DE2023688C3 - lonenmikroanalysator - Google Patents

Description

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fläche auf dem Schirm der kathodenstrahlröhre dar- kundärionen mit dieser bestimmten spezifischen zustellen so daß der Zustand der Probe vor der Ana- Masse abgeben. Bei den erfindungsgemäß ausgenutzte beobachtet werden kann, ten Sekundärelektronen tritt dieses Problem offen-

Das hat jedoch zunächst den Nachteil, daß die Ver- sichtlich nicht auf, da die spezifische Masse der Elekteilung nur derjenigen Elemente £.ngezeigt wird, die 5 tronen ein für allemal feststeht und auch keine Ausden Sekundanonen mit dem bestimmten »i/e-Wert wahl der Elektronen hinsichtlich ihrer Energie stattzugeordnet sind, so daß der Zustand desjenigen Teils findet.

der Probenoberfläche, der nicht die obigen Elemente Der erfindungsgemäße Ionenmikroanalysator eraufweist, oder die Verteilung der anderen Elemente möglicht also auch, daß alle gewählten Analysenin der Probe nicht beobachtet werden kenn. Es ist io punkte der Probe tatsächlich unterschiedliche Zudaher unmöglich, eine für die Wahl des Analysen- sammensetzung haben, so daß Messungen von Anapunkts ausreichende Information zu gewinnen. lysenpunkten identischer Zusammensetzung vermie-

Ferner ist es mit diesem Ionenmikroanalysator un- den werden. Damit wird die Arbeitsgeschwindigkeit möglich, eine massenspektroskopische Analyse durch- des erfindungsgemäßen Ionenmikroanalysators bezuführen, während das Bild der Sekundanonen von 15 trächtlich erhöht.

der Probenoberfläche auf dem Schirm der Kathoden- Demgegenüber war bisher lediglich noch ein Ionenstrahlröhre gezeigt wird. Das heißt, der Bestrahlungs- mikroanalysator bekannt (vgl. Optik, 26, Heft 5, fleck des Primärionenstrahls muß auf einen gewünsch- 1967/1968, S. 574 bis 581, insbesondere 579), bei ten Analysenpunkt gerichtet und festgehalten wer- dem die von einer Probe abgegebenen Sekundärden, was aber nicht durchgeführt werden kann, wenn so ionen nach Umlenkung durch ein elektrostatisches das Bild der Sekundärionen gezeigt wird (oder wenn Prisma ein Quadrupolmassenfilter durchlaufen und der Primärionenstrahl abgetastet wird). Umgekehrt danach auf eine Umwandlungselektrode eines Ionenkann, wenn eine massenspektroskopische Analyse Elektronen-Vervielfachers treffen, dessen Ausgangsfür einen bestimmten Analysenpunkt durchzuführen strom das Modulationssignal des Wehneltzylinder ist (a. a. O., »second mode« — Betriebsart), die Pro- 25 einer Beobachtungskathodenstrahlröhre darstellt; der benoberfläche nicht beobachtet werden. Daher ist Primärionenstrahl der Mikrosonde und der Elektroes schwierig, eine genaue Information über die Be- nenstrahl der Kathodenstrahlröhre werden dabei synziehung zwischen den Daten und der Lage auf der chron abgelenkt, um eine Ablenkung in Zeilen und Probe zu ermitteln. Bildern auszuführen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einem 30 In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist

derartigen Ionenmikroanalysator den jeweils für die vorgesehen, daß die Dauer der Rechteckspannungen

massenspektroskopische Analyse in Betracht gezoge- variabel ist.

nen Punkt dauernd deutlich sichtbar und verschieb- Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher

bar zu machen, wobei gleichzeitig eine Abbildung erläutert. Es zeigt

der Probenoberfläche durch die Kathodenstrahlröhre 35 F i g. 1 das Blockschaltbild eines Ausführungsbei-

angestrebt wird, die einen besseren Überblick über die spiels des erfindungsgen.äßen Ionenmikroanalysators,

Materialeigenschaften der Probe und damit eine ge- Fig. 2 eine Folge von Wellenformen, um schema-

zieltere Wahl der Analysenpunkte ermöglicht, so daß tisch die Beziehung zwischen dem Ionenstrahlabtast-

mit einer Mindestanzahl an Analysenpunkten die Zu- signal im Ionenmikroanalysator von F i g. 1 und den

sammensetzung der Probe über ihrer Oberfläche ein- 40 Ausgangssignalen darzustellen,

fach ermittelt werden kann. F i g. 3 eine bchematische Darstellung der Be-

Der erfindungsgemäße Ionenmikroanalysator ist Ziehung zwischen dem Bild der Sekundärelektronen

gekennzeichnet durch das Kennzeichen des Patent- von der Probenoberfläche, dargestellt auf dem Schirm

anspruch 1. der Kathodenstrahlröhre, und der Ablenkspannung

Es ist vorteilhaft, daß der Punkt, auf den der Pri- 45 für den Ionenstrahl,

märionenstrahl auftrifft, leicht durch Einstellung der F i g. 4 eine Folge von Wellenformen, um schema-Rechteckspannung geändert werden kann, so daß tisch die Beziehung zwischen der Ablenkspannung eine schnelle und genaue Analyse möglich ist, bei der für einen Ionenstrahl bei der Analyse, dem Massenautomatisch eine Zuordnung zwischen dem analysier- abtastsignal und dem Ausgangssignal von einem ten Punkt und dem Ergebnis der Analyse festgestellt 50 Ionenfänger anzugeben,
werden kann. F i g. 5 eine Tabelle, in der ein Beispiel von Ana-

Es ist also ersichtlich, daß man durch den erfin- lysedaten zu sehen ist, die durch einen Drucker ge-

dungsgemäßen Ionenmikroanalysator ständig den je- druckt sind,

weiligen Analysenpunkt in seiner Lage auf der Pro- F i g. 6 eine Folge von Wellenformen, um schemabenoberfläche beobachten kann, zumal die Nach- 35 tisch die Beziehung zwischen dem Ionenstrahlabtastleuchtdauer des Leuchtschirms der Kathodenstrahl- signal, dem Befehlssignal für die Analyse, dem Masröhre ausreichend groß ist. Dadurch ist eine eindeu- senabtastsignal und dem Ionenfängerausgangssignal tige Zuordnung zwischen Analysenpunkt und Meß- zu erläutern, wenn der Bestrahlungsfleck eines Ionendaten gesichert. Strahls auf den gewünschten Analysenpunkt gebracht

