(57)【要約】【課題】仕事関数分布測定や磁気ドメイン分布測定など、高分解能測定を確実に行うための光源システムを備えた光電子顕微鏡、及び、この光電子顕微鏡による高感度測定方法を提供する。【解決手段】光源１からの照射光を試料に照射する励起用光源システムを備えた光電子顕微鏡を、試料７が設置される真空チャンバ５と、照射光を試料７の表面に集光する集光レンズ３２とを用い、集光レンズ３２を真空チャンバ５内に収容した構成とする。さらに、光源１を、真空チャンバ５の外部に配置し、光源１からの照射光を略平行光とするコンデンサレンズ２を、光源１と真空チャンバ５との間に設置し、真空チャンバ５をシールしたまま照射光を透過する透過窓６を、コンデンサレンズ２と集光レンズ３２との間に設置しても良い。そして、さらに、コンデンサレンズ２と透過窓６との間に、照射光の波長を選択する回折格子や照射光の円偏光の向きを選択する偏光フィルタを用いることにより、試料表面での仕事関数分布や磁気ドメイン分布の高分解能測定が可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの照射光を試料に照射する励起用光源システムを備えた光電子顕微鏡であって、
前記試料が設置される真空チャンバと、
前記照射光を前記試料の表面に集光する集光レンズと、
を具備し、
該集光レンズが前記真空チャンバ内に収容されることを特徴とする光電子顕微鏡。
【請求項２】
前記光源は、前記真空チャンバ外部に配置され、
前記光源と前記真空チャンバとの間に設置されると共に前記光源からの照射光を略平行光とするコンデンサレンズと、
該コンデンサレンズと前記集光レンズとの間に設置されると共に前記真空チャンバをシールしたまま前記照射光を透過する透過窓と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光電子顕微鏡。
【請求項３】
前記コンデンサレンズと前記透過窓との間に設置され、前記照射光の特性を調整する調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の光電子顕微鏡。
【請求項４】
前記調整手段は、前記照射光の波長を選択する回折格子から成ることを特徴とする請求項３に記載の光電子顕微鏡。
【請求項５】
前記調整手段は、前記照射光の円偏光の向きを選択する偏光フィルタから成ることを特徴とする請求項３に記載の光電子顕微鏡。
【請求項６】
前記光源は、波長の異なる略単一波長光線をそれぞれ発する複数の光源の集合体から成り、前記複数光源のそれぞれが選択可能に設置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電子顕微鏡。
【請求項７】
前記光源は、広域波長帯中の特定波長光線を選択可能に発することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電子顕微鏡。
【請求項８】
前記光源は、水銀ランプまたは重水素ランプの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項４または請求項６乃至８のいずれかの光電子顕微鏡を用いた測定方法であって、
前記光源からの照射光を、前記集光レンズにより集光して前記試料に照射するステップと、
前記回折格子により前記照射光の波長を選択するステップと、
前記波長に対応して前記試料から放出される光電子を結像するステップと、
を含み、
前記試料表面の仕事関数分布を数値表示することを特徴とする光電子顕微鏡測定方法。
【請求項１０】
請求項５乃至８のいずれかの光電子顕微鏡を用いた測定方法であって、
前記光源からの照射光を、前記集光レンズにより集光して前記試料に照射するステップと、
前記偏光フィルタにより前記照射光の円偏光の左右を選択するステップと、
前記左右円偏光のいずれかに対応して前記試料から放出される光電子を結像するステップと、
を含み、
前記試料表面の磁気ドメイン分布を測定することを特徴とする光電子顕微鏡測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電子顕微鏡に関し、特に、光電子顕微鏡の光源システムに関する。さらに、本発明は、この光源システムを搭載した光電子顕微鏡による測定方法に関する。光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）は光電効果を利用して試料表面の状態観察を可能にしたものである。照射する電磁波の種類の違いにより他装置として分類されるＸ線光電子顕微鏡（ＸＰＥＥＭ）の光源システムも、光電子顕微鏡の光源システムと原理的に同等である。この意味で、本発明で使用される光源システムは、Ｘ線光電子顕微鏡（ＸＰＥＥＭ）用のものも含む。
【背景技術】
【０００２】
光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）の測定は、金属などの試料表面に水銀あるいは重水素ランプ光若しくは同等の光を照射したときに発生する低速光電子から作成される試料表面のコントラスト画像により行う。その測定原理は、試料表面構成原子の仕事関数以上のエネルギーを有する光を試料表面に照射するときに、光電子効果により、その仕事関数に関係した光電子放出が生じることを利用するものである。これにより、試料表面の注目領域内に原子構造的不均衡や吸着分子などが存在する場合に、これに伴って生じる局所的な光電子発生量の差異が、仕事関数分布に対応するコントラスト像として得られる。
【０００３】
また、励起用光源から試料表面に至る光源システムに偏光フィルタを挿入することにより、磁気偏光二色性を応用した磁気ドメイン分布の測定が可能となる。
【０００４】
そして、この種の顕微鏡装置として、光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）やＸ線光電子顕微鏡（ＸＰＥＥＭ）を使用した化学分析複合放出電子顕微鏡装置の発明が公開されている。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００-２１５８４１号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）の励起用光源には、水銀ランプ光（５．１ｅＶ）や重水素ランプ光（６．９ｅＶ）、及び同等程度のエネルギーを持つ光が用いられる場合がある。図１は、従来の光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）において、励起用光源から試料表面に至る光源システムの概略を示すものである。
【０００６】
図１を参照して、水銀ランプから成る光源１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成るコンデンサレンズ２で平行光線となり、その後、付加レンズ３を経たところで光源ハウジング４の外側に脱し、図外の排気機構により１０-7Ｐａ未満に維持される真空チャンバ５の入射路に相当する透過窓６を介して試料７の表面に照射される。紫外光線が照射される際に、上記したように光電子効果により、その仕事関数に相関する光電子放出が生じ、カソードレンズ、コントラストアパーチャ、投影レンズ、ＭＣＰ（マルチチャンネルプレート）など（いずれも図示せず）から成り、放出された低速光電子を蛍光スクリーン上に結像として現すための光学系によりこの光電子が画像として結像する。
【０００７】
図２は、図１の光源システムを用いたときに、試料表面７上に形成した２００μｍ四方の注目領域８に対して照射光がどの程度集光されたかを、コンピュータシミュレーションにより解析したものである。図２から視覚的に分るように、図１の光源システムによる集光性は低く、注目領域８への集光率は、図１の光源１からの全放出光量に対して０．１％に過ぎない。
【０００８】
これは、実機の各種紫外光源として、比較的大きな面積範囲に均一に光照射を行う汎用目的の工業ランプが使用されているためであり、従来のシステムで試料表面に十分な輝度の照射光を得るのは難しい。特に、仕事関数の表面分布測定を行う際に照射光を分別・掃引するための回折格子や、上記した磁気ドメイン分布測定のための偏光フィルタを、光源システムの構成部材として光路に追加する場合、さらに輝度が低下し、所望の高分解能での実時間測定に対する重大な支障となる。即ち、輝度低下を補うためには、測定に長時間を要することになり、実時間測定が困難になる。
【０００９】
一方、この対策として、光源において輝度を増大させることは新たな問題を生じさせる。従来のシステムでは、φ２００μｍ程度とされる注目領域以外の広い面積範囲にも照射光が及ぶ。このため輝度を増大させると、測定部分以外の試料表面や光加熱された試料ホルダから放出ガスが発生し、試料表面周辺での真空度の劣化が生じる。このように、試料表面周囲の清浄環境を妨げる汚染が生じると、例えば、試料表面へのガス吸着の実時間測定を目的とした観察が不可能になる。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑み、仕事関数分布測定や磁気ドメイン分布測定など、高分解能測定を確実に行うための光源システムを備えた光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）を提供し、さらに、この光電子顕微鏡による高感度測定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明は、光源からの照射光を試料に照射する励起用光源システムを備えた光電子顕微鏡の構成に際し、試料を設置した真空チャンバと、照射光を試料表面に集光する集光レンズとを備え、この集光レンズを真空チャンバ内に収容するようにした。
【００１２】
これによれば、光源と試料表面との間に設けた集光レンズにより、試料表面の注目領域を中心としたスポットサイズに照射光が集光することが可能になり、注目領域において高輝度の照射光を得ることができる。そして、回折格子や偏光フィルタの追加設置を行っても、十分な輝度の照射光が得られるため、これにより、仕事関数分布測定や磁気ドメイン分布測定が可能となる。
【００１３】
しかも、光源から試料表面に至る光源システムの構成部材中、少なくとも集光レンズと試料とを１０-7Ｐａ未満の超高真空とした同一真空系内に配置することにより、集光レンズを試料表面に近接して配置することができ、集光レンズと試料との位置関係の自由度が増す。このため、試料表面に対する光源からの照射効率が向上すると共に、試料表面周囲での汚染発生要因が抑制される。
【００１４】
したがって、さらなる高輝度の光が得られることにより、発生する光電子量が増加し、動的及び実時間観察が容易になる。このため、高い分解能を利用した高感度測定を確実に行うことが可能となる。
【００１５】
なお、上記の同一真空系内に収容配置する光源システム部材が集光レンズと試料表面とのみであり、光源が真空系外に配置される場合は、光源からの照射光を略平行光とするコンデンサレンズを、光源と真空チャンバとの間に設置し、さらに、真空チャンバをシールしたまま照射光を透過する透過窓を、このコンデンサレンズと集光レンズとの間に設置する構成をさらに追加する。
【００１６】
これは、コンデンサレンズ設置により照射光の照射効率が向上し、また、真空チャンバの小容積化により排気効率を向上するためである。
【００１７】
また、コンデンサレンズと透過窓との間に、照射光の特性を調整する調整手段をさらに追加設置することにより、特定波長の照射光への分別や偏光光線による照射など、所望特性の照射光を選別することが可能となる。即ち、この調整手段として、照射光の波長を選択する回折格子を用いることにより、試料表面での仕事関数測定が可能となり、また、調整手段として、照射光の円偏光の向きを選択する偏光フィルタを用いることにより、磁気ドメイン分布測定が可能となる。
【００１８】
ところで、上記のように分別した照射光を、所定間隔の特定波長ごとに試料表面に照射することにより、表面での仕事関数分布の測定が可能になる。このような励起用光源として、広域波長帯（例えば１５０〜８００ｎｍの波長帯）中の特定範囲を含む波長光線を用い、調整手段として、回折格子を用いて波長を選択するもの（モノクロメータ等）を利用することができる。若しくは、波長の異なる略単一波長光線をそれぞれ発する複数の光源の集合体を用い、これら複数光源のそれぞれを選択可能に設置することが可能である。
【００１９】
いずれの場合も、複数種類の波長から試料表面への照射光を単一波長に分別し、さらに、分別照射光を選択的に変更することにより、波長を変化させて測定することが可能である。
【００２０】
即ち、所定波長間隔ごとに連続的に変更した照射光を照射することにより、試料表面構成原子に対して、照射光の各波長、即ち、照射光の各エネルギーごとのコントラスト画像を得ることができる。このコントラスト画像の変化から、各波長に対応する仕事関数を求めることができる。
【００２１】
なお、実際の光源には、水銀ランプまたは重水素ランプまたはこれらと同等のランプ、あるいはこれらを組合せたものを用いることが可能である。
【００２２】
さらに、これらの光源システムは、高輝度照射光の確保及び照射効率向上、清浄表面の汚染抑制を実現しており、従来以上に仕事関数測定の感度向上を得る。したがって、このような光源システムを備えた光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）を用い、光源からの照射光を、集光レンズにより集光して試料に照射するステップと、回折格子により照射光の波長を選択するステップと、波長に対応して試料から放出される光電子を結像するステップとを含む測定方法により、従来のコントラスト画像による仕事関数分布測定に留まらず、試料表面の仕事関数分布を数値化して表示することが可能となる。
【００２３】
一方、高輝度照射光の確保及び照射効率向上や清浄表面の汚染抑制を実現した上記の光源システムに、さらに偏光フィルタを設けることにより、磁気偏光二色性を応用した試料表面の磁気ドメイン分布測定も可能となる。即ち、偏光フィルタ付きの光源システムを搭載した光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）を用い、光源からの照射光を、集光レンズにより集光して試料に照射するステップと、偏光フィルタにより照射光の円偏光の左右回転方向を選択するステップと、これら左右円偏光のいずれかに対応して試料から放出される光電子を結像するステップとを含む測定方法により得られる磁気ドメイン分布画像には、コントラスト差がより鮮明に現れる。したがって、近年の集積度向上に伴い、微少化された磁気ドメインサイズでの測定が要望されるメモリデバイスなどの測定にも対応できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光源システムは、少なくとも集光レンズと試料表面とを超高真空の同一真空系内に配置するため、高輝度照射光の確保、照射効率向上、清浄表面の汚染抑制を実現し、試料表面の動的及び実時間観察をはじめ、高い分解能での高感度測定を確実に行うことが可能となる。
【００２５】
したがって、このような光源システムを備えた光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）は、従来のコントラスト画像による仕事関数分布測定に留まらず、その仕事関数の分布状況を絶対値として表示することが可能となる。
【００２６】
