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

а)б)

Рис. 3. Рассчитанные и измеренные спектры масс образца ник еля в области масс ⁵⁶Fe (а) и ¹¹⁸Sn (б) при R_0,5 = 9000

Другим источником артефактов анализа может быть поверхностное загрязнение образца. Тлеющий разряд позволяет путем предварительного травления поверхности ионами аргона проводить очистку поверхности от случайных загрязнений, что повышает достоверность анализа материалов. Скорость травления варьируют 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, метод обладает высокой точностью, воспроизводимостью и достаточным усреднением.

Для анализа порошковых или компактных непроводящих материалов (например, оксидной керамики) используют приемы, которые создают проводимость в объеме или на поверхности пробы. Порошковые пробы прессуют с металлическими связками, для анализа компактных материалов применяют маску с отверстиями, которую накладывают на образец (так называемая техника вторичного катода). В процессе распыления металла маски на поверхности образца образуется проводящий слой, который начинают бомбардировать ионы аргона, распыляя материал пробы. Используют также металлическую подложку, к которой припрессовывают тонкий слой исследуемого порошка. Ионный ток основы непроводящего образца, как правило, слабее, чем ток металла подложки, что несколько снижает чувствительность анализа. Металл вторичного катода выбирают в зависимости от аналитической задачи. В процессе измерения естественно делают так называемый холостой эксперимент, или поправку на загрязнения вторичного катода, однако этого недостаточно. Для минимизации ошибок, связанных с остаточными 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 артефакты, ограничивающие чувствительность анализа с использованием техники вторичного катода, могут быть проиллюстрированы расчетами, сделанными при анализе высокочистого сапфира. В качестве вторичного катода использовали тантал чистотой 99,9999 % (табл. 7).

Таблица 7. Предел обнаружения и артефакты при анализе Al₂O₃

* -- 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 частицах порошка, позволяя отделить адсорбированную грязь от примесей, входящих в кристаллическую решетку. Такие особенности метода имеют большое значение при разработке технологии очистки, скажем высокочистого оксида алюминия, 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 материаловедения. В материаловедении оптической и магнитооптической записи информации используется весьма широкий спектр различных материалов. Поэтому, для анализа различных материалов требуется применение разных, а зачастую, комплекса взаимодополняющих аналитических методов. В настоящей работе не приведены 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 многочисленные примеры применения данного аналитического метода.

Методика эксперимента в представленной работе практически не обсуждается, 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 аналитического 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 обработки, которые изменяют первоначальные данные или автоматически выдают информацию о положении и форме пиков, их интенсивности и т.д. В настоящее время, однако, происходит интенсивное оснащение аналитических методов усовершенствованным программным обеспечением. Это позволяет «впитать» многолетний опыт аналитиков, которые, как правило, участвуют в создании программного обеспечения, так как являются, по сути, его заказчиками. Такое взаимодействие аналитиков-экспериментаторов и программистов, безусловно, улучшит качество работ в области материаловедения оптической записи.

Литература

Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д. и др. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. -- В 2-х кн. -- М.: Мир, 1984.

Черепин В.Т., Васильев М.А. Методы и приборы для анализа поверхности материалов. -- К.: Наук. думка, 1982. -- 400 с.

Бриггс Д., Сих М.П. Анализ поверхности методом оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. -- М.: Мир, 1987. -- 600 с.

Карлсон Т.А. Фотоэлектронная и оже-спектроскопия. -- Ленинград: Машиностроение, 1981. -- 432 с.

Зандерна А. Методы анализа поверхностей. -- М.: Мир, 1979. -- 584 с.

Спектроскопия и дифракция электронов при исследовании поверхности твердых тел / Кулешов 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.

Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности. -- М.: Мир, 1989. -- 568 с.

Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок. -- М.: Мир, 1989. -- 344 с.

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.

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.

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.

Sigmund P. Collision theory of displacement damage // Rev. Roum. Phys. -- 1972. -- 17, N 9. -- Р. 1079-1106.

Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. -- М.: ГИТТЛ, 1957.

Блохин М.А., Швейцер И.Г. Рентгеноспектральный справочник. -- М.: Наука, 1982.

Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д., Фиори Ч., Лифшин Э. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ / Пер. с англ. -- в 2-х кн. -- М.: Мир, 1984.

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.

Гоулдстейн Дж., Яковиц Х. Практическая растровая электронная микроскопия / Пер. с англ. -- М.: Мир, 1978.

Косско И.А., Иващенко Ю.Н. Применение Оже-электронной спектроскопии в микроэлектронике // Актуальные проблемы физики полупроводников: Материалы 3-й Республиканской школы-конференции. -- К., 1989. -- С. 67.

Иващенко Ю.Н., Косско И.А., Дворина Л.А. Распыление поверхности пленок дисилицида молибдена. Взаимодействие ионных пучков с атомами и поверхностью твердого тела: Межвузовский сб. науч. тр. -- Ленинград, 1987. -- С. 32.

Гончаренко А.Б., Иващенко Ю.Н., Косско И.А. Локальная Оже-электронная спектроскопия. Сб. науч. тр. «Новые материалы микроэлектроники». -- К.: Институт проблем материаловедения АН Украины, 1988. -- С. 10-18.

Иващенко Ю.Н., Фирстов С.А. Оже-микроанализ внутренних границ раздела в керамических материалах / К., 1990. -- С. 29 (Препр. / АН УССР. Ин-т проблем материаловедения им. И.Н.Францевича).

Протопопов О.Д. Электронно-стимулированные эффекты в Оже-спектроскопии. -- М.: ЦНИИ Электроники, 1982. -- С. 69.

Powell C.J. The National Measurement Systems and Surface Properties. -- NBS US Department of Comerce, 1977. -- Р. 306.

Петров В.В., Крючин А.А., Богданова А.В.и др. Регистрирующие среды носителей информации постоянных оптических запоминающих устройств / К., 1985. -- 53 с. (Препр. / АН Украины. Ин-т проблем моделирования в энергетике).

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.

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.

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

Размещено на Allbest.ru