DE1798021B2

DE1798021B2 - Einrichtung zur buendelung eines primaer-ionenstrahls eines mikroanalysators

Info

Publication number: DE1798021B2
Application number: DE19661798021
Authority: DE
Inventors: Helmut Jakob Goleta Calif. Liebl (V.St.A.)
Original assignee: Ausscheidung aus: 15 39 660 Applied Research Laboratories Ine, Sunland, Calif. (V.St.A.)
Priority date: 1965-10-11
Filing date: 1966-10-11
Publication date: 1977-10-20
Also published as: DE1539660A1; DE1539659B2; FR1508152A; DE1798021A1; US3445650A; DE1539660B2; DE1539660C3; GB1145107A; DE1539659A1; US3517191A

Description

IS

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bündelung eines auf einen ausgewählten Oberflächenabschnitt einer Materialprobe gerichteten Primär-fonenstrahls eines Mikroanalysators mit zwei elektrischen Linsen, die als Kondensator- und als Objektivlinse im Stahlengang zwischen einer Ionenquelle und der Materialprobenoberfläche dienen.

Bei einer bekannten derartigen Einrichtung befindet -5 sich im Strahlengang ein Magnet, der die Massentren nung durchführt. Damit ist aber der Nachteil verbunden, daß der Primär-Ionenstrahl nur auf einen relativ großen Oberflächenbereich der Materialprobe scharf eingestellt werden kann.

Fernerhin ist eine andere Einrichtung bekanntgeworden, bei der Sektorlinsen zur Ablenkung von Elektronen von einer Strahlenquelle zu einem Objekt dienen. Nachgeschaltete Äquipotentiallinsen dienen zur Bündelung der vom Objekt emittierten Sekundär-Ionen und -¹^ zur Analyse dieser Ionen in einem Spektrographen.

Eine weitere bekannte Einrichtung beschreibt eine geradachsige Linse in Reihe mit einer Sektorlinsc, jedoch ohne einen Hinweis darauf, daß eine Verringerung des Abstandes zwischen einem Eintrittsschlitz und einem Sektor der Sektorlinse erwünscht ist oder auftritt.

Der Erfindung liegt ausgehend von einer Einrichtung der eingangs genannten An die Aufgabe zugrunde, diese dahingehend zu verbessern, daß der Primär-Ionenstrahl auf einen kleineren Oberflächenbereich der Materialprobe scharf eingestellt werden kann, wodurch eine Verzögerung der Strahlöffnung der in das Massenspektrometer eintretenden, von der Materialprobe ausgestrahlten Ionen erlaubt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch -^s° gekennzeichnet, daß in dem genannten Strahlengang weiter eine an sich bekannte Sektorlinse angeordnet ist, die die Ionen aufgrund ihrer Masse trennt.

Dadurch wird im wesentlichen eine Verkürzung des. Abstandes längs des Sirahlenganges zwischen der >> Objektebene und der Bildebene erreicht und die Erfindungsaufgabe gelöst. Der Ionenstrahl kann somit auf einem kleinen Oberflächenbezirk der Materialprobescharf eingestellt werden, und zwar auf eine Fläche, die kleiner ist als die lonenaustrittsöffnung der Ionenquelle. ^h0 Das anschließende Massenspektrometer kann eine große Blende und dadurch bedingt einen hohen Übertragungsfaktor besitzen. Es wird somit ein verhältnismäßig großer Anteil der ausgesendeten Ionen im Massenspektrometer gesammelt und analysiert. ⁽'> Neben einer hohen Empfindlichkeit wird dadurch auch ein hoher Rauschabstand erzielt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines

Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Ansicht eines Ausführungs beispiels einer Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 in stärker detaillierter Darstellung als Quer schnitt eine Einzelheit der Einrichtung nach Fig. | J₁ größerem Maßstab, und zwar die dort verwenden Sektorlinse,

Fig. 3 schematisch eine abgeänderte Form eine: Linsensystems,

Fig.4 schematisch eine Mikroanalysiervorrichtung die ein Linsensystem nach F i g. 1 - 3 verwendet,

Fig.5 in teilweiser Seitenansicht und schematise! einen Abschnitt der in Fig.4 dargestellten Analysier vorrichtung.

