DE2151167B2

DE2151167B2 - Elektronenstrahl Mikroanalysator mit Auger Elektronen Nachweis

Info

Publication number: DE2151167B2
Application number: DE2151167A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. 7500 Karlsruhe Weber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-10-14
Filing date: 1971-10-14
Publication date: 1973-10-11
Also published as: FR2157476A5; DE2151167C3; CH547530A; US3760180A; DE2151167A1; GB1389119A

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahl-Mikroanalysator mit einem Elektronenstrahl-Erzeuger, dessen Elektronenstrahl fokussiert auf die Meßprobe gelenkt ist, mit einem Elektronen-Spektrometer, in dem vom Elektronenstrahl an der Meßprobe ausgelöste Auger-Elektronen bezüglich ihrer kinetischen Energie getrennt werden, und mit einem Elektronen-Detektor zum Nachweis der im Elektronen-Spektrometer getrennten Auger-Elektronen von definierter Energie.

Ein solcher Elektronenstrahl-Mikroanalysator mit einem Gitter-Elektroden-Spektrometer ist z.B. aus F i g. 1 des Aufsatzes »Auger Electron Spectroscopy of fee Metal Surfaces« in der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, Band 39, Nr. 5 (April 1968), S. 2425 bis 2432, bekannt. Ein weiterer Elektronenstrahl-Mikroanalysator mit einem 127^c-Zylinderspektromcter, bei dem durch elektronische Differenzierung des aufgenommenen Elektronenenergiespektrums eine Verbesserung des für die Analysenempfindlichkeit wichtigen Verhältnisses von Auger-Elektronen-Linienintensität zu Untergrundintensität erreicht wird, ist beispielsweise in der USA.-Patentschrift 3 461 306 beschrieben.

Bei Elektronenstrahi-Mikroanalysatoren mit Nach-

3 T₄

weis von Auger-Elektronen, die im folgenden kurz baren Meßproben nicht nur erreicht, sondern wesentals Auger-Analysatoren bezeichnet werden sollen, lieh verbessert und die bisher erreichte Analysenwar es bisher üblich, auf dem Prinzip der Glühemis- empfindlichkeit (Signalintensität) bezüglich der leicJision beruhende und auf dem Gebiet der Elektronen- ten Elemente entscheidend gesteigert werdec kann, strahl - Mikroanalyse mit Riintgenspektrometem 5 wenn es gelingt, einen Elektronenstrahl-Erzeuger zu (ESMA) bereits eingesetzte Elektronenstrahl-Erzeu- finden, bei dem der Durchmesser des primäre ι ger zu verwenden. Es handelt sich dabei z. B. um Elektronenstrahls noch unter Werte von der Größe Wolfram-Drähte, die bis zur thermischen Elektronen- der Austrittstiefe der Röntgenstrahlung bzw. des Difemission aufgeheizt sind. Damit lassen sich prinzipiell fusronshofes der Röntgenstrahlung verringert werden große Stromstärken im primären Elektronenstrahl io kann, weil seine Emissionsstromdichte pro Raumerreichen. Bei den bekannten Auger-Analysatoren winkeleinheit (Richtstrahlwert) und die mit ihm an werden mit diesen thermischen Elektronenstrahl- der Meßprobe erzielbare Auger-Elektronen-Ausbeute Erzeugern Stromstärken von 10^⁶ bis 10~⁴A erzeugt, wesentlich besser sind als bei bekannten Elektronendamit sich die Auger-Elektronen-Linien im aufge- strahl-Erzeugern. Eine möglichst geringe Punktaufnommenen Elektronenenergiespektrum genügend 15 lösung ist insbesondere dann erwünscht, wenn die vom Untergrund abheben. Diese Stromstärken ent- Meßprobe vom primären Elektronenstrahl rasterförsprechen einem Durchmesser des aui die Meßprobe mig abgetastet und das entstehende Auger-Elektroauftreffenden Elektronenstrahls von 50 bis 1000 μ bei nen-Meßsignal zur Erzeugung eines Bildes der Vereiner Energie der vom Elektronenstrahl-Erzeuger teilung chemischer Elemente auf der Probenoberemittierten Elektronen bis etwa 3 keV. ao fläche verwendet werden soll.

