Разработка систем комбинированного анализа поверхности твердого тела методами электронной оже-спектроскопии и масс-спектрометрии вторичных ионов ТАРАБРИН ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Обзор литературы и постановка задачи 15

1.1 Энергоанализаторы пучков заряженных частиц 15

1.1.1 Анализатор с задерживающим полем 16

1.1.2 Анализаторы типа цилиндрическое зеркало 17

1.1.3 Полусферический концентрический анализатор 20

1.1.4 Анализаторы с гексапольно-цилиндрическим зеркалом 22

1.2 Масс-спектрометры заряженных частиц 24

1.2.1 Селективные масс-спектрометры 25

1.2.2 Времяпролетные масс-спектрометры 28

1.2.3 Масс-спектрометры на основе ионно-циклотронного 1.3 Комбинированный анализ поверхности 32

1.4 Выбор методов численного моделирования 33

1.5 Основные результаты. Постановка задачи исследования 35

ГЛАВА 2. Разработка длиннофокусного оже-микрозонда 37

2.1 Обоснование выбора инструмента моделирования электронно- и ионно-оптических систем 37

2.2 Разработка электронно-оптической системы длиннофокусного анализатора энергий 48

2.3 Разработка электронно-оптической системы длиннофокусной электронной пушки

2.3.1 Обоснование выбора параметра оптимизации 54

2.3.2 Конструкция катодно-модуляторного узла 57

2.3.3 Оптимизация катодно-модуляторного узла 60

2.3.4 Учет пространственного заряда 68

2.3.5 Тепловой режим КМУ 78

2.3.6 Транспортировка электронного потока на мишень 82

2.4 Основные результаты 85

ГЛАВА 3. Фокусировка электронных пакетов в линзах с импульсным питанием 87

3.1 Исследование фокусирующих свойств одиночной линзы в режиме импульсного питания 87

3.2 Оценка времени пролета пакета электронов через одиночную линзу 92

3.3 Основные результаты 94

ГЛАВА 4. Фокусировка пакетов заряженных частиц в системах изотраекторной оптики 95

4.1 Фокусировка пакетов заряженных частиц в изотраекторных линзах 96

4.2 Масс-анализ пакетов заряженных частиц в изотраекторном режиме 99

4.3 Анализатор энергий и масс заряженных частиц 105

4.4 Основные результаты 112

ГЛАВА 5. Разработка конструкции длинно–фокусного оже-микрозонда 113

5.1 Разработка конструкции длиннофокусного АЦЗ 114

5.2 Разработка конструкции длиннофокусной электронной пушки 121

5.3 Основные результаты 127

Заключение 128

Библиографический список 133

• Полусферический концентрический анализатор
• Разработка электронно-оптической системы длиннофокусного анализатора энергий
• Оценка времени пролета пакета электронов через одиночную линзу
• Анализатор энергий и масс заряженных частиц

Введение к работе

Актуальность темы. С развитием физико-аналитического оборудования, нацеленного на применение в вакуумных технологиях производства приборов микро- и наноэлектроники, четко обозначилась потребность в средствах профильного поверхностно локального оже-анализа объектов. Однако на практике возникают ситуации, в которых методы электронной оже-спектроскопии (ЭОС) бесполезны вследствие невысокой чувствительности. В таких случаях положительную роль может сыграть масс-спектрометрия вторичных ионов (МСВИ), не имеющая альтернативы по уровню чувствительности среди аналитических методик. К недостатку МСВИ относится существенный уровень разрушений анализируемого объекта в процессе исследований. Комбинированный анализ поверхностей твердых тел методами ЭОС и МСВИ в одной экспериментальной камере позволяет проводить исследования без нарушения вакуума, а пространственное совмещение методов исключает локальное смещение анализируемых точек при смене метода, что увеличивает скорость и корректность анализа.

Сочетание метода ЭОС и МСВИ в одном аналитическом узле позволяет проводить послойный анализ тонкопленочных структур, который имеет ряд преимуществ перед традиционным послойным анализом: информационная глубина имеет величину порядка 1 нм; отсутствие зависимости процесса анализа от интенсивности распыления; малое влияние матрицы на уровень элементной чувствительности; малая анализируемая область по сравнению с областью распыления, что минимизирует кратерные краевые эффекты; возможность анализа распыленного материала.

Наиболее эффективно проблема комбинирования различных методов разрешается путем их пространственного совмещения: ЭОС как основного метода и МСВИ как дополнительного метода, используемого при необходимости. Для комбинированного решения аналитических задач в составе технологического оборудования требуются средства с малыми габаритами и большими фокусными расстояниями «образец-анализатор», что содержит противоречие, поскольку габариты и фокусное расстояние прямо пропорциональны.

