RU2821217C1 - Electron work function determination device - Google Patents
Electron work function determination device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2821217C1 RU2821217C1 RU2024101915A RU2024101915A RU2821217C1 RU 2821217 C1 RU2821217 C1 RU 2821217C1 RU 2024101915 A RU2024101915 A RU 2024101915A RU 2024101915 A RU2024101915 A RU 2024101915A RU 2821217 C1 RU2821217 C1 RU 2821217C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- work function
- vacuum chamber
- electron
- screen
- holder
- Prior art date
Links
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 18
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 6
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 150000003281 rhenium Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 17
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 6
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N ytterbium Chemical compound [Yb] NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 3
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 239000002156 adsorbate Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 239000002120 nanofilm Substances 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000000682 scanning probe acoustic microscopy Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000000004 low energy electron diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к эмиссионной электронике, в частности - к устройствам для определения работы выхода материалов и твердых тел методом контактной разности потенциалов (КРП). В ряду различных по физическому принципу устройств определения работы выхода (термоэлектронного, фотоэлектронного, автоэлектронного, калориметрического), устройства на основе метода КРП являются наиболее распространенными, признанными и точными.The invention relates to emission electronics, in particular to devices for determining the work function of materials and solids using the contact potential difference (CPD) method. Among the devices for determining the work function of various physical principles (thermionic, photoelectronic, field electronic, calorimetric), devices based on the CRP method are the most common, recognized and accurate.
В связи с необходимостью снижения ошибок измерений и изучением новых, более сложных физических явлений и процессов современные устройства на основе метода КРП активно внедряются в экспериментальных исследованиях, а их внедрение, в свою очередь, стимулирует развитие техники эксперимента. На практике большинство вариаций устройств на основе метода КРП базируются на индуцировании тока в цепи динамического (вибрирующего) конденсатора (метод Зисмана-Томсона) или измерении смещения вольт-амперной характеристики (ВАХ) при применении электронного пучка (метод Андерсена).Due to the need to reduce measurement errors and study new, more complex physical phenomena and processes, modern devices based on the CRP method are actively being introduced in experimental research, and their implementation, in turn, stimulates the development of experimental technology. In practice, most variations of devices based on the CRP method are based on inducing a current in the circuit of a dynamic (vibrating) capacitor (Zisman-Thomson method) or measuring the displacement of the current-voltage characteristic (I-V characteristic) when using an electron beam (Andersen method).
Известно устройство для измерения электрического потенциала заряженной поверхности (SU1798736, МПК G01R 29/12, опубл. 28.02.1993), содержащее генератор электрических колебаний, первый источник постоянного напряжения, регистрирующий прибор (осциллограф), соединенный с выходом усилителя переменного тока и расположенный внутри экрана вибратор и соединенный с входом усилителя переменного тока и первым источником постоянного напряжения измерительный электрод, выполненный в виде стержня, коаксиально охваченного охранным электродом и отделенного от него диэлектриком. Вибратор выполнен в виде трех плоских металлизированных с обеих сторон пьезоэлектриков, расположенных в одной плоскости симметрично и радиально относительно измерительного электрода и механически соединенных с охранным электродом, причем торцы измерительного и охранного электродов находятся в одной плоскости с поверхностью экрана. Пьезоэлектрики соединены с генераторами электрических колебаний и со вторым источником постоянного напряжения.A device is known for measuring the electrical potential of a charged surface (SU1798736, IPC G01R 29/12, publ. 02/28/1993), containing an electrical oscillation generator, a first constant voltage source, a recording device (oscilloscope) connected to the output of an alternating current amplifier and located inside the screen a vibrator and a measuring electrode connected to the input of the AC amplifier and the first DC voltage source, made in the form of a rod coaxially enclosed by the guard electrode and separated from it by a dielectric. The vibrator is made in the form of three flat piezoelectrics metallized on both sides, located in the same plane symmetrically and radially relative to the measuring electrode and mechanically connected to the guard electrode, and the ends of the measuring and guard electrodes are in the same plane with the surface of the screen. Piezoelectrics are connected to electrical oscillation generators and a second constant voltage source.
Основным недостатком известного устройства является проведение измерений на воздухе. Кроме того, из-за утечек заряда с обкладок конденсатора, образованного исследуемым образцом и измерительным электродом, снижается точность определения КРП. При малых площадях измеряемых поверхностей становится существенным вклад наводимых паразитных токов. Устройство характеризуется низкой воспроизводимостью результатов из-за нестабильности величины изменения емкости при вибрации.The main disadvantage of the known device is that measurements are carried out in air. In addition, due to charge leakage from the plates of the capacitor formed by the sample under study and the measuring electrode, the accuracy of determining the CRP is reduced. For small areas of measured surfaces, the contribution of induced parasitic currents becomes significant. The device is characterized by low reproducibility of results due to the instability of the magnitude of the change in capacitance during vibration.
