DE2414221A1

DE2414221A1 - Teilchenoptisches geraet fuer die ionenstreuungsspektrometrie und sekundaerionenmassenspektrometrie

Info

Publication number: DE2414221A1
Application number: DE19742414221
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Phys Grundner; Werner Dr Heiland; Edmund Dr Taglauer
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Priority date: 1974-03-25
Filing date: 1974-03-25
Publication date: 1975-10-09
Also published as: DE2414221C3; JPS5199094A; DK144898C; DE2414221B2; DK122675A; BE826966A; FR2266166B3; IT1034386B; FR2266166A1; GB1445963A; DK144898B; NL7503567A

Description

21. Februar 1974 9101-73

Mäx-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 3400 Göttingen, Bunsenstraße 10

Teilchenoptisches Gerät für die Ionenstreuungsspektrometrie und S ekundäri onenmas s enspektrome tri e

Aus der US-PS 3 840 774 ist ein Verfahren zur Analyse von Oberflächen im Vakuum bekannt, bei welchem die Oberfläche mit Edelgasionen, z.B. Argonionen, beschossen und die Energie der von der Probe rückgestreuten Argonionen analysiert wird (Ionenstreuungsspektrometrie, abgekürzt ISS).

Es sfc ferner aus einer Arbeit von A. Benninghoven, Z.Phys. 220, 159 (1969) ein Verfahren zur Analyse von Oberflächen im Vakuum bekannt, bei dem die zu untersuchende Oberfläche mit einem Ionenstrahl beschossen und die dadurch aus der Oberfläche freigesetzten Sekundärionen massenspektrometrisch analysiert werden. Dieses Verfahren wird als Sekundärionen-Massenspektrometrie -(SIMS) bezeichnet.

Die Ergebnisse der oben erwähnten bekannten Analyseverfahren sind nicht identisch, sondern ergänzen sich, und es ist daher häufig erwünscht, ein und dieselbe Oberfläche nach beiden Verfahren unter vergleichbaren Bedingungen zu untersuchen. Mit den bisher zur Verfügung stehenden Geräten war dies nicht möglich und die mit zwei verschiedenen Geräten erhaltenen Untersuchungsergebnisse sind nicht vergleichbar, da die Probe nach der einen Untersuchung aus dem Vakuum entnommen v/erden muß

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und es außerdem nur schwer erreichbar ist, jeweils die gleichen Oberflächenteile zu analysieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein teilchenoptisches Gerät anzugeben, das eine wahlweise Untersuchung ein und derselben Probe durch Ionenstreuungsspektrometrie oder durch Sekundärionen-Massenspektrometrie ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 unter Schutz gestellte Erfindung gelöst.

Die Erfindung ermöglicht es nicht nur, ein und dieselbe Probe nacheinander sowohl durch Ionenstreuungsspektrometrie als auch durch Sekundärionen-Massenspektrometrie zu untersuchen, sondern bringt auch noch den wesentlichen Vorteil mit sich, daß beide Untersuchungsverfahren genauer und störungsfreier durchgeführt werden können als mit den bekannten, jeweils nur für ein einziges Untersuchungsverfahren bestimmten Geräte.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines teilchenoptischen Gerätes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Teiles de3 Gerätes gemäß Figur 1.

Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeiapiel der Erfindung enthält eine Ionenquelle 10, die in bekannter Weise ausgebildet sein kann und einen gebündelten Ionenstrahl, insbesondere aus Edelgasionen, liefert, der längs einer strichpunktiert gezeichneten Primärstrahlachse 12 verüäuft. Im Weg des Primärionenstrahls ist eine elektrostatische Linse H angeordnet, die die Primärionen auf die Oberfläche einer Probe 16 fokussiert. Zwischen der Linse H und der Probe 16 sind zwei auf Masse liegende Blenden 18, 20 angeordnet, die zur

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Begrenzung des Öffnungswinkels des Ionenstrahlbündels dienen.

Die zu untersuchende Oberfläche der Probe steht im Winkel von etwa 45° zur Achse 12 des Primärionenbündels, so daß die von der Probe gestreuten Primärionen oder die durch die Primärionen aus der Probe freigesetzten Sekundärionen bevorzugt in einem Winkel von etwa 90° zum Primärionenbündel emittiert werden, und zwar in Figur 1 und 2 nach unten. Die von der Oberfläche der Probe 16 ausgehenden Ionen werden mittels eines Systems 22 aus rotationssymmetrischen, ein Mittelloch aufweisenden Beschleunigungselektroden von der Probe abgesaugt und zu einem beschleunigten Sekundärionenbündel fokussiert. Das beschleunigte Sekundärionenbündel tritt dann in einen Energieanalysator 24 ein, der aus einem Kugelkondensator mit einem Ablenkwinkel von 90° besteht. In Laufrichtung der Ionen folgt auf den Energieanalysator 24 eine im wesentlichen kreisringförmige Blende 26 ("Energieblende")» die den Energiebereich der Ionen des sekundären Bündels begrenzt. Auf die Blende 26 folgt eine kurze zylindrische Elektrode 28 zur Verlangsamung der Ionen und eine auf Masse liegende Abschirmblende 30.

Anschließend durchläuft das Sekundärionenbündel ein Massenspektrometer 32 und gelangt dann durch eine Eintrittsblende 34 in eine Ionennachweiseinrichtung, bei der es sich z.B. um einen einfachen Kollektor oder um einen Sekundärelektronenvervielfacher handeln kann.

Bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Massenspektrometer ein Quadrupol-Massenfilter bekannter Bauart (s. z.B. Blauth "Dynamische Massenspektrometer", Verlag Friedrich Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1965, Seiten 123 bis 130). Es können jedoch auch andere Massenspektrometer verwendet werden. Vorzugsweise finden dynamische Massenspektrometer Verwendung und insbesondere solche, bei denen die selektierten Ionen zwischen Eintritts- und Austrittsspalt einen in erster Näherung geradlinigen Weg durchlaufen.

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Bei der Ionenstreuungsspektrometrie wird die Energie der an der Probenoberfläche gestreuten Primärionen mittels des Energieanalysator 24 analysiert. Die Probe wird dabei z.B. mit Argonionen beschossen. Das aus dem Quadrupol-Massenfilter bestehende Massenspektrometer 32 kann in diesem Falle dann einfach ausgeschaltet sein, d.h. die vier stabförmigen Elektroden des Massenfilters werden an Masse gelegt. Das Gerät arbeitet dann wie eine gewöhnliche ISS-Apparatur. Vorzugsweise wird das Massenspektrometer 32 jedoch auch bei der Ionenstreuungaspektrometrie verwendet und dabei auf die Masse der Primärionen eingestellt. Durch diese Maßnahme kann nämlich der Störuntergrund aus Fremdionen (aus der Probe freigesetzte Ionen) weitestgehend unterdrückt v/erden, der bei den bekannten ISS-Apparaturen das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal erheblich beeinträchtigte.

Bei der Sekundärionen-Massenspektrometrie wird der Energieanalysator 24 auf den häufigsten Energiewert der von der Probe zerstäubten Ionen eingestellt, so daß das Massenspektrometer 32 dann mit einem energetisch homogenen Ionenstrahl beschickt wird. Bei den bekannten SIMS-Apparaturen gelangen praktisch alle Sekundärionen in das Massenspektrometer, was zu Fehlern führen kann, wenn man nicht aufwendige, mehrfach fokussierende Massenspektrometer verwendet.

Anstelle des 90°-Kugelkondensators, der den Energieanalysator 24 bildet, und des Quadrupol-Massenfilters, das als Massenspektrometer 32 verwendet wird, können auch andere, wirkungsgleiche Einrichtungen verwendet werden. Als Energieanalysatoren können andere energieselektive elektrische Ablenkfelder, z.B. Zylinderkondensatoren und dergl. verwendet werden. Als Massenspektrometer eignen sid^ wie erwähnt, besonders dynamische Massenspektrometer, bei denen die Ionen auf ihrem (vorzugsweise im wesentlichen geradlinigen) Weg von einer Eintrittsblende zu einer Austrittsblende durch einen oder mehrere zeitabhängige Systemparameter, wie elektrische oder magnetische Feldstärke, selektiert werden. Dynamische Massenspektrometer werden daher

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oft auch als Hochfrequenz-Massenspektrometer bezeichnet.

Die dynamischen Maseenspektroiaeter haben außerdem den Vorteil, daß keine magnetischen Felder benötigt werden, die im allgemeinen platzraubende und schwere Vorrichtungen erfordern.

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Claims

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Patentansprüche

Ionenoptisches Gerät zur wahlweisen Untersuchung der Oberfläche einer Probe durch Ionenstreuungsspektrometrie (ISS) oder Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) unter vergleichbaren Bedingungen, mit einer Primärionenquelle zum Erzeugen eines Primärionenbündels, einem Probenhalter zur Halterung einer Probe im Wege des Primärionenbündels, einer ionenoptischen Analyseeinheit und einer Ionennachweisvorrichtung, d adurch gekennzeichnet, daß die ionenoptische Analyseeinheit einen Energieanalysator (24) und ein Massenspektrometer (32) enthält, die von den von der Probe (16) ausgehenden Ionen auf ihrem Weg zur Ionennachweisvorrichtung (36) in der angegebenen Reihenfolge durchlaufen werden.
2. Ionenoptisches Gerät nach Anspruch 1, d a d ur c h gekennzeichnet , daß der Energieanalysator eine Einrichtung zum Erzeugen eines energiedispersiven elektrischen Ablenkfeldes enthält.
3. Teilchenoptisches Gerät nach Anspruch 2, d a d u r ch gekennzeichnet , daß der Energieanalysator ein 90°-Zylinder- oder Kugelkondensator ist.
4. Teilchenoptisches Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenspektrometer (32) ein dynamisches Massenspektrometer ist.
5. Ionenoptisches Gerät nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß das Massenspektrometer (32) ein Quadrupolfeld-Massenfilter ist.

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β. Ionenoptisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Energieanalysator (24) und dem Massenspektrometer (32) eine Energieblende (26) und eine Elektrode (28) zur Abbremsung der Ionen angeordnet sind.

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