DE3045013C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenspektrometer mit Einrichtungen zur Bestrahlung einer Probe mit Photonen oder Elektronen, einem Analysator zur Analyse der von der Probe infolge der Bestrahlung emittierten Elektronen, einer mit dem Analysator verbundenen Detektoreinrichtung für die analysierten Elektronen, wenigstens zwei im Abstand zueinander befindlichen, zwischen der Probe und dem Analysator angeordneten, in Richtung auf die Probe konkav geformten Gitterelementen, einer Energieversorgungseinrichtung zum Anlegen eines ersten Satzes von Potentialen an die Gitterelemente, um die Elektronen aus einem ausgewählten Bereich der Probenoberfläche zu analysieren, und zum Anlegen eines zweiten Satzes von Potentialen, um die Elektronen aus einem bestrahlten Bereich der Probenoberfläche, der viele Male größer als der ausgewählte Bereich ist, zu analysieren, und mit einer Schalteinrichtung zum Umschalten zwischen den beiden Sätzen von Potentialen.

Bei den Geräten zur Oberflächenuntersuchung gibt es zwei Hauptarten von Elektronen-Spektrometern. Die erste Art, wie sie beispielsweise aus der GB-PS 13 32 207 und der DE-AS 23 31 051 bekanntgeworden ist, umfaßt einen Halbkugel-Analysator (HSA) und wird hauptsächlich bei der Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) eingesetzt, bei der die Primärstrahlung, nämlich Röntgenstrahlen, eine relativ große Fläche der Probe, typischerweise 0,1 bis 1 cm², beaufschlagt und aus dieser Fläche Elektronen freisetzt. Bei dieser Art von Elektronenspektrometer ist es erforderlich, eine Einrichtung vorzusehen, um die freigesetzten Elektronen aus diesem relativ großen Bereich zu sammeln und die gesammelten Elektronen dem Analysator zuzuführen. Hierfür wurden im allgemeinen elektronenoptische Linsensysteme an einer Stelle zwischen der zu untersuchenden Probe und dem Analysator verwandt, und zwar in einer Weise, welche im wesentlichen so beschrieben werden kann, daß von der gesamten, bestrahlten Fläche ausgesandte Elektronen kollimiert und auf einen Punkt fokussiert werden, der sich am Eingang des Analysators befindet.

Bei der zweiten Art von Elektronenspektrometer, wie sie etwa aus der DE-AS 22 41 612 und dem "Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena". Vol. 5, November/Dezember 1974, S. 691-702 bekanntgeworden ist, wird ein Analysator mit zylinderförmigem Spiegel (CMA) verwandt und ein solches Elektronen-Spektrometer fand bisher bei der Auger-Elektronenspektroskopie (AES), insbesondere dort eine Anwendung, wo die Strahlungsquelle, d. h. die von dieser ausgehenden Elektronen auf eine kleine Fläche der Probe in der Größenordnung von 1 µm² oder sogar noch kleiner fokussiert werden. Bei dieser Anwendung wird es durch die geometrische Ausbildung der Elektronenkanone, die als Quelle für die Primärstrahlung verwandt wird, ermöglicht, daß die von der kleinen, bestrahlten Fläche ausgesandten Elektronen über einen großen Raumwinkel, typischerweise 0,5 Grad gesammelt werden, wodurch die Empfindlichkeit bei dieser Betriebsart maximalisiert wird.

Die bekannten beschriebenen Elektronenspektrometer werden nicht dem zunehmenden Bedürfnis gerecht, bei Oberflächenuntersuchungen nacheinander mit dem gleichen Gerät sowohl Photoelektronen - als auch Augerelektronenspektrometrie mit hoher Meßempfindlichkeit bzw. hoher Auflösung betreiben zu können. Entweder sind die elektronenoptischen Einrichtungen der Spektrometer mit einem Halbkugel-Analysator nicht dazu geeignet, dem Halbkugel-Analysator initiierte Augerelektronen aus einem großen Raumwinkelbereich zuzuführen, oder die Auflösung ist zu gering, wenn von einer verhältnismäßig großen bestrahlten Fläche emittierte Photoelektronen durch einen zylindrischen Spiegelanalysator analysiert werden sollen.

In dem "Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena", Vol. 5, November/Dezember 1974, S. 691-703 ist ein für die kombinierte Auger-/Photoelektronenspektrometrie vorgesehenes Analysegeräte beschrieben. Es weist zwei axial hintereinander angeordnete zylindrische Spiegelanalysatoren mit einer zwischen beiden Analysatoren und einer am Analysatorausgang angeordneten internen Blende sowie am Analysatoreingang angeordnete, zueinander beabstandete Gitterelemente auf, wobei das in Richtung auf den Analysator zweite Gitter mit einer negativen Bremsspannung beaufschlagbar ist. Bei der Photoelektronenspektrometrie wird die Energieauflösung dadurch optimiert, daß die Energie der Elektronen zwischen den Gittern um einen bestimmten Betrag reduziert wird.

