К.В. Фролов - Технологии, оборудование и системы (1062200), страница 124
Текст из файла (страница 124)
Основным достоинством методов электронной и ионной спектроскопии яюшется исключительно высокая трехмерная локальность анализа твердого тела; толщина примерно от 1 нм до нескольких микрометров, окружность диаметром около 0,5 - 10 мкм при высокой чувствительности (предел обиаружеюш примесей может состаювпь около Гбм см з). Физические причины, позволяющие получать высокую локальность по глубине, связаны с малой эффективной глубиной выхода электронов без потерь энергии, малой длиной касюща атомных взаимодействий при бомбардировке поверхности ионами, явленгшми дифракции электронов и упругим рассеянием ионов на атомах поверхности. Постепенное (послойное) распыление материала исследуемого образца с помощью ионной бомбардировки позволяет обнажать более пгубоко лежащие атомные слои и таким образом анализировать элементный состав микрообъемов.
Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 400 Вторичко-электролиза спектроскопкл Колебатель- каа спектро- скопии Спектроско- пии потерь энергии дюррация бмстрых электронов (ЛВЭ) дифрации медлеквык электронов (дмэ) Рас. 3.4.1. Классафааааал летэаеа эаап1еаааа оиатваавава Воздействия зондов на поверхность проявлявпся в испускании вторичных потоков частиц и излучения. В зависимости от характера первичных и вторичных потоков методы анализа энергстичсоких спектров и масс-спектров классифицируют по двум основным признакам: природе возбуждающего (первичного) зонда; природе эмпчтируемых вторичных часпщ или вторичного излучения. Методы электрон-электронной спектроскопии (или вторично-электронной спектроскопии) реализуются с помощью первичного электронного зонда и аналюа энергетических (и угловых) распределений вторичных электронов, упруго или неупруго отраженных от поверхности.
При использовании первичного ионного зонда и анализа энергетических спектров злекгронов реализуются методы ионноэлектронной спектроскопии и т.д. На рис. 3.4.1 и 3.4.2 приведена упрощенная классификация методов электронной и ионной спектроскопии. Спектроскопия возбужденных электронов Электроннал оке-спектроскопии (ЭОС) Оборудование, предназначенное дгы практической реализации методов электронной и ионной спектроскопии, должно удовлетворать определенным требованиям и вюпочает следующие основные элементы: рабочую камеру с системой сверхвысоко- вакуумной откачки; устройства, формирующие первичные зонды; устройства для анализа распределения вторичной эмиссии (или упруго отраженной компоненты) по энергиям или массам. Аппаратуру, питающую, регистрирующую и обрабатывающую спектроскопическую информацию. Даюгенне остаточных активных газов в камере должно быль не более 10 г - 10 з Па во избежание адсорбции газов на поверхности.
Устройства формирования первичных зондов дол:аны обеспечивать определенные параметры последних (площадь поперечного сечения, плотносп тока, энергия н т.д.). спектроскопия упруго.'(г иеупруголотракекиых электронов оворудовлнив для контроля и лнлдизл новврхности твврдого титл 442 Рас. 3.4.2. Кааеевфшлааа метеяеа аеааея спащюсаеаав При анализе поверхности активных материалов, не допусхаюших контыпа с воздушной атмосферой, а также при изучении аде орбции и связанных с ней явлений (например, началыпах стадий роста пленок) в оборудование мотут встраиваться системы для нанесения адсорбата.
Этн системы, а тюске системы для очистки поверхностей анализируемых объектов можно вынести во вспомотательную камеру, соединенную с основной через шлюзовое устройство. Для перемещения объектов из одной камеры в крутую, юстировки поверхностей относительно первичных пучков и анализаторов вторичной эмиссии, смены образцов, перемещения нх с позиции на позицию необходима передача в вакуум механических перемещений. Эти перемещения осушесталяются с помощью вакуумных манипуляторов.
Для быстрой смены объектов в камерах без нарушения вакуумных условий используются за|рузочно-шлюзовые устройст- Наиболее важным условием приборной реализации методов электронной и ионной спектроскопии яюшется компоновка основных элементов внутри камеры. Компоновку можно считать рациональной, если она удовлепюряет следующим требованиям: угол падения первичното зонда (относительно нормали к поверхности объекта) обеспечивает максимальную эмиссию вторичных частиц; полностью используется входной телесный угол анализатора для сбора вторичных частиц; область расположения объекта легко доотупиа для ето быстрой замены.
Однако некоторые требовании противоречат перечисленным выше. Например, дзя получения максимального разрешения первичный зонд должен быль направлен по отно- шению к поверхности перпендикулярно, что уменьшает эмиссшо вторичных частиц по сравнению с эмиссией при нюслонном падении и, следовательно, ухудшаются условия обнаружения примесей. На практике выбирают компоновки, удовяетворяющие либо компромиссным требованиям, либо требованиям по пределу обнаружения, скорости распыления материала при ионном травлении, пространственному разрешению и т.д.
ПРимеры типовых компоновок основных элементов электронных и ионных спектроскопов приведены на рис. 3.4.3. Для опрелеления элемеитното состава атомных поверхностных слоев необходимо выявить какую-либо присушую отдельным атомам характеристику, которая сохраняется при переходе атомов в конденсированное состояние. Такой характеристикой является совокупность энергий связи Е; электронов внутренних оболочек (уровней), положение которых на энерштической шкале изменяется мало при обьединении атомов в твердое тело.
Для кахщото атомнозо номера У эта совокупность энергий предстаюшет собой систему дискретных энергетических уровней Е~ = У(2). Для определения' Е; атомов поверхностных слоев возбуждают их внутренние оболочки. На рис. 3.4.4 приведена энергетическая диаграмма, поясняющая сущносп рентсеноэлектронной спектроскопии (РЭС), основан- ното на непосредственной регистрации возбужденных электронов внутренних оболочек.
Электрону передается некоторая строто фиксированная энергия ренттено коко зо квюпа Е = Ьч и измеряется кинетическая энергия Епш возбужденного электрона после епз выхода из твердого тела. Энергия Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ к угу" ае гг/ уг/7 д/ Рве. 3.45Д Твпааьы комвововаи ееиоввык элемевтав юывтреввмк в вашим аыатронеграв: ЭА — энергетический анализатор; ЭП - элешронная пушка; ИП- ионный пучок; Ат - пучок фотонов; и — нормаль к пшмрэности; 1 - фокусное расстояние пушки аиавизагора; МС - масс-спеэзрометр; а - рек~тена-эвектропгвсг и оже-спекгроскопия; б - растровый электронный ели-спектрометр; е — ионный оже-спектрометр; г - спегсцюметр обрзтно рассеяннык ионов ниэкик знертвй; е — вторично-ионлый масс-спехгрометр; е - двфрахгыаегр медэенньп электронов; а - угол наклона оси анвпюшора к исследуемой поверхности; В - угоа наклшм оси анаэиэатора х ышравлению выхода обрашеннык часпщ; О - угол, обраэошнный осью пучка первичных частиц (эонда) и нормвэью к исследуемой поверкнссти; зе - установка растрового элашронного оже-спехтрометра с послойным анализом; 1 — исследуемый образец иа обьекгодержагеле; 2- шток манипулатора юстировки образца; Я - юспгровочный манипулятор; 4- электронная пушка; 5- энергетичеышй анализатор; б - манипулятор регулировки относительного энергепшеского разрешения анализатора; 7- ионная пушка; Р - пагрубох систеьыыазовшо напуска; 9- патрубок сиогемн дифференднальной шхачки; 10- иллюминатор; 11- аначятическая камера; 12- патрубок системы озхачки камеры; 13- камера эмрузки; 14- манипулатор загрузки; 15- пагрубок системы откачки камеры эагрулш; 1б - шиберные затворы ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА 403 ягг ч ~ ~л) Юе lРг й)г Еаив, г 6 амз Рас.
3.4.4. Эаергетачееааа ламрамма, мюеаммяеа спюеюю реатгеаезаФВчтюююй ммигрееюлюа Здесь Ь - постоянная Планка; у — частота фотона; Ж~ - энергия связи электрона на уровне 4 ар - работа выхода, где е - заряд электрона, <р - его потенциал. Сравнивая экслерементально полученные значении Е,~ с табличными значениями энергии овязи химических элементов, определяют с атома, из которого эмштировался вторичный электрон. При возбуждении электронов с разных уровней атомов с различными У их энергетический спектр образует систему дискретных линий - опектр вторичных электронов, распределенных по энергиям: Ф =,Г(Е), где Ф- число электронов с энергией Е (слева наверху на рис. 3.4.4).
Такой спектр отражает энергетическую структуру электронов внутренних оболочек и поэтому позволяет идентифицировать всю совокупносп Л атомов, электроны которых припали участие в его формироваИнтенсивность дискретных линий (их амплитуда или площадь, охватываемал линией) пропорциональна числу атомов с номерами У, из которых змитгнрованы электроны.
На этом основано количественное определение концентраций химических элементов в приповерхностных атомных слоях. Возбужденные электроны находятся в окружении других атомов, и они должны выйти из твердого тела в вакуум, чтобы быль зарегистрированными. При движении в твердом теле они могут претерпевать различные иеупругие взаимодейсиия, (в основном электронзлектронные), что приводит к изменению их энергии и искажению искомой информации. Носителями информации остаютоя лишь те электроны, которые не испьпали неупругого рассеяния. Без потери энергии в вакуум могут выйти только те элевзроны, которые были возбуждены на глубинах, ие превышающих среднюю длину Х свободного пробега для не- упругого рассеяния.
Эта длина и определяет Рве. 3.4.5. Заэаеююегь аффмняевей гзгбввм емхела злеатреаее ет ах харемгерастачееаей свергая. Течаамл ебезеачеам зюмерюматааьме аеаучеавме лавале лза рзеамх матервааее толщину анвлюируемого приповерхностного слоя, т.е. неупругие взаимодействия "отсеиваап' информацию, идущую из объема твердого тели, формируя вюкнейшую характеристику РЭС - высокую локальность по глубине (локальность - величина, обратная глубине).
Величина Х зависит от кинетической энергии Ез электронов (рис. 3,4.5), Важнейшими элементами установок РЭС являются реппеновскнй источник возбуждения и энергетический анализатор. Ренпеновский источник обычно выполняется с двойным анодом - из алюминия и маппш, характеристические излучения которых составляют соответственно 1486,6 и 1253,6 эВ (рис. 3.4.6). Для задержки главным образом тормозного излучения используется фильтр в виде юпоминиевой фольги толщиной 5 - 10 мкм. Немонохроматичность фотонов таких источников состаюшет около 1 эВ. Специальнал монохроматизация излучения позволяет уменьшить А)гу примерно до 0,2 эВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
