DE2162808A1

DE2162808A1 - Energieanalyse geladener Teilchen

Info

Publication number: DE2162808A1
Application number: DE19712162808
Authority: DE
Inventors: Jerald Dana Wilmington Del. Lee (V.StA.)
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1970-12-18
Filing date: 1971-12-17
Publication date: 1972-07-06
Also published as: NL173799B; DE2162808B2; GB1370360A; NL7117400A; JPS512396B1; NL173799C; SE367279B; CA942435A; DE2162808C3

Description

DR.-ING. WALTER ABITZ = München, " 17. Dezember 1971

DR. DIETER F. MORF DR. HANS-A. BRAUNS

Postanschrift/ Postal Address 8 München 86, Postfach 860109

Patentanwälte Pienzenauerstraße 28

Telefon 483225 und 486415 Telegramme: Chemindus München Telex: (0)523992

ED 273

E. I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY lOth and Market Streets, Wilmington/ Del., V.St.Ä.

Energieanalyse geladener Teilchen

Die Erfindimg betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Energieanalyse eines Stromes geladener Teilchen. Sie ist auf verschiedene bewegte geladene Elementarteilchen, wie α- und ß-Strahlen, Ionenstrahlen und dergl., anwendbar, ist jedoch von besonderem Nutzen bei der Elektronenspektroskopie und wird daher im folgenden in ihrer Anwendung hierfür beschrieben.

Die Elektronenspektroskopie für die chemische Analyse ist ein vergleichsweise neues Verfahren, das ausführlich in dem Artikel "Electron Spectroscopy for Chemical Analysis (ESCA)" von Kai Siegbahn et al., Uppsala Universität, Uppsala, Schweden (1968) Oktober, vervielfältigt für die Defense Supply Agency vom Clearinghouse for Scientific and Technical Information mit der Kennnummer AD-844-3>l5* beschrieben ist.

Die Elektronenspektroskopie ist die Untersuchung der Energie (Gesehwindigkeits)-Verteilung der Sekundärelektronen (Photo-

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elektronen), die bei Bestrahlung einer Probe mit einer primären Energiequelle, wie Röntgenstrahlen, von der Probe emittiert werden. Das Verfahren wird mit einem Elektronenspektrometer mit einer Strahlungsquelle zum Erregen einer Probe, Mitteln zum Analysieren der Geschwindigkeiten (Energien) der durch die Erregung in Freiheit gesetzten Sekundärelektronen und Mitteln zur Aufzeichnung der Elektronenenergie gegen die Menge (den Strom) der in einen kleinen Energiebereich fallenden Elektronen durchgeführt. Die Vorrichtung weist Hochvakuumpumpen,' eine Hochspannungsquelle, einen Röntgenstrahlemitter oder einen anderen Emitter von Erregungsenergie, eine Halterung für die Probe, einen Energieanalysator und eine Ablesevorrichtung, wie einen X-Y-Rekorder, auf.

Die ESCA ist für die Analyse des vollen Bereichs einzelner chemischerElemente, auch in Anwesenheit anderer Elemente, anwendbar und ist von besonderem Wert für die organische Chemie, da die in organischen Verbindungen hauptsächlich anwesenden Elemente Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff usw. verhältnismäßig leicht zu analysieren sind. Außerdem eignet sich die Elektronenspektroskopie besser als die Röntgenstrahlanalyse für die Untersuchung der atomaren Struktur von Oberflächen, weil die Sekundärelektronen (im Gegensatz zu "sekundären" Röntgenstrahlen) nur von einer Oberflächenschicht mit einer Dicke von 100 S oder darunter emittiert werden. D.h. mit diesem Verfahren können leicht auf die Oberfläche beschränkte Informationen über Zusammensetzung, Bindungsverhältnisse usw. erhalten werden.

Wenn eine zu analysierende Probe mit einer Primärenergiequelle bestrahlt wird, so emittiert sie nicht-gerichtete Photoelektronen mit Geschwindigkeiten (Energien), die der speziellen Elektronenzustandsstruktur der Atome der Probe entsprechen. Für eine Auswertung bei der chemischen Analyse müssen diese Photoelektronen nach ihrer Energie und der Zahl der Elektronen jedes Energiebereichs über eine bestimmte Zeitspanne aufge-

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teilt werden. Diese Kategoriesierung erfolgt nach dem Verfahren und mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Analysieren eines Stromes elektrisch geladener Teilchen unterschiedlicher kinetischer Energie, bei denen nacheinander der Strom aus geladenen Teilchen unterschiedlicher Energie auf einen bestimmten Strömungsweg beschränkt wird, eine erste Fraktion aus praktisch allen geladenen Teilchen mit einer kinetischen Energie unter einem .vorbestimmten Wert abgetrennt und ihre Fortsehreitungsrichtung geändert wird.,- die erste Fraktion geladener Teilchen auf ein kugeliges Sperrfiltergitter, das bei einem vorbestimmten elektrischen Potential gehalten wird und das Fortschreiten aller geladener Teilchen mit einer kinetischen Energie unter einem vorbestimmten niedrigen Wert in Längsrichtung durch einen Strömungsrichter verhindert, während es den Durchtritt einer zweiten Fraktion geladener Teilchen, die den Rest der ersten Fraktion geladener Teilchen darstellt, zuläßt, und die Anzahl geladener Teilchen der zweiten Fraktion bestimmt wird. .