Известно устройство для измерения контактной разности потенциалов (SU8S3514, МПК G01N 27/62, опубл. 07.08.1981), содержащее электрод, присоединенный к приводу, систему напуска газа в область измерений, металлический корпус и размещенный в нем блок измерений. Привод электрода выполнен в виде пневмовибратора, на подвижном штоке которого размещен указанный электрод, входные каналы пневмовибратора присоединены с системе напуска газа, а корпус снабжен полым насадком, охватывающим выходные отверстия пневмовибратора, и электрод, выполненный с отверстиями для выхода газа из полости насадка.A device is known for measuring contact potential difference (SU8S3514, IPC G01N 27/62, publ. 08/07/1981), containing an electrode connected to the drive, a system for injecting gas into the measurement area, a metal case and a measurement unit placed in it. The electrode drive is made in the form of a pneumatic vibrator, on the movable rod of which the specified electrode is placed, the input channels of the pneumatic vibrator are connected to a gas inlet system, and the body is equipped with a hollow nozzle covering the outlet holes of the pneumatic vibrator, and an electrode made with holes for gas exit from the nozzle cavity.
Недостатком известного устройства является то, что в нем не предусмотрена очистка исследуемой поверхности от имеющихся окислов и загрязнений, хотя среда защитного газа защищает поверхность от дальнейшего его загрязнения и окисления в процессе измерения.The disadvantage of the known device is that it does not provide for cleaning the surface under study from existing oxides and contaminants, although the protective gas environment protects the surface from further contamination and oxidation during the measurement process.
Известно устройство для определения разности потенциалов JP55140163, МПК G01R15/04, G01R15/06, опубл. 01.11.1980), содержащее корпус, измерительный электрод и исследуемый образец (проводник), окруженные экранирующим электродом. Измерение напряжения производится на участке электрической цепи между измерительным электродом и резистором, имеющим высокое значение сопротивления. Сигнал с измерительного электрода усиливается с помощью усилителя напряжения, имеющего высокое входное сопротивление. Усиленный сигнал поступает на вход прибора, регистрирующего напряжение.A known device for determining potential difference JP55140163, IPC G01R15/04, G01R15/06, publ. 01.11.1980), containing a housing, a measuring electrode and a test sample (conductor), surrounded by a shielding electrode. The voltage is measured in the section of the electrical circuit between the measuring electrode and a resistor having a high resistance value. The signal from the measuring electrode is amplified using a voltage amplifier having a high input impedance. The amplified signal is fed to the input of a device that records voltage.
Известное измерительное устройство не позволяет полностью устранить утечку заряда конденсатора через измерительную цепь в процессе проводимых измерений. Утечка заряда с измерительного электрода через подключенные к нему электрические цепи существенно снижает точность проводимых измерений.The known measuring device does not completely eliminate the leakage of capacitor charge through the measuring circuit during the measurements. Charge leakage from the measuring electrode through the electrical circuits connected to it significantly reduces the accuracy of the measurements.
Известно устройство для измерения контактной разности потенциалов (UA51160, МПК G01R29/12, опубл. 12.07.2010), включающее последовательно соединенные генератор и вибратор, к его подвижной части прикреплен щуп, соединенный через конденсатор с предварительным усилителем. В устройство также входит внутренний вольтметр, последовательно соединенные селективный усилитель, фазовый детектор, компаратор, блок компенсации напряжения, блок питания цепи возбуждения, соединенный с генератором, блок питания измерительной цепи, соединенный с предусилителем, селективный усилитель, фазовый детектор, компаратор, блок компенсации напряжения с внутренним вольтметром. При этом вход селективного усилителя соединен с выходом предварительного усилителя, а вход опорного напряжения фазового детектора соединен с выходом генератора. Первый вывод блока компенсации напряжения подключен к щупу, а второй вывод блока компенсации напряжения подключен через переключатель к внутреннему вольтметру или с разъемом, к которому последовательно подключены устройство связи и компьютер.A device is known for measuring contact potential difference (UA51160, IPC G01R29/12, published July 12, 2010), which includes a generator and a vibrator connected in series; a probe is attached to its moving part, connected through a capacitor to a pre-amplifier. The device also includes an internal voltmeter, a series-connected selective amplifier, a phase detector, a comparator, a voltage compensation unit, an excitation circuit power supply connected to the generator, a measuring circuit power supply connected to the preamplifier, a selective amplifier, a phase detector, a comparator, a voltage compensation unit with internal voltmeter. In this case, the input of the selective amplifier is connected to the output of the pre-amplifier, and the input of the reference voltage of the phase detector is connected to the output of the generator. The first output of the voltage compensation unit is connected to the probe, and the second output of the voltage compensation unit is connected through a switch to the internal voltmeter or to the connector to which the communication device and the computer are connected in series.
В известном устройстве не предусмотрена очистка исследуемой поверхности от загрязнений, к тому же измерения проводятся на воздухе.The known device does not provide for cleaning the surface under study from contaminants; moreover, measurements are carried out in air.
Известно устройство для измерения электрического потенциала (US7504832, МПК G01R 29/12, опубл. 17.03.2009), включающее подвижную часть с детектирующим электродом и приемником магнитной силы, генератор магнитной силы, экран электрического поля и детектор для детектирования количества электрического заряда, электростатически индуцированного на детектирующем электроде. При этом экран электрического поля пропускает магнитное поле, создаваемое генератором магнитной силы, на приемник магнитной силы, но экранирует детектирующий электрод от электрического поля, создаваемого генератором магнитной силы, и, по существу, не затрудняет регистрацию детектором.A device for measuring electric potential is known (US7504832, IPC G01R 29/12, publ. 03/17/2009), including a moving part with a detecting electrode and a magnetic force receiver, a magnetic force generator, an electric field screen and a detector for detecting the amount of electric charge electrostatically induced on the detecting electrode. In this case, the electric field screen transmits the magnetic field created by the magnetic force generator to the magnetic force receiver, but shields the detection electrode from the electric field created by the magnetic force generator, and, essentially, does not impede registration by the detector.
