Способ количественного анализа поверхностных слоев твердых тел

Способ количественного анализа поверхностных слоев твердых тел

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, заключающийся в облучении анализируемой поверхности исследуемого образца пучком моноэнергетических электронов, регистрации эмиттированных с поверхности электронов, измерении потоков первичных и эмиттированных электронов и определении искомой концентрации по аналитической зави симости и измеренным величинам, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности анализа бинарных соединений, производят двукратное облучение исследуемого образца и регистрацию упругротраженных электронов при энергии и угле рассеяния в каждом цикле облучениерегистрация , соответствующих минимуму в пространственном распределении упругоотраженных электронов для одного КЗ чистых веществ, являкицихся компонентами бинарного соединения, дополнительно измеряют углы скольжения потоков первичных и упругоотраженных электронов и определяют концентрацию казвдого компонента по формуле einOtlj

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (И) 3 (я) G 0 1 N 23/225

ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ, К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ Khiig;;:;

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3549322/18-25 (22) 08.02.83 (46) 07. 10.84. Бюл. У 37 (72) В.А. Канченко, 10.Н. Крынько, П.В. Мельник и H.Ã. Находкин (71) Киевский ордена Ленина государственный университет им. Т.Г. Шевченко (53) 543.51 (088.8) (56) 1. Методы анализа поверхностей.

Под ред. А. Зандерна, M., "Мир", 1979, с. 228.

2. Гомоюнова M.В. Вторично-эмиссионная спектроскопия поверхности твердого тела ЖТФ, т. 46, вып. 6, 1976, с. 1137 (прототип). (54)(57) 1. СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО

АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТВЕРДЫХ

ТЕЛ, заключающийся в облучении анализируемой поверхности исследуемого образца пучком моноэнергетических электронов, регистрации эмиттированных с поверхности электронов, измерении потоков первичных и эмиттированных электронов и определении искомой концентрации по аналитической зави-. симости и измеренным величинам, отличающийся тем, что, с целью повышения точности анализа бинарных соединений, производят двукратное облучение исследуемого образца и регистрацию упругоотраженных электронов при энергии и угле рассеяния в каждом цикле облучениерегистрация, соответствующих минимуму в пространственном распределении упругоотраженных электронов для одного из чистых веществ, являющихся компонентами бинарного соединения, дополнительно измеряют углы скольжения потоков первичных и упругоотраженных электронов и определяют концентрацию каждого компонента по формуле

61А 0 2,1 цпр(й,1) si p

Н„

t 0),1,гИ2,„) 3(Е21) где Ь1 „ — поток упругоотраженных электронов;

Э0 — поток первичных электронов;

Ь Q — телесный угол регистрации упругоотраженных электронов; сС и P — углы скольжения потоков первичных и упругоотраженных электронов;

9 и E - угол рассеяния и энергия первичных-электронов, для которых имеет место минимум пространственного распределения рассеянных на чистом компоненте электронов, 6 (8) — сечение упругого рассеяния электронов под углом 8 для чистого компонента;

Ь(Е1 — длина, свободного пробега относительно неупругих соударений электронов с энергией Е в чистом компоненте.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, величины произведений 6> (8,1 - $ (Е ) определяют с помощью осуществления цикла облучение-регистрация на образцах из чистых компонентов при энергии и угле рассеяния в каждом цикле, со1i i 7506

14(К,Кд) г(Е ) ц АБс ответствующем минимуму в пространственном распределении упругоотраженных электронов для другого чистого компоИзобретение относится к электрон- ной спектроскопии, а именно к способам исследования физических и химических свойств поверхности вещества

При помощи вторично-электронных методов, и может быть использовано в электронной промышленности микроэлектронной технологии, металлургии, химической промышленности.

Известен способ определения концентрации химических элементов в приповерхностном слое, включающий облучение исследуемого вещества монохроматическим пучком электронов, измерение величины потока оже-электронов и сравнение его с величиной потока оже-электронов от эталонного образца (1) .

