Содержание к диссертации
Стр.
ВВДЕНИЕ 3
ГЛАВА I, ФОКУСИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО
ЗЕРКАЛА С ПОЛЕМ БЛИЗКИМ К ОДНОРОДНОМУ 35
ГЛАВА П. ФОКУСИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО
ЗЕРКАЛА С МОДИФИЦИРОВАННЫМ ПОЛНА 61
ГЛАВА Ш. ИССЛВДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
СИСТЕШ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ
ЗЕРКАЛ СФЕРИЧЕСКОГО И ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО
ТИПА 84
ЗД Исследование электронно-оптических свойств
комбинированной системы I 87
3,2 Исследование электронно-оптических свойств
комбинированной системы П 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
ЛИТЕРАТУРА 141
Введение к работе
В исследованиях поверхности твердого тела широкое распространение получили методы электронной спектроскопии,основан -ные на энергетическом анализе электронов, эмитируемых и рас -свиваемых изучаемым материалом под действием возбуждающих излучений. Оже-электронная спектроскопия (ОЭС), электронная спектроскопия для химического анализа (ЭСХА), спектроскопия потерь энергии электронами (СПЭЭ) являются сейчас наиболее чувствительными инструментами исследования химического состава и электронных состояний в тонких приповерхностных слоях различных материалов /1-3/.
Для регистрации распределения заряженных частиц по энергии используются спектрометры, основным анализирующим элементом которых является энергоанализатор. Известны энергоанали -заторы бездисперсионные, в которых применяются задерживающие электростатические поля, и дисперсионные - с магнитными или электростатическими системами отклонения /4-8/. Принцип дей -ствия бездисперсионных анализаторов состоит в определении энергии заряженных частиц по максимальной высоте потенциаль -ного барьера, который эти частицы преодолевают, двигаясь в тормозящем электрическом поле. Основной недостаток метода задерживающего поля состоит в том, что с его помощью можно получать лишь интегральный вид энергетического спектра. Работа дисперсионных энергоанализаторов основана на свойстве магнитных и электростатических полей отклонять и фокусировать пучки частиц в зависимости от их импульса и энергии.
Наиболее совершенными приборами для изучения энергетических спектров электронных потоков малых и средних энергий явля-
4 готся дисперсионные энергоанализаторы с электростатическими системами отклонения. Хорошие электронно-оптические пара -метры этих приборов позволяют с высокой точностью и большой чувствительностью регистрировать энергетические распределения в пучках заряженных частиц. В исследованиях поверхности твердого тела методами вторичной электронной спектроскопии (БЭС) чаще других используются электростатические эяергоанализаторы с отклоняющими пучки полями.
Основным элементом электростатического энергоанализатора отклоняющего типа является конденсатор, представляющий собой систему электродов, на которые поданы соответствующие потен -циалы, обеспечивающие определенную закономерность в пространственном распределении анализирующего поля. Существует два типа электростатических отклоняющих энергоанализаторов: дефлек -торные и зеркальные. В дефлекторных анализаторах осевая траектория анализируемого пучка лежит на одной из эквипотенциальных поверхностей отклоняющего поля и движение заряженных частиц по осевой траектории осуществляется с постоянной кинетической энергией. В зеркальных анализаторах заряженные частицы движутся под некоторым углом к системе эквипотенциальных поверхнос -тей отклоняющего поля, которое тормозит или ускоряет пучок заряженных частиц, изменяя направление так, чтооы частицы испы -тывали отражение. Известно несколько типов электростатических дефлекторов, отличающихся конфигурацией электродов: секторный цилиндрический конденсатор Юза-Рожанского, сферический анализатор, состоящий из двух концентрических полусфер, анализатор с отклоняющими электродами тороидальной формы /6/. Большое распространенна получили электростатические энергоанализаторы на основе зеркал плоского, сферического и цилиндрического типа.
Простейшим по конструкции является анализатор типа плос -
кого зеркала (ПЗ). Простота этого прибора, связанная с плоской геометрией электродов, послужила главной причиной его широкого применения в области энергетического анализа,например, /9-П/.
Спектрометры на основе сферических зеркал (СЗ) более сложны по конструкции и использование их для энергоанализа- целесообразно лишь в случае, когда большое значение имеют светосила и пропускание /12/.
Более перспективным оказался электростатический энергоаяа-лизатор типа цилиндрического зеркала (ЦЗ). Данный анализатор имеет высокие параметры (светосилу,разрешение,дисперсию) и сравнительно прост по конструкции. В настоящее время спектро -метр типа ЦЗ относится к основным, используемым в ОЭС, ЭСХА /13-15/.
В шестидесятые годы были предложены /16-17/ и позже в ряде работ /18-22/ исследованы и осуществлены новые электронно-оптические элементы - электронные призмы, на основе которых можно создавать энергоаяализаторы высокой разрешающей способности. Для осуществления электронных призм используются дву -мерные отклоняющие электростатические и магнитные поля со средней плоскостью (которая является плоскостью симметрии для электростатических и антисимметрии для магнитных полей).Приз-менные анализаторы построены по аналогии со светооптическими спектрометрами и обладают рядом существенных достоинств:большие значения дисперсии могут быть получены при небольших размерах диспергирующих элементов, изменение дисперсии произво -дится простым изменением фокусных расстояний коллиматорной и фокусирующей линз. На базе призменной оптики построены рентге-яоэлектронный /23,24/ и Оже-спектрометр /25/,которые обладают высокой разрешающей способностью,однако уступают приборам, по-
строенным на основе ЦЗ и сферического дефлектора,в светосиле. Как высококачественный спектрометр призменный анализатор, по-видимому, сориентирован на использование при больших разрешающих способностях и достаточно интенсивных источниках (см., например, /26/). В работах /18/ получили развитие исследования оптики электронных зеркал с двухмерными электростатическими и магнитными полями. В работе /27/ рассмотрена комбинация электростатической призмы и двумерного зеркала и показано, что в такой системе возможно устранение сферической аберрации. В дальнейшем мы не будем касаться работ, связанных с расчетом и применением призменной оптики и двумерных электронных зеркал.
Продолжающееся широкое внедрение спектрометров на основе зеркал плоского, сферического и цилиндрического типа в спек -троскопию пучков заряженных частиц обусловлено непрерывным их совершенствованием как по электронно-оптическим характеристи -кам, так и по конструктивному воплощению.
Ниже приводится обзор научной литературы, включающий в себя в основном работы, направленные на улучшение параметров ПЗ, G3 и ЦЗ.
Впервые использование ПЗ в качестве энергоаналязатора было описано в работах /28,29/. Конструктивно анализатор типа ПЗ состоит из двух плоскопараллельных пластин,на которые подается отклоняющая разность потенциалов (Рис.І).В одной из плас ~ тин прорезываются щели для ввода и вывода пучков заряженных частиц. Пучок вводится в поле ПЗ под некоторым углом & к плоскости одной из пластин. Под действием однородного электростатического поля пучок отражается,фокусируется по направле -нию и пространственно разделяется по энергии. Если частицы испускаются точечным источником, расположенным на поверхности і
РисЛ Ход траектории в поле плоского зеркала, /28/.
S/- входная щель, S& - выходная щель.
о .
плоского электрода, под углом &= У5 к плоскости этого электрода, то они фокусируются на этой же плоскости в первом приближении по величине угла расходимости Л S . Расстояние от источника до фокуса пропорционально отношению кинетической энергии к величине электрического поля.
В 1957 году Литвин В.Ф. /30/ предложил использовать вы -нос детектора за пределы поля ПЗ для улучшения его фокусиру -ющих свойств. В предложенном им приборе выходная щель сделана в виде кольца, в центре которого находится источник малых размеров (рис.2а, 26). Автором/30/ установлено,что для пучка частиц, влетающего в поле под углом 30 к плоскости нижнего электрода, выполняется угловая фокусировка второго порядка. Предполагалось этот анализатор использовать для одновременной регистрации пучков заряженных частиц в широком энергетическом интервале. Линия фокусов, представляющая собой геометрическое место фокусов первого порядка для пучков с разной кияетичес -кой энергией, в случае ПЗ наклонена относительно поверхности нижнего электрода на угол I054*, и из-за азимутальной симметрии фокальная поверхность имеет коническую форму.Следовательно, для регистрации необходим конический детектор или большое количество детекторов, расположенных по конусу за кольцевой шелью. Это сложно и неудобно, поэтому данный анализатор как спектограф не нашел широкого применения.
Грин Т.О. и Прока Г.А. /31/ провели исследования фокусирующих свойств ПЗ и повторили результат, полученный в /30/ :
если источник и детектор, или один из них, вынесены за преде-
/ /
лы поля на расстояния /?/ и г72 , то при условии &=30 и/^/^-^ЗД
гдЄлЬ=^т^-> W =~~о кинетическая энергия заряженных частиц
на входе в поле, О - заряд частиц, Е0 - напряженность
(L
^
^
Ж Kffft'
=
Рис« 2 Ct- анализатор на основе 30-ного ПЗ
с кольцевой щелью, /30/, О - ход траектории в 30-ном ПЗ.
поля ПЗ) выполняется угловая фокусировка второго порядка. * Размытие изображения в фокусе определяется угловой аберрацией третьего порядка, имеющей отрицательный знак.
Модифицированный анализатор на основе ПЗ с углом влета 45 предложен Ф.Эдельманном и К.Ульмером /32/ для экспериментов по рассеянию электронов от поверхности твердого тела. Конструкция прибора, аналогичная предложенной Литвиным /30/, была названа авторами /32/ фонтанообразным анализатором (рис.З). Пучки заряженных частиц, исходящие из точечного источника,расположенного на нижнем электроде, входят в поле по всему ази -мутальному углу
Авторами работы /34/ предложен анализатор типа ПЗ с непараллельными плоскостями электродов,(рис.4).Поле непараллельно-го конденсатора описывается потенциалом вида
ra»4iyiuim««^uH«MWHi«Hw^4fcwj^
Рис.3 Фоятанообразный анализатор, /32/. и ~ источник, О - изображение.
О Ф*0
Рис. 4 Плоское зеркало с непараллельными электродами, /34/ - источник.
Влияние пространственного заряда на фокусировку и дисперсионные свойства ПЗ рассмотрены в работах /35,36/. Простран -ственяый заряд изменяет положение плоскости наилучшей фокуси -ровки, приводит к увеличению ширины линий изображения, умень -шает дисперсию анализатора. Это приводит к ухудшению разреше -ния ПЗ.
В условиях угловой фокусировки второго порядка, как показано в работе /37/, действие пространственного заряда может существенно уменьшить ширину линии изображения.
Исследование аппаратной функции ПЗ проведено авторами работы /38/.Возможность увеличения светимости ПЗ за счет оптимизации входных параметров изучена в /39/, получены оптимальные значения входных параметров пучка.
