Вторично-ионный масс-спектрометр

 

Изобретение относится к экспериментальной физике, предназначено для анализа поверхности твердого тела и позволяет расширить функциональные возможности прибора посредством дополнительной регистрации оптического излучения, возникающего при взаимодействии первичного ионного пучка с поверхностью образца. Сущность изобретения: устройство содержит вакуумную систему, двухканальный монопольный масс-анализатор с каналами и симметрично расположенные на нем ионные источники. Первичный пучок ионов, формируемый источником, через один из каналов объектива попадает на образец, закрепленный в зоне действия противоположного канала. Вторичные ионы вытягиваются электростатическими сетками и попадают в канал. Окна выполнены из кварцевого стекла. Возникающее при ионной бомбардировке образца оптическое излучение регистрируется в виде токов с фотоумножителя. 2 ил.

Изобретение относится к экспериментальной физике и предназначено для анализа поверхности твердого тела, а более конкретно, к анализу состава поверхности посредством пучка ускоренных ионов. Результатом анализа является масс-спектр поверхности исследуемого образца или профиль распределения по глубине выбранного элемента. Корректная расшифровка спектров - задача значительной сложности из-за большого различия выхода вторичных ионов из разных матриц, зависимости коэффициента ионизации от множества не всегда поддающихся учету мешающих факторов, а также вследствие наложения сигналов от различных компонентов с близкими массивами.

Известны ионные микроскопы типа IMS3F и IMS4F Cameca и ионные микрозонды MIQ156 Riber (Франция), SIMS LAB (Великобритания) [1] . Они снабжены устройством для визуального наблюдения за местом анализа, в частности окном и длиннофокусным микроскопом. Однако для визуального наблюдения за местом анализа необходимо определенное расстояние между образцом и системой отбора вторичных ионов, в этих устройствах теряется определенная часть вторичных ионов, к вытягивающим электродам приходится прикладывать высокое ускоряющее напряжение (до 5 кВ), на исследуемый образец необходимо подавать высокий потенциал.

Наиболее близким к предлагаемому является масс-спектрометр вторичных ионов типа МС-7201 М [2] , имеющий двухканальный иммерсионный объектив для отбора и фокусировки вторичных ионов, в фокусе которого находится прижатый к первому вытягивающему электроду образец. На первый электрод подается напряжение от 0 до 200 В, на два других соответственно от 0 до - 700 В и от 0 до - 500 В.

Такая конструкция позволяет собрать практически все вторичные ионы, однако она сужает возможности прибора, так как при относительно невысокой разрешающей способности (до 3 М) часто происходит наложение сигналов от близких масс, а отсутствие визуального наблюдения затрудняет выбор места анализа.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей прибора посредством дополнительной регистрации оптического излучения, возникающего при взаимодействии первичного ионного пучка с поверхностью образца, а также благодаря визуализации места анализа.

Цель достигается тем, что известный вторично-ионный спектрометр, содержащий вакуумную систему, двухканальный монопольный масс-анализатор с симметрично расположенными на нем двумя ионными источниками, двухканальный иммерсионный объектив и держатель образцов, снабжен дополнительной вакуумной камерой, расположенной между иммерсионным объективом и держателем образцов и выполненной в виде вакуумной камеры, внутри которой имеются две вытягивающие электростатические сетки, пружинный контакт, два окна для вывода оптического излучения на монохроматор и объектив визуализации места анализа, при этом образец закреплен в зоне действия канала масс-анализатора, находящегося со стороны, противоположной ионному источнику.

Анализ существующего научно-технического уровня разработок в данной области техники показал, что введение в устройство приставки, определенным образом выполненной и расположенной над исследуемыми образцами, обеспечивает новое качество - осуществление регистрации оптического излучения и визуализацию места анализа. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критериям изобретения "существенные отличия" и "новизна".

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого вторично-ионного масс-спектрометра; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Устройство содержит вакуумную систему 1, двухканальный монопольный масс-анализатор 2 с каналами 3, 4 и симметрично расположенные на нем ионные источники 5 (по одному на каждый канал), двухканальный иммерсионный объектив 6, держатель 7 образцов с образцами 8 и 9, дополнительную вакуумную камеру 10, выполненную в виде вакуумной камеры 11 с уплотнениями, внутри которой имеются две вытягивающие электростатические сетки 12, 13, пружинный контакт 14, потенциальный гермоввод 15, изоляторы 16 и два окна 17, 18, напротив которых расположены соответственно входное окно монохроматора 19 с фотоумножителем 20 и объектив 21 с подсветкой.

Устройство работает следующим образом. Первичный пучок ионов, формируемый источником 5, через один из каналов (4) иммерсионного объектива 6 попадает на образец 8, закрепленный в зоне действия противоположного канала (3), что достигается подбором толщины (высоты) дополнительной вакуумной камеры 10. Вторичные ионы вытягиваются закрепленными на керамических изоляторах 16 электростатическими сетками 12, 13 с высокой прозрачностью и попадают в канал 3 иммерсионного объектива. Подача напряжения на электростатические сетки 12, 13 и пружинный контакт 14 для подачи напряжения на образцы осуществляется через потенциальный гермоввод 15. На сетки подается напряжение от 0 до -50 В, на образец - от 0 до +200 В. Окна 17 и 18 выполнены из кварцевого стекла. Окно 17 расположено на расстоянии 70 мм от места анализа в области, наименее подвергающейся напылению рассеянными и распыленными с образца частицами (со стороны первичного пучка). Возникающее при ионной бомбардировке образца оптическое излучение регистрируется в виде токов с фотоумножителя 20, что позволяет реализовать известный метод ионно-фотонной спектроскопии. Для выбора места анализа используются окно 18 и объектив 21 с подсветкой.

Наличие дополнительной вакуумной камеры расширяет функциональные возможности и точность измерений за счет визуализации образца и большей точности наведения первичного ионного пучка на место анализа (ограниченной оптическими свойствами окуляра) и использования ионно-фотонной спектроскопии одновременно с вторично-ионной масс-спектрометрией.

Испытания прибора показали надежность действия предлагаемого устройства. Автономность дополнительной вакуумной камеры обеспечивает легкость перехода от исходного варианта прибора МС-7201М, когда образцы прижаты к иммерсионному объективу предлагаемого устройства, что позволяет сочетать преимущества обоих вариантов.

Сочетание разработанной приставки с двухканальным масс-анализатором позволяет повысить точность относительных измерений состава вещества за счет возможности нанесения на спектрограмму исследуемого образца спектральных линий (оптических и массовых) эталонного образца. В случае пересечения пучков первичных ионов источники могут использоваться в последовательно-импульсном режиме.

Формула изобретения

ВТОРИЧНО-ИОННЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий вакуумную камеру симметрично расположенными в ней относительно центральной оси масс-спектрометра двумя ионными источниками, двухканальным масс-анализатором и системой детектирования ионов, и держатели образцов, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет ионно-фотонного анализа и визуализации места анализа, он снабжен дополнительной вакуумной камерой с двумя окнами, соответственно являющимися выходами источника и приемника оптического излучения, оптические оси которых проходят через центр держателя образца, через который также проходит оптическая ось источника ионов, расположенного с противоположной относительно оси масс-спектрометра стороны, а также вытягивающими сеточными электродами и герморазъемом для подачи потенциала на элементы дополнительной вакуумной камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2