特許 6104756 電子分光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6104756

(24)【登録日】2017年3月10日

(45)【発行日】2017年3月29日

(54)【発明の名称】電子分光装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/227 20060101AFI20170316BHJP

【ＦＩ】

   G01N23/227

【請求項の数】11

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2013-169072(P2013-169072)

(22)【出願日】2013年8月16日

(65)【公開番号】特開2015-36670(P2015-36670A)

(43)【公開日】2015年2月23日

【審査請求日】2016年2月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004271

【氏名又は名称】日本電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090387

【弁理士】

【氏名又は名称】布施 行夫

(74)【代理人】

【識別番号】100090398

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 美千栄

(72)【発明者】

【氏名】細川 応輔

【審査官】 立澤 正樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−２６６７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−０２５０４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−１０７４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２０８６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１７３００８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２３／２２７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料から放出される電子を取り込む電子取込部と、
前記電子取込部で取り込まれた電子をエネルギー選別するエネルギー分光部と、
前記エネルギー分光部で選別された電子を検出する検出部と、
を含み、
前記電子取込部は、
試料から放出される電子を取り込む前段レンズと、
前記前段レンズの後方に配置されたアパーチャーと、
前記アパーチャーの後方に配置された第１後段レンズと、
前記第１後段レンズの後方に配置され、電子を偏向させる後段偏向素子と、
前記後段偏向素子の後方に配置された第２後段レンズと、
前記第２後段レンズの後方に配置された入射スリットと、
を有し、
前記第１後段レンズおよび前記第２後段レンズは、前記入射スリット上に回折面を形成し、
前記後段偏向素子は、前記第１後段レンズと前記第２後段レンズとの合成レンズの主面よりも後方に配置されている、電子分光装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記アパーチャーと前記合成レンズの主面との間の距離は、前記合成レンズの主面と前記入射スリットとの間の距離と等しい、電子分光装置。

【請求項3】

請求項１または２において、
前記後段偏向素子は、多段に配置されている、電子分光装置。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記電子取込部は、前記前段レンズと前記アパーチャーとの間に配置され、電子を偏向させる前段偏向素子を有する、電子分光装置。

【請求項5】

請求項４において、
前記前段偏向素子は、前記前段レンズの焦点面に偏向中心が位置している、電子分光装置。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記後段偏向素子は、前記第１後段レンズおよび前記第２後段レンズによって形成される回折面を移動させる、電子分光装置。

【請求項7】

角度分解光電子分光モードと光電子イメージングモードとを備えた電子分光装置であって、
試料から放出される電子を取り込む電子取込部と、
前記電子取込部で取り込まれた電子をエネルギー選別するエネルギー分光部と、
前記エネルギー分光部で選別された電子を検出する検出部と、
を含み、
前記電子取込部は、
試料から放出される電子を取り込む前段レンズと、
前記前段レンズの後方に配置され、電子を偏向させる前段偏向素子と、
前記前段偏向素子の後方に配置されたアパーチャーと、
前記アパーチャーの後方に配置された第１後段レンズと、
前記第１後段レンズの後方に配置され、電子を偏向させる後段偏向素子と、
前記後段偏向素子の後方に配置された第２後段レンズと、
前記第２後段レンズの後方に配置された入射スリットと、
を有し、
前記角度分解光電子分光モードでは、
前記第１後段レンズおよび前記第２後段レンズは、前記入射スリット上に回折面を形成し、
前記後段偏向素子は、前記第１後段レンズおよび前記第２後段レンズによって形成される回折面を移動させ、
前記光電子イメージングモードでは、
前記第１後段レンズおよび前記第２後段レンズは、前記入射スリット上に結像面を形成し、
前記前段偏向素子は、光軸外の試料の領域から放出された電子を偏向させて当該光軸に合わせ、
前記後段偏向素子は、前記第１後段レンズと前記第２後段レンズとの合成レンズの主面よりも後方に配置されている、電子分光装置。

【請求項8】

請求項７において、
前記アパーチャーと前記合成レンズの主面との間の距離は、前記合成レンズの主面と前記入射スリットとの間の距離と等しい、電子分光装置。

【請求項9】

請求項７または８において、
前記後段偏向素子は、多段に配置されている、電子分光装置。

【請求項10】

請求項７ないし９のいずれか１項において、
前記前段偏向素子は、前記前段レンズの焦点面に偏向中心が位置している、電子分光装置。

【請求項11】

請求項１ないし１０のいずれか１項において、
前記エネルギー分光部は、静電半球型アナライザーを含む、電子分光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子分光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

Ｘ線光電子分光装置やオージェ電子分光装置等の電子分光装置は、固体表面を分析するための装置として知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、集光レンズの回折面に配置され、入射された電子に対して角度制限を与えるアパーチャーを備えた角度分解型電子分光器が開示されている。

【0004】

具体的には、特許文献１の角度分解型電子分光器では、取り込み口から入射レンズシステムに侵入した電子を前段の収束レンズにより集光し、回折面位置に配置された回折面アパーチャーで試料から放出される電子に対して角度制限を与える。そして、回折面アパーチャーを通過し角度制限された電子を後段のレンズによりリターディング（減速）し、収束する。後段のアパーチャーを通過した電子を半球型アナライザーによってエネルギー分光することにより、角度分解型電子分光測定が実施される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−２６６７８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ここで、測定対象となる試料からは様々な角度で光電子が放出される。しかしながら、特許文献１の角度分解型電子分光器では、特定の角度の光電子しかアナライザーに取り組むことができず、その他の角度の光電子を取り込むためには試料を傾斜させなければならなかった。そのため、装置の調整や、測定を容易に行うことができないという問題があった。

