Способ анализа поверхности методом спектроскопии обратно рассеянных ионов низких энергий Советский патент 1986 года по МПК H01J49/26 

Изобретение откосится :х :.iiO::;o6a: определения сорта атомон .-: элементов э находяи;ихся на ловер-Х - ности твердьж тел. методом спектроскопии обратно рассеяиньБ ионов г;к- ких э 1ергий i СОРИНЭ; и может бить использовано п по1 уг:роводник:оБс й TexHEiKe, эмиссионной электр:тнк;;е , металловедении, ядеркой физике,

Цель изоб етения повьггаени;: ско рости проведения ана.пиза и цостовгр ности иолучаемой информации способа анализа ноперхности кетодок спектре скопии обратно рассеянных ионов -и-г ких э}1ергий за счет регистраикз- ионов различных элементов,, получа-- емык и ионноу источнике одковрсме::;

KOi

На фиг с 1 доказана схема спектрометра, реа тн ::-гугощего дань ый ci-ioco6; на фиг, 2 - изменения напряжений па выходе источ;-;икг стуиенчато изменьк щегося напряжения UG.K нодк;гючекмс к катоду и аноду ионной пушки ( а ),. на выходе источника ступенчато изменяющегося налрянения Uc, подключг- ного к фильтру Binia ( бК на вьгкоде источника развертывал ядетч капр жеии: и анализатора ( в ) „

Суть метода заключается в оэлу чении исследуемой поверхкост-и i -ioH ;,- кинемат гческими ионами к онредгл-е-- НИИ энергии pacceHHHbDC ионсв j пО - терявших часть энергии при столкновении с атомами поверхности:, EsiM -t- на потерь энергии за.Еисит от мас;сы атома J с котсэрым сталкивается иои: чем больше масса атома. тег меыьгие потери энергии с По модели пругогп соударения твердых ntapoB гцз-и из вестных значениях массы :t,-. и З1т«р-- гии Е первичных ионов. знефглн рассеянньт ионов R.-; и угла расскп-НИЯ & можно вычислить 4аССу ЛТО ч .

ние иона.

1 - -Г

«о

Зная массу атома из таблицу Д.И.Менделеева, можно определить сорт атомов, находяищхея на иссле-- дуемой поверхности.

Спектрометр включает ионнук пуиг- ку 1j объектодержатель 2 с исследуемым объектам 3, энергет:5тчес.кий

ионизатор / ион- if -. в нем давле- торр : 0 - I и Па) , Электроны ,-и::1-;ускаемые ;-;акаленным катодом 8 иочт- затсфа 7 и ускоряемые ;;,|-гектричес;ким псарем сетчатого ано ця 9 -ионизатора 7, совершают колеба- гелькые да окени около анода 9, иони сос:тавл К)щи8 оабочего га™

за, имеющиеся в ионизаторе 7, Ускоряющая и фокусирующая система 10 вытягивает ионы из ионизатора 7 и формирует ионный пучок, в кютором содержатся ионы составляющих рабочего газа (гелия, неона, аргона, ксенона- криптона, а также ионы составляющих газов остаточной атмосферы вакуумной камеры. Пучок ионов поступает в фильтр Вина II, в котором из многообразия ионов пучка выделяются однократно заряженные ионы одного сорта и направляются в выходное отверстие фильра 1 1 , а далее последовательно в фок сирующую систему 12, отклоняющую систему 13 и на поверхность исследуемого объекта 3, расположенного на объ- ектодержателе 2, Рассеянные атомами поверхности ионы попадают в ана лизатор 4, в котором путем изменения напряжения на электродах с помощью источника 20 на коллектор 5 последовательно пропускаются ионы разных энергий, т-е, производится анали рассеянных ионов но энергиям. Сигнал с коллектора 5 усиливается и преобразуется с помощью усилителя-преобразователя 21 в постоянный ток, величина которого пропорциональна количеству рассеянных ионов, поступающих на коллектор 5,

Таким образом, получается энергетический спектр обратно рассеянных ионов, который регистрируется запи- сьшающи - устройством 22. Изменение сорта первичных ионов производится с помощью фильтра Вина 11, в котором имеются участок со скрещенными электрическим и магнитным полями и бесполевое пролетное пространство. Ионы разного сорта, двигаясь по оси, в зависимости от их массы и заряда, испытьшают различное воздействие сил электрического Fg и магнитного F, полей, направленных в противоположные стороны. Если Fg F , то ион движется прямо по оси в выходное отверстие фильтра 11 без каких-либо отклонений. При неравенстве этих сил ионы.отклоняются в сторону либо электрическим, либо магнитным полем, В пролетном пространстве ионы разного сорта разлетаются дальше от оси, улучшая тем самым степень фильтрации по массам. Для формирования пучка ионов того или иного сорта нужно изменять силу маг нитного или электрического полей.

086

В фильтре Вина i1 удобно изменять электрическое поле измeнe iнe i напряжения на электродах, что позволяет использовать постоя}1)ый млг- нит. для создания агиитиого поля, Величина напряжения Гф на электродаз фильтра Вина, обеспечиваюищя прохождение через фильтр ионов с массой Kj, определяется из условия ра- венства электрического и магнитного полей по формуле

i-- V

т,

(2

где В - магнитная индукцяя

d - расстояние между э.чектродами фильтра;

Е, - энергия ионов с accol ПЛц. Так как энергия ионон определяется ускоряющим напряжением I o ионной пушки, а величины d и В постоянные, то Ucp определяется из равенства

( 3)

Uo,

С Uo/71,

где С - постоянная для данной конструкции.

Для того, чтобы направлять на по верхность исследуемого объекта по очередно пучки ионов разного сорта

(Не , Не , Аз и т„До) , необходимо с помошдтю источника 19 изменять величину llq, ступенчато согласно формуле (3 ) и как показано на фиг( 26, а также с учетом величин масс ионов и ускоряющее напряжение UQ пушки, чтобы обеспечить прохождение через фильтр ионов одного сорта, при изменениях ускоряющего напряжения, на управляющий вход источника I9 поступает выходное напряжение из источника 17. изменяющее Ucp с помощью делителя в источнике 19 согласно формуле СЗ), В простейшем случае на управляющий вход источника 19 подается ускоряющее напряжение UQ.

Для удобства .пиза величина тока ионного пучка 1лри изменении сорта ио«ов должна оставаться неизменной

или изменяться на заданн та величину. Это обеспечивается подбором процентного содержания отдельных составляющих в смеси рабочих газо4з, находящих- ся в емкости 14,, и выбором величины

напряжения анода 9 ионизатора 7, обеспечивающего максимальную генерацию однократно заряженных ионов требуемого сорта и определяемоло по максимуму тока конного пучка ча иссдн;:,) (;мый объект 3 „

Известно,, что эффективная уюптзя. дня атомов газа происходит пои imep гиях электронов Eg, Б 3-5 раз превс. ходящих потен1хиал электронной оболочки,

При напряжении UOK маяаду анол.ом ; Л катодом 8 иокизатО ра 7 ,, ус,коря;:ю- него электроны в ионизаторе. раБчо, .1ли большем nepBbix потенциалов ;-:OK;:-J- зацйи атомов кнертньзс газов V, , об разуются в основном однократно заряженные ионы, Ири узаличании нагтпя

Ucn

Таким образом оффектизностг, чои : зации if; зависит о г ускорягошэгс; ионы напряжения U , поэтому ния Цзк для различного сорта ионоц подбираются по таблице и коррс -;типу ются при емкости с работт-лг q зом и согласно требованиям анагшл;: , Напряжение перЕключаетск с -1 - хгэ ; но с напря: екием источншса 1 9 (фиг, 2ai, Ступенчатое изменак1-5е )ш пряжения в источника 13 при пеэехлю чении сорта ионов конструхтлзнс; можно производить различными сгшссЗ,:- мив Реле 23 времени через равный лг:-:, межутки времени Рф зцпает снгиг л ла входы источников 18 к 9 самоиис ца 22э а с периодичностью t,.t:;-n. где R - количество рабочш; газспз , - импульсы на переключение источгчкка 209 Простейшие вариантом игз енйичкк напряжения источников 18 и 19 ;вля ется изменение коэффициента транс- формации питшощих трансформаторов в этих источниках путем перек.шочения выводов вторичной обмотки трансфоп матора с помощью реле либо изменением сравниваемого напряжения путем произво,цится автоматическая настройка фильтра Вина 11 на пропус кание требуемого сорта ионоз., Одно :.-. иоятону )-южно : 5;-i6paTj; время воз пзйствил одя-эго с jijTa ионов .--В. fic jye:4yTO .0 о:-; е охн сть больиа о,с;ной . вкундьк каприглер Оо- с л Тогда ег.ем.и }:1ОЗяей 7тпия всех сортс В сюстявит )0 С, В течение з I O гт i5pei, няпряжчаняе мя пластин;;1х акаллэр1 :-ора : ii:ei-i зглеч-то (фиг, ZE : , npi-i л;; рек. cov;Tfi ионов одно™

7

временно переключаются каналь; самописца 22 так, чтобы величина ток рассеянных ионов определенного сорт записьшалась в отдельный канал. На многоканальном самописце 22 получа- ется 5 точек. По окончании переключния всех пяти газов напряжение на анализаторе 4 изменяется и вся операция по переключению сорта ионов повторяется снова. Таким образом, изменяя ступенчато напряжение на анализаторе 4, на самописце 22 получают последовательные совок:,тшости точек для пяти сортов первичных ионов, являющихся спектрами рассеян ных ионов по энергиям, В качестве источника 20 напряжения развертки анализатора А вместо источника ступенчатого г апряжения можно испо.ч зовать источник линейно изменяю 1е- гося напряжения, В таком варианте суп1;ественньгх различий в спектрах не будет: только точки в спектрах будут сдвинуты друг относительно друга по шкале энергий на величину прироста развертьшающего напряжения анализатора 4 за время действия одного сорта ионов, Дискретный точечный характер спектров не ухудшает разрешение по энергиям, так ка величину ступеньки развертываюатего напряжения анализатора мож-но выбрать гораздо меньше ширины пиков в спектре. Например, при ширине пика на полувысоте 20-50 эВ, при энергии первичньк ионов 3 кэВ можно принять величину ступеньки с учетом коэффициента анализатора равной 1-2 В, На этом энергетическом интервале будет содержаться 20 то чек, что вполне достаточно для разрешения одного пика. Время полной развертки (регистрации пяти спектров составит -v 30 мин. Уменьшением постоянной времени до О,1 с можно со- кратить время снятия спектра до 3 мин.

Таким образом, за один прием развертки напряжения на анализаторе 4 можно снять спектры рассеянных ионов на 5 газах, что позволяет охватить весь диапазон атомных номеров Z 3 со всеми вариантами разрешения по массам,

При решении задач., когда необходи МО произвести поиск определенных элементов на поверхности либо извес- предполагаемый круг элементов.

ро-п , жепеза. Пис ;;, лг;гота j; свинца, Д.;;я coi cne-JC :. i,or та тсч;:( pappeiiJCHun : -; -1к:т1;итгл1-;л:1г ти lici fiлепод ионакг; гслг-т, v:-:e: C;;o ;: ликель иснями пеона. ;;o. ii r и ri;:i Pi: ионами аргона, 11оэ Т:Ь : 1ро; 3 ;о;1Ит ся грл j-;-; ;; C i :i:ip;:i : i i yG:; -;: ix :г:-:м:тсн ч т- с:;о:;с 20 рп.ч;с гп;;: v .j v;:.; .::1Л л;/ :ч: я И1 1 ерна;гь; :ат;1) Г o : : i. буде lioonnHojiMTbCH cvry: v i -;vr; я : .;ii лгитей- ная раз; е тгк; i-a; JUP;; полпрасмо- го па , UJi-pnua окон i:o

пикат; и а;:л;:П Г., - : ) Н г;;; J.- - } ау;ря;хе1;;-с i asBap -xii ; мак™ ит:а, c paLicN покра; ;л- етсп рсмя jia- ар гка. а ссог);етст-- BciniCv :т 1ог- я сня гия си актра , Лля ука занаого )a пр знерги) мспличEtur-ivH напс;;жеяла яа аиа я:;за горе при

Д i20 3 соя- яя;|ч;ят 3/ - ; 7 2

U - - 305: чИ2 - .22: ;ЗНЗ - 23;

интсрпаа:- taaiH ае перекрываются, то скяна: Ссяа1 тр тассеян/ ых иокон) может бь;ть гакя,о записан не- прерьтмю в однс к;1нале са: юписца 22 если гтерекрьшар гся - точечным обра™ зон параллельно в каналах.

Выбор сорта HOIJOB , окон иэменен 1я напря; :еЕ;пя развертки анализатора ч в исто -1Н ЯЛ-;;-; 20, последовательного и парая, 1елм;ог о pe/ a ia эапи с и спектров, 1самала я а и с т- ма car-jO писце 22,, а также расшигЬровку регист рируемых спек гпоя г- ОлПиз п оизсодить с помошью сое; ииге;-- ой с уцравля™ зхопамн т.1стач пгг.оя i8, 19 н 20 и с выходом ускяитоля-- реобрд теля 21 по препня пи ге гыго ч становлен - ным грогра гма ч с ятк лт-зсяаиие- формулы I. 1 i расссяягя глоко15 .

р ализ51г; я :-гсС7яим О стюсоба свя- зава с послелсяяге/ ьной р01 ;;с-ра;:::ек спектров рд злчч Я;;; Я: яа:-- яя :, .pi-: 38 поверхлостйй ii яя:;я яя vubi:.: составом предлагаэ -яя: сяссоо лозвс.яяет со---- кратить премя аяя.п;;яя ЯJЛяя;o за счет Bperjehj:., saТ1;ач5я-aof loro на сяя тспектра в 3-5 раз (при исполь:зовя- НИИ 3-5 инертных газов). кроме тоге за счет уменьшения времени переклю чения сорта первичных ионов Сзакеяа емкости с рабоч5-11У1 газом в базоьзом объекте занимает от десятков г.инз Т :- :п нескольких часов при обезгажиЕдник нагревом тракта напуска после замены баллона) , Переключение сорта HOHOI- в изобретении без учета постоянной времени регкстрацяи определяется постоянной времени источников-ст плепч,-- то изменяющегося напряжения и состав ляет не более единиц миллисекунд„ т е сокращается время как мгткмук в 10 раз. Это позволяет получать качественно новую информацию о быст- роп рот екающих иэмененияк co Tarsa по ;;i о а т,

i S { 5 .iJ

0inJ

а

Цф

о

Редактор М.Дыпын

Составитель А„Нестерович

Техред С.МигуноваКорректор В.Синицкая

Заказ 8534/54Тираж 678Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета -СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Филиал ШШ Патент, г.Ужгород, ул. Проектная,4

i

fe.2