44

РЕФЕРАТ

Дипломна робота: 43 сторінок, 12 малюнків, 1 таблиця, 6 джерел.

Об`єктом дослідження є поверхня металевих та напівпровідникових матеріалів за допомогою скануючого електронного мікроскопа.

Методикою досліджень являється реєстрація вторинних електронів та фотонів.

Результати досліджень можуть бути застосовані працівниками, які займаються дослідженнями в області напівпровідникових матеріалів.

RESUME

The graduation research “Using the Scanning Electron Microscopy for diagnostics of a surface of semiconductors ” – 2003, student Lyashenko O.A. (DNU, physical faculty, gr. FP-98-1, department of optoelectronics) leader Klimenko V.V.

The work is interesting for researchs the semiconductor researches.

Bibliography pages 43, Tables 1, Images 12.

Тема:

Изучение поверхности полупроводника с помощью сканирующего электронного микроскопа

Зміст.

Реферат 4

Resume 5

Вступ. 7

Розділ І. Літературний огляд 8

1. Одержання і керування потоком електронів 8

2. Електростатичні лінзи 10

3. Магнітні лінзи 14

4. Електронно-оптичні дослідження матеріалів 15

5. Звичайний просвітлюючий електронний мікроскоп 16

   1. Електронна оптика 16

   2. Зображення 18

   3. Дозволяюча здатність 19

6. Растровий електронний мікроскоп. Загальні відомості 21

7. Растровий електронний мікроскоп. Технічні відомості 23

   1. Застосування 23

   2. Принцип дії 23

Розділ ІІ. Постановка задачі 26

Розділ ІІІ. Експериментальна частина 27

Висновки 31

Розділ ІV. Охорона праці 32

1. Заходи електробезпеки та пожежобезпеки при роботі з електронним мікроскопом 32

1.1 Забезпечення безпеки при роботі на електроустановках 32

1. Причини виникнення пожеж при роботі з електронним мікроскопом 37

2.1 Причини виникнення короткого замикання (КЗ). Термічна та електродинамічна дія КЗ. Профілактика КЗ 37

2.2 Причини виникнення перевантаження та їх профілактика 39

2.3 Причини виникнення перехідних опорів та їх профілактика 40

Література 43

Вступ.

Електронні пучки одержали широке практичне застосування в приладах електронної мікроскопії. Використовуючи джерела вільних електронів і різні типи лінз, фокусуючих чи дефокусуючих пучки електронів, сконструйоване велике число аналогів оптичних пристроїв. Фізичні основи електронно-оптичних приладів були закладені майже за сто років до створення електронного мікроскопа ірландським математиком У.Р. Гамильтоном, що установив існування аналогії між проходженням світлових променів в оптично неоднорідних середовищах і траєкторіями часток у силових полях. Перспективність застосування електронної оптики стала ясна після висування в 1924 р. гіпотези про хвилі де Бройля. Завдяки надзвичайно малій довжині хвилі електронів, межа дозволу, що характеризує здатність приладу відобразити роздільно дрібні, максимально близько розташовані деталі об'єкта, в електронного мікроскопа складає 2-30 А. Це в кілька тисяч разів менше, ніж для оптичного мікроскопа. Перше зображення об'єкта, сформоване пучками електронів, було отримано в 1931 р. німецькими вченими М. Кноллем і Э.Руска.

РОЗДІЛ . ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1. ОДЕРЖАННЯ І КЕРУВАННЯ ПОТОКОМ ЕЛЕКТРОНІВ

Необхідною умовою переміщення електронів у виді пучка на велику відстань є створення на їхньому шляху вакууму, оскільки в цьому випадку середня довжина вільного пробігу електронів між зіткненнями з газовими молекулами буде значно перевищувати відстань, на яке вони повинні переміщатися. Для цих цілей досить підтримувати в робочій камері вакуум приблизно 10^-4 Па. Джерелом електронів служить метал (звичайно вольфрам), з якого після його нагрівання в результаті термоелектронної емісії випускаються електрони. За допомогою електричного поля потік електронів можна прискорювати і сповільнювати, а також відхиляти в будь-яких напрямках, використовуючи електричні і магнітні поля.

