CN110914952A - 质谱仪检测器及使用其的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于二次离子质谱仪的离子检测器，该检测器具有：电子发射板，耦接至第一电势并被配置为根据离子的入射而发射电子；闪烁体，耦接至不同于上述第一电势的第二电势，该闪烁体具有后侧和面向电子发射板的前侧，该闪烁体被配置为在电子入射到前侧时从后侧发射光子；光导，耦接至闪烁体的后侧并限制从闪烁体的后侧发射的光子流；以及固态光电倍增器，耦接至光导且具有输出端，该输出端被配置为输出与来自光导的光子入射对应的电信号。SIMS系统包括可移动地布置在质量分析器的焦平面上的多个这种检测器。

Description

质谱仪检测器及使用其的系统和方法

技术领域

本公开涉及二次离子质谱仪领域，且更具体地，涉及一种改进的质谱仪检测器以及使用该检测器来扩展此类设备中的粒子检测的动态范围并提高检测精度的系统和方法。

背景技术

二次离子质谱(SIMS)是一种用于通过用聚焦的初级离子束溅射样品表面并收集和分析从样品喷射的二次离子来分析样品组成的技术。这些二次离子的质荷比通过用质量分析器在空间上对其进行分离来间接测量，从而确定样品的元素、同位素或分子组成。通常使用两种方法之一检测二次离子：法拉第杯或电子倍增器。法拉第杯测量击打金属杯的离子电流，并且有时用于高电流二次离子信号。在电子倍增器中，单个离子的撞击开始于电子级联，从而产生被直接记录的电子脉冲。电子倍增器可包括一系列独立的倍增器电极、通道电子倍增器或微通道板。

通常，质谱仪以两种方式操作：计数模式和模拟模式。如图1A所示，取决于检测器的特性，数字模式在高达约1×10⁶离子/秒依然有效。模拟模式在约1×10⁸离子/秒以上时有效。如图1A所示，第一个问题是在约1×10⁶离子/秒到约1×10⁸离子/秒之间存在检测的间隙，因为电流对于数字模式来说太高而不能分离各个事件，但是不足以提供用于估计到达离子的读数。图1A中未显示的另一个问题是数字模式和模拟模式之间的相关性不准确和/或重复。因此，当在数字模式和模拟模式之间切换时，读数中会出现人为的“跳跃(jump)”。从下面可以更全面地理解这些问题。

在脉冲计数模式中，假定每个单独的粒子在检测器输出信号中产生“事件”，其可以被识别和计数。脉冲计数模式具有固有量化的优势，因为假定每个入射粒子都会产生单个检测事件。(重要的是要注意，在这种情况下，我们不试图针对诸如脉冲高度、总电荷等定量特性来表征每个事件)脉冲计数模式的两个局限性是要正确识别(1)每个入射粒子(或其中至少足够的百分比)都需要产生一个超出检测阈值的事件，并且(2)任何两个粒子都需要以一定间隔到达，以便在给定脉冲形状和长度的情况下可以独立检测它们。因此，脉冲计数模式限于检测相对低的离子到达速率。假设离子到达速率由泊松过程描述，并且转换倍增器电极上电子的产生和闪烁体中光子的产生也由统计过程描述。

尽管平均离子到达速率可使得离子脉冲在时间上充分分离以便可独立检测，但离子到达时间的分布表明，在这种情况下，某些百分比将在时间上过于靠近。为此，可以使用计数的最大离子到达速率必须包括一个规范，用于说明由于脉冲堆积而可能遗漏的事件百分比。该百分比应该是这样的，即使没有检测到某些事件，也可以进行真实计数的有效统计估计。

关于模拟模式，SIMS仪器通常使用法拉第杯方法，其中电流与离子的到达速率成比例。然而，在低于约1×10⁸离子/秒的速率下，电流太低而无法测量。在模拟模式中使用电子倍增器是不准确的。这是由于统计了倍增器电极、通道壁中的二次电子发射，和/或闪烁体中的光子发射。除了这些短期变化之外，由于转换倍增器电极的表面条件的变化、闪烁体、PMT光电阴极和倍增电极器的老化等，还将存在长期变化。由于这些和其他原因，当以模拟模式操作时，除非精确地知道每个入射离子的平均脉冲面积百分比，否则不可能使用采集中所有脉冲下的积分面积来测量入射离子通量。因此，使用电子倍增器不可能精确测量由倍增器电极、闪烁体和检测器的特性确定的高于特定值的离子到达速率。

因此，需要一种改进的检测器，其具有更快的检测速度以能够分离入射离子。还需要一种校准每个入射离子的平均脉冲面积的方法，从而能够对离子到达速率进行精确的模拟模式测量。

发明内容

为了提供对本发明的某些方面和特征的基本理解，包括了本发明的以下概述。该概述不是本发明的广泛综述，因此，其并非旨在具体地标识本发明的关键或重要元素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本发明的一些概念，作为以下呈现的更详细描述的序言。

本发明的方面提供了一种用于质谱分析的改进的离子检测器。改进的检测器具有快速的上升和衰减时间，从而能够以数字模式更好地分离检测事件。检测器还提供了改进的信噪比，从而增强检测性能。

根据本发明的方面，提供了一种SIMS的检测器，包括：电子发射板，耦接至第一电势并被配置为根据离子的入射而发射电子；闪烁体，耦接至不同于上述第一电势的第二电势，该闪烁体具有后侧和面向上述电子发射板的前侧，该闪烁体被配置为在电子入射到前侧时从后侧发射光子；光导，耦接至闪烁体的后侧并限制从闪烁体的后侧发射的光子流；以及固态光电倍增器，耦接至光导且具有输出端，该输出端被配置为输出与来自光导的光子入射对应的电信号。固态光电倍增器可以是硅光电倍增器或雪崩光电二极管阵列，雪崩光电二极管阵列具有耦接在一起以提供单一电信号的输出端。光导可具有将光子引导到固态光电倍增器上的反射面。固态光电倍增器可耦接至光导的后表面。

在各种实施方式中，在空间上分离地提供若干检测器，使得可同时检测若干种类。在公开的实施方式中，检测器是可移动的，使得通过检测器的空间定位，相同的检测器可用于检测不同种类。因此，当预先已知材料的成分时，例如半导体晶片上的各种材料层，可以在空间上布置检测器以检测从该样品预期的物质。然后，来自每个检测器的计数可用于验证样品在预期浓度和深度(例如，在预期掺杂水平下)下确实具有预期物质。类似地，来自不同检测器的计数可用于研究不同材料的两层之间的界面的组成。

因此，根据所公开的方面，提供了一种二次离子质谱仪系统，包括：提供初级离子束的离子源；二次离子提取器，收集由初级离子束从样品溅射的二次离子；聚束光学系统，从二次离子提取器接收二次离子并形成二次离子束；质量分析器，在焦平面上形成轨迹；多个离子检测器，沿着焦平面可移动地定位；其中每个离子检测器包括：第一部件，被配置为在二次离子撞击时发射电子；第二部件，被配置为在电子撞击时发射光子；第三部件，被配置为在光子撞击时发射电信号；以及光导，一端耦接至第二部件，另一端耦接至第三部件。

在各种实施方式中，二次离子质谱仪还可包含分光计，被配置为仅允许期望的质荷比带内的二次离子通过。质量分析器可包括分光计；多个四极杆；至少一个六极杆；以及主磁体。第一部件可包括电子发射板，电子发射板耦接至第一电势并被配置为根据离子的入射而发射电子。第二部件可包括闪烁体，闪烁体耦接至不同于所述第一电势的第二电势，该闪烁体具有后侧和面向电子发射板的前侧，该闪烁体被配置为在电子入射到前侧时从后侧发射光子。第三部件可包括固态光电倍增器，固态光电倍增器耦接至光导并且具有输出端，该输出端被配置为输出与来自光导的光子入射对应的电信号。

所公开的方面还提供了一种其中计数模式和模拟模式可同时操作的系统。根据公开的实施方式，从检测器获得两个信号，这两个信号都与相同的检测事件相关。将两个信号施加于两个通道；一个通道包括优化用于计数模式检测的电子器件，而另一个通道包括优化用于模拟模式检测的电子器件。两个通道可以同时操作，因为两个信号在与相同的检测事件相关时是分开产生的。

所公开的实施方式提供了一种用于在SIMS装置的光电倍增器处同时操作计数模式和模拟模式的方法。该方法包括将第一信号线耦接至光电倍增器；配置数字事件计数器以接收来自第一信号线的输入并提供对应于输入的离散事件计数输出；独立于第一信号线将第二信号线耦接至光电倍增器；配置模拟积分器以接收来自第二信号线的输入，并且同时提供积分模拟输出和来自数字事件计数器的离散事件计数输出。将第一信号线耦接至光电倍增器可包括将第一信号线耦接至光电倍增器的偏置输入线，而耦接第二信号线可包括将第二信号线耦接至光电倍增器的输出线。将第一信号线耦接至光电倍增器可包括将第一信号线耦接至光电倍增器的倍增器电极，而耦接第二信号线可包括将第二信号线耦接至光电倍增器的集电极。

根据另一方面，提供了一种利用模拟模式和数字模式的同步信号的校准方法。具体地，离子到达速率是通过某种方式产生的，以处于期望的范围内。然后，使用脉冲计数模式产生多个脉冲，同时对模拟信号进行积分，以产生所有脉冲上的总面积。来自两个通道的信号用于校准。例如，在一个实施方式中，这些信号用于生成在计数模式和模拟模式之间切换时要应用的比例因子。在另一个示例中，将积分的脉冲面积除以脉冲数，从而得出每个脉冲的平均面积，该平均面积用作校准因子。

附图说明

结合在本说明书中并构成本说明书一部分的附图举例说明了本发明的实施方式，并与说明书一起用于解释和说明本发明的原理。附图旨在以图解方式示出示例性实施方式的主要特征。附图并非旨在描绘实际实施方式的每个特征，也不旨在描绘所描绘的元件的相对尺寸，并且并非按比例绘制。

图1A是根据现有技术的数字和模拟检测方案的示意图。

图1B是根据本发明实施方式的系统的示意图。

图2是根据本发明实施方式的离子检测器的示意图，而图2A是根据本发明另一实施方式的离子检测器的示意图，并示出了可以在这里公开的任何实施方式中实现的其他特征。

图2B是根据所公开的实施方式的使用隔离器的电路的示意图。

图2C和2D是根据公开的实施方式的使用隔离器的电路的示意图。

图2E是根据所公开的实施方式的使用复制器的电路的示意图。

图3是根据本发明一个实施方式的离子检测方案的示意图。

图4示出了一种情况，其中离子溅射在弧坑的边缘和中心产生具有不同溅射速率的弧坑。

具体实施方式

现在将参照附图描述各种实施方式。每个实施方式可以参考一个或多个特征或元件来描述，但是应当理解，每个描述的特征和/或元件可以与其他实施方式的其他特征和/或元件结合使用。也就是说，在各种实施方式中，特征和元件可以是可互换的和/或附加的。

图1B示意性地示出了一个实施方式的构造。对样品100进行检查以确定样品的材料组成。离子源110用于产生聚焦离子束115，使其撞击样品100，以便从样品中喷射出二次离子。提取和波束整形光学元件117收集带电的二次离子并形成被传送到检测部130中的二次离子束120。检测部130包括质量分析器135，其改变二次离子120的轨迹。由于不同的离子具有不同的质荷比，所以质量分析器对其轨迹的影响是不同的，使得不同的离子采用不同的空间轨迹路径(示出了其中的三个)。多个检测器140位于检测部130内部的不同空间位置处，使得每个检测器被定位为拦截某些质荷比的离子。每个检测器140设有机械化定位装置，使得每个检测器140的空间位置可以改变，以便检测不同质量的离子。

图2示意性地示出了根据一个实施方式的检测器240的实施方式。图2的检测器240是与固态光电倍增器耦接的闪烁体，其提供增强的动态范围和快速信号响应时间，因为其具有快速衰减时间以使得能够分离快速到达的离子。这样，检测器将离子流转换成电子流，然后将电子流转换成光子流，最后将光子流转换成电信号。

二次离子通过窗口242进入外壳241并撞击电子发射板243。电子发射板被电势V1偏置，从而在被离子击打时喷射电子。电子沿各个方向发射，但是通过向闪烁体板244施加电势V2，电子被聚焦到闪烁体板244上。当电子击打闪烁体板244的前侧时，闪烁体板244从后表面发射光子。管状的光导245光学地耦接至闪烁体板244，且可根据需要具有各种横截面形状，例如矩形或正方形横截面。光导245可以由光导透明材料制成。光子在光导245内传播并通过全内反射保持被限制在光导内。在图2的实施方式中，光导245具有将光子(例如，通过全内反射)引导到固态光电倍增器247中的反射面246(形成棱镜)。固态光电倍增器247产生对应于击打固态光电倍增器的光子的电信号。在该实施方式中，固态光电倍增器可以是硅光电倍增器(也称为SiPM)，并且可包括雪崩光电二极管阵列(array of avalanchephotodiode，APD)。可以将来自光电二极管的信号求和，以在检测到到达的光子后提供具有尖锐脉冲251的单个输出信号，如图2所示。根据检测器240的空间位置，固态光电倍增器247的输出可用于计数对应于特定种类的到达离子的脉冲。

