CN114628221A - 一种二次离子质谱仪中的样品观察装置 - Google Patents

一种二次离子质谱仪中的样品观察装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种二次离子质谱仪中的样品观察装置。本发明所述的样品观察装置包括圆盘，所述圆盘上设有观察孔、光入射孔、贯穿孔和遮挡机构，所述观察孔内设置有导光柱；所述光入射孔和所述观察孔分别贯穿所述圆盘，所述光入射孔形成贯穿所述圆盘的第一导光路径，所述观察孔形成贯穿所述圆盘的第二导光路径，所述第一导光路径与所述第二导光路径延伸至所述圆盘下方的部分形成交叉区域，该交叉区域用于放置样品；所述遮挡机构包括依次连接的操作部、连接部和遮挡部，所述操作部能够可操作的通过所述连接部，并带动所述遮挡部遮挡或暴露所述观察孔。本发明所述的样品观察装置结构简单，能够有效观察样品以及样品表面二次离子的逸出情况。

Description

一种二次离子质谱仪中的样品观察装置
技术领域
本发明涉及二次离子质谱仪技术领域，特别是涉及一种二次离子质谱仪中的样品观察装置。
背景技术
二次离子质谱仪(SecondaryIonMassSpectroscopy，SIMS)是表面分析中应用最广泛的技术之一。它具有高灵敏度(最低可探测浓度达到ppm甚至ppb数量级)、高分辨率(大约10-9) 和低检测极限(绝对检测限10-13-10-19克)的特点，能用来检测包括氢在内所有元素的同位素丰度比，能分析样品中未知分析化合物的组分及分子结构，能获取样品表层信息，能进行线扫描分析，能生成离子分布的三维图像，也能对特定的元素进行微区的成像及深度剖面分析。
因为二次离子质谱仪具有极高的灵敏度，所以特别适用于对微区的掺杂、元素及其同位素、杂质沾污和材料组成进行定量分析。尤其是在半导体领域，因为其工艺对掺杂的浓度和纯度具有特别高的要求，所以在使用二次离子质谱仪对制备的样品进行分析过程中，为了能够清晰地观察样品及样品表面的二次离子逸出状态，需要在二次离子质谱仪中设置新的样品观察装置。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，其结构简单，能够有效观察样品以及样品表面二次离子的逸出情况。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，设置于二次离子质谱仪内，该装置包括圆盘，所述圆盘上设有观察孔、光入射孔、贯穿孔和遮挡机构，所述观察孔内设置有导光柱；
所述光入射孔和所述观察孔分别贯穿所述圆盘设置，所述光入射孔形成贯穿所述圆盘的第一导光路径，所述观察孔形成贯穿所述圆盘的第二导光路径，所述第一导光路径与所述第二导光路径延伸至所述圆盘下方的部分形成交叉区域，该交叉区域用于放置样品；
所述遮挡机构包括依次连接的操作部、连接部和遮挡部，所述操作部设置于所述圆盘的上端面，所述连接部设置于所述贯穿孔内，所述遮挡部设置于所述圆盘的下端面，所述操作部能够可操作的通过所述连接部，并带动所述遮挡部遮挡或暴露所述观察孔。
进一步地，所述操作部包括驱动板，所述连接部包括传动柱，所述遮挡部包括遮挡片，所述驱动板与所述遮挡片分别平行于所述圆盘的端面，所述驱动板与所述传动柱的上端固定连接，所述传动柱的下端与所述遮挡片固定连接。
进一步地，所述操作部还包括推动柱，所述推动柱设置于所述驱动板远离所述传动柱的一端，所述推动柱用于连接一延伸至所述二次离子质谱仪外部的推动杆。
进一步地，所述圆盘的上端面还设置有凹槽，所述遮挡机构还包括弹性限位件，所述弹性限位件包括固定部、延伸部和限位部，所述固定部与所述传动柱固定连接，所述限位部通过所述延伸部与所述固定部连接，所述限位部设置于所述凹槽内。
进一步地，所述延伸部包括一弯曲段和一平直段，所述弯曲段呈弧形，所述弯曲段的一端于所述传动柱的一侧与所述固定部连接，所述弯曲段的另一端绕所述传动柱的另一侧通过所述平直段与所述限位部连接。
进一步地，所述第一导光路径和所述第二导光路径与垂直于所述圆盘的端面的方向的夹角为30°～50°。
进一步地，所述导光柱的上下端面平行且表面光滑，侧面为磨砂。