In den F i g. 1 - 3 sind Sektorfeldlinsen dargestellt, di< in der eingangs gekennzeichneten Art die Empfindlich keit der Mikroanalysiervorrichtung nach der Erfindung erhöhen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist dort die Wirkung der Serienschallung einer elektrischen Äquipotentialen se 10 mit einer elektrischen Sektorfeldlinse \1 dargestellt, die z. B. in Form eines sphärisch gekrümm ten ringförmigen Kondensators ausgebildet sein kann Wenn die Sektorlinse 12 allein betrieben wird, hat sie eine Winkelöffnung α, und ihre Objektbrennpunktebe ne, die wie in Fig. 1 zu sehen rechts ist, wäre verhältnismäßig weit von der Linse 12 entfernt, wie die; durch den Dingpunkt 16 angedeutet ist. Die winklige Bildabweichung der Linse 12 wird durch die Linie If dargestellt, die senkrecht zum Gaußschen Bildpunkt 2Ά auf der Hauptachse steht. Die winklige Bildabweichung deutet die Breite des Bildes des einzelnen, theoretisch dimensionslosen Dingpunkte 16 an.

Wenn die Äquipotentiallinse 10 in Tandem bzw. ir Reihe und vor die Sektorlinse 12 geschaltet wird, wire die Dingebene näher zur Sektorlinse 12 bewegt, zu einer vom Bildpunkt 24 angedeuteten Stelle, und zwar mil einer entsprechenden Zunahme der Winkelöffnung, die nun zu α' wird. Die Streuung wird jedoch nicht wesentlich erhöht, und der Ort des Bildpunktes 22 wird nicht verändert.

In Fig. 2 ist eine Ionenquelle 26 schematisch dargestellt. Die Quelle 26 kann von irgendeiner geeigneten Art sein, wie z. B. in Form eines Gefäßes, in dem ein Edelglas durch eine Dauerfunkenentladung erregt wird. Ionen verlassen die Quelle 26 durch eine öffnung 28 und werden mit der Beschleuniger-Elektrode 30 beschleunigt. Anschließend durchlaufen sie einen Satz von Ablenkplatten 32, die steuerbar erregt werden, um die Richtung und die Position des Strahlenbündels einzustellen. Dann treten sie in die Äquipotentiallinse 10 ein, bestehend aus einer ersten, geerdeten Elektrdoe 34, einer zweiten geerdeten Elektrode 36 und einer geladenen Elektrode 38, die sich zwischen diesen beiden geerdeten Elektroden befindet und dagegen abisoliert ist. Zwischen der Äquipotentiallinse 10 und dem Kondensator 12 sitzt die Blende 40.

Der Kondensator 12 enthält innere und äußere kugelförmige gekrümmte Platten 42 bzw. 44, deren gegenüberliegenden Oberflächen um einen gemeinsamen Mittelpunkt gekrümmt sind. Die Platten 42 und 44 sind an geeigneten Lagern befestigt, wie z. B. an den dargestellten Befestigern 46 und durch die Isolierabstandss'ücke 48 davon isoliert. Die Ionen treten längs der Achse 20 aus dem Kondensator 12 aus und diejenigen mit gewählter Energie verlaufen auf herkömmliche Weise zwecks Modulation mittels irgendwelcher geeigneter Vorrichtungen durch eine

IO

ι«,

ittsblende (_nj_cht dargestellt).

c' 3 zeigt die Wirkung der Verwendung zweier - ' otentiaüinsen in Verbindung mit einer einzelnen fflfeldlinse 12'. Sowohl die Objekt- als auch die ■\A bene werden dabei näher an die Sektorfeldlinie 12' gebracht, als dies ohne die Äquipotentiallinsen der ''st und trotz allem besteht noch keine bemerkens-¹ 'zunähme der winkligen Büdabweichung des . _m, ;_m Vergleich zur winkligen Büdabweichung der S angewandten Sektorfeldlinse 12'. Ein weiterer Vorteil der Anwendung der vorhegen-Erfindung besteht darin, daß sie die Scharfeinstell me mit elektrischen Vorrichtungen gestattet, anstelle HerWüschen Bewegung der Ionenquelle in bezug auf H Sektorfeldlinie. Die optimale Scharfeinstellung kann Jf weiteres dadurch erzielt werden, daß das Brchungsvermögen der Äquipotentiallinse verstellt ird indem das Potential auf der Mittelelektrode so * ' eingestellt wird, bis die Objekt- oder Bildebene je

h Fall mit der tatsächlichen Position des Objekts · "der mit derjenigen der bildaufnehmenden Vorrichtung ausfluchtet.

