DE2023688A1 - Ionenmikroanalysator - Google Patents

Description

Patentanwälte DlpL-lng. R.BSETZeen. DIpI-Ing, K. Ι.Α.\·1Ρ»""Ξ~ΗΤ Dr.-Ing. R. Q :~ £ ₍ ζ j_r.

8 München 22, Steinsdorfstr. 10 8I-I5.694P 14.5.1970

HITACHI, LTD-, T ο k i ο (Japan)

Ionenmikroanalysator

Die Erfindung betrifft einen Mikroanalysator, das heißt eine Vorrichtung, bei der Ton einer zu analysierenden Festkörperprobe ein kleiner Oberflächenabschnitt (ein Flächenbereich, dessen Durchmesser gewöhnlich einige /um beträgt und im folgenden Analysenpunkt genannt werden soll) mit einem feinkolliraierten Primärionenstrahl beschossen und die chemische Analyse oder dergleichen des Analysenpunktes durch Analyse und/oder Messung der Sekundärstrahlungen (z.B..Sekundärionen, Sekundärelektroneri usw·) vorgenommen wird, die von dem beschossenen Punkt emittiert werden. In üblichen Einrichtungen werden die Sekundärionen vom Analysenpunkt durch ein Massenspektrometer analysiert.

Der Ionenmikroanalysator mit einem Massenspektrometer hat den Vorteil, daß die Zusammensetzung eines kleinen Teils der Festkörperprobe quantitativ sehr genau analysiert werden kann, jodoch haben

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derartige übliche Einrichtungen den Nachteil, daß die Auswahl des kleinen Teils für die Analyse (des Analysenpunkt) auf Schwierigkeiten stößt und es schwierig ist, die Beziehung zwischen den durch die Massenanalyse erhaltenen Daten und der Lage des Analysenpunkts auf der Probe herzustellen.

Für die Analyse ist es nämlich notwendig, den richtigen Analysenpunkt zu wählen, indem untersucht wird, welche Stelle auf der Probe am besten für die Analyse geeignet ist, um den Ionenstrahl genau auf den so ausgewählten Analysenpunkt zu richten. Bei der anschließen· den Untersuchung der Daten muß eine genaue Korrespondenz zwischen den Daten und dem Analysenpunkt hergestellt werden, was große Sorgfalt erfordert.

Es ist zum Beispiel üblich, daß der Bestrahlungsfleck eines Primärionenstrahls auf der Probenoberfläche mit einem optischen Mikroskop beobachtet und der Bestrahlungsfleck zum gewünschten Analysenpunkt durch geeignete Einstellung von Ablenkspannungen für den Primärionenstrahl verschoben wird. Ein derartiges Vorgehen ist jedoch umständlich, da der Bestrahlungsfleck zum Analysenpunkt bewegt werden muß, außerdem ist es unmöglich, die Lage des Analysenpunkts auf dem optischen Bild der Probe quantitativ abzulesen, so daß der Zusammenhang zwischen den Daten und der Lage des Analysenpunkts unsicher wird. Insbesondere, wenn viele Analysenpunkte auf einer Probenoherfläohe nacheinander zu analysieren sind, wird, die richtige Zuordnung zwischen den Daten und einem speziellen Analysenpunkt schwierig. Daher ist die Datenauswertung mühsam und zeitraubend, außerdem können dabei leicht Fehler auftreten.

Ein anderes übliches Vorgehen besteht darin, daß nur Ionen mit einem bestimmten Ma3sen-/Ladungsverhältnis (ify&-¥/ert) von den von der Probenoberfläche emittierten Sekundärionen analysiert und gemessen worden mit einem Massenspektrometer durch ebenes Abtasten dos Primärionenstrahls, mit dem die Probenoberfläche bestrahlt wird, wobei das Auagangasignal in den Anschluß für die Intensitäts-

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modulation einer Kathodenstrahlröhre eingespeist wird, die synchron zum Abtasten des Primärionenstrahls überstrichen wird, um das Bild der Sekundärionen (die Verteilung des oben angegebenen spezifischen Sekundärionenstrahls) von der Probenoberfläche auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre darzustellen, so daß der Zu-' stand der Probe vor der Analyse beobachtet werden kann. Das hat Jedoch den Nachteil, daß die Verteilung nur derjenigen Elemente angezeigt wird, die den Sekundärionen mit dem bestimmten m/e-Wert zugeordnet sind, so daß der Zustand desjenigen 'lexis der Probenoberfläche, der nicht die obigen Elemente aufweist, oder die Verteilung der anderen Elemente in der Probe nicht beobachtet werden kann. Es ist daher unmöglich, eine für die Wahl des Analysenpunkts ausreichende Information zu gewinnen* Ferner ist es unmöglich, eine Analyse durchzuführen, während das Bild der Sekundärionen von der Probenoberfläche auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre gezeigt" wird. Das hei-=t der Bestrahlungsfleck des Primärionenstrahls WuB auf einen gewünschten Analysenpunkt gerichtet und festgehalten werden, was aber nicht durchgeführt werden kann, wenn ^äS"'Bild der Sekundärionen gezeigt wird (oder wenn der Primär*- ionenstrahl abgetastet wird),. Umgekehrt kann, wenn eine massenspektroskopische Analyse für einen bestimmten Analysenpunkt durchzuführen ist, die Probenoberfläche nicht beobachtet werden. Daher ist es schwierig, eine genaue Information über die Beziehung zwischen den Daten und der Lage auf der Probe zu ermitteln»

^{: ;;} Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die eben angegebenen Nach-'IJeile'-zu "überwinden, das heißt einen verbesserten Mikroanalysator zu schaffen, bei dem der Bestrahlungsfleck eines Primärionenstrahls genau auf einen gewünschten Analysenpunkt gerichtet und eine massenspektroskopische Analyse des Analysenpunkts durchgeführt werden kann, während die überfläche der zu untersuchenden Probe beobachtet wird. Es soll also ein Ionenraikroanalysator angegeben werden, bei dem die Beziehung zwischen den Analysendaten und dem Analysenpunkt genau ermittelt werden kann. : *

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Beim erfindungsgemäßen Mikroanalysator wird der eine Probenoberf lache bestrahl ende Primärionenstrahl eben abgetastet ₉ werden die von der Porbenoberfläche durch den Xonenbeschuß emittierten Sekundärelektronen erfaßt und wird das erfaßte Signal in einen Anschluß für die Intensitätsmodulation einer Kathodenstrahlröhre eingespeist _s die synchron sum Abtasten des Primärionenstrahls überstrichen wird₅ um das Bild der Sekunäär©laktronen_s die der Probenoberfläehe entsprechen₉ auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre zn aeigen«. Der Leuchtpunkt entsprechend der festen Lage des Bestrahlungsflecks das Primärionenstrahls. wird auf dein Bild der Sokundärelektronen angezeigt;, indem der Bestrahlungsfleck des Primärioaeastrahls an einem willkürlichen Punkt auf der Probenoberfläche für ein konstantes Zeitintervall während des A-btastens fixiert v/is'do Der Bestrahlungsfleck wird genau auf einen geminsch·= ten Malyseapuakt gerichtet;, indem die Ablenkspannung des Primär= ionenstrahl^ entsprechend eingestellt wirdr, während die Lage des Leuchtpunkts beobachtet xvird. Schließlich werden die von dem Analysenpunkt emittierten Sekunaarionen₉ während der Bestrahlungsfleck des Primärionenstrahls auf dem gewünschten Analysenpunkt festgehalten wird» analysiert und gemessen mit einem Abtast·= Massenspektrometer®

la vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung werden nicht nur die durch die Massenspektroskopie erhaltenen Daten_? sondern auch die Informationen über die Lage des entsprechenden Analysenpunkts im Ionenmikroanalysator aufgezeichnete

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert» Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des er« findungsgemäßen Ionenmikroanalysators;

Fig. 2 eine Folge von Wellenformen, um schematisch die Beziehung

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zwischen dem Ionenstrahlabtastsignal im Ionenmikroanalysator von Figo 1 -und den Aus gangs signal en dazustellen;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen dem Bild der Sekundärelektronen von der Probenoberfläche, dargestellt auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre, und der Ablenkspannung für den Ionenstrahl}

Pig« 4 eine Folge von Wellenformen, um schematisch die Beziehung zwischen der Ablenkspannung für einen Ionenstrahl bei der Analyse, dem Massenabtastsignal und dem Ausgangssignal von einem Ionenfänger anzugeben;

Fig. 5 eine Tabelle, in der ein Beispiel von Analysedaten zu sehen ist, die durch einen Drucker gedruckt sindj

Fig. 6 eine Folge von Wellenformen, um schematisch die Beziehung zwischen dem Ionenstrahlabtastsignal, dem Befehlasignal für die Analyse, dem Massenabtastsignal und dem Ionenfängerausgangssignal zu erläutern, wenn der Bestrahlungafleck eines Ionenstrahls auf den gewünschten Analysenpunkt gebracht und eine massenspektroskopische Analyse des Analysenpunkts vorgenommen wird; und

Fig. 7 eine Folge von Wellenformen, aus denen scheraatisch die Beziehung zwischen verschiedenen als Analysendaten aufzuzeichnenden Signalen ersichtlich ist.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Ausführungsbeiepiels des erfindungsgemäßen lonenmikroanalysatora. Ein derartiger Analysator besteht im wesentlichen aus einem Ionenstrahlgenerator zur Erzeugung eines Primärionenstrahls I zur Bestrahlung einer zu analysierenden Probe, einer lonenstrahlabtaateinriohtung zur ebenen Abtastung der Probenoberfläche mit dem Primärionenstrahl I , einer Analysenpunktanzeigeeinrichtung zur Anzeige des Bilda

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der von der Probenoberfläch© emittierten Sekuadärelektronenj einem Massenspektrometer zur Durchführung einer massenspektroskopisohen Analyse des Sekundärionenstrahls I₀, der von der Probenoberflache ei&istiert wird» eine© Abtastsignalgenerator zur synchronen Steuerung der lonenstrahlabtaateinrichtung uttd der Analysenpunktansei= geeinrichtung, eines? Massenabtast einrichtung zum Massenabtasten dos S&xesonspektroiaeters," ein©» Analysenbefehlsignalgenerator zur Inbetriebnahme des Massenspektrometer _s ©ineö?Datenaufzeicantsngseinrichtung zur Aufzeichnung der Analysendaten und andereaZusatzeini'ichtungen.

Biese Battgyiippen imd derea Bstsieb sollea im folgenden genauer beschrieben werden»

Gaiiäß Pig«, 1 bestoht der loaenstrahlgenerator ame einer Ionen«- quölle 1,"eiaem Masseasepesater 2_S ©iaar !Fokussierungslinse 3 usw. Die Ton eier !oaenqiielle 1 (z.B. oineni Suoplasmatron) emittier» tea Ionen worden entsprechend ihrem Massen/ladungs<-?erhältnia (ai/e-Wert) durch den magnetischen Massenseparator 2 getrennt ₉ sodaß nur Ionen mit einem bestimmten ja/e-Wert durch eiaen Schiita gelassen werden. Der auf diese Weise ausgefilterte Ionenstrahl wird schließlich durch die Folcussierungsliase J kollimiert und bildet einen Primärionenstrahl I , de? auf einen kleinen Oberflächenteil einer Probe 5 fällt.

Die lonenstrahlabtasteinrichtung besteht aus zwei horizontalen plattenförmigen Ablenkelektroden 4-X und zwei vertikalen plattenförmigen Ablenkelektroden 4Y· Diese-Ablenkelektrodön empfangen. Ab« taataignale e und e (vgl«. Fig« 2f und 2c) Von dem noch zu beachreibenden Abtastsignalgenerator und tasten mit dem 'Bestrahlujagsfleck des Primärionenaträhls I flach di® Probenoberflache ab» Hier wird der Primärionenstrahl I nicht kontinuierlich ram Ab» -

tasten verwendet, sondern der Bestrahluagsfleck t?ird auf einen willkürlichen Punkt auf der Probanoberfläoh© für ein konstantes

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Zeitintervall während des Abtastens gerichtet. Genauer gesagt,■" das flache oder ebene Abtasten des Bestrahlungsflecks und das Fixieren des Bestrahlungsflecks auf einen Punkt auf äar Probenoberfläche werden abwechselnd vorgenommen.

Die Analyaenpunktanzeigeeinx'ichtttng besteht aus eiaea Sekundärelektronendetektor 9 und einer Kathodenstrahlröhre 11, Der Detektor 9 erfaßt die Sekundärelektronen e, die von der Probenoberfläche abgegeben werden, und das Ausgangssignal E_g (vgl» Fig. 2g) wird in einen Intensitätsmodulationsanschluß 12 der Kathodenstrahlröhre 11 eingespeist, um dadurch ein Bild der Sekunäärelektronen von der Probenoberfläche wie gemäß Fig. 3 zu zeigen. Der Elektronenstrahl

e wird synchron mit dem Abtasten des Primärionenstrehls 3L ο -P

flächig abgelenkt. Daher werden die gleichen Ablenk- öder ffibes?·=· streichenden Signale (oder dazu proportionale Signalspannungen) wie die Abtastsignale e , e (vgl. Fig. 2f und 2c), die in die Ablenkelektroden 4X und &7 ^Λβτ Ionenstrahlabtasteinriehtung eingespeist sind, an Paare von horizontalen-und vertikalen plattenförmigen Ablenkelektroden I3X und 13Y der Kathodenstrahlröhre 11 angelegt. Daher tritt entsprechend ein Bild üex Sekundärelektronen von der Probe wie in Fig. 3 gezeigt auf dem Schis.-» ί-or lia^$":b;i©pstrahlröhre 11 auf. Die Lage des fixierten Bestrahliangsf lecisr._} wenn der Primärionenstrahl auf einen Punkt für eine gewisse konstante Zeit während des Abtastens gerichtet ist, wird durch einen Leuchtpunkt im Sekundärelektronenbild dargestellt.

Das Massenspektrometer hat einen Energiewähler 6_S eine magnet» felderzeugende Einrichtung 7 für die Massenspektroskopie, einen Ionenfänger 8 usw. Der von d em Analysenpunkt emittierte Sekundärionenstrahl I_g wird energiemäßig in einen Strahl definierter Energie durch den Energiewähler 6 analysiert und in die magnetfelderzeugende Einrichtung 7 projiziert. Die ankommenden Ionen werden entsprechend ihrem m/e-Wert getrennt, und Ionen mit unterschiedlichem m/e-Wert werden nacheinander durch den Ionenfänger

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erfaßte Zu diesem Zweck erzeugt die Magnetfeldeinrichtung 7 ein Abtast- oder Wobbel-Magnetfeld» Die magnetfelderzeugende Einrichtung 7 empfängt ein Massenabtastsignal e_g (vgl* Pig. 4e) ■von der Massenabtasteinrichtung, und der Erregungsstrom für die magnetfeiderzeugende Einrichtung 7 wird entsprechend der Änderung der Signalspannung eingespeist, um das Massenabtasten zu erleichtern.

Der Abtastsignalgenerator besteht aus Sägezahnspannungsgeneratoren 20 und 30 zum Abtasten oder TJSTöbbeln eines Ionenstrahls, Rechteckspannungsgeneratoren 21 und 51 zur Einstellung eines Analysenpunkts, G-leichspannungsquellen 22 und 32 variabler Spannung zur Einstellung der Rechteckspannungen und Addierern 23 und 33 zur Überlagerung von Signalen» Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Horizontalabtastsignal e (vgl» Fig» 2f) erhalten, indem das Ausgangssignal E (vgl. Fig« 2d) vom Sägezahnspann-ungsgenerator 20 und die Ausgangsspaanung Y (vgl· Pig© 2e) vom Hechteckwellenspannungsgenerator 21 in einer zeitlichen Beziehung» wie in Fig. 2 abgebildet., überlagert werden, wobei ein Umschalter 23 verwendet wird. Das Vertikalabtastsignal e (vgl. Figo 2c) wird

«y erhalten, indem das Ausgangssignal E (Fig© 2a) vom Sägezahnspannungsgenerator 30 und das Ausgangssignal V (vgl. Fig. 2b) vom Rechteckspannungsgenerator 51 in zeitlicher Beziehung gemäß Fig. 2 unter Verwendung eines Umschalters 33 überlagert werden. Die Rechteckspannungsgeneratoren 21-und 31 empfangen Ausgangsspannungen von den Gleichspamrangsquellen 22 und 32 und erzeugen Rechteckspannungen V und V , die dieselben Spannungswerte haben«. Daher kann der Betrag der Rechteckspannungen V und V willkürlich geändert werden. Das Horizontal- und das Vertikalabtastsignal e und ■ e > die auf diese Weise gewonnen werden, werden nicht nur in die Paare der horizontalen und vertikalen plattenförmigen Ablenkelektroden 4X und 4Y der Ionenstrahlabtasteinrichtung eingespeist, sondern auch in die horizontalen und vertikalen Ablenkelektroden 13X und

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1jy der Kathodenstrahlröhre 11. Damit werden der Ionenstrahl I und der Bildelektronenstrahl β synchron"... abgetastet.

Die Massenabtasteinrichtung besteht aus einem Sägezahnspannungsgenerator 40 zum"langsamen Abtasten, einem Stufenspannungsgenerator 41 zum schnellen, sprungförmigen Abtasten, einer Gleichspannungsquelle 42 variabler Spannung zum Einstellen des Werts der Stufenspannung und einem Addierer 43 zum Addieren von Signalspannungen. Das Massenabtastsignal e (vgl· Fig. 4^e) wird gewonnen, indem die Ausgangsspannung E, (vgl. Fig.4d) vom Stufenspannungsgenerator 41 und die Ausgangsspannung E_g (vgl_# Fig. 4°) vom Sägezahnapannungsgenerator 40 im Addierer 45 überlagert werden..Der durch die magnetfelderzeugenden Einrichtung 7 fließende Erregerstrom wird entsprechend dem Massenabtastsignal e_o gesteuert, so daß das Massenabtasten vorgenommen werden kann. In diesem Fall wird da» Massenabtasten selektiv nur für eine Anzahl ron lonenspitzen vorgenommen, die bestimmte m/e-Werte haben· Daher wird jede Stufenspannung der Ausgangsspannung E, vom Stufenapannungegenerator 41 frei einstellbar gemacht, indem die Einsteilspannung für jede Stufe der Gleichspannungsquelle 42 geändert wird.

Der Analysenbefehlseignalgenerator besteht aus einem Impulsgenerator 50 und einem Taster 51· Έβηη der Taster 51 gedruckt ist (eingeschaltet ist), wird ein Analysenauslöseimpuls P₀ (vgl.Fig.6c) vom Impulsgenerator 50 abgegeben. Der Impuls P₀ wird in den Sägezahnspannungsgenerator 40 und den Stufenspannungsgenerator 41 der Massenabtasteinrichtung eingespeist, um das Massenabtasten auszulösen. Das Signal wird auch in andere Schaltungselemente eingespeist, um zur Synchronisation des Betriebs dar einzelnen Schaltungen zu · dienen.

Die Datenaufzeichnungseinrichtung besteht aus einem Mehrkanaldigitaldrucker 19 und gewünschttn datenverarbeitenden Schaltungen,

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die an jedem Aufzeichnungskanal angeschlossen sind. So ist angeschlossen an einen. Aufzeichnungskanal 18 für eine Ionenspitzenanzeige eine Ionenfängerausgangssignal-Anzeigeschaltung 15» eine Spitzenwertlesesohaltung 16 und ein Analog-Digital-Umsetzer 17· Jede Spitze P., I>, P, und P. der Ausgangssignale I^ (vgl.Iig.4f) vom Ionenfänger 8 wird in Form eines Massenspektrums durch die Anzeigeschaltung 15 angezeigt, der Spitzenwert H. (Fig» 4δ) wird durch die Leseschaltung 16 gelesen, und die Spitzenwerte R^₁» R_i2, H., und R.. werden in Digitalsignale durch den Analog-Digital-Umsetzer 17 umgewandelt und in Digitalform im Aufzeichnungskanal angezeigt. An einem Aufzeichnungskanal 47 für die Massenzahlanzeige sind eine Stufenspannungsleseschaltung 44, eine Massenzahlanzeigeschaltung 45 und ein Analog-Digital-Umsetzer 46 angeschlossen. Der Spannungswert an jeder Stufe der Stufenspannung E, (Fig« 4d), die durch den Stufenspannungsgenerator 41 erzeugt wird, wird durch die Leseschaltung 44 gelesen^ mad die Massenzahl· . (in/e-Wert) entsprechend der Spannung an jeder Stufe wird durch die Anzeigeschaltung 45 angezeigt. Der Spannungawert an jeder Stufe wird ferner in eine Digitalgröße entsprechend dem m/e-Wert durch den Analog-Digital-Umsetzer 46 umgewandelt und in Digitalform im Aufzeichnungskanal 47 dargestellt« Daher werden ein Ionenspitzenwert R. und die entsprechende Massenzahl (m/e-Wert) gleichzeitig durch den Drucker I9 gedruckt. Der Drucker 19 umfaßt ferner Aufzeichnungekanäle für 26 und 56, um die Lage des Analysenpunkts entsprechend den Analysedaten anzuzeigen. Der Aufseiohnungskanal 26 zeichnet die Rechteckspannung T auf$ die die Horizontallage des Analysenpunkts angibt, während der Aufzeichnungskanal 36 die Rechteckspannung V aufzeichnet, die die vertikale Lage des Analysenpunkts angibt_φ Daher hat der Aufzeichnungskanal 26 für die horizontale Lage eine Rechteokspannungsleseachaltung 24 und eimiAnalog«Digital-Umsetzer 25« Die Leseachaltung 24 liest die Rechteokspannung V im Zeitpunkt der Analyse, und die gelesene Spannung wird dann in ein Digitalsignal durch den Analog-Digital-Umsetzer 25 umgesetzt und duroh den Aufzeichnungskanal 26 in Digitalform angezeigt. Ähnlich hat

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der Aufzeichnungskanal 56 für die vertikale Lage eine Eechtecksspannungsleseschaltung 34 U¹¹Cl einen Analog-Digital-Umsetzer 35· Die Schaltung 34 liest die Rechteckspannung V im Zeitpunkt der Analyse, und die Spannung wird dann in ein Digitalsignal durch den Analog-Digital-Umsetzer 35 umgesetzt und in Digitalform im Aufzeichnungskanal 36 dargestellt. Um zwischen den Analysedaten für mehrere Analysenpunkte zu unterscheiden, hat der Drucker I9 einen Kanal 53, der eine Zahl η aufzeichnet, die die Einstellungsreihenfolge der Analysenpunkte angibt. Der Kanal 55 zählt die Zahl der AnalysenbefehTßignale P mit einem Zähler 52 und stellt die Zahl η in Digitalform dar.

Daher druckt der Drucker nicht nur die Analysedaten H. für die einzelnen Analysepunkte und m/e-Werte aus, sondern auch die Nummer ri des Anal
Ab1enkspannunge η.

Nummer ri des Analysenpunkts und die Spannungswerte Y und V der

* y

Das Analysenbefehlssignal P. wird in die Leseschaltungen 16, 24, 35 und 44 eingespeist, um die seitliche Steuerung des Signallesens einzustellen. Daher lesen diese Schaltungen die Spannungswerte der Signale im Zeitpunkt der Analyse (im Zeitp-ankt des Ma^s« abtastens).

Der lonenstrahlgenerator, die Ionenstrahlabtasteinrichtung, die Teile, die das Massenspektrometer, die Probe, den Sekundärelektronendetektor usw. bilden, sind in einem geeigneten Vakuumsystem 10 unter geeignetem Unterdruck gehalten.

Es soll jetzt der Betrieb des Mikroanalysators von Fig. 1 beschrieben werden, wenn eine Probe analysiert wird.

Es sei angenommen, daß die Probenoberfläche aus B (Bor), Al (Aluminium), Si (Silizium) und Ge (Germanium) besteht und diese vier Elemente in einer Pestkörperprobe,wie in Fig. 3 gezeigt, ver-

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teilt sind. Es sei ferner angenommen, daß die Probe an einer vorbestimmten Stelle für Ionenstrahlbeschuß fixiert ist. Wenn der Ionenstrahlgenerator und der Abtastsignalgenerator' unter diesen Bedingungen betrieben werden, führt der Ionenstrahl I eine horizontale Abtastbewegung aus (in Richtung der V_x-Achse in Fig. 3) mit einer Horizontalfrequenz t₁ über ein Horizontalabtastsignal e (Fig. 2f).in einem Zeitintervall t_g gemäß Figo 2, und der Ionenstrahl I wird etwas in vertikaler Richtung (Richtung der V-s y

Achse in Fig. 3) durch das Vertikalabtastsignal e abgelenkt (Fig. 2c). Daher tastet der Strahl einen begrenzten Bereich einer Probe eben innerhalb des Zeitintervalls t„ ab. Die Größe des abgetasteten Bereichs hängt von den Spitzenwerten der strahlablenkenden Sägezahnspannungen E und E ah» Die Beziehung zwischen der

χ y

Größe des abgetasteten Bereichs und dem Betrag der ionenstrahlablenkenden Spannungen E und E ist in Fig. 3 gezeigt.

Die Zahl der von der Probenoberfläche durch das Abtasten emittierten Sekundärelektronen ändert sich mit der Änderung der Probenzusammensetzung entlang der Abtastzeile des Ionenstrahls, und das Ausgangssignal E_o (Fig. 2g) vom Sekundärelektronendetektor 9 ändert sich dadurch, und das Ausgangssignal E vom Sekundärelektronendetektor 9 wird in den Intensitätsmodulationsanschluß 12 der Kathodenstrahlröhre 11 eingespeist, die synchron zum Abtasten des Ionenstrahls I durch die Abtastsignale e und e überstrichen

ι? χ y

wird, so daß ein Sekundärelektronenbild der Probenoberfläche wie gemäß Fig. 3 auf dem Leuchtschirm Η der Kathodenstrahlröhre auftritt. Dieses Sekundärelektronenbild stellt die chemische Zusammensetzung der Probenoberfläche dar.

Nachdem die erste ebene Abtastung nach dem Zeitintervall t₂ beendet ist, wird der Ionenstrahl-Bestrahlungsfleck an einem Punkt auf der Probenoberfläche für das nachfolgende Zeitintervall t

ο fixiert, wobei der Punkt auf der Probe durch den Betrag der Recht-

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eckspannungen V und Vy bestimmt ist. Die Beziehung zwischen der Lage des festen Bestrahlungsflecks und den lonenablenkspannungen V und V ist in Fig· 3 gezeigt. Während dieses Zeitintervalls t_Q wird das Ablenken des Elektronenstrahls e_Q für die Bildanzeige in der Kathodenstrahlröhre unterbrochen, und der hellere Punkt wird in der festen Bestrahlungslage auf dem Sekundärelektronenbild gezeigt. Dieser Leuchtpunkt im Sekundärelektronenbild entspricht der Lage des festen Bestrahlungsfleoks auf der Probenoberfläche.

Ferner werden das ebene Abtasten des Ionenstrahls und die ortsfeste Bestrahlung abwechselnd wiederholt mit einer Periode T gemäß Fig. 2, so daß das Sekundärelektronenbild der Frobenoberfläche und der Leuchtpunkt entsprechend dem ortsfesten Bestrahlungsfleck ständig auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre 11 zu sehen sind· Daher kann die Lage des fixierten Bestrahlungsflecks des Ionenstrahls auf der Probenoberflache ständig überwacht werden, indem die Lage des Leuchtpunkts im Sekundärelektronenbild beobachtet wird.

Wenn das Zeitintervall tv für die Horizontalabtastung des Ionenstrahls 0,001 see beträgt und die Anzahl der Abtastzahlen gleich 100 ist, beträgt die Zeit t„ für eine Vertikalabtastung (Zeit für eine ebene Abtastung) 0,1 see. Wenn ferner die Zeit t für die Bestrahlung an einem ortsfesten Punkt durch den Ionenstrahl 0,025 see beträgt, also ein Viertel der Zeit t„ darstellt, wird das Zeitintervall T₀ für wiederholte· Abtasten 0,125 see. Wenn die Nachleuohtzeit des Leuchtschirms der Kathodenstrahlröhre gleich oder größer als das Zeitintervall T gemacht wird, wird das Sakundärelektronenbild der Probenoberfläche ohne Unterbrechung angezeigt. Da das Sekundärelektronenbild statisch ist, tritt keine Schwierigkeit bei der Beobachtung der Probenoberfläche auf, selbst .wtnn die Nachltuchtieit d·· Leuchtechirms lang genug gemacht wird. Ea iat daher möglioh, die Zait t für eine ortsfeste Bestrahlung des Ionanstrahle »o lang wie gewünsoht zu machen. Wenn z.B. die

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Nachleuohtzeit 5 sec beträgt, sollte f 5 see betrag*a_o Μ© ebene Abtastzeit t„ und die Zeit t für ortsfeste Bestrahlung könnaa geeignet innerhalb dieses Zeitintervalla gewählt werden. Ifenn ζ·Β· t «1/4 t- gilt, ist t B^IaI s®c₉ und wen» t_o » 0,1 see konstant ist, beträgt % a 4,9· sec«, Daher kajaa_s wean matt die Nachleuchtzeit des leuehtseiairBis der Kat&istienstr&hlrönre groß ge=, nug macht, die Zeit atir ortsfesten Bestrahimig durch einen Ionen« strahl verhältnismäßig frei geuählt werdea«. Es soll' darauf hingewiesen werden, daß die Zeit t ©!»gestellt wiri.₉ indem die Βθ» Ziehung mit der Zeit t berücksichtigt t?irfi₀ die für das Massenabtasten, das noch beschrieben werden' soll si aötig ist„ Ein© derartige zeitliche Beaiehtiag t^irä erhalte» duareh synchrones der Sägezahnspajanimgsgeneratoren 20 vmu, J@ sowie ie? Heohteck spannungsgeneratoren 21 und 3.1·

Wenn das Sekundärelsktro&QabilGl &®τ 'Bsobemohestlache angezeigt wird, wird d©r AaalysaapraM; t«rek lea'isachtiaHg des. Bildes gewähltο Bsi der Durchführung der Äaalyseist as aotweadig, die Lag® so zu wählen, daß möglichst wenig Seteitt© für äie Anaiys© notwendig sind» Beim erfinduagngemälaa HikroaiaaljsiaS©!' wird die Wahl eines Aaalysenpunkts Süs laassensspektroskepisshe Analyse ohne Schwierigkeiten getroffen, da das SekgndSr@lektroaeni9ild selbst eine Verteilung der Zusammensetzung im der Probejäoberfläch© darstellt, wie Fig# 3 zeigt₀ Wenn z« B* die Zusammensetzungsvertei-

lung der Probenoberfläche wie in Fig» 3 lsi;₈-ist Isioht ersichtlich, daß es nicht notwendig ist, mehrere Ipalysenpwikt® in einera Bereich su nohmsn, der aus einer einzigaB. K®Hp©aeate b®st©ht_ä sondern daß es geeigneter ist«, eines i&aLsrsenp&skt ia der Iahe der Grenzen der entsprechenden Bereich© am wäfeleao Daher wird die Wahl des Analyaenpunkts durch die laseig® d©s Sskmidär-elektronen. bilds mittels der Kathodenstrahlröhre s®kr arloicMart«, Ea soll hier angenommen werden, daß dia Punkt® a => 1 = -8 in Analysenpunkte dienen«

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BAD ORiaiNAi

Nachdem die Analysenpunkte

in der beschriebenen Weise gewählt worden sind, wird eine massenspektroskopische Analyse für jeden Punkt nacheinander durchgeführt. Zu diesem Zweck muß der ortsfeste Bestrahlungsfleck des Ionenstrahls mit der Lage des gewünschten Analysenpunkts übereinstimmen. Beim erfindungsgemäßen Mikroanalysator entspricht dem die Bewegung des Leuchtpunkts im Sekundärelektronenbild in die Lage für die Analyse (dem Punkt, der dem Analysenpunkt auf der Probe entspricht). Dazu wird von Hand die Ausgangsspannung von den Gleichspannungsquellen 22 und 52 so lange verstellt, bis der ■Leuchtpunkt mit der Lage des gewünschten Analysenpunkts zusammenfällt, während das Sekundärelektronenbild beobachtet wird. Durch Einstellung der Ausgangsspannung von den Gleichspannungsquellen 22 und 32 wird erreicht, daß die Rechteckspannungen T und Y mit

χ y

den Ablenkspannungen für den Ionenstrahl entsprechend den gewünsohten Analysepunkten übereinstimmt· Auf diese Weise kann die Verschiebung des Ionenstrahlbestrahlungsflecks an einen gewünschten Analysenpunkt genau und schnell vorgenommen werden. Die Verschiebund wird weiter erleichtert, wenn horizontale und vertikale Skalen auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre vorhanden sind, u|| die Lage eines beliebigen Punkts im Sekundärelektronenbild abzulesen, und wenn die Ausgangsspannung von den Gleichspannungsquellen 22 und 32 mit einen Voltmeter abgelesen werden kann, das entsprechende Skalen aufweist. Der ortsfeste Bestrahlungsfleck des Ionenstrahls kann leichter zum Analysenpunkt gemacht werden, indem die Lage des gewünschten Analysenpunkts im Sekundärelektronenbild mit einer Skala am Leuchtschirm geraessen wird_: und indem die Ausgangsspannung von den Spannungsquellen 22 und 32 so eingestellt wird, daß die Anzeigendes Voltmeters mit der entsprechenden Lage auf der Skala zusammenfällt.

Nachdem der ortsfeste Bestrahlungsfleck des Ionenstrahls mit dem gewünschten Analysenpunkt in Deckung gebracht worden ist, wird · eine massenspektroskopische Analyse an diesem Analysenpunkt vorge-

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nommen. Die Analyse wird ausgelöst durch Drücken eines Tasters 51> nachdem durch Beobachtung des Sekundärelektronenbilds gewährleistet ist, daß der ortsfeste Bestrahlungsfleck mit dem Analysenpunkt übereinstimmt.. Wenn der Taster 51 geschlossen wird, wird einBefehlsimpuls P (Flg. 6c) vom Impulsgenerator 50 abgegeben. Der Impuls P wird in die Massenabtasteinrichtung, um das Massenabtasten auszulösen, und gleichzeitig in den AbtastSignalgenerator eingespeist, um die Zeit für die ortsfeste Bestrahlung durch den Ionenstrahl zu erhöhen.

Der Sägezahnspannungsgenerator 40 und der Stufenspannungsgenerator 41 der Massenabtasteinrichtung empfangen den Befehlsimpuls P zur Analyse und arbeiten so, daß sie ein Massenabtastsignal e (Fig. 6d) von dem Zeitpunkt an erzeugen, zu dem die ortsfeste Bestrahlung durch den Ionenstrahl beginnt, wie aus Fig. 6 ersichtlich ist. Die Rechteckspannungsgeneratoren 21 und 51 des Abtastsignalgenerators empfangen den Analysenbefehlsimpuls Ps und erhöhen die Zeit für die anschließende ortsfeste Bestrahlung durch den Ionenstrahl. Wie Fig. 6a und 6 b zeigen, wird das Zeitintervall der Rechteckanteile der Ionenstrahl-Abtastsignalspannungen e und e (Zeit für die ortsfeste Bestrahlung mit dem Ionenstrahl) von

t vor der Analyse in das Zeitintervall T zur Zeit der Analyse geändert.

Die vorangegangene Beschreibung hat sich mit einem Fall beschäftigt, bei dem das Zeitintervall für die ortsfeste Bestrahlung mit einem Ionenstrahl auf T (T = t— t ) nur zur Zeit der Analyse erhöht wird. Dieser Fall berücksichtigt, daß eine gewünschte massenspektroskopische Untersuchung nicht innerhalb des Zeitintervalls t für die ortsfeste Bestrahlung mit dem Ionenstrahl vor der Analyse vorgenommen werden kann (z.B., wenn t 0,1 see beträgt und die massenspektroskopische Analyse eine Zeit t von einigen see erfordert). Wenn jedoch die erforderlichen massenspektroskopiechen Untersuchungen befriedigend innerhalb des Zeit-

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intervalls t (d.h. tit ) durchgeführt werden können, indem die

Zeit t für die ortsfeste Bestrahlung groß genug gemacht wird ο

(ζ·Β. einige see. lang, muß nicht die Zeit T für die ortsfeste Bestrahlung zur Zeit der Analyse erhöht werden (oder es reicht aus, T » t zu machen).

Das erforderliche Massenabtasten wird innerhalb des Zeitinter valle T durchgeführt, währenddem ein ortsfester Analysenpunkt (z.B. der Punkt η - 4 in Fig. 3) mit dem Ionenstrahl bestrahlt wird. Das Abtasten wird nur für solche Spitzen vorgenommen, die die erforderliche Hassenzahl haben (z.B. Ionenspitzen Von Bor, Aluminium, Silizium und Germanium mit den Massenzahlen (a/e) von 10, 27, 28 und 72 in den Beispielen von Fig· 5 und 4). Zu dieses Zweck werden langsame Abtastintervalle S^, S₂, S, und S. (Intervalle «itr -T/4) für das Abtastsignal β vorher eingestellt, so daß nur die gewünschten Ionenspitsen P,, P₂, P, und

P. mit dea Ionenfänger beobachtet werden können. Die Massenzahl 4

der Ionenspitze, die ait den Ionenfänger innerhalb jedes Langsaaabtastintervalls des Abtastsignals gemessen wird, wird ungefähr durch das Potential E^, E^₂, Ej- oder E bestimmt, das eine Spannung an jeder Stufe der Stufenspannung E, ist. Sie Stufenspannungen werden jeweils von einem Einstellanschluß der Gleichspannungequelle 42 abgegeben. Daher kann ein Ionenstrahl ait beliebiger Massenzahl selektiv gemessen werden, indem jede Anschlußspannung der Gleichspannungsquelle 42 eingestellt wird. Vorzugsweise werden die Ansohlußspannungen der Spannungsquelle in Fora einer Uassenzahl lesbar gemacht. Zwar ist die Erläuterung nur für vier zu beobachtende Ionenspitzen erfolgt, jedoch ist es selbstverständlich, daß eine beliebige Anzahl von Ionenspitzen wahlweise gesessen werden kann, indem die Stufenanzahl der Stufenspannung E^ geändert wird. .

Durch die beschriebene Maseenabtastung werden die Ionenspitzen ¹V ^P2» ^P3 ^^{10 P}4»^{wie la w}fi> 4* gezeigt, durch den Ionenfänger θ

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erfaßt, wobei diese Spit&ea in Form eines Ma.8sensp@&truma durch die Anzeigeschaltung 15 angezeigt werden, und die Spitzenwerte E₁₁, R.₂, Bj, und IL. (vgl· Pig« 4g) durch die Leseschaltung 16 gelesen und nacheinander in JDigitalform durch die Kanäle 18 des Druckers 19 angezeigt werden.

Um die Massenzahlen (m/e-Werte) entsprechend diesen Spitzen anzuzeigen, werden die Spannung^ an den entsprechenden Stufen ^Eb1* ^Eb2* ^Ebi ^uad' ^bA (^{vgle K}^° ¹^ ^der Stufenspannung E^ durch die Leseschaltung 44 gelesen, in ihre entsprechenden Massenzahlen (m/e-Werte) umgesetzt und nacheinander ia Digitalform über die Kanäle 47 des Druckers 19 angezeigt·

Um ferner anzugeben, welche Analysendat@n einen bestimmten Analysenpunkt entsprechen, werden die Werte der Eeehteekspannungen V und V' (Fig. 4a und Figo 4b) ianerlmlb der Zeit T_s während der der ortafeete Analysenpunkt mit dem loneaatrahl "bestrahlt wird, durch äi® Laaaschaltuagen 24 und 34 gelegen und in Digitalform durch die Kanäle 26 xmu 36 des Druckers 19 angezeigt.

Der Kanal 53 des Druckers 19 gibt digital die Zahl der durch den Zähler 52 gezählton Impulse als Immer des Analjseapunkts ab.

Nachdem in dieser Weise eine Analyse für einen bestimmten Analysenpunkt abgeschlossen worden ist; werdeä all® Sohaltungen sofort zurückgesetzt oder gelöscht vn& in den Zustand Tor der Analyse gemäß Fig« 6 gebrecht. Durch Wiederholung dieses fdrgehsBS wird ■ eine massenspektroskopische Analyse für mahrer® laalyseapunkta ~ wie gewünscht vorgenommen* Fig. 7 seigt die seitliche Besiatamg zwischen dem Analysenbafehlsimpuls P für Jet® An&lysenaeit, den entsprechenden ßechteckspannungen V wad ¥ ₉. der Stufenspanauag Bv entsprechend dem Analys®npunkt und dem H₁^ Diese Signalspannungen werden gelesen imd digital duroh den Drucker I9 zur Zelt der Analyse ausgedruokt. Figo 5 a®igt ein Bai-

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spiel von durch den Drucker 19 ausgedruckten Analysendaten, wobei die Zahl bei jedem Kanal ihrer Signalspannung von Fig. 7 entspricht.

