(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽電子ビームを放出する陽電子ビーム発生源と、
前記陽電子ビーム発生源から放出された陽電子ビームが入射する位置に試料を保持する試料保持手段と、
前記試料の表面近傍の空間に、該試料の表面から陽電子を引き出す向きの電界を発生させる電界発生手段と、
前記試料の表面から再放出され、前記電界により加速された陽電子を観測する観測手段と
を有し、
前記電界発生手段は、陽電子に対して仕事関数が正の試料の表面近傍の空間のうち、該試料内の電位よりも電位の高い部分の厚さを、トンネル現象により陽電子が透過できる厚さにする大きさの電界を発生させる陽電子再放出顕微鏡。
【請求項２】
前記観測手段が、陽電子の衝突により画像を生成するスクリーンを含み、
さらに、前記試料表面から再放出された陽電子のビームを、前記スクリーン上に拡大投射する電子レンズを有する請求項１に記載の陽電子再放出顕微鏡。
【請求項３】
前記試料が針状の尖端を含み、前記電界発生手段が、前記試料の尖端から放射状に広がった電界を発生させる請求項１または２に記載の陽電子再放出顕微鏡。
【請求項４】
陽電子に対して仕事関数が正の試料の表面近傍の空間に、該試料表面から陽電子を引き出す向きの電界を発生させる工程と、
前記試料に陽電子ビームを照射し、該試料表面から陽電子を再放出させる工程と、
前記試料表面から再放出され、前記電界によって加速された陽電子を観測する工程と
を有する陽電子ビームを用いた観察方法。
【請求項５】
前記観測する工程が、前記加速された陽電子のビームを、スクリーン上に拡大投射する工程を含む請求項４に記載の陽電子ビームを用いた観察方法。
【請求項６】
前記試料が針状の尖端を有し、前記電界を発生させる工程において、前記試料の尖端から放射状に広がる電界を印加する請求項４または５に記載の陽電子ビームを用いた観察方法。
【請求項７】
前記電界を発生させる工程において、前記試料の表面近傍の空間のうち、該試料内の電位よりも電位の高い部分の厚さが、トンネル現象により陽電子が透過できる厚さになる強さの電界を発生させる請求項４〜６のいずれかに記載の陽電子ビームを用いた観察方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陽電子再放出顕微鏡及び陽電子ビームを用いた観察方法に関し、特に陽電子に対して正の仕事関数を有する試料を観察するのに適した陽電子再放出顕微鏡及び陽電子ビームを用いた観察方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３（Ａ）に、陽電子再放出顕微鏡の概略図を示す。試料１０１の表面に陽電子ビーム１００が入射する。試料１０１に入射した陽電子は、試料中で減速されて熱化し、拡散して、その一部は試料１０１の反対側の表面まで到達する。
【０００３】
図３（Ｂ）に、試料１０１の表面近傍における陽電子に対するポテンシャル分布を示す。陽電子に対して、試料１０１の仕事関数φが負である場合を考える。ここで、陽電子に対して仕事関数が負とは、陽電子に対する試料内のポテンシャルが真空レベルよりも高い場合をいう。陽電子に対して仕事関数が負の材料として、例えばタングステンやモリブデンが挙げられる。試料１０１の表面よりもやや外側にポテンシャルの谷が形成され、試料表面から遠ざかるに従ってポテンシャルが高くなり、真空レベルに近づく。試料１０１内のポテンシャルが真空レベルよりも高いため、試料１０１の表面に到達した陽電子は、試料表面から外の空間に自然放出される。
【０００４】
図３（Ａ）に示すように、自然放出された陽電子１０２のビームを電子レンズ１０３でスクリーン１０４上に拡大投射する。例えば、試料１０１中に空孔型格子欠陥がある場合には、陽電子の一部が空孔型格子欠陥に捕獲されてしまい、試料表面まで到達しなくなる。従って、スクリーン１０４上に投射された陽電子ビームによる像から、空孔型格子欠陥の分布を知ることができる。
【０００５】
また、試料１０１の表面に不純物が存在する場合には、その不純物によって陽電子の再放出が阻害される。従って、スクリーン１０４に写し出された像により、不純物の分布を知ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の陽電子再放出顕微鏡は、試料表面から陽電子が自然放出される過程を利用している。このため、陽電子に対して仕事関数が負である材料しか観察することができなかった。
【０００７】
本発明の目的は、陽電子に対して仕事関数が正の材料をも観察することが可能な陽電子再放出顕微鏡を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、陽電子ビームを用いて、陽電子に対して仕事関数が正の材料を観察する方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
陽電子ビームを放出する陽電子ビーム発生源と、
前記陽電子ビーム発生源から放出された陽電子ビームが入射する位置に試料を保持する試料保持手段と、
前記試料の表面近傍の空間に、該試料の表面から陽電子を引き出す向きの電界を発生させる電界発生手段と、
前記試料の表面から再放出され、前記電界により加速された陽電子を観測する観測手段と
を有し、
前記電界発生手段は、陽電子に対して仕事関数が正の試料の表面近傍の空間のうち、該試料内の電位よりも電位の高い部分の厚さを、トンネル現象により陽電子が透過できる厚さにする大きさの電界を発生させる陽電子再放出顕微鏡が提供される。
【００１０】
本発明の他の観点によると、
陽電子に対して仕事関数が正の試料に電圧を印加することにより、該試料の表面近傍の空間に、該試料表面から陽電子を引き出す向きの電界を発生させる工程と、
前記試料に陽電子ビームを照射し、該試料表面から陽電子を再放出させる工程と、
前記試料表面から再放出され、前記電界によって加速された陽電子を観測する工程と
を有する陽電子ビームを用いた観察方法が提供される。
【００１１】
試料に入射した陽電子は、減速して熱化し、拡散する。拡散によって試料表面に到達した陽電子は、試料表面から再放出される。試料表面の近傍に電界が発生しているため、陽電子に対して仕事関数が正の材料からも陽電子を再放出させることが可能になる。試料内に格子欠陥等があると、陽電子が格子欠陥等に捕獲され、その部分からは再放出されなくなる。再放出された陽電子を観測することにより、試料の格子欠陥等の状態を知ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）は、本発明の実施例による陽電子再放出顕微鏡の概略図を示す。陽電子ビーム源１から、陽電子ビーム２が放出される。試料保持台３が、試料１０に陽電子ビーム２が照射されるように、試料１０を保持する。試料１０の陽電子に対する仕事関数は正である。陽電子に対する仕事関数が正の材料の例として、シリコンや銀が挙げられる。
【００１３】
試料１０よりも下流側に、電子レンズ５が配置され、その下流側にスクリーン７が配置されている。スクリーン７として、蛍光板や、マイクロチャンネルプレートを有する蛍光板を用いることができる。高電圧電源８が、スクリーン７よりも試料１０の方が高電位になるように、試料１０に正電圧を印加する。高電圧電源８により、試料１０からスクリーン７に向かう電界が発生する。
【００１４】
図１（Ｂ）は、試料１０の表面近傍の、その法線方向に関するポテンシャル分布を示す。試料１０内の陽電子に対する仕事関数φは正である。破線２１が、高電圧電源８による電位分布を表し、破線２０が、高電圧電源８がない場合の電位分布を表し、実線２２が、両者の合成電位分布を表す。
【００１５】
高電圧電源８がない場合には、破線２０で示すように、試料１０の表面よりもやや外側にポテンシャルの谷１５が形成され、試料から遠ざかるに従ってポテンシャルが高くなる。このため、高電圧電源８がない場合には、試料１０の表面から放出された陽電子は、その表面近傍のポテンシャルの谷１５が形成された領域に蓄積され、スクリーン７まで到達しない。
【００１６】
高電圧電源８により電圧を印加すると、実線２２で示すような電位分布となる。すなわち、ポテンシャルの谷１５よりもやや試料表面から遠ざかった位置で、ポテンシャルが極大値を示す。それよりも試料表面から遠ざかると、ポテンシャルは単調に低下する。試料表面からの距離がＬの位置におけるポテンシャルが、試料１０の内部のポテンシャルと等しくなる。
