DE2402728A1 - Vorrichtung zum analysieren einer oberflaechenschicht durch ionenzerstreuung - Google Patents
Vorrichtung zum analysieren einer oberflaechenschicht durch ionenzerstreuungInfo
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Description
PHN.' 6726
Va/WR/Zwan
19-10-1973.
Anmeldor: fcj γ philips' üioai.ainperfiuoriekeil
' Akt« No.1 PHN- 6728
Vorrichtung zum Analysieren einer Oberflächenschicht durch Ionenzerstreuung.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
Analysieren einer Oberflächenschicht mittels Ionenzerstreuung, enthaltend
Mittel zum Erzeugen eines primären, nahezu monoenergetischen Ionenstrahle,
Ablenkaiittel zum Richten des primären Ionenstrahls auf die Oberflächenschicht,
eine Blendenöffnung zum Durchlassen von Ionen, die unter eine« bestimmten Winkel zu der Achse des primären Ionenstrahls an. der Oberflächenschicht
zerstreut sind, und einen elektrostatischen Analysator sowie einen Detektor zur Bestimmung der kinetischen Energie der zerstreuten und
von der Blende durchgelassenen Ionen.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der USA-Patentschrift
3.480.774 bekannt. In einem derartigen Ionenzerstreuungsepektroneter wird
die zu prüfende Oberflächenschicht mit einem primären Ionenstrahl beschossen. Die Ionen dieses Strahls prallen gegen· die Atome der Ober-
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-2- PHIi. 6728
Va /"vTR I'' ν ο -n
Λ M Λ Λ Γί Λ Λ / **■'''/ '-"L-.1
ZhUZ/Zo 19-10-1373
flächenschicht an, welche Anpralle unter gewissen Bedingungen als elastisch betrachtet werden können. Das heisst, dass die kinetische
Energie eines Ions nach dem Anprall mit Hilfe der Gesetze der Erhaltung von Energie und Impuls "berechnet werden kann. Wenn
E1 * kinetische Energie eines Ions vor dem Anprall,
E_ * kinetische Energie eines Ions nach dem Anprall,
Ei1 = Masse des Ions,
nu » Masse des Atoms in der Oberflächenschicht, das
nu » Masse des Atoms in der Oberflächenschicht, das
gegen das Ion anprallt, */ * mo/m4,
θ =« Zerstreuungswinkel, d.h. der Winkel zwischen den
θ =« Zerstreuungswinkel, d.h. der Winkel zwischen den
Geschwindigkeitsvektoren des Ions vor und nach dem Anprall, \
gilt bekanntlich, wenn V^ 1, dass
cos θ + (γ2 - sin2 e)*J / (1
Daraus folgt, dass nu dadurch bestimmt werden kann, dass E2 gemessen wird,
wenn Ia1, E1 und θ bekannt sind und wenn angenommen werden kann, dass nur
einfache Anpralle stattfinden. Dies erfolgt in einem Ionenzerstreuungsspektrometer
auf folgende Weise. Ein Strahl von Ionen, neist Edelgasionen, Bit bekannter Masse IB1 und bekannter Energie E1 wird auf die zu prüfende
Oberflächenschicht geschossen. Eine Blende wird derart angeordnet, dass die Richtung zerstreuter Ionen, die den Spalt passieren, einen bekannten
Winkel Θ mit der Richtung des primären Strahls einschliesst. Die Energie der durchgelassenen Ionen wird in einem Energieanalysator gemessen. Bei
einer bestimmten Spannung an den Elektroden des Energieanalysators können nur zerstreute Ionen mit einer bestimmten Energie E2 den Analysator
passieren. Diese Energie ist daait, wenn a., E1 und 6 gegeben sind, für
die Masse m„ von Atomen in der Oberflachenschicht, die von dein primären
Strahl getroffen werden, kennzeichnend. Indem die Spannung an den Elektroden des Analysators geändert wird, kann ein Spektrum der in der
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Oberflächenschicht vorkommenden Atomarten erhalten werden. Bei bestimmten
Spannungen am Analysator tritt dabei eine Spitze im Signal auf, das von dem Detektor abgegeben wird. Die Grosse der Spitze ist ein Mass für die
relative Menge der betreffenden Atome und die zu der Spitze gehörige Spannung an Analysator ist ein Mass für die Masse der betreffenden Atone.
Es leuchtet ein, dass der Winkel θ genau definiert und die Öffnung in der Blende somit derart klein sein soll, dass nur eine
geringe Anzahl zerstreuter Ionen durchgelassen wird. In der Praxis soll θ von der Blende mit einer Genauigkeit von 1° bis 2° bestimmt sein, was für
die bekannte Vorrichtung zur Folge hat, dass nur zerstreute Ionen innerhalb eines Raumwinkels von 2° χ 2° akzeptiert werden können, wodurch nur
ein sehr kleines Signal erhalten wird.
Aus dem Artikel "Zur Energieverteilung der von Protonen in Gasen ausgelösten Sekundärelektronen" in "Zeitschrift für Physik",
Heft 147, S. 228-240, 1957, ist ein Energieanalysator mit zwei koaxialen
zylindrischen Elektroden bekannt. Ein derartiger Analysator weist den Vorteil auf, dass die Bahnen der zerstreuten Ionen, die einen bestimmten
Winkel mit der Achse des Analysators einschliessen, mit der die Achse
des primären Strahls zusammenfällt, auf einer Kegeloberfläche liegen.
Durch die Anwendung einer ringförmigen Blende mit einem Spalt mit einer Breite von 2° und einem Umfang von 36Ο0 akzeptiert der Analysator das
180-fache der Anzahl Ionen, die von dem Analysator akzeptiert werden,
der in der in der USA-Patentschrift 3.480.774 beschriebenen Vorrichtung verwendet wird. Ein derartiger Analysator konnte jedoch bisher nicht
in einem Ionenzerstreuungsspektrometer verwendet werden, weil der primäre Ionenstrahl an der Achse des Analysators entlang verlaufen muss und somit
entweder die zu prüfende Oberflächenschicht oder der Detektor für den primären Ionenstrahl ein Hindernis bildet.
Die Erfindung bezweckt, ein Ionenzerstreuungsspektrometer
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zu schaffen, in den ein Energieanalysator mit zwei koaxialen zylindrischen
Elektroden verwendet werden kann. Die Erfindung bezweckt weiter, ein Ionenzerstreuungsspektrometer zu schaffen, das eine beträchtlich verbesserte
Massentrennung zwischen den in der Oberflächenschicht vorhandenen Atomen liefert und ein wesentlich grösseres Signal erzeugt.
Nach der Erfindung ist eine Vorrichtung der im ersten
Absatz erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass der elektrostatische
•Analysator zwei nahezu zylindrische, hohle, koaxiale Elektroden enthält;
dass die Achse des primären Ionenstrahls in einem an die Oberflächenschicht
grenzenden Gebiet mit der Achse des Analysators zusammenfällt; dass die
Blendenöffnung nahezu ringförmig und mit dem Analysator koaxial ist und eine Lage einnimmt, in der sie Ionen durchlässt, die über einen Winkel
von mehr als 90° zerstreut sind; dass die koaxialen Elektroden mit je
einer Öffnung zum Durchlassen des primären lonenstrahls versehen sind,
und dass die Ablenkmittel den durch die Offnungen in den koaxialen
Elektroden eintretenden primären Ionenstrahl längs der Achse des Analysators ablenken.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 teilweise aufgeschnitten, eine perspektivische
Ansicht der Vorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt durch diese Vorrichtung in einer
Ebene senkrecht zu der Ebene, in der der primäre Strahl eintritt, und
Fig. 3 einen Schnitt durch diese Vorrichtung mit einer
Ebene, die mit der Ebene zusammenfällt, in der der primäre Strahl eintritt.
In Fig. 1 wird ein primärer nahezu monoenergetischer
Ionenstrahl 1 von schematisch dargestellten Mitteln 2 erzeugt, die u.a.
eine Ionenquelle und Kittel/enthalten, mit deren Hilfe der Strahl gerichtet
und dem Strahl eine bestimmte Energie von z.B. einigen Hundert eV gegeben
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wird. Weiter sollen die Ionen in bezug auf Masse und Ladung selektiert
werden. Derartige Mittel sind aus dem Stand der Technik bekannt und brauchen nicht näher erläutert zu werden. Vorzugsweise werden Edelgasionen,
wie Helium- oder Neonionen verwendet. Ein Vorteil dieser"Ionen ist ihre
grosse Ionisationsenergie; dies macht es sehr wahrscheinlich, dass ihre Ladung bei dem Anprall neutralisiert wird, was zwar eine geringe Anzahl
zerstreuter Ionen herbeiführt, aber auch die Gefahr vor mehrfachen
Anprallen, die die Messung verderben, verringert. Eine Vorrichtung nach der Erfindung weist die günstige Eigenschaft auf, dass auch bei einer
geringen Anzahl zerstreuter Ionen von dem Detektor noch ein genügendes
Signal erzeugt wird.
