用于粒子光谱仪的分析设备的制作方法

用于粒子光谱仪的分析设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于确定与从粒子发出样本(11)发出的带电粒子相关的至少一个参数的方法，例如，涉及粒子的能量、起始方向、起始位置或转速的参数。该方法包括以下步骤：通过透镜系统(13)，将带电粒子束引导至测量区域的入口中，并检测粒子在测量区域内的位置，其表示所述至少一个参数。此外，该方法包括以下步骤：在粒子束进入测量区域之前，使粒子束在相同的坐标方向上至少偏转两次。从而，能以这样的方式控制粒子束在测量区域(3)的入口(8)处的位置和方向，使得，一定程度上消除对样本(11)的物理操纵的需求。接着，这允许有效地冷却样本，使得能改进能量测量中的能量分辨率。
【专利说明】用于粒子光谱仪的分析设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于分析例如从粒子发出样本发出的带电粒子的能量、起始方向和起始位置的方法和分析设备，并涉及一种包括这种分析设备的粒子光谱仪。特别地，本发明涉及一种在半球形偏转仪类型的光电子光谱仪中使用的方法和分析设备。
【背景技术】
[0002]在图1中示出了根据现有技术的半球形偏转仪类型的光电子光谱仪。在半球形偏转仪类型的光电子光谱仪I中，中心部件是测量区域3，电子的能量在该区域中被分析。测量区域3由安装在底板7上的两个同心半球5形成，并且在两个同心半球之间施加静电场。电子通过入口 8进入测量区域3，并且静电场使得以接近垂直于底板7的方向进入半球5之间的区域的电子偏转，并且，那些具有一定范围(由偏转场限定)内的动能的电子在已行进通过半圆之后，将到达检测设备9。在一个典型仪器中，通过静电透镜系统13，电子从其来源(典型地，是在用光子、电子或其他粒子激励后发出电子的样本11)被传送至半球的入口 8，静电透镜系统13包括多个透镜L1-L3，所述多个透镜具有公共的且基本上笔直的光轴15。
[0003]对于以下描述，将使用笛卡尔坐标系，其z轴沿着透镜系统13的光轴15 (在大多数情况中，是旋转对称轴线)，并且，半球相对于(y，z)平面对称。用电子相对于(y，z)平面的角度相对于(x，z)平面的角度9y来描述电子轨迹的方向。
[0004]透镜系统13和检测设备9将仅接受在垂直于透镜轴线15的有限区域内和有限角度范围内发出的电子。此外，必须在z方向上将来源定位在窄范围内，以达到最佳特性(在灵敏度和分辨率方面)。这使得必须将样本安装在操纵器17上，操纵器允许在所有坐标方向上平移和旋转，即，六个自由度。
[0005]在例如角分辨光电子能谱学(ARPES)的许多应用中，完整的测量需要用30度的总圆锥开口从对得非常准的样本完全检测立体角。根据样本和激励能量/动能的不同，所需的角度范围可能变化。角分辨率需求也随着应用而变化，但是，典型地，范围从I度降至好于0.1度。在能量分辨率中，取决于应用，所需跨度是从0.5eV降至到0.5meV。为了实现高分辨率测量，分析设备必须具有足够的角度和能量分辨率，但是，由于半球形分析设备仅接受在垂直于透镜轴线15的有限角度范围内发出的电子，所以，样本操纵器17必须具有非常高精度的运动和可重复性。需要使操纵器17精确地旋转并使样本倾斜，以建立完整的30度立体角数据集。
[0006]从样本发出的电子的能量分布受到热加宽(thermal broaden,热拓宽)，其由ΔΕ=3.5*kB[eV/K]*T[K]给出，其中，Λ E是能量分布(单位是eV)，kB是玻尔兹曼常数，T是温度(单位是开尔文)。因此，为了达到所需的能量分辨率，样本11必须能冷却至非常低的温度，例如，< ImeV的加宽需要最多3K的样本温度。
[0007]半球5使电子在检测器平面(其与半球形分析设备中的测量区域3的入口 8的平面重合)中沿着y方向相对于其能量分散。在X方向上，检测器平面中的位置是X坐标在半球5的入口 8的平面中的直接象(direct image,直接图像)。将半球5的入口 8在x方向上形成为窄缝，在下文中叫做测量区域的入口狭缝，或者，简单地叫做入口狭缝。当允许电子通过窄入口狭缝8进入半球5中时，二维检测设备9将同时给出与能量分布和沿着入口狭缝8的分布相关的信息。典型地，二维检测设备9包括多通道电子倍增板(MCP) 19，所述多通道电子倍增板布置在与半球5的入口狭缝8相同的平面中并且在进入电子的位置处产生可测量的电信号，然后，该电信号可选地可由磷屏幕和摄像机21记录，或作为例如延迟线或电阻阳极检测器上的电脉冲。或者，在通过通向旋转检测器25的出口孔23离开半球区域之后，可进一步分析一些能量选择电子，特别是相对于其旋转。在一种类型的旋转检测器中，将以接近于(负)z方向的方向离开半球5的电子通过由第一透镜系统、90度偏转仪和第二透镜系统组成的序列传送至目标上，在此之后，测量散开的电子的分布。一些仪器包括两个这种旋转检测器，安装有相对于彼此成90度的角度的偏转仪(即，一个在(y，z)平面中弯曲，一个平行于(X，z)平面)，它们的入口孔位于半球的(y，z)对称平面中，位于MCP检测器的每侧上的不同的径向(y)位置处。
