DE102017126882B3 - Arrangement for reducing the space charge effect in electron-spectroscopic devices - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Reduzierung der Raumladungswirkung eines von einer Probenoberfläche (1) ermittelten Elektronenstrahls, umfassend eine oder mehrere Steuerelektroden (2) die dazu eingerichtet sind, im Bereich unmittelbar vor der Probenoberfläche ein retardierendes elektrisches Feld (7) zu erzeugen, um so eine möglichst schnelle Abtrennung des Untergrundes aus langsameren Elektronen (4) vom zu untersuchenden Signal der Primärelektronen (5) zu bewirken.

The invention relates to an arrangement for reducing the space charge effect of an electron beam detected by a sample surface (1), comprising one or more control electrodes (2) which are adapted to generate a retarding electric field (7) in the region immediately in front of the sample surface to effect as fast as possible a separation of the substrate from slower electrons (4) from the signal of the primary electrons (5) to be examined.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Reduzierung der Raumladungswirkung eines von einer Probenoberfläche emittierten Elektronenstrahls.The present invention relates to an arrangement for reducing the space charge effect of an electron beam emitted from a sample surface.

Bekannt sind verschiedene Anordnungen von Elektronenlinsensystemen für den Transport und die Fokussierung von Elektronen aus einer Festkörperprobe zum jeweiligen elektronenspektroskopischen Gerät. Insbesondere für Photoelektronen und Auger-Elektronen wurden verschiedene Arten von Spektrometern und dazugehörige Transportoptiken entwickelt; einen ausführlichen Überblick geben S. Hüfner [„Photoelectron Spectroscopy - Principles and Applications“, Springer, Berlin (2003)], sowie S. Suga und A. Sekiyama [„Photoelectron Spectroscopy. Bulk and Surface Electronic Structures“, Springer, Berlin (2014)].Various arrangements of electron lens systems for the transport and focusing of electrons from a solid-state sample to the respective electron-spectroscopic device are known. In particular, for photoelectrons and Auger electrons various types of spectrometers and associated transport optics have been developed; for a detailed review, see S. Hüfner ["Photoelectron Spectroscopy - Principles and Applications", Springer, Berlin (2003)], and S. Suga and A. Sekiyama ["Photoelectron Spectroscopy. Bulk and Surface Electronic Structures ", Springer, Berlin (2014)].

Wichtige Anwendungen solcher Spektrometersysteme bestehen im Bereich der zerstörungsfreien chemischen Analyse, der Untersuchung von elektronischen Eigenschaften, in jüngster Zeit auch der Topologie von Energieflächen im Impulsraum. Mit zunehmendem Komplexitätsgrad werden immer höhere Anforderungen an Energie- und Winkelauflösung gestellt. Kommerzielle Spektrometer erreichen aktuell Energieauflösungen im Bereich bis unter 1 Millielektronenvolt (meV) und Winkelauflösungen von < 0.1°. Zunehmend werden solche Spektroskopie-Experimente auch zeitaufgelöst durchgeführt. Dabei wird das elektronische System durch einen „Pump-Puls“, z.B. einen starken Infrarotlaserpuls, aus dem Gleichgewichtszustand getrieben und die Relaxation in den Ausgangszustand durch einen zweiten, sog. „Probe-Puls“ mit definierter Zeitverzögerung abgetastet. Diese rapide an Bedeutung gewinnende Methode erlaubt es erstmalig, sehr kurzlebige, sog. transiente Zustände zu studieren. Dadurch lassen sich wichtige Informationen über die Dynamik, z.B. von chemischen Reaktionen oder von ultraschnellen Magnetisierungsprozessen, gewinnen. Dieses neue Forschungsfeld hat parallel die Entwicklung von Ultrakurzpuls-Lichtquellen (z. B. Pulslaser im Niederenergiebereich bis hin zu Freie-Elektronen-Lasern für höhere Photonenenergien bis in den harten Röntgenbereich) stark intensiviert.Important applications of such spectrometer systems are in the field of non-destructive chemical analysis, the investigation of electronic properties, and more recently the topology of energy surfaces in momentum space. With increasing degree of complexity, ever higher demands are placed on energy and angular resolution. Commercial spectrometers are currently achieving energy resolutions in the range of less than 1 milli-electron volt (meV) and angle resolutions of <0.1 °. Increasingly, such spectroscopy experiments are also performed time-resolved. In this case, the electronic system is replaced by a "pump pulse", e.g. a strong infrared laser pulse, driven out of the equilibrium state and the relaxation in the initial state by a second, so-called "probe pulse" sampled with a defined time delay. This method, which is rapidly gaining in importance, makes it possible for the first time to study very short-lived so-called transient states. This allows important information about the dynamics, e.g. from chemical reactions or ultrafast magnetization processes. At the same time, this new field of research has greatly intensified the development of ultrashort pulse light sources (eg pulse lasers in the low-energy range up to free-electron lasers for higher photon energies down to the hard X-ray range).

