DE3045013C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Elektronenspektrometer mit
Einrichtungen zur Bestrahlung einer Probe mit Photonen
oder Elektronen, einem Analysator zur Analyse der von
der Probe infolge der Bestrahlung emittierten
Elektronen, einer mit dem Analysator verbundenen
Detektoreinrichtung für die analysierten Elektronen,
wenigstens zwei im Abstand zueinander befindlichen,
zwischen der Probe und dem Analysator angeordneten,
in Richtung auf die Probe konkav geformten Gitterelementen,
einer Energieversorgungseinrichtung zum
Anlegen eines ersten Satzes von Potentialen an die
Gitterelemente, um die Elektronen aus einem ausgewählten
Bereich der Probenoberfläche zu analysieren, und zum
Anlegen eines zweiten Satzes von Potentialen, um die
Elektronen aus einem bestrahlten Bereich der
Probenoberfläche, der viele Male größer als der ausgewählte
Bereich ist, zu analysieren, und mit einer
Schalteinrichtung zum Umschalten zwischen den beiden
Sätzen von Potentialen.
Bei den Geräten zur Oberflächenuntersuchung gibt es zwei
Hauptarten von Elektronen-Spektrometern. Die erste Art, wie
sie beispielsweise aus der GB-PS 13 32 207 und der DE-AS 23 31 051
bekanntgeworden ist, umfaßt einen
Halbkugel-Analysator (HSA) und wird hauptsächlich bei der
Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie (XPS)
eingesetzt, bei der die Primärstrahlung, nämlich
Röntgenstrahlen, eine relativ große Fläche der Probe,
typischerweise 0,1 bis 1 cm², beaufschlagt und aus dieser
Fläche Elektronen freisetzt. Bei dieser Art von
Elektronenspektrometer ist es erforderlich, eine
Einrichtung vorzusehen, um die freigesetzten Elektronen aus
diesem relativ großen Bereich zu sammeln und die
gesammelten Elektronen dem Analysator zuzuführen. Hierfür
wurden im allgemeinen elektronenoptische Linsensysteme an
einer Stelle zwischen der zu untersuchenden Probe und dem
Analysator verwandt, und zwar in einer Weise, welche im
wesentlichen so beschrieben werden kann, daß von der
gesamten, bestrahlten Fläche ausgesandte Elektronen
kollimiert und auf einen Punkt fokussiert werden, der sich
am Eingang des Analysators befindet.
Bei der zweiten Art von Elektronenspektrometer, wie sie
etwa aus der DE-AS 22 41 612 und dem "Journal of Electron
Spectroscopy and Related Phenomena". Vol. 5,
November/Dezember 1974, S. 691-702 bekanntgeworden ist,
wird ein Analysator mit zylinderförmigem Spiegel (CMA)
verwandt und ein solches Elektronen-Spektrometer fand
bisher bei der Auger-Elektronenspektroskopie (AES),
insbesondere dort eine Anwendung, wo die Strahlungsquelle,
d. h. die von dieser ausgehenden Elektronen auf eine kleine
Fläche der Probe in der Größenordnung von 1 µm² oder sogar
noch kleiner fokussiert werden. Bei dieser Anwendung wird
es durch die geometrische Ausbildung der Elektronenkanone,
die als Quelle für die Primärstrahlung verwandt wird,
ermöglicht, daß die von der kleinen, bestrahlten Fläche
ausgesandten Elektronen über einen großen Raumwinkel,
typischerweise 0,5 Grad gesammelt werden, wodurch die
Empfindlichkeit bei dieser Betriebsart maximalisiert wird.
Die bekannten beschriebenen Elektronenspektrometer werden
nicht dem zunehmenden Bedürfnis gerecht, bei
Oberflächenuntersuchungen nacheinander mit dem gleichen
Gerät sowohl Photoelektronen - als auch
Augerelektronenspektrometrie mit hoher Meßempfindlichkeit
bzw. hoher Auflösung betreiben zu können. Entweder sind
die elektronenoptischen Einrichtungen der Spektrometer
mit einem Halbkugel-Analysator nicht dazu geeignet, dem
Halbkugel-Analysator initiierte Augerelektronen aus einem
großen Raumwinkelbereich zuzuführen, oder die Auflösung
ist zu gering, wenn von einer verhältnismäßig großen
bestrahlten Fläche emittierte Photoelektronen durch einen
zylindrischen Spiegelanalysator analysiert werden sollen.
