KR101953944B1 - 입자 분광기를 위한 분석기 배열 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자 방출 샘플(11)로부터 방출된 대전 입자에 관한 적어도 하나의 파라미터, 예를 들어 입자의 에너지, 시작 방향, 시작 위치 또는 스핀에 관한 파라미터를 결정하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 대전 입자의 빔을 렌즈 시스템(13)에 의하여 측정 구역의 입구로 가이드하는 단계, 및 측정 구역에서 상기 적어도 하나의 파라미터를 나타내는 입자의 위치를 검출하는 단계를 포함한다. 나아가, 방법은 입자 빔이 측정 구역으로 입사하기 전에 동일한 좌표 방향으로 적어도 2번 입자빔을 편향시키는 단계를 포함한다. 이에 의해, 측정 구역(3)의 입구(8)에서 입자빔의 위치와 방향은 샘플(11)을 물리적으로 조작할 필요 없이 어느 정도 제어될 수 있다. 이것은 샘플을 효율적으로 냉각시킬 수 있어 에너지 측정 시 에너지 해상도를 개선할 수 있다.

Description

입자 분광기를 위한 분석기 배열{ANALYSER ARRANGEMENT FOR PARTICLE SPECTROMETER}
본 발명은 입자 방출 샘플로부터 방출된 대전 입자의, 예를 들어 에너지, 시작 방향 및 시작 위치를 분석하는 방법 및 분석기 배열, 및 분석기 배열을 포함하는 입자 분광기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 반구형 편향기 유형의 광전자 분광기에 사용하기 위한 방법 및 분석기 배열에 관한 것이다.
종래 기술에 따른 반구형 편향기 유형의 광전자 분광기는 도 1에 도시되어 있다. 반구형 편향기 유형의 광전자 분광기(1)에서, 중심 컴포넌트는 전자(electron)의 에너지를 분석하는 측정 구역(3)이다. 측정 구역(3)은, 베이스판(7)에 장착되고, 사이에 정전장(electrostatic field)이 인가되는 2개의 동심 반구(concentric hemisphere)(5)로 형성된다. 전자는 입구(8)를 통해 측정 구역(3)으로 들어가고, 베이스판(7)에 수직에 가까운 방향으로 반구(5)들 사이 구역으로 들어가는 전자는 정전장에 의해 편향되고, 이 편향장에 의해 한정된 특정 범위에 있는 운동 에너지를 가지는 전자는 반원(half circle)을 이동한 후 검출기 배열(9)에 도달한다. 일반적인 도구에서, 전자는 소스(일반적으로 광자, 전자 또는 다른 입자로 여기(excitation)된 후 전자를 방출하는 샘플(11))로부터, 공통적이고 실질적으로 직선인 광축(15)을 가지는 복수의 렌즈(L1 내지 L3)를 구비하는 정전 렌즈 시스템(13)에 의해 반구의 입구(8)로 운반된다.
이하 설명에서는, 렌즈 시스템(13)의 광축(15)(대부분의 경우에 회전 대칭 축)을 따라 z-축을 가지고 (y, z) 평면에 대해 대칭인 반구를 가지는 직교 좌표 시스템(Cartesian coordinate system)이 사용된다. 전자 궤적의 방향은 (y, z) 평면에 대한 각도(θx) 및 (x, z) 평면에 대한 각도(θy)로 기술된다.
렌즈 시스템(13) 및 검출기 배열(9)은 렌즈 축(15)에 수직인 제한된 영역에서 그리고 제한된 각도 범위에서 방출되는 전자만을 수신한다. 나아가, 소스는 z-방향으로 좁은 범위 내에 위치되어야 (감도 및 해상도 면에서) 최상의 특성을 달성할 수 있다. 이것은 모든 좌표 방향으로 병진이동과 회전이 가능한, 즉 6개의 자유도를 허용하는 조작기(17)에 샘플을 장착할 것을 필요로 한다.
예를 들어 ARPES(Angle Resolved Photoelectron Spectroscopy)의 많은 응용에서 전체 측정은 잘 정렬된 샘플로부터 30도의 총 원추형 개구(cone opening)를 갖는 입체각(solid angle)을 전부 검출할 것을 요구한다. 샘플 및 여기 에너지/운동 에너지에 따라 요구되는 각도 범위는 변할 수 있다. 각도 해상도 요구조건은 응용에 따라 변할 수도 있으나 일반적으로 1도 이하 0.1도 이상 범위이다. 에너지 해상도에서 원하는 범위는 응용에 따라 0.5 eV 이하 0.5 meV 이상이다. 고해상도 측정을 달성하기 위하여 분석기 배열은 충분한 각도 및 에너지 해상도를 구비하여야 하지만, 반구형 분석기 배열은 렌즈 축(15)에 수직인 제한된 각도 범위에서 방출된 전자만을 수신할 수 있으므로, 샘플 조작기(17)는 초고 정밀도의 움직임과 반복가능성을 구비하여야 한다. 조작기(17)는 샘플을 정밀하게 회전시키고 경사지게 해서 전체 30도의 입체각의 데이터 세트를 형성하는 것이 필요하다.
샘플로부터 방출된 전자의 에너지 분포는 ΔE=3.5*kB[eV/K]*T[K]으로 주어지는 열 선폭 확장(thermal broadening)을 받는데, 여기서 ΔE는 eV 단위의 에너지 분포이고, kB는 볼쯔만 상수(Boltzmann constant)이고, T는 켈빈(Kelvin) 단위의 온도이다. 그리하여, 원하는 에너지 해상도를 달성하기 위하여 샘플(11)은 매우 낮은 온도로 냉각될 수 있는 것이 필수적인데, 예를 들어 < 1 meV 선폭 확장은 최대 3K의 샘플 온도를 요구한다.
반구(5)는 검출기 평면(반구형 분석기 배열에서 측정 구역(3)의 입구(8)의 평면과 일치하는 면)에서 y-방향을 따라 그 에너지에 따라 전자를 분산(disperse)시킨다. x-방향에서, 검출기 평면에서 위치는 반구(5)의 입구(8)의 평면에서 x-좌표의 직접적인 이미지이다. 반구(5)의 입구(8)는, 이후 측정 구역의 입구 슬릿 또는 단순히 입구 슬릿이라고 지칭되는 x-방향으로 좁은 슬릿으로 형성된다. 전자가 좁은 입구 슬릿(8)을 통해 반구(5)로 들어갈 때, 2차원 검출기 배열(9)은 입구 슬릿(8)을 따른 분배 및 에너지 분배에 관한 정보를 동시에 제공한다. 2차원 검출기 배열(9)은, 일반적으로 반구(5)의 입구 슬릿(8)과 동일한 평면에 배열된 다중 채널 전자-다중복합 판(MCP)(19)을 포함하며, 이 다중 채널 전자-다중복합 판은 입사하는 전자의 위치에서 측정가능한 전기 신호를 생성하는데, 이들 전자는 형광 스크린 및 비디오 카메라(21)에 의해 광학적으로 기록되거나 또는 예를 들어 지연 라인 또는 저항 애노드 검출기에서 전기 펄스로 기록될 수 있다. 대안적으로, 에너지-선택된 전자의 일부는 스핀 검출기(25)로 인도되는 출구 애퍼처(exit aperture)(23)를 통해 반구 구역을 떠난 후 특히 스핀이 더 분석될 수 있다. 스핀 검출기의 일 유형에서, (음의) z-방향에 가까운 방향으로 반구(5)를 떠나는 전자는 제1 렌즈 시스템, 90도 편향기 및 제2 렌즈 시스템으로 구성된 시퀀스를 통해 타깃으로 전달되고, 이후 산란된 전자의 분포가 측정된다. 일부 도구는 서로 90도 각도로 편향기들에 장착된 2개의 스핀 검출기를 포함하며(즉 하나는 (y, z)에서 굴곡되어 있고 하나는 (x, z) 평면에 평행함), 입구 애퍼처는 MCP 검출기의 각 측에서 상이한 방사방향(y) 위치에서 반구의 (y, z) 대칭 평면에 놓인다.
