Количественный ренгеноспектральный микроанализ полупроводниковых материалов Во Тан Лонг

Введение к работе

Актуальность темы.

К моменту начала диссертационной работы рентгеноспектральный микроанализ (РСМА) уже являлся одним из основных аналитических методов, обеспечивающих анализ химического состава в локальной области объемом несколько кубических микрометров. Существовали достаточно развитые направления количественного рентгеноспектрального микроанализа в основном на основе метода ZAF, в«отором связь между массовой концентрацией и относительной интенсивностью характеристического рентгеновского излучения учитывается с помощью поправочных функции на эффекты возбуждения, поглощения и вторичной флуоресценции, а также на основе моделей Монте-Карло.

Метод ZAF имеет ряд принципиальных ограничений, заключающихся В-том, что диффузионная модель, лежащая в основе метода, содержит ряд физических допущений, предполагающих однородность анализируемых- материалов как в зоне возбуждения характеристических рентгеновских излучений, так и в зоне та выхода. Ограничение применимости метода ZAF особенно сильно проявляются при количественном микроанализа многокомпонентных материалов, многослойных структур, анализе тонких пленок, а также при близости к межфазным границам.

Метод Монте-Карло, основанный на моделировании актов взаимодействия между электронами и атомами анализируемого вещества, в принципе позволяет не только устранить те недостатки метода ZAF, но и визуализовать область взаимодействия, получать пространственные распределения интенсивностей характеристических рентгеновских излучений (ХРИ), оценивать локальность проведения микроанализа анализа и т.д. Однако в настоящее время в большинстве моделей на основе метода Монте-Карло используются описания вероятностных процессов из грубых физических модельных представлений. Лучшие модели однократного рассеяния с физической точки зрения включают розыгрыши таких параметров как длины пробега электронов; сорта атома, с которым произошло столкновение; характера рассеяния; характера потери энергии электрона и изменений направления движения электрона. Однако в них не учитываются перераспределение энергии между первичными и вторичными электронами при ионизации, а также эффект вторичной флуоресценции, неучет которого в «отдельных случаях может приводить к возникновению

-2-.

артефактов - обнаружению несуществующих элементов. Использование таких модельных представлений не позволяет надеяться на обеспечение удовлетворительного количественного микроанализа.

Таким образом, тема диссертационной работы представляется актуальной как с научной, так и с практической точки зрения.

Цель работы. л

Основной целью настоящей работы являлись развитие модельных представлений для количественного рентгеноспектрального микроанализа, оптимизация алгоритмов расчета, создание программных продуктов, а также использование этих разработок для анализа полупроводниковых материалов.

' Исходя из вышесказанного, конкретные задачи настоящей работы состояли в следующем:

разработка модели электрон-электронного взаимодействия, учиты-" вающей перераспределение энергии между первичным и вторичным электронами и обеспечилающей оценку вклада горячих вторичных электронов в результаты моделирования взаимодействия электронного зонда с атомами анализируемого вещества;

создание алгоритма расчета интенсивности вторичных флуоресцентных характеристических рентгеновских излучений на уровне индивидуальных актов рассеяния с учетом распределения генерируемых характеристических рентгеновских излучений в трехмерном пространстве;

создание программных продуктов количественного рентгеноспектрального микроанализа по методу Монте-Карло, обеспечивающих анализ многокомпонентных образцов, сформированных в виде многослойных структур; . ' .

создание комплексного программного обеспечения на основе метода ZAF, в котором реализованы наиболее известные функции коррекции на эффекты возбуждения, поглощения и вторичной флуоресценции, позволяющее экспрессно реціать прямую и обратную задачи рентгеноспектрального микроанализа, а также оптимизировать алгоритм расчета поправочных функции;

анализ взаимосвязи между различными направлениями количественного рентгеноспектрального микроанализа (на основе методов ZAF, отношения относительных интенсивностей (ООИ) и модели Монте-Карло!; оценка применимости метода ООИ, нахождения функции рас-_ч

пределения ХРИ и поправочных функций метода ZAF из результатов моделирования по методу Монте-Карло, оценка алгоритма имитационной модели по экспериментальным данным локальности, полученным; методом ООИ;

- разработка методик и реализация новых потенциальных возможностей количественного рентгеноспектрального микроанализа при анализе тонких полупроводниковых пленок, многокомпонентных и многослойных образцов, при определении химического состава вблизи межфазных границ с: учетом дальнодействующих эффектов гетерогенного фона, а также в высокоомных полупроводниках.

Научная новизна работы.

1. Разработана модель электрон-электронного взаимодействия <т. учетом перераспределения энергии между первичными и вторичными электронами, обеспечивающая оценку вклада горячих вторичных электронов в процессы генерации характеристических рентгеновских излучений.

2. Разработан алгоритм расчета интенсивности вторичных флуоресцентных характеристических рентгеновских излучений на уровне индивидуальных актов рассеяния с учетом распределения генерируемых характеристических рентгеновских излучений в трехмерном пространстве.

3. Разработан количественный рентгеноспектральный микроанализ на основе модели Монте-Карло, создано комплексное программное обеспечение метода.

Практическая значимость работы.

4. Создан пакет прикладных программ для количественного рентгеноспектрального микроанализа на основе наиболее развитых на настоящее время методов интерпретации результатов измерений, позволяющий решать широкий круг задачи материаловедения.

5. Проанализированы тонкие пленки полупроводниковых твердых растворов Pbi-xSn_xTe, выращенных на подложках различного состава, образцы на основе твердых растворов Znj__xCd_xSe, используемые для целей градиентной оптики, и многокомпонентные сплавы.

6. Разработана методика контроля воздействия лазерного излучения на поверхность монокристаллов P6i._xSn_xSe.

4-.

Научные положения, выносимые на зашиту.

7. Модель электрон-электронного взаимодействия, учитывающая перераспределение энергии между первичным и вторичным электронами, обеспечивает оценку вклада горячих вторичных электронов в процессы генерации характеристических рентгеновских излучений.

8. Алгоритм расчета интенсивности вторичных флуоресцентных характеристических рентгеновских излучений на уровне индивидуальных актов рассеяния с учетом распределения генерируемых характеристических рентгеновских излучений в трехмерном пространстве позволяет проводить количественный микроанализ в условиях дальнодействующих эффектов гетерогенного фона при произвольной форме межфазных границ.

9. Созданное, программное обеспечение на основе разработанных модельных представлений обеспечивает количественный рентгеноспек-тральный микроанализ многокомпонентных и многослойных образцов,⁴ позволяет проводить определение состава в условиях резкого градиента концентрации, а также оптимизировать формулы коррекции для метода ZAF и оценки критериев метода отношения относительных интенсйвно-стей.

Апробация работы.

Материалы апробированы на Всероссийском проблемном семинаре -"Физика и техника полупроводниковых материалов и приборов" и научно-технических конференциях СПбГЭТУ.

Публикации. .

По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 4 статьи И одно свидетельство об официальной регистрации программы.

Структуры и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 147 наименований. Основная часть работы изложена на 144 страницах машинного текста. Работа содержит 49 рисунков и 7 таблиц.