Энергоанализаторы. 
Технология конструкционных материалов. 
Анализ поверхности методами атомной физики

Анализаторы — ключевой элемент установок для диагностики поверхности — приборы, предназначенные для анализа отклика поверхности. Термина «анализ» в инструментально-методическом плане означает выделение дифференциальных характеристик из интегральных (или, что тоже самое, разложение интегральных характеристик на дифференциальные). В нашем случае имеются в виду разложения общего потока электронов, ионов, квантов, испущенных поверхностью (или отраженных от поверхности) в спектр по энергиям, по углам вылета (отражения), по массам (в случае только ионов). Соответственно, различаются энергетические анализаторы (их называют также энергетическими фильтрами и энергетическими сепараторами, поскольку принцип их работы заключается, как правило, в том, чтобы пропустить частицы с возможно меньшим разбросом по энергии); угловые анализаторы (в частности, гониометры и другие манипуляторы образцов); анализаторы масс (их также называют фильтрами и сепараторами масс). Разложение характеристик частиц в спектры и запись этих спектров называют спектроскопией. Дальнейшая численная обработка полученных спектров с целью извлечения численной информации (в совокупности со спектроскопией) называют спектрометрией. Поэтому анализаторы часто называют еще и спектрометрами. Различные методы спектроскопии имеют разные исторические корни, и это обстоятельство является одной из причин огромного разнообразия анализаторов. Чтобы сравнение данных, полученных в разных установках, оказалось возможным, необходимо понимание причин, лежащих в основе достоинств и недостатков используемых спектрометров. По этой причине большое значение имеет обсуждение некоторых основных особенностей различных анализаторов. Вначале рассмотрим самый популярный анализатор энергий электронов — электронный спектрометр (электронный энергоанализатор).

Основным назначением любого электронного спектрометра, как уже отмечалось, является выделение из потока электронов, входящих в спектрометр с широким набором энергий и углов (вследствие расходимости источника — эмитирующей поверхности), только тех, которые обладают определенной энергией или энергии которых заключены в определенной узкой области (независимо от угла входа). В идеальном случае этого можно достичь при использовании некоторых типов энергетических анализаторов с высоким заданным энергетическим разрешением, но можно получить и с помощью более простого анализатора с последующей обработкой выходного сигнала.

Разрешающая способность (или разрешение) энергоанализатора и угол сбора {входной угол) являются двумя главными параметрами при конструировании и выборе анализатора для каждого конкретного применения, поскольку именно от этих параметров зависит эффективность анализа. Оба эти параметра характеризуют чувствительность прибора. Разрешение по энергии во всех приборах связано с их физическим размером. Под разрешающей способностью (R,) понимают отношение энергии (Е), на прохождение которой настроен анализатор, к диапазону энергий (ДЕ), которые при этом могут через него пройти: /?, = Е/АЕ. Под углом сбора понимают телесный угол (центром которого является источник заряженных частиц), в котором движутся частицы, попадающие в энергоаиализатор.

При исследовании поверхности методами электронной спектроскопии широко используется анализатор с задерживающим полем.

Рис. 2.7. Схема АЗП, используемого в ДМЭ:

1 — образец: 2 — синхронный детектор

Анализатор с задерживающим полем (АЗП) Популярность АЗП объясняется тем, что он впервые был применен для исследования дифракции медленных электронов (ДМЭ) — едва ли не самого распространенного метода исследования кристаллической структуры поверхности. Простейшая схема АЗП показана на рис. 2.7. Образец помещается в центр набора концентрических сферических секторных сеток. Первая сетка, ближайшая к образцу, при использовании этой схемы для исследования ДМЭ находится под тем же потенциалом (земля), что и образец. Это гарантирует распространение электронов, покидающих образец, в направлении сетки в свободном от поля пространстве и обеспечивает, таким образом, радиальную геометрию эксперимента. Следующая сетка находится под потенциалом, несколько меньшим, чем потенциал катода электронной пушки, так что все электроны, имеющие энергию, меньшую, чем энергия падающих на образец электронов, тормозятся и не проходят через последнюю стадию ускорения на пути к люминесцентному экрану. Таким образом, в обычном эксперименте по ДМЭ сетки используются в качестве светосильного анализатора, пропускающего только упруго рассеянные электроны. Однако если тормозящие сетки находятся под несколько более низким потенциалом, то все электроны, имеющие энергию, большую, чем энергия, соответствующая этому потенциалу, попадают на люминесцентный экран (который в этом случае используется просто как коллектор тока). Таким образом, если распределение электронов по энергии описывается функцией N (E), а тормозящий потенциал равен V₀ и соответствует минимальному значению энергии пропускания Е_{) = еУ₀, то поступающий на коллектор ток равен.

