DE3438987A1

DE3438987A1 - Auger-elektronenspektrometer mit hoher aufloesung

Info

Publication number: DE3438987A1
Application number: DE19843438987
Authority: DE
Inventors: Yoshiro Fuchu Tokio/Tokyo Shiokawa
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1983-10-24
Filing date: 1984-10-24
Publication date: 1985-05-02
Also published as: JPH0313702B2; DE3438987C2; JPS6091544A; US4639597A

Description

Die Erfindung betrifft ein Auger-Elektronenspektrometer zum Analysieren der Oberfläche eines Gegenstandes mit Auger-Elektronen. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf eine Elektronenkanone zur Verwendung in dem Auger-Elektronenspektrometer zum Richten eines Elektronenstrahls auf die Oberfläche.

Im allgemeinen hat die Elektronenkanone eine Elektronenstrahlachse, die zu der Oberfläche gerichtet ist, eine Elektronenstrahlquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls längs der Achse und ein Elektronenlinsensystem zwischen der Elektronenstrahlquelle und der Oberfläche, auf welche

der Elektronenstrahl längs der Elektronenstrahlachse einfällt.

In bisherigen Auger-Elektronenspektrometern umfaßt das Elektronenlinsensystem entweder nur elektrostatische Linsen oder nur elektromagnetische Linsen. Die elektromagnetischen Linsen bestehen aus Spulen und werden häufig spulenerregte Elektronenlinsen genannt. Wenn die Elektronenstrahlkanone nur elektrostatische Linsen -umfaßt, hat der Elektronenstrahlfokus auf der Oberfläche einen großen Durchmesser, da jede elektrostatische Linse eine große sphärische Aberration aufweist. Dies wirkt sich nachteilig auf die Auflösung der Analyse aus. Wenn die Elektronenkanone nur spulenerregte Elektronenlinsen aufweist, hat der Elektronenstrahlfokus auf der Oberfläche ebenfalls einen großen Durchmesser, da die spulenerregten Elektronenlinsen große Gesamtabmessungen aufweisen. Ferner ist es unmöglich, bei der Analyse einen ausreichend niedrigen Druck anzuwenden, da die spulenerregten Elektronenlinsen eine große Menge an Gas freisetzen. Die spulenerregten Elektronenlinsen haben auch ein ziemlich starkes magnetisches Streufeld, da jede spulenerregte Elektronenlinse eine Wicklung oder ein magnetisches Polstück von großen Abmessungen aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Auger-Elek-

tronenspektrometer für hohe Auflösung zu schaffen, bei dem der Fokus des Elektronenstrahls auf der zu analysierenden Oberfläche einen kleinen Durchmesser hat. Das Spektrometer soll mit sehr niedrigem Druck betreibbar sein und einen kleinen magnetischen Streufluß aufweisen.

Die Erfindung geht aus von einem Auger-Elektronenspektrometer mit einer Elektronenkanone zum Richten eines Elektronenstrahls auf die Oberfläche eines Gegenstandes, um diese zur Aussendung von Auger-Elektronen anzuregen, sowie einem Elektronenspektroskop zum Detektieren und Analysieren der Auger-Elektronen. Die Elektronenkanone hat eine Elektronenstrahlachse, die zur Oberfläche gerichtet ist, eine Elektronenquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls längs der Achse, und ein Elektronenlinsensystem zwischen der Elektronenstrahlquelle und der Oberfläche zum Führen des Elektronenstrahls zur Oberfläche entlang der Elektronenstrahlachse. Erfindungsgemäß umfaßt das Elektronenlinsensystem eine steuerbare elektrostatische Linsenanordnung nahe dem Elektronenstrahl zum steuerbaren Fokusieren des Elektronen-Strahls in einen steuerbar vorgeformten Strahl und ein Permanentmagnetelement näher an der Oberfläche als die elektrostatische Linsenanordnung zum Erzeugen eines Magnetfeldes, welches den vorgeformten Strahl auf die Oberfläche fokusiert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Auger-Elektronenspektrometer weiterhin eine Ionenkanone zum Richten eines Ionenstrahls auf die Oberfläche längs einer Ionenstrahlachse. Die Ionenstrahlachse schließt einen spitzen Winkel mit der Elektronenstrahlachse ein und konvergiert mit dieser im wesentlichen auf der Oberfläche. Das permanentmagnetische Element hat eine Innenwand, die einen inneren Raum für den vorgeformten Elektronenstrahl und für den Ionenstrahl umschließt.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch im Vertikalschnitt ein übliches Auger-Elektronenspektrometer;

Fig. 2 zeigt im Vertikalschnitt ein Auger-Elektronenspektrometer gemäß einer ersten Ausführungsform

der Erfindung;

Fig. 3, zeigen perspektivisch/ in Draufsicht und in 4 und 5

Axialschnitt ein Permanentmagnetelement als

Elektronenstrahllinse;

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung

der Wirkungsweise der Elektronenstrahlkanone nach

Fig. 2;

Fig. 7, zeigen Vertikalschnitte durch permanentmagnet-

und 9

erregte Elektronenstrahllinsen gemäß einer zweiten, dritten und vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 zeigt perspektivisch eine fünfte Ausführungsform einer mit permanentmagnetbetriebenen Elektronenstrahllinse für ein Auger-Elektronenspektrometer;

Fig. 11 zeigen schematische Darstellungen von zwei Be-
und 12

triebszuständen eines Auger-Elektronenspektrome-

ters gemäß einer sechsten Ausführungsform der
Erfindung.

