DE4341144A1

DE4341144A1 - Energieanalysator für geladene Teilchen

Info

Publication number: DE4341144A1
Application number: DE19934341144
Authority: DE
Inventors: Philippe Dr Staib
Original assignee: STAIB INSTR GmbH
Current assignee: STAIB INSTR GmbH
Priority date: 1993-12-02
Filing date: 1993-12-02
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2013-12-03
Also published as: DE4341144C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Energieanalysator für geladene Teilchen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Energieanalysatoren für geladene Teilchen werden z. B. als Elektronen (energie) spektrometer in der Festkörperanalytik verwendet. Sie dienen dazu, daß Spektrum der kinetischen Energie der von einer zu untersuchenden Festkörperoberfläche ausgesandten geladenen Teilchen, d. h. Elektronen (z. B. - Auger-Elektronen oder Photoelektronen), Positronen, Ionen, α-Teilchen oder β-Teilchen, zu vermessen. In gleicher Weise kann mit ihnen das Energie-Spektrum radioaktiver Substanzen, wie α- oder β-Strahler aufgenommen werden. Weitere An wendungen ergeben sich in der Ionenspektroskopie und der Plasmaanalyse.

Energieanalysatoren können aber auch als Energiefilter (Monochromatorstufe) in Elektronen- oder Ionenquellen verwendet werden.

Ein für die Auger-Elektronenanalyse verwendeter Elektronen- Energieanalysator ist z. B. aus der DE-OS 34 29 599 bekannt und in der Fig. 2 schematisch im achsenhalbierten Querschnitt dargestellt. Er wird nach seinem Arbeitsprinzip auch Zylinder-Spiegel-Analysatopr (ZSA) genannt. Im Prinzip werden dabei Elektronen in einem Spiegelpotential derart umgelenkt, daß nur Elektronen eines bestimmten Energiebereiches einen Detektor erreichen, andere hingegen entfernt werden.

Der ZSA besteht aus zwei koaxialen Zylindern 1 und 2. Der innere Zylinder 2 ist mit zwei ringförmigen Schlitzöffnungen versehen und befindet sich auf Massepotential. Der äußere Zylinder 1 befindet sich auf einem Potential V_ext. Geladene Teilchen werden von einer auf der Zylinderachse befindlichen Quelle (Probe) 3 emittiert. Sie erreichen den Eintritts schlitz, werden in ein elektrostatisches Gegenfeld umgelenkt und gespiegelt. Für ganz bestimmte Kombinationen von Eingangswinkeln, Teilchenenergie und Spiegelpotential V_ext werden diese auf die Öffnung eines Detektors 4 fokussiert. Für einen festgelegten Eingangswinkelbereich erreicht nur ein enger Energiebereich den Detektor. Folgende Werte sind dabei gebräuchlich:

Eintrittswinkel α = 42,18°,
Öffnungswinkel 2Δα = 5 bis 12°,
Auflösung Δ E/E = 0,3 bis 1%.

Die kinetische Energie der Teilchen, die das Feld durch laufen, wird Pass-Energie genannt und beträgt E_pass = 1,31 × eV_ext. Durch Variation des an dem Zylinder 1 anliegenden Potentials V_ext kann somit das Energiespektrum der Teilchen durchgestimmt werden.

Der ZSA hat den Vorteil, daß er rotationssymmetrisch arbeitet und dementsprechend einen hohen Akzeptanzraumwinkel aufweist. Darüberhinaus läßt er sich aufgrund seiner sehr kompakten Bauweise leicht in Versuchsaufbauten integrieren.

Der nach dem Stand der Technik bekannte ZSA weist jedoch auch bedeutsame Nachteile auf. So muß die Teilchenquelle innerhalb des inneren Zylinders oder zumindest sehr nahe am Analysatoreingang montiert werden. In der Regel liegt der Arbeitsabstand - der Abstand zwischen Quelle und Analysator eingang - für Analysatordurchmesser von 100 bis 200 mm im Bereich 5 bis 15 mm. Weiterhin beträgt die Detektoröffnung 50 bis 200 um, wodurch die Quelle mit eben dieser Genauigkeit justiert werden muß. Außerdem ist die Pass- Energie sehr von der Lage der Quelle abhängig. Kleine Verschiebungen von einigen 100 um verursachen Energieverschiebungen von mehreren 10 eV. Schließlich wird durch die gegebene An ordnung nur ein relativ kleiner Ausschnitt der Quelle senkrecht zur Symmetrieachse erfaßt.

