Діодний мікроскоп для неруйнівного аналізу

Діодний мікроскоп для неруйнівного аналізу, розміщений у високовакуумній оболонці і працюючий в режимі затримуючого потенціалу, в якому анодом є досліджуваний об'єкт, у прианодній області розташований прискорюючий електрод, а скануючий електронний зонд утворений термокатодом з розташованим у прикатодній області прискорюючим електродом-діафрагмою, який відрізняється тим, що термокатод виконано у вигляді розжареного вістря, а розміщений у прианодній області прискорюючий електрод є рухомою діафрагмою, причому вся конструкція розташована у повздовжньому однорідному магнітному полі з силовими лініями, що проходять від верхівки вістря до заданої точки анода. Ю (13) 23087 (11) UA ми електродами для створення тонкого пучка електронів, що падає по нормалі на дрібнокомірчату сітку, розміщену так близько перед досліджуваною поверхнею-анодом, щоб створити в прианодній області сильне гальмівне поле (біля 5х105 В/м). Сітка має такий потенціал відносно катоду, як і останній анод електронної гармати (біля 1000 В), а потенціал досліджуваної поверхні-аноду відносно катоду становить 2 В. Анодний струм визначається роботою виходу тієї частини аноду, на яку падає добре сфокусований електронний пучок. Відхилення електронного пучка (сканування поверхні) здійснюється в зоні без електричного поля двома парами магнітних котушок, розташованих взаємно перпендикулярно одна до одної та до осі діоду. Цей пристрій дає можливість одержувати карти розподілу відносних значень роботи виходу та спостерігати за змінами, які виникають в результаті адсорбції газу на поверхні аноду і дозволяє визначати роботу виходу окремих плям з розмірами більше 10-5 м. Недоліком відомої конструкції є низька роздільна здатність, а дрібнокомірчата сітка перед досліджуваною поверхнею затіняє частину цієї поверхні і викликає періодичні спотворення на карті розподілу роботи виходу. В основу винаходу поставлена задача створення діодного мікроскопу для неруйнівного аналізу, в якому шляхом застосування джерела термоелектронів, виконаного у вигляді розжареного віст (19) Винахід відноситься до галузі мікроскопії, а саме, діодний мікроскоп призначено для неруйнівного аналізу потенціального рельєфу поверхні провідників і напівпровідників та вивчення явищ, що супроводжуються зміною цього рельєфу. Відома конструкція діодного мікроскопу [1] для аналізу мікрооб'єктів, що проводять струм із застосуванням двох вістревих зондів, які переміщуються в площині, паралельній поверхням об'єкту і тестової пластини. При цьому порівнюються автоемісійні струми з вістря зонда над тестовою пластиною, та з вістря, що сканує поверхню досліджуваного об'єкту. Обидва вістря між собою жорстко зв'язані. Автоемісійний струм пропорційний віддалі між об'єктом та вістрям. Основними недоліками такого діодного мікроскопу є те, що для одержання автоемісії з вістря необхідні сильні електричні поля, роздільна здатність мікроскопу залежить від відстані між поверхнею та зондом, а зміна струму автоемісії може викликатися як мікрорельєфом поверхні (її шорсткістю), так і локальною зміною роботи виходу, наприклад, при адсорбції на тестовій пластині. Ця обставина може бути причиною неоднозначностей при тлумаченні результатів. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як прототип , є запропонований Хаасом і Томасом діод [2] зі скануючим електронним пучком, який складається з електронної гармати з плоским термокатодом та трьома прискорюючи C2 ______________________________ 23087 ря і розміщеного в поздовжньому однорідному магнітному полі, здійснюється сканування досліджуваної поверхні електронами з тепловими енергіями внаслідок зміни напрямку силових ліній цього поля, чим забезпечується висока роздільна здатність по координаті при вимірюванні локальних значень мікропотенціалів на поверхні досліджуваних зразків та можливість кількісного контролю розподілу адсорбованої речовини в субмоношарових плівках при відсутності впливу застосованого зонду на стан поверхні, а завдяки відсутності в пристрої спеціальної електронної оптики досягається простота конструкції. Поставлена задача розв'язується тим, що в діодному мікроскопі для неруйнівного аналізу, розміщеному в високовакуумній оболонці і працюючого в режимі затримуючого потенціалу, анодом є досліджуваний об'єкт з близько розташованим прискорюючим електродом, створюючим гальмівне поле в прианодній області для електронного зонду, одержаного із застосуванням термокатоду та керованого магнітним полем при скануванні досліджуваної поверхні, згідно винаходу, катодом є вістря з розташованим близько біля нього прискорюючим електродом-діафрагмою, прискорюючим електродом для створення гальмівного поля є рухома діафрагма біля досліджуваного об'єкту-аноду, а вся конструкція розташована в поздовжньому однорідному магнітному полі з силовими лініями, що проходять від вершини вістря до деякої точки аноду, причому сканування поверхні аноду здійснюється термоелектронами в результаті дискретної зміни напрямку силових ліній цього поля. Для зондування досліджуваної поверхні застосовано джерело термоелектронів, виконане у вигляді розжареного вістря. Електрони рухаються від вершини вістря-катода в прискорюючому полі електрода-діафрагми з дуже малим центральним отвором вздовж силових ліній магнітного поля до аноду, яким є досліджуваний об'єкт, сканування поверхні здійснюється внаслідок дискретної зміни напрямку силових ліній цього поля, а гальмівне поле в прианодній області створюється рухомою діафрагмою, через центральний отвір якої виділяється досліджувана ділянка аноду. На фіг.1 зображено схему заявленого пристрою, де показано взаємне розташування його елементів вздовж осі симетрії. Діодний мікроскоп для неруйнівного аналізу складається з гарячого вістря-катоду 1, що є джерелом термоелектронів, траєкторії яких задаються напрямком силових ліній поздовжнього однорідного магнітного поля Н (паралельних осі вістря, або таких, що утворюють з віссю малий кут при скануванні поверхні), двох прискорюючих електродів 2 і 3 та аноду 4, яким є поверхня досліджуваного об'єкту. Шляхом зміни температури катоду та напруги на електроді 2 здійснюється регулювання вольт-амперної характеристики діоду. Відносно катоду на електрод 2 подається невеликий прискорюючий потенціал U1, менший +3 В. Термоелектрони, що зтікають з гарячого вістря в слабкому електричному полі, проходять через круглий отвір в першому електроді, діаметр якого набагато менший за віддаль між цим електродом та вістрям. Потенціал U2 на другому електроді 3 теж прискорюючий (U2 ~ +100 В). Цей електрод виготовлений у вигляді рухомої діафрагми і розташований близько біля аноду (~3 × 10-4 м). Потенціал аноду відносно катоду U3 менший +3 В, тому в прианодній області створюється гальмівне електричне поле. Основною робочою характеристикою діодного мікроскопу є залежність анодного струму від анодної напруги (вольт-амперна характеристика, що приводиться на фіг.2). Для діода з затримуючим потенціалом ця залежність описується експонентою. При зміні анодної напруги менше, ніж на один вольт, анодний струм може змінюватися на чотири порядки, чим досягається висока чутливість при вимірюванні мікропотенціалів. Віддаль між першим і другим електродами вибирається так, щоб при невеликих кутових відхиленнях силових ліній магнітного поля від осі симетрії мікроскопа забезпечувалося достатнє поле зору. Працює діодний мікроскоп для неруйнівного аналізу таким чином. Термоелектрони, які емітуються розжареним вістрям, відбираються першим прискорюючим електродом-діафрагмою, і лише окремі термоелектрони, що рухаються з вершини вістря з векторами швидкостей близькими до осі вістря, проходять через отвір діафрагми 2. Ці електрони визначають струм насичення діоду. Він залежить від температури катода, його емісійних властивостей та прискорюючого потенціалу U1. Далі електрони додатково прискорюються електродом-діафрагмою 3, а в короткій прианодній області рухаються в гальмівному електричному полі, в яке вони входять з великими початковими швидкостями і швидко проходять через електричні поля плям на поверхні аноду без істотної зміни своїх траєкторій. Роздільна здатність заявленого діодного мікроскопу для неруйнівного аналізу по координаті залежить від геометрії вістря, нормальних складових швидкостей зондуючих термоелектронів відносно магнітних силових ліній, напруженості магнітного поля та наявності на поверхні аноду плям з великими градієнтами електричних полів. Чутливість до зміни мікропотенціалу визначається параметрами вольт-амперної характеристики діоду. Визначення локальної концентрації адсорбованої речовини проводиться з використанням попередньо встановленої залежності роботи виходу від концентрації адсорбату. В межах моношару для деяких адсорбційних систем робота виходу може змінюватися більше як на 2 еВ, що дозволяє фіксувати зміну концентрації адсорбованих атомів менше ніж на 0,001% від моношару. Вимірювання виконуються за умови високого вакууму для забезпечення відповідної чистоти експерименту, що досягається застосуванням вакуумної оболонки 5 і вмонтованого насосу. Всі елементи конструкції діодного мікроскопу виготовлені із немагнітних матеріалів (скло, молібден). 2 23087 Фіг. 1 Фіг. 2 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 3