1.5. Источники электронов и ионов

В электронных спектрометрах, предназначенных для изучения спектра вторичных электронов, необходимы источники электронов, возбуждающих вторичную электронную эмиссию. Для целей очистки образцов и получения профилей распределения элементов по глубине необходимы источники ионов для травления поверхности. В современных комплексах для анализа поверхности часто в одной измерительной сверхвысоковакуумной камере размещены все необходимые источники для обеспечения комплексного исследования поверхности различными методами.

И

Рис. 9. Основные блоки электронной пушки [12]

сточники электронов. В качестве источников первичных электронов в электронной спектроскопии используют электронные пушки, формирующие электронный пучок с соответствующими энергией, интенсивностью и диаметром. Электронные пушки, используемые для исследования поверхности подобны тем, что применяются в обычных черно-белых телевизионных кинескопах или электронно-лучевых трубках осциллографов (рис. 9).

Электронная пушка состоит из трех основных блоков. Катодный узел служит для экстракции электронов, которые затем с помощью ускоряющих и фокусирующих электродов фокусируются в электронный луч. Отклоняющие пластины позволяют отклонять электронный луч в горизонтальном и вертикальном направлениях, тем самым, обеспечивая попадание луча в заданную точку поверхности образца. Подача на эти пластины пилообразных напряжений горизонтальной и вертикальной разверток позволяет разворачивать электронный луч в растр по поверхности образца.

В большинстве электронных пушек для получения электронов используют термоэмиссионные катоды. Прямонакальные катоды изготавливают из проволоки чистых металлов (вольфрам, тантал и др.), которой часто придают V-образную форму. Пропусканием электрического тока нагревают эти катоды до температуры, при которой электроны покидают материал катода в результате явления термоэлектронной эмиссии. Вольфрамовые катоды, например, работают при температурах 2500  2700 К. При более низких температурах работают подогревные оксидные катоды, катоды из гексаборида лантана (LaB₆) и др. До рабочей температуры эти катоды нагреваются внешним нагревателем. Недостатком оксидных катодов является то, что они не выдерживают многократного воздействия воздуха. Этого недостатка нет у металлопористых пропитанных (импрегнированных) катодов [5].

В некоторых промышленных источниках электронов используют автоэмиссионные катоды, испускание электронов в которых осуществляется под влиянием внешнего электрического поля в результате явления автоэлектронной эмиссии. Автоэмиссионные катоды позволяют получать интенсивные электронные пучки со значительно меньшим диаметром, чем термоэмиссионные катоды [3, 5].

Формирование электронного пучка осуществляется системой электростатических или магнитных линз. Наиболее распространенными являются электронные пушки с электростатической фокусировкой. Упрощенная схема электронной пушки с электростатической фокусировкой представлена на рис. 10.

Рис. 10. Упрощенная схема электронной пушки с электростатической фокусировкой

На этой схеме показан катод с внешним подогревателем в виде нити накала. Модулятор предназначен для регулировки тока первичных электронов. Два анода и фокусирующий электрод образуют электростатическую линзу, с помощью которой формируется узкий пучок электронов с заданной энергией. После прохождения через отклоняющие пластины электроны через дополнительный электрод, называемый «носом» электронной пушки, выходят в аналитическую камеру спектрометра.

Энергия первичных электронов зависит от приложенной разности потенциалов между катодом и анодом электронной пушки и определяется задачами эксперимента. В электронной оже-спектроскопии, например, максимальное сечение ионизации внутренних оболочек атомов электронным ударом имеет место при энергии первичных электронов в 3 … 5 раз превышающей энергию ионизации соответствующего атомного уровня [1]. Например, энергия связи 1s электронов в кислороде составляет приблизительно 515 эВ, поэтому для получения максимальной интенсивности О KLL-пика оже-электронов необходима энергия первичных электронов не ниже 1500 эВ. Большинство промышленных электронных спектрометров работают при энергии первичных электронов от 3 до 10 кэВ.

Источники ионов. Источники ионов размещаются в сверхвысоковакуумной камере электронного спектрометра для предварительной очистки поверхности образца, а также для использования ионного травления в послойном анализе.

Простейшие ионные пушки используют конфигурацию обычного ионизационного манометра (рис. 11).

Т

Рис. 11. Конструкция ионной пушки, использующей геометрию ионизационного манометра [3]

ермокатод эмитирует электроны, которые направляются к сетке, находящейся под положительным по отношению к катоду потенциалом. Перед включением ионной пушки в систему при давлении 10^-5 … 10^-4 Торр напускают аргон. Ускоренные электроны, соударяясь с атомами аргона, ионизуют их в околосеточном пространстве. Цилиндрический ускоряющий электрод, окружающий катод и сетку, находится, в свою очередь, под отрицательным потенциалом относительно сетки. Ускоренные этим потенциалом ионы выходят через апертуру ускоряющего электрода и внешнего экрана. Варьируя потенциалы катода, сетки и ускоряющего электрода относительно земли, можно получать ионы с энергией от 200 до 500 эВ. При давлении аргона 10^-4 Торр плотность ионного тока может достигать 1 мкА/см² [3].

Ионная пушка, использующая геометрию ионизационного манометра, не может создавать ионный пучок диаметром меньше 3 мм. Для фокусировки ионного пучка к системе электродов, изображенной на рис. 11, добавляют фокусирующие электроды или фокусирующую систему линз. После фокусирующей системы линз часто ставят отклоняющие пластины, подобные тем, что используются в электронных пушках, что позволяет производить сканирование ионным пучком области травления поверхности образца.

В более совершенных ионных пушках используется высоковольтный газовый разряд. Аргон вводится непосредственно в разрядный промежуток, из которого вытягивается и формируется узкий ионный пучок с необходимой энергией. Ускоряющее напряжение ионов может достигать в таких пушках 10 кВ. Рабочий ток зависит от давления в аналитической камере. Например, при давлении  порядка 10^-6 Торр ток ионного пучка может достигать 200 мкА [3].

Преимущество ионных источников, использующих высоковольтный газовый разряд, кроме возможности получения более интенсивных ионных пучков, связано также с тем, что нет необходимости заполнять аргоном всю рабочую камеру, как это делается при использовании ионной пушки, использующей геометрию ионизационного манометра.