CN102549704B - 带电粒子的影像能量过滤器以及使用其的分光计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带电粒子影像能量过滤器，其具有带入口平面和出口平面的环状能量分析器，优选地具有半球状分析器。为了提供影像能量过滤器以及具有这样的影像能量过滤器的分光计，其具有更高水平的位置和角度分辨率，且可以更大的接受角度操作，根据本发明提出：提供用于带电粒子的镜子部件，且其被如此设置以使通过出口平面离开环状能量分析器的带电粒子由该镜子部件被反射回该环状能量分析器，从而该带电粒子又一次在相反进行方向穿过环状能量分析器。

Description

带电粒子的影像能量过滤器以及使用其的分光计

本发明涉及带电粒子的影像能量过滤器以及具有这样的能量过滤器的分光计。

能量过滤器被用于确定诸如例如电子之类的带电粒子的能量。

为了分析材料，在电子分光计中激发要被调查的材料的电子。这可用例如被辐射到其中的电子来实现，但也可用X射线辐射或UV辐射来实现。

然后测量电子的动能。为这个目的而使用电子分光计，通过电子分光计，可能确定带有给定动能的被激发电子的数量。

从例如EP1 559 126已知带电粒子的影像能量过滤器。

这种能量过滤器构建于半球形分析器上。半球形分析器包括两个金属半球。一个形为凹入而另一个具有凸出形状。两个半球的曲线的中心点重合。对这两个半球施加不同电压，从而在两个半球之间产生电场。将被能量过滤的电子现在可被入口表面反射到两个半球之间的间隙中。具有位于较窄能量范围(也称为通过能量)中的动能的电子可完全通过分析器且达到设置在出口表面之后的检测器。具有过高能量的电子将撞击外半球而具有过低能量的电子将撞击内半球。

半球分析器发生聚焦，换言之具有同样能量的电子，不论它们进入半球分析器时精确角度如何，以一级近似被几乎聚集于出口孔处的同一点。因此，可在半球分析器的出口检测到具有给定能量的电子。可通过改变内和外半球之间的电场来调节通过能量。

半球分析器用作能量过滤器，换言之，可确定带电粒子的能量。被激发的电子通常以不同角度和/或在不同位置入射到半球分析器的入口表面上。

原则上，位置和角度分度允许推出关于带电颗粒的起源的结论。

如果，例如，用合适的辐射源(诸如例如电子源)照射样本，那么电子可从样本表面分开，或者电子源的电子可在该表面上衍射。

如果样本表面被成像于半球分析器的入口表面，那么电子的位置分布包括有关在此表面上的样本的结构信息。允许从角度分布中得出有关原子的几何排列的信息。

然而，如果出口表面直接成像于检测器上，由于半球分析器的聚焦性质，位置和角度分布会丢失。

因此EP 1 559 126已经提出了使用两个半球分析器，二者连接为一个在另一个之后。在该情况下，第一半球分析器用于仅通过具有通过能量的带电粒子，而第二半球分析器存储带电粒子的位置和角度分布。

为了将从第一半球分析器流出的带电粒子成像于设置在下游的半球分析器的输入处，采用转接透镜，即，用于带电粒子的透镜。这个措施提供了影像能量过滤器作为第二半球分析器，校正了第一半球分析器的影像误差。

然而，已知的是，当使用静态、没有空间电荷且旋转对称的管状透镜时，在带电粒子的光学成像系统中不出现色彩(色彩误差)和球差(孔径误差)。转接透镜固有的这些误差限制了系统的操作效率且，由于以较大角入射在入口表面的电子的成像质量过差而导致仅具有非常小的接受角度的已知系统。

考虑到现有技术的上述状态，因此本发明的目的是提供影像能量过滤器或者具有这样的影像能量过滤器的分光计，其具有较高水平的位置和角度分辨率且可以较大接受角度而被操作。

根据本发明，通过带电粒子影像能量过滤器来实现这个目的，该影像能量过滤器具有带入口平面和出口平面的环状能量分析器，优选地是具有半球状分析器，其中为带电粒子提供了被如此设置的镜子部件：以使通过出口平面离开环状能量分析器的带电粒子通过该镜子部件被反射回该环状能量分析器，从而带电粒子在相反行进方向再一次地穿过环状能量分析器。

