Электростатический энергоанализатор заряженных частиц

Полезная модель относится к области энергетического анализа заряженных частиц, образованных в результате воздействия рентгеновского излучения, ионного или электронного пучка на поверхность твердотельного изучаемого объекта и предназначено для регистрации этих энергетических спектров с целью определения состава и свойств веществ для исследования объектов микро- и наноэлектроники методами электронной, ионной и фотоэлектронной спектроскопии.
Аналогом заявляемой полезной модели является энергоанализатор, образованный двумя плоскими параллельными электродами с входным и выходным отверстиями в нижнем электроде, называемый в литературе анализатором с однородным электростатическим полем [Афанасьев В.П., Явор С.Я. Электростатические анализаторы для пучков заряженных частиц. М.: Наука, 1978. 224 с]. Между плоскими электродами подана тормозящая для анализируемых частиц разность потенциалов. Попадая в энергоанализатор через входное отверстие, частицы двигаются по дугообразным траекториям и покидают прибор через выходное отверстие.  Анализатор отличается простотой конструкции, но его недостатком является невысокое значение дисперсии и удельной дисперсии (отношение дисперсии к величине главного аберрационного члена, зависящего от угла раствора пучка в плоскости дисперсии). Величина дисперсии, выраженная в долях базы прибора (расстояние между входным и выходным отверстием), составляет . У энергоанализатора существует режим работы с более острой фокусировкой второго порядка, но величина энергетической дисперсии при этом снижается до значения .
Аналогом заявляемой полезной модели также является электростатический энергоанализатор коробчатого типа [Афанасьев В.П., Явор С.Я. Светосильный энергоанализатор с двойной фокусировкой // Письма в Жур. тех. физики. 1975. Т. 1. №9. С. 779–783]. Он состоит из плоского заземленного электрода с входным и выходным отверстиями и «П»-образного, на который подан тормозящий потенциал, то есть прибор является анализатором зеркального типа. Траектории частиц в поле анализатора имеют форму дуги. В поперечном сечении анализатор представляет собой прямоугольник. При соответствующих соотношениях между длиной  и высотой  этого прямоугольника, а также при подходящем расстоянии между источником и нижним электродом  удается добиться стигматической фокусировки второго порядка. Так, например, в частном случае при  и  фокусировка второго порядка обеспечивается при угле влета частиц . Недостаток: невысокая энергетическая дисперсия, составляющая в этом режиме .
Аналогом заявляемой полезной модели также является энергоанализатор, состоящий из двух гиперболических цилиндрических электродов, между которыми приложена тормозящая разность потенциалов, обеспечивающая возврат частиц на внутренний электрод [Бредов М.М. Многокаскадный электростатический энергоанализтор с совмещенной пространственной фокусировкой в двух плоскостях // Жур. тех. физики. 1959. Т. 29. №8. С. 1032–1037]. Пара отверстий, прорезанных во внутреннем электроде, играют роль входного и выходного отверстия соответственно. Движение частиц происходит по дугообразным кривым. Недостатком прибора является невысокая величина энергетической дисперсии , что даже при малых входной и выходной апертурах существенно ограничивает величину удельной дисперсии.
Аналогом заявляемой полезной модели также является энергоанализатор с цилиндрической формой электродов, который представляет собой цилиндр, разрезанный по образующим на две части, таким образом, что в плоскости перпендикулярной разрезам каждый из электродов имеет форму дуги [Овсянникова Л.П., Фишкова Т.Я. Энергоанализатор с цилиндрической формой электродов // Письма в Жур. тех. физики. 2004. Т. 30. №7. С. 36–41]. В различных исполнениях соотношение угловых размеров электродов может быть разным, но в любом варианте между электродами прикладывается тормозящая разность потенциалов, что обеспечивает движение частиц по дугообразным траекториям. Прибор относится к энергоанализаторам зеркального типа. Ввод и вывод частиц осуществляется через отверстия, прорезанные в одном из электродов.  В устройстве энергетическая дисперсия может достигать существенных величин, но при этом велики аберрационные уширения, что приводит к снижению удельной дисперсии. Использование режимов с меньшим уровнем аберрационного размытия приводит к сильному снижению  энергетической дисперсии до значений . Таким образом, недостаток известной конструкции: невозможность одновременно обеспечить высокую дисперсию и удельную дисперсию.
Аналогом заявляемой полезной модели также является электростатический энергоанализатор, полезадающие электроды которого выполнены в форме цилиндрических поверхностей. Внутренний электрод выполнен в виде двух примыкающих друг к другу и электрически соединенных полуцилиндров, а внешний электрод выполнен в виде двух цилиндрических поверхностей, смыкающихся по краям с внутренним электродом и квазипараллельных при удалении от него [Голиков Ю.К., Уткин К.Г., Григорьев Д.В. Обратные задачи теории электростатических энергоанализаторов. I // Жур. тех. физики. 1999. Т. 69. №9. С. 128–131, А.с. 544307 СССР. Электростатический энергоанализатор / Л.Н. Галль, Р.Н. Галль, Ю.К. Голиков, К.Г. Уткин : № 2091369/25 ; заявл. 03.01.75.]. Сечения перпендикулярные поверхностям электродов описываются уравнением
<img file="00000012.jpg" he="14" wi="58" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
где ,  – координаты;  и  – константы, причем  относится к внутреннему электроду, а  к внешнему электроду. Внутренний электрод также содержит входное и выходное отверстия, через которые проходит поток анализируемых частиц. К электродам прикладывается разный по значению потенциал. Таким образом, в объеме анализатора создается тормозящее поле, заставляющее двигаться частицы по дугообразным траекториям. Прибор обладает хорошими фокусирующими свойствами и может обеспечить высокий уровень энергетической дисперсии и удельной дисперсии. Недостатком конструкции являются неучтенные при расчетах паразитные краевые поля, а также весьма сложная форма электрода, через который осуществляется ввод и вывод анализируемых частиц.
Аналогом заявляемой полезной модели также является электростатический энергоанализатор, являющийся составным элементом электростатического спектрометра угловых и энергетических распределений заряженных частиц по авторскому свидетельству № 1150680 [А.с. 1150680 СССР. Электростатический спектрометр угловых и энергетических распределений заряженных частиц / М.А. Бережковский, Ю.К. Голиков, В.Ю. Коломенков, А.А. Майоров, С.И. Слепышков, В.А. Федотов, Н.А. Холин, В.А. Павленко : № 3649172/24-21 ; заявл. 03.10.83 ; опубл. 15.04.85, Бюл. № 14]. Энергоанализатор содержит электроды, выполненные в виде цилиндрических поверхностей с сечениями в каждой из плоскостей перпендикулярной их прямолинейным образующим, являющимися лемнискатами Бернулли, то есть алгебраическими кривыми, задающимися уравнением
<img file="00000017.jpg" he="14" wi="47" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
где ,  – координаты;  и  – константы, причем  относится к внутреннему электроду, а  к внешнему электроду. Во внутреннем электроде прорезаны входное и выходное отверстия. Лемнискаты имеют разные фокусы и общую узловую точку, при этом узловая точка и фокусы обеих кривых лежат на одной прямой. Между электродами прикладывается тормозящее поле, то есть анализатор является анализатором зеркального типа, который по форме может быть назван лемнискатическим зеркалом. Движение частиц в поле прибора происходит по дуге. При вводе потока заряженных частиц под углом  к оси анализатора величина энергетической дисперсии составляет . Недостатком указанного спектрометра является невысокое качество фокусировки и как следствие невысокая удельная дисперсия, а также необходимость вводить и выводить пучок через узкие щели, что ограничивает светосилу прибора.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели (прототипом) является анализатор типа «двугранный угол» по авторскому свидетельству № 1150680 [А.с. 865049 СССР. Электростатический энергоанализатор заряженных частиц / Т.Я. Фишкова : № 2921173/18-25 ; заявл. 05.05.80 ; опубл. 15.04.82, Бюл. № 14]. Устройство состоит из двух электродов, один из которых выполнен в виде двугранного угла величиной , а другой содержит входное и выходное отверстия и расположен внутри первого симметрично относительно плоскости, проходящей через ребро двугранного угла и делящей его пополам. Между электродами прикладывается тормозящее поле, под действием которого частицы движутся по дугообразным траекториям. Прибор относится к анализаторам зеркального типа. Устройство способно обеспечивать работу с уровнем энергетической дисперсии . Недостатком является то, что в расчетах не учтены эффекты краевых полей, чье влияние в условиях больших входной и выходной апертур приведет к сильному аберрационному размытию сфокусированного пучка, следствием которого будет существенное снижение удельной дисперсии.
Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства с высокой дисперсией и удельной дисперсией.
Техническим результатом реализации предлагаемой полезной модели является улучшение функциональных характеристик анализатора, а именно увеличение дисперсии как минимум в 2.6 раза и удельной дисперсии от 486% до 688%.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что электростатический энергоанализатор заряженных частиц, содержит два электрода, выполненных в форме цилиндрических поверхностей, которые в каждой из плоскостей, перпендикулярной их прямолинейным образующим, имеют форму, описываемую двумерной кривой
<img file="00000022.jpg" he="7" wi="114" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
где  и  константы, относящиеся к нижнему и верхнему электроду соответственно, причем , а также имеет дополнительные экранирующие электроды, контура границ которых описываются функцией
<img file="00000026.jpg" he="7" wi="115" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
расположенные с торцов электродов энергоанализатора, выполненных в форме цилиндрических поверхностей.
Кроме того, нижний электрод, содержащий входное и выходное отверстия, может быть выполнен со вставкой из диэлектрического материала, например фторопласта, расположенной между входным и выходным отверстиями, и по ширине равной ширине этих отверстий.
А также электростатический энергоанализатор дополнительно имеет диафрагму, соединенную с нижним электродом и выполненную из такого же материала, которая расположена напротив выходного отверстия энергоанализатора с нижней стороны нижнего электрода параллельно ему.
Авторами установлено, что предлагаемый электростатический энергоанализатор обеспечивает новое распределение электрических полей в области прохождения исследуемых пучков заряженных частиц, приводящее к достижению технического результата – увеличению дисперсии и удельной дисперсии.
Сущность полезной модели поясняется на чертеже (фиг. 1), где представлена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит электроды электростатического энергоанализатора 1 и 2, дополнительные экранирующие электроды 5 – 14, а также диафрагму 3, соединенную с электродом 1 и выполненную из такого же материала, и расположенную напротив выходного отверстия энергоанализатора с нижней стороны электрода 1 параллельно ему. Часть электрода 1, расположенная между входным и выходным отверстиями, и по ширине равная ширине этих отверстий, может быть выполнена из диэлектрического материала, например фторопласта, и обозначена на чертеже под номером 4.
Электроды 1 и 2 выполняются в виде двух цилиндрических поверхностей с сечениями, описываемыми уравнением
<img file="00000022.jpg" he="7" wi="114" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
где ,  – координаты;  и  – константы, причем индекс «1» относится к нижнему электроду 1, а индекс «2» к верхнему электроду 2. Значения констант  и  задают форму нижнего и верхнего электрода соответственно. Минимальные геометрические размеры энергоанализатора ограничены областью применимости законов электронной оптики. Нижний электрод 1 заземляется, а на верхний подается тормозящий для анализируемых частиц потенциал , тем самым между электродами 1 и 2 создается тормозящая для анализируемых частиц разность потенциалов .
Важной составляющей частью энергоанализатора являются дополнительные экранирующие электроды 5 – 14. Каждый из электродов 5 – 14 представляет собой дугообразную секцию, криволинейная граница которой описывается уравнением
<img file="00000028.jpg" he="7" wi="114" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
где ,  – координаты;  и  – константы, причем индекс «н» относится к нижней границе секции, а индекс «в» к верхней границе секции. Каждая секция удовлетворяет условию . На каждую секцию подается потенциал для компенсации краевых полей электростатического анализатора. На значения потенциалов накладываются условия , , , , . Конкретная величина потенциалов подбирается в условиях эксперимента.
Дополнительно к нижнему электроду 1 на фиксированном расстоянии от его нижней границы может быть присоединена диафрагма 3. Диафрагма 3 представляет собой пластину с отверстием, через которое проходит анализируемый поток частиц.
Энергоанализатор работает следующим образом. Через входное отверстие энергоанализатора вводится пучок анализируемых частиц. Между электродами 1 и 2 электростатического энергоанализатора создана тормозящая для анализируемых частиц разность потенциалов . Траектории частиц в тормозящем поле представляют собой дугообразные кривые, сконцентрированные вблизи продольной плоскости симметрии 15. Электростатический энергоанализатор ввиду своих сильных диспергирующих свойств разделяет поток на моноэнергетические составляющие и фокусирует одну из них на выходное отверстие нижнего электрода 1. Покидая объем анализатора через выходное отверстие, частицы проходят через диафрагму 3. Развертка энергетического спектра осуществляется путем изменения значения потенциала , обеспечивая последовательное прохождение каждой моноэнергетической компоненты через выходное отверстие энергоанализатора. Дополнительные экранирующие электроды 5 – 14 компенсируют паразитное влияние краевых полей электростатического энергоанализатора, что позволяет добиться высоких фокусирующих свойств и, следовательно, высокой удельной дисперсии. Для сохранения оптимальных условий фокусировки при осуществлении развертки спектра путем изменения потенциала  напряжения, поданные на электроды 5 – 14, также должны согласованно изменяться, сохраняя отношения потенциалов , , , ,  и потенциала  неизменными. Наличие диафрагмы 3 позволяет осуществлять дополнительную сепарацию частиц по энергии. Кроме того, входное и выходное отверстия прорезаются в нижнем электроде в области, где форма электрода близка к плоской поверхности и где поле наиболее слабо, что вносит наименьшие паразитные искажения в распределение электростатического потенциала и позволяет анализировать пучки как конической, так и ленточной формы.  Компьютерное моделирование в существующих на данный момент программных продуктах для траекторного анализа движения заряженных частиц в электрических полях показывает, что замена части нижнего электрода, расположенной между входным и выходным отверстиями, и по ширине равной ширине этих отверстий, диэлектрическим материалом, например, фторопластом, приводит к повышению удельной дисперсии заявленного в полезной модели анализатора.
Возможны различные варианты выбора формы и электрического управления предлагаемого энергоанализатора, причем оптимальность данного выбора зависит от конкретных условий эксперимента.
Пример 1.
Рассмотрим случай, когда исследуется поток отрицательно заряженных частиц. Пусть средний угол ввода частиц в анализатор в плоскости симметрии по отношению к нижнему электроду составляет , полная апертура пучка в плоскости симметрии равна . При таких входных параметрах пучка целесообразно подчинить форму энергоанализатора следующим условиям. Нижний электрод выбирается таким образом, чтобы его форма вблизи плоскости симметрии 15 была близка к плоской поверхности. Такой форме отвечает выражение
<img file="00000045.jpg" he="11" wi="123" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
где  – расстояние между центрами входного и выходного отверстий, а единицы измерения величин  и  совпадают с единицами измерения . Форма верхнего электрода определяется максимальной высотой подъема потока частиц с  заданными средним углом ввода и апертурой, и с энергией настройки, отвечающей заданному значению потенциала . С учетом запаса по высоте в 10% форма верхнего электрода задается выражением
<img file="00000047.jpg" he="11" wi="125" img-content="undefined" img-format="jpg" />
.
Нижний электрод 1 заземлен, а на верхний электрод 2 подано напряжение . При таких параметрах энергоанализатор будет пропускать и фокусировать моноэнергетическую компоненту потока отрицательных частиц, отвечающую энергии 75 эВ.
В результате компьютерного моделирования установлено, что наилучшие качество фокусировки обеспечит набор экранирующих электродов, состоящий из 5 пар секций, границы которых описываются следующими кривыми.
Секции 13 и 14: нижняя граница
<img file="00000045.jpg" he="11" wi="123" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
верхняя граница
<img file="00000049.jpg" he="11" wi="123" img-content="undefined" img-format="jpg" />
.
Секции 11 и 12: нижняя граница
<img file="00000050.jpg" he="11" wi="123" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
верхняя граница
<img file="00000051.jpg" he="11" wi="123" img-content="undefined" img-format="jpg" />
.
Секции 9 и 10: нижняя граница
<img file="00000052.jpg" he="11" wi="123" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
верхняя граница
<img file="00000053.jpg" he="11" wi="123" img-content="undefined" img-format="jpg" />
.
Секции 7 и 8: нижняя граница
<img file="00000054.jpg" he="11" wi="123" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
верхняя граница
<img file="00000055.jpg" he="11" wi="123" img-content="undefined" img-format="jpg" />
.
Секции 5 и 6: нижняя граница
<img file="00000056.jpg" he="11" wi="123" img-content="undefined" img-format="jpg" />
,
верхняя граница
<img file="00000047.jpg" he="11" wi="125" img-content="undefined" img-format="jpg" />
.
Компьютерным моделированием установлено, что для обеспечения наилучшего качества фокусировки пучка потенциалы на дополнительных экранирующих электродах должны быть распределены следующим образом: , , , ; . При таких условиях эксперимента энергетическая дисперсия прибора, выраженная в единицах , составляет , а удельная дисперсия . По сравнению с прототипом энергетическая дисперсия  увеличилась более чем в 2.5 раза, а удельная дисперсия  более чем в 4 раза.
Пример 2.
Те же условия, что и в примере 1, но напротив выходного отверстия энергоанализатора дополнительно установлена диафрагма 3 на расстоянии  ниже границы электрода 1. Энергетическая дисперсия составляет , удельная дисперсия .
Пример 3.
Такие же условия, как и в примере 1 с тем отличием, что часть нижнего электрода 1, расположенная между входным и выходным отверстиями, и по ширине равная ширине этих отверстий, заменена диэлектрическим материалом. Энергетическая дисперсия составляет , удельная дисперсия .
Пример 4.
Те же условия, что и в примере 3, но напротив выходного отверстия энергоанализатора дополнительно установлена диафрагма 3 на расстоянии  ниже границы электрода 1. Энергетическая дисперсия составляет , удельная дисперсия .
Сравнение параметров предлагаемого устройства и прототипа приведено в таблице 1.
Таблица 1 – Сравнение параметров предлагаемого устройства и прототипа
Энергоанализатор
Дисперсия <img file="00000064.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Удельная дисперсия <img file="00000072.jpg" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Тип «двугранный угол» (прототип)
7.2
452.21
Предлагаемое устройство
18.7
2196.69
Предлагаемое устройство с дополнительной диафрагмой
18.7
2369.27
Предлагаемое устройство с частью электрода, замененной диэлектрическим материалом
19.4
2935.86
Предлагаемое устройство с частью электрода, замененной диэлектрическим материалом, с дополнительной диафрагмой
19.4
3110.82
Таким образом, предлагаемый электростатический энергоанализатор за счет нового распределения электрических полей в области прохождения исследуемых пучков заряженных частиц позволяет получить увеличение удельной дисперсии более чем в 4 раза по сравнению с прототипом одновременно с ростом дисперсии в 2.6 раза. Использование диафрагмы с целью дополнительной сепарации частиц обеспечивает рост удельной дисперсии на 524% по отношению к прототипу. При этом дисперсия увеличивается в 2.6 раза. Возможен вариант энергоанализатора, когда часть электрода, содержащего входное и выходное отверстия, расположенная между входным и выходным отверстиями, и по ширине равная ширине этих отверстий, выполнена из диэлектрического материала. Рост дисперсии и удельной дисперсии по сравнению с прототипом составляет 269% и 649% соответственно. Добавление диафрагмы, соединенной с электродом, содержащим входное и выходное отверстия, и находящейся с нижней стороны электрода напротив выходного отверстия энергоанализатора, обеспечивает увеличение удельной дисперсии на 688% относительно прототипа при сохранении выигрыша по уровню дисперсии.