In dem "Journal of Electron Spectroscopy and Related
Phenomena", Vol. 5, November/Dezember 1974, S. 691-703
ist ein für die kombinierte
Auger-/Photoelektronenspektrometrie vorgesehenes
Analysegeräte beschrieben. Es weist zwei axial
hintereinander angeordnete zylindrische Spiegelanalysatoren
mit einer zwischen beiden Analysatoren und einer am
Analysatorausgang angeordneten internen Blende sowie am
Analysatoreingang angeordnete, zueinander beabstandete
Gitterelemente auf, wobei das in Richtung auf den
Analysator zweite Gitter mit einer negativen Bremsspannung
beaufschlagbar ist. Bei der Photoelektronenspektrometrie
wird die Energieauflösung dadurch optimiert, daß die
Energie der Elektronen zwischen den Gittern um einen
bestimmten Betrag reduziert wird.
Ein Nachteil dieses kombinierten
Auger-/Photoelektronenspektrometers besteht darin, daß zur
Optimierung der Meßbedingungen für Photo- und
Augerelektronenspektroskopie jeweils interne Blenden mit
unterschiedlichen Weiten erforderlich sind, die beim
Übergang zwischen beiden Betriebsarten zu wechseln sind.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein kombiniertes, sowohl für die Photo- als auch
Augerelektronenspektrometrie einsetzbares Analysegerät für
jeweils hohe Auflösung anzugeben, bei dem beim Übergang
zwischen beiden Betriebsarten keine Veränderungen am Aufbau
der Meßeinrichtung vorgenommen werden müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
das Spektrometer einen Halbkugel-Analysator 6 und ein
elektronenoptisches Linsensystem 1 für den Empfang der von
der Probe emittierten Elektronen und deren Weiterführung
in den Analysator 6 aufweist, daß die Gitterelemente
1 a, 1 b am Eingang des Linsensystems angeordnet sind und
einen Teil davon bilden, und daß an die übrigen Teile 1 c, 1 d, 1 e
des Linsensystems 1 ein dem jeweiligen Potential der Gitterelemente 1 a, 1 b
entsprechender Satz von Potentialen anlegbar ist.
Das Spektrometer mit einem Halbkugel-Analysator und einem
davor angeordneten elektronenoptischen Linsensystem wird
für die Augerelektronenspektrometrie dadurch zusätzlich
einsetzbar, daß die Elektronen durch die Gitterelemente
derart ablenkbar sind, daß Abbildungsfehler des
Linsensystems bei Sammlung der Elektronen über einen großen
Raumwinkel minimiert sind.
Wird das Spektrometer als Photoelektronenspektrometer
verwandt, so sind keine mechanischen Veränderungen am
elektronenoptischen Linsensystem oder am Analysator
erforderlich. Die Umschaltung erfolgt jeweils lediglich
durch Anlegen unterschiedlicher Steuerungspotentiale an das
elektronenoptische Linsensystem.
Insbesondere werden bei dem Anlegen eines ersten Satzes
von Potentialen an die Gitterelemente die Elektronen
innerhalb eines Raumwinkels entsprechend eines Konus mit einem großen Halbwinkel von
beispielsweise 25° bis 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.
Das elektronenoptische Linsensystem kann vorzugsweise
eine Elektronenablenkeinrichtung aufweisen, an die mit
Hilfe der Energieversorgungseinrichtung Potentiale
anlegbar sind, um den ausgewählten Bereich auf irgendeine
erwünschte Stelle auf der Probe zu lokalisieren.
Gemäß einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung kann die
Energieversorgungseinrichtung eine Linsenabtasteinrichtung
aufweisen, um zeitveränderliche Potentiale an die
Elektronenablenkeinrichtung zu legen, um den ausgewählten
Bereich über die Probe zu bewegen.
Ferner kann die Energieversorgungseinrichtung derart
betreibbar sein, daß Elektronen mit einer ausgewählten
Energie oder aus einem Energieintervall zu einem Brennpunkt
an dem Analysator bringbar sind und daß durch
Potentialänderung an den Linsenelementen die ausgewählte
Energie oder das Energieintervall der fokussierten
Elektronen veränderbar ist. Auf diese Weise kann eine
Messung der Elektronendurchschnittsrate ausgewählter
Energie oder eines Energieintervalls von dem untersuchten
größeren Bereich der Probe erhalten werden.
Es wird insgesamt somit der Vorteil erreicht, daß durch
Betätigung eines Schalters, mit dem verschiedene Sätze von
Potentialen an die verschiedenen Elemente des
elektronenoptischen Linsensystems angelegt werden, der
Sammelwirkungsgrad geändert wird, so daß entweder
Elektronen über einen relativ großen Flächenbereich,
typischerweise von 0,1 bis 1 cm² im Falle der
Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie gesammelt
werden oder daß Elektronen über einen kleinen Bereich
in der Größenordnung von 1 mm² oder weniger in einem Raumwinkel entsprechend
eines Konus mit einem großen Halbwinkel von typischerweise
25° bis 30° im wesentlichen ohne Aberration für die
Auger-Elektronenspektroskopie abgetastet wird, um die
Mittelrate der Elektronen über den untersuchten Bereich
der Probe 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
Analysenvorrichtungen möglich war. Ferner kann der
abgetastete Bereich konstant gehalten werden, unabhängig
davon, welche Elektronenenergie von dem Analysator
durchgelassen wird.
Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße System eine
Abtastung derart, daß Elektronen von kleinen Bereichen
in der Größenordnung von weniger als 1 mm² bei der
Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie gesammelt
werden können.
Weitere vorzugsweise Augestaltungen der Erfindung gehen
aus den Unteransprüchen hervor.
Im folgenden soll die Erfindung näher anhand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert
werden. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Längsschnittdarstellung durch
ein elektronenoptisches Linsensystem mit großem
Eintrittswinkel, das Teil eines Spektrometers
nach der Erfindung ist, wobei mit unterbrochener
Linienführung der Weg eines axialen
Elektronenstrahls und mit durchgezogener
Linienführung der Weg eines abgelenkten
Elektronentstrahls gezeigt ist,
Fig. 2 im größeren Maßstab einen Teil des Linsensystems
gemäß Fig. 1, wobei die Anordnung der
Ablenkplatten gezeigt ist,
Fig. 3 eine Ansicht des Linsensystems 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.
Das elektronenoptische Linsensystem 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 Linie weist
die Komponenten 1 a und 1 b 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 Krümmungsmittelpunkt zwischen den Komponenten 1 a
und der Mitte der Probe 4 liegen.
Das Linsensystem ist innerhalb einer Vakuumkammer, die
nicht dargestellt ist, eingeschlossen und die Komponente
1 a des Linsensystems wird beispielsweise auf dem gleichen
Potential wie das der Probe und der Vakuumkammer gehalten,
welches als Erdpotential bezeichnet wird. Die Komponente 1 b,
welche auf dem gleichen oder einem unterschiedlichen
Potential von demjenigen der Komponente 1 a liegt, ist elektrisch
und mechanisch mit der Komponente 1 c verbunden. Die
erste Linse CL weist ferner die Komponenten 1 d und 1 e auf.
Alle diese Komponenten 1 c, 1 d und 1 e, die in geeigneter Weise
zylinderförmig ausgebildet sind, haben eine axiale Symmetrie
bezüglich einer gemeinsamen Achse, wobei diese Achse auch
die Krümmungsmittelpunkte der Komponenten 1 a und 1 b enthält.
Die Linse CL ist ferner mit einer Elektronenablenkeinrichtung
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 P₁, P′₁ und P₂, P′₂, die allgemein
im folgenden als Ablenkeinrichtung P bezeichnet werden.
Zwischen der ersten und der zweiten Linse ist eine Lochplatte
3 a innerhalb des Zylinders 1 e befestigt, welche
die Ausdehnung des Strahles begrenzt und die eine axiale
Symmetrie aufweisen kann oder auch nicht. Die zweite Linse
ZL weist Komponenten 2 a, 2 b und 2 c auf, die alle eine
axiale Symmetrie zur gemeinsamen Achse der Komponenten 1 c,
1 d und 1 e haben, wobei diese alle im allgemeinen auf verschiedenen
Potentialen liegen. Die Komponente 1 e kann einstückig
mit der Komponente 2 a ausgebildet sein, wobei diese
einstückige Komponente somit eine gemeinsame Komponente der
ersten und der zweiten Linse bildet. Die Komponente 2 c
weist beispielsweise das gleiche Potential wie eine Streufeldplatte
5 auf, die am Eingang eines Elektronenenergieanalysators
angeordnet ist, der noch zu beschreiben ist.
