Автореферат (1150371), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Работа изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит67рисунков и 34 таблицы.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо Введениидано обоснование актуальности темы и сформулирована цельисследования.1-я глава (Обзор литературных данных) включает разделы, посвященные описаниюпрямых методов элементного и изотопного твердотельного анализа. Рассматриваются основныепринципы работы методов, их преимущества и ограничения. Обсуждается спецификаприменения методов в отношении анализа непроводящих материалов.В первом разделе рассматриваются рентгеновские методы элементного анализа: РФА,электронно-зондовый микроанализ (ЭЗМА), Оже-спектроскопия и РФЭС.Второй раздел посвящен ядерно-физическим методам элементного и изотопногоанализа, в частности α-спектрометрии, γ-спектрометрии и НАА.В третьем разделе рассмотрены оптические эмиссионные методы: ЛИЭС, оптическаяэмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой и лазерной абляцией (ЛА ИСПОЭС) и оптическая эмиссионная спектроскопия с тлеющим разрядом (GDOES).7Четвертый раздел включает рассмотрение масс-спектральных методов элементного иизотопного анализа, таких как искровая масс-спектрометрия (SSMS), масс-спектрометрия сионизацией лазером (МСИЛ), ЛА ИСП МС, ВИМС и GDMS.Наиболее подробно рассмотрен последний метод, используемый в настоящей работе.Приведено описание основных процессов распыления и ионизации, протекающих в тлеющемразряде, типов питания разряда, вариантов разрядных ячеек и масс-анализаторов.
Сделанакцент на проблемы с распылением непроводящих материалов, описаны способы их решения.Указано, что непосредственное распыление полупроводников и диэлектриков в разрядепостоянного тока невозможно в связи с накоплением поверхностного заряда, поэтомуиспользуются вспомогательные процедуры (смешивание с проводящим порошком иприменение вторичного катода (ВК)), которые существенно ухудшают аналитическиехарактеристики метода. Показано, что в случае радиочастотного разряда, где отсутствуетпроблема накопления поверхностного заряда, распыление диэлектриков сопровождаетсяемкостной потерей мощности, а, следовательно, и чувствительности, и перегревом пробы.Отмечены перспективные преимущества импульсного питания разряда, применение которогодля анализа монолитных непроводящих материалов ранее было не изучено.Вторая глава состоит из трех разделов, которые содержат описание приборов,используемых в экспериментальных исследованиях по распылению и анализу непроводящихпроб, и результаты сравнительных исследований по выбору оптимального типа ячейки ирежима питания разряда.
В первом и втором разделах рассмотрены принципы работы иконструкция приборов, в особенности разрядных ячеек. В первом разделе второй главыприведена информация об оптическом эмиссионном спектрометре с ячейкой Гримма GDA-650(Spectruma Analytik GmbH, Germany). Последний использовался в различных режимах питанияразряда (непрерывный и импульсный радиочастотный, импульсный разряд тока смещения). Вовтором разделе приводится описание времяпролетного масс-спектрометра с импульснымтлеющим разрядом тока смещения в комбинированном полом катоде Люмас-30 (ООО«Люмасс», Санкт-Петербург, Россия).
В третьем разделе в целях поиска эффективногомеханизма распыления полупроводников и диэлектриков с помощью GDA-650 проведеносравнительное рассмотрение разрядных ячеек Гримма (рис.1(а)) и КПК в различных режимахразряда. Для этого использовалась специально изготовленная конструкция КПК (рис.1(б)),аналогичная ячейке КПК (рис.1(в)), используемой в масс-спектрометре Люмас-30, которыйприменялсявдальнейшихисследованиях.вспомогательного полого катода (Al, Cu, Ta).Рассмотреныразличныематериалы8а)б)в)Рис.
1. Схемы используемых разрядных ячеек. (а) — ячейка Гримма в спектрометре GDA-650,(б) — ячейка Гримма с конструкцией КПК в спектрометре GDA-650, (в) — ячейка КПК в массспектрометре Люмас-30.Показано, что в условиях одинаковой мощности и давления, в радиочастотном режимеиспользование КПК в целом позволяет получить схожие с ячейкой Гримма аналитическиесигналы (табл.
