Корректирующий электрод для анали-заторов заряженных частиц

 

асясои зт". зй д ч. р T (4Ц1ЧЯ Яф с,»

Союз Советских

Соцкалистических

Реслублнк

О И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

liij723979

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 16. 10.78 (21) -674171/18-25 (51)М. Кл.

Н 01 3 49/00 с присоединением заявки М

Государственный комитет (23) Приоритет по делам изобретений и открытий

Опубликовано 15,07.81. Бюллетень Ле 26 (53) УД 5З9.1. .074.23 { 088,8) Дата опубликования описания 18.07.81 (72) Автор изобретения

К. А. Меньшиков (7I ) Заявитель (54) КОРРЕКТИРУЮШИЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ АНАЛИЗАТОРОВ

ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к области анализа заряженных частиц по энергиям, в особенности к электростатическим анализаторам типа цилиндрического зеркала, и мо. жет быть использовано в спектрометрах для космических исследований, для химического анализа тве;. дых тел методами электронной спектроскопии, а также в других электронных и ионных приборах, использующих цилиндрически симметричные электрические поля, Любой прибор, использующий фокусировку заряженных частиц, требует создания расчетной конфигурации поля, и любое огт5 клонение от нее приводит к ухудшению электроннооптических характеристик. Например, анализатор заряженных частиц типа цилиндрического зеркала P1) требует создания цилиндричсски симметричного поля, вблизи его торцов симматрия поля

Ф нарушается, и если краевые искажения поля доходят до траекторий заряженных частиц, то основные характеристики ана2 лизатора (в частности, разрешающая способность), ухудшаются.

Из практических соображений, таких как необходимость малых габаритов и доступ к образцу, требуется максимально возможное ограничение длины цилиндров анализатора, и, чтобы избавиться от краBBblx искажений поля, применяют корректирующие электроды, устанавливаемые ,вблизи торцов цилиндров. Для идеальной коррекции эти электроды должны в каждой точке своей поверхности создать в точности такое же распределение потенциала, которое существует между бесконечно длинными цилиндрами, но практически корректирующие электроды аппроксимируют необходимое попе с той или иной точ-, ностью.

Известен корректирующий электрод, состоящий .из основания из изолирующего матерйала, вся поверхность которого покрыта резистивной пленкой с поверхностным

-сопротивлением порядка 10 МОм квацраг 1.2). Oaaazo этот корректирующий.

"1 O 3( электрод обладает недостаточной точностью

KoppBKIIHII поля из-за большого техноло, гического разброса поверхностиогс сопро тивления высокоомной пленки по плошади осн ован и я.

Известна и другая конструкция элект-рода для коррекции краевых электрических полей PQ).- Этот корректирующий электрод, являющийся наиболее близким по конструкции к предлагаемому устройству, ус- !О тановлен между двумя коаксиальными цилиндрами, и состоит из изолирующего основания в форме кольца или полого усеченного конуса, на которое напылен ряд концентрических проводящих колец из хо- 15 рошо проводчщего материала, K каждому кольцу подводится необходимый потенциал, зависящий от радиуса кольца.

Е!ля создания нужных потенциалов на кольцах используется делитель напряжений,20 представляющий собой резистивную дорожку в форме сектора или прямоугольника из материала с сопротивлением порядка

10 МОм/квадрат, напыленную по радиу— су изолируюшего основания, пересека1ошую все кольца и имеющую с каждым из колец электрический контакт. Концы резистивной дорожки электрически соединяются с цилиндрами анализатора. Резистивная дорожка с таким большим сопротивлением обычно делается из KepMBTB» HBпример, алунд-никель, а концентрические кольца — из немат нитного металла (золото, хром и г.д.).

Все ссн сван ие и окрыва ется е ше одн им слоем материала с поверхностным сопротивлением порядка 1 00 МОм/квадрат, который не приводит к заметному перераспределению потенциалов на кольцах и служит для снятия электростатических зарядов с участков основания Mежду кольцами.

