EP0088917B1 - Lasermikrosonde für Festkörperproben, bei der eine Beobachtungsoptik, eine Laserlichtoptik und eine Ionenoptik auf derselben Seite einer Probenhalterung angeordnet sind - Google Patents

Lasermikrosonde für Festkörperproben, bei der eine Beobachtungsoptik, eine Laserlichtoptik und eine Ionenoptik auf derselben Seite einer Probenhalterung angeordnet sind Download PDF

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EP0088917B1
EP0088917B1 EP83101796A EP83101796A EP0088917B1 EP 0088917 B1 EP0088917 B1 EP 0088917B1 EP 83101796 A EP83101796 A EP 83101796A EP 83101796 A EP83101796 A EP 83101796A EP 0088917 B1 EP0088917 B1 EP 0088917B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
sample
laser
lens means
observation
laser microprobe
Prior art date
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Expired
Application number
EP83101796A
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English (en)
French (fr)
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EP0088917A1 (de
Inventor
Walter Bank
Peter Feigl
Hans-Josef Dr. Heinen
Franz Prof. Dr. Hillenkamp
Rainer Dr. Nitsche
Bruno Schueler
Henning Vogt
Reiner Dr. Wechsung
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.)
Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Original Assignee
Leybold Heraeus 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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leybold Heraeus GmbH filed Critical Leybold Heraeus GmbH
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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
    • H01J49/04—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
    • H01J49/0409—Sample holders or containers
    • H01J49/0418—Sample holders or containers for laser desorption, e.g. matrix-assisted laser desorption/ionisation [MALDI] plates or surface enhanced laser desorption/ionisation [SELDI] plates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J49/02—Details
    • H01J49/04—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
    • H01J49/0459—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components for solid samples
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H01J49/16—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission
    • H01J49/161—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission using photoionisation, e.g. by laser
    • H01J49/164—Laser desorption/ionisation, e.g. matrix-assisted laser desorption/ionisation [MALDI]

Definitions

  • Laser micro-probe for solid-state samples in which observation optics, laser light optics and ion optics are arranged on the same side of a sample holder.
  • the invention relates to a laser microprobe for solid-state samples, in which observation optics and laser light optics as well as ion optics are arranged on the same side of a sample holder and in which a time-of-flight mass spectrometer is used as a mass analyzer.
  • Solid samples are to be understood as absorbing, conducting or non-conducting samples.
  • bulk samples has also become established.
  • Laser micro probes allow analysis of sample areas on the order of a few ⁇ m. It is therefore desirable to be able to observe and excite the sample with high local resolution.
  • the laser microprobe should have the highest possible absolute and relative detection sensitivity and either work almost non-destructively or allow layer analyzes with great depth resolution.
  • Time-of-flight mass spectrometers have proven to be advantageous in this regard for laser microprobes because they are sensitive and provide information about large mass ranges extremely quickly.
  • DE-OS 2734918 is a laser microprobe that is only suitable for transparent samples, in which illuminants are provided on the side of the sample opposite the laser light optics, which are displaceably arranged together with the ion optics. This measure makes it possible to view the transparent sample not only in incident light, but also in transmitted light through the laser light optics also used for observation.
  • This DE-OS deals exclusively with the possibility of viewing transmitted light through transparent samples and not with the problem of assigning device parts in laser micro probes for solid samples, for which the transmitted light observation is not possible.
  • This arrangement does have the advantage that the objective used to observe and excite the sample can be arranged closer to the sample than with oblique observation and excitation.
  • the disadvantage is that the The laser bombardment of the ions to be analyzed and to be analyzed must be redirected either “around the sample” or “around the lens” to the inlet opening of a mass analyzer. This is done in the subject of DE-OS 2922128 with the aid of an energy filter of the electrostatic mirror type with cylinder geometry, with which the ions emerging from the sample at different angles are focused on the input of the mass analyzer. With such a deflection, there are considerable differences in transit time for ions of the same mass which emerge from the sample surface at different angles.
  • time-of-flight mass spectrometer as a mass analyzer is therefore unsuitable for a device of this type, since due to the time-of-flight differences already existing when entering the time-of-flight tube, there is no definite start time, which results in poor resolution for the time-of-flight mass spectrometry.
  • it is known cf. "A coaxial combined electrostatic objective and anode lens for microprobe mass analyzers", Vacuum, Vol. 22, No 11, pages 619 ff) that it is difficult to achieve the accuracies desired in laser micro probes with such electrostatic deflection systems achieve.
  • a minimum distance between the sample and the objective must be maintained so that the resolution that can be achieved when observing the sample is not optimal.
  • the present invention has for its object to provide a laser microprobe for solid samples of the type mentioned with the best compromise of the assignment of the individual components to the sample holder or to the sample.
