Экспериментальные возможности электронного спектрометра с магнитным энергоанализатором тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РГ6 од

'Iс-11 г

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ ВАДИМ ЛЬВОВИЧ

УДК 681.78:535.33:669.85.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО СПЕКТРОМЕТРА С МАГНИТНЫМ ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОРОМ

01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена в лаборатории электронной спектроскопии ИФМ УрО РАН

Научный руководитель - доктор физико - математических наук, профессор О.Б. Соколов

Официальные оппоненты: член корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор В.Е. Щербинин; кандидат физико - математических наук П.Н. Крылов

Ведущая организация: Физико - технический институт УрО РАН, г. Ижевск

диссертационного совета К064.47.07 в Удмуртском государственном университете

Защита состоится

заседании

по адресу 426037, г. Ижевск, ул.Университетская 1 УдГУ, ауд.

в

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УдГУ.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н.

Л. Г. Ковнер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Интенсивное развитие физики и химии поверхности в последние десятилетия вызвано потребностями производства элементной базы микро - и оптоэлектроники, требующими использования технологии высокого уровня, т.е. умения создавать и контролировать структуру и состав поверхности объекта вплоть до отдельных атомных слоев. В настоящее время промышленность полностью ориентирована на выпуск спектрометров с электростатическими энергоанализаторами (ЭА), характеризующихся

компактностью, наличием свободного пространства вокруг образца, позволяющих производить исследования несколькими методами: РЭС (рентгеноэлектронная спектроскопия), ЭОС (электронная Оже-спектроскопия), ВИМС (вторично-ионная масс-спектроскопия) и др. В них можно использовать серийно выпускаемую аппаратуру получения сверхвысокого вакуума, содержащую большое количество ферромагнитных деталей, магниторазрядные насосы, создающие сильные и неоднородные магнитные поля. При этом электростатические ЭА имеют существенные недостатки, связанные: 1) с влиянием краевых эффектов, приводящих к искажению поля в местах входа и выхода электронного пучка, что значительно снижает реальную светосилу ЭА по сравнению с расчетной; 2) с невозможностью установки апертурных диафрагм по пути движения электронов внутри фокусирующего электрического поля, что приводит к повышению шума и, как следствие, к снижению контрастности; 3) с размещением всех электронно оптических элементов в сверхвысоком вакууме и нестабильностью их формы при прогреве; 4) с проблемой создания магнитных экранов большого размера, остаточные поля внутри которых невозможно проконтролировать, что также ведет к снижению светосилы и метрологической стабильности; 5) со сложностью реализации многоканального режима регистрации фотоэлектронов. Эксперименты К. Зигбана, обобщенные в монографии [1], начинались с. магнитного энергоанализатора, известен теоретический проект МА [2] с большой светосилой, существуют сверхвысоковакуумные средства откачки, не создающие сильных магнитных полей; таким образом имеются предпосылки дальнейшего развития рентгено электронной спектроскопии с использованием магнитного энергоанализатора, позволяющее существенно улучшить метрологические характеристики метода .

Цель и задачи работы: создание компактного, метрологически стабильного, автоматизированного рентгеноэлектронного спектрометра с магнитным энергоанализатором.

Задачи : - проведение расчетов, проектирование, разработка и изготовление вакуумной системы, средств транспортировки образца, рентгеновского источника, комбинированной ионно-электронной пушки, системы фокусировки и

автокомпенсации магнитного поля, электроники управления, обеспечивающей сканирование заданного участка спектра с заданной точностью. Сюда же входит задача изготовления помехозащищенной системы счета электронов и сбора информации о спектре в ЭВМ, изучение дестабилизирующих факторов, а также качества вакуумных условий установки.

Научная новизна.

В рамках настоящей работы создан рентгеновский фотоэлектронный спектрометр ЭС ИФМ-4, прибор, в котором устранены главные недостатки приборов сМА.

- Предложен алгоритм оптимизации геометрических параметров магнитного энергоанализатора типа 1/л/Г, обеспечивающий максимальную скорость получения информации .

- Создана принципиально новая система компенсации вертикальной компоненты земного поля, совмещенная с фокусирующей системой спектрометра.

- Применена система торможения электронов, позволившая снизить класс точности прибора до 7x10 . Это обеспечило уменьшение его чувствительности к нарушающим магнитным полям и существенно повысило метрологическую стабильность. Реализована аппаратно и программно система автоматизации управления, сбора и обработки информации, обеспечивающая калибровку и точность определения энергии связи Есв с систематической ошибкой ± 0,05 эВ.

- Разработаны, изготовлены и испытаны немагнитные средства откачки, обеспечивающие сверхвысокий вакуум (орбитронный и криогенный насосы ).

- Разработан и испытан мощный рентгеновский источник с электрически переключаемой энергией излучения. (авт. св. № 1434508 1988 г).

- Предложен простой алгоритм получения аналитического выражения для функции пропускания в двух режимах работы спектрометра, определены значения функции пропускания для ЭС ИФМ-4.

- Установлена неизменность рентгеновских фотоэмиссионных спектров никеля в интервале температур от 300 до 900К, что послужило экспериментальной проверкой основных положений современной теории магнетизма коллективизированных электронов в переходных металлах.

- Предложен и опробован экспериментально алгоритм определения фазового состояния углеродных покрытий по совокупности электронных спектров Оже , валентной полосы и внутреннего уровня, полученных рентгеновским возбуждением. Возможность уверенной работы с углеродными материалами характеризует качество немагнитной сверхвысоковакуумной системы откачки.

Научная и практическая ценность. В диссертации теоретически и экспериментально доказана возможность построения современного рентгеноэлектронного спектрометра, использующего магнитный энергоанализатор.

Самостоятельное значение имеют такие компоненты спектрометра, как цифровой феррозондовый магнитометр, рентгеновский источник с электрически переключаемой энергией излучения, комбинированная ионно-электронная пушка, немагнитные орбитронные и криогенные сверхвысоковакуумные средства откачки, штоковая система ввода образца.

- Показано, что благодаря контролируемости магнитной обстановки и снижению чувствительности к магнитным помехам, использованию системы торможения спектра, в ЭС ИФМ-4 реализовано главное для научных исследований преимущество МА - высокая метрологическая стабильность.

- Независимость спектра валентной полосы N1 от температуры в широком температурном интервале, включающем точку Кюри, стимулировала дальнейшее развитие теории коллективизированного магнетизма [5 - 7]. С точки зрения научного приборостроения выполнение этой работы позволило выявить ряд причин метрологической и температурной нестабильности спектрометра и устранить их.

-Выявлены характерные спектральные особенности, позволяющие идентифицировать искусственные углеродные пленки по фазовому составу. Предложенный алгоритм определения фазового состава тонких углеродных пленок - покрытий стал удобным технологическим средством контроля .

Настоящая работа проводилась в рамках исследовательской программы лаборатории электронной спектроскопии ИФМ РАН, выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ Института по темам: 1.3.11.6. "Разработка и создание автоматизированных установок и приборов для научных исследований"(№ г.р. 81024484), 1.3.12.1,2 "Исследование тонкой структуры рентгеновских и фотоэлектронных спектров сплавов и соединений на основе переходных металлов и разработка высокоэффективной

исследовательской аппаратуры " (№ г.р. 01.86.0030568), "Спектроскопия" (№г.р. 01.91.0031764). Серия приборов ЭС ИФМ 1-4 были разработаны, изготовлены и эксплуатируются в ИФМ и ФТИ г. Ижевск. Созданные автором феррозондовые магнитометры внедрены в НИТИ г. Рязань и ИЯФ г. Алма-Ата, рентгеновский источник успешно эксплуатируется в НИТИ г. Рязань и ИМФ г. Киев, его конструкция легла в основу серийной разработки (МЭП), криогенные форвакуумные модули используются в НИИ - Химмаш г. Екатеринбург и ИМФ г. Киев. Выводы и рекомендации работы используются в Челябинском педагогическом университете, применялись при создании в ИФМ технологии нанесения алмазоподобных покрытий методом деструкции углеводородов.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и совещаниях.

