CN1010979B - 电子能谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供产生电子发射表面图象的电子能谱仪，包括：a)使表面发射电子的装置；b)第一静电透镜系统，把电子投射到第一衍射面上，作电子图象的傅里叶变换；c)第一个表面图象的环形电容式静电能量分析仪；d)能量选择装置，用来发射只在选定范围内的上述能量色散傅里叶变换电子；e)第二静电透镜系统。本发明的能谱仪可检测分析不受空间细节影响的能谱，并可把相应能量范围内发射电子形成的表面图象投射到第二个图象平面上。

Description

本发明涉及一种电子能谱仪，它有一个环形电容式能量分析仪，借助于能谱仪，用一次辐射束（如X射线，紫外光或电子）轰击样品时，可以对样品表面发射出的电子进行分析。

根据被发射电子的能量表征了被轰击表面的化学性质，这些能谱仪可用于样品表面的研究，而可以获取有关某种化学物质在表面上分布的信息。专业人员都知道，利用只有特定能量范围电子来产生表面象的方法是很多的。其中包括有D.W.Tumer，I.R.Plummer和H.Q.Porter在Journal    of    Microscopy（显微镜学期刊），1984年，卷136（2），第259-277页上所介绍的投射法，在该法中，二级电子沿着由强大发射磁场所限定轨道运动然后通过一具有减速电位分析仪，而产生只包括能发射能量在某一范围内电子的表面的象。这种仪器虽然没有静电透镜，但却需要笨重而昂贵的磁铁。本发明涉及的能谱仪与传统用于表面分析的能谱仪有显著的不同。

另一种是由C.T.Hovland在1977年于维也纳第三次国际固体表面会议录（PP2363）中介绍过的方法，它是用一束很细的一次辐射束逐点扫描样品并用传统分析仪，如柱面镜分析仪来分析二次电子，从而重新产生表面图象。Hovland建议将样品在铝衬底上薄薄涂一层。然后用高能电子束来对铝衬底表面扫描，从而使在射 束和铝的接触点放出的X射线通过衬底并照射样品的一个小区域。这种方法仅限于能在铝衬底上涂敷的样品，通常包括用X射线光电子能谱仪（XPS）进行分析的大部分样品。

带能量滤波器的电子显微镜是先有技术中公知的，其中有些可参考下列作者的论文：H.Watanabe，Phys，SOC（日本），1962年，卷17，第569页;S.L.Cundy等，J.Sci.Instr，1966年，卷43，712页;D.B.Wittry，Brit.J.Appl.Phys，1969，卷2，1757页;A.V.Crewe等，Rev.Sci.Instr.1971年卷42（1），411页;J.W.Andrew等，Proc.Ninth    Int.Congress    on    Electron    Microscopy，多伦多（Toron-to），1978年，卷1，40页;及R.F.Egerton等，J.Phys.E，1975年卷8，1033页。

初看起来，似乎可以用具有这种过滤器的电子显微镜来产生正在放射光电子的表面的能量过滤象，但实际上这是不可能的。因为上述所有仪器都是采用能量非常高的电子束，而过滤器是用于对因通过样品而损失能量的电子进行分析，或者只作为用在窄能带范围内的电子成象的过滤等，从而减少显微镜的色缺陷。一般情况下，它们采用磁场滤波器（如Castainy，R和Henry，L在Mircrocopie    1964年3（2）卷133页中所述的）或静电透镜滤波器（如Mollenstedt和Rang在Z.Angew.Phys，1951年3（5）卷187页中所述的）。无人采用传统上用于低能二级光或俄歇电子分析的环形或球面扇形电容静电分析仪。这些仪器因而在实际上不适于发射低能电子的表面成象，如Cazanx在Ultramic- roscopy，1984年12卷321页中所述。Cazanx在薄的铝箔上涂敷样品，并根据Hovland的上述方法产生入射X射线。所发射电子通过装有Castainr和Henry所述的能量过滤器的电子显微镜的透镜系统，以形成经过能量过滤的表面象。但是Cazanx所得到的结果并不令人满意，且所得到的象实际上是二级电子象而不是光电子象。它进一步表明当采用光电子时所得到的系统空间分辨率将很低，且预期灵敏度也非常低，以致难于靠XPS产生的少量光电子来得到具有适当对比度的象。因此，一般地说，为能量过滤显微镜所开发的这个边缘技术不适合于低能电子能谱仪，特别不适合于没有按这种方式同电子显微镜使用的环形或球面扇形电容分析仪中。

搞过表面分析的人都知道，以环形电容为基础的电子能量分析仪最适于做低能光电子或俄歇电子分析。“环形电容器”一词在这里是指一种静电能量分析仪，它包括两个环形表面扇状电极，并且其中等势面基本为扇状环形表面，至少在靠近电极处是扇状环形表面。最普通的情况，电极是球面扇形，作为环形表面的一个特例，常用180°的扇面角，但也可采用90°至270°之间的任何扇面角。

显然，对于一个合理设计的分析仪应具有一对共轭平面，这两个平面有如下的关系：如果一个发射单能电子的表面位于在其中的一个平面上，那么在另一个平面上将得到这个表面的二维象。但由于该能量色散分析仪能使这个象在该象平面内沿着谱仪的能量色散轴的方向上发生色散，致使象的空间外貌至少在沿该轴的方向上无法和能谱区分开。

