DE2460405A1 - LENS SYSTEM FOR CHARGED PARTICLES - Google Patents
LENS SYSTEM FOR CHARGED PARTICLESInfo
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Description
74,03074.030
LEYBQLD-HERAEUS GMBH & CO KGLEYBQLD-HERAEUS GMBH & CO KG
Köln-Bayental /,· .Cologne-Bayental /, ·.
Linsensystem für geladene TeilchenLens system for charged particles
Die Erfindung betrifft ein elektrostatisches oder magnetostatisches Linsensystem für geladene Teilchen mit dem System vorgelagerter Teilchenquelle, dem System nachgeordneter Analysiereinrichtung oder dgl- und im System angeordneter, eine direkte Sichtverbindung zwischen der Teilchenquelle und der Analysiereinrichtung verhindernde Blende»The invention relates to an electrostatic or magnetostatic Lens system for charged particles with the system of the upstream particle source, the system downstream Analyzing device or the like and arranged in the system, a direct line of sight between the particle source and aperture preventing the analyzer »
Aus der DT-OS 2 25 5 302 ist eine Einrichtung für die Sekundär-Ionenmassenspektroskopie bekannt, bei der zwischen der zu untersuchenden Probe (Teilchenquelle) und der als Quadrupolmassenspektrometer ausgebildeten Analysiereinrichtung eine Linse mit einer zentralen Blende angeordnet ist» Bei dieser bekannten Einrichtung liegen die Probe und der Quadrupol-Massenanalysator auf der optischen Achse der Linse, Die ebenfalls auf der optischen Achse liegende Blende ist so groß, daß sie die Sichtverbindung zwischen der Probe und der Eintrittsebene des Quadrupol-Massenanalysators verhindert, so daß einen störenden Untergrund bildende Teilchen, (schnelle Neutralteilchen, Photonen, schnelle Elektronen und dgl.,) nicht auf direktem Weg in den Massenanalysator gelangen können. Dieser vorbekannten Einrichtung haftet insofern ein Nachteil an, als die zentrale Blende auch die Intensität des Nutz-Teilchen-Stromes schwächt« Es wurden zwar schon Verbesserungen der vorbekannten Einrichtung vorgeschlagen mit dem Ziel3 die Fläche der zentralen Blende zu verkleinern; eine Schwächung des Nutz-Teilchen-Stromes ist bei diesen verbesserten Einrichtungen jedoch noch immer vorhanden, zumal die zentrale Blende gerade dort angeordnet sein muß, wo die Intensität des Nutz-Teilchen-Stromes am größten ist οA device for secondary ion mass spectroscopy is known from DT-OS 2 25 5 302, in which a lens with a central aperture is arranged between the sample to be examined (particle source) and the analysis device designed as a quadrupole mass spectrometer Sample and the quadrupole mass analyzer on the optical axis of the lens, the diaphragm, which is also on the optical axis, is so large that it prevents the line of sight between the sample and the plane of entry of the quadrupole mass analyzer, so that particles forming an interfering background ( fast neutral particles, photons, fast electrons and the like) cannot enter the mass analyzer directly. This known device has a disadvantage insofar as the central diaphragm also weakens the intensity of the useful particle flow. Improvements to the previously known device have already been proposed with the aim of 3 reducing the area of the central diaphragm; a weakening of the useful particle flow is still present in these improved devices, especially since the central aperture must be arranged precisely where the intensity of the useful particle flow is greatest ο
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrostatisches oder magnetostatisches Linsensystem für geladene Teilchen mit dem System vorgelagerter Teilchenquelle, dem System nachgeordneter Analys.iereinrichtung oder dgl« und im System /ϊ-ae^gecrdneter Blende zu schaffen, bei den die Transmission gegenüber den vorbekannten Einrichtungen verbessert ist ρThe present invention is based on the object electrostatic or magnetostatic lens system for charged particles with the system of upstream particle source, analyzing device downstream of the system or the like « and to create in the system / ϊ-ae ^ gecrdneter aperture in which the Transmission compared to the previously known devices improved is ρ
