DE3781963T2

DE3781963T2 - Oberflaechenanalysegeraet.

Info

Publication number: DE3781963T2
Application number: DE8787110018T
Authority: DE
Inventors: Masahiko C O Nissin Elect Aoki; Masashi C O Nissin Ele Konishi; Yasuhiro C O Nissin El Matsuda; Naoto C O Nissin Elect Okazaki
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1986-07-12
Filing date: 1987-07-10
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2007-07-11
Also published as: EP0253336A2; DE3781963D1; EP0253336B1; US4829179A; EP0253336A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

(Gebiet der Erfindung)

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Oberflächenanalysegerät, das die PELS-Technik (proton energy loss spectroscopy = Protonen-Energieverlust-Spektroskopie) benutzt, bei dem eine zu untersuchende Probe mit strahlenbeschleunigten Ionenstrahlen wie Protonenstrahlen bestrahlt wird, und die von den wenigen obersten Schichten der Probe gestreuten Strahlen mittels Durchlauf durch eine Bremsröhre abgebremst werden, und die Energiewerte der abgebremsten gestreuten Strahlen gemessen werden, um physikalische Eigenschaften der Oberfläche der Probe zu analysieren.
Eine kurze Erklärung des Grundprinzips der PELS und eines konventionellen Oberflächenanalysegeräts mit Benutzung von PELS wird hier nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben. Ein derartiges konventionelles Oberflächenanalysegerät wird in Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, B15, April 1986, Nr. 1/6; T. OKU u.a.: "Proton Energy Loss Spectroscopy for Surface Layer Analysis in the Monolayer Regime", Seiten 142-145 beschrieben.
Es sei angenommen, daß ein Proton mit Massenzahl m, das sich mit der Geschwindigkeit U bewegt, ein Atom der Massenzahl M in Ruhe am Punkt 0 in Fig. 1 trifft. Nach dem Stoß entweicht das Proton mit der Geschwindigkeit V längs eines von seinem Ursprungsweg um einen Streuwinkel θ abgelenkten Weges, während das Atom M mit einer Geschwindigkeit W in einer anderen Richtung mit einem Streuwinkel Φ abprallt. Im Gegensatz zu Elektronen ist das Proton schwer genug, um dem Atom M eine Bewegung zu verleihen, und es verliert Energie.
Da der Impuls sowohl in x- wie in y-Richtung erhalten bleibt, gelten die nachfolgenden zwei Gleichungen:
mU = mVcosΘ + MWcosΦ (1)
0 = mVsinΘ - MWsinΦ (2)
Falls der Stoß vollständig elastisch ist, bleibt die kinetische Energie erhalten, so daß:
½mU² = ½mV² + ½MW² (3)
Beseitigt man W aus Gleichungen (1) bis (3),
Das Pluszeichen in Gleichung (5) bezeichnet die Streuung mit dem Winkel Θ und das Minuszeichen die Streuung in der entgegengesetzten Richtung. Da diese Richtung erzielt wird durch Abziehen von Θ von π, sollte in Gleichung (5) nur das Pluszeichen genommen werden. Es sollte auch bemerkt werden, daß in Gleichung (5) Γ in folgender Weise definiert ist:
Falls die kinetische Energie des Protons vor dem Stoß als E&sub0; geschrieben wird, ist
E&sub0; = ½mU² (7)
Nach dem Stoß ist die kinetische Energie des Protons auf Ea reduziert. Wenn der Schwächungskoeffizient K definiert ist als:
Ea = KE&sub0; , (8)
wird die folgende Gleichung erhalten:
Gleichung (9) ist die Formel für die Energie eines mit einem Winkel Θ gestreuten Protons. Diese Energie hängt ab von Θ, jedoch nur in geringem Ausmaß. In anderen Worten Ea braucht nicht für alle Werte von Θ gemessen werden, und es genügt, Ea für einen einzigen Wert Θ nach dem Streuen des Protons zu messen. Das Atom, mit dem das Proton kollidiert ist, kann durch den Parameter Γ angegeben werden. In Gleichung (9) ist Θ keine Variable, sondern fest.
Ein mit dem Winkel Θ gestreutes Proton tritt dann in ein Analysegerät ein, in welchem eine Spannung V&sub0; zwischen zwei parallele Platten angelegt ist. Ein in das Analysengerät durch einen Schlitz eintretendes Proton läuft längs eines parabolischen Weges und fällt in einen von zwei Kanälen in einer Mikrokanalplatte.
Der Abstand L vom Schlitz zur Fallposition des Protons erhöht sich mit wachsender Energie des Protons. Mit anderen Worten, die Energie Ea eines Protons kann bestimmt werden durch Messung von L.
Falls die Ladung eines Protons als ze geschrieben wird, erhält das Proton in dem Raum des Analysengeräts eine Kraft zeV&sub0;/h in einer Richtung senkrecht zu den Platten, wenn diese den Abstand h haben.
Die Geschwindigkeit des das Analysegerät durchlaufenden Protons wird in zwei Komponenten aufgeteilt, von denen die eine longitudinal und die andere transversal (d.h. senkrecht zu den Platten) ist. Die Geschwindigkeit der longitudinalen Komponente u ist konstant und die der transversalen Komponente v ändert sich. Das durch den Schlitz hindurchtretende Proton bildet einen konstanten Winkel Ψ mit der Oberfläche der näheren Platte. Die drei Parameter u, v und Ψ können durch die folgenden Gleichungen korreliert werden:
Diese kinetischen Gleichungen sind äquivalent jenen, die die Bewegung eines unter Schwerkraft ausgeworfenen Objekts ausdrücken.
Aus den Gleichungen (26) und (27) kann die Distanz L, die das Proton in dem Analysegerät in einer zu den Platten parallelen Richtung zurücklegt errechnet werden als:
Die höchste Auflösung wird erzielt, wenn Ψ = 45º. Gleichung (28) zeigt, daß der Abstand L von dem Schlitz zur Fallposition des Protons proportional zur Protonenergie Ea ist. Deswegen kann die Verteilung von Ea oder von der Protonenergie aufgrund der Messung von L bestimmt werden.
In Fig. 2, die die allgemeine Auslegung eines Oberflächen- Analysegeräts nach dem Stand der Technik unter Benutzung von PELS zeigt, werden Ionenstrahlen wie Protonstrahlen, die von einer Ionisationsquelle 2 abgezogen werden, durch eine Beschleunigerröhre 6 beschleunigt und werden wahlweise durch eine Konvergierungseinheit konvergiert. Daraufhin werden die Strahlen durch einen Magneten zur Massentrennung abgelenkt. Nach der Ablenkung treffen die Ionenstrahlen auf ein (nicht gezeigtes) Probestück in einer Streukammer 14 auf. Um einen ausgewählten Bereich des Probestücks mit den Ionenstrahlen zu bestrahlen, ist ein (nicht dargestellter) Schlitz mit einem Durchmesser von etwa 1 mm an der Strahllinie vor dem Eintritt der Ionenstrahlen in die Streukammer 14 vorgesehen. Falls He und andere Elemente als Ionenstrahlenquellen benutzt werden, können nicht nur monovalente, sondern auch divalente Ionen durch die Probe gestreut werden, wodurch die Kompliziertheit der Messung erhöht wird, so daß beim tatsächlichen Vorgang Ionen benutzt werden, die nur in monovalenter Form existieren. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 12 eine Vakuumpumpe.
Die auf das Probestück auftreffenden Ionenstrahlen werden durch wenige oberste Schichten der Probe gestreut. Die gestreuten Strahlen besitzen allgemein unterschiedliche Energiewerte, und um diese Energiestreubreite zu reduzieren, ist ein (nicht dargestellter) Schlitz mit etwa 2 mm Durchmesser an der Wegelinie der gestreuten Strahlen vorgesehen. Die gestreuten durch diesen Schlitz hindurchtretenden Strahlen werden durch eine Bremsröhre 18 abgebremst und ihr Energiespektrum mit einem Meßinstrument 20 analysiert.
Das Verfahren zum Bestimmen des Potentials der abgebremsten Ionenstrahlen wird nachfolgend mit Bezug auf die beiden Figuren 2 und 3 beschrieben. Es werde angenommen, daß die Ionenstrahlen von der Ionenquelle 2 mit einer Spannung von Ve abgenommen werden, daß die abgenommenen Ionenstrahlen in der Beschleunigerröhre 6 mit einer Spannung V beschleunigt werden, und daß die Streukammer 14 ein Potential Null besitzt, unter der Annahme, daß sie geerdet ist. Dann ist die gesamte Beschleunigungsspannung der Ionenstrahlen Va gleich der Summe aus V und Ve. Wenn ein (gegen Erde isolierter) Tisch 19 zum Anbringen des Meßinstruments 20 ein Potential Vd besitzt, das gleich ist Va minus einer Versatzspannung Vo (d.h., wenn die Bremsspannung Vd der Bremsröhre 18 gleich Va - Vo ist), haben die gestreuten Strahlen, die nach Abbremsung in das Meßinstrument 20 eintreten, eine Energie von q x Vo (eV) (ohne Berücksichtigung des beim Auftreffen des Strahls auf das Probestück auftretenden Energieverlusts), wobei q die Einheitsladung eines Ions, z.B. eines Protons ist.
