DE2202347C3 - Elektronenstrahl-Analysator zum Nachweis von Auger-Elektronen - Google Patents

Description

Die lifmdiing belrilfi einen I lcktronens'.rahl-

A naiv satin zur I'iitei >ucluing emei massiven oder ihm h'-tr.ihlbaien Meß|n'obe. insbesondere auf ausgelnste \uger-l lckiioncn. mn einem I lektronenslrahler/ein.vi. des-cn prnn.iiei I lekli oncnslrahl .Ulf tlie Meiipiobc gelenkt · ι ^l. mit einem elektrostatischen /v hiiii-.M s|ie kl icinelei in welchem die imn I Ick t ro neu -•i.ilii an tlei Meßpiobc aus:c!n-,|en I leklronen be/iig- !itii ;hrei K n\ii\chcn ; ueii.MC !'elunnt wei'ilen. und

mil einem Elektronen-Detektor zum Nachweis der im Elektronen-Spektiometer energetisch «jet rennten Elektronen.

Bekanntlich wird bei der konventionellen Elektronenslrahl-Mikroana! >se (ISMA) die Meßprobe mit einem feinen primären Elektronenstrahl abgerasicri: die dadurch entstehende Röntgenstrahlung wird zur Anal)se der Verteilung tier chemi-chen Eler.ic- te auf der J'mhenoncrfläche herangezogen. Der beim Auftreffen eines Primärelektrons durch Ionisierung, z. B. _ii: der K-Schale, angeregte Zustand eines Aton ■. der Meßprob·: zerfällt entweder durch Emission dei für das betreffende Element charakteristischen Röntgen-K-Strahlung oder durch strahlungslose übergänge. Bei der 1 SMA gelangt die unter dem Abstrahlwinkel die Probenoberfiäche verlassende Röntgenstrahlung in ein Röntgenspektrometer. Sie wird mit HiHe eines Rönlgen-Dctektors zur Anzeige gebracht. Durch Beschleunigung der Primärelektronen auf eine optimale Energie, die etwa /wischen IO und 50 1-eV liegt. >vird erreicht. JaU im iicrcich da■ Aiisiniisiie/'t· der Röntgenstrahlung eines chemischen Elements möglichst viele dieser Atome in ihrer K- odei 1 -Schale ionisiert werden.

Die mit konvcntionelk'n ESMA-Sonden erzielbare .■·, Auflösung bei massiven MeUproheii ist im allgemeinen auf einen Meßprobenbereich mit mehreren 1 Durchmesser beschränkt, der durch die Ausiriilstiefe der angeregten Röntgenstrahlung und die Diffusion der anregenden Primäreiek:ionen in der Mcßprohe be- ,t<> stimmt lsi. Bei einer Verringerung des Durchmessers des primären Elektronenstrahls auf Werte unter einige u ändert sich weder die Aiiregungstieie noch der Durchmesser des Diffusionshofes der Priniärelektrouen wesentlich. Nur m einigen Ausnahmen, z. B. wenn .i.=, durchstrahlbare Meßproben oder wenn örtlich isolierte Hereiche verschiedener chemischer Elemente vorhegen, st cmc Steigerung der Auflösung unter Umständen möglich.

Der konventionellen ISM Λ nut Rontgenspektiometric sind aber nicht nur hinsichtlich ihres örtlichen Auflösungsvermögens Circnzen gesetzt: Die Analvse leichler Elemente gestaltet sich uc;vn der geringen Wahrscheinlichkeit für die Anregung charakteristischer Rönlgen-K-Sirahlung bei Elementen mn niedri- -'."-gern Atomgewicht besonders schwierig. Die Rönigenfluores/en/ausbeute «κ. d. h. die Wahrscheinlichkeit dafür, daß bji einem l-.lektronenüberj'ang in eine ionisierte K-Schale Rönlgen-K-Stralihing emittiert vviiil. ist nämlich von der vielten !'ölen/ der Kern- l·- laduiigs/ahl /des Atoms abhängig:

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mit α κ 1.12· 10". Die Wahrscheinlichkeit wu für die I mission eines Röntgen-K-Quants isl beispielsweise :>.^r) fur alle Elemente, deren Kernladungszahl / unter der des Magnesiums mit /. 12 hegt, kleiner als I",,. Deshalb findet bei den angeregten Atomen leichter Elemente in den weitaus meisten I allen ein strahlungsloser Übergang, statt. Bei einem solchen strahlungs- ⁶» losen I'bergung eines Elektrons von dei 1-Schale, von dei M-Schale U-. >\. (Energie /. ., 1 in die K-Schale (I neigie /./,·) vsini die fieiweid.'iide di-,kieie I ncrgic / _h ■- /. ,, verwende!, um em I ieklron. welches in emei ben,abbauen Schale, also m der I -Nch.lie. M-ScIi.de. ^f\'i iisw die BmdungscuiTgie / . besitzt, völlig aus der I leklroiienhülle .ilvuUcnncn Da-- abgettennte I Ick-Hon. da· .ii- \iiuei-l ieMron hc/ci'lmcl -Mid veilaili das Aiom mil der diskreten kinetischen Enerige £*,„ hu,, £a—/:>,-/-'.S₂. (2)

Die Tnergie der Auger-Elektronen Iu(Jt sich mit einem rJektronen-Spcktrometer analysieren. FHr jedes chemische hiement erhält man charakteristische Auger-Elektronen-! inien. Seil einigen Jahren werden Anger-!.!ektroneii-Spektrometer für LEiED-Geräte /ur Beugunu langsamer Elektronen verwendet, um die chemische Zusammensetzung der obersten Atomlagen auf Einkristallen zu bestimmen.

