5. Дослідження хімічного складу та структури поверхневих шарів напівпровідників

5.1. Загальна характеристика методів

Впродовж останнього часу розроблені експериментальні методики і прилади для вивчення хімічного складу і структури поверхні твер­дих тіл. При цьому, поверхнею вважають частину об’єму кристалу, товщиною до десяти атомних шарів, яка розташована під верхнім моноатомним шаром. Розроблені методики дозволяють за допомогою однієї установки дослідити декілька характеристик поверхні (хімічний склад, геометричну і електронну структуру, коливні спектри), а також про­вести очистку і спеціальну обробку поверхні безпосередньо у вимірювальному апараті. Такі дослідження проводять в умовах високого або надвисокого вакууму з використанням зондування поверхні електронними, йонними або атомними пучками, Х- або ультрафіолетовим випромінюванням. При проведенні таких досліджень використовують приймачі і підсилювальні прилади високої чутливості. Тому експериментальна реалізація цих методів є складною і дорогою. Крім цього, існують труднощі з теоретичною обробкою експериментальних результатів, особливо при дослідженні кристалографічної структури поверхні і динаміки поверхневих атомів. Однозначність інтерпретації результатів експериментальних досліджень часто залежить від правильності вибраної структурної моделі, що використовуються. Звичайно, побудова моделі для пояснення результатів досліджень складних структур становить досить важку задачу.

Зазначимо, що впродовж останніх років у галузі діагностики поверхні твердих тіл досягнуті визначні успіхи як у розвитку техніки експерименту, так і в методах теоретичного аналізу триманих експериментальних результатів. Розроблено низку варіантів промислових установок, які дозволяють провадити комплексні дослідження хімічного складу та досконалості кристалічної структури поверхні не лише елементарних, але й складних напівпровідників.

Для отримання інформації про стан поверхні використовують різні типи взаємодії між фотонами, частинками і твердим тілом (рис.5.1). Зондування поверхні здійснюють за допомогою опромінення випромінюванням з різною енергією фотонів, частинками різних енергій (атоми, молекули, йони, електрони), термічними і акустичними впливами, електричним полем.

Рис. 5.1. Засоби зондування та типи вторинних частинок, що використовуються при дослідженні поверхні твердого тіла.

Під дією збудження поверхня твердого тіла випромінює атоми, молекули, йони, електрони і фотони, які виявляють і реєструють високочутливими приймачами. Число можливих комбінацій зондування - детектування досить велике ( 60), що зумовлює велику кількість аналітичних методик і широкі їх можли­вості. Найбільш вживані методи дослідження поверхні твердих тіл зведені в табл.5.1.

Таблиця 5.1.

Основні сучасні методи дослідження поверхні твердих тіл

Метод	Засоби збудження	Емісія, що аналізується	Основна інформація
1	2	3	4
Електронна Оже-спектроскопія	Електрон-ний пучок (зонд)	Оже-електрони	Елементний локаль-ний склад тонких ша-рів матеріалу (d  110-3 мкм)
Х-променева фотоелектрон-на спектроскопія	Х-фотони	Фото-електрони	Хімічний склад при-поверхневих шарів на глибині до (2-4) 10-3 мкм, електронна структура поверхні
1	2	3	4
Мас-спектрометрія вторинних іонів	Йонний пучок (зонд)	Вторинні Йони	Локальний склад при-поверхневого шару завтовшки до 2.10-2 мкм
Спектроскопія розсіювання йонів	Йонний пучок (зонд)	Розсіяні йони	Хімічний склад при-поверхневих шарів на глибині до 10-3 мкм, товщини поверхневих плівок
Термічна адсорбція	Нагрівання	Атоми, молекули, йони	Хімічний склад адсорбційних покрить
Електронно-стимульована десорбція	Електрон-ний пучок (зонд)	Атоми, молекули, йони	Хімічний склад Адсорбційних покрить
Растрова і про-світчувальна електронна мікроскопія	Електрон-ний пучок	Відбиті, розсіяні і вторинні електрони	Геометрична струк-тура поверхні, роз-міри і форма мікро-рельєфу
Йонізаційна спекроскопія	Електрон-ний пучок (зонд)	Розсіяні електрони	Хімічний склад поверхневих шарів і адсорбційних покрить
Спектоскопія характеристич-них втрат	Електрон-ний пучок (зонд)	Непружньо розсіяні електрони	Елементний склад поверхні, енерге-тичний спектр по-верхневих фононів і плазмонів
Дифракція повільних електронів	Електрон-ний пучок (зонд)	Дифрагова-ні електрони	Локальна кристаліч-на структура поверхні поверхневих шарів завтовшки до (5-10).10-4 мкм
Автойонна мікроскопія, атомне зондування	Електричне поле	Йони	Геометрична структу-ра поверхні, елемент-ний склад поверхні