Материал: 551

111

12.МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

12.1.Контроль состава и структуры материалов

Свойства всех материалов определяются их химическим составом и структурой, т.е. набором атомов различных элементов и их взаимным пространственным расположением. Если материал обладает кристаллической структурой, то существенное влияние на свойства оказывают нарушения правильного строения кристаллической решетки - дефекты. В ряде случаев весьма важными оказываются структура поверхности материалов и элементный состав адсорбированных на ней слоев. Отклонения этих характеристик от заданных влияют на качество материалов электронной техники, меняют их свойства и требуют контроля с помощью специально разработанных методов. При этом следует иметь в виду, что не существует единственного, универсального метода изучения структуры или состава вещества (или других характеристик), пригодного во всех случаях. В настоящее время разработано много методов контроля, основанных на различных физических принципах и обладающих широким набором возможностей, различной чувствительностью, многообразием областей применения.

12.2. Оптическая микроскопия

Одним из наиболее универсальных методов изучения структурных особенностей материалов и средством технологического контроля является метод оптической микроскопии.

Для изучения структуры материалов и приборов электронной техники обычно используются микроскопы, работающие в отраженном свете. Микроскоп представляет собой сочетание двух увеличивающих оптических систем – объектива и окуляра. Образец располагают вблизи передней фокальной плоскости объектива, который дает его промежуточное изображение − действительное, увеличенное, обратное. Вблизи него располагают переднюю фокальную плоскость окуляра, который увеличивает промежуточное изображение, создавая мнимое изображение, воспринимаемое глазом. Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра и может достигать 2000.

Современные микроскопы имеют сложную многолинзовую оптику, специальные осветительные системы, устройства для фотографирования изучаемого объекта, наблюдения его на экране, а также связь с ЭВМ, автоматически обрабатывающей изображение.

112

Важнейшей характеристикой микроскопа является его разрешающая способность, равная обратной величине минимального разрешаемого расстояния, т.е. расстояния между двумя точками объекта, дающими неперекрывающиеся изображения. Минимальное разрешаемое расстояние определяется соотношением:

dmin ≥ 0,5λ(n sinα2),

где λ – длина световой волны; п – коэффициент преломления среды,

находящейся между предметом и объективом; α – апертурный угол объектива (угол, под которым объектив виден из точки на поверхности объекта).

Разрешающая способность микроскопа, определяемая объективом, увеличивается при уменьшении длины волны используемого излучения, например, при использовании ультрафиолетовых лучей, и уменьшается при смещении в инфракрасный участок спектра. Следует заметить, что оба этих крайних случая используются редко, так как требуют применения специальной оптики и преобразователей изображения в видимое.

Существенной при работе с оптическим микроскопом является также глубина резкости изображения, т.е. пространство предмета по глубине, в котором детали наблюдаются с одинаковой резкостью. Глубина резкости уменьшается при увеличении апертурного угла и кратности увеличения микроскопа. Обычно глубина резкости составляет 0,5-50 мкм.

Качество наблюдаемого изображения зависит не только от разрешающей способности объектива, но и от распределения контраста по поверхности объекта и неидеальностей оптики микроскопа – аберраций, которые частично устраняются за счет использования монохроматического света и применения объективов и окуляров, составленных из нескольких линз, взаимно компенсирующих аберрации.

Изображение в оптическом микроскопе образуется за счет контраста, т.е. неодинаковой освещенности составляющих его участков. Причиной возникновения контраста обычно служит рельеф на поверхности образца, который формируется в процессе его подготовки для исследования.

Чаще всего подготовка заключается в выравнивании поверхности с помощью шлифования и химического или электрохимического травления ее. При этом и возникает рельеф, связанный с тем, что разные зерна кристалла или области кристаллов вокруг дефектов (дислокации, дефектов упаковки и др.) имеют различную скорость растворения за счет ориентировки или химической неоднородности. В этом

113

случае контраст зависит от наклона элемента структуры по отношению к падающему пучку света. В других случаях контраст связан с различной окраской участков образца, а при размерах деталей структуры порядка длины волны света – с его дифракцией. При наблюдении структуры оптически анизотропных объектов, которыми очень часто являются кристаллы, в обычном неполяризованном свете контраста может не быть. Но при использовании поляризованного излучения для наблюдения структуры поляризация света, отраженного разными кристаллами, будет зависеть от его ориентировки относительно плоскости шлифа. Это приведет к возникновению заметного контраста в изображении. Наблюдение его возможно лишь в специальном поляризационном микроскопе, имеющем поляризатор и анализатор для работы с поляризованным светом.

Применение микроскопов для исследований и контроля структуры материалов очень эффективно, так как позволяет в различных случаях определять качество поверхности материалов, размер зерен поликристаллов, степень совершенства монокристаллов, наличие химических неоднородностей, тип и характер распределения дефектов структуры, проводить анализ эпитаксиальных структур.

С помощью микроскопа можно измерять толщину эпитаксиальных пленок, диффузионных и оксидных слоев. Толщину тонкого слоя можно определить, если сошлифовать его под очень малым углом к плоскости, подвергнуть окрашивающему травлению (декорирование) и измерить с помощью микроскопа протяженность наклонного участка.

Оптический микроскоп является универсальным, весьма эффективным прибором, позволяющим решить многие задачи контроля структуры материалов электронной техники, однако его разрешение ограничено величиной 0,2 мкм.

12.3. Электронная микроскопия

В электронном микроскопе используется способность электронов, ускоренных электрическим полем, проявлять волновые свойства. При этом движущемуся электрону (или другой элементарной частице) можно сопоставить волну длиной

λ = h 2 e uU me ,

где h – постоянная Планка; е, те – заряд и масса электрона; U – ускоряющее напряжение.

При ускоряющем напряжении 100 кВ длина электронной волны составит ~ 0,004 нм, что много меньше длины световой волны

(550 нм).

114

Будучи заряженными частицами, ускоренные электроны могут отклоняться электрическим или магнитным полем. Это дает возможность создать для электронных пучков электромагнитные линзы, действие которых аналогично действию оптических линз на световые

7Линза-конденсор формирует параллельный пучок, падающий на образец, установленный вблизи передней фокальной плоскости объективной линзы. Электронные пучки

Рисунок12.1 − Оптическаясхемаэлектронногомикроскопа:

1 - источникэлектронов; 2 - конденсорнаялинза; 3 - образец; 4 - объективная линза; 5 - апертурнаядиафрагма; 6 - селекторнаядиафрагма; 7 - промежуточная линза; 8 - проекционнаядиафрагма; 9 - проекционнаялинза

115

ную линзы. Использование промежуточной линзы с переменным фокусным расстоянием расширяет возможности электронного микроскопа.

Всю электронно-оптическую систему и образец помещают в вакуум внутри металлической колонны, обеспечивающей взаимную неподвижность частей, возможность регулировок и наблюдения изображения через специальные иллюминаторы в основании колонны. Следует заметить, что электронные лучи не воспринимаются непосредственно человеческим глазом, поэтому электронно-микроскопи- ческое изображение наблюдают на сцинтиллирующем экране или регистрируют на фотопластинку.

Общее увеличение электронного микроскопа может достигать 200 000, а малая длина волны обеспечивает в лучших моделях мик-

роскопов минимальное разрешаемое расстояние d ~ 0,l ÷ 0,15 нм. Эта величина приближается к размерам отдельных атомов. Однако непосредственное наблюдение атомно-кристаллического строения вещества в большинстве случаев невозможно. Этому препятствуют несовершенства электронных линз, приводящие к заметным искажениям изображения.

Размер поля зрения электронного просвечивающего микроскопа зависит от выбранного увеличения и изменяется от единиц до десятков мкм2.

12.4. Растровая электронная микроскопия

Построение изображения в растровом электронном микроскопе (РЭМ) осуществляется с помощью пучка электронов, эмиттированных катодом и ускоренных высоким напряжением 10-50 кВ, приложенным к аноду. Электромагнитные линзы в РЭМ образуют фокусирующую систему, которая создает электронный пучок малого диаметра и отклоняющую систему, с помощью которой можно изменять направление распространения электронного пучка.

В процессе работы РЭМ электронный луч на выбранном малом участке образца перемещается по строкам, образуя растр, подобно электронному лучу в кинескопе телевизора. Другими словами, во время работы микроскопа луч перемещается по исследуемой поверхности, последовательно по строкам сканируя ее, поэтому часто РЭМ называют сканирующим электронным микроскопом. В точке падения луча на поверхность будет происходить взаимодействие электронов с материалом образца, сопровождаемое различными эффектами. Чаще всего для получения изображений поверхности используют вторичные электроны (т.е. медленные электроны, выбиваемые из образца

116

под действием высокоэнергетичного электронного луча), которые регистрируют специальным детектором, установленным вблизи образца. Сигнал с детектора усиливается и используется для управления интенсивностью электронного луча кинескопа видеоконтрольного устройства, на экране которого строится изображение. Особенностью работы РЭМ является то, что движение луча на телеэкране происходит синхронно с движением первичного электронного луча по поверхности образца, так что каждой точке исследуемого участка поверхности можно сопоставить точку на телеэкране.

Если теперь в одной из сканируемых точек образца встретится некая особенность, изменяющая, например, выход вторичных электронов, это приведет к изменению величины сигнала с детектора и к изменению яркости соответствующей точки на телеэкране. Появится контраст, который и обусловливает появление изображения в целом.

При способе построения изображения по точкам разрешающая способность будет зависеть от диаметра первичного пучка электронов. Современные РЭМ имеют разрешающую способность порядка 10 нм,

астепень увеличения от 102 до 106.

Спомощью РЭМ можно решать задачи исследования структуры и контроля материалов и приборов электронной техники, связанные с анализом поверхностного рельефа, определением толщины пленок и покрытий, неоднородности элементного состава, качества соединений и контактов, топологии интегральных схем и др.

К недостаткам этого метода следует отнести необходимость помещения анализируемого образца в вакуум.

12.5. Рентгенографический анализ

Задача изучения структуры вещества успешно решается с помощью целой группы дифракционных методов, основанных на рассеянии веществом рентгеновских лучей. Источником излучения служит рентгеновская трубка, обеспечивающая длину волны рентгеновского излучения ~0,1 нм. Рентгеновские лучи рассеиваются атомами образца и, складываясь, формируют дифракционную картину, которую можно зарегистрировать на фотопленку подходящего формата или использовать для этой цели один или несколько детекторов (счетчиков) рентгеновского излучения (рис. 12.2).

Существуют формулы, связывающие картиной дифракции рентгеновских лучей со структурой объекта. С их помощью удается расшифровать структуры множества веществ от простых металлов до молекул ДНК и вирусов.

117

В случае кристаллов связь между периодами кристаллической решетки и параметрами дифракционной картины особенно проста

2d sinθ = nλ,

где d - величина межплоскостного расстояния в кристалле; θ - угол Вульфа-Брегга (половина угла между подающим и диафрагированным

лучом); λ – длина волны используемого излучения; п – целое число (так называемый порядок отражения).

Измеряя дифракционные углы отраженных лучей, можно по формуле определить совокупность расстояний между атомными плоскостями и составить геометрическую модель решетки кристалла. Интенсивность лучей, отраженных каждой кристаллической системой плоскостей, определяется сортом образующих ее атомов и характером их расположения в элементарной ячейке решетки.

Для каждого материала получается набор межплоскостных расстояний, сопоставляя который с табличными данными различных веществ, можно по их совпадению определить фазу (вещество), или выделить его в смеси других кристаллических фаз. Метод позволяет контролировать величину межплоскостных расстояний с точностью до

~ 10-5 нм и выше, а также проследить изменение d при легировании, термообработке, деформации и других воздействиях на материал.

рассеянойволн

S1

Следует заметить, что для создания приборов и изделий электронной техники всегда используют материалы, кристаллическое строение которых известно и задано техническими условиями. Обычно речь идет не о расшифровке структуры, а о более узкой задаче определения каких-либо характеристик ее в связи со способом получения или технологией обработки.

Рентгенографически можно также изучать блочную структуру кристаллов, получатьизображения дефектов (рентгеновская топография).

Методом рентгеновской дефектоскопии можно наблюдать внутреннее строение непрозрачных предметов, контролировать качество сварных соединений, контактов и т.д.

118

12.6. Рентгеноспектральный микроанализ

Метод рентгеноспектрального анализа элементного состава материалов основан на возможности различать химические элементы по спектрам их характеристического рентгеновского излучения. Схема прибора (рис. 12.3) практически не отличается от схемы растрового электронного микроскопа, так что очень часто эти приборы бывают конструктивно объединены в одном корпусе и взаимно дополняют друг друга.

8 - детекторрентгеновскогоизлучения; 9 - усилитель; измерительинтенсивности; 11 - регистрирующийприбор

Как и в РЭМ, в методе микрорентгеноспектрального анализа первичный пучок с энергией электронов 5-50 кэВ попадает на поверхность исследуемого образца и взаимодействует с ней. В результате столкновений первичные электроны ионизируют электронные оболочки атомов образца, в том числе и внутренние, выбивая некоторые электроны из занимаемых ими энергетических состояний. Состояние с ионизированной оболочкой является для атома неустойчивым, и в процессе перехода в основное, устойчивое состояние образовавшиеся вакансии заполняются электронами с более высоких энергетических уровней. При этом избыток энергии может выделиться в виде рентгеновского кванта.

Энергия выделившегося кванта определяется разностью энергий начального и конечного состояний перехода.

Так как атом каждого элемента имеет определенное строение и строго определенное число энергетических уровней, между которыми возможны переходы, то характеристическое рентгеновское излучение

119

атомов данного сорта будет иметь дискретный линейчатый спектр в виде набора длин волн, свойственного только этому сорту атомов. Определив его, можно сделать вывод об элементах, содержащихся в образце.

Анализ рентгеновского излучения, возникающего в месте падения первичного электронного пучка на образец, по энергии и интенсивности проводится с помощью рентгеновского спектрометра. Чаще всего это кристаллический дифракционный спектрометр, обладающий наилучшим разрешением (~5 эВ). Основным элементом такого спектрометра является кристалл-анализатор, на который попадает часть возбужденного в образце рентгеновского излучения. Если кристалланализатор поворачивать, меняя угол падения на него рентгеновского излучения, то в каждом положении кристалла будет отражаться излу-

чение только с определенной длиной волны λ.

Для определения элементов по характеристическим пикам излучения используют стандартные таблицы длин волн рентгеновского излучения элементов.

Измеряя интенсивность отдельных линий характеристического спектра, можно определить и количество анализируемого элемента в образце, основываясь на предварительно полученных расчетных или эталонных зависимостях интенсивности от состава.

Использование сфокусированного электронного пучка (метод также называют электронно-зондовым микроанализом) позволяет определять элементный состав на площадках около 1 мкм диаметром и глубиной ~ 0,5 мкм.

Главное достоинство метода в возможности анализа микроколичеств и микрообъемов материалов.

12.7. Оже-электронная спектроскопия

Метод Оже-электронной спектроскопии позволяет анализировать состав поверхностного слоя материалов с локальностью по образцу до долей мкм и по глубине до 10-4 мкм. При возбуждении атома в результате ионизации переход электрона в основное состояние возможен двумя способами: переход с испусканием рентгеновского кванта и безызлучательный переход. Во втором случае высвобождающаяся энергия передается одному из электронов атома в виде кинетической энергии. При этом электрон может вылететь из атома, причем вылетающие электроны имеют кинетическую энергию, определяемую энергиями атомных уровней.

Определенные значения энергетических уровней электронов в атомах приводят к дискретному и строго определенному для каждого

120

атомного номера спектру энергии Оже-электронов. Экспериментальное определение этого спектра позволяет определить элементный состав образца.

Кинетические энергии Оже-электронов лежат в интервале от 10 эВ до нескольких кэВ. Для электронов этих энергий величина среднего свободного пробега в твердом теле составляет 2-3 нм. Поэтому метод Оже-электронной спектроскопии применяется для изучения поверхности материалов. Первичная ионизация чаще всего осуществляется электронным пучком. Энергия первичного пучка лежит в интервале 3-10 кэВ при токе в несколько мкА. Сечение пучка может меняться от 1 до 100 мкм.

Исследования образцов методом ОЭС требуют наличия в камере сверхвысокого вакуума не более 10-8 Па, так как адсорбированные на поверхности атомы уменьшают величину тока Оже-электронов.

6

8

Достоинство метода ОЭС определяется чрезвычайно малым объемом, в котором определяется химический состав. Метод используется для контроля в технологии полупроводниковых материалов и приборов, для изучения процессов коррозии и окисления, диффузии, эпитаксиальных и гальванических покрытий, контроля чистоты поверхности, адсорбции и других задач.

12.8. Вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС)

В основе метода лежит процесс распыления поверхности материала первичным ионным пучком и анализ продуктов распыления. Ускоренные ионы первичного пучка в зависимости от массы, энергии и вида мишени внедряются в образец на различную глубину и передают свою кинетическую энергию его частицам. Возникающие при этом каскады столкновений передают частицам на поверхности или вблизи нее энергию, которая может оказаться более высокой, чем энергия связи этих частиц, что приведет к их эмиссии из образца (рис. 12.5).