記試料表面に導く第３球面鏡とを含むことが好ましい。
【００１８】
上記構成によれば、簡単な構成によりダブルモノクロメータを構成でき、迷光を低減して、シャープなカットオフが得られる仕事関数顕微鏡を提供することができる。
【００１９】
本発明に係る仕事関数顕微鏡では、前記回折格子は、反射型回折格子であることが好ましい。
【００２０】
上記構成によれば、回折格子が反射型なので、透過型回折格子よりも分光器をコンパクトに構成することができる。
【００２１】
本発明に係る仕事関数顕微鏡では、前記光源は、高輝度紫外光ランプであることが好ましい。
【００２２】
上記構成によれば、試料表面の仕事関数を測定するために必要な波長域を確実にカバーすることができる。
【００２３】
本発明に係る仕事関数顕微鏡では、前記分光器の出射スリットにおける像を前記試料表面に結像させる無収差結像レンズ系をさらに備えることが好ましい。
【００２４】
上記構成によれば、無収差結像レンズ系により球面収差を除去することができる。
【００２５】
本発明に係る仕事関数顕微鏡では、前記無収差結像レンズ系は、大気中に配置されて前記分光器からの光を透過させる第１無収差レンズと、真空中に配置されて前記第１無収差レンズを透過した光を前記試料表面に導く第２無収差レンズとを含むことが好ましい。
【００２６】
上記構成によれば、簡単な構成により無収差結像レンズ系を実現することができる。
【００２７】
本発明に係る光電子顕微鏡は、上記課題を解決するために、光源からの光を試料に照射する光電子顕微鏡であって、前記光源からの光を平行光線にするコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズからの平行光線を前記試料の表面に集光する集光レンズとを備え、前記集光レンズは、球面収差と色収差との双方を除去した無収差結像レンズ系によって構成されていることを特徴とする。
【００２８】
この特徴によれば、無収差結像レンズ系によって球面収差と色収差との双方が除去され、高輝度の光電子顕微鏡を実現することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る仕事関数顕微鏡は、以上のように、前記第１反射手段と前記第２反射手段との少なくとも一方に、非球面鏡を設けたので、高倍率の仕事関数顕微鏡を提供することができるという効果を奏する。
【００３０】
本発明に係る光電子顕微鏡は、以上のように、集光レンズを、球面収差と色収差との双方を除去した無収差結像レンズ系によって構成するので、高輝度の光電子顕微鏡を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の一実施形態について図１ないし図１６に基づいて説明すると以下の通りである。図１は、本実施の形態に係る仕事関数顕微鏡１の構成を示す模式図である。
【００３２】
仕事関数顕微鏡１は、光を放出する高輝度紫外光ランプ２を備えている。高輝度紫外光ランプ２は、例えば重水素ランプによって構成する。高輝度紫外光ランプ２から放出された光は、無収差レンズ１７ａ・１７ｂから構成される無収差結像レンズ系１７を透過する。無収差結像レンズ系１７は、ダブルモノクロメータ３の前段分光ユニット４に設けられた入射スリット６に像を結ぶ。
【００３３】
図２は、ダブルモノクロメータ３内の光線図である。ダブルモノクロメータ３は、前段分光ユニット４と後段分光ユニット５とを有している。前段分光ユニット４の入り口には、入射スリット６が設けられている。前段分光ユニット４の内部には、非球面鏡であるトロイダル鏡７と、平面鏡８と、反射型グレーティング（回折格子）９と、球面鏡１０とが設けられている。後段分光ユニット５の入り口には、中間スリット１１が設けられている。後段分光ユニット５の内部には、球面鏡１２と、反射型グレーティング１３と、平面鏡１４と、球面鏡１５とが設けられている。後段分光ユニット５の出口には、出射スリット１６が設けられている。
【００３４】
ダブルモノクロメータ３と無収差結像レンズ系１７と高輝度紫外光ランプ２とは、一体に構成されている。