Bei den Analysedaten (vgl. Fig. 5)» die auf diese Weise erhalten werden», entsprechen die vierten Analysedaten (n « 4) dem Analysenpunkt η * 4 von Fig* 3 (Ionenstrahlablenkspannungen Υ_χ » 300 V und V- = 250 V). Es ist ersichtlich, daß die Ionenspitζen-

y 10 /

werte folgende Werte haben: 35 mV für B mit m/e = 1, 15 mV für Al²⁷ mit a/e ■ 27, 50 mV für Si²⁸ mit m/e 28 und 0 mV für Ge⁷² mit m/e = 72.

Wie aus der Beschreibung deutlich hervorgegangen sein dürfte, kann der Analysenpunkt durch Beobachtung des Sekundärelektronenbilds der Probenoberfläche beim erfindungsgemäßen Mlkroanalysator gewählt werden, so daß die Wahl von unnötigen Analysenpunkten und damit unnötige Messungen vermieden werden. Da ferner die Lage des ortsfesten Bestrahlungsflecks des Ionenstrahls genau im Sekundärelektronenbild der Probenoberfläche bestimmt werden kann, ist es nicht schwierig, eine genaue Übereinstimmung des Bestrahlungsflecks mit dem Analysenpunkt zu erzielen· Außerdem werden nicht nur die Analysendaten, sondern auch die Lage jedes entsprechenden Analysenpunkts automatisch aufgezeichnet bzw. ausgedruckt. Damit wird die Beziehung zwischen den einzelnen Analysendaten und jedem Analysenpunkt deutlich, so daß eine fehlerhafte Behandlung von Analysendaten vermieden wird, was die Genauigkeit der Analyse erhöht.

Der erfindungsgemäße Mikroanalysator ermöglicht also gegenüber den bekannten Einrichtungen eine genauere und schnellere Analyse eines kleinen Bereiche in einer Festkörperprobe.

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Claims (3)

1. - 20 Patentansprüche

   1J Ionenmikroanalysator mit einer Einrichtung zur Bestrahlung der Oberfläche einer zu analysierenden Probe mit einem feinkollimierten, monoenergetischen Ionenstrahl» mit einer elektrischen Ablenkeinrichtung zum Abtasten der Probenoberfläche mit dem Ionenstrahl, mit einem die Ablenkeinrichtung erregenden Abtastsignalgenerator, der einen Sägezahnspannungsgenerator zum wiederholten Abtasten der Probenoberfläche mit dem Ionenstrahl hat, mit einer ein Bild der Probenoberfläche erzeugenden Kathodenstrahlröhre, die durch das Abtastsignal synchron zu dem Abtasten des Ionenstrahls abgetastet und in Abhängigkeit von einem durch den abtastenden Ionenstrahl erzeugten Ausgangssignal intensitätsmoduliert wird, und mit einer massenspektroskopischen Analyseneinrichtung zur Analyse der von der Probenoberfläche emittierten Sekundärionen, gekennzeichnet durch einen zum Abtastsignalgenerator gehörenden Rechteckspannungsgenerator (21, 51), um den Ionenstrahl (I ) auf einen festen Ort auf der Probenoberfläche (5) während eines konstanten Zeitintervalls (t ) innerhalb vorbestimmter Schwinungsperioden (T ) zu richten, durch eine zum Abtastsignalgenerator gehörende Einrichtung (22, 32) zur Änderung des Spannungswerts des Rechteckspannungsanteils (ν» V J,um den festen Ort des Ionenstrahls zu verschieben, durch eine Einrichtung (9, Ί2) zur Erfassung der Sekundärelektronen (e), die von der Probenoberfläche infolge der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl abgegeben werden, und zur Abgabe des Ausgangssignals in die Kathodenstrahlröhre (11), wobei die massenspektroskopische Analyseneinrichtung (6-8) die von dem festen Ort auf der Probenoberfläche emittierten Sekundärionen analysiert, während der Ionenstrahl den festen Ort auf der Probenoberfläche bestrahlt.
2. 2. Ionenmikroanalysator nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß die elektrische Ablenkeinrichtung aus Paaren von horizontalen und vertikalen Ablenkelektroden (4X, 4Y) besteht,und daß der At>-

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   tastSignalgenerator einen Generatorteil zur Erzeugung eines Horiaontalabtaatsignala (e ) für die horizontalen Ablenkelektroden (4X) und einen Generatorteil für die Erzeugung eines Vertikalabtastsignals (e ) für die Vertikalablenkelektroden (4Y) hat.
3. 3. Ionenmikroana-lysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorteile für die Erzeugung des Horizontal- und Vertikalabtastsignals jeweils aufweisen einen Teil des Sägezahn-Spannungsgenerators (22j 30), einen Teil des Rechteckspannungsgenerators (21} 50) und eine Einrichtung (23j 33) zum abwechselnden Einspeisen der Ausgangsspannungen (E , E ; V , V ) der beiden Generatoren in die zugehörigen Ablenkelektrodenpaare (4X$ 4Y) während jeder vorgegebenen Schwingungsperiode (T ).

   4· Xonenmikroanalysator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Änderung des Spannungswerts der Rechteckspannungen (V , V ) eine Einrichtung (22j 32) zur Änderung der Ausgangsspannung der Reehteckspannungsgeneratoren (21 j 31) ist.

   3* lonenmikroanalyeator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (16, 17, 19, 24, 25, 34, 35, 44 - 46, 52) zur Aufzeichnung des mit dem Ionenstrahl (i ) bestrahlten festen Orts

   P der Probenoberflache (5) und der durch die massenspektroskopische Analyseneinrichtung (6-8) erhaltenen Analysendaten·

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   Leersei te