真空技术书籍,第二版

6.3.2 离子源

在气体可在质量过滤器中进行分析之前,它们首先必须在离 子源中通过电子撞击进行电离(图 6.6)。电子从电加热的阴 极(金属丝)中发射出来。在阳极和阴极之间施加电压,从 而使电子加速。存在于阳极和阴极之间形成空间里的中性气 体分子通过电子之间的碰撞发生电离,形成单个和多个正离 子。碰撞电子的能量对将要形成的离子数量和类型都有显著 影响。

轴向离子源的截面

图 6.6: 轴向离子源的截面

中性粒子的电离在 10 和 30 eV(表观电势)之间最小的电子 能量时开始。随着电子能量上升(加速电压),形成的离子 数量快速增加,最多达到 50 至 150 eV,这取决于所涉及的 气体类型,然后随着能量的继续上升而缓慢减少。由于离子 的产量,且质谱仪的灵敏度因此应尽可能地大,通常使用 70 和 100 eV 之间的电子能量。

电离是电子能量的函数

图 6.7: 电离是电子能量的函数

气体成分 K 的离子电流 $I_{K+}$ 可以从以下关系中计算得出:

\[I_{K+}=i_{\bar{}} \cdot I_e \cdot s \cdot p_K\]

公式 6-13: 离子电流

其中:

$i_{\bar{}}$ = 电子电流(发射电流),单位 A
$I_e$ = 电子平均路径长度,单位 cm
$s$ K 截面上的微分电离影响因子,单位 1/(cm · hPa)
$p_K$ = 气体成分 K 的分压,单位 hPa

当电离复杂分子时,会形成许多类型的离子。除了单个和多 个带电子的离子, (ABC+, ABC++)碎片离子也会出现。

  • ABC+ 2e-
  • ABC++ + 3e-
  • AB+ + C + 2e-
  • BC+ + A + 2e-
  • A+ + BC + 2e-
  • C+ + AB + 2e-
  • B+ + A + C + 2e-

除了这些类型之外,也可能形成复合离子,如 AC+。各个类 型离子的出现及其相对频率是一定类型分子的特性,并在识 别分子中作为重要的辅助手段,因此将其作为定性气体分析 中的一种辅助手段。图 6.8 显示了在电子能量为 70 eV 时记 录的简单分子 CO2 的碎片离子分布(分裂图型或碎片图型)。

离子源和最佳金属丝材料的选择是基于测量任务所规定的要 求。应用通常离子源要求会相互矛盾。为了达到最佳的效 果,离子源必须与测量任务需求相一致。这导致不同类型离 子源的开发,这些离子源几乎都可以配备由铼 (Re)、钨或镝 化铱(Y2O3/Ir) 制成的阴极。在 UHV 范围或铼 (Re) 蒸气压 在其中具有干扰影响的应用中,钨 (W) 阴极是优选。然而, 由于钨/碳/氧循环导致钨阴极的易脆性,必须加以考虑;即: 由于 W2C 的形成。如今,越来越多地使用镝化铱来代替过去 使用的纯金属阴极。这些阴极的优势是其显著降低的工作温 度和对空气侵入的相对不敏感性。因此,使用这些阴极的优 选领域是对温度敏感物质的分析(例如,有机金属化合物) 或是对含有高浓度氧气的气体混合物中污染物的分析。

下文在离子源属性和应用领域的基础上描述了各种离子源。

CO<sub>2</sub>的碎片离子分布

图 6.8: CO2的碎片离子分布

材料 温度 适用气体 备注
Y2 O3 / lr 1,300 °C 惰性气体、空气 / O2, NOx, SOx 使用卤素会缩短使用寿命,对高浓度 O2 不敏感,从 O2 或 H2O 环境中产生 CO / CO2
W 1,800 °C 惰性气体、H2、卤素、 氟利昂 使用 O2 应用时缩短使用寿命,从 O2 或 H2O 环境 中产生 CO / CO2 , C 会导致金属丝脆性增强
Re 1,800 °C 惰性气体、烃类、H2、卤素、氟利昂 由于材料蒸发,金属丝使用寿命大约三个月, 与烃类一起使用

图 6.1: 金属丝材料及其用途

所有离子源的共同特点是它们可以连接至高达 150 V 的电 势。这避免了因 EID 离子导致的信号背景,(EID = 电子碰 撞解吸,也称为:ESD = 电子诱导脱附)。稍后将详细说明 该技术。

轴向离子源

该离子源的特点是其极其坚固的机械设计和高灵敏度。由于 其开放式结构,它主要用于高真空系统中的残余气体分 析。图 6.6 显示了轴向离子源的示意图。阴极 (1) 布置在 维纳尔电极 (2) 中的孔内,并在一侧与该电极相连。被阳极 (3) 加速的电子在形成区域 (4) 中电离气体分子。正离子通过 引出孔 (5) 到达质量过滤器。由于其相对开放的结构,通过解 吸和表面反应,只有轻微的数据偏差。

网格离子源

网格离子源

图 6.9: 网格离子源

网格离子源用于检查 UHV 或者甚至 XHV 应用中的残余气 体。其极其开放的结构和材料的选择确保了非常低的内部气 体释放。该离子源配备了两个可同时加热脱气的钨丝。如果 在低于 10-11 hPa 的压力下执行工作,特别是为此目的,应 使用已经充分脱气的杆系统。在低于 10-10 hPa 压力范围内 的测量可能受到所谓的 EID(电子碰撞解吸)影响产生离子 的数据偏差。[32]。 这些 (H+, O+, F+, Cl+) 离子直接通过表面 的电子碰撞进行解吸,通常具有高产额。EID 离子来自 UHV 设备前期的吸附涂层或离子源,通常具有几个 eV 的初始能 量。此属性通过仔细选择场轴电压来加以利用,以抑制相对 于来自气相、具有能量大约为 100 eV 离子的 EID 离子(图 6.10)。

EID 离子的辨别

图 6.10: EID 离子的辨别

交叉束离子源

交叉束离子源

图 6.11: 交叉束离子源

交叉束离子源(图 6.11)允许垂直和平行于系统轴的分子束 直接通行。系统使用预先选定的能量 (0 – 120 eV) 从左侧或 右侧金属丝 (1) 将电子发射到形成区域 (3)。金属丝电势处的 维纳尔圆柱电极 (4) 能够防止电子散射到环境中去。由于电 子能量可在较宽的范围内进行设置,所以该离子源可用于确 定表观电势。交叉束离子源非常精确地保持离子以射入状态 进入质量过滤器。交叉束离子源用于诊断捆绑式分子束。在 该过程中,分子束垂直于投影平面轴射入形成区域(图6.11 )。在通过离子源 (7) 后,非电离中性气体分子引导进入泵 中或进入冷阱中进行冷凝。具有这种类型离子源的质谱仪也 用作分子束外延的“速度计”。

气密离子源
上述离子源也可用在密闭式版本中。如果只提供少量的样气 或如果残余气体产生的信号背景需要有效地被抑制,则使用 密闭式离子源。在这种结构中,进气系统(如加热毛细管) 和离子源必须相互匹配。通过离子源的流导,流入的气体体 积将确定形成区域中的压力,该压力可以是周围真空室中压 力的倍数。现在,将通过举例的方式使用轴向离子源说明其 工作原理。。

密闭式轴向离子源

图 6.12: 密闭式轴向离子源

将待分析的气体直接通过处于低电势的金属毛细管 (6) 和绝 缘管 (5) 引入到形成区域 (4)。由垫圈 (7) 提供绝缘。真空室 流导大约为 1 l/s。

SPM 离子源

图 6.13: SPM 离子源

溅射工艺监控器 (SPM) 离子源
在该离子源中,形成区域 (7) 与工艺室直接相连。分析仪配 备了小型分子泵(1),该泵站也将阴极空间 (5) 抽空至大约 10-5 hPa。电子通过小孔从低压侧射入形成区域 (7),以便电 离气体。由此形成的离子通过低压侧的小开口被引入到质量 过滤器。该离子源为溅射工艺中检查气体组成提供两个关键 优势。一方面,分析在高达三个数量级以上的离子源压力下 进行;即:真空室中可以承受较高的工艺压力。另一方面, 热金属丝不与溅射工艺直接接触。这避免了热阴极在敏感工 艺中造成的污染。

标准的 PrismaPlus 离子源
普发真空的 PrismaPlus 质谱仪配备了这一功能强大、高度灵 敏的离子源。它是一种特别适合于残余气体分析的离子源。 它的设计类似于网格离子源,具有两个阴极,从而保证了操 作的可靠性。可同时提供开放式版本和密闭式版本,密闭式 版本的进气口在轴向方向。

PrismaPlus 离子源

图 6.14: PrismaPlus 离子源

这里描述的所有离子源均通过电子碰撞方式进行电离。离子 源可分为两类:

  • 如果待分析气体所处的高真空 < 1 · 10-4 hPa 时 ,则使用 开放式离子源。
  • 封闭式离子源用作分析应用中,例如,在只提供少量样气 或减少质谱仪真空系统的背景影响时。

封闭式离子源与差动排气系统(图 6.13)结合使用,以便分 析压力较高的气体。