DE3702696A1 - Verfahren zur elektronenstrahl-fuehrung mit energieselektion und elektronenspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Elektronen­ strahl-Führung mit fokussierender Energieselektion in einem energiedispersiven System mit unterschiedlicher Fokussierung in zwei zueinander senkrechten Richtungen (speziell in Ener­ gieselektionsrichtung und senkrecht dazu bei nur in einer Ebene fokussierenden Systemen), sowie auf Elektronenspektro­ meter mit zumindest einem energiedispersiven System mit ei­ ner solchen Strahlführung.

Gebündelte Elektronen mit bestimmter Energie werden für die Behandlung und Untersuchung von Oberflächen und Gasen ange­ wandt. Für eine fokussierende Energieselektion sind energie­ dispersive Systeme bekannt, die entweder einzeln als Analy­ satoren oder als Monochromatoren oder in Kombination von Analysator und Monochromator als sogenannte Elektronenstoß­ spektrometer zum Einsatz kommen.

Energiedispersive Systeme als Analysatoren werden zum Bei­ spiel verwendet in der UV- oder Röntgen-Photoelektronenspek­ troskopie (auch unter dem Namen ESCA bekannt) und in der Auger-Spektroskopie. Hierbei werden von der Probe emittierte Elektronen durch den Analysator bezüglich ihrer kinetischen Energie analysiert. Ein zwischen der Probe und dem Analysa­ tor befindliches Linsensystem sorgt dabei für den Strahl­ transport, die Anpassung der Elektronenenergie an die Durch­ laßenergie des Analysators sowie die nötige Vergrößerung oder Verkleinerung des Bildes der abgebildeten Fläche der Probe zur Anpassung an den Eingangsschlitz des Analysators.

Energiedispersive Systeme werden auch verwendet zur Herstel­ lung monochromatischer Elektronenstrahlen, wie zum Beispiel in der inversen Photoemissionsspektroskopie. Ähnlich wie beim vorbeschriebenen Analysator werden zum Strahltransport, zur Anpassung der Energie und der Bildgröße Linsensysteme zwischen Monochromator und der Probe eingesetzt.

In einem Elektronenstoßspektrometer werden die von einer Ka­ thode emittierten Elektronen in ein oder mehreren Monochro­ matoren monochromatisiert und durch ein Linsensystem auf ei­ ne Probe gelenkt, wobei üblicherweise die Energie der Elek­ tronen an der Probe verschieden sein kann von der Energie in den Monochromatoren. Die auf die Probe auftreffenden Elek­ tronen werden von dieser gestreut und erleiden dabei charak­ teristische Energieverluste z.B. durch Anregung von Schwin­ gungsquanten. Die gestreuten Elektronen werden durch ein Linsensystem auf den Eintrittsspalt eines oder mehrerer energiedispersiver Elemente geleitet, die die gestreuten Elektronen hinsichtlich ihrer Energieverteilung analysieren, und in einem Detektor nachgewiesen. Elektronenspektrometer dieser Art werden insbesondere zur Schwingungsspektroskopie und zur Untersuchung elektronischer Verluste an Festkörper­ oberflächen eingesetzt und von einer Reihe von Firmen herge­ stellt.

In einem Elektronenstoßspektrometer wird die maximal er­ reichbare Intensität des auf die Probe fallenden Strahles und damit auch die Intensität des von diesem erzeugten Nutz­ signales grundsätzlich durch die Raumladung im Monochromator begrenzt. Theoretische Rechnungen zeigen (H. Ibach, D.L. Mills, Electron Energy Loss Spectroscopy and Surface Vibra­ tions, Academic Press, New York, 1982, p. 16 ff.), daß die Stärke des monochromatischen Stromes von der Energiebreite des durch den Monochromator hindurchgelassenen Elektronen­ strahls abhängt und nur in relativ bescheidenem Umfang durch Auslegungsparameter des Systems beeinflußt werden kann.

Günstige Verhältnisse hinsichtlich der Raumladung ergeben sich insbesondere bei der Verwendung von einem oder mehreren Zylinderkondensatoren mit Schlitzen als Ein- bzw. Austritts­ blende. Fokussierung der Elektronen von der Ein- auf die Austrittsblende und Energieselektion erfolgen dabei nur in radialer Richtung, während senkrecht dazu weder Fokussierung noch Energieselektion erfolgt. Die fehlende Fokussierung senkrecht zur Radialebene hat (ohne die erfindungsgemäße Strahlführung) nachteilige Auswirkungen auf die Intensität des Nutzsignals. Dasselbe gilt sinngemäß für den Analysator, wenn dort Zylinderkondensatoren eingesetzt werden.

Es ist versucht worden (siehe EP-PS 00 13 003) diesen bekann­ ten Nachteil von Zylinderkondensatoren dadurch auszuglei­ chen, daß die von der Kathode emittierten Elektronen in der Radialebene durch ein geeignetes Linsensystem auf den Ein­ trittsspalt des Monochromators fokussiert werden, während senkrecht dazu durch eine entsprechende Auslegung des Katho­ densystems sowie des Linsensystems zwischen Monochromator und Probe und zwischen Probe und Analysator in einem nähe­ rungsweise parallelen Strahlengang ohne weiteren Zwischenfo­ kus auf den Detektor fokussiert wird. Gegenüber einer freien nichtfokussierenden Strahlausbreitung bietet diese Strahl­ führung eine Verbesserung.

Eine nähere Untersuchung zeigt jedoch, daß eine Reihe ent­ scheidender Nachteile bestehen bleiben. So ist der Winkel des auf den Detektor gelangenden Strahlenbündels senkrecht zur Radialebene klein, wodurch gemäß den Grundsätzen der Op­ tik die Intensität klein bleibt. Ferner ist senkrecht zur Radialebene der Strahlengang an der Probe nahezu parallel. Dies bedeutet, daß nur ein kleiner Raumwinkel der gestreuten Elektronen erfaßt wird. Darüber hinaus ist die beschriebene Art der Strahlführung störanfällig für kleine Fehlpotentia­ le, wie sie bei den häufig verwendeten niedrigen Energien durch Inhomogenitäten der Austrittsarbeiten unvermeidbar sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine solche Strahlführung mit fokussierender Energieselektion bzw. ein Elektronenspektrometer vorzusehen, durch das eine hohe Ener­ gieauflösung bei hohem Elektronenstrom an der Probe bzw. am Detektor erzielt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedliche Fokussierung der Elektronen in den beiden zueinander senkrechten Richtungen durch ein dem energiedis­ persiven System nach- oder vorgeschaltetes nicht zirkular symmetrisches Linsensystem derart korrigiert wird, daß ent­ weder die virtuelle oder reelle Eingangsblende des energie­ dispersiven Systems auf einer vorgegebenen Bildebene außer­ halb des energiedispersiven Systems oder ein Gegenstand außerhalb des energiedispersiven Systems auf der virtuellen oder reellen Ausgangsblende desselben abgebildet wird.

Die für diesen beschriebenen Zweck einzusetzenden Linsensy­ steme mit unterschiedlicher Fokussierung in zwei zueinander senkrechten Richtungen werden unter Beachtung der Fokussie­ rungsvorgabe und der Elektronenbahnen im energiedispersiven System gestaltet bzw. dimensioniert. In spezieller Ausge­ staltung der Erfindung können rechteckförmige Linsenquer­ schnittsprofile verwendet werden, bei denen Höhe und Breite so aufeinander abgestimmt sind, daß im Zusammenwirken mit der unterschiedlichen Fokussierung der Elektronen in den zwei zueinander senkrechten Richtungen innerhalb des ener­ giedispersiven Systems die beschriebene Abbildung eintritt. Bei Verwendung von Zylinderkondensatoren als energiedisper­ sive Systeme müssen dann die Symmetrieachsen des Rechteck­ profils parallel bzw. senkrecht zur Radialebene sein. Die erforderliche Höhe und Breite der Linsenquerschnittsprofile errechnen sich durch Lösung der Laplace-Gleichung in drei Dimensionen und Berechnung der Elektronenbahnen in drei Di­ mensionen in der dem Fachmann bekannten Weise.