반구(5)들 사이에 주어진 전계에 의해, 통과 에너지(pass energy)(Ep)라고 지칭되는 하나의 특정 운동 에너지를 갖는 전자는 MCP 검출기(19)의 중심에 도달하고, 에너지 윈도우라고 지칭되는 범위는 MCP의 민감 영역에 도달한다. 에너지 분산(dy/dE)은 Ep에 반비례하는 반면, 에너지 윈도우는 Ep에 직접 비례한다. 에너지 해상도와 정보 비율(rate) 사이에 적절한 절충을 달성하기 위하여, 방출된 전자의 운동 에너지(Ek)를 적절한 통과 에너지로 조절하는 것이 통상 필요하다. 이 에너지 조절은 렌즈 시스템(13)에 의해 수행된다. 이것은 전원에 각각 연결된 광축(15)을 따라 배열된 동심 전극(원통체, 원뿔대, 애퍼처 등)의 형태로 일련의 렌즈 소자(L1 내지 L3)로 구성된다. 에너지 조절(가속 또는 지체)을 제공하는 외에, 렌즈 시스템(13)은 또한 반구(5)로부터 편리한 거리에 샘플을 둘 수 있게 하고, 본 상황에서 가장 중요한 것은, 이 렌즈 시스템이 반구의 입구 슬릿(8)의 평면에서 전자의 분배를 제어할 수 있다는 것이다. 가속 또는 지체는 샘플(11)과 반구 입구(8) 사이의 전위 차이에 의해 직접 제어되는 반면, 다른 렌즈 전압은 전자 분포를 제어하는데 사용된다. 렌즈 시스템(13)은, 이미징 모드와 각도-분해(angle-resolving)(각도) 모드라고 각각 지칭되는 2개의 상이한 모드에서 동작될 수 있다. 이미징 모드에서, 샘플(11)로부터의 출발 각도(take-off angle)와 독립적으로 입구 슬릿(8)의 평면에서의 (x, y) 위치와 방출점 사이에 점대점 대응(point-to-point correspondence)이 (제1차로) 있다. 입구 슬릿(8)은 이 입구 슬릿과 동일한 형상 및 렌즈 배율(magnification)에 의해 주어지는 사이즈, 즉 y-방향으로 통상 좁은 범위 내에서 주어지는 사이즈를 갖는 샘플의 영역으로부터 방출되는 전자를 선택한다. 각도 모드에서, 렌즈 전압은 렌즈 축에 대해 동일한 각도(θx, θy)로 방출된 전자들이 도 2에 도시된 바와 같이 입구 슬릿(8)의 평면(26)에서 동일한 점(x, y)으로 포커싱되도록 배열되며, 여기서 y 및 z 축은 임의 단위(arbitrary units)로 그리고 상이한 스케일로 도시되어 있다. 여기서, 최종 위치는 제1차로 시작 위치와 독립적이어서 상당히 중요하지 않다. 입구 슬릿(8)에 의해 수신된 전자는 입구 슬릿 폭 및 각도 분산(dy/dθy)으로 한정된 좁은 범위에서 y-방향으로 출발 각도를 구비하는 반면, x-방향으로 상이한 출발 각도는 입구 슬릿(8)을 따라 분포된다. 그러나 각도 분산은 렌즈 시스템의 회전 대칭(dx/dθx = dy/dθy)으로 인해 x 및 y 방향으로 동일하다. 이미징 모드에서의 배율 및 각도 모드에서의 각도 분산은 원하는 대로 선택될 수 있고, 미리 계산된 함수에 따라 렌즈 전압을 조절하는 것에 의해 (Ek/Ep)에서 큰 범위에 걸쳐 일정하게 유지된다. 주어진 통과 에너지에서 반구(5)의 에너지 해상도는 입구 슬릿(8)의 폭 및 전자빔이 반구에 들어갈 때 방사방향으로 전자 빔이 확산하는 각도(즉 dy/dz의 확산 각도)에 의해 영향을 받는다. 입구 슬릿(8)의 각 사이즈에 대해 강도 및 해상도의 최적의 조합을 제공하는 대응하는 각도 확산이 있다. 좁은 입구 슬릿에 대해, 즉 고에너지 해상도, 대응하는 각도 확산은 상당히 작아서, 일반적으로 1 내지 2도이다. 이 각도 확산은 도 3에 도시된 바와 같이 입구 슬릿(8) 또는 이 입구 슬릿보다 일정 거리 앞에 있는 다른 슬릿(27)(이후 애퍼처 슬릿이라고 지칭됨)을 조합하는 것에 의해 한정된다. 입구 슬릿((x, z)-평면)을 따른 방향에서 해상도 요구조건에는 각도에 제한이 없다. 그러나, 반구 후 중앙값(median)(y, z) 평면에 대해 출사 각도(exit angle)는 이 평면(도 1 참조. 중앙값 평면에서의 궤적과 다른 평면에서의 궤적)에 대한 입사각(dx/dz)과 동일하므로, 스핀 검출기 입구 애퍼처에 도달하도록 의도된 전자의 방향은 z-방향에 상당히 근접하여야 한다.
렌즈 시스템(13)의 광축(15)에 대해 방출 샘플(11)의 방출점의 오정렬을 보상하기 위하여, x-방향으로 작용하는 하나의 편향기 및 y-방향으로 작용하는 하나의 편향기는 통상적으로 통상 렌즈 시스템에 병합된다. x- 및 y-편향기는 렌즈 축(15)을 따라 서로 앞뒤로 배치될 수 있으나, 대부분 종종 이들 편향기는 4개의 전극을 갖는 하나의 편향기 패키지(29)로 조합되고, 각 전극은 90도에 가까운 방위각을 커버한다(도 1 참조).
아래에서, 종래 기술에 따른 입자 분광기의 일부 문제는 도 1을 참조하여 설명된다. 편의상, 설명은 렌즈 시스템(13)의 각도 분해(각도) 동작 모드를 주로 언급한다. 그러나, 대부분의 설명은 이미징 모드에서의 맵핑에서도 동일하게 적용될 수 있다.
매우 낮은 온도로 효율적으로 냉각하는 요구조건은 샘플(11)이 냉각제와 매우 우수한 열 접촉을 하여야 하고 또한 열 복사선으로부터 효율적으로 차폐되어야 한다는 것이다. 이것은 전체 각도 범위를 커버하는데 충분한 자유도를 갖는 조작기(17)에 장착되어야 한다는 것과 상충된다. 샘플(11)이 기계적으로 움직이면 분광기의 분석기 배열이 볼 수 있는 배열이나 방출 영역을 변화시켜, 샘플의 상이한 부분으로부터 상이한 각도에서 찍힌 스펙트럼을 의도치 않게 찍을 수 있는 위험을 야기한다.
어느 정도, 전술한 x-편향기 및/또는 y-편향기를 사용하여 (이미징 모드에서) 오프 축(off-axis)에서 시작하거나 또는 (각도 모드에서) 렌즈 시스템(13)의 광축(15)을 따르지 않는 방향을 가지는 전자를 입구 슬릿(8)의 중심으로 가이드하는 것에 의해 샘플(11)이 이동시키는 것을 회피하는 것이 가능하다. JP58200144 A2에 제시된 방법은 이 주제에 하나의 변화를 제공한다. 그러나, 이러한 접근법을 실제 적용하는 것은 상당히 제한되는데, 그 이유는 이 기술에 따라 입구 슬릿(8)의 중심에 도달하는 궤적이 일반적으로 광축(15)에 대해 일정 각도를 이루기 때문이다. (슬릿을 횡단하는) y-방향으로 편향시키기 위하여 궤적은 애퍼처 슬릿(27) 및 입구 슬릿(8)의 각도 한정 조합에 의해 중지되거나, 또는 허용할 수 없는 에너지 해상도의 손실을 초래할 수 있다. (슬릿을 따라) x-방향으로 상대적으로 작은 초기 각도 범위의 궤적만이 스핀 검출기 시스템에 의해 수신된 각도 범위 내에서 출사한다. 입구 슬릿(8)을 따라 전체 분배를 사용하는 것이 의도되면 일반적으로 추가적인 문제는 각도 스케일이 상당히 작은 편향에서도 심각하게 왜곡된다는 것이다.
