ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2013 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к области энергетического анализа потоков заряженных частиц, возбуждаемых первичными электронами с поверхности твердого тела, и может быть использовано для улучшения аналитических, эксплуатационных и потребительских свойств электронных спектрометров, используемых для исследования объектов твердотельной электроники методом электронной оже-спектроскопии.

Для обнаружения заряженных частиц с характеристическими энергиями необходимо выделять частицы, находящиеся в узком интервале энергий ΔЕ, для чего используют устройства, называемые энергоанализаторами. Абсолютное ΔE и относительное R=ΔE/E_o энергетическое разрешение анализатора зеркального типа определяется величиной дисперсии (отклоняющей силы поля) и качеством угловой фокусировки потока анализируемых частиц, где E₀ - энергия настройки анализатора. Качество фокусировки математически выражается порядком N фокусировки - количеством N нулевых слагаемых в разложении в ряд Тейлора координаты частицы в фокальной плоскости по начальному углу движения.

Одним из наиболее используемых в оже-спектроскопии энергоанализаторов является цилиндрический зеркальный анализатор (ЦЗА). В приближении бесконечно длинных цилиндров ЦЗА обеспечивает угловую фокусировку второго порядка (N=2) вблизи центрального угла 40° [1].

В реальных устройствах с цилиндрами конечных размеров применяют различные способы борьбы с краевыми искажениями электрического поля.

Известен цилиндрический зеркальный анализатор [2] с нанесенными концентрическими металлическими кольцами на изолирующих подложках, размещаемых между внутренним и внешним цилиндрическими электродами анализатора с обоих его торцов. Выравнивание краевого поля осуществляется подачей соответствующих потенциалов на металлические кольца через внутренний делитель напряжения, представляющий собой резистивную дорожку, напыленную по радиусу каждой подложки и имеющую омический контакт со всеми кольцами.

К недостаткам известного устройства относятся технологические сложности напыления концентрических колец с требуемой точностью и подгонки сопротивления резистивной дорожки, что является причиной ограничения предельно возможных (в случае идеального поля цилиндрического конденсатора) значений энергетического разрешения.

Наиболее близким к предлагаемому является электростатический энергоанализатор [3] типа цилиндрическое зеркало, содержащий коаксиально расположенные внешний и внутренний цилиндрические электроды, с выполненными во внутреннем цилиндрическом электроде и затянутыми мелкоструктурной металлической сеткой прорезями для пролета электронов, систему защиты от краевых эффектов, состоящую из изготовленных с высокой точностью чередующихся керамических и металлических корректирующих колец, приемник частиц на основе вторичного электронного умножителя с размещенной перед ним кольцевой или дырочной диафрагмой и блок развертки потенциала, подключенный к цилиндрическим электродам анализатора и через внешний делитель напряжения к металлическим корректирующим кольцам. Анализатор с тремя и более парами корректирующих колец обеспечивает угловую фокусировку второго порядка вблизи центрального угла 40°.

Регистрация коллектором вторичных частиц, возбужденных с поверхности исследуемого объекта первичными электронами и имеющих определенную кинетическую энергию, достигается размещением в точке фокуса кольцевой или дырочной диафрагмы и подачей на внешний цилиндрический электрод отклоняющего потенциала.

К недостаткам известного устройства относится невысокий второй порядок угловой фокусировки, что является ограничением снизу величины достигаемого энергетического разрешения R=ΔE/E_o, в частности, R~1.14% при светосиле (телесном угле сбора вторичных электронов) Ω/4π~7%.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в улучшении основного эксплуатационного параметра анализаторов - энергетического разрешения.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого анализатора.

Решение указанной задачи достигается тем, что электростатический энергоанализатор потока заряженных частиц содержит коаксиально размещенные внутренний 1 и внешний 2 цилиндрические электроды, экранирующий электрод 3, электрически связанный с внутренним цилиндрическим электродом 1, внутренние 4 и внешние 5 корректирующие кольца, электрически изолированные друг от друга и от цилиндрических электродов 1 и 2, выполненные на боковой поверхности цилиндрического электрода 1 и затянутые мелкоструктурной металлической сеткой входную 6 и выходную 7 кольцевые прорези (окна) для пролета потока вторичных электронов 8, исследуемый образец 9, встроенную электронную пушку 10 для формирования сфокусированного потока первичных электронов 11, выходную дырочную диафрагму 12, приемник электронов 13, блок развертки 14 потенциала V_b внешнего цилиндрического электрода 2; делитель 15 напряжения развертки, подключаемый к корректирующим кольцам 4 и 5, причем, размещенные ближе к входному окну 6 корректирующие кольца 4 и 5 имеют коническую форму с углом наклона, образующей конуса приблизительно 55°, а корректирующие кольца 4 и 5, размещенные ближе к выходному окну 7, являются дисками с отверстиями. При этом система компенсации краевых эффектов состоит из двух пар корректирующих колец 4 и 5 с потенциалами 0.33V_b на паре внутренних 4 и 0.67V_b на паре внешних 5 корректирующих колец, создающих электростатическое поле в рабочем пространстве анализатора, обеспечивающее угловую фокусировку четвертого порядка вблизи центрального угла 40°, что позволяет приблизительно в 10 раз уменьшить величину апертуры выходной диафрагмы по сравнению со стандартным режимом фокусировки второго порядка и, тем самым, улучшить почти на порядок энергетическое разрешение R устройства без уменьшения его светосилы Ω/4π.

На фиг. 2 представлены функции пропускания по энергии (аппаратные функции) прототипа (а) и предлагаемого анализатора (б).

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый образец 9 облучается потоком первичных электронов 11, в результате чего образец 9 испускает поток вторичных электронов 8, который преодолев пространство свободного дрейфа за счет начальной энергии E₀ между образцом 9 и внутренним цилиндрическим электродом 1 энергоанализатора, через входное окно 6 в цилиндрическом электроде 1, затянутое мелкоструктурной металлической сеткой, попадает в отклоняющее и фокусирующее электростатическое поле, созданное отрицательным потенциалом V_b на внешнем цилиндрическом электроде 2 и отрицательными потенциалами 0.33V_b на внутренних 4 и 0.67V_b на внешних 5 корректирующих кольцах. Электронный поток 8 отклоняется в направлении внутреннего цилиндрического электрода 1 и выходит через выходное окно 7, затянутое мелкоструктурной металлической сеткой, из области градиента электростатического поля. Сфокусированный поток электронов 8, имеющих энергию E₀, проходит через дырочную диафрагму 12 и попадает на приемник 13 электронов.

Цилиндрический электрод 1 и экранирующий электрод 3 анализатора, а также образец 9 заземлены. Экранирующий электрод 3 играет роль электростатического и магнитного экрана.

Электростатический анализатор имеет полосовую функцию пропускания, т.е. на вход приемника 13 электронов попадают вторичные электроны 8, энергия которых лежит в определенной полосе ΔE с центром в E₀. Меняя отклоняющий потенциал V_b можно снять весь энергетический спектр электронов, испускаемых образцом 9.

В регистрирующем устройстве (не показано), соединенным с приемником, энергетический спектр анализируется по энергии, в результате чего выявляются энергетические пики оже-электронов, по которым можно судить об элементном составе поверхности образца.

При внешнем радиусе экранирующего электрода 3, равном 29 мм, длина устройства составляет 56 мм, радиус внутреннего цилиндрического электрода 1 составляет 10 мм, радиус внешнего цилиндрического электрода 2 составляет 25 мм, расстояние от электронной пушки до образца - 6 мм. Отношение потенциала V_b к энергии электронов Е₀ примерно равно 1.43, внутренний радиус внутренних корректирующих колец 4 равен 12.27 мм, их внешний радиус - 15.5 мм, внутренний радиус внешних корректирующих колец 5 равен 16.5 мм, их внешний радиус - 21.54 мм, величина изолирующего промежутка между корректирующими кольцами 4 и 5, а также между внутренним цилиндрическим электродом 1 и внутренними 4 корректирующими кольцами и, в свою очередь, между внешним цилиндрическим электродом 2 и внешними 5 корректирующими кольцами составляет приблизительно 1 мм; причем, размещенные ближе к входному окну 6 корректирующие кольца 4 и 5 имеют коническую форму с углом наклона образующей конуса приблизительно 55°, а корректирующие кольца 4 и 5, размещенные ближе к выходному окну 7, являются дисками с отверстиями, радиус отверстия выходной диафрагмы 12-0.04 мм.

Анализатор обеспечивает угловую фокусировку четвертого порядка типа «ось-ось». При светосиле Ω/4π=7% энергетическое разрешение энергоанализатора R=0.1%, т.е. в десять раз лучше, чем у прототипа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зашквара В.В., Корсунский М.И., Космачев О.С. Фокусирующие свойства электростатического зеркала с цилиндрическим полем // ЖТФ. - 1966. - Т.36, вып.1. - С.132-138.

2. Рэндфроу, Фишбек. Влияние краевого поля на фокусировку электростатического анализатора типа цилиндрического зеркала // ПНИ. - 1975. - Т.46, №5. - С.17-132.

3. Энергетический анализатор для электронной оже-спектроскопии и спектроскопии обратнорассеянных ионов низких энергий / Волков С.С., Горелик В.А., Гутенко В.Т, Протопопов О.Д., Шувалова З.А., Трубицын А.А., Якушев Г.А. // ПТЭ. - 1988. - №5. - С.234.

Изобретение относится к области энергетического анализа потоков заряженных частиц, возбуждаемых первичными электронами с поверхности твердого тела. Сущность изобретения заключается в том, что электростатический энергоанализатор заряженных частиц содержит коаксиально размещенные внутренний и внешний цилиндрические электроды; экранирующий электрод, электрически связанный с внутренним цилиндрическим электродом, внутренние и внешние корректирующие кольца, электрически изолированные друг от друга и от цилиндрических электродов, выполненные на боковой поверхности цилиндрического электрода и затянутые мелкоструктурной металлической сеткой входную и выходную кольцевые прорези (окна) для пролета вторичных электронов, исследуемый образец, встроенную электронную пушку для формирования сфокусированного потока первичных электронов, выходную дырочную диафрагму, приемник электронов, блок развертки потенциала внешнего цилиндрического электрода, делитель напряжения развертки, подключаемый к корректирующим кольцам, причем размещенные ближе к входному окну корректирующие кольца имеют коническую форму, а корректирующие кольца, размещенные ближе к выходному окну, являются дисками с отверстиями, при этом система компенсации краевых эффектов состоит из двух пар корректирующих колец, создающих электростатическое поле в рабочем пространстве анализатора, обеспечивающее угловую фокусировку четвертого порядка вблизи центрального угла 40°. Технический результат - повышение энергетического разрешения. 2 ил.

Электростатический энергоанализатор заряженных частиц, содержащий коаксиально размещенные внутренний и внешний цилиндрические электроды, экранирующий электрод, электрически связанный с внутренним цилиндрическим электродом, внутренние и внешние корректирующие кольца, электрически изолированные друг от друга и от цилиндрических электродов, выполненные на боковой поверхности цилиндрического электрода и затянутые мелкоструктурной металлической сеткой, входную и выходную кольцевые прорези (окна) для пролета вторичных электронов, исследуемый образец, встроенную электронную пушку для формирования сфокусированного потока первичных электронов, выходную дырочную диафрагму, приемник электронов, блок развертки потенциала внешнего цилиндрического электрода, делитель напряжения развертки, подключаемый к корректирующим кольцам, причем размещенные ближе к входному окну корректирующие кольца имеют коническую форму, а корректирующие кольца, размещенные ближе к выходному окну, являются дисками с отверстиями, отличающийся тем, что система компенсации краевых эффектов состоит из двух пар корректирующих колец, создающих электростатическое поле в рабочем пространстве анализатора, обеспечивающее угловую фокусировку четвертого порядка вблизи центрального угла 40°.