ИСТОЧНИК ИОНОВ Советский патент 1995 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к приборостроению и более точно касается источника ионов, предназначенного преимущественно для использования в масс-спектрометрах при анализе массового состава твердотельных мишеней.

Источник ионов также с успехом может быть использован для легирования полупроводников, ионно-эрозионной обработки тугоплавких веществ, включая керамику, с целью создания сверхтонких структур.

Известен источник ионов, содержащий два расположенных параллельно сеточных электрода и источник электронов, ионизирующим нейтральный газ, находящийся в области ионизирования в пространстве, ограниченном сетками.

Под воздействием короткого импульса постоянного напряжения, подаваемого на одну из сеток, происходит выталкивание заряженных частиц из области ионообразования. При этом формируется ионный пучок достаточно большого поперечного сечения и малой удельной плотности. Известный источник характеризуется большими потерями ионов из-за отсутствия фокусировки пучка и может быть использован только для анализа газовых сред.

Известен также источник ионов, содержащий расположенные соосно и последовательно в вакуумной камере катодный узел с отверстием по оси, кольцеобразный анод, коллектор электронов и источник питания.

Принцип работы этого источника основан на использовании эффекта катодного пятна, заключающегося в эрозии центра плоских дискообразных катодов электронных пушек под воздействием потока ионов, создаваемых электронным пучком при взаимодействии с остаточным газом, а также в использовании пространственного заряда электронного пучка для пространственной фокусировки и транспортировки ионов. Ионный пучок, генерируемый таким источником, локализован вдоль оси прибора, характеризуется малым и угловым разбросом и потерями ионов, большой удельной плотностью, что во многих случаях является важным.

При воздействии ионным пучком на твердотельную мишень происходит распыление вещества мишени с образованием вторичных ионов, а также нейтральных атомов, которые отражают более достоверную картину массового состава вещества мишени, чем вторичные ионы. Однако в известных в настоящее время масс-спектрометрах, работающих по методике SIMS, анализу подвергаются только вторичные ионы из-за отсутствия источников ионов, которые были бы способны одновременно распылять и ионизировать нейтральные атомы при анализе твердотельных мишеней. Наличие таких источников ионов позволило бы существенно повысить выход вторичных ионов исследуемого вещества, а также повысить чувствительность и достоверность анализа.

Целью изобретения является повышение эффективности извлечения ионов за счет повышения выхода вторичных ионов и нейтральных атомов из мишени и ионизации нейтральных атомов.

Существо изобретения состоит в том, что источник ионов, содержащий расположенные соосно и последовательно в вакуумной камере катодный узел с осевым отверстием, кольцеобразный анод, коллектор электронов, систему извлечения ионов, источник питания, согласно изобретению снабжен дополнительным кольцеобразным анодом, расположенным соосно катодному узлу с противоположной по отношению к основному аноду стороны и подключенным к дополнительному источнику питания, и мишенью, расположенной за дополнительным анодом соосно ему, катодный узел состоит из двух расположенных соосно на расстоянии один от другого дисков, имеющих отверстие по оси, в промежутке между которыми соосно им размещена сеточная сборка система извлечения иона. Плоскости сеток этой системы ориентированы под углом к оси источника.

Для обеспечения возможности отбора из области перед мишенью возможно большего количества вторичных ионов и направления их в виде пучка под углом к оси источника ионов целесообразно катодный узел выполнить состоящим из двух расположенных соосно на расстоянии один от другого дисков, имеющих отверстие по оси, в промежутке между которыми соосно им размещена система вывода под углом к оси источника пучка ионов, генерируемых мишенью.

В качестве системы вывода может быть использована сеточная сборка, плоскости сеток которой ориентированы под углом к оси источника.

Сопоставление с прототипом позволяет сделать вывод, что в источнике ионов, выполненном в соответствии с настоящим изобретением, за счет взаимного расположения двух катодных узлов и анодов и установкой между катодами системы извлечения ионов достигнуто существенное повышение эффективности вывода ионов, т. е. данное техническое решение соответствует критерию "новизна".

На чертеже схематически изображен предлагаемый источник ионов.

Катодный узел 1 источника состоит из двух установленных соосно на расстоянии один от другого дисков 2 и 3, имеющих каждый центральное отверстие 4, кольцеобразные опоры 5 и 6, магнитные фокусирующие системы 7, 8, коллектор 9 электронов, мишень 10. Все перечисленные элементы помещены в вакуумную камеру 11. Источник ионов подключен к источнику 12 питания. Между дисками 2 и 3 соосно им установлена система 13 извлечения ионов под углом к оси источника 14 вторичного ионного пучка, генерируемого мишенью 10.

В качестве системы 13 извлечения ионов может быть использована сеточная сборка, как показано на чертеже. При этом плоскости сеток системы 13 ориентированы под углом α к оси 14 источника. Прозрачность сеток должна быть не ниже 90% Обычно угол α наклона сеток выбирают в пределах 10-80^о. В качестве системы 13 вывода может быть также использована электростатическая или магнитная отклоняющая система (на чертеже не показано).

В качестве системы 13 вывода пучка может быть использован рефлектор времяпролетного масс-спектрометра, сетки которого располагают под углом α к оси 14 источника ионов, это дает существенный выигрыш при компоновке времяпролетного масс-спектрометра, способного анализировать массовый состав твердотельной мишени по ионам, полученным в результате ионизации нейтральных атомов, генерируемых мишенью 10 под воздействием пучка первичных ионов.

Источник ионов работает следующим образом.

Перед началом работы в предварительно откаченную вакуумную камеру 11 напускают рабочий газ до давления 10^-4-10^-5 мм рт. ст. а на функциональные узлы источника ионов подают следующие напряжения. На мишень 10 подают небольшой положительный потенциал (+20)В, на кольцевой анод 6 и на диск 2 катодного узла 1 корпусной потенциал (0)В, на диск 3 катодного узла I (200)В, а на кольцевой анод 5 и коллектор 9 соответственно (+2800) и (+3000)В. На сетку системы извлечения ионов, расположенную ближе к катодному диску 3, подают (-200)В, а сетка, находящаяся ближе к катодному диску 2, находится под потенциалом (+30)В.

Величину напряжения, подаваемого на обмотки магнитных фокусирующих систем 7 и 8, определяют экспериментально, в зависимости от поставленной задачи.

Электроны, эмиттируемые катодным диском 2, ускоряются между катодом 2 и анодом 5 до энергии (+2800)В и в области от анода 5 до коллектора 9 до энергии (+3000)эВ. Ионы, образованные в этих областях, при взаимодействии потока электронов 15 атомами нейтрального газа стягиваются к оси 14, двигаясь от коллектора 9 к катодному узлу 4, ускоряются до максимальной энергии (+3000)эВ, образуя поток 16. Пройдя через отверстие 4 в диске 2, через систему извлечения ионов 13 и отверстие 4 в диске 3, ионный поток, потеряв энергию (220)эВ, попадает на мишень 10, образуя вторичные ионы и нейтральные атомы.

Вторичные ионы стягиваются к оси 14 под воздействием поля пространственного заряда пучка 17, а нейтральные атомы, ионизировавшись этим же пучком 17, в виде ионов стягиваются также к оси 14, образуя поток вторичных ионов 18. Ионы, образованные на мишени 10, а также за счет ионизации в области мишень 10 кольцевой анод 6 ускоряются до максимальной энергии (+220)эВ, пройдя через отверстие 4 катодного узла 3 и, отразившись в системе извлечения ионов, попадают на вход анализирующего прибора (на схеме не показан).

К преимуществам данного устройства можно отнести возможность работы как в стационарном, так и в импульсном режиме.

При работе в стационарном режиме при взаимодействии пучков ионов 16 и 18, движущихся навстречу друг другу, из-за низкой концентрации ионов в пучке столкновения крайне редки и взаимодействие пучков не приводит к их рассеянию.

Использование: источники ионов, предназначенные преимущественно для использования в масс-спектрометрах при анализе массового состава твердотельных мишеней. Сущность изобретения: в источнике ионов расположены соосно и последовательно катодный узел с отверстием по оси, кольцеобразный анод, коллектор электронов, система извлечения ионов, источник питания. Источник ионов дополнительно снабжен кольцеобразным анодом, расположенным соосно катодному узлу с противоположной по отношению к обращенной к основному аноду стороны. Анод подключен к дополнительному источнику питания. Катодный узел состоит из двух расположенных соосно на расстоянии один от другого дисков, имеющих отверстие на оси. В промежутке между дисками размещена сеточная сборка, плоскости сеток которой ориентированы под углом к оси источника. 1 ил.

ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержащий расположенные соосно и последовательно в вакуумной камере катодный узел с осевым отверстием, кольцеобразный анод, коллектор электронов, систему извлечения ионов, источник электропитания, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности извлечения ионов за счет повышения выхода вторичных ионов и нейтральных атомов из мишени и ионизации нейтральных атомов, источник ионов снабжен дополнительным кольцеобразным анодом, расположенным соосно катодному узлу со стороны, противоположной поверхности катодного узла, обращенной к основному аноду, и подключенным к дополнительному источнику электропитания, и мишенью, расположенной за дополнительным анодом, соосно ему, при этом катодный узел выполнен в виде двух соосно расположенных дисков, между которыми размещена система извлечения ионов, выполненная в виде по меньшей мере одного сеточного электрода, плоскость которого расположена под углом к оси симметрии источника ионов, причем мишень подключена к дополнительному источнику электропитания.