ЭЛИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Измерения и контроль в вакууме.
Измерения и контроль в вакууме
Уникальные возможности: исключение влияния окружающей среды и человека на точность и достоверность
результатов; уменьшение погрешности измерений до физических констант – размеров атомов и молекул.
Можно измерять: геометрические размеры, физические и химические характеристики,параметры
технологических процессов. Лучшие оптические микроскопы позволяют наблюдать объекты больше, чем 0,3
мкм, электронные микроскопы – 0,5-1 нм, а при определенных условиях можно рассматривать даже
отдельные атомы. Максимальная величина увеличения оптического микроскопа - 1000, электронного - 1000000.
С помощью сканирующих электронных микроскопов можно
получать информацию: а) об изображении поверхности,
топологических контрастов, структуры материала,
магнитных доменов; б) об атомном номере материалов
поверхности, их химическом составе, кристаллической
ориентации и структуре кристаллов; в) о распределении
электрических потенциалов в поверхностных структурах,
местонахождении и высоте потенциальных барьеров,
изменении проводимости, глубине и толщине р-n переходов,
величине запрещенной зоны, распределении примесей и т.п.
В режиме просвечивания можно наблюдать движение
атомов и изучать ядерные процессы.
Просвечивающая электронная микроскопия
Растровая электронная микроскопия
Сканирующий (растровый) электронный
микроскоп «Phenom» позволяет получать
изображение поверхности образца с большим Сканирующий электронный микроскоп с полевой
разрешением.
эмиссией JMS-7800F (JEOL):
сверхвысокое разрешение изображения поверхности:
х20000 – х400000;
измерение энергетического спектра электронов;
анализ ориентации кристаллов;
химический (элементный) анализ.
Контроль скорости осаждения тонких пленок
К о лл е кто р
Э л е кт р о н н о -о п т и ч е с ка я
систем а
Э л е ктро нны й луч
Z
H
К а м е ра -о б с кура
C
H
S
X
И спаряем ы й м атериал
К объяснению сущности растрового
вторично-эмиссионного метода
Функциональная схема системы
регулирования
скорости осаждения веществ в
электронно-лучевой установке
Камертонный датчик толщины покрытий, наносимых в
вакууме:
1 – контрольные образцы; 2 – нагреватель; 3 – осветитель; 4 –
флажок; 5 – фотодиод; 6 – электромагнит; 7, 12 – ветви
камертона; 8 – U-образный камертонный осциллятор; 9 –
жестко закрепленное основание камертона; 10 – «свидетель»
температуры; 11 – терморезистор; 13 – водоохлаждаемый
корпус; 14 – направление колебаний ветвей камертона
Контроль скорости осаждения тонких пленок
Контроль скорости осаждения тонких пленок
Схема измерения сопротивления
Схема измерения емкости
1
h1
h
2
Структура емкостного датчика толщины
покрытия: 1 – сетка или перфорация; 2 –
нанесенный материал; 3 – нижняя обкладка
конденсатора, выполненная сплошной
3
2 0 L
C
L2
ln
D
2 a h1
где L – суммарная длина всех проводов,
образующих решетку; h – расстояние между
сеткой и нижней обкладкой;
εо –
диэлектрическая постоянная; ε –
диэлектрическая проницаемость среды; a –
диаметр провода решетки; h1 – приращение
толщины нанесенного покрытия; D –
коэффициент, зависящий от соотношения
размера решетки и числа ее ячеек.
Контроль скорости осаждения тонких пленок
Схема автоматизированной системы контроля толщины покрытий
Электронная оже-спектроскопия (Рис.34) позволяет определять химический состав вещества, в том числе
непосредственно во время осаждения тонких пленок.
e2O
e2
e1
e
(работа выхода)
Валентная
зона
M
L
K
Энергетические уровни электронов атома
Оже-электронный спектрометр «Specs»
Рис.34 Принцип метода электронной оже-спектроскопии
Рентгеновские микроскопы относятся к устройствам проекционного увеличения. Основное ограничение
заключается в интенсивности рентгеновского излучения и поэтому разрешение составляет величину порядка
0,1 мкм, что намного больше их теоретического предела, но лучше, чем в оптических микроскопах.
Для химического анализа поверхностей и пленок используется коллимированный пучок рентгеновских лучей,
который при одинаковых с электронами энергиях проникает в вещество значительно глубже и, следовательно,
дает больше информации о составе материала на больших глубинах. Рентгеновские лучи выбивают электроны,
которые несут информацию о состоянии химических связей атомов, а измерение энергетического спектра
эмиттированных с поверхности электронов позволяет осуществлять химический анализ приповерхностной
области образца.
Ионно-рассеивающая спектроскопия твердых поверхностей (ионные пучки низких энергий 0,1 - 1 кэВ), метод
упругого обратного рассеяния (резерфордовская спектроскопия) легких ионов с большой энергией (1 - 3 МэВ)
используется для изучения дефектов кристаллической решетки после имплантации и отжига, распределения
примесных атомов в кристалле и для исследования поверхностей и тонких пленок.
Вторично-ионная масс-спектрометрия предназначена для анализа массы распыленных первичным ионным
пучком вторичных ионов (квадрупольные масс-спектрометры с разрешением порядка 1 а.е.м.). Изображения
поверхностных неоднородностей могут получаться путем проецирования или растровым сканированием.
Первичный ионный пучок используется также для удаления поверхностных слоев при исследовании профилей
концентрации по глубине с шагом порядка 5 нм.
Важной особенностью применения измерения и контроля в вакууме является объединение в оборудовании
технологических и аналитических операций, т.е. создание аналитико-технологических комплексов, в том числе
сверхвысоковакуумных.
Метод микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) с электронным зондом
Принцип работы: сфокусированный электронный пучок
(электронный зонд) диаметром 0.5 – 1 мкм и энергией несколько
десятков кэВ направляют на отдельную область поверхности
образца, химический состав которого требуется исследовать.
Объём материала, подвергнутый электронной бомбардировке,
испускает характеристическое рентгеновское излучение элементов,
присутствующих в образце. Анализ этого излучения с помощью
рентгеновских спектрометров позволяет установить качественный
и количественный состав исследуемой области образца.
Количественный анализ основан на связи интенсивности
рентгеновского излучения образца с концентрацией определяемого
элемента. Связь эта не является линейной из-за влияния целого
ряда факторов, относящихся к процессу формирования
рентгеновского излучения и геометрии прибора.
Исследование поверхности образца в вакууме как в режиме
растрового электронного микроскопа (РЭМ)
Установка «СуперПроб-733» фирмы JEOL, Япония
Идентификация элементного состава исследуемых объектов методом микрорентгеноспектрального анализа:
диапазон регистрируемых элементов от В (атомный номер Z=5) до U (Z=92) с локальностью анализа около 1
мкм2 и с глубиной анализируемой зоны ~1 мкм; получение снимков исследуемых структур как в режиме
растрового электронного микроскопа (РЭМ) на стравленых микрошлифах, так и в специальном режиме СОМРО,
изображение при котором формируется обратно отраженными электронами. Контраст изображения в
последнем случае определяется средним атомным номером исследуемой области. Чем выше средний атомный
номер исследуемой области (фазы), тем светлее данный участок выглядит на фотографии.
Микроструктура поверхности
Результаты рентгеноспектрального
анализа поверхности
Рентгеновский диффрактометр
