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KR20200113166A - 시료로부터 에너지 분석기 및 전자 분광계 장치로의 전자 전달 장치 및 방법 - Google Patents

시료로부터 에너지 분석기 및 전자 분광계 장치로의 전자 전달 장치 및 방법 Download PDF

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KR20200113166A
KR20200113166A KR1020200033315A KR20200033315A KR20200113166A KR 20200113166 A KR20200113166 A KR 20200113166A KR 1020200033315 A KR1020200033315 A KR 1020200033315A KR 20200033315 A KR20200033315 A KR 20200033315A KR 20200113166 A KR20200113166 A KR 20200113166A
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KR
South Korea
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plane
lens group
sample
image
gaussian
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Pending
Application number
KR1020200033315A
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English (en)
Inventor
게르트 쇼엔세
토르스텐 캠펜
스벤 말
올리버 샤프
Original Assignee
스펙스 서피스 나노 아날리시스 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

전자(2) 방출 샘플(1)의 에너지 분석기 장치(200)로의 전자 광학 축(OA)을 따른 전자 전달을 위해 구성된 전자 이미징 장치(100)는 샘플 측의 제1 렌즈 그룹(10), 분석기 측의 제2 렌즈 그룹(30), 및 전자 이미징 장치(100)의 출구 평면에서 전자 광학 축(OA)에 수직인 편향 방향으로 전자들(2)을 편향시키도록 구성된 편향기 장치(20)를 포함한다. 여기서, 제1 렌즈 그룹(10)은 제1 렌즈 그룹(10) 내부에 제1 역평면(RP1)을 형성하고, 제1 및 제2 렌즈 그룹(10, 30) 사이에 제1 가우시안 평면(GP1)을 형성하고, 제1 역평면(RP1)에서 샘플(1)로부터의 전자들(2)의 운동량 분포에 대한 제1 운동량 분포 이미지를 생성하고, 제1 가우시안 평면(GP1)에서 샘플(1)의 제1 가우시안 이미지를 생성하도록 구성되며, 제2 렌즈 그룹(30)은 제2 렌즈 그룹(30)의 분석기 측에 제2 역평면(RP2)을 형성하고, 제2 역평면(RP2)에 전자들(2)의 운동량 분포에 대한 제2 운동량 분포 이미지를 생성하도록 구성되며, 제1 렌즈 그룹(10)은 제2 렌즈 그룹(30)에 의해 생성된 제2 운동량 분포 이미지가 평행 이미지가 되도록 작은 치수로 제1 가우시안 이미지를 생성하도록 구성된다. 전자 분광계 장치, 전자 전달 방법 및 전자 분광법도 기재되어 있다.

Description

시료로부터 에너지 분석기 및 전자 분광계 장치로의 전자 전달 장치 및 방법{Apparatus and method for electron transfer from a sample to an energy analyser and electron spectrometer apparatus}
본 발명은 전자 이미징 장치(electron imaging apparatus), 및 샘플로부터의 전자들을 에너지 분석기 장치로 전달하기 위한 전자 전달 방법에 관한 것으로, 특히 전자들, 예를 들어, 광전자들의 운동량- 및 에너지-분해 검출(momentum- and energy-resolved detection)을 위한 것이다. 본 발명은, 또한, 전자 이미징 장치가 제공되는 전자 분광계 장치(electron spectrometer apparatus) 및 전자 분광법(electron spectrometry method)에 관한 것이다. 본 발명은 샘플의 전자 분광 분석(electron spectroscopic analysis)에 적용된다.
본 명세서에서는, 본 발명에 대한 기술적 배경을 설명하는 아래의 선행기술문헌들을 참조한다.
전자-광학 렌즈들을 구비한 전달 광학의 사용은 일반적으로 전자들을 고체 샘플로부터 에너지 분석기로 전달하고 집속하기 위한 것으로 알려져 있다. 특히, 광전자들 및 오거 전자들(Auger electrons)의 측정을 위한 것으로 알려져 있다. 다양한 유형의 에너지 분석기 및 관련 전달 광학계가 알려져 있다. 시료에서 방출된 전자를 각도 분해능으로 감지하는 방법들의 그룹은 ARPES 방법(ARPES: 각도 분해 광전자 분광법, angular-resolved photo-electron spectroscopy)이라고 알려져 있다(예: 비특허문헌 1 참조). ARPES 방법에서, 기준 축에 대한 방출 각도, 예를 들어, 샘플로부터 전자들이 방출되는 샘플 표면의 표면 법선이 특히 중요하다. 과거에는 높은 각도 분해능이 달성되었지만 이는 비교적 제한된 각도 범위 내에서만 이루어졌습니다. 예를 들어, 대략 +/- 7°의 각도 범위에서 0.1 °의 높은 해상도 및 대략 +/- 15 °의 범위에서 0.5 °의 감소된 해상도가 달성될 수 있었다.
두 개의 동심 반구형 전극으로 조립된 반구형 분석기(hemispherical analyzers)는 일반적으로 ARPES 방법을 사용하는 기존의 각도 이미징에서 에너지 분석기로 사용된다. 반구형 전극 사이의 전압에 따라, 특정 에너지 대역(예를 들어, 반구형 분석기의 통과 에너지의 10%인 폭을 가지는 에너지 간격)의 입자들만이 반구형 분석기를 통과할 수 있다. 에너지 분석기의 입구 평면에서의 전자들의 각도 분포의 이미징은 에너지 및 각도 분해 측정(energy- and angular-resolved measurement)을 위해 제공된다. 샘플로부터의 전자들의 각도 분포 이미지(angular distribution image)는 실제 공간(극좌표)에서 에너지 분석기의 입구 평면에 생성된다. 슬릿 다이어프램은 반구형 분석기의 입구 평면에 입구 슬릿으로 배열되어 있기 때문에, 반구형 분석기는 입구 슬릿의 길이를 따라 제1 각도 좌표를 따라(예를 들어, y 방향을 따라) 각도 분포를 측정할 수 있다. 또한, 제1 각도 좌표에 수직인 제2 좌표 (예를 들어, x)를 따른 각도 분포를 결정하기 위해, 전사 렌즈 내의 2개의 편향기들의 배열(특허문헌 1) 또는 1개의 편향기(특허문헌 2)는 입구 슬릿의 길이 및 전자 광학 축에 수직인 각도 분포 이미지를 순차적으로 스캔(주사 이동)한다.
전자들의 각도 분해 측정을 위한 종래의 전송 광학계는, 전송 광학계의 출구 및/또는 에너지 분석기의 입구 평면에서, 전자빔이 상대적으로 전자 광학 축에 대한 현저한 발산(예를 들어, z 축에 대해 일반적으로 > 10°)과 함께 에너지 분석기로 들어간다는 큰 단점을 갖는다. 발산은 도 7에 도시되어 있다(특허 문헌 1에서 인용된 종래의 기술, y-z 평면에서 상이한 방출 각을 갖는 샘플 1'로부터 몇 개의 전자 부분 빔의 궤적의 예를 사용함)(비특허 문헌 1과 특허 문헌 2 또한 참조). 그것은 에너지 분석기에서 이미징 오류를 야기하고, 전자의 에너지 및 각 분포를 계산하기 위해 상당한 양의 후처리 노력이 필요하다. 또한, 종래의 전송 광학계는 전자가 방출되는 샘플 소스 스폿의 충분히 잘 집중되고 국소화된 위치 공간 이미지를 갖지 않는다(예를 들어, 비특허문헌 1 참조).
발산은 제2 각도 좌표를 따르는 각도 분포의 획득에서 특히 불리하며, 제2 각도 좌표는 전달 광학계에서 하나 또는 두 개의 편향기(20A', 20B')의 도움으로 순차적으로 스캔 된다(비특허문헌 1, 특허문헌 1 내지 4 참조). 입구 슬릿의 길이에 수직인 발산 빔의 스캐닝 운동으로, 편향기들에 의한 빔의 편향에 의해 유발된 수차와 조합하여 입구 평면의 빔 발산으로부터 조합 에러가 발생한다.
입구 평면에서의 빔 발산은 스핀-분해 전자 분광법(spin-resolved electron spectroscopy)에서 불리하며, 여기서는 스핀-필터 결정(spin-filter crystal)을 갖는 이미징 스핀-필터가 에너지 분석기의 출구에 배열된다(특허문헌 5 참조). 입구 평면에서 입구 슬릿을 따른 빔 발산은 현저한 비점수차(marked astigmatism)의 형태로 출구 평면에서 빔 발산을 일으켜, 스핀-필터 결정상의 출사 빔의 초점이 잘 맞는 이미지(well focused image)가 생기는 것을 불가능하게 한다.
요약하면, 종래의 전달 광학계의 끝 부분에서 전자빔의 높은 각도 발산은 에너지 분석기, 특히, 반구형 분석기를 사용하는, 전자들의 각도-분해 분광법에 대해 상당한 단점을 갖는다. 이러한 단점은 잠재적으로 검출 가능한 각도 간격을 제한하고, 주사 모션이 제2 각도 좌표를 캡처하는데 사용될 때 및 이미징 스핀 필터가 사용될 때 더 큰 효과를 끼친다.
특허문헌 6 내지 8 및 비특허문헌 2는 운동량 현미경을 위해 의도되고 가우시안 이미지(실제 공간 이미지) 및 운동량 분포 이미지(모멘텀 공간 이미지)가 있는 텔레스코픽 빔 경로를 포함하는 추가적인 전송 광학계를 설명한다. 그러나 이들 전송 광학계는 에너지 분석기의 입구 슬릿의 길이에 수직인 운동량 분포 이미지의 스캐닝 운동을 위해 설계되지 않았다. 또한, 이들 모든 기술은 캐소드 렌즈의 사용에 기초하며, 여기서 전자들은 강력한 정전기 추출기 필드에 의해 전달 광학계로 가속된다. 그러나 비 추적 표면의 검사(예: UHV에서 샘플을 분할한 후 발생할 수 있음), 미세 구조(예: 반도체 구성 요소) 또는 3차원 구조의 미세 결정(새로운 양자 물질의 일반적인 시험 대상)에서는 강한 추출기 필드는 불안정하다.
1. EP 2 823 504 B1 2. US 9 997 346 B1 3. EP 2 851 933 B1 4. SE 539 849 C2 5. DE 10 2005 045 622 B4 6. DE 10 2013 005 173 B4 7. EP 1 559 126 B9 8. DE 10 2014 019408 B4
1. B. Wannberg in "Nucl. Instrum. Meth. A" 601 (2009) 182 2. M. Patt et al. in "Review of Scientific Instruments" 85, 113704 (2014)
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 피하는 방식으로 전자 이미징 장치, 전자 전달 방법, 전자 분광계 장치 및/또는 전자 분광법을 개선하는 것이다. 본 발명의 목적은 특히 발산 유발 이미징 에러(divergence-induced imaging errors)를 최소화하거나 심지어 제거하고, 더 나은 각도 분해능(angular resolution)을 달성하고, 더 큰 각도 간격의 검출을 달성하고/하거나 스핀 분해 전자 분광법(spin-resolved electron spectroscopy)을 단순화하는 것이다.
상술한 목적들은 독립항의 특징을 갖는 전자 이미징 장치, 전자 전달 방법, 전자 분광계 장치 및 전자 분광법에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들 및 응용들은 종속항으로부터 나온다.
본 발명의 제1 일반적인 양태에 따르면, 상기 목적은 전자 방출 샘플로부터 에너지 분석기 장치로 전자 광학 축(electron-optical axis)을 따라 전자들을 전달하도록 구성된 전자 이미징 장치에 의해 달성된다. 전자 전달은 전자 이미징 장치의 입구 평면으로부터 출구 평면으로 방출된 전자들(전자 다발(bundle) 또는 전자빔으로도 지칭됨)의 전달 및 이미징을 포함하며, 여기서 입구 평면은 전자 이미징 장치를 향하는 샘플의 표면에 제공된다. 출구 평면은 에너지 분석기 장치를 향하는 전자 이미징 장치의 후면에 제공되며, 결과적으로 각각 샘플 측 및 분석기 측 입구 평면 및 출구 평면으로 지칭된다. 전자 광학 축은 바람직하게는 입구 및 출구 평면에 수직으로 연장되는 연속 직선 축이지만, 선택적으로, 구획들에서 직선인 각진 코스를 가질 수 있다.
전자 이미징 장치는 샘플 측 제1 렌즈 그룹, 분석기 측 제2 렌즈 그룹 및 전자 이미징 장치의 출구 평면에서 전자들을 전자 광학 축에 대해 수직인 편향 방향으로 전기적 및/또는 자기적으로 편향시키도록 구성된 편향기 장치(deflector device)를 포함한다. 제1 및 제2 렌즈 그룹 각각은 적어도 2개의 전자 광학 렌즈들을 포함한다. 제1 및 제2 렌즈 그룹 및 편향기 장치는 각각 작동 전압을 제공하기 위한 제어 회로에 연결되며, 제어 회로는 개별 구성 요소이거나 공통 제어 장치에 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 렌즈 그룹은 제1 렌즈 그룹 내부에 제1 역평면(reciprocal plane)을 형성하고, 제1 렌즈 그룹과 제2 렌즈 그룹 사이에 제1 가우시안 평면을 형성하도록 구성된다. 제1 렌즈 그룹은 제1 역평면에 샘플로부터의 전자들의 운동량 분포에 대한 제1 운동량 분포 이미지를 생성하고, 제1 가우시안 평면에서, 샘플, 특히 빛을 쏘인(illuminated) 샘플 소스 스폿의 제1 가우시안 이미지를 생성하도록 구성된다. 역평면은 역이미지(reciprocal image)(운동량 이미지 또는 푸리에 이미지(momentum image or Fourier image)라고도 함)가 위치하는 이미징 평면(imaging plane)이다. 따라서 여기서 운동량 분포 이미지로 지칭되는 제1 역이미지는 제1 역평면에 포커싱된다. 운동량 분포 이미지는 전자들의 운동량 분포에 대한 이미지이며, 전자들의 횡 방향 운동량은 전자 광학 축으로부터 운동량 분포 이미지의 부분 빔들의 거리가 증가함에 따라 증가한다. 제1 렌즈 그룹의 제어 회로는 제1 역평면 및 제1 가우시안 평면의 전자 광학 이미징을 위해 제1 렌즈 그룹에 적절하게 조정된 제어 전압을 인가하도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따르면, 제2 렌즈 그룹은 제2 렌즈 그룹의 분석기 측에 제2 역평면을 형성하고, 제2 역평면에 샘플로부터의 전자들의 운동량 분포에 대한 제2 운동량 분포 이미지를 생성하도록 구성된다. 제2 렌즈 그룹의 제어 회로는 제2 역평면의 전자-광학적 제공을 위해 제2 렌즈 그룹에 적절하게 조절된 제어 전압을 인가하도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따르면, 제1 렌즈 그룹은 제2 렌즈 그룹에 의해 생성된 제2 운동량 분포 이미지가 평행 이미지(parallel image)가 되도록 작은 치수(전자 광학 축에 수직인 이미지의 길이)로 제1 가우시안 이미지를 생성하도록 구성된다.
전자 광학 축에 수직인 부분 빔들 사이의 각도를 변화시키지 않으면서, 전자들의 편향이 제2 역평면에서 평행 이미지를 형성하는 부분 빔들의 평행 변위에 유리하게 영향을 미치도록, 편향기 장치는 바람직하게는 가우시안 평면, 예를 들어, 이미징 장치의 제1 가우시안 평면 또는 다른 가우시안 평면(하기 참조)에서 작용한다.
용어 "평행 이미지"(또는: 실질적으로 평행한 부분 빔들을 갖는 실질적으로 평행한 각도 이미지 또는 운동량 분포 이미지)는 이하에서 운동량 분포 이미지를 지칭한다. 운동량 분포 이미지의 부분 빔들은 제2 역평면을 통과할 때 전자 광학 축에 평행하게 진행하고/하거나 에너지 분석기 장치에서의 수차(특히, 발산 유발 이미징 에러)가 전자들의 원하는 에너지 분해 측정에 대해 무시할 정도로 작으며, 특히, 에너지 분석기 장치의 분광 특성(에너지 분해능, 운동량 분해능)을 현저하게 손상시키지 않는다. 평행 이미지는 제2 역평면에 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 정렬된 부분 빔들로 구성된다. 부분 빔들은 평행한 다발로서 에너지 분석기 장치로 들어간다. 부분 빔들의 실질적인 수직 정렬은 에너지 분석기 장치의 후속 에너지 분석에서 검출될 샘플로부터 방출된 전자들의 각도 범위에 걸쳐 연장된다.
