電子能譜儀的製作方法

2023-04-28 15:48:41 1

專利名稱:電子能譜儀的製作方法
本發明涉及一種電子能譜儀，由於它有一個環形電容式能量分析儀，因此當某基本輻射束(如X射線，紫外光或電子)轟擊樣品時，它適用於對其表面發射出的電子進行分析。
該能譜儀可用於樣品表面的研究，因為被發射電子的能量表徵了被轟擊表面的化學性質。因此，它有助於獲取有關某種化學物質在表面上分布的信息。眾所周知利用只有特定能量範圍電子來產生表面圖像的方法是很多的。它們包括D、W、Tumer，I、R、Plummer和H、Q、Porter在Journal of Microscopy(顯微鏡學期刊)，1984年，卷136(2)，第259-277頁上所介紹的投射法，在該法中次級電子沿著由強大發散磁場所定軌道行進。電子還通過一減速勢能分析儀，從而只包括某些能量的電子表面圖象。這種儀器沒有靜電透鏡，卻需要大而昂貴的磁鐵。本發明涉及的能譜儀與傳統用於表面分析的能譜儀有很大不同。
另一種是由C.T.Hovland在1973年於維也鈉第三次國際體表面會議上介紹過的方法，(PP2363)，它是用一條很窄的基本輻射束逐點掃描樣品並用傳統分析儀，如柱面鏡分析儀來分析次級電子，從而重新產生表面圖象。Hovland建議樣品在鋁襯底上塗一層薄膜。隨後用高能電子束來對鋁襯底表面掃描，從而使射束和鋁的接觸點放出的X射線通過襯底並照射樣品的一個小區域。這種方法僅限於能在鋁襯底上塗敷的樣品，通常包括用X射線光電子能譜儀(XPS)進行分析的大部分樣品。
帶能量濾波器的電子顯微鏡是先有技術中公知的，其中有些可參考H.Watanabe於phys.SOC(日本)，1962年，卷17，第569頁，S.L.Cundy等於J.Sci.Instr，1966年，卷43，712頁;D.B.Wittry於Brit.J.Appl.Phys.1969，卷21757頁;A.V.Crew.對於Rev.Sci.Instr.1971年卷42(1)，411頁;J.W.Andrew.等於Proc.Ninth.Int.Congress on Electron Microscopy;多倫多(Toronto)，1978年，卷1，40頁;及RF.Egcrton等於J.Phys.E，1975年卷81033頁。
初看起來，正在放射光電子的表面的能量過濾圖象似乎可用具有這種過濾器的電子顯微鏡來產生，但實際上這是不可能的。例如上述所有儀器都要採用能量非常高的電子束和過濾器，這是因為電子通過樣品作能量分析或過濾時要損失能量，所以只用在窄能帶範圍內的電子形成圖象，從而減少顯微鏡的色缺陷。一般情況下，它們採用磁場濾波器(如Castainy R和Henry，在Mircroscopie 1964年3(2)卷133頁中所述的)或靜電透鏡濾波器(如Mollenstedt和Rang在Z.Angew.phys，1951年3(5)卷187頁中所述的。無人採用傳統上用於低能次級光或俄歇電子分析的環形或球面扇形電容靜電分析儀。這種儀器因而實際上不適於發射低能電子的表面成象，如Cazanx在Ultramicroscopy，1984年12卷321頁中所述。Cazanx在薄的鋁箔上塗敷樣品，並根據Hovland的上述方法產生入射X射線。所放射電子通過裝有Castaing和Henry所述的能量過濾器的電子顯微鏡的透鏡系統，以形成表面的能量過濾圖象。但是，Cazanx發現結果很不令人滿意，且得到的圖象實際上是次級電子圖象而不是光電子圖象。它進一步指示當採用光電子時所得到的系統空間解析度將很低，且預期靈敏度也非常低，以致難於靠XPS產生的少量光電子來得到具有適當對比度的圖象。因此，一般地說，為能量過濾顯微鏡所開發的高深技術不宜用於低能電子能譜儀，特別不宜用於沒有使用電子顯微鏡的環形或球面扇形電容分析儀中。
搞過表面分析的人都知道，以環形電容為基礎的電子能量分析儀是最適於做低能光電子或俄歇電子分析。「環形電容器」一詞在這裡是指一種靜電能量分析儀，它包括兩個環形表面扇狀電極，並且其中等勢面基本為扇狀環形表面，至少很接近於電極處是扇狀環形表面。最普通的情況，電極是球面扇形狀，儘可能是環形表面，常用180°的扇面角，但也可採用90°至270°之間的任何扇面角。
