Способ анализа поверхности методом спектроскопии обратно рассеянных ионов низких энергий

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУВЛИН

„„SU„,, 1205208 д>>g Н Ql Г 4>/26

> (ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 -»,г, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНЯТИЙ (21) 3583942/24-21 (22) 25,04,83 (46) 15,01.86. Был, М - 2 (72) Е,А.Амелина, А.А.Аристархова, С.С.Волков и Б.Т.Гутенко (53) 621,384.6(088.8) (56) Патент СИА У 3665182, кл. Н 01 Т 47/00, 1976, Вго?.еппла Н.Н, etc. — Nucl. i nstc.

and Meth. 149, 1978, р. 569-575. (54)(57) СПОСОБ АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТИ

МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ ОБРАТНО РАССЕЯННЫХ ИОНОВ НИЗКИХ ЭНЕРГИЙ, заключающийся в облучении поверхности исследуемого тела пучком ионов, получаемых в ионной пушке с фильтром

Вина, и регистрации энергетического ( спектра рассеянных ионов при развертке сепарирующего напряжения, о т л ич а ?з шийся "ем, что, с пель|о попы:ион?1я скорое > и проведения ана. иза и nocтоверт ости г-.олучаемой информации, об. учение говсрхвости исследуемо. о -.ела осущест? ляют импульсc, п; ток а na зличных ионов „1? тельнос тi> lo в течение oдной развертки ceïapup з щего напряжения дли-.е:ii nocть|з причем облучение поверхности различными ??онами обеспечивак т ступеи>iaтой разверткой отклоня.ощего напряжения в фильтре Бина, при з-,о>м длите.п.— ..асть развертки сепарирутшего ?апряжения выбиоа .т:ia соотно?.ения где n — количество з.,-,емснтов различньГ\ ионов ионизир см ?х в ?>с?-ной пуш ке о.п .он реме?п.о, (( (Г с» С

СОБ 1, сщ(»

Иэ обре тени(э с т"-.с с и гс.>) (! (c б

ОПРЕДЕЛЕНИЯ .OP TH ЯТЭ>".0)! ХЬ«(1 с!:

ЭЛЕМЕНТОБ > НЯХОДЯЩИХ r! Hc> 1 ОБЕ()Х" ности твердг х те«-.. и:.= толом =-;.::е(; т >r

СKОПИИ О ОРЯT)! (1 Рд ..C.—: 11! НbLc = 01- () (8

KHõ энерги): i,:(1Рь111З, и ноже г 6(,") )

ИСПОЛЬ «OHa«(0 Б ПО.))У«."Р .ЭБОДНИКОБ««"-" техник е э))ис сио«iHOй э;:-:ек тр;н)-Г,:= .

МЕТЯЛЛОБЕДс НИH, ЯДЕ Г h0É «ЯИЭ > С

1>ел«> ив г)(э > (те ни я пон;(«1 >-11«.- рос ти проведения яня:! =(Яа:-; «ос -.ОБ>;= )I

H o c т, 1 и О л Уч c) е и О Й I i «I!>)!. Р 1»1 а ." HH c 110 с 0 б д-. ана>«и за. 1101 ерхности ..е топо::.- сие)-. т: Г

К ИХ Э НЕ Р! Ий:> Я C" С Т:)Е Г ИС ("Эд 11H.-

ИО Н 0 В «Э с> 3 Л ИЧ «1 )>_#_ Э я e ":: E:1 7 О Б 0 Л,(() (ЕМЬЖ. «1 1.10Н) !0): с)С "О- H "1.:„ - 0, (HO«0(М

11я ())иг, 1 Гоказяня — кемi> cïе" т, метра,. реализующего -(àê. -«ый поссб.

НЯ (>ИГ -, 2 " И("МЕНЕ НИЯ .-)Я«((Э«)ЭКЕН:=::«. (l;.

