二次離子質譜的一次離子光學系統

王 亮，徐福興，丁傳凡

（復旦大學化學系，上海 200433）

二次離子質譜（secondary ions mass spectrometry，SIMS）作為一種強有力的表面分析工具，在電子工業、礦物分析、材料、醫學等眾多領域發揮著重要作用。與其他的表面分析技術相比，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，二次離子質譜有以下顯著的優點：1）可以實現對元素周期表中幾乎所有元素的分析；2）可以檢測不易揮發和熱穩定性差的化合物；3）可以實現對被分析物表面的逐層縱向剖析；4）在超高真空（＜10－7Pa）條件下對化合物進行分析，確保化合物表面成分分析結果的真實性；5）可以實現對同位素的分析；6）具有超高的檢測靈敏度。而SEM、XPS等技術受檢出限的限制，僅適用于物質形態、物質價態以及物理結構分布狀態的分析與表征[1－2]。

二次離子質譜的原理是經過聚焦的一次離子束穩定的轟擊樣品表面，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部，在穿透過程中發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系統中進行離子傳輸、能量聚焦、方向聚焦等作用后，進入質量分析器做成分分析，并到達檢測器被檢測，最終得到樣品的質譜圖[3－4]。對于二次離子質譜來說，一次離子束是二次離子質譜的關鍵組成部分，它的性能直接決定了二次離子質譜的分析結果[5－9]。

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

本研究主要介紹自行設計的用于二次離子質譜的一次離子光學系統，該離子光學系統的結構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）產生的一次離子束進行有效的加速與聚焦，形成穩定的、能量在0～5kV范圍內連續可調的離子束流。通過試驗對兩種聚焦模式下產生的兩種不同性能的離子束流進行測試。

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系統結構示于圖1，其主要組成部分和工作過程為：由電子轟擊電離源產生的一次離子Ar＋，在離子推斥電極的作用下，進入離子聚焦透鏡中。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個偏轉電極和法拉第杯，其作用在于當一次離子束通過時，可在偏轉電極上施加一定的直流電壓，使離子束全部偏轉到法拉第杯的側壁上，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、聚焦后到達樣品臺，轟擊樣品。

物鏡1和物鏡2的組合可以實現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，使離子束以較發散的方式全部通過物鏡1。但是，一次離子束在進入物鏡2之前，受到一個限制光闌的阻擋，進入到物鏡2的離子束流減少，在物鏡2的作用下實現離子束的聚焦。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的聚焦電場，一次離子束通過物鏡1的聚焦后，其焦點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的作用下進一步聚焦，到達樣品臺。

圖1 一次離子光學系統結構示意圖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

對二次離子質譜來說，一次離子束應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，本試驗對經過該套光學系統的一次離子束的電流和束斑大小分別進行測試，試驗平臺示于圖4。其中真空系統采用兩級差分真空抽氣系統，分子泵型號為FF 160/620C，北京中科科儀技術有限發展責任公司產品，抽速為600L/s；一次離子光學系統真空達到0.1Pa，離子轟擊室真空達到10－5Pa。試驗中，電子轟擊電離源（EI源）產生的離子（EI源燈絲為鎢絲，工作氣體采用氬氣，產生離子為氬離子）通過一次離子光學系統后，轟擊樣品。樣品置于可以三維調節的樣品臺上，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。改變光學系統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，對一次離子束光學系統的性能進行檢測。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 一次離子光學系統試驗平臺示意圖Fig.4 Schematic of experimental platform of primary ion optics system

2 結果與討論

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系示于圖5。將兩種模式進行比較，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遠大于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，離子束的束斑達到毫米量級，可以對樣品表面實現較大面積的分析，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行觀察，獲得了不同條件下的離子束流和離子束斑的數據，此處選擇若干數據列于表1。可以看出，該離子光學系統可以實現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。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，得到一系列氬離子轟擊樣品表面形成的斑點。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，并且最優的聚焦條件是在一個較小的范圍內，故以10V為電壓調整間隔，不同斑點所對應的物鏡2電壓列于圖7a中各點附近。比較這些斑點的尺寸，其中物鏡2電壓為3 450V時得到的束斑最小（圖7b），束斑直徑為18μm，同時測得電流可達1.28μA，電流密度達到503.2mA/cm2，完全達到了二次離子質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據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.低放大倍數下，不同物鏡2電壓對應的離子束斑；b.高放大倍數下，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 結論

本課題組自行設計的用于二次離子質譜的一次離子光學系統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性質進行研究。在聚焦模式A下，可以得到束斑大小為20μm，電流密度可達503.2 mA/cm2的氬離子束流。對于該一次離子光學系統在二次離子質譜整機中的性能表現，還有待進一步的研究。

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