CN109256319B - 电离源及包括该电离源的二次离子质谱仪 - Google Patents

电离源及包括该电离源的二次离子质谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电离源及包括该电离源的二次离子质谱仪。上述电离源可以包括：喷嘴电极，供应有气体；线状电极，布置在所述喷嘴电极之间，释放将所述喷嘴电极内的所述气体离子化的电子；接地电极，布置在所述喷嘴电极外部；以及，提取电极，布置在所述接地电极和所述喷嘴电极之间，将离子化的所述气体沿着所述接地电极的方向提取，所述提取电极包括：提取环，与所述喷嘴电极平行；以及，提取尾，连接于所述提取环内，从所述提取环朝着所述喷嘴电极的方向延伸。

Description

电离源及包括该电离源的二次离子质谱仪
技术领域
本发明涉及一种二次离子质谱仪，尤其涉及一种电离源及包括该电离源的二次离子质谱仪。
背景技术
通常，二次离子质谱仪是一种利用在一次离子(primary ion)入射到试料时由于能量转移而从试料表面的原子释放的二次离子(secondary ion)的质量及电荷来得知元素成分的装置。根据质量分析单元(unit)的种类，二次离子质谱仪(SIMS)包括四极型质谱仪(Quadrupole type SIMS，Q-SIMS)、磁场扇形型质谱仪(Magnetic sector type SIMS，M-SIMS)及飞行时间型质谱仪(Time of Flight type SIMS，TOF-SIMS)等。Q-SIMS向圆筒形的平行的四个极施加直流电流和射频，并根据固有质量使离子分离，从而检测所要的离子。对于Q-SIMS而言，存在分辨力(resolution)较低的问题，但是价格便宜且在绝缘物质成分分析方面有利。TOF-SIMS利用通过安装于SIMS内的静电能分析仪后到达检测仪所需的离子的飞行时间来分析成分。TOF-SIMS检测的固有质量的范围较宽，并且分辨力优秀，但是由于最初入射的一次离子的量小，因此存在进行根据深度的成分分析时需要较长的时间的缺点。最后，M-SIMS沿与二次离子束的行进方向垂直的方向施加磁场，并利用根据二次离子固有质量的轨迹变化来分析成分。M-SIMS具有分辨力较高且测量的固有质量的范围较宽的优点，但是由于价格较贵且向试料施加高电压，因此由于电荷的积累而难以分析绝缘物质的成分。利用通常的二次离子质谱仪(secondary ion mass spectroscopy，SIMS)的表面分析需要利用具有10KeV附近的能量的离子脉冲冲撞试料的表面的溅射过程。
发明内容
技术问题
本发明所要解决的课题是，提供一种能够提高一次离子的离子化效率和电子的滞留时间的电离源。
技术方案
本发明公开一种电离源。该电离源包括：喷嘴电极，供应有气体；线状电极，布置在所述喷嘴电极之间，释放将所述喷嘴电极内的所述气体离子化的电子；接地电极，布置在所述喷嘴电极外部；以及，提取电极，布置在所述接地电极和所述喷嘴电极之间，将离子化的所述气体沿着所述接地电极的方向提取。在此，所述提取电极可以包括：提取环，与所述喷嘴电极平行；以及，提取尾，连接于所述提取环内，从所述提取环朝着所述喷嘴电极的方向延伸。
根据一示例，所述提取尾可以从所述提取环以150度至170度的角度连接。
根据一示例，所述提取尾与所述喷嘴电极之间的距离可以等于所述提取环与所述喷嘴电极之间的距离。
根据一示例，所述喷嘴电极可以包括：第一喷嘴电极，布置在所述线状电极的一侧；第二喷嘴电极，布置在所述线状电极的另一侧。所述第一喷嘴电极和所述第二喷嘴电极可以分别包括所述线状电极内的第一盖尾及第二盖尾。
根据一示例，所述第一盖尾及所述第二盖尾可以以4mm至8mm的距离相隔。
根据一示例，所述第一盖尾及第二盖尾在彼此相向的方向凸出地形成弧度。
根据一示例，所述第一盖尾及第二盖尾可以分别具有2mm至4mm的厚度。
根据一示例，所述第一喷嘴电极和第二喷嘴电极可以具有与所述第一盖尾及第二盖尾相同的直径。
根据一示例，还可以包括：盖环，布置在所述喷嘴电极之间，并围绕所述线状电极。
根据一示例，当所述喷嘴电极带电1000V时，所述线状电极带电9900V，所述提取电极带电9000V。
根据本发明的一示例的二次离子质谱仪可以包括：气体供应部；电离源，将从所述气体供应部提供的气体离子化而生成一次离子，向试料提供所述一次离子；质量分析部，检测由于所述一次离子而从所述试料生成的二次离子来分析所述试料的质量。其中，所述电离源可以包括：喷嘴电极，供应有所述气体；线状电极，布置在所述喷嘴电极之间，释放将所述喷嘴电极内的所述气体离子化的电子；接地电极，布置在所述喷嘴电极外部；以及提取电极，布置在所述接地电极和所述喷嘴电极之间，将离子化的所述气体沿着所述接地电极的方向提取。所述提取电极可以包括：提取环，与所述喷嘴电极平行；以及，提取尾，连接于所述提取环内，从所述提取环朝着所述喷嘴电极的方向延伸。
有益效果
根据本发明技术思想的实施例的电离源可以包括具有喷嘴尾的喷嘴电极、具有提取尾的提取电极、以及线状电极。线状电极可以向喷嘴电极内提供电子。所述电子的滞留时间可以与初级离子的离子化效率成比例。如果所述喷嘴尾之间的距离增加且所述喷嘴尾的厚度减少，则所述电子的滞留时间和所述初级离子的离子化效率可以增加。在向所述喷嘴电极的内部提供所述提取尾的情况下，可以增加所述电子的滞留时间和所述初级离子的离子化效率。
附图说明
图1是示出根据本发明的概念的二次离子质谱仪的图。
图2是示出图1的电离源的立体图。
图3是沿着图2的I-I’线截取的截面图。
图4a及图4b是示出根据第一盖尾及第二盖尾之间的距离的电子偏向方向的截面图。
图5是示出根据图4a及图4b的第一盖尾及第二盖尾之间的距离的电子滞留时间的曲线图。
图6a及图6b是示出根据第一盖尾及第二盖尾的厚度和/或内径的电子偏向方向的截面图。
图7是示出根据图6a及图6b的第一盖尾及第二盖尾的厚度的电子滞留时间的图形。
图8a及图8b是根据提取尾的角度的电子偏向方向的截面图。
图9是示出根据图8a及图8b的提取尾的角度的电子滞留时间的曲线图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的概念的二次离子质谱仪100。
参照图1，本发明的二次离子质谱仪100可以包括飞行时间型质谱仪(TOF-SIMS)。与此不同地，二次离子质谱仪100可以包括四极型质谱仪或磁场扇形型质谱仪。根据一示例，所述二次离子质谱仪100可以包括腔室200、气体供应部300、电离源400及质量分析部500。
所述腔室200可以给试料220提供相对于外部封闭的空间。所述试料220可以被收纳于所述腔室200内的平台210。所述平台210可以使试料220水平移动。所述试料220可以包括有机物或无机物。例如，所述试料220可以包括生物材料、环境污染物质或半导体。
所述气体供应部300可以连接于所述电离源400。所述气体供应部300可以向所述电离源400内供应气体310。所述气体310可以是氩气的惰性气体，本发明可以不限于此。
所述电离源400可以布置在所述腔室200与所述气体供应部300之间。所述电离源400可以使所述气体310电离和/或带电而生成一次(primary)离子320。所述一次离子320可以被供应至所述腔室200内的所述试料220。如果所述一次离子320供应至所述试料220，则二次(secondary)离子330可以从所述试料220的表面生成。所述二次离子330可以提供至所述质量分析部500。所述二次离子330可以包括阳离子或阴离子的原子和/或分子。
所述质量分析部500可以连接于所述腔室200。所述质量分析部500可以布置于所述试料220和/或平台210上。所述质量分析部500可以检测所述试料220的所述二次离子330。所述质量分析部500可以测量所述二次离子330的质量而获取所述试料220的化学成分和表面结构。所述二次离子330可以与所述一次离子320成比例地被检测。并且，所述试料220的分析可靠性可以与所述一次离子320和/或所述二次离子330的离子化效率成比例地增加。
以下，对用于增加一次离子320的离子化效率的电离源400的结构进行说明。
图2示出图1的电离源400。图3是沿着图2的I-I’线截取的剖面图。
参照图2及图3，电离源400可以包括喷嘴电极410、电子释放部420、接地电极430及提取电极440。
所述喷嘴电极410可以使所述气体310带电而提供至所述接地电极430及所述提取电极440。所述喷嘴电极410可以具有大约10000V的电势。根据一示例，所述喷嘴电极410可以包括第一喷嘴电极412和第二喷嘴电极414。所述第一喷嘴电极412和所述第二喷嘴电极414可以并排布置。所述第一喷嘴电极412和所述第二喷嘴电极414可以分别具有第一盖尾413和第二盖尾415。所述第一盖尾413和所述第二盖尾415可以相向布置。所述第一盖尾413和所述第二盖尾415可以具有相同内径。所述第一盖尾413和所述第二盖尾415可以具有大约14mm的直径。所述第一盖尾413和所述第二盖尾415各自的尖可以具有弧度以防止电荷的集中。
所述电子释放部420可以布置在所述第一喷嘴电极412和所述第二喷嘴电极414之间。所述电子释放部420可以布置在所述第一盖尾413和所述第二盖尾415的外廓。所述电子释放部420可以包括线状电极422和盖环424。所述线状电极422可以布置在所述第一盖尾413和所述第二盖尾415之间。所述线状电极422可以将电子340提供至所述第一盖尾413和所述第二盖尾415之间。所述电子340可以使所述第一盖尾413和所述第二盖尾415内的所述气体310带正电。从而生成所述一次离子320。所述线状电极422的直径可以大于所述第一盖尾413和所述第二盖尾415的外径。例如，所述线状电极422可以具有大约11mm至大约16mm的半径。所述线状电极422可以具有大约15mm的半径。所述线状电极422可以被施加大约9900V的电压。所述第一盖尾413和所述第二盖尾415可以从所述气体310及所述一次离子320保护所述线状电极422。所述盖环424可以围绕所述线状电极422。所述盖环424的半径可以大于所述线状电极422的半径。
所述接地电极430可以布置在所述第一喷嘴电极412和所述第二喷嘴电极414的外部。所述接地电极430可以接地。所述接地电极430可以使用静电力使正电荷的一次离子320向与所述气体310的行进方向相同的方向加速。
所述提取电极440可以布置在所述第二喷嘴电极414和所述接地电极430之间。所述提取电极440可以提取所述第一盖尾413和所述第二盖尾415内的一次离子320并将其提供给所述接地电极430。可以向所述提取电极440提供大约8600V至大约9500V的偏压。例如，所述提取电极440可以大约带电9000V。根据一示例，所述提取电极440可以包括提取尾442和提取环444。所述提取环444可以与所述接地电极430及所述第二喷嘴电极414平行。所述提取尾442可以连接于所述提取环444内。所述提取尾442可以从所述提取环444向所述第二喷嘴电极414的内部延伸。所述提取尾442可以增加所述一次离子320的提取效率。
另外，所述一次离子320的离子化效率可以与所述喷嘴电极410内的所述电子340的占有空间成比例地增加。如果所述电子340的占有空间增加，则所述一次离子320的离子化效率可以增加。
图4a及图4b是示出根据第一盖尾413及第二盖尾415之间的距离的电子340的偏向(deflection)方向的截面图。
参照图4a及图4b，所述电子340可以根据所述第一盖尾413和所述第二盖尾415之间的距离而以不同方向和/或形状偏向。根据一示例，所述喷嘴电极410的电子340的数量和/或能量可以与所述第一盖尾413及所述第二盖尾415之间的距离成比例地增加。
参照图4a，如果所述第一盖尾413及所述第二盖尾415之间的距离较小，则电子340可以集中于第一盖尾413内。
参照图4b，如果所述第一盖尾413及所述第二盖尾415之间的距离增加，则所述电子340可以被提供至所述第一盖尾413和第一喷嘴电极412的入口内。如果所述电子340在所述喷嘴电极410内广泛地扩散，则所述一次离子320的量可以增加。
并且，所述一次离子320的离子化效率可以与所述喷嘴电极410内的电子340的滞留时间成比例地增加。如果所述电子340的滞留时间增加，则所述气体310与所述电子340的碰撞可能性可以增加。
图5示出根据图4a及图4b的第一盖尾413及第二盖尾415之间的距离的电子340的滞留时间。
参照图5，在所述第一盖尾413及所述第二盖尾415之间的距离为大约4mm以下的情况下，所述电子340的滞留时间可以与所述第一盖尾413及所述第二盖尾415之间的距离成比例地急剧增加。当第一盖尾413及第二盖尾415之间的距离增加为大约4mm至大约8mm时，所述电子340的滞留时间可以与所述第一盖尾413及所述第二盖尾415之间的距离成比例地逐渐增加。所述一次离子320的离子化效率可以增加。
相反，如果第一盖尾413及第二盖尾415之间的距离过度增加至8mm以上，则所述线状电极422可能由于一次离子320而受损。
图6a及图6b示出根据第一盖尾413及第二盖尾415的厚度和/或内径的电子340的偏向方向。
参照图6a及图6b，所述电子340可以根据所述第一盖尾413及所述第二盖尾415的厚度和/或内径而向不同方向偏向和/或以不同形状偏向。所述电子340的偏向面积及方向可以与所述第一盖尾413及所述第二盖尾415的厚度反比例地增加。与此不同地，所述电子340的偏向面积及方向可以与所述第一盖尾413及所述第二盖尾415的内径成比例地增加。
参照图6a，如果所述第一盖尾413及所述第二盖尾415较薄，则所述电子340可以提供至所述第一盖尾413和所述第一喷嘴电极412的入口内。如果所述电子340在所述喷嘴电极410内广泛地扩散，则所述一次离子320的量可以增加。所述电子340的滞留时间可以增加。
参照图6b，如果所述第一盖尾413及所述第二盖尾415较厚，则所述电子340可能不提供至所述第一盖尾413内。所述电子340的滞留时间可能小或无。
图7示出根据图6a及图6b的第一盖尾413及第二盖尾415的厚度的电子340的滞留时间。
参照图7，当所述第一盖尾413及所述第二盖尾415的厚度为大约2mm至大约4mm以上时，所述电子340的滞留时间可以为0.0030秒以上而较长。当所述第一盖尾413及所述第二盖尾415的厚度大约为3.4mm时，电子340的滞留时间可以增加至最大的0.0032秒。图3的所述一次离子320的离子化效率可以增加至最大。如果第一盖尾413及第二盖尾415的厚度小于或大于大约3.4mm，则电子340的滞留时间可能逐渐地减少。
图8a及图8b示出根据提取尾442的角度和/或是否存在的电子340的偏向方向。
参照图8a及图8b，所述电子340可以根据提取尾442的角度θ而以互不相同的方向和/或形状偏向。所述提取尾442的角度θ可定义为相对于所述提取环444的所述提取尾442的行进方向。
参照图8a，如果所述提取尾442的角度θ大于90度且小于180度，则所述电子340可以提供至所述第一盖尾413及所述第一喷嘴电极412的入口。所述提取尾442可以向所述第二喷嘴电极414内提供。
参照图8b，当所述提取尾442的角度θ大于180度时，所述电子340可以仅向所述第一盖尾413的一部分提供。所述电子340的滞留时间可以减少。
图9示出根据图8a及图8b的提取尾442的角度θ的电子340的滞留时间。
参照图9，当所述提取尾442的角度θ为大约150度至170度时，所述电子340的滞留时间可以为大约0.0031秒以上。如果所述提取尾442的角度θ为大约157度，则所述电子340的滞留时间可以增加至最大。图3的所述一次离子320的离子化效率可以增加至最大。图8a的提取尾442和第二喷嘴电极414之间的距离d1可以与所述提取环444和第二喷嘴电极414之间的距离d2相同。
以上，参照附图对本发明的实施例进行了说明，但是在本发明所属技术领域中具有基本知识的人员可以理解，在不改变本发明的技术思想或必要特征的情况下能够以其他具体形态实施。因此，以上记载的实施例在所有方面都应是示例性的，而不应是限定性的。

Claims (10)

1.一种电离源，其中，包括：
喷嘴电极，供应有气体，并包括第一喷嘴电极和第二喷嘴电极；
线状电极，布置在所述第一喷嘴电极和第二喷嘴电极之间，释放将所述喷嘴电极内的所述气体离子化的电子；
接地电极，布置在所述喷嘴电极外部；以及
提取电极，布置在所述接地电极和所述喷嘴电极之间，将离子化的所述气体沿着所述接地电极的方向提取，
其中，所述提取电极包括：提取环，与所述喷嘴电极平行；以及，提取尾，连接于所述提取环内，从所述提取环朝着所述喷嘴电极的方向延伸，
所述第一喷嘴电极布置在所述线状电极的一侧，并具有第一盖尾，
所述第二喷嘴电极布置在所述线状电极的另一侧，并具有与所述第一盖尾相向的第二盖尾。
2.如权利要求1所述的电离源，其中，
所述提取尾从所述提取环以150度至170度的角度形成连接。
3.如权利要求1所述的电离源，其中，
所述提取尾与所述喷嘴电极之间的距离等于所述提取环与所述喷嘴电极之间的距离。
4.如权利要求1所述的电离源，其中，
所述第一盖尾及所述第二盖尾以4mm至8mm的距离相隔。
5.如权利要求1所述的电离源，其中，
所述第一盖尾及第二盖尾在彼此相向的方向凸出地形成弧度。
6.如权利要求1所述的电离源，其中，
所述第一盖尾及第二盖尾分别具有2mm至4mm的厚度。
7.如权利要求1所述的电离源，其中，
所述第一喷嘴电极及第二喷嘴电极具有与所述第一盖尾及第二盖尾相同的直径。
8.如权利要求1所述的电离源，其中，还包括：
盖环，布置在所述第一喷嘴电极和第二喷嘴电极之间，并围绕所述线状电极。
9.如权利要求1所述的电离源，其中，
当所述喷嘴电极带电10000V时，所述线状电极带电9900V，所述提取电极带电9000V。
10.一种二次离子质谱仪，包括：
气体供应部；
电离源，将从所述气体供应部提供的气体离子化而生成一次离子，向试料提供所述一次离子；
质量分析部，检测由于所述一次离子而从所述试料生成的二次离子来分析所述试料的质量，
其中，所述电离源包括：
喷嘴电极，供应有所述气体，并包括第一喷嘴电极和第二喷嘴电极；
线状电极，布置在所述第一喷嘴电极和第二喷嘴电极之间，释放将所述喷嘴电极内的所述气体离子化的电子；
接地电极，布置在所述喷嘴电极外部；以及
提取电极，布置在所述接地电极和所述喷嘴电极之间，将离子化的所述气体沿着所述接地电极的方向提取，
所述第一喷嘴电极布置在所述线状电极的一侧，并具有第一盖尾，
所述第二喷嘴电极布置在所述线状电极的另一侧，并具有与所述第一盖尾相向的第二盖尾，
所述提取电极包括：提取环，与所述喷嘴电极平行；以及，提取尾，连接于所述提取环内，从所述提取环朝着所述喷嘴电极的方向延伸。
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