Dur Energiebereich der abgetrennten Auger-Elektronen unterhalb etwa H)OO cV ist analytisch von besonderer Bedeutung. Hier liegen nicht nur die Energien derjenigen Auger-Elektronen, die aus den Atomen der leichten Elemente ausgelöst werden, sondern auch '!ltensiiüisstarke Auger-1 lektronen-Linien der übrigen Elemente, die Übergängen /wischen energetisch höheren Niveaus entsprechen. Die Austrittstiefe der Auger-Elektronen beträgt im allgemeinen nur einige bis einige /chn -Swmiapcn. licji also im Bereich von

0. I bis it) 111:;..

Die analvtische Verwendung der von einem primären I lektroneiisiruhl meiner Meliprobe ausgelösten Auger-Elektronen ist bereits in der Literatur beschrieben worden (J. J. Lander. Ph\s. Re\. ^l)l, [1953], 1382; L. N I harp. E. .1. Scheibner. J. Appl. Phys. 38, |l%~!. :·32Ο: R. E. Weber. W. T. Peria. J. Appl. Phys. 3.S. [1%7|, 4355). Ein Elektronenstrahl-Analysator der eingangs genannten \rt. allerdings mit einem ha ibkiuel form igen (iitter-Elcktroncn-Spektromeier, ist /. B. aus E ig. I des Aufsat/es »Augcr-I leetron-Spectroscopy of sec Metal Surfaces« in der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«. Bd. 39. Nr. 5 (April I¹If-K 1. S. 2425 bis 2432 bekannt. Das Hervorheben der Auger-Eleklronen-1 inien aus dem LJntergrundsignal ue-chieht dadurch, daß das elektrische (iegenieU! des verwendeten K ugelgitlers periodisch durch eine betragsniälüg kleine sinusförmige Spannung fester I-requen/ moduliert wird, und daß das von der I >etektor-l lalbkugelschale abgegebene Signal von der doppelten I requen/ phasenrichtig gemessen und /ur An/ciee »ehraclu wird.

Im weiterer Elektronensirahl-Aiialysator mit einem i27 -ZAlin-.ierspeklromcler. bei dem durch elektronische Ditferen/ierung des uufgenomnicnen E.lektroneiienergiespektnims eine \crbesserung der Analysencmplind'ichkeit. also des \ erhältnisses von Auger-Llek'.ronen-l 1nKi11ntcns1l.it /u I nlergrundintensität. ei reicht wnd. wird beispielsweise in der USA.-I'atent- -chnft 3 4(il 31K1 bcsclineben.

Aus der »Zeilschrift lür I'hvsik«. Hd. 237, S. 3Hl bis 3S7. |')70. sind ferner Messungen von Auger-Elektronen-Spekiren bekannt, bei denen ein elektrostatisches Zylindei spektrometer mit einer Energieauflösung von etwa '.).O5 ',, 1111 l.nergiebereich von 0.1 bis I keV verwendet wurde. Die Messungen wurden mit einem feststehenden primären I lektronenstrahl und einem Strahldiirelimesser durchgeführt, dessen Wert oberhalb 50 bis 100 ;; lag. Weiteie /vlinderspektrometei. die allerdings niclv. zur Aufnahme von Auger-1 lel.tronen-Spektien eingeseizt winden, -.mti aus den I iieraiiirsiellen »Soviet l'hvsics 1 eclmical Physics«, lld Il \i. I liili I¹Jd(I. S. ')(, hi-, ¹I¹I. aus » I he Review οϊ Nik-iililii- liisiruments«. Bd. ^S. Nr. '». Scplemhci ί'Κ·~. S l.iliihis 1.1 l(i. aus » I he Kc- u-vv of Scientific lusiiiimenis«. Bd 41. Nr. V Mär/ 19 70. S. 351 bis 355 ■ mit aus ». 1 he Kcvk-w öl Scicntilic Instruments«.

Bd. 41, Nr. 4, April 1970. S. 561 his 564. bekannt. Hei einem axialen Zylindcrspektrometer ist üblicherweise ein mit Spalten versehener Inncn/ylinder koaxial zu einem Außenzylinder angeordnet.

Bei Elektronenstrahl-Analysatoren mit Nachweis von Augcr-EJcktronen, die im folgenden kurz als Auger-Analysatorcn bc/eichnet werden sollen, war es bisher üblich, auf dem Prinzip der (ilühemission beruhende und auf dem (ichiel tier IiSMA mit Röntgcnspektrometern bereits eingesetzte Elektronenstrahlerzeuger zu verwenden, Es handelt sich dabei /. B. um Wolfram-Drähte, die bis /ur thermischen Elektronenemission aufgeheizt sind. Damit lassen sich prinzipiell große Stromstärken im primären Elektronenstrahl erreichen. Hei den bekannten Aiigcr-Analysatoren werden mit diesen thermischen Elektronenstrahlcr/eugern Stromstärken von IO " bis IO ' A erzeugt, damit sich die Auger-Elektronen-Linien im aufgenommenen Elektronenenergiespcktrum genügend vom Untergrund abheben. Diese Stromstärken entsprechen einem Durchmesser d des auf die Meüprobe aurtreffenden primären Elektronenstrahls von 50 μ bis 1000 μ bei einer Energie der vom Elektronenstrahlerzeuger emittierten Elektronen bis etwa 3 keV.

Die bisher bekanntgewordenen Augcr-Anahsatorcn erreichen selbst bei der Untersuchung leichter chemischer Eilemcntc nicht die Signalintensität tier konventionellen ESMA-Sonden mit Röntgenspektrometer!-!. Ihr Signal, d.h. die Anzahl der die Oberfläche der Meßprobe verlassenden Auger-I lcktronen. is! bei gleichem Durchmesser d des primären Elektronenstrahls etwa um einen Eaktor 1000 kleiner als die Anzahl und das Signal der die Probenoberfläche verlassenden Röntgenquanten. Dieser Eaktor 1000 wird bestimmt durch das Verhältnis der Austrittstiefe der Röntgcnquantcn. die einige μ beträgt, zur Austriltstiefe der Auger-Elektronen, die bei einigen πιμ hegt. Auch bei dun !eichten chemischen Elementen, hei denen gemäß (ileichiing (I) eine geringere Röntgenfiuorcszcn/ausbcute zu \er-/cichnen, ist als bei schweren Elementen, werden deshalb immer noch mehr Rönigciquanien 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 dem auf dem Prinzip der Glühemission beruhenden Elektronenstrahlerzeuger zwangsläufig eine Vergrößerung des Durchmessers el des primären Elektronenstrahls und damit eine Verschlechterung der Punktauflösung \erblinden sein. Die bisher erzielte Punktauflösung bei Augcr-Analyhatoren in der Größenordnung des [Durchmessers »/des primären Elektronenstrahls von 50 μ bis 1000 μ ist aber ohnehin schon wesentlich schlechter ais die Punktauflösung bei ESMA-Sonden mit Röntgcnquanten-Nachweis.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß hei Auger-Analysatoren das Auflösungsvermögen von ESMA-Sonden mit Röntgcnspektromctcrn bei massiven oder durchstrahlbaren Meßproben nicht nur erreicht, sondern wesentlich verbessert werden kann, wenn der Durchmesser i/des primären Elektronenstrahls noch unter Werte von der Größe der Austritlsticfc der Röntgenstrahlung bzw. des Difftisionshofes der Röntgenstrahlung verringert wird, daß dabei aber gleichzeitig die bisher erreichbare Analysencmpfindlichkcil (Signalintensität), insbesondere bezüglich der leichten Elemente, entscheidend gesteigert werden kann.