Недостатками известного устройства является проведение измерений на воздухе и в нем не предусмотрена очистка исследуемой поверхности от имеющихся окислов и загрязнений.The disadvantages of the known device are that measurements are carried out in air and it does not provide for cleaning the surface under study from existing oxides and contaminants.
Известно устройство для измерения контактной разности потенциалов (RU2471198, МПК G01R 29/12, опубл. 27.12.2012), содержащее электропроводящий корпус, выполненный с возможностью образования электрического контакта с поверхностью исследуемого образца, измерительный электрод, выполненный с возможностью контакта с исследуемым образцом и перемещения относительно поверхности исследуемого образца через отверстие, образованное в электропроводящем корпусе, блок электропитания, электропроводящий экран, установленный между измерительным электродом и электропроводящим корпусом, средство регистрации сигнала, усилитель сигнала, вход которого соединен с измерительным электродом, а его выход - со средством регистрации сигнала. Устройство включает в свой состав средство перемещения измерительного электрода в направлении от поверхности исследуемого образца, при этом блок электропитания выполнен с общим выводом, с которым соединен электропроводящий экран. Средство регистрации сигнала выполнено в виде регистратора напряжения, в качестве усилителя сигнала использован усилитель напряжения, выполненный в виде операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим входами, причем с измерительным электродом соединен инвертирующий вход операционного усилителя. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общему выводу блока электропитания, выход операционного усилителя соединен с электропроводящим корпусом и подключен к входу регистратора напряжения.A device is known for measuring contact potential difference (RU2471198, IPC G01R 29/12, publ. December 27, 2012), containing an electrically conductive housing configured to form electrical contact with the surface of the test sample, a measuring electrode configured to contact the test sample and move relative to the surface of the test sample through an opening formed in the electrically conductive housing, a power supply unit, an electrically conductive screen installed between the measuring electrode and the electrically conductive housing, a signal recording means, a signal amplifier, the input of which is connected to the measuring electrode, and its output is connected to the signal recording means. The device includes a means for moving the measuring electrode in the direction from the surface of the test sample, while the power supply unit is made with a common terminal, to which an electrically conductive screen is connected. The signal recording means is made in the form of a voltage recorder; a voltage amplifier is used as a signal amplifier, made in the form of an operational amplifier with inverting and non-inverting inputs, and the inverting input of the operational amplifier is connected to the measuring electrode. The non-inverting input of the operational amplifier is connected to the common terminal of the power supply unit, the output of the operational amplifier is connected to the electrically conductive housing and connected to the input of the voltage recorder.
Недостатком известного устройства является проведение измерений на воздухе, что приводит к загрязнению поверхностей образцов. Измеренные значения не соответствуют истинной работе выхода материала. Помимо этого, непременным условием является контакт измерительного электрода с поверхностью исследуемого образца. При этом механическое воздействие на поверхность исследуемого образца может изменять ее состояние, следовательно, и работу выхода. Необходимость контакта измерительного электрода с поверхностью исследуемого образца также исключает возможность использования устройства для измерения КРП полупроводников и металлов с диэлектрическими покрытиями (в том числе окисными пленками) препятствующими образованию электрического контакта.The disadvantage of the known device is that measurements are carried out in air, which leads to contamination of the surfaces of the samples. The measured values do not correspond to the true work function of the material. In addition, an indispensable condition is the contact of the measuring electrode with the surface of the test sample. In this case, a mechanical effect on the surface of the sample under study can change its state, and therefore the work function. The need for contact of the measuring electrode with the surface of the sample under study also excludes the possibility of using the device for measuring the CRP of semiconductors and metals with dielectric coatings (including oxide films) that prevent the formation of electrical contact.
Известно устройство для определения работы выхода электрона (см. RU89709, МПК G01N 27/62, опубл. 10.12.2009), совпадающее с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Устройство включает расположенную в вакуумной камере ячейку для измерения КРП, состоящую из коллектора, в качестве которого использован закрепляемый на держателе и устанавливаемый в соответствующее положение исследуемый образец, анод с коллимирующим отверстием и термокатод с экраном. Установка снабжена также расположенными в вакуумной камере газоразрядной диодной ячейкой и механизмом перемещения держателя с закрепляемым на нем образцом для осуществления возможности установки последнего как в положение коллектора ячейки для измерения КРП, так и в положение катода газоразрядной диодной ячейки.A device is known for determining the electron work function (see RU89709, IPC G01N 27/62, published 12/10/2009), which coincides with the present technical solution in the largest number of essential features and is accepted as a prototype. The device includes a cell for measuring CRP located in a vacuum chamber, consisting of a collector, which is used as a test sample fixed on a holder and installed in the appropriate position, an anode with a collimating hole, and a thermionic cathode with a screen. The installation is also equipped with a gas-discharge diode cell located in a vacuum chamber and a mechanism for moving the holder with a sample fixed on it to make it possible to install the latter both in the position of the collector of the cell for measuring CRP and in the position of the cathode of the gas-discharge diode cell.
