Способ энерго-масс-спектрометрического анализа вторичных ионов и устройство для энергомасспектрометрического анализа вторичных ионов Советский патент 1989 года по МПК H01J49/26 H01J49/44 

11

Изобретение относится к массоспек рометрии, а именно квадрупольчмм массоспектрометрам для анализ а поверности методом вторичной ионной эмис- сии.

Цель изобретения - увеличение чувствительности энергомассоспектромет- рического анализа и сохранение массо спектрометрического разрешения пр развертке по спектру анализируемых энергий вторичных ионов и регулировке щирины энергетического окна при энергоанализе.

Сущность предложения состоит в том что в бесполевом пространстве над образцом путем диафрагмирования формируют пучок анализируемых вторичных ионов в виде расходящегося полого конического пучка, увеличивают начальную энергию ионов, вводя их в ускоряющее ocecи шeтpичнoe электрическое поле, вводят эти номы в диспергирующее по энергиям осесимметричное электричес- кое поле в направлении его эквипо- тенциали, значение которой равно потенциалу последней эквипотенциали ускоряющего поля, выводят ионы анализируемого диапазона энергий из дис- пергирую1цего по энергиям поля под углом к его граничной эквипотенциали с увеличением их энергии, а все мешающие компоненты вторично-ионного излучения - в направлении эквипотен- циалей этого пoляj диафрагмирование выделяют из ионов анализируемого диапазона энергий ионы в желаемом интервале энергий (энергетическом окне) ± д со средним значением их на- чальной энергии , вводят их в осесимметричное тормозящее фокусирующее электрическое поле и фокусируют этим полем на вход высокочастотного диспергирующего по массам гиперболического поля квадрупольного анализатора, с торможением до значения.энергий, обеспечивающих постоянство наибольшей скорости их движения вдоль оси анализатора, при этом изменение ширины энергетического окна, развертку по спектру начальных энергий анализируемых ионов и торможение ионов до энергий их движения вдоль поля анализатфра осуществляют согласованным изменением ускоряющего, диспергирующего по энергиям и тормозящего полей в соответствии с соотношениями

-;(е- -J(eЛб )i &);

20

ю

15

25 30 40с

35

V i(e +ue- с),

где V - значение граничной эквипо- тенциали ускоряющего поля;

W - значение граничной эквипо- тенциали диспергирующего по энергиям поля;

и - значение граничной эквипо- тенциали тормозящего поля, равной потенциалу оси поля анализатора; ,

е - заряд иона;

а,Ь - постоянные, связанные с -разрешением по знергии Р посредством следую1цих равенств

2 R

ь I (, - f.,,

где Wjj - значение граничной эквипотен- циали диспергирующего поля, соответствующее условию энергомассоспектрометрйчес- кого анализа частиц со средней начальной энергией Е при нулевом значении граничной потенциали V ускоряющего поля.

Поэтому выбор величин а, в осуществляется, исходя из требуемого значения разрешения по энергии R,

Выбор постоянной с, как следует из физического смысла соотношения

,

25 30 40с

0

5

приведенного в формуле изобретения, определяется требованием массоспект- рометрического разрешения, максимальная начальная энергия вторичных ионов, пропускаемых на масс- анализ, eU - энергия, которую эти ионы теряют при входе в масс-анализи- рующее поле. Следовательно, физический смысл с - это максимальная энергия движения ионов в направлении оси масс-анализирующего поля. Именно эта энергия определяет время движения ионов через масс-анализирующее поле, число колебаний иона в этом поле и получаемое массоспектрометрическое разрешение.

3

В связи с изложенным постоянные айв безразмерны, а с измеряется в единицах энергии, например в элекрон-вольтах.

Положительньй эгЬфект состоит в следующем,

При предлагаемом способе энерго- массанализа значительно (в 100 и более раз) возрастает чувствительность, так как исходные ионы вводят в область диспергирующего по энерги поля не через отверстие малого диамра, а через кольцевую щель, ширина которой равна диаметру этого отверс тин, тогда как площадь во много раз превышает площадь упомянутого отверстия.

Фокусировка пучка анализируемых ионов н.а вход квадрупольного масс- анализатора, выделенных в заданном энергетическом окне и с заданной среней начальной энергией с одновременным торможением до значения максимально допустимой энергии, обеспечи- вающей достижение требуемого массо- спектрометрического разделения, позвляет осуществлять развертку по энергии или увеличение ширины энергетического окна пропускаемых на масс- анализ ионов без изменения разрешающей способности по массам.

Цель изобретения - повышение чувс вительности устройства для энерго- масСоспектрометрического анализатор вторичных ионов и сохранение его массоспектрометрического разрешения при регулировке ширины энергетического окна и развертке по спектру анали

На фиг.1 изображены источник 1 первичного ионного пучка, первичный ионный пучок 2, ана;п зируемый образец 3, квадрупольный масс-анализа- тор 4, ось 5 которого проходит через точку 6 пересечения первичного ионного пучка с образцом, высокочас- тотный генератор 7 с парафазным выходом, где точка 8 - средняя точка 30 парафазиого выхода этого генератора, электроды 9 масс-анализатора,соединенные с клеммами парафазного выхода этого генератора, первый-конический электрод 10 энергоанализатора, Зц потенциал которого равен потенциалу образца, второй конический электрод 11 энергоанализатора, соосные входные кольцевые отверстия -12 и 13 в указанных электродах, предназначензируемого диапазона энергий вторичных „,,; ll ...-w..., ,ч-..-о.а..„

. 40 чые для ввода анализируемых вторичных

ионов.

Сущность предлагаемого устройства состоит в том, что ось масс-анализатора проходит через анализируемый учас- ток образца, а энергоанализатор выпол- гоанализа нен в виде шести последовательно

установленных между образцом и масс- анализатором соосно масс-анализатору конических электродов, два первые из которых обращены вершинами к масс- анализатору и снабжены кольцевыми отверстиями, соосными оси масс-анализатора; третий и четвертый, обращенные вершинами к образцу, имеют форму усеченных конусов, вложенных один в другой с кольцевым зазором, в который обращены упомянутые кольцевые отвер с- тия, пятый конус установлен внутри четвертого конуса, выполнен оптически

ионов в кольцевой зазор между третьим коническим электродом 14 и четвертым коническим электродом 15, между которыми расположена область 16 энеркольцевое отверстие 17 в четвертом коническом электроде, к которому обращен своей боковой поверхностью оптически прозрачный пятый конический электрод 18, отверстие 19 в тонкостенном основании четвертого конического электрода, шестой конический электрод 20, траектории 21 анализируемых ионов в энергоанализаторе, направление 22 движения через 55 энергоанализатор мешающих высокоэнергетических частиц и излучений, а также нейтральной компоненты, корпус 23 масс-анализатора, который обычно имеет тот же потенциал, что

50

10

прозрачным, обра1цен вершиной к образцу, а боковой поверхностью к кольцевому отверстию, выполненному в четвертом конусе; шестой конус выполнен усеченным, обра1чен вершиной к масс- анализатору и установлен перед соос- ным оси масс-анализатора отверстием, выполненном в основании, которым снабжен четвертый конус; а образец электрически соединен со средней точкой парафазного выхода высокочастотного генератора через источник электрического напряжения постоянного тока, знак полюса которого, соединенного с образцом, обратен знаку заряда анализируемых ионов.

На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого устройства; на фиг.2 - схема поясняющая способ.

На фиг.1 изображены источник 1 первичного ионного пучка, первичный ионный пучок 2, ана;п зируемый образец 3, квадрупольный масс-анализа- тор 4, ось 5 которого проходит через точку 6 пересечения первичного ионного пучка с образцом, высокочас- тотный генератор 7 с парафазным выходом, где точка 8 - средняя точка 0 парафазиого выхода этого генератора, электроды 9 масс-анализатора,соединенные с клеммами парафазного выхода этого генератора, первый-конический электрод 10 энергоанализатора, ц потенциал которого равен потенциалу образца, второй конический электрод 11 энергоанализатора, соосные входные кольцевые отверстия -12 и 13 в указанных электродах, предназначен„,,; ll ...-w..., ,ч-..-о.а..„

гоанализа

ионов в кольцевой зазор между третьим коническим электродом 14 и четвертым коническим электродом 15, между которыми расположена область 16 энеркольцевое отверстие 17 в четвертом коническом электроде, к которому обращен своей боковой поверхностью оптически прозрачный пятый конический электрод 18, отверстие 19 в тонкостенном основании четвертого конического электрода, шестой конический электрод 20, траектории 21 анализируемых ионов в энергоанализаторе, направление 22 движения через 5 энергоанализатор мешающих высокоэнергетических частиц и излучений, а также нейтральной компоненты, корпус 23 масс-анализатора, который обычно имеет тот же потенциал, что