Würde bei den bekannten Auger-Analysaloren lediglich der Durchmesser </ des primären Elektronenstrahls verringert werden, so würde man zwar eine geringere und daher bessere Punktauflösung erhalten, das Meßsignal wurde aber an oder unter der Nachweisgrenze liegen. I ine Verringerung des Durchmessers d des primären Elektronenstrahls um einen bestimmten Eaktor. z. B. um den Eaktor IO oder KX) ist nämlich nach der Eornicl

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worin A eine Konstante und V die Beschleunigungsspannung der Primäreleklronen bedeuten, mit einer Abnahme der Stromstärke I um einen wesentlich ij stärkeren Eaktor verbunden, im Beispiel um den Eaktor 500 bzw. 2.5· K)"¹. Damit bei den bekannten Auger-Analysatoren das Auflösungsvermögen der ESMA-Sonden mit Röntgenspektrometer!! erreicht oder um den Eaktor 10 verbessert wird, muß der übliche Durchmesser ti des primären Elektronenstrahls um mindestens den I aktor 10 bzw. KX) auf Werte zwischen 0.5 und IO μ verringert werden. Die Verringerung lies Durchmessers »/ist jedoch nicht hinreichend; es müssen gleichzeitig Maßnahmen getroffen werden. um den dabei auftretenden Intensitätsvcrlust im MeIlsignal rückgängig zu machen.

Gemäß einem früheren Vorschlag (Pat.-Anm. P 2 151 167.1 - \PA 71 35X5) läßt sich eine hohe Ausbeute der Auger-Elektronen an der Meßprobe und damit ein hohes Mcßsignal auch' bei verringertem Durchmesser des piimären Elektronenstrahls erzielen, wenn ein Auger-Analysator der eingangs genannten Art mit einem Elektronenstrahlerzeuger von einem hohen RichtMrahlwcrl für niederenergetische Elektronen ausgestattet wird. Der Elektronenstrahlerzeuger besteh; dabei aus einer an sieh bekannten EeIdemissions-Spilzcnkathode \on kleinem Krümmungsradius und aus einer mit einer Durchfallöffnung versehenen Anode, zwischen denen im Ulirahochvakuiim ■i" durch. Anlegen einer Spannung ein elektrisches EcId son so hoher 1 eldstärkc erzeugt ist, daß die Spitzenkathode zur i.lektroncnfeldcmission angeregt ist. I erner ist zwischen der Anode und der McBprobc eine elektrostatische Einrichtung (Vcrzögerungslinsc) zur Verringerung tier Elcktroncngcschwindigkcit in dem aus der Durchlaßöffnung der Anode austretenden primären Elektronenstrahl angeordnet. Die elektrostatische Einrichtung sorgt dafür, daß die primären Elektronen mit optimaler Anregungsenergie, die zwischen 0 S und 3 keV liegt, auf der Oberfläche dci Meßprobe eintreffen.

Es hat sich gezeigt, daß sich mit einem solcliermaßcr ausgestatteten Auger-Analysator eine Punktauflösung erzielen läßt, die an der theoretisch erreichbaren Grenze liegt, welche durch die Größe des Diffusionshofcs dei Auger-Elektronen von etwa 10 bis etwa 100 mj. gegeben ist. Es ist jedoch eine weitere Steigerung de Intensität im Meßsignal wünschenswert.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde einen Elektronenstrahl-Analysator zum Nachweis voi Auger-Elektronen der eingangs genannten Art zi schaffen, bei dem einerseits das Auflösungsvcrmögci der ESMA-Sonden mit Röntgcnspcktrometcrn bc massiven Proben nicht nur erreicht, sondern wesent lieh übertroffen wird, und bei dem andererseits dii Analvscnempfindlichkeit. insbesondere bezüglich de leichten Elemente, entscheidend gegenüber den be kannten Aiiücr-Sonden bervessert ist. Weiterhin sol

Jer Eleklronenstrahl-Analvsalor so ausgestaltet wer-Jcn. daß mil Hilfe der \ntn primären Elektronenstrahl LiuF der Oberfläche der Mellprobe ausgelösten Auger-Elektronen Hikler mit dem Auflösungsvermögen moderner Rastcrclcktroncnmikroskope hergestellt werden können, welche die Verteilung einzelner chemischer Elemente auf einem mikroskopisch kleinen Uercich der l'robcnoberflächc wiedergeben.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dall am Eingang des Zylindcrspektrometers eine elektrostatische Verzögerungseinrichtung zum Herabsetzen der (icschwjndigkeil der aus der Mellprobe ausgelösten Auger-Elektronen angeordnet ist. und dall die elektrostatische Verzögerungseinrichtung derart ausgestaltet ist. daß sie ein weitgehend kiigelsymmetrischcs elektrostatisches Radialfekl erzeugt, dessen Zentrum auf der Speklromcterachse und im wesentlichen in der Auftreffstelle des primären Elektronenstrahls auf der Mcf.lprobc liegt.

