Dispositivo electroóptico y método para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía.

Dispositivo electroóptico y método para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía.

Se describe un dispositivo electroóptico formado por tres elementos consecutivos: una primera lente Einzel, un elemento cilíndrico y una segunda lente Einzel, cuyo uso permite enfocar y frenar haces iónicos de gran densidad y energía. Esto se lleva a cabo mediante la utilización de pulsos de voltaje aplicados al elemento cilíndrico mientras es atravesado por los iones. Paralelamente, el uso de las dos lentes Einzel permite enfocar el haz de iones y asegurar una gran densidad de corriente en el plano imagen.

Este dispositivo resulta de gran utilidad en aplicaciones espectroscópicas y analíticas para detectar especies iónicas con gran resolución y sensibilidad, así como en otros usos más tecnológicos como el grabado o la implantación iónica en la industria de semiconductores u otras similares.

Dispositivo electroóptico y método para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía.

Sector de la técnica

Esta invención se encuadra en el sector de la tecnologías para análisis instrumental, más concretamente en el de fabricación de aparatos para el manejo de haces iónicos.

Estado de la técnica

Desde el comienzo de la espectrometría de masas los científicos han mostrado una cierta fascinación por estudiar la estructura, energía y reactividad de los iones, tanto positivos (cationes) como negativos (aniones). Sin embargo, los estudios espectroscópicos de estas especies han presentado serias dificultades; por una parte debido a la baja densidad de las fuentes y de otra, debido a las condiciones extremas en las que normalmente había que producirlos.

Este escenario hizo que los primeros estudios tuvieran lugar midiendo los espectros de emisión de las descargas cuya complejidad, baja densidad y variedad de estados excitados hacía difícil la asignación de bandas y la subsiguiente identificación de las especies presentes. Estas dificultades estimularon el desarrollo de técnicas sofisticadas para producir iones específicos con altos rendimientos, lo que sin duda ha conducido a que hoy día la espectroscopia iónica sea un campo científico de gran relevancia.

En la actualidad el estudio de iones moleculares y su interacción con gases o materia condensada constituye un campo científico de gran interés tanto en investigaeión básica como en diversas aplicaciones tecnológicas.

Áreas científicas tan diversas como; la Espectroscopia Molecular y la Química Analítica, la Astrofísica, la Física de plasmas, la Biofísica o la Implantación de iones en la industria de semiconductores, son claros ejemplos donde la experimentación con iones resulta imprescindible para el aumento del conocimiento y su desarrollo tecnológico.

El desarrollo de la espectroscopia de iones de alta sensibilidad descansa en tres aspectos esenciales para tal fin: a) la fuente de iones, b) la selección de la masa de los iones y c) su detección óptica.

El primer requisito implica la preparación del ion a estudiar con una gran densidad. En general todos los esquemas de producción de iones producen una mezcla de iones, por lo que la selección de su masa es imprescindible para su identificación. Sin embargo, la selección de la masa de los iones debe preservar su densidad, lo que demanda guiar los iones de una manera adecuada hacia la zona donde tiene lugar la medida con técnicas de gran sensibilidad.

En algunos esquemas experimentales se usa la espectroscopia láser para garantizar la gran sensibilidad del método, mientras que en otros esquemas los iones se almacenan, por ejemplo, en trampas para integrar la densidad o aumentar el tiempo de interacción.

En general, dos han sido las técnicas más empleadas para la producción de aniones: a) el bombardeo electrónico y b) la descarga eléctrica, bien continua o pulsada, de alto voltaje, generalmente en haz molecular y, específicamente, en la zona de expansión supersónica. Estos métodos han sido aplicados por diversos grupos científicos, como por ejemplo, entre otros, los de Linenberger (Ervin K.M. and Lineberger W.C., Advances in Gas Phase lons Chemistry, Ed. Adams, N.G. and Babcock, L.M. 1992), Neumark (Neumark D.M., J. Chem. Phys., 2006, 125, 132303) y McCarthy (McCarthy M.C. et al, Asthophys. J, 2006, 652, L141, McCarthy M.C. ct al J. Chem. Phys., 2008, 129, 054314) que han realizado contribuciones muy notables no solo en la espectroscopia de aniones, aislados o solvatados, es decir en forma de clusters, sino también en el estudio de su dinámica de fotodisociación.

En lo que concierne a los métodos de detección, la técnica de espectroscopia de fotoelectrones ( Photo-Electron Spectroscopy PES) es la más convencional y usada para analizar la estructura molecular de los aniones. En ella el anión es excitado mediante un fotón láser que extrae el electrón.

La técnica PES se ha usado para el estudio de una gran variedad de sistemas como átomos, moléculas orgánicas, complejos metal-ligando así como una gran variedad de elusters y especies aniónicas.

Por otra parte recientemente se ha desarrollado la técnica MALDI (Matrix-Assisted Láser Desorption Iunization) para el análisis químico de biomoléculas y polímeros que, conectada a la espectrometría de masas por transformada de Fourier acoplada a la resonancia de ion ciclotrón, ha supuesto un gran avance en el análisis químico de estos compuestos. El inconveniente más notorio de estas técnicas es la gran dificultad en atrapar eficientemente los iones de mayor masa.

Los últimos años han visto un incremento notable de la investigación con haces de iones de baja energía debido a su papel relevante en Astrofísica, su creciente aplicación en grabados en seco, en el crecimiento de películas y en la implantación de iones.

El método más adecuado para obtener haces iónicos intensos es extraerlos de una fuente adecuada usando un voltaje óptimo que garantice su intensidad. Normalmente la separación de las especies iónicas de distinta masa se lleva a cabo usando un filtro magnético. Posteriormente la energía cinética de los iones se cambia al valor deseado mediante el uso de lentes eléctricas, para acelerar o dcsacclerar los iones según la aplicación requerida.

Al objeto de maximizar la interacción entre, por ejemplo, un láser y la nube de iones, si se trata de realizar una medida espectroscópica, el esquema experimental más usado consiste en guiar el haz iónico con una gran energía para evitar pérdidas por repulsión de carga espacial y, tras aplicar un filtro para seleccionar la masa del ion a estudiar, aplicar algún método para dcsacclerar el haz antes de que entre en la zona de interacción con la radiación láser.

La desaceleración de un haz iónico para reducir su energía cinética no es un tema trivial ya que el campo desacelerador actúa también como una lente cambiando, por tanto, la forma espacial del haz.

El ensanchamiento del diámetro del haz iónico debido a la repulsión de la carga espacial durante su propagación es un grave inconveniente en cualquier aparato donde se trabaje con estos haces de baja energía.

Dicho ensanchamiento reduce la intensidad del haz y su densidad de corriente al incidir sobre el objeto donde se quiere aplicar o al atravesar la zona de interacción donde se efectúa la medida correspondiente. Puesto que el grado de ensanchamiento aumenta con el cociente entre la velocidad radial y la velocidad axial del mencionado haz resulta necesario el uso de óptica electrostática con el fin de reducir la divergencia de estos haces.

Un método normalmente usado para desacelerar un haz de iones es el empleo de un electrodo de varios elementos, por ejemplo tres, llamado lente zoom (Liebl et al, Re. Sci. Instrum., 1987, 58 (10), 1830) en el cual el cociente de desaceleración viene determinado por el cociente entre los voltajes del tercer y primer electrodo, mientras el segundo elemento, el intermedio, se usa para ajustar la distancia de la imagen, es decir, como elemento de enfoque.

En la bibliografía se han publicado diversos tipos de lentes desaceleradoras entre las que se pueden citar las de Hermán de 13 electrodos (Hermán et al, Rev. Sci. Instrum., 1969, 40, 538) que logra desacelerar haces iónicos hasta 30 eV, y la de Liebl et al (Rev. Sci. Instrum., 1987, 58 (10), 1830), ambas con tres elementos, retrasando haces iónicos hasta energías de 50 eV y 100 eV, respectivamente.

También hay que citar la patente US 2002/0100880A1 donde se describe el uso de un juego de electrodos que enfocan y filtran los iones según su energía. Este desarrollo está diseñado para reducir la energía de los iones hasta energías por debajo de IkeV (típicamente 0,5keV) consiguiendo eliminar la contaminación de energía de las partículas neutras y controlar la implantación de iones en la industria de semiconductores.

Análogos desarrollos se han llevado a cabo para implantar iones en la preparación de semiconductores, procedimientos adecuados para bajas densidades de iones, como se protege en la patente US 6441382B1.

En la patente US 5196706 se describe un desacelerador de iones formado por dos lentes, cada una de tres electrodos, que permite optimizar la energía de los iones bajo determinadas condiciones para llevar a cabo la deposición de los iones, aunque en esta invención no se describe la eficiencia en la eliminación de las partículas neutras que viajan con los iones.

Recientemente se ha desarrollado un nuevo método de desaceleración de iones adecuado para su acoplamiento en la espectroscopia de resonancia de ion ciclotrón por transformada...

1. Dispositivo electroóptieo para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía caracterizado porque comprende, al menos.

a) una primera lente Einzcl (1),

b) un elemento cilindrico intermedio (2), e) una segunda lente Einzcl (3),

d) medios para sujetar y alinear los elementos entre sí y con el haz de iones.

2. Dispositivo electroóptieo para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según la reivindicación 1 caracterizado porque la primera lente Einzcl (1) está formada por tres discos (11), (12) y (13) cuyos diámetros externo e interno se optimizan según la aplicación en la que van a ser utilizados.

3. Dispositivo electroóptieo para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según la reivindicación 1 caracterizado porque el elemento cilindrico intermedio (2) está situado entre las dos lentes Einzel y porque está fabricado en cualquier material conductor.

4. Dispositivo electroóptieo para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según la reivindicación 1 caracterizado porque la segunda lente Einzel (3) está formada por tres discos (31), (32) y (33).

5. Dispositivo electroóptieo para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según las reivindicaciones 1 y 4 caracterizado porque los discos laterales (31) y (33) son simétricos entre sí y más largos que el diseo central.

6. Dispositivo electroóptieo para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según las reivindicaciones 1, 2, 4 y 5 caracterizado porque los discos (11), (12,) (13), (31), (32) y (33) de las lentes Einzel (1) y (2) están fabricados en cualquier material conductor.

7. Dispositivo electroóptieo para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5 y 6 caracterizado porque el material conductor es duraluminio.

8. Dispositivo electroóptico para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según las reivindicaciones 1, 2, 4 y 5 caracterizado porque los discos (11), (12,) (13), (31), (32) y (33) de las lentes Einzel (1) y (2) están aislados eléctricamente entre sí por medio de piezas de cualquier material aislante.

9. Dispositivo electroóptico para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según las reivindicaciones 1, 2, 4, 5 y 8 caracterizado porque el material aislante es cerámica.

10. Dispositivo electroóptico para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según las reivindicaciones 1,2, 4, 5 y 8 caracterizado porque el material aislante es macor.

11. Dispositivo electroóptico para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según las reivindicaciones 1, 2, 4 y 5 caracterizado porque los discos (11), (12,) (13), (31), (32) y (33) de las lentes Einzel (1) y (2) tienen un agujero roscado en su parte superior para conectarlos, mediante un cable eléctrico, a un determinado potencial.

12. Dispositivo electroóptico para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según la reivindicación 1 caracterizado porque todos los elementos tienen cuatro agujeros a 90° grados por donde se introducen los medios para sujetar y alinear los elementos entre sí y con el haz de iones y porque estos medios son cuatro varillas roseadas introducidas en dichos agujeros.

13. Dispositivo electroóptico para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según las reivindicaciones 1 y 12 caracterizado porque las varillas van roscadas a la fuente de iones y porque se garantiza que la dirección del haz de iones está bien alineado a lo largo del eje central del dispositivo.

14. Método para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía utilizando el dispositivo electroóptico señalado en de las reivindicaciones 1-13 que comprende al menos las fases:

- incidir un haz de iones en la primera lente Einzel (1) del dispositivo;

- variar el voltaje del disco de enfoque (12) de la primera lente Einzel (1) hasta conseguir el enfoque máximo, la máxima señal, en el detector de iones;

- incidir el haz de iones en el interior del elemento cilindrico (2);

- aplicar un voltaje determinado al elemento cilindrico (2);

- llevar el voltaje del elemento cilindrico (2) a cero llevando éste a masa;

- frenar o decelerar el haz de iones en el interior del elemento cilindrico (2);

- incidir un haz de iones en la segunda lente Einzel (3) del dispositivo;

- variar el voltaje del disco de enfoque (32) de la segunda lente Einzel;

- enfocar el haz de iones saliente en el punto imagen deseado, disminuyendo su divergencia,

- medir la intensidad del haz y grabar los pulsos para realizar medidas comparativas.

15. Método para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según la reivindicación 14 caracterizado porque cuando lo iones con una energía cinética Ei están dentro del elemento cilindrico (2) y se aplica un voltaje determinado, los iones continúan moviéndose dentro de él con una energía E2 y porque E2 es menor que E¡.

16. Método para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según las reivindicaciones 14 y 15 caracterizado porque el voltaje aplicado es tal que, multiplicado por la carga del electrón, es igual a la diferencia entre la energía cinética inicial Ei menos la energía energética linal E2.

17. Método para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según la reivindicación 14 caracterizado porque trabaja con haces de iones con una energía cinética comprendida entre 0 y 10 KeV.

18. Método para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según la reivindicación 14 caracterizado porque trabaja con haces de iones tanto positivos eomo negativos.

19. Método para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según las reivindicaciones 14 y 18 caracterizado porque cuando el haz está formado por cationes el voltaje utilizado es positivo.

20. Método para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según las reivindicaciones 14 y 18 caracterizado porque cuando el haz está formado por aniones el voltaje utilizado es negativo.

21. Método para obtener haces iónicos de gran densidad y baja energía según la reivindicación 14 caracterizado porque trabaja con haces de iones tanto pulsados como continuos.