RU2020645C1

RU2020645C1 - Secondary-ion energy and mass spectrometer

Info

Publication number: RU2020645C1
Authority: RU
Inventors: Н.Н. Никитенков; Л.Г. Косицын; И.А. Шулепов
Original assignee: Никитенков Николай Николаевич
Priority date: 1990-12-17
Filing date: 1990-12-17
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: instruments for diagnosis of surfaces by ion beams to determine chemical and element composition of surface layers of metals and semiconductors. SUBSTANCE: device incorporates unique organization of two ion-optic channels where same elements of ion-optic system are used for different measurements at input and output of 180 deg. energy analyzer; 90 deg. deflectors and two electrostatic lenses are additionally introduced. Spectrometer may be found useful for energy and mass analyses of ion beams. EFFECT: enlarged functional capabilities, reduced time required for analysis, improved validity of results. 5 dwg

Description

Изобретение относится к диагностике поверхности ионными пучками низких энергий (1 - 10 кэВ), в частности к энергомасс-спектрометрии вторичных ионов - интенсивно разрабатываемому в настоящее время методу элементного, фазового и химического анализа поверхности твердых тел. The invention relates to surface diagnostics by low-energy ion beams (1 - 10 keV), in particular to energy-mass spectrometry of secondary ions, an intensively developed method of elemental, phase and chemical analysis of the surface of solids.

Известные спектрометрические приборы (аналоги) с анализом вторичных ионов по массам и энергиям выполнены, как правило, по схеме, представленной 1, где обозначено: 1 - образец, поверхность которого подвергается распылению ионным пучком 2, 3 - нормаль к поверхности образца, 4 - заземленные электроды, 5 - входная щель трехэлектродной линзы, 6 - телесный угол отбора вторичных ионов, 7 - одиночная трехэлектродная линза, 8 - входная и выходная щели энергоанализатора, 9 - обкладки энергоанализатора, 10 - масс-сепаратор, 11 - детектор вторичных ионов, α, θ - соответственно углы бомбардировки и отбора вторичных ионов. Данная схема размещается в сверхвысоком вакууме с давлением по кислороду ≈ 10^-9 - 10^-10 мм рт.ст. Оптические оси пучка 2 и линзы 7 лежат в одной плоскости. В качестве энергоанализаторов обычно применяются электростатические конденсаторы с различной формой обкладок (цилиндрические, тороидальные, сферические, плоские). В аналогах используется плоский конденсатор с углом отклонения вторичных ионов 90^о. Энергоанализатор типа сферического конденсатора обычно применяют с углом отклонения вторичных ионов от 90 до 180^о.Known spectrometric instruments (analogues) with analysis of secondary ions by mass and energy are performed, as a rule, according to the scheme presented 1, where it is indicated: 1 - sample, the surface of which is sprayed by an ion beam 2, 3 - normal to the surface of the sample, 4 - grounded electrodes, 5 - input slit of a three-electrode lens, 6 - solid angle of selection of secondary ions, 7 - single three-electrode lens, 8 - input and output slots of an energy analyzer, 9 - plates of an energy analyzer, 10 - mass separator, 11 - detector of secondary ions, α, θ - respectively The angles of bombardment and selection of secondary ions are significant. This circuit is placed in an ultrahigh vacuum with an oxygen pressure of ≈ 10 ^-9 - 10 ^-10 mm Hg. The optical axis of the beam 2 and lens 7 lie in the same plane. As energy analyzers, electrostatic capacitors with various shapes of plates (cylindrical, toroidal, spherical, flat) are usually used. The analogs use a flat capacitor with a deflection angle of secondary ions of 90 ^about . An energy analyzer such as a spherical capacitor is usually used with a deflection angle of secondary ions from 90 to 180 ^about .

Основным недостатком аналогов является искажение масс-спектров, связанное с узостью энергетического окна энергоанализатора 9. The main disadvantage of analogues is the distortion of the mass spectra associated with the narrowness of the energy window of the energy analyzer 9.

За прототип выбрано устройство, реализующее способ определения химического состава металлов и полупроводников, обладающее максимальным количеством признаков, общий с предлагаемым техническим решением. For the prototype, a device was selected that implements a method for determining the chemical composition of metals and semiconductors with the maximum number of features common with the proposed technical solution.