; а так как максимальная энергия эмитируемых образцом электронов может быть не более энергии электронов в первичном пучке Е_р, то верхний предел интегрирования нужно изменить, в результате получаем, что ток в действительности равен Если этот ток продифференцировать, то результат будет представлять собой искомое распределение электронов, но энергии N (E). Дифференцирование проще всего произвести путем модулирования тормозящего потенциал V. Действительно, разность между токами, приходящими на коллектор при потенциалах , и если величина.

АЕ = еАУ мала, разность токов с очевидностью равна N (E₀)AE, т. е. пропорциональна искомому распределению по энергии. Использование модуляции такого типа приводит к необходимости поиска компромисса между величиной сигнала и разрешением: разрешение, определяемое АЕ, ухудшается линейно с А У, в то время как сигнал N (E)AE увеличивается с ростом этой величины. Этот компромисс находится при высоком разрешении (значение А У мало), когда несовершенства, обусловленные несферичностью сеток и проникновением поля между ними, ограничивают разрешение примерно до ~1 эВ.

Обычно тормозящий потенциал V₀ модулируется синусоидально (т. е. прикладывается напряжение F₀ + Avsinw/ (рис. 2.7)). При использовании модулированного задерживающего потенциала модулированная компонента сигнала, воспринимаемого детектором, усиливается и регистрируется синхронным детектором. С помощью разложения в ряд Тейлора можно показать, что ток коллектора при такой модуляции может быть представлен как сумма гармоник. На практике обычно измеряется амплитуда второй гармоники (sin2co/)> которая может быть получена с помощью синхронного детектора, который, в свою очередь, можно рассматривать как вариант метода с регистрацией сигнала, модулированного сеткой с удвоенной частотой. Амплитуда этой составляющей в первом приближении пропорциональна производной функции распределения электронов по энергии N'(E). Предпочтительность работы со второй гармоникой обусловлена тем, что интересующая нас структура функции N (E) часто выражена слабо (слабые пики на фоне, обладающем большой интенсивностью). Дифференцирование убирает постоянный фон и позволяет применить большее усиление.

Таким образом, основным преимуществом АЗП является его конструктивная простота, большой угол сбора (обычно порядка л стерадиан), отсутствие аберраций, связанных с угловой расходимостью. Его главным недостатком является присущее ему плохое отношение сигнал/шум, обусловленное тем, что все электроны с энергией, большей, чем задерживающий потенциал, попадают на коллектор и генерируют дробовой шум. Кроме ограничений, связанных с амплитудой модуляции, разрешение анализатора ограничивается несферичностью и размерами сеток, а также расстоянием между ними, что влияет на степень проникновения поля в светосильный фильтр. Для типичной конструкции анализатора с радиусом кривизны порядка 50 мм, расстоянием между сетками около 2−3 мм и двумя тормозящими сетками для минимизации проникания поля разрешающая способность составляет Е/АЕ- 100−200.

Отклоняющие электростатические энергоанализаторы

Использование анализатора с высоким энергетическим разрешением является значительно более удобным путем измерения числа электронов, обладающих энергиями, лежащими в заданном диапазоне («окне»). Такое устройство может быть основано на использовании как электростатического, так и магнитного поля. Здесь мы обсудим лишь электростатические отклоняющие анализаторы как наиболее употребляемые в установках для диагностики поверхности. При энергиях заряженных частиц, которые используются в большинстве методов электронной и ионной спектроскопии, эти приборы просты в обращении, компактны и могут быть использованы в СВВ-системах.

Рис. 2.8. Траектории электронов в плоском конденсаторе: а — электроны инжектируются перпендикулярно полю, б — схема ппоского зеркапьного анализатора, используемого в фокусирующей конфигурации.

