АНАЛИЗАТОР ЭНЕРГИЙ И МАСС ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к области анализа энергий и масс заряженных частиц, эмиттируемых с поверхности твердого тела под воздействием первичного излучения, и может быть использована для организации комбинированных исследований вещества методами электронной оже-спектроскопии (ЭОС) и масс-спектрометрии вторичных ионов (МСВИ). Основное применение устройства - отладка технологических процессов производства современных изделий твердотельной микроэлектроники. Оже-спектроскопия является средством неразрушающего контроля поверхности твердого тела с возможностью проведения исследований с высокой пространственной локальностью. Масс-спектрометрия вторичных ионов по своей природе является разрушающим методом анализа и проигрывает оже-спектроскопии по пространственному разрешению, но существенным образом опережает ее по чувствительности и пределу обнаружения. Таким образом, налицо взаимно дополняющие особенности двух методов, позволяющие решать задачи, недоступные каждому из них по отдельности.
Для обнаружения оже-электронов с характерными энергиями необходимо пространственно разделить принадлежащие им энергетические спектральные линии (пики) на спектре энергий вторичных электронов.
Для обнаружения ионов с характерными массами необходимо пространственно разделить принадлежащие им масс-спектральные линии (пики) на масс-спектрограммах.
В наиболее распространенных типах энерго- и масс-анализаторов при регистрации спектров используется разделение заряженных частиц по энергиям или массам при их движении в электромагнитном поле. Однако реально отсутствуют приборы, позволяющие в рамках одной базовой конструкции осуществить и энергоанализ оже-электронов и масс-анализ вторичных ионов.
2
Известен аксиально-симметричный изотраекторный масс-анализатор пакетов ионов [1]. Масс-анализатор состоит их заземленного внутреннего цилиндрического электрода, с вырезанным в нем окном для пролета частиц и затянутым мелкоструктурной металлической сеткой, и внешнего консуообразного отклоняющего электрода. На внешний электрод подается переменный потенциал V(t)=c(m)/t, где t - время движения ионов, одновременно стартовавших из находящегося в бесполевом пространстве источника, с - амплитуда напряжения, определяющая настройку анализатора на нужную массу m однозарядных ионов. Поле анализатора фокусирует однозарядные частицы с определенной массой m в область кольцевой диафрагмы во внутреннем цилиндре, которая вырезает из всего пакета ионы в полосе масс Δm, ширина которой зависит от ширины диафрагмы. Запись всего спектра масс осуществляется последовательным дискретным изменением амплитуды c(m) после регистрации коллектором нескольких (более одного) пакетов ионов.
К недостатку известного устройства относится невозможность проведения с его помощью анализа энергий заряженных частиц, в том числе, оже-электронов.
Наиболее близким к предлагаемому является аксиально-симметричный цилиндрический зеркальный анализатор [2], содержащий коаксиально расположенные внешний и внутренний цилиндрические электроды, с выполненными во внутреннем цилиндрическом электроде и затянутыми мелкоструктурной металлической сеткой прорезями для пролета электронов, систему защиты от краевых эффектов, состоящую, например, из изготовленных с высокой точностью чередующихся керамических и металлических корректирующих колец, приемник частиц на основе вторичного электронного умножителя с размещенной перед ним кольцевой или дырочной диафрагмой и блок развертки потенциала, подключенный к цилиндрическим электродам анализатора и через внешний делитель напряжения к металлическим корректирующим кольцам.
1
2
1
1
2
2
Анализатор широко используется в оже-спектроскопии вследствие наличия у него ряда полезных признаков - высокой светосилы порядка 10% от 2π и разрешения лучше, чем 1%. Такой уровень параметров определяется достаточно высоким (вторым) порядком угловой фокусировки вблизи угла 40°. Регистрация спектра энергий E оже-электронов в задаваемом диапазоне от Е до E достигается подачей на внешний цилиндрический электрод отклоняющего потенциала V, изменяющегося в пределах от V=cЕ до V=cE, где c - геометрический параметр анализатора, однозначно определяемый отношением радиусов внешнего и внутреннего цилиндрических электродов.
2
2
На базе рассматриваемого цилиндрического конденсатора может быть построен масс-спектрометр [3], предназначенный для исследований импульсных потоков (пакетов) ионов. Данный прибор использует принципы изотраекторной оптики, заключающиеся в том, что электрические поля, убывающие по закону как 1/t, обеспечивают движение пакета однозарядных ионов с любой массой m по одним и тем же траекториям вне зависимости от их энергии, т.е. реализуют изохорный режим с идеальной фокусировкой по энергии. Здесь t - время движения пакета частиц, начиная с момента их вылета из источника. Однозарядные ионы с массой, отличной от m, движутся по другим траекториям, что приводит к дисперсии по массам. Рассматриваемый изотраекторный цилиндрический масс-спектрометр, содержит коаксиально расположенные внешний и внутренний цилиндры, систему компенсации краевых эффектов, формирующие поле цилиндрического конденсатора; приемник частиц с размещенной перед ним дырочной диафрагмой и блок развертки потенциала V(t)=c(m)/t, подключенный к внешнему цилиндру спектрометра.
2
Регистрация коллектором пакета вторичных однозарядных ионов, эмиттированных с поверхности исследуемого объекта за счет воздействия импульсов первичного излучения (ионы, лазерное излучение) и имеющих определенную массу m и произвольную кинетическую энергию, достигается размещением в точке пересечения их траекторий с осью симметрии системы дырочной диафрагмы и подачей на внешний цилиндрический электрод отклоняющего потенциала V(t)=c(m)/t. Для получения всего спектра масс однозарядных ионов константа c(m) постепенно меняется с помощью блока развертки при регистрации с некоторой заданной скоростью, значительно более низкой, по сравнению со скоростью движения частиц в спектрометре.
К недостаткам прототипа относится малая (порядка долей процента) светосила в изотраекторном режиме, обусловленная отсутствием угловой фокусировки ионного потока, что является ограничением на величину чувствительности анализа вещества и практической невозможностью использования устройства в качестве масс-анализатора.
При создании заявляемой полезной модели решается задача реализации энергоанализа непрерывных потоков заряженных частиц, в том числе, оже-электронов, и масс-анализа пакетов ионов, в том числе, вторичных, с помощью одного светосильного устройства.
Сущность полезной модели заключается в том, что лежащая в ее основе электронно-оптическая схема обеспечивает фокусировку непрерывных потоков заряженных частиц, имеющих различные начальные углы вылета из источника, и пространственное разделение (дисперсию) сфокусированных потоков с различными начальными энергиями при подаче на обе составные части внешнего электрода одинаковых постоянных потенциалов; а также обеспечивает пространственную фокусировку пакетов ионов с различными начальными углами и энергиями и пространственное разделение (дисперсию) сфокусированных пакетов с различными массами при подаче на составные части внешнего электрода переменных потенциалов, обратно пропорциональных квадрату времени движения каждого из пакетов.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства.
а
b
a
b
a
b
Решение указанной задачи достигается тем, что аксиально-симметричный анализатор заряженных частиц содержит коаксиально размещенные цилиндрический внутренний 1 и состоящий из двух конусообразных частей 2, a и 2, b внешний электрод 2; экранирующий электрод 3 коробчатого типа, электрически и механически связанный с внутренним цилиндрическим электродом 1; выполненную на боковой поверхности внутреннего цилиндрического электрода 1 и затянутую мелкоструктурной металлической сеткой входную кольцевую прорезь 4 (входное окно) для пролета заряженных частиц 10, выходную кольцевую диафрагму 5 на поверхности внутреннего цилиндрического электрода 1, образованную двумя цилиндрическими частями 5, a и 5, b, допускающими независимые продольные перемещения; исследуемый образец 6, приемник частиц 7, блок питания 8, делитель напряжения 9. При этом внешний электрод 2, состоящий из двух конусообразных частей 2, a и 2, b и помещенный внутри экранирующего электрода 3 коробчатого типа, формирует электрическое поле в рабочем пространстве спектрометра, обеспечивающее угловую фокусировку непрерывных потоков заряженных частиц 10 на поверхности внутреннего цилиндрического электрода 1, имеющих начальные углы вылета из источника в диапазоне 34°-44°, и пространственное разделение (дисперсию) потоков с различными начальными энергиями при подаче на обе составные части 2, a и 2, b внешнего электрода 2 одинаковых постоянных потенциалов V=V и V=V; а также обеспечивающее угловую фокусировку пакетов заряженных частиц 10 на поверхности внутреннего цилиндрического электрода 1 с различными начальными углами в диапазоне 34°-44° независимо от их энергии и пространственное разделение (дисперсию) пакетов с различными массами в изотраекторном режиме при подаче на составные части 2, a и 2, b внешнего электрода 2 переменных потенциалов V и V, обратно пропорциональных квадрату времени движения каждого из пакетов при сохранении отношения потенциала ближней к входному окну части к потенциалу смежной части внешнего электрода V/V=8:100.
Устройство работает следующим образом.
a
b
a
b
В режиме энергоанализа исследуемый образец 6 облучается непрерывным потоком первичных электронов 11, в результате чего образец 6 испускает непрерывный поток вторичных электронов 10, которые преодолев пространство свободного дрейфа за счет начальной энергии E между образцом 6 и внутренним цилиндрическим электродом 1, через входное окно 4 во внутреннем цилиндрическом электроде 1, затянутое мелкоструктурной металлической сеткой, попадают в отклоняющее и фокусирующее электрическое поле, созданное отрицательными потенциалами V и V на конусообразных частях 2, a и 2, b внешнего конусообразного электрода 2, причем V=V и V=V, где V - потенциал развертки. Сфокусированный поток электронов 10 с энергией, соответствующей энергии настройки анализатора, проходит через выходную кольцевую диафрагму 5 и попадает на приемник 7 ионов.
Энергетический анализатор имеет полосовую функцию пропускания, т.е. на вход приемника 7 попадают электроны, энергия которых лежит в определенной полосе ΔE. Изменением потенциала развертки V можно снять весь энергетический спектр электронов, испускаемых образцом 6.
a
b
a
b
2
2
В изотраекторном режиме масс-анализа ионов исследуемый образец 6 облучается импульсным потоком первичных микрочастиц (ионов, квантов лазерного излучения) 11, в результате чего образец 6 испускает пакеты вторичных ионов 10, которые преодолев пространство свободного дрейфа за счет начальной энергии E между образцом 6 и внутренним цилиндрическим электродом 1, через входное окно 4 во внутреннем цилиндрическом электроде 1, затянутое мелкоструктурной металлической сеткой, попадают в отклоняющее и фокусирующее электрическое поле, созданное отрицательными потенциалами V и V на конусообразных частях 2, a и 2, b внешнего конусообразного электрода 2, причем V(t)=0.08c(m)/t и V(t)=c(m)/t, где t - время, отсчитываемое от начала движения пакета вторичных ионов, c(m)=c·m - амплитуда напряжения, определяющая настройку анализатора на массу m однозарядных ионов, c - константа, зависящая от конкретного исполнения прибора. Сфокусированный пакет однозарядных ионов 10 с массой т и во всем диапазоне начальных энергией E, вследствие реализации в системе изотраекторного режима, проходит через выходную кольцевую диафрагму 5 и попадает на приемник 7 ионов.
2
Изотраекторный масс-спектрометр имеет полосовую функцию пропускания, т.е. на вход приемника 7 попадают однозарядные ионы, масса которых лежит в определенной полосе Δm. Дискретным изменением константы c(m), задающей в каждом акте регистрации отклоняющий потенциал V=c(m)/t, через интервал времени, превышающий время полета частиц от образца 6 до приемника 7, можно снять весь массовый спектр ионов, испускаемых образцом 6.
Внутренний цилиндрический электрод 1 и экранирующий электрод 3 анализатора, подвижная диафрагма 5, а также образец 6 заземлены. Экранирующий электрод 3 выполняет роль электростатического и магнитного экрана. Анализатор снабжен механическим устройством (на фиг. 1 не показано) для изменения положения и ширины выходной диафрагмы 5 за счет независимых смещений цилиндров 5, a и 5, b, что позволяет обеспечить оптимальное его функционирование в режимах энергоанализа электронов или масс-анализа ионов.
0
На фиг. 2 представлена функция пропускания устройства по энергиям (зависимость относительного количества N/N частиц, испущенных точечным источником в диапазоне углов 34°-44° и зарегистрированных коллектором, от относительной энергии E/V) в режиме исследований спектров вторичных электронов, из анализа которой следует, что разрешение ΔE/E анализатора может составлять 0.2% при светосиле Ω/2π=11%.
0
На фиг. 3 представлена функция пропускания устройства по массам (зависимость относительного количества N/N частиц, испущенных точечным источником в диапазоне углов 34°-44° и зарегистрированных коллектором, от массы m однозарядных ионов) в изотраекторном режиме, из анализа которой следует, что разрешающая способность m/Δm анализатора может составлять порядка 200 при светосиле Ω/2π=11%.
2
Полезная модель осуществляется следующим образом. При внешнем радиусе экранирующего электрода 3 равном 40 мм длина устройства составляет 52 мм, радиус внутреннего цилиндрического электрода 1 составляет 10 мм, угол наклона образующих конусов составных частей 2, a и 2, b внешнего электрода 2 по отношению к оси симметрии 0z приблизительно равен 45°, их протяженность вдоль оси симметрии 0z составляет около 23 мм, внутренний (наименьший) радиус внешнего электрода 2 приблизительно равен 20 мм, толщина стенок экранирующего электрода 3 и цилиндрической части внешнего электрода 2 составляет около 1 мм; размеры входного окна 4 задаются углом зрения, ограниченным диапазоном 34°-44°, из точки, расположенной на оси симметрии на расстоянии 5 мм от ближнего к входному окну 4 краю устройства; расстояние от края устройства до ближней к входному окну 4 кромки 5, а выходной диафрагмы 5 составляет приблизительно 30.60 мм в режиме энергоанализа электронов и 27.68 мм в режиме масс-анализа ионов соответственно; соответствующие значения ширины диафрагмы в указанных режимах составляют около 0.08 мм и 0.13 мм; задающая отклоняющий потенциал V(t)=c(m)/t функция c(m)=16.88m.
ЛИТЕРАТУРА
1. Скунцев А.А., Трубицын А.А. Изотраекторный масс-спектрометр // Решение о выдаче патента на изобретение от 22.01.2013 г. с приоритетом от 26.12.2011 г. Заявка №2011152794/07 (079509).
2. Зашквара В.В., Корсунский М.И., Космачев О.С. Фокусирующие свойства электростатического зеркала с цилиндрическим полем // ЖТФ. - 1966. - Т. 36, вып. 1. - С. 132-138.
3. Матышев А.А. Изотраекторная корпускулярная оптика.- СПб.: «Наука», 2000. - 375 с.