energy and angle resolved ion scattering spectroscopy

200 Pages·2005·2.94 MB·English

ENERGY AND ANGLE RESOLVED
ION SCATTERING SPECTROSCOPY
new possibilities for surface analysis
INIS-mf--10804
GJ.A. HELLINGS
ENERGY AND ANGLE RESOLVED
ION SCATTERING SPECTROSCOPY
new possibilities for surface analysis
PROEFSCHRIFT
TER VERKRIJGING VAN DE GRAAD VAN DOCTOR IN DE
TECHNISCHE WETENSCHAPPEN AAN DE TECHNISCHE
HOGESCHOOL EINDHOVEN, OP GEZAG VAN DE RECTOR
MAGNIFICUS, PROF. DR. F.N. HOOGE, VOOR EEN
COMMISSIE AANGEWEZEN DOOR HET COLLEGE VAN
DEKANEN IN HET OPENBAAR TE VERDEDIGEN OP
DINSDAG 18 MAART 1986 TE 16.00 UUR
DOOR
GERARDUS JACOBUS ARCADIUS HELLINGS
GEBOREN TE EINDHOVEN
Oruk: Dissertatieifrukkerij Wibro, Helmond
Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotoren
Prof.dr.H.H. Brongersma
en
Prof.dr.M.J. Sparnaaij
Aan mijn wow Berti
STELLINGEN
behorende bij het proefschrift van
G.J.A. Hellings
Eindhoven, 18 maart 1986
OB gelijktijdige energie- en hoekafhankelijke metingen voor ionenver-
strooiingsexperimenten te kunnen doen aoeten toroidale afbuigplaten
gebruikt worden waarbij de verstrooide ionen bewegen in of rond
meridiane vlakken die de syrametrie-ag bevatten.
II
Da Wonderstelling van Engelhardt et al. dat geladen deeltjes cirkel-
banen volgen in de door hen beschreven analysator is onjuist.
H.A. Engelhardt, W. Back, 0. Menzel and H. Liebl:
Rev. Sci. instr. 52,835(19B1)
I
De door Toffoletto et al. berekende sectorhoeken voor eerste-orde
fbciissering kunnen tot onaanvaardbaar grote afwijkingen leiden voor
andere dan de door hen gebruikte geometrieén.
F*. Toffoletto, F.C.G. Leckey and J.D. Riley:
i Nucl. Instr. and Heth. B12,282(1985)
IV
De fprnule voor de radiéle component in de rotatie-symmetrische
"weoge-and-strip" anode van Martin et al. is incorrect.
d. Martin, P. Jelinsky, M. Lanpton, R.F. Malina and K.O. Anger:
Rev. Sci. Instr. 52,1067(1981)
Ten <onrechte concluderen onder andere Van den Berg en Armour dat bij
laag-energetische ionenverstrooiing optimale massa-resolutie optreedt
voor een verstrooiingshoek van 180° en een zo gering mogelijk massa-
verschil tussen primaire ionen ten oppervlakte-atomen.
JA. van den Berg and D.G. Armour: Vacuum 31,259(1981)
VI
Combinatie van de Eindige Elementen Methode en de LadingsDichtheid
Methode kan voor electronen-optlsche berekeningen resulteren in een
snelle, nauwkeurige methode waarbij slechts een beperkte geheugen-
capaciteit vereist is.
VII
In bepaalde modellen voor MIS-diodes wordt er ten onrechts van uit
gegaan dat bij de superpositie van belichte en onbelichte I-V-
karakteristieken de barrière-hoogte onafhankelijk is van de belichting.
P. Panayotatos and H.C. Card: Solid-St. Electr. 23.41(1980)
E.L. Heasell: Solid-St. Electr. 24,8B9(1981)
VIII
In dc-gesputterde MIS-diodes op p-silicium kan voor een groet gebied
van achtergronddoteringen in het depletiegebied een bijna volledige
compensatie van de acceptoren optreden.
F.H. Mullins and A. Brunnschweiler: Solid-St. Electr. 19.47(1976)
G.J.A. Hellings, A. Straayer and A.R.M. Kipperman:
J. f., rl. Phys. 57,2067(1985)
IX \
Om op experimenteel en innovatief gebied aen vooraanstaande rol te
kunnen spelen is het wenselijk dat een technische universiteit
samenwerkingsverbanden tussen centrale werkplaatsen en afdelingen
stimuleert.