제1 렌즈 그룹의 제어 회로는 제1 가우시안 이미지가 원하는 크기가 되도록 제1 렌즈 그룹의 제어 전압을 생성하도록 구성된다. 제1 렌즈 그룹의 전자-광학 렌즈의 기하학적 구조는 바람직하게는 제1 가우시안 평면에서 샘플 상의 전자들의 소스 스폿의 가능한 한 가장 작은 가우시안 이미지를 생성하도록 구성된다. 전자 광학 렌즈의 기하학적 구조의 최적화는, 예를 들어, 수치 시뮬레이션에 의해 이루어진다.
평행 이미지(출구 평면에서의 평행 운동량 분포 이미지)는 바람직하게는 0.4 °보다 작은, 특히 바람직하게는 0.2 °보다 작은 부분 빔들의 각도 편차 (divergence)를 갖는다. 시뮬레이션에서, 각도 편차는 에너지 분석기 장치에서 후속 이미징을 손상시키지 않을 정도로 충분히 작았다(아래, 도 2 참조).
본 발명의 다른 유리한 실시예에 따르면, 제1 렌즈 그룹은 1mm 미만, 특히 0.5mm 미만의 전자 광학 축에 직각인 길이(extent)로 제1 가우시안 이미지를 생성하도록 구성된다. 이들 크기 범위에 대해, 평행 운동량 분포 이미지는 실제로 발생하는 전형적인 측정 작업 및 전자 광학의 전형적인 구성에서 충분히 작은 각도 편차로 유리하게 달성된다.
편향기 장치의 제어 회로는 전자 광학 축에 수직인 제2 역평면에서 운동량 분포 이미지의 스캐닝 편향을 위해 구성된다. 따라서, 전자 이미징 장치의 출구 평면에서의 전자들은 에너지 분석기 장치의 입구 슬릿(슬릿 또는 슬릿 다이어프램이라고도 함)의 범위(extent)를 벗어나는 방향, 바람직하게는 입구 슬릿에 대해 수직인 방향으로의 주사 운동(scanning motion)의 대상이 된다.
본 발명의 제2 일반적인 양태에 따르면, 상기 목적은 샘플을 유지하기 위한 샘플 홀더, 본 발명의 제1 일반적인 양태에 따른 전자 이미징 장치 또는 그 실시예 및 에너지 분석기 장치를 포함하는 전자 분광계 장치에 의해 달성된다. 본 발명에 따르면, 전자 이미징 장치는 전자 광학 축을 따라 샘플로부터 방출된 전자들을 에너지 분석기 장치로 전달하고 영상화하도록 구성된다. 그리고 전자 이미징 장치는 전자 광학 축에 직각으로, 그리고 편향 방향으로의 운동량 분포 이미지의 스캐닝 운동을 위해 구성되며, 편향 방향은 에너지 분석기 장치의 입구 슬릿의 범위로부터 편향되며, 바람직하게는 입구 슬릿의 길이(extent)에 대해 수직이다. 전자 이미징 장치는 샘플 소스 스폿으로부터 방출된 전자들의 운동량 분포 이미지가 에너지 분석기 장치의 입구 평면에서 평행 이미지로서 생성되도록 구성된다.
에너지 분석기 장치는 일반적으로 전자 광학 축에 수직인 적어도 하나의 방향을 따라 각도 또는 운동량 분포 이미지의 각도 또는 운동량-분해 검출을 위해 구성된 전자 광학 이미징 장치이다. 에너지 분석기 장치는 바람직하게는 반구형 분석기(반구형 전자 에너지 분석기)를 포함한다. 입구 슬릿이 있는 반구형 분석기를 사용함으로써, 입구 슬릿을 따르는 방향에서의 각도 분포, 그리고 편향기 장치에 의한 운동량 분포 이미지의 스캐닝 운동에 의해 제2 편향 방향에서의 각도 분포를 결정할 수 있다. 반구형 분석기를 사용하는 것에 대한 대안으로서, 에너지 분석기 장치는, 예를 들어, 실린더 분석기 또는 127° 분석기와 같은 다른 유형의 분석기를 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 일반적인 양태에 따르면, 상기 목적은 전자 전달 방법에 의해 달성되며, 여기서 전자들은 전자 이미징 장치에 의해 전자 광학 축을 따라 샘플로부터 에너지 분석기 장치로 전달된다. 샘플은 바람직하게는 고체 샘플을 포함하며, 이의 표면은 여기 광의 조사 및 전자 이미징 장치로의 방출에 노출된다. 소스 스팟(여기 광선의 입사면)에서 방출된 전자들은 샘플 측 제1 렌즈 그룹, 편향기 장치 및 분석기 측 제2 렌즈 그룹을 통해 순차적으로 전달된다. 전자들은 전자 이미징 장치의 출구 평면에서 전자 광학 축에 수직으로 진행하는, 에너지 분석기 장치의 입구 슬릿의 길이에서 벗어나는, 바람직하게는 입구 슬릿의 길이에 대해 수직으로 정렬된 편향 방향으로 편향기 장치에 의해 편향된다. 본 발명에 따르면, 제1 렌즈 그룹은 제1 렌즈 그룹 내에 제1 역평면을 형성하고, 제1 렌즈 그룹과 제2 렌즈 그룹 사이에 제1 가우시안 평면을 형성하고, 제1 역평면에 샘플로부터의 전자들의 운동량 분포에 대한 제1 운동량 분포 이미지를 생성하고, 제1 가우시안 평면에 소스 스폿의 제1 가우시안 이미지를 생성한다. 또한, 제2 렌즈 그룹은 제2 렌즈 그룹의 분석기 측에서 제2 역평면을 형성하고, 제2 역평면에 샘플로부터의 전자들의 운동량 분포에 대한 제2 운동량 분포 이미지를 형성한다. 제1 렌즈 그룹은 제2 렌즈 그룹에 의해 생성된 제2 운동량 분포 이미지가 평행 이미지가 되도록 작은 치수로 제1 가우시안 이미지를 생성한다. 전자 전달 방법은 바람직하게는 본 발명의 제1 일반적인 양태 또는 그 실시예에 따른 전자 이미징 장치에 의해 실행된다.
본 발명의 제4 일반적인 양태에 따르면, 상기 목적은 샘플의 조사(irradiation) 및 전자 방출, 본 발명의 제3 일반적인 양태 또는 그것의 실시예에 따른 전자 전달 방법에 의해 방출된 전자의 에너지 분석기 장치로의 전달, 에너지 분석기 장치에 의한 전자들의 운동량 및 에너지-분해 검출을 포함하는 전자 분광법(샘플로부터 방출된 전자들의 에너지 및 운동량 분포를 검출하기 위한 방법)에 의해 달성된다. 전자 분광법은 바람직하게는 본 발명의 제2 일반적인 양태 또는 그 실시예에 따른 전자 이미징 장치에 의해 실행된다.
본 발명은 바람직하게는 무전계 환경에서 고체 샘플로부터 방출되고 에너지 및 운동량 분포의 관점에서 에너지 분석기 장치에서 분석되는 전자들을 위한 빔 전달을 실질적으로 개선하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 실제 공간에서 각도 이미지를 생성하는 종래의 전자 이미징 장치에서 발생하는 이미징 에러는 평행 이미지로서 운동량 분포 이미지를 생성함으로써 회피된다. 여기 소스에 의해 조명된 영역(샘플 소스 스폿)의 적절히 작은 가우시안 이미지가 제2 렌즈 그룹의 전방 초점 평면에 위치되기 때문에, 에너지 분석기 장치의 입구 슬릿의 평면에 초점을 맞춘 운동량 분포 이미지가 이 렌즈 그룹의 후방 역평면에서 평행 부분 빔들로부터 생성되며, 모든 전자들은 전자 광학 축에 실질적으로 평행하게 에너지 분석기 장치로 들어간다. 결과적으로, 에너지 분석기 장치의 입구에서의 각도 편차는 종래의 방법에 비해 1 내지 2 차수 감소한다. 제1 가우시안 이미지는 제1 렌즈 그룹에 의해 생성되는데, 이는 바람직하게는 적절한 기하학적 구조에 의해 수차가 최소화된다.
그러므로 본 발명의 중요한 이점은 샘플로부터 방출된 전자들의 실질적으로 더 큰 각도 범위를 포획할 수 있다는 점이다. 횡단 운동량 k∥와 이미지 각도 α 사이의 관계는 에너지의 근에 비례한다(k∥~ sinα
Figure pat00001
). 낮은 운동 에너지(예: 레이저 여기와 같이 5eV 이하)에서 +/- 30° 이상의 각도 간격이 가능하며, 이는 에너지 분석기의 효율을 상당히 향상시킨다. 본 발명의 특정 장점은 또한 2차원 운동량 분포를 측정하기 위해 제2 운동량 좌표를 스캐닝하고 이미징 스핀 필터를 사용함으로써 발생한다. 편향기 장치를 제1 가우시안 이미지 및 제2 렌즈 그룹의 초점에 위치시킴으로써, 바람직하게는 단일 편향기 유닛으로 에너지 분석기 장치의 입구 평면에서 운동량 분포 이미지의 평행 변위를 달성할 수 있다. 이때 빔의 평행성은 보존된다.
