Фотоэмиссионный электронный спектрометр

Полезная модель относится к электронным спектрометрам времяпролетного типа, и может использоваться для решения широкого спектра задач физики поверхности, дефектоскопии твердого тела и, в том числе, наноструктур на поверхности твердого тела. Фотоэмиссионный электронный спектрометр включает источник электронов, образующихся в результате взаимодействия электронов, протонов или фотонов с твердым телом или атомно-молекулярным пучком, электростатическую линзу, бесполевое пространство дрейфа, детектор и источники потенциалов. Электростатическая линза состоит из (6÷12) соосных, последовательно расположенных вдоль оси прибора, электрически изолированных электродов, выполненных в виде фланцев с наружным диаметром D, равным по величине диаметру детектора. Расстояние первого электрода от источника и всех электродов друг от друга, толщина первого электрода и последующих электродов определены из соотношений относительно наружного диаметра фланцев, а внутренние поверхности (поверхности отверстий) первого и всех последующих электродов выполнены с профилем осевого сечения в виде параболы с коэффициентом 0.3, вершина которой совпадает с центральной точкой образования пучка электронов в источнике. 1 сам. п. ф-лы, 2 илл., 5 п.

Полезная модель относится к области электровакуумных приборов, точнее, - к электронным спектрометрам времяпролетного типа, и может использоваться для решения широкого спектра задач физики поверхности, дефектоскопии твердого тела и, в том числе, наноструктур на поверхности твердого тела.

Подобные приборы используются для исследования угловых распределений продуктов взаимодействия атомов и молекул с излучением, в частности, решена задача постановки полного квантово-механического эксперимента по фотоионизации. Впервые проведены эксперименты со сверхвысоким временным разрешением по двухступенчатой ионизации атомов. Экспериментально была продемонстрирована возможность регистрации движения электрона по орбите вокруг атомного ядра.

При исследованиях материалов, в том числе технологических, при производстве микропроцессоров (матрицы для литографии) используется воздействие на поверхность лазерного излучения, после чего выбитые электроны (фотоэффект) регистрируются с помощью электронного спектрометра. Электронный спектр позволяет исследовать механизм взаимодействия с лазерным излучением атомов и молекул. Так, изменяя ориентацию поляризации излучения относительно направления лазерного луча, можно исследовать энергетическую зависимость от канала ионизации и угловое распределение фотоэлектронов, что позволяет анализировать механизм образования фотоэлектронов. В случае использования в качестве детектора электронов позиционно чувствительного детектора можно получить изображение участка поверхности твердого тела. Дифракционный предел фокусировки лазерного излучения 5 мкм, диаметр детектора 50 мм. Таким образом, может быть увеличено изображения участка поверхности твердого тела диаметром 5 мкм до 50 мм. В настоящее время достигнуто разрешение 700×700 пикселей.

При решении указанных выше задач, для обеспечения увеличения чувствительности спектрометра, необходимо обеспечить максимальную регистрацию электронов в зависимости от их углового распределения, которая достигается за счет электростатической фокусировки электронов. При этом электростатическая фокусировка не должна вносить искажений как в угловое распределения электронов, так и в их энергетическое распределение. Таким образом, параметрами, определяющими аналитические возможности электронного спектрометра, являются, во-первых, угол сбора электронов от оси спектрометра, и, во-вторых, интервал энергий, в котором регистрация энергии электронов осуществляется без искажений.

Известен электронно-лучевой прибор /патент US 7446320, опубликован 2008-11-04/, содержащий источник электронов, узел для их ускорения, электростатическую иммерсионную линзу для фокусировки электронного пучка, включающую электрод верхней части с приложенным к нему первым напряжением, верхний электрод нижней части с приложенным к нему вторым напряжением, и нижний электрод нижней части с приложенным к нему третьим напряжением. Третье напряжение контролируется отдельно от второго. Этот прибор содержит классическую электростатическую линзу, состоящую из трех электродов. Новизна этой разработки заключается в использовании одного электрода, к верхней и нижней части которого приложены различные потенциалы, обеспечивающие фокусировку электронного пучка.

