Einrichtung zur Fokussierung und Analyse eines geladenen Korpuskularstrahls

Abstract

 Die erfindungsgemaße Vorrichtung zur Fokussierung und zur Analyse eines geladenen Korpuskularstrahis, die zumindest eine elektrostatische Fokussierungslinse, eine Eintrittsblende, eine eletrostatische Sektorfeldlinse, eine Austrittsblende und einen Detektor aufweist, besteht im wesentlichen darin, daß nach der Ssktorfeldlinse eine alek trostatische Proiektionslinse mit zumindest zwei, vorzugsweise drei elektrisch polarisierbaren Blenden, deren Öffnungen auf einer Achse liegen, eine Austrittsblende und eine elektrostatische Korrekturlinse mit zumindest einer eiektrisch polarisierbaren Blende sowie der Detektor angeordnet sind. Eine derartige Einrichtung kann die Fokussierung des Korpuskularstrahls und damit auch dessen Analyse auf einen wesentlich geringeren Raumbedarf beschränken.
Beim Verfahren der Erfindung wird das Potential der ersten in Richtung des Strahis gesehenen Blende bei zwei Blenden und der mittleren Blende bei drei Blenden der Projsktionslinse auf einen Wert von

wobei Eo der Anfangsenergie der Teilchen im Korpuskularstrahl vor dem Detektor und ΔE dem Energiebandpass entspricht und h₃ eine empirische Konstante ist, gehalten. Dadurch können mit nur zwei Steuerspannungen sämtliche erwünschten Potentiale eingestellt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Fokussierung und zur Analyse eines geladenen Korpuskularstrahls, insbesondere eines Sekundärionenstrahls und auf ein Verfahren zum Betrieb derselben, wobei die elektrischen Potentiale in Abhängigkeit von der erwünschten Energie und Energieschärfe des selektierten Korpuskularstrahls gesteuert werden.

[0002] Es ist bereits ein Elektronenenergigspektrometer bekannt geworder bei dem der Elektronenstrahl mit einer elektrostatischen Fokussierungslinse, einer Eintrittsblende, einer Sektorfeldlinse mit kugelförmigen Sektorelektroden, einer Austrittsblende fokussiert wird und darauf einem Detektor zugeführt wird. Eine derartige An ordnung bedingt einen relativ großen Platzaufwand. Weiters ist d Herstellung der Sektorfeldlinse mit kugelförmigen Sektorelektrod ausgesprochen schwierig und aufwendig und erlaubt nur dann eine entsprechende Fokussierung, wenn die sphärischen Flächen besonde genau bearbeitet sind.

[0003] Bei.einem Verfahren zum Betrieb der obenangeführten Einrichtung ist es bereits bekannt geworden, daß lediglich über zwei Einste größen, und zwar die erwünschte Energie der Elektronen und dere Energieschärfe, eine Steuerung-der Potentiale sowohl der elektr statischen Linsen und der Ein- und Austrittsblende, erfolgt, sc daß in den Detektor lediglich Elektronen mit vorbestimmter Ener und Energieschärfe eintreten. Der Nachteil bei diesem Verfahrei ist, daß die Steuerung über eine kugelförmige Sektorfeldlinse erfolgt, die besonders hohe Ansprüche an die Fertigungsgenauig.

[0004] keit stellt. Wird diese nicht eingehalten, so kann die entsprechende Fokussierung durch Potentialveränderungen nicht alleine erreicht werden, sondern es müssen auch Nachjustierungen der gesamten Anordnung durchgeführt werden.

[0005] Die Sektorfeldlinsen mit zylindrischen Elektroden benötigen zu ihrer genauen Funktion zwei Korrekturplatten, die ebenfalls, so wie die zylindrischen Elektroden polarisiert werden müssen. Das heißt, daß hier eine weitere Spannungsversorgung vorgesehen werden muß.

[0006] Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betrieb derselben zu schaffen, die die obenangeführten Nachteile vermeidet.

[0007] Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Fokussierung und zur Analyse eines geladenen Korpuskularstrahls, insbesondere eines Sekundärionenstrahls, wobei in Richtung des Strahlengangs, zumindest eine, gegebenenfalls zwei elektrostatische Fokussierungslinsen, eine Eintrittsblende, eine elektrostatische Sektorfeldlinse und eine Austrittsblende und ein Detektor angeordnet sind, besteht im wesentlichen darin, daß nach der Sektorfeldlinse eine elektrostatische Projektionslinse mit zumindest zwei, vorzugsweise drei elektrisch polarisierbaren Blenden, deren öffnungen auf einer Achse liegen, eine Austrittsblende und eine elektrostatische Korrekturlinse mit zumindest einer elektrisch polarisierbaren Blende sowie der Detektor angeordnet sind. Eine derartige Einrichtung kann die Fokussierung des Korpuskularstrahls und damit auch dessen Analyse auf einen wesentlich geringeren Raumbedarf beschränken.

[0008] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird als Sektorfeldlinse eine stigmatisch fokussierende Sektorfeldlinse verwendet, die konzentrische negativ bzw. positiv polarisierbare Sektorelektroden mit zylindrischer Krümmung und zwei Korrekturplatten aufweist. Durch die Anordnung einer derartigen Linse können geometrische Änderungen des Systems durch Steuerung des Potentials der Korrekturplatten besonders leicht berücksichtigt werden, wobei gleichzeitig eine besonders einfache. Herstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung ermöglicht wird.

[0009] Sind die Eintritts- und Austrittsblende auswechselbar angeordnet, so ist eine besonders hohe Anpassungsmöglichkeit an die verschiedenen experimentellen Erfordernisse erreichbar, da Teilchen mit einem größeren Bereich der Anfangsgeschwindigkeit und mit einem verschiedenen Energiebandpass der Analyse zugeführt werden können wobei in den jeweils festgelegten Bereich die maximale Teilchenstromtransmission erreicht werden kann.

[0010] Ist der Abstand der Sektorelektroden mit zylindrischer Krümmung voneinander größer als der Durchmesser der kreisförmigen öffnun bzw. die Spaltbreite der in Richtung des Strahlengangs gesehenen ersten Blend Projektionslinse, so sind die Störungen der Teilchenbahnen beim Ein- und Austritt aus der Sektorlinse auf ein Minimum gehalten.

[0011] Weist die Projektionslinse zumindest zwei, vorzugsweise drei Blenden auf, wobei bei zwei Blenden die erste in Richtung des Strahlengangs gesehen und bei drei Blenden die mittlere eine größere öffnung z.B. kreis- oder spaltförmig aufweist als die von ihr elektrisch isolierten benachbarten Blenden, so ist die Transmission dieser Linse höher, wobei mit drei Blenden eine Beeinflussung der Wirkungsweise der Projektionslinse durch die Sektorfeldlinse nicht mehr gegeben sein kann.

[0012] Wird als Detektor ein Quadrupol eingesetzt, so kann die zu untersuchende Probe besonders leicht auf Erdpotential gehalten werden, wobei keine Einbuße an Energieschärfe bei den nachzuweisenden geladenen Teilchen bedingt wird und die Fokussierung und Positionierung des aus der Primärstrahlquelle austretenden Primärstrahls auf die Probe besonders einfach ist und auch der simultane Nachweis von positiven und negativen Teilchen der von der Probe ausgesandten Sekundärteilchen, z.B. in zwei identen erfindungsgemäßen Anordnungen möglich wird.

[0013] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Einrichtung, wobei die elektrischen Potentiale der Eintrittsblende und der Austrittsblende, die dasselbe Potential aufweisen, das dem mittleren Potential der elektrostatischen Sektorfeldlinse entspricht, der elektrostatischen Fokussierungslinse und der Sektorfeldlinse in Abhängigkeit von der erwünschten Energie und Energieschärfe des selektierten Korpuskularstrahls gesteuert werden und die Potentiale der Sektorfeldlinse und der Fokussierungslinse proportional der erwünschten Energie des Korpuskularstrahls gehalten werden und die erwünschte Energie und Energieschärfe durch zwei Steuerspannungen, die die Potentiale der Blenden und der Linsen steuern, geregelt werden, besteht im wesentlichen darin, daß das Potential der ersten in Richtung des Strahls gesehenen Blende bei zwei Blenden und der mittleren Blende bei drei Blenden der Projektionslinse auf einen Wert von

wobei Eo der Anfangsenergie der Teilchen im Korpuskularstrahl vor dem Detektor und ΔE dem Energiebandpass entspricht und h3 eine empirische Konstante ist,gehalten wird. Durch eine derartige Vorgangsweise wird erreicht, daß lediglich durch zwei Steuerspannungen sämtliche erwünschten Potentiale eingestellt werden, so daß eine besonders einfache Bedienung der erfindungsgemäßen Einrichtung möglich ist, wobei gleichzeitig eine weitestgehende Automatisierung bei einer besonders kompakten Anordnung durchgeführt werden kann.

[0014] Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Potential der elektrostatischen Korrekturlinse auf eine Wert von.

wobei Eo die obenangeführte Bedeutung hat und.h₄ eine empirische Konstante darstellt, gehalten . Damit kann eine optimale Bündelung des Strahls erreicht werden, wodurch im Detektor ein maximaler Anteil der nachzuweisenden Teilchen erfaßt werden kann.

[0015] Werden die zylindrisch gekrümmten Sektorelektroden der Sektorfeldlinse auf Potentiale, die den Wert

bzw. für die andere Sektorelektrode U_- = Eo - h₂ΔE entsprechen und das der Korrekturplatten zwischen U₊ und U_- gehalten, so wird es auch möglich die Steuerung einer Sektorfeldlinse mit zylindrischen Elektroden durchzuführen.

[0016] Wird die Quadrupolachse auf ein Potential von U_q = Eo - δ gehalten, wobei Eo die bereits angeführte Bedeutung hat und δeine Konstante des Quadrupols ist, so kann dadurch ein optimaler Nachweis der Sekundärteilchen erreicht werden.

[0017] Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

[0018] In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ionenmikrosonde und in Fig. 2 ein Blockschaltbild für die Spannungsversorgung der Optik und des Detektors gezeigt.

[0019] Der in Fig. 1 dargestellte Ionenmikroanalysator weist eine ionenemittierende Einheit 1 auf, die aus einer Ionenquelle, z.B. einem Duoplasmatron , einer Objektivlinse und Ablenkplatten zur Ablenkung des Ionenstrahls auf der Oberfläche der zu untersuchenden Probe 2 gibt, aufgebaut sein kann.

[0020] Die Richtung des Primärionenstrahls und Sekundärionenstrahls ist durch die Pfeile a und b gezeigt, wobei der genaue Verlauf durch eine strichpunktierte Linie dargestellt ist. Die von der auf Erdpotential befindlichen Probe 2 emittierten Ionen gelangen zu den elektrostatischen Fokussierungslinsen 3 und 4, die als zylindrische Rohre aufgebaut sind und diese fokussieren bevorzugt alle jene Ionen, die die Energie Eo aufweisen auf die Öffnung der austauschbaren Eintrittsblende 5. Nach dieser ist eine Sektorfeldlinse 6 angeordnet, die 2 konzentrische zylindrische Elektroden 7 und 8 und zwei Korrekturplatten 9 und 1o aufweist. Der Abstand der Sektorelektroden mit zylindrischer Krümmung voneinander ist größer als der Durchmesser der kreisförmigen Öffnung der in Richtung des Strahlengangs b gesehenen ersten Blende 12 der Projektionslinse 11. Die Projektionslinse 11 weist drei Blenden 12, 13 und 14 auf, die den aus der Sektorlinse 6 austretenden Ionenstrahl auf die austauschbare Austrittsblende 15 fokussiert. Alle anderen Ionen werden durch die Austrittsblende abgeblendet. Eine Korrekturlinse 16 ist zwischen der austauschbaren Austrittsblende 15 und dem Detektor 17 angeordnet. Der Detektor ist ein Quadrupolmassenspektrometer und analysiert die aus der Austrittsblende 15 und der Korrekturlinse 16 austretenden Ionen entsprechend ihr_E Atomgewicht. Bei einer anderen Anordnung könnte z.B. als Detekto: ein Elektronenvervielfacher verwendet werden, wie es z.B. zur Er. zeugung von Materialkontrasten in rasterelektronischen Bildern üblich ist.

[0021] Die Sektorfeldlinse 6 wählt einen scharfen Bereich von Sekundärionen mit einer Energie zwischen Eo -

und Eo +

aus, wobei üblicherweise eine Anfangsenergie zwischenO eV und 3oo eV und ein Energiebandpass zwischen 1 eV und 5o eV gewählt wird. Soll die Einrichtung besonders kompakt ausgestaltet werden, so tritt der Sekundärionenstrahl aus der Sektorlinse divergierend aus. In der Prpjektionslinse 11 wird sodann aus diesem divergenten Strahlbündel ein konvergentes Strahlenbündel, so daß Ionen zwischen den obenangeführten Energiebereichen durch die öffnung in die Austrittsblende 15 treten können und zum Detektor 17 gelangen. Ionen aller anderen Energien werden von der Austrittsblende 15 zurückgehalten.

