液态金属离子源、二次离子质谱仪、二次离子质谱分析方法及其应用

摘要

本发明涉及一种液态金属离子源、二次质谱仪以及相应的分析方法及其应用。特别涉及根据所述温和SIMS(G-SIMS)方法的质谱方法。为此目的，所使用的液态金属离子源一方面包含具有原子量≥190U的第一金属，另一方面包含具有原子量≤90U的另一金属。根据本发明，对于G-SIMS方法来说，两种离子类型中的一种被交替从一次离子束中过滤出来并且作为纯质量一次离子束直射到目标上。

说明书

技术领域

本发明涉及液态金属离子源、二次离子质谱仪以及二次离子质谱分析方法及其应用。

背景技术

二次离子质谱特别指所谓的静态二次质谱(SSIMS)。能量丰富的一次离子束直射到待分析的基体表面。当轰击基体时，一次离子束将随后要分析的所谓二次离子从该材料中撞击出来。通过这种分析，能够确定表面的材料。为了获取表面上的特定物质分布信息，一次离子束可对该表面进行扫描。为了获取纵深信息，可将一次离子束直射到表面的一个特定位置，经过一段时间后，移去该处表面，以便暴露并分析更深的层。也能够将表面扫描与纵深剖面分析相结合。

例如，DE 103 39 346 A1中公开了一种传统静态二次离子质谱方法。

专家们提出的名为温和二次离子质谱(Gentle SIMS或G-SIMS)的方法有时用于对表面的分析。例如，在I.S.Gilmore等人的“Static SIMS：towards unfragmented mass spectra-the G-SIMS procedure”，AppliedSurface Science 161(2000)pp.465-480中所有描述。

G-SIMS方法是由I.S.Gilmore在1999年提出的。采用G-SIMS方法目的是降低TOF-SIMS谱(飞行时间质谱)的复杂度，简化其解译。这是由于TOF-SIMS谱具有大量的二次离子线/峰。图1中示出了这种二次离子质谱。除了被检验的聚碳酸酯抽样的特征线之外，这种谱仍具有大量强烈的非特定信号，例如多环芳烃。对于这种谱的传统解译是以经验知识为前提的。此外谱库也有助于解译。因为轰击条件对TOF-SIMS谱的相关峰(relativepeak)强度具有巨大的影响，所以相同基体的谱可能有显著的差异。随着一次离子源的数量的增加以及轰击条件的不同，建构谱库变得愈加困难。

图2示出了与图1相同的TOF-SIMS谱，但其为应用G-SIMS方法后的谱。显然谱被大大简化。强调了特征峰，而抑制了非特定片段。相对于传统TOF-SIMS谱，这极大地方便了对分子团的识别和对谱的解译。因此采用G-SIMS算法使得专家能够快速观察，并且G-SIMS算法给出附加信息，以获得数据的可靠解译。而且，缺少经验的用户也能够更容易地获得数据的解译。

因为G-SIMS谱对轰击条件依赖性低，所以与传统TOF-SIMS方法相比，实质上更容易建构用于G-SIMS过程的谱库。

目前G-SIMS方法以存在具有极为不同的分裂行为(fragmentationbehaviour)的两个谱为前提。这种分裂受所使用的一次离子的能量和质量的影响很大。特别地，一次离子质量对于分裂行为的影响很重要。这通常是因为分裂随着一次离子质量的增加而减少。通过选择较轻的高能量原子的一次离子反而可实现最强的分裂。通过选择较重的单原子的或多原子的轰击粒子，放射谱总体上质量更高，分裂显著减少。因此非特征分裂峰对变化的轰击条件的反应显著地多于特定抽样的分子信号。

上述G-SIMS方法中，记录了分裂行为具有极大差异的两个谱，G-SIMS方法在上述由I.S.Gilmore等人发表的文章中有更详细地介绍。在适当的归一化之后，对谱进行划分，从而抑制两个谱中存在极大差异的信号。两个谱中具有小差异的信号被相应放大。随后增加两个谱的商的幂(asubsequent raising to a power of the quotient of both spectra)，再次取得了显著效果。

实际上，G-SIMS方法受到高度重视，但是在实际的实验室应用中，目前还不能被广为接受。这是由于这种方法的实验复杂性很大。因为，到目前为止，所需的分裂行为具有极大差异的的谱只能通过利用不同的分析源来实现。

一方面，气体离子源是可用的，其原则上能够生产一系列不同的重原子的一次离子(Ar，Ne，Xe)和多原子的一次离子(SF5)。但是，利用这些气体源，不同种类的一次离子之间的转变非常复杂。而且，这些源仅提供与可实现的横向分辨率和质量分辨率有关的受限性能。

可选地，可同时操作多个不同的一次离子源(例如Ga或SF5)。然而这要求高的技术开销，这种G-SIMS分析的可实现的性能受到所使用的最薄弱的源的限制。在此仅能够连续获得所需的谱，因此时间复杂性非常大。

另外，使用商业上可获得的具有Au或Bi的团簇粒子源已经建议作为放射材料。这种源的放射谱具有原子和强多原子的种类。然而，很快显示出：利用这些源无法实现所需要的分裂的强性变化。这是因为使用团簇作为分析的种类导致谱的分裂低，而分裂是成功实施G-SIMS过程所必需的。不过，在这种情形中，使用这些原子种类能实现最大分裂。分裂之所以相对较低是由于单原子的一次离子束中有大质量的Au或Bi，并且使用团簇作为一次离子束的分裂与使用单原子的一次离子作为一次离子束的分裂，二者之间的差异不够大。

至今，没有已知的适合G-SIMS方法成功实施的一次离子源。

发明内容

因此，本发明的目的是制造可用的新离子源，其能够有利地应用于二次离子质谱。此外，本发明的目的在于制造可用的有利的二次离子质谱仪和质谱分析方法。

所述目的是通过如权利要求1或3所述的液态金属离子源、如权利要求14所述的二次粒子质谱仪以及如权利要求21所述的二次粒子质谱分析方法来实现的。在各个从属权利要求中给出了本发明的液体金属离子源、本发明的二次粒子质谱仪以及本发明的二次粒子质谱分析方法及其应用的有利的扩展。

本发明能够获得一种二次粒子质谱分析方法，该方法中可交替产出不同的经过滤的一次离子束。一方面，所用的一次离子源产出原子≥190u的第一重金属的单原子或多原子的离子，还产出原子量≤90u的其它轻金属的单原子的离子。根据本发明，通过一种过滤装置(根据要被过滤出来的离子种类的质量和电荷进行过滤)，可从这种一次离子束中过滤出宽范围的或完全纯质量的经过滤的一次离子束。这种经过滤的一次离子束包含第一金属的单原子或多原子的离子或者其它金属的离子。这样，从相同的离子源能够交替地得到两个一次离子束，并且在过滤后，即使对不同的经过滤的一次离子束使用了相同或者相似的加速电压，也能够产生待分析的抽样的差异很大的分裂。采用本发明的方法，除了传统的静态二次离子质谱，还可以实施最近发展起来的Gentle-SIMS谱。特别是，这种方法理想地满足了如下需求，即：不需要巨大的时间损耗，例如离子源的改变，能够确定两个极为不同的分裂谱并且顺次评估。因此，在这种方法中使用的一次离子源覆盖了不同电荷状态的轻原子的一次离子到重多原子的一次离子的全部范围。

在利用本发明的分析方法的G-SIMS分析中，这种方法可以表述如下：

液态金属离子源放射两种不同金属M1和M2的一次离子。用于分析的种类M1的离子质量＞190u并且其为单原子或多原子。所使用的种类M2的离子质量＜90u并且其为单原子。

对于G-SIMS分析，首先利用质量M1或质量M2的纯类型离子束对表面进行分析。将一次离子的剂量保持足够低，以免对表面造成任何显著损坏(静态轰击范围)。随后，利用之前未使用的种类M1或M2对表面进行分析。一次离子类型之间的交替可实施多次。

根据G-SIMS方法顺次处理利用M1和M2的分析所生成的二次离子谱。通过应用G-SIMS算法，两个二次离子谱被合成为一个G-SIMS谱。

由于能够在质量M1和M2之间快速且重复切换，所以在分析过程中可以生成G-SIMS谱。

有利的是，所述其它金属具有同位素分布，在同位素分布中，液态金属离子源中的天然或富集的主要同位素占该液态金属离子源的放射谱中的其它金属总比例的比例为≥80％，有利地为≥90％，有利地为≥95％。

过滤之前，液态金属离子源中放射的一次离子束中的第一金属和其它金属的混合团簇相对于整个放射谱的比例有利地确定为≤10％。

第一金属的离子(尤其是铋离子)在本发明的液态金属离子源和/或放射出的一次离子束中的比例有利地为≥50％，有利地为≥90％。有利的是，金属铋、金以及铅中的一个或其混合物适合作为第一金属。

在过滤之前，其它金属(尤其是锰)的离子在液态金属离子源和/或由液态金属离子源放射的一次离子束中的比例有利地为≥0.5％，有利地为≥2％。在对液态金属离子源过滤之前，有利的是，将其上限限制小于或等于液态金属离子源和/或放射出的一次离子束的50％，更有利地为≤10％。

而且，在过滤之前，第一金属的离子(尤其是铋离子)与其它金属的离子(有利地为锰)在液态金属离子源的金属合金中和/或在一次放射的一次离子束中的比例有利地为≥90％，有利地为≥95％，有利地为≥98％。

因此金属铋、金以及铅之中的一个或其混合物有利地适合作为金属。

一般说来，有利的是，使用具有低原子量的金属作为其它金属，其它金属在具有高原子量的第一金属中的溶解度≥1％，并且其同位素分布窄。针对具有低原子量的其它金属的选择，进一步有利的选择标准为：在离子束生成中，它不形成或者仅形成少量的与具有高原子量的第一金属的混合团簇。

存在一些适合作为其它金属的金属，其原子量≤90u，尤其是下述金属或其混合物：锂、铍、硼、钠、镁、铝、硅、钾、钙、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、锗、砷、硒、铷以及钇。

用作第一金属，铋的效果尤佳，它具有高原子质量，它的原子量≥190u。有利的是，从一次离子束中过滤出多种铋离子中的一种作为纯质量过滤一次离子束，其质量近似或精确为一价或多价单原子铋离子的倍数。已经证明，锰作为其它金属尤其有优势，锰具有低的原子质量，它的原子量≤90u，用于将具有高分裂的经过滤的一次离子束过滤出来。

如果将铋用作第一金属，则在过滤且选择后，一次离子束包含具有原子量≥190的第一重金属的离子，有利地为单一类型的铋离子Bi_n^p+，其中n≥2，p≥1，并且n和p分别为自然数，经过滤的一次离子束有利地包含Bi₃⁺离子或Bi₃²⁺离子或包含类似的离子。

有利的是，能够利用扇形磁场质谱仪、四极杆质谱仪或者飞行时间质谱仪来实现对所生成的二次粒子进行分析，利用本发明的液态金属离子源之一或者利用本发明的二次离子质谱仪，能够确定抽样表面的图像(例如通过扫描获得的)和抽样表面的纵深剖面甚至两者组合的静态二次离子质谱。这还适用于本发明的方法，特别是适用于G-SIMS方法。

附图说明

顺次给出本发明的方法的一些示例如下：

图1为一种聚碳酸脂的TOF-SIMS谱，记录有作为一次离子种类的具有10keV能量的氩离子；

图2为一种聚碳酸脂的G-SIMS谱，记录有作为一次离子种类的具有10keV能量的铯离子和具有10keV能量的氩离子；

图3为BiMn放射体在低质量范围内的放射谱；

图4为一种聚碳酸脂的G-SIMS谱，记录有作为一次离子种类的BiMn液态金属离子源，BiMn液态金属离子源包含具有25keV能量的锰离子和具有25keV能量的Bi₃离子。

具体实施方式

为了实施本发明如图3和4中所示的示例，使用了在合金中包含95％铋和5％锰的铋液态金属离子团簇源。

本发明表明，铋团簇源由于其重且强的团簇以及不同的电荷状态而理想地适合于对S-SIMS方法或G-SIMS方法得到的谱中的分裂进行改变。但是当使用纯的铋团簇源时，能实现的分裂中的最大变化仍旧很低。

因此在本示例中，将尽可能轻的合金成份添加到铋放射物中，所述合金成份在放射谱的低质量范围内放射原子的一次离子。在此，基于一系列边界条件对添加的元素进行选择：

锰用作轻合金成份。后者，正如铋，具有单一同位素，原则上与铋形成合金。锰在铋中的可溶解性至少达到百分之几，在放射体的放射谱中锰的比例实质上对应于液态金属离子源的合金中的化学计量比。这就防止了在测量过程中锰中的富集与折耗。此外，仅能出现包括铋和锰的低强度的混合团簇。这就防止了所需要的原子种类的可实现强度因形成混合团簇而减少，并且防止了所放射的纯铋团簇的可用性因存在混合铋-锰团簇而受限制。

图3现示出了本发明的铋锰放射体的放射谱。图3中显示出了所期望的特性，因为具有约96％的铋放射强度和具有约4％的锰放射强度在测量精度的范围内与合金化学计量成份相对应。

如图3中所示，锰实质上作为原子离子放射，尤其是Mn⁺或Mn²⁺。在较高质量范围内很少出现对铋团簇的质量干扰。由于锰的添加量低，放射的铋团簇的强度几乎不因包含铋和锰的任何可能的混合团簇而减少。图3中使用的源所出现的与铋团簇有关的损耗，对于铋团簇源的操作来说也不显著。

对于聚碳酸脂，图4现示出了G-SIMS谱，其记录有上述提到的BiMn液态金属离子源。使用Mn⁺离子和Bi3⁺离子作为一次离子种类，通过改变过滤器参数，从生成的BiMn源的一次离子束中交替生成Mn⁺离子(25keV)的纯质量一次离子束和Bi3⁺离子(25keV)的纯质量一次离子束。在图2中，质量135u的特征峰相对于原始标准谱的优势(如图2中所示)再次快速显著地增加。

利用本发明的BiMn放射体能实现积极的结果。所获取的G-SIMS谱满足了成功G-SIMS谱所要求的全部标准。这就是(例如在聚碳酸脂的情形中)质量135u的特征峰在总谱中的优势。

因此，本文还实验性地显示出，本发明的液态金属离子源，尤其是本发明的质谱分析方法，非常适合于质谱，尤其是G-SIMS方法。

这种类型的混合放射体(此处以BiMn放射体作为示例)的基本优势在于二次离子质谱，特别是除了静态SIMS方法和G-SIMS方法外，还能够利用一个源来实现而不改变操作装置。

此外，就使用G-SIMS方法而言，本发明的液态金属离子源和本发明的方法在原则上具有进一步的优势。

本发明的液态金属离子源、谱仪以及方法使用不同种类的不同飞行时间进行质量过滤。飞行时间质量过滤目前几乎能够在不同一次离子种类之间实现任意的快速切换。由于所选择的产品，当在一次离子种类之间切换时，对谱进行的质量校准可以保留。因此即使在几个分析周期后，这种结构也可直接提供能够持续计算并指示G-SIMS谱的前提条件。因此能够对使用不同一次离子的抽样进行准同步分析，而无需利用不同源进行复杂的顺次分析。这样，即使在传递作为G-SIMS图像的至少两幅图像后，抽样表面的TOF-SIMS图像仍能够以这种方式表示。这种准同步分析还允许用于G-SIMS的迄今尚未有人想到的操作模式，例如有机表面的纵深剖面测量。

特别是，在表面的纵深剖面测量或格子扫描中，根据现有技术，首先利用来自特定源的一次离子种类之一对抽样的分析进行检查，抽样表面在该方法中的轰击过程中被大量改变。因为仅能获得改变了形式的用于此第二离子种类的抽样表面，所以在将离子源切换到其它离子种类之后实现的相同抽样表面的后续分析必然导致改变的结果。利用本发明的方法，基于单独的一次离子种类之间的快速切换与准同步分析，能够实现相同状态下的相同表面的特征化。