DE3045013A1

DE3045013A1 - Elektronenspektrometer

Info

Publication number: DE3045013A1
Application number: DE19803045013
Authority: DE
Inventors: Frank Henry Prof. Macclesfield Cheshire Read
Original assignee: Kratos Ltd Urmston Manchester; Kratos Ltd
Current assignee: Kratos Analytical Ltd
Priority date: 1979-11-30
Filing date: 1980-11-28
Publication date: 1981-09-03
Also published as: DE3045013C2; US4358680A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft Elektronen-Spektrometer, insbesondere zur Obeflächenuntersuchung einer Probe.

Bisher gab es bei den Geräten zur Oberflächenuntersuchung zwei Hauptarten von Elektronen-Spektrometem. Die erste Art, nämlich der Halbkugel-Analysator (HSA) wurde hauptsächlich bei der Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektro-* skopie(XPS) verwandt, bei der die Primärstrahlung, nämlich Röntgenstrahlen, verwandt wurde, eine relativ große Fläche

ρ der Probe, typischerweise 0,1 - 1cm , zu beaufschlagen und aus ihr Elektronen freizusetzen, und es war erforderlich, eine Einrichtung vorzusehen, um die freigesetzten Elektronen aus diesem relativ großen Bereich zu sammeln und die gesammelten Elektronen dem Analysator zuzuführen. Hierfür wurdenim allgemeinen Elektronen-Linsensysteme an einer Stelle zwischen der zu untersuchenden Probe und dem Analysator verwandt, und zwar in einer Weise, welche im wesentlichen so beschrieben werden könnte, daß von der gesamten, bestrahlten Fläche ausgesandte Elektronen kollimiert und diese auf einen Punkt fokussiert werden, der sich am Eingang des Analysators befindet.

Die zweite Art, nämlich der Analysator mit zylinderförmigem Spiegel (CMA), wurde bisher bei der Auger-Elektronenspektroskopie (AES) verwandt, insbesondere bei Anwendungen, wo die Strahlungsquelle, nämlich Elektronen auf kleine

Flächen der Probe in der Größenordnung von Λ am oder sogar noch kleiner fokussiert wurden. Bei dieser Anwendung ermöglichte die geometrische Ausbildung der Elektronenkanone, die als Quelle für die Primärstrahlung verwandt

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wurde, daß von der kleinen, bestrahlten Fläche ausgesandte Elektronen über einen großen Raumwinkel, typischerweise 0,5 srad gesammelt wurden, und daß somit die Empfindlichkeit bei dieser Betriebsart maximalisiert worden ist.

Der Halbkugel-Analysator könnte für eine große räumliche Auflösung bei der Auger-Elektronenspektroskopie verwandt, werden, jedoch war bisher sein Nachteil die geringe Empfindlichkeit, da die Eingangslinse des Halbkugel-Analysators, wie vorhergehend beschrieben, im wesentlichen Kollimatoren aufwies und nur zum Sammeln von Elektronen in kleinen Winkelbereichen nützlich war,beispielsweise für einen Halbwinkel von weniger als 5°.

In gleicher Weise konnte der Analysator mit zylinderförmigem Spiegel für Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie verwandt werden, aber auch hier war die Geometrie derart, daß es unmöglich war, eine maximale Auflösung bei dieser Art zu erhalten, während ein großer Sammelwirkungsgrad des Systems für eine große räumliche Auflösung bei der Auger-Elektronenspektroskopie erforderlich war.

Bisher wurden Elektronenspektrometer verwandt, wie sie beispielsweise in der GB-PS 1,332,207 beschrieben sind, die einen halbkugelförmigen Analysator, eine Einrichtung zur Bestrahlung einer Probe, die in einer Probenstellung angeordnet ist, um das Aussenden von Elektronen von dieser zu bewirken, und ein optisches Linsensystem für Elektronen umfaßt, welches eine Vielzahl von Elementen aufweist, um von der Probe ausgesandte Elektronen zu empfangen und die empfangenen Elektronen zu dem Analysator zu liefern, sowie

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eine mit dem Analysator verbundene Nachweiseinrichtung, um die analysierten Elektronen festzustellen und eine Energieversorgungseinrichtung, um an die Elemente Potentiale zu legen, so daß Elektronen, welche von einem begrenzten, ausgewählten Bereich der Probe ausgesandt werden, durch das Linsensystem fokussiert werden.

Mit dem zunehmenden Bedürfnis bei den Geräten zur Oberflächenuntersuchung Proben nacheinander in der gleichen Vorrichtung sowohl durch Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie als auch mit Auger-Elektronenspektroskopie großer Auflösung zu untersuchen, entwickelte sich die Forderung nach einem System, welches bei beiden Methoden mit maximaler Empfindlichkeit arbeitet.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das elektronenoptische Linsensystem wenigstens zwei voneinander beabstandete Maschenelemente am Eingang des Linsensystems aufweist, wobei die Maschenelemente konkav in Richtung auf die Probenlage ausgebildet sind, und daß die Energieversorgungseinrichtung mit einem ersten Modus betrieben werden kann, bei dem ein erster Satz von Potentialen an die Elemente derart gelegt wird, daß die zwischen den Maschenelementen hindurchgehenden Elektronen verzögert werden, um eine Brechung der Elektronen zu bewirken und das Sammeln der Elektronen von dem ausgewählten Bereich zu ermöglichen, und daß bei einem zweiten Modus ein zweiter Satz von Potentialen an die Linsenelemente derart angelegt wird, um Elektronen von einem bestrahlten Bereich zu empfangen, welcher viele Male größer als der ausgewählte Bereich ist, und daß eine Einrichtung zum Umschalten der Potentiale an die Linsenelemente vorgesehen ist, damit das Spektrometer zwischen den verschiedenen Betriebsmodi ohne

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- ΛΛ -

mechanische Veränderung der Linsenelemente umgeschaltet werden kann.