[0022] Für ein Quadrupol ist es für eine maximale Massentrennung erforderlich, daß die eintretenden Ionen innerhalb eines bestimmten Raumwinkelbereiches liegen und daß diese Ionen dasselbe mit einer optimalen im allgemeinen von Eo verschiedenen Energie durchlaufen. Die letztgenannte Energie wird dadurch eingestellt, daß die Quadr_u- polachse auf ein Potential von U_q = Eo -δgelegt wird.Der für das Quadrupol erwünschte Raumwinkelbereich der eintretenden Ionen stimmt im allgemeinen mit dem Raumwinkelbereich der aus der Austrittsblende 15 austretenden Ionen nicht überein. Die erforderliche Raumwinkelkorrektur wird durch ein Potential, das proportional Eo ist erreicht.

[0023] Das in Fig. 2 dargestellte schematische Blockschaltbild zeigt.die Steuerung der verschiedenen Potentiale für Linsen und Blenden.

[0024] A, B und C sind variable Spannungsquellen, die umpolbar sind und in welchen Eo,ΔE sowie die Apparatkonstante δfür das Quadrupol eingestellt werden können. Die Spannungsversorgung der Fokussierungslinsen 3 und 4 erfolgt über die Verstärkereinheiten V₁ und V₂, wobei über die Potentiometer P₁ und P₂ die Verstärker so eingestellt werden können, daß die Potentiale der Fokussierungslinsen 3 und 4 gemäß der Gleichungen 1 und 2 einstellbar sind.

[0025] Die Konstanten k₁ und k₂ werden so gewählt, daß der maximale Strom der Sekundärionen von der Probe 2 in den Detektor gelangt. Sind diese Konstanten einmal bestimmt, so behalten sie für sämtliche Werte von Eo ihre Gültigkeit.

[0026] Die Sektorfeldlinse weist eine dreifache Versorgung mit Spannun auf, wobei die Spannung jeweils von Eo undΔE abhängig ist. Die Verstärkereinheiten V₃ und V₅ versorgen jeweils die zylindrisch gekrümmten Sektorelektroden, wobei die Verstärker und die Potentiometer P₃ und P₅ so eingestellt werden, daß die Spannung f die Sektorfeldelektroden wie folgt eingehalten werden kann.



wobei h₁ und h₂ empirische Konstanten sind, die so gewählt wer müssen, daß bei gewählter Energie und Energieschärfe ein Maximum der entsprechenden Ionen in den Detektor gelangen.

[0027] Das Potential der Korrekturplatten 9 und 1o der Sektorfeldlinse wird über die Verstärkereinheit V₄ und Potentiometer P₄ so gesteuert, daßes zwischen U₊ und U_- liegt. Das Potential wird genau so gewählt, daß insbesondere eine Bündelung des Ionenstrahls in der zur Zeichnung gehenden senkrechten Richtung erreicht wird.

[0028] Ist die Sektorfeldlinse unsymmetrisch gebaut, so weisen die Korrekturplatten ein unterschiedliches Potential auf.

[0029] Das Potential der mittleren Blende 13 der Projektionslinse 11 wird über die Verstärkereinheit V₆ und Potentiometer P₆ so geregelt, daß eine Spannung von U_P gemäß Gleichung 5 eingehalten wird.

wobei h₃ eine empirisch zu bestimmende Konstante ist, die so gewählt werden muß., daß die Projektionslinse den aus der Sektorlinse austretenden Ionenstrahl auf die Austrittsblende fokussier

[0030] Durch die Verstärkereinheit V₇ und Potentiometer P₇ wird die Spannungsversorgung der Eintritts- und Austrittsblende durchgeführt. Die Regelung erfolgt so, daß ein Potential von U_B eingehalten wird, wobei U_B genau zwischen U₊ und U zu liegen hat.

[0031] Die Spannungsversorgung der Korrekturlinse erfolgt ebenfalls über eine Verstärkereinheit, und zwar V₈ und Potentiometer P₈, wobei eine Spannung von U_K, gemäß nachfolgender Gleichung eingehalten ist.

wobei h₄ eine empirische Konstante ist, die so gewählt werden muß, daß für einen gegebenen Detektor der entsprechend günstigste Raumwinkel für den Ionenstrahl erreicht wird. Dieser Raumwinkel ist von Detektor zu Detektor unterschiedlich und muß ebenfalls empirisch bestimmt werden.

[0032] Die Spannungsversorgung des Quadrupols erfolgt über Verstärkereinheit V₉ und Potentiometer P₉ so, daß die Quadrupolachse folgende Spannung erhält.

wobei δ eine Konstante des Quadrupols darstellt, die empirisch bestimmt werden muß, wobei δ so gewählt werden muß, daß für eine gewünschte Energie Eo und Energiebreite Δ E eine maximale Massenauflösung des Quadrupols gegeben ist.

[0033] Die angeführten Konstanten sind, wenn einmal bestimmt, für alle Werte von Eo und Δ E gültig.

Ansprüche

1. Einrichtung zur Fokussierung und zur Analyse eines geladenen Korpuskularstrahls, insbesondere eines Sekundärionenstrahls, wobei in Richtung des Strahlengangs zumindest eine, gegebenenfalls zwei, elektrostatische Fokussierungslinsen, eine Eintrittsblende, eine elektrostatische Sektorfeldlinse und eine Austrittsblende und ein Detektor angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Sektorfeldlinse (6) eine elektrostatische Projektionslinse (11) mit zumindest zwei, vorzugsweise drei Blenden, deren Öffnungen auf einer Achse liegen, eine Austrittsblende (15) und eine elektrostatische Korrekturlinse (16), sowie der Detektor (17) angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektorfeldlinse(6) eine stigmatisch fokussierende Sektorfeldlinse ist, die konzentrische negativ bzw. positiv polarisierbare Sektorelektroden (7,8) mit zylindrischer Krümmung und zwei Korrekturplatten (9, 1₀) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts-(5) und Austrittsblende (15) auswechselbar angeordnet sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Sektorelektroden (7, 8) mit zylindrischer Krümmung voneinander größer ist als der Durchmesser der kreisförmigen öffnung bzw. der Spaltbreite der in Richtung des Strahlengangs gesehenen ersten Blende (12)der Projektionslinse (11).

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Projektionslinse (11) die zumindest zwei, vorzugsweise drei Blenden aufweist, bei zwei Blenden die erste in Richtung des Strahlenganges gesehen und bei drei Blenden die mittlere (13) eine größere öffnung aufweist als die von ihr elektrisch isolierten benachbarten Blenden (12, 14).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (17) ein Quadrupolspektrometer ist

7. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die elektrischen Potentiale der Eintrittsblende, der Austrittsblende, die dasselbe Potential aufweisen, das dem mittleren Potential der elektrostatischen Sektorfeldlinse entspricht, der elektrostatischen Fokussierungslinsen und der Sektorfeldlinse in Abhängigkeit von der erwünschten Energie und Energieschärfe des selektierten Korpuskularstrahls gesteuert werden, wobei die Potentiale der Sektorfeldlinse und der Fokussierungslinse proportional der erwünschten Energie des Korpuskularstrahls gehalten werden und die erwünschte Energie und Energieschärfe durch zwei Steuerspannungen, die die Potentiale der Blenden und der Linsen steuern, geregelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der ersten in Richtung des Strahls gesehenen Blende bei zwei Blenden und der mittleren Blende bei drei Blenden der Projektionslinse auf einen Wert von U_P = Eo - h₃ ΔE, wobei E die Anfangsenergie der Teilchen im Korpuskularstrahl vor der Einrichtung undΔE dem Energiebandpass entspricht und h₃ eine empirische Konstante ist, gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Po- 'tential der elektrostatischen Korrekturlinse auf einen Wert von U_k ⁼ h₄ . Eo , wobei Eo der Anfangsenergie der Teilchen entspricht und h₄ eine empirische Konstante darstellt, gehalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrisch gekrümmten_'Sektorelektroden der Sektorfeldlinse auf Potentiale gehalten werden, das den Werten U₊ = Eo + h₁ . ΔE bzw für die andere Sektorelektrode U- = Eo - h₂ ΔE entspricht, wobei Eo und Δ E die in Anspruch 7 angeführte Bedeutung haben und h₁ und h ₂ empirische Konstanten darstellen und das Potential der Korrekturplatten zwischen U₊ und U_ gehalten wird.

1₀. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgung des Quadrupolspektrometers so erfolgt, daß die Quadrupolachse ein Potential von U_q = Eo -δ, wobei Eo die in Anspruch 7 angeführte Bedeutung hat und δ eine Konstante des Quadrupolspektrometers ist, gehalten wird.

Zeichnung