Монохроматизация и энергоанализ потоков заряженных частиц в электростатических конических потенциалах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет

на правах рукописи

ГАБДУЛЛИН Павел Гарифович

МОНОХРОМАТИЗАЦИЯ И ЭНЕРГОАНАЛИЗ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ КОНИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛАХ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

( 01.04.04 - физическая электроника)

Научный руководитель

доктор физико-математических наук,

профессор В.В. Кораблев

Санкт-Петер бург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ. 9

1.1. Обзор литературы. Постановка задач. 9

1.2. Используемая система единиц. 15 ГЛАВА 2. КОНИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ. 19

2.1. Иерархия полевых структур на основе

представления Донкина. 19

2.2. Задача Коши для симметричных конических полей. 38

2.3. Выводы. 40 ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ДВИЖЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

В КОНИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛАХ:: :;44

3.1. Расчетные характеристики конического потенциала параболического сечения. 44

3.1.1. Точечный источник. 47

3.1.2. Источник конечных размеров. 52

3.1.3. О технологии создания электродной конфигурации. 54

3.2. Движение частиц в поле двугранного угла. 56

3.3. Движение частиц в поле кругового конуса. 64

3.4. Заключение. 67 ГЛАВА 4. ВЫБОР ПОЛЕВОЙ СТРУКТУРЫ, СОЗДАНИЕ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОНОХРОМАТОРА ЛЕНТОЧНЫХ ПОТОКОВ

ЭЛЕКТРОНОВ НА ЕЕ ОСНОВЕ. 71

4.1. Выбор полевой структуры. 71

4.2. Многокаскадные системы. 72

4.3. Выбор электронно-оптической схемы монохроматора

и его расчетные характеристики. 74

4.4. Особенности конструкции монохроматора. 79

4.5. Описание экспериментальной установки. 83

4.6. Характеристики двухкаскадного монохроматора

и электронного спектрометра на его основе. 89

4.7. Выводы. 94 ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 95 ЛИТЕРАТУРА. 98 ПРИЛОЖЕНИЕ. 105

Введение.

Развитие современной физики поверхности и границ раздела предъявляет все более жесткие требования к методам и аппаратуре для исследования процессов, протекающих на поверхности и приповерхностных областях твердого тела. Знание этих процессов в значительной мере определяет развитие технологий микроэлектроники, получение принципиально новых структур с заданными параметрами, а также различных покрытий, определяющих эксплуатационные свойства поверхностей различных деталей и устройств.

Широко применяемыми для этих целей методами являются методы электронной спектроскопии. С их помощью можно получать разнообразнейшую информацию, например, об элементном составе поверхности и химическом состоянии атомов на ней (электронная оже спектроскопия - ЭОС); об адсорбированных на поверхности атомах и молекулах: местах адсорбции, энергии и природе адсорбата (спектроскопия потерь энергии электронов высокого разрешения -СПЭЭВР); о поверхностных электронных состояниях границы раздела "твердое тело - вакуум" (методы резонансного рассеяния электронов).

Все эти методы постоянно требуют усовершенствования главнейших составляющих электронных спектрометров монохроматоров и энергоанализаторов. Так, например, для исследования быстропротекающих процессов на поверхности твердого тела в случае адсорбции или десорбции примесей, помимо высокого энергетического разрешения (в единицы мэВ) требуется и высокая интенсивность зондирующего электронного пучка (для достижения необходимого временного разрешения). В традиционно используемых

современных монохроматорах потоков заряженных частиц существует принципиальное ограничение максимально достижимого значения интенсивности зондирующего монохроматизированного потока при фиксированной абсолютной величине разрешения по энергии (в частности, из-за влияния на электронный поток сил расталкивания пространственного заряда в пучке). Получение необходимого разрешения по энергии АЕ требует уменьшения размеров диафрагм прибора и, соответственно, уменьшения пропускаемого тока. Так, при разрешении современных монохроматоров АЕ = 10 мэВ, значение максимальной интенсивности 1ш не превышает 10"9 А.