Ein Nachteil dieses kombinierten Auger-/Photoelektronenspektrometers besteht darin, daß zur Optimierung der Meßbedingungen für Photo- und Augerelektronenspektroskopie jeweils interne Blenden mit unterschiedlichen Weiten erforderlich sind, die beim Übergang zwischen beiden Betriebsarten zu wechseln sind.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kombiniertes, sowohl für die Photo- als auch Augerelektronenspektrometrie einsetzbares Analysegerät für jeweils hohe Auflösung anzugeben, bei dem beim Übergang zwischen beiden Betriebsarten keine Veränderungen am Aufbau der Meßeinrichtung vorgenommen werden müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Spektrometer einen Halbkugel-Analysator 6 und ein elektronenoptisches Linsensystem 1 für den Empfang der von der Probe emittierten Elektronen und deren Weiterführung in den Analysator 6 aufweist, daß die Gitterelemente 1 a, 1 b am Eingang des Linsensystems angeordnet sind und einen Teil davon bilden, und daß an die übrigen Teile 1 c, 1 d, 1 e des Linsensystems 1 ein dem jeweiligen Potential der Gitterelemente 1 a, 1 b entsprechender Satz von Potentialen anlegbar ist. Das Spektrometer mit einem Halbkugel-Analysator und einem davor angeordneten elektronenoptischen Linsensystem wird für die Augerelektronenspektrometrie dadurch zusätzlich einsetzbar, daß die Elektronen durch die Gitterelemente derart ablenkbar sind, daß Abbildungsfehler des Linsensystems bei Sammlung der Elektronen über einen großen Raumwinkel minimiert sind.

Wird das Spektrometer als Photoelektronenspektrometer verwandt, so sind keine mechanischen Veränderungen am elektronenoptischen Linsensystem oder am Analysator erforderlich. Die Umschaltung erfolgt jeweils lediglich durch Anlegen unterschiedlicher Steuerungspotentiale an das elektronenoptische Linsensystem.

Insbesondere werden bei dem Anlegen eines ersten Satzes von Potentialen an die Gitterelemente die Elektronen innerhalb eines Raumwinkels entsprechend eines Konus mit einem großen Halbwinkel von beispielsweise 25° bis 30° gesammelt, und es wird eine große lineare Vergrößerung erzielt, beispielsweise im Bereich von 3 bis 20 und vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20.

Das elektronenoptische Linsensystem kann vorzugsweise eine Elektronenablenkeinrichtung aufweisen, an die mit Hilfe der Energieversorgungseinrichtung Potentiale anlegbar sind, um den ausgewählten Bereich auf irgendeine erwünschte Stelle auf der Probe zu lokalisieren.

Gemäß einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung kann die Energieversorgungseinrichtung eine Linsenabtasteinrichtung aufweisen, um zeitveränderliche Potentiale an die Elektronenablenkeinrichtung zu legen, um den ausgewählten Bereich über die Probe zu bewegen.

Ferner kann die Energieversorgungseinrichtung derart betreibbar sein, daß Elektronen mit einer ausgewählten Energie oder aus einem Energieintervall zu einem Brennpunkt an dem Analysator bringbar sind und daß durch Potentialänderung an den Linsenelementen die ausgewählte Energie oder das Energieintervall der fokussierten Elektronen veränderbar ist. Auf diese Weise kann eine Messung der Elektronendurchschnittsrate ausgewählter Energie oder eines Energieintervalls von dem untersuchten größeren Bereich der Probe erhalten werden.

Es wird insgesamt somit der Vorteil erreicht, daß durch Betätigung eines Schalters, mit dem verschiedene Sätze von Potentialen an die verschiedenen Elemente des elektronenoptischen Linsensystems angelegt werden, der Sammelwirkungsgrad geändert wird, so daß entweder Elektronen über einen relativ großen Flächenbereich, typischerweise von 0,1 bis 1 cm² im Falle der Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie gesammelt werden oder daß Elektronen über einen kleinen Bereich in der Größenordnung von 1 mm² oder weniger in einem Raumwinkel entsprechend eines Konus mit einem großen Halbwinkel von typischerweise 25° bis 30° im wesentlichen ohne Aberration für die Auger-Elektronenspektroskopie abgetastet wird, um die Mittelrate der Elektronen über den untersuchten Bereich der Probe zu bestimmen. Dies ermöglicht in einer einzigen Vorrichtung die Untersuchung der Probe mittels Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie und Auger-Elektronenspektroskopie mit hoher räumlicher Auflösung bei maximalem Wirkungsgrad in einer Weise, die bisher lediglich durch Verwendung zweier Analysenvorrichtungen möglich war. Ferner kann der abgetastete Bereich konstant gehalten werden, unabhängig davon, welche Elektronenenergie von dem Analysator durchgelassen wird.

Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße System eine Abtastung derart, daß Elektronen von kleinen Bereichen in der Größenordnung von weniger als 1 mm² bei der Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie gesammelt werden können.