【００３５】
無収差結像レンズ系１７からの光は、入射スリット６を通り抜けて、トロイダル鏡７により反射され、さらに平面鏡８によって反射されてグレーティング９に入射し、グレーティング９により回折する。グレーティング９により回折した光は、球面鏡１０によって反射されて前段分光ユニット４から出射し、後段分光ユニット５に設けられた中間スリット１１を通り抜けて球面鏡１２により反射される。球面鏡１２により反射された光は、グレーティング１３によって回折して反射し、平面鏡１４に入射する。平面鏡１４に入射した光は、平面鏡１４によって反射され、さらに球面鏡１５によって反射されて、出射スリット１６を通り抜けて後段分光ユニット５から出射する。
【００３６】
仕事関数顕微鏡１には、真空チャンバ２４が設けられている。真空チャンバ２４の内部には、試料２２が置かれている。仕事関数顕微鏡１は、無収差結像レンズ系１８を有している。無収差結像レンズ系１８は、出射スリット１６と真空チャンバ２４との間に配置された無収差レンズ１８ａと、真空チャンバ２４の内部に配置された無収差レンズ１８ｂとを有している。無収差結像レンズ系１８は、試料２２上に像を結ぶために設けられている。無収差レンズ１８ａは、大気中に配置されており、無収差レンズ１８ｂは、真空中に配置されている。無収差レンズ１８ａは、出射スリット１６からの光を平行光束にする。
【００３７】
無収差レンズ１８ａと真空チャンバ２４との間には、光路切替ミラー２１が配置されている。仕事関数顕微鏡１には、水銀ランプ１９が設けられている。光路切替ミラー２１と水銀ランプ１９との間には、無収差レンズ２０が設けられている。水銀ランプ１９からの光は、無収差レンズ２０により平行光束にされ、可動式の光路切替ミラー２１により、光路を切り替えることができるようになっている。光の強度は、光路の途中に配置されたフォトダイオードにより測定することができる。後段分光ユニット５と試料２２との間の無収差結像レンズ系１８は、真空チャンバ２４に取り付けられている。この無収差結像レンズ系１８の光軸とダブルモノクロメータ３の光軸とを合わせるため、ダブルモノクロメータ３の全体が微調整ステージ（図示せず）に載置されている。
【００３８】
出射スリット１６から出射した光は、無収差レンズ１８ａ、光路切替ミラー２１及び無収差レンズ１８ｂを透過して試料２２の表面に入射し、試料表面の仕事関数に応じた光電子が放出される。
【００３９】
仕事関数顕微鏡１は、光放出電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）ユニット２３を備えている。ＰＥＥＭユニット２３は、試料２２の表面から放出された光電子に基づいて、試料表面のコントラスト画像を生成する。
【００４０】
この仕事関数顕微鏡１では、高輝度紫外光ランプ２のアパーチャ（直径０．５ｍｍ）の像を倍率１で前段分光ユニット４の入射スリット６に結像し、後段分光ユニット５の出射スリット１６の像を倍率１で試料２２上に結像している。高輝度を得るためには、ダブルモノクロメータ３内で、入射スリット６の像を出射スリット１６上に１対１で結像させればよい。
【００４１】
通常のツェルニ・ターナ型の分光器では、入射スリットからの光を球面鏡、平面鏡を介してグレーティングに入射し、さらに球面鏡を経た後、出射スリットに結像させている。
【００４２】
しかしながら、このような通常のツェルニ・ターナ型分光器の配置構成では、光の分散方向と垂直な方向に光が伸びてしまい、これにより輝度が低下するという問題がある。
【００４３】
本実施の形態に係る仕事関数顕微鏡の分光器では、入射スリット６から見て最初に配置されている球面鏡を非球面鏡としている。非球面鏡とすることにより、収差を低減することができ、出射スリット１６における像の広がりを抑えることができる。
【００４４】
