Раздел а. Теоретические сведения

Для того, чтобы перейти непосредственно к обработке и анализу электронных спектров, получаемых на исследуемых образцах, необходимо иметь четкое представление о механизме формирования сигнала от поверхности твердого тела и способах его регистрации. В данном разделе приведены необходимые сведения об используемой аппаратуре, описаны основные этапы подготовки образцов к анализу, экспериментальная установка и обработка полученных спектров с помощью компьютерных программ.

Глава 1. Аппаратура и методы регистрации энергетического распределения вторичных электронов

В методах электронной спектроскопии информацию о свойствах поверхности получают из анализа распределения электронов по энергии. Для анализа пригодны лишь те электроны, вышедшие из твердого тела, которые не потеряли энергию на своем пути в результате многократных хаотических неупругих столкновений. Поэтому методы электронной спектроскопии обладают высокой поверхностной чувствительностью.

1.1. Поверхностная чувствительность методов электронной спектроскопии

С

1. Схема возникновения характеристических электронов

хема возникновения характеристических электронов показана на рис. 1. Электроны, возбужденные на достаточно большой глубине от поверхности, в результате многократных неупругих столкновений потеряют всю свою энергию и останутся в твердом теле. Часть электронов, также испытавших многократные потери энергии, выйдут в вакуум с различными потерями энергии Е и дадут вклад в бесструктурный фон в спектре вторичных электронов. Характеристическими, очевидно, будут только те электроны, которые были возбуждены на глубине, меньшей средней длины свободного пробега электронов в твердом теле . Таким образом, глубина анализируемого слоя определяется величиной  анализируемых электронов.

Результаты экспериментов свидетельствуют, что средняя длина свободного пробега имеет минимум, расположенный вблизи энергии первичных электронов 50  эВ и до некоторой степени не зависит от вещества, в котором движутся электроны [3]. В методах электронной спектроскопии анализируются электроны, энергия которых не превышает 2000 эВ. Глубина анализируемого слоя для этих электронов не превышает 50 Å. Этим обусловлена высокая поверхностная чувствительность методов электронной спектроскопии. В ряде методов, таких, например, как спектроскопия характеристических потерь энергии электронов, глубину анализируемого поверхностного слоя можно менять, изменяя энергию первичных электронов. Таким способом можно менять глубину анализа приблизительно на порядок – от 5 до 50 Å.

Существуют две причины, по которым анализ поверхности должен осуществляться в сверхвысоком вакууме. Во-первых, длина свободного пробега электронов, эмитированных поверхностью исследуемого образца, должна быть намного больше размеров спектрометра, чтобы на пути к анализатору они не претерпели рассеяния и, тем самым, не были утрачены для анализа. Согласно молекулярно-кинетической теории газов [4] средняя длина свободного пробега молекул определяется соотношением:

(1)

где k_B – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; d – диаметр молекулы; P – давление.

Оценки средней длины свободного пробега молекул азота для различных давлений приведены в таблице 1. Поскольку размеры измерительных камер спектрометров не превышают нескольких десятков сантиметров, то первое условие удовлетворяется уже при давлении 10^-5 … 10^-6 Торр. Эта область давлений соответствует высокому вакууму (ВВ) и реализуется в обычных растровых или просвечивающих электронных микроскопах.

Таблица 1.

КИНЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МОЛЕКУЛ АЗОТА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДАВЛЕНИЯХ

Давление, Торр	Средняя длина пробега, см	Скорость поступления частиц, с-1·см-2	Время адсорбции монослоя, с
10-2	0,5	3,8 1018	3 10-4
10-4	51	3,8 1016	3 10-2
10-5	510	3,8 1015	0,3
10-7	5,1 104	3,8 1013	30
10-9	5,1 106	3,8 1011	3000

Вторая причина связана с высокой поверхностной чувствительностью методов электронной спектроскопии. Поскольку большинство анализируемых электронов образуется в нескольких верхних атомных слоях, то результаты экспериментов весьма чувствительны к поверхностным загрязнениям любого рода.

Если каким-либо способом получена атомарно чистая поверхность для исследования, то адсорбция остаточных газов в камере высокого вакуума будет приводить за время, сравнимое с длительностью эксперимента, к существенным изменениям состояния поверхности.

Скорость поступления частиц на поверхность определяется соотношением [1]:

, (2)

где P –давление газовой фазы у поверхности; m – масса молекулы.

Для практических расчетов формулу (2) удобно представить в ином виде, где давление выражается в миллиметрах ртутного столба, Т в Кельвинах, а масса молекулы заменяется ее молярной массой М:

, (3)

здесь скорость поступления имеет размерность молекула/(cм²c).

Используя соотношение (3), можно вычислить время образования монослоя в предположении, что поверхностная плотность атомов в завершенном поверхностном слое составляет приблизительно 10¹⁵ атомов на квадратный сантиметр и все молекулы, поступившие на поверхность остаются на ней (коэффициент прилипания равен единице). Полученные таким образом кинетические параметры для молекул азота (N₂) при различных давлениях приведены в таблице 1.

Поскольку реальный коэффициент прилипания молекул к поверхности значительно меньше единицы, то время образования монослоя значительно больше указанного в таблице 1. Для чистых полупроводников (Si, Ge, GaSb, InSb) вероятность прилипания кислорода лежит в интервале 10^-2 … 10^-4 [5]. Инертные газы практически не остаются на поверхности металлов.

Таким образом, для сохранения атомарно чистой поверхности в процессе эксперимента необходимо поддерживать вакуум 10^-9 … 10^-10 Торр. Это область сверхвысокого вакуума (СВВ). Современные вакуумные камеры из нержавеющей стали, магниторазрядные и сорбционные насосы позволяют без больших проблем создать и поддерживать необходимое время требуемые условия вакуума.