Die Beschleunigungsenergie der Ionenstrahlen, mit denen das Probestück zu bestrahlen ist, ist vorzugsweise hoch aus verschiedenen Gründen, unter denen der grundsätzlichste der ist, daß hochenergetische Ionenstrahlen eine geringe Neutralisations-Wahrscheinlichkeit besitzen. Die Ionenstrahlen besitzen typischerweise eine Beschleunigungsenergie von etwa 100 keV. Andererseits haben die gestreuten Strahlen vorzugsweise eine niedrige Energie, damit eine hochgenaue Messung ihrer Energiespektren erzielt wird. In einem typischen Fall wurden die gestreuten Ionen auf weniger als etwa 1 keV abgebremst.
Aufgrund der Messung der Energiespektren der so abgebremsten gestreuten Strahlen kann die Kristallstruktur und können andere physikalische Eigenschaften der Oberfläche einer massiven Probe untersucht werden. Wenn nach Fig. 4 der Ionenstrahl 3 wegen der Kollision mit der Probe 15 eine Energie ΔE verliert, und wenn der in das Meßinstrument 20 eintretende gestreute Strahl 4 eine Energie E besitzt, gilt die nachfolgende Beziehung:
folgende Beziehung:
ΔE = qVo - E (10)
da die Energie E des in das Meßinstrument 20 eintretenden gestreuten Strahls 4 ausgedrückt wird als:
E = qVa - ΔE - q(Va - Vo) (11)
die als Gleichung (10) umgeschrieben werden kann.
Das in Fig. 4 gezeigte Meßinstrument 20 besteht aus einem Energie-Analysator 21 und einem Detektor 22, z.B. einem Channeltron. Schreibt man für die an den Energie-Analysator 21 angelegte Spannung VESA, so kann die Energie E auch wie folgt ausgedrückt werden:
E = kqVESA, (12)
wobei k eine Konstante ist.
Wie aus den Gleichungen (10) und (12) zu ersehen ist, kann das Spektrum des Energieverlusts bestimmt werden, indem man entweder die Versatzspanung Vo oder die Spannung VESA variiert. Es werde hier angenommen, daß die Strahlen durch Atome in den obersten drei Monoschichten einer Probe ge-
text fehlt Schicht legen einen längeren Weg im Gitter zurück als die in der obersten Schicht gestreuten und erleiden deswegen einen größeren Energieverlust ΔE, so daß sich ein Spektrum der in Fig. 5 gezeigten Form ergibt.
Mit der üblichen PELS-Ausrüstung kann der Streuwinkel Θ (s. Fig. 4) nur in einem kleinen Bereich festgesetzt werden, z.B. unter 10º, aus den folgenden beiden Gründen: wenn der Streuwinkel von 0º aus erhöht wird, wird der Raumwinkel Θ eines gestreuten Strahls 4 vermindert zur Verringerung des Wirkungsgrades der Strahlerfassung; zweitens, wenn der Streuwinkel Θ zu groß ist, stören die einzelnen Teile der Ausrüstung mechanisch einander. Wenn jedoch der Streuwinkel Θ unter 10º liegt, besitzt die Messung mit geringer Streuung den Nachteil, daß sie durch den Oberflächenstatus einer zu analysierenden Probe hochgradig anfällig ist und eine "Energie-Schwankungsbreite" erleidet infolge der durch die Oberflächen-Unebenheiten der Probe verursachten Doppelstreuung und die Energiespektren der gestreuten Strahlen zu breit werden, als daß sie eine sehr hohe Genauigkeit der Analyse garantieren könnten.
Falls man den Ursprung des Energieverlustes zu messen wünscht (d.h. die Stelle, an der ein gestreuter Strahl 4 von ΔE = 0 in das Meßinstrument 20 eintritt) oder das Energieauflösungsvermögen der Ausrüstung durch Zulassen der Ionenstrahlen 3 direkt in das Meßinstrument 20, ohne sie vorher durch die Probe 15 streuen zu lassen, ist es notwendig, die Verbindung der Strahlübertragungslinie und anderer Teile der Ausrüstung hinter der Streukammer 14 in solcher Weise abzuwandeln, daß der Streuwinkel Θ 0º beträgt. Diese Umrüstung und die darauffolgenden Betätigungen zum Erzielen einer Ausrichtung sind hochgradig zeitraubend. Zusätzlich kann die wiederzusammengebaute Ausrüstung nicht den gleichen Genauigkeitspegel garantieren, wie der vorher erreicht war.
Weiter zeigt Gleichung (9), daß in der Nachbarschaft von Θ ≈ 0 k nicht mit F variiert, so daß die einzelnen Werte von Γ nicht leicht voneinander unterschieden werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Als Ergebnis ihrer eingehenden Untersuchungen, die ausgeführt wurden, um die Beziehung zwischen dem Streuwinkel Θ und dem Raumwinkel der gestreuten Strahlen 4 zu kennen, haben die Erfinder festgestellt, daß durch Festsetzen des Streuwinkels Θ auf einen Wert von annähernd 180º ein scharfes Energiespektrum für gestreute Strahlen erzielt werden kann, wobei eine beträchtliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Strahlerfassung erreicht wird.
Deswegen ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Oberflächen-Analysegerät zu schaffen, das in der Lage ist, nicht nur leicht ein scharfes Energiespektrum für gestreute strahlen und einen hohen Wirkungsgrad der Strahlerfassung zu erhalten, sondern auch die Messungen des Ursprungs des Energieverlusts und der Energieauflösung, durch Festsetzung eines Streuwinkels auf annähernd 180º.
Dieses Ziel kann erreicht werden durch das erfindungsgemäße Oberflächen-Analysegerät, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen ersten Ablenkmagneten enthält, der sowohl einen Ionenstrahl zum Auftreffen auf ein Probestück ablenkt und einen gestreuten Strahl von der Probe und der an dem Weg der beiden Strahlen vorgesehen ist, und einen zweiten Ablenkmagneten, der an dem Weg eines durch den ersten Ablenkmagneten gehenden gestreuten Strahl vorgesehen ist und den gestreuten Strahl in die gleiche Richtung wie in dem ersten Ablenkmagneten ablenkt, um ihn in eine Bremsröhre zuzulassen, wobei das Analysegerät weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Gleichungen erfüllt: φ&sub1; = φ&sub2;, α&sub1; = α&sub2; = (φ&sub1;/2) - 90 (Grad), und r&sub1; = r&sub2;, wobei φ&sub1; der Ablenkwinkel des gestreuten Ionenstrahls im ersten Ablenkmagnet, α&sub1; der Winkel, mit dem der gestreute Ionenstrahl von dem ersten Ablenkmagneten austritt, r&sub1; der Krümmungsradius eines gestreuten Elektronenstrahls ohne Energieverlust im ersten Ablenkmagnet, φ&sub2; der Ablenkwinkel des gestreuten Strahls im zweiten Ablenkmagnet, α&sub2; der Winkel mit dem der gestreute Ionenstrahl in den zweiten Ablenkmagneten zugelassen wird, und r&sub2; der Krümmungsradius eines gestreuten Strahls ohne Energieverlust in dem zweiten Ablenkmagnet ist.
Weiter kann dieses Ziel erreicht werden durch das Oberflächen-Analysegerät nach der vorliegenden Erfindung, das sich dadurch kennzeichnet, daß es einen ersten Ablenkmagnet enthält, der sowohl einen Ionenstrahl zum Auftreffen auf einem Probestück ablenkt, als auch einen gestreuten Strahl von dem Probestück ablenkt, und der an dem Weg der beiden Strahlen vorgesehen ist, und einen zweiten Ablenkmagnet, der an dem Weg eines durch den ersten Ablenkmagneten hindurchtretenden gestreuten Strahls vorgesehen ist und den gestreuten Strahl in der gleichen Richtung wie in dem ersten Ablenkmagneten ablenkt, um ihn in das Meßinstrument eintreten zu lassen, wobei das Analysegerät weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Beschleunigungs/Brems-Röhre zwischen dem ersten Ablenkmagneten und dem Probestück vorgesehen ist, um nicht nur die zum Auftreffen auf das Probestück bestimmten Ionenstrahlen zu beschleunigen, sondern auch die von dem Probestück gestreuten Strahlen abzubremsen.
Noch weiter kann dieses Ziel durch das Oberflächen-Analysegerät dieser Erfindung erreicht werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen Ablenkmagneten enthält, der sowohl an einem zum Auftreffen auf dem Probestück bestimmten Strahl wie auch an mit unterschiedlichem Energiespektrum von der Probe gestreuten Strahlen vorgesehen ist und der die gestreuten Strahlen in zueinander paralleler Richtung an der gleichen Ebene ablenkt, und ein Analysegerät, das einen Breitband-Positionsdetektor und einen länglichen Schlitz zum Erfassen der parallelen Strahlen besitzt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Geschwindigkeitsdiagramm sowohl für vor wie auch nach dem Stoß zwischen einem Atom M und einem Proton m; zum Zweck der Erklärung des Prinzips der PELS.
Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht auf ein Oberflächen-Analysegerät nach dem Stand der Technik;
Fig. 3 ist ein Schaubild, das das Potentialprofil des in Fig. 20 abgebildeten Systems zeigt;
Fig. 4 ist eine Skizze zur Darstellung der Betriebsprinzipien des in Fig. 2 gezeigten Systems; und
Fig. 5 zeigt ein von dem in Fig. 2 gezeigten System erzeugtes Energiespektrum.
Fig. 6 ist eine schematische Draufsicht auf ein Oberflächen-Analysegerät nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ist eine schematische Teildraufsicht auf ein Oberflächen-Analysegerät nach der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels des in Fig. 6 gezeigten Meßinstruments;
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung des Profils eines optimierten Raumwinkels über dem Streuwinkel;
Fig. 10 ist eine schematische Draufsicht auf ein Oberflächen-Analysegerät nach einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ist ein Diagramm, das das Potentialprofil des in Fig. 10 abgebildeten Systems zeigt;
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht, die die allgemeine Auslegung der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 13 ist eine perspektivische Darstellung, welche die relativen Positionen eines Magneten und eines Analysegeräts nach einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 14 zeigt, wie ein Schattenkegel in Vorwärtsrichtung geschaffen wird, wenn Protonen an einem Atom gestreut werden;
Fig. 15 ist eine Skizze der obersten Schichten eines GaAs-Kristalls, die zeigt, wie Protonenstrahlen senkrecht zur Kristalloberfläche im PELS auftreffen und gestreut werden;
Fig. 16 ist ein Diagramm des Protonen-Energieverlusts, der im PELS auftritt, wenn Protonenstrahlen in der in Fig. 15 angezeigten Richtung auftreffen;
Fig. 17 ist eine Skizze der zwei obersten Schichten eines GaAs-Kristalls, die zeigt, wie Protonenstrahlen in PELS schräg auffallen und gestreut werden;
Fig. 18 ist ein Diagramm des Protonen-Energieverlusts, der im PELS auftritt, wenn Protonenstrahlen in der in Fig. 17 angezeigten Richtung auftreffen;
Fig. 19 ist ein Streu-Querschnittsdiagramm, das zeigt, wie die oberste Schicht eines Probestücks von seiner zweitobersten Schicht unterschieden werden kann in Hinsicht auf den Anstieg des Protonen-Energieverlusts infolge des stoßes mit Elektronen;
Fig. 20 ist eine graphische Darstellung der Protonenausbeute über dem Streuwinkel für Au und Si.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Wie Fig. 20 zeigt, ist die Streuausbeute von Ionenstrahlen wie Protonen hoch in der Umgebung von Θ = 0º und 180º. Es wurde aus diesem Grund deutlich, daß die Nachbarschaft von Θ = 180º auch ein vielversprechender Bereich von Streuwinkeln sein würde.
Zusätzlich zeigt Gleichung (9), daß bei Θ = π (d.h. 180º) die Γ-Abhängigkeit von K am stärksten wird, so daß das Atom mit dem das Proton kollidierte leichter zu identifizieren ist.
Bei Θ = π fällt die Richtung, in der die Protonenstrahlen auf das Probestück auffallen, mit ihrer Streurichtung zusammen, so daß sie durch irgendein Mittel getrennt werden müssen. Zu diesem Zweck werden die Protonenstrahlen durch einen Ablenkmagneten um 90º verbogen, bevor sie auf das Probestück auffallen, und die in einer antiparallelen Richtung gestreuten Strahlen werden durch einen anderen Ablenkmagneten um 90º gebogen, bevor sie in ein Meßsystem geleitet werden.
Falls Θ = π, ändert sich K entschieden mit Γ, und die Masse M des Atoms, mit dem das Proton kollidiert ist, kann in einer am wenigsten zweideutigen Art bestimmt werden.
Deswegen wird die folgende Betrachtung auf den Fall Θ = π gerichtet. Die Gleichung (9) kann umgeschrieben werden als
Der Parameter Γ bezeichnet das Verhältnis der Masse M des Atoms, mit dem das Proton kollidieren wird, zu der Masse m des Protons. Die Massenzahl eines Atoms ist die Masse des Atoms, wenn die atomare Masseneinheit amu ( 1amu = 1,6605655 x 10&supmin;²&sup7; kg) als Einheit genommen wird. Die Masse eines Protons m ist 1,6726485 x 10&supmin;²&sup7; kg. Wenn der geringe Unterschied zwischen der Protonenmasse und der atomaren Masseneinheit unbeachtet bleibt, ist Γ gleich der Massenzahl des betreffenden Atoms. Deswegen wird zum Zweck der nachfolgenden Diskussion Γ als Massenzahl bezeichnet. Die so definierten Massenzahlen der verschiedenen Atome werden nachfolgend zusammen mit den entsprechenden K-Werten aufgelistet:
O: Γ = 16,00, K = 0,7785
Al: Γ = 26,98, K = 0,8621
Si: Γ = 28,085, K = 0,8672
Ga: Γ = 69,72, K = 0,94422
As: Γ = 74,9, K = 0,94799
In: Γ = 114,82, K = 0,9658
Sb: Γ = 121,7, K = 0,9677
Pb: Γ = 207,2, K = 0,98088
Bi: Γ = 208,98, K = 0,98104.
Auf diese Weise können die K-Werte der Atome aller Elemente leicht errechnet werden.
Es werde angenommen, daß das Proton vor der Kollision eine Energie (E&sub0;) von 100 keV besitzt. Nach der Kollision mit Ga wird es eine Energie (E&sub1;) von 94,422 keV besitzen, und nach der Kollision mit As wird E&sub1; 94,799 keV sein. Der Unterschied zwischen den beiden Werten von E&sub1; kann durch ΔE wie folgt ausgedrückt werden:
ΔE = 377 eV.
Das Proton wird mehr Energie verlieren, wenn es durch das leichtere Atom Ga gestreut wird, und die Energieverlust- Differenz ist durch 377 eV gegeben. Das ist die Theorie, die es ermöglicht, zu sagen, welches der beiden Atome Ga oder As das Proton zur Streuung gebracht hat. Im Falle von Pb und Bi ist ΔE = 16 eV und eine Unterscheidung zwischen diesen beiden Atome kann durch Verwendung eines Detektors mit einem Auflösevermögen von 5 eV hergestellt werden.
Fig. 6 ist eine Draufsicht, welche die allgemeine Auslegung eines Oberflächen-Analysegeräts nach der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Betriebsprinzipien dieses Analysegeräts sind im wesentlichen die gleichen wie die des vorher beschriebenen Systems nach dem Stand der Technik. Die Komponenten, die keine besondere Relevanz für die Erklärung der Differenzen gegen den Stand der Technik besitzen, sind in Fig. 6 weggelassen.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung ist ein allgemein T-förmiger erster Ablenkmagnet 30 zustromseitig zu der Streukammer 14 vorgesehen, der typischerweise durch einen Elektromagneten gebildet ist. Eine Einheit zum Beschleunigen von Ionenstrahlen 3 und eine Einheit zum Ausführen von Messungen an gestreuten Strahlen 4 sind jeweils zustromseitig bzw. abstromseitig vom Magneten 30 vorgesehen. Diese Anordnung ermöglicht eine Messung bei einem Streuwinkel (Θ) von 180º.
Ionenstrahlen 3 wie Protonenstrahlen, die von einer Ionisierungsquelle 2 abgezogen und einer Massentrennung in einem Magneten 10 unterworfen wurden, werden in eine Beschleunigungsröhre 6 eingeführt, die eine Vielzahl von Elektroden 7 besitzt und in der die Strahlen wie nach dem Stand der Technik auf eine Energie von etwa 100 keV beschleunigt werden. Die beschleunigten Strahlen werden durch den Ablenkmagneten 30 an ihrem Weg abgelenkt und in die Streukammer 14, die auf Ultrahochvakuum gehalten werden kann, eingelassen, um auf das Probestück 15 aufzutreffen. Da das Probestück 15 so angebracht ist, daß sich einen Streuwinkel (Θ) von 180º ergibt, treffen die Ionenstrahlen 3 senkrecht auf die Oberfläche der Probe 15 auf und die gestreuten Strahlen 4 von der Probe 15 entweichen auch in einer Richtung senkrecht zu ihrer Oberfläche.
Damit laufen die gestreuten Strahlen 4 den gleichen Weg wie die Ionenstrahlen 3 zurück und gehen durch den Ablenkmagneten 30, durch den sie in umgekehrter Richtung zur Ablenkrichtung der Ionenstrahlen 3 abgelenkt werden. Diese zweite Ablenkung ermöglicht es die Bahnen der auffallenden Ionenstrahlen 3 vor dem Auftreffen auf das Probestück 15 von der Bahn der von dem Probestück 15 gestreuten Strahlen 4 abzutrennen. Es ist zu bemerken, daß der durch den Ablenkmagneten 30 erzeugte Magnetfluß vom Papier weg gerichtet ist.
Eine Q-Linse (elektrostatische Triple-Quadrupol-Linse) 8a ist abstromseitig von der Beschleunigungröhre 6 vorgesehen und eine weitere Q-Linse 8b zustromseitig zu der Streukammer 14. Die Q-Linse 8a (oder 8b) dient zur Formung der Ionenstrahlen 3 (oder der gestreuten Strahlen 4) in der Weise, daß sie frei jeder Divergenz werden, insbesondere der in das Papier hinein oder von dem Papier weg gerichteten Divergenz. Diese Q-Linsen sind für die Erfindung nicht unerläßlich, werden jedoch vorzugsweise verwendet, um eine größere Meßgenauigkeit zu erreichen.
