Спектрометр ионного рассеяния Советский патент 1977 года по МПК G01N23/203 H01J37/00 H01J39/00 

(54) СПЕКТРОМЕТР ИОННОГО РАССЕЯНИЯ

атомом анализируемого образца. Такой спектр может быть использован для получения информации о процессах обмена и об электронных состояниях атомов исследуемого материала. Кроме того, эти спектры полезны для разрешения смежных эпементов периодической таблицы.

Недостатком известных устройств спектроскопии ионного рассеяния является отсутствие воэ можности получить спектры, показывающие процессы электронного .

Цель изобретеш1я - упрощение технологии получения спектров, показьшающих процессы электронного обмена. Достигается это тем, что спектрометр ибшюго рассея1шя содержит средства для изменения кинетической энергии пучка первичных ионов в задаьшом временном диапазоне и заданном интервале кинетических энергий, средства для синхр01В1зации процессов изменения энергии, анализа рассеянных ионов и индикации, операптно связашше, например, через источник шггаьшя, с источником первичных ионов, анализатором и индикаторным устройством.

Кроме того, источник питания содержит генератф развертки для управляемого периодического измене1П1я напряже1шя, а средства для сшофонизации содержат подключенные к анализатору устройства для регистрации нагфяжегтя, при котором ионам, рессеяш1ым атомами данной атомной массы, соответствует максимальный сигнал, идляподачи сигаапа смещения на анализатор.

Кроме того, спектрометр содержит средства для многократного измене мя кинетической энергии пучка первич15ых ионов в любом диапазоне энергий, а таЁсже средства для усредне1шя сигнала, полученного при многократных из№Нешях кинетической энергии пучка первичных ионов; средства для усреднения сигнала содержат цифровую многоканальную пересчбтную схему, си10ф01газирован1ую с генератс ом развертки й-подключешую к анализатору. Помимо этого спектрометр содержит средства для получе шя производной сигнала, которые включают схему для многократной модуляции поверхностного потенциала образца и частот но-и фазочувствительное устройство для регистрации результирукхцшс многократных изменений сигнала.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого спектрометра ионного рассеяния; на фиг. 2 - комбинация блок-схем и пршщшшальньк схем; иа фиг. и 4 - типичные спектры выхода рассеянных ионов. (Не , как функции их кинетической энергии для Рв и Bi соответственно); на фиг. 5 - спектры выхода ионов Не ,рассейнных на элементарном In и нидил, находящемся в соедийёнии Jri As; нафиг. 6спектры выхода ионов Ne, расобяШьЛ та Рв; на фиг. 7 и 8 - спектры выхода нонов Ne я Af. рдссеянных на In соответственно.

Предлагаемый спектроластр вакуумную камеру 1, В1огтри которой устаж)влены источник 2 Н01ЮВ, средства 3 для направлешш ионст на образец 4, держатель образца (не показан), анализатор и детектор рассея1гаых ионов 5. Источник ионов 2 питается от источника 6 переменного напряжения, который соединен со средствами синхронизащш 7, оперативно связанными с анализатором и детектором рассеянных ионов 5 и индикаторным устройством 8. Элементы 6,7, 8 расположены вне вакуумной камеры 1.

Чтобы управлять составом получаемого ионного пучка во время работы устройства, камера 1 вакуумируется до давления менее торр с помощью вакуумного насоса и расположенного внутри камеры геттера (не показаны). Накачка luiepTHoro газа в источник ионов осуществляется прерьшисто. Парциальное давление нужного газа в камере устанавливается с помощью соответствующих клапанов (Не показаны) на уровне порядка 55 10 и из еряется, например, с помощью ионизационных манометров. В качестве инертного газа обычно используют гелий, аргон и неон. Предусмотрены электрические вводы (не показаны) для обеспече1шя соединения между элементами, находящимися внутри и снаружи камеры. Внутри камеры расположен держатель так, чтобы поверхность исследуемого образца 4 находилась на пути первичного ионного пучка. Выходящий из источника ионов 2 пучок проходит по крайней мере через две пары отклонякщих пластин 9, заряжаемых источником питанил 10, который управляется вручную или с помощью профаммного устройства. Это обеспечивает возможность сканирования ионного пучка по поверхности образца 4.

Анализатор и детектор рассеянных ионов 5 содержит обычньш 127.°-иый электростатический анализатор и ионный детектор 2. Электростатический анализатор содержит входную и выходную диафрагмь 3 и 4, соответственно, с длинными и узкими щелями, и две электростатические пластины 5. Диафрагмы 3 и 4 заземлены, хотя в некоторых случаях может оказаться: желательным подать на каждую диафрагму смещение одинакового или различного потенциала относительно земли. Входная даафрагма 13 расположена на расстояш1и порядка см от анализируемой поверхности. Держатель образца и анализатор вьшолнены таким образом, чтобы сохранить постоянным угол рассеяния независимо от того, на какую часть потерхности мишени падает первичный пучок.

Пластины 15 анализатора заряжаются выходным сигналом с устройства сиихронизации 7, которое прикладьшает потенциал к пластинам 5 таким образом, чтобы направить ионы обладаюшие заданной массой и энергией, через шели входной и выходной диафрагм анализатора 11 в ионный детектор 2, в котором поступающие ионы генерируют электроиы, собираемые коллектором 16,преобразуншшм ток электронов, в электрокньш сигнал, принимаемый схемой 7 обработки сигнала. Сигнал со схемы 17 затем кюжет быть воспроизведен на Ш1дикаторж м устройстве 8 любого известного типа. Ишользуемый ионный детектор 12 содержит

камеру 18 и негферьшный канальный электронный умножитель 19, запитьшаемый от высоковольтного источника 20,

Источник 6 переменного напряжения предпочтительно содержит программируемый источник 21 высокого напряжения, выходной сигнал которого может управляться путем изменения сопротивления на его входных клеммах, переменное сопротивление 22, соединенное с двигателем 23 постоянного тока, управляемого источником питания 24. Скорость изменения сопротивления переменного сопротивления 22, а следовательно,и напряжения, пр№ кладьтаемого к источнику ионов 2, может гжняться, например, для того, чтобы обеспечить однократную шш многократную развертку ионов в диапазоне заданных энергий.

Напряжение источника питания 21 прикладывается также к устройству синхронизации 7, содержащему делитель напряжения с потенциометром 25, который устанавливает определенную;а:олю напряя е кия, поданного на источник ионов 2,и подает указанную долю на пластины 15 анализатора 11. В результате этого, в любой данный момент времени, независимо от того, какое напряжение прикладьтается к источнику ионов 2, через анализатор 11 к детектору 12 будут проходить только ионы, рассеянные на атомах образца, имеющих определенную массу. Устройство синхронизации 7 содержит также другой делитель напряжения 26 для получения напряжения,- пропорционального напряжению на пластинах анализатора и подаваемого на индикаторное устройство 8.

Схема 17 обработки электронного сигнала содержит предусилитель 27, импульсный усилитель 28, интегральный дискриминатор 29, интенсиметр 30 и фазочувствительный синхронизирующий усилитель 31. Сигнал с коллектора электронов 16, гфопорциональный числу попадающих в детектор в единицу времени рассеянных ионов, усиливается предусилитепем 27, затем усиливается и формируется в усилителе 28. Интегральный дискриминатор 29 подавляет паразитный шум в сигнале и выходной сигнал подсчитьтается в интенсиметре 30, который вырабатывает аналоговое выходное напряжение, соответствующее числу ионов, зарепютрированных детектором в единицу времени .

Чтобы улучщить указанное соответствие, в спектрометр введены средства получения производной сигнала, включающие 1шзкочастотный генератор 32, включенный последовательно с образцом 4 и устройством 33 для измерения тока. Генератор 32 модулирует потенциал образца 4 и изменяет таким образом кинетическую энергию первичных ионов. Такая модуляция кинетической энергии может быть получена любыми другими способами, например, путем модуляции подаваемого на источник ионов напряжения питания. Сигнал с низкочастотного генератора 32 подастся с помощью проводника 34 к синхронизирующему усилителю 31 для того, чтобы выработать опорньмсип.ил, соответствующий этой модулжщи. Модуляиля аналорового выходного напряжеггия яетект фуется помощью синхрониз1фующего усилителя 31 в соответствии с опорным сигналом и, таким образом, вырабатывает сигнал, характеризующий производную исходного электронного сигнала.

Для слутаев, когда такая обработка выходного сигнала нежелательна, предусмотрен пвухпозиционный переключатель 35, предназначенный для отключения или блокировки генератора 32 от С1шхронизирущего усачителя 31.

Сигнал с синхр01шзирующего усилнтелл 31 предпочтительно использовать для правления двухкоордкнатного устройства по оси Y, а сигнал с устройства синхрониэации 7 - для управления по оси X. В результате может быть получен график зависимое™ числа отсчетов в единицу времени от кинетической энерпш первичных ионов.

В варианте реализации, когда источник 6 переменного напряже шя средства для многократной развертки напряжешш в задашюм диапазоне, целесообразно ввести в схему 17 обработки эжктронного сигнала средства усреднения сигналов, сфорMnpoBaifflbix во время последоьательных разверток, чтобы получить сигнал с улушкнным отношением сигнал/шум. Это средство усреднетдая представляет собой многокар альное щ фровое пересчетное устройство, сш{хрокизирова шое с устройством синхронизащш 7 и соединенное с выходом интегрального |дискрим1шатора 29.

Графики числа отсчетов в зависимости от кинетической энергии первичных ионов могут быть использованы для построения кривых выхода рассеянных ионов, которые не зависят от изменеж™ тока первичных ионов н разрешающей способност 1 анализатора, обусловле1шых изменетшми энергии первич1сых ионов. В каждый из ряд. Bbi amniix велишн первичной энергии количество отсчетов в единицу времени пол чают нз графика и делят на ток первичных ионов, соответствующий велищше кинетической энергии первичных ионов. Полученная величина дет1тся на величину кинетической энергии первичных ионов, что в результате дает выход ионов для данной энергии. Этот последний процесс деления ос тцестЬим, так как число проходящих через анализатор ионов пропорционально их энергии из характеристик разрещения данного анализатора. На фиг. 3-8 показаны такие коррект1фова тые кр{шые выхода, которые показьшают преимущества изобретештя.

Формула изобретения

1. Спектрометр ионного рассеяш1я, содержащий источник первичных ионов, анализатор и детектор pacceHifflbK ионов, имеющих заданн ю потерю энерь гии, индикатопкое устройство, источник питания, связанный с т азанным11 выше элементалти, средства для выделе шя и направления на образец ионов, имеющих определенную массу, велишну заряда и кинетическую энергаю, средства для скатшроваШ1я пучка по поверхности образца, держатель образца, отличающийся тем, что, с целью упрощения технолопш получеш1Я спектров, показывающих процессы электронного обмена, он дополнительно содержит qieMCTBa для изменешш кинетической энергии первичных ионов в задаи юм временном диапазоне и в задагтом интервале кинетических энергий, средства для си1ьхрошзацш процессов изменения энерпш, анализа рассеянных ионов и шщикацли, СЕязага)ью, например, через источшш питания, с источником перпишых ионов, аш.чизато ром и ищикат6рпь1М устройством.

2.CncKTpoMctp по П.1, отличающийся тем, что источник питашш содержит гешратор развертки для управляемого тгёриЬдлческого излкнешш напряжения.

3.Спектрол-втр по шт. 1- 2, о т л а ч а ю щ и йс я тем, что средства для син ошвации содержат

подключешлые к анализатору устройства для регис тращп напряжения, при котором ионам, рассеянlibM атолими данной атомной массы, соответствуе максимальный сипгал, и для подачи сигнала смещения на анализатор.

4.Спектрометр по пи, 1- 3, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что он содеряаи средства для миогохфатного изменеш1я кинетической этЕСртии пучка первичных ионов в любом диапазоне энертий.

5.Сиектрометр по г. 4, отличающийся тем, что он содержит средства для усреднения сигнала, полученного при многократных изменениях кю{етической знергии пучка первичных ионов.

6.Спектрометр по п. 5, отличающийся тем, что средства для усреднения сигнала содержат цифровую многоканалы1ую пересчетную схему, синхронизированную с генератором развертки и подкл оче1шую к анализатс у.

7.Спектрометр по пп. 2-6, отличающийся тем, что он содержит средства для получения производной сигнала.

8.Спектрометр поп. 7,отличающийс ятем, что средства для получения производной сигнала включают схему для многократной модуляции поверхHOcfHor;o потенциала образца и частотно-и фазочувствительное. устройство для регнстрагщи результирующих многократных изменений сигнала.

информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. D. Р. Smith Analysis of Surface Composition with how - Energy Back - Scattered Ions Surface Science 25,NM, 1971, c. 171-192.

2.Патвт США № 3480774, кл. 250-49.5, опубл. 1969.

3.Патент США N 3665182, кл. 250-49.5, опубл. 1972.

Фиг.1

0,Z 0,4- 0,6 0,8 1.0 ,2 1Л. 1,B 1,8 2,0 етическая энергия первичных ионоб

О 0,2 ОМ 0,6 0,9 1.0 1,2 1,4 1,6

Кинетическая энергия пер ичнык uoHoS

не ръ

{KevY

Фиг.З

%,

Фиг. Ч- .

- In (INAS)

JJ. „ L.

0 0,2 ЙA Q,6 0,8

w и /л

энергия первичных ионоб

Кинетическая 1Рчг5

.. L

0,51,01.5 0.5 w

нетическая знергия пербичиык

Фиг. 6

/

In( )

Г,б S

Г

Ne Pb

3ff

W15

2,0

Фыг.

2,02,5

3,0

(KeV)