Введение к работе
Актуальность работы
Информация о процессах, протекающих на поверхности твердого тела, определяет развитие техники и технологии современной микроэлектроники, эмиссионной электроники, производства широкого класса покрытий, слоистых структур и т.д.
Среди огромного арсенала методов структурного и элементного анализа поверхности наиболее широко используются методы электронной спектроскопии. Задача получения достоверной информации этими методами выдвигает жесткие требования непосредственно к анализирующей и регистрирующей аппаратуре.
Используемые в физических экспериментах и описываемые в литературе энергоанализирующие системы обладают достаточно хорошими электронно - оптическими свойствами. Созданы приборы, в которых, например, значение приведенной дисперсии составляет десятки единиц и относительное разрешение по энергии составляет менее 0.1%.
Однако, область применения таких систем ограничена. Например, затруднительно их использовать для регистрации слабых сигналов или при исследовании быстропротекающих на поверхности процессов.
Помимо энергетических спектров эмиттированных с поверхности твердого тела частиц информацию о ее состоянии дают их угловые распределения. Существует целый ряд спектрометров, позволяющих фиксировать анализируемые частицы в узком телесном угле, ограниченном апертурой прибора. Однако, чтобы одновременно исследовать целый диапазон углов (до 180, например) применяют механическое вращение прибора либо используют несколько детекторов, а это усложняет процесс регистрации и увеличивает время сбора информации.
В настоящее время в современных электронных спектрометрах успешно применяют позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД). Их использование пока офаничивается многоканальной регистрацией либо угловых, либо энергетических распределений.
В литературе описаны системы, в принципе позволяющие реализовать многоканальный анализ с высоким разрешением по энергии и углам одновременно ([1,2]). Обе системы, однако, имеют сложную многоступенчатую конфигурацию поля. Одна из них, помимо этого, требует применение детектора цилиндрической формы. Значительно большие возможности сулит при-
менение плоского ПЧД. Он может обладать достаточно высоким разрешением, технологичен и дает возможность применить для усиления сигнала сборку из микроканальных пластин (МКП) с коэффициентом усиления Ю3 -107. Эта возможность реализована во второй схеме ([2]).
Для анализа полного диапазона полярных углов и конечного интервала энергий в обеих схемах используют широкие диафрагмы, обычно затягиваемые сетками. Наличие нескольких каскадов увеличивает паразитный сигнал, что ухудшает качество собираемой информации.
В некоторых методиках (например, фото-электронной спектроскопии с угловым разрешением) анализируются пучки заряженных частиц, вылетающие с поверхности под разными полярными углами при фиксированном азимутальном. Такая геометрия эксперимента наиболее удобна при интерпретации полученных данных. Однако, до настоящего времени аксиально-симметричных энергоанализируюших систем, позволяющих осуществлять одновременную регистрацию энергетических и угловых распределений при определенной геометрии эксперимента с применением плоского двумерного ПЧД, не предлагалось.
Таким образом, появление электронно-оптических систем для одновременного многоканального анализа по энергиям и углам, обладающих хорошими электронно-оптическими характеристиками, удобной конфигурацией и компактностью, расширит возможности и круг исследований по диагностики поверхности твердого тела.
Целью работы является поиск и исследование электронно-оптических (ЭО) схем, позволяющих регистрировать на плоском детекторе заряженные частицы в целом диапазоне энергий и полярных углов и обладающих одновременно следующими свойствами:
высокими электронно-оптическими характеристиками : линейной дисперсией, относительными энергетическим и угловым разрешением ;
простотой электродных конфигураций, компактностью и удобством расположения основных узлов энергоанализатора.
Научная новизна результатов
1. Впервые рассмотрена ЭО система, состоящая из двух соосных конусов с общей вершиной. Описаны основные электронно-оптические свойства структуры. Продемонстрированы эффекты расширения и сжатия пучков за-
ряженных частиц в зависимости от направления движения - от особенности поля или к ней. Данная система обладает высокой дисперсией в широком диапазоне энергий. Предложено использовать режим, когда прибор работает как спектрограф при регистрации и угловых, и энергетических распределений анализируемых заряженных частиц.
-
Рассмотрен новый класс суперпозиции электростатических полей: совмещенных кулоновского центра (сферическое зеркало) и дипольной особенности. Продемонстрирована возможность получения поля с требуемыми электронно-оптическими характеристиками, в частности, спрямление линии фокусов, когда исходная полевая структура возмущена полем диполя, имеющим небольшой радиус действия по сравнению со сферическим. Показано, что дальнейшее изменение электростатического поля (введение дополнительных членов в распределение потенциала, как-то сферическое распределение с переменным центром и произвольным зарядом) не вносит существенных изменений в электронно-оптические характеристики и форму фокальной поверхности.
-
Проведен анализ электронно-оптических характеристик и свойств класса полевых структур, построенных на основе поля точечного заряда и поля точечного диполя, помещенных в начало координат. Определена оптимальная конструкция прибора, в котором одновременно регистрируются пучки заряженных частиц в целом диапазоне энергий, эмиттированные с поверхности под разными полярными углами при фиксированном азимутальном. Выработан критерий качества прибора - разрешающая способность анализатора, учитывающий конечный размер реального источника и угловую расходимость, анализируемых пучков, задаваемой апертурой входной диафрагмы.
-
Предложена конструкция спектрографа, распределение потенциала в котором описывается разностным полем, с использованием в качестве регистрирующего элемента плоского позиционно-чувствительного детектора. Электронно-оптическая схема позволяет регистрировать на плоском детекторе одновременно энергетические и угловые спектры заряженных частиц в целом диапазоне энергий и полярных углов (до 180). Определены основные геометрические параметры прибора и электронно-оптические характеристики.
-
Предложена модель времяпролетного масс-энергоанализатора с угловым разрешением. Определен режим работы прибора, когда в единицу времени на плоском ПЧД можно зарегистрировать ионы определенной массы в
некотором интервале энергий и целом диапазоне полярных углов (до 180). Сделаны оценки основных ЭО параметров.
Защищаемые положения
1. Созданная конструкция энергоанализатора на основе "конусо
образного" потенциала может быть применена для одновременной регистра
ции энергетических и угловых распределений электронов.
-
Доказано, что линию фокусов в энергоанализаторе типа "сферическое зеркало" можно спрямить методом локального возмущения структуры сферического поля в виде добавления в потенциал дипольных членов.
-
На основе разностного поля и плоского позиционно-чувствительного детектора может быть построена эффективная электронно-оптическая схема для регистрации одновременно энергетических и угловых распределений заряженных частиц.
-
Разработанная теория разделения заряженных частиц в разностном поле позволяет совместить анализ по массам, энергиям и углам в одном приборе.
Научная и практическая ценность
Исследовано несколько классов электростатических полей, на основе которых могут быть созданы энергоанализирующие системы, призванные решать качественно новые задачи диагностики поверхности, например, фиксировать процессы, происходящие на поверхности в режиме реального времени.
Предложена новая конструкция электронно-оптической схемы на основе квазиконического анализатора, где реализуется возможность одновременного спектрографического анализа энергетических и угловых распределений заряженных частиц с высоким разрешением.
Разработана модель времяпролетного масс-спектрометра, в котором может быть осуществлен совместно анализ заряженных частиц по массам, по энергиям (в конечном интервале) и по полярным углам (в полном диапазоне).
Впервые исследован "конусообразный" потенциал. В следствии уникальных свойств поля, на его основе могут быть созданы
монохроматор электронных потоков ;
анализатор параллельных потоков заряженных частиц;
энергоанализатор, обладающий высокими фокусирующими и дисперсионными свойствами;
энергоанализатор, позволяющий фиксировать на детекторе одновременно диапазон энергий и диапазон полярных углов эмиссии ;
многокаскадная система, одно ш~достоинств~ которой есть сжатие или расширение пучков заряженных частиц.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на 3rd International Workshop on Auger Spectroscopy and Electron Structure, Liverpool, September, 1994; научной конференции "Инновационные и наукоемкие технологии для России", Апрель, 1995; Всероссийском симпозиуме по эмиссионной электронике, Рязань, Сентябрь, 1996.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в российских и зарубежных журналах и выдан патент на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 146 страниц текста, 50 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 52 наименования.
