Электростатический энергоанализатор типа "цилиндрическое зеркало Советский патент 1988 года по МПК H01J49/46 

00

о со со со

Изобретение относится к области спектроскопии заряженных частиц, в частности растровой электронной Оже- спе:;троскопии и растровой ионной Оже спектроскопии,

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей прбора за счет увеличения площади сканирования образца и увеличения диапа зона перемещений образца вдоль оси хдалиндрического зеркала, упрощение изготовления и юстировки.

На чертеже представлена схема растрового электростатического осесим- метричного энергоанализатора.

Схема содержит растровые облучатели 1 источника заряженных частиц И цилиндрическое зеркало с внутренним 2 и внешним 3 цилиндрами, кольцевые входную 4 и выходную 5 щели на внутреннем цилиндре, электрически соединенную с цилиндром 2 и ортогональную ему плоскую сетку 6, электрод 7 с переменной кривизной меридионально го сечения, помещенный соосно внутри цилиндра 2, 8 - вспомогательная сетка, электрически соединенная с цилиндром 2, 9 - коллектор частиц.

Электрически изолированный от ци- линдра 2 электрод 7 с задерживающим потенциалом и электрод, образуемый электрически соединенными сеткой 6 и цилиндром 2, образуют входное.электростатическое устройство, идеально согласуемое с цилиндрическим зерка- лом. Внутренний цилиндр 2 при этом используется дважды: как полеобразу- ющий электрод цилиндрического зеркала и как полеобразуюш51Й электрод входной электростатической системы.

Устройство работает следующим образом.

Заряженные частицы эмитируются : исто чником 1, расположенным на оси симметрии, под воздействием растровых облучателей. Пройдя через плоскую сетку 6, задерживающим полем электрода 7 пучок частиц фокусируется на входной кольцевой щели 4. Ци- линдрическое зеркало, работающее в оптимальном режиме фокусировки кольцо-ось, осуществляет фокусировку 2-г порядка частиц на ось симметрии, где расположен коллектор 9. Вспомогательная сетка 8, электрически соединенна с внутренним цилиндром 2, экранирует коллектор частиц от задерживающего потенциала,, подаваемого на электрод 7

Q

5

0 5

0 s 0

5 Q

5

В широком интервале удалений источника I от плоской торцовой сетки 6 СЗ - 6 радиусов внутреннего цилиндра 2) входное устройство осуществляет фокусировку 2-го порядка пучка на входную щель 4 при оптимальном угле наклона осевой траектории пучка )р 38 50, что является оптимумом работы анализатора по светосиле. При этом входное устройство работает как электронно-оптическая линза, обеспечивающая большое по абсолютной величине угловое увеличение и соответственно линейное увеличение ,1. Это означает, что в растровом режиме работы исследуемая площадь поверхл

кости образца увеличивается в 1 1/М -5:100 раз при сохранении раз- решаюп(ей способности прибора.

Например, детальный численный расчет на ЭВМ при задании формы электрода 7 формулой

L:/(p)ShZ const, (1)

I , ,

где функция Бесселя нулевого

порядка;

показал, что при удалении источника 1 от торцовой сетки 6 на 3R, где R - радиус внутреннего цилиндра, Г -10 и при последующем удалении источника 1 дб расстояния 6R угловое увеличение Г монотонно растет по абсолютной величине до значения Г -20.

У прототипа соответствующее значение , что по сравнению с прототипом дает выигрьш в площади сканирования образца примерно в 10 раз, а по сравнению с базовым прибором - в 100 раз.

Возможность широкой вариации удалений образца от входа в анализатор позволяет сохранять большую степень свободы при манипулировании с образцом и вспомогательными устройствами, выбирая, например, оптимальные углы облучения образца. Нежелательные эффекты, связанные с теплопередачей и прямым попаданием вторичных частиц в анализатор при указанных удалениях источника от образца, также снижаются .

Формула (1) получена следующим образом.

Для обеспечения наилучшей конструктивной совместимости входной сис- темь) и цилиндрического зеркального анализатора (ЦЗА) ограничим класс рассматриваемых входных систем уст-

poiiCTBaf-fH, имеющими в качестве нулевых эквипотеициалей внутреннюю поверхность внутреннего цилиндра ЦЗА и сетку, затягивающую внутрет ний цилиндр ЦЗА.

Тогда для определения поля входной системы возникает недоопределенная краевая задача для уравнения Лапласа в цилиндрических координатах,

, 0, /и(р ,

0(2)

(для простоты здесь взята в качестве радиуса внутренней поверхности цилиндра единица),

Решение указанной граничной задачи дает

(3)

15 в прототипе он два раза пересекает сферическую сетку, что влечет повышенные требования на точность ее изготовления. Фактически это означает, что требования на точность изготовления тормозящего осесимметричного электрода могут быть снижены, а его криволинейная форма может быть аппроксимирована, например, набором конусов . Удаление электрода 7 от тор25 цовой сетки 6 может меняться в зависимости от его тормозящего цотенци- ала. Таким образом, в данном случае две концентрические сферы с прорезанными во внешней щелями заменяются

20

u(p,z) 2:Ск ч,(,р) sh (),

kct

где A|j - корни функции;

С(, функция Бесселя нулевого порядка,

Ряд (3) описывает бесконечное семейство гармоничных функций U (p,Z) при произвольных коэффициентах С. Выбор набора коэффициентов связан с формой осесимметрического электрода 7.

Из класса потенциалов (3) наиболее простую форму электродов, доступ- 30, торцовыми сетками 6 и 8 и одним осе

линдра с затянутым сеткоп торцом и слева криволинейным электродом (т.е. чтобы траектории с начальными параметрами в рабочем диапазоне лежапи левее криволиней)1ого электрода, не касаясь его). Из закона сохранения энергии следует, что С 1 (так как

Ь )

0 Кроме того, конструктивно предлагаемая схема значительно проще прототипа. Пучок заряженных частиц из источьшка пересекает только один раз плоскую торцовую сетку 6, тогда как

15 в прототипе он два раза пересекает сферическую сетку, что влечет повышенные требования на точность ее изготовления. Фактически это означает, что требования на точность изготовления тормозящего осесимметричного электрода могут быть снижены, а его криволинейная форма может быть аппроксимирована, например, набором конусов . Удаление электрода 7 от тор25 цовой сетки 6 может меняться в зависимости от его тормозящего цотенци- ала. Таким образом, в данном случае две концентрические сферы с прорезанными во внешней щелями заменяются

20

30, торцовыми сетками 6 и 8 и одним осе

Изобретение относится к области спектроскопии заряженных частиц, в частности растровой электронной Оже- спектрометрии и растровой ионной Ожеспектроскопии. Изобретение расширяет функциональные возможности прибора за счет увепичения площади сканирования образца и увеличения диапазона перемещений образца вдоль оси цилиндрического зеркала. При этом обеспечивается упрощение изготовления и юстировки. Устройство содержит растровые облучатели 1 источника заряженных частиц и цилиндрическое зеркало с внутренним 2 и внешним 3 цилиндрами,кольцевые входную 4 и выходную 5 щели на внутреннем цилиндре, электрически соединенную с цилиндром 2 и ортогональную ему плоскую сетку 6, электрод 7 с переменной кривизной меридионального сечения, вспомогательную сетку 8, электрически соединенную с цилиндром 2, и коллектор 9 частиц. В описании изобретения приводится конструктивная модификация цилиндрического зеркала, улучшающая разрешение зеркала примерно в три раза. 1 ил. с (Л

вую для технического изготовления и позволяющую просто произвести расчет электронно-оптических свойств системы, описывает рассматриваемый потенциал U (p ,Z ) СО(Р ) Sh (Z ) - TO (Tvjp) Sh ( , Z), являющийся первым членом ряда (т.е. соответствующий случаю , , К 2,.,.). Реальное физическое значение потенциала, подаваемого на криволинейный электрод, задается в виде

Uanxan - L СТ.

безразмерный коэффициент характеризующий задерживающий потенциал и энергию исследуег ых частиц; и„. - потенциал источника

. где С

mV

---, где

q - заряд частицы;

кинетическая энергия при выз источника).

Значение С должно выбираться та- . КИМ образом, чтобы траектории частиц, имеющих необходимые начальные значения и движущихся в поле входной системы, лежали в области, ограниченной справа электродом в виде ци5

0

симметричным соосным цилиндрам электродом, что упрощает изготовление и юстировку прибора, уменьшает его стоимость .

Необходимо отметить, что существует конструктивная модификация цилиндрического зеркала, заключающаяся в том, целью увеличения разрешения прибора, наружный цилиндр зеркала заменяется слабо расходящимся в сторону коллектора KOHJ -COM, При угле расходимости конуса в 2-3 достигается улучшение разрешения зеркала примерно в 3 раза практически без изме- 5 нения его режима работы: сохраняется угол влета частиц в зеркало при фокусировке 2-го порядка. Поскольку при этом внутренний цилиндр зеркала не изменяется, это означает, что предлагаемое входное устройство может встраиваться и в указанную модификацию цилиндрического зеркала.

0

Формула изобретения

i

нем цилиндре и коллектор частиц, о т-где R, - радиус внутреннего цилиндра личающийся тем, что, сцилиндрического зеркала,м;

целью увеличения площади сканирова-С - безразмерный коэффициент,

ния образца при сохранении разреше- ,характеризующий соотношение

НИН и расширения диапазона перемеще-задерживающего потенциала,

ния образца перед входом в анализа-подаваемого на криволинейтор, на входе цилиндрического зерка-ный электрод, к энергии исла расположена электростатическая си-следуемых частиц;

стема, состоящая из плоской металли- Функция Бесселя нулевого поческой сетки, электрически соединен-рядка;

ной с внутренним цилиндром зеркала иЛ первый корень J.

ортогональной его оси, и электричес-2. Энергоанализатор по п.1, о т ки изолированного осесимметричноголи ч ающийс я тем, что, с

электрода с задерживающим потенциа- 15Целью повьппения разрешения прибора,

лом, описьшаемого выражениемвнешний цилиндр энергоанализатора имеет внутреннюю поверхность, отличную

R., . х„ / чот цилиндрической, с конусностью до

Z arSh (C/J,(,1.