Die bisher bekanntgewordenen Elektronenstrahl- Würde bei den bekannten Auger-Analysatoren Mikroanalysatoren mit Auger-Elektronen-Analyse lediglich der Durchmesser des primären Elektronenerreichen selbst bei der Untersuchung leichter chemi- Strahls verringert werden, so würde man zwar eine scher Elemente nicht die Signalintensität der üblichen geringere und daher bessere Punktauflösung erhalten, Elektronenstrahl-Mikrosonden mit Röntgenspektro- as das Meßsignal würde aber an oder unter der Nachmetern. Ihr Signal, d. h. die Anzahl der die Ober- weisgrenze liegen. Eine Verringerung des Durchmesfläohe der Meßprobe verlassenden Auger-Elektronen, sers d des primären Elektronenstrahls um einen beist bei gleichem Durchmesser des primären Elektro- stimmten Faktor, z. B. um den Faktor 10 oder 1000, nenstrahls etwa um einen Faktor 1000 kleiner als die ist nämlich nach der Formel (1)
Anzahl und das Signal der die Probenoberfläche ver- 30

lassenden Röntgenquanten. Dieser Faktor 1000 wird / = k-U ■ d^SiS, (1)
bestimmt durch das Verhältnis der Austrittsticie der

Röntgenquanten, die einige μ beträgt, zur Austritts- worin k eine Konstante und U die Beschleunigungstiefe der Auger-Elektronen, die bei etwa 1 πΐμ liegt. spannung der primären Elektronen bedeutet, mit Auch bei den leichten chemischen Elementen, bei 35 einer Abnahme der Stromstärke/ um einen wesentdenen eine geringere Röntgenfluoreszenzausbeute zu lieh stärkeren Faktor verbunden, im Beispiel um den verzeichnen ist als bei schweren Elementen, werden Faktor 50o bzw. 2,5 · 10⁵. Damit bei den bekannten deshalb immer noch mehr Röntgenquanten die Ober- Auger-Analysatoren das Auflösungsvermögen der fläche der Meßprobe verlassen als Auger-Elektronen. ESMA-Sonden erreicht oder um den Faktor 10 ver-

Prinzipiell ließe sich die Anzahl der an der Meß- 40 bessert wird, muß der Durchmesser des primären

probe ausgelösten Auger-Elektronen durch Vergrö- Elektronenstrahls um mindestens den Faktor 10 bzw.

ßerung der Stromstärke des primären Elektronen- 100 auf Werte zwischen 0,5 und 10 μ verringert wer-

strahls erhöhen. Damit würde aber bei den auf dem den. Die Verringerung des Durchmessers ist jedoch

Prinzip der Glühemission beruhenden Elektronen- nicht hinreichend; es müssen gleichzeitig Maßnahmen

strahl-Erzeugern zwangläufig eine Vergrößerung des 45 getroffen werden, um den dabei auftretenden Intensi-

Durchmessers des primären Elektronenstrahls und tätsverlust im Meßsignal rückgängig zu machen,

damit eine Verschlechterung der Punktauflösung ver- Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde,

bonden sein. einen Elektronenstrahl-Mikroanalysator mit Auger-

Die bisher erzielte Punktauflösung bei Auger- Elektronen-Nachweis der eingangs erwähnten Art Analysatoren in der Größenordnung des Durchmes- 50 mit einem Strahl-Erzeuger von einem hohen Richtsers des primären Elektronenstrahls von 50 bis 1000 μ strahlwert für niederenergetische Elektronen auszuist aber ohnehin schon wesentlich schlechter als die statten, mit dem sich eine möglichst hohe Ausbeute Punktauflösung bei ESMA-Sonden mit Röntgen- an Auger-Elektronen an der Meßprobe erzielen läßt, quantennachweis. Dort ist die Auflösung im allgemei- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch genen auf einen Meßprobenbereich von mehreren μ 55 löst, daß der Elektronenstrahl-Erzeuger aus einer an Durchmesser beschränkt, der durch die Austrittstiefe sich bekannten Feldemissions-Spitzenkathode von der angeregten Röntgenstrahlung und die Diffusion kleinem Krümmungsradius und aus einer mit einer der anregenden Primärelektronen in der Meßprobe Durchlaßöffnung versehenen Anode besteht, zwischen bestimmt ist. Bei einer Verringerung des Durchmes- denen im Ultrahochvakuum durch Anlegen einer sers des primären Elektronenstrahls auf Werte unter 60 Spannung ein elektrisches Feld von so hoher FeId-1 μ ändert sich weder die Austrittstiefe noch der stärke erzeugt ist, daß die Spitzenkathode zur Elek-Durchmesser des Dtffusionshofes der Pnmärelektro- tronenfeldemission angeregt ist, und daß zwischen nen. Bei Auger-Elektronen hingegen liegt die Größe der Anode und der Meßprobe eine elektrostatische des DirTusionshofes bei 10 bis 100 ΐημ. Einrichtung (Verzögerungslinse) zur Verringerung

