DE2152467A1

DE2152467A1 - Ionenstreuspektrometer mit Neutralisation

Info

Publication number: DE2152467A1
Application number: DE19712152467
Authority: DE
Inventors: Goff Robert Frederick
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1970-10-19
Filing date: 1971-10-18
Publication date: 1972-04-20
Also published as: CH542440A; CA943670A; DE2152467B2; NL7114200A; US3665185A; FR2111481A5; GB1365369A; JPS5416236B1; DE2152467C3

Description

M 3040

PATENTANWALTS
Or.-tnfl.KAN-Γ. RIiSOHKE

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85

Minnesota Mining and Manufacturing Company, Saint Paul, Minnesota 55101, V.St.A.

Ionenstreuspektrometer mit Neutralisation

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Ionenstreuspektrometer für die Elementanalyse und in einem Aspekt ein verbessertes Spektrometer für die Oberflächenanalyse elektrisch nichtleitender Substanzen.

Die Oberflächenanalyse auf Elementzusammensetzung hat viele praktische und wichtige Anwendungen - wie z.B. die Oberfläohenprüfung photographischer Pilmemulsionen, Klebstoffe oder halbleitender Oberflächen, bei denen die Oberflächen oft das Verhalten des gesamten Gegenstandes bestimmen. Eine bekannte Vorrichtung, bei der im wesentlichen eine Massenanalyse der Probenoberfläche durchgeführt wird, ist die Elektronenmikrosonde, die tief eindringende Elektroden verwendet, um - häufig unerwünschter Weise - die Elemente bis zu einer Tiefe in der Grössenordnung von 1 Mikrometer (10 000 S) festzustellen. Eine derartige Anord-

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nung lässt sich offensichtlich nicht anwenden, wenn man eine einatomare Schicht einer Probe analysieren will.

Ein Oberflachenanalysator, der in der Lage ist, die im wesentlichen zerstörungsfreie Elementanalyse einer einatomaren Schicht durchzuführen, ist das Ionenstreuspektrometer nach der US-PS 3 480 774. Bei der Ionenstreuspektrometrie wird die Oberfläche einer Probe mit einem Strahl von Edelgasionen beschossen, wobei ein Teil der Ionen binär elastisch gegen die Oberfläche prallt und von ihr zerstreut wird. Durch Energieanalyse der gestreuten Ionen lassen sich die Oberflächenatome identifizieren. Indem man also die Energiespektren der gestreuten Ionen aufnimmt, kann man die Oberflächenatome in der ersten Atomschicht erfassen und identifizieren. Die Theorie der binärelastischen Stösse, wie sie die US-PS 3 480 774 lehrt, geht von den folgenden Voraussetzungen aus. Erstens wird angenommen, dass die Zielatome im wesentlichen nicht an ihre Nachbaratome gebunden sind. Während des Stosses verhalten die Zielatome sich also so unabhängig, als wären sie Gasatome. 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 den Prinzipien der Energie- und Momentenerhaltung ist es möglich, die nach dem Stoss vorliegenden Energien der Primärionen aus den StreuwinleLn, dem Massenverhältnis und den Energiewerten vor dem Zusammenstoss vorherzusagen. Nimmt man den Streuwinkel vereinfachend zu θ = 90° an, ergibt sich folgende Gleichung für das Verhältnis der kinetischen Energie des Primärions nach dem Stoss zu der vor dem Stoss;

E₁ M₂ - M₁ E M₀ + Μ_Ί

Auflösung nach M₂ ergibt:

wenn M_p S M-. ,

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1 +Έ

wobei M₁ - Masse des Primärions,

Mp ^ Masse der Zielatome,

E - kinetische Energie des Primärions vor dem Stoss,

Ε-, - kinetische Energie des Primärions nach dem Stoss.

Einige der Hauptkotnponenten für die Ausführung der Ionenstreuanalyse sind: Eine Quelle einenergetischer Ionen mit guten Fokussiereigenschaften bei niedriger Energie, ein Energieanalysator, der in der Lage ist, bei guter Auflösung einen Streuwinkel genau anzugeben, ein Ionendetektor und ein Probenhalter, mit dem die Probe genau in einer vorherbestimmten Lage gehalten vierden kann, um daran eine Analyse durchzuführen. Um bei einem gegebenen elektrischen Signalpegel mit einem bei niedriger Energie arbeitenden Instrument die Auflösung zu erhöhen, muss man (l) die Streubreite der Ionenenergie innerhalb des Ionenstrahls so klein wie möglich halten, (2) den Ionenstrahl vor dem Beschuss der Probe so gut wie möglich bündeln und fokussieren, und (3) die Auflösung des Energieanalysator bei einem bekannten Streuwinkel optimieren; diese Forderungen sind kritisch.