Weitere vorzugsweise Augestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Längsschnittdarstellung durch ein elektronenoptisches Linsensystem mit großem Eintrittswinkel, das Teil eines Spektrometers nach der Erfindung ist, wobei mit unterbrochener Linienführung der Weg eines axialen Elektronenstrahls und mit durchgezogener Linienführung der Weg eines abgelenkten Elektronentstrahls gezeigt ist,

Fig. 2 im größeren Maßstab einen Teil des Linsensystems gemäß Fig. 1, wobei die Anordnung der Ablenkplatten gezeigt ist,

Fig. 3 eine Ansicht des Linsensystems entsprechend derjenigen der Fig. 2, wobei eine abgeänderte Anordnung der Ablenkplatten dargestellt ist, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Elektronenspektrometers nach der Erfindung, bei der eine Probe mit einer Flutbestrahlungstechnik bestrahlt wird.

Das elektronenoptische Linsensystem gemäß Fig. 1 umfaßt eine erste oder aberrationskompensierende Linse CL und eine zweite oder Zoom-Linse ZL, die in dieser Reihenfolge längs des Elektronenweges angeordnet sind. Die erste Linie weist die Komponenten 1 a und 1 b auf, die beide die Form eines teilweise durchlässigen, leitfähigen Gitters haben, wobei ihre Form in Richtung auf die Probe konkav ist und beispielsweise teilkugelförmige Oberflächen aufweisen können, deren Krümmungsmittelpunkt zwischen den Komponenten 1 a und der Mitte der Probe 4 liegen.

Das Linsensystem ist innerhalb einer Vakuumkammer, die nicht dargestellt ist, eingeschlossen und die Komponente 1 a des Linsensystems wird beispielsweise auf dem gleichen Potential wie das der Probe und der Vakuumkammer gehalten, welches als Erdpotential bezeichnet wird. Die Komponente 1 b, welche auf dem gleichen oder einem unterschiedlichen Potential von demjenigen der Komponente 1 a liegt, ist elektrisch und mechanisch mit der Komponente 1 c verbunden. Die erste Linse CL weist ferner die Komponenten 1 d und 1 e auf. Alle diese Komponenten 1 c, 1 d und 1 e, die in geeigneter Weise zylinderförmig ausgebildet sind, haben eine axiale Symmetrie bezüglich einer gemeinsamen Achse, wobei diese Achse auch die Krümmungsmittelpunkte der Komponenten 1 a und 1 b enthält. Die Linse CL ist ferner mit einer Elektronenablenkeinrichtung versehen, die eine magnetische oder eine elektrostatische Einrichtung sein kann, insbesondere eine Plattenanordnung P. Geeigneterweise umfaßt die Ablenkplattenanordnung, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, zwei Paare gegenüberliegender Platten P₁, P′₁ und P₂, P′₂, die allgemein im folgenden als Ablenkeinrichtung P bezeichnet werden.

Zwischen der ersten und der zweiten Linse ist eine Lochplatte 3 a innerhalb des Zylinders 1 e befestigt, welche die Ausdehnung des Strahles begrenzt und die eine axiale Symmetrie aufweisen kann oder auch nicht. Die zweite Linse ZL weist Komponenten 2 a, 2 b und 2 c auf, die alle eine axiale Symmetrie zur gemeinsamen Achse der Komponenten 1 c, 1 d und 1 e haben, wobei diese alle im allgemeinen auf verschiedenen Potentialen liegen. Die Komponente 1 e kann einstückig mit der Komponente 2 a ausgebildet sein, wobei diese einstückige Komponente somit eine gemeinsame Komponente der ersten und der zweiten Linse bildet. Die Komponente 2 c weist beispielsweise das gleiche Potential wie eine Streufeldplatte 5 auf, die am Eingang eines Elektronenenergieanalysators angeordnet ist, der noch zu beschreiben ist. Das Ende der Komponente 2 c trägt eine mit einer Öffnung versehene Platte 2 d.

Die erste oder aberrationskompensierende Linse CL wird in drei Betriebsarten betrieben. Bei der ersten sind die an die Linsenelemente 1 a, 1 b, 1 c, 1 d und 1 e gelegten Potentiale derart, daß ein vergrößertes Bild der von einem kleinen, ausgewählten Bereich der Probe ausgesandten Elektronen, wie z. B. die Bereiche C oder D in Fig. 1, bei oder nahe der Lochplatte 3 a scharf abgebildet wird, wobei die Lage des ausgewählten Bereiches durch die an die Ablenkeinrichtung P angelegten Potentiale bestimmt wird. Beispielsweise, wenn keine Potentiale an die Ablenkeinrichtung gelegt werden, ist der ausgewählte Bereich koaxial zu den Linsenelementen an der Stelle C in Fig. 1, und die ausgesandten Elektronen folgen Bahnen, wie jenen, die durch unterbrochene Linien in der Fig. 1 dargestellt sind. Wenn aber geeignete von Null verschiedene Potentiale an die Ablenkeinrichtung gelegt werden, befindet sich der ausgewählte Bereich außerhalb einer axialen Lage, wie z. B. die Lage D in Fig. 1, und die ausgesandten Elektronen folgen Bahnen, wie jenen, die durch die ausgezogenen Linien in Fig. 1 dargestellt sind. Bei dieser Betriebsart wirken die Linsenelemente 1 a und 1 b derart, daß sie die Elektronen verzögern und sie zur Achse brechen. Die weiteren Elemente 1 c, 1 d und 1 e der Linse CL wirken derart, daß sie das Elektronenbündel bei oder nahe der ebenen Platte 3 a fokussieren, und die Ablenkeinrichtung bewirkt, daß das fokussierte Bündel durch die Öffnung in der Platte 3 in einer axialen Richtung gelenkt wird. Die Linearvergrößerung des Bildes der Platte 3 a ist typischerweise im Bereich von 3 bis 20, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20, was hier als große Vergrößerung bezeichnet wird.

Wenn die Probe in geeigneter Weise bestrahlt wird, werden Elektronen über einen großen Winkelbereich ausgesandt. Lediglich jene Elektronen, die in die Linse CL innerhalb eines Konus eines begrenzten Raumwinkels eintreten, werden fokussiert. Die restlichen treffen auf die Linsenelemente auf und werden absorbiert.

Zwei Stufen von Ablenkeinrichtungen, wie die beiden Paare von gegenüberliegenden Platten P₁P′₁ und P₂P′₂ gemäß Fig. 1, sind notwendig, um die von einem außerhalb der Achse liegenden Bereich der Probe ausgesandten Elektronen, wie z. B. von einem Bereich D in Fig. 1, zu einer Stelle an der Platte 3 a zu bringen, so daß der Elektronenstrahl eine Brennpunktlage bei oder nahe der Öffnung in der Platte 3 a aufweist und auch eine mittlere Richtung längs der Achse der Linse aufweist. Die erste Ablenkstufe ändert den Neigungswinkel zur Linsenachse von dem Bündel von Bahnen von jenen Elektronen, die von dem außerhalb der Achse liegenden Bereich empfangen wurden, während die zweite Ablenkstufe dieses Bahnenbündel weiter korrigiert, so daß es koaxial zu den Linsenelementen wird. Die zwei Ablenkstufen erzeugen einen Weg in der Form eines "Hundebeines", wie es durch die durchgezogene Linienführung in Fig. 1 gezeigt ist. Durch Änderung der Größe der Ablenkung kann der ausgewählte Bereich D in Richtung auf oder von dem axialen Bereich C in jede Richtung bewegt werden.

Durch weitere Ablenkplatten in Ebenen, die zu jenen in Fig. 1 gezeigten rechtwinkelig sind, kann der ausgewählte Bereich in einer zu der Ebene der Fig. 1 senkrechten Richtung verschoben werden. Die weiteren Ablenkplatten können, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, zwei gegenüberliegende Platten P₃, P′₃ in der gleichen Stufe wie die Platten P₁, P′₁ und zwei gegenüberliegende Platten P₄, P′₄ in der gleichen Stufe wie die Platten P₂P′₂ umfassen. Andererseits, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, können die weiteren Ablenkplatten in einer Stufe zwischen den Platten P₁, P′₁ und P₂, P′₂ und in einer anderen Stufe hinter den Platten P₂, P′₂ angeordnet werden.

Die Formen, Lagen und Potentiale der Elemente der Linse CL sind bei dem ersten Betriebsmodus derart, daß die Linse verringerte sphärische und andere Aberrationen aufweist, so daß von der Probe ausgesandte Elektronen innerhalb eines Raumwinkels entsprechend eines Konus mit einem großen Halbwinkel von typischerweise 25°-30° empfangen werden können und dennoch in einen Fleck geringer Größe an oder in der Nähe der Öffnung der Platte 3 a fokussiert werden. Die Aberrationen, die vom Sammeln der Elektronen über einen großen Winkel herstammen, sind mindestens teilweise dadurch überwunden, daß die teilweise durchlässigen, leitfähigen Gitter bzw. Maschinengitter geeignete Form haben und daß an sie geeignete Potentiale angelegt werden. Bei besonderen Anwendungen können die notwendigen Formen und Potentiale dieser Gitter und der anderen Elemente der die Aberration kompensierenden Linse durch Computerrechnungen der Elektronenbahnen durch die aberrationskompensierende Linse für eine Vielzahl verschiedener Formen und Potentiale der Gitter und der anderen Elemente bestimmt werden, wobei jene Formen und Potentiale ausgewählt werden, die das Endbild mit den geringsten Aberrationen ergeben. Andererseits können die erforderlichen Formen und Potentiale der Gitter und der anderen Elemente dadurch bestimmt werden, daß experimentelle Messungen der Aberrationen des Endbildes über eine große Vielfalt verschiedener Formen und Potentiale durchgeführt werden.

