DE3447541A1

DE3447541A1 - Massenspektrometer, insbesondere zur analyse von isolatoren

Info

Publication number: DE3447541A1
Application number: DE3447541A
Authority: DE
Inventors: Yoshiro Fuchu Tokio/Tokyo Shiokawa
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1983-12-26
Filing date: 1984-12-27
Publication date: 1985-07-04
Also published as: US4652753A; JPS60135846A; JPH0475457B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer, in welchem Sekundärionen verwendet werden.

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Ein Massenspektrometer umfaßt eine Ionenkanone zum Richten eines Ionenstrahls auf die Oberfläche einer Probe, damit diese Oberfläche Sekundärionen mit einer bestimmten Energieverteilung emittiert. Die Energieverteilung hat einen Peak, d.h. ein Maximum, und eine spezifische Energiebandbreite. Die spezifische Energiebandbreite ist im Bezug auf den Peak vorgegeben, was im folgenden noch im einzelnen erläutert wird.

BANK DRESDNFRBANK HAMBURG 4030448 (BLZ 20080000) POSTSCHECK- HAM8URG 147607-200 (BU 20010020) TELEGRAMM SPECHTZIES

Das Massenspektrometer umfaßt ferner einen Detektor |

für Ionen und ein Richtelement zum Richten der Sekundärionen eines analysierbaren Energiebereichs auf den Detektor. In üblichen Massenspektrometern ist der analysierbare Energiebereich nahezu gleich der spezifischen Energiebandbreite. Hiermit können leitfähige Proben analysiert werden, es ist jedoch schwierig, einen Isolator zu isolieren. Der Grund dafür liegt darin, daß die Energieverteilunq längs der Energieachse unterschiedlich ist, wenn die Probe ein TO Isolator ist, wie noch erläutert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Massenspektrometer zu schaffen, mit dem sowohl leitfähige als auch insbesondere isolierende Proben analysiert werden können. |

Ein erfindungsgemäßes Massenspektrometer umfaßt eine Ionenkanone zum Richten eines lonenstrahls auf die Oberfläche einer Probe, so daß diese Sekundärionen mit einer bestimmten Energieverteilung emittiert, einen Detektor für die Ionen und Richtmittel zum Richten der Sekundärionen eines analysierbaren Energiebereichs auf den Detektor. Die Energieverteilung hat einen Peak und eine spezifische Energiebandbreite. Die spezifische Energiebandbreite ist im Bezug auf den Peak vorgegeben. Der analysierbare Energiebereich ist unter Berücksichtigung der spezifischen Energiebandbreite

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vorgegeben. Erfindungsgemäß umfaßt das Massenspektrometer mit den Richtmitteln gekoppelte Expandiermittel zum Expandieren des analysierbaren Energiebereichs auf einen breiteren Bereich. Der breitere Bereich ist mindestens doppelt so groß wie die spezifische Energiebandbreite.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt :

Fig. 1 ein Blockschema eines üblichen Massenspektrometers mit einem Richtmittel, welches schematisch im Axialschnitt dargestellt ist.

Fig. 2 die Energieverteilung und die Energiebandbreite.

Fig. 3 ein Blockschema ähnlich Fig. 1 für ein Massenspektrometer gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4 die Ausbeute an Sekundärionen in Abhängigkeit von der Ionenstrahlspannung.

Fig. 5 Energieverteilungen zur Erläuterung der Beschreibung der Wirkungsweise des Massenspektrometers nach Fiq.

Fig. 6 ein Blockschema ähnlich Fig. 3 für ein Massenspektrometer gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfin

dung.

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Fig. 7 ein Blockschema ähnlich Fig. 3 für ein Massenspektrometer gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst ein übliches Massenspektrometer anhand von Fig. 1 erläutert. Es umfaßt eine Ionenkanone 1 zum Richten eines Ionenstrahls auf eine Oberfläche eines Objektes oder einer Probe 12, so daß diese Oberfläche Sekundärionen mit einer bestimmten Energieverteilung emittiert. Die Probe wird von einem HaI-ter 16 gehalten, der auf Erdpotential liegt. Somit ist das elektrische Potential des Halters gleich dem Erdpotential.

In Fig. 2, deren Abszisse die Energie (eV) und deren Ordinate die Anzahl der Ionen (willkürliche Einheiten) bedeuten, ist die Energieverteilung dargestellt, die einen Peak, d.h. eine Maximalzahl N , bei etwa 10 eV aufweist und die sich zwischen Null und einem Vielfachen von 10 eV erstreckt. Zur Diskussion der Energieverteilung sei eine spezifische Energiebandbreite eingeführt, die definiert ist als die Strecke zwischen Null und einem Energiewert, den man erhält, wenn man die Maximalzahl N durch eine Konstante e teilt, welche die Basis der natürlichen Logarithmen ist und deren Wert etwa 2,71828 beträgt. Der Erfinder hat durch experimentelle Studien gefunden, daß die spezifische Energiebandbreite für jedes mit dem Massenspektrometer analysierte Probenmaterial verschieden ist, jedoch für alle Materialien kleiner

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oder gleich 20 eV ist, wie in Fig. 2 dargestellt. Dies bedeutet, daß das Massenspektrometer einen analysierbaren Energiebereich haben kann, der im wesentlichen gleich der spezifischen Energiebandbreite ist. Praktisch ist der analysierbare Energiebereich des üblichen Massenspektrometer etwa gleich 20 eV. Der analysierbare Energiebereich wird auf eine noch zu erläuternde Weise bestimmt.

