DE2151167C3

DE2151167C3 - Elektronenstrahl-Mikroanalysator mit Auger-Elektronen-Nachweis

Info

Publication number: DE2151167C3
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: 1974-05-09
Also published as: GB1389119A; DE2151167A1; CH547530A; US3760180A; FR2157476A5; DE2151167B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahl-Mikroanalysator mit einem Elektronenstrahl-Erzeuger, dessen Elektronenstrahl fokussiert auf die Meßprobe gelenkt ist, mit einem Elektroncn-Spektrometcr, 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 -Zylinderspektromctcr, bei dem durch elektronische Differenzierung des aufgenommenen Elektroncnenergiespektrums eine Verbesserung des für die Analysenempfindlichkeit wiuuigcn Verhältnisses von Auger-Elektronen-Linienintensiiät zu Untergrundintensität erreicht wird. ist. beispielsweise in der USA.-Patentschrift 3 461 306 beschrieben.

Bei Elektroncnstrahl-Mikroanalysatoren mit Nach-

_weis von Auger-Elektronen, die im folgenden kurz als Auger-Analysatoren bezeichnet werden sollen, war es bisher üblich, auf dem Prinzip der Glühemission beruhende und auf dem Gebiet der Elektronenstrahl - Mikroanalyse mit Röntg.;nspektrometern (ESMA) bereits eingesetzte Elektronenstrahl-Erzeuger zu verwenden. Es handelt sich dabei z. B. um Wolfram-Drähte, die bis zur thermischen Elektronenemission aufgeheizt sind. Damit lassen sich prinzipiell große Stromstärken im primären Elektronenstrahl erreiche:*. Bei den bekannten Auger-Analysatoren werden mit diesen thermischen Elektronenstrahl-Erzeugern Stromstärken von 10 ⁽ⁱ bis 10~⁴A erzeugt, damit sich die Auger-Elektronen-Linien im aufgenommenen Elektronenenergiespektrum genügend vom Untergrund abheben. Diese Stromstärken entsprechen einem Durchmesser des auf die Meßprobe auureffenden Elektronenstrahls von 50 bis 1000 μ bei einer Energie der vom Elektroncistrahl-Erzeuger emittierten Elektronen bis etwa 3 keV.

Die bisher bekanntgewordenen Elektronenstrahl-Mikroanalysatoren min Auger-Elektronen-Analyse erreichen selbst bei der Untersuchung leichter chemischer Elemente nicht die Signalintensität der üblichen Elektronenstrahl-Mikrosonden mit Röntgenspektromeiern. Ihr Signal, d. h. die Anzahl der die Oberfläche der Meßprobe verlassenden Auger-Elektronen, ist bei gleichem Durchmesser des primären Elektronenstrahls etwa um einen Faktor 1000 kleiner als die Anzahl und das Signal der die ProbenoberfLche verlassenden Röntgenquanten. Dieser Faktor IUOO wird benimmt durch das Verhältnis der Austrittstiefe der Föntcenquanten, die einige μ beträgt, zur Austrittstieie der Auger-Elektronen, die bei etwa 1 mu liegt. Auch bei den leichten chemischen Elementen, bei denen eine geringere Röntgenfluoreszenzausbeute zu vei^eichnen ist als beil schweren Elementen, werden deshalb immer noch mehr Röntgenquanten die Oberfläche der Meßprobe verlassen als Auger-Elektronen. Prinzipiell ließe sich die Anzahl der an der Meßprobe ausgelösten Auger-Elektronen durch Vergrößerung der Stromstärke des primären Elektronenstrahls erhöhen. Damit würde aber bei den auf dem Prinzip der Glühemission beruhenden Elektronenstrahl-Erzeugern zwangläufig eine Vergrößerung des Durchmessers des primären Elektronenstrahls und damit eine Verschlechterung der Punktauflösung verbunden sein.

