[發明專利]用于二次離子質譜儀的一次銫離子源

有效

• 申請號: 201580067008.2
• 申請日: 2015-10-13
• 公開（公告）號: CN107210749B
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: P·威廉姆斯;K·A·威廉姆斯;M·博塞;J·普林斯
• 申請（專利權）人: 亞利桑那州立大學董事會代表亞利桑那州立大學法人團體利益
• 主分類號: H03L7/26
• 分類號: H03L7/26;H01S1/00;G04F5/14;H05H3/00;H05H3/02
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 鄭勇

一種用于與二次離子質譜儀一起使用的一次離子源子組件，所述一次離子源子組件包括整體式石墨離子發生器管道和儲器基部。一次離子源可以包括限定離子發生器孔徑的毛細管插入件。離子發生器孔徑可以布置在向外突出的圓錐形或者截頭圓錐形表面的中心，并且可以與難熔金屬涂層或者護套重疊。可以對包括離子發生器表面形狀、離子發生器材料、離子發生器溫度、以及射束擋板孔口幾何結構的參數進行操縱以便消除鬼像。具有雙重錐形表面的石墨管道墊圈可以促進源材料凹腔的密封。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2014年10月13日提交的美國臨時專利申請第62/063,023號的權益，前述申請的全部內容以引用的方式并入本文。

技術領域

本公開涉及用于二次離子質譜儀的一次離子源，以及用于制作該離子源的方法。

背景技術

二次離子質譜儀(SIMS)是一種廣泛使用的表面和薄膜分析技術，其廣泛地應用于半導體工業、地球化學和材料研究、以及其它技術領域中。世界上存在500多種商用儀器。該技術通過用高能離子束(“一次”離子束)轟擊樣品來生成分析信號，該高能離子束從樣品表面上“濺射”原子。5-15keV一次離子的每次撞擊都使靶表面發射少量的原子。一小部分發射出的原子在發射時被電離并且這些“二次”離子可以加速進入質譜儀中并且進行質量分析以便產生關于樣品的化學構成和同位素構成的信息。

可以通過使用具有化學活性的一次離子種類來提高二次離子形成的效率，該具有化學活性的一次離子種類被注入靶表面中并且在其表面化學化之后：帶負電的一次離子種類(諸如，氧氣)用于促進陽性二次離子產生，并且帶正電的離子種類(諸如，銫離子)用于促進陰離子產生(即，帶負電種類的二次陰離子)。

該SIMS技術提供了如下能力的獨特組合：對于幾乎所有元素(從氫至鈾以及更高元素)的極高敏感性(例如，對于許多元素的檢測極限低至ppb水平)、高橫向分辨率成像(例如，目前低至50nm)、以及允許高動態范圍(例如，多于五十)的非常低的背景。該技術在本質上是“毀滅性的”，這是由于其涉及濺射材料以生成離子信號。其可以應用于可以停留在真空下的任何類型的材料(絕緣體、半導體、金屬)。

SIMS技術的一個強項在于其體現了一種微量分析方法。一次離子束可以集中至微小的點，從而可以在極其微小的區域上執行化學分析；替代地，通過在監測離子信號的同時在樣品表面上對集中的離子束進行光柵掃描，可以產生樣品表面的具有優良空間分辨率的化學和同位素圖像。

目前，被稱為NamoSIMS(由法國巴黎的Cameca所制造)的儀器中出現了典型的成像性能，該儀器目前的成本為約4百萬美元。該儀器具有精確設計的一次離子光學器件，該精確設計的一次離子光學器件旨在將一次離子束集中至樣品表面上可能的最小點。具有工廠離子源的特定最小射束大小是50nm，通常是利用在樣品處的例如約0.25皮安(pA)的射束電流來獲得的。

圖1A示意性地圖示了NanoSIMS儀器的工廠離子源設計。源1完全由金屬——主要是鉬——制成，但離子發生器部段7的一部分是鎢。該源1包括：安裝柱2、由安裝柱2支撐并且包括布置為保持銫鹽(例如，碳酸銫)的儲器凹腔3A的加熱鉬儲器體3、鉬小直徑管道組件5(包括用作儲器的一部分的寬基部6)、以及布置為經由小直徑管道容納來自儲器的碳酸銫蒸汽的強烈加熱離子發生器部段7。該小直徑管道組件5將來自加熱儲器體3的碳酸銫蒸汽供給至強烈加熱的離子發生器部段7并且在儲器體3與離子發生器部段7之間提供一定程度的熱絕緣。儲器體3的外邊緣部包括斜面表面3B。小直徑管道組件5的寬基部6的邊界表面6A布置為與儲器體3的斜面表面3B鄰接。儲器體3具有外部螺紋并且布置為容納內部螺紋密封蓋螺釘4，該內部螺紋密封蓋螺釘4安裝在寬基部6的周圍以形成旋鍛型密封。鉬寬基部6與鉬儲器體3之間的密封對于該離子源1而言是至關重要的問題，這是因為泄漏會使得電子撞擊加熱系統的性能不佳并且最終引起噪聲圖像。與工廠離子源1一起使用的兩個鉬儲器部3和6之間的旋鍛型密封要求對密封力進行密切控制，且未設計成可拆卸式，因此離子源1不可以重復使用。