DE69117347T2

DE69117347T2 - Energie-Analysatoren für Ladungsträgerpartikel

Info

Publication number: DE69117347T2
Application number: DE69117347T
Authority: DE
Inventors: Simon C Page
Original assignee: Kratos Analytical Ltd
Current assignee: Kratos Analytical Ltd
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1991-05-10
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2011-05-11
Also published as: GB2244369A; US5185524A; EP0458498A3; EP0458498A2; EP0458498B1; GB9011380D0; JP3266286B2; JPH0668844A; DE69117347D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Energie-Analysatoren für geladene Teilchen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Energie-Analysatoren für geladene Teilchen, zum Beispiel Elektronen, die von der Oberfläche einer Probe durch den Beschuß der Probe mit Primärstrahlung, wie beispielsweise weiche Röntgenstrahlen, ultra-violette Photonen oder Elektronen, emittiert worden sind.
Da die Energie der emittierten, geladenen Teilchen charakteristisch für die chemische Zusammensetzung des Teils der Probe sein wird, der die geladenen Teilchen emittiert liefert die Energie-Analyse Informationen, die sich auf die chemische Natur der Oberfläche der Probe beziehen.
Es ist vorteilhaft in der Lage zu sein, Informationen zu erhalten, die sich auf die Verteilung besonderer chemischer Spezies über die Oberfläche einer Probe beziehen. Eine Zahl von Energie-Analysatoren für geladene Teilchen sind entwickelt worden, die diese abbildende Funktion durchführen. Ein solches Beispiel ist durch G. Beamson H.Q. Porter und D.W. Turner in J. Phys. E: Sci. Instrum., 13., Seiten 64-66, 1980, beschrieben. In diesem beschriebenen Instrument wird die Probe in dem stärksten Bereich eines divergierenden, magnetischen Felds plaziert und mit beispielsweise ultra-violettem Licht oder weichen Röntgenstrahlen bestrahlt. Die sich ergebenden Photo-Elektronen spiralen sich um die magnetischen Feldlinien. Da die magnetischen Feldlinien divergieren, divergieren auch die Haupt-Photo-Elektronen-Flugbahnen derart, daß die Photo-Elektronen dazu gebracht werden können, einen zweidimensionalen Detektor zu bombardieren, um dadurch eine vergrößerte Abbildung der Oberfläche des Probenstücks zu produzieren.
Um eine Energieanalyse der Photo-Elektronen in einem solchen Gerät durchzuführen wenn die Photo-Elektronen noch innerhalb des magnetischen Felds eingeschlossen sind, kann ein abbildender Bandpaßfilter verwendet werden, wie dies durch D.W. Turner et al in Rev., Sci. Instrum. 57(8), 1986, beschrieben ist. Alternativ kann, wenn die Photo-Elektronen in einem Bereich eines niedrigen, oder Null-, magnetischen Felds projiziert werden, ein abbildender Energie-Analysator, wie dies von R. Castaing und L. Henry in Comptes Rendus (Academy of Science, Paris) 2258, Seite 76, folgende, 1962, beschrieben ist, verwendet werden. Weiterhin kann die Vergrößerung des in der Energie aufgelösten Bilds dann durchgeführt werden, wenn es erforderlich ist, und das endgültige Bild auf einen Phosphorbildschirm oder eine andere geeignete Vorrichtung projiziert werden.
In der Europäischen Patentanmeldung No. 0246841 wird ein Elektronenspektrometer beschrieben, das dahin wirksam ist, ein Bild einer Photo-Elektronen emittierenden Oberfläche zu produzieren, wobei eine Energieanalyse der Photo-Elektronen elektrostatisch durchgeführt wird. Das Spektrometer, das beschrieben ist, verwendet einen herkömmlichen, halbkugelförmigen, elektrostatischen Ablenkungs-Analysator in Kombination mit einer elektrostatischen Linsenanordnung. Die elektrostatische Linsenanordnung führt eine Transformation der räumlichen Informationen in eine Abbildung der photo-emittierenden Oberfläche in entsprechende winkelmäßige Informationen durch, bevor die Photo- Elektronen in den Raum zwischen den zwei Halbkugeln, die den Analysator bilden, auf einer äquatorialen Ebene der Halbkugeln eintreten. Die Transformation wird durch Anordnen einer Elektronenlinse so, daß sie zwischen einer vergrößerten Abbildung der photo-emittierenden Oberfläche und dem Analysator positioniert ist, durchgeführt, und zwar mit der vergrößerten Abbildung in einer Fokusebene der Linse und der Eintrittsebene des Analysators an der anderen Fokusebene der Linse. Demzufolge ist dabei eine direkte Beziehung zwischen dem Winkel, den die Photo-Elektronen-Flugbahn macht, mit der elektronenoptischen Achse des Analysators an dem Eintritt zu den Halbkugeln und der Position der Photo-Elektronen innerhalb der vergrößerten Abbildung vorhanden. Eine Abbildung, die räumlich in der Energie verteilt ist, wird an der Austrittsebene des Analysators produziert, wobei die Abbildung die winkelmäßigen Informationen innerhalb der Eingangsabbildung konserviert. Eine Öffnung in der Austrittsebene kann dazu verwendet werden, ein schmales Band von Energien aus dem Strahl der Photo-Elektronen zu selektieren. Eine weitere Elektronenlinse ist derart positioniert, daß sich der Ausgang des Analysators an der objektseitigen Fokusebene der Linse befindet.
