EP1658632B1 - Massenspektrometer und flüssigmetall-ionenquelle für ein solches massenspektrometer - Google Patents

Massenspektrometer und flüssigmetall-ionenquelle für ein solches massenspektrometer Download PDF

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EP1658632B1
EP1658632B1 EP04740521A EP04740521A EP1658632B1 EP 1658632 B1 EP1658632 B1 EP 1658632B1 EP 04740521 A EP04740521 A EP 04740521A EP 04740521 A EP04740521 A EP 04740521A EP 1658632 B1 EP1658632 B1 EP 1658632B1
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EP
European Patent Office
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bismuth
ion
ions
mass
mass spectrometer
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EP04740521A
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Felix Kollmer
Peter Hoerster
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ION-TOF TECHNOLOGIES GMBH
Original Assignee
ION-TOF Technologies GmbH
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Publication date
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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
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H01J49/16—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/26—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field effect ion sources, thermionic ion sources
    • 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 mass spectrometer for analyzing secondary ions and deionized neutral secondary particles with an ion source for generating a primary ion beam for irradiating a sample and generating secondary particles, which source has a heatable ion emitter, which is coated in the field-exposed area with a liquid metal layer, the contains ionizable metal that is emitted and ionized as a primary ion beam, the primary ion beam containing metal ions with different ionization levels and cluster states, as well as a spectrometer unit for mass analysis of the secondary particles.
  • the invention also relates to the ion source for such a mass spectrometer.
  • liquid metal ion sources in secondary ion mass spectrometry, which is especially operated as Time of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy (TOF-SIMS).
  • TOF-SIMS Time of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy
  • Applicant proposes a liquid metal gold cluster ion source for a spectrometer (see Prospectus "Liquid Metal Gold Cluster Ion Gun for Improved Molecular Spectroscopy and Imaging", no date, published 2002), which represents the state of the art according to the cited generic term.
  • bismuth is an anisotopic element with a melting point of 271.3 ° C.
  • bismuth alloys such as Bi + Pb, Bi + Sn and Bi + Zn are known which have a lower melting point (46 ° C - 140 ° C) than pure bismuth.
  • pure bismuth is preferred.
  • the document US 6,002,128 describes a secondary ion mass spectrometer in which the primary beam is generated by a gallium liquid metal ion source.
  • Other possible metal ions for the primary beam include cesium, indium, bismuth and gold.
  • a calibration alloy for a secondary ion mass spectrometer specified can be obtained with the mass spectra with high resolution.
  • the elements V, Ge, Cd, Os and Bi are mentioned as elements with high negative secondary ionization.
  • the isotope curves (patterns) with the aforementioned elements give characteristic, repeatable spectra.
  • this document does not speak of clustering or of a liquid metal ion source.
  • bismuth is particularly well suited for cluster production.
  • the invention thus has the task of developing an ion source with improved yield of cluster ions for the operation of secondary ion mass spectrometers in order to achieve a high efficiency of secondary ion formation with simultaneously high data rates and thus short analysis times.
  • the proposed improvement combines a high efficiency E of secondary ion formation from unchanged sample surfaces with high cluster currents and leads to a corresponding shortening of the analysis times.
  • a secondary ion mass spectrometer in which the liquid metal layer consists of pure metallic bismuth or a low melting bismuth alloy, wherein with the ion emitter under the influence of an electric field, a bismuth ion mixing beam is emitted one of several Bismutionenart, the mass of which is a multiple of the monatomic, singly or multiply charged bismuth Bi 1 p +, is filtered out using a filter device as a mass pure ion beam consisting exclusively of ions of a type Bi n pk , where n ⁇ 2 and p ⁇ 1 is and n and p are each a natural number.
  • the value of efficiency E corresponds to the number of secondary particles detected by the spectrometer, which can be detected per unit surface area of a fully consumed monolayer. From the efficiency it can be calculated, therefore, how many secondary ions are to be detected in a small-area chemical analysis under the selected bombardment conditions.
  • the filtered out for a mass-pure ion beam ions belong to one of the following type: Bi 2 +, Bi 3 +, Bi 3 2+, Bi 4 +, Bi 5 +, Bi 6 +, Bi 5 2+ or Bi 7 2+ . It should preferably be worked with an ionic species, which makes up a relatively high proportion of the total number of ions.
