CN105914126B - 一种离子束调节装置、离子光学系统及二次离子质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子束调节装置、离子光学系统及二次离子质谱仪，包括：至少两个级联的多级杆及驱动模块；相邻两个多级杆之间存在预设距离；驱动模块分别与各多级杆电连接；各多级杆包括至少四个电极；在与多级杆的横截面垂直的方向上，组成多级杆的各电极沿同一圆周均匀排列，且各多级杆分别围成的各圆周的圆心的投影相互重合；通过驱动模块分别对各多级杆的各电极施加电信号，调整入射至级联的多级杆中的离子束的飞行方向和相位，控制离子束始终沿着所需光轴运动，消除离子在飞行过程中产生的离子光学像差，实现小离子束斑直径，保证离子束的传输效率，使离子束在轰击到样品表面时，束斑密度均匀，同时可实现二次离子质谱的样品清理功能。

Description

一种离子束调节装置、离子光学系统及二次离子质谱仪

技术领域

本发明涉及分析技术领域，尤其涉及一种离子束调节装置、离子光学系统及二次离子质谱仪。

背景技术

二次离子质谱(Secondary ion mass spectrometry，简称SIMS)是目前灵敏度最高的表面化学分析手段之一，可以用于分析样品化学成分及其含量，被广泛应用于分析化学、半导体技术、环境保护、食品安全及地球化学等领域。SIMS拥有高空间分辨率、高灵敏度特点，可以在微区范围内进行样品深度成份分析、三维离子成像以及元素同位素丰度测定。二次离子质谱仪(SIMS)的基本原理是一次离子束经过一次离子光学系统后轰击样品表面，使样品表面的分子或原子溅射出来成为二次离子。二次离子束经过二次离子提取系统后进入质量分析器，按荷质比大小不同实现质量分离。根据二次离子的质量分离，可以得知样品表面和样品一定深度的元素分布和组成。

二次离子质谱仪主要由一次离子光学系统、三维样品台、二次离子提取系统、质量分析器和离子检测系统等所组成。二次离子质谱仪工作过程中，离子源产生的一次离子在被传统透镜和偏转板聚焦偏转后，大多数情况下离子会出现偏离理论光轴的情况，这样的结果就会导致离子在飞行过程中产生较大的离子光学像差，不仅会影响离子的传输效率，并且离子在轰击到样品表面时，会出现束斑密度不均匀，束斑形状不规则等现象。这些问题在不同的应用背景下，都会对仪器的分析效果产生不同程度的影响。因此一次离子是产生二次离子的重要工具，其相位特性及束斑形状和大小将直接影响SIMS的分析结果。

发明内容

本发明实施例提供了一种离子束调节装置、离子光学系统及二次离子质谱仪，用以对离子束的飞行方向和相位进行调整，从而消除离子在飞行过程中产生的离子光学像差。

第一方面，本发明实施例提供一种离子束调节装置，包括：至少两个级联的多极杆及驱动模块；其中，相邻两个所述多极杆之间存在预设距离；所述驱动模块分别与各所述多极杆电连接；

各所述多极杆包括至少四个电极；在与所述多极杆的横截面垂直的方向上，组成所述多极杆的各电极沿同一圆周均匀排列，且各所述多极杆分别围成的各圆周的圆心的投影相互重合；

所述驱动模块，用于分别对各所述多极杆的各电极施加电信号，调整入射至所述级联的多极杆中的离子束的飞行方向和相位。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述装置中，各所述多极杆包括的电极个数为4的倍数。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述装置中，组成各所述多极杆的电极的数量相等。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述装置中，各所述多极杆分别围成的各圆周的直径相等。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述装置中，还包括：设置在所述级联的多极杆的离子束出射路径上的聚光透镜；

所述聚光透镜，用于对由所述级联的多极杆中出射的离子束进行汇聚。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述装置中，所述聚光透镜的横截面沿所述级联的多极杆的出射方向逐渐减小。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述装置中，组成所述多极杆的电极为圆柱形电极。

第二方面，本发明实施例提供一种离子光学系统，包括离子源及上述任一离子束调节装置；

所述离子束调节装置设置在所述离子源的出射方向上。

第三方面，本发明实施例提供一种二次离子质谱仪，包括上述的离子光学系统。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述二次离子质谱仪中，还包括：三维样品台、二次离子提取系统、质量分析器以及离子检测器；

