Электронный спектрограф для анализа пленочных структур

Полезная модель относится к области энергетического анализа потоков вторичных электронов, возбуждаемых первичным, например, электронным лучом с поверхности твердого тела при последовательном стравливании приповерхностных слоев ионным лучом или при росте пленок, и может быть использована для улучшения аналитических, эксплуатационных и потребительских свойств электронных спектрометров, предназначенных для исследования тонкопленочных и многослойных структур как объектов микро- и наноэлектроники методами электронной спектроскопии, в частности, методом электронной оже-спектроскопии. Существующие спектрометры не являются быстродействующими, что ограничивает возможности методов электронной спектроскопии в тех случаях, когда состояние исследуемой поверхности заметно изменяется за время регистрации энергетического распределения эмиттированных электронов. Одна из возможностей повышения экспрессности энергоанализа в электронной спектроскопии состоит в использовании спектрографов. Сущность полезной модели заключается в создании аксиально-симметричного, неоднородного вдоль оси симметрии электростатического поля, обладающего свойством угловой фокусировки второго порядка и фокусировкой электронов с разной энергией на поверхностях в виде полуколец, отличающихся средними радиусами и расположенных в одной плоскости, что позволяет организовать режим спектрографа.

Полезная модель относится к области энергетического анализа потоков вторичных электронов, возбуждаемых первичным, например, электронным лучом с поверхности твердого тела при последовательном стравливании приповерхностных слоев ионным лучом или при росте пленок, и может быть использована для улучшения аналитических, эксплуатационных и потребительских свойств электронных спектрометров, предназначенных для исследования тонкопленочных и многослойных структур как объектов микро- и наноэлектроники методами электронной спектроскопии, в частности, методом электронной оже-спектроскопии.

Для идентификации элементного и химического состава исследуемого вещества методами электронной спектроскопии необходимо зарегистрировать характеристические пики энергий эмиттированных электронов.

Для обнаружения заряженных частиц с характеристическими энергиями необходимо выделять частицы, находящиеся в узком интервале энергий E, для чего используют устройства, называемые спектрометрами.

Существующие спектрометры не являются быстродействующими, что ограничивает возможности методов электронной спектроскопии в тех случаях, когда состояние исследуемой поверхности заметно изменяется за время регистрации энергетического распределения эмиттированных электронов.

Одна из возможностей повышения экспрессности энергоанализа в электронной спектроскопии состоит в использовании спектрографов, работающих в режиме одновременной фокусировки в широком интервале энергий. В качестве коллектора электронов в таком случае используется вторично-электронный умножитель на основе микроканальных пластин с позиционно-чувствительным детектором на выходе. Современные технологии позволяют изготовить высококачественный коллектор такого типа лишь с плоской рабочей поверхностью.

Хорошо известен электростатический цилиндрический зеркальный анализатор [1], обеспечивающий пространственную фокусировку и высокую светосилу. Фокальная поверхность в случае цилиндрического поля является всегда приближенной к конической и быстро растущей в радиальном направлении с изменением энергии пучка заряженных частиц, поэтому использовать плоский коллектор и реализовать режим спектрографа в цилиндрическом зеркале невозможно.

Наиболее близким к предлагаемому является электростатический анализатор [2] энергий заряженных частиц, состоящего из сферического (СЗ) и двухкаскадного цилиндрического зеркал (ЦЗ), способного работать в режиме спектрографа с сохранением угловой фокусировки пучков различной энергии, вдоль цилиндрической поверхности, соосной электродам цилиндрического зеркала.

Анализатор состоит из двух последовательно расположенных электростатических анализирующих блоков зеркального типа - одиночного СЗ и двухкаскадного Ц3- с внешним и внутренним отражениями пучка заряженных частиц. Из точечного источника, помещенного на оси симметрии в области внутреннего электрода СЗ, в анализатор поступает веерообразный пучок заряженных частиц (угол раскрытия 180°), средняя плоскость которого перпендикулярна оси симметрии СЗ. Сферическое зеркало формирует промежуточное изображение источника, которое затем, во втором анализирующем блоке из ЦЗ трансформируется в полукольцо небольшого радиуса.

Недостатки указного анализатора:

- фокальная поверхность цилиндрической формы, не позволяющая использовать плоский коллектор электронов в режиме спектрографа;

- фокальная поверхность соответствует совокупности фокусов лишь первого порядка по углу, ограничивающая светосилу устройства угловым диапазоном 90°±2°;

- сложная многокаскадая конструкция.

При создании заявляемой полезной модели решается задача обеспечения плоской фокальной области с угловой фокусировкой второго порядка потоков электронов в широком диапазоне энергий на основе простой цилиндрической конструкции.

Сущность полезной модели заключается в создании аксиально-симметричного, неоднородного вдоль оси симметрии электростатического поля, обладающего свойством угловой фокусировки второго порядка и фокусировкой электронов с разной энергией на поверхностях в виде полуколец, отличающихся средними радиусами и расположенных в одной плоскости.

На фиг. 1 представлена электронно-оптическая схема спектрографа как анализатора энергий электронов.

Решение указанной выше задачи достигается тем, что электронный спектрограф энергий заряженных частиц состоит из внутреннего цилиндрического электрода 1 с входной 2 и выходной 3 полукольцевыми прорезями, выполненными на его боковой поверхности; внешнего цилиндрического электрода 4, механически и электрически связанного с ближним 5 и дальним 6 по отношению к входной прорези 2 кольцеобразными электродами, коллектора частиц 8 на основе плоского позиционно-чувствительного детектора и электростатического экрана 12. Спектрограф содержит также блок развертки отклоняющего потенциала 9. При этом на внешний цилиндр 4 и соединенные с его противоположными торцами коаксиальные кольцевые электроды 5 и 6 с блока развертки 9 подается потенциал, создающий электрическое поле, которое отклоняет веерообразный электронный поток 10, испущенный осевым точечным источником 11 и выделенный входной затянутой мелкоструктурной металлической сеткой полукольцевой прорезью 2 во внутреннем цилиндре 1, в направлении оси системы сквозь выходную затянутую мелкоструктурной металлической сеткой кольцевую прорезь 3, и фокусирует составляющие потока 10 с различными начальными энергиями на полукольцевые поверхности 7, имеющие разные средние радиусы, функционально связанные с начальными энергиями, и расположенные на поверхности позиционно чувствительного детектора 8.

Радиус внешнего цилиндра 4 составляет (2.000±0.001)·а, длина цилиндров 1 и 4-(1.68±0.01)·а, меньший радиус дальнего от входной прорези 2 кольцевого электрода 6 равен (1.38±0.01)· а, расстояние между осевым точечным источником частиц 10 и обращенной внутрь анализатора поверхностью ближнего кольцеобразного электрода 5 - (0.24±0.05)·а, ширина входной прорези 2 во внутреннем цилиндре 1 равна 2·а·sin(), где - используемый в конкретном приборе диапазон входных углов; ширина выходной прорези 3 во внутреннем цилиндре 1-(4.4±0.05)· а; расстояние между ближними кромками прорезей 2 и 3-(0.82±0.05)· а, расстояние между источником 11 и рабочей плоскостью коллектора 8 составляет примерно 6.4·а где а - радиус внутреннего цилиндра.

Спектрограф работает следующим образом. Для анализа электронов используется лишь половина сечения устройства трансаксиальной плоскостью. На внешний цилиндр 4 с блока развертки подается отклоняющий отрицательный потенциал V относительно внутреннего цилиндра 1. Внутренний цилиндр 1 и экран 12 заземляются. Веерообразный поток вторичных электронов 10 с размахом 180° в средней плоскости, перпендикулярной оси , испущенных в угловом диапазоне 90°± точкой поверхности образца 11, расположенной на оси , преодолев пространство свободного дрейфа за счет начальной энергии через входную полукольцевую прорезь 2 попадает в область неоднородного анализирующего электростатического поля, созданного потенциалами на электродах 1, 4, 5 и 6. Отклоненные полем заряженные частицы выходят из анализирующего поля через выходную полукольцевую прорезь 3 и попадают в приемник 8, представляющий собой плоский позиционно-чувствительный детектор. Отклоняющее поле спектрографа обеспечивает второй порядок угловой фокусировки для частиц любой энергии рабочего диапазона. Частицы с разной энергией вследствие дисперсионных свойств анализирующего поля фокусируются на плоской рабочей поверхности коллектора 8 в полукольца 7 разного радиуса. Реально обеспечивается диапазон энергий электронов, попадающих в одном акте регистрации на плоскость коллектора, от E₁0.5·V до E₂1.0·V. Причем электроны с энергией E0.65·V фокусируются в точку на оси, с энергией E>0.65·V изображаются в полукольца с радиусами R2.76·a·(E/V-0.65), лежащие в той же половине сечения устройства трансаксиальной плоскостью, что и полукольцевые прорези 2 и 3, а с энергией E<0.65·V - в полукольца с радиусами R3.25·a·(0.65-E/V), лежащие в противоположной половине. Регистрирующее устройство (на Фиг. 1 не показано) позволяет одновременно записать энергетический спектр электронов, попавших на позиционно-чувствительный детектор 8, в диапазоне от Е ₁ до Е₂, т.е. организовать режим спектрографа. С учетом сферических аберраций, являющихся следствием начального углового разброса электронов, изображающие полукольца 7 будут иметь конечную площадь. При организации каналов одновременной регистрации энергетического спектра необходимо, чтобы площади этих колец не перекрывались. Предлагаемое устройство, функционирующее в условиях угловой фокусировки второго порядка, способно обеспечить n=50-100 отдельных каналов регистрации в диапазоне начальных углов 90°±5° с относительным энергетическим разрешением около 1%. Меняя напряжение, подаваемое на внешний цилиндр 4, можно получить весь энергетический спектр вторичных электронов, испущенных образцом 11.

Чувствительность анализа в многоканальном режиме выше чувствительности при одноканальном способе регистрации в режиме спектрометра в количество n раз, равное числу n каналов одновременной записи спектра в спектрографе. С другой стороны, при практически одном и том же уровне чувствительности режим спектрографа позволяет повысить в такое же число n раз скорость регистрации спектра относительно режима спектрометра за счет увеличения скорости развертки отклоняющего потенциала.

Таким образом, предлагаемое однокаскадное устройство за счет создания неоднородного поля вдоль оси симметрии в пространстве между двумя цилиндрами позволяет организовать режим спектрографа с целью обеспечения многократного увеличения чувствительности или скорости анализа вторичных электронов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зашквара В.В., Корсунский М.И., Космачев О.С. Фокусирующие свойства электростатического зеркала с цилиндрическим полем // ЖТФ. - 1966. - Т. 36, вып. 1. - С. 132-138.

2. Зашквара В.В., Ашимбаева Б.У.. Спрямление линии фокусов в зеркалах с электростатическими двумерными полями // ЖТФ. - 1991. - Т. 61, вып. 10. - С. 8-18.

Электронный спектрограф энергий заряженных частиц, состоящий из внутреннего цилиндрического электрода с входной и выходной полукольцевыми прорезями, выполненными на его боковой поверхности; внешнего цилиндрического электрода, механически и электрически связанного с ближним и дальним по отношению к входной прорези кольцеобразными электродами, коллектора частиц на основе плоского позиционно-чувствительного детектора и электростатического экрана; содержащий блок развертки отклоняющего потенциала, отличающийся тем, что на внешний цилиндр и соединенные с его противоположными торцами коаксиальные кольцевые электроды с блока развертки подается потенциал, создающий электрическое поле, которое отклоняет веерообразный электронный поток, испущенный осевым точечным источником и выделенный входной затянутой мелкоструктурной металлической сеткой полукольцевой прорезью во внутреннем цилиндре, в направлении оси системы сквозь выходную затянутую мелкоструктурной металлической сеткой кольцевую прорезь, и фокусирует составляющие потока с различными начальными энергиями на полукольцевые поверхности, имеющие разные средние радиусы, функционально связанные с начальными энергиями, и расположенные на поверхности позиционно-чувствительного детектора.

РИСУНКИ