Das Ende der Komponente 2 c trägt eine mit einer Öffnung
versehene Platte 2 d.
Die erste oder aberrationskompensierende Linse CL wird
in drei Betriebsarten betrieben. Bei der ersten sind
die an die Linsenelemente 1 a, 1 b, 1 c, 1 d und 1 e 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 Fig. 1, bei oder nahe der
Lochplatte 3 a scharf abgebildet wird, wobei die Lage des
ausgewählten Bereiches durch die an die Ablenkeinrichtung P
angelegten 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 Fig. 1, und die ausgesandten Elektronen
folgen Bahnen, wie jenen, die durch unterbrochene Linien
in der Fig. 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 Fig. 1,
und die ausgesandten Elektronen folgen Bahnen, wie jenen,
die durch die ausgezogenen Linien in Fig. 1 dargestellt
sind. Bei dieser Betriebsart wirken die Linsenelemente
1 a und 1 b derart, daß sie die Elektronen verzögern und sie
zur Achse brechen. Die weiteren Elemente 1 c, 1 d und 1 e
der Linse CL wirken derart, daß sie das Elektronenbündel bei oder nahe
der ebenen Platte 3 a fokussieren, und die Ablenkeinrichtung
bewirkt, daß das fokussierte Bündel durch die Öffnung
in der Platte 3 in einer axialen Richtung gelenkt wird. Die
Linearvergrößerung des Bildes der Platte 3 a ist typischerweise
im Bereich von 3 bis 20, vorzugsweise im Bereich
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 P₁P′₁ und P₂P′₂ gemäß 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 Fig. 1, zu einer
Stelle an der Platte 3 a zu bringen, so daß der
Elektronenstrahl eine Brennpunktlage bei oder nahe der
Öffnung in der Platte 3 a 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 "Hundebeines", wie es durch die durchgezogene
Linienführung in Fig. 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.
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 Fig. 2 gezeigt ist, zwei gegenüberliegende
Platten P₃, P′₃ in der gleichen Stufe wie die
Platten P₁, P′₁ und zwei gegenüberliegende Platten P₄, P′₄
in der gleichen Stufe wie die Platten P₂P′₂ umfassen.
Andererseits, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, können die
weiteren Ablenkplatten in einer Stufe zwischen den Platten
P₁, P′₁ und P₂, P′₂ und in einer anderen Stufe hinter den
Platten P₂, P′₂ angeordnet werden.
Die Formen, Lagen und Potentiale der Elemente der Linse
CL sind bei dem ersten Betriebsmodus derart, daß die
Linse verringerte sphärische und andere Aberrationen aufweist,
so daß von der Probe ausgesandte Elektronen innerhalb
eines Raumwinkels entsprechend eines Konus 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 3 a 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.
Maschinengitter geeignete Form haben 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,
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 zylindersymmetrischen 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 geleitet
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 3 a erreichen.
Die Fokussierungswirkung der Linse wird über diesen
Bereich beibehalten, indem an das Element 1 d das für die
Änderung der kinetischen Energie geeignete Potential gelegt
wird. Der mögliche Wertebereich für das Verhältnis der
kinetischen Energie der fokussierten Elektronen an der
Öffnung in der Platte 3 a zu der kinetischen Energie der
gleichen Elektronen, die von der Probe ausgesandt werden,
beträgt typischerweise von 1/50 bis 1/2.
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 P₁, P′₁, P₂, P′₂
in Fig. 1.
Wenn somit der gesamte Bereich der Probe fortwährend bestrahlt
wird, ermöglicht die erste Betriebsart, ausgesandte
Elektronen innerhalb eines Raumwinkels entsprechend 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 es die erste Betriebsart ermöglicht, daß
dieser Bereich, von dem Elektronen mit einem großen Wirkungsgrad
empfangen werden, mit dem gerade bestrahlten Bereich
in Übereinstimmung oder nahezu in Übereinstimmung gebracht
wird, indem bewirkt wird, daß die Ablenkeinrichtung in
geeigneter Weise synchron mit der Bestrahlungseinrichtung
mit Energie versorgt wird, wodurch die Rate der
empfangenen Elektronen erhöht wird.
Bei der zweiten Betriebsart der aberrationskompensierenden
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.
