ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОР С УГЛОВЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ Российский патент 2012 года по МПК H01J49/28 

Изобретение относится к области энергетического анализа потоков заряженных частиц, возбуждаемых первичным, например, синхротронным излучением с поверхности твердого тела и может быть использовано для улучшения аналитических, эксплуатационных и потребительских свойств электронных спектрометров с угловым разрешением, используемых для исследования объектов микро- и наноэлектроники методами электронной спектроскопии.

Для обнаружения заряженных частиц с характеристическими энергиями необходимо выделять частицы, находящиеся в узком интервале энергий ΔЕ, для чего используют устройства, называемые энергоанализаторами.

Известен [1] электростатический энергоанализатор потоков заряженных вторичных частиц, обеспечивающий фокусировку 2-го порядка вблизи траектории с начальным углом 90° и состоящий из двух ступеней - сферической и цилиндрической. Регистрация коллектором вторичных частиц с определенной кинетической энергией достигается размещением в точке фокуса дырочной диафрагмы и подачей на внешнюю сферу и внешний цилиндр соответствующих потенциалов. Регистрация полярных углов эмиссии вторичных электронов во всем диапазоне -90÷+90° достигается использованием в качестве коллектора позиционно-чувствительного регистрирующего устройства. Регистрация азимутальных углов во всем диапазоне 0÷360° достигается последовательным вращением исследуемого образца вокруг нормали к его поверхности.

К недостаткам известного устройства относится сложность конструкции, состоящей из двух ступеней, и невысокий (второй) порядок угловой фокусировки.

Наиболее близким к предлагаемому является электростатический анализатор [2] энергий заряженных частиц, содержащий коаксиально расположенные внешний и внутренний тороиды, торцевые конусообразные заземленные электроды с выполненными в них прорезями для пролета электронов, конусообразную систему фокусировки и транспортировки частиц на приемник, приемник частиц на основе позиционно-чувствительного детектора с размещенной перед ним диафрагмой и блок развертки потенциала, подключенный к тороидам.

Недостатки указного анализатора - сложная тороидальная конфигурация электродов, необходимость использования системы фокусировки и транспортировки электронного потока на ось симметрии и невысокий (второй) порядок угловой фокусировки вблизи центральной траектории с начальным углом 90°.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в улучшении эксплуатационных параметров анализаторов - энергетического и углового разрешений, с одновременным упрощением конструкции.

Решение указанной задачи достигается тем, что электростатический энергоанализатор с угловым разрешением содержит два коаксиально расположенных электрода, один из которых соединен с блоком развертки, а другой заземлен; электроды выполнены цилиндрической формы, один из них внешний, а другой - внутренний, причем внешний электрод, соединенный с блоком развертки своими торцами, механически и электрически связан соответственно с введенными двумя коаксиально расположенными кольцевыми электродами.

На фиг.1 изображена схема исследований угловых зависимостей. Точечный источник, расположенный на оси Z электростатического анализатора, испускает веерообразный поток заряженных частиц, средняя плоскость которого перпендикулярна оси Z (α=90°). После прохождения электростатического поля этот поток формирует изображение, отображаемое на позиционно-чувствительный детектор (ПЧД). Координаты точек изображения зависят от энергии потока вследствие дисперсионных свойств анализатора и полярного угла φ вылета каждого электрона из образца. Диафрагма анализатора «вырезает» из выходного потока электроны в определенной полосе начальных энергий. "Мгновенный" анализ выходного потока по полярному углу φ с помощью ПЧД при последовательном вращении зондируемого образца вокруг нормали позволяет исследовать распределение фотоэлектронов, энергия которых соответствует энергии настройки по полярному углу φ в диапазоне -90÷+90° и по азимутальному углу θ в диапазоне 0÷360°.

На фиг.2 представлена электронно-оптическая схема анализатора. Электростатический анализатор энергий и начальных углов движения заряженных частиц состоит из внутреннего цилиндрического электрода 1 с входной 2 и выходной 3 кольцевыми прорезями на боковой поверхности, внешнего цилиндрического электрода 4, механически и электрически связанного с ближним 5 и дальним 6 по отношению к входной прорези 2 кольцеобразными электродами, диафрагмы 7, приемника частиц 8 и электростатического экрана 13. Анализатор содержит также блок развертки 9, подключенный к внешнему цилиндру 4.

Радиус внешнего цилиндра составляет (2.000±0.001)а, длина цилиндров (1.68±0.01)а, меньший радиус дальнего кольцевого электрода (1.38±0.01)а, радиус диафрагмы (0.0020±0.0001)а, расстояние между плоскостью диафрагмы и обращенной внутрь анализатора поверхностью ближнего кольцеобразного электрода (1.48±0.01)а, расстояние между источником частиц и обращенной внутрь анализатора поверхностью ближнего кольцеобразного электрода (0.24±0.01)а, где а - радиус внутреннего цилиндра.

Анализатор работает следующим образом. На внешний цилиндр 4 с блока развертки подается отклоняющий потенциал V относительно внутреннего цилиндра 1 с полярностью, совпадающей с полярностью анализируемых частиц. Внутренний цилиндр 1 и экран 13 заземляются. Поток вторичных электронов 10, выбитых из образца 11, преодолев пространство свободного дрейфа за счет начальной энергии через входную прорезь 2, попадает в область анализирующего поля, созданного потенциалами на электродах 1, 4, 5 и 6. Отклоненные полем заряженные частицы выходят из анализирующего поля через выходную прорезь 3, проходят ограничивающую апертуру 7 и попадают в приемник 8. Анализатор имеет полосовую функцию пропускания, т.е. на вход приемника 8 попадают лишь частицы с определенным интервалом энергий. Причем отклоняющее поле анализатора обеспечивает четвертый порядок угловой фокусировки, что приводит к десятикратному уменьшению полосы пропускания по сравнению со случаем второго порядка фокусировки. Меняя напряжение, подаваемое на внешний цилиндр 4, можно получить весь энергетический спектр вторичных частиц, испущенных образцом 11. Фиксируя угловую координату φ с помощью позиционно-чувствительного регистрирующего устройства, можно исследовать угловые зависимости анализируемого потока частиц в полном диапазоне углов от -90 до 90°. Последовательное вращение образца вокруг вектора нормали 12 к его поверхности позволяет измерить зависимости интенсивности регистрируемого сигнала во всем диапазоне полярных и азимутальных углов.

Таким образом, предлагаемый анализатор за счет изменения электродной конфигурации и, как следствие, повышения порядка фокусировки позволяет получить более высокую разрешающую способность по энергиям и углам, чем у прототипа, причем при значительно более простой конфигурации электродов.

Изобретение относится к области энергетического анализа потоков заряженных частиц, возбуждаемых первичным, например, синхротронным излучением с поверхности твердого тела. Технический результат - улучшение аналитических, эксплуатационных и потребительских свойств электронных спектрометров с угловым разрешением, используемых для исследования объектов микро- и наноэлектроники методами электронной спектроскопии. Аксиальносимметричный энергоанализатор коробчатого типа реализует схему измерений угловых зависимостей в полном диапазоне полярных и азимутальных улов с помощью позиционно-чувствительного детектора. Электронно-оптическая схема энергоанализатора обеспечивает угловую фокусировку четвертого порядка вблизи центральной траектории с начальным полярным углом 90°. Фокусировка четвертого порядка является критерием высокого качества энергоанализатора, поскольку в этом случае значительно ослабляется противоречие, заключенное в требовании одновременно высоких значений светосилы и разрешающей способности, по сравнению со случаем фокусировок более низких порядков. Анализатор с энергетическим и угловым разрешением, построенный по предлагаемой схеме, способен обеспечить относительное энергетическое разрешение менее чем 0.1% и угловое разрешение меньше 0.5 градуса, что более чем на порядок улучшает потребительские и эксплуатационные параметры приборов такого типа при значительно более простой конфигурации электродов. 2 ил.

Электростатический энергоанализатор с угловым разрешением, содержащий два коаксиально расположенных электрода, один из которых соединен с блоком развертки, отличающийся тем, что электроды выполнены цилиндрической формы, один из них внешний, а другой внутренний, причем внешний электрод, соединенный с блоком развертки, своими торцами механически и электрически связан соответственно с введенными двумя кольцевыми электродами.