Der Ionenstrahl 1 wird von elektrostatischen Ablenkplatten 3 und 4 abgelenkt, bis er an der Achse 5.des Energieanalysator entlang
verläuft. Der Energieanalysator enthält zwei koaxiale, zylindrische Elektroden 6 und 7· Ein möglichst schmaler Sektor 18 der zylindrischen
Elektroden 6 und 7 ist offen und bildet eine Öffnung zum Durchlassen des
eintretenden Strahles. Der Ionenstrahl 1 trifft dann in einem Punkt 12 auf eine Auftreffplatte 8 auf, die nahezu senkrecht zu der Achse 5
angeordnet ist. Die Ionen des Strahles 1 prallen gegen Atome in der Oberflächenschicht der Auftreffplatte 8 an und werden zerstreut. Dabei
verlieren sie eine bestimmte Menge Energie, die von dem Zerstreuungswinkel abhängt. Der Energieanalysator misst diesen Energieverlust für einen
bestimmten Winkel Θ, der grosser als 90° ist. Hier ist also von Rückzerstreuung
die Rede.-Der Winkel θ kann z.B. 138° betragen, wodurch die von dem Energieanalysator akzeptierten Ionen Bahnen über die Oberfläche eines
Kegels mit einem Spitzenwinkel von 84° beschreiben. Der Winkel θ wird durch die Lage der Blendenöffnung 9 in der zylindrischen Elektrode 7
bestimmt. Der Strahl zerstreuter Ionen beschreibt.in dem radialen
elektrischen Feld zwischen den Elektroden 6 und 7 eine scheinbar para-
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bolische Bahn und kann die zweite Blendenöffnung 11 nur bei einem
bestimmten Potentialunterschied zwischen den Elektroden 6 und 7 passieren. der ein Mass für die Energie des Strahles 10 ist. Ein derartiger Energieanalysator
kann die Ionenbahnen, die in dem Punkt 12 anfangen, auf dia Achse 5 in dem Punkt I3 auf der Achse 5 fokussieren. Der Fokussierpunkt 15
wird mit Hilfe einer elektrostatischen Linse, die die zylindrischen Elektroden I5 und 16 enthält, in dem Punkt I5 abgebildet, der den Eingar.=·
eines Detektors I7 bildet. Der Detektor 17 besteht aus einem Elektronenvervielfacher,
dessen erste Dynode von den zu detektierenden Ionen getroffen wird.
Zur näheren Erläuterung sind in den Figuren 2, und 3 zwei
Schnitte durch die Vorrichtung, und zwar in der waagerechten bzw. senk-
I.
rechten Ebene der Fig.-1, dargestellt. Fig. 3 zeigt noch einige Einzelheiten
in bezug auf die Injektion des primären Strahles 1, die mit Hilfe eines zweiten Satzes elektrostatischer Ablenkplatten 19 and 20 und einer
im Inneren feldfreien Röhre 21 stattfindet.
Für eine befriedigende Wirkung des Energieanalysators
soll das elektrische Feld zwischen den Elektroden 6 und 7 an allen Steller
gleich dem Feld zwischen zwei unendlich langen koaxialen Zylindern sein. Da die· Zylinder in der Praxis eine beschränkte Länge aufweisen und ausserdem
ein Sektor 18 aus den Zylindern entfernt ist, müssen Elektroden angebracht
werden, um die Randbedingungen für das Feld festzulegen und das Feld gegebenenfalls ein wenig zu korrigieren. Der Sektor 18 ist mit Hilfe
der Platten 22 und 23 abgeschlossen. Senkrecht zu der Achse 5 sind die Zylinder 6 und 7 mit Hilfe der Platten 24 und 25 abgeschlossen, die in
Fig. 1 der Deutlichkeit halber nicht dargestellt sind,, Die Platten 22,
23, 24 und 25 weisen ein mittleres Potential auf,.das zwischen den
Potentialen der Zylinder 6 und 7 liegt. Auch ist es möglich, die Platten 22, 23, 24 und 25 in mehrere Elektroden mit verschiedenen Potentialen
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. 6728 Va/WE/Zvar. 19-IO-1973
aufzuteilen, damit eine bessere Annäherung des erforderlichen elektrischer.
Feldes erhalten wird. Auch können die Platten aus einem Material mit einer
grossen elektrischen Widerstand hergestellt und mit den Zylindern 6 und 7 verbunden werden, um ein gleichmässig verlaufendes Potential zu erhalten.
Eine Vorrichtung nach der Erfindung wirkt, wie bereits
bemerkt wurde, mit Rückzerstreuung. In der Rückwärtsrichtung werden zwar
weniger Ionen als in der Vorwärtsri'chtung zerstreut, aber die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich besonders gut zum Detektieren geringer
Mengen Ionen. Die beschriebene Rückzerstreuung weist dagegen grosse Vorteile auf. Erstens ist bei einem Eiηfalls-winkel von 90° die ^erstäubungsgefahr
viel geringer, wodurch die Oberflächenschicht der Probe in geringerem Masse von dem primären Strahl "beschädigt wird. Bei einem Einfallswinkel
von 9O0 tritt oft erst bei 60 eV Zerstäubung auf, während bei
einem Einfallswinkel von 45° bereits 10 eV genügen. Zweitens ist die
Gefahr vor mehrfachen Anprallen, die das Messergebnis verderben, bei einer
Einfallswinkel von 90°.viel geringer als bei Winkeln von weniger als 9Q0·
Bei der Ableitung der angewandten Anprallformel wird die Bewegung der Atome der Auftreffplatte vernachlässigt. Diese Bewegung
ergibt eine Verbreiterung der Spitze in Signal des Detektors. Die Abkühlung
der Auftreffplatte kann also vorteilhaft sein, un direkt nebeneinander
liegende Spitzen des Spektrums voneinander unterscheiden zu können.
Das Energieauflösungsvermögen der Vorrichtung kann
dadurch vergrössert werden, dass nach einem ersten Energieanalysator der '
Strahl verzögert und derart fokussiert wird, dass ein Strahl mit einer Divergenz erhalten wird, bei der mit Hilfe eines zweiten Energieanalysator^
die Energie genau bestimmt werden kann. Me dazu erforderliche Divergenz ist etwa 42°. Bei niedriger Energie kann ein derartiger Energieanalysator'
nämlich kleinere Energieunterschiede detektieren, weil ΔΕ/Ε· (Ε = Energie)
für einen derartigen Energieselektor einen festen Wert aufweist.
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Va/WR/Zvar.
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Ein Vorteil der Ablenkung des primären Strahles mit den Ablenkplatten 3.und 4 bzw. 19 und 20 ist der, dass dadurch besser
differential gepumpt werden kann, weil keine "direkte Sicht" mehr zwische:
dem Analysator mit der Auftreffplatte und der Ionenquelle besteht. Dabei
sei bemerkt, dass oft' ein sehr niedriger Druck von etwa 10 mm Quecksilbersäule für die Auftreffplatte benötigt wird, während die Ionenquelle
bei' einem Druck von etwa 10 mm Quecksilbersäule arbeitet.
In der Nähe der Auftreffplatte kann ein Elektronenstrahlerzeugungssystem
niedriger Energie oder ein Glühfaden angeordnet werden, damit auf bekannte Weise die Raumladung ausgeglichen wird. Weiter ist
es möglich, die Auftreffplatte schichtweise langsam mit einer gesonderter
Ionenquelle abzuschälen, damit auch tiefer liegende Schichten analysiert werden können.
Bei der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung ist der Innendurchmesser der Elektrode 6 I30 mm und der Aussendurchmesser der
Elektrode 7 35 n^· Der Abstand zwischen den Punkten 12 und 13 ist 108,5 ~-
und der Winkel θ = 42,3°· Die Elektrode 7 ist im Zusammenhang mit dem
Transport des primären Strahles 1 geerdet. Zum Selektieren von Ionen
mit einer Energie von V eV muss das Potential der Elektrode 6 (in bezug auf die Elektrode 7) dann V volt betragen.
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Claims (1)
- -9- PHK. 6728Va/WR/ZwanPatentanspruch»Vorrichtung zum Analysieren einer Oberflächenschicht mit Hilfe von Ionenzerstreuung, enthaltend Mittel zum Erzeugen eines primären nahezu mmoenergetischen Ionenstrahls, Ablenkmittel zum Richten des primären Ionenstrahls auf die Oberflächenschicht, eine Blendenöffnung zum Durchlassen von Ionen, die unter einem bestimmten Winkel zu der Achse des primären Ionenstrahls an der Oberflächenschicht zerstreut sind, und einen elektrostatischen Analysator sowie einen Detektor zur Bestimmung der kinetischen Energie der zerstreuten und von der Blende durchgelassenen Ionen, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrostatische Analysator zwei nahezu zylindrische, hohle, koaxiale Elektroden (6, 7) enthält; dass die Achse (5) des primären Ionenstrahls (i) in einem an die Oberflächenr schicht grenzenden Gebiet mit der Achse (5) des Analysators zusammenfällt; dass die Blendenöffnung nahezu ringförmig und mit dem Analysator koaxial ist und eine Lage einnimmt, in der sie Ionen durchlässt, die über einen Winkel von mehr als 90° zerstreut sind; dass die koaxialen Elektroden (6,T)mit je einer Öffnung (Ίθ) zum Durchlassen des primären Ionenstrahls (1) ' versehen sind, und das3 die Ablenkmittel (3t 4) den durch die Offnungen (18) in den koaxialen Elektroden (6, 7) eintretenden primären Ionenstrahl (1) an. der Achse (5) des Analysatora entlang ablenken.409832/0976Leerseite
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