DE19953782C2

DE19953782C2 - Ionenquelle für die Elementanalytik

Info

Publication number: DE19953782C2
Application number: DE19953782A
Authority: DE
Inventors: Volker Hoffmann; Guenther Pietzsch; Klaus Wetzig; Klaus Moehler; Mihaly Kunstar; Detlef Schiel; Reinhard Jaehrling
Original assignee: Institut fuer Festkoerper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: LEIBNIZ-INSTITUT fur FESTKOERPER- und WERKSTOFFFORS
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1999-11-04
Publication date: 2002-03-14
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: DE19953821C2; DE19953821A1; DE19953782A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle für die Elementanalytik an einer festen Werkstoffprobe mittels massenspektrometrischer Analyse der Ionen des Plasmas einer Niederdruckgasentladung.

Bei den bekannten Ionenquellen für die Glimmentladungs- Massenspektrometrie wird innerhalb der Quelle ein Unterdruck eines Arbeitsgases erzeugt, zwischen zwei Elektroden ein Plasma gezündet, Material der auf Kathodenpotential liegenden Werkstoffprobe durch Sputtern in das Plasma eingetragen und dieses anschließend massenspektrometrisch analysiert (N. Jakubowski, D. Stuewer, G. Toelg, Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 71 (1986), 183 [1]; DE 15 89 389 A1 [2]; Y. Shao and G. Horlick, Spectrochim. Acta, Vol. 46B, No. 2, 165-174 (1991) [3]; EP 0 448 061 A2 [4]; JP 8-210 979 A [5]).

In [2] ist eine Ionenquelle für die Spektralanalyse beschrieben, die aus einer Kammer zur Aufnahme der zu analysierenden Werkstoffprobe besteht, wobei die Kammer einen Einlasskanal und einen Absaugkanal für ein Arbeitsgas aufweist. Der Absaugkanal mündet in der Kammer nahe der Werkstoffprobe. Die Kammer ist mit einer Kathode und einer zylinderförmigen hohlen Anode ausgestattet, mit denen über der Werkstoffprobe ein Plasma erzeugt wird. Die Kammer ist an ihrem der Werkstoffprobe abgewandten Ende mit einer Quarzglasscheibe verschlossen.

Eine solche Ionenquelle eignet sich auch für die Massenspektroskopie. Hierzu muss die Kammer an ihrem der Werkstoffprobe abgewandten Ende eine Öffnung für den Austritt der zu analysierenden Ionen in ein angeschlossenes Massenspektrometer aufweisen.

Die Größe dieser Öffnung und der in der Quelle herrschende Druck bestimmen den sich im Massenspektrometer einstellenden Druck. Durch das benötigte hohe Vakuum im Massenspektrometer müssen daher bei hohen Drücken kleine Öffnungen verwendet werden. Der Druck des Arbeitsgases innerhalb der Quelle bestimmt neben der verwendeten Werkstoffprobe wesentlich den sich bei einer bestimmten Spannung einstellenden Entladungsstrom. Innerhalb eines weiten Arbeitsbereiches vergrößert sich mit steigendem Druck die Entladungsleistung und damit die Erosionsgeschwindigkeit.

Eine hohe Erosionsrate ist erforderlich, um möglichst schnell in das Probeninnere vorzudringen und damit effektiv tiefenaufgelöste Analysen durchführen zu können bzw. oberflächliche Verunreinigungen durch das sogenannte Vorsputtern schnell zu beseitigen. Durch die Variation des Druckes kann außerdem die Form des Kraterprofiles in Richtung einer hohen Tiefenauflösung optimiert werden.

Falls der Abstand zwischen den Elektroden kleiner ist als die mittlere freie Weglänge der Atome des Entladungsgases wird dort die Entladung begrenzt. Kleinere Abstände als ca. 0,1 mm können nicht verwendet werden, da die Re-Deposition des abgetragenen Probenmaterials auf der Probenoberfläche schnell zu Kurzschlüssen führt.

In kommerziellen und sämtlichen aus anderer Literatur bekannt gewordenen Anlagen auf dem Gebiet der GD-MS wird der Abstand zwischen den Elektroden der Entladungsquelle, d. h. zwischen Werkstoffprobe und Anode klein, typischerweise ≦ 0,5 mm gehalten. Nahezu ausschließlich werden bisher beide Elektroden in Probennähe durch isolierendes Material getrennt. Bei Steigerung der Leistung durch Erhöhung des Druckes kommt es in diesem Bereich zu Instabilitäten durch Überschläge und damit auch zur Verunreinigung des Plasmas. Das trifft sowohl für die bekannten Stäbchen- oder Pinquellen als auch für die Flachquellen zu.

In [1] und [3] wurden zylindrische Anoden angewendet, bei denen die materielle Begrenzung zwischen Anode und Kathode nicht in der Nähe der Werkstoffprobe, sondern im Außenbereich der Quelle erfolgt. Auf die effektive Evakuierung des Raumes zwischen der Anode und der Kathodenplatte gemäß [2] wurde jedoch in beiden Fällen verzichtet.

Vielmehr wird z. B in [3] sogar durch diesen Spalt das Arbeitsgas in der Quelle eingelassen, was zu einer lokalen Druckerhöhung an dieser Stelle führt. Die bei dieser Quelle vorhandenen Absaugungen dienen ausschließlich dem Evakuieren der Quelle vor der Analyse und werden während der Analyse geschlossen.

Die Bestimmung niedrigster Elementkonzentrationen im Bereich von 10^-9 µg/g erfordert die Messung sehr hohe Ionenintensitäten des Hauptelementes im Bereich von 10¹⁰ Ionen/s. Versuche haben ergeben, dass sich das Evakuieren des Zwischenraumes zwischen den Elektroden negativ auf den ins Massenspektrometer überführten Ionenstrom auswirkt. Höhere Gasdrücke und die damit verbundenen höheren Leistungen führen bei konstanter Spannung zwischen den Elektroden trotz einer erhöhten Sputterrate der Werkstoffprobe nicht zwangsläufig zu einer Erhöhung der in das Massenspektrometer überführten Teilchen und somit des analytischen Signals. Obwohl in der Literatur bisher nicht beschrieben, kann daraus geschlußfolgert werden, dass der nicht zum Massenspektrometer gerichtete Gasstrom zwischen den Elektroden den Transport der Ionen der Werkstoffprobe zum Massenspektrometer behindert.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass alle bisher bekannten Ionenquellen der GD-MS gegenüber der GD-OES in einem vergleichsweise niedrigen Druck- bzw. Leistungsbereich arbeiten. Typisch für GD-OES sind bei ∅ 8 mm und 1000 V 100 mA und in der GD-MS 10 mA. Da die Messung des Druckes in der Entladungsquelle meist nicht exakt ist und die Entladungsparameter bei einer definierten Werkstoffprobe durch Spannung und Strom definiert sind, kann auf die genaue Angabe des Druckes verzichtet werden. Erfahrungsgemäß liegt er in der GD-OES zwischen 1,33 und 13,33 mbar (1 und 10 Torr) und in der GD-MS eine Größenordnung niedriger.

Die Erfindung geht von der in [2] beschriebenen Ionenquelle aus, die aus einer Kammer zur Aufnahme der zu analysierenden Werkstoffprobe besteht und einen Einlasskanal und einen Absaugkanal für ein Arbeitsgas aufweist, wobei der Absaugkanal nahe der Werkstoffprobe in die Kammer mündet, die Kammer mit einer Kathode und einer zylinderförmigen hohlen Anode ausgestattet ist, mit denen über der Werkstoffprobe ein Plasma erzeugt wird, und die an ihrem der Werkstoffprobe abgewandten Ende eine Öffnung für den Austritt der zu analysierenden Ionen in ein angeschlossenes Massenspektrometer aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ionenquelle so zu gestalten, dass der Druck im Raum zwischen den Elektroden erniedrigt wird und gleichzeitig eine Erhöhung der Entladungsleistung und eine höhere mit dem Massenspektrometer gemessenen Intensität der abgesputterten Teilchen bewirkt wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zusätzlich zum Einlasskanal und zum Absaugkanal ein Evakuierungskanal vorgesehen ist, der seitlich und nahe der Öffnung in die Kammer der Ionenquelle mündet und durch den das Plasma mit den zu analysierenden Ionen von der Werkstoffprobe in Richtung, auf die Öffnung gesaugt wird.

In vorteilhafter Weise ist der freie Querschnitt des Evakuierungskanals größer als der Querschnitt der Öffnung für den Austritt der Ionen.

Mit der erfindungsgemäßen Ionenquelle ist es möglich, neben der hohen Stabilität der Entladung bei hohen Leistungsdichten auch den Ionenstrom um ca. 1 Größenordnung gegenüber den bekannten Quellen zu steigern. Die erfindungsgemäße Ionenquelle ist auch für mittels Hochfrequenz-Spannung angeregte Entladungen anwendbar. Die Anwendungsfelder für die Erfindung sind die mit Gleichspannung betriebene Glimmentladungs-Massenspektrometrie (DC-GD-MS) und die hochfrequenzgestützte Glimmentladungs-Massenspektroskopie (RF- GD-MS).

Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: die schematische Schnittdarstellung einer Ionenquelle,

Fig. 2: das GD-MS Spektrum einer Cu-Standardprobe mit Pb.

Die in Fig. 1 dargestellte Ionenquelle für ein Massenspektrometer ist mit einer Anode 1, einer Kathode 2 und einem Isolator 3 aufgebaut. Die Anode 1 weist eine in das Massenspektrometer mündende Öffnung 4 für den Austritt der zu analysierenden Ionen auf. Ihr gegenüber ist eine zu analysierende Werkstoffprobe 5 an der Kathode 2 angeordnet. Das Innere der Ionenquelle ist mit der Werkstoffprobe 5 und den Dichtringen 6 und 7 dicht abgeschlossen. Innerhalb der Ionenquelle wird über die Oberfläche der Werkstoffprobe 5 ein Arbeitsgas geleitet, das durch einen Einlasskanal 8 zugeführt und durch einen Absaugkanal 9 abgeführt wird. Zwischen der Kathode 2 und der Anode 1 wird das Arbeitsgas gezündet. Dadurch bildet sich ein Plasma 10, in welches das Material der auf Kathodenpotential liegenden Werkstoffprobe 5 eingetragen wird.

Vor der Austrittsöffnung 1 zum Massenspektrometer mündet in der Anode 2 ein Evakuierungskanal 11, durch den das Plasma 10 während der Durchführung der Analyse in Richtung auf die Austrittsöffnung 4 gesaugt wird. Der Querschnitt der Mündung des Evakuierungskanals 11 innerhalb der Ionenquelle ist dabei größer bemessen, als der Querschnitt der Austrittsöffnung 4. Auf diese Weise wird, obwohl der Druck des Arbeitsgases zwischen den Elektroden erniedrigt wird, in vorteilhafter Weise eine Erhöhung der Entladungsleistung und eine Erhöhung der mit dem Massenspektrometer gemessenen Intensität erreicht.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis der Analyse an einer Werkstoffprobe 5 aus Cu mit 996 µg/g Pb, die bei 650 V und 150 mA analysiert wurde. Der Matrixionenstrom des Cu lag im Bereich von 10¹⁰ Ionen/s. Aus der Intensität der Pb-Signale ist ersichtlich, dass mit ca. 30 Ionen/s je ng/g Ultraspurenanalysen möglich sind. Der Vergleich der gemessenen mit den bekannten natürlichen Isotopenverhältnissen (Werte in Klammern) beweist die hohe Stabilität der Entladung.

Claims

1. Ionenquelle für die Elementanalytik an einer festen Werkstoffprobe (5) mittels massenspektrometrischer Analyse der Ionen des Plasmas (10) einer Niederdruckgasentladung, wobei die Ionenquelle aus einer Kammer zur Aufnahme der zu analysierenden Werkstoffprobe (5) besteht, die Kammer einen Einlasskanal (8) und einen Absaugkanal (9) für ein Arbeitsgas aufweist, wobei der Absaugkanal (9) nahe der Werkstoffprobe (5) in die Kammer mündet, die Kammer mit einer Kathode (2) und einer zylinderförmigen hohlen Anode (1) ausgestattet ist, mit denen über der Werkstoffprobe (5) ein Plasma erzeugt wird, die Kammer an ihrem der Werkstoffprobe (5) abgewandten Ende eine Öffnung (4) für den Austritt der zu analysierenden Ionen in ein angeschlossenes Massenspektrometer aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Einlasskanal (8) und zum Absaugkanal (9) ein Evakuierungskanal (11) vorgesehen ist, der seitlich und nahe der Öffnung (4) in die Kammer der Ionenquelle mündet und durch den das Plasma mit den zu analysierenden Ionen von der Werkstoffprobe (5) in Richtung auf die Öffnung (4) gesaugt wird.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt des Evakuierungskanals (11) größer ist als der Querschnitt der Öffnung (4) für den Austritt der Ionen.