Совещание "Рентгеноэлектронные и рентгеновские спектры и электронная структура металлов, сплавов и соединений". 1976; 13 Всесоюзное совещание по

рентгеновской и электронной спектроскопии. Львов, 1981, 9 научно-техническая конференция "Методы и оборудование для физико-химических исследований поверхности материалов электротехники". 1983; 14 Всесоюзное совещание по рентгеновской и электронной спектроскопии. Иркутск,1984; 9 всесоюзная конференция "Локальные рентгеноспектральные исследования и их применения". Ижевск, 1985; 9 всесоюзное совещание "Рентгеновские и рентгеноэлектронные спектры и химическая связь". Новороссийск, 1985. "Метрологическое обеспечение локальных методов анализа ". 1986; Конференция "По итогам научно-исследовательской работы в 1994 году". Челябинск, 1995.

Структура и объем работы. По теме диссертационной работы опубликованы 12 статей, получены 3 авторских свидетельства. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 137 страниц, 65 рисунков, 10 таблиц, список литературы, включающий 81 наименование. Основное содержание диссертации.

В первой главе описан алгоритм поиска оптимальных электронно оптических элементов для любого наперед заданного импульсного разрешения Х^-^-- Оптимальная геометрия апертурной диафрагмы, бафлес и размеры

входной и выходной щелей обеспечивают максимум аппаратурной функции. Поиск максимума проводится при фиксированной конфигурации магнитного поля, создаваемого двумя парами катушек (рис.1, а), определенном значении угла установки апертурной диафрагмы ф„, радиуса кривизны источника ги и условии, что

ШПВ аппаратурной функции Д1/2 равна размеру аберрационного коридора (Рис.1.6):

Рис. 1 Схема энергоанализатора ЭС ИФМ-4 (а); Схема движения электронов в магнитном энергоанализаторе (б).

Д„2=Д=4Г0Х

(1)

Аберрационный коридор - размер изображения точечного источника в дисперсионном направлении. Установка коридора со сдвигом с! и 0.25Д по отношению к оптической оси, позволяет использовать заметную долю электронов с положительными аберрациями г > г0без ухудшения разрешения .

Для ряда разрешений (ср,, = 20°, г„ =г0 ) найдено:

1) форма апертурной диафрагмы ;

2) высота входной и выходной щелей Ь2= 0,55 г0х ;

3) ширина входной и выходной щелей 3,= 82= 3 г0х;

4) светимость С = ЭДП = 0,91 г02-/2

5) коэффициент пропускания детектора Т = 0,74 не зависит от разрешения;

2 2 07

6) эффективная светимость 1-эфф= И = 0,67 г0 %

Эксперименты подтвердили соответствие разрешения и формы аппаратурной функции спектрометра с расчетом.

Второй параграф этой главы посвящен математическому обоснованию возможности совмещения функций фокусировки и защиты спектрометра от внешних магнитных полей. Совмещение функций компенсации внешних полей и фокусировки можно обеспечить в случае энергоанализатора с 2-мя парами фокусирующих катушек (энергоанализатор спектрометра ЭС ИФМ-4) подачей добавочного к силовому тока Д1 в пару наружных катушек. Этот ток зависит лишь от значения вертикальной компоненты земного поля и не зависит от энергии настройки. Следует отметить, что магнитное поле на оптической оси, создаваемое дополнительным током, не должно компенсировать земное поле полностью, так как поле внешней пары фокусирующих катушек создает неоднородность, которая ухудшает электронно оптические характеристики. Выбор значения этого добавочного тока осуществляется с учетом требования сохранения фокусировки электронов при наличии на орбите некомпенсированного поля Земли В3. Двойная фокусировка электронного пучка может иметь место, если устранить систему компенсации г-компоненты внешних магнитных полей и подать дополнительный к силовому ток Д1 во внешнюю пару фокусирующих катушек. Индукция магнитного поля вблизи оптической оси спектрометра В2(г,0) при некотором значении силового

тока Д1 через внешнюю катушку имеет вид:

(г,0) = а! (г,0)/ + ап (г,0)1 + а, (г.О)Л/ + В} (2)

где а^г.г), а2(г,2) - коэффициенты связи поля и тока соответственно внутренней и

внешней катушки, В3 - т. - составляющая внешнего магнитного поля.

Общий для обоих катушек ток фокусировки, состоящий из двух частей, / = /лр+'0-

1пр - обеспечивает фокусировку на вход детектора электронов с энергией Епр, а ток

/0, протекающий в обеих катушках вместе с током ЛI компенсирует внешнее поле

Вз. Спектрометр может работать на любой энергии пропускания без изменения

электронно - оптических характеристик, если в выражении

В2(г,0) = а, (г,0)/п р + ог2 (;•,0)/р ■+ а, (г.0)+ а2 (г,0)(/0 + Л/) + У?3 (3)

сумма подчеркнутых слагаемых при всех г в области движения пучка обращается в

нуль. Добиться этого только подбором тока ЛI и смещением нуля отсчета силового

тока /о без изменения геометрии фокусирующих катушек невозможно. Тем не менее

выбор этих двух токов может обеспечить выполнение двух условий: компенсации

внешнего однородного поля Вз на оптической оси г0 и условия сохранения двойной

фокусировки, точнее равенства нулю первой производной выделенного в (3)

[аг./„ + с,(/0 + Д/) + В, = 0 выражения: \ ' 0 - 0 (4)

[ а110 + а1{10 + А1) = 0

Здесь введены обозначения:

; а, ' = </а,(г,0)/«Л- .

/ го

Из решения системы уравнений (4) видно, что для компенсации однородного поля Вэ с сохранением двойной фокусировки во внешнюю катушку необходимо подать ток Л1 = (а,1 + а21)ВзЮ (О = а,а,' - а/а,) (5)

и сдвинуть начало отсчета тока 10 на величину также пропорциональную полю В3

/0=«У ВзЮ (6)

На широте Екатеринбурга 1о ~ ЗбмА; Л1 ~ 122мА. Поскольку компенсация не является полной при удалении от оптической оси аппаратурная функция может изменяться при разных энергиях пропускания. Проведены результаты расчета аппаратурной функции для значений Епр от 5,7 эВ. до 11.5 кэВ., а также исследованы электронно-оптические свойства на фокальной плоскости, т.е. изменения формы моноэнергетического пучка при отклонении его энергии от Епр на ± 4% (дг = ± 25мМ). Расчеты подтвердили неизменность аппаратурной функции во всем указанном диапазоне энергий. Система авторегулирования делает суммарную г-компоненту всех полей, действующих на зонд, равной нулю. Ток смещения в феррозонде выбран так, что при этом во внешнюю фокусирующую катушку подается от источника питания системы авторегулирования ток ЛI , величина которого определяется по формуле (5). Следовательно, среднее по времени поле Земли, поле тока смещения и поле тока фокусировки в сумме дают нуль в точке установки зонда. Зонд установлен в точке вблизи оптической оси, где вертикальная составляющая фокусирующего поля обращается в нуль. Если поле Земли отклоняется от своего значения на ДВз ,во внешнюю катушку подается дополнительно к ЛI ток /вол , чье поле совместно с ДВз также дает нуль.

