Энерго-массанализатор Советский патент 1982 года по МПК H01J49/32 H01J49/44 

(54) ЭНЕРГО-МАССАНАЛИЗАТОР

1

Изобретение относится к физическому приборостроению, в частности к устройствам для анализа ионов по массам и энергиям, и может быть -использовано для анализа поверхностных слоев материалов различными методами ионной спектроскопии. 5

Для анализа методами ионной спектроскопии элементного состава, кристаллографической и электронной структуры поверхности, а также при излучении ориентации Q и характера взаимодействия адсорбированных слоев и пленочных конденсатов с подложкой необходимо знание угловых распределений интенсивностей рассеянных поверхностью первичных, а также эмиттируемых ею вторичных ионов а зависимости от на- 15 правления облучения поверхности потоком первичных ионов. При этом для анализа материалов, обладающих анизотропией физических и физико-химических свойств, измерение угловых распределений необходимо 2о выполнять одновременно с анализом распределений ионов по энергиям и массам.

Отсутствие данных о каком-либо из распределений (по массам, энергиям или углам) не позволяет получать полное представление о поверхности исследуемого объекта.

Известен спетрометр, позволяющий производить анализ рассеянных поверхностью ионов по углам ц энергиям. Спектрометр содержит источник первичных ионов, средство для фокусировки пучка первичных ионов на поверхность образца, расположенные по ходу движения пучка анализируемых ионов секторный сферический энергоанализатор и детектор ионов. На входе энергоанализатора расположена коллимирующая и замедляющая пучок анализируемых ионов система, позволяющая отбирать ионы с определенным углом эмиссии с поверхности. Эта система, энергоанализатор и детектор ионов установлены на поворотной платформе и могут вращаться вокруг анализируемой поверхности, что дает возможность изменять направление отбора рассеянных поверхностью первичных или эмиттируемых ею вторичных ионов 1.

Недостатком известного устройства является отсутствие разрешения ионов по массе, что Ограничивает его аналитические возможности, снижает точность и эффективность анализа поверхности образца, особенно при работе с многокомпонентными материалами. Наиболее близкий к предлагаемому энерго-массанализатор содержит размещенные в вакуумной камере источник ионов, систему фокусировки пучка ионов на поверхность мишени, расположенные по ходу движения пучка анализируемых частиц секторный энергоанализатор и массанализатор, а также детектор ионов. Исследуемый образец может поворачиваться относительно источника бомбардирующих ионов с помощью прецизионного манипулятора, что обеспечивает анализ поверхности при различных углах падения бомбардирующих ионов 2. Недостатком этого устройства являются ограниченные аналитические возможности изучения поверхности, так как анализ частиц осуществляется только по энергиям и массам. В устройствам такого типа не реализована возможность проведения анализа ионов, эмиттированных или рассеянных поверхностным слоем материала, по их угловому распределению. Это объясняется тем, что для реализации возможности анализа ионов по углам необходимо вращать энерго- и масс анализаторы вокруг образца либо непосредственно ввакуумной камере, либо вне ее, соединив с нею анализаторы каким-либо гибким вакуумно-плотным соединением. И то, и другое технически трудно выполнимо. Цель изобретения - расширение аналитических возможностей устройства за счет анализа ионов по углу. Поставленная цель достигается тем, что в энерго-массанализатор, содержащий источник ионов с системой фокусировки, расположенные последовательно энергоанализатор, массанализатор и детектор, введено отклоняющее ионы устройство, расположенное между энергоанализатором и массанализатором, и энергоанализатор выполнен с возможностью поворота вокруг оси, продолжением которой является ионно-оптическая ось массанализатора. Такое выполнение энерго-массанализатора позволяет кроме анализа ионов по энергиям и массам производить анализ конов по их угловому распределению, что значительно улучщает аналитические возможности устройства, увеличивает универсальномть, эффективность прибора, его чувствительность к состоянию поверхности и точность выполнения анализа поверхности при любых углах облучения и отбора анализируемых ионов. На чертеже изображена сх.ема устройства. Энерго-массанализатор содержит размещенные в вакуумной камере 1 источник 2 ионов, систему 3 фокусировки пучка ионов на исследуемый образец 4, расположенные по ходу пучка анализируемых частиц коллимирующую и замедляющую систему 5, установленную на входе полусферического энергоанализатора 6, отклоняющее устройство 7, выполненное, например, в виде плоского конденсатора, и установленное на выходе энергоанализатора 6. За отклоняющим устройством 7 по ходу движения анализируемых частиц расположен массанализатор 8 и детектор 9 ионов. Управляемый извне манипулятор 10 осуществляет поворот образца 4 на любой угол относительно направления падения пучка бомбардирующих ионов. Коллимирующая и замедляющая система 5, энергоанализатор 6 и отклоняющее устройство 7 механически жестко связаны между собой и размещены на поворотной платформе 11, установленной на опорном подшипнике 12. Вращение платформы 11 осуществляется с помощью управляемого извне механизма 13 передачи вращения и отсчета углов поворота, что обеспечивает поворот энергоанализатора 6 на любой угол относительно нормали к исследуемой поверхности образца 4. При этом вращение поворотной платформы 11 осуществляется вокруг оптической оси А-А, направление которой совпадает с осью поворота исследуемой поверхности образца 4, проходящей через точку падения пучка бомбардирующих ионов, а также с направлением выхода анализируемых ионов из отклоняющего устройства 7 и с ионно-оптической осью массанализатора 8. Устройство работает следующим образом. Пучок ионов генерируется источником 2 ионов, например источником с ионизацией электронным ударом, и фокусируется с помощью системы 3 фокусировки на поверхность исследуемого образца 4. Требуемый угол между нормалью к поверхности образца и направлением бомбардировки ионами устанавливается с помощью манипулятора 10. Рассеянные поверхностью или эмиттируемые ею вторичные ионы проходят через коллимирующую и замедляющую систему 5, ограничивающую угол отбора ионов Aai, определяя тем самым уголовое разрешение анализа, и попадают в полусферический энергоанализатор 6, где подвергаются анализу по энергиям путем отклонения в электрическом поле соответствующей конфигурации. Выходящие из полусферического энергоанализатора 6 частицы попадают в отклоняющее устройство 7, которое отклоняет частицы по направлению оси А-А, проходящей через точку падения бомбардирующего пучка ионов и совпадающей с осями поворота энергоанализатора 6 и ионно-оптической осью массанализатора 8. Требуемый угол отбора анализируемых частиц оС устанавливается с помощью механизма 12 передачи вращения, расположенного вне вакуумной камеры 1, путем поворота платформы 11 на опорном подшипнике 12 вокруг оси А-А. При этом анализируемые частицы, выходящие из отклоняющего устрюйства 7, попадают в массанализатор 8 и регистрируются затем с помощью детектора 9 ионов. Предлагаемое устройство имеет улучшенные аналитические возможности по сравнению с известным, поскольку оно дает возможность одновременно производить анализ ионов по энергиям и массам, а также выполнять анализ угловых распределений ионов в диапазоне любых углов облучения поверхности и любых углов отбора анализируемых ионов. Это, в свою очередь, позволяет всесторонне исследовать поверхность твердого тела, увеличить эффективность, чувствительность анализа. Так, точность анализа кристаллографической структуры монокристаллов предлагаемым устройством увеличивается в 10, раз, точность анализа сил связи атомов поверхности - в 6 раз, по сравнению с прототипом. Кроме того, разрешающая способность (при сохранении светосилы) энергоанализатора предлагаемого устройства на выше, чем у прототипа, за счет дополнительного энергоанализа ионов в поворотном устройстве, выполненном в виде плоского конденсатора. Перечисленные выше факторы делают предлагаемое устройство универсальным и пригодным для анализа поверхности многитии прогрессивными методами: масс-спектрометрией вторичных ионов, спектроскопией ионного рассеяния, методами каналирования ионов и др. Изобретение является особенно перспективным при анализе материалов, применяемых в полупроводниковой, эмиссионной и криогенной электронике, ядерной технике, космическом материаловедении и других областях техники, где используются массивные и пленочные твердотельные объекты, обладающие анизотропией физических и физико-технических свойств. Формула изобретения Энерго-массанализатор, содержащий источник ионов с системой фокусировки и последовательно расположенные энергоанализатор, массанализатор и детектор, отличающийся тем, что, с целью расширения аналитических возможностей, в него введено отклоняющее ионы устройство, расположенное между энергоанализатором и массанализатором, а энергоанализатор выполнен с возможностью поворота вокруг оси, продолжением которой является ионно-оптическая ось массанализатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Комбинированный спектрометр ADES-400 фирмы VG Scientific. Проспект и техническое описание. 2.Выложенная заявка ФРГ № 2313852, кл. G 01 N 23/22, 1968