DE2242987B2

DE2242987B2 - Vorrichtung zur Trennung von neutralen Teilchen und schnellen Ionen von langsamen Ionen

Info

Publication number: DE2242987B2
Application number: DE2242987A
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl.-Phys. 8062 Westerholzhausen Maul; Friedrich Dr. Schulz; Klaus Dr. Wittmaack
Original assignee: GESELLSCHAFT fur STRAHLEN- und UMWELTFORSCHUNG MBH 8000 MUENCHEN
Current assignee: GESELLSCHAFT fur STRAHLEN- und UMWELTFORSCHUNG MBH 8000 MUENCHEN
Priority date: 1972-09-01
Filing date: 1972-09-01
Publication date: 1980-06-12
Also published as: US3922544A; DE2242987A1

Description

Beschreibung >->

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trennung von neutralen Teilchen und schnellen Ionen von langsamen Ionen, die gemeinsam an der Oberfläche einer νυη einem Primärstrahl beschossenen Probe erzeugt und zur Bestimmung ihrer Masse in einen Quadrupol-Massenanalysator mit einer Eintrittsblende eingeführt werden.

Die Erfindung hat folgenden physikalisch-technischen Hintergrund: Zur statischen oder dynamischen Spuren- r> analyse von Festkörperproben win.' die Sekundärionenmassenspektrometrie eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird die Probe durch Beschüß mit Ionen einer Energie von einigen keV abgetragen. Ein Teil der emittierten Atome ist elektrisch geladen und kann in einem m Massenspektrometer quantitativ analysiert werden. Die Sekundärionenmassenspektrometrie ist für bestimmte Anwendungen wegen ihrer universellen Einsatzmöglichkeit, der hohen Nachweisempfindlichkeit, der großen Tiefenauflösung, der Eichfähigkeit und des r. geringen Zeitaufwandes für die Analyse anderen herkömmlichen Analysenmethoden weit überlegen. Einige Sekundärionenmassenspektrometer wurden z. B. in Surface Science, 25,147 (1971), beschrieben.

Die bisher üblichen Massenspektrometer arbeiten w nach dem Prinzip der magnetischen Massentrennung. Dabei sind aus zwei Gründen schwierige ionenoptische Probleme zu lösen: 1. Die zerstäubten Sekundärionen werden in den gesamten Halbraum emittiert (Kosinusverteilung) und besitzen 2. ein Energiespektrum mit v> einem breiten Maximum bei einigen eV.

Zum Zweck der quantitativen Spurenanalyse von Festkörperproben kann auch ein anderes, einfacheres Massenspektrometer eingesetzt werden. Es handelt sich um das Quadrupolmassenfilter, in dem die Massentren- w> nung in einem elektrischen Hochfrequenzfeld erfolgt. Die Verwendung in der Sekundärionenmassenspektrometrie wurde in Rev. Sei. Instr., 42, 49 (1971), beschrieben. Das Quadrupolmassenfilter hat eine Reihe von Vorteilen, die es für den Einsatz in der i>^r> Sekundärionenmassenspektrometrie besonders geeignet machen.

Ein wesentlicher Nachteil der Quadrupolmassenfilter liegt in der fehlenden Möglichkeit, Neutraltcilchen und schnulle Ionen, deren Energie größer als etwa 50 eV ist, vor dem Eintritt der Teilchen in das eigentliche Filter zu diskriminieren. Beide Teilchensorten werden in Quadrupolmassenfiltern nicht oder nur unvollkommen analysiert Sie können aber im Inneren eines Quadrupolmassenfiliters Stöße mit Restgasatomen oder Streuung an metallischen Berandungen erleiden, wodurch sie selbst, ihre Stoßpartner oder Zerstäubungsprodukte in den Detektor gelangen und so einen Zählur.'.ergrund hervorrufen.

Messungen haben gezeigt, daß bei Benutzung eines Quadrupols mit einem aus der Quadrupolachse versetzten offenen Multiplier als Detektor der Untergrund zwischen 1% und mehr als 10% beträgt, je nach Einstellung des Massenauflösungsvermögens, des Beschußwinkels der Probe, des Beobadhtungswinkels und des Probenmaterials. Der hohe Untergrund läßt sich eventuell etwas reduzieren durch Optimierung der Position des Multipliers, was jedoch für empfindliche Messungen nicht ausreicht.

Bei den bekannten Vorrichtungen wird der Störuntergrund nur unvollständig reduzierL Ausgehend von der Erkenntnis, daß er optimal nur dann zu unterdrücken ist, wenn verhindert wird, daß die nicht zu analysierenden Teilchen überhaupt in den Quadrupol-Massenanalysator eintreten, besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, die Neuiralteilchen und schnellen Ionen am Eintritt in den Quadrupol-Massenanalysator zu hindern.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Prinzipskizze und einem Ausführungsbeispiel mittels der F ig. 1 —4 näher erläutert.

Fig. I zeigt die schematische Darstellung des Filters für Neutralteilchen und schnelle Primär- und Sekundärioneri. In das Quadrupolmassenfilter 1 mit der Eintrittsblende 10 und der Öffnung 2 sollen nur die zu analysierenden Sekundärionen eintreten. Diese Sekundärionen werden zusammen mit nicht zu analysierenden Sekundärionen und Neutralleilchen in der Oberfläche einer Probe 3 oder in der Probe 3 durch einen Primärionenstrahl 4 erzeugt, welcher auf die Oberfläche der Probe 3 auftrifft. Die Probe 3 ist in einer Halterung 5 schwenkbar und verschiebbar angeordnet. Zwischen der Öffnung 2 und der Probe 3 ist eine Begrenzungs blende 6 angeordn?t, die eine öffnung 7 aufweist.

Die weitere Blende 6 hat die Aufgabe, aus den in den gesamten Halbraum über der Probe 3 emittierten Sekundärteilchen einen Teilstrahl bzw. einen Sekundärstrahl auszublenden. Durch den Sekundärstrahl wird eine Achse 8 definiert, welche durch die Mitte der Oberfläche der Probe 3 und die Mitte der weiteren öffnung 7 in der Blende 6 führt. Diese Achse 8 muß immer derart eingestellt sein, daß ihr Auftreffpunkt 9 z. B. auf der Eintrittsblende 10 neben der Blendenöffnung 2 liegt. Damit können die in dem Sekundärstrahl enthaltenen neutralen Teilchen aufgrund der geometrischen Anordnung der Öffnung 7 in der Blende 6 und der öffnung 2 in der Blende 10 nicht in das Quadrupolmassenfiller 1 eintreten. Die gewünschte Filterung der geladenen Teilchen wird dadurch erhalten, daß ein geeignetes elektrisches Feld U (gekennzeichnet durch Pfeil) im Raum zwischen den Blendenöffnungen 7 und 2 derart errichtet wird, daß die zu analysierenden

langsamen Sekundärionen (gekennzeichnet durch den Pfeil 12) durch die Öffnung 2 in das Quadrupolmassenfilter 1 gelenkt werden, die unerwünschten schnellen Sekundärionen (gekennzeichnet durch den Pfeil 13) und die zwar auch analysierbaren, aber intensitätsarmen ganz langsamen Sekundärionen (gekennzeichnet durch den Pfeil 14) sowie die Neutralteilchen (gekennzeichnet durch den Pfeil 15) jedoch außerhalb der öffnung 2 auf die Blende 10 treffen. Die aus Intensitätsgründen wünschenswerte schlechte Energiedispersion des Ener giefilters wird durch Minimierung der transversalen Energieänderung der Ionen erhalten. Eine besondere Formgebung für das elektrische Feld 11 ist nicht erforderlich.

In Fig. 2 ist ein genaueres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Filters dargestellt. Der Primärionenstrahl 4 trifft unter einem Winkel ü zur Überflächennormalen der Probe auf die Probe 3 auf. Der Sekundärstrahl 8 tritt durch die öffnung 7 der Blende 6 in einen Raum ein, der von einem aus dem Plattenpaar 16, 17 gebildeten Plattenkondensator begrenzt wird. Die beiden parallel zueinander stehenden Platten 16,17 weisen die beiden zueinander gerichteten Oberflächen 18 und 19 auf, die elektrisch leitfähig sind. Zwischen ihnen wird durch Anlegen einer Spanr.ang das elektrische Feld 11 mit einer Stärke von ca. 3 Volt pro cm errichtet. Eine Symmetrieachse der beiden Platten 16 und 17 ist die Achse 20, welche durch die Mitte der Blendenöffnung 2 führt. Die Achse 20 sowie die den Strahl der Neutralteilchen 15 kennzeichnende Achse 8 des Sekundärstrahls schneiden sich unter einem Winkel <x. Die Blendenöffnung 2 muß in der Ablenkebene liegen, die durch die Achse 8 und die Richtung des elektrischen Feldes 11 definiert ist. Blende 6 kann auf einer Platte 21 verschiebbar angeordnet sein. In die Platte 21 ist eine große öffnung 22 eingelassen, welche immer zum Teil von der Blende 6 abgedeckt wird. Zur Halterung der Blende 6 an der Abdeckplatte 21 kann eine Führungseinrichtung 23 dienen. Die Abdeckplatte 21 kann über Isolierstücke 24 an den Platten 16 und 17 des Plattenkondensators gehaltert sein, während der Plattenkondensator selbst über die Isolierstücke 25 an der Blende lOdesQuadrupolmassenfilters 1 befestigt ist.