所述二次离子提取系统，用于在所述离子光学系统出射的离子束对所述三维样品台上的待测样品进行离子束轰击后，对所述待测样品表面溅射出的二次离子进行提取，使质量分析器和离子检测器对所述二次离子进行分析和检测。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的离子束调节装置、离子光学系统及二次离子质谱仪中，离子束调节装置包括：至少两个级联的多极杆及驱动模块；其中，相邻两个多极杆之间存在预设距离；驱动模块分别与各多极杆电连接；各多极杆包括至少四个电极；在与多极杆的横截面垂直的方向上，组成多极杆的各电极沿同一圆周均匀排列，且各多极杆分别围成的各圆周的圆心的投影相互重合；通过驱动模块分别对各多极杆的各电极施加电信号，调整入射至级联的多极杆中的离子束的飞行方向和相位，控制离子束始终沿着所需光轴运动，从而消除离子在飞行过程中产生的离子光学像差，实现了小离子束斑直径，保证了离子束的传输效率，使离子束在轰击到样品表面时，束斑密度均匀，形状规则，同时采用上述的离子束调节装置可实现二次离子质谱的样品清理功能。

附图说明

图1为本发明实施例中离子束调节装置的结构示意图；

图2a为本发明实施例中多极杆的结构示意图；

图2b为本发明实施例中多极杆的截面图；

图3为本发明实施例中离子光学系统的结构示意图；

图4为本发明实施例中二次离子质谱仪的结构示意图；

图5为本发明实施例中八极杆在各象限中的分布示意图；

图6为本发明实施例中级联的八极杆的原理图；

图7为本发明实施例中聚光透镜的原理图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种离子束调节装置、离子光学系统及二次离子质谱仪，用以对离子束的飞行方向和相位进行调整，从而消除离子在飞行过程中产生的光学像差。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细介绍本发明实施例提供的离子束调节装置、离子光学系统及二次离子质谱仪。

如图1所示，本发明实施例提供的离子束调节装置，包括：至少两个级联的多极杆11及驱动模块12；其中，相邻两个多极杆11之间存在预设距离；驱动模块12块分别与各多极杆11电连接；

如图2a和图2b所示，各多极杆11包括至少四个电极111；在与多极杆11的横截面垂直的方向上，组成多极杆11的各电极111沿同一圆周均匀排列，且各多极杆11分别围成的各圆周的圆心的投影相互重合；

驱动模块12，用于分别对各多极杆11的各电极111施加电信号，调整入射至级联的多极杆11中的离子束的飞行方向和相位。

在具体实施时，通过对级联的多极杆的各电极施加电信号，可以对入射到多极杆中的离子束的飞行方向和相位进行调整，使得离子束始终沿着所需光轴运动，从而消除离子在飞行过程中产生的离子光学像差，保证了离子束的传输效率，使离子束在轰击到样品表面时，束斑密度均匀，形状规则。

由于两个级联的八极杆可以满足对离子束的飞行方向和相位进行调整，且电极数量较少，对各电极施加电信号进行调整的复杂程度相对较小，在实际应用时，可优选两个级联的八极杆组成上述的离子束调节装置。当然，其它为实现更高调节精度而设置的包含其它数量电极的多极杆，以及更多级的级联多极杆的情况，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述离子束调节装置中，各多极杆包括的电极个数为4的倍数。为了对入射到多极杆中的离子束的飞行方向和相位同时进行调整，多极杆至少为四极杆，且均匀分布在其横截面方向形成的四个象限中，中心为多极杆围成的圆心。则为了实现四极杆相同的功能，在实际应用中，优选将离子事调节装置设置为八极杆，除此之外，还可采用电极数量为12或16的十二极杆或十六极杆，且各电极均匀分布在四个象限中。为了使多极杆的电极可在四个象限中均匀分布，通常采用的组成多极杆的电极个数为4的倍数，且至少为四极杆。

进一步地，在本发明实施例提供的上述离子束调节装置中，如图1所示，组成各多极杆11的电极111的数量相等。在具体实施时，组成各多极杆的电极的数量还可不等。例如，第一级多极杆为八极杆，第二级多极杆为十二极杆；或者，第一级多极杆为十六极杆，第二级多极杆为八极杆。在实际应用中，可根据对离子束的调节需求灵活设置不同电极数量的多极杆，本实施例不对多极杆的电极数量进行限定。为简化施加电信号的调节过程，使施加在各级多极杆的电信号之间存在一定的对应关系，在应用时可采用级联的两个八极杆来实现对离子束飞行方向和相位的调整。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述离子束调节装置中，如图1所示，各多极杆11分别围成的各圆周的直径相等。由于级联的多极杆的中心轴一致，且为理想光轴的位置，因此，将各多极杆11围成的各圆周设置为同样大小，可以在对离子束的飞行方向和相位进行调整时，采用同样的电信号标准分别对各多极杆的各电极施加电信号。然而，在实际应用时，根据封装后装置的形状，来设置多极杆围成的圆周尺寸不等的情况，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述离子束调节装置中，如图1所示，还包括：设置在级联的多极杆11的离子束出射路径上的聚光透镜13；

聚光透镜13，用于对由级联的多极杆11中出射的离子束进行汇聚。在实际应用时，要求离子束调节装置出射的离子束的束斑直径较小，因此需要对级联的多极杆调整后的离子束进行汇聚，使得汇聚后的离子束无离子光学像差，束斑直径符合应用标准。在具体实施时，可根据最终出射的离子束的束斑直径来设置相应焦距的聚光透镜，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述离子束调节装置中，如图1所示，聚光透镜13的横截面沿级联的多极杆11的出射方向逐渐减小。本发明实施例提供的上述聚光透镜13的横截面沿着八极杆中离子束的出射方向逐渐减小，即沿着离子束出射方向形成外凸的形状，可对八极杆中出射的离子束起到较好的汇聚的作用。在实际应用中，聚光透镜13可呈锥形，且可将锥形的聚光透镜的出射末端设置为光滑圆柱形，由此可以使离子在经过汇聚后，飞出聚光透镜最后一段区域时的电场为一段平行非畸变电场区，保证离子束被压缩后不出现更大的方向上的杂散。此外，仍可采用其它形状的透镜对调整后的离子束进行汇聚，本发明实施例不对其进行限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述离子束调节装置中，如图2a和图2b所示，组成多极杆11的电极111为圆柱形电极。上述的圆柱形电极相互独立且沿着同一圆周均匀分布，对上述的各圆柱形电极施加设定的电信号时，可对穿过级联的多极杆中离子束的空间相位进行调节。在实际应用中，使用其它形状的电极来达到与本发明实施例相同作用的情况，在此不做限定。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种离子光学系统，如图3所示，包括离子源31及上述任一离子束调节装置32；

离子束调节装置32设置在离子源11的出射方向上。

在具体实施时，通过对离子束调节装置中各级联的多极杆的各电极施加电信号，可以对入射到级联的多极杆中的离子束的飞行方向和相位进行调整，使得离子光学系统发射的离子束始终沿着所需光轴运动，从而消除离子在飞行过程中产生的离子光学像差，保证了离子束的传输效率；采用聚光透镜对调整后的离子束的束斑直径进一步调整，使离子束在轰击到样品表面时，束斑密度均匀，形状规则。

本发明实施例还提供一种二次离子质谱仪，如图4所示，包括上述的离子光学系统41。

进一步地，在本发明实施例提供的上述二次离子质谱仪中，如图4所示，还包括：三维样品台42、二次离子提取系统43、质量分析器44以及离子检测器45；其中，

二次离子提取系统43，用于在离子光学系统41出射的离子束对三维样品台42上的待测样品进行离子束轰击后，对待测样品表面溅射出的二次离子进行提取，使质量分析器44和离子检测器45对二次离子进行分析和检测。

由此，通过对图4中离子束调节装置411的各级联多极杆的各电极施加电信号，可以对入射到级联的多极杆中的离子束的飞行方向和相位进行调整，使得离子光学系统发射的离子束始终沿着所需光轴运动，从而消除离子在飞行过程中产生的离子光学像差，保证了离子束的传输效率，使离子束在轰击到样品表面时，束斑密度均匀，形状规则，同时实现二次离子质谱的样品清理功能。

如下以两个级联的八极杆组成的离子束调节装置为例对本发明实施例提供的上述离子束调节装置对离子束方向相位的调整进行具体说明。

二次离子质谱中一次离子束的束斑直径通常较小，数量级约为十几微米到百微米之间。因此，相对于真空传输部件的尺寸，其在飞行过程中很难保持始终沿着理想光轴运动的状态，从而会产生一定的像差。

为解决上述问题，以理想光轴为中心点，将离子飞行剖面分为四个区域，如图5所示，沿着逆时针方向分别为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限，假设理想状态下应沿着理想光轴方向飞行的离子束偏离理想光轴，在第二象限飞行，且当前所在位置为S₁。此时，可以通过对离子束调节装置中级联的两个八杆的各电极施加一定的电压，将离子束从第二象限调节到理想光轴位置，即由位置S₁调整为S₂。