1). Применение КПК эффективно для толстых диэлектрических проб, посколькув этом случае достигаются на порядок большие сигналы, не зависящие от толщины пробы, вотличие от ячейки Гримма, где за счет емкостных потерь сигнал резко падает с увеличениемтолщины диэлектрика (табл. 1).Табл. 1. Сравнение ячеек КПК и Гримма в непрерывном радиочастотном разряде.Интенсивности основных компонент в условиях одинаковой мощности и давленияПробаЛинияМощность, Вт Давление, ПаИнтенсивность линииГриммAlКПКCuКПКTaКПКSiSi I 251,6 нм207700,320,150,370,53SiCSi I 251,6 нм207700,110,030,060,12C I 165,7 нм207700,800,030,070,21Al2O3 0,50 ммAl I 396,2 нм203200,064-0,010,65Al2O3 1,85 ммAl I 396,2 нм203200,027-0,0140,69Al2O3 4,00 ммAl I 396,2 нм253200,013-0,0260,61ИспользованиежеимпульсногоразрядапостоянноготокавКПКкакдляполупроводниковых, так и для диэлектрических проб любой толщины позволяет получить на 12 порядка большие сигналы, чем в радиочастотном разряде Гримма той же мощности (табл.
2)(использование импульсного радиочастотного разряда по сравнению с непрерывнымрадиочастотным разрядом в ячейке Гримма уменьшает интенсивность регистрируемых линийобратно пропорционально скважности, поэтому для сравнения был выбран непрерывныйрадиочастотный разряд). Кроме того, в случае импульсного питания в КПК интенсивностикомпонентов пробы по отношению к интенсивностям сигнала вспомогательного катодасущественно выше, чем для непрерывного разряда в КПК. Таким образом, показано, чтораспыление непроводящих проб наиболее эффективно реализуется в ячейке КПК с импульснымразрядом тока смещения, которая и была выбраны для дальнейших исследований.9Табл.
2. Сравнение ячеек КПК в импульсном разряде тока смещения и Гримма в непрерывномрадиочастотном разряде. Интенсивности основных компонентов в условиях одинаковоймощности и давления. Для импульсного режима частота следования импульсов 4 kHz,длительность импульса 10 мксПробаЛинияМощность, Вт Давление, ПаИнтенсивность линииГриммAlКПКCuКПКTaКПКSi I 251,6 нм207700,321,82,34,5Si I 251,6 нм407700,713,24,06,8Si I 251,6 нм207700,11-2,03,0Si I 251,6 нм507700,722,83,55,4GaNGa 403,3 нм40770-*-3,03,5SiO2 2,00 ммSi I 251,6 нм207700,006-0,051,3Al2O3 1,00ммAl I 396,2 нм207700,10-0,032,6Al2O3 1,85 ммAl I 396,2 нм207700,03--2,9SiSiC* - образец разрушается.Приведены результаты масс-спектральных сравнительных исследований ячеек КПК (сразличными вспомогательными катодами), вторичного катода и Гримма по абсолютныминтенсивностям компонентов пробы (см.
табл. 3), относительным интенсивностям пробы ивспомогательного катода. Показано, что КПК существенно превосходит вторичный катод иячейку Гримма по этим параметрам. Из материалов вспомогательного катода наиболееэффективными оказались алюминий и тантал, которые были выбраны для дальнейшихисследований.Табл.
3. Средняя интенсивность в пакете для основного компонента (Si для SiC и SiO2, Zr длягиацинта), полученная для разных разрядных ячеек в импульсном разряде тока смещенияПробаЯчейкаTaКПК4TaВК2,58∙102SiC5,35∙10SiO23,08∙1032,29∙101-31-Гиацинт5,43∙104,61∙10Гримм32,69∙10Третья глава посвящена исследованию механизма распыления непроводящих проб вКПК. Обнаружено, что при использовании импульсного тлеющего разряда в КПК распылениекак полупроводниковых, так и диэлектрических проб протекает весьма эффективно.
Какпоказано в настоящей работе, это связано с формированием на поверхности пробыпроводящего слоя, который и обеспечивает ее дальнейшее распыление. При исследованиимеханизма формирования этого слоя установлено, что последний образуется как за счетнапыления материала вспомогательного катода, так и за счет «обогащения» компонентом сменьшим коэффициентом распыления (например, для оксида алюминия – алюминием) – см.рис. 2.
Это подтверждается полученными спектрами РФЭС для проб сапфира (рис. 3) и кварца(рис. 4), где помимо слоя напыленного материала вспомогательного катода (Ta), обнаруженоприсутствие элементных форм алюминия и кремния соответственно.10Рис. 2. Механизм формирования проводящего поверхностного слоя в КПК на примере сапфирас TaКПК.а)б)в)г)Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
