Статья опубликована в рамках: XXXVI Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 24 ноября 2015 г.)

Наука: Технические науки

Секция: Нанотехнологии

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Айданулы Б. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЛИННОФОКУСНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОСТРУКТУР // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. XXXVI междунар. студ. науч.-практ. конф. № 9(35). URL: http://sibac.info/archive/technic/9(35).pdf (дата обращения: 24.09.2019)
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

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  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


Порядок  фокусировки


2


Центральный  угол  фокусировки


300


Xfoc  координата  точки  фокуса


14,3


Y  foc  координата  точки  фокуса


4


Параметр  отражения


0,96


 


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.
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий