Фокусирующие системы на основе цилиндрических электродов для формирования пучков на входе в энерго-и масс-анализаторы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

УЛЬЯНОВА Нина Сергеевна

ФОКУСИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗШЕКТРОДОВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКОВ НА ВХОДЕ В ЭНЕРГО- И МАСС-АНАЛИЗАТОРЫ

(специальность 01,04.0^ - физическая электроника)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН.

Научный .руководитель - доктор физико-математичьских наук, старший научный сотрудник-консультант

С.Я.Явор.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, проф.

Б.А.Мамырин, кандидат физико-математических наук

Я.Г.Любчик.

Ведущая организация - Научно-исследовательский и технологический институт оптических материалов при Всесоюзном научном центре "Госу-. дарственный оптический институт им.С.И.Вавилова".

Защита состоится "Д?" (pzjjbOMJ 1992 г. в 4Ц часов lia заседании специализированного совета Д 003.23.01 в Физико-техническом институте иы.А.Ф.Иоффе РАН по адресу: I9402I,С.-Петербург,Политехническая ул.,26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ФТИ ЕМ.А.О.Иоффе РАЯ.

Ав?оре<|ераг разослан "¿0

/ •

Ученый секретарь специализированного совета Д 003.23.01 кандидат физико-математических наук

А.Л.Орбели

- У -

"" ' ' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время все шире используются фокусирующие системы для формирования пучков заряженных частиц на входе в энерго-и масс-акализаторы. Так, в исследованиях твердого тела широкое распространение получили методы фотоэлектронной и оже-спектроскопяи. Важной- составной часть® фотоэлектронных и оже-спектрометров является входная линзовая система, осуществляющая фокусировку и замедление узкого пучка заряженных частиц.

В целом ряде электронно- и ионно-оптических приборов назначение фокусирующей линзовой системы состоит не в том, чтобы сформировать электронно-оптическое изображение, а в том, чтобы сконцентрировать на детекторе максимально возможное число частиц, вылетающих из источника в широком диапозоне углов. Такая задача возникает, например, при исследовании поверхности вещества методом ВИМС, когда вылетающие с поверхности заря-' женные частицы требуется собрать в максимально большом угле, провести через тракт, включающий масс-спектрометр, и зареист-рировать детектором.

При работе с ионными пучками, которые все шире используются в науке и технике как для диагностики вещества, так и в технологических целях, возникает необходимость в исследовании и возможной коррекции хроматических аберраци" линз, поскольку в таких пучках, как правило, наблюдается большой энергетический разброс, колеблющийся от единиц до сотен электронвольт. Так, в новейших поколениях ионно-зондовых приборов хроматическая аберрация в значительной мере определяет размер зонда и тем самым качество самого прибора.

Широкое распространение в настоящее время получили различные типы времяпролетных гласс-спектрометров, которые могут использоваться как для прецизионных измерений касс-спектров,так и в различных технологических трактах. Вводу сравните ,ыю большой длипн дути, проходимого частицами в таких приборах, для умонычошш потерь необходимо осуществлять фокусировку пучка. Иослодно.о тробует исследования влчлн'ля использусмс". линпи

на временной разброс в пучке.

Цель диссертации.

В настоящее время широко используются фокусирующие системы на основе цилиндрических электродов, так как они просты в изготовлений и юстировке и обладают богатыми функциональными возможностями.

Целью диссертации является разработка и теоретическое исследование систем, образованных набором последовательно расположенных соосннх цилиндров одного диаметра, часть из которых может быть разрезана по образующим, что обеспечивает возможность создания наряду с осесимметричной квадрупольной составляющей поля.Задача исследования заключалась в оптимизации таких систем,' исходя из требований, предъявляемых к входным устройствам энерго- и масс-анализаторов. К рассмотренным*требованиям относится повышение пропускания для узких и широких входных щелей, обеспечение высокого пространственного разрешения .коррекция хроматической аберрации , а также повышение чувствительности времяпролетных масс-спектрометров без ухудшения их разрешающей способности.

Научная новизна.

Получено в аналитическом виде распределение поля во всем пространстве внутри линзы в случае наличия разрезанных вдоль образующих цилиндрических электродов при совместной подаче на электроды осесимметричных и квадрупольных потенциалов.

Исследована зависимость пропускания от геометрических и электрических параметров осесимметричной замедляющей линзовой системы. Показано, что определяющую роль играет расстояние от последнего зазора медду электродами до входн й щели.

Показано, что при работе замедляющих линз с большим увеличением для обеспечения высокого пространственного разрешения существуют ограничения на величину рабочего отрезка в трех-злектродной линзе, которые снимаются при использовании пяти- ' электродных линз с внутренним пересечением.

Получены формулы для коэффициентов полиномиального разложения по сэленям обратного увеличения пркосевой хроматической аберрации в линзах с дзукя плоскостями симметрии, не завися-

щие от положения предмета /изображения/. Рассчитаны коэффициенты хроматической аберрации осесимметричных иммерсионных и одиночных линз.

Показана возможность коррекции хроматической аберрации в одном направлении.в чисто электростатической осесимметрично-квадрупольной системе.

Показано, что использование осесимметричной линзы во вре-мяпролетннх масс-спектрометрах позволяет существенно /на порядок/ уменьшить относительный временной разброс'частиц в пучке, либо ощутимо /до трех раз/ увеличить угол захвата пучка при неизменном относительном временном разбросе.

Практическая значимость работы.

Исследованные и оптимизированные в диссертации фокусирующие системы могут быть использованы в качестве входных устройств энерго- и масс-анализаторов для повышения светосилы- и разрешающей способности последних. Так, например, использование линз со скорректированной хроматической аберрацией позволяет применять их для фокусировки пучков заряженных частиц с большим энергетическим разбросом. Использование исследованных линз во времяпролетных масс-спектрометрах позволяет повысить их чувствительность при неизменных размерах и разрешении или сохранить указанные параметры, значительно уменьшив продольные габариты.

Разработанный пакет программ для расче:а полей и электрон-' но-оптических свойств фокусирующих систем представляет интерес для практических расчетов разнообразных фокусирующих систем на цилиндрических и конических электродах. Так как в основе его лежит аналитический расчет поля, он позволяет быстрее и эффективнее по сравнению с численными методами и с высокой точностью определять основные параметры исследуемых систем и выявлять характерные тенденции поведения систем.

Два варианта рассчитанных линзовых систем использованы в качестве входных устройств фотоэлектронного спектрометра со сферическим детектором, разработанного в ФТИ им.А.&.Иоффо ЛИ СССР.

Основные защищаемые положения диссертации.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Разработка высокоэффективного пакета программ для быстрого и точного расчета полей и- электронно-оптических свойств электростатических систем на основе разрезанных цилиндрических электродов. Созданный пакет программ включает также программу расчета полей фокусирующих систем на основе конических электродов.

2. Теоретическое исследование трех- и четырехэлектродных осесимметричных линз, обеспечивающих высокое пропускание в режимах замедления и одиночных режимах.

3. Расчет шюгоэлектродных осесимметричных замедляющих линз, создающих высокое пространственное разрешение.

4. Исследование хроматической рберрации и возможности ее коррекции в системах с двумя плоскостями симметрии.

5. Изучение влияния осесимметричных линз на временные параметры широкого пучка ионов. Оптимизация соотношения между пропусканием системы и временным разбросом в пучке частиц.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались:

- на X Всесоюзном семинаре "Методы расчета ¿ЮС",Львов,1990;

- на УП Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, Звенигород, 1991 ;

- на семинарах лаборатории и отдела физики атомных столкновений ОТЛ км.А.Ф.Иоффе All СССР,Ленинград, 1988-1991 гг.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 работ, список которых приведен в конце автореферата.

* Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения ,4 глав и заключения. Ра- • бота содержит 173 страницы, в том числе ¿9 рисунков, 38 таблиц и список литературы, включающий 112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теш исследотайия, ее научная и практическая значимость, формулируется цель работы и приводятся основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации является обзором литературы. В ней рассмотрены основные предшествующие работы, посвященные исследованию линз, образованных цилиндрическими электродами, систем, позволяющих корректировать хроматическую аберрацию, а также работы, посвященные изучению влияния линз на временной разброс в пучке частиц.

Вторая глава содержит теоретическое исследование систем замедляющих осесимметричных линз с точки зрения повышения юс пропускания или обеспечения высокого пространственного разрешения анализатора для узких пучков..В ней представлен алгоритм расчета поля осесимметричных линз, образованных цилиндрическими или коническими электродами, основанный на аналитических выражениях для распределения поля внутри линзы. Например, для поля линзы, электроды которой представляют собой конус, разрезанный перпендикулярно оптической оси на /У частей, используется следующая Формула для распределения потенциала, полученная путем решения уравнения Лапласа с соответствующими гра-

ничными условиями:

Здесь Их - потенциал на -ом электроде, ^к -длина К -го электрода, 90 - полуугол раствора конуса. Для удобства расчета интегралы от бнстроосциллируищих функций преобразованы

в ряды при помощи теоремы о вычетах.

Так как рассматриваемые в этой главе линзы, как правило, являются сильными лигами с дликьнми средними электродами, теоретически показано, что хочя главные плоскости таких линз но

обязательно перекрещены, а фокусные расстояния могут быть отрицательными, тем не менее, для них справедлг зы обычные формулы геометрической оптики, связывающие координаты положения предмета и изображения и увеличение с кардинальными элементами линзы.

Далее в главе проведено исследование систем замедляющих осесимметричных линз на цилиндрических электродах с точки зрения повышения юс пропускания, ото необходимо для увеличения чувствительности фотоэлектронных и оже-спектрометров,чьими лред-фокусирующими системами рассматриваемые линзы являются.

Так как эти приборы работают с узкими пучками заряженных частиц, при решении задачи использовалась параксиальная теория и оценивались- аберрационные расширения.Пропускание лшз оценивалось произведением радиуса образца, частицы с которого попали на входную щель, на полуугол %о раствора пучка частиц, вылетающих из точки на оси в плоскости образца. Оно пропорционально величине

.4=7о/1М1,

где М - увеличение.линзы.

Были рассмотрены трех- и четырехэлектродные линзы при заданной общей длине системы /то есть расстоянии от образца до входной щели анализатора/ и заданном замедлении. Показано,что основное влияние на пропускание оказывает расстояние от последнего зазора между.электродами до изображения /с уменьшением ¿с пропускание возрастает, однако при этом растут потенциалы на средних электродах/. Увеличение общей длины системы г<ри том же 1К практически не влияет на пропускание. Переход от трехэлектродной к четырехэлектродной системе позволяет, ке теряя в пропускании,несколько варьировать увеличение.

4 Для локального анализа образца необходимо, чтобы фокусирующая система обеспечивала' высокое пространственное разрешение,, чего шно добиться путем создания изображения с большим увеличением.

Осйбенностяг.з: системы, рассмотренной нами, было, во-первых, требование сильного замедления на выходе из линзы, во-вто-

рых, необходимость совместить требования сильного, увеличения и существования рабочего отрезка определенной длины между источником и ближайшим зазором, необходимого для размещения аппаратуры или для защити от проникновения поля линзы на образец. Однако при использовании тр хэлектродных иммерсионных систем не для любого расстояния между источником и ближайшим зазором можно найти режимы с большим увеличением. Причина этому та,что, поскольку потенциалы на крайних электродах линзы имеют перепад, то,варьируя потенциал на среднем электроде, нельзя ослабить линзу до любой степени. Поэтому для достижения большого увеличения' нами была использована пятиэлектродная линза с внутренним пересечением траекторий. В работе рассмотрены преимущества этой линзы перед грехьлектродной, в частности, возможность получить более высокое пропускание.

Третья глава посвящена расчету хроматической аберрации осесимметричннх и наложенных ньадрупольно-осесимметричных линз, а также изучению возможности коррекции хроматической аберрации таких линз.

До последнего времени коэффициент приосевой хроматической аберрации С^р рассчитывался.заново для каждого положения предмета. В работе показана возможность представления С хр линз, обладающих двумя плоскостями симметрии, в виде полинома по степеням обратного увеличения, коэффициенты которого не зависят от положения предмета и полностью определяются полем линзы, подобно тому, как это приведено в монографиях П.Хокса и М.Силадьи для осесимметричннх линз. Показано, что вид полинома остается неизменным и приведены формух для коэффициент тов разложения.

Представлены результаты расчета коэффициентов хроматической аберрации для наиболее часто используемых осесимметричннх линз, образованных соосными цзливдрическита электродали одного радиуса: двухэлектродных иммерсионных и трегэлектродных одиночных линз с длиной среднего электрода, равной одному и двум радиусам линзы. Они даны в виде таблиц, подобно тому, как даны о коэффициентов сферический аберрации в справс- шгке Е. Хартинга и Ф.Рида.

Далее в главе изучается линза, состоящая из четырех цилиндрических электродов, два средних из них разрезаны по образующим на 4 равные части /рис./.

2R Г I Г" I

( I \г 1 t ;

Рис.

11а кавдий цилиндр подается свой о се симметричный потенциал

1L iJ, , Ц, 1/, ; на разрезанные пластины подаются также j . * ' j 0 +тг — т г

квадруполыше потенциалы - v^ и + VA . Иоле такой линзы имеет

осесимметричнуга и квадрупольную составляющие и было получено в аналитическом виде путем решения уравнения Лапласа с соответствующими граничными условиями. Первая гармоника квадруполь-ной составляющей поля фд (Z) /именно она необходима для расчета параксиальных свойств и аберрационных добавок/ является коэффициентом при члене (в разложении функции потенциала по степеням £С и у. и имеет следующий вид

Дли удобства расчета, так как подынтегральные функции являются бнстроосциллирующиш, интегралы прообразованы в ряд при помощи теоремы о вычетах

Далее била показана возможность коррекции в таких линзах приодетхрь^тиеокоП аберрации в собиратцей плоскости. До

- и -

сих пор была известна только одна чисто электростатическая линза, в которой может быть скорректирована хроматическая аберрация, - это трансаксиальная линза. Общее рассмотрение интегралов для коэффициентов хроматической аберрации показало, что наиболее вероятна коррекция в случае иммерсионной осесим--метрично-квадрупольной линзы, работающей в режиме ускорения. При этом, коррекцию можно ожидать только в одной плоскости, той, где линза сначала рассеивает, потом собирает /плоскость ДС/. Для параллельного пучка на входе в линзу были рассмотрена две постановки задачи:

1. Найти режимы, обеспечивающие коррекцию хроматической аберрации в одном направлении и сохраняющие неизменной оптическую силу линзы в этом же направлении и заданное ускорение на выходе.

2. Более широкая постановка - сохранялось только ускорение на выходе.

Показано, что в обоих случаях существует целый ряд режимов, обеспечивающих полную коррекцию пряосевого коэффициента хроматической аберрации в одной плоскости. Представлены режимы, обеспечивающие при этом наименьшее вытягивание пучка по другой оси.

Кроме этого, в главе показана возможность уменьшения хроматической аберрации в стигматичяых системах, образованных осесимметричныш и квадрупольными линзами.

В четвертой главе проведено исследование пространстве}«»« и временных характеристик широкого пучка моноэнергетическлх ионов одной массы, фокусируемого осесиг,-;етричной линзой,что вызвало необходимось расчета потенциала во всем пространстве внутри линзы. Расчет проводился на основе '.-равнений движения.

В работе рассматривались одиночные трехэлектродные .линзн, которые были расположеш! близко к источнику для захвата пупков с большими углами расходимости, а ; этектом находился сравнительно далеко для обеспечения высокого разрэлания. Был предпринят поиск оптимального режима работы линзы, позволявшего при заданном размере детектора собрать v.l. нем максяиальное число частиц.

На траектории частиц, движущихся вблизи электродов линзы, существенное влияние оказывают аберрации высших порядков. В том случае, когда в параксиальном приближении линза создает изображение источника на детекторе, частицы, вылетающие из источника под большими углами, пересекают ось за линзой ближе к ней, чем расположена плоскость детектора. Начиная с некоторого угла на входе в' линзу^ в этой плоскости образуется пятно, размера которого превышают заданные размеры детектора. Ясно,, что потенциал на среднем алектроде необходимо ослаблять, начиная с величины, при которой в плоскости детектора формируется правильное оптическое изображение, до величины, яри которой наиболее отклоняющаяся из приосевых, траекторий достигнет края детектора. Рассмотрим далее траектории, угол входа которых больше, чем у траектории, имеющей максимальное отклонение от оси в плоскости детектора. По мере увеличения угла входа эти траектории приближаются к центру детектора, затем пересекают ось и начинают удаляться от него. Вычислив траекторию, попадающую в противоположный край детектора, можно найти максимальный входной угол частиц. Расчеты показали, что введение линзы дает возможность увеличить угол захвата пучка более,чем на порядок.

Далее в главе рассмотрен вопрос, какое влияние оказывает линза на относительный разброс во времени пролета пучка моно-ьнергетических частиц одной массы. Показано, что использование "линзы позволяет понизить относительный временной разброс в пучке при неизменном токопрохождении на порядок. Отметим, что сразу за линзой относительный временной разброс пучка даже несколько увеличивается,однако, так как далее траектории частиц становятся более пологими, чем в отсутствие линзы, относительный временной разброс уменьшается. Также показано, что мсжно в 3 раза увеличить угол захвата пучка при неизменном временном разбросе. Дополнительное повышение токопрохоздения происходит при увеличении временного разброса в пучке.

При этом показано, что для оптимального проведения через линзу пучка п попууглом раствора Л , потенциал на среднем :)пргтрчц^ мпттрп бить т.чким, чтобы крайняя траектория пучка

выходила из действия шля линзы параллельно оси Я, .

Было также ксследовано изменение токопрохоздения И' времен-1шх характеристик при сдвиге точки источиика относительно оптической оси.

Отметим в завершение, что анализ и оптимизация всех рассмотренных в работе систем потребовали проведения большого объема расчетов высокой точности, что оказалось осуществимо благодаря использованию аналитических выражений для распределения поля в линзах. Они позволяют за несколько секунд рассчитать распределение поля и характерные траектории частиц, получить интересующие нас величины / первого порядка и аберрационные добавки/ и за короткое время просчитать множество вариантов параметров и пройти широкое поле оптимизации.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты:

1. Создан набор программ, позволяющих на основе аналитических выражений /как известных ранее, так и выведенных в диссертации/ быстро и с высокой точностью рассчитать распределение • поля во всем просгран^ве внутри линзы, состоящей из разрезанных цилиндрических электродов , на которые поданы как осе-си"метричше, так и квадрупольные потенциалы. Программы позволяют рассчитывать траектории частиц в параксиальном приблине-нии, хроматическую и сферическую аберрации, а также производить точный расчет координат частиц в зависимости от времени.

2. Исследована возможность повышения пропускания в трех- и четырехэлектродных осесимметрачных линзах, как работающих в режиме замедления, так и одиночных. В первом лучае проведена их оптимизация по геометрия и подаваемым потенциалам при за-' данной общей длине системы и заданном замедлении для узких приемных щелей. Во втором - оптимизировался режим работы для детекторов большого размера, расположенных на значительном расстоянии от линзы.

3. Рассмотрены замедляющие осесшметричнне лян. ы, работающие в режиме больного увеличения для обеспечения высокого пространственного разрешения. Исследована допустимая длин?, рабочего отрезка в системах без внутреннего пересечения и при его

наличии. Показано, что в последнем случае ограничения на длику рабочего отрезка отсутствуют.

4. Коэффициенты хроматической аберрации линз с двумя плоскостями симметрии представлены в ввде полиномов по степеням обратного увеличения. Получены выражения для коэффициентов этого полинома, не зависящие от положения предмета и определяемые только возбуждением линз.

Проведены подробные расчеты хроматической аберрации двух-электроднкх иммерсионных и трехэлехтродннх одиночных осесиммет-■ричных линз в широком диапазоне изменения потенциалов на электродах, данные приведены в'виде таблиц,

5. Показана возможность полной коррекции в одном направлении хроматической аберрации в чисто электростатических осесим-метрично-квадрупольных системах.

Исследовано уменьшение хроматической аберрации в таких системах, создающих стигматичное изображение.

6. Проведен расчет изменения временных параметров широких монохроматических пучков ионов, вносимого одиночной осесимме-тричной линзой. Показано, что при детекторе, расположенном на большом расстоянии, такая линза может существенно /на порядок/ уменьшить относительный временной разброс частиц в пучке, либо ощутимо /до трех раз/ увеличить угол захвата пука при неизменном временном разбросе.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Баранова il,А., Ульянова U.C., Явор С.Я. Хроматическая аберрация электростатических ооосиимвтркчных линз, образованных круговнми цилиндрами, - ЬТФ, 1989,т.59, И.2, с.68-72.

2. Воронова Л.А,, Ульянова U.C.-, Явор С.Я. Исследование прост-ранствошшх и временных характеристик пучка заряженных частиц, фокусируемого елоктростатической ососимметричной лин-ао». - 1991, т.И, с. 144-148.

3. I^panonn Л.А,,Ульяnom U.C., Ятор С.Н, Коррекция хромати-чеопоЯ аЛоррчцин п системах мч электростатических линз, со-дн)ШШ',их vimpyiiomt. - Ы'Ф, 1УУ1, т.61, Я7,

Л, Баранова ,Ч.А. .Упкучспн й.а),, Ульянова U.C., Явор С.Н. 1!сслс-

дование и оптимизация предфокусиру»щих систем электронных спектрометров для локального анализа твердого тела. - Тезисы УП Всесоюзного симпозиума по растровой микроскопии и аналитическим-методам исследования твердых тел. Звенигород, 1991, с.34 .

5. Баранова Л.А., Ульянова Н.С., Явор С-.Я. Применение электростатической осесимметричной линзы во времяпролетных масс-спектрометрах. - Тезисы X Всесоюзного семинара "Методы расчета &0С", Львов , 1990 г., с.34.

РТП ЛИЯО.зак.22,тир.100,уч.-изд.л.0,7;4/1-1992г. Бесплатно