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Teilchenquelle und die Analysiereinrichtung oder dgl» in Bezug auf die Achse des Linsensystems versetzt angeordnet sind, daß das Linsensystem derart ausgebildet ist, daß vom interessierenden Bereich der TE!ionenquelle ein Zwischenbild erzeugt wird, und daß die Blende im Bereich dieses Zwischenbildes angeordnet ist« Infolge der gegenüber der optischen Achse des Linsensystems versetzten Anordnung der Teilchenquelle hat auch das Zwischenbild einen bestimmten Abstand von der optischen Achsec Das ermöglicht eine besonders günstige Gestaltung der Blende, nämlich derart,daß sie einerseits den Nutzteilchenstrom nicht behindert und andererseits eine direkte Sichtverbindung zwischen Teilchenquelle und Analysiereinrichtung verhinderte Da der Teilchenstrom im Bereich des Zwischenbildes stark gebündelt ist, kann die Blende sehr großflächig ausgebildet sein, ohne dielntensität des Teilchenstromes zu schwächen ο Der Zweck der Blende, nämlich die erwähnte Sichtverbindung zu verhindern, kann also infolge ihrer Großflächig» keit besonders gut erreicht werden» Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Linsensystemsbesteht darin, daß Linsen mit hohen Beschleunigungsspannungen verwendet werden können. Dadurch kann der chromatische Fehler klein gehalten werden. Als weitere günstige Eigneschaft dient die erhebliche Verkleinerung des Zwischenbildes durch die gewählte Linse zusammen mit der optischen Einstellung. Schließlich kann die vorteilhafte Eigenschaft des linearen Aufbaues der gesamten Anordnung erhalten bleiben, da in der Regel schon eine exzentrische Anordnung der Teilchenquelle und der Analysiereinrichtung von einigen Millimetern ausreicht»According to the invention this object is achieved in that the Particle source and the analyzing device or the like are arranged offset with respect to the axis of the lens system that the lens system is designed in such a way that an intermediate image is generated from the region of interest of the TE ion source is, and that the diaphragm is arranged in the area of this intermediate image is «As a result of the offset arrangement of the particle source with respect to the optical axis of the lens system, also has the intermediate image a certain distance from the optical axisec that enables a particularly favorable design of the Aperture, namely in such a way that, on the one hand, it does not obstruct the flow of useful particles and, on the other hand, a direct line of sight between the particle source and the analyzer, Da prevented the flow of particles in the area of the intermediate image is strongly bundled, the diaphragm can be formed over a very large area without weakening the intensity of the particle flow ο The purpose of the screen, namely the mentioned line of sight prevention can therefore be achieved particularly well due to its large area »Another advantage of the The lens system of the invention consists in lenses can be used with high acceleration voltages. This allows the chromatic error to be kept small. Another favorable property is the considerable reduction in size of the intermediate image through the selected lens together with the optical setting. After all, the advantageous property of the linear structure of the entire arrangement are retained, as usually already one eccentric arrangement of the particle source and the analyzing device of a few millimeters is sufficient »
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Zweckmäßig erfolgt eine Abbildung des Zwischenbiides in der Eingangsebene der Analysiereinrichtung, wodurch optimale Betriebsbedingungen erzielt werden, Das Zwischenbild kann z.B11 eine verkleinerte Abbildung des interessierenden Proben-· bereiches sein, wodurch uta, die Blendenöffnung klein gehalten werden kann, so daß sie auch als Druckstufe verwendet werden kann.Advisably an image of the Zwischenbiides in the entrance plane of the analyzer, which optimum operating conditions are achieved, the intermediate image may be a reduced image of interest sample · range, for example 11, whereby u t a, the aperture can be kept small, so it that also can be used as a pressure stage.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen;Further advantages and details of the invention are intended to be based on the exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 6 explained. Show it;