Um einen Kompromiss zwischen der erwünschten hohen Auflösung und einer ausreichenden Stärke des elektrischen Ausgangssignals zu erhalten, ist es vorteilhaft, den Ionenstrahlgenerator und den Energieanalysator so nahe wie möglich an der zu analysierenden Probe anzuordnen.

Die Vorrichtung nach der US-PS 3 430 774 erlaubte eine ausgezeichnete Elementaranalyse elektrisch leitender Oberflächen, bei denen der Aufschlag von Ionen auf der Zielfläche nicht zur Aufladung führt. Wenn es sich bei der Probe jedoch um ein nichtleitendes Material handelt, verursachen die aufschlagenden

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Ionen in der Vorrichtung der US-PS eine Ansammlung vonLadungen, die eine Elementaranalyse der Isolatoroberflache verhindert.

Vor der vorliegenden Erfindung war es nicht möglich, die äusserste Oberfläche eines Isolators mit einem Ionenstreuspektrome.ter zu analysieren. Weiterhin war es vor der vorliegenden Erfindung auch nicht möglich, an nichtleitenden Materialien Tiefenprofilanalysen durchzuführen. Viele elektrisch nichtleitende Proben bestehen aus aufeinanderfolgenden Schichten verschiedener Zusammensetzung, bei denen es ausserst wichtig sein kann, eine Tiefenprofilanalyse der Probe zu erhalten, indem man die aufeinanderfolgenden Atomschichten lagenweise analysiert. Bei einer solchen Analyse können die Unterschiede in der Elementenzusammensetzung der verschiedenen Atomschichten getrennt analysiert werden. Eine Profilanalyse einer einzigen Eizelle, bei der es möglich ist, ein einziges Ei mit dem Aussenmembranen einzufrieren und die gesamte Plasmamembran bis zur Mitte aufzuspalten, um die Innenfläche der Aussenhaut und die Aussenfläche der Innenhaut getrennt zu untersuchen, würde beispielsweise wichtige wissenschaftliche Informationen über die atomare Struktur der Zelle liefern.

Ein weiterer Fall,.wo die Elementaranalyse einer einzigen Schicht einer isolierenden Oberfläche von grundlegender Bedeutung ist, ist die Untersuchung der Ätiologie und Metastasenbildung des Krebses, die in den letzten Jahren erhebliche Aufmerksamkeit von Seiten der Membranbiologen gefunden haben, die bei der Untersuchung der biochemischen und physiologischen Unterschiede zwischen den Membranen von Krebs- und gesunden Zellen Fortschritte erzielten« Diese Portschritte leiden aber immer noch unter dem Mangel, dass niemand sich ganz sicher ist, wie die Atome in den Membranen von gesunden oder Krebszellen angeordnet sind. Gegenwärtig sind die Unterschiede zwischen komplexen Verbindungsstrukturen und normalen Krebszellen von primärem Interesse; ihre Diskussion leidet aber ebenfalls unter dem Mangel, dass keine veröffentlichte Theorie über die Membranetruktur auch nur

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entfernt in der Lage ist, einen an den Verbindungsstellen zwi-Gchennormalen Zellen auftretenden elektrischen Vorgang vorherzusagen, ganz abgesehen von einer Vorhersage, weshalb bestimmte Krebszellenkomplexe sich anders verhalten. Dieser Mangel an Wissen um die normalen Zellen und insbesondere die Besonderheiten der Mplekülanordnung in Krebszellenmembranen ist ein schwerwiegendes Hindernis für das Verständnis der Krankheit.

Das Gerät nach der vorliegenden Erfindung verwendet einen Ionen-Oberflächenanalysator, wie ihn die US-PS 3 480 774 offenbart, und sieht dabei eine Vorrichtung zum Neutralisieren der Ladungsansammlung auf der Probe vor, um die Elementanalyse elektrisch nichtleitender Proben - wie z.B. gefrorener biologischer Gewebe zu ermöglichen. Der Analysator nach vorliegender Erfindung weist also einen Ionenerzeuger auf, der einen einenergetischen Strahl von Primärionen erzeugt und die Primärionen entlang einer vorgewählten Bahn auf eine Probe richtet, einen Energieanalysator, der von der Probenoberfläche gestreute Primäionen aufnimmt und solche mit einer vorgewählten, innerhalb eines Energiespektrums liegenden kinetischen Energie zu einem Ionendetektor weiterleitet, wo sie in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. An der Probe ist eine Neutralisierungsvorrichtung angeordnet, und liefert Elektronen, die auf die Zieloberfläche aufschlagen, und dadurch die durch Primärionenbeschuss auf ihr angesammelte Ladung neutralisieren.