Die bisher erzielte Punktauflösung bei Auger-Analysatoren in der Größenordnung des Durchmessers des primären Elektronenstrahls von 50 bis 1000 μ ist aber ohnehin schon wesentlich schlechter als die Punktauflösung bei ESMA-Sonden mit Röntgenquantennachweis. Dort ist die Auflösung im allgemeinen auf einen Meßprobenbereich von mehreren μ Durchmesser beschränkt, der durch die Austrittstiefe der angeregten Röntgenstrahlung und die Diffusion der anregenden Primärelektronen in der Meßprobe bestimmt ist. Bei einer Verringerung des Durchmessers des primären Elektronenstrahls auf Werte unter 1 μ ändert sich weder die Äustrittstiefe noch der Durchmesser des Diffusionshofes der Primärelektronen. Bei Auger-Elektronen hingegen liegt die Größe des Diffusionshofcs bei K) bis 100 mu.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß bei Augcr-Analysatorcn das Auflösungsvermögen von Eloktronenstrahl-Mikroanalysatoren mit Röntgenspeklrometern bei massiven oder durchstrahlbaren Meßproben nicht nur erreicht, sondern wesentlich verbessert und die bisher erreichte Analysenempfindlichkeit (Signalintensität) bezüglich der leichten Elemente entscheidend gesteigert werden kann, wenn es gelingt, einen Eleklronenstrahl-Erzeuger zu finden, bei dem der Durchmesser des primären Elektronenstrahls noch unter Werte von der Größe der Austrittstiefe der Röntgenstrahlung bzw. des Diffusionshofes der Röntgenstrahlung verringert werden ίο kann, weil seine Emissionsstromdichte pro Raumwinkeleinheit (Richtstrahlwert) und die mit ihm an der Meßprobe erzielbare Auger-Elektronen-Ausbeute wesentlich besser sind als bei bekannten Elektronenstrahl-Erzeugern. Eine möglichst geringe Punktauflösung ist insbesondere dann erwünscht, wenn die Meßprobe vom primären Elektronenstrahl rasterförmig abgetastet und das entstehende Auger-Elektronen-Meßsignal zur Erzeugung eines Bildes der Verteilung chemischer Elemente auf der Probenoberao fläche verwendet werden soll.

Würde bei den bekannten Auger-Analysatoren lediglich der Durchmesser des primären Elektronenstrahls verringert werden, so würde man zwar eine geringere und daher bessere Punktauflösung erhalten, das Meßsignal würde aber an oder unter der Nachweisgrenze liegen. Eine Verringerung des Durchmessers d des primären Elektronenstrahls um einen bestimmten Faktor, z. B. um den Faktor 10 oder 1000, ist nämlich nach der Formel (1)

/ = Jt · U ■ d*³,

(1)

worin A eine Konstante und U die Beschleunigungsspannung der primären Elektronen bedeutet, mit einer Abnahme der Stromstärke / um einen wesentlich stärkeren Faktor verbunden, im Beispiel um den Faktor 500 bzw. 2,5 · 10⁵. Damit bei den bekannten Auger-Analysatoren das Auflösungsvermögen der ESMA-Sonden erreicht oder um den Faktor 10 ver- <o bessert wird, muß der Durchmesser des primären Elektronenstrahls um mindestens den Faktor 10 bzw. 100 auf Werte zwischen 0,5 und 10 μ verringert werden. Die Verringerung des Durchmessers ist jedoch nicht hinreichend; es müssen gleichzeitig Maßnahmen getroffen werden, um den dabei auftretenden Intensitätsverlust im Meßsignal rückgängig zu machen.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, einen Elektronenstrahl-Mikroanalysator mit Auger-Elektronen-Nachweis der eingangs erwähnten Art mit einem Strahl-Erzeuger von einem hohen Richtstrahlwert für niederenergetische Elektronen auszustatten, mit dem sich eine möglichst hohe Ausbeute an Auger-Elektronen an der Meßprobe erzielen läßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß daduich ge-55 löst, daß der Elektronenstrahl-Erzeuger aus einer an sich bekannten Feldemissions-Spitzenkathode von kleinem Krümmungsradius und aus einer mit einer Durchlaßöffnung versehenen Anode besteht, zwischen denen im Ultrahochvakuum durch Anlegen einer fio Spannung ein elektrisches Feld von so hoher Feldstärke erzeugt ist, daß die Spitzenkathode zur Elektronenfeldcmission angeregt ist, und daß zwischen der Anode und der Meßprobe eine elektrostatische Einrichtung (Verzögerungslinse) zur Verringerung 65 der Elcktroncngeschwindigkeit in dem aus der Durchlaßöffnung der Anode austretenden Elektronenstrahl angeordnet ist.