【0007】

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、容易に角度分解光電子分光を行うことができる電子分光装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１）本発明に係る電子分光装置は、
試料から放出される電子を取り込む電子取込部と、
前記電子取込部で取り込まれた電子をエネルギー選別するエネルギー分光部と、
前記エネルギー分光部で選別された電子を検出する検出部と、
を含み、
前記電子取込部は、
試料から放出される電子を取り込む前段レンズと、
前記前段レンズの後方に配置されたアパーチャーと、
前記アパーチャーの後方に配置された第１後段レンズと、
前記第１後段レンズの後方に配置され、電子を偏向させる後段偏向素子と、
前記後段偏向素子の後方に配置された第２後段レンズと、
前記第２後段レンズの後方に配置された入射スリットと、
を有し、
前記第１後段レンズおよび前記第２後段レンズは、前記入射スリット上に回折面を形成し、
前記後段偏向素子は、前記第１後段レンズと前記第２後段レンズとの合成レンズの主面よりも後方に配置されている。

【0009】

このような電子分光装置によれば、後段偏向素子が電子を偏向させることにより、入射スリット上の回折面を移動させて、様々な放出角度で試料から放出される光電子のなかから、特定の放出角度の光電子を選択してエネルギー分光部に入射させることができる。したがって、例えば試料を傾斜させる等の機械的な制御を行うことなく、容易に角度分解光電子分光を行うことができる。

【0011】

このような電子分光装置によれば、簡易な構成で第１後段レンズおよび第２後段レンズによって形成される回折面を移動させることができる。

【0012】

（２）本発明に係る電子分光装置において、
前記アパーチャーと前記合成レンズの主面との間の距離は、前記合成レンズの主面と前記入射スリットとの間の距離と等しくてもよい。

【0013】

このような電子分光装置によれば、第１後段レンズおよび第２後段レンズによって、入射スリット上に回折面を形成することができる。

【0014】

（３）本発明に係る電子分光装置において、
前記後段偏向素子は、多段に配置されていてもよい。

【0015】

このような電子分光装置によれば、入射スリット上に形成された回折面を、電子取込部を構成する光学系の光軸に対して直交する方向に移動させることができる。したがって、光電子を偏向させて回折面を移動させても、光電子を当該光軸にあった状態で入射スリットに入射させることができる。

【0016】

（４）本発明に係る電子分光装置において、
前記電子取込部は、前記前段レンズと前記アパーチャーとの間に配置され、電子を偏向させる前段偏向素子を有していてもよい。

【0017】

このような電子分光装置によれば、電子取込部を構成する光学系の光軸外の試料の領域から放出された光電子を偏向させて、当該光軸に合わせることができる。したがって、試料の任意の領域から放出される光電子を測定することができる。また、前段レンズを容易に試料に近づけることができるため、前段レンズにおける電子の取り込み角を大きくすることができる。

【0018】

（５）本発明に係る電子分光装置において、
前記前段偏向素子は、前記前段レンズの焦点面に偏向中心が位置していてもよい。

【0019】

このような電子分光装置によれば、試料の様々な領域から放出された光電子を、電子取込部を構成する光学系の光軸に合わせることができる。

【0020】

（６）本発明に係る電子分光装置において、
前記後段偏向素子は、前記第１後段レンズおよび前記第２後段レンズによって形成される回折面を移動させてもよい。

【0021】

（７）本発明に係る電子分光装置は、
角度分解光電子分光モードと光電子イメージングモードとを備えた電子分光装置であって、
試料から放出される電子を取り込む電子取込部と、
前記電子取込部で取り込まれた電子をエネルギー選別するエネルギー分光部と、
前記エネルギー分光部で選別された電子を検出する検出部と、
を含み、
前記電子取込部は、
試料から放出される電子を取り込む前段レンズと、
前記前段レンズの後方に配置され、電子を偏向させる前段偏向素子と、
前記前段偏向素子の後方に配置されたアパーチャーと、
前記アパーチャーの後方に配置された第１後段レンズと、
前記第１後段レンズの後方に配置され、電子を偏向させる後段偏向素子と、
前記後段偏向素子の後方に配置された第２後段レンズと、
前記第２後段レンズの後方に配置された入射スリットと、
を有し、
前記角度分解光電子分光モードでは、
前記第１後段レンズおよび前記第２後段レンズは、前記入射スリット上に回折面を形成し、
前記後段偏向素子は、前記第１後段レンズおよび前記第２後段レンズによって形成される回折面を移動させ、
前記光電子イメージングモードでは、
前記第１後段レンズおよび前記第２後段レンズは、前記入射スリット上に結像面を形成し、
前記前段偏向素子は、光軸外の試料の領域から放出された電子を偏向させて当該光軸に合わせ、
前記後段偏向素子は、前記第１後段レンズと前記第２後段レンズとの合成レンズの主面よりも後方に配置されている。