Alle Linsen, die nur aus zylindersymmetrischen Elementen zusammengesetzt sind, die nicht durch die Achse hindurchgehen, weisen Aberrationen auf, die üblicherweise groß sind und nicht zu Null gemacht werden können, wohingegen mit Gittern die Möglichkeit besteht, einige der Aberrationen zu Null zu machen. Ferner werden durch die Verwendung von konkaven Gittern, zwischen denen ein Verzögerungsfeld vorliegt, Elektronen, die innerhalb eines großen Winkelbereiches (beispielsweise bis zu ± 30°) ausgesandt werden, gesammelt und zu einem nahezu parallelen Bündel zusammengefaßt, das dann einfacher durch die folgenden Linsen geleitet werden kann.

Während die Bedingung für die Aberrationskompensation beibehalten wird, können die Potentiale der Elemente der Linse CL verändert werden, um die kinetische Energie zu ändern, mit der die Elektronen die Öffnung in der Platte 3 a erreichen. Die Fokussierungswirkung der Linse wird über diesen Bereich beibehalten, indem an das Element 1 d das für die Änderung der kinetischen Energie geeignete Potential gelegt wird. Der mögliche Wertebereich für das Verhältnis der kinetischen Energie der fokussierten Elektronen an der Öffnung in der Platte 3 a zu der kinetischen Energie der gleichen Elektronen, die von der Probe ausgesandt werden, beträgt typischerweise von 1/50 bis 1/2.

Bei der ersten Betriebsart wird die Lage des ausgewählten Bereiches, von dem ausgesandte Elektronen empfangen werden, wie z. B. der Bereich D in Fig. 1, durch die Ablenkeinrichtung bestimmt, wie z. B. die Platten P₁, P′₁, P₂, P′₂ in Fig. 1. Wenn somit der gesamte Bereich der Probe fortwährend bestrahlt wird, ermöglicht die erste Betriebsart, ausgesandte Elektronen innerhalb eines Raumwinkels entsprechend eines Konus mit einem großen Halbwinkel aus einem begrenzten Bereich der einstellbaren Lage zu empfangen, wodurch es möglich ist, begrenzte Bereiche der Probe nacheinander zu untersuchen. Wenn andererseits ein begrenzter Bereich der Probe bestrahlt wird, wird der bestrahlte Bereich möglicherweise mit einer Rasterbewegung abgetastet, wobei es die erste Betriebsart ermöglicht, daß dieser Bereich, von dem Elektronen mit einem großen Wirkungsgrad empfangen werden, mit dem gerade bestrahlten Bereich in Übereinstimmung oder nahezu in Übereinstimmung gebracht wird, indem bewirkt wird, daß die Ablenkeinrichtung in geeigneter Weise synchron mit der Bestrahlungseinrichtung mit Energie versorgt wird, wodurch die Rate der empfangenen Elektronen erhöht wird.

Bei der zweiten Betriebsart der aberrationskompensierenden Linse CL sind die an die Linsenelemente gelegten Potentiale die gleichen, wie bei der ersten Betriebsart, jedoch werden oszillierende bzw. schwingende Potentiale an die Ablenkeinrichtung gelegt, damit der ausgewählte Bereich, wie z. B. D in Fig. 1, einen begrenzten Bereich abtastet, welcher größer als derjenige von D ist, der jedoch kleiner als der eines fortwährend bestrahlten Bereiches der Probe ist. Die Anzahl der Elektronen, die während der Zeit einer vollständigen Abtastung des definierten Bereiches ausgesandt werden, von dem Analysator empfangen werden und dann von der Detektoreinrichtung empfangen werden, wird über die Abtastzeit gemittelt, so daß die festgestellte Rate von Elektronen der ausgewählten Energie oder Energien einem mittleren Elektronenemissionsvermögen der Probe in dem definierten Bereich für Elektronen der Energie oder Energien entspricht. Durch Änderung der Amplitude und des Mittelwertes der an die Ablenkeinrichtung gelegten oszillierenden Potentiale kann die Lage der Grenzen des definierten Bereiches und seiner Mitte eingestellt und ausgewählt werden, und die Lage der Grenzen und der Mitte kann ferner angeordnet werden, so daß sie von der Anfangsenergie der ausgesandten, empfangenen und nachgewiesenen Elektronen unabhängig ist. Die Signalform der oszillierenden Potentiale, beispielsweise sinusförmig oder sägezahlförmig, wird in geeigneter Weise ausgewählt, so daß die nachgewiesene Elektronenrate einem gleichförmigen, oder wenn erwünscht, einem nicht gleichförmigen Durchschnitt des Elektronenemmissionsvermögens des begrenzten Bereichs entspricht.

Bei dieser zweiten Betriebsart können die Form und Amplitude der an die Ablenkeinrichtung angelegten oszillierenden Potentiale auch so ausgewählt werden, daß sie einer Rate von nachgewiesenen Elektronen entsprechen, welche einem mittleren Elektronenemissionsvermögen über den gesamten bestrahlten Bereich der Probe entspricht.

