2.3. Методы исследования пленок

2.3.1. Определение интегральной скорости роста пленки

Измерение толщины пленки проводили на микроинтерференционном

микроскопе МИИ-4 [100].

При работе с белым светом глубина царапины или риски определяется по

следующей формуле:

d 0,27⋅∆ ₂ мкм.

_∆1

(2.3)

55

Для повышения точности измерения толщины пленки использовали

светофильтры, прилагаемые к МИИ-4. Толщину пленки определяли по

соотношению

d∆₂⋅ _мкм,

_∆1

(2.4)

где∆₁ и∆₂ определяются по микрометрическому винту микроскопа. Точность

измерения толщины данных пленок составляет ±30 нм.

Интегральную скорость роста определяли как отношение толщины

синтезированных пленок к времени конденсации

V^d, (2.5)

t

где V - интегральная скорость напыления, t - время конденсации пленок, d -

толщина пленки.

2.3.2. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (рфэс)

Фотоэлектронной спектроскопией называют совокупность методов

изучения электронного строения вещества, основанных на измерении

энергетических спектров электронов, вылетающих врезультате

фотоионизации атомов, молекул или твердых тел.

Экспериментально измеряемой величиной метода РФЭС является

кинетическая энергия фотоэлектронов E_кин, а энергия связи Е_св электрона в

атоме определяется из уравнения Энштейна:

h E_св Е_кинϕ(2.6)

где h - энергия кванта возбуждающего излучения, Е_св - энергия связи

электрона в атоме, определяемая как энергия, необходимая для удаления

электрона на бесконечность, E_кин - кинетическая энергия фотоэлектрона,  -

работа выхода электрона с поверхности Ферми в твердом теле в пространство.

Совокупность значений Е_св электронов, испускаемых снескольких

электронных уровней атома, является характеристикой элемента, поэтому,

применяя РФЭС, можно проводить элементный анализ поверхности

56

материала. Погрешность определения величин Е_св при помощи спектрометра

ЭС-2401 порядка0,1÷0,2 эВ.

Энергетическое положение и относительная интенсивность остовных

уровней атомов в различных химических соединениях дают ценную информацию о химическом состоянии данного элемента в веществе. Химсдвиг - изменение энергетического положения электронного уровня одного и того

же элемента в разных соединениях по сравнению с E_св для свободного

элемента. Химсдвиг может быть обусловлен несколькими факторами:

различием в молекулярном окружении, различным местоположением в кристаллической решетке, степенью окисления и т.д.

Физическая модель химсдвига описывается моделью зарядового

потенциала, в которой энергия Е_i данного остовного уровня атома i в веществе

представляется суммой:

E_i E ^o kq_ii

q_j

_rij

,

(2.7)

где E_io - невозмущенная энергия атомов в свободном нейтральном состоянии,

q_i - заряд на атоме i, обусловленный вышеперечисленными факторами, и

третий член

V_i

_qj

(2.8)

_j1 r_ij

- суммарный потенциал на атоме i, обусловленный «точечными зарядами» на

окружающих атомах j. Таким образом, химсдвиг данного остовного уровня

атома i в соответствии c (2.7) и (2.8) будет

E^i1^ E^i 2^ k q^i1^ q^i 2^ V_i1^ V₂2



или

∆E_i k∆q_i∆V_i . (2.9)

Это означает, что увеличение энергии связи остовного уровня, в первую

очередь, обусловлено уменьшением плотности валентных электронов на атоме i, т.е. появлением на атоме i положительного эффективного заряда.

57

В соединениях А²В⁶ металлический атом А имеет положительный

эффективный заряд, а атом В - такой же отрицательный. С увеличением разности электроотрицательностей между атомами А и В величина эффективного заряда возрастает, следовательно, возрастают и величины химсдвигов противоположного знака у атомов А (положительного) и В (отрицательного).

Поскольку энергия связи электрона в твердом теле на данном уровне E_св

для различных элементов существенно отличается на десятки, сотни и даже

тысячи электроновольт для различных остовных уровней, то измеренные E_св

широко используются для определения качественного элементного состава

вещества и его поверхности. Количественный анализ состава поверхностных слоев образца ~10 нм основан на прямой пропорциональности интенсивности линии и концентрации определяемого элемента в исследуемом образце.

Интенсивность линии рентгеноэлектронного спектра определяется

следующим соотношением [101]:

I T⋅ C⋅⋅1_ 3 sin1⋅⋅ k⋅ e^d /,

 28



(2.10)







где Т - аппаратурный множитель, С - атомная концентрация элемента в

образце,  - сечение фотоионизации данного электронного уровня,  - параметр ассиметрии линии,  - угол между направлениями вылета фотоэлектрона и падающим излучением, обычно =90^о,  - длина свободного пробега фотоэлектрона в веществе, k - параметр, учитывающий вероятность многократной фотоионизации, которая приводит к появлению сателлитов, d - толщина исследуемого слоя, ^΄ - длина свободного пробега в нем фотоэлектрона.

Обычно при измерении относительных интенсивностей одной и той же линии в исследуемом образце и стандартном элементарном веществе изменением величин k и exp(-d/^΄) пренебрегают,  чаще всего лежит в

пределах 1    2, Т~Е_кин-1/2,  - табулированы, ~Е_кин-1/2. Тогда отношение

58

интенсивностей данной линии в исследуемом веществе и стандартном образце

запишется как

I₁ A C₁^ ,

_I2



 C₂

(2.11)

в котором А легко рассчитать в соответствии с (2.10).

Проведение количественного анализа РФЭС на содержание элементов А и В в двухкомпонентном сплаве АВ основано на измерении относительной

интенсивности остовных линий РФЭС I_A/I_A0 и I_B/I_B0 в соответствии с

приближенным выражением:

^I _A / I ⁰_ABE_A⋅_BE_B_⋅ R⁰⋅ N _A N ⁰



A

 _B

B

^,

_{I B} / I ⁰_ABE_B⋅_AE_A R⁰A N ⁰A N _B



(2.12)

B

где _А, _В- средние длины свободного пробега в элементах А и В, _АВ - та же

величина в веществе АВ, R_A0 и R_В⁰ - коэффициенты, определяющие интенсивность эмиссии с поверхности для чистых стандартных образцов, N_А⁰ и N_В⁰ - атомные плотности для чистых стандартных образцов. В данной работе

концентрация элементов рассчитывалась по формуле

C_i

_I_i /_эi _,

_

I /j

j



(2.13)

где I_i - интенсивность спектра i-ой компоненты (как интегральные

интенсивности, так и интенсивности максимумов пиков), _эi - эмпирический

фактор чувствительности элемента.

Применимость подобного расчета проверена и доказана на образцах с известными составами [102].

Анализ химического состава пленок выполнен на спектрометре ЭС-2401. Исследовали пленки сульфида и селенида цинка, синтезированные на кремниевых подложках размерами 10×10 мм при различных температурах

конденсации. Для образцов записывали обзорный спектр. Спектры

возбуждались Mg K_ - излучением (E=1253,6 эВ). Мощность рентгеновской

трубки спектрометра - 150 Вт (при напряжении на рентгеновской трубке 7,5

кВ и токе 20 мА). Для очистки поверхности от адсорбированных загрязнений и

59

удаления измененного по составу поверхностного слоя ~ 10 нм использовали

травление ионами Ar⁺ с энергией 0,9 кэВ и плотностью тока 12 мкА/см².