Электронный спектрометр

Полезная модель относится к области анализа физических характеристик приповерхностного слоя вещества в конденсированном состоянии методами вторично-эмиссионной спектроскопии и может найти применение для неразрушающего контроля приповерхностной области широкозонных полупроводников и диэлектриков. Электронный спектрометр содержит вакуумную оболочку, в которой размещены электронная пушка, мишень, двухсеточной квазисферический анализатор и коллектор вторичных электронов. При этом в него дополнительно введены цилиндрический двухсеточный постмонохроматор, коллектор первичных электронов и улавливающий рассеянные электроны электрод. Коллектор вторичных электронов выполнен в виде цилиндра Фарадея с размещенным в нем каналовым электронным умножителем. Заявляемая конструкция электронного спектрометра обеспечивает регистрацию спектра вторичных электронов при минимальных токах первичных электронов I составляющих 10^-15-10^-16 A, что позволяет неразрушающим образом регистрировать спектры упруго отраженных вторичных электронов от поверхности даже самых высокоомных диэлектриков с повышенной точностью регистрации.

Полезная модель относится к области анализа физических характеристик приповерхностного слоя вещества в конденсированном состоянии методами вторично-эмиссионной спектроскопии и может найти применение для неразрушающего контроля приповерхностной области широкозонных полупроводников и диэлектриков.

Известен электронный спектрометр (Huchital D.A., Rigden J.D., Appl. Phys. Lett., 1970. v.16, 9, p.348-361) используемый для регистрации рентгеновских фотоэлектронных спектров. Спектрометр содержит вакуумную оболочку, в которой размещены мишень, двухсеточной квазисферический анализатор, цилиндрический двухсеточный постмонохроматор и коллектор электронов, при этом источником возбуждающего излучения является внешний рентгеновский источник.

Анализ электронов по энергии обеспечивается за счет подачи на внешнюю сетку двухсеточного квазисферического анализатора задерживающего потенциала и последующей фокусировки электронов, прошедших внешнюю сетку с минимальной энергией на коллектор электронов за счет подачи соответствующих потенциалов на цилиндрическую и плоскую сетки двухсеточного постмонохроматора.

Недостатком такого спектрометра является его конструктивная сложность, связанная с необходимостью использования громоздкого оборудования, обеспечивающего внешнее рентгеновское излучение.

Известно несколько типов спектрометров для регистрации вторично-электронных спектров, среди которых наибольшее распространение получили дисперсионные и бездисперсионные электростатические электронные спектрометры, конструкции и принцип действия которых достаточно подробно описаны в следующих источниках (Зигбан К., Нордлинг К., Фальман А. и др. Электронная спектроскопия. - М.: Мир, 1971.; Козлов И.Г. Методы энергетического анализа электронных потоков - М.: Атомиздат, 1971.)

Известны дисперсионные спектрометры (Афанасьев В.П., Явор. С.Я. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц М: «Наука», с.97-143, 1978), среди которых наибольшее распространение получили спектрометры типа цилиндрического и сферического зеркал.

Такие спектрометрометры состоят из электронной пушки, двух вложенных друг в друга цилиндрических или сферических зеркал и коллектора электронов, размещенных в вакуумной оболочке. Анализ электронов по энергии обеспечивается за счет подачи на внутреннее зеркало определенного отрицательного потенциала.

Существенным недостатком дисперсионных спектрометров является их низкая светосила, связанная с ограниченной апертурой (=1-5 градусов).

Наиболее близким к заявляемому является бездисперсионный двух-трехсеточный спектрометр типа сферического конденсатора с задерживающим полем (Harris L.A., Appl. Phys., v.39, p.l419 1968).

Такой спектрометр состоит из мишени, нескольких (двух или трех) вложенных друг в друга сферических сеток, коллектора электронов, электронной пушки, которые помещены в вакуумную, оболочку. Анализ электронов по энергии обеспечивается за счет подачи задерживающего потенциала на одну из сеток и регистрации кривых задержки токов вторичных электронов на коллекторе с последующим дифференцированием экспериментально полученных кривых.

Недостатками такого спектрометра являются неточность проводимого анализа, вызванная сложной процедурой получения спектров (необходимость дифференцирования кривых задержки), разрушающий эффект, связанный с необходимостью использования больших интенсивностей первичного пучка электронов, а также ограничение диапазона исследуемых материалов, обусловленное эффектами зарядки поверхности исследуемого материала при больших интенсивностях первичного пучка электронов

Задачей полезной модели является создание электронного спектрометра, позволяющего достигать технический результат, заключающийся в повышении точности проводимого анализа, обеспечении неразрушающего анализа и расширении диапазона исследуемого материала.

