Содержание к диссертации
Введение 6
1 Аналитические возможности цветного контраста в различных режимах работы растрового электронного микроскопа (РЭМ) (обзор литературы) 11
1.1 Режим катодолюминесценции в РЭМ. Методы регистрации КЛ-сигнала 11
1.1.1 Информативность режимов КЛ. 11
1.1.2 Интегральная и монохромная КЛ в РЭМ. 13
1.1.3 Катодолюминесцентные спектры 14
1.1.4 Коллекторные системы для КЛ. 15
1.1.5 Режим цветной катодолюминесценции в реальных цветах (ЦКЛ) в РЭМ. 19
1.1.6 Коллекторные системы для ЦКЛ режима. 22
1.1.7 Комбинированные КЛ - ООЭ коллекторные системы
1.2 Цветокодирование 25
1.3 Трехмерные методы исследования люминесцентных свойств объектов в РЭМ 26
2 Повышение спектрального разрешения и информативности метода ЦКЛ 31
2.1 Цветной композитный контраст в РЭМ 31
2.1.1 Принципы формирования цветного композитного контраста в РЭМ. 32
2.1.2 Математическое представление сигналов многоканального РЭМ и алгоритм получения цветного композитного контраста. 34
2.2 Разделение смешанного контраста на независимые составляющие.
Интегрированный 2хООЭ-ВЭ-ЦКЛ детектор для РЭМ 36
2.2.1 Коллекторная система для ЦКЛ с локальным разделением светового потока. 37
2.2.2 Регистрация медленных ВЭ в интегрированном детекторе 40
2.2.3 Регистрация ООЭ в интегрированном детекторе
2.3 Экспериментальная установка 43
2.4 Практическая реализация метода композитного контраста
2.4.1 Программное обеспечение 45
2.4.2 Исследование стохастической волоконной оптики. 46
2.4.3 Экспериментальная проверка метода на двухкомпонентном образце Си-С с люминесцирующими включениями. з
2.5 Метод цветной катодолюминесценции высокого спектрального разрешения
(ЦКЛ-ВСР) 51
2.5.1 Оценка локальных спектров КЛ-эмиссии с помощью многомерных КЛ-изображений в РЭМ. 52
2.5.2 Расчет цветовых координат КЛ-излучения по данным многоканальной спектральной КЛ. 55
2.6 Практическая реализация многоканального цветоанализатора для исследования люминесцирующих материалов в РЭМ 58
2.6.1 Измерение спектральных характеристик узкополосных светофильтров. 59
2.6.2 Методика измерения сигналов МЦА 59
2.6.3 Экспериментальная установка для измерения спектральных характеристик МЦА 61
2.6.4 Методика измерений спектральной чувствительности 62
2.6.5 Измерение векторной аппаратной функции МЦА 63
2.7 Практическое применение метода композитного контраста для исследований в электронике, медицине и геологии 64
2.7.1 Исследование ростовых особенностей эпитаксиальных мезаструктур на базе карбида кремния 64
2.7.2 Изучение локализации примеси в процессе гетероэпитаксиалъного роста слоев нитрида галлия, легированного скандием и цинком 67
2.7.3 Теллурид цинка, легированный серебром на подложке из сульфида цинка - ZnS-ZnTe:Ag 68
2.7.4 Искусственные алмазы 70
2.7.5 Изучение бразильских карбонадо из штатов Байя и Минас Жерайс. 71
2.8 Исследования эпитаксиальных структур на основе GaN и органических материалов методом ЦКЛ-ВСР 74
2.8.1 Эпитаксиальные структуры GaN латерального наращивания 74
2.8.2 Исследование промышленных образцов светодиодов на основе GaN. 75
2.8.3 Исследование катодолюминесценции микросфер из полистирола. 82
3 Метод неразрушающей трехмерной катодолюминесцентной микротомографии в РЭМ 84
3.1 Физические основы неразрушающего метода трехмерной микротомографии
КЛ-эмиссии 84
3.1.1 Постановка задачи 84
3.1.2 Физические основы метода. 86