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß 65 derElektronengeschvvindigkeit in dem aus derDurch-

bei Auger-Analysatoren das Auflösungsvermögen laßöilnung der Anode austretenden Elektronenstrahl

von Elektronenstrahl-Mikroanalysatoren mit Rönt- angeordnet ist.

genspektrometern bei massiven oder durchstrahl- Mit einem solchen Auger-Analysator läßt sich eine

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Punktauflösung erzielen, die an der theoretisch er- öffnung versehene Elektrode angeordnet ist, die mit

reichbaren Grenze liegt, welche durch die Größe des der Anode zu einer Verzögerungslinse zusammen-

Diffusionshofes der Auger-Elektronen von etwa 10 gefaßt ist. Diese Weiterbildung zeichnet sich durch

bis etwa 100 ηΐμ gegeben ist. ihren einfachen Aufbau aus.

Wie Untersuchungen (A. V. Crewe, J. Wall, 5 Durch spezielle Formgebung der Anode und der

L. M. Welt er; J. Appl. Phys., Band 39, 1968, Elektroden im Bereich ihrer Durchlaßöffnung bzw.

S. 5861 bis 5868) gezeigt haben, lassen sich mit Feld- ihrer Durchtrittsöffnungen und/oder ihrer Stärke läßt

emissions-SpitzenkaÜiodensystemen Richtstrahlwerte sich ein minimaler Abbildungsfehler der elektrostati-

erreichen, welche thermischen Elektronenstrahl-Er- sehen Einrichtung erreichen. Die dazu erforderliche

zeugern mit Wolfram-Haarnadelkathode bei gleicher io Formgebung kann theoretisch berechnet werden.

Beschleunigungsspannung von 20 kV um etwa den Entsprechende Berechnungen für eine Zweielektro-

Faktor 10³ überlegen sind. Während bei den konven- denlinse vom Beschleunigungstyp wurden bereits

tionellen Elektronenstrahl-Erzeugern die Elektronen durchgeführt (J. W. Butler, Sixth International

aus einer relativ großen Fläche (Cross-over-Durch- Congress for E. M. [Kyoto], 191 [1966]).

messer 30 bis 100 μ bei etwa 30 bis 3 kV) emittiert 15 Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand von

werden, werden die Elektronen bei einer Spitzen- Unteransprüchen. Die Erfindung wird an Hand der

kathode mit einer Spitze von z. B. 50 πΐμ Krüm- in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele

mungsradius infolge des radial von der Spitze aus- näher erläutert. Es zeigt

gehenden elektrischen Feldes scheinbar vom Mittel- F i g. 1 einen Elektronenstrahl-Mikroanalysator mit

punkt einer Kugel feldemittiert, deren Durchmesser 20 einer Feldemissions-Spitzenkathode und einer Anode,

nur etwa 3 πΐμ beträgt. Je nach Wahl des Krüm- die mit einer Lochblende zu einer Verzögerungslinse

mungsradius der Spitzenkathode, ihres Abstandes zusammengefaßt ist,

von der Anode und des Durchmessers der Durchlaß- F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Feldöffnung in der Anode liegt die zur Feldemission emissions-Spitzenkathode, einer Anode und einer benötigte Hochspannung zwischen etwa 3 und 10 kV. 25 Meßprobe, wobei zwischen der Anode und der Meß-MitFeldemissions-Spitzenkathoden lassen sich Strom- probe zwei Elektroden angeordnet sind,
stärken im primären Elektronenstrahl von 10~⁷ A er- Fig. 3 die elektrische Potentialverteilung zwischen reichen. Die Anwendung einer Feldemissions-Spitzen- Feldemissions-Spitzenkathode und Meßprobe gemäß kathode macht im allgemeinen ein Ultrahochvakuum F i g. 2,

mit einem Druck von 10~¹⁰ Torr bis maximal 30 Fig. 4 eine schematische Darstellung einer FeId-

10-^R Torr erforderlich. emissions-Spitzenkathode und dreier Elektroden zwi-

Wie andere Untersuchungen gezeigt haben, erhält sehen Anode und Meßprobe,

man eine optimale Auger-Elektronen-Ausbeute nicht F i g. 5 die elektrische Potentialverteilung zwischen

dann, wenn die auf die Meßprobe auftreffenden Feldemissions-Spitzenkathode und Meßprobe gemäß

Elektronen des primären Elektronenstrahls eine mög- 35 Fig. 4,

liehst hohe Energie besitzen, also auch nicht bei den Fig. 6 eine schematische Darstellung einer zylin-

hohen, optimalen Beschleunigungsspannungen der drischen Verzögerungslinse zwischen einer Feldemis-

