DE3008273A1

DE3008273A1 - Spectroscopic analyser for particle energy measurement - has curved electrode chamber for energy and directional assessment

Info

Publication number: DE3008273A1
Application number: DE19803008273
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ing.(grad.) 8080 Fürstenfeldbruck Bäck; Albert Dr. 8000 München Engelhardt; Helmut Dr. 8057 Eching Liebl; Dietrich Prof. Dr. 8000 München Menzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-03-04
Filing date: 1980-03-04
Publication date: 1981-09-17

Abstract

The analyser enables, energy and angular co-ordinates of the energy distribution to be measured at the same time. The instrument is applicable to the fields of UV photoelectron spectroscopy, X-ray and electron loss spectroscopy etc. The ring formation entry (12) to the spectroscope leads into a circular axis (16) toroidal coaxial sector between two electrodes (13, 14). The central ring axis (AB) through the middle of the test chamber (10) has a coaxial relationship to the entry ring (12) so that the particles enter the area between the electrodes tangentially. The sector angle between the entry plane (18) and the output particle focus point (20) of the analyser is 135 deg. and the distance between the juncture of these two axis (16) and the ring (AB) is 0.2 to 0.6 times the radius of the instrument. After the primary ring focus point (22) a reducing lens unit (26) focuses the particle stream at a second point (24), at which angular measurement (28) takes place.

Description

Dr. Albert Engelhardt, Dr. Albert Engelhardt,

Samerhofstraße 11, 8000 München 60 Dr. Helmut Liebl, Hartstraße 17, 8057 Eching Ing. grad Wolfang Bäck Siechfeldstrasse 13, 8080 Fürstenfeldbruck Professor Dr. Dietrich Menzel Seidelbaststrasse 8, 8000 München 45 Einrichtung zum Messen der Energie- und Richtungsverteilung geladener Teilchen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Samerhofstrasse 11, 8000 Munich 60 Dr. Helmut Liebl, Hartstrasse 17, 8057 Eching Ing.grad Wolfang Bäck Siechfeldstrasse 13, 8080 Fürstenfeldbruck Professor Dr. Dietrich Menzel Seidelbaststrasse 8, 8000 Munich 45 Device for measuring the energy and directional distribution of charged particles The present invention relates to a device according to the preamble of claim 1.

Für viele Teilchenspektroskopien gewinnt neben der Kenntnis der Energieverteilung die der Richtungs- oder Winkelverteilung immer mehr an Bedeutung, z.B. für die Ultraviolett-Photoelektronen-Spektroskopie (UPS), die Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS), die ionenstreuungspektroskopie (ISS), die Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES), die Elektronenverlust-Spektroskopie (ELS) und die Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED). Man benötigt also Meßsysteme, mit denen beide Verteilungen möglichst gleichzeitig gemessen werden können, um N(E,f,6) zu ermitteln, also die Anzahl der Teilchen für eine bestimmte Energie E, einen bestimmten Azimuthwinkel ¢ und einen bestimmten Polarwinkel e. For many particle spectroscopies, knowledge of the energy distribution is of great benefit the direction or angle distribution is becoming more and more important, e.g. for ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ion scattering spectroscopy (ISS), Auger Electron Spectroscopy (AES), Electron Loss Spectroscopy (ELS) and the diffraction of low energy electrons (LEED). So you need measuring systems, with which both distributions can be measured as simultaneously as possible in order to obtain N (E, f, 6) to determine the number of particles for a certain energy E, a certain Azimuth angle ¢ and a certain polar angle e.

Eine Einrichtung der eingangs genannten Art ist aus einer Veröffentlichung von F. Pauty, Rev.Sci.Instrum.,45, Nr. 10, Oktober 1974, S. 1203 bis 1207 bekannt. Diese bekannte Einrichtung enthält einen energiedispersiven ebenen Plattenkondensator-Analysator, zwischen dessen Eingang und die Teilchenquelle ein Beschleunigungssystem mit zwei hintereinander geschalteten Spalten geschaltet ist, die einen quasi-planaren Teilchenstrahl ausblenden. Die Teilchen werden in die Ebene der einen, als Gitter ausgebildeten Platte des Plattenkondensator-Analysators so fokussiert, daß die Teilchen gleicher Energien jedoch unterschiedlicher Azimuthwinkel auf Kurven einer ersten Kurvenschar und Teilchen gleicher Azimuthwinkel jedoch unterschiedlicher Energien auf Kurven einer zweiten Kurvenschar die die Kurven der ersten Kurvenschar kreuzt abgebildet werden. A device of the type mentioned is from a publication by F. Pauty, Rev. Sci.Instrum., 45, No. 10, October 1974, pp. 1203-1207. This known device contains an energy dispersive plane plate capacitor analyzer, between its entrance and the particle source an acceleration system with two columns connected in series, which form a quasi-planar particle beam hide. The particles are in the plane of one, designed as a grid Plate of the plate capacitor analyzer so focused that the particles are equal However, energies of different azimuth angles on curves of a first set of curves and particles of the same azimuth angle but different energies on curves a second set of curves that crosses the curves of the first set of curves will.

