DE2216821B1

DE2216821B1 - Analysegerät zur Untersuchung einer Meßprobe mittels ausgelöster Auger-Elektronen

Info

Publication number: DE2216821B1
Application number: DE19722216821D
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. 7500 Karlsruhe Weber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-04-07
Filing date: 1972-04-07
Publication date: 1973-09-27
Also published as: DE2216821C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Analysegerät zur Untersuchung einer massiven oder durchstrahlbaren Meßprobe mittels ausgelöster Elektronen, mit einem einsetzbaren Strahl-Erzeuger, dessen Strahl auf die Meßprobe lenkbar ist und dort Elektronen auslöst, mit einem sphärisch gekrümmten, gegenüber der Meßprobe auf einem negativen Potential gehaltenen Gegenfeld-Gitter, welches den Durchgang für einen niederenergetischen Anteil der an der Meßprobe ausgelösten Elektronen sperrt und die Energie des höherenergetischen Anteils beim Durchgang verringert, mit einer elektrostatischen Fokussiereinrichtung, welche von den vom Gegenfeld-Gitter durchgelassenen Elektronen nur solche, deren Energie in einem vorgegebenen Energiebereich liegt, auf die Eingangsöffnung eines Elektronen-Detektors fokussiert, und mit einem an den Elektronen-Detektor anschließbaren Registriergerät zum Nachweis der in seine Eingangsöffnung einfallenden Elektronen.
Ein solches Analysegerät ist aus dem Aufsatz »High-Sensitivity Electron Spectrometer« in der Zeitschrift »Applied Physics Letters«, Vol. 16, Nr. 9, Seiten 348 bis 351, 1970, insbesondere zur Analyse von Fotoelektronen, die aus einer relativ großen Fläche der Meßprobe ausgelöst werden, bekannt. Die Konstruktion dieses Analysegeräts beruht auf der Überlegung, daß nur diejenigen Elektronen, die das Gegenfeld-Gitter mit minimaler kinetischer Energie passieren, für eine große Energie-Auflösung bei der Analyse interessant erscheinen. Demzufolge werden mittels der genannten elektrostatischen Fukussiereinrichtung, die als Monochromator wirkt, nur die durchgelassenen langsamen Elektronen mit einer kinetischen Energie von vorzugsweise weniger als 1 eV auf eine kleine Auffängerelektrode fokussiert, während alle schnellen Elektronen an irgendeine andere Stelle gelangen.
Die Fokussiereinrichtung des bekannten Analysegeräts besteht aus einer zylindrischen Spiegelelektrode, die aus einem Gitter hergestellt ist, und aus einem ebenen Gitter, welches am Ende der Spiegelelektrode angeordnet und mit einer zentralen Öffnung für das Einsetzen der Auffängerelektrode versehen ist. Das Potential der zylindrischen Spiegelelektrode ist auf einen sehr kleinen festen Wert zwischen 0 und -5V gegenüber dem Potential des Gegenfeld-Gitters eingestellt. Dadurch wird für die langsamen Elektronen eine Spiegelwirkung erzielt. Das ebene Gitter am Ausgang der zylindrischen Spiegelelektrode liegt auf dem Potential des Gegenfeld-Gitters, und die Auffängerelektrode wird mit einem positiven Potential von einigen hundert Volt gegenüber dem Potential der Meßprobe betrieben.
Ein Nachteil des bekannten Analysegeräts ist darin zu sehen, daß es auf den Nachweis der vom Gegenfeld-Gitter durchgelassenen niederenergetischen Elektronen festgelegt ist. Es ist daher gegen magnetische Störfelder höchst empfindlich. Die Festlegung auf niederenergetische Elektronen bedingt auch eine relativ große Eingangsöffnung des Elektronen-Detektors, woraus ein keineswegs optimales Signal-Untergrund-Verhältnis im aufgenommenen Elektronenspektrum resultiert. Insgesamt gesehen ist die Fokussierungseinrichtung für die praktische Anwendung nicht flexibel genug. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Bahnverlauf der ausgelösten Elektronen innerhalb der Fokussiereinrichtung rechnerisch recht schwierig zu erfassen ist. Vor einer konstruktiven Lösung bedarf es umfangreicher mathematischer Vorarbeiten, die nur unter Zuhilfenahme einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage bewältigt werden können.
Aus Fig. 1 des Aufsatzes »Auger-Electron-Spectroscopy of fcc Metal Surfaces« in der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, Band 39, Nr. 5, April 1968, Seiten 2425 bis 2432, ist ein Elektronenstrahl-Analysator mit einem Gitter-Elektronenspektrometer bekannt, welches zur Energieanalyse von Auger-Elektronen verwendet wird. Im Zentrum eines kugelschalenförmigen Gegenfeld-Gitters befindet sich eine Meßprobe, die von einem primären Elektronenstrahl getroffen wird. Das Gegenfeld-Gitter befindet sich auf negativem Potential gegenüber der Meßprobe. Die den Auftreffpunkt radial verlassenden Elektronen werden durch das Gegenfeld hinsichtlich ihrer kinetischen Energie stark verzögert. Die interessierenden Auger-Elektronen können das Gegenfeld- Gitter gerade noch durchdringen. Sie gelangen auf eine kugelschalenförmige Auffangelektrode, die gegenüber der Meßprobe auf positives Potential gelegt ist. Der aufgefangene Elektronenstrom wird mittels eines Schreibers aufgezeichnet. Das Potential des Gegenfeld-Gitters wird langsam zu höheren Werten verändert, so daß das gesamte Spektrum durchfahren wird. Durch Überlagerung einer periodischen Modulationsspannung am Gegenfeld-Gitter wird erreicht, daß der zur Auffangelektrode gelangende Elektronenstrom periodisch moduliert oder unterbrochen wird. Durch phasenempfindliche Gleichrichtung des mit der doppelten Modulationsfrequenz variierenden, an der Auffangelektrode abgegriffenen Elektronenstromsignals läßt sich das nach der Energie differenzierte Spektrum erhalten, welches Auger-Elektronen-Linien mit wesentlich verbessertem Signal-Untergrund-Verhältnis aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Analysegerät der eingangs genannten Art ohne die erwähnten Nachteile und mit besseren Fokussierungseigenschaften zu schaffen. Weiterhin soll die Analyseempfindlichkeit, also die Intensität des Meßsignals gegenüber dem Untergrundsignal, speziell auch im Hinblick auf Auger-Elektronen, die von einem feinen primären Elektronenstrahl aus der Meßprobe ausgelöst werden, verbessert werden. Schließlich soll das Analysegerät so ausgestaltet werden, daß mit Hilfe des vom primären Elektronenstrahl auf der Oberfläche der Meßprobe ausgelösten Auger-Elektronenstroms Bilder der Verteilung einzelner chemischer Elemente auf einem mikroskopisch kleinen Bereich der Probenoberfläche hergestellt werden können.