DE2743034A1

DE2743034A1 - Einrichtung zur energiebestimmung geladener teilchen

Info

Publication number: DE2743034A1
Application number: DE19772743034
Authority: DE
Inventors: Hans-Dietrich Dr Polaschegg
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1977-09-24
Filing date: 1977-09-24
Publication date: 1979-04-05
Also published as: GB2005066A; DE2743034C2

Description

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LEYBOLD-HERAEUS GMBH «β ""·%· ^ ^V₁ ^v»_s Köln-Bayental X V

Einrichtung zur Energiebestimmung geladener Teilchen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Energiebestimmung geladener Teilchen, insbesondere Elektronen, mit einem Energieanalysator und einer dem Analysator vorgelagerten Teilchenoptik.

Die bei der Spektroskopie geladener Teilchen an einen Energieanalysator zu stellenden Anforderungen sind:

a) hohe Energieauflösung;

b) hohe Empfindlichkeit (Luminosität bzw. Transmission);

c) Unempfindlichkeit gegen äußere Störfelder;

d) ünempfindlichkeit gegen Kontaminationen (z.B. durch Probenmaterial) ;

e) geringer Untergrund.

Aus der DT-OS 2 331 O91 ist eine Einrichtung zur Energiebestimmung geladener Teilchen der eingangs genannten Art bekannt, bei dem ein Teil dieser Forderungen in hervorragender Weise erfüllt ist. Die dem eigentlichen Kugel-Energieanalysator vorgelagerte Teilchenoptik besteht aus zwei Einzellinsen, zwischen denen ein Zwischenbild entsteht, in dessen Bereich eine Verzögerungsstrecke vorgesehen ist.

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Die Forderung nach dem geringen Untergrund ist z.B. bei dieser vorbekannten Einrichtung dadurch realisiert, daß im Bereich der zweiten Einzellinse eine asymmetrische Blende vorgesehen ist, die eine Sichtverbindung zwTschen dem Entstehungsort der zu analysierenden Teilchen und der Eintrittsöffnung des Analysators verhindert. Nachteilig an der vorbekannten Einrichtung ist, daß ihr Aufbau wegen der Zwischenbilderzeugung insgesamt relativ groß ist. Der Abstand zwischen Probe und Analysator ist deshalb relativ weit, so daß lange Teilchenbahnen resultieren. Wegen dieser langen Teilchenbahnen ist die Teilchenoptik empfindlich gegen äußere Magnetfelder, so daß sich diese vorbekannte Ein-

richtung nur schlecht für die höchstauflösende Photoelektronenspektroskopie oder Energieverlustspektroskopie insbesondere im Energiebereich unter 5 eV eignet.

Aus "Journal of Electron Spectroscopie and Related Phenomena", 3, 1974, Seiten 241 ff ist ein Analysator für Elektronen mit einem kompakten Aufbau bekannt (S.250). Bei dieser vorbekannten Einrichtung liegt der Ort der Entstehung der zu analysierenden Elektronen in unmittelbarer Nähe der Eintrittsöffnung des Energieanalysators. Zwischen der Probe und der Eintrittsöffnung besteht also eine direkte Sichtverbindung, so daß bei dieser Einrichtung ein hoher Streuuntergrund durch andere als die gewünschtenfreilchen entsteht. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß von der Probe abdampfende Substanzen sehr leicht auf die inneren Wandflächen des Energieanalysators gelangen können. Dort bewirken sie eine Änderung der Spannungsverhältnisse und damit eine Verstimmung des empfindlichen Energieanalysators, so daß häufig bereits nach sehr kurzer Betriebsdauer die Voraussetzung der hohen Energieauflösung nicht mehr erfüllt ist.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Energiebestimmung geladener Teilchen, insbe-

