DE2313852B2 - lonen-Mikroanalysator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen lonen-Mikroanalysator mit einer Quelle für lonenstrahlen, mit einer Fokussiemngseinrichtung zum Fokussieren dieser lonenstrahlen auf einen gewünschten Teil einer zu analysierenden Probe, mit einem Massenspektrometer zum Analysieren der von der Probe emittierten Sekundärionen und mit einer Einrichtung zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Probe.

lonen-Mikroanalysatoren dieser Art haben den Mangel, daß kaum zwischen von Atomen der Untersuchungsprobe emittierten Sekundärionen und solchen Ionen unterschieden wird, die aus der Dampfphase oder von Absorptionssschichten stammen. Das führt zu einer Verminderung der Genauigkeit oder zu Schwierigkeiten bei der Identifizierung von Elementen.

Bei herkömmlichen Massenspektrometern unterschwin man üblicherweise zwischen einfachfokussierenden Geräten, die nur ein magnetisches Sektorfeld aufweisen, und doppeltfokussierenden Geräten, die ein elektrisches Sektorfeld und ein magnetisches Sektorfeld aufweisen. Die einfachfokussierenden Geräte wer- den in den Fällen angewandt, wo nur eine relativ geringe Auflösung benötigt wird, da keine Energieselektion der von der Probe emittierten Sekundärionen erfolgt. Die doppeltfokussierenden Geräte werden benutzt, wenn eine hohe Auflösung erforderlich ist.

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

Bei den bekannten Mikroanalysatoren werden die Sekundärionenbeschleunigungsspannung Va und die am elektrischen Sektorfeld anzulegende Spannung ± Vd von gesonderten Spannungsquellen geliefert Bei einigen Geräten sind die Spannungen variabel, während das Verhältnis zwischen diesen konstantgehalten wird. Beim ersteren Mikroanalysatortyp wird die Sekundärionenbeschleunigungsspannung, d.h. das Probenpotential Va, konstantgehalten, und die Energieselektion der Sekundärionen erfolgt durch Änderung der das elektrische Sektorfeld bildenden Spannung. Beim letzteren Mikroanalysatortyp werden Sekundärionenbeschleunigungsspanming Va und Sektorfeldpotential ± Vd gleichlaufend bzw. gemeinsam verändert, so daß keine Energiesektion der Sekundärionen durchgeführt werden kann.

Beim ersteren Mikroanalysatortyp ist zwar eine Energiesektion möglich, aber die Konstanthaltung des Absolutwertes der Sekundärionenenergie bereitet Schwierigkeiten. Der Grund dafür liegt darin, daß die Änderung der an beide Elektroden des elektrischen Sektorfeldes angelegten Spannung die Bedingung für die Doppelfokussierung beeinträchtigt bzw. aufhebt. Folglich 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 die bekannten lonen-Mikroanalysatoren Schwierigkeiten machen, wenn eine hohe Genauigkeit bei der Identifizierung von Elementen und der quantitativen Analyse gefordert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Mikroanalysator der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß er eine Unterscheidung bzw. Diskriminierung zwischen von der Probe emittierten Sekundärionen und solchen aus der Dampfphase ermöglicht, wobei eine solche Diskriminierung insbesondere auch bei einem lonen-Mikroanalysator mit einem einfachfokussierenden Massenspektrometer erreichbar sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Probe und dem Eingangsteil des Massenspektrometers eine ionendurchlässige Abschirmung angeordnet ist, die auf einem Bremspotential gehalten ist.

Gemäß der Erfindung wird ein verbesserter lonen-Mikroanalysator erhalten, der eine bemerkenswerte Diskriminierung bzw. Unterscheidung zwischen den von der Probe emittierten Sekundärionen und den Ionen der Gasphase von geringer Energie ermöglicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind im einzelnen in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird die Erfindung mehr im einzelnen un Hand der Zeichnung beschrieben; es zeigt

F i g. 1 ein Schema für ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem doppeltfokussierenden Massenspektrometer,

F i g. 2 ein Schema für ein weiteres Ausführungsbei-

spiel mit einem einfachfokussierenden Massenspektrometer, und

F i g. 3 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen Sekundärelektronenenergie und Massenspektrum. S

Der in Fig. 1 dargestellte Mikroanalyse tor besiut eine Ionenquelle 1 mit einer Fokussierungseinrichtung zum Fokussieren eines Ionenstrahles 2 und zu dessen Ablenkung zwecks Abtastung einer Probe 3, eine Saugelektrode 4 zum Ansaugen der von der Probe 3 emit- ίο tierten Sekuwüärionen, ein Massenspektrometer mit unten noch näher beschriebenen Baustufen 5 bis 8. einen Sekundärionendetektor 9 und einen Schreiber 10.

Im einzelnen enthält das Massenspektrometer in Fig. 1, das mit Doppelfokussierung arbeitet, ein elektrisches Sektorfeld 5 mit zwei Elektroden, die über je eine Spannungsquelle 13 bzw. 14 mit den Potentialen + Vd bzw. - Vd gegenüber Erde gespeist werden, ein magnetisches Sektorfeld 7 und zwei Blenden 6 und 8. Die Erzeugung der Sekundärionenbeschleunigungsspannung Va erfolgt mit Hilfe einer gesonderten Spannungsquelle 12

Im Vergleich zum bekannten Stand der Technik sind folgende Verbesserungen vorgesehen:

1) Die Probe 3 wird durch eine Abschirmung 15 abgeschirmt, die durch eine Elektrode aus einem elektrisch leitenden Gitter oder Netz oder einen perforierten Leiter gebildet wird, und zwischen der Probe 3 und der Abschirmung 15 wird eine geeignete Spannung angelegt

2) Die Probenspannung, d.h. die Sekundärionenbeschleunigungsspannung Va. kann unabhängig von der Spannung für das elektrische Sektorfeld 5 variabel gemacht werden.

Grundsätzlich gestattet der dargestelle Ionen-Mikroanalysator 1 · 1Q~⁷ zwei Arbeitsweisen:

1) Die eine besteht darin, daß nur die Sekundärionen deren Energie größer ist als ein vorbestimmter Wert, zum Massenspektrometer weitergeleitet werden, indem zwischen Probe 3 und Abschirmung 15 ein die Sekundärionen bremsendes elektrisches Feld angelegt wird;

2) die andere Arbeitsweise besteht darin, daß die Anfangsenergie der Sekundärionen durch Veränderung der Beschleunigungsspannung fur die Sekun- 4s därionen mif hoher Genauigkeit ausgewählt wird.

Zunächst soll nachstehend ein Beispiel für die zweite Arbeitsweise beschrieben werden, wobei Si, GaAs-Einkristalle als Probe 3 verwendet werden. Die Probenkammer wird auf 1 · 10-⁷ Torr evakuiert und dann Luft eingelassen, bis der Druck in der Kammer 1 · 10~⁶ Torr erreicht. Die Probe wird durch Ionenstrahl*^ mit einem lonenstrom von 10 μΑ bestrahlt, die Beschleunigungsspannung beträgt 10 kV und Ar⁺-Ionen werden als Primärionen verwendet. Die Probenspannung, d. h. die Sekundärionenbeschleunigungsspannung Va. wird auf 3 kV festgesetzt, während der Ausgang des Massenspektrometer auf den Massenpeak des eingeschlossenen Gases, d. h. O ⁺ oder N⁺, eingestellt wird.

Das elektrische Sektorfeld 5 und das magnetische Sektorfeld 7 werden dann so eingestellt, daß (die empfangenen Peaks für ) O⁺ bzw. N⁺ »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 7 gemessen.

F i g. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem mit einem einfachfokussierenden Massenspektrometer gearbeitet wird. Bei bekannten Massenspektrometern dieser Art besteht keine Möglichkeit zur Selektion der Sekundärionenenergie, sie sind jedoch in der Weise außerordentlich nützlich, daß die Sekundärionen mit hohem Wirkungsgrad ausgenutzt werden und die Anordnung in ihrer Konstruktion einfach ist Es kann sorait eine beachtliche Wirkung erwartet werden, wenn bei einem solchen einfachfokussierenden Massenspektrometer eine Selektion der Energie der Sekundärionen möglich wird. Diese Energieselektion der Sekundärionen wird durch Veränderung des Potentials der Abschirmung 15 gegenüber der Probe 3 um ± Vg erreicht das über einen Schalter 17 von einer Spannungsquelle 16 her angelegt werden kann.

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

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

Ergänzend seien noch die Ergebnisse von mit den dargestellten Analysatoren durchgeführten Messungen diskutiert Die Ergebnisse der Versuche fallen bei den vorstehend beschriebenen Verfahrensweisen der Energieselekiicn annähernd identisch aus. Es wird daher nur über den Versuch mit dem doppeltfokussierenden Massenspektrometer näher berichtet

Bei diesem Versuch wurde ein Si-Einkristall als Probe verwendet. F i g. 3a und 3b zeigen die Ergebnisse des Versuchs.

Das in F i g. 3a gezeigte Massenspektrum wird bei Nachweis der Sekundärionen von relativ niedriger Energie (10 kV) beobachtet. Man ersieht aus der datstellung, daO das Massenspektrum von C⁺, CH⁺, N⁺, Ch⁺, 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 F i g. 3b 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 herkömmlichen Anordnung Massenspektren beobachtet werden, die durch Kombination der in F i g. 3a, und F i g. 3b gezeigten Spektren erhalten werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   !. lonen-Mikroanalysator mit einer Quelle für lonenstrahlen, mit einer Fokussiemngseinrichtung zum Fokussieren dieser lonenstrahlen auf einen gewünschten Teil einer zu analysierenden Probe, mit einem Massenspektrometer zum Analysieren der von der Probe emittierten Sekundärionen und mit einer Einrichtung zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Probe, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Probe (3) und dem Eingangsieil des Massenspektrometer (5 bis 8) eine ionendurchlässige Abschirmung (15) angeordnet ist, die auf einem Bremspotential (Vg) gehalten ist
2. 2. Mikroanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremspotentiai (Vg) veränderlich ist
3. 3. Mikroanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremspotential (Vg) gleich dem Probenpotential (Va) ist.
4. 4. Mikroanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremspotentiai (Vg) einen vom Probenpotential (Va) verschiedenen und je nach der gewünschten Auswahl positiver oder negativer Sekundärionen positiveren oder negativeren Wert aufweist
5. 5. Mikroanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (15) als elektrisch leitendes Gitter ausgebildet ist.
6. 6. Mikroanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Abschirmung (15) eine perforierte und elektrisch leitende Elektrode ist.