眾所周知，經過適當設計的這種分析儀具有一對共軛平面，它們是這樣兩個平面，在一個平面上裝有一個發射單能電子的表面，它將在另一平面上產生兩維圖象。分析儀的能量偏差將使該圖象在圖象平面內沿能譜儀能量偏差軸方向，根據電子的能量發生偏差，從而使圖象的空間面貌至少在該軸方向上無法從能量譜線識別出來。N.Gurker，H.Ebd和M.F.Ebel在Surface and Interface Analysis(表面和界面分析)，1983年5(1)卷13頁中建議這點可通過只對樣品的一條窄帶區域進行成象從而使窄帶上的圖象垂直於圖象平面的能量偏差軸方法來克服。因為該窄帶很窄，所以沿能量偏差軸方向只有非常小的空間細節，因而能量譜線與圖象無關。完整的兩維圖象可通過對樣品進行機械掃描來得到，從而樣品上不同處的線狀窄帶可依次用能譜儀來成象。可用位於分析儀成象平面內的兩維位置靈敏檢測器在與狹縫相應的樣品每個位置上記錄能量譜。這些信息可用計算機處理以得到表面掃描區上完整的兩維圖象和相應於樣品各個位置的能量譜。這種方法的主要缺點是要用能譜儀物平面中的狹縫，這顯然阻止了大部分發射的光電子達到探測器。因此，該方法的靈敏度低，考慮到第一區域只發射少量的電子，所以如前所述方法一樣，就成為一個嚴重問題。用較寬的入口縫當然可提高靈敏度，但這顯然降低了能量譜的解析度和某一軸向的空間解析度。
因此，本發明的目的是提供一種帶環形電容器式分析儀的電子能譜儀，它既能使小面積樣品發射的電子產生能譜，還能用選定能量的電子至少使部分樣品表面成象，因而不需要使用任何掃描技術。因此這種分析儀比前述圖象分析儀更有效，克服了用XPS低能光電子來產生能量過濾圖象的問題。
從本發明一個方面看，提供了一種能產生電子發射表面圖象的電子能譜儀，上述能譜儀依次包括a)使上述表面發射電子的裝置;
b)第一淨電透鏡系統，至少把某些上述電子投射到第一衍射面上，至少對上述部分表面的電子圖象作進一步的傅立葉(Fourier)變換;
c)具有物平面和與其共軛的第一圖象表面的環形電容式靜電能量分析儀，配有上述物平面的上述分析儀與上述第一衍射平面重合併投射所述付裡葉變換電子作為上述第一圖象平面內能量偏差的傅立葉變換;
d)能量選擇裝置，它用於發射是在選擇能量範圍內的上述能量偏差傅立葉變換電子;
e)第二靜電透鏡系統，用於接收上述能量選擇裝置發出的電子並且隨後把部分所述表面電子圖象投射到第二象平面上。
就靜電能量分析儀而言，其中第一圖象表面位於電極之外，具有第二衍射平面的第二靜電透鏡系統將其第二衍射平面與第一圖象平面重合，以使最後圖象產生在第二圖象平面上。
最好在第一靜電透鏡系統和表面之間設置一個靜電透鏡變換系統，並使其接收至少從表面發射來的部分電子並產生至少部分表面的電子圖象。若提供了這樣的透鏡系統，則它產生的電子圖象就作為本發明第一靜電透鏡系統的物體。
最好，在表面和分析儀之間設置的裝置，是讓某些電子進入能量分析儀，這些電子的方向離開此表面，與該表面成一定範圍的角度。另外，最好對離開表面的電子進行選擇，只允許與第一靜電透靜系統(或者有靜電透鏡變換系統的話)的軸在一定角度範圍內行進的電子進入能量分析儀。
在另一較佳實施方案中，包括靜電能量分析儀的電極是球形扇面，從而分析儀包括部分球面靜電分析儀，這種類型實例通常是在低通能量電子能譜儀中使用。然而，也可採用非球形環狀靜電分析儀。
最好在第二象平面中或其附近提供一個第一電子檢測裝置，以便或顯示可見電子圖象或對其作電記錄。這是傳統裝置，可包括螢光屏或位置靈敏檢測器，例如在美國專利案4，395，636號，或M.Lampton和R.F.Maline在Rew.Sci.Instruments，1976年47(11)卷1360頁上對那些檢測作了介紹。也可採用其它類型的位置靈敏檢測器。最好至少裝置一個通道板(Channelplate)電子倍增器，並使其入口在檢測器或螢光屏前方的第二象平面內。然而，當要進行放大(或縮少)第二靜電透鏡系統產生的圖象時，可在第二靜電透鏡系統和第一電子檢測裝置之間裝置圖象放大靜電透鏡系統。
在另一更佳實施方案中，該設備裝有調節進入能量分析儀電子能量的裝置。於是能量分析儀的中心軌道勢能和表面勢能可保持不同量值，以便把電子加速或減速到特別適於能量分析儀在所需解析度作分析的能量上。一般情況下，樣品保持在地面電位上，而分析儀中心軌道以及第一和第二靜電透鏡系統中至少入口和出口部件電位均保持在第二電位上，以便按照要求可以調節改變加速或減速。最好把每個成象過程中成象能帶範圍內的電子加速或減速到能量分析儀帶通內的能量上。最好使該帶通的能量不低於50ev，通常是在50-200ev，特殊不是100ev。較高的帶通能量在最終成象時可得到較好的空間解析度。
在另一較佳實施方案中，無論是靜電透鏡變換系統(如果有的話)還是第二靜電透鏡系統可以方便地改變放大率。
