Способ количественного анализа поверхностных слоев твердых тел Советский патент 1984 года по МПК G01N23/225 

1117506

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

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

Изобретение относится к электрон ной спектроскопии, а именно к спосо бам исследования 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 определения 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 измерять глубину выхода ожеэлектронов и коэффициент обратного рассеяния. Измерение потока оже-эле тронов является сложной задачей. Эти недостатки ограничивают повьппение точности определения концентраций элементов. Наиболее близким техническим решением к изобретению является спосо количественного анализа поверхностных слоев твердых тел L2j, заключающийся 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 указанная аналитическая зависимость имеет вид 3o,(EpVU6cMEA6cVCi где О р - величина потока первичных электроно концентрация атомов, .(Ер,Ед) сечение ионизации внутреннего уровня А электронами, энергия первичных электронов, Ед - энергия уровня А невозбужденного атома;г(Ер) - фактор, учитывающий процессы ионизации уровня А быстрыми вторичными электронами при выходе их из вещества, вероятность релаксации возбу5кденного состояния атома посредством оже-процесса АБС; Л(Ед5()- средняя глубина вы хода оже-электронов, энергия оже-электронов;геометрический фактор , учитьшающий угловое распределение оже-электронов при их возбуждении. едостатком известного техниого решения является необходиь измерения параметров W, г,Y , огрешность измерения которых блется от десятков до сотен проов. Кроме того, сложность реалии указанного способа состоит в ходимости измерения малых оже-тона фоне большого потока неупруссеянных электронов. По этой ине погрешность измерения потока электронов колеблется от нескольдесятков до нескольких сотен ентов. ель изобретения заключается в шении точности анализа бинарных инений. оставленная цель достигается что согласно способу количест3 . венного анализа поверхностных слоев твердых тел, заключающемуся в облучении анализируемой поверхности исследуемого образца пучком моноэнергетических электронов, регистрации эмиттированных с поверхности электронов, измерении потоков первичных и эмиттированных электронов и определении искомой концентрации по ана литической зависимости и измеренным величинам, производят двукратное облучение исследуемого образца и регистрацию упругоотраженных электронов при энергии и угле рассеяния в каждом цикле облучение-регистрация соответствующих минимумов в простра ственном распределении упругоотражен ных электронов для одного из чистых веществ, являющихся компонентами бинарного соединения, дополнительно измеряют углы скольжения потоков первичных ц упругоотраженных электронов и определяют 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 скольжения потоков первичных и упругоотраженных электронов, 9 и Е - угол рассеяния и энергия первичных электронов , для которых имеет место минимум пространственного распределения рассеянных на чистом компоненте электронов; j(Q сечение упругого рассеяния электронов под углом 9 для чистого компонентаJ ,E)- длина свободного пробе ла относительно неупругих соударений электронов с энергией Е в чис том компоненте. При этом величины произведений ) ( определяют с помощью осуществления цикла облучения регистрация на образцах из чистых компонентов при энергии и угле рас064сеяния в каждом цикле, соответствующем минимуму в пространственном распределении упругоотраженных электронов для другого чистого компонента, измерении указанных величин и использовании приведенной зависимости. На фиг.1 показано устройство для осуществления способа; на фиг.2 геометрия рассеяния электроновJ на фиг. 3 - пространственные распределения упругоотраженных электронов для образцов серебра и золота при энергии первичных электронов 1000 эВ. Устройство для осуществления способа содержит источник 1 первичных электронов, держатель 2, образец 3 исследуемого соединения, образцы 4 и 5 химических элементов, входящих в состав исследуемого соединения, узел 6 смены образцов, анализатор 7 электронов по энергиям, узел 8 аксиального вращения, шкалы 9 и 10, цилиндр 11 Фарадея, узел 12 перемещения цилиндра Фарадея, расположенные в вакуумной камере (не показана). Источник 1 и держатель 2 соединены с узлом 8 акснмального вращения . При помощи узла 8 вращают источник 1 и держатель 2 вокруг общей оси, проходящей вдоль поверхности образца 3. Углы поворота источника 1 и держателя 2 измеряют по шкалам 9 и 10, соединенным с узлом 8 аксиального вращения. Держатель 2 с образцом 3 вращают на , источник 1 вращают на угол, больший 180 . Подвижньй цилиндр 11 Фарадея механизмом перемещения 12 устанавливают на пути распространения потока первичных электронов. Цилиндр 11 Фарадея является датчиком при измерении потоков электронов. Ось анализатора 7 направлена на поверхность образца 3 в месте прохождения оси вращения источника 1 и образца 3. Входную апертуру анализатора 7 устанавливают такой, чтобы телесный угол регистрации электронов не превышал 10 стеррадиана. При помоп подвижного узла 6 производят смену образцов 3-5 в держателе 2 без разгерметизации камеры. Концентрация химических элементов по предлагаемому способу определяют следующим образом.