Anhand von Fig. 1 wird zunächst ein übliches Auger-Elektronenspektrometer beschrieben, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Das Auger-Elektronenspektrometer hat eine Elektronenkanone 21 mit einer Elektronenstrahlachse. Die Oberfläche eines Gegenstandes oder einer Probe 23 erstreckt sich quer zur Elektronenstrahlachse. Die Elektronenstrahlkanone 21 strahlt einen Elektronenstrahl 24

auf die Oberfläche des Gegenstandes 23, um diese in bekannter Weise zur Aussendung von Auger-Elektronen anzuregen.

Die Elektronenkanone 21 umfaßt eine Elektronenstrahlquelle 25 zum Erzeugen des Elektronenstrahls 24 längs der Elektronenstrahlachse und ein Elektronenlinsensystem zwischen der Elektronenstrahlquelle 25 und der Oberfläche 23, um den Elektronenstrahl 24 entlang der Elektronenstrahlachse auf die Oberfläche zu führen.

Das Elektronenlinsensystem umfaßt eine erste, spulenerregte Elektronenlinse 26 nahe der Elektronenstrahlquelle 25, Diese erzeugt ein Magnetfeld zum Fokusieren des Elektronenstrahls 24 in einen steuerbar vorgeformten Strahl. Eine zweite spulenerregte Elektronenlinse 27 ist näher der Oberfläche des Gegenstandes 23 als die erste spulenerregte Elektronenlinse 26 angeordnet und erzeugt ein weiteres Magnetfeld zum Fokusieren des vorgeformten Strahls auf die Oberfläche. Jede der spulenerregten Elektronenlinsen 26 und 27 umfaßt eine Spule 29 und ein magnetisches Polstück 30, und beide sind von einer Vakuumwand 31 umgeben.

Ein zylindrischer Analysator 32 vom Spiegeltyp umfaßt innere und äußere koaxiale zylindrische Elektroden 23 und mit einer gemeinsamen Zylinderachse. Die innere zylindrische

Elektrode 33 umfaßt einen inneren zylindrischen Raum. Die äußere zylindrische Elektrode 34 umgibt den inneren zylindrischen Raum, wobei ein ringförmiger Zwischenraum zwischen der inneren und äußeren zylindrischen Elektrode 33 und 34 freigelassen wird. Der zylindrische Analysator vom Spiegeltyp detektiert und analysiert die Auger-Elektronen und ist somit als Elektronenspektroskop betreibbar.

Eine Ionenkanone 35 hat eine Ionenstrahlachse und richtet einen Ionenstrahl auf die Oberfläche des Gegenstandes 23, um diese zu ätzen. Die Ionenstrahlachse ist schräg zur Elektronenstrahlachse gerichtet und konvergiert mit der Elektronenstrahlachse im wesentlichen auf der Oberfläche,

Die Elektronenkanone 21, der zylindrische Analysator vom Spiegeltyp und die Ionenkanone 35 sind in einem (nicht dargestellten) Vakuumgefäß des Auger-Elektronenspektrometers angeordnet. Die Elektronenkanone 21 und die Ionenkanone 35 sind außerhalb des Analysators 32 angeordnet.

Diese Anordnung hat die folgenden Nachteile. Erstens hat die Spule 32 eine große Oberfläche und

setzt eine große Gasmenge frei. Infolgedessen muß die Spule 39 in der Atmosphäre angeordnet sein und kann sich nicht im Vakuum befinden, da das Auger-Elektronenspektrometer mit einem ultrahohen Vakuum betrieben werden muß. Deshalb muß die Spule 39 oder ein Teil von ihr oder das magnetische Polstück 30 von einer vakuumdichten Wand 31 umgeben sein oder in Harz eingegossen sein. Die Spule 29 muß eine hohe Anregekraft haben, da das magnetische Polstück 30 einen langen Spalt-d aufweist. Infolgedessen haben die spulenerregten Elektronenlinsen große Gesamtabmessungen. Dies führt zu ernsthaften Problemen, wie noch beschrieben wird, da das Elektronenspektroskop 32 und die Ionenkanone 35 in dem Auger-Elektronenspektrometer nahe der Probe 23 angeordnet werden müssen. Dies geht nur, wenn der Abstand zwischen dem Ende der Elektronenkanone 21 und der Probe 23, der häufig als Arbeitsabstand d bezeichnet

wird, sehr groß ist. Ein großer Arbeitsabstand d hat eine große sphärische Aberration zur Folge. Deshalb hat der Elektronenstrahl 24 auf der Probenoberfläche einen großen Durchmesser.

Zweitens gibt es aufgrund der Spule 29 und der Vakuumwand 31 Schwierigkeiten, in dem Vakuumgefäß des Auger-Elektronenspektrometers ein ultrahohes Vakuum zu erreichen. Die Spule 29 ist zwar in der Atmosphäre angeordnet. Die

Spule 29 kann aber bei Erhitzung beschädigt werden, da sie in Harz eingeschmolzen ist. Es ist deshalb bedenklich, für das Entgasen die Temperatur der Vakuumwand 31, die der Spule 29 benachbart ist, ausreichend aufzuheizen. Ferner hat die Vakuumwand 31 eine komplizierte Form und ist durch eine große Anzahl von elastomeren Dichtungen abgedichtet. Dies macht es zusätzlich schwierig, einen ausreichend niedrigen Druck für die Analyse zu erzielen.