Die Verwendung der durch den Primärionenstrahl ßo und eine massenspektroskopische Analyse des Analy-

unmittelbar an der Probe erzeugten Sekundärelektro- senpunkts vorgenommen wird, und

nen hat den weiteren Vorteil, daß auf diese Weise Fig. 7 eine Folge von Wellenformen, aus denen

eine genauere Darstellung der Zusammensetzung der schematisch die Beziehung zwischen verschiedenen

Probe gewonnen wird, als es beim bekannten Ionen- als Analysendaten aufzuzeichnenden Signalen ersicht-

'mikroanalysator der Fall ist, wo nur Sekundärionen 65 lieh ist.

mit einer speziellen spezifischen Masse das Leucht- F i g. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eine:

dichtesignal der Kathodenstrahlröhre bestimmen, so Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ionen·

daß nur chemische Elemente erfaßt werden, die Se- mikroanalysators. Ein derartiger Analysator bestehi

im wesentlichen aus einem Ionenstrahlgenerator zur Erzeugung eines Primärionenstrahls I_n zur Bestrahlung einer zu analysierenden Probe, einer Ionenstrahlabtasteinrichtung zur ebenen Abtastung der Probenoberfläche mit dem Primärionenstrahl I_n, einer Analysenpunktanzeigeeinrichtung zur Anzeige des Bilds der von der Probenoberfläche emittierten Sekundärelektronen, einem Massenspektrometer zur Durchführung einer massenspektroskopischen Analyse des Sekundärionenstrahls/₅, der von der Probenoberfläche emittiert wird, einem Abtastsignalgenerator zur synchronen Steuerung der Ionen.^cfaahlabtasteinrichtung und der Analysenpunktanzeigeeinrichtung, einer Massenabtasteinrichtung zum Massenabtasten des Massenspektrometer, einem Analysenbefehlsignalgenerator zur Inbetriebnahme des Massenspektrometer, einer Datenaufzeichnungseinrichtung zur Aufzeichnung der Analysendaten und anderen Zusatzeinrichtungen.

Diese Baugruppen und deren Betrieb sollen im folgenden genauer beschrieben werden.

Gemäß F i g. 1 besteht der Ionenstrahlgenerator aus einer Ionenquelle 1, einem Massenseparator 2, einer Fokussierungslinse 3 usw. Die von der Ionenquelle 1 (z. B. einem Duoplasmastron) emittierten Ionen werden entsprechend ihrem Massen-Ladungs-Verhältnis (ttz/e-Wert) durch den magnetischen Massenseparator 2 getrennt, so daß nur Ionen mit einem bestimmten /n/e-Wert durch einen Schlitz gelassen werden. Der auf diese Weise ausgefilterte Ionenstrahl wird schließlich durch die Fokussierungslinse 3 kollimiert und bildet einen Primärionenstrahl I_n, der auf einen kleinen Oberflächenteil einer Probe 5 fällt.

Die Ionenstrahlabtasteinrichtung besteht aus zwei horizontalen plattenförmigen Ablenkelektroden 4 X und zwei vertikalen plattenförmigen Ablenkelektroden 4 Y. Diese Ablenkelektroden empfangen Abtastsignale e_x und e_y (vgl. F i g. 2 f und 2 c) von dem noch zu beschreibenden Abtastsignalgenerator und tasten mit dem Bestrahlungsfleck des Primärionen-Strahls /„ flach die Probenoberfläche ab. Hier wird der Primärionenstrahl /„ nicht kontinuierlich zum Abtasten verwendet, sondern der Bestrahlungsfleck wird auf einen willkürlichen Punkt auf der Probenoberfläche für ein konstantes Zeitintervall während des Abtastens gerichtet. Genauer gesagt, das flache oder ebene Abtasten des Bestrahlungsflecks und das Fixieren des Bestrahlungsflecks auf einen Punkt auf der Probenoberfläche werden abwechselnd vorgenommen.

Die Analysenpunktanzeigeeinrichtung besteht aus einem Sekundärelektronendetektor 9 und einer Kathodenstrahlröhre 11. Der Detektor 9 erfaßt die Sekundärelektronen e, die von der Probenoberfläche abgegeben werden, und das Ausgangssignal E_e (vgl. Fig. 2g) wird in einen Intensitätsmodul ationsanschluß 12 der Kathodenstrahlröhre 11 eingespeist, um dadurch ein Bild der Sekundärelektronen von der Probenoberfläche wie gemäß F i g. 3 zu zeigen. Der Elektronenstrahl e₀ wird synchron mit dem Abtasten des Primärionenstrahls I_n flächig abgelenkt Daher werden die gleichen Ablenk- oder überstreichenden Signale (oder dazu proportionale Signalspannungen) wie die Abtastsignale e_x, e_y (vgl. F i g. 2 f und 2 c), die in die Ablenkelektroden 4 X und 4 Y der Ionen-Strahlabtasteinrichtung eingespeist sind, an Paare von horizontalen und vertikalen plattenförmigen Ablenkelektroden 13X und 13 Y der Kathodenstrahlröhre 11 angelegt. Daher tritt entsprechend ein Bild der Sekundärelektronen von der Probe, wie in Fig. 3 gezeigt, auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 11 auf. Die Lage des fixierten Beslrahlungsflecks, 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, eine magnetfelderzeugende Einrichtung 7 für die Massenspektoskopie, einen Ionenfänger 8 usw. Der von dem Analysenpunkt emittierte Sekundäriönenstrahl I_s 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 w/e-Wert getrennt, und Ionen mit unterschiedlichem /n'e-Wert werden nacheinander durch den Ionenfänger 8 erfaßt. Zu diesem Zweck erzeugt die Magnetfeldeinrichtung 7 ein Abtast- oder Wobbel-Magnetfeld. Die magnetfelderzeugende Einrichtung? empfängt ein Massenabtastsignal e_s (vgl. F i g. 4 e) von der Massenabtasteinrichtung, und der Erregungsstrom für die magnetfelderzeugende 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 Wobbein eines Ionenstrahls, Rechteckspannungsgeneratoren 21 und 31 zur Einstellung eines Analysenpunkts, Gieichspannungsquellen 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_x (vgl. F i g. 2 f) erhalten, indem das Ausgangssignal E_x (vgl. F i g. 2 d) vom Sägezahnspannungsgenerator 20 und die Ausgangsspannung V_x (vgl. F i g. 2 e) vom Rechteckwellenspannungsgenerator 21 in einer zeitlichen Beziehung, wie in F i g. 2 abgebildet, überlagert werden, wobei ein Umschalter 23 verwendet wird. Das Vertikalabtastsignal e_y (vgl. F i g. 2 c) wird erhalten, indem das Ausgangssignal E_y (Fig. 2 a) vom Sägezahnspannungsgenerator 30 und das Ausgangssignal V_y (vgl. F i g. 2 b) vom Rechteckspannungsgenerator 31 in zeitlicher Beziehung gemäß F i g. 2 unter Verwendung eines Umschalters 33 überlagert werden. Die Rechteckspannungsgeneratoren 21 und 31 empfangen Ausgangsspannungen von den Gleichspannungsquellen 22 und 32 und erzeugen Rechteckspannungen V_x und V_y, die dieselben Spannungswerte haben. Daher kann der Betrag der Rechteckspannungen V_x und V_y willkürlich geändert werden. Das Horizontal- und das Vertikalabtastsignal e_x und e_v„ die auf diese Weise gewonnen werden, werden nicht nur in die Paare der horizontalen und vertikalen plattenförmigen Ablenkelektroden 4 X und 4 Y der Ionenstrahlabtasteinrichtung eingespeist, sondern auch in die horizontalen und vertikalen Ablenkelektroden 13^ und 13 Y der Kathodenstrahlröhre 11. Damit werden der Ionenstrahl I_n und der Bildelektronenstrahl e₀ 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 Ad-

Lage eine Rechteckspannungsleseschaltung 24 und "einen Analog-Digital-Umsetzer 25. Die Leseschaltuhg

24 liest die Rechteckspannung V_x im Zeitpunkt dei Analyse, und die gelesene Spannung wird dann ir

5 ein Digitalsignal durch den Analog-Digital-Ümsetzei

25 umgesetzt und durch den Aufzeichnungskanal 2i in Digitalform angezeigt. Ähnlich hat der Aufzeichnungskanal 36 für die vertikale Lage eine Rechteckspannungsleseschaltung 34 und einen Analog-Digital-

dierer 43 zum Addieren von Signalspannungen. Das Massenabtastsignal e_s (vgl. F i g. 4 e) wird gewonnen, indem die AusgangsspannungE_b (vgl. Fig. 4d) vom Stufenspannungsgenerator 41 und die Ausgangsspannung E_s (vgl. F i g. 4 c) vom Sägezahnspannungsgenerator 40 im Addierer 43 überlagert werden. Der durch die magnetfelderzeugenden Einrichtung 7 fließende Erregerstrom wird entsprechend dem Massenabtastsignal e_s gesteuert, so daß das Massenabtasten

vorgenommen werden kann. In diesem Fall wird das io Umsetzer 35. Die Schaltung 34 liest die Rechteck ,Massenabtasten selektiv nur für eine Anzahl von spannung V₃, im Zeitpunkt der Analyse, und die Ionenspitzen vorgenommen, die bestimmte m/e-Werte Spannung wird dann in ein Digitalsignal durch der haben. Daher wird jede Stufenspannung der Aus- Analog-Digital-Umsetzer 35 umgesetzt und in Digitalgangsspannung E_b vom Stufenspannungsgenerator 41 form im Aufzeichnungskanal 36 dargestellt. Um zwifrei einstellbar gemacht, indem die Einstellspannung 15 sehen den Analysedaten für mehrere Analysenpunkte für jede Stufe der Gleichspannungsquelle 42 geändert zu unterscheiden, hat der Drucker 19 einen Kana wird. 53, der eine Zahl η aufzeichnet, die die Einstellungs-

Der Analysenbefehlssignalgenerator besteht aus reihenfolge der Analysenpunkte angibt. Der Kanal 52 einem Impulsgenerator 50 und einem Taster 51. zählt die Zahl der Analysenbefehlssignale P_s mi Wenn der Taster 51 gedrückt ist (eingeschaltet ist), 20 einem Zähler 52 und stellt die Zahl η in Digitalwird ein Analysenauslöseimpuls P₅ (vgl. Fig. 6 c) form dar.

vom Impulsgenerator 50 abgegeben. Der Impuls P₅ Daher druckt der Drucker nicht nur die Analysewird in den Sägezahnspannungsgenerator 40 und den daten R₁ für die einzelnen Analysepunkte und m/e-Stufenspannungsgenerator 41 der Massenabtastein- Werte aus, sondern auch die Nummern des Analyrichtung eingespeist, um das Massenabtasten auszu- 25 senpunkts und die Spannungswerte V_x und V₅, dei lösen. Das Signal wird auch in andere Schaltungs- Ablenkspannungen.

elemente eingespeist, um zur Synchronisation des Be- Das Analysenbefehlssignal P_s wird in die Lesetriebs der einzelnen Schaltungen zu dienen. schaltungen 16, 24, 35 und 44 eingespeist, um du

Die Datenaufzeichnungseinrichtung besteht aus zeitliche Steuerung des Signallesens einzustellen. Daeinem Mehrkanaldigitaldrucker 19 und gewünschten 30 her lesen diese Schaltungen die Spannungswerte dei datenverarbeitenden Schaltungen, die an jedem Auf- Signale im Zeitpunkt der Analyse (im Zeitpunkt de; zeichnungskanal angeschlossen sind. So ist ange- Massenabtastens).

schlossen an einen Aufzeichnungskanal 18 für eine Der Ionenstrahlgenerator, die Ionenstrahlabtast-

Ionenspitzenanzeige eine Ionenfängerausgangssignal- einrichtung, die Teile, die das Massenspektrometer Anzeigeschaltung 15, eine Spitzenwertleseschaltung 35 die Probe, den Sekundärelektronendetektor usw. bil-16 und ein Analog-Digital-Umsetzer 17. Jede Spitze den, sind in einem geeigneten Vakuumsystem 10 untei P₁, P₂, P₃ und P₄ der Ausgangssignale /, (vgl. Fig. 4f) geeignetem Unterdruck gehalten, vom Ionenfänger 8 wird in Form eines Massenspek- Es soll jetzt der Betrieb des Mikroanalysators vor

trums durch die Anzeigeschaltung 15 angezeigt, der F i g. 1 beschrieben werden, wenn eine Probe analy· SpitzenwertR, (Fig.4g) wird durch die Leseschal- 40 siertwird.

tung 16 gelesen, und die Spitzenwerte R_{1 v} R₁₂, R_i3 Es sei angenommen, daß die jrrobenobenläcm

und Rn werden in Digitalsignale durch den Analog- aus B (Bor), Al (Aluminium), Si (Silizium) und G( Digital-Umsetzer 17 umgewandelt und in Digitalform (Germanium) besteht und diese vier Elemente ir im Aufzeichnungskanal 18 angezeigt. An einem Auf- einer Festkörperprobe, wie in Fig. 3 gezeigt, verteil zeichnungskanal 47 für die Massenzahlanzeige sind 45 sind. Es sei ferner angenommen, daß die Probe ar eine Stufenspannungsleseschaltung 44, eine Massen- einer vorbestimmten Stelle für Ionenstrahlbeschu£ zahlanzeigeschaltung 45 und ein Analog-Digital-Um- fixiert ist. Wenn der Ionenstrahlgenerator und dei setzer 46 angeschlossen. Der Spannungswert an jeder Abtastsignalgenerator unter diesen Bedingungen beStufe der Stufenspannung E₆ (F i g. 4 d), die durch trieben werden, führt der Ionenstrahl /„ eine horizonden Stufenspannungsgenerator 41 erzeugt wird, wird 5° tale Abtastbewegung aus (in Richtung der F^-Achs« durch die Leseschaltung 44 gelesen, und die Massen- in Fig. 3) mit einer HorizontalfrequenzI₁ über eir zahl (m/e-Wert) entsprechend der Spannung an jeder Horizontalabtastsignal e_x (Fig. 2f) in einem Zeit-Stufe wird durch die Anzeigeschaltung« 45 angezeigt. Intervall f₂ gemäß f i g. 2, und der Ionenstrahl J. Der Spannungswert an jeder Stufe wird ferner in wird etwas in vertikaler Richtung (Richtung der V₃,-eine Digitalgröße entsprechend dem m/e-Wert durch 35 Achse in Fig. 3) durch das Vertikalabtasisignale e, den Analog-Digital-Umsetzer 46 umgewandelt und abgelenkt (Fig. 2c). Daher tastet der Strahl einer in Digitalform im Aufzeichnungskanal 47 dargestellt. begrenzten Bereich einer Probe eben innerhalb de; Daher werden ein lonenspitzenwert R₁ und die ent- Zeitintervalls f₂ ab. Die Große des abgetasteten Be sprechende Massenzahl (m/e-Wert) gleichzeitig durch reichs hängt von den Spitzenwerten der strahlden Drucker 19 gedruckt Der Drucker 19 umfaßt 60 ablenkenden Sägezahnspannungen E_x und E_y ab. Du ferner Aufzeichnungskanäle 26 und 36, um die Lage Beziehung zwischen der Größe des abgetasteten Bedes Analysenpunkts entsprechend den Analysedaten reichs und dem Betrag der ionenstrahl ablenkender anzuzeigen. Der Aufzeichnungskanal 26 zeichnet die Spannungen E_x und E ist m F₁ g 3 gezeigt Rechteckspannung V_x auf, die die Horizontallage des Die Zahl der von der Probenoberflache durch da:

Analysenpunkts angibt, während der Aufzeichnungs- 65 Abtasten emittierten Sekundarelektronen ändert sict kanal 36 die Rechleckspannung V₃, aufzeichnet, die mit der Änderung der rrobenzusammensetzung entdie vertikale Lage des Analysenpunkts angibt. Daher lang der Abtastzei e des Ionenstrahls, und das Aushat der Aufzeichnungskanal 26 für die horizontale gangssignal E_e (Fig. 2g) vom Sekundarelektronen-⁵ 609 634/11!

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detektor 9 ändert sich dadurch, und das Ausgangs- Ziehung mit der Zeit t berücksichtigt wird, die für das signal Ε_ε vom Sekundärelektronendetektor 9 wird in Massenabtasten, das noch beschrieben werden soll, den Intensitätsmodulationsanschluß 12 der Katho- nötig ist. Eine derartige zeitliche Beziehung wird erdenstrahlröhre 11 eingespeist, die synchron zum Ab- halten durch synchrones Steuern der Sägezahnspantasten des Ionenstrahls I_p durch die Abtastsignale e_x 5 nungsgeneratoren 20 und 30 sowie der Rechteck- und e_y überstrichen wird, so daß ein Sekundärelek- Spannungsgeneratoren 21 und 31.
tronenbild der Probenoberfläche wie gemäß F i g. 3 Wenn das Sekundärelektronenbild der Probenauf dem Leuchtschirm 14 der Kathodenstrahlröhre oberfläche angezeigt wird, wird der Analysenpunkt auftritt. Dieses Sekundärelektronenbild liefert eine durch Beobachtung des Bildes gewählt. Bei der überschlägige Information über die chemische Zu- io Durchführung der Analyse ist es notwendig, die Lage sammensetzung der Probenoberfläche. so zu wählen, daß möglichst wenig Schritte für die Nachdem die erste ebene Abtastung nach dem Analyse notwendig sind. Beim erfindungsgemäßen Zeitintervall i₂ beendet ist, wird der Ionenstrahl-Be- Mikroanalysator wird die Wahl eines Analysenpunkts Strahlungsfleck an einem Punkt auf der Probenober- für massenspektroskopische Analyse ohne Schwierig-] fläche für das nachfolgende Zeitintervall I₀ fixiert, 15 keiten getroffen, da das Sekundärelektronenbild selbst \ wobei der Punkt auf der Probe durch den Betrag der eine grobe Verteilung der Zusammensetzung in der I Rechteckspannungen V_x und V_y bestimmt ist. Die Be- Probenoberfiäche darstellt, wie Fig. 3 zeigt. Wenn 1 ziehung zwischen der Lage des festen Bestrahlungs- z. B. die Zusammensetzungsverteilung der Proben-

I flecks und den Ionenablenkspannungen V_x und V_s oberfläche wie in F i g. 3 ist, ist leicht ersichtlich, daß

I_I ist in F i g. 3 gezeigt. Während dieses Zeitintervalls r₀ 20 es nicht notwendig ist, mehrere Analysenpunkte in I wird das Ablenken des Elektronenstrahls e₀ für die einem Bereich zu nehmen, der aus einer einzigen j Bildanzeige in der Kathodenstrahlröhre unterbro- Komponente besteht, sondern daß es geeigneter ist, j chen, und der hellere Punkt wird in der festen Be- einen Analysenpunkt in der Nähe der Grenzen der I Strahlungslage auf dem Sekundärelektronenbild ge- entsprechenden Bereiche zu wählen. Daher wird die I zeigt. Dieser Leuchtpunkt im Sekundärelektronenbild 25 Wahl des Analysenpunkts durch die Anzeige des I entspricht der Lage des festen Bestrahlungsflecks auf Sekundäreleklronenbiids mittels der Kathodenstrahl-S der Probenoberfläche. röhre sehr erleichtert. Es soll hier angenommen wer-I Ferner werden das ebene Abtasten des Ionenstrahls den, daß die Punkte η ~- 1 bis 8 in F i g. 3 als Analyj und die ortsfeste Bestrahlung abwechselnd wiederholt senpunkte dienen.

j mit einer Periode T₀ gemäß Fig. 2, so daß das Se- 30 Nachdem die Analysenpunkte in der beschriebe- I kundärelektronenbild der Probenoberfläche und der nen Weise gewählt worden sind, wird eine massen-I Leuchtpunkt entsprechend dem ortsfesten Bestrah- spektroskopische Analyse für jeden Punkt nachein-I lungsfleck ständig auf dem Leuchtschirm der Katho- ander durchgeführt. Zu diesem Zweck muß der orts-I denstrahlröhre 11 zu sehen sind. Daher kann die feste Bestrahlungsfleck des Ionenstrahls mit der Lage 1 Lage des fixierten Bestrahlungsflecks des Ionenstrahls 35 des gewünschten Analysenpunkts übereinstimmen. 1 auf der Probenoberfläche ständig überwacht werden, Beim erfindungsgemäßen Mikroanalysator entspricht J indem die Lage des Leuchtpunkts im Sekundärelek- dem die Bewegung des Leuchtpunkts im Sekundär-I tronenbild beobachtet wird. elektronenbild in die Lage für die Analyse (dem f Wenn das Zeitintervall i, für die Horizontalabta- Punkt, der dem Analysenpunkt auf der Probe ent-I stung des Ionenstrahls 0,001 see beträgt und die An- 40 spricht). Dazu wird von Hand die Ausgangsspannung I zahl der Abtastz&hlen gleich 100 ist, beträgt die von den Gleichspannungsquellen 22 und 32 so lange f Zeit t_z für eine Vertikalabtastung (Zeit für eine ebene verstellt, bis der Leuchtpunkt mit der Lage des ge-I Abtastung) 0,1 see. Wenn ferner die Zeit i₀ für die wünschten Analysenpunkts zusammenfällt, während I Bestrahlung an einem ortsfesten Punkt durch den das Sekundärelektronenbild beobachtet wird. Durch I Ionenstrahl 0,025 see beträgt, also ein Viertel der 45 Einstellung der Ausgangsspannung von den Gleich-I Zeit f₂ darstellt, wird das Zeitintervall T₀ für wieder- Spannungsquellen 22 und 32 wird erreicht, daß die I holt es Abtasten 0,125 see. Wenn die Nachleuchtzeit Rechteckspannungen V_x und V₅, mit den Ablenk-I des Leuchtschirms der Kathodenstrahlröhre gleich spannungen für den Ionenstrahl entsprechend den I oder größer als das Zeitintervall T₀ gemacht wird, gewünschten Analysenpunkten übereinstimmt. Auf I wird das Sekundärelektronenbild der Probenober- 50 diese Weise kann die Verschiebung des Ionenstrahl-I fläche ohne Unterbrechung angezeigt. Da das Sekun- bestrahlungsflecks an einen gewünschten Analysen- § därelektronenbild statisch ist, tritt keine Schwierigkeit punkt genau und schnell vorgenommen werden. Die J bei der Beobachtung der Probenoberfläche auf, selbst Verschiebung wird weiter erleichtert, wenn horizonwenn die Nachleuchtzeit des Leuchtschirms lang ge- tale und vertikale Skalen auf dem Leuchtschirm der nug gemacht wird. Es ist daher möglich, die Zeit t_a 55 Kathodenstrahlröhre vorhanden sind, um die Lage für eine ortsfeste Bestrahlung des Ionenstrahls so eines beliebigen Punkts im Sekundärelektronenbild lang wie gewünscht zu machen. Wenn z. B. die Nach- abzulesen, und wenn die Ausgangsspannung von den leuchtzeit 5 see beträgt, sollte T₀ 5 see betragen. Die Gleichspannungsquellen 22 und 32 mit einem Voltebene Abtastzeit t₂. und die Zeit /₀ für ortsfeste Be- meter abgelesen werden kann, das entsprechende strahlung können geeignet innerhalb dieses Zeitinter- 60 Skalen aufweist. Der ortsfeste Bestrahlungsfleck des ; valls gewählt werden. Wenn z. B. r₀ = ¹U t₂ gilt, ist Ionenstrahls kann leichter zum Analysenpunkt ge- ; t₀ = Vs T₀ = 1 see, und wenn /, = 0,1 see = kon- macht werden, indem die Lage des gewünschten Anastant ist, beträgt t₀ = 4,9 see. Daher kann, wenn man lysenpunkts im Sekundärelektronenbild mit einer ; die Nachleuchtzeit des Leuchtschirms der Kathoden- Skala am Leuchtschirm gemessen wird und indem die strahlröhre groß genug macht, die Zeit zur ortsfesten 65 Ausgangsspannung von den Spannungsquellen 22 und ι Bestrahlung durch einen Ionenstrahl verhältnismäßig 32 so eingestellt wird, daß die Anzeige jedes Voltfrei gewählt werden. Es soll darauf hingewiesen wer- meters m?t der entsprechenden Lage auf der Skala ! den, daß die Zeit t₀ eingestellt wird, indem die Be- zusammenfällt