本發明提供至少部分樣品表面電子圖象的同時，還可以提供記錄通過能量分析儀物平面電子的電子能譜。可把與前述相似的電子檢測器插到分析儀的象平面電子通道上，以便記錄能譜。如下面解釋的，在這平面中存在與表面空間特性有關信息，它是以電子軌道同平面之間形成角度的形式出現，而能量沿偏差軸方向散開。因此，在此平面中記錄的能譜基本不受樣品空間特徵的影響。一般情況下譜線檢測器裝在一個可以縮進的架子上，使檢測器可以收回，從而使電子經第二靜電透鏡系統形成表面的圖象。若採用帶孔的譜線檢測器，則可同時記錄譜線(除落到孔徑部分以外)和象。這對於任何以前所知的適於分析俄歇電子能譜儀或光電子能譜儀來說都是不可能的。在這個裝置中，如果需要的話也可省掉檢測空間圖象裝置，因而本發明另一個目的是提供了一種電子能譜儀，其中包括上面所述部分(a)至(c)，並有電子檢測裝置，用來探測上述傅立葉變換分布能量中的電子。
本發明的第一和第二靜電透鏡系統可以很容易地包括一個或多個靜電透鏡，一般都是簡單通用的三部件柱形透鏡。
如果有靜電變換鏡系統，則它在第一靜電透鏡系統的物平面上形成樣品表面的電子圖象。一般來說，至少包括兩個，最好有三個靜電透鏡，其中每一個都是傳統的三部件透鏡。這使所選變換透鏡系統的放大率可與產生圖象的軸向位置無關。這種系統希望能提供的放大倍數至少是16，較好的至少是25，特別好的至少是50，尤其希望能提供×16至×64範圍內的可變放大倍數的系統。
在本發明的第二靜電透鏡系統中提供類似的可變放大系統還可得到更多優點。於是上述簡單的三部件透鏡可由多個二至三透鏡系統所代替。
最好，靜電能量分析儀是球狀扇面型。任何適當的扇面角都可採用，一般使用90°和270°之間的扇面角。小於或等於190°的扇面角，例如150°至190°是可取的，因為裝配部分比較方便，但用180°的扇面角能取到特別好的效果。這種分析儀的扇面角實際一般不伸延到圖象或物平面上，以便為輸入和輸出狹縫留出空間，(因為這些狹縫需要裝在圖象和物平面上)。這種分析儀在工藝上是已知的，故不必詳述。
本發明的另一目的是，提供了一種形成電子發射表面圖象的方法，它包括(a)使電子從表面上發射出來;
(b)至少使上述部分電子通過第一靜電場，該場用於在第一衍射平面中，至少對上述部分表面產生電子圖象的傅立葉變換;
(c)至少使通過上述第一衍射平面中的上述傅立葉變換的某些電子通過具有物平面和第一象平面的環形電容式靜電分析儀所產生的第二靜電場，上述物平面與上述第一衍射平面重合，從而在上述第一象平面中產生能量偏差的傅立葉變換;
(d)選擇能量在選定範圍內的電子;
(e)使上述選定電子通過第三靜電場，使其聚焦，在第二象平面上形成第二電子圖象，該圖象包括具有上述選定範圍內能量的電子。最好使表面發射的電子在第一靜電場前通過一個靜電變換場。靜電變換場聚焦電子，產生一個作為第一靜電場的物體的圖象。
最好把本發明方法與選擇電子的步驟相結合，這些電子在進入第一靜電場之前是沿著與表面成一定範圍的夾角方向進行的。
在另一較佳實施方案中，該方法包括電子在進入第二靜電場之前電子能量改變的步驟，它使這些電子能量在所需要的能量解析度範圍之內，隨後由第二靜電場進行能量偏差。
在另一更佳實施方案中，第二靜電場的等勢面為部分球面。另外，最好把從表面發射電子的能量變到一個量值，在這個量值上，能量分析儀將給出所需的能量解析度。這是用來做俄歇分析或光電子分析的電子能譜儀傳統的運行模式。例如參見，Brundle，Roberts，Latham和Yates在J.Eleetron Spectroscopy and Related Phenomena，1974年第3卷241-261頁的介紹。還希望通過第二靜電場的電子能譜在它的象平面中出現，如果需要還可以記錄下來。在這個能譜中基本上不包括空間信息。另外，在第二平面所形成象的解析度基本不受其所含電子能量分散的影響。
用這種方法，可克服環形電容電子能量分析儀的能量偏差和空間成象性質相分離的問題。在一較佳實施方案中，用光子(X射線、紫外光等)轟擊樣品以發射電子，或用電子來發射俄歇電子，所發射的部分電子被變換透鏡系統收集而形成一個表面的圖象。如同在傳統分析中一樣，電子能量可通過改變其環境電勢來變化，通常是阻滯這些電子以使通過分析儀的能量被限制在較低的量值上，從而提高能量解析度。在傳統的能譜儀中，如Gurker、Ebel和Ebel(如前所述)，變換透鏡系統使表面的象能在能量分析儀的物表面上形成，同時在設有位置靈敏檢測儀的象平面上形成樣品的能量偏差圖象，相反，在本發明中，第一透鏡系統介於變換透鏡系統的象平面和能量分析儀物平面之間。最簡單的情況是在第一透鏡系統只包括一個薄的單個透鏡時，將使變換透鏡系統的象平面和分析儀的物平面與第一透鏡系統的距離分別等於第一透鏡系統的焦距長度。這樣，分析儀的物平面與第一透鏡系統的衍射面重合，在此面上存在表面象的傅立葉變換。沿著與表面成一定角度的方向離開樣品表面某一特定點的電子將以基本為平行射束的形式穿過第一透鏡系統的衍射平面，並同該平面成一特定角度。而且從表面不同點上離開的電子以不同角度通過平面。這樣，在平面上基本上沒有由於表面的空間特性引起的強度變化。環形電容能量分析儀在其象平面中形成這個衍射平面的象，並且沿著一個軸(其發散軸)還引入電子能量分散。這樣，來自樣品上不同點的電子以不同角度穿過分析儀的象平面，根據電子能量的大小沿著分散軸產生偏移。結果，沿著分散軸根據電子的能量強度發生變化，從而最初從樣品上發射的電子與樣品上點的位置無關(假設樣品表面是均勻的)。這是一個完整的能譜(基本上與表面的空間特性無關)並在分析儀的象平面上記錄。
然而如果通過分析儀象平面的電子被適當定位的第二透鏡系統接收時，則該透鏡將形成表面的另一圖象，即第二透鏡系統與第一透鏡系統的作用相反。當第二透鏡系統是單個薄透鏡時，其布置情況是使分析儀的象平面與透鏡之間的距離為聚焦長度，而且圖象將在透鏡的象平面上生成，同樣，該象與透鏡之間的距離為聚焦長度。該象與分析儀象平面中電子分布的能量偏差無關，因為它包括了分析儀象平面的付裡葉變換並僅依賴於電子通過該平面的角度。包括該象的電子能帶當然可以靠改變通過分析儀的能量、樣品與分析儀中心通道之間的勢差(即延遲率)和/或其象平面的狹縫寬度來選擇。
環希望用設在分析儀物平面的另一狹縫來限制進入分析儀中電子軌道的角度範圍。
因此可以選擇能代表單元表面特徵電子並可得到整個表面上單元表面的分布圖象。另外還可記錄從表面特定區域上發生的電子能譜。在變換透鏡系統中，在形成表面象的平面中，可設置適當形狀的孔來選擇能譜儀成象的樣品區。還可看到使用一個檢測器，是在分析儀象平面中開孔使某些電子進入第三透鏡，可在產生表面的象的同時記錄大部分能譜。另外，還可使用其中開孔或開狹縫的檢測器，該狹縫只沿著分析儀象平面中的軸部分延伸，基本與發散軸垂直。以此方式可以在一部分象平面中記錄下完整的能譜，同時表面象可由通過最後的透鏡並穿過檢測器孔的電子來產生。
這種方法顯然比掃描方法和採用表面發射電子的最大可能數目的方法更有效。
現在將結合下列附圖來描述本發明的一個較佳實施方案圖1是本發明能譜儀的一個實施方案示意圖，它顯示了各透鏡部件和象的位置;
圖2是適用了本發明能譜儀中的電子能量複製儀的物平面和象平面的說明圖，表明下列一些參數;
圖3是適用於本發明的變換透鏡系統和第一靜電透鏡系統的示意圖;
圖4是本發明能譜儀主體的說明圖;
圖5是說明圖3所示第一透鏡系統及變換透鏡系統的實際方案具體示意圖;
圖6是說明輸出透鏡及適用於本發明的檢測器的具體示意圖;
首先參考圖1，用包括靜電透鏡1和2的變換透鏡系統將物體4發生的電子聚焦，該透鏡系統將在下面進行詳述。變換透鏡系統產生物體4的實象3。象3與第一靜電透鏡系統5的距離為F2，靜電透鏡系統5距半球形電容器電子能量分析儀的物平面6的距離也是F2，半球形電容器電子能量分析儀的中心軌道用7表示。把物體4和變換透鏡系統入口和出口元件(圖5的15和25)保持在接地電位，同時調整中心軌跡7和透鏡系統5的入口與出口(圖5的27和32)電位，以使電子在進入能量分析儀之前能獲得所需的減速(或加速)。當透鏡系統5為一單片薄透鏡時，使距離F2等於透鏡系統5的焦距，以使象3的傅立葉變換存在於物平面6上，通過平面6的電子進入能量分析儀，那些能量可通過分析儀的電子通過了分析儀象平面8，它是與平面6共軛的。和常規電子能譜儀一樣平面8上的孔使具有所選範圍能量的電子能夠通過。因此，在平面6上象3的傅立葉變換重新在平面8上產生，但出現電子能量分散，包括沿平面8的軸向分散，正如解釋過的那樣。第二靜電透鏡系統9設置在距離平面8為F3的地方(F3為透鏡系統9的焦距，設透鏡系統9為單片薄透鏡)，它把通過平面8小孔的電子在距透鏡9為F3的地方形成物體4的第二電子象10。換句話說，透鏡9起到使能量在所選範圍內的電子由於平面8上能量分散的傅立葉變換而轉換為象10的作用，此象按常規方法用一個位置靈敏檢測器記錄下來。正如已敘述過的那樣，象10不受平面8上能量分散的影響。
再參考圖2，R為部分球形能量分析儀中心軌跡7的半徑，該能量分析儀的入射面11和出射面12分別與物平面6和象平面8傾斜成角θ。圖2中還表示，γ(φ)為從入射面11進入分析儀並已行進一個角度φ的電子的中心軌跡13的極座標。
可以證明，軌跡13上電子的位置由(1)式給出(r(φ))/(R) ＝1+ε(1-cosφ)+α(tanθcosφ+sinφ)+pcosφ+ε2(cos2φ-cosφ)+α2(-tan2θsin2φ+cosφ-cos2φ+2tanθsinφcosφ)+αp(-2tanθsin2φ+2sinφcosφ)+p2(-sin2φ)+αε(2sinφ-2sinφcosφ+2tanθsin2φ)+εp(2sin2φ)+etc -[1]式(1)中，P為位於分析儀物平面6上物體的規一化高度(即真實高度＝Rp)，α為面11的法線與電子將按軌跡13通過分析儀而接近面11的方向之間的夾角，而ε·Ec為沿軌跡13行進著電子的能量與分析儀通過能量Ec之間的差值。
