Способ исследования материалов Советский патент 1981 года по МПК H01J37/26 

I Изобретение относится к исследованию материалов радиационными методами с последующим получением изображения , а именно к способу исследования материалов посредством просвечивакяцей электронной микроскопии, ко торый может быть использован при исследовании реальной структуры различных кристаллических и аморфных материалов. Физические свойства,материалов во многом определяются их реальной микроструктурой. В связи с этим в настоящее время изучение различных несовершенств (дефектов) в реальных кристаллах является одной из .цент-.-, ральных проблем физики твердого тела Для исследований в этой области особое значение имеют так называемые прямые методы наблюдения, позволяющие выявлять отдельные дефекты, наблюдать непосредственно их локальные конфигурации (топографию), взаимодей ствие дефектов, обнаруживать обуслов ленные ими вторичные и сопутствующие нарушения периодичности. Наиболее объективным и общим из прямых методов является просвечивающая (трансмиссионная) электронная микроскопия, дающая сопоставимые све дения о системах дефектов в кристгшлических и аморфных материалах различной физико-химической природы. В настоящее время именно просвечивающая электронная микроскопия дает основной объем информации о дефектах. Это связано с тем, что. на электронном изображении кристалла возникает более или менее резкий дифракционный контраст везде, где имеются какиелибо искажения кристаллической решетки или нарушения ее правильной периодичности, вызванные присутствием тех или иных дефектов 1 Поскольку -. контрасгг электронно-микроскопических изображений кристаллов имеет дифракционную природу, то анализ картин, наблюдаемых.на экране микроскопа, и в еще большей мере анализ полученных микрофотографий и электронограмм требуют постоянного сопоставления теоретически мыслш гх и реально наблюдаемых эффектов на деталях структуры объекта, природа которых и выясняется путем такого сопоставления . Для облегчения интерпретации контраста электронно-микроскопических изображений и нахождения соответствия между структурными дефектами в объеме образца и рельефом П9верхности нобходимо наблюдать не только внутренюю структуру объекта, но и рельеф его наружной или внутренней (поверхность со стороны утоньшения или подложки) поверхностей, .

ни одним из известных способов не удается наблюдать одновременно и рельефу поверхности, и структурные дефе.кты в объеме.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ исследования материалов с использованием просвечивающей электронной микроскопии, заключающийся в одновременном наблюдении в электронном микроскопе дефектов в объеме и рельефа исследуемой поверхности утоненного образца, оттененной тяжелым металлом 2},

Этот способ представляет собой комбинацию метода тонких фолы и угольных реплик, оттененных тяжелыми металлами. Перед химическим утонением исследуемого образца на поверхность кристалла под углом 5-15 наносят оттеняющий слой тяжелого мета лла, не взаимодействующего с полирущим травителем, после этого на оттененную поверхность под прямым углом напыляют углерод до образования пленки толщиной 200-400 S, и только пото образец утоняют со сторона, не закрытой углеродной пленкой до получения тонкого кристалла (фольги). Это позволяет производить электронномикроскопические исследования на просвет, основанные на анализе дифракционного контраста дефектов в объеме с одновременным наблюдением рельефа наружной (не подвергавшейся травлению) поверхности

Однако-известный способ имеет ряд принципиальных ограничений, связанных с последрватадьностью выполнения операций оттенения и уто-нения образца: .

а)необходимость использования

для оттенения металла, не взаимодействующегб с полирующим травителем;

б)одновременнсЗе наблюдение только рельефа наружной поверхности и дефектов в объеме

в)исключение возможности предварительного исследования только дефектов в объеме с последующим переходом (выбором поверхности оттенения) к одновременному наблюдению дефектов в объеме и рельефа внутренней или наружной поверхности.

Действительно, в процессе наблю-дения тонкогс кристалла (фольги) в электронном микроскопе исследова тель сталкивается с трудностями в интерпретаци наблюдаемого контраст Для облегчения интерпретации контраста, который может быть вызван рельефом наружной поверхности или связан с артефактами, т.е. наруше1#

ниями, внесенными при получении тонкого кристалла, а также при необходимости нахождения однозначного соответствия между рельефом поверхности и дефектами в объеме, возникает необходимость наблюдения не только дефектов в объеме, но и рельефа наружной или внутренней (исследование границ раздела, исключение артефактов) поверхностей.

Цель изобретения - повышение точности определения соответствия морфологии поверхности и дефектов в исследуемом объеме, упрощение и расширение возможностей способа.

для достижения этой цели в способе исследования материалов, заключающемся в одновременном наблюдении в электронном микроскопе дефектов в объеме и рельефа исследуемой поверхности, оттенение производят после утонения образца.

На чертеже изображена схема способа исследования материалов.