Энергомасс-спектрометрические исследования в прототипе выполняются следующим образом (см. фиг.1). Energy mass spectrometric studies in the prototype are performed as follows (see figure 1).

Производят распыление поверхности образца 1 первичным ионным пучком 2 с энергией 1 - 10 кэВ под углом α = 0 - 20^о к нормали поверхности образца и регистрируют масс-спектры вторичных ионов при напpяжении на обкладках энергоанализатора 9, обеспечивающем надежную регистрацию масс-спектра. В масс-спектрах выявляют линии ионов основных элементов из состава распыляемого слоя и линии молекулярных ионов - возможных фрагментов химических соединений в распыляемом слое, после чего измеряют энергетические спектры вторичных ионов, выявленных в масс-спектрах. Эти измерения производят под углом θ = 50 - 60^о.Produce sputtering surface of the sample 1, the primary ion beam 2 with an energy of 1 - 10 keV at an angle of α = 0 - ²⁰ ° to the normal of the sample surface and recording the mass spectra of secondary ions on the plates at STRESS energy analyzer 9, providing reliable detection of the mass spectrum. In the mass spectra, the ion lines of the main elements from the composition of the sprayed layer and the lines of molecular ions — possible fragments of chemical compounds in the sprayed layer — are detected, after which the energy spectra of secondary ions detected in the mass spectra are measured. These measurements are made at an angle θ = 50 - 60 ^about .

Если в распыляемом пучком слое присутствуют химические соединения, то в составе масс-спектров могут наблюдаться молекулярные фрагменты этих соединений, а в энергетических спектрах вторичных ионов определенного элемента, входящего в состав ряда химических соединений, наблюдаются отдельные особенности (пики), то есть наблюдается тонкая структура спектров, обусловленная тем, что ионы одного и того же элемента, распыленные из разных химических соединений, имеют разные энергетические распределения с наиболее вероятными энергиями, пропорциональными величинам энергий образования (энергий Гиббса) для этих соединений. Суперпозиция этих энергетических распределений и дает регистрируемый суммарный спектр с отдельными особенностями (пиками). If chemical compounds are present in the beam sprayed by the beam, then molecular fragments of these compounds can be observed in the mass spectra, and individual features (peaks) are observed in the energy spectra of the secondary ions of a certain element that is part of a number of chemical compounds, i.e., a fine structure is observed spectra due to the fact that ions of the same element atomized from different chemical compounds have different energy distributions with the most probable energies, proportional to fessional values energies of formation (Gibbs energy) for these compounds. The superposition of these energy distributions gives a recorded total spectrum with individual features (peaks).

Далее производят распыление поверхностных слоев, измеряя послойно энергетические спектры тех вторичных ионов, которые находятся в химических соединениях, и записывая полные масс-спектры при настройках энергоанализатора, соответствующих отдельным пикам в энергетических спектрах. После полного распыления поверхностного слоя и выхода зондирующего пучка на подложку известного состава, происходит стабилизация состава и интенсивностей линий масс-спектра и исчезновение или почти полное подавление отдельных пиков в энергетических спектрах. Прослеживая кинетику (или зависимость интенсивностей от толщины распыленного слоя) линий молекулярных ионов в масс-спектрах и отдельных пиков в энергетических спектрах судят о наличии и относительном количестве определенных химических соединений в слоях. Then, surface layers are sprayed, measuring the energy spectra of those secondary ions that are in chemical compounds layer by layer and recording the full mass spectra at the settings of the energy analyzer corresponding to individual peaks in the energy spectra. After the surface layer is completely sputtered and the probe beam exits onto a substrate of known composition, the composition and intensities of the lines of the mass spectrum stabilize and individual peaks in the energy spectra disappear or almost completely suppress. By tracing the kinetics (or the dependence of the intensities on the thickness of the atomized layer) of the lines of molecular ions in the mass spectra and the individual peaks in the energy spectra, one judges the presence and relative amount of certain chemical compounds in the layers.

Таким образом, в прототипе высокая достоверность исследований химического состава металлов и полупроводников достигается путем одновременного использования двух источников информации (масс-спектров и энергетических спектров). Thus, in the prototype, high reliability studies of the chemical composition of metals and semiconductors is achieved by the simultaneous use of two sources of information (mass spectra and energy spectra).

