RU136921U1

RU136921U1 - MODULE FOR ANALYSIS OF THE COMPOSITION OF NANO-LAYERS

Info

Publication number: RU136921U1
Application number: RU2013134383/07U
Authority: RU
Inventors: Степан Степанович Волков; Михаил Юрьевич Тимашев; Дмитрий Владимирович Суворов; Николай Иванович Бисярин; Алевтина Анатольевна Аристархова; Сергей Васильевич Николин
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2014-01-20

Abstract

Вакуумный модуль для анализа элементного состава нанослоев, содержащий энергетический анализатор, ионную пушку, вакуумный фланец с электрическими выводами, отличающийся тем, что энергетический анализатор выполнен в виде цилиндрического зеркала с фокусировкой «ось-ось», а ионная пушка расположена внутри внутреннего цилиндрического электрода анализатора между входным и выходным окнами анализатора соосно с ионно-оптической осью анализатора.A vacuum module for analyzing the elemental composition of nanolayers containing an energy analyzer, an ion gun, a vacuum flange with electrical leads, characterized in that the energy analyzer is made in the form of a cylindrical mirror with axis-axis focusing, and the ion gun is located inside the analyzer’s inner cylindrical electrode between the input and output windows of the analyzer are aligned with the ion-optical axis of the analyzer.

Description

Предполагаемая полезная модель относится к области микро-, наноэлектроники, в частности, к средствам диагностики и контроля пленок наноразмерной толщины в технологии производства микро- и наносхем. Модуль позволяет осуществить анализ одного внешнего атомного слоя поверхности, а также определение концентрационных профилей приповерхностного слоя конденсированных сред методами спектроскопии обратно рассеянных ионов низких энергий и спектроскопии атомов отдачи.The proposed utility model relates to the field of micro-, nanoelectronics, in particular, to the means of diagnostics and control of films of nanoscale thickness in the technology for the production of micro- and nanocircuits. The module allows the analysis of one external atomic layer of the surface, as well as the determination of concentration profiles of the surface layer of condensed matter by the methods of spectroscopy of backscattered low-energy ions and spectroscopy of recoil atoms.

Известен вакуумный модуль для анализа элементного состава нанослоев, содержащий энергетический анализатор, ионную пушку, вакуумный фланец с электрическими выводами [Петров Н.Н., Аброян И.А. Диагностика поверхности с помощью ионных пучков. Изд. ЛГУ, 1977. 160 с.].Known vacuum module for the analysis of the elemental composition of nanolayers, containing an energy analyzer, an ion gun, a vacuum flange with electrical leads [Petrov NN, Abroyan IA Surface diagnostics using ion beams. Ed. LSU, 1977.160 s.].

Модуль представляет собой вакуумную часть спектрометра обратно рассеянных ионов низких энергий. В известном модуле энергетический анализатор и ионная пушка расположены в вакуумной камере на отдельных фланцах, а энергетический анализатор выполнен в виде анализатора Юза-Рожанского. Недостатками известного модуля является невысокая чувствительность из-за малой светосилы анализатора и плохое разрешение из-за сепарации заряженных частиц только в плоскости перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей электродов анализатора.The module is a vacuum part of a low energy backscattered ion spectrometer. In the known module, the energy analyzer and the ion gun are located in separate flanges in the vacuum chamber, and the energy analyzer is designed as a Yuz-Rozhansky analyzer. The disadvantages of the known module is the low sensitivity due to the low aperture ratio of the analyzer and poor resolution due to the separation of charged particles only in the plane perpendicular to the axis of the cylindrical surfaces of the analyzer electrodes.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является вакуумный модуль для анализа элементного состава нанослоев, содержащий энергетический анализатор, ионную пушку, вакуумный фланец с электрическими выводами [Методы исследования поверхностей / Под ред. А. Зандерны: Пер. с англ. под ред. В.В.Кораблева, и Н.Н.Петрова - М.: Мир, 1977. - 582 с.].Closest to the proposed invention is a vacuum module for analysis of the elemental composition of nanolayers, containing an energy analyzer, an ion gun, a vacuum flange with electrical leads [Methods for surface research / Ed. A. Sanders: Per. from English under the editorship of V.V. Korableva, and N.N. Petrova - M .: Mir, 1977. - 582 p.].

В известном модуле используется анализатор типа сферический дефлектор. Ионная пушка располагается под углом к оси входной оптической системы энергетического анализатора. В точке пересечения указанных осей располагается исследуемый объект.The known module uses a spherical deflector type analyzer. The ion gun is located at an angle to the axis of the input optical system of the energy analyzer. At the intersection of the indicated axes, the object under study is located.

Принцип действия модуля. Ионным пучком ионной пушки бомбардируется поверхность исследуемого объекта. Часть ионов пучка отражается от поверхности в результате парного, однократного упругого соударения с отдельными атомами поверхности (наподобие бильярдных шаров). При этом налетающие ионы теряют определенную долю кинетической энергии, которая зависит от массы атома поверхности. Чем тяжелее масса атома поверхности, тем меньше потери энергии иона. Ионы, отраженные в направлении входа анализатора, попадают в анализатор и разделяются по энергиям. При непрерывной бомбардировке поверхности пучком ионов (ионов инертных газов - Не⁺, Ne⁺) и развертке напряжения на анализаторе можно с помощью радиотехнической аппаратуры зарегистрировать энергетический спектр отраженных ионов, как зависимость величины тока отраженных ионов от энергии развертки анализатора. Так как разного типа атомы поверхности имеют разные массы, то поток отраженных ионов содержат отдельные группы ионов с разными но с дискретными энергиями. Каждой группе в зарегистрированном спектре соответствует пик (максимум) с отличительной энергией, определяемой по формулеThe principle of operation of the module. The ion beam of an ion gun bombards the surface of the object under study. Some of the beam ions are reflected from the surface as a result of pairwise, single elastic collisions with individual surface atoms (like billiard balls). In this case, the incident ions lose a certain fraction of the kinetic energy, which depends on the mass of the surface atom. The heavier the mass of the surface atom, the less is the loss of ion energy. Ions reflected in the direction of entry of the analyzer enter the analyzer and are separated by energy. With continuous bombardment of the surface by an ion beam (inert gas ions - He ⁺ , Ne ⁺ ) and a voltage scan on the analyzer, it is possible to record the energy spectrum of reflected ions using radio engineering equipment as the dependence of the reflected ion current on the scan energy of the analyzer. Since surface atoms of different types have different masses, the reflected ion flux contains separate groups of ions with different but with discrete energies. Each group in the recorded spectrum corresponds to a peak (maximum) with a distinctive energy determined by the formula

где E₁ - энергия рассеянных ионов после однократного упругого соударения; Е₀, m₁ - энергия и масса ионов первичного ионного пучка; m₂ - масса атомов поверхности; θ - угол рассеяния.where E ₁ is the energy of scattered ions after a single elastic collision; E ₀ , m ₁ - energy and mass of ions of the primary ion beam; m ₂ is the mass of surface atoms; θ is the scattering angle.

Из формулы (1) видно, что при постоянных Е₀, m₁, θ в формуле остается переменной только масса атомов поверхности m₂. Так как массы атомов изменяются дискретно, то и спектр содержит дискретные пики тока отраженных ионов, соответствующие массам атомов поверхности.From formula (1) it can be seen that for constants E ₀ , m ₁ , θ in the formula, only the mass of atoms of the surface m ₂ remains variable. Since the masses of atoms change discretely, the spectrum also contains discrete current peaks of reflected ions corresponding to the masses of surface atoms.

Недостатком известного модуля является слабая чувствительность, а также сложность конструкции из-за расположения анализатора и ионной пушки на отдельных фланцах. Последнее обусловливает необходимость индивидуальных фланцев в вакуумной камере, сложность монтажа. Слабая чувствительность обусловлена малой светосилой анализатора из-за малого диаметра входного отверстия анализатора.A disadvantage of the known module is the low sensitivity, as well as the complexity of the design due to the location of the analyzer and the ion gun on individual flanges. The latter necessitates individual flanges in the vacuum chamber, the complexity of installation. Weak sensitivity is due to the low aperture of the analyzer due to the small diameter of the analyzer inlet.

Технический результат направлен на улучшение конструкционно-компоновочных характеристик и на повышение чувствительности модуля.The technical result is aimed at improving the structural and layout characteristics and increasing the sensitivity of the module.

Технический результат достигается тем, что вакуумный модуль для анализа элементного, состава нанослоев, содержащий энергетический анализатор, ионную пушку, вакуумный фланец с электрическими выводами, при этом энергетический анализатор выполнен в виде цилиндрического зеркала с фокусировкой «ось-ось», а ионная пушка расположена внутри внутреннего цилиндрического электрода анализатора между входным и выходным окнами анализатора соосно с ионно-оптической осью анализатора.The technical result is achieved by the fact that the vacuum module for analyzing the elemental, composition of nanolayers containing an energy analyzer, an ion gun, a vacuum flange with electrical leads, while the energy analyzer is made in the form of a cylindrical mirror with axis-axis focusing, and the ion gun is located inside The analyzer’s inner cylindrical electrode between the input and output windows of the analyzer is coaxial with the ion-optical axis of the analyzer.

На фигуре 1 приведена ионно-оптическая схема модуля с энергетическим анализатором и ионной пушкой..The figure 1 shows the ion-optical circuit of the module with an energy analyzer and an ion gun ..

На фигуре 2 приведен энергетический спектр рассеянных ионов неона от поверхности чистого арсенида галлия (а) и после нанесения одного монослоя атомов цезия (б).The figure 2 shows the energy spectrum of scattered neon ions from the surface of pure gallium arsenide (a) and after applying one monolayer of cesium atoms (b).

Модуль содержит энергетический анализатор типа «цилиндрическое зеркало» 1 (далее - анализатор), ионную пушку 2, магнитный экран 10 и вакуумный фланец 18. Анализатор 1 содержит внутренний электрод 8 и внешний электрод 10, имеющие цилиндрическую форму и образующие между собой дисперсионное пространство, а также выходную диафрагму 16 с отверстием в фокусе анализатора и коллектор 17 заряженных частиц, расположенный на выходе диафрагмы. Коллектор 17 представляет собой вторично-электронный умножитель ВЭУ-6 или ВЭУ-7 и позволяет регистрировать ток отраженных ионов в режиме счета отдельных ионов и в режиме сверхмалых токов. Во внутреннем цилиндре 8 выполнены два круговых окна с перемычками (входное и выходное). Внешний цилиндр 10 сплошной. Цилиндры 8 и 10 фиксируются относительно друг друга керамическими кольцами 9 и 13. Анализатор окружен экраном 11 из пермаллоя. для защиты от внешних магнитных полей. Соосно с внутренним цилиндром 8 расположена ионная пушка 2, фиксируемая изолятором 13. Ионная пушка 2 содержит ионизатор (катод). 20, фокусирующую оптику 21 и отклоняющие пластины. Ионный пучок 5 пушки направлен в передний (входной) фокус анализатора. В этой же точке располагается поверхность исследуемого объекта 4, расположенного на держателе 3. Анализатор 1 с ионной пушкой 2 крепятся на фланце 15, который крепится вакуумноплотно к фланцу 14 вакуумной камеры.The module contains a cylindrical mirror type energy analyzer 1 (hereinafter referred to as the analyzer), an ion cannon 2, a magnetic screen 10 and a vacuum flange 18. The analyzer 1 contains an internal electrode 8 and an external electrode 10 having a cylindrical shape and forming a dispersion space between themselves, and also an output diaphragm 16 with a hole in the focus of the analyzer and a charged particle collector 17 located at the output of the diaphragm. The collector 17 is a secondary electron multiplier VEU-6 or VEU-7 and allows you to register the current of reflected ions in the counting mode of individual ions and in the mode of ultra-low currents. In the inner cylinder 8 there are two circular windows with jumpers (input and output). The outer cylinder 10 is continuous. Cylinders 8 and 10 are fixed relative to each other by ceramic rings 9 and 13. The analyzer is surrounded by a permalloy screen 11. for protection against external magnetic fields. Coaxial with the inner cylinder 8 is an ion gun 2, fixed by an insulator 13. Ion gun 2 contains an ionizer (cathode). 20, focusing optics 21 and deflecting plates. The ion beam 5 of the gun is directed to the front (input) focus of the analyzer. At the same point is the surface of the test object 4 located on the holder 3. The analyzer 1 with the ion gun 2 are mounted on the flange 15, which is attached vacuum tightly to the flange 14 of the vacuum chamber.