Схема керування потоком електронів представлена на мал.1. Джерелом електронів служить катод, що підігрівається, К. Керуюча сітка 4 формує і прискорює (чи сповільнює) потік електронів. У поперечному електричному полі, напруженість якого Е, електрон здобуває за час руху в ньому t імпульс

(1)

де m – маса електрона, V – рівнобіжна вектору Е складова швидкості електрона, е – заряд електрона. При цьому кут відхилення електрона від первісного напрямку руху складе q:

(2)

тут V_- складова швидкості електрона, перпендикулярна Е.

При влученні електрона в магнітне поле, індукція якого В перпендикулярна швидкості електрона (мал.1), він під дією сили Лоренца буде рухатися по спіралі, радіус якої

(3а)

а крок

(3б)

тут і - відповідно рівнобіжна і перпендикулярна магнітному полю складова швидкості електрона.

1. ЕЛЕКТРОСТАТИЧНІ ЛІНЗИ

Аналогію між переломленням світлових променів і пучка електронів ілюструє мал.2. На мал.2а промінь світла після входу в оптично більш щільне середовище після переломлення на границі роздягнула наближається до нормалі до поверхні. Кути падіння i та переломлення r зв'язані законом переломлення:

(4)

де n₁ і n₂ – абсолютні показники переломлення першого і другого середовищ відповідно; V₁ і V₂ – швидкості світла в цих середовищах. Електронний аналог закону переломлення показаний на мал. 2б. Електрон після входу в область більшого потенціалу ₂ наближається до нормалі до еквіпотенціальної поверхні в результаті зменшення, складова його швидкості, уздовж нормалі до цієї поверхні. З умови сталості поперечної складовий швидкості випливає

(5а)

чи

(5б)

Розглянутий фізичний механізм зміни траєкторії електрона при русі в електростатичному полі справедливий для будь-якої форми еквіпотенціальних поверхонь. У будь-якому випадку, при перетинанні електроном еквіпотенціальної поверхні з області меншого потенціалу в область більшого потенціалу траєкторія електрона відхиляється до нормалі до еквіпотенціальної поверхні в даній крапці (мал.2в). Якщо змінити напрямок градієнта електричного поля на протилежне, тобто електрон буде переміщатися з області більшого потенціалу в область меншого потенціалу, траєкторія електрона відхиляється в протилежну сторону. Змінюючи конфігурацію еквіпотенціальних поверхонь щодо вектора швидкості електронів, можна формувати траєкторію їхнього руху по необхідному законі. Таким чином, еквіпотенціальні поверхні електростатичного поля можна приблизно вважати аналогами границь оптичних середовищ з різними показниками переломлення, тобто лінзами.

Така аналогія наводить на думку, що найпростішу електростатичну лінзу можна зробити, якщо взяти два порожніх провідних циліндри, помістити їх близько друг до друга і прикласти між ними різниця потенціалів ₁ - ₂.

Еквіпотенціальні поверхні в зазорі між цими циліндрами будуть згинатися, як показано на мал.3, оскільки нормаль до осі лінзи складова сили, що діє на вільний заряд, поблизу стінок більше, ніж у середині циліндрів.

Це розходження обумовлене наявністю вільного від зарядів зазору між кінцями циліндрів. Ступінь впливу зазору і, отже, кривизна еквіпотенціальних поверхонь залежать від довжини циліндрів. У випадку, коли циліндри мають нескінченну довжину, еквіпотенціальні поверхні являються рівнобіжними одна одній.