また、この光源システムに偏光フィルタを加えたものを搭載した光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）は、磁気偏光二色性を応用した試料表面の磁気ドメイン分布測定においても、感度向上により、コントラスト差がより鮮明に現れた測定画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図３は、本発明の光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）中の光源システムの概略図である。水銀ランプや重水素ランプ並びにこれらと同等のランプなどの光源１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成るコンデンサレンズ２で平行光線となり、その後、光源ハウジング４内経由で透過窓６を介して真空チャンバ５内に進行し、集光レンズ３２により試料７の表面に集光した状態で照射される。透過窓６は、図外の排気機構により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５との間の隔壁３１に設けられる。さらに、この透過窓６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２で平行光線となった紫外光は、透過窓６で進路を変えることなく、平行光線のまま集光レンズ３２に入射する。
【００２８】
図３に示す光源１から試料７に至る光源システムを用いたときに、試料表面７上に形成した２００μｍ四方の注目領域８に対して照射光がどの程度集光されたかを、コンピュータシミュレーションにより解析したものが図４である。ここで、注目領域８への集光率は、図３の光源１からの全放出光量に対して１４％程度に改善している。したがって、試料表面に照射される紫外光の輝度が従来より向上する。このため、コンデンサレンズ２と透過窓６との間に、仕事関数測定用の回折格子（モノクロメータ）や、磁気ドメイン分布測定用の偏光フィルタを追加設置しても、鮮明なコントラスト差を示した画像として結像できる。これは、上記したように、集光による高輝度照射光の確保、試料表面に近接して位置するレンズとの距離短縮による照射効率向上、超高真空環境での清浄表面の汚染抑制などの要因によるためであり、高い分解能での光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）観察が可能となる。
【００２９】
上記の光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）観察は、図３における光源１からの照射光が実質的に単一波長であることが前提となる。このため、試料７の表面での仕事関数分布などの測定には、複数の波長の照射光や連続した波長の照射光を所定の波長間隔に分別し、各波長間隔毎に試料表面に照射する必要がある。このため、図３の光源１は、１５０〜８００ｎｍ、若しくは、この範囲内で所定広域波長帯の光線を発するものが用いられ、さらに、コンデンサレンズ２と透過窓６との間に設けたモノクロメータ（図示せず）により、この広域波長帯中の任意の特定波長が選択される。
【００３０】
なお、光源１を、それぞれ特定の単一波長光線を発する複数の光源で構成し、さらに、これら複数の光源を任意に選択可能としたものを用いることにより、上記と同様に照射光波長の分別及び変更を行うこともできる。
【００３１】
一方、図３の光源システムを搭載した顕微鏡装置により、磁気ドメイン分布測定を行うに際しては、磁気円偏光二色性（ＭＣＤ）を用いる。例えば、光線としてＸ線を用いる場合は、Ｘ線磁気円偏光二色性（ＸＭＣＤ）を用いる。このＸ線磁気円偏光二色性（ＸＭＣＤ）により、ビーム方向に対して垂直方向に上下するアパーチャーを用いて、左円偏光及び右円偏光の光を選択的に取り出すことができる。このような偏光フィルタと光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）装置とを組み合せることにより、磁気ドメインの表面分布をコントラスト結像として得ることができる。即ち、磁気ドメイン測定は、試料表面構成原子に磁場を印加したときに、この原子に固有の一対のスピン関数が分裂することを利用するものであり、これらに対応する吸収端のそれぞれに相当するエネルギーのＸ線磁気円偏光二色性（ＸＭＣＤ）により励起した場合に現れる鮮明なコントラスト像の差分像として表面分布を観察することができる。
【００３２】
図５及び図６は、上記した光源システムを搭載した光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）装置の上面図及び正面断面図である。図５を参照して、光源ハウジング４は、水銀ランプハウジング５１とトランスファチューブ５２とにより構成され、また、光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）チャンバ５３内は、１０-7Ｐａ未満の超高真空に維持される。そして、トランスファチューブ５２と光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）チャンバ５３とは石英透過窓６を介して接続される。
【００３３】
