DE2420275C3 - Vorrichtung zum Analysieren einer Oberflächenschicht durch Ionenzerstreuung - Google Patents
Vorrichtung zum Analysieren einer Oberflächenschicht durch IonenzerstreuungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Analysieren einer Oberflächenschicht durch lonenzerstreuung, enthaltend Mittel zum Erzeugen eines
primären, nahezu monoenergetischen Ionenstrahl, dessen Achse in einem an die Oberflächenschicht
grenzenden Gebiet mit der Achse eines elektrostatischen Analysators zusammenfällt, der zwei nahezu
zylindrische, hohle, koaxiale Elektroden enthält, eine nahezu ringförmige und mit dem Analysator koaxiale
Blendenöffnung zum Durchlassen von Ionen, die derart angeordnet ist, daß Ionen durchgelassen werden, die
über einen Winkel von mehr als 90° zu der Achse des primären Ionenstrahls zerstreut sind, und einen
Detektor zur Bestimmung der kinetischen Energie der zerstreuten und von der Blende durchgelassenen Ionen.
Eine derartige Vorrichtung ist in der älteren Patentanmeldung DE-OS 24 02 728 beschrieben. In
einem derartigen lonenzerstreuungsspeklrometer wird die zu untersuchende Oberflächenschicht mit einem
primären Ionenstrahl beschossen. Die Ionen dieses Strahls prallen gegen die Atome der Oberflächenschicht
an, wobei die Anpralle unter gewissen Bedingungen als elastisch betrachtet werden können. Dies bedeutet, daß
die kinetische Energie eines Ions nach dem Anprall mit Hilfe der Gesetze der Erhaltung von Energie und Impuls
berechnet werden kann. Wenn:
£i = kinetische Energie eines Ions vordem Anprall,
E2 = kinetische Energie eines Ions nach dem Anprall, /Mi = Masse des Ions,
E2 = kinetische Energie eines Ions nach dem Anprall, /Mi = Masse des Ions,
m2 = Masse des Atoms in der Oberflächenschicht,
gegen das das lon anprallt,
γ = /nj//T7i,
θ = der Zerstreuungswinkel, d.h. der Winkel zwischen den Geschwindigkeitsvektoren des Ions
vor und nach dem Anprall,
gilt, wenn γ > 1 ist, gilt bekanntlich, daß:
ίο daß £> gemessen wird, wenn nt\, £1 und θ bekannt sind
und wenn angenommen werden kann, daß nur einfache Anpralle stattfinden. Dies erfolgt in einem lonenzerstreuungsspektrometer auf folgende Weise. Ein Ionenstrahl, meist aus Edelgasionen, mit bekannter Masse πΐ\
und bekannter Energie £1 wird auf die zu untersuchende
Oberflächenschicht geschossen. Die 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 Energieanalysator^ können nur zerstreute Ionen mit einer bestimmten Energie £2 den
Analysator passieren. Diese Energie ist damit, wenn w\,
E\ und θ gegeben sind, für die Masse ΠΙ2 der Atome in
der Oberflächenschicht, die von dem primären Strahl getroffen werden, ,kennzeichnend. Dadurch, daß die
Spannung an den Elektroden des Analysators geändert wird, kann ein Spektrum der in der Oberflächenschicht
vorkommenden Atomarten erhalten werden. Bei bestimmten Spannungen am Analysator tritt dabei eine
Spitze in dem von dem Detektor abgegebenen Signal auf. Die Größe der Spitze ist ein Maß für die relative
Menge der betreffenden Atome, während die zu der
)5 Spitze gehörende Spannung am Analysator ein Maß für
die Masse der betreffenden Atome ist.
Die in der älteren Patentanmeldung DE-OS 24 02 728 beschriebene Vorrichtung weist Öffnungen in den
koaxialen Elektroden des Analysators auf, durch die der
primäre Ionenstrahl eintritt, ferner Ablenkmittel, um
den primären Ionenstrahl entlang der Achse des Analysators abzulenken.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine derartige Analysevorrichtung mit koaxialen Elektroden anzuge-
ben, in der aber diese Öffnungen und Ablenkmittel, die eine Komplikation der Vorrichtung bedeuten, überflüssig sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art nach der Erfindung die
in Mittel zum Erzeugen des primären Ionenstrahl derart
angeordnet, daß die Achse von letzterem im gesamten Analysatorbereich mit der Achse des elektrostatischen
Analysators zusammenfällt und daß der Detektor nahezu ringförmig und mit dem Analysator koaxial ist
und den primären tonenstrahl umschließt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der mittlere Zerstreuungswinkel der detektierten Ionen
einen Wert zwischen 137 und 150° aufweisen. Bei diesen
Zerstreuungswinkeln ist es möglich, einen Fokus
zweiter Ordnung der zertreuten Ionen auf dem
Detektor zu erzielen, ohne daß die zerstreuten Ionen zunächst die Achse des Analysators passieren. Ein
Fokus zweiter Ordnung weist den Vorteil auf, daß Ionen aus einem verhältnismäßig breiten Gebiet um den
mittleren Zerstreuungswinkel herum auf dem Detektor fokussiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 perspektivisch einen teilweise aufgebrochenen zylindrischen Analysator zur Anwendung in einer
Vorrichtung nach der Erfindung und
Fig.2 einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung.
In Fig. 1 trifft ein primärer nahezu monoenergetischer
Ionenstrahl 1 mit einer Energie von z. B. einigen hundert eV auf eine Auftreffplatte 2 auf. Die Ionen
sollen in bezug auf Masse, Ladung und Energie selektiert sein, was durch aus dem Stand der Technik
bekannte Mittel erfolgen kann, die nicht näher beschrieben zu werden brauchen. Vorzugsweise werden
Edelgasionen, wie Helium- oder Neonionen verwendet. Ein Vorteil dieser Ionen ist ihre hohe Ionisationsenergie;
dadurch wird es sehr wahrscheinlich, daß ihre Ladung beim Anprallen neutralisiert wird, was zwar
eine geringe Anzahl zerstreuter Ionen zur Folge hat, aber auch die Gefahr einer Detektion mehrfacher
Anpralle, die die Messung verderben, erheblich verringert. Eine Vorrichtung nach der Erfindung hat
gerade die Eigenschaft, daß auch bei einer geringen Anzahl zerstreuter Ionen noch ein genügend starkes
Signal vom Detektor erzeugt wird.
Die Achse des primären Ionenstrahls 1 fällt mit der Achse eines Energieanalysators 3 zusammen. Der
Energieanalysator 3 enthält zwei koaxiale, zylindrische Elektroden 4 und 5. Die Ionen des Strahls 1 prallen
gegen Atome in der Oberflächenschicht der Auftreffplatte 2 an und werden zerstreut. Dadurch verlieren sie
eine bestimmte Menge an Energie, die von dem Streuwinkel und der Masse des Atoms in der
Oberflächenschicht abhängt Der Energieanalysator 3 mißt diesen Energieverlust für einen bestimmten Winkel
θ (Fig.2), der größer als 90° ist. Hier ist also von
Rückstreuung die Rede. Der Winkel θ kann ζ. Β. 14Γ
betragen, wodurch die von dem Energieanalysator 3 akzeptierten Ionen Bahnen über die Oberfläche eines
Kegels mit einem Spitzenwinkel von 78° beschreiben. Der Winkel θ wird durch die Lage der Blendenöffnung
6 in der zylindrischen Elektrode 4 in bezug auf die Auftreffplatte 2 bestimmt. Die zerstreuten Ionen
beschreiben in dem radialen elektrischen Feld zwischen den Elektroden 4 und 5 scheinbar parabolische Bahnen,
von denen einige mit 7,8,9 und 10 bezeichnet sind, und
können die zweite Blendenöffnung 11 nur bei einem bestimmten Potentialunterschied zwischen den Elektroden
4 und 5 passieren, der ein Maß für ihre Energie ist. Der Energieanalysator 3 fokussiert Ionenbahnen, die in
einem Punkt 12 auf der Auftreffplatte 2 anfangen, in einem ringförmigen Foksis hinter der Blendenöffnung
11. An dieser Stelle ist ein ringförmiger Detektor 13 zum
Detektieren der zerstreuten Ionen angeordnet. Dieser ringförmige Detektor 13 umschließt den primären
Ionenstrahl 1, wodurch dieser unbehindert die Auftreffplatte 2 erreichen kann.