Im Falle erfindungsgemäßer Systeme, die zur Scharfeinstellung in nur einer Koordinaten-Richtung angeordnet sind, wie dies z. B. der Fall ist bei einem in Reihe mit einer elektrischen Äquipotential-Schlitzlinse angeordneten gleichmäßigen Magnetsektor, ist die Raumwinkelaufnahme größer als diejenige des Sektorfeldes und zwar proportional im Verhältnis der Objektentfernung des Sektorfeldes allein zur Objektentfernung der Reihenschaltung.

Bei Systemen, die zur Scharfeinstellung in zwei zueinander senkrechten Koordinatenrichtungen angeordnet sind, wie z. B. im System der F i g. 1 und 2, bestehend aus einem elektrischen Kugelkondensator und einer äquipotentialen, koaxialen Blendenlinse, ist die Raumwinkelaufnahme um das Quadrat des Verhältnisses der betreffenden Objektenentfernung größer, verglichen mit der Sektorlinse allein.

In allen Fällen jedoch ist die Abweichungszunahme im Vergleich zu denjenigen der Sektorfeldlinsen allein um eine Größenordnung kleiner als die Abweichungen der Sektorfeldlinse und folglich bei den meisten Anwendungen von keiner praktischen Auswirkung.

Die Größe des Primär-Ionenstrahls an seinem Auftreffmittelpunkt auf der Materialprobe bestimmt das Auflösungsvermögen des Analysator und dies kann im Vergleich mit dem bisher erzielten Auflösungsvermögen gestellt werden. Die durch das Spektrometer geschossenen Ionen werden einfach demoduliert und nicht zur Erzeugung eines vergrößerten lonenbildes der erregten Oberfläche der Materialprobe verwendet. Es können somit verhältnismäßig große Streuungen ohne ins Gewicht fallenden Verlust des Auflösungsvermögens im Spektrometer toleriert werden, so daß es möglich ist, ein Spektrometer mit einer großen Öffnung zu verwenden, womit ein verhältnismäßig großer Anteil sekundärer Ionen in das Spektrometer gerichtet und von diesem analysiert werden kann.

Fig.2 zeigt die Ausführung einer sektorförmigen Feldlinse. Es bezeichnen hierbei die gleichen Zahlen die gleichen Teile. Hinter einer Strahlenquelle 26 ist eine Vorrichtung 32 zur Erzeugung von elektrischen Äquipotentialen vorgesehen. Mechanische Einstellmoglichkeiten über kugelgelagerte Linsen 34, 38 gestatten die Fortleitung des Strahls entlang der Mittellinie durch eine Eingangsöffnung 40 und zu inneren Begrenzungsflächen 42,44 der sektorförmigen Feldlinse

Das Gehäuse 46 dieser Linse umschließt die eigentliche Linse, die in Halterungen 48 gehalten wird.

Gemäß Fig.4 und 5 umfaßt ein Analysator eine Ionenquelle 110, die von irgendeiner erwünschten Art sein kann. Sie kann z. B. aus einem Gefäß bestehen, das eine Atmosphäre eines Edelgases, wie z. B. Argon, unter einem Druck von ein paar wenigen Mikron Quecksilbersäule enthält. Elektroden (nicht dargestellt) innerhalb des Gefäßes werden zur Erzeugung einer Niederspannungslichtbogenentladung durch das Gas zur Hervorbringung von Ionen erregt, wobei die positiven durch eine Öffnung 112 in einen verhältnismäßig hoch evakuierten Abschnitt des Analysator entweichen. Die Ionenquelle 110 wird passenderweise unter einem verhältnismäßig hohen positiven Potential gehalten, etwa 20 kV in bezug auf Erdung, und die Ionen werden über eine geerdete Beschleunigungselektrode 114 von der Öffnung 112 weg gegen eine Filtervorrichtung 116 > beschleunigt.