а, ^с,(гО10); а2 в с,(г0.О); а, ' = Ла, (г,0)/¿г;

£

Следовательно, имеет место соотношение

ДВ3 + a2(r3,z3)l доп =0 (7)

где а2(гз,гз) - коэффициент связи тока и поля для внешней катушки в точке установки феррозонда. Поскольку практически однородные колебания земного магнитного поля компенсируются полем внешней катушки, обладающим некоторой неоднородностью, были проведены расчеты влияния этих отклонений на параметры энергоанализатора в рабочем диапазоне энергий пропускания (50-300эВ) при различных значениях внешнего магнитного поля . Результаты расчетов однозначно показали, что влиянием неполной компенсации можно пренебречь.

Результаты расчета электронно-оптических свойств позволяют заключить:

1. ширина на половине высоты аппаратурной функции не меняется в интервале изменения энергии пропускания от 5 эВ до 12000 эВ и соответствует при выбранной геометрии щелей и размерах камеры классу точности Д Е/Е = 7x10 ;

2. форма гистограмм прихода электронов на фокальную плоскость позволяет сделать вывод о допустимости одновременного анализа участка спектра с постоянной точностью в интервале ± 4% от энергии пропускания для рабочего диапазона 50 - 300 эВ;

3. при подавлении колебаний Z-компоненты поля Земли добавочным током во внешней катушке, нарушение условия двойной фокусировки и неполная компенсация колебаний поля на оптической оси не оказывают существенного влияния на класс точности энергоанализа. Для осуществления развязки силовой цепи и цепи добавочного тока разработаны новые источники питания системы автокомпенсации и фокусировки (источники тока). Изменения в системе компенсации внешних магнитных полей позволили сократить вдвое объем помещения, необходимого для размещения спектрометра, сделать энергоанализатор более компактным, что является немаловажным при создании конкурентоспособных с электростатическими магнитных спектрометров. Изменения вертикальной составляющей внешнего поля, имеющие порядок 10* нТ. автоматически подавляются до величины ® 10 нТ. на оптической оси с помощью магнитометра и усилителя постоянного тока , нагрузкой которого является внешняя пара фокусирующих катушек. Датчик установлен в нуль силового поля во внутреннем пространстве внешней фокусирующей катушки. Автоматическая компенсация осуществляется путем изменения добавочного тока во внешней катушке. Колебания добавочного тока при этом составляют к 0,2 мА. Спектрометр

ион,

ЦАП, ЕВЫ

PA

снабжен шлюзовой системой для ввода образцов, которая позволяет оперативно сменить образец, не нарушая вакуум. Разработан механизм излома образцов в условиях высокого вакуума. Изготовлена комбинированная электронно ионная пушка ЗИП ИФМ-1 с электрически переключаемым режимом работы. Кроме изменений в системе компенсации внешних магнитных полей, изменения коснулись блока развертки и торможения в связи с повышением требований к точности регистрации спектров и улучшением долговременной стабильности, а также с необходимостью осуществить два режима развертки - при постоянном относительном разрешении ( ЛЕ/Е = const) и при постоянном абсолютном разрешении ( ЛЕ = const). Функции установки начального значения напряжения (тока) и собственно развертки распределены между двумя цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП, и ЦАГЦ) (рис.2).

Погрешность установки

начального значения

напряжения снижена путем его измерения перед началом развертки. Диапазон

изменения выходного

напряжения -230 - +1600 В. Напряжение пульсации а 10 мВ. Диапазон изменения выходного лЕ/Е тока 0 - 1600 мА плавно или дискретно ступенями по 1,6 мА. Напряжение пульсации =1 мВ на сопротивлении 10 Ом. Разработан и опробован алгоритм калибровки,

" 1л

учитывающий погрешности Рис. 2. Блок-схема формирования опорного измерительных приборов, который напряжения. позволил определять энергии связи

с точностью не хуже к 0,02 эВ во всем диапазоне. Изменения в системе компенсации внешних магнитных полей в спектрометре ЭС ИФМ-4 привели к появлению, сильного магнитного поля на оптической оси спектрометра, поэтому моделью регистрации служит градуировочное уравнение (т.е. зависимость энергии

---------- лЕ

-J l-A/v. ,1 ЛЕ/

ЦАП* БСТ

связи Есв от измеряемых величин: и - напряжение торможения и / - ток фокусировки), где 1д, а, Еф, эффективные константы прибора, причем 10 - это ток, который нужно подать в фокусирующие катушки, чтобы создаваемое ими поле на оптической оси совместно с током А1 компенсировало эффективную среднюю величину внешнего магнитного поля. Еф и а зависят: от геометрии фокусирующих катушек (а), работы выхода спектрометра, энергии рентгеновского излучения (Еф), систематических погрешностей вольтметра и амперметра, входящих в состав электроники спектрометра.

(8)

Е,

а

Л')

Для ЭС ИФМ-4 разработан алгоритм нахождения эффективных констант прибора

из уравнения (8)

п ,

60

40

20

335,1 335,3 Есв(эВ)

Рис.3. Кривая распределения результатов измерений энергии связи Рс1 3с15/2, п - число измерений в интервале 0.02 эВ

применением метода наименьших квадратов к результатам

измерения положения уровня Ферми и внутренних линий при разных энергиях

пропускания. Эти константы удовлетворительно описывают процесс регистрации во всем интервале значений энергии связи.

Полученное при

калибровке значение энергии связи Рс1 3с1 ^ = (335,23 ± 0,07) эВ . Измерения положения линии проводились в течение месяца (Рис.3.).

Выводы : 1. Разработан и проверен в специальных экспериментах алгоритм оптимизации электронно - оптических характеристик магнитных

энергоанализаторов, позволивший определить комбинацию геометрических параметров прибора, обеспечивающую увеличение почти вдвое чувствительности прибора по сравнению с прототипом.

2. Предложен и реализован вариант магнитного энергоанализатора, совмещающего функции компенсации Ъ- компоненты внешних магнитных полей и

фокусировки электронов.

3. Разработан и изготовлен автоматизированный безжелезный магнитный :лектрометр ЭС ИФМ-4 (рис.4), отличающийся от аналогов компактностью, высокой метрологической стабильностью, достигнутой благодаря снижению класса точности и использованию эффективной системы торможения и реализацией нескольких способов воздействия на образец ( Alka, Mgka, электроны, ионы). Гпава вторая посвящается научным и технологическим проблемам создания немагнитной вакуумной системы. Традиционные технологии, основанные на использовании легированных сталей, сплавов никеля и ковара не могут применяться в связи с высокой остаточной намагниченностью. Вакуумная камера, щели, апертурные диафрагмы и другие узлы спектрометра, расположенные вблизи оптической оси не должны искажать фокусирующее магнитное поле. Поэтому материалы конструкции подбирались по значению магнитной восприимчивости. В первом параграфе этой главы описаны технологические проблемы изготовления

немагнитного криогенного насоса (рис.5) . Отмечены особенности сборки и запуска гелиевого крионасоса, откачка "криозахватом ". Описана конструкция немагнитного орбитронного насоса с пониженной тепловой нагрузкой на азотную криопанель. Второй параграф посвящен разработке рентгеновского источника с двойным анодом (рис.6). К особенностям этого класса рентгеновских источников следует отнести необходимость использования в качестве анодов легкоплавких металлов AI и Mg при высоких удельных мощностях рассеивания. Вероятность отказа такого анода довольно высока, поэтому целесообразна разработка разборных конструкций РИ, обеспечивающих быструю смену анодного и катодного узла. Поскольку РИ располагается в непосредственной близости от исследуемого объекта, необходима защита его от продуктов распыления катода и анода, кроме того необходимо учитывать магнитные поля, создаваемые током накала и анодным током РИ, влияющие на работу энергоанализаторов. Для решения многих задач РЭС необходимо оперативно изменять энергию квантов рентгеновского излучения.