Устанавливают узлом 6 в держатель 2 образец 4 первого химическог элемента, входящего в состав исследуемого соединения. В источнике 1 первичных электронов формируют монохроматический пучок первичных электров с фиксированной энергией и направляют его на поверхность образца 4. Измеряют по шкалам 9 и 10 углы поворота источника 1 и образца 4 относительно оси анализатора 7 и определяют угол рассеяния. Измеряют поток упругоотраженных электронов, проходящих входную апертуру анализатора 7 при этом угле рассеяния . Изменяют при помощи узла 8 аксиального вращения пространственное расположение источника 1 и держателя 2 с образцом 4, измеряют по шкалам 9 и 10 углы поворота источника 1 и образца 4. Сканируют угол рассеяния и измеряют анапизато;ром 7 поток упругоотраженных электронов и, таким образом, определяют пространственное распределение упругоотраженных электронов, т.е. зависимость величины потока упругоотраженных электронов, проходящих входную опертуру анализатора 7, от угла рассеяния первичных электронов Далее производят изменение энергии первичных электронов и для каждой энергии измеряют пространственное распределение упругоотраженных электронов, определяют углы рассеяния первичных электронов, соответствующие минимумам в пространственном распределении упругоотраженных электронов для первого элемента.

При помощи узла 6 вынимают из держателя 2 образец 4 первого химического элемента и устанавливают образец 5 второго химического элемента, входящего в состав исследуемого соединения. Определяют углы рассеяния, соответствующие минимуму в (пространственном распределении Iупругоотраженных электронов для втоjporo элемента. Затем на образец 5 второго химического элемента при .энергии и угле рассеяния первичных электронов, соответствующих минимум S пространственном распределении упругоотраженных электронов для первого элемента, измеряютпоток и угол скольжения первичных электронов и определяют величину 63 (Э) Л(Е) для образца 5 второго химичесого элемента при энергии Е и угле ассеяния 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 рассеяния первичных электронов 9 j

Q. угол рассеяния первичных электронов, при котором наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов для первого химического элемента йри энергии первичных электронов Е ,

In. поток первичных

01 электронов с энергией, при которой наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов при угле рассеяния Q для образца первого химического элемента;

2 концентраш-я рассеивающих центров в образце второго химического элемента ;

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

(E,) - длина свободного

пробега электронов с энергаей Е, относительно неупругих соударений;

