Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1

Рассмотрены аналитические методы, используемые для решения задач оптического тонкопленочного и наноструктурного материаловедения. Рассмотрены примеры применения наиболее распространенных и информативных методов анализа. Для наиболее часто используемых методов приведены основные артефакты анализа и м...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Реєстрація, зберігання і обробка даних
Date:2007
Main Authors: Косско, И.А., Курочкин, В.Д., Кравец, В.Г., Крючин, А.А.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут проблем реєстрації інформації НАН України 2007
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/50872
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 / И.А. Косско, В.Д. Курочкин, В.Г. Кравец, А.А. Крючин // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2007. — Т. 9, № 1. — С. 3-26. — Бібліогр.: 27 назв. — pос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859695539988201472
author Косско, И.А.
Курочкин, В.Д.
Кравец, В.Г.
Крючин, А.А.
author_facet Косско, И.А.
Курочкин, В.Д.
Кравец, В.Г.
Крючин, А.А.
citation_txt Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 / И.А. Косско, В.Д. Курочкин, В.Г. Кравец, А.А. Крючин // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2007. — Т. 9, № 1. — С. 3-26. — Бібліогр.: 27 назв. — pос.
collection DSpace DC
container_title Реєстрація, зберігання і обробка даних
description Рассмотрены аналитические методы, используемые для решения задач оптического тонкопленочного и наноструктурного материаловедения. Рассмотрены примеры применения наиболее распространенных и информативных методов анализа. Для наиболее часто используемых методов приведены основные артефакты анализа и методы их устранения или учета при анализе результатов. Розглянуто аналітичні методи, що використовуються для вирішення задач оптичного тонкоплівкового та наноструктурного матеріалознавства. Розглянуто приклади застосування найбільш розповсюджених й інформативних методів аналізу. Для методів, що найбільш часто використовуються, наведено основні артефакти аналізу та методи їхнього усунення або врахування при аналізі результатів. The analytical methods used for solving tasks of optical thin-film and nanostructure materials science are considered. Examples of application of the most widespread and informative methods of the analysis are given. For the most frequently used methods the basic artifacts of the analysis and methods of their elimination or the account at the analysis of results are presented.
first_indexed 2025-12-01T00:51:15Z
format Article
fulltext Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2007, Т. 9, № 1 3 УДК 004.85 И. А. Косско1, В. Д. Курочкин1, В. Г. Кравец2, А. А. Крючин2 1Институт проблем материаловедения НАН Украины ул. Кржижановского, 3, 03142 Киев, Украина 2Институт проблем регистрации информации НАН Украины, ул. Н. Шпака, 2, 03113 Киев, Украина kossko@materials.kiev.ua; vasyl_kravets@yahoo.com; kryuchin@ipri.kiev.ua Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 Рассмотрены аналитические методы, используемые для решения за- дач оптического тонкопленочного и наноструктурного материалове- дения. Рассмотрены примеры применения наиболее распространенных и информативных методов анализа. Для наиболее часто используемых методов приведены основные артефакты анализа и методы их уст- ранения или учета при анализе результатов. Ключевые слова: материалы для оптической записи информации, ана- литические методы исследования, наночастицы, артефакты анализа. Введение. Классификация методов анализа поверхности носителей информации Исследование неорганических материалов, используемых в качестве сред оп- тических носителей информации, безусловно, требует использования целого ком- плекса аналитических методов, который должен использоваться для исследования химического состава и структуры на каждом этапе подготовки образцов и изде- лий, а также входного контроля исходных материалов. Информативность при ис- пользовании различных методов анализа определяется правильно построенной методической работой, когда используемые методы являются взаимодополняю- щими. При выборе методов анализа весьма удобной и полезной для исследователя– аналитика представляется общая классификация методов анализа открытой по- верхности, составленная национальным бюро стандартов США [23], и представ- ленная в табл. 1 с расшифровкой и переводом в табл. 2. © И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин mailto:Kossko@materials.kiev.ua mailto:vasyl_kravets@yahoo.com mailto:Kryuchin@ipri.kiev.ua И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин 4 Таблица 1. Классификация методов анализа открытой поверхности Взаимодейст- вующие частицы и поля Регистрируемые частицы Фотон Электрон Нейтральный атом Ион Фонон Э/м поле Фотон ATR,NMR, ELL, SRS, ESR, XRD, EXAFS, IRS, IS, MOSS PEM, XEM, PES, XES, SEE, XPS, UPS LMP, PD, LMP, PD Электрон APS, BIS, CL, CIS, EM, SXAPS, SXES AEAPS, LEED, AEM, SEE, AES, RHEED, DAPS, SEM, EELS, SLEEP, HEED, STEM, IS, TEM ESDN, SDMM ESDI Нейтральный атом NIRS SEE MBRS, MBSS ADS Ион GDOS, IIRS, IIXS IMXA, INS, SEE ISD, SDMM GDMS, IMMA, ISD, ISS, RBS, Фонон ES, TL TE FD SI ASW Э/м поле EL FEES, FEM, ITS FDM, FDS FIM, EIM- APS, FIS CPD, MS, SC Таблица 2. Перевод полного наименования сокращений, помещенных в табл. 1 Сокращение Наименование методов AEAPS Оже-спектроскопия с внешним потенциалом AEM Оже-электронная микроскопия AES Оже-электронная спектроскопия APS Спектроскопия потенциалов появления ASW Акустическая спектроскопия поверхности ATR Абсорбционная спектроскопия полного отражения BIS Изохромат спектроскопия полного отражения CIS Характеристическая изохромат спектроскопия CL Катодолюминесценция COL Калориметрия: инфракрасная, видимая, ультрафиолетовая, рентгеновская, и гамма-спектроскопия CPD Контактная разность потенциалов (измерение работы выхода) DAPS Спектроскопия потенциалов исчезновения ADS Измерение теплоты адсорбции EELS Спектроскопия потерь энергии электрона EL Электролюминесценция ELL Измерение поляризации Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2007, Т. 9, № 1 5 Продолжение табл. 2 EM Электронный микрозонд ES Эмиссионная спектроскопия ESDI Электронно-стимулированная десорбция ESDN Десорбция возбужденных электронов нейтральными атомами ESR Электронный спиновый резонанс EXAFS Тонкая структура поглощения рентгеновских лучей FD Импульсная десорбция FDM Автоэлектронная десорбционная спектроскопия FEES Автоэлектронная эмиссионная спектроскопия FEM Автоэлектронная микроскопия FIM Автоионный микроскоп FIMAPS Атомный зонд FIS Автоионная спектроскопия GDMS Масс-спектрометрия тлеющего разряда GDOS Оптическая спектроскопия тлеющего разряда HEED Дифракция электронов высоких энергий HRS Ионно-радиационная спектроскопия HXS Рентгеновская спектроскопия, индуцированная ионами IMMA Масс-спектральный ионный микрозонд IMXA Ионный рентгеновский микрозонд INS Ионно-нейтрализационная спектроскопия IRS Спектроскопия внутреннего отражения IS Ионизационная спектроскопия ISD Ионно-стимулированная десорбция ISS Спектроскопия рассеянных ионов ITS Спектроскопия неупругого туннельного перехода LEED Дифракция электронов низких энергий LMP Лазерный микрозонд LS Рассеяние света MBRS Реактивное рассеяние молекулярного пучка MBSS Поверхностное рассеяние молекулярного пучка MOSR Мессбауэровская спектроскопия MS Магнитное насыщение NIRS Спектроскопия нейтрального импульсного излучения NMR Ядерный магнитный резонанс PD Фотодесорбция PEM Фотоэлектронная микроскопия PES Фотоэлектронная спектроскопия RBS Спектроскопия обратного резерфордовского рассеяния RHEED Дифракция электронов высоких энергий SC Поверхностная емкость SDMM Сканирующая микроскопия десорбции молекул SEE Эмиссия вторичных электронов И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин 6 Продолжение табл. 2 SEM Сканирующая электронная микроскопия SI Поверхностная ионизация SIIMS Масс-спектральная микроскопия SIMS Масс-спектрометрия вторичных ионов SLEEP Сканирующий электронный зонд низких энергий SRS Спектроскопия поверхностного отражения STEM Просвечивающая растровая электронная микроскопия SXAPS Спектроскопия мягких рентгеновских лучей SXES Эмиссионная спектроскопия мягких рентгеновских лучей TE Термоионная эмиссия TEM Просвечивающая электронная микроскопия TL Термолюминесценция UPS Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия XEM Экзоэлектронная микроскопия XES Экзоэлектронная спектроскопия XPS Фотоэлектронная рентгеновская спектроскопия XRD Дифракция рентгеновских лучей Аналитическое оборудование выпускается лишь для части