Ein fundamentales Problem solcher Experimente mit gepulster Anregung besteht in der durch den gepulsten Betrieb stark erhöhten Coulombwechselwirkung im Strahl, auch Raumladungseffekt genannt. Die Coulombkräfte wirken auf Energieverteilung und Elektronentrajektorien und verfälschen damit auch die Winkelverteilung, welche wichtige Information über die elektronischen Eigenschaften beinhaltet. Im Fall von Festkörperproben ist die Energieverteilung von Photoelektronen oder das Energieverlustspektrum nach Anregung mit Elektronen nicht monoenergetisch sondern beinhaltet im Allgemeinen viele Energien. Außer den Primärelektronen bei höheren Energien (z. B. Photoelektronen aus den für elektrischen Transport höchst bedeutsamen Leitungsbändern, charakteristische Auger-Elektronen als Fingerabdruck für die chemische Zusammensetzung oder elastisch gestreute Elektronen, welche Beugungsinformation über die Struktur beinhalten) weisen die Spektren einen hohen Untergrund von niederenergetischen Sekundärelektronen auf. Die Intensität dieses Untergrundes kann das Signal der Primärelektronen um Größenordnungen übertreffen. Dies ist insbesondere bei Anregung im Röntgenbereich der Fall, einem Spektralbereich der aktuell stark an Bedeutung gewinnt, da die hohe Informationstiefe den Zugriff auf Volumenzustände und „vergrabene Schichten“ erlaubt (z. B. „Direct 3D mapping of the Fermi surface and Fermi velocity“, [Nature Materials 16, 615-621 (2017)] und S. Suga und A. Sekiyama [s.o.] ).A fundamental problem of such experiments with pulsed excitation is the greatly increased coulombic interaction in the beam due to the pulsed operation, also called space charge effect. The Coulomb forces affect energy distribution and electron trajectories and thus distort the angular distribution, which contains important information about the electronic properties. In the case of solid samples, the energy distribution of photoelectrons or the energy loss spectrum after electron excitation is not monoenergetic but generally involves many energies. In addition to the primary electrons at higher energies (eg photoelectrons from the conduction bands most important for electrical transport, characteristic Auger electrons as a fingerprint for the chemical composition or elastically scattered electrons which contain diffraction information about the structure), the spectra show a high background of low-energy secondary electrons. The intensity of this background can exceed the signal of the primary electrons by orders of magnitude. This is particularly the case with excitation in the X-ray region, a spectral region which is currently gaining in importance because the high information depth allows access to volume states and "buried layers" (eg. "Direct 3D mapping of the Fermi surface and Fermi velocity", [Nature Materials 16, 615-621 (2017)] and S. Suga and A. Sekiyama [thus] ).

In zeitaufgelösten Experimenten tritt eine weitere Quelle von störenden niederenergetischen Untergrundelektronen auf, die durch den intensiven Pumplaser aus der Probe ausgelöst werden. Obwohl die Photonenenergie des hochintensiven Kurzpuls-Infrarotlasers für normale Photoemission nicht ausreicht, kann durch Multiphotonen-Photoemission eine intensive Ladungswolke von niederenergetischen Elektronen erzeugt werden. Experimente zeigten (siehe z. B. L.-P. Oloff et al. [Journal of Applied Physics 119, 225106 (2016); doi: 10.1063/1.4953643] , dass ihre Intensität die des echten Signals um Größenordnungen übersteigen kann. Diese zweite Art von Untergrundelektronen trägt in der gleichen Weise zur Coulombwechselwirkung im Strahl bei, wie der (konventionelle) Sekundärelektronenuntergrund. Bei den zeitaufgelösten Experimenten kommt hinzu, dass zwischen der durch den Infrarotlaser ausgelösten niederenergetischen Elektronenwolke und den durch den Probe-Strahl, erzeugt durch beispielsweise eine Synchrotronstrahlungsquelle oder eine Laserquelle für höhere harmonische, oder Freie-Elektronen-Laser, ausgelösten Photoelektronen ein definierter zeitlicher Unterschied besteht. Diese Zeitdifferenz hat Einfluss auf die CoulombWechselwirkung, die je nach zeitlicher Korrelation sowohl beschleunigend als auch abbremsend auf die Primärelektronen wirken kann. Experimente zeigten, dass die daraus resultierende Energieverschiebung bereits bei Experimenten mit Synchrotronstrahlung die Größenordnung von 10 eV erreichen kann. Solche großen Energieverschiebungen machen hochauflösende Spektroskopieexperimente unmöglich. Die von B. Schönhense et al. [New Journal of Physics, 20, 033004 (2018) ] beschriebene Methode einer nachträglichen numerischen Korrektur reduziert die Energieverschiebung a posteriori, der Raumladungseffekt selbst bleibt aber unverändert. Der übliche Weg des Umgangs mit der Raumladungswechselwirkung besteht in einer Reduktion der Signalstärke auf ein für das Experiment tolerierbares Maß.In time-resolved experiments, another source of interfering low-energy background electrons occurs, which is triggered by the intense pump laser from the sample. Although the photon energy of the high-intensity short-pulse infrared laser is not sufficient for normal photoemission, multiphoton photoemission can generate an intense charge cloud of low-energy electrons. Experiments showed (see eg L.-P. Oloff et al. [Journal of Applied Physics 119, 225106 (2016); doi: 10.1063 / 1.4953643] in that their intensity can exceed that of the real signal by orders of magnitude. This second type of background electron contributes in the same way to Coulomb interaction in the beam as the (conventional) secondary electron background. In the time-resolved experiments, there is a definite difference in time between the low-energy electron cloud triggered by the infrared laser and the photoelectrons triggered by the sample beam produced, for example, by a synchrotron radiation source or a laser source for higher harmonic or free-electron lasers , This time difference has an influence on the Coulomb interaction, which, depending on the temporal correlation, can both accelerate and decelerate the primary electrons. Experiments showed that the resulting energy shift in experiments with synchrotron radiation can reach the order of 10 eV. Such large energy shifts make high-resolution spectroscopy experiments impossible. The of Schönhense et al. [New Journal of Physics, 20, 033004 (2018) ] method of subsequent numerical correction reduces the energy shift a posteriori, but the space charge effect itself remains unchanged. The usual way of the Interaction with the space charge interaction consists in a reduction of the signal strength to a tolerable level for the experiment.