图2A示意性地示出了根据另一实施方式的检测器240的实施方式。除了光导245不具有形成棱镜的反射面之外，图2A的实施方式的元件类似于图2的元件。相反，固态光电倍增器247直接附接到光导245的背面。除此之外，图2和图2A的检测器是相同的。

图2A还示出了与检测信号的收集有关的各种特征。这些特征中的任一个可在图2的实施方式或本文所揭示的任何其他实施方式中以相同方式实施。

图2A所示的第一特征是计数模式和模拟模式的同时操作。这将首先参考在虚线(dashed)标注的内部示出的元件来解释。在现有技术中，系统以计数模式(当离子到达速率足够低以能够区分各个到达事件时)或模拟模式(当到达速率太高而不能分离时)操作。在现有技术中两种模式不能同时工作的另一个原因是信号太弱，因此它不能被分成两个通道。本质上，由于输出信号由电子电流构成，将该信号分成两个通道将意味着每个通道将具有比检测器最初输出的电子更少的电子(即，更低的电流)。因此，当到达速率低时，检测信号没有足够的电子能够在两个通道之间共享。

然而，本文所公开的实施方式启用其中两种模式可同时操作的系统。返回参考图2A，虚线标注示出了一个实施方式，其中从检测器获得两个信号并将其馈送到两个通道中。顶部通道是计数模式通道，而下部通道是模拟通道。两个输出信号与相同的检测事件相关，使得两个通道同时检测相同的放大离子通量。在顶部通道中，信号由电容器258调节，由放大器260放大，然后放大的信号被输入到鉴别器262，鉴别器262输出对应于来自放大器260的输入的数字信号。数字信号被输入到计数器264以对检测事件进行计数。复位信号使计数复位。在底部/模拟通道中，来自检测器的信号由积分器261积分，然后由放大器263放大。积分器可由复位信号复位。这两个通道可同时操作或一次操作一个。

如上所述，检测器的输出信号通常不足以同时操作计数模式和模拟模式。以下描述详述了克服该问题的各种实施方式。注意，这里详述的解决方案可以结合这里公开的本发明的检测器或常规检测器来实现。

图2A的点划线标注中示出了第一示例。在点划线(dashed dot)标注中，APD247'示意性地表示固态光电倍增器247。APD247'由电压电位270通过隔离器272偏置。第一输出连接到从电压电位270通向APD247'的偏置线。该第一输出线被引导到计数模式通道。另一方面，从APD247'的输出获得第二输出信号。第二输出线被引导到模拟模式通道。当检测事件发生时，电流将从APD247'的输出端流出，该输出端将被引导至模拟通道进行感测。同时，在偏置线上存在电压降，其将由计数模式通道检测。通过这种配置，即使两个通道不需要共享相同的输出信号，两个通道也可以同时感测相同的事件。

在图2B中示出了与图2A类似的另一种布置。APD247'示意性地表示固态光电倍增器247。APD247'由电压电位270偏置并连接到复制器273。如在图2A的点划线标注的实施方式中那样，来自复制器273的信号被输出到具有电容器258和放大器260的通道。连接另一条线以通过高增益积分器261'对信号进行积分，而连接第三条线以通过低增益积分器261'对信号进行积分。

在两个点划线标注中示出了可选配置。除了计数通道的线没有直接从电压电势270连接到偏置线而是通过变压器259耦接至偏置线之外，该布置与点划线标注的布置类似。除此之外，这两种布置是相同的。

图2C-图2D中示出了使用隔离器的电路的示例。在这些实施方式中，脉冲和模拟信号路径源自固态光电倍增器247的相对端，具体地，脉冲信号路径耦接至光电二极管的阴极侧，而模拟信号路径耦接至光电二极管的阳极侧。在两个电路中，固态光电倍增器247的工作电压由晶体管248相对于运算放大器254的虚拟地(virtual ground)来调节(示出为以反相配置连接，使得运算放大器的反相输入耦接至光电二极管的阳极)。对于图2C所示的电路，运算放大器254提供模拟信号并且顶部电阻器257中的电压降(由光电流引起)变成脉冲信号。在图2D的电路中，电流脉冲通过脉冲变压器259而不是电阻器中的电压降发送。

换句话说，图2C的实施方式提供了一种用于具有光电二极管的离子检测器的隔离电路，包括：偏置晶体管，其的发射极耦接至光电二极管的阴极且集电极耦接至电阻器；脉冲信号路径，其耦接在集电极和电阻器之间；模拟路径，其耦接至光电二极管的阳极，其中该模拟路径包括运算放大器(op-amp)，该运算放大器具有耦接至光电二极管的阳极的一个输入端、耦接至地的第二输入端、以及提供对应于光电二极管感测光子的模拟信号响应的输出端。在图2C的实施方式中，运算放大器以反相配置耦接至光电二极管的阳极，其中运算放大器的反相输入端耦接至光电二极管的阳极。此外，反馈电阻器耦接在运算放大器的反相输入端和输出端之间。