Drittens ist es unmöglich, eine vollständige magnetische Abschirmung der Spule 29 durchzuführen, da deren Erregungskraft zu groß ist. Ferner haben die Spule 29 und das magnetische Polstück 33 große Abmessungen. Deshalb wird unvermeidlich in der Nähe der Probe 23 ein ziemlich starkes magnetisches Streufeld erzeugt, welches die Auger-Elektronen ablenkt. Hierdurch wird oft das gemessene Spektrum beeinträchtigt. Das magnetische Streufeld ist besonders nachteilig bei der Messung von niederenergetischen Auger-Elektronen .

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Auger-Elektronenspektrometer gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden für entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 1. Bei diesem Auger-Elektronenspektrometer ist eine neuartige Elektronenkanone 36 in dem inneren zylindrischen Raum des Analysators angeordnet, wobei die Elektronenstrahl-

achse mit der gemeinsamen Zylinderachse koinzident ist.

Das Elektronenlinsensystern der Elektronenkanone 36 umfaßt eine erste, elektrostatische Linse 37 nahe der Elektronenstrahlquelle 25. Diese erste, elektrostatische Linse erzeugt ein elektrisches Feld zum Vorfokusieren des Elektronenstrahls, so daß der Elektronenstrahl durch sie hindurch längs der Elektronenstrahlachse hindurchtreten kann. Eine zweite elektrostatische Linse 38 ist in größerem Abstand von der Elektronenstrahlquelle 25 als die erste elektrostatische Linse 37 angeordnet. Diese zweite elektrostatische Linse 38 erzeugt ein weiteres elektrisches Feld zum zusätzlichen Fokusieren des Elektronenstrahls zur Erzeugung eines vorgeformten Strahls. Die erste und zweite elektrostatische Linse 37 und 38 werden somit als Kondensatorlinse betrieben.

Ferner umfaßt das Elektronenlinsensystem eine durch Permanentmagnet erregte Elektronenlinse 39, die näher an der Probenoberfläche angeordnet ist als die zweite elektrostatische Linse 38. Die mit Permanentmagnet erregte Elektronenlinse 39 erzeugt ein Magnetfeld zum Fokusieren des vorgeformten Elektronenstrahls auf der Oberfläche. Die mit Permanentmagnet erregte Elektronenlinse 39 wird somit

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als Objektivlinse betrieben.

Eine Ionenkanone 35 ist im inneren zylindrischen Raum so angeordnet, daß die Ionenstrahlachse nicht mit der gemeinsamen Zylinderachse zusammenfällt. Die Ionenkanone 35 richtet einen Ionenstrahl auf die Probenoberfläche entlang der Ionenstrahlachse.

Gemäß Fig. 3 bis 5 umfaßt die mit Permanentmagnet erregte Elektronenlinse 39 eine Anzahl von Permanentmagnetstücken 41, Jedes dieser Permanentmagnetstücke 41 definiert eine Innenwand/ die einen inneren Raum für den Durchtritt des vorgeformten Elektronenstrahls und für den Ionenstrahl umgibt.

Jedes der Permanentmagnetstücke 41 hat eine der Innenwand gegenüberliegende Außenwand, eine zwischen Innen- und Außenwand liegende erste Stirnwand, die zur zweiten elektrostatischen Linse 38 gerichtet ist, und eine zweite zwischen Innen- und Außenwand liegende Stirnwand, die der ersten Stirnwand gegenüberliegt. Ein erstes magnetisches Polstück 42 hat eine erste öffnung und ist in Kontakt mit den ersten Stirnflächen der Magnetstücke 41, wobei die erste öffnung mit dem Innenraum in Verbindung steht. Ein zweites magnetisches Polstück 43 hat eine zweite öffnung und liegt an den zweiten Stirnflächen der Magnetstücke 41 an, wobei die zweite öffnung in Verbindung mit dem Innen-

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raum steht. Durch den Innenraum und durch die erste und zweite öffnung tritt der Elektronenstrahl hindurch.

Durch diesen Aufbau werden eine Reihe von Vorteile gegenüber den bisher üblichen Auger-Elektronenspektrometern erzielt, die im folgenden beschrieben werden.

Erstens werden eine Vakuumwand 31 und eine in Harz eingegossene Spule 29 nicht benötigt, da die mit Permanentmagnet erregte Elektronenlinse 39 direkt im Vakuum angeordnet werden kann. Deshalb hat die Elektronenkanone 39 einen sehr einfachen Aufbau. Ferner kann die Elektronenkanone 36 mit sehr geringer Anregungskraft betrieben werden, da die magnetischen Polstücke 42 und 43 einen sehr

kurzen Spalt d (Fig. 5) zwischen sich einschließen, m

Es ist wichtig für ein Auger-Elektronenspektroskop, daß darin keine Wärme erzeugt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer kann die permanenterregte Elektronenlinse 39 eine vorgegebene Erregungskraft bei wesentlich kleineren Abmessungen erzeugen als eine spulenerregte Elektronenlinse. Die erste und zweite elektrostatische Linse 37 und 38 können ebenfalls klein sein. Deshalb ist die Elektronenkanone 36 viel kleiner als die bisherige Elektronenkanone 21. Es ist daher möglich, den begrenzten

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Raum in dem Vakuumgefäß wirksam zu nutzen und den Arbeitsabstand d klein zu halten. Zusammen mit der kleiw

nen sphärischen Aberration, die man durch die mittels
Permanentmagnet erregte Elektronenlinse 39 erhält, ergibt sich ein sehr kleiner Durchmesser des Elektronenstrahls auf der Probenoberfläche 23.