具体来说，如图6所示，以离子束当前飞行的位置轴线和理论中心光轴为两条直线形成一剖面，从剖面图可以确定离子束中心轴与离理想光轴的之间的距离为L，此时，在第一级八极杆61顶部电极上施加+1/2V的电压，底部电极上施加-1/2V电压，根据牛顿运动力学定律可得：

由上式可以计算得到离子束在飞出第一级八极杆61时在纵轴上的一个向下的速度V₁：

当离子束飞入第二级八极杆62时，在第二级八极杆62的顶部电极上施加-1/2V的电压，底部电极上施加+1/2V电压，根据牛顿运动学定律可得：

由上式可以计算得到离子束在飞出第二级八极杆62时在纵轴上的速度V₂：

V₂＝0

由此可以得出，在经过两级八极杆施加电势相等，方向相反的电场时，离子束可以在上述剖面上实现无轴向速度的平移，即空间上的相位调节。而具体调整的距离L与施加的电场U有关，在实际应用中，可以根据实际情况调节U的值，从而改变L的值。

进一步地，本发明实施例提供的上述离子束调节装置中，聚光透镜可由一个单透镜构成，其主要作用是将调整完相位的离子束进行聚焦，实现小束斑，有利于二次离子质谱仪对样品进行微区原位分析。

具体地，如图7所示，当由级联的八极杆中出射的离子束经过聚光透镜的聚焦后，轰击到样品表面时，其由级联的八极杆出射时的离子束束斑直径为D1其轰击到样品表面时的束斑直径为D2，离子束从级联的八极杆的出射端位置到聚光透镜主面的距离为L1，样品位置到聚光透镜主面的距离为L2。根据几何光学成像原理可得：

即透光的放大倍数为：

由此可得到，最终轰击在样品上的离子束束斑的直径为：

在实际应用中，D1可以通过仪器的预设微孔进行控制，从而可以控制最终轰击到样品上的离子束的束斑直径D2，以达到离子束的汇聚作用。

本发明实施例提供的离子束调节装置、离子光学系统及二次离子质谱仪中，离子束调节装置包括：至少两个级联的多极杆及驱动模块；其中，相邻两个多极杆之间存在预设距离；驱动模块分别与各多极杆电连接；各多极杆包括至少四个电极；在与多极杆的横截面垂直的方向上，组成多极杆的各电极沿同一圆周均匀排列，且各多极杆分别围成的各圆周的圆心的投影相互重合；通过驱动模块分别对各多极杆的各电极施加电信号，调整入射至级联的多极杆中的离子束的飞行方向和相位，使得离子束始终沿着所需光轴运动，从而消除离子在飞行过程中产生的离子光学像差，保证了离子束的传输效率，使离子束在轰击到样品表面时，束斑密度均匀，形状规则，同时采用上述的离子束调节装置可实现二次离子质谱的样品清理功能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种离子束调节装置，其特征在于，包括：至少两个级联的多极杆、聚光透镜及驱动模块；其中，

相邻两个所述多极杆之间存在预设距离；所述聚光透镜设置在所述级联的多极杆的离子束出射路径上；所述驱动模块分别与各所述多极杆电连接；

各所述多极杆包括至少四个电极，各所述多极杆包括的电极个数为4的倍数；组成各所述多极杆的电极的数量相等；在与所述多极杆的横截面垂直的方向上，组成所述多极杆的各电极沿同一圆周均匀排列，且各所述多极杆分别围成的各圆周的圆心的投影相互重合；

所述聚光透镜，用于对由所述级联的多极杆中出射的离子束进行汇聚；所述聚光透镜的横截面沿所述级联的多极杆的出射方向逐渐减小；

所述驱动模块，用于分别对各所述多极杆的各电极施加直流电压信号，施加在各多极杆对称电极上的直流电压信号的电势相等，方向相反，调整入射至所述级联的多极杆中的离子束的飞行方向和相位。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，各所述多极杆分别围成的各圆周的直径相等。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，组成所述多极杆的电极为圆柱形电极。

4.一种离子光学系统，其特征在于，包括离子源及权利要求1-3任一项所述的离子束调节装置；

所述离子束调节装置设置在所述离子源的出射方向上。

5.一种二次离子质谱仪，其特征在于，包括权利要求4所述的离子光学系统。

6.如权利要求5所述的二次离子质谱仪，其特征在于，还包括：三维样品台、二次离子提取系统、质量分析器以及离子检测器；

所述二次离子提取系统，用于在所述离子光学系统出射的离子束对所述三维样品台上的待测样品进行离子束轰击后，对所述待测样品表面溅射出的二次离子进行提取，使质量分析器和离子检测器对所述二次离子进行分析和检测。