Это известное устройство позволяет уменьшить длину цилиндров анализатора, но имеет ряд недостатков. Один из них— необходимость индивидуальной подгонки сопротивлений участков резистивной до рожки. Это связано с тем, что трудно осушествить напыление радиальной полоски из материала с таким высоким значением поверхностного сопротивления так, чтобы каждый ее участок между соседними кольцами имел заданное значение сопротивления, пленки с поверхностным сопротивлением 1-10 МОм/квадрат, работающие в ) сверхвысоком вакууме, практически осуществимы лишь на основе одновременного напыления металла и диэлектрика, а такие. -!

000)Е!!!!С "", :. :l! Q, !ОГИЧЕСКИЙ

П)!ЕЛКИ ИМС!О разброс параме: ро! .

Уме;1ыл: т!.-. i)!,Op,o!oc «oe co!JpoTIIBJJBние резисгивпой дорожки и известном электроде !1 применить Op!13,"10 болсе Teх!!О» логичные резистивные материалы на ocHGве металлов нельзя„. поскольку полное напряжен ис межд"» концами дорожки дсст игает

1-2 ИВ и мощность, рассеиваемая па ней, будет черезмерно велика, Другой недостаток прототипа связан с первым и закл1счается в недостаточной степени уменьшения краевых искажений поля.

Зело в том, что для компенсации краевь1х искажений электрического поля необходимо па «сей границе создать acileTIIOB распределснпс потенциала. Б известном усТрсйствс эта зависимость аппроксимируется заданием экв! потенцпалей» задаваемых с помощью прсводяш7!Тх: колец на нескольких дискрет!пях радиусах, и для улучшения аппроксимации, которое необходимо при увеличении разрешения анализатора или при уменьшении габаритов, нужно сокра.щать ш!ц)ину проводяших колец, расстояние между ними и увеличивать число колец.

Одн4ко индивидуальная подгонка участков рСЗIICтИВНОй дОрО>ККИ-гдЕ»ЧИТЕ»1я С ПСМОШЬЮ песксструйпОй 06pQGOTKII или ки .лотпогс тр, вле !.;!я 7!ранги -!вснп искл!дает задание эквипотенц .-ален:1аще, чсм через 2-3 мм.

Это !Jp:!водит к тому что электрическое

1S. »ЛС ИМЕЕТ г 1ПЕГТ1)ЕП!10Е 071гг(С!1Е11ИЕ ОТ ра! четной! О!! )1 "7 !)И71!ги JJ»i »)Р тся»1!»!г Оли» г!.», — -i.:4Ü, ОТ 1:ОВЕрХПОС17, Э .»1 Ода, ЧТО приводит либо к >мсньшению разрешающей споссбпсст:.:- ачал!1затогэа, либо к несбходимОсти удели"- cll!Iя еГО Га i)11p и -"Ов, Целью изобрете:.ия является увеличение

T0iJ3IOГ т!г J,г)Г !»г»»Ц(. П !!»ОЛЯ

Цель дост!и аетс!7 те,;,, -.1тo предлагаe

МЬ!!!. Э»101,. ");:7,; IH 71 0)JП. =>«Гф OB .»а!) ЯжЕН»

Н.»1Х Частн11 ИМЕСТ рЕЗИС>.ИВП7г-!О дсрсжКу

B Bl»ge,: ир а „. «1,;),10 пслс);:-1-; 1;.!Ой па поверх» псс1и основан 1 ; ок YT el»o центрального

0TB0!)CTII»I» O.- ТИКгКЕ Te) ° 1»

nopo>кка вь1пгл!1:.:.!а;!.а .::.10 =;е -.:истых мегаллов или мета>!)7ических сп,-::: во« причем резисгивная дорожка имеет !1остosHHOB сО прот1!в>1ение па ед ики»»у длины» а IIlal спирали выбран преп ср!!«011алI»;10 квад|)ату расСтсянця От ОС;, Иесгп!)р,)»!07ИЕГО ОСНОВаНия, !

" 01)!)ер.„!1»!я и;1я осу!цеств!«7». Tcя за С.1ет того. -1то спиральная вези1стивная дорожка

» ! а с!1 ОЛОж еп на 57 на IGBc»px I ссти 0 н Овация из изсляииоппогÎ материала .а".ла является

)>!О «1» НТОМ !»01 М I! )»ЮШ!г »ЛР "-1-И»» ъс1 0»

5 7230 и Оле tc æÃ(ÎÉ конфигурац и и путем и, <ми ения шага спирали и ширины дорожки.

LLiar спирали и ширина резпстивной дорожки могут составлять 100 мк и менее, а длина резистивной дорожки может быть в 10-100 раз больше, чем в прототипе.

Благодаря этому в предлагаемом электро2 де рез и с тивна я дор ожка им ее т в 1 0 — 1 0 раз меньше поверхностное сопротивление, и для нее могут быть использованы более низкоомные и технологичные материалы, и необходимость в подгонке сопротивлений различных участков отпадает, Поскольку шаг спирали в предлагае foM корректирующем электроде может быть сделан, по крайней мере, в 10 раз меньше, чем расстояние между соседними кольцами в прототипе, то при одинаковой относительной точности коррекции краевых полей, предлагаемый корректируюп ий элект- В род для анализаторов заряженных частиц позволяет пропорционально уменьшить во столько же раз все размеры анагтизатора.

Практически это дает возможность изготовить миниатюрный анализатор с паруж- 25 ным диаметром, уменьшенным со 100150 мм до 15-20 мм, с хорошим доступом к образцу и такой же разрешающей способностью. Разумеется, улучшение коррекции краевых полей позволяет уве- 30 личить и разрешающую силу анализатора.

На фиг. 1 даны разрез и проекция предлагаемого устройства; на фиг. 2— его модификация, позволяюшая дополнительно улучшить доступ к образцу. 35

Предлагаемое устройство (фиг. 1 ) состоит из основания 1, и резистивной дорожки 2 в видо спирали, нанесенной на основание. Начало спирали электрически соединяется с внутренним цилиндром анализатора, а конец — с внешним цилиндром посредством, наприьлер„металлизированных слоев 3Ä4Ä

Если проводимость материала изолирующего основания недостаточна для снятия зарядов, то на поверхность изолирующего основания наносится покрытие 5 с cotrpoтивлением порядка 1 М0м/квадрат для

50 снятия электростатических зарядов.

Предлагаемый корректирующий электрод для анализаторов заряженных частиц

5 работ ает следующим образом.

Каждая точка резистивной дорожки имеег потенциал, который необходим для создания расчетного электрического поля в пространстве между цилиндрами, ro есть, каждая точка дорожка имеет потенциал о )=и — — о „(„

roe — расстояние данной точки спирали

or оси цилиндрических электродов;

1. и г — соответственно, радиусы наружного и внутреннего цилиндров;

0 — потенциал внешнего цилиндра.

Поскольку точность создания необходимой конфигурации поля тем выше, чем большая часть границы поля имеет распределение потенциала вида (1), то выгодно уменьшить расстояние между соседними витками спирали и их ширину, При этом будет уменьшаться и мощность„рассеиваемая резистивной спиральной дорожкой, поскольку ее общее сопротивление будет возрасгагг Практически удобно иметь полное сопротивление дорожки порядка 10 ИОм, но оно может и отличаться на порядок в большую или меньшую сторону.

Йпя создания спиральной резистивной дорожки с распределением потенциала (1) вдоль нее необходимо менять шаг спирали или ее сопротивление на единицу длины.

Естественно, легче всего изменять шаг спирали. Тогда для случая, когда спираль имеет больше 20-30 витков, уравнение спирали с то шостью до членов второго порядка дается формулой:

0 г)- Ln(t v\ (Р, где Р— полярпьш угол с полюсом на

Р оси коакспальных цилиндров ана. лизатора;

Ь вЂ” полная длина спирали; т и г радиусы, соответственно, 4

4О внутреннего и наружного цилиндров.

Шаг спирали оудет

& 2ь-2 g„(ъ} л ()

45 а полное количество витков в спирали

L / 1 1

2EOn (r /r„) (p / (4)

При характерных дпя электронной спектроскопии размерах анализатора длина спирали может составлять 10 м при 100 вит-. .ках, и при ширине дорожки 0,2 мм, поверхностное сопротивление резистивной до рожки может составлять менее 10ом/квадрат, что дает возможность использо5 вать пленки не Из керметов, а из таких технологичных материалов, как чистые металлы и их сплавы (хром, тантал, молибден и др.).