Другой способ комбинации методов заключается в построении гибридного спектрометра для ЭОС и МСВИ на базе единой электродной конфигурации. Последний способ нуждается в привлечении инновационных решений как идеологического, так и конструкторского характера.

Степень разработанности темы. С развитием процессов производства современных изделий электроники происходит совершенствование и усложнение физико-аналитического оборудования, что ведет к росту его стоимости. Удорожание оборудования, прежде всего, связано с приданием ему свойств излишней многофункциональности и с разработкой сложных в изготовлении устройств, а не с углублением потребительских качеств. В частности, средства масс-анализа в настоящее время имеют тенденцию развития в направлении увеличения разрешающей способности до 10⁶ для нужд биохимической масс-спектрометрии. Данный факт стал причиной отсутствия простых в изготовле-

нии и недорогих средств масс-анализа поверхностей, имеющих высокую чувствительность и достаточное для отладки процессов производства изделий микро- и наноэлектроники спектральное разрешение, а также способных работать в составе комбайна, реализующего, например, такие методы диагностики как ЭОС и МСВИ. Почти два десятка лет назад в России прекращено серийное производство средств электронной спектроскопии. Таким образом, на настоящий момент отсутствует отечественное оборудование, способное решать современные задачи физического материаловедения методами электронной спектроскопии и масс-спектрометрии вторичных ионов в составе технологических установок. Анализ рынка показывает, что предлагаемое зарубежное оборудование также не может удовлетворить перечисленным выше требованиям либо с точки зрения обеспечения технических характеристик, либо с коммерческой точки зрения.

Для создания недорогих средств комбинированного анализа поверхности твердого тела обозначенными методами необходимо использовать технологичные в изготовлении электродные системы и нестандартные решения, не приводящие к существенному удорожанию устройств, однако позволяющие обеспечить требуемые характеристики.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка компактных средств комбинированного анализа поверхности твердого тела с электронным и ионным зондами, интегрируемых в вакуумные технологические комплексы производства приборов микро- и наноэлектроники.

Цель работы достигается решением следующих задач:

1. исследование движения электронов в неоднородном цилиндрическом поле и разработка электродной системы оже-анализатора энергий типа «цилиндрическое зеркало» с большим фокусным расстоянием;

2. разработка и оптимизация конструкции статической длиннофокусной электронной пушки, встраиваемой в энергоанализатор;

3. проведение траекторного анализа одиночных электронных линз в режиме импульсного питания;

4. исследование фокусирующих и дисперсионных свойств изотраекторных полей и разработка на их основе электродной системы для комбинированного анализа энергий и масс заряженных частиц.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Показано, что для уменьшения центрального угла фокусировки элек
тронов в цилиндрическом зеркальном анализаторе с целью увеличения фокус
ного расстояния достаточно использовать дополнительный конусообразный
электрод, формирующий неоднородное электрическое поле в области влета ча
стиц, обладающее угловой фокусировкой второго порядка.

2. Получено аналитическое выражение, определяющее зависимость диа
метра отверстия в электроде Венельта от его толщины и высоты посадки като
да, которые обеспечивают максимальную величину напряженности электриче
ского поля у эмитирующей поверхности термоэлектронного острийного катода.

3. В ходе численного моделирования обнаружено, что в электрических по
лях, формируемых электронными линзами с импульсным питанием, возможно
уменьшение на порядок сферических аберраций и диаметра кроссовера при фо
кусировке пакетов электронов по сравнению со статическими электрическими
полями за счет исключения расфокусирующей области поля.

4. Обнаружены электродные системы с неоднородными в пространстве электрическими полями, обеспечивающими в изотраекторном режиме угловую фокусировку не ниже второго порядка.

5. Разработана электродная конфигурация спектрометра заряженных частиц со светосилой порядка 10 %, обеспечивающего анализ энергий электронов в статическом режиме и анализ масс ионов в изотраекторном режиме.

Теоретическая и практическая значимость

1. Разработана конструкция длиннофокусного цилиндрического зеркального энергоанализатора, предназначенного для использования в составе комбайна, реализующего методы ЭОС и МСВИ.

2. Разработана методика оптимизации конструкции катодно-модуляторного узла электронной пушки с минимальными угловыми аберрациями.

