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Diese
Anmeldung beansprucht die Vorteile der gleichzeitig laufenden vorläufigen Anmeldung
mit der Seriennummer 60/033609. Diese Erfindung bezieht sich im
Allgemeinen auf Oberflächenanalyse, insbesondere
auf Elektronen- und Ionenemissionsspektroskopie, wie Röntgenstrahlen-,
Fotoelektronen- und Sekundärionenmassenspektroskopie,
und ganz besonders auf die Kontrolle des Oberflächenpotentials von isolierenden
Proben, die solcher Spektroskopie unterworfen werden.
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Hintergrund
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In
einer röntgenstrahlfotoelektronenstrahlspektroskopischen
Anordnung (XPS) beleuchtet ein Röntgenstrahl
einen Abschnitt einer Probe, so dass Elektronen emitiert werden,
z.B. wie in US-Patent Nr. 5,315,113 (Larsson et al.) offenbart ist.
Diese Emissionen werden mit einem Energieanalysator analysiert, um
die Zusammensetzung der Oberfläche
zu bestimmen. Jedoch hinterlässt
die Elektronenemission bei isolierenden Proben die Oberfläche im Bereich
der Röntgenstrahlenbestrahlung
positiv geladen. Die positive Ladung variiert über der Oberfläche, wobei
die emittierten Elektronenenergien und -bahnen beeinflusst werden,
und wodurch Fehler in die entsprechende Analyse eingehen.
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Bei
der Sekundärionenmassenspektroskopie
(SIMS) wird eine Oberfläche
mit positiven Ionen bestrahlt, so dass Atome und Ionen von der Oberfläche emittiert
werden. Die einfallenden Ionen verursachen das Entstehen von positiven
Ladungen auf einer isolierenden Probe. Wie bei XPS werden durch Ladungen
Fehler in die Analyse eingebracht.
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Verschiedene
Ansätze
zu diesem Problem schließen
zumindest für
XPS die Anbringung eines Gitters dicht zur Oberfläche der
Probe ein, um den Gradienten eines elektrischen Potentials zu glätten, wie
in US-Patent Nr. 4,680,467 (Pryson) offenbart ist. Dadurch wird
jedoch ein Interferenzelement eingeführt und hat begrenzte Anwendbarkeit.
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In
einem anderen Ansatz wird die Probe durch Fluten mit Niedrigenergieelektronen
neutralisiert. Dies ergibt eine bedeutende Verbesserung, ergibt
aber im Allgemeinen eine nicht einheitliche Neutralisierung, da
ein Gebiet, das größer als
das Gebiet der Fotoemission ist, geflutet wird, wobei das Gebiet außerhalb
des Fotoelektronenbereichs übermäßig mit
negativen Ladungen bedeckt wird. US-Patent Nr. 5,432,345 ("Kelly-Patent", dem gegenwärtigen Besitzer
zugewiesen) offenbart die Glättung
des Feldgradienten durch Entladung des Überflusses an negativen Ladungen
durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht oder einem Strahl aus
positiven Ionen. Diese Technik mit Strahlung oder Ionen kann den
Gradienten ziemlich bedeutend reduzieren, jedoch bleibt ein kleiner
Gradient übrig,
der sich auf die Analyse auswirkt. Ebenso richtet sich das Kelly-Zitat
primär
auf ultraviolette Strahlen und gibt wenig Details bei der Verwendung
von positiven Ionen. Ionenquellen werden normalerweise zum Sputtern
und Ähnlichem
verwendet und erzeugen typischerweise Ionen mit Energien größer als
10 eV, obwohl Vorrichtungen mit niedrigerer Energie experimentell
verwendet wurden.
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Ein
allgemeines Problem mit existierenden XPS-Vorrichtungen, sogar wenn
sie Elektronenfluten verwenden, ist die Empfindlichkeit auf Betriebsbedingungen
des Neutralisierers. Es war schwierig, reproduzierbare Fotoelektronenpeakpositionen
und Peakformen zu erhalten.
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Zusammenfassung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein im Wesentlichen einheitliches
Oberflächenpotential
auf einer isolierenden Probe in einer Röntgenstrahlenfotoelektronen-
oder einer Sekundärionenemissionsvorrichtung
zu erreichen, in der die Probe einen Bestrahlungsbereich aufweist,
der einen Energiestrahl aufnimmt, um eine Emission von der Probe
zu erzeugen, so dass der Bestrahlungsbereich positiv geladen wird.
Eine andere Aufgabe ist es, ein im Wesentlichen einheitliches Oberflächenpotential
bereitzustellen, wobei der verbleibende Gradient sogar kleiner ist,
als der des vorher erwähnten
Stands der Technik.