В прототипе решающую роль в обнаружении структуры энергетических спектров вторичных ионов, связанной с отдельными химическими неоднородностями, играет геометрия эксперимента, а именно величины углов отбора вторичных ионов θ (см. фиг.1) и углов бомбардировки α, а также угла α + θ . Исследования, представленные в прототипе, показывают, что наиболее рельефно пики, соответствующие отдельным химическим соединениям, проявляются, если α = 0 - 20^о, а θ = 50 - 60^о.In the prototype, the decisive role in detecting the structure of the energy spectra of secondary ions associated with individual chemical inhomogeneities is played by the geometry of the experiment, namely, the angles of selection of secondary ions θ (see FIG. 1) and the bombardment angles α, as well as the angle α + θ. Studies presented in the prototype show that the most prominent peaks corresponding to individual chemical compounds are manifested if α = 0 - 20 ^about , and θ = 50 - 60 ^about .

Прототип обладает следующими недостатками. The prototype has the following disadvantages.

Исследование спектров масс производится при определенной настройке энергоанализатора. Поскольку энергоанализатор обладает узким энергетическим окном, то при записи спектров масс фиксируются лишь те вторичные ионы, энергии которых лежат в пределах энергетического окна энерноанализатора. Если диапазон энергий какого-либо иона не совмещается с энергетическим окном энергоанализатора, то данный ион не будет зафиксирован. Если же диапазон энергий каких-либо ионов лишь частично перекрывается с энергетическим окном, то в детектор попадут не все ионы, а лишь те, которые прошли через окно. Это приводит к тому, что информация об относительных интенсивностях наблюдаемых линий масс-спектров искажается, а линии некоторых ионов могут быть не зафиксированы вовсе, поскольку очень сильно отличаются друг от друга энергетические спектры атомарных, кластерных, молекулярных, полизарядных ионов. Поэтому при исследовании масс-спектров по схеме прототипа необходимо многократное их фиксирование при различных настройках энергоанализатора, что делает процесс анализа чрезвычайно трудоемким и длительным, а это в свою очередь влияет на достоверность анализа. The study of mass spectra is performed with a certain configuration of the energy analyzer. Since the energy analyzer has a narrow energy window, when recording mass spectra, only those secondary ions are recorded whose energies lie within the energy window of the energy analyzer. If the energy range of any ion does not coincide with the energy window of the energy analyzer, then this ion will not be fixed. If the energy range of any ions only partially overlaps with the energy window, then not all ions will get into the detector, but only those that have passed through the window. This leads to the fact that information on the relative intensities of the observed lines of the mass spectra is distorted, and the lines of some ions may not be recorded at all, since the energy spectra of atomic, cluster, molecular, multicharged ions differ very much from each other. Therefore, when studying mass spectra according to the prototype scheme, they need to be repeatedly recorded at various settings of the energy analyzer, which makes the analysis process extremely time-consuming and lengthy, and this in turn affects the reliability of the analysis.

Целью изобретения является повышение достоверности энергомасс-спектрального анализа элементного, фазового и химического состава поверхности при одновременном сокращении времени анализа. The aim of the invention is to increase the reliability of the energy-mass spectral analysis of the elemental, phase and chemical composition of the surface while reducing analysis time.

Цель достигается тем, что устройство содержит ионно-оптический канал для исследования энергетических спектров вторичных ионов, включающий иммерсионную линзу, электростатический энергоанализатор, магнитный масс-анализатор. Дополнительно вводится интегральный по энергии ионно-оптический канал для регистрации масс-спектров. Для организации этого канала энергоанализатор выполняется сферическим 180^о-ным и дополнительно устанавливаются 90^о-ные сферические дефлекторы, а также две электростатические линзы, одна из которых расположена между выходным 90^о-ным дефлектором и входной диафрагмой магнитного масс-анализатора, другая - между 90^о-ными дефлекторами, во внешних электродах которых выполнены отверстия, так что их оптические оси, оптические оси электростатических линз и касательная к равновесным траекториям дефекторов в точках входа и выхода лежат на прямой: центр первичного ионного пучка на поверхности мишени - входная диафрагма масс-анализатора, а равновесные траектории дефлекторов и энергоанализатора сопряжены в одной плоскости.The goal is achieved in that the device contains an ion-optical channel for studying the energy spectra of secondary ions, including an immersion lens, an electrostatic energy analyzer, and a magnetic mass analyzer. Additionally, an energy-integrated ion-optical channel is introduced to record mass spectra. To organize this channel, the energy analyzer is performed with a spherical 180 ^о and additionally installed 90 ^о spherical deflectors, as well as two electrostatic lenses, one of which is located between the output 90 ^о deflector and the input diaphragm of the magnetic mass analyzer, the other between 90 ^by- deflectors, in the external electrodes of which holes are made, so that their optical axes, optical axes of electrostatic lenses, and tangent to the equilibrium paths of the defectors at the entry and exit points lie on a straight line : the center of the primary ion beam on the target surface is the input diaphragm of the mass analyzer, and the equilibrium trajectories of the deflectors and the energy analyzer are conjugated in the same plane.