Выходе источ.".:Нкя ступен Iят=: 1-я .э:»мс)l:;(( щегося нагря>.:, ния 11„,(.. полк.яо-:=- с

К КЯ.ОДУ И ЯIIОДУ Ионной ПУШK!:

«I2 ВЬГХО11Е (C ТOЧНИКс> С Т) C HЧ 1 0 .)Э меняющегося ндпряэке««ия ((> подклю: =

НОГО К (»Ип>Ь Т»/ > (Нд,,1 1 !>д БЬ)ХО Э:. источника развертывающего напр -(ж"=: ..

ЯНЯЛИЭЯТОРс. (Б 1 „

ГУТЬ МЕ t Ojj;> iЭЯК г IС» "=,ÅТСЯ Б О >Л() чении иссл)ед))>смой поверхнос .:-1::10«с(— к ине>»)я т««че с к им« 1 ио«> ях и ."1 сll ред э,!. =1

НИИ ЭНЕРГИЯ РЯССЕЯННЬХ HCJIC» > ЗС терявших чяс -.ь энергии ttpf(стoлк

ВЕНИИ С атОМаМИ ГОБЕРХНСС-,:-,, c>Е,-:-> (ня ГОтерь энерГ ни э яе иси 1 с т и - . сатома, Г кото рьян) стялкивде тr, » —, чем больше масса Ятома, те) .:.":.: .!!: потери энергии, По модели, пругог. соударения тн ердых )паров 1 р(-; нэ

Бестных значениях ма(Ось) 11(,, ( г HH Е„парни.)ньгх )но>- ;.>H . >н р;-- .:

> ряссеяннь«х Менов ь. 1 и угла O=c

НИЯ @ МОЖНO =.ЫЧИСЛИТ)- = 1ЯЯС:" :. Т(ш,„ня котOром п)эоисход=>ние иона, пс форму«ге

Зная массу атома иэ таблиць.

Д.И.Менделеева, .можно определить сорт атомов, находящихЕя нa иHcсле = дуемой поверхности, Спектрометр включает ионную пуьтку ll объектодержатель 2 с иссле= дуемым объектам Э, энергетяческий

l Э ((О(1:,1)Я- - - (..Oli>!f-:-,, 0;: > ИОН V()I!c " ) CI " ":. " i! Ь - "" 1дR TiP (l (>> 1 1«! Тор > 1(") — 11 «>, т1я«, (1 :.ЕК: Р(Э««Ы ..)Г! С. с Е i >)F :(c>Ê ct.)>ЕННЫМ КЯ

) 0Ð0f"- 3 .к -1>.:: ЯтоРЯ /;-; ) скОРЯемь)е ;: « (ри tp! Ки«(1)сг.ем сетча-ого яноцд - и(эн -Iэд)тора /, соверш«)10т колебаI".!) =. ) 1:.>. 1« К>щяа )ЭЯ (О . (ЧЕ) 1 1 с>, 1205208 электрическим и магнитным полями и бесполевое пролетное пространство.

Ионы разного сорта, двигаясь по оси., в зависимости от их массы и заряда, испытывают различное воздействие сил электрического F u магнитного ", полей, направленных 45 в противоположные стороны. Если — то ион движется прямо по оси в выходное отверстие фильтра 11 без каких-либо отклонений. При неравенстве этих сил иОны ОтклОнЯютсЯ В сто 50 рону либо электрическим, либо магнитным полем. В .пролетном пространстве ионы разного сорта разлетаются дальше от оси, улучшая тем самым степень фильтрации по массам. Для формирования пучка ионов того или иного сорта нужно изменять силу маг нитного илк электрического полей.

40 за, имеющиеся в ионизаторе 7, Ускоряющая и фокусирующая система 10 вытягивает ионы из ионизатора 7 и формирует ионный пучок, в катаром содержатся ионы составляющих рабочего 5 газа !гелия, неона, аргона, ксенонакриптона1, а также ионы составляющих газов остаточной атмосферы вакуумной камеры, Пучок ионов поступает в фильтр Бина 11, в котором из многообразия ионов пучка выделяются однократно заряженные ионы одного сорта и направляются в выходное отверстие фильтра 11, а далее последовательно в фок5 сирующую систему 1 2, отклоняющую сис- 15 тему 3 и на поверхность исследуемого объекта 3, расположенного на объектодержателе 2. Рассеянные атомами поверхности ионы попадают в ана лизатор 4, в котором путем измене- 20 ния напряжения на электродах с помощью источника 20 на коллектор 5 последовательно пропускаются ионы разных энергий, т.е, производится анализ рассеянных ионов по энергиям, Сигнал 25 с коллектора 5 усиливается и преобразуется с помощью усилителя-преобразователя 21 в постоянный ток, величина которого пропорциональна количеству рассеянных ионов, поступающих 30 на коллектор 5, Таким образом, получается энергетический спектр обратно рассеянных ионов, который регистрируется записывающим устройством 22, Изменение сорта первичных ионов производится с помощью фильтра Вина 1! в котором имеются участок со скрещенными

В фильтре Вина !! Удобно изменять электрическое поле изме .ением напряжения на электродах, что по 3 валяет использовать постоянный магнит для создания магнитного поля, Величина напряженкя,р на электродах фильтра Вина, обеспечивающая прохождение через фильтр ионов с массой г.@, определяется из условия равенства электрического и магнитного полей по формуле (2) где  — магнитная индукция; а — расстояние между элеKтродами фильтра;

Е„ — энергия ионов с массой ги„.

Так как энергия ноно-: определяется ускоряющим напряжением Г„ ионной пушки, а величины и и В постоянные, то Uy определяется из равенства !! = С,Г1 /,. (3) где С вЂ” постоянная для данной конструкции, Для того, чтобы награвлять на по верхность исследуемого объекта поочередно пучки ионов разного сорта (-. е, Ne, A - и т.д.1, необходи+ + мо с помощью источника 9 изменять величину И,р ступенчато согласно формуле (3 1 и как показано на фиг, 2б, а также с учетом величин масс ионов и ускоряющее напряжение U пушки, чтобы обеспечить про. хождение через фильтр ионов одного сорта, при изменениях ускоряющего напряжения, на управляющий вход источника 19 поступает выходное напряжение из источника 17, изменяющее 0,! с помощью делителя в источнике !9 согласно формуле (3). В простейшем случае на управляющий вход источника 19 подается ускоряющее напряжение Ц .

Для удобства анализа велкчина тока ионного пучка При изменении сорта исжов должна оставаться неизменной или изменяться на заданную величину, Это обеспечивается подбором процентного содержания отдельных составляющих в смеси рабочих газов, находящихся в емкости !4, и выбором величкны напряжения анода 9 ионизатора 7, обеспечивающего максимальную генерацию однократно заряженных ионов требуемого сарта и определяемого по мак)1

О()аким образо)., О о1() е:. т -(-(HMУМУ ТОКа Ионного i!) !Ка «а емый объект 3., Известно, ч то з(1;аек .,".)-зная иони -: ция атомов га= а про;.с>:Одит пс.. -.+--.; виях электронов Е,. ь 3-=5 ра

ХогЯЩИХ ПС),: P. -:;i - аЛ ВЛЕК твоя- О:.": O."; .— почки.

При напряжении UQ:,; и =:. -,,." ="to,).о;< катодом и ис яизато))а !,. (скзв))) щего Электрона) в ионизатоое дав:.;з-„

;ц)и большем п=.pBb;õ -отекциал()я зации атомов )янев)ньв(..:азов разуются Б Ос))ов Gi) Однократно: в Оя ,ЕЕННЫЕ ИОНЫ, I I PIil ЯВЕ,Я",)Чав; и (, Я -В.,;,. зации не з«в :сит О т кол=,)в U=и,)ны напр яже -;))R (j ))с з *) Ом -..= .=:r

НИЯ U,, ДЛЯ вЂ” аЗ,ПИ-сНО-ГО =OO ". -: . ЯС;

ПОдбИОЛЮТС я в та бпла) (Е и (:-, р —,;.—.- -т =, -.