図３は、ダブルモノクロメータ３に設けられた出射スリット１６上のイメージを説明するための図である。グラフｇ１は、入射スリット６を通過する直径０．５ｍｍの光線のイメージを示している。グラフｇ５は、ダブルモノクロメータ３に球面鏡を使用した従来の構成の場合の出射スリット１６上のイメージを示している。グラフｇ３は、ダブルモノクロメータ３の球面鏡のうちの１つを非球面鏡とした本実施の形態の構成の場合の出射スリット１６上のイメージを示している。グラフｇ１・ｇ３・ｇ５の横軸及び縦軸の単位はｍｍである。横軸方向が分散方向である。
【００４５】
出射スリット１６上においては、分散方向と垂直な縦軸方向に像が伸びて、輝度の低下が生じる。グラフｇ５に示すように、球面鏡を使用した場合は、分散方向と垂直な縦軸方向への像の伸びが顕著であり、縦軸方向に７ｍｍ程度まで広がっている。これに対して、非球面鏡を用いた場合は、グラフｇ３に示すように、縦軸方向に若干伸びているが、ほぼ円形の像となっており、輝度をほとんど低下させることなく、入射スリット６上の像を出射スリット１６上に結ぶことができる。
【００４６】
グラフｇ６・ｇ２・ｇ４は、グラフｇ５・ｇ１・ｇ３の横軸方向に沿った断面における輝度分布をそれぞれ示している。グラフｇ７は、グラフｇ５・ｇ１・ｇ３の縦軸方向に沿った断面における輝度分布を示している。グラフｇ６・ｇ７に示されるように、球面鏡を使用した場合は、グラフｇ５において縦軸方向に像が広がった分だけ、入射スリット上の像に比べて輝度が大きく低下しており、非球面鏡を用いたグラフｇ３の場合の輝度約８０と比較して、約８分の１の輝度約１０程度に低下している。非球面鏡を用いたグラフｇ３の輝度約８０の場合は、入射スリット上の輝度約９０の場合の９割程度となっており、本実施の形態によれば、高輝度紫外光ランプ２からの光を、取り込み角の範囲内でほとんど損失なく試料２２に照射することができる。
【００４７】
図４は、仕事関数顕微鏡１による試料２２のＰＥＥＭ像を説明するための図である。図４に示される上側の２つのＰＥＥＭ像ｉ１・ｉ２は、視野径１５０μｍのＰＥＥＭ像である。下側の２つのＰＥＥＭ像ｉ３・ｉ４は、視野径５０μｍのＰＥＥＭ像である。左側の２つのＰＥＥＭ像ｉ２・ｉ４が、従来の高輝度水銀ランプからの光に基づくＰＥＥＭ像である。右側の２つのＰＥＥＭ像ｉ１・ｉ３が、本実施の形態に係るダブルモノクロメータ３により分光した光に基づくＰＥＥＭ像である。
【００４８】
試料２２は、Ｐｂを蒸着したＷ（１１０）である。ＰＥＥＭ像ｉ１・ｉ２・ｉ３・ｉ４において白い点として観察されるものが、３次元のＰｂ島である。
【００４９】
ダブルモノクロメータ３により分光した光の波長は、２２０．０５ｎｍ（＝５．６５ｅＶ）である。入射スリット６は１ｍｍとし、中間スリット１１は４ｍｍとし、出射スリット１６は０．９７５ｍｍとした。
【００５０】
このダブルモノクロメータ３の逆線分散は、０．２２ｎｍ／ｍｍである。このため、分光した光のバンド幅は、２．１５ｎｍ（＝０．０６ｅＶ）である。水銀ランプを使用し、視野径１５０μｍのＰＥＥＭ像ｉ２の撮像時間は０．８８秒（溜め込み０．２２秒×４枚で平均）であった。ダブルモノクロメータ３による分光光を使用し、視野径１５０μｍのＰＥＥＭ像ｉ１の撮像時間は４分（溜め込み１分×４枚で平均）であった。水銀ランプを使用し、視野径５０μｍのＰＥＥＭ像ｉ４の撮像時間は０．８８秒（溜め込み０．２２秒×４枚で平均）であった。ダブルモノクロメータ３による分光光を使用し、視野径５０μｍのＰＥＥＭ像ｉ３の撮像時間は４０分（溜め込み１０分×４枚で平均）であった。
【００５１】
ダブルモノクロメータ３は、試料２２への光の照射位置を調整するために、移動可能に構成されている。ダブルモノクロメータ３によって分光された光の光路には、分光光の強度をモニタするフォトダイオード（図示せず）が設けられている。フォトダイオードには新たに追加したレンズを介して分光光が入射するように構成されており、ＰＥＥＭ像の観察に不必要な部分の光をできる限り効率よくモニタすることができるように構成されている。
【００５２】