[0008]对于半球5之间的给定电场，一种特殊动能(叫做通过能量(Ep))的电子将撞击MCP检测器19的中心，并且，叫做能量窗的范围将落在MCP的敏感区域内。能量分布(dy/dE)与匕成反比，而能量窗与匕成正比。由此为了在能量分辨率和信息速度之间达到合适的折衷，通常必须将所发出的电子的动能Ek调节至适当的通过能量。此能量调节由透镜系统13执行。这由一系列透镜元件L1-L3组成，其是沿着光轴15布置的同心电极(圆柱体，截锥体，孔，等等)的形式，每个透镜元件与电压源连接。除了提供能量调节(加速或减速)以外，透镜系统13还允许将样本放在离半球5方便的距离处，并且，在本上下文中最重要的是，其可控制电子在半球的入口狭缝8的平面中的分布。该加速或减速由样本11和半球入口 8之间的电势差直接控制，而其他透镜电压用来控制电子分布。可以两种不同的模式操作透镜系统13，分别叫做成像和角度分辨(角度)模式。在成像模式中，在发射点与入口狭缝8的平面中的(x，y)位置之间存在(对于一阶的)点对点的对应，不管与样本11的离源角是多少。然后，入口狭缝8将选择从样本的具有与入口狭缝相同的形状且由透镜放大倍率给出的尺寸(即，通常在y方向上的窄范围内)的区域发出的电子。在角度模式中，相反以这样的方式布置透镜电压，即，使得以相同的角度(θχ，9y)对着透镜轴线发出的电子聚焦至入口狭缝8的平面26中的相同的点(x，y)，如图2所示，其中，以任意的单位和不同的比例绘制y和z轴。这里，最终位置是针对一阶的，与起始位置无关，起始位置非常不重要。然后，由入口狭缝8接受的电子在y方向上具有窄范围内的离源角，由入口狭缝宽度和角分散(dy/d0y)限定，而沿X方向的不同离源角沿着入口狭缝8分布。然而，由于透镜系统的旋转对称性(dx/d θ χ = dy/d Θ y)，角分散在X和y方向上是相等的。可任意选择成像模式中的放大倍率和角度模式中的角分散，并且，通过根据预先计算的函数调节透镜电压，而在大范围上保持恒定(按照Ek/Ep)。
[0009]给定通过能量下的半球5的能量分辨率受到入口狭缝8的宽度和电子束进入半球时在径向方向上的角展度的影响(即，展度是dy/dz)。对于入口狭缝8的每种尺寸均具有相应的角展度，其给出强度和分辨率的最佳组合。对于窄的入口狭缝，即，高能量分辨率，相应的角展度非常小，典型地为1-2度。通过将入口狭缝8和其前方一定距离的另一狭缝27 (在下文中，叫做孔狭缝)相组合来限定此角展度，如图3所示。在沿着入口狭缝的方向上((X，z)平面)，从分辨率需求来说并没有角度方面的这种限制。然而，由于相对于半球后方的中间(y，z)平面的出口角和相对于此平面相对的入口角(dx/dz)相同(见图1中的中间平面中的轨迹和另一平面中的轨迹)，所以，旨在到达旋转检测器入口孔的那些电子的方向必须非常接近于z方向。
[0010]为了补偿发出的样本11的发射点相对于透镜系统13的光轴15的不对准性，通常将一个作用于X方向上的偏转仪和一个作用于y方向上的偏转仪集成在透镜系统中。可将X和I偏转仪沿着透镜轴线15 —个接一个放置，但是，更通常地，将它们组合在四个电极的一个偏转仪封装29中，每个电极覆盖接近于90度的方位角(见图1)。
[0011]下面，将参考图1讨论根据现有技术的粒子光谱仪所具有的一些问题。为了方便，该讨论将主要涉及透镜系统13的角度分辨(角度)操作模式。然而，应理解，大多数争论在成像模式的映射中同样存在。
[0012]有效地冷却至非常低的温度的需求意味着，样本11必须与冷却剂有着非常好的热接触，而且，有效地屏蔽热辐射。这与以充分的自由度安装在操纵器17上以覆盖整个角范围冲突。样本11的机械运动还会带来这样的危险，即，发射面积或对于光谱仪的分析设备来说可见的面积变化，从而，也会意外地从样本的不同部分获得在不同角度下产生的光
-1'TfeP曰。
[0013]在一定程度上，可通过使用上述X偏转仪和/或y偏转仪来引导电子从轴外(成像模式中)开始或从不沿着透镜系统13的光轴15的方向(角度模式中)开始到达入口狭缝8的中心，来避免移动样本11。JP58200144A2中提出的方法在此主题上提供了一种变型。然而，任何这种方法的实际可用性是非常有限的，因为通过此技术到达入口狭缝8的中心的轨迹在一般情况下将相对于光轴15产生一定的角度。对于y方向上(与狭缝交叉)的偏转，孔狭缝27和入口狭缝8的角度限定的组合将会使其停止，或者，使能量分辨率产生不可接受的损失。在X方向上(沿着狭缝)，仅有相对小的初始角范围内的轨迹将在旋转检测器系统接受的角范围内离开。如果目的是利用沿着入口狭缝8的整个分布，那么，典型地，甚至对于非常小的偏转，也会出现使角比例严重扭曲的额外问题。
[0014]此外，可达到的角分辨率与透镜系统13的角分散相关。这在y方向上可最清楚地看到，其中，该分辨率不会比由角分散所划分的入口狭缝宽度更好。从此观点看，通常希望能够对大分散起作用。另一方面，可观察到的范围由(半球入口狭缝的长度)/(角分散)与透镜前孔的接受程度中更小的一个限制。随着分散的增加，由于半球入口狭缝的长度所引起的限制也可能很严重，并且，比透镜的接受程度小得多。

【发明内容】

[0015]本发明的一个目的是，解决或至少缓和一个或多个上述问题。
[0016]特别地，本发明的一个目的是，增加粒子光谱仪测量(例如，光电子光谱仪测量)中的能量分辨率。
[0017]通过一种用于决定与从粒子发出样本发出的带电粒子相关的至少一个参数(例如，与带电粒子的能量、起始方向、起始位置或旋转相关的参数)的方法，来实现此目的和其他目的。该方法包括以下步骤:
[0018]-形成所述带电粒子的粒子束，并通过具有基本上笔直的光轴的透镜系统，在所述粒子发出样本与测量区域的入口之间传送所述粒子；
[0019]-在粒子束进入测量区域之前，使粒子束至少在垂直于透镜系统的光轴的第一坐标方向上偏转；以及
[0020]-检测所述带电粒子在所述测量区域中的位置，该位置代表所述至少一个参数。
[0021]此外，该方法包括以下步骤:在粒子束进入测量区域之前，使粒子束至少在同一第一坐标方向上至少第二次偏转。
[0022]通过使粒子束在相同的坐标方向上在粒子发出样本与测量区域的入口之间偏转两次，可控制粒子束在测量区域的入口处的位置和方向。
[0023]优选地，在粒子束进入测量区域之前，使粒子束在与透镜系统的光轴垂直的两个坐标方向的每个方向上至少偏转两次。这意味着，给定三维笛卡尔坐标系的z轴沿着透镜系统的光轴，优选地，在从粒子的观点看位于测量区域的入口上游，使粒子束沿X和y方向的每个方向至少偏转两次。为了满足四个条件(沿两个正交方向的位置和方向)，在每个方向上需要至少两个自由度。
[0024]该方法允许形成粒子束的粒子的角分布的预定部分通过测量区域的入口。优选地，这样控制粒子束的偏转，使得，粒子的角分布的所述预定部分在基本上平行于透镜系统的光轴的方向上通过测量区域的入口。为了分析粒子束的角分布的任意部分(不仅是位于沿着上述笛卡尔坐标系的X或I轴的部分)，在粒子束进入测量室之前，可能必须在X和I方向的每个方向上执行两次粒子束的偏转。
[0025]在本发明的一个实施方式中，可能这样控制第一次和至少第二次偏转，即，使得，粒子的角分布的所述预定部分仅包括以预定起始方向(θχ(ι，9y0)或在预定范围的起始方向内从样本发出的粒子。
[0026]由于该方法使得可能使在不平行于透镜系统的光轴的方向上发出的粒子沿基本上平行于透镜轴线的方向上进入测量区域的入口，所以，消除了必须使样本表面相对于其平行于透镜轴线的法线以所需发射角定向的标准，这转而减少了对移动测试样本以达到此定向的需求。因此，本发明提出了一种新型的粒子束操纵，其在一定程度上消除了对测试样本的物理操纵的需求。
[0027]特别地，所提出的粒子束操纵减少了对在上述三维笛卡尔坐标系的X和y方向上倾斜并旋转测试样本的需求。
[0028]由于减少了对操纵器的复杂可移动性的需求，所以，可使用允许直接对测试样本进行冷却的操纵器。如上所述，这对测试样本提供了更有效的冷却，转而导致由光谱仪分析器获得的测量中的能量分辨率增加。减少了对操纵器的复杂可移动性的需求可允许，将测试样本直接附接在冷却板上，允许将测试样本冷却至大约2K，通过根据本发明的光谱仪分析器，假设使用窄带宽激励源，那么，这产生大约0.7meV的能量分辨率。
[0029]除了随着保持的角分辨率而增加能量分辨率的优点以外，能够以比具有提供测试样本的复杂运动的操纵器的光谱仪更低的成本，制造包括能够执行上述方法的分析设备的粒子光谱仪。
[0030]此外，根据现有技术的这种光谱仪中的测试样本的复杂运动使得，难以连续地辐射以及由此分析出测试样本的轮廓清晰的区域。由于本发明消除了对测试样本的复杂运动的需求，所以，变得更容易辐射并分析测试样本的轮廓清晰的目标区域。特别地，在覆盖立体角内的所有方向的一长串测量的过程中，可将样本位置保持不变，在许多情况中，该立体角足够大，以至于能够提供所有物理上相关的信息。
[0031]在测量区域中，静电场使带电粒子偏转，并且，由检测设备检测粒子在偏转之后的位置。根据测量区域、测量区域的入口和检测设备的设计不同，可从所检测的位置中判断与粒子相关的各种参数，例如，粒子的能量、起始方向或起始位置。优选地，该检测包括，检测两个维度上的粒子位置，其中一个维度基本上代表粒子的能量，另一个代表粒子沿着测量区域的进入平面中的线的空间分布。由于粒子沿着进入平面中的线(典型地，是狭缝形状的入口的纵向方向)的空间分布提供与粒子的起始方向或起始位置相关的信息，所以，二维检测设备使得，可能同时判断粒子的能量和起始方向或起始位置。
[0032]在进入测量区域时控制粒子束的位置和方向的能力的又一结果是，与粒子束在每个坐标方向上偏转一次的情况相比，对检测可获得更大的角范围。此外，可通过所保持的强度和分辨率(能量和角度)来研究该更大的角范围。在进入测量区域时，在同一坐标方向上使用两次偏转来控制粒子束的位置和方向使得，可能在使样本不移动的情况下研究立体角中的角范围，所述立体角基本上由透镜前孔的允许角限定。实际上，这对于一组偏转仪来说并不可能。
[0033]本发明还提供了一种分析设备，其用于确定与从粒子发出样本发出的带电粒子相关的至少一个参数，该分析设备能够执行上述方法。为此目的，分析设备包括测量区域，其具有允许带电粒子进入测量区域的入口 ；以及检测设备，所述检测设备用于检测带电粒子在测量区域中的位置，该位置表示所述至少一个参数。此外，分析设备包括透镜系统，其具有基本上笔直的光轴，该透镜系统可用来形成从样本发出的带电粒子的粒子束，并在样本和测量区域的所述入口之间传送粒子。分析设备进一步包括偏转设备，其包括第一偏转仪和至少第二偏转仪，第一偏转仪用于，在粒子束进入测量区域之前，使粒子束至少在垂直于透镜系统的光轴的第一坐标方向上偏转；第二偏转仪可用来，在粒子束进入测量区域之前，使得粒子束至少在相同的第一坐标方向上至少进行第二次偏转。