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Die
vorangegangenen und anderen Ziele werden in solch einem Instrument
mit einer Vorrichtung zumindest teilweise erreicht, die Elektronenmittel
mit einem Elektronenstrahl mit Niedrigenergieelektronen zum Fluten
eines Gebietes der Probe einschließlich des Bestrahlungsbereichs
umfasst, um die positive Aufladung zu neutralisieren, so dass das Fluten
des gefluteten Bereichs außerhalb
des Bestrahlungsbereichs negative Aufladung verursacht. Die Vorrichtung
umfasst weiterhin Ionenmittel, um positive Ionen auf zumindest einen
Bereich des Flutungsbereichs in der Nähe des Bestrahlungsbereichs zu
richten, um die negative Ladung in solch einem Bereich zu neutralisieren.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung stellt das Elektronenmittel den Elektronenstrahl
mit niedriger Energie von weniger als ungefähr 2 eV und einem Energiebereich
von weniger als 0,5 eV bereit. In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Elektronenmittel einen thermionischen Elektronenemitter,
der aus einem Elektronen emittierenden Material mit einer Austrittsarbeit
von weniger als 2 eV gebildet ist, um die kleine Energieverteilung
des Elektronenstrahls zu erreichen.
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Gemäß eines
anderen Aspekts, vorzugsweise in Kombination mit dem Niedrigenergieelektronenstrahl,
weisen die Ionen im Wesentlichen eine niedrige Ionenenergie von
weniger als 10 eV auf. In einem weiteren Aspekt, vorzugsweise in
Kombination mit dem Niedrigenergieelektronenstrahl und der niedrigen
Ionenenergie, weist das Elektronenmittel einen Abstand von der Probe
auf, hat der Elektronenstrahl einen Strahldurchmesser an der Probe
und ist ein Verhältnis
des Abstands zum Durchmesser kleiner als 10.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Zeichnung, die eine Vorrichtung veranschaulicht,
die in der Erfindung verwendet wird.
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2 zeigt
eine Oberfläche
einer Probe von 1.
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3 ist
eine schematische Zeichnung einer Ionenkanone, die in der Vorrichtung
von 1 verwendet wird.
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4 ist
eine schematische Zeichnung einer Elektronenkanone, die in der Vorrichtung
von 1 verwendet wird.
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5 ist
eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform, bei der die Elektronenquelle
von 1 durch eine Quelle ersetzt wird, die ein Elektronenenergiefilter
einsetzt.
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Ausführliche
Beschreibung
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In
einer Ausführungsform
wird eine Vorrichtung mit einer Röntgenstrahlenfotoelektronenvorrichtung
(XPS) zur Oberflächenanalyse,
die für
die Erfindung nützlich
ist, verwendet, z.B. wie in dem vorhergenannten US-Patent Nr. 5,513,113
("Larson-Patent") offenbart. Eine
isolierende Probe 2 (1) wird in
der Vakuumkammer einer XPS-Vorrichtung 4 montiert. Röntgenstrahlen 6 werden
gewöhnlich
auf die Probe gerichtet, wo sie einen Bestrahlungsbereich oder Fleck 12 (2)
auf der Probe beleuchten, um Fotoelektronen zu emittieren (nicht
gezeigt). Eine Elektronenkanone 7 emittiert Niedrigenergieelektronen 8,
die die Probe fluten. Eine Quelle 10 von geladenen Partikeln
richtet einen Strahl von positiven Ionen 11 auf die Probe.
Die Elektronenkanone und die Ionenquelle werden vorteilhaft durch
einen Computer 13 kontrolliert, der zweckmäßigerweise
derselbe sein kann wie der Systemcomputer, wie in dem Larson-Patent
beschrieben.
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Die
Emission von Fotoelektronen von der Probenoberfläche verursacht die positive
Aufladung des bestrahlten Bereichs 12. Das Gebiet 14,
das von den Niedrigenergieelektronen überflutet wird, ist im Allgemeinen
größer und
schließt
den Bestrahlungsbereich ein, und neutralisiert so die positiven
Ladungen, erzeugt aber ein Übermaß von negativen
Ladungen im Bereich außerhalb
des Bestrahlungsbereichs. Der Ionenstrahl 11 wird auf zumindest
einen Bereich 16 dieses Gebietes in der Nähe des Strahlungsbereichs
gerichtet, um die negativen Ladungen zu neutralisieren. Obwohl in
dieser Ansicht das Gebiet mit positiven Ionen größer dargestellt ist als der elektronengeflutete
Bereich 14, kann der Ionenstrahl auf einen Bereich gleich
oder kleiner als das geflutete Gebiet gerichtet sein, vorausgesetzt,
dass ein bedeutender Bereich um die bestrahlte Region von dem Ionenstrahl
bedeckt ist, um effektiv die Potentialgradienten in und um den bestrahlten
Bereich zu minimieren. In einem typischen XPS-Spektrometer kann
der Röntgenstrahlbestrahlungsbereich 12 einen
Durchmesser von 1 mm oder weniger aufweisen, der Elektronenbereich 14 kann
einen Durchmesser von 1 bis 10 cm haben und der Ionenbereich 16 kann
einen Durchmesser von 10 bis 50 cm aufweisen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung haben die Ionen in dem Strahl 11 grundsätzlich niedrige
Ionenenergien kleiner als 10 eV. In einer geeigneten Ionenkanone 10 (3)
umfasst eine Ionisationskammer 18 einen thermionischen
Glüh faden 20,
der Elektronen emittiert, die durch das positive Potential eines
Röhrengitters 22 beschleunigt
werden, um dann enthaltenes Argongas zu ionisieren. Ein Emissionsstrom
kann mit einem Amperemeter 23 am Gitter gemessen werden. Das
Gas hat einen regulierten Einlass 24 von einer Gasversorgung 26,
um einen Kammerdruck von ungefähr
25 mPa zu erreichen. Der Druck wird durch ein Amperemeter 30 mit
der Kammer 18 gemessen, die als Extraktionselektrode verwendet
wird. In der Ionisationskammer sind hinter einer Öffnung 19 hintereinander
eine zylindrische Kondensorlinse 31, eine Blende 36,
ein Paar von Strahlablenkplatten 32, eine zylindrische
Objektivlinse 33 und ein zylindrisches Set von Quadropol-
oder Oktopolablenkplatten 34, auf Wunsch zum Lenken, angeordnet.
Eine Röhre 38,
die diese Elemente enthält,
wird auf eine relativ niedrige schwebende Spannung gesetzt. Die
Ionen werden durch die Röhre
von dem Hochspannungsgitter 22 beschleunigt und auf die
gewünschte
Energie abgebremst, während
sie einen geerdeten konischen Ausgangsring 40 passieren
und dann zu der geerdeten Probe 2 weiter laufen. Die Linsenspannungen
folgen um einen Prozentsatz der Strahlspannung. Die Röhre 38 ist
um ungefähr
5° an der
Stelle der Krümmungsplatten 32 gebogen
(nicht gezeigt), um die neutralen Atome von dem Ionenstrahl zu trennen.
Obwohl das Vorhergehende eine geeignete Ionenquelle veranschaulicht,
kann jede konventionelle oder gewünschte Quelle von Niedrigenergieionen, die
an die Vorrichtung angepasst werden kann, verwendet werden.
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Gemäß der Erfindung
weisen die Flutungselektronen eine relativ enge Energieverteilung
auf, wobei die Verteilung im Wesentlichen geringer als 0,5 eV ist,
z.B. ungefähr
0,3 eV. Ebenso haben die Elektronen eine sehr geringe Energie von
weniger als 2 eV (verglichen mit einer Verteilung von ungefähr 1 bis 10
eV bei konventionellem Fluten). Eine Elektronenkanone 7 (4)
hat typischerweise einen thermionischen Emitter 42, der
mit einem elektrischen Strom geheizt wird, wobei die emittierten
Elektronen durch einen zylindrischen Extraktor 44 beschleunigt
werden.
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In
einem bevorzugten Mittel zur Erzielung der gewünschten Energieverteilung wird
der Emitter 42 aus einem Elektronen emittierenden Material
mit einer Austrittsarbeit von weniger als 2 eV erzeugt, z.B. 1 eV.
Zum Vergleich, ein konventioneller Wolframemitter weist eine Austrittsarbeit
von ungefähr
4,5 eV auf. Mit einer niedrigen Austrittsarbeit wird der Emitter
bei niedriger Temperatur betrieben, wobei im Wesentlichen die Breite
der Energieverteilung und der Anteil des Hochenergieendes in der
Bolzmannverteilung re duziert wird. Zum Beispiel kann der Emitter
aus einer Schicht 46 aus Barium-Strontiumoxid auf einer
Platinscheibe 48 hergestellt sein, der durch einen Strom
in den Stützfüßen 49,
die an die Scheibe geschweißt
sind, geheizt wird. Die Schicht ist ähnlich zu der vorherigen, die
auf Nickelschiffchen erzeugt wurden, die als Emitter in Vakuumröhren verwendet werden.
Ein geeigneter Emitter ist eine Bariumoxidscheibenkatode Modell
ES-015 von Kimbal Physics Inc., Wilton, NH.
