Verfahren zur Elektronenstrahl-Untersuchung und Elektronenstossspektrometer zur Durchführung des Verfahrens

Abstract

 Die Strahlführung eines kathodisch emittierten und elektronenoptisch gebündelten Elektronenstrahls, der einer Energieselektion in einem Zylinderkondensator (1) unterworfen wird und abschließend auf einen Detektor (12) auftrifft, wird dadurch verbessert, daß die Elektronen in der Ebene senkrecht zur Zylinderkondensatorachse zwar in bekannter Weise auf die Eingangsblende (3) des Kondensators (1), senkrecht dazu jedoch auf den Detektor (12) fokussiert werden, was durch eine entsprechendeGestaltung der Emissions- und Bündelungssysteme (5 bis 10) erreicht wird.Bei Anwendung dieser Art der Strahlführung in Elektronenstoßspektrometern mitZylinderkondensator-Ablenkeinheiten (1,2) resultiert eine hohe Energieauflösung bei hohem Signalstrom, welche die hinsichtlich der Fertigung und Handhabung besonders günstigen Spektrometer mit Zylinderkondensator-Ablenkung gegenüber den bislang bevorzugten Geräten mit Kugelkondensator- oder Zylinderspiegel ablenkung wesentlich aufwertet. Eine besonders interessante Realisierungs- möglichkeit besteht in einer angemessen konzipierten Repeller-Fokussierungsfläche (7') mit unterschiedlichen Krümmungsradien (r_i,r₂) zusammen mit darauf abgestimmtem Linsensystem (8 bis 1₀). Eine Graphitbeschichtung der Strahlführungselemente bringt zusätzliche Vorteile.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenstrahlführung, bei der kathodisch emittierte und elektronenoptisch gebündelte Elektronen zumindest einer Energieselektion in einer Zylinderkondensator-Ablenkeinheit unterworfen und abschließend mit einem Detektor nachgewiesen werden. Sie umfaßt ferner ein Elektronenstoßspektrometer mit elektrostatischen Zylinderkondensator-Ablenkeinheiten als energiedispersive Einheiten, in dem eine erfindungsgemäße Strahlführung vorgesehen wird und das insbesondere für Stoßenergien zwischen 1 und 1000 eV konzipiert ist.

[0002] Elektronenstoßspektrometer (auch "Elektronen-Energieverlust-Spektrometer" oder abgekürzt "Elektronenspektrometer" genannt) werden zur Analyse von Gasen und Festkörpern verwendet, wobei die relevante Information in Form charakteristischer Energieverluste nach Stoß der Elektronen mit Gasmolekülen oder einer Festkörperprobe erhalten wird. In neuerer Zeit ist die Anwendung zur Aufnahme von Schwingungsspektren von dsorbeten und damit der Einsatz in der Katalyseforschung von besonderem Interesse. Dazu muß die Energieauflösung der verwendeten Spektrometer im Bereich von Δ E = 5-10 meV liegen. Insbesondere bei dieser Anwendung wird ein möglichst hoher Strom bei gegebener Auflösung ΔE angestrebt.

[0003] Es ist ein besonderes Charakeristikum solcher Untersuchungen, daß hierbei der wesentliche Teil der Elektronen von der Probe spiegelnd reflektiert werden. Dies gilt auch für solche Elektronen, die durch Anregung von Adsorbatschwingungen Energieverluste erlitten haben (H.Ibach, J.Vac.Sci.Technol. 9, 713 (1972) und E.Evans and D.L.Mills, Phys.Rev. B5, 4126 (1972) ). Aufgrund dieser physikalischen Gegebenheiten wird durch die Anwesenheit der Probe - abge sehen von einer Strahlumlenkung - der Strahlengang im Hinblick auf die Fokussierungsbedingungen nicht beeinflußt und der Vergleich verschiedenartiger Spektrometer kann durch Vergleich ihrer Eigenschaften in direktem Durchschuß ohne Anwesenheit der Probe erfolgen.

[0004] ist bekannt, daß der Strom durch Raumladungseffekte begrenzt wird (H.Ibach, Applications of Surf. Sci. 1, 1 (1979) ). Dadurch ergibt sich eine Abhängigkeit des transmittierten Stromes am Detektor I_D proportional zu Δ_E^5/2. Verschiedene Ausführungsformen elektrostatischer ElektronenStoßspektrometer unterscheiden sich in dem erzielten Vorfaktor g der Gleichung

der zugleich ein Haß für die Güte des Spektrometers darstellt. Bei Einstellung der höchstmöglichen uflösung wird ein zusätzlicher Abfall des transmittierten Stromes durch verstärkte Bildfehler bei niedrigen Elektronenenergien bedingt. Die erzielbare uflösung ΔE_min (üblicherweise gemessen als energie- breite bei halbem Signalstrom; englisch

, bei der der Strom noch Gleichung (1) folgt, ist deshalb ebenfalls ein Maß für die Spektrometerqualität.

[0005] Elektronenstoßspektrometer für die beschriebenen Anwendungen sind mit verschiedenartigen energiedispersiven Elementen realisiert worden. Insbesondere sind Zylinderkondensatoren, Kugelkondensatoren und sogenannte Zylinderspiegel bekannt geworden. Die entsprechenden Werte für g und die beste erzielte Halbwertsbreite (als Maß für die Auflösung) sind, soweit in bisherigen Arbeiten Angaben über den Strom am Detektor gemacht wurden, in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt.

[0006] 

[0007] Danach werden mit Kugelkondensator- oder Zylinderspiegel-Ablenkeinheiten besonders hohe Auflösungen erzielt. Da jedoch Fertigung und Handhabung von Zylinderkondensator-Ablenkeinheiten erheblich einfacher sind, ist es die Aufgabe der Erfindung, Elektronenstoßspektrometer mit Zylinderkondensator-Ablenkeinheiten so zu verbessern, daß günstigere Werte für und ΔE_min. erhalten werden.

[0008] Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine Strahlführung von kathodisch emittierten und elektronenoptisch gebündelten Elektronen, die zumindest einer Energieselektion in einer Zylinderkondensator-Ablenkeinheit unterworfen und abschließend mit einem Detektor nachgewiesen werden, erreicht, die gekennzeichnet ist durch eine solche Gestaltung der Emissions-und Bündelungssysteme, daß die Elektronen in der Ebene senkrecht zur Zylinderkondensatorachse in bekannter Weise auf die Eingangsblende des Kondensators, jedoch senkrecht dazu auf den Detektor fokussiert werden.

[0009] Eine solche Strahlführung aufweisende Elektronenstoßspektrometer mit einem eine Kathode und ein Linsensystem umfassenden Emissionssystem für einen auf die Eingangsblende des Monochromators fokussierten Elektronenstrom, der in den Zylinderkondensator-Monochromator zur Energieselektion der Elektronen eintritt, die vom Monochromator gebündelt herkommend auf die Probe fallen und nach Reflexion an derselben über ein Linsensystem in einen Zylinderkondensator-Analysator gelangen und nach Energieselektion und Durchgang durch die Ausgangsblende des Analysators auf einen Detektor auftreffen, sind somit gekennzeichnet durch ein senkrecht beziehungsweise parallel zur Monochromator-Zylinderachre derart unterschiedlich gestaltetes Emissionssystem, daß die Elektronen senkrecht zur Zylinderachse in bekannter Weise auf die Eingangsblende des Monochromators zu fokussiert werden, während parallel zur Zylinderachse eine Fokussierung auf den Detektor erfolgt, sowie durch ein Linsensystem zwischen Monochromator und Analysator mit fokussierender Wirkung senkrecht zur Zylinderachse, dagegen ohne fokussierende Wirkung parallel zur Zylinderachse.

[0010] Vorzugsweise umfaßt das Emissionssystem zu diesem Zweck einen Repeller an der Kathode, dessen fokussierend wirkende Fläche unterschiedliche Krümmungsradien parallel und senkrecht zur Monochromator-Zylinderachse aufweist, wobei der Radius des Krümmungsprofils in der durch die Monochromator-Zylinderachse gehenden Ebene größer ist als senkrecht dazu.

[0011] Durch die Erfindung wird der Systembedingte Nachteil von Zylinderkondensatoren, der darin besteht, daß diese energiedispersiven Elemente nur in einer Ebene fokussieren, susgeglichen. Dadurch werden die, wie im Ausfürhungsbeispiel dargelegt, erzielten Werte für g und ΔE_min besser als bei den bisher bekannt gewordenen Konstruktionen, wobei als zusätzlicher Vorteil die vergleichsweise einfache Fertigung von Zylinderkondensatorsystemen zum Tragen kommt.

[0012] Sur näheren Erläuterung der Erfindung wird zunächst enhand von Figur 4 die Funktion der typischen Bauelemente eines Elektronenstoßspektrometers beschrieben:

Elektronenstoßspektrometer enthalten mindestens je ein energiedispersives System als Honochromator 1 und als Analysator 2 . Solche energiedispersiven Systeme sind selbstfokussierend, das heißt Elektronen der erwünschten Energie werden von der Eintrittsblende 3,3 auf die ustrittsblende 4,4' abgebildet. Im Falle von Zylinderkondensatoren als energiedispersive Elemente sind Ein- und Ausgangsblende üblicherweise in der Form von Längsschlitzen ("Schlitzblenden") ausgebildet und die Selbstfokussierung erfolgt nur in der Ebene senkrecht zur Zylinderachse, (Aufsichtebene in Figur 4; im folgenden als Spektrometerebene bezeichnet.)

[0013] Ein Elektronenstoßspektrometer enthält ferner ein - im folgenden als Emissionssystem bezeichnetes - geeignetem System zur Strahlerzeugung 5 (mit emittierender Kathode 6, Repeller 7 und gegebenenfalls Fokussierungselementen 8), sowie ein Linsensystem 9 beziehungsweise 10 zwischen Monochromator 1 und Probe 11 beziehungsweise Probe 11 und Analysator 2, welches der Strahlführung dient sowie der Abbildung der (im übrigen am Target 11 reflektierten) Elektronen vom Austrittsspalt 4 des Honochromators 1 in den Eintrittsspalt 3' des Analysators 2. Der Nachweis der Elektronen erfolgt abschließend im Detektor 12. 13 bezeichnet eine Versorgungseinheit.

[0014] Bei den bisher bekannt gewordenen Elektronenstoßspektrometern auf der Basis von Zylinderkondensatoren sind Ernissionasystem und Linsensystem entweder zirkularsymmetrisch zur Strahl- echse ausgebildet worden (D.Roy und J.Carette in "Electron spectroecopy for surface analusis" ed. by H.Ibach, Springer 1977) oder aber es wurde auf jede Fokuscierung senkrecht zu der in Figur 4 gezeichneten Ebene verzichtet (N.Propst und Th.C.Piper, J.Vac.Sci.Technology 4, 53 (1967) und R.Ibach, J.Vac.Sci.Tecnnology 9, 713 (1972) ).

[0015] Beide vorbenannten Bauformen sind offensichtlich der Eigentümlichkeit der Zylinderkondensatoren, nur in der Ebene senkrecht zur Zylinderachse zu fokussieren, nicht optimal angepaßt:

Beim zirkularsymmetrischen System kann zum Beispiel durch geeignete Wahl der Spannungen ein Fokus der Kathode in den Eintrittsspalt des Monochromators gelegt werden. Offensichtlich entsteht dann aber wegen der Zirkularsymmetrie ein Bündel, welches nach den Fokus nicht nur in der Spektrometerebene sondern such senkrecht dazu divergiert. Da der Zylinderkondensator senkrecht zur Spektrometerebene nicht fokussiert, geht der überwiegende Teil der Elektronen der Lutzung im Detektor verloren. Entsprechendes gilt für die weiteren abbildenden Einheiten. Der Verzicht auf jede abbildende Wirkung senkrecht zu der aus Figur 4 ersichtlichen Spektrometerebene führt offensichtlich ebenfalls zu großen Verlusten.

[0016] Gemäß der Erfindung wird dem gegenüber durch die oben definierte susbildung des Emissionssystem senkrecht zur Spektrometerebene praktisch ein Parallelstrehlinbündel gebildet, weber im übrigen Linsensysteme verwendet werden, die in der Spektrometerebene den Austrittespalt des Monochromators auf den Eintrittaupalt des Analysators abbilden, senkrecht zur Spektrometerebene den Strahl jedoch nicht beeinflussen, wodurch der vom Kathodensystem in dieser Richtung im Detektor ausgebildete Fokus unbeeinflußt bleibt.

[0017] Offensichtlich ist ein solches Emmision - und Linsensystem den Abbildungseigenschaften von Zylinderkondensatoren in optimeler Weire engepaßt. Die entsprechenden Eigenschaften, von Emission system und Linensystem werden erfindungsgemäß durch eine entsprechende Gestaltung der Elektroden erzielt.

[0018] Die vorgeschriebene Strahlführung führt nun nicht nur - wie vorstehend dargelegt - zu einer guten Stromausbeute am Detektor, sondern sie bringt auch Vorteile für die Auflösung des Systems. Die energetische Auflösung eines Zylinderkondensators ist gegeben durch

wobei s und h Schlitzbreite und -höhe von Eingangs- und Ausgangsblende (3, 3' und 4, 4' in Figur 4), r der Radius des Zylinderkondensators, E die Energie der Elektronen im Zylinderkondensator (1, 2) und α die Winkeldivergenz senkrecht zur Zylinderachse sind. Der zweite Term der Gleichung ergibt sich, wenn Strahlen den Zylinderkondensator derart durchsetzen, daß sie von einem Punkt am oberen Rand des Eingangsschlitzes (3) zu einem Punkt am unteren Rand des Ausgangsschlitzes (4) gelangen können. Durch die erfindungsgemäße Strahlführung werden solche

[0019] Elektronenbahnen ausgeschlossen, wodurch der zweite Term entfällt mit dem Resultat einer entsprechend verbesserten Auflösung bei gegebener Energie der Elektronen im Monochromator. Da, wie dem Fachmann bekannt ist, diese Energie nicht beliebig erniedrigt werden kann infolge der örtlichen Inhomogenität des Oberflächen^potentials, bedeutet der Wegfall des Terms 2 in Gleichung (2) auch einen grundsätzlichen Vorteil im Hinblick auf die maximal erzielbare Auflösung. Dieser theoretische Befund läßt sich experimentell bestätigen. Zur Erzielung einer maximalen Auflösung sollten im übrigen lokale Inhomogenitäten des Oberflächenpotentials möglichst klein gehalten werden. Dazu wurden bei einigen bisher bekanntgewordenen Spektrometern zusätzlich Ausheizvorrichtungen oder Beschichtungen mit Edelmetallen vorgesehen (Phys. Rev. 173, 222 (1968)). Zur Vermeidung von Aufladungen der Elektroden und zur Reduktion der Sekundärelektronenproduktion ist ferner die Beschichtung mit Acetylenruß bekanntgeworden (J.A.Prested, J.Phys.E. Scientific Instruments 6, 661 (1973)).

[0020] Eine solche Beschichtung mit Kohlenstoff erweist sich auch beim erfindungsgemäßen Spektrometer als zweckmäßig, wobei überraschenderweise ein besonders günstiges Verhalten des Systems erreicht wird, wenn die Mohlenstoffbeschichtung in der Form von Graphit vorgesehen wird, wie sie insbesondere durch Tauchen der Elektroden in eine Suspension von kolloidalen Graphit und kurzzeitiges "Aufbacken" der Beschichtung erhalten wird.

[0021] Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angeführten Zeichnungen beschrieben; es zeigen schematisch:

Figur 1 ein Emissionssystem;

Figur 2 dessen Linsenprofil;

Figur 3 Kurven für den gemessenen Strom am Detektor in Abhängigkeit von der Energiebreite ΔE; und

Figur 4 den Aufbau eines Spektrometers;

[0022] Das in Figur 4 skizzierte und oben beschriebene Elektronenstoßspektrometer umfaßt ein Emissionssystem, dessen verschiedene Fokallängen durch entsprechende Formgebung der Elektroden realisiert werden, wie sie aus Figur 1 ersichtlich ist, die oben einen Vertikalschnitt und darunter einen Horizontalschnitt durch das System zeigt. Han erkennt deutlich die unterschiedliche Ausbildung in den beiden Richtungen, insbesondere die spezielle Gestalt des Repellers 7 mit einer gekrümmten Repellerfläche 7' mit in beiden Richtungen unterschiedlichen Krümmungsradien r₁, r₂ und ein darauf abgestimmten Linsensystem 8. Die im Spektrometer zwischen Monochromator 1 und Analysator 2 verwendeten Linsen 9, 10 haben ein längliches Linsenprofil mit abgestumpften Ecken, wie es aus Figur 2 ersichtlich ist. Ein analoges Profil haben die Linsen 8 des Emissionssystems.

[0023] Bei dem gewählten Beispiel beträgt der Radius der Zylinderkondensatoren r = 35 mm und die Schlitzbreite s = 0,15 mm. Für Untersuchungen an einkristallinen Proben begrenzter Größe wurde als Schlitzhöhe h = 4 mm gewählt. Die Winkelhalbwertsbreite ist α = 3°. Zur Prüfung der Eigenschaften des Spektrometers wurde der Strom in der Probenposition und am Detektor als Funktion der Energiebreite ΔE (Halbwertsbreite) im direkten Durchschuß gemessen (siehe Figur 3). Die Energie der Elektronen an der Probe wurde dabei fest auf 5 eV gehalten. Die Energieauflösung von Monochromator beziehungsweise Analysator war jeweils gleich.

[0024] Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, folgt der Strom am Detektor der theoretischen Beziehung (Gleichung 1), ohne daß selbst bei ΔE = 5 meV eine verschlechterte Abbildung durch Abweichung von dem theoretischen Potenzgesetz offensichtlich ist. Der sich aus der Kurve ergebende g Faktor beträgt 3,5 · 10^-6 A/(eV)^5/2. Eine maximale Auflösung von ΔE_min = 5 meV wurde erzielt. Der Vergleich mit Tabelle 1 zeigt, daß als Folge der beschriebenen Erfindung erstmals Auflösungen im Bereich von 5 meV mit akzeptablem Strom (g Faktor) realisiert wurden. Ferner ermöglicht die Erfindung die Verwendung von besonders einfach zu fertigenden Zylinderkondensatoren als energiedispersive Elemente ohne Verlust an Strom und Auflösung.

Ansprüche

1. Strahlführung für Elektronenstrahl-Untersuchungen insbesondere von Festkörpern, bei der die von einem Emissionssystem kathodisch emittierten und elektronenoptisch gebündelten Elektronen zumindest einer Energieselektion in einer Zylinderkondensator-Ablenkeinheit unterworfen und abschließend mit einen Detektor nachgewiesen werden, gekenn- zeichnetdurch eine solche Gestaltung der Emissions- und Bündelungssysteme (wie 6 bis S und 9, 10), daß die Elektronen in der Ebene senkrecht zur Sylinderkondensatorachse in bekannter Weise auf die Eingangsblende (3 beziehungsweise 3') des Kondensators (1 beziehungsweise 2),jedoch senkrecht dazu auf den Detektor (12) fokussiert werden.

2. Elektronenstoßspektrometer mit Strahlführung nach Anspruch 1, mit einem eine Kathode und ein Linsensystem umfassenden Emissionssystem für einen auf die Eingangsblende des Monochromators fokussierten Elektronenstrom, der in den Zylinderkondensator-Monochromator zur Energieselektion der Elektronen eintritt, die vom Monochromator gebündelt herkommend auf die Probe fallen und nach Reflexion an derselben über ein Linsensystem in einen Zylinderkondensator-Analysator gelangen und nach Energieselektion und Durchgang durch die Ausgangsblende des Analysators auf einen Detektor auftreffen, gekenn- zeichnet durch ein senkrecht beziehungsweise parallel zur Monochromatorzylinderachse derart unterschiedlich gestaltetes Emissionssystem (6, 8), daß die Elektronen senkrecht zur Zylinderachse in bekannter Weise auf die Eingangsblende (3) des Monochromators (1) zu fokussiert werden, während parallel zur Zylinderachse eine Fokussierung auf den Detektor (12) erfolgt, sowie durch ein Linsensystem (9, 10) zwischen Monochromator (1) und Analysator (2) mit fokussierender Wirkung senkrecht zur Zylinderachse dagegen ohne fokussierende Wirkung parallel zur Zylinderachse.

3. Liektronenstoßspektrometer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Repeller (7) an der Kathode (6), dessen fokussierend wirkende Fläche (7') unterschiedliche Krümmungsradien ( r₁, r₂) parallel und senkrecht zur Monochromator-Zylinderachse aufweist, wobei der Radius r₁ des Krümmungsprofils in der durch die Monochromator Zylinderachse gehenden Ebene größer ist als senkrecht dazu.

4. Elektronenstoßspektrometer nach
Anspruch 2 oder 3, dadurch g e- kennzeichnet, daß die Höhe h der Schlitze in den Eingangs- und Ausgangsblenden (3, 3', 4, 4') größer ist als die Wurzel aus Bahnradius r und Schlitzbreite s.

5. Elektronenstoßspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die an der Strahlführung beteiligten Elemente, insbesondere die Blenden (3, 3', 4, 4'), Linsen (7 - 10) und Ablenkplatten der Kondensatoren (1, 2) eine vorzugsweise durch Tauchen in eine kolloidale Graphitsuspension hergestellte Kohlenstoffbeschichtung aufweisen.

Zeichnung