Ein zweiter Ablenkmagnet 32 ist an dem Weg der ankommenden gestreuten Strahlen 4 vorgesehen, die den Magneten 30 durchlaufen haben. Dieser Magnet 32 lenkt die gestreuten Strahlen 4 in der gleichen Richtung ab, wie es durch den Magneten 30 erreicht ist, und läßt sie zu einer Stelle in der Nähe der Zentralachse der Bremsröhre 18 zu, die eine Vielzahl von Elektroden 17 besitzt. Wie der erste Ablenkmagnet 30 ist auch der Magnet 32 typischerweise als ein Elektromagnet ausgebildet, und der von ihm erzeugte Magnetfluß ist von dem Papier weg gerichtet.
Die Bremsröhre 18 verzögert die gestreuten Strahlen 4 in einem solchen Ausmaß, daß ihre Energie, wie beim Stand der Technik, nicht mehr als etwa 1 keV beträgt. Die abgebremsten gestreuten Strahlen 4 werden in ein Meßinstrument 20 eingeführt, das das Energiespektrum der Strahlen mißt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird der Ablenkmagnet 32 aus folgendem Grund benutzt: In Abhängigkeit von dem durch Streuung in dem Probestück 15 verursachten Energieverlust ΔE werden die durch den Magneten 30 kommenden gestreuten Strahlen 4 durch diesen Magneten 30 ausgebreitet, wie in Fig. 6 durch 4a (Strahlen mit ΔE = 0) und 4b (Strahlen mit ΔE ≠ 0) gezeigt; die ausgebreiteten Strahlen 4 werden durch den Magneten 32 wieder zu einer einzigen Bahn zusammengebracht, bevor sie in die Bremsröhre 18 entlassen werden. Wenn die ausgebreiteten gestreuten Strahlen 4 unmittelbar in die Bremsröhre 18 eingeführt werden, bleiben sie ausgebreitet oder sie können manchmal noch mehr ausgebreitet werden wegen des Linseneffekts der Röhre 18; die Strahltransport-Wirksamkeit solcher ausgebreiteten Strahlen, die in das Meßinstrument 20 zugelassen werden, ändert sich mit deren Energieverlust ΔE, was möglicherweise solche Nachteile wie einen Abfall der Zuverlässigkeit der Messungen und der Schwierigkeit bei der Ausführung quantitativer Analysen verursacht.
Um diese Probleme zu beseitigen, wird die Seite des Ablenkmagneten 30, an welcher die gestreuten Strahlen 4 laufen, in einer Weise aufgebaut, daß er im wesentlichen symmetrisch zum Ablenkmagneten 32 ist. Spezifischer festgestellt, es werden die beiden Ablenkmagneten so ausgelegt, daß sie die folgenden Bedingungen erfüllen:
wobei Φ&sub1; der Ablenkwinkel der gestreuten Strahlen im Magnet 30, α&sub1; der Winkel, mit dem die gestreuten Strahlen aus dem Magneten 30 austreten, r&sub1; der Krümmungsradius eines gestreuten Strahls 4a ohne Energieverlust (ΔE = 0), Φ&sub2; der Ablenkwinkel der gestreuten Strahlen im Magneten 32, α&sub2; der Winkel, mit dem die gestreuten Strahlen in den Magneten 32 eintreten und r&sub2; der Krümmungsradius des gestreuten Strahls 4a ist. In der zu Rede stehenden Ausführung ist Φ&sub1; = Φ&sub2; = 90º und α&sub1; = α&sub2; = -45º (das Minuszeichen wird allgemein in dem in Fig. 6 gezeigten Fall bei α&sub1; und α&sub2; beigefügt).
Wenn die drei vorstehend angeführten Bedingungen erfüllt sind, werden die gestreuten Strahlen 4a und 4b, die von einer einzelnen Bahn in dem Ablenkmagneten 30 getrennt wurden, an parallelen Pfaden laufen, wenn sie aus dem Magnet 30 austreten und in den Ablenkmagneten 32 eintreten, in welchem sie in einer Weise abgelenkt werden, die gerade entgegengesetzt zu der Ablenkweise verläuft, die im Magneten 30 bewirkt wird, und vor dem Verlassen des Magneten 32 in eine einzelne Bahn wiedervereinigt werden.
Als eine Folge werden die gestreuten Strahlen 4 unabhängig von irgendwelchen Unterschieden, die in ihrem Energieverlust ΔE vorhanden sind, in die Bremsröhre 18 zugelassen, während sie an einer einzigen zentralen Bahn laufen und werden danach in das Meßinstrument 20 eingeführt. Dies beseitigt die Möglichkeit des Auftretens von Veränderungen in der Ausbeute von in das Meßinstrument 20 kommenden Ionenstrahlen wegen der Änderungen ihres Energieverlusts ΔE, und ermöglicht dadurch die Messung eines breiten Bereichs von Energieverlusten mit hoher Genauigkeit. Ein begleitender Vorteil der vorstehend beschriebenen Ausführung ist, daß sie die Notwendigkeit beseitigt, die Änderung der Wirksamkeit der Strahlerfassung auszugleichen, die durch Versetzen der Bahn der gestreuten Strahlen 4 verursacht wird.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführung der Erfindung. Ein Ablenkmagnet 34 wird benutzt, die Bahn der einfallenden Ionenstrahlen 3 von der Bahn der gestreuten Strahlen 4 zu trennen, und ermöglicht dadurch eine Messung bei einem Streuwinkel (Θ) von 180º. Die sich ergebenden dispergierten Strahlen 4 werden dann in einen Ablenkmagneten 36 eingeführt, der sie an einer Stelle in der Nähe der zentralen Achse der Abbremsröhre 18 so konvergiert, daß die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Veränderungen bei der Ausbeute von in das Meßinstrument 20 gelangenden Ionenstrahlen aufgrund der Änderungen ihrer Energieverluste ΔE beseitigt wird. Jedoch fehlt, anders als bei dem in der ersten Ausführung benutzten Ablenkmagneten 32, dem Magneten 36 die Fähigkeit, die zentralen Bahnen der gestreuten Strahlen 4 von unterschiedlichem Energieverlust ΔE in eine einzige Bahn zu konvergieren, wenn sie den Magneten verlassen. Wenn deshalb die interessierenden gestreuten Strahlen 4 einen weiten Bereich von Energieverlusten ΔE erlitten haben, ergibt das System nach der ersten Ausführung genauere Messungen als das in Fig. 7 gezeigte System.
Ein Beispiel für den Aufbau des Meßinstruments 20 ist in Fig. 8 gezeigt, und dieses ist wirksam zur Ermöglichung der gleichzeitigen Messung eines breiten Energiespektrums. Wie gezeigt, sind die grundsätzlichen Komponenten des Meßinstruments 20 ein Parallelplatten-Analysegerät 23, eine Mikrokanalplatte 24 und ein Positionsdetektor 25. Die gestreuten Strahlen 4 werden an verschiedenen Stellen an der Mikrokanalplatte 24 entsprechend ihren Energien oder den Energieverlustwerten ΔE aufgetrennt, und die Stellen, an welchen die Strahlen aufgefallen sind, werden mit dem Positionsdetektor 25 und einem Positionsrechner 26 erfaßt, der es einem Mehrkanal-Analysegerät 27 gestattet, die Zählwerte für die jeweiligen Positionen anzuzeigen. Mit Benutzung dieser Art von Meßinstrument 20 können die Quantitäten der gestreuten Strahlen von den wenigen oberen Schichten des Probestücks 15 gleichzeitig gemessen werden durch einfaches Kippen des Probestücks (sein Neigungswinkel hängt sowohl von der Probe als auch von der spezifischen Monoschicht ab, an welcher die auffallenden Strahlen zu streuen sind), und ein Energiespektrum der in Fig. 5 gezeigten Form kann mit hoher Wirksamkeit erhalten werden, ohne daß es nötig ist, die Versatzspannung Vo oder die an das Energie-Analysegerät 21 angelegte Spannung VESA wie nach dem Stand der Technik zu ändern. Das bietet den zusätzlichen Vorteil, daß alle Effekte beseitigt werden, die als ein Ergebnis von während des Verlaufs der spektralanalyse auftretenden Energiezustandsänderungen erzeugt werden können.
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, welche das Profil des optimierten Raumwinkels über dem Streuwinkel zeigt, wobei die Vertikalachse im logarithmischen Maßstab geteilt ist. Wie aus Fig. 9 zu ersehen ist, ist bei Θ = 180º der optimierte Raumwinkel Δ X (sr) oder die Strahlerfassungs- Wirksamkeit von einigen hundert Mal (wenn das Probestück 15 aus Gold besteht) bis einigen tausend Mal (wenn das Probestück 15 aus Silizium besteht) so hoch wie bei Θ = 20º. Zusätzlich sind bei Θ = 180º die Streustrahlen 4 unempfindlich für die Oberflächen-Rauhigkeiten des Probestücks 15 und nehmen nur die Auswirkungen der Atome an der Oberfläche des Probestücks auf. Deswegen kann ein scharfes Energiespektrum erhalten werden und es wird eine entsprechende Verbesserung bei der Präzision der Analyse erreicht.
Wenn es erwünscht ist, den Ursprung des Energieverlusts oder das Energieauflösungsvermögen der Ausrüstung zu messen, muß nur die Polarität oder Flußdichte des Ablenkmagneten 30 so gesteuert werden, daß die in den Magneten eintretenden Ionenstrahlen 3 direkt (d.h. ohne Auftreffen auf das Probestück 15) wieder an dem gleichen Weg wie der gestreute Strahl 4a, der keinen Energieverlust erlitten hat (ΔE = 0), austreten können. Dies vermeidet die gegenwärtige Notwendigkeit, die Systemauslegung zu modifizieren und die bei dem Stand der Technik verhandenen Probleme wie die Notwendigkeit, Ausrichtvorgänge und andere zeitraubende Betätigungen durchführen zu müssen, und eine verminderte Präzision der wieder zusammengebauten Ausrüstung können vermieden werden.
