КОМПЬЮТЕРНОЕ  МОДЕЛИРОВАНИЕ  ДЛИННОФОКУСНОЙ  СИСТЕМЫ  ДЛЯ  ИССЛЕДОВАНИЯ  НАНОМАТЕРИАЛОВ  И  НАНОСТРУКТУР

Айданулы  Бауыржан

студент  2-курса,  кафедра  ядерной  физики,  новых  материалов

и  технологий  ЕНУ  им.  Л.Н.  Гумилева, 
Республика  Казахстан,  г.  Астана

Е-mail:  bcoool@bk.ru

Камбарова  Жанара  Турсыновна

научный  руководитель,  д-р  PhD,  ст.препод.  кафедры  физики

и  нанотехнологий  КарГУ  им.Е.А.  Букетова, 
Республика  Казахстан,  г.  Караганда

В  настоящее  время  из  физических  методов  наибольшее  распространение  получили  спектроскопические  методы,  из  которых  следует  выделить  группу  активно  развивающихся  методов  корпускулярной  спектроскопии,  в  том  числе,  методы  электронной  спектроскопии.  Однако,  существует  широкий  спектр  нерешенных  вопросов  в  данной  области,  которые  детерминируют  необходимость  детального  проведения  теоретических  и  практических  исследований.  Актуальность  названной  проблематики  вызвала  наш  научный  интерес  к  рассмотрению  физических  основ  метода  оже-электронной  спектроскопии  и  его  использовании  в  конструировании  компьютерной  модели  длиннофокусной  системы  на  основе  гексапольно-цилиндрического  поля  с  помощью  численной  программы  «Фокус».

Для  решения  этой  задачи  нами  был  разработан  проект,  целью  которого  стала  разработка  компактной,  легко  интегрируемой  в  технологические  процессы  длиннофокусной  системы  элементного  оже-анализа  поверхности  твердого  тела,  по  своим  техническим  параметрам  не  уступающей  мировым  коммерческим  образцам,  в  составе  энергетического  анализатора  (разрешение  лучше  1  %  при  светосиле  порядка  10  %  от  2π)  и  встраиваемой  в  него  электронной  пушки  (наименьшее  сечение  пучка  на  уровне  1  мкм).  В  результате  проектирования  было  проведено  компьютерное  моделирование  электростатического  энергоанализатора  на  основе  гексапольно-цилиндрического  поля  с  торцевыми  электродами,  обладающего  длинным  фокусом.  Для  расчетов  применялась  численная  программа  «Фокус»  для  моделирования  аксиально-симметричных  систем  корпускулярной  оптики.

В  начале  работы  нами  были  описаны  физические  основы  метода  ожэ-электроннной  спектроскопии.  Здесь  мы  определяем,  что  в  основе  метода  Оже  –  электронной  спектроскопии  (ОЭС)  лежат  такие  процессы  как,  ионизация  внутренних  электронных  уровней  атома  первичным  электронным  пучком,  безизлучательный  Оже-переход  и  выход  Оже-электрона  в  вакуум,  где  он  регистрируется  при  помощи  электронного  спектрометра.  При  этом  надо  заметить;  что  эффект,  на  котором  основана  ОЭС,  был  открыт  в  1925  году  французским  физиком  Пьером  Оже  (P.  Auger)  [2].

Далее  мы  провели  работу  по  разработке  длиннофокусной  системы  локального  исследования  материалов  и  структур  методом  электронной  оже-спектроскопии.  Актуальность  разработки  заключена  в  реально  возникшей  потребности  на  рынке  физико-аналитического  оборудования  в  системе  оже-анализа  и  контроля  процессов,  таких  как  рост  тонких  пленок,  синтез  новых  материалов  и  формирование  многослойных  структур.

В  процессе  исследования  мы  пришли  к  следующим  результатам:

·     Основные  требования  к  системе  оже-анализа  являются  компактность,  высокая  чувствительность,  пространственное  разрешение  по  поверхности  не  хуже  1  мкм,  разрешение  по  энергии  лучше,  чем  1  %.  Дополнительные  требования  к  системе  являются  длинный  фокус  (возможность  пространственной  интеграции  с  альтернативными  физическими  методами  исследований)  и  невысокая  стоимость.  В  технологической  практике  зачастую  возникают  ситуации,  когда  необходимы  контрольные  измерения  альтернативными  методами.  Максимально  просто  данная  задача  решается  пространственным  совмещением  методов.  Для  пространственного  совмещения  методов  нужны  средства  с  большими  расстояниями  «образец-анализатор».

·     Классический  зеркальный  цилиндрический  анализатор  (ЦЗА)  не  может  обеспечить  длинный  фокус.  В  последние  десятилетия  было  предложено  несколько  новых  конструкций  энергоанализаторов,  альтернативных  ЦЗА.  Квазиконический  энергоанализатор,  несмотря  на  ряд  его  несомненных  преимуществ  (на  порядок  лучше  энергетическое  разрешение,  чем  у  ЦЗА)  имеет  совсем  малое  расстояние  «образец-анализатор».  В  технологических  установках  применение  его  ограничено.  Разрешить  данную  проблему  возможно  на  базе  электростатических  гексапольно-цилиндрических  полей  [1,  с.  75].

·     Для  решения  проблемы  в  системы  оже-анализа  предлагается  разработка  численной  модели  нового  зеркального  анализатора  на  основе  гексапольно  –  цилиндрического  поля  с  длиннофокусным  расстоянием.  Продольные  габариты  предложенного  энергоанализатора  на  основе  гексапольно  –  цилиндрического  поля  ограничены  торцевыми  электродами,  что  обеспечивает  организацию  защиты  от  краевых  полей.

·     В  результате  рассмотрения  движения  заряженной  частицы  в  гексапольно  –  цилиндрического  поля,  потенциал  которого  описывается  в  системе  координат  r,  z  следующим  выражением:

,                                         (1)

где

  (2)  [3,  с.  55].

·     было  проведено  моделирование  ГЦП  –  анализатора  с  торцевыми  электродами  с  целью  поиска  схемы  с  угловой  фокусировкой  типа  «ось-кольцо»,  обеспечивающая  большое  фокусное  расстояния  от  исследуемого  образца  (мишени)  до  анализатора.  Моделирование  проводилось  с  помощью  численной  программы  «Фокус»  моделирования  аксиально-осесимметричных  ЭОС.

Рисунок  1.  Электронно-оптическая  схема  длиннофокусного  ГЦП  –  анализатора  с  торцевыми  электродами  при  m=1  и  g=-1  в  режиме  фокусировки  «ось-кольцо»:  1  –  цилиндрический  электрод,  2  –  внешний  электрод  с  криволинейным  профилем,  3  –  торцевые  электроды,  4  –  вторичные  электроны,  5  –  исследуемый  образец,  6  –  первичные  электроны,  7  –  магнитный  экран,  8  и  9  –  входная  и  выходная  щели,  10  –  детектор,  ЭП  –  электронная  пушка

На  рисунке  1  приведено  множество  траекторий  частиц  с  энергией  E/V=1,3,  вылетающих  из  точечного  источника  с  координатами  X,  Y  (0,0)  в  диапазоне  начальных  углов  ввода  25⁰–35⁰  в  электронно-оптической  схеме  длиннофокусного  ГЦП-анализатора  с  торцевыми  электродами  при  m=1  и  g=-1.  Общая  протяженность  ЭОС  –  19.  Потенциал  внешнего  электрода  с  криволинейным  профилем  (2)  равен  1.  Радиус  внутреннего  цилиндрического  электрода  (1)  4.  Внутренний  цилиндрический  (1)  и  торцевые  электроды  (3)  под  нулевым  потенциалом.  Профиль  внешнего  электрода  (2)  определен  из  расчета  эквипотенциальных  линий  в  ГЦП  с  помощью  программы  MathCAD.  Исследуемый  образец  (5)  расположен  на  расстоянии  z=4,9  от  анализатора.  Анализатор  покрыт  магнитным  экраном  (7)  для  уменьшения  влияния  магнитного  поля  Земли.

Источником  электронов  служит  электронная  пушка,  ось  которой  совпадает  с  осью  симметрии  анализатора.  Все  размеры  выражены  в  условных  единицах.

Из  рисунка  1  также  видно,  как  вторичные  электроны  (4),  возбужденные  из  исследуемого  образца  (5)  первичным  излучением  (6)  (электронами),  через  специальное  входное  окно  (8)  во  внутреннем  цилиндре,  затянутое  одномерной  сеткой,  попадают  в  ГЦП  и  при  своем  движении  отклоняясь  к  оси  цилиндра,  фокусируются  на  поверхности  цилиндрического  электрода.  Электроны,  прошедшие  сквозь  сетку  выходного  окна  (9)  во  внутреннем  цилиндре  (1),  регистрируются  детектором  (10).  В  схеме  выполняется  режим  угловой  фокусировки  второго  порядка  типа  «ось-кольцо».

Входное  и  выходное  щели  в  анализаторе  затягиваются  одномерными  мелкоструктурными  металлическими  сетками,  рассеивающие  пучок  только  по  азимуту.

Моделирование  ЭОС  показало  возможность  достижения  фокусировки  второго  порядка  вблизи  угла  вылета  из  источника  порядка  30⁰.  Данная  схема  обеспечивает  эффективную  транспортировку  потока  частиц  в  диапазоне  углов  эмиссии  30  ±  5⁰  на  детектор,  и  тем  самым  решает  задачу  повышения  чувствительности  прибора.