在分析儀的出射面12處，φ＝180°-2θ，於是由(1)式可得(r2(φ))/(R) ＝1+ε(1+cos2θ)+α(-tanθcos2θ+sin2θ)+p(-cos2θ)+ε2(cos22θ+cos2θ)+α2(-tan2θsin22θ-cos22θ-cos22θ-2tanθsin2θcos2θ)+αp(-2tanθsin22θ-2sin2θcos2θ)+p2(-sin22θ)+αε(2sin2θ+2sin2θcos2θ+2tanθsin22θ)+εp(2sin22θ)+etc. -[2]
在分析儀的出射面12處，軌跡13的斜率1/r·dr/dφ可由(3)式給出t a n α2=1r2［d rd φ］φ = φ2]]>-[3]在(3)式中，α2為出射面12處，軌跡13與面12的法線之間的夾角，(在面12的電子通路一側)，r2為φ＝φ2時的r值，這裡φ2為面12處的φ值。
由(1)-(3)式，能導出下列表達式α2′＝ε(2sinθcosθ)-α+p(-2sinθcosθ)+ε2(-2sinθcosθ)+α2(-2sinθcosθ)+εα(4sin2θ)+εp(4sinθcosθ)+etc. -[4]其中，α12為出射面12的電子出射側，軌跡13與面12法線間的夾角。因而
p2＝2ε-p，+ε2(+2-4sin2θ+4sin4θ)+α2(-2-2tan2θsin2θ+2tan2θsin4θ+4sin4θ)+p2(-4sin2θ+4sin4θ)+αp(-4sinθcosθ)+αε(8sinθcosθ+4tanθsin2θ)+εp(12sin2θ-8sin4θ)+etc. -[5]這裡，p2是電子軌跡13在象面8上距中心軌跡7的規一化位移(即真實位移＝Rp2)。
由(4)和(5)式，可以清楚地看到，最好用θ＝0的能量分析儀，也就是180°扇形分析儀，因為當θ＝0時，等式中的二次項變為零，分析儀的象差必然減到最小。然而，用θ≠0的分析儀也屬於本發明的範疇內。選擇這種儀器的最佳實施方案的步驟與下面的例子相似，這個例子用的是180°分析儀，而等式(4)和(5)必須用等式(6)和(7)代替，用適當的設計將最重要的象差減至最小。
對於一個180°的扇形分析儀來說，θ＝0，而等式(4)和(5)分別變為
α2′＝-α(+3rd.order terms) -[6]和p2＝2ε-p+2ε2-2α2+(三次項) -[7]設三次項的係數近似為1，由(6)式和(7)式得出角差△α12(它將導致電子通過透鏡9後成象模糊)在α、ε和p大約不超過0.05時將不大於約10-4，在實踐中很容易使α、ε和p不超過0.05。因此，如果透鏡9的焦距(圖1的F3)為150毫米，最終成象10上的位移誤差F3△α12將約為15微米，也就是說，大約和常規位置靈敏電子檢測器的解析度相同。因而，可以方便地將透鏡5和9的焦距做成150毫米，使分析儀的象差近似等於檢測器的解析度。
不過，如果用150°的扇形分析儀，θ＝15°，當α、ε和p不超過0.05時，空間解析度在F3＝150毫米時為幾毫米的數量級，這清楚地表明了使用180°扇形分析儀的優點。
正如解釋的那樣，也可以調整加在透鏡系統5和分析儀電極上的勢能，把由樣品發射出的電子能量改變到通過分析儀所需能量。在不顯著降低分析儀的空間或能量解析度的情況下，應該做到這點。按下列方法可以獲得實用的設計。
保證系統的放大倍數與分析儀通過能量無關的一個方法是使減速平面與空間成象相重合。另外，在減速之後，能量的角誤差變得很大，因而各種不同透鏡的色象差可能成為控制全空間解析度的最重要因素。
現考慮圖3所示的透鏡系統，平面14代表該透鏡系統的減速平面，它與象3相重合。在平面14的左邊，電子具有能量Eo，而在右邊，電子的能量為Ec，即分析儀的通過能量。
透鏡系統5對物體4的色象差的影響由等式(8)給出△C=1M2［E0EC］3 / 2CC( 5 )·α0·dEE0]]>-[8]其中，△c為透鏡5對物體4的色象差的影響，α。為物體4處電子束的角誤差，Cc(5)為透鏡5的色象差係數，M為象3由透鏡1和2對物體4的放大倍數，dE為該分析儀的能量通帶。
為了保證由透鏡5引起的色象差的影響小到能被接受，透鏡1和2的放大倍數必須大到足以克服透鏡系統5的色象差係數的放大倍數(Eo/Ec)3/2。典型的操作條件可以是Eo＝885電子伏，Ec＝12.5電子伏，這樣當(Eo/Ec)3/2/M2＝1時，M＝24.4。