Из теории электростатической фокусировки пучков заряженных частиц известны недостатки данной конструкции. Они заключаются в ограничении по апертуре фокусируемого пучка и достаточно узкого по интервалу энергий диапазона энергий заряженных частиц, для которых выполняется режим фокусировки. Это ограничение и демонстрируется авторами рассматриваемой работы. Это устройство позволяет фокусировать электроны в угле 30 градусов с энергиями до 30 эВ.

Известен электронный спектрометр /Highly efficient time-of-flight spectrometer for studying low-energy secondary emission from dielectrics: Secondary-electron emission from LiF film. S.N.Samarin, O.M.Artamonov, D.K.Waterhouse, J.Krischer, A.Morozov, J.F.Williams. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME 74, NUMBER 3(2003)/, состоящий из источника электронов, фокусирующей трехэлектродной линзы, источника потенциалов, бесполевого пространства дрейфа и позиционно-чувствительного детектора. Устройство позволяет исследовать эмиссию с диэлектрических поверхностей электронов в угле 10 градусов.

Недостатки этого прибора состоят в том, что прибор позволяет регистрировать электроны в узком энергетическом интервале (0÷25)эВ, образующиеся в угле 10 градусов, что существенно ограничивает область применения спектрометра, так как энергии фотоэлектронов могут достигать сотен электрон вольт. Ограниченные возможности фокусировки трехэлектродной электростатической линзы обеспечивают ток детектора всего лишь до 10^-14 А. Этот параметр демонстрирует низкую чувствительность спектрометра, работающего в режиме предельных, сверхслабых сигналов, что не позволяет рассматривать коммерческие возможности использования данного спектрометра.

За прототип взят фотоэмиссионный электронный спектрометр /G.Lebedev, A.Tremsin, О. Siegmand, Y. Chen, Z.-X. Shen, Z. Hussain; Nuclear Instr. And Methods in Physics Reserch A v. 582, p.161-171, 2007/, состоящий из источника электронов, входной трехэлектродной электростатической линзы (Einzel lens) в виде соосных фланцев, дополнительной фокусирующей системы в области детектора, источника потенциалов и позиционно чувствительного (2D) детектора. В результате фокусировки электронного пучка линзой образуется расходящийся пучок электронов, который компенсируется дополнительной фокусирующей системой. Именно дополнительная фокусирующая система в области детектора позволяет расширить энергетический диапазон энергий заряженных частиц до указанных авторами 60 эВ.

Недостатки устройства состоят в том, что данный электронный спектрометр регистрирует эмиссию электронов в небольшом угле (15 градусов), а максимальная энергия регистрируемых электронов 60 эВ.

Предлагаемое устройство решает задачу повышения эффективности фокусировки электронного пучка путем увеличения чувствительности электронного спектрометра и расширения диапазона исследуемых материалов, за счет увеличения углового и энергетического диапазонов фокусируемых без искажения параметров пучка электронов.

Задача решается фотоэмиссионным электронным спектрометром, включающим источник электронов, образующихся в результате взаимодействия электронов, протонов или фотонов с твердым телом или атомно-молекулярным пучком, электростатическую линзу, бесполевое пространство дрейфа, детектор и источники потенциалов, электростатическая линза состоит из (6÷12) соосных, последовательно расположенных вдоль оси прибора, электрически изолированных электродов, выполненных в виде фланцев с наружным диаметром D, равным по величине диаметру детектора, расстояние первого электрода от центральной точки образования пучка электронов в источнике составляет 0.1D, а расстояние всех последующих электродов друг от друга составляет 0.2D, толщина первого электрода равна 0.025D, каждый последующий электрод выполнен с толщиной d_n+1=Kd_n, где n - номер электрода, отсчитываемый от источника электронов, к - постоянный коэффициент из диапазона к=(1.5÷2.0), а внутренние поверхности первого и всех последующих электродов выполнены с профилем осевого сечения в виде параболы с коэффициентом 0.3, вершина которой совпадает с центральной точкой образования пучка электронов в источнике.

Сущность полезной модели поясняется следующим. Известно, что движение электронов в таких приборах происходит по параболическому закону t~E². Автор предложил использовать для фокусировки электронов механизм коррекции траектории путем компенсации смещений вдоль параболы. Эта коррекция обеспечивается предлагаемой конструкцией системы фокусировки, выполненной в виде определенного количества электродов определенной формы (с частью поверхности в виде параболической поверхности) и размеров, создающей новую конфигурацию электрического поля в пространстве пролета электронов, что позволяет достичь высокой степени их фокусировки по углам в расширенном диапазоне энергий без искажений.