Mit einem solchen Augcr-Analysator läßt sich eine

Punktauflösung erzielen, die an der theoretisch erreichbaren Grenze liegt, welche durch die Größe des Diffusionshofes der Auger-Elektronen von etwa IO bis etwa 100 ΐτίμ gegeben ist.

Wie Untersuchungen (A. V. Crewc, J. Wall, L. M. Wetter; J. Appl. Phys., Band 39. 1968, S. 5861 bis 5868) gezeigt haben, lassen sich mit FeIdemissions-Spilzenkathodensystcmen Richtslrahlwerte erreichen, weiche thermischen Elektronenstrahl-Erzeugern mit Wolfram-Haarnadelkathode bei gleicher Beschleunigungsspannung von 20 kV um etwa den Faktor 10³ überlegen sind. Während bei den konventionellen Elektronenstrahl-Erzei'gcrn die Elektronen aus einer relativ großen Fläche (Cross-over-Durchmesser 30 bis 100 μ bei etwa 30 bis 3 kV) emittiert werden, werden die Elektronen bei einer Spitzenkathode mit einer Spitze von z. B. 50 mti Krümmungsradius infolge des radial von der Spitze ausgehenden elektrischen Feldes scheinbar vom Mittelpunkt einer Kugel feldemittiert, deren Durchmesser nur etwa 3 mit beträgt. Je nach Wahl des Krümmungsradius der Spitzenkathode, ihres Abstandes von der Anode und des Durchmessers der Durchlaßöffnung in der Anode liegt die zur Feldemission benötigte Hochspannung zwischen etwa 3 und 10 kV. MitFeldemissions-Spitzenkathodcn lassen sich Stromstärken im primären Elektronenstrahl von 10~⁷A erreichen. DieAnwendung einer Feldemissions-Spitzenkathode macht im allgemeinen ein I 'ltrahochvakuum mit einem Druck von 10 ⁱⁿ Torr bis maximal 10~⁸Torr erforderlich.

Wie andere Untersuchungen gezeigt haben, erhält man eine optimale Auger-EIektror.en-Ausbeute nicht dann, wenn die auf die Meßprobe auftreffenden Elektronen des primären Elektronenstrahls eine möglichst hohe Energie besitzen, also auch nicht bei den hohen, optimalen Beschlcunigungsspannungcn der Elektronenstrahl-Mikroanalysc (ESMA) im Energiebereich zwischen 10 und 50 keV. Die für eine optimale Anregung der Auger-Elektronen erforderliche Primärstrahlenergie liegt viel niedriger, und zwar ist sie etwa durch die dreifache Energie gegeben, die erforderlich ist, um ein Atom eines Elements für die Auslösung eines Augcr-Elektrons in einer Atomschale zu ionisieren; sie Hegt also zwischen 0.5 und 3 keV. Diese optimale Anregungsenergie wird durch Fokussierung des primären Elektronenstrahls auf die Meßprobe mit Hilfe der elektrostatischen Verzögerungslinse erreicht. Die Verzögerungslinse reduziert die Energie der Elektronen im primären Elektronenstrahl, welche durch die für die Feldemission am Elektronenstrahl-Erzeuger notwendige hohe Beschleunigungsspannung für eine optimale Anregung zu groß ist, auf Werte im Bereich einiger keV im Raum vor der Meßprobe. Dadurch läßt sich der hohe Richtstrahlwcrt eines Elektronenstrahl-Erzeugers mit Feldemissions-Spitzenkalhode für einen Elektronenstrahl-Mikroanalysator mit Auger-Elektronen-Nachwcis nutzbar machen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Anode und der Verzögerungslinse ein feldfreicr Raum vorgesehen. Das hat den Vorteil, daß der Feldemissionsstrom unabhängig von dem Betriebszustand der Vcrzögcruingslinse eingestellt werden kann.

Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwischen der Anode und der Meßprobe mindestens eine erste, mit einer Durchtrittsöffnung versehene Elektrode angeordnet ist, die mit der Anode zu einer Verzögerungslinse zusammengefaßt ist. Diese Weiterbildung zeichnet sich durch ihren einfachen Aufbau aus.