  • each of the systems - sample observation, laser focusing device and ion suction - can be adjusted and optimized on its own.
  • an optimal assignment of the observation objective to the sample in the immediate vicinity and perpendicular to the sample surface
  • the ion-optical components which must be arranged as close as possible to the sample in the measuring position, do not interfere.
  • optimal assignments can be selected for the laser light lens and for the electrodes used to extract the ions.
  • the focusing of a laser beam on an inclined surface is also with a somewhat longer focal length with a high ... (etc. page 5 ff of the originally submitted documents).
  • the oblique arrangement of the ion optics would result in deterioration of the measurement results due to the differences in transit time.
  • An oblique arrangement of the observation lens would not only mean a deterioration in resolution, but also a partially blurred field of view.
  • the observation of the sample is of particular importance in laser microanalysis, since microscopic examination of the craters that occur during laser excitation, in particular the crater walls, is often of interest. Since different lenses are available for laser light and for observation, these can be optimally adapted to the wavelengths used in each case.
  • the sample is labeled 1, the sample holder 2, the observation lens 3, the laser lens 4 and the axes of these lenses 5 and 6.
  • the upstream in the time-of-flight tube 7 with the downstream ion detector 8 is formed by tubular lenses and comprises three tube sections 11, 12 and 13 on a common axis 14.
  • the sample holder can be adjusted in the x, y and z directions (represented schematically by the Coordinate cross 10).
  • the observation objective 3 has an optimal assignment to the sample 1, i.e. it is very close to the sample 1 and its axis 5 is perpendicular to the sample surface.
  • the light necessary for illuminating the sample is generated by the lamp 15 and reflected in the observation path with the aid of the partially transparent mirror 16.
  • the light emanating from the sample 1 is directed with the aid of the mirror 17 in the direction (arrow 18) of a microscope tube (not shown). By switching on suitable apertures (not shown), the sample can be observed in the bright and dark fields.
  • the axis 5 of the observation objective 3 represents an extension of the axis 19 of the time-of-flight tube 7.
  • the lenses 3 and 4, the mirrors 16 and 17 and the ion optics 9 are mounted on a carriage, not shown in the schematic FIGS. 1 and 2, and can be moved laterally in accordance with the double arrow 21. 2 shows the measurement position in which the axis 14 of the ion optics 9 represents an extension of the axis 19 of the time-of-flight tube 7.
  • the laser objective 4 is assigned to the sample 1, ie its axis 6 intersects with the axis 14 of the ion optics 9 on the surface of the sample 1.
  • the pulse laser 22 serves to excite the sample 1 with laser light pulses, the light of which is generated by means of the mirror 23 is deflected into the axis 6 of the lens 4.
  • the ions resulting from the excitation are sucked off by the first electrode 11 of the ion optics 9 in the direction of the time-of-flight tube 7. Since the axis 14 of the ion optics 9 is perpendicular (angle a) on the sample surface, the time-of-flight mass spectrometer operation is possible in an optimal manner.
  • the axis 6 of the laser objective 4 forms an angle ⁇ with the sample surface which is less than 90 °. In mechanically advantageous arrangements, this angle can be 45 ° to 70 °, so that even the disadvantages associated with oblique laser light incidence appear little.
  • 20 and 30 still refer to optical devices (partially transparent plates, light source observation optics), by means of which observation of the sample 1 by the laser objective 4 in the measurement position is possible.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment in which, in contrast to FIGS. 1 and 2, the sample holder 2 is designed to be movable, that is to say rotatable, while the other components are arranged in a fixed manner.
  • the measuring position is shown.
  • the sample holder is designed as a plate and rotatable about the axis 24. In the observation position, the sample assumes the position shown in dashed lines and labeled 1 1 .
  • the exact positioning of the sample in its two positions can be achieved with the aid of stops 25 (FIG. 4).
  • FIGS. 5 and 6 show an exemplary embodiment of a carriage 26 and its suspension 27.
  • This comprises a U-shaped component 28 with guide rods 29, to which corresponding sleeves 31 and 32 which pass through the carriage 26 are assigned.
  • the slide 26 can be moved back and forth between two end positions by means of the cylinder-piston device 33 and the pull rod 34 (double arrow 21).
  • the point of engagement of the pull rod 34 on the carriage 26 is only shown in FIG. 6 and is designated 35.
  • the entire system is mounted on flange 36.
  • FIG. 5 shows the observation position in which the observation objective 3 is assigned to the sample 1 with its axis 5.
  • the light serving to illuminate the sample is supplied from below (arrow 37).
  • the mirror 16 is not shown separately.
  • the light reflected by sample 1 is deflected several times within the slide and fed to the microscope tube (not shown) (arrow 18).
  • corresponding bores and mirrors are accommodated in the slide block 26, but their representation has been omitted.
  • the light path was only drawn with a dash-dot line.
  • the measuring position is achieved in that the slide 26 is moved in accordance with the double arrow 21. In this position, the axes 6 and 14 of the laser objective 4 or the ion optics 9 intersect in the area of the surface of the stationary sample 1 facing these components.
  • the laser light is also supplied via several bores in the slide 26 with corresponding mirrors. Only the mirror 23 is shown; otherwise the path of the laser light is also only a dot-dash line drawn and provided with the arrow 38.
  • additional optical devices can be provided which allow the sample 1 to be observed in the measuring position by the laser objective 4.
  • the desired analysis location is first selected in the observation position with the aid of the observation optics 3 by adjusting the sample in the x, y and z directions.
  • the position of the observation optics is not affected by other components, so that an optimal representation of the analysis location is possible via the observation objective.
  • After the relative movement into the measuring position it is ensured that the laser beam is focused on the desired analysis location with the required lateral and axial accuracy and that the ion-optical components are also aligned on this location.
  • the observation lens does not interfere because it is no longer near the sample in the measuring position. Overall, resolutions and image qualities can be achieved, such as those are common in reflected metal microscopy.
  • the laser lens 4 is displaceable with the other components. If the laser lens 4 arranged obliquely to the sample surface does not interfere in the observation position, then the displaceability of the laser lens can be dispensed with. For example, be arranged so firmly that it is permanently assigned to the fixed sample - except for the adjustment option.
  • This design option has the advantage that an absolutely exact positioning of the ion optics, which can only be displaced with the observation optics, can be dispensed with in the measurement position, since such a precise assignment of the inlet opening of the ion optics to the analysis location is not necessary.

Description

  • Lasermikrosonde für Festkörperproben, bei der eine Beobachtungsoptik, eine Laserlichtoptik und eine lonenoptik auf derselben Seite einer Probenhalterung angeordnet sind.
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Lasermikrosonde für Festkörperproben, bei der eine Beobachtungsoptik und eine Laserlichtoptik sowie eine lonenoptik auf derselben Seite einer Probenhalterung angeordnet sind und bei der ein Flugzeit-Massenspektrometer als Massenanalysator verwendet wird. Unter «Festkörperproben» sollen absorbierende, leitende oder nichtleitende Proben verstanden werden. Auch der Ausdruck «Bulkproben» hat sich durchgesetzt.
  • Lasermikrosonden erlauben eine Analyse von Probenbereichen in der Grössenordnung von wenigen µm. Es ist deshalb erstrebenswert, die Probe mit hoher örtlicher Auflösung beobachten und anregen zu können. Ausserdem sollte die Lasermikrosonde eine möglichst hohe absolute und relative Nachweisempfindlichkeit haben und entweder nahezu zerstörungsfrei arbeiten oder Schichtanalysen mit grosser Tiefenauflösung erlauben. Flugzeitmassenspektrometer haben sich in dieser Hinsicht bei Lasermikrosonden als vorteilhaft erwiesen, da sie empfindlich sind und extrem schnell Informationen über grosse Massenbereiche liefern.
  • Aus den beschriebenen Gründen besteht bei Lasermikrosonden generell das Problem der optimalen Zuordnung der einzelnen Bauteile des Gerätes zur Probe. Um die Probe mit hoher Auflösung sowohl beobachten als auch durch Laserlichtimpulse anregen zu können, müssen die jeweiligen Objektive möglichst nahe bei der Probe angeordnet sein. Diese Forderung gilt wegen der Forderung nach hoher Empfindlichkeit auch für die Bauteile, die die Eintrittsöffnung eines Massenanalysators bilden oder dieser vorgelagert sind (lonenoptik, Beschleunigungselektrode oder dergleichen). Schliesslich ist es wünschenswert, wenn die Achsen aller dieser Geräteteile jeweils senkrecht auf der Probenoberfläche stehen.
  • Die gleichzeitige Erfüllung sämtlicher Forderungen ist bei der Untersuchung von Bulkproben nicht möglich. Bei Proben dieser Art muss von ein- und derselben Seite aus beobachtet und angeregt werden; ausserdem muss von der gleichen Seite aus das Absaugen der durch die Anregung entstandenen Ionen in Richtung Massenanalysator erfolgen. Der Entwickler von Lasermikrosonden ist deshalb gezwungen, bei der Zuordnung der einzelnen Geräteteile zum Probenort Kompromisse einzugehen.
  • Aus «Industrial Laboratory» 34 (1968) 1524-1526 ist eine Auflichtlasermikrosonde mit senkrechterAnregung der Probe und schräger Absaugung der Ionen bekannt. Eine mikroskopische Beobachtung der Probe ist nicht beschrieben und auch nicht möglich, da eine Beobachtungsoptik nicht in unmittelbare Nähe der Probe gebracht werden kann. Ausserdem ist die schräge Absaugung der Ionen für die Anwendung der Flugzeitmassenspektroskopie ungeeignet, da bei einer solchen Anordnung unerwünschte Laufzeitunterschiede von Ionen gleicher Energie auftreten.
  • In «Organic Mass Spectrometry», Vol. 16, No. 11, 1981, Seiten 502 bis 506, ist eine Auflichtlasermikrosonde mit schräger Beobachtung und schräger Anregung der Probe durch ein gemeinsames Objektiv sowie mit senkrechter Absaugung der Ionen offenbart. Das Beobachtungsobjektiv und die Absaugelektrode müssen, um sich nicht gegenseitig zu behindern, so weit von der Probe entfernt sein, dass weder eine optimale Beobachtung (mit möglichst hoher lateraler und axialer Auflösung) noch eine optimale Analyse (mit möglichst hoher Empfindlichkeit) möglich sind.
  • Aus «J. Anal. Chem.» USSR 29,15/16 (1974) ist eine Auflicht-Lasermikrosonde mit schräger Beobachtung und schräger Anregung der Probe durch separate Objekte sowie mit senkrechter Absaugung der Ionen bekannt. Diese Anordnung setzt ebenfalls relativ langbrennweitige Fokussierungen voraus, was insbesondere für die Beobachtung der Probe eine geringe laterale und axiale Auflösung bedeutet. Auflösungen von weniger als 1 µm, wie sie z.B. bei der Lasermikroanalyse dünner Proben bekannt sind, können damit bei weitem nicht erzielt werden. Bei der Analyse dünner Proben (DE-OS 2141387) besteht nämlich der Vorteil, dass das sowohl der Beobachtung als auch der Fokussierung der Laserlichtimpulse dienende Objektiv einerseits sowie der Massenanalysator andererseits auf unterschiedlichen Seiten der Probe und damit möglichst nahe und mit ihren Achsen senkrecht zur Probenoberfläche angeordnet werden können.
  • Auch aus der DE-OS 2734918 ist eine ausschliesslich für transparente Proben geeignete Lasermikrosonde bekannt, bei der auf der der Laserlichtoptik gegenüberliegenden Seite der Probe Beleuchtungsmittel vorgesehen sind, die gemeinsam mit der lonenoptik verschiebbar angeordnet sind. Diese Massnahme ermöglicht es, die transparente Probe nicht nur im Auflicht, sondern auch im Durchlicht durch die auch der Beobachtung dienende Laserlichtoptik betrachten zu können. Diese DE-OS befasst sich ausschliesslich mit der Ermöglichung der Durchlichtbetrachtung transparenter Proben und nicht mit der Problematik der Zuordnung von Geräteteilen bei Lasermikrosonden für Festkörperproben, bei denen die Durchlichtbetrachtung nicht möglich ist.
  • Bei einer aus der DE-OS 2922128 vorbekannten, für die Analyse von Festkörperproben geeigneten Lasermikrosonde ist unmittelbar in Front der Probe ein Objektiv vorgesehen, das sowohl der Beleuchtung und Beobachtung der Probe als auch der Fokussierung des Laserlichtes auf die Probe dient.
  • Diese Anordnung hat zwar den Vorteil, dass das der Beobachtung und Anregung der Probe dienende Objektiv näher bei der Probe angeordnet sein kann als bei schräger Beobachtung und Anregung. Nachteilig ist aber, dass die durch den Laserbeschuss entstehenden und zu analysierenden Ionen entweder «um die Probe herum» oder «um das Objektiv herum» auf die Eintrittsöffnung eines Massenanalysators umgelenkt werden müssen. Das geschieht beim Gegenstand der DE-OS 2922128 mit Hilfe eines Energiefilters vom elektrostatischen Spiegeltyp mit Zylindergeometrie, mit dem die unter verschiedenen Winkeln aus der Probe austretenden Ionen auf den Eingang des Massenanalysators fokussiert werden. Bei einer solchen Umlenkung treten für Ionen gleicher Masse, die aus der Probenoberfläche unter verschiedenen Winkeln austreten, erhebliche Laufzeitunterschiede auf. Die Verwendung eines Flugzeitmassenspektrometers als Massenanalysator ist deshalb bei einer Einrichtung dieser Art unzweckmässig, da aufgrund der bereits beim Eintritt in das Flugzeitrohr vorhandenen Laufzeitunterschiede ein definitiver Startzeitpunkt nicht existiert, was für die Flugzeitmassenspektrometrie eine schlechte Auflösung zur Folge hat. Ausserdem ist bekannt (vgl. «A coaxial combined electrostatic objective and anode lens for microprobe mass analysers», Vacuum, Vol. 22, No 11, Seiten 619 ff), dass es schwierig ist, mit derartigen elektrostatischen Umlenksystemen die bei Lasermikrosonden erwünschten Genauigkeiten zu erzielen. Schliesslich muss wegen der lonenbahnen ein Mindestabstand zwischen Probe und Objektiv eingehalten werden, so dass die erzielbare Auflösung bei der Beobachtung der Probe nicht optimal gut ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lasermikrosonde für Festkörperproben der eingangs genannten Art mit dem besten Kompromiss der Zuordnung der einzelnen Bauteile zur Probenhalterung bzw. zur Probe zu schaffen.
  • Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die folgenden Merkmale gelöst:
    • a) Die Probenhalterung mit der Probe einerseits und zumindest die lonenoptik sowie die Beobachtungsoptik andererseits sind relativ zueinander zwischen einer Beobachtungsposition und einer Messposition bewegbar;
    • b) in der Beobachtungsposition steht die Achse der Beobachtungsoptik senkrecht auf der Oberfläche der Probe;
    • c) in der Messposition steht die Achse der lonenoptik senkrecht auf der Oberfläche der Probe, während die Achse der Laseroptik mit der Probenoberfläche einen Winkel ß <90° bildet, wobei sich die beiden Achsen auf der Oberfläche der Probe schneiden,
    • d) an der bewegbaren Probehaltering (2) bzw. einem die Optiken tragenden, bewegbaren Bauteil sind Anschlagmittel angeordnet und derart justiert, dass ein in der Beobachtungsposition mittels der Beobachtungsoptik ausgesuchter Probenbereich in der Messposition im Fokus der Laserlichtoptik liegt.
  • Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass jedes der Systeme - Probenbeobachtung, Laserfokussierungseinrichtung und lonenabsaugung - für sich allein justierbar und optimierbar sind. In der Beobachtungsposition kann eine optimale Zuordnung des Beobachtungsobjektivs zur Probe (in unmittelbarer Nähe und senkrecht zur Probenoberfläche) gewählt werden. Die ionenoptischen Bauteile, die in der Messposition möglichst nahe bei der Probe angeordnet sein müssen, stören dabei nicht. In der Messposition können für das Laserlichtobjektiv und für die dem Absaugen der Ionen dienenden Elektroden optimale Zuordnungen gewählt werden. In dieser Position ergibt sich zwar die einzige Abweichung von den eingangs genannten «ideal»-Forderungen, nämlich dass das Laserobjektiv und die Eintrittsöffnung des Massenanalysators nicht beliebig nahe an die Probenoberfläche herangebracht werden können. Von allen anderen Abweichungen stellt diese jedoch diejenige mit den geringsten nachteiligen Folgen dar. Das Fokussieren eines Laserstrahls auf eine schräge Oberfläche ist auch bei etwas längerer Brennweite mit hoher.... (usw. Seite 5 ff der ursprünglich eingereichten Unterlagen).
  • Auflösung möglich, insbesondere dann, wenn auf im UV-Bereich liegende Wellenlängen übergegangen wird. Demgegenüber würde die schräge Anordnung der lonenoptik wegen der auftretenden Laufzeitunterschiede Verschlechterungen der Messergebnisse zur Folge haben. Beim lonennachweis würde sich zudem ein unerwünschtes Selektieren erzeugter Ionen nach Anfangsenergie und/oder Anfangsimpuls ergeben. Dies mindert die Nachweisempfindlichkeit und kann zur Verfälschung von Messergebnissen führen. Eine schräge Anordnung des Beobachtungsobjektivs würde nicht nur eine Auflösungsverschlechterung, sondern auch ein teilweise unscharfes Gesichtsfeld bedeuten. Gerade die Beobachtung der Probe ist aber bei der Lasermikroanalyse von besonderer Bedeutung, da vielfach die mikroskopische Untersuchung der bei der Laseranregung entstehenden Krater, insbesondere der Kraterwände, von Interesse ist. Da für das Laserlicht und für die Beobachtung unterschiedliche Objektive vorhanden sind, können diese den jeweils benutzten Wellenlängen in optimaler Weise angepasst werden.
  • Zweckmässigerweise sind zusätzlich Mittel zur Beobachtung der Probe in der Messposition durch das Laserobjektiv vorhanden. Diese Beobachtung ist zwar nur mit geringer Auflösung und mit teilweise unscharfem Bild möglich, erlaubt aber einerseits eine schnelle Analysenfolge, wenn es auf eine sehr genaue Zuordnung von Analysenort und Probenstruktur nicht ankommt, und verschafft andererseits direkten Zugang zu weiteren analytischen Informationen, wie Lichtemission oder Fluoreszenzemission des angeregten Probenvolumens.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
  • Es zeigen:
    • Figuren 1 und 2 schematisch die wesentlichen Bauteile einer Lasermikrosonde nach der Erfindung in der Beobachtungsposition bzw. in der Messposition,
    • Figuren 3 und 4 eine Lasermikrosonde nach der Erfindung mit drehbar gehalterter Probe und
    • Figuren 5 und 6 mechanische Einzelteile eines translatorisch verschiebbaren Schlittens.
  • In den Figuren 1 und 2 sind die Probe mit 1, die Probenhalterung mit 2, das Beobachtungsobjektiv mit 3, das Laserobjektiv mit 4 und die Achsen dieser Objektive mit 5 und 6 bezeichnet. Die im Flugzeitrohr 7 mit dem nachgeordneten lonendetektor 8 vorgelagerte lonenoptik 9 wird von Rohrlinsen gebildet und umfasst drei Rohrabschnitte 11, 12 und 13 auf einer gemeinsamen Achse 14. Die Probenhalterung ist in x-, y- und z-Richtung justierbar (schematisch dargestellt durch das Koordinatenkreuz 10).
  • In Fig. 1 ist die Beobachtungsposition dargestellt. Das Beobachtungsobjektiv 3 hat eine optimale Zuordnung zur Probe 1, d.h., es befindet sich sehr nahe bei der Probe 1, und seine Achse 5 steht senkrecht auf der Probenoberfläche. Das zur Beleuchtung der Probe notwendige Licht wird von der Lampe 15 erzeugt und mit Hilfe des teildurchlässigen Spiegels 16 in den Beobachtungsweg eingespiegelt. Das von der Probe 1 ausgehende Licht wird mit Hilfe des Spiegels 17 in Richtung (Pfeil 18) eines nicht dargestellten Mikroskoptubus gelenkt. Durch Einschalten geeigneter (nicht dargestellter) Blenden kann die Probenbeobachtung im Hell- und Dunkelfeld erfolgen. In dieser Position stellt die Achse 5 des Beobachtungsobjektivs 3 eine Verlängerung der Achse 19 des Flugzeitrohres 7 dar.
  • Die Objektive 3 und 4, die Spiegel 16 und 17 sowie die lonenoptik 9 sind auf einem in den schematischen Figuren 1 und 2 nicht dargestellten Schlitten gehaltert und entsprechend dem Doppelpfeil 21 seitlich verschiebbar. Fig. 2 zeigt die Messposition, in der die Achse 14 der lonenoptik 9 eine Verlängerung der Achse 19 des Flugzeitrohres 7 darstellt. Gleichzeitig ist das Laserobjektiv 4 der Probe 1 zugeordnet, d.h., seine Achse 6 schneidet sich mit der Achse 14 der lonenoptik 9 auf der Oberfläche der Probe 1. Der Anregung der Probe 1 mit Laserlichtimpulsen dient der Pulslaser 22, dessen Licht mit Hilfe des Spiegels 23 in die Achse 6 des Objektivs 4 umgelenkt wird. Die durch die Anregung entstehenden Ionen werden von der ersten Elektrode 11 der lonenoptik 9 in Richtung Flugzeitrohr 7 abgesaugt. Da die Achse 14 der lonenoptik 9 senkrecht (Winkel a) auf der Probenoberfläche steht, ist der Flugzeitmassenspektrometer-Betrieb in optimaler Weise möglich. Die Achse 6 des Laserobjektivs 4 bildet mit der Probenoberfläche einen Winkel β, der kleiner 90° ist. Bei mechanisch günstigen Anordnungen kann dieser Winkel 45° bis 70° betragen, so dass selbst die mit schrägem Laserlichteinfall verbundenen Nachteile nurwenig in Erscheinung treten. Mit 20 und 30 sind noch optische Einrichtungen (teildurchlässige Platten, Lichtquelle Beobachtungsoptik) bezeichnet, mittels deren eine Beobachtung der Probe 1 durch das Laserobjektiv 4 in der Messposition möglich ist.
  • Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeipiel, bei dem im Gegensatz zu den Figuren 1 und 2 die Probenhalterung 2 bewegbar, d.h. drehbar ausgebildet ist, während die übrigen Bauteile fest angeordnet sind. Dargestellt ist die Messposition. Die Probenhalterung ist als Teller ausgebildet und um die Achse 24 drehbar. In der Beobachtungsposition nimmt die Probe die gestrichelt dargestellte und mit 11 bezeichnete Stellung ein. Die exakte Positionierung der Probe in ihren beiden Positionen kann mit Hilfe von Anschlägen 25 (Fig. 4) realisiert werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Vorrichtung zur Drehung und Fixierung der Probe nach Art eines Mikroskoprevolvers aufzubauen. Es ist bekannt, dass die Achsen verschiedener, drehbar angeordneter Objektive eines Mikroskops mit einer Genauigkeit von 1 um reproduzierbar ineinander übergeführt werden können.
  • Die Figuren 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel für einen Schlitten 26 und seiner Aufhängung 27. Diese umfasst ein U-förmiges Bauteil 28 mit Führungsstangen 29, denen entsprechende, den Schlitten 26 durchsetzende Hülsen 31 und 32 zugeordnet sind. Mittels derZylinder-Kolben-Einrichtung 33 und der Zugstange 34 ist der Schlitten 26 zwischen zwei Endstellungen hin- und herbewegbar (Doppelpfeil 21). Der Angriffspunkt der Zugstange 34 am Schlitten 26 ist nur in Fig. 6 dargestellt und mit 35 bezeichnet. Das gesamte System ist am Flansch 36 montiert.
  • Der Übersichtlichkeit wegen ist nur ein Teil der in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellten Bauteile, die auf dem Schlitten angeordnet sind und mit diesem der Probe 1 jeweils zugeordnet werden können, eingezeichnet. Fig. 5 zeigt die Beobachtungsposition, in der das Beobachtungsobjektiv 3 mit seiner Achse 5 der Probe 1 zugeordnet ist. Von unten (Pfeil 37) erfolgt die Zuführung des der Beleuchtung der Probe dienenden Lichts. Der Spiegel 16 ist nicht gesondert dargestellt. Das von der Probe 1 reflektierte Licht wird mehrfach innerhalb des Schlittens umgelenkt und dem nicht dargestellten Mikroskoptubus (Pfeil 18) zugeführt. Dazu sind entsprechende Bohrungen und Spiegel im Schlittenblock 26 untergebracht, auf deren Darstellung jedoch verzichtet wurde. Der Lichtweg wurde lediglich strichpunktiert eingezeichnet.
  • Die Messposition wird dadurch erreicht, dass der Schlitten 26 entsprechend dem Doppelpfeil 21 verschoben wird. In dieser Position schneiden sich die Achsen 6 und 14 des Laserobjektivs 4 bzw. der lonenoptik 9 im Bereich der diesen Bauteilen zugewandten Oberfläche der ortsfesten Probe 1. Die Zuführung des Laserlichts erfolgt ebenfalls über mehrere Bohrungen im Schlitten 26 mit entsprechenden Spiegeln. Nur der Spiegel 23 ist dargestellt; ansonsten ist der Weg des Laserlichts ebenfalls lediglich strichpunktiert eingezeichnet und mit dem Pfeil 38 versehen. Wie zu Fig. 2 erwähnt und darin schematisch dargestellt, können zusätzlich optische Einrichtungen vorgesehen sein, die eine Beobachtung der Probe 1 in der Messposition durch das Laserobjektiv 4 ermöglichen.
  • Das Justieren des Schlittens 26 in seinen beiden Endstellungen ist von besonderer Bedeutung, da die Achsen 5 und 14 jeweils ineinander überzuführen sind. Seitlich am Schlitten 26 sind deshalb Platten 41 und 42 befestigt, die unterschiedlich geformte Anschlagflächenbereiche 43, 44 und 45 aufweisen (Fig. 4). Diesen Anschlagflächen sind Gewindestifte 46 zugeordnet, deren Gegengewinde sich in den Schenkeln des U-förmigen Bauteils 28 befinden (Fig. 3). Von den drei Anschlagflächen 43, 44 und 45 hat die Anschlagfläche 43 die Form einer Konusbohrung und die Anschlagfläche 44 die Form eines Konusschlitzes. Die Anschlagfläche 45 ist eben gestaltet. Die Gewindestifte 46 haben im Bereich ihres Anschlags 47 die Form einer Kugel. Sämtliche Anschlagflächen sind gehärtet. Infolge der beschriebenen Gestaltung der Anschlagflächen wird eine besonders genaue Justierungsmöglichkeit und vor allem eine exakte Reproduzierbarkeit erreicht, so dass das Überführen der beiden Achsen 5 (des Beobachtungsobjektivs) und 14 (der lonenoptik) mit einer lateralen Genauigkeit von < 1 µ möglich ist.
  • Beim Arbeiten mit einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele wird zunächst in der Beobachtungsposition mit Hilfe der Beobachtungsoptik 3 der gewünschte Analysenort durch Justieren der Probe in x-, y- und z-Richtung ausgesucht. Die Position der Beobachtungsoptik ist durch andere Bauteile nicht beeinträchtigt, so dass eine optimale Darstellung des Analysenortes über das Beobachtungsobjektiv möglich ist. Nach der Relativbewegung in die Messposition ist gewährleistet, dass der Laserstrahl mit der geforderten lateralen und axialen Genauigkeit auf den gewünschten Analysenort fokussiert ist und auch die ionenoptischen Komponenten auf diesen Ort ausgerichtet sind. Das Beobachtungsobjektiv stört dabei nicht, da es sich in der Messposition nicht mehr in der Nähe der Probe befindet. Insgesamt lassen sich Auflösungen und Bildqualitäten erreichen, wie sie z.B. in der Metallauflichtmikroskopie üblich sind.
  • Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Laserobjektiv 4 mit den übrigen Bauteilen verschiebbar. Wenn das schräg zur Probenoberfläche angeordnete Laserobjektiv 4 in der Beobachtungsposition nicht stört, dann kann auf die Verschiebbarkeit des Laserobjektivs verzichtet werden. Es kann z.B. derart fest angeordnet sein, dass es der - bis auf die Justiermöglichkeit - festen Probe ständig zugeordnet ist. An dieser Gestaltungsmöglichkeit ist vorteilhaft, dass auf eine unbedingt exakte Positionierung der allein mit der Beobachtungsoptik verschiebbaren lonenoptik in der Messposition verzichtet werden kann, da eine derart genaue Zuordnung der Eintrittsöffnung der lonenoptik zum Analysenort nicht erforderlich ist.

Claims (14)

1. Lasermikrosonde für Festkörperproben, bei der eine Beobachtungsoptik, eine Laserlichtoptik und eine lonenoptik auf derselben Seite einer Probenhalterung angeordnet sind und bei der ein Flugzeit-Massenspektrometer als Massenanlysator verwendet wird, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
a) Die Probenhalterung (2) mit der Probe (1) einerseits und zumindest die lonenoptik (9) sowie die Beobachtungsoptik (3) andererseits sind relativ zueinander zwischen einer Beobachtungsposition und einer Messposition bewegbar;
b) in der Beobachtungsposition steht die Achse (5) der Beobachtungsoptik (3) senkrecht auf der Oberfläche der Probe (1);
c) in der Messposition steht die Achse (14) der lonenoptik (9) senkrecht auf der Oberfläche der Probe (1), während die Achse (6) der Laseroptik (4) mit der Probenoberfläche einen Winkel ß < 90° bildet, wobei sich die beiden Achsen auf der Oberfläche der Probe (1) schneiden;
d) an der bewegbaren Probehalterung (2) bzw. einem die Optiken tragenden, bewegbaren Bauteil sind Anschlagmittel (25 bzw 41,42) angeordnet und derart justiert, dass ein in der Beobachtungsposition mittels der Beobachtungsoptik (3) ausgesuchter Probenbereich in der Messposition im Fokus der Laserlichtoptik (4) liegt.
2. Lasermikrosonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mittel (20, 30) zur Beobachtung der Probe (1) in der Messposition vorhanden sind.
3. Lasermikrosonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung eine Drehbewegung ist.
4. Lasermikrosonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (1) auf einem drehbaren Probenhalter (2) angeordnet ist.
5. Lasermikrosonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung eine translatorische Bewegung ist.
6. Lasermikrosonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem U-förmigen Bauteil (28) mit Führungsstangen (29) gehalterter Schlitten (26) die Beobachtungsoptik (3), die Laserlichtoptik (4) sowie die lonenoptik (9) trägt.
7. Lasermikrosonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass justierbare Anschläge auf beiden Seiten des Schlittens (26) vorgesehen sind.
8. Lasermikrosonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschläge aus jeweils einer am Schlitten (26) befestigten Anschlagplatte (41, 42) und jeweils drei in den Schenkeln des U-förmigen Bauteils (28) angeordneten Gewindestiften (46) bestehen.
9. Lasermikrosonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass den jeweils drei Gewindestiften (46) drei unterschiedlich geformte Anschlagflächenbereiche (43, 44, 45) auf der Anschlagplatte (41 bzw. 42) zugeordnet sind.
10. Lasermikrosonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlagfläche (43) die Form einer Konusbohrung und eine zweite Anschlagfläche (44) die Form eines Konusschlitzes hat, während die dritte Anschlagfläche (45) eben ausgebildet ist.
11. Lasermikrosonde nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Anschlagflächen gehärtet sind.
12. Lasermikrosonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Strahlengänge durch geometrische Führung und geeignete Zwischenabbildungen so angeordnet sind, dass derAnalysenort in der Beobachtungsposition durch die Beobachtungsoptik und in der Messposition durch die Laseroptik in einem gemeinsamen Okulartubus scharf darstellbar ist.
13. Lasermikrosonde nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (1) bzw. die Probenhalterung (2) in x-, y- und z-Richtung justierbar angeordnet ist.
14. Lasermikrosonde nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei bewegter Probe die x-, y-, z-Einstelleinheit für die Probe ganz oder teilweise mitbewegt wird.
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