DE2534796A1

DE2534796A1 - Ionen-elektronen-konverter

Info

Publication number: DE2534796A1
Application number: DE19752534796
Authority: DE
Inventors: Wolfgang O Dipl Ing Dr R Hofer; Juergen Dipl Phys Dr Kirschner
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1975-08-04
Filing date: 1975-08-04
Publication date: 1977-02-10
Also published as: DE2534796B2; DE2534796C3; US4101771A

Description

Ionen-Elektronen-Konverter (IEK) werden seit längerem zum Nachweis von Ionenströmen sowie für Untersuchungen des Mechanismus der Sekundärelektronenemxssxon durch Ionenbeschuß verwendet. Beim Nachweis von Ionenströmen werden die nachzuweisenden Ionen auf eine elektronenemissionsfähige Festkörperoder Sekundäremxssionselektrode (SE-Elektrode) beschleunigt und der Strom der durch den Ionenbeschuß ausgelösten Sekundärelektronen wird mit Hilfe eines Elektronendetektors, z.B. eines Halbleiter- oder Festkörperdetektors gemessen. Mit Ionen-Beschleunigungsspannungen von 20 kV und darüber sowie durch schrägen Ioneneinfall lassen sich hohe SE-Emissionskoeffizienten erreichen, so daß mit dem IEK Ionenströme mit Stromstärken

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bis herunter zu 10 A gemessen werden können. IEK und ihre Verwendung sind z.B. in den folgenden. Veröffentlichungen beschrieben: Z. Physik 145 (1956) 44; J. Vakuum Sci.Technol. 8 (71) 384; J. Vakuum Sci.Technol. 10 (73) 204; J. Appl. Phys. 43, (72) 2617, und insbesondere Rev. Sei. Instr. _42 Nr. 9 (1971) S. 1353-55.

Bei den bekannten IEK bereitet jedoch oft eine vollständige Erfassung der Sekundärelektronen Schwierigkeiten, außerdem tritt oft infolge der hohen Feldstärken eine störende Feld elektronenemission auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Ionen-Elektronen-Konverter anzugeben, der eine effektive Sammlung der Sekundärelektronen gewährleistet und sich durch niedrige Feldelektronenemission auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der IEK gemäß der Erfindung zeichnet sich durch hohe Meßgenauigkeit aus, da die Sekundärelektronen reproduzierbar erzeugt und praktisch vollständig erfaßt werden, gleichzeitig wird eine Verfälschung der Meßergebnisse durch Feldelektronenemission praktisch völlig vermieden. Die Potentialverhältnisse lassen sich leicht optimieren und es lassen sich höhere Empfindlichkeiten erzielen als mit den bekannten IEK.

Der kompakte Aufbau und die hohe Nachweisempfindlichkeit des IEK gemäß der Erfindung machen ihn ganz allgemein zum Nachweis von positiven Ionenströmen im Hoch- und Ultrahochvakuum geeignet. Vor allem in der Massenspektrometrie ist sein Einsatz vorteilhaft, weil durch die hohen erreichbaren Betriebsspannungen der Massendiskriminationseffekt klein gehalten werden kann. Wenn zum Nachweis der Sekundärelektronen ein Szintillationszähler verwendet wird, so lassen sich Zählfrequenzen bis über 100 MHz

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ORIGfNAL INSPECTED

erreichen, während mit einem Oberflächensperrschichtdetektor eine Auflösung des Sekundärelektronenspektrums in einzelne Elektronengruppen möglich ist.

Der vorliegende IEK ist außerdem unempfindlich gegen Neutralteilchen und Photonen, damit ist ein hohes Signal/ Untergrund-Verhältnis erreichbar.

Bei der Anwendung in der Sekundärionen-Massenspektrometrie ("SIMS", siehe z.B. DT-OS 2 414 221) ermöglicht der vorliegende IEK eine Entscheidung darüber, ob eine Massenlinie einem Atom- oder einem Molekülion zuzuordnen ist (sog. Masseninterferenz), da die Sekundärelektronen von Molekülionen sich von denen der Atomionen bezüglich ihrer Häufigkeitsverteilung (Sekundäremissionskoeffizient) unterscheiden.

Ein Ausführungsbeispiel eines Ionen-Elektronen-Konverters gemäß der Erfindung ist in der einzigen Figur der Zeichnung im Axialschnitt dargestellt.