Die Auflösung für große Azimuthwinkel ¢ läßt jedoch zu wünschen übrig und die Auswertung ist schwierig, da die Teilchen auf einem nicht einfachen geometrischen Ort abgebildet werden.However, the resolution for large azimuth angles ¢ leaves something to be desired and the evaluation is difficult because the particles are based on a not simple geometric Location to be mapped.

Aus einer Veröffentlichung von C.L. Allyn et al, Rev. Sci. Instrum. 49(8), August 1978, S. 1197 bis 1203 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Energie- und Richtungsverteilung geladener Teilchen bekannt, die einen energiedispersiven Analysator enthält, dessen Akzeptanzbereich durch Blenden auf einen Kegel mit einem Scheitelwinkel von 50 eingeengt ist. Die Messung der Richtungsverteilung erfolgt durch Drehen des Energieanalysators um zwei zueinander senkrechte Achsen. Da die Energieverteilung jeweils nur für einen ganz bestimmten Wert von f und e gemessen wird, dauert eine vollständige Messung verhältnismäßig lange. From a publication by C.L. Allyn et al, Rev. Sci. Instrum. 49 (8), August 1978, pp. 1197 to 1203 is a device for determining the energy and directional distribution of charged particles known, which have an energy dispersive Contains analyzer, whose acceptance range by aperture on a cone with a Vertex angle of 50 is narrowed. The directional distribution is measured by rotating the energy analyzer around two mutually perpendicular axes. Since the Energy distribution measured only for a very specific value of f and e a complete measurement takes a relatively long time.

Aus einer Veröffentlichung von S.P. Weeks, Rev.Sci. From a publication by S.P. Weeks, Rev. Sci.

Instrum. 50 (10) Oktober 1979, S.1249 bis 1255 ist eine Einrichtung für die winkelaufgelöste Elektronenspektroskopie bekannt, die einen sphärischen Gegenfeldanalysator und ein optisches Nachweissystem mit Bildauswertung, das mit einer Vidikon-Kamera arbeitet, enthält. Einrichtungen dieser Art lassen hinsichtlich der Dynamik und des Störabstandes zu wünschen übrig.Instrum. 50 (10) October 1979, pages 1249 to 1255 is an institution known for the angularly resolved electron spectroscopy, which has a spherical Opposing field analyzer and an optical Detection system with image evaluation, that works with a Vidikon camera. Let facilities of this type Left to be desired in terms of dynamics and signal-to-noise ratio.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung der Energie- und Richtungsverteilung geladener Teilchen anzugeben, die die gleichzeitige Messung der Energieverteilung und der Richtungsverteilung bezüglich einer Winkelkoordinate auf schnelle und einfache Weise gestattet und sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet. The present invention is based on the object of a device to measure the energy and directional distribution of charged particles to indicate the the simultaneous measurement of the energy distribution and the directional distribution with respect to an angular coordinate in a quick and easy way and through characterized by a simple structure.

- Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. - This task is carried out in the case of a facility as mentioned at the beginning Type according to the invention by the specified in the characterizing part of claim 1 Features solved.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung erfaßt alle Teilchen, die vom Probenvolumen in eine Ebene emittiert werden, welche durch den das Probenvolumen ringförmig umgebenden Eintrittsspalt geht. Der Polar-Akzeptanzwinkel beträgt also 360". The device according to the invention detects all particles from Sample volume are emitted in a plane which is through the the sample volume annularly surrounding entry gap goes. So the polar acceptance angle is 360 ".

Teilchen gleicher Energie werden auf einen Kreis fokussiert, wobei der Polarwinkel auf diesem Kreis gleich dem Polarwinkel ist, in den die Teilchen vom Probenvolumen emittiert worden waren. Teilchen unterschiedlicher Energien werden auf konzentrisck Kreise abgebildet. Der Kreisradius ist also ein Maß für die Energie, der Kreiswinkel ist gleich dem Polar-Emissionswinkel.Particles of equal energy are focused on a circle, where the polar angle on this circle is equal to the polar angle into which the particles are emitted from the sample volume. Particles of different energies become shown on concentric circles. The circle radius is therefore a measure of the energy the circular angle is equal to the polar emission angle.