представленных в табл. 1 методов анализа. Остальные методы реализованы в лабораторных уста- новках. Информативность каждого метода зависит не только от его теоретических преимуществ, но и от накопленного опыта использования данного метода и соот- ветствующих справочных данных. Наиболее часто используемые методы анализа материалов, применяемых для оптической записи. Специфика применения В оптическом материаловедении наиболее часто используются методы опти- ческой микроскопии, эллипсометрия, Рамановская спектроскопия, микрорентге- носпектральный анализ, ультрафиолетовая и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия методы дифракции электронов высоких и низких энергий и рент- геновских лучей, растровая и просвечивающая электронная, масс-спектрометрия с различным типом возбуждения ионов и оже-электронная спектроскопия. Пере- численные методы позволяют получить информацию от одного или нескольких атомных слоев до глубины порядка 10 мкм. Эллипсометрия основана на измене- нии ориентации эллиптически поляризованного света в результате прохождения лучей сквозь прозрачную пленку, отражения от подложки и возвращения в анали- затор. Поэтому она используется для измерения толщины пленки и ее оптических свойств, таких как, например, коэффициент отражения. Оптические свойства час- то используют для определения состава пленки. Рамановская спектроскопия ос- нована на неупругом отражении лазерного луча и дает некоторую информацию о составе молекул. Хотя разрешение этих двух методов невелико, они просты и удобны в эксплуатации. Электронная микроскопия вместо лучей света (L = 0,50 мкм) использует поток ускоренных электронов (эффективная длина волны L со- ставляет ~0,005 нм), поэтому электронный микроскоп имеет разрешающую спо- Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2007, Т. 9, № 1 7 собность в 10000 раз большую, чем оптический (разрешение определяется соот- ношением 2А/L, где А — апертура). Применение ультрафиолетового излучения с длиной волны 0,21 мкм в 2,5 раза повышает разрешающую способность оптиче- ского микроскопа, однако, здесь есть ряд побочных аспектов, ограничивающих применение данного микроскопа. Весьма удобным оказывается применение про- свечивающей электронной микроскопии, когда исследуется реплика «с извлече- нием». Фактически в режиме «на просвет» исследуется оторванная от подложки нанесенная пленка с формированием дифракционной картины, дающей обшир- ную информацию о структуре и химическом составе пленки. Рентгеновскую ин- терференционную картину формируют слои толщиной 1–100 мкм. Меньшие зна- чения достигаются с помощью метода скользящего пучка рентгеновских лучей. Электронная дифракция, в отличие от рентгеновских методов, является поверхно- стно-чувствительным методом. Она позволяет эффективно изучать процессы окисления, аморфизации, текстурирования и т.д. За этапом получения электроно- граммы, однако, следует весьма трудоемкий этап обработки данных, занимающий значительное время. Методы дифракции быстрых и медленных электронов нашли широкое применение как самостоятельные методы, так и в комбинации с други- ми, например, с Оже-электронной спектроскопией. Выбор аналитических методов для решения физико-материаловедческих проблем, таких как синтез тонких пленок необходимого состава и структуры, пе- реходных слоев и границ раздела, естественно, определялись вопросами, на кото- рые необходимо было ответить. В оптическом материаловедении нужно, прежде всего, определить химический состав исходных веществ и полученных из них различными методами тонких пленок, а также получить распределение химиче- ских элементов по глубине и провести структурные исследования, в том числе в локальных областях, для изучения структурно-физических процессов (например, процессов фазовых превращений). Для решения поставленных задач необходимо использовать комплекс дос- тупного аналитического оборудования. Наиболее информативными методами яв- ляются методы лазерной и вторичной ионной масс-спектрометрии (МС) с различ- ными способами ионизации первичных ионов, локальная Оже-электронная спек- троскопия (ОЭС) с возможностью послойного профилирования, микрорентгенос- пектральный анализ (МРСА) с использованием энергодисперсионного и волно- вых детекторов, рентгенофлюоресцентный анализ и рентгеноструктурный метод, а также просвечивающая электронная микроскопия. Использование даже столь малого набора методов анализа позволяет решить большинство поставленных за- дач. Однако, в этом случае, аналитическое оборудование, в частности, система обработки получаемых данных, должна была «впитать» в себя новейшие дости- жения разработчиков данного оборудования или научных центров, которые спе- циально занимались методическими разработками в этой области. (Фирмы- производители аналитического оборудования, как правило, используют научные лаборатории для этих целей). Важное место среди методов диагностики химического состояния поверхно- сти занял метод Оже-электронной спектроскопии. Это, с одной стороны, связано с постоянным стремлением разработчиков уменьшить толщину функционального И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин 8 слоя в пленках, где ОЭС и масс-спектрометрия незаменимы, с другой, универ- сальностью ОЭС. Оже-спектры позволяют исследовать химический состав по- верхностного и приповерхностных слоев. Во многих случаях ОЭС дает сведения о химической связи элементов на поверхности. Использование ионной пушки по- зволяет осуществить послойный анализ, изучать тонкие переходные слои и гра- ницы раздела [2–11, 18–21]. Особо важным при проведении исследований с помощью указанных методов является учет или устранение артефактов анализа. К числу таких артефактов, на- пример, относится ионно-стимулированная генерация Оже-электронов в ОЭС, яв- ление наложения масс в МС за счет кластерообразования, зарядка поверхности, явление электронно-стимулированной сорбции, разложение соединений под воз- действием электронного зонда для МРСА и ОЭС. Учет или устранение большин- ства артефактов возможен, а успех работы напрямую зависит от опыта исследова- теля и правильно построенной методической работы. Материалы, применяемые для оптической записи Материаловедение оптической записи информации определяется выбранны- ми физическими принципами записи информации: везикулярной, аблятивной за- писью — основанных на изменении профиля, образовании пузырьков или выжи- гании отверстий; записью на фазовых переходах — сплавлении двухслойных структур; записью на сегрегационных эффектах; магнитооптической записью; за- писью на разнице мольных объемов; записью на текстурированных слоях; на пе- реходах кристаллическое – аморфное состояние и других физических принципах и технических приемах. В настоящее время появилась перспектива записи на фуллеренах в, так называемых, «квантовых точках». Каждому физическому прин- ципу записи соответствует «набор» химических элементов и соединений, которые и реализовывают данный способ записи. Объектами исследования служат следующие материалы: традиционные по- лупроводники — халькогенидные стекла и подложки (As–Se–Te, Ge–Sb–Se–Te, Ge–As–Se–Te, As–S, As–S–Se, As–S–Se–Ag(Cu) и др.); исходные материалы для получения пленок и многослойных систем, изготавливающихся из химически чистых металлов (Al, Zn, Bi, Mn, In, Ga и т.д. для первого слоя; Se, Bi, As и т.д. для второго слоя, в случае сплавления металлов при записи питов и т.д.); регист- рирующие среды с локальным образованием интерметаллических соединений и сплавов (Pd–Si, SiPt, Rh–Si, Co–Si, V–Si, Zr–Si, Nb–Si и т.д.) [25]; металлоксиды в качестве регистрирующих слоев (LiNbO3, Te–O); гальванически выращенные ме- таллические матрицы и покрытия (Ni, Ag, Au и т.д.); керамические подложки и стекла (Al2O3, SiC, AlN, стеклоуглерод и т.