Indien leeftijden niet automatisch naar beneden maar rekenkundig
correct zouden worden afgerond zou het aantal werklozen in Nederland
eenmalig met vele duizenden verlaagd kunnen worden.
TABLE OF CONTENTS
I GENERAL INTRODUCTION
1.1. Introduction 1
1.2. Ultra-high vacuum techniques 2
1.3. Some important surface analysis techniques 3
1.4. Techniques to study the outermost surface layer 5
II LOW-ENERGY ION SCATTERING
2.1. Introduction 9
2.2. Relation between the scattered ion energy and the
target mass 9
2.3. Interatomic interaction potentials 12
2.1. Neutralization and quantification of results 15
2.5. Inelastic scattering processes 16
2.6. The influence of thermal vibrations 17
2. 7. Surface structure analysis 18
2.8. Practical aspects 19
2.9. Conclusions 22
III CONVENTIONAL ELECTROSTATIC ENERGY ANALYSERS
3.1. Introduction 25
3.2. Criteria for comparing analysers 26
3.2.1. Resolution and sensitivity 26 . i
3.2.2. Quantities related to phase-diagram 27
3.2.3. Figures of merit 29
3. 3. Three types of conventional electrostatic energy
analysers 31
3.3.1. Retarding field analysers 32
3.3.1.1. The parallel plate analyser1 32
3.3.1.2. The concentric sphere analyser 33
3.3.1.3. Filter lenses 35
3.3.1.4. Spherical grid analysers 35
3.3.1.5. The hyperbolic retarding potential
analyser 37
3.3.1.6. Combined instruments 37
3.3.2. Deflection type analysers 41
3.3.2.1. The toroidal analyser around the plane
of symmetry 43
3.3.2.2. The cylindrical deflection analyser 45
3.3.2.3. The spherical deflection analyser 49
3.3.2.4. Toroidal deflection analysers out of the
plane of symmetry 51
3.3.3. Mirror analysers 54
3.3.3.1. The toroidal mirror analyser 55
3.3.3.2. The spherical mirror analyser 55
3.3.3.3. The cylindrical mirror analyser 57
3.3.3.4. The parallel plate analyser 59
3.3.3.5. The coaxiaal cone mirror analyser 61
3.3.4. Detectors for electrostatic analysers 62
3.3.5. General considerations and improvements 65
IV FOCAL PROPERTIES OF TOROIDAL ANALYSERS IN A FIRST-ORDER
APPROXIMATION
*.l. Introduction 76
4.2. The potential distribution up to the second order 76
4.3. Calculation of the potential to any order of accuracy 81
4.4. Calaulation of particle trajectories in a first-order
approximation 88
V NUMERICAL ANALYSIS OF PARTICLE TRAJECTORIES
6.1. Introduction 95
5.2. An ideal single sector with no fringing fields 95
5.3. The finite element method 103
5. 3.1. Broad description of the method 103
5.3.2. Mathematical formulation 104
5.3.3. Practical aspects 107
5.4. The charge density method 107
5.5. General consideration" 109
V; THE EARISS ANALYSER
6.1. Introduction 113
6.2. Limitation of the spread in the polar angle 8 114
R. 3. The zoom lens 116
6.4. Optimization of the toroidal analyser 118
6.4.1. Introduction 118
6.4.2. Calculations in a first-order approximation 120
6. 4.3. Analysis of the particle trajectories 125
6.4.4. Optimization of the analyser design 130
6.4.5. The final analyser design 135
6. S. The EARISS detector 143
6.6. The scanning of partial energy spectra 150
6. 7. The resolution in the azimuthal direction 153
6.8. Description of the complete EARISS apparatus 159
6.8.1. The target chamber 159
6.8.2. The target storage and introduction system 163
6. 8. 3. The primary ion beam 165
6.9. Design aspects of the construction of the analyser 169
6.9.1. General considerations 169
6.9.2. Construction of the analyser 171
6.9.3. Construction of the detection system 175
6.10. Discussion of some experimental results 178
6.11. Concluding remarks 182
SUMMARY" 184
SAMENVATTING 186