(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を配置する試料台と、
第一の孔が形成されたグラウンド電極と、
第二の孔が形成されたコレクタ電極と、
前記試料台に流れる電流を測定する第一の電流計と、
前記コレクタ電極に流れる電流を測定する第二の電流計とを有し、
前記試料台と前記グラウンド電極はグラウンド電位に接続され、
イオンビームが、前記第一の孔を通過し、次いで、前記第二の孔を通過して前記試料の表面に照射され、前記表面から放出される二次電子を前記コレクタ電極で捕集する表面分析装置であって、
前記コレクタ電極に接続された第一の可変電源と、
前記グラウンド電極に流れる電流を測定する第三の電流計とを有し、
前記イオンビームは、径を変更できるようにされ、
前記試料を加熱しながら前記表面に前記イオンビームを照射できるように構成され、
前記コレクタ電極の前記試料側の面は、凹面鏡に成形された表面分析装置。
【請求項２】
第四の孔が形成された調整用電極を有し、
前記第四の孔を通過した前記イオンビームが前記第一の孔を通過するように構成された請求項１記載の表面分析装置であって、
前記調整用電極に接続された第二の可変電源を有し、
前記イオンビームは、前記第二の可変電源の出力電圧を変更して前記径を変更できるように構成された表面分析装置。
【請求項３】
前記試料台に透光窓を設け、前記試料台後方に赤外線ランプを配置し、該赤外線ランプから放射された赤外線が、前記透光窓を通って前記試料裏面に照射されるように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の表面分析装置。
【請求項４】
前記試料を透過した前記赤外線が前記コレクタ電極の前記凹面鏡で反射され、前記試料に再照射されるように構成された請求項３記載の表面分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面分析装置にかかり、特に、イオンビームを用いた表面分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、表面分析には、試料表面にイオンビームを照射し、試料から放射される二次電子を測定し、評価する装置が使用されている。
図６の符号１０１は、プラズマディスプレイ装置用の保護膜評価に用いられる表面分析装置の一例であり、図面左方には、図示しないイオン源を有している。
【０００３】
イオン源の下流側にはビーム成形器（以下、成形器と呼称）１１１が配置されており、イオン源内で生成され、引き出されたイオンは成形器１１１内に入射し、成形器１１１内でイオンビーム１０５に成形される。
【０００４】
成形器１１１の下流側には、減速器ユニット（１１２〜１１４）が配置され、減速器ユニットはサプレッサ電極１１２、中間電極１１３、最終電極１１４がこの順序で配置されており、成形器１１１内で成形されたイオンビーム１０５は、下流側のサプレッサ電極１１２に向けて放射され、各電極１１２〜１１４に形成された孔を通過し、試料１２１に向けて照射される。
【０００５】
試料１２１前面の、試料１２１と最終電極１１４の間には、グラウンド電極１１５が配置されており、イオンビーム１０５はグラウンド電極１１５に形成された孔と最終電極１１４とで形成された電界によってビーム径が絞られ、試料１２１表面に入射する。
【０００６】
グラウンド電極１１５と試料１２１の間にはコレクタ電極１１８が配置されており、コレクタ１１８には正電圧が印加されている。試料１２１にイオンビーム１０５が照射され、表面から飛び出した二次電子はコレクタ電極１１８で捕集される。
【０００７】
イオンビーム１０５が照射されたときにコレクタ電極１１８に流れる電流をＩC、試料１２１に流れる電流をＩSとすると、試料１２１に照射されたイオンビーム１０５の全電流Ｉionは、
Ｉion ＝ ＩC−ＩS 
で表される。
【０００８】
コレクタ電極１１８と試料１２１に流れる電流Ｉc、Ｉsは測定できるから、イオンビーム１０５の全電流Ｉionが算出でき、それにより、イオンビームに対する二次電子放出比Ｉs／Ｉionを求めることができる。これにより、試料１２１の評価を行うことができる。
【特許文献１】特開平１０−２６１３７８号公報
【特許文献２】実公平６−２２９１６号公報
【非特許文献１】阿川義昭，原泰博，山本佳宏，天野繁、“ＭｇＯ保護膜評価装置の開発”、平成９年度社団法人電気化学会粒子線技術開発研究会資料集第４巻、社団法人電気化学会粒子線技術開発研究会事務局アイオニクス株式会社、平成１０年、ｐ．５１−５５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら上記のような表面分析装置１０１では、グラウンド電極１１５にイオンビーム１０５が当たり、グラウンド電極１１５からも二次電子が放出されてしまう。その二次電子がコレクタ電極１１８に捕集されると、試料１２１の二次電子放出比が不正確になってしまう。
【００１０】
また、コレクタ電極１１８には、試料１２１の電位に対して正電圧が印加され、二次電子を効率的に捕集できるようにされているが、試料１２１が絶縁物の場合、イオンビームの照射により、試料１２１が正電位にチャージアップしてしまい、コレクタ電極１１８との電位差が小さくなると、コレクタ電極１１８の電子捕集効率が落ち、二次電子放出比の測定が不正確になってしまう。
【００１１】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、二次電子放出比を正確に求めることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、試料を配置する試料台と、第一の孔が形成されたグラウンド電極と、第二の孔が形成されたコレクタ電極と、前記試料台に流れる電流を測定する第一の電流計と、前記コレクタ電極に流れる電流を測定する第二の電流計とを有し、前記試料台と前記グラウンド電極はグラウンド電位に接続され、イオンビームが、前記第一の孔を通過し、次いで、前記第二の孔を通過して前記試料の表面に照射され、前記表面から放出される二次電子を前記コレクタ電極で捕集する表面分析装置であって、前記コレクタ電極に接続された第一の可変電源と、前記グラウンド電極に流れる電流を測定する第三の電流計とを有し、前記イオンビームは、径を変更できるようにされ、前記試料を加熱しながら前記表面に前記イオンビームを照射できるように構成され、前記コレクタ電極の前記試料側の面は、凹面鏡に成形された表面分析装置である。
【００１３】
請求項２記載の発明は、第四の孔が形成された調整用電極を有し、前記第四の孔を通過した前記イオンビームが前記第一の孔を通過するように構成された請求項１記載の表面分析装置であって、前記調整用電極に接続された第二の可変電源を有し、前記イオンビームは、前記第二の可変電源の出力電圧を変更して前記径を変更できるように構成されたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の表面分析装置であって、前記試料台に透光窓を設け、前記試料台後方に赤外線ランプを配置し、該赤外線ランプから放射された赤外線が、前記透光窓を通って前記試料裏面に照射されるように構成されたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の表面分析装置であって、前記試料を透過した前記赤外線が前記コレクタ電極の前記凹面鏡で反射され、前記試料に再照射されるように構成されたことを特徴とする。
【００２０】
試料にイオンビームを照射する際、コレクタ電極の前方に配置されたグラウンド電極に流れる電流を測定し、グラウンド電極に電流が流れないようにイオンビームの径を調節すると、グラウンド電極にはイオンビームは照射されず、誤差となる二次電子がグラウンド電極から放出されないようになる。
【００２１】
グラウンド電極とコレクタ電極の間に制御電極を設け、その制御電極にグラウンド電極とコレクタ電極よりも低い電圧を印加すると、グラウンド電極から放出された二次電子はコレクタ電極には到達せず、他方、試料から放出され、コレクタ電極から漏れ出た二次電子はコレクタ電極側に押し戻され、コレクタ電極で捕集されるので、二次電子の放出量を正確に測定することができる。
【００２２】
試料を加熱しながらイオンビームを照射する場合、ガラス基板の抵抗率が低くなるので、試料に蓄積された電荷が流れても、試料の電位の上昇が小さくなる。
【００２３】
試料の後方に赤外線ランプを設け、試料裏面に赤外線を照射して加熱する場合、試料の前方に配置されたコレクタ電極を凹面鏡にしておくと、試料を透過した赤外線が凹面鏡で反射され、集光された状態で試料表面に再照射されるので、試料の加熱効率が向上する。
【００２４】
成形器から放出されたイオンビームを、少なくとも、その成形器に対して負電圧が印加されたサプレッサ電極と、サプレッサ電極に対して正電位のグラウンド電極とを通過させ、試料表面に照射する場合、試料の電位が上昇したときには、サプレッサ電極を成形器とグラウンド電極の中間の電位に置き、成形器からグラウンド電極まで、正の電位勾配を形成させると、試料に電子が放射され、試料に蓄積された正電荷を中和することができる。
【００２５】
他方、試料の周囲に金属を配置しておき、金属の存しない部分にイオンビームを照射するようにすると、試料に蓄積される電荷を金属を介してグラウンド電位に流すことができるので、試料の電位が上昇しないようにすることができる。この金属は、板状の物であっても良いし、試料表面に形成された金属薄膜であってもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、試料の電位が上昇せず、また、上昇した場合でも、試料に蓄積された正電荷を中和することができる。
また、試料から放出される二次電子の捕集効率が高くなり、他方、グラウンド電極から放出される二次電子は捕集しないで済むので、測定精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１を参照し、符号１は、本発明の第１例の表面分析装置を示している。
【００２８】
この表面分析装置１は、図面左方に配置された図示しないイオン源と、そのイオン源の下流側に配置された成形器１１とを有している。イオン源内で生成されたキセノン等の正イオンは、図示しない引き出し電極によって引き出され、成形器１１に向けて照射される。そのイオンは、成形器１１内を通過する際にイオンビーム５に成形され、下流側に向けて照射される。
【００２９】
この表面分析装置１では、成形器１１の下流側には、サプレッサ電極１２と、中間電極１３と、最終電極１４とが配置されている。各電極１２〜１４の中央には、孔が設けられており、成形器１１から放射されたイオンビーム５は、先ず、サプレッサ電極１２の孔に向けて照射される。
【００３０】
成形器１１と、各減速電極１２〜１４には、それぞれ可変電源が接続されており、負電圧が印加されている。図２の符号Ｅ1は、成形器１１から出たイオンビームの電位変化を示しており、成形器１１には−２０ｋＶ、サプレッサ電極１２には−２５ｋＶ、中間電極１３には−１０ｋＶ、最終電極１４には−１ｋＶが印加されている。
【００３１】
最終電極１４の下流側には、グラウンド電極１５が配置されている。グラウンド電極１５は金属が有底円筒形状に成形されて構成されており、底面の略中央部分には、孔２５が設けられている。
【００３２】
グラウンド電極１５は、底面側が最終電極１４側(イオンビーム５の上流方向)に向けられ、開口部側が試料２１側(イオンビーム５の下流方向)に向けてられている。グラウンド電極１５内部には、金属材料が有底円筒形状に成形されたコレクタ電極１８が配置されている。
【００３３】
このコレクタ電極１８も、底面側がイオンビーム５の上流方向に向けられ、開口部側が下流方向に向けられている。
【００３４】
コレクタ電極１８の開口部分には金属製の試料台２０が配置されており、該試料台２０上には測定対象の試料２１が配置されている。試料２１は、透明なガラス基板と、その表面に形成されたＭｇＯ膜とで構成されている。
コレクタ電極１８の底面の、グラウンド電極１５の孔２５と同一軸線上の位置に、孔２６が形成されている。
【００３５】
成形器１１に印加された電圧及び、サプレッサ電極１２〜最終電極１４に印加された電圧が適切であった場合には、イオンビーム５はグラウンド電極１５の孔２５よりも小径に集束され、グラウンド電極１５の孔２５とコレクタ電極１８の孔２６とを通過し、試料２１表面のＭｇＯ膜に照射される。
【００３６】
イオンビーム５の照射により、試料２１表面のＭｇＯ膜から飛び出した二次電子は、試料２１とグラウンド電極１５の間に配置されたコレクタ電極１８で捕集され、二次電子放出比が求められる。
【００３７】
他方、イオンビーム５が孔２５よりも大径であった場合、イオンビーム５の周辺部分は孔２５の周辺部分のグラウンド電極１５に照射されてしまう。図１の符号２９は、孔２５の周辺に照射されたイオンビーム５を示している。イオンビーム５がグラウンド電極１５に照射されると、その部分から二次電子が放出され、コレクタ電極１８に捕集されると測定精度が悪化してしまう。
【００３８】
この表面分析装置１では、グラウンド電極１５は、調整用の電流計３７を介してグラウンド電位に接続されており、イオンビーム５の径が大きく、グラウンド電極１５の孔２５を通過しきれなかった場合には、イオンビーム５のグラウンド電極１５への照射量に応じて、調整用の電流計３７に電流が流れるようになっている。
【００３９】
調整用の電流計３７に電流が流れていない場合には、イオンビーム５はグラウンド電極１５に照射されていないので、逆に、調整用の電流計３７に電流が流れていた場合、中間電極１３に印加する電圧と、最終電極１４に印加する電圧とを調整し、調整用の電流計３７に電流が流れなくなるまでイオンビーム５の径を絞ると、コレクタ電極１８には、グラウンド電極１５から飛び出した二次電子は捕集されず、正確に測定できるようになる。
この場合、中間電極１３に印加する電圧と最終電極１４に印加する電圧の両方を調整してもよいし、いずれか一方の電極に印加する電圧だけを調整してもよい。
【００４０】