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß der mathematische Aufwand bei den Vorarbeiten verringert werden kann, wenn auf Bauelemente, die auf dem Gebiet elektronenmikroskopischer Untersuchungsgeräte an sich bekannt sind, zurückgegriffen werden kann, und daß sich mit solchen Bauelementen auf einfache Weise eine optimale konstruktive Lösung finden läßt. Die Erfindung besteht somit darin, daß die Fokussiereinrichtung eine elektrostatische Immersionslinse ist, die eine beträchtliche chromatische Aberration aufweist. Eine solche Immersionslinse ermöglicht durch einfache Einstellung ihrer Potentiale eine flexible Fokussierung von Elektronen optimaler Energie. Durch die Forderung nach einer günstigen chromatischen Aberration wird die Tatsache berücksichtigt, daß Elektronen, welche nach Durchtritt durch das Gegenfeld-Gitter nahezu vollständig, d. h. bis auf wenige eV abgebremst werden, durch die Potentialstörungen innerhalb der Gittermaschen sehr stark aus ihrer ursprünglichen Richtung gestreut werden und nach ihrer Fokussierung auf die Eingangsöffnung des Elektronen-Detektors üblicherweise ein schlechtes Linien-Untergrund-Verhältnis im aufgenommenen Elektronen-Energiespektrum liefern. Andererseits ist die Energietrennung unter Ausnutzung der chromatischen Aberration der Immersionslinse bei der Fokussierung von Elektronen relativ hoher kinetischer Energie gering.
Elektrostatische Immersionslinsen verschiedener Ausgestaltung sind an sich bekannt, z.B. aus dem Lehrbuch »Einführung in die Elektronenmikroskopie«, VEB Verlag Technik Berlin, 1966, insbesondere Seite 50 ff. Sie sorgen dafür, daß die von einem Quellpunkt ausgehenden Elektronen einer vorgegebenen Energie in einem Bildpunkt fokussiert werden, und zwar weitgehend unabhängig von ihrem Austrittswinkel. Entsprechend werden die von der näheren Umgebung des Quellpunkts ausgehenden Elektronen in die nähere Umgebung des Bildpunktes fokussiert. Je größer die chromatische Aberration der Immersionslinse ist, desto mehr werden von einem Quellpunkt ausgehende Elektronen verschiedener kinetischer Energie um den Bildpunkt verschmiert. Konstruktive Einzelheiten und Eigenschaften von elektrostatischen Immersionslinsen lassen sich in übersichtlicher Weise in Tabellen finden, z. B. in dem Buch »Focusing of Charged Particles«, Volume I, Academic Press, New York und London, 1967, oder in der Literaturstelle Philips Research Report, 18, 465 (1963). Mit Hilfe dieser Tabellen ist es recht einfach, für einen speziellen Anwendungsfall die optimale Konstruktion zu finden. Die geometrischen und elektrischen Daten der Immersionslinse sollten dabei so gewählt sein, daß die chromatische Aberration größer ist als die sphärische Aberration. Mit anderen Worten: Das Farbfehlerscheibchen, welches von Elektronen einer bestimmten Energieschärfe AE hervorgerufen wird, sollte an der Eintrittsöffnung des Elektronen-Detektors größer sein als ihr Öffnungsfehlerscheibchen. Bei Immersionslinsen, speziell bei Zylinderlinsen, sind Öffnungs- und Farbfehler sowie Brennweite proportional dem Durchmesser, aber in verschiedener Weise von den Betriebsspannungen abhängig.
Das Analysegerät kann vorzugsweise so ausgebildet sein, daß als Immersionslinse eine aus zwei Zylinderelektroden bestehende Zylinderlinse vorgesehen ist, daß die erste Zylinderelektrode mittels einer ersten Spannungsquelle auf ein gegenüber der Meßprobe negatives Potential gelegt ist, und daß die zweite Zylinderelektrode mittels einer zweiten Spannungsquelle auf ein gegenüber der ersten Zylinderelektrode positives Potential gelegt ist. Die zweite Zylinderelektrode trägt eine durchbrochene Rückwand. Als Immersionslinse wird somit eine zylindrische Beschleunigungslinse verwendet. Beide Zylinderelektroden besitzen vorzugsweise denselben Durchmesser.
Ein solches Analysegerät unterscheidet sich also im Prinzip vom bekannten Analysegerät. Die Unterschiede und Vorteile sollen punktweise aufgeführt werden: 1. Es ist nicht nur eine Fokussierung der nahezu vollständig abgebremsten Elektronen (Durchlaßenergie Ed - 1 eV), sondern wahlweise auch der Elektronen höherer Energie auf den Elektronen-Detektor möglich. Dazu ist lediglich das Verhältnis der Potentiale beider Zylinderelektroden zu verändern.
2. Die schnelleren Elektronen (Durchlaßenergie Ed > 1 eV) erfordern bei gleicher Auflösung eine Fokussierung auf eine kleinere Eingangsöffnung des Elektronen-Detektors. Daher verringert sich der Anteil der in die Eingangsöffnung gestreuten Elektronen erheblich, und das Linie-Untergrund-Verhältnis wird verbessert. Dabei ergibt sich gleichzeitig eine Verringerung des chromatischen Fehlers, d. h. der von dem Verhältnis dE/E abhängigen Dispersion. Diese Verringerung ist bei der Auger-Elektronen-Spektroskopie wegen der relativ großen Linienbreite von 1 bis 10 eV nicht besonders kritisch. Entscheidend sind die Intensität und das Signal-Untergrund-Verhältnis.