Ein besonderer Vorteil der in Fig. 6 gezeigten ersten Ausführung, bei der Φ&sub1;= Φ&sub2; = 90º und Φ&sub0;, der Ablenkungswinkel der Ionenstrahlen 3 im Magneten 30, 90º beträgt, ist, daß wenn es erwünscht ist, den Ursprung des Energieverlusts oder das Energieauflösungsvermögen der Ausrüstung zu messen, nur dieErregung des Magneten 30 abzuschalten ist. Wenn dies getan ist, gehen die Ionenstrahlen geradewegs durch den Magneten 30, dem in Fig. 6 mit A bezeichneten Pfad folgend, und treten aus dem Magnet 30 aus zum Lauf an der gleichen Spur wie der des gestreuten Strahls 4a, der keinen Energieverlust erlitten hat (ΔE = 0). Das ergibt eine große Erleichterung beim Anfertigen von Messungen des Ursprungs des Energieverlusts oder des Energieauflösungsvermögens der Ausrüstung.
Bei der in FIg. 7 gezeigten Vorrichtung können durch Ändern der Polarität des Ablenkmagneten 34 und Erhöhen von dessen Flußdichte die Ionenstrahlen 3 um einen großen Winkel in Richtung B abgelenkt werden, um so eine Messung des Ursprungs des Energieverlusts oder des Energieauflösungsvermögens der Vorrichtung zu ermöglichen. Jedoch kann entsprechend der in Fig. 7 gezeigten Ausführung der gleiche Zweck viel leichter erreicht werden durch einfaches Abdrehen der Erregung des Ablenkmagneten 30.
Wie vorstehend beschrieben, erreichen die erste und die zweite Ausführung PELS mit einem Streuwinkel, der auf einen Wert von annähernd 180º festgesetzt ist, und dies trägt dazu bei, daß sich ein scharfes Energiespektrums ergibt, und es entsteht gleichzeitig eine beträchtliche Verbesserung bei der Strahlerfassungs-Wirksamkeit. Zusätzlich können die gestreuten Ionenstrahlen in die Bremsröhre eintreten, während ihre zentralen Bahnen zu einer einzigen Spur konvergiert sind, unabhängig von der Differenz ihrer Energieverluste. Das beseitigt die Veränderung der Erfassungs-Wirksamkeit infolge der Differenz der Energieverluste und läßt dadurch die genaue Messung eines breiten Energiebereichs zu. Als ein weiterer Vorteil ermöglicht die vorliegende Erfindung das einfache Messen des Ursprungs des Energieverlusts oder des Energieauflösungsvermögens der Ausrüstung, ohne die Auslegung der Ausrüstung zu verändern.
Fig. 10 und 12 sind eine schematische Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht eine Oberflächen-Analysegeräts entsprechend der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Komponenten, die mit den in Fig. 6 gezeigten identisch oder gleichwertig sind, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet oder weggelassen, und die nachfolgende Beschreibung befaßt sich grundsätzlich mit den Unterschieden der beiden Systeme.
In der in FIg. 10 gezeigten Ausführung sind die Beschleunigungsröhre 6 und die Bremsröhre 18 aus Fig. 6 durch eine Beschleunigungs/Brems-Röhre 36 ersetzt, die zwischen dem ersten Ablenkmagneten 30 und dem Probestück 15 in der Streukammer 14 vorgesehen ist und die nicht nur dazu dient, die Ionenstrahlen für das Auffallen auf die Probe 15 zu beschleunigen, sondern auch die von der Probe 15 gestreuten Strahlen 4 abzubremsen. Eine Beschleunigung/Brems-Spannung Vad wird der Röhre 36 von einer Energiequelle 37 zugeführt.
Die von der Ionisationsquelle 2 abgezogenen Ionenstrahlen 3 werden zuerst im Ablenkmagneten 30 um beispielsweise 90º abgelenkt und dann in der Röhre 36 beschleunigt. Die beschleunigten Strahlen werden zum Auftreffen auf die Probe 15 in die Streukammer 14 eingelassen, die so angebracht ist, daß ein Streuwinkel Θ von z.B. 180º geschaffen wird. Die gestreuten Strahlen 4 laufen von der Probe 15 in einer Richtung entgegengesetzt der der Ionenstrahlen 3 und werden in die Röhre 36 eingelassen, in welcher sie abgebremst werden. Die abgebremsten Strahlen werden dann in den Ablenkmagneten 30 eingeführt und um z.B. 90º in einer Richtung entgegengesetzt zur Ablenkung der Ionenstrahlen 3 abgelenkt. Die Strahlen 4 werden weiter in dem Ablenkmagneten 32 um beispielsweise 90º abgelenkt und dann in das Meßinstrument 20 gelassen. Das Bezugszeichen 5 stellt eine Energiequelle zum Zuführen einer Abziehspannung Ve dar.
Fig. 11 zeigt das Potentialprofil des Systems nach der gerade besprochenen Ausführung; die Probe 15 sitzt an einer Stelle mit Potential Null, die Ablenkmagnete 30 und 32 und das Meßinstrument 20 sind an einer Stelle gleicher Beschleunigungs/Brems-Spannung Vad, die Beschleunigungs/Brems-Röhre 36 befindet sich an einer Stelle zwischen den beiden Potentialen und die Ionisationsguelle 2 an einem Punkt zwischen Vad und Va (= Vad + Ve).
Aus der gleichen Überlegung, wie sie im Ableiten der Gleichung (11) angewendet wurde, kann die Energie E des in das Meßinstrument 20 eintretenden gestreuten Strahls 4 ausgedrückt werden als:
E = qVa - ΔE - qVad = qVe - ΔE (14)
und E > 0 ist die Bedingung, die für das System der Fig. 10 erfüllt sein muß, um zu arbeiten. Gleichung (14) entspricht Gleichung (10), so daß bei dem besprochenen System das Spektrum des Energieverlusts bestimmt werden kann durch Ändern entweder der Abziehspannung Ve oder der Spannung VESA, die an das Energie-Analysegerät 21 anzulegen ist.
Das besprochene System besitzt die folgenden Vorteile gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten System nach dem Stand der Technik.
(1) Das Potentialprofil ist vereinfacht und enthält nur zwei Hochpotential-Sektoren Va und Vad. Das erlaubt die Verwendung einer vereinfachten elektrischen Schaltung unter Vermeidung der Notwendigkeit, das bisher erforderliche Hochspannungskabel 26 zu benutzen. Im Ergebnis können Schwierigkeiten wie die Störung von Energiequellen durch Rauschen ausreichend zurückgeführt werden, um die Verschlechterung der Leistung, wie des Energieauflösungsvermögens des Systems zu verhindern.
(2) Da das System nur zwei Hochpotential-Sektoren besitzt, erfordert es einen geringeren Raum für die Isolierung, und damit kann die Gesamtgröße der Ausrüstung verringert werden. Zusätzlich können die Ionisationsquelle 2, die zugehörige Vorrichtungen, das Meßinstrument 20 und auch die Ablenkmagneten 30 und 32 auf einem einzigen Hochpotentialtisch 38 angebracht werden, und das ist ein weiterer Faktor, der zur verringerten Größe der Ausrüstung beiträgt.
(3) Die in dem System nach Fig. 2 verwendete Versatz-Leistungsquelle 24 ist aus dem Oberflächen-Analysegerät nach der vorliegenden Ausführung entfernt. Da zusätzlich in dieser Ausführung die Beschleunigungs-Röhre 6 und die Bremsröhre 18 durch eine einzige Beschleunigungs/Brems-Röhre 36 ersetzt sind, führt diese Ausführung zur Verwendung von weniger Bestandteilen und damit zu einer Verminderung der Herstellkosten der Ausrüstung gegenüber der ersten und der zweiten Ausführung.
Die Strukturbeziehung zwischen den beiden Ablenkmagneten 30 und 32 wird nachfolgend beschrieben, obwohl sie im wesentlichen gleich wie in dem System nach Fig. 6 ist. Die beiden Ablenkmagneten sind dazu ausgelegt, die folgenden Bedingungen zu erfüllen:
Φ&sub1; = Φ&sub2;
α&sub1; = α&sub2; = (α&sub1;/2) - 90 (Grad) und
r&sub1; = r&sub2;,
wobei Φ&sub1; der Ablenkwinkel der gestreuten Strahlen im Magneten 30, α&sub1; der Winkel, mit dem die gestreuten Strahlen aus dem Magneten 30 austreten, r&sub1; der Krümmungsradius des gestreuten Strahls 4a ohne Energieverlust (ΔE = 0), Φ&sub2; der Ablenkwinkel der gestreuten Strahlen im Magneten 32,, α&sub2; der Winkel, mit dem die gestreuten Strahlen in den Magneten 32 eintreten, und r&sub2; der Krümmungsradius des gestreuten Strahls 4a ist. In der besonderen gerade besprochenen Ausführung ist Φ&sub1; = Φ&sub2; = 90º und α&sub1; = α&sub2; = -45º (das Minuszeichen wird in dem in Fig. 10 gezeigten Fall allgemein an α&sub1; und α&sub2; angebracht).
