тмиэт / тмиэт / Alford Terri M. _Fundamentalnye osnovy analiza nanoplenok (1)

Нашим женам и детям Катерине и Дилан, Бетти, Грегу иДане, и Бетти, Джиму, Джону, Франку, Хелен и Биллу.

Предисловие

Важной особенностью развития современных технологий является учет влия­ ния поверхностей и приповерхностных слоев на различные свойства материалов. Это особенно важно для объектов с характерными размерами нанометрового мас­ штаба. Данная книга посвящена рассмотрению проблем фундаментальной физи­

ки, лежащих в основе методов, используемых для изучения поверхностей и при­

поверхностных слоев материалов. Появление и развитие таких аналитических ме­

тодик, основанных на явлениях взаимодействия частиц и излучения с веществом,

обусловлено, прежде всего, ростом технологических потребностей. Ионная им­ плантация, электронные пучки и лазеры используются также и для модификации состава и структуры материалов. Осаждение потоков частиц, получаемых с помо­ щью различных источников, позволяет получать пленочные материалы. Так, эпи­

таксиальные слои могут быть получены с использованием молекулярных пучков,

а также с помощью физического и химического газофазного осаждения. Методи­ ки, основанные на изучении взаимодействия с частицами, позволяют, например, обеспечить контролируемые условия окислительных и каталитических реакций.

Ключом к успешному использованию данных методик является широкая доступ­ ность аналитических технологий, чувствительных к составу и структуре твердых

тел на нанометровом масштабе.

Данная книга ориентирована на изложение физики, лежащей в основе анализа поверхности материалов. Также в ней излагаются фундаментальные принципы такого анализа. Возможность использования того или иного способа анализа ма­

териала напрямую следует из понимания процессов, определяющих конкретные

значения энергий и интенсивностей испускаемых частиц и/или фотонов.

Современные методы анализа материалов основываются на использовании

явлений взаимодействия твердого тела с потоками частиц или электромагнитны­

ми волнами. Эти взаимодействия и появляющиеся в результате него излучение/ частицы подчиняются фундаментальным физическим законам. Определение па­

раметров излучения и частиц, появляющихся в результате взаимодействия, дает

информацию о составе и структуре твердого тела. Анализ элементного состава основывается на анализе энергий испущенных частиц или излучения; определе­ ние концентрации атомов основано на измерении интенсивности излучения. В

книге обсуждаются детали соответствующих методов, позволяющих выявить эту информацию. Фундаментальными основами анализа материалов являются куло­

новское рассеяние на атомах вещества (спектрометрия резерфордовского обрат­

ного рассеивания), образование внутренних вакансий в электронной структуре (Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия), переходы между энергетиче­ скими уровнями (электронная и Оже спектроскопии) и когерентное рассеяние (Рентгеновская и электронная дифрактометрия). Профили изменения состава

получают, используя распыление анализируемого материала тяжелыми ионами

в комбинации с методами анализа поверхностей (электронная спектроскопия и масс-спектрометрия вторичных ионов). Определение изменений в составе припо­

верхностной области также получают при помощи анализа энергетических потерь

ионов легких атомов (резерфордовское обратное рассеяние и соответствующий элементный анализ). Структура поверхностных слоев может быть определена при помощи дифракции (дифракция рентгеновских лучей, дифракция электронов и низкоэнергетических электронов), упругого рассеяния (туннелирование ионов) и зондовой микроскопии (туннельная и атомно-силовая микроскопия).

Поскольку данная книга ориентирована на изложение фундаментальных ос­

нов современного анализа поверхности на наномасштабе, в ней приводится вывод формул для определения основополагающих параметров - энергии и поперечно­

го сечения или вероятности перехода. Структура изложения материала в книге

организована таким образом, что сначала излагаются классические концепции, применяемые для описания столкновений атомов, которые играют важную роль

в Резерфордовском рассеянии (Глава 2), спектроскопии энергетических потерь (Глава 3), распыления (Глава 4), каналирования (Глава 5) и взаимодействии элек­ тронов (Глава 6). Приводится обзор дифракционных методов, используемых для структурного анализа как в терминах реального пространства (дифракция рент­ геновских лучей, Глава 7), так и для обратной кристаллической решетки (диф­ ракция электронов, Глава 8). Описание поперечного сечения фотоэлектрических явлений и квантового выхода флюоресценции требует понимания волновой меха­ ники. В связи с этим в Главе 9 приводится анализ волнового уравнения и теория возмущений. Эти понятия используются также при обсуждении фотоэлектронной спектроскопии (Глава 1О), излучательных переходов (Глава 11) и безызлучатель­ ных переходов (Глава 12). Глава 13 посвящена использованию методик ядерной физики для анализа тонких пленок. И наконец, в Главе 14 представлено обсужде­

ние методов сканирующей зондовой микроскопии.