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Alternativ
kann die gewünschte
Energieverteilung mit einem Elektronenenergiefilter erreicht werden,
wie z.B. ein halbkugelförmiger
elektrostatischer Analysator 50 (5), der
zwischen der Elektronenquelle, z.B. ein thermionischer Emitter 42', und der Probe
mit einer oder mehrerer dazwischen liegender Linsen 52,
sofern nötig,
angeordnet ist. Solch ein Filter kann jeder elektrostatische oder
elektromagnetische Energieanalysator sein, der für die vorliegende Anwendung
konfiguriert wurde, z.B. kann es ein zylindrischer elektrostatischer
Analysator sein oder ein halbkugelförmiger elektrostatischer Analysator
(wie gezeigt) vom gleichen Typ wie im Larson-Patent offenbart ist.
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Der
maximale Strom der Flutungselektronen an der Probe ist durch die
Raumladung dicht an der Probe begrenzt, wobei das Maximum umgekehrt
proportional zum Quadrat des Verhältnisses L/D des Abstandes
L der Kanone von der Probe zum Durchmesser D des Flutungselektronenstrahls
an der Probe ist. Der Durchmesser ist im Allgemeinen ungefähr der gleiche
wie der am Kanonenausgang. Um diesen Strom zu maximieren, sollte
die Elektronenkanone so dicht wie praktikabel an der Probe sein.
Es wurde bestimmt, dass das Verhältnis
L/D vorzugsweise kleiner als ungefähr 10 sein sollte, besonders
bevorzugt ist ein Wert von weniger als ungefähr 6, wobei angenommen wird,
dass D der Strahldurchmesser am Kanonenausgang ist.
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Es
ist besonders vorteilhaft, mindestens zwei und bevorzugt alle der
vorher beschriebenen Ausführungsformen
in Kombination zu verwenden. Deshalb sind in einer bevorzugten Ausführungsform
die Ionenenergien im Wesentlichen geringer als 10 eV, weisen die
Flutungselektronen geringere Energien als ungefähr 2 eV mit einer engen Energieverteilung von
weniger als ungefähr
0,5 eV auf, was. mit einem Emitter mit kleiner Austrittsarbeit erreicht
wird, und das Verhältnis
des Abstandes der Elektronenkanone zu dem Strahldurchmesser ist
kleiner als ungefähr 10.
Besonders bevorzugt werden die Flu tungselektronen mit einem Elektronenemitter
mit einer Austrittsarbeit von weniger als ungefähr 2 eV erzeugt.
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Man
fand, dass die vorhergenannten Verbesserungen ein im Wesentlichen
einheitlicheres Potential bewirken als die Offenbarung im Kelly-Patent. Die
Vorrichtung ist auch bedeutend robuster und verlässlicher als bisher, indem
ein Bereich von Probentypen und Oberflächengebieten ohne die vorherigen Variationen
der analytischen Resultate und der Empfindlichkeit auf die Einstellung
des Flutelektronenstroms analysiert werden können. Die niedrige Elektronenenergie
und der kleinere Abstand der Elektronenkanone erlauben eine größere Flutstromdichte. Die
Fotoelektronendichte erreicht auf einer isolierenden Probe bis zu
ungefähr
40 nA/mm2 für einen auf 10 μm Durchmesser
fokussierten Röntgenstrahlspot. Es
ist wünschenswert
für den
neutralisierenden Elektronenstrom, dass er mindestens 10 mal größer ist, als
der Fotoelektronenstrom und dies kann mit der Kombination der Verbesserung,
die 400 nA/mm2 erlauben, erreicht werden.
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Die
Erfindung kann ähnlich
gut für
die Neutralisierung von isolierenden Proben in anderen analytischen
Instrumenten verwendet werden, die eine positive Aufladung der Probenoberfläche erzeugen, z.B.
in Sekundärionenmassenspektroskopie
(SIMS), bei der eine Oberfläche
mit positiven Ionen bestrahlt wird. Die Einführung von Elektronenfluten
und positive Ionen mit niedriger Energie wirkt im Wesentlichen in
der gleichen Weise wie für
XPS. In 1 werden die Röntgenstrahlen 6 durch
einen Strahl aus positiven Ionen ersetzt (der getrennt ist von dem
Neutralisierungsstrahl von Ionen 11).
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Während die
Erfindung oben detailliert beschrieben wurde, mit Bezug auf spezielle
Ausführungsformen,
werden verschiedene Änderungen
und Modifikationen, die in den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche fallen,
für den
Fachmann offensichtlich. Deshalb ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nur
durch die nachfolgenden Ansprüche
oder diesen gleichwertigen beschränkt ist.