Способ масс-спектрометрического анализа твердых тел и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N27/62 H01J49/34 B01D59/44 

Равновероятная атомизация и бнизация приводит к тому, что коэффициенты относительной чувствительности для разных элементов лежат в пределах одного порядка величины. Искровые масс-спектры отличаются простотой и незначительными наложениями .:.-. на аналитические линии бднозарядных ионов. Для осуществленияспо-: соба служит устройство, (Которое состоит. из электродов, помещенных в вакуумную: камеру, и генератора высркого, напряжения. Устройство.работает следующим образом. -Исследуе мый образец служит анодом, для возникновения

разряда к его поверхности подводят ., на расстояние 0,1-.0,3.мм катод, йзго- ; тавливаемый обычно из тугоплавкого метадла.,К электродам прикладывают : напряжение с амплитудой 10-20 кВ импульса.ми длительностью 10-1000 не. Межэлектродный промежуток при этом пробивается и возникает разряд.

Основным недостатком искрового : способа атомизации и ионизации яв- ляется большое разрушение материала образца, вследствие чего невозможно анализировать тонкие ( L мкм) слой вещества и определять примеси на поверхности .твердых т;ел . (в слоях толщИ ной .1-10 нм)..Недостатком также яв- . ляется большой .(. эВ) .разброс/ образующихся в искре ионов, что затрудняет использование малогабаритнь1х

ма.сс-анализатрров. . .

, О.сновным недостатком устройства .; для реализации искровЬго способа . . сложность прецизионного поддержания искрового зазора в процессеанализе из-за .постепенного сгорания

электродов. ; .. /. . . .,.-;

.Наиболее близким к данному является способ масс-спектрометрического

анализа твердых тел, основанный на явлении .вторичной ион-ионной эмиссии. Он заключается в том, что поверхт ность образца бомбардируется в ва-. кууме пучком первичных иЬнов (обычно используют ионы с последующим аналй.зон образовавшихся вторичных ионов

(П)),Обычно используют первичные ионы инертных газов и кислорода/высокой энергии (до 50 кэВ), но сравни.тельно низкой плотности ( А ) Первичный пучок непрерывно воздействует на поверхность образцао Глубина выделения энергии первичных ионов составляет 1-10 нм,

а выделяющаяся в объеме образцов мощность не превышает 10 Вт/см. При таком воздействии на образец у его поверхности не образуется плазма, ионы возникают в результате выбивания из пробы отдельных частиц под действием ионной бомбардировки и их последующей ионизации при отлете . от поверхности образца. .Способ масс-спектрометрйческого анализа твердых веществ по методу . вторйчной ионной эмиссии позволяет проводить анализ тонких (вплоть до моноатомных) слоев твердых образцов и исследовать поверхностные явления (окисление,.сорбцию и др.). Разброс образующихся ионов по энергиям не превышает 30-35 эВ, что позволяет использовать для иханализа по мае- . сам малогабаритные динамические анализаторы. Выход однозарядных одно- и Многоатомных ионов зависит от составаи расположения окружающих atoMOB, что позволяет проводить фазовый анализ твердых тел.

Описанный выше .способ реализуется ( помощью устройства, которое .. состоит из следующих основных узлов: источник первичных ионов, система фокусировки и управления первичным ионным пучком, система -сбора и управления пучком вторичных ионов, ИС- . точник ускоряющего напряжения, анализатор масс и система регистрации.

Основным недостатком способа является то, что козффициентьг относительной чувствительности для разных элементов могут отличаться на три. порядка, чТо ухудшает правильность,

0 результатов анализа. В масс-спектрах прлученных по известному способу наблюдается значительное количество многоатомных и сложных ионов, причем аналитические линии .этих иойов накла-5дываются на аналитические линии эле.-. ментов и ухудшают предел обнаружения данных элементов в известном способе; затрудняется также идентификация аналитических линий; понижается аб0солютная и относительная чувствительность анализа для многих элементов.

Основным недостатком, рассматриваемого устройства является то, что оно не.позволяет, осуществлять импульсное воздействие на пробу и не создает высокой плотности энерговыделения в материалах образца. Кроме того, выбор первичных ионов ограничен. в частности первичные ионы нельзя получать из ТОГО же вещества, из которого изготовлен образец. Отмече ные недостатки способа и устройства существенно ограничивают аналитичес кие возможности масс-спектрометрии вторичных ионов/ . Целью изобретения является повышение точности результатов массспектрометрическогб анализа твердь1 тел-по методу вторичной ионной эмис сии, снижение интенТсивности линий сложных ионов в масс-сПектрах и повышение абсолютной и относительной чувствительности Mejo/ia. Указанная цель достигается тем, что поверхность анализируемого обра ца бомбардируется в вакууме импульс .ным пучком первичных ионов высокой (1-50,кэВ) энергии с длительностью импульса 10 и плотностью тока первичный ионов на поверхности образца - 10ч , так что э плотность Мощности, выделяющейся Б. поверхностных слоях мишени -Лежит в диапазоне 10 -Ю Вт/смЗ. Предлагаемый способ, характеризуется тем, чтоа результате мощного импульсногб воздействия первичного пучка на образец происходит взрывоо разн.ое разрушение материала образца на глубину проникновения первичных ионов;в твердое тело (для энергий ионбв 1-50 кэВ глубина проникновени меньше ) и у поверхности обра ца -образуется облако плазмы с плот/ностью электронов Ю - -10 и температурой электронов 5 эВ. Таким образом ионизация нейтральных частиц- пройс:х6дйт не в результате выбивания отдельных частиц как в прототипе, а в плазме по термическо му (столкновитёльному) механизму. Это позволяет снизить до одногопор ка разброс в выходе вторичных ионо различных, элементов и уменьшить нал жения,вызванные многоатомными и сложными ионами. ..В качестве источника первичных ионов использован лазерный или искр вой источник, а система фокусировки и управления первичным ионным пуч- . ком содержит металлический цилиндр отношением диаметра к длине, равным 1:3,5 с металлической сеткой на конце, соединенной с источником уск ряющего напряжения. На фиг.1 (а, б, с) изображено предлагаемое устройство, состоящее из импульсного источника первичных ионов 1, создающего скомпенсированный (нсвазинейтральный) ионный пучок i системы фокусировки и управления пер вичным ионным пучкбм, содержащей .камеру расширителя 2 с/сеткой 3 для разделения электродной и ионной составляющей, системь фокусирующих электродов , вытягивающего электрода 5, отклоняющих пластин 6, держатель- образца 7; системы, сбора и управления пучком вторичных ионов, включающей систему линз для:фокусировки вторичных ионов 8; анализатора масс и системы регистрации. В качестве импульсного источника первичных ионов используют :плазменный сгусток, например, образующийся при электрическом пробо.е в вакууме между двумя электродами 1 и 2, размещеннь1ми в вакуумной камере 3 (рис. 1в)-, к которым прикладывается высокое напряжение .с амплитудой до.50 кВ с помощью импульсного генератора k Длительность разряда выбирается в диапазоне. -10-1000 не, полная энергия, вкладываемая в разряд : 10 Дж. частота повторения импульсов. искрового разряда 1 - . Источником первичных ионов может служить-также плазменный сгусток,, образующийся .при взаимодействии импульса ОКГ 1 (фиг.1с), работающего в режиме модулированной добротности С поверхностью рабочей мишени 2 (помещенной в вакуумную камеру 3 и выполненной из материала, ионы которо го используются в качестве первичных) при длительности импульса излучения 10-300 НС и полной энергий, вкладываемой в плазму Ю - ю Дж (плотность потока мощности 10 Вт/см2). Частота повторения импульсов 0,1-100 Гц. Камера расширителя 2 вьШолнена в виде Цилиндра с.отношением диаметра к. длине 1: (3-5)-и имеет; на выход7ном конце металлическую сетку 3, предназначенную для разделения элект ронной и ионной компонент плазмы. Размер ячеек сетки выбирается меньше дебаевского радиуса г в разлетающемся плазменном Сгустке, который опреЕд. кТ деляется из формулы г (-2---) Здесь Ер. - диэлектрическая постояная вакуума, к - постоянная Вольцмаа, Г - электронная температура в густке, п - плотность электронов, - заряд электрона.

. Преллагаемое устройство работает следующим образом.. .

Первичные ионы (Ю - 10 частиц) бразуются за ддстаточно короткое время ,(. 10 с) в плазме импульс ного источника первичных ионов. Плазменный сгустрк расширяется в вакуум. асть .его попадает в расширитель 2. Ионы, вышедшие из расширителя, фокусируются ионнр-оптическо.й системой, состоящей из самого расширителя и .: блока ЛИНЗ: kf которые. образу рт ионНуЮ пушку. , -: ;:..; ., ,;- --. ;.%

В. частном случае .линзы могут отсутствовать, тогда ионная пушка : (при специал.ьном. выборе геометрии расширителя 2 и вытягивающего элект-. рода 5) представляет ионную пушку типа сферический диод. . . .

В процессе расширейия ионного . . .. пакета ои расплываетс.я и время. прихода:ионов к .поверхности анализи- руемого образца может .составлять. : 10.- с.-.Поэтому для регулирова ния длительности воздействия.первичного ионного пучка :.вводятся отклоняющие п.пастины 6, на которые подают ся ..пропускающие импульсь с длит.ель- -. ностью.(ТО.-МО.з,с)..;:.о; ; . ;/; ;

Ускорение первичного пучка ионов до заданной энергии .1-50 кэВ осуществляется за счет напряжения U. под которым находятся импульсный : ис.точник Г и расширитель 2, В частности, когда и 0, первичные ионы имеют то.пько .собственную энергию, . приобретаемую в процессе разлета плазменного сгустка. ;: . .: :

.При падении пучка первичных ионов .на поверхнос.ть образца образуется плазм.еннЬе облако, в котором и происходит ионизация .материала образца. . ,Вторичные ионы, образовавшиеся в . плазменном {сгустке у поверхности .: образца, направляются обычным способом на анализ по массам. С этой цедью на образец и источник первичных ионов подается дополнительно . : ускоряющее; напряжение . Величина этого напряжений зависит от типа масс-анализатора и находится обычно в диапазоне 0,2-20 кВ. Для фокуси.-: РОБКИ пучка вторичных ионов используется система 8. Масс-анализатор

может быть динамическим (квадрупольным, монопольным, времяпролетним), либо статическим магнитным, в ТОМ числе с двойной фокусировкой.

Предлагаемый способ анализа имеет следующие преимущества.

Ионизация материала мишени осуществляется по термическому механиз

0 му в плазменном сгусТке, образующемся у поверхности мишени при оптимальных условиях с точки зрения ионообразования: плотности потока мощности 10 Вт/смЗ, длительности импульса тока первичных ионов 10 5103 с и плотности первичного тока на образец 10-2 - } о А- см-. Это приводит к уменьшению разброса в относительном выходе вторичных ионов ,раз.пичных элементов до одного поряд0ка величины. ; .. . Ионообразование осуществляется импульсным образом, что позволяет снизить прогрев и проплавление материала и связанную с этим селёктив- .

ность поступления атомов отдельных элементов в зону ионизации.

. Резко снижается интенсивность лиНИИ сложных имногоатомных ионов в

- масс-спектре вследствие процессов

диссоциации этих.ионов в зоне ионизации. , : ..:.:,:.- . Предлагаемый способ и устройство

позволяет осуществлять оптимальные условия масс-спёктрометрического ана

5 лиза твердых тел при использовании первичных ионов для получения вторичных ионов. Кроме того, предлагаемое решение обладает следующими преимуществами. - .

6

Появляется возможность бомба)диров.ать анализируемый объект первичными ионами, образованными из твердой

фазь1. В частности, вспомогательный .

образец в первичном источнике ионов

5 может быть из:того же материала,

что и анализируемый образец, но вы, сокой степени чистоты. Благодаря этому дополнит ел ь-но снижается число пo.cтopoнниxлин м в масс-спектре.

Появляется возможность проводить . раздельно :элементный и фазовый анализ

. образца. Вначале проводят элементный анализ при высокой -плотности выделения мощности (10 Вт/смЗ). Затем

55 с помощью системылинз расфокусируют ионный пучок и уменьшают плотность выделяющейся мощности в 10з . Появляющиеся при этом изменения в масс-спектре характеризуют структурные особенности и (или) фазовый состав образца. При этом интенсивность вторичного ионного тока можно увеличить за счет увеличе ния частоты повторения импульсов первичного tOKa. Благодаря малой глубине проникновения первичных ионов S вещество 9529510 пробы и высокой степени ионизации плазмы, образующейся у поверхности образца, появляется возможность про, водить локальный и послойный анализ образца с разрешением по глубине до и высотой абсолютной и от-. носительной чувствительностью ана- -лиза. //2гу / / .