Brevet FR2463504A1 — publié le 19810220

La présente invention concerne une source d'ions pour analyseur-de masses, où un échantillon massif reçoit un faisceau lumineux laser et où les ions extraits de l'échantillon sont déviés de cet échantillon au moyen de champs. Il est déJà connu d'analyser des couches minces par transparence (DE-OS 2 141 387). On connatt également une sonde laser à rayonnement incident avec incidence oblique et distance focale relativement importante et donc faible résolution spatiale (J. Anal. Chem. URSS 29. 1516 (1974). le premier procédé ne permet d'étudier que des couches dans la plage d'épaisseur de quelques microns, ce qui nécessite une coûteuse préparation des échantillons. Avec la sonde laser à rayonnement incident, l'incidence oblique du faisceau laser donne une émission d'ions disymétrique, qui, à son tour, est désavantageuse pour les slie ctromètres de masses qui suivent. Les lentilles à grande distance focale utilisées par ailleurs donnent une mauvaise résolution spatiale. les deux procédés ont en commun le désavantage de nécessiter un filtre énergétique supplémentaire si l'on souhaite une résolution de masses élevée. Leinwention a donc pour but d'améliorer une source d'ions du type mentionné au début de façon qu'elle présente une résolution spatiale élevée du foyer laser, du fait que l'on peut employer des lentilles de distance focale relativement courte et juste audessus de la surface de l'échantillon et que se trouve réduite la dispersion des niveaux énergétiques pour les spectromètre de masses qui suivent. Les échantillons peuvent faire l'objet de mesures sans autre préparation ou après, par exemple, découpage de simples pastilles d'échantillons. L'invention est caractérisée à cet effet en ce que le faisceau laser tombe perpendiculairement sur la surface de l'é- chantillon en éclairage incident et avant l'entrée des ions dans l'analyseur de masse, les ions d'un niveau énergétique donné sont sélectionnés au moyen d'un filtre d'énergie du type miroir électrostatique et à géométrie cylindrique. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description d'exemples de réalisation qui sera donnée plus loin. Avec la source d'ions selon l'invention, on concentre un faisceau laser sur un é chantillon massif ou sur une pastille échantillon et on en extrait de la matière, on l'ionise, puis on l'analyse au spectromètre de masse et/ou au spectromètre de raies. Le faisceau peut être du type à impulsions ou du type continu, pour pouvoir être utilisé par exemple dans l'analyse de masse qui suit par mesure du temps de vol/temps de parcours entre source et détecteur, dans des filtres de masses ou des spectrographes de masses pour analyses stratigraphiques ou pour balayages scanner continus. Selon l'invention, le filtre d'énergie permet de remé dier pratiquement à la dispersion énergétique des ions, c'est-à dire que ne parviennent pratiquement à l'entrée de l'analyseur de masses que des ions de même énergie. Le volume à analyser est essentiellement déterminé par la distance focale de l'optique utilisée et par les paramètres du laser. Pour des distances focales suffisamment faibles, des microanalyses sont mêmes pos sibles dans la zone du micron. Etant donné que les spectromètres de masses permettent de détecter encore quelques ions, la source d'ions selon l'invention peut offrir un système d'analyse très sensible et à haute résolution spatiale. En résumé, la faible distance focale possible du système optique assure une résolution spatiale élevée en examen par faisceau incident et la source d'ions donne un accouplement simple du filtre énergétique, des systèmes optiques en rayons ioniques, etc.. On peut obtenir des trajets de vol des ions (trajets entre source et détecteur) constants pour toute la surface latérale conique d'émission (et non pas seulement un trajet unique comme en éclairage disymétrique), de sorte qu'il n'apparaît que de faibles dispersions de temps de vol pour des séparateurs de masses par mesure de ce temps de vol. L'extraction de matière sur l'échantillon s'effectue en symétrie de rotation, ce qui est avantageux pour les analyses en couche profonde.Du point de vide constructif, on peut regrouper la source d'ions éyentuellement avec le spectromètre laser et/ou le spectromètre de masse pour constituer une dispositior linéaire simple, en particulierlors de l'utilisation de pastilles échantillons. On a la possibilité d'effectuer en même temps une analyse spectrale en optique lu mineuse. i'izwention sera mieux comprise à l'aide de la descrip tion ci-après et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels sont représentées de façon schématique diverses dispositions des sources d'ions, à savoir - La figure 1 est une vue en coupe de l'ensemble du dispositif lié à la source d'ions à utiliser - la figure 2 est une vue en coupe partielle à plus grande échelle montrant la déviation des ions par le réflecteur dolions ; - la figure 3 montre une variante de détail de la figure 2 - la figure 4 est une vue en coupe analogue à celle de la figure 1 d'une autre forme de réalisation - la figure 5 est une vue en coupe partielle à plus grande échelle montrant une disposition prévue pour la trajectoire du faisceau laser - la figure 6 montre une variante de la figure 5. la figure 1 représente un carter 22 de forme cylindrique dans lequel sont disposés l'un derrière l'autre, en symétrie de rotation par rapport à l'axe de symétrie 10, le sélecteur énergétique ou le filtre énergétique 5, 6, 7 et l'analyseur de masses 4. le filtre énergétique est constitué de surfaces cylindriques 5 et 6 concentriquement disposées l'une par rapport à l'autre, ainsi que de deux diaphragmes 7 côté sortie, formant avec le cylindre intérieur 6 deux fentes annulaires à travers lesquelles les ions 3 provenant de la surface 2 de l'échan- tillon sont concentrés par des champs électrostatiques entre les cylindres 5, 6 ou 7 sur l'axe de symétrie 10 avec sélection énergétique.L'échantillon 9 est fixé, en rotation de symétrie par rapport à l'axe de symétrie 10, sur la face frontale d'un carter support 11 de forme cylindrique à l'intérieur du filtre énergétique 5, 6. Ce carter cylindrique Il peut autre partie constituante du filtre énergétique. le faisceau laser 1 tombe perpendiculairement sur la surface 2 de l'échantillon en traversant une lentille de focalisation 14 ou 25 (voir figure 3), l'échantillon étant lui-m8me disposé perpendiculairementà l'axe de symétrie 10 et le faisceau laser 1 étant guidé suivant l'axe de symétrie 10. la lentille de focalisation 14 peut être maintenue dans une ouverture 12 (voir la vue partielle selon figure 2) d'un réflecteur d'ions 8, ce réflecteur d'ions 8 -comme représenté sur la figure 1- pouvant représenter la face frontale du carter 22 La figure 2 représente plus en détail la déviation des ions dans le filtre énergétique et particulièrement par le réflecteur d'ions 8. les ions extraits de la surface 2 de l'échan- tillon se déplaçent tout d'abord suivant la direction du faisceau d'éclairement 1, ils sont déviés de 1800 par le réflecteur d'ions 8, puis filtrés pour sélection énergétique par le filtre énergétique 5 à 7 de la figure 1. le faisceau laser 1 est concentré sur la surface 2 de l'échantillon par une lentille de faible distance focale 14.La lentille 14 elle-même peut être maintenue sur une plaque 13 rendue conductrice par métallisation sous vide et qui entoure l'ouverture 12 du réflecteur d'ions 8. Le faisceau laser 1 peut être dirigé sur l'axe de symétrie 10 au moyen d'un miroir plan de déviation 27, ce miroir plan ou un miroir plan partiellement transparent 27 permettant l'observation simultanée 28 selon l'axe de symétrie 10, en optique lumineuse. De plus, on peut disposer autour du support 11 de l'échantillon 9 un-écran 23 qui fait alors partie intégrante du filtre énergétique. il est d'autre part possible de refroidir l'échantillon 9, ou d'en faire la mise au point, à l'aide de moyens connus. On peut également faire la mise au point de la lentille 14. Sur la figure 3, à la place de -la lentille 14 de la figure 2 et de la plaque métallisée d'un côté 13, c'est une lentille concave 25 qui est représentée et vient fermer l'ouver- ture de passage 12 du réflecteur d'ions 8. Cette lentille est également métallisée sous vide d'un caté par une couche conductrice 26. La figure 4 représente à nouveau un carter 22 dans lequel est disposé un filtre énergétique 5 à 7 qui correspond à celui des figures 1 à 3. Au contraire, cependant, de la disposition de la figure 1, l'échantillon est ici disposé à l'extérieur du filtre énergétique 5 à 7 et, en plus, également à l'extérieur du carter 22, devant l'ouverture de passage 12 du récepteur d'ions 8. L'échantillon 9 est lui-même dirigé perpendiculairement à l'axe de symétrie 10 et peut faire l'objet d'une mise au poiht.A nouveau la surface 2 de l'échantillon reçoit un faisceau laser 1 qui pourtant, dans le cas présent, parvient latéralement et en particulier perpendiculairement à l'axe de symétrie 10, et est dirigé suivant l'axe de symétrie 10 par réflexion ou par d'autres moyens optiques. il tombe perpendiculairement sur la surface 2 de l'échantillon, d'où des ions 3 s'échappent et sont guidés par le filtre énergétique 5 à 7. Ils peuvent être soumis à une focalisation intermédiaire 24 avant de pénétrer alors dans l'analyseur de masse 4. le sélecteur énergétique 5 à 7, la focalisation intermédiaire 24 et l'analyseur de masse 4 peuvent à nouveau etre disposés l'un derrière 1' autre de façon compacte le long de l'axe de symétrie 10. Le dessin de détail de la figure 5 (ou la figure 6) représente plus en détail la façon dont le faisceau laser 1 est diaphragmé suivant l'axe de symétrie 10. Ce faisceau laser 1 pénètre par une ouverture 20 dans un support de forme cylindrique 15 d'un miroir plan de déviation 16 et d'une lentille de focalisation 14 disposée côté frontal. Cette lentille de focalisation 14 est dirigée vers la surface 2 de l'échantillon et a éventuellement reçu une couche métallique 26 par métallisation sous vide. Entre la lentille de focalisation 14 et la surface 2 de l'échantillon est disposée une couche conductrice 17 transparente pour le faisceau laser 1 les ions 3 sont extraits de la surface 2 de l'échan- tillon sans inversion de leur sens de vol par le sélecteur énergétique ou le filtre énergétique 5 à 7. le support 15 du miroir 16 et de la lentille de focalisation 14 peut à nouveau faire partie intégrante du filtre énergétique 5 à 7 ; c'est-àdire que le support 15 est disposé à l'intérieur du filtre énergétique 5 à 7 sur l'axe de symétrie de rotation 10. Sur le faisceau laser incident 1 peut autre disposé un miroir de plan de déviation 27 correspondant ai miroir plan de la figure 2 et qui permet l'observation directe 28. La figure 6 montre un autre détail du support 15 pour utilisation dans le carter 22 ou le filtre énergétique 5 à 7 selon figure 4. Le faisceau laser 1 pénètre par l'ouverture 30 du support 15 où un miroir parabolique 18, 19 le dirige suivant l'axe de symétrie de rotation 10 et en mQme temps le concentre sur la surface 2 de l'échantillon 9. A nouveau il est possible de concevoir le support 15 de façon à permettre une mise au point par rapport au filtre énergétique 5 à 7. De même, on peut ici effectuer une observation en optique lumineuse selon la figure 5. REVENDICATIONS 10) Source d'ions pour un analyseur de masses, ou un échantillon massif reçoit un faisceau lumineux laser et où les ions extraits de l'échantillon sont déviés de cet échantillon au moyen de champs, caractérisée en ce que le faisceau laser (1) tombe perpendiculairement sur la surface (2) de l'échantillon en éclairage incident, et avant l'entrée des ions (3) dans l'analyseur de masses (4), les ions (3) d'un niveau énergétique donné sont sélectionnés au moyen d'un filtre d'énergie (5, 6, 7, 11, 15) du type miroir électrostatique et à géométrie cylindrique. 20) Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échantillon (9) est disposé sur un support (11) dans le filtre énergétique, perpendiculairement à l'axe de symétrie (10) de ce filtre énergétique (5, 6, 7, 11, 15) de telle manière qu'il se produit une déviation des ions (3) extraits au moyen d'un réflecteur d'ions (8) en direction du sélecteur énergétique (5, 6, 7, 11, 15) le faisceau laser (1) étant dirigé sur la surface (2) de l'échantillon. 30) Source d'ions selon la revendication 2, caractériséeen ce que le réflecteur d'ions (8) isole d'un côté le filtre énergétique (5, 6, 7, 11, 15) à l'exception d'une ouverture de passage (12) pour le faisceau laser (1). 40) Source d'ions selon lune ou l'autre des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le réflecteur d'ions (8) est une plaque pourvue d'une lentille de focalisation (13, 14) rendue conductrice par métallisation sous vide et placée dans l'ouverture de passage (12), ou n'est qu'une lentille de focalisation (14) rendue conductrice par métallisation sous vide, pour le faisceau laser (1). 50) Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échantillon (9) est disposé à l'extérieur du filtre énergétique (5+ 6, 7, 11, 15) et perpendiculairement à l'axe de symétrie (10) de ce filtre énergétique, la surface (2) de l'échantillon étant dirigée vers le filtre énergétique (5, 6, 7, 11, 15) et le faisceau laser (1) pénètre latéralement dans le filtre énergétique et est réfléchi selon l'axe de symétrie (10). 60) Source d'ions selon la revendication 5, caractérisée en ce que concentriquement à l'axe de symétrie (10) est disposé un support cylindrique (15) pour un miroir (16) déviant les rayons et une lentille de focalisation (14) ou pour un miroir concave (18, 19) capable à la fois de dévier et de focaliser les rayons et présentant une ouverture latérale d'entrée (20) pour le rayon laser (1). 70) Source d'ions selon la revendication 6, caractérisée en ce que la lentille de focalisation (14) est recouverte d'une couche conductrice (26) par métallisation sous vide ou devant la lentille de focalisation (14) est disposé un verre protecteur (17) également métallisé sous vide. 80) Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le support (11, 15) de l'échantillon (9) ou du système optique (14, 16, 18, 19) ou de parties de ce système optique centrées sur l'axe de symétrie (10) dans le filtre énergétique (5, 6, 7 , 11, 15) est une partie constitutive du système optique pour rayons ioniques. 90) Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle permet de réaliser en même temps une observation de la surface (2) de l'échantillon en lumière visible et une étude du plasma (3) en spectrographie lumineuse.