DE19953782A1

DE19953782A1 - Ionenquelle für die Glimmentladungs-Massenspektroskopie

Info

Publication number: DE19953782A1
Application number: DE19953782A
Authority: DE
Inventors: Volker Hoffmann; Guenther Pietzsch; Klaus Wetzig; Klaus Moehler; Mihaly Kunstar; Detlef Schiel; Reinhard Jaehrling
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: LEIBNIZ-INSTITUT fur FESTKOERPER- und WERKSTOFFFORS
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1999-11-04
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: DE19953821C2; DE19953782C2; DE19953821A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle für die Glimmentladungs-Massenspektrometrie zur Elementanalytik fester Werkstoffproben mittels massenspektrometrischer Analyse des Plasmas einer Niederdruckgasentladung. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Quelle so zu gestalten, dass der Druck im Raum zwischen den Elektroden erniedrigt wird und gleichzeitig eine Erhöhung der Entladungsleistung und eine höhere mit dem Massenspektrometer gemessene Intensität der abgesputterten Teilchen bewirkt wird. DOLLAR A Die Aufgabe ist bei einer Ionenquelle, bestehend aus einer Kammer, die einen Einlasskanal (8) und einen Absaugkanal (9) für ein Arbeitsgas sowie eine Öffnung (4) für den Austritt der zu analysierenden Ionen in das Massenspektrometer aufweist und die mit einer Kathode (2) und einer zylinderförmigen hohlen Anode (1) zur Plasmaerzeugung über der Werkstoffprobe (5) ausgestattet ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der Kammer seitlich der Öffnung (4) für den Austritt der zu analysierenden Ionen zusätzlich ein Kanal (11) zum Absaugen von Arbeitsgas mündet. DOLLAR A Die Ionenquelle ist für die mit Gleichspannung betriebene Glimmentladungs-Massenspektrometrie (DC-GD-MS) und die hochfrequenzgestützte Glimmentladungs-Massenspektroskopie (RF-GD-MS) einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle für die Glimmentladungs-Massenspektrometrie (GD-MS) zur Elementanalytik fester Werkstoffproben mittels massenspektrometrischer Analyse des Plasmas einer Niederdruckgasentladung.

Bei den bekannten Ionenquellen für die Glimmentladungs- Massenspektrometrie wird innerhalb der Quelle ein Unterdruck eines Arbeitsgases erzeugt, zwischen zwei Elektroden ein Plasma gezündet, Material der auf Kathodenpotential liegenden Werkstoffprobe durch Sputtern in das Plasma eingetragen und dieses anschließend massenspektrometrisch analysiert (N. Jakubowski, D. Stuewer, G. Toelg, Int. Mass Spectrom. Ion Proc. 71 (1986), 183 [1]; DE 15 89 389 [2]; Y. Shao and G. Horlick, Spectrochim. Acta, Vol. 46B, No. 2, 165-174 (1991) [3]).

In das Massenspektrometer gelangen die Ionen über ein meist differentielles Pumpsystem durch eine der Werkstoffprobe gegenüberliegende ca. 1 mm große Öffnung. Die Größe dieser Öffnung und der in der Quelle herrschende Druck bestimmen den sich im Massenspektrometer einstellenden Druck. Durch das benötigte hohe Vakuum im Massenspektrometer müssen daher bei hohen Drücken kleine Öffnungen verwendet werden. Der Druck des Arbeitsgases innerhalb der Quelle bestimmt neben der verwendeten Werkstoffprobe wesentlich den sich bei einer bestimmten Spannung einstellenden Entladungsstrom. Innerhalb eines weiten Arbeitsbereiches vergrößert sich mit steigendem Druck die Entladungsleistung und damit die Erosionsgeschwindigkeit.

Eine hohe Erosionsrate ist erforderlich, um möglichst schnell in das Probeninnere vorzudringen und damit effektiv tiefenaufgelöste Analysen durchführen zu können bzw. oberflächliche Verunreinigungen durch das sogenannte Vorsputtern schnell zu beseitigen. Durch die Variation des Druckes kann außerdem die Form des Kraterprofiles in Richtung einer hohen Tiefenauflösung optimiert werden.