렌즈 그룹과 편향기 장치의 조합의 수차는 이론상 가능한 최솟값으로 유리하게 감소될 수 있는데, 이는 원하는 운동량 분포 이미지와 역상인 이미지(즉, 샘플 상의 소스 스팟의 제1 가우시안 이미지)가 매우 작아서 운동량 분포 이미지의 코딩은 작은 가우시안 이미지에서 궤적으로 매우 정밀하게 정의된다. 이 특성은 본 발명을 모든 종래의 빔 전달 시스템, 특히 특허문헌 1, 2, 3, 4 및 비특허문헌 1에 따른 시스템과 구별한다.
본 발명자들은, 본 발명에 따른 기술을 이용하여 전자 현미경으로 실현되는 개념, 특히, 광학 이미지 전이 정리(optical image transition theorem)를 사용하여 미리 결정된 이미징 평면에서 미리 결정된 매우 잘 포커싱된 실제 공간 이미지들 및 역이미지들의 생성이 전자 분광법에서 전자 광학 시스템의 수차를 줄이는 것뿐만 아니라 추가적인 실질적인 이점을 제공한다는 것을 발견했다. 제1 가우시안 이미지는 제1 렌즈 그룹에 의해 전자 광학 축을 따라 변위 될 수 있기 때문에, 운동량 분포 이미지의 개별 부분 빔들의 경사각은 빔 위치를 잃지 않고, 에너지 분석기 장치의 입구 평면에서 최소화될 수 있다. 이것은 편향 기술이 높은 지연 조건(에너지 분석기 장치로 진입할 때의 운동 에너지와 샘플로부터 방출될 때 전자들의 초기 운동 에너지의 비율)에서도 제2 운동량 방향, 특히 입구 슬릿에 수직인 스캐닝에 사용될 수 있게 한다. 줌 렌즈(이미지 확대를 조정하도록 구성되고 바람직하게는 5개 이상의 렌즈 요소들을 포함하는 렌즈)형태의 제2 렌즈 그룹의 바람직한 실시예는, 특히, 전자 이미징 장치로의 출구에서의 운동량 이미지의 이미지 크기 및 전자 에너지를 넓은 한계 내에서 변화시키는 것이 가능하게 한다. 따라서 운동량 이미지 크기 및 에너지를 에너지 분석기의 원하는 조건(에너지 분해능, 운동량 분해능)에 적응시킨다.
에너지 분석기 장치의 입구 평면에서 평행 이미지의 생성은 또한 에너지 분석기의 출구에서 스핀-필터 결정상의 이미지 에러가 감소되거나 회피되기 때문에 스핀-분해 전자 분광법을 유리하게 단순화시킨다.
본 발명의 다른 특히 중요한 이점은 운동량 분포 이미지의 편향이 단순화된다는 것이다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 편향기 장치는 전자 광학 축에 수직인 단일 평면에서만 작용하는 것이 제공된다. 전자 광학 축을 따라 전자들을 전달할 때, 편향기 장치는 전자들이 제1 렌즈 그룹과 제2 렌즈 그룹 사이의 공간을 통과할 때 한 번만 작용한다. 이것은 이미징 오류를 수용할 필요 없이, 종래의 복잡한 이중 편향기, 예를 들어, 특허문헌 1에 따른 편향기를 피한다는 점에서 유리하다. 특히 바람직하게는, 편향기 장치의 편향 평면과 제1 가우시안 평면(또는 다른 가우시안 평면, 아래 참조)이 일치하여, 제2 역평면에서 운동량 분포 이미지의 정확한 평행 변위가 편향기를 작동시킴으로써 촉진된다. 이는, 예를 들어, 특허문헌 2 및 4에 설명된 것과 같은 추가 빔 틸팅을 완전히 피한다.
하나의 단일 평면에서의 편향은 편향기 장치가 특히 간단한 구성, 예를 들어 하나의 단일 쌍의 전기 및/또는 자기적으로 작용하는 편향기 요소, 편향기 요소들의 4중 극자 배열 또는 8중 극자 배열일 수 있다는 장점이 있다. 전기 편향의 경우, 편향 요소는 편향 전극을 포함하고, 자기 편향의 경우, 편향 요소는 편향 코일을 포함한다. 8중 극자 배열은 유리하게 전자 광학 축 주위의 편향 방향의 회전을 허용하여, 편향기 장치가 에너지 분석기 장치의 입구 슬릿의 정렬에 대해 운동량 분포 이미지의 변위 방향을 추가로 회전시킬 수 있고, 이러한 방식으로, 예를 들어, 자기 스트레이 필드로 인한 바람직하지 않은 이미지 회전을 보상한다.
전자 이미징 장치의 다른 유리한 실시예(이하, 제1 실시예라고도 함)에 따르면, 제2 역평면은 동시에 전자 이미징 장치의 출구 평면이며, 입구 슬릿을 형성하는 슬릿 다이어프램은 에너지 분석기 장치의 제2 역평면 내에 배열된다. 이 실시예는 에너지 분석기 장치로의 진입시 평행 이미지의 조정 및 비교적 컴팩트 한 구성의 이점을 제공한다.
전자 이미징 장치의 대안적인 실시예에 따르면, 이는 제2 렌즈 그룹의 분석기 측, 전자 분광계 장치의 전체 배열에서, 제2 렌즈 그룹과 에너지 분석기 장치 사이에 배열되는 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹을 갖는다. 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹은 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹 내에 제2 가우시안 평면을 형성하고, 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹의 분석기 측의 제3 역평면을 형성하고, 제2 가우시안 평면에서의 샘플의 제2 가우시안 이미지가 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹에 의해 생성되고, 샘플로부터의 전자들의 운동량 분포에 대한 제3 운동량 분포 이미지가 제3 역평면에 생성된다. 제3 역평면은 전자 이미징 장치의 출구 평면이고, 에너지 분석기 장치의 입구 평면이며, 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹에 의해 생성된 제3 운동량 분포 이미지는 평행 이미지이다. 본 발명의 이러한 대안적인 실시예들의 경우에도, 제3 역평면에서 운동량 분포 이미지의 대응 편향에 영향을 주는 운동량 분포 이미지의 스캐닝 운동이 제공된다. 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹에는 제3 역평면 및 제2 가우시안 평면의 전자-광학 형성을 위해 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹에 적합하게 조정된 제어 전압을 인가하도록 구성된 제어 회로가 제공된다. 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹의 제공은 평행 운동량 분포 이미지에서의 빔 에너지가 에너지 분석기 장치의 입구 평면에서 일정 범위, 예를 들어, 두자릿수 내에서 변화될 수 있다는 특별한 이점을 가지며, 에너지 분석기 장치의 최적 해상도 및 전송 설정을 허용한다.
슬릿 다이어프램은 에너지 분석기 장치의 입구 슬릿을 형성하기 위해 제3 렌즈 그룹의 전방의 제2 역평면에 배열될 수 있다(이하, 제2 실시예라고 함). 이 경우에, 슬릿 다이어프램은 에너지 분석기 장치의 입구 평면에 직접 배치되지 않고, 평행 운동량 분포 이미지가 존재하는, 제3 렌즈 그룹의 전방의, 입구 평면에 접합된 제2 역평면에 위치한다. 그래서 평행 운동량 분포 이미지에 의해 중첩된 슬릿 다이어프램의 실제 이미지가 분석기의 입구 평면에서 생성된다. 이 배열에서, 전자들은 유리하게는 훨씬 더 큰 에너지로 입구 슬릿을 통과할 수 있으며, 이는 에너지 분석기 장치에서 후속 이미징을 향상시킨다. 슬릿 다이어프램이 제2 역평면에 배열되기 때문에, 슬릿 다이어프램은 에너지 분석기 장치의 입구 평면에서 실제 이미지로서 이미지화될 수 있어서, 물리적 슬릿 다이어프램 폭은 고정되어 있으면서도, 유효 슬릿 다이어프램 폭 및 입구 평면에서의 전자들의 에너지는 전자 광학적으로 변화될 수 있다.
