CN103165391A - 一种高价离子源的调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高价离子源的调制装置，包括高价离子源、聚焦透镜、调速电极组、高价离子引出电极组、样品靶。高价离子通过激光与团簇相互作用产生，利用聚焦透镜将高价离子会聚于样品靶上，同时利用调速电极对高价离子的能量进行调节。

Description

一种高价离子源的调制装置

技术领域

本发明涉及质谱离子源，离子刻蚀和材料表面处理领域。

背景技术：

离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。电子轰击(EI)电离源是通过热阴极发射电子，将电子加速到一定能量形成电子束。然后用电子束轰击气体或者液体和固体样品的蒸汽。当电子的能量大于样品分子的能量时，样品分子因失去电子而电离成离子，从而实现样品分子的离子化。这种电离源在同位素分析、有机分析和具有一点挥发性的液体样品分析时，有着很广泛的应用。但他的缺点是样品母体离子少，多数为碎片离子。电喷雾电离源(ESI)是通过喷针将样品溶液喷出，在喷针针头与施加电压的电极之间形成强电场，该电场使液体带电，带电的溶液在电场的作用下向带相反电荷的电极运动，并形成带电雾滴。带电的雾滴在电场作用下运动并迅速去溶，溶液中分子所带电荷在去溶剂时被保留在分子上，最终使分子离子化。电喷雾电离源(ESI)属于一种软电离源，具有碎片离子少的优点。此外还有激光电离源、放电离子源、射频电离源和新型重离子源等等。每一种离子源都在分析某一方面的样品具有优势和特定的应用范围。

高价离子与传统的一价离子相比具有高的电离势，在与生物大分子相互作用过程中发生电荷转移和离子化的机理，与EI和ESI电离源有本质的区别，高价离子既可以利用自身高的电离是将样品分子离子化，也可以利用自身的能量与样品分子发生碰撞使样品分子离子化。

团簇由于自身的特性，在于激光相互作用过程中能够产生高价离子、高能量电子、X射线，甚至引发核聚变。激光与团簇相互作用是能够产生高能的离子是一个非常普遍的现象，有关文献报道，离子的能量可以达到几千电子伏、氙元素的价态高二十。然而对激光与团簇作用过程中产生的高价离子和高能电子的应用却很少。

此外高价离子在光刻蚀方面也有很大的应用前景。传统的光刻技术的分辨率与波长的有关，而光的波长是由限制的光刻的分辨率，紫外光的分辨率一般在0.1μm已达到极限。而离子刻蚀可以通过电场聚焦可以取得很高的分辨率，这也是未来半导体制造业的主要技术之一。高价离子用于光刻蚀，在进行曝光的同时，可以进行腐蚀工艺操作，也可以应用在淹没版制造和针对器件缺陷的检验和修复。

由于团簇与激光相互作用产生的高价离子空间发散性大，离子能量高，不能直接进行应用。本装置是对激光与团簇形成的高价离子进行调制，将调制后的离子束作为一种新的质谱离子源，或者用于材料表面的处理和离子刻蚀。

发明内容

本发明针对激光与团簇相互作用后产生的高离子的不足，提供了一种高价离子源的调制装置，对激光与团簇相互作用过程中产生的高价离子进行调制。

本发明采用的技术方案如下：

一种高价离子源的调制装置，包括依次排列的高价离子引出电极组、聚焦透镜、调速电极组和样品靶；

高价离子引出电极组为二板平行、相互间隔设置的金属板状电极，一为推斥电极、另一为加速电极，于一加速电极中部设有贯穿电极板体的孔；离子聚焦透镜由2-5个同轴、相互间隔设置的金属圆筒状电极构成；调速电极组为2-5个同轴、相互间隔设置的金属圆筒状电极，或为2-5块平行、相互间隔设置的金属板状电极，电极中部设有贯穿电极板体的孔；一为屏蔽电极、其余为调速电极构成；

所述的加速电极的孔、离子聚焦透镜、调速电极组的孔同轴设置，加速电极和屏蔽电极靠近离子聚焦透镜设置；远离离子聚焦透镜的调速电极外侧设置有样品靶，样品靶设置于调速电极的孔的轴线上。

所述的推斥电极的电势高于加速电极的电势。离子聚焦透镜由2-5个的金属圆筒状电极，中间电极到两边的电极的电势依次升高或依次下降。所有极片的电极均低于推斥电极的电势。屏蔽电极与靠近聚焦透镜的电极电势相近。调速电极的电势都低于推斥电极的电势。

所述的高价离子由激光与高压气体团簇的相互作用形成，其结构为，于加速电极的孔与推斥电极间的区域引入由激光光源发出的激光，同时在此区域经管道通入高压气体，并于管道的出口处设置一电磁脉冲阀，电磁脉冲阀经脉冲发生器与外电源相连，高压气体通过电磁脉冲阀后由管道的出口喷出，形成气体团簇。高价离子在推迟电极和引出电极的作用下从电离区引出，相对于加速电极的孔的推斥电极极板处设有一圆锥形凹槽，可以使通地加速电极孔的离子的通过率提高5～10％。

所述的高价离子在通过引出极的中心孔离开电离区进入聚焦透镜。高价离子在轰击材料表面前添加了调速电极，可以根据自己的需要选择轰击样品的离子能量。激光和团簇相互作用的过程中产生高价离子的同时也伴随有大量的电子，引出的不仅可以是高价离子，也可以通过改变高价离子引出电极组电压引出电子，离子和电子可以相互切换。通过改变高价离子引出电极组电压，电子也可以引出来用于轰击样品。

所述的离子的最终速度取决于离子产生位置的电势、离子的初始能量和调速电极的电势。推斥拉出电极、聚焦透镜和调速电极采用了同轴设计。

与现有高价离子束装置相比，本发明具有的优点是：

1.高价离子源与电子回旋共振离子源(ECR)、电子束离子源(EBIS)相比体积小。

2.团簇不断更新，产生的高价离子稳定，参数易控。

3.高价离子能量容易调节。

4.结构简单。

附图说明

图1为高价离子源的调制装置示意图；1-高价离子源；2-推斥引出电极组；3-高价离子聚焦透镜；4-调速电极；5-样品靶；6-推斥电极；7-加速电极；8-屏蔽电极；9-调速电极。

图2为图1的剖视图。

具体实施方式

本发明用于对激光与团簇产生的高价离子的调制，经过调制后的高价离子，具有低的动能，可以直接用做质谱的离子源。

如图1所示，高价离子1通过激光与团簇的相互作用产生。在推斥极6和加速极7的作用下，高价离子离开电离区。由于高价离子产生过程中高价离子的初始运动方向分散比较宽，离子的接受效率，推斥极6采用锥形结果，离子的接受效率可以提高5～10％左右。

离子离开加速区以后进入由2～5个筒电极构成的离子聚焦透镜3，聚焦透镜中间电极的电势同时高于或低于两侧电极的电势。离子经过聚焦透镜3后离子束被压细，通过调节聚焦透镜中间电极的电压，可以将离子聚焦到样品靶5上面，从而在空间单位体积内可以获得高密度的高价离子束。

由于激光产生的高价离子的能量比较高，高的能达到几千电子伏，低的也有几十电子伏。高价离子的能量需要进行调节，使其根据我们的目的达到合适的能量。需要样品母体离子的碎片信息时，降低高价离子的能量。需要样品碎片离子信息时，提高高价离子的能量。在聚焦透镜3和样品靶5之间添加了调速电极组4，用于调节高价离子的能量。

为了提高高价离子的传输效率和提高高价离子的空间密度，推斥引出电极组2、离子聚焦透镜3、调速电极4位于同一轴心线上。高价离子的最终速度取决于离子产生位置的电势、离子的初始能量和调速电极的电势。

Claims (5)

1.一种高价离子源的调制装置，其特征在于：包括依次排列的高价离子引出电极组(2)、聚焦透镜(3)、调速电极组(4)和样品靶(5)；

高价离子引出电极组(2)为二板平行、相互间隔设置的金属板状电极，一为推斥电极(6)、另一为加速电极(7)，于一加速电极(7)中部设有贯穿电极板体的孔，

离子聚焦透镜(3)由2-5个同轴、相互间隔设置的金属圆筒状电极构成；

调速电极组(4)为2-5个同轴、相互间隔设置的金属圆筒状电极，或为2-5块平行、相互间隔设置的金属板状电极，电极中部设有贯穿电极板体的孔；一为屏蔽电极(8)、其余为调速电极(9)构成；

加速电极(7)的孔、离子聚焦透镜(3)、调速电极组(4)的孔同轴设置，加速电极(7)和屏蔽电极(8)靠近离子聚焦透镜(3)设置；

于远离离子聚焦透镜(3)的调速电极(9)外侧设置有样品靶(5)，样品靶(5)设置于调速电极(9)的孔的轴线上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

推斥电极(6)的电势高于加速电极(7)的电势；

离子聚焦透镜(3)由2-5个的金属圆筒状电极，中间电极到两边的电极的电势依次升高或依次下降；所有极片的电极均低于推斥电极的电势；

屏蔽电极(8)与靠近聚焦透镜的电极电势相近；调速电极的电势都低于推斥电极的电势。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：高价离子(1)由激光与高压气体团簇的相互作用形成，其结构为，于加速电极(7)的孔与推斥电极(6)间的区域引入由激光光源发出的激光，同时在此区域经管道通入高压气体，并于管道的出口处设置一电磁脉冲阀，电磁脉冲阀经脉冲发生器与外电源相连，高压气体通过电磁脉冲阀后由管道的出口喷出，形成气体团簇。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

相对于加速电极(7)的孔的推斥电极(6)极板处设有一圆锥形凹槽，可以使通地加速电极(7)孔的离子的通过率提高5～10％。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：高价离子引出电极组(2)、聚焦透镜(3)和调速电极(4)为同轴。

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