Способ энерго-масс-спектрометрического анализа вторичных ионов и устройство для энергомасспектрометрического анализа вторичных ионов

 

Изобретение относится к массеспектрометрии, а именно к квадрупольным массоспектрометрам для анализа поверхности методом вторичной ионной эмиссии. Цель изобретения - увеличение чувствительности энергомассоспектрометрического анализа и сохранение массоспектрометрического разрешения , при развертке по спектру анализируе-/ мых анергий вторичных ионов. В бесполевом 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 диспергирую1иего по энергиям поля выводят под углом к его граничной эквипотенциали с увеличением их энергии, а, все мешаюрще компоненты вторично-ионного излучения - в направлении эквипотенциалей этого поля. 71иафрагмированием 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 Локусируют 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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН г511 4 Н 01 Л 49/26, 49/44

p,ðсщур)щ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4135685/24-21 (22) 04.07.86 (46) 23,02.89.Бюл. М 7 (71) Специальное конструкторское бюро аналитического приборостроения

Научно-технического объединения

АН СССР (72) А.Ф.Кузьмин и R.Ä.Cà÷åíêî (53) 621.384.8(088.8) (56) Авторское свидеетельство СССР

1р 1138356, кл. Н О 1 J 49/30, 1985.

Int.j.Hoss Spectrom.Ion Physics, 1973, v.II, Ф 1, р. 23-25. (54) СЛОСОВ ЭНЕРГОг1АССОСПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВТОРИЧН!1Х ИОНОВ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭНЕРГОМАССОСПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ (57) Изобретение относится к массоспектрометрии, а именно к квадрупольным массоспектрометрам для анализа поверхности методом вторичной ионной эмиссии. Цель изобретения — увеличение чувствительности энергомассоспектрометрического анализа и сохранение массоспектрометрического разрешения при развертке по спектру анализируе-! мых энергий вторичных ионов. В бесполевом пространстве над анализируемым образцом путем диафрагмирования формируют пучок анализируемых вторичных ионов (И) в виде расходящегося полого конического пучка. Начальную энергию этих И увеличивают, вводя их в ускоряющее осесимметричное элект-. рическое поле. Эквипотенциали по„.Я0„„3460747 А1 следнего перпендикулярны направлению движения И. Затем И вводят в диспергирующее по энергиям осесимметричное электрическое поле в направлении его эквипотенциали, значение которой равно потенциалу последней экв1ггготенци, али ускоряющего поля. Ионы анализируемого диапазона энергий из диспергирующего по энергиям поля выводят под углом к его граничной эквипотенциали с увелич<-чием их энергии, а все мешающие компоненты вторично-ионного излучения — в направлении эквипотенциалей этого поля., 1иафрагмированием выделяют из И анализируемого диапазона энергий И в желаемом интер- а

С> вале энергий (энергетическом окне)

* а С са среиним значением их начала- (/) ной энергии E, . .После того вводят И в осесимметричное тормозящее фокуси- С рующее электрическое поле и фокусируют этим полем на вход высокочастот,ного диспергирующего по массам гиперЬизй болического поля квадрупольного анализатора с торможением до значения энергий, обеспечивающих постоянство © наибольшей скорости их движения вдоль Ю оси анализатора. При этом изменение ширины энергетического окна, разверт- Isfab ку по спектру начальных эггерг ггй анализируемых И и торможение И до энергий их движения вдоль поля анализатора осуществляют согласованным изменением ускоряющего, диспергирующего по энергиям и тормозящего полей в соответствии с соотношениями, приведенным в тексте описания. 2 ил.

1460747

Изобретение относится к массоспектрометрии а именно кнадрупольным массоспектрометрам для анализа поверх- . ности методом вторичной ионной эмис5 сии.

Цель изобретения — увеличение чувствительности энергомассоспектрометрического анализа и сохранение массоспектрометрического разрешения при 10 развертке по спектру анализируемых энергий вторичных ионов и регулировке ширины 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 кони- 20 ческого пучка, унеличивают начальную энергию ионов, вводя их н ускоряющее осесимметричное электрическое поле, вводят эти ионы н диспергирующее по энергиям осесимметричное электричес- 25 кое поле н направлении его экнипотенциали, значение которой равно потенциалу последней эквипотенциали ускоряющего поля, выводят ионы анализируемого диапазона энергий из дис- 30 пергирующего по энергиям поля под углом к его граничной экнипотенциали с увеличением их энергии, а все мешаю. щие компоненты вторично-ионного излучения — в направлении экнипотен- 35 циалей этого поля, диафрагмирование ныделяют из ионов анализируемого диапазона энергий ионы в желаемом интервале энергий (энергетическом окне) + ь -. со средним значением их на- 40 чальной энергии Е, вводят их в осесимметричное тормозящее фокусирующее электрическое поле и фокусируют этим полем на вход высокочастотного диспер гирующего по массам гиперболического 45 поля квадрупольного анализатора, с торможением до значения, энергий, обеспечивающих постоянство наибольшей скорости их движения вдоль оси анализатора, при этом изменение шири50 ны энергетического окна, развертку по спектру начальных энергий анализируемых ионов и торможение ионов до энергий их движения вдоль поля анализатора осуществляют согласованным изменением ускоряющего, диспергирующего по энергиям и тормозящего полей в соответствии с соотношениями

V = — -(с. — а ь =. ) °

I е

У

Я = — -(E.— Ь ьЕ).

I е

-(E + ьЕ- с), I е значение граничной эквипотенциали ускоряющего поля; значение граничной эквипотенциали диспергирующего по энергиям поля значение граничной эквипотенциали тормозящего поля, равной потенциалу оси поля анализатора заряд иона; постоянные„ связанные с .разрешением по энергии P посредством следующих равенств где V

U е а,Ь

G

Ь=- (1 — — ), 2 еМ

R о где И вЂ” значение граничной эквипотено циали дис пер гирующе го поля, соответствующее условию энергомассоспектрометрического анализа частиц со средней начальной энергией Я при нулевом значении граничной потенциали V ускоряющего поля.

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

Выбор постоянной с, как следует из физического смысла соотношения еU=Е+Ь вЂ” с

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

1460747

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

Положительный эффект состоит в следующем.

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

Фокусировка пучка анализируемых ионов на вход квадрупольного массанализатора, выделенных в заданном энергетическом окне и с заданной средней начальной энергией с одновременным торможением до значения максимально допустимой энергии, обеспечивающей достижение требуемого массоспектрометрического разделения, позволяет осуществлять развертку по энергии или увеличение ширины энергетического окна пропускаемых на массанализ ионов без изменения разрешающей способности по массам.

Цель изобретения — повышение чувствительности устройства для энергомассоспектрометрического анализатора

35 вторичных ионов и сохранение его массоспектрометрического разрешения при регулировке ширины энергетического окна и развертке по спектру анализируемого диапазона энергий вторичных ионов

Сущность предлагаемого устройства состоит в том, что ось масс-анализатора проходит через анализируемый участок образца, а энергоанализатор выпол45 нен в виде шести последовательно установленных между образцом и массанализатором соосно масс-анализатору конических электродов, два первые из которых обращены вершинами к масс50 анализатору и снабжены кольцевыми отверстиями, соосными оси масс-анализатора третий и четвертый, обращенные вершинами к образцу, имеют форму усеченных конусов, вложенных один в дру55 гой с кольцевым зазором, в который обращены упомянутые кольцевые отверстия, пятый конус установлен внутри четвертого конуса, выполнен оптически прозрачным, обращен вершиной к образцу, а боковой поверхностью к кольцевому отверстию, выполненному в четвертом конусе шестой конус выполнен усеченным, обращен вершиной к массанализатору и установлен перед соосным 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.

Ца фиг.1 представлена конструкция предлагаемого устройства на фиг.2 схема поясняющая способ.

Иа фиг.1 изображены источник 1 первичного ионного пучка, первичный ионный пучок 2, анализируемый образец 3, квадрупольный масс-анализатор 4, ось 5 которого проходит через точку 6 пересечения первичного ионного пучка с образцом, высокочастотный генератор 7 с парафазным выходом, где точка 8 — средняя точка парафазного выхода этого генератора, электроды 9 масс-анализатора,соединенные с клеммами парафазного выхода этого генератора, первый конический электрод 10 энергоанализатора, потенциал которого равен потенциалу образца, второй конический электрод 11 энергоанализатора, соосные входные кольцевые отверстия I2 и 13 в указанных электродах, предназначенные для ввода анализируемых вторичных ионов в кольцевой зазор между третьим коническим электродом 14 и четвертым коническим электродом 15, между которыми расположена область 16 энергоанализа, кольцевое 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 ?О, траектории 21 анализируемых ионов в энергоанализаторе, направление 22 движения через энергоанализатор мешающих высокоэнергетических частиц и излучений, а также нейтральной компоненты, корпус 23 масс-анализатора, который обычно имеет тот же потенциал, что

1460747 и потенциал на оси масс-анализатора, экран 24 энергоанализатора, потенциал которого райен потенциалу анализируемого образца, источник 25 электрического напряжения постоянногс тока, через который средняя точка парафазного выхода высокочастотного генератора соединена с образцом.

