DE2313852A1

DE2313852A1 - Ionen-mikroanalysator

Info

Publication number: DE2313852A1
Application number: DE2313852A
Authority: DE
Inventors: Toshio Kondo; Kazumitsu Nakamura; Hifumi Tamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-03-21
Filing date: 1973-03-20
Publication date: 1973-10-04
Also published as: US3845304A; JPS4895887A; DE2313852B2; JPS5214999B2

Description

20. März 1975

HITACHI, LTD., Tokyo (japan)

Ionen-Mikroanalysator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ionen-Mikroanalysator mit Mitteln zur Erzeugung von Ionenstrahlen, Mitteln zur Fokussierung der Ionenstrahlen auf einen gewünschten Teil einer Probe, einem Massenspektrometer zur Analyse der von der Probe emittierten Sekundärionen und Mitteln zur Anlegung einer Spannung an die Probe.

Ionen-Mikroanalysatoren der bekannten Art haben den Mangel, daß kaum zwischen von Atomen der Untersuchungsprobe emittierten Sekundärionen und solchen Ionen unterschieden wird, die aus der Dampfphase oder von Absorptionsschichten stammen. Das führt zu einer Verminderung der Genauigkeit oder Schwierigkeit bei der Identifizierung von Elementen. Dieses Problem sollte mithin für die Mikroanalyse von Elementen und Analyse von dünnen Oberflächenfilmen nach Möglichkeit gelöst werden.

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Ziel der Erfindung ist daher ein Ionen-Mikroanalysator, bei dem eine Unterscheidung bzw. Diskriminierung zwischen von der Probe emittierten Sekundärionen und ,solchen aus der Dampfphase möglich ist. Weiteres Ziel ist eine solche Diskriminierung bei einem Ionen-Mikroanalysator vom einfachfokussierenden Typ.

Dieses Ziel wird grundsätzlich dadurch erreicht, daß eine die Probe umschließende siebartige Abschirmung vorgesehen wird, die auf ein Potential gebracht wird, das gleich dem (in diesem Falle insbesondere veränderlichen) Potential der Probe oder - für eine zusätzliche Energieselektion - ein von diesem verschiedenes, insbesondere variables Bremspotential ist.

liachfolgend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand der angefügten Zeichnungen Geschrieben; es zeigen:

Pig. 1 ein Schema für einen Ionen-Mikroanalysator nach dem Stande der Technik;

Pig. 2 ein Schema für eine Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Ionen-Mikroanalysators;

Pig. 5 ein Schema für eine weitere Ausführungsart gemäß der Erfindung und

Pig. 4 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen Sekundärelektronenenergie und Massenspektrum.

Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt zunächst eine Beschreibung eines Ionen-Mikroanalysators nach dem Stande der Technik.

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Fig. 1 zeigt einen Ionen-Mikroanalysator, der ein Primärionenstrählgerät 1 mit einer Ionenquelle, Mitteln zur Fokussierung eines Ionenstrahls 2 und (nicht gezeigten) Mitteln zur Ablenkung des Ionenstrahls, eine Probe 3, eine Elektrode 4-für die Ansaugung von Sekundärionen, ein Massenspektrometer 5, 6, 7 und 8, einen Sekundärionen-Detektor 9 und einen Schreiber 10 umfaßt.

Bei herkömmlichen Massenspektrometern unterscheidet man üblicherweise zwischen solchen vom einfachfokussierenden Typ, die nur ein magnetisches Sektorfeld aufweisen und doppeltfokussierenden Geräten, die eine elektrische Sektorfeldanordnung 5 und eine magnetische Sektorfeldanordnung 7 aufweisen. Die einfachfokussierenden Geräte werden in Fällen angewandt, wo nur eine relativ geringe Auflösung benötigt wird, da keine Energieselektion der von der Probe emittierten Sekundärionen erfolgt. Die doppelfokussierenden Geräte werden benutzt, wenn eine hohe Auflösung erforderlich ist.

Bei einer Analyse unter Verwendung eines doppeltfokussierenden Massenspektrometers wird eine Spannung von bis zu einigen kV an die Probe angelegt, während eine Spannung, die etwa 10 fo von der an die Probe angelegten Spannung ausmacht, an die obere und die untere Elektrode des elektrischen Sektorfeldes angelegt wird.

Bei dem Mikroanalysator gemäß Fig. 1 werden die Sekundärionenbeschleunigungsspannung Va und die am elektrischen Sektorfeld anzulegende Spannung + Vd von gesonderten Spannungsquellen 12, 13 und 14 geliefert. Bei einigen Geräten sind die Spannungen variabel, während das Verhältnis zwischen diesen konstantgehalten wird. Beim ersteren Mikroanalysatortyp wird die Sekundärionenbeschleunigungsspannung, d.h. das Proben-

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potential Va, konstantgehalten und die Energieselektion der Sekundärionen erfolgt durch Änderung der das elektrische Sektorfeld bildenden Spannung. Beim letzteren Mikroanalysatortyp werden Sekundärionenbeschleunigungsspannung Ya und Sektorfeldpotential + Vd gleichlaufend bzw, gemeinsam verändert, so daß keine Bnergieselektion der Sekundärionen durchgeführt werden kann.

Beim ersteren Mikroanalysatortyp ist zwar eine Energieselektion möglich, aber die Konstanthaltung des Absolutwertes¹ der Sekundärionenenergie bereitet Schwierigkeiten. Per Grund dafür besteht darin, daß die Änderung der an beide Elektroden des elektrischen Sektorfeldes angelegten Spannung die Bedingung für die Doppelfokussierung beeinträchtigt bzw. aufhebt. Polglich muß das magnetische Sektorfeld so eingestellt bzw. abgestimmt werden, daß die Doppelfokussierungsbedingungen jeweils erfüllt ist, wenn die an das elektrische Sektorfeld angelegte Spannung verändert wird..

Demgemäß erfolgt hier die Bestimmung der Sekundärionenenergie über eine Kalkulation und die Genauigkeit der Bestimmung der Energie ist abhängig von der Primärionenstrahlbestrahlungsstelle, dem Weg des Strahls usw. vermindert.

Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß der Ionen-Mikroanalysator nach dem Stande der Technik Erobleme aufgibt, wenn eine hohe Genauigkeit bei der Identifizierung von Elementen und der quantitativen Analyse gefordert wird. Ziel der Erfindung ist daher die Lösung der Probleme und Verbesserung des Ionen-Mikroanalysators.

Zu diesem Zweck werden gemäß der Erfindung folgende Ver-

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besserungen vorgesehen:

1) Die Probe wird durch einen Abschirmkörper abgeschirmt, der durch eine Elektrode aus einem elektrisch leitenden dieb oder Netz oder einen perforierten Leiter gebildet wird , und zwischen Probe und Elektrode wird eine geeignete Spannung angelegt.

2) Die Probespannung, d.h. die Sekundärionenbeschleunigungsspannung Va, kann unabhängig von der Spannung für das elektrische Sektorfeld variabel gemacht werden.

Grundsätzlich sind beim erfindungsgemäßen Ionen-kijcroanalysator zwei Arbeitsweisen möglich:

1) Die eine besteht darin, daß nur die Sekundärionen, deren Energie größer ist als ein vorbestimmter Wert, zum Massenspektrometer weitergeleitet werden, indem zwischen Probe und Abschirmkörperelektrode ein die Sekundärionen bremsendes elektrisches Feld angelegt wird;

2) die andere Arbeitsweise besteht darin, daß die Anfangsenergie der Sekundärionen durch Veränderung der Beschleunigungsspannung für die Sekundärionen mit hoher Genauigkeit ausgewählt wird.

Die Erfindung bringt den Vorteil, daß eine sehr genaue Unterscheidung bzw. Diskriminierung zwischen den von der Gasphase emittierten Sekundärionen und solchen von der Probe möglich ist.

Zunächst wird unter Bezugnahme auf das Schema von Pig.

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eine Ausführungsart für die letztere Arbeitsweise beschrieben. Si, GaAs-Eirikristalle werden als Probe verwendet. Die Proben-

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kammer wird auf 1 χ 10 Torr evakuiert und dann Luft einge-

-6 lassen, bis der Druck in der Kammer 1x10 Torr erreicht. Die Probe wird durch Ionenstrahlen mit einem Ionenstrom von 10 μΑ bestrahlt, die Beschleunigungsspannung beträgt 10 kV und Ar -Ionen werden als Primärionen verwendet. Die Proben-

spannung, d.h. die Sekundärionenbeschleunigungsspannung Va, wird auf 3 kV festgesetzt, während der Ausgang des Massenspektrometers auf den Massenpeak des eingeschlossenen Gases, d.h. O⁺ oder N⁺, eingestellt wird.

Das elektrische Sektorfeld und das magnetische Sektorfeld werden dann so eingestellt, daß (die empfangenen Peaks für) O⁺ bzw. DI⁺ "minimal" (bzw. am unteren Ende des Bereichs) gehalten werden. Die Messung erfolgt um das Massenspektrum der von der Gasphase emittierten Sekundärionen (bzw. die Aufnahme des Massenspektrums erfolgt) in einer solchen Weise, daß nach der Einstellung nur der Erregungsstrom für das magnetische Sektorfeld verändert wird, während der restliche Teil unverändert bleibt.

Anschließend wird die Beschleunigungsspannung für die Sekundärionen vermindert, so daß allein Ionen von hoher Energie in das Massenspektrometer gelangen. Das Massenspektrum des Hauptteils bzw. der Masse wird durch Änderung des Erregerstroms für das magnetische Sektorfeld gemessen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsart der Erfindung, bei der die Erfindung bei einem einfachfokussierenden Massenspektrometer angewandt wird* Bei bekannten Massenspektrometern dieser Art besteht keine Möglichkeit zur Selektion der

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Sekundärionenenergie, sie sind jedoch in der Weise außerordentlich nützlieh, daß die Sekundärionen mit hohem Wirkungsgrad ausgenutzt werden und die Anordnung in ihrer Konstruktion einfach ist. Es kann somit eine beachtliche Wirkung erwartet werden, wenn bei dem einfachfokussierenden Typ eine Selektion der Energie der Sekundärionen möglich wird. Diese Energieselektion der Sekundärionen wird durch Veränderung des Potentials der Elektrode 15 gegenüber der Probe um £ Vg erreicht, das über einen Schalter 17 von einer Spannungsquelle 16 her angelegt werden kann.

Es sei nun der Pail betrachtet, daß positive Ionen als Sekundärionen ausgewählt werden. In diesem Palle wird das Potential der Elektrode 15 gegenüber dem Probenpotential um Vg erhöht. Demgemäß können Sekundärionen, deren'Anfangsenergie (Geschwindigkeit) geringer als Vg (eV) ist, nicht durch die Elektrode 15 austreten, während Ionen mit Vg (eV) oder höherer Energie durch die Elektrode hindurch in das Massenspektrometer gelangen können.

Wenn auf der anderen Seite negative Ionen ausgewählt werden, so wird das Potential der Elektrode 15 gegenüber dem Potential der Probe auf -Vg herabgesetzt. Folglich werden nur Sekundärionen mit Energien über Vg in das Massenspektrometer eingeführt.

Kachfolgend wird die Erfindung anhand von durchgeführten Versuchen erläutert. Die Ergebnisse der Versuche entsprechend den vorstehend beschriebenen Verfahrensweisen der Energieselektion sind annähernd identisch. Es wird somit nur über den Versuch mit dem doppeltfokussierenden Massenspektrometer berichtet.

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Bei diesem Versuch wurde ein Si-Einkristall als Probe verwendet. Jig. 4a und 4b zeigen die Ergebnisse des Versuchs.

Das in Pig. 4a gezeigte Massenspektruni wird, bei liaehweis der Sekundärionen von relativ niedriger Energie (10 kV) beobachtet. Man ersieht aus der .Darstellung, daß das Massenspektrum von G⁺, CH⁺, N⁺, O₂ ⁺, O⁺ usw., d.h. der von der Gasphase emittierten Ionen, gefunden wird, während ein auf die Probe (Si) zurückgehender Peak nicht beobachtet wird. Dieses Spektrum wird nicht verändert, wenn die Probe durch andere Proben ersetzt wird. Es ist somit klar, daß dieses Spektrum nur Sekundärionen der Gasphase zeigt.

Bei dem Versuch, bei dem nur Sekundärionen von hoher Energie nachgewiesen werden, erhält man dagegen das in Fig. 4b gezeigte Spektrum, bei dem die Gasionen der Gasphase verschwunden oder vermindert sind, während die von der Probe (Si) emittierten Sekundärionen nachgewiesen werden. Es ist zu bemerken, daß in der herkömmliehen Anordnung Massenspektren beobachtet werden, die durch Kombination der in 'Fig. 4a und Pig. 4b gezeigten Spektren erhalten werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist klar ersichtlich, daß gemäß der Erfindung ein verbesserter Ionen-Mikroanalysator erhalten wird, der eine bemerkenswerte Diskriminierung bzw. Unterscheidung zwischen den von der Probe emittierten Sekundärionen und den Ionen der Gasphase von geringer Energie ermöglicht.

Obgleich die Erfindung nur in einigen wenigen Ausführungsformen beschrieben wurde, können selbstverständlich diverse Abwandlungen vorgesehen werden, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

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Claims

Patentansprüche

"1. Ionen-Mikroanalysator mit Mitteln aur Erzeugung von Ionenstrahlen, mitteln zur Fokussierung der Ionenstrahlen auf einen gewünschten Teil einer Probe, einem MassenspBktrometer zur Analyse der von der Probe emittierten Sekundärionen und Mitteln zur Anlegung einer Spannung an die Probe, gekennzeichnet durch eine Spannungsquelle zur Anlegung einer ggf. veränderlichen Spannung (Ya) an die Probe (3) und einen Abschirmkörper (15), der die Probe umschließt und auf das Probenpotential oder ein insbesondere veränderliches ±$remspotential (Vg) gebracht ist.

2. Ionen-Mikroanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschirmkörper (15) sich auf dem gleichen Potential wie die Probe (3) befindet, deren Spannung bzw. Potential (Va) verändert wird.

3. Iοnen-kikrοanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschirmkörper (15) auf ein von der Probe unterschiedliches - je nach Selektion positiver oder negativer Sekundärionen - positives oder negatives Potential (Vg) gegenüber der Probe gebracht ist.

4. Ionen-Mikroanalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenspektrometer-Anordnung eine solche vom einfachfokussierenden Typ mit einem magnetischen üektorfeld (7) ist.

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