Durch spezielle Formgebung der Anode und der Elektroden im Bereich ihrer Durchlaßöffnung bzw. ihrer Durchtriltsö'fnungen und/oder ihrer Stärke läßt sich ein minimaler Abbildungsfehler der elektrostatischen Einrichtung erreichen. Die dazu erforderliche

ίο Formgebung kann theoretisch berechnet werden. Entsprechende Berechnungen für eine Zweiclcktrodenlinse vom Beschleunigungstyp wurden bereits durchgeführt (J. W. Butler, Sixth International Congress for E. M. [Kyoto], 191 [1966]).

Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteranspruchen. Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Elektronenstrahl-Mikroanalysator mit

einer Fcldemissions-Spilzenkathode und einer Anode, die mit einer Lochblende zu einer Verzögerungslinsc zusammengefaßt ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Felderp issions-Spitzcnkathode, einer Anode und einer Meßprobe wobei zwischen der Anode und der Meßprobe zwei Elektroden angeordnet sind,

Fig. 3 die elektrische Potenüalverteilung zwischen Feldemissions-Spitzenkathode und Meßprobe gemäß Fig. 2,

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer Feldemissions-Spitzenkathode und dreier Elektroden zwischen Anode und Meßprobe,

F i g. 5 die elektrische Potenüalverteilung zwischen Feldemissions-Spitzenkathode und Meßprobe gemäß

Fig. 4,

Fig. 6 eine schematischc Darstellung einer zylindrischen Verzögerungslinsc zwischen einer Feldemissions-Spitzenkathode und einer Meßprobe und
Fig. 7 die elektrische Potcntialverteilung zwischen

Feldemissions-Spitzenkathode und Meßprobe gemäß F i g. 6.

In Fig. 1 ist ein Elektronenstrahl-Mikroanalysator dargestellt, bei dem ein primärer Elektronenstrahl 1 durch Feldemission an einer Feldemissions-Spitzenkathode 2 erzeugt wird. Die Spitzenkathode 2. die z. B. aus Wolfram besteht und an der Spitze einen Krümmungsradius von z. B. nur 50 ΐημ besitzt, ist an einem Drahtbügel 3 festgcschweißl, der über Zuleitungen 4 und einen Schalter 5 an eine Heizstromquelle 6 angeschlossen werden kann. Durch Einschalten der Heizstromquelle 6 lassen sich Verunreinigungen auf der Spitzenkathode 2 ausheizen.

Die Spitzenkathode 2 befindet sich in einem auf Ultrahochvakuum gehaltenen Raum 7, der von elcktrischen Isolatoren 8 und 9 z. B. aus Keramikmatcrial und von einer Anode 10 begrenzt ist, welche mit einer Durchlaßöffnung 11 versehen ist Der Durchmesser der Durchlaßöffnung 11 ist durch dnc nicht gezeigte Aperturblende z.B. auf 100 μ einstelbar. Die Apcrturblende bestimmt den Öffnungsfehler des aus den Elektroden 10 und 14 gebildeten Abbildungssystems. Durch den Öffnungsfchler ist der Durchmesser des auf der Meßprobe erreichbaren Elektronenstrahlfokus nach unten begrenzt.

Die Spitzenkathode 2 ist mit dem Minuspol einer einstellbaren Vorspannungsquellc 12 verbunden, deren Pluspol an Masse liegt. Die Spannung der Vorspannungsquclle 12 ist beispielsweise auf einen Wert

tischen 0,5 und 3 kV einstellbar. Die Spil/kath'.dc 2 liegt also auf einem gegenüber Masse negativen

Potential. , . . , ,,

Die Anode 10 ist an den Pluspol einer einstellbaren Hoehspaninmgsquellc 13 angeschlossen, derer Minuspol an Masse gelegt ist. Die Hochspannung qucllel3 kai,-*. z.B. auf einen Wert zwischen , und 10 k\' eingestellt werden. Damit ergibt sich ur d. Spannung zwischen Anode IO und Spitzcnkathoüc ein Wert der zwischen 3.5 und 13 kV hegt Be, seh, kurzem Abstand /wischen Anode 10 und Spitzenkathode 2 reicht dieser Spannungswert aus. ui.. unmittelbar an ihrer Spit/c eine elektrische Felds arkt von mindestens 10" Wem zu er/.iden und d,c Spitzenkathode 2 dadurch zu einer kalten Feldemission zu

veranlassen. . _c ·.

