DE2414221C3 - Ionenoptisches Gerät zur Untersuchung der Oberfläche einer Probe durch IonenbeschuB und Analyse der vom beschossenen Oberflächenbereich ausgehenden Ionen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein ionenoptisches Gerät gemäß den. Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Gerät ist aus einer Veröffentlichung von K. Wittmaack und Mitarbeitern im »International Journal of Mass Spectrometry and lon Physics«, 11 (1973) S. 23-35, bekannt.

Das bekannte Gerät wird als Sekundärionen-Massenspektrometer (SIMS) bezeichnet; bei ihm wird die zu untersuchende Oberfläche mit einem Ionenstrahl beschossen, und es werden die dadurch aus der Oberfläche freigesetzten Sekundärionen massenspektrometrisch analysiert. Die Massenanalyse erfolgt mit einem Quadrupol-Massenspektrometer, dem zur Verringerung des Störuntergrundes ein Plattenkondensator vorgeschaltet ist. Der Plattenkondensator bewirkt eine massenunabhängige Energieselektion der Sekundärionen, hat jedoch wegen der groß bemessenen Öffnungen, die das von ihm erzeugte Feld begrenzen, eine sehr geringe Energieauflösung. Er verhindert jedoch, daß Neutralteilchen, Sekundärionen hoher Energie sowie rückgestreute Primärionen das Quadrupol-Massenspektrometer erreichen.

Es ist weiterhin aus der US-PS 34 80 774 und einer Veröffentlichung von David P. Smith im »J. Appl. Phys.« 38, Nr. 1 (1967) S. 340 bis 347 ein Gerät zur Untersuchung der Oberfläche einer Probe bekannt, bei welchem die Oberfläche mit Edelgasionen beschossen und die Endergie der von der Probe rückgestreuten Edelgasionen mit einem elektrostatischen Kondensatoren analysiert wird (lonenstreuungsspektrometrie, ISS).

Die mit den beiden oben erwähnten bekannten Geräten erzielten Ergebnisse sind nicht identisch, sondern ergänzen sich und es ist daher häufig erwünscht, ein und dieselbe Oberfläche nach beiden Verfahren unter den gleichen Bedingungen zu untersuchen. Mit den bisher zur Verfügung stehenden Geräten war dies nicht möglich und die mit zwei verschiedenen Geräten erhaltenen Untersuchungsergebnisse sind nicht vergleichbar, da die Probe nach der einen Untersuchung aus dem Vakuum entnommen werden muß und es außerdem nur schwer erreichbar ist, bei der zweiten Analyse den gleichen Oberflächenbereich zu erfassen wie bei der ersten.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein ionenoptisches Gerät zur Analyse der Oberfläche einer Probe durch lonenbeschuß und Analyse der vom beschossenen Oberflächenbereich ausgehenden Ionen anzugeben, das eine

wahlweise Untersuchung ein und derselben Probe durch lonenstreuungsspektrometrie oder durch Sekundärionen-Massenspektrometrie ermöglicht

Diese Aufgabe wird durch ein ionenoptisches Gerät der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch

ι⁵ die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst

Im Unteranspruch ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Gerätes gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet

Die Erfindung ermöglicht es nicht nur, ein und dieselbe Probe nacheinander sowohl durch ISS als auch durch SIMS zu untersuchen, sondern bringt auch noch den wesentlichen Vorteil mit sich, daß beide Untersuchungsverfahren genauer und störungsfreier durchgeführt werden können als mit den bekannten, jeweils nur

Μ für ein einziges Untersuchungsverfahren bestimmten Geräten. Bei der SIMS gewährleistet die Kombination der Beschleunigungs- und Abbrems-Elektroden mit dem Energieanalysator eine einwandfreie Definition des sekundären Ionenbündels bezüglich des erfaßten Energie- und Winkelbereichs. Die Ionen werden von der Oberfläche in definierter Weise abgesaugt wodurch der erfaßte Raumwinkel eingestellt und eine möglichst vollständige Erfassung der Ionen, unabhängig von deren Art und ursprünglicher Energie gewährleistet wird.

^J5 Durch geeignete Kombination von Beschleunigungsspannung und Energiefenster im Analysator können entweder das gesamte Sekundärionenspektrum oder ein nach der Energie ausgewählter Teil nachgewiesen werden. Mit den Abbremselektrodefc werden die ionen dann wieder auf einen für das nachgeschaltete dynamische Massenspektrometer geeigneten Energiebereich verzögert. Durch diese Anordnung ist es möglich, das dynamische Massenspektrometer, vorzugsweise ein Quadrupol-Massenfilter, bei optimaler Massenauflösung und Transmission zu betreiben, unabhängig von den am Eingang gewählten Größen für Beschleunigungsspannung und Energiefenster. Beim ISS-Betrieb sind die Beschleunigungselektroden geerdet, sie dienen dann als Blenden zur Winkeldefinition.

Die Abbremselektroden können ebenfalls geerdet sein oder dazu benützt werden, um durch Abbremsen der gestreuten Primärionen die Transmission und die Massenauflösung des Massenspektrometers zu optimieren.

Im Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Abb. 1 eine schematische Darstellung des teilchenoptischen Gerätes und

^b0 Abb. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Teiles des Gerätes gemäß Fig. I.