In den Zeichnungen ist

Figur IA eine Auftragung des Transmissionsstroms gegen die Energie für den von einer mit Röntgenstrahlen bestrahlten Probe emittierten Photoelektronenstroir;,

Figur IB eine. Auftragung des Transmissionsstroms gegen die Energie, die charakteristisch ist für ein Energiefilter mit engem'Durchlaßbereich bei einer willkürlich gewählten Energie E ,

Figur 2 ein Querschnitt durch einen bekannten halbkugeligen elektrostatischen Analysator,

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ED 273

Figur J5A

ein Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Figur JB eine perspektivische Ansicht der auseinandergebogenen Teile der Vorrichtung von Figur 3A,

Figur j5C ein Teil eines Längsschnittes des rechten Umkehrendes für geladene Teilchen einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Figur k

Figur

eine schematische Veranschaulichung des Aufnahmewinkeis der Vorrichtung der Figuren j5A und

Figur 6

eine Veranschaulichung des Zusammenwirkens von Vorfilter, erstem und zweitem Filter in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und

ein typisches Spektrum, wie es bei der Analyse einer Goldprobe mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung erhalten, wird.

Ein Analysator soll a) ein hohes Auflösungsvermögen haben, d.h. Elektronenfraktionen eng benachbarter Energien zu trennen vermögen, und b) eine hohe Empfindlichkeit besitzen, d.h. jede kleine Energiemenge zu messen und abzulesen gestatten. Außerdem soll er für einen hohen Elektronendurchsatz (electron throughput, or luminosity) geeignet sein, so daß die Kategoriesierung der Elektronenenergie in relativ kurzer Zeit erfolgen kann.

Die Energieverteilungsspektren von Photoelektronen, die durch Erregen mit Röntgenstrahlen erzeugt werden, sind derart, daß diejenigen Elektronen, die ein bestimmtes Element kennzeichnen, ein bestimmtes Energieniveau haben und im allgemeinen als diskrete Maxima auf einem Untergrund mit breiter Energiever-

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teilung erscheinen. Der Untergrund entsteht dadurch, daß Elektronen, die selbst einsbestimmte, das Element (oder die Probe) kennzeichnende Energie haben würden, innerhalb der Probe Zusammenstöße erlitten und dabei variierende Energiemengen verloren haben. Eine andere Quelle des Untergrundstroms ist die Röntgenbremsstrahlung, die die gewünschte Röntgenstrahlung enger Energieverteilung (charakteristische Röntgenstrahlung) überlagert. Eine typische Energieverteilung von Elektronen, die von einer Probe emittiert werden, einschließlich des unvermeidbaren Untergrundes, ist in Figur IA gezeigt.

Da nur Intensität und Form des eine bestimmte Energiedifferenz repräsentierenden Photoelektronenpeaks gemessen werden soll, werden sowohl die Empfindlichkeit als auch die Messgenauigkeit proportional verringert, wenn ein anderer Teil des Untergrundes als der direkt unter dem Peak liegende gemessen wird. Das erfolgt, weil die statistische Variation der Zahl der Elektronen, die von dem breiten Untergrund aufsteigen, groß ist. Aus diesem Grund wird vorzugsweise der Strom innerhalb eines Photoelektronenpeaks (der repräsentativ für die Zahl der Elektronen in diesem engen EnergleLereich ist), mit einem Energiefilter, das nur einen engen Energiebereich durchläßt, gemessen. Figur IB zeigt die Transmissionskennkurve eines solchen Filters bei einer willkürlich gewählten Energie E . Ein bekanntes solches Filter, das eine solche Auswahl ermöglicht, ist ein halbkugeliger elektrostatischer Analysator, wie er schemarisch im Aufriß in Figur 2 veranschaulicht ist. Nur diejenigen Elektronen mit einer Energie

E =
o,

wobei £ das durch die Spannungsdifferenz V erzeugte elektrische Feld, e die Ladung eines Elektrons und R der Radius der die Schlitze aufweisenden Halbkugel ist, können durch beide Schlitze durchtreten.

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Die Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren für die Energieanalyse geladener Teilchen. Als Beispiel werden die in einem Röntgenstrahl-Photο-elektronenspektrometer erzeugten Sekundärelektronen gewählt. Gemäß der Erfindung wird eine neue Anordnung von Elektrohenablenk- und -Verzögerungselementen, einschließlich eines kugeligen Elektronenspiegels, der in Kombination mit ihm zugeordneten, elektrostatischen Linsen eine vielfache Erhöhung der Elektronenauszählgeschwindigkeit ermöglicht, während eine völlig zufriedenstellende Auflösung erhalten bleibt, verwendet.

In der gleichzeitig zur Einreichung kommenden Anmeldung der gleichen Anmelderin (US Serial No. 99*^75) wird ein elektrostatischer Analysator insbesondere für die Röntgenstrahl/ Photoelektronenspektroskopie beschrieben. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung erfolgt die Analyse durch Auswahl eines engen Energiebereiches mit einem Doppelfilter, indem man den Elektronenstrahl nacheinander durch ein Filter, das Elektronen verhältnismäßig hoher Energie durchläßt, und ein Filter, das Elektronen niedriger Energie durchläßt, passieren läßt, wobei beide FiItei aus im wesentlichen koaxialen zylindrischen Teilen bestehen. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist zwar ebenfalls ein Analysacor für eine enge Energiebande, besteht aber im wesentlichen aus einem Filter, das Elektronen niedriger Energie durchläßt, in der Form eines Elektronenspiegels und einem nachgeschalteten Filter, das Elektronen hoher Energie durchläßt, von der Form eines Kugelgitters. Gemäß beiden Erfindungen werden die Elektronen hoher Energie des Ausgangselektronenstrahls durch ein Parallelplattenfilter oder eine andere Vorrichtung eliminiert. Jedoch wird durch die vorliegende Erfindung gegenüber der.in der anderen Anmeldung beschriebenen eine beträchtliche Verbesserung der Empfindlichkeit um wenigstens eine Größenordnung erzielt.

