DE10253886A1

DE10253886A1 - Materialanalytisches Messverfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Kohlenstoffkonzentrationen

Info

Publication number: DE10253886A1
Application number: DE10253886A
Authority: DE
Inventors: Peter-Joachim Wilbrandt; Reiner Kirchheim; Jürgen Gegner
Original assignee: Georg August Universitaet Goettingen; SKF AB
Current assignee: Georg August Universitaet Goettingen; SKF AB
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: DE10253886B4

Abstract

Materialanalytisches Messverfahren, insbesondere zur Bestimmung von Kohlenstoffkonzentrationen, wobei eine Beschichtung (19) einer Probe (1) mit Sputter-Ionen (2) erfolgt, die Probe (1) einer abwechselnden Beaufschlagung mit einem Sputter-Ionenstrahl (3), bestehend aus Sputter-Ionen (2), und einem Analyse-Ionenstrahl (6), bestehend aus Analyse-Ionen (5), ausgesetzt wird und von der Probe (1) emittierte Sekundär-Ionen (8) einer Detektionsvorrichtung (10) zugeführt und analysiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein materialanalytisches Messverfahren, insbesondere zur Bestimmung von Kohlenstoffkonzentrationen, wobei eine Beschichtung einer Probe mit Sputter-Ionen erfolgt, die Probe einer abwechselnden Beaufschlagung mit einem Sputter-Ionenstrahl bestehend aus Sputter-Ionen und einem Analyse-Ionenstrahl bestehend aus Analyse-Ionen ausgesetzt wird, und von der Probe emittierte Sekundär-Ionen einer Detektionsvorrichtung zugeführt und analysiert werden.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des oben erwähnten materialanalytischen Messverfahrens umfassend eine Innenquelle, eine Probenaufnahme und eine Detektionsvorrichtung.
In der werkstofftechnischen Praxis besteht häufig die Notwendigkeit, Kohlenstoffkonzentrationen, insbesondere Kohlenstofftiefenverläufe, quantitativ zu charakterisieren. Dabei werden Kohlenstofftiefenverläufe typischerweise über mehrere zehn Mikrometer bis einige Millimeter er mittelt. Ein gängiges Verfahren zur Abschätzung des Tiefenverlaufes der Kohlenstoffkonzentration ist beispielsweise die metallographische Querschliffgefügeuntersuchung, bei der im Mikroskop feine Merkmale unterschieden werden müssen. Dieses lediglich qualitative Verfahren ist jedoch sehr subjektiv und hängt stark von der Erfahrung des Ausführenden ab.
Auch sind Verfahren bekannt, bei denen durch spezielle Schichtabtragungstechniken nach und nach tiefere Schichten der Probe zur Untersuchung freigelegt werden. Dazu gehört unter anderem die sehr verbreitete Glimmentladungsspektroskopie. Jedoch weist dieses Verfahren ein schlechtes laterales Auflösungsvermögen auf. Dazu kommt, dass speziell bei der Glimmentladungsspektroskopie das Probenmaterial bevorzugt am Rand des zu untersuchenden Bereiches abgetragen wird und somit auch das Auflösungsvermögen in der Tiefe begrenzt wird.
Des weiteren ist für die Bestimmung von Kohlenstofftiefenverläufen an Querschliffen die Verwendung von punktanalytischen Mikrosondentechniken bekannt. Hierbei ist jedoch problematisch, dass die Ergebnisse durch Kontamination der Probenoberfläche stark verfälscht werden.
Aus der Oberflächenphysik ist es bekannt, Bestandteile einer Probe mit Hilfe von Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) zu analysieren. Diese Methode zeichnet sich durch eine sehr große Empfindlichkeit bis in den ppm-Bereich aus. Bei der Sekundärionenmassenspektrometrie wird ein Ionenstrahl (Primär-Ionen) auf die Probenoberfläche geschossen. Die Primär-Ionen geben ihre kinetische Energie an die Atome innerhalb der Probe ab und bewirken, dass diese von der Probe emittiert werden. Ein Teil dieser emittierten Partikel ist ionisiert (Sekundär-Ionen), so dass diese Partikel mit Hilfe eines Massenspektrometers detektiert werden können. Das laterale Auflösungsvermögen hängt hierbei von dem Strahldurchmesser des Primär-Ionenstrahles ab. Üblicherweise werden zur Detektion der Sekundär-Ionen Quadrupolmassenspektrometer oder magnetische Sektorfeldmassenspektrometer verwendet, bei denen Parti kel mit unterschiedlichen Masse/Ladungs-Verhältnissen auf unterschiedlich großen Kreisbahnen abgelenkt werden. Teilchen mit verschiedenen Masse/Ladungs-Verhältnissen können daher nicht gleichzeitig detektiert werden.