Работа модуля. Ионизатор. 20 ионной пушки 2 ионизует инертный газ, напущенный в вакуумную камеру. Ионно-оптической системой 21 формируется ионный пучок 5, который направляется отклоняющими системами в фокус-анализатора и одновременно на поверхность исследуемого объекта 4. Часть ионов, отраженных в направлении входных окон электроде 8 анализатора, попадают в дисперсионное пространство анализатора. Ионы 12, энергия которых соответствует энергии настройки анализатора, отклоняются в направлении отверстия диафрагмы 16 и выходят на коллектор 17. При изменении энергии настройки анализатора пилообразным напряжением на электроде 10, на выходе коллектора получается энергетический спектр отраженных ионов с дискретными пиками. Измерив энергии пиков в спектре, можно определить массы и соответственно тип атомов в одном внешнем моноатомном слое поверхности. По относительной величине тока пика в спектре можно определить концентрацию атомов на поверхности исследуемого объекта. Электрическое соединение электродов анализатора и пушки с внешней питающей и регистрирующей аппаратурой осуществляется через вакуумноплотные электрические выводы 19 фланца 15.The operation of the module. Ionizer. 20 ion cannon 2 ionizes an inert gas introduced into the vacuum chamber. An ion beam 5 is formed by the ion-optical system 21, which is directed by deflecting systems to the focus analyzer and simultaneously to the surface of the test object 4. Some of the ions reflected in the direction of the input windows of the analyzer electrode 8 fall into the analyzer dispersion space. Ions 12, whose energy corresponds to the tuning energy of the analyzer, deviate in the direction of the aperture of the diaphragm 16 and exit to the collector 17. When the analyzer’s tuning energy changes with a sawtooth voltage at the electrode 10, the energy spectrum of reflected ions with discrete peaks is obtained at the collector output. By measuring the peak energies in the spectrum, one can determine the masses and, accordingly, the type of atoms in one external monoatomic layer of the surface. The relative peak current in the spectrum can determine the concentration of atoms on the surface of the object under study. The electrical connection of the electrodes of the analyzer and the gun with external power and recording equipment is carried out through vacuum-tight electrical leads 19 of the flange 15.

На фигуре 2 приведен энергетический спектры ионов неона, рассеянных от поверхности чистого арсенида галлия (а) и после напыления одного монослоя атомов цезия (б) Энергия первичных ионов Е₀=3000 эВ, угол рассеяния θ=135°, ток первичных ионов 10 нА, диаметр пучка d=100 мкм. Пик галлия меньше и шире, так как галлий имеет два изотопа, а мышьяк материал моноизотопный. После напыления одного монослоя цезия атомы арсенида галлия полностью экранируются цезием. Спектры зарегистрированы с помощью макета предполагаемой полезной модели.The figure 2 shows the energy spectra of neon ions scattered from the surface of pure gallium arsenide (a) and after deposition of one monolayer of cesium atoms (b) Energy of primary ions E ₀ = 3000 eV, scattering angle θ = 135 °, current of primary ions 10 nA, beam diameter d = 100 μm. The gallium peak is smaller and wider, since gallium has two isotopes, and arsenic is monoisotopic. After deposition of one monolayer of cesium, the gallium arsenide atoms are completely shielded by cesium. Spectra are recorded using the layout of the proposed utility model.

Сопоставительный анализ показал, что предполагаемая полезная модель имеет большую светосилу более чем в 100 раз, так как соосное расположение ионной пушки с анализатором обеспечивает одинаковый угол рассеяния по всему азимуту входного окна анализатора. В полом конусе рассеяния в направлении входного окна анализатора предполагаемой полезной модели содержится ионов. больше, чем ионов в конусе анализатора прототипа на величину соотношения телесных углов входа в анализаторы. В прототипе и в предлагаемой модели светосила ограничена максимально допустимым разбросом угла рассеяния, составляющим для используемого метода анализа Δθ<4°. В прототипе ионы, рассеянные в точке на исследуемом объекте входят во входное отверстие анализатора. При этом поток ионов есть конус с вершиной на исследуемом объекте и основанием на входной диафрагме в виде отверстия. При расстоянии от объекта до диафрагмы 50 мм и угле конуса 4° радиус отверстия диафрагмы составит 1.74 мм. В предлагаемой конструкции поток рассеянных ионов имеет вид полого конуса с углом конуса 42° и плоским углом потока 4°. При расстоянии от объекта, от точки отражения ионов до входного окна, равном 50 мм, радиус основания конуса рассеяния составит 50sin42°=33.4 мм. Аналогично, радиус внутреннего конуса равен 50sin38°=30.8 мм. Площадь кольца - основания полого конуса равна 525 мм², а площадь отверстия диафрагмы прототипа равна 9.5 мм². Отношение площадей представляет отношение светосил. Оно равно 525/9.5=52, то есть светосила, а соответственно чувствительность предполагаемой полезной модели больше в 52 раза. Надо отметить, что в анализаторе прототипа отверстие диафрагмы из-за ухудшения энергетического разрешения нельзя увеличивать более чем 0.5 мм (при обычных размерах конструкций). А это значит, что чувствительность прототипа реально меньше в несколько сот раз.Comparative analysis showed that the proposed utility model has a large aperture of more than 100 times, since the coaxial arrangement of the ion gun with the analyzer provides the same scattering angle over the entire azimuth of the analyzer input window. The hollow scattering cone in the direction of the analyzer input window of the proposed utility model contains ions. more than ions in the cone of the prototype analyzer by the ratio of the solid angles of entry into the analyzers. In the prototype and in the proposed model, the aperture is limited by the maximum allowable spread of the scattering angle, which is Δθ <4 ° for the analysis method used. In the prototype, ions scattered at a point on the test object enter the analyzer’s inlet. In this case, the ion flux is a cone with a vertex on the object under study and a base on the input diaphragm in the form of a hole. If the distance from the object to the diaphragm is 50 mm and the cone angle is 4 °, the radius of the diaphragm opening will be 1.74 mm. In the proposed design, the scattered ion flux has the form of a hollow cone with a cone angle of 42 ° and a flat flow angle of 4 °. When the distance from the object, from the ion reflection point to the input window, is 50 mm, the radius of the base of the scattering cone will be 50sin42 ° = 33.4 mm. Similarly, the radius of the inner cone is 50sin38 ° = 30.8 mm. The area of the ring - the base of the hollow cone is 525 mm ² , and the area of the aperture of the diaphragm of the prototype is 9.5 mm ² . The area ratio is the ratio of aperture ratio. It is equal to 525 / 9.5 = 52, that is, aperture, and, accordingly, the sensitivity of the proposed utility model is more than 52 times. It should be noted that in the prototype analyzer, the aperture hole cannot be increased by more than 0.5 mm due to the deterioration of the energy resolution (with normal sizes of structures). And this means that the sensitivity of the prototype is actually several hundred times less.

По конструкции предполагаемая модель монтируется на одном фланце и имеет осесимметричную конструкцию относительно оси фланца. Поэтому модуль можно монтировать в любую вакуумную систему, имеющую стандартный (типовой) фланец, соответствующий монтажному фланцу модуля.By design, the proposed model is mounted on one flange and has an axisymmetric design relative to the axis of the flange. Therefore, the module can be mounted in any vacuum system that has a standard (typical) flange corresponding to the mounting flange of the module.

Claims

A vacuum module for analyzing the elemental composition of nanolayers containing an energy analyzer, an ion gun, a vacuum flange with electrical leads, characterized in that the energy analyzer is made in the form of a cylindrical mirror with axis-axis focusing, and the ion gun is located inside the analyzer’s inner cylindrical electrode between the input and output windows of the analyzer are aligned with the ion-optical axis of the analyzer.