Die Fokussierung auf eine kleine Eingangsöffnung ist für Auger-Elektronen bei der Elektronenstrahl-Mikroanalyse ohne weiteres möglich, da im Gegensatz zu anderen Anregungsmethoden, wie z. B. bei der Fotoelektronen-Spektroskopie und bei ESCA-Untersuchungen, der Quellbereich der an der Meßprobe emittierten Elektronen von sehr kleinem Durchmesser ist und sein Durchmesser z.B. weniger als 1 mm beträgt.
3. Die Fokussierung schnellerer Elektronen ist weiter von Vorteil, weil die Abschirmung magnetischer Störfelder wesentlich weniger Probleme aufwirft als bei langsamen Elektronen.
Es ist möglich, die erste Zylinderelektrode genau oder zumindest annähernd auf das elektrische Potential des Gegenfeld-Gitters zu legen. Damit läßt sich eine besondere Spannungsquelle für die erste Zylinderelektrode einsparen.
Um möglichst viele der ausgelösten Auger-Elektronen einer Energie EA nachweisen zu können, sollten das Potential des Gegenfeld-Gitters und das Potential der zweiten Zylinderelektrode derart gewählt sein, daß die Beziehung e (U2- U4)/E einen Wert zwischen 2 und 50 annimmt, wobei e die Elementarladung, U4 das Potential des Gegenfeld-Gitters und E, die kinetische Energie der vom Gegenfeld-Gitter durchgelassenen, interessierenden Auger-Elektronen ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Analysegeräts kann dadurch erreicht werden, daß die beiden Zylinderelektroden, insbesondere die erste Zylinderelektrode, als zylindrische Gitter ausgebildet sind, und daß die Gitter von massiven, elektrisch leitenden Rohren umgeben sind, die auf ein gegenüber dem zugehörigen Gitter positiven Potential gehalten sind.
Die Rohrpotentiale können dabei so hoch gewählt werden, daß die meisten der durch die Gitter hindurchtretenden Elektronen absorbiert werden. Auf diese Weise kann ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt werden.
Um einen großen Öffnungsfehler zu vermeiden, sollten die Länge der ersten Zylinderelektrode und das elektrische Potential der zweiten Zylinderelektrode so gewählt sein, daß ein minimaler elektrischer Feldliniendurchgriff auf das Gegenfeld-Gitter erfolgt.
Dazu wird unmittelbar hinter dem Gegenfeld-Gitter auf die hindurchtretenden Elektronen keine merkliche, störende Kraftwirkung ausgeübt. Zur Vermeidung eines großen Öffnungsfehlers kann auch an der Eingangsöffnung der ersten Zylinderelektrode eine Ringblende angeordnet sein. Dadurch wird die Eintrittsöffnung verringert. Durch eine dem speziellen Anwendungsfall angepaßte Formgebung der Ringblende kann erreicht werden, daß der Öffnungsfehler minimal wird.
Eine Verringerung der Brennweite sowie eine Verringerung des Öffnungsfehlers der Zylinderlinse lassen sich dadurch erzielen, daß im Raum zwischen der ersten und der zweiten Zylinderelektrode ein aus einem elektrisch leitenden Material bestehendes Gitternetz angeordnet ist, welches gegenüber der ersten Zylinderelektrode auf ein positives Potential gelegt ist. Das Gitternetz kann dabei insbesondere auf ein gegenüber der Meßprobe positives Potential gelegt sein. Nach einer ersten Möglichkeit ist das Potential des Gitternetzes mittels einer dritten Spannungsquelle einstellbar. Nach einer zweiten Möglichkeit wird das Potential des Gitternetzes mit dem Potential der zweiten Zylinderelektrode eingestellt; dann sollte der Einfachheit halber das Gitternetz auf der Eingangsöffnung der zweiten Zylinderelektrode elektrisch leitend befestigt sein. Das Gitternetz sollte insbesondere eben ausgebildet und senkrecht zur Linsenachse angeordnet sein. - Die Verkürzung der Brennweite der Zylinderlinse infolge der Anordnung eines Gitternetzes zwischen den beiden Zylinderelektroden oder insbesondere auf der Eingangsöffnung der zweiten Zylinderelektrode führt zu einer erheblichen Verkürzung des Analysegeräts. Das ist im Hinblick auf das bekannte Analysegerät dann interessant, wenn nicht die langsamsten der vom Gegenfeld-Gitter verzögerten Elektronen fokussiert werden sollen.
Ein Problem für die Bilderzeugung mittels Auger-Elektronen stellt die Tatsache her, daß das Verhältnis von Auger-Elektronen-Signal zu Untergrundsignal im Auger-Energiespektrum im allgemeinen sehr klein ist.
Außer den Auger-Elektronen einer für ein bestimmtes chemisches Element charakteristischen Energie gelangen n ii mlich noch Elektronen derselben Energie.
die von Streuprozessen der Primärelektronen herrühren, durch die Fokussiereinrichtung in den Elektronen-Detektol Dabei überwiegt die Anzahl der inelastisch gestreuten Primärelektronen die Anzahl der Auger-Elektronen im allgemeinen bei weitem.
Zur Lösung dieses Problems soll auch bei dem Analysegerät von einer Modulation und einer phasenempfindlichen Gleichrichtung Gebrauch gemacht werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Analysegeräts ist daher vorgesehen, daß dem elektrostatischen Verziigerungsfeld des Gegenfeld-Gitters ein diesem gegenüber betragsmäßig kleines, mit fester Frequenz variierendes Wechselfeld überlagert ist, und daß das Ausgangssignal des Elektronen-Detektors in den Signaleingang eines phasenempfindlichen Gleichrichters gegeben ist, dessen Referenzeingang mit einer Vergleichsspannung von der Frequenz des Wechselfeldes gespeist ist. Auf die Eingangsöffnung des Elektronen-Detektors werden also Elektronen mit periodisch geringfügig veränderter Energie fokussiert.
Die Phasenlage des Ausgangssignals des Elektronen-Detektors wird direkt mit der Phasenlage des Wechselfeldes verglichen. Die Auswertung des modulierten Detektorsignals liefert das differenzierte Energiespektrum, wodurch eine Abtrennung der schwachen Auger-Elektronen-Linien vom hohen Untergrund der gestreuten Elektronen gelingt.
Dabei kann an die erste Zylinderelektrode und/ oder an das Gegenfeld-Gitter eine periodische Wechselspannung von fester Frequenz gelegt sein. Die günstigste Lösung besteht darin, das Potential der ersten Zylinderelektrode gemeinsam mit dem Potential des Gegenfeld-Gitters zu modulieren. Die Amplitude der Wechselspannung sollte weniger als die Linienbreite der Elektronen im Spektrum für Auger-Elektronen-Linien, also weniger als 1 bis 10 V betragen. Für die Punktanalyse genügt eine niedere Modulationsfrequenz, z. B. von 5 kHz, für die im folgenden beschriebene Bilderzeugung kann sie höher liegen, z. B. im Bereich von 30 bis 300 kHz. Da bei dieser Ausbildung im Miscnilichen nur Elektronen aus einem kleinen Ene rgieberc ich, der dem Spitzen-Spitzen-Wert der Wechsc-lspainuIlg entspricht, zum Meßsignal beitragen nnd dci Signaluntergrund abgeschnitten wird, ergil,t sich eine hohe Analyseempfindlichkeit.
Das Analysegerät kann auch zu einer Elektronenstrahl-Mikrosonde für Auger-Elektronen weitergebildet werden. Es läßt sich also nicht nur zur Analyse der von einem Punkt auf der Probenoberfläche ausgehenden Elektronen einsetzen, sondern ermöglicht wegen seiner hohen Signalintensität auch die Erzeugung eines Bildes mit gleichbleibender Auflösung über die Verteilung chemischer Elemente an der Probenoberfläche zur mikroanalytischen Auswertung, wenn die Probenoberfläche vom primären Elektronenstrahl rasterförmig abgetastet wird.
Die Weiterbildung besteht somit darin, daß der primäre Elektronenstrahl durch ein Ablenksystem rasterförmig über die Oberfläche der Meßprobe gelenkt ist, daß der Elektronenstrahl einer Kathodenstrahlröhre synchron dazu zeilenweise über ihren Leuchtschirm geführt ist, und daß der Hellsteuereingang der Kathodenstrahlröhre an den Ausgang des Elektronen-Detektors bzw. des phasenempfindlichen Gleichrichters angeschlossen ist.
Der Durchmesser des primären Elektronenstrahls auf der Meßprobe sollte dabei kleiner als 100 Xu sein und vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 tj und 5 ju liegen. Beispielsweise läßt sich auch bei einem Durchmesser dieser niederen Größenordnungen eine hohe Ausbeute der Auger-Elektronen an der Meßprobc und damit ein hohes Meßsignal erzielen, wenn ein Elektronenstrahl-Erzeuger von einem hohen Richtstrahlwert für niederenergetische Elektronen verwendet wird. Der Elektronenstrahl-Erzeuger gemäß dem Vorschlag besteht aus einer an sich bekannten Spitzenkathode von kleinem Krümmungsradius und aus einer mit einer Durchlaßöffnung versehenen Anode, zwischen denen im Ultrahochvakuum durch Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld von so hoher Feldstärke erzeugt ist, daß die Spitzenkathode zur Feldemission angeregt ist. Ferner ist zwischen der Anode und der Meßprobe eine elektrostatische Einrichtung (Verzögerungslinse) zur Verringerung der Elektronengeschwindigkeit in dem aus der Durchlaßöffnung der Anode austretenden primären Elektronenstrahl angeordnet. Die elektrostatische Heinrich tung sorgt dafür, daß die Primärelektronen mit optimaler Anregungsenergie, die zwischen 0,5 keV und 3 keV liegt, auf der Oberfläche der Meßprobe eintreffen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in zwei Figuren dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt jeweils in einer Schnittdarstellung Fig. 1 ein mit einer Zylinderlinse ausgestattetes Analysegerät mit Modulation des an einer Meßprobe ausgelösten Auger-Elektronen-Stroms und phasenempfindlicher Ermittlung des Meßsignals, und Fig. 2 ein mit einer Zylinderlinse ausgestattetes Analysegerät, bei dem die an einer Meßprobe ausgelösten Auger-Elektronen zur Erzeugung eines Bildes der Probenoberfläche verwendet werden.
In F i g. 1 gelangt ein primärer Elektronenstrahl 2 von z. B. 1 II Durchmesser, der von einem nicht dargestellten Elektronenstrahl-Erzeuger emittiert wird, in Richtung des Pfeiles 3 fokussiert auf die Oberfläche einer Meßprobe 4. Als Elektronenstrahl-Erzeuger kann mit Vorteil ein solcher mit Feldemissions-Spitzenkathode verwendet werden. Die Energie Ep der Primärelektronen sollte an der Meßprobe 4 vorzugsweise einen Wert zwischen 0,5 und 3 keV besitzen.
In diesem Energiebereich liegt die optimale Anregungsenergie für Auger-Elektronen praktisch aller 309 539/490 chemischen Elemente. Die Meßprobe 4 ist an einem elektrisch leitenden Probenhalter 5 befestigt, welcher auf Nullpotential gehalten ist. Mit Hilfe eines Probenmanipulators 6 kann die Meßprobe 4 einjustiert werden.
Durch den Einfall des primären Elektronenstrahls 2 werden an der Meßprobe 4, deren Normale gegenüber dem Elektronenstrahl 2 geneigt ist, Auger-Elektronen sowie Rückstreu- und Sekundärelektronen ausgelöst. Die kinetische Energie EA der für die Oberflächenanalyse interessanten Auger-Elektronen liegt im Energiebereich unterhalb von 1 keV, die der übrigen Elektronen im Energiebereich von 0 bis EP, wobei Ep wiederum die Energie der auf die Meßprobe 4 fokussierten Primärelektronen ist.