Insbesondere werden bei dem ersten Betriebsmodus die Elektronen innerhalb eines Konus mit einem großen Halbwinkel von beispielsweise 25°- 30° gesammelt, und es wird eine große lineare Vergrößerung erzielt, beispielsweise im Bereich von 3 bis 20 und vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20.

Ferner kann das Linsensystem für die Elektronen eine Elektronenablenkeinrichtung aufweisen, und die Energieversorgungseinrichtung kann betrieben werden, an die Ablenkeinrichtung Potentiale zu legen, um den ausgewählten Bereich an irgendeine erwünschte Stelle auf der Probe innerhalb des großen Bereiches zu legen.

Insbesondere kann die Energieversorgungseinrichtung eine Linsenabtasteinrichtung umfassen, um Potentiale, beispielsweise schwingende Potentiale anzulegen, um den ausgewählten Bereich über die Probe mit einem Abtastbetrieb zu bewegen, um den größeren Bereich abzutasten.

Ferner kann das Nachweisgerät eine Mittelungseinrichtung aufweisen oder mit dieser ausgerüstet sein, so daß eine Messung der Elektronendurchschnittsrate ausgewählter Energie oder Energien von dem untersuchten größeren Bereich der Probe erhalten wird.

Somit wird durch Betätigung eines Schalters, der die Potentiale an den verschiedenen Elementen des Linsensystems ändert, der Sammelwirkungsgrad entweder zum Sammeln der Elektronen über einen relativ großen Bereich, typischer-

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ρ
weise 0,1 - 1cm im Falle der Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie oder einem, in dem das Sammeln der Elektronen

über einen kleinen Bereich in der Größenordnung von 1mm oder weniger in einem Konus mit einem großen Halbwinkel von typischerweise 25° - 30° im wesentlichen ohne Aberration für die Auger-Elektronenspektroskopie und/oder für einen optimalisiert, bei dem der kleine Bereich über die Probe abgetastet wird, um die Mittelrate der Elektronen über den untersuchten Bereich der Probe bei dem Betriebsmodus für die Auger-Elektronenspektroskopie oder für die Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie zu bestimmen. Dies ermöglicht in einer einzigen Vorrichtung die Untersuchung der Probe mittels Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie und Auger-Elektronenspektroskopie mit hoher räumlicher Auflösung bei maximalem Wirkungsgrad in einer Weise, die bisher lediglich durch Verwendung zweier Analysiersysterne möglich war. Ferner kann der abgetastete Bereich konstant gehalten werden, welche Elektronenenergie auch immer von dem Analysator hindurchgelassen wird.

Ein zusätzliches Merkmal des Systems besteht darin, daß es die Verwendung einer Abtasttechnik zusammen mit einem Betriebsmodus des Eingangslinsensystems erlaubt, so daß Elektronen von kleinen Bereichen in der Größenordnung von weniger als 1mm bei der Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie gesammelt werden können.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Längsschnittdarstellung durch eine Elektronen-Linsenanordnung mit großem Eintrittswinkel, die Teil eines Spektrometer nach der Erfindung bildet, wobei mit unter-

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brochener Linienführung der Weg eines axialen Elektronenstrahls und mit durchgezogener Linienführung der Weg eines abgelenkten Elektronenstrahls gezeigt ist,

Fig. 2 im größeren Maßstab einen Teil der Linsenanordnung gemäß I¹Ig. 1, wobei die Anordnung der Ablenkplatten gezeigt ist,

Pig. 3 eine Ansicht der Linsenanordnung entsprechend derjenigen der Fig. 2, wobei eine abgeänderte Anordnung der Ablenkplatten dargestellt ist, und

Fig. 4· eine schematische Darstellung eines Elektronenspektrometers nach der Erfindung, bei der eine Probe mit einer FlutbeStrahlungstechnik bestrahlt wird.

Die Elektronen-Linsenanordnung gemäß Fig. 1 umfaßt eine erste oder aberrationskompensierende Linse CL und eine zweite oder Zoom Linse ZL, die in dieser Reihenfolge längs des Elektronenweges angeordnet sind. Die erste Linse weist die Komponenten 1a und 1b auf, die beide die Form eines teilweise durchlässigen, leitfähigen Gitters haben, wobei ihre Form in Richtung auf die Probe konkav ist und beispielsweise teilkugelförmige Oberflächen aufweisen können, deren Krümmungsmittelpunkte zwischen den Komponenten 1a und der Mitte der Probe 4· liegen.

Die Linsenanordnung ist innerhalb einer Vakuumkammer, die nicht dargestellt ist, eingeschlossen und die Komponente

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1a der Linsenanordnung wird beispielsweise auf dem gleichen Potential wie das der Probe und der Vakuumkammer gehalten, welches als Erdpotential bezeichnet wird. Die Komponente 1b, welche auf dem gleichen oder einem unterschiedlichen Potential von denjenigen der Komponente 1a liegt, ist elektrisch und mechanisch mit der Komponente 1c verbunden. Die erste Linse CL weist ferner die Komponenten 1d und 1e auf. Alle diese Komponenten 1c, 1d und 1e, die geeigneter Weise zylinderförmig ausgebildet sind, haben eine axiale Symmetrie bezüglich einer gemeinsamen Achse, wobei diese Achse auch die Krümmungsmittelpunkte der Komponenten 1a und 1b enthält. Die Linse CL ist ferner mit einer Elektronenabienkeinrichtung versehen, die eine magnetische oder eine elektrostatische Einrichtung sein kann, insbesondere eine Plattenanordnung P. Geeigneterweise umfaßt die Ablenkplattenanordnung, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, zwei Paare gegenüberliegender Platten P^, P_x,¹ und Pp, Po'» die allgemein im folgenden als Ablenkeinrichtung P bezeichnet werden.

