[发明专利]场致发射扫描俄歇电子显微镜

说明书

本发明涉及扫描俄歇（Auger）电子显微镜，该显微镜可用于对材料表面上的元素分布（即晶粒边界，杂质等）进行空间分析的研究。

当聚焦的电子束撞击在样品表面上时，会发生与在该表面上面或下面的原子的一些相互作用。特别是，如果入射电子有足够能量，则由于该电子撞出一个内壳层电子而使该原子电离。该原子通过将一个外壳层电子转移到内壳层的空位上而自然地回到其基态。在这种原子松弛的同时由于发射出X射线幅射的一个光子及/或一个俄歇电子而导致能量的损失，此两者的总和为常量而且发射俄歇电子自然优先。因为电子都在分立能级上，发出的俄歇电子也应有分立能量，该能量与原子的起始态和终止态之间的能量差相等。发射出的俄歇电子的能级是发射该电子的元素的特征。因而俄歇电子显微镜非常适合于研究样品材料的化学组份，至少在其表面上是如此。因为撞击在所研究的样品上的电子束聚焦得很细，和探测器一样，故所提供的信息总是与在焦点处的组份有关。为了得到与较大面积有关的组份信息，电子束及探测器必须在该面积上作光栅扫描，并根据所选的分辨率记录光栅上每一点的信息。

扫描俄歇电子显微镜是众所周知的，且市场上有售。通常，俄歇显微镜应用电子枪产生指向样品的电子束，其最细的电子束直径约为35nm。然而俄歇分析受到发射电子的体积的限制。垂直于样品表面的深度分辨率由有效逸出深度所决定，该有效逸出深度又是电子平均自由程及离开角度的函数。因为电子的动能相对较低，故深度分辨率仅仅是很少的单层。如果更进一步研究空间分辨率，则由于信号噪声比（它是一次电子束电流的函数，对于这类分辨率典型电流小于1毫微安）下降，元素分辨率也显著下降。

对于应用电子枪的俄歇显微镜在施普林格（Springer）出版社1973年版的L赖讷（L.Reiner）和G.普法伊弗尔科恩（G.Pfefferkorn）合著的“光栅电子显微镜”一书第182页及J.I.古尔茨坦（J.I.Goldstein）和H·雅柯韦茨（H.Yakowitz）合编的、由泼丽奈姆（Plenum出版社1975年出版的“实用扫描电子显微术”一书PP.87ff中都有描述。

其电子枪内的灯丝以场致发射电子源代替的俄歇显微镜也是已知技术。在此领域内已有技术的代表有真空科学与技术杂志（美国），电子、离子及光子束技术的第十五次会议录特辑，第16卷（1979），第六期，1699-1703页上的“高分辨率高电流电子束显微探针用的热场致发射源的应用”一文，其作者为D·塔格尔（D.Tuggle），L·W·斯旺森（L·W·Swanson）及J·奥尔洛夫（J·Orloff）;及电子显微镜杂志（日本）第30卷（1981），第2期107-113页上的“装有场致发射枪的扫描俄歇电子显微镜的发展”一文，其作者为H·涛道诰诺（H·Todokoro），Y·萨基堂立（Y·Sakitani），S·富库哈拉（S·Fukuhara）及Y·奥开宜马（Y·OKayima）。

塔格尔等著的参考文献中的俄歇显微镜应用热场致发射电子源，该源使用两个磁透镜以产生一电子束点，其直径为100nm，其电源在12仟伏下约为100nA。场致发射源距样品的工作距离约为13cm。发射极为涂锆的钨并工作在1800°K。

在涛道诰诺等著的参考文献中使用的电子枪为可加热的场致发射枪，距样品的工作距离大于10cm，在10仟伏时接收的电流为2nA，并允许分辨率为20nm。

在伦敦皇家协会会议录A分册1977年第357卷213-230页中的“装有同心半球分析器的数字扫描俄歇电子显微镜”一文〔作者为R·布朗宁（R·Browning）1P·J·巴塞特（P·J·Bassett），M·M·爱尔高迈蒂（M·M·EL    Gomati）及M，普鲁顿（M·Prutton）〕及物理杂志E分册（科学仪器）18卷（1985）32-38页“全静电小直径电子束高探针电流的场致发射电子探针”一文〔作者为M·M·爱尔高迈蒂、M·普鲁顿及R·布朗宁〕中曾报导场致发射源及样品之间具有较短的距离。

布朗宁等著的参考文献是令人感兴趣的，因为其中包含有关于能量分析器的信息，该分析器可与本发明的显微镜一起使用。而布朗宁所描述的显微镜及爱尔高迈蒂等所描述的显微镜所应用的静电电子束聚焦和扫描技术则在下述的显微镜中未加使用。