EP0004065B1 - Einrichtung zur Fokussierung und Analyse eines geladenen Korpuskularstrahls - Google Patents

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EP0004065B1
EP0004065B1 EP19790100669 EP79100669A EP0004065B1 EP 0004065 B1 EP0004065 B1 EP 0004065B1 EP 19790100669 EP19790100669 EP 19790100669 EP 79100669 A EP79100669 A EP 79100669A EP 0004065 B1 EP0004065 B1 EP 0004065B1
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EP
European Patent Office
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potential
lens
diaphragm
fact
detector
Prior art date
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EP19790100669
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English (en)
French (fr)
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EP0004065A3 (en
EP0004065A2 (de
Inventor
Friedrich Prof.Dr. Rüdenauer
Wolfgang Dr. Steiger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oesterreichisches Forschungszentrum Seibersdorf GmbH
Original Assignee
Oesterreichisches Forschungszentrum Seibersdorf GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Publication of EP0004065A3 publication Critical patent/EP0004065A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/067—Ion lenses, apertures, skimmers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/022—Circuit arrangements, e.g. for generating deviation currents or voltages ; Components associated with high voltage supply
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/44—Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers
    • 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, the electrical potentials of the electron or ion-optical components being controlled as a function of the desired mean energy and the energy bandwidth of the corpuscular beam to be selected.
  • An ion energy spectrometer has already become known - FR-A-2 317 650 - in which the ion beam passes through an electrostatic focusing lens, an entrance aperture, a sector field lens with cylindrical sector electrodes, an exit aperture and a correction lens and is then fed to a detector.
  • a similar ion energy spectrometer is described by Wieseman et al. (Journal of Applied Physics Vo. 48/7 July 1977), in which, however, no correction lens is arranged between the outlet aperture and the detector.
  • the invention has set itself the goal of a device for focusing and analyzing a charged corpuscular beam, in which, after the device has been adjusted, the average energy E o or this energy bandwidth AE of the particles to be analyzed is set by setting only two potentials which components with greater manufacturing tolerances than those permitted by the prior art are used and in which a simpler construction compared to the prior art with a shorter construction length is achieved by focusing at deflection angles which are smaller than in the prior art.
  • the device according to the invention for focusing and analyzing a charged corpuscular beam in particular a secondary ion beam, one or two electrostatic focusing lenses, an entrance aperture, an electrostatic sector field lens, an exit aperture, a correction lens and a detector being arranged in the direction of the beam path, are characterized in that In the beam path of the charged corpuscular beam to be analyzed, an electrostatic projection lens with at least two, preferably three, electrically polarizable diaphragms with openings lying on one axis are arranged between the sector field lens and the exit diaphragm.
  • a sector field lens with a projection lens with the small deflection angle in the sector field lens achieves the same good analysis results as can be achieved with sector field lenses without projection lenses only with a large deflection angle. In this way, the construction length is reduced and the geometric shape is improved, so that the disadvantages of the devices corresponding to the prior art using sector field lenses with a large deflection angle are avoided.
  • a stigmatically focussing sector field lens can be used as the sector field lens, which is formed from negative or positively polarizable concentric sector electrodes, consisting of cylinder jacket sections, and from the space between which laterally covering two correction plates.
  • the arrangement of such a lens makes it particularly easy to correct geometric manufacturing inaccuracies of the system by adapting the potential of the correction plates, and at the same time the cylinder shape of the electrodes enables particularly simple manufacture of the device according to the invention.
  • both the inlet and outlet diaphragms 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 speed and with different energy bandwidths can be fed to the analysis, with the maximum particle flow transmission can be achieved.
  • the disturbances of the particle paths when entering and exiting the sector lens are kept to a minimum . If the first lens seen in the direction of the beam path in a projection lens with two diaphragms and the middle aperture in a projection lens with three diaphragms has a larger opening (e.g.
  • the transmission of this lens is higher than with an opening of the same size or smaller, with three diaphragms no longer having an influence on the mode of operation of the projection lens by the sector field lens.
  • the sample to be examined can be kept particularly easily at earth potential, with no loss of energy bandwidth 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 principle of the voltage supply for the operation of the device according to the invention is that the selection of the corpuscular beam to be masked by the device for the analysis with particles of energy Eö Z E is made by setting only two variable potentials A and B of the voltage supply.
  • All of the electrode potentials required for the operation of the device are derived from these two potentials A and B by means of operational amplifiers assigned, possibly summing, the device-specific potential adaptations which can be calculated approximately from the geometry of the electron- or ion-optical components by means of potentiometers so that the registered particle flow becomes a maximum in each case.
  • This potential adjustment is independent of the particle energy, so that after the adjustment has taken place, the desired energy E o and the desired energy bandwidth ⁇ E of the corpuscular beam to be masked out for the analysis are selected by the potential A without further adjustment.
  • the potential values correspond to those potentials that are required to accelerate an electron to the desired energy E. or AE.
  • the potential required for adjusting the potential of the detector or, in the case of a quadrupole mass spectrometer, the potential required for adjusting the potential of the quadrupole mass spectrometer axis is derived from the potential A and a third potential C by means of a summing operational amplifier, the device-specific potential adjustment being carried out in such a way that that the mass resolution of the quadrupole is an optimum.
  • This adaptation also takes place independently of the particle energy.
  • FIG. 1 shows, for example, a schematic representation of an ion microsensor and FIG. 2 shows, for example, a block diagram for the voltage supply to the device and the detector.
  • the ion microanalyser shown in Fig. 1 has an ion emitting unit 1 which is made from an ion source, e.g. a duoplasmatron, an objective lens and deflection plates for deflecting the ion beam can be constructed on the surface of the sample 2 to be examined.
  • an ion source e.g. a duoplasmatron
  • an objective lens and deflection plates for deflecting the ion beam can be constructed on the surface of the sample 2 to be examined.
  • 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.
  • a sector 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 seen 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 according to their atomic weight.
  • an electron multiplier can be used as a detector, e.g. for generating material contrasts in scanning electron microscope images is common.
  • the sector field lens 6 selects a sharp range of secondary ions with an energy between E o - ⁇ E 2 and E o + ⁇ E 2, an initial energy between 0 eV and 30 eV and an energy bandwidth between 1 eV and 50 eV usually being selected. If the device is to be made particularly compact, the secondary ion beam emerges from the sector lens in a divergent manner. A convergent beam is then formed in the projection lens 11 from this divergent beam such that ions in the energy range mentioned above 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.
  • 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 E o , AE and the adaptation to the quadrupole can be set.
  • the Power is supplied to the focusing lenses 3 and 4 via the amplifier units V 1 and V 2 , the amplifiers being able to be set via the potentiometers P 1 and P 2 so that the potentials of the focusing lenses 3 and 4 can be set in accordance with equations 1 and 2.
  • the constants k l and k 2 are chosen such 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 E o .
  • the sector field lens has a triple supply of voltage, the voltage depending on E o 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 potentials for the sector field electrodes are as follows: where k 3 and k 5 are empirical constants that must be selected so that a maximum of the corresponding ions reach the detector at the selected energy and energy bandwidth.
  • the potential of the correction plates 9 and 10 of the sector field lens is controlled via the amplifier unit V 4 and the potentiometer P 4 so that it lies between U 3 and U 5 .
  • the potential is chosen exactly so that in particular the ion beam is focused in the direction perpendicular to the plane of the drawing.
  • the potential of the central diaphragm 13 of the projection lens 11 is regulated via the amplifier unit V 6 and the potentiometer P 6 in such a way that a potential U 6 according to equation 5 is maintained.
  • k 6 is an empirically determined constant that must be selected 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 the potentiometer P 7 .
  • the regulation takes place in such a way that a potential U 7 is maintained, U 7 having to lie between U 3 and U 5 .
  • the correction lens is also supplied with voltage via an amplifier unit, specifically V 8 and potentiometer P e , a potential U 8 being maintained according to the following equation.
  • V 8 is an empirical constant that must be chosen 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 the amplifier unit V 9 and the potentiometer P 9 in such a way that the quadrupole axis receives the following voltage.
  • kg represents an empirical constant of the quadrupole, which must be chosen such that a maximum mass resolution of the quadrupole is given for a desired energy E o and energy bandwidth ⁇ E.

Landscapes

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

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Fokussierung und zur Analyse eines geladenen Korpuskularstrahls, insbesondere eines Sekundärionenstrahls, wobei die elektrischen Potentiale der elektronen- bzw. ionenoptischen Komponenten in Abhängigkeit von der erwünschten mittleren Energie und der Energiebandbreite des zu selektierenden Korpuskularstrahls gesteuert werden.
  • Es ist bereits ein lonenenergiespektrometer bekannt geworden - FR-A-2 317 650 -, bei dem der lonenstrahl eine elektrostatische Fokussierungslinse, eine Eintrittsblende, eine Sektorfeldlinse mit zylindrischen Sektorelektroden, eine Austrittsblende und eine Korrekturlinse durchläuft und darauf einem Detektor zugeführt wird. Ein ähnliches lonenenergiespektrometer ist von Wieseman et al. (Journal of Applied Physics Vo. 48/7 Juli 1977) bekannt, in welchem jedoch keine Korrekturlinse zwischen Austrittsblende und Detektor angeordnet ist.
  • Im prinzipiellen Aufbau gleiche, jedoch als Elektronenenergiespektrometer ausgebildete Anlagen werden von D. Andrick et al. (Zeitschrift für Physik, Vol. 214, 1968 und M. Eyb und H. Hofman (Journal of Physics Vol. 8, No. 7 1975) beschrieben, in denen jedoch an Stelle einer Sektorfeldlinse zur Erreichung eines besseren Energieauflösungsvermögens zwei Sektorfeldlinsen hintereinander angeordnet sind.
  • Weiters sind ähnliche Anlagen mit Sektorfeldlinsen mit kugelförmigen Sektorelektroden bekannt.
  • Derartige Anordnungen bedingen jedoch einen relativ grossen Platzaufwand, da die erforderliche Fokussierungswirkung der in dieser Anordnung verwendeten Sektorfeldlinsen nur bei grossem Ablenkwinkel (z.B. 90°) erzielt wird.
  • Durch den erforderlichen grossen Ablenkwinkel und die relativ grosse Baulänge resultieren in der Praxis mehrfache Nachteile, wie:
    • - erschwerter Einbau in bereits bestehende Anlagen bzw. erhöhter konstruktiver Aufwand auch bei Neukonstruktionen,
    • - grössere Anforderungen an die UH-Vakuumanlage in Hinblick auf Pumpensaugleistung, Verbindungsflanschgrössen, etc.,
    • - Verschlechterung der Bedingungen für die Erzielung bzw. Aufrechterhaltung des UH-Vakuums aufgrund der Vergrösserung der inneren Oberfläche des Rezipienten,
    • - Erschwerung des oft erforderlichen Ausbaues der Anlage mit Zusätzen, wie optische Beobachtungseinrichtungen, lonenstrahlätzvorrichtung, beweglicher Probentisch, Probenmanipulationseinrichtungen, Heizvorrichtung für Proben, u.s.w.
  • Es sind Einrichtungen bekannt geworden, bei welchen über zwei Einstellgrössen, die der erwünschten mittleren Energie der Elektronen und deren Energiebandbreite entsprechen, eine Steuerung der Potentiale sowohl der elektrostatischen Linsen als auch der Ein- und Austrittsblende erfolgt, so dass in den Detektor lediglich Elektronen mit bestimmter mittlerer Energie und Energiebandbreite eintreten. Der Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass die energiemässige Selektierung über eine kugelkalottenförmige Sektorfeldlinse erfolgt, die besonders hohe Ansprüche an die Fertigungsgenauigkeit stellt. Wird diese nicht eingehalten, so kann die für die gewünschte hohe Energieauflösung des Analysators erforderliche Fokussierung durch Potentialveränderungen alleine nicht erreicht werden, sondern es müssen auch Nachjustierungen der gesamten Anordnung durchgeführt werden.
  • Bei Verwendung von Sektorfeldlinsen mit zylindrischen Sektorelektroden, welche mechanisch mit grosser Genauigkeit gefestigt werden können, werden zu ihrer genauen Funktion zusätzlich zwei seitlich angebrachte Korrekturplatten benötigt, die ebenfalls, so wie die zylindrischen Elektroden polarisiert werden müssen, so dass eine weitere Spannungsversorgung erforderlich ist. Weitere Spannungsversorgungen werden auch dann erforderlich, wenn zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Anlage eine Korrekturlinse vor dem Detektor angeordnet ist und die Detektorachse auf ein geeignetes Potential gebracht wird.
  • Die Erfindung hat sich eine Einrichtung zur Fokussierung und zur Analyse eines geladenen Korpuskularstrahls zum Ziel gesetzt, bei welcher nach erfolgtem Einjustieren der Einrichtung das Einstellen der mittleren Energie Eo bzw. dieser Energiebandbreite AE der zu analysierenden Teilchen durch Einstellen von nur zwei Potentialen erfolgt, bei welcher Bauteile mit grösseren Fertigungstoleranzen als nach dem Stand der Technik zulässig Verwendung finden und bei welcher eine gegenüber dem Stand der Technik einfachere Konstruktion mit kürzerer Konstruktionslänge durch Fokussierung bei gegenüber dem Stand der Technik kleineren Ablenkwinkeln erzielt wird.
  • Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Fokussierung und zur Analyse eines geladenen Korpuskularstrahls, insbesondere eines Sekundärionenstrahls, wobei in Richtung des Strahlengangs eine, oder zwei elektrostatische Fokussierungslinsen eine Eintrittsblende, eine elektrostatische Sektorfeldlinse, eine Austrittsblende, eine Korrekturlinse und ein Detektor angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des zu analysierenden geladenen Korpuskularstrahls zwischen der Sektorfeldlinse und der Austrittsblende eine elektrostatische Projektionslinse mit zumindest zwei, vorzugsweise drei elektrisch polarisierbaren Blenden mit auf einer Achse liegenden Öffnungen angeordnet sind.
  • Durch diese erfindungsgemässe Kombination einer Sektorfeldlinse mit einer Projektionslinse werden bei kleinem Ablenkwinkel in der Sektorfeldlinse gleich gute Analysenergebnisse erzielt, wie sie mit Sektorfeldlinsen ohne Projektionslinsen nur bei grossem Ablenkwinkel erzielt werden. Hiedurch wird die Konstruktionslänge verringert und die geometrische Form verbessert, so dass die Nachteile der dem Stand der Technik entsprechenden Geräte mit Verwendung von Sektorfeldlinsen mit grossem Ablenkwinkel vermieden werden.
  • Zur weiteren Ausbildung der Erfindung kann als Sektorfeldlinse eine stigmatisch fokussierende Sektorfeldlinse verwendet werden, die aus negativ bzw. positiv polarisierbaren konzentrischen Sektorelektroden, bestehend aus Zylindermantelabschnitten, und aus deren Zwischenraum seitlich abdeckenden zwei Korrekturplatten gebildet ist. Durch die Anordnung einer derartigen Linse können geometrische Fertigungs-Ungenauigkeiten des Systems durch Anpassung des Potentials der Korrekturplatten besonders leicht korrigiert werden, wobei gleichzeitig durch die Zylinderform der Elektroden eine besonders einfache Herstellung der erfindungsgemässen Einrichtung ermöglicht wird.
  • Sind sowohl die Eintritts- als auch die 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 verschiedener Energiebandbreite der Analyse zugeführt werden können, wobei in den jeweils festgelegten Bereich die maximale Teilchenstromtransmission erreicht werden kann.
  • Ist der Abstand der Sektorelektroden mit zylindrischer Krümmung voneinander grösser als der Durchmesser der kreisförmigen Öffnung bzw. als die Spaltbreite der in Richtung des Strahlengangs gesehenen ersten Blende der Projektionslinse, so sind die Störungen der Teilchenbahnen beim Ein- und Austritt aus der Sektorlinse auf ein Minimum gehalten. Weist bei einer Projektionslinse mit zwei Blenden die erste in Richtung des Strahlengangs gesehene und bei einer Projektionslinse mit drei Blenden die mittlere eine grössere Öffnung (z.B. kreis- oder spaltförmig) auf als die von ihr elektrisch isolierten benachbarten Blenden, so ist die Transmission dieser Linse höher als bei gleichgrossen oder kleinerer Öffnung, wobei bei drei Blenden eine Beeinflussung der Wirkungsweise der Projektionslinse durch die Sektorfeldlinse nicht mehr gegeben ist.
  • Wird als Detektor ein Quadrupolmassenspektrometer eingesetzt, so kann die zu untersuchende Probe besonders leicht auf Erdpotential gehalten werden, wobei keine Einbusse an Energiebandbreite bei den nachzuweisenden geladenen Teilchen resultiert 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 gleichen erfindungsgemässen Anordnungen möglich wird.
  • Das Prinzip der Spannungsversorgung für den Betrieb der erfindungsgemässen Einrichtung besteht darin, dass die Auswahl des jeweils durch die Einrichtung für die Analyse auszublendenden Korpuskularstrahls mit Teilchen der Energie Eö ZE durch die Einstellung von nur zwei variablen Potentialen A und B der Spannungsversorgung erfolgt.
  • Sämtliche für den Betrieb der Einrichtung erforderliche Elektrodenpotentiale werden aus diesen beiden Potentialen A und B mittels den Elektroden zugeordneter, gegebenenfalls summierender Operationsverstärker abgeleitet, wobei die gerätespezifischen, nährungsweise aus der Geometrie der elektronen- bzw. ionenoptischen Komponenten berechenbaren Potentialanpassungen durch Potentiometer so erfolgt, dass der registrierte Teilchenstrom jeweils ein Maximum wird. Diese Potentialanpassung ist von der Teilchenenergie unabhängig, so dass nach erfolgter Anpassung ohne weiteres Nachjustieren durch das Potential A die jeweils gewünschte Energie Eo, und durch das Potential B die gewünschte Energiebandbreite ΔE des für die Analyse auszublendenden Korpuskularstrahles ausgewählt wird. Die Potentialwerte entsprechen hiebei jenen Potentialen, die erforderlich sind, um ein Elektron auf die gewünschte Energie E. bzw. AE zu beschleunigen. In gleicher Weise wird das für die Anpassung des Potentials des Detektors bzw. im Falle eines Quadrupolmassenspektrometers das für die Anpassung des Potentials der Quadrupolmassenspektrometerachse notwendige Potential aus dem Potential A und einem dritten Potential C mittels eines summierenden Operationsverstärkers abgeleitet, wobei die gerätespezifische Potentialanpassung so erfolgt, dass die Massenauflösung des Quadrupols ein Optimum beträgt. Auch diese Anpassung erfolgt unabhängig von der Teilchenenergie.
  • Im einzelnen werden die Elektrodenpotentiale aus dem Potential A, bzw. aus dem Potential B mittels Operationsverstärker und der Rückkoppelungspotentiometer nach folgenden Bedingungen eingestellt, wobei durch Justieren des jeweiligen Potentiometers die von der Teilchenenergie und Energiebandbreite unabhängigen Gerätekonstanten k; so eingeteilt wird, dass der zur Analyse ausgewählte Teilchenstrom ein Maximum wird:
    • - Die Potentiale der gegebenenfalls zwei Fokussierungslinsen (3, 4) werden so eingestellt, dass gilt:
      Figure imgb0001
    • - Die Potentiale der Elektroden der Sektorfeldlinse (6) werden so eingestellt, dass für die Potentiale der beiden Sektorelektroden (7, 8) gilt:
      Figure imgb0002
       und dass für das gemeinsame Potential der beiden Korrekturplatten (9, 10) gilt:
      Figure imgb0003
    • - Das Potential der grösseren Blende (13) der Projektionslinse (11) so eingestellt, dass gilt:
      Figure imgb0004
      und das gemeinsame Potential der gegebenenfalls zwei anderen Blenden (12, 14) der Projektionslinse wird so eingestellt, dass gilt:
      Figure imgb0005
      Die Eintrittsblende (5) und die Austrittsblende (15) befinden sich auf dem gleichen Potential (U7).
    • - Wird eine Korrekturlinse verwendet, so wird deren Potential so eingestellt, dass gilt:
      Figure imgb0006
    • - Wird ein Quadrupolmassenspektrometer als Detektor verwendet, wird das Potential der Achse des Quadrupolmassenspektrometers so eingestellt, dass gilt:
      Figure imgb0007
  • Sämtliche Konstanten in obigen Bedingungen sind aus der Geometrie der Komponenten nährungsweise berechenbar, werden jedoch bedingt durch Fertigungstoleranzen und Berechnungsungenauigkeiten nur nährungsweise eingestellt und anschliessend mittels der Potentiometer P1 bis Pg so einjustiert, dass für jede der Konstanten der selektierte Korpuskularstrahl bzw. das Masseauflösungsvermögen des Quadrupols ein Maximum wird. Die Konstanten sind nur geräteabhängig, nicht jedoch Teilchenenergie-abhängig.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand des nichteinzuschränkenden Beispiels eines lonenmikroanalysators näher erläutert.
  • In Fig. 1 ist beispielsweise eine schematische Darstellung einer lonenmikrosonde und in Fig. 2 beispielsweise ein Blockschaltbild für die Spannungsversorgung der Einrichtung und des Detektors gezeigt.
  • Der in Fig. 1 dargestellte lonenmikroanalysator weist eine ionenemittierende Einheit 1 auf, die aus einer lonenquelle, z.B. einem Duoplasmatron, einer Objektivlinse und Ablenkplatten zur Ablenkung des lonenstrahls auf der Oberfläche der zu untersuchenden Probe 2 aufgebaut sein kann.
  • 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; diese fokussieren bevorzugt alle jene lonen, die eine bestimmte Energie Eo aufweisen, auf die Öffnung der austauschbaren Eintrittsblende 5. Nach dieser ist eine Sektorlinse 6 angeordnet, die 2 konzentrische zylindrische Elektroden 7 und 8 und zwei Korrekturplatten 9 und 10 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 lonenstrahl 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 ihrem Atomgewicht.
  • Bei einer anderen Anordnung könnte z.B. als Detektor ein Elektronenvervielfacher verwendet werden, wie es z.B. zur Erzeugung von Materialkontrasten in rasterelektronenmikroskopischen Bildern üblich ist.
  • Die Sektorfeldlinse 6 wählt einen scharfen Bereich von Sekundärionen mit einer Energie zwischen Eo- ΔE 2 und Eo+ ΔE 2 aus, wobei üblicherweise eine Anfangsenergie zwischen 0 eV und 30 eV und eine Energiebandbreite zwischen 1 eV und 50 eV gewählt wird. Soll die Einrichtung besonders kompakt ausgestaltet werden, so tritt der Sekundärionenstrahl aus der Sektorlinse divergierend aus. In der Projektionslinse 11 wird sodann aus diesem divergenten Strahlbündel ein konvergentes Strahlenbündel so gebildet, dass Ionen im oben angeführten Energiebereich durch die Öffnung in die Austrittsblende 15 treten können und zum Detektor 17 gelangen. Ionen aller anderen Energien werden von der Austrittsblende 15 zurückgehalten.
  • 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 Quadrupolachse auf ein Potential Ug = A+k9 x B gelegt 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.
  • Das in Fig. 2 dargestellte schematische Blockschaltbild zeigt die Steuerung der verschiedenen Potentiale für Linsen und Blenden. A, B und C sind variable Spannungsquellen, die umpolbar sind und in welchen Eo, AE sowie die Anpassung an 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 imgb0008
    Figure imgb0009
  • Die Konstanten kl 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.
  • Die Sektorfeldlinse weist eine dreifache Versorgung mit Spannung auf, wobei die Spannung jeweils von Eo und ΔE 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 Potentiale für die Sektorfeldelektroden wie folgt betragen:
    Figure imgb0010
    Figure imgb0011
    wobei k3 und k5 empirische Konstanten sind, die so gewählt werden müssen, dass bei gewählter Energie und Energiebandbreite ein Maximum der entsprechenden Ionen in den Detektor gelangen.
  • Das Potential der Korrekturplatten 9 und 10 der Sektorfeldlinse wird über die Verstärkereinheit V4 und das Potentiometer P4 so gesteuert, dass es zwischen U3 und U5 liegt. Das Potential wird genau so gewählt, dass insbesondere eine Bündelung des lonenstrahls in der zur Zeichnungsebene senkrechten Richtung erreicht wird.
  • Das Potential der mittleren Blende 13 der Projektionslinse 11 wird über die Verstärkereinheit V6 und das Potentiometer P6 so geregelt, dass ein Potential U6 gemäss Gleichung 5 eingehalten wird.
    Figure imgb0012
    wobei k6 eine empirisch zu bestimmende Konstante ist, die so gewählt werden muss, dass die Projektionslinse den aus der Sektorlinse austretenden lonenstrahl auf die Austrittsblende fokussiert.
  • Durch die Verstärkereinheit V7 und das Potentiometer P7 wird die Spannungsversorgung der Eintritts- und Austrittsblende durchgeführt. Die Regelung erfolgt so, dass ein Potential U7 eingehalten wird, wobei U7 zwischen U3 und U5 zu liegen hat.
  • Die Spannungsversorgung der Korrekturlinse erfolgt ebenfalls über eine Verstärkereinheit, und zwar V8 und Potentiometer Pe, wobei ein Potential U8 gemäss nachfolgender Gleichung eingehalten wird.
    Figure imgb0013
    wobei k8 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.
  • Die Spannungsversorgung des Quadrupols erfolgt über die Verstärkereinheit V9 und das Potentiometer P9 so, dass die Quadrupolachse folgende Spannung erhält.
    Figure imgb0014
    wobei kg eine empirische Konstante des Quadrupols darstellt, die so gewählt werden muss, dass für eine gewünschte Energie Eo und Energiebandbreite ΔE eine maximale Massenauflösung des Quadrupols gegeben ist.
  • Die angeführten Konstanten sind, wenn einmal bestimmt, für alle Werte von Eo und ΔE gültig.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Fokussierung und zur Analyse eines geladenen Korpuskularstrahls, insbesondere eines Sekundärionenstrahls, wobei in Richtung des Strahlengangs zumindestens eine, gegebenenfalls zwei, elektrostatische Fokussierungslinsen, eine Eintrittsblende, eine elektrostatische Sektorfeldlinse, eine Austrittsblende, eine Korrekturlinse und ein Detektor angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des zu analysierenden geladenen Korpuskularstrahls zwischen der Sektor feldlinse (6) und der Austrittsblende (15) eine elektrostatische Projektionslinse (11) mit zumindestens zwei, (13, 14), vorzugsweise jedoch drei, elektrisch polarisierbaren Blenden (12, 13, 14) mit auf einer Achse liegenden Öffnungen angeordnet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektorfeldlinse (6) eine stigmatisch fokussierende Sektorfeldlinse ist, die aus negativ bzw. positiv polarisierbaren konzentrischen Sektorelektroden in Form von Zylindermantelabschnitten (7, 8) und aus deren Zwischenraum seitlich abdeckenden Korrekturplatten (9, 10) gebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Eintritts-(5) als auch die Austrittsblende (15) auswechselbar angeordnet sind.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Sektorelektroden (7, 8) von einander grösser ist als der Durchmesser der kreisförmigen Öffnung bzw. als die Spaltbreite der in Richtung des Strahlengangs gesehenen ersten Blende (12) der Projektionslinse (11).
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Ausbildung der Projektionslinse (11) mit zwei Blenden die in Richtung des Strahlenganges gesehen erste Blende und im Falle der Ausbildung mit drei Blenden die mittlere Blende eine grössere Öffnung aufweist als die von ihr elektrisch isolierte(n) benachbarte(n) Blende(n) (12, 14).
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (17) ein Quadrupolspektrometer ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Fokussierungslinse (3, 4) je ein Operationsverstärker (V1, V2) zugeordnet ist, deren Eingänge an einem ersten variierbaren Potential A liegen und deren Ausgangspotentiale U1, U2 mittels Potentiometer (P1, P2) gemäss der Beziehung U; = ki x A einstellbar sind, dass jeder Sektorelektrode (7, 8), den beiden Korrekturplatten (9, 10) gemeinsam, der die grössere Öffnung aufweisenden Blende (13) der Projektionslinse, und den anderen Blenden (12, 14) der Projektionslinse gemeinsam mit der Eintrittsblende (5) und der Austrittsblende (15) je ein summierender Operationsverstärker (V3, V4, V5, V6, V7) zugeordnet ist, an deren ersten Eingängen das erste variierbare Potential A und an deren zweiten Eingängen ein zweites variierbares Potential B liegen und deren Ausgangspotentiale U3, U4, U5, U6, U7 mittels Potentiometer (P3, P4, P5, P6, P7) gemäss der Beziehung Uj = A+kj x B einstellbar sind, das Ganze derart, dass nach Optimierung der Potentiale U1 bis U7 für die zugehörigen Einrichtungskomponenten mittels der Potentiometer (P1 bis P7), so dass ein maximaler Strom von Teilchen in den Detektor gelangt, die mittlere Energie Eo der in den Detektor eintretenden Teilchen bzw. deren Energiebandbreite ΔE allein durch Variation der Potentiale A bzw. B einstellbar sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturlinse (16) ein Operationsverstärker (V8) zugeordnet ist, dessen Eingang am ersten Potential A liegt und dessen Ausgangspotential UB mittels eines Potentiometers (Pa) gemäss der Beziehung UB = k8 x A einstellbar ist, das Ganze derart, dass nach Optimierung des Potentials U8 mittels des zugehörigen Potentiometers (P8), so dass der Raumwinkel des aus der Korrekturlinse (16) austretenden Teilchenstrahls dem Detektor optimal angepasst ist, die mittlere Energie Eo bzw. die Energiebandbreite ΔE allein durch Variation der Potentiale A bzw. B einstellbar sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 6 und einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Achse des Quadrupolmassenspektrometers ein summierender Operationsverstärker (V9) zugeordnet ist, dessen erster Eingang am ersten Potential A und dessen zweiter Eingang an einem dritten variablen Potential C liegt und dessen Ausgangspotential Ug mittels eines Potentiometers (P9) gemäss der Beziehung Ug = A + kg x C stellbar ist, das Ganze derart, dass nach Optimierung des Potentials Ug, sodass die Massenauflösung des Detektors ein Maximum erreicht, die mittlere Energie Eo der in das Massenspektrometer eintretenden Teilchen bzw. deren Energiebandbreite ΔE allein durch Variation der Potentiale A bzw. B einstellbar sind.
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