所以，如果要透鏡5的色象差與物鏡系統色象差相比足夠小的話，就要M＞＞24。這就意味著，減速最好發生在象3處，而不是在任何前面的成象處，那些地方的放大倍數都較小，而由減速平面和透鏡5之間的透鏡造成的色象差的影響都相應地較大。
下面考慮透鏡球面象差對系統空間解析度的影響，等式(9)給出了球面象差對解析度的影響δs
δs＝ 1/4 Csα30-[9]這裡Cs為整個透鏡系統的球面象差係數，它由物鏡系統1的球面象差控制。
等式(10)給出了色象差對解析度的影響δcδc＝Ccαo.dE/Eo-[10]這裡Cc為整個透鏡系統的色象差係數。
如先前解釋過那樣，如果M足夠大，只有透鏡系統5和透鏡系統1顯著地影響總的象差。因此，Cc＝Cc(1)+Cc(5)· ((E0/EC)3/2)/(M2) -[11]這裡Cc(1)為透鏡系統1的色象差。
選取δs＝δc＝δ -(12)並根據等式(9)和(10)，
dE=[ (CS)/4 ]1/3· (E0)/(CC) ·δ2/3-[13]由等式(9)α0=[ (4δ)/(CS) ]1/3-[14]在物平面6處電子束的寬度(din)較小情況下，可以通過選擇出射縫隙寬度(dout)來控制dE，於是dout＝(2R.dE/Ec)-din-[15]此外，根據拉格朗日-亥姆霍滋(Lagrange-Helmholtz)關係，din= (2F2α0)/(M) [ (E0)/(EC) ]1/2-[16]因此根據(15)可得
dout=2R· (dE)/(EC) - (2F2α0)/(M) [ (E0)/(EC) ]1/2-[17]另一方面，在din大於所需要的dout值時，αo和dE必須調整得使入射束寬度等於dout，於是din＝dout＝R(dE/Ec)和δ＝δc同時δs＜δc -(18)根據等式(12)、(16)和(18)，α0= (MR)/(2F2) · (dE)/(EC1/2E01/2) -[19]和dE=[ (2F2)/(MRCC) ]1/2EC1/4E03/4δ1/2-[20]在等式(9)至(20)中，δ代表最後成象相對於物4體的模糊程度，即系統能分辨的最小元素。
由一個象區δ2進入半角αo錐體的計數速率X′由等式(21)給出X′＝β′(Eo)dE.Π.α20δ2-[21]其中，β′(Eo)d E是由物體4發出的處於Eo至(Eo+d E)能帶中的電子的亮度。根據等式(10)、(12)和(21)，X′=β′(E0)·Π· (E02)/(CC2) · (δ4)/(dE) -[22]等式(22)表明，為了使X′對於給定的解析度δ有最大值，Cc和d E必須最小。
由等式(11)可以看到，如果M非常大，Cc的最小值是Cc(1)，而由於din總是能夠減少到使等式(13)而不是等式(20)起作用，因此X′的最大值(X′(max))將由等式(23)給出X′(max)=β′(E0)·Π[ 4/(CS) ]1/3(E0)/(CC(1)) ·δ10/3-[23]d E、dout、αo和X′的值對於任何推薦的透鏡排列均可根據等式(13)、(17)、(14)和(22)(當din＜dout時)或根據等式(20)、(18)、(19)和(22)(當din＝dout時)來計算。
表1列出一些根據選定的δ、Ec和M值得出的典型值。
表1
表1中劃線的數值是當din＝dout時的數值。
等式中所需的Cs和Cc值可從「靜電透鏡」(Elsevier，1976)一書中E·哈丁和F·M·裡德給出的靜電透鏡表中找到。需要注意是，設Cs幾乎完全由透鏡系統1(等式(9))產生的，實際上就是由透鏡系統1的第一個元件產生的，而Cc由透鏡系統1，也由透鏡5決定(等式(11))。在表1中，已用了下列數據透鏡5焦距(F3)＝150毫米直徑＝60毫米透鏡1焦距＝64毫米直徑＝32毫米沿用(Harting)和(read)的術語，用以確定Cs和Cc的其餘參數分別為A/D＝1，G/D＝0.1，D1＝D2，V1＝V3，它們均是常規三部件透鏡的典型參數。
可由式[24]和[25]估計出透鏡9對整個象差的影響，上述兩式給出了因透鏡9而引入的球面象差(△s(9))及色差(△c(9))，這些象差已被折算到物平面4上。電子越過透鏡系統9後會聚在圖象10中心某點上，其入射半錐角為dout/2F3，此F3為透鏡9的焦距，於是，如果透鏡5和9是一樣的，即圖象10相對於物體4的放大倍數等於圖象3相對於物體4的放大倍數，則△S(9)= 1/4 CS(9)[ (dout)/(2F3) ]3[ 1/(M) ] -[24]及△S(9)= 1/4 CS(9)[ (dout)/(2F3) ][ (dE)/(2EC) ][ 1/(M) ]- [25]式中，Cs(9)及Cc(9)分別為透鏡9的球面色象差係數，可以從Harding和Read所給出的表中找到它們。從式[24]和[25]可看到倘若M近似為或大於25，Ec為或大於50e V，則與所選的δ值相比，△s(a)和△c(a)是微不足道的。