Zur näheren Erläuterung zeigt Fig.2 einen Schnitt
durch eine Vorrichtung nach der Erfindung längs einer Ebene durch die Achse des primären lonenstrahls 1. Der
Strahl 1 wird von einer Ionenquelle 14 erzeugt, von einer Extraktionselektrode 15 extrahiert, von Fokussierelektfoden
16 und 17 fokussiert und in bezug auf Masse von einem Massenfilter 18 selektiert. Die Teile des
Energieanalysators 3 sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in F i g. I bezeichnet.
Für eine befriedigende Wirkung des Energieanalysators 3 soll das elektrische Feld zwischen den Elektroden
4 und 5 an allen Stellen gleich dem Feld zwischen zwei unendlich langen, koaxialen Zylindern sein. Da die
Zylinder in der Praxis eine beschränkte Länge aufweisen, müssen Elektroden angebracht werden, um
die Rundbedingungen für das Feld festzulegen und das Feld gegebenenfalls etwas zu korrigieren. Zu diesem
"> Zweck sind die zylindrischen Elektroden 4 und 5 mit Hilfe der Platten 19 und 20 verschlossen, die in Fig. I
der Deutlichkeit halber nicht dargestellt sind. Die Platten 19 und 20 führen ein mittleres Potential, das
zwischen den Potentialen der zylindrischen Elektroden
in 4 und 5 liegt. Auch ist es möglich, die Platten 19 und 20 in
mehrere Elektroden mit verschiedenen Potentialen aufzuteilen, um eine bessere Annäherung des erforderlichen
elektrischen Feldes zu erhalten. Die Platten können auch aus einem Material mit einem hohen
elektrischen Widerstand hergestellt sein und mit den zylindrischen Elektroden 4 und 5 verbunden werden, um
ein gleichmäßig verlaufendes Potential zu erhalten.
Eine Vorrichtung nach der Erfindung wirkt, wie
bereits bemerkt wurde, mit Rückstreuung. Es wird zwar eine geringere Anzahl Ionen in der Rückwärtsrichtung
als in der Vorwärtsrichtung zei«reut, aber die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich eben
besonders gut dazu, geringe Mengen Ionen zu detektieren. Die beschriebene Rückstreuung bietet
dagegen große Vorteile. Erstens ist, wenn der primäre Strahl crwa senkrecht auf die Auftreffplatte auftrifft, die
Zerstäubungsgefahr viel geringer, wodurch die Oberflächenschicht der Probs in geringerem Maße von dem
primären Strahl beschädigt wird. Bei einem Einfallswin-
jo kel von 90° tritt Zerstäubung oft erst bei 60 eV auf,
während bei einem Einfallswinkel von 45° 10 eV bereits
genügen. Zweitens ist die Gefahr mehrfacher Anpralle, die das MeSergebnis verderben, bei etwa senkrecht
einfallendem primären Strahl auf die Auftreffplatte viel
J5 geringer als bei Einfallswinkel von weniger als 90°.
Bei der Ableitung der angewandten Anprallformei ist die Bewegung der Atome der Auftreffplatte vernachlässigt
Diese Bewegung ergibt eine Verbreiterung der Spitze in dem Signal des Detektors. Abkühlung der
Auftreffplatte kann also vorteilhaft sein, um dicht nebeneinanderliegende Spitzen des Spektrums voneinander
unterscheiden zu können.
In der Nähe der Auftreffplatte kann ein Elektronenstrahlerzeugungssystem
niedriger Energie oder ein Glühfaden angeordnet werden, um auf bekannte Weise einen Raumladungsausgleich sicherzustellen. Weiter ist
es möglich, die Auftreffplatte schichtweise langsam mit einem gesonderten Ionenstrahl oder mit dem primären
Strahl bei einer erhöhten Intensität abzuschälen, damit auch tiefer liegende Schichten analysiert werden
können.
Bei der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung beträgt der Innendurchmesser der Elektrode 5 125 mm
und dc-f Außendurchmesser der Elektrode 4 50 mm. Der
Abstand zwischen dem Punkt 12 auf der Auftreffplat'e 2 und der Mitte des ringförmigen Detektors 13 beträgt
90 mm. Der Winkel θ beträgt 14Γ. Die Elektrode 4 ist im Zusammenhang mit dem Transport des primären
lonenstrahls 1 geerdet. Zum Selektieren von Ionen mit
M einer Energie von VEIektronvolt muß das Potential der
Elektrode S (in bezug auf die Elektrode 4) dann VVoIt
betragen.
Die Ionenquelle 14 liefert einen lonenstrom in der
Größenordnung von einigen nA bis zu einigen mA mit einer Energie, die zwischen einigen zehn eV und einigen
keV eingestellt werden kann. An die Energiestreuung der aus der Ionenquelle 14 austretenden Ionen werden,
wie bereits bemerkt wurde, verhältnismäßig hohe
Anforderungen gestellt. Diese Streuung soll in der Praxis zwischen 0.1 und 1.0 eV liegen, was mit aus dem
Stand der Technik bekannten lonenquellen erzielbar ist.
Das Massenfilter 18 besteht vorzugsweise aus dem bekannten Wien-Filter. Darin wird der Strahl der -,
Einwirkung eines elektrischen und eines magnetischen Feldes ausgesetzt, deren Richtungen senkrecht zueinander
und zu der Achse des Strahls sind. Dies hat zur Folge, daß nur Ionen mit einer bestimmten Masse des
nahezu monoenergetischen Ionenstrahl 1 nicht abge- i<
> lenkt werden und das Filter 18 passieren können. Die anderen Ionen werden wohl abgelenkt und in einiger
Entfernung von dem Massenfilter 18 mit Hilfe einer Blende abgefangen.
Der Detektor 13 muß einen derart kleinen Ionenstrom detektieren, daß direkte Strommessung nicht mit
genügender Genauigkeit möglich ist. In dem beschriebenen Alisführungsbeispiel wird als Detektor 13 eine
sogenannte Kanalplatte verwendet, die aus einer Platte mit einer Vielzahl äußerst dünner sekundär emittierender
Kanäle besteht. Pro auffallendem lon. das nach dem Passieren der Blendenöffnung Il auf eine Energie von
einigen keV dadurch nachbeschleunigt wird, daß der Detektor 13 an ein geeignetes Potential in bezug auf die
Elektrode angelegt wird, liefert eine derartige Kanalplatte dem Ausgang 10J bis 10" Elektronen. Diese
Elektronen bilden pro lon einen Rlcktronenimpuls. Die
Impulsfrequenz wird mit bekannten elektrischen Mitteln gemessen und ist auf diese Weise ein Maß für die
Anzahl pro Sekunde in den Detektor 13 eintretender Ionen und somit für den lonenstrom.
Hhitl /cichnuniien
Claims (2)
1. Vorrichtung zum Analysieren einer Oberflächenschicht durch Ionenzerstreuung, enthaltend
Mittel zum Erzeugen eines primären, nahezu monoenergetischen Ionenstrahl dessen Achse in
einem an die Oberflächenschicht grenzenden Gebiet mit der Achse eines elektrostatischen Analysators
zusammenfällt, der zwei nahezu zylindrische, hohle, koaxiale Elektroden enthält, eine nahezu ringförmige und mit dem Analysator koaxiale Blendenöffnung
zum Durchlassen von Ionen, die derart angeordnet ist, daß Ionen durchgelassen werden, die über einen
Winkel von mehr als 90° zu der Achse des primären Ionenstrahls zerstreut sind, und einen Detektor zur
Bestimmung der kinetischen Energie der zerstreuten und von der Blende durchgelassenen Ionen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel
(14—18) zl'ttj Erzeugen des primären Ionenstrahls
(1) derart angeordnet sind, daß die Achse von letzterem (1) im gesamten Analysatorbereich mit der
Achse des elektrostatischen Analysators (3) zusammenfällt und daß der Detektor (13) nahezu
ringförmig und mit dem Analysator (3) koaxial ist und den primären Ionenstrahl (1) umschließt.
2. Vorrichtung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Zerstreuungswinkel der
detektierten Ionen einen Wert zwischen 137 und 150° aufweist.
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