19865

Определение стехиометрии образца методом РОР. Разрешение метода по глубине. Определение толщины пленки методом РОР

Лекция

Физика

Лекция 30 Определение стехиометрии образца методом РОР. Разрешение метода по глубине. Определение толщины пленки методом РОР. С помощью метода Резерфордовского обратного рассеяния можно определить стехиометрический состав однородного образца не прибегая к использо

Русский

2013-07-18

157 KB

6 чел.

Лекция 30

Определение стехиометрии образца методом РОР. Разрешение метода по глубине. Определение толщины пленки методом РОР.

С помощью метода Резерфордовского обратного рассеяния можно определить стехиометрический состав однородного образца, не прибегая к использованию эталонов. Рассмотрим, как решается эта задача.

Имеется многокомпонентный образец, например, АВС, где А, В, С – неизвестные до проведения анализа элементы, равномерно распределенные по объему образца. Суммарная атомная концентрация в образце , где ni также неизвестные атомные концентрации каждого элемента. Относительная атомная концентрация i-го элемента Сi = ni/n0 и . Для определенности будем считать, что МА  МВ  МС, тогда для кинематических факторов выполняются следующие неравенства kА  kВ  kС. В соответствие с материалом предыдущей лекции энергетический спектр обратнорассеянных ионов гелия будет иметь вид, приведенный на рис. 30.1.

Спектр начинается при энергии ЕА = kАЕ0 (с учетом замечания относительно энергетического окна энергоанализатора). Так как геометрия рассеяния задана (образец установлен относительно ионного пучка под углом 0, энергоанализатор относительно образца под углом ), то задан угол рассеяния . Определив из спектра величину ЕА, получим значение кинематического множителя для элемента А, атомная масса которого определяется из соотношения

(30.1)

которое следует из выражения (1.2) для кинематического фактора. Определив МА, мы тем самым определили и ZА.

Высота ступеньки НА (число зарегистрированных ионов при энергии ЕА за время измерения энергетического спектра) определяется упругим рассеянием на ядрах атомов элемента А, расположенных в поверхностном монослое, поэтому в соответствие с (29.4), где Е* = Е0, ее величина может быть записана как

(30.2)

где КА считается исходя из известных значений А = М1/МА и .

При энергиях меньших kАЕ0 спектр образуют ионы, рассеянные на атомах элемента А, расположенных внутри образца. При энергии ЕВ = kВЕ0 вклад в спектр начинают вносить ионы, рассеянные на атомах элемента В. Аналогично вышеописанному, определяются атомная масса и атомный номер элемента В и параметр КВ. Высота ступеньки НВ определяется упругим рассеянием на ядрах атомов элемента В, расположенных в поверхностном монослое и ее величина может быть представлена с помощью (30.2). При энергии ЕС = kСЕ0 вклад в спектр начинают вносить ионы, рассеянные на атомах элемента С. Таким образом, по положению ступенек в спектре мы определили элементный состав образца.

Для определения стехиометрии запишем отношение НВ/НА

.

Аналогично

.

Так как значения НА, НВ и НС (величины ступенек) определены экспериментально в энергетическом спектре, то с учетом, что , получаем систему из трех уравнений с тремя неизвестными СА, СВ и СС

(30.3)

которая легко решается (если образец состоит из n элементов, то получается система из n уравнений).

После того как СА, СВ и СС определены, из них выбирается минимальное значение, пусть СС = min{СА, СВ, СС}, тогда в стехиометрической формуле = 1; = СА/СС и = СВ/СС. Таким образом, поставленная задача полностью решена.

При реализации описанной методики необходимо иметь в виду, что анализируется фактически поверхностный монослой образца, поэтому перед проведением анализа поверхность должна быть очищена с помощью одного из методов, рассмотренных в прошлом семестре. Если такая очистка не сделана, то будет проанализирован слой поверхностных загрязнений, что иногда тоже является предметом анализа.

Разрешение метода РОР по глубине образца можно определить из следующих соображений. В соответствие с материалом предыдущей лекции для энергии иона перед процессом упругого рассеяния можно написать следующие два равенства

,

исключив из которых Е*, получим

и, следовательно,

.