Поэтому РИ должен обеспечивать быструю смену материала мишени в процессе эксперимента. Специфика исследований методом РЭС приводит к изменению

-3 -8

вакуума в камере спектрометра в широких пределах от 10 до 10 Па. Для стабилизации работы РИ при таких изменениях давления необходима автономная система откачки РИ, изолированная от объема спектрометра. Для питания РИ разработан и изготовлен высоковольтный источник со схемой стабилизации анодного тока с высоким напряжением на аноде. Выводы: при использовании современной технологии и материалов можно создать практически немагнитные средства откачки и воздействия на образец. -Проведена оценка магнитных полей, возникающих при использовании традиционных СВВ конструкционных материалов (нержавеющая сталь) -Доказана необходимость применения в конструкции спектрометров с магнитным энергоанализатором материалов с малой магнитной восприимчивостью (титан и его сплавы, алюминий и его сплавы, медь) -Разработана и успешно применяется технология сварки взрывом для изготовления переходных узлов ТИ2х18н10т, Ti-AI и Cu-Al, Cu-Mg для Al-Mg анодов рентгеновского источника.

-Разработан и изготовлен крионасос заливного типа в немагнитном исполнении со

-9

скоростью откачки к 2500 л/сек. и остаточным давлением <10 Па. -Разработан орбитронный насос в немагнитном исполнении с пониженной

тепловой нагрузкой на азотную криопанель.

-Разработан рентгеновский источник с электрически переключаемой энергией

излучения, автономной системой откачки, с высоким

напряжением на аноде и системой охлаждения.

В третьей главе предложена модель влияния параметров энергоанализатора на значение интегральной интенсивности конкретной линии спектра или

Рис.6. Рентгеновский источник с двойным анодом.

интенсивности в произвольной точке фона. Доказано, что отношение интегральных интенсивностей линий или фона, зарегистрированных в режимах съемки спектра с постоянным относительным и постоянным абсолютным разрешениями, если предположить, что эффективность детектора не зависит от энергии регистрируемых электронов ( D(E«) = const. Предложена простая методика определения функции пропускания спектрометра по фону в широком интервале кинетических энергий (20 -1500 эВ) и энергий пропускания (20 - 300 эВ). В серийных спектрометрах используют два режима работы энергоанализатора. 1) Режим CAE (constant analyser energy). В этом режиме анализатор постоянно настроен на одну энергию пропускания Епр. Развертка по спектру осуществляется сканированием напряжения торможения. В каждый данный момент сканируются электроны с кинетической энергией Ек = eU, + Е„ . Этот режим благоприятен с точки зрения неизменности эффективности регистрации детектора D(E пр), так как все прошедшие через выходную щель электроны имеют одинаковую кинетическую энергию. 2) Режим CRR (constant retarding ration)- режим с постоянным соотношением торможения. Соотношением торможения В называют следующую величину:

В = —^— = (9)

EK~eV, Е„

Этот режим с ДЕ/Е = const удобен для снятия обзорных спектров, где требуется значительная интенсивность счета и не слишком хорошее разрешение. При проведении количественного анализа обычно используют выражение :

Ii =<*>оСлЛлТл1ХЕ„ ), (10)

Ijk - экспериментально определенная интегральная интенсивность пика для к-ой оболочки ¡-го типа атомов в.образце, Ci - объемная плотность элемента в приповерхностном объеме, который возможно анализировать методом РЭС, ^¡к -средняя длина свободного пробега электронов к-ой оболочки i - го типа атомов, crjk - поперечное сечение фотоионизации, Фо - поток рентгеновского излучения, падающего на образец;, Tjk - функция пропускания спектрометра, D(Enp) -эффективность регистрации детектора. При количественном анализе от режима измерения зависит только Tjk. Gross и Kastle [4] использовали следующую схему для определения функции пропускания. Формулу (10) они считали возможным использовать для интенсивности фона. Измерялся счет на фоне через каждые 50

эВ на участках фона, далеких от линий. Определялось соотношение интенсивностей в режимах СВК и САЕ

= 1сгг(Еу) _ Т(Е,)сгг отн 1сае( Е,) Т(Ек)сае

Следует отметить значительное удобство предложенной методики, в том случае,

если определение Т(ЕК) по фону корректно. Такой подход не требует программ

вычитания фона, хорошего разрешения по энергии, а требует лишь линейной

шкалы интенсиметра. Модель регистрации спектра, предложенная в этой главе,

вводит единую терминологию для двух режимов (СРР? и САЕ) при измерениях

интегральной и спектральной интенсивности. Во всех случаях интенсивность

пропорциональна одной и той же величине, определяемой следующим образом:

ЦЕК) = }</£„ ■ Х(£н,Ек -£„) = \<1ЕИ \dx.dy {¿О (12)

-да -о: -со О

где Э(Ен,Ек-Ен) значение аппаратурной функции при произвольной настройке Ен энергоанализатора , Ек - кинетическая энергия регистрируемых электронов, 0(х,у,Ек,Ен) - телесный угол под которым при заданной настройке Ен из точки х,у на образце виден детектор. Тем самым обосновывается процедура определения функции Т(Ек) из экспериментов по фону. Интеграл от функции 5(Ен,Ек-Ен) можно аппроксимировать как площадь прямоугольника, высота которого равна максимальной светимости спектрометра 8т(Ен), а ширина - спектрометрической ширине аппаратурной функции Лэ = (ЗхЕпр. Дпя режима СЯК с В=1, когда из рассмотрения исключена система торможения, ясно, что светимость магнитного спектрометра определяется только геометрией - размером щелей, формой и размером апертур, то есть является постоянной величиной для всех кинетических энергий, равной АхО , где О. - угол приема спектрометра, а А - площадь образца, видимая детектором. Таким образом при В = 1, а также при других В, когда степень торможения задана, функция пропускания в режиме СРШ пропорциональна Е„. Функция пропускания в режиме САЕ может быть экспериментально определена по формуле (11) считая, что Т(Ек)сае - степенная функция от Е, (Т(Ек)сае ~ Ек"" ). Получим: 1п 1отн(Ек) = (1+а)1пЕк + Ь. На рис.7 приведены результаты одного из экспериментов по определению функции пропускания для энергии ЗООэВ. Экспериментальные точки хорошо апроксимируются прямой, что подтверждает предположение о степенной зависимости функции пропускания от энергии. Среднеквадратичное приближение, вычисленное по всем энергиям Ек позволяет

определить а = - 0.82 ± 0,12; Ь = 9.52 ± 0.2. Таким образом для режима с постоянным пропусканием Т(Ек)=Е"0бг" 0Л2, что хорошо совпадает с оценками, следующими из теоремы Лагранжа - Гельмгольца, которые в предположении постоянства рабочей зоны образца дают значение а = -1.

