DE2041422A1 - Element analyzer - Google Patents
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Description
M 2878 PATENTANWÄLTE Dr1-In9. HANS RUSCHKE M 2878 PATENTANWÄLTE Dr 1 -In 9 . HANS RUSCHKE
' Dlpi.-Ing. HEIMZ AßULAR'Dlpi.-Ing. HEIMZ AßULAR
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Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, Minnesota, 55101,.7.St.A.Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, Minnesota, 55101, .7.St.A.
ElementanalysatorElement analyzer
Die Wissenschaft der Bestimmung der Elementarzusammenstellung einer festen Oberfläche zum Zweck der Elementanalyse, der Auffindung von Verunreinigungen bzw., um den Sauberkeitszustand einer Oberfläche zu bestimmen, hat den Bedarf für ein Konzept und eine Vorrichtung geschaffen, um eine solche Oberfläche zerstörungsfrei zu analysieren.The science of determining the elemental composition of a solid surface for the purpose of elemental analysis, the Detection of impurities and the state of cleanliness determining a surface has created the need for a concept and an apparatus to identify such a surface to analyze non-destructively.
Es ist bekannt, hochenergetische Ionen aus einem Edelgas auf eine Zielfläche zu schießen und sie von dieser in einem relativ großen Winkel wegstreuen zu lassen, um den Ladungszustand und die Streuenergie des Primärions nach der Kollision zu 'bestimmen· Ein Gerät und Verfahren zur Analyse der Elementarzusammenstellung einer festen Oberfläche ist durch die US-Patentschrift 3 480 774 bekannt geworden.It is known to produce high-energy ions from a noble gas Shoot a target area and get away from that in a relative to allow a large angle to be scattered away in order to determine the state of charge and the scattering energy of the primary ion after the collision An apparatus and method for analyzing elemental composition a solid surface is known from US Pat. No. 3,480,774.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Fortschritt der Technik gegenüber der US-Patentschrift 3 480 774 dar und betrifft einen auf niedrigem Energieniveau arbeitenden Elementanalysator, der bei genügend grollen Signal eine höhere Auflösung erzielt, und der sieh, da er kompakt ist, in größerer Nähe der KomponentenThe present invention represents an advance in the art over US Pat. No. 3,480,774 and relates to a low energy element analyzer which provides higher resolution for a sufficiently large signal and which , being compact, sees in closer proximity to the components
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anordnen läßt, lam die Auflösung zu verbessern. Er weist auf:can order, lam to improve the resolution. It shows:
Einen kompakten Ionenerzeuger zur Herstellung eines Strahls von im wesentlichen einzelenergetischen Ionen, wobei die Energievariation 0,5 $> oder weniger des Primärionenstrahls bei der Halbwertbreite (full width half maximum) beträgt, die Ionen vor der Bombardierung der Probe gut kollimiert und fokussiert werden und der Ionenerzeuger nahe an der Probe angeordnet ist, um Zusammenstöße der Ionen mit dem umgebenden Gas zu vermeiden, sowie einen kompakten Energieanalysator, der in unmittelbarer Nähe der Probe angeordnet ist, um so viel Streuionen wie möglich aufzufangen und damit die Zahl der dem Detektor zugeführt en Ionen zu optimieren, und eine Eingangsmembran mit einem schmalen Schlitz verwendet, welcher die Divergenz der durch ihn hindurchfliegenden Ionen so weit wie möglich verringert, um die Auflösung zu verbessern.A compact ion generator for producing a beam of essentially single-energy ions, the energy variation of the primary ion beam being 0.5 $> or less at the full width half maximum, the ions being well collimated and focused before the bombardment of the sample and the Ion generator is arranged close to the sample in order to avoid collisions of the ions with the surrounding gas, as well as a compact energy analyzer, which is arranged in the immediate vicinity of the sample, in order to collect as many scattered ions as possible and thus the number of ions supplied to the detector to optimize, and used an entrance membrane with a narrow slit, which reduces the divergence of the ions passing through it as much as possible to improve the resolution.
Es ist daher der Hauptvorteil des Gerätes nach vorliegender Erfindung, daß die Auflösung des Systems, die definitiv und eindeutig die Atommasse des Zielelements bestimmt, verbessert wurde.It is therefore the main advantage of the apparatus of the present invention that the resolution of the system, which is definitely and clearly determined the atomic mass of the target element was improved.
Ein weiterer Vorteil des Gerätes nach vorliegender Erfindung ist die höhere Ionenstrahlstabilität, die mit diesem relativ kompakten und vereinfachten Gerät über den gesamten Arbeitsbereich des Ionenstrahle erreicht wurde. Another advantage of the device according to the present invention is the higher ion beam stability, which with this relative compact and simplified device over the entire working range of the ion beam was achieved.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß der Ionenerzeuger bis unter 100 eV stabil arbeitet.Another advantage of the present invention is that the ion generator works stably below 100 eV.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß der Analysator unter statischen Gaebedingungen betrieben werden kann, um die Stabilität und Einfachheit des Betriebs zu vergrößern, und die Notwendigkeit für dynamisches Pumpen des Edelgases während des Betriebe vermeidet. Die vorliegend· Erfindung schafft anion eine Anordnung, bei der mehrer· Teil· in einer einzigen Kammer angeordnet sind und offen miteinander in Verbin·Another advantage of the present invention is that the Analyzer can be operated under static gas conditions to increase stability and ease of operation, and avoids the need for dynamic pumping of the noble gas during operation. The present invention anion creates an arrangement in which several · part · in one are arranged in a single chamber and are openly connected to each other
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dung stehen und die damit die Notwendigkeit für Mehrfachkammern, Verbindungsventile und Pumpen umgeht.and thus the need for multiple chambers, Bypasses connecting valves and pumps.
Diese und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.These and other advantages of the invention emerge from US Pat following description and accompanying drawings.
Pig. 1 ist ein Seitenriß eines /Gerätes nach vorliegender Erfindung.Pig. 1 is a side elevation of an apparatus in accordance with the present invention Invention.
Pig. 2 ist ein Blockdiagramm und eine teilweise bildliche und schematische Darstellung der elektrischen Bauteile des Gerätes nach Pig. 1.Pig. 2 is a block diagram and partially pictorial and FIG Schematic representation of the electrical components of the device according to Pig. 1.
Pig. 3 ist ein Diagramm, das die Analyse einer festen Oberfläche sowie die sich durch die Vorspannung der Ein— und Ausgangsmembranen ergebende verbesserte Auflösung und Schärfe zeigt.Pig. 3 is a diagram showing the analysis of a solid surface as well as by the pretensioning of the inlet and outlet membranes resulting in improved resolution and sharpness.
Pig. 4- ist ein Diagramm der Analyse einer Kupferprobe und zeigt die Streuung der Isotopen Gu und OuPig. 4- is a graph showing the analysis of a copper sample and shows the scattering of the isotopes Gu and Ou
Die Zeichnungen und die Beschreibung - und insbesondere Pig.1 zeigen einen kompakten Slementanalysator 10 mit einem Plansch 12, der auf eine (nicht gezeigte) handelsübliche Vakuumkammer normaler Große paßt, mit einem am Plansch befestigten !Tragrahmen 16, einem mehrfach ausrichtbaren Probemtrager(^Hler am Rahmen befestigt ist, einem Ioatner ic euger 26, einem Energieanalysator 45* einem Ionendetektor 70 und einer Anzeigevorrichtung 80. Mit .diesem Gerät zur relativ zerstörungsfreien Oberflächenanalyse bzw« dem entsprechenden Verfahren wird ein Strahl von Primärionen 30 bekannter Hasse und Energie erzeugt, auf die zu analysierende Oberfläche gerichtet und die Energie der von den die feste Oberfläche bildenden Elementen zerstreuten Primärionen analysiert, d.h. man mißt den infolge der Kollision der Primärionen mit den Elea«at«a «folgt en Energieverlust und bestiaat daraus die Atommasse der Elemente» Die Analyse einer festen Oberfläche basiert auf der Theorie und Formulierung des binärelastischen Stoßes aufgrund folgender Annahmen. Erstens wird angenommen, daß die Zielatome im wesentlichen nicht an ihreThe drawings and the description - and in particular Pig. 1 - show a compact slement analyzer 10 with a puddle 12, which fits on a (not shown) commercially available vacuum chamber of normal size, with a support frame 16 attached to the puddle, a multi-directional sample carrier ( ^ Hler is attached to the frame, an Ioatner ic euger 26, an energy analyzer 45 * an ion detector 70 and a display device 80. With this device for relatively non-destructive surface analysis or the corresponding method, a beam of primary ions 30 of known hate and energy is generated on the directed surface to be analyzed and analyzing the energy of the solid surface forming elements scattered primary ions, one that is, the en energy loss follows due to the collision of the primary ions with the Elea "at" a "measures and bestiaat from the atomic mass of the elements" analysis of a solid surface is based on the theory and formulation of binärela elastic collision based on the following assumptions. First, it is believed that the target atoms are essentially not attached to their
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Nachbaratome gebunden sind. Während des Stoßes verhalten sich die Zielatome also so unabhängig, als ob es sich um Gasatome handelte. Zweitens wird angenommen, daß die Zielatome vor dem Zusammenstoß mit den Primärionen im wesentlichen stationär sind, Drittens werden die Energieverluste der Primärionen während des Zusammenstoßes mit den Zielatomen als vollständig kinetisch angenommen. Aufgrund dieser drei Annahmen und des Energie- und Momenterhaltungsprinzips lassen sich die nach dem Stoß vorliegenden Energien der Primärionen aus den Streuwinkeln, dem Massenverhältnis und der vor dem Stoß vorliegenden Energie bestimmen. Wesentlich ist, daß dieses Verfahren keine veränderlichen oder empirischen Paktoren erfordert. Die folgende Beziehung für das Verhältnis der kinetischen Energie des Primärions nach.dem Zusammenstoß zu der vor dem Zusammenstoß bei einem zur Vereinfachung angenommenen - Streuwinkel ö » 90 ,Neighboring atoms are bound. Behave during the impact the target atoms are as independent as if they were gas atoms acted. Second, it is assumed that the target atoms are essentially stationary before colliding with the primary ions, Third, the energy losses of the primary ions during collision with the target atoms are said to be entirely kinetic accepted. On the basis of these three assumptions and the principle of conservation of energy and momentum, those that are present after the collision can be determined Energies of the primary ions from the scattering angles, the mass ratio and the energy present before the collision determine. It is essential that this process does not require variable or empirical factors. The following relationship for the ratio of the kinetic energy of the primary ion after the collision to that before the collision in one for simplification assumed - scattering angle ö »90,
ergibt, aufgelöst nachresults, resolved after
1 +1 +
M2 - M1 1 - E M 2 - M 1 1 - E
wobei M1- Masse der Primärionen,
M2 ■ Masse der Zielatome,where M 1 - mass of primary ions,
M 2 ■ mass of the target atoms,
E0 ■ kinetische Energie des Primärions vor dem Stoß, M1 ■ kinetische Energie des Primärionβ nach dem Stoß ist.E 0 ■ is the kinetic energy of the primary ion before the collision, M 1 ■ is the kinetic energy of the primary ion β after the collision.
Einige der Hauptkomponenten zur Ausführung der erwähnten Oberflächen analyse durch Ionenstreuung sind: eine Quelle einzelenergetischer Ionen mit guten Pokussiereigenechaften bei niedrigen Energiewerten, ein Energieanalysator, der in der Lage let, bei guter Auflösung Streuwinkel genau zu definieren, ein ·&* Ionendetektor und eine Voretellvorrichtung, Bit d«r Proben nacheinander in eine vorherbestimmte Stellung gebracht werden, ohne dabei zu Verlusten des Vakuum» baw. d·· tragen Gas·· su führen. Uu die Auflösung bei einen gegebenen elektrischen Signalptgel «itSome of the main components used to complete the surfaces mentioned Analysis by ion scattering are: a source of single-energy ions with good focusing properties at low Energy values, an energy analyzer that is able to precisely define scattering angles with good resolution, a & * Ion detector and a Voretell device, bits of the samples one after the other be brought into a predetermined position without losing the vacuum »baw. d ·· carry gas ·· su lead. Uu the resolution for a given electrical signal lamp
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einem "bei niedriger Energie arbeitenden Gerät zu vergrößern, sind folgende Punkte kritisch!to enlarge a "device operating at low energy, the following points are critical!
1. Die Ionenenergiestreuung innerhalb des Ionenstrahls muß minimisiert werdenf1. The ion energy spread within the ion beam must be minimized f
2. Die Kollimation und Fokussierung des Ionenstrahls muß vor der Bombardierung optimiert werden|2. The collimation and focusing of the ion beam must be optimized before the bombing |
3. Die Auflösung des Energieanalysators bei einem bekannten Streuwinkel muß optimiert werden. 3. The resolution of the energy analyzer at a known scattering angle must be optimized .
TJm einen sinnvollen Kompromiß zwischen der gewünschten hohen Auflösung des Gerätes und einem angemessenen elektrischen Signalpegel zu erreichen, ist es vorteilhaft, den Ionenerzeuger I und den Energieanalysator in die unmittelbare Nähe der zu analysierenden Probe zu bringen.In order to achieve a reasonable compromise between the desired high resolution of the device and an appropriate electrical signal level, it is advantageous to bring the ion generator I and the energy analyzer into the immediate vicinity of the sample to be analyzed.
Der Flansch 12 ist ein normaler 200-mm-Ultrahochvakuumflansch mit einer Anzahl von öffnungen entlang seines Umfangs, mit denen der Plansch an dem in Fig. 1 angedeuteten Gehäuse be festigt wird ρ zusammen stellen sie die TJl tr ahoch vakuumkammer dar. Nachdem man den Flansch am Gehäuse befestigt hat, das auch den Rahmen, den Probenträger, den Ionenerzeuger sowie andere in Fig.1 gezeigte Systemteile enthält, evakuiert man die Kammer Bitteis einer (nicht gezeigten) Vakuumpumpe auf 10 Torr. Ua die in der Kammer verbleibenden aktiven Elemente weiter zu λ reinigen, ist in der Kammer auch ein (nicht gezeigtes) Getter vorgesehen. Durch Abschalten der Pumpe beendet man den Pumpvorgang. Dann läßt man durch geeignete Ventile ein Edelgas in die Kammer, bis der statische Druck, gemessen mit einem Druckmesser nach Bayard-Alpert, 5 x 10"" Torr beträgt, und schließt dann »amtliche Kammeröffnungen, d.h. man läßt kein zusätzliches Edelgas mehr in die Kammer hinein. Die Edelg&oatmoaphäre in der Kammer wird ausgenutzt, um die die feste Oberfläche der Probe bildenden Elemente zu analysieren. Das verwendete Gas kann irgendein Edelgas sein) im allgemeinen verwendet man jedoch Helium (He) und Argon (Ar). Durch den Flansch erstrecken sich elektrische Durchführungen bzw. Anschlüsse 14» um die erforder- The flange 12 is, a normal 200-mm ultrahigh vacuum consolidates with a number of openings along its circumference with which be the Plansch to the direction indicated in Fig. 1 Housing ρ together they represent the tjl tr Ahigh vacuum chamber is. After the flange attached to the housing, which also contains the frame, the sample carrier, the ion generator and other system parts shown in Fig. 1, the chamber is evacuated to 10 Torr by a vacuum pump (not shown). Ua the remaining active elements in the chamber to further purify λ is provided in the chamber also a (not shown) getter. The pumping process is ended by switching off the pump. A noble gas is then let into the chamber through suitable valves until the static pressure, measured with a Bayard-Alpert manometer, is 5 x 10 "Torr, and then official chamber openings are closed, ie no additional noble gas is allowed into the Chamber inside. The precious atmosphere in the chamber is used to analyze the elements that make up the solid surface of the sample. The gas used can be any noble gas, but helium (He) and argon (Ar) are generally used. Electrical feed-throughs or connections 14 »extend through the flange by the required
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lichen elektrischen Verbindungen zwischen den Bauteilen in der Kammer und den elektrischen Anlagenteilen außerhalb der Kammer herzustellen.Union electrical connections between the components in the chamber and the electrical system parts outside the Chamber manufacture.
Der !Dragrahmen 16, der am Flansch 12 befestigt ist, weist einen Unterteil 18, einen Unterteilträger 20 zwecks Abstandehaltung zwischen den elektrischen Anschlüssen 14 und dem Unterteil sowie eine lotrechte Säule 22 auf, die am Unterteil befestigt ist und den Frobenträger 60 trägt.The drag frame 16, which is attached to the flange 12, has a lower part 18, a lower part carrier 20 for the purpose of maintaining a spacing between the electrical connections 14 and the lower part, and a vertical column 22 which is fastened to the lower part and carries the sample carrier 60.
Der mehrfach ausrichtbare Probenträger 60 weist ein drehbares achteckiges Probenrad 61 auf sowie Seitenarme 62, mit denen das Rad zur Säule 22 relativ drehbar und von dieser isoliert befestigt ist, und Mittel zur Schrittschaltung des Rades mit einem Ratechenzahnrad 63» das das Probenrad schrittweise, d.h. pro Betätigung des Elektromagneten-Magneten um eine sechzehntel Umdrehung, weiterdreht. Auf jeder der Umfangsflachen 66 des achteckigen Rades kann eine zu analysierende Probe befestigt werden, die auf dieser durch geeignete Haltemittel - wie z.B. Schraub- oder Federhalterungen - festgehalten wird. Es 1st ersichtlich, daß man das Probenrad auoh mit einer anderen Zahl von Umfangeflächen versehen, d.h. es z.B. auch sechseckig gestalten kann, und daß das Ratechenzahnrad eine andere Anzahl von Zähnen haben kann, die numerisch, der Zahl der flächen auf dem Frobenrad entspricht. Der Frobenträger weist auch einen vom Rahmen 16 isolierten Schleifkontaktarm auf, der in Einkerbungen einrastet, um das Rad 61 und die bombardierte Probe elektrisch mit einem Strommesser 81 (vergl. Fig.2) zu verbinden, der den Ionenstrahistrom mißt. Der Elektromagnet 64, ein normaler Vakuumelektromagnet, ist elektrisch mit einer Stromversorgungeeinheit 82 für den Probenwähler verbunden, die zur Weiterschaltung aufeinanderfolgender Proben In die vorherbestimmte Zieleteilung (wie in Pig.1 gezeigt) frei betätigbar ist.The multiply orientable sample carrier 60 has a rotatable octagonal sample wheel 61 and side arms 62 with which the wheel is fixed relative to the column 22 so as to be rotatable and insulated therefrom, and means for stepping the wheel with it a rate gear 63 »which the sample wheel step by step, i.e. per actuation of the electromagnet magnet by a sixteenth Turn, keep turning. On each of the peripheral surfaces 66 of the A sample to be analyzed can be attached to the octagonal wheel, which is held on it by suitable holding means - e.g. Screw or spring mounts - is held in place. It 1st It can be seen that the test wheel can also be provided with a different number of circumferential surfaces, i.e. it can also be made hexagonal, for example, and that the guessing gear has a different number of teeth, which numerically corresponds to the number of surfaces on the Froben wheel. The frost carrier also has a from the frame 16 insulated sliding contact arm, which snaps into notches, around the wheel 61 and the bombarded sample to be electrically connected to an ammeter 81 (see Fig. 2), which measures the ion beam current. The electromagnet 64, a normal vacuum electromagnet, is electrically connected to a power supply unit 82 for the sample selector, which is used for Continuation of successive samples in the predetermined division of goals (as shown in Pig. 1) can be freely activated is.
Der Ionenerzeuger umfaßt ein geerdetes rohrförmigee Gehäuse 25 der Dimensionen 50 χ 75 χ 100 mm, dme βο gestaltet let, deJThe ion generator includes a grounded tubular housing 25 the dimensions 50 χ 75 χ 100 mm, dme βο designed let, deJ
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es die betrieblichen Teile des kompakten lonenerzeugers tragen kann. Der kompakte Ionenerzeuger - im wesentlichen 25 χ 25 x 75 mm groß - weist einen Heisfaden 27 zur Erzeugung von Elektronen, ein in hohem Maße durchlässiges Gitter 28, das mehr als 80 $ offener Fläche hat und innerhalb einer Extraktorplatte 31 ein Ionisierungsgebiet 29 definiert, einen den Heizfaden 27 umgebenden Reflektor 30, vier Anoden 33S 35, 37 bzw. 39 und eine Stabilisierungsschleife 41 auf»it can carry the operational parts of the compact ion generator. The compact ion generator - essentially 25 × 25 × 75 mm in size - has a hot filament 27 for generating electrons, a highly permeable grid 28 which has an open area of more than 80 $ and defines an ionization region 29 within an extractor plate 31 the reflector 30 surrounding the filament 27, four anodes 33 S 35, 37 or 39 and a stabilization loop 41 on »
Eine Stromversorgungseinheit 42 liefert die Energie für äea Heizfaden, damit dieser Elektronen liefern kann, und ein Gittervorspannungsteil 83 spannt das Gitter bezüglich des Heizfadens vor. Die vom Heizfaden gelieferten Elektronen g werden durch das relativ durchlässige Gitter 28 auf ein Potential beschleunigt, das zur Ionisierung der Edelgasatome ausreicht. Beispielsweise können die Elektronen eine Energie von 100 - 125 eV aufweisen! das reicht aus, um Helium mit einem Ionisierungspotential von ca. 24 e7 zu ionisieren»A power supply unit 42 supplies the energy for a filament so that it can supply electrons, and a grid biasing part 83 biases the grid with respect to the filament. The electrons g supplied by the filament are accelerated by the relatively permeable grid 28 to a potential which is sufficient to ionize the noble gas atoms. For example, the electrons can have an energy of 100 - 125 eV! that's enough to ionize helium with an ionization potential of approx. 24 e7 »
Der Reflektor 30 liegt auf dem Heizfadenpotential und lenkt sich ihm nähernde Elektronen in einen langen Flugweg ab, der die Wahrscheinlichkeit erhöht, daß ein Elektron ein Gasatom trifft und dieses ionisiert.The reflector 30 is at the filament potential and steers electrons approaching it in a long flight path that increases the likelihood that an electron is a gas atom meets and ionizes it.
Erhöht man den statischen Druck des Edelgases in der evakuier-■ baren Kammer, erhöht sieh auch der lonenstrahlstrom. Durch \ eine Elektronenstromsteuerung bei konstantem Gasdruck kann man also den lonenstrahlstrom steuern. Bei der Plasmaquelle des Standes der Technik konnte man eine große Anzahl von Einstellungen zur Regulierung des lonenstrahlstroms vornehmes § keine von diesen ließ sich aber unmittelbar auf den lonenstrahlstrom beziehen. Mit einer solchen Plasmaquelle ist es daher äußerst schwierig, eine StrahlstromregelEchleife aufzubauen« Die Stabilisierungsschleife 41 der vorliegenden Ausführungsform umfaßt die Heizstromversorgung und den Gittervorspsuanuagstsil und erhält einen stabilen Elektronengitterstrom aufrecht, der den lonenstrahlstroia bei Druckschwankungen in der Vakrauaksosrnsr «uaregelt.If the static pressure of the noble gas in the evacuable chamber is increased, the ion beam flow also increases. By \ an electron current control with constant gas pressure so you can control the ion beam. With the plasma source of the prior art, a large number of settings for regulating the ion beam flow could be made, but none of these could be directly related to the ion beam flow. With such a plasma source, it is therefore extremely difficult to set up a jet flow control loop. The stabilization loop 41 of the present embodiment comprises the heating power supply and the grid adapter and maintains a stable electron grid current which regulates the ion beam flow in the event of pressure fluctuations in the vacuum.
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Eine Spannungsteilerachaltung 85 für die Ionenkanone spannt die Extraktorplatte 31 auf ein Potential vor, mit dem sich positivelonen aus dem Ionisierungsgebiet 29 ausziehen lassen. Die Schaltung 85 enthält neun Widerstände R1 von je 470 kOhm und drei lineare 500~k0hm-Potentiometer R2 mit jeweils 10 Umdrehungen, die so parallel und in Reihe geschaltet sind, daß sich mit Ausnahme der vierten Anode 39, die geerdet ist, die Extraktorplatte 31 sowie die Anoden 33, 35 und 37 nach Wahl vorspannen lassen.A voltage divider circuit 85 for the ion gun is charged the extractor plate 31 to a potential with which positive ions can be extracted from the ionization region 29. The circuit 85 contains nine resistors R1 of 470 kOhm each and three linear 500 ~ kOhm potentiometers R2 with 10 turns each, which are connected in parallel and in series that, with the exception of the fourth anode 39, which is grounded, the Have the extractor plate 31 and the anodes 33, 35 and 37 pretensioned as required.
Die Extraktorplatte 31 enthält in der Strahlachse 42 eine Aueziehöffnung 32 von ca. 6 mm, um die positiven Ionen auszuziehen, die sodann durch die Anoden zu einem Strahl gebündelt •werden. An jeder Anode liegt ein von der Schaltung 85 geliefertes Potential. Die erste Anode 33 dient im wesentlichen dazu, die ausgezogenen Ionen zu steuern, zu modulieren und vorbereitend zu einem kollidierten Strahl zu fokussieren. Die zweite Anode 35, die von der ersten Anode 33 weiter als von den übrigen Anoden entfernt ist, dient als Hauptkollimier- und -fokussieranode. Die dritte Anode 37 liegt auf einem vom Spannungsteiler gelieferten, im wesentlichen konstanten Potential. Die vierte Anode 39 liegt auf Masse oder könnte auch, gegen Masse vorgespannt, mit einem Anschluß einer Hochspannungsquelle 86 verbunden sein. Jede der Anoden ist aus dünnem leitendem Material hergestellt und weist eine kleine öffnung auf, um den Ionenfluß zu steuern und einen einzelenergetischen Strahl aufrechtzuerhalten. Die Anodenplatten sind z.B. 2 mm dick, um die Wanddicke an den Offnungen so klein wie möglich zu halten und damit Wechselwirkungen zwiachen den durchtretenden Ionen und der Wandoberfläche und damit EnergieVerluste gering zu halten.The extractor plate 31 contains an extraction opening 32 of approx. 6 mm in the beam axis 42 in order to extract the positive ions, which are then bundled into a beam by the anodes. At each anode there is one supplied by circuit 85 Potential. The first anode 33 essentially serves to control, modulate and control the extracted ions preparing to focus a collided beam. The second anode 35, from the first anode 33 further than away from the rest of the anodes, serves as the main collimating and focusing anode. The third anode 37 is on one of the Voltage divider supplied, essentially constant potential. The fourth anode 39 is grounded or could also be connected to a terminal of a high-voltage source 86, biased towards ground. Each of the anodes is off made of thin conductive material and has a small opening to control the ion flow and a single-energetic Maintain beam. The anode plates are e.g. 2 mm thick, around the wall thickness at the openings to keep as small as possible and thus interactions between the ions passing through and the wall surface and thus keeping energy losses low.