Данная книга представляет собой существенное расширение предыдущего из­ дания "Фундаментальные основы анализа тонких пленок" Фельдмана и Майера

("Fundamentals of Thin Films Analysis, Ьу Feldman and Mayer"). Были добавлены

несколько новых разделов, отражающих прогресс в технике анализа ультратонких

пленок и наноструктур.

Все авторы книги активно участвуют в исследовательских программах, по­

священных анализу материалов и осознают потребность во всестороннем рас­

смотрении аналитических технологий, использующихся в анализе поверхностей

наноматериалов и сверхтонких пленок. Понимание фундаментальных основ та­ ких процессов является важным в области, подверженной быстрым изменениям. Несмотря на изменения в приборах и оборудовании, фундаментальные основы

процессов остаются неизменными.

Книга предназначена для специалистов в области материаловедения и инже­ неров, интересующихся использованием различных видов спектроскопии и/или

спектрометрии для анализа образцов; для людей, занимающихся анализом мате­

риалов, которым необходима информация о технике, имеющейся за пределами их лабораторий; и особенно для студентов старших курсов и выпускников, собираю­

щихся использовать это новое поколение аналитических методов в своей научной

работе.

Книга написана с использованием материалов курсов, читавшихся для сту­ дентов старших курсов университета Корнельский (Comell University), Универ­ ситета Вандербилт (VanderЬilt University) и Аризонского университета (Arizona State University), а также материалов кратких курсов для научных сотрудников и инженеров, работающих на промышленных предприятиях в различных странах. Авторы выражают благодарность доктору Дэвиду Теодоре (Dr. N. David Theodore) за его обзор в Главах 7 и 8. Мы также благодарны Тимоти Пенникоку (Timothy

Pennycook) за редакционную работу по рукописи этой книги. Мы признательны

Джейн Йоргенсен (Jane Jorgensen) и Али Авкисой (Ali Avcisoy) за подготовку ил­

люстраций.

коррозию, трение, износ, адгезию и твердость. Информация о составе и структу­ ре приповерхностных слоев материалов может быть также получена с помощью

лазерного излучения, пучков электронов и ионов, а также используя такие тради­

ционные методики, как окисление и диффузия.

В современном анализе материалов имеют дело с: исходным пучком излуче­ ния (также называемого падающим пучком, зондирующим пучком или первичным пучком); пучком частиц - фотонов, электронов, нейтронов или ионов; попереч­ ным сечением взаимодействия; излучением, возникающим в результате взаимо­ действия; и системой детектирования. Основное внимание в данной книге уде­ ляется анализу взаимодействия указанных пучков с исследуемым материалом,

причем акцент делается на анализе интенсивности и энергии излучения, возни­

кающего в результате взаимодействия и выходящего за пределы исследуемого

материала (т. е. испущенного). Как будет показано ниже, энергия испущенных частиц дает нам информацию о наличии или типе атомов, а интенсивность ис­ пущенных частиц позволяет оценить количество атомов (т. е. определить состав исследуемого образца). Источники излучения и системы детектирования также являются важными предметами для обсуждения; тем не менее, основной акцент данной книги делается на способности проводить количественный анализ мате­

риалов, который основывается на изучении процессов взаимодействиях внутри

материала мишени.

1.2. Терминология

Анализ материалов включает количественное описание параметров структу­

ры, состава, количества и распределения вещества по глубине, получаемых с ис­ пользованием имеющих достаточную энергию пучков частиц (например, ионов, нейтронов, альфа-частиц, протонов и электронов) и фотонов (например, инфра­ красное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение). Схематично методики анализа материалов могут быть представлены следующим образом. Падающий поток фотонов или частиц,

имеющих определенную энергию, направляется на поверхность исследуемо­

го материала. Падающее излучение взаимодействует с веществом различными

способами; это взаимодействие (R) вызывает эмиссию имеющих определенную

энергию частиц или фотонов, которые регистрируются с помощью соответству­ ющих детекторов (детектируемые или регистрируемые пучки) (см. рис. 1). Та­

ким образом, основная цель данной книги состоит в анализе твердых тел, исполь­

зуя информацию о взаимодействии (между исходным пучком и твердым телом), энергиях и интенсивностях вторичных (детектируемых) пучков. Поскольку в ходе такого анализа измеряется энергия частиц/фотонов, то в названии различных из­

мерительных методов присутствует приставка СПЕКТРО-, означающая измере­

ние энергии. Остальная часть названия указывает на взаимосвязь между тем или иным падающим на образец пучком частиц/фотонов и регистрируемым пучком.

~

(Rx)

Взаимодействие между

зондирующим пучком

и материалом образца

Рис. 1.1. Схематичное представление фундаментальных принципов анализа материалов.

Зондирующий пучок частиц или фотонов взаимодействует с образцом. Падающая частица или фотон взаимодействует с материалом образца (R) и вызывает испускание разнообраз­

ных фотонов или частиц, формирующих регистрируемый пучок

Например, в случае если регистрируемый пучок состоит из тех же частиц, что и

падающий на образец пучок, такой метод называется СПЕКТРОМЕТРИЯ: спек­ трометрия резерфордовского обратного рассеяния и дифрактометрия рентгенов­

ских лучей. В случае если частицы, составляющие падающий и регистрируемый пучки, имеют различную природу, применяется термин СПЕКТРОСКОПИЯ:

Оже-спектроскопия и фотоэлектронная рентгеновская спектроскопия.