3. Создана конструкция длиннофокусной миниатюрной электронной пушки, коаксиально встраиваемой в электростатический анализатор энергий оже-электронов и обеспечивающей диаметр пятна на выходе 1 мкм при токе электронного пучка 270 нА.

4. Разработана ионно-оптическая схема светосильного изотраекторного масс-анализатора ионов.

5. Разработан светосильный спектрометр энергий и масс заряженных частиц.

Методы диссертационного исследования. В процессе выполнения диссертационной работы в качестве основного инструмента было использовано приложение ФОКУС, реализующее метод граничных элементов решения полевой задачи с развитой оценкой сингулярных и квазисингулярных интегралов; приложение SIMION, в основе которого заложены конечно-разностные методы; пакет программ конечно-элементного анализа COMSOL Multiphysics. Использование нескольких различных методов численного моделирования позволяет более точно решить поставленные задачи, направленные на нахождение необходимых конфигураций электронно- и ионно-оптических систем. При обработке данных использовался пакет программного обеспечения Matlab.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Использование в цилиндрическом зеркальном анализаторе дополнительного конусообразного электрода с углом наклона образующей 32±1 позволяет сформировать неоднородное электрическое поле, обладающее угловой фокусировкой второго порядка вблизи центрального угла входа электронов ₀=20±0.2, и обеспечивает в два раза большее фокусное расстояние по сравнению с классическим цилиндрическим зеркальным анализатором.

2. Максимальная напряженность электрического поля у эмитирующей по
верхности термоэлектронного катода обеспечивается при значении отношения
диаметра отверстия в электроде Венельта Db к высоте посадки катода h, опре
деляемом выражением:

K₁(1.5h² -hS_R) + K₂(50h + 110S_R) + 8.8

Opt(Dj>/ h ) =р= — , где ив - толщина элек-

K₃4h -5.375-10"₂ K ₁8₂+13.8 K₂8_В -4

трода Венельта в мкм, D_B и h в мкм, ^ = 110"³ мкм², К₂=1Ю³ мкм"¹, ^5 = 1 мкм"¹⁷².

3. Использование электрических полей, изменяющихся за интервал времени, не превышающий время пролета частиц через электродную систему, позволяет снизить на порядок сферические аберрации и во столько же уменьшить диаметр изображения по сравнению со статическими электрическими полями.

4. Электрические поля, формируемые конусообразными электродными системами с углом наклона образующей 45, в изотраекторном режиме обеспечивают угловую фокусировку частиц не ниже второго порядка во всем диапазоне энергий.

Достоверность полученных данных подтверждается:

1. Использованием ранее теоретически и экспериментально апробированных методов расчета и моделирования электронно- и ионно-оптических систем;

2. Совпадением в пределах погрешности измерений рассчитанных по аппаратным функциям относительных энергетических разрешений анализаторов ДеМ 3.494.032, ДеМ 3.494.037, ДеМ 3.494.042, двухкаскадного АЦЗ серии «Зерцало» (производство НИТИ, г. Рязань) с экспериментально полученными данными;

3. Совпадением в ходе проведения испытаний рассчитанных значений фокусных расстояний анализаторов, соответствующих их габаритам, и центральных углов влета анализируемых частиц;

4. Подтверждением с помощью используемых методов численного моделирования свойств изотраекторных систем, обнаруженных ранее аналитическими методами.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

5. В рамках Второй итоговой конференции молодых инноваторов по программе «УМНИК» в Рязанской области, Рязань, 2012 г.;

6. На Всероссийской молодежной школе-семинаре «Диагностика нанома-териалов и наноструктур», Рязань, 2013 г.;

7. На Международной конференции «10th International Vacuum Electron Sources Conference (IVESC) and Second International Conference On Emission Electronics (ICEE)», Saint-Petersburg, Russia, 2014 г.;

8. На Международной конференции «9th International Conference on Charged Particle Optics (CPO-9)», Brno, Czech Republic, 2014 г.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ, 1 патент на изобретение, 2 патента на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 работа, индексированная в базе данных Scopus.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, приложений. Диссертация изложена на 154 страницах машинописного текста и включает 64 рисунка. Библиографический список состоит из 78 наименований цитируемых источников.

Полусферический концентрический анализатор

В настоящее время в ЭОС чаще всего используют электростатические анализаторы с дисперсией по энергии, которые по совокупности аналитических характеристик значительно превосходят анализаторы тормозящего типа.