图2D的实施方式提供了一种用于具有光电二极管的离子检测器的隔离电路，包括：偏置晶体管，其的发射极耦接至光电二极管的阴极且集电极耦接至电阻器；脉冲信号路径，其耦接在集电极和晶体管之间；模拟路径，其耦接至光电二极管的阳极，其中该模拟路径包括运算放大器，该运算放大器具有耦接至光电二极管的阳极的一个输入端、耦接至地的第二输入端、以及提供对应于光电二极管感测光子的模拟信号响应的输出端。在图2D的实施方式中，脉冲信号路径包括变压器，该变压器具有耦接在电阻器和光电二极管的阴极之间的输入侧、以及提供对应于光电二极管感测光子的数字脉冲响应的输出侧。在模拟信号路径中，运算放大器以反相配置耦接至光电二极管的阳极，其中运算放大器的反相输入端耦接至光电二极管的阳极。此外，反馈电阻器耦接在运算放大器的反相输入端和输出端之间。

图2E示出了根据一个实施方式的用于提供多个输出信号的复制器电路的示例。在该实施方式中，所有输出信号耦接至光电二极管的阳极侧。在图2E的实施方式中，级联晶体管驱动电流而通过R1、R2和R3；电流是Rf/Rx*(SiPM电流)，因为晶体管都将保持相同的基极到发射极电压降。在这个示例中，电阻器R1的值将被设置为相对较低，以便为脉冲输出提供大的增益。因此，图2E的实施方式提供了一种用于具有光电二极管的离子检测器的复制器电路，包括偏置晶体管，其的发射极耦接至光电二极管的阴极且集电极耦接至电阻器；光电二极管的阳极经由参考电阻器耦接至地，可选地通过二极管耦接至地，该二极管的阴极连接到参考电阻器且其阳极连接到光电二极管的阳极；第一、第二和第三晶体管的基极共同地连接到位于电阻器和光电二极管的阳极之间的分接头(tap)；位于电阻器和地之间的第二分接头共同连接到第一电阻、第二电阻和第三电阻；第一电阻器耦接至第一晶体管的发射极，第二电阻器耦接至第二晶体管的发射极，并且第三电阻器耦接至第三晶体管的发射极；其中脉冲信号路径耦接至第一晶体管的集电极；第一模拟信号路径耦接至第二晶体管的集电极，并且第二模拟信号路径耦接至第三晶体管的集电极。

如图所示，该特征不限于使用所公开的检测器，而是还可以在使用其他检测器的系统中实现，例如光电倍增器、通道电子倍增器等。在实线标注中示出了一个示例。在所示实施方式中，电子倍增器249用作检测器(电子倍增器249可以是光电倍增器或其他常规传感器的一部分)。电子e-撞击第一倍增器电极，产生从一个倍增器电极到下一个倍增器电极的级联电子，直到它们撞击集电极253。集电极253的输出端耦接至模拟通道。相反，最后一个倍增器电极256被分接并耦接至计数通道。因此，两个输出信号再次与相同的检测事件相关，但是从系统的不同元件产生，使得两个通道不需要共享相同的信号。

在图2A的实施方式中，提供了可选的第二模拟输出线，其可以用于校准和测量。将DC电势V1引导到电子发射板243的线被分接并引导到电流表(例如安培计)或模拟通道(例如虚线标注中示出的通道)。该测量提供对应于到达离子的直接模拟测量。来自通向电子发射板的线的电流测量值与检测器的输出线之间应该存在相关性，使得两者的输出都可以用于研究检测器的转换效率，从而校准检测器的数字计数输出。

图3是根据本发明一个实施方式的离子检测方案的示意图。图3所示的检测部330仅包括与检测直接相关的元件，而省略了应当被插入检测部330的上游并与检测部330共同操作的与提取、电荷补偿和滤波相关的元件。一旦离子束320通过提取、电荷补偿和过滤元件，则离子进入检测部330并通过波束整形管331。波束整形管331可包括多个透镜332，透镜332可以是磁性透镜或静电透镜，例如四极杆透镜。在该具体实施方式中，四极杆透镜用于整形和聚焦波束。六极杆333设置在波束整形管331的出口处，以对波束提供更高阶的光学校正。任选地，狭缝333'可以设置在六极杆333的上游，以便滤除波束边缘处的离子。可替代地或另外地，可以在六极杆333的下游提供另一个狭缝(slit)。