д.); кремниевые фуллерены в пористом кремнии; конструкционные материалы реактора, в котором проходит гальваниче- ский процесс роста матриц, и другие. Важным при исследованиях с помощью аналитических методов является обеспечение чистоты воздуха в лаборатории — уменьшение взвешенных пылевых частиц, а также уменьшение влажности воздуха. Первое обеспечивается отсутст- вием сквозняков, влажной протиркой приборов, оснастки и пола в помещении; Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2007, Т. 9, № 1 9 второе — комбинацией кондиционирования и нагрева лаборатории, то есть обще- принятым нормам «чистой» гермозоны. Для эталонирования элементного состава исходных материалов лучше всего использовать высокочувствительный метод масс-спектрометрии [25–27]. Этот ме- тод может быть и локальным, и интегральным. МС обеспечивает достаточную чувствительность практически для всех химических элементов. Спектрометры, как правило, обладают диапазоном анализируемых масс 1¸250, его разрешение по массам M/DM на 50 % высоты масс-пика Cu составляет более 7000. В качестве примера в табл. 3 приведен количественный анализ никелевых матриц, проведен- ных с помощью масс-спектрометра VG-9000 (VG Elemental) с тлеющим разрядом как источником ионов. Таблица 3. Количественный анализ никелевых матриц 1 ppm = 10–4 масс. %, 1 ppb = 10–7 масс. %, 1 ppt = 10–10 масс. % Li ppt << 501,570 Be ppt << 282,370 B ppb 31,151 Na ppb 265,920 Mg ppb 11,224 Al ppb 198,000 Si ppb < 36,376 P ppb < 5,282 S ppm 18,261 Cl ppb 652,980 Cl ppb < 103,630 Ca ppb < 342,710 Sc ppt << 108,330 Ti ppb 14,427 V ppb 23,570 Cr ppb < 6,797 Mn ppb 17,654 Fe ppb 542,280 Co ppb < 74,932 Ni % 99,947 Cu ppb < 64,178 Ru ppb < 45,286 Rh ppb < 3,580 Pd ppb < 11,604 Eu ppt << 489,340 Zn ppm 496,830 Zn ppm 475,220 Ga ppb < 54,110 Ge ppb < 175,490 Ga ppb < 17,949 Ge ppb < 100,640 As ppb < 31,128 Se ppb < 53,253 Sr ppb < 1,371 Y ppb < 1,196 Ag ppm 2,025 Cd ppb 182,510 In ppb < 25,312 Sn ppb < 49,734 Sb ppb < 3,672 Te ppb < 44,175 Eu ppt << 489,340 I ppt 829,070 Ba ppb 12,203 La ppt 435,680 Ce ppt 610,700 Pr ppt < 488,860 Nd ppb < 2,108 Sm ppt << 931,820 Gd ppb << 1,504 Tb ppt < 627,010 Dy ppt << 644,030 Ho ppt << 251,090 Er ppt << 723,440 Tm ppt < 537,440 Yb ppb < 2,621 Lu ppt < 422,140 Hf ppb < 4,206 W ppb 20,961 Re ppb 1,680 Ir ppt << 987,440 Os ppt < 434,650 Pt pb < 2,152 Au ppb < 2,537 Hg ppb << 7,256 Tl ppb < 1,269 Pb ppb 745,920 Bi ppb < 2,048 Th ppt < 317,250 U ppt << 310,690 Zr ppb 780,180 Nb ppb < 2,453 Mo ppb 326,590 Примечание: знак < означает, что пик отброшен вследствие молекулярных интерференций, и кон- центрация элемента не превышает указанную величину; знак << означает, что зарегистрировано меньше 5 импульсов, и концентрация элемента не превышает указанную величину При использовании, например, масс-спектрометра IMS-4f (CAMECA) чрез- вычайно полезным является использование режима OFFSET. Данный режим по- зволяет реализовать селективность воздействия на интенсивность сигнала от ок- сидов, многозарядных ионов, кластеров и атомарных ионов. В силу специфики энергетического распределения, сигнал от последних с увеличением смещающего напряжения уменьшается не столь быстро как от кластеров и многозарядных ио- И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин 10 нов. Так, с использованием разных напряжений смещения OFFSET были эталони- рованы материалы, применяемые в экспериментах: Cu, Ti, Mo, Ni, Cr, Ta, Mn, V, W, Au, Pt, а также некоторые их комбинации, когда область травления растра за- хватывала два чистых материала, то есть растр травления находился на границе двух материалов. Важно, чтобы интенсивность сигнала химических элементов для эталонных образцов была стабильна во времени и не изменялась по глубине образ- цов при травлении, что важно при сравнительном количественном анализе исход- ных материалов и пленок, полученных различными методами напыления. В табл. 4 даны некоторые краткие характеристики наиболее часто используе- мых в работе аналитических методов. Таблица 4. Некоторые особенности наиболее часто используемых в оптическом материаловедении методов анализа Метод Наиболее рас- пространенные приборы Основные характеристики метода и прибора Получаемые результаты Микрорент- геноспек- тральный анализ РЕММА102 (SELMI) SX50 (CAMECA) BS340 (TESLA) JSM840 (JEOL) JSM845 (JEOL) локальный; не разрушающий; глубина анализа 1,5–2 мкм Экспресс-анализ (за счет низкого ва- куума и возможности загрузки сразу большого количества — до 24 образ- цов) образцов на большую глубину, поиск характерных областей с не- обычными свойствами и их количест- венный анализ Оже- спектро- скопия JAMP-10S (JEOL) локальный — 500 Å; глубина анализа от 5 Å до 25 Å; не разрушающий метод; ионное профилирование Количественный анализ химического состава с чувствительностью выше рентгеноспектрального анализа за счет возможностей накопления мно- гих спектров, возможность использо- вания различных детекторов, выде- ляющих топографию и особенности Масс-спект- рометрия c ячейкой тлеющего разряда VG-9000 (VG Elemental) интегральный; разру- шающий метод; изо- топный состав; коли- чественный анализ; профилирование. Анализ исходных материалов (этало- нирование), определение изотопного состава, конечный анализ образцов после эксперимента (полное их раз- рушение во время анализа) Вторичная ионная масс- спектро- метрия IMS-4f (CAMECA) INA-3 (LH) локальный + интег- ральный; разрушаю- щий метод; изотоп- ный состав; количе- ственный анализ; профилирование. Анализ исходных материалов (этало- нирование), определение изотопного состава, конечный анализ образцов после эксперимента (локальное их разрушение во время анализа) Микрорентгеноспектральный анализ, Оже-электронная спектроскопия и, особенно, вторичная ионная масс-спектрометрия являются, несмотря на их широ- кую распространенность, весьма наукоемкими физическими методами исследова- Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2007, Т. 9, № 1 11 ния. Электронно-зондовые методы МРСА и ОЭС являются не разрушающими ме- тодами анализа, хотя Оже-анализ в комбинации с ионной бомбардировкой для очистки поверхности, а также для послойного профилирования, разрушает по- верхность. МС является чрезвычайно чувствительным разрушающим методом. Подобный комплекс методов с соответствующими комплектациями и программ- ным обеспечением является необходимым, но зачастую недостаточным для реше- ния аналитических задач. Причинами частого использования указанных методов, в том числе, являются: 1) высокая производительность метода МРСА вследствие возможности одно- временной загрузки большого количества образцов. Среднее время анализа об- разца по 10-ти областям анализа составляет 2–3 часа. Метод позволяет исследо- вать поверхность на глубину в 0,5–3 мкм и, при изменении ускоряющего напря- жения, является своеобразным измерителем глубины залегания химических эле- ментов; 2) методы МРСА и ОЭС являются взаимодополняющими, так как МРСА вы- ше по чувствительности по «тяжелым» элементам, чем ОЭС, но ниже по «лег- ким». В основном, это связано с относительной вероятностью релаксации при об- разовании вакансий на внутренних уровнях путем эмиссии Оже-электронов или рентгеновского излучения с характеристической энергией; 3) методы являются распространенными, поэтому количественные результа- ты анализа достаточно достоверны; 4) МС является незаменимым для получения детальной информации о хими- ческом составе микропримесей в исходных материалах и полученных пленках, а также для детектирования водорода. Типичный локальный электронно-зондовый анализ предполагает возбужде- ние характеристического рентгеновского излучения (ХРИ). Возбуждение ХРИ происходит электронным зондом диаметром около 500 Å с энергией до 35–40 КэВ. Область выхода ХРИ имеет диаметр ~3 мкм или ~12–15 мкм3. Остаточное давление газа в камере образца составляет ~3×10–4 мм.рт.ст. Химические неодно- родности в форме пит (например, сплавленные двухслойные структуры) можно исследовать в режиме выделения по химическому составу (так называемый ре- жим COMPO от англ. composition) и в режиме топографии (так называемый ре- жим TOPO от англ. topography) При малых концентрациях примесных элементов в образцах требуется выде- лять характеристические пики из фона. С целью набора достаточных для стати- стического анализа уровней фона в условиях невысокой скорости счета (от по- рядка 10 импульсов/с на пленочных образцах) необходимо проведение измерений с длительными экспозициями. Однако, при длительных экспозициях параметры усилительного тракта анализатора обычно подвержены дрейфу, что приводит к заметному уширению наблюдаемых пиков. Для предотвращения этого явления измерения необходимо проводить сериями по 10–20 минут. Для спектров в каж- дой серии проводится процедура калибровки энергетической шкалы путем при- вязки к реперным точкам, которыми служили наиболее интенсивные пики, энер- гия которых известна из справочных данных [15–17]. После этого все спектры се- рии приводятся к единой энергетической шкале и производится их суммирование. И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин 12 В качестве критерия, определяющего факт наличия или отсутствия слабого пика на фоне флуктуаций фона, используется статистический критерий «3σ» [15– 17]. Пик считается достоверным, если его амплитуда превышает утроенное значе- ние среднеквадратичной флуктуации фона σ. Для определения последней в окре- стности пика строится функция, аппроксимирующая зависимость усредненной интенсивности фона от номера энергетического канала (нами были использованы линейная или квадратичная функции). После этого среднеквадратичная флуктуа- ция фона σ вычисляется по формуле: å = - - = N i ii II N 1 2)( 1 1 s , (1) где N — число каналов, взятых в окрестности пика; Ii — интенсивность фона в i-м канале; Īi — аппроксимированная усредненная интенсивность фона в i-м канале. Выбор аппроксимирующей фон функции, вообще говоря, произволен; кроме того, вычисление уровня среднего фона значительно усложняется при наличии в близости к неидентифицируемому пику характеристических пиков химических элементов, входящих в состав образца. В связи с этим результат вычислений среднеквадратичной флуктуации фона имеет невысокую точность и носит оце- ночный характер. Спектры ХРИ можно возбуждать и с помощью первичного рентгеновского пучка. Причем последние разработки позволяют фокусировать первичный рент- геновский поток до нескольких десятков микрометров. Данный метод называется методом рентгенофлюоресцентного анализа (РФА). При использовании РФА по- является возможность записи спектров от диэлектрических образцов, пластмасс, легкоразлагающихся соединений, жидкостей и т.п. Полупроводниковый энергодисперсионный детектор, как и в случае МРСА, обеспечивает разрешающую способность по энергиям ~160 эВ. В целях более строгой оценки достоверности пиков примесей иногда произ- водится расчет вероятностей появления пиков различной ширины и высоты за счет совпадения флуктуаций фона в соседних каналах. Полагается, что уровень фона в i-м канале детектора является случайной величиной, подчиняющейся нор- мальному распределению с плотностью вероятности: 2 2 2 )( 2 1)( s ps r sx ex - - = . (2) Физический смысл параметра s — среднее значение фона в данном канале, s — среднеквадратичное отклонение уровня фона от среднего значения. Для упро- щения принимается, что параметры s и s не зависят от номера канала. В действи- тельности, среднее значение фона и величина его флуктуаций зависят от энергии, следовательно, и от номера канала. Однако, эти зависимости довольно плавны и, если рассматривать небольшую часть спектра, их можно не принимать во внима- Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2007, Т. 9, № 1 13 ние. Кроме того, зависимость s от номера канала не влияет на результат, посколь- ку исследуются лишь отклонения от среднего. Вероятность попадания уровня фона в данном канале в некоторый интервал находится интегрированием плотности вероятности (2). Измеряется отклонение в единицах s. Таким образом, вероятность превышения отклонения уровня фона от среднего на величину более n среднеквадратических флуктуаций s: ò ¥ + ÷÷ ø ö çç è æ úû ù êë é-==>- s rs ns nErfdxxnsxp 2 1 2 1)(}{ , (3) где Erf(z) ò -º z 0 22 dte р t . Для вычисления вероятности появления флуктуационного пика шириной k в заданной области спектра, т.е. совпадения превышения в заданном канале a уров- ня фона величины s1n , в следующем канале — s2n , и т.д., считая величины фона в каналах независимыми, необходимо найти произведение вероятностей, опреде- ляемых по формуле (3): Õ - = +- >-= 1 0 }1...0{ }{ k i iaiknn nsxpP s . (4) Вероятность появления описанного флуктуационного пика в произвольной точке спектра можно оценить умножением вероятности, полученной по формуле (4), на количество возможных положений пика в спектре, что приближенно равно числу каналов (в случае используемых детекторов равно 1024). Вероятность по- явления пика заданной формы, определяемой набором чисел {n0, n1,…, nk–1}, где- либо в спектре, оценивается как }...{ 10 1000 - × knnP . Таким образом, появление даже слабых примесей в спектрах не оставалось не проанализированным. Применение методов с заведомо гораздо большей чувствительностью часто было нецелесооб- разно или невозможно. Основные артефакты анализа. Артефакты Оже-электронной спектроскопии Каждому методу анализа сопутствует множество артефактов, т.е. факторов, сопутствующих процессу получения спектров. Они приводят как к искажению, так и к усложнению расшифровки получаемых данных. Артефакты анализа необ- ходимо либо устранять, либо учитывать при расшифровке данных анализа [18–20]. В МРСА для увеличения достоверности количественного анализа был ис- пользован ряд известных критериев. Они заключаются в том, что поверхность об- разца после подготовки должна быть максимально плоской и перед анализом не должна подвергаться травлению, чтобы не изменять топографию и химический состав поверхностного слоя. Наличие плоской поверхности у образца и эталона является первым требованием. Для чистых элементов и гомогенных материалов И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин 14 можно приготовить образцы со сравнительно плоскими поверхностями, посколь- ку твердость по образцу изменяется незначительно. В результате, при шлифовке и полировке происходит почти равномерное удаление материала. Указанные дейст- вия касаются лишь анализа конструкционных материалов, использующихся в оп- тическом материаловедении, что составляет лишь незначительную часть от обще- го объема аналитических исследований. В процессе исследований известными методическими приемами исключается большинство артефактов. При невозможности полного исключения, артефакты анализа сводятся к минимуму и (или) учитываются. Наиболее распространенный Оже-микрозонд JAMP-10S (JEOL) имеет глубинное разрешение в несколько атомных слоев и пространственное разрешение 50 нм. ОЭС имеет высокую ло- кальность по площади — до 0,05–0,07 мкм при глубине анализа 0,5–2,5 нм. Для детектировния Оже-электронов используется цилиндрический зеркальный анали- затор (СМА). Имея разрешение лучше, чем 0,5 % и большую трансмиссию (6 %) СМА обладает высоким разрешением, высокой чувствительностью и высокой производительностью. Приведем некоторые параметры JAMP-10S при записи спектров: вакуум — 5 10–8 Па; Jпогл. — 1–5 мкА; Uуск. — 10 кВ; постоянное время при обработке спектра — 0,1 с; чувствительность при обработке спектра — 10 мВ; глубина анализируемого слоя — 5–25 Å; ток ионного зонда (при травлении) — 10–20 мкА; ускоряющее U (при травлении) — 3–4 кВ. Некоторые пленки, например пленки халькогенидных стекол, являются сложными объектами. Под сложными объектами понимаются материалы, в том числе полученные различными методами осаждения пленки, при анализе которых возникают физико-химические процессы (результатом которых является арте- факт), влияющие на записываемый спектр Оже-электронов. К таким артефактам, например, относят диффузионные эффекты, проходящие по различным механиз- мам, зарядку образцов, разложение объектов под пучком, сегрегационные эффек- ты и т.д. Процессы разложения и электронно-стимулированной десорбции могут быть сведены к минимуму выбором соответствующих параметров электронного пучка (уменьшением энергии электронов до 1–5 КэВ и тока до 10–10 А) и ограни- чением времени воздействия пучка на поверхность. Перемещение точки анализа в фокальной плоскости плоской пленки с постоянным выходом на необлученные пучком участки и служит своего рода методическим приемом ограничения време- ни воздействия на область анализа [18–20]. Оже-анализ керамических материалов и стекол, использующихся в качестве подложек оптических носителей, имеющих очень низкую электропроводность, осложняется эффектом зарядки исследуемой поверхности. Если разность потен- циалов между катодом электронной пушки и объектодержателем (столиком об- разцов) V0, то энергия первичных электронов, падающих на поверхность образца, определяется разностью потенциалов Vp [22]: Vp = V0 – jp·R·[1 – σ (Vp)], (5) где jp — плотность первичного тока; R — поперечное сопротивление образца с площадью сечения 1 см2; σ(Vp) — коэффициент вторичной электронной эмиссии, зависящий от энергии первичного пучка. Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2007, Т. 9, № 1 15 Для металлов R → 0, и из формулы (5) следует, что Vp = V0. Для диэлектриков R → ∞. Тогда для устранения эффекта зарядки поверхности необходимо, чтобы σ(Vp) = 1. Зависимость σ(Vp) представляет собой в общем случае кривую с макси- мумом (рис. 1). σ 2 а б 1 1 V1 V2 V3 Vp (В) Рис. 1. Зависимость σ(Vp) для нормального (1) и скользящего (2) угла падения первичного электронного пучка на поверхность диэлектрика Для диэлектриков при нормальном падении электронного пучка σ(Vp) < 1 (кривая 1). Это объясняется захватом вторичных электронов зоной проводимости и поверхностными состояниями, наличие которых связано, в частности, с дефек- тами. В этом случае возбуждение спектров Оже-электронов из-за отрицательной зарядки поверхности невозможно при любом значении Vp. При скользящих пуч- ках падения σ(Vp) возрастает (кривая 2) за счет возбуждения вторичных электро- нов на меньшей глубине и увеличения выхода вторичных электронов. Для устра- нения электрического поля у поверхности исследуемого диэлектрика значение Vp должно соответствовать точке (а), т.е. потенциалу V1, или точке (б), т.е. потенциа- лу V3. Если ни при каких значениях Vp так и не удается получить σ = 1, то необхо- димо увеличить плотность тока jp так, чтобы второй член (5) стал достаточно ма- лым. Оже-анализ керамики облегчается, когда на межзеренных границах имеются сегрегационные слои с достаточной электропроводностью. В ряде случаев, одна- ко, полностью компенсировать электрическую зарядку поверхности диэлектриче- ских образцов не удается. Это приводит к возникновению в поверхностной облас- ти значительной напряженности электрического поля. Если в этой области есть достаточно подвижные ионы, под действием электрического поля они будут диф- фундировать, то есть будет протекать электродиффузия, которая проявляется очень сильно в стеклах, где достаточную подвижность имеют ионы натрия, каль- ция, калия и другие. Вследствие низкой электропроводности может наступить и сильный нагрев образца. В керамических и стеклянных материалах возможен на- грев поверхности на несколько сотен градусов, что может привести к целому комплексу стимулированных температурой эффектов. Расчет роста температуры ∆Т произведем, пользуясь выражением [22]: ∆Т = (p/(π · r0 · β)) · [1 + 1,67(α/β)(h/r0)]–1, (6) И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин 16 где p — мощность электронного пучка; r0 — радиус пучка; α и β — коэффициен- ты теплопроводности поверхностного слоя и материала подложки соответствен- но; h — толщина поверхностного слоя. Так, при параметрах съемки спектра Ер = 3 КэВ, р = 3 Вт/см2, jp = 10–3 А/см2 на поверхности стекла развивается температура 150–250 °С. Изучение процессов селективного распыления поверхности аморфных и по- ликристаллических пленок является большой самостоятельной задачей. Получе- ние такой информации необходимо для правильной трактовки результатов анали- за, проведенного с помощью Оже-спектроскопии [18–20]. Так, например, в [18] установлено, что с увеличением энергии ионов относи- тельная концентрация Si/Mo на поверхности повышается и для аморфных, и для поликристаллических пленок MoSi2. При равных условиях распыления аморфные пленки характеризуются большей величиной Si/Mo на поверхности по сравнению с поликристаллическими пленками. Установлено, что распыление поликристал- лических пленок MoSi2 определяется каскадным механизмом. В этом случае про- исходит преимущественное распыление «легкой» компоненты и обогащение по- верхности молибденом. Изучение указанных процессов приводит к установлению оптимальных режимов травления и анализа пленок, а также к возможности учета количественных поправок. При исследовании пленок алюминия (одно из самых распространенных от- ражательных покрытий в CD и световозвращательных элементах) установлено, что ионная бомбардировка приводит к резкому увеличению интенсивности низ- коэнергетического пика алюминия. При этом изменяются его форма и энергети- ческое положение [20]. Это связано с дополнительной генерацией выхода Оже- электронов алюминия за счет ионной бомбардировки. При исследовании данных пленок основным артефактом анализа являлся эф- фект разложения пленок под пучком. Для устранения его (в случае гладкой плен- ки) применялся процесс перемещения зонда по поверхности в процессе записи спектра. Спектр в каждой последующей точке записывался на необлученном уча- стке поверхности. Вторым артефактом анализа (гораздо меньшим) являлось се- лективное экранирование выхода Оже-электронов слоем углеводородов, адсорби- рованных на пленке. В этом случае применяют методику стравливания углеводо- родов ионным потоком в камере анализа, однако при этом возникает целый ряд эффектов (артефактов), присущих ионной бомбардировке, например, селективное распыление, реактивная диффузия и др. Наиболее часто электронно- и ионно-стимулированные эффекты в Оже- микроанализе проявляются совместно, сложным образом влияя друг на друга. Большой практический интерес, поэтому, представляет сводная таблица критиче- ских доз облучения некоторых химических соединений (табл. 5). В четвертой ко- лонке для наглядности указаны времена, требуемые для достижения Dкр., при плотности тока jp = 10–3 А/см2 [21]. На рис. 2 представлена диаграмма содержания селена в халькогенидных стеклах составов 1, 2, 3, 4 и 5 в зависимости от скорости движения анализирую- щим зондом по поверхности пленки. Первая скорость соответствует 1 мм/с. Вто- рая соответственно 2 мм/с и т.д. Очевидно, что разложение пленок и испарение Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2007, Т. 9, № 1 17 селена из них как легколетучего компонента не наступает лишь на скорости 4 мм/с. Химические составы приведены в табл. 6. Таблица 5. Критические дозы электронного облучения для некоторых соединений Соединение Энергия пучка, КэВ Dкр., Кл/см2 t(c) при jp = 10–3 А/см2 Si3N4 2 Стабилен ∞ GaP 2 500 5·105 TiO2 5 100 1·105 Al2O3 2 10 5·104 NaxWO3 (0,5 < x <0,9) 3 1 1·103 WO3 3 1 1·103 SiO2 2 0,5–1 1·102 NaF, LiF, KCl 0,1 0,05 50 TeO2 2 0,02 20 % (мм/с) Рис. 2. Содержание селена в халькогенидных стеклах составов 1, 2, 3, 4, 5 в зависимости от скорости движения анализирующего зонда по поверхности пленки: ОХ — скорость движения зонда; ОУ — отклонение содержания селена в пленке от формульного в %; 100 — соответствует точному формульному содержанию селена Таблица 6. Составы анализируемых халькогенидных пленок, ат. % № п/п As Se Te 1 20 15 65 2 10 40 50 3 15 60 25 4 25 50 25 5 28 20 52 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 1 2 3 4 5 И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин 18 Масс-спектрометрия. Специфика и артефакты применения масс-спектрометрии с возбуждением тлеющим разрядом Масс-спектроскопия — один из самых чувствительных методов диагностики поверхности [2, 25–27]. Предполагаемый порог чувствительности метода ВИМС для многих элементов близок к 10–9 %. Основной физической характеристикой метода МС является коэффициент вторичной ионной эмиссии SA, т.е. число выби- тых ионов на один падающий ион. Измерение абсолютных значений коэффициен- тов вторичной ионной эмиссии с помощью одних масс-спектрометрических мето- дов — задача весьма сложная из-за неопределенности в эффективности сбора ио- нов и сильной зависимости коэффициента вторичной ионной эмиссии SA от элек- тронных и химических свойств поверхности, которые, в свою очередь, определя- ются характеристиками матрицы и равновесной концентрацией химически актив- ных адсорбированных частиц. Кроме того, на величину коэффициента вторичной ионной эмиссии оказывает влияние сорт и энергия первичных ионов, а также плотность первичного тока. Поэтому метод количественных оценок должен со- держать минимум переменных параметров. Такой метод обязательно будет эмпи- рическим или полуэмпирическим по своему характеру и требует эталонов для оп- ределения чувствительности к тому или иному элементу. Таким образом, чтобы успешно проводить количественный анализ методом, основанным на градуировке по эталону, важно стандартизировать рабочие параметры прибора: сорт первич- ных ионов, их ток, плотность тока и энергию, окружение образца, эффективность детектирования и энергетическую полосу пропускания анализатора вторичных ионов. Измерение профилей методом МС сводится к регистрации сигнала вторич- ных ионов интересующих нас элементов как функции времени распыления. В случае однородной матрицы это время, выполнив соответствующие градуировоч- ные измерения (распыление пленки известной толщины, измерения глубины кра- тера, коэффициентов распыления и т.