【0022】

このような電子分光装置によれば、角度分解光電子分光モードでは、後段偏向素子が電子を偏向させることにより、様々な放出角度で試料から放出される光電子のなかから、特定の放出角度の光電子を選択してエネルギー分光部に入射させることができる。したがって、容易に角度分解光電子分光を行うことができる。また、光電子イメージングモードでは、前段偏向素子が試料上の各領域から放出される光電子を取り出すことによって、光電子イメージングを行うことができる。したがって、例えば測定時間の短縮、測定精度の向上を図ることができる。

【0024】

（８）本発明に係る電子分光装置において、
前記アパーチャーと前記合成レンズの主面との間の距離は、前記合成レンズの主面と前記入射スリットとの間の距離と等しくてもよい。

【0025】

（９）本発明に係る電子分光装置において、
前記後段偏向素子は、多段に配置されていてもよい。

【0026】

（１０）本発明に係る電子分光装置において、
前記前段偏向素子は、前記前段レンズの焦点面に偏向中心が位置していてもよい。

【0027】

（１１）本発明に係る電子分光装置において、
前記エネルギー分光部は、静電半球型アナライザーを含んでいてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本実施形態に係る電子分光装置の構成を示す図。

【図2】本実施形態に係る電子分光装置の角度分解光電子モードにおける光学系を示す図。

【図3】本実施形態に係る電子分光装置の角度分解光電子モードにおける光学系を示す図。

【図4】本実施形態に係る電子分光装置の光電子イメージングモードにおける光学系を示す図。

【図5】本実施形態に係る電子分光装置の光電子イメージングモードにおける光学系を示す図。

【図6】本実施形態に係る電子分光装置の光学系における各軌道の光学状態の一例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

【0030】

１． 電子分光装置
まず、本実施形態に係る電子分光装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る電子分光装置１００の構成を示す図である。ここでは、電子分光装置１００が、光（例えばＸ線）を物質に照射することにより放出される電子をエネルギー分光することにより測定を行う光電子分光装置である例について説明する。

【0031】

電子分光装置１００は、角度分解光電子モードと、光電子イメージングモードと、を備えている。角度分解光電子モードは、角度分解光電子分光を行うモードである。角度分解光電子分光とは、光電子の放出角度を決めて測定することで、光電子の運動エネルギーの情報を得る方法である。また、光電子イメージングモードは、光電子分光測定を試料の所定の領域ごとに行いマッピングするモードである。

【0032】

電子分光装置１００は、図１に示すように、一次線源２と、電子取込部４と、エネルギー分光部６と、検出部８と、を含んで構成されている。

【0033】

一次線源２は、試料Ｓに所定のエネルギーの電磁波を照射する。これにより、試料Ｓから光電効果によって電子（光電子）が放出される。一次線源２が照射する電磁波は、例えば、Ｘ線、紫外線等である。以下では、電子分光装置１００が試料ＳにＸ線を照射して生じる光電子のエネルギーを測定するＸ線光電子分光装置である例について説明する。

【0034】

電子取込部４は、試料Ｓから放出された光電子を取り込む。電子取込部４は、試料Ｓから放出された光電子をエネルギー分光部６に導く。電子取込部４は、光電子を減速させて、エネルギー分光部６に導く。電子取込部４で光電子を減速させることによって、高いエネルギー分解能を得ることができる。

【0035】

電子取込部４は、光学系４０を含んで構成されている。光学系４０は、試料Ｓからアパーチャー４４までの前段の光学系４０ａと、アパーチャー４４の後方に配置されている後段の光学系４０ｂと、を含んで構成されている。ここで、後方とは、光電子の流れの下流側を意味している。

【0036】

前段の光学系４０ａは、前段レンズ（第１インプットレンズ）４２と、前段偏向素子４３と、アパーチャー４４と、を含んで構成されている。

【0037】

前段レンズ４２は、試料Ｓから放出された光電子を取り込む。前段レンズ４２は、光学系４０において、試料Ｓの最も近くに配置されている。前段レンズ４２は、試料Ｓと前段レンズ４２の主面との間の距離ａが、前段レンズ４２の主面とアパーチャー４４との間の距離ｂよりも小さくなるように配置されている。すなわち、前段の光学系４０ａは、拡大系である。前段レンズ４２は、アパーチャー４４上に結像面を形成する。結像面は、実像が形成される面であり、実空間である。

【0038】

前段偏向素子４３は、前段レンズ４２の後方に配置されている。前段偏向素子４３は、前段レンズ４２とアパーチャー４４との間に配置されている。

【0039】

前段偏向素子４３は、電場、磁場、またはこれらの重畳場を用いて、光電子を二次元的に偏向させる。前段偏向素子４３は、例えば、４極または８極の偏向電極を有している。前段偏向素子４３では、各偏向電極に電圧が印加されることにより、偏向電極間に静電場を発生させて、光電子を偏向させる。

