Корректирующий электрод для анали-зАТОРОВ зАРяжЕННыХ чАСТиц Советский патент 1981 года по МПК H01J19/00 

Изобретение огносигся к области анал за заряженных частиц по энергиям, в осо бенности к элекгростагическим анализато рам типа цилиндрического зеркала, и может быть испо/).ьзовано в спектрометрах для космических исследований, для химического анализа твеу. цьсх тел методами эле: ронной спектроскопии, а также в пру гих электронных и ионных приборах, кспо льзутоших цилиндрически симметричные электрические поля. Любой пркбар, использующий фокусиров ку заряженных частиц, требует создания расчетной конфигурации поля, и любое отклонение от нее приводит к ухудшению электроннооптических характеристик. Например, анализатор заряженных частиц типа цилиндрического зеркала 1 требует создания цилиндрически симметричного Поля, вблизи его торцов сям лвгрня поля нарушается, и если краевые искажения поля доходят до траекторий заряженных частиц, то основньге характеристики анализатора ( в частности, разрешающая способность), ухудшаются. Из практических соображений, таких как необходимость малых габаритов и доступ к образцу, требуется максимально возможное ограничение длины цилиндров анализатора, и, чтобы избавиться от краевых искажений поля, применяют корректи1 ующие электроды, устанавливаемые .вблизи торцов цилиндров. Для идеальной коррекции эти электроды должны в каждой точке своей поверхности создать в точности такое же распределение потенциала, которое существует между бесконечно длинными цилиндрами, но практически корректирующие электроды аппроксимируют необходимое поле с той или иной точ-. ностью. Известен корректирующий электрод, состоящий .из основания из изолирующего материала, вся поверхносгь которого покрыта реансгввнсй пяенксй с поверхностным т;опротивлением порядка 1О МОм квадрат СзЗ. Однако этот корректирующий. электрод оолашет недосгагочной гочпосгь коррекции поля из-за большого гехноло, гического разброса поиерхностного сопро гнвлеиия высокоомной пленки по площади основания. Известна и другая конструкция электрода для коррекции краевых электрических полей С-3.- Этот корректирующий электрод, являющийся наиболее близким по кон струкции к предлагаем.ому устройству, установлен между двумя коаксиальными цилиндрами, и состоит из изолирующего основания в форме кольца или полого усеченного конуса, на которое напылен ряд концентрических проводящих колец из хорошо проводящего материала. К каждому кольцу подводится необходимый потенциал, зависящий от радиуса кольца. Для создания нужных потенциалов на кольцах используется делитель напряжений представлгтющий собой резистивную дорожку в форме сектора или прямо тольника из материала с сопротивлением порядка Ю МОм/квадрат, напыленную по радиу су изолирующего основания, пересекающую все кольца и имеющую с каждым из колец электрический контакт. Концы рези стивной дорожки электрически соединяются с цилиндрами анализатора. Резисгивная дорожка с таким большим сопротивлением обычно делается из кермета, например, алутш-ннкель, а концентрические кольца - из н.емагнитного металла (золото, хром и т„д.)„ Все основание покрывается еще одним слоем материала с поверхностным сопротивлением порядка 100 МОм/квадрат, ко торый не приводит к заметному перераспределению потенциалов на кольцах и спу жит для снятия электростатических зарядов с учасгков основания между кольцам Это известное устройство позволяет уменьшить длину цилиндров анализатора, но имеет ряд недостатков. Один из них необходимость индивидуальной подгонки сопротивлений участков резистивной до- рожки. Это связано с гем, что трудно осуществить напыление радиальной полоск из материала с таким высоким значением поверхнсхзтного сопротивления так, чгобы каждый ее участок между соседними кольцами имей заданное значение сопротивления, пленки с поверхностным сопротивлением 1-10 МОм/квадрат, работающие сверхвысоком вакууме, практически осуществимы лишь на основе одновременного напыления металла и диэлектрика, а таки пленки имеют- особенно гскиологцческий разброс парамогро),. Уменьилггь поиерхпостное сопротивление резисгиапой дорожки в известном электроде и применить гораздо более технологичные резистивные материалы на основе металлов нельзя, поскольку полное напряжение между концами дорожки досткп ает 1-2 кВ и мощность, рассеиваемая на ней, будет чрезмерно велика. . Другой недостаток прототипа связан с первым и заключается в недостаточной степени уменьшения краевых искажений поля. Дело в том, чго для компенсации краевьгх искажений электрического поля необходимо на псей границе создать расчетное расгфеделенце потенциала В известном устройстве эта зависимость аппроксимируется заданием эквкпотенциалей, задаваемых с помощью проводящих каг)ец на нескольких дискретных радиусах, и для улучшения аппроксимации, которое необходимо при увеличении разрешения анализагора или при уменьшении габаритов, нужно сокра - . щагь троводящих колец, расстояние меж,ау ними и увеличивать число колец. Однако индивидуальная подгонка участков резистивной дорожки-делигеля с помощью пескоструйной обработки или кислотного треяшеиия практическ нсклюяаег задание эквяпогеицкалей ча1це, чем через 2-3 мм. Это приводят к тому, что электрическое ncvie ймеег cyuiecriieiiHoe о -клоненяе от расчетной конфКгурпции на рассгоянии ближе 3-4 мм от поверхности электрода, что приводит либо к уменьшению разрешающей спогобностп анализатора, либо к необходимости ув.епнченал его габаригов. Целью изобретения является увеличение точности KoppeKUivu поля, Цель досг п аегся. res-;, чго предлагаемый электрод аля оланпзагоров заряженньк часгяц имеет резисгнвную дорожку в Биде сгпфзл;-. расположеикой па поверхности основания вокруг его центрального отверсгяя, а- также reNj, -r.ro резксгявная дорожка выполнена Fi.a основе чкстых металлов ЛПК к.Ее1аллических спяавоз, причем резисгнвная дорожка имеет постоянное сопротивление iia едкняцу длины, а шаг спирали выбран пропорцкоиально квадрату расстояния от ОСИ йзолйрзаощего основания. Кор|)еи1йя коля осущесгвяяегся за счет того, что спгральная резнсгквьая дорожка, расасложекнап на поверхь осг- -: основания из нзоляц соцного Материала, сама является элементом, фюрмнрующккч эле этическое 572 поле нужной конфигурации путем и.меиения шага спирали i ш(фииы дорожки. Шаг спирали и ширина резнсгивной дорожки могут составлять 100 мк и менее, а длина резистивной дорожки может быть в 10-100 раз больше, чем в прототипе. Благодаря этому в предлагаемом электроде резистивная дорожка имеет в 10-1О раз меньше поверхностное сопротивление, и для нее могут быть использованы более низкоомные и технологичные материалы, и необходимость в подгонке сопротивлений различных участков отпадает. Поскольку шаг спирали а предлагаемом корректирующем электроде можег быть сделан, по крайней мере, в 10 раз меньше, чем расстояние между соседними кольцами в прототипе, то при одинаковой относительной точности коррекции 1фаевых полей, предлагаемьсй коррект(фуюший элект- 20 род для анализаторов заряженных частиц позволяет пропорционально уменьшить во столько же раз все размеры анализатора Практически это дает возможность изготовить миниатюрный анализатор с .иаружным диаметром, уменьшенным со 100150 мм до 15-20 мм, с хорошим до ступом к образцу и такой же разрешающей способностью. Разумеется, улучшени коррекции краевых полей позволяет увеличить и разрешающую силу анализатора. На фиг. 1 даны разрез и проекция предлагаемого устройства; на фиг. 2 его модификация, позволяющая дополнительно улучшить доступ к образцу. Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из основания 1, и резисгквной дорожки 2 в виде спирали, нанесенной на основание. Начало спирали электрически соединяется с внутренним цилиндром анализатора, а конец - с внешним цилиндром посредством, наприьлер, металлизи{)ованных слоев 3,4. Если проводимость материала изолирующего основания недостаточна для снятия зарядов, то на поверхность изолирующего основания наносится покрытие 5 с сопротивлением порядка 1 МОм/квадрат для снятия электростатических зарядов. Предлагаемый корректируюший электрод для анализаторов заряженных частиц работает следующим образом. Каждая точка резистивной дорожки име ет потенциал, который необходим для создания расчетного электрического поля в 9 npocrpaifCTBe (eждy цилиндрами, то есть, каждая точка дорожка имеет потенциал U(rj-u (. , ,(1) где Г - расстояние данной точки спирали от оси цилиндрических электродовГ и г - соответственно, радиусы наружного и внутреннего цилиндров; Up - потешхиал внешнего цилиндра. Поскольку точность создания необходимой конфигурации поля тем вьпле, чем большая часть границы поля имеет распределение потенциала вида (1), то выгодно уменьшить расстояние между соседними витками спирали и их Ш1фяну, При этом будет уменьшаться и мощность, рассенвае- мая резистивной спиральной доро {;кой, по скольку ее общее сопрогнвпение будет возрастать. Практически удобно иметь чолное сопрогивлеине дорожки порядка 10 МОм, но оно кюжет и отличаться на порядок 0 большую или меньшую сторону. Для создания спиральной резисгнвной дорожки с распределением потенциала (1) вдоль нее необходимо менять шаг спирали или ее сопротивление на длины. Естественно, легче -всего изменять шаг спирали. Тогда для случая, когда спираль имеет больше 20-30 витков, уравнение спирали с тошюстью до членов второго порядка дается формулой: L/ 1 .1,, tn(r,/r)V г где Ф„ полярньщ угол с полюсом на оси коаксиальных цилиндров анализатора;полная длина спирали; радиусы, соответственно, внутреннего и наружного шглнндров. Шаг спирали Ьудет с,- 5- полное количество витков в cпfфaли М Л) L ТГ nj 27cen( Ч1 Л1 2 При характерных для электронной спектоскопии размерах анализатора длина спн- . ади может составлять 1О м при 1ОО виг-, ах, и при щирине дорожки 0,2 мм, поерхностное сопротивление резнсгивной до-ожки может составлять менее Юом/квад- ar, что дает возможность нспопьзо ать пленки не чз кермегов, а из таких ехнологичных материалов, как чистые еталлы и их сплавы (хром, гангал, моибден и др.).

Современная гонкопленочная технология аозволяег без груда получигь бездефектную резисгивную металлическую пленку длиной 10 м при ширине 100-20О мк и менее. Рисунок спирали с нужным шагом н шириной можно получать известными методами фотолитографии после напыления пленки на всю поверхность шайбы из изолирующего материала.

На фиг, 2 показана модификация предложенного устройства с основанием в виде усеченного полого конуса. Здесь резистивная дорожка идет спиралью по внутренней поверхности конуса так, что потенциал в каждой точке спиральной ддрожки определяется формулой (1). Эту модификацию предлагаемого корректирующего электрода удобно применить для коррекции электрического поля на переднем гор це анализатора, чтобы обеспечить лучший доступ к образцу или к источнику анализируемых заряженных частиц. Аналогично, сопосгаБЛение между любыми двумя точками резистивной дорожки пропорционально расчетной разности потенциалов между этими точками.

Предлагаемый корректирующий электрод для анализаторов заряженных частиц при одинаковой с прототипом точности коррекции краевых искажений поля позволя- ет уменьшить линейные размеры цилиндрического зеркального анализатора не менее, чем в Ю раз. Это дает возможность уменьшить проходной диаметр сверхвысоковакуумной камеры и устанавливать анализатор практически на любом фланце. Пр этом уменьшается стоимость вакуумной системы, а также время достижения сверхвысокого вакуума.

Предлагаемое устройство дает при одинаковьк е прототипом размерах примерно в 10 раз меньшее отклонение электрического поля от расчетной структуры, так как дискретные скачки потенциала,, обеспечивающие аппроксимацию расчетной кон фигурации поля, в предлагаемом ,корректирующем электроде могут быть по крайней мере в 10 раз меньше. При этом максимально Достигнутая разрешающая сила анализатора увеличивается в несколько раз (конкретная ци4ра зависит от расстояния между корректирующим элекгродом и траекторией электронов и других параметров, выбираемых, из комлромиссных соображений).

Благодаря возможности отказаться от керметных материалов (поверхностное сопротивление резисгивной дорожки предлагаемого устройства может составлять всего 2ОО ом/квадрат ) и пршугенить гqэaздo более технологичные пленки из металлов н их сплавов, упрощается изготовление корректирующего электрода. При этом можно применить известную в микроэлектронике технологию, используемую в массовом производстве интегральных микросхем.

Формула изобретения

1,Корректирующий электрод для анализаторов заряженных частиц, установленный между двумя коаксиальными цилиндрами, содержащий изол;фующее основание в форме плоского кольца или полого усеченного конуса и резистивную дорожку на поверхности изолирующего основания, отличающийся тем, что, с целью увеличения ТОЧНОСТИ коррекции поля, резистив- ная дорожка выполнена в виде спирали, раопоноженной на поверхности изолирующего основания вокруг его центрального отверстия,

2,Электрод по IT, 1, отличающий с я тем, что резистивная дорожка выполнена на основе чистых металлов или металлических сплавов,

3,Электрод по П;П. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и-и с я тем, что резистивная дорожка имеет постоянное сопротивление на ,единицу длины, а шаг сп1фали выбран про порционально квадрату расстояния от оси изолирующего основания,.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Авторское свидетельство СССР

№ 175584, кл. Н 01 и 39/04,

2,Патент США N 3 73917О, кл, 250-49,5 опублик, 1973,

3,Па тент США № 381S22S, кл. 25О-ЗО5, опублик. 1975,

иг.2