д.), можно пересчитать по глубине залегания элемента. Изменение интенсивности вторичных ионов не всегда отражает относи- тельное изменение концентрации элемента. Поэтому нужна осторожность при ин- терпретации глубинных профилей, особенно вблизи самой поверхности, а также пленок, состоящих из различающихся по составу слоев, или матриц с неоднород- ным распределением следов элементов, которые способны даже при малой кон- центрации сильно влиять на вторичноэмиссионные свойства образца. В послед- нем случае для получения результатов, отражающих объективную картину, обра- батываются измеренные профили так, как это делается при количественной ин- терпретации интенсивности вторичных ионов. Адсорбция кислорода на поверх- ности образца, как правило, приводит к увеличению и стабилизации коэффициен- та вторичной ионной эмиссии. В результате чувствительность к данному элемен- ту повышается, а влияние матрицы уменьшается или полностью исчезает, что по- зволяет с большей точностью пользоваться амплитудой пика вторичных ионов как простой мерой концентрации элемента. Адсорбция О2 устраняет и зависи- мость коэффициента ионной эмиссии от ориентации кристалла. В этом случае травление ионами кислорода наряду с вносимыми артефактами одновременно по- вышает чувствительность анализа. Факторы, влияющие на разрешение по глубине Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2007, Т. 9, № 1 19 при измерении профилей концентрации могут быть разделены на две группы: приборные и обусловленные особенностями сочетания ион–матрица. Получить с помощью МС надежные сведения о глубинном профиле можно лишь в том случае, если поддерживается постоянная интенсивность тока первич- ных ионов и обеспечивается однородность плотности тока пучка в той части по- верхности, из которой в масс-анализатор отбираются вторичные частицы. В ста- ционарном сфокусированном ионном пучке плотность тока, падающего на обра- зец, не постоянна по сечению пучка, и, следовательно, распыление поверхности в этих условиях не может быть равномерным. Если зона, из которой поступает ин- формация, охватывает все сечение первичного пучка, то вклад в сигнал ионов с краев кратера будет искажать профиль концентрации элемента в приповерхност- ном слое. Наиболее подходящим по параметрам и, поэтому, наиболее часто используе- мым в оптическом материаловедении, является масс-спектрометр IMS 4f (CAMECA) с новыми модификациями (6F и др.). Приведем некоторые техниче- ские характеристики прибора: — первичные ионы — Cs+, O2 +, O–, Ar+; — ток первичного пучка — 10–10–10–6 А; — локальность — 0,2 мкм; — способы регистрации информации: фотоснимки, твердые копии, магнит- ная лента; — разрешение (m/Dm) для вторичных ионов — 25000; — диапазон анализируемых масс — до 480 а.е.м.; — детекторы — цилиндр Фарадея, ВЭУ; — масс-анализатор — магнитный; — стабильность вторичного пучка по току — I/DI = 0,7 %; по массе — Dm/m = 7×10–6. В работе указанного масс-спектрометра, как правило, используются следую- щие режимы: — режим записи обзорного масс-спектра; — режим высокого разрешения; — профилирование по глубине (до 10 масс в одном распределении); — изотопный анализ; — режим построения энергетического распределения массы; — режим Offset — селективного выделения моноатомарных ионов (приме- ним для всех режимов анализа); — режим Bargraph. Режимы записи спектров определяются компромиссом нескольких парамет- ров: прежде всего высоким разрешением по массе (увеличением времени записи) и использованием малых токов для исследования поверхности в псевдонеразру- шающем режиме. Исходные материалы подложки и конструкционные материалы эксперимен- тальной камеры проходили входной контроль (эталонировались) с помощью масс-спектрометра VG9000 (VG Elemental, UK), который для возбуждения вто- ричных ионов использует тлеющий разряд и стравливает большой объем мате- И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин 20 риала (диаметр пятна травления 15 мм, глубина до 1 мм). После накопления инте- грального спектра проводился количественный анализ химического состава с вы- дачей соответствующего сертификата (см. табл. 3). Изменение смещающего напряжения в процессе исследования химического состава (режим offset) позволяет даже в отсутствии высокого разрешения иденти- фицировать моноатомарные ионы и исключить артефакты, связанные с регистра- цией кластеров (прежде всего для ВИМС — англ. SIMS) и многозарядных ионов (для лазерной масс-спектрометрии). В масс-спектрометрах с тлеющим разрядом исследуемый образец служит ка- тодом разрядной ячейки. В качестве разрядного газа обычно используют аргон. Благодаря катодному распылению ионами аргона с энергией порядка 1 кэВ при токе разряда 0,2–3 мА происходит неселективное распыление материала, что при- водит к близким соотношениям концентраций атомов в образце и плазме. Иони- зация происходит в плазме разряда, в основном, в результате электронного удара. Высокие энергии электронов в неравновесной плазме приводят к слабой зависи- мости степени ионизации от потенциалов ионизации элементов (исключение со- ставляют газы). Эти особенности разряда приводят к близким соотношениям кон- центраций ионов в плазме и атомов в исследуемом материале, что дает возмож- ность проводить количественный анализ. Тем не менее, для точного количествен- ного анализа, необходима предварительная калибровка интенсивностей с помо- щью образцов известного состава путем введения эмпирических коэффициентов, так называемых коэффициентов относительной чувствительности (КОЧ). Концен- трацию элемента X находят из выражения: X = КОЧx × ((Ix / abx) / Im)), (7) где КОЧx ¾ коэффициент относительной чувствительности элемента Х; Ix ¾ ион- ный ток измеряемого изотопа элемента Х; abx ¾ его распространенность; Im = S (In /abn)×КОЧn ¾ ток, который условно называют током матрицы. При ана- лизе изотопно-обогащенных материалов предварительно измеряют фактические значения abx. КОЧx находят с помощью стандартных образцов с известными кон- центрациями путем решения системы линейных уравнений типа выражения (7). КОЧ одного из элементов, обычно основы, принимают за 1. Для большинства элементов он находится в пределах 0,3–4. Исключение составляют газы, для ко- торых КОЧ порядка 9–10. Важной для аналитики особенностью GDMS является слабая зависимость КОЧ от материала основы. Это дает возможность анализиро- вать новые типы материалов по КОЧ, измеренным по иным стандартам с относи- тельной погрешностью менее 30 %. Эта величина приемлема при определении следовых количеств на уровне < ppm, для более точных измерений необходима коррекция КОЧ с использованием стандартов близких по составу к измеряемым пробам или сравнением с альтернативными методами анализа (рентгенофлуорес- центным, атомно-абсорбционным, химическим). Метод позволяет определять все элементы периодической таблицы Менделеева в металлах, сплавах, полупровод- никовых и непроводящих материалах с равномерной чувствительностью до < 10–8 %. Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2007, Т. 9, № 1 21 При анализе этим методом интерпретация масс-спектров представляет опре- деленную проблему. Основным источником артефактов в МС тлеющего разряда являются полиатомные молекулярные кластеры или молекулярные ионы (МИ), которые образуются в плазме тлеющего разряда в результате ионно-молекуляр- ных реакций между изотопами разрядного газа и компонентов образца (ArxIsy +), димеров и тримеров, состоящих из изотопов компонентов образца (AxBy +), ионов с участием сложных газовых молекул. Образуются также двузарядные полиатом- ные кластеры, но их концентрации существенно меньше. Особенно эта проблема актуальна при анализе многокомпонентных материалов, таких как халькогениды (Ge-Sb-Se-Te, Ge–As–Se–Te), интерметаллиды (Pd-Si, Pt-Si), сапфир (Al2O3) и др. При анализе чистых металлов влияние кластеров не столь значительно, однако и в этом случае приходится считаться с их присутствием. Существует несколько пу- тей минимизации артефактов, вызванных такими кластерами. Это методы, осно- ванные на моделировании масс-спектров и расчете концентраций МИ или умень- шении их концентрации путем создания определенных условий в самой разряд- ной ячейке. Подобные методы используют также в масс-спектрометрии с высоко- частотным разрядом при анализе растворов. Математические методы позволяют оценить сложность конкретной аналитической задачи, определить необходимую разрешающую способность прибора, выбрать изотопы, в наименьшей степени подверженные влиянию подобных кластеров. Прочность полиатомных кластеров незначительна и она убывает с увеличением количества атомов. Лишь немногие кластеры с участием атомов аргона имеют достаточно высокие энергии диссоциа- ции, характерные для настоящей химической связи (например, ArH+ c Ed ~4 эВ). В [27] было показано, что образование аргонидов идет по схеме близкой к реакциям Линдемана с образованием метастабильного возбужденного иона, который пере- ходит в конечный продукт в результате мономолекулярной реакции с излучением: Ar+ + X Û ArX+* Û ArX+ + hn. (8) Дезактивация метастабильных комплексов и разрушение молекулярных ио- нов происходит в результате столкновений их с одним из компонентов реакции, преимущественно с атомами Ar: ArX+* + Ar Û X + + 2Ar, (9) ArX+ + Ar Û X+ + 2Ar. (10) Имеются также и другие каналы устранения заряженных кластеров, напри- мер, диссоциативная рекомбинация, рекомбинация на катоде, однако, их вклад менее значителен, чем диссоциация при столкновениях с атомами аргона. Повы- шением давления аргона и мощности разряда можно существенно сдвинуть рав- новесие в сторону диссоциации кластеров и тем самым снизить их концентрации. Важным фактором является также температура ячейки. При использовании ячей- ки, охлаждаемой жидким азотом, концентрации МИ могут быть на порядок выше, И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин 22 чем в ячейке без охлаждения, что также объясняется снижением скорости реакций (9) и (10). Методы расчета концентрации МИ в плазме тлеющего разряда основаны на использовании экспериментальных значений эффективных констант равновесия (ЭКР) реакций образования-диссоциации МИ. ЭКР являются функциями состоя- ния (зависят от тока, напряжения, давления, температуры), поэтому при количе- ственных расчетах используют стандартные условия. На рис. 3 проиллюстриро- ваны подобные расчеты при определении Fe и Sn в никеле. Для уверенного раз- решения пиков 56Fe+ (m = 55,93494) и 40Ar16O+ (m = 55,9573) необходимо, чтобы разрешающая способность R0,5 превосходила 4000. Как видно из рисунка при R0,5 = 9000 проблема легко решается. Аналогичные заключения можно сделать и при определении олова по изотопу 118Sn (рис. 3а). Следует иметь в виду, что вследствие теплового дрейфа электроники возможны смещения пиков в пределах окна, что может приводить к ошибочной интерпретации пиков программным обеспечением прибора. Моделирование спектров помогает избежать подобных ошибок, так как оно дает исчерпывающую информацию относительно молеку- лярных интерференций в рассматриваемом диапазоне масс. а) б) Рис. 3. Рассчитанные и измеренные спектры масс образца никеля в области масс 56Fe (а) и 118Sn (б) при R0,5 = 9000 Другим источником артефактов анализа может быть поверхностное загрязне- ние образца. Тлеющий разряд позволяет путем предварительного травления по- верхности ионами аргона проводить очистку поверхности от случайных загрязне- ний, что повышает достоверность анализа материалов. Скорость травления варьи- руют током разряда, она зависит от материала и находится в диапазоне от долей до единиц мкм/мин. Эти свойства разряда позволяют анализировать также тонкие слои и покрытия с субмикронным разрешением. Благодаря высокой стабильности тлеющего разряда и значительной площади, которая подвергается обработке, ме- Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2007, Т. 9, № 1 23 тод обладает высокой точностью, воспроизводимостью и достаточным усредне- нием. Для анализа порошковых или компактных непроводящих материалов (на- пример, оксидной керамики) используют приемы, которые создают проводимость в объеме или на поверхности пробы. Порошковые пробы прессуют с металличе- скими связками, для анализа компактных материалов применяют маску с отвер- стиями, которую накладывают на образец (так называемая техника вторичного катода). В процессе распыления металла маски на поверхности образца образует- ся проводящий слой, который начинают бомбардировать ионы аргона, распыляя материал пробы. Используют также металлическую подложку, к которой при- прессовывают тонкий слой исследуемого порошка. Ионный ток основы непрово- дящего образца, как правило, слабее, чем ток металла подложки, что несколько снижает чувствительность анализа. Металл вторичного катода выбирают в зави- симости от аналитической задачи. В процессе измерения естественно делают так называемый холостой эксперимент, или поправку на загрязнения вторичного ка- тода, однако этого недостаточно. Для минимизации ошибок, связанных с остаточ- ными загрязнениями вторичного катода, он должен быть примерно на порядок чище по определяемым элементам, чем исследуемый образец. Для уменьшения количества МИ с участием металла подложки желательно, чтобы он принадлежал к элементам с нечетным зарядом ядра, которые моноизотопны или имеют два изотопа (Al, Ta, Au и др.), образующиеся МИ должны достаточно разрешаться. При анализе порошков, склонных к адсорбции газов, желательно, чтобы металл подложки обладал также геттерными свойствами. Пределы обнаружения и арте- факты, ограничивающие чувствительность анализа с использованием техники вторичного катода, могут быть проиллюстрированы расчетами, сделанными при анализе высокочистого сапфира. В качестве вторичного катода использовали тан- тал чистотой 99,9999 % (табл. 7). Таблица 7. Предел обнаружения и артефакты при анализе Al2O3 Изотоп Чувствительность, ppm КОЧ (КОЧ Al º 1,000) Факторы, ограничиваю- щие чувствительность 11B 0,01 1,078 фон* 23Na 0,2 2,140 30Si16O+2,28SiH2 16O+2 24Mg 0,02 0,955 фон, 12C2 ** 28Si 0,07 1,115 фон, 12C16O 31P 0,05 2,634 Фон 32S 0,2 3,255 16O2 44Ca 0,2 0,411 фон, 12C16O2 48Ti 0,007 0,697 фон,36Ar12C 52Cr 0,02 1,276 40Ar12C 55Mn 0,01 1,353 40Ar15N, 28Si27Al 56Fe 0,03 1,149 фон, 40Ar16O 60Ni 0,05 1,188 Фон 63Cu 0,03 1,846 36Ar27Al И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин 24 Продолжение табл. 7 64Zn 0,07 3,138 Фон 69Ga 0,07 4,226 Фон 71Ga > 10 4,226 36Ar35Cl, 40ArH30Si 90Zr 0,01 0,671 Фон 95Mo 2 1,149 Фон 184W > 100 1,118 181TaH3 186W 1,5 1,118 Фон 208Pb > 10 1,118 181Ta27Al 206Pb 0,2 2,552 Фон * — фоновые токи (остаточные загрязнения тантала, шумы электроники, ионная оптика); ** — для сокращения записи однозарядные ионы показаны без обозначения заряда. Ионное травление дает информацию также о распределении примесей в час- тицах порошка, позволяя отделить адсорбированную грязь от примесей, входя- щих в кристаллическую решетку. Такие особенности метода имеют большое зна- чение при разработке технологии очистки, скажем высокочистого оксида алюми- ния, используемого для изготовления сапфировых подложек. Травление ионами аргона хорошо выявляет структуру материала. Подготовленные таким образом образцы можно исследовать методами растровой электронной микроскопии. Выводы Необходимость выбора того или иного аналитического метода, безусловно, определяется его информативностью для решения задач оптического материало- ведения. В материаловедении оптической и магнитооптической записи информа- ции используется весьма широкий спектр различных материалов. Поэтому, для анализа различных материалов требуется применение разных, а зачастую, ком- плекса взаимодополняющих аналитических методов. В настоящей работе не при- ведены примеры использования просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), являющейся, по сути, единственным методом «прямого» наблюдения и исследований наноструктурных материалов. Это связано с большим количеством специализированных работ с использованием ПЭМ, в которых даются многочис- ленные примеры применения данного аналитического метода. Методика эксперимента в представленной работе практически не обсуждает- ся, так как этому посвящен целый ряд специализированных работ в приведенном списке литературы. Акцент был сделан на физических артефактах, а также на примерах применения различных методов анализа. Применение каждого аналити- ческого метода требует больших знаний и опыта, использование которого делает эксперимент значительно более информативным, чем эксперимент, проведенный новичком. Это связано и с тем, что необходимо понимать работу систем обработ- ки, которые изменяют первоначальные данные или автоматически выдают ин- формацию о положении и форме пиков, их интенсивности и т.д. В настоящее время, однако, происходит интенсивное оснащение аналитических методов усо- вершенствованным программным обеспечением. Это позволяет «впитать» много- летний опыт аналитиков, которые, как правило, участвуют в создании программ- Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2007, Т. 9, № 1 25 ного обеспечения, так как являются, по сути, его заказчиками. Такое взаимодей- ствие аналитиков-экспериментаторов и программистов, безусловно, улучшит ка- чество работ в области материаловедения оптической записи. 1. Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д. и др. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. — В 2-х кн. — М.: Мир, 1984. 2. Черепин В.Т., Васильев М.А. Методы и приборы для анализа поверхности материалов. — К.: Наук. думка, 1982. — 400 с. 3. Бриггс Д., Сих М.П. Анализ поверхности методом оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. — М.: Мир, 1987. — 600 с. 4. Карлсон Т.А. Фотоэлектронная и оже-спектроскопия. — Ленинград: Машиностроение, 1981. — 432 с. 5. Зандерна А. Методы анализа поверхностей. — М.: Мир, 1979. — 584 с. 6. Спектроскопия и дифракция электронов при исследовании поверхности твердых тел / Ку- лешов В.Ф., Кухаренко Ю.А., Фридрихов С.А., Запорожченко В.И., Раховский В.И., Наумовец А.Г., Городецкий А.Е. — М.: Наука, 1985. — 288 с. 7. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности. — М.: Мир, 1989. — 568 с. 8. Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок. — М.: Мир, 1989. — 344 с. 9. Palmberg P.W., Riach G.E., Weber R.E., MacDonald N.C. Handbook of Auger Electron Spectroscopy. A Reference Book of Standard Data for Identification and Interpretation of Auger Electron Spectroscopy Data // Physical Electronics Industries, Inc. — Minneapolis, Minnesota (USA), 1972. — 161 p. 10. Sekine T., Nagasawa Y., Kudoh M., Sakai Y., Parkes A.S., Geller J.D., Mogami A., Hirata K. Handbook of Auger Electron Spectroscopy. — Tokyo (Japan): JEOL Ltd., 1982. — 190 p. 11. Иванов В.Ш., Брытов И.А., Кораблев В.В., Козырева Н.А., Кузнецова Т.В., Цукерман Е.А., Киселева И.И. Атлас оже-спектров химических элементов и их соединений. — М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1986. — 201 с. 12. Sigmund P. Collision Theory of Displacement Damage // Rev. Roum. Phys. — 1972. — 17, N 9. — Р. 1079–1106. 13. Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. — М.: ГИТТЛ, 1957. 14. Блохин М.А., Швейцер И.Г. Рентгеноспектральный справочник. — М.: Наука, 1982. 15. Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д., Фиори Ч., Лифшин Э. Растровая элек- тронная микроскопия и рентгеновский микроанализ / Пер. с англ. — В 2-х кн. — М.: Мир, 1984. 16. Малви Т., Скотт В.Д., Рид С.Дж.Б., Кокс М.Дж.К., Лав Г. Количественный электронно- зондовый микроанализ / Пер. с англ. — М.: Мир, 1986. 17. Гоулдстейн Дж., Яковиц Х. Практическая растровая электронная микроскопия / Пер. с англ. — М.: Мир, 1978. 18. Косско И.А., Иващенко Ю.Н. Применение Оже-электронной спектроскопии в микроэлек- тронике // Актуальные проблемы физики полупроводников: Материалы 3-й Республиканской школы-конференции. — К., 1989. — С. 67. И. А. Косско, В. Д. Курочкин, В. Г. Кравец, А. А. Крючин 26 19. Иващенко Ю.Н., Косско И.А., Дворина Л.А. Распыление поверхности пленок дисилицида молибдена. Взаимодействие ионных пучков с атомами и поверхностью твердого тела: Межвузов- ский сб. науч. тр. — Ленинград, 1987. — С. 32. 20. Гончаренко А.Б., Иващенко Ю.Н., Косско И.А. Локальная Оже-электронная спектроско- пия. Сб. науч. тр. «Новые материалы микроэлектроники». — К.: Институт проблем материалове- дения АН Украины, 1988. — С. 10–18. 21. Иващенко Ю.Н., Фирстов С.А. Оже-микроанализ внутренних границ раздела в керамиче- ских материалах / К., 1990. — С. 29 (Препр. / АН УССР. Ин-т проблем материаловедения им. И.Н.Францевича). 22. Протопопов О.Д. Электронно-стимулированные эффекты в Оже-спектроскопии. — М.: ЦНИИ Электроники, 1982. — С. 69. 23. Powell C.J. The National Measurement Systems and Surface Properties. — NBS US Department of Comerce, 1977. — Р. 306. 24. Петров В.В., Крючин А.А., Богданова А.В.и др. Регистрирующие среды носителей инфор- мации постоянных оптических запоминающих устройств / К., 1985. — 53 с. (Препр. / АН Украи- ны. Ин-т проблем моделирования в энергетике). 25. Hattendorf B., Gunther D. Strategies for Method Development for an Inductively Coupled Рlasma Мass Spectrometer with Bandpass Reaction Сell. Approaches with Different Reaction Gases for the Determination of Selenium // Spectrochimica Acta. — 2003. — Vol. 58, N1. — P. 1–13. 26. Liu H.-Т., Jiang S.-J. Dynamic Reaction Cell Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry for Determination of Silicon in Steel // Spectrochimica Acta — 2003. — Vol. 58, N 1. — P. 153–157. 27. Курочкин В.Д. Особенности образования аргонсодержащих молекулярных ионов в крио- охлаждаемой плазме тлеющего разряда // Український хімічний журнал. — 2003. — Т. 69, № 9. — С. 26–34. Поступила в редакцию 17.11.2006 УДК 004.85 УДК 004.85 УДК 004.85 УДК 004.85 УДК 004.85 Фотон Фотон Таблица 2. Перевод полного наименования сокращений, помещенных в табл. 1 Наиболее подходящим по параметрам и, поэтому, наиболее часто используемым в оптическом материаловедении, является масс-спектрометр IMS 4f (CAMECA) с новыми модификациями (6F и др.). Приведем некоторые технические характеристики прибора: — профилирование по глубине (до 10 масс в одном распределении);
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-50872
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1560-9189
language Russian
last_indexed 2025-12-01T00:51:15Z
publishDate 2007
publisher Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
record_format dspace
spelling Косско, И.А.
Курочкин, В.Д.
Кравец, В.Г.
Крючин, А.А.
2013-11-05T23:21:45Z
2013-11-05T23:21:45Z
2007
Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1 / И.А. Косско, В.Д. Курочкин, В.Г. Кравец, А.А. Крючин // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2007. — Т. 9, № 1. — С. 3-26. — Бібліогр.: 27 назв. — pос.
1560-9189
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/50872
004.85
Рассмотрены аналитические методы, используемые для решения задач оптического тонкопленочного и наноструктурного материаловедения. Рассмотрены примеры применения наиболее распространенных и информативных методов анализа. Для наиболее часто используемых методов приведены основные артефакты анализа и методы их устранения или учета при анализе результатов.
Розглянуто аналітичні методи, що використовуються для вирішення задач оптичного тонкоплівкового та наноструктурного матеріалознавства. Розглянуто приклади застосування найбільш розповсюджених й інформативних методів аналізу. Для методів, що найбільш часто використовуються, наведено основні артефакти аналізу та методи їхнього усунення або врахування при аналізі результатів.
The analytical methods used for solving tasks of optical thin-film and nanostructure materials science are considered. Examples of application of the most widespread and informative methods of the analysis are given. For the most frequently used methods the basic artifacts of the analysis and methods of their elimination or the account at the analysis of results are presented.
ru
Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
Реєстрація, зберігання і обробка даних
Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних
Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1
Аналітичні методи дослідження тонкоплівкових і наноструктурних матеріалів, що використовуються для оптичного запису. Частина 1
Analytical Methods of Investigating Thin-Film and Nanostructure Materials Used for Information Recording. Part 1
Article
published earlier
spellingShingle Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1
Косско, И.А.
Курочкин, В.Д.
Кравец, В.Г.
Крючин, А.А.
Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних
title Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1
title_alt Аналітичні методи дослідження тонкоплівкових і наноструктурних матеріалів, що використовуються для оптичного запису. Частина 1
Analytical Methods of Investigating Thin-Film and Nanostructure Materials Used for Information Recording. Part 1
title_full Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1
title_fullStr Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1
title_full_unstemmed Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1
title_short Аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. Часть 1
title_sort аналитические методы исследований тонкопленочных и наноструктурных материалов, используемых для оптической записи. часть 1
topic Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних
topic_facet Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/50872
work_keys_str_mv AT kosskoia analitičeskiemetodyissledovaniitonkoplenočnyhinanostrukturnyhmaterialovispolʹzuemyhdlâoptičeskoizapisičastʹ1
AT kuročkinvd analitičeskiemetodyissledovaniitonkoplenočnyhinanostrukturnyhmaterialovispolʹzuemyhdlâoptičeskoizapisičastʹ1
AT kravecvg analitičeskiemetodyissledovaniitonkoplenočnyhinanostrukturnyhmaterialovispolʹzuemyhdlâoptičeskoizapisičastʹ1
AT krûčinaa analitičeskiemetodyissledovaniitonkoplenočnyhinanostrukturnyhmaterialovispolʹzuemyhdlâoptičeskoizapisičastʹ1
AT kosskoia analítičnímetodidoslídžennâtonkoplívkovihínanostrukturnihmateríalívŝovikoristovuûtʹsâdlâoptičnogozapisučastina1
AT kuročkinvd analítičnímetodidoslídžennâtonkoplívkovihínanostrukturnihmateríalívŝovikoristovuûtʹsâdlâoptičnogozapisučastina1
AT kravecvg analítičnímetodidoslídžennâtonkoplívkovihínanostrukturnihmateríalívŝovikoristovuûtʹsâdlâoptičnogozapisučastina1
AT krûčinaa analítičnímetodidoslídžennâtonkoplívkovihínanostrukturnihmateríalívŝovikoristovuûtʹsâdlâoptičnogozapisučastina1
AT kosskoia analyticalmethodsofinvestigatingthinfilmandnanostructurematerialsusedforinformationrecordingpart1
AT kuročkinvd analyticalmethodsofinvestigatingthinfilmandnanostructurematerialsusedforinformationrecordingpart1
AT kravecvg analyticalmethodsofinvestigatingthinfilmandnanostructurematerialsusedforinformationrecordingpart1
AT krûčinaa analyticalmethodsofinvestigatingthinfilmandnanostructurematerialsusedforinformationrecordingpart1