Das Massenspektrometer umfaßt ferner einen Detektor 18 für Ionen und ein Richtelement zum Richten der Sekundärionen mit analysierbarem Energiebereich auf den Detektor 18. Das Richtelement umfaßt ein Energiefilter 20 zum Filtern der Sekundärionen so, daß Ionen einer Transmissions-Bandbreite durchgelassen werden. Die Transmissions-Bandbreite liegt in einem Transmissionsband. Das Transmissionsband hat eine Mitte, die Transmissionsenergie genannt werden kann. Es ist dem Fachmann bekannt, daß das Energiefilter 20 eine bestimmte Auflösung hat, die von der Tansmissions-Bandbreite und der Transmissionsenergie abhängt. Für übliche Massenspektrometer beträgt die Auflösung etwa 0,5. Da die Transmissions-Bandbreite durch das Produkt der Auflösung und der Transmissionsenergie gegeben ist, beträgt die Transmissions-Bandbreite 5 eV, wenn die Transmissionsenergie 10 eV ist. Die Transmissions-Bandbreite von 5 eV liegt in dem Transmissionsband zwischen 7,5 eV und 12,5 eV. Falls das Energiefilter eine Transmissionsenergie

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von 20 eV hat, beträgt die Transmissions-Bandbreite 10 eV und liegt im Transmissionsband von 15-25 eV. Bei dieser Sachlage haben die meisten üblichen Energiefilter ein Transmissionsband zwischen 5 und 20 eV.

Zusätzlich umfaßt das Energiefilter 20 eine Eingangselektrode 21, die einen Eintrittsschlitz definiert, ein Austrittselement 22, welches einen Austrittsschlitz definiert, ein Paar von bogenförmigen Ablenkplatten 23, und eine steuerbare Spannungsversorgung 24. Die bogenförmigen Ablenkplatten 22 stehen in einem Abstand vonein- η

ander, so daß zwischen ihnen ein bogenförmiger Raum ver- X bleibt. Dieser Raum erstreckt sich zwischen dem Eintritts- ' ρ und Austrittsschlitz und bildet eine lonenbahn zum Führen ¹J der Sekundärionen. Die lonenbahn kann auf einem vorgegebenen elektrischen Potential gehalten werden, in dem die Spannung der steuerbaren Spannungsversorgung 24 entsprechend gesteuert wird. Bei dem dargestellten Beispiel ist das vorgegebene elektrische Potential gleich dem Erdpotential.

In bekannter Weise wird die Auflösung des Energiefilters 20 von einem Wert auf einen anderen geändert, in dem der Abstand zwischen den bogenförmiaen Ablenkplatten 2 und die Größe des Austrittsschlitzes verändert wird.

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Auf das Energiefilter 20 folgt ein Quadrupol-Massenspektrometer oder Massenfilter 25, welches als Teil der Richtmittel betrieben werden kann und einen maximalen Energiewert aufweist. Die Sekundärionen werden dem Quadrupol-Massenfilter 25 über das Energiefilter 25 als Transmissionsxonen zugeführt. Das Quadrupol-Massenfilter 25 kann eine Massenanalyse der transmittierten Ionen durchführen innerhalb eines Bereichs, der zwischen Null und dem maximalen Energiewert liegt und der als massenanalysierbares Band bezeichnet werden kann.

Das Quadrupol-Massenfilter 25 hat eine Mittelachse zum Führen der transmittierten Ionen, vier Elektroden 26, die in Azimutabständen voneinander konzentrisch um die Mittelachse angeordnet sind und sich längs der Mittelachse über eine Länge L_ zwischen dem Energiefilter 20 und dem Detektor 18 erstrecken. Eine steuerbare Spannungsquelle 2 versorgt jede Elektrode 20 in bekannter Weise mit der Überlagerung einer Gleichspannung und einer Wechselspannuna mit der Frequenz f . Die Mittelachse wird auf einem mittleren Potential gehalten. Die steuerbare Spannungsquelle 27 ist geerdet, so daß das Mittelpotential gleich dem elektrischen Potential des Probenhalters ist.

Der maximale Energiewert hängt ab von der Länge L_Q und der Frequenz f_n und wird bei dem dargestellten Quadrupol-

Massenfilter 25 etwa mit dem Wert 20 eV oder ähnlich qewählt. Die Länge L_ kann 0,2 m und die Frequenz f kann 1,8 MHz betragen. Jedenfalls sind der maximale Energiewert und das massenanalysierbare Band abhängig von der Durchlaßbandbreite und dem Durchlaßband des Energiefliters 20. In dem dargestellten Beispiel ist das massenanalysierbare Band im wesentlichen gleich der spezifischen Energiebandbreite.

Bei dieser Konstruktion ist die Probe 12 durch den HaI-ter 16 geerdet. Das elektrische Oberflächenpotential der Probe 20 liegt deshalb auf Erdpotential, wenn die Probe 12 ein Leiter ist. Die Sekundärionen können in diesem üblichen Massenspektrometer einwandfrei analysiert werden, falls das elektrische Oberflächenpotential der Probe auf Erdpotential liegt. Dies bedeutet, daß leitfähige Proben in diesem Massenspektrometer gut analysiert werden können. Wenn andererseits die Probe 12 ein Isolator ist, wird ihr elektrisches Oberflächenpotential in irregulärer Weise ungleichförmig sein und schwanken, und zwar mit positiven oder negativen Werten, aufgrund der Ansammlung von Ladungen, die durch die von der Ionenkanone 10 emittierten Ionen verursacht werden. Infolqedessen werden die Sekundärionen von einer Isolator-Probe 12 mit einer Energie emittiert, die die Summe aus der vom elektrischen Oberflächenpotential bestimmten potentiellen Energie und der kinetischen Energie der Sekundärionen ist. Somit wird

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bei der Analyse eines Isolators die Energieverteilung entsprechend den Schwankungen des elektrischen Oberflächenpotentials verschoben.

Die Richtung dieser Verschiebung der Energieverteilung wird bestimmt durch die Polarität der Ionen, mit denen die Oberfläche der Probe 12 beschossen wird. Um eine solche Verschiebung der Energieverteilung zu verhindern, wurde bereits versucht, die Ladungen des Ionenstrahls auf der Oberfläche der Probe 12 zu neutralisieren oder zu löschen, indem Ionen emittiert werden, welche geladene Teilchen tragen, die entgegengesetzt geladen sind wie die der Beschußionen. Solche Ionen mit entgegengesetzt geladenen Teilchen werden dem Ionenstrahl auf der Oberfläche der Probe 12 überlagert.

Diese Versuche waren jedoch nicht sehr erfolgreich, da es schwierig ist, das elektrische Oberflächenpotential zu steuern und in einem Gleichgewichtszustand zu halten, so daß es gleich dem Erdpotential wird. Somit sind bisher übliche Massenspektrometer für das Analysieren eines Isolators schlecht geeignet.

Das in Fig. 3 dargestellte Massenspektrometer gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung entspricht im

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Aufbau dem nach Fig. 1 mit der Ausnahme, daß das Enerqiefilter und das Quadrupol-Massenfilter bei der Ausführung nach Fig. 3 verbessert worden sind, so daß der analysierbare Energiebereich expandiert wird, wie noch erläutert wird. Sie sind deshalb mit dem Bezugszeichen 20a und 2 5a versehen. Der analysierbare Energiebereich wird bei dem erfindungsgemäßen Massenspektrometer so aufgeweitet, daß eine Anzahl von spezifischenEnergiebandbreitaiin dem analysierbaren Energiebereich enthalten sind.

Wie bereits erwähnt wird die Energieverteilung der Sekundärionen aufgrund der Schwankungen des elektrischen Oberflächenpotentials der Probe 12 verschoben. Gemäß den experimentellen Untersuchungen des Erfinders kann die Verschiebung der Energieverteilung auf einen Bereich zwischen -100 eV und +100 eV beschränkt werden. Dies bedeutet, daß das elektrische Oberflächenpotential relativ zum Erdpotential zwischen -100 V und +100 V schwanken kann. Somit ist eine Analyse möglich in Bezug auf die Sekundärionen von den meisten Isolatoren, wenn der analysierbare Energiebereich zwischen +100 eV liegt.

Anhand von Fig. 4 werden die Gründe erläutert, weshalb der Bereich der Energieverschiebung zwischen +100 eV beschränkt werden kann. Die Ionenkanone 10 (Fig. 3) emittiert

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die Ionen, d.h. den Ionenstrahl, mit einer ihm aufgeprägten Ionenstrahlspannung V . Das elektrische Oberflächenpotentioal kann, wie erwähnt, schwanken, ist jedoch niemals größer als die Ionenstrahlspannung V der Ionenkanone 10. Deshalb liegt das elektrische Oberflächenpotential zwischen Null und (V - cL ) V, wobei oL einen Wert zwischen mehreren V und einem Vielfachen von 10V hat. Durch Erniedrigen der Ionenstrahlspannung V kann der Bereich der Energieverschiebung eingeengt werden.

Fig. 4 zeigt, daß bei einer Ionenstrahlspannung V unter 100 V die Ausbeute der Sekundärionen in der Ionenkanone drastisch abfällt. Es ist deshalb im Hinblick auf die Ausbeute an Sekundärionen ungünstig, die Ionenstrahlspannung V niedriger als 100 V einzustellen. Außerdem sollte eine Spannung von mindestens 100 V aufgeprägt werden, um die Ionenkanone normal betreiben zu können. Wenn die Ionenstrahlspannung V , die durch (100 +cC) V dargestellt wird, zwischen 100 und 150 V gewählt wird, dann kann das elektrische Oberflächenpotential immer zwischen Null und +100 V gehalten werden.

Auch wenn die Ionenstrahlspannung V erhöht wird, um einen schärferen Ionenstrahl zu erhalten, kann das elektrische Oberflächenpotential zwischen Null und +100 V und zwischen Null und -100 V beschränkt werden, indem in bekannter Weise die von dem Ionenstrahl verursachten Ladungen neutralisiert

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werden. Für die Neutralisierung des Ionenstrahls werden Neutralisierungsionen auf die Oberfläche der Probe 12 mit einer Polarität geschossen, die entgegengesetzt zu der des Ionenstrahls ist. Das elektrische Oberflächenpotential lieqt immer in einem Potentialbereich zwischen Null und +100 V und Null und -100 V, wenn die Menge der Neutralisierungsionen größer ist als die der Bestrahlungsionen und wenn die Bestrahlungsspannung auf nahe 100 V beschränkt wird.