Новым является выполнение электродов в количестве от шести до двенадцати, которое, как показали эксперименты, позволяет добиться желаемой степени фокусировки электронов в пространстве пролета (с учетом толщины электродов и расстояния между ними). При меньшем количестве эта степень будет недостаточна, а большее количество нецелесообразно, т.к. уже не приведет к дальнейшему улучшению фокусировки.

Новым является установка первого электрода на расстоянии от центральной точки образования заряженных частиц 0.1D, и его толщина равная 0.025D, что, как показал расчет и эксперимент, необходимо для наиболее полного сбора частиц вблизи источника и дальнейшей их транспортировки вдоль линзы.

Новым является выполнение профиля осевого сечения внутренних поверхностей (отверстий) первого и всех последующих электродов (фланцев) в виде параболы, вершина которой совпадает с центральной точкой образования пучка заряженных части. В результате обеспечивается возможность создания новой конфигурации электрического поля, которая позволяет поэтапно компенсировать отклонения частиц, движущихся по параболическому закону, меняя поле по такому же закону, что приводит к повышению эффективности фокусировки.

Новым является установка всех последующих электродов друг от друга на расстоянии равном 0.2D и выполнение каждого последующего электрода с толщиной d _n+1=Kd_n, где n - номер электрода отсчитываемый от источника, к - постоянный коэффициент из диапазона к=1.5÷2.0. Такое увеличение толщины электродов в направлении к детектору (вместе с расстоянием между ними и в учетом их количества) необходимо, т.к. при движении в сторону детектора частицы имеют увеличивающиеся углы отклонения от оси, и, чтобы скорректировать траекторию частиц, требуется большее время, а значит, должна быть большая протяженность поля, создаваемого электродами, т.е. толщина электродов должна увеличиваться. При этом, как показали эксперименты и расчеты, при 2.0<k фокусировка в желаемый диапазон углов (до 70 градусов) затруднена, а при k<1.5 не обеспечивается чувствительность выше прототипа.

Предлагаемое устройство с электростатической линзой из семи электродов схематически показано на Фиг.1, где:

1 - источник электронов;

2 - первый электрод электростатической линзы;

3 - второй электрод электростатической линзы;

4 - третий электрод электростатической линзы;

5 - четвертый электрод электростатической линзы;

6 - пятый электрод электростатической линзы;

7 - шестой электрод электростатической линзы;

8 - седьмой электрод электростатической линзы;

9 - детектор.

Потенциалы на электродах постоянны по величине и созданы независимыми источниками напряжения (не показаны). Пунктиром показана траектория движения электрона в устройстве от источника к детектору. Электроды линзы выполнены в форме фланцев, т.е. симметричны относительно оси прибора, ограничены окружностями внешнего диаметра D и диаметра внутреннего отверстия d, в данном приборе внутренних диаметров два - по толщине электрода - входной и выходной (для частиц), которые, из-за выполнения поверхности отверстия как части параболической поверхности, отличаются по величине.

В электронных спектрометрах обычно в качестве детектора используется сборка микроканальных пластин диаметром 40 мм (D=40 мм).

В случае необходимости исследования поверхности твердого тела при помощи лазерного зондирования под углом 45 градусов к нормали поверхности, электроды-фланцы изменяются на соответствующую, той же внутренней конфигурации отверстий, сборку с углом наклона внешней боковой поверхности в виде конуса под углом 45 градусов. В этом случае вид электростатического поля, обеспечивающего фокусировку заряженных частиц остается неизменным в сравнении с описанной выше фланцевой конструкцией.

На Фиг.2 представлена зависимость коэффициента пропускания электростатической линзы предлагаемого спектрометра от энергии электронов в фокусируемом пучке. Характер зависимости (наличие «плато» в большом диапазоне энергий) показывает, что в интервале энергий (10÷120) эВ линза не вносит искажений в угловое распределение электронов в пучке.

Устройство работает следующим образом.

На электроды электростатической линзы и детектор электронов подаются потенциалы. Фотоэлектроны образуются в результате взаимодействия импульсного лазерного излучения или электронов (протонов) с исследуемым веществом. Фокусировка электронов осуществляется в электростатическом поле, созданном электростатической линзой. В результате импульсного взаимодействия образца с ионизирующими частицами образуются пространственные пакеты электронов, которые в результате движения в бесполевом пространстве дрейфа разделяются по величине своей кинетической энергии. Это распределение фиксируется при помощи детектора с временным разрешением при работе в режиме электронного спектрометра.

Пример 1.

Согласно формуле полезной модели был создан электронный спектрометр с лазерным источником электронов, электростатической линзой из 7 соосных, последовательно расположенных вдоль оси спектрометра фланцевых электродов, с наружным диаметром D=40 мм, первый электрод установлен на расстоянии 4 мм от источника, его толщина равна 0.1 мм, коэффициент к был выбран к=1.8. Спектрометр обеспечивает исследование Оже электронов, образовавшихся в результате двухступенчатого взаимодействия двух лазеров на красителях с атомами Ва. Разрешение на длине дрейфа электронов, равном 150 мм, составляло 0.2 эВ. Были проведены исследования автоионизационных резонансов конфигурации 6р7р атома Ва с указанным разрешением, обеспечивающее разрешение всех 7 автоионизационных резонансов данной серии и исследовалась прямая ионизация атомов Ва при помощи электронного удара в интервале энергий (10÷120)эВ. Электроны фокусировались в угле 70 градусов.

Пример 2.

То же, что в примере 1, но количество электродов взято равным 4.

В результате степень фокусировки электронов по углам в пространстве пролета была явно недостаточна (сбор по углам достигал всего лишь 12 градусов, т.е. хуже прототипа) в интервале энергий (50÷80) эВ.

Пример 3.

То же что в 1, но количество электродов взято равным 14.

В результате степень фокусировки электронов по углам в пространстве пролета была такой же, как при 12 электродах, т.е. не изменилась.

Пример 4.

То же что в 1, но коэффициент к был выбран к=1.3.

В результате недостаточной величины пути, проходимого электронами в линзе, степень фокусировки электронов по углам в пространстве пролета (чувствительность) была явно недостаточна (менее 15 градусов, т.е. хуже прототипа).

Пример 5.

То же что в 1, но коэффициент к был выбран к=2.3.

В результате фокусировка электронов до углов, больших, чем в прототипе, в увеличенном пространстве пролета была недостаточна для электронов с малыми энергиями.

Использование предлагаемого спектрометра с описанной электростатической фокусирующей линзой обеспечивает регистрацию эмиссии электронов в угле до 70 градусов для фотоэлектронов в интервале энергий (10÷120) эВ, увеличивает возможности исследовать большее количество объектов и больший диапазон энергий ионизирующего излучения. При этом обеспечивается возможность использования коротковолнового лазерного излучения для фокусировки лазерного излучения в пятно меньшего диаметра, так как дифракционный предел фокусировки излучения зависит от волны излучения, и чем меньше длина волны ионизирующего излучения, тем меньше дифракционный предел фокусировки.

Таким образом, использование предлагаемого спектрометра приводит к увеличению чувствительности для увеличенного интервала энергий фотоэлектронов, регистрируемых без искажения параметров пучка, т.е. к повышению эффективности фокусировки.

Фотоэмиссионный электронный спектрометр, включающий источник электронов, образующихся в результате взаимодействия электронов, протонов или фотонов с твердым телом или атомно-молекулярным пучком, электростатическую линзу, бесполевое пространство дрейфа, детектор и источники потенциалов, электростатическая линза состоит из 6÷12 соосных, последовательно расположенных вдоль оси прибора, электрически изолированных электродов, выполненных в виде фланцев с наружным диаметром D, равным по величине диаметру детектора, расстояние первого электрода от центральной точки образования пучка электронов в источнике составляет 0,1D, а расстояние всех последующих электродов друг от друга составляет 0,2D, толщина первого электрода равна 0,025D, каждый последующий электрод выполнен с толщиной d_n+1=кd_n, где n - номер электрода, отсчитываемый от источника электронов, к - постоянный коэффициент из диапазона к=1,5÷2,0, а внутренние поверхности первого и всех последующих электродов выполнены с профилем осевого сечения в виде параболы с коэффициентом 0,3, вершина которой совпадает с центральной точкой образования пучка электронов в источнике.