Zwischen der ersten und der zweiten Linse ist eine Lochplatte 3a innerhalb des Zylinders 1e befestigt, welche die Ausdehnung des Strahles begrenzt und die eine axiale Symmetrie aufweisen kann oder auch nicht. Die zweite Linse ZL weist Komponenten 2a, 2b und 2c auf, die alle eine axiale Symmetrie zur gemeinsamen Achse der Komponenten 1c, 1d und 1e haben, wobei diese alle im allgemeinen auf verschiedenen Potentialen liegen. Die Komponente 1e kann einstückig mit der Komponente 2a ausgebildet sein, wobei diese einstückige Komponente somit eine gemeinsame Komponente der ersten und der zweiten Linse bildet. Die Komponente 2c weist beispielsweise das gleiche Potential wie eine Streu-

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feldplatte 5 auf, die am Eingang eines Elektronenenergieanalysator angeordnet ist, der noch zu beschreiben ist. Das Ende der Komponente 2c trägt eine mit einer öffnung versehene Platte 2d.

Die erste oder aberrationskompensierende Linse CL wird mit drei Betriebsarten betrieben. Bei der ersten sind die an die Linsenelemente la, 1b, 1c, 1d und 1e gelegten Potentiale derart, daß ein vergrößertes Bild der von einem kleinen, ausgewählten Bereich der Probe ausgesandten Elektronen, wie z.B. die Bereiche C oder D in Pig. 1, bei oder nahe der Lochplatte 3a scharf abgebildet wird, wobei die Lage des ausgewählten Bereiches durch die an die Ablenkeinrichtung P angelegeten Potentiale bestimmt wird. Beispielsweise, wenn keine Potentiale an die Ablenkeinrichtung gelegt werden, ist der ausgewählte Bereich koaxial zu den Linsenelementen an der Stelle C in Pig. 1, und die ausgesandten Elektronen folgen Bahnen, wie jenen, die durch unterbrochene Linienführung in der Pig. 1 dargestellt sind. Wenn aber geeignete von Null verschiedene Potentiale an die Ablenkeinrichtung gelegt werden, befindet sich der ausgewählte Bereich außerhalb einer axialen Lage, wie z.B. die Lage D in Pig. 1, und die ausgesandten Elektronen folgen Bahnen, wie jenen, die durch die ausgezogene Linienführung in Pig. 1 dargestellt sind. Bei dieser Betriebsart wirken die Linsenelemente 1a und 1b, die Elektronen zu verzögern und sie zur Achse zu brechen. Die weiteren Elemente 1c, 1d und 1e der Linse CL wirken, das Elektronenbündel bei oder nahe der ebenen Platte 3a zu fokussieren, und die Ablenkeinrichtung wirkt, das fokussierte Bündel durch die öffnung in der Platte 3 in einer axialen Richtung zu lenken. Die

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Linearvergrößerung des Bildes der Platte 3a ist typischerweise im Bereich von 3 bis 20, vorzugsweise im Bereiche von 5 bis 20, was hier als große Vergrößerung bezeichnet wird.

Wenn die Probe in geeigneter Weise bestrahlt wird, werden Elektronen über einen großen Winkelbereich ausgesandt. Lediglich jene Elektronen, die in die Linse CL innerhalb eines Konus eines begrenzten Raumwinkels eintreten, werden fokussiert. Die restlichen treffen auf die Linsenelemente auf und werden absorbiert.

Zwei Stufen von Ablenkeinrichtungen, wie die beiden Paare von gegenüberliegenden Platten P^P-i' und Pp¹⁵O¹ S^emäß Fig- 1» sind notwendig, um die von einem außerhalb der Achse liegenden Bereich der Probe ausgesandten Elektronen, wie z.B. von einem Bereich D in Pig. 1, zu einer Bedingung bzw. Stelle an der Platte 3a zu bringen, so daß der Elektronenstrahl eine Brennpunktslage bei oder nahe der öffnung in der Platte 3a aufweist und auch eine mittlere Richtung längs der Achse der Linse aufweist. Die erste Ablenkstufe ändert den Neigungswinkel zur Linsenachse von dem Bündel von Bahnen von jenen Elektronen, die von dem außerhalb der Achse liegenden Bereich empfangen wurden, während die zweite Ablenkstufe dieses Bahnenbündel weiter korrigiert, so daß es koaxial zu den Linsenelementen wird. Die zwei Ablenkstufen erzeugen einen Weg in der Form eines "Hundebeines¹¹, wie es durch die durchgezogene Linienführung in Pig. 1 gezeigt ist. Durch Änderung der Größe der Ablenkung kann der ausgewählte Bereich D in Richtung auf oder von dem axialen Bereich C. in jede Richtung bewegt werden.

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Durch weitere Ablenkplatten in Ebenen, die zu jenen in Fig. 1 gezeigten rechtwinkelig sind, kann der ausgewählte Bereich in einer zu der Ebene der Fig. 1 senkrechten Richtung verschoben werden. Die weiteren Ablenkplatten können, wie es in Pig. 2 gezeigt ist, zwei gegenüberliegende Platten P^,P^' in der gleichen Stufe wie die Platten P^, P^¹ und zwei gegenüberliegende Platten P^, P^¹ in der gleichen Stufe wie die Platten 1*2^2' ^umfassen* Andererseits, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, können die weiteren Ablenkplatten in einer Stufe zwischen den Platten P^., P_x.¹ und Pp» Pp' uncL in einer anderen Stufe hinter den Platten Ρ^,Ρρ¹ angeordnet werden.