Выводы: существует модель регистрации спектра, доказывающая, что эксперименты по определению функции пропускания Т(Е) можно свести к измерениям на фоне. Такой подход, в отличии от измерений по линиям, существенно упрощает процедуру калибровки прибора для количественного анализа. Предложен простой алгоритм получения аналитического выражения для функции пропускания в различных режимах работы спектрометра, определены значения функции пропускания для ЭС ИФМ-4: Тсае(Ек) = Е"°8210,12 ; Т(Ек)щ=!: Ек. Четвертая глава посвящена исследованиям спектра валентной полосы N1 в широком температурном интервале от комнатной температуры до 600 ° С, что требует высокой температурной стабильности прибора, а также отсутствия переконденсации остаточных газов при изменении температуры образца. Поставленная теоретиками задача требовала сравнения спектров ниже и выше температуры Кюри, но не вблизи этой температуры, а возможно дальше от нее, а именно 0,5 и 1,5 Тк. Для этого выполнены тщательные измерения рентгеновских фотоэмиссионных спектров (РФС) никеля в этом интервале температур. Рентгеновская ■ фото эмиссия поликристаллов, регистрируемая приборами с большой апертурой, доставляет интегральную информацию о плотности всех заполненных состояний в полосе [5], что дает основания считать ее локальным методом, позволяющим измерять плотность электронных состояний на отдельных атомах, в то время как а угловых экспериментах на монокристаллах фото эмиссия идет из блоховских состояний с фиксированным волновым вектором, которые делокализованы в координатном пространстве в области Дх = 1/Дк, где Дк - разрешение по волновым векторам. Таким образом, эти эксперименты дополняют друг друга. Исследования

температурных зависимостей в РФС спектрах, требуют особой тщательности в

Рис.7. Зависимость относительной

интенсивности спектра от кинетической энергии электронов при постоянной энергии пропускания .

I 7

подготовке образца и изучения работы спектрометра в широком температурном интервале. Нагрев образца может приводить к переконденсации поверхностных загрязнений и, как следствие, к изменению формы спектра валентной полосы, а также может вызвать изменение геометрических параметров входного устройства энергоанализатора. Для изучения этих процессов в спектрометре ЭС ИФМ-4 был использован образец бескислородной меди, установленный в медный держатель и прогревавшийся в диапазоне температур от 300 до 900 К. Спектр валентной полосы меди не изменяется с ростом температуры, что дает возможность контролировать приборные эффекты. После серии контрольных экспериментов, в ходе которых была обнаружена и устранена температурная чувствительность энергоанализатора, был установлен образец N1, на котором исследовались спектры валентной полосы при температуре 0.5 Тс, 1.0Тс и 1.5 Тс. ( См. рис.8.)

Чистота поверхности

контролировалась по обзорным спектрам. Из анализа данных эксперимента следует, что рентгеновские фотоэмиссионные спектры в никеле практически не изменяются с ростом температуры , в том числе и при фазовом переходе в парамагнитное состояние. Это свидетельствует в пользу сохранения величины обменного расщепления электронных состояний с противоположными спиновыми проекциями на локальные направления намагниченности. Таким образом, переход в парамагнитную фазу идет по флуктуационному сценарию, путем раэупорядочения локальных магнитных моментов , а не посредством их исчезновения. Аналогичные результаты получены в экспериментах с угловым разрешением для железа [6].

Выводы: спектр валентной полосы N1 остается неизменным во всем исследованном интервале (0,5 - 1,5 Тк) и это означает, что вариант теории магнетизма коллективизированных электронов, предложенный в [7] должен быть

'-10 '-5 V

Рис.8. ВП никеля при разных температурах; 1-0.5Тс. 2-1 .ОТс. 3-1.5 Тс. Внизу приведены разностные спектры, увеличенные в 10 раз.

1Я

:овершенствован с тем, чтобы учесть в расчетах корреляцию в ориентации спинов )тя бы соседних узлов.

- Дана интерпретация этого факта на основе модели тепловых флуктуаций пектронной спиновой плотности. Наличие областей корреляции спиновых луктуаций размером в 1- 2 межатомных расстояния обеспечивает сохранение ормы спектров .

- Экспериментальные результаты этой главы подтверждают метрологическую ■абильность в широком интервале температур нагрева образца, что

Зеспечивается сохранением геометрии входного устройства, отсутствием зреконденсации в объеме и стабильностью электроники.

пятой главе приведены результаты исследования широкого класса леродных материалов.

зучение фазового состава углеродных пленочных материалов традиционными этодами часто оказывается невозможным ввиду малых толщин этих покрытий и шьного влияния материала подложки. Прежде были изучены спектры талонов", хорошо известных из литературных источников. Это важно для >авнения вакуумных условий, принятых в мировой практике, и условий в шктрометре, вакуумная система которого построена на основе новой ¡хнологии. В качестве эталонных образцов были использованы карбин, графит и 1маз, отличающиеся, как известно, типом гибридизации углеродных атомов в ;шетке. Спектры монофазного состава использовались для сравнения со юктрами углеродных конденсатов, полученных методом распыления графита, а 1кже методом деструкции чистых углеводородов и их смесей с инертным газом. :е исследованные углеродные конденсаты, алмаз и карбин являются электриками, поэтому особое внимание было уделено устранению зарядки ¡верхности образцов под действием рентгеновского излучения, изучение (менений поверхности углеродных конденсатов под действием нагрева в 1кууме до температуры 150 °С, при ионной бомбардировке . Исследовались три типа искусственных УМ. Это синтезированные из >ливинилиденфторида карбиноподобные пленки (образцы с обозначением Т), >разцы, полученные деструкцией углеводородов (обозначение ИС и СД) и юпылением графита (обозначение Б).

спектрах валентных полос условно можно выделить две зоны: область с 1ергиями связи от 0 до 12 эВ, внутри которой в основном заключены р -

состояния углерода, область от 12 эВ до 24 эВ - преимущественная локализация состояний в - типа. Изменение фазового состояния наиболее значительно меняет электронную структуру в районе 3-4 эВ от уровня Ферми. Поскольку надежная идентификация возможна по валентным полосам , были сняты спектры Ожэ линий, являющиеся в первом приближении самосверткой занятой части валентной зоны. Для качественной оценки фазового состава различных синтетических углеродных материалов использовались спектральные

особенности, проявляющиеся в РЭС преимущественно монофазных образцов. Проведенные исследования показали, что метод РЭС обладает достаточно высокой фазовой чувствительностью и позволяет, исследуя форму валентной полосы, положение и сателлитную структуру внутренних линий, положение и форму ОЖЭ линий, оценивать преимущественный тип гибридизации углеродных материалов. Данные по исследованным образцам сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Спектральные характеристики углеродных материалов.

ВП Образец С1э (эВ) ШПВ (эВ) Сателлиты ДЕ ОЖЕ ОВ) Преимущественный Тип гибридиз.

- Б 01 285 1.9 9.5; 24 - ЭРЗ

- ИС-80 285 2.0 - 268 БР

- ИС-83 284.6 1.8 - 272 БР2

Си, О СД 0.5 286.3 2.5 - 272 -

А СД 0.9 284.9 2.3 - 270 ЭРЗ

Си, О СД 1.4 286.9 2.5 - 270 -

Г, Р Т1 284.5 2.4 6.2; 29 272 ЭР2

Г.Р Т2 284.6 2.4 6.5; 28 270 ЭР2

Г, ¥ Т4 284.6 2.3 6.3; 28 270 БР2

К, ¥, О Т16 284.9 2.5 5.0; 24 268 БР2; БРЗ

А - алмазоподобная ВП; Г - графитоподобная ВП; К - карбиноподобная ВП.