Wenn die drei angeführten Bedingungen erfüllt sind, laufen die gestreuten Strahlen 4a und 4b, die von einer einzigen Bahn in dem Ablenkmagneten 30 abgetrennt wurden, an parallelen Pfaden, wenn sie aus dem Magnet 30 austreten und in den Ablenkmagneten 32 eintreten. Deswegen können unter Benutzung des Meßinstruments 20 die Quantitäten der von den wenigen oberen Schichten des Probestücks 15 gestreuten Strahlen gleichzeitig gemessen werden durch einfaches Kippen des Probestücks (sein Neigungswinkel hängt sowohl von der Probe und von der besonderen Monoschicht ab, in welcher die auffallenden Strahlen zu streuen sind), und ein Energiespektrum der in Fig. 5 gezeigten Form kann mit hoher Wirksamkeit erreicht werden, ohne daß es nötig ist, die Abziehspannung Ve oder die an das Energie-Analysegerät 21 angelegte Spannung VESA zu ändern. Das bietet den zusätzlichen Vorteil, daß jeder Effekt beseitigt wird, der infolge von während des Verlaufs der Spektralanalyse auftretenden Änderungen des Energiezustandes erzeugt werden könnte. Die durch die vorliegende Ausführung gebotenen Vorteile sind: sie verringert das Auftreten von Schwierigkeiten mit Energiequellen und verhindert dadurch eine Verschlechterung des Systemverhaltens; das System besitzt eine geringere Größe und kann mit geringeren Kosten gefertigt werden.
In der vierten Ausführung, wie sie in Fig. 13 gezeigt ist, wird nur ein Magnet benutzt, um die abgebremsten Protonenstrahlen zu abzulenken. In den vorher beschriebenen Ausführungen sind zwei Magnete erforderlich, da es notwendig ist, die Protonenstrahlen an einen einzigen Punkt zu konvergieren.
Fig. 13 ist eine perspektivische Darstellung, welche die relativen Positionen eines Magneten 101 und eines Analysegeräts G zeigt, die das Konzept der vorliegenden Erfindung verkörpern. Der Magnet 101 entspricht dem Magneten 30 in Fig. 7 und 11. Das Analysegerät G ist breiter als die in den anderen Ausführungen gezeigten Analysegeräte und benutzt die gleichen Meßprinzipien. Andere Bestandteile der vierten Ausführung sind die gleichen wie bei den vorher beschriebenen Ausführungen und sind deswegen hiernach weggelassen.
Um diese Ausführung leichter zu verstehen, sei angenommen, daß die gestreuten Protonenstrahlen mit zwei Energiepegeln am Punkt J in den Magneten 101 eintreten. Strahlen der geringeren Energie laufen längs einer Bahn R&sub1; mit einem kleineren Krümmungsradius und treten aus dem Magnetfeld an der Stelle K aus. Strahlen mit der höheren Energie laufen längs einer Bahn R&sub2; mit dem größeren Krümmungsradius und treten aus dem Magnetfeld an der Stelle N aus. Wenn die Mittelpunkte der Bahnen R&sub1; und R&sub2; mit O&sub1; bzw. O&sub2; bezeichnet werden, sind die Punkte J, O&sub1;, O&sub2;, K und N alle in der Referenz-Strahlebene (P) gelegen. Nach Verlassen des Magnetfelds an den Punkten K und N laufen die beiden Srahlen längs gerader Bahnen T&sub1; bzw. T&sub2; weiter, die ebenfalls in der Referenz-Strahlebene (P) enthalten sind.
Das Analysegerät G ist auf solche Weise positioniert, daß seine Bodenfläche einen Winkel Ψ bezüglich der Referenz- Strahlebene (P) bildet und daß der Schlitz 105 in dem Analysegerät die Referenz-Strahlebene (P) überquert.
Man stelle sich hier ein rechtwinkliges Koordinatensystem vor, in welchem die Z-Achse längs des Schlitzes 105 gelegen ist, die Y-Achse senkrecht zur Bodenfläche des Analysegeräts verläuft und die X-Achse vom Schlitz zu dem Positionsdetektor 104 hin gerichtet ist. Die Protonenstrahlen breiten sich über das Gebiet T&sub1; - T&sub2; aus, gelangen jedoch in das Analysegerät G durch einen länglichen Schlitz 5. In dem Analysegerät G wird nach unten eine Spannung Vo angelegt. Nach Durchtritt durch den Schlitz 105 verlaufen die Protonenstrahlen in einer Ebene, die parallel zur xy-Ebene verläuft, wegen der angelegten Spannung Vo werden sie jedoch zu dem Boden des Analysegeräts hin gedrückt, um in einen der Kanäle im Positionsdetektor 104 zu fallen.
Der Ursprung O des x-y-z-Koordinatensystems wird als der Punkt bestimmt, bei dem die durch den Punkt J gehende Ebene (d.h. in der die gestreuten Strahlen in den Magneten 101 eintreten und die senkrecht zur Referenz-Strahlebene (P) liegt) die Zentrallinie des Schlitzes 105 schneidet. Dies ist möglich, falls die Querbreite des Analysegeräts ausreichend groß ist.
Der Strahl T&sub1; überfliegt einen kurzen Abstand und fällt an dem Punkt Q&sub1; in den Positionsdetektor, während der Strahl B&sub2; einen längeren Abstand überfliegt und an einer Stelle Q&sub2; in den Positionsdetektor fällt. Protonen mit hoher Energie treten bei einem großen z-Wert durch den Schlitz und ihre Fluglänge L im Analysegerät ist groß. Andererseits gehen Protonen mit geringer Energie bei einem kleinen z-Wert durch den Schlitz und ihre Fluglänge L im Analysegerät ist klein. Deswegen ergeben die Punkte, an denen die Protonen in den Positionsdetektor 104 fallen, eine Kurve, wenn sie miteinander verbunden werden, und die Protonen fallen nicht auf alle Punkte des Detektors 104. Der Ort der Fallpunkte der Protonen wird hier von jetzt ab als der Ort der Erfassungspunkte bezeichnet und kann bestimmt werden durch die nachfolgenden Prozeduren, bei denen der Erfassungspunkt mit Q bezeichnet ist.
In Gleichung (28) werden die Koordinaten des Punkts Q gegeben durch:
Die z-Koordinate des Punkts Q hängt ab von der Größe der Ablenkung eines Protons durch den Magneten 1 und wird gegeben durch:
z = RsinΦ (16)
wobei Φ ein Ablenkungswinkel wie < KO&sub1;J ist und R der Krümmungsradius der Protonenablenkung. Da die Geschwindigkeit V eines Protons das Produkt aus R und der Winkel-Zyclotron-Frequenz Xc des Protonenstrahls ist,
Eliminiert man Ea aus Gl. (15) und (20), folgt
Deshalb ist der Ort γ der Punkte Q in der xz-Ebene eine Parabel.
Gleichung (21) enthält die Zyclotron-Frequenz Xc. Das Proton und die Ionen anderer Atome haben unterschiedliche Massen und damit unterschiedliche Werte von Xc. Wenn die obere Fläche des Positionsdetektors 104 mit einer Platte maskiert ist, die einen Ausschnitt besitzt, dessen Kontur dem Ort γ folgt, werden die Ionen von unerwünschten Atomen durch die Maske gesperrt und treten nicht in den Positionsdetektor ein. Aus diesem Grund bewirkt die Maske ein Verhindern von Zählfehlern, die sonst wegen der Anwesenheit unerwünschter Ionen auftreten.
Die Breite Π des Schlitzes 105 und des Positionsdetektors 104 in z-Richtung hängt von der erwarteten Veränderung der Protonenenergie Ea ab und je größer diese Änderung, umso größer sollte Π sein. Die Veränderung der Protonenenergie Ea ist eng mit der Veränderung der Masse M des zu untersuchenden Atoms bezogen. Z.B. reicht Π von ca. 10 cm aus, einen ziemlich großen Massenbereich zu überdecken.
Der Ablenkwinkel Φ von Protonen im Magneten 101 kann 90º sein oder auch nicht. Falls Φ 90º ist, kann aus der Gleichung (16) gesehen werden, daß eine gute Strahltrennung in z-Richtung erreicht werden kann. Es ist jedoch wichtiger, eine gute Strahltrennung in x-Richtung als in z-Richtung zu erreichen. Falls Φ groß ist, muß die Größe des Magneten 101 erhöht werden. Falls Φ klein ist, ist der Raum, in den das Analysegerät G installiert werden kann, begrenzt. Aus diesen Überlegungen wird Φ allgemein aus dem Bereich von 30 - 150º, vorzugsweise dem Bereich von etwa 45º bis etwa 135º ausgewählt.
Das Oberflächen-Analysegerät der vorliegenden Erfindungbesitzt die folgenden Vorteile:
(1) Ein Magnet 32, wie er in Fig. 6 und 10 zu sehen ist, wird beseitigt und die Beseitigung dieses sperrigen Magneten trägt zu einer wesentlichen Reduzierung der Gesamtgröße der PELS-Ausrüstung bei;
(2) die Verwendung eines vereinfachten Hochpotentialtisches ist ermöglicht;
(3) die Strahllinie von dem Probestück zu dem Analysegerät ist verkürzt, und das läßt eine Reduzierung der Länge der Beschleunigungs/Brems-Röhre zu;
(4) die Anzahl der Betriebsparameter wird vermindert, so daß für einen einfacheren Betrieb der Ausrüstung gesorgt ist;
(5) bei der Analyse wird eine hohe Reproduzierbarkeit erreicht;
(6) ein gleichmäßiger Protonen-Transportwirkungsgrad wird realisiert;
(7) gleichzeitige Messungen können in einem breiten Bereich von Atommassen erreicht werden; und
(8) eine Maske mit einem Ausschnitt, dessen Kontur dem Ort des Erfassungspunktes folgt, kann über dem Positionsdetektor angeordnet werden, um so zu verhindern, daß andere Ionen als Protonen in diesen Detektor eindringen.
Die nachfolgende Beschreibung ergibt einige Beispiele von Verfahren zum Messen verschiedener Objekte durch Benutzung des erfindungsgemäßen Oberflächen-Analysegerätes.