Im Gegensatz dazu ist es möglich, mit Hilfe eines Flugzeitmassenspektrometers (TOF-SIMS) alle emittierten Ionen parallel zu detektieren. Flugzeitmassenspektrometer können daher auch dazu verwendet werden, die chemische Zusammensetzung von Materialien zu analysieren. Die emittierten Sekundärionen durchlaufen nach einer Beschleunigung eine definierte Flugstrecke, bis sie auf einen Ionenanalysator treffen. Da alle Ionen derselben Beschleunigung ausgesetzt sind, unterscheiden sich die Flugzeiten für verschieden schwere Ionen. Die Flugzeit t ist somit ein Maß für die Masse m der detektierten Ionen ( t ∝ √m ). Die Ionenquelle wird dabei gepulst betrieben, d.h. der Primärionenstrahl wird für eine bestimmte Zeit (Totzeit) unterbrochen, da sonst die durch den ersten Ionenpuls ausgelösten langsamen Sekundär-Ionen nicht von den durch den nächsten Ionenpuls ausgelösten schnellen Sekundär-Ionen unterschieden werden können. Durch die zeitverzögerte Detektion von Ionen unterschiedlicher Masse weist ein Flugzeitmassenspektrometer ein hohes Massenauflösungsverhältnis auf. Wenn ein hohes laterales Auflösungsvermögen erforderlich ist, werden als Ionenquellen Gallium-Ionenkanonen verwendet, da diese einen stark fokussierten Ionenstrahl erzeugen können (laterales Auflösungsvermögen: ca. 100 nm im gepulsten Betrieb).
Die Intensität des Mess-Signals hängt stark von der Ionisationswahrscheinlichkeit der Sekundär-Ionen und somit von der Art des zerstäubten Materials und vor allem von der Art der verwendeten Primär-Ionen ab. Für Kohlenstoff werden nach Storms et a1. (H. A. Storms, K. F. Brown and J. D. Stein, Analytical Chemistry 49, 1977, p. 2023-2030) die größten Ionenausbeuten beim Beschuss der Probe mit Caesium-Ionen erzielt. Caesium-Ionenquellen sind jedoch nicht so gut fokussierbar wie Gallium-Ionenquellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein quantitatives, materialanalytisches Verfahren vorzuschlagen, mit welchem es möglich ist, hochsensitive Messungen von Kohlenstoffkonzentrationen mit einer hohen lateralen Auflösung durchzuführen. Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vorzuschlagen, die hinsichtlich der Bedienungsfreundlichkeit, des Aufwandes und der Kosten optimiert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 20 gelöst.
Das materialanalytische Messverfahren zur Bestimmung von Kohlenstoffkonzentrationen basiert auf der aus der Oberflächenphysik bekannten Sekundärionenmassenspektrometrie. Die grundlegende Idee dabei ist, das bekannte Sekundärionenmassenspektrometrie-Verfahren derart zu modifizieren, dass einerseits Einfluss auf die Ionisationswahrscheinlichkeit des zu untersuchenden Elements genommen werden kann und andererseits gleichzeitig ein hohes laterales Auflösungsvermögen erreicht wird.
Zur Erhöhung der Ionisationswahrscheinlichkeit wird eine zu untersuchende Probe mit Sputter-Ionen beaufschlagt, wodurch eine Abscheidung der Sputter-Ionen auf der Oberfläche der Probe bewirkt wird. Diese Abscheidung beeinflusst die Ionisationswahrscheinlichkeit der in der Probe vorhandenen Elemente. Zusätzlich werden bei diesem Prozess Verunreinigungen an der Probenoberfläche beseitigt. Der eigentliche, darauffolgende Messprozess beinhaltet die Beaufschlagung der Probe mit Analyse-Ionen (Primär-Ionen). Bei der Wahl der Analyse-Ionen liegt das Augenmerk auf der Verwendung eines möglichst stark fokussierbaren Ionenstrahls, um eine gute laterale Auflösung zu erreichen. Die auf die Probe auftreffenden Primär-Ionen geben ihre kinetische Energie an in der Probe vorhandene Atome ab und bewirken, dass Atome und Ionen (Sekundär-Ionen) aus der Probe ausgelöst (emittiert) werden. Diese werden beispielsweise durch elektrische Felder einer Detektionseinheit zugeführt und analysiert. Um einer Verarmung an Sputter-Ionen auf der Probenoberfläche entgegenzuwirken, erfolgt die Beaufschlagung der Probe mit Analyse-Ionen im Wechsel mit einer Beaufschlagung der Probe mit Sputter-Ionen. Durch diese kombinierte Analyse/Sputter-Ionen-Beaufschlagung wird sichergestellt, dass sich immer eine ausreichende Anzahl an Sputter-Ionen auf der Probenoberfläche befindet. Somit ist es also möglich, die Ionisationswahrscheinlichkeit des zu untersuchenden Elements durch die Konzentration der Sputter-Ionen auf der Probenoberfläche zu beeinflussen, während die laterale Auflösung alleine durch den Durchmesser des Analyse-Ionenstrahls bestimmt wird.
