DE102015225868A1

DE102015225868A1 - Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen

Info

Publication number: DE102015225868A1
Application number: DE102015225868.8A
Authority: DE
Inventors: Keisuke Kobayashi; Yoshiko Kobayashi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2016-11-10
Also published as: US20220291155A1; SE1551639A1; GB2538125B; SE540581C2; GB201522029D0; US20160327499A1; PL238735B1; PL417083A1; GB2538125A

Abstract

Eine Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen umfasst eine Röntgenquelle, einen Analysator, einen Probenmanipulator, eine Analysekammer und Evakuierungssysteme, wobei eine plattenartige Probe um die Z-Achse drehbar angeordnet ist, wobei die Röntgenquelle umfasst: eine Elektronenkanone (3b), ein Target, das mit den Elektronen der Elektronenkanone bestrahlt wird, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, eine Monochromatorkristallanordnung, wobei die Elektronenstrahleinstrahlstelle auf der Targetmitte auf dem Rowland-Kreis angeordnet ist, wobei sich die Monochromatorkristallanordnung auf einem Kreis mit einem Radius befindet, der doppelt so groß wie der des Rowland-Kreises in einer XY-Ebene ist, und ein Unterdruckgefäß für den Einbau dieser Komponenten, wobei sich die Monochromatorkristallanordnung zusammen mit dem Target und der Probe auf dem Rowland-Kreis befindet, wobei sich der Rowland-Kreis orthogonal zu der Oberfläche der Probe befindet, wobei eine Achse des Analysators senkrecht zu der Einfallsrichtung des Röntgenstrahls angeordnet ist, wobei die Probe derart ist, dass der Röntgenstrahl, der durch eine Reflexionsoberfläche gebeugt und reflektiert wird, auf die Oberfläche der Probe schräg einfällt, so dass der Fleck des Röntgenstrahls langgestreckt ist und entlang einer Linie im Wesentlichen parallel zur Y-Achse verläuft.

Description

[TECHNISCHES FACHGEBIET]
[Fachgebiet der Erfindung]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Konfiguration eines Analysators, einer Probe und einer Röntgenstrahlenquelle in einer Laborphotoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen.
[HINTERGRUND]
[Photoelektronenspektroskopie]
Durch Einstrahlung von hochenergetischem Licht auf eine Substanz wird ein Elektron emittiert. 1 zeigt schematisch den Energiezustand eines Elektrons in einem Festkörper. Zur Vereinfachung sind zwei Atome gezeigt, die seitlich gebunden sind.
Die Orbits von Gruppen von Elektronen, die mit den flachsten Energien umlaufen, weisen große Radien auf und überlappen sich somit mit den Elektronenorbits der nächsten Nachbaratome. Diese Überlappung stellt die Bindungsfestigkeit bereit, die ermöglicht, dass sich die Atome binden, um zu einem Festkörper zu werden. Wenn ein Vakuumniveau (die minimale Energie, wenn ein freies Elektron in einem Vakuum angeordnet ist) als ein Ursprungspunkt festgesetzt ist, wird das Elektron mit höherer Energie von der Bindung durch den Atomkern freigesetzt. Durch die Einstrahlung hochenergetischer Photonen wird dem gebundenen Elektron von außen ausreichend hohe Energie verliehen, wodurch ermöglicht wird, dass eine Elektronenwelle freigesetzt wird und von der Festkörperoberfläche gelöst wird. Dies wird Photoelektronenemission genannt.
Wenn ein Festkörper, wie in 2 gezeigt ist, mit einem Röntgenstrahl mit einer bestimmten Photonenenergie bestrahlt wird, empfangen die gebundenen Elektronen (EL), wie durch Pfeile (AR) angegeben ist, diese Energie, wobei sie auf einen hochenergetischen Zustand angeregt werden, in dem Festkörper laufen, nachdem sie von der Bindung durch die Atomkerne freigesetzt worden sind, die Oberfläche erreichen und von der Oberfläche in das Vakuum freigesetzt werden. Die emittierten Elektronen werden durch einen Energieanalysator (Analysator) (1) analysiert, um ein Spektrum zu erhalten, das die Dichten der gebundenen Zustände (links) der Elektronen innerhalb des Festkörpers widerspiegelt, das, wie schematisch auf der rechten Seite der Figur angegeben ist, die Elektronenstruktur innerhalb des Probenfestkörpers und ihre chemische Bindungseigenschaft zeigt. Ein Verfahren zum Analysieren der Elektronenzustände und der chemischen Zustände unter Verwendung dessen wird Photoelektronenspektroskopie genannt. In letzter Zeit wird weltweit eine hochauflösende Messung unter Verwendung eines Synchrotronstrahlungs-Röntgenstrahls ausgeführt. Außerdem ist eine Laborvorrichtung, die AlKα-Strahlung (1,49 keV) als eine Anregungsquelle verwendet, kommerziell verfügbar geworden und wird nicht nur für Forschung und Entwicklung, sondern auch für die chemische Analyse umfassend verwendet.
Somit ist die Photoelektronenspektroskopie ein sehr nützliches Analyseverfahren und wird umfassend verwendet, wobei sie allerdings ein großes Problem besitzt. Wenn ein Festkörper mit einem Röntgenstrahl bestrahlt wird, dringt der Röntgenstrahl ins Innere des Festkörpers ein, um ein Photoelektron zu erzeugen. Falls das Photoelektron an einer Stelle flach von der Festkörperoberfläche erzeugt wird, kann es, wie in 3(a) gezeigt ist, so wie es ist, ohne gestört zu werden, von der Oberfläche freigesetzt werden. Dieses Photoelektron enthält die ursprünglichen Informationen (Energie und Impuls). Im Gegensatz dazu würde sich das Photoelektron, das an einer tieferen Stelle erzeugt wird, zu der Oberfläche bewegen, aber auf den Weg mit Atomen usw. zusammenstoßen und zu streuen gezwungen werden. Daraufhin gehen die ursprünglichen Informationen wie etwa seine eigene Energie und sein eigener Impuls verloren, wodurch das Photoelektron in einem Photoelektronenspektrum zu einem unbedeutenden Hintergrund wird. In der herkömmlichen Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie (XPS) ist die kinetische Energie des erzeugten Photoelektrons (die in Bezug auf das Vakuumniveau gemessene Elektronenenergie) klein. Je kleiner die kinetische Energie des Elektrons ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit der Photoelektronenstreuung zu der Oberfläche. Somit kann das Photoelektronen an einer tieferen Stelle nicht zu der Oberfläche freigesetzt werden, ohne gestreut zu werden.
4 zeigt die durchschnittliche Entfernung von Photoelektronen, die die Photoelektronen laufen können, ohne inelastisch gestreut zu werden, d. h. die inelastische mittlere freie Weglänge der Photoelektronen (IMPF), als Funktionen der kinetischen Energie der Photoelektronen in mehreren Festkörpermaterialien. Die Energie der Photoelektronen, die durch AlKα-Strahlung (1,49 keV) angeregt wird, ist 1,49 oder weniger keV, so dass eine mittlere freie Weglänge näherungsweise wenige Nanometer oder weniger beträgt. Falls die Tiefe von der Oberfläche dieses Niveau wesentlich übersteigt, wird zu einem Photoelektronenspektrum kein sinnvoller Beitrag gegeben. Das heißt, die herkömmliche Photoelektronenspektroskopie ist sehr oberflächensensibel und würde an einer Probe, deren Oberfläche nicht ausreichend gereinigt worden ist, nur Schmutz messen.
Falls die Energie der zur Anregung der Photoelektronen verwendeten Photonen höher ist, wird die kinetische Energie des Photoelektrons größer und wird dementsprechend, wie in 4 zu sehen ist, die mittlere freie Weglänge des Photoelektrons ebenfalls größer. Falls sie z. B. 6 keV beträgt, wird die mittlere freie Weglänge mehrmals so groß wie die unter AlKα-Strahlungsanregung. Somit nimmt der Einfluss an der Oberfläche relativ ab und nimmt die Bulk Empfindlichkeit zu. Tatsächlich stellt sich heraus, dass natürliche Oxidationsschichten oder andere Verunreinigungen der Probenoberfläche nahezu vernachlässigbar waren, wenn die Photoelektronenspektroskopie unter einer Anregung von 6 keV unter Verwendung einer Synchrotronstrahlungs-Strahllinie ausgeführt wurde. Dies ist eine Photoelektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen, über die die Erfinder 2003 (Nichtpatentdokument 1) als weltweit erste einen Artikel veröffentlicht haben und die jetzt umfassend verwendet wird.
[Dokumente des Standes der Technik]
[Nichtpatentdokumente]

[Nichtpatentdokument 1] K. Kobayashi u. a., Appl. Phys. Lett., Bd. 83, Nr. 5, 4, 1005, 2003.
[Nichtpatentdokument 2] "Development of the hard-X-ray angle Resolved X-ray Photoemission spectrometer for Laboratory use", M. Kobata, I. Pis, H. Iwai und H. Yamazui, T. Takahashi, M. Suzuki, H. Matsuda, H. Daimon und K. Kobayashi, ANALYTICAL SCIENCES 26 (2010) 227.
[Nichtpatentdokument 3] "Developement of a laboratory system hard X-ray photoelectron spectroscopy and its applications", K. Kobayashi, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 190 (2013) 210–221.

[Zusammenfassung der Erfindung]
[Durch die Erfindung zu lösende Probleme]
Die Photoelektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen unter Verwendung von Synchrotronstrahlung ist nun für viele Nutzer als ein sehr leistungsfähiges Mittel für die Forschung und Analyse von Substanzen verbreitet, wobei aber die konkurrenzfähigen Raten zum Erhalten einer Strahlzeit sehr hoch sind und Anwendungswahrscheinlichkeiten der experimentellen Vorschläge nur zweimal im Jahr eröffnet werden. Außerdem kann das Experiment nur in Synchrotronstrahlungseinrichtungen ausgeführt werden. Somit besteht ein starker Bedarf an einer Photoelektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen, die in Labors verfügbar ist.