В известном устройстве измеряют ВАХ и строят зависимость тока коллектора от потенциала на нем. Затем таким же образом строят ВАХ эталонного коллектора. По относительному смещению по оси напряжений полученных таким образом ВАХ определяет КРП между материалами коллектора и исследуемого образца ΔV, которая равна Δϕ/е, где Δϕ - разность работ выхода эталонного и исследуемого образца, е - заряд электрона. Зная работу выхода эталонного коллектора, определяют работу выхода исследуемого образца.In a known device, the current-voltage characteristic is measured and the dependence of the collector current on the potential on it is plotted. Then the current-voltage characteristic of the reference collector is constructed in the same way. Based on the relative displacement along the voltage axis obtained in this way, the current-voltage characteristic determines the CRP between the materials of the collector and the test sample ΔV, which is equal to Δϕ/e, where Δϕ is the difference in the work function of the reference and test sample, e is the electron charge. Knowing the work function of the reference collector, the work function of the sample under study is determined.
Недостатками известного устройства-прототипа являются недостаточно высокая точность измерений и узкий диапазон функциональных возможностей. Нестационарное расположение двух взаимозаменяемых (исследуемого и эталонного) образцов изменяет распределение электрического поля в области движения первичных электронов, что в свою очередь, может приводить к изменению ВАХ (например, изменению крутизны ее линейного участка) и вызывать ошибку определения контактной разности потенциалов Δϕ/е. Перемещение образцов в вакуумной камере повышает требования к позиционированию, то есть их предельно точному расположению в том же месте. Кроме того, растут требования к геометрическому подобию сравниваемых образцов. Любая неидентичность будет увеличивать погрешность измерений. Держатели образцов также должны иметь одинаковую форму. Поверхность в устройстве-прототипе не может быть модифицирована путем нанесения на нее чужеродных пленок.The disadvantages of the known prototype device are the insufficiently high measurement accuracy and a narrow range of functionality. The non-stationary arrangement of two interchangeable (test and reference) samples changes the distribution of the electric field in the region of motion of primary electrons, which in turn can lead to a change in the current-voltage characteristic (for example, a change in the steepness of its linear section) and cause an error in determining the contact potential difference Δϕ/e. Moving samples in a vacuum chamber increases the requirements for positioning, that is, their extremely precise location in the same place. In addition, the requirements for the geometric similarity of compared samples are growing. Any non-identity will increase the measurement error. The sample holders must also have the same shape. The surface of the prototype device cannot be modified by applying foreign films to it.
Задачей настоящего изобретения являлась разработка устройства для определения работы выхода электрона, которое бы имело расширенные функциональные возможности, обеспечивая получение зависимостей работы выхода от толщины наносимой чужеродной пленки, при этом исключало искажение электрического поля, ошибку на позиционирование и подобие образцов.The objective of the present invention was to develop a device for determining the electron work function, which would have expanded functionality, providing dependences of the work function on the thickness of the applied foreign film, while eliminating distortion of the electric field, errors in positioning and sample similarity.
Поставленная задача решается тем, что устройство для определения работы выхода электрона включает расположенную в вакуумной камере ячейку для измерения КРП, содержащую коллектор, в качестве которого использован закрепляемый на держателе и устанавливаемый в соответствующее положение исследуемый образец, анод с коллимирующим отверстием и термокатод с экраном. Новым в устройстве является то, что в вакуумной камере установлена по меньшей мере одна емкость испарителя для напыляемого вещества, снабженная нагревателем и закрытая выполненным из тугоплавкого металла внешним кожухом с апертурой в боковой стенке, при этом ось апертуры, перекрываемая заслонкой, проходит через коллимирующий канал в экране и пересекает торец держателя под углом (54-68)° относительно нормали к его поверхности.The problem is solved in that the device for determining the electron work function includes a cell located in a vacuum chamber for measuring the CRP, containing a collector, which is used as a test sample fixed on a holder and installed in the appropriate position, an anode with a collimating hole, and a thermionic cathode with a screen. What is new in the device is that at least one evaporator container for the sprayed substance is installed in the vacuum chamber, equipped with a heater and closed by an external casing made of refractory metal with an aperture in the side wall, while the axis of the aperture, blocked by the shutter, passes through the collimating channel in screen and intersects the end of the holder at an angle of (54-68)° relative to the normal to its surface.
В вакуумной камере может быть установлено две емкости испарителя для напыляемых веществ с целью нанесения на исследуемой образец двухэлементной пленки.Two evaporator containers for sprayed substances can be installed in the vacuum chamber for the purpose of applying a two-element film to the sample under study.
Внешний кожух емкости испарителя может быть выполнен из тантала.The outer casing of the evaporator tank can be made of tantalum.
Емкость испарителя для напыляемого вещества может быть выполнена в виде ячейки Кнудсена.The evaporator container for the sprayed substance can be made in the form of a Knudsen cell.
Термокатод может быть выполнен в виде нити из рения.The thermal cathode can be made in the form of a rhenium thread.