Решение этой проблемы возможно, например, если создать систему, которая бы наряду с разделением вводимого в нее потока заряженных частиц на монокинетичные составляющие, сжимала бы каждую составляющую по одному либо двум направлениям в плоскости сечения. Тем самым мы сможем вводить в систему сквозь широкую входную диафрагму заведомо более интенсивный поток, фокусируя на узкой выходной диафрагме монохроматизированный пучок с большей интенсивностью, по сравнению с системами традиционной геометрии.

Как оказалось, решение такой задачи возможно в "конических" полевых структурах, потенциал которых зависит от отношения координат (х/г; у/г; ...). Более того, весь класс подобных структур можно свести к простому аналитическому выражению, основанному на общем решении уравнения Лапласа - формуле Донкина - и получаемого на основе функций комплексного переменного.

Целью настоящей работы является выявление класса "конических" полевых структур, нахождение и создание на их основе новых систем монохроматизации и энергоанализа, обладающих рядом особенностей,

привлекательных для практического применения, и экспериментальное подтверждение расчетных характеристик простейших приборов подобного типа.

Научная новизна и практическая ценность работы.

1. На основе комплексного представления Донкина положено начало систематическому исследованию класса "конических" полевых структур. Разработана методика синтеза такого рода полей исходя из простого аналитического описания, который сводится к аппарату функций комплексного переменного.

2. Решена задача Коши для потенциалов "конического" типа с плоскостью симметрии. Показана возможность синтеза "конусовидных" полей в аналитическом виде, основываясь на задаваемом априори поведении потенциала в плоскости симметрии, что может применяться при решении "обратных" задач электронной оптики.

3. На основе фокусирующих и дисперсионных свойств трехмерного конического электростатического поля с параболическим профилем сечения и плоскостью симметрии получены расчетные характеристики монохроматора и компрессора широких (в плоскости сечения) потоков заряженных частиц. В такого типа монохроматорах можно превысить предельное значение интенсивности выходного пучка при заданной степени монохроматичности по сравнению с существующими на сегодняшний день аналогами.

-74. Впервые рассчитан, спроектирован и изготовлен двухкаскадный монохроматор потоков электронов, созданный на основе двумерного электростатического поля, образуемого в пространстве между плоскими полезадающими пластинами, смыкающимися на общей оси (поля "двугранного угла").

5. Спроектирован и изготовлен макет электронного спектрометра, одним из основных элементов которого является двухкаскадный "двугранный" монохроматор потоков электронов.

6. Экспериментально проверены и подтверждены основные электронно-оптические характеристики двухкаскадного монохроматора. Получено разрешение по энергии не хуже 0.35 %, при базовом размере прибора в 150 мм и ширине входной диафрагмы в 6.4 мм, что в несколько раз превосходит энергетическое разрешение систем традиционной геометрии при равных габаритах устройств, которое для последних не превысило бы 3 %. Такого рода приборы могут найти применение, например, в спектроскопии характеристических потерь электронов, спектроскопии спин поляризованных электронов, спектроскопии упругого отражения электронов и других методах исследования поверхности твердого тела.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Введена новая иерархическая классификация "конусовидных" полевых структур на основе комплексного представления Донкина.

2. Для электростатических "конических" полей, имеющих плоскость симметрии, в общем виде аналитически решена задача Коши.

-83. На основе конусоподобной полевой структуры параболического вида построена теория монохроматора широких потоков заряженных частиц.

4. Разработан двухкаскадный монохроматор ленточных потоков электронов на базе полевой структуры двугранного угла и экспериментально подтверждены его основные электронно-оптические характеристики.

Глава 1. Общие вопросы.

1.1 Обзор литературы. Постановка задач.

Для описания существующих на сегодняшний день проблем создания и совершенствования электростатических спектрометров заряженных частиц можно ограничится рассмотрением лишь принципиальных работ, посвященных основным элементам спектрометра - энергоанализаторам и монохроматорам.

Электростатические анализаторы можно разделить на две категории: дисперсионные и с задерживающим полем. Монохроматоры практически идентичны по конструкции анализаторам дисперсионного типа. В литературе имеется целый ряд работ, объединяющих расчет конструкций и основные характеристики анализаторов обоих типов [1-7]. Необходимо отметить опубликование монографии П. Хокса и Э. Каспера [8,9], включающую в себя описание практически всей области электронной оптики. В монографию вошли теоретические достижения за последние десятилетия, связанные с развитием вычислительной техники, описаны принципиальные основы теории электронной оптики, приведен математический аппарат и рассмотрены конкретные электронно-оптические схемы.

Из энергоанализаторов задерживающего типа наиболее

распространенным и удобным считается квазисферический конденсатор Лукирского [10]. Используются различные модификации данного анализатора, с разным количеством промежуточных электродов (сеток), но все имеют общие проблемы: сложность геометрии и взаимной юстировки сеток, провисание полей сквозь их ячейки, выбивание

третичных электронов из сеток, необходимость модуляции регистрируемого сигнала для дифференцирования кривой задержки тока вторичных электронов [11]. Все это приводит в конечном итоге к ухудшению энергетического разрешения прибора.

Системы дисперсионного типа получили большее распространение в современных электростатических спектрометрах.

Анализаторы и монохроматоры дисперсионного типа можно разделить на зеркала и дефлекторы, в зависимости от того, пересекает или не пересекает осевая траектория частиц эквипотенциали поля и полезадающие электроды.

Стоит заметить, что отношение кинетической энергии заряженных частиц Е0 к характерной для конкретного прибора потенциальной энергии |е ио| - где ио - разность потенциалов полезадающих электродов, существенно различается в случае зеркал и дефлекторов. Так для зеркал:

Можно утверждать, что дефлекторы выгоднее применять для анализа высокоэнергетичных частиц, а зеркала - низкоэнергетичных. При том, что их линейная дисперсия по энергии, приведенная к единичному размеру - Б/Ь, где Ь - характерный масштаб прибора, лежит в диапазоне 0.6 - 1.4 как для зеркал, так и для дефлекторов.

Основными представителями анализаторов дефлекторного типа являются сферический дефлектор [12] и дефлектор тороидального типа

/ \

(1.1)

В то время как для дефлекторов:

/ л

р

10< —^ <102

(1.2)

Из зеркальных анализаторов наиболее простым и хорошо изученным является анализатор с плоскими полезадающими электродами - плоский конденсатор (ПК), предложенный Харроуэром [13]. Дальнейшее изучение свойств и практическое применение ПК можно проследить, например, в работах Г.А.Прока, и Т.С.Грина [14,15].

После опубликования работ В.В.Зашквары [16] и Н.2.8аг-Е1 [17] не меньшее распространение и известность получил анализатор, состоящий из двух коаксиальных цилиндров - цилиндрическое зеркало (ЦЗ). Возможность осуществления различных видов фокусировки ("ось-ось", "кольцо-кольцо", "ось-кольцо", "кольцо-ось"), существование меридиональной фокусировки второго порядка, возможность использования многокаскадных систем на основе ЦЗ [18-21], делают данный анализатор довольно привлекательным для использования в различных видах электронной спектроскопии [22-25].

Повышенной светосилой и идеальной фокусировкой по углу известен анализатор, образованный двумя концентрическими сферическими электродами - сферическое зеркало (СЗ). Первые варианты использования СЗ были предложены р работах [26,27]. Более подробные описания различных режимов работы анализатора можно найти в обзорных статьях [28-30], в которых рассмотрена также возможность совмещения сферического и цилиндрического зеркал.

Как уже было отмечено ранее, монохроматоры потоков заряженных частиц если не идентичны, то очень близки по конструкции энергоанализаторам дисперсионного типа. Применение монохроматоров необходимо в методах электронной спектроскопии, требующих разрешения по энергии, меньшего энергетического разброса

зондирующего излучения, сформированного первичным источником (менее 200 мэВ) [5,6].

Известны монохроматоры, в качестве которых выбран 127° цилиндрический дефлектор [31,32], либо точная копия дефлекторного полусферического анализатора [33]. В более поздних работах все больше внимания стало уделяться цилиндрическим дефлекторам [34-36]. Это связано с тем, что являясь двумерной системой, ЦД может обладать большой светимостью за счет увеличения размеров источника в направлении оси цилиндров, а также он менее чувствителен к влиянию внешних магнитных полей при малых энергиях настройки, чем СД.

Таким образом можно сказать, что традиционно используемые системы монохроматизации и энергоанализа потоков заряженных частиц сводятся к приборам довольно простой геометрической конфигурации -плоскости, цилиндру, сфере. Тем не менее заметен интерес исследователей, обращенный в сторону систем "конического" типа.

Так, например, большое внимание уделено электростатическим полям "конического" потенциала в системах энергоанализа и масс-спектрокопии [37]. В этой работе приведена теория описания потенциалов различных призменных систем, изучены основные параметры и обсуждена возможность использования их в электронной спектроскопии в качестве масс-анализаторов. Подобного вида "конусовидные" поля применены в теории создания линз [38], где описаны разрезные круговые клинчатые линзы. Основные эдектронно-оптические характеристики полевой структуры, получаемой между соосными круговыми конусами с обшей вершиной представлены в работе [39].

Довольно подробно описаны характеристики поля круговых конусов при фокусировке второго порядка в меридиональной плоскости [40]. Описана система, основанная на поле "двугранного угла" [41], которое можно получить между двумя плоскими эквипотенциальными поверхностями, сходящимися на обшей оси.

В силу особенности движения заряженных частиц в такого рода полях возможны два специфических варианта использования создаваемых на их основе энергоанализирующих устройств принципиально отличных от традиционных приборов. В первом случае происходит изменение величины углового разброса потока частиц на входе и выходе из прибора. Используя значительно больший (в несколько раз) начальный угловой разброс частиц по отношению к выходному можно добиться повышения светосилы создаваемого прибора по сравнению с аналогами простой геометрии при прочих равных параметрах (размерах, энергии настройки, дисперсии). Во втором варианте при использовании параллельных широких потоков заряженных частиц на входе прибора, при прохождении их через дисперсионную систему не нарушается параллельность, но происходит геометрическая деформация их ширины в плоскости движения. Так возможен вариант работы, когда широкий входной поток частиц превращается в узкий выходной, что может быть применено в теории создания монохроматоров для получения монохроматизированного потока заряженных частиц заведомо большей интенсивности (в 3 - 4 раза) по сравнению с существующими на данный момент аналогами.

В ряду ярких представителей полей "конической" структуры, таких как поле кругового конуса и поле двугранного угла, находятся

также получаемые при решении задачи динамики заряженных частиц в осесимметричном лаплассовом потенциале, допускающим полное разделение переменных в цилиндрических координатах, структуры, описанные в работе [42] и названные авторами "квазиконическими". Благодаря такой постановке задачи аналитически разрешены уравнения движения и получены фокусирующие и дисперсионные характеристики для целого класса "квазиконических" потенциалов, выражденным случаем которых является цилиндрическое зеркало. В работе [43] приведены параметры одно и двух каскадных вариантов энергоанализаторов "квазиконической" структуры, разрешение для которых может быть лучше чем 0.05 %. На базе двухкаскадного прибора создан электронный спектрометр высокого разрешения повышенной светосилы.

Но каждый из перечисленных выше случаев являются лишь частным решением гораздо более широкого класса полей "конического" типа, связанных воедино аналитическим представлением функции комплексного переменного, получаемого с помощью формулы Донкина [44,45]:

ф(х;у;2)=