【0040】

前段偏向素子４３は、前段レンズ４２の焦点面（後側焦点面）ｆ４２に偏向中心が位置している。ここで、焦点面とは、レンズの焦点を通り、レンズの光軸に垂直な平面をいう。また、偏向中心とは、偏向される前の光電子における光軸（系全体を通過する光電子の代表となる仮想的な線）と偏向された後の光電子における光軸とが交わる点である。すなわち、光電子は、前段偏向素子４３によって、偏向中心を中心として偏向される。図示の例では、前段偏向素子４３の偏向中心と前段レンズ４２の焦点とが一致している。例えば、前段偏向素子４３を構成する偏向電極の中心を、前段レンズ４２の焦点距離ｆの位置に配置することで、前段偏向素子４３の偏向中心を前段レンズ４２の焦点面ｆ４２に一致させることができる。

【0041】

前段偏向素子４３は、光学系４０の光軸外の試料Ｓの領域から放出された光電子を偏向させて、当該光軸に合わせることができる（図５参照）。前段偏向素子４３の偏向中心が前段レンズ４２の焦点面ｆ４２に位置していることにより、試料Ｓの様々な領域から放出された光電子を、当該光軸に合わせることができる。前段偏向素子４３を制御することによって、試料Ｓ上の所望の領域から放出される光電子を測定することができる。前段偏向素子４３は、例えば、制御部（図示せず）によって制御される。

【0042】

アパーチャー４４は、前段偏向素子４３の後方に配置されている。アパーチャー４４は、前段レンズ４２によって結像面が形成される位置に配置されている。アパーチャー４４は、前段レンズ４２および前段偏向素子４３からの不用な光電子をカットする。アパーチャー４４は、光学系４０の光軸近傍の光電子だけを通して、それ以外の光電子を遮蔽する。

【0043】

後段の光学系４０ｂは、第１後段レンズ（第２インプットレンズ）４６と、後段偏向素子４７ａ，４７ｂと、第２後段レンズ（リターディングレンズ）４８と、入射スリット４９と、を含んで構成されている。

【0044】

第１後段レンズ４６は、アパーチャー４４の後方に配置されている。

【0045】

後段偏向素子４７ａ，４７ｂは、第１後段レンズ４６の後方に配置されている。後段の光学系４０ｂは、複数（図示の例では２つ）の後段偏向素子４７ａ，４７ｂを有している。後段偏向素子４７ａ，４７ｂは、多段（図示の例では２段）に配置されている。第１後
段偏向素子４７ａは、第１後段レンズ４６の後方に配置されている。第２後段偏向素子４７ｂは、第１後段偏向素子４７ａの後方に配置されている。後段偏向素子４７ａ，４７ｂは、第１後段レンズ４６と第２後段レンズ４８との合成レンズの主面Ｐよりも後方に配置されている。

【0046】

後段偏向素子４７ａ，４７ｂは、電場、磁場、またはこれらの重畳場を用いて、光電子を二次元的に偏向させる。後段偏向素子４７ａ，４７ｂは、例えば、４極または８極の偏向電極を有している。

【0047】

後段の光学系４０ｂでは、２段の後段偏向素子４７ａ，４７ｂを用いて、２段偏向を行う。具体的には、１段目の第１後段偏向素子４７ａで光電子を偏向し、２段目の第２後段偏向素子４７ｂで偏向した光電子を振り戻す（図３参照）。後段偏向素子４７ａ，４７ｂを制御することによって、後段レンズ４６，４８によって形成される入射スリット４９上の回折面を移動させることができる。後段偏向素子４７ａ，４７ｂは、制御部（図示せず）によって制御される。

【0048】

第２後段レンズ４８は、第２後段偏向素子４７ｂの後方に配置されている。第２後段レンズ４８は、光電子を減速させる。

【0049】

第１後段レンズ４６および第２後段レンズ４８は、角度分解光電子モードでは、入射スリット４９上に回折面を形成する。回折面は、例えば回折図形が形成される面であり、逆空間である。また、第１後段レンズ４６および第２後段レンズ４８は、光電子イメージングモードでは、入射スリット４９上に結像面を形成する。

【0050】

光学系４０を構成している各レンズ４２，４６，４８は、電子レンズである。各レンズ４２，４６，４８は、電界型の静電レンズであってもよいし、磁界型の電磁レンズであってもよい。各レンズ４２，４６，４８のレンズ作用は、例えば、制御部（図示せず）によって、制御される。

【0051】

角度分解光電子モードにおいて、アパーチャー４４と第１後段レンズ４６と第２後段レンズ４８との合成レンズの主面Ｐとの間の距離Ｌ１は、当該合成レンズの主面Ｐと入射スリット４９との間の距離Ｌ２と等しい。電子分光装置１００では、角度分解光電子モードにおいて、第１後段レンズ４６と第２後段レンズ４８との合成レンズの主面Ｐをアパーチャー４４と入射スリット４９の中間位置に配置し、入射スリット４９上に回折面が形成されるように後段レンズ４６，４８が設定される。後段偏向素子４７ａ，４７ｂは、この合成レンズの主面Ｐの後方に配置される。

【0052】

入射スリット４９は、第２後段レンズ４８の後方に配置されている。入射スリット４９は、エネルギー分光部６に入射する光電子を制限する。入射スリット４９は、例えば、第２後段レンズ４８と等電位である。

【0053】

エネルギー分光部６は、電子取込部４で取り込まれた光電子をエネルギー選別（エネルギー分光）する。エネルギー分光部６は、第２後段レンズ４８で減速されて入射スリット４９を通過した光電子をエネルギー選別して、特定のエネルギーを有する電子を取り出すことができる。

【0054】

エネルギー分光部６は、例えば、静電半球型アナライザーを含んで構成されている。静電半球型アナライザーは、例えば、外球電極と内球電極に異なった電圧が印加されて、球対称な電場を形成する。そして、球対称な電場の一点から、等しいエネルギーの電子を様々な角度で入射させると、それらは１８０度旋回した後、ほぼ同一の点に集束する。一方
、それと異なるエネルギーをもつ電子を球対称な電場に入射させると、別の点に集束する。したがって、あるエネルギー幅を持った電子をこのような場に入射させることで、エネルギー分光が可能になる。すなわち、静電半球型アナライザーでは、出射面上で検出される電子の位置が電子のエネルギー（運動エネルギー）に対応している。

【0055】

エネルギー分光部６で取り出された電子は、例えば、加速レンズ７で加速されて検出部８に入射する。

【0056】

検出部８は、エネルギー分光部６で選別された光電子を検出する。検出部８は、例えば、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ：Ｍｉｃｒｏ−Ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）を含んで構成されたマイクロチャネルディテクター（ＭＣＰ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）である。ＭＣＰは、入射した電子等を二次元的に検出してチャネル毎に増倍することができ、所定の位置分解能を有している。検出部８は、例えば、ＭＣＰと、蛍光スクリーンと、ＣＣＤカメラを組み合わせた二次元型検出器を含んで構成されている。

【0057】

電子分光装置１００では、例えば、検出部８の検出結果に基づいて、光電子のエネルギースペクトルを生成する。

【0058】

２． 電子分光装置の動作
次に、電子分光装置１００の動作について、図面を参照しながら説明する。ここでは、まず、角度分解光電子分光モードについて説明し、次に、光電子イメージングモードについて説明する。

【0059】

２．１． 角度分解光電子分光モード
図２および図３は、電子分光装置１００の角度分解光電子モードにおける光学系４０を示す図である。なお、図２は、後段偏向素子４７ａ，４７ｂを動作させていない状態を示し、図３は、後段偏向素子４７ａ，４７ｂを動作させた状態を示している。

【0060】

前段レンズ４２は、試料Ｓから放出された光電子を取り込んで、アパーチャー４４上に結像面を形成する。アパーチャー４４を通過した光電子は、第１後段レンズ４６に入射する。

【0061】

第１後段レンズ４６および第２後段レンズ４８は、入射スリット４９上に回折面（逆空間）を形成する。入射スリット４９は、特定の角度（方位角および極角）で放出された光電子のみを通過させ、その他の角度で放出された光電子を遮蔽する。このように、入射スリット４９は、特定の角度で放出された光電子を取り出して、エネルギー分光部６に入射させることができる。

【0062】

このとき、図３に示すように、後段偏向素子４７ａ，４７ｂが光電子を偏向させることによって、入射スリット４９上に形成される回折面を移動させることができる。これにより、入射スリット４９で取り出される光電子の放出角度を選択することができる。すなわち、後段偏向素子４７ａ，４７ｂで光電子の偏向を制御することによって、入射スリット４９で取り出される光電子の放出角度を任意に選択することができる。したがって、角度分解光電子分光モードでは、所望の放出角度の光電子をエネルギー分光部６に入射させることができる。

【0063】

例えば、入射スリット４９上の回折面に試料Ｓの回折パターンが形成されたときに、後段偏向素子４７ａ，４７ｂが入射スリット４９上に形成された回折面を移動させることによって回折パターンを移動させて、所望の回折波を入射スリット４９で選択してエネルギー分光部６に入射させることができる。

【0064】

また、図３に示すように、後段偏向素子４７ａ，４７ｂは、２段に配置されているため、入射スリット４９上に形成される回折面を光学系４０の光軸に対して直交する方向に移動させることができる。したがって、光電子を偏向させて回折面を移動させても、光電子を光学系４０の光軸にあった状態で入射スリット４９に入射させることができる。

【0065】

入射スリット４９を通過した光電子は、エネルギー分光部６によってエネルギー選別され、検出部８で検出される。

【0066】

このように、角度分解光電子分光モードでは、第１後段レンズ４６および第２後段レンズ４８で入射スリット４９上に回折面を形成し、後段偏向素子４７ａ，４７ｂで回折面を移動させることによって、光電子の放出角度を決めて測定することができる。

【0067】

２．２． 光電子イメージングモード
図４および図５は、電子分光装置１００の光電子イメージングモードにおける光学系４０を示す図である。図４は、前段偏向素子４３を動作させていない状態を示し、図５は、前段偏向素子４３を動作させた状態を示している。なお、図４および図５では、後段偏向素子４７ａ，４７ｂの図示を省略している。

【0068】

前段の光学系４０ａは、拡大系（ａ＜ｂ）を用いており、試料Ｓから放出される光電子の取り込み角を大きくしている。前段の光学系４０ａは、例えば、上述した角度分解光電子分光モードと同じである。

【0069】

前段の光学系４０ａで拡大系を用いているため、試料Ｓから放出される光電子の大部分はアパーチャー４４でカットされる。そして、アパーチャー４４を通過した後の光電子を第１後段レンズ４６により入射スリット４９上に結像させることで、高分解能の光電子イメージを取得できる。このとき、後段の光学系４０ｂも拡大系を用いることで、さらなる高空間分解能の光電子イメージを取得できる。このように、光電子イメージングモードでは、後段の光学系４０ｂは、入射スリット４９上に結像面（実空間）を形成する。

【0070】

図５に示すように、前段偏向素子４３は、光学系４０の光軸外の試料Ｓの領域Ｓ２から放出された電子を偏向させて、光学系４０の光軸に合わせることができる。このとき、試料Ｓの領域Ｓ２以外の領域から放出された光電子は、光学系４０の光軸からずれて、アパーチャー４４を通過しない。例えば、光学系４０の光軸上の領域Ｓ１から放出された光電子は、前段偏向素子４３で偏向されることによって光学系４０の光軸からずれて、アパーチャー４４を通過しない。このように、前段偏向素子４３で光電子の偏向を制御することによって、試料Ｓ上の各領域から放出される光電子を各領域ごとに取り込むことができる。このとき一次線源２は、試料Ｓ上の全面を照射していてもよいし、試料Ｓ上の各領域ごとに照射してもよい。

【0071】

入射スリット４９を通過した光電子は、エネルギー分光部６によってエネルギー選別され、検出部８で検出される。

【0072】

このように、光電子イメージングモードでは、前段偏向素子４３で試料Ｓ上の各領域から放出される光電子を各領域ごとに取り込むことによって、光電子イメージングを行うことができる。

【0073】

なお、角度分解光電子分光モードにおいても同様に、前段偏向素子４３を用いて、試料Ｓの任意の領域から放出される光電子を取り込んで測定を行ってもよい。

【0074】

３． 電子分光装置の光学系
次に、本実施形態に係る電子分光装置１００の光学系４０を詳細に説明する。図６は、電子分光装置１００の光学系４０における、各軌道Ｔｒａｊ１，Ｔｒａｊ２の光学状態の一例を示す図である。

【0075】

前段レンズ４２の焦点距離ｆは、光学計算より以下のように表される。

【0076】

【数1】

【0077】

第１後段レンズ４６の焦点距離をｆ_２、第２後段レンズ４８の焦点距離をｆ_ｒとすると、後段レンズ４６，４８の合成焦点距離ｆ_０は、以下のように表される。

【0078】

【数2】

【0079】

第１後段レンズ４６と第２後段レンズ４８との合成レンズの主面は、アパーチャー４４と入射スリット４９との中間の位置に配置される。そのため、アパーチャー４４における光軸からの距離ｒ_ａｐ、出射角度ｒ´_ａｐ、および入射スリット４９における光軸からの距離ｒ_ｓｌｉｔ、角度ｒ´_ｓｌｉｔは、以下のように表される。なお、光電子出射時の試料面における光軸からの距離をｒ_{ｓａｍｐｌｅ}、出射角度をｒ´_{ｓａｍｐｌｅ}とする。

【0080】

【数3】

【0081】

３．１． 角度分解能について
試料面から垂直に出射して、アパーチャー４４の端（Ｘ＝−ｒ_０）を通過する電子の軌道Ｔｒａｊ１を上記の式（１）、式（２）を用いて計算する。

【0082】

【数4】

【0083】

本来なら、入射スリット４９上の回折面において、入射スリット４９における光軸からの距離ｒ_ｓｌｉｔは０でなければならない。しかしながら、アパーチャー４４の面でＸ＝−ｒ_０の位置を通過した電子は、上記のようにｒ_{１＿ｓｌｉｔ}は０ではなく、入射スリット４９上でずれて結像している。このずれ量をΔｈとする。

【0084】

【数5】

【0085】

次に、光軸から微小角度Δα傾いて出射して、入射スリット４９のΔｈの場所に結像する電子の軌道Ｔｒａｊ２を上記の式（１）、式（２）を用いて計算する。

【0086】

【数6】

【0087】

試料面からの位置ずれによるボケ量（角度α_０で出射し、アパーチャー４４の端を通過）とα_０＋Δαにおけるボケ量（試料面で光軸上から出射）とが等しいという条件より下記式が導かれる（ただし、ここではα_０＝０の場合で計算）。

【0088】

【数7】

【0089】

このように、角度分解能Δαは、上記式（４）で定義できる。

【0090】

式（４）より、アパーチャー４４の半径ｒ_０を小さくして、前段レンズ４２の焦点距離ｆを大きくするほど角度分解能は向上することがわかる。

【0091】

例えば、アパーチャー４４の径が０．６ｍｍφであり、角度分解能０．２ｄｅｇの電子分光装置を得たい場合、上記式（４）は、０．２×（π／１８０）＝０．３／ｆとなる。したがって、前段レンズ４２の焦点距離ｆ＝８７．５ｍｍとなるように、前段レンズ４２の光学設計を行う。

【0092】

３．２． 出射角ごとの入射スリット上での結像位置の関係とその補正方法
次に、光軸から出射される電子の出射角ごとの入射スリット４９上での結像位置の関係と、その補正方法について説明する。

【0093】

光軸上の試料面から電子がα_０で出射した場合、入射スリット４９における光軸からの距離ｒ_ｓｌｉｔ、角度ｒ´_ｓｌｉｔは、以下のように表される。

【0094】

【数8】

【0095】

次に、試料面から電子が角度α_０で出射し、アパーチャー４４の端（Ｘ＝−ｒ_０）を通過して入射スリット４９に結像する場合、入射スリット４９における光軸からの距離ｒ_ｓｌｉｔ、角度ｒ´_ｓｌｉｔは、以下のように表される。

【0096】

【数9】

【0097】

ここで、回折面の大きさと入射スリット４９のサイズについて定義する。

【0098】

入射スリット４９における回折面の大きさＤ_ｄｉｆｆは、前段レンズ４２による取り込み角α_０、アパーチャー４４の大きさｄ_０等で定義される。光軸に対して、±α_０方向への電子の結像を考慮すると、回折面の大きさＤ_ｄｉｆｆは、下記式（５）で表される。

【0099】

【数10】

【0100】

入射スリット４９の最小サイズＤ_{ｓｌｉｔ＿ｍｉｎ}については、角度分解能Δαによる回折面によるボケ量があり、このボケ量はアパーチャー４４において±ｒ_０の両方向を通過した電子のズレ量Δｈを考慮しなければならない。そのため、入射スリット４９の最小サイズＤ_{ｓｌｉｔ＿ｍｉｎ}は、このズレ量Δｈを２倍して下記式（６）で表される。

【0101】

【数11】

【0102】

角度分解能Δαは一定のままで、入射スリット４９の大きさＤ_ｓｌｉｔを大きくしたい場合には、上記式（６）より、前段レンズ４２の光学系を拡大系（ａを小さく、ｂを大きく）して、合成焦点距離ｆ_０を大きくすればよい。なお、合成焦点距離ｆ_０を小さくしすぎると、ｒ´_{４＿ｓｌｉｔ}より、エネルギー分光部６内への入射時の角度αが大きくなってしまいエネルギー分光部６内での収差の影響を受けるので好ましくない。

【0103】

試料面の光軸上から出射角α_０で発生した光軸中心からのズレ量を後段偏向素子４７ａ，４７ｂにおいて２段偏向し、補正させる。このときの補正量は、以下の通りである。

【0104】

【数12】

【0105】

後段偏向素子４７ａ，４７ｂでは、光軸上に水平になるように振り戻すことで、試料面であらゆる角度に放出された電子を、放出角度ごとにエネルギー分光部６内に取り込むことができる。

【0106】

エネルギー分光部６内における軌道による検出部８でのズレ量Δｄは、下記式（７）のように表すことができる。

【0107】

【数13】

【0108】

ただし、Ｘは入射スリット４９でのＸ軸での位置であり、Ｙは入射スリット４９でのＹ軸での位置であり、αはエネルギー分光部６入射時の光軸に対する角度であり、Ｒ_ｈはエネルギー分光部６（静電半球型アナライザー）の半径であり、ΔＥはエネルギー分解能であり、Ｅ_ｐは電子のパスエネルギーである。

【0109】

検出部８における収差影響後のボケ量Δｄは、入射スリット４９の最小サイズＤ_{ｓｌｉｔ＿ｍｉｎ}よりも小さくなければ、入射時における角度分解能は定義できなくなる。

【0110】

上記式（７）の第３項から、例えば、検出部８における入射角の影響を入射時のボケ量の１０分の１にしたい場合、下記式（８）のように表される。

【0111】

【数14】

【0112】

例えば、具体例として、ａ＝１００ｍｍ、ｂ＝６００ｍｍ、ｒ_０＝０．３ｍｍ、Ｒ_ｈ＝１５０ｍｍ、Δα＝０．２ｄｅｇ（０．００３５ｒａｄ）の時に、入射角による収差で発生する移動量を入射スリット４９の最小サイズＤ_{ｓｌｉｔ＿ｍｉｎ}の１０分の１以下にしたい場合、上記式（８）を用いて、ｆ_０＞４８．７ｍｍにすると入射角によるエネルギー分光部６（静電半球型アナライザー）での開口収差の影響を低減できる。

【0113】

４． 電子分光装置の特徴
本実施形態に係る電子分光装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。

【0114】

電子分光装置１００では、電子取込部４は、前段レンズ４２と、前段レンズ４２の後方に配置されたアパーチャー４４と、アパーチャー４４の後方に配置された第１後段レンズ４６と、第１後段レンズ４６の後方に配置され、電子を偏向させる後段偏向素子４７ａ，４７ｂと、後段偏向素子４７ａ，４７ｂの後方に配置された第２後段レンズ４８と、第２後段レンズ４８の後方に配置された入射スリット４９と、を有し、第１後段レンズ４６および第２後段レンズ４８は、入射スリット４９上に回折面を形成する。そのため、電子分光装置１００では、後段偏向素子４７ａ，４７ｂが電子を偏向させることにより、入射スリット４９で取り出される光電子の放出角度を選択することができる。すなわち、電子分光装置１００では、後段偏向素子４７ａ，４７ｂが電子を偏向させることによって様々な放出角度で試料Ｓから放出される光電子のなかから、特定の放出角度の光電子を選択してエネルギー分光部６に入射させることができる。

【0115】

このように電子分光装置１００では、後段偏向素子４７ａ，４７ｂによって回折面を任意に移動させて、光電子の放出角度を選択することができる。すなわち、電子分光装置１００では、例えば試料ステージの傾斜や回転等の機械的な制御を伴わずに、電気的な制御で角度分解光電子分光を行うことができる。したがって、例えば、装置の調整や、測定を容易化することができ、容易に角度分解光電子分光を行うことができる。

【0116】

電子分光装置１００では、後段偏向素子４７ａ，４７ｂは、第１後段レンズ４６と第２後段レンズ４８との合成レンズの主面Ｐよりも後方に配置されている。これにより、簡易な構成で第１後段レンズ４６および第２後段レンズ４８によって形成される回折面を移動させることができる。

【0117】

電子分光装置１００では、アパーチャー４４と後段レンズ４６，４８の合成レンズの主面Ｐとの間の距離Ｌ１は、後段レンズ４６，４８の合成レンズの主面Ｐと入射スリット４９との間の距離Ｌ２と等しい。これにより、第１後段レンズ４６および第２後段レンズ４８によって、入射スリット４９上に回折面を形成することができる。

【0118】

電子分光装置１００では、後段偏向素子４７ａ，４７ｂは、多段に配置されている。これにより、入射スリット４９上に形成された回折面を光学系４０の光軸に対して直交する方向に移動させることができる。したがって、光電子を偏向させて回折面を移動させても、光電子を光学系４０の光軸にあった状態で入射スリット４９に入射させることができる。

【0119】

電子分光装置１００では、電子取込部４は、前段レンズ４２とアパーチャー４４との間
に配置され、電子を偏向させる前段偏向素子４３を有する。これにより、光学系４０の光軸外の試料Ｓの領域から放出された電子を偏向させて、光学系４０の光軸に合わせることができる。したがって、試料Ｓの任意の領域から放出される光電子を測定することができる。

【0120】

また、前段偏向素子４３が、前段レンズ４２の後方に配置されているため、前段偏向素子４３が前段レンズ４２の前方（電子の流れの上流側）に配置されている場合と比べて、前段レンズ４２を試料Ｓに容易に近づけることができる。これは、前段レンズ４２と試料Ｓとの間に前段偏向素子４３を設けないため、機械的配置に余裕ができるためである。前段レンズ４２を試料Ｓに近づけることにより、前段レンズ４２における光電子の取り込み角を大きくすることができ、検出効率を高めることができる。

【0121】

電子分光装置１００では、前段偏向素子４３は、前段レンズ４２の焦点面に偏向中心が位置している。これにより、光学系４０の光軸外の試料Ｓの様々な領域から放出された光電子を、光学系４０の光軸に合わせることができる。

【0122】

電子分光装置１００は、角度分解光電子分光モードと光電子イメージングモードとを備えており、角度分解光電子分光モードでは、第１後段レンズ４６および第２後段レンズ４８は、入射スリット４９上に回折面を形成し、後段偏向素子４７ａ，４７ｂは、第１後段レンズ４６および第２後段レンズ４８によって形成される回折面を移動させる。また、光電子イメージングモードでは、第１後段レンズ４６および第２後段レンズ４８は、入射スリット４９上に結像面を形成し、前段偏向素子４３は、光学系４０の光軸外の試料Ｓの領域から放出された電子を偏向させて、当該光軸に合わせる。そのため、角度分解光電子分光モードでは、後段偏向素子４７ａ，４７ｂが電子を偏向させることにより、様々な放出角度で試料Ｓから放出される光電子のなかから、特定の放出角度の光電子を選択してエネルギー分光部６に入射させることができる。したがって、容易に角度分解光電子分光を行うことができる。また、光電子イメージングモードでは、前段偏向素子４３が試料Ｓ上の各領域から放出される光電子を取り出すことによって、光電子イメージングを行うことができる。そのため、例えば測定時間の短縮、測定精度の向上を図ることができる。

【0123】

このように、電子分光装置１００では、角度分解光電子分光モード、および光電子イメージングモードのいずれも、試料ステージの移動や回転、傾斜等の機械的な制御を伴わずに測定を行うことができる。

【0124】

また、電子分光装置１００では、角度分解光電子分光モードおよび光電子イメージングモードの違いは、第１後段レンズ４６および第２後段レンズ４８で入射スリット４９上に回折面を形成するか結像面を形成するかの違いである。そのため、後段レンズ４６，４８のレンズ作用を切り替えることで、２つのモードの切り替えが可能であり、モードの切り替えが容易である。

【0125】

なお、上述した実施形態では、電子分光装置１００が試料ＳにＸ線を照射して生じる光電子のエネルギーを測定するＸ線光電子分光装置である例について説明したが、本発明に係る電子分光装置はこれに限定されない。本発明に係る電子分光装置は、例えば、試料Ｓに照射する光として紫外線を用いた紫外光電子分光装置であってもよい。また、例えば、試料Ｓに電子線を照射して生じるオージェ電子のエネルギーを測定するオージェ電子分光装置であってもよい。

【0126】

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、
実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

【符号の説明】

【0127】

２…一次線源、４…電子取込部、６…エネルギー分光部、７…加速レンズ、８…検出部、４０…光学系、４０ａ…前段の光学系、４０ｂ…後段の光学系、４２…前段レンズ、４３…前段偏向素子、４４…アパーチャー、４６…第１後段レンズ、４７ａ…第１後段偏向素子、４７ｂ…第２後段偏向素子、４８…第２後段レンズ、４９…入射スリット、１００…電子分光装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】