FR2941087A1

FR2941087A1 - ATOMIC WAVE-TIME MASS SPECTROMETER TOMOGRAPHIC PROBE INCORPORATING AN ELECTROSTATIC DEVICE

Info

Publication number: FR2941087A1
Application number: FR0900132A
Authority: FR
Inventors: Alain Bostel; Costa Gerald Da
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Cameca SAS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Cameca SAS
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2010-07-16
Also published as: WO2010081803A1

Abstract

Sonde atomique (100) tomographique à spectromètre à temps de vol, comprenant un dispositif électrostatique (201) de focalisation du faisceau d'ions, caractérisée en ce que le dispositif électrostatique (201) comprend une pluralité d'électrodes (202, 203, 204) dont les potentiels électriques (V , V , ..., V ) sont proportionnels au potentiel (V) imposé à l'échantillon formant la pointe (101).Atomic time scan spectrometer (100) atomic probe, comprising an ion beam focusing device (201), characterized in that the electrostatic device (201) comprises a plurality of electrodes (202, 203, 204) ) whose electrical potentials (V, V, ..., V) are proportional to the potential (V) imposed on the sample forming the tip (101).

Description

1 SONDE ATOMIQUE TOMOGRAPHIQUE A SPECTROMETRE DE MASSE A TEMPS DE VOL INCORPORANT UN DISPOSITIF ELECTROSTATIQUE La présente invention concerne une sonde atomique tomographique à spectromètre de masse incorporant un dispositif électrostatique. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a mass spectrometer tomographic atomic probe incorporating an electrostatic device.

Une sonde atomique tomographique est un dispositif permettant l'analyse d'échantillons à l'échelle atomique. II existe de nombreuses ~o configurations instrumentales relevant de cette technique d'analyse, telles que décrites dans l'ouvrage "Atom probe field ion microscopy" de Miller et al., publié en 1996 par Clarendon Press ù Oxford. Une sonde atomique comprend un spectromètre de masse à temps de vol, utilisant les propriétés de l'émission ionique de champ pour permettre 15 l'analyse chimique des ions individuellement évaporés, ou arrachés, d'un échantillon en cours d'analyse. L'échantillon est communément disposé sous la forme d'une pointe d'un rayon de courbure de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres, et placé dans une enceinte à vide ou chambre de vol. L'évaporation des ions situés en surface de la pointe est produite par effet de 20 champ, l'échantillon étant soumis à un potentiel positif typiquement de plusieurs kilovolts. Le champ électrique intense ainsi créé, de l'ordre de quelques dizaines de volts par nanomètres, doit être suffisant pour arracher les atomes de la surface de l'échantillon. En superposant des impulsions de tension au potentiel continu appliqué à l'échantillon, ou bien en bombardant 25 l'échantillon avec un faisceau Laser, il est possible de provoquer une évaporation des atomes de surface sous la forme d'ions, à des instants précis. Un détecteur, situé à une distance typique de quelques dizaines de centimètres de la pointe, dans la chambre de vol, recueille les ions émis à des instants précis. La donnée de ces instants précis, ainsi que l'instant où 30 les atomes ont été arrachés de l'échantillon, permet, en connaissant la distance séparant la pointe du détecteur du point d'impact de l'ion sur le détecteur, de déterminer le temps de vol des ions dans la chambre de vol, et d'en déduire leur vitesse de vol, ainsi que leur rapport masse sur charge M . n La connaissance du rapport M permet de déterminer la nature de l'atome n arraché de l'échantillon analysé. A tomographic atomic probe is a device allowing the analysis of samples at the atomic scale. There are numerous instrumental configurations of this assay technique, as described in Miller et al., Published in 1996 by Clarendon Press in Oxford, "Atom probe field ion microscopy". An atomic probe comprises a time-of-flight mass spectrometer, utilizing the properties of field ion emission to enable the chemical analysis of individually evaporated, or torn, ions of a sample being analyzed. The sample is commonly arranged in the form of a tip with a radius of curvature of the order of a few tens of nanometers, and placed in a vacuum chamber or flight chamber. The evaporation of the ions located at the surface of the tip is produced by a field effect, the sample being subjected to a positive potential typically of several kilovolts. The intense electric field thus created, of the order of a few tens of volts per nanometer, must be sufficient to tear the atoms from the surface of the sample. By superimposing voltage pulses at the DC potential applied to the sample, or by bombarding the sample with a laser beam, it is possible to cause evaporation of the surface atoms in the form of ions at precise times. . A detector, located at a typical distance of a few tens of centimeters from the tip, in the flight chamber, collects the ions emitted at precise moments. The data of these precise moments, as well as the moment when the atoms have been torn from the sample, makes it possible, by knowing the distance separating the tip of the detector from the point of impact of the ion on the detector, to determine the flight time of the ions in the flight chamber, and to deduce their flight speed, as well as their mass-to-charge ratio M. n Knowledge of the ratio M makes it possible to determine the nature of the atom n torn from the sample analyzed.

II existe un type perfectionné de sondes atomiques, connues sous le nom de "3DAP" pour "TriDimensional Atom Probe", ou encore sous le nom de PoSAP pour "Position Sensitive Atom Probe", dans lesquelles le détecteur permet non seulement de mesurer les instants d'impact des ions, mais aussi la position, dans un plan, des impacts. Ainsi, si une relation biunivoque existe entre le point d'impact d'un ion sur le plan défini par le détecteur, et le point de départ de l'ion depuis la surface de l'échantillon ~o analysé, il est alors possible de définir précisément une cartographie de la surface de la pointe. Les atomes étant arrachés de la surface par couches, il est possible d'établir la cartographie de l'échantillon couche par couche, et ainsi reconstruire une cartographie tridimensionnelle, avec une précision nanométrique. 15 II est connu que la détermination du rapport M est d'autant plus fine n et précise, en d'autres termes que la résolution en masse est d'autant meilleure, que le temps de vol des ions est long. Il est ainsi avantageux d'augmenter la distance entre l'échantillon et le détecteur, afin d'allonger le temps de vol. Cependant, le faisceau d'ions émis de la pointe étant de nature 20 divergente, une augmentation de cette distance a pour inconvénient qu'une plus grande partie du faisceau ionique émis n'atteint pas le détecteur. There is an advanced type of atomic probes, known as "3DAP" for "TriDimensional Atom Probe", or under the name of PoSAP for "Position Sensitive Atom Probe", in which the detector not only allows to measure the moments ion impact, but also the position, in a plane, of the impacts. Thus, if a one-to-one relationship exists between the point of impact of an ion on the plane defined by the detector, and the starting point of the ion from the surface of the sample ~ o analyzed, then it is possible to to precisely define a map of the surface of the point. The atoms being torn from the surface in layers, it is possible to map the sample layer by layer, and thus reconstruct a three-dimensional cartography, with a nanometric precision. It is known that the determination of the ratio M is all the more precise and precise, in other words that the mass resolution is all the better, since the flight time of the ions is long. It is thus advantageous to increase the distance between the sample and the detector, in order to lengthen the flight time. However, since the ion beam emitted from the tip is of a divergent nature, an increase in this distance has the disadvantage that a larger portion of the emitted ion beam does not reach the detector.

Pour pallier cet inconvénient, des sondes atomiques connues de l'état de la technique utilisent des dispositifs électrostatiques, de type lentilles électrostatiques et / ou réflectrons ou miroirs électrostatiques. Par exemple, To overcome this drawback, known atomic probes of the state of the art use electrostatic devices, electrostatic lens type and / or reflectrons or electrostatic mirrors. For example,

25 un système de lentilles électrostatiques permet de générer des champs électriques permettant de dévier les ions volant dans la chambre de vol, et ainsi d'allonger la distance entre la pointe et le détecteur tout en focalisant le faisceau ionique sur ce dernier. Dans des sondes atomiques incorporant un dispositif électrostatique, la relation entre le point d'impact d'un ion sur le 30 détecteur, et le point de la pointe duquel cet ion est issu, ne découle donc pas d'une simple relation géométrique, et il est nécessaire de recourir à des algorithmes de calcul résolvant les équations de l'électrostatique et simulant les trajectoires ioniques, permettant ainsi d'établir cette relation. An electrostatic lens system is operative to generate electric fields for deflecting the flying ions in the flight chamber, and thus to lengthen the distance between the tip and the detector while focusing the ion beam on the latter. In atomic probes incorporating an electrostatic device, the relation between the point of impact of an ion on the detector, and the point of the point from which this ion is derived, does not therefore result from a simple geometric relation, and it is necessary to resort to calculation algorithms solving the electrostatic equations and simulating the ion trajectories, thus making it possible to establish this relation.

Il est en outre connu que tout au long de l'analyse d'un échantillon, il se produit un phénomène d'érosion de celui-ci, qui en première approximation correspond à une augmentation du rayon de courbure de la pointe, et que le potentiel imposé à la pointe doit être augmenté en conséquence. Ainsi les trajectoires d'ions d'une masse donnée, infléchies par les champs électriques imposés dans la chambre de vol par le dispositif électrostatique, varient au cours du temps, en fonction du potentiel imposé à la pointe. Cette variation des trajectoires impose aux algorithmes de calcul une plus grande complexité. It is further known that throughout the analysis of a sample, there is a phenomenon of erosion thereof, which in first approximation corresponds to an increase in the radius of curvature of the tip, and that the potential imposed at the tip must be increased accordingly. Thus the ion trajectories of a given mass, inflected by the electric fields imposed in the flight chamber by the electrostatic device, vary over time, depending on the potential imposed on the tip. This variation of the trajectories imposes on computational algorithms a greater complexity.

Un but de la présente invention est de pallier les inconvénients susmentionnés, en proposant une sonde atomique incorporant un dispositif électrostatique configuré de manière à permettre une simplification des calculs visant à déterminer la position et le rapport masse sur charge des atomes arrachés à l'échantillon sous forme d'ions, en fonction de l'instant et dû à la position d'impact des ions sur le détecteur. An object of the present invention is to overcome the aforementioned drawbacks, by proposing an atomic probe incorporating an electrostatic device configured so as to simplify the calculations for determining the position and the mass-to-charge ratio of the atoms torn from the sample under ion form, depending on the moment and due to the impact position of the ions on the detector.

A cet effet, l'invention a pour objet une sonde atomique tomographique à spectromètre à temps de vol, apte à recevoir un échantillon en forme de pointe de rayon de courbure p portée à un potentiel électrique V asservi au rayon de courbure p, ladite sonde atomique comportant un détecteur et une chambre de vol pourvue d'un dispositif électrostatique comprenant une pluralité N d'électrodes 1 à N, portées respectivement à des potentiels V, à VN, caractérisée en ce que les potentiels V, à VN des électrodes du dispositif électrostatique, sont asservis au potentiel V de la pointe par une loi de proportionnalité définie par des rapports constants k1 à kN. For this purpose, the subject of the invention is a tomographic atomic probe with a time-of-flight spectrometer, able to receive a sample in the form of a peak of radius of curvature p brought to an electric potential V controlled by the radius of curvature p, said probe atomic device comprising a detector and a flight chamber provided with an electrostatic device comprising a plurality N of electrodes 1 to N, carried respectively at potentials V, at VN, characterized in that the potentials V, at VN of the electrodes of the device electrostatic, are slaved to the potential V of the tip by a law of proportionality defined by constant ratios k1 to kN.

Dans un mode de réalisation de l'invention, la sonde atomique peut être caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens de mémorisation, aptes à stocker des tableaux de valeurs définissant une fonction 8(R) fournissant la valeur de l'angle A défini par l'axe principal de la sonde atomique et la trajectoire d'émission d'un ion au niveau de la pointe, en fonction de la position de l'impact de l'ion sur le détecteur définie par un nombre complexe R par rapport à une origine définie par le centre du détecteur, la fonction 6(R) permettant de déterminer une distance r à l'axe principal de l'ion évaporé de la pointe par la relation : r = b p tan(e(R)) b étant une constante liée à la géométrie de la sonde atomique. In one embodiment of the invention, the atomic probe may be characterized in that it further comprises storage means capable of storing tables of values defining a function 8 (R) providing the value of the angle A defined by the principal axis of the atomic probe and the emission trajectory of an ion at the tip, as a function of the position of the impact of the ion on the detector defined by a complex number R by relative to an origin defined by the center of the detector, the function 6 (R) making it possible to determine a distance r from the principal axis of the evaporated ion of the tip by the relation: r = bp tan (e (R)) b being a constant related to the geometry of the atomic probe.

Dans un mode de réalisation de l'invention, la sonde atomique peut-être caractérisée en ce que les moyens de mémorisation sont aptes à stocker une pluralité de jeux de rapports k1 à kN correspondant à une pluralité de configurations électrostatiques. In one embodiment of the invention, the atomic probe may be characterized in that the storage means are capable of storing a plurality of sets of ratios k1 to kN corresponding to a plurality of electrostatic configurations.

-w Dans un mode de réalisation de l'invention, la sonde atomique peut être caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens de mémorisation, aptes à stocker des tableaux de valeurs définissant une fonction k(R) fournissant la valeur du rapport masse sur charge d'un ion, en fonction de la position de l'impact de l'ion sur le détecteur définie par un 15 nombre complexe R par rapport à une origine définie par le centre du détecteur, le rapport masse sur charge de l'ion étant donné par la relation : M 2*e*C(R)*V *t' n L' , e étant la charge électrique de l'électron, V la différence de potentiel électrique entre la pointe et le détecteur, t le temps de vol de l'ion depuis son évaporation de la surface de la pointe jusqu'à l'impact 20 avec le détecteur, et L la distance entre la pointe et de détecteur. In one embodiment of the invention, the atomic probe may be characterized in that it further comprises storage means capable of storing tables of values defining a function k (R) providing the value of the ratio. ion charge mass, as a function of the position of the impact of the ion on the detector defined by a complex number R with respect to an origin defined by the center of the detector, the mass-to-charge ratio of the ion given by the relation: M 2 * e * C (R) * V * t 'n L', e being the electric charge of the electron, V the electrical potential difference between the tip and the detector, t the flight time of the ion since its evaporation from the surface of the tip until the impact with the detector, and L the distance between the tip and the detector.

Dans un mode de réalisation de l'invention, la sonde atomique décrite ci-dessus peut être caractérisée en ce que les moyens de mémorisation sont aptes à stocker une pluralité de jeux de rapports ki à kN correspondant à une 25 pluralité de configurations électrostatiques. In one embodiment of the invention, the atomic probe described above can be characterized in that the storage means are able to store a plurality of sets of ratios ki to kN corresponding to a plurality of electrostatic configurations.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, donnée à titre d'exemple, faite en regard des dessins annexés qui représentent : la figure 1 a, une vue en coupe d'un exemple de trajectoire d'un ion dans une sonde atomique dépourvue de dispositif électrostatique, 30 la figure 1 b, une vue en coupe de la pointe formée par un échantillon soumis à une analyse par une sonde atomique, Other features and advantages of the invention will become apparent on reading the description, given by way of example, with reference to the appended drawings which represent: FIG. 1 a, a sectional view of an example of a trajectory of FIG. an ion in an atomic probe devoid of an electrostatic device, FIG. 1b a sectional view of the tip formed by a sample subjected to analysis by an atomic probe,

la figure 2, une vue en coupe d'un exemple de sonde 5 atomique incorporant un dispositif de lentilles électrostatiques, FIG. 2 is a sectional view of an example of an atomic probe incorporating an electrostatic lens device,

la figure 3, une vue en coupe schématisant un exemple de trajectoire d'un ion dans une sonde atomique incorporant un dispositif électrostatique. 10 La figure 1 a présente, par une vue en coupe, un exemple de trajectoire d'un ion dans une sonde atomique dépourvue de dispositif électrostatique. Une sonde atomique 100 comporte un échantillon formant une pointe 15 101, alignée sur un axe central 110. Des ions arrachés de la pointe 101 suivent une trajectoire 103 dans une chambre de vol, et atteignent un détecteur 102. Pour la suite, dans un souci de simplification, tous les raisonnements et calculs seront réalisés dans un plan de coupe comprenant l'axe central 110, étant bien entendu que ceux-ci pourront être extrapolés à 20 l'espace tridimensionnel compris dans la sonde atomique 100. On pourra par exemple considérer que la grandeur R définie ci-après est en fait une grandeur complexe : R = x + j.y, x et y étant respectivement les coordonnées d'un point d'impact sur le détecteur 102 dans un repère orthonormé compris dans le plan du détecteur 102 et dont l'origine est le centre du détecteur 102. 25 Pour des configurations de sondes atomiques à symétrie de révolution autour de l'axe central 110, c'est-à-dire dans les cas par exemple où la sonde atomique 100 comprend des dispositifs électrostatiques de type lentilles électrostatiques, les calculs impliquant le nombre R peuvent être simplifiés en remplaçant R par le module de R. Dans le cas plus général, ou 30 par exemple dans les cas particuliers de sondes atomiques comprenant des dispositifs électrostatiques de type réflectron, cette simplification n'est pas envisageable et il faut considérer le nombre complexe R. Dans l'exemple de la figure, la sonde atomique 100 est dépourvue de système électrostatique, de type lentille ou bien réflectron. Par conséquent, 35 la trajectoire 103 des ions arrachés à la surface de la pointe 101 peut être assimilée à une droite définie par son angle 0 avec l'axe central 110. Dans le plan de coupe considéré, la position du point d'impact de l'ion sur le détecteur 102 est définie par sa distance R à l'axe central 110. Un cône, représenté dans le plan de la figure par C, correspond au 5 cône contenant toutes les trajectoires qui peuvent être captées par le détecteur 102. La figure 1b présente la pointe 101, en vue en coupe dans le même plan que la vue représentée par la figure 1 a. Le rayon de courbure de la ~o pointe 101 est désigné par la lettre p. La position de l'ion arraché à la pointe 101, est définie par sa distance r à l'axe central 110. Les coordonnées des atomes à la surface de la pointe 101 peuvent être déduites de la position des points d'impact selon les principes suivants : II faut d'abord faire une hypothèse sur le point de projection P, connu 15 de l'homme du métier, situé à une distance bp en retrait de la surface de la pointe. Le coefficient b dépend de la géométrie de la sonde atomique 100, de la géométrie de la pointe 101, du détecteur 102 et de la chambre de vol. II est typiquement compris entre 1 et 2. Le point P est communément nommé "Point de projection". La distance L entre P et le détecteur est la distance 20 entre la pointe et le détecteur à laquelle on ajoute bp. L'angle 0 de la trajectoire est alors déduit de R. Dans l'exemple de la figure, la sonde atomique 100 étant dépourvue de dispositif électrostatique, 0 est ainsi déduit de R par la relation : tan(9) = R . La position r de l'atome évaporé détecté sur le détecteur en R est 25 définie par tan(0) = . bp Dans ce cas où la sonde atomique est dépourvue de dispositif électrostatique, la variable 0 s'avère être une variable intermédiaire inutile pour la détermination de la position de l'atome arraché de la surface de la pointe 101 : b p R L (1) Quant au calcul de la masse de l'ion, il est réalisé sur la base de la relation suivante : r= 30 M _ 2e V t2 n (L' +R2) où e = 1,602.1019 Coulombs est la charge électrique de l'électron et V la différence de potentiel électrique entre la pointe 101 et le détecteur 102. FIG. 3 is a sectional view schematizing an exemplary trajectory of an ion in an atomic probe incorporating an electrostatic device. FIG. 1a presents, by a sectional view, an example of a trajectory of an ion in an atomic probe devoid of an electrostatic device. An atom probe 100 comprises a sample forming a tip 101, aligned on a central axis 110. Torn ions from the tip 101 follow a path 103 in a flight chamber, and reach a detector 102. For the following, for the sake of For simplification, all the reasonings and calculations will be carried out in a section plane comprising the central axis 110, it being understood that these may be extrapolated to the three-dimensional space included in the atomic probe 100. that the magnitude R defined below is in fact a complex quantity: R = x + jy, x and y being respectively the coordinates of a point of impact on the detector 102 in an orthonormal frame included in the plane of the detector 102 and whose origin is the center of the detector 102. For atomic probe configurations with symmetry of revolution about the central axis 110, that is to say in the cases for example where the atomic probe 1 00 comprises electrostatic devices of the electrostatic lens type, the calculations involving the number R can be simplified by replacing R with the module of R. In the more general case, or for example in the particular cases of atomic probes comprising electrostatic devices of Reflectron type, this simplification is not possible and we must consider the complex number R. In the example of the figure, the atomic probe 100 is devoid of electrostatic system, lens type or reflectron. Consequently, the trajectory 103 of the ions torn off from the surface of the tip 101 can be likened to a straight line defined by its angle θ with the central axis 110. In the plane of section considered, the position of the point of impact of the ion on the detector 102 is defined by its distance R to the central axis 110. A cone, represented in the plane of the figure by C, corresponds to the cone containing all the trajectories that can be picked up by the detector 102. Figure 1b shows the tip 101, in sectional view in the same plane as the view shown in Figure 1a. The radius of curvature of the tip 101 is designated by the letter p. The position of the ion torn off at the tip 101 is defined by its distance r to the central axis 110. The coordinates of the atoms at the surface of the tip 101 can be deduced from the position of the points of impact according to the principles The following is a first hypothesis on the point of projection P, known to those skilled in the art, located at a distance bp set back from the surface of the tip. The coefficient b depends on the geometry of the atom probe 100, the geometry of the tip 101, the detector 102 and the flight chamber. It is typically between 1 and 2. The point P is commonly called "Projection Point". The distance L between P and the detector is the distance between the tip and the detector to which bp is added. The angle θ of the trajectory is then deduced from R. In the example of the figure, the atomic probe 100 being devoid of electrostatic device, 0 is thus deduced from R by the relation: tan (9) = R. The position r of the evaporated atom detected on the detector at R is defined by tan (0) =. bp In this case where the atomic probe is devoid of electrostatic device, the variable 0 proves to be an unnecessary intermediate variable for determining the position of the atom torn from the surface of the tip 101: bp RL (1) Quant to the calculation of the mass of the ion, it is carried out on the basis of the following relation: r = 30 M _ 2e V t2 n (L '+ R2) where e = 1,602,1019 Coulombs is the electric charge of the electron and V the electrical potential difference between the tip 101 and the detector 102.

L'homme du métier emploie communément comme unités le kilovolt pour exprimer les potentiels électriques, les microsecondes pour exprimer les temps de vol, les mètres pour exprimer les distances et l'unité de masse atomique (UMA ou AMU) pour mesurer le rapport M/n. Dans ce cas, la relation (2) s'écrit : M 0,192873 V _ t' (L'+R') Les relations (2) et (3) sont établies sur la base de l'égalité de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle électrostatique (V2 M.v2 = n.e.V). Those skilled in the art commonly use as units the kilovolt to express electrical potentials, the microseconds to express flight times, the meters to express distances, and the atomic mass unit (AMU or AMU) to measure the ratio M / not. In this case, the relation (2) can be written: M 0,192873 V _ t '(L' + R ') The relations (2) and (3) are established on the basis of the equality of the energy kinetic and potential electrostatic energy (V2 M.v2 = neV).

C'est ensuite le théorème de Pythagore et l'hypothèse que la vitesse de l'ion est constante tout au long de la trajectoire 103 qui permet de poser : v2 = (L2+R2) / t2. L'estimation du paramètre b permettant de calculer la position du point de projection P et du rayon de courbure p de la pointe 101 est bien connue de l'homme du métier, et ne sera par conséquent pas détaillée dans la présente description. La figure 2 présente une vue en coupe d'un exemple de sonde atomique 100 incorporant un dispositif de lentilles électrostatiques. La sonde atomique 100 comprend un dispositif électrostatique 201 comprenant une pluralité de lentilles électrostatiques ou électrodes 202, 203, 204 portées à des potentiels différents, de manière à infléchir les trajectoires des ions parcourant la chambre de vol. Dans l'exemple de la figure, le dispositif électrostatique 201 comprend une première électrode 202 dite électrode excitatrice, dont le potentiel peut être un potentiel de référence ou potentiel de masse de la sonde atomique 100. Une seconde électrode 203 peut être portée à un potentiel de l'ordre de quelques kilovolts. Une troisième électrode 204 peut, elle aussi, être portée 7 (2) (3) au potentiel de masse. II s'agit bien entendu d'une configuration donnée à titre d'exemple, et une multitude de configurations de potentiels d'électrodes peut être envisagée pour le dispositif électrostatique. Le dispositif électrostatique peut par exemple comprendre plus de 2 électrodes portées à des potentiels différents. De la même manière, les électrodes peuvent être définies par des profils spécifiques conférant au dispositif électrostatique des caractéristiques particulières, par exemple en termes de résolution en masse de la sonde atomique 100, ou de surface d'intérêt de la pointe 101 à analyser. It is then the theorem of Pythagoras and the hypothesis that the speed of the ion is constant along the trajectory 103 which makes it possible to pose: v2 = (L2 + R2) / t2. The estimation of the parameter b making it possible to calculate the position of the projection point P and the radius of curvature p of the tip 101 is well known to those skilled in the art, and will therefore not be detailed in the present description. Figure 2 shows a sectional view of an example of an atomic probe 100 incorporating an electrostatic lens device. The atom probe 100 comprises an electrostatic device 201 comprising a plurality of electrostatic lenses or electrodes 202, 203, 204 carried at different potentials, so as to influence the trajectories of the ions flowing through the flight chamber. In the example of the figure, the electrostatic device 201 comprises a first electrode 202 called an exciting electrode, whose potential may be a reference potential or mass potential of the atom probe 100. A second electrode 203 may be brought to a potential on the order of a few kilovolts. A third electrode 204 may also be worn 7 (2) (3) at the ground potential. This is of course an exemplary configuration, and a multitude of electrode potential configurations can be envisioned for the electrostatic device. The electrostatic device may for example comprise more than 2 electrodes carried at different potentials. In the same way, the electrodes may be defined by specific profiles giving the electrostatic device particular characteristics, for example in terms of the mass resolution of the atom probe 100, or the area of interest of the tip 101 to be analyzed.

Dans le cas le plus général, nous considérerons que le dispositif électrostatique comprend un nombre N d'électrodes numérotées de 1 à N, portées à des potentiels V,, V2, ..., VN. In the most general case, we will consider that the electrostatic device comprises a number N of electrodes numbered from 1 to N, brought to potentials V ,, V2, ..., VN.

La figure 3 présente une vue en coupe schématisant un exemple de trajectoire d'un ion dans la sonde atomique 100 incorporant le dispositif électrostatique 201. Un ion est arraché de la pointe 101 et décrit une trajectoire 303 infléchie par le dispositif électrostatique 201. Dans l'exemple de la figure, le dispositif électrostatique 201 est composé de 3 lentilles électrostatiques. FIG. 3 shows a sectional view schematizing an exemplary trajectory of an ion in the atom probe 100 incorporating the electrostatic device 201. An ion is torn off from the tip 101 and describes a trajectory 303 inflected by the electrostatic device 201. As an example of the figure, the electrostatic device 201 is composed of 3 electrostatic lenses.

Le dispositif électrostatique 201 s'inscrit dans un volume délimité de la sonde atomique 100, représenté dans le plan de la figure par un rectangle 301. A partir de la pointe 101, en amont du volume de la chambre de vol délimité par le rectangle 301, la trajectoire 303 de l'ion est assimilée à une droite. De la même manière, dans la zone de la chambre de vol située en aval du rectangle 301 et jusqu'au point d'impact sur le détecteur 102, la trajectoire de l'ion est rectiligne. Dans ces deux zones de la chambre de vol, les ions ne sont en effet soumis à aucun champ électrique susceptible de dévier leurs trajectoires. Une courbe C représente le volume circonscrivant les trajectoires ioniques captées par le détecteur 102. Dans les cas, représentés par les figures 2 et 3, où la sonde atomique 100 est pourvue d'un dispositif électrostatique, les valeurs résultant de l'analyse, soit (r, Min) doivent être déterminées par l'intermédiaire de fonctions 0(R) et C(R) qui ne découlent pas de relations géométriques simples : 9 r = b p tan(9(R)) (1 bis) M _ 2*e*C(R)*V *t2 (2bis) n L' L'homme du métier dispose de programmes de calcul qui résolvent les équations de l'électrostatique et de calcul des trajectoires de particules chargées. Si l'on peut modéliser le système électrostatique avec un tel programme, on peut donc calculer, pour toute trajectoire issue de la pointe 101, l'angle à proximité de la pointe et la position R du point d'impact de la trajectoire sur le détecteur, et reconstituer ainsi la fonction 0(R). Ce type de programme permet également de calculer, pour une trajectoire associée à une masse Mo et une charge électrique e données, le temps de vol to entre la pointe 101 et le détecteur 102. Il est donc également possible de reconstituer une fonction to(R) d'où l'on peut déduire, par comparaison avec la formule (2bis) la fonction C(R) : C(R)= M * L2 2*e*V *to(R)2 Dans le cas particulier d'une sonde atomique sans système électrostatique, il est rappelé que : R L 8(R) = arctan C(R) = 1 rR\` 1+ \Li Dans le cas général où un dispositif électrostatique comprenant des électrodes polarisées est introduit entre la pointe et le détecteur, il est théoriquement possible d'obtenir les fonctions 0(R) et C(R) et par conséquent de pouvoir calculer pour chaque évènement enregistré par le détecteur les résultats r et M/n ; cependant, en général, la simulation du système électrostatique n'est pas suffisante pour décrire ces fonctions avec une justesse adéquate. The electrostatic device 201 is part of a defined volume of the atomic probe 100, represented in the plane of the figure by a rectangle 301. From the tip 101, upstream of the volume of the flight chamber delimited by the rectangle 301. , the trajectory 303 of the ion is assimilated to a straight line. Similarly, in the area of the flight chamber located downstream of the rectangle 301 and up to the point of impact on the detector 102, the trajectory of the ion is rectilinear. In these two zones of the flight chamber, the ions are in fact not subjected to any electric field capable of deflecting their trajectories. A curve C represents the volume circumscribing the ion trajectories captured by the detector 102. In the cases, represented by FIGS. 2 and 3, where the atom probe 100 is provided with an electrostatic device, the values resulting from the analysis, either (r, Min) must be determined via functions 0 (R) and C (R) which do not derive from simple geometric relations: 9 r = bp tan (9 (R)) (1 bis) M _ 2 * e * C (R) * V * t2 (2bis) n The person skilled in the art has calculation programs that solve the equations of electrostatics and calculation of trajectories of charged particles. If it is possible to model the electrostatic system with such a program, it is possible to calculate, for any trajectory coming from the tip 101, the angle near the tip and the position R of the point of impact of the trajectory on the detector, and thus reconstitute the function 0 (R). This type of program also makes it possible to calculate, for a trajectory associated with a mass Mo and a given electrical charge e, the flight time to between the tip 101 and the detector 102. It is therefore also possible to reconstruct a function to (R from which one can deduce, by comparison with the formula (2bis) the function C (R): C (R) = M * L2 2 * e * V * to (R) 2 In the particular case of an atomic probe without electrostatic system, it is recalled that: RL 8 (R) = arctan C (R) = 1 rR \ `1+ \ Li In the general case where an electrostatic device comprising polarized electrodes is introduced between the tip and the detector, it is theoretically possible to obtain the functions 0 (R) and C (R) and consequently to be able to calculate for each event recorded by the detector the results r and M / n; however, in general, the simulation of the electrostatic system is not sufficient to describe these functions with adequate accuracy.

D'autre part, il est connu que tout au long d'une analyse par sonde atomique, on doit modifier le potentiel de la pointe, généralement dans le sens de l'augmentation, car le rayon de courbure de la pointe s'accroit au fur et à mesure que les atomes sont évaporés. Des méthodes d'asservissement du potentiel V de la pointe 101 au rayon de courbure sont déjà en elles-mêmes connues de l'état de la technique. Il est par exemple possible d'augmenter le potentiel V de la pointe 101 en fonction du nombre d'ions captés par le détecteur 102. Ceci pose le problème du réajustement de ces fonctions lorsque le io potentiel évolue, l'influence sur les trajectoires des ions, des champs électriques imposés par le dispositif électrostatique 201 étant dépendantes du potentiel V. On the other hand, it is known that throughout an atomic probe analysis, the potential of the tip must be modified, generally in the direction of increase, because the radius of curvature of the tip increases with as the atoms are evaporated. Methods for controlling the potential V of the tip 101 to the radius of curvature are already known in the art. For example, it is possible to increase the potential V of the tip 101 as a function of the number of ions captured by the detector 102. This raises the problem of readjustment of these functions as the potential of the voltage changes, the influence on the trajectories of the ions, electric fields imposed by the electrostatic device 201 being dependent on the potential V.

Les fonctions 0(R) et C(R) dépendent également des différents 15 potentiels V1, V2, V3... appliquées aux électrodes du système électrostatique et du potentiel V appliqué à la pointe. Mais il est possible de démontrer que ces deux fonctions sont identiques pour une configuration de potentiels (V, V1, V2, V3...) et (kV, kV1, kV2, kV3...). The functions 0 (R) and C (R) also depend on the different potentials V1, V2, V3 ... applied to the electrodes of the electrostatic system and the potential V applied to the tip. But it is possible to demonstrate that these two functions are identical for a potential configuration (V, V1, V2, V3 ...) and (kV, kV1, kV2, kV3 ...).

20 La présente invention propose de réaliser un asservissement des potentiels V1, V2, ..., VN au potentiel V de la pointe 101. Ainsi, lorsque le potentiel V de la pointe 101 augmente au cours de l'analyse, en fonction de l'augmentation du rayon de courbure p de la pointe 101, les potentiels V1, V2, VN sont augmentés proportionnellement. En d'autres termes, les 25 potentiels V1, V2, ..., VN ont des valeurs égales à ki*V, k2*V, ... kN*V, les nombres k1 à kN étant des coefficients réels positifs. De cette manière, il est possible de maintenir des trajectoires d'ions de masses données identiques, soit de maintenir les fonctions 0(R) et C(R) constantes, tout au long de l'analyse, et par conséquent de simplifier les 30 calculs visant à déterminer la composition et la cartographie tridimensionnelle de l'échantillon. Avantageusement, il est possible d'élaborer, par le calcul ou bien sur la base de données expérimentales, une fonction 0(R) permettant de calculer l'angle d'émission d'un ion sur toute la surface du détecteur 102, et de 35 stocker cette fonction, par exemple sous la forme d'un tableau de valeurs, dans une mémoire de la sonde atomique 100 ou d'un dispositif de commande de celle-ci. Avantageusement, il est possible de stocker dans la mémoire, une pluralité de fonctions 0(R) correspondant à autant de jeux de coefficients k2, ..., kN, soit à une pluralité de configurations électrostatiques envisageables, en fonction de la résolution en masse souhaitée, ou bien de la surface d'intérêt de l'échantillon souhaitée. Avantageusement, il est possible d'élaborer, par le calcul ou bien sur la base de données expérimentales, une fonction C(R) permettant de ~o calculer le rapport masse sur charge M/n d'un ion sur toute la surface du détecteur 102, et de stocker cette fonction dans la mémoire. Avantageusement encore, il est possible de stocker dans la mémoire, une pluralité de fonctions C(R) correspondant à autant de configurations électrostatiques envisageables.The present invention proposes to control the potentials V1, V2,..., VN at the potential V of the tip 101. Thus, when the potential V of the tip 101 increases during the analysis, depending on the increasing the radius of curvature p of the tip 101, the potentials V1, V2, VN are increased proportionally. In other words, the potentials V1, V2, ..., VN have values equal to ki * V, k2 * V, ... kN * V, the numbers k1 to kN being positive real coefficients. In this way, it is possible to maintain ion trajectories of identical given masses, ie to keep the functions 0 (R) and C (R) constant, throughout the analysis, and consequently to simplify the 30 calculations to determine the composition and three-dimensional mapping of the sample. Advantageously, it is possible to develop, by calculation or on the basis of experimental data, a function O (R) making it possible to calculate the angle of emission of an ion over the entire surface of the detector 102, and of Storing this function, for example in the form of an array of values, in a memory of the atomic probe 100 or a control device thereof. Advantageously, it is possible to store in the memory, a plurality of functions 0 (R) corresponding to as many sets of coefficients k2, ..., kN, or to a plurality of possible electrostatic configurations, depending on the mass resolution. desired, or the area of interest of the desired sample. Advantageously, it is possible to compute, by calculation or on the basis of experimental data, a function C (R) making it possible to calculate the mass-to-charge ratio M / n of an ion over the entire surface of the detector. 102, and store this function in the memory. Advantageously, it is possible to store in the memory, a plurality of functions C (R) corresponding to as many possible electrostatic configurations.

15 II est éventuellement possible, au cours de la mise au point de la sonde atomique 100, de remplacer les fonctions C(R) stockées en mémoire par des fonctions plus fines obtenues de manière expérimentale en analysant un échantillon constitué par un matériau pur mono-isotopique, selon une méthode en elle-même connue de l'état de la technique. It may be possible, during the development of the atom probe 100, to replace the C (R) functions stored in the memory by finer functions obtained experimentally by analyzing a sample consisting of a pure mono-material. isotopic, according to a method in itself known from the state of the art.

Claims

REVENDICATIONS1. Atomic probe (100) with a time-of-flight spectrometer, capable of receiving a peak-shaped sample (101) of radius of curvature p brought to an electric potential V controlled by the radius of curvature p, said atomic probe (100) comprising a detector (102) and a flight chamber provided with an electrostatic device (201) comprising a plurality N of electrodes 1 to N (202, 203, 204), carried respectively at potentials V, at VN, characterized in that that the potentials V, VN of the electrodes (202, 203, 204) of the electrostatic device (201), are slaved to the potential V of the tip (101) by a law of proportionality defined by constant ratios k1 to kN. 15

2. Atomic probe (100) according to claim 1, characterized in that it further comprises storage means, able to store tables of values defining a function 8 (R) providing the value of the angle 8 defined by the main axis (103) of the atom probe (100) and the emission path of an ion at the tip (101), depending on the position of the impact of the ion on the detector (102) defined by a complex number R with respect to an origin defined by the center of the detector (102), the function 8 (R) for determining a distance r to the main axis (103) of the evaporated ion of the point (101) by the relation: r = bp tan (e (R)), b being a constant related to the geometry of the atom probe (100).

3. Atomic probe (100) according to claim 2, characterized in that the storage means are able to store a plurality of sets of ratios k, kN corresponding to a plurality of electrostatic configurations.

4. Atomic probe (100) according to claim 1, characterized in that it further comprises storage means, capable of storing tables of values defining a function k (R) 35 providing the value of the mass to load ratio d an ion, depending on the position of the impact of the ion on the detector (102) defined by a complex number R with respect to an origin defined by the center of the detector (102), the mass-to-charge ratio of the ion given by the relation: M = 2 e C (R) v * r ', e being the electric charge of n the electron, V the electrical potential difference between the tip (101) and the detector (102) , the time of flight of the ion since its evaporation from the surface of the tip (101) to the impact with the detector (102), and L the distance between the tip (101) and the detector (102) ).

5. Atomic probe (100) according to claim 4, characterized in that the storage means are adapted to store a plurality of sets of ratios k1 to kN corresponding to a plurality of electrostatic configurations.