0

5 -

и потенциал на оси масс-анализатора, Ионы с заданным средним значени- экран 24 энергоанализатора, потен-ем их начальной энергии и энерге- циал которого равен потенциалу ана-тическим отклонением от этого значе- лизируемого образца, источник 25 gния±а Фокусируются на отверстие в электрического напряжения постоянноготонкостенном плоском основании чет- тока, через который средняя точкавертого конического электрода и вво- парафазного выхода высокочастотногодятся в область поля шестого коничес- генератора соединена с образцом. кого электрода. В тормозящем поле

Работа устройства происходит еле- 10шестого электрода ионы фокусируются

дующим образом.на вход масс-анализатора и одновреСфокусированный пучок первичныхменно тормозятся разностью потенцит ионов высокой энергии, обычно 10-aлoвq 5 U, приложенной между об- 25 кэв, направляется на поверхностьразцом и осью масс-анализатора анализируемого образца. Возникающие 15(фиг.2), так что их максимальная в области бомбардировки продукты вто- энергия движения вдоль оси масс-ана- ричного излучения, в том числе вто-лизатора оказывается равной Е + и - ричные ионы, интенсивность которых-gU const. Значение этой константы относительно норм к поверхности об-задается исходя из требуемой разреша- разца носит косинусоидальный харак- 20ющей способности по массам, тер, двигаясь в бесполевом пространст- Положительный эффект предлагаемого ве по прямолинейным траекториям, ра-устройства по сравнению с известным диально расходятся от области ихсостоит в следующем, возникновения на образце. Часть этих. Существенно ( -- 10) раз- повышена продуктов поступает в кольцевое от- 25чувствительность устройства примене- верстие в первом коническом элект- .нием высокосветосильного кольцевого роде, увеличивает свою энергию в про--отверстия, ширина которого равна ди- межутке между первым и вторым коничес--аметру входного отверстия известного кими электродами на величину еСр, eVустройства и площадь в 100 и более (фиг.2), где е - заряд частицы, V - 30раз превышает площадь его входного . потенциал на втором электроде относи отверстия, а также применением опти- тельно образца, и вводится в областьки энергоанализатора, пропускающей диспергирующего по энергиям поля меж-без потерь ионы в полном угле 21Г . ду третьим и четвертым коническими Улучшена экранировка входа квад- электродами. Вторичные ионы анализи- 35 рупольного анализатора от частиц руемого диапазона энергий отклоняютсявысоких энергий, излучений и нейт- этим полем к четвертому коническому .ральной компоненты. Влияние этих ком- электроду, увеличивая свою энергиюпонент значительно снижено, когда относительно начального ее значениягеометрия энергоанализатора (выбором на в еличину e(((f.) eW, где W - 40ширины входного кольцевого отверстия, потенциал на .четвертом коническома также длины третьего и четвертого электроде относительно образца, аконических электродов и ширины зазо- выводятся под углом к этому электродура между ними) обеспечивает опти- в щелевое отверстие в нем в направ-ческую затененность рабочих поверх- лении пятого конического электрода, 45ностей третьего и четвертого кони- который выполнен оптически прозрач-ческих электродов относительно точки ным и играет вспомогательную роль,пересечения первичного ионного пуч- позволяя уменьшить угол наклона ион-ка с образцом, как это показано «а ных траекторий относительно оси энер-фиг.1. Это практически исключает так- тоанализатора в целях улучшения ка- 50же запыление внутренних поверхностей чества фокусировки ионов на отверс-энергоанализатора, возникновение эф- тие в торце четвертого коническогофектов памяти и зарядки этих поверх электрода. При этом мешающие высоко-ностей.

энергетические частицы излучения и Обеспечена неизменность массонейтральная компонента выводятся че- 55спектрометрического разрешения при

рез щелевой зазор меаду третьим исканировании по спектру начальных

четвертым коническими электродами,энергий ионов и изменению энергетичем исключается их влияние на процесс ческого разброса вторичных ионов,

энергомассоанализа.пропускаемых на масс-анализ.

7

В испытываемом макете предлагаемого устройства потенциалы на его электродах (фиг.2), при которых обеспечивается пропускание на масс-анали вторичных положительно заряженных ионов.со средней начальной энергией 15 эВ при энергетическом окне энергоанализатора -2,5 эВ и наибольшей энергии движения ионов вдоль оси масс-анализатора, равной 5 эВ, равны (относительно образца): на первом коническом электроде - потенциалу образца, на втором коническом электроде Ср, -235 В, на третьем коническом электроде с, -t-Cf i 200 В, на четвертом коническом .электроде Ч гг -535 В, на пятом коническом электроде Cf -60 В, на шестом коническом электроде 19,9В, на оси и корпусе масс-.шализатора tf5 12,5В

Формула

изобретения

1.Способ энергомассоспектрометри- ческого анализа вторичных ионов , заключающийся в формировании в беспо- левом пространстве над образцом пучвале энергий Е -лБ, вводят их в осесимметричное тормозящее электрическое поле и фокусируют этим полем на вход высокочастотного диспергирующего по массам поля квадрупольного |Масс-анализатора с торможением до значения их энергий, обеспечивающих постоянство наиболыией скорости их движения вдоль поля масс-а«ализа- тора, при этом изменение ширины энергетического окна, развертку по спектру анализируемого диапазона энергий и торможение до энергий движения ионов вдоль поля масс-анализатора, осука вторичных ионов путем диаАрагмиро- 30 ществляют согласованным изменением ус5

0

Ь

электрическое поле в направлении его эквипотенциали, значение которой равно потенциалу последней эквипотенциали ускоряющего поля, выводят ионы анализируемого диапазона энергий из диспергирующего по энергиям поля под углом к его граничной эквипотенциали (i увеличением их энергии, а нейтральную и высокоэнергетическую заряженную компоненты и излучение выводят в направлении эквипотенциалей этого поля, диафрагмированием выделяют из ионов анализируемого диапазона энергий ионы в исследуемом интер- +

0

5

вале энергий Е -лБ, вводят их в осесимметричное тормозящее электрическое поле и фокусируют этим полем на вход высокочастотного диспергирующего по массам поля квадрупольного |Масс-анализатора с торможением до значения их энергий, обеспечивающих постоянство наиболыией скорости их движения вдоль поля масс-а«ализа- тора, при этом изменение ширины энергетического окна, развертку по спектру анализируемого диапазона энергий и торможение до энергий движения ионов вдоль поля масс-анализатора, осу0 ществляют согласованным изменением ус

Изобретение относится к массе- спектрометрии, а именно к квадруполь- ным массоспектрометрам для анализа поверхности методом вторичной ионной эмиссии. Цель изобретения - увеличение чувствительности энергомассоспект- рометрического анализа и сохранение массоспектрометрического разрешения , при развертке по спектру анализируе-/ мых анергий вторичных ионов. В бес- полевом пространстве над анализируемым образцом путем диафрагмирования формируют пучок анализируемых вторичных ионов (Р1) в виде расходягоагося полого конического пучка. Начальную энергию этих И увеличивают, вводя их в ускоряющее осесимметричное электрическое поле. Эквипотенциали последнего перпендикулярны направлению движения И. Затем И вводят в диспергирующее по энергиям осесимметричное электрическое поле в направлении его Эквипотенциали, значение которой равно потенциалу последней экп)(потенци- . али ускоряющего поля. Ионы анализируемого диапазона эпс.ргий из диспер- гирую1иего по энергиям поля выводят под углом к его граничной эквипотен- циали с увеличением их энергии, а, все мешаюрще компоненты вторично-ионного излучения - в направлении экви- потенциалей этого поля. 71иафрагмиро- ванием выделяют из И анализируемого диапазона энергий И в желаемом интервале энергий (энергетическом окне) л со средним значением их начальной энергии . После того вводят И в осесим.метричное тормозя1 дее фокусирующее электрическое поле и Локуси- руют этим полем на вход высокочастот- ,ного диспергирующего по массам гиперболического поля квадрупольного анализатора с торможением до значения энергий, обеспечивающих постоянство наибольшей скорости их движения вдоль оси анализатора. При этом изменение ширины энергетического окна, развертку по спектру начальных энергюЧ анализируемых И и торможение И до энергий их движения вдоль поля анализатора осупдествляют согласованным изменением ускоряющего, диспергирующего по энергиям и тормозя1цего полей в Соответствии с соотношениями, приведенным в тексте описания. 2 ил. (О (Л .4; О) ч ч

вания, ввода этих,ионов в диспергирующее по энергиям электрическое поле, разделении их по энергии и фокусировке по начал1 ному угловому разбросу, выделении сфокусированного пуч- ка ионов с .определе-Е ной. энергией путем диафрагмирования, ввода его в диспергирующее по массам высокочастотное гиперболическое поле квадрупольного масс-анализатора, разделе- ния в этом поле по массам, и регист.- рации ионных токов выделенных масс, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности энергомассоспектрометрического ана- лиза и сохранения разрешающей способности массоспектрометрического разделения при развертке по спектру ана-. лизируемого диапазона энергий и регулировке ширины энергетического ок- на при энергоанализе, в бесполевом пространстве над образцом формируют диафрагмированием пучок вторичных ионов в виде расходящегося полого конического пучка, увеличивают началь- кую энергию этих ионов путем ввода в ускоряющее осесимметричное электрическое поле, вводят ионы в диспергирующее по энергиям осесимметричнре

коряющего, диспергирующего по энергиям и тормозящего полей в соответствии с соотношениями

( - а й6), W -- (-Ь- л5) ,

U -i ( ),

де V - значение граничной эквипотенциали ускоряющего поля. В;

W - значение граничной зквипо- тенциали диспергирующего по энергиям поля, Bj

и - значение граничной эквипотенциали тормозящего поля, равной потенциалу оси поля анализаторов. В;

е - заряд иона. К;

S - энергия йналтизируемых ионов на выходе диспергирующего по энергии поля, Лж; а,Ь - постоянные, связанные с разрешением R по энергии, соответственно соотношениями

2 R

|

(1

)

fo:

где W - значение W, соответствующее условию энергомассоспектро- метрического анализа частиц со средней начальной энергией при V 0; с - постоянная, задаваемая,

исходя из требований кмассо- спектрометрическому разрешению, максимальная энергия ионов в направлении оси масс анализующего поля. 2.Устройство для энергомассоспект- рометрического анализа вторичных ионов, содержащее источник дервичного пучка, держатель образца, масс-ана- лизатор, включающий четыре пояеобра- зующих электрода, электрически соединенные с выходом пдрафазного высокочастотного генератора, и энергоанализатор, установленный между держа- телем образда и масс-анализатором, отличающееЪя тем, что, с целью повьпиения чувствительности энергетического и массоспектромет- 1рического анализа вторичных ионов, а также сохранения разрешающей способности массоспектрЪметрического разделения при регулировке ширины энергетического окна энергоанализатора и развертке по спектру анализируемого диапазона энергий вторичных ионов, ось масс-анализатора проходит

24

через точку пересечения ионно-опти- ческой оси источника первичного ионного пучка с предметной плоскостью держателя образца,. энергоанализатор выполнен в виде шести последовательно установленных соосно масс-анализатору конических электродов, два первые из которых обращены вершинами к массанализатору и снабжены кольцевыми отверстиями, соосными маос-анализато- ру, третий и четвертый, обращенные вершинами к образцу, имеют форму усечённых конусов, вложенных один

в другой с кольцевым зазором, в который обращены упомянутые кольцевые отверстия, пятый конический электрод установлен внутри четвертого, выполнен оптически прозрачным и обращен

вершиной к держателю образца, а боковой поверхностью - к кольцевому отверстию, выполненному в четвертом коническом электроде, шестой конический электрод выполнен усеченным,

обращен вершиной к масс-анализатору и установлен перед соосным оси масс- анализатора отверстием,выполненным в основании, которым снабжен четвертый конический электрод-.

Кроме того, дополнительно введен источник электрического напряжения постоянного тока, один полюс которого со знаком, обратным знаку заряда анализируемых ионов, соединен с держателем образца, а другой полюс - со средней точкой парафазного выхода высокочастотного генератора.

/9

Фиг.}

51оfz;- -- Г22 -I

fz

- +

-u-ffco&t t

с

Г2

fz

«v

/г/

/2- Р22-н

fs(J

Физ.2