Die von der Öffnung 112 ausgestrahlten Ionen enthalten keinen größeren Anteil der Ionen des Edelgases, aber zugleich auch einen geringen Anteil verunreinigter Ionen, die von Gasen herrühren, welche von den Wandungen des das Gas umgebenden Gefäßes sowie von Teilchen herrühren, die von den den Lichtbogen erzeugenden Elektroden abgesprüht werden. Zweck dieser Filtervorrichtung 116 ist es, die Fremdionen von den Ionen des Edelgases abzulenken ,ο und die Edelgasionen in wesentlicher reiner Form in einer Richtung gegen die zu analysierende Materialprobe 124 zu konzentrieren. Wie dargestellt, besteht der Filter 116 aus einem keilförmigen magnetischen Sektorfeld, dessen Symmetrieebene in der Ebene der (5 Zeichnung liegt und das sich gegen die Ionenquelle 110 verjüngt. Ein derartiges Feld stellt sich sowohl in der Symmetrieebene als auch in der Richtung senkrecht dazu scharf ein, so daß die erwünschten Ionen mit gewähltem Moment aus diesen längs parallelen Wegen austreten.

Nachdem die Edelgasionen durch den Filter verlaufen sind, durchstreichen sie eine elektrische Äq.'ipotcntialünse 118. Diese Linse 118 erzeugt ein lonenbilcl IVs der Öffnung 112, das ungefähr um das

4.s Zehnfache des Durchmessers verkleinert ist. Die Linse 118 kann auch als Kondensatoriinse bezeichnet werden. Ein Teil der von der Kondensatorlinse 118 austretenden Ionen wird von einer Objektivlinse 122 aufgenommen, die wie dargestellt, ebenfalls eine Äquipotentiallinse ist

so und oft auf der Oberfläche der zu analysierenden Materialprobe 124 eine weitere Verkleinerung erzeugt. Der Ionenstrahl wird somit gereinigt und auf eine Stelle auf der Oberfläche der Materialprobe konzentriert, die ungefähr '/ioo des Durchmessers der lonenöffnung s> beträgt, so daß ζ. B. eine Fläche von ungefähr nur einem Mikron Durchmesser vom 'onenstrahl beschossen wird, wenn die Öffnung 112 ungefähr 0,1 mm Durchmesser hat

Oberhalb der Objeküvlinse 122 befindet sich ein do Ablenkplattenpaar 126 zur Ablenkung des Ionenstrahl in zwei Koordinatenrichtungen. Der Ionenstrahl kann somit eine ausgewählte Fläche der Materialprobe abtasten.

Wo immer der Ionenstrahl auf die Materialprobe auftritt, werden Teilchen der Materialprobe von der Oberfläche absprühen. Diese Teilchen sind vorherrschend neutrale Atome entsprechend der Zusammensetzung der Materialprobe. Ein kleiner Bruchteil der

abgespritzten Teilchen jedoch besteht aus positiven Ionen. Die Materialprobe wird unter einem positiven Potential gehalten, das typischerweise 2,5 kg/Volt in bezug zur Erdung (Erde) beträgt, so daß die ausgestrahlten posiiiven Ionen über die geerdete Elektrode 128 gegen ein Massenspektrometer beschleunigt werden, weiches im allgemeinen durch 130 gekennzeichnet ist. Auf Grund der geringen Größe der ionenausstrahlenden Stelle auf der Oberfläche der Materialprobe braucht man keinen Eintrittsschlitz für das Massenspektrometer.