3.2 Реализация метода без учета диффузионной длины и эффекта поверхностной рекомбинации носителей зарядов 90
3.2.1 Выбор функции генерации. 90
3.2.2 Определение нормировочных коэффициентов. 91
3.2.3 Определение глубины проникновения первичных электронов. 92
3.2.4 Оценка погрешностей метода
3.3 Учет эффекта диффузии и поверхностной рекомбинации зарядов 94
3.4 Влияние различных факторов на точность метода трехмерной микротомографии КЛ-свойств 97
3.5 Исследование погрешностей метода путем компьютерного моделирования и выработка критерия определения глубины проникновения первичных электронов в образец для разных энергий
3.5.1 Математическое моделирование алгоритма метода трехмерной микротомографии КЛ-свойств 98
3.5.2 Моделирование образца с заданными характеристиками 99
3.5.3 Решение обратной задачи 101
3.5.4 Подсчет погрешности метода реконструкции 103
3.5.5 Исследование погрешностей метода трехмерной катодолюминесцентной микротомографии в зависимости от изменения входных параметров. 105
3.6 Исследование процессов трансформации политипов в эпитаксиальных мезаструктурах на основе карбида кремния методом трехмерной
катодолюминесцентной микротомографии 114
3.6.1 Экспериментальная установка и программное обеспечение 115
3.6.2 Исследуемые объекты 115
3.6.3 Трехмерная реконструкция катодолюминесцентных свойств эпитаксиальных мезаструктур SiC. 116
4 Методы статистического КЛ-анализа биомедицинских и экологических
образцов 121
4.1 Исследования желчных камней и дегидратированных осадков литогенной
желчи человека методами компьютерной статистической обработки ЦКЛ изображений 121 4.1.1 Исследование желчных камней человека методом катодолюминесцентной микроскопии 121
4.1.2 Количественная оценка цветных катодолюминесцентных изображений дегидратированной желчи человека 124
4.2 Статистические исследования корреляционных характеристик химического состава и мест сбора для образцов пылевых частиц из различных районов г. Москвы по данным ЦКЛ и РМА 129
4.2.1 Пыль и оценка ее агрессивности. 130
4.2.2 Места и методика отбора проб. 132
4.2.3 Методы приготовления образцов и проведения анализов 133
4.2.4 Наработка банка данных, систематизация результатов 135
Выводы к диссертации 147
Заключение 148
Литература 1
Введение к работе
Актуальность проблемы. Большим достоинством растрового электронного микроскопа (РЭМ) является возможность исследовать объекты в одном из множества функциональных режимов, либо нескольких режимах одновременно. Такими режимами могут быть интегральная (КЛ) и цветная (ЦКЛ) катодолюминесценция, наведенный ток (НТ), полевой или потенциальный контраст, картирование по временам релаксации и т.д.[1, 2, 3, 4, 5]. Однако, развитие электроники и технологии производства электронных компонентов стимулирует совершенствование старых и разработку новых методов исследования с использованием РЭМ.
Количество способов отображения видеоинформации в РЭМ ограничено: черно-белый контраст, Y-модуляция, реальный (ЦКЛ) и искусственный (цветокодирование) цветной контраст. Это связано с особенностями человеческого зрения и восприятия изображений [6]. Отсутствие в литературе четких правил и алгоритмов максимального использования пусть даже ограниченных, но до конца не исчерпанных, возможностей цветного контраста указывает на актуальность разработок не только прогрессивных методик получения, но и способов отображения видеоинформации, а также увеличения информативности конечных РЭМ-изображений.