나아가, 달성가능한 각도 해상도는 렌즈 시스템(13)의 각도 분산에 종속적이다. 이것은 y-방향에서 가장 명확히 볼 수 있으며, 이 경우 해상도는 입구 슬릿 폭을 각도 분산으로 나눈 것보다 더 우수하지 않다. 이런 관점으로부터, 종종 큰 분산으로 동작할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 한편, 관찰될 수 있는 θx의 범위는 (반구 입구 슬릿의 길이)/(각도 분산) 및 렌즈 전방 애퍼처의 수용범위(acceptance) 중 더 작은 것으로 제한된다. 분산을 증가시키면 반구 입구 슬릿의 길이로 인한 제한이 너무 심각할 수 있고, 렌즈의 수용범위보다 훨씬 더 작을 수 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제 중 하나 이상을 해결하거나 적어도 완화하는 것이다.
특히 본 발명의 목적은 광전자 분광기 측정과 같은 입자 분광기 측정 시 에너지 해상도를 증가시키는 것이다.
이들 및 다른 목적은 입자 방출 샘플로부터 방출된 대전 입자에 관한 적어도 하나의 파라미터, 예를 들어 대전 입자의 에너지, 시작 방향, 시작 위치 또는 스핀에 관한 파라미터를 결정하는 방법에 의해 달성된다. 본 방법은, - 상기 대전 입자의 입자 빔을 형성하고, 실질적으로 직선인 광축을 가지는 렌즈 시스템에 의하여 측정 구역의 입구와 상기 입자 방출 샘플 사이에서 상기 입자를 운반하는 단계; - 상기 입자 빔이 상기 측정 구역으로 입사하기 전에 상기 렌즈 시스템의 광축에 적어도 수직인 제1 좌표 방향으로 상기 입자 빔을 편향시키는 단계, 및 - 상기 측정 구역에서 상기 대전 입자의 위치를 검출하는 단계를 포함하며, 상기 위치는 상기 적어도 하나의 파라미터를 나타낸다.
나아가, 상기 방법은 상기 입자 빔이 상기 측정 구역으로 입사하기 전에 적어도 제2 시간 동안 동일한 적어도 제1 좌표 방향으로 상기 입자 빔을 편향시키는 단계를 더 포함한다.
입자 방출 샘플과 측정 구역의 입구 사이에서 동일한 좌표 방향으로 입자빔을 2번 편향시키는 것에 의해, 측정 구역의 입구에서 입자 빔의 위치와 방향을 제어할 수 있다.
바람직하게는, 입자 빔은 입자 빔이 측정 구역으로 입사하기 전에 렌즈 시스템의 광축에 수직인 2개의 좌표 방향 각각으로 적어도 2번 편향된다. 이것은, 렌즈 시스템의 광축을 따라 z 축을 가지는 3차원 직교 좌표 시스템이 주어진 경우 입자 빔이 바람직하게는 입자의 관점에서 측정 구역의 입구의 상류에서 x- 및 y-방향 각각으로 적어도 2번 편향된다는 것을 의미한다. 4개의 조건(2개의 직교 방향으로 위치와 방향)을 충족하기 위하여 적어도 2개의 자유도가 각 방향에서 요구된다.
본 방법은 입자 빔을 형성하는 입자의 각도 분포의 미리 결정된 부분이 측정 구역의 입구를 통과하게 한다. 바람직하게는, 입자 빔의 편향은 입자의 각도 분포의 상기 미리 결정된 부분이 렌즈 시스템의 광축과 실질적으로 평행한 방향으로 측정 구역의 입구를 통과하도록 제어된다. (전술한 직교 좌표 시스템의 x- 또는 y-축을 따라 놓인 부분 뿐아니라) 입자 빔의 각도 분포에서 임의의 부분을 분석하기 위하여, 입자 빔의 편향은 입자 빔이 측정 챔버에 입사하기 전에 x- 및 y-방향 각각으로 2번 수행되어야 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 및 적어도 제2 편향은 입자의 각도 분포의 상기 미리 결정된 부분이 미리 결정된 시작 방향(θx0, θy0)으로 또는 시작 방향의 미리 결정된 범위에서 샘플로부터 방출된 입자만을 포함하도록 제어될 수 있다.
본 방법은 렌즈 시스템의 광축과 평행하지 않은 방향으로 방출된 입자를 렌즈 축과 실질적으로 평행한 방향으로 측정 구역의 입구에 들어가게 할 수 있으므로, 샘플 표면이 렌즈 축과 평행한 법선에 대해 원하는 방출 각도로 배향되어야 한다는 기준이 제거되어, 이에 테스트 샘플을 이동시켜 이 배향을 달성시킬 필요성을 감소시킨다. 따라서, 본 발명은 테스트 샘플을 물리적으로 조작할 필요성을 어느 정도 제거하는 새로운 유형의 입자 빔 조작을 제공한다.
특히, 제안된 입자 빔 조작은 전술한 3차원 직교 좌표 시스템의 x 및 y-방향으로 테스트 샘플을 경사지게 하거나 회전시킬 필요성을 감소시킨다.
조작기를 복잡하게 이동시킬 필요성을 감소시키는 것으로 인해, 테스트 샘플에 직접 냉각을 적용할 수 있는 조작기를 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이것은 테스트 샘플을 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있어서 이에 분광기 분석기에 의해 획득된 측정 시 에너지 해상도를 증가시킬 수 있다. 조작기를 복잡하게 이동시킬 필요성을 감소시키면 테스트 샘플을 냉각판에 직접 부착할 수 있어서 테스트 샘플을 대략 2K로 냉각할 수 있고, 이에 본 발명에 따른 분광기 분석기를 통해 좁은 대역폭 여기 소스를 사용하는 경우 대략 0.7meV의 에너지 해상도를 제공할 수 있다.
각도 해상도를 유지하여 증가된 에너지 해상도의 장점 이외에, 전술한 방법을 수행할 수 있는 분석기 배열을 포함하는 입자 분광기를 6개의 축을 구비하는 조작기와 같은 테스트 샘플을 복잡하게 이동시키는 조작기를 구비하는 분광기보다 더 낮은 비용으로 제조할 수 있다.
나아가, 종래 기술에 따른 분광기에서 테스트 샘플을 복잡하게 이동시키는 것은 테스트 샘플의 잘 한정된 영역을 연속적으로 조사하여 분석하는 것을 곤란하게 한다. 본 발명은 테스트 샘플을 복잡하게 이동시킬 필요성을 제거하므로, 테스트 샘플의 잘 한정된 타깃을 조사하고 분석하는 것이 더 용이하다. 특히, 많은 경우에 모든 물리적으로 관련 정보를 제공하기에 충분히 큰 입체각 내에서 모든 방향을 커버하는 일련의 긴 측정을 하는 동안 샘플 위치를 변치 않게 유지할 수 있다.
측정 구역에서, 대전 입자는 정전장에 의해 편향되고 편향 후 입자의 위치는 검출기 배열에 의해 검출된다. 측정 구역의 설계, 측정 구역의 입구 및 검출기 배열에 따라, 입자의 에너지, 시작 방향 또는 시작 위치와 같은 여러 입자-관련 파라미터를 검출된 위치로부터 결정할 수 있다. 바람직하게는, 검출은 2차원에서 입자 위치를 검출하는 것을 수반하며, 하나는 실질적으로 입자의 에너지를 나타내고 다른 하나는 측정 구역의 입구 평면에서 라인을 따라 입자의 공간 분포를 나타낸다. 입구 평면에서 라인(일반적으로 슬릿-형상의 입구의 길이방향)을 따라 입자의 공간 분포는 입자의 시작 방향 또는 시작 위치에 관한 정보를 제공하므로, 2차원 검출기 배열은 입자의 에너지 및 시작 방향 또는 시작 위치를 동시에 결정할 수 있다.
