УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА Российский патент 2024 года по МПК G01N27/62 

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

В известном устройстве не предусмотрена очистка исследуемой поверхности от загрязнений, к тому же измерения проводятся на воздухе.

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.

Недостатками известного устройства является проведение измерений на воздухе и в нем не предусмотрена очистка исследуемой поверхности от имеющихся окислов и загрязнений.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

В вакуумной камере может быть установлено две емкости испарителя для напыляемых веществ с целью нанесения на исследуемой образец двухэлементной пленки.

Внешний кожух емкости испарителя может быть выполнен из тантала.

Емкость испарителя для напыляемого вещества может быть выполнена в виде ячейки Кнудсена.

Термокатод может быть выполнен в виде нити из рения.

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.

Техническая сущность настоящего изобретения поясняется чертежами,

где:

на фиг. 1 показана функциональная схема устройства для определения работы выхода;

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);

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).

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.

Устройство для определения работы выхода электрона работает следующим образом.

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.

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.

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.

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).

Использование: для определения работы выхода электрона. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения работы выхода электрона включает расположенную в вакуумной камере ячейку для измерения контактной разности потенциалов, содержащую коллектор, в качестве которого использован закрепляемый на держателе и устанавливаемый в соответствующее положение исследуемый образец, анод с коллимирующим отверстием и термокатод с экраном. 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. Ось апертуры, перекрываемая при необходимости заслонкой, проходит через коллимирующий канал в экране и пересекает торец держателя под определенным углом относительно нормали к его поверхности. Технический результат: обеспечение возможности разработки устройства для определения работы выхода электрона, имеющего расширенные функциональные возможности, обеспечивающее получение зависимостей работы выхода от толщины наносимой чужеродной пленки, при этом исключающее искажение электрического поля, ошибку на позиционирование и подобие образцов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для определения работы выхода электрона, включающее расположенную в вакуумной камере ячейку для измерения контактной разности потенциалов, содержащую коллектор, в качестве которого использован закрепляемый на держателе и устанавливаемый в соответствующее положение исследуемый образец, анод с коллимирующим отверстием и термокатод с экраном, отличающееся тем, 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.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в вакуумной камере установлено две емкости испарителя для напыляемых веществ с целью нанесения на исследуемой образец двухэлементной пленки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внешний кожух емкости испарителя выполнен из тантала.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что емкость испарителя для напыляемого вещества выполнена в виде ячейки Кнудсена.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что термокатод выполнен в виде нити из рения.