Die Formen, Lagen und Potentiale der Elemente der Linse GL bei dem ersten Betriebsmodus sind derart, daß die Linse verringerte sphärische und andere Aberrationen aufweist, so daß von der Probe ausgesandte Elektronen innerhalb eines Konsu mit einem großen Halbwinkel von typischerweise 25° - 30° empfangen werden können und dennoch in einen Fleck geringer Größe an oder in der Nähe der öffnung der Platte 3a fokussiert werden. Die Aberrationen, die vom Sammeln der Elektronen über einen großen Winkel herstammen, sind mindestens teilweise dadurch überwunden, daß die teilweise durchlässigen, leitfähigen Gitter bzw. Maschengitter geeigneter Form verwandt werden und daß an sie geeignete Potentiale angelegt werden. Bei besonderen Anwendungen können die notwendigen Formen und Potentiale dieser Gitter und der anderen Elemente der die Aberration kompensierenden Linse durch Computerrechnungen der Elektronenbahnen durch die aberrationskompensierende Linse für eine Vielzahl verschiedener Formen und Potentiale der Gitter und der anderen Elemente bestimmt werden,

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wobei Jene Formen und Potentiale ausgewählt werden, die das Endbild mit den geringsten Aberrationen ergeben. Andererseits können die erforderlichen Formen und Potentiale der Gitter und der anderen Elemente dadurch bestimmt werden, daß experimentelle Messungen der Aberrationen des Endbildes über eine große Vielfalt verschiedener Formen und Potentiale durchgeführt werden.

Alle Linsen, die nur aus zylindrisch symmetrischen Elementen zusammengesetzt sind, die nicht durch die Achse hindurchgehen, weisen Aberrationen auf, die üblicherweise groß sind und nicht zu Null gemacht werden können, wohingegen mit Gittern die Möglichkeit besteht, einige der Aberrationen zu Null zu machen. Ferner werden durch die Verwendung von konkaven Gittern, zwischen denen ein Verzögerungsfeld vorliegt, Elektronen, die innerhalb eines großen Winkelbereiches (beispielsweise bis zu +, 30°) ausgesandt werden, gesammelt und zu einem nahezu parallelen Bündel zusammengefaßt, das dann einfacher durch die folgenden Linsen gehandhabt werden kann.

Während die Bedingung für die Aberrationskompensation beibehalten wird, können die Potentiale der Elemente der Linse CL verändert werden, um die kinetische Energie zu ändern, mit der die Elektronen die Öffnung in der Platte 3a erreichen. Die Fokussierungswirkung der Linse wird über diesen Bereich beibehalten, indem an das Element 1d das für die Änderung der kinetischen Energie geeignete Potential gelegt wird. Der mögliche Wertebereieh.für das Verhältnis der kinetischen Energie der fokussierten Elektronen an der öffnung in der Platte 3a zu der kinetischen Energie der gleichen Elektronen, die von der Probe ausgesandt werden, beträgt typischerweise von 1/50 bis 1/2.

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Bei der ersten Betriebsart wird die Lage des ausgewählten Bereiches, von dem ausgesandte Elektronen empfangen werden, wie z.B. der Bereich D in Fig. 1,- durch die Ablenkeinrichtung bestimmt, wie z.B. die Platten P,-, P^¹, ?2* P2¹ in Fig. 1. Wenn somit der gesamte Bereich der Probe fortwährend bestrahlt wird, ermöglicht die erste Betriebsart, ausgesandte Elektronen innerhalb eines Konus mit einem großen Halbwinkel aus einem begrenzten Bereich der einstellbaren Lage zu empfangen, wodurch es möglich ist, begrenzte Bereiche der Probe nacheinander zu untersuchen. Wenn andererseits ein begrenzter Bereich der Probe bestrahlt wird, wird der bestrahlte Bereich möglicherweise mit einer Rasterbewegung abgetastet, wobei die erste Betriebsart ermöglicht, das dieser Bereich, von dem Elektronen mit einem großen Wirkungsgrad empfangen werden, mit dem gerade bestrahlten Bereich in Übereinstimmung oder nahezu in Übereinstimmung gebracht wird, in dem bewirkt wird, daß die Ablenkeinrichtung in geeigneter Weise synchron mit der Bestrahlungseinrichtung mit Energie versorgt wird, wodurch somit die Rate der empfangenen Elektronen erhöht wird.

Bei der zweiten Betriebsart der äberrationskompensierenden Linse CL sind die an die Linsenelemente gelegten Potentiale die gleichen, wie bei der ersten Betriebsart, jedoch werden oszillierende bzw. schwingende Potentiale an die Ablenkeinrichtung gelegt, damit der ausgewählte Bereich, wie z.B. P in Fig. 1, einen begrenzten Bereich abtastet, welcher größer als derjenige von P ist, der jedoch kleiner als der eines fortwährend bestrahlten Bereiches der Probe ist. Die Anzahl der Elektronen, die während der Zeit einer vollständigen Abtastung des definierten Bereiches ausgesandt werden, von dem Analysator empfangen werden und dann von

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dem Nachweissystem empfangen werden, wird über die Abtastzeit gemittelt, so daß die festgestellte Eate von Elektronen der ausgewählten Energie oder Energien einer mittleren Elektronenemissionskraft bzw. Vermögen der Probe in dem definierten Bereich für Elektronen der Energie oder Energien entspricht. Durch Änderung der Amplitude und des Mittelwertes der an die Ablenkeinrichtung gelegten oszillierenden Potentiale kann die Lage der Grenzen des definierten Bereiches und seiner Mitte eingestellt und ausgewählt werden, und die Lage der Grenzen und der Mitte kann ferner angeordnet werden, so daß sie von der Anfangsenergie der ausgesandten, empfangenen und nachgewxesenen Elektronen unabhängig ist. Die Signalform der oszillierenden Potentiale, beispielsweise sinusförmig oder sägezahnförmig wird in geeigneter Weise ausgewählt, so daß die nachgewiesene Elektronenrate einem gleichförmigen, oder wenn erwünscht, einem nicht gleichförmigen Durchschnitt des Elektronenimmissionsvermögens des begrenzten Bereiches entspricht.

