ИЗОТРАЕКТОРНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР Российский патент 2013 года по МПК H01J49/00 

Изобретение относится к области масс-анализа потоков ионов, эмиттируемых с поверхности твердого тела под воздействием первичного излучения, и может быть использовано для улучшения аналитических свойств масс-спектрометров, используемых при исследовании объектов твердотельной микро- и нано-электроники методами вторично-ионной и лазерной масс-спектрометрии.

Для обнаружения ионов с характерными массами необходимо пространственно разделить принадлежащие им масс-спектральные линии (пики) на масс-спектрограммах. С этой точки зрения масс-анализатор как «сердце» масс-спектрометра может характеризоваться разрешающей способностью, имеющей несколько физически обоснованных определений, одно из которых формализуется следующим образом - R₁₀=m/Δm, где Δm -разность масс, необходимая для достижения впадины на 10% высоте пика между двумя соседними пиками одинаковой интенсивности на массе m и массе m+Δm.

Другой важной характеристикой приборов для масс-анализа вещества является чувствительность, которая в масс-спектрометрии определяется величиной, задающей количество вещества, которое нужно ввести в масс-спектрометр для того, чтобы оно было надежно обнаружено, и, в конечном счете, зависит от количества частиц с массой m, достигших коллектора и им зарегистрированных.

К одному из наиболее распространенных и используемых во вторично-ионной и лазерной масс-спектрометрии типов масс-спектрометров относятся анализаторы, разделение ионов по массам в которых осуществляется за счет дисперсии частиц при их движении в электромагнитном поле.

Известен масс-спектрометр с двойной фокусировкой на базе использования магнитного и электростатического полей. Ионы, имеющие одинаковую энергию, но различающиеся по массам, входят в магнитное поле перпендикулярно его направлению и пролетают через это поле по круговым траекториям под действием силы Лоренца. Радиусы их траекторий зависят от массы иона, что ведет к дисперсии по массам. Если пучок ионов проходит через щель с определенным углом, то фокус этого пучка лежит позади магнитного поля. Регистрация ионов с различными массами реализуется путем помещения щели (выходной диафрагмы) в точке фокуса позади магнитного поля, что приводит к четко определенным соответствиям масс и радиусов траекторий и возможности выбора специфической массы. Уменьшение ширины щели может быть использовано для увеличения масс-спектрального разрешения, но только в том случае, если ионы являются моноэнергетичными, поскольку любое распределение по энергиям будет ухудшать разрешение.

Для достижения высокого разрешения используется дисперсия энергии частиц в электрическом поле, компенсирующая дисперсию энергии магнита так, чтобы осталась только дисперсия по массам. Магнитный и электростатический анализаторы обладают свойством угловой фокусировки второго порядка и их комбинация фокусирует заряженные частицы и по углам и по энергиям. По этой причине масс-спектрометры с такими анализаторами называют приборами с двойной фокусировкой. Традиционно электростатический анализатор помещается перед магнитом с размещаемой между ними промежуточной диафрагмой. Электростатический анализатор с отклонением 90° в комбинации с магнитным с отклонением 60° известен как геометрия Нира- Джонсона [1].

К недостатку известного устройства относится низкая чувствительность, обусловленная отсутствием аксиальной симметрии и поэтому малым входным телесным углом (светосилой) системы в целом, а также ограниченная вкладом в регистрируемый полезный сигнал тока ионов, находящихся лишь в узкой полосе начальных энергий, пропущенных электростатической ступенью.

