Процессы при ионном распылении поверхности твердых тел и энерго-масс-спектрометрия вторичных ионов (1104334), страница 4
Текст из файла (страница 4)
С использованием гамильтониана взаимодействия и свойствоператоров рождения и уничтожения вычислен матричный элемент дляпоглощения плазмонов атомом.2. На основе нестационарной теории возмущений и матричногоэлемента для поглощения плазмонов рассчитана вероятность поглощенияплазмона атомом в единицу времени.3. Введён параметр τ – "эффективное время взаимодействияотлетающего атома с полем ПП" и рассчитана вероятность поглощения16плазмона атомом (то есть полная вероятность возбуждения атома изосновного состояния) за время τ.Строгий расчет в рамках сделанных предположений позволяетполучить следующее выражение для полной вероятности возбужденияатома в поле ПП при отлёте атома от поверхности.τPд = ∫ Pdt =0π()r r2E0ω p4 μ⊥ q + μ z2 l⎡1 − exp ( −2ql ) ⎤⎦ ,2h 2 ω02 Δω (ω p2 + 2ω02 ) v cos α ⎣(4)где ωр=(4πNe2/m*)1/2 и N – плазменная частота и плотность электронногогаза металла; m*, е – эффективная масса и заряд электрона; L2 –эффективная площадь поверхности, ħ – постоянная Планка.
l – длиназатухания интенсивности поляризационного поля ПП вне металла, v –скорость атома, Δω и ω0 – ширина распределения и частота в максимумеЛоренцева распределения ПП по частоте. Расчеты дают Рд≈1 при реальныхзначениях параметров, входящих в (4). Подтверждением модели служатследующиеэкспериментальныефакты,проанализированныевдиссертации: 1) корреляция между величинами, с одной стороны, потерьэнергии электронами при отражении от поверхности металлов ипрохождении тонких пленок и, с другой стороны, энергиямивозбуждаемых уровней распыленных и отраженных атомов и ионов; 2)корреляций между величинами населенностей энергетических уровнейатомов при распылении и при прохождении тонких плёнок.Глава 3.
Экспериментальная техника для диагностики поверхности иметодики измерений энергетических спектров вторичных ионовПроанализированытребования,предъявляемыекусловиямэксперимента по исследованию закономерностей вторичной ионнойэмиссии и ЭМСВИ.
Дан обзор основных приборов в 3-х важнейшихинструментальныхгруппах,необходимыхдляосуществленияэксперимента по ЭМСВИ:1) источники воздействия на поверхность (ионные пушки);2) анализаторы отклика поверхности (энерго- и масс-анализаторы);3) детекторы вторичных ионов.Кратко описаны принципы действия и устройства некоторых приборовиз указанных инструментальных групп.
При этом указаны конкретныетипы приборов, использованных в установке ВИМС-2 НИИ ядернойфизики при Томском политехническом университете (НИИЯФ ТПУ), сиспользованием которой были получены основные экспериментальныерезультаты, представленные в настоящей диссертации.Дан обзор состояния техники и методик экспериментальныхисследований энергетических спектров вторичных ионов в мире.Основным требованием к техническому оснащению и методике17измерений является, естественно, минимальное аппаратурное искажение (видеале полное отсутствие искажений) истинных энергетических спектров.Это очень сложная техническая и методическая задача, поскольку навторичные ионы при их движении от распыляемой мишени до детекторадействуют остаточный вакуум, электрические и магнитные поляпотенциала мишени, ионных линз, анализаторов энергии, массанализаторов. В мире работает несколько десятков установок для ЭМСВИ,но вряд ли найдется даже пара одинаковых по всем параметрам – этокрайне затрудняет детальное сравнение экспериментальных данных,полученных в разных установках.Проанализированы схемы некоторых установок и методик измеренияЭСВИ.
Описаны конструкции и методические особенности установок"ЭВРИКА" ИМФ НАН Украины (г. Киев) и "DIDA" физико-техническогоотделения общества исследований окружающей среды (г. Нюрнберг);установки для исследований энергетических и угловых распределенийвторичных ионов кафедры физической электроники МГУ (г.
Москва).Установка "ВИМС-2" НИИЯФ ТПУ (г. Томск).Проведено сравнение ЭСВИ, полученных в разных установках.Установка "ВИМС-2" НИИЯФ ТПУ (г. Томск)Вакуумная система установки состоит из прогреваемой до 400°Свакуумной камеры из нержавеющей стали с патрубками дляподсоединения фланцев с электрическими вводами, ионопроводовпервичного ионного пучка и масс–анализатора вторичных ионов,смотрового окна. Для контроля состава остаточной атмосферы при работеустановки используется газовый масс–анализатор РОМС-2. Используютсябезмасленные средства откачки: цеолитовые и магниторазрядные насосыНОРД-250 и ТРИОН-150 c охлаждением жидким азотом.Данные средства откачки позволяют в течение 1 часа откачать рабочуюкамеру от атмосферного давления до ~10-8 Па.
В рабочем режиме давлениев камере ~10-6 Па. Для работы с аргоном во избежание "аргоновойнестабильности" в установке предусмотрена дифференциальная откачкатракта первичного ионного пучка диффузионным ртутным насосом черезазотную ловушку и высоковакуумный вентиль. Для изучения влияния наВИЭ определенной газовой атмосферы в установке используется системагазонапуска как в источник ионов, так и в камеру через натекатели.Газовая система имеет три баллона, снабженных запорными вентилями,каждый из которых может быть откачан форвакуумным насосом черезсорбционную ловушку.18На рис.4 показана схема аналитического тракта установки.
Первичныйпучок формируется в ионном источнике 7 с накальными катодом,позволяющим получать ионы инертных газов, а также ионы О2+ и N2+ и вРис.4. Схема аналитического тракта установки ВИМС-2 НИИЯФ ТПУ:1 – вакуумнаяаналитическая камера; 2 – мишень; 3 – трехэлектродная одиночная линза; 4 –смотровое окно; 5 – устройство фокусировки первичного пучка; 6 – ионнооптический тракт первичного пучка; 7 – ионный источник; 8 – энергоанализатор; 9 –отклоняющие пластины; 10 – входная щель масс-анализатора; 11 – детекторвторичных ионов; 12 – ионопровод масс-анализатора; 13 – масс-анализатор.диапазоне энергий 1–7 кэВ при плотностях тока 10-7–10-5А·см-2.
Пучокпроходит через ионно-оптический тракт 6, в котором юстируется накруглое коллимирующее выходное отверстие отклоняющими пластинамии фокусируется электростатической линзой 5 на мишень 2 в круглое пятнодиаметром ~3 мм, при этом, как показали эксперименты по окраскепрессованных порошков ZnO под воздействием пучка, 90% интенсивностипучка приходится на центр пятна размером ~0,5 мм. Исследуемый образец(мишень) устанавливается на 8-позиционной кассете, удерживаемой черезизолятор манипулятором (поз.2, рис.4). Кассета находится подпотенциалом +2 кВ относительно земли. Манипулятор позволяетпроизводить изменение углов падения первичного пучка (θ0) и эмиссиивторичных ионов (θ) при этом угол θ0+θ=550 всегда фиксирован; крометого, манипулятор позволяет производить параллельное смещение мишенив вертикальном направлении в пределах ±5 мм от центра пучка намишени.19Между мишенью 2 и энергоанализатором 8 установленаэлектростатическая линза 3 с фокусным расстоянием 4 мм и углом сбора0,17 рад; фокус линзы расположен во входной щели энергоанализатора.
Спомощью отклоняющих пластин 9 вторичные ионы, прошедшиеэнергоанализатор могут быть подъюстированы на входную щель (10) 60градусного магнитного масс-анализатора 13 со средним радиусом 200 мм,позволяющего разделять ионы от 1 до 400 а.е.м. Регистрация вторичныхионов осуществляется электронным умножителем ВЭУ-2А (11) споследующей обработкой сигнала с ВЭУ счетчиком ионов СИ-04. Даннаясистема регистрации позволяет измерять сигналы от 10-17 до 10-9 А.Таблица 1. Эксплуатационные параметры установки ВИМС-2 НИИЯФТПУНаименование параметраВеличина№п/ппараметра1Энергия первичных ионов, кэВ1–72Плотность тока первичного пучка на10-7–10-5мишени, A3Минимальныйрегистрируемыйток10-17вторичных ионов, А4Используемые ионыAr+, O2+, N2+5Разрешение по массам ΔМ на уровне 50%интенсивности спектральных линий,1а.е.м.6Разрешение по энергиям вторичных~1–1.5ионов, эВ7Минимальное давление в рабочей камере,10-8Ра8Рабочее давление в камере, Ра10-6Дляизмеренияэнергетическихспектровиспользуетсяэлектростатический энергоанализатор Юза–Рожанского 8 с углом раствора131°, внешним радиусом 73 мм, внутренним – 67 мм и, следовательно,средним радиусом Rс=70 мм.
При данном значении среднего радиуса иширине входной и выходной щелей s~0,1–0,4 мм энергоанализаторобеспечиваетразрешениеΔЕ/Е=s/2Rср=0,0007–0,003.Основныеэксплуатационные характеристики установки приведены в таблице 1.Энергетические распределения вторичных ионов измеряются путемсканирования масс–анализатором в выбранных диапазонах спектра масспрификсированныхнапряженияхнаэнергоанализаторе.Экспериментально измеряются зависимости интенсивности определенноймассовой линии от напряжения на энергоанализаторе: N+=f(UЭА). Пересчётот UЭА к энергии Е проходящих через ЭА вторичных ионов производится20общепринятым способом.
Специальные эксперименты показали, что врабочем диапазоне энергий вторичных ионов, проходящих через тракт"мишень–приёмник", искажающее спектр ЭСВИ влияние зависимоститрансмиссии тракта от энергии отсутствует, величина поля в промежутке"мишень–линза" также не оказывает влияния на ЭСВИ.Методические особенности эксперимента ВИМС-2.1. Геометрия эксперимента, позволяющая разрешать структуру ЭСВИпри распылении гетерогенных мишеней. Манипулятор образцов установкиВИМС-2 позволяет производить изменение углов между нормалью кповерхности и направлением первичного пучка (θ0), а также междунормалью к поверхности и направлением преимущественного отборавторичных ионов (θ) (рис. 4), причём θ0+θ=70° всегда фиксирован.На рис.5 детально показана схема располо-жения электродов вблизиповерхности мишени. Существенным отличием наших экспериментов отдругих является выборзначений угла θ≈33–550 изначений θ0≈0–220, поскольку именно в этихдиапазонах данных угловпри данной геометрииэкспериментаудаетсясовместить ось телесногоугла 6 (т.е.
направлениямаксимальноговыходавторичныхчастиц)иоптическую ось линзы 9.Очевидно, что направлениеоси телесного угла 6зависит от следующихРис.5. Форма электродов вблизи мишени в обстоятельств. Во-первых,установке ВИМС-2:от угла θ0. Примем за1 – мишень; 2 – первичный пучок; 3 – нормаль кположениеповерхности мишени; 4 – плоские заземлённые начальноеэлектроды; 5 – косинусоидальное распределение нормали к поверхностираспыленных частиц при падении пучка по показанное на рис.5. Тогда,нормали к поверхности; 6 – телесный угол отбора вращая мишень так, чтобывторичныхионов;7–входнаящель нормаль к поверхности 3энергоанализатор; 8 – энергоанализатор; 9 – линза.поворачиваласькосипервичного пучка 2 (т.е.уменьшая угол θ0 и увеличивая угол θ), мы добиваемся смещениямаксимального выхода вторичных атомов 5 в том же направлении.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