然后，成形的离子束离开波束整形管331并进入质量分析器335，质量分析器335根据离子的质荷比分离离子。质量分析器335包括分光计336，在分光计336之后是四极杆332、六极杆333和主磁体338。通常，提取和波束整形元件作用于可被提取的所有带电粒子，但并非对所有的特定分析都感兴趣。因此，分光计336被通电至选定的电压电势，该电压电势使得能够选择期望的质荷比带以通过到四极杆332。四极杆332和六极杆333与主磁体338一起将波束聚焦到焦平面360(图3中的点划线)上。检测器340在空间上布置在质量分析器焦平面360上。当离子离开六极杆333时，它们的轨迹根据每个单体离子的质荷比而改变，使得每个离子到达焦平面360上的不同点。检测器340可移动地安装在平行于焦平面360的轨道339上。可以包括机械化控制350以单独地控制每个检测器340的定位。因此，多个检测器340可以沿着焦平面360在空间上定位，以在由分光计336选择的带内根据每个离子的质荷比检测期望的离子。每个检测器340可以根据这里公开的任何实施方式来实现。

在光栅扫描二次离子质谱仪中，初级离子束用于从感兴趣的样品溅射材料。当溅射材料时，检测二次离子，从而确定样品的材料组成。当初级离子束扫描样品时，由于样品材料的溅射，它在样品中产生弧坑。然而，由于每次光栅扫描边缘处的溅射不均匀，从而丢弃了与光栅扫描边缘有关的数据。图4示出了这种情况，其中侧视图显示了测试整个样品所需的许多扫描线中的一条线扫描。由于从样品溅射材料，初级束在样品上的扫描产生弧坑。弧坑的相对平坦底部是收集数据以确定样品的材料组成的区域。然而，在通常由存在斜率的区域限定的弧坑的边缘，采样是不准确的，从而丢弃数据。

图4示出了一种情况，其中离子溅射在弧坑的边缘和中心产生具有不同溅射速率的弧坑。在图4中，通过在感兴趣区域470上扫描初级离子束415来分析样品400。当波束被光栅扫描时，如顶视图中的箭头所示，由于样品400的材料组成被溅射，所以产生弧坑。在弧坑的边缘472处，二次离子的溅射速率和轨迹不同于弧坑的平坦底部区域474。因此，在现有技术中，来自边缘472的数据被丢弃。

在一个实施方式中，当初级束在弧坑的底部区域474上扫描时，通道之一用于执行测量。例如，如果离子计数太高而不能使用脉冲计数模式，则在初级束扫描弧坑的底部区域474的时间段中使用模拟模式进行测量。另一方面，在初级束在弧坑的边缘472处扫描的时间段中，数据不用于质谱测量。相反，来自脉冲计数和模拟模式通道的同步数据被用于相对于脉冲计数通道校准模拟通道。

在另一个实施方式中，一个通道用于在初级束扫描弧坑底部的时间段中执行质谱测量。同时，从另一通道获得的数据用于改善该通道的数据。另外，当初级束在弧坑的边缘上扫描时，脉冲计数通道用于校准模拟通道。例如，可以根据两个通道的输出之间的差计算比例因子。

在一个实施方式中，在检测到的信号安全地处于脉冲计数范围内(例如，低于约107离子/秒)的时间段内执行该校准，并且该校准在采集过程中的足够的时段内且检测中涉及的统计过程基本上处于静止的时间段内执行，在采集过程中的足够的时段内，足够数量的离子事件在模拟通道中积分并且在脉冲计数通道中计数以确定每离子的平均电流在规定范围内根据该方法，设定扫描周期并使波束在样品的均匀区域上扫描。模拟通道和计数模式通道被激活以同时操作。在扫描周期结束时，停止扫描波束，并且使用来自模拟通道和计数模式通道的输出来产生校准因子。该操作可以使用相同或不同的离子流速重复多次。

当需要测量(或可能需要测量)对于脉冲计数来说太高的离子通量时，该方法是有用的。挑战在于保证在脉冲计数可能的情况下在需要模拟模式的每个检测器上进行足够的双重采样。根据一些实施方式，在光栅扫描期间并且不干扰获取的情况下，在需要模拟模式的每个检测器处产生适当的离子到达速率。