Предлагаемая ионно-оптическая система вторичных ионов показана на фиг. 2, где показаны: 1 - образец, поверхность которого подвергается распылению ионным пучком 2, 3 - нормаль к поверхности образца, 4 - заземленные электроды, 5 - входная щель трехэлектродной линзы, 6 - телесный угол отбора вторичных ионов, 7 - одиночная электростатическая трехэлектродная линза, 8 - входная щель энергоанализатора, 9 - энергоанализатор, 10 - масс-анализатор, 11 - детектор вторичных ионов, α, θ - соответственно углы бомбардировки и отбора вторичных ионов; дополнительно введены элементы: 12, 13 - 90^о-ные сферические дефлекторы с отверстиями 16, 17 во внешних электродах, позволяющими организовать дополнительный прямой интегральный по энергии ионно-оптический канал, 14, 15 - одиночные электростатические трехэлектродные линзы.The proposed ion-optical system of secondary ions is shown in FIG. 2, which shows: 1 - a sample whose surface is atomized by an ion beam 2, 3 - normal to the surface of the sample, 4 - grounded electrodes, 5 - entrance slit of a three-electrode lens, 6 - solid angle of selection of secondary ions, 7 - single electrostatic three-electrode lens , 8 - entrance slit of the energy analyzer, 9 - energy analyzer, 10 - mass analyzer, 11 - secondary ion detector, α, θ - angles of bombardment and selection of secondary ions, respectively; additionally introduced elements: 12, 13 - 90 ^о- spherical deflectors with holes 16, 17 in the external electrodes, which make it possible to organize an additional direct energy-integrated ion-optical channel, 14, 15 - single electrostatic three-electrode lenses.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Поверхность исследуемого образца 1 бомбардируется ионным пучком 2. Эмиттируемые поверхностью вторичные ионы формируются в параллельный пучок иммерсионной линзой 7. The surface of the test sample 1 is bombarded with an ion beam 2. Secondary ions emitted by the surface are formed into a parallel beam by an immersion lens 7.

Сферический 90^о-ный дефлектор 12 формирует пучок в двух плоскостях и направляет его на входную диафрагму 8 180^о-ного энергоанализатора 9. Анализ вторичных ионов по энергиям выполняется путем изменения потенциалов на электродах энергоанализатора. Требуемое энергетическое разрешение (в нашем примере ≈ 1 эВ) обеспечено выбором радиуса равновесной траектории и размеров входной 18 и выходной 18' диафрагм по известным методикам. Диафрагма 18 выполняет функцию энергоразрешающей щели и входной диафрагмы второго 90^о-ного сферического дефлектора 13, на входе которого пучок вторичных ионов становится параллельным. Фокусировка пучка на входную щель 19 магнитного масс-анализатора 10 осуществляется линзой 15.Spherical ⁹⁰ ethyl deflector 12 forms the beam in two planes and sends it to the input aperture 8180 ^{of the} solution of the energy analyzer 9. Analysis of secondary ion energy is performed by changing the potentials on the electrodes of the energy analyzer. The required energy resolution (in our example ≈ 1 eV) is ensured by the choice of the radius of the equilibrium trajectory and the sizes of the input 18 and output 18 'diaphragms by known methods. The aperture 18 performs the function energorazreshayuschey slit diaphragm and the second input 90 ^{of the} strength of the spherical deflector 13, at whose input the secondary ion beam becomes parallel. The beam is focused on the entrance slit 19 of the magnetic mass analyzer 10 by a lens 15.

Высокая разрешающая способность по массам обеспечивается выбором соответствующих параметров масс-спектрометра 10 (в нашем случае М/М 1000 обуславливается использованием в качестве масс-сепаратора масс-спектрометра для изотопно анализа МИ-1201 В). Сферические 90^о-ные дефлекторы имеют одинаковые радиусы равновесных траекторий и установлены так, что касательные к равновесным траекториям в точке входа ионов в первый дефлектор 12 и в точке выхода из второго дефлектора 13 совпадают с осью: центр первичного пучка на мишени - входная щель масс-анализатора. По этой же оси установлены линзы 7, 14, 15 и ориентированы отверстия 16, 17 во внешних электродах дефлекторов 12, 13. Тем самым создается канал прямого пролета вторичных ионов от мишени 1 до входной щели 19 масс-анализатора 10, по которому возможна регистрация масс-спектров без энергетического анализа по каналу энергоанализатора 7 - 8 - 12 - 9 - 13 - 15 - 19 - 10. При работе в режиме канала прямого пролета (7 - 16 - 14 - 17 - 15 - 19) потенциалы на электродах дефлектора отсутствуют, иммерсионная линза 7 фокусирует пучок вторичных ионов в центр отверстия 16, выполняющего функцию диафрагмы. Одиночная линза 14 фокусирует пучок в центр отверстия 17 во внешнем электроде дефлектора 13, а одиночная линза 15 фокусирует пучок на входную щель 19 масс-анализатора. Размеры диафрагм 17 и 16 выбраны из условия пропускания ионов с энергетическим разбросом от 0 до нескольких сотен электронвольт.A high mass resolution is ensured by the selection of the appropriate parameters of the mass spectrometer 10 (in our case, the M / M 1000 is determined by the use of a mass spectrometer as a mass separator for MI-1201 V isotope analysis). Spherical -WIDE deflectors ⁹⁰ have identical radii equilibrium trajectories and arranged so that the tangent to the equilibrium point of the ion trajectories in the entrance of the first deflector 12 and at the exit point from the second deflector 13 coincide with the axis: the center of the primary beam on the target - entrance slit of the mass analyzer. The lenses 7, 14, 15 are installed along the same axis and the holes 16, 17 are oriented in the outer electrodes of the deflectors 12, 13. This creates a channel for the direct flight of secondary ions from the target 1 to the entrance slit 19 of the mass analyzer 10, through which mass registration is possible -spectra without energy analysis through the channel of the energy analyzer 7 - 8 - 12 - 9 - 13 - 15 - 19 - 10. When working in the direct-flight channel mode (7 - 16 - 14 - 17 - 15 - 19), there are no potentials on the deflector electrodes, immersion lens 7 focuses the beam of secondary ions in the center of the hole 16 that performs the function aperture. A single lens 14 focuses the beam at the center of the hole 17 in the outer electrode of the deflector 13, and a single lens 15 focuses the beam on the entrance slit 19 of the mass analyzer. The sizes of the apertures 17 and 16 are selected from the condition of the transmission of ions with an energy spread from 0 to several hundred electron-volts.

Таким образом, благодаря введению дополнительных элементов 12 - 15 (фиг. 2) появляется возможность осуществления двух ионно-оптических каналов вторичных ионов. Пpи этом переход от одного канала к другому осуществляется без изменения геометрии эксперимента путем перераспределения потенциалов ионно-оптических элементов. Без изменения остаются также масс-анализатор и система регистрации ионов. Thus, due to the introduction of additional elements 12 - 15 (Fig. 2), it becomes possible to implement two ion-optical channels of secondary ions. In this case, the transition from one channel to another is carried out without changing the geometry of the experiment by redistributing the potentials of ion-optical elements. The mass analyzer and the ion registration system also remain unchanged.

Изобретение обладает всеми достоинствами прототипа при работе в режиме пролета вторичных ионов по ионно-оптическому каналу энергоанализатора 7 - 18 - 12 - 9 - 18 - 13 - 15 - 19 - 10 (фиг.2), при этом последовательность операций при анализе элементного и химического состава та же, что и в прототипе. The invention has all the advantages of the prototype when operating in the mode of flight of secondary ions through the ion-optical channel of the energy analyzer 7 - 18 - 12 - 9 - 18 - 13 - 15 - 19 - 10 (figure 2), while the sequence of operations in the analysis of elemental and chemical the composition is the same as in the prototype.