図５は、仕事関数顕微鏡１に設けられた無収差結像レンズ系のスポット径を説明するための図である。無収差結像レンズ系１８は、球面収差と色収差との双方を除去したレンズ系である。無収差レンズ１８ａ・１８ｂをＣａＦ２製のレンズによって構成し、収差を除去している。無収差レンズ１８ａ・１８ｂには、透過率を向上させるために、反射防止膜をコートしている。構成した無収差結像レンズ系１８の特性を図５に示す。即ち、無収差結像レンズ系１８に入射する光のスポット径を０．５ｍｍとし、そこから発散角１３．４°（Ｆ４．３、Ｆ：分光器のＦ値）で光を出射して、２組のレンズにより集光した場合のスポット径を、いくつかの波長で計算した結果を示している。上段は、２枚レンズによって無収差結像レンズ系１８を構成した場合のスポット径を示しており、下段は、３枚レンズによって無収差結像レンズ系１８を構成した場合のスポット径を示している。
【００５３】
２枚レンズによって無収差結像レンズ系１８を構成した場合は、波長λ＝３００ｎｍのときはスポット径は０．５２２ｍｍであるが、波長λ＝２６０ｎｍになるとスポット径は０．８６８ｍｍに増大し、さらに波長λ＝２３０ｎｍになるとスポット径は１．２７４ｍｍにさらに増大する。また、波長λ＝３４０ｎｍになるとスポット径は０．７０２ｍｍに増大し、さらに波長λ＝３８０ｎｍになるとスポット径は０．８５４ｍｍにさらに増大する。このように、２枚レンズでは、波長の変化に応じてスポット径が大きく変化し、色収差を完全には除去することができない。
【００５４】
これに対して３枚レンズによって無収差結像レンズ系１８を構成した場合は、波長λ＝３００ｎｍのときのスポット径は０．５２７ｍｍであり、波長λ＝２６０ｎｍになってもスポット径は０．５３３ｍｍと、ほとんど変化せず、さらに波長λ＝２３０ｎｍになってもスポット径は０．５０５ｍｍでほとんど変化しない。また、波長λ＝３４０ｎｍになってもスポット径は０．５１０ｍｍと、ほとんど変化せず、さらに波長λ＝３８０ｎｍになってもスポット径は０．５１４ｍｍでほとんど変化しない。このように、３枚レンズによって無収差結像レンズ系１８を構成すると、入射する光のスポット径の波長依存性がほとんどなくなり、かつ、スポット径の広がりもほとんどないことがわかる。この結果に基づいて、本実施の形態に係る無収差結像レンズ系１８は、３枚レンズによって構成している。
【００５５】
図６（ａ）（ｂ）は、無収差結像レンズ系の透過率を説明するための図である。反射防止膜は、無収差レンズ１８ａ・１８ｂの他、無収差レンズ１７ａ・１７ｂにもコートしている。この反射防止膜は、耐熱的にも問題がないので、試料２２の直前の真空中に配置された無収差レンズ１８ｂにも適用することができる。反射防止膜をコートしない無収差レンズの透過率は、２面で約９６％である。これに対して、反射防止膜をコートすると、透過率は、２面で約９８．５％以上に向上する。２枚の組み合わせ無収差レンズの透過率は、２枚１組で、図６（ａ）に示すように、９２．２％から９７％に改善される。３枚の組み合わせ無収差レンズの透過率は、８８．５％から９５．６％に改善される。
【００５６】
図１に示す本実施の形態に係る仕事関数顕微鏡１では、高輝度紫外光ランプ２から試料２２までの間に合計４組の無収差レンズ１７ａ・１７ｂ・１８ａ・１８ｂを光が通る。このため、各無収差レンズ１７ａ・１７ｂ・１８ａ・１８ｂを２枚レンズによって構成すると、全体として、反射防止膜無しでは７２．１％であった透過率が、８８．６％に向上する。各無収差レンズ１７ａ・１７ｂ・１８ａ・１８ｂを３枚レンズによって構成すると、反射防止膜無しでは６１．３％であった透過率が、反射防止膜をコートすることにより、８３．４％に向上する。
【００５７】
本実施の形態の分光器は、前段分光ユニット４と後段分光ユニット５とを有するダブルモノクロメータ３によって構成されているので、迷光を低減することができる。例えば、分光器をシングルモノクロメータによって構成すると、迷光は１×１０−４以下であるのに対し、ダブルモノクロメータ３によって構成すると、迷光は１×１０−９以下に低減する。
【００５８】