В  таблице  1  представлены  результаты  расчета  фокусирующих  свойств  ГЦП  с  торцевыми  электродами  при  m=1  и  g=-1  в  режиме  фокусировки  «ось-кольцо».

Таблица  1.

Фокусирующие  свойства  ГЦП  с  торцевыми  электродами  при  m=1  и  g=-1

На  рисунке  2  представлена  аппаратная  функция  ГЦП  анализатора  с  торцевыми  электродами  при  m=1  и  g=-1.  При  расчете  аппаратной  функции  прибора  диапазон  начальных  углов  ввода  частиц  составлял  a=25°–35,  начальный  энергетический  диапазон  1.29–1.31.

Рисунок  2.  Аппаратная  функция  ГЦП  –  анализатора  с  торцевыми  электродами  при  m=1  и  g=-1  в  режиме  фокусировки  «ось-кольцо»

Энергоанализатор  на  основе  ГЦП  с  торцевыми  электродами  является  мощным  средством  для  измерения  энергии  распределения  электронов  с  высокой  светосилой  и  энергетическим  разрешением.  Относительное  энергетическое  разрешение  DE/E₀  на  полувысоте  аппаратной  функции  анализатора  составляет  0,3  %  при  светосиле  W/4p=8,71  %.  Здесь  E₀  –  энергия,  соответствующая  максимуму  функции  пропускания.  Теоретически  рассчитанные  параметры  анализатора  оказываются  лучше  аналогичных  параметров  классического  цилиндрического  зеркала.

Достигаемое  большое  расстояние  и  свободное  пространство  в  передней  части  анализатора  позволяет  использовать  его  не  только  в  оже-электронной  спектроскопии,  но  и  в  фотоэлектронной  спектроскопии  с  различными  режимами  возбуждения.

Численное  моделирование  показало,  что  разработанный  энергоанализатор  на  основе  суперпозиции  цилиндрического  поля  m=1  и  кругового  гексаполя  g=-1  с  торцевыми  электродами  обладает  существенными  преимуществами  по  сравнению  с  традиционными  типами  энергоанализаторов.  Высокая  светосила,  высокое  энергетическое  разрешение,  большое  расстояние  образец  -  анализатор,  а  также  относительно  легкая  реализация  расчетов  профиля  внешнего  криволинейного  электрода  являются  важными  характеристиками  разработанного  энергоанализатора.  Наличие  у  ГЦП  –  анализатора  торцевых  электродов,  ограничивающих  продольные  габариты  анализатора,  позволяет  свести  к  минимуму  влияние  краевых  полей  на  распределение  поля.

Таким  образом,  разработана  длиннофокусная  система  с  защитой  от  влияния  краевых  полей,  дающая  возможность  тривиальной  интеграции  со  средствами  альтернативных  физических  методов  исследования  веществ.  Разработанная  система  удовлетворяет  все  основные  требования,  такие  как  малые  габариты  анализатора  (компактность)  и  большое  расстояние  от  исследуемого  образца  до  анализатора  и  способна  решать  актуальные  научные  задачи  прикладного  и  фундаментального  характера  в  области  анализа  существующих  и  синтеза  новых  материалов,  структур  и  приборов  микро-  и  наноэлектроники.

Результаты,  полученные  в  работе,  имеют  перспективы  применения  при  разработке  оже-микрозонда,  предназначенного  для  использования  в  качестве  метрологической  системы  сверхвысоковакуумных  технологических  процессов,  например,  роста  пленок,  молекулярно-лучевой  эпитаксии,  ионной  имплантации,  плазменной  обработки  и  т.  д.,  являющихся  на  данный  момент  наиболее  передовыми  и  эффективными  при  производстве  новых  материалов  и  структур,  микро-  и  нано-объектов.

Список  литературы:

1. Ашимбаева  Б.У.,  Саулебеков  А.О.,  Чокин  К.Ш.  Фокусирующие  свойства  электростатического  зеркала  с  гексапольно-цилиндрическим  полем  //  Прикладная  физика.  –  2008.  –  №  2.  –  С.  74–78.
2. Оже-электронная  спектроскопия  /  [Электронный  ресурс]  –  Режим  доступа.  –  URL:  http://m-protect.ru/wiki/index.php?title  (дата  обращения  21.11.2015).
3. Трубицын  А.А.,  Толстогузов  А.Б.,  Саулебеков  А.О.  и  др.  Проектирование  длиннофокусного  оже-микроанализатора  //  Вестник  РГРТУ.  –  2012.  –  №  4  (выпуск  42).  Часть  1.