Канал прямого пролета вторичных ионов позволяет получать неискаженные (вследствие узкого энергетического окна энергоанализатора) масс-спектры вторичных ионов в одном измерении, тогда как в прототипе необходимо проводить несколько измерений масс-спектра при разных настройках энергоанализатора, чтобы получить достоверную информацию о составе масс-спектра. Таким образом, в несколько раз сокращается время анализа полного масс-спектра вторичных ионов. Вместе с тем повышается и достоверность послойного масс-спектрального анализа. Повышение достоверности достигается вследствие того, что за время записи масс-спектра распыляется некоторый тонкий слой материала d. При этом, если некоторый элемент А находился только в слое d, то он может быть не зафиксирован в масс-спектре, измеренном по схеме прототипа, из-за неподходящей настройки энергоанализатора при распылении данного слоя. Проиллюстрируем ситуацию с изучением масс-спектров при работе по прямому каналу и по каналу с энергоанализатором более подробно с помощью фиг.3-5 построенных схематически с учетом результатов большого числа экспериментов. На фиг.3 - 5 обозначено: 20 - масс-спектр, полученный при работе по каналу с энергоанализатором при распылении некоторого вещества при настройке энергоанализатора на большие энергии (40 и более эВ). В этом случае подавлены линии, соответствующие ионам тяжелых элементов и немоноатомным ионам (кластерам, молекулам), обозначенным, как группа линий М6 - М₁₂; 21 - масс-спектр при распылении того же вещества, измеренный по тому же каналу, но при настройке энергоанализатора на низкие энергии ионов (от 0 до 20 эВ), в этом случае подавлены линии, соответствующие ионам легких элементов и многозарядным ионам, обозначенным как группа линий М₁ - М₅; 22 - суммарный масс-спектр при распылении того же вещества в режиме регистрации по прямому каналу. В этом случае энергоанализатор не подавляет ни группу М₁ - М₅, ни группу М₆ - М₁₂ и вследствие того, что по прямому каналу могут проходить ионы, полностью подавленные при указанных выше настройках энергоанализатора, возможно обнаружение этих ионов, что показано массовыми линиями М₁₃ - М₁₇.The direct-flight channel of secondary ions allows obtaining undistorted (due to the narrow energy window of the energy analyzer) mass spectra of secondary ions in one dimension, while in the prototype it is necessary to carry out several measurements of the mass spectrum at different settings of the energy analyzer in order to obtain reliable information about the composition of the mass spectrum. Thus, the analysis of the full mass spectrum of secondary ions is reduced several times. At the same time, the reliability of the layered mass spectral analysis increases. The increase in reliability is achieved due to the fact that during the recording of the mass spectrum a certain thin layer of material d is sprayed. Moreover, if some element A was located only in layer d, then it may not be recorded in the mass spectrum measured according to the prototype scheme, due to improper energy analyzer settings when spraying this layer. We will illustrate the situation with the study of mass spectra when working on the direct channel and on the channel with the energy analyzer in more detail using FIGS. 3-5 constructed schematically taking into account the results of a large number of experiments. Figure 3 - 5 indicates: 20 - mass spectrum obtained when working through a channel with an energy analyzer when spraying some substance when tuning the energy analyzer to high energies (40 or more eV). In this case, the lines corresponding to the ions of heavy elements and non-monoatomic ions (clusters, molecules), designated as the group of lines M6 - M ₁₂ , are suppressed; 21 - mass spectrum when spraying the same substance, measured by the same channel, but when the energy analyzer is set to low ion energies (from 0 to 20 eV), in this case, the lines corresponding to the ions of light elements and multiply charged ions, designated as the group, are suppressed lines M ₁ - M ₅ ; 22 - total mass spectrum when spraying the same substance in the registration mode on the direct channel. In this case, the energy analyzer does not suppress either the M ₁ - M ₅ group or the M ₆ - M ₁₂ group, and due to the fact that ions that are completely suppressed at the above energy analyzer settings can pass through the direct channel, these ions can be detected, which is shown by mass lines M ₁₃ - M ₁₇ .

Проведенный сопоставительный анализ с прототипом и аналогичными техническими решениями показывает, что заявляемый энергомасс-спектрометр соответствует критерию изобретения "существенные отличия", так как за счет введения дополнительных элементов и заданной геометрии измерений в устройстве организованы два измерительных независимых канала, совместное использование которых позволяет существенно повысить достоверность и уменьшить время анализа элементного и химического состава поверхностных слоев твердых тел. A comparative analysis with the prototype and similar technical solutions shows that the inventive energy mass spectrometer meets the criteria of the invention "significant differences", as due to the introduction of additional elements and a given measurement geometry, two independent measuring channels are organized in the device, the joint use of which can significantly increase the reliability and reduce the analysis time of the elemental and chemical composition of the surface layers of solids.

Схема питания и размеры ионно-оптической системы при конкретном исполнении энергомасс-спектрометра могут варьироваться в зависимости от желания пользователя. Если ограничиться требованиями к разрешению по массам и энергии на том же уровне, что и в прототипе, то основные размеры должны быть следующими. Радиусы равновесных траекторий 90^о-ных сферических дефлекторов 12, 13 и энергоанализатора 9 равны 50 мм, ширина энергоразрешающих щелей 8, 18 равна 0,1 мм, апертуры линз 7, 14, 15 ≈ 10 мм. Диаметры малых отверстий 16, 17 выбираются из соображений внесения наименьших искажений поля в зазорах дефлекторов 12, 13; при размере этих зазоров ≈ 10 мм диаметр отверстий ≈ 2 мм.The power scheme and dimensions of the ion-optical system for a particular design of the energy-mass spectrometer can vary depending on the user's desire. If we restrict ourselves to the requirements for resolution by mass and energy at the same level as in the prototype, the main dimensions should be as follows. The radii of the equilibrium trajectories of 90 ^about spherical deflectors 12, 13 and energy analyzer 9 are 50 mm, the width of energy-resolving slits 8, 18 is 0.1 mm, the lens aperture is 7, 14, 15 ≈ 10 mm. The diameters of the small holes 16, 17 are selected for reasons of introducing the least field distortion in the gaps of the deflectors 12, 13; with the size of these gaps ≈ 10 mm, the diameter of the holes ≈ 2 mm.

Предлагаемый энергомасс-спектрометр может быть изготовлен на базе серийных масс-спектрометров для изотопного анализа типа МИ - 1201 путем усовершенствования их вакуумной системы и изготовления сверхвысоковакуумной камеры - приставки, в которой размещаются все (кроме 10, 11, 19) элементы схемы фиг. 2, а также ионная пушка, формирующая пучок 2, манипулятор образцов - мишеней 1 для установки образцов под пучок, шлюзовое устройство для смены образцов без разгерметизации камеры и другие функциональные устройства. The proposed energy-mass spectrometer can be manufactured on the basis of serial mass spectrometers for isotope analysis of the MI-1201 type by improving their vacuum system and manufacturing an ultra-high vacuum chamber — an attachment that contains all (except 10, 11, 19) elements of the circuit of FIG. 2, as well as an ion gun forming a beam 2, a sample manipulator - targets 1 for installing samples under the beam, a gateway device for changing samples without depressurizing the chamber, and other functional devices.

Использование предлагаемого энергомасс-спектрометра вторичных ионов наиболее эффективно для исследования поверхностных слоев сложных химически неоднородных структур типа многослойных тонкопленочных "сэндвичей", используемых в приборах микроэлектроники. The use of the proposed secondary ion energy mass spectrometer is most effective for studying the surface layers of complex chemically heterogeneous structures such as multilayer thin-film "sandwiches" used in microelectronic devices.

Предлагаемая конструкция может быть использована также и для целей энергетического и массового анализа ионных пучков, поданных соосно на входную щель линзы 7. The proposed design can also be used for energy and mass analysis of ion beams fed coaxially to the entrance slit of the lens 7.

Claims

SECONDARY ION ENERGOMASS SPECTROMETER containing an ion-optical system of sequentially located immersion lenses, an electrostatic energy analyzer and a magnetic mass analyzer, characterized in that, in order to increase reliability by expanding analytical capabilities and reducing analysis time, the input and output 180 ^o power analyzer, additionally installed 90 ^o- deflectors, as well as two electrostatic lenses, one of which is located between the output deflector and the input diaphragm m mass analyzer, the other between 90 ^o -deflectors, in the outer electrodes of which holes are made, the axes of which coincide with the axes of the electrostatic lenses, and the equilibrium paths of the deflectors and the energy analyzer are conjugated in the same plane.