Простота конструкции в сочетании с хорошими фокусирующими свойствами анализатора типа ПЗ обуславливают его широкое применение в спектроскопических исследованиях. Эти качества и воз -можность миниатюризации ПЗ позволили,например,использовать для анализа углового распределения электронов систему из I0-2U состыкованных неподвижно ПЗ, работающих одновременно при различных углах испускания /9/. Электростатический энергоанализатор на основе ПЗ, укрепленный на гониометре с двойной осью,пред -ложен в /10/. Этот компактный и относительно недорогой прибор предназначен для фотоэмиссионных и электронно-спектроскопи -ческих исследований с хорошим разрешением по углу. Возмож -ность применения ПЗ в качестве времяпролетного спектрометра для изучения плазмы рассмотрена в /II/. Показано,что с 30-ным ПЗ, снабженный несколькими детекторами,можно получить хорошее разрешение - энергетическое и временное - при снятии зависящего от времени распределения скоростей ионов в плазме,
ІЗ
создаваемой с помощью лазера. '
Одним из наиболее широко используемых электронных спектрометров является электростатический энергоанализатор типа ЦЗ. Работа анализатора основана на фокусирующем и дисперги -рующем действии электростатического поля в пространстве ме -жду двумя коаксиальными цилиндрическими электродами на пучок заряженных частиц, направленный под некоторым углом к оси симметрии электродов зеркала. Этот анализатор проще и удобнее по конструкции, чем многие другие типы анализаторов, имеет значительную светосилу и обладает свойством угловой фокуси -ровки второго порядка.
Использовать цилиндрический конденсатор в качестве светосильного спектрометра впервые предложил Греммельмайер /40/. Он показал, что при определенном соотношении параметров ЦЗ пучок заряженных частиц, входящий из кольцевого источника, отражается полем и фокусируется в кольцевой фокус первого порядка, расположенный на поверхности внутреннего цилиндра на некотором расстоянии от источника (рис.5). Фокусное расстояние зависит от энергии частиц, поэтому фокусирующее устройство представляет собой энергоанализатор заряженных частиц, из-за осевой симметрии обладающий значительной светосилой. Цилин -дрический анализатор с углом влета 54,5 использовался Блау-том /41/ для анализа вторичных электронов, эмитируемых газами при облучении протонами. Эта же конструкция анализатора применялась позднее Мельхорном /42/ для исследования спектров оже--электронов, возбуждаемых под действием рентгеновских лучей и электронных пучков в некоторых газах. Спектрометр типа ЦЗ, существенно неотличающийся от спектрометра Блаута, был рассчитан и построен Козловым И.Г. совместно с Шаповаловым А.С./43,
'feSSP
о
ф. от
Р| о
« о ф
в?
ф т о ад о о
ей ад
ft о б*
ей со
ft ф
PL,
В!
ад ф
ft.
о,
Б»
ад о
s^
44/ в 1964-66 гг. Из-за несовершенства угловой фокусировки ' спектрометр Блаута не имел преимущества в ионно-оптических характеристиках по сравнению с известными до его появления анализаторами и поэтому не получил широкого применения.
Электростатический анализатор типа ЦЗ привлек к себе внимание, а затем начал широко применяться после того, как была установлена возможность существенного улучшения его фокусирующих свойств. В 1965 году Зашкварой В.В. и др. /45-46/ впервые было показано, что в действительности анализатор на основе ЦЗ может фокусировать пучок заряженных частиц с точностью до квадрата угла его расходимости. Вначале это было показано для то -чечного источника, расположенного на оси симметрии Ц3,а позд -нее установлено, что фокусировка второго порядка имеет место для различных ионно-оптических систем, отличающихся взаимным расположением источника и его изображения /47-50,51/, рис.6.
Хафнер, Симпсон и Къюэтт /52/ установили,что можно улуч -шить характеристики ЦЗ, фокусирующего с точностью до квадрата угловой расходимости пучка. Известно, что при аберрации нечет -ного порядка существует плоскость, в которой сечение пучка меньше, чем в плоскости изображения /53/. В ЦЗ минимальное сечение пучка находится перед плоскостью изображения и имеет форму кольца, которое с ростом угла расходимости увеличивается в диаметре и смещается вдоль оси симметрии в направлении источника. Помещая кольцевую щель приемника в область минимального сечения пучка, можно повысить разрешающую способность, однако этот способ фокусирования сложнее, так как для детектирования необходимо применять кольцевую щель. Аналогичное рассмотрение для ПЗ, фокусирующего с точностью до квадрата угла расходимости пучка, проведено в работе /54/. Угловая аберрация третьего порядка в
I
II
Рис»6 Схемы различных видов угловой фокусировки второго порядка ЦЗ, /55/.
I - точечный источник-точечное изображение,
схема "ось-ось"»
II - кольцевой источник-кольцевое изображение,
схема "кольцо-кольцо". III- точечный источник-кольцевое изображение, схема "ось-кольцо".
17 ПЗ имеет отрицательный знак и зона наименьшего сечения пучка
»
расположена ближе к источнику, чем гауссовый фокус. Расположив выходную щель в области минимального сечения пучка, можно улучшить разрешение ПЗ в несколько раз.
В работе /55/ показано, что возможен иной способ добиться минимальной ширины изображения в ЦЗ. Известно, что угловая фокусировка второго порядка в ЦЗ для угла ввода ^- ^/^(фокуси -ровка ось-ось) не является исключительным случаем. В действи -тельности, угловая фокусировка второго порядка осуществляется в весьма широком диапазоне входных углов oL f при различном взаимном расположении ионно-оптического источника и его изображения (рис.6). Это свойство ЦЗ всегда позволяет для заданного значения Л oL выбирать угол ввода и отклоняющий потенциал та -ким образом, чтобы минимальное сечение фокусируемого пучка оказалось на оси симметрии анализатора. Смещение минимального сечения фокусируемого пучка на ось симметрии зеркала позволяет упростить систему регистрации, применяя для детектирования диафрагму с малым центральным отверстием.
В работе /56/ рассматривается возможность коррегирования угловых аберраций третьего и четвертого порядков по методу дополнительного преломления траекторий на потенциале двойного слоя, создаваемого с помощью двух осесимметричных сетчатых электродов, расположенных в области внутреннего электрода ЦЗ вблизи выхода пуяка из поля. Приводится расчет геометрической формы корректора. Недостаток этого метода заключается в сложности изготовления электродов корректора. Вариант корректора угловых аберраций, предложенный в /57/, состоит из электрически соединенных с внутренним электродом ЦЗ сетчатого, коаксиального с ЦЗ цилиндра, двух конусов и двух колец, находящихся под соот -
ветствующими потенциалами, и может примерно втрое улучшить разрешение ЦЗ.
Наиболее естественный способ улучшения угловой фокусировки в электростатических системах, характеризующихся сферическими аберрациями третьего порядка, состоит в подборе и согласовании элементов, кубические аберрационные коэффициенты которых равны и противоположны по знаку. Метод компенсации кубической угловой аберрации из двух электростатических зеркал, цилиндрического и гиперболического, кубические аберрационные коэффициенты кото -рых противоположны по знаку, предложен в /58/. В такой системе подобранных зеркал фокусировка улучшается на порядок по сравнению со случаями фокусировки в отдельно взятых зеркалах, дисперсия в 1,25 раза больше дисперсии одиночного гиперболического зеркала, однако светосила значительно меньше, чем в ЦЗ.
Способ устранения угловых аберраций в двухкаскадном энергоанализаторе на основе ЦЗ с дополнительным электронным зеркалом рассмотрен в /59/, рис.7. Электронное зеркало, расположенное между каскадами ЦЗ, отражая заряженные частицы, меняет каклон каждой траектории к оси симметрии с о + Асі ъ&оС t АоС (по отношению к осевой траектории). Благодаря этому свойству промежуточного зеркала проекции каждой траектории на ось симметрии во втором каскаде из-за отрицательной кубической аберрации удлинится или сократится ровно на столько, на сколько она сократилась или удлинилась по той же причине при прохождении первого каскада. Таким образом, в двухкаскадном ЦЗ с промежуточным зеркалом, названным инвертирующим, полностью устраняется кубическая аберрация. Инвертирование осуществляется в узком слое электростатического поля, сосредоточенного между двумя осе -симметричннми электродами специальной конфигурации. В статье
19;
Рис.7 Двухкаскадный цилиндрический анализатор, /59/.
Рис.8 Анализатор с полем близким к цилиндрическому, /60/.
1 - внутренний электрод,
2 - внешний электрод,
3 - фокальная поверхность.
приведен расчет формы линии отражения инвертирующего зеркала.
»
На практике реализовать такой инвертор трудно.
Для решения некоторых задач спектроскопии пучков заряжен -яых частиц необходимо одновременно регистрировать спектральное распределение в конечном энергетическом интервале. Для этой цели Ваннбергом /60/ был предложен электростатический эяергоана -лизатор с полем, близким к цилиндрическому, рис.8. Фокальная поверхность в таком анализаторе для случая фокусировки на внутренний цилиндрический электрод имеет форму, близкую к цилиндрической. Полностью совместить фокальную поверхность с цилиндричес -кой не удалось. Сферическая аберрация оказалась большей, чем для обычнрго ЦЗ. Возможность улучшения фокусировки в таком поле не рассмотрена.
Выбор оптимальной конструкции ЦЗ и численный анализ аппаратурных искажений оже-спектров выполнен в работе /61/. Авторами данной статьи решены следующие задачи:
По разрешению и светосиле выполнено сравненив шести ти -пов анализаторов на основе ЦЗ, работающих в режиме угловой фокусировки второго порядка. Установлено, что наилучшими характеристиками обладает анализатор с фокусировкой типа ось-ось с кольцевой приёмной диафрагмой, расположенной в месте наименьшего сечения пучка.
Найдена оптимальная конструкция ЦЗ. Показано, что оптимальная конструкция улучшает разрешение на 20$, что является пределом совершенствования, который невозможно преступить без усложнения ЦЗ дополнительными электронно-оптическими элементами.
Электростатический энергоанализатор с тремя коаксиальными цилиндрическими электродами, наружным, средним и внутренним предложен в /62/, рис.9. Наружный и внутренний электроды находятся
%
Ж^^ШШІІІІіі
.^:
i^S222ZZZZZ222ZZZZZ
,—^
kirf»
^^ 3mm.
Рис,9 Трёхкаскадныи цилиндрический анализатор, /62/. 1,2,3 .- Средний, наружный и внутренний : цшшндричвские электроды, 4 - выходная диафрагма.
под отклоняющими потенциалами, средний электрод заземлен. Пучок электронов вылетает из точечного источника, расположенного на оси анализатора и попадает в поле между наружным и средним электродами. Поля наружного и внутреннего электродов отталкивают электроны к среднему цилиндру. Испытав три отражения, электроны через щель 2 фокусируются на отверстие выходной диафрагмьцРасчет электронно-оптических характеристик трехцилиндрического анализатора показал, что в нем возможна угловая фокусировка второго порядка и уменьшение угловой аберрации третьего порядка. Расчеты анализатора с тремя цилиндрическими электродами для случая фокусировки "кольцо-кольцо" даны в работе /63/. Показано, что для такой электронно-оптической схемы в случае "тонкого" среднего цилиндра сохраняется фокусировка второго порядка, появляется угловая фокусировка четвертого порядка для угла входа 31 и угло -вая фокусировка третьего порядка для различных углов входа в пределах 6-36 (град).
Теоретический расчет модифицированного ЦЗ с тремя коаксиальными электродами предложен із.Франценом и В.Таафе /64/. Показано, что добавление третьего коаксиального электрода к обыч -ным двум позволяет устранить угловую аберрацию третьего порядка, улучшить пропускание, разрешение.
Благодаря хорошим электронно-оптическим характеристикам и простой конструкции анализатор типа ЦЗ стал одним из наиболее широко применяемых в электронной спектроскопии. По чувствительности анализатор типа ЦЗ признан в настоящее время наилучшим для исследования элементного состава поверхности твердого тела методом спектроскопии Оже-электронов /7,65/. Для Цже-спектро -метров, использующих ЦЗ.характерны наиболее высокое соотношение сигнала к шуму и большая светосила (до 10$ от 4п).Комбинирован-
яый ЭОХА-СЖЕ спектрометр,построенный на основе двухкаекадного ч ЦЗ в сочетании со сферическими тормозными сетками, предложен Палмбергом и др./66/. Известно,что предварительное торможение значительно повышает чувствительность дисперсионных анализаторов /67/. Двухкаскадное фокусирование анализируемого пучка позволяет устранить дефекты изображения,обусловленные неаксиальными лучами. Сочетание предварительного торможения с двухкас -кадным ЦЗ обеспечивает высокое абсолютное разрешение анализи -руемого пучка заряженных частиц. Аналогичный двухкаскадный электростатический сдектрометр на основе ЦЗ с предварительным торможением был сконструирован для использования в ядерной спектроскопии /68/. Дополнение спектрометра рентгеновской трубкой и устройством для прохождения электронов на вход ЦБ позволяет также измерять фотоэлектронные спектры. Анализатор сци-линдрическим зеркалом, предназначенный как для Оже-спектроеко-пии.так и для спектроскопии рассеянных ионов предложен в /69/« Комбинирование двух методов на основе одного и того же анализатора создает возможность более полного анализа при исследовании поверхности.
Большую информацию в электронно-спектроскопических исследованиях дает анализ углового распределения электронов,эмитируе -мых поверхностью твердого тела. Модифицированный анализатор на основе ЦЗ /66/,предназначенный для фотоэлектронных исследований с разрешением по углу, описан в /70/. Модификация анализатора /66/ заключается в использовании подвижного барабана с апертурними отверстиями, расположенного на входе во второй каскад ЦЗ, рис.10. Анализатор может работать в обычном режиме, когда анализируется интегральный спектр частиц, имитируемых с образца в. широком интервале узлов эмиссии.
zZkfiE
^_
^-
Рис.10
Модифицированный анализатор на основе
двухкаскадного ЦЗ, /70/.
I - образец, 2 ~ подвижный барабан,
- возбуждающее рентгеновское излучение,
- детектор.
Zj?
Рис.II Цилиндрический зеркальный анализатор для для электронной спектроскопии с угловым разрешением, /71/. I - электронная линза, 2 - возбуждающее рентгеновское излучение, 3 - электронная пушка, 4 - позиционно-чувствительный детектор.
этом режиме барабан выдвинут и не препятствует прохождению ко-нического пучка. В режиме фотоэлектронной спектроскопии с уг -ловым разрешением барабан вдвигается и перекрывает поток за исключением тонкого пучка частиц, который отбирается апертурой соответствующей выбранному направлению эмиссии от образца. Это направление можно систематически менять, вращая барабан. Выбором расположения образца и вращением барабана можно осущест -влять отбор фотоэлектронов как в азимутальном, так и в полярном направлениях.
При исследовании многих динамических процессов, таких как отжиг исследуемой поверхности, травление, необходимы "быстрые" способы энергоанализа вторичных электронов, исключаю -щие какие-либо механические передвижения анализирующей системы. Это возможно в случае одновременного анализа интервала энергий или широкого интервала углов эмиссии. Схема одновре -менного детектирования электронов, эмитируемых в широком диапазоне азимутальных углов предложена авторами работы /71/. Для анализа используется цилиндрический зеркальный анализатор /66/ комбинированный с позиционно-чувствительным детектором и электронной линзой, выделяющей электронные пучки в интервале по -лярных углов 20-70 градусов, рис.11. Конус анализируемых частиц фокусируется на позиционно-чувствительный детектор с по -мощью специально разработанной линзы, улучшающей чувствительность и разрешение системы. Данный прибор позволяет одновременно анализировать 60$ от полного азимутального угла 2fi,не используя никакого механического передвижения.
Одним т наиболее светосильных анализаторов является сферическое зеркало (G3),образованное двумя концентрическими сфе-
рическими электродами, в которым прилагается отклоняющая раз-* ность потенциалов /12/. Схема сферического зеркала представ -лена на рис.12. Частицы вылетают из точечного источника, расположенного на поверхности внутренней сферы, под некоторым углом углом к эквипотенциалям сферического поля и, следуя по эллип -тическим траекториям после отклонения на угол Ф , фокусиру -ются на поверхности внутренней сферы. Кольцевая щель, распо -ложеяная в фокальной плоскости, позволяет без потери пропус -кания осуществлять прохождение частиц к детектору, находящемуся за кольцевой щелью на одной линии с источником и центром сфер. Фокусировка в двух направлениях, обеспечивающая высокую светосилу, и хорошее пропускание являются основными преимуществами 03, недостаток - сложность изготовления сферических электродов и кольцевой фокус, требующий соответствующей формы детектора, чтобы зарегистрировать все выходящие из поля частицы.
Подробное исследование характеристик СЗ, анализ разреще -ния, пропускания и аппаратной формы линии для точечного и дискового источников выполнешв /72,73/. Установлено, что при определенных углах поворота Ф в 03 может быть достигнуто про -пускание порядка 25-30$ при энергетическом разрешении 6-7$.
Сферическое зеркало, обеспечивающее точную фокусировку, описано Сар-Элем /74/. Показано, что в случае расположения источника и детектора за пределами поля, во внутреннем электроде на одном и том же диаметре, полностью отсутствует сферическая аберрация. Это свойство позволяет сконструировать анализатор с очень высокой светосилой, однако линейная дисперсия по энергии в этом случае равна нулю, т.е. данный прибор может быть использован в качестве светосильного ахроматора. Необходимость поме -
Рис.12 Электростатическое сферическое зеркало, /12/.
I - источник, 2 - изображение.
дать источник и детектор во внутреннюю сферу является серьезным недостатком данной конструкции U3.
фокусировка в СЗ для случая ввода пучка частиц со стороны внешнего электрода рассмотрена в /75/. Несомненным преимуществом ввода временных частиц через внешнюю сферу является значительно большая величина дисперсии, чем при вводе пучка через внутреннюю сферу. Недостатком такой схемы СЗ является необходимость кольцевого детектора больших размеров.
В практике физического эксперимента иногда возникает не -обходимость получать изображение источника заряженных частиц без разложения пучка в спектр по энергии, т.е. требуется осуществлять ахроматическое изображение источника. Это необходимо, когда эмиттер заряженных частиц находится в условиях, затрудняющих доступ к нему (например, сильная радиация, высокотемпературный нагрев и. т.д.). Как в случае энергоанализаторов, к ахроматическим системам предъявляются требования высокой светосилы и хорошего качества фокусировки. Литературные данные по ахроматическим системам немногочисленны. Дроуми и др. /76/ исследовали случай идеальной фокусировки в цилиндрическом электростатическом поле с углом поворота на 25434 и установили, что цилиндрический анализатор с таким углом поворота обеспечивает бездисперсионное смещение изображения источника.Светосила при такой фокусировке меньше, чем у обычного ЦЗ с фокусировкой второго порядка для сферического зеркала с идеальной фокусировкой /74/. Ахроматическая электростатическая система на основе двух ПЗ и промежуточного электронного зеркала предложена в /77/. Установлено, что данная система в режиме нулевой линейной дисперсии по энергии может фокусировать пучки заряженных частиц с точностью до куба угла расходимости.
/
Из анализа приведенных в обзоре работ по электростатическим энергоанализаторам типа ПЗ, ЦЗ и СЗ можно сделать следую -шее заключение.
Анализатор типа ПЗ является очень простым по конструкции спектрометром, в котором легко осуществима угловая фокусировка второго порядка. Размытие изображения в фокусе определяется угловой аберрацией третьего порядка. Получение угловой фокусировки третьего порядка не представляется возможным. Сме -щение приемной щели в область минимального сечения пучка по -зволяет в 3-4 раза улучшить разрешение ПЗ, работающего в ре -жиме угловой фокусировки второго порядка. Плоское зеркало с непараллельными электродами в режиме угловой фокусировки второго порядка обладает большей дисперсией, чем обычное ПЗ. Большинство работ направлено на исследование и улучшение таких параметров как светосила, пропускание, аппаратная функция.
Анализатор типа СЗ является наиболее светосильным из всех известных электростатических энергоаяализаторов отклоняющего типа, однако из-за таких существенных недостатков, как слож -ность конструкции, необходимость помещать источник в область поля, кольцевой детектор, он не нашел широкого применения.
Анализатор типа ЦЗ является светосильным, очень простым по конструкции прибором, в котором обеспечивается угловая фокусировка второго порядка для различных схем взаимного располо -жения источника и детектора. Размытие изображения в фокусе, как и в случае ПЗ, определяется угловыми аберрациями третьего и четвертого порядков. В настоящее время известно несколько методов уменьшения и компенсации сферической аберрации ЦЗ. Метод минимальной ширины с применением кольцевого детектора оказался "наилучшим для увеличения разрешения и светосилы ЦЗ. Смещение
минимального сечения на ось симметрии ЦЗ позволяет упростить 4 систему детектирования, используя для регистрации диафрагму с малым отверстием на оси, что способствует увеличению отно -шения сигнал-шум. Дальнейшее улучшение фокусировки в ЦЗ не -возможно без усложнения его дополнительными электроняо-опти -ческими элементами, например, двухкаскадный анализатор на основе ЦЗ с инвертором, комбинированная система зеркал цилиндрического и гиперболического типов, в которых компенсируется кубическая угловая аберрация, корректор угловой аберрации, трехкаскадный цилиндрический анализатор с угловой фокусировкой третьего и четвертого порядков. Известно применение зеркал плоского, цилиндрического и сферического типов в качестве ахроматоров, обеспечивающих бездисперсионный перенос изображения.
Развитие методов электронной спектроскопии в приложении к изучению поверхности твердых тел выдвигает новые требования к анализирующим элементам. По-прежнему остается актуальной задача улучшения электронной оптики энергоанализаторов с целью увеличения светосилы, разрешающей способности, светимости. В настоящее время интенсивно ведутся исследования энергетичес -ких спектров и угловой анизотропии выхода вторичных электронов (оже-* , фото-электронов), эмитируемых поверхностью твердых тел под действием первичного возбуждающего облучения (электронные пучки, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи).« Интенсивности потоков вторичных электронов, как правило, очень слабые, ре -гистрация их в узких интервалах углов выхода производится в режиме счета отдельных электронов. Чтобы повысить чувствительность измерений и сократить время на измерения, необходимо разработать специальные электронные спектрометры, которые П03В0-
ляли бы производить одновременную регистрацию как углового распределения вторичных электронов в широком диапазоне углов выхода, так и распределения их по энергии в некотором конечном энергетическом интервале, в настоящее время эта задача решена лишь частично - известен прибор /71/, позволяющий одно -временно регистрировать фотоэлектроны в широком диапазоне азимутальных углов, однако энергетический анализ осуществляется по точкам.
Широкое применение электростатических энергоаналищаторов типа ИЗ и ЦЗ как высокоточных и в то же время наиболее прос -тых в конструктивном отношении приборов для решения новых задач электронной спектроскопии поверхности твердого тела, требует их дальнейшего развития и усовершенствования» Необходимо выявить дополнительные резервы уменьшения сферической аберрации, увеличения светосилы, дисперсии, улучшения разрешения в электростатических зеркалах за счет отступления от закона однородного и цилиндрических полей. Представляется целесообразным как в научном, так и в практическом отношениях исследо -вать электронно-оптические системы, построенные из комбинаций зеркал типа СЗ и ЦЗ, с целью выявления новых функциональных возможностей электронной оптики комбинированных систем и их применения на практике.
Цель настоящей работы:
I. Исследовать электронно-оптические свойства зеркальных электростатических энергоанализаторов,в которых отклоняющий электрод имеет гиперболический (для поля с плоской симметри -ей) и экспоненциальный (для осесимметричного поля) профили, в пределе переходящие в.электроды плоской и конической формы.
Разработать способ улучшения фокусировки в этих анализаторах для случаев малого отступления от законов однородного и цилиндрического полей.
Исследовать электронно-оптические свойства комбини -рованных систем на основе анализатора 03 и ЦЗ. Теоретически разработать устройства на основе комбинированных систем для одновременной регистрации энергетического и углового распре -деления заряженных частиц в конечных интервалах. Теоретически разработать светосильный энергомасс-анализатор.
КРАТКАЯ АННОТАЦИЯ
Теоретически исследованы электронно-оптические свойства электростатического зеркального анализатора на основе поля, близкого к однородному, отклоняющий электрод которого имеет гиперболический профиль. Получено выражение для расчета функции аберрационного размытия изображения в фокусе. Определена оптимальная ионно-оптическая схема ПЗ с неоднородным полем. Рассчитана аппаратная функция в таком поле. Рассчитаны функции аберрационного размытия для слабонеоднородного поля в режиме минимальной ширины пучка. Показано, что совместное использование метода смещения изображения и слабонеоднородного поля позволит в 1,5-2 раза улучшить разрешение зеркала по сравнению с каждым методом в отдельности.
Теоретически исследованы электронно-оптические свойства электростатического зеркального анализатора на основе поля, близкого к цилиндрическому, отклоняющий электрод которого имеет экспоненциальный профиль. Получена функция аберрационного размытия изображения в фокусе. Установлены условия для макси-
мального уменьшения аберрационного размытия в фокусе,близ -ком к точечному.
Теоретически исследованы электронно-оптические свойства двух комбинированных систем на основе ЦЗ и G3. Определены функции аберрационрого размытия изображения в комбинированных системах, угловые аберрационные коэффициенты первого второго и третьего порядков. Определены условия ахроматического режима. Установлена возможность компенсации кубической угловой аберрации в ЦЗ, соединенном с ахроматором. Определена угловая дисперсия по энергии. Исследованы времяпролетные свойства. Показано, что на основе комбинированных систем можно строить анализаторы для одновременной регистрации в конечных интервалах как угловых, так и энергетических распределе -ний в пучках заряженных частиц, благодаря чему можно увели -чить чувствительность и сократить время этих измерений. Ком -бинированные системы можно также использовать как светосиль -ные времяпролетные энергомасс-анализаторы.
На защиту выносятся следующие положения: I. Результаты теоретических исследований электростатических энергоанализаторов с полями близкими к однородному и цилин -дрическому распределению потенциала, анализ полученных результатов и выводы о том, что:
а) небольшое отклонение от однородности поля плоского зеркала,
создаваемое наклоном одной из пластин зеркала на малый угол,
позволяет в несколько раз улучшить разрешение;
б) совместное использование метода смещения фокуса и слабоне
однородного поля позволяет в 1,5-2 раза улучшить разрешение
плоского зеркала по сравнению с каждым методом в отдельности;
в) использование цилиндрического зеркала, имеющего внешний
электрод в форме конуса с малым углом наклона образующей, позволяет в несколько раз улучшить разрешение.
2# Результаты теоретического исследования электронно-оптических свойств комбинированных систем, анализ полученных результатов и выводы о возможности использования их в качестве устройств для одновременного анализа угловых и энергетичес -ких распределений в пучках заряженных частиц, а также в качестве светосильного времяпролетного энергомасс-анализатора.
35 Г Л А В A I
ФОКУСИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА С ПОЛЕМ БЛИЗКИМ К ОДНОРОДНОМУ /78 - 80/ ^
Один из известных способов уменьшения ширины изображения анализаторов, работающих в режиме угловой фокусировки второго порядка, основан на существовании минимального сечения пучка в области его фокусирования. Минимальное сечение не приходится на гауссовый фокус, а в зависимости от знака угловой кубической аберрации располагается до гауссового сечения или за ним. В частности, в ИЗ и ЦЗ угловая кубическая аберрация от -рицательна и область минимального сечения пучка находится ближе гауссового фокуса. В работах (52-54) показано, что, сме -стив приёмную диафрагму в область минимального сечения,можно в несколько раз улучшить разрешение в ПЗ и ЦЗ. В общем виде сферическую аберрацию анализаторов с угловой фокусировкой второго порядка можно представить в виде
б (в, e0)=A„(e-e0f*-AJa.-e0f+... ал)
где &о jQ - углы наклона осевой и смежной траектории вне поля, Ау// , Ат ~ коэффициенты угловых аберраций третьего, четвертого и т.д. порядков. В интервале углов @-в о * ?@ функ-ция (5(9,9о) близка к кубической параболе, поскольку аберрация четвертого порядка меньше кубической. Формализм поиска мини -мального сечения состоит в прибавлении к функции Є(&\ @0) ко -тангенсоиды /I/ (сд Q-c6gQ^)t что соответствует смещению
І) В названиях глав даны ссылки на работы, в которых изложены основные результаты диссертации.
36 .изображения, и подборе величины ju, , минимизирующей размы -тие изображения. Величина размытия изображения оценивается по максимальным отклонениям аберрационной функции H=v(@,8o)+ +А&1а9-с{ов0)ъ заданном интервале углов расходимости пучка - (в-во) . На рис.13 серией кривых 1-9 представлены аберрационные функции ПЗ
Z- (0,5+//)(cig0-cgeo)+2(su?2#-su?Beo) (1.2)
Кривая I (//= О) - аберрационная функция в условиях угловой фокусировки второго порядка. Из хода кривых следует, что в интервале углов расходимости (Є-Є0)=8 минимальное сечение пучка имеет место тя. Jls=-fl,03 (кривая 4) и в 3,5 раза мень -ше ширины изображения в фокусе второго порядка. На рис.13 ши -рины изображения обозначены вертикальными отрезками. Это про -стой способ улучшения фокусировки часто применяется на прак -тике.
Представляет интерес другой сравнительно простой метод улучшения энергетического разрешения 113. Можно попытаться повлиять на фокусировку ПЗ, допустив небольшое отклонение от законов однородного поля.
В данной главе даны результаты исследования угловой фокусировки энергоанализатора с полем близким к однородному. Рас -смотрим электростатическое поле, потенциал которого задан вы -ражением
и=~0у(/+Ах), (і.з)
А - коэффициент, характеризующий степень отклонения поля от однородности. Если А = и , то поле является однородным, при малых А - близким к однородному. На основе поля( 1.3) можно построить электростатическое зеркало (рис.14), один из электро-
Л&^аЭ.
Рис#13 Зависимость аберрационной функции Z2 от А <9 *
1-//=0, 2«// =-0.01, 3- //=-0.02, 4 -// = -0.03, 5 - // = -0.04, 6-// = -0.05, 7-//= 0.01 8 -/^ = 0.02, 9-//= 0.03
Ряс,14 Аналязатор с полем
близким к однородному.
дов которого остается плоским, а другой принимает гиперболический профиль. Плоский электрод содержит щели для ввода и вывода пучка и находится под потенциалом Земли. Ко второму подается отклоняющий потенциал U. отк . В общем случае линейно протяженные в направлении, перпендикулярном плоскости,рис» 14, источник заряженных частиц В и его электронно-оптическое изображение С находятся вне поля на расстояниях Л/ и И2 от плоского:.электрода. Осевая траектория анализируемого пучка наклонена под углом 8q к плоскому электроду. В точку входа осевой траектории поместим начало координат X, Ц . Ось X направим вдоль поверхности плоского электрода,9 - угол наклона произвольной траектории.
Уравнения движения заряженной частицы в поле (1.3) решаются аналитически, поэтому можно точно рассчитать влияние отклонения от однородности или учесть в любом приближении по малому параметру А .
Получим решение уравнений движения заряженной частицы в поле (1.3) и покажем, что выбором значения А можно улучшить электронно-оптические характеристики ПЗ.
Уравнения движения заряженной частицы массы /77 и заряда О в поле (1.3) имеют вид:
-М-
(1.4)
/77
Для удобства введем параметры р-= -^—-/ л-Ґ-J
X ~ At/ . (1.5)
40:;
Система (1.5) сводится к двум независимым линейным дифференциальным уравнениям четвертого порядка
y/v-/y=o (1.6) х/г-А2х^ЛіГ (1.7)
Решим уравнение (1.6) и (1.7) при следующих начальных уело -виях при і - О
t/=-V0Sv?&, CI#8 X = VOC0S<9, (1#9)
{/= Р+Ах„, х =
й' = Azr0co$8. x = -A-ifoSu? &.
здесь % - скорость заряженной частицы у входа в поле,
х„ = MY fctg@~ сд 0О) (рис.14).
