(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子のソース、およびソースから離れた位置にあり、イオン化可能なガスの中にソースとともに配置した荷電粒子の検出器を含み、
当該検出器が少なくとも１対の電極を含み、
対を構成する電極が、ソースと検出器との間の間隔よりも実質的に小さい距離だけ離れており、
対を構成する電極は、異なる電位に維持され、
ソースが電極の電位とは異なる電位に維持され、
電位は、ソースから放出された荷電粒子がソースから対の電極の各々に向かって引き寄せられるように、また、検出器に近接する荷電粒子が加速されてガスをイオン化するのに十分なエネルギーを有するように選択される
ことを特徴とする荷電粒子の分析装置。
【請求項２】
荷電粒子が負に帯電しており、対を構成する両方の電極の電位よりも負である電位にソースが保持される請求項１に記載の分析装置。
【請求項３】
ソースがサンプルであり、荷電粒子がサンプルから放出されるのに十分であるエネルギーを有する放射線のビームにサンプルを曝す手段が設けられている請求項１または２に記載の分析装置。
【請求項４】
放射線のビームにサンプルを曝す手段がＸ線源を含む請求項３に記載の分析装置。
【請求項５】
サンプルが、実質的に平坦である表面を画成し、ビームはサンプル表面に垂直な直線に対して傾いている方向でサンプルに向けられる請求項３または４に記載の分析装置。
【請求項６】
ビームがサンプル表面に関して照角で向けられる請求項５に記載の分析装置。
【請求項７】
入射エネルギーがビームが照射されるサンプルのエリアにわたって変化するように、ビームのエネルギーが均一でなく、電極がそのエリアの種々の部分から荷電粒子を受け取るために配置され、前記部分の間で入射エネルギーが異なる請求項５または６に記載の分析装置。
【請求項８】
ビームのエネルギーが均一である請求項５または６に記載の分析装置。
【請求項９】
電極が半導体基板の上に取り付けられる導電性材料の平行なストリップによって画成される請求項１〜８のいずれかに記載の分析装置。
【請求項１０】
対を構成する電極が、ソースから実質的に等距離となるように配置されている請求項１〜９のいずれかに記載の分析装置。
【請求項１１】
ソースから放出される荷電粒子を分析する方法であって、ソースおよび荷電粒子の検出器がイオン化可能なガスの中に配置され、
検出器には、少なくとも１対の電極が設けられており、
対を構成する電極はソースと検出器との間の距離よりも実質的に小さい距離だけ離れて配置されており、
異なる電位が電極に加えられ、
ソースは電極の電位とは異なる電位に維持されており、
電位は、ソースから放出された荷電粒子がソースから電極の各対に向かって引き寄せられように、また、検出器に近接した荷電粒子が加速されてガスをイオン化するのに十分なエネルギーを有するように選択される
ことを特徴とする荷電粒子の分析方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は荷電粒子を分析する装置および方法に関する。
電子イールド（yield；または発生量）の測定は、例えばＸ線のような高エネルギーの光子のビームとの相互作用に対する材料表面の反応を研究するために用いられる公知の技術である。材料の表面をエネルギーが変化するＸ線に曝し、当該表面から放出された電子の数およびエネルギーを測定することにより、表面の化学的特性を詳細に分析することが可能となる。
電子イールドを測定する公知の方法は、サンプルを高真空環境下に置くこと、サンプルをＸ線のビームに曝すこと、およびコレクション・プレートにて全体の電子イールドの流れ（または電流）を検出することを伴う。サンプルは、コレクション・プレートに対して負の電圧に保持され、サンプルからコレクション・プレートへの電子のドリフトを促進する。この方法のバリエーションはガスを充填した電離箱を用いることであり、その場合、電子イールドはサンプルからの全体の電流の一部として間接的に測定される。これらの方法のどちらにおいても採用される全体のゲインはなく、測定される電流はサンプルから離れる電子の数に正確に対応すべきである。これらの電流は小さく、従って、局所的な周囲条件において「ピックアップ」および「漏れ」によりひずみやすい。ノイズのない又はノイズのない状態に近い、サンプル表面から放出される電子の流れのゲインを得る方法は、電子イールドの測定の感度を著しく高めるであろう。
電子イールドの向上した感度を提供するために、サンプルを高真空環境下に保持し、電子増倍管（例えばマイクロチャネルプレート）を使用することが試みられている。しかしながら、有用なサンプルは高真空システムに向いておらず、大気圧にて操作し得る測定方法がずっと有効である。サンプルの表面において化学反応が起こる可能性もまた考慮しなければならない。このために、電子イールドを測定する別の試みとして、サンプルおよび検出器をガス混合物で包囲する方法が考案された。ガス混合物は、適当な条件の下で、サンプル表面から放出された電子がガスの分子をイオン化し、それによりガス中に電子雲を形成するように選択される。この雲における電子の数は、統計学的な限度において、ガスのイオン化エネルギーで分配された最初の電子のエネルギーに等しい。
電子雲は続いて、ワイヤーアノードから広がる放射状の電界に沿って加速される。電子は、ガス分子の更なるイオン化を引き起こすのに十分なエネルギーを得るまで加速し、それによりより多くの電子が生成し、生成した電子は加速され、更に電子をイオン化する。これはアバランシェ効果（または電子なだれ）として知られている。ワイヤーでの電界の強さはイオン化により生成された電子の数がサンプルの表面に形成される雲の中の電子の数に比例するように制限される。
１つのワイヤーが電子を検出するために用いられるので、検出システムは所定の時間間隔でワイヤーに到達する電子の総数を測定することができるだけであり、空間的な（または場所に関する）情報を与えない。より具体的に言えば、ワイヤー検出システムでは、サンプルの表面のどの場所から電子が放出されたものであるかを使用者が決定することができない。
本発明は上記の不都合を克服する又は実質的に軽減することを目的とする。
本発明によれば、荷電粒子のソース、および当該ソースから離れており、当該ソースとともにイオン化可能なガスの中に配置されている荷電粒子の検出器を含む荷電粒子の分析装置であって、検出器は少なくとも１対の電極を含み、対を構成する電極がソースと検出器との間の間隔よりも実質的に小さい距離だけ離れるように配置され、対を構成する電極が異なる電位に維持され、ソースは電極の電位とは異なる電位に維持され、当該電位は、ソースから放出された荷電粒子がソースから電極の各対に向かって引き寄せられるように、また検出器に隣接する荷電粒子が加速されガスをイオン化するのに十分なエネルギーを有するように選択されることを特徴とする荷電粒子の分析装置が提供される。
荷電粒子が負に帯電している場合、ソースは、対を構成する両方の電極の電位よりも負である。
好ましくは、ソースはサンプルであり、また、サンプルから荷電粒子を放出させるのに十分なエネルギーを有する放射線のビームにサンプルを曝す手段が供給される。サンプルを放射線のビームに曝す手段は、Ｘ線源を含んでいてよい。サンプルは実質的に平坦である表面を画成してよく、ビームはサンプルの表面に垂直な直線に対して傾いた方向でサンプルの方に向けてよい。ビームは、サンプルの表面に関してある照角で向けてよい。
好適には、エネルギー・ビームは単一エネルギーであり、ビームのエネルギーは、エネルギーのある範囲にわたっての分析を供与するために時間とともに変化させられる。
好適には、ビームのエネルギーは、入射エネルギーがビームにより放射されるサンプルのエリアにわたって変化するように均一でなく、電極はエリアの異なる部分から荷電粒子を受け取るように配置され、入射エネルギーは当該部分の間で変化する。
電極は、好ましくは、半導体基板に取り付けられた平行な導電性材料のストリップ（または条片）により画定される。対を構成する電極はソースから実質的に等距離となるように配置してよい。
本発明はまた、ソースから放出された荷電粒子を分析する方法を提供し、当該方法において、ソースおよび荷電粒子の検出器はイオン化できるガスの中に配置され、検出器にはソースと検出器と間の距離よりも実質的に小さい距離だけ離れた少なくとも１対の電極が設けられ、異なる電位が電極に加えられ、ソースは電極の電位とは異なる電位に維持され、電位は、ソースから放出される荷電粒子がソースから電極の各対に向かって引き寄せられように、また検出器に近接する荷電粒子が加速されてガスをイオン化するのに十分なエネルギーを有するように選択される。
本発明の特定の態様の例を、添付した図面を参照して説明する：
図１は、本発明の第１態様に基づく荷電粒子の分析装置の模式的斜視図である；
図２は、図１の分析装置に組み込まれる検出器の模式図である；ならびに
図３は、本発明の第２の態様の模式的斜視図である。
図１を参照して説明すると、サンプル１は平坦なベース２に配置される。検出器３はサンプル１およびベース２の直ぐ上方に設けられる。検出器３は平板状であり、サンプル１およびベース２の面に平行である面に配置される。