Diese Linse wird demzufolge die vergrößerte Abbildung der Probenoberfläche an der abbildungsseitigen Fokusebene der Linse rekonstruieren, wobei die rekonstruierte Abbildung direkt auf einem Phosphorbildschirm oder einer anderen geeigneten Vorrichtung betrachtet werden kann. Es wird ersichtlich werden, daß ein solches Gerät die Wandlung zwischen räumlichen und winkelmäßigen Informationen benötigt, was demzufolge eine sorgfältige Ausrichtung der elektrostatischen Linsenanordnung erfordert.
H. Z. Sar-El beschreibt in einem Artikel in Nuclear Instruments and Methods 42, Seiten 71-76, 1966, einen Energie-Analysator für geladene Teilchen, der einen elektrostatischen, sphärischen Spiegel-Analysator umfaßt, in dem ein Ablenkteil zwischen den Kugeln eingesetzt wird, wobei das Ablenkteil dahingehend effektiv ist, die Auflösung des Analysators zu verbessern. Dieser Analysator ist allerdings nur zur Abbildung eines Punkts einer kleinen Quelle geeignet.
H. Daimon beschreibt in dem Artikel in Rev. Sci. Instrum. 59(4), 1988 ein Instrument, in dem eine Öffnung an dem Abbildungspunkt auf einer Äquatorialebene eines Paars Halbkugeln plaziert ist, die einen elektrostatischen Analysator mit einem halbsphärischen Spiegel bilden. Photo-Elektronen von einer Punktquelle, die auf der Äquatorialebene der Halbkugeln angeordnet ist, treten in das Feld zwischen die Halbkugeln über gitterartige Bereiche der inneren Halbkugel ein und verlassen es. Dies ermöglicht einen sehr großen winkelmäßigen Bereich bis zu 2 Sterad der Photo-Elektronen, die durch eine Probe emittiert werden, der gleichzeitig analysiert werden kann. Photo-Elektronen mit einer Energie unterschiedlich zu der Durchlaßenergie des Analysators werden an einem Punkt vor oder hinter der Öffnung fokussiert, und es ist daher weniger wahrscheinlich, daß sie über die Öffnung übertragen werden. Ein solches Gerät führt allerdings nicht gleichzeitig eine Energieanalyse einer großen Anzahl von Punkten durch, die innerhalb einer zweidimensionalen Oberfläche enthalten sind.
Die U.K.-Patentanmedung GB-2221082A beschreibt einen Energie-Analysator für geladene Teilchen, der einen elektrostatischen Analysator mit sphärischem Spiegel umfaßt, der zur Bildung einer Abbildung von sekundären Elektronen verwendet werden kann, die von einer Oberfläche emittiert werden. Der Analysator, der beschrieben ist, besitzt allerdings nicht die Eigenschaft, daß die Energien der Elektronen, die die Abbildung bilden, von deren Position in der Abbildung unabhängig sind. Demzufolge ist der Analysator nicht in der Lage, die hohe Energieauflösung zu erreichen, die erforderlich ist, um eine unzweideutige Verteilung und den chemischen Zustand von Elementen auf einer Oberfläche zu bestimmen.
Ein Energie-Analysator für geladene Teilchen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus dem Artikel "New Display-Type Analyzer for the Energy and the Angular Distribution of Charged Particles" von H. Daimon et al in "Shimadzu Review", vol. 47, no. 1, Mai 1990, Seiten 5 - 10, bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen alternativen Energie-Analysator für geladene Teilchen zu denjenigen, die vorstehend beschrieben sind, zu schaffen, wobei der Analysator die Möglichkeit besitzt, eine räumliche Information zu liefern, die sich auf die chemische Zusammensetzung über die Oberfläche einer Probe bezieht.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen alternativen Energie-Analysator für geladene Teilchen zu denjenigen, die vorstehend beschrieben sind, zu schaffen, wobei der Analysator für eine effizientere Sammlung der geladenen Teilchen von einer Probe, als dies notwendigerweise der Fall in den bekannten Analysatoren ist, geeignet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Energie-Analysator für geladene Teilchen eine Einrichtung zum Erzeugen eines im wesentlichen elektrischen Newton'schen (inversen, quadratischen) Felds in dem Spalt zwischen zwei Elektroden derart, daß der Analysator als ein Analysator mit sphärischem Spiegel wirkt, eine Einrichtung zum Erzeugen einer Abbildung von geladenen Teilchen einer Probe auf der Objektebene des Analysators, wobei die Objektebene in einem im wesentlichen feldfreien Bereich näher zu der Mitte der Krümmung der Äquipotentiale des elektrischen Newton'schen Felds als der Spalt zwischen den zwei Elektroden angeordnet ist, eine Ablenkeinrichtung, die in dem Spalt zwischen den zwei Elektroden derart angeordnet ist, daß die Ablenkeinrichtung die Energien der geladenen Teilchen, die durch den Analysator übertragen werden, beschränkt, wobei mindestens ein Teil der Ablenkeinrichtung so positioniert ist, um die Abhängigkeit der Energien der geladenen Teilchen, die durch die Ablenkeinrichtung auf die Position der geladenen Teilchen innerhalb der Abbildung übertragen werden, zu reduzieren, und eine Detektoreinrichtung, die dahingehend wirksam ist, geladene Teilchen zu ermitteln, die mindestens teilweise durch den Analysator übertragen sind, auf.