ダブルモノクロメータには、加分散タイプと零分散タイプとがある。分解能の観点から見れば、加分散タイプの方が有利であるが、加分散タイプは分解能が優れている分だけバンド幅が狭くなり、光強度が落ちる。仕事関数顕微鏡では輝度の高い光源が必要であるため、本実施の形態のダブルモノクロメータ３は、零分散タイプによって構成している。
【００５９】
輝度については、無収差レンズを組み合わせることにより、高輝度化を図っている。無収差レンズは、高輝度紫外光ランプ２からの光に基づく像を入射スリット６に結像する無収差結像レンズ系１７と、出射スリット１６の像を試料２２上に結像する無収差結像レンズ系１８との２箇所で用いている（無収差レンズ１７ａ・１７ｂ・１８ａ・１８ｂ）。
【００６０】
可動式の光路切替ミラー２１で光路を切り替えるように構成することにより、水銀ランプ１９を高輝度紫外光ランプ２と併用することができる。
【００６１】
仕事関数を測定するためには、２２０ｎｍ（５．６５ｅＶ）〜３５０ｎｍ（３．５５ｅＶ）程度の波長域をカバーする必要がある。水銀ランプでは、２５０ｎｍ付近から短波長で急激な強度の減少が生じるので、仕事関数を測定するために使用することはできない。
【００６２】
本実施の形態では、高輝度紫外光ランプ２からの光により仕事関数を測定する。高輝度紫外光ランプ２からの光の発光スペクトルでは、１６０ｎｍ付近に非常に強い線があり、長波長側では、なだらかに光の強度が下がっていく。
【００６３】
市販の高輝度紫外光ランプには、３０Ｗのものと１５０Ｗ（ないしは２００Ｗ）のものがある。高輝度紫外光ランプの光源の大きさは、アパーチャサイズによって決まる。３０Ｗの高輝度紫外光ランプではアパーチャサイズが直径０．５ｍｍであり、１５０Ｗクラスの高輝度紫外光ランプであると、アパーチャサイズが直径１ｍｍである。１５０Ｗの高輝度紫外光ランプの方が強度自身は強いが、輝度で考えると両者の差はほとんどないか、むしろ３０Ｗの方が高い場合もある。
【００６４】
本実施の形態では、アパーチャサイズの小さな１５０Ｗクラスの高輝度紫外光ランプによる構成も検討したが、熱的に殆ど不可能であり、また、１５０Ｗクラスになると、ランプ自身がかなり大型になり、水冷も必要になってくる。このため、本実施の形態では、３０Ｗの高輝度紫外光ランプを光源として採用した。
【００６５】
ダブルモノクロメータ３で用いるグレーティング９・１３の候補として、１２００本／ｍｍでブレーズ波長が２００ｎｍのものと、１８００本／ｍｍでブレーズ波長が２５０ｎｍのものがあった。このどちらを選択するかにあたり、光の強度及び分解能の両者で検討を行った。
【００６６】
光の強度は、グレーティングの回折効率によって決まる。波長２３０ｎｍでは、１８００本／ｍｍのグレーティングは、１２００本／ｍｍのグレーティングよりも、約１．３倍強度が大きい。波長３００ｎｍでは、１８００本／ｍｍのグレーティングは、１２００本／ｍｍのグレーティングよりも、約１．４６倍強度が大きい。
【００６７】
実際に得られる光の強度は、上記の回折効率と波長分散によるバンド幅の違いにより決まる。１２００本／ｍｍのグレーティングと１８００本／ｍｍのグレーティングとの間の分散比は、１：１．５である。本実施の形態の零分散タイプのダブルモノクロメータ３では、この分散比がそのまま使えるので、分散による光量は、１２００本／ｍｍのグレーティングの方が１．５倍大きいことになる。
【００６８】
以上の回折効率、分散比から、１２００本／ｍｍのグレーティングの光量を１とすると、１８００本／ｍｍのグレーティングの光量は、
２３０ｎｍにおいて、（１．３０／１．５）＝０．８７、
３００ｎｍにおいて、（１．４６／１．５）＝０．９８、
となる。
【００６９】
この結果から、どちらのグレーティングを用いても、光の強度的には、さほど大きな違いがないことがわかる。
【００７０】
モノクロメータの分解能は、出射スリット上でのスペクトルの広がり（逆線分散）とスリット幅とによって決まる。零分散タイプのダブルモノクロメータの場合、１２００本／ｍｍのグレーティングの逆線分散は、３．２ｎｍ／ｍｍであり（波長が２５０ｎｍで０．０６ｅＶ／ｍｍ）、１８００本／ｍｍのグレーティングでは、２．２ｎｍ／ｍｍである（波長が２５０ｎｍで０．０４ｅＶ／ｍｍ）。当然の結果として、１８００本／ｍｍのグレーティングの方が、分解能が高いことが分かる。