bfZ. - телесный угол регистрации упругоотраженных электроновoi, - угол скольжения потока первичных электронов при угле рассеяния в. Р)ц угол скольжения потока утфугоотраженных электронов, регистрируем го анализатором 7 при угле рассеяния 6. При помощи узла 6 вынимают из держателя 2 образец 5 второго химического элемента и устанавливают об разец 4 первого химического элемента. При энергии и угле рассеяния первичных электронов, соответствующих минимуму в пространственном рас пределении упругоотраженных электронов для второго элемента, измеряют поток и угол скольжения первич ных электронов, поток и угол скольж ния упругоотраженных электронов и определяют величину б, (дг А (EI) для образца первого химического эле мента при энергии EJ и угле рассеяния 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 рассеяния пер вичных электронов 9 угол рассеяния пер вичных электронов, при котором наблюдается минимум в пространственном распределении упру гоотраженных электронов для второго химического элемента при энергии первичных электронов Е„; поток первичных электронов с энерг ей, при которой наблюдается миниму в пространственном распределении упругоотраженных электронов при угле рассеяния для образца 5 второго химического элемента;N, - концентрация рассеивающих центров в образце 4 первого химического элемента;6,(.82)- сечение упругого рассеяния первичных электронов первым химическим элементом при угле рассеяния Og j ) - длина свободного пробега электронов с энергией Ej относительно неупругих соударений, & 91 - телесный угол регистрации упругоотраженных электронов;2 угол скольжения потока первичных электронов при угле рассеяния 02 J угол скольжения потока упругоотражен- ных электронов,регистрируемых анализатором 7, при угле рассеяния в. мощи узла 6 вынимают из я 2 образец 4 первого ого элемента и устанавлиержатель 2 образец 3 исго соединения. Устанавлисточнике 1 энергию потока х электронов, при которой тся шнимум в пространстаспределении упругоотражентронов для первого элеменнавливают механизмом 12 11 Фарадея на пути расения потока первичных ов и измеряют величину поодвигают механизмом 12 11 Фарадея и направляют поичных электронов на образмеряют по шкалам 9 и 10 орота источника 1 и образстанавливают узлом 8 ак1117506сиального вращения угол рассеяния первичных электронов, при котором наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов для первого химического элемента. Измеряют по шкалам 9 и 1Q угол скольжения потока первичных электронов и угол скольжения регистрируемого анализатором 7 потока упругоотраженных электронов. Измеряют анализатором 7 поток упругоотраженных электронов. Искомую концентраций второго химического элемента определяют по формуле ,) 3. ( где йЗцпр (S,) поток упругоотраженных электронов от образца 3 исследуемого соединения, регистрируемьй анализатором 7 при угле рассеяния первичных электронов Q1 угол рассеяния первичных электронов, при котором наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов для первого химического элемента при энергии первичных электронов Е (, телесный угол регистрации упругоотраженных электронов;угол скольжения потока первичных электронов при угле рассеяния 0, угол скольжения потока упругоотражен- so ных электронов регистрируемого анализатором 7 при угле рассеяния 9 поток первичных 55 электронов с энергией, при которой наблюдается минимум 5 З 1 эн нов мум нии втор хани ти р ных пото цили ток 3. И пово уста вращ элек мини деле для шкал перв жени 7 по нов упру мую опре 10 в пространственном распределении упругоотраженных электронов при угле рассеяния Q для образца первого химического элементаJ (2 (QI) - сечение упругого рассеяния первичных электронов вторым химическим элементом при угле рассея НИЛ 9, 7i(E.) - длина свободного пробега электронов с энергией Е относительно неупругих соударений; Е - энергия потока первичных электронов, при которой наблюдается минимум в пространственном распределении упругоотраженных электронов для первого элемента при угле рассеяния 6j . атем устанавливают в источнике ергию потока первичных электропри которой наблюдается минив пространственном распределеупругоотраженных электронов для ого элемента. Устанавливают мезмом 12 цилиндр 11 Фарадея на пуаспространения потока первичэлектронов и измеряют величину ка. Отодвигают механизмом 12 ндр 11 Фарадея и направляют попервичных электронов на образец змеряют по шкапам 9 и 10 углы рота источника 1 и образца 3, навливают узлом 8 аксиального ения угол рассеяния первичных тронов, при котором наблюдается мум в пространственном распрении упругоотраженных электронов второго элемента. Измеряют по ам 9 и 10 угол скольжения потока ичных электронов и угол сколья регистрируемого анализатором тока упругоотраженных электроИзмеряют анализатором 7 поток гоотраженных электронов. Искоконцентрацию первого элемента деляют по формуле np(Qi oaAleJ IT 1 . гдебЗулр I9j) поток упругоотражен ных электронов от образца 3 исследуемого соединения, регистрируемый анализатором 7 при угл рассеяния первичных электронов 0 0д - угол рассеяния первичных электронов, при котором наблюда ется минимум в прос ранственном распределении упругоотраженных электронов для второго элемента, при энергии пер вичных электронов Е uQ - телесный угол регистрации упругоотраженных электронов ei, - угол скольжения потока первичных элек тронов при угле рассеяния ft - угол скольжения потока упругоотраженн электронов регистри руемого анализаторо 7 при угле рассеяния 2 TO - поток первичных электронов с энерги ей, при которой наб людается минимум в пространственном распределении упруг отраженных электро нов при угле рассея ния для образца второго химического элемента; - сечение упругого рассеяния первичньк электронов первым х мическим .элементом при угле рассеяf (Ej) - длина свободного пр бега электронов с энергией .Е относительно неупругих со ударений, Ej - энергия потока первичных электронов, при которой наблюдается минимум в пространственном 06 распределении упругоотраженных электронов для второго элемента при угле рассеяния 2 В качестве примера взят сплав золота и серебра. На фиг. 3 показаны пространственные распределения упругоотраженных электронов для образцов золота и серебра при энергии первичных электронов 1000 эВ, измеренные при угле скольжения потока первичных электронов 15. При определении концентрации золота и серебра в приповерхностном слое сплава Au-Ag по предлагаемому способу измеряют потоки упругоотраженных электронов при углах рассеяния 96 и 122° и определяют искомые концентрации по формулам (3) и (4). Использование предлагаемого способа определения концентрации химических элементов в приповерхностном слое гомогенного бинарного соединения обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: измеряемый поток вторичных электронов практически не содержит фона неупругорассеянных электронов, измеряемые пики имеют малую полуширину и большую амплитуду, формула, связывающая искомую концентрацию и величину регистрируемого потока вторичных электронов содержит лишь хорошо измеряемые величины, применение при регистрации вторичных электронов малой входной апертуры позволяет использовать в анализаторе электронов вторичный электронный умножитель и на несколько порядков понизить плотность облучающего потока первичных электронов, , управление измерениями и обработка информации легко сопрягаются с ЭВМ. Указанные преимущества позволяют повысить точность определения концентрации в 1,5-2 раза, поставить измерение концентраций при помощи вторично-электронных методов на прочную метрологическую основу. Кроме того, процесс измерений по предлагаемому способу легко поддается автоматизации и без затруднений может быть включен в автоматизированные системы контроля качества продукции в различных областях микроэлектронной промьшшенности.

(П0

лУупр

АЛУо

0,05-

0,0ttaozао20,010.005

30 60 90 120 150 180 8,г/юд. Фиг.5