EP0004065A2 - Apparatus for focussing and analyzing a charged particle beam - Google Patents

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EP0004065A2
EP0004065A2 EP79100669A EP79100669A EP0004065A2 EP 0004065 A2 EP0004065 A2 EP 0004065A2 EP 79100669 A EP79100669 A EP 79100669A EP 79100669 A EP79100669 A EP 79100669A EP 0004065 A2 EP0004065 A2 EP 0004065A2
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EP
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lens
sector
electrostatic
energy
field lens
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EP79100669A
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Friedrich Prof.Dr. Rüdenauer
Wolfgang Dr. Steiger
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Oesterreichisches Forschungszentrum Seibersdorf GmbH
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Oesterreichisches Forschungszentrum Seibersdorf GmbH
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    • H01J49/02—Details
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01J49/46—Static spectrometers
    • H01J49/48—Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter

Definitions

  • the invention relates to a device for focusing and analyzing a charged corpuscular beam, in particular a secondary ion beam, and to a method for operating the same, the electrical potentials being controlled as a function of the desired energy and energy sharpness of the selected corpuscular beam.
  • An electron energy spectrometer is already known in which the electron beam is focused with an electrostatic focusing lens, an entrance aperture, a sector field lens with spherical sector electrodes, an exit aperture and is then fed to a detector.
  • Such an arrangement requires a relatively large amount of space.
  • the manufacture of the sector field lens with a spherical sector electrode is extremely difficult and complex and only allows a corresponding focusing if the spherical surfaces have been specially machined.
  • the sector field lenses with cylindrical electrodes require two correction plates for their precise function, which, like the cylindrical electrodes, must also be polarized. This means that a further voltage supply must be provided here.
  • the aim of the invention is to provide a device and a method for operating the same which avoids the disadvantages mentioned above.
  • the device according to the invention for focusing and analyzing a charged corpuscular beam, in particular a secondary ion beam, with at least one, optionally two electrostatic focusing lenses, an entrance aperture, an electrostatic sector field lens and an exit aperture and a detector being arranged in the direction of the beam path, consists essentially in: that an electrostatic projection lens with at least two, preferably three, electrically polarizable apertures, the openings of which lie on one axis, an exit aperture and an electrostatic correction lens with at least one electrically polarizable aperture, and the detector are arranged after the sector field lens.
  • an electrostatic projection lens with at least two, preferably three, electrically polarizable apertures, the openings of which lie on one axis, an exit aperture and an electrostatic correction lens with at least one electrically polarizable aperture, and the detector are arranged after the sector field lens.
  • a stigmatically focusing sector field lens is used as the sector field lens, which has concentric negative or positive polarizable sector electrodes with a cylindrical curvature and two correction plates.
  • the arrangement of such a lens makes it particularly easy to take into account geometric changes in the system by controlling the potential of the correction plates, while at the same time being particularly simple. Production of the device according to the invention is made possible.
  • inlet and outlet orifices are arranged interchangeably, a particularly high degree of adaptation to the various experimental requirements can be achieved, since particles with a larger range of the initial velocity and with a different energy bandpass can be fed to the analysis, with the maximum particle flow transmission being achieved in the respectively defined range can be.
  • the disturbances of the particle paths when entering and exiting the sector lens are kept to a minimum.
  • the projection lens has at least two, preferably three diaphragms, with two diaphragms the first looking in the direction of the beam path and with three diaphragms the middle opening being larger, e.g. has a circular or slit shape than the adjacent diaphragms that are electrically insulated from it, the transmission of this lens is higher, with three diaphragms no longer being able to influence the mode of operation of the projection lens by the sector field lens.
  • the sample to be examined can be kept particularly easily at ground potential, with no loss of energy sharpness in the charged particles to be detected and the focusing and positioning of the primary beam emerging from the primary beam source on the sample is particularly simple and also the simultaneous detection of positive and negative particles of the secondary particles emitted by the sample, e.g. is possible in two identical arrangements according to the invention.
  • the potential of the electrostatic correction lens is set to a value of. where Eo has the meaning given above and. h 4 represents an empirical constant. Optimal bundling of the beam can thus be achieved, as a result of which a maximum proportion of the particles to be detected are detected in the detector can.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an ion microsensor and FIG. 2 shows a block diagram for the voltage supply of the optics and the detector.
  • the ion microanalyser shown in Fig. 1 has an ion emitting unit 1 which is made up of an ion source, e.g. a duoplasmatron, an objective lens and deflection plates for deflecting the ion beam on the surface of the sample 2 to be examined can be constructed.
  • an ion source e.g. a duoplasmatron
  • an objective lens and deflection plates for deflecting the ion beam on the surface of the sample 2 to be examined can be constructed.
  • the direction of the primary ion beam and secondary ion beam is shown by arrows a and b, the exact course being shown by a dash-dotted line.
  • there is one Sector field lens 6 is arranged, which has 2 concentric cylindrical electrodes 7 and 8 and two correction plates 9 and 10.
  • the distance between the sector electrodes with a cylindrical curvature is greater than the diameter of the circular opening of the first diaphragm 12 of the projection lens 11 viewed in the direction of the beam path b.
  • the projection lens 11 has three diaphragms 12, 13 and 14 which exit from the sector lens 6 Ion beam focused on the interchangeable exit aperture 15. All other ions are blocked by the exit aperture.
  • a correction lens 16 is arranged between the exchangeable exit aperture 15 and the detector 17.
  • the detector is a quadrupole mass spectrometer and analyzes the ions emerging from the exit aperture 15 and the correction lens 16 in accordance with their E atomic weight.
  • an electron multiplier could be used as a detector, for example, as used for the Er. generation of material contrasts in raster electronic images is common.
  • the sector field lens 6 selects a sharp area from secondary ions with an energy between Eo - and Eo + , whereby an initial energy between 0 eV and 3oo eV and an energy band pass between 1 eV and 5o eV is usually selected. If the device is to be made particularly compact, the secondary ion beam emerges from the sector lens in a divergent manner. In the projection lens 11, this divergent beam is then converted into a convergent beam, so that ions between the above-mentioned energy areas can pass through the opening into the exit aperture 15 and reach the detector 17. Ions of all other energies are retained by the exit aperture 15.
  • FIG. 2 The schematic block diagram shown in Fig. 2 shows the control of the various potentials for lenses and diaphragms.
  • A, B and C are variable voltage sources that can be reversed and in which Eo, ⁇ E and the apparatus constant ⁇ for the quadrupole can be set.
  • the power supply of the focusing lenses 3 and 4 takes place via the amplifier units V 1 and V 2 , and the amplifiers can be adjusted via the potentiometers P 1 and P 2 so that the potentials of the focusing lenses 3 and 4 can be set according to equations 1 and 2.
  • the constants k 1 and k 2 are chosen so that the maximum current of the secondary ions from sample 2 reaches the detector. Once these constants have been determined, they remain valid for all values of Eo.
  • the sector field lens has a triple supply of voltage, the voltage depending on Eo and ⁇ E.
  • the amplifier units V 3 and V 5 each supply the cylindrically curved sector electrodes, the amplifiers and the potentiometers P 3 and P 5 being set such that the voltage f for the sector field electrodes can be maintained as follows. where h 1 and h 2 are empirical constants chosen in this way must that a maximum of the corresponding ions get into the detector with selected energy and energy sharpness.
  • the potential of the correction plates 9 and 10 of the sector field lens is controlled via the amplifier unit V 4 and potentiometer P 4 so that it lies between U + and U - .
  • the potential is chosen exactly so that in particular a bundling of the ion beam is achieved in the vertical direction going to the drawing.
  • the correction plates have a different potential.
  • the potential of the central diaphragm 13 of the projection lens 11 is regulated via the amplifier unit V 6 and potentiometer P 6 so that a voltage of U P according to equation 5 is maintained.
  • h 3 is an empirically determined constant which must be chosen so that the projection lens focuses the ion beam emerging from the sector lens onto the exit aperture
  • the power supply to the inlet and outlet diaphragm is carried out by the amplifier unit V 7 and potentiometer P 7 .
  • the regulation takes place in such a way that a potential of U B is maintained, U B having to lie exactly between U + and U.
  • the correction lens is also supplied with voltage via an amplifier unit, namely V 8 and potentiometer P 8 , a voltage of U K being maintained according to the following equation.
  • h 4 is an empirical constant which must be selected so that the most favorable solid angle for the ion beam is achieved for a given detector. This solid angle differs from detector to detector and must also be determined empirically.
  • the quadrupole is supplied with voltage via amplifier unit V 9 and potentiometer P 9 so that the quadrupole axis receives the following voltage.
  • ⁇ represents a constant of the quadrupole, which has to be determined empirically, where ⁇ has to be chosen such that a maximum mass resolution of the quadrupole is given for a desired energy Eo and energy width ⁇ E.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

1. A device for focussing and analyzing charged corpuscular beams, in particular secondary ion beams, with at least or - if required - two electrostatic focussing lenses, an entrance diaphragm, an electrostatic sector field lens, an exit diaphragm, a correcting lens and a detector arranged in the direction of the beam, characterized by the fact that an electrostatic projecting lens (11) with at least two (13, 14), but preferably three electrically polarizable diaphragms (12, 13, 14) with their apertures on one axis is arranged in the path of the charged corpuscular beam to be analyzed between the sector field lens (6) and the exit diaphragm (15).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Fokussierung und zur Analyse eines geladenen Korpuskularstrahls, insbesondere eines Sekundärionenstrahls und auf ein Verfahren zum Betrieb derselben, wobei die elektrischen Potentiale in Abhängigkeit von der erwünschten Energie und Energieschärfe des selektierten Korpuskularstrahls gesteuert werden.The invention relates to a device for focusing and analyzing a charged corpuscular beam, in particular a secondary ion beam, and to a method for operating the same, the electrical potentials being controlled as a function of the desired energy and energy sharpness of the selected corpuscular beam.

Es ist bereits ein Elektronenenergigspektrometer bekannt geworder bei dem der Elektronenstrahl mit einer elektrostatischen Fokussierungslinse, einer Eintrittsblende, einer Sektorfeldlinse mit kugelförmigen Sektorelektroden, einer Austrittsblende fokussiert wird und darauf einem Detektor zugeführt wird. Eine derartige An ordnung bedingt einen relativ großen Platzaufwand. Weiters ist d Herstellung der Sektorfeldlinse mit kugelförmigen Sektorelektrod ausgesprochen schwierig und aufwendig und erlaubt nur dann eine entsprechende Fokussierung, wenn die sphärischen Flächen besonde genau bearbeitet sind.An electron energy spectrometer is already known in which the electron beam is focused with an electrostatic focusing lens, an entrance aperture, a sector field lens with spherical sector electrodes, an exit aperture and is then fed to a detector. Such an arrangement requires a relatively large amount of space. Furthermore, the manufacture of the sector field lens with a spherical sector electrode is extremely difficult and complex and only allows a corresponding focusing if the spherical surfaces have been specially machined.