Bei dieser zweiten Betriebsart können die Form und Amplitude der an die Ablenkeinrichtung angelegten oszillierenden Potentiale auch so ausgewählt werden, daß sie einer Rate von nachgewxesenen Elektronen entsprechen welche einem mittleren Elektronenemxssionsvermögen über den gesamten bestrahlten Bereich der Probe entspricht.

Bei der dritten Betriebsart der aberrationskompensierenden Linse CL wird ein unterschiedlicher Satz von Potentialen an die Linsenelemente 1a, 1b, 1c, 1d,und 1e und ein KuIl-Potential an die Ablenkeinrichtung gelegt, so daß ein Bild der von dem gesamten bestrahlten Bereich der Probe

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ausgesandten Elektronen, welcher die Bereiche C und D in der Pig. 1 einschließen würde, an oder in der Nähe der Öffnung in der Platte 3a fokussiert wird. Bei dieser Betriebsart liegen üblicherweise die Elemente 1a, 1b, 1c und 1d im wesentlichen auf dem gleichen Potential, und die Elemente 1d und 1e wirken, die Elektronen abzubremsen und die Elektronenstrahlen an oder in der Nähe der Öffnung zu fokussieren. Das Verhältnis der kinetischen Energie der fokussierten Elektronen zu der kinetischen Energie der gleichen Elektronen, die von der Probe ausgesandt werden, ist typischerweise im Bereich von 1/30 bis 1/10. Mit dieser Betriebsart beträgt die Linearvergrößerung des Bildes an der Platte 3a ungefähr 1 oder weniger, typischerweise im Bereich von 3/2 bis 1/2, und der Halbwinkel des Konus, in dem die von jedem Teil des bestrahlten Bereiches der Probe ausgesandten Elektronen empfangen werden, ist entsprechend in seinem Wert verringert, der typischerweise im Bereich von 10° bis 1° liegt. Die Linse wirkt somit als ein Kollimator.

Die Potentiale an den Linsenelementen und der Ablenkeinrichtung werden durch Stromversorgungskreise geliefert, die keinen Teil der Erfindung darstellen, die jedoch Schaltereinrichtungen enthalten, die ermöglichen, die an die verschiedenen Linsenelemente gelegten Potentiale zu ändern. Die Linse CL wird zwischen den verschiedenen Betriebsarten durch die richtige Betätigung der Schaltereinrichtung des Stromversorgungskreises geschaltet, ohne daß die Notwendigkeit einer mechanischen Abänderung der Linsenelemente bestünde.

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Die zweite oder ΖΟΌΜ-Linse ZL empfängt das Elektronenbild bei oder nahe der Öffnung in der Platte 3a und bildet ein fokussiertes Bild bei oder nahe der Öffnung der Platte 5, die der Eingang zu einem Elektronenenergieanalysator ist. Das Element 2a liegt auf dem gleichen Potential wie dem des Elementes 1e der Linse CL und der Platte 3a. Das Element 2d weist ein Potential auf, welches typischerweise gleich oder ungefähr gleich demjenigen der Platte 5 ist. Das Verzögerungsverhältnis, d.h., das Verhältnis der kinetischen Energie der empfangenen Elektronen an der Platte 3a zu der kinetischen Energie der gleichen Elektronen an der Platte 5 ist durchgehend innerhalb eines Wertebereiches, welcher typischerweise von 5 bis 1/5 reicht, veränderbar. Die Fokussierungswirkung der Linse wird über diesen Bereich dadurch aufrechterhalten, daß an das Element 2d das für das Verzögerungsverhältnis geeignete Potential gelegt wird.

Das kombinierte System der Linsen CL und Linse ZL wird üblicherweise in einer von zwei Arten betrieben. Die erste dieser Arten wird als diejenige mit fester Analysatorübertragung beschrieben. Bei dieser werden die ausgesandten Elektronen, die untersucht werden sollen und die bei der Emission von der Probe die kinetische Anfangsenergie E^ haben, an der Platte 5 durch die bereits beschriebene Linsenanordnung fokussiert und an der Platte 5 auf eine konstante, vorbestimmte, kinetische Energie E_ gebracht, auf deren Durchgang der Analysator eingestellt ist. Die an die Linsenelemente angelegten Potentiale sind deshalb derart, daß sich die bereits beschriebene lOkussierungswirkung ergibt und daß gleichzeitig die erforderliche Änderung der kinetischen Energie von E- auf E erfolgt. Wenn es erwünscht ist, den Bereich der möglichen Energien

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E- der ausgesandten Elektronen abzutasten, müssen die an die Linsenelemente angelegten Potentiale synchron und in geeigneter Weise eingestellt werden, um die Fokussierungsbedingungen aufrecht zu erhalten und die kinetische Energie der Elektronen an der Platte 5 auf dem Wert E_Q zu halten.