Der Durchmesser des primären Elektronenstrahls kann dabei in der Nähe von KM) ιημ oder darunter liegen, also bei einem Wert, welcher dem Durchmesser des Diffusionsholes der auf der Probcnobcrflüchc ausgelösten Auger-Elektronen entspricht. Der angegebene Wert liegt um etwa I bis 2 /chnerpotenzen unter den gebräuchlichen Strahldurclimcssern bei ESMA-Sondcn mit Röntgenspektrometer n. Man erhält also eine ausgezeichnete Punktauflösiing. Wie im folgenden noch näher ausgeführt werden soll, ist eine möglichst gute Punktauflösung insbesondere dann erwünscht, wenn 3" die Mellprobe \om primären Elektronenstrahl rasterförmig abgetastet und da-, entstehende Augcr-Elcktronen-Mel.lsignal zur Erzeugung eines Hildes der Verteilung chemischer Elemente auf der Probenoberfläche verwendet werden soll. Der hei Verringerung des Slrahldurchmcssers /u erwartende Verlust an Intensität wird durch tlie Verwendung des sehr intensitätsstarkcn axialen /slinderspektromclcrs teilweise aufgefangen.

Das Alinderspcktrometcr gestattet es. einen hohen 4" Prozcntaiiteii aller son der Auftreffstelle des primären Elektronenstrahls in den Halbraum emittierten Sekundär- und Auger-Elektronen zu analysieren. Es besitzt cmc potentiell grolle Lichtstärke und günstige Eokussicrungseif-'cnschaflcn bezüglich der von einer punktförmigen Quelle ausgehenden Elektronenstrahlenbiindcl. Hei einem axialen /ylinderspeklromelcr sind diese günstigen I okussierungscigenschaften nicht nur in einer beliebigen Ebene durch die Spcklrrnnctcrachse. sondern auch senkrecht da/u gegeben.

Die elektrostatische Verzögerungseinrichtung am Eingang des /ylindcrspektromctcrs bewirkt nun. daIJ die auf der Oberfläche der Meßprobe ausgelösten Auger-Elektronen vor ihrem Eintritt in das Zylinderspektromcter auf eine kinetische Energie von wenigen Elektronenvolt abgebremst werden. Es hat sich gezeigt, daß durch die Verzögerungseinrichtung die theoretisch optimale Lichtstärke des Zylinderspektromcters ausgenutzt werden kann: Von sämtlichen unter dem Einfluß des primären Elektronenstrahls von der Probenoberfläche in den Halbraum emittierten und anschließend verzögerten Auger-Elektronen gelangen etwa 6 bis 20",, in das Zylinderspcktrometcr. wo sie ohne weiteres mit der erforderlichen Encrgicauflösung von 0,5 bis I eV analysiert werden können. Erst die Verzögerungseinrichtung ermöglicht es, einen solch hohen Prozentsatz aller ausgelösten Auger-Elektronen für die Analyse verfügbar zu machen. Das kugelsymmetrische Radialfcld der elektrostatischen Verzögerungseinrichtung sorgt dafür, daß das Bündel der ausgelösten Auger-Elektronen bei der Verringerung der kinetischen Energie nicht weiter auffächert.

Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dall als elektrostatische Verzögerungseinrichtung eine elektrisch leitende Cicgcnfcld-Kugclschalc vorgesehen ist. welche mit einem Ringspalt /um Durchtritt der Elektronen in das /ylinderspektromcler sersehen ist. daß das Zentrum der (icgenfcld-Kugclschale auf der Spektrometerachsc des /ylindcrspcktromctcrs und im wesentlichen in der Auftreffstelle des primären Elektronenstrahls auf der Meßprobe liegt, und daß die (icgeiifcld-Kugelschalc gegenüber der Mellprobe auf ein negatives elektrisches Potential gelegt ist. Die ausgelösten Auger-Elektronen müssen also zunächst gegen ein radiales, weitgehend kugclsymmelrisches (iegenfeld anlaufen, bevor sie den ringförmigen EJnlrittsspult des Innenzylinders erreichen, welcher sich, sofern ein axiales Zylindcrspcklromctcr verwendet wird, zumindest annähernd auf dem elektrischen Potential der (icgenfeld-Kugclschalc befinden kann.

Statt einer (iegenfeld-Kugclschale mit Ringspalt kann auch ein kugclschalcnförniigcs Cicgcnfcld-Ciitter verwendet werden. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist also dadurch gegeben, daß als elektrostatische Verzögerungseinrichtung ein elektrisch leitendes kugelschalenförmigcs (iegcnfeld-Gittcr vorgesehen ist daß das Zentrum des (icgenfcld-dittcrs auf der Spektrometerachsc und im wesentlichen in der Auftreffstelle des primären Elektronenstrahls auf der Mcßprobc liegt und daß das Ciegcnfcld-Ciittcr gegenüber der Meßprobe auf ein negatives elektrisches Potential gelegt ist. Entsprechend kann hier, sofern ein axiales /ylindcrspektromctcr verwendet wird, der Innenzylinder zumindest annähernd auf das elektrische Potential des (jegcnfckl-( jitters gelegt sein.

Damit von der Oberfläche der Meßprobe ein nahezu feldfrcicr Raum entsteht, kann zwischen der Mcßprobc und tier Verzögerungseinrichtung sowie konzentrisch zur Verzögerungseinrichtung eine elektrisch leitende, mit einem Ringspalt versehene innere Kugclschalc oder ein kugclschalcnförmiges inneres Cutter angeordnet sein, welches zumindest nahezu auf das elektrische Potential der Meßprobe gelegt ist.

Der bisher beschriebene I Icktroncnstrahl-Analysator läßt sich nicht nur zur Analyse der von einem Punkt auf der Probenoberflächc ausgehenden Elektronen einsetzen, sondern ermöglicht wegen seiner hohen Signalintcnsität auch die Erzeugung eines Hildes mit gleichbleibender Auflösung über die Verteilung chemischer Elemente in der Probcnoberfläche zur mikroanalytischen Auswertung, wenn die Probcnobcrfläche vom primären Elektronenstrahl rastcriörmig abgetastet wird.

