Способ подготовки образца для электронной микроскопии Советский патент 1992 года по МПК H01J37/28 

1.

Щиг.

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к устройствам для анализа веществ методами электронной микроскопии.

Предлагаемое техническое решение напраалено на сокращение времени, затрачиваемого на анализ образцов, м соответствующее снижение затрат на проведение данной операции при высоком качестве проведенных исследований.

Известны различные способы для подготовки образцов для электронной микроскопии, среди которых наиболее перспективным следует считать способ двухстороннего ионного утонения потоками ионов от двух встречно направленных ионных источников. Способы ионного утонения включают в себя обычно предварительную механическую обработку образца, размещение образца на держателе, установку держателя в вакуумной камере, откачку вакуумного объема, обработку образца потоком ионов,

Недостатком известных способов является очень низкая скорость подготовки образцов, что в значительной мере увеличивает время проведения анализа, а тем самым и затраты на данную операцию.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ подготовки образцов для электронной микроскопии, включающий 8 себя размещение образца на держателе, установку держателя в вакуумную камеру, откачку вакуумной камеры, распыление материала образца потоками ионов от двух встречно направленных ионных источников.

Недостатком данного способа является низкая скорость подготовки.

Цель изобретения - увеличениескорости подготовки образцов.

Указанная цель достигается тем, что в способе подготовки образцов для электронной микроскопии, включающем в себя размещение образца на держателе, установку держателя в вакуумную камеру, откачку вакуумной камеры, распыление материала образца потоками ионов от двух встречно направленных ионных источников, перед распылением потоками ионов последовательно напускают инертный газ в вакуумный объем, производят одновременное двухстороннее распыление образца ионами инертного газа путем создания с двух противоположных сторон образца симметричного арочного магнитного поля, подачи на образец отрицательного относительно камеры потенциала и зажигании аномального тлеющего разряда при выполнении соотношения , где L-периметр держателя в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля, d - размер

образца в направлении холловского тока, откачивают вакуумную камеру.

- Докажем существенность отличий. Известные способы двухстороннего ионного утонения образцов для электронной микроскопии используют а качестве автономного источника ионов плазменные ионные источники, для которых в настоящее время не представляется возможным получение интенсивных ионных потоков с малой энергией бомбардирующих ионов. Увеличение энергии ионов (ускоряющего напряжения Da ионного источника) ведет к увеличению интенсивности пропорционально однако с увеличением энергии растет количество радиационных дефектов вы исследуемом материале. Стремление избежать дефектообразования определяет малые интенсивности ионных потоков, использующихся в известных установках

подготовки образцов, а тем самым и весьма значительные сроки проведения утонения (до 40 ч и более). Предлагаемое техническое решение отличается от известных тем, что между операциями откачки вакуумной камеры и распыления материала образца потоками ионов от двух встречно направленных ионных источников производится одновременное двухстороннее распыление образца ионами инертного газа, ускоренными в катодном падении аномального тлеющего разряда. Причем существенным отличием также является создание с двух противоположных сторон образца симметричного арочного магнитного поля, позволяющего

создать замкнутый дрейф электронов над поверхностью образца и держателя, что определяет высокие плотности ионного тока на образце (более 10 мА/см при энергиях ионов до 1 кэВ), ограниченные лишь условмями теплоотвода. Существенным является и соотношение, связывающее размеры образца и держателя.

Явления, происходящие на поверхности подготавливаемого в газовом разряде

образца очень сложны и в настояш.ее время не представляется возможным их точное описание, учитывающее эмиссию в результате фотоэффекта, радиационно-стимулированную диффузию и многие другие явления.