К его недостаткам следует отнести требование близости состава эталона и исследуемого вещества, необходимость измерять глубину выхода ожеэлектронов и коэффициент обратного рассеяния. Измерение потока оже-элек- тронов является сложной задачей.

Эти недостатки ограничивают повышение точности определения концентраций элементов.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ . ЗО количественного анализа поверхностных слоев твердых тел (2), заключающийся в облучении анализируемой поверхности исследуемого образца пучком моноэнергетических электронов, регистрации эмитированных с поверхности электронов (оже-электронов), измерении потоков первичных и эмитированных электронов и определении искомой концентрации по 40 аналитической зависимости и измерен" ным величинам, причем указанная аналитическая зависимость имеет вид

45 ояе* р " ® (p д) "(р1 ЮАЬс 11 Ед . 6 где Д

P — величина потока первичных электронов; нента, измерении указанных величин

H использовании приведенной зависимости, концентрация атомов; сечение ионизации внутреннего уровня А электронами; энергия первичных электронов; энергия уровня А невозбужденного атома фактор, учитывающий процессы ионизации уровня А быстрыми вторичными электронами при выходе их из вещества, вероятность релаксации возбужденного состояния атома посредством оже-процесса АБС; 3(E>><) — средняя глубина выхода оже-электронов; энер Гия Оже электро нов;

G — геометрический фактор, учитывающий угловое распределение оже-электронов при их возбуждении.

Недостатком известного технического решения является необходимость измерения параметров N, G . погрешность измерения которых колеблется от десятков до сотен процентов. Кроме того, сложность реализации указанного способа состоит в необходимости измерения малых оже-токов на фоне большого потока неупругорассеянных электронов. Но этой причине погрешность измерения потока оже-электронов колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен процентов.

Цепь изобретения заключается в повышении точности анализа бинарных соединений.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу количест1117506 венного анализа поверхностных слоев твердых тел, заключающемуся в облучении анализируемой поверхности исследуемого образца пучком моноэнергетических электронов, регистрации эмиттированных с поверхности электронов, измерении потоков первичных и эмиттированных электронов и определении искомой концентрации по аналитической зависимости и измеренным 10 величинам, производят двукратное облучение исследуемого образца и регистрацию упругоотраженных электронов при энергии и угле рассеяния в каждом цикле облучение-регистрация, 15 соответствующих минимумов в пространственном распределении упругоотраженных электронов для одного из чистых веществ, являющихся компонентами бинарного соединения, дополнитель- 20 но измеряют углы скольжения потоков первичных и упругоотраженных электронов и определяют концентрацию каждого из компонентов по формуле 1п6 г. 25

„. P (e „) з1 /3 г 1 аког q )2(8q<1 A(E „) где 3 „ — поток упругоотраженных электронов; — поток первичных электронов;

Ь Я вЂ” телесный угол регистрации упругоотраженных электронов; с и P — углы скольжения потоков первичных и упругоотраженных электронов;

8 и Š— угол рассеяния и энергия первичных электронов, для которых имеет 40 место минимум пространственного распределения рассеянных на чистом компоненте электронов; б(8) — сечение упругого рас- 45 сеяния электронов под углом 8 для чистого компонента>

9 (E) — длина свободного пробела относительно неупру- 50 гих соударений электронов с энергией E в чистом компоненте.

При этом величины произведений (Q2,<) (Е2 < опрделяют с по- 55 мощью осуществления цикла облучениярегистрация на образцах из чистых компонентов при энергии и угле рассеяния в каждом цикле, соответствующем минимуму в пространственном распределении упругоотраженных электронов для другого чистого компонента, измерении указанных величин и использовании приведенной зависимости.

На фиг.1 показано устройство для осуществления способа; на фиг.2 геометрия рассеяния электронов, на фиг. 3 — пространственные распределения упругоотраженных электронов для образцов серебра и золота при энергии первичных электронов

1000 эВ.