Сущность полезной модели заключается в том, что электронный спектрометр, содержащит вакуумную оболочку, в которой размещены электронная пушка, мишень, двухсеточной квазисферический анализатор и коллектор вторичных электронов, при этом дополнительно в него введены цилиндрический двухсеточный постмонохроматор, коллектор первичных электронов и улавливающий рассеянные электроны электрод.

Коллектор вторичных электронов выполнен в виде цилиндра Фарадея с размещенным в нем каналовым электронным умножителем.

Заявляемый спектрометр позволяет повысить точность регистрации спектра, за счет введения в конструкцию цилиндрического двухсеточного постмонохроматора, обеспечивающего прямую регистрацию спектра вторичных электронов. Введение в качестве коллектора вторичных электронов цилиндра Фарадея с размещенным в нем каналовым электронным умножителем, работающим в режиме счета отдельных импульсов, обеспечивает возможность использования предельно малых потоков электронов и соответственно обеспечивает неразрушающий анализ поверхностей и исключает эффекты зарядки любых высокоомных и диэлектрических исследуемых материалов, что позволяет расширить диапазон исследуемых материалов.

Устройство содержит (фиг.1) вакуумную оболочку 1; в которой размещены мишень 2, электронная пушка 3, двухсеточной квазисферический анализатор, состоящий из внутренней сферической сетки 4 с закрепленным на ней экраном 5 и внешней квазисферической сетки 6; цилиндрический двухсеточный постмонохроматор, состоящий из цилиндрической сетки 7 и коллекторной сетки 8; улавливающий рассеянные электроны электрод 9; коллектор вторичных электронов в виде цилиндра Фарадея 10 с размещенным в нем каналовым электронным умножителем 11 и коллектор первичных электронов 12 в виде цилиндра Фарадея.

Все сетки устройства могут быть изготовлены из мелкоструктурной молибденовой сетки с прозрачностью порядка 80%. В качестве каналового электронного умножителем может быть использован малогабаритный электронного умножителем ВЭУ-6. Улавливающий рассеянные электроны электрод представляет собой проводящий слой металла, напыленный на стенки стеклянной вакуумной оболочки. Цилиндры Фарадея могут бвть изготовлены из танталовой фольги.

Спектрометр работает следующим образом.

Мишень 2, являющуюся образцом исследуемого материала, облучают сфокусированным пучком электронов, формируемым электронной пушкой 3. Внутренняя сферическая сетка 4 обеспечивает эквипотенциальность пространства в промежутке мишень - сетка. На внешнюю квазисферическую сетку 6 подают задерживающий потенциал U_з. На цилиндрическую сетку 7 и коллекторную сетку 8 подают потенциалы, обеспечивающие фокусировку во входную апертуру цилиндра Фарадея 10 электронов прошедших с минимальной энергией внешнюю квазисферическую сетку 6. Экран 5 препятствует попаданию в цилиндр Фарадея 10 быстрых электронов, прошедших внешнюю квазисферическую сетку 6 по оси спектрометра. Каналовый электронный умножитель 11 регистрирует вторичные электроны с энергией Е=еU₃ либо в токовом режиме, либо в режиме счета отдельных импульсов. При смещении мишени 2 из центра внутренней сферической сетки 4 обеспечивается прохождение первичного пучка электронов в коллектор первичных электронов 12 в виде цилиндра Фарадея и регистрация его интенсивности.

Заявляемая конструкция электронного спектрометра обеспечивает регистрацию спектра вторичных электронов при минимальных токах первичных электронов I порядка

10^-15 -10^-16 А, что позволяет неразрушающим образом регистрировать спектры самых высокоомных диэлектриков с повышенной точность регистрации.

1. Электронный спектрометр, содержащий вакуумную оболочку, в которой размещены электронная пушка, мишень, двухсеточный квазисферический анализатор и коллектор вторичных электронов, отличающийся тем, что дополнительно в него введены цилиндрический двухсеточный постмонохроматор, коллектор первичных электронов и улавливающий рассеянные электроны электрод.

2. Электронный спектрометр по п.1, отличающийся тем, что коллектор вторичных электронов выполнен в виде цилиндра Фарадея с размещенным в нем каналовым электронным умножителем.