Falls der Abstand zwischen den Elektroden kleiner ist als die mittlere freie Weglänge der Atome des Entladungsgases wird dort die Entladung begrenzt. Kleinere Abstände als ca. 0,1 mm können nicht verwendet werden, da die Re-Deposition des abgetragenen Probenmaterials auf der Probenoberfläche schnell zu Kurzschlüssen führt.

In kommerziellen und sämtlichen aus anderer Literatur bekannt gewordenen Anlagen auf dem Gebiet der GD-MS wird der Abstand zwischen den Elektroden der Entladungsquelle, d. h. zwischen Werkstoffprobe und Anode klein, typischerweise ≦ 0,5 mm gehalten. Nahezu ausschließlich werden bisher beide Elektroden in Probennähe durch isolierendes Material getrennt. Bei Steigerung der Leistung durch Erhöhung des Druckes kommt es in diesem Bereich zu Instabilitäten durch Überschläge und damit auch zur Verunreinigung des Plasmas. Das trifft sowohl für die bekannten Stäbchen- oder Pinquellen als auch für die Flachquellen zu.

In [1] und [3] wurden zylindrische Anoden angewendet, bei denen die materielle Begrenzung zwischen Anode und Kathode nicht in der Nähe der Werkstoffprobe, sondern im Außenbereich der Quelle erfolgt. Auf die effektive Evakuierung des Raumes zwischen der Anode und der Kathodenplatte gemäß [2] wurde jedoch in beiden Fällen verzichtet.

Vielmehr wird z. B. in [3] sogar durch diesen Spalt das Arbeitsgas in der Quelle eingelassen, was zu einer lokalen Druckerhöhung an dieser Stelle führt. Die bei dieser Quelle vorhandenen Absaugungen dienen ausschließlich dem Evakuieren der Quelle vor der Analyse und werden während der Analyse geschlossen.

Die Bestimmung niedrigster Elementkonzentrationen im Bereich von 10^-9 µg/g erfordert die Messung sehr hohe Innenintensitäten des Hauptelementes im Bereich von 10¹⁰ Ionen/s. Versuche haben ergeben, dass sich das Evakuieren des Zwischenraumes zwischen den Elektroden negativ auf den ins Massenspektrometer überführten Ionenstrom auswirkt. Höhere Gasdrücke und die damit verbundenen höheren Leistungen führen bei konstanter Spannung zwischen den Elektroden trotz einer erhöhten Sputterrate der Werkstoffprobe nicht zwangsläufig zu einer Erhöhung der in das Massenspektrometer überführten Teilchen und somit des analytischen Signals. Obwohl in der Literatur bisher nicht beschrieben, kann daraus geschlußfolgert werden, dass der nicht zum Massenspektrometer gerichtete Gasstrom zwischen den Elektroden den Transport der Ionen der Werkstoffprobe zum Massenspektrometer behindert.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass alle bisher bekannten Ionenquellen der GD-MS gegenüber der GD-OES in einem vergleichsweise niedrigen Druck- bzw. Leistungsbereich arbeiten. Typisch für GD-OES sind bei ∅ 8 mm und 1000 V 100 mA und in der GD-MS 10 mA. Da die Messung des Druckes in der Entladungsquelle meist nicht exakt ist und die Entladungsparameter bei einer definierten Werkstoffprobe durch Spannung und Strom definiert sind, kann auf die genaue Angabe des Druckes verzichtet werden. Erfahrungsgemäß liegt er in der GD-OES zwischen 1 und 10 Torr und in der GD-MS eine Größenordnung niedriger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ionenquelle für die Elementanalytik an festen Werkstoffproben mittels massenspektrometrischer Analyse des Plasmas einer Niederdruckgasentladung so zu gestalten, dass der Druck im Raum zwischen den Elektroden erniedrigt wird und gleichzeitig eine Erhöhung der Entladungsleistung und eine höhere mit dem Massenspektrometer gemessenen Intensität der abgesputterten Teilchen bewirkt wird.

Die Aufgabe ist bei einer Tonenquelle, bestehend aus einer Kammer, die einen Einlasskanal und einen Absaugkanal für ein Arbeitsgas sowie eine Öffnung für den Austritt der zu analysierenden Ionen in das Massenspektrometer aufweist und die mit einer Kathode und einer zylinderförmigen hohlen Anode zur Plasmaerzeugung über der Werkstoffprobe ausgestattet ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der Kammer seitlich der Öffnung für den Austritt der zu analysierenden Ionen zusätzlich ein Kanal zum Absaugen von Arbeitsgas mündet.

Vorteilhafter Weise ist der freie Querschnitt des zusätzlichen Kanals größer bemessen, als der Querschnitt der Öffnung für den Austritt der zu analysierenden Ionen.

Mit der erfindungsgemäßen Ionenquelle ist es möglich, neben der hohen Stabilität der Entladung bei hohen Leistungsdichten auch den Ionenstrom um ca. 1 Größenordnung gegenüber den bekannten Quellen zu steigern. Die erfindungsgemäße Ionenquelle ist auch für mittels Hochfrequenz-Spannung angeregte Entladungen anwendbar. Die Anwendungsfelder für die Erfindung sind die mit Gleichspannung betriebene Glimmentladungs-Massenspektrometrie (DC-GD-MS) und die hochfrequenzgestützte Glimmentladungs- Massenspektroskopie (RF-GD-MS).

Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die schematische Schnittdarstellung einer Ionenquelle,

Fig. 2 das GD-MS Spektrum einer Cu-Standardprobe mit Pb.

Die in Fig. 1 dargestellte Ionenquelle für ein Massenspektrometer ist mit einer Anode 1, einer Kathode 2 und einem Isolator 3 aufgebaut. Die Anode 1 weist eine in das Massenspektrometer mündende Öffnung 4 für den Austritt der zu analysierenden Ionen auf. Ihr gegenüber ist eine zu analysierende Werkstoffprobe 5 an der Kathode 2 angeordnet. Das Innere der Ionenquelle ist mit der Werkstoffprobe 5 und den Dichtringen 6 und 7 dicht abgeschlossen. Innerhalb der Ionenquelle wird über die Oberfläche der Werkstoffprobe 5 ein Arbeitsgas geleitet, das durch einen Einlasskanal 8 zugeführt und durch einen Absaugkanal 9 abgeführt wird. Zwischen der Kathode 2 und der Anode 1 wird das Arbeitsgas gezündet. Dadurch bildet sich ein Plasma 10, in welches das Material der auf Kathodenpotential liegenden Werkstoffprobe 5 eingetragen wird.

Vor der Austrittsöffnung 1 zum Massenspektrometer mündet in der Anode 2 ein Evakuierungskanal 11, durch den das Plasma 10 während der Durchführung der Analyse in Richtung auf die Austrittsöffnung 4 gesaugt wird. Der Querschnitt der Mündung des Evakuierungskanals 11 innerhalb der Tonenquelle ist dabei größer bemessen, als der Querschnitt der Austrittsöffnung 4. Auf diese Weise wird, obwohl der Druck des Arbeitsgases zwischen den Elektroden erniedrigt wird, in vorteilhafter Weise eine Erhöhung der Entladungsleistung und eine Erhöhung der mit dem Massenspektrometer gemessenen Intensität erreicht.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis der Analyse an einer Werkstoffprobe 5 aus Cu mit 996 µg/g Pb, die bei 650 V und 150 mA analysiert wurde. Der Matrixionenstrom des Cu lag im Bereich von 10¹⁰ Ionen/s. Aus der Intensität der Pb-Signale ist ersichtlich, dass mit ca. 30 Ionen/s je ng/g Ultraspurenanalysen möglich sind. Der Vergleich der gemessenen mit den bekannten natürlichen Isotopenverhältnissen (Werte in Klammern) beweist die hohe Stabilität der Entladung.

Claims

1. Ionenquelle für die Elementanalytik an festen Werkstoffproben mittels massenspektrometrischer Analyse des Plasmas einer Niederdruckgasentladung, bestehend aus einer Kammer zur Aufnahme der Werkstoffprobe, wobei die Kammer einen Einlasskanal und einen Absaugkanal für ein Arbeitsgas aufweist und mit einer Kathode und einer zylinderförmigen hohlen Anode ausgestattet ist, mit denen über der Werkstoffprobe ein Plasma erzeugt wird, und wobei die Kammer eine Öffnung für den Austritt der zu analysierenden Ionen in das Massenspektrometer aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer seitlich der Öffnung (4) für den Austritt der Ionen zusätzlich ein Kanal (11) zum Absaugen von Arbeitsgas mündet.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt des zusätzlichen Kanals (11) größer ist, als der Querschnitt der Öffnung (4) für den Austritt der Ionen.