根据一个实施方式，扫描帧的电子选通区域提供了用于实现该方法的可行手段。在前N次扫描期间对每个检测器上的离子通量的测量可用于确定单个衰减因子，该衰减因子将使得需要进行此校准的每个检测器的到达率在安全脉冲计数区域内。该衰减因子将通过二次离子光学器件中的某些方式来实现，例如在模拟和脉冲计数通道上收集的帧和数据的电子选通部分期间在孔径上偏转或散焦波束。具有某个移动平均值的该数据将用于跟踪和校准每个脉冲的平均电流，然后该平均电流将用于在帧的测量段期间将模拟信号转换为校准的离子到达速率。

应当注意，不需要足够精确地知道衰减因子就可以获得公知的离子到达速率。仅需要众所周知的是，可以实现在脉冲计数和模拟输出都是可能的范围内的离子到达速率。在任何情况下，目标不是创建已知的离子到达速率，而是创建可测量的离子到达速率，其可以与模拟信号一起使用以校准模拟输出。选通周期可以与一次波束在弧坑边缘上扫描的时间一致。

在以上描述中，参考图2A的标注中的模拟通道。然而，可替换地，进入电子发射板243的分接头可以用作模拟通道。此外，当使用图2A中标注的模拟通道时，电子发射板243的分接头可用于进一步校准模拟通道。

根据一个实施方式，提供了一种用于执行二次离子质谱分析的系统，包括：初级离子束；光学装置，在样品上扫描初级离子束；检测器，检测从样品发出的二次离子并产生检测信号；第一检测信号线和第二检测信号线，耦接至第一通道和第二通道；其中第一通道包括经配置以提供离子计数输出的元件，且第二通道包括经配置以提供积分电流信号的元件。该系统还可以包括控制器，该控制器被编程为接收来自第一通道和第二通道的信号，并且当一次波束位于其扫描的中心部分时产生测量数据，并且当一次波束位于其扫描的边缘时相对于彼此校准第一通道和第二通道。

根据另一实施方式，提供了一种用于操作具有计数模式和模拟模式的二次离子质谱仪的方法，包括：在样品上扫描初级离子束，以便从样品溅射二次离子；从样品中收集二次离子，同时产生第一检测信号和第二检测信号；向离子计数通道施加第一检测信号；向离子模拟通道施加第二检测信号；以及从模拟通道和脉冲计数通道的输出产生校准因子。第一检测信号可以从耦接至检测器的偏置线产生，而第二检测信号可以从检测器的输出产生。当电子倍增器用作检测器时，第一检测信号可以从分接到倍增器电极的线产生，而第二检测信号可以从集电极的输出产生。

此外，提供了一种用于执行二次离子质谱分析的方法，包括：从样品溅射二次离子；收集二次离子并形成二次离子束；使二次离子束通过质量分析器，以形成排列在焦平面上的多个二次离子轨迹；根据质荷比在焦平面上按预期的二次离子轨迹放置多个检测器，在每个检测器处执行：产生对应于所接收的二次离子的电子流；产生对应于所述电子流的光子流；以及产生对应于光子流的电流。该方法还可包括在光导内传输光子流。产生对应于光子流的电流可包括将光子流引导到固态光电倍增器上。该方法还可包括分流电流并在分流上积分。该方法还可包括分流电子流并测量分流上的电流。

应当理解，这里描述的过程和技术并不固有地涉及任何特定装置，而是可以通过组件的任何适当组合来实现。此外，根据这里描述的教导，可以使用各种类型的通用设备。已经结合特定的实施例描述了本发明，这些实施例在所有方面都是说明性的而不是限制性的。本领域技术人员将理解，许多不同的组合将适合于实践本发明。

此外，通过考虑本文公开的发明的说明书和实践，本发明的其他实现方式对于本领域技术人员将是显而易见的。所描述实施方式的各个方面和/或组件可单独使用或以任何组合使用。本说明书和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真实范围由所附权利要求及其等同物来指示。

Claims (20)