Figur 1 ein Linsensystem nach der Erfindung,Figure 1 shows a lens system according to the invention,
Figuren 2 u, 3Einricht:ungen für die Sekundärionenmassenspektroskopie mit einem Linsensystem nach der ErfindungjFigures 2 and 3 devices for secondary ion mass spectroscopy with a lens system according to the inventionj
Figur 4 eine ESCA-Einrichtung mit einem Linsensystem nach der Erfindung,FIG. 4 shows an ESCA device with a lens system according to the invention,
Figur 5 eine Elektronenkanone mit einem Linsensystem nach der Erfindung undFIG. 5 shows an electron gun with a lens system according to the invention and
Figur 6 eine für die Restgasanalyse und für die Gaschromatographie geeignete Einrichtung nach der Erfindung„FIG. 6 one for the residual gas analysis and for the gas chromatography suitable device according to the invention "
Figur 1 zeigt ein elektrostatisches Linsensystem I5 das den Tubus 2 umfaßt, welcher vorzugsweise auf Massepotential liegt. Im Innern ist die mit der Öffnung 3 versehene Blende 4 angeordnet, an die eine Beschleunigungsspannung angelegt ist* In Figur la ist diese Blende 4 mit ihrem isolierten Zentralteil, in dem sich die Öffnung 3 befindet, nochmals dargestellt. Die Art und Weise der Aufhängung des Zentralteiles und die Spannungszuführung sind nicht dargestellt. Die optische Achse des Linsensystems ist mit 5 bezeichnet. Die als Block 6 dargestellte Teilchenquelle, die entweder von einer beschossenen Probe oder von einer Ionen- bzw« Elektronenquelle gebildet werden kann, ist in Bezug auf die optische Achse 5 um einenFigure 1 shows an electrostatic lens system I 5 which includes the tube 2, which is preferably at ground potential. Arranged inside is the aperture 4, to which an acceleration voltage is applied. The way in which the central part is suspended and the voltage supply are not shown. The optical axis of the lens system is denoted by 5. The particle source shown as block 6, which can be formed either by a bombarded sample or by an ion or electron source, is in relation to the optical axis 5 around one
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relativ kleinen Betrag seitlich versetzt, Das Linsensystem ist derart ausgebildet und mit Spannungen versorgt, daß die Bahnen 7 (zwei äußere Bahnen und die Zentralbahn sind dargestellt )y der von derProbe 6 ausgehenden Teilchen einen doppelten "overcross" bilden. Dadurch entsteht ein Zwischenbild 8, das ebenfalls bezüglich der optischen Achse 5versetzt ist, jedoch bezüglich der Teilchenquelle 6 in entgegengesetzter Richtung, Auch die Abbildung 9 des Zwischenbildes hat eine bezüglich der Achse 5 versetzte Lage, und zwar wieder in Richtung der Versetzung der Teilchenquelle 6,' Der Bildpunkt 9. kann z„B. in der Eingangsebene einer Analysiereinrichtung (Massen- oder Energieanalysator) angeordnet sein. Im Rahmen der Erfindung kann sich jedoch am Ort des Bildpunktes 9 auch eine Probe befinden, die mit den durch das Linsensystem hindurchtretenden Teilchen beschossen wird»The lens system is designed and supplied with tension in such a way that the paths 7 (two outer paths and the central path are shown ) y of the particles emanating from the sample 6 form a double "overcross". This creates an intermediate image 8, which is also offset with respect to the optical axis 5, but in the opposite direction with respect to the particle source 6. The image 9 of the intermediate image also has a position offset with respect to the axis 5, again in the direction of the offset of the particle source 6, 'The image point 9 can, for example, be arranged in the input level of an analyzer (mass or energy analyzer). Within the scope of the invention, however, a sample can also be located at the location of the image point 9, which is bombarded with the particles passing through the lens system »