[0034]优选地，将该至少第二偏转仪在沿着透镜系统的光轴离第一偏转仪一定距离处，布置在第一偏转仪的下游。如从以上讨论中理解的，第一和至少第二偏转仪的组合效果是，控制粒子束的哪个部分进入测量区域以及在哪个方向上进入，这允许粒子束的所选择的部分沿着透镜轴线(即，透镜系统的光轴)的方向进入测量区域。
[0035]优选地，将偏转设备集成在分析设备的透镜系统中，这意味着，透镜系统和偏转设备形成一个整体部分。这使分析器具有紧凑的设计，并减少了其中的单独的部分的数量。然而，也可将偏转设备布置在分析器的透镜系统的上游或下游，布置在透镜系统的两个透镜之间，或者，使至少两个偏转仪相对于透镜系统位于不同的位置处。
[0036]由于以上讨论的原因，优选地，在粒子束的粒子通过测量区域的入口之前，偏转设备可用来使粒子束在每个垂直于透镜系统的光轴的坐标方向(即，X和y方向)上偏转两次。
[0037]为此目的，偏转设备可能包括例如四个偏转仪，其中两个可用来使粒子束在X方向上偏转，另两个可用来使粒子束在I方向上偏转。
[0038]在本发明的一个优选实施方式中，偏转设备包括两个偏转仪封装，每个可用来使粒子束在X和y方向上偏转。为此目的，每个偏转仪封装可能包括两个电极对，当在相应对的电极之间施加电压时，其可用来产生电场的两个垂直分量。优选地，将每个偏转仪封装的四个电极布置在基本上四极对称的结构中。
[0039]分析设备进一步包括控制单元，其用于通过对偏转设备的电极施加可控电压，来控制粒子束的偏转。
[0040]可能将控制单元构造为，通过根据预先计算的函数施加偏转电压，来确定从样本发出的粒子的具体起始方向，该样本沿着透镜系统的光轴进入测量区域。
[0041]在一种应用中，将以这样的方式扫描电压，使得，用测量系统连续地记录y方向上的一系列起始角度ey。对于每个0y，记录由测量区域的入口的狭缝长度限制的X方向上的一定范围的角度θχ，从而，对由检测系统限定的窗内的每个能量，提供角分布的二维图像。在这种角度扫描的过程中，典型地，将X方向上的偏转保持恒定，在矩形区域(θχ，ey)上提供图像。如果在高角分散下操作透镜，那么，可将这种在X方向上具有不同偏转的许多扫描组合，以在透镜前孔的整个角度接受范围上给出完整的图像。为了覆盖比检测器的能量窗大的能量范围，也可扫描样本和测量区域之间的加速/减速电压。此应用是可用的，但是，不限于例如ARPES测量(角分辨光电子能谱学)。
[0042]在另一种应用中，将用控制单元设置偏转仪电压，使得，在一个所选方向(θχ。，0yO)周围的窄立体角内发出的粒子，将沿着透镜的光轴进入测量区域，然后，允许窄能量范围内的具有此具体初始方向的能量分析粒子进入旋转检测器。
[0043]在两种情况中，控制单元将根据预先计算的函数来改变透镜和偏转电极上的电压，以保持透镜的聚焦和分散特性并提供所需的偏转角。
[0044]在本发明的另一实施方式中，使四极对称的电压叠加在至少一个偏转仪封装中的偏转仪电压上。这种电压可在一个平面中提供聚焦，并在正交的平面中提供散焦，并且，可施加电压以减少角度图中的扭曲。
[0045]如以上简要地讨论的，典型地，将分析器的检测设备布置为，在使粒子在测量区域内进一步偏转之后，检测带电粒子的位置。粒子的偏转大小取决于粒子的动能，因此，粒子在某一方向上检测到的位置表示粒子能量。如以上还提到的，优选地，检测设备能够检测带电粒子在测量区域中的二维位置，以确定粒子的能量和起始方向或起始位置。为此目的，例如，检测设备可能包括多通道电子倍增板(MCP)，其在进入粒子的位置处产生可测量的电信号，然后，该电信号可选地可由磷屏幕和摄像机记录，或作为例如延迟线或电阻阳极检测器上的电脉冲。
[0046]优选地，在半球形偏转仪类型的粒子光谱仪(例如，如在【背景技术】部分中描述的半球形光电子光谱仪)中使用该分析设备。在此情况中，测量区域由此可能包括相对于上述坐标系的(y，z)平面对称的两个同心半球。可将该两个同心半球安装在底板上，并且，它们具有施加在其之间的静电场。以接近于垂直于底板的方向进入半球之间的区域的粒子，由该静电场偏转，并且，那些具有由偏转场限定的一定范围内的动能的电子将在已经通过半圆之后到达检测设备。在此实施方式中，测量区域的入口(即，进入半球的入口)典型地是沿着X方向的狭缝，其允许能够在两个维度上检测的检测设备同时给出与能量分布和沿着入口狭缝的分布相关的信息，后者表示粒子的起始方向或起始位置，取决于透镜设备的操作模式。
[0047]在本发明的一个改进的实施方式中，分析设备包括旋转检测器。在根据现有技术的旋转检测器中，仅接受在其入口透镜的轴线周围在窄角范围内进入旋转检测器的电子。在根据现有技术的光谱仪中，这意味着，电子也必须平行于光谱仪透镜轴线的方向离开样本。所提出的取代操纵测试样本或除了操纵测试样本以外还操纵电子束的原理的又一优点是，可使在透镜系统的接受范围内的任何方向从样本发出的电子能够沿着旋转检测器入口透镜的方向进入旋转检测器。
[0048]本发明还提供了一种粒子光谱仪，例如，光电子光谱仪，其包括如上所述的分析设备。在一个优选实施方式中，粒子光谱仪是半球形偏转仪类型的光电子光谱仪，如以上在【背景技术】部分中描述的。
【专利附图】

【附图说明】
[0049]从下文中提供的详细描述和仅通过图示给出的附图，本发明将变得更充分理解。在不同的图中，相同的参考数字相当于相同的元件。
[0050]图1示出了根据现有技术的半球形偏转仪类型的光电子光谱仪。
