Устройство для анализа автоэлектронов по энергиям Советский патент 1993 года по МПК H01J49/00 

: Изобретение относится к технической физике, в частности, к эмиссионной электро-ке, и предназначено для использована его в электровакуумных приборах, где необходимо провести энергетический анализ автоэлектронов. Такой анализ, как известно, позволяет получить сведения об элечтронном состоянии вещества и является основой метода автоэлектронной спект- .

Щелью настоящего изобретения является уменьшение аберраций, получение мак- си ального сигнала при обеспечении проггранственного разрешения отдельных участков эмиттера и высокого разрешения по энергиям, увеличения стабильности работ и отношения сигнал/шум, сочетающиеся р технологичностью изготовления.

|Эта цель достигается тем, что анализатор выполнен в виде составной конструкции из д|вух частей 1) несущей, образуемой жестко скрепленными полыми цилиндрами с фиксирующими закраинами, расположенными соосно друг за другом с зазорами, и 2) оптической части, образованной вставленными в первую систему стаканами с диафрагмами в донцах и фиксирующими закраинами с противоположной стороны, с межэлектродными изоляторами, вынесенными за габариты несущей и оптической частей, с отношением диаметра первой от острия диафрагмы 01 и эффективного диаметра автоэмиссионного изображения0д в пределах

4 0Т/0Я Ю а

10

с/

с

оо

О

CJ

ю

о

Расстояние между первой и второй диафрагмами

di 1,501 ± 10%, второй и третьей d2 01 ±5%

и третьей и краем коллектора d3 40l±10%

Первый электрод - экран удален от ост- 5 рия так, чтобы отношение его диаметра 0 д к. расстоянию до острия h находилось в пределах

1, 2,

Диафрагмальное отверстие во втором электроде развальцовано со стороны, обращенной к острию.

Предполагаемое изобретение обладает новизной, поскольку содержит новые признаки, отсутствующие в прототипе.

1) Разделение анализатора на две составные части - несущую и оптическую, ци- линдрическая форма электродов, способ их сопряжения друг с другом, что гарантирует точность сборки анализатора, его электрическую прочность и делает сборку и центровку энергоанализатора технологичной. Задается соотношение между диаметрами первой от острия диафрагмы и автоэмиссионным изображением, обеспечивающее максимальное разрешение и достаточную светосилу прибора. Подобраны расстояния между диафрагмами и коллектором, обеспечивающие правильную работу электронных линз (фокусировку электронного пучка в центре сферического коллектора). Определены предельные расстояния между остри- ем и экраном, необходимые для получения пространственного и энергетического разрешения анализатора. Предлагается новая форма второй диафрагмы: развальцовка со стороны эмиттера, что необходимо для луч- шей фокусировки электронного пучка. .

Все эти признаки необходимы и достаточны для получения положительного эффекта, на который направлено изобретение,

Устройство показано на рис. 1.2,3. Оно состоит из анода (1), линзового электрода (2), охранного цилиндра (3), трех полых цилиндрических корпусов с закраинами (4,5,6), расположенных соосно друг за другом с зазором, стеклянной трубки (7), стек- лянного или металлического прибора (8), эмиттера (Э), коллектора (К). Эмиттер расположен на расстоянии

1, 2,

от первой диафрагмы.

За первой на расстоянии

di 1,50l ±10%

5

10

15

Q 5 Q

п

5

расположена вторая диафрагма. За второй диафрагмой расположена третья на расстоянии

da 01 ± 5%

а затем полусферический коллектор, край которого находится на расстоянии

d3 401 ±10%

от третьей диафрагмы.

Принцип действия устройства заключается в следующем. Острие служит источником электронов. Под действием электрического поля электроны движутся в направлении анода. Анализатор спроектирован таким образом, что электроны, проходящие через отверстие в первом электроде (зондовое отверстие) фокусируются вблизи центра полусферического коллектора, после чего они продолжают движение по радиусам полусферы коллектора, перпендикулярно к его поверхности. Таким образом, анализ будет производиться по полным энергиям электронов. Охранный цилиндр устраняет эффект отражения электронов от коллектора. Сторона анода, обращенная к острию, покрыта люминофором, что позволяет наблюдать автоэмиссионные изображения исследуемых систем и выбирать участок острия для исследования.

Разберем детально особенности изобретения, в котором разделены функциональные нагрузки несущей и оптической частей.

1. Несущая часть состоит из расположенных соосно друг за другом полых цилиндрических корпусов с фиксирующими закраинами. На рисунке 2А показана оправка, на которой крепятся цилиндры несущей части. На рис.2В эти цилиндры (4,5, 6) одеты на оправку и жестко скреплены на ней с помощью изоляторов (вид в разрезе). Между каждой парой цилиндров находится по 3 изолятора, расположенных на расстоянии 120 градусов.

Такая операция обеспечивает соосность цилиндров, точные зазоры между ними и жесткость конструкции.

На рис. ЗА жестко скрепленные между собой цилиндры 4, 5, 6 сняты с оправки (вид спереди). На фиг. 4-график.

Таким образом, несущей части передаются функции обеспечения жесткости всей конструкции. Она же обеспечивает электрическую прочность анализатора. Высота цилиндров такова, что исключает пробой по

изоляторам в рабочем режиме анализатора, т.е.

Unp (1,5-2)Umax,a ly (0,2-0,1)lmax

(Unp - напряжение пробоя через изолятор, Umax - максимальное рабочее напряжение устройства, 1У- ток утечки через анализатор, Цах - максимальный ток через анализатор. Ираче говоря, 1 (пр (I- длина изолятора, tnp - минимальная длина между вводами крепления изолятора, на которой происходит пробой при приложении напряжения Unp. Например, при использовании стеклянных изоляторов после сборки анализатора и его технологической обработки на вакуумном посту длина Ј 30 мм гарантирует Unp 30 кВ). Расположение изоляторов за пределами не- су(цей (и оптической) части анализатора, а таЬке сзади закраин цилиндров (по отноше- ни)о к сферической части прибора) предо- их от загрязнения с напылителя и всевозможных перепылений во время работы: прибора, что гарантирует стабильность работы анализатора. Очевидно, что ликви- дауия пробоев и утечек между электродами способствует стабильной работе устройства и позволяет работать с высокочувствительной аппаратурой в начале регистрации,

2, Оптическая часть анализатора обра- зуе|тся тремя стаканами с диафрагмами на концах и фиксирующими закраинами с про- тифположной стороны, вставляющимися в несущую часть конструкции. На рис. 3В покараны стаканы (1, 2, 3), вставленные в по- лыф цилиндры (4, 5, 7) (вид в разрезе; изфяторы 7 показаны условно осевыми линиями). Оправка, с помощью которой крепятся юлые цилиндры такова, что расстояние между диафрагмами в донцах стаканов (см.рис. ЗВ)1 и 2 (di 1,501 ± 10%), 2 иЗ (d2f01±5%).

.Жесткая конструкция собранной на прецизионной оправке несущей системы обеспечивает строгую соосность диафрагм и томность заданных расстояний между донцами стаканов оптической системы.

Только выполнение этих условий позволяет получить разрешение десяти милли- в сочетании со стабильной работой анализатора,

Диаметры диафрагм возрастают в направлении от эмиттера к коллектору и относятся соответственно как 1:2:4,

Важной особенностью является то, что диафрагма линзового электрода (2) разваль- цова|на со стороны эмиттера. Это обеспечивает; дополнительную угловую фокусировку анализируемого потока, следовательно,

10

15

20 25 35

30

40

45

5U

55

увеличивает чувствительность и отношение сигнал/шум прибора.

С помощью второй специальной оправки третья диафрагма находится на расстоянии (da 401 ± 10%) от края коллектора.

Материал, из которого изготавливаются все детали анализатора, должен быть немагнитным, чтобы траектории движения электронов низких энергий не искажались, и обладать хорошими вакуумными свойствами, обеспечивающими получение в приборе сверхвысокого вакуума. Таким требованиям удовлетворяют, например, нержавеющая сталь марки 1 X 18 Н9Т,

Высота 1-ого стакана hi лежит в пределах 0 hi h. Она должна быть больше нуля для удобства центровки системы, но меньше расстояния от острия до дна первого стакана (h) для обеспечения возможности визуального наблюдения острия и его свободного перемещения.

Высота второго стакана ha выбирается так, чтобы ha 2Епр, где Епр - минимальное расстояние, на котором происходит пробой при приложении напряжения U Umax (Umax - максимальное рабочее напряжение).

Высота третьего стакана определяется только соображениями удобства крепления.

Принцип разделения анализатора на две составные части (оптическую и несущую), цилиндрическая форма электродов, их сопряжение друг с другом обеспечивают технологичность сборки устройства. Кроме того, повышение ее точности гарантируется применением калиброванной оправки, чего нет в прототипе. Почему точность сборки увеличивается применением цилиндрической (а не плоской, как в прототипе) формой электродов с фиксирующими закраинами Чтобы это понять.следует учитывать два обстоятельства: совокупность сборочных операций и длину образующей цилиндра калиброванной оправки. Действительно, с точки зрения последнего аргумента относительная точность на длине 1 мм (плоская конструкция электродов) и 30 мм (цилиндрическая) при абсолютной погрешности 0,01 мм составит 1 % и 0.033%.

Монтаж диафрагм посредством плотного встраивания стаканов в жестко скрепленную несущую систему упрощает технологию изготовления энергоанализатора, обеспечивает простую и надежную центровку диафрагм, их соосность, строгую параллельность друг другу, что уменьшает сферические аберрации.

С другой стороны, автономность оптической системы позволяет легко заменять

диафрагмы. Например, при необходимости увеличения светосилы (при исследовании слабо эмиттирующих поверхностей) возможна замена их на стаканы с большими диафрагмами. Одним из существенных недостатков прототипа являлось наличие утечек и пробоев между вводами анализатора. Для ликвидации их вводы напряжения экрана (1) и линзового электрода (2) были вынесены и трубки на боковой поверхности экспериментального прибора, а выводы коллектора (К) и цилиндра Фа радея (3) в ножку, вваренную в торцевую часть стеклянной колбы.

Для устранения утечек между последней (3) диафрагмой и коллектором (К) центровка и крепление коллектора осуществлялось не с помощью плоской керамики, как в прототипе и аналоге, а с помощью стеклянной трубки 7 (рис, 1). Для устранения утечек между вводами диафрагмы 3 и коллектором, последний заваривался в штангель 9 ножки, что увеличивало расстояние для утечек по стеклу между вводами. Длина стеклянных трубок крепления и ввода коллектора такова, что ток утечки по поверхности меньше измеряемого тока на коллектор IK А.

Ликвидация утечек повышает надежность и стабильность работы устройства.

Поясним некоторые существенные особенности изобретения.

1. Как уже указывалось, размер зондово- го отверстия, предусмотренный в устройстве, должен быть меньше размера наименьшего исследуемого участка автоэмиссионного изображения, При этом еще необходимо учитывать, что характерные размеры пятен на автоэмиссионном изображении определяются не только геометрией проекторной части анализатора, но и формой выращенного объекта исследования, например, микровыступа на острие. Исходя из особенностей автоэмиссионных изображений, линейный размер зондирующего отверстия 01 должен составлять не более 3% поперечного размера автоэмиссионного изображения на экране. То есть для пространственного разрешения деталей автоэмиссионного изображения (измерения токов с отдельных граней монокристаллического острия)

(например, если для визуального наблюдения деталей автоэмиссионной картины изображение должно иметь диаметр 0А не менее 3 см, то исходя из сказанного, 01 см).

С другой стороны, полный ток с острия (I ) ограничен долговечностью исследуемых систем на уровне 10 -10 А. Ток через

анализатор (3), который может быть продифференцирован, должен быть не меньше 10 1 А. Исходя из этого, площадь зондирующего отверстия должна составлять

la/I,

10

-11

-

10

Таким образом, для удовлетворения всем требованиям должно удовлетворяться соотношение

15 104

2. Острие должно быть расположено, от первого анода на расстоянии h так, что отношение 0А/Ь-2V При этом автоэмиссионное изображение целиком занимает площадь первого электрода - экрана. При увеличении расстояния h уменьшаются токи через зондовое отверстие в первом электроде. При h+ 1,5h ток h через зондовое отверстие уменьшается по сравнению с исходным током I в (h-H/h)2, т.е. 2 раза. Т.к. работать приходиться почти на пределе малых токов, h можно увеличивать не более, чем на 25%. Кроме того, при увеличении h

эмиссионное изображение острия становится больше размером экрана, что исключает возможность наблюдения на нем периферийных участков эмиттера. Приближение острия к экрану уменьшит увеличение проектора, в результате чего размер зондового отверстия, предусмотренный в анализаторе, становится сравним, а в отдельных случаях больше размеров исследуемой грани, что приводит к искажению

результатов исследования. При h- 1/2h увеличения системы уменьшается в 2 раза. Если предусмотренное в устройстве зондовое отверстие близко к размерам наименьшего исследуемого участка (а именно так

всегда делается из соображений получения максимального тока через отверстие), то уменьшить h можно не более, чем на 0,05h. Таким образом

50

0,05h ,25h

или

1,,5V5 .

3. Электронный поток через анализатор проходит ряд электронных линз, которые создаются в области диафрагм в электродах анализатора. Опытным путем получено, что

оптимальные расстояния между диафрагмами связаны с их диаметром следующими соотношениями. Расстояние между второй и третьей диафрагмами d2 составляет 01 ±5%; Расстояние между первой - второй, второй - третьей и передним краем коллектора относятся как 1.5:1:4.

Выбор деталей геометрии анализатора основан на анализе физических закономерностей автоэмиссии и уточнен на основе пол- ученных авторами экспериментальных данных. Кроме того, при выбранных размерах положительный эффект обеспечивается использованием оригинальных конструктивных особенностей устройства и метода его сборки. Существенны особенности формы и расположения электродов, а также соотношение основных размеров анализатора; только обеспечение совокупности этих признаков является достаточным и необходимым условием получения положительного эффекта.

В результате предлагаемое устройство позволяет измерять распределение автоэлектронов по энергиям с разрешающей способностью 30-50 мВ на фоне ускоряющего напряжения 10 кВ.

Высокая разрешающая способность устройства сочетается со стабильной работой, отсутствием утечек между электродами, что в рочетании с технологичностью сборки является достоинством по сравнению с устройствами того же назначения на современном уровне техники, например, LW.Swanson, LC.Crouger, Phys. Rev., v. 163, N 1, p.622-641,1967).

Формула изобретения

Устройство для анализа автоэлектронов по энергиям, содержащее острийный эмиттер, систему соосных диафрагм и полусферический коллектор, изготовленные из вакуумного немагнитного материала, отличающееся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности по энергиям и

улучшения качества автоэлектронного изображения, размеры отверстий соосных диафрагм имеют следующие соотношения: диаметры отверстий первой от острия диафрагмы 01 , второй 02 и третьей 0з возрастают в направлении от эмиттера к коллектору и относятся соответственно как 1:2:4; диаметр отверстия первой диафрагмы 01 определяется соотношением 01/0А , где 0А- расчетный

диаметр автоэмиссионного изображения на первой диафрагме со стороны обращенной к острию, м, отверстий второй от острия диафрагмы выполнено коническим с углом раствора 0° р 90°, вершиной конической

поверхности, обращенной к острию, и наименьшим диаметром отверстия 02 (м); рас- стояния между первой и второй диафрагмами di 1.501 ± 10%, м, второй и третьей диафрагмами ± 5%, третьей диафрагмой и краем коллектора d3 4 01 ± 10 %,. м, а первая диафрагма удалена от острия на расстояние h (м) так, чтобы отношение 0д и h находилось в пределах

1, 2,5V3.

Использование: область технической физики, в частности, эмиссионной электроники. Сущность изобретения: между эмиттером и коллектором располагаются соосно друг за другом с зазором полые жестко скрепленные цилиндрические корпуса, внутрь которых вставлены цилиндры с диафрагмами на торцах. Устройство сочетает технологичность конструкции с высоким разрешением, легкую воспроизводимость с надежностью, стабильность работы в эксплуатационных условиях. Указанные в заявке соотношения между размерами деталей линзы, а также выполнение отверстия одной из диафрагм коническим обеспечивает уменьшение аберраций. 4 ил.

1 ц г

J J 6

ФигЛ

Фи г, I

Фг/e.J

Фиг4