Взяв дифференциал от обеих частей последнего равенства, с учетом того, что в правой части изменяемой величиной является только Е(t), получим выражение для разрешения по глубине в следующем виде

(30.4)

В данном выражении неопределенность в измерении энергии обратнорассеянных ионов Е определяется двумя основными факторами. Первый – физический, связанный с эффектом страгглинга, подробно рассмотренный в предыдущей лекции. Второй – технический, связанный с конечной шириной энергетического окна энергоанализатора. Так как эти два фактора не зависят друг от друга, то , где ЕВ = 2,35В. Для конкретного поверхностно-барьерного детектора (А – конкретное число), разрешение по глубине t тем лучше, чем меньше числитель дроби в (30.4). Отсюда следует, что оптимальной с точки зрения разрешения по глубине является геометрия измерения, в которой 0  90о (0 всегда 90о) и   270о ( всегда 90о). Обычно используют геометрию с 0 = 80-85о и = 250-255о, в этом случае угол рассеяния   170о. Стандартная геометрия, в которой реализуется метод РОР, приведена на рис. 30.3.

Рассмотрим, как с помощью метода РОР можно определить толщину пленки из материала (Mпл, Zпл), нанесенную на подложку (Mподл, Zподл). Как будет ясно из дальнейшего, это можно сделать только при условии Mподл  Mпл. Схема рассеяния приведена на рис. 30.3. Ионы пучка (M1, Z1) с начальной энергией Е0 испытывают однократное упругое рассеяние на атомах материала пленки вплоть до точки 2, расположенной на границе раздела пленка-подложка. Если толщина пленки t, то ширина энергетического спектра от пленки Епл = kплЕ0Е(t). В приближении энергии на поверхности в точке 2 перед упругим рассеянием ион имеет энергию

.

После упругого рассеяния энергия иона

.

На выходе из пленки энергия иона

.

Следовательно

   (30.4)

и толщина пленки определяется выражением

(30.5)

Максимальная энергия ионов, рассеянных на атомах подложки

.    (30.6)

Если эта величина меньше Е(t), то спектр от подложки будет разнесен со спектром от пленки, как это показано на рис. 30.3. Для выполнения этого условия необходимо чтобы kподл  kпл и, соответственно Mподл  Mпл.

Подобный метод определения толщины пленки дает наибольшую точность при толщинах пленки, когда можно пренебречь эффектом страгглинга. В этом случае ошибку в измерение вносит только ширина энергетического окна поверхностно-барьерного детектора. При использовании электростатического энергоанализатора с Е = 10-4 данный метод позволяет измерять толщины пленок ~ 10 Å.

Рассмотрим реализацию данного метода на конкретном примере. Имеется Nb-пленка толщиной 100 Å на Si-подложке. Измерение проводится с помощью ионов Не с энергией Е0 = 2 МэВ в геометрии 0 = 85о, = 255о и, следовательно, угол рассеяния = 1700. В этом случае kпл = 0,843, kподл = 0,566 и kпл Е0 = 1,685 МэВ (начало спектра от пленки). Так как пленка тонкая, то можно считать, что Евх =  и для ионов, рассеянных на атомах первого монослоя подложки, Евых = . Для ионов гелия в ниобии  53,4 эВ/ Å, соответственно, Евх = 5,340 кэВ; = 57,8 эВ/ Å и Евых = 5,780 кэВ. В соответствие с (30.4) ширина спектра от пленки Епл = 74 кэВ, т.е. спектр от пленки закончится при 1,611 МэВ. Спектр от подложки в соответствие с (30.6) начнется с 1,071 МэВ. Таким образом, спектры от пленки и подложки хорошо разделены. В соответствие с (30.) точность измерения толщины пленки для ПБД с А = 15 кэВ равна

= 20 Å.

В случае использования электростатического энергоанализатора с Е = 10-4 точность измерения составит 2 Å.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53395. ІНДУКЦІЯ – МЕТОД ПІЗНАННЯ ІСТИНИ 59 KB
  Як виховати цілісне мислення як сформувати ставлення до математики як до цілісної системи яка забезпечує світопізнання розвиток інтелекту показати практичне застосування логічних методів для встановлення істини у житті людини Покажемо це на прикладі вивчення теми “Індукціяâ€. У перекладі з латинської термін “індукція†означає â€œнаведенняâ€. Розрізняють кілька видів індуктивних міркувань: міркування за схемою “повна індукція†та міркування за схемою “неповна індукціяâ€. Це індукція шляхом переліку популярна індукція та...
53396. На шляху до сучасності: утвердження індустріального суспільства у провідних державах світу 91.5 KB
  Мета уроку: Систематизувати узагальнити та конкретизувати знання та уявлення учнів про розвиток провідних держав світу в 2 половині ХІХ ст. Тип уроку: урок узагальнення та систематизації знань умінь і навичок. Після цього уроку учні зможуть: Характеризувати процес завершення формування індустріального суспільства у провідних державах Європи та...
53397. Використання інформаційних технологій на уроках математики 1.49 MB
  Застосування компютерної техніки на уроках дозволяє зробити урок нетрадиційним яскравим насиченим наповнюючи його зміст знаннями з інших наочних областей що перетворюють математику з об'єкту вивчення в засіб отримання нових знань. Ефективність застосування нових інформаційних технологій на уроках математики обумовлена наступними факторами: 1 різноманітність форм представлення інформації; 2 висока степінь наочності; 3 можливість моделювання за допомогою компютера різноманітних обєктів і процесів; 4 звільнення від рутинної роботи...
53398. Засоби пошуку інформації в Інтернеті. Принципи функціонування веб-каталогів та пошукових систем. Стратегії пошуку інформації 1.56 MB
  Сьогодні на уроці продовжим вивчати сільське господарство, характеристику тваринництва, узагальнемо спеціалізацію сільського господарства, ознайомимось і оцінемо проблеми і перспективи розвитку сільського господарства, завершимо виконання практичної роботи №9, використовуючи знання з інформатики.
53399. Алгоритм 434 KB
  В цей час решта членів команд задіяні в перехресному опитуванні: задають один одному по 3 теоретичних питання за темою, які готували дома заздалегідь, причому, задають питання та дають відповіді різні члени команди. Оцінює команди журі, до складу якого входять 2 найбільш підготовлених студента (1 бал за кожну правильну відповідь). Вони ж здійснюють контроль часу.
53400. Засоби масової інформації 66 KB
  Good afternoon boys and girls. I’m very glad to see you. We are also pleased to see our guests today and we’ll try to make our lesson useful and interesting. Today we are having our last lesson on Mass Media and our aim is to generalize our knowledge on this question and to get to know something new concerning mass media.
53401. Основні команди роботи з робочою книгою та її аркушами 607.5 KB
  Актуальність теми : при роботі з великими обємами даних важливе значення відіграє їх наглядність та наочність. І навіть наша приймальна комісія використовує електронні таблиці для сортування абітурієнтів та створення бази даних та ведення документації по прийому технікуму.Навчальні цілі заняття : знати правила створення формул в Excel математичні функції СЧЕТЕСЛИ ЧСТРОК ЕСЛИ ІІ рівень абстракції; Оволодіти навичками заповнення електронних таблиць ручним та автоматичним типом вводу даних навчитися проводити розрахунки за...
53402. Інтелектуальне інформ –кафе 525 KB
  Мета: в ігровій формі дати можливість старшокласникам проявити свої розумові та творчі здібності; повторити й закріпити основний матеріал у нестандартній формі; розширити знання про звязки інформатики з іншими предметами; сприяти інтелектуальному та духовному розвитку особистості; розвивати стійкий інтерес до інформатики; формувати творчу особистість; формувати...
53403. Уведення та редагування тексту. Перевірка правопису 69 KB
  Мета уроку Навчальна: Вдосконалити основні знання про текстовий редактор Microsoft Word та його можливості навчити вводити та редагувати текст засобами текстового процесора створювати документи за певною структурою засвоїти правила введення тесту навчитись проводити перевірку правопису. Тип уроку Урок засвоєння нових знань формування умінь та навичок Обладнання Компютери підключені до локальної мережі текстовий процесор Microsoft Word текстовий документ до уроку UROK. Повідомлення теми та плану роботи на уроці мети та завдань...