Eine Weiterführung der Erfindung sieht daher vor. daß der E.lektroncnstrahl-Analysator als Elektronenstrahl-Mikrosonde ausgebildet ist, daß der Durchmesser des primären Elektronenstrahls auf der Meßprobe kleiner als 100 μ ist und vorzugsweise im Bercicr zwischen 0.5 und 5 μ liegt, daß der primäre Elektronen strahl durch ein Ablenksystem rastcrförmig über dii Oberfläche der Meßprobe gelenkt ist, daß der Elcktro ncnstrahl einer Kathodenstrahlröhre synchron dazi reihenweise über ihren Leuchtschirm geführt ist. un< daß der Hcllstcuercinganc der Kathodenstrahlröhn an den Ausgang des Elektronen-Detektors oder eine

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an diesen angeschlossenen phaseiiempfindlichen (ilcichrichi'.Ts angeschlossen ist. Der insgesamt abgeiastele Bereich der Probcnoherfläche kann dabei /wischen KK) ■ KX) μ und KKK) · KK)O α liegen Das HiId wird, wie im folgenden noch näher dargelegt wird, weitgehend aus dein Strom tier Auger-Elektronen einer engen Energiebrcile erzeugt.

Ähnlich wie bei den ESMA-Sonden ist also sorgeschen, den primären Elektronenstrahl zeilenweise i'iber die Meßprobe /u rastern. während synchron da/u Λα n> Elektronenstrahl einer Kathodenstrahlröhre /eile dir /eile über den Leuchtschirm gelenkt wird. Mit den, von jedem einzelnen Rasteipunkt der Probenoheifläche ausgelienden Signal einer Auger-Flektronen-Linic wird die Helligkeit des I lekiicnenstralils auf dem Leuchtschirm gesteuert, so dall einer größeren Augcr-I leklronen-Emission eines Kastei punkies eine größere Heiligkeit des auf den Leuchtschirm fallenden Elektronenstrahls entspricht. Das /ylindeispektrometer ist dabei so eingestellt, dall in seinen Detektor nur Auger-Elektronen einer definierten Energie b/w. Energiebreite gelangen.

/um Nachweis der Elektronen ist am Ausgang des /ylindcrspektrometers ein Llektronenmultipüer oder ein Szintillatorkristall mit optisch angekoppeltem Fotomulliplier vorgesehen, wobei die Elektronen durch Nachbeschleunigung mit einer Energie von etwa 10 keV auf dem S/intillatorkrislall auftreffen. Dieser Ein/elelektronennachweis hat hinsichtlich Empfindlichkeit, Genauigkeit ur.d Meßdauer entscheidende Vorteile gegenüber einer Ficktronenstrommessung. die sich eines Verstärkers bedient. Das vom I lektronenmultiplicr abgegebene Elcktroncnsignal sollte durch einen Verstärker verstärkt werden. bc\or es /weeks Steuerung dem Wehnelt/)linder der Kathodenstrahlröhre zugeführt wird.

Eiin Problem für die Bilderzeugung mittels Augerelektronen stellt die Tatsache dar, daß das Verhältnis von Auger-Elektronen-Signal /u lintcrgnindsignal im Augcr-Lnergiespektrum im allgemeinen sehr klein ist. Außer den Auger-Mcktroncn einer fur ein bestimmtes chemisches Llemeni charakteristischen Energie gelangen nämlich noch [-Elektronen derselben Energie, die von Slreupro/essen der Pnmarelektronen herrühren, durch das Flektronen-Spektroinetcr in den Detektor. 4s Dabei überwiegt die Anzahl der inelastisch gctreuten Pnmarelektronen die An/.ihl der Auger! lektronen im allgemeinen bei weitem.

Zur I ösLing dieses Problems soll auch bei dem Rlektronenstrahl-AnaKsaior für Auger-Elektronen \011 5» einer Modulation und einer phasenempfindlichen Gleichrichtung (i-;-brauch gemacht werden.

Line weitere Ausbildung der Erfindung sieht daher vor, daß dem elektrostatischen Radialfeld ein diesem gegenüber betragsmäßig kleines, mit fester Frequenz variierendes radiales Wechselfeld überlagert ist. und daß das Ausgangssignal des Elektronen-Detektors in einen phasenempfindlichen Gleichrichter gegeben ist. dessen Referenzeingang mit einer Vergleichsspannung von der Frequenz des Wechselfeldes gespeist ist. Dabei kann zwischen die Meßprobe und die Verzögerungseinrichtung eine periodische Wechselspannung von fester Frequenz gelegt sein. Für die Punktanalyse genügt eine niedere Modulationsfrequenz, z. B. von 5 kHz, für die Bilderzeugung sollte sie im Bereich von 30 bis 300 kHz liegen. Da bei dieser Ausbildung im wesentlichen nur Elektronen aus einem kleinen Energiebereich zum MeLSsignal beitragen und der Signalunlcrgriiiul abgeschnitten wird, ergibt sich eine hohe Analysencmpfmdlichken.

In jeder tier erwähnten Ausbildungen der Erfindung kann der Elektronenstrahlerzeuger eine I eldemissions-Spil/enkalhode enthalten. Insbesondere wird die fiinklionelle Verbindung \on einem I leklroneneinsirahler/eiigcr mil I ■eldemissions-Spii/enkalhode. einem aiialcn /ylindcrspektronuMer mit Verzögerungseinrichtung, einer WeChSeIIcIdIiIx-IIaL¹CnIiIg und einem I.lekirtnien-Detektoi mn l.in/elelektronennachweis in einer I leklronenstrahl-Mikrosonde als besonders \c,r lcilhafl ungesehen, da sch d.iiint bei ausgezeichneter l'iinklauflösung ein großes Mcßsignal erzielen läßt.

Die F rfindung wird im folgenilen an I land eines in eiiUM Figur dargestellten Ausführuugsbeispiels näher erläutert.

In der Figur isi 1111 Schnitt cmc Flektronenstrahl-Mikrosonde mit einem axialen /ylinderspektronieler und einem kugelsymmelrischen Verzögerungsfeld zur Unlcrsuchung einer massi\cii MeUprohe 2 gezeigt. Fm primärer l.leklronenstrahl 3 um etwa 1 ί Durchmesser, der von einem nicht dargestellten I leklronenstrahlcrzeuger. etwa einem solchen mit I eldemissions-Spit/enkathode. emittiert wird, gelangt in Richtung des Pfeiles 4 fokussiert auf die Oberfläche der McIlprobc-2. die mit Hilfe eines l'robenmanipulators ? einjustiert werden kann Der Probenmanipulator 5, an dem die Meßprobe 2 befestigt ist. liegt auf Nullpotential. Der primäre Elektronenstrahl 3 durchläuft dabei ein Ablenksystem. Dieses besieht aus 2 senkrecht zueinander angeordneten Plattenpaaren ή und 7, von denen /. Ii. jeweils eine Platte an Nullpotential gelegt und die andere mit einem der Ausgänge H eines Säge-/ahngenerators 9 verbunden ist. Die Plattenpaarc ft und 7 sowie der Sägezahngenerator 9 dienen in bekannter Weise d.izu. den primären Elektronenstrahl 3 /eile für /eile über die Oberfläche der Meßprobe 2 zu rastern.