Es ist demgemäß Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Energieanalysator für geladene Teilchen mit verbesserter und elektrisch einstellbarer Energieauflösung anzugeben, der außerdem flexibler gehandhabt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß der durch Verwendung einer vor dem Analysator positionierten Eintrittselektrode der durch den Analysator erfaßte Winkelbereich wählbar ist. Dadurch läßt sich der Analysator bestimmten experimentellen Anordnungen anpassen. Insbesondere kann dadurch auch ein sehr großer Arbeitsabstand realisiert werden. Weiterhin gestattet die Erfindung größere Toleranzen bei der Positionierung und der räumlichen Ausdehnung der Quelle. Außerdem wird mit der Erfindung eine verbesserte und elektrisch einstellbare Energieauflösung ermöglicht.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1A und 1B schematische Darstellungen eines erfindungsgemäßen Energieanalysators;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Zylinder-Spiegel analysators (ZSA) nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 die mit numerischer Simulation berechneten Äqui potentiallinien und Teilchenbahnen bei optimaler Fokussierung;

Fig. 4 durch numerische Simulation berechnete Teilchenbahnen mit ringförmigem Fokus;

Fig. 5 durch numerische Simulation berechnete Teilchenbahnen bei großem Arbeitsabstand und ringförmigem Fokus außerhalb des Innenzylinders;

Fig. 6 durch numerische Simulation berechnete Teilchenbahnen bei großem Eingangswinkelbereich und ringförmigem Fokus;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energieanalysators mit zusätzlichen Netzelektroden und numerisch berechneten Teilchenbahnen;

Fig. 8 gemessene Transmissionskurven bei einem Energie analysator gemäß Fig. 7;

Fig. 9 Transmissionskurven bei Variation der Position der Quelle auf der Achse.

Ein Energieanalysator gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1A schematisch dargestellt. Der Analysatorteil enthält wie der Energieanalysator nach dem Stand der Technik (siehe Fig. 2) einen äußeren Hohlzylinder 1 und einen inneren Zylinder 2, die zueinander koaxial sind. An den äußeren und den inneren Zylinder werden elektrische Potentiale V_ext und V_int angelegt (Fig. 1B), wodurch zwischen den Zylindern ein elektrostatisches Spiegelfeld erzeugt wird. Dieses Spiegelfeld bewirkt, daß ein im Zwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder befindliches Teilchen mit einer transversalen Bewegungs komponente in Richtung auf den äußeren Zylinder in seiner transversalen Bewegung gebremst und schließlich reflektiert wird. Im Unterschied zu der Anordnung nach Fig. 2 treten jedoch die Teilchen bei dem erfindungsgemäßen Energie analysator an der vorderen offenen Endfläche der zwei Zylinder in das elektrische Spiegelfeld ein. Die Spannungs versorgung der Zylinder ist in Fig. 1B dargestellt.

Die Selektion eines bestimmten Winkelbereichs geschieht hier durch eine Eintrittselektrode 5 mit einer ringförmigen Eintrittsöffnung. An die Eintrittselektrode 5 kann dabei, wie in Fig. 1B gezeigt, Massepotential angelegt werden. Zur Selektion eines bestimmten Energiebereichs dient eine hinter der ausgangsseitigen Endfläche der Zylinder angebrachte Aus trittselektrode 6 mit einer schmalen ringförmigen Austritts- Öffnung. An die Austrittselektrode 6 wird ein Potential V_exit angelegt. Die durch die Austrittselektrode 6 hindurch getretenen Teilchen treffen auf einen Teilchendetektor 4.

Der Verlauf der ringförmigen Eintrittsöffnung liegt vorzugs weise aus Gründen der Zylindersymmetrie in einer zu der Ebene der Grundflächen der Zylinder parallelen Ebene. Die Zylinderachse ist gleichzeitig Symmetrieachse der ring förmigen Eintrittsöffnung. Die Eintrittsöffnung selbst kann dagegen mit der Ebene der Grundflächen der Zylinder einen Winkel einschließen wie in Fig. 1A, B. Sie kann aber auch in einer zu der Ebene der Grundflächen parallelen Ebene wie in Fig. 3 liegen.

Die Grundflächen der beiden Zylinder können wie in Fig. 1A, B in einer Ebene liegen. Aus Gründen der besseren Feldkonfiguration, wie noch erläutert werden wird, ist jedoch der innere Zylinder etwas in das Innere des Hohl- Zylinders 1 hineinversetzt, wie in Fig. 3 dargestellt, so daß die Grundflächen dem beiden Zylinder nicht in einer Ebene liegen.

Die elektrische Feldkonfiguration der Anordnung nach Fig. 1A läßt sich nicht mehr analytisch berechnen, so daß die Fokussiereigenschaften durch Rechnersimulation ermittelt werden müssen.

In Fig. 3 wird deutlich, daß die elektrostatische Feldkonfiguration in der Nähe der Eintrittsöffnung von einer zylindrischen Feldverteilung stark abweicht. Gerade diese geänderte Feldverteilung wird zur Fokussierung der Teilchenbahnen ausgenützt. Ähnlich wie bei einem Zylinder- Spiegel-Analysator (ZSA) erhält man ringförmige und punkt förmige Fokusbilder je nach Auswahl des Eintrittswinkels, der Zylindergeometrie und der elektrischen Potentiale. Angestrebt wird eine Feldkonfiguration, die einen Teilchen fokus auf der Zylinderachse hervorruft.

Dieses gewünschte und in der Fig. 3 dargestellte Ergebnis erreicht man dadurch, daß sowohl der äußere als auch der innere Zylinder auf ein Ablenkpotential gelegt werden. Die Berechnung des elektrischen Feldes erfolgte bei der Simulation der Fig. 3 für positive Teilchen und mit folgenden Werten für die elektrischen Potentiale:

Eintrittsblende Potential - 0V
Außenzylinder Potential + 1000 V
Innenzylinder Potential + 420 V
Pass-Energie 1320 eV.

Die besten Fokusbedingungen werden für Werte des Verhältnisses V_ext/V_int = 0,4 bis 0,6 erreicht. Die Durchlaufenergie (Pass-Energie) liegt im Bereich 1,2 bis 1,6 × eV_ext.

Bei der Simulation der Teilchenbahnen in Fig. 4 wurde im Vergleich zu Fig. 3 lediglich das Ablenkpotential des inneren Zylinders auf 400 V verringert. Man erkennt, daß sich nunmehr ein ringförmiger Fokus ausbildet. Die Austritts öffnung ist in diesem Fall als ringförmiger Schlitz in dem inneren Zylinder ausgebildet.

Bei der Simulation der Teilchenbahnen in Fig. 5 wurde im Vergleich zu Fig. 4 der Arbeitsabstand X vergrößert. Außerdem wurde das Potential des inneren Zylinders auf 560 V erhöht. Daraus resultiert ein ringförmiger Fokus außerhalb des inneren Zylinders. Diese Konfiguration ist für die Erfassung eines breiteren Energiebereiches mit mehrfachen Detektoren geeignet. Diese Simulation zeigt darüberhinaus, daß sich durch die Einstellbarkeit des erfaßten Winkelbereiches ein Analysator mit sehr großem Arbeitsabstand X (Abstand Probe-Ein trittsblende) realisieren läßt.

Fig. 6 zeigt besonders deutlich, wie durch geeignete Wahl der Potentiale ein besonders hoher Akzeptanzwinkel und hohe Transmission erzielt werden kann. Bei dieser Ausführungsform sind zwei weitere Elektroden 9 und 10 als Korrekturelektroden wirksam. Auch Strahlen, die sich am Rande des Öffnungskegels befinden, können besser erfaßt und dadurch der Akzeptanz winkel erweitert werden. Der Akzeptanzwinkelbereich liegt somit zwischen 5 und 20% von 2 π. Üblicherweise liegt der Akzeptanzwinkel zwischen einem Innenwinkel von 10-20° und einem Außenwinkel von 25-50°.

Die Energieauflösung des Systems wird dadurch gemessen, daß ein Elektronenstrahl (sog. Primärstrahl) der Energie E₀ und der Energieunschärfe Δ E₀(ca. 0.5 eV) auf die Oberfläche einer im Brennpunkt des Analysators befindlichen Probe ge richtet. Die meisten Elektronen werden absorbiert oder abgebremst und verlieren dabei Energie. Ein kleiner Anteil (ca. 0,1%) wird jedoch elastisch (unter Energieerhaltung) ohne nennenswerte Verbreiterung der Energieverteilung zurückgestreut. Die genaue Zusammensetzung des verwendeten Probenmaterials ist dabei nicht sehr wichtig, da alle Festkörperoberflächen die Primärelektronen in ähnlicher Weise zurückstreuen, insofern sie elektrisch leitend sind. Die von einem Elektronen-Spektrometer nachgewiesene Linie dieser elastisch rückgestreuten Elektronen wird Primärlinie genannt und liegt bei der Energie E₀.