Der als spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte IEK enthält eine rohrförmige, rotationssymmetrische Konverter- oder Sekundäremissionselektrode 10 (SE-Elektrode), die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine zylinderförmige Außenfläche hat. Die Innenfläche hat z.B. etwa die Form einer Sanduhr und bildet eine blendenartige Verengung mit einer axialen Durchbrechung 12, die im Betrieb von den nachzuweisenden Ionen durchlaufen wird. Der in der Zeichnung untere Teil der Innenfläche der SE-Elektrode umschließt einen Konverterraum 14 und bildet eine an die Durchbrechung 12 angrenzende konkave, insbesondere halbkugelförmige Sekundäremissionsfläche 16, an dem sich ein zylinderischer Teil der Innenfläche anschließt. Alle Ränder der SE-Elektrode 10 und der anderen Elektroden sind, wie dargestellt, abgerundet.

Im Konverterraum 14 befindet sich ein Elektronendetektor 18, der aus irgendeiner geeigneten Einrichtung zum Nachweis von Elektronen " bestehen kann, z.B. aus einem Szintilla-

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tionsdetektor oder einem Oberflächensperrschicht-Halbleiterdetektor.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Elektronendetektor 18 ein Halbleiterdetektor und von einer rohrförmigen koaxialen Hilfselektrode 20 umgeben, deren der Durchbrechung 12 zugewandtes Ende, bei dem sich der Elektronendetektor 18 befindet, geringfügig blendenartig verengt ist, um die Randbereiche des Halbleiterdetektors abzuschirmen.

Auf der Eintrittsseite der Ionen hat die Innenfläche der SE-Elektrode 10 angrenzend an die Durchbrechung 12 einen schalenförmigen Teil, der etwa die Form einer Hälfte eines flachen Rotationsellipsoids haben kann während der an das Ende der Elektrode angrenzende Teil der Innenwand zylinderisch ist.

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Der dargestellte IEK hat also einen rotationssymmetrischen Aufbau bezüglich einer durch die Durchbrechung 12 gehenden Achse 22.

Die Eintrittsseite der SE-Elektrode 10 braucht nicht die in der Zeichnung dargestellte Form zu haben. Die Eintrittsseite oder der Vorderteil der SE-Elektrode dient in erster Linie zur ionenoptischen Anpassung des IEK an eine Ionenquelle 24 oder an zwischen der Ionenquelle und dem IEK angeordnete (in der Zeichnung nicht dargestellt) ionenoptische Einrichtungen, wie Linsen, Hochpaßglieder (die mit der Tiefpaßcharakteristik des IEK eine. Bandf i,ltercharakteristik ergeben) u.a.m. Die SE-Elektrode 10 kann also z.B. an der der Ionenquelle 24 zugewandten Seite eine ebene Stirnfläche oder eine zur Ionenquelle hin konvexe Stirnseite haben.

Zum Nachweis von Ionen mit einer bestimmten Strahlspannung muß vor dem Elektronendetektor 18 durch diesen und die Hilfselektrode 20 ein Gegenfeld für die Ionenumkehr aufgebaut werden. Hierfür muß das Potential von Elektronendetektor 18 und Hilfselektrode 20 etwas größer (z.B. um einige 100 Volt) sein als die Strahlspannung der nachzuweisenden Ionen. Das Potential der SE-Elektrode IO muß hingegen unter

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der Ionenstrahlspannung liegen, wobei die Differenz im allgemeinen nicht geringer als etwa 10 kV. sein sollte, um eine effektive Sekundärelektronenauslösung zu gewährleisten.

Wenn beispielsweise die von der Ionenquelle 24 emittierten Ionen eine Beschleunigungsspannung von 1 kV haben, so kann die Spannung an der SE-Elektrode 10 z.B. etwa -20 kV, das Potential an der Hilfselektrode 20 etwa +5 kV betragen. Die Spannung am Elektronendetektor 18 ist gleich oder etwas kleiner als die Spannung an der Hilfselektrode.

Zur Verminderung von Verlusten durch Ionen, welche durch die Durchbrechung 12 reflektiert werden, ohne die Sekundäremissionsfläche 16 zu erreichen, kann zwischen der Ionenquelle 24 und dem IEK eine ionenoptische Linse angeordnet werden, die die Divergenz des Ionenstrahls erhöht, oder der IEK kann bezüglxch der Ionenquelle 24, wie dargestellt, so angeordnet werden, daß der Ionenstrahl 26 schräg zur Achse 22 verläuft. Schließlich kann man auch das die Ionen reflektierende Feld durch Abweichungen von der Rotationssymmetrie so ausbilden, daß die Ionen in erster Linie zur Sekundäremissionsfläche 16 und nur in geringem Maße durch die Durchbrechung 12 reflektiert werden.

Die Sekundäremissionsfläche 16 braucht nicht kugelkalottenförmig zu sein, sie kann auch die Form eines Teiles einer Fläche höherer Ordnung, z.B. eines Rotationsellipsoides haben. Die Sekundäremissionselektrode 10 kann aus irgendeinem bekannten sekundärelektronenemissionsfähigen Material wie Edelstahl bestehen oder im Bereich der Sekundäremissionsfläche 16 mit einem sekundäremissionsfähigem Material wie Cu-Be, MgO, usw. beschichtet sein.

Bei dem vorliegenden IEK erfolgt die Fokussierung der Sekundärelektronen auf den Elektronendetektor im selben Potentialfeld, das auch die Umlenkung des nachzuweisenden Ionenstroms auf die Sekundäremissionselektrode bewirkt.

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Hierdurch wrden ein hoher Erfassungsgrad für die Sekundärelektronen und eine Verringerung des₄Untergrundbeitrages durch Feldelektronen erreicht, letzteres da die Sekundärelektronenauslösung im Bereich niedriger Feldstärken erfolgt. Wegen der leichten Berechenbarkeit der axialsymmetrischen ionenoptischen Bedingungen lassen sich außerdem die Potentialverhältnisse bezüglich Ionenreflexion und Sekundärelektronenfokussierung einfach optimieren.

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Claims

Patentansprüche

^l.) Ionen-Elektronen-Konverter mit einer elektronenemissionsfähigen Sekundäremissionselektrode, die in einem Vakuumraum im Wege der von einer Ionenquelle ausgehenden Ionen angeordnet ist, eine von den Ionen durchlaufene Durchbrechung aufweist und auf der der Ionenquelle abgewandten Seite eine Sekundäremissionsflache bildet, ferner mit einer Anordnung zum Reflektieren der Ionen, die die Durchbrechung durchlaufen haben, auf die Sekundäremissionsfläche, und mit einem Sekundärelektronendetektor zum Erfassen der von den Ionen an der Sekundäremissionsfläche ausgelösten Sekundärelektronen, dadurch gekennzeichnet , daß die Sekundäremissionsfläche bezüglich des Sekundärelektronendetektors (18) konkav ist.
2.) Ionen-Elektronen-Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Sekundäremissionsfläche (16) zumindest den die Sekundärelektronen aufnehmenden Teil des Sekundärelektronendetektors (18) umschließt.
3.) Ionen-Elektronen-Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronendetektor (18) von einer zur Sekundäremissionsflache (16) hin offenen Hilfselektrode (20) umgeben ist.
4.) Ionen-Elektronen-Konverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfselektrode (20) zylindrisch ist.
5.) Ionen-Elektronen-Konverter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das der Durchbrechung (12) zugewandte Ende der zylinderischen Hilfselektrode (20) blendenartig verengt ist, und daß der Elektronendetektor (18) sich im nahen Abstand hinter dieser Verengung befindet.
6.) Ionen-Elektronen-Konverter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Elektronendetektor ein Halbleiterdetektor ist, dessen Randbereiche durch die blenden-

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artige Verengung gegen Elektroneneinfall abgeschirmt sind.
7.) Ionen-Elektronen-Konverter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Sekundäremissionsfläche (16) bildende Oberfläche der Sekundäremissionselektrode (10) wenigstens annähernd kugelkalottenförmig ist und symmetrisch zur Achse (22) der Durchbrechung (12) verläuft.
8.) Ionen-Elektronen-Konverter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Sekundäremissionsfläche (16) bildende Oberfläche der Sekundäremissionselektrode (10) die Form einer Fläche höherer Ordnung hat.
9.) Ionen-Elektronen-Konverter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Sekundäremissionsfläche (16) ein im wesentlichen zylindrischer Teil der Innenwand der Sekundäremissionselektrode anschließt.
10.) Ionen-Elektronen-Konverter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundäremissionselektrode (10) eine im Querschnitt etwa sanduhrformige Oberfläche hat.
11.) Ionen-Elektronen-Konverter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich der durch die Durchbrechung (12) gehenden Achse (22) ist.
12.) Ionen-Elektronen-Konverter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Ionenquelle (24) und der Durchbrechung (12) eine die Divergenz des Ionenstrahlbündels erhöhende ionenoptische Einrichtung befindet.
13.) Ionen-Elektronen-Konverter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Ionenquelle seitlich von der durch die Durchbrechung (12) gehenden Achse (22) angeordnet ipt.

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