СИСТЕМА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ДЛЯ ВТОРИЧНЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, ПРЕДНАЗНАЧЕННАЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ ИЛИ ДРУГОМ УСТРОЙСТВЕ ДЛЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
EXTRACTION SYSTEM FOR SECONDARY CHARGED PARTICLES, INTENDED FOR USE IN A MASS SPECTROMETER OR OTHER DEVICE FOR CHARGED PARTICLES

Область техники, к которой относится изобретение
[0001]  Настоящее изобретение относится к устройству для отклонения заряженных частиц. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системе извлечения для заряженных частиц, испускаемых с поверхности. А именно, настоящее изобретение относится к системе извлечения для вторичных заряженных частиц, испускаемых с поверхности при бомбардировке пучком первичных заряженных частиц. Еще более конкретно, настоящее изобретение относится к системе извлечения ионов для вторичных ионов, испускаемых с поверхности при бомбардировке пучком первичных ионов в масс-спектрометре. Настоящее изобретение также предоставляет устройство масс-спектрометра.
Уровень техники
[0002]  Масс-спектрометрия вторичных ионов, также известная под аббревиатурой МСВИ, является широко распространенной методикой для анализа поверхностей и небольших объемов. Это чрезвычайно мощная методика, способная демонстрировать очень высокую чувствительность, высокую разрешающую способность по массам и высокую разрешающую способность по глубине. Она может использоваться для определения элементного, молекулярного и изотопного состава образца. МСВИ использует сфокусированный пучок ионов (первичных ионов) для распыления на материал и получения локализованной характеристики испускания ионов собственно материала (вторичных ионов). Обычные пучки ионов, используемые в МСВИ, представляют собой пучки химически активных первичных ионов (Cs+, O2+, O-), улучшающие испускание отрицательных и положительных вторичных ионов, соответственно, и пучки кластерных ионов (Arn+, C60+, Bin+, Aun+). Хотя в применениях, связанных с получением изображения, в основном используются меньшие кластеры Bi и Au, было обнаружено, что кластеры C60 и большие кластеры Ar представляют наибольший интерес для органического профилирования по глубине. Вторичные ионы, испущенные из образца, анализируются масс-спектрометрией.
[0003]  Устройство для масс-спектрометрии вторичных ионов обычно включает в себя по меньшей мере одно устройство для создания и фокусировки первичных ионов и устройство для сбора и измерения вторичных ионов. Устройство для измерения вторичных ионов обычно включает в себя систему извлечения для вторичных ионов, промежуточную оптику, масс-спектрометр и систему обнаружения. Существует много различных компоновок вышеуказанных элементов и много разных типов спектрометра (например, магнитный секторный, времяпролетный, квадрупольный, ионная ловушка…) могут применяться для осуществления МСВИ. Они хорошо известны на современном уровне техники.
[0004]  Поскольку чувствительность анализа МСВИ частично определяется сбором и передачей вторичных ионов через все устройство, эффективное извлечение вторичных ионов является чрезвычайно важным для всех типов спектрометров.
[0005]  Извлекающие поля, необходимые для сбора вторичных ионов, могут оказывать разные отрицательные воздействия на пучок первичных ионов. Пучок может отклоняться, при этом изменяя как положение, так и угол столкновения. Также могут появляться искажения, увеличивающие размер пятна первичного пучка, что уменьшает достижимую разрешающую способность в боковом направлении. Этот последний фактор особенно важен для визуализационной МСВИ. Один способ сведения к минимуму искажений, вводимых извлекающим полем, заключается в обеспечении того, чтобы пучки первичных и вторичных ионов были соосными в окрестности образца. Одним примером МСВИ инструмента, использующего такую конфигурацию, является Cameca NanoSIMS 50. Тем не менее, точная компоновка, используемая NanoSIMS, накладывает ограничение, согласно которому первичные и вторичные ионы должны иметь противоположную полярность. Таким образом, отрицательные первичные ионы должны использоваться для анализа положительных вторичных ионов и наоборот.
[0006]  Опубликованный патентный документ WO2014/108376 A1, относящийся к известному уровню техники, описывает устройство масс-спектрометра, предназначенное для разделения ионов согласно их отношению массы к заряду. Устройство масс-спектрометра последовательно включает в себя источник ионов, электростатический сектор, магнитный шунт, магнитный сектор и средство обнаружения. Магнитный сектор обеспечивает разделение ионов, происходящих из источника ионов, согласно их отношениям массы к заряду. Электростатический сектор содержит сферические электроды, между которыми образован отклоняющий зазор. Электростатический сектор используется в замедляющем режиме для уменьшения энергии пучка ионов, входящего в электростатический сектор. Сочетание магнитного сектора и электростатического сектора используется для предоставления ахроматической фокусировки вторичных ионов.
[0007]  Документ, относящийся к известному уровню техники и выданный на имя KIENLEM и др.: «Внеосевой многоканальный анализ для вторичных электронов», NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH (ЯДЕРНЫЕ ПРИБОРЫ И СПОСОБЫ В ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ). РАЗДЕЛ A : ACCELERATORS, SPECTROMETERS, DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENTS (УСКОРИТЕЛИ, СПЕКТРОМЕТРЫ, ДЕТЕКТОРЫ И СВЯЗАННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ), ELSEVIER BV* NORTH-HOLLAND, NL, т. 519, № 1-2, 21 февраля 2004 г. (2004-02-21), стр. 325-330, XP004490967, ISSN: 0168-9002, DOI: 10.1016/J.NIMA.2003.11.170; описывает систему отклонения пучка заряженных частиц. Эта система включает в себя пару сферических секторов, между которыми образован сферический отклоняющий зазор. Кроме этого, система содержит пять трубчатых электродов между сферическими секторами и сцинтиллятором. Эти трубчатый электрод выполняют функцию двух последовательных эквипотенциальных линзы.