Aufgabe der Erfindung ist daher ein Energieanalysator für die

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Röntgenstrahl/Photoelektronenspektroskopie und dergl., der eine erhöhte Empfindlichkeit aufweist und eine entsprechende Herabsetzung der Intensität der Röntgenstrahlquelle und -energie ermöglicht.

Weitere Aufgaben der Erfindung sind:

ein verbesserter Energieanalysator, der eine enge Energie- .-bande durchläßt und eine verbesserte Spektrallinienbestimmung durch Erzielung eines höheren Verhältnieses Signal·

/signal-to-noise ratio) zu-Geräusch/zulawt, als es bisher erzielt werden konnte,

b) ein verbesserter Energieanalysator, der für ein bestimmtes Auflösungsvermögen eine größere wirksame Eintrittsöffnung und einen größeren Aufnahmewinkel hat, wodurch eine hohe ElektronenausZählgeschwindigkeit erzielt wird, und

c) ein Energieanalysator von einfachem Aufbau, der anpassungsfähig und verhältnismäßig wenig kostspielig ist.

Die folgenden fundamentalen Beziehungen gelten für den Analysator:

Der Strom, i, in monoenergetisohen Elektronen je Sekunde, gezählt am Ausgangsschlitz irgendeines Spektrometers, ist durch . < die folgende Gleichung gegeben:

(1) i = B_o ^a AJIf oder i = BAAf ,

B = Helligkeit von Photoelektronen, die durch die Röntgenstrahlen von der Probe emittiert werden, in

Anzahl Elektronen - "

(Einheit der Fläche der Probe) (Einheit Raum winkel) (Sekunde)"

number of electrons -- \

(unit area of sample) (unit solid angle) (second)/ ·

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P
A = Verhältnis der. Elektronenenergie im Analysator zu

ο der Energie des Elektrons, wenn es von der Probe emittiert wird. Die Geschwindigkeit (Energie) der Elektronen wird oft vor der Analyse absichtlich verzögert, um eine bessere Auflösung zu erzielen,Δ E, Worin ΔΕ = E.-Ep, worin E. das hohe Energieniveau und Ep das niedrige Energieniveau der analysierten Sekundärelektronenfräktion ist,

ΔΕ ist eine Konstante des Spektrometer; die Auflösung A ΔΕ ist besser, wenn die Energie E. im Analysator

•gesenkt wird, beispielsweise indem man.zwischen die fe Probe und den Eintrittsschlitz des Spektrometers

ein Verzögerungsfeld legt,

A = Fläche der Eintrittsöffnung des Energieanalysators, cm ,

JL = Aufnahmewinkel des Energieanalysators in Raumwinkeleinheiten (steradians),

f = Wirkung des Analysators (manchmal "Transmission" genannt) hinsichtlich des Durchlasses von Elektronen in dem gewünschten Energiebereich. Im Falle der Erfindung ist f wegen der Verwendung absorbie-

P render' Netze im Weg der Elektronen verhältnismäßig

klein (less than unity),

•D

B = __o E.=Intensität (brightness) an der Eintrittsöffnung

E
ο des Spektrometers.

Manchmal wird die Menge AJIf die "Luminosität" des Analysators genannt und als L abgekürzt.

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Die Gleichung (1) gibt die Auszählung i für den Fall, daß die Auflösung des Analysators,ΔΕ, wenigstens so breit wie die Spektrallinie ist. Wenn die Auflösung kleiner als die Breite der Spektrallinie ist, muß Gleichung (1) modifiziert werden zu:

(2) i = B« E .A JIf ΔΕ

worin B^f = B
ο ο

Einheit der Energie \J(unit energy); Analog dazu wird L dann die SpektralIuminosität

Die Auszählung sinkt bei höherer Auflösung (kleineremΔΕ), weil eine höhere Auflösung durch Senkung einer oder mehrerer der folgenden Paktoren erzielt wird:

a) Eintrittsschlitzfläche A

b) Aufnahmewinkel Jl

c) Analysatorenergie E.

Gemäß der vorliegenden Erfindung und gemäß der Erfindung der oben erwähnten Anmeldung (US Serial No. 99*^75) wird eine erhöhte Auflösung durch Senken von E. erzielt.

Aus der Elektronenoptik ist es bekannt, daß eine erhöhte Verzögerung zur Senkung von E. von einem Absinken der Intensität B an der Eintrittsöffnung des Spektrometers begleitet ist, wodurch auch die Elektronentransmission gesenkt wird. Dieser Verlust an Intensität kann jedoch durch Vergrößern der Spektrometereintrittsöffnung A und des Aüfnahmewinkels Jl erhöht werden, wie sich aus den obigen Gleichungen (1) und (2) ergibt. Wie im folgenden näher beschrieben, erfolgt dies gemäß der Erfindung durch die Verwendung eines kugeligen Elektronenspiegel oder anderer Mittel, die gleichzeitig eine Bündelung sowie eine Monochromatisierung der Elektronen bewirken.