Das in Abb. I dargestellte Ausführungsbeispiel enthält eine Ionenquelle 10, die in bekannter Weise ausgebildet ist und einen gebundenen Ionenstrahl,

'* insbesondere aus Edelgasionen, liefern, der längs einer strichpunktiert gezeichneten Primärstrahlachse 12 verläuft. Im Weg des Primärionenstrahls ist eine elektrostatische Linse 14 angeordnet, die die Primärionen auf die

Oberfläche einer Probe 16 fokussiert. Zwischen der Linse 14 und der Probe 16 sind zwei auf Masse liegende Blenden 18, 20 angeordnet, die zur Begrenzung des Öffnungswinkels des Ionenstrahlbündels dienen.

Die zu untersuchende Oberfläche der Probe steht im Winkel von etwa 45° zur Achse 12 des Primärionenbünde|s, so daß die von der Probe gestreuten Primärionen oder die durch die Prinwionen aus der Probe freigesetzten Sekundärionen bevorzugt in einem Winkel von etwa 90° zum Primärionenbündel emittiert werden, und zwar in Abb. 1 und 2 nach unten. Die von der Oberfläche der Probe 16 ausgehenden Ionen werden mittels eines Systems 22 aus rotationssymmetrischen, ein Mittelloch aufweisenden Beschleunigungselektroden von der Probe abgesaugt und zu einem beschleunigten Sekundärionenbündel fokussiert Das beschleunigte Sekundärionenbündel tritt dann in einen Energieanalysator 24 ein, der aus einem Kugelkondensator mit einem Ablenkwinkel von 90° besteht. In Laufrichtung der Ionen folgt auf den Energieanalysator 24 eine im wesentlichen kreisringförmige Blende 26 (»Energieblende«), die den Energiebereich -,!er Ionen des sekundären Bündels begrenzt. Auf die Blende 26 folgt eine kurze zylindrische Elektrode 28 zur Verlangsamung der Ionen und eine auf Masse liegende Abschirmblende 30.

Anschließend durchläuft das Sekundärionenbünd :1 ein Massenspektrometer 32 und gelangt dann durch eine Eintrittsblende 34 in eine Ionennachweiseinrichtung 36, bei der es sich z. B. um einen einfachen Kollektor oder um einen Sekundärelektronenvervielfacher handeln kann.

Bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Massenspektrometer ein Quadru-

pol-Massenfilter bekannter Bauart, Es können jedoch auch andere dynamische Massenspektrometer verwendet werden, insbesondere solche, bei denen die selektierten Ionen zwischen Eintritts- und Austrittsspalt einen in erster Näherung geradlinigen Weg durchlaufen.

Bei der lonenstreuungsspektrometrie wird die Energie der an der Probenoberfläche gestreuten Primärionen mittels des Energieanalysator 24 analysiert. Die Probe wird dabei z. B. mit Argonionen beschossen. Das aus dem Quadrupol-Massenfilter bestehende Massenspektrometer 32 kann in diesem Falle dann einfach ausgeschaltet sein, d. h. die vier stabförmigen Elektroden des Massenfilters werden an Masse gelegt. Vorzugsweise wird das Massenspektrometer 32 jedoch auch bei der lonenstreuungsspektrometrie verwendet und dabei auf die Masse der Primärionen eingestellt. Durch diese Maßnahme kann nämlich der Störuntergrund aus Fremdionen (aus der Probe freigesetzte Ionen) weitestgehend unterdrückt werden, der bei den bekannten ISS-Apparaturen das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal erheblich beeir.nächtigte.

Bei der Sekundärionen-Massenspei.trometrie wird der Energieanalysator 24 auf den häufigsten Energiewert der von der Probe emittierten Ionen eingestellt, so daß das Massenspektrometer 32 dann mit einem energetisch homogenen Ionenstrahl beschickt wird. Bei den bekannten SIMS-Apparaturen gelangen praktisch alle Sekundärionen in das Massenspektometer, was zu Fehlern führen kann, wenn man nicht aufwendige, mehrfach fokussierende Massenspektrometer verwendet.

Als Energieanalysator kann statt eines Kugelkondensators ein Zylinderkondensator verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. lonenoptisches Gerät zur Untersuchung der Oberfläche einer Probe durch lonenbeschuß und Analyse der vom beschossenen Oberflächenbereich ausgehenden Ionen, mit einer Primärionenquelle zum Erzeugen eines zum Beschüß dienenden Primärionenbündeis, einem Probenhalter zur Halterung der Probe im Wege des Primärionenbündeis, einem energieselektiven Kondensatorfeld, einem dynamischen Massenspektrometer und einer Ionennachweisvorrichtung, die in der angegebenen Reihenfolge im Wege der ausgehenden Ionen liegen, dadurch gekennzeichnet, daß das energieselektive Kondensatorfeld (24) als Energieanalysator zur Bestimmung der Energieverteilung der ausgehenden Ionen ausgebildet ist, daß zwischen der Probe (16) und dem Kondensatorfeld (24) ein Satz Beschleunigungselektroden (22) angeordnet ist und daß zwischen dem Kondensatorfeld (24) und dem Massenspektrometer (32) eine Abbremseiektrode (28) angeordnet ist

2. lonenoptisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorfeid durch ein 90°-Zylinder- oder Kugelkondensator erzeugt wird.