Bei.einem Verfahren zum Betrieb der obenangeführten Einrichtung ist es bereits bekannt geworden, daß lediglich über zwei Einste größen, und zwar die erwünschte Energie der Elektronen und dere Energieschärfe, eine Steuerung-der Potentiale sowohl der elektr statischen Linsen und der Ein- und Austrittsblende, erfolgt, sc daß in den Detektor lediglich Elektronen mit vorbestimmter Ener und Energieschärfe eintreten. Der Nachteil bei diesem Verfahrei ist, daß die Steuerung über eine kugelförmige Sektorfeldlinse erfolgt, die besonders hohe Ansprüche an die Fertigungsgenauig.In a method for operating the above-mentioned device, it has already become known that only two sizes, namely the desired energy of the electrons and their energy sharpness, control the potentials of both the electrostatic lenses and the inlet and outlet diaphragm, takes place that only electrons with a predetermined energy and energy sharpness enter the detector. The disadvantage of this procedure is that the control takes place via a spherical sector field lens, which places particularly high demands on the manufacturing accuracy.

keit stellt. Wird diese nicht eingehalten, so kann die entsprechende Fokussierung durch Potentialveränderungen nicht alleine erreicht werden, sondern es müssen auch Nachjustierungen der gesamten Anordnung durchgeführt werden.speed. If this is not observed, the corresponding focusing cannot be achieved by changing the potential alone, but readjustments of the entire arrangement must also be carried out.

Die Sektorfeldlinsen mit zylindrischen Elektroden benötigen zu ihrer genauen Funktion zwei Korrekturplatten, die ebenfalls, so wie die zylindrischen Elektroden polarisiert werden müssen. Das heißt, daß hier eine weitere Spannungsversorgung vorgesehen werden muß.The sector field lenses with cylindrical electrodes require two correction plates for their precise function, which, like the cylindrical electrodes, must also be polarized. This means that a further voltage supply must be provided here.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betrieb derselben zu schaffen, die die obenangeführten Nachteile vermeidet.The aim of the invention is to provide a device and a method for operating the same which avoids the disadvantages mentioned above.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Fokussierung und zur Analyse eines geladenen Korpuskularstrahls, insbesondere eines Sekundärionenstrahls, wobei in Richtung des Strahlengangs, zumindest eine, gegebenenfalls zwei elektrostatische Fokussierungslinsen, eine Eintrittsblende, eine elektrostatische Sektorfeldlinse und eine Austrittsblende und ein Detektor angeordnet sind, besteht im wesentlichen darin, daß nach der Sektorfeldlinse eine elektrostatische Projektionslinse mit zumindest zwei, vorzugsweise drei elektrisch polarisierbaren Blenden, deren öffnungen auf einer Achse liegen, eine Austrittsblende und eine elektrostatische Korrekturlinse mit zumindest einer elektrisch polarisierbaren Blende sowie der Detektor angeordnet sind. Eine derartige Einrichtung kann die Fokussierung des Korpuskularstrahls und damit auch dessen Analyse auf einen wesentlich geringeren Raumbedarf beschränken.The device according to the invention for focusing and analyzing a charged corpuscular beam, in particular a secondary ion beam, with at least one, optionally two electrostatic focusing lenses, an entrance aperture, an electrostatic sector field lens and an exit aperture and a detector being arranged in the direction of the beam path, consists essentially in: that an electrostatic projection lens with at least two, preferably three, electrically polarizable apertures, the openings of which lie on one axis, an exit aperture and an electrostatic correction lens with at least one electrically polarizable aperture, and the detector are arranged after the sector field lens. Such a facility can be the focus Resize the corpuscular beam and thus its analysis to a much smaller space.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird als Sektorfeldlinse eine stigmatisch fokussierende Sektorfeldlinse verwendet, die konzentrische negativ bzw. positiv polarisierbare Sektorelektroden mit zylindrischer Krümmung und zwei Korrekturplatten aufweist. Durch die Anordnung einer derartigen Linse können geometrische Änderungen des Systems durch Steuerung des Potentials der Korrekturplatten besonders leicht berücksichtigt werden, wobei gleichzeitig eine besonders einfache. Herstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung ermöglicht wird.According to a further feature of the invention, a stigmatically focusing sector field lens is used as the sector field lens, which has concentric negative or positive polarizable sector electrodes with a cylindrical curvature and two correction plates. The arrangement of such a lens makes it particularly easy to take into account geometric changes in the system by controlling the potential of the correction plates, while at the same time being particularly simple. Production of the device according to the invention is made possible.

Sind die Eintritts- und Austrittsblende auswechselbar angeordnet, so ist eine besonders hohe Anpassungsmöglichkeit an die verschiedenen experimentellen Erfordernisse erreichbar, da Teilchen mit einem größeren Bereich der Anfangsgeschwindigkeit und mit einem verschiedenen Energiebandpass der Analyse zugeführt werden können wobei in den jeweils festgelegten Bereich die maximale Teilchenstromtransmission erreicht werden kann.If the inlet and outlet orifices are arranged interchangeably, a particularly high degree of adaptation to the various experimental requirements can be achieved, since particles with a larger range of the initial velocity and with a different energy bandpass can be fed to the analysis, with the maximum particle flow transmission being achieved in the respectively defined range can be.

