книги из ГПНТБ / Деркач, В. П. Электроннозондовые устройства
.pdf
в. П. ДЕРКАЧ, Г. Ф. КИЯШКО, М. С. КУХАРЧУК
ЭЛЕКТРОННОЗОНДОВЫЕ
УСТРОЙСТВА
АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР
В. П. ДЕРКАЧ
Г. Ф. КИЯШКО
М. С. КУХАРЧУК
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКОВА ДУМКА»
ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ КИБЕРНЕТИКИ
ЭЛЕКТРОННОЗОНДОВЫЕ
УСТРОЙСТВА
КИЕВ - 1974
6ФО.З
Д36
У ДК 621. 386.8+537.533.3
Р е ц е н з е н т ы :
кандидат технических наук
В. М. Корсунский,
кандидат физико-математических наук
А. И. Носарь
уц - ц / у / £
Л?
Го' ЧНЛЯ науч.
биб)
Э' ЧИТАЛА
/
Редакция физико-математической литературы
30407—046 Д М221(04) —74 16—74
< © |
Издательство «Наукова думка» 1974 г. |
|
П Р Е Д И С Л О В И Е
Электроннозондовые устройства являются высокоэффектив ными современными средствами познания живой и неживой приро ды. Наиболее распространенные среди приборов этого класса элек тронные микроскопы (ЭМ) появились чуть больше четырех десяти летий тому назад. А сегодня они широко применяются практически во всех отраслях науки и техники. Кроме того, создаются новые оригинальные устройства с электронным зондом, учитывающие специфику областей их использования. Благодаря этим тонким ин струментам ученые раскрыли многие тайны микроскопического мира, проникли на молекулярный и атомный уровни строения вещества, изучили глубоко спрятанные от невооруженного глаза явления, процессы и закономерности.
Электроннозондовые устройства открывают большие возможнос ти и перспективы в микроэлектронике, где все шире и шире приме няются в качестве бесконтактных средств контроля. Такие устрой ства позволяют получать высокие плотности размещения компонен тов интегральных схем, снижать стоимость и повышать эффектив ность производства этих изделий.
В СССР и за рубежом быстро улучшаются конструктивные и экс плуатационные характеристики электроннозондовых приборов, со вершенствуются методы получения с их помощью разнообразной информации об исследуемых объектах. Уже разработаны микроскопы с ускоряющим напряжением 3 Мэе для изучения образцов большой толщины и получена теоретически достижимая разрешающая способ ность 2—3 А.
По характеру проводимых исследований микроскопы подразде ляются на приборы для исследований прозрачных для электронов объектов (просвечивающие с неподвижным зондом, теневые и раст ровые просвечивающие ЭМ) и для исследования массивных объектов (эмиссионные, отражательные, зеркальные и растровые).
К началу 70-х гг. в мире имелось около 350 просвечивающих микроскопов высокого (5—10 А), 3000 среднего (15—20 А) и 500 низ кого (60—100 А) разрешения, 200 растровых, 50 вторичноэмиссион ных микроскопов, 500 рентгеновских микроанализаторов. Ежегодно в промышленно развитых странах выпускается приблизительно 1000 просвечивающих электронных микроскопов.
Достоинства рассматриваемых в настоящей книге устройств и мето дов исследований, а также широкая их применимость обусловлены
5
прежде всего тем, что электронный пучок может быть относительно легко сфокусирован и быстро установлен в нужную точку, а взаи модействие ускоренных электронов с изучаемым объектом, которое может быть неразрушающим, вызывает в соответствующих цепях сигналы, зависящие от свойства объекта и других контролируемых условий. Получение таким способом информации возможно на осно ве различных физических процессов, происходящих при облучении изучаемых образцов, и в первую очередь на основе имеющихся сведений о закономерностях проникновения электронов в вещество, их рассеяния и дифракции, возникновения вторичных и обратно рас сеянных электронов, возбуждения характеристического рентгенов ского и катодолюминесцентного излучений, индуцирования прово димости в полупроводниках и некоторых других явлений и эффектов.
В этой книге предпринята попытка обобщить наиболее важные сведения о физических основах электроннозондовой техники, прин ципах действия, конструктивных особенностях и информационных возможностях различных устройств этого типа, в том числе традици онных электронных микроскопов и относительно новых устройств со сканирующим лучом. В гл. IV, посвященной сканирующим зондовым приборам,рассмотрены также рентгеновские микроанализаторы, для которых принцип сканирования не является первоопределяющим. Тем не менее,такое расположение материала удобно по той причине, что современный растровый микроскоп и рентгеновский микроана лизатор часто выполняются в виде единого прибора.
Впервой главе мы ограничились изложением лишь некоторьи основных принципов электронной оптики, имеющих наиболее важ ное значение для понимания возможностей электроннозондовых устройств.
Взаключительной части книги описаны всевозможные методы исследований с помощью электроннозондовых устройств, которые используют специалисты различных профилей, а также даны приме ры полученных ими результатов для иллюстрации возможностей этих методов. Разумеется, на отбор материалов для заключительной главы повлияло то обстоятельство, что авторы работают в области изыскания новых физико-технологических принципов построения компонентов ЭВМ. Однако многие сведения будут полезны для ис следователей, работающих в разных областях науки.
Мы далеки от мысли, что работа лишена недостатков и с благо дарностью примем замечания читателей.
Г л а в а I
ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ОПТИКИ
В основе действия электронного зонда лежат следующие его осо бенности:
1)пучок электронов может быть сфокусирован,
2)пучок может быть отклонен в нужную точку,
3)электроны взаимодействуют с объектом (причем возможно неразрушающее взаимодействие), и возникающие при этом сигналы зависят от свойств объекта.
Вспомним некоторые основные положения теории движения за ряженных частиц.
§ 1. ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКАЯ АНАЛОГИЯ
Известно, что движение материальной точки в силовых полях можно описать законами, аналогичными законам световой оптики
И, 2, 3].
Воптике действует принцип скорейшего прихода (принцип Фер ма), согласно которому путь луча в прозрачной среде таков, что вдоль
него время распространения луча, |
выражаемое как |
С |
ds |
мини- |
|||
I |
-----, |
||||||
мально. Здесь ds — элементарная |
|
|
J |
^впт |
|
||
длина пути; оопх — скорость |
|||||||
света в среде. Так как oonT = |
— |
, где с — скорость |
света в ва |
||||
кууме, «опт — оптический |
показатель |
преломления |
среды, |
то |
|||
Г |
ds |
- |
«опт* |
|
|
|
|
J |
°опт |
|
|
|
|
|
|
Этот интеграл будет минимальным |
при условии |
|
|
|
|||
|
Sl |
|
|
|
|
|
|
|
б J* n onrds ^ |
О , |
|
|
( I ) |
||
|
S„ |
|
|
|
|
|
|
где б — символ варьирования, s0 и Si — длины, относящиеся к начальной и конечной точкам траектории, а пот является непрерыв ной функцией координат. Последнее означает, что на данном пути отсутствуют преломление и поглощение света.
В механике для движения материальной частицы справедлив принцип наименьшего действия, состоящий в том, что если полная энергия частицы постоянна, то траектория частицы такова, что
7
вдоль нее действие минимально, т. е. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
в |
я |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 С 2 |
1 |
p idch = |
|
|
|
|
|||
|
|
|
Ч з |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
..i=1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
Р,- — обобщенные импульсы; |
q{ — обобщенные |
координаты; |
|||||||||
А и В — соответственно |
начальная |
и конечная точки траектории, |
||||||||||
|
|
|
которые |
предполагаются |
фиксирован |
|||||||
|
|
|
ными. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Для электрона, движущегося в элек |
|||||||||
|
|
|
трическом и магнитном полях,это выра |
|||||||||
|
|
|
жение может быть записано как |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
б j |
[mv + |
е (^4s)] ds = О, |
(2) |
|||
|
|
|
где |
|
т и е — масса |
и заряд |
электрона |
|||||
|
|
|
соответственно, и— скорость |
его движе |
||||||||
|
|
|
ния |
|
|
(рассматриваем |
нерелятивистский |
|||||
|
|
|
случай), А — вектор-потенциал, s — еди |
|||||||||
|
|
|
ничный вектор, направленный по каса |
|||||||||
Рис. |
1. |
Преломление элект |
тельной |
к |
траектории. |
|
|
|||||
|
ронного луча. |
|
Уравнения |
(1) и |
(2) отражают глу |
|||||||
|
|
|
бокую |
аналогию |
между |
распростра |
||||||
нением |
света в прозрачных |
|
средах |
и |
движением |
заряженной |
||||||
частицы в электромагнитных полях. Траектории электронов в электромагнитном поле подобны световым лучам в прозрачной среде, показатель преломления которой определяется выражением
По [то + е (Д s)].
Величина [mv -f- е (Дэ)] называется электроннооптическим показа телем преломления пэл. Видно, что в общем случае пэл зависит от координат и направления движения электрона, т. е. электроннооп тическая среда неоднородна и анизотропна, причем анизотропия появляется из-за магнитного поля.
Пользуясь аналогией с геометрической оптикой, можно по гра фику поля построить траектории электрона. Так, при прохождении электрона между эквипотенциальными поверхностями с потенциа лами Vi и V2(рис. 1) существующее между ними поле влияет на вели чину и направление скорости электрона таким образом, что изменя ется лишь нормальная составляющая ее, а тангенциальная сохра няется:
иг sinGi = |
o2sin 02. |
|
Здесь Vi — скорость электрона, |
подлетающего к поверхности |
|
v2— скорость электрона, покидающего поверхность V2, |
и 02 — |
|
углы между направлениями скоростей vx и v2 и нормалью к поверх ностям.
8
Отсюда закон преломления электронного луча выражается как
sin et |
|
_ -I / |
| уг | |
sin е2 |
^ |
К |
|Kj | • |
Возможность воздействия управляемыми силовыми полями на электроны позволяет создавать электронные оптические приборы. При разработке их благодаря существованию оптико-механической аналогии можно использовать большой опыт построения оптичес ких инструментов.
Решение многих задач электронной оптики основано на том, что с частицей связывается некоторая волна [3—61. Простейшим слу чаем в оптике является плоская монохроматическая волна, электри ческое поле которой
1 = 10ехр [i(kr — ®0]. |
(3) |
где 8 о— амплитуда волны; k — волновой вектор; г — радиус-век тор; со— частота колебаний; t — время. Если эту волну рассматри
вать как поток квантов света, то р — Hk — их импульс, Е = hto— энергия *. Для плоской (k = const) монохроматической (со = const)
волны р и Е постоянны. Простейшей задачей механики является свободная частица (на которую не действуют силы). У такой частицы
р и Е постоянны, т. е. она является аналогией плоской монохромати ческой волны. Вводя на этом основании для частицы волновой
Г- |
— |
р |
2я |
Е |
вектор k |
—^—= ~ у ~ |
и частоту со = — , получают, что частице, |
||
обладающей |
импульсом |
величиной р, соответствует длина волны |
||
де Бройля |
|
|
|
|
^ _ 2л Н __ h
~Р ~ Р
Обычная волна характеризуется отражением и преломлением при падении на границу двух сред. Одна падающая частица может либо преломиться, либо отразиться, и поэтому волновая функция связывается не с самой частицей, а с вероятностью того, что частица пойдет в определенном направлении. По аналогии с выражением
(3) записывают волновую функцию свободной частицы как
|
|
Y = const exp |
или |
|
. Е |
|
|
|
|
|
Чг = ф (х, У, z) exp I— i- j - t , |
где ф (x , у, |
z) = const exp Н - ^ - г \ ; х , у , z — координаты частицы. |
|
* h = |
h |
где h — постоянная Планка. |
|
2я |
|
9