DE2331091B2

DE2331091B2 - Einrichtung zur Bestimmung der Energie geladener Teilchen

Info

Publication number: DE2331091B2
Application number: DE2331091A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Phys. 5203 Lohmar Barz; Helmut Dipl.-Phys. 5039 Rondorf Schillalies
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1973-06-19
Filing date: 1973-06-19
Publication date: 1979-07-05
Also published as: DE2331091C3; DE2331091A1; GB1450498A; US3937957A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Energie geladener Teilchen, insbesondere Elektronen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs t.

Zur Durchführung der Elektronen-Spektroskopie für die chemische Analyse (ESCA) wird die zu untersuchende Probe mit ionisierenden Strahlen beschossen. Die Energie der dadurch aus der Oberfläche der Probe ausgelösten Elektronen wird gemessen. Das aufgenommene Energiespektrum der Elektronen zeigt die chemische Zusammensetzung der Probe in seiner Oberfläche.

Aus der DE-OS 19 48 757 ist es bekannt, die von der Probe ausgehenden Elektronen unmittelbar im Bereich s der Probe zu verzögern und durch einen Ringspalt einem Energieanalysator zuzuführen. Die Verzögerung bewirkt eine Verbesserung der Eigenschaften — insbesondere der Auflösung — des in der DE-OS 19 48 757 beschriebenen Elektronenspektrbme*ers. Diesem vorbekannten Elektronenspektrometer haftet jedoch der Nachteil an, daß die unmittelbare Umgebung der Probe nicht feldfrei ist Dadurch ist es nicht möglich, andere Experimente gleichzeitig mit der unveränderten Probe durchzuführen oder durch alleiniges Umschalten

is von Geräten ohne Umbau nacheinander Analysen der Probe vorzunehmen. Außerdem ist die Entfernung zwischen der Probe und dem Analysator sehr klein. Es ist deshalb schwierig eine Aperturdefinition außerhalb des Analysator durchzuführen. Schließlich ist es nachteilig, daß in den Analysator Teilchen (Elektronen, Photonen, schnelle Neutralteilchen, Schmutz vom Sputtern) mit hohen Energien eintreten und dort Streuelektronen erzeugen können, die wiederum einen erhöhten Untergrund im Energiespektrum bilden.

Aus der GB-PS 13 03 136 und der DE-OS 22 22 339 sind Geräte zur Spektroskopie von Elektronen bekannt bei denen zwischen der Probe und des' Eintrittsöffnung des Energieanalysators ein elektronenoptisches System mit einer Retardierungsstrecke angeordnet ist Bei allen offenbarten Lösungen ist jeweils das Linsensystem selbst als Verzögerungslinse ausgebildet Das hat den Nachteil, daß sich bei einer Änderung des Verzögerungsfaktors auch die Vergrößerung des Linsensystems verändert Dadurch ist der Bereich, in dem der Verzögerungsfaktor einstellbar ist relativ klein, so daß häufig optimale Meßbedingungen nicht eingestellt werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Bestimmung der Energie geladener Teilchen, insbesondere Elektronen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart zu gestalten, daß der Verzögerungsfaktor unabhängig von der Vergrößerung des Linsensystems einstellbar ist ohne auf eine Probe mit feldfreier Umgebung verzichten zu müssen. Außerdem soll ein relativ kompakter Aufbau des zwischen der Probe und dem Energieanalysator befindlichen elektronenoptischen Systems erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Infolge der besonderen Lage der Verzögerungsstrekke ist die Vergrößerung des Linsensystems unabhängig von dem eingestellten Verzögsrungsfaktor, d.h., bei unterschiedlichen Verzögerungsfaktoren bleibt die Vergrößerung konstant, was bei den Systemen nach den Entgegenhaltungen nicht der Fall ist Der mögliche Verzögerungsbereich reicht von Werten nahe 0 (in der Praxis 0,01) bis nahe unendlich (in der Praxis 1000), übersteigt also fünf Zehnerpottnzen, was ebenfalls mit Verzögerungslinsen der vorbekannten Bauart, deren Verzögerungsbereich maximal zwei Zehnerpotenzen umfaßt, nicht erreicht werden kann. Die Umgebung der Probe kann dabei feldfrei gehalten werden, was eine zugängliche Anordnung der Probe für andere gleichzeitig durchführbare Experimente erlaubt

Der zwischen der Probe und der Bremsstrecke liegende erste Teil (erste Linse) kann z. B. als vergrößernd abbildende Linse ausgebildet sein, wo-

durch nach dem Liouvilleschen Satz keine Winkelaufweitung der Elektronenstrahlen bewirkt wird. Die »Vergrößerung« wird vorteilhaft jedesmal so gewählt, daß nur von der Probe und nicht von der Halterung der Probe emittierte Elektronen in den Eintrittsspalt des Analysator? gelangen.

In dem zwischen der Retardierungsstrecke und dem Eingangsspalt des Energieanalysator» liegenden zweiten Teil (zweite Linse) erfolgt die Aperturbildiing des Strahlenbündel^· im parallelen Strahlengang mit gleichzeitigem Einfädeln in den Analysator. Beide linsen arbeiten in der Betriebsweise einer Einzellinse, was gerätetechnisch einfach durchzuführen ist Nicht nur die Umgebung der Probe, sondern auch der Eintrittsspalt des Energieanalysator* können dadurch vor störenden Feldern freigehalten werden.

Zweckmäßig ist in der zweiten Linse eine asymmetrische, dem Eintrittswinkel und Eintrittsspalt des Energieanalysator entsprechende Blende angeordnet Durch diese Blende wird das Eindringen der erwähnten hochenergetischen Teilchen in den Analysator vermieden.

Die Abbildungseigenschaften der beiden Linsen sind zweckmäßig so gewählt, daß die Bildebene dir ersten Linse in der Bremsstrecke liegt und diese Bildebene die Gegenstandsebene der zweiten Linse darstellt, deren Bildebene im Eintrittsspalt des Energieanalysator liegt. Dadurch werden optimale Abbildungseigenschaften erzielt Die Bremsung führt in dieser Betriebsweise lediglich zu einer Strahlaufweitung bei geringfügiger Veränderung der zweiten Gegenstandsebene ohne Änderung des Abbildungs-Maßstabes.

Weiterhin ist es zweckmäßig, die Einzellinsen zur Bremsstrecke hin durch Gitter mit großer Transmission zu begrenzen. Dadurch wird eine Beeinflussung des Feldes der Einzellinsen durch das die Bremsung der Teilchen bewirkende Feld vermieden.

Zur Erzielung eines kompakten Aufbaues des Linsensystems ist es außerdem vorteilhaft, zumindest in der ersten Linse ein weiteres Gitter mit großer Transmission anzuordnen. Dadurch kann der sphärische Abbildungsfehler mindestens um den Faktor 2 verringert werden. Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Linsen aus nicht-magnetischem und nicht-korrodierendem Material bestehenden Rohrlinsen mit jeweils darin angeordneten weiteren Gittern bestehen. Die Gitter bestehen vorteilhaft aus Moybdän mit Niobringen und weisen eine Transmission größer 95% auf.

Vorzugsweise ist dabei die Sprungstelle für die Potentiale der jeweiligen Linse in einer Entfernung von ca. 'Λ Durchmesser vom Gitter zu wählen. Dadurch können Elektronenbündel hoher Apertur (± 20°) bei der Elektronenspektroskopie trotz Verzögerung verlustfrei genutzt werden.

Besonders vorteilhaft ist schließlich, daß die Vakuumapparatur, in der die erfindungsgemäOe Einrichtung untergebracht ist im Bereich der Probe als Kugelrezipient mit einer Mehrzahl von Flanschanschlüssen ausgebildet ist An diese Flanschanschlüsse können weitere Einrichtungen (Massenfilter, Ionenquelle, Elektronenquelle, Röntgenquelle, UV-Quelle, Präparationskammern, Schleusen, Pumpen und dergleichen) für die gleichzeitige Durchführung von Experimenten oder für ohne Umbau kurz hintereinander durchzuführende Experimente angeschlossen werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden.

In der F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Einrichtung dargestellt, die im

ίο wesentlichen aus der Probe 1, dem elektronenoptischen System 2 und dem halbkugelförmigen Energieanalysator 3 besteht Die Elemente 1 bis 3 sind innerhalb eines generell mit 4 bezeichneten Vakuumbehälters angeordnet der im Bereich der Probe 1 als Kugelrezipient S mit einer Mehrzahl von Flanschanschlüssen 6 ausgebildet ist

Das elektronenoptische System 2 besteht aus den Teilen 7 und 8, welche jeweils als Einzellinse wirken. Zwischen diesen beiden Einzellinsen ist die Bremsstrekke 9 vorgesehen. Zur Bremsstrecke 9 hin sind die Linsen 7 und 8 durch die Gitter 10 bzw. 11 begrenzt Zur Erreichung der möglichst fehlerfreien Abbildung ist außerdem in der Linse 7 das Gitter 21 vorgesehen, das von der zugehörigen Potentialsprungstelle um einen Betrag entfernt ist der ca. ¹U des Durchmessers des jeweiligen Gitters entspricht Außerdem ist die Linse 7 zur Probe hin durch das Gitter 13 begrenzt um auch das Feld der Linse 7 von der Probe 1 fernzuhalten und gleichzeitig eine kurzbrennweitige Linse zu erzeugen. In der Linse 8 ist die asymmetrische Blende 14 mit dem Spalt 15 untergebracht In der Ebene dieser Polende 14 kann auch noch ein weiteres Gitter 16 angeordnet sein.

F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch das Linsensystem 2 in Höhe der Blende 14. Die Form und seitliche Verschiebung des Schlitzes 15 der Blende 14 entspricht dem Eingangsspalt 17 des halbkugelförmigen Energieanalysator 3. Der Eintrittsspalt 17 ist auch in Fig.2 gestrichelt dargestellt Das Gitter 16 wurde der Übersichtlichkeit wegen in diese Figur nichi eing^zeichnet.

Das von der Probe 1 ausgehende, vom dargestellten Spektrometer registrierte Strahlenbündel ist mit 18 bezeichnet. Die Linse 7 bewirkt zunächst eine Abbildung und Vergrößerung. Die Bildebene der Linse 7 liegt innerhalb der Bremsstrecke 9, in der lediglich eine Winkelaufweitung des Elektronenbündels gemäß dem Liouvilleschen Satz erfolgt. In der Bremsstrecke 9 liegt ebenfalls die virtuelle Gegenstandsebene der Linse 8, in der die Aperturbildung des Strahlenbündels und das

V) Einfädeln in den Eintrittsspalt 17 des Energieanalysator 3 erfolgt. Innerhalb des Energieanalysator erfolgt die bekannte Umlenkung des Strahlenbündels 18 um 180° zusammen mit der Energiediskriminierurig der Elektronen. Anschließend wird der Strahl 18 im SEV 19

>■> registriert.

Die Retardierungsstrecke 9 ist geeignet nirht nur zum Bremsen, sondern auch zum Beschleunigen, um dadurch die Intensität der Signale durch größere Raumwinkel bei der Beschleunigung zu verbessern. Diese Verfahrensweise ist zweckmäßig, wenn auf erhöhte Auflösung verzichtet werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Bestimmung der Energie geladener Teilchen, insbesondere Elektronen, die aus einer Probe durch Beschüß mit ionisierenden Strahlen ausgelöst werden, bestehend aus einem ,Energieanalysator sowie einem zwischen der Probe "und dem Energieanalysator angeordnete elektronenoptischen System, das eine Retardierungsstrecke für die zu analysierenden geladenen Teilchen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen der Probe (1) und dem Analysator (3) angeordnete elektronenoptische System (2) aus zwei als Einzellinsen wirkenden Teilen (7, 8) besteht, zwischen denen die Retardierungsstrecke (9) im Zwischenbild vorgesehen ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den ersten Teil (7) des elektronenoptischen Systems (2) bildende linse als vergrößernd abbildende Linse ausgebildet ist

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß in der den zweiten Teil (8) des elektronenoptischen Systems (2) bildenden Linse die Aperturbildung des Strahlenbündels (18) mit Hilfe einer darin angeordneten asymmetrischen Blende (14) erfolgt

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Abbildungseigenschaften der beiden Linsen (Teiie 7 und 8) so gewählt sind, daß die Bildebene der ersten Linse in der Retardierungsstrecke (9) liegt und diese Bildebene du.- Gegenstandsebene der zweiten Linse darstellt deren Bildebene iir Eintrittsspalt (17) des Energieanalysator^ (3) l^:egt

5. Einrichtung nach einem '■'sr vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daQ· die Einzellinsen zur Retardierungsstrecke (9) hin durch Gitter (10,11) mit großer Transmission begrenzt sind.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Linsen von aus nicht-magnetischem und nicht-korrodierendem Material bestehenden Rohrlinsen mit jeweils darin angeordneten weiteren Gittern (12, 13, 15) gebildet werden.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (12, 13, 14) von der Sprungstelle der zugehörigen Linse um einen Betrag entfernt sind, der ca. '/* des Durchmessers des Gitters entspricht.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Einrichtung in einem Vakuumbehälter (4) angeordnet ist, der im Bereich der Probe (1) als Kugelrezipient (5) mit mehreren Flanschanschlüssen (6) ausgebildet ist.