Die abwechselnde Beaufschlagung der Probe mit den Sputter-Ionen bzw. mit den Analyse-Ionen erfolgt vorzugsweise mit einer Frequenz im Kilohertzbereich. Dabei hat sich eine Beaufschlagungsfrequenz von 10 kHz bewährt. Bei entsprechend ausgestatteten Geräten sind auch Frequenzen bis 50 kHz möglich.
Um Verfälschung der Messergebnisse durch Kontaminationen der Probenoberfläche zu vermeiden, hat es sich als günstig erwiesen, die Probe vor Messbeginn (z.B. über Nacht) durch eine Beaufschlagung mit Sputter-Ionen zu reinigen.
Die Beaufschlagung der Probe mit Sputter-Ionen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Sputter-Ionenquelle, wohingegen die Beaufschlagung der Probe mit Analyse-Ionen mit Hilfe einer Analyse-Ionen-quelle erfolgt.
Da das Verfahren auf die Messung von Kohlenstoffkonzentrationen ausgelegt ist, erweist es sich als vorteilhaft, als Sputter-Ionenquelle eine Caesiumkanone zu verwenden. Somit werden beim Sputtern also Caesium-Ionen auf der Probenoberfläche abgeschieden und erhöhen die Ionisationswahrscheinlichkeit der in der Probe vorhandenen Kohlenstoff-Atome. Als Energie der Caesium-Ionen hat sich ein Wert von 1keV bewährt.
Besonders vorteilhaft ist es, als Analyse-Ionenquelle eine Gallium-Ionenkanone zu verwenden, da sich Gallium-Ionen (ca. 15-25 keV) gut fokussieren lassen und man somit Messwerte mit hoher Ortsauflösung bekommen kann.
Die Sputter-Ionen (Caesium-Ionen) dienen also, alleine durch ihre Anwesenheit auf der Oberfläche der Probe, zur Erhöhung der Ionisationswahrscheinlichkeit, während die Analyse-Ionen (Gallium-Ionen) dafür zuständig sind, aus einem wohldefinierten Bereich der Probe Sekundär-Ionen auszulösen, welche schließlich detektiert werden sollen. Auf diese Weise wird auch bei lateral hochaufgelöster Analyse mit Gallium-Ionen die optimale Ionisationswahrscheinlichkeit von Kohlenstoff durch Caesium-Ionen garantiert.
Vorzugsweise werden die Ionenquellen bei der Flugzeitmassenspektrometrie gepulst betrieben, wobei die Pulszyklen der Analyse- und der Sputter-Ionenquelle phasenverschoben sind. So erfolgt während der Unterbrechung des Analyse-Ionenstrahls eine Beaufschlagung der Probe mit den Sputter-Ionen und umgekehrt.
Um zu vermeiden, dass aufgrund des Beschusses der Probe mit Sputter-Ionen emittierte Sekundär-Ionen detektiert werden, hat sich die Verwendung eines Flugzeitmassenspektrometers (TOF-SIMS) als vorteilhaft erwiesen. Die Verwendung eines TOF-SIMS bringt es mit sich, dass bedingt durch die Laufzeit der Ionen die Detektion der Ionen nicht permanent durchgeführt werden kann, sondern man eine gewisse Totzeit in Kauf nehmen muss. Diese im Allgemeinen eher negative Eigenschaft kann hier vorteilhaft dazu genutzt werden, von Sputter-Ionen ausgelöste Sekundär-Ionen auszublenden, so dass lediglich die aufgrund des fokussierten Analyse-Ionenstrahls von der Probe emittierten Sekundär-Ionen detektiert werden. Des weiteren besteht bei der Verwendung eines TOF-SIMS die Möglichkeit, weitere in der Probe vorhandene Elemente zu detektieren.
Das bisher beschriebene Verfahren ermöglicht durch die abwechselnde Beaufschlagung der Probe mit Sputter- und Analyse-Ionen mittels zweier Innenquellen (Sputter- bzw. Analysequelle) die Messung von Kohlenstoffkonzentrationen mit großer Genauigkeit und maximalem lateralem Auflösungsvermögen. Dabei ist die Verwendung eines handelsüblichen TOF-SIMS vorgesehen.
Um die Verwendung eines Sekundärionenmassenspektrometrie-Verfahrens auch für die industrielle Laborpraxis als Standardverfahren attraktiv zu machen, wird eine speziell für diesen Bereich optimierte Variante des oben beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen. Dabei liegt das Augenmerk auf der Realisierung der Erfordernisse der industriellen Praxis, einer vereinfachten Durchführung des Verfahrens und einer Kostenreduzierung.
Das vereinfachte Verfahren basiert, wie das bereits oben beschriebene Verfahren, auf dem abwechselnden Beschuss einer Probe mit Sputterund Analyse-Ionen, wobei jedoch hier lediglich eine einzige Ionenquelle zur Beaufschlagung der Probe sowohl mit Sputter- als auch mit Analyse-Ionen verwendet wird. Bei den Sputter- und Analyse-Ionen handelt es sich hier also um dieselbe Ionenart. Die Beaufschlagung der Probe mit Sputter-Ionen unterscheidet sich von der Beaufschlagung der Probe mit Analyse-Ionen durch die Anzahl der Ionen pro Flächeneinheit und eventuell durch die Energie der Ionen, so dass bei Beaufschlagung der Probe mir Sputter-Ionen eine Abscheidung der Sputter-Ionen auf der Probenoberfläche erfolgt, während bei der Beaufschlagung der Probenoberfläche mit Analyse-Ionen möglichst viele Sekundär-Ionen emittiert werden sollen.
Vorzugsweise findet bei dieser Verfahrensvariante die Beaufschlagung der Probe mit Sputter- und Analyse-Ionen nacheinander mit einer ungepulst betriebenen Ionenquelle statt.
Für die Messung von Kohlenstoffkonzentrationen bietet es sich an, die Probe mit Caesium-Ionen zu beaufschlagen, da diese eine sehr hohe Ionisationswahrscheinlichkeit für Kohlenstoffatome aufweisen. Zwar lässt sich ein Caesium-Ionenstrahl nicht so stark fokussieren wie beispielsweise ein Gallium-Ionenstrahl, jedoch sind in der industriellen Praxis die Anforderungen an das Auflösungsvermögen weniger hoch als in der Forschung und Entwicklung. So ist beispielsweise für die Vermessung von Kohlenstofftiefenprofilen ein laterales Auflösungsvermögen von ca. einem Mikrometer völlig ausreichend. Dies kann mit einer entsprechend optimierten Caesium-Ionenquelle ohne weiteres realisiert werden.
Um eine abwechselnde Beaufschlagung der Proben mit Sputter- bzw. Analyse-Ionen mit Hilfe einer einzigen Ionenquelle zu realisieren, ist es vorteilhaft, wenn die Ionenquelle in verschiedenen Modi betrieben werden kann, d.h. wenn die Strahlaufweitung des Ionenstrahls variabel ist. Die Beaufschlagung der Probe mit Sputter-Ionen findet vorzugsweise in einem defokussierenden Modus der Ionenquelle statt, d.h. der Ionenstrahl ist stark aufgeweitet und bestrahlt einen großen Bereich der Probenoberfläche. Zur Beaufschlagung der Probe mit Analyse-Ionen hingegen ist es vorteilhaft, wenn der Ionenstrahl stark fokussiert ist, so dass die von der Probe emittierten Sekundär-Ionen aus einem möglichst kleinen definierten Bereich der Probe austreten. Dies ist notwendig, um Informationen über die örtliche Verteilung der Sekundärionen-Konzentration innerhalb der Probe zu bekommen. Ein solche Fokussierung bzw. Defokussierung des Ionenstrahls kann beispielsweise mit Hilfe von elektrischen und/oder magnetischen Linsensystemen erfolgen. Dabei kann die Ionenquelle permanent Ionen emittieren, so dass die Ionenquelle nicht in einem gepulsten Modus betrieben werden muss.
Da für die spezielle Anwendung des Verfahrens zur Analyse von Kohlenstoffkonzentrationen lediglich die Detektion einer Ionensorte (C-Ionen) erfolgt und somit kein besonders hohes Massenauflösungsvermögen notwendig ist, erweist es sich vor allem aus Kostengründen als vorteilhaft, die Sekundär-Ionen mittels eines Quadrupolmassenspektrometers zu detektieren.
Bei jeder der bisher beschriebenen Verfahrensvarianten ist es möglich, eine gezielte Analyse ausgewählter Probenbereiche durchzuführen. Dies kann durch die Verwendung verschiedener Ionenquellen für die Beaufschlagung der Probe mit Sputter- bzw. Analyse-Ionen realisiert werden oder aber durch die Verwendung einer einzigen Ionenquelle, welche in unterschiedlichen Modi (fokussierend und defokussierend) betrieben werden kann.
Die minimale Ausdehnung der ausgewählten Probenbereiche wird dabei vom Durchmesser des Ionenstrahls der Analyse-Ionenquelle bestimmt.
Um Informationen über die Kohlenstoffkonzentration in der Probe zu bekommen, welche sich nicht nur über eine Fläche erstreckt, die dem Querschnitt des Ionenstrahls entspricht, ist es bei jeder der bisher beschriebenen Verfahrensvarianten günstig, die Probe während der Bestrahlung mit dem Analyse-Ionenstrahl abzurastern. Somit ist also eine definierte Vergrößerung des zu analysierenden Bereichs möglich. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Probe und die Ionenquelle gegeneinander verfahren werden.
In einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens erfolgt die Abrasterung entlang einer Linie senkrecht zum Profilverlauf, also senkrecht zu der Richtung, in der die Veränderung des zu detektierenden Elements gemessen werden soll. Dies hat sich besonders bei Verwendung des Verfahrens zur Vermessung von Tiefenprofilen bewährt. Dabei können der Ionenstrahl und die Probe so gegeneinander verfahren werden, dass der Ionenstrahl immer wieder dieselbe Linie auf der Probenoberfläche durchfährt. Damit lokale Inhomogenitäten die Messergebnisse nicht verfälschen, kann die Kohlenstoffzählrate in einem breiten Streifen von beispielsweise 150 × 1 μm gemessen werden. Der Kohlenstoffgehalt wird anhand der auf die Matrix (umgebendes Material) bezogenen Zählraten für diese Ionenart bestimmt (Relativmessverfahren).
In einer Variante kann das Verfahren zur Untersuchung von räumlich weit ausgedehnten Profilen mit Ausdehnungen bis zu einigen Millimetern angewendet werden. Für derartige Untersuchungen wird aus der zu untersuchenden Probe ein Probenquerschnitt präpariert. Durch Rasterung des Innenstrahls entlang des Probenquerschnittes können somit Tiefenprofile mit makroskopischem Ausmaß vermessen werden.
Zusätzlich erhält man durch den Materialabtrag, den das Verfahren mit sich bringt (Emission der Sekundär-Ionen), an der zu untersuchenden Probenstelle ein immer weiter in die Tiefe gehendes Linienprofil (Tiefenprofil). Die Tiefenauflösung liegt hierbei in einem Bereich von einigen Nanometern.
Das materialanalytische Messverfahren findet vorzugsweise in der Qualitätssicherung Anwendung, z.B. zur Kontrolle von Aufkohlungen oder Randentkohlungen bei Austenitisierung. Ein weiteres Gebiet, in welchem das Verfahren angewendet werden kann, stellt die Prozessoptimierung, z.B. bei Aufkohlungsprozessen, dar.
Des weiteren wird eine Analysevorrichtung vorgeschlagen, mit welcher das zuvor beschriebene Verfahren bei weitaus geringerem Anschaffungspreis und wesentlich erleichterter Bedienung verglichen mit konventionell erhältlichen Apparaturen durchführbar ist. Dadurch wird der industrielle Einsatz der Vorrichtung als Standardausrüstung, beispielsweise in der Härtereitechnik zur Qualitätskontrolle und Prozessoptimierung, in der Eisenhütten- und Werkstofftechnik und den Bereichen Forschung und Entwicklung möglich.
Die Vorrichtung stellt eine für die Messung von Kohlenstoffkonzentrationen optimierte Variante eines Sekundärionenmassenspektrometers dar, welches den Erfordernissen des beschriebenen Verfahrens angepasst ist.
Die Vorrichtung zur Durchführung des materialanalytischen Messverfahrens umfasst eine Ionenquelle, eine Probenaufnahme und eine Detektionsvorrichtung, wobei die Ionenquelle sowohl als Analyse- als auch als Sputter-Ionenquelle dient. Die Verwendung einer einzigen Ionenquelle, welche sowohl zur Beaufschlagung der Probe mit Analyse- als auch mit Sputter-Ionen dient, stellt eine drastische Kostenreduktion gegenüber einer konventionellen Vorrichtung dar, welche mit separaten Innenquellen für den Sputter- und den Analyseprozess ausgestattet ist.
Für die Anwendung bei der Messung von Kohlenstofftiefenprofilen wird dabei vorzugsweise eine Caesium-Ionenquelle verwendet.
Um einen für das Verfahren erforderlichen Beschuss der Probe mit Sputter- und Analyse-Ionen zu realisieren, ist es vorteilhaft, wenn die Ionenquelle sowohl fokussierbar als auch defokussierbar ist. Dazu kann die Vorrichtung beispielsweise mit elektrischen und/oder magnetischen Linsen ausgestattet sein. Im defokussierenden Modus hat die Ionenquelle die Funktion einer Sputter-Ionenquelle, wohingegen im fokussierenden Modus die Ionenquelle als Analyse-Ionenquelle fungiert.
Um eine Justierung der Probe zu ermöglichen, ist die Probenaufnahme vorzugsweise mehrachsig ausgeführt. Vorteilhaft bezüglich der Kostenreduktion ist es, wenn die Probenaufnahme lediglich vier Achsen aufweist. Dies beinhaltet Verstellmöglichkeiten in x-, y- und z-Richtung, sowie die Rotation um eine der Achsen. Auf eine neigbare Ausführung der Probenaufnahmen, wie sie in konventionellen SIMS-Geräten zu finden sind, kann verzichtet werden. Weiterhin kann, wenn die Proben entsprechend präpariert werden, auf die Verstellmöglichkeiten in z-Richtung und auf die Rotation verzichtet werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Vorrichtung mit einem kostengünstigen Quadrupolmassenspektrometer ausgestattet. In dem für die Erfindung relevanten Anwendungsgebiet geht es darum, die Konzentration eines einzigen Elements (Kohlenstoff) zu detektieren. Dies bedeutet, dass auf ein hohes Massenauflösungsvermögen verzichtet werden kann. Die Verwendung eines Flugzeitmassenspektrometers oder eines magnetischen Spektrometers ist daher nicht notwendig und würde lediglich die Kosten und den Bedienungsaufwand erhöhen.
Da kommerziell erhältliche SIMS-Apparaturen einen möglichst breiten Anwendungsbereich abdecken sollen, sind diese mit aufwendigen Gerätekomponenten versehen, wie z.B. üblicherweise mehreren Innenquellen, einer fünfachsigen Probenaufnahme und einem Massenspektrometer. Sie sind daher sehr teuer in der Produktion und können nur von Fachpersonal bedient werden. Dies verhindert eine Verbreitung im Bereich des industriellen Laborstandards. Durch die neuartige Gerätekonzeption der beschriebenen Vorrichtung wird der Herstellungspreis wesentlich gesenkt. Eine Vorrichtung in der beschriebenen Ausführung wird damit einen Anschaffungspreis von etwa einem Drittel bis der Hälfte der heute kommerziell erhältlichen SIMS-Geräte aufweisen. Zusätzlich erlaubt die einfachere Bedienung vor allem Einsparungen bei den Personalkosten des Anwenders und ermöglicht so die Anwendung des materialanalytischen Verfahrens mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung im größeren Rahmen.
Die Vorrichtung findet vorzugsweise Verwendung im industriellen Laborbetrieb (z.B. Härtereien, stahlerzeugende und -verarbeitende Industrie, werkstofftechnische und physikalische/chemische Laboratorien und Institute) und dient vorzugsweise zur routinemäßigen Messung von Kohlenstofftiefenverläufen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Durchführung eines materialanalytischen Verfahrens;
2 eine schematische Darstellung des Emissionsprozesses bei Ionenbeaufschlagung einer Probe;
3 eine auf die industrielle Laborpraxis optimierte Variante der Vorrichtung im defokussierenden Modus;
4 eine auf die industrielle Laborpraxis optimierte Variante der Vorrichtung im fokussierenden Modus.
S eine graphische Darstellung eines Kohlenstoff-Tiefenverlaufs eines martensitisch gehärteten Wälzlagerstahls 1000r6
6 einen aus den Messdaten von 5 ermittelten Verlauf der Kleinlasthärte (HV1) als Funktion der gemessenen Kohlenstoffkonzentration eines martensitisch gehärteten Wälzlagerstahls 100Cr6 im Vergleich mit Literaturangaben (J.L. Burns, T.L. Moore, R.S. Archer: Trans. AIME 26, 1938, S. 1-36; J.M. Hodge, M.A. Orehoski: Trans. AIME 167, 1946, S. 627-642; G. Kell, D. Liedke, D. Roempler, W. Vogel, K.-H. Weissohn, U. Wyss: HTM 56, 2001, S. 166-178)
1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung eines materialanalytischen Messverfahrens, bei der eine zu untersuchende Probe 1 auf einer Probenaufnahme 14 gelagert ist. Die Probe 1 wird mit Hilfe einer Sputter-Ionenquelle 4 mit einem Sputter-Ionenstrahl 3 beaufschlagt. Dadurch werden Kontaminationen auf der Probenoberfläche 12 entfernt und Sputter-Ionen 2 auf der Probenoberfläche 12 als Beschichtung 19 abgeschieden (s. 2). Diese Beschichtung 19 ist verantwortlich für die Optimierung der Ionisationswahrscheinlichkeit der zu detektierenden Elemente während des Messprozesses. Mit einer Analyse-Ionenquelle 7 wird anschließend ein Analyse-Ionenstrahl 6 auf die Probenoberfläche 12 geschossen. Der Analyse-Ionenstrahl 6 soll zwecks eines hohen lateralen Auflösungsvermögens möglichst stark fokussiert sein. Dies kann mit Hil fe einer Fokussierungsvorrichtung 15 erfolgen, welche hier schematisch als Sammellinse dargestellt ist.
Durch das Auftreffen von Analyse-Ionen 5 (Gallium-Ionen in 2) auf die Probenoberfläche 12 erfolgt ein Energieübertrag der Analyse-Ionen 5 auf die in der Probe 1 vorhandenen Atome, welche aufgrund der übertragenen Energie von der Probe 1 emittiert und teilweise ionisiert (Sekundär-Ionen 8) werden. Diese Sekundär-Ionen 8 werden einer Detektionsvorrichtung 10 zugeführt und analysiert. Um möglichst viele Sekundär-Ionen 8 zu detektieren, kann eine Fokussierungsvorrichtung 16, wie in 1 gezeigt, zum Sammeln der Sekundär-Ionen 8 verwendet werden. Die Beaufschlagung der Probe 1 mit Sputter-Ionen 2 und Analyse-Ionen 5 erfolgt stets im Wechsel.
Während die Beaufschlagung der Probe 1 mit Analyse-Ionen 5 durch einen stark fokussierten Ionenstrahl 6 erfolgt, wird für die Beaufschlagung der Probe 1 mit Sputter-Ionen 2 ein aufgeweiteter Sputter-Ionenstrahl 3 verwendet, um einen möglichst großen Bereich der Probe 1 zu reinigen und mit Sputter-Ionen 2 zu beschichten.
Für eine Abrasterung der Probe 1 mit dem Analyse-Ionenstrahl 6 kann die Probenaufnahme 14 verfahrbar ausgestaltet sein. Zusätzlich ist zur relativen Positionierung von der Probe 1 und der Ionenquelle 11 auch eine Positionierungsvorrichtung 18 für die Ionenquelle 11 denkbar. Am einfachsten ist jedoch die Strahlablenkung mit Hilfe zusätzlicher elektrischer oder magnetischer Felder.
3 und 4 zeigen eine auf die industrielle Laborpraxis optimierte Variante einer Vorrichtung zur Durchführung eines materialanalytischen Messverfahrens im defokussierenden 21 bzw. fokussierenden Modus 22. Die Vorrichtung weist lediglich eine einzige Ionenquelle 11 auf, die sowohl als Sputter- als auch als Analysequelle verwendet werden kann.
3 zeigt die Ionenquelle 11 in der Funktion einer Sputter-Ionenquelle. Durch eine Defokussierungsvorrichtung 17 (hier schematisch als Zerstreuungslinse dargestellt) wird der aus der Ionenquelle 11 austretende Ionenstrahl (Sputter-Ionenstrahl 23) aufgeweitet (defokussiert), so dass die Beaufschlagung innerhalb eines großen Bereiches der Probe 1 stattfindet.
Mit Hilfe einer Fokussierungsvorrichtung 15 kann die Ionenquelle 11 auch als Analyse-Ionenquelle verwendet werden (4). Der Ionenstrahl (Analyse-Ionenstrahl 24) wird dann auf einen kleinen Bereich 20 der Probenoberfläche 12 fokussiert und bewirkt eine Emission von Sekundär-Ionen 8 aus dem bestrahlten Bereich 20. Der Sekundär-Ionenstrahl 9 wird mit Hilfe einer Fokussierungsvorrichtung 16 gebündelt und einer Detektionsvorrichtung 10 (Quadrupolmassenspektrometer) zugeführt. Durch geeignetes Aktivieren der Defokussierungsvorrichtung 17 und der Fokussierungsvorrichtung 15 kann die Probe 1 nach Bedarf mit einem aufgeweiteten Sputter-Ionenstrahl 23 und einem fokussierten Analyse-Ionenstrahl 24 der selben Ionensorte beaufschlagt werden.
5 zeigt ein mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Kohlenstoff-Tiefenverlauf (Diffusionsprofil: Kohlenstoffkonzentration in Abhängigkeit vom Oberflächenabstand). Daraus kann die Entkohlungstiefe von etwa 600μm mit hoher Genauigkeit entnommen werden. Die Ortskoordinaten der Messpunkte im Diffusionsprofil werden vom Abstand des vermessenen Streifens von der Probenkante gebildet.
6 zeigt einen Tiefenverlauf der Kleinlasthärte (HV1 umgewertet in HCR) als Funktion der gemessenen Kohlenstoffkonzentration eines martensitisch gehärteten Wälzlagerstahls und bestätigt die hohe Verlässlichkeit des Verfahrens. In der Graphik sind sowohl die mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren ermittelten Werte als auch von anderer Seite publizierte Daten aufgetragen. Man erkennt die gute Übereinstimmung der mit dem neuen Verfahren erhaltenen Messwerte mit den aus der Literatur bekannten Daten.

Claims

Materialanalytisches Messverfahren, insbesondere zur Bestimmung von Kohlenstoffkonzentrationen, wobei eine Beschichtung (19) einer Probe (1) mit Sputter-Ionen (2) erfolgt, die Probe (1) einer abwechselnden Beaufschlagung mit einem Sputter-Ionenstrahl (3) bestehend aus Sputter-Ionen (2) und einem Analyse-Ionenstrahl (6) bestehend aus Analyse-Ionen (5) ausgesetzt wird, und von der Probe (1) emittierte Sekundär-Ionen (8) einer Detektionsvorrichtung (10) zugeführt und analysiert werden.
Materialanalytisches Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abwechselnde Beaufschlagung der Probe (1) mit den Sputter-Ionen (2) bzw. mit den Analyse-Ionen (5) mit einer Frequenz im Kilohertzbereich erfolgt.
Materialanalytisches Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (1) mittels der Sputter-Ionen (2) gereinigt wird.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Probe (1) mit den Sputter-Ionen (2) mit Hilfe einer Sputter-Ionenquelle (4) und die Beaufschlagung der Probe (1) mit den Analyse-Ionen (5) mit Hilfe einer Analyse-Ionenquelle (7) erfolgt.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sputter-Ionenquelle (4) eine Caesium-Ionenkanone verwendet wird.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Analyse-Ionenquelle (7) eine Gallium-Ionenkanone verwendet wird.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenquellen (4,7) gepulst betrieben werden.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Ionen (8) mit Hilfe eines Flugzeitmassenspektrometers detektiert werden.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ionenquelle (11) sowohl zur Beaufschlagung der Probe mit Analyse-Ionen (5) als auch mit Sputter-Ionen (2) dient.
Materialanalytisches Messverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Probe (1) mit Sputter-Ionen (2) und Analyse-Ionen (5) nacheinander mit einer ungepulst betriebenen Ionenquelle (11) erfolgt.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Ionenquelle (11) für die Beaufschlagung der Probe (1) mit Analyse-Ionen (5) und Sputter-Ionen (2) eine Caesium-Ionenkanone verwendet wird.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Probe (1) mit Sputter-Ionen (2) in einem defokussierenden Modus (21) der Ionenquelle (11) stattfindet.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Probe (1) mit Analyse-Ionen (5) in einem fokussierenden Modus (22) der Ionenquelle (11) stattfindet.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Ionen (8) mit Hilfe eines Quadrupolmassenspektrometers detektiert werden.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine gezielte Analyse ausgewählter Probenbereiche durchführbar ist.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Ausdehnung der zu analysierenden Probenbereiche durch den Durchmesser des Ionenstrahls der Analyse-Ionenquelle (7) bestimmt wird.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abrastern der Probenoberfläche (12) mit dem Analyse-Ionenstrahl erfolgt.
Materialanalytisches Messverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrasterung entlang einer Rasterlinie (13) senkrecht zu der Richtung auf der Probe (1) erfolgt, in der die Veränderung des zu detektierenden Elements gemessen werden soll.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei der Vermessung von räumlich ausgedehnten Profilen Verwendung findet.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei der Vermessung von Tiefenprofilen Anwendung findet.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Anwendung in der Qualitätssicherung findet.
Materialanalytisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Anwendung in der Prozessoptimierung findet.
Vorrichtung zur Durchführung eines materialanalytischen Messverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 22, umfassend eine Ionenquelle (11), eine Probenaufnahme (14) und eine Detektionsvorrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenquelle (11) sowohl als Analyse- als auch als Sputter-Ionenquelle dient.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Ionenquelle (11) eine Caesium-Ionenkanone verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenquelle (11) eine Fokussierungsvorrichtung (15) und eine Defokussierungsvorrichtung (17) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenaufnahme (14) mehrachsig ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenaufnahme (14) vier Achsen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenaufnahme (14) zwei Achsen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsvorrichtung (10) als Quadrupolmassenspektrometer ausgebildet ist.