Die Literaturstellen [ DE 10 2013 005 173 B4 , EP 1559126 B9 , DE 10 2014 019408 B4 ] befassen sich allesamt mit spektroskopischen Verfahren unter dem Einsatz einer Kathodenlinse, bei der die Elektronen mittels eines starken elektrostatischen Extraktorfeldes in das Elektronenlinsensystem hineinbeschleunigt werden. So gewinnt man einerseits eine hohe Sammlungseffizienz für die zu untersuchenden Primärelektronen, jedoch sind die von den langsamen Untergrundelektronen ausgehenden Coulombkräfte besonders groß, da diese Elektronen durch das Extraktorfeld vollständig in die Elektronenoptik hineingezogen werden.The references [ DE 10 2013 005 173 B4 . EP 1559126 B9 . DE 10 2014 019408 B4 ] all deal with spectroscopic methods using a cathode lens, in which the electrons are accelerated into the electron lens system by means of a strong electrostatic extractor field. Thus, on the one hand, a high collection efficiency is obtained for the primary electrons to be investigated, but the Coulomb forces emanating from the slow background electrons are particularly large, since these electrons are completely drawn into the electron optics by the extractor field.

Aus der US 4,675,524 A ist eine Anordnung zur Reduzierung der Raumlaudungswirkung eines von einer Probenoberfläche emittierten Elektronenstrahls bekannt, da die Blende R nahe an der Probe angeordnet ist, wobei eine oder mehrere Steuerelektroden vorgesehen sind, die dazu eingerichtet sind, im Bereich unmittelbar vor der Probenoberfläche ein retardierendes elektrisches Feld zu erzeugen, um so eine möglichst schnelle Abtrennung des Untergrundes aus langsamen Elektronen vom zu untersuchenden Signal der Primärelektronen zu bewirken.
Eine ähnliche Anordnung ist auch der US 4,794,259 A zu entnehmen, die ebenfalls retardierende Felder zur Kontrolle der Raumladung und zur Signalgewinnung einsetzt.From the US 4,675,524 For example, an arrangement for reducing the space-effect effect of an electron beam emitted from a sample surface is known because the stop R is located close to the sample, with one or more control electrodes being arranged to provide a retarding electric field in the region immediately in front of the sample surface generate, so as to bring about the fastest possible separation of the substrate from slow electrons from the signal to be examined of the primary electrons.
A similar arrangement is also the US 4,794,259 A which also uses retarding fields to control the space charge and signal recovery.

Beide Patente beschreiben Anordnungen auf Basis einer Rastertechnik.Both patents describe arrangements based on a raster technique.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die raumladungs-induzierte Verfälschung der Energie- und Winkelverteilung der schnelleren Primärelektronen in einem abbildenden elektronenoptischen System, insbesondere auf Basis von Kathodenlinsen, schon am Entstehungsort kurz vor der Probenoberfläche weitmöglichst zu eliminieren.The object underlying the invention is to eliminate as far as possible the space charge-induced distortion of the energy and angular distribution of the faster primary electrons in an imaging electron-optical system, in particular based on cathode lenses, already at the point of origin just before the sample surface.

Zur Lösung der Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1. Hierbei wird mit geeigneten Elektrodenanordnungen, im folgenden Steuerelektroden genannt, ein abbremsendes und, je nach Einsatzfall, divergierendes oder konvergierendes elektrisches Feld unmittelbar vor der Probenoberfläche erzeugt. Dieses Feld führt zu einer schnellen Separation der langsamen von den schnellen Elektronen innerhalb von wenigen Picosekunden. Die Separation geschieht innerhalb einer Strecke von typisch 100 Mikrometern vor der Probenoberfläche, sodass der Effekt der Coulombkräfte zwischen langsamen und schnellen Elektronen raumzeitlich auf das unvermeidbare Mindestmaß reduziert wird. Es hat sich gezeigt, dass es möglich ist, die langsamen Elektronen bereits nach weniger als 50 Mikrometern von den schnellen zu trennen. Da in einem Puls die Zahl an langsamen Elektronen die der schnellen um mehrere Größenordnungen übertreffen kann, wird damit die Raumladungswirkung jenseits des Umkehrpunktes der langsamen Elektronen praktisch „ausgeschaltet“. Die verbleibende Coulombwechselwirkung im Ensemble der wenigen schnellen Elektronen ist um Größenordnungen schwächer und damit vernachlässigbar.To achieve the object, the features of claim 1. Here, with suitable electrode arrangements, hereinafter called control electrodes, a decelerating and, depending on the application, divergent or converging electric field generated directly in front of the sample surface. This field leads to a fast separation of the slow and fast electrons within a few picoseconds. The separation takes place within a distance of typically 100 microns in front of the sample surface, so that the effect of the Coulomb forces between slow and fast electrons is reduced spatially to the unavoidable minimum. It has been shown that it is possible to separate the slow electrons from the fast ones already after less than 50 micrometres. Since the number of slow electrons in a pulse can exceed that of the fast ones by several orders of magnitude, the space charge effect beyond the reversal point of the slow electrons is practically "switched off". The remaining Coulomb interaction in the ensemble of the few fast electrons is orders of magnitude weaker and therefore negligible.

Mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung kann somit eine substanzielle Reduzierung der Coulombwechselwirkung zwischen langsamen und schnellen Elektronen in einem Elektronenstrahl, der aus einer Festkörperoberfläche mittels Licht oder durch Elektronenbeschuss ausgelöst wurde, erreicht werden. Die Anordnung umfasst spezielle Geometrien von Elektroden, welche unmittelbar vor der Probenoberfläche ein retardierendes und divergierendes oder konvergierendes elektrisches Feld erzeugen. Dadurch werden die langsamen Elektronen des Untergrundsignals innerhalb der geringstmöglichen Zeit von den spektroskopisch zu untersuchenden schnellen Elektronen (Photoelektronen, Auger-Elektronen oder gestreute Elektronen) abgetrennt und so die Wirkung der Coulombkräfte der langsamen auf die schnellen Elektronen substanziell reduziert.By means of the arrangement according to the invention, a substantial reduction of the Coulomb interaction between slow and fast electrons in an electron beam which has been triggered from a solid surface by means of light or by electron bombardment can thus be achieved. The arrangement includes special geometries of electrodes which generate a retarding and diverging or converging electric field immediately in front of the sample surface. As a result, the slow electrons of the background signal are separated from the fast electrons (photoelectrons, Auger electrons, or scattered electrons) by the spectroscopic method in the least amount of time, thus substantially reducing the effect of the Coulomb forces of the slow to fast electrons.

Zur möglichst schnellen Abtrennung der unerwünschten langsamen Untergrundelektronen aus dem analysierten Elektronenstrahl werden in den erfindungsgemäßen Anordnungen segmentierte Steuerelektroden beschrieben, durch die sich Form und Stärke des elektrischen Feldes unmittelbar vor der Probenoberfläche einstellen lassen. Insbesondere eine Segmentierung in konzentrische Ringe erlaubt es, die divergierende Wirkung des Feldes so einzustellen, dass die langsamen Elektronen von der elektronenoptischen Achse weg nach außen abgelenkt werden, um die in der Nähe der Achse fliegenden schnelleren Primärelektronen möglichst wenig zu beeinflussen. Durch eine Segmentierung in sektorförmige Teilelektroden lässt sich zusätzlich eine nicht-axialsymmetrische Feldkomponente überlagern, sodass laterale Inhomogenitäten der Untergrundelektronen kompensiert werden können. Dies bewirkt eine Reduktion der integralen Raumladungswirkung um 1-3 Größenordnungen im Vergleich zum konventionellen Betriebsmodus eines vergleichbaren Kathodenlinsengerätes ohne Steuerelektrode. Die unten gezeigten Simulationen belegen, dass das Verfahren in einem großen Spektralbereich der Primärelektronen, insbesondere im Hochenergiebereich von mehreren keV Energie (bei Photonenanregung harter Röntgenbereich genannt), im Mittelenergiebereich von mehreren Hundert eV (weicher Röntgenbereich) und im Niederenergiebereich oberhalb von ca. 20 eV (Vakuum-Ultraviolettbereich) funktioniert. Aufgrund des abbremsenden anstelle eines beschleunigenden Feldes an der Probenoberfläche unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Anordnungen substanziell von den aus der Literatur bekannten Kathodenlinsengeräten [ DE 10 2013 005 173 B4 , EP 1559126 B9 , DE 10 2014 019408 B4 ; Review of Scientific Instruments 85, 113704 (2014) =https://doi.org/10.1063/1.4902141 ]. Bei allen bisher existierenden Kathodenlinsengeräten werden die aus der Probenoberfläche austretenden Elektronen in die Objektivlinse hinein beschleunigt. Die Sammlungseffizienz ist für die unerwünschten langsamen Elektronen sogar besonders groß. In der Arbeit von B. Schönhense et al. [New Journal of Physics, 20, 033004 (2018) ] ist gezeigt, dass aus diesem Sammeleffekt eine sehr starke Coulombabstoßung resultiert, die sich bei gängigen Objektivgeometrien über eine Distanz von typisch 80 mm erstreckt und deren integrale Kraftwirkung über diesen langen Weg zu den erwähnten großen Energieverschiebungen in der Größenordnung von 10 eV führt (berechnet und gemessen). Diese neuen Ergebnisse belegen, dass der Raumladungseffekt in solchen konventionellen Mikroskopoptiken wesentlich langreichweitiger ist, als in früheren Arbeiten vermutet wurde, siehe G. Schönhense et al. [Ultramicroscopy 159, 488 (2015) ]).For the fastest possible separation of the unwanted slow background electrons from the analyzed electron beam, segmented control electrodes are described in the arrangements according to the invention, by means of which the shape and strength of the electric field can be set directly in front of the sample surface. In particular, a segmentation into concentric rings makes it possible to adjust the diverging effect of the field so that the slow electrons are deflected away from the electron-optical axis to the outside in order to influence as little as possible the faster primary electrons flying near the axis. By segmenting into sector-shaped partial electrodes, a non-axisymmetric field component can be additionally superposed, so that lateral inhomogeneities of the background electrons can be compensated. This causes a reduction of the integral space charge effect by 1-3 orders of magnitude compared to the conventional operation mode of a comparable cathode lens apparatus without a control electrode. The simulations shown below show that the method covers a large spectral range of the primary electrons, especially in the high energy range of several keV energy (called X-ray range during photon excitation), in the middle energy range of several hundred eV (soft X-ray range) and in the low energy range above about 20 eV (Vacuum ultraviolet range) works. Due to the decelerating instead of an accelerating Field on the sample surface, the arrangements according to the invention differ substantially from the cathode lens devices known from the literature [ DE 10 2013 005 173 B4 . EP 1559126 B9 . DE 10 2014 019408 B4 ; Review of Scientific Instruments 85, 113704 (2014) = https://doi.org/10.1063/1.4902141 ]. In all previously existing cathode lens devices, the electrons exiting the sample surface are accelerated into the objective lens. The collection efficiency is even particularly large for the unwanted slow electrons. In the work of Schönhense et al. [New Journal of Physics, 20, 033004 (2018) ] is shown to result in a very strong Coulombabstoßung from this collection effect, which extends in conventional lens geometries over a distance of typically 80 mm and their integral force over this long path to the mentioned large energy shifts in the order of 10 eV leads (calculated and measured). These new results show that the space charge effect in such conventional microscope optics is significantly longer-range than previously assumed, see G. Schönhense et al. [Ultramicroscopy 159, 488 (2015) ]).

Eine Besonderheit der durch einen Pumplaser ausgelösten Elektronen liegt darin, dass ihre Verteilung lateral stark inhomogen sein kann. Der intensive, gepulste Infrarotstrahl kann lokalisierte Plasmonen anregen, deren Zerfall zu extrem starker lokaler Elektronenemission führt, siehe z. B. F. Schertz et al. [Nano Letters 12, 1885 (2012) und Phys. Rev. Lett. 108, 237602 (2012) ]. Die Elektronen aus solchen Emissionszentren können Coulombkräfte senkrecht zur optischen Achse hervorrufen, die zu einer nicht-axialsymmetrischen Deformation der Verteilung der Primärelektronen führen. Diese transversalen Coulombkräfte lassen sich durch sektorförmig segmentierte Steuerelektroden kompensieren.A peculiarity of the electrons released by a pump laser is that their distribution laterally may be highly inhomogeneous. The intense, pulsed infrared beam can excite localized plasmon whose decay leads to extremely strong local electron emission, see e.g. B. F. Schertz et al. [Nano Letters 12, 1885 (2012) and Phys. Rev. Lett. 108, 237602 (2012) ]. The electrons from such emission centers can cause Coulomb forces perpendicular to the optical axis, which lead to a non-axisymmetric deformation of the distribution of the primary electrons. These transverse Coulomb forces can be compensated by sector-shaped segmented control electrodes.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

• 1 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Basis einer in konzentrische Ringe segmentierten Steuerelektrode mit eingezeichneten Äquipotentiallinien und Elektronentrajektorien;
• 2 a-b eine Elektrodenanordnung auf Basis einer einzigen ringförmigen Steuerelektrode (a) im Vergleich mit der konventionellen Anordnung einer Kathodenlinse (b).
• 3 eine Elektrodenanordnung, bei der die äußere Steuerelektrode probenseitig vor der inneren angeordnet ist;
• 4 a-b den Fall eines sehr starken Abbremsfeldes von 70 V/mm zwischen Probe und Steuerelektrode, wobei die Primärelektronen praktisch ungestört das Abbremsfeld durchlaufen und die langsamen Elektronen bereits nach 100 Mikrometern Flugstrecke ihre Bewegungsrichtung umkehren (Detailbild (b));
• 5 eine weitere Ausführungsart der Steuerelektrode, welche in mehrere konzentrische Ringe segmentiert ist, sodass die divergierende oder konvergierende Wirkung des Feldes auf die langsamen Elektronen optimiert werden kann;
• 6 eine weitere Ausführungsart der Steuerelektrode, welche sektorförmig strukturiert ist, um inhomogene Verteilungen von langsamen Elektronen in ihrer Kraftwirkung zu kompensieren.

Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of the accompanying drawings. Show it:

• 1 a schematic cross-sectional view of a first embodiment of the device according to the invention based on a segmented in concentric rings control electrode with drawn equipotential lines and electron trajectories;
• 2 off an electrode assembly based on a single annular control electrode (a) in comparison with the conventional arrangement of a cathode lens (b).
• 3 an electrode assembly in which the outer control electrode is disposed on the sample side in front of the inner;
• 4 off the case of a very strong deceleration field of 70 V / mm between sample and control electrode, where the primary electrons pass through the deceleration field virtually undisturbed and the slow electrons reverse their direction of motion after only 100 micrometers of flight (detail image (b));
• 5 another embodiment of the control electrode which is segmented into a plurality of concentric rings so that the diverging or converging effect of the field on the slow electrons can be optimized;
• 6 a further embodiment of the control electrode, which is structured sector-shaped, to compensate for inhomogeneous distribution of slow electrons in their force effect.

Bei der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird beispielhaft auf die Anordnung einer einzelnen ringförmigen Steuerelektrode und einer in zwei Ringe segmentierten Steuerelektrode Bezug genommen.In the following description of preferred embodiments of the invention, reference will be made, by way of example, to the arrangement of a single annular control electrode and a control electrode segmented into two rings.

1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Reduzierung der Coulombkräfte in einem Elektronenstrahl aus einer Probenoberfläche (1) auf Basis einer in zwei konzentrische Ringe segmentierten Steuerelektrode (2) vor einer stark beschleunigenden Extraktorelektrode (3). An die innere Ringelektrode (21) wird eine negative Spannung (hier -3600 V) und an die äußere Elektrode (22) eine positive Spannung (+ 5000 V) in Bezug auf die Probe (0V) angelegt, um so am Ort der Probenoberfläche ein retardierendes stark divergierendes elektrisches Feld, erkenntlich an den gekrümmten Äquipotentiallinien (7), zu erzeugen. Durch dieses Feld werden die Trajektorien der langsamen Elektronen (4) (Startenergie hier 200 eV) weg von der optischen Achse (OA) abgelenkt und zur Probenoberfläche zurückgelenkt, während die Primärelektronen (5) (Startenergie 4000 eV) durch das Feld gebündelt und in ein reziprokes Bild (6) fokussiert werden. 1 stellt den Hochenergiefall dar und entspricht dem harten Röntgen-Spektralbereich, genannt HAXPES (Hard X-ray PhotoElectron Spectroscopy). Der unter flachem Winkel einfallende Lichtstrahl oder Elektronenstrahl ist der Übersichtlichkeit halber in allen Figuren nicht eingezeichnet. Bei den tatsächlichen Startenergien der Untergrundelektronen im Bereich von 0 bis 10 eV liegt der Umkehrpunkt bereits ca. 50 Mikrometer vor der Probenoberfläche. 1 shows a preferred embodiment of the inventive arrangement for reducing the Coulomb forces in an electron beam from a sample surface ( 1 ) based on a segmented in two concentric rings control electrode ( 2 ) in front of a strongly accelerating extractor electrode ( 3 ). To the inner ring electrode ( 21 ) is a negative voltage (here -3600 V) and to the outer electrode ( 22 ) applied a positive voltage (+5000 V) with respect to the sample (0V) so as to provide a retarding strongly divergent electric field at the site of the sample surface, recognizable by the curved equipotential lines (Fig. 7 ), to create. This field makes the trajectories of the slow electrons ( 4 ) (Starting energy here 200 eV) away from the optical axis ( OA ) and directed back to the sample surface while the primary electrons ( 5 ) (Starting energy 4000 eV) bundled through the field and into a reciprocal image ( 6 ). 1 represents the high energy case and corresponds to the hard X-ray spectral range called HAXPES (Hard X-ray PhotoElectron Spectroscopy). The light beam or electron beam incident at a shallow angle is not shown in all figures for the sake of clarity. At the actual starting energies of the background electrons in the range from 0 to 10 eV, the reversal point is already approx. 50 micrometres in front of the sample surface.

2 a zeigt eine Elektrodenanordnung mit nur einer Steuerelektrode (2), welche sich auf einem negativen Potential (hier - 300 V) bezüglich der Probenoberfläche (1) befindet und so die Trajektorien der langsamen Elektronen umkehrt, hier gezeigt für Startenergien von 2 eV (41) und 10 eV (42). Hingegen werden die Primärelektronen mit 500 eV Startenergie (5) durch die Steuerelektrode und nachfolgende Extraktorelektrode (3) (+ 2000 V) so fokussiert, dass am rechten Bildrand ein reziprokes Bild (6) entsteht. Um die Details des retardierenden Feldes nahe der Probenoberfläche zu zeigen, variiert die Schrittweite zwischen benachbarten Äquipotentiallinien (7) von 5 V im linken Bildbereich bis 200 V im rechten Bildbereich. 2 a shows an electrode arrangement with only one control electrode ( 2 ), which at a negative potential (here - 300 V) with respect to the sample surface ( 1 ) and thus reverses the trajectories of the slow electrons, shown here for Starting energies of 2 eV ( 41 ) and 10 eV ( 42 ). On the other hand, the primary electrons with 500 eV starting energy ( 5 ) through the control electrode and subsequent extractor electrode ( 3 ) (+ 2000 V) so focused that on the right edge of the image a reciprocal image ( 6 ) arises. In order to show the details of the retarding field near the sample surface, the step size varies between adjacent equipotential lines ( 7 ) from 5 V in the left image area to 200 V in the right image area.

2 b zeigt zum Vergleich die Trajektorien für eine vergleichbare Optik im normalen Betrieb eines Kathodenlinsen-Gerätes mit stark beschleunigender Extraktorelektrode (3) (hier auf + 8000 V). Die langsamen Elektronen mit Startenergien von 2 eV (41) und 10 eV (42) sowie die Primärelektronen mit 500 eV Startenergie (5) laufen parallel zur optischen Achse (OA), was zu stark erhöhter Coulombabstoßung über eine lange Wegstrecke führt. Die Äquipotentiallinien (7) haben eine gleichmäßige Schrittweite von 250 V, das reziproke Bild liegt außerhalb des gezeigten Bereiches. Die Startenergie von 500 eV stellt den Mittelenergiefall dar und entspricht dem weichen Röntgen-Spektralbereich, genannt soft-XPS (soft X-ray Photoelectron Spectroscopy). 2 B For comparison, the trajectories for a comparable optical system in the normal operation of a cathode lens apparatus with highly accelerating extractor electrode (FIG. 3 ) (here on + 8000 V). The slow electrons with starting energies of 2 eV ( 41 ) and 10 eV ( 42 ) as well as the primary electrons with 500 eV starting energy ( 5 ) run parallel to the optical axis ( OA ), resulting in greatly increased Coulomb repulsion over a long distance. The equipotential lines ( 7 ) have a uniform step size of 250 V, the reciprocal image is outside the range shown. The starting energy of 500 eV represents the middle energy case and corresponds to the soft X-ray spectral range, called soft-XPS (soft X-ray Photoelectron Spectroscopy).

3 zeigt eine Elektrodenanordnung, bei der sich die innere Steuerelektrode (21) auf schwach beschleunigenden Potenzial von + 40 V bezüglich der Probenoberfläche (1) befindet, während die äußere Steuerelektrode (22) auf retardierendem Potential (-108 V) liegt und so die Trajektorien der langsamen Elektronen umkehrt, hier gezeigt für Startenergien von 2 eV (41) und 1 eV (43). Hingegen werden die Primärelektronen mit 20 eV Startenergie (5) durch die Steuerelektrode und nachfolgende beschleunigende Elektrode (3) (+ 180 V) so fokussiert, dass ein reziprokes Bild (6) entsteht. In diesem Beispiel erweist sich ein konvergierendes Feld an der Probenoberfläche als vorteilhaft. Die Startenergie von 20 eV stellt den Niederenergiefall dar und entspricht dem Vakuum-Ultraviolett-Spektralbereich (VUV). 3 shows an electrode arrangement in which the inner control electrode ( 21 ) at a weakly accelerating potential of + 40 V with respect to the sample surface ( 1 ), while the outer control electrode ( 22 ) is at a retarding potential (-108 V) and thus reverses the trajectories of the slow electrons, shown here for starting energies of 2 eV ( 41 ) and 1 eV ( 43 ). On the other hand, the primary electrons with 20 eV starting energy ( 5 ) through the control electrode and subsequent accelerating electrode ( 3 ) (+ 180 V) so that a reciprocal image (6) is created. In this example, a converging field at the sample surface proves to be advantageous. The starting energy of 20 eV represents the low energy case and corresponds to the vacuum ultraviolet spectral range (VUV).