Наиболее близким к предлагаемому является аксиально-симметричный изотраекторный масс-спектрометр на основе простой в изготовлении электродной системы типа цилиндрический конденсатор [2], предназначенный для исследований импульсных потоков (пакетов ионов). Данный прибор построен на принципах изотраекторной оптики, заключающихся в том, что электрические поля, убывающие по закону как 1/t², обеспечивают движение пакета ионов с любой массой m по одним и тем же траекториям вне зависимости от их энергии, т.е. реализуют изохорный режим с идеальной фокусировкой по энергии. Здесь t - время движения пакета частиц, начиная с момента его вылета из источника. Ионы с массой, отличной от m, движутся по другим траекториям, что приводит к дисперсии по массам. Рассматриваемый изотраекторный цилиндрический масс-спектрометр содержит коаксиально расположенные внешний и внутренний цилиндры, формирующие поле цилиндрического конденсатора; приемник частиц с размещенной перед ним дырочной диафрагмой и блок развертки потенциала V=c(m)/t², подключенный к внешнему цилиндру спектрометра. Здесь c(m) - заданный постоянный параметр при регистрации ионов массы m, зависящий от конкретной конструкции спектрометра.

Регистрация коллектором пакета вторичных ионов, эмиттированных с поверхности исследуемого объекта за счет воздействия первичного излучения (ионы, лазерные импульсы) и имеющих определенную массу m и произвольную кинетическую энергию, достигается размещением в точке пересечения их траекторий с осью симметрии системы дырочной диафрагмы и подачей на внешний цилиндрический электрод отклоняющего потенциала V=c(m)/t². Для регистрации пакета ионов другой массы задается соответствующая константа с(m), обеспечивающая прохождение ионов с этой массой через отверстие выходной диафрагмы. Для получения всего спектра масс константа с(m) постепенно меняется с помощью блока развертки при регистрации с некоторой заданной скоростью, значительно более низкой, по сравнению со скоростью движения частиц в спектрометре.

К недостаткам известного устройства относится малая светосила, порядка долей процента, обусловленная отсутствием угловой фокусировки ионного потока, что является ограничением на величину чувствительности масс-анализа вещества.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в улучшении основного эксплуатационного параметра масс-спектрометров - чувствительности за счет увеличения входного телесного угла (светосилы).

На фиг.1 приведена схема предлагаемого масс-спектрометра.

Решение указанной задачи достигается тем, что аксиально-симметричный изотраекторный масс-спектрометр пакета ионов содержит коаксиально размещенные внутренний цилиндрический 1 и внешний конусообразный 2 электроды, экранирующий электрод 3 коробчатого типа, электрически и механически связанный с внутренним цилиндрическим электродом 1; выполненную на боковой поверхности внутреннего цилиндрического электрода 1 и затянутую мелкоструктурной металлической сеткой входную кольцевую прорезь 4 (входное окно) для пролета пакета вторичных ионов 10, выходную кольцевую диафрагму 5, выполненную на боковой поверхности внутреннего цилиндрического электрода 1; исследуемый образец 6, приемник ионов 7, блок развертки потенциала 8 по закону обратной пропорциональности квадрату времени движения пакета частиц. При этом внешний конусообразный электрод 2, помещенный внутри экранирующего электрода 3 коробчатого типа, формирует электрическое поле в рабочем пространстве спектрометра, обеспечивающее угловую фокусировку четвертого порядка вблизи центрального угла 40°, что позволяет достичь величины светосилы Ω/2π по порядку значений 10% и, тем самым, значительно превысить практически допустимый уровень чувствительности при масс-анализе вещества.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый образец 6 облучается импульсным потоком первичных микрочастиц (ионов, квантов лазерного излучения) 9, в результате чего образец 6 испускает пакет вторичных ионов 10, который преодолев пространство свободного дрейфа за счет начальной энергии Е между образцом 6 и внутренним цилиндрическим электродом 1, через входное окно 4 во внутреннем цилиндрическом электроде 1, затянутое мелкоструктурной металлической сеткой, попадает в отклоняющее и фокусирующее электрическое поле, созданное отрицательным потенциалом V=c(m)/t² на внешнем конусообразном электроде 8, где t - время, отсчитываемое от начала движения пакета вторичных ионов. Сфокусированный пакет ионов 11 с массой m и во всем диапазоне начальных энергией Е, вследствие реализации в системе изотраекторного режима, проходит через выходную кольцевую диафрагму 5 и попадает на приемник 7 ионов. Поток ионов 12, с массой отличной от массы m, отсекается выходной диафрагмой 5 и оседает на стенках масс-спектрометра.

