DE1907093C3 - Ionenmikroanalysator - Google Patents

Description

2R

D + r

10

wobei D der Abstand der ersten Blende vom Schnittpunkt des zweiten geradlinigen Achsabschnitts mit dem elektrischen Sektor, R der Radius des Kreisbogens des magnetischen Sektors und rder Radius des elektrischen Sektors sind.

5. Ionenmikroanalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß D=2R — r.

in

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ionenmikroanalysator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen ArL

lonenmikroanalysatoren dieser Art, die insbesondere aus der FR-PS 13 52 167 bekannt sind, erzeugen aufgrund der Sekundärionenemission durch Vereinigung der ionenmikroskopie mit der Massenspektrome- so trie Bilder der Oberfläche der untersuchten Probe, welche die Verteilung der die Probe bildenden Atome auf der Probenoberfläche zeigen. Diese Bilder müssen zu diesem Zweck bezüglich der Masse der erhaltenen Ionen selektiv sein. In Wirklichkeit kann man wie bei i% der Massenspektrometrie Selektivität nur als Funktion des Verhältnisses Masse/Ladung der Ionen erhalten (m/q,wenn mdie Masse und qa\e Ladungeines Ions ist).

In einem Ionenmikroanalysator werden die durch die Beschießung mit den primären Teilchen erzeugten 4» Sekundärionen mit einer bestimmten Streuung der Anfangsenergie emittiert. Diese Sekundärionen werden wie in einem Massenspektrometer unter der Wirkung einer festen Potenlialdifferenz beschleunigt, weiche zwischen der Probe und der ersten Linsenanordnung v> angelegt wird, wodurch jedem Ion zusätzlich zu seiner Anfangsenergie eine der Besch'eunigungsspannung entsprechende Energie erteilt wird.

Um die Auswirkungen der Streuung der Anfangsenergie möglichst klein zu machen, wäre es zweckmä- >n Big, der Beschleunigungsspannung einen hohen Wert zu geben, so daß die Anfangsenergie der Ionen im Vergleich zu der Gesamtenergie gering ist. Der Wert der Beschleunigungsspannung ist jedoch in der Praxis nach oben begrenzt, so daß das Sekundärionenbündel « eine nicht vernachlässigbare Energiestreuung behält.

Die magnetische Filterung der Ionen ist bezüglich der Masse der Ionen nicht selektiv, jedoch bezüglich der Bewegungsgröße mv, wobei ν die Geschwindigkeit der Ionen ist (mv/q, wenn nicht alle Ionen die gleiche bo Ladung besitzen). Eine gute Filterung bezüglich der Masse des nutzbaren Bündels erfordert daher wie in der Massenspektrometrie, daß zu dieser magnetischen Filterung eine Energiefilterung derart tritt, daß in dem endgültig zur Erzeugung des Bildes verwendeten lonenbündel nur Ionen enthalten sind, deren Energie unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt oder in einem gegebenen Band enthalten ist, wobei dieser Schwellwert oder dieses Band von der Maste der für das Bild verwendeten Ionen und von der Masse der anderen, in dem Sekundärionenbündel enthaltenen Innen abhängt

In einem Mikroanalysator bietet diese Energiefilterung jedoch Schwierigkeiten, welche in der Massenspektrometrie nicht auftreten. In der Massenspektrometrie genügt es, daß die Energiefilterung in bezug auf das Bild eines schmalen Spalts durchgeführt wird, welches meistens als eindimensional angenommen wird. In einem Mikroanalysator müssen dagegen strnge Bedingungen für zwei zweidimensional Bilder eingehalten werden, und zwar für das Bild einer zweidimensionalen Öffnung und für das Bild der Oberfläche der Probe.

Eine der beiden in der obengenannten Patentschrift angegebenen Lösungen dieses Problems besteht darin, für die Energiefilterung einen sphärischen Kondensator zu verwenden, welchem eine zusätzliche Linse zugeordnet ist. Da ein sphärischer Kondensator ein stigmatisches System ist, ist er für die Erzeugung eines unverzerrten Bildes geeignet. Die Verwendung eines sphärischen Kondensators für ur·- Energiefilterung gestattet die Erzeugung eines unverzen cen Bildes unter der Bedingung, daß der Energiebereich der verwendeten Ionen einer gegebenen Masse ausreichend eingegrenzt wird, aber das Erfordernis des Achromatismus kann cazu führen, daß der Bereich der für die Ionen mit dieser gegebenen Masse verwendeten Geschwindigkeiten stärker eingeschränkt werden muß, als es für die Ausschaltung von Ionen mit etwas anderer Masse erforderlich wäre.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines lonenmikroanalysators der eingangs angegebenen Art, welcher die Erzeugung von optimalen Bildern bezüglich des »Achromatismus« gestattet, d. h. welche so frei wie möglich von Abweichungen sind, die auf der Unregelmäßigkeit der Geschwindigkeiten der verwendeten Ionen mit gegebener Masse in dem Geschwindigkeitsband beruhen, das nach dem Durchgang der Ionen durch die beiden Filtersektoren bestehen bleibt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebenen Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Arbeitsprinzip eines magnetischen Sektors in einem Mikroanalysator mit Sekundärionenemission,

F i g. 2 ein Schema zur Erläuterung der Eigenschaften eines sphärischen Kondensators,

Fig. i bis 6 eine schematische Darstellung der Hauptbestandteile verschiedener Ausführungsformen eines lonenmikroanalysators nach der Erfindung und

Fig. 7 eine genauere Darstellung eines der Ausfühlungjform von Fig. 6 entsprechenden lonenmikroanalysators.

Zum besseren Verständnis werden zunächst an Hand von Fig. 1 die bekannten wesentlichen Eigenschaften des im Mikroanalysator zur Bewegungsgrößenfilterung verwendeten magnetischen Sektors der Bewegungsgröße unabhängig von dem Zusammenhang mit einer Anordnung zur Energiefilterung erläutert.

Ein magnetischer Sektor oder ein magnetisches Prisma ist bekanntlich ein von einem Flächenwinkel begrenzter Raum, in welchem eine gleichförmige magnetische InduHion parallel zum Scheitel des Flächenwinkels herrscht. Ein solcher magnetischer Sektor wird gewöhnlich von einem Elektromagneten

gebildet, dessen parallel Polflächen eine geeignete Form besitzen und dessen Luftspaltlänge klein gegen die Abmessungen der Polflächen ist. Als Radialebene wird eine Ebene senkrecht zum magnetischen Induktionsvektor bezeichnet, welcher als vertikal angenommen werden kann. Insbesondere ist die hier betrachtete Radialebene die Symmetrieebene der Polflächen.

Im folgenden werden zur Vereinfachung SW-Sektoren betrachtet, d. h. magnetische Sektoren, deren Induktion so eingestellt ist, daß der Mittelstrahl des abzutrennenden Teilchenbündels um 90° abgelenkt wird.

F i g. I zeigt den Schnitt eines magnetischen Sektors 1 in der Radialebene und infolgedessen der horizontalen Ebene. In der Radialebene verlaufen zwei zueinander senkrechte Achsen ZZi und Z'Z\, welche sich im Punkt H schneiden und die beiden Stirnflächen des magnetischen Sektors im Punkt /bzw. im Punkt /'durchstoßen, wobei diese Achsen außerdem so verlaufen, daß gilt:

in t ι ti ΓΊΙ= TIl .

ε und f' sind die spitzen Winkel, welche die Achsen ZZ] bzw. ZZ', mit den Normalen auf die Stirnflächen des Sektors im Punkt / bzw. im Punkt /'bilden.

Es sei ein lon Po mit der Masse mn gegeben, welches sich mit der Geschwindigkeit v₀ längs der Achse ZZi vorwärtsbewegt und am Punkt / in den magnetischen Sektor eintritt. Seine Flugbahn krümmt sich im Sektor längs eines Kreisbogens, welcher im Punkt / tangential zur Achse ZZi liegt und dessen Radius R proportional zum Wert rrioValB ist, wobei B die magnetische Induktion im Sektor ist.

Es sei angenommen, daß die Induktion B als Funktion von /Πόνο derart eingestellt ist, daß gilt: /? = IH. Das Ion P₀ verläßt daher den Sektor im Punkt /', wo seine kreisförmige Flugbahn tangential zur Achse Z'Z\ verläuft.

Diese Flugbahn ZU'Z\ wird als »optische Achse« des magnetischen Sektors definiert. Die senkrecht zur Radialebene (Zdcheneben) verlaufende Fläche, deren Schnittlinie mit der Radialebene die optische Achse ist, wird Transversalschnitt des Sektors genannt.

Es ist zweckmäßig, zur Erläuterung der optischen Eigenschaften des magnetischen Sektors nur die geradlinigen Teile der außerhalb des Sektors gelegenen Flugbahnen sowie ihre virtuellen geradlinigen Verlängerungen in Inneren des Sektors zu betrachten.

Diese Flugbahnen werden auf die zwei folgenden Achsen bezogen: die sogenannte »Gegenstandsachse« ZZi und die sogenannte »Bildachse« Z'Z'i. Die Abstände auf diesen Achsen werden auf der Gegenstandsachse ausgehend vom Punkt / positiv in der Richtung ZZi unr¹ auf der Bildachse ausgehend vom Punkt /'positiv in der Richtung Z'Z\ gezählt

Die Fokussierungseigenschaften des magnetischen Sektors für in der Radialebene enthaltene Flugbahnen sind bekannt ond werden in bekannter Weise in Massenspektrometern zur optischen Zuordnung des Eintrittsspalts und des Austrittsspalts verwendet.

Insbesondere existiert für die der optischen Achse benachbarten Flugbahnen der Radialebene ein Gegenstandsbrennpunkt F, ein Bildbrennpunkt F' und eine Brennweite /p, weiche solche Werte besitzen, daß jedem reellen oder i/irtuellen Gegenstandspunkt N der Gegenstandsacuise ein reeller oder virtueller Bildpunkt N' der Bildachse entspricht, wobei die Zuordnungsbeziehung lautet:

FN- FW=-f_c ².

Die Fokussierungseigenschaften des Sektors für der optischen Achse benachbarte und im Transversalschnitl enthaltene Flugbahnen, welche in Massenspektrometern nicht verwendet werden, werden dagegen im jorienmikroanalysator ebenfalls ausgenützt. Bekanntlich werden diese Eigenschaften, welche auf dem Vorhandensein eines Rahdeffekls im Elektromagneten beruhen, durch eine Neigung der Normalen auf der Eintritts- und/oder Auslriüsfläche des Sektors bezüglich der optischen Achse bedingt, Tatsächlich tritt am Eintritt und am Austritt des Sektors infolge der Neigung der Stirnflächen eine bezüglich der Radialebene aniisymmetrische horizontale Komponente der induktion senkrecht zur optischen Achse auf. Diese Komponente, weiche in der Radialeben»· Null ist, ist um so stärker, je mehr man sich von dieser Ebene entfernt. Die im Transversalschnitt enthaltenen Flugbahnen, welche die Stirnflächen des Sektors an nicht in der Radialebene enthaltenen Punkten durchsetzen, werden daher beim

2» Durchgang durch die Stirnflächen gekrümmt. Daraus folgt, daß der magnetische Sektor Fokussierungseigenschaften auch im Transversalschnitt aufweist.

Es ist jedoch zu bemerken, daß die zum Transversalschnitt gehörigen Brennpunkte und die zugehörige

2^r> Brennweite sich im allgemeinen von den zur Radialebehe gehörigen Brennpunkten und der zugehörigen Brennweite, welche oben erläutert wurden, unterscheiden
Genat.£r gesagt: einem Gegenstand mit der Abszisse

jo ζ auf der Gegenstandsachse entspricht im Radialschnitt ein Bildpunkt mit der Abszisse ξ\ und im Transversalschnitt ein Bildpunk? mit einer anderen Abszisse ξ'2. Die Abbildung ist also nicht stigmatisci'i.
Aus weiter unten erläuterten bestimmten Gründen

J5 besteht ein Interesse daran, eine symmetrische Anordnung am Eintritt und am Austritt zu schaffen, indem έ = — ε 'gesetzt wird (Fall der F i g. 1). ZZi und Ζ'ΖΊ sind daher symmetrisch bezüglich der transversalen Symmetrieebene des Sektors.

Unter diesen Bedingungen werden die Werte von ξ\ und ζ'2 durch die folgenden Formeln wiedergegeben, welche nach einer allgemeineren Theorie von Maurice Gotte (Maurice Cot te, Doktorarbeit »Recherches sur l'optique electronique«, Masson et C^ic, Paris 1938) abgeleitet wurden:

-1 R

- · + Hg')
- tg. - (I lg'

Bei bekannten Ionenmikroanalysatoren wurde der

bo Winkel ε so gewählt, daß Radialbild und Transversalbild für einen bestimmten Gegenstandspunkt Mim Punkt M' zusammenfallen. Die vorangehenden Formeln zeigen, daß dies theoretisch mit zugeordneten Punkten Mund M' möglich ist, weiche bezüglich der transversalen Symmetrieebene des Prismas symmetrisch sind, und

zwar für tg ε=-^(ε liegt dann nahe bei 27").

In diesem Fall gibt es ein einziges Paar von

stigmatischen konjugierten Punkten M und /W' Diese Punkte sind reell Und es gilt:

Ein drehsymmetrisches Bündel mit dem Scheitel M und der Achse Zl ergibt daher nach dem Durchlaufen des Sektors ein etwa in M' konvergierendes Bündel, welches aus Symmetriegründen ebenfalls drehsymmetrisch ist Man ersieht daraus den Zweck der besonderen iö gewählten Anordnung, bei der e'=— έ ist; was unter Erhaltung der Drehsymmelrie der Bündel die Vermeidung von Verzeichnungsfehlern der Bilder gemattet.

Andererseits gibt es unter allen Paaren von Punkten N und N', welche in radialer Fokussierung zueinander konjugiert sind und jeweils auf der Gegenstandsachse bzw. auf der Bildachse liegen, ein Paar von Punkten C und C", für welches gilt, daß ein Bündel der Radialebene, welches als Achse die Gegenstandsachse hat und im Punkt Ckonvergiert. durch den magnetischen Sektor in 2ö em ebenes, im Punkt C konvergierendes Bündel umgewandelt wird, und zwar nicht nur für Ionen Po. sondern auch, bis auf Größen erster Ordnung, für alle Ionen, deren Bev/egungsgröße nahe bei mov₀ liegt, mit anderen Worten bezüglich der Ionen mit der Masse ma für ein bestimmtes Geschwindigkeitsband mit dem Mittenwert V₀. Der Punkt C", welcher auch als ungefährer Bildachsen-Konvergenzpunkt der Flugbahnen der Ionen mit de Masse ma und mit Geschwindigkeiten nahe vo auf der Bildachse, die in den Sektor längs dessen Gegenslandsachse eindringen, definiert werden kann, wird »achromatischer Brennpunkt« des Sektors genannt. Für den besonderen, oben betrachteten Sektor werden C und C definiert durch J = 2#/3 bzw. f

Wenn keine Energiefilterung erfolgt, arbeitet der bekannte Mikroanalysator folgendermaßen (Fig. 1): Man verwendet einen magnetischen Sektor der angegebenen Art mit einer um 90° gekrümmten optischen Achse, welcher ein Paar von stigmatischen konjugierten Punkten bei Wund Λ/'aufweist.

Man ordnet normalerweise auf der Achse ZI die Oberfläche der zu untersuchende Probe 5 an. Eine von der Probe selbst und von einem Elektrodensystem 6 gebildete Immersionslinse mit der Achse Zl beschleunigt die Ionen und erteilt denselben eine zusätzliche

Energie Eo=V₀ Elektronenvolt= j/7?ov_o ² und ist so

angeordnet, daß ihr Bündelknoten Q zentrisch zum Punkt M liegt. Ihre Konvergenz wird so geregelt, daß so das Bündel der aus dem Gegenstand beim Aufprall eines Bündels von Primärionen herausgeschlagenen Sekundärionen ein reelles vergrößertes Bild 5Ί der uniersuchten Oberfläche (im allgemeinen eines geringen Bruchteils der Gesamtoberfläche der Probe) wiedergibt, welches bei Abwesenheit des magnetischen Sektors am Punkt C entstehen würde, der in radialer Fokussierung zu dem achromatischen Brennpunkt C'konjugiert ist.

Infolgedessen ergibt der magnetische Sektor ein lediglich in radialer Fokussierung konjugiertes und daher astigmatisches Bild S'\ der Probe und ein zentrisch zum Punkt M' liegendes Stigmatisches Bild Q\ des Bündelknotens Q.

Bei M und M' ist jeweils eine kreisförmige Blende 3 bzw. 13 angeordnet "Diese Blenden ersetzen den Eintritts- und Austrittsspalt eines bekannten Massenspektrometer und gestatten die Bewegungsgrößenfilterung des Sekimdärionenbündels.

Das virtuelle Bild S'u welches für die Ionen mit der Masse ma, deren Geschwindigkeit in einem Vo umfassenden Band enthalten ist, praktisch achromatisch ist, wird mittels einer Linse 7 in ein reelles Bild Umgewandelt. Wie jedoch oben ausgeführt, kann dieses endgültige Bild durch andere tonen als solche mit der Masse mo gestört sein.

Andererseits ist das Bild S'\ mit Astigmatismus behaftet, aber es handelt sich dabei um einen Fehler, welcher am endgültigen Bild einfach mittels eines bekannten Astigmatismus^Korrekturglieds 8 korrigiert werden kann, welcher in der Umgebung der Blende 13 angeordnet ist.

Fig.2 zeigt die für sich betrachtete Arbeitsweise eines in der Teilchenoptik verwendeten sphärischen Kondensators.

Definitionsgemäß ist bei ebenem elektrischen Feld und ebener optischer Achse die Radialebene die die optische Achse und das elektrische Feld enthaltende Ebene, mit anderen Worten die einzige Ebene, welche die optische Achse enthält, wenn diese gekrümmt ist.

In Fig.2 ist ein sphärischer Kondensator durch seinen Schnitt in einer diametralen Ebene dargestellt, welche man als horizontal annimmt, wobei dieser Kondensator durch zwei vertikale Diametralebenen begrenzt ist, welche die Zeichenebene entlang den Linien ωΧ und ω Y schneiden. Es ist außerdem ein Kreisbogen K dargestellt, der den gleichen Mittelpunkt ω wie die Kugelflächen hat, auf denen die beiden Elektroden P\ und Pi des Kondensators liegen, und dessen Radius /■ der Mittelwert der Radien der Elektroden ist.

Wenn an die beiden Elektroden P\ und Pi geeignete Potentiale angelegt werden, kann erreicht werden, daß das Potential auf dem Kreis K gleich dem Potential außerhalb des Kondensators ist und daß das Feld auf diesem Kreis derart ist, daß Ionen mit der Masse mo, die ih den Kondensator am Schnittpunkt /des Kreises K mit der Geraden ωΧ mit einer Geschwindigkeit vo längs der Tangente zz\ im Punkt /an den Kreis K mit dem Radius r eintreten, sich im Kondensator längs des Kreises K bewegen und denselben infolgedessen längs der Tangente /ζΊ im Punkt /' an den Kreis K verlassen, wobei ;' der Schnittpunkt des Kreises K mit der Geraden ω Kist.

Das System mit der optischen Achse zii'z\ besitzt in einer Radialebene optische Eigenschaften, weiche denjenigen des magnetischen Sektors in einer Radialebene entsprechen und welche in gleicher Weise erläutert werden sollen, indem man die virtuellen geradlinigen Verlängerungen der in den Kondensator eindringenden und denselben verlassenden Strahlen sowie die orientierten Achsen ziz\ und z'i'z\ verwendet, weiche die Gegenstandsachse bzw. die Bildachse des Kondensators sind.

Man kann in diesem System einen auf der Gegenstandsachse zz\ angeordneten Gegenstandsbrennpunkt / und einen auf der Bildachse z'z\ angeordneten Bildbrennpunkt /'definieren; die für den magnetischen Sektor angegebenen optischen Eigenschaften in der Radialebene bleiben für den sphärischen Kondensator unter der Bedingung gültig, daß man die zuvor definierten Begriffe Fi, F' ZZ\, Z'Z\ durch f. Γ, ζζϊ, z'z'\ sowie die Konstante f_p durch eine Konstante f_c ersetzt

Der sphärische Kondensator besitzt jedoch außerdem die Eigenschaft daß das, was für die radiale Fokussierung gesagt wurde, gleichermaßen auch für die

transversale Fokussierung gilt (d. h. in der Zylinderfläche senkrecht zur Rädialebehe längs der optischen Achse), wobei die Brennpunkte und die Brennweite gleichbleiben.

Schließlich hat sich herausgestellt, daß man auf der Gegenstandsachse Und der Bildachse eines sphärischen Kondensators ein Paar von konjugierten Punkten cund c'definieren kann, für welche sowohl die radiale als auch die vertikale Richtungsfokussierung im wesentlichen Von der Energie der Ionen unabhängig ist. Man erhält daher eine Fokussierung für ein bestimmtes Energieband, welches den Mittelwert moVaⁱ hat, und infolgedessen bezüglich der Ionen mit der Masse mo für einen bestimmten Geschwindigkeitsbereich mit dem Mittenwert Vo. Der Punkt c' wird ebenfalls »achromatischer Brennpunkt« des Kondensators genannt. Dieser Punkt ist insbesondere der auf der Bildachse liegende Konvergenzpunkt der Flugbahnen der Ionen mit der Masse mo und einer Geschwindigkeit um vo, weiche in den Kondensator längs dessen Gegenstandsachse eintreten.

Man kann daher mit einem sphärischen Kondensator ein nach der Energie gefiltertes und achromatisches ionenbild in gleicher Weise erhalten, wie man ein nach der Bewegungsgröße gefiltertes und achromatisches Ionenbüd mit einem magnetischen Sektor erhält. Es genügt die Vorgabe von zwei reellen konjugierten Punkten m und m', wobei die Punkte m, m'c und c'die zuvor von den Punkten M₁ M', C und C" gespielten Rollen übernehmen.

Bei dem nachstehend beschriebenen lonenmikroanalysator werden die beiden Filtersektoren (magnetischer Sektor und sphärischer Kondensator) in Reihe geschaltet, wobei der erste Sektor (magnetischer Sektor oder Kondensator) ein gefiltertes und achromatisches Bild der Probe liefert, welches von einer an sich bekannten optischen Vorrichtung aufgenommen und auf den zu dem achromatischen Brennpunkt des zweiten Sektors konjugierten Punkt projiziert wird, wobei der zweite Sektor das doppelt gefilterte Bild liefert, welches abermals von einer an sich bekannten optischen Vorrichtung aufgenommen und auf einen Beobachtungsschirm, vorzugsweise mittels eines Ionen-Elektronen-Bildwandlers, projiziert wird.

Natürlich muß die Korrektur des vertikalen Astigmatismus an dem vom magnetischen Sektor gelieferten Bild durchgeführt werden.

Man erhält so ein achromatisches Bild in einem bestimmten, die Geschwindigkeit v₀ enthaltenden Geschwindigkeitsband.

■- Darüber hinaus können die beiden Filtersektoren einander derart zugeordnet werden, daß die Teilchen mit der Masse mo, welche in den ersten Sektor längs dessen Gegenstandsachse eintreten, den zweiten Sektor längs dessen Bildachse unabhängig von ihren Geschwindigkeiten (bis auf Größen zweiter Ordnung) verlassen.

Man erhält so ein »achromatisches System«, welches eine noch viel breitere Ausnutzung von brauchbaren Ionen mit der Masse m₀ gestattet, und zwar unter ständiger Vermeidung des Einwirkens von Ionen mit einer von mo unterschiedlichen Masse auf das endgültige Bild. Darüber hinaus ist das System achromatisch nicht nur bezüglich der Ionen mit der Masse mo, sondern auch bezüglich der Ionen mit benachbarten Massen, woraus sich ein sehr hohes Auflösungsvermögen der Vorrichtung ergibt

Vor der Beschreibung dieser Zusammenhänge wird zunächst der elektrische Filtersektor genauer erläutert, welcher vorzugsweise verwendet wird. Hierzu wird wiederum, wie in F i g. 2 dargestellt, vorzugsweise eine optische Achse Verwendet, deren kreisförmiger Teil aus einem Viertelkreis besteht, was verschiedene Vereinfachungen ergib! und außerdem die obenerwähnten bevorzugten Zuordnungsformen der beiden Sektoren erleichtert.

Um diesen Viertelkreis zu erhalten, genügt es offensichtlich, daß ωΧ und ω Υ aufeinander senkrecht stehen. Die beiden Brennpunkte /und Λ fallen sodann mit / bzw. /' zusammen, und die Zuordnuhgsbeziehurig für die Richtungsfokussierung lautet

Jm ■ i'm= - r².

Der achromatische Brennpunkt c' (welcher bis auf Größen zweiler Ordnung gültig ist), fällt mit dem Schnittpunkt der Bildachse und der Gegenstandsachse und daher mit seinem konjugierten Punkt czusammen.

Die Fig.3 bis 6 zeigen verschiedene Arten der Zuordnung eines magnetischen Sektors und eines sphärischen Kondensators in einem Ionenmikroanalysator. In diesen Figuren sind die gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den Fig. I und

In allen Figuren ist die Zeichenebene die radiale Symmetrieebene des magnetischen Sektors und eine Radialebene des sphärischen Kondensators. Die Gegenstandsachse des zweiten Sektors fällt mit der Bildachse des ersten Sektors zusammen, wobei diese beiden zusammenfallenden Achsen »gemeinsame Achse« genannt werden. Infolgedessen kann der eine oder andere der Sektoren eine Lage einnehmen, welche sich von der Lage, die er in Fi g. 1 oder 2 einnimmt, nicht nur durch eine Verschiebung in der Radialebene, sondern auch durch eine Drehung um seine Gegenstands- oder Bildachse ableiten läßt, wodurch an seinen Eigenschaften offensichtlich nichts verändert wird.

Je nachdem, ob die beiden optischen Achsen, welche

4ö die optische Achse des Mikroanalysators bilden, auf der gleichen Seite der gemeinsamen Achse angeordnet sind oder nicht, spricht man von einer »C«-förmigen oder von einer »S«-förmigen Anordnung.

Schließlich wird bei allen beschriebenen Anordnungen die Bezeichnung »Dispersionswinkel« für den Winkel verwendet, welchen mit der Bildachse des zweiten Sektors die geradlinige Austrittsflugbahn eines Ions mit der Masse mo+Am und der Energie v_o+AV bildet, das in den ersten Sektor längs dessen

so Gegenstandsachse eintritt.

In F i g. 3 ist eine »C«-förmige Anordnung dargestellt. Der erste Filtersektor ist der magnetische Sektor, und alle ihn betreffenden Elemente der F i g. 1 finden sich in F i g. 3 wieder. Der zweite Filtersektor ist der sphärische Kondensator.

Die Linse 7 ist jedoch weggelassen und durch eine Linse 9 ersetzt, weiche ebenso wie das Astigmatismus-Korrekturglied 8 in der Umgebung des Punktes M' angeordnet ist, wobei sich die Blende 13 selbst im Punkt /vf'befindet Die Linse 9 liegt genügend nahe beim Punkt M', so daß man zur Vereinfachung der Erläuterung und der Formeln annehmen kann, daß die Linse 9 ein Bild des Punktes M' ergibt, welches praktisch mit M' zusammenfällt. Der Bildpunkt M', des optischen Systems des magnetischen Sektors kann auch als Gegenstandspunkt m des optischen Systems des sphärischen Kondensators angesehen werden und ist aus diesem Grund in der Figur mit M', m bezeichnet

Dei Punkt ι Jes elektrischen Sektors befindet sich iri einer Entfernung D vom Punkt M'. Die Konvergenz der Linse 9 ist so eingestellt, daß sie von dem vom magnetischen Sektor erzeugten virteuellen Bild S\ ein reelles Bild Si erzeugt, welches zentrisch zum Pufikt c, c' des sphärischen Kondensators liegt und für diesen die Rolle des virtuellen Gegenstandes spielt; der sphärische Kondensator erzeugt seinerseits davon ein virtuelles Bild s'\, das zentrisch zum Punkt c, c', jedoch senkrecht zur Bildachse liegt. Andererseits erzeugt der sphärische Kondensator vom Bündelknoten M', mein neues Bild in dem zu dem Punkt in konjugierten Punkt m', welches durch

T⁷^P= -rV{- D)

definiert ist (D ist eine positive Länge).

In diesem Punkt m' wird eine weitere Blende 23 angeordnet. Die Linse 18, qelche zur Erzeugung des endgültigen Ionenbildes dient, liegt hinter der Blende 23 zentrisch zur Gegenstandsachse.

Mit dieser Anordnung wird ein achromatisches System erhalten. Tatsächlich zeigt die Berechnung, daß für den Dispersionswinkel α des Systems gilt:

O + r

2R \m D + r i>h)

wobei das Bild 5Ί den virtuellen Gegenstand bezüglich des magnetischen Sektors bildet.

Von hier an gelten die bei der Beschreibung der F i g. 1 erwähnten Bedingungen für die Erzeugung des einfach gefilterten Bildes. Die entsprechenden Elemente sind irV der Figur nicht dargestellt.

Der Dispersionswinkel α der Vorrichtung von Fig.4 beträgt:

= ³ (^{D + r} -

4 V 2«

Im

Achromatismus erhält man für:

Die Dispersion bezüglich Masse ist dann

Im
'»„

Es genügt daher, D+r—2R zu setzen, damit das ganze System bezüglich der Masse dispersiv ist, ohne bezüglich der Geschwindigkeit uispersiv zu sein.

Man erhält dann nämlich:

Im

Insbesondere kann man, wie in Fig.3 dargestellt, D= r=Ä setzen.

Unter diesen Bedingungen ist das durchgelassene Geschwindigkeitsband von Ionen mit der Masse mo optimal.

F i g. 4 zeigt eine »C«-förmige Anordnung, bei welcher der sphärische Kondensator vor dem magnetischen Sektor angeordnet ist.

Der Punkt m liegt auf der Halbachse zi.

Die Probe 5 und eine Beschleunigungslinse 16 sind senkrecht zur Achse zz\ angeordnet, und die Beschleunigungslinse 16 ist so eingestellt, daß sie einen zentrisch zum Punkt m liegenden Bündelknoten Q und ein reelles ;BiId si der Probe erzeugt Dieses reelle Bild s\ spielt die Rolle des virtuellen Gegenstandes bezüglich des sphärischen Kondensators, welcher davon ein virtuelles Bild s'\ erzeugt.

Eine Blende 33 ist in m derart angeordnet, daß sie den Bündelknoten (^begrenzt

Der magnetische Sektor ist so angeordnet, daß sein Punkt M mit dem bezüglich des Kondensators zum Punkt m konjugierten Punkt /n'zusammenfällt, welcher auf der Bildachse des Kondensators derart angeordnet

ist, daß

i'm'= - filim= D.

In unmittelbarer Nähe des Punktes m'_r M liegen wieder, wie bei der vorhergehenden Anordnung in M', m, eine Blende 43 und eine Linse 9. Diese Vorrichtung ermöglicht die Erzeugung eines reellen, zentrisch zum Punkt C des magnetischen Sektors Hegenden Bildes Si des vom Kondensator gelieferten virtuellen Bildes s't,

Der Achromatismus tritt insbesondere, wie in
Figur dargestellt, ein für: D—r=*R.

In der vorstehenden Beschreibung wurde angenommen, daß das optische Zentrum der Linse 9 in den F i g. 3 und 4 mit der hinter der ersten Ablenkung angeordneten Austrittsblende 13 oder 43 praktisch zusammenfällt. Tatsächlich ist eine solche Bedingung schwierig herzustellen, da die Linse im allgemeinen elektrostatisch ausgebildet ist, und es wäre schwierig, eine Blende nahe ihrer Mitte anzuordnen, ohne ihre Arbeitsweise zu stören.

Andererseits ist die betrachtete Linse eine schwache Linse, welche beträchtliche Abmessungen aufweist.

Es wird daher im allgemeinen bevorzugt, die auf der gemeinsamen Achse angeordnete Linse durch eine Gruppe von zwei Linsen zu ersetzen, deren jede eine geringere Brennweite besitzt als die einzige Linse, welche durch dieselben ersetzt wird. Man kann auf diese Weise »S«-förmige Anordnungen herstellen, welche bezüglich der Dispersion und des Achromatismus gleichwertige Eigenschaften haben wie »C«-förmige Anordnungen mit einer einzigen Zwischenlinse. Dies beruht auf der Tatsache, daß der Übergang vom »C«-förmigen zum »S«-förmigen Typ den Übergang von einer negativen Vergrößerung zu einer positiven Vergrößerung mit sich bringt, was das von der o\rischen Zwischenvorrichtung erzeugte Bild der Probe betrifft.

Fig.5 zeigt eine »S«-förmige Anordnung, bei welcher der magnetische Sektor vor dem sphärischen Kondensator angeordnet ist. Die Anordnung ist von der Probe bis zu dem Punkt M'die gleiche wie in F i g. 3.

Die den Bündelknoten Qi begrenzende Blende 13 ist in M' angeordnet. Eine erste Konvergenzlinse 31 mit der Brennweite f\ hat ihren Gegenstandsbrennpunkt im Punkt M', und eine zweite Konvergenzlinse 32 mit der Brennweite h ist bezüglich des sphärischen Kondensators so angeordnet, daß ihr Bildbrennpunkt mit dem Punkt /77 der Gegenstandsachse des sphärischen Kondensators zusammenfällt Man erhält so im Punkt m ein Bild des Bündelknotens in M'. Der Abstand L der beiden Linsen 31, 32 ist so gewählt, daß die Punkte C und c bezüglich des Systems der beiden Linsen zueinander konjugiert sind. Für das endgültige Bild gilt wieder der Fall von F i g. 3.

Der Dispersionswinkel κ des Systems ist dann gegeben durch:

L /. D + rj

W V₀

h T

2R

D + r

Das System ist ;tchrommisch für:

IR D + r

Die Dispersion bezüglich der Masse ist sodann:

fm
'"η

Für Zi = Zj erhält man wieder die Bedingung D+r=2R.

Der Achromatismus der Vorrichtung bringt die gleicher. Vorteile wie oben mit sich.

Fig.6 zeigt eine »S«-förmige Anordnung mit zwei Zwischenlinsen 31, 32, wobei jedoch der elektrische Sektor vcr dem magnetischen Sektor angeordnet ist

Von der Probe bis zu dem Punkt m'ist gegenüber der Anordnung von F i g. 4 nichts verändert.

Die optische Zwischenvorrichtung kann die gleiche sein wie diejenige der F i g. 5, wobei die Blende 43 in m' angeordnet ist, wo sich auch der Gegenstandsbrennpunkt der Linse 3i befindet, während der Bildürennpunkt der Linse 32 mit dem Punkt Mdes magnetischen Sektors zusammenfällt, und der Abstand /-zwischen den beiden Linsen ist so gewählt, daß die Punkte c' und C zueinander konjugiert sind.

Für die Erzielung des endgültigen Bildes gelten w eder die Bedingungen von F i g. 4.

Der Dispersionswinkel ist:

■ Ρ·· ^{D + r} -il ^Η ₊

Das System ist achromatisch Pur:
/ι

Im

Hin

2R
D + r

und in dickem Fall ist

Im

"Ι.

Für U = fr erhält man die Bedingung
D+r=2R.

Die in F i g. 7 dargestellte Vorrichtung ist eine Ausführungsform gemäß d;:m optischen Schema der F i g. 6, welche fünf Hauptteile aufweist, die untereinander derart verbunden sind, daß ein dichtes Gehäuse gebildet wird, in welchem das Vakuum mittels einer oder mehrerer in der Figur nicht dargestellter Pumpanlagen aufrechterhalten wird.

Der erste Teil ist die Gegenstandskammer 51. in welcher sich die zu analysierende Probe 5 befindet, die von einem Träger 53 gehalten wird, welcher in drei aufeinander senkrechten Richtungen mittels einer Probenverschiebungseinrichtung 54 verschiebbar ist. deren Steuereinrichtungen außerhalb der Kammer angeordnet sind.

Ein an der Gegenstandskammer befestigter Ionenstrahlerzeuger 55 erzeugt das primäre Ionenbündel zur Beschießung der Probe. Die von dieser ausgesandten und als positiv angenommenen Sekundärionen werden beschleunigt und durch eine Linse mit drei Elektroden 16, die mit der Probe eine Immersionslinse bildet, fokussiert. Dazu wird die Probe mittels einer Spannungsquelle 57 auf ein positives Potential + V₀ bezüglich der Masse des Geräts gebracht Die ersle und die dritte Elektrode der Linse 16 sind mit Masse verbunden, und die innere Elektrode ist mit Hilfe eines Potentiometers 61 auf ein einstellbares Potential gebracht, welches zwischen dem Massepotential und dem Potential V₀ liegt, wodurch die Konvergenz der Linse eingestellt wird. Eine Blende 33 ist am Bündelknoten der Linse angeordnet

Der zweite Teil ist die Kammer 59, weiche den elektrischen Sektor enthält, der von den sphärischen Belägen P\ und Pj gebildet wird, weiche auf das Potential - V, bzw. auf das Potential + V₂ gebracht sind; diese Potentiale werden von einer Spannungsqueüe 152 geliefert.

Der dritte Teil ist der Zwischenkörper 163, welcher die Energieauswahlblende 43 und die beiden Linsen 31 und 32 mit je drei Elektroden enthält, deren innere Elektroden jeweils mittels eines Potentiometers 62 bzw. 63 auf ein Potential gelegt ist, das zwischen dem Massepotential und dem Potential V₀ liegt wodurch ihre Konvergenz eingestellt wird.

Der vierte Teil ist die Kammer 67, welche die Polschuhe 68 des Elektromagneten 19 enthält, der den magnetischen Sektor bildet. Die Spulen 70 dieses Elektromagneten sind außerhalb der Kammer angeordnet und mit einer Stromquelle 71 verbunden, die die

r> Einstellung der magnetischen Induktionsstärke gestattet.

Der fünfte Teil ist die Kammer 72, weiche das Astigmatismus-Korrekturglied 8. die Austrittsblende 13 und den Bildwandler enthält, der in der Figur nicht dargestellt ist. Eine binokulare Brille 75 ermöglicht die Beobachtung des Bildes, welches auf dem Fluoreszenzschirm des Bildwandlers entsteht.

Es sind auch andere als die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen möglich. Insbesondere ist es möglich, sowohl für den elektrischen Sektor als auch für den magnetischen Sektor eine optische Achse zu verwenden, deren kreisförmiger Teil ein von 90" verschiedener Bogen ist. wobei ein achromatischer Brennpunkt stets wenigstens in erster Annäherung auf diesen Achsen definiert werden kann.

Es ist zu bemerken, daß im allgemeinen ein einziges Astigmatismus-Korrekturglied sowohl zur Korrektur des Astigmatismus des vom magnetischen Sektor der beschriebenen Mikroanalysatoren erzeugten Bildes der

« Probe als auch zur Korrektur der sekundären Astigmatismen verwendet werden kann, weiche sich beispielsweise aus den Randunschärfen ergeben.

In dieser Hinsicht ist zu betonen, daß das Astigmatismus-Korrekiurglied vorzugsweise in der Nähe eines der Bündelknoten angeordnet werden soll, damit es deren Stigmatismus nicht stört.

Hierzu 6 Glatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   1, Ionenmikroanalysator zur Erzeugung eines bezüglich des Verhältnisses Masse/Ladung s,elekti- "> ven Ionenbildes der Oberfläche einer Probe, mit:

   — Einrichtungen zur Beschießung der Oberfläche der Probe mit primären Teilchen, wodurch Sekundärionen aus derselben herausgeschlagen werden, "'

   — einer ersten Linsenanordnung, welche die herausgeschlagenen Ionen beschleunigt und zu einem Bündel zusammenfaßt, das einen Bündelknoten an einer vorbestimmten Stelle der optischen Achse der Linsenanordnung aufweist π und ein Bild der Oberfläche der Probe liefert,

   — einer Rlteranordnung zur Filterung der Ionen des Bündels als Funktion des Verhältnisses Masse/Ladung mit einem ersten und einem zweiten Filtersektor, weiche hintereinander 2a angeordnet sind und zwischen denen eine erste Blende vnd eine zweite Linsenanordnung eingefügt sind, die zentrisch zu einer gemeinsamen optischen Achse liegen, wobei der eine Filtersektor ein magnetischer Sektor mit zwei Polschuhen und der andere Filtersektor ein elektrischer Sektor in Form eines sphärischen Kondensators ist, die beiden Filtersektoren eine gemeinsame Radialebene aufweisen, bezüglich welcher die beiden Polschuhe zueinander symmetrisch sind in und in welcher der Mittelpunkt der von den Belägen des sphärischen Kondensators gebildeten Kugeiilächen liegt, und wobei die Filteranordnung außerdem winter ο .m zweiten Filtersektor eine zweite Blende aufweist. J5

   — einer gleichachsig zur zweiti ι Blende liegenden Anordnung zum Projizieren des selektiven Bildes auf einen Schirm,

   wobei der Mikroanalysator in der meinsamen Radialebene der Filtersektoren eine optische Achse -to aufweist, welche einen ersten, einen zweiten und einen dritten geradlinigen Achsabschnitt umfaßt, die jeweils mit Teilen der optischen Achse der ersten Linsenanordnung, der gemeinsamen optischen Achse der ersten Blende und der zweiten Linsenan- Vi Ordnung bzw. der gemeinsamen optischen Achse der Projektionsanordnung und der zweiten Blende zusammenfallen, der erste und der zweite geradlinige Achsabschnitt symmetrische Richtungen bezüglich der transversalen Symmetrieebene des ersten w Filtersektors haben und im Inneren des ersten Filtersektors durch einen Kreisbogen verbunden sind, welcher an meinen beiden Enden tangential zu diesen beiden geradlinigen Achsabschnitten verläuft, und wobei der zweite und der dritte geradlinige Vi Achsabschnitt symmetrische Richtungen bezüglich der transversalen Symmetrieebene des zweiten Filtersektors haben und im Inneren des zweiten Filtersektors durch einen Kreisbogen verbunden sind, welcher an seinen beiden Enden tangential /u bo dem zweiten und dem dritten geradlinigen Achsabsehnitt verläuft,

   wobei ferner der erste Filtersektor für den Teil der optischen Achse des Mikroanalysators, welcher seine eigene optische Achse bildet) einen achromatisehen Brennpunkt, welcher auf der den zweiten geradlinigen Achsabschnitt enthältenden Geradell angeordnet ist, sowie wenigstens ein Paar von reellen stigmatischen Punkten aufweist, deren Bildpunkt mit dem Mittelpunkt der ersten Blende zusammenfällt,

   wobei der zweite Filtersektor für den Teil der optischen Achse des Mikroanalysators, welcher seine eigene optische Achse bildet, einen achromatischen Brennpunkt, welcher auf der den driiten geradlinigen Achsabschnitt enthaltenden Geraden angeordnet ist, und wenigstens ein Paar von reellen stigmatischen Punkten aufweist, deren Bildpunkt mit dem Mittelpunkt der zweiten Blende zusammenfällt, und wobei die zweite Linsenanordnung so ausgebildet und angeordnet ist, daß eine durch den Mittelpunkt der ersten Blende gehende Gegenstandsebene bezüglich der zweiten Linsenanordnung einer reellen Bildebene konjugiert zugeordnet ist, die durch den Punkt geht, der bezüglich des zweiten Filtersektors zu dem Mittelpunkt der zweiten Blende konjugiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die optische Achse des Mikroanalysators vollständig auf einer Seite der den zweiten geradlinigen Achsabschnitt enthaltenden Geraden »C«-förmig angeordnet ist und die zweite Linsenanordnung so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie eine durch den achromatischen Brennpunkt des ersten Filtersektors gehende Gegenstandsebene mit negativer Vergrößerung in eine reelle Bildebene abbildet, die durch den Punkt geht, der zumindest in radialer Fokussierung bezüglich des zweiten Filtersektors zu dem achromatischen Brennpunkt des zweiten Filtersektors konjugiert ist. oder die optische Achse des Mikroanalysators zu beiden Seiten der den zweiten geradlinigen Achsabschnitt enthaltenden Geraden »S«-förmig angeordnet ist und die zweite Linsenanordnung mindestens zwei Linsen umfaßt und so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie eine durch den achromatischen Brennpunkt des ersten Filtersektors gehende Gegenstandsebene mit positiver Vergrößerung in eine reelle Bildebene abbildet, die durch den Punkt geht, der zumindest in radialer Fokussierung bezüglich des zwei'en Filtersektors zu dem achromatischen Brennpunkt des zweiten Filtersektors konjugiert ist.
2. 2. Ionenmikroanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder Kreisbogen über 90° erstreckt, und daß die beiden sich an den Kreisbogen des magnetischen Sektors anschließenden geradlinigen Achsabschnitte mit den Normalen auf die Eintritts und Austrittsflächen des magnetischen Sektors einen Winkel t bilden, für den im wesentlichen gilt:

   tg ε = 0.5.
3. 3. Ionenmikroanalysator nach Anspruch 2, dessen optische Achse »C«-förmig angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Blende bezüglich der transversalen Symmetrieebene des zweiten Filtersektors zur zweiten Blende symmetrisch ist und in einem Abstand D=2R-r vom Schnittpunkt des zweiten geradlinigen Achsabschnitts mit dem elektrischen Sektor angeordnet ist, wobei R der Radius des Kreisbogens des magnetischen Sektors und r der Radius des Kreisbogens des elektrischen Sektors ist, und daß die zweite Linsenanordnung von einer einzigen Linse gebildet ist.
4. 4. lonenmikroanalysator nach Anspruch 2, dessen optische Achse »S«-förmig angeordnet ist, dadurch

   gekennzeichnet, α.·β die zweite Linsenanordnung zwei Linsen aufu C'ist, weiche zwischen eier ersten Blende und der bezüglich der transversalen Symmetrieebene des zweiten Filtersektors zur Ebene der zweiten Blende symmetrischen Ebene angeordnet sind, und daß die E: entwerten /Ί und /j der beiden Linsen so bemessen and, daß gilt: