3.6. Аппаратура и методы регистрации энергетического распределения вторичных электронов.

Рис. 1 Универсальная кривая зависимости длины свободного пробега электронов от энергии.

Из рис. 1 видно, что глубина анализируемого слоя для этих электронов не превышает 50 Å. Этим обусловлена высокая поверхностная чувствительность методов электронной спектроскопии. В ряде методов, таких, например, как спектроскопия характеристических потерь энергии электронов, глубину анализируемого поверхностного слоя можно менять, изменяя энергию первичных электронов. Таким способом можно менять глубину анализа приблизительно на порядок – от 5 до 50 Å

Существуют две причины, по которым анализ поверхности должен осуществляться в сверхвысоком вакууме. Во-первых, длина свободного пробега электронов эмитированных поверхностью исследуемого образца, должна быть намного больше размеров спектрометра, чтобы на пути к анализатору они не претерпели рассеяния и, тем самым, не были утрачены для анализа. Согласно молекулярно-кинетической теории газов средняя длина свободного пробега молекул определяется соотношением:

(1)

где k_B – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; d – диаметр молекулы; P – давление.

Оценки средней длины свободного пробега молекул азота для различных давлений приведены в таблице 1. Поскольку размеры измерительных камер спектрометров не превышают нескольких десятков сантиметров, то первое условие удовлетворяется уже при давлении 10^-5 …10^-6 Торр. Эта область давлений соответствует высокому вакууму (ВВ) и реализуется в обычных растровых или просвечивающих электронных микроскопах. 

Таблица 1.

Кинетические параметры молекул азота при различных давлениях

Давление, Торр	Средняя длина пробега, см	Скорость поступления частиц, с-1·см-2	Время адсорбции монослоя, с
10-2	0,5	3,8 1018	3 10-4
10-4	51	3,8 1016	3 10-2
10-5	510	3,8 1015	0,3
10-7	5,1 104	3,8 1013	30
10-9	5,1 106	3,8 1011	3000

Вторая причина связана с высокой поверхностной чувствительностью методов электронной спектроскопии. Поскольку большинство анализируемых электронов образуется в нескольких верхних атомных слоях, то результаты экспериментов весьма чувствительны к поверхностным загрязнениям любого рода.

Если каким либо способом получена атомарно чистая поверхность для исследования, то адсорбция остаточных газов в камере высокого вакуума будет приводить за время сравнимым с длительностью эксперимента к существенным изменениям состояния поверхности.

Для сохранения атомарно чистой поверхности в процессе эксперимента необходимо поддерживать вакуум 10^-9 … 10^-10 Торр. Магниторазрядные и сорбционные насосы позволяют создать и поддерживать необходимое время требуемые условия вакуума.

Для получения достоверных сведений об элементном составе, химических связях и структуре поверхности необходимо в условиях сверхвысокого вакуума очистить исследуемую поверхность от примесных атомов. В настоящее время при очистке in-situ наибольшее распространение получили три основные способа:

Скол в сверхвысоком вакууме.

Этот способ применим для получения атомарно чистой поверхности материалов, которые легко расщепляются по определенным кристаллографическим плоскостям. Например, монокристаллы германия и кремния раскалываются вдоль плоскости (111). Недостатки метода связаны с ограниченным числом материалов, пригодных для этих целей. Кроме того, кристаллографическая ориентация поверхности не может быть выбрана произвольным образом. В большинстве случаев поверхность скола имеет достаточно большое количество дефектов, таких, например, как ступеньки и адатомы. Образец можно расколоть лишь ограниченное число раз, что также ограничивает применимость данного метода очистки поверхности.

Нагрев в сверхвысоком вакууме.

Этот метод получения чистой поверхности связан с возрастанием скорости десорбции поверхностных атомов с увеличением температуры образца. Для большинства материалов необходимая температура меньше температуры плавления материала Т_пл. Но для многих металлов и полупроводников Т > Т_пл, и их не удается очистить нагреванием. Способ термической очистки используется главным образом для тугоплавких металлов, таких как W, Mo и др.

Для очистки поверхности монокристаллического кремния разработаны методы, сочетающие предварительную химическую обработку на воздухе с последующим нагревом образца в сверхвысоком вакууме. Как правило, очистка проводится в три этапа:

1. Влажная химическая обработка для удаления углерода с поверхности подложки.

2. Создание пассивирующего слоя окиси на поверхности кремния.

3. Термическое удаление окиси кремния с поверхности в сверхвысоком вакууме.

В результате проведения обработки в такой последовательности, температура, при которой происходит полная очистка поверхности кремния от атомов примеси, снижается до 980 К.

Наиболее универсальным методом очистки поверхности является бомбардировка ионами инертных газов (ионное травление). На практике обычно для этих целей применяют ионы аргона. Ионы с энергией 0,5 … 5 кэВ, формируемые ионной пушкой, взаимодействуя с поверхностью твердого тела, распыляют поверхностные атомы, как материала образца, так и примесей. Поэтому метод ионной очистки эффективен, даже если скорость удаления частиц примеси намного меньше, чем атомов материала.

Поскольку с помощью ионной бомбардировки можно за сравнительно короткое время удалить большое число атомных слоев, он может быть использован для послойного анализа элементного состава приповерхностных слоев. В этом случае после каждого цикла ионного травления записывается спектр оже-электронов, по которому рассчитываются атомные концентрации элементов на соответствующем расстоянии от поверхности. Недостатком метода ионного травления является сильное повреждение поверхности. Восстановить структуру поверхности в ряде случаев удается последующим термическим отжигом образца в сверхвысоком вакууме.

При ионном распылении соединений и сплавов наблюдается различная скорость распыления их компонентов. Например, O в TiO₂ распыляется быстрее Ti. Be быстрее Cu в сплаве Cu-Be. Это обусловлено различными энергиями связи элементов на поверхности и различными моментами, передаваемыми атомам с различной массой.

Во время процесса распыления появляется много артефактов, которые влияют на качество измерения. Некоторые из них определяются непосредственно природой образца (например, шероховатость, кристаллическая структура, распределение фаз, электропроводность), другие вызваны процессом распыления (например, атомное перемешивание, предпочтительное распыление какого-либо элемента, диффузия и сегрегация, топография, определяемая распылением).