Zweitens können die Permanentmagnetstücke 41 einer relativ hohen Temperatur von 200 oder 300° C standhalten. Der Aufbau ist einfach. Es ist deshalb möglich,
die gesamte Konstruktion ausreichend zum Entgasen auszuheizen und damit ein ausreichend hohes Vakuum für die Analyse zu erreichen.

Drittens ist es möglich, eine ausreichende magnetische Abschirmung durchzuführen und somit nachteilige Einflüsse auf das Spektrum auszuschalten. Dies ist möglich, weil man schwache Permanentmagnetstücke 41 verwenden kann
und die Permanentmagnetstücke 41 und die magnetischen Polstücke 42 und 43 kleine Abmessungen haben können.

Viertens können die Auger-Elektronen aus sämtlichen Bereichen rund um die gemeinsame Zylinderachse gesammelt werden, da die Elektronenkanone 36 in dem inneren zylindrischen Raum angeordnet und die gemeinsame Zylinderachse

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senkrecht zur Probenoberfläche 23 gerichtet ist. Deshalb erhält man eine hohe Auflösung, auch wenn die Probenoberfläche 23 uneben ist. Falls man spulenerregte Elektronenlinsen in dem inneren zylindrischen Raum anordnen würde, würde der Aufbau sehr kompliziert und es würden sich schwerwiegende Einflüsse auf das Spektrum ergeben, da der Analysator 32 vom Zylxnderspxegeltyp einen hohen Wirkungsgrad hat und sehr empfindlich gegen magnetische Streufelder ist. Im Gegensatz dazu kann die mittels Permanentmagnet erregte Elektronenlinse 39 sehr leicht in dem inneren zylindrischen Raum angeordnet werden, da die Linse 39 kleine Abmessungen und ein sehr geringes magnetisches Streufeld hat.

Fünftens sind die Permanentmagnetstücke 41 in der beschriebenen Elektronenlinse 39 in Winkelabständen angeordnet und schließen deshalb eine Vielzahl von azimutalen Zwischenräumen zwischen sich ein. Durch diese azimutalen Zwischenräume können Auger-Elektronen hindurchtreten und es ist deshalb möglich, die Probe 23 sehr nahe der mit Permanentmagnet erregten Elektronenlinse 39 anzuordnen, d.h. mit einem kleinen Arbeitsabstand d (Fig. 2 und 5) zu arbeiten, im wesentlichen ohne

die Bahnen der Auger-Elektronen zu beeinträchtigen. Durch den kleinen Arbeitsabstand d kann man einen kleineren

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Durchmesser des Elektronenstrahls auf der Probenoberfläche erzielen. Es ist im übrigen nicht erforderlich, daß die Permanentmagnetstücke 41 als Ganzes kreissymmetrisch angeordnet sind, es genügt, daß sie nahe dem von ihnen umgebenen Innenraum kreissymmetrisch angeordnet sind. Es ist erwünscht, daß jedes Permanentmagnetstück 41, von der Probe 23 aus gesehen, eine geringe Breite hat. Es ist zu beachten, daß der Analysator 32 vom Zylinderspiegeltyp eine Vielzahl von Strahlen nahe "der Stelle, wo die Auger-Elektronen detektiert werden, aufweist. Die Permanentmagnetstücke 41 sind vorzugsweise entlang den Richtungen von der Achse des Analysators 32 zu den jeweiligen Strahlen ausgerichtet, so daß die Auger-Elektronen mit hohem Wirkungsgrad detektiert werden.

Sechstens kann bei dem in Fig. 2 bis 5 dargestellten Auger-Elektronenspektrometer der Winkel zwischen dem Elektronenstrahl und dem Ionenstrahl verringert werden, da der Ionenstrahl durch die mit Permanentmagnet erregte Elektronenlinse 39 hindurchtreten kann, wie noch beschrieben wird. Es ist deshalb möglich, eine hohe Auflösung in der Tiefenrichtung der Probe 23 zu erzielen. Normalerweise hat eine Probe 23 eine rauhe Oberfläche mit zahlreichen VorSprüngen und Vertiefungen. Wenn der Ionenstrahl mit der Flächennormalen einen großen Winkel, d.h. mit

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der rauhen Oberfläche einen kleinen Winkel bildet, werfen die Vorsprünge der Probe 23 große Schatten auf die Vertiefungen in der Richtung des Ionenstrahls. Hierdurch wird die Auflösung der Analyse in der Tiefenrichtung der Probe verringert. Es ist deshalb erwünscht, daß der Winkel zwischen dem Elektronenstrahl 24 und dem Ionenstrahl klein ist. Damit der Ionenstrahl nahezu senkrecht auf die Probenoberfläche auftreffen kann, ist in dem ersten magnetischen Polstück 41 ein Loch 42' für den Ionenstrahl vorgesehen, der in Fig. 5 als dicke durchgehende Linie gezeichnet ist. In einem der Permanentmagnetstücke 41 kann eine Verlängerung des Loches 42' vorgesehen sein. Das magnetische Feld hat übrigens eine sehr kleine Einwirkung auf den Ionenstrahl, da die Ionen eine große Masse haben. Somit kann der Winkel zwischen dem Elektronenstrahl 24 und dem Ionenstrahl reduziert werden.