1. МАГНІТНІ ЛІНЗИ

Принцип фокусування електронного променя неоднорідним магнітним полем короткої котушки ілюструє мал.4. У загальному випадку вектор швидкості електрона V спрямований під деяким кутом до осі котушки (лінії ОС). Розкладемо вектор швидкості електрона в крапці А (мал.4) на осьову і радіальну складові (V_z і V_r відповідно). Відповідні складові вектора індукції магнітного поля В в цій крапці позначимо В_z і В_r. Вектори V_z і В_r обумовлюють складову сили Лоренца F_ (мал. 4, праворуч, угорі). Сила F_ викликає обертання електронів навколо осі ОС, тобто з'являється азимутальна складова швидкості V_, що разом з В_z утворить силу F_r, спрямовану до осі котушки. Неважко переконатися в тім, що після перетинання площини СО₁СО₂, незважаючи на зміну напрямку радіальної складової магнітного поля на протилежне, поперечна сила F_ як і раніше відхиляє електрони до осі ОС. Змінюючи індукцію магнітного поля, можна домогтися перетинання траєкторій всіх електронів у крапці З, забезпечуючи тим самим фокусування електронного потоку.

За допомогою аксіального магнітного поля можна зробити і товсту магнітну лінзу (у товстій магнітній лінзі всі траєкторії електронів розташовуються усередині).

1. ЕЛЕКТРОННО-ОПТИЧНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ МАТЕРІАЛІВ

Історично першим був виготовлений просвітлюючий електронний мікроскоп (ПЕМ), у якому електрони, після проходження через об'єкт, попадають на електронну лінзу, що формує збільшене зображення об'єкта. Оптична схема ПЕМ цілком еквівалентна відповідній схемі оптичного мікроскопа, у якому світловий промінь заміняється електронним променем, а оптичні лінзи чи системи лінз заміняються електронними лінзами чи системами електронних лінз. Достоїнством ПЕМ є велика дозволяюча здатність. Основний недолік зв'язаний з тим, що об'єкт дослідження повинний бути дуже тонким (звичайно тонше, ніж 0.1 мкм). Крім того, у ПЭМ використовують електрони великої енергії. У залежності від досліджуваного матеріалу електрони прискорюють до кінетичної енергії в діапазоні від декількох КэВ до декількох МэВ. Це приводить до нагрівання зразка аж до його руйнування.

1. ЗВИЧАЙНИЙ ПРОСВІТЛЮЮЧИЙ ЕЛЕКТРОННИЙ МІКРОСКОП

ЗПЕМ багато в чому подібний світловому мікроскопу, але тільки для висвітлення зразків у ньому використовується не світло, а пучок електронів. У ньому є електронний прожектор, ряд конденсорних лінз, об'єктивна лінза і проекційна система, що відповідає окуляру, але проектує дійсне зображення на люмінесцентний екран чи фотографічну пластинку. Джерелом електронів звичайно служить катод, що нагрівається, з чи вольфраму гексаборида лантану. Катод електрично ізольований від іншої частини приладу, і електрони прискорюються сильним електричним полем. Для створення такого поля катод підтримують під потенціалом порядку -100 000 В щодо інших електродів, що фокусують електрони у вузький пучок. Ця частина приладу називається електронним прожектором. Оскільки електрони сильно розсіюються речовиною, у колоні мікроскопа, де рухаються електрони, повинний бути вакуум. Тут підтримується тиск, що не перевищує однієї мільярдної атмосферного.

5.1 Електронна оптика.

Електронне зображення формується електричними і магнітними полями приблизно так само, як світлове – оптичними лінзами. Магнітне поле, створюване витками котушки, по якій проходить струм, діє як збиральна лінза, фокусну відстань якої можна змінювати, змінюючи струм. Оскільки оптична сила такої лінзи, тобто здатність фокусувати електрони, залежить від напруженості магнітного поля поблизу осі, для її збільшення бажано сконцентрувати магнітне поле в мінімально можливому обсязі. Практично це досягається тим, що котушку майже цілком закривають магнітною «бронею» зі спеціального нікель-кобальтового сплаву, залишаючи лише вузький зазор у її внутрішній частині. Створюване в такий спосіб магнітне поле може бути в 10–100 тис. раз більш сильним, чим магнітне поле Землі на земній поверхні.