A. Tiefenanalyse durch Schattenkegel

Wie in FIg. 14 gezeigt, tritt, wenn Protonen mit Masse m durch ein schweres Atom M gestreut werden, ein Bereich in Vorwärtsrichtung auf, in dem keine Protonen existieren, und dieser Bereich wird allgemein als Schattenkegel bezeichnet. Wenn eine x-Achse durch das Atom M parallel zur Bewegung einzelner Protonen gezeichnet wird, wird ein Schattenkegel erzeugt, da weit von der x-Achse entfernte Protonen mit einem kleinen Winkel gestreut werden, während die näher der x-Achse befindlichen mit großen Winkeln gestreut werden.
Wird das Atom mit einer Ladung Ze und ein Proton mit einer Ladung ze angenommen, so wird die Bahn des einer Coulomb- Streuung unterliegenden Protons durch die folgenden polaren Gleichungen ausgedrückt:
wobei b der Anfangsabstand des Protons von der x-Achse und E&sub0; die kinetische Energie des Protons ist, und das ist das gleiche, was durch Gleichung (7) ausgedrückt wird.
Gleichung (12) zeigt, daß der Bereich von Streuwinkeln 2cos&supmin;¹1/&epsi; ist und deswegen wird der Streuwinkel Θ gegeben durch:
Θ = Π - 2cos&supmin;¹1/&epsi; (30)
Als die erste Annäherung sei angenommen, daß ein an der Stelle y = b an der y-Achse gebogener Protonstrahl mit einem Winkel Θ bezüglich der x-Achse verläuft. Dann wird der Ort des Protonenstrahls nach der Streuung gegeben durch:
y - b = xtanΘ (31)
Die Form des Schattenkegels wird hauptsächlich bestimmt durch Protonenstrahlen, die mit kleinen Winkeln gestreut werden. Deswegen wird als zweite Annäherung angenommen, daß der Streuwinkel Θ klein ist (da b groß ist). Dann ergibt sich
was umgeschrieben werden kann als:
Der Schattenkegel, der die Hüllkurve der durch die Gleichung (31) ausgedrückten Kurvenfamilie ist, kann durch die folgenden Vorgänge gefunden werden. Zunächst werde die partielle Ableitung von Gleichung (31) bezüglich b genommen
die umgeschrieben werden kann als:
Einsetzen von Gleichung (21) in Gleichung (17) ergibt
Durch Verwenden des Schattenkegels, was ein vorteilhaftes Mittel ist, kann man die Atome in der obersten Monoschicht eines Probestücks identifizieren, wie in Fig. 15-18 gezeigt.
Es werde angenommen, daß Protonenstrahlen senkrecht auf die Oberfläche eines Probestücks gerichtet weren, wie in Fig. 15 gezeigt, um die Energieverteilung der in die entgegengesetzte Richtung reflektierten Protonen (Θ = Π) zu messen. Die Ausbeute gestreuter Protonen besitzt, wie in Fig. 11 gezeigt, zwei Gipfel. Falls die Probe GaAs ist, ist Fig. 16 allein ungenügend, um zu sagen, ob Ga- oder As-Atome in der obersten Monoschicht der Oberfläche vorhanden sind. Wenn andererseits Protonenstrahlen auf die Probe mit einem Winkel wie dem in Fig. 17 gezeigten auftreffen, so daß die Atome des Elements in der zweitobersten Schicht innerhalb der durch die Atome des Elements in der obersten Schicht geschaffenen Schattenkegel liegen, besitzt die Energieverteilung der Protonen nur einen Gipfel, wie in Fig. 18 gezeigt, was zeigt, daß in der obersten Schicht Ga-Atome vorhanden sind.