[0051]图2示出了通过图1所示的光电子光谱仪的透镜系统的粒子轨迹。
[0052]图3示出了图1所示的光电子光谱仪的测量区域的孔狭缝和入口狭缝。
[0053]图4示出了根据本发明的一个代表性实施方式的半球形偏转仪类型的光电子光谱仪。
[0054]图5A和图5B是根据本发明的一个代表性实施方式的分析设备的两个偏转仪封装的端视图。
[0055]图6示出了根据本发明的一个代表性实施方式的分析设备的部分。
[0056]图7示出了可施加至图5A和图5B所示的偏转仪封装的电极的偏转仪电压的代表性方式。
[0057]图8A和图SB分别示出了在没有和具有所施加的偏转仪电势的情况下通过根据本发明的分析设备的透镜系统的粒子轨迹。
[0058]图9A至图9C示出了根据本发明的原理如何使所发出的粒子的角分布的所选部分偏转。
【具体实施方式】
[0059]图4示出了根据本发明的一个代表性实施方式的粒子光谱仪30。除了下文中描述的差异以外，粒子光谱仪30的部件和功能与参考图1至图3在【背景技术】部分中描述的、根据现有技术的半球形偏转仪类型的光电子光谱仪I的部件和功能相同。对与图1至图3中的元件相应的图4所示的元件提供相同的参考数字，并且，省略其进一步的描述。
[0060]因此，粒子光谱仪30是半球形偏转仪类型的光电子光谱仪，其包括适合于分析从粒子发出样本11发出的带电粒子的能量和起始方向或起始位置的分析设备。
[0061]如图4所示，分析设备包括偏转设备31，所述偏转设备包括第一偏转仪封装29和第二偏转仪封装29’。根据在【背景技术】部分中描述的图1的单个偏转仪封装29，来设计并构造第一和第二偏转仪封装。
[0062]同时参考分别示出了第一偏转仪封装29和第二偏转仪封装29’的端视图的图5A和图5B，这意味着，第一和第二偏转仪封装中的每个均包括四个电极33A-33D，33A’ -33D’，每个电极均覆盖接近于90度的方位角。每个偏转仪封装中的两个相对布置的电极形成电极对33A/33C、33B/33D、33A’/33C’、33B’/33D’，所述电极对可用来通过施加偏转仪电压Vx，Vy，而在其之间产生电场，因此，可用来使在偏转仪封装的电极之间通过的带电粒子在一个坐标方向上偏转。因此，每个这种电极对形成用于使带电粒子在一个坐标方向上偏转的偏转仪。
[0063]假设三维笛卡尔坐标系的z轴沿着透镜系统13的光轴15，并且，半球5相对于(y, z)平面对称，那么，将每个偏转仪封装29，29’的一个电极对33A/33C，33A’ /33C’布置为使带电粒子在X方向上偏转，并且，将每个偏转仪封装29，29’的另一电极对33B/33D、33B’ /33D’布置为，使带电粒子在y方向上偏转。布置为使带电粒子在x方向上偏转的电极对在下文中有时将叫做X偏转仪，并且，布置为使带电粒子在y方向上偏转的电极对在下文中有时将叫做y偏转仪。
[0064]如图6所示，示出了分析设备的部分的更详细的视图，用控制单元35控制施加至偏转仪封装29，29’的电极33A-33D，33A’ -33D’的偏转仪电压。还可将相同的控制单元35构造为，控制施加至多个同心电极的透镜电压，所述多个同心电极组成透镜系统13的透镜L1-L3。
[0065]可用控制单元35独立地控制在偏转设备31的每个电极对33A/33C，33B/33D，33八’/33(:’，338’/330’之间施加的偏转仪电压￥!￡^的符号和大小。如图5A和图5B所示，用Vxl表示第一偏转仪封装29中的X偏转仪33A/33C的偏转仪电压，并用Vx2表示第二偏转仪封装29’中的X偏转仪33A’ /33C’的偏转仪电压。类似地，分别用Vyl和Vy2表示第一偏转仪封装和第二偏转仪封装中的y偏转仪33B/33D，33B’ /33D’的偏转仪电压。
[0066]因此，将每 个偏转仪封装29，29’中的偏转仪电极33A_33D，33A’ -33D’这样布置，使得，在一对相对的电极33A/33C，33A’/33C’之间施加的电压Λ Vx仅在χ方向上提供偏转，并且，正交的一对33B/33D，33B’ /33D’之间的电压Λ Vy仅在y方向上提供偏转。然后，可通过施加用于χ和y方向上的偏转的电压组合，来实现任何所需的偏转(Λχ’，Ay’)。通过施加至偏转仪电极的电压的适当组合，对于带电粒子进入透镜系统13的进入角的任何组合，可能同时实现:从偏转仪区域的离开方向(即，当已经通过偏转设备31的最后一个偏转仪时带电粒子的方向)与透镜轴线15平行，并且，沿着此轴线离开。这意味着，位于偏转设备31之后(即，从粒子的观点看，位于偏转设备下游)的透镜系统13的部分基本上不会改变该具体方向的轨迹。
[0067]如图7所示，可使四极对称的电压\叠加在施加至偏转仪封装的电极的偏转仪电压Vx，Vy上。虽然图7仅示出了第一偏转仪封装29，但是，应理解，可使四极对称的电压V,叠加在第一 29偏转仪封装和第二偏转仪封装29’中的任何一个或两个中的偏转仪电压上。这些叠加的电压V,也由控制单元35控制，以在一个平面中实现聚焦，并在正交平面中实现散焦，从而减少角度图中的扭曲。