Die vorliegender Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Analyse der Elementzusammensetzung einer Probe, indem man einen einenergetischen Ionenstrahl aus Edelgas-Primärionen erzeugt, ihn entlang einer vorgewählten Bahn zum Beschuss einer einzelnen Schicht der Probe ausrichtet, die gestreuten Primärionen mit vorgewählter, innerhalb eines Energiespektrums liegender kinetischer Energie selektiv weiterleitet und die weitergeleiteten Ionen in ein elektrisches Signal umwandelt. Weiterhin umfasst das Verfahren die Neutralisierung der auf der Probe angesammelten Ladung, indem man Elektronen auf der Probe aufschlagen lässt,

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um die durch den Primärionenbeschuss verursachte Ladungsansammlung zu neutralisieren.

Die Erfindung wird nunmehr 'anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen gleiche Bezugszahlen durchweg gleiche Elemente bezeichnen.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm und eine teilweise bildliche Darstellung des Analysegerätes nach der vorliegenden Erfindung]

Pig. 2 ist ein Diagramm des sporadischen Probenstromes über der Zeit, wenn ein nichtleitendes Material ohne Neutralisation untersucht wird;

Fig. 3 ist ein Diagramm der ohne Neutralisation durch das nichtleitende Material gestreuten Ionen;

Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Elementanalyse eines Isolators mit Neutralisierung darstellt; hierbei ergab die Identifizierung der Elemente im Isolator Anteile an Sauerstoff, Fluor, Magnesium, Silizium, Kalium und Blei;

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung von auf eine Probe aufschlagenden Primärionen, die dadurch verursachte Aufladung der Probe und deren Neutralisierung.

Die Zeichnungen (insbesondere Fig. l) und die Beschreibung der vorliegenden Erfindung zeigen nnd erläutern einen Elernentaranalysator 10 mit einer Ionen e^eugenden Vorrichtung 12, einem Energieanalysator 14, einem Ionendetektor 16, einer Anzeigeeinrichtung 18 und einer Neutralisationsvorrichtung 20.

Der Elementaranalysator 10 ist in einer (nicht gezeigten) Vakuumkammer angeordnet; eine (nichtgezeigte) Vakuumpumpe evakuiert' die Kammer auf einen Druck von 10~" Torr. In der Kammer befindet

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um

sich auch ein (nicht gezeigtes) Gitter,die in ihr verbleibenden aktiven Elemente weiter zu reinigen. Nachdem die Kammer

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auf das gewünschte Vakuum von 10 Torr gebrachtwurde, unterbricht man die Evakuierung durch Schliessen des Evakuierungsventiln und lässt ein Edelgas in die Kammer ein, bis der statisehe Druck wieder etwa 5 · 10 Torr (Gemessen an einem Bayard-Alpert-Manometer) erreicht hat. Sämtliche Öffnungen zur Kammer werden dann verschlossen, und man ionisiert die Edelgasatmosphäre in der Kammer, um Primärionen zu erzeugen, die für die Analyse der Elemente in der Oberfläche der Probe ly verwendet werden. Obgleich hierbei jedes Edelgas benutzt werden kann, ist der Analysator 10 jedoch nur in der Lage, Elemente zu identifizieren, deren Hasse gröoser als die der Primärionen ist. Aus diesem Grund verwendet man im allgemeinen Elemente mit niedriger Atomnasse wie Helium (He) und Argon (Ar).

Die Ionen erzeugende Vorrichtung 12 hat ein geerdetes rohrförmiges Gehäuse 22, das in der Lage ist, die zum Betrieb afraderlichen Teile des Ionengenerators 235 zu tragen. Der Ionengenerator

23 weist einen Glühfaden 24 zur Erzeugung von Elektronen, ein hochdurchlässiges Gitter 25 mit mehr als 80 % offener Fläche, eine Ausziehplatte 26 sowie einen rohrförmigen Heflektor 27, der Glühfaden und Gitter umgibt, auf.

Eine Stromversorgung 28 beliefert den Glühfaden mit der zur Erzeugung von Elektroen erforderlichen Energie, und der Stromversorgungsteil 29 spannt das Gitter 29 gegenüber dem Heizfaden

24 vor. Die vom Heizfaden 24 emittierten Elektroden werden durch das relativ durchlänge Gitter auf ein Potential beschleunigt, das ausreicht, um die Edelgas atome im IonJsierungs gebiet 21 zu ionisieren. Der Reflektor 27 liegt auf Glühfadenpotential und lenkt die sich ihm nähernden Elektronen so ab, dass eine lange Elektronenbahn entsteht, um die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens eines Elektrons auf ein Gasatom und dessen dadurch verursachten lorisierung zu erhöhen. Die durch Ionenbeschuss des tragen Gases de" zjiindriccnen Gitters erzeugten Ionen werden achcial

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durch die erste, zweite, dritte und vierte Anode (30 bzw, 3I b-zw. 32 bzw. 33) ausgezogen und bilden einen Primärionenstrahl ( der Stromstärke I ; vergl. Fig. 5) eines Nenndurchmessers von 1 mm über einen Betriebsbereich von 300 - 3000 eV. Bei einer typischen Probenanalyse ergibt bei einem Elektronenionisierungsstrom von 10 mA bei 125 e,V und dem angegebenen He-Druck von 5 . ΙΟ"⁵ To:
von 150 nA.

5 . 10*"·⁵ Torr ein He⁺-Ionenstrahl von I500 eV einen Probenstrom

Der Ionenstrahlstrom Io ist dem statischen Edelgasdruck in der evakuierbaren Kammer und dem Elektronenstrom des lonengenerators 23 direkt proportional. Da es unpraktisch ist, den Ionenstrahlstrom Io durch Steuerung des statischen Druck des Edelgases zu variieren, hält man das Edelgas auf einem relativ konstanten Druck und regelt den Elektronenstrom und damit den Ionenstrahlstrom Io . Ein Stabilisierungsregelkreis 34 zwischen der Heizstromversorgung 28 und der Gitterstromversorgung 29 regelt den Elektronengitterstrom so, dass auch bei Änderungen des statischen Drucks in der evakuierbaren Kammer ein vorherbestimmter Ionenstrahlstrom aufrechterhalten bleibt.

Der Spannungsteiler 36 für die Ionenkanone spannt die Ausziehelektrode 26 auf ein Potential vor, bei dem sich positive Ionen aus dem Ionisierungsbereich 21 abziehen lassen. Das Spannungsteilernetzwerk 36 weist neun Festwiderstände R-, von je 470 kOhm und drei 10-Gang-Wendelpotentiometer Rp von je 500 kOhm in einer Serien- und Parallelschaltung auf, mittels derer die Ausziehelektrpde 26 und die Anoden 30, 31* 32 mit der gewählten Vorspannung versehen werden können. Die vierte Anode 33 Hegt auf Massepotential.

Die Ausziehelektrode 26 weist eine Ausziehöffnung 38 von etwa 0,6 cm auf, die um die Strahlachse herum liegt und dazu dient, die positiven Ionen auszuziehen und zu einem Strahl zu vereinigen. An jeder der Anoden 30, *>1,32 liegt ein ί.; teuerpotent ial aus eiern ;3pannungsteiler 36. Die erste Anode 30 dient im wesentlichen

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dazu, die ausgezogenen Ionen zusteuern, zu modulieren und zu einem Bündel zu fokussleren. Die zweite Anode 31, deren Abstand zur ersten Anode 30 grosser ist als der Abstand zwischen den anderen Anoden, ist die Hauptbündelungs- und -fokussierelektrode. Die dritte Anode 3² liegt vom Spannungsteiler 36 her auf einem im wesentlichen festen Potential, und die vierte Anode 33 liegt auf Massepotential, oder könnte an einen Anschluss der Hochspannungsversorgung 4-1 gelegt und gegen Masse vorgespannt werden. Die Anoden 30, 31, 32 und 33 wstsen jeweils eine kleine Öffnung auf und bestehen aus sehr dünnem leitendem Material, um den Ionenstrom zu steuern und einen einenergetischen Strahl aufrecht zu erhalten. Die Anoden sind beispielsweise 0,025 cm dick, um die Innenfläche der Öffnungen so klein wie möglich zu halten und damit die Möglichkeit einer V/echse!wirkung zwischen der Wandfläche und den durchlaufenden Ionen sowie Energieverluste dieser Ionen zu minimisieren.

Der aus dem rohrförmigen Gehäuse 22 austretende Primärionenstrahl wird nun auf eine Entfernung von weniger als 10 cm durch eine Edelgasatmosphäre auf die Oberfläche der zu analysierenden Probe 19 gerichtet. Störende Ionenkollisionen begrenzen die mittlere freie Weglänge der Ionen bei diesem Druck ( 5 . ΙΟ""⁵ Torr ) auf schätzungsweise etwa 30 cm. Ein Paar Ablenkplatten 43.» die am Ende des Gehäuses 22 beiderseits des Strahles angeordnet sind, dienen dazu, den Strahl auszulenken und so die Probe 19 abzutasten - wie z.B. während eines Reinigungsdurchlaufs durch Oberflächenvers täubung. Die Platten 43 werden durch ein Stromversorgungsteil 45 aufgeladen und können entweder von Hand oder programmiert gesteuert werden. Desgl. tragen die Ablenkplatten 43 dazu bei, den otreuwinkel zu optimieren, d.h. den Strahl so auf üie Oberfläche der Probe 19 auszurichten, dass die Achse 46 der gestreuten Ionen auf die Eingangsmembran 48 des Energieanalysators l4 ausgerichtet wird und sich das bestmögliche elektrische Signal ergibt.

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Wenn der Primärionenstrahl aus der Ionen erzeugenden Vorrichtung 12 auf die Oberfläche der Probe 19 auftrifft, spielen sich vermutlich mehrere Vorgänge ab. Einer von ihnen besteht darin, dass ein Teil der Primärionen durch die die Oberfläche der Probe 19 bildenden Atome elastisch gestreut wird. Diese gestreuten Primärionen mit der Stromstärke I-,+ werden von dem Energieanalysator 14 zwecks weitere Analyse aufgefangen. Andere durch den Beschuss verursachte Vorgänge werden weiter unten erörtert.

Der Energieanalysator 14, der die gestreuten Primärionen auffängt, weist eine geerdete Eingangsmernbran 48 auf, die etwa 1 cm von der Oberfläche der Probe 19 entfe^at liegt und einen rechteckigen Eingangsschlitz hat, sowie eine geerdete Ausgangsmembran 49 mit einem rechteckigen Ausgangsschlitz und zwei gekrümmte elektrostatische Analysatorplatten 50.

An den Analysatorplatten 50 liegt die Ausgangsspannung eines Generators 5I in Form einer symmetrischen Dreiecksspannung; dieser Generator wird von einem Stromversorgungsteil 52 gespeist. Der Dreieckswellengenerator 51 für die Analyaatorplatten erlaubt es, auf die Platten eine geeignete Ladung aufzubringen, damit Ionen einer vorherbestimmten Masse und Energie durch den Schlitz in der Eingangsmembran 49 gerichtet v/erden können. Die Analysatorplatten 50 haben einen mittleren Radius von 5>O8 cm. Bei dem dargestellten Energieanalysator 14 handelt es sich um einen normalen elektrostatischen I27 -Analysator.

Die gestreuten Primärionen werden also - von der Oberfläche der Probe 19 herkommend - durch den Energieanalysator 14 aufgenommen; Ionen mit voBherbestimmter Energie werden hindurchgelassen. DieZahl der durchtretenden Ionen mit vorgewählter Energie wird durch den Ionendetektor 16 erfasst. Das von ihm erzeugte Elektronensignal läuft zum Anzeigegerät 18, das die Daten zur Untersuchung ausgibt.

Der Ionendetektor 16 wandelt die durchlaufenden Ionen in ein Elektronensignal um und verstärkt es typischerweise um den Faktor

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10. Dieses Impulselektronensignal wird von einem Kollektor 55 ausgefangen, der mittels einer abgeschirmten Leitung an eine Impulszählschaltung 56 angeschlossen ist. Die Impulszählschaltung ^ljG besteht hauptsächlich aus einem Impuls Vorverstärker und verschiedenen anderen Irnpulsverformungs- und -zählkreisen. Das Ausgangssignal der Impulszählschaltung 56 geht in den Y-Kanal eines Koordinatenschreibers 57* der eine Kurve schreibt, wie sie beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist, d.h. er schreibt die am Eingang des Ionendetektors 16 erfolgte Zählung. Zur Überwachung des in die Zählschaltung laufenden Impulselektronensignals lässt sich ein Oszillograph 58 verwenden.

Der Elektronenvervielfacher 54 wird von einem stabilen Hochspannungsteil 59 gespeist, der den Eingang des Vervielfachers auf eine relativ hohe negative Spannung (2-3 kV) legt und dadurch die aus dem Aus gangs schlitz 49 des Energieanalysator 14 austretenden Ionen nachbeschleunigt. Diese Nachbeschleunigung ergibt einen wesentlich höheren und konstanten Wirkungsgrad der Ijnenerfassung am Vervielfachereingang. Der Ausgang des Vervielfacher;? 54 ist negativ gegen Hasse und kann daher die den Vervielfacher 54 verlassenden Elektronen in Richtung des Kollektors 55 beschleunigen, der etwa auf Massepotential liegt. Der Vervielfacher 54 und der Kollektor 55 sind elektrostatisch durch ein Gehäuse 60 abgeschirmt, um äussere Störsignale am Eintreten in den Ionenerfassungsbereich zu hindern. Das elektrostatische Absdiirmgehäuse 60 ist positiv gegen Masse vorgespannt.

iin weiterer Vorgang, der vermutlich eintritt, wenn positive Ionen auf eine elektrisch isolierende Zielfläche aufschlagen, ist das Entstehen eines positiven Potentials, das ausreicht, um eine elastische Streuung nachfolgender Ionen zu verhindern.

Ist die Aufladung der Probe 19 nicht sporadisch und sammelt sich auf ihrer Oberfläche nicht genug Ladungspotential an, um die Ionen am Aufochlagen auf der Probe Iy zu hindei-n, kann elastische streuung eintreten und er: lässt sioii ein Energiespektrum mit

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Spitzen aufnehmen, die die Elemente identifizieren» Die Verschiebung der Spitzen, die eine Aufladung der Probenoberfläche verursacht, würde es jedoch schwierig machen, das Spektrum richtig zu interpretieren. Im allgemeinen findet auf Isoliermaterialien eine sporadische Auf- und Entladung statt, wie sie in Fig. 2, einem Diagramm des Probenstromes über der Zeit, dargestellt sind. Auf der Probe ereignet sich anfangs eine sporadische Auf- und Entladung, wie es die Spitzen 7I zeigen, nach der Neutralisierung blieben die Verhältnisse konstant, vgl.'den gradlinigen Teil 70 der Probenstromkurve. Bei dem zur Darstellung der sporadischen Auf- und Entladung (Fig. 2) verwendeten Isolator handelte es sich um einen Glimmer ("Supramica 500" der Mycalex Corp. of America), der auch für die Kurven der Fig. 3 und 4 verwendet wurde.

Das Energiespektrum der Fig. 3 zeigt die unbrauchbaren Ergebnisse einer Oberflächenanalyse ohne Neutralisierung, d.h. beim Auftreten sporadischer Auf- und Entladung der Probe. Die Spitzen 72 in der Fig. J lassen keine bekannte Koorelation zwischen den Oberflächenbestandteilen der Probe aus nichtleitendem Material und den Energiewerten der gestreuten Primärionen erkennen, wie sie der Energieanalysator feststellte.

Wenn man eine Probe aus nichtleitendem Material, wie in Fig. 4 dargestellt, neutralisiert, beginnt das Energiespektrum bei Null und steigt sofort auf einen hohen Wert an. Beim Durchlaufen des Energiespektrums identifizieren die ein-^zelnen Spitzen die Oberflächenelemente - bei der verwendeten Probe u.a. Sauerstoff (θ), Fluor (F), Magnesium (Mg), Silizium (Si), Kalium (K). und Blei (Pb).

Die Neutralisierungsvorrichtung 20 nach Fig. 1, die die Analyse auch nichtleitender Äben zulässt, weist einen Flut-Glühfaden (^fflood filament¹) 75 auf, der in grosser Nähe und in direkter Sichtverbindung zur Probe 19 liegt, eine Neutralisationsiitroinversorgung (7o), einen elektrisch mit dem metallenen Probenlialuer

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78 verbundenen Probenstroinmesser 77 sowie einen Widerstandsregelkreis 79 auf. Das Gerät wird anfänglich für die Untersuchung eines nichtleitenden Materials, das normalerweise einen grösseren Anteil von der Oberfläche abstäubender positiver Ionen aufweist als ein leitendes Material, eingestellt, indem man den Energieanalysator 14 zur Überwachung des Ionenstroms einstellt, der durch die abstäubenden Ionen verursacht wird, d.h. Ε-,/Ε «^0,1.· Durch manuelle Einstellung eines Potentiometers im Steuerkreis