B. Tiefenanalyse aufgrund von Kollisionen mit Elektronen

PELS kann auch Atome in der obersten Monoschicht von denen in der darunterliegenden (zweitobersten) Schicht unterscheiden. PELS ist ein Analyseverfahren, das Atome in einer Probe identifiziert aufgrund der Verteilung der durch Stöße zwischen Protonen und Atomen verursachten Energieverluste. In der Probe sind Protonen auch Streueffekten durch Elektronen unterworfen. Die Elektronenmasse ist so gering, daß die Bewegung der Protonen durch Elektronen wenig bedroht wird. Jedoch sind Protonen wie auch Elektronen geladene Teilchen und verlieren Energie infolge von Stößen mit Elektronen, die an Zahl die Protonen weit übertreffen. Dieser Energieverlust durch Protonen kann benutzt werden, um zu sagen, in welcher der obersten zwei Monoschichten der Probe die Protonen gestreut wurden.
Die Einzelheiten dieses Mechanismus werden nachfolgend mit Bezug auf Fig. 19 beschrieben. Es werden zwei Fälle betrachtet, einer, in dem ein einfallendes Proton an einer Stelle J in der obersten Schicht gestreut wird und der andere Fall, in dem es an der Stelle G in der zweitobersten Schicht egstreut wird. In beiden Fällen wird das Proton in die Richtung Θ/2 gestreut, einem Winkel, der mit Bezug auf die Ebene jeder Schicht gebildet ist. Der Streuwinkel ist Θ, das bedeutet jedoch nicht, daß ein Streuen des Elektrons nur in der Richtung Θ/2 auftritt entsprechend dem Bragg'schen Gesetz. Was hier gemeint ist, ist, daß obwohl Protonen in jeder Richtung gestreut werden können, nur die Energieverteilung von Protonen, die in Richtung Θ/2 gestreut wurden, im PELS der vorliegenden Erfindung gemessen wird.
Es werde angenommen, daß Elektronen ein Bremsvermögen S besitzen, das als die von einem durch eine Elektronen enthaltende Probe hindurchtretenden Proton pro Weg-Einheitslänge verlorene Energie definiert ist. Das in der zweitobersten Monoschicht gestreute Elektron läuft längs eines Weges, der länger ist als der Weg des in der obersten Schicht gestreuten Protons, und die Differenz wird in Fig. 19 durch die Strecke FGH dargestellt, die das erstgenannte Proton entsprechend großen Auswirkungen des Bremsvermögens von Elektronen unterworfen sein läßt. Falls die Energiedifferenz zwischen den in der obersten und der zweitobersten Monoschicht gestreuten Protonen als ΔF ausgedrückt wird,
wenn d = 5,6 A, S = 10 eV/A und Θ = 30,
ΔF = 432 eV (38)
Falls Θ erhöht wird, wird ΔF entsprechend vermindert; z.B. ist ΔF = 112 eV bei Θ = 180º. Mit anderen Worten, falls Elektronenstrahlen senkrecht auf die Probe einfallen, unterscheiden sich die Energiewerte von Protonen, die in der obersten bzw. der zweitobersten Monoschicht gestreut wurden, voneinander um ca. 100 eV. Weiter kann durch Vermindern von Θ ΔF ausreichend erhöht werden, um eine Unterscheidung zwischen Protonenstreuungen durch unterschiedliche Atome in der obersten bzw. zweitobersten Monoschicht zu erhalten.

Claims

1. Oberflächenanalysegerät zur Analyse physikalischer Eigenschaften eines Probestückes (15), wobei das Oberflächenanalysegerät umfaßt: eine Ionenstrahlenquelle (2) zur Erzeugung von Ionenstrahlen (3);

eine Ablenkeinrichtung (30, 32) zur Ablenkung der Ionenstrahlen (3) von der Ionenstrahlenquelle (2), zur Bestrahlung der Oberfläche des Probestückes (15) mit den abgelenkten Ionenstrahlen in einer Richtung, die senkrecht zur Oberfläche des Probestückes (15) liegt, und zur Ablenkung gestreuter Ionenstrahlen vom Probestück (15);

Beschleunigungs- und Bremseinrichtung (61) zur Beschleunigung der Ionenstrahlen, bevor sie auf das Probestück (15) auftreffen, und zum Abbremsen der gestreuten Ionenstrahlen vom Probestück (15);

Analyseeinrichtung (20) zum Nachweis der gestreuten Strahlen und zur Analyse des Energieverlustes der Ionenstrahlen.

2. Oberflächenanalysegerät nach Anspruch 1, wobei die Ablenkeinrichtung einen ersten Ablenkmagneten und einen zweiten Ablenkmagneten umfaßt, wobei der erste Ablenkmagnet zwischen der Ionenstrahlenquelle und dem Probestück angeordnet ist und beide Ionenstrahlen vor dem Auftreffen auf das Probestück und die gestreuten Ionenstrahlen vom Probestück ablenkt, und der zweite Ablenkmagnet zwischen dem Probestück und der Analyseeinrichtung angeordnet ist und die gestreuten Ionenstrahlen vom Probestück ablenkt und zur Analyseeinrichtung leitet.

3. Oberflächenanalysegerät nach Anspruch 2, wobei der zweite Ablenkmagnet die gestreuten Ionenstrahlen in der gleichen Richtung wie der erste Ablenkmagnet vom Probestück ablenkt.

4. Oberflächenanalysegerät nach Anspruch 3, wobei die Beschleunigungs- und Bremseinrichtung Beschleunigungseinrichtung und Bremseinrichtung umfaßt, die Beschleunigungseinrichtung zwischen der Ionenstrahlenquelle und dem ersten Ablenkmagneten angeordnet ist und die Ionenstrahlen von der Ionenstrahlenquelle beschleunigt, und die Bremseinrichtung zwischen dem zweiten Ablenkmagneten und der Analyseeinrichtung angeordnet ist und die gestreuten Ionenstrahlen vom zweiten Ablenkmagneten abbremst.

5. Oberflächenanalysegerät nach Anspruch 3, wobei die Beschleunigungs- und Bremseinrichtung zwischen dem ersten Ablenkmagneten und dem Probestück angeordnet ist und sowohl die Ionenstrahlen vom ersten Ablenkmagneten beschleunigt als auch die gestreuten Ionenstrahlen vom Probestück abbremst.

6. Oberflächenanalysegerät nach Anspruch 4 oder 5, wobei der erste und der zweite Ablenkmagnet so gebaut sind, daß sie folgende Gleichung erfüllen: = φ&sub1; = φ&sub2;, α&sub1; = α&sub2; = (φ&sub1;/2) - 90 (Grad), und r&sub1; = r&sub2;, wobei φ&sub1; der Ablenkungswinkel der gestreuten Ionenstrahlen im ersten Ablenkmagnet, α&sub1; der Winkel, in dem die gestreuten Ionenstrahlen aus dem ersten Ablenkmagneten austreten, r&sub1; der Krümmungsradius eines gestreuten Ionenstrahles ohne Energieverlust im ersten Ablenkmagneten, φ&sub2; der Ablenkungswinkel der gestreuten Ionenstrahlen im zweiten Ablenkmagneten, α&sub2; der Winkel, in dem der Ionenstrahl ohne Energieverlust in den zweiten Ablenkmagneten eintritt, und r&sub2; der Krümmungsradiums eines gestreuten Strahles ohne Energieverlust im zweiten Ablenkmagneten ist.

7. Oberflächenanalysegerät nach Anspruch 1, wobei die Ablenkeinrichtung einen Ablenkmagneten umfaßt, der zwischen dem Probestück und der Analyseeinrichtung angeordnet ist, die gestrueten Ionenstrahlen vom Probestück ablenkt und sie zur Analyseeinrichtung lenkt, wobei die Ionenstrahlen in einer Ebene parallel zueinander liegen.

8. Oberflächenanalysegerät nach Anspruch 7, wobei die Analyseeinrichtung einen länglichen Spalt umfaßt, durch den die parallelen Ionenstrahlen hindurchtreten und einen Breitband-Positionsdetektor zum Nachweis der durch den Spalt hindurchtretenden parallelen Ionenstrahlen.

9. Oberflächenanalysegerät nach Anspruch 8, wobei der Ablenkmagnet so gestaltet ist, daß der Punkt, an dem die gestreuten Ionenstrahlen in den Ablenkmagneten eintreten, und die Punkte, an denen die eingetretenen Ionenstrahlen aus ihm austreten, auf einer gerade Linie liegen, und eine Vergleichsstrahlebene, die die parallelen Ionenstrahlen vom Ablenkmagneten und gekrümmte Ionenstrahlen im Ablenkmagneten, die aus den eingetretenen gestreuten Ionenstrahlen entstehen, umfaßt, durch den Spalt hindurchtritt, während die parallelen Ionenstrahlen den Spalt im rechten Winkel schneiden.

10. Oberflächenanalysegerät nach Anspruch 9, wobei die Analyseeinrichtung weiterhin eine Maske mit einem Ausschnitt umfaßt, dessen Kontur der Ortskurve der vorgegebenen, im Positionsdetektor nachzuweisenden, Ionenstrahlen folgt, und die Maske über dem Positionsdetektor angeordnet ist, um zu verhindern, daß andere als die vorgegebenen Ionenstrahlen vom Positionsdetektor nachgewiesen werden.

11. Oberflächenanalysegerät nach Anspruch 7, wobei der Ablenkmagnet die gestreuten Ionenstrahlen in einem Bereich von 45º bis 135º ablenkt.

12. Oberflächenanalysegerät nach Anspruch 10, wobei die vorgegebenen Ionenstrahlen Protonenstrahlen sind.

13. Oberflächenanalysegerät nach Anspruch 1, wobei die Ionenstrahlen Protonenstrahlen sind.