用于二次離子質譜儀的一次銫離子源的制作方法

相關申請的交叉引用

本申請要求于2014年10月13日提交的美國臨時專利申請第62/063,023號的權益，前述申請的全部內容以引用的方式并入本文。

本公開涉及用于二次離子質譜儀的一次離子源，以及用于制作該離子源的方法。

背景技術：

二次離子質譜儀(sims)是一種廣泛使用的表面和薄膜分析技術，其廣泛地應用于半導體工業、地球化學和材料研究、以及其它技術領域中。世界上存在500多種商用儀器。該技術通過用高能離子束(“一次”離子束)轟擊樣品來生成分析信號，該高能離子束從樣品表面上“濺射”原子。5-15kev一次離子的每次撞擊都使靶表面發射少量的原子。一小部分發射出的原子在發射時被電離并且這些“二次”離子可以加速進入質譜儀中并且進行質量分析以便產生關于樣品的化學構成和同位素構成的信息。

可以通過使用具有化學活性的一次離子種類來提高二次離子形成的效率，該具有化學活性的一次離子種類被注入靶表面中并且在其表面化學化之后：帶負電的一次離子種類(諸如，氧氣)用于促進陽性二次離子產生，并且帶正電的離子種類(諸如，銫離子)用于促進陰離子產生(即，帶負電種類的二次陰離子)。

該sims技術提供了如下能力的獨特組合：對于幾乎所有元素(從氫至鈾以及更高元素)的極高敏感性(例如，對于許多元素的檢測極限低至ppb水平)、高橫向分辨率成像(例如，目前低至50nm)、以及允許高動態范圍(例如，多于五十)的非常低的背景。該技術在本質上是“毀滅性的”，這是由于其涉及濺射材料以生成離子信號。其可以應用于可以停留在真空下的任何類型的材料(絕緣體、半導體、金屬)。

sims技術的一個強項在于其體現了一種微量分析方法。一次離子束可以集中至微小的點，從而可以在極其微小的區域上執行化學分析；替代地，通過在監測離子信號的同時在樣品表面上對集中的離子束進行光柵掃描，可以產生樣品表面的具有優良空間分辨率的化學和同位素圖像。

目前，被稱為namosims(由法國巴黎的cameca所制造)的儀器中出現了典型的成像性能，該儀器目前的成本為約4百萬美元。該儀器具有精確設計的一次離子光學器件，該精確設計的一次離子光學器件旨在將一次離子束集中至樣品表面上可能的最小點。具有工廠離子源的特定最小射束大小是50nm，通常是利用在樣品處的例如約0.25皮安(pa)的射束電流來獲得的。

圖1a示意性地圖示了nanosims儀器的工廠離子源設計。源1完全由金屬——主要是鉬——制成，但離子發生器部段7的一部分是鎢。該源1包括：安裝柱2、由安裝柱2支撐并且包括布置為保持銫鹽(例如，碳酸銫)的儲器凹腔3a的加熱鉬儲器體3、鉬小直徑管道組件5(包括用作儲器的一部分的寬基部6)、以及布置為經由小直徑管道容納來自儲器的碳酸銫蒸汽的強烈加熱離子發生器部段7。該小直徑管道組件5將來自加熱儲器體3的碳酸銫蒸汽供給至強烈加熱的離子發生器部段7并且在儲器體3與離子發生器部段7之間提供一定程度的熱絕緣。儲器體3的外邊緣部包括斜面表面3b。小直徑管道組件5的寬基部6的邊界表面6a布置為與儲器體3的斜面表面3b鄰接。儲器體3具有外部螺紋并且布置為容納內部螺紋密封蓋螺釘4，該內部螺紋密封蓋螺釘4安裝在寬基部6的周圍以形成旋鍛型密封。鉬寬基部6與鉬儲器體3之間的密封對于該離子源1而言是至關重要的問題，這是因為泄漏會使得電子撞擊加熱系統的性能不佳并且最終引起噪聲圖像。與工廠離子源1一起使用的兩個鉬儲器部3和6之間的旋鍛型密封要求對密封力進行密切控制，且未設計成可拆卸式，因此離子源1不可以重復使用。

圖1b示出了nanosims工廠源的離子發生器部段的細節圖。離子發生器部段7的尖端10用作電極并且限定出口孔徑9。平坦的鎢離子發生器板8布置在小直徑管道5(在底部)與出口孔徑9之間的加寬凹腔5a中。孔徑9通常具有約0.5mm(500μm)的直徑，并且鎢離子發生器板8通常與用作電極并且限定孔徑9的尖端10的內表面11間隔一段約0.2mm(200μm)的距離。

圖1c示出了離子發生器部段7的預期(或者設計目標)操作，進一步參照圖1a中描繪的布置在離子發生器部段7上游的結構。儲器體3被加熱以使碳酸銫蒸汽從小直徑管道5向上擴散并且在該蒸汽到達強烈加熱的離子發生器部段7(例如，該離子發生器部段7被加熱至約1200℃)時分解，在該強烈加熱的離子發生器部段7處，蒸汽流到平坦的鎢離子發生器板8上。離子發生器部段7被強烈地加熱(例如，通過電子轟擊與電子發射絲的輻射加熱的組合)并且撞擊鎢離子發生器板8的銫原子作為陽離子幾乎100％蒸發。該源保持在非常接近接地提取板(未示出)的高電勢(在nanosims中為+8kv)下，并且銫離子由高電場提取，該高電場穿過離子發生器板8周圍的電極尖端10上的500μm的孔徑9。如圖1c所示，該成形電場設計為用靜電使離子加速并且將離子吸引至形成離子-光學“對象”的小“交叉”中，以使一次離子柱的集中光學器件集中至樣品處的縮小圖像(諸如，nanosims的直徑為50nm的工廠規格)。

在實踐中，離子發生器部段的實際操作不同于圖1c中示意性地圖示的預期操作。圖1d圖示了前述離子發生器部段7的實際操作。在實踐中，不可能僅僅加熱離子發生器板8；相反，整個離子發生器頭均被加熱并且在離子發生器體積的所有表面上都形成銫離子。可論證地，銫離子可以形成于直徑為500μm并且深度為200μm的區域中并且可以從該區域提取。這形成了更加擴散的離子-光學對象，并且這又導致樣品處集中的圖像被限制至直徑為50nm的工廠規格。與圖1c中示意性地圖示的設計目標相比，在實際操作中，初始離子束交叉會受到顯著損害。

圖1a中示出的工廠離子源1通常一年更換一至幾次(例如，當銫鹽源材料耗盡時)，其中，更換頻率取決于nanosims儀器的使用。這種“一次性”離子源每次更換花費約3000美元。

亞利桑那州立大學研發了用于與大約2000年的早期版本的camecasims儀器ims3f(即，并非nanosims儀器)一起使用的替代離子發生器設計。在一個版本中，使用了外徑為1/8”、內徑為1/16”的大約3”長的鋁管道。該管道的一個端部由商用礬土水泥塞密封并且在該水泥塞上鉆出細孔或者孔口(例如，直徑為0.010”或者250μm)。管道的另一端部裝載有一些(大約0.15g)碳酸銫，該另一端部由利用礬土水泥粘固到位的礬土蓋密封。管道的具有細孔口的端部插入到電阻加熱器中，該電阻加熱器包括加熱元件并且被加熱至大約1200℃。cs2co3電荷被沿著管道的熱傳導加熱并且作為cs2co3或者在分解為cs2o之后蒸發；所產生的蒸汽然后通過孔口流出。在孔口中的高溫下，蒸汽分裂為銫原子。幾乎每個穿過孔口的銫原子都與被加熱的礬土表面發生多次碰撞并且在熱作用下表面電離的可能性非常高。該孔口離子發生器通過較小的中心區產生高通量密度的銫原子，該較小的中心區可以與二次離子質譜儀的一次離子柱準確地對齊。此外，與由昂貴的鎢金屬制作出的常規離子發生器相比較，使用礬土(尤其是礬土水泥)意味著該源的抗熱離子發生器部的制作非常便宜，這是因為礬土水泥在熱定型之前可非常容易鉆孔，或者可以在細線插入件周圍形成水泥塞，該細線插入件隨后在水泥已定型之后被移除。具有上文概述的離子發生器部段的早期版本的camecasims儀器不具有能夠將離子束集中至極其小的點處的一次離子柱；然而，已表明總離子電流可與該時代的其它離子源進行競爭。

亞利桑那州立大學研發出了上述礬土基孔口離子發生器部段的石墨基變體，并且該石墨基變體自約2001年起已在該儀器中使用。圖2示出了石墨基離子發生器部段17的設計。該離子發生器部段17包括制作于石墨塞20上的通道或者孔口29，該石墨塞20經由接近管道15的端部15’的螺紋23被擰到鉬儲器管道15中，其中，管道15和塞子20由包括加熱元件13的電阻加熱器12進行加熱，該加熱元件13布置在鉬管道15和石墨塞20外部。鉬管道15具有外部螺紋并且布置為容納石墨塞20的內部螺紋。如圖2所示，通道或者孔口29具有0.125mm(125μm)的直徑并且塞子20的端部表面21大體上與儲器管道15的端部表面28齊平。

石墨的使用帶來某些好處。石墨高度難熔，因此其能夠承受表面電離所需要的高溫。而且與難熔金屬不同的是，石墨柔軟并且易于用直徑為0.005”(125微米)的易碎鉆機進行鉆孔。石墨的柔軟性還使得容易將鉆孔的石墨插入件密封至金屬儲器管道。在圖2中，迫使石墨塞20的斜面基部22進入管道15的尖銳金屬邊緣16，從而切割入石墨塞20的石墨材料中并且提供蒸汽密封。石墨的表面逸出功為約4.5電子伏特，堪比鎢并且高于銫的電離電勢(3.9電子伏特)，這確保了在加熱的石墨表面上對銫的電離效率幾乎為100％。

本領域繼續尋找與能夠改進性能并減少成本的sims儀器一起使用的銫離子源。本公開的方面解決了與常規系統和方法相關聯的缺陷。

技術實現要素：

本公開的方面涉及布置為與二次離子質譜儀一起使用的一次離子源、以及一次離子源子組件。

在某些方面中，本公開涉及一種布置為與二次離子質譜儀一起使用的一次離子源子組件，該一次離子源子組件包括離子發生器管道和儲器基部，其中，該離子發生器管道和該儲器基部是整體式的，并且由連續石墨或者包含石墨的基體材料形成。在某些實施例中，儲器基部的一部分配置為界定限定凹腔的儲器體的圓柱形凹腔和/或容納在該圓柱形凹腔中。在某些實施例中，儲器基部和離子發生器管道的第一部分共同限定環形凹槽，該環形凹槽布置為暴露于限定凹腔的儲器體的圓柱形凹腔和/或者容納在該圓柱形凹腔中，并且離子發生器管道的第二部分從儲器基部向外延伸。在某些實施例中，離子發生器管道的第二部分包括限定離子發生器孔徑的遠端，該離子發生器孔徑的直徑與離子發生器管道內的通路的標稱或者平均直徑相比為減小的。在某些實施例中，離子發生器管道的遠端包括向外突出的圓錐形或者截頭圓錐形表面，并且離子發生器孔徑延伸通過該圓錐形或者截頭圓錐形表面的中心軸線。在某些實施例中，圓錐形或者截頭圓錐形表面包括在6度至45度的范圍內的互補圓錐形半角。在某些實施例中，圓錐形或者截頭圓錐形表面的至少一部分上布置有難熔金屬涂層或者難熔金屬護套。在某些實施例中，離子發生器孔徑包括不大于約125μm的直徑或者不大于50μm的直徑，并且可以由機械鉆孔或者激光鉆孔來限定。在某些實施例中，儲器基部包括徑向延伸的唇口，該徑向延伸的唇口布置為壓縮地容納在如下部分之間：(i)限定凹腔的儲器體的外邊緣部，以及(ii)布置為與限定凹腔的儲器體的一部分螺紋接合的密封蓋。在某些實施例中，儲器基部包括：錐形石墨圓筒，該錐形石墨圓筒具有隨著位置在最大直徑值與減小直徑值之間變化的外徑，該最大直徑值大于限定凹腔的儲器體在最接近離子發生器的端部處的內徑，該減小直徑值小于限定凹腔的儲器體在最遠離離子發生器的端部處的內徑；以及密封蓋，該密封蓋布置為與限定凹腔的儲器體的一部分螺紋接合并且迫使錐形石墨圓筒進入限定凹腔的儲器體。在某些實施例中，儲器基部的一部分包括外部螺紋表面，該外部螺紋表面布置為與限定凹腔的儲器體的內部螺紋表面相配。在某些實施例中，石墨粉或者石墨涂層布置在外部螺紋表面與內部螺紋表面之間。在某些實施例中，一次離子源布置為與二次離子質譜儀一起使用，該一次離子源包括：儲器體，該儲器體包括圓柱形凹腔；以及一次離子源子組件，其中，儲器基部的一部分容納在圓柱形凹腔中。在某些實施例中，儲器體包括石墨。在某些實施例中，一次離子源進一步包括密封蓋，該密封蓋布置為與儲器體的一部分螺紋接合，并且布置為使一次離子源子組件密封接合至儲器體。

在某些方面中，本公開涉及布置為與二次離子質譜儀一起使用的一次離子源，該一次離子源包括：管道，該管道配置為容納來自儲器的包含銫的蒸汽，其中，該管道包括外部螺紋表面，包括內部通路，并且包括第一端部；毛細管插入件，該毛細管插入件包括限定離子發生器孔徑的主體，其中，該毛細管插入件的至少一部分配置為由沿著第一端部的內部通路容納，其中，離子發生器孔徑布置為容納來自該內部通路的包含銫的蒸汽；以及限定孔口的蓋子，該蓋子包括布置為容納毛細管插入件的一部分的凹腔，其中，該孔口與離子發生器孔徑對齊，并且包括內部螺紋表面，該內部螺紋表面布置為與管道的外部螺紋表面接合以便使毛細管插入件與管道之間密封接合。在某些實施例中，毛細管插入件的主體包括布置為延伸穿過限定在蓋子上的孔口的遠端，該遠端包括向外突出的圓錐形或者截頭圓錐形表面，并且離子發生器孔徑延伸通過該圓錐形或者截頭圓錐形表面的中心軸線。在某些實施例中，圓錐形或者截頭圓錐形表面包括在6度至45度的范圍內的互補圓錐形半角。在某些實施例中，毛細管插入件的主體包括石墨或者包含石墨的材料，并且毛細管插入件進一步包括布置在圓錐形或者截頭圓錐形表面的至少一部分上的難熔金屬涂層或者護套。在某些實施例中，毛細管插入件包括硬度低于以下任一種材料的硬度的材料：(i)制作管道的材料，以及(ii)制作蓋子的材料。在某些實施例中，毛細管插入件由石墨材料制作。在某些實施例中，毛細管插入件的第一部分包括第一寬度并且配置為由沿著第一端部的內部通路容納，并且毛細管插入件的第二部分包括第二寬度并且配置為布置在內部通路外部，其中，第二寬度大于第一寬度。在某些實施例中，管道和蓋子中的至少一個包括鉬。在某些實施例中，石墨粉或者石墨涂層布置在外部螺紋表面與內部螺紋表面之間。在某些實施例中，離子發生器孔徑包括不大于約125μm的直徑或者不大于50μm的直徑，并且可以由機械鉆孔或者激光鉆孔來限定。