7239

Современная тонкопленочная технология позволяет без труда получить бездефектную резистивную металлическую пленку длиной 10 м при ширине 100-200 мк и менее. Рисунок спирали с нужным шагом и шириной можно получать известными методами фотолитографии после напыления пленки íà всю поверхность шайбы из изолирующего материала.

На фиг. 2 показана модификация пред- !О ложенного устройства с основанием в виде усеченного полого конуса. Здесь резистивная дорожка идет спиралью по внутренней поверхности конуса так, что потенциал в каждой точке спиральной дОрож-15 ки определяется формулой (1). Зту модификацию предлагаемого корректирующего электрода удобно применить для коррекции электрического поля на переднем торце анализатора, чтобы обеспечить лучший 2О доступ к образцу или к источнику анализируемых заряженных частиц. Аналогично, сопоставление между любыми двумя точками резистивной дорожки пропорционально расчетной разности потенциалов между 25 этими точками.

Предлагаемый корректирующий электрод для анализаторов заряженных частиц при одинаковой с прототипом точности коррекции краевых искажений поля позволя- ЗО ет уменьшить линейные размеры цилинд рического зеркального анализахора не менее, чем в 10 раз. Зто дает возможность уменьшить проходной диаметр сверхвысоковакуумной камеры и устанавливать ана- M лизатор практически на любом фланце. При этом уменьшается стоимость вакуумной системы, а также время достижения сверхвысокого вакуума, Предлагаемое устройство дает при оди-<О наковых с прототипом размерах примерно в 10 раз меньшее отклонение электрического поля от расчетной структуры, так как дискретные скачки потенциала, обес-! печивающие аппроксимацию расчетной кон-<5 фигурации поля, в предлагаемом корректирующем электроде могут быть по крайней мере в 10 раз меньше. При этом максимально достигнутая разрешающая сила анализатсра увеличивается в несколько раз (конкретная цифра зависит от расстояния между корректирующим электродом и тра) екторией электронов и других параметров, выбираемых из компромиссных соображен ий).

Благодаря возможности отказаться от керметных материалов (поверхностное сопротивление резистивной дорожки предлагаемого устройства может составлять всего 200 — 300 ом/квадрат ) и пртплейить гораздо более технологичные пленки из металлов и их сплавов, упрощается изготовление корректирующего электрода. При этом можно применить известную B микроэлектронике технологию, используемую в массовом производстве интегральных микросхем.

Формула изобретен ия

1. Корректирующий электрод для анализаторов заряженных частиц, установленный между двумя коаксиальными цилиндрами, содержащий изолирующее основание в форме плоского кольца или полого усеченного конуса и резистивную дорожку на поверхности изолирующего основания, о т л ич а ю ш и и с я тем, что, с целью увеличения точности коррекции поля, резистивная дорожка вьн!олнена в виде спирали, распоатоженной на поверхности изолирующего основания вокруг его центрального отверстия.

2. Злектрод по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что резистивная дорожка выполнена на основе чистых металлов или металлических сплавов.

3. Злектрод по п.п. 1 и 2, о т л и— ч а ю щ и.й с я тем, что резистивная дорожка имеет постоянное сопротивление на единицу длины, а шаг спира;ти выбран пропорционально квадрату расстояния от оси изолирующего основания.

Источники информации, принятые во внимание !три эксггертизе !

1. Авторское свидетельство СССР

M 175584, кл, Н Gl à 39/04.

2. Патент США И 3739170, кл. 250-49.5 опублик. 1973.

3. Патент США % 3818228, кл. 250-305, опублик. 1 975.

Редактор О. Кузнецова

Составитель В. Макаров

Техред Л. Савка Корректор Г. Решетннк

Заказ 5742/37 Тираж 7Ь4 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, >К-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ПИП Иатент у Г ъ Ъ жГорсд ула Проектнаяу