4 a zeigt den Fall von nur einer Steuerelektrode (2) und eines sehr starken Abbremsfeldes von 70 V/mm an der Probenoberfläche (1), wodurch die langsamen Untergrundelektronen mit Startenergien von 2 eV (41) und 10 eV (42) sehr nah vor der Probenoberfläche bereits umkehren, während die Primärelektronen mit 500 eV Startenergie (5) praktisch ungestört das Abbremsfeld durchlaufen und in ein unverzerrtes Impulsbild (6) fokussiert werden. Die Äquipotentiallinien (7) haben einen Abstand von 50 V. 4 a shows the case of only one control electrode ( 2 ) and a very strong deceleration field of 70 V / mm at the sample surface ( 1 ), whereby the slow underground electrons with starting energies of 2 eV ( 41 ) and 10 eV ( 42 ) in front of the sample surface, while the primary electrons with 500 eV start 5 ) pass undisturbed through the deceleration field and into an undistorted impulse pattern ( 6 ). The equipotential lines ( 7 ) have a distance of 50 V.

4 b zeigt den Detailbereich unmittelbar vor der Probenoberfläche (markiertes Rechteck in (a)), wo die langsamen Elektronen (hier aus einem größeren Bereich) bereits nach kurzer Flugstrecke ihre Bewegungsrichtung umkehren. Die Punkte an den Trajektorien markieren identische Flugzeiten (Isochronen) nach dem Lichtpuls. Bereits nach 50 ps erreichen die langsamen Elektronen mit Startenergie 2 eV (81) ihren Umkehrpunkt, die Elektronen mit 10 eV nach 100 ps (82). Die entsprechende 100 ps-Isochrone für die Primärelektronen (83) liegt bereits ca. 1,5 mm vor der Probenoberfläche, sodass die Coulombkräfte zwischen langsamen und schnellen Elektronen zu diesem Zeitpunkt bereits stark abgefallen sind. Die Ladungswolke der langsamen Elektronen in geringem Abstand von der Größenordnung einiger 10 Mikrometer vor einer leitfähigen Probenoberfläche wird zum Teil durch die sog. Bildladung (positive Ladungsverteilung auf der Oberfläche) abgeschirmt, was die Coulombkräfte auf die schnellen Primärelektronen weiter reduziert. 4 b shows the detail area immediately in front of the sample surface (marked rectangle in (a)), where the slow electrons (here from a larger area) already reverse their direction of movement after a short flight distance. The points on the trajectories mark identical flight times (isochrones) after the light pulse. Already after 50 ps reach the slow electrons with starting energy 2 eV ( 81 ) their reversal point, the electrons at 10 eV after 100 ps ( 82 ). The corresponding 100 ps isochrones for the primary electrons ( 83 ) is already about 1.5 mm in front of the sample surface, so that the Coulomb forces between slow and fast electrons have already fallen sharply at this time. The charge cloud of the slow electrons at a small distance of the order of a few 10 Micrometer in front of a conductive sample surface is partially shielded by the so-called image charge (positive charge distribution on the surface), which further reduces the Coulomb forces on the fast primary electrons.

5 zeigt eine weitere Ausführungsart der Steuerelektrode, welche in mehrere konzentrische Ringe segmentiert ist (23), sodass die divergierende oder konvergierende Wirkung des Feldes auf die langsamen Elektronen variiert werden kann und sich die gewünschte Feldform durch Höhe und Verhältnis der Spannungen (U₁, U₂, ... U_N) an den Segmenten einstellen lässt. Die Blickrichtung ist entlang der optischen Achse. 5 shows a further embodiment of the control electrode, which is segmented into a plurality of concentric rings ( 23 ), so that the diverging or converging effect of the field on the slow electrons can be varied and the desired field shape can be adjusted by the height and ratio of the voltages (U ₁ , U ₂ , ... U _N ) at the segments. The viewing direction is along the optical axis.

6 zeigt eine weitere Ausführungsart der Steuerelektrode, welche sektorförmig strukturiert ist (24), sodass sich durch Anlegen von verschiedenen Spannungen (U₁, U₂, ... U_N) an die einzelnen Sektoren inhomogene Verteilungen von langsamen Elektronen in ihrer Kraftwirkung kompensieren lassen. 6 shows a further embodiment of the control electrode, which is structured sector-shaped ( 24 ), so that by applying different voltages (U ₁ , U ₂ ,... U _N ) to the individual sectors inhomogeneous distributions of slow electrons can be compensated in their force effect.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Probenoberflächesample surface

22

Steuerelektrodecontrol electrode

33

beschleunigende Elektrode (Extraktor)accelerating electrode (extractor)

44

UntergrundelektronenUnderground electrons

55

Primärelektronenprimary electrons

66

reziprokes Bildreciprocal picture

77

Feldverteilung (Äquipotentialflächen)Field distribution (equipotential surfaces)

88th

Isochronen mit 100 Pikosekunden SchrittweiteIsochrones with 100 picoseconds increments

2121

innere Steuerelektrodeinner control electrode

2222

äußere Steuerelektrodeouter control electrode

2323

ringförmig segmentierte Steuerelektrode mit verschiedenen Potentialen U₁... U_N annular segmented control electrode with different potentials U ₁ ... U _N

2424

sektorförmig segmentierte Steuerelektrode mit verschiedenen Potenzialen U₁... U_N sector-shaped segmented control electrode with different potentials U ₁ ... U _N

4141

Untergrundelektronen mit 2 eV StartenergieUnderground electrons with 2 eV starting energy

4242

Untergrundelektronen mit 10 eV StartenergieUnderground electrons with 10 eV starting energy

8181

Isochronen für Elektronen mit 2 eV StartenergieIsochrones for electrons with 2 eV starting energy

8282

Isochronen für Elektronen mit 10 eV StartenergieIsochrones for electrons with 10 eV starting energy

8383

Isochronen für Elektronen mit 500 eV StartenergieIsochrones for electrons with 500 eV starting energy

OAOA

optische Achseoptical axis

rr

Radiuskoordinateradius coordinate

Claims (11)

Anordnung zur Reduzierung der Raumladungswirkung eines von einer Probenoberfläche (1) emittierten Elektronenstrahls in einem abbildenden Elektronenmikroskop mit einem retardierenden Feld bezüglich aus der Probenoberfläche austretender Elektronen, umfassend eine oder mehrere Steuerelektroden (2), die dazu eingerichtet sind, im Bereich unmittelbar vor der Probenoberfläche ein retardierendes elektrisches Feld (7) zu erzeugen, wobei die hinter den Steuerelektroden (2) angeordnete beschleunigende Elektrode (3) die Funktion eines Extraktors einer Kathodenlinse aufweist, um so eine möglichst schnelle Abtrennung des Untergrundes aus langsameren Elektronen (4) vom zu untersuchenden Signal der Primärelektronen (5) zu bewirken.Arrangement for reducing the space charge effect of an electron beam emitted from a sample surface (1) in an imaging electron microscope with a retarding field with respect to escaping electrons from the sample surface, comprising one or more control electrodes (2) arranged in the region immediately in front of the sample surface to produce a retarding electric field (7), wherein the behind the control electrodes (2) arranged accelerating electrode (3) has the function of an extractor of a cathode lens, so as fast as possible separation of the substrate from slower electrons (4) from the signal to be examined To cause primary electrons (5). Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Form und Stärke des elektrischen Feldes (7) vor der Probenoberfläche (1) durch die Wahl der Spannungen an den Steuerelektroden (2) veränderbar ist, um zusätzlich zur Retardierung eine divergierende oder konvergierende Feldkomponente zu erzeugen und so die Raumladungswirkung der langsamen Untergrundelektronen (4) zu verringern.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the shape and strength of the electric field (7) in front of the sample surface (1) by the choice of voltages on the control electrodes (2) is variable, in addition to the retardation to produce a diverging or converging field component and thus the space charge effect of to reduce slow background electrons (4). Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass hinter den Steuerelektroden (2) eine beschleunigende Elektrode (3) angeordnet ist, um ein reziprokes Bild (6) des zu analysierenden Elektronenstrahls (5) zu erzeugen.Arrangement according to Claim 1 or 2 , characterized in that behind the control electrodes (2) an accelerating electrode (3) is arranged to produce a reciprocal image (6) of the electron beam (5) to be analyzed. Anordnung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu analysierenden Primärelektronen durch harte Röntgenstrahlung, weiche Röntgenstrahlung oder Vakuum-Ultraviolettstrahlung aus der Probenoberfläche (1) ausgelöst werden.Arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the primary electrons to be analyzed by hard X-rays, soft X-rays or vacuum ultraviolet radiation from the sample surface (1) are triggered. Anordnung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu analysierenden Primärelektronen durch Elektronenbeschuss der Probenoberfläche (1) ausgelöst werden oder elastisch gestreut werden.Arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the primary electrons to be analyzed are triggered by electron bombardment of the sample surface (1) or are spread elastically. Anordnung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der anregende Lichtstrahl oder Elektronenstrahl zeitlich gepulst ist.Arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the exciting light beam or electron beam is pulsed in time. Anordnung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der anregende Lichtstrahl oder Elektronenstrahl zeitlich konstant ist.Arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the exciting light beam or electron beam is temporally constant. Anordnung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten beschleunigenden Elektrode (3) eine oder mehrere Steuerelektroden (2) zur Erzeugung einer bestimmten Form und Größe des elektrischen Feldes (7) unmittelbar vor der Probenoberfläche (1) angeordnet sind.Arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that in front of the first accelerating electrode (3) one or more control electrodes (2) for generating a specific shape and size of the electric field (7) are arranged immediately in front of the sample surface (1) , Anordnung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (2) in der Form eines einzelnen Ringes ausgebildet ist.Arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the control electrode (2) is formed in the form of a single ring. Anordnung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode aus mehreren konzentrischen Ringelementen (21, 22, 23) besteht, welche auf unterschiedliche Spannungen gelegt werden können, um die abbremsende und divergierende oder konvergierende Wirkung des elektrischen Feldes (7) auf die Untergrundelektronen (4) zu optimieren.Arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the control electrode consists of a plurality of concentric ring elements (21, 22, 23) which can be applied to different voltages in order to reduce the decelerating and diverging or converging effect of the electric field (7). to optimize the background electrons (4). Anordnung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode aus mehreren sektorförmigen Elementen (24) besteht, welche auf unterschiedliche Spannungen gelegt werden können, um so die Kraftwirkung von lateral inhomogenen Untergrundelektronen (4) zu kompensieren.Arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the control electrode consists of a plurality of sector-shaped elements (24) which can be placed on different voltages so as to compensate for the force of laterally inhomogeneous subterranean electrons (4).

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