Энергетический фильтр ионов

Полезная модель относится к области анализа энергий и масс ионов, возбуждаемых первичными ионами с поверхности твердого тела, и может быть использована для улучшения аналитических, эксплуатационных и потребительских характеристик квадрупольных фильтров масс, используемых для исследования объектов твердотельной электроники методом масс-спектрометрии вторичных ионов. При создании заявляемой полезной модели решается задача создания светосильного энергетического фильтра вторичных ионов с прямой оптической осью, с заданной энергетической полосой пропускания и с почти параллельным потоком ионов на выходе. Сущность полезной модели заключается в том, что энергетическая фильтрация ионов и обеспечение параллельности пучка на выходе осуществляется последовательным размещением двух одиночных линз и дырочной диафрагмы между ними.

Полезная модель относится к области анализа энергий и масс ионов, возбуждаемых первичными ионами с поверхности твердого тела, и может быть использована для улучшения аналитических, эксплуатационных и потребительских характеристик квадрупольных фильтров масс, используемых для исследования объектов твердотельной электроники методом масс-спектрометрии вторичных ионов.

Для обнаружения ионов с характерными массами необходимо пространственно разделить принадлежащие им спектральные линии (пики) на масс-спектрограммах. С этой точки зрения масс-анализатор может характеризоваться разрешающей способностью m/m, где m - масса настройки анализатора, m - полная ширина функции пропускания анализатора по массам на ее полувысоте.

Другой важной характеристикой приборов для масс-анализа вещества является чувствительность, которая определяется величиной, задающей количество вещества, которое нужно ввести в спектрометр для того, чтобы оно было надежно обнаружено, и, в конечном счете, зависит от количества частиц, достигших коллектора и им зарегистрированных.

Одним из наиболее используемых анализаторов в масс-спектрометрии поверхности твердого тела является квадрупольный фильтр масс (КФМ). Одно из основных ограничений по масс-разрешению КФМ связано с большим энергетическим разбросом анализируемых ионов в масс-спектрометрии вторичных ионов, достигающем сотни, а иногда и тысячи эВ. Очевидно, что чем больше энергия ионов на входе в КФМ, тем быстрее они пролетают пространство сортировки и поэтому хуже разделяются по массам. Известно, что энергетические распределения вторичных ионов имеют максимумы в диапазоне энергий 5-20 эВ с шириной около 20-25 эВ на уровне 50% от максимальной интенсивности. Для уменьшения влияния энергетического разброса ионов на разрешение по массам на входе КФМ размещают различного рода энергетические фильтры с определенной полосой пропускания и настроенные на максимум распределения вторичных ионов по энергиям. Максимальная трансмиссия ионов и чувствительность анализа достигается при вводе ионов в КФМ параллельно оси системы вследствие оптимального согласования в таком случае фазовых характеристик ионного потока с эллипсом захвата фильтра масс.

Известен масс-анализатор EQS 1000 [1], состоящий из двухлинзовой ионно-оптической системы вытягивания и ускорения (или замедления) ионов, электростатического 45° секторного цилиндрического энергоанализатора (фильтра), квадрупольного фильтра масс и коллектора ионов на основе вторично-электронного умножителя.

К недостаткам известного устройства относится сложность конструкции фильтра энергий ионов и криволинейный характер его оптической оси, что является причиной больших габаритов масс-анализатора в целом; технические проблемы юстировки ступеней фильтрации ионов по энергиям и массам, малое значение максимально возможной величины (порядка 3 эВ) полосы пропускания энергофильтра, значительный угловой разброс (более 5°) ионного потока на входе в КФМ.