Для дисперсионных энергоанализаторов предъявляется требование, заключающееся в необходимости обеспечения высокой разрешающей способности при высокой светосиле, что является внутренним противоречием. Данное противоречие тем слабее, чем лучше фокусирующие характеристики прибора и выше величина дисперсии. Математически фокусирующие свойства выражаются порядком п фокусировки. Порядок п фокусировки равен количеству первых п нулевых членов в разложении Тейлора координаты прилета по начальному углу а: z(a,Wo)=zo+A1(a-a0)+A2(a-a0)2+... +AN(a-a0)n+..., (1.2) где z0=z(a0, Wo) координата точки фокуса, а0 центральный угол фокусировки. Оставшиеся ненулевые слагаемые определяют величину сферической аберрации. В частности, случай идеальной угловой фокусировки А]=А2=...Ап=0, п=оо, определяется равенством z(a,W0)=z0 и характеризует независимость координаты прилета z от начального угла движения а. Качество фокусировки определяет величину регистрируемого сигнала и тем самым, определяет чувствительность.

Широкое применение получил анализатор типа цилиндрическое зеркало (АЦЗ). За прошедшее время предлагались различные варианты АЦЗ, но в общем случае различия между ними заключались в отдельных особенно 18 стях конструкции. На рисунке 1.2 представлена схема АЦЗ. Он состоит из коаксиально расположенных цилиндров с разными радиусами r1 (внутренний) и r2 (внешний). Внутренний цилиндр заземлен, а на внешний подается отрицательный (относительно земли) потенциал U. Электроны, эмитируемые с поверхности образца, влетают в апертуру внутреннего цилиндра под углом и те из них, энергия которых равна W0, отклоняются потенциалом внешнего цилиндра так, что, пролетев через выходную апертуру, фокусируются на оси. В этом случае наблюдается тип фокусировки «ось-ось». Существуют и другие типы фокусировки: «ось-кольцо», «кольцо-кольцо» и т.д. На выходе анализатора расположен вторично-электронный умножитель (ВЭУ), на котором регистрируется ток, пропорциональный функции распределения электронов по энергиям для каждого значения W0.

АЦЗ могут иметь различные входные углы , но при единственном угле =4218 данный прибор обладает угловой фокусировкой второго порядка.

АЦЗ – эффективное средство для исследования поверхности твердых тел методом оже-спектроскопии. Электродная система достаточно проста в изготовлении, что определило использование данного типа анализаторов в настоящее время [15, 16].

Известен миниатюрный двухкаскадный АЦЗ CMA 2000 фирмы LK Technologies, способный работать в режиме оже- и фотоэлектронной спектроскопии. Относительное энергетическое разрешение R данного анализатора составляет 0.7 – 1.5% при внешнем диаметре 35 мм. Такие малые размеры реализованы благодаря отсутствию в анализаторе коаксиально интегрированной электронной пушки. Поскольку центральный угол фокусировки электронов составляет порядка 42, рабочее расстояние («образец–анализатор») мало (менее 10 мм). Данное обстоятельство затрудняет использование рассматриваемого энергоанализатора в комбинированном исследовании образца с другими методами.

Фирма STAIB Instruments выпускает одно- и двухкаскадные АЦЗ. Од-нокаскадные энергоанализаторы ESA 100 и ESA 150 обеспечивают рабочее расстояние порядка 33 мм при относительном энергетическом разрешении 0.1–0.6% и светосиле 8%. Внешний диаметр анализатора составляет 95 мм. Двухкаскадные энергоанализаторы DESA 100 и DESA 150 обеспечивают рабочее расстояние около 60 мм при W/W0 порядка 0.1–0.6% при светосиле 6%. Такие параметры позволяют проводить качественный анализ методами ЭОС и РФЭС. Однако, электронные пушки (EK-5IK), коаксиально встроенные в энергоанализаторы обеспечивают размер электронного пятна на образце порядка 80 мкм, что ограничивает использование рассматриваемых энергоанализаторов для профильного поверхностно локального анализа. Современные технологии производства элементов микро- и наноэлектроники выдвигают требования пространственного разрешения по поверхности около 1 мкм.

Компактный однокаскадный АЦЗ, выпускаемый RBD Instruments, обеспечивает относительное энергетическое разрешение R = 0.65% при внешнем диаметре 38 мм. Несмотря на малые габариты, данный анализатор имеет коаксиально интегрированную электронную пушку. Однако, минимальный размер пятна, который можно получить с помощью такой пушки составляет 100 мкм. При всем этом, анализатор имеет очень маленькое рабочее расстояние 3 мм, что не позволяет использовать его совместно с другими средствами анализа поверхности в одной вакуумной камере.