Zur Korrektur von Bildfehlern, insbesondere des für die Ab­ bildung eines Schlitzes wichtigen Astigmatismusfehlers, hat sich gezeigt, daß es zweckmäßig ist, bei ein oder mehreren Linsenelementen von der Rechteckform abzuweichen und Linsen­ querschnittsprofile vorzusehen, bei denen die lichte Weite entlang einer Symmetrieachse eine z.B. trapezförmige oder gestufte oder kurvenförmige Verjüngung aufweist.

Zu Vorrichtungen mit erfindungsgemäßer Strahlführung gehören Elektronenmonochromatoren mit nachgeschaltetem korrigieren­ den Linsensystem zwischen Monochromator und Probe, Analysa­ toren mit vorgeschaltetem korrigierenden Linsensystem zwi­ schen Probe und Analysator sowie Elektronenstoßspektrometer mit einem solchen Linsensystem zwischen Monochromator und Probe und/oder zwischen Probe und Analysator. Im nachfolgen­ den wird die Erfindung vornehmlich anhand eines bezüglich Monochromator und Analysator symmetrisch aufgebauten Elektro­ nenstoßspektrometers erläutert. Da ein Elektronenstoßspek­ trometer, wie beschrieben, aus einem Monochromatorteil mit nachgeschaltetem Linsensystem und einem Analysatorteil mit vorgeschaltetem Linsensystem besteht, kann die Erfindung je­ doch auch für den Monochromator mit nachgeschaltetem Linsen­ system und den Analysator mit vorgeschaltetem Linsensystem getrennt mit Vorteil für die verschiedenen Anwendungsfälle eingesetzt werden.

Statt Zylinderkondensatoren als energiedispersive Systeme im Monochromator und/oder Analysator können auch Plattenkonden­ satoren verwendet werden, die ebenfalls nur in einer Ebene fokussieren. Es können auch energiedispersive Systeme ver­ wendet werden, die eine unterschiedliche, jeweils von Null verschiedene Fokussierung in zwei zueinander senkrechten Richtungen aufweisen, wobei dann eine entsprechend angepaßte Auslegung des Linsensystems (Auswahl von Höhe und Breite der Linsenprofile) so vorzunehmen ist, daß die gewünschte Fokus­ sierung eintritt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen nä­ her erläutert; es zeigen schematisch:

Fig. 1 ein Elektronenstoßspektrometer mit je zwei Monochro­ matoren und Analysatoren,

Fig. 2 und 3 Querschnittsprofile der Linsenelemente der in Fig. 1 angedeuteten Linsensysteme,

Fig. 4 die Elektronenbahnen zwischen Austrittsspalt des Mo­ nochromators und der Probe (a) in der Radialebene und (b) senkrecht dazu, und

Fig. 5 ein Schaubild für den Verlauf des monochromatischen Stroms am Detektor in Abhängigkeit von der Energie­ auflösung mit und ohne erfindungsgemäße Strahlfüh­ rung.

Das in Fig. 1 gezeigte Elektronenstoßspektrometer umfaßt ein Kathodensystem 1, zwei Monochromatoren 2 und 3, je ein Lin­ sensystem bestehend aus drei Elementen 4, 5 und 6 bzw. 8, 9 und 10 zwischen den Monochromatoren und der Probe 7 sowie zwischen der Probe 7 und den Analysatoren 11 und 12, zwei Analysatoren 11 und 12 und einen Detektor 13. Die beiden Linsensysteme zwischen Monochromator und Probe und zwischen Probe und Analysator sind zueinander symmetrisch, so daß sich die Linsenelemente 4 und 10, 5 und 9 sowie 6 und 8 un­ tereinander gleichen.

Die Querschnittsprofile dieser Linsenelemente 4 bis 6 (bzw. 8 bis 10) sind in Fig. 2 und 3 dargestellt: Von diesen ist das Linsenelement 4 trapezförmig bzw. gestuft verjüngt und die Elemente 5 und 6 sind rechteckförmig gestaltet.