この表面分析装置１では、試料台２０の後方の試料２１裏面位置に、赤外線ランプ３０が配置されている。試料台２０中央部分には、孔から成る透光窓２７が設けられている。
【００４１】
赤外線ランプ３０は、フィラメント３１と集光鏡３２とを有しており、フィラメント３１に通電され、放射された赤外線３５は、図３に示すように、直接又は集光鏡３２で反射され、透光窓２７を通過し、基板２１裏面に照射されるように構成されている。
【００４２】
試料２１のガラス基板は絶縁物であり、その表面に形成されたＭｇＯ膜も絶縁物である。従って、ＭｇＯ膜表面にイオンビームを照射した場合、チャージアップしてしまう。
【００４３】
ガラス基板がソーダライムガラスの場合、比抵抗は、室温では１０13Ωｃｍ程度になる。大きさが２５ｍｍ×２５ｍｍ、厚みが２ｍｍの場合、厚み方向の抵抗値は、
１０13×０．２／(２．５×２．５)＝３．２×１０11Ω
となる。
【００４４】
試料２１に流れる電流が６０ｎＡ程度であるとすると、表面電位は、
３．２×１０11×６０ｎＡ＝１．９×１０4Ｖ(＝１９ｋＶ)
となる。１００〜１０００ｅＶのイオンビームは、試料２１表面に到達できず、ＭｇＯ膜の表面分析を行うことはできない(実際には、試料２１の表面電位は、最大でもイオンビームの入射電圧までしか上昇しないので、１９ｋＶの電位になることはない。)。
【００４５】
この表面分析装置１では、予めフィラメント３１に通電し、赤外線３５を放射させ、試料２１を昇温させている。また、試料２１がガラス基板であり、赤外線３５が透過してしまい、加熱の効率が低下するので、コレクタ電極１８の底面の試料２１に面する部分は凹状に成形され、表面には金薄膜が成膜され、凹面鏡１９が構成されている。
【００４６】
従って、試料２１を透過した赤外線３５は、凹面鏡１９で反射され、集光された状態で、試料２１表面に再照射され、試料２１が効率よく加熱されるように構成されている。
【００４７】
図４に、ソーダライムガラス基板の温度と比抵抗の関係を示す。１００℃程度に加熱した場合、比抵抗は１０10Ωｃｍ程度、３００℃程度まで加熱した場合、１０6Ωｃｍ程度まで低下する。
【００４８】
３００℃まで加熱した場合、試料２１の抵抗値は、
１０6×０．２／(２．５×２．５)＝３．２×１０4Ω
となる。６０ｎＡの電流が流れる場合、
【００４９】
３．２×１０4×６０ｎＡ＝１９２×１０-5Ｖ(＝１．９ｍＶ)
となり、イオンビーム５の入射電圧に比べて充分に小さいので、イオンビーム５により加えられる電荷は、試料２１表面からガラス基板を縦方向に流れ、試料台２０を介してグラウンドに流れる。
【００５０】
試料台２０と赤外線ランプ３０には、熱電対及び温度計４０、３８が取り付けられており、３００℃程度に昇温した後、イオンビーム５を照射するようになっている。
【００５１】
試料２１が加熱されている場合、イオンビーム５が照射された場合でも、その表面の電位はグラウンド電位に近い。従って、試料２１とコレクタ電極１８との間の電位差が大きい。
【００５２】
このように、本表面分析装置１では、試料２１表面がチャージアップすることがなく、集束されたイオンビーム５が試料２１に照射され、試料２１表面で発生した二次電子は、コレクタ電極１８によって効率よく捕集され、コレクタ電極１８と試料２１とにそれぞれ接続された電流計３５、３６により、コレクタ電極１８と試料２１に流れた電流がそれぞれ測定され、二次電子放出比が正確に求められる。
【００５３】
なお、ＭｇＯ膜の比抵抗は小さく、膜厚も１０００  程度と薄いので無視できる。
【００５４】
次に、本発明の他の表面分析装置を説明する。図５の符号２は、その表面分析装置を示しており、上記第１例の分析装置１と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。
【００５５】
この表面分析装置２は、制御電極１７を有している。該制御電極１７は、有底円筒形形状の金属電極であり、グラウンド電極１５内に配置されている。
【００５６】
制御電極１７の底面側は、イオンビーム５の上流方向に向けられており、その内部に、コレクタ電極１８が配置されている。従って、グラウンド電極１５内には、制御電極１７とコレクタ電極１８とが入籠状に配置されている。
【００５７】
制御電極１７の底面には、孔２８が形成されており、グラウンド電極１５、制御電極１７、コレクタ電極１８に形成された各孔２５、２８、２６は、同一中心軸線上に配置されている。従って、サプレッサ電極１２、中間電極１３、最終電極１４を通過したイオンビーム５は、各孔２５、２８、２６内を通過して、試料２１表面に照射される。
【００５８】