Elektronenstrahl-Mikroanalyse (ESMA) im Energie- sions-Spitzenkathode und einer Meßprobe und

bereich zwischen 10 und 50 keV. Die für eine opti- Fig. 7 die elektrische Potentialverteilung zwischen

male Anregung der Auger-Elektronen erforderliche 40 Feldemissions-Spitzenkathode und Meßprobe gemäß

Primärstrahlenergie liegt viel niedriger, und zwar ist Fig. 6.

sie etwa durch die dreifache Energie gegeben, die In Fig. 1 ist ein Elektronenstrahl-Mikroanalysaerforderlich i^t, um ein Atom eines Elements für die tor dargestellt, bei dem ein primärer Elektronen-Auslösung eines Auger-Elektrons in einer Atom- strahl 1 durch Feldemission an einer Fcldemissionsschale zu ionisieren; sie liegt also zwischen 0.5 und 45 Spitzenkathode 2 erzeugt wird. Die Spitzenkathode 2, 3 keV. Diese optimale Anregungsenergie wird durch die z. B. aus Wolfram besteht und an der Spitze einen Fokussierung des primären Elektronenstrahls auf die Krümmungsradius von z. B. nur 50 ma besitzt, ist an Meßprobe mit Hilfe der elektrostatischen Verzöge- einem Drahtbügel 3 festgeschweißt, der über Zuleirungslinse erreicht. Die Verzögerungslinse reduziert tungen 4 und einen Schalter 5 an eine Heizstromdie Energie der Elektronen im primären Elektronen- 50 quelle 6 angeschlossen werden kann. Durch Einstrahl, welche durch die für die Feldemission am schalten der Heizstromquelle 6 lassen sich Verunrei-Elektronenstrahl - Erzeuger notwendige hohe Be- nigungen auf der Spitzenkathode 2 ausheizen,
schleunigungsspannung für eine optimale Anregung Die Spitzenkathode 2 befindet sich in einem auf zu groß ist, auf Werte im Bereich einiger keV im Ultrahochvakuum gehaltenen Raum 7, der von elek-Raum vor der Meßprobe. Dadurch läßt sich der hohe 55 irischen Isolatoren 8 und 9 z. B. aus Keramikmaterial Richtstrahlwert eines Elektronenstrahl-Erzeugers mit und von einer Anode 10 begrenzt ist. welche mit einei Feldemissions-Spitzenkathode für einen Elektronen- Durchlaßöffnung 11 versehen ist. Der Durchmessei strahl-Mikroanalysator mit Auger-Elektronen-Nach- der Durchlaßöffnung 11 ist durch eine nicht gezeigte weis nutzbar machen. Apeiturblende z.B. auf 100 μ einstelbar. Die Aper-

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zwi- 60 turblende bestimmt den öffnungsfehler des aus der

sehen der Anode und der Verzögerungslinse ein feld- Elektroden 10 und 14 gebildeten Abbildungssystem*

freier Raum vorgesehen. Das hat den Vorteil, daß Durch den öffnungsfehler ist der Durchmesser de:

der Feldemissionsstrom unabhängig von dem Be- auf der Meßprobe erreichbaren Elektronenstrah'foliui

triebszustand der Verzögerungslinse eingestellt wer- nach unten begrenzt,
den kann. 65 Die Spitzenkathode 2 ist mit dem Minuspol eine

Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist einstellbaren Vorspannungsquelle 12 verbunden

vorgesehen, daß zwischen der Anode und der Meß- deren Pluspol an Masse liegt. Die Spannung der Vor

probe mindestens eine erste, mit einer Durchtritts- Spannungsquelle 12 ist beispielsweise auf einen Wei

zwischen 0,5 und 3 kV einstellbar. Die Spitzkathode 2 der Meßprobe 19 ist. Die ausgelösten Elektronen 21

liegt also auf einem gegenüber Masse negativen und 22 gelangen in ein Elektronen-Spektrometer,

Potential. welches in Fig. 1 als llalbkugelspektrometer 23

Die Anode 10 ist an den Pluspol einer einstell- dargestellt ist. Jede Art von Elektronen-Spektrometer

baren Hochspannungsquelle 13 angeschlossen, deren 5 ist im Zusammenhang mit der Erfindung einsetzbar.