Die Auswertung ist also sehr einfach.So the evaluation is very simple.

Ein weiterer, wichtiger Vorteil der Einrichtung gemäß der Erfindung ist ihre einfache Konfiguration. Es werden nur rotationssymmetrische Flächen benötigt, die Teile der Einrichtung können auf einer einfachen Drehbank ohne Kopiereinrichtung hergestellt werden. Another important advantage of the device according to the invention is their simple configuration. Only rotationally symmetrical surfaces are required, the parts of the facility can be used on a simple lathe without copying equipment getting produced.

Die Einrichtung enthält auch keine Gitter, die die Transmission beeinträchtigen.The device also does not contain any grids that impair transmission.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Einrichtung gemäß der Erfindung ist dem Energieanalysator eine verkleinernde teilchenoptische Linse nachgeschaltet, die die fokussierten Teilchen in einen zweiten kleineren Fokus abbildet, so daß kleinere und preiswertere Nachweis systeme verwendet werden können. According to an advantageous development of the device according to FIG In accordance with the invention, a reducing particle-optical lens is connected downstream of the energy analyzer, which images the focused particles in a second, smaller focus, so that smaller and cheaper detection systems can be used.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. The following is a preferred embodiment of the invention explained in more detail with reference to the drawing.

Es zeigen Fig. 1 eine vereinfachte Schnittansicht einer Hälfte einer Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und Fig. 2 eine perspektivische Darstellung von Teilchenbahnen und Winkeln in der Einrichtung gemäß Fig. 1. 1 shows a simplified sectional view of one half of a Device according to an embodiment of the invention and FIG. 2 shows a perspective Representation of particle trajectories and angles in the device according to FIG. 1.

Das in Fig. 1 dargestellte Teilchenspektrometer ist rotationssymmetrisch bezüglich einer Achse (AB) Eine möglichst kleine, im Idealfall punktförmige Teilchenquelle 10 liegt auf der Spektrometerachse in einer Ebene XZ (Fig.2). Die Teilchenquelle 10 ist von einem ringförmigen Eintrittsspalt 12 umgeben, durch dessen Mitte die Xz-Ebene geht. Durch die Breite des Eintrittsspaltes 12 wird der Azimuthwinkelbereich Af begrenzt, in dem die Teilchen vom Spektrometer angenommen werden. The particle spectrometer shown in Fig. 1 is rotationally symmetrical with respect to an axis (AB) A particle source that is as small as possible, ideally a point source 10 lies on the spectrometer axis in a plane XZ (Fig. 2). The particle source 10 is surrounded by an annular entry gap 12, through the center of which the Xz plane goes. The azimuth angle range is determined by the width of the entry slit 12 Af limited in which the particles are accepted by the spectrometer.

Der Eintrittsspalt 12 hat im wesentlichen das gleiche Potential wie die Teilchenquelle 10, die Teilchen durchlaufen also zwischen der Teilchenquelle 10 und dem Eintrittsspalt 12 einen feldfreien Raum. Das Prinzip des Spektrometers besteht nun darin, daß Teilchen, die von der Quelle in die Ebene XZ emittiert werden, bei gleichzeitiger Energiedispersion auf einen konzentrisch zur - Spektrometerachse(AB)liegenden Ringfokus abgebildet werden, wobei wegen der Rotationssymmetrie des Spektrometers die Polarwinkelinformation erhalten bleibt. Durch Variation des Azimuthwinkels ¢ zwischen Spektrometer und Teilchenquelle 10, z.B. durch Drehen der Probe um die Achse Z, können alle von der Teilchenquelle emittierten Teilchen erfaßt werden.The entry gap 12 has essentially the same potential as the particle source 10, so the particles pass through between the particle source 10 and the entrance slit 12 one field-free space. The principle The spectrometer now consists in that particles moving from the source into the plane XZ are emitted, with simultaneous energy dispersion on one concentric to the - spectrometer axis (AB) lying ring focus are mapped, because of the Rotational symmetry of the spectrometer the polar angle information is preserved. By varying the azimuth angle ¢ between the spectrometer and the particle source 10, e.g. by rotating the sample about the axis Z, all emitted from the particle source can be Particles are detected.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Abbildung und Energieanalyse durch ein elektrostatisches Feld, das durch einen Kondensator mit zwei Elektroden 13 und 14 erzeugt wird, die die Form von Teilen von Toroidflächen haben. Die Toroidflächen haben zusammenfallende Kreisachsen 16 und Ringachsen, die mit der Spektrometerachse AB zusammenfallen. Die die Elektroden bildenden Teile sind Sektoren bezüglich der Kreisachsen 16. Die Sektoren sind durch eine Eintrittsfläche 18 und eine Austrittsfläche 20 begrenzt, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Winkel von 135° miteinander einschließen. Bei entsprechender Wahl der Potentialdifferenz an den beiden Elektroden 13 und 14 werden Teilchen einer bestimmten Energie Eg auf einen ersten Ringfokus 22 abgebildet, der konzentrisch zur Spektrometerachse AB liegt. In the illustrated embodiment of the invention takes place Imaging and energy analysis by an electrostatic field created by a capacitor is produced with two electrodes 13 and 14 which have the shape of parts of toroidal surfaces to have. The toroidal surfaces have coincident circular axes 16 and ring axes that coincide with the spectrometer axis AB. The parts making up the electrodes are sectors with respect to the circular axes 16. The sectors are through an entry surface 18 and an exit surface 20 limited, which in the illustrated embodiment enclose an angle of 135 ° with one another. With an appropriate choice of the potential difference at the two electrodes 13 and 14 particles of a certain energy Eg are on imaged a first ring focus 22, which is concentric to the spectrometer axis AB lies.

Bei dieser Abbildung ist wegen der Rotationssymmetrie der Anordnung der Polarwinkel e | auf dem ersten Ringfokus 22 gleich dem Polarwinkel e, den die Teilchen beim Eintritt in das Spektrometer haben. Die Spannung an den Elektroden 13 und 14 beträgt im wesentlichen das -0,2-fache bzw. +0,2-fache von Eg geteilt durch die Ladung der Teilchen. Die Polarität der äußeren Elektrode 13 ist dabei gleich der Polarität der zu analysierenden Teilchen.This figure is because of the rotational symmetry of the arrangement the polar angle e | on the first ring focus 22 equal to the polar angle e that the Have particles entering the spectrometer. The voltage on the electrodes 13 and 14 is essentially -0.2 times and + 0.2 times, respectively, divided by Eg by the charge of the particles. The polarity of the outer electrode 13 is here equal to the polarity of the particles to be analyzed.

Am Ort des Ringfokus 22 kann ein Nachweis system angeordnet werden, z.B. ein System mit Kanalelektronenverstärkerplatten mit nachgeschalteten ortsauflösenden Elektronendetektorsystemen oder ein Leuchtschirm mit nachgeschaltetem Vidikon und entsprechender Auswerteelektronik (z.B. ein zweidimensionaler optischer Vielkanalanalysator). Vorteilhafterweise wird der Ringfokus 22 jedoch in einen zweiten Ringfokus 24 verkleinert abgebildet, so daß kleinere und damit billigere Nachweissysteme verwendet werden können. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verkleinerung durch eine zur Spektrometerachse(AB)rotationssymmetrische Einzellinse 26 mit rohrförmigen Elektroden, die die Form koaxialer Kegelstumpfflächen mit gleichem Kegelwinkel haben, der so bemessen ist, daß sich die Elektroden der Einzellinse tangential an die Elektroden 13 und 14 anschließen. Die Einzellinse 26 mit dem kegelstumpfförmigen Elektrodenflächen 27 bildet den ersten Ringfokus 22 also auf den kleineren Ringfokus 24 ab, der ebenfalls konzentrisch zur Sp)ektrometerachse(AB)ist. Auch bei dieser Abbildung ist wegen der Rotationssymmetrie der Polarwinkel e der Teilchen auf dem zweiten Ringfokus gleich dem Polarwinkel e beim Eintritt in das Spektrometer. Auf diesem kleinen Ringfokus 24 können die Teilchen mit der Energie Eg mit einem kleinflä -chigen, geeigneten Nachweissystem 28 bezüglich ihres Polarwinkels gleichzeitig gemessen werden. Werden vom Nachweissystem Rinyfokusse mit verschiedenen Durchmessern erfaßt, so können Elektronen in einem bestimmten Energiebreich Eoi ED energiedispersiv und polarwinkeldispersiv gemessen werden. A detection system can be arranged at the location of the ring focus 22, E.g. a system with channel electron amplifier plates with downstream spatially resolving Electron detector systems or a fluorescent screen with a downstream vidicon and Appropriate evaluation electronics (e.g. a two-dimensional optical multi-channel analyzer). However, the ring focus 22 is advantageously reduced to a second ring focus 24 mapped so that smaller and therefore cheaper detection systems are used can. In the illustrated embodiment, the reduction takes place through an individual lens 26 which is rotationally symmetrical to the spectrometer axis (AB) and has a tubular shape Electrodes that have the shape of coaxial truncated cone surfaces with the same cone angle, which is dimensioned so that the electrodes of the individual lens are tangential to the electrodes Connect 13 and 14. The single lens 26 with the frustoconical electrode surfaces 27 thus maps the first ring focus 22 onto the smaller ring focus 24, which is also is concentric to the spectrometer axis (AB). This figure is also due to the rotational symmetry of the polar angle e of the particles on the second ring focus equal to the polar angle e when entering the spectrometer. On this little ring focus 24 the particles with the energy Eg with a small-area, suitable Detection system 28 are measured simultaneously with respect to their polar angle. Will detected by the detection system Rinyfokusse with different diameters, so can Electrons in a certain energy range Eoi ED energy dispersive and polar angle dispersive be measured.

