DE2331091A1

DE2331091A1 - Einrichtung zur bestimmung der energie geladener teilchen

Info

Publication number: DE2331091A1
Application number: DE2331091A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl Phys Barz; Helmut Dipl Phys Schillalies
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1973-06-19
Filing date: 1973-06-19
Publication date: 1975-01-16
Also published as: GB1450498A; DE2331091B2; DE2331091C3; US3937957A

Description

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LEYBOLD-HERAEUS GMBH. & CO.KG. Köln-Bayental

Einrichtung zur Bestimmung der Energie geladener Teilchen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Energie geladener Teilchen, insbesondere Elektronen, die aus einer Probe durch Beschüß mit ionisierenden Strahlen ausgelöst werden, bestehend aus einem Energieanalysator sowie einem zwischen der Probe und dem Energieanalysator angeordneten elektronenoptischen System, das eine Retardierungsstrecke für die zu analysierenden geladenen Teilchen enthält.

Zur Durchführung der Elektronen-Spektroskopie für die chemische Analyse (ESCA) wird die zu untersuchende Probe mit ionisierenden Strahlen beschossen. Die Energie der dadurch aus der Oberfläche der Probe ausgelösten Elektronen wird gemessen. Das aufgenommene Energiespektrum der Elektronen zeigt die chemische Zusammensetzung der Probe in seiner Oberfläche,

Aus der DT-OS 1 9H8 757 ist es bekannt, die von der Probe aus gehenden Elektronen unmittelbar im Bereich der Probe zu verzögern und durch einen Ringspalt einem Energieanalysator zuzuführen. Die Verzögerung bewirkt eine Verbesserung der Eigenschaften - insbesondere der Auflösung - des in der DT-OS 1 948 757 beschriebenen Elektronenspektrometers. Diesem vorbekannten Elektronenspektrometer haftet jedoch der Machteil

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an, daß die unmittelbare Umgebung der Probe nicht feldfrei ist. Dadurch ist es nicht möglich, andere Experimente gleichzeitig mit der unveränderten Probe durchzuführen oder durch alleiniges umschalten von Geräten ohne Umbau nacheinander Analysen der Probe vorzunehmen. Außerdem ist die Entfernung zwischen der Probe und dem Analysator sehr klein. Es ist deshalb schwierig eine Aperturdefinition außerhalb des Analysators durchzuführen. Schließlich ist es nachteilig, daß in den Analysator Teilchen (Elektronen, Photonen, schnelle Neutralteilchen, Schmutz von Sputtern) mit hohen Energien eintreten und dort Streuelektronen erzeugen können, die wiederum einen erhöhten Untergrund im Energiespektrum bilden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe/zugrunde , eine Einrichtung zur Bestimmung der Energie geladener Teilchen, insbesondere Elektronen, die aus einer Probe durch Beschüß mit ionisierenden Strahlen ausgelöst werden, bestehend aus einem Energieanalysator sowie einem zwischen der Probe und dem Energieanalysator angeordneten elektronenoptischen System, das eine Retardierungsstrecke für die zu analysierenden geladenen Teilchen enthält, zu schaffen, welcher die beschriebenen Nachteile nicht anhaften. Auf die durch die Retardierung der geladenen Teilchen vor dem Eintritt in den Analysator erzielten Vorteile soll dabei nicht verzichtet werden. Außerdem soll ein relativ kompakter Aufbau des zwischen der Probe und dem Energieanalysator befindlichen elektronenoptischen Systems erreicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das zwischen der Probe und dem Analysator angeordnete elektronenoptische System aus zwei als Einzellinsen wirkenden Teilen besteht, zwischen denen die Retardierungsstrecke im

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Zwischenbild vorgesehen ist. Die Umgebung der Probe kann dadurch feldfrei gehalten werden, was eine zugängliche Anordnung der Probe für andere gleichzeitig durchführbare Experimente erlaubt.

Der zwischen der Probe und der Bremsstrecke liegende erste Teil (erste Linse) kann z.B. als vergrößernd abbildende Linse ausgebildet sein, wodurch nach dem Lionville¹sehen Satz keine Winkelaufweistung der Elektronenstrahlen bewirkt wird. Die "Vergrößerung" wird vorteilhaft so gewählt, daß nur von der Probe und nicht von der Halterung der Probe emittierte Elektronen in den Eintrittspalt des Analysators gelangen.

