RU2490749C1

RU2490749C1 - Iso-trajectory mass spectrometer

Info

Publication number: RU2490749C1
Application number: RU2011152794/07A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Скунцев; Андрей Афанасьевич Трубицын
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-08-20
Also published as: RU2011152794A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to mass analysis of ion flux emitted from the surface of a solid-state body under the effect of primary radiation, and can be used to improve analytical properties of mass spectrometers used to analyse solid-state micro- and nanoelectronic objects by secondary ion and laser mass spectrometry techniques. The iso-trajectory mass spectrometer of charged particles provides fourth-order angular focusing of the "axis-ring" type with a centre angle of about 40°, which enables to achieve luminosity of Ω/2π on the order of values of 10%, therefore significantly exceeding the practically allowable level of sensitivity in mass analysis of a substance.

EFFECT: improved sensitivity of mass spectrometers.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области масс-анализа потоков ионов, эмиттируемых с поверхности твердого тела под воздействием первичного излучения, и может быть использовано для улучшения аналитических свойств масс-спектрометров, используемых при исследовании объектов твердотельной микро- и нано-электроники методами вторично-ионной и лазерной масс-спектрометрии.The invention relates to the field of mass analysis of ion fluxes emitted from the surface of a solid under the influence of primary radiation, and can be used to improve the analytical properties of mass spectrometers used in the study of solid-state micro- and nanoelectronics using secondary-ion and laser masses spectrometry.

Для обнаружения ионов с характерными массами необходимо пространственно разделить принадлежащие им масс-спектральные линии (пики) на масс-спектрограммах. С этой точки зрения масс-анализатор как «сердце» масс-спектрометра может характеризоваться разрешающей способностью, имеющей несколько физически обоснованных определений, одно из которых формализуется следующим образом - R₁₀=m/Δm, где Δm -разность масс, необходимая для достижения впадины на 10% высоте пика между двумя соседними пиками одинаковой интенсивности на массе m и массе m+Δm.To detect ions with characteristic masses, it is necessary to spatially separate the mass spectral lines (peaks) belonging to them in the mass spectrograms. From this point of view, the mass analyzer as the “heart” of the mass spectrometer can be characterized by a resolution that has several physically sound definitions, one of which is formalized as follows: R ₁₀ = m / Δm, where Δm is the mass difference necessary to reach the 10% peak height between two adjacent peaks of the same intensity at mass m and mass m + Δm.

Другой важной характеристикой приборов для масс-анализа вещества является чувствительность, которая в масс-спектрометрии определяется величиной, задающей количество вещества, которое нужно ввести в масс-спектрометр для того, чтобы оно было надежно обнаружено, и, в конечном счете, зависит от количества частиц с массой m, достигших коллектора и им зарегистрированных.Another important characteristic of devices for mass analysis of a substance is sensitivity, which in mass spectrometry is determined by a quantity that determines the amount of substance that must be introduced into the mass spectrometer in order for it to be reliably detected, and, ultimately, depends on the number of particles with mass m reaching the collector and registered by him.

К одному из наиболее распространенных и используемых во вторично-ионной и лазерной масс-спектрометрии типов масс-спектрометров относятся анализаторы, разделение ионов по массам в которых осуществляется за счет дисперсии частиц при их движении в электромагнитном поле.One of the most common types of mass spectrometers used in secondary-ion and laser mass spectrometry are analyzers, the separation of ions by mass is carried out due to the dispersion of particles during their movement in an electromagnetic field.

Известен масс-спектрометр с двойной фокусировкой на базе использования магнитного и электростатического полей. Ионы, имеющие одинаковую энергию, но различающиеся по массам, входят в магнитное поле перпендикулярно его направлению и пролетают через это поле по круговым траекториям под действием силы Лоренца. Радиусы их траекторий зависят от массы иона, что ведет к дисперсии по массам. Если пучок ионов проходит через щель с определенным углом, то фокус этого пучка лежит позади магнитного поля. Регистрация ионов с различными массами реализуется путем помещения щели (выходной диафрагмы) в точке фокуса позади магнитного поля, что приводит к четко определенным соответствиям масс и радиусов траекторий и возможности выбора специфической массы. Уменьшение ширины щели может быть использовано для увеличения масс-спектрального разрешения, но только в том случае, если ионы являются моноэнергетичными, поскольку любое распределение по энергиям будет ухудшать разрешение.Known mass spectrometer with double focusing based on the use of magnetic and electrostatic fields. Ions having the same energy but differing in mass enter the magnetic field perpendicular to its direction and fly through this field along circular paths under the action of the Lorentz force. The radii of their trajectories depend on the mass of the ion, which leads to mass dispersion. If the ion beam passes through the gap with a certain angle, then the focus of this beam lies behind the magnetic field. Registration of ions with different masses is realized by placing a slit (exit diaphragm) at the focal point behind the magnetic field, which leads to clearly defined correspondences of the masses and radii of the trajectories and the possibility of choosing a specific mass. Reducing the gap width can be used to increase the mass spectral resolution, but only if the ions are monoenergetic, since any energy distribution will degrade the resolution.

Для достижения высокого разрешения используется дисперсия энергии частиц в электрическом поле, компенсирующая дисперсию энергии магнита так, чтобы осталась только дисперсия по массам. Магнитный и электростатический анализаторы обладают свойством угловой фокусировки второго порядка и их комбинация фокусирует заряженные частицы и по углам и по энергиям. По этой причине масс-спектрометры с такими анализаторами называют приборами с двойной фокусировкой. Традиционно электростатический анализатор помещается перед магнитом с размещаемой между ними промежуточной диафрагмой. Электростатический анализатор с отклонением 90° в комбинации с магнитным с отклонением 60° известен как геометрия Нира- Джонсона [1].To achieve high resolution, a dispersion of particle energy in an electric field is used, which compensates for the dispersion of the magnet energy so that only mass dispersion remains. Magnetic and electrostatic analyzers have the property of second-order angular focusing and their combination focuses charged particles in both angles and energies. For this reason, mass spectrometers with such analyzers are called dual focus instruments. Traditionally, an electrostatic analyzer is placed in front of a magnet with an intermediate diaphragm placed between them. An electrostatic analyzer with a deviation of 90 ° in combination with a magnetic analyzer with a deviation of 60 ° is known as the Nir-Johnson geometry [1].

К недостатку известного устройства относится низкая чувствительность, обусловленная отсутствием аксиальной симметрии и поэтому малым входным телесным углом (светосилой) системы в целом, а также ограниченная вкладом в регистрируемый полезный сигнал тока ионов, находящихся лишь в узкой полосе начальных энергий, пропущенных электростатической ступенью.A disadvantage of the known device is its low sensitivity, due to the lack of axial symmetry and, therefore, a small input solid angle (aperture) of the system as a whole, and also limited by the contribution to the recorded useful signal of the current of ions that are only in a narrow band of initial energies missed by the electrostatic stage.

Наиболее близким к предлагаемому является аксиально-симметричный изотраекторный масс-спектрометр на основе простой в изготовлении электродной системы типа цилиндрический конденсатор [2], предназначенный для исследований импульсных потоков (пакетов ионов). Данный прибор построен на принципах изотраекторной оптики, заключающихся в том, что электрические поля, убывающие по закону как 1/t², обеспечивают движение пакета ионов с любой массой m по одним и тем же траекториям вне зависимости от их энергии, т.е. реализуют изохорный режим с идеальной фокусировкой по энергии. Здесь t - время движения пакета частиц, начиная с момента его вылета из источника. Ионы с массой, отличной от m, движутся по другим траекториям, что приводит к дисперсии по массам. Рассматриваемый изотраекторный цилиндрический масс-спектрометр содержит коаксиально расположенные внешний и внутренний цилиндры, формирующие поле цилиндрического конденсатора; приемник частиц с размещенной перед ним дырочной диафрагмой и блок развертки потенциала V=c(m)/t², подключенный к внешнему цилиндру спектрометра. Здесь c(m) - заданный постоянный параметр при регистрации ионов массы m, зависящий от конкретной конструкции спектрометра.Closest to the proposed one is an axially symmetric isotrajectory mass spectrometer based on a simple to manufacture electrode system such as a cylindrical capacitor [2], designed for studies of pulsed flows (ion packets). This device is built on the principles of isotrajectic optics, namely, that electric fields decreasing according to the law as 1 / t ² provide the movement of an ion packet with any mass m along the same trajectories regardless of their energy, i.e. realize isochoric mode with perfect focus on energy. Here t is the time of motion of the packet of particles, starting from the moment of its departure from the source. Ions with a mass other than m move along other trajectories, which leads to dispersion in masses. The considered isotrajectory cylindrical mass spectrometer contains coaxially located external and internal cylinders forming the field of a cylindrical capacitor; a particle receiver with a hole diaphragm located in front of it and a potential scanner V = c (m) / t ² connected to the outer cylinder of the spectrometer. Here c (m) is a given constant parameter for the registration of ions of mass m, depending on the specific design of the spectrometer.

Регистрация коллектором пакета вторичных ионов, эмиттированных с поверхности исследуемого объекта за счет воздействия первичного излучения (ионы, лазерные импульсы) и имеющих определенную массу m и произвольную кинетическую энергию, достигается размещением в точке пересечения их траекторий с осью симметрии системы дырочной диафрагмы и подачей на внешний цилиндрический электрод отклоняющего потенциала V=c(m)/t². Для регистрации пакета ионов другой массы задается соответствующая константа с(m), обеспечивающая прохождение ионов с этой массой через отверстие выходной диафрагмы. Для получения всего спектра масс константа с(m) постепенно меняется с помощью блока развертки при регистрации с некоторой заданной скоростью, значительно более низкой, по сравнению со скоростью движения частиц в спектрометре.The collector registers a packet of secondary ions emitted from the surface of the object under study due to the action of primary radiation (ions, laser pulses) and having a certain mass m and arbitrary kinetic energy, is achieved by placing a hole diaphragm at the intersection of their trajectories with the axis of symmetry and applying it to the external cylindrical deflecting potential electrode V = c (m) / t ² . To register a packet of ions of another mass, the corresponding constant c (m) is set, which ensures the passage of ions with this mass through the opening of the output diaphragm. To obtain the entire mass spectrum, the constant c (m) gradually changes with the help of a scan unit during registration at a certain given speed, much lower than the speed of particles in the spectrometer.

К недостаткам известного устройства относится малая светосила, порядка долей процента, обусловленная отсутствием угловой фокусировки ионного потока, что является ограничением на величину чувствительности масс-анализа вещества.The disadvantages of the known device include a low aperture, of the order of fractions of a percent, due to the lack of angular focusing of the ion flux, which is a limitation on the sensitivity of the mass analysis of the substance.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в улучшении основного эксплуатационного параметра масс-спектрометров - чувствительности за счет увеличения входного телесного угла (светосилы).The technical task of the invention is to improve the main operational parameter of mass spectrometers - sensitivity by increasing the input solid angle (aperture).

На фиг.1 приведена схема предлагаемого масс-спектрометра.Figure 1 shows a diagram of the proposed mass spectrometer.