Die beiden äußeren Elektroden der Einzellinse 26 liegen auf dem Potential der Teilchenquelle, die Mittelelektrode auf einem Potential, das etwa das 0,6- bis 0,8-fache von Eg geteilt durch die Teilchenladung ist. Das Potential der inneren und äußeren ringförmigen mittleren Elektrode 30 bzw. The two outer electrodes of the individual lens 26 are at potential the particle source, the center electrode at a potential that is about 0.6 to 0.8 times Eg divided by the particle charge. The potential of the inner and outer annular central electrode 30 and

32 kann bezüglich des Potentials der Teilchenquelle etwas unsymmetrisch sein, um eine gewisse Ablenkung des Teilchenstrahlungsganges zu bewirken,z.B. um den zweiten Ringfokus 24 bezüglich einem Eintrittsspalt oder einer Elektrode des Nachweissystems 28 zu justieren.32 can be somewhat asymmetrical with respect to the potential of the particle source be to a certain deflection of the particle beam path to effect, e.g. around the second ring focus 24 with respect to an entry slit or a To adjust the electrode of the detection system 28.

Die Teilchen treten im wesentlichen tangential in den Zwischenraum zwischen den Elektroden 13 und 14 ein. The particles enter the space essentially tangentially between electrodes 13 and 14.

Am Ort des Ringfocus 22 oder 24 kann eine Energieblende vorgesehen sein. An energy diaphragm can be provided at the location of the ring focus 22 or 24 be.

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Claims

Dr. Albert Engelhardt Samerhofstrasse 11, 8000 Munich 60 Dr. indulgence Liebl Hartstrasse 17, 8057 Echinq Ing.grad. Wolfgang Bäck Siechfeldstrasse 13.8080 Fürstenfeldbruck Professor Dr. Dietrich Menzel Seidelbaststrasse 8, 8000 Munich 45 Device for measuring the energy and directional distribution of charged particles Device for measuring the distribution of energy and direction of charged persons Particles that move from a sample in a sample volume into a plane are emitted, with an entrance slit through the center of which the plane passes, and with a subsequent electrostatic energy analyzer that connects two to a voltage source Has connected electrodes and particles of different energies, which from of the sample are emitted at different angles and through the entrance slit in the space between the electrodes enter into an image area, wherein the image locations of particles of equal energies and the image locations of Particle the same emission directions form two crossing families of curves, and with one Particle detection device arranged in the image area, d a d u r c h g e -k It is noted that the entry gap (12) is annular and that the electrodes (13, 14) of the energy analyzer take the form of circular axes that coincide with each other (16) two coaxial toroids sector-shaped, through an entry surface and a Exit surface of limited parts of the lateral surface of these toroids have and with respect to of the entry gap (12) are arranged so that the ring axis (AB) is coaxial with the Entrance slit (12) goes through the middle of the sample volume (10) and the entrance Particles passing through the gap are essentially tangential into the space between the Electrodes (t3, 14) enter and through the field between the electrodes in one Ring focus (22) are focused, whose radial distance from the ring axis (AB) the energy and its polar angle (6 ') the polar angle (8) with which the particles have been emitted by the sample in the plane mentioned.

2. Device according to claim 1, since d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the entry gap (12) is essentially at the same potential lies like the sample.

3. Device according to claim 1 or 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the sector angle between the entry surface (18) and the Exit surface (20) of the energy analyzer is 135O.

4. Device according to claim 1, 2 or 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the distance between the coincident circular axes (16) and the ring axis (AB) is about 0.2 to 0.6 times the radius of the circle.

5. Device according to claim 1, 2, 3 or 4, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t that in the direction of flight of the particles behind the ring focus (22) a particle-optical reduction lens (26) is arranged, the ring focus images in a second, smaller ring focus (24).

6. Device according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the reduction lens (26) is an electrostatic single lens whose Electrodes have the shape of coaxial truncated cone surfaces.