Elektronik für ein ionensondenmassenspektrometer

N U C L E A R I N S T R U M E N T S AND METHODS

I28

0975) 309-3[3;

© N O R T H - H O L L A N D P U B L I S H I N G CO.

ELEKTRONIK Fl~R EIN IONENSONDENMASSENSPEKTROMETER* F. G. R12DENAUER, E. SCHOBERL, L. PRAGER and G. SILBERBAUER

Osterreichische Studiengesel/schaft fiir Atomenergie Ges.m.b.H., Institut fur Electronik, Forschungszentrum Seibersdorf, Lenaugasse 10, A-1082 Wien, Osterreich Eingegangen am 5. Februar 1975

An electrical control system for a sputter ion mass spectrometer is described. Manual or computer controlled operation of the digital and proportional programmable, high-voltage power supplies is possible.

l. Aufgabenstellung Durch Bombardement einer Festk~rperoberfl/~che mit lonen lassen sich von dieser atomare Teilchen ablt~sen. Ein Bruchteil dieser Partikel ist ionisiert. * Die Arbeit wurde vom Forschungsf0rderungsfonds gewerblichen Wirtschaft finanziell unterstiitzt.

Durch eine massenspektrometrische Analyse dieser Sekund~irionen 15.13t sich die chemische Zusamrnensetzung der Festk6rperoberfl~iche bestimmen. Die gesamte Anlage besteht aus 2 Hauptteilen: l) PrimS.rstrahlerzeugung, 2) Sekund~irionenmassenspektrometer.

der

i GLIJHFADE N

11 MAGNETSTROM Up= .10- 25kv

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EXTRAKTION

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309

RITTSSPALT

i

30- ?O'/. . U A 2 ~ 1.0- 60 "/.UA7 I L"-

±

I

310

F.G.

R O D E N A U E R et al.

1.1. PRIM.~RSTRAHLENERZEUGUNG(Fig. 1) Prim~irquelle: Zwischen einem geheizten Glfihfaden und einer Hilfsanode wird eine Bogenentladung gezlindet (1 Netzgerfit fiJr die Heizug des GliJhfadens, 1 Netzger~t fiir die Bogenspannung). Die Primfirquelle ist gegeniiber Erde isoliert und kann mit einer Beschleunigungsspannung bis auf 30 kV gegeniiber Erde angehoben werden. FLir die Fokusierung des Prim/irstrahles sind noch eine Extraktionsspannung (bestimmt Prim/irionenstrom) und 2 Linsenspannungen notwendig. Extraktionsspannung, Linsenspannung I u n d Linsenspannung II yon 0 bis 30 kV digital einstellbar und proportional zur Beschleunigungsspannung. Mit 2 Ablenkspannungen (0 bis 2 kV) l~il3t sich der Strahl in der x- und yRichtung ablenken. Der Prim~irstrahl trifft auf das Target (die zu untersuchende Probe). Die Beschleunigungsspannung der SekundS.rionen l~il3t sich durch Potential des Targets einstellen (Sekund~irbeschleunigungsspannung - 10 kV bis + 10 kV). 1.2. SEK UND.~RIONENMASSENSPEKTROMETER

Das Sekund~irionenmassenspektrometer besteht aus einem elektrostatischen und einem magnetischen Ablenksystem. Das elektrostatische System besteht aus Fokusierlinsen, Parallellverschiebungsplatten, x- und y-Ablenkplatten und speziellen Kondensatorablenkplatten. Bei s~imtlichen Spannungen mul3 die Polarit~it o.0

o.1

2R

a2

2R

umschaltbar sein, und die eingestellten Spannungen proportional zur eingestellten Sekundfirbeschleunigungsspannung geregelt werden. Die Kondensatorspannungen miissen erdfrei ausgelegt sein, damit der Nullpunkt der Spannung in einem bestimmten Bereich verschoben werden kann. S~imtliche Spannungen des Sekund~irionenmassenspektrometers bewegen sich in einen Bereich : 0-3,5 kV, 0-5 kV und 0-10 kV. 1.3. ALLGEMEINESPEZIFIKATIONEN ES wurde fiir jede Spannung ein eigenes Hochspannungsnetzger~it verwendet und die Einstellungsund Proportionalregelung auf der Niederspannungsseite ausgefiihrt. Eine Proportionalregelung mit Spannungsteilern auf der Hochspannungsseite wurde aus Kosten- und PlatzgriJnden sowie wegen extrem spezieller Bauteile (Reedrelais bis 30 kV Schaltspannung, Widerst~inde mit einigen kV Spannungsfertigkeit) verworfen. S~imtliche Spannungen sollen digital auf 1% genau einstellbar sein, die Sekund~irbeschleunigungsspannung mit Energiefenster auf 1%o genau. Stabilitfit der Spannungen 10 -3 und 10 -4 . R

R

R

~] .R I UA

03

2R

°U out

I (b) 9R

.L~o

8.1R

I

o R

out

i

Fig. 2. Digitaler Spannungsteiler.

U2 '

12R

(c)

Fig. 3. Schema fiir die Bercchnung der Ausgangsspannung eincs Bin';irteilers.

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EIN I O N E N S O N D E N M A S S E N S P E K T R O M E T E R

2. Funktioasbeschreibtmg

RB

2.1. DIGITAL EINSTELLBARERSPANNUNGSTEILER(Fig. 2) AIs Spannungsteiler wird das bekannte R/2R Netzwerk verwendet, da man mit nur einem Widerstandswert auskommt. Als Schalter k6nnen Relais oder elektronische Schalter (bipolare Transistoren C-MOS, etc.) verwendet werden. Da es zum Zeitpunkt der Planung noch keine entsprechende multiplizierenden Digital-Analogkonverter mit elektronischen Schaltern gab, wurden die R/2R Netzwerke mit Relaisschalter aufgebaut. Die Einstellung erfolgt mit Dekadenschaltern. Durch einen Spannungsteiler werden 2 identische R/2R Netzwerke zu einem 2 dekadischen BCD DigitaI-Analogkonverter kombiniert. Berechnung der Ausgangsspannung fiJr einen Binhrteiler (Fig. 3a). Superpositionsgesetz: Ui = gegeben, UA =

UAI = f ( U 1 ) , L UAI" i=1

kRI[2R

CuE)

'

,

U

I

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i

Ein¢ttlitcr

~ kR

,

k U1 l+k 2

_ _

b) U2 = gegeben, U1 =-

=

U 3 =

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U~,

U4 =

I+k+2},

3k+2 U~ = U 2 8k+8 ' U2 l+k 4 k

UA2 = - - USW.

Allgemein : UA =

,

Zchnert¢itcr

Fig. 4. Schema fiJr die Berechnung der Teilerwiderst~inde eines 2-dekadischen BCD-Teilers.

Fiir k = 0 und R r = oO : UA =

L i=1

Ui ~"

Berechnung der Teilerwiderst/inde fiir einen 2dekadischen BCD-Teiler (Fig. 4). Der lnnenwiderstand der Bin~irteiler betr/igt in jeder Stellung R. Die Belastung jeder Stufe nach rechts und nach links soil gleich sein.

(l)

Abschw~.chungsfaktor / ~/ffR

RR^ ~ = l

(2)

Aus Gin (1) und (2) ergibt sich RA = 9R,

--

I

~°~)

~R + R A f / ~ B + R + R A } 2R +

UA1

i

•

R RRA

2 R + kRI]2 R

= U,

! ,

i

I

RRA R A = R B -t- - - . R+RA

a) Ui = gegeben, U2 = U3 =/.]4 = 0 (Fig. 3b): UAI = U1

~.I '

k L U,. l + k ~ = l 2~

0 (Fig. 3c):

R a = 8,1R.

Als Widerstande werden Metallschichtwiderstande (10 kf2) mit einer Stabilit~it von 20 ppm verwendet. Der Wert yon l0 kf2 ergibt sich aus dem Abstand vom Leitwiderstand der Schutzgaskontakte (mr2) und den Clbergangswiderstanden des mechanischen Aufbaues. 2.2. PRIM.Z,RSPANNUNGSANSTEUERUNG(Fig. 5) Die 4 Hochspannungsnetzger~te mit einer Stabilit~it yon l0 -4 sind spannungsprogrammierbar, wobei eine Eingangsspannung von 0 bis + l0 V eine Ausgangsspannung yon 0 bis +30 kV ergibt (Ausgangsstrom l mA). Eine digital einstellbare (2 Dekaden BCD) Referenzspannungsquelle (0 bis +20 V) steuert fiber einen konstanten Spannungsteiler die Prim~irquellenspannung an und fiber 3 digital einstellbare (2 Dekaden BCD) Spannungsteiler werden die Extraktions, Linse Iund Linse i I-Spannungen angesteuert. Durch ver~.ndern der Referenzspannung werden alle Hochspannungsnetzgerhte proportional angesteuert. Dadurch bleibt auch bei Ver~inderung der Prim~irspannung der Strahl fokusiert.

312

F.G.

RUDENAUER et al.

spannung werden mit spannungsprogrammierbaren Hochspannungsnetzger/iten (0 bis +5 V ergibt 0 bis + 10 kV, Ausgangsstrom 1 mA) erzeugt. Die Sekund~irbeschleunigingsspannung Us und die Umkehrlinsenspannung haben eine Stabilit~it von 10 -4, alle iJbrigen 10 -3. Die Parallelverschiebung-, x-Ablenk I-, I K on~ I I ,~, ~.~ __ I "~'25~V. mv y-Ablenk-, x-Ablenk-ll-Spannung werden mit spanI leiler I I Nel~ger I Schrltte.StQb. ~ .F ~ F]- ~" nungsprogrammierbaren Hochspannungsnetzger/iten (0 bis + 5 V ergibt 0 bis + 5 kV, Ausgangsstrom I mA) I erzeugt. S~imtliche 5 kV-Spannungen haben eine - - 7 _ ..... ~ Extrokt~ Stabilit~it von 10 -3. Alle Hochspannungsnetzger~ite k/3nnen durch Hochspannungsreedrelais am Ausgang umgepolt werden. Die Ansteuerung der Netzger/ate erfolgt wieder iiber eine digital (2 Dekaden BCD) einstellbare ReferenzLtnse 1 o spannungsquelle (0 bis + 10 V). Ober einen konstanten -Netzger. J_~dte IOORA Teller und einen Summierverst~irker wird die Sekund/irbeschleunigungsspannung Us angesteuert. Auf den 2. Eingang des Summierverst/irkers kann additiv 1 kV zur eingestellten Spannung dazugez~ihlt werden (Energie-

2.3. ANSTEUERUNG DER SEKUNDA.RBESCHLEUNIGUNGS-

SPANNUNG~N(Fig. 6) Die Sekundhrbeschleunigung Us, y-Fokus I, SLinse I, S-Linse II, y-Fokus II, und die UmkehrlinsenReferenz~ngsquelte

....

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C PS-

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Fig. 5. Prim~irspannungen. 0-0,SV Energ,efenst et"

1/)

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Kondenscltor I

Kond

Fig. 6. Sekund/irbeschleunigungsspannung.

I

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KOnd II

Fig. 7. Kondensatorspannungen.

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HOCHSPANNUNG mGx

313

IONENSONDENMASSENSPEKTROMETER

~I,5KV OP Verst.

2. Tell BCO YOZU Programlm'elnOoag 0.1 R

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Fig. 8. Digital-Analog Wandler. fenster). Alle iibrigen Spannungen werden mit digitalen Spannungsteilern eingestellt und ~indern sich proportional mit der eingestellten Sekund~irbeschleunigungsspannung Us, durch die Referenzspannung bestimmt, die 1 kV Energiefensterspannung wirkt nicht auf die i?lbrigen digitalen Spannungsteiler. 2.4. KONDENSATORSPANNUNGSANSTEUERUNG(Fig. 7) Die Kondensatorspannungen werden mit Hochspannungsnetzger~,ten 0 bis 3,5 kV (Ausgangsstrom 1 mA Stabilit~it l0 -4) erzeugt. Die Hochspannung ist erdfrei ausgefiJhrt, es kann entweder der positive oder der negative Pol an Erde gelegt werden. Die Hochspannung kann mit Reedrelais umgepolt werden. Das Netzger~it liefert eine Referenzspannung yon + 10V, damit l~ii3t sich durch Widerstandsprogrammierung die Ausgangsspannung yon 0 bis 3,5 kV einstellen. Durch

eine am Ausgang iiber 2 WiderstS.nde aufgepragte Spannungen l~il3t sich der Nullpunkt der Kondensatorspannungen u m + 300 V verstellen. Die nullpunktverschiebungsspannung wird digital (2 Dekaden BCD) eingestellt und ist proportional der eingestellten Kondensatorspannung (Multiplizierender Digitalanalogkonverter). Am Ausgang der Kondensatorspannungen sind welters digital einstellbare (2 Dekaden BCD) Hochspannungsteiler (Kelvin-Varley-Divider) angebracht, mit denen man Teile der eingestellten Kondensatorspannung (30-70%, 40-60%) abgreifen kann. Die Ansteuerung der Kondensatorspannung (Fig. 8) erfolgt iJber 2 in Serie geschaltete Bin~rteiler. (Ein Teiler stellt die Proportionalit/it zu Us her, und der zweite Teiler erm6glicht die individuelle Einstellung der Kondensatorspannung). Die Bin~irteiler liegen auf Hochspannung und werden iiber Reedrelais angesteuert.