SU1117506A1 - Способ количественного анализа поверхностных слоев твердых тел - Google Patents

Abstract

1. СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, заключающийс  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, отличающийс  тем, что, с целью повьшени  точности анализа бинарных соединений, производ т двукратное облучение исследуемого образца и регистрацию упругротраженных электронов при энергии и угле рассе ни  в каждом цикле облучениерегистраци , соответствующих минимуму в пространственном распределении упругоотраженных электронов дл  одного КЗ чистых веществ,  вл кицихс  компонентами бинарного соединени , дополнительно измер ют углы скольжени  потоков первичных и упругоотраженных электронов и определ ют концентрацию казвдого компонента по формуле einOtlj

Description

1117506

ответствующем минимуму в пространст- нента, измерении указанных величин венном распределении упругоотраженных и использовании приведенной зависиэлектронов дл  другого чистого компо- мости.

Изобретение относитс  к электрон ной спектроскопии, а именно к спосо бам исследовани  физических и химических свойств поверхности вещества При помощи вторично-электронных методов , и может быть использовано в электронной промьшшенности микроэлектронной технологии, металлургии химической промышленности. Известен способ определени  концентрации химических элементов в приповерхностном слое, включающий о лучение исследуемого вещества монохроматическим пучком электронов, измерение величины потока оже-электронов и сравнение его с величиной Потока оже-электронов от эталонного образца Л . К его недостаткам следует отнест требование близости состава эталона и исследуемого вещества, необходимость измер ть глубину выхода ожеэлектронов и коэффициент обратного рассе ни . Измерение потока оже-эле тронов  вл етс  сложной задачей. Эти недостатки ограничивают повьппение точности определени  концентраций элементов. Наиболее близким техническим решением к изобретению  вл етс  спосо количественного анализа поверхностных слоев твердых тел L2j, заключающийс  в облучении анализируемой поверхности исследуемого образца ПЗД1КОМ моноэнергетических электронов , регистрации эмитированных с поверхности электронов (оже-электронов ), измерении потоков первичных и эмитированных электронов и определении искомой концентрации по аналитической зависимости и измерен ным величинам, причем указанна  аналитическа  зависимость имеет вид 3o,(EpVU6cMEA6cVCi где О р - величина потока первичных электроно концентраци  атомов, .(Ер,Ед) сечение ионизации внутреннего уровн  А электронами, энерги  первичных электронов, Ед - энерги  уровн  А невозбужденного атома; г(Ер) - фактор, учитывающий процессы ионизации уровн  А быстрыми вторичными электронами при выходе их из вещества, веро тность релаксации возбу5кденного состо ни  атома посредством оже-процесса АБС; Л(Ед5()- средн   глубина вы хода оже-электронов, энерги  оже-электронов; геометрический фактор , учитьшающий угловое распределение оже-электронов при их возбуждении. едостатком известного техниого решени   вл етс  необходиь измерени  параметров W, г,Y , огрешность измерени  которых блетс  от дес тков до сотен проов . Кроме того, сложность реалии указанного способа состоит в ходимости измерени  малых оже-тона фоне большого потока неупруссе нных электронов. По этой ине погрешность измерени  потока электронов колеблетс  от нескольдес тков до нескольких сотен ентов. ель изобретени  заключаетс  в шении точности анализа бинарных инений. оставленна  цель достигаетс  что согласно способу количест3 . венного анализа поверхностных слоев твердых тел, заключающемус  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 ана литической зависимости и измеренным величинам, производ т двукратное облучение исследуемого образца и регистрацию упругоотраженных электронов при энергии и угле рассе ни  в каждом цикле облучение-регистраци  соответствующих минимумов в простра ственном распределении упругоотражен ных электронов дл  одного из чистых веществ,  вл ющихс  компонентами бинарного соединени , дополнительно измер ют углы скольжени  потоков первичных ц упругоотраженных электронов и определ ют концентрацию каждого из компонентов по формуле Sinot. ,1 Sinfi,, ,.0-UE7., где &3v,np - поток упругоотраженных электронов; Зо поток первичных электронов; Д S7 - телеснъй угол регистрации упругоотраженных электронов; ОС и и - углы скольжени  потоков первичных и упругоотраженных электронов, 9 и Е - угол рассе ни  и энерги  первичных электронов , дл  которых имеет место минимум пространственного распределени  рассе нных на чистом компоненте электронов; j(Q сечение упругого рассе ни  электронов под углом 9 дл  чистого компонентаJ ,E)- длина свободного пробе ла относительно неупругих соударений электронов с энергией Е в чис том компоненте. При этом величины произведений ) ( определ ют с помощью осуществлени  цикла облучени  регистраци  на образцах из чистых компонентов при энергии и угле рас064 се ни  в каждом цикле, соответствующем минимуму в пространственном распределении упругоотраженных электронов дл  другого чистого компонента, измерении указанных величин и использовании приведенной зависимости. На фиг.1 показано устройство дл  осуществлени  способа; на фиг.2 геометри  рассе ни  электроновJ на фиг. 3 - пространственные распределени  упругоотраженных электронов дл  образцов серебра и золота при энергии первичных электронов 1000 эВ. Устройство дл  осуществлени  способа содержит источник 1 первичных электронов, держатель 2, образец 3 исследуемого соединени , образцы 4 и 5 химических элементов, вход щих в состав исследуемого соединени , узел 6 смены образцов, анализатор 7 электронов по энерги м, узел 8 аксиального вращени , шкалы 9 и 10, цилиндр 11 Фараде , узел 12 перемещени  цилиндра Фараде , расположенные в вакуумной камере (не показана). Источник 1 и держатель 2 соединены с узлом 8 акснмального вращени  . При помощи узла 8 вращают источник 1 и держатель 2 вокруг общей оси, проход щей вдоль поверхности образца 3. Углы поворота источника 1 и держател  2 измер ют по шкалам 9 и 10, соединенным с узлом 8 аксиального вращени . Держатель 2 с образцом 3 вращают на , источник 1 вращают на угол, больший 180 . Подвижньй цилиндр 11 Фараде  механизмом перемещени  12 устанавливают на пути распространени  потока первичных электронов. Цилиндр 11 Фараде   вл етс  датчиком при измерении потоков электронов. Ось анализатора 7 направлена на поверхность образца 3 в месте прохождени  оси вращени  источника 1 и образца 3. Входную апертуру анализатора 7 устанавливают такой, чтобы телесный угол регистрации электронов не превышал 10 стеррадиана. При помоп подвижного узла 6 производ т смену образцов 3-5 в держателе 2 без разгерметизации камеры. Концентраци  химических элементов по предлагаемому способу определ ют следующим образом.