Схема включает тонкий кристалл (фольга) 1, слой оттеняющего тяжелого металла 2, наружную 3 и внутреннюю 4 поверхности, пучок электронов (направление наблюдения) 5, поток атомов оттеняющего тяжелого металла 6. Кроме того, приняты обозначения - угол оттенения, t - толщина кристалла (фольги) 1, пригодная для наблюдений (прозрачная для электронов) , h - толщина края тонкого кристалла, 2К-диаметр тонкого кристалла (для круглого образца), а - длина стороны квадрата (для квадратного Образца).

При осуществлении предлагаемого способа исследования материалов предварительно по кзвестной технологии готовят тонкий образец ( в описываетлых примерах образец кремния). Для этого берут пластину кремния размером 2x2 мм и толщиной 200 мкм, наклеивают на фторопластовый диск исследуемой стороной к диску, затем производят химическое динамическое травление в травителе состава НР:ННОз:СН СООН в две стадии.

Первая стадия - травление в смеси НР:НЫОз:СН Сбон 1:8:1 до появления в центре образца участка темнокоричневого цвета.

Вторая стадия - травление в смеси HF:HNOj:CH3COOH inOOjl (или 1:40:1) до появления в центре образца участка светлокоричневого цвета.

Затем образец отделяют от поддерживающего диска и отмывают, после чего образец исследуют в электронном микроскопе. В случае затруднений с интерпретацией наблюдаемого контраста тонкий крисстал 1 вынимают из микроскопа и оттеняют его внутреннюю 4 или наружную 3 поверхности, напыляя на них хром б под угломбь Ю (наружная поверхность 3) или

(внутрення поверхность 4). Слой напыленнрго хрома 6 имеет толщину 50-80 А.

Возникающий в результате напыления хрома б дополнительный контраст позволяет выявить детали рельефа внутренней или наружной поверхности и определить их высоту.

Один из конкретных примеров использования способа связан с оттене- нием обратной стороны тонкого кристала при возникновении трудностей в интерпретации контраста. На электронномикроскопических изображениях тонких кристаллов 1 ремння, в которые вводилась медь, наблюдался контраст, связанный с неоднородноетями толщины кристалла. Подобного рода контраст мог быть вызван наличием ямок .расплава на поверхности или ускореннЕлм травлением областей, обогащенных вакансиями. Кроме того, наблюдались неоднородности темного контраста, природа которых была неясна.

Оттенение внутренней поверхности тонкого кристалла позволило однозначно установить, что наблюдаемый контраст связан с ускоренным травлением в области рассосавшейся колонии мелкодисперсных выделений силицида, меди участков, обогащенных вакансиями, а неоднородности темного контраста представляют собой кластеры, образовавшиеся при медленном охлаждении после высокотемпературного отжига. Причем оттенение выявило тонкую структуру кластеров.

Весьма эффективен способ и при исследовании аморфных материалов. На трансмиссионном электронно-микроскопическом изображении слоев двуокиси кремния, полученной пиролитическим разложением тетраэтоксисилана наблюдались неоднородности темного контраста, которые могли быть объяснены либо наличием утолщений (выступов) в окисле либо наличием включений, имеющих большую плотность, чем окисел. Однако оттенение наружной поверхности однозначно свидетельствует, что неоднородности контраста вызваны наличием на поверхности .сферических выступов, которые связаны с механизмом осаждения и образуются

при больших расходах тетраэтоксисилана. Исследование рельефа поверхности традиционным методом реплик в этом случае потребовало бы применения весьма трудоемкого, разрушающего метода обволакивающих реплик.

Таким образом, предлагаемый способ, пр сравнению с известным,поз-, всзляет просто и точно устанавливать соответствие между рельефом поверхности и дефектами в объеме за счет одновременного наблюдения как дифракционного контраста, так и контраста, связанного с оттенением, набт люденйе рельефа дополняется микродифракцией, расширяются возможности просвечивающей электронной микроскопии, облегчается интерпретация контраста, и значительно упрощается методика .

В сочетании с селективным травлением метод позволяет однозначно устанавливать, как выявляются те или иные структурные дефекты, сравнивать истинную плотность дефектов, определяемую с помощью электронной микроскопии иа просвет, с плотностью выявляемой .селективным травлением.

изобретения.

Способ исследования материалов , заключающийся в одновременном наблю--. дении в электронном микроскопе дефектов в объеме и рельефа исследуемой поверхности утоненного образца, оттененной тяжельм металлом/ отличающийся тем/ что, с целью повышения точности определения соответствия морфологии поверхности и дефектов в объеме, упрощения и расширения возможностей, от енение производят после утонения образца.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. П, и др. Электронная микроскопия тонких кристаллов, М, ,Мир 1968, с, 260,

2,Поляков О.П, Методика одновременного наблюдения структуры поверхности и объема в просвечивающей электронной микроскопии, - Заводская

0 лаборатория , 1974, 9, с. 1125 (прототип) .V

л V

;

/: f-.