Решение указанной задачи достигается тем, что аксиально-симметричный изотраекторный масс-спектрометр пакета ионов содержит коаксиально размещенные внутренний цилиндрический 1 и внешний конусообразный 2 электроды, экранирующий электрод 3 коробчатого типа, электрически и механически связанный с внутренним цилиндрическим электродом 1; выполненную на боковой поверхности внутреннего цилиндрического электрода 1 и затянутую мелкоструктурной металлической сеткой входную кольцевую прорезь 4 (входное окно) для пролета пакета вторичных ионов 10, выходную кольцевую диафрагму 5, выполненную на боковой поверхности внутреннего цилиндрического электрода 1; исследуемый образец 6, приемник ионов 7, блок развертки потенциала 8 по закону обратной пропорциональности квадрату времени движения пакета частиц. При этом внешний конусообразный электрод 2, помещенный внутри экранирующего электрода 3 коробчатого типа, формирует электрическое поле в рабочем пространстве спектрометра, обеспечивающее угловую фокусировку четвертого порядка вблизи центрального угла 40°, что позволяет достичь величины светосилы Ω/2π по порядку значений 10% и, тем самым, значительно превысить практически допустимый уровень чувствительности при масс-анализе вещества.The solution to this problem is achieved by the fact that the axially symmetric isotrajectory mass spectrometer of the ion packet contains coaxially placed inner cylindrical 1 and outer cone-shaped 2 electrodes, a shield electrode 3 of the box type, electrically and mechanically connected to the inner cylindrical electrode 1; made on the side surface of the inner cylindrical electrode 1 and tightened by a fine-grained metal mesh inlet ring slot 4 (inlet window) for the passage of the secondary ion packet 10, the output ring diaphragm 5, made on the side surface of the inner cylindrical electrode 1; test sample 6, ion receiver 7, potential scanner 8 according to the law of inverse proportionality to the square of the time of motion of the packet of particles. In this case, an external cone-shaped electrode 2, placed inside the box-type shielding electrode 3, forms an electric field in the working space of the spectrometer, which provides fourth-order angular focusing near the central angle of 40 °, which makes it possible to achieve aperture value of Ω / 2π in the order of 10% and, therefore, thereby, significantly exceed the practically acceptable level of sensitivity in mass analysis of a substance.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Исследуемый образец 6 облучается импульсным потоком первичных микрочастиц (ионов, квантов лазерного излучения) 9, в результате чего образец 6 испускает пакет вторичных ионов 10, который преодолев пространство свободного дрейфа за счет начальной энергии Е между образцом 6 и внутренним цилиндрическим электродом 1, через входное окно 4 во внутреннем цилиндрическом электроде 1, затянутое мелкоструктурной металлической сеткой, попадает в отклоняющее и фокусирующее электрическое поле, созданное отрицательным потенциалом V=c(m)/t² на внешнем конусообразном электроде 8, где t - время, отсчитываемое от начала движения пакета вторичных ионов. Сфокусированный пакет ионов 11 с массой m и во всем диапазоне начальных энергией Е, вследствие реализации в системе изотраекторного режима, проходит через выходную кольцевую диафрагму 5 и попадает на приемник 7 ионов. Поток ионов 12, с массой отличной от массы m, отсекается выходной диафрагмой 5 и оседает на стенках масс-спектрометра.The studied sample 6 is irradiated by a pulsed stream of primary microparticles (ions, laser radiation quanta) 9, as a result of which the sample 6 emits a packet of secondary ions 10, which, having overcome the free drift space due to the initial energy E between the sample 6 and the inner cylindrical electrode 1, through the input window 4 in the inner cylindrical electrode 1, tightened by a fine-mesh metal enters the deflecting and focusing the electric field created by a negative potential V = c (m) / t ² on the outer cone shaped electrode 8 where t - time counted from the start of movement of the secondary ions packet. A focused ion packet 11 with mass m and in the entire range of initial energy E, due to the implementation of the isotrajectory mode in the system, passes through the output annular diaphragm 5 and enters the ion receiver 7. The ion flux 12, with a mass different from mass m, is cut off by the output diaphragm 5 and settles on the walls of the mass spectrometer.

Внутренний цилиндрический электрод 1 и экранирующий электрод 3 спектрометра, а также образец 6 заземлены. Экранирующий электрод 3 выполняет роль электростатического экрана.The inner cylindrical electrode 1 and the shielding electrode 3 of the spectrometer, as well as sample 6 are grounded. The shielding electrode 3 acts as an electrostatic screen.

Изотраекторный масс-спектрометр имеет полосовую функцию пропускания, т.е. на вход приемника 7 попадают ионы, масса которых лежит в определенной полосе Δm. Дискретным изменением константы с(m), задающей в каждом акте регистрации отклоняющий потенциал V=c(m)/t², через интервал времени, превышающий время полета частиц от образца 6 до приемника 7, можно снять весь массовый спектр ионов, испускаемых образцом 6.The isotrajectory mass spectrometer has a band pass function, i.e. at the input of the receiver 7 are ions whose mass lies in a certain band Δm. By a discrete change in the constant c (m), which sets the deflecting potential V = c (m) / t ² in each registration act, after a time interval exceeding the flight time of particles from sample 6 to receiver 7, the entire mass spectrum of ions emitted by sample 6 can be taken .

В регистрирующем устройстве (не показано), соединенном с приемником 7, масс-спектр анализируется, в результате чего выявляются массовые пики ионов, по которым можно судить об элементном составе поверхности образца.In a recording device (not shown) connected to the receiver 7, the mass spectrum is analyzed, as a result of which mass peaks of ions are detected, which can be used to judge the elemental composition of the surface of the sample.

При внешнем радиусе экранирующего электрода 3, равном 51 мм, длина устройства составляет 47 мм, радиус внутреннего цилиндрического электрода 1 составляет 10 мм, угол наклона образующей конуса конусообразного электрода 2 по отношению к оси симметрии приблизительно равен 40°, протяженность конусообразного электрода 2 вдоль оси симметрии составляет около 21.5 мм, задающая отклоняющий потенциал V=c(m)/t² для центральной массы m=0.993 константа с(m)=9, ширина выходной диафрагмы 5 составляет около 0.5 мм.When the outer radius of the shielding electrode 3 is 51 mm, the length of the device is 47 mm, the radius of the inner cylindrical electrode 1 is 10 mm, the angle of inclination of the generatrix of the cone of the cone-shaped electrode 2 with respect to the axis of symmetry is approximately 40 °, the length of the cone-shaped electrode 2 along the axis of symmetry is about 21.5 mm, the deflecting potential V = c (m) / t ² for the central mass m = 0.993 is constant with (m) = 9, the width of the output aperture 5 is about 0.5 mm.

Масс-спектрометр обладает угловой фокусировкой четвертого порядка типа «ось-кольцо» и обеспечивает разрешающую способность m/Δm=500 при светосиле порядка 10%.The mass spectrometer has a fourth-order angular focusing of the axis-ring type and provides a resolution of m / Δm = 500 at an aperture ratio of about 10%.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Edgar G. Johnson and Alfred O. Nier. Angular Aberrations in Sector Shaped Electromagnetic Lenses for Focusing Beams of Charged Particles // Phys. Rev. - 1953.- V.91. - P.10.1. Edgar G. Johnson and Alfred O. Nier. Angular Aberrations in Sector Shaped Electromagnetic Lenses for Focusing Beams of Charged Particles // Phys. Rev. - 1953.- V.91. - P.10.

2. Матышев А.А. Изотраекторная корпускулярная оптика,- СПб.: «Наука», 2000. - 375 с.2. Matyshev A.A. Isotrajectory corpuscular optics, St. Petersburg: Nauka, 2000. - 375 p.

Claims

An axially symmetric isotrajectory mass spectrometer of ion packets containing coaxially placed inner cylindrical and outer cone-shaped electrodes, a box-type shielding electrode, electrically and mechanically connected to the inner cylindrical electrode; made on the side surface of the inner cylindrical electrode and tightened by a fine-grained metal mesh inlet ring slot (inlet window) for the passage of a packet of secondary ions, the output ring diaphragm made on the side surface of the inner cylindrical electrode; test sample, ion receiver, potential scanner according to the law of inversely proportional to the square of the time of movement of the packet of particles, characterized in that the external cone-shaped electrode placed inside the shielding electrode forms an electric field in the working space of the spectrometer, providing fourth-order angular focusing near a central angle of 40 ° .