Однако основные характеристики определяются в аномальном тлеющем разряде вторичной электронной эмиссией с поверхности держателя и образца под действием ионной бомбардировки. Коэффициент вторичной электронной э.миссии у, вызываемой ионной бомбардировкой, у держателя и у образца различен, поэтому, чтобы обеспечить достаточно однородное травление образца необходимо выдержать определенные соотношения площадей, подвергаемых ионной бомбардировке поверхностей образца и держателя. Так как по понятным соображениям большей поверхностью всегда обладает держатель (необходимость каналов охлаждения, крепеж и др.). то с целью обеспечения энергетической эффективности устройства держатель выполняют из материала с возможно большим у для используемого плазмообразующего газа и возможно меньшим коэффициентом катодного распыления (например, для аргона это алюминий и его сплавы). В данных условиях, чем больше отношение периметра L держателя в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля, к удвоенному размеру образца d в направлении холловского тока, тем лучше будет однородность распыления образца в направлении холлоеского тока, С другой стороны требования экономичности приводят к минимальным размерам держателя (для обеспечения необходимой плотности ионного тока потребуется небольшой ток разряда). Опытным путем авторы получили соотношение, при котором неоднородность травления образца в направлении холловского тока не превышала 5% во всем диапазоне рабочих давлений устройLства 12 невыполнении данного условия наблюдалось более резко выраженная неоднородность, особенно у диэлектрических образцов достигающая на длине образца до 100%. что даже с последующимтравлением ионными пучками весьма трудно получить симметричный профиль травления с высокой скоростью. В результате вышеуказанного эффектов, чем больше у-т, тем больше скорость распыления образца и однородность распыления однако L нельзя, так как с увеличениувеличитьем площади держателя для необходимой плотности ионного тока на образце приходится увеличивать мощность, вводимую в разряд. При выполнении соотношения, подобранного опытным путем, 12 п-т 4 достигается высокая скорость распыления образца при достаточно высокой однородности и незначительной мощности подводимой к разряду, На фиг.1 представлена конструкция устройства, реализующего предлагаемый способ подготовки образцов, где 1 - вакуумная камера. 2 - ионные источники, 3 - образец. 4 - держатель образца, 5 - полюсные наконечники магнитной системы, 6 - блок электрического питания. Ионнные источники 2 изолированы от вакуумной камеры 1 и расположены симметрично в окнах, имеющихся на противоположной стороне камеры. Держатель образца 4. в котором закреплен образец 3, расположен между полюсными наконечниками магнитной системы 5 симметрично относительно них. Образец 3 также расположен симметрично относительно держателя. Крепление образца, его охлаждение производится через окно в верхнем фланце камеры 1 стандартными методами, поэтому на фиг.1 не иллюстрируется. На фиг.2 представлена конструкция узла держателя образца, где 3 - образец, 4 держатель образца, 5 - полюсные наконечники. Заявляемый способ реализуется следующим образом. Исследуемый образец 3 закрепляется на держателе 4 и помещается в вакуумную камеру 1. После этого происходит откачка вакуумной камеры. Затем производится напуск рабочего . Между держателем 4 и вакуумной камерой 1,подается напряжение от источника питания 6 (отрицательный полюс на держателе 4) и зажигается аномальный тлеющий разряд. В области полюсными наконечниками 5 магнитной системы локализуется плазма с высокой концентрацией, образованная за счет замкнутого дрейфа электронов в холловском направлении, который происходит по одной из поверхностей держателя в одну сторону, а по противоположной стороне держателя S обратную за счет противоположных направлений Е при одном направлении В. Симметрия магнитного поля относительно держателя и образца, обеспечиваемая симметричным расположением магнитов относительно держателя обеспечивает максимум плотности тока в центральной области образца. Выполнение соотношения размеров держателя и образца 12 j-r 4, где L - периметр держателя в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля, d - размер образца в направлении холловского тока, обеспечивает при наименьшей потребляемой мощности высокую скорость распыления и достаточную равномерность распыления образца в холловском направлении, которая определяется тем. что различие в у образца и у держателя при выполнении соотношения

4 компенсируется забегом электро2 d

нов, эмиттированных держателем, в пространство над поверхностью образца. При выполнении держателя с высоким у и достаточно низким коэффициентом катодного распыления в холловском направлении происходит коллективное движение электронного облака, которое распространяется и на область с другим у, если ее расположить по ходу движения. При этом изменение концентрации (переход к материалу с другим у) будет происходить достаточно плавно. В предлагаемом техническом решении и используется данная переходная область. Достижение высоких плотностей тока определяет высокую скорость распыления образца, однако и держатель, выполненный из материала с малым коэффициентом катодного распыления относительно используемого плазмообразующего газа будет распыляться, при этом существует вероятность попадания атомов держателя на поверхность образца. В связи с этим после распыления в аномальном тлеющем разряде производится откачка устройства и затем доводка поверхности образца пучками ионов от ионных источников 2. При этом удаляются атомы материала держателя и производится распыление тонкой перегородки, оставшейся после распыления в аномальном тлеющем разряде.