Технический результат настоящего изобретения направлен на расширение функциональных возможностей метода Андерсена и определение работы выхода в процессе роста на поверхности проводящего материала (металла, сплава, полупроводника) чужеродной пленки. Устройство работает бесконтактным неразрушающим методом, сохраняет объект исследования в неизменном виде и не вносит искажений в его поверхностное состояние, что дает возможность многократных измерений, проводимых для одного и. того же образца. Работа устройства основана на измерении параллельного смещения ВАХ при изменении состояния поверхности исследуемого образца.The technical result of the present invention is aimed at expanding the functionality of the Andersen method and determining the work function during the growth of a foreign film on the surface of a conductive material (metal, alloy, semiconductor). The device operates using a non-contact, non-destructive method, keeps the research object unchanged and does not introduce distortions into its surface state, which makes it possible for multiple measurements to be carried out for one and the same. the same sample. The operation of the device is based on measuring the parallel displacement of the current-voltage characteristic when the state of the surface of the test sample changes.
Техническая сущность настоящего изобретения поясняется чертежами,The technical essence of the present invention is illustrated by drawings,
где:Where:
на фиг. 1 показана функциональная схема устройства для определения работы выхода;in fig. 1 shows a functional diagram of a device for determining the output function;
на фиг. 2 в обобщенном виде пояснена сущность определения сдвига ВАХ термоэлектронного тока катода при изменении состояния поверхности образца (1 - эталонный образец, например, подложка с атомно-чистой поверхностью, с работой выхода ϕ1, 2 - исследуемый образец, например, та же подложка с нанесенной на ее поверхность пленкой чужеродных атомов или молекул, с работой выхода ϕ2);in fig. 2 summarizes the essence of determining the shift in the current-voltage characteristic of the cathode thermionic current when the state of the sample surface changes (1 - reference sample, for example, a substrate with an atomically clean surface, with an output function ϕ1, 2 - test sample, for example, the same substrate with its surface is a film of foreign atoms or molecules, with work function ϕ2);
на фиг. 3 приведены примеры полученных с помощью данного устройства экспериментальных зависимостей ϕ поверхности Si(111) от толщины наносимых на нее пленок иттербия при различных типе легирования и удельном сопротивлении кремниевых образцов (1 - n-тип, 1 Ом-см, 2 - n-тип, 7.5 Ом-см, 3 -n-тип, 20 Ом-см, 4 - р-тип, 4 Ом см, 5 - р-тип, 10 Ом см). Работа выхода чистой поверхности (эталонный образец, пленка иттербия на поверхности отсутствует) принята равной 4.63 эВ. Толщина пленок выражена в монослоях (атомная концентрация одного монослоя равна 7.84 1014 см-2).in fig. Figure 3 shows examples of experimental dependences of ϕ of the Si(111) surface obtained using this device on the thickness of ytterbium films deposited on it with different types of doping and resistivity of silicon samples (1 - n-type, 1 Ohm-cm, 2 - n-type, 7.5 Ohm-cm, 3 -n-type, 20 Ohm-cm, 4 - p-type, 4 Ohm cm, 5 - p-type, 10 Ohm cm). The work function of a clean surface (reference sample, no ytterbium film on the surface) is taken to be 4.63 eV. The film thickness is expressed in monolayers (the atomic concentration of one monolayer is 7.84 10 14 cm -2 ).
Устройство для определения работы выхода электрона (фиг. 1) содержит вакуумную камеру 1, в которую введен держатель 2 образца, снабженный системой нагрева (на чертеже не показана), термокатод 3, выполненный, например, в виде нити из рения, окруженный фокусирующими электродами 4, 5, 6 и квазицилиндрическим зеркалом 7, образующими источник 8 электронов, закрытый экраном 9 с апертурой 10. В вакуумной камере 1 также установлены первая и вторая емкости 11, 12 испарителей для напыляемых веществ, например, в виде ячеек Кнудсена, снабженных нагревателями 13, 14, например, в виде танталовых спиралей и закрытых внешними кожухами 15, 16, выполненными из тугоплавкого металла, например, из тантала, в которых имеются апертуры 17, 18. Оси апертур 17, 18 проходят через коллимирующие каналы 19, 20 в экране 9 и пересекают торец держателя 2, на котором размещен образец, под углом (54-68)° относительно нормали к его поверхности. Данный интервал значений угла обусловлен геометрическими факторами, а именно, размерами экрана 9, кожухов 15, 16 и заслонок 27. Данная геометрия опыта обеспечивает возможность одновременно направлять на исследуемый образец пучок электронов из источника 8 для регистрации ВАХ и потоки атомов из испарителей 11, 12 для роста пленок на поверхности образца и исследования изменений работы выхода. Таким образом, регистрацию ВАХ можно производить непосредственно в процессе роста пленок без перемещений образца в вакуумной камере. Рост пленок можно контролировать (прерывать и возобновлять) с помощью заслонок 27. Также данная геометрия опыта позволяет избежать взаимного влияния нагретых термокатода 3 и нагревателей испарителей 13, 14 друг на друга. Держатель 2 посредством изолятора 21 пропущен через стенку вакуумной камеры 1 и подключен к последовательно соединенным электрометрическому усилителю 22, делителю 23 для грубой и точной регулировки напряжения задержки и источнику 24 питания, задающему напряжение задержки. Термокатод 3 соединен (на чертеже соединение не показано) через изолятор 25 с системой 26 управления термокатодом 3. Выходящие через апертуры 17, 18 пучки атомов перекрывают при необходимости заслонками 27.The device for determining the electron work function (Fig. 1) contains a vacuum chamber 1, into which a sample holder 2 is inserted, equipped with a heating system (not shown in the drawing), a thermal cathode 3, made, for example, in the form of a rhenium thread, surrounded by focusing electrodes 4 . 14, for example, in the form of tantalum spirals and closed by external casings 15, 16, made of refractory metal, for example, tantalum, in which there are apertures 17, 18. The axes of the apertures 17, 18 pass through collimating channels 19, 20 in the screen 9 and intersect the end of the holder 2, on which the sample is placed, at an angle of (54-68)° relative to the normal to its surface. This range of angle values is determined by geometric factors, namely, the dimensions of the screen 9, casings 15, 16 and dampers 27. This geometry of the experiment makes it possible to simultaneously direct a beam of electrons from source 8 to the sample under study to record the current-voltage characteristics and flows of atoms from evaporators 11, 12 for growth of films on the surface of the sample and study of changes in the work function. Thus, the current-voltage characteristics can be recorded directly during film growth without moving the sample in a vacuum chamber. Film growth can be controlled (interrupted and resumed) using dampers 27. Also, this experiment geometry allows one to avoid the mutual influence of the heated thermal cathode 3 and the evaporator heaters 13, 14 on each other. The holder 2, by means of an insulator 21, is passed through the wall of the vacuum chamber 1 and connected to a series-connected electrometric amplifier 22, a divider 23 for coarse and fine adjustment of the delay voltage, and a power source 24 that sets the delay voltage. Thermal cathode 3 is connected (the connection is not shown in the drawing) through an insulator 25 with a control system 26 for the thermal cathode 3. The atomic beams emerging through apertures 17, 18 are blocked, if necessary, by shutters 27.
Устройство для определения работы выхода электрона работает следующим образом.The device for determining the electron work function operates as follows.
Исследуемый образец и емкость 11 испарителя с загруженным в нее напыляемым веществом устанавливают в вакуумную камеру 1. Танталовый кожух 15 предотвращает рассеяние тепла с нагревателя 13. Апертура 17 в кожухе 15 позволяет коллимировать пучок атомов. Нагрев емкости 11 осуществляют излучением нагревателя 13 (танталовой спирали). Для питания нагревателя 13 используют стабилизированный источник (установлен вне вакуумной камеры 1, не показан на фиг. 1). Емкость 11 испарителя с загруженным напыляемым веществом (адсорбатом) тщательно обесгаживают в вакуумной камере 1 в течение необходимого времени. Обезгаживание емкости 11 испарителя проводят при повышенной температуре и закрытой заслонке 26. Критерий завершения обезгаживания - установление приемлемого давления в вакуумной камере 1 при рабочей температуре емкости 11 испарителя (не более (4-5)⋅10-9 мм рт. ст.). Возможная дополнительная проверка завершения процесса обезгаживания - напыление тестовой пленки и оценка ее чистоты, например, с помощью электронной Оже-спектроскопии. Атомный пучок из емкости 11 испарителя направляют на образец под углом (54-68)° относительно нормали к его поверхности. Пучки можно перекрывать заслонками 27, управляемыми магнитным полем. Время их срабатывания составляет ~10-2 с. Источник 8 работает в режиме электронной пушки. Термокатодом 3 электронной пушки является нагретая нить из рения. Подаваемое на термокатод 3 напряжение задает энергию первичного пучка электронов. Электрод 7 выполняет роль цилиндра Венельта. Пластины 4, 5,6 служат фокусирующими электродами, формирующими электронный пучок. Типичная энергия первичного пучка электронов, создаваемого электронной пушкой в методе КРП, составляет 10-20 эВ. Пучок электронов направляют по нормали к исследуемой поверхности. Рекомендуемое расстояние от выходной диафрагмы электронной пушки до образца составляет 1-15 мм. С помощью источника 24 питания и делителя 23 на образец подают задерживающий потенциал V. Зависимость тока I в цепи образца от напряжения V задержки измеряют с помощью электрометрического усилителя 22. Крутизна линейного участка вольт-амперной характеристики In I=f(V) составляет ~1 В. Изменение контактной разности потенциалов (оно обусловлено изменением работы выхода поверхности при адсорбции на ней чужеродных атомов и молекул) определяют по параллельному сдвигу линейного участка ВАХ (ΔV). При умножении на заряд электрона она отражает разницу работ выхода Δϕ=ΔV⋅e.The test sample and the evaporator container 11 with the sprayed substance loaded into it are installed in the vacuum chamber 1. The tantalum casing 15 prevents heat dissipation from the heater 13. The aperture 17 in the casing 15 allows the beam of atoms to be collimated. The container 11 is heated by radiation from the heater 13 (tantalum coil). To power the heater 13, a stabilized source is used (installed outside the vacuum chamber 1, not shown in Fig. 1). The evaporator container 11 with the loaded sprayed substance (adsorbate) is thoroughly degassed in the vacuum chamber 1 for the required time. Degassing of the evaporator container 11 is carried out at elevated temperature and closed damper 26. The criterion for completing degassing is the establishment of an acceptable pressure in the vacuum chamber 1 at the operating temperature of the evaporator container 11 (no more than (4-5)⋅10 -9 mm Hg). A possible additional check for the completion of the degassing process is sputtering a test film and assessing its purity, for example, using Auger electron spectroscopy. The atomic beam from the evaporator container 11 is directed at the sample at an angle of (54-68)° relative to the normal to its surface. The beams can be blocked by shutters 27 controlled by a magnetic field. Their response time is ~10 -2 s. Source 8 operates in electron gun mode. Thermal cathode 3 of the electron gun is a heated rhenium filament. The voltage supplied to the thermal cathode 3 sets the energy of the primary electron beam. Electrode 7 acts as a Wehnelt cylinder. Plates 4, 5,6 serve as focusing electrodes that form an electron beam. The typical energy of the primary electron beam produced by the electron gun in the CRP method is 10-20 eV. The electron beam is directed normal to the surface under study. The recommended distance from the electron gun output diaphragm to the sample is 1-15 mm. Using a power source 24 and a divider 23, a delay potential V is applied to the sample. The dependence of the current I in the sample circuit on the delay voltage V is measured using an electrometric amplifier 22. The slope of the linear section of the current-voltage characteristic In I=f(V) is ~1 V The change in the contact potential difference (it is caused by a change in the work function of the surface during the adsorption of foreign atoms and molecules on it) is determined by the parallel shift of the linear section of the current-voltage characteristic (ΔV). When multiplied by the electron charge, it reflects the difference in work functions Δϕ=ΔV⋅e.
Для определения абсолютного значения работы выхода поверхности необходима информация о работе выхода эталона. За эталон принимается образец с чистой поверхностью при комнатной температуре. Для него работа выхода известна из справочной литературы. Настоящее устройство применимо при остаточном давлении в вакуумной камере ≤10-6 мм рт. ст. Перед проведением измерений производится очистка поверхности образца, например, нагревом путем пропускания электрического тока. Далее образец устанавливают в рабочее положение (напротив электронной пушки). В рабочем положении образца можно одновременно снимать ВАХ и менять состояние исследуемой поверхности (напылять из испарителя адсорбционные покрытия или нанопленки). Кривые 1 и 2 как результат измерений ВАХ (фиг. 2) соответствуют зависимости тока I от напряжения V для эталонного (чистой) и исследуемой (с адсорбатом) поверхности образца при комнатой температуре. Контактная разность потенциалов Δϕ/е определяется по параллельному смещению ВАХ. Зная работу выхода эталона, определяют работу выхода исследуемого образца. При снятии ВАХ образец остается в одном и том же положении. Температура термокатода 3 (рениевой нити) и энергия электронного пучка не меняются. Точность измерений зависит от применяемой аппаратуры. Решающим для точности является качество фокусировки пучка термокатода 3. Усредненная погрешность настоящего устройства не превышает 0,03 эВ.To determine the absolute value of the surface work function, information about the work function of the standard is required. A sample with a clean surface at room temperature is taken as the standard. For it, the work function is known from reference literature. This device is applicable when the residual pressure in the vacuum chamber is ≤10 -6 mmHg. Art. Before carrying out measurements, the surface of the sample is cleaned, for example, by heating by passing an electric current. Next, the sample is placed in the working position (opposite the electron gun). In the working position of the sample, it is possible to simultaneously measure the current-voltage characteristics and change the state of the surface under study (spray adsorption coatings or nanofilms from the evaporator). Curves 1 and 2 as a result of current-voltage characteristic measurements (Fig. 2) correspond to the dependence of current I on voltage V for the reference (clean) and test (with adsorbate) surface of the sample at room temperature. The contact potential difference Δϕ/e is determined by the parallel displacement of the current-voltage characteristic. Knowing the work function of the standard, the work function of the sample under study is determined. When removing the current-voltage characteristic, the sample remains in the same position. The temperature of thermionic cathode 3 (rhenium filament) and the energy of the electron beam do not change. The accuracy of measurements depends on the equipment used. Decisive for accuracy is the quality of focusing of the beam of thermionic cathode 3. The average error of the present device does not exceed 0.03 eV.
Калибровка потока наносимого вещества может производиться любым из доступных способов (например, кварцевыми микровесами или калибровкой по известным из литературы термодесорбционным спектрам). Итоговый результат применения настоящего устройства - построение зависимости работы выхода (или контактной разности потенциалов Δϕ/е) от количества адсорбированных частиц или толщины нанопленки.Calibration of the flow of the applied substance can be done by any of the available methods (for example, quartz microbalances or calibration using thermal desorption spectra known from the literature). The final result of using this device is the construction of the dependence of the work function (or contact potential difference Δϕ/e) on the number of adsorbed particles or the thickness of the nanofilm.
Пример. Настоящее устройство было опробовано с использованием термокатода, настроенного на энергии 10-18 эВ. Ток в цепи образца измерялся с помощью электрометрического усилителя У1-7. Толщина рениевой проволоки термокатода составляла 0.1 мм. Исследуемый образец Si(111) в виде ленты с длиной, шириной и толщиной, соответственно, 40 мм, 2 мм, 0,3 мм закрепляли на держателе и помещали в вакуумную камеру вакуумного поста, в которой производилась откачка до давления атмосферы 10-10 мм рт. Образец подвергался предварительной очистке при температуре 1250°С многократными (5-10) короткими прогревами («вспышками») по 15-20 секунд. Чистота и атомная структура очищенной поверхности контролировались с помощью электронной Оже-спектроскопии и дифракции медленных электронов (наблюдалась структура поверхности 7x7). Калибровка потока наносимого вещества производилась по известным из литературы термодесорбционным спектрам с помощью масс-спектрометра. Результат определения работы выхода поверхности Si(111)7×7 по мере увеличения количества адсорбированных на ней монослоев иттербия показан на фиг. 3. Пленки иттербия наносили на подложки с различным уровнем легирования и типом проводимости. Применялись пластины марки КЭФ (кремний электронный, легированный фосфором) и КДБ (кремний дырочный, легированный бором).Example. The present device was tested using a thermionic cathode set at energies of 10-18 eV. The current in the sample circuit was measured using a U1-7 electrometric amplifier. The thickness of the rhenium hot cathode wire was 0.1 mm. The Si(111) sample under study in the form of a strip with a length, width and thickness of 40 mm, 2 mm, 0.3 mm, respectively, was fixed on a holder and placed in a vacuum chamber of a vacuum station, in which pumping was carried out to an atmospheric pressure of 10 -10 mm Hg The sample was subjected to preliminary cleaning at a temperature of 1250°C with repeated (5-10) short heating (“flares”) of 15-20 seconds. The purity and atomic structure of the cleaned surface were monitored using Auger electron spectroscopy and low-energy electron diffraction (a 7x7 surface structure was observed). The flow of the applied substance was calibrated using thermal desorption spectra known from the literature using a mass spectrometer. The result of determining the work function of the Si(111)7×7 surface as the number of ytterbium monolayers adsorbed on it increases is shown in Fig. 3. Ytterbium films were deposited on substrates with different doping levels and conductivity types. The wafers used were KEF (electronic silicon, doped with phosphorus) and KDB (silicon hole, doped with boron).
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2821217C1 true RU2821217C1 (en) | 2024-06-18 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1681209A1 (en) * | 1989-07-04 | 1991-09-30 | Научно-производственное объединение "Ротор" | Method of measuring electron work function |
| RU89709U1 (en) * | 2009-07-15 | 2009-12-10 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук | INSTALLATION FOR DETERMINING THE ELECTRON OUTPUT OPERATION |
| CN105403682A (en) * | 2015-11-30 | 2016-03-16 | 国家电网公司 | Multi-material metal electronic work function measuring device |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1681209A1 (en) * | 1989-07-04 | 1991-09-30 | Научно-производственное объединение "Ротор" | Method of measuring electron work function |
| RU89709U1 (en) * | 2009-07-15 | 2009-12-10 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук | INSTALLATION FOR DETERMINING THE ELECTRON OUTPUT OPERATION |
| CN105403682A (en) * | 2015-11-30 | 2016-03-16 | 国家电网公司 | Multi-material metal electronic work function measuring device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7829468B2 (en) | Method and apparatus to detect fault conditions of plasma processing reactor | |
| JP3732738B2 (en) | Semiconductor device inspection equipment | |
| US6771481B2 (en) | Plasma processing apparatus for processing semiconductor wafer using plasma | |
| JP2702807B2 (en) | Method and apparatus for measuring deep impurity level in semiconductor | |
| JP7335389B2 (en) | Systems and methods for semiconductor measurement and surface analysis using secondary ion mass spectrometry | |
| US5393980A (en) | Quality monitor and monitoring technique employing optically stimulated electron emmission | |
| US6356097B1 (en) | Capacitive probe for in situ measurement of wafer DC bias voltage | |
| JPH06326165A (en) | Method and system for noncontact testing on wiring network | |
| Chiodini et al. | A 400 kHz, fast-sweep Langmuir probe for measuring plasma fluctuations | |
| Mausbach | Parametrization of the Laframboise theory for cylindrical Langmuir probe analysis | |
| Jbara et al. | Surface potential measurements of electron-irradiated insulators using backscattered and secondary electron spectra from an electrostatic toroidal spectrometer adapted for scanning electron microscope applications | |
| US6717413B1 (en) | Contact potential difference ionization detector | |
| Eser et al. | Plasma characterization in sputtering processes using the Langmuir probe technique | |
| RU2821217C1 (en) | Electron work function determination device | |
| US4086491A (en) | Direct measurement of the electron beam of a scanning electron microscope | |
| Cruden et al. | Detection of chamber conditioning by CF 4 plasmas in an inductively coupled plasma reactor | |
| Wilken et al. | Development of a radio-frequency glow discharge source with integrated voltage and current probes | |
| JP4286821B2 (en) | Semiconductor device inspection equipment | |
| Niemann et al. | Omegatron mass spectrometer for partial pressure measurements in upper atmosphere | |
| Swanson et al. | 1. Work function measurements | |
| Davies et al. | An apparatus for the investigation of pre-breakdown ionization in gases at high voltages, high gas pressures and large electrode separations | |
| Kinderdijk et al. | Comparison of electron densities measured with Langmuir probes and with two different microwave devices | |
| RU2777900C2 (en) | Method for diagnosing plasma method and langmuir probe with a protective ring for implementation thereof | |
| US20230305045A1 (en) | System and method for non-invasive sensing of radio-frequency current spectra flowing in a plasma processing chamber | |
| Melnikov et al. | Calibration of the heavy ion beam probe parallel plate analyzer using the gas target and reference beam |