Автореферат (Создание высокоточных методов анализа твердых тел на основе расшифровки данных электронной спектроскопии методами инвариантного погружения)

На правах рукописиКапля Павел СергеевичСОЗДАНИЕ ВЫСОКОТОЧНЫХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ТВЕРДЫХ ТЕЛНА ОСНОВЕ РАСШИФРОВКИ ДАННЫХ ЭЛЕКТРОННОЙСПЕКТРОСКОПИИ МЕТОДАМИ ИНВАРИАНТНОГО ПОГРУЖЕНИЯСпециальность 01.04.04 - «Физическая электроника»Автореферат диссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква — 2016Работа выполнена на кафедре Общей физики и ядерного синтеза Национального исследовательского университета «МЭИ».Научный руководитель:Афанасьев Виктор Петрович, докторфизико-математических наук, доцентОфициальные оппоненты:Векленко Борис Александрович, докторфизико-математических наук, главный научный сотрудник,Объединенный институт высоких температур РАНМартыненко Юрий Владимирович, докторфизико-математических наук, главный научный сотрудник,НИЦ «Курчатовский институт»Ведущая организация:Национальный исследовательский ядерный университет«МИФИ»Защита состоится 23 июня 2016 г.

в 16:30 часов на заседании диссертационного советаД 501.001.66 на базе Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова поадресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд. СФА.СдиссертациейимениможноМ.В.ЛомоносоваознакомитьсяинавсайтебиблиотекеНаучнойбиблиотекеМГУphys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/.Автореферат разослан 20 апреля 2016 года.Ученый секретарьдиссертационного советаД 501.001.66к.ф.-м.н.Карташов И. Н.2Общая характеристика работыАктуальность темыНастоящая диссертация посвящена развитию моделей многократного рассеяния в твердых телах электронов с энергиями от сотен до нескольких тысяч электронвольт.

Целью исследования является создание методик расшифровки сигналов электронной спектроскопии длянеразрушающего послойного исследования состава поверхности твердых тел.Актуальность поставленной задачи обусловлена быстрым развитием нанотехнологийи возникновением технологий атомарного разрешения, методов, требующих для своей реализации высокоточного контроля компонентного и послойного состава производимых изделий.Наиболее адаптированными к решению указанных задач являются методы анализа на основеЭлектронной Спектроскопии (ЭС): Рентгеновская Фотоэлектронная Спектроскопия (РФЭС),Оже–Спектроскопия (ЭОС), Спектроскопия Пиков Упруго Отраженных Электронов (СПУОЭ)и Спектроскопия Отраженных Электронов (СОЭ). Быстрыми темпами совершенствуется аппаратура, на которой возможно реализовать указанные методы анализа: абсолютное энергетическое разрешение достигает сотых долей электронвольта при анализе спектров с энергий вдесятки кэВ.

Измерение энергетических спектров возможно выполнять в интервале углов визирования равном ±35◦ , не изменяя положения мишеней, зонда, энергоанализатора и т.д. Визмеряемых спектрах содержится исчерпывающая информация об объекте исследования, ноизвлечение этой информации, в настоящее время, наталкивается на определенные трудности.Главная проблема заключается в отсутствии адекватных моделей формирования спектров ЭС.Задача определения состава исследуемой мишени по спектру рассеянных электронов являетсяобратной задачей математической физики и относится к классу некорректных. Наиболее надежным, в силу слабой обусловленности задачи, является метод фитинга – подбора варьируемых параметров, который требует многократного решения прямой задачи.

В такой ситуациинаиболее часто используемый сегодня метод Монте-Карло оказывается неэффективным в силунедостаточной производительности. Требуется быстрый, точный и адекватный решаемой задаче алгоритм расчета электронных спектров.Для описание энергетических спектров ЭС необходимо иметь информацию о дифференциальных сечениях неупругого рассеяния электронов в веществе. На сегодняшний день несуществует достоверных табличных или расчетных данных, содержащий такие сечения.

Ситуация дополнительно усугубляется различиями в характере потерь энергии электрона в приповерхностных слоях вещества и толще мишени, что заставляет переходить к многослойнымсистемам даже для описания спектров чистых образцов. Описанные в литературе методы, темне менее, предлагают вести восстановление в однослойной модели и использовать прямые методы восстановления. В силу плохой обусловленности задачи такие подходы приводят к нефизичным особенностям сечений или отрицательным областям. Наиболее перспективным способов восстановления дифференциальных сечений является применение процедур фиттинга длямодельных физически обоснованных видов зависимостей для описания экспериментальныхданных.3Целью настоящей диссертации является создание методик обработки экспериментальных данных ЭС, реализованных в виде программ, позволяющих с максимально высокой точностью и быстродействием определять качественный и количественный состав исследуемоймишени по энергетическим спектрам рассеянных и фотоэлектронов, а также разработка методов восстановления дифференциальных сечений неупругого рассеяния из экспериментальныхданных.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:1. Создание методов точного численного решения граничных задач для уравнений переноса электронов, описывающих энергетические и угловые спектры в различных методикахэлектронной спектроскопии.2. Развитие методов решения граничных задач для уравнений переноса электронов в малоугловом приближении, позволяющих достигать приемлемой точности при рекордно высоком быстродействии.3.

Обобщение решений уравнения переноса на описание слоисто неоднородных образцов.4. Реализация метода восстановления дифференциальных сечений неупругого рассеяния воднородном массиве и приповерхностных слоях образца из экспериментальных данных.5. Создание методик описания спектров рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии вшироком интервале потерь энергии.Развитие методов расшифровки электронной спектроскопии спектров затормозилось в 80-е годы прошлого века. Это происходило на фоне быстрого развития методов расшифровки оптических спектров, позволяющих определять состав атмосферы Земли по данным рассеяния Солнечного излучения, методов основанных на решении уравнений подобных тем, что описываютмногократное электронное рассеяние.

Поэтому одна из целей диссертации заключается в адаптации методов, развитых в дистанционном зондировании атмосферы Земли, к задачам электронного рассеяния.Основные положения, выносимые на защиту, и научная новизнаВ диссертационной работе впервые получены следующие результаты:1. Благодаря группировке электронов по кратностям неупругого рассеяния получены системы уравнений для функций отражения, пропускания и уравнений, описывающих плотность потока фотоэлектронов, представляющих собой решение граничных задач дляуравнений переноса электронов в твердом теле. Создана методика описания энергетических спектров электронной и фотоэлектронной спектроскопии.2.

Впервые методы точного численного решения уравнений типа Рикатти, Ляпунова и Сильвестра применены для описания спектров характеристических потерь энергии и энергетических спектров фотоэлектронов. Выполнена апробация полученных решений на основе сравнения с результатами моделирования методом Монте-Карло, результатами другихавторов и экспериментальными данными.43. Выполнена модификация решения уравнения переноса в малоугловом приближении.

Получены аналитические решения для неупруго рассеянных электронов, а также слоев конечной толщины.4. Впервые указано на два основных физических эффекта, связанных с процессом упругого рассеяния электронов в задачах с внутренними источниками: эффект поворота «телаяркости» и влияние подстилающей поверхности.5. Описание энергетических спектров рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии дляобразоц Si, Al, Mg и Nb, выполненное с использованием сечений, восстановленных из эспектров характеристических потерь энергии, дает удовлетворительное согласие с экспериментальными данными без привлечения дополнительных механизмов потерь энергии,отсутствующих в спектрах характеристических потерь энергии.Практическая значимость диссертационной работыСозданы методики расчета, позволяющие выполнять решение прямых задач электронной спектроскопии, обладающие необходимой производительностью и точностью для использования при решении обратных задач.

Модифицированы решения, полученные на основе малоуглового приближения, погрешность метода для описания энергетических спектров отраженных электронов снижена до 10 ÷ 25%.Разработан метод точного численного расчета энергетических и угловых распределений электроной и фотоэлектронной спектроскопии для слоев нонечной толщины. Задача описания слоя является базовой для количественного и качественного анализа многослойных структур.Предложенный метод восстановления дифференциальных сечений неупругого рассеяния электронов позволяет получать данные, которые могут быть использованы для описаниянезависимых экспериментальных данных, что позволяет ставить задачу об экспериментальномопределении таблиц сечений. Показана возможность восстановления сечений из спектров РФЭС без необходимости проведения измерений с использованием электронных пушек.Степень достоверности полученных результатов подтверждается математическойстрогостью всех преобразований, сравнением полученных результатов с другими методами(приближение однократного рассеяния, метод Монте-Карло, модифицированный метод дискретных ординат в скалярной форме (Будак В.П.)), с результатами, полученными другими исследователями (Werner W.S.M., Vos M., Жарников М.В., Горобченко В.Д., Серпученко И.Л.,Бронштейн И.М., Пронин В.П.), а путем сравнения с экспериментальными данными.Апробация работы.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 18 работах в научных издания, входящих в перечень ВАК, в том числе: Vacuum, Journal ofVacuum Science and Technology B, «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронныеисследования», «Известия Российской Академии Наук. Серия Физическая», «Вестник МЭИ».Научные результаты и материалы исследований докладывались и были опубликованы в материалах и сборников тезисов российских и международных конференциях, в том числе:5• ХХ, XXI, XXII Международная конференция «Взаимодействию ионов с поверхностьюВИП» (2011, 2013, 2015 гг.);• IX, X, XI Курчатовская молодёжная научная школа (2011, 2012, 2013 гг.);• XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2012 г.);• Национальная конференция «Повышение эффективности, надёжности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» (2012 г.);• XI, XII,XIII Всероссийская с международным участием научно-техническая конференция«Быстрозакаленные материалы и покрытия» (2012, 2013, 2014 гг.);• XLII, XLII, XLIV, XLV Международная Тулиновская конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (2012, 2013, 2014, 2015 гг.);• X International Vacuum Electron Sources Conference (IVESC) and II International Conferenceon Emission Electronics (ICEE) (2014 г.);• XIII Международная научно-техническая конференция «Быстрозакаленные материалы ипокрытия» (2014 г.).Личный вклад.

Материалы и результаты диссертационного исследования получены соискателем лично или с соавторами. Личный вклад автора для достижения полученных результатовносит определяющий характер и заключается в обобщении и стандартизации имеющихся сегодня приближенных методов решения уравнения переноса методом инвариантного погружения,создании численного метода решения этих уравнений, позволяющих определять парциальныевклады рассеянных электронов по кратностям неупругого рассеяния, и обобщении предложенного метода на все основные методы электронной спектроскопии.