Minuspol an Masse gelegt ist. Die Hochspannungs- Das Halbkugelspektrometer 23 besteht aus einem

quelle 13 kann z. B. auf einen Wert zwischen 3 und ersten Gitter 24, das wie die Meßprobe 19 auf Masse-

10 kV eingestellt werden. Damit ergibt sich für die potential gelegt ist, und einem zweiten Gitter 25, wel-

Spannung zwischen Anode 10 und Spitzenkathode 2 ches mittels einer einstellbaren Spannungsquelle 26

ein WerC der zwischen 3,5 und 13 kV liegt. Bei sehr io auf ein negatives Potential gegenüber Masse gelegt

kurzem Abstand zwischen Anode 10 und Spitzen- werden kann. Diese Spannungsquelle 26 wird auf

kathode 2 reicht dieser Spannungswert aus, um un- einen festen Spannungswert im Bereich von 0 bis

mittelbar an ihrer Spitze eine elektrische Feldstärke 1 kV eingestellt, so daß Auger-Elektronen 21 und

von mindestens 10⁷ V/cm zu erzielen und die Spitzen- andere Elektronen 22 mit einer Energie, die niedriger

kathode 2 dadurch zu einer kalten Feldemission zu 15 ist, als dem eingestellten Spannungswert entspricht,

veranlassen. das zweite Gitter 25 nicht überwinden können. Die

Der infolge der Feldemission aus der Spitzen- Spannungsquelle 26 wird auf die Auger-Eiektionen-

kathode 2 austretende Elektronenstrahl 1 gelangt mit Linie im Energiespektrum desjenigen chemischen

einer kinetischen Energie zwischen 3,5 und 13keV Elements eingestellt, dessen Verteilung an der Ober-

durch die Durchlaßöffnung 11 der Anode 10 in einen 20 fläche der Meßprobe 19 ermittelt und aufgezeichnet

weiteren Raum 14, der von einem Distanzhalter 15 werden soll.

aus Isoliermaterial und von einer mit einer Durch- Elektronen, die das zweite Gitter 25 überwinden, trittsöffnung 16 versehenen Elektrode oder Loch- gelangen auf eine halbkugelförmige Detektorfläche blende 17 eingefaßt ist. Die Lochblende 17 kann mit- 27, die gegenüber dem zweiten Gitter 25 auf posititels einer einstellbaren Bremsspannungsquelle 18 auf 25 vem Potential gehalten ist. Dazu ist eine Spannungsein elektrisches Potential gelegt werden, das gegen- quelle 28 mit einer Absaugspannung von z. B. 0,2 kV über Misse auf jeden Wert, z. B. zwischen +200 und vorgesehen.

— 200 V, eingestellt werden kann. Die Lochblende Ein Modulationsoszillator 29 erzeugt eine Wech-

17 liegt also zumindest annähernd auf Massepoten- selspannung von z. B. 2 kHz, die mittels eines Über-

tial, also auf einem elektrischen Potential zwischen 30 tragers 30 mit einer Amplitude von z.B. 1 bis 10 V

demjenigen der Spitzenkathode 2 und demjenigen der dem Potential an der Meßprobe 19 überlagert wird.

Anode 10. Dadurch werden die aus der Durchlaß- Dadurch erhält man am Arbeitswiderstand 31 ein

öffnung 11 der Anode 10 in den Raum 14 eintreten- moduliertes Signal, das über einen Trennkondensalor

den Elektronen stark verzögert. Die Anode 10 und 32 einem Nachweisgerät 33 zugeführt wird. Dieses

die Lochblende 17 sind auf diese Weise zu einer Ver- 35 enthält einen phasenempfindlichen Gleichrichter, des-

zögerungslinse zusammengefaßt. Während die Elek- sen Referenzeingang mit der Wechselspannung des

tronen beim Durchtritt durch die DurchlaßöfTnung 11 Modulationsoszillators 29 gespeist wird. Das vom

noch eine kinetische Energie im Bereich zwischen Nachweisgerät 33 ermittelte Meßsignal, das nun im

3,5 und 13 keV besitzen, liegt ihre Energie nach wesentlichen von Auger-Elektronen herrührt, auf

Durchgang durch die Durchtrittsöffnung 16. wenn die 40 deren Energie die Spannungsquelle 26 eingestellt ist,

Lochblende 17 z. B. genau auf Massepotential liegt, gelangt in eine Bildröhre 34. Hier wird es zur BiId-

nur noch auf einem Wert im Bereich zwischen 0,5 darstellung der Verteilung desjenigen chemischen

und 3 keV. Dieses ist aber der Lnergiebereich des Elements auf der Oberfläche der Meßprobe 19, auf

primären Elektronenstrahls, mit dem sich eine opti- deren Augcr-Elektronen-Energie die Spannungsquelle

male Auger-Elektronen-Ausbeute erzielen läßt. 45 26 eingestellt ist, herangezogen. Die Zeilenaustastung