进一步地，所述传动柱包括金属内柱和陶瓷外壳，所述弹性限位件与所述金属内柱固定连接。
进一步地，所述圆盘上还贯穿设置有离子入射孔和电子入射孔。
进一步地，所述离子入射孔和所述电子入射孔所在直线与所述观察孔和所述光入射孔所在直线相互垂直。
本发明提供的一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，通过设置光入射孔和观察孔以及观察孔内的导光柱传导光线，使得光线从光入射孔进入并照射样品，样品表面反射的光线经导光柱传导，进入观察孔外的摄像头，本发明将发生一次离子束轰击样品的样品腔和采集图像数据的摄像头分开，同时设置遮挡机构保护导光柱，能够有效观察样品以及样品表面二次离子的逸出情况，并保护摄像头、导光柱被一次离子污染，满足了二次离子质谱仪中独特的样品观察需求。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本实施例中一种二次离子质谱仪中的样品观察装置的结构示意图；
图2为本实施例中一种二次离子质谱仪中的样品观察装置的遮挡机构的结构示意图；
图3为本实施例中一种二次离子质谱仪中的样品观察装置的圆盘的结构示意图。
附图说明：
1、圆盘；11、观察孔；12、光入射孔；13、贯穿孔；14、凹槽；15、电子入射孔；16、离子入射孔；2、遮挡机构；21、驱动板；22、传动柱；23、遮挡片；24、推动柱；25、弹簧； 3、导光柱。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以是直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，该装置用于设置于二次离子质谱仪内，处于真空环境中使用，其能够在使用二次离子质谱仪对制备的样品进行分析的过程中，清晰地观察样品及样品表面的二次离子逸出状态。样品观察装置包括圆盘1，该圆盘可以为一实心金属板，厚度约为5～10mm，圆盘的下方放置待分析的样品，其中，待分析的样品可以是金属、合金、半导体、绝缘体、有机物、生物膜等。同时，圆盘1上贯穿设置有电子入射孔15和离子入射孔16，电子入射孔15和离子入射孔16 被设置为方向均朝向放置样品的位置，用于一次离子束入射，入射后的一次离子束轰击样品表面使二次离子从样品表面逸出。
如图1所示，圆盘1上还贯穿设置有观察孔11、光入射孔12用以实现对样品的观察，其中，光入射孔12用于将光线导入至圆盘1下方待分析的样品处，而观察孔11则用于提供观察通道，供设置在圆盘上端面的摄像头观察样品及样品表面的二次离子逸出状态。用户可通过二次离子质谱仪外接的显示器观看摄像头采集到的图像从而实现对样品的观察。
可选的，观察孔11内设置有导光柱3，用于将在样品表面反射的光线传导至摄像头。具体的，光入射孔12形成贯穿圆盘1的第一导光路径，观察孔11形成贯穿圆盘的第二导光路径，第一导光路径与第二导光路径延伸至圆盘下方的部分形成交叉区域，该交叉区域用于放置样品，使得光能通过光入射孔12进入样品观察装置，沿着第一导光路径照射在样品上，从样品表面反射的光沿着第二导光路径和导光柱3透过观察孔11进入摄像头。
可选的，光入射孔12和观察孔11的直径范围为3～8mm，且第一导光路径和第二导光路径与圆盘1的端面的垂直方向的夹角为30°～50°，即光的入射角与入射表面的法线的夹角范围为30°～50°。与之对应的，导光柱3的直径为2～4mm，且小于观察孔11的直径，长度为13～17mm。优选的，导光柱3由石英或玻璃制成，上下端面平行且表面光滑，侧面为磨砂。
可选的，电子入射孔15和离子入射孔16所在直线与观察孔11和光入射孔12所在直线相互垂直。
如图1所示，圆盘1上还设置有贯穿孔13和遮挡机构2，遮挡机构2通过贯穿孔13安装于圆盘1上，遮挡机构2用于可调节的遮挡或暴露观察孔11。由于在一次离子轰击样品表面的过程中，导光柱容易受到一次离子的污染，因此本装置能够通过在一次离子入射时推动遮挡机构2从而遮挡观察孔11，保护导光柱3。
