Entwicklung einer Transferoptik für ein bildgebendes Sekundärionen-Massenspektrometer

Abstract

In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Transferoptik für ein neuartiges bildgebendes Sekundärionen-Massenspektrometer basierend auf einem Zweistrahlgerät aus fokussiertem Ionenstrahl und Rasterelektronenmikroskop und einem Ionenfallen-Massenspektrometer vorgestellt. Das ionenoptische Transfersystem, welches die beiden konventionellen Ausgangsgeräte verbindet, wird aus einer elektrostatischen Transferlinse und einem hochfrequenten Ionenleitsystem aufgebaut. Zur Entwicklung und Charakterisierung der elektrostatischen Transferlinse werden sowohl Transmissionsberechnungen, als auch Berechnungen der optischen Eigenschaften in paraxialer Näherung durchgeführt. Zur Charakterisierung des Hochfrequenz-Ionenleitsystem wird das Transmissionsverhalten eines einzelnen Hochfrequenz-Oktupols über Simulationen und über die adiabatische Näherung bestimmt. Anschließend wird die Transmission des Hochfrequenz-Ionenleitsystems unter dem Einfluss von stoßbedingter Dämpfung der Ionen an einem Hintergrundgas leichter Masse im Rahmen eines Hartkugelstreumodells simuliert. Konstruktion und Aufbau sowie einige an dem Aufbau erhaltene Ergebnisse werden anhand von exemplarischen Messungen vorgestellt. Mit dem durch die Integration des ionenoptischen Transfersystems erhaltenen neuartigen bildgebenden Sekundärionen-Massenspektrometer werden eine laterale Auflösung von 1µm und eine Tiefenauflösung von 1nm erreicht.

In this study, the development of an ion optical transfer system for a novel secondary ion mass spectrometer based on a crossbeam with focused ion beam and scanning electron microscope and an ion trap mass spectrometer is presented. The ion optical transfer system connecting the conventional devices consists of an electrostatic transfer lens and a radio frequency ion guide. Development and characterisation of the electrostatic transfer lens is carried out by calculating the transmission and by calculating the optical properties in paraxial approximation. Characterisation of the radio frequency ion guide is carried out by calculating the transmission properties of a single radio frequency octupole using simulations and an approach based on adiabatic approximation. Subsequent, the transmission characteristics of the radio frequency ion guide is calculated regarding collisional cooling of the ions with a buffer gas by using a hard sphere collision model. Design and construction as well as some experimental results achieved with the obtained set up are presented based on exemplarily measurements. Using the novel dedicated secondary ion mass spectrometer with the incorporated ion optical transfer system, a lateral resolution of 1µm and a depth resolution of 1nm can be achieved.