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Nachdem der ortsfeste Bestrahlungsfleck des jeweils von einem Einstellanschluß der Gleichspan-Ionenstrahls mit dem gewünschten Analysenpunkt in nungsquelle 42 abgegeben. Daher kann ein Ionen-Deckung gebracht worden ist, wird eine massen- strahl mit beliebiger Massenzahl selektiv gemessen spektroskopische Analyse an diesem Analysenpunkt werden, indem jede Anschlußspannung der Gleichvorgenommen. Die Analyse wird ausgelöst durch 5 Spannungsquelle 42 eingestellt wird. Vorzugsweise Drücken eines Tasters 51, nachdem durch Beobach- werden dis Anschlußspannungen der Spannungsquelle tung des Sekundärelektronenbilds gewährleistet ist, 42 in Form einer Massenzahl lesbar gemaeht. Zwar daß der ortsfeste Bestrahlungsfleck mit dem Analy- ist die Erläuterung nur für vier zu beobachtende senpunkt übereinstimmt. Wenn der Taster 51 ge- Ionenspitzen erfolgt, jedoch ist es selbstverständlich, schlossen wird, wird ein Befehlsimpuls P_s (Fig. 6 c.) io daß eine beliebige Anzahl von Ionenspitzen wahlvom Impulsgenerator 50 abgegeben. Der Impuls P_s weise gemessen werden kann, indem die Stufenanzahl wird in die Massenabtasteinrichtung, um das Massen- der Siufenspannung E_b geändert wird,
abtasten auszulösen, und gleichzeitig in den Abtast- Durch die beschriebene Massenabtastung werden signalgenerator eingespeist, um die Zeit für die orts- die Ionenspitzen P₁, P₂, P₃ und P₄, wie in F i g. 4 f feste Bestrahlung durch den Ionenstrahl zu erhöhen. 15 gezeigt, durch den Ionenfänger 8 erfaßt, wobei diese

Der Sägezahnspannungsgenerator 40 und der Stu- Spitzen in Form eines Massenspektrums durch die

fenspannungsgenerator 41 der Massenabtasteinrich- Anzeigeschaltung 15 angezeigt werden, und die Spit-

tung empfangen den Befehlsimpuls P_s zur Analyse zenwerte R₁₁, R₁₂, R₁₃ und R_it (vgl. Fig. 4g) durch

und arbeiten so, daß sie ein Massenabtastsignal e_s die Leseschaltung 16 gelesen und nacheinander in

(F i g. 6 d) von dem Zeitpunkt an erzeugen, zu dem 20 Digitalform durch die Kanäle 18 des Druckers 19 an-

die ortsfeste Bestrahlung durch den Ionenstrahl be- gezeigt werden.

ginnt, wie aus F i g. 6 ersichtlich ist. Die Rechteck- Um die Massenzahlen (m/e-Werte) entsprechend Spannungsgeneratoren 21 und 31 des Abtastsignal- diesen Spitzen anzuzeigen, werden die Spannungen an generators empfangen den AnalysenbefehlsimpulsP_s den entsprechenden Stufen E_{6 v} E_b2, E_b3 und E_bi und erhöhen die Zeit für die anschließende ortsfeste 25 (vgl. F i g. 4 d) der Stufenspannung E₆ durch die Lese-Bestrahlung durch den Ionenstrahl. Wie F i g. 6 a schaltung 44 gelesen, in ihre entsprechenden Massen- und 6 b zeigen, wird das Zeitintervall der Rechteck- zahlen (m/e-Werte) umgesetzt und nacheinander in anteile der Ionenstrahl-Abtastsignalspannungen e_x Digitalform über die Kanäle 47 des Druckt-rs 19 an- und e_y (Zeit für die ortsfeste Bestrahlung mit dem gezeigt.

Ionenstrahl) von i₀ vor der Analyse in das Zeitinter- 30 Um ferner anzugeben, weiche Analysendaten einem

vail T zur Zeit der Analyse geändert. bestimmten Analysenpunkt entsprechen, werden die

Die vorangegangene Beschreibung hat sich mit Werte der Rechteckspannungen V_x und V_y (F i g. 4 a

einem Fall beschäftigt, bei dem das Zeitintervall für und F i g. 4 b) innerhalb der Zeit T, während der der

die ortsfeste Bestrahlung mit einem Ionenstrahl auf T ortsfeste Analysenpunkt mit dem Ionenstrahl be-

(T = t> t₀) nur zur Zeit der Analyse erhöht wird. 35 strahlt wird, durch die Leseschaltungen 24 und 34

Dieser Fall berücksichtigt, daß eine gewünschte mas- gelesen und in Digitalform durch die Kanäle 26 und

senspektroskopische Untersuchung nicht innerhalb 36 des Druckers 19 angezeigt.

des Zeitintervalls t_a für die ortsfeste Bestrahlung mit Der Kanal 53 des Druckers 19 gibt digital die Zahl

dem Ionenstrahl vor der Analyse vorgenommen wer- der durch den Zähler 52 gezählten Impulse als Num-

den kann (z. B., wenn t₀ 0,1 see beträgt und die mas- 40 mer des Analysenpunkts ab.

senspektroskopische Analyse eine Zeit t von einigen Nachdem in dieser Weise eine Analyse für einen

see erfordert). Wenn jedoch die erforderlichen mas- bestimmten Analysenpunkt abgeschlossen worden ist,

senspektroskopischen Untersuchungen befriedigend werden alle Schaltungen sofort zurückgesetzt oder ge-

innerhalb des Zeitintervalls i₀ (d. h. t < i₀) durchge- löscht und in den Zustand vor der Analyse gemäß

führt werden können, indem die Zeit i₀ für die orts- 45 F i g. 6 gebracht. Durch Wiederholung dieses Vor-

feste Bestrahlung groß genug gemaeht wird (z. B. gehens wird eine massenspektroskopische Analyse für

einige see lang, muß nicht die Zeit T für die ortsfeste mehrere Analysenpunkte wie gewünscht vorgenom-

Bestrahlung zur Zeit der Analyse erhöht werden (oder men. Fig. 7 zeigt die zeitliche Beziehung zwischen

es reicht aus, T = t₀ zu machen). dem Analysenbefehlsimpuls P_s für jede Analysenzeit,

Das erforderliche Massenabtasten wird innerhalb 5° den entsprechenden Rechteckspannungen V_x und V₃,,

des Zeitintervalls T durchgeführt, während dem ein der Stufenspannung E_b entsprechend dem Analysen-

ortsfester Analysenpunkt (z. B. der Punkt η = 4 in punkt und dem Ionenspitzenanzeigesignal R₁. Diese

F i g. 3) mit dem Ionenstrahl bestrahlt wird. Das Ab- Signalspannungen werden gelesen und digital durch

tasten wird nur für solche Spitzen vorgenommen, die den Drucker 19 zur Zeit der Analyse ausgedruckt,

die erforderliche Massenzahl haben (z.B. Ionenspit- 55 Fig. 5 zeigt ein Beispiel von durch den Drucker 19

zen von Bor, Aluminium, Silizium und Germanium ausgedruckten Analysendaten, wobei die Zahl bei je-

mit den Massenzahlen (m/e) von 10, 27, 28 und 72 in dem Kanal ihrer Signalspannung von Fig. 7 ent-

den Beispielen von F i g. 3 und 4). Zu diesem Zweck spricht.

werden langsame Abtastintervalle S₁, S₂, S₃ und S₄ Bei den Analysedaten (vgl. Fig. 5), die auf diese (Intervalle mit τ = Γ/4) für das Abtastsignal e_s vor- 60 Weise erhalten werden, entsprechen die vierteln Anaher eingestellt, so daß nur die gewünschten Ionen- lysedaten (n = 4) dem Analysenpunkt η = 4 von spitzen P₁, P₂, P₃ und P₄ mit dem Ionenfänger beob- F i g. 3 (Ionenstrahlablenkspannungen V_x = 300 V achtet werden können. Die Massenzahl der Ionen- und V₃, = 250 V). Es ist ersichtlich, daß die Ionenspitze, die mit dem Ionenfänger innerhalb jedes Lang- Spitzenwerte folgende Werte haben: 35 mV für B¹⁰ samabtastintervalls des Abtastsignals gemessen wird, 65 mit m/e — 1, 15 mV für Al²⁷ mit m/e = 27, 5OmV wird ungefähr durch das Potential E_b, E_{b 2}, E_{b 3} oder für Si²⁸ mit m/e = 28 und 0 mV für G⁷² mit m/e = 72. E_bi bestimmt, das eine Spannung an jeder Stufe der Wie aus der Beschreibung deutlich hervorgegan-Stufenspannung E_b ist. Die Stufenspannungen werden gen sein dürfte, kann der Analysenpunkt durch Beob-

achtung des Sekundärelektxonenbilds der Probenoberfläche gewählt werden, so daß die Wahl von unnötigen Analysenpunkten und damit unnötige Messungen vermieden werden. Da femer die Lage des ortsfesten Bestrahlungsflecks des Ionenstrahl genau im Sekiindärelektronenbild 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 AnalysenpunkU 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 Mikroanalysator ermöglicht also gegenüber den bekannten Einrichtungen eine genauere und schnellere Analyse eines kleinen Bereichs in einer Festkörperprobe.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. \ ι ²

   -V. ξ' dem Analysenpunkt hergestellt werden, was grol

   Patentansprüche: Sorgfalt erfordert.

   Es ist z. B. üblich, daß der Bestrahlungsfleck ein<

   ' 1. lonenmikroanalysator, mit einer Ionenmikro- Primärionenstrahls auf der Probenoberfläche m sonde, deren Ablenkeinheiten von sägezahnförmi- s einem optischen Mikroskop beobachtet und der Be gen oder von Hand einstellbaren festen Abtast- strahlungsfleck zum gewünschten Analysenpunl spannungen beaufschlagbar sind, zum Abtasten durch geeignete Einstellung von Ablenkspann unge der Probenoberfläche, mit einem Massenspektro- für den Primärionenstrah] verschoben wird. Em dei meter zur Erfassung der von einem Punkt der artiges Vorgehen ist jedoch umständlich, da der Be Probenoberfläche emittierten Sekundärionen und io strahlungsfleck zum Analysenpunkt bewegt werde: mit einer Kathodenstrahlröhre zur Erzeugung muß, außerdem ist es unmöglich, die Lage des Ana eines Oberflächenbildes der Probe entsprechend lysenpunkts auf dem optischen Bild der Probe quan der Sekundärelektronenernission, deren Ablenk- titativ abzulesen, so daß der Zusammenhang zwischei einheiten von den gleichen Spannungen wie die den Daten und der Lage des Analysenpunkts un Ablenkeinheiten der Ionenmikrosonde beauf- 15 sicher wird. Insbesondere, wenn viele Analysenpunkti schlagt sind, gekennzeichnet durch auf einer Probenoberfläche nacheinander zu analy· Rechteckspannungsgeneratoren (21, 31), deren sieren sind, wird die richtige Zuordnung zwischer einstellbare Spannung zur Rückflanke der Säge- den Daten und einem speziellen Analysenpunki zahnspannung zu einer resultierenden Abtastspan- schwierig. Daher ist die Datenauswertung mühsam , nung addiert wird. 20 und zeitraubend, außerdem können dabei leicht Feh-

   i 2. lonenmikroanalysator nach Anspruch 1, da- ler auftreten.

   ! durch Gekennzeichnet, daß die Dauer (i₀) der Es ist bereits ein lonenmikroanalysator der ein-

   \ Rechteckspannungen [V₁, V_y) variabel ist. gangs genannten Art (vgl. DT-OS 19 19 S80 entspre-

   ; chend der älteren Patentanmeldung P 19 19 880.2-52)

   \ 25 vorgeschlagen worden, mit dem ein Analysenpunkt

   ί _; festgelegt werden soll. Hierzu werden lediglich eine

   I sichtbare Anzeige abhängig von den Sekundärionen

   I und ein optisch erzeugtes Bild der Probenoberfläche

   I verglichen. Weiterhin wird das Auftreffen des Pri-

   I Die Erfindung betrifft einen lonenmikroanalysator 30 märionenstrahls durch eine gewöhnliche Abtastung,

   f nachdem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. wie beispielsweise beim Fernsehen, oder von Hand

   I In einem lonenmikroanalysator wird von einer zu gesteuert.

   I analysierenden Festkörperprobe ein kleiner Ober- Wenn der Auftreffpunkt des Primärionenstrahls

   I flächenabschnitt (ein Flächenbereich, dessen Durch- durch Vergleich zwischen der Abbildung abhängig

   I messer gewöhnlich einige μπι beträgt und im folgen- 35 von den emittierten Sekundärelektronen und dem

   § den Analysenpunkt genannt werden soll) mit einem optisch erzeugten Bild bestimmt wird, kann ein op-

   I feinkollimierten Primärionenstrahl beschossen und tisches Mikroskop zur Beobachtung der Probenober-

   I die chemische Analyse od. dgl. des Analysenpunkts fläche verwendet werden, um das von der Proben-

   I durch Analyse und/oder Messung der Sekundärstrah- oberfläche ausgesandte Licht zu empfangen, wenn

   1 lungen (z. B. Sekundärionen, Sekundärelektronen 4° dort der Primärionenstrahl auftrifft. Wenn jedoch der

   I usw.) vorgenommen, die von dem beschossenen Punkt Durchmesser des Ionenstrahls verringert wird (klei-

   I emittiert werden. In üblichen Einrichtungen werden ner als beispielsweise 10 um), ist die Intensität des

   I die Sekundärionen vom Analysenpunkt durch ein von der Probe ausgesandten Lichtes kleiner, so daß

   I Massenspektrometer analysiert. das Licht nicht durch das Mikroskop erfaßt werden

   I Der lonenmikroanalysator mit einem Massenspek- 45 kann, was dazu führt, daß der Punkt, auf den der

   § trometer hat den Vorteil, daß die Zusammensetzung Primärionenstrahl einfällt, schwierig zu bestimmen

   I eines kleinen Teils der Festkörperprobe quantitativ äst. Deshalb ist die massenspektroskopische Analyse

   ! sehr genau analysiert werden kann, jedoch tritt dabei auf einem beliebigen Punkt der Probenoberfläche

   j als Nachteil auf, daß erstens die Auswahl des kleinen schwierig, so daß der Betrieb des bereits vorgeschla-

   I Teils für die Analyse (des Analysenpunkts) auf so genen Mikroanalysators aufwendig und umständlich

   I Schwierigkeiten stößt und es zweitens schwierig ist, ist. Daher kann auch eine genaue Analyse mit diesem

   I die Beziehung zwischen den durch die Massenanalyse Mikroanalysator nicht durchgeführt werden.

   I erhaltenen Daten und der Lage des Analysenpunkts Ferner werden bei einem bekannten Ionenmikro-

   I auf der Probe herzustellen. Trotz der hohen Abtast- analysator (vgl. Journal of Applied Physics, 38

   ί geschwindigkeit moderner Massenspektrometer ist 55 [1967], S. 5277 bis 5283. insbesondere Fig. 4 in Ver-

   I nämlich eine kontinuierliche Analyse nicht möglich, bindung mit S. 5281, r. Sp., Abs. 4, »first mode« —

   I d. h., die massenspektroskopische Analyse kann nicht Betriebsart) nur Ionen mit einem bestimmten Masts' vollständig synchron mit dem Abtasten mittels des sen-Ladungs-Verhältnis (w/e-Wert) von den von der

   f Primärionenstrahls durch die elektronische Ablenk- Probenoberfläche emittierten Sekundärionen analy-

   'r einheit durchgeführt werden, da das Massenspektro- 60 siert und gemessen mit einem Massenspektrometer

   κ,-,-. meter eine gewisse Zeit zur Auswertung benötigt. durch ebenes Abtasten des Primärionenstrahls, mit

   |f 1' Für die Analyse ist es also notwendig, den richti- dem die Probenoberfläche bestrahlt wird, wobei das

   $;·> gen Analysenpunkt zu wählen, indem untersucht Ausgangssignal in den Anschluß für die Intensitäts-

   ;"■*,. ■ wird, welche Stelle auf der Probe am besten für die modulation einer Kathodenstrahlröhre eingespeist i^^J.. Analyse geeignet ist, um den Ionenstrahl genau auf 65 wird, die synchron zum Abtasten des Primärionen-

   ⁵P" den so ausgewählten Analysenpunkt zu richten. Bei Strahls überstrichen wird, um das Bild der Sekundär-

   "/> der anschließenden Untersuchung der Daten muß ionen (die Verteilung des oben angegebenen spezi-

   £?-__■ eine genaue Korrespondenz zwischen den Daten und ■ fischen Sekundärionenstrahls) von der Probenober-