Der aus dem rohrförmigen Gehäuse 25 austretende Strahl wird nun durch die Edelgasatmosphäre über eine Distanz von weniger alβ 100 mm auf eine eine zu analysierende Probe tragende Flach· gerichtet. Die Zusammenstöße der Teilchen in Strahl b·-The jet emerging from the tubular housing 25 is now through the noble gas atmosphere over a distance of less alβ 100 mm on a sample to be analyzed Flat · directed. The collisions of the particles in ray b -
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grenzen die mittlere freie Weglänge der Ionen in diesem Druck— bereich schätzungsweise auf ca. 300 mm. Mit Hilfe von am Ende des Gehäuses 25 beidseitig des Strahls angeordneten Ablenkplatten 57 kann der Strahl geringfügig abgelenkt werden, um die Probe abzutasten. Die Platten 57 lädt eine hand» oder programmgesteuerte Stromversorgungseinheit 87 für die Ionenablenkanordnung. Die Ablenkplatten 57 tragen ebenso dazu bei, den Streuwinkel zu optimieren bzw. den Strahl auf die Probenoberfläche so auszurichten, daß die Achse der Streuionen auf die Eingangsmembran des Energieanalysator ausgerichtet ist, um ein optimales elektrisches Signal zu erhalten.limit the mean free path of the ions in this pressure— area estimated at approx. 300 mm. With the help of deflection plates arranged at the end of the housing 25 on both sides of the beam 57 the beam can be deflected slightly in order to scan the sample. The plates 57 loads a hand »or program-controlled power supply unit 87 for the ion deflection arrangement. The deflection plates 57 also help to optimize the scattering angle or the beam onto the sample surface align so that the axis of the scattered ions is aligned with the input membrane of the energy analyzer, to get an optimal electrical signal.
Der Ionenstrahl bombardiert die Probe auf der vorgewählten Probenfläche, wodurch die auftreffenden Primärionen von dieser zerstreut werden. Der infolge des Strahls durch die Probe fließende Strom wird durch einen Strommesser 81 erfaßt und dient zur Ermittlung der Stromdichte an der Oberfläche der Probe.The ion beam bombards the sample on the preselected sample area, causing the impinging primary ions from this be scattered. The current flowing through the sample as a result of the beam is detected by an ammeter 81 and is used to determine the current density on the surface of the sample.
Der Energieanalysator 45 weist eine Eingangemembran 46 mit einem langen, schmalen rechteckigen Eingangsschlitz 47, eine Ausgangsmembran 49 mit einem rechteckigen Ausgangsschlitz 50 und zwei gekrümmte elektrostatische Analysierplatten 48 auf. Die Ein- und Ausgangsmembranen 46 bzw. 49 werden von einer Membranvorspannungseinheit 88 aufgeladene Sie können getrennt oder gemeinsam auf Masse gelegt oder auf ähnliche oder verschil^&e^ positive Potentiale vorgespannt werden. Die Membranschlitze haben vorzugsweise eine Breite von 0,1 mm, und die Eingangsmembran befindet sich ca. 10 mm entfernt von der Oberfläche der zu analysierenden Probe.The energy analyzer 45 has an inlet membrane 46 a long, narrow rectangular entry slot 47; an exit membrane 49 with a rectangular exit slot 50 and two curved electrostatic analyzing plates 48. The input and output diaphragms 46 and 49 are of a Membrane preload unit 88 charged They can be connected to ground separately or together, or to similar or different ^ & e ^ positive potentials are biased. The membrane slots preferably have a width of 0.1 mm, and the The inlet membrane is located approx. 10 mm from the surface of the sample to be analyzed.