АЦЗ CMA 100 фирмы Omicron обеспечивает относительное энергетическое разрешение порядка 0.5%. Интегрированная электронная пушка способна формировать на образце пучок первичных электронов с минимальным диаметром 25 мкм. Рабочее расстояние 10 мм при внешнем диаметре анализатора 94 мм затрудняет его использование в комбинированных исследованиях с другими методами.

Известна конструкция АЦЗ, работающего в режиме спектрографа (Патент РФ № 152659). Для анализа электронов используется лишь половина сечения устройства. Спектрограф обладает угловой фокусировкой второго порядка и обеспечивает до 100 отдельных каналов регистрации частиц в диапазоне начальных углов 90±5 с относительным энергетическим разрешением около 1 %. Недостатком данного анализатора является ориентация исследуемого образца, нормаль к поверхности которого перпендикулярна оси симметрии, что делает невозможным использования интегрированной электронной пушки и затрудняет использование спектрографа в составе комбайна.

Разработка электронно-оптической системы длиннофокусного анализатора энергий

Для оценки качества разработанных энергоанализаторов были проведены испытания, в ходе которых были найдены экспериментальные значения относительного энергетического разрешения и отношение сигнал/шум. Для анализаторов ДеМ 3.494.032 и ДеМ 3.494.042 относительное энергетическое разрешение составило 0.15 1.5 % при отношении сигнал/шум в диапазоне 150 550, измеренном по оже-линии меди при токе возбуждающего пучка 1 мкА [45]. Полученное в ходе испытаний относительное энергетическое разрешение анализатора ДеМ 3.494.037 составило 0.2 1.2 % при отношении сигнал/шум в диапазоне 150 450, также измеренном по оже-линии меди при токе возбуждающего пучка 1 мкА [44]. Рассчитанное относительное энергетическое разрешение на ПШПВ аппаратной функции данных анализаторов совпадает (в пределах ошибки измерений) с экспериментально полученными данными. Также следует отметить, что рассчитанные значения фокусных расстояний анализаторов, соответствующих их габаритам (отношение радиусов внутреннего и внешнего цилиндров) и центральные углы влета пучков анализируемых частиц были подтверждены в ходе проведения испытаний.

Помимо однокаскадных АЦЗ в ряде исследований используют двух-каскадные энергоанализаторы. Они применяются в РФЭС, где в качестве источника возбуждения используется источник рентгеновского излучения, которое плохо поддается фокусировке [46]. Большие размеры источника фотоэлектронов приводят к «размытию» аппаратной функции анализатора. Использование дополнительного, последовательно расположенного каскада позволяет устранить данный эффект путем отсеивания не осевых фотоэлектронов в первой ступени (рисунок 2.4(а)). Поскольку анализ частиц по энергиям происходит во втором выходном каскаде, то и аппаратная функция такого анализатора соответствует однокаскадному АЦЗ, которая изображена на рисунке 2.2.

Двухкаскадный АЦЗ: а) электронно-оптическая система: ПД – промежуточная диафрагма, ВД – выходная диафрагма; б) внешний вид анализатора (серия «Зерцало», НИТИ, г. Рязань) По результатам расчета, выполненного в программе «ФОКУС», был изготовлен двухкаскадный АЦЗ (рисунок 2.4(б)), способный работать в режиме постоянного абсолютного разрешения по энергии (РФЭС), и в режиме постоянного относительного разрешения по энергии (ЭОС). Конструкция прибора позволяет плавно регулировать размер выходной диафрагмы. По результатам испытания анализатор продемонстрировал следующие характеристики: относительное энергетическое разрешение – 0.2 1.2 % при отношении сигнал/шум не менее 200, измеренном по оже-линии меди при токе возбуждающего пучка 1 мкА и относительном энергетическом разрешении 0.75 % [47]. Полученные данные свидетельствуют о совпадении рассчитанных численным методом характеристик прибора с экспериментальными.

В качестве источников первичных электронов в разработанных моделях энергоанализаторов использовались электронные пушки, обеспечивающие диаметр электронного пятна субмикронного размера с токами не менее 100 нА, в том числе, электронные пушки ДеМ 3.548.048 производства НИТИ г. Рязани. Электронно-оптическая система рассматриваемых пушек была рассчитана с помощью приближенно-аналитического метода, описанного в работе [48]. Результаты эксперимента показали возможность получения минимального диаметра электронного пучка на выходе пушки порядка 5 мкм при токе пучка не менее 100 нА [49].

Для оценки численного метода, реализуемого в программе «ФОКУС», с помощью него был проведен расчет электронно-оптических характеристик пушки модели ДеМ 3.548.048. Необходимые данные по конструкции электродной системы и режимам питания были взяты из технического паспорта прибора. На рисунке 2.5 представлен фрагмент конструкторской документации исследуемой электронной пушки. На рисунке 2.6 представлена электронно-оптическая схема с рассчитанным электростатическим полем и траекториями электронов, выполненная по эскизу на рисунке 2.5.

Источник электронов задан в соответствии с реальными характеристиками катода на основе LaB6 (рабочая температура 1800 К, разброс электронов по энергиям 0.4 эВ). Траекторный анализ показал возможность получения на выходе пушки диаметр электронного пятна 6.7 мкм, при токе пучка 93 нА. Полученные в ходе расчета данные приблизительно соответствуют экспериментально полученным результатам, опубликованных в работе [49].

На основе представленных данных, подтверждающих совпадение результатов численного моделирования с экспериментальными, можно с большой долей уверенности заявить об адекватности отмеченных численных методов. В связи с этим в качестве основного инструмента моделирования была выбрана программа «ФОКУС», реализующая описанные выше численные методики расчета электронно- и ионно-оптических систем.

Для оже-спектроскопии поверхности как одного из наиболее эффективных физических методов анализа in-situ процессов формирования микро-и наноструктур наиболее пригодными оказываются аксиально-симметричные энергоанализаторы, вследствие присущей им высокой светосилы (чувствительности) и разрешающей способности [50, 51]. Классический АЦЗ с центральным углом влета электронов 0 порядка 42 принципиально не может обеспечить длинный фокус. Уменьшение данного угла без снижения качества угловой фокусировки, которая определяет величину регистрируемого сигнала и, соответственно, чувствительности, возможно лишь путем создания определенной конфигурации электрического поля в пространстве (неоднородности). Разрешить проблему возможно на базе гексапольно-цилиндрических полей (ГЦП), где угловая фокусировка второго порядка возможна при значениях центрального угла в диапазоне от 30 до 40. Однако, сложная и дорогая в изготовлении система полеобразующих электродов является серьезным недостатком.

Наиболее технологичными в изготовлении являются цилиндрические, кольцевые и конические электроды в отличие от электродов с криволинейным сечением. Очевидно, что простые и дешевые способы создания аксиаль 49 но-симметричного электростатического поля осуществимы при использовании именно таких электродов, а управляемая неоднородность поля вдоль оси симметрии z может быть сформирована, например, размещением в пространстве между внутренним и внешним цилиндрическими электродами дополнительного кольцевого или конического электрода. Как показывает практика, для реализации схемы комбинированных исследований путем пространственного совмещения средств различных методов (рисунок 2.7) необходимо расстояние от образца до края анализатора (фокусное расстояние) не менее 20 мм при внешнем диаметре анализатора и сепаратора около 80 мм (вместе с магнитным экраном). К тому же, такие габариты устройств обеспечивают их размещение на фланцах типа CF 100.

Оценка времени пролета пакета электронов через одиночную линзу

В устройствах переноса изображений и транспортировки потоков заряженных частиц широко используются аксиально-симметричные одиночные линзы. Простейшая электростатическая аксиально-симметричная одиночная линза состоит из трех последовательно расположенных цилиндрических (или апертурных) электродов. Крайние электроды поддерживаются при одинаковом, чаще всего нулевом, потенциале. На средний электрод подается, либо положительный, либо отрицательный фокусирующий потенциал.

Одиночные линзы в статическом режиме практически полностью исследованы (экспериментально и теоретически) и их возможности исчерпаны [62].

К основному недостатку статических электронных линз относится невозможность устранения хроматических и сферических аберраций. Уменьшение и даже исключение аберраций возможно лишь за счет перехода от статического способа фокусировки непрерывных потоков электронов к фокусировке пакетов частиц импульсным напряжением.

Имеются экспериментальные данные [63], свидетельствующие о возможности ограничения сферических аберраций при фокусировке пакетов электронов подачей на электроды линзы импульсов прямоугольной формы.

В ходе численного моделирования было проведено исследование фокусирующих свойств одиночной линзы при подаче на центральный электрод импульса напряжения в некоторый момент времени после начала движения частиц.

На рисунке 3.1(а) продемонстрирован результат фокусировки электронного потока статической одиночной линзой, а на рисунке 3.1(б) – лин 88 зой, в которой напряжение на центральный (фокусирующий) электрод подается скачкообразно в момент времени t0.

Наблюдаемые выше эффекты уменьшения сферических аберраций обусловлены следующим. В статической линзе с потенциалом среднего электрода, полярность которого совпадает со знаком заряда частицы, неосевой электрон при движении испытывает сначала расфокусирующее, затем фокусирующее и затем снова расфокусирующее действие поля [64]. При этом действие фокусирующего поля оказывается более сильным, и поэтому в целом одиночная линза оказывается собирающей. Однако при увеличении радиальной координаты электрона r усиливается преобладание фокусирующей силы поля, что, в конечном счете, приводит к неустранимости сферических аберраций изображения. Поэтому можно ожидать, что уменьшение воздействия фокусирующей области поля при увеличении r приведет к улучшению качества фокусировки в целом. Предлагаемый способ ослабления такого влияния заключается в том, что электрическое поле включается лишь после прохождения электроном части рабочего пространства линзы, соответствующего первому дефокусирующему участку и некоторой части фокусирующего участка статической линзы.

Численный эксперимент проводился при фиксированной начальной энергии заряженных частиц W = 0.41 отн.ед., имеющих массу m=1 отн.ед. и заряд q=1 отн.ед. и влетающих в линзу параллельно оси симметрии. Влияние таких видов аберраций, как хроматической, дифракции, комы и астигматизма, было исключено. Отношение входного диаметра потока к диаметру линзы составляло p/d=0.3. Измерения диаметра наименьшего сечения потока s производились в условиях фиксированного фокусного расстояния линзы, соответствующего фокусному расстоянию статической линзы при потенциале фокусирующего электрода Um =1 отн.ед. Фиксация фокусного расстояния в динамическом режиме обеспечивалась регулировкой амплитуды скачка напряжения Um. Численный анализ линзы с импульсным питанием проводился в приближении бесконечно малой длительности электронного пакета и нулевой длительности фронта нарастания напряжения.

На рисунке 3.2(а) представлены результаты измерений относительного диаметра наименьшего сечения s/p потока частиц при изменении времени t0 запуска импульса напряжения. Время запуска t0 задавалось в процентах от полного времени пролета. Следует отметить, что в условиях реального эксперимента момент запуска t0 является регулируемым и настраиваемым параметром. На рисунке 3.2(б) показана зависимость величины скачка напряжения Um, обеспечивающего постоянство фокусного расстояния линзы, от момента запуска импульса t0. Момент запуска t0=0 соответствует статическому режиму.

Данные численного эксперимента, демонстрируемые на рисунке 3.2(а), позволяют сделать вывод о возможности существенного улучшения качества фокусировки электронных потоков в линзах с импульсным питанием. В частности, если в статическом режиме относительный диаметр наименьшего сечения составляет s/p=0.0573, то в динамическом режиме при t0=58.8% и Um=13.8 отн. ед. имеет на порядок меньшую величину s/p=0.0053. Однако заметим, что сферические аберрации одиночной линзы, как в статическом, так и в представленном динамическом режимах определяются величинами третьего порядка малости относительно радиальной координаты влета, т.е. имеет место фокусировка второго порядка по радиальной координате в обоих случаях.

Для оценки сферических аберраций в электронно-оптических системах используют понятие коэффициента сферической аберрации, который связан с минимальным диаметром сечения s выражением где s - минимальный диаметр сечения, Ссф - коэффициент сферической аберрации, а - угол расхождения в плоскости изображения, образующийся между непараксиальным лучом и оптической осью (рисунок 3.3). Коэффициент сферической аберрации связан с энергией пучка W, и фокусным расстоянием линзы [65]. Из (3.1) следует, что для уменьшения вклада s в конечный диаметр электронного пучка необходимо уменьшать величину угла а. Однако для этого необходимо уменьшать размер диафрагмы в линзе (на рисунке 3.3 не указана), что приводит к уменьшению тока в конечном пятне.

Анализатор энергий и масс заряженных частиц

В режиме энергоанализа исследуемый образец 6 облучается непрерывным потоком первичных электронов 11, в результате чего образец 6 испускает непрерывный поток вторичных электронов 10. За счет начальной энергии W вторичные электроны преодолевают пространство свободного дрейфа между образцом и внутренним цилиндрическим электродом 1. Через входное окно 4 во внутреннем цилиндрическом электроде 1 электроны попадают в отклоняющее и фокусирующее электрическое поле, созданное отрицательными потенциалами Ua и Ub на конусообразных электродах 2,а и 2,Ь. Следует заметить, что для исключения провисания потенциала из рабочего пространства во внутренний цилиндрический электрод 1 через входное окно 4, оно должно быть затянуто мелкоструктурной металлической сеткой. В режиме ЭОС Ua = Ub = U, где U - потенциал развертки, задаваемый блоком питания и управления 8. Сфокусированный поток электронов 10 с энергией, соответствующей энергии настройки анализатора, проходит через выходную кольцевую диафрагму 5 и регистрируется приемником частиц 7.

Энергетический анализатор имеет полосовую функцию пропускания, т.е. на вход приемника 7 попадают электроны, энергия которых лежит в определенной полосе W. Изменением потенциала развертки [/можно снять весь энергетический спектр электронов, испускаемых образцом.

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 W через входное окно 4 во внутреннем цилиндрическом электроде 1 попадают в отклоняющее и фокусирующее электрическое поле. Это поле создается отрицательными потенциалами Ua и Щ на конусообразных электродах 2,а и 2,Ъ, причем в режиме МСВИ Ua(t)=0.08C(m)/t2, а Ub(t)=C(m)/t2, где t - время, отсчитываемое от начала движения пакета вторичных ионов, С(т)=Ст - амплитуда напряжения, задаваемая блоком питания и управления 8 через делитель 9, определяющая настройку анализатора на определенную массу т однозарядных ионов, с - константа, зависящая от конкретного исполнения прибора (габариты, углы наклона образующих конусообразных электродов и т.д.). Сфокусированный пакет однозарядных ионов 10 с массой т и во всем диапазоне начальных энергией W, вследствие фокусировки в системе изотраекторного режима, проходит через выходную кольцевую диафрагму 5 и попадает на приемник ионов 7.

Изотраекторный масс-спектрометр также имеет полосовую функцию пропускания, т.е. на вход приемника 7 попадают однозарядные ионы, масса которых лежит в определенной полосе m. Дискретным изменением константы C(m), задающей в каждом акте регистрации отклоняющий потенциал U=C(m)/t2, через интервал времени, превышающий время полета частиц от образца 6 до приемника 7, можно снять весь массовый спектр ионов, испускаемых образцом.

В масс-анализаторе на рисунке 4.8(а) левый край выходной кольцевой диафрагмы, выполненной во внутреннем цилиндре, располагается по оси 0z ближе на 3.92 мм к началу координат по отношению к левому краю диафрагмы энергоанализатора на рисунок 4.7(а). Поэтому для перехода от энергоанализа вторичных электронов к масс-анализу вторичных ионов в рассматриваемом устройстве необходима не только смена режима электрического питания внешних конусообразных электродов, но и механическое смещение (без нарушения вакуума) левого и правого краев выходной диафрагмы 5 (рисунок 4.9). К тому же размеры выходной диафрагмы 5 в режиме ЭОС и МСВИ имеют различные величины. Поэтому устройство должно быть снабжено механическим манипулятором для изменения положения и ширины выходной диафрагмы за счет независимых смещений цилиндров 5,a и 5,b, что позволит обеспечить оптимальное функционирование в обоих режимах работы, а также, при необходимости, плавную подстройку с целью повышения разрешения или чувствительности.

который способен регистрировать как электроны так и вторичные ионы Поскольку диапазон входных углов влета анализируемых частиц в обоих режимах одинаков (34 – 44), то при смене режима рабочее расстоя ние и положение исследуемого образца изменять не нужно. В качестве при емника частиц можно использовать вторично-электронный умножитель 111 (ВЭУ),.

При внешнем радиусе экранирующего электрода 3 (рисунок 4.9) равном 40 мм длина устройства составляет 52 мм, радиус внутреннего цилиндрического электрода 1 составляет 10 мм, угол наклона образующих конусов составных частей 2,а и 2,b внешнего электрода 2 по отношению к оси симметрии z приблизительно равен 45, их протяженность вдоль оси симметрии z 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 30.6 мм в режиме ЭОС и 27.68 мм в режиме МСВИ соответственно. Значения ширины выходной диафрагмы в указанных режимах составляют около 0.08 мм и 0.13 мм соответственно, а задающая отклоняющий потенциал U(t)=C(m)/t2 функция C(m)=16.88m.

Таким образом, разработанная электронно-оптическая схема способна обеспечить два метода анализа поверхности. В режиме ЭОС можно проводить анализ с относительным энергетическим разрешение порядка 0.2%. В режиме МСВИ разрешающая способность составляет порядка 200. При этом светосила в обоих режимах не ниже 11%. Предложенная схема устройства, может быть использована для решения проблем комбинированного анализа и диагностики поверхности объектов твердотельной микро- и наноэлектроники методами ЭОС и МСВИ.