Die Detektoreinrichtung weist einen zweidimensionalen Detektor auf, der an der Abbildungsebene des Analysators angeordnet ist, und zwar zum Liefern einer Anzeige der Position in dem Bild der geladenen Teilchen, die durch den Analysator übertragen sind.
Vorzugsweise ist die Ablenkeinrichtung dahingehend wirksam, den Bereich von Orientierungen der Teilchen, die durch den Analysator übertragen werden, zu begrenzen, wobei der Teil der Ablenkeinrichtung so positioniert wird, um die Abhängigkeit der Orientierungen der geladenen Teilchen, die durch die Ablenkeinrichtung übertragen werden, auf die Position der Teilchen innerhalb des Bereichs zu reduzieren.
Vorzugsweise ist die Ablenkeinrichtung so aufgebaut, um die Störung des radialen, elektrischen Felds durch die Ablenkeinrichtung zu minimieren. Dies wird geeignet durch Aufbauen jedes Ablenkteils innerhalb der Ablenkeinrichtung aus einer Vielzahl von elektrisch isolierten Segmenten erreicht, wobei der Analysator eine Einrichtung zum elektrischen Vorspannen der Segmente so umfaßt, um die Störung zu minimieren. Dort, wo jedes Ablenkteil aus einer Anzahl von Segmenten aufgebaut ist, umfaßt der Analysator vorzugsweise eine Einrichtung zum Bewegen der Segmente relativ zueinander, um so die offenbare Öffnung in dem Ablenkteil zu variieren.
Dort, wo die Ablenkeinrichtung eine Anzahl von Segmenten aufweist, kann die Detektoreinrichtung alternativ oder zusätzlich eine Vielzahl von Detektoren für geladene Teilchen aufweisen, wobei jeder innerhalb eines jeweiligen Segments enthalten ist, um so zu ermöglichen, daß verschiedene Energiemtervalle gleichzeitig ermittelt werden können.
Der Analysator enthält geeignet eine dritte Elektrode und eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Felds zwischen der dritten Elektrode und einer der zwei Elektroden, um die Energieanalyse geladener Teilchen von einer Probe, die zwischen der dritten Elektrode und der einen Elektrode hindurchführen, durch die Detektoreinrichtung zu ermöglichen.
Die Einrichtung zum Projizieren der emittierten, geladenen Teilchen geeignet weist ein afokales Linsensystem für geladene Teilchen auf, das dahingehend effektiv ist, eine vergrößerte Abbildung der Probe auf die Objektebene des Analysators zu projizieren. Eine Ausführungsform des Energie-Analysators für geladene Teilchen gemäß der Erfindung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefiigten Figuren beschrieben, in denen:
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Photo-Elektronen-Spektrometersystems, das die Ausführungsform des Energie-Analysators für geladene Teilchen gemäß der Erfindung einsetzt;
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Analysators der Figur 17 die die Parameter darstellt, die die Photo-Elektronen-Flugbahnen durch den Analysator festlegen;
Figur 3 stellt die Energieverteilungseigenschaften des Analysators dar;
Figur 4 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ablenkteil-Anordnung zum Einsetzen in den Analysator der Figur 1;
Figur 5 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht einer alternativen Ablenkteil- Anordnung zum Einsetzen in den Analysator der Figur 1; und
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektronen-Detektors, der in dem Analysator der Figur 1 eingesetzt werden kann.
Wie zunächst die Figur 1 zeigt, ist das Gerät, das beschrieben wird, ein Photonen-Elektronen-Spektrometer mit einer abbildenden Fähigkeit, wobei das Spektrometer einen halbkugelförmigen, elektrostatischen Analysator 1 besitzt, der in weiterem Detail nachfolgend beschrieben werden wird. Das Spektrometer umfaßt einen Probenhalter 2, auf dem eine Probe 3 befestigt werden kann. Zwei alternative Strahlungsquellen sind vorgesehen, wobei es sich um eine Röntgenstrahlen-Quelle 5 und eine Elektronen-Quelle 7 handelt&sub7; wobei jede Quelle dazu geeignet ist, zu bewirken, daß Photo-Elektronen oder Sekundär-Elektronen von der Probe 3 emittiert werden. Die Quellen 5, 7 werden durch eine Hochspannungsquelle 8 zusammen mit geeigneten Steuereinrichtungen mit Energie versorgt.