Устройство для осуществления способа содержит источник 1 первичных электронов, держатель 2, образец 3 исследуемого соединения, образцы

4 и 5 химических элементов, входящих в состав исследуемого соединения узел 6 смены образцов, анализатор 7 электронов по энергиям, узел S аксиального вращения, шкалы

9 и 10, цилиндр 11 Фарадея, узел 12 перемещения цилиндра Фарадея, расположенные в вакуумной камере (не показана).

Источник 1 и держатель 2 соединены с узлом 8 аксималького вращения. При помощи узла 8 вращают источник 1 и держатель 2 вокруг общей оси, проходящей вдоль поверхности образца 3. Углы поворота источника 1 и держателя 2 измеряют по шкалам 9 и 10, соединенным с узлом 8 аксиального вращения. Держатель 2 с образцом 3 вращают на 360

0 источник 1 вращают на угол, больший 180 . Подвижный цилиндр 11 Фарадея механизмом перемещения 12 устанавливают на пути распространения потока первичных электронов. Цилиндр

11 Фарадея является датчиком при измерении потоков электронов. Ось анализатора 7 направлена на поверхность образца 3 в месте прохождения оси вращения источника 1 и образца

3. Входную апертуру анализатора 7 устанавливают такой, чтобы телесный угол регистрации электронов не превышал 10 стеррадиана. При помощи подвижного узла 6 производят смену образцов 3-5 в держателе 2 беэ разгерметизации камеры.

Концентрация химических элементов по предлагаемому способу определяют следующим образом.

1117506 кого элемента рассеяния 6 о

h33hr(,S I .. где ) п т (10

О) 30

40 концентрация рас— сеивающих центров в образце второго химического элеб (90) () дав устанавливают узлом 6 в держатель 2 образец 4 первого химического элемента, входящего в состав исследуемого соединения. В источнике 1 первичных электронов формируют монохроматический пучок первичных электров с фиксированной энергией и направляют его на поверхность образца 4. Измеряют по шкалам 9 и 10 углы поворота источника 1 и образца

4 относительно оси анализатора 7 и определяют угол рассеяния. Измеряют поток упругоотраженных электронов, проходящих входную апертуру анализатора 7 при этом угле рассеяния. Изменяют при помощи узла 8 аксиального вращения пространственНое расположение источника I и держателя 2 с образцом 4, измеряют по шкалам 9 и 10 углы поворота ис- точника 1 и образца 4. Сканируют угол рассеяния и измеряют анализато,ром 7 поток упругоотраженных электронов и, таким образом, определяют пространственное распределение упругоотраженных электронов, т.е. зависимость величины потока упругоотраженных электронов, проходящих входную опертуру анализатора 7, от угла рассеяния первичных электронов.

Далее производят изменение энергии первичных электронов и для каждой энергии измеряют пространственное распределение упругоотраженных электронов, определяют углы рассеяния первичных электронов, соответствующие минимумам в пространственном распределении упругоотраженных электронов для первого элемента.

При помощи узла 6 вынимают из держателя 2 образец 4 первого химического элемента и устанавливают образец 5 второго химического элемен вЂ, та, входящего в состав исследуемого соединения. Определяют углы рассеяния, соответствующие минимуму в пространственном распределении упругоотраженных электронов для вто рого элемента. Затем на образец 5 второго химического элемента при энергии и угле рассеяния первичных электронов, соответствующих минимуму в пространственном распределении упругоотраженных электронов для первого элемента, измеряют поток и угол скольжения первичных электро- . нов и определяют величину g> (gÄ)

3 (E ) для образца 5 второго химичеспри энергии Г, и угле из формулы б (9„ l h (E. ) s Q э<и к„

Sion („

9,) — поток упругоотраженных электоонов от образца 5 второго химического элемента, регистрируемый анализатором 7 при угле рассеяния первичных электронов 81 — угол рассеяния первичных электронов, при котором наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов для первого химического элемента при энергии первичных электронов Е, поток первичных электронов с энергией, при которой наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов при угле рассеяния Q< для образца первого химического элемента мента; сечение упругого рассеяния первичных электронов вторым химическим элементом при угле рассеяния &1длина свободного пробега электронов с энергиеи Е от1 носительно неупругих соударений; телесный угол регистрации упруго1117506 отраженных электронов ю — угол скольжения

1 потока первичных электронов при 5 угле рассеяния Я

111 — угол скольжения потока упругоотраженных электронов, регистрируемо-10 го анализатором 7, при угле рассеяния 61.