선택적으로, 에너지 분석기 장치의 입구 슬릿을 형성하는 슬릿 다이어프램은 제3 역평면에 배열되고, 에너지 분석기 장치의 입구 슬릿을 형성할 수 있으며, 이 경우 슬릿 다이어프램은 제2 역평면에 배열되지 않는다(이하, 제3 실시예라고도 함). 제3 실시예는 종래의 에너지 분석기의 설계, 즉, 입구 슬릿이 통합된 에너지 분석기가 사용될 수 있다는 특별한 이점이 있다.
본 발명의 다른 변형된 실시예에 따르면, 각각 제3 렌즈 그룹과 같이 구성되고, 추가 가우시안 평면 및 역평면을 제공하는 제4 렌즈 그룹 또는 추가 렌즈 그룹이 제공될 수 있다.
유리하게는, 편향기 장치를 위치시키기 위한 다양한 옵션이 있다. 특히, 본 발명의 제1, 제2 및 제3 실시예에서, 편향기 장치는 제1 및 제2 렌즈 그룹 사이, 제1 가우시안 평면에 배치될 수 있다. 선택적으로, 본 발명의 제2 및 제3 실시예에서, 편향기 장치는 제3 렌즈 그룹에, 제2 가우시안 평면에 배치될 수 있다. 다른 대안에 따르면, 편향기 장치는 제4 렌즈 그룹 또는 추가 렌즈 그룹에, 추가 가우시안 평면에 배치될 수 있다.
전자 운동량 현미경(electron momentum microscopy)의 전자-광학 개념에 대한 추가적인 중요한 차이는 본 발명의 유리한 실시예에 의해 달성된다. 여기서 제1 렌즈 그룹의 샘플 측 최전방 전자 광학 렌즈 요소는 샘플과 동일한 전위를 갖도록 구성된다. 유리하게는, 이것은 샘플 주위의 영역을 무전계 상태로 유지하여, 운동량 해상도를 손상시키는, 3차원 형상으로 인한 현저한 필드 왜곡 없이, 고도의 3차원 구조 또는 미세 결정을 갖는 샘플을 검사하는 것이 가능하다.
제2 역평면에서의 운동량 분포 이미지의 변위를 위해, 편향기 장치는 특히 바람직하게는 제1 가우시안 평면에서 작용한다. 제1 가우시안 평면에서의 배열은 편향기 장치가 제1 가우시안 평면 주위에서 대칭적으로 좁은 범위에서 작동하는 다양한 편향기 필드를 생성한다는 것을 의미한다. 이 실시예는 전체 전자빔의 특히 효과적인 편향이란 이점을 가지며, 상기 이미징 장치의 출구에서의 운동량 이미지의 평행도는 유지된다. 선택적으로, 제3 렌즈 그룹을 제공할 때, 단일 편향기 장치는 제2 가우시안 평면에 배열될 수 있고, 제2 가우시안 이미지에서 전자들에 작용할 수 있고, 여기서 편향시 운동량 이미지의 평행도는 이미징 장치의 출구에서 유지된다.
본 발명의 또 다른 유리한 실시예에 따르면, 제2 렌즈 그룹의 분석기 측 최후방 전자 광학 렌즈가 제2 역평면의 영역에서 무전계 공간을 형성하는 것이 제공된다. 선택적으로 또는 추가로, 제2 또는 제3 실시예에서, 제3 렌즈 그룹은 그 단부에 경계 요소를 가지며, 상기 경계 요소는 제3 렌즈 그룹의 양 측면에 인접한 무전계 공간을 형성하도록 구성된다. 이 실시예는 전자 경로의 편향으로 이어지고 운동량 이미지의 왜곡으로 이어지는 전계의 정전기 피드 오버를 방지한다.
본 발명의 추가 세부 사항 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 아래에 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 전자 이미징 장치의 제1 실시예의 개략도이다.
도 2는 다양한 여기 소스에 의한 샘플의 여기에 대한 가우시안 이미지 생성에 대한 추가 그림들이다.
도 3은 본 발명에 따른 전자 이미징 장치의 제2 실시예의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전자 이미징 장치의 제3 실시예의 개략도이다.
도 5는 편향기 장치의 다른 변형들의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전자 분광계 장치의 실시예의 개략도이다.
도 7은 종래의 전달 광학 시스템의 빔 궤적들의 다이어그램이다(특허문헌 1에서 인용).
본 발명은 반구형 분석기와 조합된 전자 이미징 장치를 예시적으로 참조하여 아래에 설명된다. 본 발명은 반구형 분석기의 사용에 제한되지 않고 다른 유형의 에너지 분석기 장치로도 실행 가능하다. 반구형 분석기를 사용하여 샘플에서 방출 된 전자의 에너지 분포 및 샘플의 여기 및 에너지 분포의 기록에 대한 세부 사항은 그 자체가 종래 기술로부터 알려졌기 때문에 기술되지 않았다. 도면에서 전자-광학 구성 요소의 예시는 개략적 예시이다. 예를 들어, 비워진 공간에서의 전자-광학 구성 요소의 배열 또는 이격된 렌즈 요소로부터 전자-광학 렌즈의 형성은 도시되지 않았다. 일반적으로, 예를 들어, 전자-광학 렌즈 및 관련 제어 회로는 종래의 전송 광학계로부터 본질적으로 알려진 것과 동일할 수 있다.
도면들은 도 1에 도시된, 위치-공간(position-space)에서 전자 광학 축을 따르는 z 방향, 이에 수직인 x 및 y 방향을 포함하는 관련 공간 방향들(relevant spatial directions)을 참조하여 설명된다. 에너지 분석기 장치(200)(도 6 참조)의 입구 평면의 슬릿 다이어프램(201)은 y 방향으로 연장된다. 따라서, 슬릿 다이어프램의 방향은 운동량 좌표 ky의 방향와 여기에 직각인 운동량 좌표 kx를 정의한다.
도 1은 다수의 렌즈 그룹(10, 30), 편향기 장치(20)가 배치된 무전계 드리프트 경로(22)를 갖는 전자-광학 컬럼에 기초한, 평행 운동량 분포 이미지의 전달 및 횡 방향 변위를 위한 전자-광학 시스템 형태의 본 발명에 따른 전자 이미징 장치(100)의 제1 실시예를 도시한다. 도 1A는 전자 이미징 장치(100)의 구성을 도시하고, 도 1B는 편향기 장치(20)가 꺼진 실질적인 광학계에 대해 시뮬레이션 된 빔 경로를 도시한다. 도 1C는 도 1B에서와 동일한 렌즈 설정에 대해 시뮬레이션 된 빔 경로를 도시하지만, 편향기 장치(20)는 편향기 전극(21)에 적절한 전압을 인가함으로써 스위치가 켜진 상태이다. 도 1B, C 및 도 2, 3 및 4에서의 모든 전자 궤적 표현에서 방사상 좌표는 개별 빔들의 세부 사항을 보다 명확하게 나타내기 위해 방사상으로 확대된다. 렌즈 그룹(10, 30) 및 편향기 장치(20)는 구성 요소(10, 20 및 30)들의 전자 광학 렌즈들 또는 전극들에 에너지를 공급하기 위한 제어 회로를 포함하는 제어 장치(50)에 연결된다. 전자 이미징 장치(100)는, 샘플(1)이 제1 렌즈 그룹(10)의 객체 평면(object plane)에 위치하도록, 샘플 홀더(101) 상에, 예를 들어, 샘플(1)의 표면과 제1 렌즈 그룹(10)의 전면 캡 전극(11) 사이에 15mm의 거리를 두고 배치된다. 슬릿 다이어프램(201)의 길이는, 예를 들어, 20mm ~ 40mm이며, 너비는, 예를 들어, 50㎛ ~ 2mm이다.
구체적으로, 도 1A에 따른 제1 렌즈 그룹(10)은 전면 캡 전극(11), 집속 전극(12) 및 적응 렌즈들(13)을 포함한다. 샘플(1)과 제1 렌즈 그룹(10) 사이에 무전계 공간을 만들기 위해, 두 구성 요소의 전위가 일치하도록, 샘플-홀더(101)는 전방 캡 전극(11)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 렌즈 그룹(30)은 바람직하게는 줌 렌즈를 형성하는 복수의 렌즈 요소들(31), 및 최후방 렌즈 요소와 에너지 분석기 장치(200)의 슬릿 다이어프램(201) 사이에 무전계 공간을 생성하기 위한 경계 요소(32)를 포함한다. 이를 위해, 경계 요소(32)와 슬릿 다이어프램(201)은 서로 전기적으로 연결된다.