Die Arbeitsweise der Elektronenkanone 36 wird anhand von Fig. 6 beschrieben. In dieser Figur ist f der Fokus auf der Probe 23 (Fig. 2 und 5); Q_Q ist der Apertur- oder Objektwinkel, θ_ο ist der Akzeptanzwinkel. Die erste und zweite elektrostatische Linse 37 und 38 haben jeweils elektrostatische Elektroden 44 und veränderbare Spannungsquellen 45.

Der Elektronenstrahl 24 wird von der Elektronenstrahl-

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quelle 25 erzeugt und hat eine Energie von mehreren tausend Elektronenvolt. Der Elektronenstrahl 24 wird durch die Linsen 37 bis 39 fokusiert und hat im Fokus f einen kleinen Durchmesser. Der Elektronenstrahl 24 erhält eine Fokusierungskraft durch die elektrischen Felder in den Linsen 37 und 38 und durch das Magnetfeld in der Linse 39. Es ist möglich, die Brennweite der Linsen 37 und 38 durch Verändern der Spannungsquelle 45 zu ändern. Dagegen hat die Linse 39 eine feste Brennweite. Trotz dieser festen Brennweite ist es möglich, die Lage des Fokus f zu verändern, indem die Brennweite der Linse 38 eingestellt wird. Die Justierung des Fokus f des Strahls 24 erfolgt somit über die Linse 38. Die Linse 37 definiert die Größe des Strahlstroms durch Änderung des Akzeptanzwinkels θ .

α.

Die Elektronenkanone 36 hat eine sehr kleine sphärische Aberration, da die magnetische Linse 39 als Objektivlinse verwendet wird. Es ist anzumerken, daß die Linsen 37 und 38 eine beträchtliche sphärische Aberration haben, da es sich um elektrostatische Linsen handelt. Es ist jedoch aus der Optik bekannt, daß die sphärische Aberration vernachlässigbar wird, wenn der Elektronenstrahl 24 einen kleinen Aperturoder Objektwinkel θ hat.

el

Es ist nicht vorteilhaft, in der Elektronenkanone 36 eine

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hohe Beschleunigungsspannung für den Elektronenstrahl 24 zu verwenden, da das Magnetfeld festliegt. Es ist jedoch zu beachten, daß ein Auger-Elektronenspektrometer die beste Detektierungsempfindlichkeit hat, wenn die Beschleunigungsspannung im Bereich von 3 bis 5 kV liegt. Jenseits dieses Bereiches ist nicht nur die Detektierungsempf indlichkeit schlecht, sondern die Probe kann beschädigt werden.

Fig. 7 zeigt eine andere, mit Permanentmagnet erregte Elektronenlinse 39 für ein Auger-Elektronenspektrometer gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Elektronenlinse 39 umfaßt ein einzelnes Permanentmagnetstück, welches wiederum mit 41 bezeichnet ist. Dieses Permanentmagnetstück 41 ist kegelstumpfförmig mit einer inneren Umfangsflache, einer dieser gegenüberliegenden äußeren Umfangsflache, einer ersten Stirnfläche zwischen der inneren und äußeren umfangsflache, welche zur zweiten elektrostatischen Linse 38 gerichtet ist, und eine zweite Stirnfläche gegenüber der ersten Stirnfläche und zwischen der inneren und äußeren Umfangsflache. Die Fläche der zweiten Stirnfläche ist kleiner als die der ersten Stirnfläche. Aufgrund dieser kleineren Fläche können die Auger-Elektronen außerhalb der äußeren Um-

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fangsflache vorbeifliegen, so daß die Probe 23 nahe an der mit Permanentmagnet erregten Elektronenlinse 39 angeordnet werden kann.

Das erste magnetische Polstück 42 hat eine erste öffnung und liegt an der ersten Stirnfläche des Permanentmagneten 41 an, wobei die erste öffnung mit dem Innenraum in Verbindung steht. Das zweite magnetische Polstück 43 hat eine zweite öffnung und liegt an der zweiten Stirnfläche des Permanentmagneten 41 an, wobei die zweite öffnung in Verbindung mit dem Innenraum steht. Der Innenraum und die erste und zweite öffnung bilden einen Durchtrittskanal für den vorgeformten Strahl.

Die durch Permanentmagnet 41 erregte Elektronenlinse 39 weist ferner eine ringförmige Elektrode 46 auf, die im Innenraum zwischen dem ersten und zweiten magnetischen Polstück 42 und 43 angeordnet ist. Diese ringförmige

Elektrode 46 dient zum Steuern des Magnetfeldes und umgibt ein Loch für den Durchtritt des Strahls. Die beiden magnetischen Polstücke 42 und 43 und die ringförmige Elektrode 46 sind gemeinsam als eine elektrostatische Linse mit frei variierbarer Brennweite betreibbar. Dabei wird den beiden magnetischen Polstücken 42 und 43 zwangs-

- 19 * Erzeugen eines elektrischen Feldes zum

weise eine gemeinsame Spannung gegeben. An die ringförmige Elektrode 43 wird eine elektrische Spannung angelegt, die von der gemeinsamen Spannung verschieden ist und relativ zu dieser einstellbar ist, um die Brennweite der elektrostatischen Linse zu ändern. In Kombination mit der magneterregten Elektronenlinse 39 bietet die ringförmige Elektrode 46 ein Mittel zum exakten Einstellen des Fokus f (Fig. 6) auch bei Variation der Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls 24 (Fig. 2 und 6).

Die in Fig. 8 gezeigte dritte Ausführungsform der magneterregten Elektronenlinse 39 entspricht im Aufbau der nach Fig. 7, wobei jedoch eine magnetische Kurzschlußbrücke 47 vorgesehen ist, die mit dem ersten und zweiten magnetischen Polstück 42 und 43 verbunden ist. Die Kurzschlußbrücke 47 besteht aus zwei Stäben aus ferromagnetischem Material, deren Enden an dem ersten bzw. zweiten magnetischen Polstück 42,43 befestigt sind und die zwischen ihren freien Enden einen Spalt bilden. Die freien Enden sind zu einem Paar von Kontakten (nicht dargestellt) geführt. Wie ein Relaisschalter werden die Kontakte in gesteuerter Weise geschlossen und geöffnet, und zwar durch mechanische Kräfte, magnetische Kräfte, elektrische Kräfte, Wärme od. dgl..

Durch diese Konstruktion ist es möglich, die Brennweite

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durch Schließen und öffnen der Kontakte zu ändern. Es ist somit möglich, die Brennweite der Elektronenkanone 36 (Fig. 2 und 6) fein einzustellen.

Die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform der permanenterregten Elektronenlinse 39 für das Auger-Elektronenspektrometer entspricht den beiden vorigen Ausführungsformen, hat jedoch eine magnetische Kurzschlußbrücke mit einer einzigen Stange 48, die das erste und zweite magnetische Polstück und 43 verbindet. Die Stange 48 besteht aus weichmagnetischem Material. Eine Spule 49 ist um die Stange 48 gewickelt und dient zur gesteuerten Veränderung der Magnetflußdichte in dem magnetischen Stab 48. Im Gegensatz zu der Kurzschlußanordnung 47 nach Fig. 8 kann mit der Kurzschlußanofdnung 48,49 nach Fig. 9 die Brennweite kontinuierlich eingestellt werden.

In Fig. 10 ist eine weitere permanentmagnetisch erregte Linse 39 zur Verwendung in einem Auger-Elektronenspektrometer gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese zeichnet sich durch einen schichtenweisen Aufbau an der mittleren ümfangsflache aus. Dieser Schichtenaufbau umfaßt eine alternierende Anordnung aus nichtmagnetischen dünnen Schichten 50 und magnetischen dünnen Schichten 51, die abwechselnd auf die Ümfangsflache aufgebracht sind, wobei eine der nichtmagnetischen Schichten 50 in di-

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rektem Kontakt mit dem Permanentmagneten 41 steht.

Grundsätzlich kann eine ein Magnetfeld erzeugende Quelle durch eine magnetische Schicht abgeschirmt werden, um das magnetische Streufeld zu reduzieren. Eine noch wirksamere magnetische Abschirmung erhält man durch eine Anzahl von magnetischen Schichten, zwischen denen mindestens eine nichtmagnetische Schicht angeordnet ist. Bei gegebener Dicke der magnetischen Abschirmung ergibt eine Anzahl von magnetischen Schichten eine bessere Abschirmwirkung als eine einzige magnetische Schicht. Es ist jedoch unmöglich, für eine solche magnetische Abschirmung an der permanentmagnetisch erregten Elektronenlinse 39 anzubringen, da sie sehr kleine Abmessungen und eine kegelförmige äußere Umfangsflache hat.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 ist die permanentmagnetisch erregte Elektronenlinse 39 magnetisch abgeschirmt, ohne daß Form und Abmessungen wesentlich verändert sind. Beispielsweise kann ein nichtmagnetischer Film 50 durch Beschichten der äußeren Umfangsfläche mit Kupfer mit einer Dicke von einigen hundertstel Millimetern gebildet werden. Ein magnetischer Film 51 wird auf der Kupferschicht durch Beschichten mit Eisen oder Nickel bis zu einer Dicke von mehreren hundertstel Millimetern gebildet. Diese Be-

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Schichtungen werden mehrere Male wiederholt. Es ist hierdurch möglich, den Permanentmagneten 41 vollständig abzuschirmen mittels eines Schichtenpaketes, welches nur etwa ein oder zwei Millimeter dick ist. Falls gewünscht, kann eine Maske verwendet werden, um die Beschichtung stellenweise wegzulassen.

Bei der sechsten Ausführungsform nach Fig. 11 und 12 wird eine Elektronenkanone 36 verwendet, deren einzelne Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen wie bei den vorigen Ausführungsformen gekennzeichnet sind. Gemäß Fig. und 12 werden die Elektronen in dem Elektronenstrahl 24 von der Elektronenstrahlquelle 35 in einen weiten Bereich gestreut. Nur ein Teil der Elektronen erreicht die Probe Der Akzeptanzwinkel θ ^ ist der Winkelbereich der Elektro-

Ct

nen des Elektronenstrahls 24, aus welchem die Elektronen die Probe 23 erreichen, während der Objektwinkel θ der Winkelbereich ist, aus welchem die Elektronen auf die Probe 23 auftreffen.

Es ist bekannt, daß ein Auger-Elektronenspektrorneter 36 eine Empfindlichkeit hat, die proportional zu dem Betrag des Elektronenstromes der auf die Probe 23 auftreffenden Elektronen ist. Da der Betrag des Elektronenstroms durch den Akzeptanzwinkel θ (Fig. 11 und 12) der von der Elek-

el

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tronenquelle 25 ausgesandten Elektronen abhängt, steigt die Empfindlichkeit bei Zunehmen des Akzeptanzwinkels θ

an. Andererseits ist es aus Gründen der räumlichen Auflösung erwünscht, daß die Elektronen auf der Probe 23 eine Abbildung von möglichst kleinen Abmessungen bilden. Die Größe der Abbildung hängt ab von dem Verkleinerungsmaßstab, d.h. dem Kehrwert der Vergrößerung, der repräsentiert wird durch das Verhältnis des Akzeptanzwinkels zum Objektwinkel (θ /©_) ." In Fig. 11 und 12 kann das

a ο

Verkleinerungsverhältnis z.B. 1:10 bzw. 1:100 betragen. *)

Beim üblichen Verfahren wird eine Blende zwischen der Elektronenquelle 25 und der elektrostatischen Linse 3 7 angeordnet. Die Blende wird so eingestellt, daß sie eine bestimmte öffnung hat und die Empfindlichkeit sowie räumliehe Auflösung steuert.

In Fig. 11 und 12 ist eine Blende 52 zwischen den elektrostatischen Linsen 37 und 38 angeordnet und hat eine öffnung von vorgegebener Größe. Bei dieser Konstruktion wird die öffnung der Blende nicht verändert, um die Empfindlichkeit und räumliche Auflösung zu steuern. Stattdessen wird bei der Elektronenkanone 36 eine elektrostatische Linse 37 von variabler Brennweite verwendet.

^ Die Bildgröße verringert sich mit der dritten Potenz

²⁴ des Objektwinkels e_Q,

In Fig. 11 ist die elektrostatische Linse 37 so gesteuert, daß sie eine große Brennweite hat. Hierdurch erhält man eine hohe Empfindlichkeit, da der Akzeptanzwinkel θ vergrößert wird. Dafür wird jedoch die räumliche Auflösung verringert, da man einen großen Abbildungsmaßstab von 1:10 hat und deshalb einen großen Objektivwinkel θ . In Fig. 12 ist die elektrostatische Linse 37 so gesteuert, daß ihre Brennweite klein ist. Infolgedessen erhält man eine hohe räumliche Auflösung, da der Abbildungsmaßstab auf etwa 1:100 verringert und der Objektivwinkel θ klein ist. Andererseits ist die Empfindlichkeit niedriger als in Fig. 11. Somit wird der Objektivwinkel θ verändert in Abhängigkeit von dem Abbildungsmaßstab durch Ändern der Brennweite der elektrostatischen Linse 37.

Im Rahmen der Erfindung sind auch Abänderungen der beschriebenen Ausführungsformen möglich. Z.B. können in Fig. 3 bis 5 die mehreren Permanentmagnete 41 durch einen einzigen Permanentmagneten ersetzt werden. Das Auger-Elektronenspektrometer kann einen Analysator vom Zweiweg-Zylinderspiegeltyp, vom Halbkugeltyp oder vom Bandpasstyp aufweisen. Die in Fig. 3 und 7 bis 10 gezeigten Permanentmagnetlinsen können miteinander kombiniert werden. Die Elektronenstrahlquelle 25 kann vom Typ der heißen Kathode

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oder der kalten Kathode sein. Jede der elektrostatischen Linsen 37 und 28 kann vom Zylinderlinsentyp, Butlertyp od. dgl. anstelle des Drei-Elektrodentyps nach Fig. 6 sein. Das Auger-Elektronenspektrometer kann mit anderen Analysiergeräten zum Analysieren der Oberfläche einer Probe 23 kombiniert werden. Solche weiteren Analysiergeräte können ein Elektronenspektrometer für chemische Analyse (ESCA), ein Sekundärionen-Massenspektrometer (SIMS), ein Ionen-Streuspektrometer (ISS) od. dgl. sein.

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Claims

Patentansprüche

1/. Auger-Elektronenspektrometer mit einer Elektronenstrahlkanone zum Richten eines Elektronenstrahls auf die Oberfläche einer Probe, um diese zum Imitieren von Auger-Elektronen anzuregen, und einem Elektronenspektroskop zum Detektieren und Analysieren der Auger-Elektronen, wobei die Elektronenstrahlkanone eine auf die Probenoberfläche gerichtete Elektronenstrahlachse, eine Elektronenstrahlquelle zum Erzeugen des Elektronenstrahls längs der Achse und ein Elektronenlinsensystem zwischen der Elektronenstrahlquelle und der Probenoberfläche zum Führen des Elektronenstrahls längs der Achse zur Probenoberfläche aufweist,
dadurch gekennzeichnet , daß das Elektronen-