ЮТСЯ ПРИ ЗЖ ЕЯЕ ЕМКОСТ I С т3-:.-— зом = coIëàc:)o требования);

Напряженке, ;:ерзключае со:= .--(. з но с напоя)-:<ен-=,ем:");сто п)).п(= . 5

1фиг. а ), Ступе ;,- )aòo .,-)Вь-:е-.=-нч:::. пряжения в ис то I)-) (;- 1„"- пэ:.;: ii;=-ip (.-t;t

Ч ЕНИН t OP —:. - )о )-О)) тГ-. - - -З иг; можно производи ) ь ра зличн).g ;. ми ..Реле 2з времеHI навез О== м ежу тки в ос т„p т и т,:.,),)я, ВКОды источнкко-" В !i I t ца 22„а " и=- риодич )О::тью,. = с. где à — кол t еoтво —; а--боч)О," - а з, импульсы „-) а и — - ре )()))()ч е н и а

20, ПрОстеишим вариантОм J. )1 :=-):.1! .:.:

НаПРЯжЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ) ется изменение козффициента транс-формации питающих трансформаторов в

ЭТИХ ИС ТОЧНИКЯХ ПУТЕЫ ПЕ РЕК гЕОт(ЕН)за вьпзодов вторичной обмотки трансфо —.;=матора с помощью реле либо из:)ене= нием сравниваемого напряжечия,. Так. г.) - путем производится автоматическая настройка фильтра Вина 11 ча пропус кание требуемого сорта ионов, Одн:—.;-t.:о-: t ОстRяя - . г: t  —.еч >-,, .-,е

О вi iR)it R.:)П1 (T_#_ !"..é 2 -)а в ля . ":::н ) х — )а, (-,.p- . . )(ея -„,);:,:(, . );); ) г

) )1 времен )о переключаются каналы самописца 22 так, чтобы величина тока рассеянных ионов определенного сорта записывалась в отдельный канал., )а многоканальном самописце 22 получается 5 точек, По окончании переключения всех пяти газов напряжет)ие и» анализаторе 4 изменяется и вся операция по переключению сорта ионов повторяется снова. Таким образом, изменяя ступенчато напряжение на анализаторе 4, на самописце 22 получают последовательные совокут)ности точек для пяти сортов перви )ных ионов, являющихся спектрами рассеян-ных ионов по энергиям, В качестве источника 20 напря>кения развертки

àHàëèзатора 4 вместо Elсточника ступенчатого напряжения можно использовать источник линейно изменяющегося напряжения. В таком варианте существенных различий в спектрах не будет: только точки в спектрах будут сдвинуты друг относительно друга по шкале энергий на величину прироста развертывающего напряжения анализатора 4 за время действия одного сорта ионов, Дискретг))т)й точечный характер спектров не ухудшает разрешение по энергиям, гак как величину ступеньки развертывающегo напряжения анализатора можно выбрать гораздо меньше ширины пиков в спектре. Например, при ширине пика на полувысоте 20-50 эВ, при энергии первичных ионов 3 кэВ можно принять величину ступеньки с учетом коэффициента анализатора равной 1-2 В. На этом энергетическом интервале будет содержаться 20 точек, что вполне достаточно для разрешения одного пика, Время полной развертки ),регистрации пяти спектров) составит 30 мин, Уменьшением постоянной времени до 0,1 с можно сократить время снятия спектра до