При помощи узла 6 вынимают из держателя 2 образец 5 второго химического элемента и устанавливают образец 4 первого химического элемента. При энергии и угле рассеяния первичных электронов, соответствующих минимуму в пространственном распределении упругоотраженных электронов для второго элемента, измеряют поток и угол скольжения первичных электронов, поток и угол скольжения упругоотраженных электронов и определяют величину 6 ф ) Ъ (Е ) для образца первого химического элемента при энергии Е, и угле рассеяния В1 иэ Формулы

1oz " <(8zf Л ЕД 4Q 6 )РР< Й(5 п К (2)

SinÐ2 где gg „, 8 — поток упругоотраженных электронов от образца 4 первого химического элемента, регистрируемый анализатором 7 при угле рассеяния первичных электронов 9;

8 — угол рассеяния первичнык электронов, при котором наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов для второго химического элемента при энергии первичных электронов Е2, о — поток первичных электронов с энергией, при которой наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов при угле рассеяния 9< для образца 5 второго химического элемента;

N — концентрация рас1 с еи в ающих цен тр ов в образце 4 первого химического элемента; б ф ) — с еч ение упругого рассеяния первичных электронов первым химическим элементом при угле рассеяния 9 ф(Е, ) — длина свободного пробега электронов с энергией Е, относительно неупругих соударений;

Ь Я. — телесный угол регистрации упругоотраженных электронов, — угол скольжения потока первичных электронов при угле рассеяния 62, 1—

2 — угол скольжения потока упругоотраженных электронов,регистрируемых анализатором 7, при угле рассеяния 6Z °

При помощи узла 6 вынимают из держателя 2 образец 4 первого химического элемента и устанавливают в держатель 2 образец 3 исследуемого соединения. Устанавливают в источнике 1 энергию потока первичных электронов, при которой наблюдается минимум в пространственком распределении упругоотраженных электронов для первого элемента. Устанавливают механизмом 12 цилиндр 11 Фарадея на пути распространения потока первичных электронов и измеряют величину потока. Отодвигают механизмом 12 цилиндр 11 Фарадея и направляют поток первичных электронов на образец 3. Измеряют по шкалам 9 и 10 углы поворота источника 1 и образца 3 и устанавливают узлом 8 ак1117506 сиального вращения угол рассеяния первичных электронов, при котором наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов для первого химического элемента. Измеряют по шкалам 9 и 1О угол скольжения потока первичных электронов и угол скольжения регистрируемого анализатором 7 потока упругоотраженных электронов. Измеряют анализатором 7 поток упругоотраженных электронов. Искомую концентрацию второго химического элемента определяют по формуле б! Н 0L

"у р(<) Р

11 „d,(8,) 3(E„) где a 1 и (9, — поток УпРУгоотРа- 20 женных электронов от образца 3 исследуемого соединения, регистрируемый анализатором 7 25 при угле рассеяния первичных электронов Qi

81 — угол рассеяния первичных электронов, при котором наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов для первого химического элемента при энергии первичных электронов Е1, 40

Ь Sl — телесный угол регистрации упругоотраженных электронов;

Ж вЂ” угол скольжения 4 потока первичных электронов при угле рассеяния 9, — угол скольжения потока упругоотражен- SO ных электронов регистрируемого анализатором 7 при угле рассеяния 81 — поток первичнйх электронов с энергией, при которой наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов при угле рассеяния 91 для образца первого химического элемента; б ie„) — сечение упругого рассеяния первичных электронов вторым химическим элементом при угле рассеяния 9

1 у (Е ) — длина свободного

1 пробега электронов с энергией Е относительно неупругих соударений;

Š— энергия потока первичных электронов, при которой наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотра кечных электронов для первого элемента при угле рассеяния 6

Затем устанавливают в источнике

1 энергию потока первичных электронов, при которой наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов для второго элемента. Устанавливают механизмом 12 цилиндр 11 Фарадея на пути распространения потока первичных электронов и измеряют величину потока. Отодвигают механизмом 12 цилиндр 11 Фарадея и направляют поток первичных электронов на образец

3. Измеряют по шкалам 9 и 10 углы поворота источника 1 и образца 3, устанавливают узлом 8 аксиального вращения угол рассеяния первичных электронов, при котором наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов для второго элемента. Измеряют по шкалам 9 и 10 угол скольжения потока первичных электронов и угол скольжения регистрируемого анализатором

7 потока упругоотраженных электронов. Измеряют анализатором 7 поток упругоотраженных электронов. Искомую концентрацию первого элемента определяют по формуле 0 т

02 1(2) «(2) где bjgnp (el) q (E2) Е2 — поток упругоотраженных электронов от образца 3 исследуемого соединения, регистрируемый анализатором 7 при угле рассеяния первичных электронов 62 — угол рассеяния первичных электронов, !О при котором наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов 15 для второго элемента, при энергии первичных электронов Е, — телесный угол регистрации упругоот- 20 раженных электронов3 — угол скольжения потока первичных электронов при угле рассеяния 82, 25 — угол скольжения потока упругоотраженных электронов регистрируемого анализатором

7 при угле рассея- 30 ния 8Z, — поток первичных электронов с энергией, при которой наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов при угле рассеяния 62 для образца 40 второго химического элемента; сечение упругого рассеяния первичных электронов первым химическим . элементом при угле рассеяния 8 длина свободного пробега электронов с энергией .Е относительно неупругих соударений; энергия потока первичных электронов, при которой наблюдается минимум в пространственном

506 12 распределении упругоотраженных электронов для второго элемента при угле рассеяния 92

В качестве примера взят сплав золота и серебра. На фиг. 3 показаны пространственные распределения упругоотраженных электронов для образцов золота и серебра при энергии первичных электронов 1000 эВ, измеренные при угле скольжения потока первичных электронов 15 . При опрео делении концентрации золота и серебра в приповерхностном слое сплава

Au-Ag по предлагаемому способу измеряют потоки упругоотраженных о электронов при углах рассеяния 96 и 122 и определяют искомые концентрации по формулам (3) и (4) .

Использование предлагаемого способа определения концентрации химических элементов в приноверхностном слое гомогенного бинарного соединения обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: измеряемый поток вто" ричных электронов практически не содержит фона неупругорассеянных электронов, измеряемые пики имеют малую полуширину и большую амплитуду, формула, связывающая искомую концентрацию и величину регистрируемого потока вторичных электронов содержит лишь хорошо измеряемые величины, применение при регистрации вторичных электронов малой входной апертуры позволяет использовать в анализаторе электронов вторичный электронный умножитель и на несколько порядков понизить плотность облучающего потока первичных электронов, управление измерениями и обработка информации легко сопрягаются с ЭВМ.

Указанные преимущества позволяют повысить точность определения концентрации в 1,5-2 раза, поставить измерение концентраций при помощи вторично-электронных методов на проч" ную метрологическую основу. Кроме того, процесс измерений но предлагаемому способу легко поддается автоматизации и без затруднений может быть включен в автоматизированные системы контроля качества продукции в различных областях микроэлектрон ной промьппленности.

3 117506

Фиг.1

1117506

003 бд

Редактор А. Шандор

Заказ 7188/27

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4 фД gy дд

Составитель К. Кононов

ТекРед З.Палий Корректор А. Тяско

Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5