DE19649201A1

DE19649201A1 - Elektronenstrahlanalyse

Info

Publication number: DE19649201A1
Application number: DE1996149201
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr Sigle
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1996-11-27
Filing date: 1996-11-27
Publication date: 1998-05-28
Also published as: WO1998023946A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse einer Materialprobe, bei der Teilchen unter Energiezufuhr von der Probe abgetrennt und qualitativ (elementselektiv) bzw. quantitativ nachgewiesen werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es sind verschiedene Analyseverfahren bekannt, bei denen unter Vakuumbedingungen einer Materialprobe Energie derart zugeführt wird, daß sich Teilchen von der Materialoberfläche lösen. Die Teilchen können dann mit einem geeigneten Nachweisverfahren analysiert werden. Als Nachweis ist ein Verfahren geeignet, mit dem ein spezifisches Merkmal der nachzuweisenden Teilchen meß- oder quantifizierbar ist. Zu den spezifischen Merkmalen zählen insbesondere die Teilchenmassen (Massenspektrometrie) oder charakteristische Wechselwirkungen mit elektromagne tischer Strahlung (Spektroskopie).

Um ein solches Analyseverfahren ortsaufgelöst durchführen zu können, wird die Energie der Materialprobe vorzugsweise in Form eines fokussierbaren Teilchenstrahls zugeführt. Bei der Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie (SIMS) werden mittels eines Ionenstrahls Atome aus dem zu analysierenden Material herausgeschlagen (sogenanntes Sputtern) und in einem Massen spektrometer entsprechend ihrer Masse sortiert und quantifi ziert (Zählung). Die Nachweisgrenze bei SIMS liegt im Bereich von 10^-6 (ppm) bis zu (10^-9) (ppb). Das SIMS-Verfahren ist jedoch hinsichtlich der erreichbaren Ortsauflösung beschränkt. Mit Ionenstrahlen sind Ortsauflösungen der Größenordnung von 1 µm bis 0,1 µm erreichbar. Damit lassen sich jedoch nicht kleinste Strukturen untersuchen, wie sie zum Beispiel in Festkörpern an Korngrenzen, an Kristalliten in nanokristal linem Material und bei mikroskopischen Phasentrennungen auftreten.

Da aber gerade im Bereich der kleinsten Festkörperstrukturen aufgrund von deren elektronischen oder optischen Eigenschaften in jüngster Zeit ein besonderes Interesse besteht, besteht auch ein Bedarf nach einem Analyseverfahren mit verbesserter Ortsauflösung.

Eine hohe Ortsauflösung ist mit bekannten elektronenspektros kopischen Untersuchungsmethoden erreichbar. Die Fokussier barkeit von Elektronenstrahlen erlaubt eine Ortsauflösung bis zu Größenordnungen kleiner oder gleich 1 nm. Die elektronen spektroskopischen Untersuchungsmethoden umfassen z. B. elektronenmikroskopische Untersuchungen, Elektronenbeugungs untersuchungen, Elektronen-Energieverlustspektroskopie (EELS) und die Elektronenstrahlmikroanalyse (ESNA).

Der Nachteil elektronenspektroskopischer Untersuchungsmethoden ist der prinzipiell hohe Untergrund. Dies macht die Analyse insbesondere dann unmöglich, wenn die Konzentration der interessierenden Elemente sehr gering ist (<10^-3 at%). Hier sind Untersuchungsmethoden unter Verwendung von Ionenstrahlen wesentlich empfindlicher. Weiterhin ist die Analyse sehr leichter Elemente (H, He, Li, Be, B, C, O) mit den elektronen spektroskopischen Verfahren entweder sehr schwierig oder überhaupt nicht möglich. Grundsätzlich stammt das detektierte Signal aus dem Probenvolumen, so daß eine tiefauflösende Analyse nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Analysever fahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung bereit zustellen, die sowohl eine hohe Ortsauflösung als auch eine hohe Nachweisempfindlichkeit besitzen und die für den Nachweis einer großen Anzahl von chemischen Elementen (möglichst von allen chemischen Elementen) geeignet sind.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung basiert auf der Idee, eine bisher typischerweise mit Ionenstrahlen durchgeführte Vorgehensweise mit Elektronen strahlen zu realisieren. Obwohl die Elektronenmasse viel geringer als die Massen von Ionen in Ionenstrahlen ist und daher ein weniger effektiver Teilchenabtrag zu erwarten ist, sind Elektronenstrahlen dennoch zum Abt rennen von genügend vielen Teilchen innerhalb praktikabler Analysezeiten geeignet. Damit wird erstmalig ein Analyseverfahren ermöglicht, das die hervorragende Nachweisempfindlichkeit herkömmlicher Ionen- Sputterverfahren mit der hohen Ortsauflösung bekannter elektronenspektroskopischen Untersuchungsmethoden verbindet.

Das erfindungsgemäße Analyseverfahren wird vorzugsweise unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops durch geführt, in dem zunächst eine Fokussierung eines Elektronen strahls auf einen interessierenden Materialbereich (Aus scheidung, Korngrenze, Kristallit oder dergl.) erfolgt. Anschließend werden die erforderlichen Strahlparameter Elektronenstrom, Elektronendichte und dergl. eingestellt, so daß sich Teilchen von der Probe abtrennen lassen. Die abge trennten Teilchen können Atome oder Atomgruppen umfassen. Während der Abtrennung werden die frei werdenden Teilchen zum Beispiel mittels einer Saugspannung in ein Massenspektrometer überführt und dort in an sich bekannter Weise analysiert. Es ist ersatzweise möglich, z. B. eine optisch spektroskopische Analyse der abgetrennten Teilchen vorzunehmen.

Zur Realisierung einer praktikablen Meßzeit ist es wichtig, daß die abgetrennten Teilchen (Sekundärteilchen) zu einem möglichst großen Teil geladen sind. Falls die Sekundärteilchen überwiegend ungeladen sind (z. B. bei der Analyse von Metallen), so erfolgt nach der Abtrennung vorzugsweise eine Nachionisierung, so daß ebenfalls die Überführung in ein Massenspektrometer unter Wirkung einer Saugspannung ermöglicht wird. Die Nachionisierung kann einer Laser- oder Elektronen bestrahlung erfolgen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens wird dieses mit herkömmlichen TEM-Verfahren (Abbildung mit bis zu atomarer Auflösung, Elektronenbeugung, EDX, EELS) kombiniert.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung enthält eine Elektronen strahlquelle zur Bestrahlung einer Materialprobe derart, daß von der Probe Teilchen abgetrennt werden. Die Vorrichtung kann insbesondere ein Elektronenmikroskop (z. B. TEM) sein, das mit einem geeigneten Analysesystem versehen ist.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile:
Die Fokussierbarkeit der Elektronenstrahlen stellt eine her vorragende Ortsauflösung sicher, die mit Ionenstrahlen bislang nicht erreichbar ist. Bei Kombination des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens mit herkömmlichen TEM-Beobachtungsverfahren kann unmittelbar beobachtet werden, wo die Analyse statt findet. Diese Beobachtungsmöglichkeit, die bei Ionenstrahl methoden nicht gegeben ist, verbessert die Effektivität und Zuverlässigkeit der Analyse. Mit der Elektronenbestrahlung kann durch eine geeignete Wahl der Beschleunigungsspannung eine Veränderung des Materialvolumens vollständig vermieden werden. Dies ist bei den Ionenstrahlmethoden, bei denen Material nicht nur von der Probenoberfläche abgetragen wird, nicht der Fall. Ferner sind mit dem erfindungsgemäßen Analyse verfahren auch sehr leichte Elemente (z. B. Wasserstoff) nachweisbar. Außerdem sind von SIMS bekannte Techniken auf die erfindungsgemäße Analyse übertragbar. So läßt sich aufgrund des kontinuierlichen Materialabtrags eine tiefenauflösende Analyse durchführen (sogenannte "Tomographie").

Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefügte Figur beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Block darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durch führung des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens.

Eine Vorrichtung 100 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens ist im wesentlichen wie ein Transmissions elektronenmikroskop aufgebaut, bei dem ein Elektronenstrahl von einer Elektronenquelle 101 mit einer Fokussierungsoptik zu der Probe 103 auf der Probenhalterung 102 gerichtet und der von der Probe durchgelassene Teil des Elektronenstrahls mit Beobachtungs- und Anzeigemitteln 107 als Transmissionsbild darstellbar ist. Die Probenhalterung 102 und/oder der Elektronenstrahl sind mit geeigneten Mitteln manipulierbar, so daß eine Auswahl des bestrahlten Probenorts ermöglicht wird. Zusätzlich zu den Komponenten eines Elektronenmikroskops ist ein Analysesystem vorgesehen, das eine Spektrometereinrichtung 105 umfaßt. Die Spektrometereinrichtung 105 kann durch ein herkömmliches Massenspektrometer mit entsprechender Teilchen zuführung (Transferoptik 104) vom Probenort gebildet werden. Für die Transferoptik 104 wird eine möglichst kleine Bauform gewählt, um Platzprobleme zu vermeiden. Das Massenspektrometer 105 ist mit den üblichen Operationsmitteln (nicht dargestellt) versehen. Um eine Analyse mit dem Massenspektrometer auch bei ungeladenen Teilchen zu ermöglichen, kann eine Einrichtung 106 zur Nachionisierung vorgesehen sein.

Falls keine massenspektrometrische, sondern z. B. eine optisch-spektroskopische Analyse vorgesehen ist, so kann das Manipulierungsmittel z. B. durch eine Anregungslichtquelle ersetzt werden.

Die Vorrichtung 100 kann ferner Systeme zur Durchführung herkömmlicher elektronenspektroskopischer Untersuchungs methoden (nicht dargestellt) umfassen.

Die Parameter des Elektronenstrahls werden so ausgewählt, daß ein maximaler Abtrag realisiert und gleichzeitig keine Schädigung des Materials im Probenvolumen verursacht wird. Die Strahlstromdichte sollte möglichst hoch sein. Vorzugsweise werden hierfür Schottky-Feldemissions-Elektronenquellen ein gesetzt. Zur Untersuchung von Metallen oder Legierungen beträgt die Elektronenstromdichte z. B. rd. 6.10²³ Elek tronen.m^-2.s^-1. Die zur Erzielung eines für die Ausgabe ausreichenden Teilchenabtrags erforderliche Dosis kann im Bereich von 10²⁷ bis 10²⁸ Elektronen.m² liegen.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform auf der Grundlage eines Transmissionselektronenmikroskops beschränkt. Es ist vielmehr auch möglich, das Elektronenstrahlsystem an ein gegebenes Massenspektrometer anzupassen. Dies ist ins besondere dann möglich, falls es bei der Untersuchung nicht erforderlich ist, eine simultane Beobachtung des bestrahlten Probenbereiches zu gewährleisten. Es kann vorgesehen sein, die zu untersuchende Probe zu heizen. Dies hat insbesondere den Vorteil, das die Absorption von Restgasen vermindert wird.

Anwendungen der Erfindung liegen im Bereich der Element analyse, der Untersuchung von Adsorbaten auf dünnen Schichten und der Charakterisierung von nanokristallinen Materialien.

Claims

1. Verfahren zur Analyse einer Materialprobe, umfassend die Schritte:
Abtrennung von Teilchen aus einem zu analysierenden Bereich der Materialprobe durch Energiezufuhr, und
Nachweis von Art und/oder Menge der abgetrennten Teilchen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr durch eine Elektronenbestrahlung erfolgt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Elektronenbestrahlung durch Fokussierung mindestens eines Elektronenstrahls auf einen mit einem Elektronenmikroskop beobachtbaren Teil der Materialprobe erfolgt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Nachweis der abgetrennten Teilchen mit einem Massenspektrometer erfolgt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die abgetrennten Teilchen mit einem Ionisierungsmittel (106) vor dem Nachweisschritt ionisiert werden.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Nachweis mit einem Mittel zur optisch-spektroskopischen Untersuchung der abgetrennten Teilchen erfolgt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die abgetrennten Teilchen für die optisch-spektroskopische Untersuchung einer Bestrahlung unterzogen werden.

7. Vorrichtung zur Analyse einer Materialprobe, umfassend:
Mittel zur Zuführung von Energie zur Materialprobe derart, daß Teilchen aus einem zu analysierenden Bereich abtrennbar sind,
Mittel zum Nachweis von Art und/oder Mengen der abgetrennten Teilchen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zuführung von Energie durch mindestens eine Elektronenstrahlquelle gebildet werden.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Nachweismittel durch ein Massenspektrometer gebildet werden.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Nachweismittel durch ein optisch-spektroskopisches Untersuchungsgerät gebildet werden.