Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное развитие современной техники требует создания и широкого использования конструкционных материалов со специальными свойствами. Повышение качества продукции, увеличение ее надежности и долговечности зависят от надлежащего контроля на всех этапах производства от заготовок и полуфабрикатов из исходного материала и далее, на последовательных стадиях технологической обработки. Экспериментальные исследования в материаловедении, особенно в тех областях, которые связаны с изучением изменений химического состава поверхностных слоев под влиянием различных внешних воздействий, немыслимы без использования фотоэлектронных спектрометров.
Фотоэлектронная спектроскопия позволяет проводить: элементный и химический анализ неорганических и органических образцов, анализ электронной структуры образца, глубинный профильный анализ элементного и химического состава образца. Преимуществами метода являются: широкий диапазон измеряемых концентраций, разработанность теории количественного анализа, возможность проведения количественного анализа при отсутствии стандартных образцов. Благодаря этому фотоэлектронная спектроскопия находит многообразные применения в материаловедении конструкционных материалов, в исследовании явлений катализа, адсорбции, явлений на гетерофазных границах, углеродсодержащих неорганических и органических материалов и структур, включая фуллерены, полимеры и биологические объекты.
Промышленное производство сверхвысоковакуумного оборудования всегда было чрезвычайно дорогостоящим, поэтому его приобретение может позволить себе не каждый потребитель. Вследствие этого старение используемого научного сверхвысоковакуумного оборудования, к которому относятся фотоэлектронные спектрометры, является проблемой не только российских, но и многих зарубежных исследовательских институтов. В этой ситуации профессиональная модернизация, проведенная на высоком техническом уровне, является альтернативой приобретению нового оборудования. За рубежом фирмы, занимающиеся изготовлением фотоэлектронных спектрометров, широко практикуют модернизацию устаревших моделей собственного производства, т.е. активно развивается вторичный рынок вакуумных систем. Техническим результатом модернизации является создание установки, по своим характеристикам не уступающей современным промышленным образцам и приспособленной к технологическому процессу, необходимому потребителю. Финансовым результатом модернизации является увеличение рыночной стоимости установки в несколько раз по отношению к затратам на модернизацию.
В 70-80 гг. в нашей стране в Институте Аналитического Приборостроения (г. Ленинград) были разработаны [1] и серийно выпускались на Экспериментальном Заводе Научного Приборостроения (г. Черноголовка) фотоэлек-
тронные спектрометры ЭС-2401 и ЭС-3201. Оба спектрометра были оснащены электростатическими энергоанализаторами высокого разрешения с трехэлек-тродной линзой на входе и различались источниками возбуждения и устройствами ввода пробы: спектрометр ЭС-3201 был предназначен для исследования газов и паров легколетучих веществ и имел источник ультрафиолетового излучения; спектрометр ЭС-2401 представлял собой стандартный для того времени рентгеноэлектронный спектрометр для исследования твердотельных образцов. Источник рентгеновского излучения обеспечивал получение характеристического излучения MgKa- и AlKa- достаточно хорошей интенсивности. По своим параметрам спектрометры ЭС-2401 и ЭС-3201 не уступали зарубежным аналогам [1, 2]. В настоящее время спектрометры ЭС-2401 и ЭС-3201 не могут быть использованы для проведения научных исследований вследствие отсталости конструкции вакуумных систем, ненадежности периферийных узлов, отсутствия или крайней примитивности систем контроля над технологическими процессами. В то же время энергоанализатор типа полусферического дефлектора, установленный на отечественных спектрометрах, по своим характеристикам соответствует энергоанализаторам зарубежных спектрометров, которые после модернизации вакуумной системы и оснащения приставками для осуществления внешних воздействий на образец выставляются на вторичный рынок вакуумного научного оборудования для проведения исследований в области материаловедения (например, PHI 5600 LS XPS, SSX-100). На основании вышеизложенного сформулирована цель данной работы.
Цель работы: создание установки на базе электростатического энергоанализатора фотоэлектронного спектрометра ЭС-2401 и разработка методик контроля влияния внешних воздействий на поверхностные слои веществ и материалов.
Для достижения цели были поставлены следующие конкретные задачи:
Анализ исходных данных для проектирования специализированного фотоэлектронного спектрометра на базе ЭС-2401 для проведения экспериментальных исследований электронной структуры поверхности, термостимулирован-ных процессов в поверхностных слоях материалов, температурной зависимости адсорбционных и топохимических процессов.
Разработка методик экспериментальных исследований и узлов спектрометра:
Выбор и расчет модели вакуумной системы, удовлетворяющей следующим требованиям: получение и поддержка безмасляного сверхвысокого вакуума в камерах спектрометра; небольшое время выхода на режим, отключения и смены образца.
Выбор и расчет моделей устройств термического воздействия на образец в вакууме до температур фазовых переходов и в газовых средах с контролем температуры исследуемой поверхности.
Расчет и разработка устройства для механического удаления поверхностного слоя образца в вакуумной камере спектрометра.
Расширение диапазона возбуждающего излучения в область мягкого рентгена и ультрафиолета.
Разработка конструкции и изготовление вакуумной системы, технологических устройств для обработки образцов и расширения диапазона возбуждающего излучения.
Разработка методик проведения экспериментальных исследований с использованием вновь установленных узлов спектрометра.
3. Апробация экспериментальных возможностей спектрометра для решения конкретных задач материаловедения. Исследование формирования поверхностного слоя рабочих стенок каналов микроканальных пластин на последовательных стадиях изготовления. Анализ тонких алюминиевых пленок на силикатном стекле, полученных магнетронным распылением.
Научная новизна работы заключается в создании качественно нового фотоэлектронного спектрометра на базе отечественного энергоанализатора спектрометра ЭС-2401 для проведения исследований в области материаловедения, связанных с влиянием внешних воздействий (термообработка в вакууме и газовой среде, взаимодействие с газами) на поверхностные слои материалов. Отличительными особенностями спектрометра являются: использование метода индукционного нагрева для термообработки образцов в газовой среде, расширение функциональных возможностей устройства электронного нагрева образцов (ионная очистка внутренних поверхностей камеры, ионное травление поверхности образцов), исключение дополнительных манипуляторов для фиксации образца в вакуумных камерах.
Получена новая информация о процессах формирования поверхностного слоя многокомпонентных свинцово-силикатных стекол при внешних воздействиях. Впервые определена зависимость состава тонких алюминиевых пленок и границ раздела пленка-подложка, полученных методом магнетронного распыления на силикатном стекле, от состава остаточной атмосферы.
Практическая значимость работы
Впервые разработано многофункциональное устройство для нагрева образцов в вакуумной камере спектрометра до температуры 1000С, ионной очистки внутренней поверхности вакуумной камеры (шлюзовой реакционной) от адсорбированных газов после проведения экспериментов с химически активными газами, ионного травления образца.
Впервые для уменьшения газовыделения с поверхности устройства перемещения образца, влияющего на условия проведения экспериментов, предложено транспортировку образца осуществлять одним штоком - манипулятором, который одновременно перемещает и фиксирует образец в камере подготовки с дальнейшим захватом и перемещением в камеру анализатора, в отличие от известных устройств, в которых для транспортировки образца между камерами и фиксации образца в камерах используются дополнительные манипуляторы.
Впервые разработано и проведен расчет устройства скрайбирования для механического удаления поверхностного слоя образцов в сверхвысоком вакууме.
Результаты исследования состава поверхностных слоев свинцово-силикатных стекол МКО20 и 6Ва4 при внешних воздействиях могут быть использованы для разработки новых и усовершенствования известных технологических методов изготовления микроканальных пластин из свинцово-силикатных стекол.
Результаты, выносимые на защиту:
1. Конструкция вакуумной системы спектрометра включающая:
высоковакуумную шлюзовую реакционную камеру с реечным механизмом транспортировки образца;
сверхвысоковакуумную шлюзовую камеру с магнитным механизмом транспортировки образца;
сверхвысоковакуумную систему дозированного напуска газов в камеру подготовки образцов.
2. Конструкции и методики использования устройств воздействия на образец в
камерах спектрометра:
механической чистки поверхности образцов нестойких к нагреву и ионной бомбардировке;
индукционного нагрева с контролем температуры поверхности исследуемого образца, позволяющего нагревать образец до температуры 500С в газовой среде;
многофункционального устройства, позволяющего проводить: 1) электронный разогрев образца до 1000С с контролем температуры поверхности и защитой поверхности вакуумной камеры от перегрева; 2) ионную очистку внутренней поверхности вакуумной камеры от адсорбированных газов; 3) ионное травление поверхности образца.
Методика расширения диапазона возбуждающего излучения в область мягкого ультрафиолета в спектрометре ЭС-2401.
Результаты исследования состава поверхностного слоя стекол 6Ва4 и МКО 20, сформированного в результате воздействий, используемых при изготовлении микроканальных пластин, и результаты исследования состава тонких алюминиевых пленок на силикатном стекле, полученных магнетронным распылением, в зависимости от состава остаточной атмосферы и режимов получения.
Достоверность результатов исследований подтверждена воспроизводимостью результатов экспериментов, проведенных с использованием разработанных систем, узлов и технологических устройств, в одних и тех же условиях. Технические характеристики созданных устройств подтверждены экспериментальными исследованиями эталонных образцов, сравнением с данными других авторов, опубликованными в литературе.
Работа выполнена в соответствии с тематическими планами НИР Физико-технического института Уральского отделения РАН по направлению «Физика и химия поверхности» по темам: «Комплексные исследования методами электронной спектроскопии связи энергетической структуры, потерь энергии и состава поверхности некоторых стекол и металлов с их эмиссионными свойствами» (УНЦ АН СССР №Х58460); «Исследование связи сегрегационных процессов с электронной структурой Зё-металлов после термического и механического воздействий» (ФТИ УрО РАН № гос. регистрации 01.9.90 002475), «Исследование процессов межфазных взаимодействий при формировании нанострук-турных композиционных материалов» (ФТИ УрО РАН, № гос. регистрации 01.2.003 05811).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: XXI Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике, Ленинград, 1990 г.; XV Всесоюзное совещание по рентгеновской и электронной спектроскопии, Ленинград, 1988 г.; Всесоюзная конференция «Анализ-90», Ижевск, 1990 г.; XI Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и экономики», Сочи, 2008 г.; XX Всерос. конф. «Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь», Новосибирск, 2010 г.
Публикации. Основные результаты работы изложены в учебном пособии (два издания), 13 статьях в журналах из списка ВАК, 1 статье в сборнике конференции, 4 тезисах Всесоюзных и Всероссийских конференций и 4 патентах, список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Автором предложены пути решения поставленной цели работы, сформулированы и обоснованы вынесенные на защиту положения.
Автором выбрана и рассчитана модель, разработаны блок-схемы и конструкция вакуумной системы, выбраны модели и разработаны конструкции технологических устройств, разработаны методики экспериментальных исследований с использованием новых вакуумной системы и технологических устройств.
Автор принимал непосредственное участие в изготовлении конструкций вакуумной системы и технологических устройств, проведении экспериментов и обсуждении результатов.
Автор выражает благодарность к.ф.-м.н. Ф.З. Гильмутдинову и гл. конструктору П.Г. Мерзлякову за многолетнее и плодотворное сотрудничество.
Автор благодарен светлой памяти к.ф.-м.н. М.Ф.Сорокиной, по инициативе и при непосредственном участии которой была начата эта работа.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 172 ссылки, и приложения. Материалы изложены на 158 страницах машинописного текста, содержат 48 рисунков и 22 таблицы.