Die zweite Betriebsart des kombinierten Systems aus der Linse CL und der Linse ZL wird als die Art mit festem Verzögerungsverhältnis beschrieben. Bei dieser werden die Elektronen, mit denen untersucht werden soll und die die kinetische Anfangsenergie E. haben, an der Platte 5 in der bereits beschriebenen Weise fokussiert und an der Platte 5 auf eine kinetische Energie E_Q gebracht, welche ein konstanter, vorbestimmter Teil 1/R von E- ist. Die an die Linsenelemente und die Analysatorelemente angelegten Potentiale sind derart, daß sich die bereits beschriebene Pokussierwirkung ergibt und daß gleichzeitig das geforderte Verhältnis E zwischen E und E_ erhalten wird, damit die Elektronen mit der Energie E_ durch den Analysator hindurchgehen können. Wenn es erwünscht ist, den Bereich möglicher Energien E- der ausgesandten Elektronen abzutasten, müssen die an die Linsenelemente und die Analysatorelemente angelegten Potentiale synchron und in geeigneter Weise eingestellt werden, um die Fokussierungsbedingungen, das Verhältnis R und die Durchgangsbedingungen für den Analysator aufrecht zu erhalten.

Es ist möglich, die Linse CL bei der Betriebsart mit festem Analysatordurchgang und mit festem Verzögerungsverhältnis alleine zu betreiben, ohne daß die Linse ZL zwischen der Linse CL und dem Analysator vorhanden ist, aber es liegt dann eine Verringerung des Bereiches der Energien E vor,

Sl

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die die empfangenen und fokussierten Elektronen am Eingang des Analysators haben können, und daher ergibt sich eine Verringerung des Bereiches der Elektronenenergieauflösung , mit der der Analysator betrieben werden kann.

Fig. 4- zeigt schematisch das gesamte Spektrometer, welches die Linsenanordnung 1, einen Elektronenenergie-Halbkugelanalysator 6 mit der Streuplatte 5 an seinem Eingang und Ausgang, eine Elektronennachweiseinrichtung 7» die am Ausgang des Analysators angeordnet ist, einen Verstärker und eine Anzeigeeinrichtung 9 aufweist. Die Anzeigeeinrichtung 9 ist geeigneterweise eine Kathodenstrahlröhre, die mit der Nachweiseinrichtung über den Verstärker verbunden ist, so daß die Kathodenstrahlröhrenanzeige durch das Ausgangssignal von der Nachweiseinrichtung intensitäts- oder ablenkungsmäßig moduliert wird. Andererseits kann die Anzeigeeinrichtung 9 ein X-Y-AufZeichnungsgerät sein, wobei der Y-Eingang mit der Nachweiseinrichtung über den Verstärker und der X-Eingang synchron mit der Energieversorgungseinrichtung zum Abtasten der Energie E. der ausgesandten Elektronen, die empfangen und nachgewiesen werden, abgetastet wird. Die Nachweiseinrichtung 7 umfaßt eine Meßeinrichtung für die Durchschnittsanzahl von empfangenen Elektronen während irgendeiner oder mehrerer Abtastungen der Probe, oder ist damit verbunden. Der dargestellte Analysator ist ein elektrostatischer, halbkugelförmiger Ablenkungsanalysator, kann jedoch auch andererseits ein anderer elektrostatischer oder magnetischer Analysator sein.

Ein Energieversorgungsschaltkreis 10 ist mit den Linsenelementen verbunden, um geeignete Potentiale an sie zu legen,und ein Abtastgenerator 11 ist mit der Ablenk-

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plattenanordnung P verbunden, damit geeignete, zeitabhängige, elektrische Signalformen an die Platten gelegt werden, um mit dem ausgewählten Bereich D die Probe abzutasten, wie es gefordert wird. Der Abtastgenerator 11 kann durch den Energieversorgungsschaltkreis 10 gesteuert werden, damit die Ablenkeinrichtung synchron mit der Energieversorgungseinrichtung zum Abtasten der Energie E^ der. ausgesandten Elektronen, die empfangen und nachgewiesen werden, verändert werden kann. Andererseits kann der Abtastgenerator auch mit den Ablenkplatten 9a, 9b der Kathodenstrahlröhre verbunden sein, um die Anzeige synchron mit der Abtastung der Linsenablenkplatten P abzutasten, wenn es erwünscht ist.

Es hat sich häufig herausgestellt, daß, wenn die Untersuchung einer Probe durchgeführt wird, wobei ein Spektrometer mit einem halbkugelförmigen, elektrostatischen Analysator, wie bei dem vorhergehend heschriebenenen Spektrometer, oder ein Energieanalysator mit zylinderförmigem Spiegel verwandt wird,und große Bereiche untersucht werden, indem mit einem feinfokussierten Bestrahlungsstrahlenbündel die Probe abgetastet wird, die äußeren Teile des abgetasteten Bereiches nicht durch einen Analysator fokussiert werden, der mit einer herkömmlichen Linse hoher Vergrößerung versehen ist. Beide Arten von Spektrometern können nur Bereiche von einigen wenigen hunderten fj m abtasten, ohne daß die Fokussierung verloren geht oder daß größereIntensitätsverluste auftreten. Dies liegt daran, daß der Bereich der Probe, der Auger-Elektronen aussendet, welcher der von dem Bestrahlungsstrahlenbündel beaufschlagte Bereich ist, nicht ganz auf der Achse der Linse liegt. Jedoch ist es durch Verwendung eines Linsenablenksystems, wie es vorhergehend

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beschrieben worden ist, möglich, die Elektronenbahnen von solchen außerhalb der Achse aussendenden Bereichen zu der Linsenachse zurückzuführen, und durch synchrones Abtasten sowohl der Linse als auch des Bestrahlungsstrahlenbündels über die Probe ist es möglich, eine große Elektronenrate
in einem fokussierten Strahlenbündel am Eingang des
Analysators zu erhalten.

Obgleich hier auf einen halbkugelförmigen Analysator Bezug genommen worden ist, sollen mit diesem Ausdruck nicht nur jene mit 180° sondern auch andere Abschnitte einer
vollen Kugel, beispielsweise von 120° bis 180° umfaßt
werden.