Bei der dritten Betriebsart der aberrationskompensierenden Linse CL wird ein unterschiedlicher Satz von Potentialen an die Linsenelemente 1 a, 1 b, 1 c, 1 d und 1 e und ein Null- Potential an die Ablenkeinrichtung gelegt, so daß ein Bild der von dem gesamten bestrahlten Bereich der Probe ausgesandten Elektronen, welcher die Bereiche C und D in der Fig. 1 einschließen würde, an oder in der Nähe der Öffnung in der Platte 3 a fokussiert wird. Bei dieser Betriebsart liegen üblicherweise die Elemente 1 a, 1 b, 1 c und 1 d im wesentlichen auf dem gleichen Potential, und die Elemente 1 d und 1 e bewirken, daß die Elektronen abgebremst und die Elektronenstrahlen an oder in der Nähe der Öffnung fokussiert werden. Das Verhältnis der kinetischen Energie der fokussierten Elektronen zu der kinetischen Energie der gleichen Elektronen, die von der Probe ausgesandt werden, ist typischerweise im Bereich von 1/30 bis 1/10. Mit dieser Betriebsart beträgt die Linearvergrößerung des Bildes an der Platte 3 a ungefähr 1 oder weniger, und sie liegt typischerweise im Bereich von 3/2 bis 1/2, und der Raumwinkel entsprechend dem Halbwinkel des Konus, in dem die von jedem Teil des bestrahlten Bereiches der Probe ausgesandten Elektronen empfangen werden, ist entsprechend in seinem Wert verringert, der typischerweise im Bereich von 10° bis 1° liegt. Die Linse wirkt somit als ein Kollimator.

Die Potentiale an den Linsenelementen und der Ablenkeinrichtung werden durch Stromversorgungskreise geliefert, die keinen Teil der Erfindung darstellen, die jedoch Schaltereinrichtungen enthalten, die ermöglichen, die an die verschiedenen Linsenelemente gelegten Potentiale zu ändern. Die Linse CL wird zwischen den verschiedenen Betriebsarten durch die richtige Betätigung der Schaltereinrichtung des Stromversorgungskreises geschaltet, ohne daß die Notwendigkeit einer mechanischen Abänderung der Linsenelemente bestünde.

Die zweite oder ZOOM-Linse ZL empfängt das Elektronenbild bei oder nahe der Öffnung in der Platte 3 a und bildet ein fokussiertes Bild bei oder nahe der Öffnung der Platte 5, die der Eingang zu einem Elektronen-Energieanalysator ist. Das Element 2 a liegt auf dem gleichen Potential wie das des Elementes 1 e der Linse CL und der Platte 3 a. Das Element 2 d weist ein Potential auf, welches typischerweise gleich oder ungefähr gleich demjenigen der Platte 5 ist. Das Verzögerungsverhältnis, d. h., das Verhältnis der kinetischen Energie der empfangenen Elektronen an der Platte 3 a zu der kinetischen Energie der gleichen Elektronen an der Platte 5 ist durchgehend innerhalb eines Wertebereiches, welcher typischerweise von 5 bis 1/5 reicht, veränderbar. Die Fokussierungswirkung der Linse wird über diesen Bereich dadurch aufrechterhalten, daß an das Element 2 d das für das Verzögerungsverhältnis geeignete Potential gelegt wird.

Das kombinierte System der Linsen CL und Linse ZL wird üblicherweise in einer von zwei Arten betrieben. Die erste dieser Arten wird als diejenige mit fester Analysatorübertragung beschrieben. Bei dieser werden die ausgesandten Elektronen, die untersucht werden sollen und die bei der Emission von der Probe die kinetische Anfangsenergie E _i haben, an der Platte 5 durch die bereits beschriebene Linsenanordnung fokussiert und an der Platte 5 auf eine konstante, vorbestimmte, kinetische Energie E _a gebracht, auf deren Durchgang der Analysator eingestellt ist. Die an die Linsenelemente angelegten Potentiale sind deshalb derart, daß sich die bereits beschriebene Fokussierungswirkung ergibt und daß gleichzeitig die erforderliche Änderung der kinetischen Energie von E _i auf E _a erfolgt. Wenn es erwünscht ist, den Bereich der möglichen Energien E _i der ausgesandten Elektronen abzutasten, müssen die an die Linsenelemente angelegten Potentiale synchron und in geeigneter Weise eingestellt werden, um die Fokussierungsbedingungen aufrecht zu erhalten und die kinetische Energie der Elektronen an der Platte 5 auf dem Wert E _a zu halten.

Die zweite Betriebsart des kombinierten Systems aus der Linse CL und der Linse ZL wird als die Art mit festem Verzögerungsverhältnis beschrieben. Bei dieser werden die Elektronen, mit denen untersucht werden soll und die die kinetische Anfangsenergie E _i haben, an der Platte 5 in der bereits beschriebenen Weise fokussiert und an der Platte 5 auf eine kinetische Energie E _a gebracht, welche ein konstanter, vorbestimmter Teil 1/R von E _i ist. Die an die Linsenelemente und die Analysatorelemente angelegten Potentiale sind derart, daß sich die bereits beschriebene Fokussierwirkung ergibt und daß gleichzeitig das geforderte Verhältnis R zwischen E _i und E _a erhalten wird, damit die Elektronen mit der Energie E _a durch den Analysator hindurchgehen können. Wenn es erwünscht ist, den Bereich möglicher Energien E _i der ausgesandten Elektronen abzutasten, müssen die an die Linsenelemente und die Analysatorelemente angelegten Potentiale synchron und in geeigneter Weise eingestellt werden, um die Fokussierungsbedingungen, das Verhältnis R und die Durchgangsbedingungen für den Analysator aufrecht zu erhalten.