1.一种离子检测器，包括：

电子发射板，耦接至第一电势并且被配置为根据离子的入射而发射电子；

闪烁体，耦接至不同于所述第一电势的第二电势，所述闪烁体具有后侧和面向所述电子发射板的前侧，所述闪烁体被配置为在电子入射到前侧时从后侧发射光子；

管状的光导，光学地耦接至所述闪烁体的后侧并且限制从所述闪烁体的后侧发射的光子流；

光电倍增器，耦接至所述光导并且具有输出端，所述输出端被配置为输出与来自所述光导的光子的入射对应的电信号。

2.根据权利要求1所述的离子检测器，其中，所述光电倍增器包括固态光电倍增器。

3.根据权利要求2所述的离子检测器，其中，所述固态光电倍增器包括硅光电倍增器。

4.根据权利要求2所述的离子检测器，其中，所述固态光电倍增器包括雪崩光电二极管阵列，所述雪崩光电二极管阵列具有耦接在一起以提供单一电输出信号的输出端。

5.根据权利要求1所述的离子检测器，其中，所述管状的光导包括

将所述光子引导到所述光电倍增器上的反射面。

6.根据权利要求1所述的离子检测器，其中，所述光电倍增器耦接至所述管状的光导的后表面。

7.根据权利要求4所述的离子检测器，还包括：

第一信号线，耦接至所述光电倍增器；

数字事件计数器，被配置为接收来自所述第一信号线的输入并提供离散事件计数输出；

第二信号线，独立于所述第一信号线耦接至所述光电倍增器；

模拟积分器，被配置为接收来自所述第二信号线的输入，并且同时提供积分模拟输出和来自所述数字事件计数器的所述离散事件计数输出。

8.根据权利要求7所述的离子检测器，其中：

所述第一信号线耦接至所述光电倍增器的输入偏置线；并且，所述第二信号线耦接至所述光电倍增器的输出线。

9.根据权利要求8所述的离子检测器，还包括变压器，并且其中，所述第一信号线通过所述变压器耦接至所述输入偏置线。

10.根据权利要求8所述的离子检测器，还包括电容器，并且其中，所述第一信号线通过所述电容器耦接至所述输入偏置线。

11.根据权利要求7所述的离子检测器，还包括：

分接头，连接到所述电子发射板；以及

电流测量传感器，连接到所述分接头。

12.根据权利要求1所述的离子检测器，还包括：

电子倍增器；

第一信号线，耦接至所述电子倍增器的倍增器电极；

数字事件计数器，被配置为接收来自所述第一信号线的输入并提供离散事件计数输出；

第二信号线，耦接至所述电子倍增器的集电极；

模拟积分器，被配置为接收来自所述第二信号线的输入，并且同时提供积分模拟输出和来自所述数字事件计数器的离散事件计数输出。

13.一种二次离子质谱仪，包括：

提供初级离子束的离子源；

二次离子提取器，收集由所述初级离子束从样品溅射的二次离子；

聚束光学系统，从所述二次离子提取器接收所述二次离子并形成二次离子束；

质量分析器，在焦平面上形成轨迹；

多个离子检测器，沿着所述焦平面可移动地定位；

其中，每个所述离子检测器包括：

第一部件，被配置为在所述二次离子撞击时发射电子；

第二部件，被配置为在所述电子撞击时发射光子；

第三部件，配置为在所述光子撞击时发射电信号；以及

光导，一端耦接至所述第二部件并且另一端耦接至所述第三部件并限制所述光子的轨迹。

14.根据权利要求13所述的二次离子质谱仪，还包括分光计，所述分光计被配置为仅允许期望的质荷比带内的二次离子通过。

15.根据权利要求13所述的二次离子质谱仪，其中，每个检测器的第三部件包括多个雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管具有共用偏置输入线和共用输出线。

16.根据权利要求15所述的二次离子质谱仪，其中：

所述第一部件包括电子发射板，所述电子发射板耦接至第一电势并且被配置为根据离子的入射而发射电子；以及

所述第二部件包括闪烁体，所述闪烁体耦接至不同于所述第一电势的第二电势，所述闪烁体具有后侧和面向所述电子发射板的前侧，所述闪烁体被配置为在电子入射到所述前侧时从所述后侧发射光子。

17.根据权利要求15所述的二次离子质谱仪，还包括：

数字事件计数器，耦接至所述共用偏置输入线并且被配置为提供离散事件计数输出；以及

模拟积分器，耦接至所述共用输出线并且被配置为同时提供积分模拟输出和来自所述数字事件计数器的所述离散事件计数输出。

18.根据权利要求17所述的二次离子质谱仪，其中，所述数字事件计数器通过电容器或变压器耦接至所述共用偏置输入线。

19.根据权利要求13所述的二次离子质谱仪，其中，所述第三部件包括固态光电倍增器，所述固态光电倍增器耦接至所述光导并且具有输出端，所述输出端被配置为输出与来自所述光导的光子的入射对应的电信号。

20.根据权利要求13所述的二次离子质谱仪，其中，所述第三部件包括电子倍增器并且还包括：数字事件计数器，耦接至所述电子倍增器的倍增器电极并且所述数字事件计数器被配置为提供离散事件计数输出；以及模拟积分器，耦接至所述电子倍增器的集电极并且所述模拟积分器被配置为同时提供积分模拟输出和来自所述数字事件计数器的所述离散事件计数输出。

Images