In dem zwischen der Retardierungsstrecke und dem Eingangsspalt des Energieanalysators liegenden zweiten Teil (zweite Linse) erfolgt die Aperturbildung des Strahlenbündels im parallelen Strahlengang mit gleichzeitigem Einfädeln in den Analysator. Beide Linsen arbeiten in der Betriebsweise einer Einzellinse, was gerätetechnisch einfach durchzuführen ist. Nicht nur die Umgebung der Probe, sondern auch der Eintrittsspalt des Energieanalysators können dadurch von störenden Feldern freigehalten werden.

Zweckmäßig ist in der zweiten Linse eine asymmetrische, dem Eintrittswinkel und Eintrittsspalt des Energieanalysators entsprechende Blende angeordnet. Durch diese Blende wird das Eindringen der erwähnten hochenergetischen Teilchen in den Analysator vermieden.

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Die Abbildungseigenschaften der beiden Linsen sind zweckmäßig so gewählt, daß die Bildebene der ersten Linse in der Bremsstrecke liegt und diese Bildebene die Gegenstandsebene der zweiten Linse darstellt, deren Bildebene im Eintrittsspalt des Energieanalysators liegt. Dadurch werden optimale Abbildungseigenschaften erzielt. Die Bremsung führt in dieser Betriebsweise lediglich zu einer Strahlaufweitung bei geringfügiger Veränderung der zweiten Gegenstandsebene ohne Änderung des Abbildungs-Maßstabes.

Weiterhin ist es zweckmäßig, die Einzellinsen zur Bremsstrecke hin durch Gitter mit großer Transmission zu begrenzen. Dadurch wird eine Beeinflussung des Feldes der Einzellinsen durch das die Bremsung der Teilchen bewirkende Feld vermieden.

Zur Erzielung eines kompakten Aufbaues des Linsensystems ist es außerdem vorteilhaft, zumindest in der ersten Linse ein weiteres Gitter mit großer Transmission anzuordnen. Dadurch kann der sphärische Abbildungsfehler mindestens um den Faktor verringert werden. Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Linsen aus nicht-magnetischem und nicht-korrodierenden Material bestehenden Rohrlinsen mit jeweils darin angeordneten weiteren Gittern bestehen. Die Gitter bestehen vorteilhaft aus Molybdän mit Niobringen und weisen eine Transmission größer 95 % auf.

Vorzugsweise ist dabei die Sprungstelle für die Potentiale der jeweiligen Linse in einer Entfernung von ca, 1/4 Durchmesser vom Gitter zu wählen. Dadurch können Elektronenbündel hoher Apertur (- 20 ) bei der Elektronenspi
zögerung verlustfrei genutzt werden.

Apertur (- 20 ) bei der Elektronenspektroskopie trotz Ver-

Besonders vorteilhaft ist schließlich, daß die Vakuumapp.aratur, in der die erfindungsgemäße Einrichtung untergebracht ist, im

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Bereich der Probe als Kugelrezipient mit einer Mehrzahl von FLanschanschlüssen ausgebildet ist. An diene Flanschanschlüsse können weitere Einrichtungen (Massenfilter, Ionenquelle, Elektronenquelle, Röntgenquelle, UV-QueLle, Präparat: Lonskammern, Schleusen, Pumpen und dgl.) für· die gleichzeitige Durchführung von Experimenten oder für ohne Umbau kurz hintereinander durchzuführende Experimente angeschlossen werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden.

In der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Einrichtung dargestellt, die im wesentlichen aus der Probe 1, dem elektronenoptischen System 2 und dem halbkugelförmigen Energieanalysator 3 besteht. Die Elemente 1 bis 3 sind innerhalb eines generell mit 4 bezeichneten Vakuumbehälters angeordnet, der im Bereich der Probe 1 als Kugelrezipient 5 mit einer Mehrzahl von Flanschanschlüssen 6 ausgebildet ist.

