Спектрометр Оже-электронов Советский патент 1987 года по МПК H01J49/46 

Изобретение относится к устройствам для элементного анализа поверхности материалов методом спектроскопии Оже-элек- тронов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей Оже-микроана- лиза поверхности твердых тел за счет увеличения глубины и чувствительности зондирования впадин по спектрам Оже-электро- нов.

Применение ЭСЗ с сегментными электродами, обращенными выпуклостью к ЦЗА, при условии выполнения соответствующих соотношений между R и г, между кинетической энергкей анализируемых электронов и отклоняющими потенциалами электростатических зеркал является необходимым и достаточным для осуществления светосильного энергоанализа высокого разрешения той части потока вторичных электронов, которая выходит из образа под малым углом отбора и содержит информацию о глубинных участках впадин.

На фиг. 1 представлена схема датчика спектрометра Оже-электронов; на фиг. 2 - отражающий участок ЭСЗ и угловые координаты, которыми описываются траектории частиц; на фиг. 3 - зависимости коэффициента заполнения К от параметров анализатора.

Устройство содержит микрофокусную электронную пушку 1, источник тонкого возбуждающего электронного пучка с энергией от нескольких килоэлектрон-вольт до десятков (фиг. 1 первичный электронный пучок обозначен штриховыми линиями), сегментные электроды 2 и 3 электростатического сферического зеркала (ЭСЗ) (электрод 2 выполнен из металлической сетки высокой прозрачности, электрод 3 - сплощной, имеет малое отверстие при вер- щине для прохождения возбуждающего электронного пучка), металлический экран 4 сферической формы, защищающий ЭСЗ со стороны электронной пушки 1. Электроды 2-4 концентричны. На фиг. 3 также обозначены: исследуемый образец 5, внутренний 6 и наружный 7 электроды цилиндрического зеркального анализатора (ЦЗА) (электрод 6 снабжен кольцевыми вырезами для прохождения анализируемого пучка вторичных электронов, вырезы затянуты металлическими сетками высокой прозрачности, электрод 6 заземлен, на электрод 7 подается отрицательный отклоняющий потенциал), приемная диафрагма 8 с малым круглым отверстием, детектор 9, апертурная диафрагма 10, имеющая кольцевой вырез и центральное отверстие для прохождения первичного пучка. Электронная пушка 1, ЭСЗ 2-4, ЦЗА 6-8, соосны.

На фиг. 1 а - угол конуса, образованного оптическими осями, пучка вторичных электронов с поверхности образца 5, угол наклона осевой траектории анализируемого

пучка в ЦЗА. Ввод образца 5 в область внутреннего электрода 6 производится через окно в электроде 6, для этого электроды ЦЗА должны иметь боковой секторный вырез на

угол 90° и электростатическую защиту рабочего поля по краям выреза. В этом случае угол раскрытия анализирующего поля ЦЗА в азимутальной плоскости составляет 90° и электростатическую защиту рабочего поля по краям выреза. В этом случае

угол раскрытия анализирующего поля ЦЗА в азимутальной плоскости составляет . Датчик спектрометра Оже-электронов работает следующим образом.

Оразец 5 вводится в датчик и располагается в рабочем положении в области внутреннего цилиндрического электрода 6. Исследуемый участок образца 5 облучается тонким электронным пучком, генерируемым пушкой 1 и под действием облучения эмитирует вторичные электроны. Часть потока вторичных

электронов, вышедшего из поверхности образца 5 под небольшим углом отбора а, регулируемым перемешением вдоль оси апертур- ной диафрагмы 10, отражается полем ЭСЗ, затем поступает в ЦЗА, отражаясь от отклоняющего поля которого, фокусируется на

круглом отверстии приемной диафрагмы 8 и поступает в детектор 9. Поскольку система электростатических зеркал (ЭСЗ и ЦЗА) обладает свойством линейной дисперсии по энергии, то согласованно изменяя отклоняющие потенциалы зеркал Uses ,a«. получают спектр энергий вторичных электронов.

Специфическая особенность предлагаемого датчика заключается в том, что в режиме, благоприятном для Оже-микрозондиро- вания глубоких впадин на поверхности образца, поток вторичных электронов, выходящий из поверхности обрзца под малым углом отбора а, Б результате отражения от ЭСЗ, сегментные электроды которого обращены к образцу выпуклыми поверхностями.

трансформируется в пучок, наклоненный под углом близким к а 42.3°, при котором в ЦЗА осуществляются наиболее благоприятные условия для угловой фокусировки второго порядка и наилучшего энергетического разрешения.

Существенное отличие от известных устройств состоит в том, что радиус внешнего сегментного сферического электрода R больше радиуса внутреннего электрода ЦЗА г и определяется выражением

R-,

г,

sin «1-а+2arccos()-я} (1)

де Г1 - радиус внутреннего электрода цилиндрического зеркального анализатора, м;

к - заданный коэффициент заполнения рабочей области поля электростатического сферического зеркала траектории ();

А - расстояние от источника Оже-элек- трононов до поверхности внешнего сегметного сферического электро- . да, м;

а -угол наклона оптической оси в пучке Оже-электронов на выходе пучка из источника, рад;

ai- угол наклона оптической оси на входе пучка в цилиндрический зеркальный анализатор. Необходимость этого обоснована следу- ЮШ.ИМИ расчетами. По закону сохранения момента количества движения заряженной частицы в поле центральных сил имеет место соотношение

я-(х2-а) о(.1 + Х|

(2)

С помощью уравнения (2) угол перемещения заряженной частицы в поле ЭСЗ X может быть представлен следующим образом

Х Х.2- Х, «1- а-(-2Х2

я

Если 2в-,угол раскрытия внешнего сегментного сферического электрода ЭСЗ, то X составляет долю от 0 Х 1;(4)

где К - коэффициент заполнения рабочей области поля ЭСЗ траекториями.

Пусть А - удаленность источника Оже- электронов (зондируемой поверхности образца) от внешнего сегментного сферического электрода. Из фиг. 2 следует, что

RcosXj. Xg arccos( tg)

Подставляя (4) и (5) в (3), можно получить

К0 «,- a+2arccos ()jr (6)

Поскольку sine 1, на основании (6) можно получить уравнение (1) для нахождения fi -- Отражаясь от ЭСЗ, пучок

дважды пронизывает поверхность внешнего сегментного сферического электрода, который по необходимости изготавливается из металлической сетки высокой прозрачности. При подаче на ЭСЗ отклоняющего потенциала на ячейках сетки возникают провалы поля, которые возмущают траектории заряженных частиц при входе в ЭСЗ и при выходе из него. Если К мало, то длина участка траектории в поле ЭСЗ сравнима с длинами тех ее отрезков, на которых проявляется действие краевого поля, и аберрационное размытие изробржения в системе ЭСЗ- ЦЗА велико, а разрешающая способность

по энергии низкая. В этом случае прибор не пригоден для решения поставленной задачи. Выбор значений параметров, входящих в уравнение (1), диктуется следую- с щими соображениями: ai 42,3° - наиболее благоприятные условия угловой фокусировки в ЦЗА: а 15° - при меньших значениях а мала светосила системы, при больших - уменьшается глубина зондирования впадин; 0,5-1 - с учетом коротко- фокусности микрозондовых электронных пу- щек и удобства размещения исследуемого образца. На фиг. 1 для четырех случаев (ц, 1, 1,4, 1,8, 2) изображены осевые траектории пучков, отражаемых ЭСЗ и ЦЗА в ус15 ловиях -|- 0,5, ai 42,3°, а 15°. Видно, как с увеличением возрастает коэффициент заполнения К и глубина захода траекторий в поле ЭСЗ. Если при |х 1 коэффициент заполнения мал и действие краевых полей вблизи сетчатого электрода заметно про20 является, то при оптимальном заполнении (К 0,5, |л 1,6) эти эффекты сводятся к минимуму благодаря значительному возрастанию длины траектории в поле ЭСЗ. Справа вверху на фиг. 2 представлены графики

25 зависимости К К(М) для трех значений - 0,2; 0,5; L Как видно, в области К20,5 величина , - всегда больше единицы. В рассматриваемой системе невозможно добиться глубокого проникновения траекторий заряженных частиц в поле ЭСЗ, если xitl.

30

Приведем некоторые численные данные о параметрах ЭСЗ и ЦЗА датчика, работающего в одном из возможных режимов по схеме (фиг. 1) а 15°; ai 42,3°; ц 1,7; ,, в 36,03°; А 0,5г,; Х, 67,22°; Х2 85,48°; К 0,507; L 6,80г,; L, 2,19 г,, параметр отражения частиц от ЭСЗ

q иэ

2Е||н:,)

1,8480, где q - и Е - заряд

и кинетическая энергия анализируемых электронов; параметр отражения от ЦЗА

. R , 0,758 (г, - paдиус электрода 7). Глубина зондирования возрастает в 3,6 раза по сравнению со стандартным режимом с использованием одиночного ЦЗА (а 42,3°).

50

Формула изобретения

Спектрометр Оже-электронов, содержа- соосно расположенные цилиндрический зеркальный анализатор, электростатическое сферическое зеркало и микрофокусную электронную пушку, а также источник Оже-электронов, установленный во внутреннем электроде цилиндрического зеркального анализатора, приемную диафрагму и детектор, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей Оже- микроанализа поверхности твердых тел за счет увеличения глубины и чувствительности зондирования впадин по спектрам Оже-элек- тронов, электростатическое сферическое зеркало выполнено из двух.обращенных выпуклой стороной к цилиндрическому зеркальному анализатору сегментных сферических электродов, причем радиус внешнего сегментного сферического электрода R определяется выражением

Rrfi

sinf- а, -а+2arccos(- tga)-n)j.

где r - радиус внутреннего электрода цилиндрического зеркального анализатора, м;

к - заданный коэффициент заполнения рабочей области поля электростатического сферического зеркала траекториями ();

Д - расстояние от источника Оже-элек- тронов до поверхности внешнего сегментного сферического электрода, м;

а - угол наклона оптической оси в пучке Оже-электронов на выходе пучка из источника, рад;

ai - угол наклона оптической оси на входе пучка в цилиндрический зеркальный анализатор.

Изобретение относится к устройствам для элементного анализа поверхности материалов методом спектроскопии Оже (О)-элек тронов. Цель - расширение функциональных возможностей О-микроанализа поверхности твердых тел. Спектрометр О-электронов содержит микрофокусную электронную пунь ку 1, металлический экран 4, электроды (Э) 6, 7 цилиндрического зер кального анализатора (ЦЗА), причем Э 6 имеет кольцевые вырезы,, затянутые металлическими сетками высокой прозрачности, приемную диафрагму 8 с отверстием, детектор 9, анертурную диафрагму 10 с кольцевым вырезом и центральным отверсти.ети. Цель достигается тем, что электростатическое сферическое зеркало выполнено из двух обращенных выпуклой стороной к ЦЗА сегментных сферических Э 2 и 3, причем Э 2 выполнены из металлической сетки высокой прозрачности, а ЭЗ -- сплошной с отверстием. В описании изобретения дано металлическое выражение д.чя расчета радиуса Э2. Изобретение позволяет увеличить глубину и чувствительность зондирования внадин но с 1ектрам О-электронов. 3 ил. (g (Л со о ГС со 01 со Фаг

иг. 2

ОЛ

о.г

Фиг.З