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sondere Elektronen, mit einem Energieanalysator und einer dem Analysator vorgelagerten Teilchenoptik derart auszubilden,daß sie trotz eines kompakten Aufbaues auch für den Energiebereich unterhalb 20 eV besonders geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Teilchenoptik einen Zylinderkondensator umfaßt, der die zu analysierenden Teilchen auf dem Wege vom Entstehungsort zur Eintrittsöffnung des Analysators so weit ablenkt, daß zwischen dem Ort der Entstehung der Teilchen und der Eintrittsöffnung des Analysators keine Sichtverbindung besteht. Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Einrichtung zur Energiebestimmung geladener Teilchen sind alle eingangs genannten Voraussetzungen erfüllt. Insbesondere ist die Empfindlichkeit gegenüber äußeren Störfeldern auf ein Minimum beschränkt, da der Aufbau wegen des relativ kurz bauenden Zylinderkondensators kompakt ist und deshalb die Teilchenbahnen relativ kurz sind. Durch die relativ kompakte Bauweise ist es möglich, den Energieanalysator und alle weiteren Elemente in einem relativ kleinen Gehäuse einzubauen und dieses mit einer möglichst vollkommenen Magnetabschirmung zu umgeben. Der die direkte Sicht zwischen der Probe und der Eintrittsöffnung des Energieanalysators verhindernde Zylinderkondensator sorgt für weitgehend untergrundfreie Meßergebnisse. Darüberhinaus schützt der Zylinderkondensator den Energieanalysator vor Kontaminationen durch abdampfendes Probenmaterial. Die durch den Energieanalysator bestimmte Energieauflösung ist deshalb nicht beeinträchtigt. Der Zylinderkondensator ist, da er nichtpie Funktion eines hochauflösenden Energieanalysators hat, unempfindlich gegenüber derartigen Kontaminationen.

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Eine weitere vorteilhafte Maßnahme besteht darin, dem Zylinderkondensator an seinen offenen Seiten Korrekturplatten zuzuordnen. Mit Hilfe dieser KorrekturpXatten kann der Teilchenstrahl justiert werden, so daß damit ideale Einschußbedingungen für den Kugelkondensator erzielt werden können.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die dem Analysator vorgelagerte Teilchenoptik aus einer ersten Linse zur Beschleunigung der Teilchen, dem Zylinderkondensator und einer zweiten Linse besteht, in welcher die Teilchen auf die konstante Transmissionsenergie des Analysators gebracht werden. Dadurch wird eine weitere Verringerung der Empfindlichkeit gegen äußere Störfelder erreicht, da die zu analysierenden Teilchen zunächst beschleunigt und erst kurz vor dem Analysator wieder verzögert werden. Bei der eingangs beschriebenen vorbekannten Einrichtung werden die zu analysierenden Teilchen auf ihrem ohnehin schon relativ langen Weg vom Entstehungsort zur Eintrittsöffnung des Analysators bereits relativ früh verzögert. Insbesondere im Energiebereich unter 20 eV hat diese Verzögerung die unerwünschte Empfindlichkeit gegen äußere Störfelder zur Folge,was dazu führt, daß die Elektronenbahnen geändert werden und die Transmissionsfunktion des Energieanalysators nicht mehr einfachen Gesetzen gehorcht. Durch die Störungen werden auch die Einschußbedingungen in den Analysator geändert, was dessen Auflösung in der Regel verschlechtert.

Insbesondere, wenn der Energieanalysator als Kugelkondensator ausgebildet ist,können sowohl der Analysator als auch die Teilchenoptik in einem gemeinsamen, relativ kleinen Gehäuse eingebaut sein. Weitere Maßnahmen zur Verhinderung des Einflusses von Störfeldern auf das ohnehin schon dagegen relativ unempfindliche

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System können bei einem derartigen kompakten Aufbau in einfacher Weise, z.B. durch eine Magnetabschirmung, realisiert werden. ,_;"

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist auch für die Analyse gasförmiger Proben geeignet. Zweckmäßig ist dann die erfindungsgemäße Einrichtung mit Mitteln zur Zuführung der gasförmigen Probe und mit Mitteln zur Anregung der gasförmigen Probe ausgerüstet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine für die Analyse gasförmiger Proben geeignete Einrichtung. Die Einrichtung nach Figur 3 ist für die Analyse fester Proben gedacht.

Bei der Einrichtung nach den Figuren 1 und 2 sind im vakuumdichten Gehäuse 1 der als Kugelkondensator 2 ausgebildete Energieanalysator und der die Registriereinrichtung bildende Sekundärelektronenvervielfacher 3 untergebracht. Dem Analysator 2 vorgelagert ist die erfindungsgemäße Teilchenoptik, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus der Eintrittslinse 4, dem Zylinderkondensator 5 mit den Korrekturplatten 6 und der Austrittslinse 7 besteht.

