EP0708976A1 - Verfahren zum betreiben eines flugzeit-sekundärionen-massenspektrometers - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines flugzeit-sekundärionen-massenspektrometers

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EP0708976A1
EP0708976A1 EP95920015A EP95920015A EP0708976A1 EP 0708976 A1 EP0708976 A1 EP 0708976A1 EP 95920015 A EP95920015 A EP 95920015A EP 95920015 A EP95920015 A EP 95920015A EP 0708976 A1 EP0708976 A1 EP 0708976A1
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EP
European Patent Office
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mass
time
flight
primary
ions
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EP95920015A
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Ewald Niehuis
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ION-TOF GmbH
ION TOF GmbH
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ION-TOF GmbH
ION TOF GmbH
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Publication date
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Publication of EP0708976A1 publication Critical patent/EP0708976A1/de
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Publication of EP0708976B1 publication Critical patent/EP0708976B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/40—Time-of-flight spectrometers

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a time-of-flight secondary ion mass spectrometer for the analysis of mass spectra, in which several finely structured mass areas occur isolated at larger distances, with the following steps: a) a material sample surface is t at regular intervals t (cycle time ) bombarding successive primary ion pulses, b) the secondary ions of different masses m released from the primary ions from the material sample surface are accelerated to the same energy, c) the mass-dependent flight time t is measured via a path 1 and the mass is determined therefrom.
  • the flight time t is proportional to the root of the mass (t proportional «/ in).
  • the number of secondary ions which correspond to a specific mass m result in fine structure maxima in "nominal mass ranges" within a specified cycle time t at specific time intervals, the latter corresponding to an integer atomic or molecular weight of element or molecular ions.
  • the amplitudes of the fine structure maxima allow a qualitative and quantitative analysis of the composition of the material sample surface.
  • Time-of-flight secondary ion mass spectrometry also known as TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry)
  • TOF-SIMS time-of-flight secondary ion mass spectrometry
  • the sample surface is bombarded with a pulsed primary ion beam of pulse duration t. Secondary ions are detached from the sample surface by the primary ion beam. The extracted secondary ions are accelerated to the same energy E in an extraction field (a few KeV). Then they pass through a flight path 1, at the end of which they are detected by means of a time-resolving detector. The majority of the secondary ions are simply charged.
  • the exact mass ra of a secondary ion can be determined from the flight time t thus determined with the same energy E.
  • the secondary ions are registered within a time interval, called the cycle time tz, after the time at which the primary ion pulse strikes, with the following relationship (1):
  • Mass range After this cycle time has elapsed, the next pri ion pulse can hit the sample.
  • the measuring time is then typically about 100 to 1000 s.
  • the different secondary ion species can be separated from one another by a sufficiently high mass resolution, ie they can be broken down into fine structure maxima and elements and compounds can thus be detected separately.
  • the separation of such different species is an essential prerequisite for the detection of traces of compounds and elements.
  • the mass resolution m / ⁇ m describes the mass difference ⁇ m with a mass m that can still be separated into two fine structure maxima. It hangs crucially depends on the primary ion pulse duration t. Further factors for the separation are the resolving power of the time-of-flight analyzer and the time resolution of the detector and registration electronics, which, however, are not the subject of the invention.
  • the TOF-SIMS method is not only used to analyze the surface composition, but also allows the recording of lateral distributions of the various elements and connections with high spatial resolution in the sub- ⁇ m range.
  • the primary ion beam is focused on a very small point and scanned over the sample with the aid of a deflection device.
  • a mass spectrum is recorded and evaluated for each grid point.
  • a distribution image (imaging TOF-SIMS) can then be generated from the results for a large number of raster points (typically e.g. 256 x 256).
  • a depth distribution of the different species can be measured (depth profile) by sample removal using the primary ion beam or using an additional ion source and analysis at different erosion depths.
  • the primary ion pulse duration required for a high mass resolution is only a few nanoseconds for a typical drift path 1 of approximately 2 m.
  • the primary ion pulses are generated from the static beam of an ion source by a suitable beam pulsing method.
  • the number of primary ions per pulse results from the static current of the ion source Ip and the pulse duration t:
  • a shortening of the measuring time is only possible in the prior art by extending the primary pulse duration t with a corresponding loss of mast resolution, or by increasing the repetition rate with a corresponding restriction of the mass range detected (see Eq. 2).
  • each primary ion pulse consists of a plurality of partial pulses, e) each partial pulse is so narrow that it allows the resolution of the finely structured mass areas, f) the distance t B of the partial pulses is greater than the width of the finely structured mass areas, g) the number n of partial pulses is selected such that is smaller than the distances between the finely structured mass ranges, ti) the n spectra belonging to the partial pulses of each finely structured mass range are added.
  • tz in the time interval tz (see Eq. 2) the surface is not with a single short primary ion pulse, but within the cycle time t Z with a
  • the distance between two partial pulses is greater than the time-of-flight difference of element and molecular ions of an integer nominal mass; in addition, the distance from the first to the last primary ion partial pulse is smaller than the time of flight difference between the nominal masses in the detected mass range.
  • a device for carrying out the method is accordingly a time-of-flight secondary ion mass spectrometer, in which a material sample surface is bombarded with primary ions in a pulsed manner (primary ion pulses) and the primary ions detach secondary ions of different masses m from the material sample surface. The same energy E is applied to them after they have been extracted.
  • the mass-dependent flight time t is measured via a path 1, the flight time t being proportional to the root of the mass and the number of secondary ions which correspond to a specific mass m within a defined cycle time t Z in specific
  • Time intervals t result in fine structure maxima, the latter each corresponding approximately to an integer atomic or molecular weight of element or molecular ions.
  • the amplitudes of the fine structure maxima allow a qualitative and quantitative analysis of the composition of the material sample surface.
  • the device is characterized by a pulsed primary ion source, with which the material sample surface can be bombarded in the time interval t with a sequence of n essentially identical primary ions at a short time interval t B, the time interval t B of two primary ion pulses being greater than the time-of-flight difference between element and molecular ions one Nominal mass range and also the distance
  • FIG. 1 shows a schematic arrangement of a time-of-flight mass spectrometer
  • FIG. 3 shows a mass spectrum which was obtained in the operating method according to the invention.
  • Fig. 1 shows the measuring principle of the TOF-SIMS method.
  • a continuously operating ion source IQ is pulsed with the aid of a suitable beam pulser PS, which results in the primary ion pulses already mentioned.
  • the pulsed primary ion beam which is filtered with a mass filter MF, is then focused and positioned on the sample P (target) using a focusing unit FK and a raster unit RS. All simply charged secondary ions generated by the primary ion beam are accelerated to the same energy E with the aid of a suction voltage U. Their runtime is then measured in a time-of-flight analyzer FZA with spatial and temporal focusing properties.
  • a suitable time-resolving ion detector ID is used for the detection.
  • the output pulses of the ion detector ID are processed by the registration electronics, consisting of a discriminator DS and a time-to-digital converter TDC in connection with a fast memory.
  • FIGS. 2a and 2b A typical measurement result, which was recorded by the method according to the prior art, is shown in FIGS. 2a and 2b.
  • a single primary ion pulse was used per cycle time t Z with a pulse duration of 1.3 ns.
  • the triggered secondary ions are registered over the cycle time of 100 ⁇ s and all events are added over a total of 1695 ⁇ 10 7 cycles.
  • the sample is a silicon wafer with an aluminum test structure. 2a shows the overview spectrum in the mass range (nominal masses) from 1 to 50 u.
  • Fig. 2b shows in detail the fine structure of the maxima Mass range from 26.5 to 28.5 u of the spectrum according to Figure 2a.
  • the separation of various atomic and molecular ions becomes clear with the help of the high mass resolution.
  • Masses of the elements of the periodic table can be no further maxima between the maxima of the nominal masses 27 and 28, eg between CH "*" and Si "4" ).
  • an operating mode which corresponds to the invention and which is expressed in FIGS. 3a and 3b.
  • 12 partial pulses of the same pulse duration with a time interval of 25 ns were used with an unchanged one
  • 3b shows the fine structure of the same mass spectrum in the mass range from 26.5 to 28.5 u.
  • the 12-fold superimposition of the peak structure from FIG. 2b can be clearly seen by using the sequence of 12
  • Partial pulses with a defined distance. By choosing the distance of 25 ns, a superposition of the maxima belonging to different primary ion pulses is avoided, so that an assignment of the peak series to a specific connection is possible. As in FIG. 2b, the maxima for AI "*" and C 2H3 are detected for the nominal mass 27 and the maxima for the nominal mass 28 for Si “1" , A1H * and C 2 H 4 "*” .
  • the example shows that with the same measurement time the 12-fold secondary ion intensity can be registered without loss of mass resolution Accordingly, by adding the intensities of the respective secondary ion species, the same information as in Fig. 2a and 2b can be obtained in 1/12 of the measuring time, which means, for example, a shortening of the measuring time from 28 min to 2.3 min .
  • the mode of operation corresponding to the invention also shortens the recording time for secondary ion images.
  • an analysis as in FIG. 2 or FIG. 3 is carried out for each pixel (pixel) and then the distribution images of the different secondary ion species are constructed.
  • FIG. 5 shows distribution images of the same sample with an operating mode according to the invention.
  • a pulse sequence of 12 partial pulses per cycle at intervals of 25 ns was used. The events over 200 cycles were added and evaluated.
  • the intensity and the dynamics in the secondary ion distribution images are significantly greater with the same measuring time and the same information content. So in Fig. 4 only 47 secondary ions AI "*" are registered in the brightest pixel, while in FIG. 5 a total of 411 secondary ions are contained in the brightest pixel.
  • the other distributions of CH “*” , Si “1” and A1H “*” also show similar improvements in image quality with the same recording time. For the same image quality, there is a corresponding reduction in the image acquisition time by a factor of 12.
  • the procedural use of a time pulse sequence instead of a single pulse can also be applied to analog methods, in particular to gas phase analysis using time-of-flight mass spectrometry.
  • the ion generation takes place here with an electron pulse; the gas ions generated are accelerated and their masses determined by means of a time-of-flight measurement.
  • a sequence of electron pulses is used instead of a single electron pulse, a shortening of the measurement time in high-resolution time-of-flight mass spectrometry can be achieved, as with the TOT-SIMS - utatis mutandis.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometers für die Analyse von Massenspektren, bei denen mehrere feinstrukturierte Massenbereiche in größeren Abständen isoliert auftreten, mit folgenden Schritten: a) eine Materialproben-Oberfläche wird mit in regelmäßigen Abständen tz (Zykluszeit) aufeinanderfolgenden Primärionenpulsen beschossen, b) die von den Primärionen aus der Materialproben-Oberfläche herausgelösten Sekundärionen verschiedener Massen m werden auf die gleiche Energie beschleunigt, c) die masseabhängige Flugzeit t wird über einen Weg 1 gemessen und daraus die Masse bestimmt. Zur Erhöhung der Auflösung und des Signal-Rausch-Verhältnisses ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß d) jeder Primärionenimpuls aus mehreren Teilimpulsen besteht, e) jeder Teilimpuls so schmal ist, daß er die Auflösung der feinstrukturierten Massenbereiche erlaubt, f) der Abstand tB der Teilimpulse größer als die Breite der feinstrukturierten Massenbereiche ist, g) die Anzahl n der Teilimpulse so gewählt ist, daß n.tB kleiner als die Abstände zwischen den feinstrukturierten Massenbereichen ist, h) die n zu den Teilimpulsen gehörenden Spektren jedes feinstrukturierten Massenbereiches addiert werden.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Flugzeit-Sekundärionen-Massenspe trometers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometers für die Analyse von Massenspektren, bei denen mehrere feinstrukturierte Massenbereiche in größeren Abständen isoliert auftreten, mit folgenden Schritten: a) eine Materialproben-Oberfläche wird mit in regel¬ mäßigen Abständen t (Zykluszeit) aufeinander- folgenden Primärionenpulsen beschossen, b) die von den Primärionen aus der Materialproben- Oberfläche herausgelösten Sekundärionen verschiedener Massen m werden auf die gleiche Energie beschleunigt, c) die masseabhängige Flugzeit t wird über einen Weg 1 gemessen und daraus die Masse bestimmt.
Im vorgenannten Verfahren ist die Flugzeit t der Wurzel aus der Masse proportional (t proportional «/in) . Die Zahl der Sekundärionen, die einer bestimmten Masse m entsprechen, ergeben innerhalb einer festgelegten Zykluszeit t in bestimmten Zeitabständen t Feinstruktur-Maxima in "Nominalmassen-Bereichen", wobei letztere jeweils einem ganzzahligen Atom- oder Molekulargewicht von Element- oder Molekularionen ent- sprechen. Die Amplituden der Feinstruktur-Maxima erlauben eine qualitative und quantitative Analyse der Zusammensetzung der Materialprobenoberfläche. Die Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie, auch TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectro- metry) genannt, ist bekannt (vgl. Analytical Chemistry, 1992, Vol. 64, S. 1027 ff und 1993, Vol. 65, S. 630 A ff.). Sie dient zur chemischen Analyse von Festkörper¬ oberflächen.
Dabei wird die Probenoberfläche mit einem gepulsten Pri- märionenstrahl der Pulsdauer t beschossen. Durch den Primärionenstrahl werden Sekundärionen aus der Proben¬ oberfläche herausgelöst. Die herausgelösten Sekundärio¬ nen werden in einem Extraktionsfeld auf eine gleiche Energie E beschleunigt (einige KeV). Danach durchlaufen sie eine Flugstrecke 1, an deren Ende sie mittels eines zeitauflösenden Detektors nachgewiesen werden. Die Sekun¬ därionen sind in ihrer überwiegenden Mehrzahl einfach geladen.
Für die Flugzeit der Sekundärionen gilt: 1 t = 1/v = • im = const • -/ÜT (1)
Somit kann aus der so bestimmten Flugzeit t bei gleicher Energie E die genaue Masse ra eines Sekundärions ermit¬ telt werden.
Die Registrierung der Sekundärionen erfolgt je nach ge¬ wünschtem Massenbereich innerhalb eines Zeitintervalles, genannt Zykluszeit tz, nach dem Zeitpunkt des Auftref- fens des Primärionenpulses, wobei aus obiger Beziehung (1) folgt:
tz = const • -/m ' (2)
mm-_- = größte Masse innerhalb des gewünschten
Massenbereiches Nach Ablauf dieser Zykluszeit kann der nächste Pri är- ionenpuls auf die Probe treffen. Die Messung der Flug¬ zeiten erfolgt demnach mit einer Wiederholfrequenz f = 1/t Z. Pro Zyklus werden nur sehr wenige Sekundär- ionen erzeugt und nachgewiesen, typisch 0,1 bis 10. Ein Massenspektrum mit einer ausreichenden Dynamik über mehrere Größenordnungen, d.h. einem ausreichenden Verhältnis von höchster zu niedrigster Intensität, entsteht durch Akkumulation der Zählereignisse über eine große Zahl von Zyklen. Die Meßzeit beträgt dann typischerweise etwa 100 bis 1000 s.
Aus der Probenoberfläche werden sowohl Elementionen als auch Molekülionen herausgelöst. Die genaue Masse einer Sekundärionenspezies, die ein Elemention oder Molekülion sein kann, ergibt sich aus der Summe der Atomgewichte. Die einzelnen Atomgewichte weichen aufgrund der Bindungs¬ energie der Atomkerne geringfügig von ganzzahligen Wer¬ ten ab, so daß sich zu beiden Seiten eines ganzzahligen Wertes die vorgenannten Nominalmassen-Bereiche ergeben. Die genauen Massen von Element- und Molekülionen unterscheiden sich nur geringfügig. Als Beispiel für Sekundärionenspezies von 27 u: Aluminium"*": 26,99154 u; C 2H3"*": 27,023475 u. Durch eine genügend hohe Massen- auflösung können die verschiedenen Sekundärionenspezies voneinander getrennt, d. h. in Feinstruktur-Maxima aufgelöst werden und somit Elemente und Verbindungen getrennt nachgewiesen werden. Die Trennung solcher verschiedener Spezies ist eine wesentliche Voraussetzung für einen Spurennachweis von Verbindungen und Elementen.
Bei der TOF-SIMS beschreibt die Massenauflösung m/Δ m, welche Massendifferenz Δ m bei einer Masse m noch in zwei Feinstruktur-Maxima getrennt werden kann. Sie hängt entscheidend von der Primärionenpulsdauer t ab. Weitere Faktoren für die Auftrennung sind das Auflösungsvermögen des Flugzeitanalysators, sowie die Zeitauflösung von Detektor und Registrierelektronik, die jedoch nicht Gegenstand der Erfindung bilden.
Das TOF-SIMS-Verfahren wird nicht nur zur Analyse der Oberflächenzusammensetzung eingesetzt, sondern es er¬ laubt auch die Aufnahme von lateralen Verteilungen der verschiedenen Elemente und Verbindungen mit hoher Orts¬ auflösung im sub-μm Bereich. Dazu wird der Primärionen- strahl auf einen sehr kleinen Punkt fokussiert und mit Hilfe einer Ablenkvorrichtung über die Probe gerastert. Für jeden Rasterpunkt wird ein Massenspektrum aufgenom¬ men und ausgewertet. Anschließend kann aus den Ergebnis¬ sen für eine Vielzahl von Rasterpunkten (typisch z.B. 256 x 256) ein Verteilungsbild erzeugt werden (abbildendes TOF-SIMS). Des weiteren kann durch Probenabtrag mittels des Primärionenstrahls oder mittels einer zusätzlichen Ionenquelle und einer Analyse in verschiedenen Erosionstiefen eine Tiefenverteilung der verschiedenen Spezies gemessen werden (Tiefenprofil).
Die für eine hohe Massenauflösung notwendige Primärionen- pulsdauer beträgt bei typischer Driftstrecke 1 von ca. 2m nur wenige Nanosekunden. Die Primärionenpulse werden durch ein geeignetes Strahlpulsungsverfahren aus dem sta¬ tischen Strahl einer Ionenquelle erzeugt. Die Anzahl der Primärionen pro Puls ergibt sich aus dem statischen Strom der Ionenquelle Ip und der Pulsdauer t :
N = 1 • t /e (e: Elementarladung) (3)
_» _> _»
Daraus wird ersichtlich, daß bei Verkürzung der Primär- pulsdauer die Zahl der Primärionen pro Puls abnimmt.
Dies hat zur Folge, daß dann mehr Primärionenpulse benö¬ tigt werden, um die gleiche Zahl von Sekundärionen zu er- zeugen und nachzuweisen. Das bedeutet, daß die Meßzeit zunimmt. Diese Zunahme der Meßzeit wird vor allem bei feinfokussierten Ionenquellen für die Mikrobereichsanaly¬ se zum Problem, da hier nur sehr kleine Ionenströme I zur Verfügung stehen. Die Aufnahme von Spektren mit einer hohen Dynamik, die Aufnahme von lateralen Vertei¬ lungsbildern sowie die Tiefenprofilierung mit hoher Dyna¬ mik führen dann häufig zu Meßzeiten von größer einer Stunde bis zu mehreren Stunden.
Eine Verkürzung der Meßzeit ist beim Stand der Technik nur möglich durch eine Verlängerung der Primärpulsdauer t mit entsprechendem Verlust an Masenauflösung, oder durch Erhöhung der Wiederholrate mit entsprechender Ein¬ schränkung des erfaßten Massenbereich (s. Gl. 2) .
Es stellt sich die Aufgabe, für das Betreiben eines Se- kundärionen-Flugzeit-Massenspektrometers ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe die Meßzeiten ohne Verlust an Massenauflösung und ohne Reduzierung des Massenbe¬ reichs verkürzt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst bei einem Verfahren der ein¬ gangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß d) jeder Primärionenimpuls aus mehreren Teilimpulsen besteht, e) jeder Teilimpuls so schmal ist, daß er die Auflösung der feinstrukturierten Massenbereiche erlaubt, f) der Abstand t B der Teilimpulse größer als die Breite der feinstrukturierten Massenbereiche ist, g) die Anzahl n der Teilimpulse so gewählt ist, daß kleiner als die Abstände zwischen den feinstruk¬ turierten Massenbereichen ist, ti) die n zu den Teilimpulsen gehörenden Spektren jedes feinstrukturierten Massenbereiches addiert werden. Mit anderen Worten: Die Oberfläche wird im Zeitintervall tz (vgl. Gl. 2) nicht mit einem einzigen kurzen Primärio- nenpuls, sondern innnerhalb der Zykluszeit t Z mit einer
Folge von mehreren, im wesentlichen gleichen Teil¬ impulsen in kurzem zeitlichen Abstand beschossen. Der Ab¬ stand zweier Teilimpulse ist größer als die Flugzeit¬ differenz von Element- und Molekülionen einer ganz¬ zahligen Nominalmasse; außerdem ist der Abstand vom er¬ sten zum letzten Primärionen-Teilimpuls kleiner als die Flugzeitdifferenz zwischen den Nominalmassen im erfaßten Massenbereich. Durch Addition der n sich ergebenden Feinmaxima läßt sich das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung wesentlich verbessern, ohne die Meßzeit zu erhöhen. Vorzugsweise besteht die Folge aus n = 3 bis n = 20 Teilimpulsen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist demnach ein Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer, bei dem eine Materialproben-Oberfläche impulsartig mit Primärionen beschossen wird (Primärionenpulse) und die Primärionen aus der Materialproben-Oberfläche Sekundärionen verschiedener Massen m herauslösen. Diese werden mit derselben Energie E nach dem Herauslösen beaufschlagt. Die masseabhängige Flugzeit t wird über einen Weg 1 gemessen, wobei die Flugzeit t der Wurzel aus der Masse proportional ist und die Zahl der Sekundärionen, die einer bestimmten Masse m entsprechen, innerhalb einer festgelegten Zykluszeit t Z in bestimmten
Zeitabständen t Feinstruktur-Maxima ergeben, wobei letztere jeweils etwa einem ganzzahligen Atom- oder Mole¬ kulargewicht von Element- oder Molekularionen ent¬ sprechen.
Die Amplituden der Feinstruktur-Maxima erlauben eine qualitative und quantitative Analyse der Zusammensetzung der Materialprobenoberfläche. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine gepulste Primärionenquelle, mit der die Materialproben-Oberfläche im Zeitintervall t mit einer Folge von n im wesentlichen gleichen Pri¬ märionen in kurzem zeitlichen Abstand t B beschießbar ist, wobei der zeitliche Abstand t B zweier Primärionen- pulse größer ist als die Flugzeitdifferenz von Element- und Molekülionen eines Nominalmassenbereiches und außerdem der Abstand
t = n • t
vom ersten zum letzten Primärionenpuls kürzer ist als die Flugzeitdifferenz zwischen den Nominalmassen im erfaßten Massenbereich, wobei die n Feinstruktur-Maxima, die zu derselben Sekundärionenspezies gehören, addierbar sind.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung wird in der Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Anordnung eines Flugzeit-Massen- spektrometers
Fig. 2 ein Massenspektrum, das nach dem Stand der Tech- nik gewonnen wurde a) Übersichtsspektrum im Massenbereich 1-50 u b) Detail im Massenbereich 26.5 - 28.5 u
Fig. 3 ein Massenspektrum, das im Betriebsverfahren ge- maß Erfindung gewonnen wurde a) Ubersichtsspektrum im Massenbereich 1-50 u b) Detail im Massenbereich 26.5 - 28.5 u
Fig. 4 Sekundärionenverteilungsbilder, die nach dem Stand der Technik gewonnen wurden
Fig. 5 Sekundärionenverteilungsbilder, die im Betriebs- verfahren gemäß Erfindung gewonnen wurden.
Fig. 1 zeigt das Meßprinzip des TOF-SIMS-Verfahrens. Eine kontinuierlich arbeitende Ionenquelle IQ wird mit Hilfe eines geeigneten Strahlpulsers PS gepulst, wobei sich die bereits genannten Primärionenpulse ergeben.
Anschließend wird der gepulste und mit einem Massen¬ filter MF gefilterte Primärionenstrahl mit einer Fokussierungseinheit FK und einer Rastereinheit RS auf die Probe P (Target) fokussiert und positioniert. Alle vom Primärionenstrahl erzeugten, einfach geladenen Sekundärionen werden mit Hilfe einer Absaugspannung U auf die gleiche Energie E beschleunigt. Ihre Laufzeit wird anschließend in einem Flugzeitanalysator FZA mit räumlichen und zeitlichen Fokussierungseigenschaften vermessen. Für den Nachweis dient ein geeigneter zeitauflösender Ionendetektor ID. Die Ausgangspulse des Ionendetektors ID werden von der Registrierelektronik, bestehend aus einem Diskriminator DS und einem Time-to- Digital-Converter TDC in Verbindung mit einem schnellen Speicher, verarbeitet.
Ein typisches Meßergebnis, das nach dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik aufgenommen wurde, zeigen Fig. 2a und 2b. Hier wurde ein einziger Primärionenpuls pro Zy¬ kluszeit t Z mit einer Pulsdauer von 1,3 ns verwendet.
Über die Zykluszeit von 100 μs werden die ausgelösten Se¬ kundärionen registriert und alle Ereignisse über insge- samt 1695•lO'7 Zyklen addiert. Die Meßzeit beträgt hier demnach 1695 s = 28 min. Im vorliegenden Falle handelt es sich bei der Probe um einen Siliziumwafer mit einer Aluminiumteststruktur. Fig. 2a zeigt das Übersichts¬ spektrum im Massenbereich (Nominalmassen) von 1 bis 50 u.
Fig. 2b zeigt im Detail die Feinstruktur der Maxima im Massenbereich von 26,5 bis 28,5 u des Spektrums gemäß Fig.2a. Hier wird die Trennung diverser Atom- und Molekülionen mit Hilfe der hohen Massenauflösung deutlich. Es ergibt sich bei der Nominalmasse 27 eine Trennung in AI"" und C 2H3"*", bei der Nominalmasse 28 eine
Trennung in Si*, A1H* und C ZH4"*". Infolge der genauen
Massen der Elemente des Periodensystems können sich zwischen den Maxima der Nominalmassen 27 und 28 keine weiteren Maxima befinden, z.B. zwischen C H "*" und Si"4").
Um die Meßzeit wesentlich zu verkleinern bzw. bei vorge¬ gebener Meßzeit die Zahl der registrierten Sekundärionen und damit die Dynamik zu erhöhen, wählt man eine Be¬ triebsweise, die der Erfindung entspricht und die in den Abbildungen Fig. 3a und 3b zum Ausdruck kommt. Hier sind statt eines einzigen Primärionenimpulses 12 Teilimpulse gleicher Pulsdauer mit einem zeitlichen Abstand von 25 ns eingesetzt worden bei einer unveränderten
Zykluszeit t von 100 μs.
Fig. 3a zeigt das Ubersichtsspektrum im Massenbereich 1 bis 50 u. Klar erkennbar ist die Trennung der verschiedenen Nominalmassen. Die Flugzeitdifferenz zwischen m = 49 und = 50 ist damit größer als 12 . 25 ns = 300 ns.
In Fig. 3b ist die Feinstruktur desselben Massenspek¬ trums im Massenbereich von 26,5 bis 28,5 u gezeigt. Klar erkennbar ist die 12fache Überlagerung der Peakstruktur aus Fig.2b durch die Anwendung der Folge von 12
Teilimpulsen mit definiertem Abstand. Durch die Wahl des Abstandes von 25 ns wird eine Überlagerung der Maxima, die zu verschiedenen Primärionenimpulsen gehören, vermie¬ den, so daß eine Zuordnung der Peakserie zu einer be- stimmten Verbindung möglich ist. Es werden wie in Fig. 2b bei der Nominalmasse 27 die Maxima für AI"*" und C 2H3 nachgewiesen sowie bei der Nominalmasse 28 die Maxima für Si"1" , A1H* und C 2 H 4 "*" .
Es wurden alle Ereignisse wiederum über insgesamt 1695«10"7 Zyklen addiert. Die Meßzeit beträgt hier wie in Fig. 2a und 2b 1695 s = 28 min. Das Beispiel zeigt, daß bei gleicher Meßzeit die I2fache Sekundärionenintensität registriert werden kann ohne Verlust an Massenauflösung und ohne störende Peakinterferenzen. Dementsprechend kann durch Addition der Intensitäten der jeweiligen Sekundärionenspezies die gleiche Information wie in Fig. 2a und 2b in einem 1/12 der Meßzeit gewonnen werden. Dies bedeutet hier beispielsweise eine Verkürzung der Meßzeit von 28 min auf 2,3 min.
Die der Erfindung entsprechende Betriebsart verkürzt ebenso die Aufnahmezeit für Sekundärionenbilder. Hier wird eine Analyse wie in Fig. 2 bzw. Fig. 3 für jeden Bildpunkt (Pixel) durchgeführt und anschließend werden die Verteilungsbilder der verschiedenen Sekundärionen¬ spezies konstruiert.
Fig. 4 zeigt Verteilungsbilder mit einer Betriebsweise gemäß dem Stand der Technik. Es wurde pro Zyklus ein ein¬ ziger Primärionenpuls eingesetzt. Die Ereignisse für jeden Bildpunkt wurden über 200 Zyklen addiert und ausge¬ wertet. Die Gesamtmeßzeit für 256 x 256 Bildpunkte be¬ trägt 1310 s = 22 min.
Fig. 5 zeigt Verteilungsbilder der gleichen Probe mit einer Betriebsart gemäß Erfindung. Es wurde eine Pulsfol¬ ge von 12 Teilimpulsen pro Zyklus im Abstand von 25 ns eingesetzt. Die Ereignisse über 200 Zyklen wurden ad¬ diert und ausgewertet. Die gesamte Meßzeit beträgt wie in Fig. 5 1310 s = 22 min. Durch den Betrieb gemäß Erfin¬ dung ist die Intensität und die Dynamik in den Sekundär- ionenverteilungsbildern deutlich größer bei gleicher Me߬ zeit und gleichem Informationsgehalt. So werden in Fig. 4 nur 47 Sekundärionen AI"*" im hellsten Bildpunkt regi¬ striert, während in Fig. 5 insgesamt 411 Sekundärionen im hellsten Bildpunkt enthalten sind. Ähnliche Verbesse¬ rungen der Bildqualität bei gleicher Aufnahmezeit zeigen auch die anderen Verteilungen von C H "*", Si"1" und A1H"*". Für gleiche Bildqualität ergibt sich eine entsprechende Verkürzung um einen Faktor 12 der Bildaufnahmezeit.
Die verfahrensmäßige Verwendung einer Zeitimpulsfolge anstelle eines Einzelpulses läßt sich auch auf analoge Verfahren anwenden, insbesondere auf die Gasphasen¬ analyse mit der Flugzeit-Massenspektroskopie. Die Ionenerzeugung erfolgt hier mit einem Elektronenpuls; die erzeugten Gasionen werden beschleunigt und ihre Massen mittels einer Flugzeitmessung bestimmt. Wird anstelle eines einzelnen Elektronenpulses eine Folge von Elektronenpulsen eingesetzt, so läßt sich wie bei der TOT-SIMS - utatis mutandis - eine Verkürzung der Meßzeit bei der hochauflösenden Flugzeit-Massenspektroskopie erreichen.

Claims

A n s p r ü c h e :
Verfahren zum Betreiben eines Flugzeit-Sekundär- ionen-Massenspektrometers für die Analyse von Massen¬ spektren, bei denen mehrere feinstrukturierte Massen¬ bereiche in größeren Abständen isoliert auftreten, mit folgenden Schritten: a) eine Materialproben-Oberfläche wird mit in regel¬ mäßigen Abständen tz (Zykluszeit) aufeinander- folgenden Primärionenpulsen beschossen, b) die von den Primärionen aus der Materialproben- Oberfläche herausgelösten Sekundärionen verschiedener Massen m werden auf die gleiche Energie beschleunigt, c) die masseabhängige Flugzeit t wird über einen Weg 1 gemessen und daraus die Masse bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß d) jeder Primärionenimpuls aus mehreren Teilimpulsen besteht, e) jeder Teilimpuls so schmal ist, daß er die Auflösung der feinstrukturierten Massenbereiche erlaubt, f) der Abstand t B der Teilimpulse größer als die Breite der feinstrukturierten Massenbereiche ist, g) die Anzahl n der Teilimpulse so gewählt ist, daß kleiner als die Abstände zwischen den feinstruk- turierten Massenbereichen ist, h) die n zu den Teilimpulsen gehörenden Spektren jedes feinstrukturierten Massenbereiches addiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge aus n = 3 bis n = 20 Primärionenpulsen besteht.
3. Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem 5 a) eine Materialproben-Oberfläche mit in regelmäßigen
• Abständen tz (Zykluszeit) aufeinanderfolgenden
Primärionenpulsen beschossen wird, b) die von den Primärionen aus der Materialproben- Oberfläche herausgelösten Sekundärionen verschiedener
^ Massen m auf die gleiche Energie beschleunigt werden, c) die masseabhängige Flugzeit t über einen Weg 1 gemessen und daraus die Masse bestimmt wird, gekennzeichnet durch eine gepulste Primärionenquelle, mit der die — *5 Materialproben-Oberfläche im Zeitintervall tz mit einer
Folge von n im wesentlichen gleichen Primärionen in kur¬ zem zeitlichen Abstand t B beschießbar ist, wobei der zeitliche Abstand t B zweier Primärionenpulse größer ist als die Flugzeitdifferenz von Element- und Molekülionen 20 eines Nominalmassenbereiches und außerdem der Abstand
vom ersten zum letzten Primärionenpuls kürzer ist als 25 die Flugzeitdifferenz zwischen den Nominalmassen im erfaßten Massenbereich, wobei die n Feinstruktur-Maxima, die zu derselben Sekundärionenspezies gehören, addierbar sind.
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