Ist der Abstand der Sektorelektroden mit zylindrischer Krümmung voneinander größer als der Durchmesser der kreisförmigen öffnun bzw. die Spaltbreite der in Richtung des Strahlengangs gesehenen ersten Blend Projektionslinse, so sind die Störungen der Teilchenbahnen beim Ein- und Austritt aus der Sektorlinse auf ein Minimum gehalten.If the distance of the sector electrodes with a cylindrical curvature from one another is greater than the diameter of the circular opening or the gap width of the first blend projection lens viewed in the direction of the beam path, the disturbances of the particle paths when entering and exiting the sector lens are kept to a minimum.

Weist die Projektionslinse zumindest zwei, vorzugsweise drei Blenden auf, wobei bei zwei Blenden die erste in Richtung des Strahlengangs gesehen und bei drei Blenden die mittlere eine größere öffnung z.B. kreis- oder spaltförmig aufweist als die von ihr elektrisch isolierten benachbarten Blenden, so ist die Transmission dieser Linse höher, wobei mit drei Blenden eine Beeinflussung der Wirkungsweise der Projektionslinse durch die Sektorfeldlinse nicht mehr gegeben sein kann.If the projection lens has at least two, preferably three diaphragms, with two diaphragms the first looking in the direction of the beam path and with three diaphragms the middle opening being larger, e.g. has a circular or slit shape than the adjacent diaphragms that are electrically insulated from it, the transmission of this lens is higher, with three diaphragms no longer being able to influence the mode of operation of the projection lens by the sector field lens.

Wird als Detektor ein Quadrupol eingesetzt, so kann die zu untersuchende Probe besonders leicht auf Erdpotential gehalten werden, wobei keine Einbuße an Energieschärfe bei den nachzuweisenden geladenen Teilchen bedingt wird und die Fokussierung und Positionierung des aus der Primärstrahlquelle austretenden Primärstrahls auf die Probe besonders einfach ist und auch der simultane Nachweis von positiven und negativen Teilchen der von der Probe ausgesandten Sekundärteilchen, z.B. in zwei identen erfindungsgemäßen Anordnungen möglich wird.If a quadrupole is used as the detector, the sample to be examined can be kept particularly easily at ground potential, with no loss of energy sharpness in the charged particles to be detected and the focusing and positioning of the primary beam emerging from the primary beam source on the sample is particularly simple and also the simultaneous detection of positive and negative particles of the secondary particles emitted by the sample, e.g. is possible in two identical arrangements according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Einrichtung, wobei die elektrischen Potentiale der Eintrittsblende und der Austrittsblende, die dasselbe Potential aufweisen, das dem mittleren Potential der elektrostatischen Sektorfeldlinse entspricht, der elektrostatischen Fokussierungslinse und der Sektorfeldlinse in Abhängigkeit von der erwünschten Energie und Energieschärfe des selektierten Korpuskularstrahls gesteuert werden und die Potentiale der Sektorfeldlinse und der Fokussierungslinse proportional der erwünschten Energie des Korpuskularstrahls gehalten werden und die erwünschte Energie und Energieschärfe durch zwei Steuerspannungen, die die Potentiale der Blenden und der Linsen steuern, geregelt werden, besteht im wesentlichen darin, daß das Potential der ersten in Richtung des Strahls gesehenen Blende bei zwei Blenden und der mittleren Blende bei drei Blenden der Projektionslinse auf einen Wert von

Figure imgb0001
wobei Eo der Anfangsenergie der Teilchen im Korpuskularstrahl vor dem Detektor und ΔE dem Energiebandpass entspricht und h3 eine empirische Konstante ist,gehalten wird. Durch eine derartige Vorgangsweise wird erreicht, daß lediglich durch zwei Steuerspannungen sämtliche erwünschten Potentiale eingestellt werden, so daß eine besonders einfache Bedienung der erfindungsgemäßen Einrichtung möglich ist, wobei gleichzeitig eine weitestgehende Automatisierung bei einer besonders kompakten Anordnung durchgeführt werden kann.The method according to the invention for operating the device, wherein the electrical potentials of the entrance aperture and the exit aperture, which have the same potential that corresponds to the mean potential of the electrostatic sector field lens, the electrostatic focusing lens and the sector field lens are controlled as a function of the desired energy and energy sharpness of the selected corpuscular beam and the potentials the sector field lens and the focusing lens are kept proportional to the desired energy of the corpuscular beam and the desired energy and energy sharpness are controlled by two control voltages which control the potentials of the diaphragms and the lenses, essentially consists in that the potential of the first in the direction of the beam seen aperture at two apertures and the middle aperture at three apertures of the projection lens to a value of
Figure imgb0001
 where Eo corresponds to the initial energy of the particles in the corpuscular beam in front of the detector and ΔE corresponds to the energy band pass and h3 is an empirical constant. Such a procedure ensures that all desired potentials are set by only two control voltages, so that particularly simple operation of the device according to the invention is possible, while at the same time the greatest possible automation can be carried out with a particularly compact arrangement.

Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Potential der elektrostatischen Korrekturlinse auf eine Wert von.

Figure imgb0002
wobei Eo die obenangeführte Bedeutung hat und.h4 eine empirische Konstante darstellt, gehalten . Damit kann eine optimale Bündelung des Strahls erreicht werden, wodurch im Detektor ein maximaler Anteil der nachzuweisenden Teilchen erfaßt werden kann.According to a further feature of the method according to the invention, the potential of the electrostatic correction lens is set to a value of.
Figure imgb0002
 where Eo has the meaning given above and. h 4 represents an empirical constant. Optimal bundling of the beam can thus be achieved, as a result of which a maximum proportion of the particles to be detected are detected in the detector can.

Werden die zylindrisch gekrümmten Sektorelektroden der Sektorfeldlinse auf Potentiale, die den Wert

Figure imgb0003
bzw. für die andere Sektorelektrode U- = Eo - h2ΔE entsprechen und das der Korrekturplatten zwischen U+ und U- gehalten, so wird es auch möglich die Steuerung einer Sektorfeldlinse mit zylindrischen Elektroden durchzuführen.The cylindrical curved sector electrodes of the sector field lens are at potentials that have the value
Figure imgb0003
 or for the other sector electrode correspond to U - = Eo - h 2 ΔE and that of the correction plates is kept between U + and U - , it is also possible to control a sector field lens with cylindrical electrodes.

Wird die Quadrupolachse auf ein Potential von Uq = Eo - δ gehalten, wobei Eo die bereits angeführte Bedeutung hat und δeine Konstante des Quadrupols ist, so kann dadurch ein optimaler Nachweis der Sekundärteilchen erreicht werden.If the quadrupole axis is kept at a potential of U q = Eo - δ, where Eo has the meaning already mentioned and δ is a constant of the quadrupole, then an optimal detection of the secondary particles can be achieved.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawings.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ionenmikrosonde und in Fig. 2 ein Blockschaltbild für die Spannungsversorgung der Optik und des Detektors gezeigt.1 shows a schematic illustration of an ion microsensor and FIG. 2 shows a block diagram for the voltage supply of the optics and the detector.

Der in Fig. 1 dargestellte Ionenmikroanalysator weist eine ionenemittierende Einheit 1 auf, die aus einer Ionenquelle, z.B. einem Duoplasmatron , einer Objektivlinse und Ablenkplatten zur Ablenkung des Ionenstrahls auf der Oberfläche der zu untersuchenden Probe 2 gibt, aufgebaut sein kann.The ion microanalyser shown in Fig. 1 has an ion emitting unit 1 which is made up of an ion source, e.g. a duoplasmatron, an objective lens and deflection plates for deflecting the ion beam on the surface of the sample 2 to be examined can be constructed.

Die Richtung des Primärionenstrahls und Sekundärionenstrahls ist durch die Pfeile a und b gezeigt, wobei der genaue Verlauf durch eine strichpunktierte Linie dargestellt ist. Die von der auf Erdpotential befindlichen Probe 2 emittierten Ionen gelangen zu den elektrostatischen Fokussierungslinsen 3 und 4, die als zylindrische Rohre aufgebaut sind und diese fokussieren bevorzugt alle jene Ionen, die die Energie Eo aufweisen auf die Öffnung der austauschbaren Eintrittsblende 5. Nach dieser ist eine Sektorfeldlinse 6 angeordnet, die 2 konzentrische zylindrische Elektroden 7 und 8 und zwei Korrekturplatten 9 und 1o aufweist. Der Abstand der Sektorelektroden mit zylindrischer Krümmung voneinander ist größer als der Durchmesser der kreisförmigen Öffnung der in Richtung des Strahlengangs b gesehenen ersten Blende 12 der Projektionslinse 11. Die Projektionslinse 11 weist drei Blenden 12, 13 und 14 auf, die den aus der Sektorlinse 6 austretenden Ionenstrahl auf die austauschbare Austrittsblende 15 fokussiert. Alle anderen Ionen werden durch die Austrittsblende abgeblendet. Eine Korrekturlinse 16 ist zwischen der austauschbaren Austrittsblende 15 und dem Detektor 17 angeordnet. Der Detektor ist ein Quadrupolmassenspektrometer und analysiert die aus der Austrittsblende 15 und der Korrekturlinse 16 austretenden Ionen entsprechend ihrE Atomgewicht. Bei einer anderen Anordnung könnte z.B. als Detekto: ein Elektronenvervielfacher verwendet werden, wie es z.B. zur Er. zeugung von Materialkontrasten in rasterelektronischen Bildern üblich ist.The direction of the primary ion beam and secondary ion beam is shown by arrows a and b, the exact course being shown by a dash-dotted line. The ions emitted by the sample 2, which is at earth potential, reach the electrostatic focusing lenses 3 and 4, which are constructed as cylindrical tubes, and these preferably focus all those ions which have the energy Eo onto the opening of the exchangeable entrance aperture 5. According to this, there is one Sector field lens 6 is arranged, which has 2 concentric cylindrical electrodes 7 and 8 and two correction plates 9 and 10. The distance between the sector electrodes with a cylindrical curvature is greater than the diameter of the circular opening of the first diaphragm 12 of the projection lens 11 viewed in the direction of the beam path b. The projection lens 11 has three diaphragms 12, 13 and 14 which exit from the sector lens 6 Ion beam focused on the interchangeable exit aperture 15. All other ions are blocked by the exit aperture. A correction lens 16 is arranged between the exchangeable exit aperture 15 and the detector 17. The detector is a quadrupole mass spectrometer and analyzes the ions emerging from the exit aperture 15 and the correction lens 16 in accordance with their E atomic weight. In another arrangement, an electron multiplier could be used as a detector, for example, as used for the Er. generation of material contrasts in raster electronic images is common.