N.Gurker，H.Ebel和M.F.Ebel在Surface    and    Interface    Analysis（表面和界面分析），1983年 5（1）卷13页中建议这点只能通过对样品的一条窄带区域的适宜的放置来解决，即使这种放置能保证象垂直于在象平面的能量色散轴的方向。因为该窄带很窄，所以沿能量色散轴方向只有非常小的空间细节，因而能谱分布与象无关。完整的两维象可通过对样品进行机械扫描来得到，从而样品上不同处的线状窄带可依次用能谱仪来成象。可用位于分析仪成象平面内的两维位置敏感检测器在与狭缝相应的样品每个位置上记录能量谱。这些信息可用计算机处理以得到表面扫描区上完整的两维象和相应于样品各个位置的能量谱。这种方法的主要缺点是要在用能谱仪物平面中放一个狭缝，这显然阻止了大部分发射的光电子达到探测器。因此，该方法的灵敏度低，首先就只发射少量的电子这点来说，它和以前所述方法一样，也存在这个严重问题。用较宽的入口缝当然可以提高灵敏度，但这显然降低了能量谱的分辨率和某一轴向的空间分辨率。

因此，本发明的目的是提供一种带环形电容器式分析仪的电子能谱仪，它既能使小面积样品发射的电子产生能谱，还能用选定能量的电子至少使部分样品表面成象，因而不需要使用任何扫描技术。因此这种分析仪比前述图象分析仪更有效，克服了用XPS低能光电子来产生能量过滤象的问题。

从本发明一个方面看，提供了一种能产生发射电子表面象的电子能谱仪，上述能谱仪依次包括：

a）使上述表面发射电子的装置;

b）第一静透系统，至少把某些上述电子投射到第一衍射面上，至少对上述部分表面的电子象作进一步的傅里叶（Fourier）变换;

c）一个具有一个物平面和与其共轭的第一象平面的环形电容器式的静电能量分析仪，该仪器根据物平面和第一衍射平面相重合的要求来配置，以便能使投射傅里叶变换电子作为在该第一象平面内的能量色散的傅里叶变换。

d）能量选择装置，它用于发射是在选择能量范围内的上述能量色散傅里叶变换电子;

e）第二静电透镜系统，用于接收上述能量选择装置发出的电子并且随后把部分所述表面电子象投射到第二象平面上。

就静电能量分析仪而言，其中第一图象表面位于电极之外，具有第二衍射平面的第二静电透镜系统将其第二衍射平面与第一象平面重合，以使最后的象产生在第二象平面上。

最好在第一透镜系统和表面之间设置一个静电透镜变换系统，并使其接收至少从表面发射来的部分电子并产生至少部分表面的电子图象。若提供了这样的透镜系统，则它产生的电子象就作为本发明第一透镜系统的物体。

为了只允许沿着和表面成某一角度方向和在该方向范围附近的离开表面的电子进入能量分析仪，最好在表面和分析仪之间安装一个装置。此外最好还能够只选择其中的沿着和第一静电透镜系统（或者有时是安装的静电透镜变换系统）的轴成某一角度方向，和在该方向附近的离开表面运动的电子。

在另一较佳实施方案中，组成静电能量分析仪的电极是球形扇面，为的是构成部分球面静电分析仪，这种类型实例通常是在低通能量电子能谱仪中使用。然而，也可采用非球形环状静电分析仪。

最好在第二象平面中或其附近提供一个第一电子检测装置，以便 或显示可见电子象或对其作电子学记录。这是传统装置，可包括荧光屏或位置灵敏检测器，例如在美国专利案4，395，636号或M.Lampton和R.F.Maline在Rew.Sci.Instrumen-ts，1976年47（11）卷1360页上对这些检测器作了介绍。也可采用其它类型的位置灵敏检测器。最好至少安装一个通道板式（Channel    Plate）电子倍增器，并使其入口在检测器或荧光屏前方的第二象平面内。然而，当要进行放大（或缩小）第二透镜系统产生的图象时，可在第二透镜系统和第一电子检测装置之间装置图象放大静电透镜系统。

在另一更佳实施方案中，该设备装有调节通过能量分析仪电子能量的装置。于是能量分析仪的中心轨道势能和表面势能可保持不同量值，以便把电子加速或减速到特别适于能量分析仪在所需分辨率作分析的能量上。一般情况下，样品保持在地面电位上，而分析仪中心轨道以及第一和第二透镜系统中至少入口和出口部件电位均保持在第二电位上，以便按照要求可以调节改变加速或减速。最好把每个成象过程中成象能带范围内的电子加速或减速到能量分析仪带通内的能量上。最好使该带通的能量不低于50ev，通常是在50-200ev，特别是100ev。带通能量越高后所得象的分辨率越高。

在另一较佳实施方案中，无论是静电透镜变换系统（如果有的话）还是第二透镜系统可以方便地改变放大率。

本发明提供至少部分样品表面电子图象的同时，还可以提供记录通过能量分析仪物平面电子的电子能谱。可把与前述相似的电子检测器插到分析仪的象平面电子通道上，以便记录能谱。如下面所解释的那样，在这平面中存在与表面空间特性有关信息，它是以电子轨道同 平面之间形成角度的形式出现，而能量沿色散轴方向色散。因此，在此平面中记录的能谱基本不受样品空间特征的影响。一般情况下谱线检测器装在一个可以缩进的架子上，使检测器可以收回，从而使电子经第二静电透镜系统形成表面的象。若采用带孔的谱线检测器，则可同时记录谱线（除落到孔径部分以外）和象。这对于任何以前所知的适于分析俄歇电子能谱仪或光电子能谱仪来说都是不可能的。在这个装置中，根据需要也可省掉检测空间象装置，因而本发明的另一个目的是提供了一种电子能谱仪，其中包括上面所述部分（a）至（c）并有电子检测装置，用来探测上述能量色散的傅里叶变换的电子。