Die an der Auftreffstelle ausgelösten Elektronen gelangen zunächst in einen feldfreien Raum 7, der von einem kugelschalenförmigen Gitter 8 gebildet wird, welches ebenfalls auf das elektrische Potential der Meßprobe 4, also auf Nullpotential gelegt ist. Anschließend werden die durch das Gitter 8 hindurchtretenden Elektronen einem radialen Verzögerungsfeld ausgesetzt. Zu diesem Zweck ist ein kugelschalenförmiges Gegenfeld-Gitter 9 vorgesehen, welches auf einem gegenüber der Meßprobe 4 negativen Potential U1 gehalten wird. Dieses Potential U1 wird von einer ersten einstellbaren Spannungsquelle 10 geliefert. Das Gegenfeld-Gitter 9 wird von einem massiven, elektrisch leitenden Kugelschalenausschnitt gehalten.
An der Meßprobe 4 ausgelöste Elektronen, deren kinetische Energie E ausreicht, um das Gegenfeld-Gitter 9 zu überwinden, gelangen in eine aus zwei metallischen Zylinderelektroden 11 und 12 bestehende, als Immersionslinse wirkende Zylinderlinse. Wie im folgenden näher erläutert wird, erfüllt die Zylinderlinse die Aufgabe eines fokussierenden Monochromators für die eintretenden Elektroden.
Die erste Zylinderelektrode 11 ist über einen konischen Ansatz 13 mit dem Gegenfeld-Gitter 9 elektrisch leitend verbunden. Die erste Spannungsquelle 10 legt also das Gegenfeld-Gitter 9 und die erste Zylinderelektrode 11 gemeinsam auf das Potential Ul.
Die beiden Zylinderelektroden 11 und 12 sind koaxial zueinander angeordnet und besitzen denselben Durchmesser. Ihr Durchmesser ist etwas größer gewählt als der Durchmesser des Gegenfeld-Gitters 9, so daß ein möglichst großer Anteil aller aus der Meßprobe 4 ausgelösten Elektronen in die Zylinderlinse eintreten kann. Der Durchmesser der zweiten Zylinderelektrode 12 könnte auch kleiner gewählt sein als derjenige der ersten Zylinderelektrode 11. Die Anordnung ist stets so getroffen, daß die Auftreffstelle des primären Elektronenstrahls 2 im Zentrum des Gitters 8, im Zentrum des Gegenfeld-Gitters 9 sowie auf der Linsenachse 14 der Zylinderlinse liegt.
Die zweite Zylinderelektrode 12 ist mittels einer zweiten einstellbaren Spannungsquelle 15 auf ein Potential U2 gelegt, welches gegenüber der Meßprobe 4 negativ, aber gegenüber dem Potential Ul der ersten Zylinderelektrode 11 positiv gehalten ist. Die an der zweiten Zylinderelektrode 12 elektrisch leitend befestigte Rückwand 16 aus Metall ist mit einer Durchtrittsöffnung 17 für Elektronen versehen. Auf der Linsenachse 14 ist eine Blendenscheibe 18 angeordnet, die den Durchgang eines zentralen Elektronenbündels von der Meßprobe 4 zur Durchtrittsöffnung 17 verhindert. Hinter der Durchtrittsöffnung 17 ist ein Elektronen-Detektor 19 für Einzelelektronen-Registrierung aufgestellt. Als Elektronen-Detektor 19 ist ein Elektronenmultiplier oder Szintillationskristall mit optisch angekoppeltem Fotomultiplier vorgesehen, wobei die Elektronen durch Nachbeschleunigung mit einer Spannung von etwa 10 kV auf den Szintillationskristall auftreffen. Ein Elektronen-Detektor 19 mit Einzelelektronen-Registrierung hat hinsichtlich Empfindlichkeit, Genauigkeit und Meßdauer entscheidende Vorteile gegenüber einer Elektronenstrommessung. Der Elektronen-Detektor 19 ist zur Registrierung oder Darstellung des Meßsignals mit einem Registriergerät 20, z.B. mit einem Schreiber, Magnetspeichergerät oder mit einer Kathodenstrahlröhre, verbunden.
Beide Zylinderelektroden 11,12 sind gemäß F i g. 1 aus massivem, elektrisch gut leitendem Material hergestellt. Abweichend davon können sie auch als zylindrische Gitter ausgebildet sein, über welche zur Stabilisierung massive, leitfähige Rohre geschoben sind.
Diese sind durch Isolatoren von den Zylinderelektroden getrennt und auf ein Potential festgelegt, welches gegenüber den Gitter-Zylinderelektroden positiv ist.
Durch eine solche Maßnahme wird das Signal-Untergrund-Verhältnis verbessert, da unerwünschte Elektronen an den Rohren absorbiert werden.
Folgendermaßen wird die Intensität von an der Meßprobe 4 ausgelösten Elektronen, deren Energie in einem vorgegebenen Energieintervall AE liegt, ermittelt: Die erste Spannungsquelle 10 wird auf einen festen Spannungswert U1 eingestellt. Dieser Spannungswert Ul wird betragsmäßig etwas geringer gewählt als der Auger-Elektronen-Linie desjenigen chemischen Elements, dessen Konzentration an der Auftreffstelle des primären Elektronenstrahls 2 ermittelt werden soll, im Energiespektrum entspricht.
Dadurch treten die von dem zu untersuchenden Element emittierten Auger-Elektronen mit der geringen Energie EdA von nur einigen oder einigen zehn Elektronenvolt in die Zylinderlinse ein. Beispielsweise betrage die am Gegenfeld-Gitter 9, am konischen Ansatz 13 und an der ersten Zylinderelektrode 11 anliegende Verzögerungsspannung Ul = -350V.
Auger-Elektronen und andere Elektronen, deren kinetische Energie unterhalb von e Ul = 350 eV liegt, können folglich nicht durch das Gegenfeld-Gitter 9 in die Zylinderlinse eintreten. Die kinetische Energie E aller anderen Elektronen wird um den Betrag e Ul verringert. Für diese gilt also Ed = E-eU,.