由表1可看到，通過使用Ec的最高值(50和100e V)可獲得X′的最高值。此外，無論M為16還是64，當用Ec最高值(50和100e V)時，△s(9)和△c(9)分別比δ值的1%和20%還要小。因而在較佳方案中，採用通過能量在50和100e V之間，可變放大倍數在16和64之間，使其滿足所需的細節清晰度和視野。對於一個給定分辨力，其最佳的αo值和dout將隨M而稍有變化，但這並不是一個嚴重的問題。一般說來，對給定的M，Ec和Eo值，有一個唯一的αo和dout組合，在給定分辨力δ上能產生最大的計數速率，而且可以從上述公式中，求出較佳實施方案所需的這些數值。
因此按照上述步驟，可以為任何特定類型分析儀和透鏡系統推導出一組類似的公式，並且為最佳性能求得參數。
本發明主要部件的配置情況如圖4所示。能量分析器包括一個外球形電極30，它由分析儀真空室38的蓋帽39引入的絕緣器40來支撐。內球形電極31則由電極30上其它絕緣支座(未畫出)來支撐。室38通過法蘭盤41與樣品室42相連，而樣品室又通過法蘭盤34與真空泵相連，通常用的是一個擴散泵(未示出)。樣品29是由被檢驗表面來支撐，通過操作器44上的連杆43，把樣品置於物平面4(圖1)上。能量分析儀入口和出口孔徑被安裝在一個或若干個可轉動板45上，這樣通過旋轉上述轉動板，可以引入不同的成對的縫隙。可方便地將電子檢測器37(最好用位置靈敏檢測器)安裝到其中一個旋轉板45上，以便在需要時可以把能量譜記錄下來。檢測器37也可包含一個孔徑，以便用檢測器37和檢測器35來同時記錄能量譜和空間圖象(下面將要討論)。基本射線發生器36也裝配在樣本室42上，並用粒子束或輻射照射樣品29，這使樣品產生二次發射，發射光電子或俄歇電子。發生器36通常為X射線、電子、離子束或紫外光源。與所有類型的表面探測器一樣，在室42和室38內的壓力被保持在10-8乇或以下。
如圖4所述，把各種靜電透鏡系統配置在分析儀的入口和出口孔徑附近。用位置靈敏檢測器35來記錄在透鏡9的圖象平面中所形成的樣品圖象。如前所述，檢測器35最好包括一個楔形和條狀檢測器。為這樣檢測器產生可視圖象或印刷圖象所用到的電子信號處理設備在先用技術上是眾所周知的。
當要求在檢測器35上用透鏡系統9所產生的並經放大的圖象時，本發明的第二靜電透鏡系統可包括透鏡系統9和輔助透鏡系統50(見圖4)，輔助透鏡系統50最好是有可變放大倍數的變焦透鏡。於是可以用透鏡50使第二靜電透鏡系統所產生的最終圖象分辨力與檢測器35的分辨力相匹配。
為將光譜儀系統的各電極保持在所要求的電位上，各類電源也是採用眾所周知的技術。
如果在孔徑檢測器37在檢測能譜的同時還利用檢測器35檢測空間圖象，則在所記錄的譜中存在著由檢測器37中的孔徑所引起的間隙。倘若此間隙與能譜的鄰近部分細節相比並不大的話，那麼可以用檢測器35的積分計數率由內插法來得到丟失的能譜。
圖5顯示出本發明的變換透鏡系統和第一靜電透鏡系統的一個具體實施方案。物透鏡包括三個元件15，16，和17，它們分別保持在V0，V1和V0的電位上。物鏡適宜於在孔徑板20中形成樣本29的表面的圖象。孔徑板20的孔徑最好尺寸可調，以便選擇要予以成象的那部分表面。第二可調孔徑板18被配置在緊接物鏡之後的聚焦平面內，它是位於離元件16的中心為物鏡焦距的距離上。板18上的孔徑是用來控制角度α。傳輸管19用以保證電子路徑不受雜散靜電場的影響。樣品29，孔徑板18和20，及傳輸管19均保持在電位V0上，通常是接地電位，調節V1使圖象形成在孔徑板20的平面上。象散校正器包括在傳輸管的一端對稱配置的8個電極26在內，用來校正由透鏡系統所引入的象散。
透鏡元件21，22，23，24及25包括一對靜電透靜，它將透鏡系統1在孔徑板20上所成的圖象成形在減速平面上。元件22和24分別加上電位V2和V1，調節這二個電位使透鏡系統的放大倍數至所要求的數值。元件21、23、和25保持在電位V0上。元件21，22和23(左手部分)直徑宜為20mm，而元件23(右手部分)，24和25的直徑可以為60mm。
元件27，28，32組成透鏡系統5(圖1)，它們分別保持在電位V5′，V4，和V5上。在孔徑板33中的孔徑包括裝在平面6上的(圖2和3)能量分析儀的入口孔徑。電子通過位於透鏡元件25和27之間的減速平面14被減速(若電位VS比V0正的話，則加速)，由於從電壓V0到電壓V5，於是檢測空間圖象出現的電子將為能量Ec(即分析器的通過能量)。對透鏡系統5的功能前面已作過介紹。
