ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ЭНЕРГИЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2013 года по МПК H01J49/22 

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

Для обнаружения заряженных частиц с характеристическими энергиями необходимо выделять частицы, находящиеся в узком интервале энергий ΔE, для чего используют устройства, называемые энергоанализаторами. Показателем качества энергоанализаторов зеркального типа является порядок угловой фокусировки. Порядок N фокусировки выражается количеством N нулевых слагаемых в разложении в ряд Тейлора координаты частицы в фокальной плоскости по начальному углу движения. Чем больше порядок N фокусировки, тем слабее противоречие при реализации одновременно высоких значений разрешающей способности по энергии и светосилы (чувствительности) анализатора.

Для практики проведения исследований объектов важна величина расстояния между анализатором и исследуемым образцом, которое условно можно назвать фокусным расстоянием. Большое расстояние позволяет разместить в непосредственной близости от образца, либо дополнительные аналитические устройства, например, масс-анализаторы, либо источники микрочастиц, например, ионные пушки для очистки или стравливания слоев образца.

Наиболее используемыми в оже-спектроскопии энергоанализаторами являются анализаторы на базе цилиндрической оптики с коаксиально встраиваемыми электронными пушками.

Известен электростатический энергоанализатор [1] типа цилиндрическое зеркало, состоящий из коаксиально расположенных внешнего и внутреннего цилиндрических электродов, с выполненными во внутреннем цилиндрическом электроде и затянутыми мелкоструктурной металлической сеткой прорезями для пролета электронов, систему компенсации краевых искажений поля идеального цилиндрического конденсатора, состоящую из изготовленных с высокой точностью чередующихся керамических и металлических корректирующих колец, находящихся под соответствующими потенциалами. Анализатор с тремя и более парами корректирующих колец обеспечивает угловую фокусировку второго порядка вблизи центрального угла 42°.

К недостатку известного устройства относится малое фокусное расстояние, определяемое косинусом угла 42°.

Наиболее близким к предлагаемому является электростатический гексапольно-цилиндрический энергоанализатор [2], поле которого представляет собой суперпозицию цилиндрического поля и кругового гексаполя и формируется между двумя осесимметричными коаксиальными электродами, один из которых (внутренний) имеет цилиндрическую форму и находится под потенциалом земли, профиль второго внешнего электрода с отклоняющим потенциалом V повторяет эквипотенциаль гексапольно-цилиндрического поля, с выполненными во внутреннем цилиндрическом электроде и затянутыми мелкоструктурной металлической сеткой прорезями для пролета электронов. Энергоанализатор содержит приемник частиц на основе вторичного электронного умножителя с размещенной перед ним кольцевой диафрагмой и блок развертки потенциала, подключенный к внешнему электроду. Анализатор обеспечивает угловую фокусировку второго порядка вблизи центрального угла 37°.

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

К недостаткам известного устройства относится малая величина для разрешения проблемы совмещения нескольких устройств вблизи одного исследуемого образца фокусного расстояния, определяемого косинусом угла 37° и лишь приблизительно в cos37°/cos42°~1.1 раз превосходящего фокусное расстояние аналога.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении важного эксплуатационного параметра анализаторов - фокусного расстояния.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого анализатора.

Решение указанной задачи достигается тем, что электростатический энергоанализатор заряженных частиц содержит коаксиально размещенные внутренний 1 и внешний 2 цилиндрические электроды, экранирующий электрод 3, электрически связанный с внутренним цилиндрическим электродом 1; конический электрод 4 с углом наклона образующей конуса около 32°, электрически и механически связанный с внешним цилиндрическим электродом 2, корректирующее кольцо 5, электрически изолированное от цилиндрических электродов 1 и 2, выполненные на боковой поверхности внутреннего 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 кольцевую диафрагму 12, приемник электронов 13, блок развертки 14 потенциала V внешнего цилиндрического электрода 2, делитель 15 напряжения развертки, подключаемый к корректирующему кольцу 5, при этом вблизи входного окна 6 размещается конический электрод 4, создающий электростатическое поле в рабочем пространстве анализатора, обеспечивающее угловую фокусировку второго порядка с центральным углом 20°, величина которого позволяет практически максимально возможным образом увеличить расстояние между образцом 9 и анализатором с коаксиально встроенной электронной пушкой 10.

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 цилиндричеком электроде 1, затянутое мелкоструктурной металлической сеткой, попадает в отклоняющее и фокусирующее электростатическое поле, существенно отличающееся от цилиндрического при входе электронов 8 в пространство между цилиндрическими электродами 1 и 2 и приблизительно являющееся цилиндрическим при их выходе и созданное отрицательным потенциалом V на внешнем цилиндрическом электроде 2 и коническом электроде 4, а также потенциалом 0.5 V на корректирующем электроде 5, допускающем плавную регулировку в реальном эксперименте. 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 между цилиндрическими электродами 1 и 2. 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 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 электронов, по которым можно судить об элементном и химическом составе поверхности образца.

При внешнем радиусе экранирующего электрода 3 равном 40 мм длина устройства составляет 170 мм, радиус внутреннего цилиндрического электрода 1 составляет 17.5 мм, радиус внешнего цилиндрического электрода 2 составляет 35 мм, угол наклона конического электрода 4 приблизительно 32°, угол наклона конической части экранирующего электрода 3 может иметь величину 32°-45°; расстояние от анализатора до образца - 20 мм. Отношение потенциала V к энергии электронов E₀ примерно равно 5.3, внутренний радиус корректирующего кольца 5 равен 21.8 мм, его внешний радиус - 28 мм, величина изолирующего промежутка между корректирующим кольцом 5 и внутренним 1 и внешним 2 цилиндрическими электродами, а также между внутренним цилиндрическим электродом 1 и коническим электродом 4 составляет приблизительно 1 мм; радиус кольцевой диафрагмы приблизительно 10 мм, ее апертура около 2.23 мм.

Анализатор обладает угловой фокусировкой второго порядка типа «ось-кольцо» и обеспечивает фокусное расстояние приблизительно в 1.5 раза большее, чем у аналога и прототипа при тех же габаритах, и являющееся практическим пределом для аксиально-симметричных анализаторов с коаксиально встроенной электронной пушкой.

ЛИТЕРАТУРА

1. 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.

2. Саулебеков А.О., Трубицын А.А., Камбарова Ж.Т. Компьютерное моделирование электростатического гексапольно-цилиндрического зеркального энергоанализатора // Вестник Карагандинского университета. Серия ФИЗИКА. - Караганда, Издательство КарГУ им. Е.А. Букетова. - 2011. - №3 (63) - С.37-41.

Изобретение относится к области энергетического анализа потоков заряженных частиц, возбуждаемых первичными электронами с поверхности твердого тела, и может быть использовано для улучшения аналитических и потребительских свойств электронных спектрометров, используемых для исследования объектов твердотельной электроники методами электронной спектроскопии. Технический результат - увеличение фокусного расстояния (расстояния между образцом и анализатором) для размещения вблизи исследуемого образца дополнительных устройств, например масс-анализаторов или ионных пушек. Для значительного уменьшения входного центрального угла размещают вблизи области влета электронов в цилиндрический анализатор конический электрод, создающий электростатическое поле, обеспечивающее угловую фокусировку второго порядка с центральным углом 20°, величина которого позволяет практически максимально возможным образом увеличить расстояние между образцом и анализатором с коаксиально встроенной электронной пушкой. 1 ил.

Электростатический энергоанализатор заряженных частиц, содержащий коаксиально размещенные внутренний и внешний цилиндрические электроды, экранирующий электрод, электрически связанный с внутренним цилиндрическим электродом; конический электрод с углом наклона образующей конуса около 32°, электрически и механически связанный с внешним цилиндрическим электродом, корректирующее кольцо, электрически изолированное от внутреннего и внешнего цилиндрических электродов, выполненные на боковой поверхности внутреннего 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 пучка первичных электронов, выходную кольцевую диафрагму, приемник вторичных электронов, блок развертки потенциала внешнего цилиндрического электрода; делитель напряжения развертки, подключаемый к корректирующему кольцу, отличающийся тем, что вблизи входного окна размещается конический электрод, создающий электростатическое поле в рабочем пространстве анализатора, обеспечивающее угловую фокусировку второго порядка с центральным углом 20°.