Durch die Ladung der Ein- und Ausgangsmembranen 46 bzw. 49 werden einige Ionen davon abgehalten, in den Energieanalysator einzudringen j dadurch wird der erfaßte elektrische Signalhintergrund wirksam reduziert. Fig.3 zeigt die Wirkung der positiven Vorspannung an den Ein- und Ausgangemembranen. Das Diagramm stellt das Energieverhältnis E1ZE0 der aufgefangenenThe charge on the inlet and outlet membranes 46 and 49 prevents some ions from entering the energy analyzer, thereby effectively reducing the electrical signal background detected. 3 shows the effect of the positive bias on the inlet and outlet membranes. The diagram represents the energy ratio E 1 ZE 0 of the captured
1 0 9 8 11/18 0 21 0 9 8 11/18 0 2
positiven Streuelektronen über dem Ionenstrom dar, und zwar von 1500-eV-He-Ionen, die von einer Aluminiumoberfläche mit einem dünnen Aluminiumoxidüberzug gestreut wurden. Die Kurve 92 zeigt das typische Probenspektrum ohne Vorspannung der Membranen (Hull-Potential), Kurve 93 das Spektrum bei positiver Vorspannung der Membranen. Die Maxima der Kurven 92 und zeigen das Vorhandensein von Aluminium .und Oxid bei Energie-Verhältnissen von ca. 0,55 bzw. 0,7 an. Das Diagramm beweist also die erhöhte Auflösung und Eliminierung des Signalhintergrundes, wenn man die Membranen vorspannt, um das durch streunende Ionen erzeugte Hintergrundeepektrum zu unterdrücken.positive stray electrons above the ion current, namely from 1500 eV He ions, which from an aluminum surface with a thin coating of alumina. The curve 92 shows the typical sample spectrum without biasing the Membranes (Hull potential), curve 93 the spectrum with a positive bias of the membranes. The maxima of curves 92 and indicate the presence of aluminum and oxide at energy ratios of approx. 0.55 and 0.7, respectively. The diagram proves in other words, the increased resolution and elimination of the signal background when the membranes are pretensioned to get this through to suppress stray ions generated background spectrum.
Die Analysatorplatten 48 werden von einer Ablenkeinheit 90 geladen, die Energie von einer Doppelstromversorgungeeinheit bezieht. Die Ablenkeinheit 90 erlaubt es, eine geeignete Ladung auf die Platten aufzubringen, um Ionen mit vorherbestimmter Masse und Energie auf den Schlitz in der Auegangemembran zu richten. Die Analysatorplatten haben einen mittleren Radius von 50 mm \ der dargestellte Analysator 45 ist ein normaler 127°-Analysator.The analyzer plates 48 are charged by a deflector 90 which receives power from a dual power supply unit. The deflector 90 allows a suitable charge to be applied to the plates to direct ions of predetermined mass and energy onto the slot in the Auegang membrane. The Analysatorplatten have an average radius of 50 mm \ the analyzer 45 shown is a normal 127 ° analyzer.
Die von der Probe gestreuten Ionen werden also vom Energieanalysator aufgefangen und solche mit vorherbestimmter Energie durch ihn hindurchgeführt. Die Zahl der hindurchgeführten Ionen erfaßt der Ionendetektor 70. Das von diesem erzeugte elektrische Signal gelangt zu einem Anzeigegerät 80, wo das Ergebnis zur Analyse zur Verfügung steht.The ions scattered by the sample are captured by the energy analyzer and those with a predetermined energy passed through him. The ion detector 70 detects the number of ions passed through. That generated by it electrical signal reaches a display device 80, where the result is available for analysis.
Der Ionendetektor 70 ist ein Einkanal-(continuous channel) Elektronenmultiplier 71 mit einem 8-mm-Kegeleingang, der den gesamten Ausgangsschlitz der Ausgangemembran des 127 -Energieanalysator überdeckt. Der Elektronenmultiplier kann ein handelsübliches Exemρla* des Typs CEM-4028 der Bendix Corporation in Ann Arbor, Michigan, sein.The ion detector 70 is a single channel (continuous channel) Electron multiplier 71 with an 8 mm cone input that supports the covers the entire exit slit of the exit membrane of the 127 energy analyzer. The electron multiplier can be a Commercially available Exemρla * of the type CEM-4028 from Bendix Corporation in Ann Arbor, Michigan.
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