79 lässt sich durch Nachstellen der Neutralisationsstromversorgung 76 der Strom durch den Glühfaden 75 und damit die Menge der vom Glühfaden emittierten Elektronen steuern. Dadurch verändert sich auch der Strom durch das Probenstrommessgerät 77 und neutralisiert die Probenoberfläche so, dass das durch die abgestäubten Ionen verursachte typische Spektrum der Fig. 3 in eines nach der Fig. 4 übergeht. Tritt in unmittelbarer Nähe des Nullpunktes der Energieverhältnisskala eine Spitze auf, ist die positive Ladung auf der Probenoberfläche auf eine vorgewähltes Potential vorzugsweise Massepotential - neutralisiert warden. Eine genaue Neutralisierung erhält man, indem man die Neutralisationsstromversorgung 76 so einstellt, dass die Höhe der durch abgestäubte Ionen verursachten Spitze, die normalerweise bei einem Energieverhältnis von etwa Ε-,/Ε = 0,05 auftritt, so klein wie möglich wird. Die Stromversorgung 76 legt den Glühfaden auf ein geringfügig niedrigeres Potential als das das Probenträgers 78. Bei der erwähnten Glimmerprobe ergibt der erwünschte Strom durch den Glühfaden 75 einen Elektronenstrom von 150 nA, gemessen durch den Probenstrommesser 77. Wenn dieser St&m einmal eingestellt worden ist, liefert der Strommesser 77 (Seite 14, Z.4/5, Abs Λ) eine Ausgangsspannung, die dem gemessenen Strom proportional lot und von dem Neutralisationsregelkreis 79 zur Nachstellung des durch den Glühfaden 75 fliessenden Stromes ausgewertet wird. Durch diese Massnähme bleiben sowohl der gemessene Probenstrom, als auch das Oberflächenpotential stabil. Jede Änderung der Stromstärke des einfallenden Ionenstrahls oder der Leitfähigkeitseigenschaften der Probenoberfläche wirkt auf de Neutralisierung zurück und ergibt eine Änderung desdurch den Strommesser 77 e*¹-

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fassten Stromes, der seinerseits die Aus gangs spannung der Ileutralisationsstromversorgung nachstellt. Diese der NeutralisierungsVorrichtung 20 zugeordnete Regelschleife ist in der vorliegenden Erfindung sehr nützlich, da es von Vorteil ist, die Ladung auf der Probenoberfläche genau zu neutralisieren, nicht aber eine übermässige Anzahl von Elektronen zur Probenoberfläche zu schiessen. Eine Überneutralisierung wirkt auf die Primär- und reflektierten Ionen zurück und verringert im allgemeinen den Anteil der von der Oberfläche elastisch gestreuten Ionen. Die Neutralisationsregelschleife 79 erlaubt es, den richtigen Elektronenstrom genau einzustellen und damit ein durch die elastisch gestreuten Ionen verursachtes Signal zu erreichen, dessen Stärke für Elementenanalyse geeignet ist, während man gleichzeitig das Oberflächenpotential auf einem vorgewählten Wert halten kann. Diese Regelung stabilisiert auch denOberflächenladungszustand der Probe. Diese Stabilität ergibt Ihrerseits einen sehr stabilen Streuionenstrom und eine rauscharme Erfassung des für die Elementenanalyse verwendeten Ionenstreuspektrurns. Der stabile Streuionenstrom erlaubt seinerseits eine semiquantitative Elementanalyse der Probenoberfläche.

Bei typischem Betrieb hat es sich als wünschenswert herausgestellt, den Glühfaden 75 so nahe wie möglich an der Probe 19 und dem Probenhalter 78 sowie mit direkter Sicht auf diesen anzuordnen; dadurch ist es möglich, ein schwaches elektrisches Feld zwischen dem Glühfaden und dem Probenhalter anzuwenden. Dieses schwache elektrische Feld baut man auf, indem man den positiven Anschluss der Neutralisationsstromversorgung 76auf Masse legt und dadurch ein schwaches elektrisches Feld zwischen dem Mittelpunkt des Glühfadens 75 und dem Probenhalter 76 aufbaut, der fast auf Massepotential liegt. Dieses schwache Feld, verursacht durch die wenigen Volt Spannung des Glühfadens gegen den Probenhalter, lässt die Flutelektronen auf den Probenhalter zu treiben. Das schwache Feld, das auf dem Probenhalter 78 liegt, sorgt dafür, dass die Flutelektronen vorzugsweise zu dem Teil der Probenoberfläche gezogen werden, der eine positive Ladung

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von einigen Volt gegenüber dem auf Massepotential befindlichen Probenhalter aufweist (vergl. E in Fig. 5). Würde man irrtümlicherweise ein starkes Feld aufbringen, käme man indie Grössenordnung des Ladungsfeldes der geladenen Flächenteile auf der Probenoberfläehe und eine vollständige Neutralisierung wäre nicht möglich.