さらに、図６を参照して、水銀ランプハウジング５１内に水銀ランプ１とコンデンサレンズ２とが同一光軸上に配置され、トランスファチューブ５２内の光軸延長上に石英透過窓６が配置される。光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）チャンバ５３内の光軸延長上に試料７が置かれ、試料７の表面から放出される低速光電子が光学系６１で結像される。
【００３４】
そして、図６において仕事関数測定用の回折格子（モノクロメータ）はトランスファチューブ５２内に設けられる。また、磁気ドメイン分布測定を行う場合は、トランスファチューブ５２内に偏光フィルタが備えられる。
【００３５】
なお、光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）とは照射する電磁波の種類が異なるだけのＸ線光電子顕微鏡（ＸＰＥＥＭ）の光源システムも、光電子顕微鏡のものと原理的に同等である。このため、この光源システムは、光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）用のみに留まらず、Ｘ線光電子顕微鏡（ＸＰＥＥＭ）用のものに対しても適用可能である。
【実施例１】
【００３６】
図３の光源システムを備えた光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）を用い、トランスファチューブ内に設けたモノクロメータにより、エネルギー４．１ｅＶに分別した入射光を試料表面に照射した場合（図７（ａ））、及び、エネルギー４．３ｅＶに分別した入射光を試料表面に照射した場合（図７（ｂ））のそれぞれにおいて、試料表面の仕事関数分布をコントラスト画像として得た。測定試料は、Ｗ（００１）清浄表面に蒸着したＰｂ原子から成る、Ｗ表面のＰｂアイランドである。図７（ａ）と図７（ｂ）との差異部分（白色露光部分）が、試料表面において仕事関数値が４．１〜４．３ｅＶに相当する部分である。
【００３７】
このように本発明の光源システムを備えた光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）観察で鮮明なコントラスト画像が得られるため、仕事関数の絶対値表示が可能であることが分る。
【実施例２】
【００３８】
Ｃｕ（００１）清浄表面に８単原子層のＮｉ原子と１５単原子層のＣｏ原子とによるパターン形成を行った。Ｘ線磁気円偏光二色性（ＸＭＣＤ）-光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）装置を用い、Ｎｉ原子及びＣｏ原子のそれぞれの吸収端に対応するエネルギーのＸ線磁気円偏光二色性（ＸＭＣＤ）にて励起した場合の磁気ドメイン分布のコントラスト像を、それぞれ、図８（ａ）（Ｎｉ原子）及び図８（ｂ）（Ｃｏ原子）に示す。
【００３９】
これらのコントラスト像により、各原子の磁気ドメインが明確に結像されているのが分る。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）の光源システムは、狭義の光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）だけでなくＸ線光電子顕微鏡（ＸＰＥＥＭ）の光源システムにも活用でき、これら顕微鏡装置の分解能向上を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来例の光電子顕微鏡内光源システムを示す概略図
【図２】図１の光源システムの集光性を示すシミュレーション解析図
【図３】本発明の光電子顕微鏡内光源システムを示す概略図
【図４】図３の光源システムの集光性を示すシミュレーション解析図
【図５】本発明の光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）装置の上面図
【図６】本発明の光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）装置の正面断面図
【図７】（ａ）入射光４．１ｅＶの場合のスペクトロスコピックイメージングモードで示す仕事関数分布                                                                  （ｂ）入射光４．３ｅＶの場合のスペクトロスコピックイメージングモードで示す仕事関数分布
【図８】（ａ）Ｎｉ原子の磁気ドメイン分布を示すコントラスト像                        （ｂ）Ｃｏ原子の磁気ドメイン分布を示すコントラスト像
【符号の説明】
【００４２】
１      光源
２      コンデンサレンズ
５      真空チャンバ
６      透過窓
７      試料
８      注目領域
３２    集光レンズ
５３    光電子顕微鏡チャンバ
【図１】
2005106547.tif 000003
【図２】
2005106547.tif 000004
【図３】
2005106547.tif 000005
【図４】
2005106547.tif 000006
【図５】
2005106547.tif 000007
【図６】
2005106547.tif 000008
【図７】
2005106547.tif 000009
【図８】
2005106547.tif 000010