예를 들어, 원통형 요소가 제1 렌즈 그룹(10)과 제2 렌즈 그룹(30) 사이에 무전계 드리프트 경로(22)를 형성하도록 제공된다. 상기 원통형 요소의 길이는, 편향기 장치가 꺼졌을 때, 인접한 렌즈 그룹의 임의의 피드-오버(feed-over)가 감소하고 더는 중요한 전계가 존재하지 않아서 편향기 장치 위치에서 가우시안 이미지 영역의 전자 궤적들을 편향시킬 수 있는 길이이다.
편향기 장치(20)는, 예를 들어, 편향 전극(21)의 8 중극(octupole) 배열 또는 선택적으로 다른 전극 배열(도 5 참조)을 포함한다. 편향기 장치(20)는 단일 편향기인 것이 바람직하다. 즉, 전자들은 샘플과 제2 역평면 사이의 전자 광학 축(OA)을 따라 제1 가우시안 평면을 통과할 때 한 번만 편향된다.
샘플(1)이 광에 의해 여기 될 때(도 2 참조), 전자들(2)의 집합(ensemble)이 샘플(도 1B)로부터 방출되며, 여기서 전자들(2)은 제1 렌즈 그룹(10)에 의해 소정의 방출 각도, 예를 들어, 전자 광학 축(OA)을 따라 +/- 15°까지 이미지화된다. 도 1B는 지면에 수직인 에너지 분석기 장치(200)의 슬릿 다이어프램(201)과 전자 이미징 장치(100)를 x-z 평면에 도시한다. 도 1B에 따르면, 제1 렌즈 그룹(10)은 제1 역평면(RP1)에 전자들(2)을 방출하는 샘플 소스 스팟의 역이미지(reciprocal image)를 생성한다. 그리고 제1 렌즈 그룹(10)의 후방 초점 평면인 제1 가우시안 평면(GP1)에 샘플 소스 스폿의 제1 가우시안 이미지를 생성한다. 제2 역이미지(평행 부분 빔들을 갖는 운동량 분포 이미지)는 제2 렌즈 그룹(30)에 의해 에너지 분석기 장치(200)의 입구 슬릿 내에 생성된다. 이에 의해, 모든 전자들이 매우 작은 각도 편차를 갖는 평행 부분 빔들로서 에너지 분석기 장치(200)로 들어가는 것이 보장된다. 제1 렌즈 그룹(10)은 전자 광학 축(OA)과 제1 가우시안 평면(GP1)의 교차점이 편향기 장치(20)의 편향 평면, 특히, 편향기 장치(20)의 중심에 위치되도록 제어된다. 편향기 장치(20) 상의 가우시안 이미지의 중심화는 제2 역평면(RP2)에서 제2 렌즈 그룹(30)에 의해 생성된 평행 부분 빔들에 의한 운동량 분포 이미지의 정확한 평행 변위를 허용한다. 적절한 전압을 편향기 장치(20)에 인가함으로써, 도 1C에 도시된 바와 같이, 빔의 추가 경사 없이 제2 역평면(RP2)에서의 운동량 분포 이미지의 평행 변위가 가능하다.
도 1C는 최적화된 렌즈 구조 및 실제 측정 조건(+/- 15° 각 간격(angular interval), 샘플에 대한 운동 에너지 16 eV, 이는 통상적인 진공 자외선 실험실에 적합함)을 제공하기 위해, 제1 가우시안 평면(GP1)에서 작용하는 편향기 장치(20)의 효과를 도시한다. 도시된 예에서, 편향 전극들(21) 상의 전압에 의해 설정된 편향기 장치(20)의 전력에서, 제2 역평면(RP2)의 분석기 측 운동량 분포 이미지는 운동량 반경(R)만큼 평행하게 변위 된다. 지름 2R 및 운동량 분포 이미지의 평행도는 평행 변위에서 유지된다. 따라서 제어 회로(제어 장치(50))에 의한 편향기 장치(20)의 편향력의 연속적인 변화에 의해, 2차원 운동량 이미지가 완전히 스캔 될 수 있다.
도 2는 전자들(2)을 생성하기 위한 상이한 여기 소스(도시되지 않음)에 의한 전자들(2)의 빔 궤적을 도 1B처럼 도시한다. 도 2A는 싱크로트론 방사선(synchrotron radiation) 소스 또는 레이저의 광선에 의한 여기를 도시하고, 도 2B는 집중된 진공 UV 여기 소스에 의한 여기를 도시한다. 도 2C는 집중되지 않은(unfocused) 진공 UV 여기 소스에 의한 여기를 도시한다.
각도 θ는 전자 광학 축(OA)을 기준으로 한 샘플로부터의 전자의 방출 각도를 나타낸다. 각도 α는 특정 방출 각도에 대응하는, 제2 역평면(RP2)에서의 운동량 분포 이미지의 빔 다발의 (반)개방 각도(opening angle)를 나타낸다. 부분 빔들의 이 개방 각도 α의 크기(도 2A에서 상세하게는 보이지 않지만 도 2C에서 상세하게 명확하게 보임)는 샘플 표면상의 전자 소스 영역의 크기, 여기 광선의 단면과 시료에 대한 입사각에 의해 결정된다.
궤적 시뮬레이션 프로그램(SIMION 8.0)을 사용하여 본 발명에 따른 전자 이미징 장치(100)의 실제 실시예에 대해 현실적인 계산이 수행되었으며, 이들 중 3개는 도 2에 예로서 도시되어 있다. 샘플(1)의 표면과 제2 역평면(RP2)의 운동량 분포 이미지 사이의 z축 상의 거리는 462mm이다. 전자-광학 렌즈는 수차가 최소화되고, 이 경우 샘플 상의 소스 영역의 축소된 이미지는 가우시안 평면(GP1)에서 확대 배율 M = 0.6으로 배치되었다. 다른 배율, 심지어 M> 1의 배율도 본 발명에서 가능하다.
각도 허용 범위(angular acceptance range) θ = 15°에 대한 시뮬레이션은 다음 파라미터를 제공한다. 세 가지 경우 모두 제2 역평면(RP2)의 운동량 분포 이미지는 반경(R)이 4.3mm이다. 빔 중심 광선의 기울기(= 평행 빔과의 편차)는 모두 <0.09 °이며 예상대로 소스 영역의 크기에 의존하지 않는다.
싱크로트론 방사선 또는 레이저 소스를 이용한 여기(도 2A)의 경우, 샘플에서의 광선의 전형적인 크기로 50㎛가 가정되었다. 각도 = 15°의 넓은 각도 범위로 인해, 제1 가우시안 평면(GP1)의 제1 가우시안 이미지는 제1 렌즈 그룹(10)의 구면 수차에 의해 넓어지고 반경은 r~40㎛이다. 그리고 평면 RP2의 부분 빔들의 개방 각도 α <0.16 °이다. 이 값은, 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같은 종래의 전사 렌즈 시스템에서 대응하는 각도 발산의 값보다 거의 두자릿수(two orders of magnitude) 작다.
집중된(focused) 진공 UV 광원(도 2B)의 일반적인 광점 크기는 200㎛이다. 이 경우, 제1 가우시안 평면(GP1)의 제1 가우시안 이미지는 반경 80㎛이고, 빔의 개방 각도 α, 즉, 평면(RP2)의 운동량 이미지의 결과 각도 발산(resulting angular divergenc)는 <0.2 °이다.
비 집중된(unfocused) 진공 UV 실험실 소스(도 2C)의 경우, 여기 광선의 일반적인 지름은, 예를 들어, 0.5mm이다. 이 광선은 제1 가우시안 평면(GP1)에서 반경 r = 155㎛인 제1 가우시안 이미지를 생성한다. 여기서, 평면(RP2)에서의 빔의 개방 각도 α~0.35 °이다. 작은 각도를 명확하게 하기 위해, 도 2C의 일부가 방사상으로 크게 확대되었다. 이 경우에도 제2 역평면(RP2)의 운동량 분포 이미지가 급격하게 집중되고, 전자들은 최소 발산으로 평행 빔으로서 에너지 분석기 장치(200)로 들어간다.