D in Fig. 1, einen begrenzten Bereich abtastet, welcher
größer als derjenige von D 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
der Detektoreinrichtung empfangen werden, wird über die Abtastzeit
gemittelt, so daß die festgestellte Rate von Elektronen
der ausgewählten Energie oder Energien einem mittleren
Elektronenemissionsvermögen 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 nachgewiesenen Elektronen unabhängig
ist. Die Signalform der oszillierenden Potentiale,
beispielsweise sinusförmig oder sägezahlförmig, wird in geeigneter
Weise ausgewählt, so daß die nachgewiesene Elektronenrate
einem gleichförmigen, oder wenn erwünscht, einem
nicht gleichförmigen Durchschnitt des Elektronenemmissionsvermögens
des begrenzten Bereichs 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 nachgewiesenen Elektronen entsprechen, welche einem
mittleren Elektronenemissionsvermögen 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 1 a, 1 b, 1 c, 1 d und 1 e und ein Null-
Potential an die Ablenkeinrichtung gelegt, so daß ein
Bild der von dem gesamten bestrahlten Bereich der Probe
ausgesandten Elektronen, welcher die Bereiche C und D in
der Fig. 1 einschließen würde, an oder in der Nähe der
Öffnung in der Platte 3 a fokussiert wird. Bei dieser Betriebsart
liegen üblicherweise die Elemente 1 a, 1 b, 1 c
und 1 d im wesentlichen auf dem gleichen Potential, und
die Elemente 1 d und 1 e bewirken, daß die Elektronen abgebremst
und die Elektronenstrahlen an oder in der Nähe der Öffnung
fokussiert werden. 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 3 a ungefähr 1 oder weniger, und sie liegt typischerweise im
Bereich von 3/2 bis 1/2, und der Raumwinkel entsprechend dem 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.
Die zweite oder ZOOM-Linse ZL empfängt das Elektronenbild
bei oder nahe der Öffnung in der Platte 3 a und bildet ein
fokussiertes Bild bei oder nahe der Öffnung der Platte 5,
die der Eingang zu einem Elektronen-Energieanalysator ist.
Das Element 2 a liegt auf dem gleichen Potential wie das des
Elementes 1 e der Linse CL und der Platte 3 a. Das Element 2 d
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 3 a 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 2 d 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 i
haben, an der Platte 5 durch die bereits beschriebene
Linsenanordnung fokussiert und an der Platte 5 auf eine
konstante, vorbestimmte, kinetische Energie E a gebracht,
auf deren Durchgang der Analysator eingestellt ist. Die an
die Linsenelemente angelegten Potentiale sind deshalb derart,
daß sich die bereits beschriebene Fokussierungswirkung
ergibt und daß gleichzeitig die erforderliche
Änderung der kinetischen Energie von E i auf E a erfolgt.
Wenn es erwünscht ist, den Bereich der möglichen Energien
E i 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 a 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 i haben, an der Platte 5 in
der bereits beschriebenen Weise fokussiert und an der
Platte 5 auf eine kinetische Energie E a gebracht, welche
ein konstanter, vorbestimmter Teil 1/R von E i ist. Die an
die Linsenelemente und die Analysatorelemente angelegten
Potentiale sind derart, daß sich die bereits beschriebene
Fokussierwirkung ergibt und daß gleichzeitig das geforderte
Verhältnis R zwischen E i und E a erhalten wird, damit die
Elektronen mit der Energie E a durch den Analysator hindurchgehen
können. Wenn es erwünscht ist, den Bereich
möglicher Energien E i 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 a vor,
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 Elektronendetektoreinrichtung 7, die am
Ausgang des Analysators angeordnet ist, einen Verstärker 8
und eine Anzeigeeinrichtung 9 aufweist. Die Anzeigeeinrichtung
9 ist geeigneterweise eine Kathodenstrahlröhre,
die mit der Detektoreinrichtung 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 i der ausgesandten
Elektronen, die empfangen und nachgewiesen werden, abgetastet
wird. Die Detektoreinrichtung 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 Ablenkplattenanordnung
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 i der ausgesandten
Elektronen, die empfangen und nachgewiesen werden,
verändert werden kann. Andererseits kann der Abtastgenerator
auch mit den Ablenkplatten 9 a, 9 b der Kathodenstrahlröhre 9
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 beschriebenen 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 µm abtasten, ohne daß die
Fokussierung verloren geht oder daß größere Intensitätsverluste
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
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.