【００７１】
上述した光の強度と分解能とから総合的に判断して、本実施の形態では、１８００本／ｍｍでブレーズ波長が２５０ｎｍのグレーティングによって、グレーティング９・１３を構成した。
【００７２】
図７（ａ）は、本実施の形態に係る仕事関数顕微鏡によるイメージ像（スリット像）を示す図であり、図７（ｂ）は、従来の仕事関数顕微鏡によるイメージ像を示す図である。図７（ａ）（ｂ）ともに、光源サイズは０．５ｍｍであり、１８００本／ｍｍのグレーティングを使用し、光源からの光の波長は２５０ｎｍである。完全に焦点が合った位置の出口スリット像が示されている。図７（ａ）（ｂ）において、縦方向が波長方向である（後に説明する像もすべて同じである）。図７（ａ）（ｂ）に示す像は、全体が約０．５ｍｍの大きさである。図７（ｂ）に示すイメージ像は、球面鏡による従来の構成の場合の像であり、図７(ａ)に示す本実施の形態のイメージ像よりも波長方向に伸びていることが判る。
【００７３】
図８（ａ）は、本実施の形態に係る仕事関数顕微鏡によるスポット像を示す図であり、図８（ｂ）は、従来の仕事関数顕微鏡によるスポット像を示す図である。光源は点光源である。１８００本／ｍｍのグレーティングを使用し、光源からの光の波長は２５０ｎｍである。
【００７４】
図８（ａ）に示すスポット像は、点光源を出口スリット付近に投影した時の像である。やはり、縦方向が波長方向である。正方形の枠は、０．１ｍｍ（１００μｍ）の大きさである。５個の正方形のうちの中央の正方形枠内には、点光源を焦点位置に投影したときの像が示されている。左の２個の正方形枠内には、出口スリットの手前に投影したときの像が示されている。最も左側の正方形枠内の像は、分光器内の光位置スリットよりも１ｍｍ（１０００μｍ）手前に投影したときの像であり、左から２番目の正方形枠内の像は、０．５ｍｍ（５００μｍ）手前に投影したときの像である。焦点位置に投影したときは、像は０．１ｍｍの正方形枠内に入っている。投影位置が焦点からずれると、図８（ａ）に示すように、スポット像が大きくなり、正方形枠からはみ出すが、図８（ｂ）に示す従来の構成によるスポット像と比較すると、はみ出しの程度は、はるかに小さく、ぼけの程度がはるかに小さいことは一目瞭然である。
【００７５】
図８（ｂ）に示す従来の球面鏡による構成に基づくスポット像は、点光源を焦点位置に投影したときでも、０．１ｍｍの正方形枠内からはみ出る。投影位置が焦点からずれると、スポット像は、急激にぼやける。
【００７６】
図９（ａ）は、従来の仕事関数顕微鏡による他のイメージ像（スリット像）を示す図であり、図９（ｂ）は、本実施の形態に係る仕事関数顕微鏡による他のイメージ像（スリット像）を示す図である。１８００本／ｍｍのグレーティングを使用し、光源からの光の波長は２５０ｎｍである。図９（ａ）に示すように、従来の構成（通常の球面鏡による構成）によるスリット像は、大きく縦伸びしていることが判る。
【００７７】
図１０（ａ）は、従来の仕事関数顕微鏡による他のスポット像を示す図であり、図１０（ｂ）は、本実施の形態に係る仕事関数顕微鏡による他のスポット像を示す図である。１８００本／ｍｍのグレーティングを使用し、光源からの光の波長は２５０ｎｍである。
【００７８】
前述した図９（ａ）（ｂ）に示すスリット像が、焦点位置をずらした場合、それぞれ、どのように変化するかを示したものが、図１０（ａ）（ｂ）である。図１０（ａ）（ｂ）のそれぞれの５個の正方形枠内に点像が示されているが、中央の正方形枠が焦点位置である。それぞれ光軸方向に±５ｍｍおよび±１０ｍｍずらした場合の点像が示されている。図１０（ａ）（ｂ）の正方形枠の大きさは縦横とも５ｍｍである。図１０（ａ）（ｂ）に示される矢印方向は、波長方向を表している。この矢印方向に対して垂直な方向がスリット方向である。
【００７９】