3 мин, Таким образом, за один прием развертки напряжения на анализаторе 4 можно снять спектры рассеянных ионов на 5 газах, что позволяет охватить весь диапазон атомных номеров ", > 3 со всеми вариантами разрешения по массам, 20

35

50

При решении задач., когда необходи- 55 мо произвести поиск определенных элементов на поверхности либо извес. тен предполагаемый круг элементов, з

) т . -;,),.т; НРГ)) :.:;т:))г— с я нот ...;! (-.r)О. ° .т ),n!! . :,.:)!;;", . тт ) )! .т)))) .(й р - 3) е-;> )к;,:;-: j)>P». )!! )), )Г;; ) лс--)(=" го ))с а:".;> )1нз! тор . Ъ») „ . окон )о ! т г;. ; н,.тг. 1чг;C;; -, !.;:. !.)-. -)» )! н . та!к т

i т 1 т

) (Е та К ->j. )),1ЮТСЯ т О CI- На> С ); К ">;. ". CPЯН! ))Х пре.>),я-:н! в с т: —:."." ..:. :=.-.с 1мопнсда 22

ЕСЛИ ПарЕК;>Ыза) -.С. -- :u-!«-.!I.::-.: Образон параллрлтз-{n и За.з})т х -к-а:--; -.с-,х б

)!Ьi)>OP СГ Рта;. ЕР-; ттт.-->-!:. )ОНОВ, ОКО.

ИЗ;)Е))ЕНт! Я - агт !- =,-::.- I! Я P:= З ВB тх E., -а))ап))за Ора 4 т-, тГ тО, ) В !- 2i, ln; г)Г дОВа—

ТЕ;1ЬНОГО - . Па)>а. i . ) НОГCт )>С .I!>)» 3 "IIИ

СИ СПЕТ; тРОЗ Ка)т;..! )1 За.— ИС! ".а Г аМО

IEH p 22 . H тз !!те -;:, Г;,! т )т-)о)т);;- I> )-И; -,рируемых с))е : гт>-,=. -;,; т- г!-то)тз; от:т.тт, с помо! тью 3В. ) . r Г - : т е )ой Г т гтт1 гля ющим)-; ахc! E) 1-,.)н тк тоти т !;к о тя, Я ) 9 н 7 0

И C ВЫХО En;» -Г)-"-. I;= — !-т - т ГЕОбр,". ЗОВателя 21 по .-)лепна )! "-.-., -.))о - 1ановленм5тль! )! рас .с! т! -:Г ) )зспек гров )>:": з.-..;-: . " ::. !р зе поверх ос): вом >iое, .ла) !;! с:;сто: )то: . .:-nт со*.спек тРЯ, В 3= 5 РЯЭ (1PH HL;:oJIn =.:-Hë = нии 3"5 инертных газов!, клоне зя сче т 1мен щения п ре1ре1ун 1 у =1 чения сорта первичных ионon !"-,.- ...=:, емкости с рабочим газом в базово!.О б в p K т е 3 а н ю Я е 1 Q т,!ц1е Q n .", Q n и н l; нескольких ча"on прн обезгаиив!!н1; нагревом тракта напуска после зя:=!2Blb1 баллона, "1ереклк!ч ение со)" Я 11о !: изобретении без GTB. Roc l оя1-.:но.-1 времени регистрации. Определяетс; —; постоянной времени источников с.- —::=г то изменякнцегося напряжен-1я н:.о= я1-. ляет не более единиц миллисз:=-унд, т.е. сокра1цяется время как иннму:.-, в 10 раз. Зто позволяет попуч;l-..n качественно новун) инФормацто 0 быстропротекяющих изменениях о тевя

1205208

Составитель А,Нестерович

Техред С.Мигунова Корректор В,Синицкая

Редактор M.Äûëûí

Филиал ППП "Патент", r.ужгород, ул. Проектная,4 !

Заказ 8534/54 Тираж 678 Подлисное

ВНИИПИ Государственного комитета .СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5