에너지 분석기와 전송렌즈 역할과 분류

 

1.에너지 분석기( Energy Analyzer)  역할과 분류

 

: 주어진 에너지(pass energy)의 전자만 검출기 슬릿과 검출기 자체에 도달할 수 있도록 허용하는 장치

 

XPS에서 주로 사용되는 분석기는, 

동심원 반구형 분석기(Concentric Hemispherical Analyser, CHA) 또는

구형 섹터 반구형 섹터 분석기(Hemispherical sector Analyser, HSA) 또는

구형 섹터 분석기(Spherical sector Analyser, SSA) 라고 불리웁니다. 

 

전자가 통과할 수 있는 간격이 있는 한 쌍의 동심형 반구형 전극으로 구성됩니다.

샘플과 분석기 사이에는 일반적으로 렌즈 또는 렌즈 시리즈가 있습니다.

 

샘플에서 방출되는 전자의 운동 에너지는 일반적으로 분석기가 매우 높은 분해능을 생성하기에는 일반적으로 너무 커서 지연(retarded)되어야 합니다.

이 지연(retardation)은 렌즈 내에서 또는 렌즈와 분석기 사이에서 평형 그리드를 사용하여 이루어집니다.

 

그림 1은 XPS의 일반적인 HSA 구성을 보여줍니다.

 

< 그림1. Schematic diagram of HSA and transfer Lens >

 

외 반구가 내 반구보다 더 음수인 전위차가 두 반구에 적용됩니다.

분석기의 입력에 접선 방향으로 주입된 전자는 에너지가 다음과 같은 경우에만 검출기에 도달합니다.

 

 

E = eΔV(R₁R₂ ÷ R₂²- R₁²)

 

 

E: 운동에너지 e: 전자의 전하, ΔV: 반구 사이의 전위차, R₁: 내 반구 반지름, R₂: 외 반구 반지름

 

반구의 반지름은 일정하므로 위의 방정식은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

E = keΔV

 

k: 분광계 상수(분석기의 설계에 따라 다름)

HSA는 또한 렌즈 역할을 하기 때문에 평균 반경에서 분석기로 들어가는 전자는 반경에 의해 주어진 구에 대한 접선에 대해 어떤 각도에서 분석기로 들어가더라도 출구 슬릿에 도달합니다.

 

위 식에서 주어진 것보다 에너지가 높은 전자는 분석기의 평균 반경보다 큰 반경의 경로를 따르고 운동 에너지가 낮은 전자는 반경이 작은 경로를 따릅니다.

 

이 전자들의 에너지가 식에 의해 주어진 에너지와 크게 다르지 않다면, 이 전자들은 분석기의 출력 면에도 도달할 것이다. 따라서 출력 면에 다수의 검출기를 제공하는 것이 가능합니다.

 

이 검출기는 출력 평면에 방사형으로 배열됩니다. 분명히 각각의 검출기는 다른 에너지의 전자를 수집하지만 적절한 에너지 채널에 신호를 추가함으로써 검출기의 크기가 변경되지 않는 경우 기기의 감도가 검출기의 수와 동일한 요소만큼 증가할 수 있습니다.

 

최대 9개의 개별 채널 전자 증배기(채널트론)가 있는 기기가 상업적으로 이용할 수 있습니다.

일부 기기에는 사용자가 한 번에 수집된 채널 수를 선택할 수 있는 2차원 검출기가 장착되어 있습니다.

또 일부 기기에서는 최대 112개의 채널을 가질 수 있으며 각 채널의 폭이 작기 때문에 감도가 단일 채널트론이 장착된 동등한 기기의 112배라는 의미는 아닙니다.

 

이렇게 많은 수의 채널을 갖는 장점은 다음과 같습니다.

분석기를 스캔하지 않고도 고품질 스펙트럼을 기록할 수 있습니다.

 

HSA는 일반적으로 다음 두 가지 모드 중 하나로 작동합니다.

고정 분석기 에너지(constant analyser energy, CAE),

고정 분석기 전송(fixed analyser transmission, FAT)

   = 고정 지연비( fixed retard ratio, FRR)

 

cf) Cylindrical mirror analyser(CMA) : 높은 분해능이 중요하지 않고, 작은 영역에서 전자를 수집하는 경우 사용(AES, Auger emission spectroscopy)에 적합

 

2. 전송렌즈(The transfer lens) 역할

: 광전자를 모으고 전자빔을 에너지 분석기로 집중(focusing)시키는 전송 렌 시스템

 

HSA의 성능은 샘플과 분석기 입구 사이의 전송 렌즈 또는 렌즈의 특성과 품질에 크게 좌우됩니다.

 

전송 렌즈의 역할?

• 분석기를 분석 위치에서 멀리 이동하여 다른 샘플에 더 가깝게 배치할 분광계의 구성 요소,

• 수집 각도를 최대화하여 높은 투과율과 감도를 보장합니다.

• 전자가 분석기에 주입되기 전에 전자를 지연시킵니다.

• 전자가 수집되는 샘플 영역을 결정하고 제어하여 작은 영역의 XPS 측정을 수행할 수 있도록 합니다.

• 허용 각도 제어: 이것은 각도 분해 XPS에 대한 각도 분해능을 정의하는 데 명백한 응용 프로그램이 있으며 작은 영역 및 이미징 XPS에도 중요합니다. 각도 허용이 전송뿐만 아니라 공간 해상도를 결정하기 때문입니다.

 

과거에는 이러한 전송 렌즈가 전적으로 정전식 렌즈(electrostatic)였으나 자기 침지 렌즈(magnetic immersion lens)가 장착된 일부 최신 기기가 있습니다.

 

이것은 분석되는 전자의 운동 에너지의 함수로 스캔 되는 전류가 통과하는 큰 전자석입니다.

이 유형의 렌즈를 사용할 때 시편은 자기장 내에 위치합니다.

이러한 유형의 렌즈의 주요 장점은 매우 넓은 범위의 방출 각도에서 전자를 수집할 수 있다는 것입니다.

 

일반적으로 순수한 정전기 시스템의 경우 일반적으로 약 25°인 수집 각도와 비교하여 90°의 수집 각도를 달성할 수 있습니다. 이것은 기기의 감도를 크게 향상할 수 있습니다. 자기 렌즈는 수차 계수가 더 낮기 때문에 동일한 초점 거리의 정전기 렌즈보다 더 나은 공간 분해능을 제공할 수 있습니다.

 

마그네틱 렌즈는 자기장이 발생하기 때문에 AES에 사용할 수 없습니다.

1차 전자빔을 편향시키고 샘플 표면의 spot 크기에 영향을 미칩니다.

이러한 효과의 정도는 분석되는 운동 에너지에 따라 달라지는 자기장 강도에 따라 달라집니다.