D-r infolge der leldemission aus der Spitzenkathode 2 austretende Ficktronensl.ahl 1 gelangt mit eier MelSprotu' 19 ist. Dk ausgelösten Elektronen-1

Niches πι Γ i t. 1 als Halbkugelspek;;oim;cr 23 dvi'cslelll ist Iede Art um Elekironen-Spektromeler du.^ ^^^ _m, ^ ^,„^ _cinsct,_bar.

Halbkuudspekimmetcr 23 besteh' aus einem

. ι Meßprobe 19 auf Ma^sc-

" ^ ^ , _]Sl. _und einen ,weiten Giu.r 25. wel-

^ " _m>_ls ^ _cinsic!lbarcn Spannungsquelle 26

_jvc, _Pt,_lCnliiii gegenüber Masse eele,

_{wcrdcn kann}. _Dicsc Spannungsquelle 26 wird aul

Spannungs-crt im Bereich von 0 bis

t _jn ,],_ _s0 ^₁₁ Auger-Elektronen 21 und

_Efe_klronen 22 mit einer Energie, die niedriger

_{dem ci slclhcn} Spannungswert entspricht.

-5 ^ ^.^ _0|,₍£ _{25 nichl übcrwindcn} können. Die

Spannungsqucllc 26 v,iid auf die Augcr-Elcktronen-

P im Energiespektrum desjenigen chemischen Luiu. ^ fc^P ^^ _{Vcrteilung an d}„ Ober-

r MeBprobe 19 erm.tte,, und aufzeichnet

S^ÄaS/

we.teren Raum 14. der von einem aus Isoliermaterial und von ^r m trittsölinung 16 versehenen Lick rode odu Lo^ ^ blende 17 eingefaßt -M. Die I ochblendc 17 kann mn icls einer einstellbaren Bremsspannungsquelk 18 auf ein elektrisches Potential gelegt werden, das h^" tibe.- Myvse auf jeden Wert, z. B. ^zw'^^hcn "Tuende 200 V. eingestellt werden kann. Die Lochblend, 17 lieg, also zumindest annähernd J»f Masscpotcη

- ,1. also auf einem elektrischen P°^tcnt'^d' ^^ ,icnjemgen der Spitzenkathode 2 und dem]^ τ

Anode 10 Dadurch werden die ?us ^{der l}^^IC" öitnung Il der Anode 10 m ucv. R^auI" " ^cml'^e _d d.„ f-lektroncn stark verzögert. Die Anode iw u ^H^chblendelTsindaufd.ese^eisc/ut.mLr ^

,.·,,,.-riingslinsc zusammengefaßt. \Vah end ™ ·, ,r.en beim Durchtritt durch die ^üur^^aJ ^M'"V ^fc , ,h eine kinetische Energie ™..^BcT^!\™ _nich

*. und 13 keV besitzen, liegt ihre >^r_b.e na . ,.,rchgang durch die DuichtnUsoffnung 16 w^nn ch ).KhblenJel7z.B. genauauf MassepotcnnaM.etU

„ „ noch auf einem Wert im ^R^^eldl ^'^scl ^ ^ .,.,1 3 keV. Dieses ist aber der Energ'c^cti _ !,...mären Elektronenstrahls, mit dem s cn cine O₁ ,,K₁Ie Auger-Elektronen-Ausbeute erzielen laßt

De, verzögerte Elcktronens rahl 1 gcKmgt nach Ourchgang durch die Durchtn.^öffnung 16 η «η Ablenksystem 3Λ, das in F ι β. 1 als ^niaßⁿ^^u , Ablenksystem eingezeichnet ist und von ^C1"^cr ' ^■/eiglen Ablenkeinrichtung gesteuert wirJ ^uur^ Hch kann auch ein elektrostatisches Ablenksystem verwendet werJcn. Das Ablenksystem 36 lenk den χ er/ogc.ten Elektronenstrahl 1 rasterformig ur>cr cmt Meßprobe 19, die auf ^cinem/^erstC „",:','; ._ulf manipulMor 26 befestigt und die "» *^\^^η^ Massepotential gelegt ist. Die Meßprobe ZU H . praktisch auf demselben Potential wie die Loc.

blenden. „onhls 1 werden

Durch den Einfall des Elektronen- his » ^™

an der OberHäche der Meßprobe ⁹· ^d\^r^~, abweichend von der gezeigten Stellung vor zu y gegenüber dem primären Elcktroncnstran · fc t isC Auger-Elektronen 21 sowie Ruckstrcu-un

kundärelektronen 22 ausgelöst. D'^¹™¹¹^,^ gie der zur Analyse verwendeten Augcr-lEltktroi.cn 21 hegt im Energiebereich unterhalb etwa 11>u c , _{langPn au}f eine halbkugclformige Detektorflache fe ^- _{er dcm zwcilen GiUcr 25} auf positi-

Potemial eehalten ist. Dazu ist eine Spannungs-

vorgesehen

y-_m Modulationsoszillator 29 erzeugt eine NVech- ; _VQn _? _{ß 2 kHz}. _{die mittcls cincs} über-

ρ g ^ ^ ^ ^ ^ , _bi5

_dcm Potential an der Meßprobe 19 überlagert wird. ^ _trh;m ^^ _{am Arbeitswidcrsland} Jl _e.n

^oduli-tes Signal, das über e.ncn T.,nnkondensator ₃₂"cinem Naclnveisgerät 33 zugeführt w.rd. Dieses _{cntnält cmen phasene}mpfindlichen Gleichrichter, des- ^ Referenzeingang mit der Wechselspannung des _{Modulationsosz}iii_atQrs 29 gespeist wird. Das vom _Nachweis_Ccrät 33 ermittelte Mcßsignal. das nun im wesentlichen von Auger-Elektronen herrührt auf Spannungsquelle 26 eingestellt ist.

t b _{dcr Vcrlcil desjcn}i_gen chemischen

_Elcments "auf der Oberfläche der Meßprobe 19. auf _dercnAuecr._Elektroncn-Encrgie die Spannungsquelle

einteilt i_st. hcraneczogcn. Die Zeilenaustastung Bildröhre 34 wird"übcr die hcrausgczeichnetcn ^ _{von dcr (mcht igten) Ablcnkcin}-

^ ^^ ^^ _{Abknksystcm 36 st ert}, m.t

_c,_{er ncN};-enuna des Elektronenstrahls 1 synchronisiert.

_Fi V" _zc-_{el cinc sc}hcmatische Darstellung eines

_Augcil_Analvsators, bei dem - im Gegensatz zum , t _p ^ _ _{zusalzlich zwl}.

Au^er^ ^ ^^ fi ^ ^ _{Mcßprobc 19} ^^.^ _{Hlck(rodc 3? angeordnel} ist, 'die mit cinei DurchtrittsöiTnung 38 versehen ist. Wie beim Auger ^M Analysator in Fig. 1 ist die erste Elektrode 17 m, ^^ ^ ^ _cincr v^ögc-ungsimsc zusammen -^ _{Das crgjb}, _{sich aus F} j _g. 3, _w0 der elektrisch. Potcntialverlauf P(d) des Augcr-Analysators gemal _Flg. 2 in Abhängigkeit des Abstands d dargestellt isi und zwar der Einfaehheit halber geradlinig. D.e nega ^^ Potentialwerte sind nach oben hin aufgetrager ^.^ _{s it2enkathod}e 2 liegt wiederum auf einer _epenüber dem Massepotential der Meßprobe 1

Dativen Potential, z.B. von -0,5 kV. Die Anod 5 b.^ ^ ^ ^ _potcntia, _{von z B +3k},

· ^ Elektrode 17 kann jetzt auf einer

Potential ist zu größeren Werten hin einstellbar, was durch den senkrechten Pfeil angedeutet ist. Die zweite Elektrode 37 liegt vorzugsweise auf ■ Masscpotcntial. 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 Nachbeschlcunigungselektrode. Die Elcktronengeschwindigkeit in dem aus der Durchtrittsöffnung 16 der ersten Elektrode 17 austretenden Elektronenstrahl 1 wird also wieder etwas vergrößert. Entscheidend für die optimale kinetische linergic tier 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 Felddurcligriffs 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 e>nc an sich bekannte asymmetrische Drcielektrodenlinsc, bei der über das Potential der Anode 10 der Feldemissionsstrom und über dar, Potential der ersten Elektrode 17 die Verzögerung eingestellt werden können.