Das elektronenoptische System 2 besteht aus den Teilen 7 und 8, welche jeweils als Einzellinse wirken. Zwischen diesen beiden Einzellinsen ist die Bremsstrecke 9 vorgesehen. Zur Bremsstrecke 9 hin sind die Linsen 7 und 8 durch die Gitter 10 bzw. 11 begrenzt. Zur Erreichung der möglichst fehlerfreien Abbildung istaußerdem in der Linse 7 das Gitter 12 vorgesehen, das von der zugehörigen Potentialsprungstelle um einen Betrag entfernt ist, der ca. l/U des Durchmessers des jeweiligen Gitters entspricht. Außerdem ist die Linse 7 zur Probe hin durch das Gitter· 13 begrenzt, um auch das Feld der Linse 7 von der Probe 1 fernzuhalten und gleichzeitig eine kurzbrennweitige Linse /.u erzeugen. In der Linse 8 ist die asymmetrische Blende IH mit dein Spalt 15 untergebracht. In der Ebene diener Polende 1Λ

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- 6 kann auch noch ein weiteres Gitter 16 angeordnet sein.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch das Linsensystem 2 in Höhe der Blende 14. Die Form und seitliche Verschiebung des Schlitzes 15 der Blende IU entspricht dem Eingangsspalt 17 des halbkugelförmigen Energieanalysators 3. Der Eintrittsspalt 17 ist auch in Figur 2 gestrichelt dargestellt. Das Gitter 16 wurde der Übersichtlichkeit wegen in diese Figur nicht eingezeichnet.

Das von der Probe 1 ausgehende, vom dargestellten Spektrometer registrierte Strahlenbündel ist mit 18 bezeichnet. Die Linse 7 bewirkt zunächst eine Abbildung und Vergrößerung, Die Bildebene der Linse 7 liegt innerhalb der Bremsstrecke 9, in der lediglich eine Winkelaufweitung des Elektronenbündel gemäß dem Lionville'sehen Satz erfolgt. In der Bremsstrecke 9 liegt ebenfalls die virtuelle Gegenstandsebene der Linse 8, in der die Aperturbildung des Strahlenbündels und das Einfädeln in den Eintrittsspalt 17 des Energieanalysators 3 erfolgt. Innerhalb des Energieanalysators erfolgt die bekannte Umlenkung des Strahlenbündels 18 um 180 zusammen mit der Energiediskriminierung der Elektronen. Anschließend wird der Strahl 18 im SEV 19 registriert.

Die Retardxerungsstrecke 9 ist geeignet nicht nur· zum Bremsen, sondern auch zum Beschleunigen, um dadurch die Intensität der Signale durch größere Raumwinkel bei der Beschleunigung zu verbessern. Diese Verfahrensweise ist zweckmäßig, wenn auf erhöhte Auflösung verzichtet werden kann.

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Claims

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P a t e η t a η s ρ r Ü c h e

.)Einrichtung zur Bestimmung der Energie geladener Teilchen, insbesondere Elektronen, die aus einer "Probe durch Beschüß mit ionisierenden Strahlen ausgelöst werden, bestehend aus einem Energieanalysator sowie einem zwischen der Probe und dem Energieanalysator angeordneten elektronenoptischen System, das eine Retardierungsstrecke für die zu analysierenden geladenen Teilchen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen der Probe (1) und dem Analysator (3) angeordneter elektronenoptische System (2) aus zwei als Einzellinsen wirkenden Teilen (7,8) besteht, zwischen denen die Retardierungsstrecke (9) im Zwischenbild vorgesehen ist,
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den ersten Teil (7) des elektronenoptischen Systems(2) bildende Linse als vergrößernd abbildende Linse ausgebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der den zweiten Teil (8) des elektronenoptischen Systems (2) bildenden Linse die Aperturbildung des Strahlenbündels (18) mit Hilfe einer darin angeordneten asymmetrischen Blende (IU) erfolgt.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungseigenschaften der beiden Linsen (Teile 7 und 8) so gewählt sind, daß die Bildebene der ersten Linse in der Retardierungsstrecke (9) liegt und diese Bildebene die Gegenstandsebene der zweiten Linse darstellt, deren Bildebene im Eintrittsspalt (17) des Energieanalysator (3) liegt.

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5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzellinsen zur Retardierungsstrecke (9) hin durch Gitter (10,11) mit großer Transmission begrenzt sind.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen von aus nichtmagnetischem und nicht-korrodierendem Material bestehenden Rohrlinsen mit jeweils darin angeordneten weiteren Gittern (12, 13, 16) gebildet werden.
7. Einrichte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (12, 13, IU) von der Sprungstelle der zugehörigen Linse um einen Betrag entfernt sind, der ca, 1/4 des Durchmessers des Gitters entspricht.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung in einem Vakuumbehälter (4) angeordnet ist, der im Bereich der Probe (1) als Kugelrezipient .(5) mit mehreren Flanschanschlüssen(6) ausgebildet ist.

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