Im Bereich des Zwischenbildes 8 ist die die Sichtverbindung zwischen Teilchenquelle 6 und Bildpunkt 9 verhindernde Blende M angeordnet» Wegen der starken Bündelung der Teilchenbahnen an dieser Stelle, dcho wegen der stark verkleinerten Abbildung, kann der geschlossene Teil der Blende 4 relativ großflächig ausgebildet sein bzw, die Öffnung 3 in der Blende M- sehr klein gehalten werden» Infolge der jeweiligen axialen Versetzung von Teilchenquelle 6,Zwischenbild 8 und Bildpunkt 9 besteht keine direkte Sichtverbindung zwischen der Teilchenquelle 6 und dem Bildpunkt 9„In the region of the intermediate image 8, the contact between the particle source 6 and pixel 9 preventing diaphragm M is disposed "Because of the strong focusing the particle trajectories at this point dch o because of the strongly reduced image, the closed portion can be made relatively large area of the diaphragm 4 or , the opening 3 in the aperture M- must be kept very small »Due to the respective axial displacement of the particle source 6, intermediate image 8 and image point 9, there is no direct line of sight between the particle source 6 and the image point 9"
Die Figuren 2, 2a und 3, 3a zeigen für die Sekundärionenmassenspektroskopie geeignete Einrichtungen» Die Linsensysteme umfassen jeweils einen dreiteiligen Tubus (Teile 2, 2', 2"). Die Blende des Ausführungsbeispieles nach Figur 2 ist mit bezeichnet.und in Figur 2a nochmals dargestellt. Die von der Blende 10 gebildete Öffnung ist mit 11 bezeichnet« Die Blende 10 ist etwas größer als der halbe Querschnitt durch den Tubus 2f des Linsensystems 1, Sie ist derart gestaltet, .daß die optische Achse 5 durch den geschlossenen Teil der Blende 10 geht, während der Bildpunkt 8 gerade im offenenFIGS. 2, 2a and 3, 3a show devices suitable for secondary ion mass spectroscopy. The lens systems each comprise a three-part tube (parts 2, 2 ', 2 "). The diaphragm of the exemplary embodiment according to FIG. 2 is denoted by and again in FIG. 2a The opening formed by the diaphragm 10 is denoted by 11. The diaphragm 10 is slightly larger than half the cross section through the tube 2 f of the lens system 1. It is designed in such a way that the optical axis 5 passes through the closed part of the diaphragm 10 goes, while the pixel 8 is just in the open
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Teil 11 der Blende IQ liegt.Part 11 of the aperture IQ is located.
Im Bereich des Bildpunktes 9 ist eine weitere Blende 12 mit einer relativ kleinen Öffnung 13 angeordnet, um auch innerhalb des Linsensystems entstehende, einen störenden Untergrund bildende Teilchen nicht in einen sich anschließenden Analysator oder auf eine Probe gelangen zu lassen» Die Teilchenquelle 6 ist als schräg zur optischen Achse angeordnete Probe ausgebildet, die in Richtung des Pfeiles 14-mit Primärionen beschossen wird. Der Bildpunkt 9 liegt in der Eingangsebene eines Quadrupol-Massenspektrometers 15, dem ein Sekundärelektronenvervielfacher 16 zur Registrierung der Ionen nachgeordnet ist* 'Hie elektronischen Hilfsmittel zur Registrierung der Ionen sind als Block dargestellt und mit bezeichnet οA further diaphragm 12 is provided in the area of the image point 9 a relatively small opening 13 arranged to also within Particles that are created by the lens system and form a disruptive background are not transferred to an adjacent one Analyzer or to get onto a sample »The particle source 6 is arranged at an angle to the optical axis Sample formed, which is bombarded with primary ions in the direction of arrow 14. The pixel 9 is in the input plane of a quadrupole mass spectrometer 15, the a secondary electron multiplier 16 for registering the ions is arranged downstream Registration of ions are shown as a block and with denotes ο
Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 und 3a weist die Blende 10 lediglich die bezüglich der optischen Achse 5 dezentrisch liegende relativ kleine öffnung 11 auf, in deren Zentrum der Bildpunkt 8 liegt» Ein weiterer Unterschied des Ausführungsbeispiels nach Figur 3 gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 besteht darin, daß der Quadrupol-Massenanalysator 15 und der Sekundärelektronenvervielfacher in Richtung der zentralen Bahn 7 angeordnet sind. Der Sekundärelektronenvervielfacher könnte für raumsparende Anordnungen auch parallel zur optischen Achse angeordnet sein= Die Zentralbahn 7 hat im Bildpunkt 9 nicht mehr die Richtung der optischen Achse 5; sie schließt mit der optischen Achse 5 je nach Bemessung des Linsensystems 1 einen kleinen Winkel ein, Dadurch kann eine hessere Ausnutzung der Transmission des Quadrupol-Massenanalysatars erzielt werden.In the exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 3a, the diaphragm 10 only has the one with respect to the optical axis 5 decentralized relatively small opening 11, in which The center of the image point 8 lies »Another difference between the exemplary embodiment according to FIG. 3 and the exemplary embodiment according to FIG. 2 is that the quadrupole mass analyzer 15 and the secondary electron multiplier are arranged in the direction of the central path 7. The secondary electron multiplier could also be arranged parallel to the optical axis for space-saving arrangements = Die Central track 7 no longer has the direction of the image point 9 optical axis 5; it forms a small angle with the optical axis 5, depending on the dimensioning of the lens system 1, This allows better utilization of the transmission of the Quadrupole mass analyzer can be achieved.
In der Figur *+ ist eine für die Elektroneh.spektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA) geeignete Anordnung schematisch dargestellt« Die Blende 12 mit der öffnung 13 liegt im Eingangsbereich eines halb-kugelförmigen Energieanalysators Die Teilchen verlassen den Energieanalysator 18 durch dieIn the figure * + there is one for electroneh.spectroscopy Arrangement suitable for chemical analysis (ESCA) shown schematically. The diaphragm 12 with the opening 13 lies in the Entrance area of a hemispherical energy analyzer The particles leave the energy analyzer 18 through the
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Öffnung 19, der sich eine nicht dargestellte Registriereinrichtung (Zcß. SEV) anschließt« Durch das erfindungsgemäße Linsensystem 1 wird wieder erreicht, daß die Zentralbahn der Teilchen, hier Elektronen, im Bildpunkt 9 mit der optischen Achse 5 einen Winkel bildet. Bei Kugelanalysatoren hat sich ein derartig geneigter Einschuß als besonders vorteilhaft erwiesen. Besondere diesen geneigten Einschuß ermöglichende Elemente brauchmnicht vorgesehen zu werden«Opening 19, which is a registration device, not shown (Zcß. SEV) follows «By the invention Lens system 1 is achieved again that the central path of the particles, here electrons, in the image point 9 with the optical Axis 5 forms an angle. In the case of spherical analyzers such an inclined entry proved to be particularly advantageous. Special enabling this inclined shot Elements do not need to be provided "
Die Figur 5 zeigt eine Elektronenkanone, bei der zwischen der Elektronenquelle 6 und der Probe 20 ein Linsensystem nach der Erfindung angeordnet ist. Von der Elektronenquelle 6 sind lediglich die Anode 21 und der Wehneltzylinder 22 sichtbar. Im übrigen entspricht der Aufbau des Linsensystems dem in Figur 1 dargestellten Aufbau, Eine Blende 12 (vergib Figur 1) ist nicht vorhandene Der zu beschießende Teil der Oberfläche der Probe 20 liegt im Bereich des Bildpunktes 9. Die in dieser Figur 5 dargestellte Elektronenkanone kann allgemein zur Anregung von sekundären Teilchen also z„B = zur Auger-Elektronen-Spektroskopie verwendet werden, Vorteilhaft wird hierbei das Bedampfen der Probe mit Kat/odenmaterial vermieden.FIG. 5 shows an electron gun in which a lens system follows between the electron source 6 and the sample 20 the invention is arranged. Of the electron source 6, only the anode 21 and the Wehnelt cylinder 22 are visible. Otherwise, the structure of the lens system corresponds to the structure shown in Figure 1, a diaphragm 12 (forgive Figure 1) is not present The part of the surface of the sample 20 to be bombarded lies in the area of the image point 9 The electron gun shown in FIG. 5 can generally be used to excite secondary particles, for example, for Auger electron spectroscopy can be used, this is advantageous here Avoid vaporising the sample with cathode material.
