Измерения и контроль в вакууме

Измерения и контроль в вакууме обладают уникальными возможностями исключить влияние окружающей среды и человека на точность и достоверность результатов, а также уменьшить погрешность измерений до физических констант – размеров атомов и молекул. С помощью электронных, ионных, оптических, рентгеновских пучков и газоразрядной плазмы можно измерять геометрические размеры, определять физические и химические свойства обрабатываемых материалов, а также контролировать параметры технологических процессов. Даже самые лучшие оптические микроскопы не позволяют наблюдать объекты меньше, чем 0,3 мкм. В электронных же микроскопах достигается разрешение 1 нм, а в некоторых типах 0,5 нм (при определенных условиях можно рассматривать даже отдельные атомы). Максимальная величина увеличения оптического микроскопа составляет 1000, электронного - 100000, а электронного для наблюдения отдельных атомов - 1000000.

Электронные и ионные микроскопы подразделяются на три типа: просвечивающие, зеркальные и эмиссионные и могут использоваться в двух режимах - проекционном и растровом сканирующем.

С помощью сканирующих электронных микроскопов можно получать информацию: а) об изображении поверхности, топологических контрастов, структуры материала, магнитных доменов; б) об атомном номере материалов поверхности, их химическом составе, кристаллической ориентации и структуре кристаллов; в) о распределении электрических потенциалов в поверхностных структурах, местонахождении и высоте потенциальных барьеров, изменении проводимости, глубине и толщине р-n переходов, величине запрещенной зоны, распределении примесей и т.п. В режиме просвечивания можно наблюдать движение атомов и изучать ядерные процессы. Кроме того, электронная оже-спектроскопия (Рис.34) позволяет непосредственно во время осаждения пленок или формирования слоев получать карту элементного анализа материалов, т.е. контролировать качество проведения технологического процесса.

Микроскоп с автоионной эмиссией имеет четкость разрешения, позволяющую наблюдать на поверхности металлических кристаллов массивы атомов с очень малыми радиусами. Рентгеновские микроскопы относятся к устройствам обычного проекционного увеличения. Основное ограничение заключается в интенсивности рентгеновского излучения и поэтому разрешение составляет величину порядка 0,1 мкм, что намного больше их теоретического предела, но лучше, чем в оптических микроскопах.

Для химического анализа поверхностей и пленок используется ряд методов, в которых отдается предпочтение рентгеновским и ионным пучкам, а не электронам. Коллимированный пучок рентгеновских лучей, при одинаковых с электронами энергиях проникает в вещество значительно глубже и, следовательно, дает больше информации о составе материала на больших глубинах. Рентгеновские лучи выбивают электроны, которые несут информацию о состоянии химических связей атомов, а измерение энергетического спектра эмиттированных с поверхности электронов позволяет осуществлять химический анализ приповерхностной области образца.

В ионно-рассеивающей спектроскопии твердых поверхностей применяются ионные пучки низких энергий (0,1 - 1 кэВ) относительно большой интенсивности, сфокусированные в пятно малого диаметра на исследуемую поверхность и перемещаемые по ней с помощью ионно-оптической системы. В большинстве случаев используются ионы инертных газов. Метод упругого обратного рассеяния легких ионов с большой энергией, например, гелия при 1 - 3 МэВ, называемый резерфордовской спектроскопией обратного рассеяния, используется для изучения дефектов кристаллической решетки после имплантации и отжига, распределения примесных атомов в кристалле и для исследования поверхностей и тонких пленок.

В методе вторичной ионной масс-спектрометрии анализируются массы распыленных первичным ионным пучком вторичных ионов. Для этой цели обычно используются квадрупольные масс-спектрометры с разрешением порядка 1 а.е.м. (атомная единица массы). Изображения поверхностных неоднородностей могут получаться путем проецирования или растровым сканированием. Первичный ионный пучок используется также для удаления поверхностных слоев при исследовании профилей концентрации по глубине с шагом порядка 5 нм. Вторично-ионные масс-спектрометры могут работать как в качестве ионного микрозонда, так и для формирования реального изображения поверхности. Они позволяют наблюдать все химические элементы, включая водород, исследовать отдельные изотопы элемента, их номера и время жизни. По чувствительности этот метод превосходит электронную оже-спектроскопию и электронный зондовый микроанализ.

Таким образом, в качестве инструмента для измерений, контроля и исследований электронные, ионные, оптические и рентгеновские лучи позволяют определять геометрические размеры вплоть до размеров отдельных атомов (0,1 - 0,3 нм), выявлять химический состав вещества с погрешностью до 10^-4 % как на поверхности образца, так и по всей его толщине. Возможность получать элементы изделий с размерами 10 - 25 нм наталкивается на явления, связанные с фундаментальными свойствами материалов, эффекты электромиграции и пробоя диэлектриков, изменения удельного сопротивления, рассеяния мощности, тепловых, механических и других характеристик. Преодоление этих ограничений, свойственных микромиру, связано с поиском новых физических эффектов, как для создания микроструктур новых типов, так и разработки новых технологических методов.

Важной особенностью применения измерения и контроля в вакууме является объединение в оборудовании технологических и аналитических операций, т.е. создание аналитико-технологических комплексов (рис.52). Уникальные исследования поверхности можно проводить только на сверхвысоковакуумном аналитическом оборудовании (Рис.53).