Das Spektrometer 130 besitzt eine doppelte Scharfeinstellung, was besagt, daß das Spektrometer gleichzeitig sowohl eine Winkel- als auch eine Energiescharfeinstellung erzeugt. Es handelt sich um stigmatische Bilderzeugung, d. h., daß der GauBsche Bildpunkt oder der Bildpunkt erster Ordnung in der radialen Ebene (die Ebene der Krümmung des mittleren Teilchenwegs 136, die zugleich die Ebene der Zeichnung darstellt) mit dem Bildpunkt erster Ordnung auf der axialen Ebene (der Ebene durch den mittleren Teilchenweg am Bildpunkt, die senkrecht zur Radialebene verläuft) zusammenfällt. Das Spektrometer besitzt ebenfalls einen verhältnismäßig großen Aufnahmewinkel. Diese Merkmale tragen zu einem verhältnismäßig hohen lonenübertragungsfaktor bei, wodurch die Analyse eines verhältnismäßig großen Anteils der von der Materialprobe 124 ausgestrahlten Ionen ermöglicht und somit eine hohe Empfindlichkeit geschaffen wird.

Das erste Bestandteil des Massenspektrometers 130 ist eine elektrische Äquipotentiallinse 132, die von der Beschleunigungselektrode 128 aus Ionen auf einen gekrümmten, ringförmigen Kondensator 134 richtet, worin der mittlere Teilchenweg 136 um einen Winkel von ungefähr 45° abgelenkt wird. Die Eintrittsöffnung des Kondensators 134 wird von einer Blende 135 definiert, die vorzugsweise einstellbar ist, um somit die Einstellung des Auflösungsvermögens und der Empfindlichkeit dieses Spektrometers zu gestatten. Der Kondensator 134 wirkt als Energiefilter, um die Ionen gemäß ihren betreffenden Energien abzulenken. Ionen mit Energien innerhalb eines ausgewählten Bereiches verlaufen dann durch eine Blende 138, den Energiewähler, der ebenfalls vorzugsweise verstellbar ist und nur den Ionen im ausgewählten Energiebereich den Zutritt in ein keilförmiges, magnetisches Sektorfeld 140 ermöglicht. Das magnetische Sektorfeld 140 lenkt die Ionen gemäß ihrer betreffenden Momente oder Massen ab und bewirkt eine Scharfeinstellung von Ionen einei gewählten Masse auf die Austrittsöffnung 142, deren Breite ebenfalls vorzugsweise verstellbar ist. Die Breite der Austrittsöffnung 142 bestimmt das Masseauflösungsvermögen des Spektrometers. Dieses Auflösungsvermögen wird ebenfalls von den Größen der Eintrittsöffnung in der Blende 135 und der der Wähleröffnung in der Blende 138 bestimmt. Während des Betriebes werden all diese öffnungen für gewöhnlich miteinander eingestellt, um ein maximales Auflösungsvermögen zu erreichen, das mit einer erwünschten Empfindlichkeit übereinstimmt. (>o

Ionen, die durch die Austrittsöffnung 142 verlaufen, treffen auf den Empfänger 144 eines Sekundärelektronenverstärkers 146, der entsprechend der Intensität des beim Empfänger 144 ankommenden lonenstromes ein elektrisches Signal erzeugt. Dieses Signal kann auf <>s einem Meßinstrument wiedergegeben werden oder — wie dargestellt — wird vorzugsweise verstärkt und verwendet, um die Intensität des Elektronenstrahls eines Oszilloskopes 148 zu modulieren.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Strahlablenkung des Oszilloskopen 148 mit der Ablenkung des primären Ionenstrahl in beiden Koordinatenrichtungen synchronisiert, so daß beim Abtasten einer ausgewählten Fläche der Materialprobe durch das beschießende lonenbündel der Bildschirm des Oszilloskopen ein vergrößertes Bild darstellen wird. Dieses vergrößerte Bild zeigt die Verteilung eines gewählten Elements oder eines Isotops auf der Oberfläche der Materialprobe, wobei Unterschiede in Konzentration von Punkt zu Punkt durch Helligkeitsunterschiede aufgezeigt werden. Das betreffende Element oder die Isotope werden durch passende Absstimmung des Massenspektrometers nach bekannten Grundlagen gewählt.

Zwischen der zweiten Beschleunigungselektrode 128 und dem Eingang zum Massenspektrometer 130 befindet sich vorzugsweise ein Nebensatz von Ablenkplatten 150, um das Auflösungsvermögen der Mikrosonde auf ein Höchstmaß zu erhöhen, und zwar durch Kompensierung der Auswirkung, die durch das Abtasten der Oberfläche der Materialprobe mittels des Beschießungsstrahls entsteht. Beim NichtVorhandensein von Neben-Ablenkplatten 150 wird sich der Bündelknoten des sekundären Ionenstrahl an der Austrittsöffnung 142 des Massenspektrometers bewegen, sowie der primäre oder Beschießungsstrahl die Materialprobenoberfläche abtastet, und es wäre notwendig, daß die Austrittsöffnung 142 genügend erweitert wird, um diese Bewegung zu ermöglichen. Eine Vergrößerung der Austrittsöffnung 142 würde das Massenauflösungsvermögen des Spektrometers verringern. Die Anbringung von Neben-Ablenkungsplatten 150 macht die Vergrößerung der Austrittsöffnung 142 hinfällig, da durch die synchrone Erregung der Neben-Ablenkplatten 150 und der primären Ablenkplatten 126 der Bündelknoten an der Austrittsöffnung 142 ruhig gehalten werden kann.

Zur Erhöhung der lonenausstrahlung der Materialprobe 124 ist eine Elektronenschleuder 152 vorgesehen. Nur ein kleiner Bruchteil der von der Materialprobe in Erwiderung auf die lonenbeschießung abgespritzten Teilchen verlassen die Materialprobe 124 in einem ionisierten Zustand. Die meisten der abgespritzten Teilchen sind in Form von neutralen Atomen und Molekülen. Gemäß der Erfindung ist die Elektronenschleuder 152 seitlich gegen das lonenbündel versetzt und so angeordnet, um einen Elektronenstrahl auf die Fläche der unter Prüfung stehenden Materialprobe 124 zu richten. Durch geeignete Wahl der Größe des Elektronenstrahls, des Stroms und der Energie, die passenderweise getrennt für jeden der der Analyse unterworfenen Bestandteile durch Ausprobieren ermittelt werden, kann ein wesentlicher Anteil der versprühten neutralen Teilchen durch den Elektronenbeschuß ionisiert werden, womit die Menge der für die Analyse zur Verfügung stehenden Ionen weiter vermehrt wird.

Typische Betriebsspannungen (alle relativ zur Er dung) der verschiedenen Elemente der Mikrosonde sine in der Zeichnung angegeben. Diese Werte stellen be der Ausübung der Erfindung keine beschränkender Faktoren dar, sondern wurden als innerhalb optimale! Bereiche für eine Ionenmikrosonde liegend gefunden, ii der die verschiedenen Elemente folgende, betreffende angenäherte Abmessungen und Abstände haben:

Entfernung von der lonenauslaßöffnung 112 zum Filter 116:
Mittlerer Krümmungsradius des mitt-

127 mm

leren Ionenweges durch den Filter 116: Abstand zwischen den betreffenden Mittelelektroden der Äquipotentiallinsen 118 und 126:
Abstand zwischen den Mittelelektroden der zweiten Äquipotentiallinse 126 und der Materialprobe 124: Mittlerer Krümmungsradius des Kugelkondensators 134: Die Einlaßöffnung 135 und die Wähler-

17	98	021 (P 8	1 mm bis
140 mm		blende 138:	etwa 10 mr
		verstellbar von ungefähr	Durchmess

254 mm
	5	Durchschnittlicher Radius des	140 mm
		mittleren Ionenweges durch das
25,4 mm		magnetische Sektorfeld 140:	1,2 mmunc
		Breite der Auslaßöffnung 142:	10 Mikron
254 mm		verstellbar zwischen
	IO

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zur Bündelung von auf einen ausgewählten Oberflächenabschnitt einer Materialprobe gerichteten Primärionenstrahl eines Mikroanalysators mit zwei elektrischen Linsen, die als Kondensator- und als Objektivlinse im Stahlengang zwischen einer Ionenquelle und der Materialprobenoberfläche dienen, dadurch gekennzeichnet, daß in ^!0 den genannten Strahlengang weiter eine an sich bekannte Sektorlinse (140) angeordnet ist, die die Ionen aufgrund ihrer Masse trennt.