Die Sektorfeldlinse 6 wählt einen scharfen Bereich von Sekundärionen mit einer Energie zwischen Eo -

Figure imgb0004
und Eo +
Figure imgb0005
 aus, wobei üblicherweise eine Anfangsenergie zwischenO eV und 3oo eV und ein Energiebandpass zwischen 1 eV und 5o eV gewählt wird. Soll die Einrichtung besonders kompakt ausgestaltet werden, so tritt der Sekundärionenstrahl aus der Sektorlinse divergierend aus. In der Prpjektionslinse 11 wird sodann aus diesem divergenten Strahlbündel ein konvergentes Strahlenbündel, so daß Ionen zwischen den obenangeführten Energiebereichen durch die öffnung in die Austrittsblende 15 treten können und zum Detektor 17 gelangen. Ionen aller anderen Energien werden von der Austrittsblende 15 zurückgehalten.The sector field lens 6 selects a sharp area from secondary ions with an energy between Eo -
Figure imgb0004
 and Eo +
Figure imgb0005
 , whereby an initial energy between 0 eV and 3oo eV and an energy band pass between 1 eV and 5o eV is usually selected. If the device is to be made particularly compact, the secondary ion beam emerges from the sector lens in a divergent manner. In the projection lens 11, this divergent beam is then converted into a convergent beam, so that ions between the above-mentioned energy areas can pass through the opening into the exit aperture 15 and reach the detector 17. Ions of all other energies are retained by the exit aperture 15.

Für ein Quadrupol ist es für eine maximale Massentrennung erforderlich, daß die eintretenden Ionen innerhalb eines bestimmten Raumwinkelbereiches liegen und daß diese Ionen dasselbe mit einer optimalen im allgemeinen von Eo verschiedenen Energie durchlaufen. Die letztgenannte Energie wird dadurch eingestellt, daß die Quadru- polachse auf ein Potential von Uq = Eo -δgelegt wird.Der für das Quadrupol erwünschte Raumwinkelbereich der eintretenden Ionen stimmt im allgemeinen mit dem Raumwinkelbereich der aus der Austrittsblende 15 austretenden Ionen nicht überein. Die erforderliche Raumwinkelkorrektur wird durch ein Potential, das proportional Eo ist erreicht.For a quadrupole, for maximum mass separation it is necessary that the incoming ions lie within a certain solid angle range and that these ions pass through the same with an optimal energy which is generally different from Eo. The latter energy is adjusted by placing the quadr u - pole axis at a potential of U q = Eo-δ. The solid angle range of the incoming ions desired for the quadrupole generally does not match the solid angle range of the ions exiting from the exit aperture 15. The required solid angle correction is achieved by a potential that is proportional to Eo.

Das in Fig. 2 dargestellte schematische Blockschaltbild zeigt.die Steuerung der verschiedenen Potentiale für Linsen und Blenden.The schematic block diagram shown in Fig. 2 shows the control of the various potentials for lenses and diaphragms.

A, B und C sind variable Spannungsquellen, die umpolbar sind und in welchen Eo,ΔE sowie die Apparatkonstante δfür das Quadrupol eingestellt werden können. Die Spannungsversorgung der Fokussierungslinsen 3 und 4 erfolgt über die Verstärkereinheiten V1 und V2, wobei über die Potentiometer P1 und P2 die Verstärker so eingestellt werden können, daß die Potentiale der Fokussierungslinsen 3 und 4 gemäß der Gleichungen 1 und 2 einstellbar sind.

Figure imgb0006
Figure imgb0007
 A, B and C are variable voltage sources that can be reversed and in which Eo, ΔE and the apparatus constant δ for the quadrupole can be set. The power supply of the focusing lenses 3 and 4 takes place via the amplifier units V 1 and V 2 , and the amplifiers can be adjusted via the potentiometers P 1 and P 2 so that the potentials of the focusing lenses 3 and 4 can be set according to equations 1 and 2.
Figure imgb0006
Figure imgb0007

Die Konstanten k1 und k2 werden so gewählt, daß der maximale Strom der Sekundärionen von der Probe 2 in den Detektor gelangt. Sind diese Konstanten einmal bestimmt, so behalten sie für sämtliche Werte von Eo ihre Gültigkeit.The constants k 1 and k 2 are chosen so that the maximum current of the secondary ions from sample 2 reaches the detector. Once these constants have been determined, they remain valid for all values of Eo.

Die Sektorfeldlinse weist eine dreifache Versorgung mit Spannun auf, wobei die Spannung jeweils von Eo undΔE abhängig ist. Die Verstärkereinheiten V3 und V5 versorgen jeweils die zylindrisch gekrümmten Sektorelektroden, wobei die Verstärker und die Potentiometer P3 und P5 so eingestellt werden, daß die Spannung f die Sektorfeldelektroden wie folgt eingehalten werden kann.

Figure imgb0008
Figure imgb0009
wobei h1 und h2 empirische Konstanten sind, die so gewählt wer müssen, daß bei gewählter Energie und Energieschärfe ein Maximum der entsprechenden Ionen in den Detektor gelangen.The sector field lens has a triple supply of voltage, the voltage depending on Eo and ΔE. The amplifier units V 3 and V 5 each supply the cylindrically curved sector electrodes, the amplifiers and the potentiometers P 3 and P 5 being set such that the voltage f for the sector field electrodes can be maintained as follows.
Figure imgb0008
Figure imgb0009
 where h 1 and h 2 are empirical constants chosen in this way must that a maximum of the corresponding ions get into the detector with selected energy and energy sharpness.