In Fig. 8 sind Energiespektren derartiger Testmessungen dargestellt, die mit einer noch zu beschreibenden erweiterten Version eines erfindungsgemäßen Zylinderanalysators gemessen wurden. Bei der Grundversion des erfindungsgemäßen Zylinder analysators gemäß Fig. 1A, 1B, wie sie bisher dargestellt wurde, erfolgt die Messung dadurch, daß die Zylinder spannungen, d. h. die Pass-Energie, variiert werden. Die Breite Δ E der Primärlinie ist nun von der Energieauflösung Δ E_s des Spektrometers abhängig:

Δ E = (Δ E₀² + Δ E_s²)^1/2

Bei dem Betriebsmodus der Grundversion ist das Auflösungs vermögen A E/E konstant (Δ E/E = Konstant-Modus) Für Systeme von gewöhnlicher Abmessung mit Außendurchmesser von 100 mm oder 150 mm beträgt das Auflösungsvermögen im Bereich der Primärlinie 1% bis 10% je nach Wahl der Öffnung des Winkelbereiches. Da der Wert ΔE/E konstant ist, steigt mit zunehmender Elektronenenergie E auch der Wert von A E. Das liegt daran, daß bei diesem Betriebsmodus die Pass- Energie variiert wird. Mit wachsender Pass-Energie wird aber die Zeit, die ein Teilchen im Analysator verbringt und in der die ablenkenden Kräfte wirksam sind, zu kurz, um eine wirksame Dispersion von sich nur wenig in ihrer Energie unterscheidenden Teilchen zu erzielen. Es ist daher wünschenswert, die Teilchen vor dem Eintritt in den Analysator mit Hilfe einer geeigneten Elektronenoptik auf die reduzierte Pass-Energie abzubremsen. Die kann z. B. dadurch geschehen, daß die Eintrittselektrode auf eine Abbremsspannung gelegt wird. Als sehr zweckmäßig erweist sich aber die Verwendung zusätzlicher Abbremselektroden, wie in Fig. 7 dargestellt. Hier sind die Abbremselektroden in Form zweier Kugelnetzelektroden 7, 8 ausgebildet, die auf der Oberfläche zweier gedachter Kugeln unterschiedlicher Radien angeordnet sind, deren Mittelpunkt die Quelle ist. Die Teilchen laufen dann erst durch ein Abbremsfeld zwischen den zwei Netzelektroden, wodurch sie mit entsprechend niedrigerer kinetischer Energie in das Analysatorfeld ein treten. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Eintrittselektrode 5 und die Kugelnetzelektrode 7 an Masse und die Kugelnetzelektrode 8 auf ein Abbremspotential U_g gelegt.

In Fig. 8 sind die mit dieser Konfiguration gemessenen Transmissionskurven bei einer kinetischen Energie E₀ = 1004 EV dargestellt. Die Spektren werden in der Weise aufgenommen, daß bei konstanten Zylinderspannungen d. h. konstanter Pass-Energie, die Abbremsspannung U_g variiert wird. Der Kurvenparameter ist die Zylinderspannung, also die Pass-Energie. Die Pass-Energie und die Auflösung ΔE sind entlang einer Kurve konstant (ΔE = Konstant-Modus). Aus den Transmissionskurven läßt sich das Auflösungsvermögen des Systems R=ΔE/E₀ ermitteln. Die Kurven zeigen sehr deutlich, daß die Energieauflösung zum einen durch Wahl der Zylinder spannung elektrisch eingestellt werden kann und zum anderen, daß Werte im Bereich 0.1% bis 1% erreicht werden können.

Wird eine Spannung U_g an der Netzelektrode 8 angelegt, so wird die Teilchenenergie von ihrem ursprünglichen Wert E₀ auf den Wert E_pass = E₀-eU_g reduziert, wobei E_pass die Pass-Energie ist. Die Energieauflösung des Gesamt systems ΔE/E_pass ist nun wesentlich erhöht im Vergleich zum vorherigen Wert R = ΔE/E₀.