本发明的第一和第二静电透镜系统可以很容易地包括一个或多个静电透镜，一般都是简单通用的三部件柱形透镜。

如果有静电变换镜系统，则它在第一静电透镜系统的物平面上形成样品表面的电子图象。一般来说，至少包括两个，最好有三个静电透镜，其中每一个都是传统的三部件透镜。这使所选变换透镜系统的放大率可与产生图象的轴向位置无关。这种系统希望能提供的放大倍数至少是16，较好的至少是25，特别好的至少是50，尤其希望能提供X16至X64范围内的可变放大倍数的系统。

在本发明的第二静电透镜系统中提供类似的可变放大系统还可以得到更多优点。于是上述简单的三部件透镜可由多个二至三透镜系统所代替。

最好，静电能量分析仪是球状扇面型。任何适当的扇面角都可采用，一般使用90°和270°之间的扇面角。小于或等于190°的扇面角，例如150°至190°是可取的，因为装配部分比较方便;但用180°的扇面角能得到特别好的效果。这种分析仪的扇面实际一般不 伸延到象或物平面上，以便为输入和输出狭缝留出空间，（因为这些狭缝需要装在象和物平面上）。这种分析仪在工艺上是已知的，故不必详述。

本发明的另一目的是，提供了一种形成发射电子的表面象的方法，它包括：

a）使电子从表面上发射出来;

b）至少使上述部分电子通过第一静电场，该场用于在第一衍射平面中，至少对上述部分表面产生电子图象的傅里叶变换;

c）至少使通过上述第一衍射平面中的上述傅里叶变换某些电子通过具有物平面和第一象平面的环形电容式静电分析仪所产生的第二静电场上述物平面与上述第一衍射平面重合，从而在上述第一象平面中产生能量色散的傅里叶变换;

d）选择能量在选定范围内的电子;

e）使上述选定电子通过第三静电电场，使其聚焦在第二象平面上形成第二电子图象，该图象包括具有上述选定范围内能量的电子。最好从表面发射的电子在第一静电场前通过一个静电变换场。静电变换场聚焦电子，产生一个作为第一静电场的物体的图象。

最好，在这些从表面发射出的电子进入第一静电场之前，使这些电子先通过一个变换静电场，该静电场由而使这些电子聚焦，并从而产生一图象，而该象又作为第一静电场中的物。

最好本发明的方法中还包括一个对在进入静电场之前，沿着同表面成某一角度方向附近运动的电子进行选择的步骤。

在另一较佳实施方案中，该方法包括电子在进入第二静电场之前电子能量改变的步骤，它使这些电子能量在所需要的能量分辨率范围 之内，随后由第二静电场进行能量色散。

在另一更佳实施方案中，第二静电场的等势面为部分球面。另外，最好把从表面发射电子的能量变到一个量值，在这个量值上，能量分析仪将给出所需的能量分辨率。这是用来做俄歇分析或光电子分析的电子能谱仪传统的运行模式。例如参见，Brundle    Roberts    Latham和Yates在J.Electron    Spectroscopy    and    Related    Phenomena，1974年第3卷241-261页的介绍。应该指出的是，在电子的象平面中还包含有通过第二静电场的电子的能谱。根据需要还可以记录下来这个能谱。在这个能谱中基本上不包括空间信息。另外，在第二平面所形成的分辨率基本不受其所含电子能量分散的影响。

用这种方法，可克服环形电容电子能量分析仪的能量色散和空间成象性质相分离的问题。在一较佳实施方案中，用光子（X射线、紫外光等）轰击样品以发射电子，或用电子轰击来发射俄歇电子，所发射的部分电子被变换透镜系统收集而形成一个表面的象。如同在传统分析中一样，电子能量可通过改变其所在处电势来改变，通常是阻滞这些电子以使通过分析仪的能量被限制在较低的量值上，从而提高能量分辨率。在传统的能谱仪中，如Gurker.Ebel和Ebel（如前所述）所述，变换透镜系统使表面的象能在能量分析仪的物表面上形成，同时在没有位置灵敏检测仪的象平面上形成样品的能量色散;相反，在本发明中，第一透镜系统介于变换透镜系统的象平面和能量分析仪物平面之间。最简单的情况是在第一透镜系统只包括一个薄的单个透镜时，将使变换透镜系统的象平面和分析仪的物平面与第一透镜系统的距离分别等于第一透镜系统的焦距。这样，分析仪的物平面与 第一透镜系统的衍射面重合，在此面上存在表面象的傅里叶变换。沿着与表面成一定角度的方向离开样品表面某一特定点的电子将以基本为平行射束的形式穿过第一透镜系统的衍射平面，并同该平面成一特定角度。而且从表面不同点上离开的电子以不同角度通过平面。这样，在平面上基本上没有由于表面的空间特性引起的强度变化。环形电容式能量分析仪在其象平面中形成这个衍射平面的“象”，并且使电子沿着其色散轴方向发生能量色散。这样，来自样品上不同点的电子是以不同角度通过分析仪的象平面的，但是，是按照能量的大小沿着色散轴移动，从而使沿着色散轴的电子强度分布是随着能量变化的，它与最初发射电子表面上所在点的位置无关（假设样品表面是均匀的），这样就能把一个完整的能谱（基本上与表面的空间特性无关）记录在该分析仪的象平面上。