Устанавливают узлом 6 в держатель 2 образец 4 первого химическог элемента, вход щего в состав исследуемого соединени . В источнике 1 первичных электронов формируют монохроматический пучок первичных электров с фиксированной энергией и направл ют его на поверхность образца 4. Измер ют по шкалам 9 и 10 углы поворота источника 1 и образца 4 относительно оси анализатора 7 и определ ют угол рассе ни . Измер ют поток упругоотраженных электронов , проход щих входную апертуру анализатора 7 при этом угле рассе ни  . Измен ют при помощи узла 8 аксиального вращени  пространственное расположение источника 1 и держател  2 с образцом 4, измер ют по шкалам 9 и 10 углы поворота источника 1 и образца 4. Сканируют угол рассе ни  и измер ют анапизато;ром 7 поток упругоотраженных электронов и, таким образом, определ ют пространственное распределение упругоотраженных электронов, т.е. зависимость величины потока упругоотраженных электронов, проход щих входную опертуру анализатора 7, от угла рассе ни  первичных электронов Далее производ т изменение энергии первичных электронов и дл  каждой энергии измер ют пространственное распределение упругоотраженных электронов , определ ют углы рассе ни  первичных электронов, соответствующие минимумам в пространственном распределении упругоотраженных электронов дл  первого элемента.

При помощи узла 6 вынимают из держател  2 образец 4 первого химического элемента и устанавливают образец 5 второго химического элемента , вход щего в состав исследуемого соединени . Определ ют углы рассе ни , соответствующие минимуму в (пространственном распределении Iупругоотраженных электронов дл  втоjporo элемента. Затем на образец 5 второго химического элемента при .энергии и угле рассе ни  первичных электронов, соответствующих минимум S пространственном распределении упругоотраженных электронов дл  первого элемента, измер ютпоток и угол скольжени  первичных электронов и определ ют величину 63 (Э) Л(Е) дл  образца 5 второго химичесого элемента при энергии Е и угле ассе ни  б из формулы

(6iVAlE,Vufl

М

(1)

jnpv

5in Ot

ь

Sinfl

де & Junp г (0 поток упругоотраженных электронов от образца 5 второго химического элемента, регистрируемый анализатором 7 при угле рассе ни  первичных электронов 9 j

Q. угол рассе ни  первичных электронов, при котором наблюдаетс  минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов дл  первого химического элемента йри энергии первичных электронов Е ,

In. поток первичных

01 электронов с энергией , при которой наблюдаетс  минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов при угле рассе ни  Q дл  образца первого химического элемента;

2 концентраш-  рассеивающих центров в образце второго химического элемента ;

J2(8i) сечение упругого рассе ни  первичных электронов вторым химическим элементом при угле рассе ни 

(E,) - длина свободного

пробега электронов с энергаей Е, относительно неупругих соударений;

bfZ. - телесный угол регистрации упругоотраженных электронов oi, - угол скольжени  потока первичных электронов при угле рассе ни  в. Р)ц угол скольжени  потока утфугоотраженных электронов , регистрируем го анализатором 7 при угле рассе ни  6. При помощи узла 6 вынимают из держател  2 образец 5 второго химического элемента и устанавливают об разец 4 первого химического элемента . При энергии и угле рассе ни  первичных электронов, соответствующих минимуму в пространственном рас пределении упругоотраженных электронов дл  второго элемента, измер ют поток и угол скольжени  первич ных электронов, поток и угол скольж ни  упругоотраженных электронов и определ ют величину б, (дг А (EI) дл  образца первого химического эле мента при энергии EJ и угле рассе ни  Qi из формулы „ ,„ . oi-Nrf iCQiVME ViiZ , (2) Sinp где &1црр ®2 01° упругоотраженных электронов от образца 4 перво химического элемен та, регистрируемый анализатором 7 при угле рассе ни  пер вичных электронов 9 угол рассе ни  пер вичных электронов, при котором наблюдаетс  минимум в пространственном распределении упру гоотраженных электронов дл  второго химического элемента при энергии первичных электронов Е„; поток первичных электронов с энерг ей, при которой наблюдаетс  миниму в пространственном распределении упругоотраженных электронов при угле рассе ни  дл  образца 5 второго химического элемента; N, - концентраци  рассеивающих центров в образце 4 первого химического элемента; 6,(.82)- сечение упругого рассе ни  первичных электронов первым химическим элементом при угле рассе ни  Og j ) - длина свободного пробега электронов с энергией Ej относительно неупругих соударений, & 91 - телесный угол регистрации упругоотраженных электронов; 2 угол скольжени  потока первичных электронов при угле рассе ни  02 J угол скольжени  потока упругоотражен- ных электронов,регистрируемых анализатором 7, при угле рассе ни  в. мощи узла 6 вынимают из   2 образец 4 первого ого элемента и устанавлиержатель 2 образец 3 исго соединени . Устанавлисточнике 1 энергию потока х электронов, при которой тс  шнимум в пространстаспределении упругоотражентронов дл  первого элеменнавливают механизмом 12 11 Фараде  на пути расени  потока первичных ов и измер ют величину поодвигают механизмом 12 11 Фараде  и направл ют поичных электронов на образмер ют по шкалам 9 и 10 орота источника 1 и образстанавливают узлом 8 ак1117506 сиального вращени  угол рассе ни  первичных электронов, при котором наблюдаетс  минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов дл  первого химического элемента. Измер ют по шкалам 9 и 1Q угол скольжени  потока первичных электронов и угол скольжени  регистрируемого анализатором 7 потока упругоотраженных электронов. Измер ют анализатором 7 поток упругоотраженных электронов. Искомую концентраций второго химического элемента определ ют по формуле ,) 3. ( где йЗцпр (S,) поток упругоотраженных электронов от образца 3 исследуемого соединени , регистрируемьй анализатором 7 при угле рассе ни  первичных электронов Q1 угол рассе ни  первичных электронов, при котором наблюдаетс  минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов дл  первого химического элемента при энергии первичных электронов Е (, телесный угол регистрации упругоотраженных электронов; угол скольжени  потока первичных электронов при угле рассе ни  0, угол скольжени  потока упругоотражен- so ных электронов регистрируемого анализатором 7 при угле рассе ни  9 поток первичных 55 электронов с энергией , при которой наблюдаетс  минимум 5 З 1 эн нов мум нии втор хани ти р ных пото цили ток 3. И пово уста вращ элек мини деле дл  шкал перв жени 7 по нов упру мую опре 10 в пространственном распределении упругоотраженных электронов при угле рассе ни  Q дл  образца первого химического элементаJ (2 (QI) - сечение упругого рассе ни  первичных электронов вторым химическим элементом при угле рассе  НИЛ 9, 7i(E.) - длина свободного пробега электронов с энергией Е относительно неупругих соударений; Е - энерги  потока первичных электронов, при которой наблюдаетс  минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов дл  первого элемента при угле рассе ни  6j . атем устанавливают в источнике ергию потока первичных электропри которой наблюдаетс  минив пространственном распределеупругоотраженных электронов дл  ого элемента. Устанавливают мезмом 12 цилиндр 11 Фараде  на пуаспространени  потока первичэлектронов и измер ют величину ка. Отодвигают механизмом 12 ндр 11 Фараде  и направл ют попервичных электронов на образец змер ют по шкапам 9 и 10 углы рота источника 1 и образца 3, навливают узлом 8 аксиального ени  угол рассе ни  первичных тронов, при котором наблюдаетс  мум в пространственном распрении упругоотраженных электронов второго элемента. Измер ют по ам 9 и 10 угол скольжени  потока ичных электронов и угол сколь  регистрируемого анализатором тока упругоотраженных электроИзмер ют анализатором 7 поток гоотраженных электронов. Искоконцентрацию первого элемента дел ют по формуле np(Qi oaAleJ IT 1 . гдебЗулр I9j) поток упругоотражен ных электронов от образца 3 исследуемого соединени , регистрируемый анализатором 7 при угл рассе ни  первичных электронов 0 0д - угол рассе ни  первичных электронов, при котором наблюда етс  минимум в прос ранственном распределении упругоотраженных электронов дл  второго элемента , при энергии пер вичных электронов Е uQ - телесный угол регистрации упругоотраженных электронов ei, - угол скольжени  потока первичных элек тронов при угле рассе ни  ft - угол скольжени  потока упругоотраженн электронов регистри руемого анализаторо 7 при угле рассе ни  2 TO - поток первичных электронов с энерги ей, при которой наб людаетс  минимум в пространственном распределении упруг отраженных электро нов при угле рассе  ни  дл  образца второго химического элемента; - сечение упругого рассе ни  первичньк электронов первым х мическим .элементом при угле рассе f (Ej) - длина свободного пр бега электронов с энергией .Е относительно неупругих со ударений, Ej - энерги  потока первичных электронов, при которой наблюдаетс  минимум в пространственном 06 распределении упругоотраженных электронов дл  второго элемента при угле рассе ни  2 В качестве примера вз т сплав золота и серебра. На фиг. 3 показаны пространственные распределени  упругоотраженных электронов дл  образцов золота и серебра при энергии первичных электронов 1000 эВ, измеренные при угле скольжени  потока первичных электронов 15. При определении концентрации золота и серебра в приповерхностном слое сплава Au-Ag по предлагаемому способу измер ют потоки упругоотраженных электронов при углах рассе ни  96 и 122° и определ ют искомые концентрации по формулам (3) и (4). Использование предлагаемого способа определени  концентрации химических элементов в приповерхностном слое гомогенного бинарного соединени  обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: измер емый поток вторичных электронов практически не содержит фона неупругорассе нных электронов , измер емые пики имеют малую полуширину и большую амплитуду, формула, св зывающа  искомую концентрацию и величину регистрируемого потока вторичных электронов содержит лишь хорошо измер емые величины , применение при регистрации вторичных электронов малой входной апертуры позвол ет использовать в анализаторе электронов вторичный электронный умножитель и на несколько пор дков понизить плотность облучающего потока первичных электронов, , управление измерени ми и обработка информации легко сопр гаютс  с ЭВМ. Указанные преимущества позвол ют повысить точность определени  концентрации в 1,5-2 раза, поставить измерение концентраций при помощи вторично-электронных методов на прочную метрологическую основу. Кроме того, процесс измерений по предлагаемому способу легко поддаетс  автоматизации и без затруднений может быть включен в автоматизированные системы контрол  качества продукции в различных област х микроэлектронной промьшшенности.

(П0

лУупр

АЛУо

0,05-

0,0ttaozао20 ,010 .005

30 60 90 120 150 180 8,г/юд. Фиг.5

Claims (2)

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 завитсимости 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 центрацию каждого формуле и определяют конкомпонента по где

Зо

6(G)Ά(Ε) 3()2.1‘^<.2^2.^’ ^^2.l) поток упругоотраженных электронов;

поток первичных электронов ;

телесный угол регистрации упругоотраженных электронов;

углы скольжения потоков первичных и упругоотраженных электронов; угол рассеяния и энергия первичных электронов, для которых имеет место минимум пространственного распределения рассеянных на чистом компоненте электронов; сечение упругого рассеяния электронов под углом θ для чистого компонента;

длина свободного пробега относительно неупругих соударений электронов с энергией Е в чистом компоненте. поп.1, отлича ιοтем, что, величины произопределяют м СП

2. Способ Щ И Й С Я Т с/га, ч ic'j ведений Ъ с помощью осуществления цикла облучение-регистрация на образцах из чистых компонентов при энергии и угле рассеяния в каждом цикле, со- ответствующем минимуму в пространственном распределении упругоотраженных электронов для другого чистого компо нента, измерении указанных величин и использовании приведенной зависи· мости.