Der Aufbau eines Abbremsfeldes kann auch auf andere Weise unter Zuhilfenahme von rotationssymmetrischen Elektroden erfolgen.

Fig. 9 zeigt schließlich die Abhängigkeit der Pass-Energie von der Position der Quelle auf der Achse für ein System mit Abbremsung der Teilchen. Die Transmissionskurven zeigen nur eine geringe Abhängigkeit der Pass-Energie von der Quellenposition. Die Energieverschiebung beträgt 0,1 bis 0,3 ev pro mm Verschiebung der Quelle in Achsenrichtung (0,2eV/mm in Fig. 9), also erheblich weniger als die eines ZSA mit 5 bis 30 ev/mm. Somit sind die Transmissions eigenschaften auch in Bezug auf die Quellenlage unkritischer.

Der beschriebene Energieanalysator kann für die Auger- oder Photoelektronenanalyse, für Ionenspektroskopie und Plasma analyse verwendet werden. Auch zur Verwendung als Energie filter in einer Elektronen- oder Ionenquelle ist der beschriebene Analysator geeignet.

Claims

1. Energieanalysator für geladene Teilchen mit einem äußeren Hohlzylinder (1) und einem in seinem Innenraum angeordneten, mit dem äußeren Hohlzylinder koaxialen inneren Zylinder (2) und einem zwischen den Zylindern definierten Zwischenraum, wobei die Zylinder derart mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt sind, daß ein in dem Zwischenraum befindliches geladenes Teilchen durch das dort herrschende elektrische Feld eine Kraftwirkung in Richtung des inneren Zylinders erfährt;
einer auf der Zylinderachse angeordneten Teilchen quelle (3) und
einem auf der Zylinderachse angeordneten Teilchen detektor (4), vor dem sich eine Austrittsblende befindet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilchenquelle (3) außerhalb der Zylinder (1, 2) angeordnet ist und daß zwischen der Teilchenquelle und den Zylindern eine Eintrittselektrode (5) angeordnet ist, die eine Eintrittsöffnung für den Durchlaß geladener Teilchen aufweist.

2. Energieanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung ringförmig ist und daß der Ring rotationssymmetrisch zur Zylinderachse ist.

3. Energieanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring in einer zu den Grundflächen der Zylinder parallelen Ebene verläuft, wobei die Eintrittsöffnung an jeder Position des Rings entweder parallel zu den Grundflächen der Hohlzylinder liegt oder mit diesen einen Winkel < 90° einschließt (Fig. 1A).

4. Energieanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Zylinder und der innere Zylinder auf einem Ablenkungspotential liegen.

5. Energieanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittselektrode (5) auf Massepotential liegt.

6. Energieanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittselektrode (5) auf einem Abbremspotential liegt.

7. Energieanalysator nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch zylindersymmetrische Abbremselektroden (7, 8), die zwischen der Eintrittselektrode (5) und dem Analysator angeordnet sind.

8. Energieanalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittselektrode (5) und die Abbremselektrode (7) auf Massepotential liegen und die Abbremselektrode- (8) auf einem Abbremspotential liegt.

9. Energieanalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbremselektroden (7, 8) Kugelnetzelektroden sind, die jeweils auf einem Teil der Oberflächen zweier gedachter Kugeln unterschiedlicher Radien angeordnet sind, wobei die Teilchenquelle (3) der Mittelpunkt der Kugeln ist.

10. Energieanalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbremselektrode (7, 8) kegelformige durchgebrochene Elektroden sind.

11. Energieanalysator nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch Korrekturelektroden (9, 10) zur verbesserten Fokussierung der Randstrahlen (Fig. 6).

12. Energieanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Austrittsblende eine Austrittselektrode (6) ist, die eine Austrittsöffnung aufweist.

13. Verfahren zum Betrieb eines Energieanalysators nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung eines Energiespektrums derart erfolgt, daß das Potential des äußeren oder des inneren Zylinders variiert wird.

14. Verfahren zum Betrieb eines Energieanalysators nach Anspruch 1 und 6 oder Anspruch 1 und 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Messung eines Energiespektrums derart erfolgt, daß das Abbremspotential variiert wird und die Potentiale des äußeren und des inneren Zylinders konstant gehalten werden.