この制御電極１７には、可変電源３９が接続されており、負電圧を印加できるように構成されている。制御電極１７に、グラウンド電極１５及びコレクタ電極１８の電位よりも低い電圧を印加すると、イオンビーム５の周辺部分がグラウンド電極１５に衝突して二次電子４４が発生した場合、その二次電子４４は制御電極１７が形成する電界によって押し戻され、コレクタ電極１８に入射しないようになっている。
【００５９】
試料２１表面から放出され、コレクタ電極１８の孔２６から上流側に漏れ出た二次電子４５についても、制御電極１７が形成する電界によって押し戻され、コレクタ電極１８に入射する。従って、グラウンド電極１５から放出される二次電子は測定されず、他方、試料２１から放出された二次電子の捕集効率は高くなる結果、二次電子放出係数が正確に測定される。
【００６０】
グラウンド電極１５の電位をゼロとすると、コレクタ電極１８の電位は正であるから、結局、制御電極１７の電位はグラウンド電極１５よりも低い負電圧を印加すればよく、具体的には−３０〜−５０Ｖ程度の負電圧を印加するのが適当である。
【００６１】
また、試料２１は、金属製の台座２０上に、金属製のクランプ２２によって押しつけられている。符号４１は、試料２１のガラス基板を示しており、その表面には、ＭｇＯ膜４２が形成されている。クランプ２２と、ＭｇＯ膜４２の間にはリング状の金属板５０が配置されており、試料２１は、クランプ２２と金属板５０によって、台座２０に押しつけられるように構成されている。
【００６２】
台座２０は、電流計３６が挿入された状態でグラウンド電位に接続されており、クランプ２２は、台座２０に取り付けられている。従って、金属板５０は、クランプ２２、及び台座２０を介してグラウンド電位に接続されている。ＭｇＯ膜４２にイオンビーム５が照射され、表面に生成した電荷は、ＭｇＯ膜４２表面と接触している金属板５０を通じてグラウンド電位に流れる。従って、金属板５０によって試料２１がチャージアップしにくくなっている。
【００６３】
なお、上記金属板５０は、試料２１とは別体であり、試料２１上に配置したが、試料２１のＭｇＯ膜４２表面に、リング形状の金属薄膜を形成し、クランプ２２をその金属薄膜に当接させてもよい。
【００６４】
次に、イオンビーム５の照射により、試料２１の電位が上昇した場合を説明する。図２の符号Ｅ2は、イオンビーム５照射後の空間電位を示しており、イオンビーム５照射開始時の試料２１の電位はゼロＶであった(符号Ｅ1の空間電位。)のに対し、電圧ＶUだけチャージアップしている。
【００６５】
空間電位Ｅ1、Ｅ2から分かるように、成形器１１の電位が−２０ｋＶであるのに対し、サプレッサ電極１２の電位は−２５ｋＶになっており、成形器１１の電位よりも負方向に大きな電位にされている。このように、成形器１１からサプレッサ電極１２に至る間には負の電位勾配が形成されており、成形器１１を通過した電子は、その電位勾配によって押し戻され、試料２１に到達しないようになっている。
【００６６】
従って、逆に、サプレッサ電極１２を成形器１１よりもグラウンド電位に近づけると、電子はサプレッサ電極１２によって押し戻されないようになる。図２の符号Ｅ3は、−２０ｋＶと−１０ｋＶの成形器１１と中間電極１３に対し、成形器１１の電位をその中間の−１５ｋＶに設定した場合の電位勾配であり、成形器１１とサプレッサ電極１２の間Ｌも、正の電位勾配になっている。この電位勾配Ｅ3は、成形器１１からコレクタ電極１８に至るまで、正になっており、上記のように、試料２１が正電圧にチャージアップした場合であっても成形器１１から放出された電子が正の電位勾配によって加速され、試料２１表面に照射される。その結果、試料２１に蓄積された正電荷が中和され、正のチャージアップが解消される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の表面分析装置の一例を説明するための図
【図２】その装置の空間電位を説明するための図
【図３】試料の加熱方法を説明するための図
【図４】ガラス基板の温度と抵抗率の関係を示すグラフ
【図５】コレクタ電極とグラウンド電極の間に設けた制御電極を説明するための図
【図６】従来技術の表面分析装置を説明するための図
【符号の説明】
【００６８】
１、２……表面分析装置
５……イオンビーム
１１……成形器
１２……サプレッサ電極
１５……グラウンド電極
１７……制御電極
１８……コレクタ電極
１９……凹面鏡
２０……台座
２１……試料
２７……透光窓
２５、２６……孔
３０……赤外線ランプ
３５……赤外線
【図１】
0004629722.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004629722.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0004629722.tif 000007