Analysator für geladene Teilchen

Abstract

 @ Es wird ein Analysator für geladene Teilchen mit zwei der Erzeugung eines axialsymmetrischen elektrischen Feldes dienenden Elektroden (8, 9) vorgeschlagen, welche sich gemeinsam mit den Bahnen der zu analysierenden Teilchen entlang eines zwischen den Elektroden befindlichen Sollkreises (10) erstrecken; um eine verbesserte Dispersion zu erreichen, haben die Elektroden (8, 9) eine solche Form, daß das von ihnen erzeugte axialsymmetrische Feld Äquipotentialflächen hat, die in einem zur Ebene des Sollkreises (10) senkrechten Schnitt zumindest annähernd ellipsenabschnittförmig sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Analysator für geladene Teilchen mit zwei der Erzeugung eines axialsymmetrischen elektrischen Feldes dienenden Elektroden, die sich gemeinsam mit den Bahnen der zu analysierenden Teilchen entlang eines zwischen den Elektroden befindlichen Sollkreises erstrecken.

[0002] Analysatoren dieser Art werden überall dort eingesetzt, wo die Energie geladener Teilchen untersucht bzw. gemessen werden soll. Als Beispiel sei die Untersuchung der Oberfläche einer Probe erwähnt, bei der der zu untersuchende Bereich mit Primärteilchen oder Quanten angeregt wird und diese Anregung zur Emission geladener Sekundärteilchen führt. Die Energieverteilung der emittierten geladenen Teilchen läßt Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Probe zu.

[0003] Analysatoren der betroffenen Art sind z. B. aus "Focussing of Charged Particles", Vol2, Chapter 4.1, 1967, Prof. H. Wollnik, und aus "Z.Naturforsch.", 10a, 872, 1955, H.Ewald, H.Liebl, bekannt.

[0004] Die Funktion von Analysatoren der betroffenen Gattung beruht darauf, daß Teilchen gleicher Masse, aber unterschiedlicher Energie, welche im Bereich des Sollkreises in das von den Elektroden erzeugte elektrische Feld eintreten, verschieden stark abgelenkt werden. Beim Arbeiten mit elektrostatischen Analysatoren wird in der Regel mit Hilfe des elektrischen Feldes ein möglichst enges Energiefenster gesetzt, so daß jeweils nur Teilchen mit einer bestimmten Energie den Analysator im Bereich der Sollbahn oder des Sollkreises durchsetzen und den nachgeordneten Detektor erreichen. Durch Veränderung des elektrischen Feldes erhält man die gewünschte Energieverteilung. Es gibt auch die Möglichkeit, im Auslaßbereich des Analysators ortsempfindliche Detektoren anzuordnen, so daß gleichzeitig geladene.Teilchen verschiedener Energie registriert werden können. Generell ist man bestrebt, bei den Messungen sowohl eine möglichst große Energieauflösung als auch eine möglichst gute Transmission zu erzielen.

[0005] Bei einer einfachen Ausführung eines Analysators der eingangs genannten Art - beim Zylinderanalysator - haben die Ablenkelektroden und damit die erzeugten Äquipotentialflächen die Form von Ausschnitten aus konzentrisch zueinander angeordneten Zylinderflächen, die sich über einen Winkel von 127° erstrecken. Um mit einem Analysator dieser Art eine ausreichend gute Energieauflösung zu erzielen, sollte die Passenergie, also die Energie, die die Teilchen beim Durchtritt durch den Analysator in etwa haben sollten, möglichst nicht höher als 20 eV sein. Mit wachsender Passenergie wird die Zeit, die das zu untersuchende Teilchen im Analysator verbringt und in der die ablenkenden Kräfte wirksam sind, zu kurz, um eine wirksame Dispersion von sich nur wenig in ihrer Energie unterscheidenden Teilchen zu erzielen. Da z. B. bei den meisten Oberflächenanalyseverfahren, bei denen die Energie von geladenen Sekundärteilchen untersucht wird, die Sekundärteilchenenergie wesentlich höher als 20 eV liegt, ist es erforderlich, die Teilchen vor dem Eintritt in den Analysator mit Hilfe einer geeigneten Elektronen- oder Ionenoptik auf die gewünschte _Passenergie abzubremsen. Eine solche Abbremsung geladener Teilchen hat aber den Nachteil einer quadratisch mit dem Bremsfaktor abnehmenden Transmission. Zylinderanalysatoren sind deshalb bei schwachen Intensitäten der zu analysierenden Sekundärteilchen entweder wegen zu langer Meßzeiten oder wegen zu schlechter Meßergebnisse nicht einsetzbar.

[0006] Eine Verbesserung des Zylinderanalysators ist der Kugelanalysator, der aus zwei Kugelflächenabschnitten besteht. Er erstreckt sich über 180°, so daß sein Sollkreis etwas länger ist und damit seine Eigenschaften etwas besser sind als beim Zylinderanalysator.

[0007] über etwas mehr als 1₈0⁰ (über 1,057T-) erstreckt sich der Toroidanalysator, der von zwei toroidförmigen Fokusflächenabschnitten gebildet wird. Der Toroidanalysator besitzt nur für auf seiner Sollbahn fliegende Teilchen bessere Eigenschaften als die übrigen Analysatoren. Er hat den prinzipiellen Nachteil, daß der Fokus der Teilchen im Ausgangsbereich vom Einschußwinkel abhängt. Je größer der Einschußraumwinkel zum Zwecke der Erhöhung der Transmission gewählt wird, desto schlechter ist seine Energieauflösung. Für exakte Analysen, bei denen die zu registrierenden Teilchen geringe Intensitäten haben, ist der Toroidanalysator deshalb ebenfalls nicht geeignet.

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analysator der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei bestimmten Energieauflösungen verbesserte Transmissionseigenschaften hat.

[0009] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Elektroden des Analysators eine solche Form haben, daß das von ihnen erzeugte axialsymmetrische elektrische Feld Äquipotentialflächen hat, die in einem zum Sollkreis senkrechten Schnitt zumindest annähernd ellipsenabschnittförmig sind. In einem elektrischen Feld dieser Art, das sich zweckmäßigerweise über einen Azimuthwinkel von etwa 230⁰ erstreckt, ist der Fokus der Teilchenbahnen im Ausgangsbereich weitestgehend unabhängig vom Einschußwinkel und von der Teilchenenergie. Die Fähigkeit eines Feldes dieser _Art, Teilchen mit unterschiedlichen Energien voneinander zu trennen (Dispersion), ist deshalb wesentlich besser als bei allen vorbekannten Analysatortypen. Dadurch wird es möglich, wesentlich höhere Passenergien zuzulassen. Dieses hat zur Folge, daß dem Analysator vorge lagerte Linsensysteme die auf ihre Energie zu untersuchenden Teilchen entweder nicht mehr oder nur noch mit wesent--lich kleinerem Bremsfaktor, als es bisher notwendig war, abbremsen müssen. Die quadratisch vom Bremsfaktor abhängige Transmission kann dadurch erheblich gesteigert werden.

[0010] Es gibt die verschiedensten Möglichkeiten, elektrische Felder der erfindungsgemäßen Art zu erzeugen. Zweckmäßigerweise haben die Elektroden selbst die Form der jeweils gewünschten Äquipotentialflächen.

[0011] Wenn z. B. die Elektroden die Form von zueinander korrespondierenden Abschnitten einer Ellipsen-Torus-Schar haben, dann haben die von Elektroden dieser Art erzeugten Äquipotentialflächen ebenfalls die Form von Ellipsen-Torus-Abschnitten. Die verschiedensten Ellipsen-Torus-Scharen sind dabei denkbar. Die erzeugenden Ellipsen können z. B. einen gemeinsamen Brennpunkt, gleiche Exzentrizität und/oder gleichen Brennpunktabstand haben. Wesentlich ist nur, daß sich die einzelnen Ellipsen nicht schneiden.

[0012] Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Elektroden die Form von zueinander korrespondierenden Abschnitten einer Sphäroidschar mit gemeinsamen Brennpunkten zu geben. In diesem Fall sind die von den Elektroden dieser Form erzeugten Äquipotentialflächen sphäroidabschnittförmig. In allen Beispielsfällen entstehen Äquipotentialflächen der erfindungsgemäßen Art, also mit im zur Ebene des Sollkreises senkrechten Schnitt ellipsenabschnittförmiger Gestalt.

[0013] Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sollten die Elektroden ein Feld erzeugen, deren Äquipotentialflächen durch die folgende Gleichung gegeben sind:

Darin bedeuten:

V : Feldpotential E₀ : Passenergie

x, ξ : Polarkoordinaten c : Exzentrizität der durch den Sollkreis gehenden sphäroidförmigen Äquipotentialfläche

[0014] Ein diese Bedingung erfüllendes elektrisches Feld weicht geringfügig von der exakten Sphäroidform in Richtung Ellipsentoroidform ab. Ein exaktes Sphäroid entsteht z. B. dadurch, daß eine Ellipse um ihre kürzere Achse rotiert. Der in eckigen Klammern befindliche Term bedeutet, daß die Rotationsachse gegenüber der Ellipsenachse um einen geringen Betrag (etwa 1 bis 3 %) parallel verschoben ist. Läßt man um diese Rotationsachse den größeren Teil der Ellipse rotieren, dann entstehen Flächen der gewünschten und die erwähnte Gleichung erfüllenden Form.

[0015] Aufgrund der guten Fokussierungseigenschaften des erfindungsgemäßen Analysators können relativ große Einschußraumwinkel zugelassen werden. Dieses setzt einen relativ großen Abstand der Elektroden voraus, damit die Flugbahnen von stärker vom Sollkreis abweichenden Teilchen nicht durch die Elektroden gestört werden. Um Randfeldstörungen aufgrund des relativ großen Abstandes der Elektroden zu vermeiden, ist es zweckmäßig, eine Eingangs- und eine Ausgangs blende vorzusehen, die jeweils einen im Bereich des Sollkreises liegenden, sich parallel zu den Äquipotentialflächen erstreckenden Schlitz aufweisen. Haben diese Blenden das Potential der den Sollkreis durchsetzenden Äquipotentialfläche, dann sind Randfeldstörungen stark reduziert.

[0016] Zusätzlich können zur weiteren Reduzierung von Feldstörungen zumindest im Einlaßbereich weitere Korrekturelektroden vorgesehen sein, die sich parallel zum Sollkreis über eine kurze Strecke in den Analysator hinein erstrecken und in ihrer Form mit Äquipotentialflächen übereinstimmen. Auch ihr Potential ist diesen Potentialflächen angepaßt.

[0017] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der Figuren 1 bis 5 erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Ellipsenscharen, die Grundlage für die Formgebung der Elektroden sein können;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Analysator nach der Erfindung in der Ebene des Sollkreises;

Fig. 4 Ansichten des Eintritts- und Austrittsbereiches und

Fig. 5 einen Fig. 3 entsprechenden Teilschnitt durch den Ausgangsbereich eines Analysators.

[0018] Fig. 1 zeigt eine Ellipsenschar 1 mit gemeinsamen Brennpunkten F₁ und F₂. Die Kurvenscharen sind charakterisiert durch die Gleichungen:



Darin bedeuten:

C : Exzentrizität

x₁, x₂, x₃ : kartesische Koordinaten,

x, ξ, φ : Sphäroidkoordinaten (Polarkoordinaten)

[0019] Der Zusammenhang zwischen diesen Koordinaten ist:

[0020] Für den Fall x = const ergeben sich die ausgezogen dargestellten elliptischen Kurven. Für den Fall ξ = const ergeben sich die gestrichelt dargestellten hyperbolischen Kurven.

[0021] Ein erfindungsgemäß gestalteter Analysator entsteht, wenn man den zwei Elektroden in einem zum Sollkreis senkrechten Schnitt die Form von zwei zueinander korrespondierenden Ellipsenabschnitten gibt, die sich im Bereich der Hauptachse und symmetrisch dazu erstrecken, und diese um die x₃-Achse rotieren läßt. Zwei solche Ellipsenabschnitte sind im linken Teil der Fig. 1 durch verstärkte Linien angedeutet und mit 2 und 3 bezeichnet. Zwischen den Elektroden 2 und 3 (mittig) liegt der Sollkreis des Analysators, der dem eingezeichneten Punkt x₀ entspricht. Wenn der Sollkreisradius P = 1 ist, gilt für x :

wobei c die Exzentrizität derjenigen Ellipse ist, die dem Sollkreis entspricht. Die von Elektroden dieser Art erzeugten Äquipotentialflächen haben dann ebenfalls in einem zum Sollkreis senkrechten Schnitt ellipsenabschnittförmige Gestalt. Die Richtung des elektrischen Feldes ist gegeben durch die jeweils gestrichelt dargestellten hyperbolischen Kurvenabschnitte.

[0022] Läßt man die Ellipsenabschnitte 2 und 3 nach Fig. 1 um die x₃-Achse rotieren, dann entstehen Elektroden, die exakt die Form von Sphäroid-Flächenabschnitten haben. Um jedoch Äquipotentialflächen zu erzeugen, die die in Anspruch -6 angegebene Gleichung erfüllen, dann ist es erforderlich, die Rotationsachse etwas zu verschieben, und zwar derart, daß der Abstand zwischen der Rotationsachse und den Ellipsenabschnitten 2 und 3 etwas größer wird (um ca. 1 bis 3 %). Diese Rotationsachse ist gestrichelt dargestellt und mit 4 bezeichnet. Mit einem Analysator dieser Art läßt sich bei einer Teilchenenergie von 1 keV eine Auflösung von wenigen Zehntel Volt erzielen, und zwar bei einer Passenergie von 100 eV. Gegenüber dem Kugelkondensator stellt das eine Intensitätsverbesserung um den Faktor 5 dar.

[0023] 

Fig. 2 zeigt im linken Bereich die Ellipsenschar 1 nach

Fig. 1. Diese Schar ist dadurch gekennzeichnet, daß alle

[0024] Ellipsen identische Brennpunkte F₁ und F₂ besitzen. Vergleichbare Ellipsenscharen, die ebenfalls für die Formgebung der Elektroden des erfindungsgemäßen Analysators herangezogen werden können, sind z. B. durch gleiche Exzentrizität gekennzeichnet. Der Abstand der Brennpunkte bei einer derartigen Ellipsenschar würde mit steigenden Radien zunehmen.

[0025] Der rechte Teil der Fig. 2 zeigt eine Ellipsenschar 5, die dadurch gekennzeichnet ist, daß bei allen Ellipsen der Brennpunktabstand gleich ist, der Ort der Brennpunkte aber mit steigenden Radien nach rechts verschoben wird. Eine ähnliche Ellipsenschar entsteht, wenn alle Ellipsen einen Brennpunkt gemeinsam besitzen, gleiche Exzentrizität haben und der zweite Brennpunkt mit steigenden Radien nach außen wandert. Alle diese Ellipsenscharen können für die Formgebung der Elektroden des erfindungsgemäßen Analysators herangezogen werden. In der Ellipsenschar 5 sind zwei einander korrespondierende Ellipsenabschnitte verstärkt dargestellt und mit 6 und 7 bezeichnet. Läßt man diese in der zur Fig. 1 beschriebenen Weise um die x₃-Achse oder eine andere dazu parallele Achse rotieren, dann entstehen Flächen, die die gewünschte Elektrodenform bilden können.

[0026] Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Analysator nach der Erfindung, und zwar in der Ebene des Sollkreises 10 geschnitten. Der Analysator umfaßt die Hauptelektroden 8 und 9, die zwischen sich den Sollkreis 10 mit dem Radius x einschließen. Die Innenflächen der Elektroden 8 und 9 haben in einem zur Sollkreisebene senkrechten Schnitt die Form von Ellipsenabschnitten. Die Elektroden 8 und 9 und damit das von ihnen erzeugte elektrische Feld erstreckt sich über einEnAzimuthwinkel 0 von 230°.

[0027] Im Eingangsbereich des dargestellten Analysators ist eine Blende 11 mit einem im Bereich des Sollkreises 10 vorgesehenen Eingangsschlitz 12 angeordnet.

[0028] Diese Platte hat zweckmäßigerweise das Potential der den Sollkreis durchsetzenden Äquipotentialfläche. Der Eingangsschlitz 12 erstreckt sich parallel zu dieser Äquipotentialfläche und hat deshalb ebenfalls ellipsenförmige Gestalt (vgl. Fig. 4).

[0029] Im Bereich des Ausganges des Analysators ist eine entsprechende Blende 13 mit dem Austrittsschlitz 14 angeordnet.. Unmittelbar dahinter befindet sich der Auffänger 15 des nachgeordneten, im einzelnen nicht dargestellten Detektors für die austretenden geladenen Teilchen.

[0030] Dem Eintrittsschlitz 12 vorgelagert ist ein Linsensystem 17, das aus vier Elektroden 18 bis 21 besteht. Der Eintrittsöffnung 22 des Linensystems 17 vorgelagert ist die zu untersuchende Probe 23. Von der Probe 23 ausgehende Teilchen werden mit Hilfe des Linsensystems auf den Eintrittsschlitz 12 fokussiert und auf die gewünschte Passenergie gebracht. Teilchen, deren Energie dem eingestellten Analysator-Potential entspricht, durchsetzen den Analysator und werden auf dem Austrittsschlitz 14 abgebildet. Zwei Teilchenbahnen 24 und 25 sind beispielsweise dargestellt.

[0031] Fig. 3 zeigt weiterhin sowohl im Einlaß als auch im Auslaßbereich des dargestellten Analysators angeordnete Korrekturelektroden 26, 27 bzw. 28, 29. Diese Elektroden entsprechen sowohl in ihrer Form als auch in ihrem Potential den Äquipotentialflächen an dem jeweiligen Ort. Sie stellen praktisch einen Ersatz der zugehörigen Äquipotentialflächen dar und bewirken damit eine weitere Beseitigung von Feldstörungen im Ein- und Auslaßbereich des Analysators. Ihr Abstand zum Eintrittsschlitz 12 bzw. Austrittsschlitz 14 soll einerseits möglichst nah sein, andererseits soll aber die Transmission nicht beeinträchtigt sein. Zweckmäßigerweise beträgt ihr jeweiliger Abstand vom Sollkreis 10 etwa die Hälfte des Abstandes Sollkreis - Hauptelektrode, wobei sie sich um jeweils 10 in den Analysator hinein erstrecken.

[0032] Fig. 4 zeigt Ansichten des Eintrittsbereichs und des Austrittsbereichs des in Fig. 3 dargestellten Analysators. Die diesen Bereichen jeweils vorgelagerten Herzog-Platten 11 und 13 sind gestrichelt dargestellt. Die Form des Eintritts- bzw. Austrittsschlitzes 12, 14 ist ersichtlich. Ihre langen Seiten erstrecken sich parallel zu den Äquipotentialflächen. Ihre kurzen Seiten stimmen mit der Richtung des elektrischen Feldes überein.

[0033] Die beiden Elektroden 8 und 9 sind jeweils aus vollem Material hergestellt. Ein einfacheres Verfahren der Herstellung der Elektroden besteht darin, daß in vorgedrückte und spannungsfrei geglühte Teile die gewünschte Elektrodenform eingedreht wird.

[0034] Fig. 5 zeigt nochmals den Ausgangsbereich des Analysators gemäß Fig. 3. An Stelle der Herzog-Platte 13 und des Auffängers 15 ist dem Analysator ein Vielkanaldetektor 31 nachgeordnet. Dadurch besteht die Möglichkeit, gleichzeitig größere Energiebereiche verarbeiten zu können.

[0035] Im folgenden ist noch eine Tabelle wiedergegeben, die zweckmäßige Werte für ein Ausführungsbeispiel enthält.

[0036] Elektrode

Darin bedeuten x die Polarkoordinate, c die Exzentrizität der den Sollkreis x₀ durchsetzenden Äquipotentialfläche, V das Potential der jeweiligen Elektrode in Einheiten der Passenergie E_o.

[0037] Gibt man zur Verwirklichung eines Analysators der erfindungsgemäßen Art den Sollbahnradius x_o mit z. B. 100 mm, 150 mm oder Zwischenwerten vor, dann lassen sich die übrigen Daten aus der Tabelle berechnen.

[0038] Die Innenwandungen der Elektroden 8, 9 sind zweckmäßigerweise in einem sich über 30⁰ bis 60⁰ erstreckenden mittleren Bereich zur Vermeidung von störenden Reflektionen aufgerauht. Vorzugsweise sind sägezahnartige, sich senkrecht zur Sollkreisebene erstreckende Riefen vorgesehen. Aus Rev. Sci. Instrum., Vol. 46, No. 10, October 1975, sind solche Maßnahmen an sich bekannt.

Ansprüche

1. Analysator für geladene Teilchen mit zwei der Erzeugung eines axialsymmetrischen elektrischen Feldes dienenden Elektroden, die sich gemeinsam mit den Bahnen der zu analysierenden Teilchen entlang eines zwischen den Elektroden befindlichen Sollkreises erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8, 9) eine solche Form haben, daß das von ihnen erzeugte axialsymmetrische elektrische Feld Äquipotentialflächen hat, die in einem zur Ebene des Sollkreises (10) senkrechten Schnitt zumindest annähernd ellipsenabschnittförmig sind.

2. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das erzeugte elektrische Feld ellipsen-torus-förmige Äquipontentialflächen hat.

3. Analysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden (8, 9) selbst ellipsen-torus-förmige Gestalt haben.

4. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes sphäroidförmig gestaltet sind.

5. Analysator nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden (8, 9) selbst sphäroidförmig gestaltet sind.

6. Analysator nach Anspruch 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden (8, 9) ein Feld erzeugen, das durch die folgende Gleichung gegeben ist:

V : Feldpotential E_o : Passenergie

x, ξ : Polarkoordinaten c : Exzentrizität der durch den Sollkreis gehenden sphäroidförmigen Äquipotentialfläche

7. Analysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß er sich über einen Azimuthwinkel 0 von etwa 230° erstreckt.

8. Analysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eingangsseitig und vorzugsweise auch ausgangsseitig Schlitzblenden (11, 13) mit zentral angeordneten Schlitzen (12, 14) vorgesehen sind, daß sich die Schlitze(12, 14) parallel zu den Äquipotentialflächen erstrecken und daß das Potential der Blenden (11, 13) dem Potential der den Sollkreis durchsetzenden Äquipoten tialfläche entspricht.

9. Analysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eingangsseitig und vorzugsweise auch ausgangsseitig Korrekturelektroden (26, 27 bzw. 28, 29) vorgesehen sind, die in ihrer Form und in ihrem Potential den Äquipotentialflächen an ihrem Ort entsprechen.

10. Analysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden (8, 9) vorzugsweise in einem sich über 30 bis 60° erstreckenden mittleren Bereich aufgerauht oder mit sägezahnförmigen, sich etwa senkrecht zur Ebene des Sollkreises erstreckenden Riefen ausgerüstet sind.

Zeichnung