二次離子質(zhì)譜的一次離子光學(xué)系統(tǒng)

王 亮，徐福興，丁傳凡

（復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系，上海 200433）

二次離子質(zhì)譜（secondary ions mass spectrometry，SIMS）作為一種強(qiáng)有力的表面分析工具，在電子工業(yè)、礦物分析、材料、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。與其他的表面分析技術(shù)相比，如掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）、俄歇電子光譜（AES）、原子吸收光譜等，二次離子質(zhì)譜有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：1）可以實現(xiàn)對元素周期表中幾乎所有元素的分析；2）可以檢測不易揮發(fā)和熱穩(wěn)定性差的化合物；3）可以實現(xiàn)對被分析物表面的逐層縱向剖析；4）在超高真空（＜10－7Pa）條件下對化合物進(jìn)行分析，確?；衔锉砻娉煞址治鼋Y(jié)果的真實性；5）可以實現(xiàn)對同位素的分析；6）具有超高的檢測靈敏度。而SEM、XPS等技術(shù)受檢出限的限制，僅適用于物質(zhì)形態(tài)、物質(zhì)價態(tài)以及物理結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)的分析與表征[1－2]。

二次離子質(zhì)譜的原理是經(jīng)過聚焦的一次離子束穩(wěn)定的轟擊樣品表面，一次離子會穿透固體樣品表面的分子或原子層深入到樣品內(nèi)部，在穿透過程中發(fā)生一系列彈性和非彈性碰撞，一次離子將能量傳遞給樣品表面的粒子，使樣品表面的分子或原子產(chǎn)生濺射，濺射得到的粒子大部分為中性分子，小部分為帶電荷的離子。隨后，樣品離子在一系列的離子光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行離子傳輸、能量聚焦、方向聚焦等作用后，進(jìn)入質(zhì)量分析器做成分分析，并到達(dá)檢測器被檢測，最終得到樣品的質(zhì)譜圖[3－4]。對于二次離子質(zhì)譜來說，一次離子束是二次離子質(zhì)譜的關(guān)鍵組成部分，它的性能直接決定了二次離子質(zhì)譜的分析結(jié)果[5－9]。

早在20世紀(jì)初，國外就開始了對二次離子質(zhì)譜儀的研制與開發(fā)，最近30年SIMS的發(fā)展尤為迅速[10－15]。目前，SIMS 可以實現(xiàn)對幾乎所有元素的分析檢測，其最低可測量濃度能達(dá)到10－6數(shù)量級，縱向分辨率可以達(dá)到2～3個原子層，橫向分辨率可以達(dá)到納米量級。相對而言，我國對二次離子質(zhì)譜的研究比較缺乏。

本研究主要介紹自行設(shè)計的用于二次離子質(zhì)譜的一次離子光學(xué)系統(tǒng)，該離子光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是通過兩組透鏡組合，在兩種聚焦模式下，使用同一種一次離子實現(xiàn)對樣品表面不同條件的轟擊。它可以對由電子轟擊電離源（EI源）產(chǎn)生的一次離子束進(jìn)行有效的加速與聚焦，形成穩(wěn)定的、能量在0～5kV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的離子束流。通過試驗對兩種聚焦模式下產(chǎn)生的兩種不同性能的離子束流進(jìn)行測試。

1 試驗部分

1.1 主要儀器與裝置

本工作使用的一次離子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示于圖1，其主要組成部分和工作過程為：由電子轟擊電離源產(chǎn)生的一次離子Ar＋，在離子推斥電極的作用下，進(jìn)入離子聚焦透鏡中。離子聚焦透鏡由2個物鏡，即物鏡1和物鏡2組成。在這兩組透鏡之間，裝置了1個偏轉(zhuǎn)電極和法拉第杯，其作用在于當(dāng)一次離子束通過時，可在偏轉(zhuǎn)電極上施加一定的直流電壓，使離子束全部偏轉(zhuǎn)到法拉第杯的側(cè)壁上，法拉第杯外接電流計，用于實時檢測一次離子束流的大小。一次離子束通過加速、聚焦后到達(dá)樣品臺，轟擊樣品。

物鏡1和物鏡2的組合可以實現(xiàn)對一次離子的兩種聚焦模式。聚焦模式A示于圖2，物鏡1對離子束施加一個較弱的聚焦電場，使離子束以較發(fā)散的方式全部通過物鏡1。但是，一次離子束在進(jìn)入物鏡2之前，受到一個限制光闌的阻擋，進(jìn)入到物鏡2的離子束流減少，在物鏡2的作用下實現(xiàn)離子束的聚焦。聚焦模式B示于圖3，與聚焦模式A不同，物鏡1對一次離子束施加一個很強(qiáng)的聚焦電場，一次離子束通過物鏡1的聚焦后，其焦點(diǎn)正好位于限制光闌的小孔附近，這樣離子束流可以全部通過限制光闌，通過光闌后的離子束在物鏡2的作用下進(jìn)一步聚焦，到達(dá)樣品臺。

圖1 一次離子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of primary ion optics system

圖2 聚焦模式A的聚焦效果示意圖Fig.2 Focus effect diagram under focus pattern A

圖3 聚焦模式B的聚焦效果示意圖Fig.3 Focus effect diagram under focus pattern B

1.2 試驗條件

對二次離子質(zhì)譜來說，一次離子束應(yīng)具有較小的束斑直徑，同時具有較大的電流，即具有較大的電流密度[16－18]。因此，本試驗對經(jīng)過該套光學(xué)系統(tǒng)的一次離子束的電流和束斑大小分別進(jìn)行測試，試驗平臺示于圖4。其中真空系統(tǒng)采用兩級差分真空抽氣系統(tǒng)，分子泵型號為FF 160/620C，北京中科科儀技術(shù)有限發(fā)展責(zé)任公司產(chǎn)品，抽速為600L/s；一次離子光學(xué)系統(tǒng)真空達(dá)到0.1Pa，離子轟擊室真空達(dá)到10－5Pa。試驗中，電子轟擊電離源（EI源）產(chǎn)生的離子（EI源燈絲為鎢絲，工作氣體采用氬氣，產(chǎn)生離子為氬離子）通過一次離子光學(xué)系統(tǒng)后，轟擊樣品。樣品置于可以三維調(diào)節(jié)的樣品臺上，采用表面鍍有一層金屬金（Au）的不銹鋼片作為測試樣品（金的厚度控制在幾十微米量級）。樣品外接一皮安計（Keithley，Model 6485），用于測量一次離子束轟擊樣品時的電流。改變光學(xué)系統(tǒng)中控制離子束能量的直流電壓輸出，觀察樣品處檢測到的離子束流大小，分別在聚焦模式A和B下，對一次離子束光學(xué)系統(tǒng)的性能進(jìn)行檢測。同時，采用高精密電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀測樣品表面的離子束斑的大小。

圖4 一次離子光學(xué)系統(tǒng)試驗平臺示意圖Fig.4 Schematic of experimental platform of primary ion optics system

2 結(jié)果與討論

2.1 一次離子束流

對不同模式下的離子束流大小進(jìn)行測試，聚焦模式A、B下的第2物鏡上的電壓與樣品上測得電流的關(guān)系示于圖5。將兩種模式進(jìn)行比較，可以看出，在A模式下，離子束流存在一個最大值；而在B模式下，離子束流不存在最大值。此外，在相同條件下，B模式下的離子束流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A模式下的離子束流，這主要是由于在A模式下，有很大一部分的離子受到光闌的阻擋，離子束流大大減小。

圖5 不同聚焦模式下，氬離子束流與物鏡2電壓的關(guān)系圖a.聚焦模式A；b.聚焦模式BFig.5 Relation diagrams between Ar＋ current and condenser 2voltage under different focus patternsa.focus pattern A；b.focus pattern B

2.2 一次離子束斑

對于兩種聚焦模式下得到的離子束斑大小，可以通過觀察和測量樣品表面在一次離子轟擊下所形成表面刻蝕坑的大小來判斷。如圖6所示，在聚焦模式B下，離子束的束斑達(dá)到毫米量級，可以對樣品表面實現(xiàn)較大面積的分析，但是它的橫向分辨率會受到影響；在聚焦模式A下，樣品表面形成的束斑較小，可達(dá)到微米量級，肉眼難以分辨其大小，具有非常高的橫向分辨率。通過電子顯微鏡對樣品表面形成的束斑進(jìn)行觀察，獲得了不同條件下的離子束流和離子束斑的數(shù)據(jù)，此處選擇若干數(shù)據(jù)列于表1?？梢钥闯?，該離子光學(xué)系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同能量的一次離子束流的加速與聚焦，且離子束斑直徑能限制在較小的范圍內(nèi)。同時，物鏡2上的電壓對一次離子束斑大小的束縛起決定性作用。此外，不同的離子束能量下，最佳聚焦效果對應(yīng)的物鏡2上的電壓不同，且處于一個較小的電壓范圍。

圖7為氬離子轟擊后樣品表面的掃描電鏡圖片，其中，圖7a是氬離子束在能量固定的條件下（4kV），采用聚焦模式A，不斷地改變物鏡2上的電壓，在3 470～3 330V范圍內(nèi)，得到一系列氬離子轟擊樣品表面形成的斑點(diǎn)。由于物鏡2上的電壓變化對離子束流的影響起決定性作用，并且最優(yōu)的聚焦條件是在一個較小的范圍內(nèi)，故以10V為電壓調(diào)整間隔，不同斑點(diǎn)所對應(yīng)的物鏡2電壓列于圖7a中各點(diǎn)附近。比較這些斑點(diǎn)的尺寸，其中物鏡2電壓為3 450V時得到的束斑最?。▓D7b），束斑直徑為18μm，同時測得電流可達(dá)1.28μA，電流密度達(dá)到503.2mA/cm2，完全達(dá)到了二次離子質(zhì)譜中對一次離子束電流密度的要求。

圖6 不同聚焦模式下，一次離子轟擊后的金屬表面a.聚焦模式A；b.聚焦模式BFig.6 Sample surfaces after primary ion bombardment under different focus patternsa.focus pattern A；b.focus pattern B

表1 不同條件下，一次離子轟擊樣品表面的束斑數(shù)據(jù)Table 1 Data of beam spots on the sample surface with primary ion bombardment under different conditions

圖7 聚焦模式A下，氬離子轟擊后的樣品表面SEM圖a.低放大倍數(shù)下，不同物鏡2電壓對應(yīng)的離子束斑；b.高放大倍數(shù)下，物鏡2電壓為3 450V時的束斑直徑Fig.7 SEM pictures of the sample surface after Ar＋ beam bombardment at focus pattern Aa.different spots under different voltages of condenser 2at low magnification；b.the spot when the voltage of condenser 2is 3 450Vat high magnification

3 結(jié)論

本課題組自行設(shè)計的用于二次離子質(zhì)譜的一次離子光學(xué)系統(tǒng)具備兩種不同的聚焦模式。本試驗分別對這兩種聚焦模式下得到的離子束的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行研究。在聚焦模式A下，可以得到束斑大小為20μm，電流密度可達(dá)503.2 mA/cm2的氬離子束流。對于該一次離子光學(xué)系統(tǒng)在二次離子質(zhì)譜整機(jī)中的性能表現(xiàn)，還有待進(jìn)一步的研究。

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