Ein erstes und ein zweites Elektronen-Linsensystem 9, 11 ist so angeordnet, um Photo- Elektronen, die von der Probe 3 emittiert werden, auf die Objektebene 13 des Analysators 1 zu fokussieren. Eine Öffnung 15 ist an der hinteren Fokusebene der Linse 9 plaziert, wobei die Öffnung dahingehend wirksam ist, den winkelmäßigen Bereich der Photo-Elektronen zu kontrollieren, die von der Probe emittiert werden, und auch um zu ermöglichen, daß die Effekte der Linsenaberation in Bezug auf die räumliche Auflösung des Spektrometers kontrolliert wird. Die Linsen 9, 11 sind so angeordnet, daß sie afokal bzw. brennpunktlos sind, das bedeutet, daß ein Photoelektron, das von der Probenoberfläche parallel zu der Linsenachse emittiert wird, das Linsensystem 11 verlassen wird und in den Analysator 1 parallel zu dessen Achse eintreten wird. Dies stellt sicher, daß die Energie, die durch den Analysator 1 analysiert wird, über die Abbildung konstant ist, und dies wird dadurch erreicht, daß die Fokusebenen des Linsensystems 9 und 11 komzident an der Position der Öffnung 15 gestaltet werden. Das Linsensystem 9, 11 projiziert demzufolge eine vergrößerte Abbildung der Oberfläche der Probe 3 auf die Objektebene 13 des Analysators, wobei die Photo-Elektronen-Strahlenergie, falls notwendig, retardiert bzw. verzögert wird, entweder durch das Linsensystem 11 oder an dem Eintrit in den Analysator 1.
Der Analysator 1 weist drei konzentrische, hemisphärische bzw. halbkugelförmige Elektroden 17, 19, 21 auf, wobei der Radius 2a der äußeren Halbkugel 21 zweimal demjenigen der zentralen Halbkugel 19 beträgt. Eine Spannungsquelle 22 ist so angeordnet, um geeignete Potentiale auf die Halbkugeln 17, 19, 21 in Abhängigkeit von dem erforderlichen Betriebsmodus des Spektrometers zu beaufschlagen. Die zentrale Halbkugel 19 ist mit zwei gitterartigen Bereichen 23, 25 versehen&sub1; deren Funktion nachfolgend beschrieben werden wird. Zwischen diesen Bereichen 23, 25 sind in dem Spalt zwischen der zentralen 19 und der äußersten Halbkugel 21 zwei Ablenkteile 27, 29 vorgesehen.
An der Ausgangsabbildungsebene 31 des Analysators 1 ist ein Detektorsystem vorgesehen, das ein Paar Mikrokanalplatten 33 und benachbart den Mikrokanalplatten 33 einen Phosphorbildschirm 35 umfaßt. Ein Linsensystem 37 ist dahingehend effektiv, Licht von dem Phosphorbildschirm 35 auf eine Detektorfeldanordnung 39 zu fokussieren, die eine Aufzeichnung und eine weitere Analyse der Abbildung, die auf der Platte produziert wird, ermöglicht. Ein geeignetes Vakuumpumpsystem (nicht dargestellt) eines herkömmlichen Aufbaus, das typischerweise eine Ionenpumpe einsetzt, unterstützt durch Turbomolekularpumpen, ist so angeordnet, um den Druck in dem Bereich, der die Probe 3 aufnimmt, auf typischerweise 10&supmin;&sup9; Torr und den Druck in dem Analysator 1 auf typischerweise 10&supmin;¹&sup0; Torr aufrechtzuerhalten.
Dort, wo das Gerät dazu verwendet werden soll, eine Abbildung der räumlichen Verteilung von Photo-Elektronen einer ausgewählten Energie in dem Beispiel 3 zu produzieren, die für die Stelle einer bestimmten chemischen Spezies in der Probe indikativ ist, wird die Spannungsquelle 22 dazu verwendet, ein elektrisches Feld zwischen der zentralen und der äußeren Halbkugel 19, 21 zu erzeugen, wobei die innere Halbkugel 17 auf demselben Potential wie die zentrale Halbkugel gehalten wird. Demzufolge wird die äußere Halbkugel 21 auf einem Potential von -V in Bezug auf die mittlere Halbkugel 19 gehalten, wobei V eine Spannung gleich der Energie in Elektronenvolt nach einer Retardation der Photo-Elektronenenergie ist, die bei dem Beispiel 3 von Interesse ist. Andere Radii für die äußere Halbkugel 21 können verwendet werden, vorausgesetzt, das Potential, das beaufschlagt wird, wird so eingestellt, um dasselbe elektrische Feld zu erzeugen, wie es durch die Halbkugel des Radius 2a und das Potential -V erzeugt wird. Photo-Elektronen von der Probe 3 werden durch die Linsensysteme 9,11 auf die Objektebene 13 des Analysators 1 durch den feldfreien Bereich zwischen den Halbkugeln 17, 19 fokussiert, die in das radiale Feld durch den gitterartigen Abschnitt 23 der zentralen Halbkugel 19 eintreten. Die Photo-Elektronen werden dann durch das elektrische Feld zwischen den Halbkugeln 19, 21 abgelenkt, fokussiert und in der Energie verteilt. Die Photo-Elektronen werden durch die Öffnung in dem Ablenkteil 27 hindurchführen, vorausgesetzt, daß deren Flugbahn innerhalb eines bestimmten, winkelmäßigen Bereichs relativ zu der Achse des Linsensystems 11 liegt. Wenn die Photo-Elektronen den korrekten Energiebereich haben, werden sie durch die Öffnung in dem Ablenkteil 29 und dann durch den zweiten gitterartigen Abschnitt 25 der mittleren Halbkugel 19 hindurchführen. Die Photo-Elektronen führen dann durch den feldfreien Bereich zwischen den Halbkugeln 19, 17 hindurch, bis sie die Abbildungsebene 31 des Analysators erreichen, wobei die Abbildungsebene auf der Äquatorialebene der Halbkugeln 17, 19, 21 liegt. An der Abbildungsebene 31 verstärkt die zweidimensionale Mikrokanalplatte 33 den Elektronenstrom in der Abbildung, während die räumliche Integrität der Abbildung beibehalten wird. Die verstärkte Abbildung wird dann auf dem Phosphorbildschirm 35 und darauffolgend durch das Betrachtungssystem 37, 39 zum Aufzeichnen und möglicherweise einer weiteren Analyse projiziert.
Es wird ersichtlich werden, daß durch Abstufen der Spannungen über die Elektroden 19, 21 mittels der Spannungsquelle 22 ein Energiespektrum von verschiedenen, ausgewählten Bereichen der Probenstücke 3 gleichzeitig aufgebaut werden kann. Um das System als ein herkömmliches Elektronenspektrometer zu betreiben, wird ein Manipulator 42 so angeordnet, um einen Eintrittsschlitz, oder eine Öffnung 43 in den Photo-Elektronenpfad an dem Eintritt zu den halbkugelförmigen Analysatoren einzusetzen. Die Spannungsquelle 22 wird dazu verwendet, um die Spannungen, die zu der inneren und der zentralen Halbkugel 17, 19 in einer herkömmlichen Art und Weise beaufschlagt werden, abzustufen, so daß diese Halbkugeln als ein herkömmlicher, halbkugelförmiger, elektrostatischer Ablenkungsanalysator arbeiten, um aufeinanderfolgend die Transmission von Photo-Elektronen unterschiedlicher Energie entlang des punktierten Pfads 45, wie dies angezeigt ist, durch den Spalt zwischen den Halbkugeln 17, 19 auf die Mikrokanaplatte 33 zu ermöglichen. Demzufolge wird die Platte 33 zu irgendeinem Zeitpunkt eine zweidimensionale Abbildung der Energie radial gegenüber der räumlichen Information entlang der Achse, die durch die Position des Schlitzes 43 festgelegt ist, registrieren.
Die Abbildungsfunktion des Analysators 1 wird nun in weiterem Detail unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben, in der 5 die Position 5 an der Objektebene 13 eines Photo- Elektrons darstellt, das von der Mitte der Probe 3 emittiert ist, und T die entsprechende Position t des Photo-Elektrons, das durch die Mikrokanalplatte 33 ermittelt ist, an der Abbildungsebene 31 des Analysators list. Die radiale Position (r, θ) des Photo-Elektrons kann in Termen der Variablen s, t, θ&sub0;, θ&sub1;, θ&sub2;, , Δ ausgedrückt werden, die in Figur 2 wie folgt definiert ist:
r=a η sin² β/[1 - cosΔ - η sin β sin(Δ - β)] (1)
wobei
β = π/2 - - θ&sub0; = sin&supmin;¹(s/a cos )
Δ = θ - θ&sub0;
η = Ek/E&sub0;
Ek = kinetische Energie des Photo-Elektrons, das von Interesse ist
E&sub0; = eV = die kinetische Energie des Photo-Elektrons bei der Durchlaßenergie des Analysators
Es wird ersichtlich werden, daß der maximale Wert von r, rmax der Länge O-RM in Figur 2 entspricht und gegeben ist durch:
rmax = a η sin² β/[1 - cos &epsi; - η sin β sin(&epsi; - β)] (2)
wobei
&epsi; = tan&supmin;¹ [sin β/((1 - η)/(η cos β) + cos β)]
wobei
γ = π/2 - + 2&epsi; - 2β
und
t = a cos /sin γ
Wenn die kinetische Energie Ek des Photo-Elektrons gleich der Durchlaßenergie des Analysators list, dann ist η = 1 und &epsi; = β. Demzufolge wird t gleich zu s sein und alle Elektronen von S werden zu T unabhängig deren anfänglicher, winkelmäßiger Divergenz konvergieren. Die Fokussierung des Analysators wird dann perfekt in der Ebene sein, die durch S, T und RM definiert ist. Für Photo-Elektronen, die durch den Analysator 1 außerhalb dieser Ebene hindurchführen, kann, aufgrund der Symmetrie, gesehen werden, daß die Fokussierung auch perfekt sein wird. Da die konzentrischen Halbkugeln 19, 21 zylinder-symmetrisch um die Achse S-T vorhanden sind, wird irgendwelche Strahlung, die S aus der Ebene, definiert durch S, T und C, verläßt, denselben Pfad in einer radialen Richtung folgen, wie sie dies vornehmen würde, wenn sie in der S-T-RM- Ebene gelaufen wäre. Ähnlich werden, da die Linie O-C auch eine Symmetrieachse der Halbkugeln 19, 21 ist, Photo-Elektronen-Flugbahnen von Punkten in der Objektebene, die eine zweidimensionale Oberfläche bildet, die um 5 zentriert ist, auf entsprechende Punkte um T in der Abbildung fokussiert werden
Die Winkel θ&sub1;, θ&sub2;, die die Positionen der Ablenkteilebenen 27, 29 definieren, werden so ausgewählt, um die Bedingung zu erfüllen, daß der Abstand r des Photo-Elektronenpfads von dem Zentrum der Krümmung O der Halbkugeln 17, 19, 21 von der ersten Ordnung auf der Startposition 5 unabhängig ist. Durch Wahl der winkelmäßigen Divergenz des Strahls so, daß sie Null ist, und unter Betrachtung von Photoelektornen, die unter der Durchgangsenergie E&sub0; laufen,ist es möglich, zu zeigen, daß nur zwei Werte von vorhanden sind,für die die partielle Ableitung δr/δs gleich Null ist. Dies sind
wobei φ gleich zu θ&sub0; für das Zentrum der Abbildung 13 und für = 0 ist.
Durch Heranziehen der partiellen Ableitungen δr/δη bei diesen Werten von θ&sub1; und θ&sub2; ist es möglich zu zeigen, daß eine räumliche Dispersion in der Energie an den Ebenen, die durch θ&sub1; und θ&sub2; definiert sind, vorhanden ist, allerdings in Bezug auf eine erste Ordnung keine Abhängigkeit von r auf 5 vorhanden ist, d.h. bei
Es wird festgestellt werden, daß der Wert von δr/δη, der die räumliche Dispersion der Energie ist, viel größer bei θ&sub2; als bei θ&sub1; ist. Dies zeigt an, daß durch Positionierung des Ablenkteus 29 an der Position, die durch θ&sub2; definiert ist, mit einer kleinen Öffnungsbreite w unter einem Radius r, gegeben durch Substituieren des Werts von θ&sub2;, der durch die Gleichung (4) gegeben ist, in Gleichung (1), ein schmales Band von Energien der Photo-Elektronen von einem Bereich von Werten für 5 ausgewählt werden kann. Demzufolge werden Photo-Elektronen nur innerhalb eines bestimmten Energiebereichs von der Objektebene 13 übertragen werden, um die Abbildung an der Abbildungsebene 31 zu bilden. Es wird allerdings ersichtlich werden, daß das Ablenkteil 27 an der Position, die durch θ&sub1; definiert ist, auch den Bereich der Photo-Elektronen-Energien beschränken wird, die durch den Analysator übertragen werden.
Es kann gezeigt werden, daß die relative Energieauflösung ΔE/E&sub0; des Analysators aufgrund des Vorhandenseins des Ablenkteus 29 an der Position, die durch 62 definiert ist, gegeben ist durch
wobei ΔE die volle Breite der Energieverteilung ist, die durch eine Öffnung der Breite w in dem Ablenkteil 29 übertragen wird. Figur 3 stellt die Flugbahn-Ausdrucke für einen Eintrittshalbwinkel von 0,015 rad, einen Wert von s/a von 0,75 für die Mitte der Objektebene 13 und für Elektronenenergien von 0,9,1,0 und 1,1-mal der Durchgangsenergie des Analysators dar. Die offenbaren Öffnungsbreiten w der Ablenkteile 27, 29 können durch mechanische Einstellung variiert werden. Wie anhand der Figuren 1 und 2 gesehen werden kann, führt der Photo-Elektronenstrahl nicht durch die Ablenkteile 27, 29 normal zu der Ebene der Ablenkteile 27, 29 hindurch. Durch Bildung der Ablenkteile in zwei Hälften, wobei jede Hälfte planar, teilweise ringförmig und auf 0 zentriert ist, kann, wenn jede Hälfte getrennt um eine Achse durch 0 senkrecht zu der Ebene STC gedreht wird, dann die offenbare Öffnungsbreite w, wie sie entlang der Richtung des Photo-Elektronenstrahls gesehen wird, verändert werden. Der Wert von p kann über das Linsensystem 11 kontrolliert werden, zum Beispiel durch den Aufbau einer einstellbaren Iris an der hinteren Fokusebene einer der Linsen.
In der besonderen Ausführungsform, die beschrieben ist, wird allerdings das Ablenkteil 27, das an der Ebene positioniert ist, die durch 61 definiert ist, dazu verwendet, den Halbwinkelbereich des Photo-Elektronenstrahls zu beschränken. An der Ebene, die durch θ&sub1; definiert ist, gilt Demzufolge ist gemäß einer ersten Annäherung die erforderliche Breite Δr der Öffnung in dem Ablenkteil 27, die dazu benötigt wird, den winkelmäßigen Bereich in dem Photo- Elektronenstrahl einzuschränken,
Δr = 2 max a sin φ (1+sin² φ) (6)
Die Ablenkteile 27, 29 können aus einer Anzahl von Segmenten gebildet sein, die elektrisch gegeneinander isoliert sind, so daß sie so vorgespannt werden können, um deren Störung auf dem radialen, elektrischen Feld, das zwischen den Halbkugeln 19, 21 entwickelt wird, zu minimieren.
Es wird ersichtlich werden, daß, während es passend für die Objekt- und Abbildungsebenen 13, 31 des Analysators list, sie auf der Äquatorialebene der Halbkugeln 17, 19, 21 angeordnet werden, diese Ebenen zusammen mit der elektronen-optischen Achse des Analysators 1 ohne Verändern der Ablenkteile 27, 29, definiert durch die Gleichung (3) und (4), verschoben werden können.
Wie nun die Figur 2 zeigt, wird, wenn die Objektebene 13, die so betrachtet wird, daß sie auf dem Durchmesser der Halbkugel liegt, der durch 5 hindurchführt, und senkrecht zu der Ebene der Figur entlang der Richtung verschoben wird, die durch = 0 definiert ist, dann die Abbildungsebene 31 auch um einen gleichen Betrag derart verschoben werden, daß die konjugierten Punkte in der Abbildung T diametral gegenüberliegend der entsprechenden Punkte in dem Objekt sind. Demzufolge wird sich, wenn sich 5 zu dem Gitter 23 entlang der Richtung des Strahls bewegt, dann T von dem Gitter 25 weg bewegen. Die Orientierungen der Ablenkteilebenen, die durch θ&sub1; und θ&sub2; definiert sind, werden dieselben verbleiben, da sie durch den Wert von 5 bestimmt werden.
Es wird ersichtlich werden, daß, obwohl die Ablenkteile durch planare Teil-Kreisringe, die um 0 zentriert sind angenähert werden können, dies ein Kompromiß zwischen den Symmetrieerfordernissen zur Fokussierung der Elektronen, deren Flugbahnen 5 aus der Ebene austreten, die durch STC definiert ist (wobei in diesem Fall das Ablenkteil als Teil eines Konus mit der Achse OS, dem Scheitelpunkt in 0 und einem Halbwinkel (π - θ&sub2;) geformt sein sollte) und denjenigen ist, die für die Fokussierungspunkte in einer zweidimensionalen Oberfläche, die um 5 normal zu OC zentriert ist (wobei in diesem Fall das Ablenkteil als Teil eines Konus mit der Achse OC, dem Scheitelpunkt in O und einem Halbwinkel (θ&sub2; - π/2) geformt sein sollte), erforderlich sind.
Figur 4 stellt eine mögliche konusförmige Ablenkteil-Anordnung dar, die für Elektronen geeignet ist, deren Flugbahnen die Objektebene 13 unter einem Winkel außerhalb der Ebene STC verlassen.
Figur 5 stellt eine alternative, konusförmige Ablenkteil-Anordnung dar, die für Elektronen geeignet ist, die von Positionen in der Objektebene 13 ursprünglich ausgehen, die nicht auf der Linie S-T liegt.
Wie nun die Figur 6 zeigt, kann das Ablenkteil 29 zusätzlich eine Anzahl von Elektronen-Detektoren 46 enthalten, wobei ein Detektor in jedes Segment des Ablenkteils eingebettet ist. In der bestimmten Detektorkonfiguration, die in Figur 4 dargestellt ist, weist jeder Detektor 46 ein Gitter 47, das einen Teil der Wand des Ablenkteils 29 bildet, eine Mikrokanalplatte 49 und einen Anoden-Kollektor 51 auf, wobei Elektronen durch das Gitter 47 hindurchführen, um durch die Mikrokanalplatte 49 auf den Kollektor 51 gerichtet und verstärkt zu werden. Der Kollektor 51 ist mit geeigneten Elektroniken (nicht dargestellt) verbunden. Die radiale Position eines Elektrons an diesem Ablenkteil 29 wird im wesentlichen unabhängig von dem Wert von 5, das bedeutet, die Startposition des Elektrons an der Objektebene 13, und demzufolge über das Linsensystem 9, 11 auf der Probe 3 sein, allerdings wird sie von dem Winkel und der Energie η abhängig sein. Jeder Detektor 46 wird demzufolge einen unterschiedlichen, engen Bereich von Energien registrieren, wobei Figur 3 die Pfade der Elektronen mit drei unterschiedlichen Energien darstellt. die von drei unterschiedlichen Startpositionen auf der Probe 3 ursprünglich ausgehen. Da die analysierte Energie der Photo-Elektronen variiert wird, kann ein Spektrum in der herkömmlichen Art und Weise aufgebaut werden. Die Versetzung der Signale von der Durchlaßenergie wird korrigiert, bevor die Signale durch das Daten- Akquisitions-System addiert werden, um das Spektrum zu bilden. Die Photo-Elektronen- Signal-Charakteristik eines bestimmten Elements an jedem Detektor wird im wesentlichen unabhängig von der räumlichen Verteilung des Elements auf der Oberfläche sein. Eine solche Anordnung bringt eine effizientere Nutzung der Photo-Elektronen, die von der Probe 3 emittiert werden, mit sich.
Es wird ersichtlich werden, daß, während der Einsatz der Platte 33 eine zweidimensionale Abbildung der Energieverteilung der Teilchen über die Probe 3, die erstellt werden soll, ermöglicht, wobei das Ablenkteil 29 die Detektoren 45 enthält, die Platte 33 weggelassen werden kann, um einen Analysator ohne eine Abbildungsfähigkeit zu bilden. Es wird ersichtlich werden, daß die gitterartigen Bereiche 23 der zentralen Halbkugel 19 durch Öffnungen in der zentralen Halbkugel ersetzt werden können, die so positioniert ist, um Elektronen von der Probe 3 zu ermöglichen, in den radialen Feldbereich zwischen der zentralen Halbkugel 19 und der äußeren Halbkugel 21 einzutreten. Es wird auch ersichtlich werden, daß, während es besonders geeignet ist, die innere Halbkugel 17 so einzuschließen, um die Möglichkeit einer herkömmlichen Energieanalyse von Photo-Elektronen von der Probe 3 zu gestatten, dies auch einfach weggelassen werden kann.
Es wird auch ersichtlich werden, daß die Probe 3 direkt an der Objektebene 13 des Analysators plaziert werden kann, wobei das Linsensystem 9,11 weggelassen wird und die Strahlenquellen 5, 7 entsprechend so umpositioniert werden, um Photo-Elektronen von der Probe 3 an der Objektebene 13 zu prodzieren.
Es wird auch ersichtlich werden, daß, während die besondere Ausführungsform, die zuvor beispielhaft beschrieben ist, ein Analysator ist, der in einem Photo-Elektronen-Spektrometer eingesetzt ist, die Erfindung auch in Bezug auf Energie-Analysatoren zum Messen der Energie positiver oder negativer Ionen anwendbar ist.

Claims

1. Energie-Analysator für geladene Teilchen, der eine Einrichtung (22) zum Erzeugen eines im wesentlichen elektrischen Newton'schen Felds in dem Spalt zwischen zwei Elektroden (19, 21) derart, daß der Analysator als ein Analysator mit sphärischem Spiegel wirkt; eine Einrichtung (9, 11) zum Erzeugen einer Abbildung von geladenen Teilchen einer Probe (3) auf der Objektebene (13) des Analysators, wobei die Objektebene in einem im wesentlichen feldfreien Bereich näher zu der Mitte der Krümmung der Äquipotentiale des elektrischen Newton'schen Felds als der Spalt zwischen den zwei Elektroden angeordnet ist; und eine Detektoreinrichtung (33, 35 oder 46), die dahingehend wirksam ist, geladene Teilchen zu detektieren, die zumindest teilweise durch den Analysator übertragen sind; auf; wobei der Analysator dadurch gekennzeichnet ist, daß er eine Ablenkteil-Einrichtung (27, 29) umfaßt, die in dem Spalt zwischen den zwei Elektroden (19, 21) derart angeordnet ist, daß die Ablenkteil-Einrichtung (27, 29) die Energien der geladenen Teilchen, die durch den Analysator übertragen werden, beschränkt, wobei mindestens ein Teil der Ablenkteil-Einrichtung (27, 29) so positioniert ist, um die Abhängigkeit der Energien der geladenen Teilchen, die durch die Ablenkteil-Einrichtung (27, 29) an der Position der Teilchen innerhalb der Abbildung übertragen werden, zu reduzieren.

2. Energie-Analysator für geladene Teilchen gemäß Anspruch 1, wobei die Detektoreinrichtung einen zweidimensionalen Detektor (33, 35) aufweist, der an der Abbildungsebene des Analysators angeordnet ist, und zwar zum Liefern einer Indikation der Position der Abbildung der geladenen Teilchen, die durch den Analysator übertragen sind.

3. Energie-Analysator für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkteil-Einrichtung (27, 29) dahingehend effekt ist, den Bereich der Orientierungen der Teilchen, der durch den Analysator übertragen wird, zu begrenzen, wobei ein Teil (27) der Ablenkteil-Einrichtung so positioniert ist, um die Abhängigkeit der Orientierungen der geladenen Teilchen zu reduzieren, die durch die Ablenkteil-Einrichtung (27, 29) auf der Position der Teilchen innerhalb der Abbildung übertragen sind.

4. Energie-Analysator für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkteil-Einrichtung (27, 29) so aufgebaut ist, um die Störung des elektrischen Newton'schen Felds durch die Ablenkteil-Einrichtung zu minimieren.

5. Energie-Analysator für geladene Teilchen nach Anspruch 3, wobei die Ablenkteil- Einrichtung (27, 29) eine Anzahl von individuellen Ablenkteilen aufweist, wobei jedes Ablenkteil aus einer Vielzahl elektrisch isolierter Segmente aufgebaut ist, wobei der Analysator eine Einrichtung zum elektrischen Vorspannen der Segmente umfaßt, um so die Störung zu minimieren.

6. Energie-Analysator für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkteil-Einrichtung (27, 29) eine Anzahl von einzelnen Ablenkteilen aufweist, wobei jedes Ablenkteil aus einer Vielzahl von Segmenten aufgebaut ist, wobei der Analysator eine Einrichtung zum Bewegen der Segmente relativ zueinander umfaßt so, um die sichtbare Öffnung in dem Ablenkteil zu variieren.

7. Energie-Analysator für geladene Teilchen nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die Detektoreinrichtung eine Vielzahl von Detektoren (46) für geladene Teilchen aufweist, wobei jeder innerhalb eines jeweiligen Segments enthalten ist, um so zu ermöglichen, daß verschiedene Energiemtervalle gleichzeitig detektiert werden.

8. Energie-Analysator für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Ablenkteil-Einrichtung (27, 29) eine planare Oberfläche besitzt.

9. Energie-Analysator für geladene Teilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ablenkteil-Einrichtung (27, 29) eine teilkonische Oberfläche besitzt.

10. Energie-Analysator für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine dritte Elektrode (17) und eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Felds zwischen der dritten Elektrode (17) und einer der zwei Elektroden (19, 21) umfaßt, um die Energie-Analyse von geladenen Teilchen von der Probe (3), die zwischen der dritten Elektrode (17) und der einen Elektrode (19, 21) hindurchführen, durch die Detektoreinrichtung (33, 35) zu ermöglichen.

11. Energie-Analysator für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Elektroden (17, 19, 21) mindestens teilweise sphärisch ist.

12. Energie-Analysator für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zum Erzeugen der Abbildung der geladenen Teilchen ein afokales Linsensystem (9, 11) für geladene Teilchen aufweist, das dahingehend effektiv ist, um eine vergrößerte Abbildung der Probe (3) auf die Objektebene (13) des Analysators zu projizieren.

13. Energie-Analysator für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode, die sich am nächsten zu der Probe (3) befindet, der zwei Elektroden (19, 21) perforierte Bereiche besitzt, um so den Eintritt und den Austritt der geladenen Teilchen in den und aus dem Spalt zwischen den zwei Elektroden (19, 21) zu ermöglichen.

14. Energie-Analysator für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektoreinrichtung (33, 35 oder 46) eine Mikrokanalplatte (33 oder 49) umfaßt.