DE1498646B2 - Ionen mikroanalysevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionen-Mikroanalysevorrichtung zur Erzielung eines ionenselektiven Bildes eines Mikrobereichs einer Probe, bestehend aus einer Einrichtung zum Bestrahlen des Mikrobereichs mit einem Primärteilchenstrahl, wodurch unter anderem auch Sekundärionen emittiert werden, aus einer Optik, die den Sekundärionenstrahl zu einem nichtselektiven Bild des Mikrobereichs fokussiert, und aus einem Magnetfeld zum Filtern der Sekundärionen nach ihrer Bewegungsgröße.

In der französischen Patentschrift 1 240 658 ist ein ionenoptisches System beschrieben, mit welchem die Mikroanalyse einer Probe dadurch ausgeführt werden kann, daß die positiven Sekundärionen aufgefangen werden, welche diese Probe beim Auftreffen eines Bündels positiver Primäriönen emittiert.

Die Vorrichtung liefert mit Hilfe einer Ionenoptik und eines Massenanalysators ein kennzeichnendes Bild der Oberfläche der Probe. Man erhält dadurch eine Karte der Verteilung der Elemente oder Isotopen auf der Oberfläche der Probe.

Diese Vorrichtung arbeitet zwar völlig befriedigend, sie weist aber den Nachteil auf, daß sie die Sekundärionen mit sehr großen und sehr nahe beieinanderliegenden Massen nicht leicht voneinander trennen kann, weil nicht alle Sekundärionen die Probe mit der gleichen Anfangsgeschwindigkeit verlassen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung dieser Art, welche Ionen sehr großer und nahe beieinanderliegender Masse voneinander trennen kann.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine zwischen dem selektiven Bild und der Probe angeordneten Einrichtung zum Filtern der Sekundärionen nach ihrer Energie.

Es ist zu bemerken, daß es in der Massenspektrometrie bekannt ist, eine Energiefilterung in Verbindung mit einer Bewegungsgrößenfilterung vorzunehmen, wobei diese Doppelfilterung schließlich eine Massenfilterung ermöglicht.

Die Anwendung einer Energiefilterung bei dem Massenanalysator eines Ionen-Mikroanalysators ergibt jedoch Probleme, die bei einem Massenspektrometer nicht auftreten. Dies beruht auf den folgenden Faktoren :

Bei einem Massenspektrometer ist es nur erforderlich, ein hinsichtlich der Art der Ionen selektives Bild eines ersten, das zu analysierende Ionenbündel begrenzenden Spaltes von länglicher Gestalt zu erhalten. Ein solches Bild kann als »eindimensional« bezeichnet werden. Außerdem braucht man sich im allgemeinen mit der Frage des Stigmatismus nicht in der Längsrichtung des Spaltes, sonders nur in seiner kleinen Querabmessung zu beschäftigen.

Bei dem Massenanalysator eines Ionen-Mikroanalysators ist es dagegen erforderlich, daß jede Filterung so durchgeführt wird, daß zwei zweidimensionale stigmatische Bilder aufrechterhalten werden, von denen das eine dem Bild der Probe (worunter die analysierte Zone der Probe zu verstehen ist) und das andere einem ersten Bündelknoten entspricht.

Jede Filterung setzt nämlich eine Auswahlblende voraus, die es ermöglicht, die zunächst räumlich von den gewünschten Ionen getrennten unerwünschten Ionen mit Hilfe einer aktiven Filtereinrichtung zu beseitigen, wobei diese Blende an einem Bündelknoten des durch die Blende hindurchgehenden Bündels angeordnet sein muß.

Das Problem der Energiefilterung bei einem Ionen-Mikroanalysator der eingangs angegebenen Art wird gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dadurch gelöst, daß das Energiefilter ein durch den Sektor eines Kugelkondensators gebildetes elektrisches Feld und einen am Ausgang des Kondensators angeordneten Spalt zur Begrenzung der Energiebandbreite enthält.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß das Energiefilter eine energieselektiv reflektierende Spiegelelektrode enthält.

In diesem Fall kann das Reflexionsvermögen der Spiegelelektrode so eingestellt sein, daß sie aus dem Sekundärionenstrahl die Ionen beseitigt, deren Energie über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Ausführungsform besteht darin, daß das Magnetfeld die Form eines Dreieckprismas mit einer Symmetrieebene hat und zwei Sektoren bildet, die eine zur Symmetrieebene senkrechte gemeinsame Seitenfläche haben, wovon je ein Sektor im Strahlengang der Sekundärionen vor und hinter der Spiegelelektrode angeordnet ist.

Es ist zu bemerken, daß der Kugelkondensator und die Spiegelelektrode jeweils ein Stigmatisches System sind, das es jeweils ermöglicht, gleichzeitig zwei Bilder von zwei Gegenständen (einem Bündelknoten und einem davorliegenden Bild der Probe) mit Energiefilterung zu erhalten. Bei einer Spiegelelektrode gibt es, ebenso wie bei einem optischen Spiegel, unendlich viele konjugierte stigmatische Punkte. Es läßt sich zeigen, daß die gleiche Bedingung auch bei einem Kugelkondensator erfüllt ist. In beiden Fällen kann man also ein Paar von konjugierten stigmatischen Punkten für den Bündelknoten und ein weiteres Paar von konjugierten stigmatischen Punkten für das Bild der Probe verwenden.

Bei dem Kugelkondensator ermöglicht die Hinzufügung einer zusätzlichen Linse nach der Energiefilterung des von der ersten Linse gebündelten Sekundärionenstrahls die Wiederherstellung der gewünschten Bedingungen für eine Bewegungsgrößenfilterung mit Hilfe des magnetischen Sektorfeldes.

Hinsichtlich der Spiegelelektrode ist zu bemerken, daß diese Anordnung nur die Beseitigung der Ionen ermöglicht, die eine vorgegebene Energieschwelle überschreiten, nicht dagegen der Ionen, deren Energie unter einer vorgegebenen Schwelle liegt. Es ist jedoch bekannt, daß die Lösung des ersten Problems oft genügt.

Es ist auch zu bemerken, daß die Verwendung einer Spiegelelektrode zur Durchführung einer Energiefilterung gerade deshalb von Vorteil ist, weil ein Magnetfeld auf jeden Fall für die Bewegungsgrößenfilterung verwendet werden muß. Dadurch, daß man den von der Linse gebündelten Sekundärionenstrahl zweimal durch das Magnetfeld hindurchgehen läßt, wird das Problem der Trennung des einfallenden Ionenstrahls von dem reflektierten Ionenstrahl beseitigt, das sonst aufträte, wenn eine Spiegelelektrode zur Beseitigung der Ionen verwendet würde, deren Energie über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 ein Schema einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine genauere Darstellung einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung von Fig. 1,

F i g. 3 ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 4 eine möglichst praktische Ausführung der Anordnung von F i g. 3 und

F i g. 5 das Schema einer an sich bekannten Anordnung zum besseren Verständnis der Erfindung.

F i g. 1 zeigt die zu analysierende Probe 1, welche unter dem Aufprall eines Strahls 2 von positiven Primärionen positive Sekundärionen emittiert, welche von einer Beschleunigungsoptik 3 mit den Elektroden 31 bis 34 aufgefangen werden. Im Weg dieses Sekundärionenstrahls ist ein Sektor eines Kugelkondensators 4 angeordnet, der zwei Elektroden 41 und 42 aufweist, welche mittels einer Spannungsquelle 5 an verschiedene Potentiale gelegt sind.

F i g. 1 ist ein Schnitt in einer durch den Mittelpunkt des Kugelkondensators gehenden Radialebene, die senkrecht zu einem magnetischen Sektorfeld 6 steht, von dem später die Rede sein wird.

Die Querschnitte der Elektroden 41 und 42 in dieser Radialebene sind zwei Viertelkreisbögen, und der Beginn des mittleren Kreisbogens mit dem Radius r zwischen diesen beiden Kreisbögen liegt im Abstand r von der Blende 34.