Das z.B. .aus Magnetabschirmmaterial bestehende Gehäuse 1 besitzt eine Reihe von Flanschanschlüssen, von denen in Figur 1 zwei und in Figur 2 ein weiterer sichtbar sind. Sie tragen die Bezugszeichen 8, 9 und 10. Der Flanschanschluß 9 dient dem Anschluß

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eines Vakuumpumpsysterns 11. Über den Flanschanschluß 8 erfolgt die Zuführung der gasförmigen Probe. Dazu ist am Flanschdeckel eine Probenkammer 13 vorgesehen, in die die Zuführungsleitung mit dem Dosierventil 15 mündet. Die Probenkammer 13 weist eine der erfindungsgemäßen Vorschaltoptik zugewandte Austrittsöffnung Tt> auf, der eine Anregungsquelle 17 für die austretenden Gasteilchen zugeordnet ist. Bei den in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen ist eine UV-Anregungsquelle 17 vorgesehen, die am Flanschanschluß 10 über den Balg 18 justierbar gehaltert ist. Über das Kapillarrohr 19, dessen Mündung der Austrittsöffnung 16 der Probenkammer 13 zugeordnet ist, gelangt die anregende UV-Strahlung zu den zu untersuchenden Gasteilchen.

Die Einrichtung nach Figur 3 ist für die Analyse fester Proben geeignet ausgebildet. Dazu ist am Flanschdeckel 12 eine Vorrichtung 21 zur Halterung der Probe befestigt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Probe mit UV-Licht angeregt. Die UV-Anregungsquelle 17 mit dem Kapillarrohr 19 sind so ausgerichtet, daß das UV-Licht die Probe trifft.

Die durch die Bestrahlung der Probe entstehenden, zu analysierenden Teilchen, z.B. Photo-, Auger- oder Sekundärelektronen treten in die erste Linse 4 ein und werden dort auf eine konstante Energie beschleunigt. Danach gelangen sie in den Zylinderkondensator 5 und werden dort in Richtung der Austrittslinse 7 abgelenkt. Durch Veränderung der an den Zylinderplatten oder Korrekturplatten anliegenden Spannungen .können die zu analysierenden Teilchen auf den Eintrittsspalt des Kugelkondensators justiert werden. In der Austrittslinse 7 werden sie auf die konstante Transmissionsenergie des Kugelkondensators 2 gebracht,

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d.h., in der Regel verzögert. Im Kugelkondensator erfolgt die Trennung nach der Energie. Diejenigen, deren Energie der Transmissionsenergie des Kugelkondensators entspricht, verlassen diesen in bekannter Weise durch einen Austrittsspalt, treffen auf den Sekundärelektronenvervielfacher, werden in diesem verstärkt und durch eine nicht dargestellte elektronische Einrichtung registriert.

Zur Erzeugung einer ausreichenden Anzahl von zu analysierenden Elektronen oder dgl. ist es erforderlich, daß sich - bei gasförmigen Proben - der Probengasstrahl und der Anregungsstrahl in dem vom Energieanalysator akzeptierten Bereich treffen. Dazu ist es notwendig,daß zumindest einer der beiden Strahlen justierbar ist. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist dazu eine Hilfseinrichtung vorgesehen, mit der es möglich ist, den justierbaren Anregungsstrahl auf den Probengasstrahl ausrichten zu können. Dazu ist zunächst - wie bereits erwähnt - die Anregungsquelle über den Faltenbalg 18 justierbar angeordnet. An der Probenkammer 13 sind zwei Lochblenden 22 und 23 gehaltert, deren öffnungen der gewünschten Richtung des Anregungsstrahles entspricht, d.h. die Achse der Austrittsöffnung der Probenkammer kreuzt sich mit der Achse der Öffnungen dieser beiden Blenden zwischen den Blenden. Vor und hinter diesem Blendenpaar sind zwei weitere Elektroden 24 und 25 vorgesehen. Diese sind elektrisch isoliert angeordnet, so daß von ihnen in im einzelnen nicht näher dargestellter Weise elektrische Signale abgenommen werden können. Die Elektrode 24 ist ebenfalls als Lochblende ausgebildet, deren öffnung mit den Öffnungen des Blendenpaares und 23 auf einer Achse liegt, jedoch einen kleineren Durchmesser hat. Die Elektrode 25 ist so angeordnet und ausgebildet, daß alle die durch die öffnungen der Blenden 22, 23 und 24 tretenden Teilchen oder Quanten diese Elektrode erreichen.

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Der Justiervorgang läuft folgendermaßen ab: Im nicht justierten Zustand trifft zumindest ein. wesentlicher Teil des Anregungsstrahles die Elektrode 24 trnxl gelangt nicht zur Elektrode 25. Dementsprechend ist z.B. der an der Elektrode 24 ausgelöste Photo- oder Sekundärelektronenstrom groß und der an der Elektrode 25 ausgelöste Sekundärelektronenstrom klein. Der Anregungsstrahl wird nun so justiert bzw. ausgerichtet, daß an der Elektrode 24 ein minimaler und an der Elektrode 25 ein maximaler Elektronenstrom auftritt. Nach erfolgter Justierung kann das Probengas eingelassen werden und die Photoelektronen durch Veränderung des Potentials an den Zylinderplatten bzw. Korrekturplatten des Zylinderkondensators 5 auf den Eintrittsspalt des Kugelkondensators justiert werden. Um zu vermeiden, daß Photo- b-;w. Sekundärlektronen, die am Auffänger 25 ausgelöst werden, durch Mehrfachstreuung in den Energieanalysator gelangen, kann die Elektrode 25 auf positives Potential gelegt werden.

Diese erfindungsgemäße Justiervorrichtung kann immer dann Anwendung finden, wenn ein Anregungsstrahl ausgerichtet werden muß.

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Claims

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ANSPRÜCHE

■ Γ*

./'Einrichtung zur Energiebestimmung geladener Teilchen, insbesondere Elektronen, mit einem Energieanalysator und einer dem Analysator vorgelagerten Teilchenoptik, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenoptik einen Zylinderkondensator (5) umfaßt, der die zu analysierenden Teilchen auf dem Wege vom Entstehungsort zur Eintrittsöffnung des Analysators (2) so weit ablenkt, daß zwischen dem Ort der Entstehung der Teilchen und der Eintrittsöffnung des Analysators keine Sichtverbindung besteht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkondensator (5)an seinen offenen Seiten Korrekturplatten (6) aufweist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Analysator (2) vorgelagerte Teilchenoptik aus einer ersten Linse (4) zur Beschleunigung der Teilchen, dem Zylinderkondensator (5) und einer zweiten Linse (7) besteht, in welcher sie auf die konstante Transmissionsenergie des Analysators gebracht werden.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Energie-Analysator (2) als Kugelkondensator ausgebildet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der

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ORIGINAL INSPECTED

Energieanalysator (2) und die Teilchenoptik (4 bis 7) in einem gemeinsamen Gehäuse (1) untergebracht sind.
6. Einrichtung nach einem'der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (12 bis 15) zur Zuführung einer gasförmigen Probe und Mittel (17,19) zur Anregung der gasförmigen Probe vorgesehen sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zuführung der gasförmigen Probe eine Probenkammer

(13) umfassen, in die eine Zuführungsleitung (14) mit einem Dosierventil (15) mündet und die eine der Teilchenoptik (4 bis 7) zugewandte Austrittsöffnung (16) aufweist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die als UV-Lampe, Elektronenquelle, Röntgenröhre oder dergleichen ausgebildete Anregungsquelle (17) der Austrittsöffnung (16) der Probenkammer (13) zugeordnet und justierbar gehaltert ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Probenkammer (13) zwei Blenden (22,23) mit gleichachsigen öffnungen für den Durchtritt der die Anregung bewirkenden Teilchen oder Quanten derart befestigt sind, daß sich die Achse der Austrittsöffnung (16) der Probenkammer (13) mit der Achse der Blendenöffnungen zwischen den Blenden kreuzt.
10.Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung des Anregungsstrahles hinter dem Blendenpaar (22,23) eine Auffangelektrode (25) vorgesehen ist.

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11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

in Richtung des Anregungsstrahles vor dem Blendenpaar (22,23) ein weiterer Auffänger (24) angeordnet ist, der ebenfalls als Blende mit einer zentralen Öffnung ausgebildet ist und dessen Öffnung mit den Öffnungen des Blendenpaares (22,23) gleichachsig liegt.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des als Blende ausgebildeten Auffängers (24)
kleiner ist als die Öffnungen im Blendenpaar (22,23).

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