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

3674. Аналіз позакласних виховних заходів 29 KB
  Аналіз позакласних виховних заходів Важлива роль у вихованні студентів, розширенні і поглибленні їхніх знань, розвиткові творчих здібностей належить спеціально організованій в Рівненському музичному училищі виховній роботі у позанавчальний час. Поза...
3675. Загальне мовознавство Конспект лекцій 147 KB
  ЛЕКЦІЯ № 1 ВСТУП МЕТА: з’ясувати суть, мету, предмет і об’єкт загального мовознавства, його роль і місце в лінгвістичній освіті. ПЛАН 1. Мета, завдання курсу "Загальне мовознавство". 2. Місце серед інших лінгвістичних дисциплін. 3. Загальн...
3676. ЕП системи наведення з керуванням на основі програмованого логічного контролера VIPA-100. 5.95 MB
  За темою бакалаврської кваліфікаційної роботи мною був розроблений і виготовлений стенд з електромашинним агрегатом для дослідження ЕП системи наведення з керуванням на основі програмованого логічного контролера VIPA-100. Промисловий контролер...
3677. Методические основы оценки ущерба от чрезвычайных ситуаций 135.5 KB
  Методические основы оценки ущерба от чрезвычайных ситуаций При оценке ущерба от чрезвычайных ситуаций (ЧС) необходимо опираться на существующий нормативный аппарат анализа экономических ущербов от негативного влияния хозяйственной деятельности. Важн...
3678. Техническое обслуживание и ремонт пускового карбюраторного двигателя ПД-10У. № 866 597.5 KB
  Техническое обслуживание и ремонт пускового карбюраторного двигателя ПД-10У. № 866 Введение Карбюраторными двигателями называют двигатели, в которых основная часть процесса приготовления рабочей смеси жидкого топлива с воздухом осуществляется вне ци...
3679. Методы расчета сложных электрических цепей 209 KB
  Методы расчета сложных электрических цепей Расчетное задание Для заданной электрической цепи, в которой, а остальные параметры указаны в таблице, требуется рассчитать: все токи и напряжения методом контурных токов все токи и напряжен...
3680. Проектирование многокаскадного усилителя на БПТ 652 KB
  Аннотация В данной курсовой работе поэтапно рассматривается пример проектирования многокаскадного усилителя на БПТ. Производится расчет входного, согласующего каскадов и каскадов предварительного усиления. Также конструируется печатная плата усилите...
3681. Автономная эволюция минералов 287.5 KB
  Автономная эволюция минералов В природе найдено несколько сот тысяч различных видов молекул, более полумиллиона их создано искусственно. Минералы относятся к числу первых. Их определяют по химическому составу и по кристаллической структуре. По соста...
3682. Эпителиальные и соединительные ткани 1.72 MB
  Классификация тканей. Ткань – это исторически (филогенетически) сложившаяся система клеток и неклеточных структур, обладающих общностью строения, специализирующаяся на выполнении определенных функций. Каждая ткань происходит из опре...