Die Höhe und Breite des lichten Profils der Linsenelemente 4, 5 und 6 sind so abgestimmt, daß in der Radialebene (=Zei­ chenebene in Fig. 1) der Ausgangsspalt des Monochromators auf die Probe abgebildet wird (Fig. 4a), senkrecht dazu je­ doch der Eintrittsspalt (Fig. 4b), so daß, im Zusammenwirken mit der Abbildung in der Radialebene durch die Zylinderkon­ densatoren, in beiden Richtungen ein Bild des Eintritts­ spalts des ersten Monochromators an der Probe entsteht. In gleicher Weise sind Höhe und Breite der Profile der Linsen­ elemente 8, 9 und 10 so abgestimmt, daß in der Radialebene die Probe auf den Eintrittsspalt des ersten Analysators, senkrecht dazu die Probe auf den Austrittsspalt des letzten Analysators abgebildet wird, so daß insgesamt ein Bild der Probe am Austrittsspalt des zweiten Analysators entsteht.

Der mit Verwendung des erfindungsgemäßen Linsensystems er­ zielte monochromatische Strom, gemessen am Detektor, als Funktion der Auflösung ist aus Fig. 5, Kurve a ersichtlich. Im Vergleich dazu zeigt Kurve b analoge Werte für ein Spek­ trometer, welches das erfindungsgemäße Linsensystem nicht aufweist, ansonsten aber bezüglich der Monochromatoren und Analysatoren baugleich ist. Die Ergebnisse beziehen sich auf eine Elektronenenergie an der Probe von 100 eV, während die Energie der Elektronen in den Monochromatoren und Analysato­ ren (je nach Auflösung) unter 1 eV liegt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Elektronenstrahl-Führung mit fokussierender Energieselektion in einem energiedispersiven System mit unterschiedlicher Fokussierung in zwei zueinander senk­ rechten Richtungen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die unterschiedliche Fokussierung der Elektronen in den beiden zueinander senkrechten Rich­ tungen durch ein dem energiedispersiven System nach- oder vorgeschaltetes nicht zirkular-symmetrisches Linsensystem derart korrigiert wird, daß entweder die virtuelle oder reelle Eingangsblende des energiedispersiven Systems auf einer vorgegebenen Bildebene außerhalb des energiedisper­ siven Systems oder ein Gegenstand außerhalb des energie­ dispersiven Systems auf der virtuellen oder reellen Aus­ gangsblende desselben abgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Linsensysteme mit einem rechteck­ förmigen, insbesondere verjüngt rechteckförmigem Quer­ schnittsprofil der Linsen verwendet werden.

3. Elektronenspektrometer mit einem Emissionssystem und mit zumindest einem energiedispersiven System mit unter­ schiedlicher Fokussierung in zwei zueinander senkrechten Richtungen, gekennzeichnet durch ein einem energiedispersiven System (2, 3) zur Energie­ selektion vor der Probe (7) nachgeordnetes Linsen­ system (4-6) mit nicht zirkularer, in den beiden zuein­ ander senkrechten Richtungen unterschiedlicher Fokussie­ rung, das im Zusammenwirken mit den fokussierenden Eigen­ schaften des energiedispersiven Systems ein Bild der vir­ tuellen oder reellen Eingangsblende des energiedispersi­ ven Systems (2, 3) am Probenort erzeugt und/oder ein ei­ nem energiedispersiven System (11, 12) zur Energieselek­ tion hinter einer Probe (7) vorgeschaltetes Linsensystem (8-10) mit nicht zirkularer, in den beiden zueinander senkrechten Richtungen unterschiedlicher Fokussierung, das im Zusammenwirken mit den fokussierenden Eigenschaf­ ten des energiedispersiven Systems das Bild am Probenort auf eine virtuelle oder reelle Ausgangsblende des ener­ giedispersiven Systems (11, 12) abbildet.

4. Elektronenspektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das energiedispersive System (2, 3) vor der Probe (7) und/oder das energiedis­ persive System (11, 12) hinter der Probe (7) nur in einer Richtung fokussiert.

5. Elektronenspektrometer nach Anspruch 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere lichte Linsenquerschnittsprofile der Linsenele­ mente (4-6 bzw. 8-10) eine nichtzirkulare Gestalt ha­ ben.

6. Elektronenspektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere lichte Linsenquerschnittsprofile rechteckig sind.

7. Elektronenspektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere lich­ te Querschnittsprofile der Linsenelemente entlang einer Achse eine trapezförmige, stufenförmige oder kurvenförmi­ ge Verjüngung aufweisen.