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Im Prinzip Ist ein Elektronenspiegel das Analogon eines Lichtspiegels mit der Abweichung jedoch, daß im Elektronenspiegel die Reflektion nicht an einer.einzelnen Oberfläche erfolgt, sondern über ein Gebiet verteilt ist, das von der Abstufung der Ä'quipotential-"flachen", die durch eine spezielle Anordnung von Elektroden und Potentialen erzeugt wird, abhängt. Auf den Spiegel auftreffende Elektronen werden verlangsamt, wenn sie in das Spiegelfeld eindringen, bis sie das Äquipotential Null erreichen, zu welchem Zeitpunkt ihre Geschwindigkeit gleich Null wird und ihre Bewegungörichrung praktisch umgekehrt wird. Elektronenspiegel können also eine doppelte.Punktion haben. Erstens bilden sie das auf den k Spiegel projizierte Objekt ab und zweitens steuern sie die Intensität (und Richtung) des Elektronenstrahls. Solche Spiegel können daher als Filter, die Elektronen niedriger Energie durchlassen, verwendet werden. D.h. der Spiegel eliminiert Elektronen, die mit einer Anfangsenergie über einem vorbestimmten Wert (Abschneidenergie) auftreffen und reflektiert die restlichen Elektronen niedrigerer Energie. Diese Elektronen niedrigerer Energie können dann durch den Spiegel für die weitere Energieanalyse gebündelt werden.

Wenn ein Elektronenspiegel als ein Element in einem Elektronenspektrometer für eine Energieanalyse verwendet wird, wie gemäß der vorliegenden Erfindung,hängt das Auflösungsvermögen des " Spektrometers weitgehend von dem Raumwinkel dQ, der von dem Spiegel"und der Fläche S² der Eintrittsöffnung A (Figur 4) bestimmt ist und der folgenden Beziehung genügt: Δ_Ε^4 (dQ), ab

Gleichzeitig bestimmt die Größe des Aufnahmewinkels /L zum Teil auch die Elektronenauszählung, wie sich aus der obigen Gleichung (1) ergibt. Bei Vorgabe einer gewünschten Auflösung ΔΕ

können dann die Spiegelparameter E und Jb so spezifiziert

werden, daß eine bestimmte Elektronenauszählung erzielt wird,

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209828/097 4 _or1g1Nal inspected

da die Auszählung proportional der Luminosität L ist, d.h.: A = S²= (d9)-R² -und- L = A Jl.

Daraus ergibt sieh die Bedeutung einer großen Eintrittsöffnung A und eines großen Aufnahmewinkels Jb. In dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden mittels eines konkaven kugeligen Elektronenspiegels in idealer Weise die optimalen Ausgangswerte dieser.Parameter gewählt. Außerdem kann der Spiegel zusammen mit anderen Elementen der Elektronenoptik, wie Linsen, verwendet werden, so daß diese vorteilhafte Auswahl sich auf die Bestimmung einer engen Spektralbande, auswirkt. ·

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird insbesondere durch Figur 3> die eine Auftragung der Elektronentransmission oder Auszählung gegen die Elektronenenergie ist, veranschaulicht. Die mit "Durchl. niedr» Energie" bezeichnete ausgezogene Linie veranschaulicht die charakteristische Filtration von Elektronen, die durch Röntgenstrahlen erzeugt werden, mittels eines Elektronenspiegels, der so angeordnet ist, daß er einen großen Teil der eintretenden Elektronen abfängt. Beim Verfolgen· dieser Kurve von links nach rechts zeigt sich, daß bei einem bestimmten Energieniveau M ein "verhältnismäßig scharfes "Abschneiden" von durchgeiassenen (d.h. reflektierten) Elektronen durch den Spiegel erscheint, was bedeutet, daß alle Elektronen mit Energien über diesem Niveau für die weitere Analyse eliminiert werden. Das Gebiet unter dieser Kurve repräsentiert also die Gesamtzahlen Elektronen des niedrigeren Energiebereiches, die für die weitere Analyse durchgelassen werden. Von diesen wiederum sind die einzigen Elektronen von Interesse diejenigen am energiereichen Ende dieser Bande niedriger Ener-. gie, nämlich diejenigen Elektronen, die in das Gebiet der Überlappung der Kurve "Durchl. hoher Energie" mit derjenigen des "Durchl. niedr. Energie" fallen. Wie im folgenden erläutert, erfolgt das Abfiltrieren der Elektronen hoher Energie

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durch ein Kugelgitter mit einem^Verzögerungspotential. In . Figur 5 erscheinen noch zwei weitere Kurven, von denen die eine, in gestrichelten Linien gezeigte, als "Vorfilter" bezeichnet ist. Die Bedeutung dieser Kurve wird im folgenden näher beschrieben.

Die Figuren 3A und JB sind schematische Veranschaulichungen eines Schnittes durch eine bevorzugte Ausfuhrungsform eines Elektronenenergieanalysators gemäß der Erfindung bzw. eine perspektivische Ansicht der auseinandergezogenen Teile dieser Vorrichtung.

Der gesamte in Figur 3A gezeigte Analysator befindet sich in einem nicht-gezeigten evakuierten Gehäuse. Die erregende Röntgenstrahlung ist ein praktisch monochromatischer Strahl, der längs der Linie N durch eine öffnung in dem rohrförmigen Element 10, die mit einem aus einer 1μ Aluminiumfolie bestehenden Filter abgedeckt ist, in einem Winkel von etwa 20° auf die zu analysierende Probe 11 auftrifft und die Emission von Photoelektronen von dieser Probe 11 verursacht.

Die Messung der Bindungsenergie der von der Oberfläche der Probe 11 emittierten Photoelektronen ermöglicht eine halbquantitative Analyse der Oberfläche. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt diese Messung wie folgt: Der von der Probe 11 austretende Photoelektrohenstrahl verläuft axial längs der Linie 12 durch das Rohr 10 und das daran anschließende kegelstumpfförmige Rohr 13, das in einem verhältnismäßig großen Raumwinkel von der Probe 11 ausgeht. Von dort verläuft der Strahl durch die Elektronenkondensationslinse 14 zwischen den Rohren IJ> und I5.

