DE3137568A1

DE3137568A1 - Verfahren zur analyse von festkoerpern, vorzugsweise metallen

Info

Publication number: DE3137568A1
Application number: DE19813137568
Authority: DE
Inventors: Hans-Josef Dipl.-Phys. Dr. Heinen; Franz Prof. Dr. 6000 Frankfurt Hillenkamp; Raimund Prof. Dr. 4000 Düsseldorf Kaufmann; Henning Dipl.-Phys. 5000 Köln Vogt
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1981-09-22
Filing date: 1981-09-22
Publication date: 1983-05-11
Also published as: JPS5866245A

Description

Verfahren zur Analyse von Festkörpern, vorzugsweise Metallen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Festkörpern, vorzugsweise Metallen, mit darin enthaltenen Einlagerungen, bei dem ein Mikrobereich der Probe mit Laserimpulsen verdampft und ionisiert wird.
Bei der Festkörperanalyse besteht ein besonderes Interesse an der Feststellung von darin enthaltenen Einlagerungen bzw. Verunreinigungen. Selbst in Spuren vorhandene Einlagerungen können die Eigenschaften eines Festkörpers häufig stark beeinflussen. So hängt z. B. die Qualität von metallischen Gefäßen, die hohen Drücken, Temperaturen oder reaktiven Gas- bzw. Flüssigkeitsgemischen ausgesetzt sind, nicht nur von ihrer Mikrostruktur bzw. von Veränderungen dieser Struktur, sondern auch in hohem Maße von vorhandenen Einlagerungen, z. B. in Spuren vorhandener Wasserstoff oder Kohlenstoff, ab. Die Schwierigkeiten des Nachweises derartiger Einlagerungen liegen nicht nur in-der niedrigen Konzentration, mit der sie im Festkörper vorhanden sind, sondern auch in ihrer ungleichmäßigen Verteilung und insbesondere in den gegenüber den Metallatomen wesentlich verschiedenen Ionisierungseigenschaften.
Aus der GB-PS 15 00 547 ist ein Verfahren zur Feststellung von Wasserstoff in Metallen bekannt. Bei diesem Verfahren.
wird die Probe mit Hilfe von Laser impulsen im ns-Bereich verdampft und ionisiert. Die dadurch entstandenen Ionen werden anschließend mit Hilfe einer Spannungsdifferenz von -25 kV in Richtung einer Folie beschleunigt, deren Dicke so gewählt ist, daß möglicherweise vorhandene Wasserstoff-Ionen so weit darin eindringen können, daß auf der Folienrückseite Sekundär-Elektronen entstehen. Die Eindringtiefe der schwereren Metall-Ionen ist so gering, daß Sekundär-Elektronen auf der Folienrückseite nicht erzeugt werden. Die entstandenen Sekundär-Elektronen werden mit Hilfe eines Szintillators registriert und dienen als Nachweis für eventuell vorhandenen Wasserstoff. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß der Aufwand für die Vorrichtung zur separaten Registrierung der Wasserstoff-Ionen relativ hoch ist. Weiterhin wird dieses Verfahren um so ungenauer, je höher die Masse der in der Metallprobe möglicherweise eingelagerten Verunreinigungen ist.
Es wäre denkbar, die aus der GB-PS 15 00 547 bekannte Vorrichtung zur separaten Registrierung der Wasserstoff-Ionen durch ein Massenspektrometer zu ersetzen. Ein solches laserinduziertes Verfahren zur Massenanalyse ist als LAMMA-Verfahren (LAMMA ist ein eingetragenes Warenzeichen der Anmelderin) bekannt geworden. Bei diesem Verfahren werden Mikrovolumina des zu untersuchenden Materials mit Laserimpulsen verdampft und ionisiert, deren Dauer ebenfalls im ns-Bereich (typischerweise 10 - 20 ns) liegt.
Der Vorteil dieses Laser-Mikro-Massen-Analyse-Verfahrens liegt in der Möglichkeit einer hohen Ortsauflösung im Bereich einiger Mikrometer. Wendet man dieses Analyseverfahren bei der Feststellung von Einlagerungen in einem metallischen Matrixmaterial an, dann besteht der bereits erwähnte Nachteil, daß Metallionen mit einer weit höheren Ausbeute gebildet werden als z. B. H+- oder C+-Ionen.
Diesem Nachteil könnte durch die Wahl sehr hoher Laserstrahl-Leistungsdichten (Faktor 100 bis 200 über der Schwelle, bei der Metallionen auftreten) begegnet werden, bei denen mit vergleichbaren Ionenausbeuten gerechnet werden kann. Bei diesen Leistungsdichten ist jedoch das räumliche Auflösungsvermögen erheblich reduziert, da der entstehende Kraterdurchmesser um ein Vielfaches größer als der beugungsbegrenzt mögliche kleinste Analysendurchmesser wird. Eine möglichst hohe Ortsauflösung ist jedoch bei metallurgischen oder geologischen Untersuchungen erwünscht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Analyse von Festkörpern, vorzugsweise Metallen, mit darin enthaltenen Einlagerungen anzugeben, das zum einen unabhängig von der Masse der möglicherweise in der Probe vorhandenen Einlagerungen ist und das sich zum anderen durch eine hohe Ortsauflösung auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Dauer der Laserimpulse zur Verdampfung und Ionisierung der Festkörperprobe im ps-Bereich liegt und daß die entstandenen Ionen anschließend in an sich bekannter Weise massenspektrometrisch untersucht werden. überraschenderweise hat sich gezeigt, daß allein der Übergang auf eine Laserbestrahlung mit ps-Impulsen