Der beispielsweise erwähnte Spannungswert Ul = - 350 V könnte verwendet werden, wenn die Auftreffstelle auf der Meßprobe 4 auf ihren Gehalt an Silber untersucht werden soll. Silber besitzt eine ausgeprägte Auger-Elektronen-Linie bei einer Energie EA von etwa 365 eV. Die vom Silber herrührenden Auger-Elektronen würden also im Beispiel mit einer Energie E, = (Eine Ul) = 15 eV das Gegenfeld-Gitter 9 radial verlassen und in die Zylinderlinse gelangen. Der Energiewert E, von 15 eV liegt beträchtlich höher als beim bekannten Analysegerät.
Geringe magnetische Störfelder sind daher und wegen der magnetischen Abschirmung durch die Zylinderelektroden 11, 12 unkritisch.
Die elektrischen und konstruktiven Daten der Zylinderlinse sind nun so gewählt, daß von allen Elektronen, die das Gegenfeld-Gitter 9 durchlaufen, nur solche Elektronen, deren kinetische Energie Ed hinter dem Gegenfeld-Gitter 9 in einem einstellbaren, vorgegebenen Energiebereich AE in der Umgebung von 15 eV liegt, auf die Durchtrittsöffnung 17 und damit auf die Eingangsöffnung des Elektronen-Detektors 19 fokussiert werden. Alle anderen Elektronen, deren kinetische Energie Ed außerhalb des Energiebereichs AE liegt, werden je nach dem Betrag dieser Energie entweder auf die Innenwand der zweiten Zylinderelektrode 12 oder auf deren Rückwand 16 gelenkt.
Die Zylinderlinse besitzt somit eine beträchtliche chromatische Aberration (Farbfehler), die zur Monochromatisierung ausgenutzt wird. Mit Hilfe der zweiten Spannungsquelle 15 wird die Feineinstellung auf die betreffende Auger-Elektronen-Linie vorgenommen.
Im Wertbeispiel würde die Zylinderlinse auf die Auger-Linie von Silber, also so eingestellt werden, daß im wesentlichen nur Elektronen mit einer Energie Ed = 15 eV in die Eingangsöffnung des Elektronen-Detektors 19 einfallen. Dabei kann eine Energieunschärfe AE = l eV zulässig sein. Das ins Registriergerät 20 übernommene Meßsignal rührt somit zu einem mehr oder weniger großen Anteil von den Auger-Elektronen der Silberatome an der Auftreffstelle auf der Meßprobe 4 her. Die Höhe des Meßsignals ist ein Maß für die dort anzutreffende Konzentration an Silberatomen.
Es muß festgehalten werden, daß sich das zur Fokussierung erforderliche Potential U2 der zweiten Spannungsquelle 15 nach der vorgegebenen Geometrie der Zylinderlinse richtet, also nach der Länge und dem Durchmesser der Zylinderelektroden 11 und 12 und nach dem Durchmesser der Durchtrittsöffnung 17. Die Länge der ersten Zylinderelektrode 11 sollte so gewählt sein, daß sich von der zweiten Zylinderelektrode 12 nur ein vernachlässigbarer Feldliniendurchgriff zum Gegenfeld-Gitter 9 ergibt. Durch diese Maßnahme kann der Öffnungsfehler der Zylinderlinse klein gehalten werden.
Die Energie der auf den Elektronen-Detektor 19 auffallenden Elektronen ist eine Funktion des Spannungsverhältnisses V = e ( U1)/(E-e Ul). Für die interessierenden Auger-Elektronen kann dieses Verhältnis auch V = e (U2- Ui)/(Ee U1) Ul) = e (U2 - U1)IE geschrieben werden. Mit anderen Worten: Die Brennweite für die interessierenden Auger-Elektronen der Energie EdA wird durch die beiden Spannungen U, und U2 eingestellt. Im angegebenen Wertebeispiel mit U, = -350 V und EA = 365 eV kann die gegen Nullpotential gemessene Spannung U2 z. B. - 200 V betragen. Dieser Wert ergibt sich, wenn für das Spannungsverhältnis V = 10 angenommen wird. Das Spannungsverhältnis V sollte im allgemeinen Fall zwischen 2 und 20 liegen. U2 ist somit wesentlich größer als Ul.
Die radial durch das Gegenfeld-Gitter 9 mit der Energie Ed hindurchtretenden Elektronen laufen zunächst in das anfänglich schwache, dann zunehmende Potential innerhalb der ersten Zylinderelektrode 11, welches vom Durchgriff des Potentials U2 in die erste Zylinderelektrode 11 herrührt. Sie werden dabei aus ihrer ursprünglichen Richtung in Richtung auf die Linsenachse 14 gelenkt (Konkavlinse für den Beschleunigungsfall). Die Elektronen der Energie Ed werden also auf gekrümmten Elektronenbahnen, von denen in Fig. 1 nur die beiden Elektronenbahnen 21 und 22 eingezeichnet sind, auf den Elektronen-Detektor 19 gelenkt. Sie können auf ihrem Wege auch die Linsenachse 14 schneiden.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß sich mit dem dargestellten Analysegerät bei entsprechender Abwandlung eine Fotoelektronen-Analyse durchführen oder auch das gesamte Spektrum der Auftreffstelle an der Meßprobe 4 aufnehmen läßt. Zu diesem letzteren Zweck wird die Verzögerungsspannung Ul der ersten Spannungsquelle 10 kontinuierlich von 0 auf 1 kV verändert, wobei die Spannung U2 mitgeführt und die Aufzeichnungsgeschwindigkeit des Registriergeräts 20 proportional zur Änderung der Spannung Ul gehalten wird.
Im Raum 23 zwischen der ersten und der zweiten Zylinderelektrode 11 bzw. 12 ist ein ebenes Gitternetz 24 untergebracht, welches aus einem elektrisch leitenden Material besteht und senkrecht zur Linsenachse 14 unmittelbar vor der Eingangsöffnung der zweiten Zylinderelektrode 12 angeordnet ist. Das Gitternetz 24 ist mit Hilfe einer dritten Spannungsquelle 25 auf ein Potential U3 gelegt, welches gegenüber dem Potential Ul der ersten Zylinderelektrode 11 positiv und einstellbar ist. Das Gitternetz 24 sorgt für eine stärkere Ablenkung der Elektronen in Richtung auf die Linsenachse 14 und dient somit zur Verkürzung der Brennweite und Verringerung des Öffnungsfehlers der Zylinderlinse. Für eine extrem kurze Brennweite der Elektronen mit der Energie Ed kann das Gitternetz 24 auch auf Nullpotential oder auf ein gegenüber der Meßprobe 4 positives Potential U3 gelegt sein.