在某些方面中，本公開涉及布置為與二次離子質譜儀一起使用的一次離子源，該一次離子源包括：儲器基部；儲器體，該儲器體包括外部螺紋表面；布置在儲器基部與儲器體之間的管狀墊圈，其中，該管狀墊圈包括石墨或者包含石墨的基體材料，該管狀墊圈包括第一端部和第二端部，并且該管狀墊圈包括隨著位置在處于中間點處的最大直徑值與處于第一端部和第二端部處的減小直徑值之間變化的外徑；離子發生器管道，該離子發生器管道布置為與由儲器基部的一部分、儲器體的一部分、以及管狀墊圈所界定的儲器凹腔流體連通；以及密封螺母，該密封螺母包括布置為與外部螺紋表面接合的內部螺紋。在某些實施例中，儲器基部和儲器體中的至少一個包括金屬。在某些實施例中，儲器基部和儲器體中的至少一個包括石墨或者包含石墨的材料。在某些實施例中，離子發生器管道和儲器基部是整體式的，并且由連續石墨或者包含石墨的基體材料形成。在某些實施例中，離子發生器管道包括接近儲器體的近端，并且離子發生器管道包括限定離子發生器孔徑的遠端，該離子發生器孔徑的直徑與離子發生器管道內的通路的標稱或者平均直徑相比為減小的。在某些實施例中，離子發生器管道的遠端包括向外突出的圓錐形或者截頭圓錐形表面，并且離子發生器孔徑延伸通過該圓錐形或者截頭圓錐形表面的中心軸線。在某些實施例中，一次離子源進一步包括難熔金屬涂層或者難熔金屬護套，該難熔金屬涂層或者難熔金屬護套布置在圓錐形或者截頭圓錐形表面的至少一部分上。在某些實施例中，一次離子源進一步包括：毛細管插入件，該毛細管插入件包括限定離子發生器孔徑的主體，其中，該毛細管插入件的至少一部分配置為由離子發生器管道容納；以及限定孔口的蓋子，該蓋子包括布置為容納毛細管插入件的一部分的凹腔，其中，該孔口與離子發生器孔徑對齊，并且包括內部螺紋表面，該內部螺紋表面布置為與離子發生器管道的外部螺紋表面接合以便使毛細管插入件與離子發生器管道之間密封接合。在某些實施例中，毛細管插入件包括石墨或者包含石墨的材料。在某些實施例中，毛細管插入件的主體包括布置為延伸通過限定在蓋子上的孔口的遠端，該遠端包括向外突出的圓錐形或者截頭圓錐形表面，并且離子發生器孔徑延伸通過該圓錐形或者截頭圓錐形表面的中心軸線。在某些實施例中，毛細管插入件的主體包括石墨或者包含石墨的材料，并且毛細管插入件進一步包括布置在圓錐形或者截頭圓錐形表面的至少一部分上的難熔金屬涂層或者護套。

在另一方面中，本公開涉及布置為與二次離子質譜儀一起使用的一次離子源，該一次離子源包括：離子發生器管道，該離子發生器管道配置為容納來自儲器的包含銫的蒸汽；以及遠端部，該遠端部包括向外突出的圓錐形或者截頭圓錐形表面，其中，離子發生器孔徑延伸通過該圓錐形或者截頭圓錐形表面的中心軸線，并且離子發生器孔徑布置為容納來自離子發生器管道的包含銫的蒸汽。在某些實施例中，該遠端部和離子發生器管道體現為連續主體結構。在某些實施例中，一次離子源進一步包括難熔金屬涂層或者難熔金屬護套，該難熔金屬涂層或者難熔金屬護套布置在圓錐形或者截頭圓錐形表面的至少一部分上。在某些實施例中，遠端部包括由離子發生器管道容納的毛細管插入件，其中，毛細管插入件限定圓錐形或者截頭圓錐形表面并且限定離子發生器孔徑；且一次離子源進一步包括限定孔口的蓋子，該蓋子包括布置為容納毛細管插入件的一部分的凹腔，其中，該孔口與離子發生器孔徑對齊，并且蓋子包括內部螺紋表面，該內部螺紋表面布置為與離子發生器管道的外部螺紋表面接合以便使毛細管插入件與離子發生器管道之間密封接合。在某些實施例中，一次離子源進一步包括難熔金屬涂層或者難熔金屬護套，該難熔金屬涂層或者難熔金屬護套布置在圓錐形或者截頭圓錐形表面的至少一部分上。在某些實施例中，蓋子的居中部分包括重疊在圓錐形或者截頭圓錐形表面的至少一部分上的錐形表面，其中，該錐形表面包括難熔金屬護套。

在另一方面中，本公開涉及布置為與二次離子質譜儀一起使用的離子供應組件，該離子供應組件包括：如本文所公開的一次離子源；提取板，該提取板限定與離子發生器孔徑對齊的提取板孔口；以及射束擋板，該射束擋板限定與提取板孔口對齊的射束擋板孔口。在某些實施例中，離子供應組件布置為防止除直接從離子發生器孔徑發射出的銫離子之外的銫離子穿過射束擋板孔口，在某些實施例中，選擇如下參數用于防止除直接從離子發生器孔徑發射出的銫離子之外的銫離子穿過射束擋板孔口：(a)遠端部的形狀，(b)遠端部的材料，以及(c)射束擋板孔口的大小和形狀。在某些實施例中，射束擋板孔口包括接近一次離子源的直徑減小部，并且包括遠離一次離子源的直徑增大部。在某些實施例中，射束擋板孔口包括截頭圓錐形截面形狀。在某些實施例中，射束擋板包括截頭圓錐形延伸部，并且通過該截頭圓錐形延伸部限定直徑減小部。

在另一方面中，本公開涉及布置為與二次離子質譜儀一起使用的離子供應組件，該離子供應組件包括：一次離子源，該一次離子源布置為通過離子發生器孔徑排放離子；提取板，該提取板限定與離子發生器孔徑對齊的提取板孔口；以及射束擋板，該射束擋板限定與提取板孔口對齊的射束擋板孔口，其中，射束擋板孔口包括接近一次離子源的減小的直徑，并且包括遠離一次離子源的增大的直徑。在某些實施例中，射束擋板孔口包括截頭圓錐形截面形狀。

在某些實施例中，離子發生器在如下溫度下進行操作：該溫度選擇為使得從限定在石墨元件上的離子發生器孔徑高效地發射銫離子，并且使得從布置為接近離子發生器孔徑的難熔金屬涂層或者難熔金屬護套低效地發射銫離子。

在某些方面中，在此所公開的任何前述方面或者其它特征可以進行組合以實現附加優點。

在結合附圖閱讀了優選實施例的如下詳細描述之后，本領域的技術人員將理解本公開的范圍并且意識到其附加方面。

附圖說明

圖1a是nanosims二次離子質譜儀儀器的工廠一次離子源的截面示意圖；

圖1b是nanosims二次離子質譜儀儀器的工廠一次離子源的離子發生器部段的放大截面示意圖；

圖1c圖示了圖1b的離子發生器部段，示出了具有預期銫離子軌線的預期(或者設計目標)操作；

圖1d圖示了圖1b至圖1c的離子發生器部段，圖示了更密切地類似實際操作的銫離子軌線；

圖2圖示了在約2000年研發出的用于與二次質譜儀儀器一起使用的替代離子發生器部段設計；

圖3a是離子發生器部段的放大截面示意圖，該離子發生器部段包括限定離子發生器孔徑的毛細管插入件，并且由根據一個實施例的螺紋蓋保持，并且意在與二次質譜儀儀器一起使用；

圖3b是用于二次質譜儀儀器的離子源的分解正視圖，使用類似于圖3a的設計的離子發生器部段；

圖4a是利用使用工廠一次離子源的nanosims二次離子質譜儀儀器(即，根據圖1b)獲得的蝕刻硅測試網格的圖像；

圖4b是利用使用根據圖3b的離子源的nanosims二次離子質譜儀儀器獲得的蝕刻硅測試網格的圖像；

圖5是根據另一實施例的離子發生器部段的截面示意圖，該離子發生器部段包括限定離子發生器孔徑的毛細管插入件，并且由具有與圖3a的蓋子不同的形狀的螺紋蓋保持；

圖6是使用用于nanosims二次離子質譜儀儀器的射束大小規格的工廠測試樣品中的硅顆粒的硅(²⁸si^-)離子的圖像，該硅離子是利用根據圖5的離子發生器部段來獲得的；

圖7是使用硅(²⁸si^-)離子在圖6中描繪的工廠測試樣品中的尖銳邊緣特征(即，圖6中用箭頭識別出的硅顆粒)上的線路掃描；

圖8a是使用用于nanosims二次離子質譜儀儀器的射束大小規格的工廠測試樣品的氧(¹⁶o^-)離子的圖像，該氧離子是利用根據圖5的離子發生器部段來獲得的；

圖8b是使用用于nanosims二次離子質譜儀儀器的射束大小規格的工廠測試樣品的硅(²⁸si^-)離子的圖像，該硅離子是利用根據圖5的離子發生器部段來獲得的；

圖8c是使用用于nanosims二次離子質譜儀儀器的射束大小規格的工廠測試樣品的碳(12c^-)離子的圖像，該碳離子是利用根據圖5的離子發生器部段來獲得的；

圖9是按照圖8a中描繪的工廠測試樣品中的箭頭在氧(16o^-)離子圖像中的特征上的線段掃描；

圖10是使用工廠一次離子源獲得的、并且描繪出猛烈位移的鬼像的、用于支持nanosims二次離子質譜儀儀器的微粒樣品的多穴碳膜的二次電子圖像；

圖11是根據一個實施例的一次離子源的截面示意圖，該一次離子源包括金屬儲器體、金屬密封蓋、以及包括整體式石墨離子發生器管道和儲器基部的子組件；

圖12是根據一個實施例的并且包括類似于圖11的設計的部件的一次離子源的照片；

圖13a是根據一個實施例的全石墨一次離子源的截面示意圖，該全石墨一次離子源包括石墨儲器體以及包括整體式石墨離子發生器管道和外部螺紋儲器基部的子組件，其中，離子發生器管道包括具有向外突出的圓錐形表面的遠端并且離子源缺乏密封蓋；

圖13b是圖13a的離子發生器管道的遠端的放大截面示意圖；

圖14圖示了圓錐體，示出了圓錐半角α和互補圓錐半角β。

圖15是根據一個實施例的一次離子源的截面示意圖，該一次離子源包括石墨儲器體、凸形金屬儲器安裝柱、以及包括整體式石墨離子發生器管道和外部螺紋儲器基部的子組件，其中，離子發生器管道包括具有向外突出的圓錐形表面的遠端；

圖16是根據一個實施例的一次離子源的截面示意圖，該一次離子源包括石墨儲器體、凹形金屬儲器安裝柱、以及包括整體式石墨離子發生器管道和外部螺紋儲器基部的子組件，其中，離子發生器管道包括具有向外突出的圓錐形表面的遠端；

圖17a至圖17c是離子源的截面示意圖，該離子源配置為將銫離子傳輸通過提取板和射束擋板的連續布置的孔徑，其中，箭頭示出了銫離子的軌線，示出了鬼射束形成的機制；

圖18a是具有錐形(例如，圓錐形)尖端的離子源的尖端的截面示意圖，該錐形尖端配置為將銫離子傳輸通過提取板和射束擋板的連續布置的孔徑，其中，射束擋板孔徑具有可變直徑，并且圖18a包括示出銫離子軌線的線段；

圖18b是根據一個實施例的射束擋板的一部分的截面示意圖，其中，射束擋板具有布置為沿著上游側定位的截頭圓錐形延伸部，并且具有與延伸部對齊的射束擋板孔徑并且具有可變孔徑，其中沿著前緣的直徑減小，沿著后緣的直徑增大；

圖19是根據另一實施例的離子發生器部段的截面示意圖，該離子發生器部段包括由螺紋蓋保持的毛細管插入件，其中，毛細管插入件具有包括向外突出的圓錐形表面的并且限定離子發生器孔徑的遠端，以及其中，圓錐形表面延伸通過螺紋蓋中限定的孔口；

圖20是根據溫度從非特定加熱表面上蒸發的銫離子部分的曲線圖；

圖21包括根據溫度從加熱的石墨(c)和鎢(w)表面上蒸發的銫離子部分的疊加曲線圖，其中，附加的兩條垂直線限制出優選的可用溫度窗；

圖22是類似于圖19的離子發生器部段的離子發生器部段的截面示意圖，其進一步包括布置在毛細管插入件的遠端的圓錐形表面的至少一部分上的難熔金屬涂層；

圖23是類似于圖19的離子發生器部段的離子發生器部段的截面示意圖，但其中，蓋子包括錐形遠端，該錐形遠端布置為在毛細管插入件的遠端的圓錐形表面的至少一部分上形成難熔金屬護套；

圖24a是根據一個實施例的一次離子源的截面示意圖，該一次離子源包括布置在儲器部之間的并且適合于與二次質譜儀儀器一起使用的具有可變直徑的一次性石墨管道墊圈；

圖24b是可變直徑石墨管道墊圈的截面示意圖，描繪了在中間點處的最大外徑和沿著兩個端部的最小外徑，其中，放大了直徑變化；

圖24c是圖24a的一次離子源的部分在組裝步驟期間的截面示意圖，其中，使用細長臨時密封螺母和使用配合到儲器蓋中的圓柱形teflon短樁將石墨管道墊圈按壓到儲器基部941中。

具體實施方式

本公開的方面涉及布置為與二次離子質譜儀一起使用的一次離子源、一次離子源子組件、以及離子供應組件。

圖3a示出了根據一個實施例的與二次離子質譜儀一起使用的一次離子源的離子發生器部段。在該實施例中，可以使用與工廠離子源(諸如，圖1a中示出的)相同的儲器和安裝結構，但離子發生器(例如，尖端)部與圖1b至圖1d和圖2中示出的結構不同。離子并非如圖1b至圖1d所示出的那樣在平坦離子發生器板8上形成，而是在圖3a的離子發生器部在止于孔徑59處的細通道58中形成，孔徑59的直徑優選不大于125μm(或者更優選地，直徑不大于100μm，直徑不大于75μm，直徑不大于50μm，直徑不大于25μm，或者直徑不大于10μm)。該孔徑59和通道58可以通過任何恰當的方式來形成，諸如(但不限于)，通過石墨插入件進行機械鉆孔或者激光鉆孔。激光鉆孔可以容許形成比使用機械鉆孔實際上可以形成的孔徑更小的孔徑。銫蒸汽自由地流過通道46，如同在工廠源中一樣，但離子形成區的值被限制為遠小于工廠源的離子提取開口的500μm的直徑。

圖3a的離子發生器部段包括毛細管插入件50，該毛細管插入件50限定離子發生器孔徑59并且由與離子發生器管道45成密封關系的螺紋蓋60保持。毛細管插入件(或者塞子)50包括布置為與離子發生器管道45的端部鄰接的肩部57，該肩部57包括布置為與蓋子60的螺紋65合作的外部螺紋47。毛細管插入件50包括遠端51和近端52。在某些實施例中，螺紋蓋60可以包括鉬材料。蓋子60包括遠端61和向內成錐形的(或者倒錐形)表面64，該向內成錐形的(或者倒錐形)表面64限定與毛細管插入件50的離子發生器孔徑59對齊的孔口。為了保證密封并且還為了使得源離子發生器部段在加熱之后更易拆卸，螺紋表面47和65以及毛細管插入件50的與離子發生器管道45的端部接觸的表面和螺紋蓋60的內表面可以在組裝之前涂上石墨粉。儲器的兩個部分3和6的金屬旋鍛配合表面(如圖1a所示)也可以涂上石墨，以再次確保密封并便于拆卸。圖3a的離子發生器部段可很容易拆卸，并且石墨毛細管插入件50在損壞的情況下可以由用戶更換。

圖3b是用于二次質譜儀儀器的離子源的分解正視圖，使用了類似于圖3a的設計的離子發生器部段40。離子源包括由安裝柱32支撐的加熱儲器體33，其中，儲器體33包括外部螺紋表面36、斜面表面35、以及頸部34(布置為容納安裝柱32)。在某些實施例中，儲器體33和安裝柱32可以配置為由連續材料制作的單個組件30。離子發生器部段40包括：具有離子發生器管道容器42的儲器基部41、包括外部螺紋47的離子發生器管道45、毛細管插入件50、以及布置為固定與離子發生器管道45呈密封關系的毛細管插入件50的內部螺紋蓋60’。該蓋子60’包括與毛細管插入件50中限定的孔徑(未示出)對齊的孔口(未示出)。在某些實施例中，毛細管插入件50可以由石墨制作。離子發生器管道45的近端45a密封到儲器基部41的離子發生器管道容器42中以便實現在源操作溫度下維持完整性的真空密封。優選的密封方法使用銅金屬釬焊。在某些實施例中，儲器基部41、螺旋安裝部42、以及離子發生器管道45可以由單片連續材料制成。內部螺紋密封螺母70布置為與儲器體33的外部螺紋表面36接合以便使得儲器基部41的表面壓抵儲器體33的斜面表面35從而封閉由儲器體33和儲器基部41組成的儲器。在使用中，儲器被加熱以使得碳酸銫蒸汽從儲器開始行進通過離子發生器管道45和毛細管插入件50的孔徑，其中，該蒸汽被分解并且電離形成銫離子。

圖4a和圖4b示出了圖3a至圖3b的離子發生器部段和一次離子源的性能參數。圖4a描繪了利用工廠銫離子源獲得的蝕刻硅測試網格的圖像，并且圖4b描繪了利用圖3a的新穎離子發生器部段獲得的蝕刻硅測試網格的圖像。圖4b清晰地示出了更尖銳的特征(以及噪聲電平，對噪聲電平進行追蹤能發現離子發生器部段與儲器的不恰當密封)。尤其注意分散在圖4b的圖像上亮點。在與工廠一次離子源的使用相對應的圖4a中，這些特征幾乎不可見，這是因為這些特征明顯小于工廠射束的大小。在圖4b中，亮點更強，這是因為射束大小現在與特征大小相差無幾。在圖4b中，由于射束點大小明顯更小，所以小亮點特征更可見，其中，與圖4a中使用的射束大小的情況相比，射束大小與特征大小相差無幾。值得注意的是，與圖3a的離子發生器部段一起使用的電流是51.4ma，約為當獲得這些圖像時與工廠源一起使用的20.3na的電流的兩倍。這些電流并非是在測試網格樣品處測量的，而是在通過一次離子光學柱中的最后孔徑使銫離子束變細之前在測試點上游處記錄的。

圖5是根據另一實施例的離子發生器部段的截面示意圖，該離子發生器部段包括限定離子發生器孔徑159的毛細管插入件150，并且由具有與圖3a的蓋子60不同的形狀的螺紋蓋160(例如，除去了圖3a的蓋子的倒錐形)保持。毛細管插入件(或者塞子)150包括遠端151和近端152。毛細管插入件150進一步包括布置為與離子發生器管道145的端部鄰接的肩部157，該肩部157包括布置為與蓋子160的螺紋165合作的外部螺紋147。毛細管插入件150包括遠端151和近端152。毛細管插入件150包括居中地布置在離子發生器管道145的通道146與窄離子發生器孔徑159之間的寬通道部158。蓋子160包括平坦的近端162和具有向外傾斜的邊緣166的遠端161。蓋子160還限定與離子發生器孔徑159對齊的孔口164，并且包括包含毛細管插入件150的凹腔。在某些實施例中，毛細管插入件150包括石墨材料。

圖6是使用嵌入在用于nanosims二次離子質譜儀儀器的射束大小規格的工廠測試樣品中的鋁基質中的硅顆粒的硅(²⁸si^-)離子制作的圖像，該硅離子是利用根據圖5的離子發生器部段來獲得的。圖7示出了同樣使用根據圖5的離子發生器部段在由cameca供應的硅鋁測試樣品的尖銳邊緣特征上的線路掃描。射束大小的標準不同。最常見的標準(以及該工廠使用的標準)是離子信號發生變化的距離為最大值的16％至84％。圖7中的疊加比例尺為25nm寬。這大概跨越了掃描范圍的16％至84％。該25nm的比例尺表明射束大小接近該值。明顯地，用于該掃描的射束電流(在樣品處測量的)為1pa——該電流值是典型工廠電流值的四倍。該增加的電流在多個方面是有利的：其不僅使分析速度大幅提高(4x)，而且其表明可以通過消耗更多電流來實現更小的離子束。

圖8a至圖8c提供了使用根據圖5的離子發生器部段獲得的氧、硅、以及碳的圖像。圖8a是使用用于nanosims二次離子質譜儀儀器的射束大小規格的硅鋁工廠測試樣品中的氧(¹⁶o^-)離子制作的圖像。圖8b是使用用于nanosims二次離子質譜儀儀器的射束大小規格的硅鋁工廠測試樣品中的硅(²⁸si)離子制作的圖像。圖8c是使用用于nanosims二次離子質譜儀儀器的射束大小規格的硅鋁工廠測試樣品中的碳(¹²c^-)離子制作的圖像。圖8a至圖8c的圖像是在圖6的圖像過了數月之后拍攝的。圖9是在圖8a中描繪的工廠測試樣品的氧(¹⁶o^-)離子圖像中的小特征上的線段掃描。圖8a的在氧離子圖像中的小特征上的線段掃描再次表明分辨率接近25nm，與陰影垂直比例尺相對應。比例尺兩側的垂直線間隔50nm。

然而，應注意圖8a至圖8c中的圖像與圖6中的圖像之間的差異。圖8a至圖8c的圖像在所有方向上都是整潔的，而圖6則展現出“鬼”像，每個特征均向右并且稍微向上位移。這證明第二較弱“鬼”離子射束從主要射束上發生位移。圖10中示出了“鬼”離子束的其它證據。圖10是用于支持nanosims中的顆粒樣品的“多穴”碳膜的二次電子圖像。二次電子由集中的銫離子束與陰離子一起生成并且類似地反映了離子束的大小。圖10的圖像是使用工廠一次離子源來獲得的并且描繪了發生位移的(和不希望的)強鬼像。該鬼像顯示為相鄰特征之間的有光暈的(例如，模糊不清且位移的)邊界。本文(下文)結合圖17a至圖17c對用于產生鬼射束的機制進行了討論，并且本文描述的至少某些實施例包括用于減少或者消除鬼射束的特征。

圖11示出了根據另一實施例的用于與二次離子質譜儀一起使用的一次離子源。該源的整個離子發生器部段(或者離子發生器子組件)由單片整體式石墨(或者替代地是由包含石墨的材料)制成，包括儲器基部241(體現為儲器的一半)和從該儲器基部241向外延伸的離子發生器管道245。該整體式制作避免了離子發生器部段240的多個接頭處發生銫蒸汽泄漏的任何可能性并且簡化了設計和加工。離子發生器子組件240包括限定通路246的離子發生器管道245，其中，離子發生器管道245的遠端251限定離子發生器孔徑259。在某些實施例中，離子發生器孔徑259的直徑與離子發生器管道245內的通路246的標稱或者平均直徑相比為減小的。離子發生器孔徑259的直徑優選不大于125μm，直徑不大于100μm，直徑不大于75μm，直徑不大于50μm，直徑不大于25μm，或者直徑不大于10μm，并且可以由機械鉆孔或者激光鉆孔來限定。在某些實施例中，離子發生器孔徑259可以由任何恰當的方式來形成，諸如(但不限于)通過管道245的遠端251的機械鉆孔或者激光鉆孔。在某些實施例中，離子發生器孔徑可以被限定在石墨毛細管插入件(未示出)中。離子發生器管道245的近端部段243延伸通過儲器基部241并且止于近端245a。離子發生器管道245的近端部段243與儲器基部241的側壁244共同限定環形凹槽248，該環形凹槽248布置為暴露至儲器體233中限定的圓柱形凹腔238。儲器基部241進一步包括徑向延伸的肩部或者唇口部249，該徑向延伸的肩部或者唇口部249布置為與儲器體233的側壁237的斜面表面部235鄰接。儲器體233包括具有螺紋外表面236的側壁237，并且安裝柱232附著至儲器體233。密封螺母270布置為使儲器基部241保持與儲器體233相抵以便密封其間的圓柱形凹腔238。密封螺母270包括布置為與儲器體233的肩部或者唇口部249接觸的居中部分271，并且包括具有螺紋內表面277的側壁276，該螺紋內表面277布置為與儲器體233的螺紋外表面236接合。如先前所指出的，與工廠源一起使用的兩個鉬儲器部之間的旋鍛型密封要求對密封力進行密切控制，且未設計成可拆卸式，因此離子源不可以重復使用。由于圖11的離子發生器子組件240是由相當柔軟的石墨制作的，所以使用圖11中描繪的一次離子源可改進密封方法。通過擰緊密封螺紋270迫使儲器體233的斜面表面部235的遠端處的尖銳斜面邊緣咬到儲器基部241的石墨肩部或者唇口部249中，形成良好密封。在優選密封方法中，石墨儲器基部244的外壁是錐形的(例如，錐角優選地在1度至5度的范圍內，或者更加優選地在2度至3度的范圍內)，并且大小設置為僅僅使得錐形表面的一部分可很容易插入到儲器體233中，但然后必須通過擰緊密封螺母270迫使其完全進入，從而允許儲器體233切割入石墨儲器基部244的外壁的錐形表面中并且實現密封。

圖12是根據一個實施例的并且包括類似于圖11的設計的部件的一次離子源的照片。離子發生器子組件340包括離子發生器管道345、儲器基部(未示出)、離子發生器管道端部345a、以及全部由整片石墨材料制成的遠端表面359中限定的孔徑351。一次離子源進一步包括附著至儲器體333的安裝柱332，其中，內部螺紋密封螺母370布置為使離子發生器子組件340與儲器體333接合。在某些實施例中，儲器體333和安裝柱332可以設置為體現為連續單片材料的子組件330。

在替代實施例中，石墨離子發生器子組件可以設計有斜面，該斜面被迫與尖銳金屬邊緣相抵以形成密封，類似于圖1a中示出的設備，其中，使用外部螺母施加了壓縮力。

所有石墨源的密封(例如，包括整體式石墨離子發生器管道和儲器基部、以及石墨儲器體)都可以根據如下技術中的一種來實現。

在第一密封技術中，可以在兩個儲器部(儲器基部和儲器體)的內部和外部刻上螺釘螺紋，并且簡單地將這些部分擰在一起。該技術會在任一石墨件上產生相當小的機械應力。石墨螺釘螺紋被擰緊時的摩擦將會擦掉任何高點并且確保表面對表面密封。在某些實施例中，螺紋還可以由石墨粉來潤滑，這將幫助確保密封。

在第二密封技術中，可以在內部螺釘螺紋的頂部制成輕微斜面并且通過螺釘螺紋迫使外表面邊緣與該斜面相抵。

在第三密封技術中，兩個儲器部中的一個可以具有斜面并且可以通過外部金屬螺紋件迫使這兩個部分在一起。

將石墨用作構造材料極大地提高了一次離子源的可重復使用性。金屬工廠離子源并非意在可重復使用。當碳酸銫儲器耗盡時，或者當離子發生器破損時(例如，由于過熱或者由于一次離子柱中的銫射束擊打表面產生回流離子)，目前，用戶的首要補救措施是丟棄一次離子源并且從制造商處購買新的一次離子源。本文所公開的可重復使用儲器離子源意在容許用戶再填充和再使用該源，只要離子發生器孔口保持完好便可，代價是可更換的石墨雙重錐形墊圈。如果該源的孔口部破損，則可以單獨更換該孔口部。在具有石墨離子發生器插入件的金屬設計中，插入件及其金屬螺帽是可更換的物品，并且可以通過購買來供應備件。

在某些實施例中，可以在不需要使用密封螺母的情況下使石墨離子發生器子組件與儲器基部直接接合。

圖13a圖示了根據一個實施例的全石墨一次離子源。離子發生器子組件440包括由整片石墨材料(或者其它包含石墨的材料)制成的離子發生器管道445和儲器基部441。離子發生器管道445限定通路446，其中，離子發生器管道445的遠端包括圓錐形或者截頭圓錐形表面451并且限定離子發生器孔徑459，該離子發生器孔徑459的直徑與離子發生器管道445內的通路446的標稱或者平均直徑相比為減小的。離子發生器管道445的近端443延伸通過儲器基部441并且止于近端445a。離子發生器管道445的近端部段443與儲器基部441的外部螺紋側壁444共同限制環形凹槽448，該環形凹槽448布置為暴露至儲器體433中限定的圓柱形凹腔438。儲器基部441的外部螺紋側壁444布置為與儲器體433的側壁437的內部螺紋表面436接合。儲器體433和安裝柱432設置為體現為連續單片石墨(或者包含石墨的)材料的子組件430。兩個子組件430和440可分離開以允許將碳酸銫或者其它銫源材料裝載到儲器凹腔438中。

圖13b是圖13a的離子發生器管道445的遠端的放大截面示意圖，示出了圓錐形或者截頭圓錐形表面451和離子發生器孔徑459。離子發生器孔徑459(其直徑與離子發生器管道445內的通路446的標稱或者平均直徑相比為減小的)延伸通過圓錐形或者截頭圓錐形表面451的中心軸線(或者頂點)。

圖14圖示了圓錐體，示出了圓錐半角α和互補圓錐半角β。將圖14的圓錐體與圖13b中示出的離子發生器管道的遠端作比較，圖13b的離子發生器孔徑459延伸通過圓錐形或者截頭圓錐形表面451的中心軸線(或者頂點)，并且該表面451與圖14的圓錐體的側壁相對應。在某些實施例中，圖13a至圖13b中描繪的圓錐形或者截頭圓錐形表面451包括在6度至45度的范圍內、或者在10度至40度的范圍內、或者在15度至35度的范圍內、或者在20度至30度的范圍內的互補圓錐形半角。該角度范圍可以適用于接近如本文所公開的離子發生器孔徑的其它圓錐形或者截頭圓錐形表面。

由于如圖13a中圖示的石墨安裝柱432可能相當易碎，所以在某些實施例中，安裝柱可以由金屬(例如，鉬)制成并且布置為附著至(例如，經由螺紋連接)石墨儲器體。圖15和圖16中示出了安裝柱與儲器體之間的兩種替代螺紋連接。

圖15是一次離子源的截面示意圖，該一次離子源包括石墨儲器體533、(凸形)金屬儲器安裝柱522、以及包括整體式石墨離子發生器管道545和外部螺紋儲器基部541的子組件540，其中，離子發生器管道545包括內部通路546并且包括具有限定離子發生器孔徑559的向外突出的圓錐形或者截頭圓錐形表面551的遠端。離子發生器管道545的近端部段543延伸通過儲器基部541并且止于近端545a。離子發生器管道545的近端部段543與儲器基部541的外部螺紋側壁544共同限制環形凹槽548，該環形凹槽548布置為暴露至儲器體533中限定的圓柱形凹腔538。儲器基部541的外部螺紋側壁544布置為與儲器體533的側壁537的內部螺紋表面536接合。安裝柱522包括徑向延伸的法蘭部523，并且外部螺紋突出部524布置為與儲器體533的內部螺紋凹槽534接合。在某些實施例中，安裝柱522可以由金屬(例如，鉬)制成，并且儲器體533可以由石墨制成。子組件540可與儲器體533分離開以允許將碳酸銫或者其它銫源材料裝載到儲器凹腔538中。

圖16是一次離子源的截面示意圖，該一次離子源包括石墨儲器體633、(凹形)金屬儲器安裝柱622、以及包括整體式石墨離子發生器管道645和外部螺紋儲器基部641的子組件640，其中，離子發生器管道645包括內部通路646并且包括具有限定離子發生器孔徑659的向外突出的圓錐形或者截頭圓錐形表面651的遠端。離子發生器管道645的近端部段643延伸通過儲器基部641并且止于近端645a。離子發生器管道645的近端部段643與儲器基部641的外部螺紋側壁644共同限制環形凹槽648，該環形凹槽648布置為暴露至儲器體633中限定的圓柱形凹腔638。儲器基部641的外部螺紋側壁644布置為與儲器體633的側壁637的內部螺紋表面636接合。安裝柱622包括限定內部螺紋凹槽626的螺旋安裝部625，該內部螺紋凹槽626布置為與儲器體633的外部螺紋突出部634接合。在某些實施例中，安裝柱622可以由金屬(例如，鉬)制成，并且儲器體633可以由石墨制成。子組件640可與儲器體633分離開以允許將碳酸銫或者其它銫源材料裝載到儲器凹腔638中。

現在將對用于鬼射束形成的機制進行描述。圖17a至圖17c是離子源700的截面示意圖，該離子源700配置為將銫離子傳輸通過提取板701和射束擋板702的連續布置的孔徑701a和702a，其中，箭頭示出了銫離子的軌線。在圖17a中，來自離子源700的cs+離子發散開，并且一些離子撞擊在射束擋板702上并且將銫注入到射束擋板702的表面中。在圖17b中，隨后cs+離子在射束擋板702上的撞擊使注入的cs作為中性原子濺射，該中性原子沖回到熱離子發生器。在圖17c中，再電離的cs+離子加速通過射束擋板孔口702a。大量初始形成的cs+離子束發散開，從而擊打(例如，鉬)射束擋板702，具體地，該射束擋板702放置成攔截該發散射束并且保護下游透鏡元件(未示出)。這些撞擊離子可以從射束擋板702上濺射陰離子，該陰離子可以加速返回至離子源700，從而導致從離子源700的表面濺射陽離子。由于射束擋板金屬的電子親合性較低，所以該效果可能較小，因此產生的陰離子較少。更顯著的效果是使注入的銫進行再濺射。在穩態下，對于每個撞擊離子，濺射一個銫。由于銫在射束擋板702的表面中積累，所以再濺射的銫的電離概率較低，約為50％或者更低。盡管再濺射的cs+離子不能返回至正偏置的離子發生器，但中性銫原子可以很容易返回至離子發生器。濺射的銫的中性通量的一部分(在圖17b中示出)可以再次撞擊熱離子源700的前表面，其中，其發生電離的效率為～100％。這就產生cs+離子的鬼射束(在圖17c中示出)，該cs+離子的鬼射束沿著柱子向下行進并且可以通過離子透鏡進行集中。加速場以及該場穿透過提取板701的效果使得鬼射束似乎來自離子發生器表面后面的實際物體平面。該射束可以在樣品處是模糊的并且可以產生可能難以檢測的疊加暈，但這可以從受主要射束撞擊的小區域之外的區域生成離子并且產生錯誤結果。前述討論對于所有離子發生器幾何結構均是有效的。cameca工廠源中平坦表面與凸表面的組合可以產生具有不同的明顯源點和聚集性質的多個鬼射束。

申請人已經研發出三種方法來減少或者消除用于二次離子質譜儀的一次離子源中的鬼射束。第一方法涉及使離子發生器表面成形為防止鬼離子穿過射束擋板孔徑。第二方法涉及使射束擋板成形為使得擊打離子發生器的再濺射銫原子的生成最小化。第三方法涉及調節離子發生器表面的化學性質和溫度以便使得受到再濺射銫撞擊的區域不會導致這些再濺射銫原子再電離。在某些實施例中，前述方法可以單獨地使用或者共同使用。

圖18a是具有帶有錐形(例如，圓錐形或者截頭圓錐形)表面710的遠端的離子源700的尖端的截面示意圖，該錐形表面710包括離子發生器孔徑709，該離子源700的尖端配置為將銫離子傳輸通過提取板711和射束擋板712的連續布置的孔口711a和712b。圖18a包括對使離子發生器前表面710呈30度的錐形的效果進行的離子-光學模擬。由于在錐形表面710上形成的離子最初垂直于其離開的表面進行加速，因此在錐形表面710的角度足夠大的情況下，來自該錐形表面710的離子(甚至是形成為非常接近如圖18a中的圓錐體的尖端的離子)不能穿過射束擋板孔口712b。射束擋板孔口712b包括可變直徑，其中，直徑減小的前緣713-1接近一次離子源700，并且直徑增大的后緣713-2遠離一次離子源700。在某些實施例中，射束擋板孔口712b包括截頭圓錐形截面形狀。離子源700的錐形表面710的錐形(例如，圓錐形或者截頭圓錐形)形狀減弱或者消除了從錐形表面710發射的濺射沉積cs離子穿過提取板711和射束擋板712的連續布置的孔口711a和712b的能力。接近錐形表面710的線719與從離子源700發射出的cs離子(包括由再濺射的cs形成的離子)的潛在方向相切。在某些實施例中，圓錐形或者截頭圓錐形表面710包括在6度至45度的范圍內、或者在10度至40度的范圍內、或者在15度至35度的范圍內、或者在20度至30度的范圍內的互補圓錐形半角。該角度范圍適用于本文所公開的圓錐形或者截頭圓錐形表面。

圖18b是根據一個實施例的修改射束擋板722的截面，其中，射束擋板722包括截頭圓錐形延伸部724，該截頭圓錐形延伸部724布置為放置在接近上游離子發生器(例如，如圖18a中示出的一次離子源)的一側。射束擋板722包括與截頭圓錐形延伸部724對齊的具有可變直徑的孔徑722b，該可變直徑包括接近上游一次離子源的直徑減小的前緣723-1并且具有遠離上游一次離子源的直徑增大的后緣723-2。截頭圓錐形延伸部724設計為確保從離子發生器孔徑發散出的銫離子以掠射角擊打延伸部表面724a。在這些掠射角處，大部分撞擊銫離子不會注入到接近孔徑722b的射束擋板722中，而是會向前和向外分散并且最終靜置在射束擋板材料上或者材料內的較遠的點處，該較遠的點使得任何再濺射的銫都不能返回至上游一次離子源的表面。在初始撞擊下確實注入在射束擋板材料中的任何銫在向前方向上進行再濺射的可能性很高，并且再次靜置在射束擋板材料上或者材料內的較遠的點處，該較遠的點使得任何再濺射的銫都不能返回至上游一次離子源的表面。此外，射束擋板722的初始撞擊延伸表面724a中的注入銫的低集中度會使撞擊表面中的逸出功減少最小化。從該高逸出功表面上再濺射的任何銫均會主要作為陽性銫離子離開該表面，該陽性銫離子不能返回至正偏置的上游一次離子源。

如將從圖18a至圖18b的前述描述中理解，如下參數中的一些或者所有均可以選擇用于防止除直接從離子發生器孔徑發射出的銫離子之外的銫離子穿過射束擋板孔口：(a)離子發生器的遠端部的形狀，(b)離子發生器的遠端部的材料，以及(c)射束擋板孔口的大小和形狀。

圖13a、圖15和圖16中圖示了包括具有離子發生器管道的圓錐形或者截頭圓錐形表面的遠端的離子發生器子組件。在某些實施例中，石墨毛細管插入件可以包括接近離子發生器孔徑的圓錐形或者截頭圓錐形表面。

圖19圖示了根據一個實施例的離子發生器部段，該離子發生器部段包括由螺紋蓋760保持的毛細管插入件750(例如，包括石墨或者包含石墨的材料)，其中，毛細管插入件750具有包括向外突出的圓錐形表面751的并且限定離子發生器孔徑759的遠端，且其中，圓錐形表面751延伸通過在沿著螺紋蓋760的遠端的居中部分761上限定的孔口764。毛細管插入件(或者塞子)750包括遠端(圓錐形表面)751和近端752。毛細管插入件750進一步包括布置為與離子發生器管道745的端部鄰接的肩部757，該肩部757包括布置為與蓋子760的螺紋765合作的外部螺紋747。毛細管插入件750包括居中地布置在離子發生器管道745的通道746與窄離子發生器孔徑759之間的寬通道部758。蓋子760包括近端部762和向外傾斜的邊緣766。蓋子760的孔口764與離子發生器孔徑759對齊，并且包括包含毛細管插入件750的凹腔。在某些實施例中，離子發生器管道745和蓋子760包括至少一種金屬(例如，鉬或者鎢)，并且毛細管插入件750包括石墨。在某些實施例中，圓錐形表面751可以是截頭圓錐形形狀。由于圓錐形表面751上存在的任何銫離子都會垂直于表面751進行加速，所以具有充分角度(例如，在6度至45度的范圍內、或者在10度至40度的范圍內、或者在15度至35度的范圍內、或者在20度至30度的范圍內的互補圓錐形半角)的向外突出的圓錐形或者截頭圓錐形表面的存在會減小使從該表面上電離的任何銫離子傳輸通過射束擋板孔徑(諸如，圖18a至圖18b中示出的)的可能性。

在對涉及布置在圓錐形或者截頭圓錐形離子發生器表面的至少一部分上的難熔金屬涂層或者難熔金屬護套的存在的其它實施例進行討論之前，將介紹離子發生器表面材料的調節和電離溫度的控制的效果。

圖20是根據溫度從加熱表面上蒸發的銫離子部分的曲線圖(α)。峰值離子比接近1。對于清潔表面，石墨和鎢均具有約4.5ev的電子逸出功(電子逃逸的勢壘)，這高于銫的電離電勢(3.9ev)。因此，在能量上更有利的是，使銫在任何溫度下均作為陽離子從這些清潔的高逸出功表面上蒸發。銫作為陽離子被吸附。在吸附的銫離子移動遠離該表面時，盡管原子中的空價能級的能量下降，但其永不會下降為低于金屬中的費米能級，并且不存在如下可能性：來自金屬的電子可能貫穿到銫離子中以使其中和。對于從不清潔的表面上蒸發的銫，圖20中的曲線應該在所有溫度下均是平坦的(更加具體地，其應在較高溫度下隨著溫度稍微下降，這是因為作為中性原子蒸發是一個活化過程，該活化在較高溫度下變得更加可能)。曲線在開始處急劇上升的原因在于，對于流向表面的給定銫通量，銫在較低溫度下不會作為離子或者中性原子足夠快速地蒸發，而是積累在該表面上。這使得逸出功大幅降低(對于約10-20％的單層銫覆蓋率的最小逸出功低至1.5ev，遠低于銫電離電勢)，并且因此，離子的發射由于來自該表面的電子貫穿而受到抑制。對于流向表面的給定銫通量，溫度必須足夠高以使銫覆蓋率維持在足夠低的水平，從而使逸出功不會下降至低于3.9ev。對于鎢表面，當銫覆蓋率下降到足夠低以使得存在清潔表面逸出功時，在約1200℃急劇發生電離。申請人已經觀察到本文所公開的石墨離子發生器的操作溫度低于鎢離子發生器(通過加熱電流來估算該溫度)，可能低至900℃。人們認為這是由于銫在碳上的吸附溫度明顯低于在鎢上的吸附溫度，因此需要明顯較高溫度來使銫在鎢離子發生器的表面保持游離。該效果提供了一種方式來抑制在離子發生器的金屬部分上的鬼射束形成，這是通過在如下溫度下進行操作來實現：該溫度足以在碳上發生電離，但不足以在鎢(或者鉬，鉬被認為與鎢具有相似的表現)上發生可感知的電離。圖21包括根據溫度從加熱的石墨(c)和鎢(w)表面上蒸發的銫離子部分的疊加曲線圖，標識出優選地由兩條垂直實線限制出的優選的可用溫度“窗”。用于石墨的t0值估計為約900℃。

考慮到對離子發生器材料的調節和電離溫度的控制的前述討論，在某些實施例中，難熔金屬涂層或者難熔金屬護套可以布置在石墨離子發生器表面的至少一部分上，其優選地具有圓錐形或者截頭圓錐形形狀。將石墨離子發生器表面加熱至約900℃就足以使銫離子電離，但該溫度不夠高，以使任何難熔金屬(例如，鎢或者鉬)表面上存在的銫電離。

圖22是類似于圖19的離子發生器部段的離子發生器部段的截面示意圖，其進一步包括布置在毛細管插入件750的遠端的圓錐形表面751的至少一部分上的難熔金屬涂層769。圖22的所有其它元件均與結合圖19描述的元件相同，因此為了簡潔，省略了對這些元件的進一步討論。難熔金屬涂層可以通過濺射或者任何其它合適的技術而沉積在圓錐形表面751上。在某些實施例中，圓錐形表面751可以是截頭圓錐形形狀。在某些實施例中，圓錐形表面751的大體上所有向外面向的(例如，暴露的)部分均涂有難熔金屬(例如，鎢和/或鉬)。在某些實施例中，所應用的金屬涂層769可以與毛細管插入件的石墨起反應以形成金屬碳化物。在某些實施例中，所應用的涂層769覆蓋著毛細管插入件750的圓錐形(或者截頭圓錐形)表面751的多于80％、多于90％、或者多于95％。

圖23是類似于圖19的離子發生器部段的離子發生器部段的截面示意圖，但其中，蓋子860包括錐形遠端866，該錐形遠端866布置為在毛細管插入件850的遠端的向外突出的圓錐形表面851的至少一部分上形成難熔金屬護套。毛細管插入件850限定離子發生器孔徑859，其中，圓錐形表面851延伸通過在沿著螺紋蓋860的遠端的居中部分868中限定的孔口864。

毛細管插入件(或者塞子)850包括遠端(圓錐形表面)851和近端852。毛細管插入件850進一步包括布置為與離子發生器管道845的端部鄰接的肩部857，該肩部857包括布置為與蓋子860的螺紋865合作的外部螺紋847。毛細管插入件850包括近端部862，并且包括居中地布置在離子發生器管道845的通道846與窄離子發生器孔徑859之間的寬通道部858。蓋子860的孔口864與離子發生器孔徑859對齊，并且包括包含毛細管插入件850的凹腔。在某些實施例中，離子發生器管道845和蓋子860包括至少一種難熔金屬(例如，鉬或者鎢)，并且毛細管插入件850包括石墨。在某些實施例中，圓錐形表面851可以是截頭圓錐形形狀。在某些實施例中，蓋子860覆蓋著多于80％、多于90％、或者多于95％的毛細管插入件850的圓錐形(或者截頭圓錐形)表面851。

某些實施例涉及布置為與二次離子質譜儀一起使用的改進一次離子源，其包括使用一次性管狀石墨墊圈的新穎儲器密封系統。如本文先前所指出的，工廠離子源的儲器是使用旋鍛設計來密封，在該旋鍛設計中，通過應用螺帽來迫使兩個成形的鉬表面(限制儲器)彼此接觸。與相當硬的金屬(諸如，鉬)實現密封需要相當高的轉矩，并且必須仔細地控制轉矩參數以便在密封與避免金屬破裂之間實現平衡。鉬在儲器溫度下變脆，并且由于再次給接頭施加轉矩引起破裂，所以源體不能重復使用。為了克服儲器的密封金屬部分的挑戰，已經研發出了一次性管狀石墨墊圈以允許低轉矩操作，同時提供優良的密封性能。

圖24a是根據一個實施例的一次離子源的截面示意圖，該一次離子源包括布置在金屬儲器體933與金屬儲器基部841之間的具有可變直徑的一次性石墨管道墊圈910。儲器體933包括限制儲器凹腔938的側壁937的外部螺紋表面936，并且安裝柱932附著至儲器體933。離子發生器管道945限定通路946，其中，離子發生器管道945的遠端連接至加熱的離子發生器部段951，以及其中，離子發生器管道945的近端部段945a延伸通過儲器基部941。離子發生器管道945的近端部段945a與儲器基部941的側壁944共同限制環形凹槽948，該環形凹槽948布置為暴露至儲器體933中限定的儲器凹腔938。密封螺母970包括居中部分971并且包括布置為與外部螺紋表面936接合的內部螺紋表面977。石墨管道墊圈910布置在接近側壁937和944的儲器體933和儲器基部941的內部。在某些實施例中，石墨管道墊圈910具有雙重錐形外表面(例如，具有優選地在1度至5度的范圍內、或者更加優選地在2度至3度的范圍內的錐角)，其中，減小的外徑接近墊圈910的端部，并且增大的外徑位于兩個端部之間的中間位置處。圖24b是可變直徑石墨管道墊圈910的截面示意圖，描繪了在中間點處的最大外徑和沿著兩個端部911和912的最小外徑，其中，為了清晰而放大了直徑變化。管道墊圈910包括第一錐形表面915和第二錐形表面916。石墨管道墊圈910的雙重錐形外表面的大小設置為提供干涉配合，從而僅僅使得每個錐形表面915和916的一部分可容易地插入到相應的儲器基部941或者儲器體933中，但然后必須迫使其完全進入，從而允許金屬儲器基部941和儲器體933切割到石墨管道墊圈的錐形表面915和916中并且實現密封。在某些實施例中，石墨管道墊圈包括限定內部凹槽918的恒定內徑(如圖24b中示出的)。在某些實施例中，石墨管道墊圈包括限定內部凹槽918的恒定內徑(如圖24b中示出的)。

圖24c是圖24a的一次離子源的部分在組裝步驟期間的截面示意圖。在組裝期間，在某些實施例中，首先使用寬松地配合到儲器蓋937中的圓柱形teflon短樁990迫使石墨管道墊圈910進入儲器體933中，并且使用螺紋接合到外部螺紋表面936中的超長臨時密封螺母980迫使其與石墨管道墊圈910的端部相抵，從而將石墨管道墊圈910的一部分按壓到儲器基部941的內部。然后收好儲器體933并且移除teflon短樁990。在將離子發生器部段951組裝和安裝至離子發生器管道945之后，使其中插入有石墨管道墊圈910的儲器體933裝載干燥的脫氣碳酸銫。其后，再次使用超長臨時密封螺母980將儲器體933推至石墨管道墊圈910的突出部分上。一旦已經迫使石墨管道墊圈910足夠深入儲器基部941的環形凹槽948中，就移除超長密封螺母并且用最終密封螺母970來替換，并且擰緊該組件直至石墨管道墊圈910的底部從兩個端部911和912處露出來以產生圖24a的組件。由于石墨管道墊圈910的略微呈錐形的表面915和916，以及石墨的柔軟潤滑性質，所以僅僅需要少量力來實現密封。優選地，利用兩個小扳手用手擰緊約4”就足夠了。石墨管道墊圈910連同離子發生器部段951的石墨毛細管插入件是一次性的，但圖24a的離子源的其余金屬部分可以重復使用。

在根據附圖閱讀如下描述時，本領域的技術人員將理解本公開的概念并且會意識到這些概念在本文未具體說明的情況下的應用。本領域的技術人員會意識到對本公開的優選實施例的改進和修改。所有這些改進和修改均落在本文所公開的概念和如下權利要求書的范圍內。