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Leerseite

Claims

PATEfJTANWALTE

REPRESENTATIVES BEFORE THE
EUROPEAN PATENT OFFICE

ERATOS LIMITED
Barton Dock Road , Urmston
Manchester Μ3Ί 2LD
England

Elektronenspektrometer

Pat ent ansprüche

30A5013

A. GRUNECKER H. KINKELDEY

DR-ING

W. STOCKMAIR

OR-INQ AeElCALTSCH

K. SCHUMANN

DR R£R NAT CMPL-PHVS

P. H. JAKOB

DlPL-ING

G. BEZOLD

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

28. November 1980 PHI5 685 - Wsg

Elektronenspektrometer mit einem halbkugelförmigen Analysator, mit einer Einrichtung zur Bestrahlung einer in einer Probenstellung angeordneten Probe, um eine Elektronenemission von dieser zu bewirken, mit einem elektronenoptischen Linsensystem, welches eine Vielzahl von Elementen umfaßt, um die von der Probe emittierten Elektronen zu empfangen und die empfangenen Elektronen zu dem Analysator zu lenken, mit einer mit dem Analysator verbundenen Nachweiseinrichtung, um die analysierten Elektronen zu bestimmen, und mit einer Energxeversorgungseinrichtung, um Potentiale an die Elemente derart zu legen, daß von einem begrenzten Bereich der Probe ausgesandte Elektronen durch das

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TELEFON (OBS) 33 38 69

TELEX 0B-3S38O

TELEGRAMME MONAPAT

Linsensystem zu einen Brennpunkt geführt werden, dadurch gekennzeichnet , daß das elektronenoptische Linsensystem wenigstens zwei beabstandete Geflechts- bzw. Gitterelemente (1a, 1b) am Eingang zu dem Linsensystem aufweist, wobei die Gitterelemente (1a, 1b) konkav in Richtung auf die Probenstellung geformt sind, daß die Energieversorgungseinrichtung (10) in einer ersten Betriebsart, um einen ersten Satz von Potentialen an die Elemente zu legen, so daß zwischen den Gitterelementen hindurchgehende Elektronen abgebremst werden, um eine Brechung der Elektronen hervorzurufen und das Sammeln der Elektronen von dem ausgewählten Bereich zu ermöglichen, und in einer zweiten Betriebsart betreibbar ist, um einen zweiten Satz von Potentialen an die Linsenelemente zu legen, um Elektronen von einem bestrahlten Bereich aufzunehmen, welcher viele Male größer als der ausgewählte Bereich ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Potentiale an die Linsenelemente zu schalten, um das Spektrometer zwischen verschiedene Betriebsarten ohne eine mechanische Änderung der Linsenelemente umzuschalten.
2. Elektronenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Elektronen-Linsensystem eine Elektronenablenkeinrichtung (Ρ,,,-Ρ^·) aufweist und daß die Energieversorgungseinrichtung (10) betreibbar ist, um Potentiale an die Ablenkeinrichtung zu legen, um den ausgewählten Bereich auf irgendeine erwünschte Stelle auf der Probe (4) zu lokalisieren.
3. Elektronenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Energieversorgungs-

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einrichtung (10) eine Linsenabtasteinrichtung (11) aufweist, um zeitveränderliche Potentiale an die Ablenkeinrichtung (P^-P^¹) zu legen, um den ausgewählten Bereich über die Probe (4) im Abtastbetrieb zu bewegen.
4·. Elektronenspektrometer nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Energieversorgungseinrichtung (10) derart betreibbar ist, daß Elektronen mit einer ausgewählten Energie oder mit einem Energieband zu einem Brennpunkt an dem Analysator bringbar sind und daß durch Potentialänderung an den Linsenelementen die ausgewählte Energie oder das Energieband der fokussierten Elektronen veränderbar ist.
5· Elektronenspektrometer nach Anspruch 3 oder 4-, dadurch gekennzeichnet , daß die Linsenabtasteinrichtung (11) derart betreibbar ist, daß oszillierende bzw. schwingende Potentiale an die Ablenkeinrichtung (P^.-P^¹) anlegbar sind, um ein durchgehendes Abtasten der Probe (4) zu ermöglichen und damit Elektronen aus einem Bereich aufzunehmen, welche größer als der ausgewählte Bereich ist und der im wesentlichen konstant gehalten werden kann, wenn die Anfangsenergie der Elektronen verändert wird, die von der Probe ausgesandt und von dem Analysator emfpangen werden.
6. Elektronenspektrometer nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Bestrahlen der Probe (4) derart betreibbar ist, daß nur der ausgewählte Bereich oder ein begrenzter Bereich der Probe unter Einschluß des ausgewählten Bereichs bestrahlbar ist und daß die Probe synchron mit der Abtasteinrichtung (11) abtastbar ist.

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7· Elektronenspektrometer nach Anspruch 6, dadurch g e kennzeichnet, daß die Bestrahlungseinrichtung zu jedem Zeitpunkt die Gesamtheit der Fläche der Probe, die von dem Linsensystem abgetastet wird, bestrahlt.
8. Elektronenspektrometer nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeeinrichtung (9) mit der Nachweiseinrichtung (7) so verbunden ist, daß die Anzeige durch den Ausgang der Nachweiseinrichtung (7) intensitätsmoduliert od^l· ablenkungsmoduliert ist, und daß eine Einrichtung zufeAbtasten der Anzeigeeinrichtung synchron mit der Linsenabtasteinrichtung (11) vorgesehen ist.
9- Elektronenspektrometer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Amplitude der Abtasteinrichtung (11) veränderbar ist, um die Grenzen des Bereiches der Probe nach innen oder außen zu bewegen, über den der ausgewählte Bereich abtastet, um so die Größe des abgetasteten Bereiches zu verändern.
10. Elektronenspektrometer nach Anspruch 5> 6 oder 9» dadurch gekennzeichnet ,■ daß eine Einrichtung zur Mittelung des Signals von der Nachweiseinrichtung (7) über den gesamten, während eines oder mehrerer Abtastzyklen abgetasteten Bereiches vorgesehen ist.
11. Elektronenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Satz von Potentialen bewirkt, daß das Linsensystem als ein Kollimator arbeitet und Elektronen gleichzeitig von dem größeren Bereich aufnimmt.

