Способ локального определения концентрации окрашивающей примеси в кристаллах Советский патент 1981 года по МПК G01J1/52 G01N23/02 

Изобретение относится к способам определения концентрации примеси в . кристаллических материалах и может найти применение в химической промышленности при контроле процессов выращивания монокристаллов, содержащих окрашивающие примеси, и для опре деления концентрации примесей в гото вых изделиях. Известны способы определения концентрации примесей в кристаллах, которые условно можно разбить на две группы; к первой группе относятся способы олределения концентрации окрашивающей примеси, изоморфновходящей в узел кристаллической решетки ко второй - способы определения суммарной концентрации примеси, входящей как в узлы кристаллической решет ки, так и находящейся вне их. Известен способ первой группы (оп тический), заключающийся в том, что концентрацию примеси определяют по интенсивности поглощения в максимуме полосы. При Атом концентра цао примеси определяют в большом объеме кристалла. Например,;о концентрации изоморфного хроМа в кристалле рубина судят по интенсивности поглощения в максимуме полосла U обыкновенной волны 555 нм. Измерения обычно проводят на спектрофотометрах СФ-4 или СФ-8. Для измерения необходимы плоскопараплельные образцы Недостатками этого способа являются отсутствие возможности локального определения концентрации примеси, так как локальность определения не может быть меньше 1 мм, что обусловлено недостаточной чувствительностью, прибора, необходимость изготовления образцов определенной конфигурации с помощью сложной механической обработки. Кроме того, если образец вырезан под углом к оптической оси кристалла или параллельно ей, то для измерения поглощения обыкновенной волны необходимо пользоваться поляризованным светом.

Известен способ второй группы (способ эмиссионного спектрального анализа), позволяющий определить сзгммарную концентрацию примеси в объеме кристалла и заключающийся в том, что измеряют интенсивность излучения атомных линий при возбуждении спектров в дуговом источнике. Способ осуще4:твляется с помощью спектрографа ИСП-28 и генератора ДГ-2 2.

Недостатками этого способа являются разрушение образца {т.е. это способ разрушающего контроля) и отсутствие возможности локального определения концентрации примеси.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является способ микрорентгеноспектрального опрецелеиия суммарной концентрации примеси Этот способ локального определения концентрации примеси заключается в том, что на малый объем исследуемой поверхности, выбранной с помощью оптического микроскопа, направляют сфокусированный пучок электронов (электронный зонд). Под влиянием электронной бомбардировки облучаемый микрообъем диаметром 2-5 мкм дает характеристическое рентгеновское излучение, позволяющее получить информацию о суммарной концентрации исследуемой примеси при сопоставлении с характеристическим излучением эталонного образца. Для определения распределения концентрации примеси в различных точках образца применяют сканировани Исследование проводят с помощью приборрв, например, типа MAP(СССР), JXA (Япбния), Caffleca (франция). Размер исследуемого кристалла не может быть более мм, что обусловлено размером камеры, в которую помещают излучаемыйобразец. Оборудование обслуживает высококвалифицированный персонал. Для размещения прибора необходимо помещение площадью не менее 15 м . Точность определения локальной концентрации примеси 15% ГЗ.

Недостатками этого способа являются необходимость использования дорогостоящего оборудования, слож.иого в эксплуатации, размеры образцов для исследования не могут превышать 13x15 мм. Кроме того, работы проводятся с рентненовским излучением.

В связи с необходимостью получения оптически однородных монокристаллов уже недостаточно иметь информацию только о суммарной концентрации примеси или о концентрации примеси, изоморфно замещающей узлы кристаллической решетки. Необходимо знать ту .или другую величину, причем нужна информация не об общем содержании

примеси, а о ее локальном ,распределении.

Цель изобретения - упрощение процесса и одновременное определение . суммарной концент рации примеси и концентрации примеси, изоморфно входя-щей в кристалл.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу локального определения концентрации окрашивакицей

примеси в кристаллах, включающему сканирование образца, о концентрации судят по относительной интенсивности почерненияЕсу 3/2(gJ(j фотопленки, получаемой экспонированием образца в отраженном свете в оптическом микроскопе, при этом величину концентрации С определяют, исходя из зависимости gtl/lgtlo f (с), где 3 - интенсивность почернения исследуемого образца/ Зо - интенсивность почернения нулевого образца.

На чертеже представлен график градуировочной зависимости {дЗ/1д п f(c).

Способ осуществляется следукяцим образом.

Образец, концентрацию окрашивакнцей примеси в котором необходш о определить, и контрольный образец, не содержащий примеси (нулевой образец) , фотографируют на отражение на одной пленке с помощью оптического микроскопа. На эту,-же пленку впечатывают стандартный ослабитель, пленка промывается и закрепляется. Затем эту плейку сканируют и фотометрируют. Зная табличные данные интенсивности почернения ступеней ослабителя, прежде всего строят характеристическую кривую для данного ослабителя, а затем

полученное значение почернения в отдельных точках исследуемого и нулевого образца пересчитывают по характеристич ской кривой и определ яют значение логарифмов интенсивности нулевого ig Q и исследуемого образца 1дЗ . Зная отношение Ig3/tg и предварительно построив градуировочную кривую lgt /lgtljj f (с) для образцов с известной концентрацией примеси, определяют концентрацию примеси в исследуемом образце. Одновременное фотографирование исследуемого, нулевого образца и стандартного ослабителя, а затем проявление и закрепление фотопленки, по- зволяют избежать ошибки, связанной с условиями зкспонирования и обработки фотопленки. Условия съемки подбираются таким образом, что почернение образцов соответствует линейному участку характеристической кривой. Если имеется пропорциональность меяоду концентрацией примеси изоморфно замещающей узлы кристаллической решетки и не входящей в них, то по градуировочной кривой определяется суммарная концентрация примеси и концентрация примеси, изоморфно входящей в кристалл.

Предлагаемый способ прост в исполнении, состоит фактически из двух простых операций: фотографирования выбранного участка поверхности образц н последующего фотометрирования фотопленки, не Ti)e6yeT специального сложного дорогостоящего оборудования, нет необходимости работать с рентгеновским излучением, позволяет одновременно определять суммарную концентрацию примеси и. примесн, изоморфно входящей в кристалл. Локальность определения концентрации примеси I мкм. Ошибка определения концентрации не превьшает 15%.

Пример 1. Определение, распределения концентрации хрома в монокристаллах рубина. Прежде всего строят градуировочную кривую. Дпя зтого берут набор образцов с известной,в значительной мере отличагадейся концентрацией примеси. Каждый из зтих образцов одновременно с образцом, не содержащим хрома (нулевым образцом) , фотографируют на отражение на оптическом микроскопе МИМ-7 при увеличении X 70-200. На эту же пленку впечатывают стандартный ослабитель. Время зкспонирования при впе атывании стандратного ослабителя такое же, как и при экспонировании . Пленку проявляют, закрепляют, затем фотометрируют со сканированием на микрофотометре МФ-4. Строят характеристическую кривую для стандартного ослабителя и по ней, зная величину почернения фотопленки в месте, где сфотографирован образец с хромом и нулевой образец, определяют величины и Ig tlo- Зная

величину отношения vlgD/-tgtJo для образцов с известной концентрацией как суммарного хрома, так и хрома, изоморфно входящего в кристалл, строят градуировочную зависимость -1дЗ/1дЗо. f(с) см. черт. Для определения концентрации хрома в исследуемом образце проводят те же операции, что и при построении градуировочной кривой.

0 Исследуемый образец и нулевой образец одновременно фотографируют на микроскопе МИМ-7 на отражение. На зту же пленку впечатывают стандартный ослабитель, пленку проявляют, закрепляют,

5 фотометрируют со сканированием на

микрофотометре МФ-4. Строят характе- ; ристическую кривую для стандартного ослабителя и по ней, зная величину . почернения пленки для исследуемого

0 и нулевого образца, определяют и 1дЗо в каждой точке. В данном случае для исследуемого образца ,32, отношение Ig3/lgtl j 0,84j суммарная концентрация хрома 610 %, концентрация хромаi изоморфно входящего в исследуемый кристалл, равна ДНО. Зная величину С в различных участках кристалла, получают информацию о распределении хрома по объему всего

n кристалла.

Пример 2. Определение концентрации железа в монокристаллах рутила. Проводятся те же самые ..one-, рации, что и при осуществлении примера 1. Строят градуировочную кривую

g3 ig«e f (с) . По ней, зная в каждой точке почернение фтопленки для исследуемого и нулевого образца и построив предварительио характеристическую криВ1ую для ставдартного ослабителя, опре0деляют отношение логарифмов интенсивности исследуемого и нулевого образца. По градуировочиой кривой определяют концентрацию железа в исследуемом образце рутила. Аналогично можно.построSить градуировочную кривую для определения никеля в окиси алюминия, иттрия в алюмоиттриевом гранате, хрома в алюмомагниевой шпинеди и т.д.

В таблице представлены сравнительные характеристики предлагаемого оп. тического и микрорентгеноспектрального способов.

Из таблицы следует, что стоимость 5 оборудования, необходимого для осуществления предлагаемого способа, в 50 раз меньше, чем для осуществления микрорентгеноспектрального,- требуется в 7 раз меньшая площадь и предлагаемый способ позволяет определить суммарную концентрацию примеси и концентрацию изоморфно замещающей примеси, причем локально. Предлагаемый способ пшроко применяется для определения локальных концентраций окрашивающих примесей, для решения вопроса о неоднородности распределения этих примесей в выращиваемых кристаллах, позволяет проводить локальный неразрущающий контроль.

СпектрофотоОптическийметр СФ-4, СФ-8

Микрорентгено- Микроанализаспектральный тор МАР-2

Определяется средняя 4500 концентрация примеси, изоморфно входящей в кристалл

Определяется локально

15 40000 суммарная концентрация примеси