bewirkt, daß die Energieschwellwerte für das Erscheinen der Ionen des Festkörpers einerseits und der Ionen der normalerweise schwer ionisierbaren Einlagerungen andererseits sehr nahe beieinander liegen. Höhere Laser-Leistungsdichten, verbunden mit einer Verschlechterung der Ortsauflösung, sind nicht erforderlich. Allein die Wahl von kürzeren Laserimpulsen ermöglicht es, beide Komponenten mit annähernd gleicher Nachweiswahrscheinlichkeit zu analysieren. -Bei Experimenten haben sich Laserimpulse im Bereich von 10 bis 50 ps, vorzugsweise 30 ps t als besonders vorteilhaft erwiesen. Bei derartigen Impulsen erschienen H - oder C+-Signale mit hoher Ausbeute bereits bei geringgradig oberhalb der Schädigungsschwelle liegenden Leistungsdichten.
Bei diesen Bedingungen sind die Voraussetzungen für kleine Kraterdurchmesser noch günstig, selbst wenn mit sogenannter Auflichtgeometrie gearbeitet werden muß. Auflichtgeometrie bedeutet, daß die Probe mit den Laserimpulsen von der Seite beschossen wird, auf der auch das Massenspektrometer angeordnet ist. Das setzt voraus, daß entweder das Laserlicht oder die Achse des Massenspektrometers (oder beides) mit der Probenoberfläche einen von 900 verschiedenen Winkel bildet. Außerdem müssen die zugehörigen Elemente einen ausreichenden Abstand von der Probe haben, damit sie sich gegenseitig nicht behindern. Durch die aufgrund der erfindungsgemäßen Erkenntnis jetzt möglich gewordene Wahl geringer Leistungsdichten ist es jedoch möglich, daß auch mit Laser-Objektiven geringer numerischer Appertur und hohem Arbeitsabstand Kraterdurchmesser von 1 bis 2 erzielt werden können. Bei der Verwendung von ns-Impulsen müßte dagegen die Leistungsdichte um mindestens eine Zehnerpotenz über die Schädigungsschwelle gesteigert werden, um z. B. H+-bzw. C+-Ionen mit gleicher Ausbeute zu erzielen.
Das hätte eine erhebliche Vergrößerung der Kraterdurchmesser und damit eine wesentliche Verschlechterung der Ortsauflösung zur Folge.
Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Probenkammer mit 1, die darin befindliche Probe mit 2 und das der Probe 2 zugeordnete Massenspektrometer mit 3 bezeichnet. Das Massenspektrometer 3 umfaßt das ionenoptische System 4, das Flugzeitrohr 5, den Ionendetektor 6 und die lediglich als 7 dargestellte Elektronik zur Verarbeitung der gelieferten Signale.
Die Probenkammer 1 weist zwei zur Ebene der Probenoberfläche um ca. 450 geneigte Fenster 8 und 9 auf. Durch das Fenster 8 wird die Probe mit Hilfe einer Lichtquelle 11 und einem geeigneten Kondensor 12 beleuchtet. Durch das Fenster 9 erfolgt der Beschuß der Probe 2 mit den gewünschten Laserimpulsen. Dazu ist ein Leistungslaser 13 vorgesehen, dessen Impulse über die Strahlteiler 14 und 15 sowie über die Spiegel 16 und 17 auf die Probe 2 gerichtet werden. Zur Fokussierung des Laserlichtes auf die Probe 2 ist das Objektiv 18 vorgesehen. Der Strahlteiler 14 hat die Aufgabe, das Licht eines Ziellasers 19 in den Strahlengang des Leistungslasers einzuleiten. Dem Strahlteiler 15 ist das Okular 21 zugeordnet, durch das eine Beobachtung der Probe (Auge 22) möglich ist.
Mit Hilfe des Ziellasers wird der'zu analysierende Probenbereich ausgesucht.Danach erfolgt der Beschuß der Probe mit einem Impuls des Leistunslasers 13, dessen Dauer im ps-Bereich liegt. Die Leistungsdichte ist so gewählt, daß sie nur wenige Prozent (weniger als 10 %) über der Schädigungsschwelle liegt. Dadurch entstehen ausreichend kleine Krater, die eine hohe Ortsauflösung zulassen. Die aus der Probe 2 ausgelösten Ionen werden mit Hilfe des Massenspektrometers 3 analysiert.
Die Ausbildung des Massenspektrometers als Flugzeitmassenspektrometer hat den Vorteil, daß die Analysenergebnisse sehr schnell vorliegen. Ein langwieriges Durchfahren von Massenbereichen, wie es z. B. mit dem Quadrupolmassenspektrometer notwendig ist, erübrigt sich bei einem Flugzeitmassenspektrometer.

Claims

Verfahren zur Analyse von Festkörpern, vorzugsweise Metallen ANSPRÜCHE 1Verfahren zur Analyse von Festkörpern, vorzugsweise Metallen, mit darin enthaltenen Einlagerungen, bei dem ein Mikrobereich der Probe mit Laserimpulsen verdampft und ionisiert wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Dauer der Laserimpulse im ps-Bereich liegt und daß die entstandenen Ionen anschließend massenspektrometrisch untersucht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß,die Dauer der Laserimpulse 10 bis 50 ps beträgt und daß die gewählte Leistungsdichte geringgraaig oberhalb der Schädigungsschwelle liegt.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e durch ein für die Abgabe von Laser impulsen im ps-Bereich geeignetes Lasergerät (13), durch eine Probenkammer (1) und durch ein der Probenkammer zugeordnetes Masse spektrometer (3).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß das Masenspektrometer (3) als Flugzeitmassenspektrometer ausgebildet ist.