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12. Elektronenspektrometer mit eineni halbkugelförmigen Analysator, mit einer Einrichtung zur Bestrahlung einer in einer Probestellung angeordneten Probe, um eine Elektronenemission von dieser zu bewirken, mit einem elektronenoptischen Linsensystem, welches eine Vielzahl von Elementen umfaßt, um die von der Probe emittierten Elektronen zu empfangen und die empfangenen Elektronen zu dem Analysator zu lenken, mit einer mit dem Analysator verbundenen Kachweiseinrichtung, um die analysierten Elektronen zu bestimmen, und mit einer Energieversorgungseinrichtung, um Potentiale an die Elemente derart zu legen, daß von einem begrenzten Bereich der Probe ausgesandte Elektronen durch das Linsensystem zu einen Brennpunkt geführt werden, dadurch gekennzeichnet ,daß das elektronenoptische Linsensystem wenigstens zwei beabstandete Gitterlemente (la, 1b) am Eingang zu dem Linsensystem aufweist, wobei die Girrerelemente konkav in Richtung auf die Probenlage geformt sind, daß die Linsenelemenre Elektronenablenkelemente (Ρ^,-Ρ^¹) umfaßt, die wenigstens zwei Abienkstufen definieren, daß die Energieversorgungseinrichtung (10) eine Linsenabtasteinrichtung (11) aufweist und in einer ersten Betriebsart,um Potentiale an die Linsenelemente zu legen, so daß zwischen den Gitterelementen hindurchgehende Elektronen abgebremst werden, um eine Brechung der Elektronen hervorzurufen und das Einsammeln von Elektronen über einen großen Aufnahmewinkel von dem ausgewählten Bereich zu ermöglichen und eine größere Linearvergrößerung zu erzielen, und in einer zweiten Betriebsart betreibbar ist, damit die Abtasteinrichtung (11) den ausgewählten Bereich mit einer durchgehenden und wiederholten Abtastbewegung
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über einen Bereich der Probe (4-) bewegt, der viele Male größer als der ausgewählte Bereich ist, und daß eine Einrichtung zur Mittelung des Signals an der Hachweiseinrichtung (7) für jede Abtastung vorgesehen ist.

Elektronenspektrometer mit einem halbkugelförmigen Analysator, mit einer Einrichtung zur Bestrahlung einer in einer Probenstellung angeordneten Probe, um eine Elektronenemission von dieser zu bewirken, mit einem elektronenoptischen Linsensystem, welches eine Vielzahl von Elementen umfaßt, um die von der Probe emittierten Elektronen zu empfangen und die empfangenen Elektronen zu dem Analysator zu lenken, mit einer mit dem Analysator verbundenen Nachweiseinrichtung, um die analysierten Elektronen zu bestimmen, und mit einer Energieversorgungseinrichtung, um Potentiale an die Elemente derart zu legen, daß von einem begrenzten Bereich der Probe ausgesandte Elektronen durch das Linsensystem zu einem Brennpunkt geführt werden, dadurch gekennzeichnet , daß das elektronenoptische Linsensystem wenigstens zwei beabstandete Gitterelemente (1a, 1b) am Eingang zu dem Linsensystem aufweist, wobei die Gitterelemente konkav in Richtung auf die Probenstellung geformt sind, daß wenigstens zwei Stufen von Elektronenabienkeinrichtungen (Ρ,,-Ρ^¹) innerhalb des Linsensystems vorgesehen sind, daß die Energieversorgungseinrichtung mit einer ersten Betriebsart,um solche Potentiale an die Elemente und die Ablenkeinrichtung zu legen, damit zwischen den Gitterelementen (1a, 1b) hindurchgehende Elektronen abgebremst werden, um eine Brechnung der Elektronen zu bewirken und das Sammeln der Elektronen über einen großen Aufnahmewinkel

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aus dem ausgewählten Bereich zu ermöglichen und eine große Linearvergrößerung zu erreichen, und mit einer zweiten Betriebsart betreibbar ist, um die gleichen Potentiale an die Linsenelemente unter Ausschluß der Ablenkeinrichtung (P^-P^¹) zu legen, wobei oszillierende Potentiale an die Ablenkeinrichtung.derart gelegt werden, daß Elektronen von einem Bereich empfangen werden, welcher großer als der ausgewählte Bereich ist und welcher im wesentlichen konstant gehalten werden kann, wenn die Anfangsenergie der Elektronen verändert wird, die von der Probe ausgesandt und von dem Analysator empfangen werden, und daß die Energieversorgungseinrichtung in einer dritten Betriebsart betreibbar ist, um einen unterschiedlichen Satz von Potentialen an die Linsenelemente zu legen, damit Elektronen von der Gesamtheit eines bestrahlten Bereiches empfangen werden, welcher viele Male größer als der ausgewählte Bereich ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Potentiale an die Linsenelemente zu schalten, damit das Spektrometer zwischen verschiedenen Betriebsarten ohne mechanische Änderung der Linsenelemente umgeschaltet werden kann.

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