DE69307557T2 - Sekundärionenmassenspektrometer zur Analyse positiv und negativ geladener Ionen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sekundärionenmassenspektrometer und insbesondere auf ein Sekundärionenmassenanalysierer zum Analysieren einer Probe durch Bestrahlen der Probe mit einem Primärstrahl, wie zum Beispiel einem Hochgeschwindigkeitsatomstrahl und durch simultanes Trennen und Detektieren von positiv und negativ geladener Sekundärionen, die von der Probe abgegeben werden.
• Fig. 1 zeigt schematisch die Struktur eines Sekundärionenmassenspektrometers des Standes der Technik. Bei dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Hochgeschwindigkeitsstrahlenquelle zum Abgeben eines Hochgeschwindigkeitsatoms; 2 ein Analysierrohr; 3 eine Probe; 4 ein Quadrupolmassenspektrometer; 5 ein Sekundärelektronenmultiplizierer; 6 einen Verstärker; 7 einen Rekorder bzw. eine Aufzeichnungsvorrichtung; 8 eine Vakuumpumpe; 9 einen Hochgeschwindigkeitsatomstrahl; und 10 Sekundärionen, die erzeugt werden, wenn die Probe mit dem Hochgeschwindigkeitsatomstrahl bestrahlt wird.
• Dieser Sekundärionenmassenspektrometer des Standes der Technik arbeitet wie folgt. Ein Analysierrohr 2 und ein Vier- bzw. Quadrupolmassenspektrometer 4 werden ausreichend mit einer Vakuumpumpe 8 evakuiert. Eine Strahlenquelle 1 emittiert einen Hochgeschwindigkeitsatomstrahl 9, um eine Probe 3 zu bestrahlen. Sekundärionen 10 werden von der Probe 3, die durch das Hochgeschwindigkeitsstrahl 9 bestrahlt und bombardiert wird, emittiert und diese 10nen werden durch den Quadrupolmassenspektrometer 4 unterschieden bzw. ausgewertet, wobei nur die Sekundärionen mit einer bestimmten Masse ausgewählt werden und in den Sekundärelektronenmultiplizierer 5 eintreten. Sekundärionen 10 werden in Elektronen umgewandelt, und zwar äquivalent zu den Eingangssekundärionen in dem Sekundärionenmultiplizierer 5 und die Ausgangsgröße bzw. das Ausgangssignal wird durch einen Verstärker 6 geführt und schlußendlich durch einen Rekorder bzw. eine Aufzeichnungsvorrichtung 7 aufgezeichnet.
• Ein solches Sekundärionenmassenspektrometer wird für die Massenanalyse von Sekundärionen verwendet, die von einer festen Oberfläche einer mit einem Hochgeschwindigkeitsstrahl bestrahlten Probe erzeugt werden. Dieses Analysierverfahren sieht eine extrem hohe Empfindlichkeit im Vergleich mit anderen Oberflächenanalysierverfahren, wie zum Beispiel Auger-Elektronenspektroskopie und Röntgenstrahlenelektronenspektroskopie vor und ist gekennzeichnet durch seine Fähigkeit, alle Elemente zu analysieren, die in der periodischen Tabelle angeordnet sind sowie Isotope. Insbesondere ist ein Hochgeschwindigkeitsatom strahl mit einer Energie von mehreren hundert Elektronenvolts bis mehreren Kiloelektronenvolts geeignet für die Massenanalyse, da er elektrisch neutral ist und daher nicht durch einen geladenen Isolator beeinflußt wird und die Breite des Atomstrahls bleibt konstant, und der Atomstrahl wird nicht durch Raumladungen beeinflußt.
• Ein Sekundärionenmassenspektrometer des Standes der Technik besitzt jedoch nicht die Fähigkeit positiv und negativ geladene Sekundärionen zu trennen, obwohl sowohl positiv als auch negativ geladene Sekundärionen simultan von einer Probe abgegeben werden. Daher können positiv geladene Sekundärionen nicht detektiert werden, wenn negativ geladene Sekundärionen detektiert werden und umgekehrt. Wenn es demgemäß notwendig ist, das Massenspektrum von Sekundärionen zu erhalten, die von einer Probe stammen und mit unterschiedlichen Polaritäten geladen sind, muß die Analyse zweimal durchgeführt werden, was einen erhöhten Betriebsaufwand zur Folge hat sowie eine geringere Geschwindigkeit und Verläßlichkeit des Vorgangs.
• Es wird ferner auf FR-A-2 246 976 Bezug genommen, die sich auf einen Ionen Elektronenwandler bezieht.
• JP-A- 62037860 bezieht sich auf ein Sekundärionenmassenspektrometer. Um bei diesem letztgenannten Dokument positive und negative Sekundärionen zu messen, ist ein Massenspektrometer mit zwei Neutralisierelektroden vorgesehen und es wird ein magnetisches Feld zwischen den Elektroden vorgesehen, um Sekundärelektronen herauszuziehen und dadurch Rauschen bzw. Störungen zu reduzieren. Es gibt jedoch keine Mittel zum Trennen und simultanen Bestimmen der Ströme der negativen und positiven Sekundärionen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Sekundärionenmassenspektrometer gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
• In Anbetracht der vorhergehenden Probleme des Standes der Technik ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Sekundärionenmassenspektrometer mit einer Funktion zum simultanen Trennen und Detektieren von sowohl positiv als auch negativ geladenen Sekundärionen, die von einer Probe emittiert werden, vorzusehen.
• Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist zur Erreichung des oben genannten Ziels ein Sekundärionenmassenspektrometer vorgesehen, das folgendes aufweist: Massentrennmittel zur Massentrennung von Sekundärionen, die von einer mit einem Hochgeschwindigkeitsprimärstrahl bestrahlten Probe emittiert werden, und Ladungstrennmittel zum Empfangen der Sekundärionen, die durch die Massentrennmittel getrennt wurden zur Ladungstrennung solcher Sekundärionen in positiv geladene und negative geladene Sekundärionen, um Ströme zu verwenden, die äquivalent sind zu den Niveaus der getrennten positiven und negativen Sekundärionen.
• Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Sekundärionenmassenanalysierer vorgesehen, der folgendes aufweist: (1) Mittel zum Bestrahlen einer Probe mit einem Hochgeschwindigkeitsprimärstrahl, (2) Massentrennmittel zum Trennen und Dedektieren der Sekundärionen, die von der Probe emittiert werden, (3) Ionentrennmittel, die stromabwärts bezüglich der Massentrennmittel angeordnet sind und mit einer Vielzahl von Metallelektroden, die parallel zueinander angeordnet sind und an die positive und negative Spannungen angelegt sind und mit elektrostatischen Abschirmmitteln, die die Metallelektroden umgeben und die ein Ioneneintrittsloch aufweisen, das zu den Massentrennmitteln weist und Ionenaustrittslöcher, und (4) Ionenstromwandlermittel, die zu den jeweiligen Ionenaustrittslöchern weisen.
• Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind vier Metallelektroden vorgesehen und jeweils parallel zueinander angeordnet an vier Spitzen bzw. Scheitelpunkten eines Rechtecks. Eine positive Spannung wird an den Elektroden angelegt, die auf einer diagonalen Linie des Rechteckes angeordnet sind, während eine negative Spannung an den Elektroden angelegt wird, die auf der anderen Diagonallinie davon angeordnet sind.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden zwei Metallelektroden verwendet, und eine positive Spannung wird an eine Metallelektrode angelegt, während eine negative Spannung an die andere Metallelektrode angelegt wird.
• Die Ionenstromwandlermittel sind ein Sekundärelektronenmultiplizierer oder eine Faraday-Schale bzw. -Behälter.
• In einem Sekundärionenmassenspektrometer der vorliegenden Erfindung gehen zur Detektierung der Sekundärionen, die positiv und negativ geladenen Sekundärionen aufweisen, die von einer Probe emittiert wurden, die positiv und negativ geladene Sekundärionen durch Ladungstrennungsmittel hindurch zum Trennen der positiv und negativ geladenen Sekundärionen mit elektrischen Feldern, die durch Metallelektroden gebildet werden, an die positive und negative Spannungen angelegt werden. Dies ermöglicht die simultane Detektierung von beiden Sekundärionen, wodurch eine rasche und effiziente Massenanalyse realisiert wird. Daher ist ein Sekundärionenmassenspektrometer der vorliegenden Erfindung unterschiedlich von dem des Standes der Technik, und zwar hinsichtlich seiner Struktur und seines Betriebs.
• Die obigen und weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen; in der Zeichnung zeigt:
• Fig. 1 schematisch die Struktur eines Sekundärionenmassenanalysierers des Standes der Technik;
• Fig. 2 schematisch die Struktur des ersten Ausführungsbeispiels eines Sekundärionenmassenanalysierers gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 3 schematisch die Struktur des zweiten Ausführungsbeispiels eines Sekundärionenmassenanalysierers gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 zeigt schematisch die Struktur des ersten Ausführungsbeispiels eines Sekundärionenmassenanalysierers gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Hochgeschwindigkeitsatomstrahlquelle 1 erzeugt einen Hochgeschwindig keitsatomstrahl 9, und eine Probe 3 wird mit diesem Atomstrahl bestrahlt.
• Positive und negative Sekundärionen 10, die erzeugt werden, wenn die Probe 3 mit dem Strahl 9 bestrahlt wird, werden durch ein Quadrupolmassenspektrometer 4 erkannt und in positive Ionen und negative Ionen getrennt, und zwar durch einen Ladungstrenner 13. Die getrennten Positiven und negativen Ionen werden dann in entsprechende Sekundärelektronenmultiplizierer oder Faraday-Schalen bzw. -Tassen bzw. -Behälter 5p, 5N eingeführt, die wiederum diese Ionen in Ströme umwandeln, die der Menge der eingegebenen Sekundärionen entsprechen. Diese Ströme werden dann durch Verstärker 6p, 6N verstärkt und als ein Massenspektrum durch einen Rekorder (nicht dargestellt) aufgezeichnet.
• Der Ladungstrenner 13 ist versehen mit vier metallischen Stangenelektroden 11a, 11b, 11c, 11d, die parallel zueinander in der Richtung senkrecht zu der Papieroberfläche angeordnet sind und mit einem elektrostatischen Abschirmglied 12, das die metallischen Stangenelektroden umgibt. Diese vier Metallstangenelektroden 11a, 11b, 11c, 11d sind jeweils an den Spitzen eines Rechteckes angeordnet. Von den Wandoberflächen des elektrostatischen Abschirm gliedes 12 besitzt die Wandoberfläche 12&sub1;, die zu dem Quadrupolmassenspektrometer 4 weist, ein Sekundärioneneintrittsloch 14 auf, während die zwei Wandoberflächen 122, 123, die benachbart zu der Wandoberfläche 121 liegen, Sekundärionenaustrittslöcher 15P, 15N aufweisen. Der zu dem Sekundärionenaustrittsloch 15p weisende Sekundärelektronenmultiplizierer oder der Faraday-Behälter 15p ist vorgesehen, um positive Sekundärionen zu detektieren, die durch den Ladungstrenner 13 getrennt wurden, und der Sekundärelektronenmultiplizierer oder Faraday-Behälter 5N, der zu dem zweiten Ionenaustrittsloch 15N weist, ist vorgesehen, um negative Sekundärionen zu detektieren. Unter den vier metallischen Säulen bzw. Stangenelektroden 11a bis 11d wird an zwei Elektroden, die auf einer Diagonallinie angeordnet sind, eine positive Spannung von einer Leistungsquelle angelegt, wihrend eine negative Spannung auf die verbleibenden zwei Elektroden angelegt wird, die auf der anderen Diagonallinie angeordnet sind. Somit werden elektrische Felder innerhalb des elektrostatischen Abschirmgliedes 12 erzeugt, um positive und negative Ionen in jeweils unterschiedliche Richtungen zu trennen.
• Insbesondere werden positive und negative Sekundärionen durch das Quadrupolmassenspektrometer 4 unterschieden, die in das elektrostatische Abschirmglied 12 durch das Sekundärioneneintrittsloch 14 eintreten. Eine negative Spannung wird zum Beispiel an die zwei Elektroden 11a, 11c angelegt, die auf einer Diagonallinie eines Rechtecks liegen, das durch die vier Metallstangenelektroden 11a, 11b, 11c, 11d gebildet wird, während eine positive Spannung an die verbleibenden zwei Elektroden 11b, 11d angelegt wird. Die positiven Sekundärionen gehen durch das Sekundärioneneintrittsloch 14 und dann durch die Ioneneinfalisebene, die durch die metallischen Stangenelektroden 11a, 11b gebildet wird und werden zu der Oberseite in Fig. 2 gerichtet durch das elektrische Feld, was durch die vier metallischen Stangenelektroden ha bis 11d ge bildet wird, während die negativen Sekundärionen zu der unteren Seite in Fig. 2 gerichtet werden. Die positiven Sekundärionen, die so getrennt wurden, gehen durch die Sekundärionenaustrittsebene&sub1; die durch die metallischen Stangenelektroden 11a, 11d gebildet wird und dann durch das Sekundärionenaustrittsloch lsp des elektrostatischen Abschirmgliedes 12 und treten dann in den Sekundärelektronenmultiplizierer oder den Faraday-Behälter 5p ein. In der gleichen Art und Weise gehen die negativen Sekundärionen durch die Sekundärionenaustrittsebene, die durch die metallischen Stangenelektroden 11b, 11c gebildet wird und dann durch das Sekundirionenaustrittsloch 15N und treten dann in den Sekundärionenmultiplizierer oder dem Faraday-Behälter 5N ein.
• Die positiven und negativen Sekundärionen, die in die Sekundärelektronenmultiplizierer oder Faraday-Behälter 5p, 5N eintreten, werden jeweils in Ströme umgewandelt, die der Menge der Sekundärionen entsprechen, und diese Ströme werden dann durch Verstärker 6p, 6N verstärkt. Die Ausgänge bzw. Ausgangssignale der Verstärker 6p, 6N werden an einen Rekorder bzw. eine Aufzeichnungsvorrichtung geliefert, wodurch die Menge der positiven bzw. negativen Sekundärionen als Massenspektrum aufgezeichnet wird.
• Gemäß dem Ergebnis einer Computersimulation für den Fall, wo die Intervalle zwischen den Metallstangenelektroden ha, 11b, 11c, 11d auf ungefähr mehrere Zentimeter und Spannungen von 50 Volt an diese Metallstangenelektroden angelegt wurden, um elektrische Felder in dem elektrostatischen Abschirmglied 12 zu bilden, wurde bestätigt, daß Sekundärionen von 10 bis 35 Elektronenvolt bestimmt ge trennt wurden in positive und negative Sekundärionen, die jeweils in die entsprechenden Sekundärelektronenmultiplizierer oder Faraday-Behälter 5p, 5N eintreten.
• Fig. 3 zeigt schematisch die Struktur des zweiten Ausführungsbeispiels eines Sekundärionenmassenanalysierers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Ladungstrenner 13 weist zwei Metallstangenelektroden 11e, 11f auf, die parallel zueinander in der Richtung senkrecht zu der Papieroberfläche angeordnet sind, sowie ein elektrostatisches Abschirmglied 12 mit drei Wandoberflächen, die die Metallstangenelektroden umgeben. Die Wandoberfläche 12&sub1;, die zu dem Quadrupolmassenspektrometer 4 weist, besitzt ein Sekundärioneneintrittsloch 14, und die zwei Wandoberflächen 12&sub2;, 12&sub3; benachbart zu der Wandoberfläche 12&sub1; besitzen jeweils Sekundärionenaustrittslöcher 15p, 15N Die Sekundärelektronenmultiplizierer oder Faraday-Behälter 5p, 5N sind derart angeordnet, daß sie zu den Sekundärionenaustrittslöchern 15p bzw. 15N weisen. Eine Leistungsversorgung ist derart verbunden, daß eine positive Spannung auf eine Elektrode 11f und eine negative Spannung an die andere Elektrode 11e angelegt wird.
• Mit einem Verfahren ähnlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 dargestellt ist, werden positive und negative Sekundärionen voneinander unterschieden durch den Quadrupolmassenspektrometer 4. Die unterschiedenen Sekundärionen treten in da 5 elektrostatische Abschirmglied 12 ein durch das Sekundärioneneintrittsloch 14. Die positiven Sekundärionen gehen durch die Ebene hindurch, die durch die Metallstangenelektroden 11e, 11f gebildet wird und werden zu der Oberseite der Figur geleitet infolge des elektrischen Feldes, das durch dieselben Elektroden erzeugt wird, während die negativen Sekundärionen zu der unteren Seite davon geleitet bzw. gelenkt werden. Infolgedessen werden die positiven und negativen Sekundärionen jeweils in unterschiedliche Richtungen geleitet bzw. getrennt. Die getrennten Sekundrionen treten in entsprechende Sekundärelektronenmultiplizierer oder Faraday-Behälter 5p bzw. 5N ein, und werden dann in Ströme umgewandelt, und zwar äquivalent zu den Niveaus der jeweiligen Ionen. Diese Ströme werden jeweils durch Verstärker 6p, 6N verstärkt und als Massenspektrum durch den Rekorder aufgezeichnet.
• Wie oben im Detail beschrieben, werden gemäß einem Sekundärionenmassenspektrometer der vorliegenden Erfindung sowohl positive als auch negative Sekundärionen in Kombination emittiert und in unterschiedliche Richtungen getrennt und können dadurch simultan detektiert werden, was ermöglicht, daß ein Sekundärionenmassenspektrum von den positiven und negativen Sekundärionen vollständig zu einem Zeitpunkt erhalten wird. Infolgedessen kann die Massenspektrumanalyse schneller durchgeführt werden, und es können verläßlichere Daten als im Stand der Technik erhalten werden.

Claims (7)

1. Sekundärionenmassenspektrometer, das folgendes aufweist:

Mittel (1) zur Bestrahlung einer Probe (3) mit einem Hochgeschwindigkeitsprimärstrahl (9);

Massentrennmittel (4) zum Trennen und Detektieren von Sekundarionen (10) emittiert von der Probe (3);

Ionentrennmittel (13) angeordnet stromabwärts gegenüber den Massentrennmitteln (4) und eine Vielzahl von Metallelektroden (11) aufweisend und zwar angeordnet parallel miteinander und beliefert mit positiven und negativen Spannungen zum Trennen der Sekundärionen (10) in positive und negative Sekundärionen, und elektrostatische Abschirmmittel (12), welche die Metallelektroden (11) umgeben und ein Ioneneintrittsloch (14) aufweisen, welches zu den Massentrennmitteln (4) und den Ionenaustrittslöchern (15p, 15N) hinweist; und

Ionenstromumwandlungsmittel (5p, 5N) zur Umwandlung der positiven und negativen Sekundärionen, die aus den Austrittslöchern (15p, 15N) herauskommen in Ströme equivalent zu den Niveaus der entsprechenden Sekundärionen (10).

2. Ein Sekundärionenmassenspektrometer nach Anspruch 1, wobei die Zahl der Metallelektroden (11) vier beträgt und wobei die Metallelektroden (11) parallel zueinander an den vier Scheiteln eines Rechtecks angeordnet sind und wobei ferner eine positive Spannung an die zwei Elektroden angelegt wird, die auf einer Diagonallinie des Rechtecks angeordnet sind, während eine negative Spannung an die verbleibenden zwei Elektroden angeordnet auf der anderen Diagonallinie angelegt wird.

3. Sekundärionenmassenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ionenstromumwandlungsmittel (5p, 5N) Sekundärelektronenvervielfacher aufweisen.

4. Sekundärionenmassenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ionenstromumwandlungsmittel (5p, 5N) Faraday-Schalen aufweisen.

5. Sekundärionenmassenspektrometer nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der Metallelektroden (11) zwei beträgt und wobei eine positive Spannung an eine der Metallelektroden angelegt ist, während eine negative Spannung an die andere der Elektroden angelegt ist.

6. Sekundärionenmassenspektrometer nach Anspruch 5, wobei die Ionenstromumwandlungsmittel (5p, 5N) Sekundärelektronenvervielfacher aufweisen.

7. Sekundärionenmassenspektrometer nach Anspruch 5, wobei die erwähnten Ionenstromumwandlungsmittel (5p, 5N) Faraday-Schalen aufweisen.