Hinter dem Kugelkondensator 4 ist ein Spalt 9 angebracht, der einige der Ionen zurückhält, welche durch den Kugelkondensator hindurchgegangen sind, während die übrigen Ionen durch eine Linse 10 fokussiert werden.

Die Anordnung enthält ferner das magnetische Sektorfeld 6 für die Bewegungsgrößenfilterung, welches durch eine nicht dargestellte Vorrichtung bekannter Art eingestellt wird, und schließlich den Auswahlspalt 81, auf den ein Elektronenblock 8 folgt.

Zum Verständnis der Wirkungsweise dieser Anordnung soll zunächst an Hand von F i g. 5 erläutert werden, wie gemäß der französischen Patentschrift 1 240 658 die Bedingungen für die Bewegungsgrößenfilterung mit Hilfe eines symmetrischen magnetischen Sektorfeldes erfüllt werden, welches (für Ionen gegebener Masse m₀ und gegebener Geschwindigkeit v₀) zwei stigmatische konjugierte reelle Punkte M und M' aufweist.

Die Kraftlinien des magnetischen Sektorfelds 6 stehen senkrecht zur Zeichenebene. Die Zeichenebene enthält die optische Achse des Systems; diese besteht aus zwei geradlinigen Abschnitten X₁ und x₂ zu beiden Seiten des Sektorfeldes 6 und einem gekrümmten Abschnitt X₃ im Inneren des Sektorfeldes. Die geradlinige Verlängerung des Abschnitts X₁ über den Eintrittspunkt I₁ hinaus ist mit X₁', die geradlinige Verlängerung des Abschnitts x₂ über den Austrittspunkt T₂ hinaus mit X₂' bezeichnet.

Die die optische Achse enthaltende Fläche (Zeichenebene) wird »Radialebene« genannt, die die Radial- - ebene entlang der optischen Achse schneidende, senkrecht dazu stehende Fläche heißt »Transversalfläche«.

Es sei ein Punkt P auf dem Abschnitt X₁ der optischen Achse angenommen. Wenn alle (selbstverständlich innerhalb eines nicht zu großen Winkels) durch den Punkt P gehenden, in der Radialebene (Zeichenebene) liegenden Ionenbahnen nach Durchgang durch das Sektorfeld 6 wiederum durch einen auf dem Abschnitt X₂ liegenden Punkt P' gehen, so sind die beiden Punkte P und P' zwei »in radialer Fokussierung konjugierte reelle Punkte«.

Wenn alle durch den Punkt P gehenden, in der Transversalfläche liegenden Ionenbahnen nach Durchgang durch das Sektorfeld 6 wiederum durch einen auf dem Abschnitt X₂ liegenden Punkt P" gehen, so sind die beiden Punkte P und P" zwei »in transversaler Fokusierung konjugierte reelle Punkte«.

Im allgemeinen fällt der Punkt P" nicht mit dem Punkt P' zusammen. Wenn jedoch P" mit P' zusammenfällt, dann sind die Punkte P und P' zwei »stigmatische konjugierte reelle' Punkte«. Bei der in F i g. 5 dargestellten Anordnung sind zwei solche »stigmatische konjugierte reelle Punkte« vorhanden, nämlich die Punkte M und M'.

ίο Es sei andererseits ein Punkt Q auf der Verlängerung X₁' angenommen. Wenn alle in der Radialebene liegenden Ionenbahnen, die zum Punkt Q hin konvergieren (aber ihn wegen des Sektorfeldes nicht erreichen), nach Durchgang durch das Sektorfeld von einem auf der Verlängerung X₂' liegenden Punkt Q zu kommen scheinen, so sind die Punkte Q und Q' zwei »in radialer Fokussierung konjugierte virtuelle Punkte«.

Zwei entsprechende Punkte Q und Q", welche die

gleiche Bedingung für Ionenbahnen erfüllen, die in der Transversalfläche liegen, sind dementsprechend »in transversaler Fokussierung konjugierte virtuelle Punkte«.

Im allgemeinen fallen die Punkte Q' und Q" nicht zusammen. Wenn sie zusammenfallen, handelt es sich um »stigmatische konjugierte virtuelle Punkte«.

Bei der in F i g. 5 dargestellten Anordnung ist eine Linse 3 so angebracht, daß sie beim Fehlen des Sektorfeldes ein reelles Bild der Probe auf einer Fläche erzeugen würde, die durch den Punkt JV auf der Verlängerung X₁' geht. Der auf der optischen Achse liegende Mittelpunkt der Probe 1 würde also im Punkt JV abgebildet, und das Bild der Probe wäre auf diesen Punkt »zentriert«. Infolge des Vorhandenseins des Sektorfeldes 6 werden aber die von der Linse 3 kommenden Ionenbahnen so abgelenkt, daß die in der Radialebene liegenden Ionenbahnen beim Austritt aus dem Sektorfeld 6 von dem auf der Verlängerung X₂' liegenden Punkt JV' herzukommen scheinen. Die Punkte JV und JV' sind also zwei in radialer Fokussierung konjugierte virtuelle Punkte gemäß obiger Definition.

Das reelle Bild, das von der Linse 3 beim Fehlen des Sektorfeldes 6 erzeugt würde, stellt also beim Vorhandensein des Sektorfeldes für dieses einen auf den Punkt JV zentrierten virtuellen Gegenstand dar, von dem das Sektorfeld ein auf den Punkt JV' zentriertes virtuelles Bild erzeugt.

Das aus der Linse 3 und dem magnetischen Sektorfeld 6 bestehende System ist andererseits so ausgeführt, daß der von der Linse 3 gebildete Bündelknoten auf den gegenstandsseitigen Punkt M des Paares von stigmatischen konjugierten reellen Punkten M und M' zentriert ist. Das Sektorfeld 6 ergibt somit bei M' ein stigmatisches Bild des Bündelknotens.

Da jedoch der Punkt JV' in transversaler Fokussierung nicht der konjugierte Punkt zu dem Punkt JV ist, wird der transversale Astigmatismus des Bildes bei JV' mit Hilfe einer Astigmatismus-Korrektureinrichtung82 korrigiert, welche in der Nähe des Bündelknotens M' angeordnet ist. Eine zweite Linse 8 wandelt dann das so korrigierte virtuelle Bild in ein reelles Ionenbild um. Vorzugsweise sind die Punkte JV und JV' so gewählt, daß die Konjugation in radialer Fokussierung praktisch für ein verhältnismäßig breites Geschwindigkeitsband gilt; die so gewählten Punkte sollen mit JV₀ bzw. JV₀' bezeichnet werden.

Das in der französischen Patentschrift 1240 658 beschriebene symmetrische magnetische Sektorfeld ist im einzelnen durch die folgenden Angaben gekenn-

zeichnet, · wenn der im Inneren des Sektorfeldes 6 liegende Abschnitt X₃ der optischen Achse ein Viertelkreisbogen mit dem Radius R ist: Die Neigung der Eintritts- und Austrittsflächen des Sektorfeldes in bezug auf die in der Zeichenebene liegende Senkrechte auf die optische Achse entspricht dem Winkel α = arc tang 0,5, wobei die reellen stigmatischen Punkte M und M' dann auf der optischen Achse jeweils im Abstand 2 R von den Schnittpunkten der optischen Achse mit der Eintrittsfläche bzw. der Austrittsfläche des Sektorfeldes liegen und die Punkte N₀ und N₀' die in radialer Fokussierung virtuellen konjugierten Punkte sind, die jeweils im Abstand 2Rß von diesen gleichen Schnittpunkten auf den Verlängerungen X₁ bzw. X₂' liegen.

Für den Kugelkondensator, bei dem die Radialebene definitionsgemäß die die optische Achse und das elektrische Feld enthaltende Ebene ist, während die Transversalfläche die entlang der optischen Achse senkrecht auf der Radialebene stehende Fläche ist, gelten hinsichtlich der reellen und virtuellen konjugierten Punkte die gleichen Überlegungen wie zuvor für das magnetische Sektorfeld. Der Kugelkondensator weist aber die bemerkenswerte Eigenschaft auf, daß zwei in radialer Fokussierung konjugierte Punkte auch in transversaler Fokussierung konjugiert sind. Es gibt daher unendlich viele stigmatische konjugierte Punktepaare.

Unter diesen Voraussetzungen arbeitet die Anordnung von Fi g. 1 in folgender Weise:

Die Optik 3 ergibt ein erstes reelles Bild der Probe und einen ersten Bündelknoten, der in dem Spalt der Blende 34 liegt. Der Kugelkondensator liefert von dem ersten Bündelknoten ein reelles Bild, das symmetrisch zu dem ersten Bild in bezug auf die Symmetrieebene des Kugelkondensators liegt und sich in einer Entfernung von dessen Ausgang befindet, welche gleich dem mittleren Krümmungsradius r der Ionenbahnen in dem Kugelkondensator ist. Dieses reelle Bild des ersten Bündelknotens bildet einen zweiten Bündelknoten, und der Spalt 9 ist auf der Höhe dieses zweiten Bündelknotens angeordnet.

Ferner erzeugt der Kugelkondensator 4 ein zweites Bild der Probe, welches das virtuelle Bild des virtuellen Gegenstandes ist, den das von der Optik 3 gebildete reelle Bild der Probe (das wegen des Vorhandenseins des Kugelkondensators nicht zustande kommt) für den Kugelkondensator bildet.

Die von der Elektronenanordnung 31 bis 34 beschleunigten Ionen werden also vom Kondensator 4 zu dem magnetischen Sektorfeld 6 hin abgelenkt. Der Ablenkwinkel hängt für jede Ionenbahn von der Energie des betreffenden Ions ab. Zur Vereinfachung ist angenommen, daß es sich um einfach geladene Ionen handelt.

Die Ionen, deren Anfangsenergie zu groß ist, werden vom oberen Rand des Spaltes 9 abgefangen. Dadurch werden aus dem Sekundärionenstrahl, der durch das magnetische Sektorfeld 6 geht, die Ionen beseitigt, deren Anfangsenergie zu groß ist.

In gleicher Weise werden die Ionen, die eine zu kleine Anfangsenergie haben, vom unteren Rand des Spaltes 9 abgefangen und aus dem Sekundärionenstrahl beseitigt, bevor dieser in das magnetische Sektorfeld 6 eintritt.

Mit Hilfe der Linse 10 erhält man von dem im Spalt 9 befindlichen zweiten Bündelknoten ein reelles Bild, das einen dritten Bündelknoten darstellt, sowie ein reelles Bild des von dem Kugelkondensator erzeugten virtuellen Bildes der Probe, wobei dieses Bild entsprechend den erwähnten Eigenschaften des Kugelkondensators stigmatisch ist. Dieser dritte Bündelknoten und dieses reelle (dritte) Bild der Probe spielen für das magnetische Sektorfeld 6 die Rolle des Bündelknotens bzw. des reellen Bildes, das bei der Anordnung nach F i g. 5 (entsprechend der französischen Patentschrift 1 240 658) von der Linse 3 geliefert wird. Zu diesem Zweck werden das magnetische Sektorfeld 6 und die Linse 10 so angeordnet, daß der Punkt M von F i g. 5 mit dem Mittelpunkt des dritten Bündelknotens zusammenfällt und daß der Punkt N von F i g. 5 in der Mitte des dritten (reellen) Bildes der Probe liegt, wobei dieses reelle Bild der Probe allerdings zu einem virtuellen Gegenstand für das Sektorfeld wird. Man erhält dann einen stigmatischen Bündelknoten auf der Höhe des Spaltes 81 sowie ein neues virtuelles Bild der Probe, das, wie zuvor in Zusammenhang mit F i g. 5 erläutert wurde, von seinem transversalen Astigmatismus auf der Höhe des Bündelknotens bei 81 korrigiert und mit Hilfe einer schematisch bei 8 dargestellten Projektionslinse in ein reelles Ionenbild umgeformt wird.

Vorzugsweise wird dieses reelle Bild, wie in der französischen Patentschrift 1 240 658 angegeben ist, auf den Schirm eines Ionenbild-Elektronenbild-Wandlers projiziert.

Nun ist es bekannt, daß der Krümmungsradius der Bahnen in dem magnetischen Sektorfeld bei gegebener Induktion nur von der Bewegungsgröße m ■ ν des emittierten Teilchens abhängt, d. h. von dem Produkt E · m, wobei E die Energie des Teilchens und m dessen Masse ist.

Bei einer einfachen magnetischen Filterung ohne vorangehende Energiefilterung würden daher zu den Ionen der Masse m, die mit einer Anfangsenergie E emittiert werden, Ionen der Masse m—l ... m—n hinzukommen, falls es diese Massen gibt, welche mit einer Energie E+AE emittiert werden. Diese Erscheinung kann nicht mehr auftreten, wenn die mit einer zu großen Anfangsenergie emittierten Ionen zuvor beseitigt werden.

Eine einfache Rechnung zeigt nämlich, daß die zusätzliche Anfangsenergie AE, die notwendig wäre, damit ein Ion der Masse m—n in dem magnetischen Sektorfeld mit der gleichen Krümmung abgelenkt würde wie ein Ion der Masse m, das mit einer Anfangsenergie £ emittiert wird, folgenden Wert hat:

AE =

η Ε

Daraus folgt, daß eine Vorrichtung, die ausschließlich auf der magnetischen Ablenkung beruht, Ionen mit sehr wenig voneinander verschiedenen Massen nicht richtig voneinander trennen kann. Die Blende 34 bewirkt zwar eine Filterung der Ionen, welche mit einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit emittiert werden, jedoch ist diese Filterung unzureichend, weil sie sich nur auf die Komponente auswirkt, welche senkrecht zur Systemachse der Anfangsgeschwindigkeit der Sekundärionen steht. Der Kugelkondensator, der die Ionen nicht auf Grund ihrer Bewegungsgröße, sondern auf Grund ihrer Energie ablenkt, bewirkt diese Filterung in vollkommener Weise.

Damit die Ionen mit sehr nahe beieinanderliegenden Massen, beispielsweise den Massen 250 und 251, ge-

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trennt werden können, muß die Filterung, wie sich Potential angelegt ist. In der Elektrode 103 ist eine

nachweisen läßt, bei E = 2000 Volt bis auf 8 Volt Öffnung 105 angebracht. Die zu schnellen Ionen gehen

genau stattfinden. Es ist ein Kondensator mit ziemlich durch diese Öffnung hindurch und kehren nicht zurück,

großen Abmessungen erforderlich, oder zumindest Die langsameren Ionen werden abgebremst und dann

besteht ein beträchtlicher Abstand zwischen dem ersten 5 von der Elektrode 103 zu dem Sektorfeld 6 zurück-

Bündelknoten und dem Bild, welches der Kugelkon- geworfen, das sie durch den Sektor 62 zu dem Aus-

densator davon liefert. wahlspalt 81 und der Linse 10 hin ablenkt.

Das ionenoptische System mit der Linse 3, dem Bei einer anderen Ausführungsform kann die Elek-

Kondensator 4, der Zwischenlinse 10 und dem magne- trode 103 massiv sein und die zu schnellen Ionen ein-

tischen Sektorfeld 6 liefert bei richtiger Einstellung ein io fangen, während sie die langsameren Ionen zurück-

ionenselektives Bild der Oberfläche der Probe, das schickt.

durch die Ionen einer bestimmten Masse erzeugt wird. Diese Anordnung ergibt nicht nur die gewünschte

Dieses Bild ist achromatisch hinsichtlich der Wirkung Energiefilterung, sondern sie ermöglicht es auch, die

des magnetischen Sektorfeldes, wenn der Punkt N, auf Probe in der Achse des nicht dargestellten Beobach-

welchen das von der Linse 10 gelieferte Bild zentriert 15 tungsschirms anzuordnen.

ist, der zuvor definierte Punkt N₀ ist, d. h. unempfind- Dies ist bei der Anordnung von F i g. 3 der Fall,

lieh für die geringfügige Uneinheitlichkeit der Energie jedoch natürlich nicht unerläßlich,

der durch den Spalt 9 hindurchgehenden Ionen. Die Verwendung eines derartigen Reflexionssystems

Wenn man bei dieser Anordnung einen Bildwandler und der doppelten Ablenkung ist in dem Aufsatz von verwendet, wie er beispielsweise in der zuvor genann- 20 R. Castaing und L. H e η r y: »Filtrage magneten Patentschrift beschrieben ist, bleiben die stigma- tique des vitesses en microscopie electronique«; Comptischen Eigenschaften erhalten. tes Rendus de l'Academie des Sciences, 2. Juli 1962,

F i g. 2 zeigt ein Beispiel für eine mögliche prak- S. 76 bis 78, beschrieben worden,

tische Ausführung dieser Anordnung. In diesem Aufsatz ist angegeben, daß ein solches

Die Probe 1 wird durch einen Ionenstrahl bombar- 25 System für einen einfallenden Strahl, der die in

diert, der von einem Strahlsystem 2 erzeugt wird, das F i g. 3 angegebene Richtung hat und dessen Teilchen

eine Ionenquelle 21 enthält, welche durch eine Hoch- eine gegebene Bewegungsgröße haben, zwei Paare von

frequenzquelle 211 erregt und über den Gaseingang 212 stigmatischen Punkten besitzt, den mittleren Strahl des

gespeist wird, sowie die Kondensorlinse 22. Die Se- eintretenden Bündels und den mittleren Strahl des

kundärionen werden durch die Linse 3 so beschleunigt 30 nach dem zweiten Durchgang durch das Sektorfeld

und fokussiert, daß sie ein Bild der Oberfläche der austretenden Bündels definiert ist, nämlich ein Paar

Probe erzeugen. Die Linse 3 enthält eine Beschleuni- von reellen stigmatischen Punkten, die zu beiden

gungselektrode 31, Fokussierungselektroden 32 und 33 Seiten des Sektorfelds auf dieser Linie liegen, und ein

und eine Blende 34. Der auf der Höhe der Blende 34 Paar von virtuellen stigmatischen Punkten, die im

erscheinende Bündelknoten wirkt als Ionenquelle für 35 Inneren des Sektorfeldes liegen. Diese Punkte, die in

den Kugelkondensator 4, der zwei Elektroden 41 und dem genannten Aufsatz mit C₁, C₂ bzw. I₁, I₂ bezeich-

42 aufweist. Der Abstand zwischen der Blende 34 und net sind, können also mit den in F i g. 5 dargestellten

dem Eingang des Kondensators ist gleich dem Krüm- Punkten M, M' bzw. N, N' verglichen werden, wobei

mungsradius der mittleren Laufbahn der Elektronen aber die Punkte I₁,1₂ im Gegensatz zu den Punkten N,

in dem Kondensator. 4° N' stigmatisch sind.

In gleicher Entfernung vom Ausgang des Konden- Das aus Sektorfeld und Linsen bestehende System

sators bildet sich der Austrittsbündelknoten. Der der Anordnung von F i g. 3 wird so eingestellt, daß

Spalt 9 ist auf der Höhe dieses Bündelknotens ange- das von der Optik 31 bis 34 gelieferte Bündel seinen

bracht. Eine Linse 10 mit drei Elektroden erzeugt aus Bündelknoten bei C₁ aufweist und daß die Linse bei

diesem Bündelknoten ein Bündelknotenbild, das so 45 I₁ ein reelles Bild der Probe liefert. Dieses reelle Bild

liegt, daß es von dem Sektorfeld 6 fokussiert wird. wird für das Sektorfeld ein virtueller Gegenstand, den

Dieser bewirkt mittels des Spaltes 81 die Energie- es in ein auf den Punkt I₂ zentriertes virtuelles Bild

filterung. umformt. Dieses virtuelle Bild ist aber hier stigmatisch.

Der Stigmator 82 korrigiert den Astigmatismus des Andrerseits erhält man einen neuen Bündelknoten

kennzeichnenden Bildes der Probe. Dieses Bild wird 50 bei C₂.

von dem Bildwandler 11 an sich bekannter Art mit Das bei I₂ erhaltene virtuelle Bild wird dann wie

einem Fenster 111 aufgenommen. zuvor durch die Linse 10 erneut in ein reelles Bild

Das gesamte Gerät wird über die Öffnungen 01, 02, umgeformt.

03 und 04 evakuiert. Es ist zu erwähnen, daß in dem zuvor erwähnten

F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der 55 Aufsatz das Sektorfeld-Spiegel-System für die GeErfindung. In dieser Darstellung bezeichnen die glei- schwindigkeitsfilterung von Elektronen verwendet chen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Fig. 1. wird und daß diese Filterung ausschließlich durch das Das Magnetfeld 6 hat die Form eines Dreieckprismas Sektorfeld erfolgt, da alle Elektronen offensichtlich mit einer Symmetrieebene, deren Schnittlinie mit der die gleiche Masse haben. Der Spiegel wird dabei nur Zeichenebene gestrichelt dargestellt ist. Dieses Prisma 60 dazu benutzt, die Elektronen zum Sektorfeld zurückbildet zwei Sektoren 61 und 62, die eine Seitenfläche zuschicken, da diese Anordnung eine in der Elektronengemeinsam haben, die senkrecht auf der Symmetrie- mikroskopie erwünschte gegenseitige Ausrichtung des ebene steht. Der Sektor 61 lenkt die Ionen zu einem Eintrittsbündels und des Austrittsbündels ermöglicht. Ionenspiegel ICO ab, der drei Elektroden 101, 102 und Bei Anwendung auf Ionen mit verschiedenen Massen 103 aufweist. Die Elektrode 103 liegt auf einem posi- 65 und verschiedenen Energien wird dagegen eine doptiven Potential, das etwas höher als das Potential der pelte Filterung ermöglicht. Die Spiegelelektrode 103 Probe 1 ist, während die Elektrode 101 an Masse liegt gewährleistet die Beseitigung der Ionen, deren Energie und an die Elektrode 102 ein dazwischenliegendes größer als eine vorgegebene Energie ist.

F i g. 4 zeigt eine mögliche praktische Ausbildung der Vorrichtung von F i g. 3.

Gleiche Teile sind wieder mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Elektrode 103 hat keine Öffnung. Sie fängt die Ionen ein, deren Energie zu groß ist.

Wenn von einer Bewegungsgrößenfilterung oder Energiefilterung die Rede ist, so beziehen sich diese Ausdrücke natürlich auf Ionen gleicher Ladung. Andernfalls erfolgen bekanntlich die Filterungen in Abhängigkeit vom Verhältnis dieser Größen zur Ladung.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Ionen-Mikroanalysevorrichtung zur Erzielung eines ionenselektiven Bilds eines Mikrobereichs einer Probe, bestehend aus einer Einrichtung zum Bestrahlen des Mikrobereichs mit einem Primärteilchenstrahl, wodurch unter anderem auch Sekundärionen emittiert werden, aus einer Optik, die den Sekundärionenstrahl zu einem nichtselektiven Bild des Mikrobereichs fokussiert, und aus einem Magnetfeld zum Filtern der Sekundärionen nach ihrer Bewegungsgröße, gekennzeichnet durch eine zwischen dem selektiven Bild und der Probe angeordneten Einrichtung zum Filtern der Sekundärionen nach ihrer Energie.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiefilter ein durch den Sektor eines Kugelkondensators gebildetes elektriches Feld und einen am Ausgang des Kondensators angeordneten Spalt zur Begrenzung der Energiebandbreite enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld ein magnetisches Sektorfeld ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator zwischen der Optik und dem Sektorfeld angeordnet ist und daß eine Linse zwischen dem Kondensator und dem Sektorfeld eingefügt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiefilter eine energieselektiv reflektierende Spiegelelektrode enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld die Form eines Dreieckprismas mit einer Symmetrieebene hat und zwei Sektoren bildet, die eine zur Symmetrieebene senkrechte gemeinsame Seitenfläche haben, wovon je ein Sektor im Strahlengang der Sekundärionen vor und hinter der Spiegelelektrode angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelelektrode eine Öffnung aufweist, durch welche die zu beseitigenden Ionen hindurchgehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelelektrode die zu beseitigenden Ionen einfängt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen