NL1008461C2

NL1008461C2 - Device for determining the energy of ions scattered by a target surface.

Info

Publication number: NL1008461C2
Application number: NL1008461A
Authority: NL
Inventors: Hidde Herman Brongersma; Arnoud Willem Denier Van D Gon
Original assignee: Calipso B V
Priority date: 1998-03-03
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 1999-09-06
Also published as: AU2860499A; WO1999045569A3; WO1999045569A2

Description

Korte aanduiding: Inrichting voor het bepalen van de energie van door een doel oppervlak verstrooide ionen.Short designation: Device for determining the energy of ions scattered by a target surface.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor 5 het bepalen van de energie van door een oppervlak van een doel lichaam (preparaat) verstrooide ionen van een primaire op het oppervlak invallende ionenbundel.The invention relates to a device for determining the energy of ions of a primary ion beam incident on the surface scattered by a surface of a target body (preparation).

Stand van de techniek 10 Door het oppervlak van een preparaat te beschieten met ionen en de energie van de terugverstrooide ionen te meten kunnen uitspraken worden gedaan over de samenstelling van het oppervlak van het preparaat.Background Art By bombarding the surface of a preparation with ions and measuring the energy of the backscattered ions, statements can be made about the composition of the surface of the preparation.

Lage-energie-ionenverstrooiing (LEIS) is een dergelijke 15 techniek die gebruikt kan worden voor het bepalen van de samenstelling van het oppervlak van een preparaat. De energie van de laagenergetische ionen is gewoonlijk circa 100-10.000 eV. Deze LEIS-techniek is van algemene bekendheid o.a. door de onderstaande referenties 1 en 2.Low energy ion scattering (LEIS) is one such technique that can be used to determine the composition of the surface of a composition. The energy of the low energy ions is usually about 100-10,000 eV. This LEIS technique is generally known, inter alia due to the references 1 and 2 below.

Onder verwijzing naar figuur 1 zal een korte 20 beschrijving worden gegeven van deze bekende techniek voor zover dit voor een goed begrip van de navolgende uitvinding van belang is.With reference to Figure 1, a brief description will be given of this known technique insofar as it is important for an understanding of the following invention.

Figuur 1 toont een schematische voorstelling van een LEIS-inrichting. Een met deze inrichting uitgevoerd experiment gaat als volgt in zijn werk. In een ionenbron 1 worden ionen van een bundel 2 25 gemaakt die in de richting van een preparaat 3 worden geschoten. Deze ionen botsen met het oppervlak van het preparaat en ionen die onder een bepaalde hoek φ worden verstrooid, worden doorgelaten door een diafragma 5 in een elektrostatische energie-analysator 7. Bij de botsing van de ionen met het oppervlak van het preparaat verliezen de ionen een hoeveelheid energie 30 die wordt bepaald door de massa van het ion, de strooihoek φ en de massa van het atoom waarmee het ion is gebotst. Aangezien de massa van het ion en de strooihoek φ bekend zijn, kan uit de meting van de energie van het terugverstrooide ion worden bepaald wat de massa is van het atoom waarmede de botsing heeft plaatsgevonden (elementenanalyse).Figure 1 shows a schematic representation of a LEIS device. An experiment conducted with this device proceeds as follows. In an ion source 1, ions are made from a beam 2 which are shot in the direction of a preparation 3. These ions collide with the surface of the specimen and ions scattered at a certain angle φ are passed through a diaphragm 5 in an electrostatic energy analyzer 7. Upon impact of the ions with the surface of the specimen, the ions lose a amount of energy 30 which is determined by the mass of the ion, the scattering angle φ and the mass of the atom with which the ion has collided. Since the mass of the ion and the scattering angle φ are known, it is possible to determine from the measurement of the energy of the backscattered ion what the mass of the atom with which the collision occurred (element analysis).

35 Het bepalen van de energie van het ion gaat als volgt in zijn werk. Aan de elektrostatische platen 7 van de inrichting worden 1008461 2 zodanige spanningen toegevoerd dat ionen met een bepaalde energie (selectie-energie) zo worden afgebogen dat deze de middellijn van de analysator 7 volgen en uiteindelijk op de detector 9 aankomen en aldaar worden gedetecteerd.35 Determining the energy of the ion works as follows. 1008461 2 is supplied to the electrostatic plates 7 of the device such that ions with a certain energy (selection energy) are deflected such that they follow the center line of the analyzer 7 and finally arrive at the detector 9 and are detected there.

5 Ionen die een grotere kinetische energie hebben dan de selectie-energie worden minder afgebogen en komen aan de binnenkant van de detector 9 terecht. Ionen die een lagere kinetische energie hebben ! dan de selectie-energie worden juist sterker afgebogen en komen aan de buitenkant op de detector terecht. Hierdoor ontstaat ter plaatse van de 10 detector een afbeelding van de energie van de terugverstrooide ionen.5 Ions that have a greater kinetic energy than the selection energy are less deflected and end up on the inside of the detector 9. Ions that have a lower kinetic energy! Then the selection energy is deflected more strongly and ends up on the detector. This creates an image of the energy of the backscattered ions at the location of the detector.

Ter illustratie is in figuur 1 een aantal mogelijke banen 10 van terugverstrooide ionen met verschillende energieën weergegeven.By way of illustration, figure 1 shows a number of possible paths 10 of backscattered ions with different energies.

Door gebruik te maken van een detector 9 met een 15 oplossend vermogen naar de plaats van aankomst van een ion kan het energiespectrum van terugverstrooide ionen quasi-gelijktijdig worden gemeten.By using a detector 9 with a resolving power to the place of arrival of an ion, the energy spectrum of backscattered ions can be measured almost simultaneously.

De in figuur 1 schematisch weergegeven dubbel toroidal e elektrostatische energie-analysator 7 is bekend uit de onderstaande 20 referentie 3 en de detector 9 met een plaatsoplossend vermogen is bekend uit de onderstaande referentie 4.The double toroidal electrostatic energy analyzer 7 schematically shown in Figure 1 is known from the reference 3 below, and the detector 9 with a resolving power is known from the reference 4 below.

Opgemerkt wordt dat waar in figuur 1 een dubbel toroidal e elektrostatische energie-analysator is weergegeven ook een cilindrische-spiegelanalysator (CMA) of een hemisferisch analysator (HSA) zou kunnen 25 worden gebruikt. Verder wordt opgemerkt dat waar in de figuur 1 een detector 9 is gebruikt met een plaatsoplossend vermogen in plaats daarvan ook een eenvoudige detector zonder plaatsoplossend vermogen zou kunnen zijn toegepast.It is noted that where in Figure 1 a double toroidal electrostatic energy analyzer is shown, a cylindrical mirror analyzer (CMA) or a hemispheric analyzer (HSA) could also be used. It is further noted that where in Figure 1 a detector 9 having a location resolving power has been used, a simple detector having no location resolving power could also be used instead.

Uit het navolgende zal blijken dat de uitvinding het 30 beste tot uiting komt bij toepassing van een dubbel toroidal e elektrostatische energie-analysator van het type dat in referentie 3 is beschreven in combinatie met de detector met een plaatsoplossend vermogen zoals deze in referentie 4 is beschreven.It will be apparent from the following that the invention is best demonstrated when using a double toroidal electrostatic energy analyzer of the type described in reference 3 in combination with the detector with a location resolving power as described in reference 4 .

Er wordt echter met nadruk op gewezen dat de uitvinding 35 van toepassing is op ieder willekeurig type elektrostatische energie-analysator en iedere willekeurige ionendetector.However, it is emphasized that the invention is applicable to any type of electrostatic energy analyzer and any ion detector.

i ii i

...I... I

1008461 31008461 3

Ter illustratie van de LEIS-techniek is in figuur 2 door de getrokken kromme 1 een spectrum van de energie van terugverstrooide ionen weergegeven dat is opgenomen met de in figuur 1 weergegeven inrichting. Vaak worden voor het onderzoek edelgasionen gebruikt omdat 5 de grote electronenaffiniteit daarvan ervoor zorgt dat ionen die meer dan één botsing met preparaatatomen ondergaan (dieper in het preparaat doordringen; langere interactietijd) worden geneutraliseerd. Doordat alleen ionen de analysator kunnen passeren en dan worden gedetecteerd, is de LEIS-techniek selectief voor de buitenste atoomlaag van het preparaat.To illustrate the LEIS technique, the drawn curve 1 shows in Figure 2 a spectrum of the energy of backscattered ions which has been incorporated with the device shown in Figure 1. Often noble gas ions are used for the study because their high electron affinity neutralizes ions that undergo more than one collision with specimen atoms (penetrate deeper into the specimen; longer interaction time). Because only ions can pass through the analyzer and are then detected, the LEIS technique is selective for the outer atomic layer of the preparation.

10 In figuur 2, waarin langs de horizontale as de energie in eV is weergegeven en waarbij langs de verticale as het aantal ionen (tellingen) is weergegeven binnen een gegeven experiment, is te zien dat bij lage energie de pieken van de terugverstrooide ionen zijn gesuperpo-neerd op een hoge achtergrond.Figure 2, which shows the energy in eV along the horizontal axis and where the number of ions (counts) is shown along the vertical axis within a given experiment, shows that at low energy the peaks of the backscattered ions are superpowered -nated on a high background.

15 Deze achtergrond ontstaat als gevolg van de detectie van geladen deeltjes met een andere massa dan de primaire ionen van de bundel 2. Het optreden van dit soort geladen deeltjes kan worden veroorzaakt door verscheidene processen. Eén van deze processen is het sputteren/verstuiven van geladen deeltjes van het preparaat door de 20 invallende ionenbundel.This background arises as a result of the detection of charged particles with a mass other than the primary ions of the beam 2. The occurrence of this kind of charged particles can be caused by various processes. One of these processes is the sputtering / sputtering of charged particles of the preparation through the incident ion beam.

Referenties: LEIS-techniek: 1. E. Taglauer, Low-energy ion scattering 25 investigations of catalysts 2, in "Fundamental aspects of heterogeneous catalysis studied by particle beams", Eds. H.H. Brongersma and R.A. van Santen, Plenum Press, N.Y. (1991) pp. 301.References: LEIS technique: 1. E. Taglauer, Low-energy ion scattering investigations of catalysts 2, in "Fundamental aspects of heterogeneous catalysis studied by particle beams", Eds. H.H. Brongersma and R.A. van Santen, Plenum Press, N.Y. (1991) pp. 301.

2. A.W. Czanderna, in "Ion spectroscopies for surface 30 analysis", Eds. A.W. Czanderna and D.M. Hercules,2. A.W. Czanderna, in "Ion spectroscopies for surface 30 analysis", Eds. A.W. Czanderna and D.M. Hercules,

Plenum Press, N.Y., 1991.Plenum Press, N.Y., 1991.

ERISS of EARISS elektrostatische analysator: 3. G.J.A. Hellings, H. Ottevanger, C.L.C.M. Knibbeler and H.H. Brongersma, Surf. Sci. 162 (1985) 913.ERISS or EARISS electrostatic analyzer: 3. G.J.A. Hellings, H. Ottevanger, C.L.C.M. Knibbeler and H.H. Brongersma, Surf. Sci. 162 (1985) 913.

35 Twee-dimensionale detector voor LEIS: 1008461 4 4. C.L.C.M. Knibbeler, G.J.A. Hellings, H.J. Maaskamp, H. Ottevanger and H.H. Brongersma, Rev. Sci. Instrum. 58 (1987) 125.35 Two-dimensional detector for LEIS: 1008461 4 4. C.L.C.M. Knibbeler, G.J.A. Hellings, H.J. Maaskamp, H. Ottevanger and H.H. Brongersma, Rev. Sci. Instrum. 58 (1987) 125.

5 Samenvatting van de uitvindingSummary of the invention

De uitvinding beoogt bij een inrichting van de in figuur 1 aangegeven algemene soort de hierboven genoemde achtergrond bij de meting van de energiespectra van terugverstrooide ionen te onderdrukken.The object of the invention in an apparatus of the general type shown in Figure 1 is to suppress the above-mentioned background in the measurement of the energy spectra of backscattered ions.

Deze doelstelling wordt bereikt door de kenmerkende 10 maatregelen van conclusie 1.This object is achieved by the characterizing measures of claim 1.

Bijzondere uitvoeringsvormen worden gedefinieerd in de onderconclusies.Special embodiments are defined in the subclaims.

Korte beschrijving van de figuren ! Figuur 1 toont het principeschema van een inrichting 15 volgens de LEIS-techniek volgens de stand van de techniek (hierboven reeds beschreven).Short description of the figures! Figure 1 shows the principle diagram of a device 15 according to the prior art LEIS technique (already described above).

Figuur 2 toont grafieken van gemeten energiespectra van terugverstrooide ionen zonder toepassing van de uitvinding (kromme 1) en met toepassing van de uitvinding (kromme 2).Figure 2 shows graphs of measured energy spectra of backscattered ions without application of the invention (curve 1) and application of the invention (curve 2).

20 Figuur 3 toont de inrichting volgens figuur 1 met - daaraan toegevoegd middelen volgens de uitvinding voor het onderdrukken van de achtergrond.Figure 3 shows the device according to Figure 1 with means according to the invention added thereto for suppressing the background.

Figuur 4 toont enkele tijddiagrammen voor het toelichten van de werking van de in figuur 3 weergegeven inrichting.Figure 4 shows some time diagrams for explaining the operation of the device shown in Figure 3.

25 Beschrijving van de voorkeursuitvoerinasvormDescription of the preferred embodiment

Onder verwijzing naar figuur 3 wordt volgens de uitvinding het onderdrukken van de achtergrond bij de meting van energiespectra als volgt verwezenlijkt. Door geschikte spanningen toe te voeren aan afbuigplaten 11 (figuur 3) wordt de ionenbundel voor het 30 grootste deel van de tijd afgebogen en wordt deze gestopt door een stopplaat 13. Als gedurende een korte tijd (pulstijd) de spanning van de afbuigplaten 11 wordt veranderd, dan gaat de ionenbundel door het diafragma 14 in de stopplaat 13 naar het preparaat 3. Hierdoor ontstaat een ionenbundel die in de tijd pulseert met een frequentie die wordt bepaald 35 door de frequentie van de spanningen op de afbuigplaten 11 en die bijvoorbeeld 10 kHz bij een pulsbreedte van bijvoorbeeld 0,2 microseconden 1008461 5 kan bedragen. Een dergelijke gepulsde bundel kan natuurlijk ook worden verwezenlijkt door de bundel alleen bij een bepaalde afbuigspanning door het diafragma 14 in de stopplaat 13 te laten gaan.Referring to Figure 3, according to the invention, background suppression in the measurement of energy spectra is accomplished as follows. By applying appropriate voltages to deflection plates 11 (Figure 3), the ion beam is deflected most of the time and is stopped by a stop plate 13. When the voltage of the deflection plates 11 is changed for a short time (pulse time) , then the ion beam passes through the diaphragm 14 in the stop plate 13 to the preparation 3. This creates an ion beam that pulses in time at a frequency determined by the frequency of the voltages on the deflection plates 11 and which, for example, 10 kHz at a pulse width of, for example, 0.2 microseconds can be 1008461. Such a pulsed beam can of course also be realized by only passing the beam through the diaphragm 14 into the stop plate 13 at a certain deflection voltage.

Nadat de ionenbundel puls het preparaat bereikt zullen 5 ionen die het preparaat verlaten (tengevolge van verstrooiing of andere processen) een bepaalde tijd (vluchttijd) T nodig hebben om de detector te bereiken. De tijd T wordt bepaald door de kinetische energie van de ionen, de afstand van het preparaat 3 tot de detector 9 en de massa van de ionen. Ionen met dezelfde kinetische energie maar een verschillende 10 massa zullen op een verschillend tijdstip op de detector aankomen.After the ion beam pulse reaches the specimen, 5 ions leaving the specimen (due to scattering or other processes) will require a certain time (flight time) T to reach the detector. The time T is determined by the kinetic energy of the ions, the distance from the preparation 3 to the detector 9 and the mass of the ions. Ions with the same kinetic energy but different mass will arrive at the detector at a different time.

Door van de detector 9 alleen binnen een bepaald tijdsinterval (tijdvenster) gedetecteerde ionen te accepteren, kan het signaal tengevolge van ionen met een bepaalde massa selectief worden geanalyseerd.By accepting ions detected from detector 9 only within a certain time interval (time window), the signal due to ions of a certain mass can be selectively analyzed.

15 Door dit tijdinterval/tijdvenster zodanig te kiezen, bijvoorbeeld op enkele microseconden nadat de ionenbundel puls op het preparaat valt, bijvoorbeeld in een experiment 2 microseconden, en met een duur van bijvoorbeeld 0,3 microseconden, dat alleen ionen met dezelfde massa als de ionen van de invallende ionenbundel worden gedetecteerd, dan 20 wordt de achtergrond in het LEIS-spectrum onderdrukt.By choosing this time interval / time window such as, for example, a few microseconds after the ion beam pulse falls on the specimen, for example in an experiment 2 microseconds, and with a duration of for instance 0.3 microseconds, that only ions with the same mass as the ions of the incident ion beam are detected, then the background in the LEIS spectrum is suppressed.

In figuur 2 is het effect te zien van de maatregel volgens de uitvinding bij een dergelijke meting.Figure 2 shows the effect of the measure according to the invention with such a measurement.

De getrokken kromme 1 geeft het resultaat weer van een meting zonder gebruik van de uitvinding (hierbij worden alle ionen 25 gedetecteerd). De onderbroken kromme 2 geeft het resultaat weer van een meting met gebruik van de uitvinding, waarbij alleen ionen worden geselecteerd die dezelfde massa hebben als die van de invallende ionenbundel. Het zal duidelijk zijn dat de achtergrond bij deze laatste meting vele malen kleiner is dan in de standaardmeting.The drawn curve 1 represents the result of a measurement without using the invention (all ions 25 are detected here). The dashed curve 2 represents the result of a measurement using the invention, selecting only ions having the same mass as that of the incident ion beam. It will be clear that the background in this last measurement is many times smaller than in the standard measurement.

30 Het zijn vooral lichte gesputterde ionen zoals H+, maar ook C+ en 0+ die een belangrijke bijdrage aan de achtergrond leveren. De lichte deeltjes hebben meer kans op een energie die vergelijkbaar is met die van LEIS-ionen terwijl deze ook meer kans hebben om geladen te zijn. Door het relatief grote massaverschil van deze ionen met de edelgasionen 35 (Η: 1; C: 12; 0:16; edelgasionen He:4; Ne:20, 22) is' een grove tijdanalyse (voor een gegeven energie: grove massa-analyse) meestal ruim voldoende.30 It is mainly light sputtered ions such as H +, but also C + and 0+ that make an important contribution to the background. The light particles are more likely to have an energy comparable to that of LEIS ions while they are also more likely to be charged. Due to the relatively large mass difference of these ions with the noble gas ions 35 (Η: 1; C: 12; 0:16; noble gas ions He: 4; Ne: 20, 22), 'a coarse time analysis (for a given energy: coarse mass analysis) usually more than sufficient.

1008461 61008461 6

Zoals hierboven onder verwijzing naar figuur 1 is beschreven, kan een detector 9 worden toegepast met een plaatsoplossend vermogen. Door de dubbel toroidal e energie-analysator 7 wordt een deel van het (of zelfs het gehele) energiespectrum van de terugverstrooide ionen 5 op de detector 9 afgebeeld. De energiespreiding in de analysator is dan groot, maar (bij gegeven vluchttijd) nog steeds goed genoeg om de ongewenste gesputterde ionen te elimineren.As described above with reference to Figure 1, a detector 9 can be used with a location resolving power. By the double toroidal energy analyzer 7, a part of (or even the entire) energy spectrum of the backscattered ions 5 is imaged on the detector 9. The energy dispersion in the analyzer is then large, but (at given flight time) still good enough to eliminate the unwanted sputtered ions.

Als illustratie van de uitwerking van de uitvinding werd het volgende experiment uitgevoerd. Een vervuild polyimide-preparaat 10 werd beschoten met een bundel van He+-ionen van 3 keV. Het energiespectrum werd met behulp van de energie-analysator gemeten. Naast signalen tengevolge van de terugverstrooiing van He+ aan koolstof-, stikstof-, zuurstof-, en fluoratomen is vooral bij lage energie een belangrijke achtergrond tengevolge van gesputterde ionen (vermoedelijk vooral H+) 15 zichtbaar (figuur 2, kromme 1). Deze meting werd op bekende wijze uitgevoerd met een continue bundel.To illustrate the effect of the invention, the following experiment was performed. A contaminated polyimide preparation 10 was bombarded with a 3 keV bundle of He + ions. The energy spectrum was measured using the energy analyzer. In addition to signals due to the backscattering of He + on carbon, nitrogen, oxygen and fluorine atoms, an important background due to sputtered ions (presumably especially H +) is visible especially at low energy (figure 2, curve 1). This measurement was performed in a known manner with a continuous beam.

Vervolgens werd het energiespectrum gemeten met een gepulsde ionenbundel. De tijdvertraging tussen het tijdvenster en de ionenbundelpuls werd zo ingesteld dat bij de energie waarmede de ionen 20 de energie-analysator passeren, alleen de He+-ionen de detector binnen het tijdvenster bereiken en worden gedetecteerd (figuur 2, kromme 2). Het tijdvenster is echter zo breed dat He+-ionen met sterk verschillende energieën kunnen worden waargenomen: de intensiteiten van de C-,N-, 0-en F-pieken zijn niet veranderd, maar de achtergrond als gevolg van ionen 25 met een andere massa is wel verdwenen.Then the energy spectrum was measured with a pulsed ion beam. The time delay between the time window and the ion beam pulse was set so that at the energy with which the ions 20 pass through the energy analyzer, only the He + ions reach the detector within the time window and are detected (Figure 2, curve 2). However, the time window is so wide that He + ions with very different energies can be observed: the intensities of the C, N, 0 and F peaks have not changed, but the background due to ions with a different mass has disappeared.

In figuur 4 zijn enkele tijdsbetrekkingen tussen de puls op de afbuigplaten 11 (figuur 4a), de ionenbundelpuls op het preparaat (figuur 4b), en het tijdvenster (figuur 4c) weergegeven. Het tijdvenster tussen de verticale gestreepte lijnen heeft een tijdsduur Tl en begint 30 na een tijdsinterval T2 vanaf de puls op de afbuigplaten 11 (figuur 4a).Figure 4 shows some time relationships between the pulse on the deflection plates 11 (Figure 4a), the ion beam pulse on the specimen (Figure 4b), and the time window (Figure 4c). The time window between the vertical dashed lines has a duration T1 and starts after a time interval T2 from the pulse on the deflection plates 11 (Figure 4a).

Als illustratief voorbeeld kan worden vermeld dat in een bepaald experiment de puls in figuur 4a bijvoorbeeld een breedte heeft van 0,2 microseconden dat het tijdsinterval T2 bijvoorbeeld een duur heeft van 4 microseconden en dat het tijdvenster een breedte Tl heeft van 35 bijvoorbeeld 0,3 microseconden. De herhalings-frequentie van de ionenbundelpuls van figuur 4a bedraagt bijvoorbeeld 10 kHz. Deze gegevens iil 'i ' 1008461 7 hebben alleen illustratieve betekenis en daaruit kan geen enkele beperking van de uitvinding worden afgeleid die binnen een breed scala van waarden van deze tijdsduren een nuttig effect oplevert.As an illustrative example, it can be mentioned that in a given experiment the pulse in Figure 4a has, for example, a width of 0.2 microseconds, that the time interval T2 has a duration of 4 microseconds, for example, and that the time window has a width T1 of, for example, 0.3. microseconds. The repetition frequency of the ion beam pulse of Figure 4a is, for example, 10 kHz. These data are of illustrative significance only for illustrative purposes and no limitation of the invention can be derived therefrom which would be useful within a wide range of values of these durations.

De verstrooide ionen hebben (de massa van het atoom 5 waar een ion aan verstrooid is bepaalt de energie/snelheid van het verstrooide ion) diverse snelheden en dus diverse vluchttijden van het preparaat 3 tot de detector 9. De looptijdverschillen tussen de verstrooide ionen van de primaire bundel zijn echter klein ten opzichte van die met gesputterde ionen (geheel andere massa, dus sterk verschillende looptijd 10 bij gegeven energie).The scattered ions have (the mass of the atom 5 to which an ion is scattered determines the energy / speed of the scattered ion) at various speeds and thus various flight times from the preparation 3 to the detector 9. The transit time differences between the scattered ions of the primary beams, however, are small compared to those with sputtered ions (completely different mass, so very different maturity at given energy).

Puls 1 in figuur 4c die optreedt vóór het tijdvenster geeft het detectorsignaal aan als gevolg van gesputterde ionen met een massa die veel kleiner is (bijvoorbeeld H+) dan die van het verstrooide ion. Puls 2 die binnen het tijdvenster valt en in feite bestaat uit 15 verscheidene deel signaal pul sen, geeft het detectorsignaal aan als gevolg van verstrooide ionen van de primaire ionenbundel. Puls 3 die optreedt na het tijdvenster geeft het detectorsignaal aan als gevolg van gesputterde ionen met een massa die veel groter is dan die van de verstrooide ionen.Pulse 1 in Figure 4c occurring before the time window indicates the detector signal due to sputtered ions having a mass much smaller (e.g., H +) than that of the scattered ion. Pulse 2 which falls within the time window and actually consists of several part signal pulses, indicates the detector signal due to scattered ions from the primary ion beam. Pulse 3 occurring after the time window indicates the detector signal due to sputtered ions having a mass much greater than that of the scattered ions.

Binnen het tijdvenster met de duur Tl valt een deel 20 (segment of zelfs het geheel van het in figuur 2 weergegeven spectrum) bij toepassing van de aan de hand van figuur 1 beschreven elektrostatische toroidale energie-analysator in combinatie met de plaatsafhankelijke detector 9. In de praktijk kan hiermede een spectrum zoals dat in figuur 2 is weergegeven in 10 segmenten dus bij 10 verschillende waarden van de 25 selectie-energie volledig worden gemeten. In tegenstelling daartoe worden bij andere bekende elektrostatische energie-analysatoren 200 segmenten benodigd.Within the time window with the duration T1, a part 20 (segment or even the whole of the spectrum shown in figure 2) falls when the electrostatic toroidal energy analyzer described with reference to figure 1 is used in combination with the location-dependent detector 9. In in practice, this means that a spectrum as shown in Figure 2 can be fully measured in 10 segments at 10 different values of the selection energy. In contrast, other known electrostatic energy analyzers require 200 segments.

Onder verwijzing naar figuur 3 levert een spanningsgene-rator 20 onder besturing van een besturingsinrichting 21 pulsen aan de 30 afbuigplaten 11 met een bepaalde gewenste herhalingsfrequentie. De in de verbindingslijn tussen generator 20 en de besturingsinrichting 21 weergegeven puls komt met de in figuur 4a weergegeven puls overeen. Een ti jdvensterinrichting 22 ontvangt de signalen van de detector 9 en ontvangt een tijdvensterpuls van de besturingsinrichting 21. De in de verbinding 35 tussen de detector 9 en de ti jdvensterinrichting 22 getekende pulsen komen met in figuur 4c weergegeven pulsen overeen en de in de verbinding tussen 1008461 8 de besturingsinrichting 21 en de tijdvensterinrichting 22 weergegeven puls komt met het in figuur 4c weergegeven tijdvenster overeen.With reference to Figure 3, a voltage generator 20, under the control of a control device 21, supplies pulses to the deflection plates 11 with a certain desired repetition frequency. The pulse shown in the connection line between generator 20 and the control device 21 corresponds to the pulse shown in Figure 4a. A time window device 22 receives the signals from the detector 9 and receives a time window pulse from the controller 21. The pulses drawn in the connection 35 between the detector 9 and the time window device 22 correspond to pulses shown in Figure 4c and the pulses shown in the connection between The control device 21 and the time window device 22 correspond to the time window shown in Figure 4c.

De tijdvensterinrichting 22, onder besturing van de besturingsinrichting 21, laar van de detector 9 ontvangen signalen alleen 5 die signalen door die binnen het tijdvenster optreden. De doorgelaten signalen die ieder een amplitude kunnen hebben die een maat is voor de energie van het door de detector gedetecteerd ion, worden toegevoerd aan een gegevensopslaginrichting 23. Deze signalen worden in het geheugen 23 opgeslagen in een aan ieder van deze signalen toegevoegde geheugenplaats. 10 Op een later tijdstip kunnen deze gegevens worden afgeroepen door een signaal verwerkingsinrichting 24 voor weergave door een weergave-inrichting 25.The time window device 22, under the control of the control device 21, from the detector 9 receives only signals 5 that occur within the time window. The transmitted signals, each of which may have an amplitude which is a measure of the energy of the ion detected by the detector, are supplied to a data storage device 23. These signals are stored in the memory 23 in a memory location appended to each of these signals. At a later time, this data can be called up by a signal processing device 24 for display by a display device 25.

Een alternatieve oplossing waarbij zonder tijdvenster-inrichting 22 kan worden uitgekomen is symbolisch aangegeven door de 15 gestreepte verbinding 26 tussen de besturingsinrichting 21 en het geheugen 23. Langs deze verbinding 26 wordt de aankomsttijd van het signaal van een ion aan het geheugen 23 toegevoerd. Bij toevoer van een signaal van de detector 9 rechtstreeks aan het geheugen 23 wordt dan gelijkertijd met dit signaal ook de relatieve tijd van aankomst van dit signaal in het 20 geheugen 23 geregistreerd. Bij het afvragen van het geheugen 23 door de signaalverwerking 24 kan dan zo te werk worden gegaan dat alleen die signalen worden opgevraagd die binnen een bepaald tijdvenster zijn aangekomen. Bij deze oplossing is er geen speciale apparatuur nodig voor de ti jdvensterinrichting 22 en kan de functie daarvan worden verwezenlijkt 25 door een geschikte programmering van de signaalverwerkingsinrichting 24.An alternative solution in which it is possible to exit without time window device 22 is symbolically indicated by the striped connection 26 between the control device 21 and the memory 23. The arrival time of the signal of an ion is supplied to the memory 23 along this connection 26. When a signal from the detector 9 is supplied directly to the memory 23, the relative time of arrival of this signal in the memory 23 is also registered simultaneously with this signal. When interrogating the memory 23 by the signal processing 24, it is then possible to proceed in such a way that only those signals that have arrived within a certain time window are interrogated. With this solution, no special equipment is required for the time window device 22 and its function can be accomplished by appropriate programming of the signal processing device 24.

Zoals uit het voorgaande duidelijk is, is de uitvinding van toepassing op een breed scala van elektrostatische energie-analysatoren die een scheiding aanbrengen tussen ionen met verschillende kinetische energieën. Voor het aanbrengen van een scheiding tussen ionen met dezelfde 30 kinetische energie maar verschillende massa’s wordt een vluchttijdanalyse toegepast met behulp van een tijdvenster. Dit tijdvenster kan een relatief grote breedte hebben vanwege het grote verschil in massa’s tussen de ionen van de primaire bundel en de uit het oppervlak van het preparaat gesputterde ionen, waardoor tussen deze ionen en de ionen van de primaire 35 bundel ook bij een relatief grote spreiding van de kinetische energie van deze laatste toch grote vluchttijdverschillen optreden. Als gevolg hiervan 1008461 9 zullen ook bij een relatief breed tijdvenster de gesputterde ionen buiten dit tijdvenster vallen en dus geen achtergrond bij de meting van het energiespectrum van de terugverstrooide ionen van de primaire ionenbundel, veroorzaken.As is apparent from the foregoing, the invention applies to a wide variety of electrostatic energy analyzers that separate ions with different kinetic energies. To create a separation between ions with the same kinetic energy but different masses, a flight time analysis is applied using a time window. This time window can have a relatively large width due to the large difference in masses between the ions of the primary beam and the ions sputtered from the surface of the preparation, so that between these ions and the ions of the primary beam also with a relatively large spread of the kinetic energy of the latter still large flight time differences occur. As a result, even in a relatively wide time window, the sputtered ions will fall outside this time window and thus will not cause a background in the measurement of the energy spectrum of the backscattered ions of the primary ion beam.

5 Opgemerkt wordt dat de uitvinding op unieke wijze een tijdvenster gebruikt om een scheiding van ionen met dezelfde kinetische energie maar verschillende massa’s te bewerkstelligen, welke werkwijze is gebaseerd op de verschillen in looptijd tussen lonen met dezelfde kinetische energie maar verschillende massa, zonder gebruik te maken van 10 magnetische en/of electromagnetische middelen.It is noted that the invention uniquely uses a time window to effect a separation of ions with the same kinetic energy but different masses, which method is based on the differences in maturity between wages with the same kinetic energy but different masses, without using of 10 magnetic and / or electromagnetic means.

1 00 846 )1 00 846)

Claims

1. Apparatus for determining the kinetic energy of ions backscattered from a surface of a target body of a primary ion beam incident on the surface, comprising electrostatic means for separating these ions according to the kinetic energy of the backscattered ions and a detection device for detecting the ions thus separated and a signal processing device connected to the detection device for processing the data supplied by the detection device with regard to the number of detected ions depending on the energy thereof, characterized in that time window means are provided for causing the signal processing device to take into account only those data from the detection device in signal processing which fall within a time window bounded by a lower time limit and the upper time limit, and means are provided for pulse formation switching on the ion beam at a time in time for said time window, such that only the ions detected by the detection device within the time window contribute to the signal processing result provided by the signal processing device and the ions which in time for and be detected after the time window does not contribute to the result of the signal processing.

2. Device according to claim 1, characterized in that the means for the pulse-shaped switching on of the ion beam are arranged to operate periodically.

3. Device as claimed in claim 1, characterized in that time window means are switched between the detection device and the signal processing device and, under the control of a control device, only transmitting the data falling within the time window from the detection device to the signal processing device.

4. Device as claimed in claim 1, comprising a memory for storing the data supplied by the detection device, characterized in that means are provided for providing the relative arrival time hj of this data together with each data provided by the detection device. to the detection device in memory, 1 1008461 and the signal processing device is arranged before selecting in memory those data having a relative arrival time which falls within the time window.

Device according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the width of the time window between the lower time limit and the upper time limit, the width of the pulse of the ion beam and the time distance between this pulse and the time window be variably adjustable.

Device according to any one of the preceding claims, characterized in that deflection plate means (11) and stop plate means (13) with a diaphragm (14) are arranged in the course of the primary ion beam, and said means (20) for pulse-wise switching on of the ion beam to said deflection plate means (11) supplying deflection voltages such that at a certain deflection voltage, which can also be zero, said ion beam (2) passes through said diaphragm (14). 1008461