Claims (10)
1. Elektronenspektrometer mit Einrichtungen zur Bestrahlung
einer Probe (4) mit Photonen oder Elektronen, einem
Analysator (6) zur Analyse der von der Probe (4) infolge
der Bestrahlung emittierten Elektronen, einer mit dem
Analysator (6) verbundenen Detektoreinrichtung (7) für die
analysierten Elektronen, wenigstens zwei im Abstand
zueinander befindlichen, zwischen der Probe (4) und dem
Analysator (6) angeordneten, in Richtung auf die Probe
konkav geformten Gitterelementen (1 a, 1 b), einer
Energieversorgungseinrichtung (10) zum Anlegen eines
ersten Satzes von Potentialen an die Gitterelemente,
um die Elektronen aus einem ausgewählten Bereich der
Probenoberfläche zu analysieren, und zum Anlegen eines
zweiten Satzes von Potentialen, um die Elektronen aus
einem bestrahlten Bereich der Probenoberfläche, der
viele Male größer als der ausgewählte Bereich ist, zu
analysieren, und mit einer Schalteinrichtung zum
Umschalten zwischen den beiden Sätzen von Potentialen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrometer einen
Halbkugel-Analysator (6) und ein elektronenoptisches
Linsensystem (1) für den Empfang der von der Probe
emittierten Elektronen und deren Weiterführung in
den Analysator (6) aufweist, und daß die Gitterelemente
(1 a, 1 b) am Eingang des Linsensystems, angeordnet sind
und einen Teil davon bilden, und daß an die
übrigen Teile (1 c, 1 d, 1 e) des Linsensystems (1) ein dem jeweiligen
Potential der Gitterelemente (1 a, 1 b) entsprechender Satz von
Potentialen anlegbar ist.
2. Elektronenspektrometer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenoptische
Linsensystem (1) eine Elektronenablenkeinrichtung
(P₁, P′₁, P₂, P′₂, P₃, P′₃, P₄, P′₄) aufweist und daß mit der
Energieversorgungseinrichtung (10) Potentiale an die
Ablenkeinrichtung legbar sind, um den ausgewählten
Bereich auf irgendeine erwünschte Stelle auf der Probe (4)
zu lokalisieren.
3. Elektronenspektrometer nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Energieversorgungseinrichtung (10) eine
Linsenabtasteinrichtung (11) aufweist, um zeitveränderliche
Potentiale an die Elektronenablenkeinrichtung
(P₁, P′₁, P₂, P′₂, P₃, P′₃, P₄, P′₄) zu legen, um den ausgewählten
Bereich über die Probe (4) 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 Energieintervall zu einem Brennpunkt an dem Analysator
bringbar sind und daß durch Potentialänderung an den
Linsenelementen die ausgewählte Energie oder das
Energieintervall 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
(P₁-P′₄) anlegbar sind, um ein durchgehendes Abtasten
der Probe (4) zu ermöglichen und damit Elektronen aus
einem Bereich aufzunehmen, welcher größer als der
ausgewählte Bereich ist.
6. Elektronenspektrometer nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß mit den Einrichtungen
zum Bestrahlen der Probe (4) nur der ausgewählte
Bereich oder ein begrenzter Bereich der Probe unter
Einschluß des ausgewählten Bereichs bestrahlbar ist
und daß die Probe synchron mit der Linsenabtasteinrichtung
(11) abtastbar ist.
7. Elektronenspektrometer nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß von der Bestrahlungseinrichtung
zu jedem Zeitpunkt die Gesamtheit der Fläche der Probe,
die von dem Linsensystem (1) abgetastet wird, bestrahlbar
ist.
8. Elektronenspektrometer nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeeinrichtung
(9) mit der Detektoreinrichtung (7) so verbunden ist,
daß die Anzeige durch den Ausgang der Detektoreinrichtung
(7) intensitätsmoduliert oder ablenkungsmoduliert ist,
und daß eine Einrichtung zum Abtasten der Anzeigeeinrichtung
(9) synchron mit der Linsenabtasteinrichtung (11) vorgesehen
ist.
9. Elektronenspektrometer nach Anspruch 5, 6 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Mittelung
des Signals von der Detektoreinrichtung (7) über den
gesamten, während eines oder mehrerer Abtastzyklen
abgetasteten Bereiches vorgesehen ist.
10. Elektronenspektrometer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Satz von
Potentialen bewirkt, daß das Linsensystem (1) als
ein Kollimator arbeitet und Elektronen gleichzeitig
von dem größeren Bereich aufnimmt.
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