Der verzögerte Elektronenstrahl I gelangt nach der Bildröhre 34 wird über die herausgezeichneten

Durchgang durch die Durchtrittsöffnung 16 in ein Anschlüsse 35 von der (nicht gezeigten) Ablenkein-

Ablenksystem 36, das in Fig. 1 als magnetisches richtung, welche das Ablenke stern 36 steuert, mit

Ablenksystem eingezeichnet ist und von einer nicht der Bewegung des Elektronenstrahls I synchronisiert,

gezeigten Ablenkeinrichtung gesteuert wird. Natur- 50 F i g. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines

lieh kann auch ein elektrostatisches Ablenksystem Auger-Analysators, bei dem — im Gegensatz zum

verwendet werden. Das Ablenksystem 36 lenkt den Aucer-Analysator nach F i g. 1 — zusätzlich zwi-

verzöiiertcn Elektronenstrahl 1 rasterförmig über eine sehen der ersten Elektrode 17 und der Meßprobe 19

Meßprobe 19, die auf einem verstelbaren Proben- eine zweite Elektrode 37 angeordnet ist, die mit einer manipulator 20 befestigt und die im wesentlichen auf 55 Durchtrittsöffnung 38 versehen ist. Wie beim Auger-

Massepotcntial gelegt ist. Die Meßprobe 20 liegt also Analysator in Fig. 1 ist die erste Elektrode 17 mit

praktisch auf demselben Potential wie die Loch- der Anode 10 zu einer Verzögerungslinse zusammen-

blcndc 17. gefaßt. Das ergibt sich aus F i g. 3. wo der elektrische

Durch den Einfall des Elektronenstrahls 1 werden Potcntialverlauf P(d) des Auger-Analysators gemäß an der Oberfläche der Meßprobe 19, deren Normale 60 Fig. 2 in Abhängigkeit des Abstandsd dargestellt ist,

abweichend von der gezeigten Stellung vorzugsweise und zwar der Einfachheit halber geradlinig. Die nega-

gegenübcr dem primären Elektronenstrahl I geneigt tiven Potentialwerte sind nach obtn hin aufgetragen,

ist, Auger-Elektronen 21 sowie Rückstreu- und Se- Die Spitzenkathode 2 liegt wiederum auf einem

kundärelektronen 22 ausgelöst. Die kinetische Ener- gegenüber dem Massepotential der Meßprobe gie der zur Analyse verwendeten Auger-Elektronen 65 negativen Potential, z.B. von —0,5 kV. Die Anode

21 liegt im Energiebereich unterhalb etwa 100OeV, 10 ist auf ein positives Potential von z.B. +3 kV

die der übrigen Elektronen im Energiebereich von 0 gelegt. Die erste Elektrode 17 kann jetzt auf einem

bis E_n. wobei E_n die Energie der Primärelektronen an negativen Potential von z. B. — 0,4 kV liegen. Dieses

Potential ist zu größeren Werten hin einstellbar, was durch den senkrechten Pfeil angedeutet ist. Die zweite Elektrode 37 liegt vorzugsweise auf Massepotential. Ihr Potential kann aber in engen Grenzen ebenfalls verändert werden, was durch den Doppelpfeil hervorgehoben ist. Da das Potential der zweiten Elektrode 37 höher ist als dasjenige der ersten Elektrode 17, wirkt sie als Nachbeschleunigungselektrode. Die Elektronengeschwindigkeit in dem aus der Durchtrittsöffnung 16 der ersten Elektrode 17 austretenden Elektronenstrahl 1 wird also wieder etwas vergrößert. Entscheidend für die optimale kinetische Energie der Elektronen im Elektronenstrahl 1 am Ort der Meßprobe 19 ist nur die Potentialdifferenz zwischen der Spitzenkathode 2 und der Meßprobe 19.

Wenn die Durchtrittsöffnung 16 in der ersten Elektrode 17 genügend groß gewählt ist. kann wegen des dann auftretenden Felddurchgriffs das Potential der ersten Elektrode 17 auch kleiner, d. h. negativer gewählt werden als das Potential der Spitzenkathode 2.

Die Anode 10 ist in F i g. 2 mit der ersten und der zweiten Elektrode 17 und 37 zu einer elektrostatischen Linse zusammengefaßt. Wird die Durchtrittsöffnung 16 der ersten Elektrode 17 kleiner gewählt als die Durchtrittsöffnungen 11 und 38 der Anode 10 bzw. zweiten Elektrode 37 und werden kurze gegenseitige Abstände gewählt, so erhält man eine an sich bekannte asymmetrische Dreielektrodenlinse, bei der über das Potential der Anode 10 der Feldemissionsstrom und über das Potential der ersten Elektrode 17 die Verzögerung eingestellt werden können.

Der Vorteil des in F i g. 2 gezeigten Auger-A.nalysators mit dem in F i g. 3 dargestellten Potcntialverlauf P(d) gegenüber dem Auger-Analysalor nach F i g. 1 besteht darin, daß die Eigenschaften des Strahlerzeugungssystems (Feldemissionspotential, Primärstrahlenergie und Brennweite) in größerem Umfang verändert werden können.

In Fig. 4 ist zwischen der Anode 10 und der Meßprobe 19 eine elektrostatische Linse eingezeichnet, die aus drei Elektroden 17, 37 und 39 mit etwa gleich großen Durchtrittsöffnungen 16, 38 und 40 besteht, welche wiederum größer sind als die Durchlaßöffnung Ii der Anode 10. Diese Anordnung ist für einen großen Arbeitsabstand zwischen der dritten Elektrode 39 und der Meßprobe 19 vorgesehen. Wie aus der zugehörigen PotentialverleilungP(d) in Fig. 5 hervorgeht, wirkt die erste Elektrode 17, die wahlweise ein leicht positives oder leicht negatives Potential, vorzugsweise aber Massepotential besitzen kann, wiederum als Verzögerungselektrode. Die dritte Elektrode 39 hat vorzugsweise dasselbe Potential wie die erste Elektrode 17, und zwar Massepotential. Das Potential der zweiten Elektrode 37, das in F i g. 5 als negativ eingezeichnet ist, läßt sich verändern. Damit läßt sich die Brennweite der elektrostatischen Linse 17, 37, 39 einstellen: Wird das Potential der zweiten Elektrode 37 positiver gewählt, so ergibt sich eine längere Brennweite, wird es dagegen negativer gewählt, so verkürzt sich die Brennweite.
Hierbei läßt sich einrichten, daß die Anode 10 und

ίο die erste Elektrode 17 die Spitzenkathode 2 elektronenoptisch in die Durchtrittsöffnung 38 der zweiten Elektrode 37 abbilden. Zusätzlich kann das aus den Elektroden 17, 37 und 38 bestehende Linsensystem die Spitzenkathode 2 auf der Meßprobe 19 durch Fokussierung abbilden. Dadurch ist die Fokussierung auf der Meßprobe 19 weitgehend unabhängig von dem zur Feldemission eingestellten Potential der Anode 10 und dem zwischen der Anode 10 und der ersten Elektrode 17 eingestellten Verzögerungspoten-

tial. Die Anordnung arbeitet dann nach dem Prinzip einer lichtoptischen Gummilinse. Auch die in F i g. 2 gezeigte Anordnung läßt sich nach Art einer lichtoptischen Gummilinse ausbilden.

Grundlegend für die Ausbildung der elektrostati-

sehen Einrichtung zur »Gummilinse« ist, daß sie aus mindestens zwei getrennt einstellbaren elektrostatischen Linsen besteht und daß der von der Spitzenkathode 2 ausgehende Elektronenstrahl 1 derart innerhalb der zweiten Linse fokussiert ist, daß bei Veränderung des Emissionspotentials an der ersten Linse die Brennweite der gesamten elektrostatischen Einrichtung praktisch nicht beeinflußt wird.

In F i g. 6 ist schematisch der Elektronenstrahl-Erzeuger eines Auger-Analysators gezeigt, der in der

elektrischen Beschaltung und auch"sonst weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten Auger-Analysator entspricht. An der Anode 10 ist hier ein zylindrisches Rohr 41 elektrisch leitend befestigt, welches mit einem dazu ausgerichteten und im Abstand a ange-

