Уникальная научная установка (стенд) автоматизированный лабораторный измерительный комплекс РСМ-500 (УНУ РСМ-500) позволяет исследовать атомное и электронное строение и фазовый состав функциональных материалов и покрытий на основе алюминия, кремня и фосфора и их соединений, без разрушения в слоях поверхности, глубиной до 120 нм, в диапазоне длин волн 0.5-50 нм.
Принцип действия "сердца" УНУ - ультрамягкого рентгеновского спектрометра основан на разложении в спектр характеристического рентгеновского излучения, возникающего при облучении образца, прикрепленного к аноду разборной рентгеновской трубки, быстрыми электронами с последующей регистрацией его вторично-электронным умножителем открытого типа. В качестве диспергирующего элемента используется вогнутая сферическая дифракционная решетка типа "эшелетт", радиусом R=1995 мм, имеющая 600 штрихов/мм. Для устранения колебаний спектральной зависимости коэффициента отражения искажающих форму исследуемых спектров в области 2-50 нм, которые свойственны стеклянным дифракционным решеткам, на поверхности решетки нанесена пленка золота толщиной около 30 нм. Кроме того, такая решетка имеет более высокий коэффициент отражения..
Набор изучаемых проб (образцов) помещается на медный анод рентгеновской трубки и закреплялись на нем. Во время съемки анод рентгеновской трубки охлаждается проточной водой. Возбуждающие спектр электроны эмитируются за счет термоэмиссии из катода трубки в виде спирали, изготовленного из вольфрамовой проволоки, и ускоряются полем, приложенным между катодом и анодом. У катода пучок фокусируется с помощью фокусирующих электродов, что приводит к получению фокусного пятна на аноде размером примерно 5´5мм.
При облучении образца электронами с энергией 1 – 6 кВ возбуждалось рентгеновское излучение, которое разделялось по энергиям дифракционной решеткой и регистрировалось вторичным электронным умножителем типа ВЭУ-6, на анод которого подается положительное высокое напряжение 3 - 5 кВ, а на фотокатод - отрицательное напряжение 800 В. ВЭУ регистрирует электроны, выбитые рентгеновскими квантами из фотокатода. В данной работе использовался CsJ фотокатод: пленка CsJ толщиной около 100 нм наносилась на алюминиевую подложку методом вакуумного термического испарения. Импульсы с выхода ВЭУ поступают через усилитель-дискриминатор для дальнейшей регистрации в ЭВМ.
Съемка исследуемых образцов производилась при значениях ускоряющих напряжений на катоде, приведённых ниже с соответствующими глубинами анализа для кремния.
Ускоряющее напряжение катода, кВ Глубина анализа, нм
1 10
1.5 20
2 35
3 60
6 120
Для анализа возможных структурных и химических превращений в исследуемых в работе системах использовались спектры рентгеновской эмиссии ряда эталонных фаз из постоянно пополняемой базы данных. На Рисунке 2 приведены данные по форме спектров рентгеновской эмиссии для различных соединений на основе кремния: монокристаллического кремния типа КДБ-10, аморфного гидрогенезированного кремния, кристаллического кремния сильно легированного сурьмой [1], низкокоординированного кремния [2], промежуточного оксида кремния SiO1,3 [3], термического диоксида кремния SiO2.
Si L2,3 - эмиссионные спектры эталонных образцов используемых для интерпретации результатов исследования.
Из общего сопоставления спектров эталонных образцов, представленных на Рисунке 2 метод ультрамягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии демонстрирует высокую чувствительность формы рентгеновской эмиссионной полосы к сорту атомов и их числу, окружающих излучающий атом, а также к наличию беспорядка в расположении этих атомов.
Для полупроводниковых систем, содержащих наноразмерные объекты возможно образование сложных по составу приповерхностных нанослоев. Для идентификации, качественного и количественного анализа фазового состава образцов по полученным рентгеновским эмиссионным спектрам была разработана специальная методика анализа сложной рентгеновской эмиссионной полосы образца с помощью рентгеновских эмиссионных полос эталонных объектов и компьютерного моделирования. На практике она была реализована с помощью разработанной программы [4]. Имея полученный экспериментально эмиссионный спектр, для его анализа нам необходимо рассмотреть все его характерные особенности (положения главных максимумов, минимумов, точки перегиба, точки максимумов, незначительных по своей интенсивности, общую форму спектра), а также определить их энергетическое положение и сравнить их с соответствующими особенностями рентгеновских спектров эталонов, учитывая, что если данная фаза присутствует в незначительном количестве, то вклад в суммарную интенсивность данного эталонного спектра будет незначительным. Эталоны для анализа выбираются исходя из формы спектра конкретного образца, учитывая энергетическое положение его максимумов; максимумы с такими же значениями энергии должны присутствовать и в используемых эталонах.
В качестве примера приведем результаты моделирования УМРЭС для образцов пористого кремния, сформированных на пластинах c-Si n-типа [4]. Целью работы было определения фазового состава поверхностных слоев как в свежеполученном образце, так и в отожженных в потоке кислорода (Рис. 36). Исходя из данных о технологии формирования и последующего отжига образцов, был выбран набор эталонных спектров для анализа эмиссионных спектров образцов и проведено моделирование.
УМРЭС Si L2,3 спектры пористого кремния (точки): исходного образца (a) и отожженных в потоке кислорода при температурах 100 С (b), 200 С (c), 300 С (d) и 400 С (e), а также результаты их математического моделирования (сплошная линия) [4].
Результаты моделирования данных рентгеновской эмиссии показали хорошее согласие "модельных" и экспериментальных спектров, позволяющее определить вклад как фаз оксидов кремния, так и фазы разупорядоченного (аморфного) кремния, в сложные эмиссионные полосы (Рис. 36) образцов пористого кремния как результат окисления в потоке кислорода [38]. Этот результат иллюстрирует как высокую чувствительность метода УМРЭС к составу и структуре анализируемого слоя поверхности, так и применимость методики разложения эмиссионных полос для проведения анализа фазового состава.
[1] Плотность электронных состояний в поверхностных слоях кремния, имплантированного сурьмой, при термическом и оптическом отжигах / В.А. Терехов [и др.] // Поверхность. Физика, химия, механика. – 1987. – №10. – С. 150 – 153.
[2] Исследование электронной структуры аморфного кремния и силицина методом рентгеновской спектроскопии / А.И. Машин [и др.] // ФТП. – 2001. – Т.35, №8. – С. 995.
[3] Wiech G. Electronic structure of amorphous SiOx:H alloy films by X-ray emission spectroscopy: Si K, Si L, and O K emission bands / G. Wiech, H.-O. Feldhutter, A. Simunek // Phys. Rev. B. - 1993. - V. 47, N 12. - P. 6981-6989.
[4] Determination of the phase composition of the surface layers in porous silicon using ultrasoft X-ray emission spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy techniques / V.A. Terekhov [et al.] // J. Electron Spectr. and Rel. Phen. – 2001. – V. 114-116. – P. 895 – 900.