  • the mass spectrometer is operated as a time-of-flight secondary ion mass spectrometer (TOF-SIMS), since there is much experience for this type and the experimental operation has shown that the greatest user potential lies here.
  • TOF-SIMS time-of-flight secondary ion mass spectrometer
  • an ion emitter equipped with a nickel-chromium tip is, according to current knowledge, a favorable solution.
  • the average current in the operation of the secondary ion mass spectrometer is chosen for the emission current between 10 -8 and 5x10 -5 A.
  • a bismuth metallic alloy is chosen instead of pure bismuth, it is preferable to determine one having a low melting point with a high bismuth content.
  • bismuth alloys with one or more of the following metals as liquid metal coating in question Ni, Ag, Pb, Hg, Cu, Sn, Zn, wherein preferably an alloy is selected whose melting point is below the melting point of pure bismuth ,
  • a liquid metal ion source suitable for a TOF-SIMS is disclosed in U.S. Pat FIG. 1 shown.
  • Liquid metal ion sources are widely used for material processing and surface analysis. These ion sources have a very small virtual source size of about 10 nm and a high angle intensity. Due to these properties, liquid metal ion sources can focus very well, whereby up to 7 nm beam diameter can be achieved with relatively high beam currents.
  • FIG. 1 schematically the generation system for ions from a liquid metal ion source with an emitter unit 1 is shown.
  • the support unit 7 carries at its two ends depending on a rigid lead wire 6, wherein via the lead wires 6 a variable in its thickness heating current is supplied; Both supply wires 6 are connected to a reservoir 5 in which a supply of molten bismuth is present during operation of the emitter unit 1.
  • An emitter needle 1 protrudes centrally from the reservoir 5. The emitter needle 1 can thus be held at a temperature at which the bismuth remains molten and wets the needle.
  • the emitter needle 1 is made of a nickel-chromium alloy and is wetted to its tip with liquid bismuth 4.
  • the emitter needle has a wire diameter of about 200 microns and a radius of curvature at the top of 2 to 4 microns.
  • the emitter needle 1 is positioned centrally in front of an extraction panel 2 and surrounded by a suppression unit 3.
  • FIG. 2 shows the emission current components for bismuth and gold, normalized to the atomic, singly charged ions for AuGe and Bi emitters at an emission current of 1 ⁇ A.
  • the absolute emission currents of Au 1 + and Bi 1 + are approximately equal. While the atomic, singly charged beam components Au 1 + and Bi 1 + are comparable in size, the cluster yield shows a clear difference. For the singly charged ions, the advantage of Bi n + over Au n + increases steadily with the size of the clusters. Double-charged cluster ions are emitted only with bismuth with appreciable intensity.
  • the cluster components shown refer to a total emission current of 1 ⁇ A. Since the cluster components are emission current-dependent, the cluster current can still be increased depending on further parameters for bismuth.
  • the same liquid metal ion mass spectrometer was used to analyze the same organic surfaces with different kinds of primary ions (cf. Fig. 3 ).
  • the sample is a color filter array, which, for example, is switched in digital cameras in front of a photosensitive CCD surface to provide the color information.
  • This sample is very well suited as a comparison standard, since it is made very homogeneous and reproducible.
  • the differences achieved between the primary ion species are quite typical and can be qualitatively transferred to other molecular solid surfaces.
  • FIG. 3 Series of images shown show the lateral distribution of two dyes used with the masses 413u and 641u. Due to the increasing destruction of the surface as a result of the Primärionenbeschusses the signal intensity decreases continuously. Shown for all primary ion species of the designated type is the summed signal intensity with the same degree of surface damage (1 / e decrease in signal intensity). The signal intensity achieved is thus a measure of the efficiency of the analysis.
  • the primary ion currents over Au 3+ can be increased by a factor of 4 to fifth Due to the slightly increased yield, the increase in data rates is even higher.
  • the 1 / e decrease of the signal intensity is observed with Au 3 + primary ions after 750 s and with Bi 3 + primary ions already after a significantly reduced analysis time of 180s reached.
  • the reduction in the measuring time is essentially due to the increased Bi 3 + cluster currents.
  • An increase in efficiency can be achieved by using larger clusters, such as Bi 7 ++ , but these cluster currents are relatively small, so the analysis times are generally longer.
  • bismuth emitters have advantages over gold emitters in terms of emission stability at low emission currents and mass separation of the emitted ion species.