圖6用來說明第二靜電透鏡系統9的一個實用實施方案。其中，元件47，48和49分別保持在電位V5′，V0和V5，它們形成一個三部件透鏡，如前所述，它在位置靈敏檢測器35上形成一個圖象。配置在平面8中的孔徑板46提供了能量分析儀的出口孔徑。為了使離開透鏡的電子被加速和以足夠的能量撞擊檢測器以保證檢測器有效工作，將檢測器35的電位V7維持在比V5正幾百伏的電位上。
應該認識到，圖5和圖6中所示的透鏡系統只打算作為一個例子，也可採用其它的實施方法。
權利要求
1.一個用於產生電子發射表面圖象的電子能譜儀，上述能譜儀包括a)使上述表面發射電子的裝置；b)第一靜電透鏡系統，至少把某些所述電子投射到第一衍射面上，作為至少部分上述表面電子圖象的傅立葉變換；c)具有物平面和與其共軛的第一圖象表面的環形電容式靜電能量分析儀，上述分析儀的上述物平面與上述第一衍射平面重合併投射上述傅立葉變換電子作為上述第一圖象平面內的能量偏差傅立葉變換；d)能量選擇裝置，用本發射只在所選能量範圍內的上述能量偏差傅立葉變換電子；e)第二靜電透鏡系統，用來接收上述能量選擇裝置發出的電子並且隨後把部分所述表面電子圖象投射到第二圖象平面上。
2.如權利要求
1中所述的能譜儀，還包括一個傳輸靜電透鏡系統，該透鏡系統配置在上述表面和上述第一靜電透鏡系統之間，接收上述表面所發射的電子，並將其投射成一個電子圖象。
3.如權利要求
2中所述的能譜儀，其中上述靜電變換透鏡系統至少為16倍的放大倍數。
4.如權利要求
3中所述的能譜儀，其中上述靜電變換透鏡系統有在16至64倍間可調的放大倍數。
5.如權利要求
1至4中任何一個所述能譜儀，還包括配置在上述表面和上述能量分析之間的裝置，用來只允許離開該表面的電子在選定的角度範圍方向上進入到上述分析儀內。
6.如權利要求
1至5中任何一個所述的能譜儀中有一個安置在上述第二圖象平面中的第一電子檢測裝置。
7.如權利要求
6所述的能譜儀，還包括一個可伸縮式安裝的第二電子檢測裝置，該裝置配置在上述第一圖象面內。
8.如權利要求
6中所述的能譜儀，還包括一個孔徑第二電子檢測裝置，該裝置配置在上述第一圖象面內。
9.如權利要求
1至8中任何一個所述的能譜儀，其中上述能量分析儀為一個球形電容器型電能量分析儀。
10.如權利要求
9中所述的能譜儀，其中在上述第一圖象平面和上述平面之間的角度是在150度至190度範圍內。
11.如權利要求
1至10任何一個中所述的能譜儀，其中把上述能量分析儀調整到使那裡的中心軌道的電位與所述表面的電位不同。
12.如權利要求
11中所述的能譜儀，其中上述能量分析儀被調整到至少以50電子伏特的通道能量進行工作。
13.一種形成電子發射表面圖象的方法，上述方法包括a)使電子從表面被發射，b)上述電子中的至少一部分通過第一靜電場，此靜電場調整到使上述表面中至少一部分的電子圖象在第一衍射面上產生傅立葉變換;c)穿過上述衍射面所述傅立葉變換的電子中至少一部分通過由一個環形電容器型靜電分析器所產生的第二靜電場，該分析器有一個物平面和一個第一圖象平面，上述物平面與上述第一衍射面相重合，從而在上述第一圖象面內產生一能量偏差的傅立葉變換;d)選擇能量在所範圍內的電子;c)使所述選擇的電子通過一個第三靜電場，此靜電場調整到使電子聚焦在第二圖象平面中形成一個第二電子圖象，此第二電子圖象包括在上述選定範圍內各種能量的電子。
14.一個電子能譜儀依次包括a)使上述表面發射電子的裝置;b)第一靜電透鏡系統，至少把某些上述電子投射到第一衍射面上，作為至少一部分上述表面的電子圖象的傅立葉變換;c)具有物平面和與其共軛的第一圖象表面的環形電容式靜電能量分析儀，上述分析儀的所述物平面與所述第一衍射平面重合併投射上述傅立葉變換電子作為上述第一圖象平面內的能量偏差傅立葉變換;d)一個電子檢測裝置用來檢測所述能量偏差傅立葉變換電子的電子。
專利摘要
本發明提供產生電子發射表面圖象的電子能譜儀，包括a)使表面發射電子的裝置；b)第一靜電透鏡系統，把電子投射到第一衍射面上，作電子圖象的傅立葉變換；c)第一個表面圖象的環形電容式靜電能量分析儀；d)能量選擇裝置，用來發射只在選定範圍內的上述能量偏差傅立葉變換電子；e)第二靜電系統。本發明的能譜儀可檢測分析圖象平面中空間細節的純能量譜，並可把能量範圍內發射電子形成的表面圖象投射到第二個圖象平面上。
文檔編號H01J37/26GK87103626SQ87103626
公開日1988年6月1日 申請日期1987年5月19日
發明者伊安·羅伯特·米歇爾·瓦德爾, 彼得·阿蘭·科克森 申請人:Vg儀器集團有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan