АндрееваНВ_УсиковаМА_Методы_элементного_анализа_материалов_и_структур

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Н. В. АНДРЕЕВА М. А. УСИКОВА

МЕТОДЫ ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2024

УДК 621.3.049.77–002(07) ББК З 844.1–03с3я7

А65

Андреева Н. В., Усикова М. А.

А65 Методы элементного анализа материалов и структур микроэлектроники: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2024. 164 с.

ISBN 978-5-7629-3392-6

Системноизлагаетсятеорияфундаментальныхвзаимодействий, лежащих восновенаиболеепопулярныхметодовопределенияатомногосоставаповерхности и приповерхностных областей твердого тела: обратного рассеяния Резерфорда, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, электронного микроанализа и электронной Оже-спектроскопии. Рассматриваются практические аспектыпримененияметодовдляанализаструктурмикроинаноэлектроники.

Предназначено для специалистов по материаловедению, работающих в области микроэлектроники и физического приборостроения, аспирантов и студентов бакалавриата и магистратуры высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 28.03.01 и 28.04.01 «Нанотехнология и микросистемная техника», 11.03.04 и 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника», «Материаловедение и технологии материалов», «Химия, физика и механика материалов».

УДК 621.3.049.77–002(07) ББК З 844.1–03с3я7

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Б. Г. Коноплев (Южный федеральный ун-т); НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского».

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

2

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

EDX (или EDS) (Energy-dispersive X-ray Spectroscopy) – рентгеновская спектроскопия с дисперсией по энергии, метод энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии

FAR (Fixed Analyzer Transmission) – режим работы энергоанализатора с постоянной энергией пропускания

FRR (Fixed Retardation Rate) – режим работы энергоанализатора с постоянным коэффициентом замедления

FWHM (Full Width at Half Maximum) полная ширина на уровне поло-

вины высоты

Shake-up satellite – cателлитывстряски Shake-off satellite – cателлитыстряхивания

WDS (Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy) – рентгеновскаяспектро-

скопия с дисперсией по длине волны, метод дисперсионной рентгеновской спектроскопии по длине волны

КРТ теллурид кадмия-ртути РОР* – резерфордовское обратное рассеяние (также употребляются тер-

мины спектроскопия резерфордовского обратного рассеяния, обратное рассеяние Резерфорда)

РСМА рентгеноспектральный микроанализ (также употребляются термины микрорентгеноспектральный анализ, электронно-зондовый рентгеноспектральный анализ, электронно-зондовый микроанализ)

РФЭС– рентгеновскаяфотоэлектроннаяспектроскопия(такжеупотребляетсятермин электроннаяспектроскопиядляхимическогоанализа)

ЭОС – электронная Оже-спектроскопия

ЭСХА (ESCA – Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) – электронная спектроскопиядляхимическогоанализа

* Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов / под ред. С. В. Калюжного. М.: Физматлит, 2010.

3

ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитие современной микроэлектроники подразумевает разработку и созданиеновыхматериалов и структуриневозможно безприменения базовых диагностических методов анализа, в основе которых лежит измерениехарактеристикчастициизлучений, испускаемыхтвердымтеломпривзаимодействии с фотонами, электронами или ионами. Особенности взаимодействия определяются такими физическими процессами, как кулоновское рассеяние на атоме (спектроскопия резерфордовского обратного рассеяния), образование вакансий на внутренних электронных оболочках (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия) и переходы между уровнями (электронный микроанализ и электронная Оже-спектроскопия). Элементный состав образцов идентифицируется по энергии испускаемого излучения, а атомная концентрация – по его интенсивности. Для восстановления профиля концентраций по глубине измеряются потери энергии легкихионов(в методеобратного рассеяния Резерфорда).

Практические аспекты использования методов элементного анализа подразумевают не только знание теории фундаментальных взаимодействий частиц и излучений с твердым телом, но и понимание основных принципов работы диагностического оборудования, описаниюкоторых и посвящено данноеиздание.

Цель учебного пособия – ознакомить читателя с основами теории взаимодействия излучения с веществом, которые используются при анализе элементногосоставаповерхностииприповерхностныхслоевтвердоготела, атакжепоказать, как эти знания применяются в практических задачах материаловедения.

Учебное пособие включает 4 раздела.

Впервом разделеизлагаются физическиеосновыметодаобратногорассеяния Резерфорда, а именно задача классического рассеяния в поле центральных сил. Рассматриваются количественные характеристики рассеяния Резерфорда: переданная атомам мишени энергия при столкновении с легкими ионами, позволяющая идентифицировать атомы образца, а также сечение рассеяния и потери энергии легких ионов, используемые для определения зависимости концентраций элементов от глубины образца. Разбираются типы спектровобратногорассеяниядлябесконечнотолстоймишени, втомчислемишени, в состав которой входят атомы одного или нескольких химических элементов, равномерно распределенных по глубине; подложек с примесными атомами в первом монослое и имплантированными примесными атомами; а также тонкопленочных образцов. Практические аспекты применения спектроскопии

4

резерфордовского обратного рассеяния иллюстрируются на примере детального разбора задачи восстановления структуры образца по модельному спектру обратного рассеяния.

Второй раздел посвящен электронному (рентгеноспектральному) микроанализу– методудиагностикиэлементногосостава, основанномунарегистрации и измерении характеристического рентгеновского излучения материалов, возбуждаемого высокоэнергетичными электронами. С целью облегчения понимания особенностей рентгеновских спектров детально рассматриваются современные представления о строении атома, неупругом взаимодействии электронов с твердымтелом, а также рентгеновских переходах атомов, при которых происходит испускание образцом характеристического рентгеновского излучения. Разбираются способы систематизации рентгеновских переходов, освещаются вопросы локальности метода и количественного анализа. С целью восприятия аспектов использования метода на практике подробно рассматривается обратная задача количественного анализа – моделирование рентгеновского спектра.

В третьем разделе представлены физические основы метода электронной Оже-спектроскопии, в котором идентификация элементного состава поверхности твердых тел осуществляется измерением энергетического распределения характеристических Оже-электронов, испускаемых во время облучения образца высокоэнергетичными электронами. Подробно разбираются безызлучательные Оже-процессы снятия возбуждения, определяющие энергетическое распределение Оже-электронов. Приводятся интерпретация и особенности количественного анализа Оже-спектров, сведения о локальности метода электронной Оже-спектроскопии. На примере моделирования Оже-спек- тра освещаются вопросы, обусловливающие выбор аналитических линий, их энергетическую ширину и интенсивность и определяющие в конечном итоге возможности количественного элементного анализа с использованием метода электронной Оже-спектроскопии.

Четвертый раздел посвящен одному из самых популярных научных методов исследования элементного состава материалов – электронной спектроскопии для химического анализа или рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. В основе метода лежит анализ кинетической энергии характеристическихэлектронов(фотоэлектронов), испускаемыхприоблучениитвердых тел моноэнергетическими рентгеновскими фотонами. С использованием нестационарной теории возмущений определяются количественные основы метода, задаваемые поперечным сечением фотоэффекта. Детально разбираются

5

особенности энергетического спектра фотоэлектронов, включая его первичную (линии остовных и валентных уровней, а также линии Оже-электронов) и вторичную (определяемую спин-орбитальным расщеплением и мультиплетнымрасщеплением, сателлитамиплазмонныхпотерь, встряскиистряхивания) структуры, а также чувствительность к химическому состоянию элементов. Практические аспекты применения метода для количественного анализа элементного состава рассматриваются на примере задачи моделирования фотоэлектронного спектра.

Основу учебного пособия составили материалы курсов лекций «Методы анализа структур электроники и микросистемной техники» и «Методы анализа микро- и наносистем», читаемых Н. В. Андреевой с 2017 г. студентам бакалавриатаимагистратурыпонаправлениям28.04.01 «Нанотехнологииимикросистемная техника», 11.03.04 и 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника».

Авторы выражают благодарость за помощь в освоении курса профессору кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ», д-ру физ.-мат. наук, Петрову А. А. и доценту кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» канд. физ.-мат. наук Ильину В. А.

6

1. СПЕКТРОСКОПИЯ РЕЗЕРФОРДОВСКОГО ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ

1.1.Физические основы

1.1.1.Кинематика упругих столкновений

Метод обратного рассеяния Резерфорда(резерфордовского обратного рассеяния – РОР) относится к группе ядерно-физических методов исследования. Его физическую основу составляет упругое (классическое) рассеяние в поле

центральных сил. Моноэнергетические частицы пучка 1 H + , 2 He+ , 4 He2+ с

энергиями в несколько мегаэлектрон-вольт сталкиваются с атомами мишени, рассеиваются назад и попадают в детектор-анализатор, измеряющий их энергии. Схема экспериментальной установки резерфордовского обратного рассеяния приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема экспериментальной установки для анализа методом РОР

Коллимированныйпучокионовпадаетнаплоскийобразец, закрепленный надержателеввакуумнойкамере. Частицы, рассеянныеподугломθ, регистрируются полупроводниковым детектором ядерных частиц

Кинематика упругого столкновения двух изолированных частиц полностью описывается законами сохранения энергии и импульса. Атомы мишени в задаче считаются изолированными, поскольку энергии налетающих частиц намного превышают энергию связи атомов в твердых телах (~ 10 эВ).

ния скоростей v1 , v2 и энергий E1 , E2 налетающей частицы и атома мишени

определяютсяугломрассеянияθиугломотдачиϕ(рис. 1.2). Углыθиϕотсчитываются отнаправления начальногодвижения частицы и всегда положительны.

7

Под углом θ располагается детектор, который регистрирует количество рассеянных частиц и их энергию E1 KM2 E0 .

При обратном рассеянии на угол 180º отношение энергий достигает своего минимального значения:

Если мишень содержит несколько типов атомов, то направление θ 180 являетсянаилучшимдляразмещениядетектора(напрактике θ 170 из-зако- нечных размеров детектора). В этом случае изменение M2 (при фиксирован-

ной массе M1 M2 ) сопровождается максимальным изменением кинематического фактора ( KM2 ). Максимальное изменение KM2 обеспечивает наибольшую разность энергий частиц E1, измеряемых после рассеяния на разных атомах мишени.

Таким образом, величина KM2 определяет разрешение по массе элементовмишени: чембольше KM2 , тембольшеэнергетическаяразность E1. Посколькузначение E1 зависитотэнергии E0 , тодляанализаблизкихпомассам элементов целесообразно использовать ускоренные частицы с большей E0 .

Возможность разделения двух типов атомов мишени, массы которых различаютсянамалуювеличину M2 , будетопределятьсяконечнымразрешениемде-

тектирующейсистемыпоэнергии Eдет. При E1 Eдет разницамеждуэнер-

гиямичастиц, рассеянныхатомамиразныхмасс, прибораминерегистрируется. При использовании поверхностно-барьерных полупроводниковых детекторов для измерения энергии обратнорассеянных частиц разрешение Eдет

ограничивается флуктуациями количества электронно-дырочных пар, генерируемых рассеянной частицей в чувствительной области запертого обратным напряжением диода Шотки. Статистические флуктуации приводят к «расплыванию» выходного сигнала детектора, имеющего вид электрических импульсов. Амплитуды этих импульсов пропорциональны энергиям падающих частиц. Энергетическое разрешение детектора определяется по полной ширине сигнала на половине его высоты (FWHM).

Для ионов 4 He с энергиями порядка мегаэлектрон-вольт энергетическое разрешение полупроводниковых детекторов составляет 10…20 кэВ.

9

Анализаторамплитудыимпульсоврегистрируетимпульсысразнымиамплитудами в разных каналах. Нумерация каналов определяется амплитудой импульсов и однозначно соответствует энергии частицы.

Таким образом, тип атомов мишени идентифицируется по значениям энергии, которую имеет рассеянная частица после упругого столкновения.

1.1.2. Сечение рассеяния

Количество атомов мишени на единицу площади в методе РОР определяется по вероятности столкновения с налетающей частицей. Вероятность рас-

где N s – количеcтвоатомовмишенинаединицуплощади(длятонкоймишени толщиной t , содержащей N атомов на сантиметр в кубе, Ns N t ).

Количество атомов мишени на 1 см2 ( N s ) связано с количеством зарегистрированных детектором рассеянных частиц (QD ) (эквивалентных количе-

ству импульсов, образующих соответствующий пик в спектре обратного рассеяния) следующим образом:

где Q – полное число налетающих частиц.

Сечение рассеяния вычисляется, исходя из силы взаимодействия частиц во времястолкновения. Этасилаопределяетсянеэкранированнымкулоновскимотталкиванием двух положительно заряженных ядер с зарядами, равными атомным числам Z1 и Z2 налетающего иона и атома мишени соответственно.

Выражение для сечения рассеяния σ нерелятивистских заряженных частиц в телесный угол Ω в кулоновском (центральном) поле другой неподвижной заряженной частицы было впервые получено Резерфордом:

10