Der für die Neutralisierung einer nichtleitenden Oberfläche erforderliche Strom durch den Neutralisierungsglühfaden hängt von der zu untersuchenden Oberfläche ab. Diese Variation des Neutralisationostromes bei konstantem Primärionenstrahl liegt vermutlich an der Unterschiedlichkeit der Elektronenemission durch die unter lonenbeschuss befindliche Oberfläche (Gammaelektronen, I~ in Fig. 5)· Der Verlust dieser Gammaelektronen verursacht eine positive Aufladung der Oberfläche und muss durch einen zusätzlicnen otromfluss vom Neutralisationsglühfaden her kompensiert v/erden. Der Vorteil der Neutralisationsregelschleife liegt darin, dass auch bei unterschiedlicher Elektronenemission (wie z.B. bei Tiefenprofilanalysen von Verbundmaterialien) die vorherbestimmte Neutralisation diese Änderungen der Gammaelektronenemission automatisch kompensiert.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche :

(1.) Gerät zur Elementenanalyse, das in eine evakuierbare Kammer passt und einen Ionenstrahlgenerator zur Erzeugung und Fokussierung eines einenergetischen Strahls von Edelgas-Primärionen, einen elektrisch leitenden Probenhalter, der in der Bahn des Strahles liegt, um eine Probe in ihr zu halten, eine Energieanalysiereinrichtung, die unmittelbar an der Probe angeordnet ist, um elastisch von einer einatomigen Schicht der Probe gestreute Primärionen aufzufangen und die aufgefangenen gestreuten Primärionen mit einem vorgewählten Energiewert innerhalb eines Energiespektrums weiterzuleiten, sowie einen Ionendetektor aufweist, der die weitergeleiteten Ionen in ein elektrisches Signal umwandelt, gekennzeichnet durch einen Glühfaden (75)j der an dem Probenhalter (78) und in Sichtverbindung mitder Probe (I9) angeordnet ist, ein Stromversorgungsteil (76), das den Glühfaden mit einer gegenüber dem Probenhalter negativen Vorspannung verargt, und eine Regelschleife (79)j die an den Probenhalter angeschlossen ist, um Änderungen des infolge des Ionenbeschusses einer elektrisch nichtleitenden Probe fliessenden Stromes und des Elektronenstromes vom Glühfaden her zu erfassen und das Stromversorgungsteil so nachzustellen, dass sich der durch den Probenhalter flies sende Strom auf einem vorherbestimmten Wert stabilisiert, wodurch die Probenoberfläche im wesentlichen auf Massepotential gehalten wird.
2. Gerät zur Elementenanalyse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromversorgungsteil mit dem positiven Anschluss an Masse liegt.

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3· Gerät zur Elementenanalyse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis einen Strommesser (77) zur Erfassung des durch den Probenräger fliessenden Stromes und zur Lieferung einer dem erfassten Strom proportionalen Spannung enthält, wobei der Strommesser (77) zwischen dem Probenhalter und Masse legt, und durch mit dem Strommesser verbundene Mittel, durch die der Stromversorgungsteil so eingestellt wird, dass zwischen dem Glühfaden und dem Probenträger mit der Probe ein schwaches elektrisches Feld entsteht, wodurch die Elektronen zu den positiv geladenen Teilen der Probenoberfläche driften, um diese auf Massepotential zu halten.
4. Verfahren zur genauen Elementenanalyse einer Probe eines elektrisch nichtleitenden Materials durch Erzeugung eines einenergetischen Edelgas-Primärionenstrahles, Anbringen einer Probe auf einem elektrisch leitenden, in der Strahlbahn angeordneten Probenträger, so dass die Probenoberfläche im Strahlgang liegt und der Ionenstrahl auf die Probenoberfläche trifft, Analyse der Energie der elastisch gestreuten Primärionen innerhalb eines Energiespektrums durch selektive Weiterleitung der gestreuten Primärionen und Erzeugung eines aus den weitergeleiteten Ionen abgeleiteten elektrischen Signals mit Hilfe eines Ionendetektors, dadurch gekennzeichnet, dass man einen an der Probe angeordneten Glühfaden beheizt, um einen Elektronenstrom in Richtung des Probenhalters hervorzurufen, den Stromfluss durch den Problnalter misst und den Glühfadenstrom entsprechend den Änderungen des durch den Probenhalterfliessenden Stromes nachregelt, um das Heizfadenpotential etwas unter dem Probenpotential und die Probenoberfläche im wesentlichen auf Massepotential zu halten.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der zu analysierenden Probe um biologische Gewebe handelt und dass man im Rahmen des Verfahrens das Gewebe einfriert.

Cl/Br.

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