Es ist möglich, die Linse CL bei der Betriebsart mit festem Analysatordurchgang und mit festem Verzögerungsverhältnis alleine zu betreiben, ohne daß die Linse ZL zwischen der Linse CL und dem Analysator vorhanden ist, aber es liegt dann eine Verringerung des Bereiches der Energien E _a vor, die die empfangenen und fokussierten Elektronen am Eingang des Analysators haben können, und daher ergibt sich eine Verringerung des Bereiches der Elektronenenergieauflösung, mit der der Analysator betrieben werden kann.

Fig. 4 zeigt schematisch das gesamte Spektrometer, welches die Linsenanordnung 1, einen Elektronenenergie-Halbkugelanalysator 6 mit der Streuplatte 5 an seinem Eingang und Ausgang, eine Elektronendetektoreinrichtung 7, die am Ausgang des Analysators angeordnet ist, einen Verstärker 8 und eine Anzeigeeinrichtung 9 aufweist. Die Anzeigeeinrichtung 9 ist geeigneterweise eine Kathodenstrahlröhre, die mit der Detektoreinrichtung über den Verstärker verbunden ist, so daß die Kathodenstrahlröhrenanzeige durch das Ausgangssignal von der Nachweiseinrichtung intensitäts- oder ablenkungsmäßig moduliert wird. Andererseits kann die Anzeigeeinrichtung 9 ein X-Y-Aufzeichnungsgerät sein, wobei der Y-Eingang mit der Nachweiseinrichtung über den Verstärker und der X-Eingang synchron mit der Energieversorgungseinrichtung zum Abtasten der Energie E _i der ausgesandten Elektronen, die empfangen und nachgewiesen werden, abgetastet wird. Die Detektoreinrichtung 7 umfaßt eine Meßeinrichtung für die Durchschnittsanzahl von empfangenen Elektronen während irgendeiner oder mehrerer Abtastungen der Probe, oder ist damit verbunden. Der dargestellte Analysator ist ein elektrostatischer, halbkugelförmiger Ablenkungsanalysator, kann jedoch auch andererseits ein anderer elektrostatischer oder magnetischer Analysator sein.

Ein Energieversorgungsschaltkreis 10 ist mit den Linsenelementen verbunden, um geeignete Potentiale an sie zu legen, und ein Abtastgenerator 11 ist mit der Ablenkplattenanordnung P verbunden, damit geeignete, zeitabhängige, elektrische Signalformen an die Platten gelegt werden, um mit dem ausgewählten Bereich D die Probe abzutasten, wie es gefordert wird. Der Abtastgenerator 11 kann durch den Energieversorgungsschaltkreis 10 gesteuert werden, damit die Ablenkeinrichtung synchron mit der Energieversorgungseinrichtung zum Abtasten der Energie E _i der ausgesandten Elektronen, die empfangen und nachgewiesen werden, verändert werden kann. Andererseits kann der Abtastgenerator auch mit den Ablenkplatten 9 a, 9 b der Kathodenstrahlröhre 9 verbunden sein, um die Anzeige synchron mit der Abtastung der Linsenablenkplatten P abzutasten, wenn es erwünscht ist.

Es hat sich häufig herausgestellt, daß, wenn die Untersuchung einer Probe durchgeführt wird, wobei ein Spektrometer mit einem halbkugelförmigen, elektrostatischen Analysator, wie bei dem vorhergehend beschriebenen Spektrometer, oder ein Energieanalysator mit zylinderförmigem Spiegel verwandt wird, und große Bereiche untersucht werden, indem mit einem feinfokussierten Bestrahlungsstrahlenbündel die Probe abgetastet wird, die äußeren Teile des abgetasteten Bereiches nicht durch einen Analysator fokussiert werden, der mit einer herkömmlichen Linse hoher Vergrößerung versehen ist. Beide Arten von Spektrometern können nur Bereiche von einigen wenigen hunderten µm abtasten, ohne daß die Fokussierung verloren geht oder daß größere Intensitätsverluste auftreten. Dies liegt daran, daß der Bereich der Probe, der Auger-Elektronen aussendet, welcher der von dem Bestrahlungsstrahlenbündel beaufschlagte Bereich ist, nicht ganz auf der Achse der Linse liegt. Jedoch ist es durch Verwendung eines Linsenablenksystems, wie es vorhergehend beschrieben worden ist, möglich, die Elektronenbahnen von solchen außerhalb der Achse aussendenden Bereichen zu der Linsenachse zurückzuführen, und durch synchrones Abtasten sowohl der Linse als auch des Bestrahlungsstrahlenbündels über die Probe ist es möglich, eine große Elektronenrate in einem fokussierten Strahlenbündel am Eingang des Analysators zu erhalten.