Метод ЦКЛ является одним из самых информативных в растровой электронной микроскопии и позволяет исследовать не только интегральное значение квантового выхода материала, но и спектральный состав излучения с высоким пространственным разрешением. Основным недостатком данного метода является низкое спектральное разрешение, которое в ряде случаев не позволяет точно определить положение спектральных линий без дополнительного снятия спектра. Поэтому, актуальной задачей является повышение спектрального разрешения метода ЦКЛ.
Остается актуальным, так же развитие методов исследования перспективных материалов электроники, таких как алмазы, GaN, SiC и др. Развитие метода цветной катодолюминесценции позволяет проводить неразрушающие исследования, а также входной и выходной контроль материалов, структур на их основе и готовых приборов. Особый интерес представляют катодолюминесцентные методы исследования в трех пространственных измерениях без разрушения образца.
Другой актуальной проблемой, является разработка новых алгоритмов статистической обработки видеоинформации в РЭМ для решения диагностических задач в медицине и экологического мониторинга окружающей среды. Целью и основными задачами работы является создание новых методов анализа КЛ-свойств внутренней структуры микрообъектов, повышения спектрального разрешения и информативности ЦКЛ-режима в РЭМ для решения ряда прикладных задач в электронике, медицине и экологии. Так же решалась задача получения количественных данных на основе статистического анализа ЦКЛ-изображений объектов со сложным химическим составом.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Сформулированы и реализованы физические принципы цветного композитного контраста в РЭМ, позволяющего осуществить топографическую и взаимную привязку изображений, полученных в различных режимах, повысить их информативность и облегчить интерпретацию.
2. Разработан и изготовлен новый интегрированный детектор, позволяющий одновременно получать 2 сигнала в обратноотраженных электронах (2хООЭ), сигнал вторичных электронов (ВЭ) и сигнал ЦКЛ за один проход развертки РЭМ.
3. Предложен неразрушающий метод трехмерной микротомографии катодолюминесцентных свойств материалов в РЭМ. Проанализировано влияние различных факторов на погрешность метода.
4. Методом неразрушающей трехмерной катодолюминесцентной микротомографии исследованы эпитаксиальные структуры карбида кремния и выявлена тонкая структура чередования слоев политипов по глубине.
5. Разработан метод экспресс-анализа дегидратированной желчи и желчных камней человека с использованием сравнительных данных гистограмм RGB-каналов ЦКЛ-изображений реальных препаратов и эталонных образцов холестерина, билирубина и протеина для оценки относительного содержания этих компонентов в пробах.
6. Разработан метод цветной катодолюминесценции с повышенным спектральным разрешением (ЦКЛ-ВСР), позволяющий повысить точность определения спектральных характеристик по сравнению с методом ЦКЛ в реальных цветах, а так же реконструировать оценочные КЛ-спектры для всех точек изображения всего за несколько проходов растра.
7. Методами композитного контраста с использованием режимов ВЭ, ООЭ, ЦКЛ, НТ и ЦКЛ-ВСР исследованы гетероэпитаксиальные островковые пленки, структуры с латеральным наращиванием и образцы светодиодных структур с квантовыми ямами на основе GaN. В островковых пленках обнаружен различный характер локализации примесей в процессе роста: Sc - вблизи боковых граней кристаллитов, Zn - вблизи базовых плоскостей и Mg - неравномерно по всему объему кристаллитов. В полосковых слоях латерального роста GaN обнаружена повышенная концентрация (наследование) дислокаций в направлении нормального роста от подложки и их отсутствие в латеральных направлениях. На основе сравнительных статистических исследований образцов пыли из различных районов г. Москвы по данным ЦКЛ и рентгеновского микроанализа выявлена корреляция химического состава и мест сбора образцов. Практическая ценность работы заключается в дальнейшем развитии возможностей РЭМ за счет применения новых методов исследования и представления информации, а также полученных в работе практических результатах. Большинство предложенных методов в настоящее время успешно используется в практических работах, связанных с изучением материалов оптоэлектроники, геологических, медицинских и экологических образцов.