[0068]图8A和图SB分别是示出了，在透镜系统13的角度操作模式的过程中，在没有和具有施加至第一偏转仪封装29和第二偏转仪封装29’的偏转仪电势AVX，AVy的情况下，对于来自于粒子发出样本11 (在所示坐标系中，位于ζ = 0,且在y = O周围具有小延伸)的带电粒子的不同起始方向，通过透镜系统13的一些轨迹在(y，z)平面中的投影的图示。该图的竖直轴线示出了之前讨论的三维坐标系的y坐标，水平轴线示出了在同一坐标系的Z方向上离样本的距离，即，沿着透镜系统13的光轴15离样本的距离。以任意单位和不同比例绘制该轴线。用连续线示出的轨迹是从样本11相对于透镜系统的光轴15以O度的离源角发出的粒子的轨迹，而用虚线和虚点线示出的轨迹分别示出了 4和8度的离源角的相应轨迹。
[0069]图8A示出了在对偏转仪封装29，29’不施加偏转仪电压的情况下当在角度模式中操作透镜系统13时的轨迹。将引导在透镜轴线15上发出的粒子在不同透镜Ll-L3(见图4和图6)的影响下通过透镜系统到达入口狭缝8的平面26的中心。将使相对于透镜轴线以其他角度(θχ，9y)发出的粒子聚焦至入口狭缝平面26上的其他限定位置。
[0070]图8B示出了在施加偏转仪电压Vx，Vy的情况下当在角度模式中操作透镜系统13时的轨迹。在此代表性实施方式中，这样控制施加至偏转仪封装29，29’的电极33A-33D，33A’-33D’的偏转仪电压，使得，将粒子的角分布的一部分(即，包括相对于透镜轴线15以8度的离源角发射的粒子的部分)引导至入口狭缝8的平面的中心，在那里，所述粒子在透镜轴线15的方向上进入测量区域3。将使相对于透镜轴线以其他角度(θ χ，Θ y)发出的粒子聚焦至入口狭缝平面上的其他限定位置。
[0071]在此代表性实施方式中，第一偏转仪封装29将粒子轨迹“向下”弯曲，而第二偏转仪封装29’以这样的方式在相反的方向上弯曲，使得，所选择的轨迹逐渐接近透镜轴线15。以其他方向开始的轨迹将在均基本移动了相同量的位置处离开透镜系统，将分散保持为与没有偏转时基本上相同。
[0072]图9A至图9C还示出了如何用这里描述的发明性概念使所发出的粒子的角分布的所选部分A，B偏转，以使得所选部分在基本上平行于透镜设备的光轴15的方向上进入测量区域3的入口 8，不管距样本11的离源角θχ，0丨是多少。图9Α和图9Β示出了粒子束的角分布，用参考数字39表示，并且图9C示出了粒子束偏转之后映射在半球入口平面26上的这些角分布。
[0073]图9Α和图9C共同示出了粒子束的角分布的部分A的期望偏转，图9Β和图9C共同示出了粒子束的角分布的部分B的期望偏转，部分A和B包括被选择为在测量区域3中针对例如其能量、起始方向、起始位置或旋转而分析的粒子。根据图8Β所示的实例，在一个坐标方向(y方向)上的两次偏转足以使由图9Α中的竖直虚线限制的条带内的角分布的任何所选部分A在基本上平行于透镜轴线15的方向上进入测量区域，而需要在垂直于透镜轴线15的两个坐标方向(即，χ和y方向)中的每个方向上有两次偏转，以使由图9B中的竖直虚线限制的条带内的角分布的任何所选部分B在基本上平行于透镜轴线的方向上进入测量区域。如果将电压\设置为使得具有固定起始方向θ x古O的轨迹以χ = O且dx/dz=O离开,而改变电压Vy以使得连续的方向θ y以y = O且dy/dz = O离开,那么，可使图9B中的竖直虚线之间的角分布的任何所选部分(其中心在(θ χ，Θ y))进入测量区域。
[0074]再次参考图6，将第一偏转仪封装29和第二偏转仪封装29’同心地布置在透镜系统13的光轴15周围，隔开一定距离，使得带电粒子在它们位于粒子发出样本11和测量区域3的入口 8之间的路上，在偏转仪封装的电极对33A/33C，33B/33D，33A’/33C’，33B’/33D’之间通过。对于不同的应用，透镜设备13中的透镜元件的数量和/或整个透镜设备13(包括集成的偏转设备31)的长度会充分变化，因为不同的应用可能需要各个透镜元件L1，L2，L3的不同组合。优选地，与离所述透镜元件L2的一端大约一个透镜元件半径相比，偏转设备31的所有偏转仪都不应位于更靠近透镜元件L2的端部的地方，所述偏转设备布置在透镜元件L2的内部。此外,第一偏转仪封装29和第二偏转仪封装29’之间的距离优选地应至少是偏转仪封装布置于其内部的透镜元件L2的半径。因此，当将第一偏转仪封装29和第二偏转仪封装29’布置在具有一定透镜元件半径的相同透镜元件L2内时，优选地，第一偏转仪封装29位于离透镜元件L2的前部至少一个透镜元件半径的距离的地方，并且，优选地，第二偏转仪封装29’位于离第一偏转仪封装29和透镜元件L2的端部两者至少一个透镜元件半径的距离的地方。这是为了避免第一偏转仪封装和第二偏转仪封装之间的静电势串扰，以及为了在进入下一个偏转仪之前给带电粒子一些时间来改变其方向。
[0075]此外，优选地，使偏转设备31 的偏转仪 33A/33C，33B/33D，33A’ /33C’，33B’ /33D’相对于透镜设备13的透镜元件L1-L3布置成使得，包含偏转电极及其分隔的区域基本上没有除由偏转电极本身产生的那些电场以外的电场。为此目的，如图5A和图5B所示，优选地，将偏转仪电极33A-33D，33A’ -33D’布置在圆柱管41，41’内，其电势指的是此管的电势。因此，在偏转设备31包括两个偏转仪封装29，29’的优选实施方式中，每个偏转仪封装均包括四个电极33A-33D，33A’ -33D’，每个偏转仪封装的电极形成具有四倍旋转对称性的圆柱形部分，以形成基本上圆柱形形状的偏转仪封装，将该圆柱形偏转仪封装布置在外圆柱管41，41，内。