Natürlich kann die Ablenkung des primären Elektronenstrahls 3 auf bekannte Weise auch dadurch erfolgen, daß für die /eilenauslenkung ein sagezahnförmiger periodischer Ablenkstrom, welcher der einen Klemme des Generatorausgangs S entnommen wird, durch cm erstes (nicht gezeigtes) Spulenpaar fließt, das in Reihe geschaltet, senkrecht und symmetrisch zur Achse des primären Elektronenstrahls 3 angeordnet ist. Fin /weites, gegenüber dem ersten um ¹Ji) gegen die Strahlachse gedrehtes (nicht gezeigtes) Spulenpaar enthält ebenfalls einen säge/ahnförmigen Strom, welcher tier anderen Klemme des Generatoratisgangs H entnommen wird. Die Anstiegszeit dieses Stromes bestimmt die /eil. die zum Abrastern einer vorgegebenen Probenfläehe und damn zur Lizeuguim eines Bildes benötigt wird.

Der Ausgang 8 des Sägezahngenerators 9 ist über eine nicht gezeigte Verbindung an den Eingang 30 zum Ablenksystem einer Kathodenstrahlröhre 29 angeschlossen. Während also der primäre Elektronenstrahl /eilenweise über die vorgegebene Fläche der Meßprobe 2 rastert, wird der Elektronenstrahl der Kathodenstrahlröhre 29 synchron dazu Zeile für Zeile über ihren Leuchtschirm gelenkt.

Durch den Einfall des Elektronenstrahls 3 werden an der Meßprohe 2, deren Normale gegenüber dem primären Elektronenstrahl 3 in der Figur geneigt ist, Auger-Elektronen sowie Rüekstreu- und Sekundärclcktronen ausgelöst. Die kinetische Energie der für die Oberflächenanalyse interessanten Auger-Elektronen

liegt im Encrgichcrcich unterhalb etwa KHK) eV. die der übrigen elektronen im energiebereich von 0 bis /·.",,, wobei /.',, die Energie der an der Meßprobe 2 eintreffenden Primärelektronen ist.

Die an der Auftreffstelle ausgelösten llektronen gelangen über einen feldfreien Raum IO und eine elektrostatische Verzögerungseinrichtung Il in ein axiales /ylinderspeklromeler 12 und von dort in einen I lek-Ironen-Dctcktor 13. Die Auftreffstelle des primären Elektronenstrahls 3 liegt dabei im Zentrum des feld- m freien Raumes 10 und der Verzögerungseinrichtung 11 sou ic auf der Symmetrieachse 14 des Zylmderspcktrometers 12.

Der feldfreie Raum 10 wird durch einen elektrisch leitenden Kugelschalenausschnitt 16 gebildet, welcher auf das elektrische Potential der Meßprobe 2. also auf Nullpotenlial gelegt ist. Der Kugelschalenausschnitt 16 enthält eine Durchtrittsöffnung 17 für den primären elektronenstrahl 3 und einen zur Spektromelerachse 14 senkrechten Ringspall 18, durch <icn die ausge- 2« lösten elektronen den feldfreien Raum 10 verlassen können.

Konzentrisch zum KugclschMlcnausschnitl 16 ist die Verzögerungseinrichtung Il angeordnet, die hier als Ausschnitt einer Gegenfeld-Kugelschale ausgebildet ist. Die Gegenfeld-Kugelschale 11 ist ebenfalls mit einer Durchtrittsöffnung 19 für den primären Elektronenstrahl 3 und mit einem Ringspall 20 versehen, der senkrecht zur Spektrometcrachsc 14 verläuft. Sie ist mittels einer einstellbaren Spannungsquelle 21 auf 3" ein gegenüber der Meßprobe 2 negatives elektrisches Potential gelegt. Diese Spannungsquellc 21 wird auf einen festen Spannungswert i/, im Bereich zwischen 0 und I kV eingestellt. Die Verzögerungsspannung C₁ betrage z. U. —265 V. Auger-elektronen und andere elektronen mit einer energie /. 1, die niedriger ist als dem eingestellten Spannungswert //, —265 V entspricht, können folglich nicht durch den Ringspalt 20 in das Z.yliniierspektromcter 12 eintreten. Die energie aller anderen elektronen wird um den Betrag <■ Li, verringert. Die Spannungsquelle 21 wird auf einen z. B. um etwa KK) V geringeren Betrag eingestellt, als der Auger-I lektroneri-Linie desjenigen chemischen Elements, dessen Verteilung an der Oberfläche der Meßprobe 2 ermittelt und aufgezeichnet werden soll, im Encrgiespcktrum entspricht. Mit anderen Worten: Die von dem zu untersuchenden element emittierten Auger-elektronen treten mit einer Energie von etwa KX) eV in das Zylindcrspektrometer 12 ein. Der beispielsweise erwähnte Spannungswert i', —265 V könnte also verwendet werden, wenn uie Oberfläche der Meßprobe 2 auf Silber untersucht werden soll, welches eine ausgeprägte Auger-Elektronen-Linie bei einer Energie Ei von etwa 365 eV besitzt. Die vom Silber herrührenden Auger-Elektronen würden also im Beispiel mit einer Energie von 100 eV in das Zylinderspektromcter 12 gelangen. Vor dem Eintritt verlaufen sie dabei entlang den Eeldlinien des kugelsymmetrischcn Radialfeldes, das von dem Kugelschalenausschniu 16 ausgeht, dessen Zentrum auf der Spektromcterachse 14 und im wesentlichen in der Auftreffstelle des primären Elektronenstrahls 3 auf der Meßprobe 2 liegt.

Es soll an dieser Stelle festgehalten werden, daß die optimale Energieauflösung eines Zylinderspektrometers bei niederen Energiewerten liegt. Dadurch, daß die Energie der ausgelösten und für die Analyse interessierenden Auger-Elektronen durch die Gegenfeld-Kugelsehalc 11 auf etwa 100 cV verringert wird, gelangt man in den Bereich optimaler Energieauflösung.

Ein Modulationsoszillator 22 erzeugt an seinem Ausgang 23 eine Wechselspannung von z. B. 100 kHz, die mittels eines Übertragers 24 mit einer Amplitude im Bereich zwischen 1 und 10 V ebenfalls auf die Gegenfeld-Kugelschale 11 gegeben wird. Auf diese Weise wird dem radialen Verzögerungsfeld ein betragsmäßig kleines, mit fester I requenz variierendes Wechselfeld überlagert. Dadurch erhält man am Ausgang des Elektronen-Detektors 13 ein moduliertes Mel.Kignal. das über einen Verstärker 26 und einen phasenempfindlichen Gleichrichter 27, dessen Referen/eingang 28 mit der am Ausgang 23 des Modulationsoszillators 22 auftretenden Wechselspannung gespeist wird, dem 1 lellsteuereingang der Kathodenstrahlröhre 29 zugeführt wird. Das vom phascnempfindlichen Gleichrichter 27 ermittelte Signal, das nun im wesentlichen von Auger-Elektronen einer engen eneigiebreite herrührt, auf deren energie das Zylinder-'.pektronieter 12 eingestellt ist, wird also zur Bilddarstellung herangezogen. Mit dem von jedem einzelnen abgerasterten Punkt der Probenoberfläche ausgehcnden Signal einer definierten Auger-Elektronen-Einie wird also die Helligkeit des Kathodenstrahls auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre 29 gesteuert. einer 'irößeren Auger-Elektronen-Ausbeute eines Punki'.'s auf der Probenoberfläche entspricht dabei eine größere Helligkeit des auf dem Leuchtschirm zugeordneten Punkts.

Zum Nachweis der Elektronen ist als Elektronen-Detektor 13 ein Elektronenmiiltiplier oder ein Szintillationskristall mit optisch angekoppeltem |-'otomultiplier vorgesehen, wobei die Elektronen durch Nachbeschleunigung mit einer Energie von etwa 10 keV auf den Szintillationskristall auftreffen. Ein Elektronen-Detektor 13 mit Einzelelektroncnnachwcis hat wie bereits ausgeführt — hinsichtlich Empfindlichkeit, Genauigkeit und Meßdauer entscheidende Vorteile gegenüber einer Elektronenstrommessung.

Das elektrostatische Z) linderspcktrometer 12 besteht aus einem Außenzy linder 32, der koaxial zu einem aus 3 Teilen 33. 34 und 35 bestehenden InnenzyUnder angeordnet ist. Der Außenzylinder 32 ist durch Isolatorringe 36 und 37 vom Innenzylinder 33, 34 und 35 auf Distanz gehalten. Die Gegenfeld-Kugclschale Il liegt innerhalb des ersten Zylinderteils 33. Dieser ist \om /weiten Z> !inderteil 34 durch einen Eintrittsspalt 38 getrennt. Ein Austrittsspalt 40 trennt den zweiten Zylinderteil 34 vom dritten Zylinderteil 35. Der dritte Zylinderteil 35 ist nach außen durch eine Rückwand 41 abgeschlossen, die auf der Zylinderachse 14 mit einer Kreisöffnung 42 vor dem Elektronen-Detektor 13 versehen ist.

Die 3 Teile 33. 34 und 35 des Innenzylinders sind mit Hilfe einer einstellbaren Spannungsquelle 44 aul das Potential der Gegenfeld-Kugelschale U gelegt Die Spannung U₂ der Spannungsquelle 44 kann alsc im angegebenen Wertebeispiel ebenfalls —265 V betragen. Dadurch gelangen die Elektronen nach ihrem Durchtritt durch den Ringspalt 20 zunächst in einen feldfreien Raum. Das durch den Eintrittsspalt 38 ausgeblendete Elektronenbündel 45 wird anschließend symmetrisch entlang der Spektrometerach.se 14 auf die Kreisöffnung 42 fokussiert. Dazu wird der Außenzylinder 32 durch eine einstellbare Spannungsquelle 46 gegenüber der Meßprobe 2 auf einer festen Gegenspan-

nung U₃ gehalten. Die Gegenspannung U₃ ist so bemessen, daß die interessierenden, aus dem Ringspalt 20 der Gegenfeld-Kugelschale U mit der Energie (Ea-e U₁) austretenden Auger-Elektronen in Richtung auf die Zylinderachse 14 zurückgeworfen werden. Das Potential des Außenzylinders 32 kann also für die im Beispiel mit der Energie von 100 eV au> der

Geeenfeld-Kugelschale Il austretenden Auger-Ekktronen von Sifber-Atomen U₃ -- —4Qb V gegen Nullpotential betragen. Der genaue Wert der Gegenspannung U-j hängt vom Eintrittswinkel und von der Geometrie des Zylinderspektrometers 12 ab. Der optimale Eintrittswinkel beträgt etwa 42 gegen die Speklrometerachsc 14.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   ί. Elektronenstrahl- Λ ruh sat or /u r I ^; η [ersuch im ir einer massiven oder durchstrahlbaren Meßprobe, insbesondere auf ausgelöste Auuer-l .-leklronen. mit einem Elektronenstrahlerzeuger, dessen primärer Elektronenstrahl auf tlie Meßprobe gelenkt ist. mit einem elektrostatischen /vlinderspektrometer. in welchem die \om primären Elektronenstrahl an der Meüprobe ausgelösten Elektronen bezüglich ihrer kinetischen Energie getrennt werden, unil mit einem Elektroncn-Detekior /um Nachweis der im Ek-ktronen-Spektromeier energetisch getrennten Elektronen. d a d u r c h ρ e k e η η / e i c h η e t. daß am Eingang ties Zyliiulerspektrometers ι !2) eine elektrostatische Verzögerungseinrichtung (II) zuir. ί lerabse!/cn iler Geschwindigkeit der aus der Meßprobe (2) ausgelösten Elektronen angeordnet is!, und daß die tlektrostatische Verzögerungseinrichtung ill) der-Jtrt aiisgesialtel ist. tiaf.i sie ein weitgehend kiige'-ivmmetrisches elektrostatisches Radialfekl erzeugt. Jessen /enirum auf dei Spekirometeraclise (14) lind im wesentlichen in der Auflielfstelle lies primären Elektronenstrahls (3) auf der MeIl- |irobe (2) liegt.

