WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 11 10;11;12 Отражение электронов килоэлектронвольтных энергий от многослойных поверхностей 2 © В.П. Афанасьев,1 А.В. Лубенченко,1 С.Д. Федорович,1 А.Б. Паволоцкий 1 Московский энергетический институт (технический университет), 111250 Москва, Россия 2 Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия e-mail: lub@phns.mpei.ac.ru (Поступило в Редакцию 22 февраля 2002 г. В окончательной редакции 14 мая 2002 г.) Приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований энергетических спектров электронов, отраженных от многослойных мишеней. Простроена последовательная теория отражения электронов от многослойных поверхностей. Приведены простые аналитические модели электронного отражения, наглядно иллюстрирующие возможность измерения послойного состава мишеней на их основе.

Измерены энергетические спектры отраженных электронов (нормальное падение) от многослойных структур вида Nb/Si, Nb/Al/Nb/Si под углом 45 от нормали. Для определения послойного состава таких структур использовалась развитая в работе методика.

Введение пичная картина, возникающая при сравнении спектров различных авторов.

Электронная спектроскопия — один из наиболее эф- Отсутствие упругого пика в энергетических спекфективных и стандартно реализуемых методов анализа трах [2–4] объясняется низким вакуумом, приводящим к поверхности твердого тела [1]. В предлагаемой работе загрязнению поверхности и невысоким энергетическим используется метод, основанный на анализе дважды разрешением. Из-за сильного влияния чистоты поверхдифференциальных спектров электронов, отраженных в ности на высокоэнергетический участок спектра упругий данный телесный угол. Элементная база устройств для пик не наблюдался и в работах [5–7]. Отметим отсутисследования подобных спектров содержит электронный ствие литературных данных по спектрам электронов, зонд и энергоанализатор. Однако в отличие от оже- отраженных от многослойных мишеней.

спектроскопии и спектроскопии характеристических по- Целью данной работы является демонстрация полутерь энергии электронов, строящихся на той же эле- ченных экспериментальных спектров электронов, отраментной базе, данный метод не требует столь высокого женных от многослойных поверхностей и построение энергетического разрешения. Получаемая о мишени ин- вычислительной методики восстановления послойного формация относится к глубинам порядка длины транс- состава мишени.

портного пробега электронов ltr. Величина ltr примерно пропорциональна квадрату энергии пучка. Варьируя Экспериментальные данные энергию зондирующего пучка электронов в пределах по энергетическим спектрам 4-32 keV, мы просканируем, например, мишень из меди по глубине в пределах от 25 до 800 nm.

электронов, отраженных от однородных Имеющийся в настоящее время весьма неполный наи многослойных мишеней бор экспериментальных результатов по энергетическим спектрам электронов (СОЭ), отраженных от однородных Выполненная из нержавеющей стали вакуумная камишеней в области энергий 1 < E0 < 100 keV, отлича- мера экспериментальной установки допускала прогрев ет значительное количественное, а в ряде случаев и до 300C. Предварительная откачка производилась туркачественное расхождение данных. Указанное несоот- бомолекулярным насосом (ТМН). Безмаслянный вакуветствие экспериментальных результатов объясняется ум в процессе измерений поддерживался двумя магразличиями в чистоте поверхности мишеней, различным ниторазрядными насосами (при отсеченном ТМН) и разрешением энергоанализаторов, неопределенностью в сорбционно-орбитронным насосом. Давление во время аппаратной функции приборов, используемых для реги- эксперимента было не хуже 10-6 Pa в условиях безмасстрации спектров. Энергетические спектры, снимавшие- лянной откачки. Состав остаточных газов в вакуумной ся в 50-90-е годы, имеют вид гладких кривых с един- камере контролировался с помощью масс-спектрометра.

ственным максимумом [2–7]. Позднее были проведены Углеродосодержащих соединений в ходе эксперименисследования [8], позволившие наблюдать СОЭ сложной тов не было обнаружено. В качестве предварительной пивоко-купольной формы. На рис. 1 представлена ти- очистки поверхности мишени использовалась промывка Отражение электронов килоэлектронвольтных энергий от многослойных поверхностей Зондирующий пучок электронов с энергий 3 < E0 < 30 keV формировался электронной пушкой.

Рабочий ток пучка электронов поддерживался на уровне 125 µA (температура мишени при этом не превышала 500C для указанного диапазоне энергий пучка) и направлялся на мишень по нормали.

Мишень заземлялась через образцовое сопротивление.

Геометрия эксперимента выбиралась таким образом, что в энергоанализатор попадали электроны, отраженные от поверхности мишени под углом = 135 (т. е. 45 от нормали к мишени).

Анализ по энергиям отраженных электронов выполнялся 180-ным сферическим электростатическим энергоанализатором, который имел разрешение по энергии, равное E/E0 = 0.8%. Напряжение на пластинах анализатора изменялось от 0 до 4 kV с помощью ЭВМ.

Рис. 1. Экспериментальные данные различных авторов по спектрам электронов, отраженных от полубесконечной мишени. Начальная энергия 30 keV, нормальный угол падения, угол наблюдения 45 от нормали (такие же углы на рис. 2–4).

Квадраты — данные [8], кружки —[4], треугольники — [2], Материал мишени 1 —Pt, 2 —Ag, 3 —Cu.

в растворе муравьиной кислоты и перекиси водорода.

На окончательной стадии подготовки поверхности применялась ионная очистка мишени расфокусированным пучком ионов аргона с энергией 5 keV и плотностью тока 1.5 mA/m2. Прогрев мишени осуществлялся расфокусированным электронным пучком с током 300 µA и ускоряющим напряжением 20 kV. Температура мишени при этих параметрах электронного пучка достигала 500C. Конструкция установки допускала одновременное воздействие на мишень зондирующего электронного и очищающего ионного пучков. Контроль чистоты поверхности мишени осуществлялся по пику упруго отраженных электронов. Электронно-стимулированный рост Рис. 2. Спектры электронов, отраженных от полубесконечной углеродосодержащих пленок на поверхности мишени однородной мишени. Нормальная энергия, keV: a —4, b —6, после ионной очистки, а также изменение состава приc —8, d — 10, e — 16, f — 32. Сплошная жирная линия — поверхностного слоя мишени за счет внедрения пучка СОЭ от мишени из Au, сплошная тонкая — Ag, штриховая — ионов аргона не были обнаружены. Cu, штрихпунктир — V.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 102 В.П. Афанасьев, А.В. Лубенченко, С.Д. Федорович, А.Б. Паволоцкий Толщины напыленных слоев Nb и Al измерялись на профилометре фирмы Taylor–Hobsen на основе метода двулучевой интерферометрии. Измерения, выполненные многократно, дали ошибку в пределах 10%. Скорость напыления Nb оказалась равной 2.34 nm/s; скорость напыления Al — 0.16 nm/s.

На рис. 2–4 представлены результаты экспериментальных исследований. Спектры представлены после вычитания фонового сигнала и учета аппаратной функции энергоанализатора. Рис. 2 иллюстрирует спектры электронов, отраженных от однородных мишеней.

На рис. 3 представлены энергетические спектры электронов, отраженных от двухслойной мишени Nb/Si.

Рис. 4 иллюстрирует изменение поведения спектров электронов, отраженных от массива из ниобия, в котором имелся слой алюминия (мишень Nb/Al/Nb/Si), залегающий на разных глубинах, что имитировала различная толщина верхней пленки Nb. Влияние на спектры подложки из кремния для представленных энергий зондирующего пучка электронов практически не заметно.

Дальнейшее изложение посвящено созданию модели, интерпретирующей представленные спектры, с целью восстановления послойного состава мишени.

Рис. 3. Спектры электронов, отраженных от двухслойной мишени: слой Nb на Si. Начальная энергия, keV: a — 4, b — 6, c — 8, d — 10, e — 24, f — 32. Приведены СОЭ от мишеней со слоями из Nb, напыленными в течение различных промежутков времени: сплошная толстая линия — 20 s, сплошная тонкая — 40 s, штрихпунктир — 60 s.

Электроны, прошедшие энергоанализатор, попадали в цилиндр Фарадея. Ток электронов (от 10-12 до 10-10 A) измерялся с помощью электрометрического усилителя с абсолютным разрешением 10-13 A.

Многослойные мишени Nb/Si и Nb/Al/Nb/Si создавались на установке L560 фирмы Leybold. Использовалась подложка Si{100} марки КЭФ-4.5. Подложка промывалась в хромпике при 90C 1 h, после этого Рис. 4. Спектры электронов, отраженных от многослойной ополаскивалась в проточной деионизованной воде. Чистмишени Nb/Al/Nb/Si. Начальная энергия, keV: a —4, b —8, ка подложки в установке выполнялась радиочастотным c — 10, d — 16, Сплошная толстая линия — СОЭ от мишени тлеющим разрядом аргона при давлении 5 · 102 Pa в с верхним слоем из Nb, напылением за 10 s; сплошная тонкая течение 150 s. Затем проводилась откачка до 2.4·10-2 Pa линия — 20 s, штрихпунктир — 30 s. Средний слой из Al — с последующим напылением Nb и Al.

210 s.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Отражение электронов килоэлектронвольтных энергий от многослойных поверхностей Теоретическая интерпретация ем для T (x,, 0, ), в свою очередь зависящим от R(x,, 0, ), является точным.

энергетических спектров электронов, Поскольку решение данной системы в общем виде отраженных от однородных не представляется возможным, одной из задач являети мнолослойных мишеней ся выбор приближений, которые наиболее подробным образом дадут аналитическое описание процесса обратРассмотрим однородный слой твердого тела толщиного рассеяния электронов. Аддитивность упругого и ной x. На рис. 5 представлена схема рассеяния элекнеупругого интегралов столкновений в уравнении петронов. Увеличим толщину слоя, добавив полоску того реноса позволяет представить функцию пропускания в же вещества толщиной dx на нижнюю границу слоя.

мультипликативной форме:

К изменению функции отражения T (x,, 0, ) =Tin(x, ) Tel(x, 0, ), (3) dR(x,, 0, ) =R(x + dx,, 0, ) - R(x,, 0, ) где Tin(x, ) — неупругая функция пропускания;

приведет процесс, показанный более жирными линиями, Tel(x, 0, ) — упругая функция пропускания.

математической записью которого является выражение Ограничимся односкоростным приближением. Решая линейное дифференциальное уравнение (2) и подставляя ndx T (x,, 0, ) el(, ) в него представление функции пропускания в виде (3), получаем выражение, которое допускает запись T (x, -,, ) d d d. (1) d Здесь T (x,, 0, ) — функции пропускания;

R(d,, 0, ) = A x(1/µ0 + 1/µ), 0, = E0 - E — потеря энергии; E0, E, 0 = {0, 0}, = {, } — энергия и направления движения электронов на влете и выходе из слоя; d = sin d d;

Tin x(1/µ0 + 1/µ), dx. (4) 0 <

Приравнивая dR(x,, 0, ) выражению (1), приходим A(u, 0, ) =n Tel(x/µ0, 0, )el(, ) к дифференциальному уравнению для R(x,, 0, ) Tel(x/µ,, ) d d (5) dR(x,, 0, ) = n T(x,, 0, )el(, ) dx — функция распределения отраженных электронов по пробегам, u = x(1/µ0 + 1/µ) — длина пробега электро T (x, -,, )d d d (2) на в малоугловом приближении. Функция A(u, 0, ) с граничным условием R(x,, 0, ) = 0 при x = 0. является решением упругой части задачи. Она описыУравнение (2) в системе с аналогичным уравнени- вает отраженные электроны, которые прошли в мишени путь u. Представление решений в виде (4), (5) стало допустимым благодаря малоугловому приближению. Малоугловое приближение, приводящее к замене реального пути, пройденного частицей на проективный пробег, неадекватно описывает частицы, пробег которых превышает транспортный.

Далее рассмотрим приближение одного отклонения в упругом канале рассеяния и приближение непрерывного замедления в неупругом канале. Данное приближение приемлемо только для описания спектров отражения электронов с энергией, превышающей мегаэлектронвольты, однако мы его приводим, поскольку оно наиболее наглядно передает суть рассматриваемого метода электронной спектроскопии для послойного анализа.

В приближении одного отклонения пренебрегается изменением направления движения частицы вплоть до „сильного“ столкновения, приводящего к переходу от нисходящего к восходящему движению частицы в мишени, Tel(x,, ) =( - ), (6) Рис. 5. Модель, иллюстрирующая отражение от слоя. где (x) — функция Дирака.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 104 В.П. Афанасьев, А.В. Лубенченко, С.Д. Федорович, А.Б. Паволоцкий Распределение по пробегам в этих условиях принима- электронов, не вызвав заметного снижения качества ет вид расчетных данных (это определяется практическим совA(u, 0, ) =nel( 0, ). (7) падением первой десятки моментов распределений (10) и (11)).

Функция отражения в приближении одного отклонеПредставим сечение упругогоо рассеяния, переводяния в соответствии с (4)–(7) допускает запись щее нисходящий поток электронов в восходящий, в виде d el( 0, ) =el( 0, ) - el( 0 - ).

x R(d,, 0, ) =nel( 0, ) Tin, Функция A(u, 0, ) в соответствии с (10) имеет вид µ0 AG-S(u, 0, ) =n exp(-nelu)el( 0, ) x Tin, - d dx. (8) 2l + µ + n (l - el)Pl() l=Выполняя в (8) интегрирование по, а затем по x представив функцию Tin(x, ) в приближении непрерыв exp(-n(l - el)u) - exp(-nelu). (12) ного замедления Tin(x, ) =( - x), получаем В диффузионном приближении распределение по длиR(d,, 0, ) =n el( 0, ) нам пробегов в мишени A(u, 0, ) записывается в виде 2l + d AD(u, 0, ) =n (l - el)Pl() 1 1 n el( 0, ) dx - x + = l=1 µ0 µ + µ0 µ u l(l + 1) exp -, (13) 1 ltr - d + - ( ). (9) µ0 µ где в явном виде фигурирует транспортный пробег ltr, который является основным параметром задачи упруго Здесь (x) — функция Хевисайда, — средние потери го электронного рассеяния.

энергии на единице длины.

Подробному изложению методов расчета энергетичеПоследовательное вычисление спектра электронов, ских спектров электронов, прошедших слой твердого теотраженных от тонкого (d ltr) слоя твердого тела, була x, описываемых функцией Tin(x, ), посвящены наши дем вести, используя решение Гаудсмитта–Саундерсена работы [9]. Говоря об учете флуктуаций энергетических для описания движения электронов по упругому каналу;

потерь, следует выделить две задачи о вычислении записанное в приемлемой для численных вычислений энергетического спектра отраженных электронов.

форме, оно имеет вид а) Описание спектра электронов в узкой энергети ческой области E0 - E E0 ( 100 eV), бази1 2l + G-S Tel (x, 0, ) =() exp(-nelx) + Pl() рующееся на подробном знании сечения однократного l=неупругого орассеяния in( ) [10]. Экспериментальная ситуация, соответствующая данной задаче, реализуется exp(n(l - el)x) - exp(-nelx), (10) при измерении спектров характеристических потерь энергии электронов (ХПЭ).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.