図２においてより詳細に示されている検出器３は、半導体ガラスプレート５に付着した一連の平行な電極４を含む。マイクロストリップ上の電極４は交互に正および負の相対的なボルト値に維持され、アノードおよびカソードのパターンを与える。電極４はそれぞれ等しい幅であり、１０ミクロン幅の小さい電極４を形成するためにリソグラフィー技術を用いてよい。各電極は、電極４からの電気的信号をモニターする検出回路６に接続される。
図１に示すベース２およびサンプル１は一定の電位に維持され、その結果、その電位は検出器３の陰極４の電位よりも負であり、検出器３のすべての電極４がベース１およびサンプル２に対して正の電位にある。
サンプル１および検出器３は、主にヘリウムであるガスで満たされたシールされたチャンバー（図示せず）内に保持される。ガスはまた、その雰囲気において連続的な電気的破壊を止める作用をするクエンチガス（例えばイソブタン）を一般に約１０パーセントの濃度で含んでいてよい。
使用に際して、Ｘ線は、シンクロトロンまたは他の手段（図示せず）を用いて発生させられ、所望のエネルギーを有するＸ線がシンクロトロンから選択され、サンプル１の表面にビーム７として向けられる。Ｘ線は検出器３の電極４の方向に対して垂直である方向からサンプル１に接近する。Ｘ線がある照角でサンプル１の表面に衝突するように、Ｘ線４のビームとサンプル１の表面との間に形成される角度は小さい。Ｘ線が衝突するサンプル１の表面のエリアは、Ｘ線とサンプル１との間の角度を変化させることによって変えられる。Ｘ線は大部分を占めるヘリウムと殆ど相互作用せず、このようにＸ線の角度を変化させることは偽性の（またはスプリアスな）結果をもたらさない。
サンプルの表面の電子はＸ線ビーム７からエネルギーを獲得し、サンプル１から放出される。第１の好ましいアレンジメント（または配置）において、Ｘ線のエネルギーは、一旦放出されたなら、電子が限られた量の運動エネルギーを有し、それがサンプル１の表面を出た位置から遠くにドリフトしないように、電子の放出を引き起こすために必要とされるエネルギーよりも僅かに大きいように選択される。放出された電子およびサンプル１に近接する検出器３からの電界のエネルギーは、電子がサンプル１の表面に近接するガスのイオン化を引き起こすのに十分ではない。
第２の好ましいアレンジメントにおいて、Ｘ線のエネルギーは、サンプル１から放出された電子がガスの限られたイオン化を引き起こすのに十分であるように選択され、その結果、サンプル１の表面に局在化した電子の雲が形成される。電子の雲はそれぞれ、電子の数において、サンプル１の表面から放出された電子のエネルギーに比例する。
第３の好ましいアレンジメントにおいて、ガスの密度は、電子がマイクロストリップ検出器３に向かって移動するにつれ、ガスとのイオン化相互作用がガス中で広がるように低く選択される。
一般に、ガスの圧力、電子が通過する電圧の勾配、および電子の初期運動エネルギーは、電子とガスとの最初の相互作用がサンプル１の表面に近接しているか、あるいは電子が検出器３に向かって移動するにつれてガス中で広がるかを決定する。検出器３にて維持されるボルト数およびガスの圧力は、サンプル１から放出される電子の位置またはエネルギー分解能を測定するために最適化できる。
検出器３に対するサンプル１およびベース２の正のボルト値（電圧）は、各電子雲が検出器３に向かってドリフトすることを引き起こす（ドリフトしている電子は図１において８として示される）。ドリフトの方向がサンプル１の表面に対して垂直であり、また、電子が放出されたポイントの直ぐ上の位置から著しく偏向するのに十分な運動エネルギーを有していないために、サンプル１から電子が放出された位置に関する情報は電子雲がドリフトする間、保持される。
検出器３に設けられる平行なアノードおよびカソード４のパターンは、電子雲が検出器３に直ぐ隣接するまでは、電子雲のドリフトに影響を及ぼさない。これは、検出器３上でアノードおよびカソード４が極めて近接していることの結果として、形成される電界が局在化していることによる。電子が検出器３に近づくにつれて、それらは、強度が検出器３に隣接して急激に増加する局在化した電界によりアノードに向かって加速される。電子の加速は、チャンバー内のガスをイオン化するのに十分なエネルギーを電子に与え、更にイオン化を引き起こすより多くの電子を生成する。このように、サンプル１から放出される電子は、検出器３に隣接してガスから電子のアバランシェ（電子なだれ）をもたらす。電子のアバランシェの形成は、それが検出器３にて生成される電気的な信号を、正確に測定され得るレベルにまで増加させるので、有用である。アバランシェにより形成される信号におけるゲインは、検出される電子の最終的な数がサンプル１から放出される電子の最初の数に比例することを確保するようにコントロールされる。