Работа устройства происходит сле- 10 дующим образом.

Сфокусированный пучок первичных ионов высокой энергии, обычно 1025 кэв, направляется на поверхность анализируемого образца. Возникающие 15 в области бомбардировки продукты вторичного излучения, в том числе вторичные ионы, интенсивность которых относительно норм к поверхности образца носит косинусоидальный харак- 20 тер, двигаясь в бесполевом пространстве по прямолинейным траекториям, радиально расходятся от области их возникновения на образце. Часть этих продуктов поступает в кольцевое отверстие в первом коническом электроде, увеличивает свою энергию в промежутке между первым и вторым коническими электродами на величину еф= eV (фиг.2), где е — заряд частицы, V — 30 потенциал на втором электроде относи-. тельно образца, и вводится в область диспергирующего по энергиям поля между третьим и четвертым коническими электродами. Вторичные ионы анализируемого диапазона энергий отклоняются этим полем к четвертому коническому электроду, увеличивая свою энергию относительно начального ее значения на величину е(Ц,+Ц ) = eW, где W — 40 потенциал на .четвертом коническом электроде относительно образца, а выводятся под углом к этому электроду в щелевое отверстие в нем в направлении пятого конического электрода, 45 который выполнен оптически прозрачным и играет вспомогательную роль, позволяя уменьшить угол наклона ионных траекторий относительно оси энергоанализатора в целях улучшения ка- 50

I честна фокусировки ионов на отверстие в торце четвертого конического электрода. При этом мешающие высокоэнергетические частицы излучения и нейтральная компонента выводятся через щелевой зазор между третьим и четвертым коническими электродами, чем исключается их влияние на процесс энергомассоанализа.

Ионы с заданным средним значением их начальной энергии Й и энергетическим отклонением от этого значения +4 Е фокусируются на отверстие н тонкостенном плоском основании четвертого конического электрода и вводятся в область поля шестого конического электрода. В тормозящем поле шестого электрода ионы фокусируются на вход масс-анализатора и однонременно тормозятся разностью потенциалов с = U, приложенной между образцом и осью масс-анализатора (фиг.2), так что их максимальная энергия движения вдоль оси масс-анализатора оказывается равной Я + а E

const. Значение этой константы задается исходя из требуемой разрешающей способности по массам.

Положительный эффект предлагаемого устройства по сравнению с известным состоит н следующем.

Существенно (.10 ) раз повышена чувствительность устройства применением нысокоснетосильного кольцевого отверстия, ширина которого равна диаметру входного отверстия известного устройства и площадь в 100 и более раз превышает площадь его входного отверстия, а также применением оптики энергоанализатора, пропускающей без потерь ионы в полном угле 2Т .

Улучшена экранировка входа квадрупольного анализатора от частиц высоких энергий, излучений и нейтральной компоненты. Влияние этих компонент значительно снижено, когда геометрия энергоанализатора (выбором ширины входного кольцевого отверстия, а также длины третьего и четвертого конических электродов и ширины зазора между ними) обеспечивает оптическую затененность рабочих поверх ностей третьего и четвертого конических электродов относительно точки пересечения первичного ионного пучка с образцом, как это показано на фиг.1. Это практически исключает также запыление внутренних поверхностей энергоанализатора, возникнонение эффектов памяти" и зарядки этих поверх ностей.

Обеспечена неизменность массоспектрометрического разрешения при сканировании по спектру начальных энергий ионов и изменению энергети- ческого разброса вторичных ионов, пропускаемых на масс-анализ.

1460747

В испытываемом макете .предлагаемого устройства потенциалы на его электродах (фиг,2), при которых обеспечивается пропускание на масс-анализ

5 вторичных положительно заряженных ионов.со средней начальной энергией

15 эВ при энергетическом окне энергоанализатора -2,5 эВ и наибольшей энергии движения ионов вдоль оси 1О масс-анализатора, равной 5 эВ, равны (относительно образца): на первом коническом электроде — потенциалу образца, на втором коническом электроде 1, = -235 В, на третьем коничес- 15 ком электроде с, (р„ — 200 В, на четвертом коническом:электроде (у, = cp

-535 В, на пятом коническом электроде с = -60 В, на шестом коничес ком электроде(4 3 = 19,9 В, на оси z0 и корпусе масс-анализатора (= 12,5 В.

Формула изобретения

?5

1.Способ энергомассоспектрометрического анализа вторичных ионов, заключающийся в формировании в бесполевом пространстве над образцом пучка вторичных ионов путем диафрагмиро- 30 вания, ввода этих„ ионов в диспергирующее по энергиям электрическое поле, разделении их по энергии и фокусировке по начальному угловому раэбросу, выделении сфокусированного пучка ионов с .определенной. энергией путем диафрагмирования, ввода его в диспергирующее по массам высокочастотное гиперболическое поле квадрупольного масс-анализатора, разделения в этом поле по массам, и регист; рации ионных токов выделенных масс, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности энергомассоспектрометрического ана- 45 лиза и сохранения разрешающей способности массоспектрометрического разделения при развертке по спектру ана-. лизируемого диапазона энергий и регулировке ширины энергетического окна при энергоаналиэе, в бесполевом пространстве над образцом формируют диафрагмированием пучок вторичных ионов в виде расходящегося полого конического пучка, увеличивают начальную энергию этих ионов путем ввода в ускоряющее осесимметричное электрическое поле, вводят ионы в диспергирующее по энергиям осесимметричное

U = — — (E

U а,Ь электрическое поле в направлении его эквипотенциали, значение которой равно потенциалу последней эквипотенциали ускоряющего поля, выводят ионы анализируемого диапазона энергий иэ диспергирующего по энергиям поля под углом к его граничной эквипотенциали C 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+ вале энергий E — Е, вводят их в осесимметричное тормозящее электрическое поле и фокусируют этим полем на вход высокочастотного,циспергирующего по массам поля квадрупольного ! масс-анализатора с торможением до значения их энергий, обеспечивающих постоянство наибольшей скорости их движения вдоль поля масс †анализатора, при этом изменение ширины энергетического окна, развертку по спектру анализируемого диапазона энергий и торможение до энергий движения ионов вдоль поля масс-анализатора, осуществляют согласованным изменением ускоряющего, диспергирующего по энергиям и тормозящего полей в соответствии с соотношениями

1460747

2 а =

Ь =- (1 — — - )

E;î где W — значение Ч, соответствующее условию энергомассоспектрометрического анализа частиц со средней начальной энергией Я=Я при V = О; с — постоянная, задаваемая, исходя из требований к массоспектрометрическому разрешению, максимальная энергия ионов в направлении оси массанализующего поля.

2 У т с ройство для энергомассоспект рометрического анализа вторичных ионов, содержащее источник черничного пучка, держатель образца масс-ана3 лизатор, включающий четыре полеобразующих электрода, электрически соециненные с. выходом парафазного высокочастотного генератора, и энергоаналиэатор, установленный между держателем образца и масс-анализатором

1 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности энергетического и массоспектромет:рического анализа вторичных ионов

У а также сохранения разрешающей способности массоспектрометрического разделения при регулировке ширины энергетического окна энергоанализатора и развертке по спектру анализируемого диапазона энергий вторичных ионов, ось масс-анализатора проходит через точку пересечения ионно-оптической 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 масс10 анализатору и снабжены кольцевыми отверстиями, соосными масс-анализатору, третий и четвертый, обращенные вершинами к образцу, имеют форму усеченных конусов, вложенных один

15 в другои с кольцевым зазором, в который обращены упомянутые кольцевые отверстия, пятый конический электрод

-установлен внутри четвертого, выполнен оптически прозрачным и обращен

20 вершиной к держателю образца а бокоУ вой поверхностью — к кольцевому отверстию, выполненному в четвертом коническом электроде, шестой коническии электрод выполнен усеченным, 25 о обращен вершиной к масс-анализатору и установлен перед соосным оси массанализатора 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

15 анализируемых ионов, соединен с держателем образца, а другой полюс со средней точкой парафазного выхода высокочастотного генератора.! 460747

Составитель Б.Кащеев

Техред Л.Олийньпс Корректор M.Øàðoøè

Редактор В.Данко

Заказ 546/57 Тираж 694 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,301