ШПВ измерялась при возбуждении спектров А1Ка).г. аппаратурная функция 0.7 эВ Выводы. Приведены результаты исследований стеклоуглерода и полученных в различных технологиях тонких углеродных пленок-покрытий , предложен алгоритм качественного определения их фазового состава, идентифицированы алмазоподобные пленки, предложено объяснение обнаруженной экспериментально

амечательной температурной стабильности стеклоуглерода. Известно, что сследования углерода представляют определенные трудности для кспериментатора в виду постоянного присутствия в вакуумном объеме глеводородных загрязнений, генерируемых средствами откачки,

риогенная вакуумная система ЭС ИФМ-4 существенно снизила уровень глеводородов в рабочем объеме, что и позволило провести эти исследования.

•сновные результаты и выводы.

-Предложен алгоритм контроля фазового состава искусственных углеродных 1атериалов.

-Экспериментально установлено отсутствие изменений в РЭС валентной олосы никеля в температурном интервале от 0.5 до 1.5 Тс.

1. Разработан и проверен в специальных экспериментах алгоритм оптимизации лектронно-оптических характеристик магнитных энергоанализаторов, озволивший определить комбинацию геометрических параметров прибора, беспечивающую увеличение чувствительности прибора .

2. Предложен и реализован вариант магнитного энергоанализатора, не спользующего отдельную систему компенсации Ъ- компоненты внешних магнитных олей, совмещающего функции защиты от них и фокусировки электронов .

3. Разработан и изготовлен автоматизированный безжелезный магнитный пектрометр ЭС ИФМ-4. Спектрометр отличается от всех известных аналогов омпактностью, высокой метрологической стабильностью, достигнутой благодаря нижению класса точности энергоанализа и использованию эффективной системы орможения спектра, реализацией нескольких способов воздействия на бразец (А1Ка, МдКа, электроны, ионы, излом и напыление в вакууме).

В процессе работы возникло понимание важности изучения ряда явлений: лектронного шума спектрометра, эффективности регистрации конкретного ,етектора ВЭУ-6, влияния компенсации горизонтальной компоненты магнитного оля на орбите спектрометра на метрологические параметры. Немаловажно акже изучить временную стабильность функции пропускания. Проведение этих кспериментов позволит уточнить вид зависимости функции пропускания от нергии, а также расширить исследуемый энергетический интервал. В настоящее время работы по совершенствованию РФС продолжаются: полностью втоматизированы сбор и обработка информации, введена процедура

автоматической калибровки прибора, расширен (в сторону низких температур)

температурный интервал воздействия на образец, усовершенствована электроника.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Электронный магнитный спектрометр. /Трапезников В.А., Евстафьев A.B., Кузнецов В.Л., Сапожников В.П. и др. // ФММ,-1973,- Т.36, N6.C. 1293-1305

2. Кузнецов В.Л., Соколов О.Б. и др. а/с N1434508 1988 г.

3. Соколов О.Б., Кузнецов В.Л.- Развитие экспериментальных возможностей метода электронной спектроскопии с использованием магнитного энергоанализатора. // Учебное пособие. Челябинск 1990,- 56 с.

4. Кузнецов В.Л. Соколов О.Б. и др. Сверхвысоковакуумные системы в немагнитном исполнении // ПТЭ. -1988.- вып.2,- С. 137-141.

5. Гребенников В.И., Кузнецов В.Л., Соколов О.Б. Исследование температурного поведения коллективизированных электронов в никеле методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. //ФТТ. 1992. Т.34. N.4. С.1288-1291.

6. Выходец В.В., Клоцман С.М., Кузнецов В.Л. и др. Структура и состав углеродных пленок, полученных при помощи плазменного источника с холодным катодом. // Сверхтвердые материалы - 1990.-N2.- с. 16-20.

7. Kuznetsov V.L., Pesin L.A. et. al. Structural model of glassy carbon based on Auger spectroscopic analysis.//Sov.Phys.Solid State 34(6), June 1992. -p 922-925.

8. Прецизионный безжелезный магнитный спектрометр ЭС ИФМ-3 / Гольдберг В.М., Грибов И.В., Евстафьев A.B. , Кузнецов В.Л. и др. // Электронная промышленность 1984,- N2.- с.84- 89.

9. Кузнецов В.Л., Соколов О.Б. и др. а/с N1517654 1989 г.

Ю.Кузнецов В.Л., Соколов О.Б. и др. а/с N970247 1982 г.

Литература.

1. Альфа- бета- и гамма- спектроскопия / Под ред. K.M. Зигбана. М.: Атомиздат. - 1969.- Вып.1.- 567 с.

2. Design of high - resolution high - efficiency magnetic Spectrometer for electron spectroscopy I Fadley C.S., Heally R.N., Holander I.M. e.a.//J. Appl. Phis.- 1972.-V.43.N3.- P.1085- 1102.

3. Электронная спектроскопия / К. Зигбан, К.Нордлинг, А.Фальман и др.-M.: Мир. -1971.-495 с.

4. Cross V.M. Kastle J. - The relationship hetween transmission efficiencies in the FRR

and FAT modes of an electron spectrometer.//J. of El.Spectroscopy - 1981, v22.-p.53-59.

5. Sokolov O.B., Finashkin V.K., Turov E.A. Spin polarization off X-Ray photoelektrons in nikel. Phys.Stat.Sol. B. 74,35,(1976)

6. Kisker E.,Schroder K.,King F.K.,Gudat W.,Campagna M. Temperature Dependence of the Exchange Splitting in Ni by Spin-Polarized Photoemission. //Phys.Rev.B. 1985. V.31. N 1 P.329-339.

Гребенников В.И. О температурной зависимости фотоэлектронных спектров

ферромагнитных материалов.//ФММ.1988.Т.66.Ы 3.С.421-429.

Отпечатано на Ризографе ИФМ УрО РАН тир. 80 гак. 73

объем 1 пеп.л.формат 60x84 1/16 620219 г.Екатеринбург ГСП-170 ул.С.Ковалевской, 18

/ч *|

п

Л

Институт физики металлов ран

На правах рукописи

кузнецов вадим львович

УДК 681.78:535.33:669.85.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО СПЕКТРОМЕТРА С МАГНИТНЫМ

ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОРОМ

Специальность 01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор физ. -мат. наук, профессор

Соколов О.Б.

Екатеринбург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАГНИТНОГО ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОРА ЭС ИФМ-3 13

1.1 Оптимизация ЭОС при фиксированном поле 13

1.2 Энергоанализатор ЭС ИФМ-4. Совмещение функций

фокусировки и защиты от внешних магнитных полей 23

1.3 Особенности конструкции спектрометра ЭС ИФМ-4 32

1.4 Функция пропускания 43 Выводы 46

2. КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ НЕМАГНИТНЫХ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ 49

2.1 Физические основы криогенной откачки 49

2.2 Принципиальная схема криоконденсационного насоса 50

2.3 Конструкция криогенного насоса 55

2.4 Испытания криогенного насоса 57

2.5 Принцип действия и конструкция орбитронного насоса 57

2.6 Рентгеновский источник с электрически переключаемой

энергией излучения 60

2.6.1 Конструкция рентгеновского источника 60

2.6.2 Анодный узел 63

2.6.3 Фокусирующий электрод 66

2.6.4 Катодный узел 66

2.6.5 Окно для вывода рентгеновского излучения 68

2.6.6 Электрическая прочность рентгеновского источника 68

2.6.6.1 Тренировка электродов разборных рентгеновских

источников 68

2.6.6.2 Испытания рентгеновского источника 70

2.6.6.3 Влияние магнитных полей рентгеновского источника 71

2.6.6.4 Зависимость вакуума РИ от вакуума аналитической

камеры 71

Выводы 75

3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБРАЗЦА И ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОРА НА ЗНАЧЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ КОНКРЕТНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ

ОСОБЕННОСТИ ИЛИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ТОЧКИ ФОНА 76 3.1 Основы конструкции и принцип действия рентгеноэлекгронных

спектрометров, режимы работы энергоанализаторов 76

3.2 Упрощенная модель основного выражения для

количественного ЭСХА анализа 77

3.3 Методика изучения зависимости функции пропускания от кинетической

энергии в разных спектрометрах при различных режимах работы 79

3.4 Эффективность регистрации детектора 79

3.5 Ширина линии в спектре 80

3.6 Эксперименты по определению функции пропускания 82 3.6.1 Определение Т(Ек) по фону 82

3.7 Уточненная формула для количественного анализа

методом ЭСХА 83

3.7.1 Определение понятий и детализация модели фотоэмиссии 83

3.7.2 Расчет интенсивности линий в спектре 86

3.7.3 Расчет интенсивности счета на фоне 87

3.8 Эксперименты по определению функции пропускания Т(Ек) 88 Выводы 91

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ВАЛЕНТНОЙ

ПОЛОСЫ МЕДИ И НИКЕЛЯ 92

4.1 Особенности температурных исследований методом РФС 93

4.2 Валентная полоса Си и N1 93 Выводы 96

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 97

5.1 РЭ спектры графита, алмаза и карбина 97

5.2 Подготовка образцов 98

5.3 Десорбция в вакууме 101

5.4 Прогрев углеродных конденсатов 101

5.5 Обработка ионами 106

5.6 Поведение поверхности УМ под действием

рентгеновского излучения 106

5.7 Описание спектра РЭС 109

5.8 Влияние нагрева на фазовый состав УМ 110

5.9 Исследование фазового состава 117

5.9.1 Валентные зоны алмаза, графита, карбина 117

5.9.2 Внутренние уровни УМ 121

5.9.3 ОЖЭ спектры 121

5.10 Исследования искусственных углеродных материалов 125

5.10.1 Спектры валентных полос 125

5.10.2 Внутренние уровни искусственных углеродных материалов 125

5.10.3 ОЖЭ спектры искусственных углеродных материалов 127 Выводы 131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132

ЛИТЕРАТУРА

135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Интенсивное развитие физики и химии поверхности твердых тел в последние десятилетия вызвано к жизни потребностями новых областей производства, связанных с созданием вычислительной техники, средств автоматизации технологических процессов и управления сложными системами. Производство элементной базы микро- и оптоэлекгроники требует технологии высокого уровня, т.е. умения создавать и прецизионно контролировать структуру и состав вплоть до отдельных атомных слоев. Спектральная аппаратура, позволяющая контролировать физические и химические процессы, протекающие в поверхностных слоях твердого тела и тонких пленках, позволила также ускорить прогресс в традиционных, но очень важных сферах производства, связанных с защитой материалов от коррозии, снижением хладноломкости и отпускной хрупкости сталей и улучшением качества катализаторов.

Совершенствование аппаратуры в ядерной физике, применяемой для анализа энергетического распределения заряженных частиц, привело к созданию прецизионных (класса

точности АЕ/Е = 5x10-4) магнитных анализаторов.

Эксперименты Зигбана, обобщенные в монографии [1], заложили основы метода рентгеноэлектронной спектроскопии и показали его главные области применения. В то же время стало ясно, что будущее метода зависит от дальнейшего совершенствования вакуумного оборудования и средств воздействия на поверхность. Действительно, легко подсчитать, что в

-4

течение одной секунды в вакууме 10 Па поверхность покроется монослоем адсорбированных газов. Следовательно, какой бы образец ни был введен в спектрометр с таким, в общем-то, высоким вакуумом, в течение короткого времени его поверхность будет иметь состав, который определяется остаточной атмосферой камеры. Для надежности работы требуется вакуум не хуже 107 Па и увеличение скорости сбора информации, достигаемое повышением светосилы прибора и его автоматизацией. Попытки удовлетворить всем этим дополнительным требованиям привели Зигбана к следующему выводу [2]: несмотря на то, что главные работы были реализованы на магнитных электронных спектрометрах (МЭС), серийные приборы, как для научных исследований, так и для производственных целей должны строиться на базе электростатических энергоанализаторов (ЭА). Этот вывод базировался на целом комплексе факторов, дававших в то время (1975 г.) решающее преимущество "электростатике" по сравнению с "магнитостатикой". Начиная с этого времени и до настоящего момента, приборостроительная промышленность полностью ориентирована на выпуск спектрометров с электростатическими энергоанализаторами, характеризующимися компактностью, наличием свободного пространства вокруг образца, позволяющего производить исследования несколькими методами: РЭС - рентгеноэлектронная спектроскопия, ЭОС - электронная оже-спектроскопия, ВИМС - вторично-ионная масс-спектроскопия и др. В них можно использовать серийно выпускаемую аппаратуру получения сверхвысокого вакуума, содержащую большое количество ферромагнитных деталей, а главное, магниторазрядные насосы.

В конце 60-х годов в ИФМ были начаты работы по созданию рентгеноэлектронного спектрометра с магнитным энергоанализатором [3], послужившие толчком к анализу существующей ситуации в

аналитическом приборостроении. Такой анализ привел к несколько иному выводу: магнитные энергоанализаторы (МА) могут вновь стать предпочтительными, по крайней мере, в научных исследованиях. Этот вывод основывался на том, что электростатические анализаторы имеют ряд недостатков. К ним следует отнести проблемы, связанные: 1) с учетом влияния краевых эффектов, которые приводят к искажению поля в местах ввода и выхода электронного пучка, что значительно снижает реальную светосилу ЭА по сравнению с расчетной; 2) с невозможностью установки апертурных диафрагм по пути движения электронов внутри отклоняющего электрического поля, что приводит к повышению шума и, как следствие, к снижению контрастности; 3) с необходимостью установки электронно-оптических элементов в сверхвысоком вакууме и, как следствие, нестабильностью их формы при прогреве; 4) с проблемой создания стабильных магнитных экранов большого размера, остаточные поля внутри которых невозможно

проконтролировать, что также ведет к снижению светосилы и метрологической стабильности; 5) с реализацией многоканального режима регистрации фотоэлектронов.

Недостатки, из-за которых МА стал неконкурентоспособным, не представлялись

непреодолимыми. Проблемы, связанные с малой светосилой, не казались принципиальными, поскольку уже в то время была известна форма магнитного поля, которая обеспечивала ситуацию, превосходящую лучший известный к тому времени ЭА [2]. Был известен теоретический проект МА [4] с большой светосилой и "открытой" камерой. Этим термином мы будем обозначать конструктивную возможность реализации комбинированного воздействия на образец, которая отсутствовала или была сильно затруднена в большинстве известных к тому времени МА. Также известны сверхвысоковакуумные средства откачки, не создающие сильных магнитных полей, работающие на основе криоконденсации газов, так что возможно создание немагнитной сверхвысоковакуумной системы . Таким образом, представлялось актуальным дальнейшее развитие метода рентгеноэлектронной спектроскопии, с использованием магнитного энергоанализатора.

Цель работы: создание компактного, сверхвысоковакуумного, метрологически стабильного, автоматизированного спектрометра с магнитным энергоанализатором. Задачи, сформулированные в процессе разработки и изготовления включают проведение расчетов, проектирование, разработку и изготовление вакуумной системы, системы фокусировки и автокомпенсации магнитного поля, средств транспортировки образца, рентгеновского источника, комбинированной ионно-электронной пушки и электроники управления, обеспечивающей сканирование заданного участка спектра с необходимым шагом. Сюда же следует отнести задачу изготовления помехозащищенной системы счета отдельных электронов и сбора информации о спектре в ЭВМ , провести изучение магнитной метрологической и температурной стабильности спектрометра (на примере температурной зависимости спектра валентной полосы никеля), а также качества вакуумных условий установки (на примере исследования спектров углеродных пленок). Задача создания прибора решалась в два этапа. Первый этап завершился изготовлением спектрометра, подобного последней модификации магнитного прибора Зигбана . Спектрометр располагался в двух комнатах. Прецизионный энергоанализатор класса точности 2хЮ~4 и система компенсации магнитного поля Земли в одной, а

электроника сбора и обработки спектров - в другой. Этот спектрометр получил название ЭС ИФМ - 3.

-3

Идейной основой второго этапа было снижение более чем на порядок ( до 7x10 ) класса точности энергоанализатора с одновременным использованием системы торможения спектра, что необходимо для сохранения абсолютного разрешения и переход на новую систему защиты от внешних нарушающих полей. В результате реализации этих идей был создан новый спектрометр ЭС ИФМ - 4. В настоящей работе, главным образом, освещается попытка решения принципиальных научно -технических проблем, связанных с переходом от традиционной конструкции электронных спектрометров (типа ЭС ИФМ - 3) к современной их реализации, не уступающей по каким либо характеристикам ( а в ряде случаев и превосходящей ) другие типы приборов (ЭС ИФМ - 4).

Содержание глав с основными выводами по главам. В главе первой предложен алгоритм поиска оптимальных электронно-оптических элементов для любого наперед заданного разрешения % = ^/"р ■ Первый параграф посвящен оптимизации

электронно-оптических свойств (ЭОС) энергоанализатора при фиксированном фокусирующем поле. Оптимальная геометрия апертурной диафрагмы и размеры входной и выходной щелей обеспечивают максимум аппаратурной функции. Второй параграф этой главы включает математическое обоснование возможности совмещения функций фокусировки и защиты спектрометра от внешних магнитных полей, что существенно уменьшает габариты прибора благодаря отсутствию громоздкой системы компенсации внешних магнитных полей с традиционными катушками Гельмгольца. В третьем параграфе описаны устройство наиболее важных частей спектрометра ЭС ИФМ-4, реализующего оптимизированную оптику и совмещение функций фокусировки и защиты от внешних магнитных полей. Здесь отметим систему торможения электронного спектра, рентгеновский источник с электрически переключаемым излучением, ионно-электронную пушку и прецизионную электронику сканирования напряжения и тока. Демонстрируется высокая метрологическая стабильность прибора.

Основные результаты этой главы таковы

1. Разработан и проверен в специальных экспериментах алгоритм оптимизации электронно-оптических характеристик магнитных энергоанализаторов [5], позволивший определить комбинацию геометрических параметров оптической системы прибора, обеспечивающую увеличение почти вдвое чувствительности прибора по сравнению с прототипом [3].

2. Предложен и реализован вариант магнитного энергоанализатора, не использующего отдельную систему компенсации г-компоненты внешних магнитных полей, а совмещающего функции защиты от них и фокусировки электронов [А/С № 1517654 1989г].

3. Разработан и изготовлен оригинальный автоматизированный безжелезный магнитный спектрометр ЭС ИФМ-4 [6]. Спектрометр отличается от всех известных аналогов компактностью, благодаря отсутствию громоздкой, независимой системы автокомпенсации 2-компоненты внешнего магнитного поля, высокой метрологической стабильностью, достигнутой благодаря снижению класса точности и использованию эффективной системы торможения спектра, реализацией нескольких способов воздействия на образец (А1 ка, Мд ка, электроны, ионы).

Глава вторая посвящается научным и технологическим проблемам создания "абсолютно"

немагнитной вакуумной системы электронного магнитного спектрометра. Под абсолютно немагнитной системой понимается набор узлов спектрометра, сконструированных так, что в наиболее чувствительной точке (середина расстояния образец - детектор) магнитные поля не превышали нескольких десятков нанотесла.

Основными результатами этой главы являются: оценка влияния магнитной обстановки на электронно-оптические свойства энергоанализатора, обоснование необходимости создания «немагнитной» сверхвысоковакуумной технологии, разработка, изготовление и испытания криогенных и орбитронных насосов, рентгеновского и электронно-ионного источников, коммуникаций и вводов (электрических и механических), обеспечивающих полное отсутствие магнитных полей. При этом пришлось заменить традиционные СВВ материалы и магниторазрядные насосы на титановые и алюминиевые сплавы и криооткачку.

В третьей главе предложена теоретическая модель влияния параметров образца и энергоанализатора на значение интегральной интенсивности конкретной линии спектра или интенсивности в произвольной точке фона, доказано, что отношение интегральных ингенсивностей линий или фона, зарегистрированных в разных режимах съемки спектра, есть величина постоянная и, если предположить, что эффективность детектора не зависит от энергии регистрируемых электронов (D(EK)=const), равна отношению значений пропускания в этих режимах. Предложена простая методика определения функции пропускания спектрометра по фону в широком интервале кинетических энергий (20 -1500 эВ) и энергий пропускания (20 - 300 эВ).

Основные результаты этой главы: предложена модель регистрации спектра, доказывающая, что эксперименты по определению функции пропускания Т(Е) можно свести к измерениям на фоне. Такой подход, в отличии от измерений по линиям, где необходимо вычитать фон для корректных вычислений интегральной интенсивности, существенно упрощает процедуру калибровки прибора для количественного анализа. Предложен простой алгоритм получения аналитического выражения для функции пропускания в различных режимах работы спектрометра, определены значения функции пропускания для эс ифм-4: тсае(Ек)* e0s2±0'12 ; т(Ек)сгг* Ек.

В серии исследований, которые имеют также и самостоятельное значение, были изучены важнейшие функциональные характеристики прибора. Прибор должен обеспечивать исследование спектра валентной полосы материалов (обычно самая слабая линия в спектре) с наибольшей подробностью (с энергетическим окном Е~0,ЗэВ при работе с не монохроматизированным AI ка или Mg ка излучением) за разумное время (порядка одного часа). При температурных исследованиях имеется серьезная угроза получить изменение спектра валентной полосы за счет переконденсации остаточных газов и поверхностной диффузии при изменении температуры. Метод РЭС обладает таким преимуществом, как возможность контроля состояния поверхности по внутренним линиям. Основная проблема в сверхвысоковакуумных установках - углеводородные загрязнения, которые превращаются в углеродные пленки на поверхности под воздействем электронных и ионных пучков. Ясно, что в таком случае,