図１１は、本実施の形態に係る分光器の出射スリットを１対１で結像させたときの収差図である。１枚目のレンズで光をコリメートし、２枚目のレンズで集光する。どちらのレンズも焦点距離は８０ｍｍである。レンズのＷ．Ｄ．は７０ｍｍ以上であり、レンズ外径は３０ｍｍ以下である。１枚目のコリメートレンズでコリメートした後のビーム径は、分光器のＦ値が４．３（拡がり角度：全角１３．４°）であり、レンズの焦点距離が８０ｍｍなので、約９．３ｍｍである。この光を焦点距離８０ｍｍのレンズで集光させたときの収差図を示している。
【００８０】
図１２は、本実施の形態に係る分光器の出射スリットを１対１で結像させたときの収差図（波長３００ｎｍ）である。図１３は、波長２３０ｎｍのときの収差図である。図１４は波長３８０ｎｍのときの収差図を示しており、図１５は波長２６０ｎｍのときの収差図を示している。図１６は、波長３４０ｎｍのときの収差図を示している。
【００８１】
本実施の形態では、入射スリット６から見て最初に配置されている球面鏡を非球面鏡とした例を示したが、本発明はこれに限定されない。すべての球面鏡を非球面鏡としてもよいし、また、入射スリット６から見て最後に配置されている球面鏡を非球面鏡としてもよい。すなわち、分光器内に配置されている球面鏡のうちの少なくとも１つの球面鏡を非球面鏡とすれば収差が減少し、出射スリット１６における像の広がりを抑えることができる。
【００８２】
また、非球面鏡の例としてトロイダル鏡の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。トロイダル鏡以外の非球面鏡であっても、収差が減少し、出射スリット１６における像の広がりを抑えることができる。容易に作製することができる点で、トロイダル鏡が好ましい。
【００８３】
図１７は、本実施の形態に係る光電子顕微鏡３１の構成を示す模式図である。前述した球面収差と色収差との双方を除去した３枚レンズは、光電子顕微鏡３１に対しても適用することができる。
【００８４】
水銀ランプ、重水素ランプ並びにこれらと同等のランプ等の光源３２から発した紫外線波長領域の光線は、一対の非球面レンズからなるコンデンサレンズ３３を通過して平行光線となり、その後、光源ハウジング３４内を経由して、透過窓３５を介して真空チャンバ３７内に進行し、集光レンズ３８により、試料３９の表面に集光した状態で照射される。透過窓３５は、図示しない排気機構により１０−７Ｐａ未満の超高真空の圧力状態に維持される真空チャンバ３７との間の隔壁３６に設けられる。この透過窓３５は、平板形状の石英窓で構成されるため、コンデンサレンズ３３で平行光線となった紫外光は、透過窓３５で進路を変えることなく、平行光線のまま集光レンズ３８に入射する。
【００８５】
集光レンズ３８を、前述の球面収差と色収差との双方を除去した３枚レンズによって構成すると、球面収差と色収差との双方が除去され、高輝度の光電子顕微鏡を実現することができる。また、コンデンサレンズ３３を、球面収差と色収差との双方を除去した３枚レンズによって構成してもよい。
【００８６】
なお、本実施の形態では、３枚レンズまたは２枚レンズにより球面収差と色収差との双方を除去する構成を示したが、本発明はこれに限定されない。４枚以上のレンズによって球面収差と色収差との双方を除去するように構成してもよい。
【００８７】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、光を放出する光源と、光源から放出された光を分光して試料表面に導き、試料表面の仕事関数に応じた光電子放出を生じさせる分光器と、分光器からの光が照射された試料表面の仕事関数に応じて生じた光電子放出に基づいて、試料表面のコントラスト画像を生成する光放出電子顕微鏡ユニットとを備えた仕事関数顕微鏡、及び光電子顕微鏡に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本実施の形態に係る仕事関数顕微鏡の構成を示す模式図である。