Abweichend von der zeichnerischen Darstellung in Fig. 1 ist es auch möglich, das ebene Gitternetz 24 unter Wegfall der dritten Spannungsquelle 25 direkt auf der Eingangsöffnung der zweiten Zylinderelektrode 12 elektrisch leitend zu befestigen. Die Verwendung des Gitternetzes 24 bringt den Vorteil, daß das Analysegerät sehr kurz und gedrungen aufgebaut werden kann.
Eine wesentliche Verbesserung des Verhältnisses von Auger-Elektronen-Signal zu Untergrundsignal im Meßsignal kann mittels eines Modulationssystems durch Modulation des in die Zylinderlinse eintretenden Elektronenstroms und durch phasenempfindliche Ermittlung des Meßsignals erzielt werden.
Dazu ist ein Modulationsoszillator 26 vorgesehen, der an seinem Ausgang 27 eine sinusförmige Wechselspannung einer Frequenz von z. B. 100 kHz erzeugt. Diese wird mittels eines Übertragers 28 mit einer festen Amplitude im Bereich zwischen 1 und 10 V auf die erste Zylinderelektrode 11 und auf das Gegenfeld-Gitter 9 gegeben. Auf diese Weise wird dem radialen Verzögerungsfeld ein betragsmäßig kleines, mit fester Frequenz variierendes Wechselfeld überlagert.
Dadurch erhält man am Ausgang des Elektronen-Detektors 19 ein moduliertes Ausgangssignal, das gegebenenfalls über einen (nicht gezeigten) Verstärker dem Signaleingang 29 eines phasenempfindlichen Gleichrichters 30 zugeführt wird. Dessen Referenzeingang 31 wird mit der am Ausgang 27 des Modulationsoszillators 26 auftretenden Wechselspannung als Vergleichsspannung gespeist. Das vom phasenempfindlichen Gleichrichter 30 ermittelte Signal, das nun bei vorgegebener fester Einstellung der Spannungen Ul und U2 im wesentlichen von Auger-Elektronen der Meßprobe 4 herrührt, auf deren Energie Ed die Zylinderlinse eingestellt ist, wird von dessen Ausgang 32 über einen Verstärker 33 zwecks Registrierung in das Registriergerät 20 gegeben.
Fig. 2 zeigt in wesentlichen Einzelheiten das bereits an Hand der Fig. 1 erläuterte Analysegerät, allerdings sind hier aus Gründen der besseren Übersicht das Modulationssystem und das Gitternetz nicht dargestellt. Weiterhin läßt sich hier das Verzögerungspotential U4 des Gegenfeld-Gitters 9 mit Hilfe einer weiteren Spannungsquelle 35 unabhängig vom Potential Um der ersten Zylinderelektrode 11 einstellen. Der konische Ansatz 13a besteht daher aus einem elektrischen Isoliermaterial. Schließlich ist das in Fig. 2 dargestellte Analysegerät als Elektronenstrahl-Mikrosonde für Auger-Elektronen ausgebildet, mit der sich Bilder über die Konzentrationsverteilung eines chemischen Elements an der Oberfläche einer Meßprobe 4 erzeugen lassen.
Der primäre Elektronenstrahl 2 durchläuft gemäß F i g. 2 ein Ablenksystem 36, welches aus einem ersten und einem zweiten Spulenpaar 37 bzw. 38 besteht.
Das Ablenksystem 36 dient in bekannter Weise dazu, den primären Elektronenstrahl 2 Zeile für Zeile über die Oberfläche der Meßprobe 4 zu rastern. Beide Spulenpaare 37 und 38 bestehen jeweils aus zwei in Reihe geschalteten, senkrecht und symmetrisch zur Achse des primären Elektronenstrahls 2 angeordneten Spulen. Das erste Spulenpaar 37 ist einseitig geerdet und mit der anderen Seite an die eine Ausgangsklemme 40 eines Ablenkgenerators 39 geschaltet.
Dieser Ausgangsklemme 40 wird für die Zeilenauslenkung ein sägezahnförmiger periodischer Ablenkstrom entnommen. Das zweite Spulenpaar 38 ist gegenüber dem ersten Spulenpaar 37 um 90" gegen die Strahlachse gedreht. Es ist ebenfalls einseitig geerdet.
Mit der anderen Seite ist es an die andere Ausgangsklemme 41 des Ablenkgenerators LdO angeschlossen.
Das zweite Spulenpaar 38 erhält ebenfalls einen sägezahnförmigen Strom, dessen Anstiegszeit diejenige Zeit bestimmt, die zum Abrastern einer vorgegebenen Fläche auf der Meßprobe 4 und damit zur Erzeugung eines Bildes benötigt wird. Natürlich können als Ablenksystem 36 auch zwei senkrecht zueinander ange- ordnete Plattenpaare verwendet werden.
Die Ausgangsklemmen 41 und 42 des Ablenkgenerators 39 sind an den Eingang 42 zum Ablenksystem einer als Registriergerät verwendeten Kathodenstrahlröhre 20a angeschlossen. Ihr Hellsteuereingang 43 ist über den Verstärker 33 mit dem Ausgang des Elektronen-Detektors 19 verbunden. Während also der primäre Elektronenstrahl 2 zeilenweise über die vorgegebene Fläche der Meßprobe 4 rastert, wird der Elektronenstrahl der Kathodenstrahlröhre 20a synchron dazu Zeile für Zeile über ihren Leuchtschirm 441 gelenkt.
Die Zylinderlinse ist auf die Auger-Elektronen-Linie eines interessierenden Elements fest eingestellt.
In den Elektronen-Detektor 19 können also nur Elektronen einer definierten Energie Ed und Energiebreite dE gelangen. Der primäre Elektronenstrahl 2 trifft beim Abrastern auf Stellen unterschiedlicher Konzentration dieses Elements. Mit dem von jedem einzelnen abgerasterten Punkt der Probenoberfläche ausgehenden Signal der vorgegebenen Auger-Elektronen-Linie wird die Helligl;eit des Kathodenstrahls auf dem Leuchtschirm 44 der Kathodenstrahlröhre 20a gesteuert. Einer größeren Auger-Elektronen-Ausbeute eines Punktes auf der Probenoberfläche entspricht somit eine größere Helligkeit eines zugeordneten Punktes auf dem Leuchtschirm 44.
Abschließend sei erwähnt, daß in Fig. 2 an der Eingangsöffnung der ersten Zylinderelektrode 11 eine Ringblende 50 bestimlmter Formgebung leitend befestigt ist. Sie dient zur Verringerung der Eingangsöffnung und damit zur Verringerung des Öffnungsfehlers. Ihre Form kann so gewählt werden, daß der Öffnungsfehler der Immersionslinse auf ein Minimum reduziert ist. Zu diesem Zweck kann auch, gegebenenfalls zusätzlich, vorgesehen sein, daß eine geringe Potentialdifferenz zwischen Gegenfeld-Gitter 9 und erster Zylinderelektrode 11 aufrechterhalten wird.

Claims

Patentansprüche: 1. Analysegerät zur Untersuchung einer massiven oder durchstrahlbaren Meßprobe mittels ausgelöster Elektronen, mit einem einsetzbaren Strahl-Erzeuger, dessen Strahl auf die Meßprobe lenkbar ist und dort Elektronen auslöst, mit einem sphärisch gekrümmten, gegenüber der Meßprobe auf einem negativen Potential gehaltenen Gegenfeld- Gitter, welches den Durchgang für einen niederenergetischen Anteil der an der Meßprobe ausgelösten Elektronen sperrt und die Energie des höherenergetischen Anteils beim Durchgang verringert, mit einer elektrostatischen Fokussiereinrichtung, welche von den vom Gegenfeld-Gitter durchgelassenen Elektronen nur solche, deren Energie in einem vorgegebenen Energiebereich liegt, auf die Eingangsöffnung eines Elektronen-Detektors fokussiert, und mit einem an den Elektronen-Detektor anschließbaren Registriergerät zum Nachweis der in seine Eingangsöffnung einfallenden Elektronen, dadurch gekennz e i c h n e t, daß die Fokussiereinrichtung eine elektrostatische Immersionslinse ist, die eine beträchtliche chromatische Aberration aufweist.
2. Analysegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Immersionslinse eine aus zwei Zylinderelektroden (11, 12) bestehende Zylinderlinse vorgesehen ist, daß die erste Zylinderelektrode (11) mittels einer ersten Spannungsquelle (10) auf ein gegenüber der Meßprobe (4) negatives Potential (Ul, U4) gelegt ist, und daß die zweite Zylinderelektrode (12) mittels einer zweiten Spannungsquelle (15) auf ein gegenüber der ersten Zylinderelektrode (11) positives Potential (U2) gelegt ist.
3. Analysegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zylinderelektrode (11) genau oder zumindest annähernd auf das elektrische Potential (U4) des Gegenfeld-Gitters (9) gelegt ist.
4. Analysegerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential (U4 = U1;U4) des Gegenfeld-Gitters (9) und das Potential (U2) der zweiten Zylinderelektrode (12) derart gewählt sind, daß die Beziehung e ( U,)/ EdA einen Wert zwischen 2 und 50 annimmt, wobei e die Elementarladung, U4 das Potential des Gegenfeld-Gitters (9) und EdA die kinetische Energie der vom Gegenfeld-Gitter (9) durchgelassenen, interessierenden Auger-Elektronen ist.
5. Analysegerät nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zylinderelektroden (11, 12) denselben Durchmesser besitzen.
6. Analysegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zylinderelektroden (11, 12), insbesondere die erste Zylinderelektrode (11), als zylindrisches Gitter ausgebildet sind, und daß die Gitter von massiven, elektrisch leitenden Rohren umgeben sind, die auf ein gegenüber dem zugehörigen Gitter positiven Potential gehalten sind.
7. Analysegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der ersten Zylinderelektrode (11) und das elektrische Potential ( U2) der zweiten Zylinderelektrode (12) so gewählt sind, daß ein minimaler elektrischer Feldliniendurchgriff auf- das Gegenfeld-Gitter (9) erfolgt.
8. Analysegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Raum (23) zwischen der ersten und der zweiten Zylinderelektrode (11, 12) ein aus einem elektrisch leitenden Material bestehendes Gitternetz (24) angeordnet ist, welches gegenüber der ersten Zylinderelektrode (11) auf ein positives Potential (U3) gelegt ist.
9. Analysegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential (U3) des Gitternetzes (24) mittels einer dritten Spannungsquelle (25) einstellbar ist.
10. Analysegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitternetz (24) auf der Eingangsöffnung der zweiten Zylinderelektrode (12) elektrisch leitend befestigt ist.
11. Analysegerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitternetz (24) eben ausgebildet ist.
12. Analysegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an der Eingangsöffnung der ersten Zylinderelektrode (11) eine Ringblende (50) angeordnet ist.
13. Analysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektrostatischen Verzögerungsfeld, daß dem elektrostatischen Verzögerungsfeld des Gegenfeld-Gitters (9) ein diesem gegenüber betragsmäßig kleines, mit fester Frequenz variierendes Wechselfeld überlagert ist, und daß das Ausgangssignal des Elektronen-Detektors (19) in den Signaleingang (29) eines phasenempfindlichen Gleichrichters (30) gegeben ist, dessen Referenzeingang (31) mit einer Vergleichsspannung von der Frequenz des Wechselfeldes gespeist ist.
14. Analysegerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an die erste Zylinderelektrode (11) und/oder an das Gegenfeld-Gitter (9) eine periodische Wechselspannung von fester Frequenz gelegt ist.
15. Analysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einem Rastermikroskop verwendet ist.