Метод трехмерной реконструкции люминесцентных свойств, может быть использован для неразрушающего контроля качества приборов оптоэлектроники и дефектоскопии материалов.
Применение нового комбинированного детектора и модернизированной катодолюминесцентной приставки к РЭМ позволяет за один проход развертки получать изображения сразу в нескольких режимах: ВЭ, ООЭ, НТ и ЦКЛ, что дает возможность сократить время, требуемое для получения изображений, и уменьшить время облучения образца.
Использование нового принципа построения изображения - композитного контраста в РЭМ дает возможность повысить информативность конечных изображений, облегчить визуальный анализ и уменьшить вероятность ошибочной интерпретации полученных данных.
Результаты исследования состава проб дегидратированной желчи и желчных камней человека может быть использовано для ранней диагностики гастроэнтерологических заболеваний. Накопленный практический материал и разработанные статистические методы анализа состава пылевых загрязнений на основе ЦКЛ позволяют проводить экспресс-мониторинг экологической обстановки в городе Москве и других регионах.
Использование системы узкополосных фильтров дает возможность с помощью регистрации всего четырех трехканальных изображений участка объекта и их компьютерной обработки проводить оценку спектрального состава излучения с разрешением около 30 нм в любой из 81 920 точек кадра размером 256x320 пикселей за время порядка 30 с.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Усовершенствованная регистрирующая аппаратура ЦКЛ приставки к РЭМ, интегрированный 2хООЭ-ВЭ-ЦКЛ детектор и режим цветного композитного контраста в РЭМ.
2. Повышение спектрального разрешения ЦКЛ-изображений за счет использования набора узкополосных светофильтров и многомерных КЛ-изображений.
3. Принципы и математическая модель метода неразрушающей трехмерной катодолюминесцентной микротомографии в РЭМ.
4. Метод и результаты экспресс-диагностики состава желчи, желчных камней человека и химического состава пылевых частиц на основе статистического анализа ЦКЛ-изображений.
5. Результаты исследований эпитаксиальных мезаструктур SiC, островковых пленок, структур с латеральным наращиванием и светодиодных структур с квантовыми ямами на основе GaN.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов к диссертации, заключения и списка литературы. В первой главе приводится обзор основных работ по КЛ-режиму в РЭМ, цветной катодолюминесценции в реальных цветах и цветокодированию, а так же трехмерным катодолюминесцентным методам исследования объектов в РЭМ, рассмотрены различные типы детекторов КЛ-излучения. Во второй главе предложены методы повышения информативности и спектрального разрешения режима ЦКЛ в РЭМ. Изложены принципы построения композитного контраста, разделения смешанного контраста на независимые составляющие, описан новый комбинированный 2хООЭ-ВЭ-ЦКЛ детектор, представлены некоторые результаты исследований тестовых объектов, а так же образцов нитрида галлия, карбида кремния, искусственных алмазов и карбонадо. Предложен метод повышения спектрального разрешения ЦКЛ-режима РЭМ, за счет использования многоканального цветоанализатора с набором узкополосных светофильтров и многомерных КЛ-изображений. Представлены результаты исследований различных материалов с повышенным спектральным разрешением. Третья глава посвящена методу неразрушающей катодолюминесцентной трехмерной микротомографии в РЭМ, оценке погрешностей и оптимизации метода, а так же представлены результаты исследований эпитаксиальных мезаструктур карбида кремния. В четвертой главе даны результаты катодолюминесцентных исследований дегидратированных осадков литогенной желчи и желчных камней человека. Там же представлены результаты исследований корреляционных характеристик химического состава и мест сбора для образцов пылевых частиц из различных районов г. Москвы по данным ЦКЛ и рентгеновского микроанализа (РМА).
Основное содержание диссертации опубликовано в 16 работах (из них 9 статей в зарубежных или отечественных реферируемых журналах и 7 тезисов докладов на конференциях). Ссылки на оригинальные работы даются в процессе изложения материала.