【図２】上記仕事関数顕微鏡に設けられたダブルモノクロメータ内の光線図である。
【図３】上記ダブルモノクロメータに設けられた出射スリット上のイメージを説明するための図である。
【図４】上記仕事関数顕微鏡による試料のＰＥＥＭ像を説明するための図である。
【図５】上記仕事関数顕微鏡に設けられた無収差結像レンズ系のスポット径を説明するための図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は、上記無収差結像レンズ系の透過率を説明するための図である。
【図７】（ａ）は、本実施の形態に係る仕事関数顕微鏡によるイメージ像を示す図であり、（ｂ）は、従来の仕事関数顕微鏡によるイメージ像を示す図である。
【図８】（ａ）は、本実施の形態に係る仕事関数顕微鏡によるスポット像を示す図であり、（ｂ）は、従来の仕事関数顕微鏡によるスポット像を示す図である。
【図９】（ａ）は、従来の仕事関数顕微鏡による他のイメージ像を示す図であり、（ｂ）は、本実施の形態に係る仕事関数顕微鏡による他のイメージ像を示す図である。
【図１０】（ａ）は、従来の仕事関数顕微鏡による他のスポット像を示す図であり、（ｂ）は、本実施の形態に係る仕事関数顕微鏡による他のスポット像を示す図である。
【図１１】本実施の形態に係る分光器の出射スリットを１対１で結像させたときの収差図である。
【図１２】本実施の形態に係る分光器の出射スリットを１対１で結像させたときの収差図（波長３００ｎｍ）である。
【図１３】本実施の形態に係る分光器の出射スリットを１対１で結像させたときの収差図（波長２３０ｎｍ）である。
【図１４】本実施の形態に係る分光器の出射スリットを１対１で結像させたときの収差図（波長３８０ｎｍ）である。
【図１５】本実施の形態に係る分光器の出射スリットを１対１で結像させたときの収差図（波長２６０ｎｍ）である。
【図１６】本実施の形態に係る分光器の出射スリットを１対１で結像させたときの収差図（波長３４０ｎｍ）である。
【図１７】本実施の形態に係る光電子顕微鏡の構成を示す模式図である。
【図１８】Ｃｕ／Ｗ（１１０）のＰＥＥＭ像を示す図である。
【図１９】Ｃｕ／Ｗ（１１０）の被覆率に対する仕事関数の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９０】
１    仕事関数顕微鏡
２    高輝度紫外光ランプ（光源）
３    ダブルモノクロメータ（分光器）
４    前段分光ユニット
５    後段分光ユニット
６    入射スリット
７    トロイダル鏡（非球面鏡、第１反射手段）
８    平面鏡（第１反射手段、第１平面鏡）
９    グレーティング（回折格子、前段回折格子）
１０  球面鏡（第２反射手段、第１球面鏡）
１１  中間スリット
１２  球面鏡（第２球面鏡）
１３  グレーティング（後段回折格子）
１４  平面鏡（第２平面鏡）
１５  球面鏡（第３球面鏡）
１６  出射スリット
１７  無収差結像レンズ系
１７ａ、１７ｂ  無収差レンズ
１８  無収差結像レンズ系
１８ａ  無収差レンズ（第１無収差レンズ）
１８ｂ  無収差レンズ（第２無収差レンズ）
１９  水銀ランプ
２０  無収差レンズ
２１  光路切替ミラー
２２  試料
２３  光放出電子顕微鏡ユニット
２４  真空チャンバ
【図１】
2008008852.tif 000003
【図２】
2008008852.tif 000004
【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2008008852.tif 000017
【図１７】
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【図１９】
2008008852.tif 000019
【図４】
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【図１８】
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