도 3은 본 발명에 따른 전자 이미징 장치(100)의 제2 실시예의 바람직한 변형을 도시하며, 여기서 구성 요소(10, 20 및 30) 및 그 부품들은 도 1에서와 같이 제공된다. 제1 실시예와 달리, 제3 렌즈 그룹(40)이 부가적으로 추가된다. 제3 렌즈 그룹(40)은 슬릿 다이어프램(201) 뒤의 분석기 측에, 제2 가우시안 평면(GP2)에 제2 가우시안 이미지를 생성한다. 그리고 제3 역평면(RP3)에 평행 부분 빔들을 갖는 제3 운동량 분포 이미지를 생성한다. 제3 역평면(RP3)은 에너지 분석기 장치(200)의 입구 평면이므로, 전자들(2)은 평행 다발로서 에너지 분석기 장치(200)에 진입한다. 제3 렌즈 그룹(40)은 줌 렌즈를 형성하는 전자 광학 렌즈 요소들(42)을 포함한다. 렌즈 요소들(42) 및 관련 제어 회로(도시되지 않음)는, 에너지 분석기 장치(200)의 에너지 및/또는 운동량 해상도를 최적화하기 위해, 역평면(RP3)에서 운동량 분포 이미지의 전자 에너지 및 측면 배율이 가변적 이도록 구성된다. 렌즈 요소들(42)을 포함하는 줌 렌즈의 양단에는, 줌 렌즈의 단부에서 무전계 공간을 생성하고, 슬릿 다이어프램(201)의 영역 및 제3 역평면(RP3)에서의 에너지 분석기 장치(200)의 입구로부터의 전기장의 모든 피드 오버를 최소화하도록 배치된 경계 요소들(41, 43)이 존재한다. 이 실시예에서, 에너지 분석기 장치(200)의 입구 평면에는 슬릿 다이어프램(201)의 이미지는 있지만, 물리적 슬릿은 없다, 즉 물리적 슬릿 다이어프램은 없다.
도 4는 렌즈 요소들(42) 및 경계 요소들(41, 43)을 갖는 제3 렌즈 그룹(40)이 더 제공되는, 본 발명에 따른 전자 이미징 장치(100)의 제3 실시예의 바람직한 변형을 도시한다. 제3 실시예에서, 슬릿 다이어프램(201)은 에너지 분석기 장치(200)의 입구에, 제3 역평면(RP3)에 배열된다. 이 경우에도, 제3 렌즈 그룹(40)은 줌 렌즈를 형성하는 렌즈 요소(42)들을 포함하며, 이는 에너지 분석기 장치(200)의 에너지 및 운동량 해상도를 최적화하기 위해, 넓은 범위에서 제3 역평면(RP3)에서의 운동량 분포 이미지의 전자 에너지 및 측면 배율을 변화시킬 수 있다. 이 경우, 입구 슬릿이 통합된 기존의 에너지 분석기를 사용할 수 있다.
도 5는 다양한 실시예로 제공될 수 있는 편향기 장치(20)의 변형들을 도시한다. 도 5A에 따른 편향기 장치(20)(평행 판 편향기라고 지칭됨)는 2개 이상의 전극들(21)을 포함한다. 도 5B에 따른 편향기 장치(x-y 편향기로 지칭됨)는 하나의 평면에 4개의 전극(21)들을 포함한다. 도 5C에 따른 편향기 장치(8 중극 배열 또는 8 중극 편향기라고 함)는 하나의 평면에 8개의 전극(21)들을 포함한다. 도 5C에 따른 실시예는, 편향 평면을 정확히 x 방향(도 1B 및 도 1C에 도시된 바와 같이, 입구 슬릿(201)의 방향에 정확히 수직)을 따라 정렬시키기 위해, 8개의 전극(21)들 상의 적절한 전압에 의해 임의의 평면에서 편향이 발생할 수 있기 때문에, 특히 유리하다. 또한, 8중극 배열은 스캐닝 프로세스 동안 발생할 수 있는 종 방향 자기 스트레이 필드(magnetic stray fields)로 인한 바람직하지 않은 이미지 회전을 정정할 수 있게 한다.
도 6은 전자 이미징 장치(100), 예를 들어, 도 1, 3 또는 4중 어느 하나에 따른 전자 이미징 장치(100)와, 전자 검출기(202)를 구비한 반구형 분석기 형태의 에너지 분석기 장치(200)를 포함하는 전자 분광계 장치(300)의 실시예의 도면이다. 전자 분광법의 구현시, 샘플 홀더(101) 상의 샘플(1)로부터 방출된 전자들은 전자 광학 축(OA)을 따라 전자 이미징 장치(100)에 의해 에너지 분석기 장치(200)로 전달된다. 전자들의 에너지 및 운동량 분포는 슬릿 다이어프램(201)을 따르는 제1 운동량 좌표를 따라 전자들의 운동량 분포 이미지를 캡처함으로써, 그리고 슬릿 다이어프램(201)에 수직인, 운동량 분포 이미지의 단계적 변위를 통해 기록된다. 그래서 완전한 2차원 운동량 분포를 기록할 수 있다.
상기 설명에 개시된 본 발명의 특징, 도면 및 청구 범위는 본 발명을 개별적으로 또는 조합하여 또는 하위 조합으로 다양한 실시예들로 실현하는데 중요하다.
100: 전자 이미징 장치
101: 샘플 홀더
200: 에너지 분석기 장치
201: 슬릿 다이어프램
202: 전자 검출기
300: 전자 분광계 장치
1: 샘플
2: 전자
10: 제1 렌즈 그룹
11: 전면 캡 전극
12: 집속 전극
13: 적응 렌즈
20: 편향기 장치
21: 편향기 요소
22: 드리프트 튜브
30: 제2 렌즈 그룹
31: 렌즈 요소
32: 경계 요소
40: 제3 렌즈 그룹
41: 경계 요소
42: 줌 렌즈
43: 경계 요소
50: 제어 장치
RP1: 제1 역평면(모멘텀 이미지 평면)
GP1: 제1 가우시안 평면(실제 이미지 평면)
RP2: 제2 역평면
GP2: 제2 가우시안 평면
RP3: 제3 역평면
OA: 전자 광학 축
θ: OA에 대한 방출 각도
α: 빔 다발의 개방 각도
R: 운동량 분포 이미지의 반경
r: 가우시안 이미지의 반경
x, y, z: 방향 좌표
kx, ky, kz: 운동량 좌표

Claims (27)

  1. 전자들(2)을 방출하는 샘플(1)로부터 에너지 분석기 장치(200)로 전자 광학 축(OA)을 따른 전자 전달을 위해 구성되고, 샘플 측의 제1 렌즈 그룹(10)과, 분석기 측의 제2 렌즈 그룹(30)과, 전자 이미징 장치(100)의 출구 평면에서 전자 광학 축(OA)에 수직인 편향 방향으로 전자들(2)을 편향시키도록 구성된 편향기 장치(deflector device)(20)를 포함하는 전자 이미징 장치(100)에 있어서,
    제1 렌즈 그룹(10)은 제1 렌즈 그룹(10) 내부에 제1 역평면(RP1)(reciprocal plane)을 제공하고, 제1 및 제2 렌즈 그룹(10, 30) 사이에 제1 가우시안 평면(GP1)을 제공하고, 제1 역평면(RP1)에 샘플(1)로부터의 전자들(2)의 운동량 분포에 대한 제1 운동량 분포 이미지를 생성하고, 제1 가우시안 평면(GP1)에 샘플(1)의 제1 가우시안 이미지를 생성하도록 구성되며,
    제2 렌즈 그룹(30)은 제2 렌즈 그룹(30)의 분석기 측에 제2 역평면(RP2)을 제공하고, 제2 역평면(RP2)에 샘플(1)로부터의 전자들(2)의 운동량 분포에 대한 제2 운동량 분포 이미지를 생성하도록 구성되며,
    제1 렌즈 그룹(10)은 제2 렌즈 그룹(30)에 의해 생성된 제2 운동량 분포 이미지가 평행 이미지가 되도록 작은 치수로 제1 가우시안 이미지를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 이미징 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    편향기 장치(20)는 편향기 장치(20)가 전자 광학 축(OA)에 수직인 하나의 단일 평면에서 작용하도록 구성된 전자 이미징 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    편향기 장치(20)는 하나의 단일 쌍의 전기 및/또는 자기 작용 편향기 요소(21)들, 하나의 평면에서 4개의 편향기 요소(21)들의 4 중극(quadrupole) 배열, 또는 하나의 평면에서 8개의 편향기 요소(21)들의 8 중극(octupole) 배열을 포함하는 전자 이미징 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 역평면(RP2)은 전자 이미징 장치(100)의 출구 평면이며,
    슬릿 다이어프램(201)은 제2 역평면(RP2)에 배열되고, 에너지 분석기 장치(200)의 입구 슬릿을 형성하는 전자 이미징 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 렌즈 그룹(30)의 분석기 측에 배치되는 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹(40)으로서, 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹(40) 내부에 제2 가우시안 평면(GP2)을 형성하고, 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹(40)의 분석기 측에 제3 역평면(RP3)을 형성하고, 제2 가우시안 평면(GP2)에 샘플(1)의 제2 가우시안 이미지를 생성하고, 제3 역평면(RP3)에 샘플(1)로부터의 전자들(2)의 운동량 분포에 대한 제3 운동량 분포 이미지를 생성하도록 구성된 제3 렌즈 그룹(40)을 더 포함하며,
    제3 역평면(RP3)은 전자 이미징 장치(100)의 출구 평면이며,
    적어도 하나의 제3 렌즈 그룹(40)에 의해 생성된 제3 운동량 분포 이미지는 평행 이미지인 전자 이미징 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    슬릿 다이어프램(201)(slit diaphragm)이 제2 역평면(RP2)에 배열되고, 상기 슬릿 다이어프램(201)은 에너지 분석기 장치(200)의 입구 평면으로 상을 비춤으로써(imaging into the entry plane) 에너지 분석기 장치(200)의 입구 슬릿을 형성하는 전자 이미징 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    슬릿 다이어프램(201)이 제3 역평면(RP3)에 배열되고, 에너지 분석기 장치(200)의 입구 슬릿을 형성하며,
    제2 역평면(RP2)에는 슬릿 다이어프램이 배치되지 않는 전자 이미징 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    편향기 장치(20)는 제1 및 제2 렌즈 그룹(10, 30) 사이에, 제1 가우시안 평면(GP1)에 배열되는 전자 이미징 장치.