Существует большое количество методик, которые могут использоваться для

анализа твердых тел. Рис. 1.2 дает представление о возможных вариантах.

Внекоторых случаях один и тот же тип излучения используется и как падаю­ щее и как регистрируемое (мы будем использовать общие термины излучение и частицы применительно к фотонам, электронам, ионам и т. д.). Ниже приведены примеры таких методик и обычно используемых для их обозначения аббревиатур (в скобках).

Падающее излучение - первичные электроны; регистрируемое излучение - Оже-электроны: Оже-электронная спектроскопия (ОЭС- AES).

Падающее излучение - альфа-частицы; регистрируемое излучение - альфа­ частицы: спектрометрия резерфордовского обратного рассеяния (CPOP-RВS).

Падающее излучение - рентгеновские лучи; регистрируемое излучение - рентгеновские лучи: рентгеновская флуоресцентная спектроскопия (PФC-XRF).

Вдругих случаях падающее и регистрируемое излучение различаются по сво­

ей природе, как в ниже приведенных примерах.

Падающее излучение - рентгеновские лучи; регистрируемое излучение - электроны: рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС-ХРS).

Падающее излучение - электроны; регистрируемое излучение - рентгенов­ ские лучи: электронный микроанализ (ЭМА-ЕМА).

Падающее излучение - ионы; регистрируемое излучение - вторичные ионы: масс-спектроскопия вторичных ионов (BИMC-SIMS).

КАМЕРА ДЛЯ АНАЛИЗА

ионы

Рис. 1.2. Схема расположения источника излучения и детекторов в методиках анализа

пленок. Способы анализа представлены в виде комбинации почти всех возможных зонди­

рующих и детектируемых типов излучений, т. е. падающих и испущенных фотонов или

падающих ионов и испущенных фотонов. Во многих случаях камеры для исследований

также содержат оборудование для воздействия на образец, например в виде ионного рас­

пыления, а также испарители для напыления или для осаждения материала на чистую

подложку в вакууме

Пучок частиц, падающий на образец, либо упруго рассеивается, либо вызы­

вает переход электронов в атоме с одного энергетического уровня на другой. Рас­

сеянная частица или энергия исходящего излучения несут информацию об атоме. Энергетические уровни, между которыми происходят переходы, являются харак-

ности для получения этой информации. Выбор того или иного метода зависит от решаемой задачи. Например, информацию о химических связях можно получить,

используя методы, в которых реализуются переходы в электронной структуре ато­

мов - это методы электронной спектроскопии. Определение структурных харак­

теристик возможно с использованием методов, основанных на дифракции или на

каналировании частиц.

Обсуждение в следующих главах будет главным образом посвящено анализу

материалов в приповерхностной области толщиной в несколько микрометров. При

этом будет продемонстрировано, как энергия исходящего излучения может служить источником информации для определения качественного состава, а его интенсив­

ность - для количественного анализа материала. Эти базовые принципы составля­

ют фундаментальную основу различных аналитических методов исследования.

1.3. Характерные энергии, единицы измерения и разновидности частиц

За небольшим исключением анализ материалов главным образом состоит в из­

мерении энергии. Несмотря на то, что в системе СИ (или МКС) производной еди­ ницей энергии является 1 джоуль (1 Дж), в анализе материалов традиционно ис­ пользуются электронвольты (эВ). 1 джоуль является слишком большой единицей

для описания взаимодействий на уровне атомов. Электронвольт определяется как

кинетическая энергия, приобретаемая одним электроном, который из состояния

покоя разгоняется разностью потенциалов в один вольт. Поскольку заряд электро­

на равен 1,602·10-19 кулон, а 1 джоуль равен произведению кулона на вольт, то

Часто используются производные от эВ единицы: кэВ (103 эВ) и МэВ (106 эВ). При изучении кристаллической структуры с помощью дифракции рентгенов­ ских лучей условия дифракции определяются межатомными расстояниями и, сле­ довательно, длиной волны фотонов. Длина волны Л равна отношению c/v, где с

где постоянная Планка h = 4,136· I0-15 эВ·с, с= 2,998· 108 м/с; здесь Л измеряется в Нанометрах, 1 НМ = 1О-9 М.

Измерение энергии исходящего излучения позволяет получить информацию об энергетических переходах; поперечное сечение взаимодействия определяет интенсивность взаимодействия. Несмотря на то, что в системе МКС единицей

измерения cr является м2, измеряемые значения, как правило, приводятся в см2 • В

соотношениях, содержащих заряд электрона, более удобно использовать систему единиц СГС, а не систему СИ. Преимущество этой системы очевидны из рассмо-