Der Vorteil des in Fig. 2 gezeigten Auger-Analysators mit dem in Fig. 3 dargestellten Potentialverlauf P{d) gegenüber dem Auger-Analysator nach Fig. 1 besteht darin, daß die Eigenschaften des Strahlcrzcugungssystems (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 Durchlaß-Öffnung 11 der Anode 10. Diese Anordnung ist für einen großen Arbeitsabstand zwischen der dritten Elektrode 39 und der Meßprobe 19 vorgesehen. Wie aus der zugehörigen PotentialverteilungP(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 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 Verzögerungspol iao tial. Die Anordnung arbeitet dann nach dem Prin/ μ einer lichtoptischen Gummilinse. Auch die in F i ρ gezeigte Anordnung läßt sich nach Art einer lic" : optischen Gummilinse ausbilden.

Grundlegend für die Ausbildung der elektrosUuia5 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 Vcränderung des Emissionspotcntials an der ersten Liiuc die Brennweite der gesamten elektrostatischen Einrichtung praktisch nicht beeinflußt wird.

In Fig. 6 ist schematisch der Elektronenstrah!- Hivengcr eines Auger-Analysator^ gezeigt, der in (■■-' elektrischen Beschallung und auch sonst weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten Auger-Analysator c;; spricht. An der Anode 10 ist hier ein zylindrisch ·■ Rohr 4! elektrisch leitend befestigt, welches ri ■ einem dazu ausgerichteten und im Abstand α aiv-cordneten Zylinderrohr 42 als erste Elektrode zu ein :r Ver7ögerungslinsc zusammengefaßt ist. Der zugeWirige Potentialverlauf in F i g. 7 zeigt, daß die Ek'.-troncn des primären Elektronenstrahls 1 auf ein;¹» rch'iv kurzen Weg beschleunigt und auch wieder ;;'"-gebremst werden. Durch Veränderung des Potentials der Anode 10 läßt sich die Brennweite der Verzögerunuslinse einstellen. Abweichend von der Darstellung in F ι 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 nicht 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 Elektroncn-Spektrometer getrennten Auger-Elektronen von definierter Energie, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl-Erzeuger aus einer an sich bekannten Feldemissions-Spitzenkathode (2) von kleinem Krümmungsradius und aus einer mit s-iner Durchlaßöffnung (11) versehenen Anode (10) besteht, zwischen denen im liltrahochvakuum durch Anlegen einer Spannung (12, 13) ein elektrisches Feld von so hoher Feldstärke 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, 42) zur Verringerung der Elektronengeschwindigkeit in dem aus der Durchlaßöffnung (11) der Anode (10) austretenden Elektronenstrahl (1) angeordnet ist.

2. Elektronenstrahl-Mikroanalysator nach Ansprach I, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anode und der Verzögerungsiinse 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 Verzögerungsiinse zusammengefaßt ist.

4. Elektronenstrahl-Mikroanalysator nach Anspruch 3, daduron gekennzeichnet, daL lic letzte Elektrode (17; 37; 39; 42) vor uer Meliprobe(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 i«t, die auf ein elektrisches Potential zwischen demjenigen der Fcldemissions-Spitzenkathode(2) und demjenigen der Anode (10) gelegt ist.

6. Hcktronenstrahl-Mikroanalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode ()7) auf dasselbe elektrische Potential geiegt 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 gewählt ist, daß die Elcktroncngeschwindigkeii in dem aus der Durchtriitsölfiiung (16) der ersten Elektrode (17) austretenden Elektronenstrahl (I) vergrößert wird.

9 Elektronenstrahl-Mikroanalysator nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzScTnet, daß die erste Elektrode (17) "|« zweiten Elektrode (37) und einer *>""«« Elektrode (39) die mit Durchtrittsöffnungen (38 bzw. 4U; versehen sind, zu einer Dreielektrodenlinse zusammengefaßt ist. ,

10 Elektronenstrahl-Mikroanalysator nach

einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische Einrichtung aus mindestens zwei getrennt einstellbaren elektrostatischen Linsen 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.

J1 Elektronenstrahl - Mikroanalysator nacn einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Anode (10) konzentrisch zur Durchlaßöffnung (U) ein zylindriscnes 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 Verzögerungsiinse zusammengefaßt ist. ,

P Elektronenstrahl-Mikroanalysator nacn

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