ガスのイオン化により生成される電子が局在化したままであり、またサンプル１から放出された電子に関する空間的な情報が保持されているので、電子のアバランシェを検出器３のすぐ近くの領域に局在化することが好都合である。言及している空間的な情報とは単に、サンプル１の前端および後端に対する、電子がサンプルから放出された位置である。
サンプル１の前端および後端はそれぞれ、Ｘ線ビーム７の出所から最も近い、および最も遠いサンプルの端として定義される。検出器３上の各電極４で得られる信号の相対的な強度は、Ｘ線ビーム７がサンプル１の表面と相互作用したポイントを特定するために使用される。
サンプル１に入射するＸ線ビーム７のエネルギーはサンプル１から電子を放出させるのに必要なエネルギーよりもかなり大きくなるように選択してよい。その場合、サンプル１から生成される電子は、遊離後もかなりのエネルギーを保持し、サンプル１の上部の雰囲気のイオン化を引き起こす。電子８（その数はＸ線ビーム７の過剰なエネルギーから導かれる）の雲が形成され、上述したように検出器３に向かってドリフトする。この操作形態は実質的にサンプル１の表面から放出された電子に関する空間的な情報を制限する。
図３において模式的に示す本発明の別の操作形態は、種々のエネルギーのＸ線に対するサンプル１の応答を同時に測定することを可能にする。この操作形態においては、狭いエネルギーバンドを有するＸ線を使用するよりもむしろ、より広いエネルギーバンドが用いられる（例えば８keＶから９keＶ）。選択されたＸ線は、そのエネルギーによって決まる角度でＸ線を屈折させるシリコン結晶（図示せず）を経由して照射し、種々のエネルギーの扇形のＸ線９を生成する。扇形のＸ線９の方向は、サンプルへのＸ線入射エネルギーがサンプル１の一方の端部10にて最も大きくなり、直線的に減少してサンプル１の反対側の端部11にて最小となるようなものである。
扇形のＸ線９のエネルギーは、放出された電子がサンプル１の表面付近のガスをイオン化させるには十分でないエネルギーを有するように選択してよい。別法として、Ｘ線は、サンプル１の表面から放出される電子がある限られたエネルギーを有し、電子が放出されたサンプル１の位置に隣接する局在化した電子雲を形成するほど十分に高いエネルギーを有するように選択してもよい。電子の雲は放出された電子のエネルギーに比例する全体の電荷を有する。
局在化した電子雲は、上述したように検出器３に引き寄せられ、検出器３の電極４に隣接する局在化した電子のアバランシェを引き起こす。検出器３の各アノード４における電気的な信号の測定は、サンプル表面における種々の位置にて生成された電子の数を計算することを可能にし、従って、サンプル１の表面の種々の部分のＸ線の種々のエネルギーに対する応答の測定が可能となる。この操作形態は、Ｘ線エネルギーのある範囲にわたるサンプル１のＸ線の吸収プロファイルを、１回の並行した測定において測定することを可能にし、その結果、実験時間を節約し、装置のセッティング時間中の変動によりもたらされる実験誤差を除去するので、最も有利である。
検出器３に隣接する電界の強度は、検出器３のアノードおよびカソード４に適用される電位およびそれらの間の距離により決定される。アノードおよびカソード間の間隔を減少させることは、検出器３に隣接する電界の勾配を増加させ、電子の所望の加速をもたらすために必要とされる印加電位は相応じて減少する。検出器３において電極４の密度を増加させることはまた、検出器３の空間的な分解能を増加させる。
上述した態様は、単に電子の検出に言及しているだけであるが、本発明は他の正または負に帯電した粒子の検出に適用できることが理解されるべきである。
上述したように、主成分がヘリウムであるガスの使用は、サンプル１から散乱するＸ線およびサンプル１内部の深い部分から放出されるＸ線とヘリウムガスとの相互作用が極めて小さいために有利である。これらのＸ線は検出器によって検出されず、従って、サンプル内部の深い部分の構造についての情報により検出器に悪影響が及ぶことはない。従って、このシステムは本質的にＸ線を感知せず、表面の電子検出感度は損なわれない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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