[0076]虽然在图中所示的代表性实施方式中，偏转设备31的偏转仪33A/33C，33B/33D，33A’ /33C’，33B’ /33D’集成在透镜系统13中，但是应理解的是，也可将所述偏转仪相对于透镜系统13及其各自的透镜元件L1-L3以其他的方式布置。例如，可将偏转设备31及其所有偏转仪放置在样本11和透镜系统13的前部之间的“上游位置”中或放置在透镜系统13的出口和半球5的入口狭缝8之间的“下游位置”中。在一些情况中在其进一步使偏转和透镜作用分离的范围内，这种布置可能是有利的。例如，对于完全专用于一次观察一个方向的系统(例如，专用的旋转检测系统)来说，偏转设备31的上游位置可允许比集成解决方案更大的角范围。然而，对于正常应用，样本11和透镜设备13之间的增加的距离将导致角度接受程度的不利的减小。对于偏转设备31的下游位置，最后作用的透镜元件L3和测量区域3的入口狭缝8之间的增加的距离将减小分散的灵活性和能量范围。
[0077]因此，在本发明的一个优选实施方式中，将偏转设备31的偏转仪33A/33C，33B/33D，33A’ /33C’，33B’ /33D’相对于透镜设备13的各个透镜元件L1-L3布置成使得，至少一个透镜在粒子束第一次偏转之前作用于粒子束上，并且，至少一个透镜在粒子束最后一次偏转之后作用于粒子束上。而且，优选地，将偏转设备31的所有偏转仪布置在透镜系统13的同一透镜元件L2内，这意味着，偏转设备的所有偏转仪由相同的电势包围。其有利之处在于，其便于对所需的偏转仪电压和透镜电压的控制，使粒子束的角分布的期望部分平行于透镜轴线15通过测量区域3的入口 8。
[0078]如上所述，在一个优选设计中，将偏转电极的形状构造为，封装在具有四倍旋转对称性的两个偏转仪封装29，29’内的圆柱形部分，并且，这两个偏转仪封装在横截面和长度上都相同。然而，应理解，这些特征对分析设备的操作来说都不是本质的。可考虑平面的或其他形状的电极，并且，其可具有例如减少角度图案的扭曲的优点。在至少一个封装中布置8(或4n)个极也是可能的。从实践的观点看，相对于(x，z)和(y，z)平面的反射对称性是非常需要的，但是，并不是严格必须的。 [0079] 还应理解，本发明不限于上述实施方式，而是可在所附权利要求的范围内变化。
【权利要求】
1.一种用于确定与从粒子发出样本(11)发出的带电粒子相关的至少一个参数的方法，所述方法包括以下步骤: -形成所述带电粒子的粒子束并通过透镜系统(13)在所述粒子发出样本(11)与测量区域(3)的入口(8)之间传送所述粒子，所述透镜系统具有基本笔直的光轴(15)； -在所述粒子束进入所述测量区域之前，使所述粒子束在垂直于所述透镜系统的光轴的至少第一坐标方向U，y)上偏转；以及 -检测所述带电粒子在所述测量区域中的位置，所述位置表示所述至少一个参数，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤:在所述粒子束进入所述测量区域中之前，使所述粒子束在同一至少第一坐标方向(x，y)上至少第二次偏转。
2.根据权利要求1 所述的方法，其中，通过第一偏转仪(33A/33C，33B/33D)来实现所述粒子束的第一次偏转，并且，通过至少第二偏转仪(33A’ /33C’，33B’ /33D’ )来实现所述粒子束的至少第二次偏转，将所述第二偏转仪沿着所述透镜系统(13)的光轴(15)布置在所述第一偏转仪的下游一定距离处。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述粒子束进入所述测量区域(3)中之前，使所述粒子束在与所述第一坐标方向(X)和所述透镜系统(13)的光轴(15)垂直的第二坐标方向(y)上也至少偏转两次。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述粒子束的所有偏转都发生在所述透镜系统(13)内，这意味着在所述粒子束的第一次偏转之前至少一个透镜(LI)作用于所述粒子上，并且在所述粒子束的最后一次偏转之后至少一个透镜(L3)作用于所述粒子上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过偏转仪封装(29)来实现所述粒子束的至少一次偏转，所述偏转仪封装包括布置在基本上四极对称的结构中的四个电极(33A-33D)，其中，所述四个电极形成两个电极对(33A/33C，33B/33D)，所述两个电极对在相应的坐标方向U，y)上用作偏转仪，所述方法进一步包括以下步骤: -在所述偏转仪封装(29)的两个电极对中的一个电极对(33A/33C)之间施加第一偏转仪电压(Vx); -在所述偏转仪封装(29)的另一电极对(33B/33D)之间施加第二偏转仪电压(Vy)，以及 -对所述偏转仪封装(29)的电极(33A-33D)施加四极对称的电压(土Vq)，叠加在所述偏转电压(Vx，Vy)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤:控制所述粒子束的偏转，使得形成所述粒子束的粒子的角分布(39)的预定部分(A，B)通过所述测量区域(3)的入口 8。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括以下步骤:控制所述粒子束的偏转，使得所述粒子的角分布的所述预定部分(A，B)在基本上平行于所述透镜系统(13)的光轴(15)的方向上通过所述测量区域(3)的入口(8)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个参数涉及以下至少一个: -所述带电粒子的能量；-所述带电粒子的起始方向； -所述带电粒子的起始位置；以及 -所述带电粒子的旋转。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，检测所述带电粒子的位置的步骤包括，检测两个维度中的位置，其中一个表示所述粒子的能量，另一个表示所述粒子的起始方向或起始位置。