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linsensystem aufweist: Eine steuerbare elektrostatische Linsenanordnung (37,38) in der Nähe der Elektronenstrahlquelle (25) zum steuerbaren Fokusieren des Elektronenstrahls zu einem steuerbar vorgeformten Strahl, und eine Permanentmagnetanordnung (39), welche näher an der Probenoberfläche (25) als die elektrostatische Linsenanordnung (27,28) angeordnet ist und ein den vorgeformten Elektronenstrahl auf die Probenoberfläche (23) fokusierendes Magnetfeld erzeugt.
2. Auger-Elektronenspektrometer nach Anspruch 1, wobei das Elektronenspektroskop einen Analysator vom Zylinderspiegeltyp aufweist mit einer inneren zylindrischen Elektrode, die einen inneren zylindrischen Raum umschließt, und einer äußeren zylindrischen Elektrode, die die innere zylindrische Elektrode mit einem ringförmigen Zwischenraum umgibt, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektronenstrahlkanone (26) in dem inneren zylindrischen Raum des Analysators (32) angeordnet ist.
3. Auger-Elektronenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetanordnung (39) eine Anzahl von Permanentmagnetstücken (41) umfaßt, die im Radialabstand von der Elektronenstrahlachse angeordnet sind und einen inneren Raum für den Durchtritt

des vorgeformten Elektronenstrahls freilassen, und daß die Permanentmagnetstücke (41) in Winkelabständen voneinander angeordnet sind und zwischen sich eine Anzahl von azimutalen Zwischenräumen für den Durchtritt der Auger-Elektronen freilassen, wobei die magnetische Achse jedes der Permanentmagnetstücke (41) parallel zur Elektronenstrahlachse liegt.
4. Auger-Elektronenspektrometer nach Anspruch 1, wobei das Spektrometer eine Ionenstrahlkanone zum Richten eines Ionenstrahls auf die Probenoberfläche aufweist, wobei die Achse des Ionenstrahls im Winkel zur Elektronenstrahlachse verläuft und mit dieser im wesentlichen auf der Probenoberfläche konvergiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetanordnung (39) ein oder mehrere Permanentmagnetelemente (41) aufweist, die einen inneren Raum für den Durchtritt des vorgeformten Elektronenstrahls und des Ionenstrahls umgeben.
5. Auger-Elektronenspektrometer nach Anspruch ΐ, dadurch gekennzeichnet , daß die Permanentmagnetan-Ordnung (39) umfaßt: Mindestens ein Permanentmagnetelement (41 ] mit einer Innenfläche, die einen inneren Raum von bestimmter Form begrenzt, eine der inneren Fläche gegenüberliegende Außenfläche, eine erste Stirnfläche zwischen der Innen- und

Außenfläche, die der elektrostatischen Linsenanordnung zugewendet ist, und eine dieser gegenüberliegende zweite Stirnfläche, ein erstes magnetisches Polstück (42) mit einer ersten darin ausgebildeten öffnung, welches an der Stirnfläche des oder jedes Permanentmagnetelements (41) anliegt und dessen erste öffnung in Verbindung mit dem inneren Raum steht, sowie ein zweites magnetisches Polstück (43) mit einer zweiten darin ausgebildeten öffnung, welches an der zweiten Stirnfläche des oder jedes Permanentmagnetelementes (41) anliegt und dessen zweite öffnung in Verbindung mit dem inneren Raum steht, wobei der innere Raum und die erste und zweite öffnung einen Durchtrittskanal für den vorgeformten Elektronenstrahl bilden.
6. Auger-Elektronenspektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Permanentmagnetanordnung weiterhin eine ringförmige Elektrode (46) aufweist, welche in dem inneren Raum zwischen dem ersten und zweiten magnetischen Polstück (42,43) angeordnet ist und eine öffnung für den Durchtritt des vorgeformten Elektronenstrahls umgibt.
7. Auger-Elektronenspektrometer nach Anspruch 5, da-

durch gekennzeichnet , daß das permanentmagnetische Element (41) die Form eines Hohlkegelstumpfes hat, dessen breitere öffnung an dem ersten Polstück (42) und dessen engere öffnung an dem zweiten Polstück (43) anliegt.
8. Auger-Elektronenspektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Permanentmagnetanordnung mit dem ersten und zweiten magnetischen Polstück (42,43) verbundene Mittel (48,49) zum elektrischen Erregen des ersten und zweiten Polstückes (42,43) aufweist, um das von dem Permanentmagnetelement (41) in Verbindung mit dem Polstück (42,43) erzeugte Magnetfeld zu steuern.
9. Auger-Elektronenspektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Permanentmagnetelement (41) an seiner Außenfläche eine Schichtenfolge aus nichtmagnetischen dünnen Schichten und magnetischen dünnen Schichten aufweist.
10. Auger-Elektronenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrostatische Linsenanordnung (37,38) eine erste elektrostatische Linse (47) nahe der Elektronenstrahlquelle (25) zum Vorfokusieren des durch die erste elektrostatische Linse (37) längs der Achse durchtretenden Elektronenstrahls (24) und eine zweite, wei-

ter von der Elektronenstrahlquelle (25) entfernte elektrostatische Linse zum zusätzlichen Fokusieren des Elektronenstrahls (24) aufweist, um den zur Permanentmagnetanordnung gerichteten vorgeformten Elektronenstrahl zu erzeugen.
11. Auger-Elektronenspektrometer nach Anspruch ^,gekennzeichnet durch eine zwischen der ersten und zweiten elektrostatischen Linse (37,38) angeordnete Öffnungsblende (52) .