In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das insbesondere für die Restgasanalyse und die Gaschromatographie geeignet ist. Die als Ionenquelle ausgebildete Teilchenquelle 6 weist eine topfförmigeAnode 2 3 und eine diesen Topf ringförmig umgebende Kathode 24 auf. Die Ionen werden aus dieser Teilchenquelle in Richtung einerEinzellinse 25 abgesaugt, deren optischeAchse den|übrigen Ausführungsbeispielen entsprechend mit 5 bezeichnet ist. Dieser Einzellinse 25 direkt nachgeordnet ist der Quadrupol-Massenanalysator 15 und der Sekundärelektronenvervielfacher 16 mit seinen elektronischen Hilfsmitteln 17„ Die Achse des Quadrupol-Massenanalysators ist ebenfalls eingezeichnet und mit 26 bezeichnet. Gegenüber den vorbeechriebenen Ausführungsbeispielen unterscheidet sich die Anordnung nach Figur 6 im wesentlichen in zwei Punkten:In Figure 6, an embodiment is shown, which in particular is suitable for residual gas analysis and gas chromatography. The particle source designed as an ion source 6 has a pot-shaped anode 23 and a cathode 24 surrounding this pot in a ring shape. The ions will be out This particle source is sucked in the direction of a single lens 25, the optical axis of which corresponds to the other exemplary embodiments is denoted by 5. Directly downstream of this single lens 25 is the quadrupole mass analyzer 15 and the Secondary electron multiplier 16 with its electronic aids 17 “The axis of the quadrupole mass analyzer is also shown and denoted by 26. It differs from the exemplary embodiments described above the arrangement according to Figure 6 essentially in two points:
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Zum einen wird lediglich ein "overcross" von der Linse 25 erzeugt, während zur Erzeugung des zweiten "overcross" die Linsenwirkung des Quadrupol-Massenanalysators selbst herangezogen wird ο Zum anderen sind 'bei diesem Ausführungsbeispiel die Teilchenquelle 6 und die Analysiereinrichtung in entgegengesetzter Richtung in Bezug auf die optische Achse 5 versetzt angeordnet, Mit Hilfe der Blende 10, welche im Bereich des Zwischenbildes 8 angeordnet ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel zwar nur die direkte Sicht von der Teilchenquelle 6 in den Sekundärelektronenvervielfacher verhindert. Infolge des doppelten Versetzens der Teilchenquelle 6 und der Analysiereinrichtung 15 kann jedoch auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine wesentliche Untergrundunterdrückung erzielt werden. Das dem Massenanalysator vorgelagerte Linsensystem kann natürlich auch in der in Figur 1 dargestellten Weise ausgebildet sein. Die entgegengesetzte Versetzung von Quelle 6 und Massenanalysator 15 entfällt dann.On the one hand, there is only an “overcross” from the lens 25 generated, while the lens effect of the quadrupole mass analyzer itself is used to generate the second "overcross" will ο on the other hand are 'in this embodiment the particle source 6 and the analyzer in opposite directions with respect to the optical Axis 5 arranged offset. With the help of the diaphragm 10, which is arranged in the area of the intermediate image 8, at In this exemplary embodiment, it is true that only the direct view from the particle source 6 into the secondary electron multiplier prevented. As a result of the double displacement of the particle source 6 and the analyzing device 15, however, it is also possible at In this embodiment, a substantial background suppression can be achieved. The upstream of the mass analyzer The lens system can of course also be designed in the manner shown in FIG. The opposite Relocation of source 6 and mass analyzer 15 is then omitted.
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