10.一种用于确定与从粒子发出样本(11)发出的带电粒子相关的至少一个参数的分析设备，包括: -测量区域(3)，所述测量区域具有允许所述粒子进入所述测量区域的入口(8)； -透镜系统(13)，所述透镜系统用于形成所述带电粒子的粒子束并在所述粒子发出样本与所述测量区域的入口之间传送所述粒子，所述透镜系统具有基本笔直的光轴(15)； -偏转设备(31)，所述偏转设备包括第一偏转仪(33A/33C，33B/33D)，所述第一偏转仪用于在所述粒子束进入所述测量区域之前，引起所述粒子束在与所述透镜系统的光轴垂直的至少第一坐标方向U，y)上偏转，以及 -检测设备(9)，所述检测设备用于检测所述带电粒子在所述测量区域中的位置，所述位置表示所述至少一个参数， 其特征在于，所述偏转设备(31)进一步包括至少第二偏转仪(33A’ /33C’，33B’/33D’)，所述第二偏转仪能用于在所述粒子束进入所述测量区域(3)之前引起所述粒子束在相同的至少第一坐标方向(x，y)上至少第二次偏转。
11.根据权利要求10所述的分析设备，其中，所述第二偏转仪(33A’/33C’，33B’/33D’)沿着所述透镜系统(13)的光轴(15)布置在所述第一偏转仪(33A/33C，33B/33D)的下游一定距离处。
12.根据权利要求10或11所述的分析设备，其中，所述偏转设备(31)能用于在所述粒子束进入所述测量区域(3)之前，引起所述粒子束在与所述第一坐标方向(X)和所述透镜系统(13)的光轴(15)垂直的第二坐标方向(y)上也至少偏转两次。
13.根据权利要求12所述的分析设备，其中，所述偏转设备(31)包括至少一个偏转仪封装(29)，所述偏转仪封装包括布置在基本上四极对称的结构中的四个电极(33A-33D)，其中，所述偏转仪封装的所述四个电极形成两个电极对(33A/33C，33B/33D)，所述两个电极对在所述第一坐标方向(X)和所述第二坐标方向(y)的相应坐标方向中用作偏转仪。
14.根据权利要求13所述的分析设备，进一步包括控制单元(35)，所述控制单元构造为,对每个电极33A-33D施加单独的电压。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的分析设备，其中，这样布置所述偏转设备(31)和所述透镜系统(13)，使得，所述透镜系统的至少一个透镜元件(LI)定位在所述偏转设备的所有偏转仪(33A/33C，33B/33D，33A，/33C’，33B’ /33D’ )的上游，并且，所述透镜系统的至少一个另一透镜元件(L3)定位在所述偏转设备的所有偏转仪的下游。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的分析设备，其中，所述偏转设备(31)的所有偏转仪(33A/33C，33B/33D，33A’/33C’，33B’/33D，)布置在所述透镜设备(13)的相同透镜元件(L2)内。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的分析设备，其中，所述偏转设备(31)形成所述透镜系统(13)的组成部分。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的分析设备，进一步包括控制单元(35)，所述控制单元能用来引起偏转设备(31)使所述粒子束偏转，使得形成所述粒子束的粒子的角分布(39)的预定部分(A，B)通过所述测量区域(3)的入口(8)。
19.根据权利要求18所述的分析设备，其中，所述控制单元(35)能用来引起所述偏转设备(31)使所述粒子束偏转，使得所述粒子的角分布(39)的所述预定部分(A，B)在基本上平行于所述透镜系统(13)的光轴(15)的方向上通过所述测量区域(3)的入口(8)。
20.根据权利要求10至19中任一项所述的分析设备，其中，所述检测设备(9)构造为，确定所述带电粒子在两个维度上的位置，其中一个表示所述粒子的能量，另一个表示所述粒子的起始方向或起始位置。
21.一种用于分析粒子发出样本(11)的粒子光谱仪，其特征在于，所述粒子光谱仪包括根据权利要求10至20中任一项所述的分析设备。
22.根据权利要求21所述的粒子光谱仪，所述粒子光谱仪是半球形偏转仪类型的光电子光谱仪 (30)。
【文档编号】H01J37/05GK104040681SQ201280065644
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年3月6日 优先权日:2012年3月6日
【发明者】比约恩·万贝里 申请人:维技盛达有限公司