Наиболее близким к предлагаемому энергофильтру ионов является полосовой фильтр энергий «Bessel Box» [2] с прямой оптической осью, электродная система которого создает электростатическое поле, на оси приблизительно описываемое функцией Бесселя. Конструктивно энергофильтр представляет собой цилиндр с соосно размещенными вблизи его торцов заземленными дисками. На цилиндр подается отклоняющий потенциал. В центре каждого из торцевых дисков выполняются отверстия для ввода и вывода пучков заряженных частиц. Конический пучок заряженных частиц, испущенных точечным источником, сквозь входное отверстие в одном из торцевых дисков попадает в электрическое поле системы, отклоняется и фокусируется этим полем, и направляется сквозь выходное дырочное отверстие в другом торцевом диске на коллектор. С целью предотвращения попадания нейтральных молекул и быстрых заряженных частиц на коллектор перпендикулярно оси системы приблизительно на половине высоты цилиндра размещается заземленный диск малого диаметра, непрозрачный для частиц. Вследствие этого на выходе поток частиц имеет форму полого конуса. Сквозь выходное отверстие в торцевом диске после отклонения пролетают частицы лишь в определенной полосе энергий. Ширина полосы пропускания задается величиной диаметра выходного отверстия. Изменением потенциала цилиндра можно совместить центр этой полосы с максимумом функции распределения вторичных ионов по энергиям.

К недостаткам прототипа относится малая светосила (сотые доли процента), обусловленная низким фокусирующим качеством поля системы, и значительный угол наклона (более 5°) траекторий частиц к ее оси на выходе.

При создании заявляемой полезной модели решается задача создания светосильного энергетического фильтра вторичных ионов с прямой оптической осью, с заданной энергетической полосой пропускания и с почти параллельным потоком ионов на выходе.

Сущность полезной модели заключается в том, что энергетическая фильтрация ионов и обеспечение параллельности пучка на выходе осуществляется последовательным размещением двух одиночных линз и дырочной диафрагмы между ними.

На фиг. 1 приведена электронно-оптическая схема предлагаемого устройства.

Решение указанной задачи достигается тем, что аксиально-симметричный энергетический фильтр заряженных частиц содержит две одиночные линзы, первая из которых, ближняя к источнику 1 частиц, образована крайними заземленными и электрически связанными между собой цилиндрическими электродами 2 и 3 и внутренним по отношению к ним фокусирующим цилиндрическим электродом 4; вторая по счету от источника 1 линза образована крайними заземленными и электрически связанными между собой цилиндрическими электродами 3 и 5 и внутренним по отношению к ним фокусирующим цилиндрическим электродом 6; дырочную осевую диафрагму 7, размещенную в пространстве между первой и второй линзами; вырезанное в основании цилиндрического электрода 5 и затянутое мелкоструктурной металлической сеткой круглое выходное окно 8. При этом на фокусирующий электрод 4 первой линзы подается потенциал V₄, обеспечивающий угловую фокусировку частиц 9, влетающих в линзу в фиксированном диапазоне начальных углов сквозь круглую апертуру 10 и с определенной начальной энергией, на отверстии диафрагмы 7 и их транспортировку в рабочее пространство второй линзы, потенциал V₆ фокусирующего электрода 6 которой формирует параллельный пучок частиц на выходе, попадающих сквозь выходное окно 8 на вход масс анализатора.

На фиг. 2 с целью демонстрации факта фильтрации частиц по их энергиям в предлагаемой системе представлены траектории частиц с начальным углом 2° и тремя различными энергиями - с энергией настройки, большей и меньшей, чем энергия настройки.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый образец 1 облучается пучком первичных ионов (на рисунке не показано), в результате чего образец 1 испускает поток вторичных положительных ионов 9, который за счет начальной энергии преодолев пространство свободного дрейфа, попадает в поле первой линзы через входную круглую апертуру 10, образованное положительным потенциалом V ₄ на фокусирующем электроде 4, и фокусируется на отверстии диафрагмы 7. В соответствии с законами электронной оптики частицы с определенным отношением их энергии к потенциалу E/V₄ проходят сквозь отверстие диафрагмы 7, в то время, как с большим или меньшим отношением оседают на стенках диафрагмы 7. Таким образом, частицы в определенной, достаточно узкой полосе энергий, величина которой задается диаметром отверстия диафрагмы 7, попадают во вторую линзу, где за счет положительного потенциала V ₆ второй линзы формируется параллельный пучок ионов, подаваемый на вход КФМ. Изменением потенциала V₄ можно настроиться практически на любую центральную по отношению к полосе пропускания энергию E. Потенциал V₆ в реальном эксперименте позволяет оптимальным образом согласовать фазовые характеристики ионного потока и эллипсы захвата квадрупольного фильтра масс. Отверстие диафрагмы 7 имеет достаточно малый диаметр, что минимизирует попадание нейтральных молекул и высокоэнергетических ионов в рабочий объем КФМ и исключает рост пленок на поверхности его электродов. С целью исключения «загрязнения» поверхности коллектора, располагаемого на выходе КФМ, нейтральными молекулами и высокоэнергетическими ионами следует использовать, так называемые «поворотные» вторично-электронные умножители.

На фиг. 3 представлен пример функции пропускания по энергии (аппаратная функция) предлагаемого фильтра при V₄=0.9273 В и V ₆=0.82 В, откуда следует, что при светосиле /2=0,4% и энергии настройки E=20 эВ полоса пропускания E фильтра на полувысоте аппаратной функции может составлять порядка 0.6 эВ. Следует заметить, что в предлагаемой конструкции фильтра нет принципиальных ограничений для изменений (уменьшений или увеличений) ширины полосы пропускания за счет вариации диаметров апертур 10, 7 и 8.

При внутреннем диаметре цилиндрических электродов 2, 3, 4, 5 и 6 равном 44 мм длина устройства составляет около 243 мм, расстояние между источником частиц 1 и входной апертурой 10 фильтра примерно равно 20 мм, диаметр входной апертуры 10 примерно равен 3.6 мм, расстояние от входной апертуры до дырочной диафрагмы 7 равняется приблизительно 141 мм, диаметр отверстия диафрагмы 7 составляет около 0.9 мм, длина основания цилиндрического электрода 4, располагаемого на равном расстоянии от входной апертурой 10 и диафрагмы 7, составляет примерно 50 мм; длина основания цилиндрического электрода 6, располагаемого на равном расстоянии от диафрагмы 7 и выходного окна 8, также составляет примерно 50 мм; диаметр выходного окна примерно равен 15.5 мм, величина изолирующего промежутка между электродом 4 и заземленными электродами 2 и 3 составляет примерно 1 мм, а также величина изолирующего промежутка между электродом 6 и заземленными электродами 3 и 5 составляет примерно 1 мм.

Отношение потенциалах V₄ к энергии ионов E примерно равно 0.9273, а отношение потенциала V₆ к энергии ионов E примерно равно 0.82.

Энергетический фильтр обеспечивает энергетическое разрешение E/E=3.2% на полувысоте аппаратной функции и уменьшает диапазон углов с [-5°÷+5°] на входе до [-0.6°÷+0.6°] на выходе.

ЛИТЕРАТУРА

1. A. Tolstogouzov, S. Daolio, C. Pagura, C.L. Greenwood // International Journal of Mass Spectrometry 214 (2002) 327-337.

2. J.D. Allen, Jr., J.P. Wolfe, G.K. Schweitzer // International Journal of Mass Spectrometry. Ion Phys. 8 (1972) 81-83.

Аксиально-симметричный энергетический фильтр заряженных частиц, содержащий две одиночные линзы, первая из которых, ближняя к источнику частиц, образована крайними заземленными и электрически связанными между собой цилиндрическими электродами и внутренним по отношению к ним фокусирующим цилиндрическим электродом; вторая по счету от источника линза образована крайними заземленными и электрически связанными между собой цилиндрическими электродами и внутренним по отношению к ним фокусирующим цилиндрическим электродом; дырочную осевую диафрагму, размещенную в пространстве между первой и второй линзами; вырезанное в основании цилиндрического электрода и затянутое мелкоструктурной металлической сеткой круглое выходное окно, отличающийся тем, что на фокусирующий электрод первой линзы подается потенциал, обеспечивающий угловую фокусировку частиц, влетающих в линзу в фиксированном диапазоне начальных углов сквозь круглую апертуру и с определенной начальной энергией, на отверстии диафрагмы и их транспортировку в рабочее пространство второй линзы, потенциал фокусирующего электрода которой формирует параллельный пучок частиц на выходе, попадающих сквозь выходное окно на вход масс-анализатора.