  9. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    편향기 장치(20)는 제3 렌즈 그룹(40)에, 제2 가우시안 평면(GP2)에 배치되는 전자 이미징 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 렌즈 그룹(10)은 1mm 미만, 특히, 0.5mm 미만의 전자 광학 축(OA)에 수직인 길이(extent)로 제1 가우시안 이미지를 생성하도록 구성되고/되거나,
    제1 및 제2 렌즈 그룹(10, 30)은 0.4 ° 미만, 특히 0.2 ° 미만의 부분 빔들의 각도 편차들(angular deviations)을 갖는 평행 이미지를 형성하도록 구성되는 전자 이미징 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 렌즈 그룹(10)의 최전방 샘플 측 전자 광학 소자(11)는, 샘플 앞에 무전계(field-free) 영역을 생성하도록, 샘플(1)과 동일한 전위를 갖도록 구성되는 전자 이미징 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    편향기 장치(20)는 제어 장치(50)에 연결되며, 제어 장치는 평행 이미지를 유지하면서 전자 이미징 장치의 출구 평면에서 전자들(2)의 스캐닝 편향(scanning deflection)을 위해 구성된 전자 이미징 장치.
  13. 전자 분광계 장치(300)로서,
    샘플(1)을 유지하도록 구성된 샘플 홀더(101)와,
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 전자 이미징 장치(100)와,
    에너지 분석기 장치(200)를 포함하며,
    전자 이미징 장치(100)는 샘플(1)로부터 방출된 전자들의 전자 광학 축(OA)을 따른 에너지 분석기 장치(200)로의 전자 전달을 위해 구성된 전자 분광계 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    에너지 분석기 장치(200)는 반구형 분석기(hemispherical analyzer)를 포함하는 전자 분광계 장치.
  15. 샘플(1)로부터의 전자들(2)은 전자 이미징 장치에 의해 전자 광학 축 (OA)을 따라 에너지 분석기 장치(200)로 전달되고, 여기서 전자들(2)은 샘플 측 제1 렌즈 그룹(10) 및 분석기 측 제2 렌즈 그룹(30)을 순차적으로 통과하고, 전자들(2)은 전자 이미징 장치(100)의 출구 평면에서 전자 광학 축(OA)에 수직인 편향 방향으로 편향기 장치(20)에 의해 편향되는 전자 전달 방법에 있어서,
    제1 렌즈 그룹(10)은 제1 렌즈 그룹(10) 내부에 제1 역평면(RP1)을 형성하고, 제1 렌즈 그룹과 제2 렌즈 그룹(30) 사이에 제1 가우시안 평면(GP1)을 형성하고, 제1 역평면(RP1)에 샘플(1)로부터의 전자들의 운동량 분포(2)에 대한 제1 운동량 분포 이미지를 생성하고, 제1 가우시안 평면(GP1)에 샘플(1)의 제1 가우시안 이미지를 생성하고,
    제2 렌즈 그룹(30)은 제2 렌즈 그룹(30)의 분석기 측에 제2 역평면(RP2)을 형성하고, 제2 역평면(RP2)에 샘플(1)로부터의 전자들(2)의 운동량 분포에 대한 제2 운동량 분포 이미지를 생성하며,
    제1 렌즈 그룹(10)은 제2 렌즈 그룹(30)에 의해 생성된 제2 운동량 분포 이미지가 평행 이미지가 되도록 작은 치수로 제1 가우시안 이미지를 생성하는 것을 특징으로 하는 전자 전달 방법,
  16. 제15항에 있어서,
    편향기 장치(20)는 편향기 장치(20)가 전자 광학 축(OA)에 수직인 하나의 단일 평면에서 작용하도록 구성되는 전자 전달 방법.
  17. 제15항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 역평면은 전자 이미징 장치의 출구 평면이며,
    에너지 분석기 장치(200)의 입구 슬릿을 형성하는 슬릿 다이어프램(201)이 제2 역평면에 배열되는 전자 전달 방법.
  18. 제15항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 렌즈 그룹(30)의 분석기 측에 배치된 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹(40)은 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹(40) 내부에 제2 가우시안 평면(GP2)을 형성하고, 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹(40)의 분석기 측에 제3 역평면(RP3)을 형성하고, 제2 가우시안 평면(GP2)에 샘플(1)의 제2 가우시안 이미지를 생성하고, 제3 역평면(RP3)에 샘플(1)로부터의 전자들(2)의 운동량 분포에 대한 제3 운동량 분포 이미지를 생성하고,
    제3 역평면(RP3)은 전자 이미징 장치(100)의 출구 평면이며,
    적어도 하나의 제3 렌즈 그룹(40)에 의해 생성된 제3 운동량 분포 이미지는 평행 이미지인 전자 전달 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    슬릿 다이어프램(201)은 제2 역평면(RP2)에 배열되고, 상기 슬릿 다이어프램(201)은 에너지 분석기 장치(200)의 입구 평면으로 상을 비춤(imaging into the entry plane)으로써 에너지 분석기 장치(200)의 입구 슬릿을 형성하는 전자 전달 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    슬릿 다이어프램(201)이 제3 역평면(RP3)에 배열되고, 에너지 분석기 장치(200)의 입구 슬릿을 형성하며,
    제2 역평면(RP2)에는 슬릿 다이어프램이 배치되지 않는 전자 전달 방법.
  21. 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    편향기 장치(20)는 제1 가우시안 평면(GP1)에 배치되는 전자 전달 방법.
  22. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    편향기 장치(20)는 적어도 하나의 제3 렌즈 그룹(40)에, 제2 가우시안 평면(GP2)에 배열되는 전자 전달 방법.
  23. 제15항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 렌즈 그룹(10)은 1mm 미만, 특히 0.5mm 미만의 전자 광학 축(OA)에 수직인 길이(extent)로 제1 가우시안 이미지를 생성하고/하거나
    제1 및 제2 렌즈 그룹(10, 30)은 0.4 ° 미만, 특히 0.2 ° 미만의 부분 빔들의 각도 편차들을 갖는 평행 이미지를 형성하도록 구성된 전자 전달 방법.
  24. 제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 렌즈 그룹(10)의 최전방 샘플 측 전자 광학 소자(11)는, 샘플 영역에서 무전계 영역을 생성하도록, 샘플(1)과 동일한 전위를 갖는 전자 전달 방법.
  25. 제15항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자 이미징 장치(100)의 출구 평면에서의 전자들(2)은 평행 이미지를 유지하면서 운동량 분포 이미지의 스캐닝 운동을 생성하도록 편향된 전자 전달 방법.
  26. 시료(1)의 조사(irradiation) 및 시료(1)로부터의 전자들(2)의 방출,
    제15항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 전자 전달 방법에 의해 방출된 전자들(2)을 에너지 분석 장치(200)로 전달, 및
    에너지 분석 장치(200)에 의한 전자들(2)의 에너지 분해 검출(energy-resolved detection)단계들을 포함하는 전자 분광법.
  27. 제26항에 있어서,
    에너지 분석기 장치(200)는 반구형 분석기를 포함하는 전자 분광법.




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