表述“在相反进行方向”并不是意味着带电粒子精确地跟随同一个路径而是从出口表面到入口表面穿过能量分析器。在优选实施例中，带电粒子以第一角度入射到入口表面上，在它们穿过能量分析器两次之后以第二角度离开，其中第一角度和第二角度是反向地相同的，换言之，入射光束、入射轴以及出射光束位于一个平面内，且入射角和出射角是相同的。

如已在EP 1 559 126描述的那样，并不是绝对必须使用半球形分析器。原则上，任何环状能量分析器是合适的，例如，还有圆柱形分析器或球形扇区分析器。在EP 1 559 126中描述了相应的示例。

即使在下文中结合特定优选的半球分析器而描述本发明，将理解的是除此之外，还可能使用任何其他环状能量分析器。

根据本发明的合适的带电粒子的反射镜的配置首先规定：可能无需使用第二环状能量分析器。替代此，带电粒子由镜子被反射回第一环状能量分析器。

原则上，可能将反射镜直接放置在环状分析器的出口平面中。然而带电粒子的反射镜一般具有不可忽视的固定的负球面像差和色差。

因此，优选实施例规定：在出口平面和镜子部件之间配置转接透镜设备。然后，可如此配置转接透镜设备以及镜子部件，从而使转接透镜设备的像差由镜子部件所减少。

在这个方面，这样设计转接透镜设备以使在能量分析器的出口平面中的中间影像ZB₁成像于镜子部件上作为放大的中间影像ZB₂，其具有线性放大倍数V_L＝ZB₂/ZB₁＜0。

原则上，转接透镜设备可如EP 1 559 126所描述地那样准确地被设计。

在特别优选的实施例中，线性放大倍数V_L＝-1。进一步期望的是如果角度放大倍数V_W是负的且最好是V_W＝-1。

在优选实施例中，转接透镜设备具有至少两个用于带电粒子的透镜。

镜子部件可以是静电镜。然而原则上可反射带电粒子的任何镜子都是合适的。有利地，如此彼此匹配镜子部件和转接透镜设备，以使转接透镜设备的色差和/或球面像差可由镜子部件减少，且更具体优选地至少减少30％，且特别优选地至少减少60％，且最好至少减少75％。因此，通过根据本发明的镜子部件的设置可减少对于转接透镜设备的质量要求，而分辨率级别没有显著劣化。相比以高度的复杂性和花费来改进转接透镜设备，通过镜子部件的配合，校正转接透镜设备的影像误差基本上更为容易，且因此明显花费较少，特别是因为，根据理论考虑，转接透镜设备的影像误差不能被完全地减少。

因此，镜子部件和转接透镜设备的组合能减少当使用转接透镜设备时所涉及的影像误差(在理想情况下，甚至能对其加以补偿)。

此外，通过转接透镜设备和镜子部件的组合(其光学性质可容易地被影响且因此被修改)可减少可能存在的、在能量分析器之外在成像或转接系统中出现的任何进一步的影像误差。如果例如，带电粒子由透镜成像于能量分析器的入口表面上，此透镜将导致影像误差，其在通过转接透镜设备和/或镜子部件的校准操作中也可被减少或甚至完全地被补偿。

在为带电粒子提供分离部件的优选实施例中，如根据本发明，带电粒子通过环状能量分析器的入口平面进入，且还在反射之后再次出射。通过分离部件，入射粒子可与出射粒子分离。

在特别优选的实施例中，分离部件被实现为磁性转向器，其具有带电粒子的入口表面、能量过滤器表面以及经能量过滤的带电粒子的出口表面。如此设置磁性转向器，以使入射在磁性转向器表面上的，以优选为小于20°的入射角α入射的带电粒子由该磁性转向器转向，从而它们从该磁性转向器的能量过滤器表面以优选为小于20°的出射角β出射并在环状能量分析器的入口表面以优选为小于20°的入射角γ入射，且从环状分析器的入口表面以出射角δ出射的带电粒子以优选为小于20°的入射角ε在磁性转向器的能量过滤器表面入射并由该磁性转向器转向，从而它们以优选为小于20°的出射角ζ离开磁性转向器的出口表面，其中优选地在磁性转向器和环状分析器之间设置一个或多个透镜。

换言之，使用磁性转向器来将进入能量分析器的光束与离开该能量分析器的光束分离开。磁性转向器是现有技术已知的。

采用术语能量过滤器表面来标识磁性转向器的表面，其面向能量过滤器，即未经过滤的带电粒子从该表面离开且在能量过滤之后再次进入。

因此该表面本身并不具有任何能量过滤性质，即使在特定实施例中可能有这样的情况。由于带电粒子的曲率半径取决于速度并因此取决于在磁性转向器中的能量，通过在能量过滤器表面上设置孔板，有可能为能量过滤器表面本身提供有能量过滤性质。

原则上可在任何带电粒子的分光计中使用根据本发明的影像能量分析器。优选地，在待调查带电粒子是电子的电子分光计中使用该能量分析器。

在优选实施例中，该分光计具有检测器，用于检测通过环状分析器的入口表面出射的带电粒子，检测器优选地是CCD检测器。经能量过滤的电子所具有的位置信息可通过CCD检测器检测到。在这个方面，检测器优选地被如此设置以使其检测到通过磁性转向器的出口表面出射的带电粒子。在特定实施例中，可使用设置在在荧光屏前面的至少一个四通道板，以使CCD检测器是摄像头的一部分，且在该屏上发生的亮度分布通过光学照明系统成像于CCD检测器。

此外，分光计有利地具有样本接收装置，其被设置为：设置在样本接收装置上的样本发射出来的带电粒子，可能在以优选小于20°的入射角γ穿过光学成像系统之后，入射在环状能量分析器的入口表面或，如果使用了具有磁性转向器的能量过滤器的话，它们以优选小于20°的入射角α入射在磁性转向器的入口表面上。

此外，可提供辐射源，优选地是电子源、X射线源或紫外光源，用于在接收于样本接收装置的样本上进行辐射。在这个配置中，磁性转向器可具有辐射入口表面，且辐射源可被如此设置以使辐射以优选小于10°的入射角β入射于辐射入口表面，且由磁性转向器这样转向以使其从磁性转向器的出口表面以优选小于10°的出射角θ出射，且被引导至样本接收装置上。即，磁性转向器执行双重功能。一方面，其提供将穿入能量分析器的带电粒子与从能量分析器出射的那些粒子分离开。另一方面，磁性转向器可被用于将源于电子枪的电子(主要电子)与源于样本的那些被激发的电子分离开。

在进一步的优选实施例中，将环状分析器的散射平面设置为基本垂直于在样本接收装置和检测器之间延伸的概念线。这具有如下优势，转接透镜设备和镜子部件被清楚地在空间上与检测器设备分离开，这样对于个别的部件的设置和尺寸有更大的自由度。

在优选实施例中，分光计是影像ESCA电子分光计(“化学分析电子能谱”)。可选地，然而，根据本发明的能量过滤器还可以是影像Auger电子分光计、LEEM(“低能量电子显微镜”)或次级离子显微镜。

在又一个优选实施例中，在样本中出现的带电粒子(基本是电子)的角度分布以经能量过滤的方式被成像于检测器。此处，分光计可以是LEED(“低能量电子衍射”)或XPD(“X射线光电子衍射”)的形式。

此外，可能在时间分辨的测量中使用根据本发明的能量过滤器。

从下文对于优选实施例的描述以及相关附图中可清楚地看到进一步的优势、特征以及可能的用途，附图为：

图1示出转接透镜设备的图示，

图2示出转接透镜设备和镜子部件的组合的图示，

图3示出具有镜子部件的半球分析器的图示，以及

图4示出根据本发明的分光计的图示。

图1示出现有技术中已知的转接透镜设备的图示。转接透镜设备包括双透镜f-2f-f配置。采用这样的设置，具有放大倍数G的出口平面或出口间隙可被成像为形式是放大倍数B的负方向影像。例如，如EP 1559 126中所述，在两个半球分析器之间使用这样的转接透镜。转接透镜系统具有成像误差，特别是球面像差和色差。原则上，根据Scherzer的理论，这些成像误差不能被完全避免。

这些成像误差影响成像质量以及可获得的分光计的传输。此外，相比于具有其他透镜系统的情况，这样的转接透镜的成像误差对最终影像有更大的影响，因为转接透镜设备没有放大。由于成像误差的尺寸相应变得更大，所采用的空间角更大，在现有分光计中必须限制接受角度和与之相随的所传输的强度。

因此根据本发明使用了镜子部件，其反射带电粒子，例如电子，并将它们通过环状能量分析器送回。根据本发明的设置的实施例图示于图2中。在这个方面，优选实施例规定，镜子部件2轻微地弯曲来修正转接透镜设备3的双透镜的像差。

原则上，还可能将反射镜2直接放置在能量分析器的出口处。然而要注意的是，绝大多数带电粒子反射部件自身具有固定的、负向球面像差和色差。然而，在这个位置理想的是没有像差的理想镜子。具有可调节负向像差的镜子也是理想的，因为以此方式，其可能减少在另一个位置出现的像差。

因此，理想地采用图2中所示的配置。

图3示出具有转接透镜3和反射镜2的半球分析器30。半球分析器30具有入口表面4和出口表面1。穿入分析器的入口表面4的电子由于内半球31和外半球32之间的电势差异而转向。通过调节该电势差异，可能建立到达能量分析器的出口表面1的这些电子具有何种能量。由于半球分析器的聚焦的性质，以不同入射角入射到半球分析器的入口表面4上的、具有相同能量的电子，被反射至出口表面1的同一点。因此，通过半球分析器可计数具有给定能量的电子。通过改变电势差异，给定数量的电子可关联于每一个能量值。

在这点上，要注意的是，位置和角度信息，即有关在半球分析器的入口平面的入射角的信息和位置信息，丢失，然而从中可能得出有关带电粒子的起源的位置的结论。因此，从能量分析器的出口平面1出射的电子通过转接透镜设备3成像于镜子部件2上，且在那里被反射，从而被反射的电子通过转接透镜设备3成像于能量分析器的出口平面1上。然后，电子以相反方向穿过能量分析器，从而它们以自能量分析器的入口平面4的箭头方向出射。因此能量分析器被通过两次。然后，通过如下文进一步描述的磁场，出射电子与入射电子分离开。

转接透镜设备3的成像误差可通过使用用作校正镜子的镜子部件2而显著减少。

图4示出根据本发明的分光计。待调查样本7被设置在样本夹持器中。可用X射线辐射8照射该样本。可选地或组合地，电子21还可从电子枪被施加至样本。为了从电子枪施加电子21至样本，提供了磁性转向器5，其如此转向电子以使它们通过物镜10和浸没透镜9被成像于样本上。X射线8和/或电子21将与待调查样本7的表面相互作用且-取决于各自电势设置-在此处被反射或释放电子。

电子的能量以及它们的辐射方向或位置分布允许得出关于样本的性质的结论。因此，所释放的电子通过浸没透镜9和场透镜10被成像在磁场转向器5中。磁场转向器5以这样的方式偏转电子，以使它们通过透镜6被成像在能量分析器30的入口表面4上，能量分析器30此处是半球分析器，含有内半球31和外半球32。

内半球31和外半球32之间的电势差异的选择以及能量分析器的出口隙1的宽度的选择确定了从出口隙1出射的那些电子具有什么能量。这些电子通过转接透镜设备3成像于镜子部件2上，镜子部件2反射电子以使它们通过转接透镜设备3被成像回出口隙1上。然后经反射的电子再次穿过半球分析器30并通过入口表面4从能量分析器出射。然后通过透镜6它们再次被聚焦至磁场转向器中，磁场转向器将出射的电子穿入光转接设置13，其包括检测器15、转接透镜16以及中间透镜17。

然后电子通过检测器18和投影透镜19成像于此处是CCD检测器的检测器20。

因此，分光计包括物镜19、磁场转向器12、光学转接设置13、投影/检测设备14和能量分析器30。

在图4中，能量分析器30的散射平面位于纸面，其中还设置了样本7和检测器20之间的概念线。然而，理想的是如果散射平面垂直于纸面，那么独立组件的尺寸和放置有更大的自由度，因为投影/检测设备14和镜子部件2之间空间分离。

参考标号列表

1出口隙

2镜子部件

3转接透镜设备

4入口表面

5磁场转向器

6透镜

7样本

8X射线辐射

9浸没透镜

10场透镜

12磁场转向器

13光学转接设置

14投影/检测设备

15检测器

16转接透镜

17中间透镜

18偏转器

19投影透镜

20检测器

21电子

30能量分析器

31内半球

32外半球

Claims (25)

1.一种带电粒子影像能量过滤器，其具有带入口平面和出口平面的环状能量分析器，其特征在于，为带电粒子提供了镜子部件，所述镜子部件被如此设置：以使通过所述出口平面离开所述环状能量分析器的带电粒子通过所述镜子部件被反射回所述环状能量分析器，从而带电粒子在相反行进方向又一次穿过所述环状能量分析器。

2.如权利要求1所述的能量过滤器，其特征在于，所述环状能量分析器是半球状分析器。

3.如权利要求1所述的能量过滤器，其特征在于，在所述出口平面和所述镜子部件之间设置转接透镜设备。

4.如权利要求3所述的能量过滤器，其特征在于，所述转接透镜设备具有线性放大倍数V_L＝ZB₂/ZB₁<0，其中ZB₁表示在所述环状能量分析器的出口平面中的中间影像，ZB₂表示所述镜子部件上的中间影像。

5.如权利要求4所述的能量过滤器，其特征在于，所述线性放大倍数V_L在-0.9和-1.1之间。

6.如权利要求5所述的能量过滤器，其特征在于，所述线性放大倍数为-1。

7.如权利要求3所述的能量过滤器，其特征在于，所述转接透镜设备具有至少两个用于带电粒子的透镜部件。

8.如权利要求1所述的能量过滤器，其特征在于，所述镜子部件是静电镜。

9.如权利要求3所述的能量过滤器，其特征在于，所述镜子部件和所述转接透镜设备被如此地彼此匹配，以使在所述带电粒子在被所述镜子部件反射后通过所述转接透镜设备之后，所述转接透镜设备的色差和/或球面像差由所述镜子部件所减少。

10.如权利要求9所述的能量过滤器，其特征在于，所述转接透镜设备的色差和/或球面像差减少至少30％。

11.如权利要求9所述的能量过滤器，其特征在于，所述转接透镜设备的色差和/或球面像差减少至少60％。

12.如权利要求1所述的能量过滤器，其特征在于，提供有磁性转向器，其具有带电粒子的入口表面、能量过滤器表面和经能量过滤的带电粒子的出口表面，且其被如此设置以致：以小于20°的入射角α入射在所述磁性转向器的所述入口表面上的带电粒子由所述磁性转向器转向，从而它们从所述磁性转向器的所述能量过滤器表面以小于20°的出射角β出射，并以小于20°的入射角γ入射到所述环状能量分析器的入口表面，且

从所述环状能量分析器的所述入口表面以出射角δ出射的带电粒子以小于20°的入射角ε入射到所述磁性转向器的所述能量过滤器表面，并由所述磁性转向器转向，从而它们以小于20°的出射角ζ离开所述磁性转向器的所述出口表面，其中在所述磁性转向器和所述环状能量分析器之间设置一个或多个透镜。

13.一种含有如权利要求1所述的能量过滤器的带电粒子的分光计。

14.如权利要求13所述的分光计，其特征在于，所述分光计是电子分光计。

15.如权利要求13所述的分光计，其特征在于，提供有检测器，用于检测通过所述环状能量分析器的入口表面出射的带电粒子。

16.如权利要求15所述的分光计，其特征在于，所述检测器是CCD检测器。

17.如权利要求16所述的分光计，其特征在于，所述检测器是具有荧光屏和设置在下游的CCD检测器的通道板倍增器。

18.如权利要求15所述的分光计，其特征在于，提供有如权利要求12中所述的能量过滤器，且检测器检测从所述磁性转向器的出口表面出射的带电粒子。

19.如权利要求15所述的分光计，其特征在于，提供有样本接收装置，其被设置为设置在所述样本接收装置上的样本发射出来的带电粒子，在以小于20°的入射角γ穿过光学成像系统之后，入射在所述环状能量分析器的入口表面。

20.如权利要求15所述的分光计，其特征在于，提供有样本接收装置，当所述分光计使用了如权利要求12中所述的能量过滤器时，所述样本接收装置被设置为设置在所述样本接收装置上的样本发射出来的带电粒子，在以小于20°的入射角γ穿过光学成像系统之后，以小于20°的入射角α入射在所述磁性转向器的入口表面上。

21.如权利要求19所述的分光计，其特征在于，提供有辐射源，用于在所述样本接收装置上所接收的样本上进行辐射。

22.如权利要求21所述的分光计，其特征在于，所述辐射源是电子枪。

23.如权利要求21所述的分光计，其特征在于，所述分光计具有如权利要求12中所述的能量过滤器，并且所述磁性转向器具有辐射入口表面，且所述辐射源可被如此设置以使辐射以小于10°的入射角β入射于辐射入口表面，且由所述磁性转向器这样转向以使其从磁性转向器的出口表面以小于10°的出射角θ出射，且被引导至所述样本接收装置上。

24.如权利要求19所述的分光计，其特征在于，所述环状能量分析器的散射平面被设置为垂直于在所述样本接收装置和所述检测器之间延伸的概念线。

25.如权利要求14所述的分光计，其特征在于，其是影像ESCA电子分光计。