Внутренний цилиндрический электрод 1 и экранирующий электрод 3 спектрометра, а также образец 6 заземлены. Экранирующий электрод 3 выполняет роль электростатического экрана.

Изотраекторный масс-спектрометр имеет полосовую функцию пропускания, т.е. на вход приемника 7 попадают ионы, масса которых лежит в определенной полосе Δm. Дискретным изменением константы с(m), задающей в каждом акте регистрации отклоняющий потенциал V=c(m)/t², через интервал времени, превышающий время полета частиц от образца 6 до приемника 7, можно снять весь массовый спектр ионов, испускаемых образцом 6.

В регистрирующем устройстве (не показано), соединенном с приемником 7, масс-спектр анализируется, в результате чего выявляются массовые пики ионов, по которым можно судить об элементном составе поверхности образца.

При внешнем радиусе экранирующего электрода 3, равном 51 мм, длина устройства составляет 47 мм, радиус внутреннего цилиндрического электрода 1 составляет 10 мм, угол наклона образующей конуса конусообразного электрода 2 по отношению к оси симметрии приблизительно равен 40°, протяженность конусообразного электрода 2 вдоль оси симметрии составляет около 21.5 мм, задающая отклоняющий потенциал V=c(m)/t² для центральной массы m=0.993 константа с(m)=9, ширина выходной диафрагмы 5 составляет около 0.5 мм.

Масс-спектрометр обладает угловой фокусировкой четвертого порядка типа «ось-кольцо» и обеспечивает разрешающую способность m/Δm=500 при светосиле порядка 10%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Edgar G. Johnson and Alfred O. Nier. Angular Aberrations in Sector Shaped Electromagnetic Lenses for Focusing Beams of Charged Particles // Phys. Rev. - 1953.- V.91. - P.10.

2. Матышев А.А. Изотраекторная корпускулярная оптика,- СПб.: «Наука», 2000. - 375 с.

Изобретение относится к области масс-анализа потоков ионов, эмиттируемых с поверхности твердого тела под воздействием первичного излучения, и может быть использовано для улучшения аналитических свойств масс-спектрометров, используемых для исследования объектов твердотельной микро- и нано-электроники методами вторично-ионной и лазерной масс-спектрометрии. Технический результат - улучшение чувствительности масс-спектрометров. Изотраекторный масс-спектрометр заряженных частиц обеспечивает угловую фокусировку четвертого порядка типа «ось-кольцо» с центральным углом около 40°, что позволяет достичь величины светосилы Ω/2π по порядку значений 10% и, тем самым, значительно превысить практически допустимый уровень чувствительности при масс-анализе вещества. 1 ил.

Аксиально-симметричный изотраекторный масс-спектрометр пакетов ионов, содержащий коаксиально размещенные внутренний цилиндрический и внешний конусообразный электроды, экранирующий электрод коробчатого типа, электрически и механически связанный с внутренним цилиндрическим электродом; выполненную на боковой поверхности внутреннего цилиндрического электрода и затянутую мелкоструктурной металлической сеткой входную кольцевую прорезь (входное окно) для пролета пакета вторичных ионов, выходную кольцевую диафрагму, выполненную на боковой поверхности внутреннего цилиндрического электрода; исследуемый образец, приемник ионов, блок развертки потенциала по закону обратной пропорциональности квадрату времени движения пакета частиц, отличающийся тем, что внешний конусообразный электрод, помещенный внутри экранирующего электрода, формирует электрическое поле в рабочем пространстве спектрометра, обеспечивающее угловую фокусировку четвертого порядка вблизи центрального угла 40°.