5(a) zeigt eine Vorrichtung, die eine Röntgenstrahlenquelle für die Photoelektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen, die in einem Labor verwendet wird, verwirklicht (siehe Nichtpatentdokument 2). Wie in 5(a) gezeigt ist, besteht diese Vorrichtung aus einer Röntgenstrahlenquelle, um CrKα-Strahlen (5,4 keV), die durch Anregen eines Cr-Targets mit einem Elektronenstrahl unter Verwendung der 422-Reflexion eines Ge-Kristalls erlangt wurden, zu monochromatisieren, das Licht (die Röntgenstrahlen) zu fokussieren und eine Probe mit dem Licht (den Röntgenstrahlen) zu bestrahlen, aus einem Elektronenlinsensystem, um die Photoelektronen von der Probe effizient zu sammeln, und aus einem Analysator zum Analysieren ihrer Energiestreuung. Das Merkmal dieser Vorrichtung ist, dass sie die Röntgenstrahlenquelle (40) enthält, die, wie in 5 gezeigt ist, an einem Flansch (50) in einer Analysekammer (14) angebracht ist. Dies ermöglicht einen sehr kompakten Entwurf. Allerdings gibt es zwei große Probleme, die Folgende sind: Die Größe der Röntgenstrahlenquelle (die Größe der Röntgenstrahl-Monochromatorkristalle) ist wegen der Größe der Analysekammer beschränkt und der Unterdruck der Röntgenstrahlenquelle und der Unterdruck der Analysekammer können nicht getrennt werden. Der Fluss der Labor-Röntgenstrahlenquelle ist im Vergleich zur Synchrotronstrahlung viel schwächer, so dass dort ein Bedarf an einer Einrichtung zum Erhöhen der Photoelektronensignalintensität besteht. Dies würde einen höheren Röntgenstrahlenfluss zur Einstrahlung auf die Probe und eine höhere Flussdichte erfordern, wobei die Elektronenstrahlausgabe aber nicht weiter als die Kühlleistung eines Targets, das einen Röntgenstrahl erzeugt, erhöht werden kann. Somit ist irgendeine Einrichtung zum Erhöhen der Kühlleistung des Targets wesentlich.
Ein Simulationsergebnis zeigt, dass die Sublimation von Cr nicht vernachlässigbar ist, wenn der Einstrahlungsfleck auf das feststehende wassergekühlte Cr-Target auf 100 Mikrometer eingestellt ist und die Elektronenstrahleinstrahlungsausgabe 50 W übersteigt. Um die Elektronenstrahlausgabe noch weiter zu erhöhen, ist es notwendig, ein wassergekühltes Target zu verwenden, das sich mit hoher Drehzahl dreht. In einer Konfiguration, in der eine Röntgenstrahlenquelle in einer Analysekammer enthalten ist, würde die Aufnahme des rotierenden Targets große Beschränkungen an den Platz und an den Mechanismus auferlegen und ist somit unmöglich. Außerdem wäre die Aufnahme von Röntgenstrahlen in eine Monochromatorkristallanordnung bei einem so großen Raumwinkel der Röntgenstrahlenaufnahme wie möglich notwendig, wenn der Röntgenstrahl gestreut und auf die Probe fokussiert wird. Wegen räumlicher Beschränkungen einer Konfiguration, in der die an einem Flansch (50) angebrachte Röntgenstrahlenquelle (40) in der Analysekammer (14) enthalten ist, kann dies ebenfalls nicht wesentlich verbessert werden. In letzter Zeit werden experimentelle Verfahren zum Erhöhen des Drucks in einer Analysekammer nahezu auf Atmosphärendruck und zum Beobachten der Photoelektronenspektren unter kontrollierter Atmosphäre, die so genannte NAP (Near Ambient Pressure photoelectron spectroscopy) oder HiPP (High Pressure Photoelectron spectroscopy), aktiv verwendet. In diesem Messverfahren wird Gas in die Analysekammer eingeleitet und würde somit die Röntgenstrahlenquelle in 5 ebenfalls dem Gas ausgesetzt. Eine Elektronenkanone, die in der Röntgenstrahlenquelle enthalten ist, benötigt ein Hochvakuum und wäre somit nicht in der Lage, die Gaseinleitung auszuhalten.
[Mittel zur Lösung der Probleme]
Im Ergebnis einer gründlichen Untersuchung haben die Erfinder die herkömmlichen Probleme dadurch erfolgreich gelöst, dass sie die obigen Probleme (die Größe der Röntgenstrahlenquelle (d. h. die Größe der Röntgenstrahlmonochromatorkristalle) ist wegen der Größe der Analysekammer beschränkt und der Unterdruck der Röntgenstrahlenquelle und der Unterdruck der Analysekammer können nicht getrennt werden) gelöst haben.
Die vorliegende Erfindung soll die obigen Probleme (die Größe der Röntgenstrahlenquelle (d. h. die Größe der Röntgenstrahlmonochromatorkristalle) ist wegen der Größe der Analysekammer beschränkt und der Unterdruck der Röntgenstrahlenquelle und der Unterdruck der Analysekammer können nicht getrennt werden) lösen.
Die Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst im Licht der beigefügten Ansprüche eine Röntgenstrahlenquelle (3), einen Analysator (6), einen Probenmanipulator (2), eine Analysekammer (14) und Unterdruckentleerungssysteme, wobei in einem dreidimensionalen Raum, der durch ein rechtwinkliges XYZ-Koordinatenachsensystem definiert ist, wobei die Z-Achse als eine Richtung parallel zu der Ebene einer plattenartigen Probe (5) definiert ist und wobei die X-Achse und die Y-Achse als Richtungen senkrecht zu dieser Richtung definiert sind, die Probe (5) durch den oben beschriebenen Probenmanipulator (2) um die Z-Achse drehbar angeordnet ist oder durch eine Haltevorrichtung um einen vorgegebenen Winkel gedreht wird,
wobei die oben beschriebene Röntgenstrahlenquelle (3) umfasst:
eine Elektronenkanone (3b), die Elektronen beschleunigt und ferner fokussiert,
ein Target (7), das mit den durch die oben beschriebene Fokussierungselektronenkanone (3b) beschleunigten und fokussierten Elektronen bestrahlt wird, um einen Röntgenstrahl zu erzeugen,
eine Monochromatorkristallanordnung (9), wobei die Monochromatorkristallanordnung die Bragg-Bedingung der Röntgenstrahlbeugung in der XY-Ebene erfüllt, um den in dem oben beschriebenen Target (7) erzeugten Röntgenstrahl zu beugen/zu reflektieren und zu monochromatisieren und um nur charakteristische Röntgenstrahlen zu extrahieren, und wobei andererseits die Elektronenstrahleinstrahlstelle auf dem Target (7), die Mitte der Monochromatorkristallanordnung (9) und die Mitte der Probe (5) auf einem Rowland-Kreis (siehe 9, später erwähnt) angeordnet sind, um die Fokussierungsaberration auf die Probe (5) zu minimieren, wobei die Y-Achse als eine Röntgenstrahleinfallsrichtung von der oben beschriebenen Röntgenstrahlenquelle (3) auf die Probe (5) definiert ist, wobei die Oberfläche der oben beschriebenen Monochromatorkristallanordnung (9) in einem Kreis geformt ist, dessen Radius doppelt so groß wie der des Rowland-Kreises in einer XY-Ebene ist, oder vorzugsweise in einer Ellipse geformt ist, deren einer Brennpunkt auf der Elektronenstrahleinstrahlstelle auf dem oben beschriebenen Target (7) liegt und deren anderer in der Mitte der Probe (5) liegt, wobei die Monochromatorkristallanordnungsoberfläche in der Z-Richtung eine Form aufweist, die durch Drehen der oben erwähnten Ellipse um die Achse, die die oben erwähnten zwei Brennpunkte verbindet, um die Mitte der Monochromatorkristallanordnung (9) zu berühren, erhalten wird, wobei die oben beschriebene Monochromatorkristallanordnung (9) somit eine Kugeloberfläche aufweist, die den oben erwähnten Rowland-Kreis in der Mitte der Monochromatorkristallanordnungsoberfläche mit der Elektronenstrahleinstrahlstelle auf dem oben erwähnten Target (7) und der Mitte der Probe als zwei der Brennpunkte berührt, und
eine Unterdruckkammer (14) für den Einbau dieser Komponenten,
wobei sich die Monochromatorkristallanordnung (9), die zum Monochromatisieren mit Beugung und Reflexion der oben beschriebenen Röntgenstrahlenquelle (3) verwendet wird, zusammen mit dem oben beschriebenen Target (7) und mit der oben beschriebenen Probe (5) auf dem Rowland-Kreis (siehe 9, später erwähnt) befindet, um die Bedingung zu erfüllen, dass sich der monochromatisierte Röntgenstrahl auf der Oberfläche der Probe (5) mit der minimalen Aberration fokussiert,
wobei sich der oben beschriebene Rowland-Kreis (siehe 9, später erwähnt) orthogonal zu der Oberfläche der Probe (5) befindet, wobei sich die Probe (5) so befindet, dass der Röntgenstrahl, der durch eine Reflexionsoberfläche der Monochromatorkristallanordnung gebeugt und reflektiert wird, auf die Oberfläche der Probe (5) fokussiert wird, wobei der Einfall von der Y-Achse auf die Oberfläche der Probe (5) im Wesentlichen senkrecht zu der X-Achse und somit im Wesentlichen parallel zu der Y-Achse angeordnet ist, wobei der Fleck des oben beschriebenen Röntgenstrahls im Ergebnis im Wesentlichen langgestreckt entlang einer Linie im Wesentlichen parallel zu der Y-Achse auf der Oberfläche der Probe (5) (hergeleitet aus dem angemessen schrägen Einfallswinkel) verläuft, wobei eine optische Achse des oben beschriebenen Analysators (6) parallel zu der X-Achse angeordnet ist und wobei eine Öffnung eines bei dem Eintrittsschlitz des Analysators (6) vorgesehenen Schlitzes (6S) zu einer Richtung, in der der Röntgenstrahl langgestreckt verläuft, parallel angeordnet ist.
Anhand von 6 umfasst eine Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Röntgenstrahlenquelle (3), einen Analysator (6), einen Probenmanipulator (2), eine Analysekammer (14) und Unterdruckentleerungssysteme, wobei in einem dreidimensionalen Raum, der durch ein rechtwinkliges XYZ-Koordinatenachsensystem definiert ist, eine plattenartige Probe (1) durch den oben beschriebenen Probenmanipulator (2) drehbar um die Z-Achse angeordnet ist. In der vorliegenden Erfindung umfasst die Röntgenstrahlenquelle konzeptionell das Target (7), die Elektronenkanone (3b), die Monochromatorkristallanordnung (9) und die Unterdruckkammer (14).
Die oben beschriebene Röntgenstrahlenquelle (3) umfasst:
die in einem Unterdruckbehälter (3a) enthaltene Elektronenkanone (3b), die Elektronen beschleunigt und ferner fokussiert,
das in einem Unterdruckbehälter (7a) enthaltene Target (7), das mit den durch die oben beschriebene fokussierende Elektronenkanone (3b) beschleunigten und fokussierten Elektronen bestrahlt wird, um einen Röntgenstrahl zu erzeugen,
die Monochromatorkristallanordnung (9) mit einer ringförmigen Oberfläche, die in der XY-Ebene als eine Ellipse konfiguriert ist, die die Mitte des Targets (7) und die Mitte der Probe (5) als zwei der Brennpunkte besitzt, und mit einer Kugeloberfläche in der Z-Achsen-Richtung, die durch Drehung der oben erwähnten Ellipse um eine Linie, die die Mitte des Targets (7) und die Mitte der Probe (5) verbindet, erhalten wird, um den in dem oben beschriebenen Target (7) erzeugten Röntgenstrahl (103) zu beugen/zu reflektieren und zu monochromatisieren und nur charakteristische Röntgenstrahlen (105) zu extrahieren, und
einen Unterdruckbehälter (10) für den Einbau dieser Komponenten,
wobei der oben beschriebene Analysator (6) derart ist, dass seine optische Achse (11) senkrecht zu der Einfallsrichtung des Röntgenstrahls (d. h. zu der X-Achsen-Richtung in 6) angeordnet ist, wobei der durch die Oberfläche der oben beschriebenen Monochromatorkristallanordnung (9) gebeugte und reflektierte Röntgenstrahl (105) schräg auf die Oberfläche der Probe (5) einfällt, die unter einem kleinen Winkel über ein Röntgenstrahlenfenster (13), das ebenfalls als eine Unterdruckabtrennung dient, an der Brennpunktstelle des Röntgenstrahls angeordnet ist, so dass der Einstrahlungsbereich des oben beschriebenen Röntgenstrahls langgestreckt entlang einer Linie parallel zu der X-Achse auf der Oberfläche der Probe (5) verläuft, um zu einem Photoelektronenerzeugungsgebiet zu werden, wobei der Röntgenstrahl (105) mit einer Elektronenlinse (8) eines Eingangsteils des Analysators (6) aufgeweitet wird und an einer Stelle der Öffnung (107) eines Schlitzes (6S), der bei dem Eintritt des oben beschriebenen Analysators (6) vorgesehen ist, ein langgestrecktes Bild bildet, wobei die Öffnung (107) des Schlitzes (6S) des oben beschriebenen Analysators (6) parallel zu dem an dieser Stelle projizierten langgestreckten Photoelektronenbild angeordnet wurde, wobei die Energie des durch den Schlitz (6S) gehenden Photoelektrons in einem halbkugelförmigen Elektrodenteil (10) analysiert wird, es das Photoelektronendetektionsteil erreicht und detektiert wird.
Wie später erwähnt wird, ist es möglich, dass die oben beschriebene Konfiguration die Ausbeute der Photoelektronenemission und die Photoelektronensammeleffizienz in dem Analysator (6) maximiert. Wie später beschrieben wird, kann der Analysator (6) in Anbetracht der Anisotropie der Photoelektronenemission durch Röntgenstrahlbestrahlung mit unpolarisiertem Licht, das durch die Elektronenstrahlbestrahlung erzeugt wird, und Dämpfung wegen inelastischer Streuung der Photoelektronen innerhalb einer Probe tatsächlich etwa 65% der Photoelektronensignalintensität der optimalen Konfiguration sicherstellen und somit die praktische Verwendung aushalten, falls er innerhalb eines Winkelbereichs von ±36 Grad um die x-Achsen-Richtung in einer XY-Ebene und innerhalb eines Winkelbereichs von ±49 Grad in der XZ-Ebene angeordnet ist.
Außerdem ist es möglich, die Tiefenrichtung auf der Grundlage einer Abhängigkeit der Photoelektronensignalintensität vom Neigungswinkel von der Probenoberfläche zu analysieren. Wenn diese Vorgehensweise genutzt wird, ist es möglich, die Elevationswinkelabhängigkeit der Photoelektronenintensität dadurch zu messen, dass der Analysator (6) in der optimalen Konfiguration angeordnet wird, d. h. eine Einfallsrichtung des Röntgenstrahls zur Y-Achse, die optische Achse des Analysators (6) in der X-Richtung und die Öffnung des Eintrittsschlitzes (6S) des Analysators (6) parallel zur Y-Achsen-Richtung eingestellt wird, die Probe (5) unter einem kleinen Winkel von der Y-Achse angeordnet wird, so dass der Röntgenstrahl auf die Oberfläche der Probe (5) schräg auffällt, ferner eine Y'-Achse senkrecht zu der Z-Achse und parallel zu der Oberfläche der Probe (5) hinzugefügt wird, die Probe (5) in Bezug auf die optische Achse des Analysators (6) um die Y'-Achse gedreht wird, ohne die Form des Einstrahlungsbereichs des Röntgenstrahls, der auf der Probe (5) parallel zu der Y-Achse verläuft, wesentlich zu ändern und dadurch vor einer Verringerung der Photoelektronensammeleffizienz des Analysators (6) wegen der Probendrehung zu schützen.
Das oben beschriebene Target (7) ist vorzugsweise ein Cr-Target, wobei als ein Target ebenfalls Ag und Ti gewählt werden können, wenn AgLα-Strahlen (2,98 keV) oder TiKα-Strahlen (4,51 keV) verwendet werden.
Vorzugsweise besteht die oben beschriebene Monochromatorkristallanordnung (9) aus einen Kristall, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Ionenkristallen wie etwa LiF und NaCl, Quarz und Halbleitern von Ge, Si oder GaAs besteht.
Wenn die CrKα-Strahlen verwendet werden, kann eine Reflexionsebene der oben beschriebenen Monochromatorkristallanordnung (9) vorzugsweise eine Ge422-Reflexionsebene oder eine LiF222-Reflexionsebene sein.
Es ist bevorzugt, Elektronen auf 20–30 keV zu beschleunigen und den Elektronenstrahl mit der oben beschriebenen Elektronenkanone auf einen Fleck von etwa 100 Mikrometern oder weniger zu fokussieren.
Die Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen in Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist so konfiguriert, dass die oben beschriebene Analysekammer (14) und die oben beschriebene Röntgenstrahlenquelle (3) integriert sind, wobei ein Analysekammerteil (14a) und die Röntgenstrahlenquelle (3a) in derselben Struktur (20) angeordnet sind, wobei ein Unterdruckbereich des Analysekammerteils und der Röntgenstrahlenquelle durch eine Trennwand (12) getrennt ist, wobei der Röntgenstrahl durch das in der Trennwand (12) vorgesehene Röntgenstrahlenfenster (13) zu der Analysekammer (14) geführt wird.
Außerdem ist die Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen in Übereinstimmung mit einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass die Röntgenstrahlenquelle (3) von der Analysekammer (14) in einem Unterdruck getrennt ist, wobei das Target (7) als eine rotierende Antikathode verwendet wird, dass der Vorteil, dass das Target (7) außerhalb der Analysekammer (14) angeordnet werden kann, am besten genutzt wird, und dass es daraufhin mit einer Fokussierungselektronenkanone (3a) mit hoher Ausgabe angeregt wird, so dass die Intensität und die Dichte des Röntgenstrahlenflusses um eine Stelle höher als jene, die unter Verwendung eines feststehenden Targets (7) erhalten werden, sind.
[Wirkung der Erfindung]
Im oben beschriebenen Stand der Technik gibt es zwei große Probleme, die Folgende sind: Die Größe der Röntgenstrahlenquelle (d. h. die Größe der Röntgenstrahlmonochromatorkristalle) und die Größe des Mechanismus eines Targetteils) sind wegen der Größe der Analysekammer (6) beschränkt und dementsprechend ist eine höhere Ausgabe beschränkt; der Unterdruck der Röntgenstrahlenquelle und der Unterdruck der Analysekammer können nicht getrennt werden. In einem NAP (Near Ambient Pressure photoelectron spectroscopy) oder HiPP (High Pressure Photoelectron spectroscopy) genannten experimentellen Verfahren wird Gas in die Analysekammer eingeleitet und würde somit die Röntgenstrahlenquelle (3) in 5 ebenfalls dem Gas ausgesetzt, was ein Problem verursachen könnte, dass eine in der Röntgenstrahlenquelle enthaltene Elektronenkanone nicht in der Lage wäre, die Gaseinleitung auszuhalten, da sie ein Hochvakuum erfordert.
Dagegen umfasst die Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Konfiguration, bei der die Röntgenstrahlenquelle und die Analysekammer getrennt sind, so dass sie alle diese Probleme lösen kann. In der Photoelektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen sind die Photoionisierungsquerschnitte kleiner als jene, die in der herkömmlichen Photoelektronenspektroskopie erhalten werden, so dass es außerdem unvermeidlich ist, die Photoelektronensammeleffizienz so weit wie möglich praktisch zu erhöhen. Unter Verwendung der Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, nicht nur den Unterdruck der Röntgenstrahlenquelle und den der Analysekammer zu trennen, sondern auch die Photoelektronensammeleffizienz zu maximieren.
Die Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen in Übereinstimmung mit dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist so konfiguriert, dass die oben beschriebene Analysekammer (14) und die oben beschriebene Röntgenstrahlenquelle (3) integriert sind, wobei der Analysekammerteil (14a) und die Röntgenstrahlenquelle (3) in derselben Struktur angeordnet sind und wobei ein Unterdruckbereich des Analysekammerteils (14a) und der Röntgenstrahlenquelle (3) durch die Trennwand (12) getrennt ist, so dass sie bemerkenswerte Wirkungen besitzt, die die Verkleinerung der gesamten Vorrichtung, die Trennung der Unterdruckbereiche der Röntgenstrahlenquelle (3) und des Analysekammerteils (14a) (Photoelektronenanalyseteils) und die Maximierung der Photoelektronenintensität ermöglichen. Darüber hinaus ist es durch Anwendung einer anderen Erfindung ”X-ray generator and analyzer” (Patent Nr. 5550082, Erfinder: KOBAYASHI, Keisuke; YAMAZUI, Hiromichi, IWAI, Hideo, OBATA, Massaki) möglich, eine Konfiguration zu verwirklichen, die durch Ändern von zwei Röntgenstrahlen mit unterschiedlicher Energie verwendet werden kann.
In Übereinstimmung mit der Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen in Übereinstimmung mit dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer Struktur, in der die Monochromatorkristallanordnung (9), die Elektronenkanone (3b) und das Target (7) von dem Unterdruckbereich der Analysekammer (14) getrennt und außerhalb angeordnet sind, möglich, ein schnell rotierendes wassergekühltes Target (7) mit einer Fokussierungselektronenkanone (3b) mit hoher Ausgabe anzuregen und eine monochromatisierte CrKα-Strahlungsquelle mit einer Flussintensität und mit einer Flussdichte zu verwirklichen, die 10-mal oder mehr einer Ausgabe sind, die unter Verwendung des feststehenden Targets (7) erhalten wird.
[KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN]
1 ist eine Darstellung, die schematisch Elektronenenergiezustände in einem Festkörper zeigt.
2 stellt das Prinzip der Photoelektronenspektroskopie dar.
3 stellt ein Problem der Photoelektronenspektroskopie dar.
4 ist ein Graph, der mittlere freie Weglängen von Elektronen in Festkörpern zeigt.
5 ist eine Darstellung, die eine herkömmliche Photoelektronenspektroskopievorrichtung zeigt.
6 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration der Photoelektronenspektroskopievorrichtung in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine Darstellung, die ein Prinzip einer monochromatisierten Röntgenstrahlenquelle und eine geometrische Beziehung zwischen der Röntgenstrahlenquelle und einer Probe in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erläutert.
8(a) ist eine Darstellung der Winkelabhängigkeit der Photoelektronenemissionsintensität und 8(b) ist ein schematisches Diagramm, das eine spezielle Konfiguration einer Einfallsrichtung von Anregungslicht, einer Probe und eines Analysators zum Maximieren der Photoelektronensignalintensität auf der Grundlage der Winkelabhängigkeit der photoelektrischen Emissionsintensität zeigt.
9 ist eine Darstellung, die eine Struktur zeigt, die einen Analysekammerteil und einen Röntgenstrahlenquellenteil in der Photoelektronenspektroskopievorrichtung in Übereinstimmung mit einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält, in der (a) eine Vorderansicht ist und (b) eine Seitenansicht ist.
10 zeigt die Winkelabhängigkeit der Photoelektronenemissionsintensität von Unterschalen (a) in einer XY-Ebene und (b) in einer XZ-Ebene mit Anregung unpolarisierter Röntgenstrahlen von einer plattenartigen Probenoberfläche. Pfeile zeigen die Einfallsrichtungen von Röntgenstrahlen.
11 ist eine Konfiguration einer Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen, die eine Röntgenstrahlenquelle mit unpolarisiertem Licht verwendet.
12 zeigt eine Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen unter Verwendung einer Röntgenstrahlenquelle mit einer rotierenden Antikathode.
[AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG]
[Ausführungsbeispiel 1]
6 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration der Photoelektronenspektroskopievorrichtung in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung zeigt, und 7 ist eine Darstellung, die ein Prinzip einer monochromatisierten Röntgenstrahlenquelle und eine geometrische Beziehung zwischen der Röntgenstrahlenquelle und einer Probe in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erläutert. Anhand von 6 und 7 wird ein Elektronenstrahl (101) beschleunigt und auf ein Target (7) gerichtet, um einen Röntgenstrahl zu erzeugen. Zum Beispiel wird die Bestrahlung im Fall eines Targets aus Cr (im Folgenden einfach als ”Cr-Target” bezeichnet) üblicherweise durch Fokussieren eines auf 20–30 keV beschleunigten Elektronenstrahls auf etwa 100 Mikrometer durchgeführt. Daraufhin wird der Röntgenstrahl (der Röntgenstrahl vor der Monochromatisierung einschließlich eines Bremsstrahlungsröntgenstrahls usw.) (103) von dem Cr-Target emittiert, wobei ein CrKα-Strahl mit einer Spitzenenergie von 5,4 keV mit den Bremsstrahlungsröntgenstrahlen (einem kontinuierlichen Spektrum, das in dem Prozess emittiert wird, in dem ein Elektron abgebremst wird, wenn es mit dem Target (7) zusammenstößt) überlappt ist und wobei einige Emissionslinien wie etwa Kβ-Strahlen mit verschiedenen Energien schwächere Intensitäten als CrKα-Strahlen aufweisen.
Der CrKα-Strahl weist eine große Bandbreite von etwa 2–3 eV auf, wobei mehrere verschiedene spezifische Emissionslinien wie etwa ein Kβ-Strahl in näheren Energien enthalten sind. Außerdem verläuft der Bremsstrahlungsröntgenstrahl zu einem hohen Energiebereich und kann somit so, wie er ist, nicht für eine Anregungsquelle der Photoelektronenspektroskopie verwendet werden. Somit ist es notwendig, dass er durch Röntgenstrahlbeugung mit einem Einkristall monochromatisiert wird. Obgleich die Beugung mit verschiedenen Arten von Kristallen erzielt werden kann, ist ein Beugungswinkel (2θ) näher an 180 Grad vorteilhaft, da die Energiebreite des monochromatisierten Röntgenstrahls breiter wird, während die Einfalls- und die Reflexionsrichtung von der Normalenrichtung der Kristalloberfläche getrennt sind. Außerdem ist es notwendig, die Größe der Monochromatorkristalle zu erhöhen, um so viele monochromatisierte Röntgenstrahlenflüsse wie möglich zu erhalten. Darüber hinaus ist angesichts der Leistung der Spektroskopie ein guter Kristall mit wenig Fehler und Verwerfung erforderlich, um die spektroskopische Auflösung zu verringern.
Die Auswahl der Monochromatorkristalle, die die obigen Bedingungen erfüllen, ist beschränkt. Als ein praktisches Problem sind Kristalle, die kommerziell verfügbar sind, gute Kristallinitäten aufweisen, das Polieren eines Wafers mit großer Fläche ermöglichen und stabil sind, nur Ionenkristalle wie etwa LiF und NaCl, Halbleiter wie etwa Ge, Si, GaAs und InSb und Quarz, und Oxide wie etwa ZnO. Wie in der folgenden Formel gezeigt ist, besteht darüber hinaus eine Beziehung zwischen der Bandbreite ΔE, einem Beugungswinkel θ des monochromatisierten Röntgenstrahls, einem Radius R im Rowland-Kreis (C) (siehe 9, später beschrieben) und der Größe x einer Beugungsrichtung eines Kristalls.
Dabei ist E die Energie eines Photons des Röntgenstrahls und ist ΔE eine Bandbreite der monochromatisierten Röntgenstrahlen. Um einen so weit gestreuten Röntgenstrahlenfluss wie möglich zu erhalten, muss die Größe des Kristalls erhöht werden. Dafür ist es vorteilhaft, die Beugungsreflexion zu nutzen, die einen so großen Beugungswinkel θ wie möglich aufweist. Unter dieser Bedingung ist im Fall des CrKα-Strahls die Ge422-Reflexion (2θ = 165,35 Grad) oder die LiF222-Reflexion (2θ = 162,05 Grad) geeignet. LiF ist schwierig zu handhaben da es zum Zerfließen tendiert. Somit haben die Erfinder entschieden, Ge zu verwenden.
Eine Monochromatorkristallanordnung (9) ist so hergestellt, dass ein Glassubstrat eine ringförmige Oberfläche aufweist, die so poliert ist, dass eine Ellipse, die an eine Stelle des Targets (7) und an eine Stelle der Probe (5) fokussiert, mit einem Rowland-Kreis (C) in Kontakt gelangt, der den (siehe 9, später beschrieben) Rowland-Bedingungen in einer Energiestreuungsrichtung (Beugungsrichtung) genügt, und so, dass durch Drehen der oben beschriebenen Ellipse um die Gerade, die die zwei Brennpunkte in der Ellipse (d. h. die Stellen des Targets (7) und der Probe (5)) in einer vertikalen Richtung verbindet (siehe 6), eine Kugeloberfläche erhalten wird, wobei Ge-Wafer mit einer 422-Ebene, die aus einem Ge-Einkristallrohling geschnitten sind, der durch ein Schwebezonenschmelzverfahren gezüchtet ist und auf beiden Oberflächen poliert ist, befestigt sind. Somit wird ein von dem Target (7) erzeugter CrKα-Strahl als richtig fokussiertes Licht für eine Probenstelle mit der 422-Beugungsreflexion bestimmt. Da die Größe der Monochromatorkristalle in einer Richtung vertikal zu einer Energiestreuungsrichtung keinen Einfluss auf die Röntgenstrahlenbandbreite hat, ist es sinnvoll, die Größe des Kristalls in dieser Richtung zu erhöhen, solange es der Platz zulässt, und die Größe des Röntgenstrahlenflusses so weit wie möglich zu erhöhen.
Im Fall des normalen Einfalls mit einem CrKα-Röntgenstrahl werden Photoelektronen in einem Bereich 10 μm tief von der Oberfläche der Probe angeregt.
Allerdings können darunter Photoelektronen nur in einem Bereich etwa 10 nm tief von der Oberfläche der Probe (5) von der Oberfläche entweichen, um ein Photoelektronenspektrum ohne Streuung zu erzeugen. Somit werden die meisten Röntgenstrahlen nutzlos. Um diese Situation zu vermeiden, ist es notwendig, eine Konfiguration anzunehmen, bei der Röntgenstrahlen vorzugsweise schräg auf die Oberfläche der Probe (5) einfallen und in einem Gebiet so nahe wie möglich zu dieser Oberfläche (siehe 7) absorbiert werden, um Photoelektronen in dem Gebiet zu erzeugen. In der Praxis steigt die Photoelektronenintensität scharf an, während der von der Oberfläche der Probe (5) gemessene Einfallswinkel nahe dem Totalreflexionswinkel wird.
Darüber hinaus ist es notwendig, die Anisotropie der Emissionsintensität der Photoelektronen zu berücksichtigen. Da die Energien der Röntgenphotoelektronen in der Photoelektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen folglich hoch sind, sind die Anisotropiemuster der Winkelintensitätsverteilung von jenen in der herkömmlichen Spektroskopie verschieden (siehe 8(a)). 8(a) ist eine Darstellung der Winkelabhängigkeit der Photoelektronenemissionsintensität durch einen linear polarisierten Röntgenstrahl und 8(b) ist eine schematische Darstellung, die eine Einfallsrichtung der Anregungsröntgenstrahlen und eine räumliche Beziehung zwischen einer Probe und einem Analysator auf der Grundlage der Winkelabhängigkeit der Photoelektronenemissionsintensität zeigt.
In der Photoelektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen tragen die s-Orbitalzustände am meisten zu einem Spektrum bei. Wenn ein Winkel zwischen einer Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen und einer Emissionsrichtung der Photoelektronen als Θ eingestellt ist, reicht ein Photoionisationsquerschnitt zum Bestimmen der Photoelektronenintensität, wie in 10(a) dargestellt ist, in einer vertikalen Richtung zu der Einfallsrichtung des Röntgenstrahls (θ = 90 Grad) bis zu dem Maximum. Wie in 8(b) dargestellt ist, ist eine Achse des Analysators (6) (die X-Achse 11) senkrecht zu einer Einfallsrichtung des Röntgenstrahls (der Y-Achse 101) angeordnet, wodurch die Photoelektronenerzeugungseffizienz maximiert wird. Falls die Probenoberfläche so angeordnet ist, dass sie eine Z-Achse enthält, und so angeordnet ist, dass sie einige Grad um die Z-Achse gedreht ist, und falls die Röntgenstrahlen so nahe wie möglich schräg auf die Probenoberfläche einfallen, werden die Photoelektronen in einer Richtung im Wesentlichen vertikal zu der Probenoberfläche emittiert und durch den Analysator (6) erfasst. Da ein Lauf des Photoelektrons innerhalb der Probe (5) zu dieser Zeit im Wesentlichen am kürzesten wird, empfängt das Photoelektron die wenigste inelastische Streuung, d. h. wird das durch den Analysator (6) gesammelte Photoelektronensignal im Wesentlichen maximal. Der Anspruch 1 spezifiziert dieses Merkmal, wobei es keine Änderung der Beschreibung der früheren Anmeldung (Tokugan 2015-96104) gibt.
Im Fall des Röntgenstrahls von unpolarisiertem Licht weist bei dieser Konfiguration in einer XZ-Ebene, die durch die X-Achse und durch die in der Oberfläche der Probe (5) enthaltene Achse (Z-Achse) vertikal zu einer Einfallsrichtung des Röntgenstrahls (Y-Achse) bestimmt ist, ein Photoionisationsquerschnitt keine Winkelabhängigkeit auf. Falls der Analysator (6) dagegen von der Oberfläche der Probe (6) um einen Winkel φ geneigt ist, wird die Dämpfung wegen inelastischer Streuung groß, so dass die Intensität des durch den Analysator (6) gesammelten Photoelektrons eine in 10(b) angegebene Winkelabhängigkeit aufweist. Um die Photoelektronenintensität zu maximieren, ist es aus dem Obigen mit der Einstellung der Einfallsrichtung des Röntgenstrahls als eine Y-Achse und dementsprechend mit der optischen Achse des Analysators (6) als eine X-Achse notwendig, die Probe (5) unter den Bedingungen in dem Bereich, der einen Verteilungswinkel des Röntgenstrahls um die Z-Achse für die in der Probenoberfläche enthaltene Z-Achse und vertikal zu der Y-Achse zulässt, so nahe wie möglich bei der Totalreflexion anzuordnen. Andererseits ist in der Praxis ein Intensitätsverlust von etwa 65% der durch diese optimale Konfiguration erhaltenen Intensität akzeptabel. Falls die optische Achse des Analysators (6) in dem Bereich von ±36 Grad um die X-Achsen-Richtung innerhalb der XY-Ebene und ±49 Grad innerhalb der XZ-Ebene angeordnet ist, kann er somit, wie in 11 gezeigt ist, die praktische Verwendung aushalten (der Anspruch 7 spezifiziert dieses Merkmal). Andererseits fällt der Röntgenstrahl sehr nahe schräg auf die Oberfläche der Probe (5) ein. Somit ist eine Öffnung (107) eines Schlitzes (6S) parallel zu einer Richtung, in der das Photoelektronenbild langgestreckt verläuft, um ein Photoelektron effizient in dem Analysator (6) zu sammeln. Anhand von 6 wird das Photoelektron durch eine Elektronenlinse (8) zu einem halbkreisförmigen Analysatorteil (10) geführt. Zwischen dem halbkreisförmigen Analysatorteil (10) und der Elektronenlinse (8) ist ein Eintrittsschlitz (6S) vorgesehen.
Wie oben ausführlich beschrieben wurde, wird umso mehr Photoelektronenintensität gedämpft, je größer ein Neigungswinkel der Photoelektronen von der Probe (5) (gemessen von einer Richtung senkrecht zu der Probenoberfläche) wird, wobei es eine Technik gibt, die diesen Effekt nutzt, um aus der Neigungswinkelabhängigkeit der Photoelektronenintensität Tiefenprofile von Zusammensetzungen und chemische Bindungszustände der Probe zu analysieren. Falls die Probe durch eine Anwendung dieser Technik auf die Laborphotoelektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen um die Z-Achse gedreht würde, sind die Bedingungen für den schrägen Einfall des Röntgenstrahls in die Probe (5) verletzt, was zu einer extremen Dämpfung der Signalintensitäten zusammen mit dem Austrittswinkel führt. Dieses Problem kann dadurch gemildert werden, dass der Neigungswinkel mit einer Achse (Y'-Achse) die die Probe dreht, geändert wird, die in einer Längsrichtung des langgestreckten Footprintes der Röntgenstrahlen auf der Probe vorgesehen ist.
Bei einer Labor-Röntgenstrahllichtquelle werden die von dem Target emittierten Röntgenstrahlen in Übereinstimmung mit einem Kosinussatz verteilt. Um diese weit verteilten Röntgenstrahlen so viel wie möglich aufzunehmen, wird die Größe der Monochromatorkristallanordnung in einer Richtung vertikal zu einer Energiestreuungsrichtung so weit wie möglich erhöht. In der Praxis wird bei einem Durchmesser des Rowland-Kreises (C) (siehe 9, später beschrieben) bei 730 mm unter Verwendung der Ge422-Reflexion, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, die Größe der Monochromatorkristalle in der Energiestreuungsrichtung zu 50 mm, falls der Entwurfswert der Röntgenstrahlenbandbreite auf 0,3 eV eingestellt ist. Andererseits ist die Größe der Monochromatorkristallanordnung in einer Richtung vertikal zu der Energiestreuungsrichtung wegen der räumlichen Beschränkung durch andere an der Analysekammer angebrachte Vorrichtungen auf 220 mm begrenzt. Das heißt, der zu erhaltende monochromatisierte Röntgenstrahl fällt auf die Probe mit einer Winkelbreite in der Energiestreuungsrichtung von 4 Grad und in der Richtung vertikal zu der Energiestreuungsrichtung von 17 Grad ein. In diesem wie in 6 gezeigten Beispiel ist der Röntgenstrahl von einer Richtung mit einer kleinen Verteilung der Röntgenstrahlen auf die Oberfläche der Probe (5), die vertikal zu der Ebene (der XY-Ebene in 6), die den Rowland-Kreis (C) (siehe 9, später beschrieben) enthält, unter einem Winkel im Wesentlichen nahe zu der Y-Achsen-Richtung in 6 angeordnet ist, schräg einfallend angeordnet, so dass die Verwendung des Röntgenstrahlenflusses optimiert ist.
Außerdem ist die Labor-Röntgenstrahlenquelle unpolarisiertes Licht, so dass eine optimale relative räumliche Konfiguration einer Röntgenstrahlenquelle (3), eines Röntgenstrahlenanalysators (6) und einer Röntgenstrahlenprobe (5) eindeutig bestimmt ist (siehe 6), wenn versucht wird, diese Bedingungen in einem Labor zu erfüllen. Das heißt, der Rowland-Kreis (siehe 9, später beschrieben), der eine relative geometrische Beziehung einer Probe (5), eines Monochromatorkristalls (9), eines Targets (7) bestimmt, und die Oberfläche der Probe (5) sind orthogonal angeordnet, was ermöglicht, dass die Röntgenstrahlen von der Röntgenstrahlenquelle (6) auf die Oberfläche der Probe (5) unter einem so kleinen Winkel wie möglich schräg einfallen. Diese Konfiguration ermöglicht, dass ein Einfallswinkel auf die Probe (5) des Röntgenstrahls etwa die Hälfte von 4 Grad einer Verteilungsbreite des Röntgenstrahls ist. Da zu dieser Zeit ein Röntgenstrahlenfleck langgestreckt in einer Energiestreuungsrichtung eines Röntgenstrahlspektrometers auf der Probe (5) verläuft, ist der Analysator (6) so angeordnet, dass der Eintrittsschlitz (6S) parallel zu dieser Richtung ist. Damit sich ein Targetteil (7) und ein Elektronenkanonenteil (9) der Röntgenstrahlenquelle (3) außerhalb der Analysekammer (14) befinden, ist es erforderlich, dass die Größen des Rowland-Kreises (C) (siehe 9, später beschrieben) und der Monochromatorkristallanordnung (9) so eingestellt sind, dass eine Entfernung zwischen dem Target (7) und dem Brennpunkt der Röntgenstrahlenquelle (3) auf der Probenoberfläche länger als der Radius der Analysekammer (14) ist, und dass ein Target dafür ausgelegt ist, außerhalb der Analysekammer (14) angeordnet zu sein. Wie oben ausführlich beschrieben ist, ist die Labor-Röntgenstrahlenquelle unpolarisiertes Licht und gibt es keine Winkelabhängigkeit des Photoionisationsquerschnitts durch einen Röntgenstrahl in der XZ-Ebene. Allerdings ändert sich die Austrittstiefe eines Photoelektrons, wie in 10(b) gezeigt ist, so dass sich die Photoelektronenintensität in Übereinstimmung mit sin φ ändert, falls die optische Achse des Analysators (6) von der Oberfläche der Probe (5) um φ geneigt ist. Wie in 10(a) zu sehen ist, ändern sich außerdem die Winkel der Photoionisationsquerschnitte in der XY-Ebene. Dementsprechend nehmen die Intensitäten nur um etwa 65% der optimalen Konfiguration ab, was in der Praxis zu keinem erheblichen Verlust führt, selbst wenn die Konfiguration der optischen Achse des oben erwähnten Analysators um etwa ±49 Grad gegenüber der Richtung vertikal zu der Probenoberfläche in der XZ-Ebene oder um etwa ±36 Grad in der XY-Ebene versetzt ist.
Da als eine Standardanalysekammer (Unterdruckkammer) (14) ein wie in 6 gezeigter Zylindertyp der Analysekammer verwendet ist, ist eine relative Konfiguration jeder Komponente wie in 6 gezeigt bestimmt. Grundsätzlich ist die Konfiguration dieselbe, selbst wenn eine kugelförmige Kammer als eine Analysekammer (14) verwendet ist. Der wichtigste Faktor, der die Konfiguration bestimmt, ist, dass die Kristallanordnung des Röntgenstrahlspektrometers in Bezug auf die Energiestreuungsrichtung klein ist und zu der Richtung vertikal zu der Energiestreuungsrichtung lang verlaufend ist.
Mit dieser Form wird der Zweck, so viel Röntgenstrahlflüsse wie möglich aufzunehmen, erfüllt (d. h., falls der Kristall in der Energiestreuungsrichtung vergrößert ist, wird die Monochromatizität des Röntgenstrahls verschlechtert, so dass der Kristall nur in der Richtung vertikal zu der Energiestreuungsrichtung vergrößert ist). Falls die Größen der beiden Kristalle auf Kosten des Röntgenstrahlenflusses verringert sind, ist diese Konfiguration nicht mehr beschränkt, ist aber die Praktikabilität verringert. Selbst wenn anstelle von Ge422 LiF222 verwendet ist, ist eine relative Konfiguration auf ähnliche Weise eindeutig bestimmt. Es gibt andere charakteristische Röntgenstrahlen, die für die Photoelektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen verwendet werden können, wie etwa Ag-Lα-Strahlen (2,98 keV) und Ti-Kα-Strahlen (4,51 keV) sowie einen CrKα-Strahl. Allerdings besitzt bei relativer Betrachtung der erhaltenen Bandbreite des Röntgenstrahls und der Intensität des Röntgenstrahls usw. der CrKα-Strahl kombiniert mit den Monochromatorkristallen die höchste Praktikabilität.
[Ausführungsbeispiel 2]
Im Folgenden wird ein anderes Ausführungsbeispiel erläutert, die die Bedingungen für die oben erwähnten räumlichen Konfigurationen erfüllt.
In diesem Ausführungsbeispiel nehmen die Erfinder die Kenntnis in Bezug auf eine andere Erfindung ”X-Ray Generator and Analyzer” (Patent Nr. 5550082; Erfinder: KOBAYASHI, Keisuke, YAMAZUI, Hiromichi, IWAI, Hideo und KOBATA, Massaki) an, in der eine Konfiguration der Doppelstrahlquellenumschaltung und die Nutzung eines AlKα-Strahls und eines CrKα-Strahls vorgeschlagen sind.
9 zeigt eine Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels. Dieses Ausführungsbeispiel weist eine Struktur auf, in der die Analysekammer und die Röntgenstrahlenquelle integriert sind und der Unterdruck des Analysekammerteils und der der Röntgenstrahlenquelle durch eine Trennwand geteilt sind, um den Röntgenstrahl durch ein bei der Trennwand vorgesehenes Röntgenstrahlenfenster zu der Analysekammer zu führen.
Das Target (7) wird durch die Elektronenkanone (3b) mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, um einen Röntgenstrahl zu erzeugen. Auf dem Substrat des Targets (7) gibt es einen mit Al und Cr beschichteten Bereich. Das Target (7) ist in einer Richtung linear beweglich, was ermöglicht, dass ein mit einem Elektronenstrahl zu bestrahlender Bereich für einen mit Al oder mit Cr beschichteten Teil ausgewählt wird. Dies ermöglicht, dass der AlKα-Strahl oder der CrKα-Strahl ausgewählt und erzeugt werden. Jeder Röntgenstrahl wird durch Monochromatorkristalle für den AlKα-Strahl (9a) oder durch Monochromatorkristalle für den CrKα-Strahl (9b) monochromatisiert und so angeordnet, dass er auf die Oberfläche der Probe (5) schräg einfällt. In diesem Fall ist ein Rowland-Kreis eines Spektroskops für den AlKα-Strahl und für den CrKα-Strahl dafür ausgelegt, sich in denselben zwei Punkten, d. h. an einer Stelle des Targets (7) und an einer Stelle der Probe (5), zu schneiden. Unabhängig davon, welche Röntgenstrahlen ausgewählt werden, ändert sich somit die Fokussierungsstelle der Röntgenstrahlen nicht und ist es nicht notwendig, die Lagen der Probe (5) und des Analysators (6) neu einzustellen (siehe 6). Ein Unterdrucksystem (d. h. ein Analysekammerteil (14a)) eines Raums (14a) um den Monochromatorkristallteil (9) des Röntgenstrahlerzeugungsteils (3b), der das Target (7) (d. h. den Röntgenstrahlenquellenteil (3)) und die Probe (5) enthält, ist durch eine Trennwand (12) getrennt. Außerdem wird die CrKα-Strahlung durch das in dieser Trennwand (12) vorgesehene Röntgenstrahlendurchlassfenster (13) zu der Probe geführt und fällt sie in der Konfiguration aus 9 von oben auf die Probenoberfläche ein und bildet sie auf der Probenoberfläche einen vertikal langgestreckten Einstrahlungsbereich.
Um die von diesem langgestreckten Bereich emittierten Photoelektronen mit dem Analysator effizient zu empfangen, ermöglicht die Öffnung (107) des Eintrittsschlitzes (6S) des Analysators (6), dass der Analysator (6) (siehe 6 und 7) an einer Öffnung (ICF253-Flansch) (16) des Analysekammerteils (14a) angebracht wird, so dass die Öffnung (107) in einer vertikalen Richtung verläuft. Da der Röntgenstrahleinstrahlungsbereich in der Probe (5) für einen AlKα-Strahl in einer schrägen Richtung langgestreckt verläuft, wird die Aufnahmeeffizienz der Photoelektronen in dem Analysator (6) (6 und 7) etwas verschlechtert. Allerdings hat ein AlKα-Strahl im Vergleich zu einem CrKα-Strahl im Allgemeinen einen ausreichend größeren Photoionisationsquerschnitt, so dass er eine ausreichend starke Signalintensität erhalten kann. Da ein AlKα-Strahl eine niedrige Energie besitzt, ist außerdem eine Eindringtiefe in die Probe im Vergleich zu einem CrKα-Strahl äußerst flach. Somit ist es verhältnismäßig weniger notwendig, dass Röntgenstrahlen schräg einfallen, um die Photoelektronenintensität zu erhöhen. Falls ein Röntgenstrahleinfallswinkel auf die Probe erhöht ist, wird eine Ausdehnung des Röntgenstrahlenflecks auf der Probenoberfläche kurz. Dementsprechend besitzt dieses Problem praktisch keinen großen Einfluss. Falls es ausreichend Photoelektronensignalintensität gibt, ist es außerdem ebenfalls möglich, die Aufnahmeeffizienz des Photoelektrons in der Öffnung (107) des Schlitzes (6S) durch Unterdrücken der Ausgabe der Elektronenkanone (3b) und Verringern der Größe des Röntgenstrahlenflecks zu verbessern.
In Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel 2 können überlegene Wirkungen erzielt werden, die alle der Folgenden ermöglichen: die gesamte Vorrichtung kompakt zu machen; den Unterdruck der Röntgenstrahlenquelle (3a) und den des Analysekammerteils (des Photoelektronenanalyseteils) (14a) zu trennen; und die Photoelektronenintensität zu maximieren. Dies ermöglicht eine Anwendung auf eine HiPP/NAP-Messvorrichtung. Da die Größe des Rowland-Kreises (C) des Röntgenstrahlspektrometer auf die Hälfte von Ausführungsbeispiel 1 verringert werden könnte, was den geforderten Bereich der Anordnung des Monochromatorkristalls (9) auf ein Viertel verringert, gibt es darüber hinaus außerdem einen Vorteil, dass die Kosten erheblich gesenkt werden können. Ein solcher Vorteil kann durch einen Entwurf erreicht werden, bei dem die Analysekammer (14) und die Röntgenstrahlenquelle (3) integriert sind, obgleich die Unterdrücke getrennt sind.
[Ausführungsbeispiel 3]
Im Folgenden wird ein abermals anderes Ausführungsbeispiel erläutert, die die Bedingungen für die oben erwähnte räumliche Konfiguration erfüllt. Um einen großen Röntgenstrahlenfluss zu erzielen, ist in der Ausführungsbeispiel 1 eine Struktur angenommen, die einen großen Aufnahmewinkel der Monochromatorkristallanordnung erreicht, wobei es aber eine räumliche Beschränkung für diese Struktur gibt. Es wird betrachtet, dass die Ausgabe der Elektronenkanone (3b), die das Target anregt, erhöht wird, um den Röntgenstrahlenfluss weiter zu erhöhen. Allerdings wird die Targetschicht (7) beschädigt, da die meiste Energie des Elektronenstrahls innerhalb der Targetschicht (7) in Wärme umgewandelt wird, falls die Ausgabe des Elektronenstrahls so erhöht ist, dass sie die Kühlleistung des Targets (7) übersteigt. Falls die Größe des Flecks (des Footprints (FP)) auf dem Target (7) des Elektronenstrahls erhöht wird, nimmt die Dichte der erzeugten Wärme ab, wodurch eine Beschädigung des Targets (7) verhindert wird. Allerdings entspricht die Fleckgröße auf dem Target (7) des Elektronenstrahls, so wie sie ist, der Größe des Röntgenstrahlenflecks (des Footprints (FP)) auf der Probe (5), was die Energieauflösung und die räumliche Auflösung des Photoelektronenspektrums verschlechtert. Falls die Fleckgröße (die Footprintgröße (FP-Größe)) auf der Probe zunimmt, wird außerdem ein Photoelektronenbild, das durch die Elektronenlinse (8) des Analysators (6) vergrößert wird und auf den Eintrittsschlitz (6S) des Analysators (6) projiziert wird, größer als die Öffnung des Schlitzes (6S), was zu einer Verringerung der durch den Analysator (6) detektierten Photoelektronensignalintensität führt.
Um die Anforderungen zum Aufrechterhalten der Fleckgröße (Footprintgröße (FP-Größe)) auf dem Target (7) des Elektronenstrahls auf 100 Mikrometer oder weniger zu erfüllen und um die Röntgenstrahlintensität zu erhöhen, wobei der in 12 durch das Zeichen α eingeschlossene Bereich beachtet wird, wurde die Röntgenstrahlenquelle (3) so konfiguriert, dass sie das Target (7) als eine rotierende Antikathode verwendet. In der Konfiguration läuft in dem Target (7a) ein Kühlwasserkanal (CW-Kanal) um, in dem an einem Zylinder, der aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, d. h. in diesem Beispiel aus sauerstofffreiem Kupfer (Oxygen Free Cupper, OFC), hergestellt ist, mit einem darin vorgesehenen (eingebauten) Kühlwasserkanal (7b) ein Cr-Dünnfilm gebildet ist. Das oben erwähnte zylindrische Target (7) ist so konfiguriert, dass es eine schnelle Rotation mit 6500 min^–1 durch einen Koaxialmotor ermöglicht, während es einen Unterdruck mit einer Magnetfluiddichtung abdichtet und den Kühlwasserkanal mit einer mechanischen Dichtung abdichtet. Der Cr-Dünnfilm des zylindrischen Targets (7a) wurde durch die Fokussierungselektronenkanone mit hoher Ausgabe mit einer 30-keV-Beschleunigungsspannung, 20 mA, und 100 μm der Fleckgröße bestrahlt, wodurch ein monochromatisierter Röntgenstrahlenfluss mit etwa 10-mal mehr Intensität als der der feststehenden Strahlenquelle in Ausführungsbeispiel 1 stabil erhalten wurde.
Der Typ einer rotierenden Antikatode der Röntgenstrahlenquelle wird üblicherweise für ein Röntgenstrahldiffraktometer usw. verwendet und ist bereits bekannt. Er ist dafür konfiguriert, von einem linearen Filament erzeugte Elektronenstrahlen zu beschleunigen und durch Fokussieren des Elektronenstrahls in einer eindimensionalen Richtung durch eine einfach strukturierte Elektrode einen langgestreckten Bereich auf einem Target zu bestrahlen und sie von einer Richtung entlang eines lang verlaufenden Röntgenstrahlerzeugungsbereichs unter einem niedrigen Winkel (üblicherweise 6 Grad) zu extrahieren. Dieses bekannte System weist einen Vorteil auf, dass eine scheinbare Fleckgröße eines Röntgenstrahls durch eine einfach strukturierte Elektronenkanone verringert werden kann. Andererseits ist die Nutzungsrate des Röntgenstrahls niedrig und ist der erhaltene Röntgenstrahlenfluss für erhöhte Ausgabe der Elektronenkanone verringert, was nicht den Zweck dieses Ausführungsbeispiels erfüllt. Anders als in diesen bekannten Systemen wurde hier in dem Typ der rotierenden Antikathode der Röntgenstrahlenquelle in diesem Ausführungsbeispiel 3 eine Photoelektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen mit hohem Durchsatz durch Bestrahlen des Targets mit einer Elektronenkanone (3b) erreicht, die mit einer Sammellinse ausgestattet ist, die einen Elektronenstrahl auf etwa 100 Mikrometer oder weniger zweidimensional fokussieren kann und eine 100-Mikrometer-Größe des Fokussierungsröntgenstrahlenflecks mit hoher Intensität erzeugen kann.
[INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT]
In dem oben erwähnten Stand der Technik gibt es zwei große Probleme, dass die Größe der Röntgenstrahlenquelle (d. h. die Größe der Monochromatorkristalle des Röntgenstrahls und die Größe und die Struktur des Targetmechanismus) wegen der Größe der Analysekammer begrenzt ist und dass der Unterdruck der Röntgenstrahlenquelle und der der Analysekammer nicht getrennt werden können. Außerdem wird in einer als NAP (Near Ambient Pressure Photoelectron spectroscopy) oder HiPP (High Pressure Photoelectron spectrocopy) bezeichneten experimentellen Technik Gas in eine Analysekammer eingeleitet. In dieser Situation wird die Röntgenstrahlenquelle in 5 Gas ausgesetzt. Außerdem gab es ein Problem, dass die in der Röntgenstrahlenquelle enthaltene Elektronenkanone die Einleitung des Gases nicht aushalten kann, da sie ein Hochvakuum erfordert. Dagegen ist es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung möglich, die Röntgenstrahlenquelle und die Analysekammer zu trennen und dadurch alle diese Probleme zu lösen. Dies ermöglicht Anwendungen der Photoelektronenspektroskopie nicht nur auf verschiedene Festkörpermaterialien, sondern auch auf eine Flüssigkeit, auf ein Gas, auf eine Festkörper-Gas-Grenzfläche, auf eine Festkörper-Flüssigkeits-Grenzfläche usw. Dies ermöglicht Anwendungen auf die Grundlagenforschung, auf die Forschung und Entwicklung, auf die Bewertungsanalyse, auf die Produktionssteuerung usw. über den herkömmlichen Rahmen hinaus, was die industrielle Anwendbarkeit erheblich verbessert.
Bezugszeichenliste

2: Probenmanipulator
3: Röntgenstrahlenquelle
3a: Unterdruckbehälter
3b: Elektronenkanone (ein Element der Röntgenstrahlenquelle)
5: Probe
6: Analysator
6S: Schlitz
7: Target (ein Element der Röntgenstrahlenquelle)
7a: zylindrischer Körper, der aus einem Cr-Dünnfilm besteht
7b: Wasserkanal
8: Elektronenlinse des Analysators
9, 9a und 9b: Monochromatorkristallanordnung (ein Element der Röntgenstrahlenquelle)
10: halbkugelförmiger Analysator
11: X-Achse des Analysators
12: Trennwand
13: Röntgenstrahlenfenster
14: Analysekammer (Unterdruckkammer)
14a: Analysekammerteil
20: Struktur
101: Elektronenstrahl
103: Röntgenstrahl vor der Monochromatisierung (einschließlich wie etwa Bremsstrahlungs-Röntgenstrahl)
105: Röntgenstrahl, der in die Probe eindringt
C: Rowland-Kreis
FP: Footprint

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. Kobayashi u. a., Appl. Phys. Lett., Bd. 83, Nr. 5, 4, 1005, 2003 [0007]
”Development of the hard-X-ray angle Resolved X-ray Photoemission spectrometer for Laboratory use”, M. Kobata, I. Pis, H. Iwai und H. Yamazui, T. Takahashi, M. Suzuki, H. Matsuda, H. Daimon und K. Kobayashi, ANALYTICAL SCIENCES 26 (2010) 227 [0007]
”Developement of a laboratory system hard X-ray photoelectron spectroscopy and its applications”, K. Kobayashi, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 190 (2013) 210–22 [0007]

Claims

Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Röntgenstrahlenquelle, einen Analysator, einen Probenmanipulator, eine Analysekammer und Unterdruckentleerungssysteme, wobei in einem dreidimensionalen Raum, der durch ein XYZ-Koordinatenachsensystem definiert ist, eine plattenartige Probe durch den Probenmanipulator um die Z-Achse drehbar angeordnet ist, wobei die Röntgenstrahlenquelle umfasst: eine Elektronenkanone, die Elektronen beschleunigt und ferner fokussiert, ein Target, das mit den durch die fokussierende Elektronenkanone beschleunigten und fokussierten Elektronen bestrahlt wird, um einen Röntgenstrahl zu erzeugen, eine Monochromatorkristallanordnung, wobei die Kristallanordnung die Bragg-Bedingung der Röntgenstrahlbeugung in der XY-Ebene erfüllt, um den in dem Target erzeugten Röntgenstrahl zu beugen/zu reflektieren und zu monochromatisieren und um nur charakteristische Röntgenstrahlen zu extrahieren, und wobei die Elektronenstrahleinstrahlstelle andererseits auf der Targetmitte der Monochromatorkristallanordnungsmitte der Probe auf dem Rowland-Kreis angeordnet ist, um die Fokussierungsaberration auf die Probe zu minimieren, wobei sich die Elektronenstrahleinstrahlstelle auf dem Target und die Mitte der Probe vorzugsweise in jedem von zwei Brennpunkten einer Ellipse befinden, die mit dem Rowland-Kreis in der Mitte der Kristalle in Kontakt gelangt, wobei die Monochromatorkristallanordnung in der Z-Achsen-Richtung eine ringförmige Oberfläche aufweist, die durch Drehen der Ellipse, die mit dem Rowland-Kreis in Kontakt gelangt, um eine Gerade, die die Elektronenstrahleinstrahlstelle auf dem Target und die Mitte der Probe verbindet, erlangt wird, und ein Unterdruckgefäß für den Einbau dieser Komponenten, wobei sich die Monochromatorkristallanordnung, die zum Monochromatisieren mit Beugung und Reflexion der Röntgenstrahlenquelle verwendet wird, zusammen mit dem Target auf dem Rowland-Kreis befindet und wobei die Probe die Bedingung erfüllen soll, dass sich der gestreute Röntgenstrahl auf der Oberfläche der Probe mit der minimalen Aberration konzentriert, wobei sich der Rowland-Kreis orthogonal zu der Oberfläche der Probe befindet, wobei eine Achse des Analysators innerhalb eines Winkelbereichs von 90 ± 15 Grad zu der Einfallsrichtung der Röntgenstrahlen liegen soll, wobei die Probe so angeordnet ist, dass die Röntgenstrahlen, die durch die Reflexionsoberfläche der Monochromatorkristallanordnung gebeugt und reflektiert werden, auf die Oberfläche der Probe fokussiert werden und auf die Oberfläche der Probe schräg einfallen, so dass der Fleck der Röntgenstrahlen entlang einer Linie im Wesentlichen parallel zur X-Achse langgestreckt verläuft, und wobei eine Öffnung eines bei dem Eintritt des Analysators vorgesehenen Schlitzes zu einer Richtung, in der der Röntgenstrahl langgestreckt verläuft, parallel angeordnet ist.
Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen nach Anspruch 1, wobei das Target ein Cr-Target ist.
Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Monochromatorkristallanordnung aus einer Art eines Kristalls besteht, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Ionenkristallen wie etwa LiF oder NaCl, und aus Halbleitern wie etwa Ge, Si oder GaAS besteht.
Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen nach Anspruch 1, wobei eine Reflexionsebene der Monochromatorkristallanordnung eine Ge422-Reflexionsebene oder eine Li222-Reflexionsebene ist.
Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen nach Anspruch 1, wobei ein Elektron mit der Elektronenkanone auf 20–50 keV beschleunigt wird und auf etwa 100 Mikrometer oder weniger fokussiert wird.
Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Analysekammer und die Röntgenstrahlenquelle integriert sind, wobei ein Analysekammerteil und die Röntgenstrahlenquelle in einer gleichen Struktur angeordnet sind, wobei die Unterdruckgebiete des Analysekammerteils und der Röntgenstrahlenquelle durch eine Trennwand getrennt sind, wobei die Röntgenstrahlen durch ein bei der Trennwand vorgesehenes Röntgenstrahlenfenster zu der Analysekammer geführt werden.
Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Röntgenstrahlenquelle, einen Analysator, einen Probenmanipulator, eine Analysekammer, und Unterdruckentleerungssysteme, wobei in einem dreidimensionalen Raum, der durch ein rechtwinkliges XYZ-Koordinatenachsensystem definiert ist, eine plattenartige Probe durch den Probenmanipulator (2) um die Z-Achse drehbar angeordnet ist, wobei die Röntgenstrahlenquelle umfasst: eine Elektronenkanone (3b), die Elektronen beschleunigt und fokussiert, ein Target, das mit den durch die Elektronenkanone beschleunigten und fokussierten Elektronen bestrahlt wird, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, eine Monochromatorkristallanordnung, wobei die Monochromatorkristallanordnung die Bragg-Bedingung der Röntgenstrahlbeugung in der XY-Ebene erfüllt, um die in dem Target erzeugten Röntgenstrahlen zu beugen/zu reflektieren und zu monochromatisieren und nur charakteristische Röntgenstrahlen zu extrahieren, und wobei die Elektronenstrahleinstrahlstelle andererseits auf der Targetmitte der Monochromatorkristallanordnungsmitte der Probe auf dem Rowland-Kreis angeordnet ist, um die Fokussierungsaberration auf die Probe zu minimieren, wobei sich die Monochromatorkristalle auf einem Kreis mit einem doppelt so großen Radius wie der des Rowland-Kreises in einer XY-Ebene befinden, wobei sich vorzugsweise die Elektronenstrahleinstrahlstelle auf dem Target und die Mitte der Probe in jedem der zwei Brennpunkte einer Ellipse befinden, die in der Mitte der Monochromatorkristallanordnung mit dem Rowland-Kreis in Kontakt gelangt, wobei die Monochromatorkristallanordnung in der Z-Achsen-Richtung eine ringförmige Oberfläche aufweist, die durch Drehen der Ellipse, die mit dem Rowland-Kreis in Kontakt gelangt, um eine Gerade, die die Elektronenstrahleinstrahlstelle auf dem Target und die Mitte der Probe verbindet, erlangt wird, und einen Unterdruckbehälter für den Einbau dieser Komponenten, wobei sich die Monochromatorkristallanordnung, die für die Monochromatisierung mit Beugung und Reflexion der Röntgenstrahlenquelle verwendet wird, zusammen mit dem Target und mit der Probe auf dem Rowland-Kreis befindet, um die Bedingung zu erfüllen, dass der gestreute Röntgenstrahl mit der minimalen Aberration auf die Oberfläche der Probe fokussiert wird, wobei sich der Rowland-Kreis orthogonal zu der Oberfläche der Probe befindet, wobei eine optische Achse des Analysators senkrecht (in X-Achsen-Richtung) zu der Einfallsrichtung (in Y-Achsen-Richtung) der Röntgenstrahlen oder innerhalb eines Winkelbereichs von ±36 Grad in einer XY-Ebene und innerhalb eines Winkelbereichs von ±49 Grad in der XZ-Ebene angeordnet ist, wobei die Probe so angeordnet ist, dass die Röntgenstrahlen, die durch die Reflexionsoberfläche der Monochromatorkristallanordnung gebeugt und reflektiert werden, auf die Oberfläche der Probe fokussiert werden und auf die Oberfläche der Probe schräg einfallen, so dass der Fleck des Röntgenstrahls entlang einer Linie im Wesentlichen parallel zu der Y-Achse (im Wesentlichen senkrecht zu der X-Achse) langgestreckt verläuft, und wobei eine Öffnung eines bei dem Einlass des Analysators vorgesehenen Schlitzes parallel zu einer Richtung angeordnet ist, wo der Röntgenstrahlschlitz auf der Probenoberfläche langgestreckt verläuft.
Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen nach Anspruch 7, wobei das Target ein Cr-Target ist.
Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Monochromatorkristallanordnung aus einer Art eines Kristalls besteht, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Ionenkristallen wie etwa LiF oder NaCl, und aus Halbleitern wie etwa Ge, Si oder GaAS besteht.
Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen nach Anspruch 7, wobei eine Reflexionsebene der Monochromatorkristallanordnung eine Ge422-Reflexionsebene oder eine Li222-Reflexionsebene ist.
Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen nach Anspruch 7, wobei ein Elektron mit der Elektronenkanone auf 20–50 keV beschleunigt und auf etwa 100 Mikrometer oder weniger fokussiert wird.
Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Analysekammer und die Röntgenstrahlenquelle integriert sind, wobei ein Analysekammerteil und ein Röntgenstrahlenquellenteil in einer gleichen Struktur angeordnet sind, wobei die Unterdruckgebiete des Analysekammerteils und des Röntgenstrahlenquellenteils durch eine Trennwand getrennt sind, wobei die Röntgenstrahlen durch ein Röntgenstrahlenfenster, das in der Trennwand vorgesehen ist, zu der Analysekammer geführt werden.
Photoelektronenspektroskopievorrichtung mit harten Röntgenstrahlen nach Anspruch 11, wobei das durch die Elektronenkanone bestrahlte Target in der Röntgenstrahlenquelle eine schnell drehbare wassergekühlte Antikathode ist und die Größe der Lichtquelle klein halten kann, nachdem der erzeugte Röntgenstrahl von der Oberfläche unter einem großen Winkel erfasst wird.