   2. Elektronenstrahl-Analvvitor nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, dall als elektrostatische \ erzögerungseinrichtung eine elektrisch leitende liegenfekl-Kiigelschalu (III \orgesehen ist. welche mit einem Ringspalt (201 zum Durchtritt der I.leklronen in das /v linderspcktrometer (12i versehen ist. daß das /entrinn der (iegenfekl-Kiig.Hschale \l I) auf der Spekirometerachse (14) und im wesentlichen in der Auftreffstelle des primären Elektronen- »Irahls (3) auf der Meßprobe (2) hegt, und daß die tlegenfekl-KiigeKchale ill) gegenüber der M. ¹I-firohe (2| auf ein negatives elektrisches Potential ti ,) gelegt ist.

   3. Eleklronensirahl-AnaUsalor mit einem axialen J^ylinilerspektrometer nach Anspruch 2. liadiircli f ekenn/eichnet. daß der Innen/v linder <33. 34. 3S) dies />Imderspektromcter- (12) /umludest aunalieriul auf das Poiential (T₁) der (iegenleld-Kugellc Ii a le (11) gelegt ist.

   4. I lektronenstralii- Anaiv sator nach Anspruch I. <|aduich gekemi/eichnet. daß als elek'.iostatische Ver/ögerungscinrichttiiig ein elektrisch leitendes, lugelschalenförmiges (iegen!'eld-( iiller vorgesehen ist. daß das /entriim des ι legenleki-»' i;!lers auf der Spektrometerachse !14) und im wescntln hen in der Auftreffstelle des primären I lektroiicnsirahls |3) • iif der Meßpmbe (2) liegt, und daß das < legcnfekl-Ciitter gegenüber der Meßprobe (2) aiii ein negatives elektrisches Potential geleül ist.

   5. I ickliOUcnstrahl-Analv sator nut einem axialen iyhndeispektrometer nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Innen/) linder (3.1. 34. 35) jes /> liiiderspektroincters (12) zumindest annähernd auf da> Potential des ( ie^enieid-('liiei·. gelegt ist.

   <i. I leklioneiisirahl-\n.d\satoi nach eineiii dei Ansprüche 2 In-. \ dadurch gckenn/uchnet d.ilt /w lsi lien der \U ßprobc ι 2 ι ι:ml di'i \ 11 .· ¹HL¹Ci uih¹-. eiiirichliing llh ^owie kon/cnl: i-c!i λπ \ci/Ci¹C-rungsciniKΊιιιιηι: ill) cmc clckin-Ji !eilende, nut einem RiiuimmU ι 18) >.crM.'hcnc mneie K un*. I-,chale

   (17) anueordnet ist. welche zumindest nahezu auf das elektrische Potential der Meßprobe (2) gelegt ist.

   7. Elektronenstrahl-Analvsator nach einem der Ansprüche 2 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Meßprohe (2) und der Verzögerungsei;:richtunü (II) sowie konzentrisch zur Verzögerunüseinnchmng (II) ein elektrisch leitendes. kiiüclschalenförmigcs inneres (iitter angeordnet ist. welches zumindest nahe/u auf das elektrische Potential der Mel.lprobe (2) gelegt ist.

   S. 1 Iektronenstrahl-Anal>sator nach einem der Ansprüche I bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß dem elektrostatischen l'adialfeld ein diesem gegenüber betragsinäßig kleines, mit fester E'rcijucnz variierendes radiales Wechselfekl überlagert ist. um! daß das Ausgangssignal des Ek'ktronen-Detektors (13) in einen phasenempfindlichen (ileichrichter (27) gegeben ist. dessen Referen/-ciiiaaiiü (2S) mit einer Vcrgleichssp.iniuing von der I jeijDei)/ des Wechselfeldes gespeist ist.

   ^l). 1 lektronenstrahl-Analvs..lci nach Anspruchs, dadurch izekenn/cichnet. daß /wischen die Meßprobe (2) und die Verzögerungseinrichtung (II) cmc periodische Wechselspannung von fester Ereqiien/ gelegt ist.

   10. Elektroncnsirahl-AnalvsaKir nach einem der Ansprüche I bis ^l>. dadurch gekennzeichnet, daß der I.lektronenstrahL'i/enger cmc I eldemissions-Spit.'-.Mikatliode enthält.

   11. Elektroneiistrahl-Analvsalor :ach einem der Ansprüche ! bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des primären Elektronenstrahls (3) unterhalb von 10 ;i heg!.

   12. I Icktronenstrahl-Analv.sator nach einem der Ansprüche I bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß er als E.lektronenstrahl-Mikrosonde für Auger-Elektronen ausgebildet ist. daß der Durchmesser ties primären Elektronenstrahls (3) auf der Meßprohe (2) kleiner als 100 ■>. ist und vorzugsweise im Hereich /wischen 0.5 \i und 5 \i. liegt, daß der pnmaie Elektronenstrahl (3l durch ein Ablenksystem (6. 7. ')) rasteiToning über die Oberfläche der Meßprobe (2) gelenkt ist. tlaß der Elektronenstrahl einer Kathodenstrahlröhre (2¹)) synchron da/u zeilenweise über ihren I cue Ii ι schirm geführt ist. und daß der I lellsteiiereingang der Kathodenstrahlröhre (29) an den Ausgang ties Elektronen-Delekiors (13) bzw. des phasenenipfiiullichen ( lieichnchters (27> angeschlossen ist

   IV Elekironenstrahl-.Analvsalor nach einem der Ansprüche ! bis 12. daduich gekennzeichnet, daß als E lcktronen-Detektor 113) ein solcher mit Eanzelclektronennachweis vorgesehen ist.