[发明专利]用于二次离子质谱仪的一次铯离子源

说明书

一种用于与二次离子质谱仪一起使用的一次离子源子组件，所述一次离子源子组件包括整体式石墨离子发生器管道和储器基部。一次离子源可以包括限定离子发生器孔径的毛细管插入件。离子发生器孔径可以布置在向外突出的圆锥形或者截头圆锥形表面的中心，并且可以与难熔金属涂层或者护套重叠。可以对包括离子发生器表面形状、离子发生器材料、离子发生器温度、以及射束挡板孔口几何结构的参数进行操纵以便消除鬼像。具有双重锥形表面的石墨管道垫圈可以促进源材料凹腔的密封。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年10月13日提交的美国临时专利申请第62/063,023号的权益，前述申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本公开涉及用于二次离子质谱仪的一次离子源，以及用于制作该离子源的方法。

背景技术

二次离子质谱仪(SIMS)是一种广泛使用的表面和薄膜分析技术，其广泛地应用于半导体工业、地球化学和材料研究、以及其它技术领域中。世界上存在500多种商用仪器。该技术通过用高能离子束(“一次”离子束)轰击样品来生成分析信号，该高能离子束从样品表面上“溅射”原子。5-15keV一次离子的每次撞击都使靶表面发射少量的原子。一小部分发射出的原子在发射时被电离并且这些“二次”离子可以加速进入质谱仪中并且进行质量分析以便产生关于样品的化学构成和同位素构成的信息。

可以通过使用具有化学活性的一次离子种类来提高二次离子形成的效率，该具有化学活性的一次离子种类被注入靶表面中并且在其表面化学化之后：带负电的一次离子种类(诸如，氧气)用于促进阳性二次离子产生，并且带正电的离子种类(诸如，铯离子)用于促进阴离子产生(即，带负电种类的二次阴离子)。

该SIMS技术提供了如下能力的独特组合：对于几乎所有元素(从氢至铀以及更高元素)的极高敏感性(例如，对于许多元素的检测极限低至ppb水平)、高横向分辨率成像(例如，目前低至50nm)、以及允许高动态范围(例如，多于五十)的非常低的背景。该技术在本质上是“毁灭性的”，这是由于其涉及溅射材料以生成离子信号。其可以应用于可以停留在真空下的任何类型的材料(绝缘体、半导体、金属)。

SIMS技术的一个强项在于其体现了一种微量分析方法。一次离子束可以集中至微小的点，从而可以在极其微小的区域上执行化学分析；替代地，通过在监测离子信号的同时在样品表面上对集中的离子束进行光栅扫描，可以产生样品表面的具有优良空间分辨率的化学和同位素图像。

目前，被称为NamoSIMS(由法国巴黎的Cameca所制造)的仪器中出现了典型的成像性能，该仪器目前的成本为约4百万美元。该仪器具有精确设计的一次离子光学器件，该精确设计的一次离子光学器件旨在将一次离子束集中至样品表面上可能的最小点。具有工厂离子源的特定最小射束大小是50nm，通常是利用在样品处的例如约0.25皮安(pA)的射束电流来获得的。

图1A示意性地图示了NanoSIMS仪器的工厂离子源设计。源1完全由金属——主要是钼——制成，但离子发生器部段7的一部分是钨。该源1包括：安装柱2、由安装柱2支撑并且包括布置为保持铯盐(例如，碳酸铯)的储器凹腔3A的加热钼储器体3、钼小直径管道组件5(包括用作储器的一部分的宽基部6)、以及布置为经由小直径管道容纳来自储器的碳酸铯蒸汽的强烈加热离子发生器部段7。该小直径管道组件5将来自加热储器体3的碳酸铯蒸汽供给至强烈加热的离子发生器部段7并且在储器体3与离子发生器部段7之间提供一定程度的热绝缘。储器体3的外边缘部包括斜面表面3B。小直径管道组件5的宽基部6的边界表面6A布置为与储器体3的斜面表面3B邻接。储器体3具有外部螺纹并且布置为容纳内部螺纹密封盖螺钉4，该内部螺纹密封盖螺钉4安装在宽基部6的周围以形成旋锻型密封。钼宽基部6与钼储器体3之间的密封对于该离子源1而言是至关重要的问题，这是因为泄漏会使得电子撞击加热系统的性能不佳并且最终引起噪声图像。与工厂离子源1一起使用的两个钼储器部3和6之间的旋锻型密封要求对密封力进行密切控制，且未设计成可拆卸式，因此离子源1不可以重复使用。