Авторами проводился ряд экспериментов с макетом устройства реализующего предлагаемый способ. В экспериментах держатель образца представлял собой дюралевый прямоугольник длиной 50 мм, шириной 20 мм, высотой 10 мм. в котором с двух сторон были выфрезерованы полуокружности. Вид держателя показан на фиг.2.Минимальное расстояние между окружностями составляло 4 мм. В отверстие прямоугольной формы в центре держателя устанавливался образец, который прикреплен с двух сторон прокладками из дюраляс отверстиями диаметром 5 мм. Магнитное поле создавалось наборами постоянных магнитов из феррита бария 9 х 15 х 80. причем магниты помещены в дюралевый экран. Таким образом полюсный наконечник имел прямоугольное сечение 15 х 80. Измерения, проведенные авторами показывают,

что над поверхностью держателя параллельная поверхности катода составляющая магнитного поля имела величину 0,03 Тл. В качестве рабочего газа использовался аргон, как при магнетронном распылении, так и в качестве плазмообра.зующего вещества ионных источников дуоплазматронного тмпа. Время, затрачиваемое на получение сквозного отверстия составляло при использовании предлагаемого способа от 5 до 8 часов в зависимости от материала исследуемого образца. Конкретно операция по утонению образца из Si толщиной 30 мм занимает при использовании предлагаемого способа и устройства не более 6 часов, а при использовании прототипа 30-40 ч.

Таким образом предлагаемое техническое решение позволяет значительно уменьшить время анализа, что соответственно уменьшает затраты на данную операцию. С другой стороны реализация предлагаемого технического решения из представляет каких-либо сложностей и может быть рекомендована для широкого применения-ваналитическом

приборостроении.

Формула изобретения Способ подготовки образца для электронной микроскопии, включающий в себя

размещение образца на держателе, установкудержателя в вакуумную камеру, откачку вакуумной камеры, распыление материала образца потоками ионов от двух встречно направленных ионных мсточииков, отличающийся тем, что, с целью увеличения скорости подготовки, перед распылением потоками ионов напускают инертный газ в вакуумную камеру, а одновременное двустороннее распыление

образца производят ионами инертного газа путем создания с двух сторон образца симметричного арочного магнитного поля, подачи на образец отрицательного относительно камеры потенциала и зажигания аномального тлеющего разряда при выL 2 d

полнении неравенства 12

4, где L периметр держателя в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного по50 ля, d - размер образца в том же периметре, с после,цующей откачкой вакуумной камеры.

« J

/

/7

Изобретение относится к способам подготовки образцов для анализа методами электронной микроскопии. Сущность изобретения: увеличение скорости подготовкиfобразцов достигается тем, что в способе подготовки образцов для электронной микроскопии, включающем в себя размещение образцов 3 на держателе 4, установку держателя в вакуумную камеру 1, откачку вакуумной камеры 1, распыление материала образца потоками ионов от двух встречно направленных ионных источников 2, перед распылением потоками ионов последовательно напускают инертный газ в вакуумную камеру, производят одновременное двухстороннее распыление образца ионами инертного газа путем создания с двух противоположных сторон образца симметричного арочного магнитного поля, подачи на образец отрицательного относительно камеры потенциала и зажигания аномального тлеющего разряда при выполнении соотношения: 12 L/2 d>&4, где L- периметр держателя в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля: d - размер образца ВТОМ же периметре, после чего откачивак.т вакуумную камеру. 2 ил.1k/VJ00ого VI

Фиг. I