ordneten Zylinderrohr 42 als erste Elektrode zu einer Verzögerungslinse zusammengefaßt ist. Der zugehörige Potentialvcrlauf in Fig. 7 zeigt, daß die Elektronen des primären Elektronenstrahls 1 auf einem relativ kurzen Weg beschleunigt und auch wieder abgebremst werden. Durch Veränderung des Potentials der Anode 10 läßt sich die Brennweite der Verzögerungslinse einstellen. Abweichend von der Darstellung in F i g. 6 können zwecks Erzielung minimaler Abbildungsfehler der Innenraum 43 des Zylinderrohrs 42 und der Innenraum 44 des Rohres 41 zwar rotationssymmetrisch zum Elektronenstrahl 1, aber nichl zylindrisch ausgebildet sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahl-Mikroanalysator mit einem Elektronenstrahl-Erzeuger, dessen Elektronenstrahl fokussiert auf die Meßprobe gelenkt ist, mit einem Elektronen-Spektrometer, in dem vom Elektronenstrahl an der Meßprobe ausgelöste Auger-Elektronen bezüglich ihrer kinetischen Energie getrennt werden, und mit einem Elektronen-Detektor zum Nachweis der im Elektronen-Spektrometer getrennten Auger-Elektronen von definierter Energie, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl-Erzeuger aus einer an sich bekannten Felcbmissions-Spttzenkathode (2) von kleinem Krümmungsradius und aus einer mit einer Durchlaßöffnung (11) versehenen Anode (10) besteht, zwischen denen im Ultrahochvakuum durch Anlegen einer Spannung (12. 13) ein elektrisches Feld von so hoher Feld- so stärke erzeugt ist, daß die Spitzenkathode (2) zur Elektronenfeldemission angeregt ist und daß zwischen der Anode (10) und der Meßprobe (19) eine elektrostatische Einrichtung (Verzögerungslinse) (10, 17; 10, 17. 37; 10, 17, 37, 39; 10, 41, as 42) zur Verringerung der Elektronengeschwindigkeit in dem aus der Durchlaßöffnung (11) der Anode (10) austretenden Elektronenstrahl (1) angeordnet ist.

2. Elektronenstrahl-Mikroanalysator nach Ansprach 1. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anode und der Vsrzögerungslinse ein feldfreier Raum vorgesehen ist.

3. Elektronenstrahl-Mikroanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anode (10) und der Meßprobe (19) mindestens eine erste, mit einer Durchtrittsöffnung (16) versehene Elektrode (17) angeordnet ist, die mit der Anode (10) zu einer Verzögerungslinse zusammengefaßt ist.

4. Elektronenstrahl-Mikroanalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Elektrode (17; 37; 39; 42) vor der Meßprobe (19) zumindest annähernd auf das elektrische Potential der Meßprobe (19) gelegt ist.

5. Elektronenstrahl-Mikroanalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Elektrode (17) vorgesehen ist, die auf ein elektrisches Potential zwischen demjenigen der Feldemissions-Spitzenkathode (2) und demjenigen der Anode (10) gelegt ist.

6. Elektronenstrahl-Mikroanalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (17) auf dasselbe elektrische Potential gelegt ist wie die Meßprobe (19).

7. Elektronenstrahl-Mikroanalysator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (17) auf Massepotential gelegt ist.

8. Elektronenstrahl - Mikroanalysator nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Elektrode (17) und der Meßprobe (19) eine zweite, mit einer Durchtrittsöffnung (38) versehene Elektrode (37) angeordnet ist, deren elektrisches Potential gegenüber der ersten Elektrode (17) so gewäl·,.: ist, daß die Elektronengeschw'mdigkeil in dem aus der Durchtrittsöffnung (16) der ersten Elektrode (17) austretenden Elektronenstrahl (1) vergrößert wird.

9. Elektronenstrahl - Mikroanalysator nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (17) mit einer zweiten Elektrode (37) und einer dritten Elektrode (39), die mit Durchtrittsöffnungen (38 bzw. 40) versehen sind, zu einer Dredelektrodenlinse zusammengefaßt ist.

10. Elektronenstrahl-Mikroanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische Einrichtung aus mindestens zwei getrennt einstellbaren elektrostatischen Luisen besteht und daß der von der Spitzenkathode (2) ausgehende Elektronenstrahl (1) derart in der zweiten Linse fokussiert ist, daß bei Veränderung des Emissionspotentials an der ersten Linse die Brennweite der gesamten elektrostatischen Einrichtung praktisch nicht beeinflußt ist.

11. Elektronenstrahl - Mikroanalysator nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Anode (10) konzentrisch zur Durchlaßöffnung (11) ein zylindrisches Rohr (41) elektrisch leitend befestigt ist, welches mit einem axial dazu ausgerichteten und in einigem Abstand (α) angeordneten Zylinderrohr (42) als erste Elektrode zu einer Verzögerungslinse zusammengefaßt ist.

12. Elektronenstrahl - Mikroanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch spezielle Formgebung der Anode (10) und der Elektroden (17; 37, 39, 4%) zumindest im Bereich ihrer Durchlaßöffnung (11) bzw. ihrer Durchtrittsöffnungen (16; 38, 40, 43) ein minimaler Abbildungsfehler der elektrostatischen Einrichtung (10, 17; 10, 17, 37, 39; 10, 41, 42) erreicht ist.