Das Potential der Korrekturplatten 9 und 1o der Sektorfeldlinse wird über die Verstärkereinheit V4 und Potentiometer P4 so gesteuert, daßes zwischen U+ und U- liegt. Das Potential wird genau so gewählt, daß insbesondere eine Bündelung des Ionenstrahls in der zur Zeichnung gehenden senkrechten Richtung erreicht wird.The potential of the correction plates 9 and 10 of the sector field lens is controlled via the amplifier unit V 4 and potentiometer P 4 so that it lies between U + and U - . The potential is chosen exactly so that in particular a bundling of the ion beam is achieved in the vertical direction going to the drawing.

Ist die Sektorfeldlinse unsymmetrisch gebaut, so weisen die Korrekturplatten ein unterschiedliches Potential auf.If the sector field lens is built asymmetrically, the correction plates have a different potential.

Das Potential der mittleren Blende 13 der Projektionslinse 11 wird über die Verstärkereinheit V6 und Potentiometer P6 so geregelt, daß eine Spannung von UP gemäß Gleichung 5 eingehalten wird.

Figure imgb0010
wobei h3 eine empirisch zu bestimmende Konstante ist, die so gewählt werden muß., daß die Projektionslinse den aus der Sektorlinse austretenden Ionenstrahl auf die Austrittsblende fokussierThe potential of the central diaphragm 13 of the projection lens 11 is regulated via the amplifier unit V 6 and potentiometer P 6 so that a voltage of U P according to equation 5 is maintained.
Figure imgb0010
 where h 3 is an empirically determined constant which must be chosen so that the projection lens focuses the ion beam emerging from the sector lens onto the exit aperture

Durch die Verstärkereinheit V7 und Potentiometer P7 wird die Spannungsversorgung der Eintritts- und Austrittsblende durchgeführt. Die Regelung erfolgt so, daß ein Potential von UB eingehalten wird, wobei UB genau zwischen U+ und U zu liegen hat.The power supply to the inlet and outlet diaphragm is carried out by the amplifier unit V 7 and potentiometer P 7 . The regulation takes place in such a way that a potential of U B is maintained, U B having to lie exactly between U + and U.

Die Spannungsversorgung der Korrekturlinse erfolgt ebenfalls über eine Verstärkereinheit, und zwar V8 und Potentiometer P8, wobei eine Spannung von UK, gemäß nachfolgender Gleichung eingehalten ist.

Figure imgb0011
wobei h4 eine empirische Konstante ist, die so gewählt werden muß, daß für einen gegebenen Detektor der entsprechend günstigste Raumwinkel für den Ionenstrahl erreicht wird. Dieser Raumwinkel ist von Detektor zu Detektor unterschiedlich und muß ebenfalls empirisch bestimmt werden.The correction lens is also supplied with voltage via an amplifier unit, namely V 8 and potentiometer P 8 , a voltage of U K being maintained according to the following equation.
Figure imgb0011
 where h 4 is an empirical constant which must be selected so that the most favorable solid angle for the ion beam is achieved for a given detector. This solid angle differs from detector to detector and must also be determined empirically.

Die Spannungsversorgung des Quadrupols erfolgt über Verstärkereinheit V9 und Potentiometer P9 so, daß die Quadrupolachse folgende Spannung erhält.

Figure imgb0012
wobei δ eine Konstante des Quadrupols darstellt, die empirisch bestimmt werden muß, wobei δ so gewählt werden muß, daß für eine gewünschte Energie Eo und Energiebreite Δ E eine maximale Massenauflösung des Quadrupols gegeben ist.The quadrupole is supplied with voltage via amplifier unit V 9 and potentiometer P 9 so that the quadrupole axis receives the following voltage.
Figure imgb0012
 where δ represents a constant of the quadrupole, which has to be determined empirically, where δ has to be chosen such that a maximum mass resolution of the quadrupole is given for a desired energy Eo and energy width ΔE.