【００１７】
見かけ上の仕事関数の減少分をΔφとすると、減少分Δφは、
【００１８】
【数１】
Δφ＝（ｅＥ／４πε0）1/2
となる。ここで、ｅは電荷素量、Ｅは高電圧電源８による電界の強さ、ε0は真空の誘電率である。
【００１９】
試料１０の表面近傍の電界を強くしていくと、見かけ上の仕事関数（φ−Δφ）が小さくなるとともに、距離Ｌが短くなる。すなわち、陽電子からみると、試料表面近傍のポテンシャル障壁が低くなるとともに、それが薄くなる。ポテンシャル障壁が薄くなると、トンネル効果によって、試料１０内の陽電子が再放出されるようになる。トンネル効果による陽電子の再放出を生じさせるためには、高電圧電源８により発生する電界の強さを１×１０6Ｖ／ｃｍ以上とすることが好ましい。
【００２０】
図１（Ａ）に示すように、ポテンシャル障壁がトンネル現象を生ずる程度の薄さになると、試料１０の表面から陽電子４が再放出される。再放出された陽電子４は、電子レンズ５に入射する。電子レンズ５は、入射した陽電子のビームを、スクリーン７上に拡大投射する。スクリーン７上に写し出された像により、試料１０内の格子欠陥や、表面の不純物分布等の情報を得ることができる。
【００２１】
上述のように、本発明の実施例では、試料表面の近傍の空間に強い電界を発生させ、試料内の陽電子を強制放出させている。このため、陽電子に対して仕事関数が正である材料を観察することが可能になる。
【００２２】
図２は、他の実施例による陽電子再放出顕微鏡の概略図を示す。図１（Ａ）に示した実施例では、薄膜状の試料１０の一方の表面から陽電子ビームを入射し、反対側の表面から再放出される陽電子を観測した。図２に示す他の実施例では、針状の尖端１０ａを有する試料１０の尖端の様子を観察する。
【００２３】
針状の尖端１０ａに対向する位置に、球面状のスクリーン７ａが配置されている。スクリーン７ａは、尖端１０ａを中心とする球面にほぼ沿っている。高電圧電源８が、スクリーン７ａよりも試料１０の方が高電圧になるように、スクリーン７ａと試料１０との間に電位差を与える。高電圧電源８により、尖端１０ａからスクリーン７ａに向かって放射状に広がる電界３０が発生する。
【００２４】
陽電子ビーム源１ａが、尖端１０ａに陽電子ビーム２ａを照射する。尖端１０ａの表面近傍に形成されたポテンシャル障壁がトンネル現象を生じさせる程度の薄さである場合、尖端１０ａに入射した陽電子の一部が、その表面から再放出される。再放出された陽電子４は、電界３０により加速され、スクリーン７ａ上に投射される。図２に示す実施例では、放射状に広がる電界３０が電子レンズの役目を兼ねている。このため、尖端１０ａの格子欠陥や不純物の拡大像を得ることができる。
【００２５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、試料内の陽電子を電界によって強制放出させる。このため、陽電子に対して仕事関数が正の材料を、陽電子ビームを用いて観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による陽電子再放出顕微鏡の概略図、及び試料表面近傍のポテンシャル分布を示すグラフである。
【図２】本発明の他の実施例による陽電子再放出顕微鏡の概略図である。
【図３】従来の陽電子再放出顕微鏡の概略図、及び試料表面近傍のポテンシャル分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１、１ａ  陽電子ビーム源
２、２ａ  陽電子ビーム
３  試料保持台
４  再放出された陽電子
５  電子レンズ
７、７ａ  スクリーン
８  高電圧電源
１０  試料
１０ａ  針状の尖端
１５  ポテンシャルの谷
２０、２１、２２  ポテンシャル
３０  電界
【図１】
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【図２】
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【図３】
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