如图2所示，遮挡机构2包括依次连接的操作部、连接部和遮挡部，操作部设置于圆盘 1的上端面，连接部设置于贯穿孔13内，遮挡部设置于圆盘1的下端面，操作部能够可操作的通过连接部，并带动遮挡部遮挡或暴露观察孔11，从而保护观察孔11内的导光柱3不被离子污染。
具体的，操作部包括驱动板21，连接部包括传动柱22，遮挡部包括遮挡片23，驱动板 21与遮挡片23分别平行于圆盘1的端面，驱动板21与传动柱22的上端固定连接，传动柱22的下端与遮挡片23固定连接。在本优选实施例中，驱动板21的一端带有半圆形凹槽的圆状通孔，传动柱22的上端包括有螺栓，驱动板21和传动柱22通过从上而下安装进来的螺钉进行装配固定，而传动柱22与遮挡片23通过焊接垂直固定。
优选的，操作部还包括一推动柱24，推动柱24设置于驱动板21远离传动柱22的一端的上方，该推动柱24用于连接一延伸至二次离子质谱仪外部的推动杆，使得能够从真空外对推动柱24施加压力从而推动驱动板21，并通过传动柱22带动遮挡片23对观察孔11进行遮挡。优选的，该推动杆可以为一波纹管，波纹管具有多个横向波纹的圆柱形薄壁折皱，具有弹性，能够在压力、轴向力、横向力或弯矩作用下产生位移。
优选的，传动柱22包括金属内柱和陶瓷外壳，陶瓷外壳套设在金属内柱的中下段，陶瓷外壳用于在样品在接通4500伏特的直流高压时实现隔绝电。在本实施例中，金属内柱的长度的范围为15～35mm，直径的范围为2～5mm，陶瓷外壳的长度的范围为15～25mm，陶瓷外壳的内部直径的范围为2～5mm，陶瓷圆环套的外部直径的范围为5～10mm。
可选的，遮挡片23形状为带有四个倒角的矩形，遮挡片23长度的范围为25～35mm，宽度的范围为5～15mm，厚度的范围为1～3mm。
如图2和3所示，圆盘1的上端面设置还有凹槽14，凹槽14与遮挡机构2的操作部位于遮挡状态和非遮挡状态相对应。遮挡机构2还包括弹性限位件，在本实施例中弹性限位件为一弹簧25，该弹簧25包括固定部、延伸部和限位部，固定部与遮挡机构2的传动柱22固定连接，限位部通过延伸部与固定部连接，限位部设置于凹槽14内。优选的，传动柱22的金属内柱靠近传动板一端设有圆形通孔，弹簧25的固定部穿过该通孔与传动柱22固定。弹簧25的延伸部包括一弯曲段和一平直段，弯曲段呈弧形，弯曲段的一端于传动柱22的一侧与固定部连接，弯曲段的另一端绕传动柱22的另一侧通过平直段与限位部连接。弹簧25的限位部为圆弧形，使得弹簧25在凹槽14内移动时，圆弧的弧段和端部能够与凹槽14的两侧壁分别抵接。
当通过外部的推动杆驱动遮挡机构2的操作部时，能够使得弹簧25在凹槽14内围绕传动柱22转动，同时凹槽14的侧壁能够限制弹簧25的移动，从而限制操作部的转动。在需要观察样品时，外部的推动杆对推动柱24不施加压力，弹簧25和传动柱22处于自由状态，观察孔11露出。在不需要观察样品时，通过外部的推动杆对推动柱24施加压力，从而带动驱动板21和传动柱22转动，带动弹簧25在凹槽14内移动，直至弹簧25触碰到凹槽14的侧壁时停止移动，此时与传动柱22固定连接的遮挡片23处于极限位置，为圆盘1的下端面的观察孔11的正下方，使得遮挡片23能够遮挡观察孔11，保护导光柱3不被离子污染。
本发明实施例在使用的过程中，光能通过光入射孔12进入样品观察装置，沿着第一导光路径照射在样品上，从样品表面反射的光沿着第二导光路径和导光柱3透过观察孔11，从而被摄像头采集图像信息。然而一般在一次离子束轰击样品的时候，需要遮挡观察孔11以保护导光柱3不被离子污染。用户在通过连通至二次离子质谱仪外部的推动杆对遮挡机构2的推动柱24施加压力，推动柱24带动驱动板21、传动柱22转动，与传动柱22连接的弹簧25 随之在凹槽14内移动，直至弹簧25与凹槽14侧壁抵接，弹簧25移动受限，使得遮挡片23 恰好位于观察孔11正下方，能够遮挡观察孔11，保护导光柱3不被离子污染。当完成一次离子束轰击样品、需要观察样品表面的二次离子的逸出情况时，松开真空外的推动杆，使得推动柱24和弹簧25恢复不受力状态，观察孔11重新露出。此时光路不再受到阻挡，用户可通过摄像头采集到的图像信息观察到样品表面。
本发明提供的一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，通过设置光入射孔和观察孔以及观察孔内的导光柱传导光线，使得光线从光入射孔进入并照射样品，样品表面反射的光线经导光柱传导，进入观察孔外的摄像头，本发明将发生一次离子束轰击样品的样品腔和采集图像数据的摄像头分开，同时设置遮挡机构保护导光柱，能够有效观察样品以及样品表面二次离子的逸出情况，并保护摄像头、导光柱不被一次离子污染，满足了二次离子质谱仪中独特的样品观察需求。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，设置于二次离子质谱仪内，其特征在于，该装置包括：
圆盘，所述圆盘上设有观察孔、光入射孔、贯穿孔和遮挡机构，所述观察孔内设置有导光柱；
所述光入射孔和所述观察孔分别贯穿所述圆盘，所述光入射孔形成贯穿所述圆盘的第一导光路径，所述观察孔形成贯穿所述圆盘的第二导光路径，所述第一导光路径与所述第二导光路径延伸至所述圆盘下方的部分形成交叉区域，该交叉区域用于放置样品；
所述遮挡机构包括依次连接的操作部、连接部和遮挡部，所述操作部设置于所述圆盘的上端面，所述连接部设置于所述贯穿孔内，所述遮挡部设置于所述圆盘的下端面，所述操作部能够可操作的通过所述连接部，并带动所述遮挡部遮挡或暴露所述观察孔。
2.根据权利要求1所述的一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，其特征在于：
所述操作部包括驱动板，所述连接部包括传动柱，所述遮挡部包括遮挡片，所述驱动板与所述遮挡片分别平行于所述圆盘的端面，所述驱动板与所述传动柱的上端固定连接，所述传动柱的下端与所述遮挡片固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，其特征在于：
所述操作部还包括推动柱，所述推动柱设置于所述驱动板远离所述传动柱的一端，所述推动柱用于连接一延伸至所述二次离子质谱仪外部的推动杆。
4.根据权利要求2所述的一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，其特征在于：
所述圆盘的上端面还设置有凹槽，所述遮挡机构还包括弹性限位件，所述弹性限位件包括固定部、延伸部和限位部，所述固定部与所述传动柱固定连接，所述限位部通过所述延伸部与所述固定部连接，所述限位部设置于所述凹槽内。
5.根据权利要求4所述的一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，其特征在于：
所述延伸部包括一弯曲段和一平直段，所述弯曲段呈弧形，所述弯曲段的一端于所述传动柱的一侧与所述固定部连接，所述弯曲段的另一端绕所述传动柱的另一侧通过所述平直段与所述限位部连接。
6.根据权利要求1所述的一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，其特征在于：
所述第一导光路径和所述第二导光路径与垂直于所述圆盘的端面的方向的夹角为30°～50°。
7.根据权利要求1所述的一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，其特征在于：
所述导光柱的上下端面平行且表面光滑，侧面为磨砂。
8.根据权利要求2所述的一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，其特征在于：
所述传动柱包括金属内柱和陶瓷外壳，所述弹性限位件与所述金属内柱固定连接。
9.根据权利要求1所述的一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，其特征在于：
所述圆盘上还贯穿设置有离子入射孔和电子入射孔。
10.根据权利要求9所述的一种二次离子质谱仪中的样品观察装置，其特征在于：
所述离子入射孔和所述电子入射孔所在直线与所述观察孔和所述光入射孔所在直线相互垂直。
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