Durch geeignete Einstellung der Feldstärke (bei anderen Konstellationen auch durch Einstellung von Feldstärke und Feldrichtung) des statischen elektrischen Feldes Il werden die langsamen Sekundärionen 12 durch die Blendenöffnung 2 geführt. Zur Optimierung der Sekundärionenintensität und Minimierung des Zähluntergrundes kann die Probe 3 bewegt oder gedreht werden bzw. der Winkel λ durch Verschieben der Blende 6 mit ihrer öffnung 7 variiert werden.

Ein derartiges Filti;r für Neutralteilchen 15 und schnelle Ionen 13 bzw. ganz langsame Ionen 14 ermöglicht eine beträchtliche Erniedrigung des Zähluntergrundes bei der Sekundärionenmassenspektrometrie mit Hilfe eines Quadrupolfilters 1. Dies läßt sich am besten anhand des Vergleichs der beiden Fig. 3 und 4 erkennen, in denen das Intensitätsverhältnis von 27 Aluminium (27 Al ⁺ ) zum Untergrund (P/L/-Verhältnis) - in ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Filters und mit Einsatz des erfindungsgemäßen Filters dargestellt ist. Es handelt sich jedesmal um ein Massenspektrum von Aluminium bei Beschüß mit !OkeV Argon-Ionen als Primärstrahl 4, wobei als Abszisse die Massenzahl

ι ι (m/ne)und als Ordinate die Intensität /aufgetragen sind. In Fig.3 ist ein hoher Untergrund U (Abstand von Grundlinie zu Plateaulinie) sichtbar, der in Fig.4 nahezu vollständig fehlt. Ohne besonderen Aufwand kann das P/U-Verhältnis von 10-100 bei direktem

-'» Eintritt aller Zerstäubungsprodukte in das QuadrupolmassenfiJtir auf mehr als 10⁸ bei Anwendung des erfindungsgemäßen Filter verbes'/.^n werden. Dabei beträgt die intensitätseinbuße im Maximum der 27-Al+-Linie wegen der schlechten Energiedispersion

-'"' nur etwa 50%. Bei Benutzung des erfindungsgemäOen Filters ist es somit möglich, die Nachweisgrenze bei der Spuret>inalyse mindestens bis in den unteren ppb-Bereich zu schieben.

Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen

i" Filters zeigt sich in der Verbesserung der Linienform im Massenspektrum. Die schnellen Ionen aus dem Energiespektrum führen nämlich zu einer Linienverbreiterung F am Fuße der Linie (siehe Fig. 3) und der Nachweis geringer Konzentrationen einer Masse m neben einer

'■' anderen Masse /."±1 wird erschwert oder unmöglich gemacht, falls diese in hoher Konzentration vorliegt. Da durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Filters nur langsame Sekundärionen analysiert werden, verschwinden die Ausläufer in der Massenlinie weitgehend.

·"' Die Orientierung der zu untersuchenden Prebe 3 ist im Prinzip beliebig. Ebenfalls im Prinzip bliebig ist die mögliche Einfallsrichtung des Primärionenstrahls 4 auf die Oberfläche der Probe 3. Jedoch wird eine maximale Zerstäubungsrate bei einem Einfallswinkel & von etwa

r> 70-80% zur Probennormalen erreicht. Die Größe der Blendenöffnung 7 und ihre Position ist in bezug auf maximale transmittierte Intensität (als Funktion von Probengröße und Abstand, Form und Länge des elektrischen Feldes Il und der Größe der Blendenöff-

'" nung2)optimierbai.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Trennung von neutralen Teilchen und schnellen Ionen von langsamen Ionen, die gemeinsam an der Oberfläche einer von einem Primärstrahl beschossenen Probe erzeugt und zur Bestimmung ihrer Masse in einen Quadrupol-Massenanalysator mit einer Eintrittsblende eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor m der Eintrittsblende (2,10) eine weitere Blende (6, 7) derart versetzt angeordnet und zwischen den beiden Blenden (2, 10 und 6, 7) ein elektrisches Abienkfeld (11) derart wirksam ist, daß nur die zu analysierenden Ionen (12) des Sekundärstrahls in die öffnung (2) π der Eintrittsblende (10) des Quadrupol-Massenanaiysalors (1) gelangen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Ablenkfeld (11) das Feld eines Plattenkondensators (16,17) ist. j>o