Простейшей электростатической отклоняющей системой является пара параллельных пластин (рис. 2.8), находящихся под разными потенциалами. В такой системе возникает поле с плоскими, параллельными и равноотстоящими эквипотенциальными поверхностями. Если в это поле направить электроны, они будут отклоняться, и наибольшее отклонение на заданной длине прохождения будет иметь место в случае электронов, обладающих наименьшей энергией. Если в пластине с большим потенциалом сделать отверстие (выходную апертуру), то через него будут выходить электроны с энергиями, лежащими в определенном интервале. Величина этого интервала будет являться функцией размера апертуры и напряженности поля. Вместе с тем, если электроны инжектируются в поле перпендикулярно, но с разбросом по углам вокруг главного направления, то электроны с одной и той же энергией будут, очевидно, по-разному отклоняться в зависимости от угла инжекции. Это означает, что в электронном токе, прошедшем через выходную апертуру, выявится разброс по энергии, который связан с угловым разбросом падающих электронов (рис. 2.8, а): при v₂ > Vi отклонение заметно меньше, однако электроны с начальной скоростью v, могут попасть в ту же точку, что и со скоростью v₂, если они будут инжектироваться под необходимым углом к главному направлению. В результате этого при наличии разброса по углам ухудшается как разрешение по энергии, так и пропускание анализатора. Очевидно, что анализатор хорошей конструкции должен фокусировать на выходной апертуре частицы, инжектированные с одной и гой же энергией, но под разными углами. В рассматриваемом случае это может быть достигнуто при инжекции электронов под подходящим углом. Такая область фокусировки показана на рис. 2.8, б. Здесь фокусировка достигается выбором такого среднего угла инжекции, чтобы электроны, которые входят под большим углом и поэтому нуждаются в большем отклонении для достижения выходной апертуры, проходили больший путь в области отклоняющего поля. Это условие выполняется только при узко определенных обстоятельствах, так что фокусировка никогда не бывает совершенной. В идеальном случае мы хотим, чтобы положение фокуса не зависело от угла инжекции по отношению к центральной траектории. Приближение к этому идеалу в случае плоских анализаторов возможно с помощью трудоемкой процедуры выбора геометрических условий. Поэтому чаще всего используются анализаторы, основные типы которых приведены на рис. 2.8, б. К ним относятся: 127-градусный цилиндрический анализатор с параллельными пластинами (рис. 2.9, а), угол полного отклонения в котором составляет либо 45° (фокусировка второго порядка), либо 30° (фокусировка первого порядка); концентрический полусферический анализатор (ПСА) с углом отклонения 180° и фокусировкой первого порядка (рис. 2.9, б); анализатор типа «цилиндрическое зеркало» (АЦЗ) (рис. 2.9, в). Этот последний прибор состоит из концентрических цилиндров и при угле входа относительно оси анализатора примерно 42° об;

ладает фокусировкой второго порядка.

Рис. 2.9. Схемы электростатических анализаторов и траектории электронов: а — 127-градусный анализатор с цилиндрическими электродами: б — 180-градусный сферический сектор или концентрический полусферический анализатор (ПСА); в — анализатор типа «цилиндрическое зеркало» (АЦЗ).

Наиболее широкое применение при исследованиях поверхности находят два последних типа анализаторов, поскольку в некотором отношении они представляют высшую степень конструктивной оптимизации, и поэтому мы уделим особое внимание их обсуждению.

Хотя первый тип анализаторов весьма удобен при исследованиях с угловым разрешением, так как такие анализаторы могут быть исключительно малых размеров и конструктивно просты.

Если определить разрешающую способность как Е₀/АЕ, то разрешающая способность каждого прибора может быть задана отношением его физического размера.

(или полной длиной пути электронов в анализаторе) к размеру задающей диафрагмы (апертуры). Так, для ПСА эта величина выражается как 2Rq/s, где Л₍₎ — радиус центрального пути через анализатор, a s — размер входной (и выходной) апертуры. Для АЦЗ разрешающая способность составляет приближенно 5,6R/s, где R — радиус внутреннего цилиндра, a .v — размер задающей апертуры (апертуры не внутреннего цилиндра, которая обычно велика, а апертуры между внутренним цилиндром и точками расположения источника и изображения). Обычно реальная входная апертура отсутствует, так что ее размеры определяются размерами источника заряженных частиц.

Очевидно, что приведенные формулы для разрешающей способности ПСА и АЦЗ подобны, что обеспечивает близкие по величине характеристики, если физические размеры обоих анализаторов близки. Однако геометрия углов сбора при этом различна. В ПСА обычно используется круговая апертура, стягивающая полный угол на источнике до 5° и менее; полный телесный угол сбора, таким образом, меньше 10 ² ср. АЦЗ может регистрировать все электроны, векторы скоростей которых лежат в телесном угле между конусами с углами полураствора 42,3 + 6° и 42,3 — 6° при любых азимутальных углах. Это приводит к полному телесному углу сбора около 1 ср. Таким образом, полный телесный угол сбора для АЦЗ может быть в 100 раз больше, чем для ПСА. Естественно, что больший угол сбора должен приводить к увеличению сигнала и улучшению отношения сигнал/шум.

Тем не менее и ПСА имеет перед АЦЗ определенные преимущества. Так, например, если электроны замедляются перед инжекцией в анализатор, эффективная разрешающая способность анализатора может быть улучшена. Это является следствием того, что при исключении аберрационных членов разрешающая способность Eq/AE определяется геометрией системы, так что если уменьшается энергия Е₀, то при этом АЕ также уменьшается. Если реальная энергия электронов перед замедлением (предзамедлением) есть уЕо, где у — некоторая константа (у > 1), то эффективная разрешающая способность равна уЕ₀/АЕ. Эта оценка несколько упрощена, так как в процессе замедления изменяется угловая расходимость, что приводит к возрастанию аберраций анализатора. Этот эффект для любой оптической системы может быть описан уравнением Гельмгольца-Лагранжа:

где «о ^_ расходимость при начальной энергии (уЕ'о), а г/, — расходимость после замедления до энергии Е₀. Еще одной переменной, с помощью которой можно оптимизировать конструкцию электронно-оптической системы предварительного замедления, является увеличение системы (М), определяемое как отношение размера изображения к размеру объекта. С помощью такой системы параметров, несмотря на аберрации, может быть получен значительный рост эффективной разрешающей способности. ПСА особенно хороню подходит для работы в этом режиме. Поскольку входящий в него пучок электронов обладает цилиндрической или конической формой, то для получения необходимого предварительного замедления можно использовать либо плоские сетки, закрывающие входную апертуру, либо системы электростатических линз, создающие одновременно с этим изображение источника электронов на входной апертуре анализатора. Правильным выбором электронных линз можно обеспечить значительный рабочий отрезок между анализатором и образцом. С другой стороны, входная геометрия АЦЗ не позволяет использовать обычные электронные линзы. Он, однако, может работать в режиме предварительного замедления при установке перед анализатором концентрических сферических секторных сеток с центром, совпадающим с положением пятна-источника на образце. Одним из недостатков АЗП является рабочий отрезок малых размеров, и поэтому, хотя он и собирает электроны в широком телесном угле, большая часть пространства у поверхности образца затеняется анализатором. В этих условиях электронный пучок, возбуждающий эмиссию электронов, должен вводиться под углом скольжения к образцу.

Рассмотрим приведенные выше соображения количественно. Типичный АЦЗ с диаметром внешнего цилиндра около 100−150 мм может эффективно работать без предзамедления с разрешающей способностью примерно 200 и рабочим отрезком около 5 мм. Г1СА сравнимого размера, дополненный устройством для предзамедления, может успешно работать с разрешающей способностью 1000−2000 и рабочим отрезком 25−50 мм.

Продолжая сравнение АЦЗ и ПСА, отмстим, что АЦЗ обычно (хотя и не исключительно) используется в приборах, для которых достаточно малого разрешения, но необходима высокая эффективность сбора электронов. При этом имеется некоторое неудобство, связанное с малостью рабочего отрезка. ПСА является анализатором с низкой эффективностью сбора, который может работать с высоким разрешением и, если необходимо, с достаточно большими рабочими отрезками. Конечно, не все случаи использования ПСА и АЦЗ отвечают этой простой классификации. Другое важное различие этих анализаторов относится непосредственно к углу сбора, который может требоваться в эксперименте. Очевидно, что если планируется эксперимент с угловым разрешением, то для этого лучше подходит ПСА.

В заключении остановимся на режимах работы рассмотренных анализаторов, которые важны при сопоставлении результатов. В режиме без предзамедления (обычный режим использования АЦЗ) сканирование по энергии осуществляется путем изменения потенциала на внешнем отклоняющем цилиндре и, следовательно, по изменению Е₀. Так как величина АЕ/Е₀ постоянна, это означает, что АЕ пропорциональна Ео, так что если распределение электронов, поступающих на вход анализатора по энергии, — N (E), то сигнал на выходе анализатора пропорционален EN (E). С другой стороны, в режиме предзамедления анализатор может работать как при фиксированном коэффициенте замедления у, когда изменяется энергия пропускания и измеряется величина ЕЩЕ), так и при постоянной энергии пропускания Е₀ и изменяющемся коэффициенте замедления у. В этом случае Е₀, а следовательно, и АЕ постоянны (исключая изменения, обусловленные аберрациями), так что N (E) измеряется в режиме постоянного разрешения. Имеются очевидные преимущества у обоих режимов работы, однако при сравнении результатов, получаемых с помощью различных анализаторов, необходимо учитывать их режимы работы. Следует также учитывать, что при использовании АЗП в режиме дифференциальной модуляции разрешение по энергии в большинстве экспериментов задается величиной (постоянной) модулирующего напряжения, так что на выходе мы получаем N (E), а не EN (E). Это различие существенно, например, при сравнении спектров оже-электропов, полученных с помощью АЗП и ПСА.