Der schräg abgeschnittene Rohrfortsatz 15a bildet eine Ver- · bindung mit der oberen Elektrode 17a der allgemein mit 17 bezeichneten Parallelplatteneinrichtung sowie mit der mit T bezeichneten Wand des rohrförmigen Gehäuses. Zwischen den Rohren

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15 ist· ein variierbares Verzögerungsfeld angeordnet. Der Elektronenstrahl 12 wird durch die Linse I^ auf eine Stelle in der Mitte der öffnung 16a, die eine Sperrgitteröffnung ist, gebündelt. ' .

Die Parallelplatteneinrichtung I7 bildet ein Vorfilter für Photoelektronen niedriger Energie, die in das Loch löa eintreten, und enthält außer den Ablenkplatten 17a und 17b eine Elektronenabsorptions^ und -erdungsplatte 17c, die besonders deutlich in Figur JB gezeigt ist* Das Vorfilter 17 weist auch zwei vertikal orientierte parallele Platten I7d und 17e auf, durch die die Einrichtung zu einer Doppelbündelungseinrichtung wird. Die Punktion eines Vorfilters in der beschriebenen Vorrichtung ist in der erwähnten, gleichzeitig zur Einreichung kommenden Anmeldung der gleichen Anmelderin (US Serial No. 99^^75) näher beschrieben und soll im folgenden in ihrer Anwendung auf die vorliegende Erfindung näher beschrieben werden.

Elektronen mit einer Energie unter dem Abschneidenergieniveau des Vorfliters I7 werden um einen Winkel von etwa SO" aDgelehkt und verlaufen dann zu dem konkaven kugeligen Elektronenspiegel 18, der einen ftückteil aus festem Material aufweist, wie durch die Fortsetzung der Linie 12 in Figur j5A geneigt". Die Gitteroffnung 16b dient als Eintrittsöffnung (typiseherweise 1,27 cm (1/2¹¹) Durchmesser, gemessen längs der Breite der Platte 17a» so daß ihre Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Langsachse H etwa 0,6> cm (l/ty¹¹) hoch ist) fiir den zu dem Elektronenspiegel 18 laufenden Strahl und ist etwas über der Achse U

Vom Spiegel 18 -wird der ElektroaeBStrahl, wie allgeKieiia durch die Ltole 1'9 geKei^^ diirciä die untere Hälfte einer mit eines* zeütr^leia Loeli versefeeiaela sciieibeiRforänigeift Elekferode 20^ die bei Erdpötetifciäl ^ehult&i wird, gefölirfe» Mi welcher- Stelle elü reales Bild der ?OrfllteröfrTOüg l€b gebildet wird*

^ä 3.3 **"

216 28 P

Der Elektronenstrahl passiert dann das Elektronen hoher Energie durchlassende Filter, das aus einem üblichen kugeligen Doppelgitter, allgemein mit 21 bezeichnet, besteht und zu dem Elektronenkollektor 22 überleitet. Der Elektronenkollektor 22 ist ein offener Zylinder 22a, der ...am äußeren Ende mit einer Platte mit einem zentralen Elektronenstrahlaustrittsloch 22b abgeschlossen ist. Gegenüber diesem Loch ist ein herkömmlicher Kanalelektronenvervielfältiger 23 angeordnet.

Der Rohrteil, der den Kolloktor 22 und die Kugelgittereinrichtung 21 umfaßt, ist in einem kleinen Winkel, typischervveise 0,7°, gegen die Achse H von der vertikalen F-F (Figur 3A) nach oben geneigt, um eine bessere Auflösung zu erzielen. Durch diese Neigung kann die Kollektorachse mit der geometrischen Achse der unteren Hälfte des Lochs 20a in der scheibenförmigen Elektrode 20 zusammenfallen. Die gleiche Wirkung kann erzielt werden, wenn das Filter, das die Elektronen hoher Energie durchläßt, nach unten verschoben wird.

Zwischen dem Vorfilter 17 und dem Elektronenspiegel 18 befindet sich eine herkömmliche Quadrupollinse 24 aus einem Paar vertikaler gebogener Platten 24a und einem Paar horizontaler gebogener Platten 24b (Figur 3B), die dazu dienen, den reflektierten Elektronenstrahl in die untere Hälfte des Lochs 20a zu führen. Ein bei Erdpotential gehaltenes Kugelgitter 25 ist zwischen der Quadrupollinse 24 und dem Spiegel 18 angeordnet und bildet einen Teil der detruSpiegel zugeordneten Filtermittel, die Elektronen niedriger Energie passieren lassen.

Die Ringelektroden 26 und der Kugelspiegel 18 werden bei verschiedenen, mit Bezug auf das Gitter 25 negativen Potentialen gehalten, die in der Hichtung des Elektronenstrahls zum Spiegel 18 hin negativer werden. Diese Aufteilung der elektrostatischen Metallflächen in dem Gebiet zwischen dem (Gitter 25 und uem Spiegel 18 in einzelne Se$pente verhindert Unregelmäßigkeiten des Feldes 5jmd tragt zur Erzielung einer tooheaa Äuflö-

sung bei. Auch zwischen den Kugelgittern 21a und 21b (Figur sind mehrere getrennte Ringe l'ekt roden 21c, die in der Fortschreitungsrichtung des reflektierten Strahls 19 bei zunehmend negativerem Potential gehalten werden und zusammen mit den Gittern 21a.und 21b den reflektierten Elektronenstrahl so weit verzögern, daß nur diejenigen der von dem Spiegel 18 reflektierten Elektronen mit einer Energie über einem bestimmten Abschneidwert das die Elektronen hoher Energie durchlassende Sperrfilter passieren und zu dem Kollektor gelangen, angeordnet. Auf diese Weise wird eine enge Energiebande ausgewählt.

Die Abmessungen des Elektronenanalysators der Figuren j5A und 3B sind im allgemeinen derart, daß der Aufnahmewinkel A (Figur 4) zwischen der öfrnung 16b des Vorfilters 17 und der
Spiegeloberfläche etwa 1/8 Raümwinkel beträgt. Dies wird erreicht, indem man einen Spiegelradius von 12,7 cm (5")* gemessen vom untersten Punkt d der öffnung 16b zum Gitter 25, wählt, wobei die Sehne des Gitters 25 senkrecht zur Achse H 5*1 cm (2") beträgt. Wenigstens der gleiche Aufnahmewinkel Jt wird durch das Kegelstumpfrohr 13 vorgegeben, so daß durch den
Spiegel 18 der relativ große Raumwinkel der Probe über die gesamte Länge des Elektronenstrahls erhalten bleiben kann.

Typische Potentiale an den einzelnen Teilen des Analysators sind während des Betriebs wie folgt:

Kugelspiegel 18 -75V

Ringelektroden 26 gleichmäßig unter

teilte negative Spannungen zwischen Null und -75 V-

Gitter 25 OV

Quadrupollinse 24 . +10 V

Parallelplattenelektrode 17a OV ·

" " 17b -55-V

" " IYc OV

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ed 275 ^ 2162803

Parallelplattenelektroden 17d und 17e -48 V Kondensationslinse 14 +780 V

für eine Probe 11 von

+133b ν

Ringelektroden 21c ' gleichmäßig unter

teilt zwischen O und -74,9 V

Gitter 21b OV

Gitter 21a · -74,9 V

Kollektor 22a -74,9V

Weitere Komponenten vom Potential 0 V sind der Kanalelektronenvervielfältiger 23 und die kreisförmige, mit einem Loch Il versehene Diaphragmenelektrode 20 sowie das gesamte rohrförmige Gehäuse T zwischen den Kugelgittern 21b und 25. Alle Linsenelektroden sind in dem Gehäuse T gehaltert und durch Isolatoren aus Polytetrafluorathylen gegen dieses isoliert.

Der Kollektor 22 nimmt die durch die Doppelgitteranordnung 21 passierten Verzögerten Elektronen auf. Die Innenwand 22a des Zylinderhohlraums 22 wird typischerweise bei einem Vorpotential von -74,9 V gehalten, so daß die in diesen Hohlraum 22 eintretenden Elektronen darin gehalten und zu dem Kanalelektronenvervielfältiger 2^ vom Potential 0 gezogen werden. Der Kollektor 22 ist im wesentlichen feldfrei, abgesehen von der anziehenden Wirkung des Elektronenvervielfältigers. Ein typischer Weg P eines Photoelektroris im Kollektor 22 ist bei R (Figur 3A) gezeigt. ·

Ein typischer Abstand zwischen den Parallelplattenelektroden 17a und 17b ist 0,89 cm (0.35"), wobei dieser Wert die Divergenz des dem Spiegel 18 über das Vorfilter I7 zugeführten Elektronenstrahls bestimmt. Der Abstand der Gitteröffnung 16a zur Oberfläche der Probe beträgt typischerweise 8,2 cm (3 1/4"). Die scheibenförmige Elektrode 20 mit dem zentralen Loch sperrt den Durchtritt von Elektronen mit Knerpjen über dem gewünschten engen

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^SAD

Energiebereich sowie von dem Spiegel 18 ausgehender sekun- ' därer Parasitenelektronen. Die untere Hälfte des zentralen Lochs 20a dient als Eintrittsöffnung für das Filter 21 und der Bestimmung von dessen Auflösung.

Die Platte 17g von Erdpotential dient der Isolierung des reflektierten Elektronenstrahl·^ gegen das Feld des Vorfilters Gleichzeitig wild durch die elektrostatische Sperre I7f der Platte 17b die Gleichmäßigkeit des Feldes im Vorfilter 17 mit einer Potentialverteilung in dem Bereich von O bis zu dem Potential von 17b verbessert.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß vor dem Elektronenspiegel 18 das Filter 17* das Elektronen niedriger Energie durchläßt, angeordnet ist. Andernfalls würden Elektronen hoher Energie, beispielsweise solche, die mit einer Energie von 100 V oder darüber auf den Spiegel 18 aufprallen würden, die Erzeugung einer großen Menge parasitischer Sekundärelektronen niedriger Energie verursachen, und diese Elektronen würden eine Pseudoreflektionswirkung ergeben, wie durch die ausgezogene Linie P in Figur 5 gezeigt. Die Verwen- , dung.des Vorfilters 17 mit der in Figur 5 in gestrichelten Linien eingetragenen Kennlinie vermindert diese Wirkung auf den für die Analyse interessierenden Energiebereich.

Wenn der Analysator zur Aufnahme eines Spektrums verwendet wird, wird die enge Energiebande, die durch die Abschneidwerte des Kugelspiegelfilters 18 und und des Kugelgitterfilters vorgegeben ist, konstant gehalten und die Abtastung erfolgt durch Verändern des Potentials bei A oder eine äquivalente Verzögerung des Strahls an irgendeiner Stelle vor der öffnung 16a. '

Gegenüber dem Analysator der erwähnten Patentanmeldung (US Serial No, 99*^75) ermöglicht der Analysator der vorliegenden Erfindung eine Erhöhung der Auflösung von l,8e.y auf l,2e V

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und eine gleichzeitige Erhöhung der Empfindlichkeit von etwa 4O Auszählungen/mA bis etwa 16OO Auszählungen/mA Röntgenstrahlstrom.