Техническая задача
[0008]  Цель настоящего изобретения заключается в устранении по меньшей мере одного из недостатков, упомянутых в разделе описания известного уровня техники. Цель настоящего изобретения также заключается в улучшении качества выходящего пучка системы отклонения пучка ионов. Техническая задача настоящего изобретения также заключается в уменьшении фокусирующего эффекта сферического электростатического сектора. Целью настоящего изобретения также является предоставление по существу параллельного пучка на его выходе. Цель настоящего изобретения также заключается в эффективном извлечении вторичных заряженных частиц, с одновременным сведением к минимуму отрицательных воздействий извлекающего поля на первичный пучок, для того чтобы позволять выполнять анализы с высокой разрешающей способностью в боковом направлении. Цель настоящего изобретения также заключается в улучшении качества пучка вторичных заряженных частиц, выходящего из системы извлечения, для обеспечения более эффективной транспортировки вторичных частиц в последующую оптику. Цель настоящего изобретения также заключается в достаточной компактности для использования в качестве дополнения к существующим инструментам.
Техническое решение
[0009]  Настоящее изобретение относится к системе отклонения пучка заряженных частиц, а именно к системе извлечения для вторичных заряженных частиц в устройстве для заряженных частиц, при этом система отклонения пучка заряженных частиц содержит: внутренний сферический сектор; внешний сферический сектор; вход для пучка заряженных частиц; выход с выходной осью, через который отклоненный пучок заряженных частиц покидает систему; отклоняющий зазор, который образован между сферическими секторами и который сообщается со входом и с выходом; электрод выходной стенки с выходным отверстием, обращенным к отклоняющему зазору, причем указанный электрод выходной стенки имеет потенциал выходной стенки; причем сферические секторы смещаются при отклоняющих потенциалах для отклонения пучка заряженных частиц, входящего в отклоняющий зазор, на заданный угол; при этом система дополнительно содержит промежуточный электрод с пластинчатой формой и с выходным сквозным отверстием, расположенным по центру относительно выходной оси, указанный промежуточный электрод находится ниже по потоку относительно сферических секторов, и указанный промежуточный электрод смещается при промежуточном потенциале между потенциалом выходной стенки и средним потенциалом сферических секторов.
[0010]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления сферические секторы смещаются при замедляющем напряжении для уменьшения энергии пучка заряженных частиц в отклоняющем зазоре.
[0011]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод представляет собой первую пластину, причем система дополнительно содержит вторую пластину со сквозным отверстием, расположенным по центру относительно выходной оси, причем указанная вторая пластина обращена к первой пластине.
[0012]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления система содержит корпус, в котором расположены секторы, причем указанный корпус образует электрод выходной стенки.
[0013]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления корпус смещается при потенциале выходной стенки.
[0014]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод представляет собой дисковый электрод, причем соответствующее сквозное отверстие расположено в его центре.
[0015]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод представляет собой четырехсторонний, предпочтительно прямоугольный электрод.
[0016]  Согласно предпочтительному варианту осуществления корпус окружает секторы и имеет потенциал Земли, и/или корпус содержит пространство с электростатическим полем, отделяющее секторы от корпуса.
[0017]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления корпус содержит нижнюю стенку, обращенную к подлежащему анализу образцу, причем указанная нижняя стенка содержит нижнее отверстие, и/или корпус содержит верхнюю стенку с по меньшей мере одним верхним отверстием, причем указанные отверстия являются соосными.
[0018]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления внешний сектор содержит по меньшей мере один канал, расположенный соосно с нижним отверстием и с верхним отверстием.
[0019]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления внешний сектор содержит несколько каналов для нескольких первичных пучков, и/или верхняя стенка содержит несколько верхних отверстий для нескольких первичных пучков.
[0020]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления высота каждого сквозного отверстия по существу равна радиальной высоте RH отклоняющего зазора.
[0021]  Согласно предпочтительному варианту осуществления каждое сквозное отверстие является круглым и имеет диаметр, по существу равный радиальной высоте RH отклоняющего зазора.
[0022]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления толщина промежуточного электрода не превышает высоту соответствующего сквозного отверстия.
[0023]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления отклоняющий зазор по существу проходит по четверти круга и/или образует изгиб с углом от 60° до 120°, необязательно он образует 90° изгиб.
[0024]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления система содержит боковые пластины, каждая из которых расположена сбоку относительно секторов, причем указанные боковые пластины смещаются для создания электростатического поля, перпендикулярного выходной оси.
[0025]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления внутренний сектор и/или внешний сектор образуют систему со средним радиусом, равным максимум 10 мм, предпочтительно максимум 8 мм.
[0026]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления система содержит фиксирующий фланец и/или средства фиксации, предпочтительно средства обратимой фиксации.
[0027]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления отклоненный пучок заряженных частиц выходит из корпуса вдоль выходной оси.
[0028]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления корпус поддерживается при потенциале Земли.
[0029]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления корпус содержит пару соосных отверстий в верхней и нижней стенках для обеспечения прохождения первичного пучка.
[0030]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления нижняя поверхность корпуса расположена по существу параллельно пластине, вмещающей образец.
[0031]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления внутренний сектор содержит внешнюю поверхность, образующую часть внутренней сферы; и/или внешний сектор содержит внутреннюю поверхность, образующую часть внешней сферы, которая является концентрической относительно внутренней сферы. Пространство между указанными секторами образуют отклоняющий зазор.
[0032]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления межрадиальный интервал между внутренним и внешним секторами предпочтительно составляет от 1 до 4 мм, и более предпочтительно – 2 мм.
[0033]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления внешний сектор содержит канал для обеспечения прохождения первичного пучка, причем указанный канал расположен соосно с отверстием, образованным в корпусе.
[0034]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления электроды боковых пластин установлены по существу параллельно сторонам внутреннего и внешнего секторов.
[0035]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления боковые пластины имеют форму, обеспечивающую удобное прохождение электрических и/или механических соединений к сферическим секторам, одновременно обеспечивая, чтобы отклоняющий зазор между сферическими секторами был по существу покрыт.
[0036]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод содержит выходное сквозное отверстие, расположенное спереди от отклоняющего зазора.
[0037]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления выходное сквозное отверстие имеет цилиндрическую форму.
[0038]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления выходное сквозное отверстие расположено так, чтобы быть соосным с осью, образованной срединными осями сферических секторов.
[0039]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод расположен так, что его расположенная выше по потоку поверхность по существу параллельна плоскости, образованной выходными поверхностями внутреннего и внешнего секторов.
[0040]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления расстояние между промежуточным электродом и плоскостью, образованной выходными поверхностями секторов, не превышает радиальную высоту RH отклоняющего зазора или внутреннего радиального интервала между секторами.
[0041]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления диаметр выходного отверстия в промежуточном электроде по существу равен межрадиальному расстоянию между внутренним и внешним секторами.
[0042]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод является по существу плоским.
[0043]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод является кольцевым, и его внешний радиус на 1–2 мм больше радиуса выходного отверстия.
[0044]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство содержит средства для смещения электродов внутреннего и внешнего сферических секторов, электродов пластин и промежуточного электрода независимо друг от друга.
[0045]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство содержит средства для смещения образца для создания электрического поля между образцом и нижней поверхностью корпуса для извлечения вторичных заряженных частиц.
[0046]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод является кольцевым, и его внешний радиус по меньшей мере на 1 мм больше радиуса сквозного отверстия, предпочтительно по меньшей мере на 2 мм больше, более предпочтительно – по меньшей мере на 3 мм больше.
[0047]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления внутренний диаметр по меньшей мере одного или каждого сквозного отверстия меньше толщины соответствующей пластины.
[0048]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления по меньшей мере одно или каждое выходное сквозное отверстие находится спереди от отклоняющего зазора и/или является цилиндрическим.
[0049]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод обращен к каждому сектору, а именно для того, чтобы ослаблять электрическое поле между указанным электродом и сферическими секторами.
[0050]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления система содержит средства для смещения сферических секторов; и/или промежуточного электрода; предпочтительно независимо друг от друга.
[0051]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод вписан в выходное отверстие.
[0052]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод и промежуточный потенциал приспособлены для отклонения пучка заряженных частиц внутри отклоняющего зазора таким образом, чтобы делать указанный пучок заряженных частиц параллельным выходной оси, и/или таким образом, чтобы выравнивать указанный пучок заряженных частиц с выходной осью, и/или таким образом, чтобы выпрямлять указанный пучок заряженных частиц вдоль выходной оси.
[0053]  Настоящее изобретение также относится к системе отклонения пучка заряженных частиц, а именно к системе извлечения для вторичных заряженных частиц в устройстве для заряженных частиц, причем система отклонения пучка заряженных частиц содержит: внутренний сферический сектор; внешний сферический сектор; корпус, в котором расположены секторы, причем указанный корпус имеет потенциал корпуса; вход для пучка заряженных частиц; выход с выходной осью, через который отклоненный пучок заряженных частиц покидает корпус; отклоняющий зазор, который образован между сферическими секторами и который сообщается со входом и с выходом; причем сферические секторы смещаются при отклоняющих потенциалах для отклонения пучка заряженных частиц, входящего в отклоняющий зазор, на заданный угол; при этом система дополнительно содержит две боковые пластины, каждая из которых расположена сбоку относительно секторов; и промежуточный электрод с пластинчатой формой и с выходным сквозным отверстием, расположенным по центру относительно выходной оси, причем указанный промежуточный электрод находится ниже по потоку относительно сферических секторов, и сферические секторы смещаются при промежуточном потенциале между потенциалом промежуточного электрода и потенциалом боковой пластины, и/или промежуточный электрод смещается при промежуточном потенциале между потенциалом корпуса и потенциалом боковых пластин.
[0054]  Настоящее изобретение также относится к системе отклонения пучка заряженных частиц, а именно к системе извлечения для вторичных заряженных частиц в устройстве для заряженных частиц, при этом система отклонения пучка заряженных частиц содержит: внутренний сферический сектор; внешний сферический сектор; вход для пучка заряженных частиц; выход с выходной осью, через который отклоненный пучок заряженных частиц покидает корпус; отклоняющий зазор, который образован между сферическими секторами и который сообщается со входом и с выходом; электрод выходной стенки с выходным отверстием, обращенным к отклоняющему зазору, причем указанный электрод выходной стенки имеет потенциал выходной стенки; причем сферические секторы смещаются при замедляющих потенциалах для уменьшения энергии пучка заряженных частиц, входящего в отклоняющий зазор; при этом система дополнительно содержит промежуточный электрод с пластинчатой формой и с выходным сквозным отверстием, расположенным между выходным отверстием и отклоняющим зазором; указанный промежуточный электрод смещается при промежуточном потенциале между потенциалом выходной стенки и потенциалом одного из сферических секторов.
[0055]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод смещается при промежуточном потенциале между потенциалом выходной стенки и средним потенциалом сферических секторов.
[0056]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления промежуточный электрод смещается при промежуточном потенциале между потенциалом выходной стенки и потенциалом одного из сферических секторов, чей потенциал ближе к потенциалу выходной стенки.
[0057]  Настоящее изобретение также относится к системе отклонения пучка заряженных частиц, а именно к системе извлечения для вторичных заряженных частиц в устройстве для заряженных частиц, причем система отклонения пучка заряженных частиц содержит: внутренний сферический сектор; внешний сферический сектор; вход для пучка заряженных частиц; выход с выходной осью, через который отклоненный пучок заряженных частиц покидает корпус; отклоняющий зазор, который образован между сферическими секторами и который сообщается со входом и с выходом; электрод выходной стенки с выходным отверстием, обращенным к отклоняющему зазору, причем указанный электрод выходной стенки имеет потенциал выходной стенки; причем сферические секторы смещаются при отклоняющих потенциалах для отклонения пучка заряженных частиц, входящего в отклоняющий зазор, на заданный угол; при этом система дополнительно содержит промежуточный электрод с пластинчатой формой и с выходным сквозным отверстием, причем указанный промежуточный электрод расположен между отклоняющим зазором и электродом выходной стенки; и две боковые пластины, которые обе обращены к сферическим секторам, причем указанные боковые пластины смещаются для создания электростатического поля, перпендикулярного выходной оси.
[0058]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, в котором боковые пластины смещаются при потенциале, который по меньшей мере равен среднему потенциалу сферических секторов, предпочтительно по меньшей мере в два раза больше среднего потенциала сферических секторов, более предпочтительно по меньшей мере в три раза больше среднего потенциала сферических секторов, еще более предпочтительно – по меньшей мере в четыре раза больше среднего потенциала сферических секторов.
[0059]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления каждый сферический сектор имеет боковые поверхности, обращенные к боковым пластинам, причем каждая боковая поверхность большей частью или полностью покрыта одной из боковых пластин.
[0060]  Настоящее изобретение также относится к системе отклонения пучка заряженных частиц, а именно к системе извлечения для вторичных заряженных частиц в устройстве для заряженных частиц, причем система отклонения пучка заряженных частиц содержит: внутренний сферический сектор; внешний сферический сектор; вход для пучка заряженных частиц; выход с выходной осью, через который отклоненный пучок заряженных частиц покидает корпус; отклоняющий зазор, который образован между сферическими секторами и который сообщается со входом и с выходом; электрод выходной стенки с выходным отверстием, обращенным к отклоняющему зазору, причем указанный электрод выходной стенки имеет потенциал выходной стенки; причем сферические секторы смещаются при отклоняющих потенциалах для отклонения пучка заряженных частиц, входящего в отклоняющий зазор, на заданный угол; при этом система дополнительно содержит промежуточный электрод с выходным сквозным отверстием в проекции выходного отверстия к отклоняющему зазору; и две боковые пластины, расположенные сбоку относительно сферических секторов, причем сферические секторы смещаются при промежуточном потенциале между потенциалом промежуточного электрода и потенциалом боковой пластины, и/или промежуточный электрод смещается при промежуточном потенциале между потенциалом электрода выходной стенки и потенциалом боковых пластин.
[0061]  Настоящее изобретение также относится к устройству для пучка заряженных частиц, содержащему систему отклонения заряженных частиц, в частности систему отклонения вторичных частиц, которое характеризуется тем, что система отклонения заряженных частиц выполнена согласно настоящему изобретению, при этом предпочтительно корпус образует извлекающий электрод.
[0062]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство представляет собой масс-спектрометр для анализа вторичных ионов.
[0063]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство содержит в направлении выходной оси и начиная от системы отклонения заряженных частиц: ускоряющую ступень, первую линзу, систему отклоняющих устройств и вторую линзу, или любое их сочетание.
[0064]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство дополнительно содержит магнитный сектор и систему обнаружения.
[0065]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство содержит источник первичных частиц для получения вторичной заряженной частицы из образца, причем указанные первичные частицы представляют собой ионы и вторичные заряженные частицы представляют собой ионы.
[0066]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство содержит источник первичных частиц для получения вторичной заряженной частицы из образца, причем указанные первичные частицы представляют собой ионы и вторичные заряженные частицы представляют собой электроны.
[0067]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство содержит источник первичных частиц для получения вторичной заряженной частицы из образца, причем указанные первичные частицы представляют собой электроны и вторичные заряженные частицы представляют собой электроны.
[0068]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство содержит источник первичных частиц для получения вторичной заряженной частицы из образца, причем указанные первичные частицы представляют собой электроны и вторичные заряженные частицы представляют собой ионы.
[0069]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство содержит источник первичного пучка для получения вторичных заряженных частиц, причем указанный первичный пучок представляет собой пучок фотонов или пучок рентгеновских лучей, или пучок быстрых нейтронов.
[0070]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство дополнительно содержит область для образца под корпусом; причем источник первичных заряженных частиц расположен над корпусом, и устройство расположено так, что первичные заряженные частицы достигают области для образца через корпус.
[0071]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство содержит вспомогательный узел с приспособлениями для задания положения системы извлечения в продольном и/или поперечном направлении, для того чтобы выравнивать оптическую ось с осью первичного пучка.
[0072]  Согласно одному предпочтительному варианту осуществления устройство содержит средства для смещения образца с целью создания системы обнаружения.
[0073]  Настоящее изобретение также относится к системе закачки газа, содержащей систему отклонения заряженных частиц, причем система отклонения заряженных частиц выполнена согласно настоящему изобретению.
[0074]  Каждая цель настоящего изобретения может сочетаться с другими целями настоящего изобретения, и каждый предпочтительный вариант осуществления одной цели изобретения может сочетаться с другими целями изобретения.
Преимущества изобретения
[0075]  Настоящее изобретение особенно интересно тем, что ось первичного пучка по существу является соосной со вторичным пучком и по существу перпендикулярна образцу в окрестности образца. Это уменьшает отклонение первичного пучка и искажения, вносимые в первичный пучок извлекающим полем. Вторичные частицы отделяются от первичных частиц путем использования существенной разницы энергии между двумя пучками. Пара концентрических сферических секторов отклоняет вторичные частицы на некоторый угол так, что их можно удобным образом ввести в другие оптические системы для заряженных частиц. Такие системы включают устройства масс-спектрометра. Путем замедления вторичных частиц в окрестности сферических секторов до существенно меньшего напряжения, чем извлекающее напряжение, требуемое отклоняющее напряжение на сферических секторах уменьшается, дополнительно уменьшая искажения, вводимые в первичный пучок, при этом по существу не ухудшая передачу вторичного пучка. Сочетание электродов боковых пластин и промежуточного электрода работает в сочетании с электродами сферических секторов для максимального увеличения передачи вторичных частиц через систему извлечения и для создания пучка более высокого оптического качества для введения в последующие устройства для заряженных частиц.
[0076]  Система извлечения согласно настоящему изобретению в равной мере может использоваться в системах, где первичный пучок содержит электроны или ионы и вторичный пучок также содержит ионы или электроны. Тогда изобретение предоставляет четыре возможных сценария использования.
[0077]  Пучок вторичных ионов становится по существу параллельным выходной оси системы отклонения пучка ионов. Этот эффект сохраняется даже в том случае, когда боковые пластины смещены до заданного электрического потенциала. Используя признаки настоящего изобретения, промежуточные электроды способны уменьшить или нейтрализовать эффект фокусировки, который происходит из-за сферических секторов. Эффект фокусировки можно корректировать даже когда фокус y и фокус z удалены друг от друга вдоль оси x или выходной оси.
[0078]  Промежуточный электрод смещается при уменьшенном напряжении относительно сферических секторов. Настоящее изобретение позволяет подавать уменьшенное напряжение образца, например 250 В или 500 В. Путем подачи напряжения сектора, соответствующего 80% напряжения образца, можно получить размер пятна, равный 20 нм. На практике были получены пятна размером 10 нм. Отклонение первичного пучка можно удерживать ниже 10 мкм. В таких условиях напряжение образца не рассредоточивает первичные ионы. Исследования напряжений от 0 В до 1000 В продемонстрировали интересные результаты. Также рассматриваются напряжения до 4000 В.
[0079]  В таблице 1 представлено изменение передающей способности, отклонения первичного пучка и размера пятна с напряжением образца и сферических секторов.
Напряжение образца (В)
Напряжение секторов(% напряжения образца)
Передающая способность(%)
Отклонение пучка (μm)
Размер пятна(нм)
250
80
9,5
4,5
10
500
0
40
38
450
20
34
30
330
40
32
23
207
60
30
16
104
80
21
9
20
Таблица 1.
[0080]  Настоящее изобретение также приспособлено для компактной конструкции МСВИ спектрометра. Оно может быть реализовано в известном устройстве, таком как гелиевый ионный микроскоп или микроскоп со сдвоенными пучками / скрещенными пучками. Масс-спектрометр согласно настоящему изобретению может быть реализован в существующем микроскопе в качестве дополнительного компонента. Это преимущество предоставляет существенное снижение расходов.
Краткое описание графических материалов
[0081]  На фиг. 1 показано схематическое изображение масс-спектрометра согласно настоящему изобретению.
[0082]  На фиг. 2 показан вид в сечении системы отклонения пучка заряженных частиц согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0083]  На фиг. 3 показан вид в перспективе системы отклонения пучка заряженных частиц согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0084]  На фиг. 4 показан вид в сечении системы отклонения пучка заряженных частиц согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
[0085]  На фиг. 5 показан вид в перспективе системы отклонения пучка заряженных частиц согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
[0086]  На фиг. 6 показан вид в сечении системы отклонения пучка заряженных частиц согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
[0087]  На фиг. 7 показан график, изображающие смоделированные данные, полученные с использованием предпочтительного варианта осуществления устройства согласно настоящему изобретению.
Описание варианта осуществления
[0088]  В этом разделе настоящее изобретение подробно описано на основании предпочтительных вариантов осуществления и фигур. Подобные номера ссылок будут использованы для обозначения подобных понятий в разных вариантах осуществления настоящего изобретения. Например, ссылочные номера 18, 118 и 218 будут использованы для обозначения устройства для отклонения пучка ионов согласно настоящему изобретению в трех разных вариантах осуществления. Признаки, подробно описанные применительно к заданному варианту осуществления, могут легко комбинироваться с признаками других вариантов осуществления, если иное не указано явным образом.
[0089]  На фиг. 1 показано схематическое изображение устройства 2 для заряженных частиц согласно настоящему изобретению. Указанное устройство может представлять собой устройство 2 спектрометра.
[0090]  Устройство 2 содержит кожух 4, имеющий входное отверстие (не показано) для введения образца, подлежащего анализу с помощью методики масс-спектрометрии. Кожух 4 заключает в себе вакуум и содержит источник 6 ионов, магнитный сектор 8 и по меньшей мере один детектор 10, необязательно два или более детекторов. На протяжении этого описания термин «детектор» будет использоваться для обозначения устройства, способного обнаруживать и определять количество ионов с разными отношениями массы к заряду, для вычисления итогового спектра и для отображения итогового спектра. Такие устройства или устройства в сборе хорошо известны в данной области техники. Форма магнитного сектора 8 может отличаться от изображенной формы магнитного сектора 8. Указанный магнитный сектор 8 может представлять собой магнитный сектор, раскрытый в патентной заявке WO2014108375 A1.
[0091]  Источник 6 ионов, или ионный источник, содержит источник первичных ионов, образующих первичный пучок 12. Он может содержать ионы He+ или Ne+, или Ga+, или Xe+, или N+, или H+, или O2+, бомбардирующие образец 14 для создания вторичных ионов, исходящих из образца. Также могут использоваться многие другие виды первичных ионов. Они хорошо известны в данной области техники. После их создания вторичные ионы извлекаются из образца 14 в форме пучка 16 вторичных ионов посредством системы 18 извлечения. Последняя может представлять собой систему 18 отклонения пучка ионов.
[0092]  Устройство 2 масс-спектрометра также может содержать промежуточную оптику 20 ниже по потоку относительно источника 6 ионов и/или системы 18 извлечения. Оно может дополнительно содержать устройство для анализа вторичных ионов согласно их отношениям массы к заряду. Такие устройства могут представлять собой, но без ограничения, магнитные секторные 8 спектрометры, времяпролетные масс-спектрометры или квадрупольные масс-спектрометры. Магнитный шунт 22 может быть помещен в пролетное пространство между промежуточной оптикой и устройством для анализа вторичных ионов.
[0093]  Пучок 16 вторичных ионов ударяет во входную плоскость магнитного сектора 8 под некоторым углом после прохождения через пролетное пространство между источником 6 ионов и входной плоскостью. Магнитный сектор 8 создает постоянное магнитное поле, которое заставляет вторичные ионы следовать по определенным кривым траекториям, в зависимости от их конкретных отношений массы к заряду. Промежуточная оптика 20 может содержать ускоряющую ступень (не представлена). Ускоряющая ступень может содержать набор смещенных листов, создающих ускоряющее поле. Добавление ускоряющей ступени позволяет вводить вторичный пучок в магнитный сектор при фиксированной энергии, независимой от извлекающего напряжения. Отверстие на выходе ускоряющей ступени пересекается пучком ионов. Оно также определяет пространственный угол приема спектрометра и, таким образом, передачу.
[0094]  Ниже по потоку относительно направления движения вторичных ионов промежуточная оптика 20 может последовательно содержать первую линзу, двойное отклоняющее устройство и вторую линзу. Каждое из них может быть смещено для создания электростатических полей, воздействующих на вторичные заряженные частицы.
[0095]  На фиг. 2 показан вид в сечении системы 18 отклонения пучка заряженных частиц согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Указанное сечение выполнено вдоль выходной оси 24.
[0096]  Промежуточный электрод 64 представляет собой первую пластину 64. Система отклонения пучка ионов содержит вторую пластину 72, которая может представлять собой часть корпуса. Она может смещаться при потенциале корпуса. Эта вторая пластина 72 может иметь форму, идентичную форме первой пластины 64. Например, она также может иметь форму диска или форму прямоугольника. Она может содержать сквозное отверстие 74, расположенное соосно с выходной осью 24. Внутренний диаметр сквозных отверстий 66; 74 может быть равен радиальной высоте RH отклоняющего зазора 46. Последний сообщается со входом 75 и с выходом 74, чтобы предоставлять маршрут для пучка 16 вторичных ионов.
[0097]  Корпус 38 содержит выходную стенку 54, где расположено выходное отверстие 56. Промежуточный электрод 64 заключен в выходном отверстии 56. Значит, он может быть в пределах толщины выходной стенки 54. То же может относиться ко второй пластине 72.
[0098]  Как видно на фиг. 2, электростатическое поле между отклоняющим зазором 46 и первым электродом 64 является в некоторой степени однородным. Линии 70 поля здесь прямые. Электростатическое поле более поступательно уменьшается от секторов 42; 44 к окружающей среде системы. Эта особенность корректирует вторичный пучок, который, в свою очередь, становится более параллельным выходной оси 24. Такой пучок легче применять для осуществления анализа состава.
[0099]  Первичный пучок 12 пересекает корпус 38. Он пересекает верхнее отверстие 52, выполненное в верхней стенке 50, затем проходит через верхний сектор 44, двигаясь по его каналу 62, и достигает образца 14, пересекая нижнее отверстие 53 нижней стенки 48. Преимущественным образом верхнее отверстие 52, нижнее отверстие 48 и канал 62 являются соосными.
[0100]  Линии 70 поля нарисованы проходящими между пластиной 36, вмещающей образец, и корпусом 38. Другие линии 70 поля проходят вокруг секторов 42; 44, через отклоняющий зазор 46. Некоторые из этих линий 70 поля также обвивают промежуточный электрод 64. Линии 70 поля являются схематичными и в этих случаях могут соответствовать замедляющему напряжению. Расположение линий может отличаться при воздействии других напряжений на секторы 42; 44 и на корпус 38. Как можно заметить, линии поля более искривлены между верхним отверстием 52 и каналом 62, чем в окрестности промежуточного электрода 64.
[0101]  На фиг. 3 показан изометрический вид системы 18 отклонения пучка заряженных частиц согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. На данной фигуре фрагмент вырезан для того, чтобы показать больше деталей. Кусок выходной стенки удален для лучшей демонстрации промежуточного электрода 64.
[0102]  Система 18 может содержать область для образца, приспособленную для размещения образца, подлежащего анализу методом масс-спектрометрии. Область для образца может быть выполнена в форме пластины 36, вмещающей образец. Пластина 36 смещается при напряжении Vsa образца, которое может составлять от 50 В до 500 В.
[0103]  Система 18 содержит корпус 38, также называемый защитным экраном. Корпус 38 может образовывать извлекающий электрод. Он имеет потенциал корпуса, например потенциал Земли. Разница напряжений между корпусом 38 и пластиной 36, вмещающей образец, создает электростатическое поле между ними. Указанное электростатическое поле ускоряет вторичные ионы вверх от пластины 36, вмещающей образец.
[0104]  Корпус 38 образует полость, где расположены внутренний сектор 42 и внешний сектор 44. Внутренний сектор 42 содержит внешнюю выпуклую поверхность, образующую часть внутренней сферы; и внешний сектор 44 содержит внутреннюю вогнутую поверхность, образующую часть внешней сферы, которая является концентричной с внутренней сферой. Между секторами 42; 44 образован отклоняющий зазор 46, который отклоняет вторичный пучок к выходной оси 24. Система 18 может содержать вход и выход 47, которые оба сообщаются с отклоняющим зазором 46. Такая конфигурация обеспечивает прохождение пучка ионов через отклоняющий зазор 46 и через корпус 38.
[0105]  Отклоняющий зазор 46 изгибает вторичный пучок на 90°. Тем не менее, он может изгибать вторичный пучок на угол от 30° до 120°. С этой целью секторы 42; 44 смещаются при разных потенциалах. Точнее, секторы 42; 44 смещаются при замедляющих потенциалах, или замедляющих напряжениях Vr, для уменьшения энергии вторичных ионов, входящих в отклоняющий зазор 46. Напряжения Vse секторов представлены в следующей формуле Vse = Vr +/- Vd, где Vd приспособлено для обеспечения отклонения. Оно зависит от энергии поступающих первичных ионов E1, которая равна напряжению Vsa образца; необязательно уменьшенному замедляющим потенциалом Vr. Оно также зависит от радиуса секторов.
[0106]  Уменьшение энергии пучка вторичных ионов позволяет уменьшить разницу потенциалов между секторами 42; 44. Это уменьшает воздействие на пучок 12 первичных ионов, предоставляя возможность анализа с более высокой разрешающей способностью в боковом направлении.
[0107]  Корпус 38 содержит нижнюю стенку 48 с нижним отверстием (здесь скрыто) и верхнюю стенку 50 с верхним отверстием 52, которое пересекается пучком 12 первичных ионов. Нижняя стенка 48 и верхняя стенка 50 соединены выходной стенкой 54, которая содержит выходное отверстие 56 вокруг выходной оси 24. Нижняя стенка 48 может быть по существу параллельна пластине 36, вмещающей образец. Верхняя стенка 50 и нижняя стенка 48 необязательно соединены задней стенкой 58. Корпус 38, а именно посредством своих стенок 48; 50; 54; 58, окружает секторы 42; 44. Он может образовывать замкнутый контур, охватывающий секторы 42; 44, и необязательно, разделительное пространство 60 вокруг секторов 42; 44. Электростатическое поле существует в разделительном пространстве 60 благодаря разнице потенциалов между корпусом 38 и каждым из секторов 42; 44.
[0108]  Верхний сектор 44 содержит канал 62, расположенный на одной линии с верхним отверстием 52 и с нижним отверстием. Он обеспечивает прохождение пучка 12 первичных ионов к образцу путем распространения в отклоняющем зазоре 46.
[0109]  Промежуточный электрод 64 расположен в выходном отверстии 56. Он имеет пластинчатую форму. Например, он может иметь форму диска. Он выполнен в виде цельной плоской детали постоянной толщины. Он может быть по существу тонким. Его толщина составляет менее половины его ширины, предпочтительно менее 25%. Из-за вырезанного фрагмента изображена лишь угловая часть указанного промежуточного электрода 64; однако на практике он образует замкнутый контур вокруг выходной оси 24. Промежуточный электрод 64 содержит сквозное отверстие 66. Оно может быть выровнено по центру относительно выходной оси 24 и может быть продолжением отклоняющего зазора 46. Сквозное отверстие 66 преимущественно является круглым и выровнено по центру относительно выходной оси 24.
[0110]  Для улучшения передающей способности системы 18 отклонения пучка ионов она может содержать две боковые пластины 68, лишь одна из которых описана здесь. Они смещаются к электрическому потенциалу с помощью средств смещения. Например, их потенциал можно повысить до 2000 В. Они находятся сбоку относительно секторов 42; 44 и могут быть расположены в полости корпуса 38. Боковое направление обозначает расположение по горизонтали и перпендикулярно выходной оси 24. Боковые пластины 68 расположены параллельно друг другу и перпендикулярно пластине 36 для образца.
[0111]  На фиг. 4 показан вид в сечении системы 118 отклонения пучка заряженных частиц согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Указанное сечение выполнено вдоль выходной оси 124.
[0112]  Система 118 отклонения пучка ионов согласно второму варианту осуществления подобна первому варианту осуществления; однако она по существу отличается тем, что промежуточный электрод 164 является прямоугольным электродом вне сквозного отверстия 174 выходной стенки 154.
[0113]  Промежуточный электрод 164 проходит по большей части высоты корпуса 138. Он проходит по всей высоте сферических секторов 142; 144. Его круглое выходное сквозное отверстие 166 расположено по центру относительно выходной оси 124. Промежуточный электрод 164 не ограничен прямоугольной формой, он может быть квадратным или в общем четырехсторонним. Пространство 178 отделяет края промежуточного электрода 164 от внутренней поверхности или стенки 150; 148 корпуса 138. Промежуточный электрод 164 расположен по существу параллельно выходной стенке 154, но находится на удалении от нее.
[0114]  На фиг. 5 показан изометрический вид системы 118 отклонения пучка заряженных частиц согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. На данной фигуре фрагмент вырезан для того, чтобы показать больше деталей. Выходная стенка корпуса была удалена для предоставления лучшего обзора сферических секторов 142, 146 и отклоняющего зазора 146.
[0115]  Промежуточный электрод 164 по существу расположен по центру между верхней стенкой 150 и нижней стенкой 148 корпуса 138. Он также может быть расположен между боковыми пластинами 168. Цилиндрическое сквозное отверстие 166 промежуточного электрода 164 находится соосно с выходной осью 124. Промежуточный электрод 164 образует вспомогательную перегородку в корпусе 138 и в общем разделяет его внутреннее пространство, где находятся сферические секторы 142; 144.
[0116]  На фиг. 6 показан вид в сечении системы 218 отклонения пучка заряженных частиц согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Указанное сечение выполнено вдоль выходной оси 224.
[0117]  Система 218 отклонения пучка ионов согласно третьему варианту осуществления подобна второму варианту осуществления тем, что промежуточный электрод 264, сферические секторы 242; 244, пластина 236 для образца остаются подобными. Отличается то, как приспособлен предыдущий корпус. Выходная стенка 254 сохранена, в то время как верхняя стенка и нижняя стенка удалены. Они заменены внешним электродом 244 и внутренним электродом 242 соответственно. Их верхние и нижние поверхности могут образовывать верхние и нижние поверхности системы. Выходная стенка 254 может быть смещена или может поддерживаться при потенциале Земли.
[0118]  В данном случае корпус 238 изготовлен из керамики. Таким образом, он может электрически изолировать сферические секторы 242; 244, промежуточный электрод 264 и выходную стенку 254 друг от друга. Корпус 238 может содержать боковую часть, где закреплен каждый сферический сектор 242; 244. Он может образовывать основную крепежную скобу. Корпус 238 может выступать вниз по потоку относительно выходной стенки 254.
[0119]  Система 218 отклонения пучка заряженных частиц может содержать две боковые пластины (не представлены). Боковые пластины смещаются для создания электростатического поля, перпендикулярного выходной оси 224. Они могут быть расположены внутри корпуса 238, перед каждым из сферических секторов 242; 244. Они могут закрывать отклоняющий зазор 246, как это делает корпус 238. Они могут образовывать перемычку, соединяющую сферические секторы 242; 244.
[0120]  На фиг. 7 показано изменение передающей способности систем извлечения, содержащих лишь боковые пластины (отмечено на графике кривой линией 380) и содержащих боковые пластины в сочетании с промежуточными электродами (отмечено на графике прямой линией 382).
[0121]  Используя боковые пластины сами по себе, можно получить улучшенную передающую способность в определенном диапазоне напряжений. Путем правильной настройки выходного корректирующего устройства и боковых пластин можно получить улучшенную передающую способность в более широком диапазоне напряжений.
[0122]  Примеры напряжений для системы извлечения.
[0123]  Следующие напряжения являются иллюстративными. Каждое следует настраивать по отдельности для оптимизации качества анализа. В обоих случаях энергия вторичных ионов уменьшается в окрестности сферических секторов до 20% напряжения образца. Это уменьшает отклоняющее напряжение, необходимое для отклонения ионов на 90 градусов, что в свою очередь уменьшает искажения, вводимые в первичный пучок. Система извлечения также может использоваться таким образом, что энергия вторичных ионов не уменьшается в окрестности сферических секторов. В этом случае к сферическим секторам должно прикладываться большее отклоняющее напряжение.
[0124]  Образец при 500 В
Внутренняя сфера
375 В
Внешняя сфера
425 В
Выходное корректирующее устройство
250 В
Боковые пластины
1750 В
[0125]  Образец при 250 В
Внутренняя сфера
187,5 В
Внешняя сфера
212,5 В
Выходное корректирующее устройство
125 В
Боковые пластины
875 В
[0126] Предыдущий пример может обеспечить передающую способность, составляющую 40%.