  • the advantages described therefore show that bismuth emitters have significant economic and analytical advantages which were not to be expected without further ado.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer zur Analyse von Sekundärionen und nachionisierten neutralen Sekundärteilchen mit einer Ionenquelle zur Erzeugung eines Primärionenstrahls zur Bestrahlung einer Probe und Erzeugung von Sekundärteilchen, welche Quelle einen heizbaren Ionenemitter besitzt, der im feldausgesetzten Bereich mit einer Flüssigmetall-Schicht überzogen ist, die ein ionisierbares Metall enthält, das als Primärionenstrahl emittiert und ionisiert wird, wobei der Primärionenstrahl Metallionen mit verschiedenen Ionisationsstufen und Clusterzuständen enthält, sowie mit einer Spektrometereinheit zur Massenanalyse der Sekundärteilchen. Die Erfindung betrifft auch die Ionenquelle für ein solches Massenspektrometer.
  • In der Beschreibung wird die Schreibweise "Bismut" statt "Wismut" gemäß IUPAC-Empfehlung gewählt (vergl. RÖMPP; CHEMIELEXIKON, 9. Aufl., Stichworte "Bismut" und "Wismut"). Weiterhin wird die übliche Bezeichnung für Ionen in Clustern bezüglich ihrer Masse und ihrer Ladung wie folgt verwendet:

            Bin p+

    wobei n die Zahl der Atome in einem Cluster und p+ die Ladung bezeichnen.
  • Es ist bekannt, in der Sekundärionen-Massenspektroskopie, die insbesondere als Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie betrieben wird (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy; TOF-SIMS), Flüssigmetall-Ionenquellen zu verwenden. Von der Anmelderin wird eine Flüssigmetall-Goldcluster-Ionenquelle für einen Spektrometer angeboten (vergl. Prospekt "Liquid Metal Gold Cluster Ion Gun for Improved Molecular Spectroscopy and Imaging", ohne Datum, veröffentlicht 2002), das den Stand der Technik gemäß zitiertem Oberbegriff darstellt.
  • Die Effizienz der TOF-SIMS-Messungen gegenüber Primärionenstrahlen aus monoatomaren Gallium-Ionen konnte mit Gold-Primär-Cluster-Ionen, zum Beispiel des Typs Au3 +, wesentlich gesteigert werden. Nachteilig bei der Verwendung von Gold als Material für den Primärionenstrahl ist allerdings, dass bei der Erzeugung von Goldionen die des Typs Au1 + überwiegen, während Cluster-Formate, wie Au2 +, Au3 +, nur mäßig geringe Anteile im Gesamt-Ionenstrom ausmachen.
  • Bei der intensiven Suche nach weiteren clusterbildenden, nur ein natürliches Isotop aufweisenden Substanzen für die Sekundärionen-Massenspektroskopie wurde erfolgreich Bismut getestet. Bismut ist ein anisotopisches Element mit einem Schmelzpunkt von 271,3°C. Daneben sind Bismut-Legierungen, wie Bi + Pb, Bi + Sn und Bi + Zn, bekannt, die einen niedrigeren Schmelzpunkt (46°C - 140°C) als reines Bismut aufweisen. Für eine Flüssigmetall-Ionenquelle wird jedoch reinem Bismut der Vorzug gegeben.
  • Das Dokument US 6 002 128 beschreibt ein Sekundärionen-Massenspektrometer bei dem der Primärstrahl von einer Gallium-Flüssigmetallionenquelle erzeugt wird. Als weitere mögliche Metallionen für den Primärstrahl werden Caesium, Indium, Bismut und Gold genannt.
  • Auch wird in der JP 03-084435 eine Kalibrierlegierung für ein Sekundärionen-Massenspektroskop angegeben, mit der Massenspektren mit hoher Auflösung erhalten werden können. Dabei werden als Elemente mit hoher negativer sekundärer Ionisation die Elemente V, Ge, Cd, Os und Bi genannt. Die Isotop-Kurven (patterns) mit den vorgenannten Elementen ergeben charakteristische, repetierbare Spektren. Jedoch wird in dieser Schrift nicht von einer Cluster-Bildung oder von einer Flüssigmetall-Ionen-Quelle gesprochen. Außerdem ist nicht angegeben, dass sich Bismut besonders gut für eine Cluster-Erzeugung eignet.
  • Für die Erfindung stellt sich damit die Aufgabe, für den Betrieb von Sekundärionen-Massenspektrometern eine Ionen-quelle mit verbesserter Ausbeute an Cluster-Ionen zu entwickeln, um eine hohe Effizienz der Sekundärionenbildung bei gleichzeitig hohen Datenraten und damit kurzen Analysezeiten zu erreichen. Die vorgeschlagene Verbesserung kombiniert eine hohe Effizienz E der Sekundärionenbildung von unveränderten Probeoberflächen mit hohen Clusterströmen und führt zu einer entsprechenden Verkürzung der Analysezeiten.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Sekundarionen-Massenspektrometer nach Ansprüchen 1 bzw. 6 and 9 bei dem die Flüssigkeitsmetallschicht aus reinem metallischen Bismut oder einer niedrigschmelzenden Bismut enthaltenden Legierung besteht, wobei mit dem Ionenemitter unter Einfluss eines elektrischen Feldes ein Bismutionen-Mischstrahl emittierbar ist, aus dem eine von mehreren Bismutionenarten, deren Masse ein Mehrfaches des monoatomaren, ein- oder mehrfach geladenen Bismutions Bi1 p+ beträgt, mit Hilfe einer Filtervorrichtung als massenreiner Ionenstrahl herauszufiltern ist, der ausschließlich aus Ionen einer Art Bin pk besteht, bei denen n≥2 und p≥1 ist und n und p jeweils eine natürliche Zahl ist.
  • Da die Sekundärionen-Massenspektrometrie auf der Zerstäubung der analysierten Festkörperoberfläche beruht, wird ein Teil der Oberfläche zerstört. Von einer gegebenen Festkörperoberfläche kann daher nur eine begrenzte Anzahl an molekularen Sekundärteilchen generiert und nachgewiesen werden. Insbesondere die molekularen Bestandteile der Festkörperoberfläche zerfallen durch den Primärionenbeschuss und stehen der Analyse damit nicht mehr zur Verfügung. Ein breiterer Einsatz der TOF-SIMS zur Analyse molekularer Oberflächen erfordert eine Steigerung der bisher erreichbaren Nachweisempfindlichkeit für organische Materialien. Eine solche Empfindlichkeitssteigerung setzt eine effizientere Bildung von Sekundärteilchen, insbesondere Sekundärionen, aus dickeren organischen Schichten voraus. Mit der vorgeschlagenen Verbesserung wird die Effizienz E der Sekundärionenbildung von unveränderten Probenoberflächen gesteigert.
  • Der Wert der Effizienz E entspricht der Anzahl der durch das Spektrometer nachgewiesenen Sekundärteilchen, die pro Oberflächeneinheit von einer vollständig konsumierten Monolage erfasst werden können. Aus der Effizienz lässt sich folglich berechnen, wie viele Sekundärionen bei einer kleinflächigen chemischen Analyse unter den gewählten Beschussbedingungen nachzuweisen sind.
  • Insbesondere ist vorteilhaft, wenn die für einen massereinen Ionenstrahl herausgefilterten Ionen zu einer der folgenden Art gehören: Bi2 +, Bi3 +, Bi3 2+, Bi4 +, Bi5 +, Bi6 +, Bi5 2+ oder Bi7 2+. Es sollte vorzugsweise mit einer Ionenart gearbeitet werden, die einen relativ hohen Anteil an der Gesamtionenzahl ausmacht.
  • Vorzugsweise wird das Massenspektrometer als Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer (TOF-SIMS) betrieben, da für diesen Typ viel Erfahrungen vorliegen und der Versuchsbetrieb gezeigt hat, dass hier das größte Anwenderpotential liegt.
  • Von der Benetzbarkeit, Standfestigkeit und Verarbeitbarkeit stellt für Bismutbeschichtungen ein Ionenemitter, der mit einer Nickel-Chrom-Spitze ausgerüstet ist, nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand eine günstige Lösung dar.
  • Als mittlere Stromstärke im Betrieb des Sekundärionen-Massenspektrometers wird für den Emissionsstrom eine solche zwischen 10-8 und 5x10-5 A gewählt.
  • Für den Fall, dass anstelle reinen Bismuts eine metallische Legierung von Bismut gewählt wird, wird vorzugsweise eine solche bestimmt, die einen niedrigen Schmelzpunkt bei hohem Bismutanteil besitzt. Hier kommen beispielsweise Bismut-Legierungen mit einem oder mehreren der folgenden Metalle als Flüssigmetall-Überzug in Frage: Ni, Ag, Pb, Hg, Cu, Sn, Zn, wobei vorzugsweise eine Legierung gewählt ist, deren Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunktes des reinen Bismuts liegt.
  • Wesentliche Eigenschaften, Vorteile und Bauprinzipien werden anhand einer Zeichnung erläutert, deren Figuren zeigen:
    • Fig. 1
    ein Schema des Aufbaues eines Erzeugungssystems einer Flüssigmetall-Ionenquelle;
    Fig. 2
    Vergleich der Emissionsstromanteile, normiert auf die atomaren, einfach geladenen Spezies Bi1 + bzw. Au1 + für entsprechende Emitter bei 1µA Emissionsstrom;
    Fig. 3
    verschiedene Aufnahmen einer lateralen Farbstoffverteilung (413u und 640u) eines Farbfilter-Arrays mit verschiedenen Primärionenspezies, wobei als Analysebedingungen 25 keV Primärionenenergie bei einem Gesichtsfeld von 50 x 50 µm2 gewählt wurden.
  • Der generelle Aufbau eines TOF-SIMS ist allgemein bekannt, so dass hier nur auf die Figur 1 und die zugehörige Beschreibung der DE 44 16 413 A1 der Anmelderin verwiesen wird.
  • Eine für ein TOF-SIMS geeignete Flüssigmetall-Ionenquelle ist in Figur 1 dargestellt. Flüssigmetall-Ionenquellen werden sehr breit für die Materialbearbeitung und die Oberflächenanalyse eingesetzt. Diese Ionenquellen besitzen eine sehr geringe virtuelle Quellgröße von etwa 10 nm und eine hohe Winkelintensität. Aufgrund dieser Eigenschaften lassen Flüssigmetall-Ionenquellen sich sehr gut fokussieren, wobei bis zu 7 nm Strahldurchmesser bei gleichzeitig relativ hohen Strahlströmen zu erreichen sind.
  • In Figur 1 ist schematisch das Erzeugungssystem für Ionen aus einer Flüssigmetall-Ionenquelle mit einer Emittereinheit 1 dargestellt. Die Trägereinheit 7 trägt an ihren beiden Enden je einen steifen Zuleitungsdraht 6, wobei über die Zuleitungsdrähte 6 ein in seiner Stärke einstellbarer Heizstrom zugeführt wird; beide Zuleitungsdrähte 6 sind mit einem Reservoir 5, in dem sich im Betrieb der Emittereinheit 1 ein Vorrat an geschmolzenem Bismut befindet, verbunden. Aus dem Reservoir 5 ragt zentrisch eine Emitter-Nadel 1. Die Emitter-Nadel 1 kann damit auf einer Temperatur gehalten werden, bei der das Bismut geschmolzen bleibt und die Nadel benetzt.
  • Die Emitter-Nadel 1 besteht aus einer Nickel-Chrom-Legierung und ist bis zu ihrer Spitze mit flüssigem Bismut 4 benetzt. Die Emitter-Nadel hat einen Drahtdurchmesser von etwa 200 µm und einen Krümmungsradius an der Spitze von 2 bis 4 µm. Die Emitter-Nadel 1 ist zentrisch vor einer Extraktionsblende 2 positioniert und von einer Suppressionseinheit 3 umgeben.
  • Legt man eine Hochspannung zwischen der Extraktionsblende 2 und der benetzten Emitter-Nadel 4 an, so formt sich an der Nadelspitze ab einer bestimmten Spannung ein aus flüssigem Bismut geformter scharfer Konus, der sogenannte Taylor-Konus. Die damit verbundene Verjüngung der Spitze führt zu einem deutlichen Anstieg der Feldstärke. Ist die Feldstärke zur Felddesorption ausreichend, so setzt an der Spitze des Taylor-Konus die Emission von Metallionen ein. Der Emissionsstrom der Flüssigmetall-Ionenquelle der dargestellten Art liegt etwa zwischen 0,2 und 5 µA.
  • Figur 2 zeigt die Emissionsstromanteile bei Bismut und Gold, normiert auf die atomaren, einfach geladenen Ionen für AuGe- und Bi-Emittern bei einem Emissionsstrom von 1 µA.
  • Es ist zu erkennen, dass die normierten, relativen Emissionsanteile sich für Bismut deutlich besser ergeben als für Gold. Ein weiterer Vorteil gegenüber Gold, bei dem zur Erreichung niedriger Schmelzpunkte Legierungsbestandteile erforderlich sind, ist, dass Bismut als Reinmetall verwendet werden kann. Der Schmelzpunkt ist mit 271,3°C relativ niedrig. Hinzu kommt, dass bei Bismut der am Schmelzpunkt herrschende Dampfdruck geringer ist als bei Gold. Als weiterer Vorteil fällt ins Gewicht, dass bei Gold der emittierte Ionenstrom mit Legierungsbestandteilen, wie Germanium, vermischt ist, so dass sich eine höhere Anforderung an die Massenfilterung ergibt.
  • Die absoluten Emissionsströme von Au1 + und Bi1 + sind annähernd gleich. Während demnach die atomaren, einfach geladenen Strahlanteile Au1 + und Bi1 + vergleichbar groß sind, zeigt sich in der Clusterausbeute ein deutlicher Unterschied. Bei den einfach geladenen Ionen nimmt der Vorteil von Bin + gegenüber Aun + mit der Größe der Cluster stetig zu. Doppelt geladene Cluster-Ionen werden nur bei Bismut mit nennenswerter Intensität emittiert.
  • Die in Figur 2 dargestellten Cluster-Anteile beziehen sich auf einen totalen Emissionsstrom von 1 µA. Da die Cluster-Anteile emissionsstromabhängig sind, kann der Clusterstrom abhängig von weiteren Parametern für Bismut noch erhöht werden.
  • Zum Vergleich der Erfindung mit dem Stand der Technik wurden mit demselben Flüssigmetall-Ionenmassenspektrometer gleiche organische Oberflächen mit verschiedenen Primärionen-Arten analysiert (vergl. Fig. 3). Bei der Probe handelt es sich um ein Farbfilter (colour filter array), das zum Beispiel in Digitalkameras vor eine lichtempfindliche CCD-Fläche geschaltet wird, um die Farbinformation zu liefern. Diese Probe ist als Vergleichsstandard sehr gut geeignet, da sie sehr homogen und reproduzierbar gefertigt wird. Zudem sind die erzielten Unterschiede zwischen den Primärionen-Arten durchaus typisch und lassen sich qualitativ auf andere molekulare Festkörperoberflächen übertragen.
  • Die in Figur 3 dargestellten Bilderreihen zeigen die laterale Verteilung zweier verwendeter Farbstoffe mit den Massen 413u und 641u. Durch die zunehmende Zerstörung der Oberfläche in Folge des Primärionenbeschusses nimmt die Signalintensität kontinuierlich ab. Dargestellt ist für alle Primärionenspezies der bezeichneten Art die auf summierte Signalintensität bei gleichem Schädigungsgrad der Oberfläche (1/e-Abfall der Signalintensität). Die erreichte Signalintensität ist somit ein Maß für die Effizienz der Analyse.
  • Die sehr geringen Au3 +-Clusterströme führen zu relativ langen Messzeiten. Durch die Verwendung von Bi3 +-Clustern lassen sich die Primärionenströme gegenüber Au3 + um einen Faktor 4 bis 5 steigern. Durch die geringfügig erhöhte Ausbeute liegt die Steigerung in den Datenraten sogar noch darüber. Der 1/e-Abfall der Signalintensität wird mit Au3 +-Primärionen nach 750s und mit Bi3 +-Primärionen bereits nach einer deutlich verkürzten Analysezeit von 180s erreicht. Die Reduktion in der Messzeit ist dabei wesentlich auf die erhöhten Bi3 +-Clusterströme zurückzuführen. Auch die Wahl von Bi3 ++ führt zu ähnlich kurzen Messzeiten. Eine Steigerung der Effizienz kann durch die Verwendung von größeren Clustern, wie zum Beispiel Bi7 ++, erreicht werden, allerdings sind diese Clusterströme nur relativ gering, so dass die Analysezeiten sich insgesamt verlängern.
  • Da die Messzeit den wesentlichen Anteil an der Analysezeit ausmacht, führt die Steigerung der Datenraten durch die Verwendung von Bi3 + bzw. Bi3 ++ zu einem entsprechend erhöhten Probendurchsatz.
  • Zusätzlich zu den beschriebenen Vorteilen hinsichtlich der Messzeit weisen Bismut-Emitter gegenüber Gold-Emittern Vorteile hinsichtlich der Stabilität der Emission bei kleinen Emissionsströmen und der Massenseparation der emittierten Ionenarten auf. Die beschriebenen Vorteile lassen daher erkennen, dass Bismut-Emitter wesentliche wirtschaftliche und analysentechnische Vorteile aufweisen, die nicht ohne weiteres zu erwarten waren.

Claims (10)

  1. Massenspektrometer zur Analyse von Sekundärionen und nachionisierten neutralen Sekundärteilchen mit einer Ionenquelle zur Erzeugung eines Primärionenstrahls zur Bestrahlung einer Probe und Erzeugung von Sekundärteilchen, welche Ionenquelle einen heizbaren Ionenemitter besitzt, der im feldausgesetzten Bereich mit einer FlüssigmetallSchicht überzogen ist, die ein ionisierbares Metall enthält, das als Primärionenstrahl emittiert und ionisiert wird, wobei der Primärionenstrahl Bismut-Metallionen mit verschiedenen Ionisationsstufen und Clusterzuständen enthält,
    sowie mit einer Spektrometereinheit zur Massenanalyse der Sekundärionen und Sekundärteilchen, wobei die Flüssigmetallschicht aus reinem metallischen Bismut oder einer niedrigschmelzenden, Bismut enthaltenden Legierung besteht, wobei mit dem Ionenemitter unter Einfluss eines elektrischen Feldes ein Bismutionen-Mischstrahl emittierbar ist, gekennzeichnet dadurch, dass das genannte Massen spektrometer
    eine Filtervorrichtung, mit welcher aus dem Bismutionen-Mischstrahl eine von mehreren Bismutionenarten, deren Masse ein Mehrfaches des monoatomaren, ein- oder mehrfach geladenen Bismutions Bi1 p+ beträgt, als massenreiner Ionenstrahl, der ausschließlich aus Ionen einer Art Bin p+ besteht, bei denen n ≥ 2 und p ≥ 1 ist und n und p jeweils eine natürliche Zahl ist, herausfilterbar ist enthält.
  2. Massenspektrometer nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die für einen massenreinen Ionenstrahl herausgefilterten Ionen zu einer der folgenden Art gehören: Bi2 +, Bi3 +, Bi3 2+, Bi4 +, Bi5 +, Bi6 +, Bi5 2+ oder Bi7 2+.
  3. Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärionen-Massenspektrometer als Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer betreibbar ist.
  4. Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Emissionsstrom des Primärionenstrahls zwischen 10-8 und 5x10-5 A beträgt.
  5. Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Legierung von Bismut mit einem oder mehreren der folgenden Metalle als Flüssiggmetall-Überzug gewählt ist: Ni, Ag, Hg, Cu, Sn, Zn, wobei vorzugsweise eine Legierung gewählt ist, deren Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunktes des reinen Bismuts liegt.
  6. Verfahren zur Analyse von Proben oder Oberflächen,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Probe oder Oberfläche mit einem massenreinen Ionenstrahl aus Bismutionen einer Art Bin p+, bei denen n ≥ 2 und p ≥ 1 ist und n und p jeweils eine natürliche Zahl ist, bestrahlt wird, so dass Sekundärteilchen und/oder Sekundärionen gebildet werden, und wobei die Masse der Sekundärteilchen und/oder Sekundärionen analysiert wird.
  7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
    dadurch gekennzeichnet, dass der massenreine Ionenstrahl erzeugt wird, indem die BismutIonen einer Art aus einem in einer Flüssigmetall-Ionenquelle erzeugten Ionenstrahl herausgefiltert werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 and 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe oder Oberfläche organische Materialien aufweist.
  9. Verwendung eines Massenspektrometers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Analyse von Proben und/oder Oberflächen.
  10. Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Proben oder Oberflächen organische Materialien aufweisen.
EP04740521A 2003-08-25 2004-07-01 Massenspektrometer und flüssigmetall-ionenquelle für ein solches massenspektrometer Revoked EP1658632B1 (de)

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DE10339346A DE10339346B8 (de) 2003-08-25 2003-08-25 Massenspektrometer und Flüssigmetall-Ionenquelle für ein solches Massenspektrometer
PCT/EP2004/007154 WO2005029532A2 (de) 2003-08-25 2004-07-01 Massenspektrometer und flüssigmetall-ionenquelle für ein solches massenspektrometer

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