Zur Veranschaulichung zeigt Figur 6 ein Spektrum des Golddoublets, das mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten ist. Die Bestrahlung erfolgte mit Aluminium Ka. Gezeigt sind die Elektronenlinien von Gold IL·- und Νγ-r-r. Auf der Höhe des Peaks, der Linie Ny₁-J. betrug die Elektronenauszählung 49000/sek. bei einer· Auflösung in halber Höhe dieser Linie von 1,2 eV. Die zur Erzeugung dieses Spektrums verwendete Röntgenstrahlenergie betrug 10 kV bei J>0 mA. Der Elektronenspiegel wurde ebenso wie das Verzögerungsgitter, das Elektronen hoher Energie durchläßt, bei -67,5 V gehalten. Bei der gleichen Auflösung würde mit dem Analysator der erwähnten Anmeldung (US Serial No: 99,^75) für die gleiche Linie bei 10 kV und I90 mA eine Auszählung von lOOOO/sek. erzielt werden. Die mit dem Analysator der vorliegenden Erfindung erzielte Verbesserung ist zweifellos zum großen Teil auf den großen Aufnahmewinkel Jl, der möglicherweise Ms zu einem Höchstwert vom Raumwinkel 1 vergrößert werden könnte, zurückzuführen.

Um das gleiche Ergebnis mit dem Analysator der erwähnten Anmeldung (US Serial No. 99*^75) erzielen zu können, müßte dieser um etwa 5*5-mal vergrößert werden, was eine größere Raumbeanspruchung und Probleme der Einhaltung des Hochvakuums mit sich bringen würde. Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist also ihre geringe Größe in Verbindung mit ihrer besseren Wirkung.

Der Analysator gemäß der Erfindung kann aus verschiedenen Metallen hergestellt werden. Die Rohre 10,■13 und 15, 15a können aus Aluminium hergestellt werden. Die Linse 14 kann aus Kupfer bestehen. Die Platten 17a, -b, -c, -d und -e können aus rostfreiem Stahl bestehen. Die elektrostatische Sperre 17f kann aus Kupfer bestehen. Die Kreisscheibenelektrode 20 kann aus

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Aluminium, bestehen. Die Quadrupollinse 24 kann aus Messing bestehen. Das Halbkugelgitter 25 kann einen Aluminiumring und ein Netz aus Stahl oder Kupfer aufweisen. Die Ringelektroden 26 können aus Messing bestehen. Der Kugelspiegel 18 mit festem Rückteil kann aus Aluminium bestehen. Der Kollektor 22 kann aus rostfreiem Stahl bestehen. Die Gitter 21a und 21b können ein Gitter aus Stahl und Kupfer oder Stahl und Nickel mit Aluminiumrändern aufweisen.

Die Maschengröße des Gitters 21a beträgt 39 Linien/cm (1.00 lines/in.), so daß 80$ des Elektronenstrahls durchtreten können, d.h. 20$ sind Drahtgebiet und 80$ offenes Maschengebiet. Alle anderen Gitter haben Maschengrößen von 7*9 Linien/ em (20 lines/inch) und eine Durchläosigkeit von 97$· Der Zweck der Verwendung feinmaschiger Gitter von dem gewünschten Potential ist es, den die betreffenden Filter erreichenden Elektronen so weit wie möglich ein riefelfreies Äquipotential entgegenzustellen. Selbst bei Verwendung der feinst möglichen Gitter kann aber das Potential niemals völlig riefelfrei sein, da die Masche selbst Riefel von geringer Spannung liefert.

Eine zweite AusfUhrungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Figur J5C veranschaulicht. 18' ist ein offenmaschiger kugeliger Elektronenspiegel, der anstelle des Spiegels 18 mit festem Rückteil der Ausführungsform der Figuren 3A und J5B verwendet wird. Vor dem Spiegel 18' sind Kugelgitter 25' und Ringelektroden 26', die gleich denen der in der oben beschriebenen AusfUhrungsform sind, angeordnet. Tatsächlich kann der Spiegel 18' ebenso aufgebaut sein, wie das Gitter 21a, d.h. eine Maschengröße von 39 Linien/cm (100 lines/in.) haben, so daß die Drahtfläche 20$ und die offene Maschenfläche 80$ beträgt .

Bei dieser Ausfuhrungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung durchsetzt der größte Teil der Elektronen hoher Energie die öffnungen des Spiegels, ohne auf die Drähte aufzutreffen, so

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BAD ORIGINAL

daß keine unechte Sekundärelektronenerzeugung bewirkt wird. Um die durch den Spiegel 18' hindurchgehenden Elektronen hoher Geschwindigkeit aufzufangen, wird vorzugsweise unmittelbar hinter dem Spiegel eine Elektronenfalle J5O angeordnet. Diese Falle kann einfach ein durchlöchertes Metallteil, wie es in einem Äutokühler verwendet wird, sein, der an der Rückseite verschlossen ist, um den Durchtritt von Elektronen zu~ sperren und der bei einem positiven Potential von typischerweise +100 bis +500 V gehalten wird, um alle durch den Spiegel hindurchtretenden Elektronen mit Sicherheit aufzufangen.

Gewöhnlich wird vorzugsweise ein Vorfilter 17 in Verbindung" mit einem offenmaschigen Kugelspiegel 18' verwendet. In manchen Fällen kann.aber der Spiegel 18^T auch allein verwendet werden.

Vorzugsweise wird ein Netz mit einer maximalen offenen Maschenfläche verwendet, und gewünschtenfalIs kann ein Paar planarer Spiegel anstelle des Spiegels 18' verwendet werden. In diesem Fall wird vor die Spiegel eine elektrostatische Kollimatorlinse angeordnet, die dann entlang des Weges I9 rückkehrende Elektronen bündelt und dadurch aie gleiche Funktion hat, die sonst von dem Spiegel 18 ausgeübt wird.

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Claims

ED 272 al 17- Dezerftodr-

• Patentansprüche

Verfahren zum Analysieren der Energie eines Stromes elektrisch geladener Teilchen unterschiedlicher kinetischer Energie, dadurch geken.nzeichnet, daß nacheinander dor Strom aus geladenen Teilchen unterschiedlicher Energie auf einen im wesentlichen linearen Strörnungsweg beschränkt wird, eine erste Fraktion aus praktisch allen geladenen Teilchen mit einer kinetischen Energie unter einem vorbestimmten Niveau abgetrennt und ihre Fortschreitungsrichtung geändert wird, die erste Fraktion geladener Teilchen auf ein kugeliges Sperrfiltergitter, das bei einem vorbestimmten elektrischen Potential gehalten wird und das Fortschreiten aller geladener Teilchen mit einer kinetischen Energie unter einem vorbestimmten niedrigen Wert in Längsrichtung verhindert, während es den Durchtritt einer zweiten Fraktion geladener Teilchen, die den Rest der ersten Fraktion geladener Teilchen darstellt, zuläßt und die Anzahl geladener Teilchen der zweiten Fraktion bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom aus elektrisch geladenen Teilchen zuerst einer Konzentrierung unterworfen wird, indem man ihn durch eine Elektronenkondensatorlinse führt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet , daß der Strom aus elektrisch geladenen Teilchen einer Doppelbündelungsfiltration durch elektrostatische Ablenkung unterworfen wird, so daß der Einfluß parasitischer Sekundärelektronen, die durch Aufprallen von Elektronen hoher Energie auf den Elektronenspiegel erzeugt werden, im wesentlichen eliminiert wird.

h. Vorrichtung zum Analysieren der Energie eines Stromes elek trisch geladener Teilchen unterschiedlicher kinetischer

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Energie, dadurch gekennzeichnet, daß sie hintereinander angeordnet Einlaßmittel für geladene Teilchen, einen rohrförmigen Metallströmungsrichter für geladene Teilchen, Mittel zum Abtrennen und Ändern der Strömungsrichtung in dem Strömungsrichter für eine erste Fraktion aus im wesentlichen allen geladenen Teilchen mit kinetischen Energien unter einem vorbestimmten hohen Energieniveau, ein Kugelgitterverzögerungspotentialfilter, das bei einem vorbestimmten elektrischen Potential, durch das der Durchtritt praktisch aller geladener Teilchen innerhalb der ersten Fraktion mit kinetischen Energien unter einem vorbestimmten niedrigen Energieniveau gesperrt wird, während der Durchtritt einer zweiten Fraktion, die den Rest der ersten Fraktion der ,geladenen Teilchen darstellt, zugelassen wird, und Mittel zur Bestimmung der Anzahl der die zweite Fraktion darstellenden geladenen Teilchen aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abtrennen und zur Richtungsänderung der ersten Fraktion von Teilchen innerhalb des Strömungsrichters aus einem offenmaschigen Elektronenspiegel mit nachgeschalteter Elektronenfalle, durch die praktisch alle geladenen Teilchen mit kinetischen Energien über dem vorbestimmten hohen Energieniveau isoliert werden, bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum Abtrennen und zur Riohtungsänderung der ersten Fraktion innerhalb des Strömungsrichters aus elektrostatisch geladenen Filtermitteln, die bei einem bestimmten elektrischen Potential, bei dem praktisch alle geladenen Teilchen mit kinetischen Energien unter dem gewählten hohen Energieniveau abgetrennt werden, während der Rest der geladenen Teilchen weiter

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fortschreiten kann, und einem dahinter angeordneten Elektronenspiegel mit festem Rückteil, der bei einem bestimmten elektrischen Potential gehalten wird, so daß die erste Fraktion aus praktisch allen geladenen Teilchen mit kinetischen Energien unter dem gewählten höhen Energieniveau zurückgestrahlt werden, bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum Abtrennen und zur Richtungsänderung der ersten Fraktion von Teilchen innerhalb des Strömungsriohters aus elektrisch geladenen Filtermitteln, die bei einem bestimmten elektrischen Potential, bei dem praktisch alle geladenen Teilchen mit kinetischen Energien unter dem gewählten hohen Energieniveau durch Ablenkung abgetrennt werden, während der Rest der geladenen Teilchen weiter fortschreiten kann, und einem offenmaschigen Elektronenspiegel, der bei einem-bestimmten elektrischen Potential, durch das die erste, aus praktisch allen geladenen Teilchen mit kinetischen Energien unter dem gewählten hohen Energieniveau zurückgeworfen werden, bestehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß auf den offenmaschigen Elektronenspiegel eine Elektronenfalle zur Isolierung praktisch aller geladener Teilchen mit kinetischen Energien über dem gewählten hohen Energieniveau folgt.

9· Vorrichtung nach Ansprüchen 6 oder J₁ dadurch gekennzeichnet , daß sie mit einer den elektrostatisch geladenen Filtermitteln vorgeschalteten Elektronenkondensatorlinse ausgestattet ist.

lO. Vorrichtung nach Ansprüchen 6 oder 7, d a d u r c h ge-

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kennzeichnet, daß die elektrostatisch geladenen Filtermittel aus einer Parallelplattendoppelbündelungs-

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einrichtung bestehen, durch die der Einfluß parasitischer Sekundärelektronen, die durch den Aufprall von Elektronen hoher Energie auf den Elektronenspiegel erzeugt werden, im wesentlichen eliminiert wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der Anzahl an Teilchen der zweiten Fraktion aus einem Elektronenvervielfältiger bestehen.

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AS

L e e r s e i t e