Obgleich hier auf einen halbkugelförmigen Analysator Bezug genommen worden ist, sollen mit diesem Ausdruck nicht nur jene mit 180° sondern auch andere Abschnitte einer vollen Kugel, beispielsweise von 120° bis 180° umfaßt werden.

Claims (10)

1. Elektronenspektrometer mit Einrichtungen zur Bestrahlung einer Probe (4) mit Photonen oder Elektronen, einem Analysator (6) zur Analyse der von der Probe (4) infolge der Bestrahlung emittierten Elektronen, einer mit dem Analysator (6) verbundenen Detektoreinrichtung (7) für die analysierten Elektronen, wenigstens zwei im Abstand zueinander befindlichen, zwischen der Probe (4) und dem Analysator (6) angeordneten, in Richtung auf die Probe konkav geformten Gitterelementen (1 a, 1 b), einer Energieversorgungseinrichtung (10) zum Anlegen eines ersten Satzes von Potentialen an die Gitterelemente, um die Elektronen aus einem ausgewählten Bereich der Probenoberfläche zu analysieren, und zum Anlegen eines zweiten Satzes von Potentialen, um die Elektronen aus einem bestrahlten Bereich der Probenoberfläche, der viele Male größer als der ausgewählte Bereich ist, zu analysieren, und mit einer Schalteinrichtung zum Umschalten zwischen den beiden Sätzen von Potentialen, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrometer einen Halbkugel-Analysator (6) und ein elektronenoptisches Linsensystem (1) für den Empfang der von der Probe emittierten Elektronen und deren Weiterführung in den Analysator (6) aufweist, und daß die Gitterelemente (1 a, 1 b) am Eingang des Linsensystems, angeordnet sind und einen Teil davon bilden, und daß an die übrigen Teile (1 c, 1 d, 1 e) des Linsensystems (1) ein dem jeweiligen Potential der Gitterelemente (1 a, 1 b) entsprechender Satz von Potentialen anlegbar ist.

2. Elektronenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenoptische Linsensystem (1) eine Elektronenablenkeinrichtung (P₁, P′₁, P₂, P′₂, P₃, P′₃, P₄, P′₄) aufweist und daß mit der Energieversorgungseinrichtung (10) Potentiale an die Ablenkeinrichtung legbar sind, um den ausgewählten Bereich auf irgendeine erwünschte Stelle auf der Probe (4) zu lokalisieren.

3. Elektronenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtung (10) eine Linsenabtasteinrichtung (11) aufweist, um zeitveränderliche Potentiale an die Elektronenablenkeinrichtung (P₁, P′₁, P₂, P′₂, P₃, P′₃, P₄, P′₄) zu legen, um den ausgewählten Bereich über die Probe (4) zu bewegen.

4. Elektronenspektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtung (10) derart betreibbar ist, daß Elektronen mit einer ausgewählten Energie oder mit einem Energieintervall zu einem Brennpunkt an dem Analysator bringbar sind und daß durch Potentialänderung an den Linsenelementen die ausgewählte Energie oder das Energieintervall der fokussierten Elektronen veränderbar ist.

5. Elektronenspektrometer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenabtasteinrichtung (11) derart betreibbar ist, daß oszillierende bzw. schwingende Potentiale an die Ablenkeinrichtung (P₁-P′₄) anlegbar sind, um ein durchgehendes Abtasten der Probe (4) zu ermöglichen und damit Elektronen aus einem Bereich aufzunehmen, welcher größer als der ausgewählte Bereich ist.

6. Elektronenspektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Einrichtungen zum Bestrahlen der Probe (4) nur der ausgewählte Bereich oder ein begrenzter Bereich der Probe unter Einschluß des ausgewählten Bereichs bestrahlbar ist und daß die Probe synchron mit der Linsenabtasteinrichtung (11) abtastbar ist.

7. Elektronenspektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß von der Bestrahlungseinrichtung zu jedem Zeitpunkt die Gesamtheit der Fläche der Probe, die von dem Linsensystem (1) abgetastet wird, bestrahlbar ist.

8. Elektronenspektrometer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeeinrichtung (9) mit der Detektoreinrichtung (7) so verbunden ist, daß die Anzeige durch den Ausgang der Detektoreinrichtung (7) intensitätsmoduliert oder ablenkungsmoduliert ist, und daß eine Einrichtung zum Abtasten der Anzeigeeinrichtung (9) synchron mit der Linsenabtasteinrichtung (11) vorgesehen ist.

9. Elektronenspektrometer nach Anspruch 5, 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Mittelung des Signals von der Detektoreinrichtung (7) über den gesamten, während eines oder mehrerer Abtastzyklen abgetasteten Bereiches vorgesehen ist.

10. Elektronenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Satz von Potentialen bewirkt, daß das Linsensystem (1) als ein Kollimator arbeitet und Elektronen gleichzeitig von dem größeren Bereich aufnimmt.