Somit ist es leicht möglich, das elektrische Oberflächenpotential auf den oben genannten Potentialbereich zu beschränken. Deshalb können die meisten Isolatoren analysiert werden, wenn das Massenspektrometer einen analysierbaren Eneraiebereich zwischen -100 eV und +100 eV hat.

Bei dem Energiefilter 20a nach Fig. 3 ist die Auflösuna aufgeweitet worden auf einen Wert von ca. 1. Es ist dem Fachmann bekannt, daß eine solche Aufweitung der Auflösung durch Verwendung eines breiteren Austrittsschlitzes in dem Austrittselement 22 und/oder durch entsprechende Wahl des Abstandes zwischen den gekrümmten Ablenkplatten 2 3 sowie der Krümmung jeder Ablenkplatte 23 bewirkt werden kann. Die Durchlaß-Bandbreite des Energiefilters 20a ist aegeben durch das Produkt der Transmissionsenergie und der Auflösung, wie anhand von Fig. 1 erläutert wurde.

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Um die Durchlaß-Bandbreite aufzuweiten, sei angenommen,daß die Transmissionsenergie zu 200 eV gewählt sei. In diesem Fall beträgt die Durchlaß-Bandbreite 200 eV und das Durchlaßband liegt zwischen 100 und 300 eV. Eine Gleich-Spannungsquelle 28 ist mit der Eingangselektrode 21 verbunden und über eine Stromversorgung 24 mit den Ablenkplatten 23 gekoppelt. Die Eintrittselektrode 21 ist bis nahe der Oberfläche der Probe 12 verlängert. Die Eintrittselektrode 21 sowie die Ionenbahn längs der Mittellinie zwi- sehen den Ablenkplatten 23 werden auf einem elektrischen Potential gehalten, dessen Polarität entgegengesetzt zu der der Sekundärionen ist und die um etwa 200 V niedriger als Erdpotential liegt. Infolgedessen werden die Sekundärionen von der Probe 12 abgezogen und durch die Eintrittselektrode 21, die Ablenkplatten 23 und das Austrittselement 22 dem Massenfilter 25a zugeführt.

Das Quadrupol-Massenfilter 25a umfaßt vier Elektrodenelemente 26a, von denen jedes eine Länge L₁ hat, die das Vierfache der Länge L der Elektroden 26 gemäß Fig. 1 beträgt. Jedes Elektrodenelement 26a kann auch axial in vier Teilelektroden geteilt werden, von denen eine dem Energiefilter 20a am nächsten liegt und mit den Elektroden 26 (Fig. 1) vergleichbar ist, während die übrigen Teilelektroden daran anschließen und als Verlängerung der der Probe

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nächstliegenden Teilelektrode bezeichnet werden können. Jedes Elektrodenelement 26a wird mit der Überlaqerunn einer Gleichspannung und einer Wechselspannung mit der Frequenz f versorgt, die von jeweils einer Stromversorgungseinheit 26 geliefert werden.

Mit diesem Aufbau ist es möalich, den massenanalysierbaren Bereich aufzuweiten, da der Maximalwert der analysierbaren Energie proportional zu dem Produkt P aus dem Quadrat der Länge L jedes Elektrodenelementes 26 und dem Quadrat der Frequenz f ist. Somit ergibt sich das Produkt P durch die Formel :

P = L².f², (1)

wobei L und f in Einheiten von Meter und Megahertz ausgedrückt werden.

Die Länge L und die Frequenz f werden so gewählt, daß das Produkt P den Wert 2,0 hat. Infolgedessen hat das dargestellte Quadrupol-Massenfilter 25a einen Maximalwert, der etwa das Sechzehnfache des entsprechenden Wertes des Quadrupol-Massenf ilters 25 nach Fig. 1 beträgt, wenn jeweils die alei.cha Frequenz f in den beiden Quadrupol-Massenfiltern 25 und 25a verwendet wird. Da der Maximalwert in dem aewöhnlichen Massenfilter 25 etwa 20 eV ist, hat das daraestellte Massenfiiter 25a

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einen Maximalwert von etwa 300 eV.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Massenfilter 25a verläuft die Ionenflugbahn entlana dessen Achse. Die. Ionenflugbahn wird durch die Verbindung mit der Gleichspannungsversorgung 28 auf einem Bahnpotential gehalten, welches um 200 V niedriger als das Erdpotential liegt. Bei Betrieb der Vorrichtung wird die Probe 12 auf den Halter 16 gelegt, der auf Erdpotential gehalten wird. Es sei angenommen, daß das elektrische Oberflächenpotential der Probe 12 auf Erdpotential gehalten wird, wobei die Spannungsversorgungen 24, 27 und 28 in der dargestellten Weise angeschlossen sind. Die von der Probe 12 emittierten Sekundärionen werden durch die Eintrittselektrode 12 abgezogen, wobei die Potentialenergie von 200 eV den Sekundärionen hinzugefügt wird. Infolgedessen treten Sekundärionen von etwa 200 eV durch das Energiefilter 20a hindurch und werden durch das Massenfilter 26 dem Detektor 18 zugeführt.

Es sei angenommen, daß das elektrische Oberflächenpotential der Probe 12 entweder -100 V oder +100 V beträgt. In diesem Fall haben die Sekundärionen eine Energie von 300 eV bzw. 100 eV, welche in die Durchlaß-Bandbreite und den massenanalysierbaren Bereich des Energiefilters 20a und des Massenfilters 25a fällt, da die Durchlaß-Bandbreite gleich dem Band von 200 eV zwischen 100 und 300 eV ist und

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der massenanalysierbare Bereich zwischen Null und 300 eV liegt. Somit hat das dargestellte Massenspektrometer einen analysierbaren Energiebereich zwischen -100 eV und +100 eV.

Anhand von Fig. 5 wird ein Vergleich zwischen den analysierbaren Energiebereichen des konventionellen Massenspektrometers nach Fig. 1 und des Massenspektrometer nach Fig. 3 vorgenommen. Das konventionelle Massenspektrometer hat einen ersten analysierbaren Energiebereich EA , der etwa 20 eV beträgt und ungefähr gleich der spezifischen Energiebandbreite ist.

Wenn das elektrische Oberflächenpotential der Probe 12 auf Erdpotential gehalten wird, haben die Sekundärionen eine Energieverteilung, die durch die Kurve 35 in Fig. 5 wiedergegeben wird. Das konventionelle Massenspektrometer kann somit die Sekundärionen analysieren, solange das elektrische Oberflächenpotential auf Erdpotential gehalten wird.

Wenn das elektrische Oberflächenpotential auf +6 5 V angehoben wird, haben die Sekundärionen eine andere Enernieverteilung, die durch die Kurve 36 angegeben ist. Wenn das elektrische Oberflächenpotential auf -65 V abgesenkt wird, haben die Sekundärionen wieder eine andere Eneraieverteiluna, die bei 37 angegeben ist. Man erkennt, daß die Enerrriever-

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tciluncjen gemäß den Kurven 36 und 37 außerhalb des analysierbaren Energiebereichs EA liegen. Demnach kann das konventionelle Massenspektrometer Energieverteilunnen gemäß den Kurven 36 und 37 nicht analysieren.

Das Massenspektrometer nach Fig. 3 hat einen zweiten analysierbaren Energiebereich EA zwischen -100 eV und +100 eV. Dieser zweite analysierbare Energiebereich EA„ erstreckt sich über zehn spezifische Energiebandbreiten und ist im wesentlichen gleich dem Zehnfachen des ersten analysierbaren Energiebereichs EA.. Deshalb kann das erfindungsgemäße Massenspektrometer die Sekundärionen auch dann analysieren, wenn die Energieverteilungen entsprechend den Kurven 36 und 37 variieren.

Im allgemeinen sollte der analysierbare Energiebereich sich über mindestens zwei spezifische Energiebandbreiten erstrecken. Verschiedene Arten von Isolatoren können auch dann analysiert werden, wenn der analysierbare Energiebereich nur zwei spezifische Energiebandbreiten einschließt. Eine Erstreckung des analysierbaren Energiebereichs über drei spezifische Energiebandbreiten ermöglicht die Analyse einer größeren Vielfalt von Isolatoren. Praktisch überhaupt kein Problem tritt mehr auf, wenn sich der analysierbare Energiebereich über fünf oder mehr spezifische Energiebandbreiten erstreckt. Die Anzahl der spezifischen Energiebandbreiten braucht auch nicht immer ganzzahlig zu sein.

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Aus diesen Darlegungen erkennt man, daß der analysierbare Energiebereich gleich oder größer als ein Fünftel des zweiten analysierbaren Energiebereichs EA„, d.h. 200 eV gemäß Fig. 5, sein sollte, um die Sekundärionen wirksam analysieren zu können. Falls der analysierbare Energiebereich gleich oder größer ist als ein Fünftel des-zweiten analysierbaren Energiebereichs EA , dann kann die jeweilige Konstante, d.h. das Produkt P, gleich oder größer sein als ein Fünftel der entsprechenden, oben erläuterten,Konstanten.

Z.B. sollte die Durchlaß-Bandbreite des Enercriefilters 20a gleich oder größer sein als 40 eV. Der analysierbare Maximalwert des Massenfilters 25a muß gleich oder größer sein als 60 eV. Das Produkt P sollte gleich oder größer als 0,4 sein. Die Unterschiede zwischen dem elektrischen Potential de:

Probenhalters und dem elektrischen Potential der Ionenflugbahn in dem Energiefilter 20 sowie zwischen dem elektrischen Potential des Probenhalters und dem elektrischen Mittenpotential des Massenfilters 25a sollten gleich oder größer sein als 40 eV. Ferner sollte das elektrische Mittenpotential· und das Erdpotential sich um 40 eV oder mehr unterscheiden.

Die oben erwähnten Konstanten können leicht in der anhand von Fig. 3 beschriebenen Art realisiert werden.

Die in Fig. 6 dargestellte zweite Ausführunqsform des erfindungsgemäßen Massenspektrometers ist ähnlich der Aus-

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. oik'

führungsform nach Fig. 3 mit dem Unterschied, daß das Energiefilter und das Massenfilter (die mit 20b bzw. 25b bezeichnet sind) gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 3 abgeändert sind und daß eine zusätzliche Gleichspannunas-

Versorgung 41 mit dem Probenhalter 12 verbunden ist. Das Massenspektrometer hat einen analysierbaren Energiebereich ähnlich der Anordnung nach Fig. 3. Somit liegt der analysierbare Energiebereich zwischen -100 eV und +100 eV.

Das dargestellte Energiefilter 20b hat eine Auflösung von etwa 0,5, ähnlich wie das konventionelle Energiefilter 20 gemäß Fig. 1. Die Transmissionsenergie wird zu 400 eV aewählt. Infolgedessen beträgt die Durchlaß-Bandbreite 200 eV_; und das Durchlaßband liegt zwischen 300 und 500 eV. Die Ionenflugbahn im Energiefilter 20b hat ein elektrisches Potential, welches etwa 200 V niedriger als das Erdpotential liegt. Hierzu ist die Gleichspannungsquelle 28 mit der Eintrittselektrode 21 direkt und mit den Ablenkplatten 23 über die Stromversorgung 24 verbunden, wie in Fig. 3. Zusätzlich wird der Probenhalter 16 auf einem elektrischen Potential gehalten, welches um etwa 200 V höher als das Erdpotential liegt. Das elektrische Potential des Probenhalters hat eine Polarität, die entgegengesetzt zu der des elektrischen Potentials der Ionenflugbahn im Energiefilter 20b ist.

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Das dargestellte Quadrupol-Massenfilter 25b umfaßt vier Elektrodenelemente 26b, von denen jedes eine Länge L_n hat, die das Zweifache der Länge L„ jeder Elektrode 26 (Fig. 1) beträgt, und wird mit einer Wechselspannung versorgt, deren Frequenz das Zweifache der jeder Elektrode (Fig. 1) zugeführten Frequenz beträgt. Wie man aus Gleichung (1) leicht erkennt, ist die maximale analysierbare Energie des dargestellten Massenfilters 25b das Sechzehnfache von der des konventionellen Massenfilters 25 (Fi<t.1) und beträgt ungefähr 300 eV, wie bei dem Massenfilter 25a nach Fig. 3.

Das Massenfilter 25b definiert eine Ionenflugbahn, die sich axial entlang seiner Mittellinie erstreckt. Das elektrische Mittenpotential längs dieser Mittellinie wird auf Erdpotential gehalten mittels einer Spannungsversorgung 27b ähnlich der Spannungsversorgung 27 nach Fig. 1.

Es sei zunächst angenommen, daß die Potentialdifferenz zwischen dem elektrischen Oberflächenpotential der Probe und dem elektrischen Potential des Probenhalters vor dem Beschüß mit dem Ionenstrahl den Wert Null hat. Wenn der Ionenstrahl die Oberfläche der Probe 12 erreicht, werden Sekundärionen von dieser emittiert. Da die Differenz /.wischen den elektrischen Potentialen des Probcnhalters und

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des Eintrittsschlitzes etwa 400 V beträqt, durchlaufen die Sekundärionen das Energiefilter 20b mit einem Enerqiewert von etwa 400 eV.

Die Sekundärionen werden in das Massenfilter 25b qelenkt, dessen mittlerer Bereich auf Erdpotential gehalten ist. In dem Massenfilter 25b erhalten die Sekundärionen eine erniedrigte Energie von etwa 20 0 eV und werden abgebremst. Im allgemeinen hat diese Verzögerung der Sekundärionen eine Divergenz des Ionenstrahls zur Folge. Diese Divergenz der Sekundärionen kann jedoch auf ein Minimum beschränkt werden, da das Massenfilter 25b eine die Sekundärionen fokussierende Wirkung hat. Es ist somit möglich, die mit einer Divergenz der Sekundärionen verbundenen Nachteile zu vermeiden,

Es sei nun angenommen, daß das elektrische Oberflächenpotential +100 V oder -100 V beträgt. In diesem Fall haben die Sekundärionen eine Energie von 500 eV bzw. 300 eV, und nach der Abbremsung im Massenfilter 25b beträgt ihre Enerqie 300 eV bzw. 100 eV. Man erkennt, daß das dargestellte Massenspektrometer diese Sekundärionen problemlos analysieren kann.

Bei der dargestellten Ausführungsform liegt das Durchlaßband des Energiefilters 20b zwischen 300 und 500 eV, während der massenanalysierbare Bereich des Massenfilters 25b zwischen

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100 und 300 eV liegt. Somit kann das Durchlaßband von dem massenanalysierbaren Bereich verschieden sein, da die Energie der Sekundärionen in dem Massenfilter 25b einstellbar . ist. Der analysierbare Energiebereich des Massenspektrometer^ hängt jedoch von der Durchlaßbandbreite und von dem massenanalysierbaren Bereich ab.

Das erfindungsgemäße Massenspektrometer kann nicht nur Metalle und niederohmige Halbleiter, sondern auch Isolatoren analysieren, wie z.B. hochohmige Halbleiter, Glas, Keramik, makromolekulare Werkstoffe, Gesteine, sowie biologische Proben. Ferner kann eine exakte quantitative Analyse auch dann durchgeführt werden, wenn die Energieverteilung der Sekundärionen verschoben ist. Bei Erhöhen des elektrischen Potentials an der Eintrittselektrode 21 wird der wirksame Ablenkwinkel bei der Massenanalyse vergrößert und die Menge der Sekundärionon nimmt zu. Somit ist eine präzise Analyse möglich, wenn an der Eintrittselektrode 21 eine hohe Spannung liegt.

Die in Fig. 7 dargestellte dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Massenspektrometer ist ähnlich der nach Fig. 6 mit der Ausnahme, daß dem Probenhalter ein elektrisches Potential von 400 V von einer abgeänderten Gleichspannunasquelle 45 zugeführt wird und daß das Quadrupol-Massenfilter 25c vier Elektrodenelemente 26c aufweist, deren Länge L., das Dreifache der Länge L jeder Elektrode 26 gemäß Fig. 1 ist, und

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denen von einer Spannungsversorgungsquelle 27c eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 3 MHz zuaeführt wird. Diese Frequenz von 3 MHz ist das 1,67-fache der Frequenz der konventionellen Elektroden 26. Das dargestellte Massenspektrometer hat einen analysierbaren Energiebereich zwischen -100 eV und HOO eV.

Bei dem dargestellten Beispiel hat das Energiefilter 20 eine Auflösung von 0,5 und eine Transmissionsenergie von 400 eV. Das Druchlaßband liegt zwischen 300 und 500 eV und die Durchlaß-Bandbreite beträgt 200 eV. Die Ionenflugbahn im Energiefilter 20 wird auf Erdpotential gehalten.

Die Probe 12 wird mit dem Ionenstrahl von der Ionenkanone 10 beschossen. Wie erwähnt, liegt der Probenhaiter 16 auf einem elektrischen Potential von 400 V, welches die gleiche Polarität wie der Ionenstrahl hat. Die Probe emittiert somit Sekundärionen, denen von der abgeänderten Gleichspannungsquelle 25 eine potentielle Energie von 400 eV mitgegeben wird. Das Energiefilter 20 erlaubt den Durchtritt der Sekundärionen auch dann, wenn deren Energie zwischen 300 und 500 eV schwankt aufgrund der Tatsache, daß das elektrische Oberflächenpotential der Probe 12 zwischen -100 V und +100 V schwankt.

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Das dargestellte Massenfilter 25c hat einen maximalen analysierbaren Wert von 500 eV, der gleich dem

Fünfundzwanzigfachen des entsprechenden Wertes des konist ventionellen Massenfilters 25 nach Fig. 1, wie man leicht

aus Gleichung (1) erkennt. Das Mittenpotential an der Mittellinie des Massenfilters 25c liegt auf Erdpotential·. Somit kann das Massenfilter 25c die ihm vom Energiefilter zugeführten Sekundärionen analysieren.

Bei dieser Ausführungsform ist es nicht nötig, die Auflösung zu steigern und der Ionenflugbahn des Energiefilters 25 und dem Mittelbereich des Massenfilters 25c ein elektrisches Potential aufzuprägen.

Abänderungen und Ausgestaltungen der dargestellten Ausführungsformen sind im Rahmen der Erfindung möglich.

Beispielsweise kann das elektrische Potential des Probenhalters und der Eintrittselektrode 21 im Hinblick auf die Auflösung des Energiefilters so gewählt werden, daß die Durchlaß-Bandbreite mindestens das Doppelte der spezifischen Energiebandbreite ist. Die Länge der vier Elektroden, die Frequenz der Wechselspannung , und das Potential längs der Mittellinie können im Hinblick auf die Durchlaß-Bandbreite gewählt werden. Die Durchlaß-Bandbreite des Energiefilters und der massenanalysierbare Bereich des Quadrupol-Massenfilters

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brauchen nicht notwendigerweise miteinander übereinzustimmen, vorausgesetzt daß auch der engere der beiden Bereiche sich über mindestens zwei Energiebandbreiten erstreckt. Das Energiefilter kann ein elektrostatisches Ablenkfilter vom beliebigen Typ sein, wie z.B. mit ebenen parallelen Platten, vom zylindrischen Typ, vom hemisphärischen Typ, oder vom Zylinderspiegeltyp. Das Energiefilter kann auch zwischen dem Quadrupol-Massenfilter und dem Detektor angeordnet sein, und es kann auch weggelassen werden, wenn der Detektor aus der Mittelachse des Quadrupol-Massenfilters herausgerückt wird. In diesem Fall ist das Massenspektrometer von sehr einfachem Aufbau. Falls Einschränkungen z.B. hinsichtlich der Polarität der Bestrahlungsionen zu beachten sind, so daß das elektrische Oberflächenpotential nur entweder in positiver oder in negativer Richtung schwanken kann, dann kann der als Beispiel erwähnte analysierbare Energiebereich auf etwa die Hälfte reduziert werden.

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Original

Claims

Patentansprüche

1. Massenspektrometer mit einer Ionenkanone zum Richten eines Ionenstrahls auf die Oberfläche einer Probe zur Emission von Sekundärionen mit einer Energieverteilung, die ein Maximum und eine relativ zum Maximum vorgegebene 5 spezifische Energiebandbreite aufweist, einem Detektor für Ionen, und Richtmitteln zum Richten der Sekundärionen mit einem analysierbaren Energiebereich auf den Detektor, wobei der analysierbare Energiebereich im Hinblick auf die spezifische Energiebandbreite vorgegeben ist, dadurch g e 10 kennzeichnet, daß mit den Richtmitteln (20a, 20b, 20c; 25a, 25b, 25c) Aufweitmittel verbunden sind, die den analysierbaren Energiebereich auf einen Bereich aufweiten, der mindestens gleich dem Zweifachen der spezifischen

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Energiobandbreite ist.

2. Massenspektrometer nach Anspruch 1 , wobei die Richtmittel ein Energiefilter (20a, 20b, 20c) mit einer Durchlaß-Bandbreite zum Ausfiltern der Sekundärionen mit innerhalb der Durchlaß-Bandbreite liegenden Energie aufweisen, dadurch gekennzeichnet , daß die Aufweitmittel mit dem Energiefilter (20a, 20b, 20c) gekoppelte Mittel zum Vergrößern der Durchlaß-Bandbreite aufweisen.

3. Massenspektrometer nach Anspruch 2 , dadurch g e kennzeichnet, daß die Durchlaß-Bandbreite auf mindestens 40 eV aufgeweitet wird.

4. Massenspektrometer nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , daß das Energiefilter (20a, 20b, 20c) eine Ionenflugbahn definiert, welche auf einem vorgegebenen elektrischen Potential gehalten wird und entlang derer die Sekundärionen geführt werden, und daß ein die Probe (12) haltender Probenhalter (16) auf einem elektrischen Potential gehalten wird, welches eine Potentialdifferenz von mindestens 40 V gegenüber dem elektrischen Potential der Ionenflugbahn aufweist.

5. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Richtmittel ein Quadrupol-Massenfilter (25a, 25b, 25c) aufweisen, welches einen maximalen Energiewert aufweist, der mit der Durchlaß-Bandbreite des Energiefilters (20a, 20b, 20c) in Beziehung steht und bis zu welchem die durchgelassenen Ionen von dem Massenfilter analysiert werden können, dadurch gekennzeichnet , daß die Aufweitmittel mit dem Massenfilter (25a, 25b, 25c) gekoppelte Mittel aufweisen, welche den maximalen Energiewert des Massenfilters in Abhängigkeit von der aufgeweiteten Durchlaß-Bandbreite des Energiefilters modifizieren.

6. Massenspektrometer nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel den maximalen Energiewert des Massenfilters gegenüber der vergrößerten Durchlaß-Bandbreite erhöhen.

7. Massenspektrometer nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , daß das Quadrupol-Massenfilter (25a, 25b, 25c) ein Mittelachse, längs derer die durchgelassenen Ionen zum Detektor (18) gerichtet werden, und vier Elektrodenelemente (26a, 26b, 26c) aufweist, die in Azimutabständen konzentrisch um die Mittelachse angeordnet sind, und daß Potentialsteuermittel mit den vier Elektrodenelementen (26a, 26b, 26c) verbunden sind, um diese auf ein elektrisches Potential zu legen, bei welchem die in der ver-

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größerten Durchlaß-Bandbreite durchgelassenen Ionen analysierbar sind.

8. Massenspektrometer nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel (27) zum Bestimmen des Potentials der Elektrodenelemente (26a, 26b, 26c) einen ersten, mit den vier Elektrodenelementen verbundenen Anschluß, einen zweiten, geerdeten Anschluß und eine Spannungsversorgung aufweisen zum Zuführen einer elektrischen Spannung zu den vier Elektrodenelementen, um diese auf einem elektrischen Potential relativ zu dem zweiten Anschluß zu halten, wobei die Mittelachse des Massenfilters auf einem Mittenpotential gehalten wird, welches um nicht mehr als 4 0 V niedriger als das Potential des zweiten Anschlusses liegt.

9. Massenspektrometer nach Anspruch 7 , dadurch g e kennzeichnet, daß die durchgelassenen Ionen während ihres Fluges längs der Mittenachse abgebremst werden.

10. Massenspektrometer nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet ,- daß die Mittenachse des Quadrupol-Massenfilters, längs derer die durchgelassenen Ionen auf den Detektor gerichtet werden, auf einem Mittenpotential und der die Probe (12) haltende Halter (16) auf einem Halterpotential gehalten wird, deren Potentialdifferenz nicht kleiner als 40 V ist.

11 . Massenspektrometer nach Anspruch 1 , wobei das Quadrupol-Massenfilter eine Mittenachse zum Führen der durchgelassenen Ionen, vier Elektrodenelemente (26a, 26b, 26c), die in Azimutabständen konzentrisch um die Mittenachse angeordnet sind, sowie Spannungsversorgunasmittel zum Versorgen jeder der vier Elektrodenelemente mit der Überlagerung einer Gleichspannung und einer Wechselspannung mit der Frequenz (f) aufweist, und daß die Aufweitmittel vier zusätzliche Elektroden oder Elektrodenverlängerungen aufweisen, die entlang der Mittenachse im Anschluß an die vier Elektrodenelemente zwischen diesen und dem Detektor angeordnet und an die gleiche Spannungsversorgung angeschlossen sind.

12. Massenspektrometer nach Anspruch 11 , dadurch g e kennzeichnet, daß die gesamte Länge (L) jeder der vier Elektroden und der entsprechenden zusätzlichen oder verlängerten Elektrode zu der Frequenz (f) in der Beziehung

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steht, wobei (L) die Länge in Metern und (f) die Frequenz in Megahertz ist.

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