Die angeführten Konstanten sind, wenn einmal bestimmt, für alle Werte von Eo und Δ E gültig.The constants listed, once determined, are valid for all values of Eo and ΔE.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Fokussierung und zur Analyse eines geladenen Korpuskularstrahls, insbesondere eines Sekundärionenstrahls, wobei in Richtung des Strahlengangs zumindest eine, gegebenenfalls zwei, elektrostatische Fokussierungslinsen, eine Eintrittsblende, eine elektrostatische Sektorfeldlinse und eine Austrittsblende und ein Detektor angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Sektorfeldlinse (6) eine elektrostatische Projektionslinse (11) mit zumindest zwei, vorzugsweise drei Blenden, deren Öffnungen auf einer Achse liegen, eine Austrittsblende (15) und eine elektrostatische Korrekturlinse (16), sowie der Detektor (17) angeordnet sind.1. A device for focusing and analyzing a charged corpuscular beam, in particular a secondary ion beam, wherein at least one, optionally two, electrostatic focusing lenses, an entrance aperture, an electrostatic sector field lens and an exit aperture and a detector are arranged in the direction of the beam path, characterized in that after the sector field lens (6) has an electrostatic projection lens (11) with at least two, preferably three diaphragms, the openings of which lie on one axis, an exit diaphragm (15) and an electrostatic correction lens (16), and the detector (17). 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektorfeldlinse(6) eine stigmatisch fokussierende Sektorfeldlinse ist, die konzentrische negativ bzw. positiv polarisierbare Sektorelektroden (7,8) mit zylindrischer Krümmung und zwei Korrekturplatten (9, 10) aufweist.2. Device according to claim 1, characterized in that the sector field lens (6) is a stigmatically focusing sector field lens which has concentric negative or positive polarizable sector electrodes (7,8) with a cylindrical curvature and two correction plates (9, 1 0 ). 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts-(5) und Austrittsblende (15) auswechselbar angeordnet sind.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the inlet (5) and outlet aperture (15) are arranged interchangeably. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Sektorelektroden (7, 8) mit zylindrischer Krümmung voneinander größer ist als der Durchmesser der kreisförmigen öffnung bzw. der Spaltbreite der in Richtung des Strahlengangs gesehenen ersten Blende (12)der Projektionslinse (11).4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the distance of the sector electrodes (7, 8) with a cylindrical curvature from one another is greater than the diameter of the circular opening or the gap width of the first diaphragm (12) seen in the direction of the beam path ) of the projection lens (11). 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Projektionslinse (11) die zumindest zwei, vorzugsweise drei Blenden aufweist, bei zwei Blenden die erste in Richtung des Strahlenganges gesehen und bei drei Blenden die mittlere (13) eine größere öffnung aufweist als die von ihr elektrisch isolierten benachbarten Blenden (12, 14).5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the projection lens (11) has at least two, preferably three diaphragms, the first seen in the direction of the beam path at two diaphragms and the middle (13) one at three diaphragms has a larger opening than the adjacent diaphragms (12, 14) electrically insulated from it. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (17) ein Quadrupolspektrometer ist6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the detector (17) is a quadrupole spectrometer 7. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die elektrischen Potentiale der Eintrittsblende, der Austrittsblende, die dasselbe Potential aufweisen, das dem mittleren Potential der elektrostatischen Sektorfeldlinse entspricht, der elektrostatischen Fokussierungslinsen und der Sektorfeldlinse in Abhängigkeit von der erwünschten Energie und Energieschärfe des selektierten Korpuskularstrahls gesteuert werden, wobei die Potentiale der Sektorfeldlinse und der Fokussierungslinse proportional der erwünschten Energie des Korpuskularstrahls gehalten werden und die erwünschte Energie und Energieschärfe durch zwei Steuerspannungen, die die Potentiale der Blenden und der Linsen steuern, geregelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der ersten in Richtung des Strahls gesehenen Blende bei zwei Blenden und der mittleren Blende bei drei Blenden der Projektionslinse auf einen Wert von UP = Eo - h3 ΔE, wobei E die Anfangsenergie der Teilchen im Korpuskularstrahl vor der Einrichtung undΔE dem Energiebandpass entspricht und h3 eine empirische Konstante ist, gehalten wird.7. A method of operating the device according to one of claims 1 to 6, wherein the electrical potentials of the entrance aperture, the exit aperture, which have the same potential that corresponds to the mean potential of the electrostatic sector field lens, the electrostatic focusing lens and the sector field lens depending on the desired The energy and energy sharpness of the selected corpuscular beam are controlled, the potentials of the sector field lens and the focusing lens being kept proportional to the desired energy of the corpuscular beam and the desired energy and energy sharpness being regulated by two control voltages which control the potentials of the diaphragms and the lenses that the potential of the first aperture seen in the direction of the beam with two apertures and the middle aperture with three apertures of the projection lens to a value of U P = Eo - h 3 ΔE, where E is the initial energy of the particles in the body lar beam before installation and ΔE corresponds to the energy band pass and h 3 is an empirical constant is maintained. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Po- 'tential der elektrostatischen Korrekturlinse auf einen Wert von Uk = h4 . Eo , wobei Eo der Anfangsenergie der Teilchen entspricht und h4 eine empirische Konstante darstellt, gehalten wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the potential of the electrostatic correction lens to a value of U k = h 4th Eo, where Eo corresponds to the initial energy of the particles and h 4 represents an empirical constant. 9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrisch gekrümmten'Sektorelektroden der Sektorfeldlinse auf Potentiale gehalten werden, das den Werten U+ = Eo + h1 . ΔE bzw für die andere Sektorelektrode U- = Eo - h2 ΔE entspricht, wobei Eo und Δ E die in Anspruch 7 angeführte Bedeutung haben und h1 und h 2 empirische Konstanten darstellen und das Potential der Korrekturplatten zwischen U+ und U_ gehalten wird.9. The method according to claim 7 and 8, characterized in that the cylindrically curved ' sector electrodes of the sector field lens are kept at potentials which have the values U + = Eo + h 1 . Corresponds to ΔE or for the other sector electrode U- = Eo - h 2 ΔE, where Eo and Δ E have the meaning given in claim 7 and h 1 and h 2 represent empirical constants and the potential of the correction plates is kept between U + and U_. 10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgung des Quadrupolspektrometers so erfolgt, daß die Quadrupolachse ein Potential von Uq = Eo -δ, wobei Eo die in Anspruch 7 angeführte Bedeutung hat und δ eine Konstante des Quadrupolspektrometers ist, gehalten wird.1 0 . Method according to Claim 7, 8 or 9, characterized in that the voltage supply to the quadrupole spectrometer is such that the quadrupole axis has a potential of U q = Eo -δ, Eo having the meaning given in Claim 7 and δ being a constant of the quadrupole spectrometer, is held.
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