然而如果通过分析仪象平面的电子被适当定位的第二透镜系统接收时，则该透镜将形成表面的另一图象，即第二透镜系统与第一透镜系统的作用相反。当第二透镜系统是单个薄透镜时，其布置情况是使分析仪的象平面与透镜之间的距离为聚焦长度，而且图象将在透镜的象平面上生成，同样该象与透镜之间的距离为聚焦长度。该象与分析仪象平面中电子分布的能量色散无关，因为它包括了分析仪象平面的傅里叶变换并仅依赖于电子通过该平面的角度。包括该象的电子能带当然可以靠改变通过分析仪的能量样品与分析仪中心通道之间的势差（减速比）和/或其象平面的狭缝宽度来选择。

最好再在分析仪物平面装上另一狭缝来限制进入分析仪中电子轨道的角度范围。

此外，本发明的分析仪还可以选择能表征表面中所含元素的特征 电子，并可以得到该元素沿整个表面的分布象。还可以记录从表面特定区域上发射电子的能谱。在变换透镜系统可以安装一个适当形状的光栏来供能谱仪对要成象的样品区域进行选择用。还可以在分析仪的象平面内装一个检测器，该检测器有一个允许某些电子进入第三透镜系统的光栏。这样，可在产生表面象的同时记录一大部分能谱，此外还可以使用带光栏的或开狭缝的检测器，该狭缝只沿着分析仪的象平面上的轴向延伸，并基本上与色散轴垂直。用这种方式可以在一部分象平面中记录完整的能谱，而表面象可由通过末级透镜并穿过检测器光栏的电子束产生。

这种方法显然比扫描方法更有效，并且能最大限度地利用从表面发射出的电子。

现在将结合下列附图来描述本发明的一个较佳实施方案：

图1是本发明能谱仪的一个实施方案示意图，它示出了各透镜部件和象的位置;

图2是适用于本发明能谱仪中的电子能量复制仪的物平面和象平面的说明图，图中列出了在后面将要涉及的参数;

图3是适用于本发明的变换透镜系统和第一透镜系统的示意图;

图4是本发明能谱仪主体的说明图;

图5是说明图3所示第一透镜系统及变换透镜系统的实际方案具体示意图;

图6是说明输出透镜及适用于本发明的检测器的具体示意图。

首先参考图1，用包括静电透镜1和2的变换透镜系统将物体4发射的电子聚焦，该透镜系统将在下面进行详述。变换透镜系统产生物体4的实象3。象3与第一透镜系统5的距离为F₂，透镜系统5 距半球形电容器电子能量分析仪的物平面6的距离也是F₂，半球形电容器电子能量分析仪的中心轨道用7表示，使物体4和变换透镜系统入口和出口元件（图5的15和25）保持在接地电位，同时调整中心轨迹7和透镜系统5的入口与出口（图5的27和32）电位，以使电子在进入能量分析仪之前能获得所需的减速（或加速）。当透镜系统5为一单片薄透镜时，使距离F₂等于透镜系统5的焦距，以使象3的傅里叶变换存在于物平面6上，通过平面6的电子进入能量分析仪，那些能量可通过分析仪的电子通过了分析仪象平面8，它是与平面6共轭的。和常规电子能谱仪一样平面8上的光栏使具有所选范围能量的电子能够通过。因此，在平面6上象3的傅里叶变换重现在平面8上，但构成象3的电子是沿着位于平面8上的一个轴色散，这正如解释过的那样。第二透镜系统9安装在距离平面8为F₃的位置，（F₂为透镜系统9的焦距，设透镜系统9为单片薄透镜），它使通过平面光栏孔的电子在距离透镜9为F₃的地方形成物体4的第二电子象10。换句话说，透镜9起到使能量在所选范围内的电子由于平面8上能量色散的傅里叶变换而转换为10的作用，此象按常规方法用一个位置灵敏检测器记录下来，正如已叙述过的那样，象10不受平面8上能量色散的影响。

再参考图2，R为部分球形能量分析仪中心轨道7的半径，该能量分析仪的入射面11和出射面12分别与物平面6和象平面8倾斜成角θ。图2中还表示，γ（φ）为从入射面11进入分析仪并已转过一个角度φ的电子的中心轨迹13的极座标。可以证明，轨迹13上电子的位置由（1）式给出：

(r（φ）)/(R) ＝1+ε（1-cosφ）+α（tanθcosφ+sinφ）+pcosφ

+ε²（cos²φ-cosφ）

+α²（-tan²θsin²φ+cosφ-cos²φ+2tanθsinφcosφ）

+αp（-2tanθsin²φ+2sinφcosφ）

+p²（-sin²φ）

+αε（2sinφ-2sinφcosφ+2tanθsin²φ）

+εp（2sin²φ）+etc. 〔1〕

式（1）中，P为位于分析仪物平面6上物体的规一化高度（也就是说真实高度＝Rp），α为面11的法线与电子将按轨迹13通过分析仪而接近面11的方向之间的夹角，而ε.Ec为沿轨迹13行进着电子的能量与分析仪的通道能量Ec之间的差值。

在分析仪的出射面12处，φ＝180°-2θ，于是由（1）式可得

(r₂(φ))/(R) ＝1+ε（1+cos2θ）+α（-tanθcos2θ+sin2θ）+p（-cos2θ）

+ε²（cos²2θ+cos2θ）

+α²（-tan²θsin²2θ-cos2θ-cos²2θ-2tanθsin2θcos2θ）

+αp（-2tanθsin²2θ-2sin2θcos2θ）

+p²（-sin²2θ）

+αε（2sin2θ+2sin2θcos2θ+2tanθsin²2θ）

+εp（2sin²2θ）+etc. -[2]

在分析仪的出射面12处，轨迹13的斜率1/r·dr/dφ可 由（3）式给出：

在（3）式中，α₂为在出射面12处，轨迹13与面12的法线之间的夹角，（在面12的靠近电子通路一侧），r₂为φ＝φ₂时的r值，这里φ₂为面12处的φ值。

由（1）-（3）式，能导出下列表达式：

α₂′＝ε（2sinθcosθ）-α+p（-2sinθcosθ）

+ε²（-2sinθcosθ）+α²（-2sinθcosθ）

+εα（4sin²θ）+εp（4sinθcosθ）

+etc.    〔4〕

其中，α₂′为在出射面12的电子出射侧，轨迹13与面12法线间的夹角。因而

p₂＝2ε-p

+ε²（+2-4sin²θ+4sin⁴θ）

+α²（-2-2tan²θsin²θ+2tan²θsin⁴θ+4sin⁴θ）

+p²（-4sin²θ+4sin⁴θ）

+αp（-4sinθcosθ）

+αε（8sinθcosθ+4tanθsin²θ）

+εp（12sin²θ-8sin⁴θ）

+etc.    -[5]

这里，p₂是电子轨迹13在象面8上距中心轨迹7的规一化位移（也就是说真实位移＝Rp₂）。

由（4）和（5）式，可以清楚地看到，最好用θ＝0的能量分析仪，也就是180°扇形分析仪，因为当θ＝0时，等式中的二次项变为零，分析仪的象差必然减到最小。当然，用θ≠0的分析仪也属于本发明的范畴内。选择这种仪器的最佳实施方案的步骤与下面的例子相似，这个例子用的是180°分析仪，而等式（4）和（5）必须用等式（6）和（7）代替，用适当的设计将最重要的象差减至最小。

对于一个180°的扇形分析仪来说，θ＝0，而等式（4）和（5）分别变为：

α₂′＝-α（十三次项） 〔6〕

和

p₂＝2ε-p+2ε²-2α²

+（三次项）    〔7〕

设三次项的系数近似为1，由（6）式和（7）式得出角差△α₂′（它将导致电子通过透镜9后成象模糊）在α、ε和p大约不超过0.05时将不大于约10^-4，在实践中很容易使α、ε和p不超过0.05。因此，如果透镜9的焦距（图1的F₃）为150毫米，最终成象10上的位移误差F₃△α₂′将约为15微米，也就是说，大约和常规位置灵敏电子检测器的分辨率相同。因而，可以方便地将透镜5和9的焦距做成150毫米，使分析仪的象差近似等于检测器的分辨率。

不过，如果用150°的扇形分析仪，θ＝15°，当α、ε和p不起过0.05时，空间分辨率在F₃＝150毫米时为几毫米的数量级，这清楚地表明了使用180°扇形分析仪的优点。

正如解释的那样，也可以调整加在透镜系统5和分析仪电极上的势能，把由样品发射出的电子能量改变到通过分析仪所需能量。这应在保证不显著降低分析仪的空间或能量分辨率的情况下进行，按下列方法可以获得实用的设计。

保证系统的放大倍数与分析仪通过能量无关的一个方法是使减速平面与空间成象相重合。另外，在减速之后，电子束的发散很严重， 因而减少各种不同透镜的色象差可能成为控制全空间分辨率的最重要因索。

现考虑图3所示的透镜系统，平面14代表该透镜系统的减速平面，它与象3相重合。在平面14的左边，电子具有能量Eo，而在右边，电子的能量为Ec，即分析仪的通道能量。

透镜系统5对物体4的色象差的影响由等式（8）给出：

${△}_C=\frac{1}{M^2}［\frac{E_0}{E_C}{］}^{\mathrm{3/2}}{C}_c\mathrm{(5)\; ·a}{}_0·\frac{\mathrm{dE}}{E_0}\mathrm{［8\; ］}$

其中，△c为透镜5对物体4的色象差的影响，

αo为物体4处电子束的发散角，

Cc（5）为透镜5的色象差系数，

M为象3由透镜1和2对物体4的放大倍数，

dE为该分析仪的通带能量。

为了保证由透镜5引起的色象差的影响小到能被接受，透镜1和2的放大倍数必须大大超过透镜系统5的色象差系数的放大倍数（Eo/Ec）^3/2。典型的操作条件可以是Eo＝885电子伏，Ec＝12.5电子伏，这样当（Eo/Ec）^3/2/M²＝1时，M＝24.4。

所以，如果要透镜5的色象差与物镜系统色象差相比足够小的话，就要M＞＞24。这就意味着，减速最好发生在象3处，而不是在 任何前面的成象处，那些地方的放大倍数都较小，而由减速平面和透镜5之间的透镜造成的色象差的影响都相应地较大。

下面考虑透镜球面象差对系统空间分辨率的影响，等式（9）给出了球面象差对分辨率的影响δs：

δs＝ 1/4 C_sα_o ³〔9〕

这里Cc为整个透镜系统的球面象差系数，它主要由物镜系统1的球面象差来决定。

等式（10）给出了色象差对分辨率的影响δc：

δ_c＝C_cα_o·dE/E_o[10]

这里Cc为整个透镜系统的色象差系数。

如先前解释的那样，如果M足够大，只有透镜系统5和透镜系统1显著地影响总的象差。因此，

$C_c\mathrm{=\; C}{}_c\mathrm{(1)\; +\; C}{}_c\mathrm{(5)\; ·}\frac{{\mathrm{(E}}_O{\mathrm{/E}}_C{)}^{\mathrm{3\; /\; 2}}}{M^2}\mathrm{［11］}$

这里Cc（1）为透镜系统1的色象差。

选取

δs＝δc＝δ    〔12〕

并根据等式（9）和（10），

由等式（9）

在物平面6处电子束的宽度（din）较小情况下，可以通过选择出射缝隙宽度（dout）来控制dE，于是

d_out＝（2R.dE/E_c）-d_in[15]

此外，根据拉格朗日-亥姆霍滋（Lagrange-Helmholtz）关系，

$d_{\mathrm{in}}=\frac{{\mathrm{2F}}_2{a}_o}{M}［\frac{E_o}{E_c}{］}^{\mathrm{1/2}}\mathrm{［16］}$

因此根据（15）可得

$d_{\mathrm{out}}\mathrm{=\; 2R\; ·}\frac{\mathrm{dE}}{E_c}-\frac{{\mathrm{2F}}_2{a}_o}{M}［\frac{E_o}{E_c}{］}^{\mathrm{1/2}}\mathrm{［17］}$

另一方面，在din大于所需要的d_out值时，则必须调整αo和dE使入射束宽度等于d_out，于是

d_in＝d_out＝R（dE/E_c）

和δ＝δc    同时    δs＜δc    〔18〕

根据等式（12）、（16）和（18），

$a_o=\frac{\mathrm{MR}}{{\mathrm{2F}}_2}·\frac{\mathrm{dE}}{E_c{}^{\mathrm{1/2}}{E}_o{}^{\mathrm{1/2}}}\mathrm{［\; 19\; ］}$

和

$\mathrm{dE\; =\; ［}\frac{{\mathrm{2F}}_2}{{\mathrm{MRC}}_c}{］}^{\mathrm{1/2}}{E}_c{}^{\mathrm{1/4}}{E}_0{}^{\mathrm{3/4}}\delta {}^{\mathrm{1/2}}\mathrm{［20］}$

在等式（9）至（20）中，δ代表最后成象相对于物体4的模糊程度，即系统能分辨的最小细节。

由一个象区δ²进入半角α_o锥体的计数速率X′由等式（21）给出：

X′＝β′（E_o）dE.∏.α² _oδ²[21]

其中，β′（Eo）dE是由物体4发出的处于Eo至（Eo+dE）能带中的电子的亮度。根据等式（10）、（12）和（21），

$X^{\prime }\mathrm{=\; \beta }{}^{\prime }{\mathrm{(E}}_0\mathrm{)\; ·\; \Pi ·}\frac{E_0{}^2}{C_c{}^2}·\frac{{\delta }^4}{\mathrm{dE}}\mathrm{［22］}$

等式（22）表明，为了使X′对于给定的分辨率δ有最大值，Cc和dE必须最小。

由等式（11）可以看到，如果M非常大，Cc的最小值是Cc（1），而由于d_in总是能够减少到使等式（13）而不是等式 （20）起作用，因此X′的最大值（X′（max））将由等式（23）给出：

$X^{\prime }\mathrm{(max\; )\; =\; \beta }{}^{\prime }{\mathrm{(E}}_0\mathrm{)\; ·\Pi \; ［}\frac{4}{C_n}{］}^{\mathrm{1/3}}\frac{E_0}{C_C\mathrm{(1)}}{\mathrm{·\; \delta }}^{\mathrm{10/3}}\mathrm{［\; 23\; ］}$

dE、d_out、α_o和X′的值对于任何推荐的透镜排列均可根据等式（13）、（17）、（14）和（22）（当d_in＜d_out时）或根据等式（20）、（18）、（19）和（22）（当d_in＝d_out时）来计算。

表1列出一些根据选定的δ、Ec和M值得出的典型值。

表1中划线的数值是当d_in＝d_out时的数值。

等式中所需的Cs和Cc值可从《静电透镜》（Elsevier，1976）一书中E.Harting和F.M.Read给出的静电透镜表中找到。需要注意的是，设Cs几乎完全由透镜系统1（等式（9））产生的，实际上就是由透镜系统1的第一个元件产生的，而Cc由透镜系统1，也由透镜5决定（等式（11））。在表1中，已用了下列数据：

透镜5：焦距（F₃）＝150毫米

直径＝60毫米

透镜1：焦距＝64毫米

直径＝32毫米

沿用Harting和Read的术语，用以确定Cs和Cc的其余参数分别为A/D＝1，G/D＝0.1，D₁＝D₂，V₁＝V₃，它们均是常规三部件透镜的典型参数。

可由式〔24〕和〔25〕估计出透镜9对整个象差的影响，上述两式给出了因透镜9而引入的球面象差（△s（9））及色差（△c（9）），这些象差已被折算到物平面4上。电子越过透镜系统9后会聚在图象10中心某点上，其入射半锥角为d_out/2F₃，此F₃为透镜9的焦距，于是，如果透镜5和9是一样的，即图象10相对于物体4的放大倍数等于图象3相对于物体4的放大倍数，则

$\mathrm{△s\; (9)\; =}\frac{1}{4}{C}_S\mathrm{(9)\; 〔}\frac{d_{\mathrm{out}}}{{\mathrm{2F}}_3}{〕}^3〔\frac{1}{M}\mathrm{〕\; 〔24\; 〕}$

${\mathrm{△c\; (9)\; =\; C}}_C\mathrm{(9)\; 〔}\frac{d_{\mathrm{out}}}{{\mathrm{2F}}_3}\mathrm{〕\; 〔}\frac{\mathrm{dE}}{{\mathrm{2E}}_C}\mathrm{〕\; 〔}\frac{1}{M}\mathrm{〕\; 〔25\; 〕}$

式中，Cs（9）及Cc（9）分别为透镜9的球面色象差系数，可以从 Harding和Read所给出的表中找到它们。从式〔24〕和〔25〕可看到：倘若M近似为或大于25，Ec为或大于50ev，则与所选的δ值相比，△s（a）和△c（a）是微不足道的。

由表1可看到，通过使用Ec的最高值（50和100ev）可获得X′的最高值。此外，无论M为16还是64，当用Ec最高值（50和100ev）时，△s（9）和△c（9）分别比δ值的1%和20%还要小。因而在较佳方案中，采用通道能量在50和100ev之间，和在16-64之间调节放大倍数就可满足所需的细节清晰度和视野的要求。对于一个给定分辨力，其最佳的α_o值和d_out将随M而稍有变化，但其影响不大。一般说来，对给定的M，Ec和Eo值，有一个唯一的α_o和d_out组合，在给定分辨力δ上能产生最大的计数速率，而且可以从上述公式中，求出较佳实施方案所需的这些数值。

因此按照上述步骤，可以为任何特定类型分析仪和透镜系统推导出一组类似的公式，并且为最佳性能求得参数。

本发明主要部件的配置情况如图4所示。能量分析器包括一个外球形电极30，它由分析仪真空室38的盖帽39引入的绝缘器40来支撑。内球形电极31则由电极30上其它绝缘支座（未画出）来支撑。室38通过法兰盘41与样品室42相连，而样品室又通过法兰盘34与真空泵相连，通常用的是一个扩散泵（未示出）。通过操作器44上的连杆43，把样品29的待检测表面紧靠在物平面4位置（图1）上。能量分析仪入口和出口光栏被安装在一个或多个可转动板45上，这样通过旋转上述转动板，可以选择不同的成对的缝隙。可方便地将电子检测器37（最好用位置灵敏检测器）安装到其中一个旋转板45上，以使在需要时可以把能量谱记录下来，检测器37也可包含一个光 栏，以便用检测器37和检测器35来同时记录能量谱和空间图象，（下面将要讨论）。一次射线发生器36也装配在样本室42上，并用粒子束或辐射束照射样品29，这使样品产生二次发射，发射光电子或俄歇电子。发生器36通常为X射线、电子、离子束或紫外光源。与所有类型的表面探测器一样，在室42和室38内的压力被保持在10^-8乇或以下。

如图4所述，把各种透镜系统配置在分析仪的入口和出口光栏附近。用位置灵敏检测器35来记录在透镜9的图象平面中所形成的样品图象。如前所述，检测器35最好包括一个楔形和条状检测器。为这样的检测器产生可视图象或打印图象所用到的电子信号处理设备在先用技术上是公知的。

当要求在检测器35上用透镜系统9所产生的并经放大的图象时本发明的第二透镜系统可包括透镜系统9和辅助透镜系统50（见图4），辅助透镜系统50最好是有可变放大倍数的变焦透镜。于是可以用透镜50使第二透镜系统所产生的最终图象分辨力与检测器35的分辨力相匹配。

为将光谱仪系统的各电极保持在所要求的电位上，各类电源也是采用公知的技术。

如果在光栏检测器37在检测能谱的同时还利用检测器35检测空间图象，则在所记录的谱中存在着由检测器37中的光栏所引起的间隙。倘若此间隙与能谱的邻近部分细节相比并不大的话，那么可以根据检测器35的积分计数率用内插法来计算丢失的能谱。

图5显示出本发明的变换透镜系统和第一透镜系统的一个具体实施方案。物透镜包括三个元件15、16和17，它们分别保持在 V₀，V₁和V₀的电位上。物镜适宜于在光栏板20中形成样本29的表面的图象。光栏板20的孔径最好尺寸可调，以便选择要予以成象的那部分表面。第二可调光栏板18被配置在紧接物镜之后的聚焦平面内，它是位于离元件16的中心等于物镜焦距的距离上。板18上的光栏是用来控制角度αo，传输管19用以保证电子路径不受杂散静电场的影响。样品29，光栏板18和20，及传输管19均保持在电位V₀上。通常是接地电位，调节V₁使图象形成在光栏板20的平面上。象散校正器包括在传输管的一端对称配置的8个电极26在内，用来校正由透镜系统所引入的象散。

透镜元件21、22、23、24及25包括一对静电透镜，它将透镜系统1在光栏板20上所成的图象成形在减速平面上。元件22和24分别加上电位V₂和V₁，调节这二个电位使透镜系统的放大倍数至所要求的数值。元件21、24和25保持在电位V₀上。元件21、22和23（左侧）直径宜为20mm，而元件23（右侧），24和25的直径可以为60mm。

元件27、28和32组成透镜系统5（图1），它们分别保持在电位V₅、V₄和V₅上。在光栏板33中的孔径包括装在平面6上的（图2和3）能量分析仪的入口孔径。电子通过位于透镜元件25和27之间的减速平面14被减速（若电位V₅比V₀正的话，则加速），由于从电压V₀到电压V₅，于是检测空间图象出现的电子将为能量Ec（即分析器的通道能量）对透镜系统5的功能前面已作过介绍。

图6用来说明第二透镜系统9的一个实施方案。其中，元件47 48和49分别保持在电位V₅，V₀和V₅，它们形成一个三部件透 镜，如前所述，它在位置灵敏检测器35上形成光栏一个图象，配置在平面8中的光栏板46提供了能量分析仪的出口孔径。为了使离开透镜的电子被加速和以足够的能量撞击检测器以保证检测器有效工作，将检测器35的电位V₇维持在比V₅正几百伏的电位上。

应该认识到，图5和图6中所示的透镜系统只打算作为一个例子，也可以用其它的布置方案。

Claims (14)

1、一个用于产生发射电子的表面象的电子能谱仪，上述能谱仪包括：

a)使上述表面发射电子的装置；

b)第一静电透镜系统，它至少把某些所述电子投射到第一衍射面上，作为对至少部分上述表面电子象的傅里叶变换；

c)具有一个物平面和与其共轭的第一象平面的环形电容式静电能量分析仪，上述分析仪的上述物平面与上述第一衍射平面重合，上述分析仪投射上述傅里叶变换电子作为上述第一象平面内的能量色散傅里叶变换；

d)能量选择装置，它只传输在所选能量范围内的上述能量色散傅里叶变换电子；

e)第二静电透镜系统，用来接收上述能量选择装置发出的电子并且随后把部分所述表面电子象投射到第二象平面上。

2、如权利要求1中所述的能谱仪，还包括一个静电变换（传输静电）透镜系统，该透镜系统配置在上述表面和上述第一静电透镜系统之间，接收上述表面所发射的电子，并将其投射成一个电子象。

3、如权利要求2中所述的能谱仪，其中上述静电变换透镜系统的放大倍数至少为16倍。

4、如权利要求3中所述的能谱仪，其中上述静电变换透镜系统的放大倍数在16至64倍间可调。

5、如权利要求1至4中任何一个所述的能谱仪，还包括配置在上述表面和上述能量分析仪之间的装置，用来只允许离开该表面电子在选定的角度范围方向上进入到上述分析仪内。

6、如权利要求1中所述的能谱仪，其中有一个安置在上述第二象平面中的第一电子检测装置。

7、如权利要求6所述的能谱仪，还包括一个可伸缩式安装的第二电子检测装置，该装置配置在上述第一象面内。

8、如权利要求6中所述的能谱仪，还包括一个光栏的第二电子检测装置，该装置配置在上述第一象面内。

9、如权利要求1中所述的能谱仪，其中上述能量分析仪为一个部分球状的电容器型静电能量分析仪。

10、如权利要求9中所述的能谱仪，其中在上述第一象平面和上述平面之间的角度是在150度至190度范围内。

11、如权利要求1中所述的能谱仪，其中上述能量分析仪的中心轨道的电位应与所述表面的电位保持不同的电位。

12、如权利要求11中所述的能谱仪，其中上述能量分析仪的通带能量应至少调整到50电子伏特。

13、一种形成电子发射表面图象的方法，上述方法包括：

a）使电子从表面发射;

b）上述电子中的至少一部分通过第一静电场，此静电场调整到使上述表面中至少一部分的电子图象在第一衍射面上产生傅里叶变换;

c）穿过上述衍射面的所述傅里叶变换的电子中至少一部分通过由一个环形电容器型静电分析器所产生的第二静电场，该分析器有一个物平面和一个第一象平面，上述物平面与上述第一衍射面相重合，从而在上述第一象面内产生一能量色散的傅里叶变换;

d）选择能量在选定范围内的电子;

e）使所选择的电子通过一个第三静电场，此静电场调整到使电子聚焦在第二象平面中形成一个第二电子象，此第二电子象包括在上述选定范围内各种能量的电子。

14、一个电子能谱仪，依次包括：

a）使上述表面发射电子的装置;

b）第一透镜系统，至少把某些上述电子投射到第一衍射面上，作为至少一部分上述表面的电子象的傅里叶变换;

c）具有物平面和与其共轭的第一象表面的环形电容式静电能量分析仪，上述分析仪的所述物平面与所述第一衍射平面重合并投射上述傅里叶变换电子作为上述第一象平面内的能量色散傅里叶变换;

d）一个用来检测所述能量色散傅里叶变换电子的电子检测装置。

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