측정 구역으로 입사시 입자 빔의 위치와 방향을 제어하는 능력의 다른 결과는 각 좌표 방향으로 빔의 단일 편향에 따른 경우에 비해 더 큰 각도 범위에 액세스할 수 있다는 것이다. 나아가 더 큰 각도 범위는 유지된 강도 및 해상도(에너지 및 각도)에서 연구할 수 있다. 측정 구역으로 입사시 입자빔의 위치와 방향을 제어하는 동일한 좌표 방향으로 2개의 편향을 사용하면 샘플을 이동시킬 필요 없이 렌즈 전방 애퍼처의 수용범위 각도에 의해 실질적으로 한정된 입체각의 각도 범위를 연구할 수 있다. 이것은 단일 세트의 편향기에서는 실제 가능하지 않다.
본 발명은 입자 방출 샘플로부터 방출된 대전 입자와 관련된 적어도 하나의 파라미터를 결정하는 분석기 배열을 또한 제공하며, 이 분석기 배열은 전술한 방법을 수행할 수 있다. 이를 위해, 분석기 배열은 대전 입자를 측정 구역으로 들어가게 하는 입구를 구비하는 측정 구역, 및 측정 구역에서 대전 입자의 위치를 검출하는 검출기 배열을 포함하며, 이 위치는 상기 적어도 하나의 파라미터를 나타낸다. 나아가, 분석기 배열은 실질적으로 직선인 광축을 가지는 렌즈 시스템을 포함하며, 이 렌즈 시스템은 샘플로부터 방출된 대전 입자의 입자 빔을 형성하도록 동작가능하고 샘플과 측정 구역의 입구 사이에서 입자를 운반하도록 동작가능하다. 분석기 배열은 입자 빔이 측정 구역으로 입사하기 전에 렌즈 시스템의 광축에 수직인 적어도 제1 좌표 방향으로 입자 빔을 편향시키는 제1 편향기, 및 입자 빔이 측정 구역으로 입사하기 전에 적어도 제2 시간 동안 동일한 적어도 제1 좌표 방향으로 입자 빔을 편향시키도록 동작가능한 적어도 제2 편향기를 포함하는 편향기 배열을 더 포함한다.
바람직하게는, 적어도 제2 편향기는 렌즈 시스템의 광축을 따라 일정 거리에서 제1 편향기의 하류에 배열된다. 전술한 바로부터 이해되는 바와 같이, 제1 및 적어도 제2 편향기를 조합하면 빔의 어느 부분이 측정 구역으로 들어가고 어느 방향으로 빔의 선택된 부분이 렌즈 축(즉, 렌즈 시스템의 광축) 방향을 따라 측정 구역으로 들어가는지를 제어할 수 있다.
편향기 배열은 바람직하게는 분석기 배열의 렌즈 시스템에 통합되는데, 이는 렌즈 시스템 및 편향기 배열이 일체 부분을 형성하는 것을 의미한다. 이것은 분석기에 콤팩트한 설계를 제공하고 분석기에서 개별 부품의 수를 감소시킨다. 그러나, 편향기 배열은 분석기의 렌즈 시스템의 상류나 하류에, 렌즈 시스템의 2개의 렌즈들 사이에, 또는 렌즈 시스템에서 상이한 위치에 적어도 2개의 편향기에 배열될 수 있다.
전술한 이유 때문에, 편향기 배열은 바람직하게는 입자 빔의 입자가 측정 구역의 입구에 들어가기 전에 렌즈 시스템의 광축에 수직인 좌표 방향 각각으로, 즉 x- 및 y-방향으로 2번 입자 빔을 편향시키도록 동작가능하다.
이를 위해, 편향기 배열은 예를 들어 4개의 편향기를 포함할 수 있고, 이들 중 2개는 x-방향으로 입자 빔을 편향시키도록 동작가능하고 나머지 2개는 y-방향으로 입자빔을 편향시키도록 동작가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 편향기 배열은 2개의 편향기 패키지를 포함하고, 각 편향기 패키지는 x- 및 y-방향으로 입자빔을 편향시키도록 동작가능하다. 이를 위해, 각 편향기 패키지는 전압이 각 쌍의 전극들 사이에 인가될 때 2개의 수직 전계 성분을 생성하도록 동작가능한 2개의 전극 쌍을 포함할 수 있다. 각 편향기 패키지의 4개의 전극은 바람직하게는 본질적으로 4중극 대칭 형상으로 배열된다.
분석기 배열은 제어된 전압을 편향기 배열의 전극에 인가하는 것에 의해 입자 빔의 편향을 제어하는 제어 유닛을 더 포함한다.
제어 유닛은 미리 계산된 기능에 따라 편향 전압을 인가하는 것에 의해 렌즈 시스템의 광축을 따라 측정 구역에 들어가는 샘플로부터 방출된 입자의 특정 시작 방향을 결정하도록 구성될 수 있다.
일 응용에서, 전압은 y-방향으로 일련의 시작 각도(θy)가 측정 시스템에 의해 연속적으로 기록되는 방식으로 스캐닝될 수 있다. 각 θy에 대해 측정 구역의 입구의 슬릿 길이에 의해 제한된 x-방향으로 각도(θx)의 범위를 기록하여, 검출기 시스템에 의해 한정된 윈도우 내 각 에너지에 대한 각도 분포의 2차원 맵을 제공할 수 있다. 이러한 각도 스캔 동안, x-방향으로 편향은 일반적으로 일정하게 유지되어, (θx, θy) 내 직사각형 영역에 걸쳐 맵을 제공할 수 있다. 렌즈가 높은 각도 분산으로 동작되면, x-방향으로 상이한 편향을 갖는 스캔의 수를 조합하여 렌즈 전방 애퍼처의 전체 각도 수용범위에 걸쳐 전체 맵을 제공할 수 있다. 검출기의 에너지 윈도우보다 더 큰 에너지 범위를 커버하기 위하여, 샘플과 측정 구역 사이에 가속/지체 전압을 또한 스캐닝할 수 있다. 본 출원은 예를 들어 ARPES 측정(Angle Resolved Photoelectron Spectroscopy)에 적용할 수 있으나 이로 제한되지 않는다.
또 다른 응용에서 편향기 전압은 하나의 선택된 방향(θx0, θy0)으로 좁은 입체각으로 방출된 입자가 렌즈의 광축을 따라 측정 구역으로 들어가서, 에너지 분석 후에 특정 초기 방향을 갖는 좁은 에너지 범위의 입자만이 스핀 검출기로 들어가도록 제어 유닛에 의해 설정된다.
두 경우에, 제어 유닛은 렌즈의 포커싱과 분산 특성을 유지하고 요구되는 편향 각도를 제공하기 위하여 미리 계산된 함수에 따라 렌즈 및 편향기 전극에 인가되는 전압을 변경할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 4중극 대칭의 전압은 적어도 하나의 편향기 패키지에서 편향기 전압에 중첩된다. 이러한 전압은 하나의 평면에서 포커싱을 제공하고 직교 평면에서 디포커싱을 제공하여, 각도 맵에서의 왜곡을 감소시키도록 적용될 수 있다.
간략히 전술한 바와 같이, 분석기의 검출기 배열은 일반적으로 측정 구역 내 입자를 더 편향시킨 후 대전 입자의 위치를 검출하도록 배열된다. 입자의 편향의 크기는 입자의 운동 에너지에 의존하고 특정 방향으로 입자의 검출된 위치는 입자 에너지를 나타낸다. 또한 전술한 바와 같이, 검출기 배열은 바람직하게는 측정 구역에서 대전 입자의 2차원 위치를 검출하여 입자의 에너지 및 시작 방향 또는 시작 위치를 결정할 수 있다. 이를 위해, 검출기 배열은 예를 들어 다중 채널 전자-다중복합 판(MCP)을 포함할 수 있고, 이 다중 채널 전자-다중복합 판은 입사하는 입자의 위치에서 측정가능한 전기 신호를 생성하는데, 이 전자는 형광 스크린 및 비디오 카메라에 의해 광학적으로 기록되거나 또는 예를 들어 지연 라인 또는 저항 애노드 검출기에서 전기 펄스로 기록될 수 있다.
분석기 배열은 바람직하게는 배경 부분에서 설명된 반구형 광전자 분광기와 같은 반구형 편향기 유형의 입자 분광기에 사용된다. 이 경우에, 측정 구역은 전술한 좌표 시스템의 (y, z) 평면에 대해 대칭적인 2개의 동심 반구를 포함할 수 있다. 반구는 베이스판에 장착될 수 있고, 이들 사이에 정전장이 인가될 수 있다. 베이스판에 수직에 가까운 방향으로 반구들 사이 구역으로 들어가는 입자는 이 정전장에 의해 편향되고, 편향장에 의해 한정된 특정 범위의 운동 에너지를 가지는 전자는 반원을 진행한 후 검출기 배열에 도달한다. 이 실시예에서, 측정 구역의 입구, 즉 반구의 입구는 일반적으로 x-방향을 따른 슬릿이고, 이는 2차원으로 검출할 수 있는 검출기 배열이 입구 슬릿을 따른 분배와 에너지 분배에 관한 정보를 동시에 제공할 수 있게 하며, 입구 슬릿에 따른 분배 정보는 렌즈 배열의 동작 모드에 따라 입자의 시작 방향 또는 시작 위치를 나타낸다.
본 발명의 개선된 실시예에서, 분석기 배열은 스핀 검출기를 포함한다. 종래 기술에 따른 스핀 검출기에서, 입구 렌즈의 축에서 좁은 각도 범위로 스핀 검출기에 들어가는 전자만이 수신된다. 종래 기술에 따른 분광기에서, 이것은 전자가 분광기 렌즈 축의 방향과 평행한 방향으로 샘플을 떠나야 한다는 것을 의미한다. 테스트 샘플 대신에 또는 이 테스트 샘플에 추가하여 전자 빔을 조작하는 제안된 원리의 더 다른 장점은 렌즈 시스템의 수용범위에서 임의의 방향으로 샘플로부터 방출된 전자가 스핀 검출기 입구 렌즈의 방향을 따라 스핀 검출기에 들어갈 수 있다는 것이다.
본 발명은 전술한 분석기 배열을 포함하는, 광전자 분광기와 같은 입자 분광기를 제공한다. 바람직한 실시예에서, 입자 분광기는 배경 부분에 설명된 바와 같이 반구형 편향기 유형의 광전자 분광기이다.
본 발명은 단지 예시를 위하여 주어진 첨부 도면 및 이후 제공된 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 수 있을 것이다. 상이한 도면에서, 동일한 참조 부호는 동일한 요소에 대응한다.
도 1은 종래 기술에 따른 반구형 편향기 유형의 광전자 분광기를 도시한 도면;
도 2는 도 1에 도시된 광전자 분광기의 렌즈 시스템을 통한 입자 궤적을 도시한 도면;
도 3은 도 1에 도시된 광전자 분광기의 측정 구역의 입구 슬릿과 애퍼처 슬릿을 도시한 도면;
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 반구형 편향기 유형의 광전자 분광기를 도시한 도면;
도 5a 및 5b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 분석기 배열의 2개의 편향기 패키지의 단부도;
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 분석기 배열의 부분을 도시한 도면;
도 7은 도 5a 및 도 5b에 도시된 편향기 패키지의 전극들에 편향기 전압을 인가할 수 있는 예시적인 방식을 도시한 도면;
도 8a 및 도 8b는 편향기 전위를 인가하거나 인가함이 없이 본 발명에 따른 분석기 배열의 렌즈 시스템을 통한 입자 궤적을 도시한 도면;
도 9의 A 내지 C는 본 발명의 원리에 따라 방출된 입자의 각도 분포의 선택된 부분을 편향시킬 수 있는 방법을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 입자 분광기(30)를 도시한다. 본 명세서에서 이후 설명된 차이 외에, 입자 분광기(30)의 컴포넌트 및 기능은 도 1 내지 도 3을 참조하여 배경 부분에서 설명한 종래 기술에 따른 반구형 편향기 유형의 광전자 분광기(1)의 컴포넌트 및 기능과 동일하다. 도 1 내지 도 3에 있는 요소에 대응하는 도 4에 도시된 요소는 동일한 참조 부호를 구비하고 있어서 이에 대한 설명은 생략된다.
입자 분광기(30)는 입자 방출 샘플(11)로부터 방출된 대전 입자의 에너지 및 시작 방향 또는 시작 위치를 분석하도록 구성된 분석기 배열을 포함하는 반구형 편향기 유형의 광전자 분광기이다.
도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 분석기 배열은 제1 편향기 패키지(29) 및 제2 편향기 패키지(29')를 포함하는 편향기 배열(31)을 포함한다. 각 제1 및 제2 편향기 패키지는 배경 부분에서 설명된 도 1의 단일 편향기 패키지(29)에 따라 고안되고 구성된다. 제1 편향기 패키지(29) 및 제2 편향기 패키지(29')의 단부도(end view)를 각각 도시하는 도 5a 및 도 5b를 동시에 참조하면, 이것은 각 제1 및 제2 편향기 패키지가 4개의 전극(33A 내지 33D, 33A' 내지 33D')를 포함하고, 각 전극은 90도에 근접한 방위각을 커버하는 것을 의미한다. 각 편향기 패키지에서 2개의 대향하여 배열된 전극들은 편향기 전압(Vx, Vy)을 인가하는 것에 의해 이들 사이에 전계를 생성하도록 동작가능하고 그리하여 하나의 좌표 방향에서 편향기 패키지의 전극들 사이에 통과하는 대전 입자를 편향시키도록 동작가능한 전극 쌍(33A/33C, 33B/33D, 33A'/33C', 33B'/33D')을 형성한다. 각 전극 쌍은 그리하여 하나의 좌표 방향에서 대전 입자를 편향시키는 편향기를 형성한다.
렌즈 시스템(13)의 광축(15)을 따라 z-축을 가지고 (y, z) 평면에 대해 대칭인 반구(5)를 가지는 3차원 직교 좌표 시스템이 주어지면, 각 편향기 패키지(29, 29')의 하나의 전극 쌍(33A/33C, 33A'/33C')은 x-방향으로 대전 입자를 편향시키도록 배열되고, 각 편향기 패키지(29, 29')의 다른 전극 쌍(33B/33D, 33B'/33D')은 y-방향으로 대전 입자를 편향시키도록 배열된다. x-방향으로 대전 입자를 편향시키도록 배열된 전극 쌍은 이후 종종 x-편향기라고 지칭되고, y-방향으로 대전 입자를 편향시키도록 배열된 전극 쌍은 이후 종종 y-편향기라고 지칭된다.
분석기 배열의 일부를 보다 상세히 도시하는 도 6에 도시된 바와 같이, 편향기 패키지(29, 29')의 전극(33A 내지 33D, 33A' 내지 33D')에 인가되는 편향기 전압은 제어 유닛(35)에 의해 제어된다. 동일한 제어 유닛(35)은 렌즈 시스템(13)의 렌즈(L1-L3)를 구성하는 복수의 동심 전극에 인가되는 렌즈 전압을 제어하도록 더 구성될 수 있다.
편향기 배열(31)의 각 전극 쌍(33A/33C, 33B/33D, 33A'/33C', 33B'/33D') 사이에 인가되는 편향기 전압(Vx, Vy)의 부호와 크기는 제어 유닛(35)에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 편향기 패키지(29)에서 x-편향기(33A/33C)의 편향기 전압은 Vx1라고 지칭되고, 제2 편향기 패키지(29')에서 x-편향기(33A'/33C')의 편향기 전압은 Vx2라고 지칭된다. 마찬가지로, 제1 및 제2 편향기 패키지에서 y-편향기(33B/33D, 33B'/33D')의 편향기 전압은 각각 Vy1 및 Vy2 라고 지칭된다.
따라서, 각 편향기 패키지(29, 29')에서 편향기 전극(33A 내지 33D, 33A' 내지 33D')은, 대향 전극(33A/33C, 33A'/33C')의 하나의 쌍 사이에 인가되는 전압(ΔVx)이 x-방향으로만 편향을 제공하고, 직교 쌍(33B/33D, 33B'/33D') 사이에 전압(ΔVy)은 y-방향으로만 편향을 제공하도록 배열된다. 이때, 요구되는 편향(Δx', Δy')은 x- 및 y-방향으로 편향시키기 위한 전압의 조합을 인가하는 것에 의해 달성될 수 있다. 편향기 전극에 인가되는 전압을 적절히 조합하는 것에 의해, 대전 입자가 렌즈 시스템(13)으로 입사하는 각도를 조합하여 편향기 구역으로부터 출사하는 방향, 즉 편향기 배열(31)의 마지막 편향기를 통과할 때 대전 입자의 방향이 렌즈 축(15)에 평행함과 동시에, 이 축을 따라 출사가 일어나는 것이 가능하다. 이것은 이 특정 방향에 대한 궤적이 편향기 배열(31) 후에 위치된 (즉, 입자의 관점에서 편향기 배열의 하류에 위치된) 렌즈 시스템(13) 부분에 의하여 실질적으로 변치 않는 것을 의미한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 4중극(quadrupolar) 대칭의 전압(Vq)은 편향기 패키지의 전극에 인가되는 편향기 전압(Vx, Vy)에 중첩될 수 있다. 도 7만이 제1 편향기 패키지(29)를 도시하고 있지만 4중극 대칭의 전압(Vq)은 제1 및 제2 편향기 패키지(29, 29') 중 어느 하나 또는 둘 모두의 편향기 전압에 중첩될 수 있다. 이들 중첩된 전압(Vq)은 또한 제어 유닛(35)에 의해 제어되어 하나의 평면에서 포커싱하고 직교 평면에서는 디포커싱하여, 이에 의해 각도 맵에서의 왜곡을 감소시킬 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 렌즈 시스템(13)의 각도 동작 모드 동안 제1 및 제2 편향기 패키지(29, 29')에 편향기 전위(ΔVx, ΔVy)를 인가하거나 인가함이 없이 입자 방출 샘플(11)(z=0에 위치된 그리고 도시된 좌표 시스템에서 y=0 주위로 조금 연장된)로부터 대전 입자의 시작 방향이 상이한 것에 대해 렌즈 시스템(13)을 통해 일정 궤적을 (y, z) 평면에 사영(projection)한 것을 도시한 도면이다. 이 도면의 수직 축은 전술한 3차원 좌표 시스템의 y-좌표를 나타내고, 수평 축은 동일한 좌표 시스템의 z-방향에서 샘플로부터의 거리, 즉 렌즈 시스템(13)의 광축(15)을 따라 샘플로부터의 거리를 도시한다. 이들 축은 임의 단위로 그리고 상이한 스케일로 도시되어 있다. 연속적인 라인으로 도시된 궤적은 렌즈 시스템의 광축(15)에 대해 0도의 출발 각도로 샘플(11)로부터 방출된 입자 궤적인 반면, 대시 라인 및 대시 점선 라인으로 도시된 궤적은 각각 4도와 8도의 출발 각도에 대응하는 궤적을 도시한다.
도 8a는 렌즈 시스템(13)이 편향기 패키지(29, 29')에 편향기 전압을 인가함이 없이 각도 모드에서 동작할 때의 궤적을 도시한다. 렌즈 축(15)으로 방출된 입자는 상이한 렌즈(L1 내지 L3)(도 4 및 도 6 참조)의 영향 하에서 렌즈 시스템을 통해 입구 슬릿(8)의 평면(26)의 중심으로 가이드된다. 렌즈 축에 다른 각도(Δθx, θy)로 방출된 입자는 입구 슬릿 평면(26)에서 다른 한정된 위치로 포커싱된다.
도 8b는 렌즈 시스템(13)이 편향기 전압(Vx, Vy)이 인가된 상태에서 각도 모드에서 동작될 때의 궤적을 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, 편향기 패키지(29, 29')의 전극(33A 내지 33D, 33A' 내지 33D')에 인가되는 편향기 전압은 입자의 각도 분포의 일부, 즉 렌즈 축(15)에 대해 8도의 출발 각도로 방출된 입자를 포함하는 부분이 입구 슬릿(8)의 평면의 중심으로 가이드되고, 여기서 렌즈 축(15)의 방향으로 측정 구역(3)으로 들어가도록 제어된다. 렌즈 축에 다른 각도(θx, θy)로 방출된 입자는 입구 슬릿 평면에서 다른 한정된 위치로 포커싱된다.
이 예시적인 실시예에서, 제1 편향기 패키지(29)는 입자 궤적을 "아래쪽으로" 굴곡시키는 반면, 제2 편향기 패키지(29')는 선택된 궤적이 렌즈 축(15)에 서서히 접근하는 방식으로 대향하는 방향으로 굴곡된다. 다른 방향으로 시작하는 궤적은 실질적으로 동일한 양만큼 모두 변위된 위치에서 렌즈 시스템을 떠나서, 편향이 없는 것과 실질적으로 동일하게 분산이 유지된다.
도 9의 A 내지 C는 방출된 입자의 각도 분포의 선택된 부분(A, B)이 샘플(11)로부터의 출발 각도(θx, θy)에 상관없이 본 명세서에 설명된 본 발명의 개념을 사용하여 렌즈 배열의 광축(15)과 실질적으로 평행한 방향으로 측정 구역(3)의 입구(8)로 들어가도록 선택된 부분을 편향시킬 수 있는 방법을 도시한다. 도 9의 A 및 B는 참조 부호 39로 표시된 입자 빔의 각도 분포를 도시하고, 도 9의 C는 입자 빔을 편향시킨 후 반구 입구 평면(26)으로 맵핑된 각도 분포를 도시한다.
도 9의 A 및 C는 입자 빔의 각도 분포의 부분(A)을 원하는 방향으로 편향시킨 것을 도시하고, 도 9의 B 및 C는 입자 빔의 각도 분포의 부분(B)을 원하는 방향으로 편향시킨 것을 도시하며, 이들 부분(A 및 B)은 예를 들어 에너지, 시작 방향, 시작 위치 또는 스핀이 측정 구역(3)에서 분석되도록 선택된 입자를 포함한다. 도 8b에 도시된 예에 따라, 단일 좌표 방향(y-방향)으로 2개의 편향은 도 9의 A에서 대시 수직 라인으로 제한된 스트립 내에서 각도 분포의 선택된 부분(A)이 렌즈 축(15)과 실질적으로 평행한 방향으로 측정 구역으로 들어가게 하는데 충분한 반면, 렌즈 축(15)(즉 x- 및 y-방향)과 수직인 2개의 좌표 방향 각각으로 2개의 편향은 도 9의 B에서 대시 수직 라인으로 제한된 스트립 내에서 각도 분포의 선택된 부분(B)이 렌즈 축과 실질적으로 평행한 방향으로 측정 구역으로 들어가게 하는데 요구된다. (θx, θy)에 중심이 있는 도 9의 B에서 대시 수직 라인들 사이에 각도 분포의 선택된 부분은, 전압(Vx)이 고정된 시작 방향(θx≠0)을 가지는 궤적이 x=0 및 dx/dz=0에서 출사하도록 설정된 반면, 전압(Vy)은 연속적인 방향(θy)이 y=0 및 dy/dz = 0에서 출사하도록 변하는 경우 측정 구역으로 들어가도록 이루어질 수 있다.
다시 한번 도 6을 참조하면, 제1 및 제2 편향기 패키지(29, 29')는 일정 거리 만큼 분리된 렌즈 시스템(13)의 광축(15) 주위에 동심으로 배열되어, 대전 입자들이 측정 구역(3)의 입구(8)와 입자 방출 샘플(11) 사이에서 가는 길에 편향기 패키지의 전극 쌍(33A/33C, 33B/33D, 33A'/33C', 33B'/33D')들 사이를 통과하도록 한다. 상이한 응용에서 렌즈 배열(13)에서 렌즈 소자의 수 및/또는 전체 렌즈 배열(13)의 길이(통합된 편향기 배열(31)을 포함하여)는 상이한 응용에서 개별 렌즈 소자(L1, L2, L3)의 상이한 조합을 요구할 수 있으므로 실질적으로 변할 수 있다. 바람직하게는, 편향기 배열(31)의 편향기 중 그 어느 것도 상기 렌즈 소자(L2)의 일 단부로부터 대략 하나의 렌즈 소자 반경보다 이것이 배열된 렌즈 소자(L2)의 단부에 더 가까이 위치되어야 한다. 나아가, 제1 및 제2 편향기 패키지(29, 29')들 사이의 거리는 바람직하게는 편향기 패키지가 배열된 렌즈 소자(L2)의 반경 이상이어야 한다. 따라서, 제1 및 제2 편향기 패키지(29, 29')가 특정 렌즈 소자 반경을 가지는 동일한 렌즈 소자(L2) 내에 배열될 경우, 제1 편향기 패키지(29)는 바람직하게는 렌즈 소자(L2)의 전방으로부터 적어도 하나의 렌즈 소자 반경의 거리에 위치되고, 제2 편향기 패키지(29')는 바람직하게는 제1 편향기 패키지(29) 및 렌즈 소자(L2)의 단부로부터 적어도 하나의 렌즈 소자 반경의 거리에 위치된다. 이것은 제1 및 제2 편향기 패키지 사이에 정전 전위 누화를 피할 뿐만 아니라 그 다음 편향기에 들어가기 전에 그 방향을 변화시키기 위한 일정 시간을 대전 입자에 제공하기 위한 것이다.
나아가, 편향기 배열(31)의 편향기(33A/33C, 33B/33D, 33A'/33C', 33B'/33D')는 바람직하게는 렌즈 배열(13)의 렌즈 소자(L1 내지 L3)에 대해 위치되어, 편향기 전극들과 그 분리 거리를 포함하는 구역에 편향기 전극들 자신에 의해 생성된 전계와는 다른 전계가 실질적으로 없게 한다. 이를 위해, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 편향기 전극(33A 내지 33D, 33A' 내지 33D')은 바람직하게는 원통형 튜브(41, 41')내에 배열되어, 전기 전위는 이 튜브의 전위를 말한다. 따라서, 편향기 배열(31)이 2개의 편향기 패키지(29, 29')를 포함하고, 각 편향기 패키지는 4개의 전극(33A-33D, 33A'- 33D')을 포함하는 바람직한 실시예에서, 각 편향기 패키지의 전극들은 4중 회전 대칭을 갖는 원통형 섹터를 형성하여 실질적으로 원통형으로 형성된 편향기 패키지를 형성하고, 원통형 편향기 패키지는 외부 원통형 튜브(41, 41')내에 배열된다.
도면에 도시된 예시적인 실시예에서는 렌즈 시스템(13)에 통합되어 있지만, 편향기 배열(31)의 편향기(33A/33C, 33B/33D, 33A'/33C', 33B'/33D')는 렌즈 시스템(13) 및 그 개별 렌즈 소자(L1 내지 L3)에 대하여 다른 방식으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 편향기 배열(31) 및 그 모든 편향기는 샘플(11)과 렌즈 시스템(13)의 전방 사이 "상류 위치"에 또는 렌즈 시스템(13)의 출구와 반구(5)의 입구 슬릿(8) 사이 "하류 위치"에 배치될 수 있다. 이러한 배열은, 편향 및 렌즈 작용을 더 분리시킬 수 있는 한, 일부 상황에서 유리할 수 있다. 예를 들어, 하나의 단일 방향으로 한번에 관찰하는데 전적으로 전용되는 시스템(예를 들어 전용 스핀 검출 시스템)에서, 편향기 배열(31)의 상류 위치는 통합된 해법보다 더 큰 각도 범위를 허용할 수 있다. 그러나, 샘플(11)과 렌즈 배열(13) 사이의 거리가 증가하면 통상적인 응용에서 각도 수용범위를 바람직하지 않게 감소시킬 수 있다. 편향기 배열(31)의 하류 위치에서, 마지막 능동 렌즈 소자(L3)와 측정 구역(3)의 입구 슬릿(8) 사이의 거리가 증가하면 분산 및 에너지 범위의 융통성을 감소시킬 수 있다.
그리하여, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 편향기 배열(31)의 편향기(33A/33C, 33B/33D, 33A'/33C', 33B'/33D')는 렌즈 배열(13)의 개별 렌즈 소자(L1 내지 L3)에 대하여 배열되어, 적어도 하나의 렌즈가 제1 편향 전에 입자 빔에 작용하고, 적어도 하나의 렌즈는 마지막 편향 후에 입자 빔에 작용하도록 한다. 또한, 편향기 배열(31)의 모든 편향기는 바람직하게는 렌즈 시스템(13)의 동일한 렌즈 소자(L2) 내에 배열되어, 편향기 배열의 모든 편향기가 동일한 전기 전위에 의해 둘러싸이는 것을 의미한다. 이것은 입자 빔의 각도 분포의 원하는 부분을 렌즈 축(15)과 병렬로 측정 구역(3)의 입구(8)를 통과하는데 요구되는 편향기 전압 및 렌즈 전압을 제어한다는 점에서 유리하다.
전술한 바와 같이, 바람직한 설계에서, 편향기 전극은 4중 회전 대칭을 갖는 2개의 편향기 패키지(29, 29') 내에 패키징된 원통형 섹터로 형성되고, 2개의 편향기 패키지는 단면 및 길이가 동일하다. 그러나, 이들 특징은 그 어느 것도 분석기 배열의 동작에 본질적인 것이 아니다. 평면 또는 다른 방식으로 형성된 전극도 고려가능하고 예를 들어 각도 패턴의 왜곡을 감소시키는 장점을 제공할 수 있다. 적어도 하나의 패키지에서 8(또는 4n)개의 자극(pole)을 가지는 배열도 가능하다. (x, z) 및 (y, z) 평면에 대해 반사 대칭은 실제 관점에서 매우 바람직하지만, 엄격히 필요한 것은 아니다.
본 발명은 전술한 실시예로 제한되지 않고, 후속 청구범위 내에서 변할 수 있는 것으로 이해된다.

Claims (22)

  1. 입자 방출 샘플(11)로부터 방출된 대전 입자에 관한 적어도 하나의 파라미터를 결정하는 방법으로서,
    - 상기 대전 입자의 입자 빔을 형성하고, 실질적으로 직선인 광축(15)을 가지는 렌즈 시스템(13)에 의하여 측정 구역(3)의 입구(8)와 상기 입자 방출 샘플(11) 사이에서 상기 입자를 운반하는 단계;
    - 상기 입자 빔이 상기 측정 구역으로 입사하기 전에 상기 렌즈 시스템의 광축에 적어도 수직인 제1 좌표 방향(x, y)으로 상기 입자 빔을 편향시키는 단계, 및
    - 상기 측정 구역에서 상기 대전 입자의 위치를 검출하는 단계를 포함하되,
    상기 위치는 상기 적어도 하나의 파라미터를 나타내고,
    상기 대전 입자의 위치를 검출하는 것은 2차원에서 상기 위치의 검출을 포함하며, 하나는 상기 입자의 에너지를 나타내고, 하나는 상기 입자의 시작 방향을 나타내며,
    상기 방법은, 렌즈 전방 애퍼처로 들어가고 반구형 입구 평면(26) 상에 맵핑되는 입자 빔의 각도 분포(39)의 임의의 선택된 부분이, 상기 광축에 수직인 두개의 좌표 방향에서 각각 기록될 수 있도록, 상기 입자 빔이 상기 측정 구역으로 입사하기 전에 적어도 제2 시간 동안 동일한 적어도 제1 좌표 방향(x, y)으로 상기 입자 빔을 편향시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 파라미터의 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입자 빔의 제1 편향은 제1 편향기(33A/33C, 33B/33D)에 의하여 수행되고, 상기 입자 빔의 적어도 제2 편향은 상기 렌즈 시스템(13)의 광축(15)을 따라 일정 거리에서 상기 제1 편향기의 하류에 배열된 적어도 제2 편향기(33A'/33C', 33B'/33D')에 의하여 수행되는 것인, 파라미터의 결정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입자 빔이 상기 측정 구역(3)으로 입사하기 전에 상기 입자 빔은 상기 제1 좌표 방향(x)에 수직인 제2 좌표 방향(y)으로 및 상기 렌즈 시스템(13)의 광축(15)으로 적어도 2번 편향되는 것인, 파라미터의 결정 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입자 빔의 모든 편향은 상기 렌즈 시스템(13) 내에서 일어나서, 적어도 하나의 렌즈(L1)가 상기 입자 빔의 제1 편향 전에 상기 입자에 작용하고 적어도 하나의 렌즈(L3)는 상기 입자 빔의 마지막 편향 후에 상기 입자에 적용되는 것을 의미하는 것인, 파라미터의 결정 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입자 빔의 적어도 하나의 편향은 본질적으로 4중극 대칭을 갖는 형상으로 배열된 4개의 전극(33A 내지 33D)을 구비하는 편향기 패키지(29)에 의해 수행되고 상기 4개의 전극은 각 좌표 방향(x, y)에서 편향기로 기능하는 2개의 전극 쌍(33A/33C, 33B/33D)을 형성하며,
    상기 방법은,
    - 상기 편향기 패키지(29)의 상기 2개의 전극 쌍(33A/33C) 중 하나의 전극 쌍 사이에 제1 편향기 전압(Vx)을 인가하는 단계;
    - 상기 편향기 패키지(29)의 상기 다른 전극 쌍(33B/33D) 사이에 제2 편향기 전압(Vy)을 인가하는 단계, 및
    - 상기 편향 전압(Vx, Vy)에 중첩된 4중극 대칭의 전압(±Vq)을 상기 편향기 패키지(29)의 상기 전극(33A-33D)에 인가하는 단계를 더 포함하는, 파라미터의 결정 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입자 빔을 형성하는 상기 입자들의 각도 분포(39)의 미리 결정된 부분(A, B)이 상기 측정 구역(3)의 상기 입구(8)를 통과하도록 상기 입자 빔의 편향을 제어하는 단계를 더 포함하는, 파라미터의 결정 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 입자의 각도 분포의 상기 미리 결정된 부분(A, B)이 상기 렌즈 시스템(13)의 광축(15)과 실질적으로 평행한 방향으로 상기 측정 구역(3)의 입구(8)를 통과하도록 상기 입자 빔의 편향을 제어하는 단계를 더 포함하는, 파라미터의 결정 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 파라미터는,
    - 상기 대전 입자의 에너지;
    - 상기 대전 입자의 시작 방향; 및
    - 상기 대전 입자의 스핀
    중 적어도 하나에 관한 것인, 파라미터의 결정 방법.
  9. 입자 방출 샘플(11)로부터 방출된 대전 입자와 관련된 적어도 하나의 파라미터를 결정하여 상기 입자 방출 샘플(11)을 분석하기 위한 반구형 편향기 유형의 광전자 분광기(30)로서,
    - 상기 입자를 측정 구역으로 들어가게 하는 입구(8)를 구비하는 측정 구역(3);
    - 상기 대전 입자의 입자 빔을 형성하고 상기 측정 구역의 상기 입구와 상기 입자 방출 샘플 사이에 상기 입자를 운반하며, 실질적으로 직선인 광축(15)을 구비하는 렌즈 시스템(13);
    - 상기 입자 빔이 상기 측정 구역(3)으로 입사하기 전에 상기 렌즈 시스템(13)의 광축에 적어도 수직인 제1 좌표 방향(x, y)으로 상기 입자 빔을 편향시키는 제1 편향기(33A/33C, 33B/33D)를 구비하는 편향기 배열(31); 및
    - 상기 측정 구역에서 상기 대전 입자의 위치를 검출하는 검출기 배열(9)을 포함하되,
    상기 위치는 상기 적어도 하나의 파라미터를 나타내고,
    상기 검출기 배열(9)은 2차원에서 상기 대전 입자의 위치를 결정하도록 구성되며, 상기 위치 중 하나는 상기 입자의 에너지를 나타내고, 상기 위치 중 하나는 상기 입자의 시작 방향을 나타내며,
    상기 편향기 배열(31)은, 렌즈 전방 애퍼처로 들어가고 반구형 입구 평면(26) 상에 맵핑되는 입자 빔의 각도 분포(39)의 임의의 선택된 부분이, 상기 광축에 수직인 두개의 좌표 방향에서 각각 기록될 수 있도록, 상기 입자 빔이 상기 측정 구역(3)으로 입사하기 전에 적어도 제2 시간 동안 동일한 적어도 제1 좌표 방향(x, y)으로 상기 입자 빔을 편향시키기 위한 적어도 제2 편향기(33A'/33C', 33B'/33D')를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 분광기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 편향기(33A'/33C', 33B'/33D')는 상기 렌즈 시스템(13)의 상기 광축(15)을 따라 일정 거리에 상기 제1 편향기(33A/33C, 33B/33D)의 하류에 배열된 것인 광전자 분광기.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 편향기 배열(31)은 상기 입자 빔이 상기 측정 구역(3)으로 입사하기 전에 상기 제1 좌표 방향(x)에 수직인 제2 좌표 방향(y)으로 및 상기 렌즈 시스템(13)의 상기 광축(15)으로 적어도 2번 상기 입자 빔을 편향시키도록 동작가능한 것인 광전자 분광기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 편향기 배열(31)은 본질적으로 4중극 대칭 형상으로 배열된 4개의 전극(33A-33D)을 구비하는 적어도 하나의 편향기 패키지(29)를 포함하며, 상기 편향기 패키지의 4개의 전극은 상기 제1 및 제2 좌표 방향(x, y)의 각 좌표 방향에서 편향기로 기능하는 2개의 전극 쌍(33A/33C, 33B/33D)을 형성하는 것인 광전자 분광기.
  13. 제12항에 있어서, 개별 전압을 각 전극(33A-33D)에 인가하도록 구성된 제어 유닛(35)을 더 포함하는 광전자 분광기.
  14. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 편향기 배열(31) 및 상기 렌즈 시스템(13)은 상기 렌즈 시스템의 적어도 하나의 렌즈 소자(L1)가 상기 편향기 배열의 모든 편향기(33A/33C, 33B/33D, 33A'/33C', 33B'/33D')의 상류에 위치되고 상기 렌즈 시스템의 적어도 하나의 다른 렌즈 소자(L3)가 상기 편향기 배열의 모든 편향기의 하류에 위치되도록 배열된 것인 광전자 분광기.
  15. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 편향기 배열(31)의 모든 편향기(33A/33C, 33B/33D, 33A'/33C', 33B'/33D')는 상기 렌즈 시스템(13)의 동일한 렌즈 소자(L2) 내에 배열되는 것인 광전자 분광기.
  16. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 편향기 배열(31)은 상기 렌즈 시스템(13)과 일체 부분을 형성하는 것인 광전자 분광기.
  17. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 입자 빔을 형성하는 상기 입자의 각도 분포(39)의 미리 결정된 부분(A, B)이 상기 측정 구역(3)의 입구(8)를 통과하도록 상기 편향기 배열(31)이 상기 입자 빔을 편향시키도록 동작가능한 제어 유닛(35)을 더 포함하는 광전자 분광기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제어 유닛(35)은 상기 입자의 각도 분포(39)의 상기 미리 결정된 부분(A, B)이 상기 렌즈 시스템(13)의 광축(15)과 실질적으로 평행한 방향으로 상기 측정 구역(3)의 입구(8)를 통과하도록 상기 편향기 배열(31)이 입자 빔을 편향시키도록 동작가능한 것인 광전자 분광기.
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