Исследование приповерхностных областей твердых тел с помощью неразрушающих ядерно-физических методов элементного анализа на пучках протонов и дейтронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ



• РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ин.Б.П.Константинова

ЛЕБЕДЕВ Виктор Михайлович

На права:: рукописи

УДК 535.172.13

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ОБЛАСТЕЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ПОМОЩЬЮ НЕР/.ЗРУШАЮЩИХ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА НА ПУЧКАХ ПРОТОНОВ И ДЕЯТГОНОВ

(01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-иатематичеоких нлук

С.-Петербург 1995

Работа зыполнека в Петербургском институте ядерной физики им. Б. П . Констат инова Российской АН.

Научный руководитель -

кандидат физико-натеиатическнх наук

старший научный сотрудник |А.Н.Дюнин|

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

профессор Е.П.Григорьев,

кандидат физико-натематич^ских нэук П.А.Сушков.

Редущая организация - Радиевый институт ин. В. Г. Хлопина .

Зашита состоится "

•М* 1995 г. в час.

на заседании диссертационного совета Д-002. 71.01 по присуждению ученых степеней в Петербургском институте ядерной физики ни.Б.П.Константинова РАН по адресу: 138350, г.Гатчина» Ленинградская область.

С дисстртанией ложно ознакомиться в библиотеке ПИЯФ РАН.

Автоге|^ра-г разослан " /0- " МЬ^1995 г.

Уч<?иьш г^кр—тэрь ди:;с<1-рташ10^иого соэота

кандидат фпзппо -на г <?м.".тичесг.их на>к И. А. Мнтролольский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время изучение физических явлений в поверхностных слоях твердых тел и пленках особенно актуально в связи с развитием интегральной схемотехники и оптоэлектроники. с применением для производства приборов нетрадиционных полупроводниковые материалов, с использованием ведаете, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью СВТСП-материалы

При проведении исследований необходимо иметь характеристики слоев атомов как прилагающих к поверхности, так и находящихся на глубине до нескольких микрон. Особенно важно исследовать интегральное содержание примесей в образце и наводить профили концентрации в поверхностных слоях и пленках тех элементов, которые кардинально влияет са свойства этих материалов.

Повышенный интерес вызывают быстро прогрессирующие методы ядерного микроанализа; это совокупность ядерно-физических методов, основанных на использовании ионных пучков пегавольтных энергий: резерфордовское обратное рассеянна(РО?), ионный рентеноспектраль-ный анализ(ИРСА), метод ядерных реакций(ЯР).

Эти методы являются в настоящее время эффективным средством для решения аналитических проблем. Они имеют ьысокую точность количественного анализа Случше 57.5, локальность г.о глубине до Юкя и являются неразрушающими.

Одной иэ вастейхшх задач аналитического контроля ВТСП-материалов является количественное определение

кислорода.коуорый является наиболее подвижной компонентой как в объемных образцах» так и в пленках. Содержание кислорода & структурной единице любого класса высокотемпературных

сверхпроводников имеет Определяющее значение для проявления электрофизических свойств образцов. Оно коррелирует с такими параметрами как содержание сверхпроводящей мейсснеровской фазы, магнитная восприимчивость, величина и плотность критического

тока, температура сверхпроводящаго перехода Т н его ширина ЛТ .

с с

В современной электронике наряду с гренниевой технологией находят применение другие полупроводниковые материалы, в частности, фосфид индия. Основное ирнмеьоние монокристаллнческий нашег е

оптоэлектронике для изготовления излучателей и приемников

излучения, работающих в диапазоне волн от 1.Q до 1.6 шсн. Для

создания 2тнх приборов необходимы технологии получения lnP с

is -а

низкой концентрацией электронов С п < 10 ск 3 и высокой

5 2

подвижностью С до 10 си /СБ"сЭ 3.

Для получения таких слоев inF" толщиной от 1 до 5 икя применяют различные методы очистки' исходного материала от примесей, в той числе и с помощью введения в раствор-расплав редкоземельных элементов из-за их большой химической активности. Однако, вопрос об остаточной концентрации РЗЭ в твердой фазе фосфида ннлия остается открьГгым. Цель работы:

- создание комплекса неразрушающих методик количественного определения содержания химических элементов С включая редкие земли и кислород 3 и распределения их по глубине образца с использованием пучкоЕь:х ьетсдсе элементного анализа;

- создание кристалл-дифракционного спектрометра с ионным возбуждением рентгеновской флуоресценции;

- исследование с помощью -этих методов сверхпроводящих и полупроводниковых материалов.

Новизна, научная и практическая ценность.

1. На электростатическом ускорителе ПКЯО выполнен комплекс физических исследований с цель» выбора - оптимальных условий облучения образцов и измерения вторнчных излучений, возникающих при взаимодействии протонов п дэйтронов с мишенью.

2. Впервые создан кристалл-дифракционный спектрометр с ионным возбужденней рентгеновской флуоресценции.

3. Разработана методика количественного определения содержания и концентрациент.» профилей кислорода в приповерхностных слоях и тонких пленках на кислородосодержагдей подложке с разрешением по глубине <100А с помощью ядерной реакции

ICS 1-4

ocj.oo n.

4. Разработан комбинированный способ элементного анализа пленок, включавший в себя методы POP. ИРСА и ЯР.

Созданные экспериментальные установки и разработанные методики применялись при решении ряда научных и прикладных задач, предусмотренных протоколами о научном сотрудничестве и хоздоговорами, заключенным»! ПИЯФ с различными организациями России С ранее СССР Э. а также в рамках Государственной программы "Высокотемпературная сверхпроводимость" С темы АНСИН и ТОЧНОСТЬ

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Создание кристалл-дифракционного спектрометра с конным возбужденней рентгеновской флуоресценции и применение его а ионном рентгеноспектральном анализе.

2. Комплекс ядерно-физических методов для определения стехиометрии материалов на глубинах до 10 мкм на базе электростатического ускорителя ПИЯО.

1 3. Методика определения концентрации кислорода и его распределения по глубине в тонких пленках на подлэжках, содержащих кислород, с помощью ядерной реакции 1в0 (с1»'-*> .

4. Результаты исследования высокотемпературных сверхпроводящих пленок УВа Си 0 ^ и структур ка их основе с помощью неразрушаищих ядерно-физических методов.

5. Результаты исследования полупроводникового материала с помощью метода ионного рентгеноспектрального анализа.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- 1-ом Всесоюзном совещании по методам элементного анализа на заряженных частицах С Ташкент. 1978 г. Э ,

- XIИ-ой Всесоюзной конференции по рентгеновской и электронной спектроскопии С Львов, 1981г. 5,

- II-он Всесоюзном совещании "Ядерно-физические методы в охране окружающей среды" С Рига. 1982г. Э,

- II и III-ей Всесоюзньк конференциях "Мигрэанализ на ионных пучках" С Харьков. 1908г. и Сумы, 1990г. !>,

- XXI 1-ом Совещании по фиэиге взаимодействия заряженных частиц с кристаллам«: С Москва. 1992г. 3,

- XXXII, Х1_1 и Х|_11 -ом Совещаниях пэ ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра С Киев, 1982г. , Г'.инск, 1991г. и Алма-Ата. 1932г. Э,

- £> -

- 1-ой Межгосударственной конференции "Матеркалозедение высокотемпературных сверхпроводников" С Харьков, 1993г. Э.

- >;:>; Семинаре по ионному микроанализу "Вопросы ионной диагностики материалов и структур микроэлектроники"

С С-Петербург - Гатчина, 19-22 ноября 1991г.

Структура и объьм работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения и , списка литературы. Материал изложен на 131 странице, включая 29 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 89 наименований. •

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, определены новизна, практическая ценность, апробация работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе сделан сравнительный анализ неразрушающих ядерно-физических методов определения сосггаеа вещества < ИРСА, POP и ЯР ), показана их взаимодсполняемссть и приведены аналитические характеристики: чувствительность, предел

обнаружения, точность. избирательность, глубина анализа и разрешение по глубине Стабпица 15.

Ядерный микрсанализ> лроьсдипыЗ с использованием протонов, дейтронов и ионоа гелия с энергиями от 0.1 до 5 МэР^"ну<;лон, решает следующее аналитические задачи: качественный и количественный анализ мишеней многокомпонентных . материалов, количественное.

определение тол*цич пленок для одно- и многослойных многокомпонентных пленочных структур. псстрсйни? голичественных концентрационных профилей основных и примесных элементов по глубине для пленочных н кристаллических ш/сенгЯ, количественная характеристика переходной области пленка - подложка , .д^я разнообразных пленочных структур.

Во второй главе представлен р«сработанный и .созданный .в ПИЯФ крнстатл-ди^ракционный спектрометр с ионные: возбуждением рентгеновской флуоресценции. Его сг.-риа приведем^ ка рис.1.

- 7 -Таблица 1.

Метод Определяемые Глубина Чувстви- Точность Разрешение

анализа элементы анализа, мкм тельность , У. ■ метода, У. по глубине, й

Резерфордо-

вское обра-

тное рас-

сеяние 8е - и 1-10 1 - 10 1-2 < 100

Метод ядер-

ных реакций г < 16 1-10 ю^-кГ* 1-3 < 100

Ионный ре*«-

тгеноспект-

ральиый 10-9-ю-*

анализ Ма - и 1 - ю ~ 3

Пучох протонов форлируется с помощь» коллимирующнх 1целей и элементов Ионной оптики на поверхности мишени. расположенной на фокальной окружности. в виде полосы ~0.2«10 мм*. Ток пучка составляет от 1 до 5 мкА. Поскольку при таких больших токах происходит сильный нагрев образца, то применяется принудительное масляное охлаждение мишенного устройства. Рентгеновское излучение через бериллиевое окно толщиной 30 мкм выводится в атмосферу и попадает на кристалл-анализатор. Отражение х-лучей описывается формулой Ерегга

п О) ,

где п - целое число, а - постоянная решетки, в - угол дифракции, X. - длина волны. Отраженное от кристалла-анализатора излучение регистрируется пропорциональным счетчикоИ СИ-11Р ( наполнитель Хе *■ 107. СН^ ) с разрешением *-1 кэВ. Сигнал с детектора поступает в электронную схему. Сканирование по спектру о рабочем интервале анализируемых элементов осуществляется ' с помощь» механизма перемещения: кристалл-анализатор и детектор синхронно перемешаются в пространстве и поворачиваются на угсл Брегга 0 и угол 23, соответственно. Механизм перемещения связан с потенциометром, который изменяет коэффициент усиления усилителя в соответствии с изменением регистрируемого сигнала, так что его амплитуда остается постоянной; это исключает подстройку дискриминатора. Измерение скорости счета производится либо пересчетным прибором, либо иктенсиметрои.

Для разложения излучения в спектр приненен кристалл LiF. изготовленный по методу Иоганссона С отражающая плоскость 200» 2а=4.028 Д "J. Спектромето работает в области энергий от 4.5 до 13 кэВ, т.е. позволяет определять элементы от титана до молибдена по К-серии и от йода до урана по |_~сериь ХРИ. Аналитические характеристики КДС приведены в табл.2. .

Таблица 3.

Тип спектрометра Разрешение ДЕ для Е =5. 9 кэВ X Контраст ность Светосила Скорость счетаСс

КДС С20-503ЭВ -10° ~ 10a

Высокие разрешение и контрастность КДС позволяют регистрировать в рентгеновском спектре слабые линии вблизи интенсивных и проводить элементный анализ сложных по составу образцов с большим наложением линий: чувствительность метода ИРСА с КДС составляет СЮ 3-10 практически для всех веществ.

Таким образом,применение в ИРСА спектрометров с волновой дисперсией оправдано, и даже необходимо в следующих случаях.

1. При анализе материалов сложного состава. когда требуется высокое разрешение.

2. При анализу материала, основные компоненты которого излучают рентгеновские кванты с энергией. лежащей в рабочей области спектра.

3. Когда возможно увеличение тока пучка на мишени до 1 мкА и

более С для термостойких образцов !>.

В третьей главе описана экспериментальная установка,

включающая электростатический ускоритель ПИЯФ РАН, ионопрово^ вакуумную камеру для облучения обра .шов, детектирующую систему, измерительно— вычислительный комплекс.

Параметры ускорителя Ван-де-Гр^ .фа: энергетический диапазон С 0.3 — 1.6 ЭМэЕ, разброс энергии в пучке ~100 эВ• ускоряемые ионы - протоны -л дейтроны, ток пучка С 0. 1 - 30 ЗмкА, рабочий вакуум в ионопроводе 10 а Тор.

2 5

Рис.1. Схема кристалл-дифракционного спектрометра с протонный возбуждением рентгановской флуоресценции: 1 - пучок протонов, 2 - вакуумная капера, 3 - фокальная окружность спектрометра; 0=300 мм, 4 - пропорциональный счетчик для регистрации х-лучей, 5, 9 -коллиматоры, Ь - кристалл-анализатор 1_1Р(200> длиной |_=60ми и еысотсЯ н=30мм, 7 - бериллиевое окно, 8 - мишенное устройство с образцом.

Для проведения элементного анализа из дюралюминия изготовлена камера, вакуумно соединенная с ионопроводон шиберный клапаном; это позволяет производить замену образцов баз нарушения ракуума а основном объеме. Одновременно можно установить до 10 образцов Сточность установки ~1 мм!). Камера имеет отдельный вакуумный пост.

Длй регистрации рентгеновского излучения применяются

2

дрейфовый SiCLí3-детектор площадью 23'ми с разрешением 190 эВ при £^=5.9 кэВ Св=РеЭ и кристалл-дифракционный спектрометр .Сглава 2Э.

Для регистрации ^-излучения применяются Ge^LiЭ—детектор с разрешением 2.1 кэВ для Е^=1.33 КэВ С^Со) и зцинтилляционный детектор Nal большого ой-ьема.

Для регистрации заряженных частиц были применены прецизионные диффузные кремниевые дэтекторы площадью 10 и 25 мм2, изготовленные в ФТИ РАН по планарной технологии. Они имеют энергетическое разрешение ЛЕ~8 кэВ для . 5 МэВ при уровне пум-* ^ кэВ без

охлаждения детектора. s

В экспериментах го определению кислорода в сверхпроводящих: пленках с помощью ядерной реакции 1<SQ (d, oO"n планаркый детектор испытывает большие радиационные нагрузки от рзеезячних ка миаижи дейтронов. Проведенные нами исследования радиационной стойкости детектора при дозовой нагрузке до ю"о^'сма показали, что уровень, шума остался приемлемым и составил 5 кэВ, т.е. возрос на Разрешающая способность по о—частицам практически не изменилась и составила 9 кэВ. Таким образам, радиационная стойкость пландряьж детег.торсе из высокоомного кремния достаточна для проведения на пучках дейтронов как минимум 50 циклов измерений по определению элементного состава типовых объектов: по оценкам указанная доза набирается за 100 часов работы на пучке.

Количественный анализ с помощью методов ядерного микроанализа предполагает точное коимторировакие ионного пучка. Измерить число частиц, попавших на исследуем;'» иишень, можно электротехническим и ядерно-физическим методами.

При измерении тока лучк^э злектротех, ическим методом обычно применяют цилиндр Фарадея. соединенный с измерителем электрического тока или заряда. В используемом интервале энергий •юное основными факторами, влияющими на точность измерения тока.

являются: уход отраженных частиц через входной канал, утечка тока по изоляции на землю, вклад вторичных злектронов, возникающих при взаимодействии пучка ионов с элементами камеры и мишенью.

С целью подавления вторичных электронов, попадающих в камеру, а также вылетающих из нее, пегед мишенью устанавливался защитный электрод ( супрессор ), на который подавался отрицательный потенциал порядка С300-5003 В. Утечки зарядов по изоляции были уменьшены до величины <0.1 НА применением тефлоновых прокладок.

Так как величина тока ео время эксперимента может меняться, то для определения количества ионов, попавших на • мишень, применялся интегратор тока: диапазон измеряемых токов составляет от долей наноампера до 30 мКА. Точность измерения заряда 0.5 •/..

Токовые измерения не позволяют работать с образца^' малых 2

размеров ( ~1 мм ), так как технически сложно определить долю частиц, приходящих на исследуемую мишень. В этом случае наиболее эффективным является измерение числа частиц.попавших в мишень, методой POP: оно возможно, когда состав мишени или подложки по основным элементам известен. Способ заключается в сравнении интегрированной части спектра POP от самой мишени в низкоэнергетической области при фиксированных значениях регистрации для образцов с близкой стехиометрией ' или . одинаковой подложкой, покрытой тонкими пленками. Оценка воспроизводимости такого способа мониторирования производилась расчетным и экспериментальным путями для проводящих подложек С Inf, Si * TiV, пленка окиси на fti > с независимым, измерением гока пучка электротехническим способом; результаты совпадают в пределах C2-3D5c при статистической погрешности монитора "1Я.

Сигналы с детекторов поступают в электронную схему установки, расположенную в четырех крейтах: сна включает в себя токовый и четыре спектрометрических канала. Вся электроника выполнена в стандарте КАМАК и управляется микроэвм "KtRA-iSO". Примэняются модули, изготовленные в ПИЯФ РАИ, УПИ С г. Спердловсг. Э, ХФТИ С г.Харьков Э, фирмы'оЯТЕС.

В состав спектрометрического канала входят

зарядочувствительный предусигитель, спектрометрический усилитель с аналоговым процессором, конвертеры анплитуда - время н

время-код,оперативная память; в необходимых случаях для растяжки спектра в нужном интервале энергий применялся эспандер.

Можно вести одновременный набор спектров с нескольких детекторов, что позволяет проводить полный элементный анализ методами POP. ИРСА и ЯР при одном облучении. Для управления процессом измерений и обработки спектрометрической информации имеется пакет программ на языках MACROASSEMBLER и FORTRAN. Программное обеспечение позволяет выводить на экр.ан дисплея измеряемые спектры ионов, улучей и ХРИ.

В четвертой главе изложена методика количественного

определения концентрационных профилей кислорода в ВТСП-пленках.

Среди ядерно-фнзических методов для определения глубинного

профиля кислорода в пленках в наших условиях была использована

ядерная реакция *"о (d,оО £"*М CQr=3.111 МэВЭ ; одновременно

происходит и ядерная реакция С Qq=1 . 92 ИэВ и В =1. 05

МэВ Э.Энесгия дейтроноэ £.=900 кэЗ. а вылетающие под углом 6=135°

d

а-частицы имеют E^S. 673 МэВ С под этим углоу. установлен детектор ионов Э.

Выбор энергии дейтронов Ed=900 кэВ обусловлен следующим. С одной стороны, при этих энергиях полностью отсутствует вклад от ядерных реакций на тяжелых элементах; с другой - при торможении дейтрона от 0.9 до 0.8 МэВ, происходящем на толщине пленки ~10*Д, сечение <d.а)-реакции достаточно велико и изменяется по линейному закону, что упрощает извлечение информации о распределении кислорода в образце из экспериментальных данных.

Мешающими являлись протоны с энергией £^=2.4. МэВ от одновременно идущей реакции 1{S0 (a, oo>i70- Поскольку то же значение для а-частиц составляло 2.673 МэВ, то могло иметь место наложение спектров. Во избежание этого . ширина рабочей зоны детектсра подбиралась меньше длины пробега протонов, но достаточной для полного поглощения с;-частиц; при этом пик протонов смещался в а&ласть низких энергий. Указанная с (рнна получалась посредством уменьшения смещения на детекторе до 10 В. при котором еще сохранялось высокое разрешение.

Возможность построения концентрационного профиля основцвается ча следующих соображениях. При взаимодействии дейтронов с ядрами

кислорода на различных глубинах исследуемого образца положение линий будет смещаться вследствие торможения а-частиц при выходе из него, а также иэ—за изменения энергетического баланса реакции, обусловленного торможением налетающих дейтронов. Таким образом, получаемы«; спектры а-частиц дают сведения о глубинных профилях распределения кислорода.

Дальнейшее изложение методики и сделанные численные оценки относятся к конкретному ВТСП-соединению С пленка Y1®a2c-ua®7-<5 С123Э плотностью р= 6.35 г/см93.

Для определения концентрационного профиля кислорода в мишени необходимо знать соотношение между элергией регистрируемой частицы и глубиной образца, на которой она образовалась С Рис.2 3.

Его можно вывести из того факта» что измеренная , энергия вылетевшей с глубины х а-частйцы Е3СхЭ зависит от потери энергии дейтроном на пути к ело» С от eq до е^ 3 и торможения ot-частицы на выходе иэ мишени £ от Е до Е 3. а также от кинематики реакции.

2 3

Эти вычисления значительно упрощаются, если учесть слабую

зависимость тормозных способностей s£E3 дейтронов и а-частиц от

энергии в этой области.Для мишени YBs Си О эти величины имеют

2 а б. м

следующие значения: S <Е =2.7 КэВ 3=600 кзВ/"мкм и S.CE =900кэВ2

а 01 d d

=120 кэВ<^мкм и изменяются на ~10й от начальны* значений при изменении энергий дейтронов от 0.9 до 0.7 МэВ и а-частиц от 2.7 до 1.5 МэВ; кроме того, SCE5 налы по сравнению с энергией чзстиц. В этом случае шкала энергий а-частиц преобразуемся в линейную шкалу глубин:

Е„<х>=е„<Е„>-е «х, .

э го яр

где Ga »<<*£,/<9Е J'SJE J/cos <Г> >+S СЕ >/ccs<? - фактор

rtr <с 1 б и 1 ¿л 2 2

энергетических потерь в методе ЯР. До глубин 1.5 мкм при

нормальном падении дейтронного пучка на мишзнь получается линейная

зависимость между энергией регистрируемой a-частицы и глубиной, на

которой она образовалась в результате ядерной реакции.

Идеальный энергетический спектр NCE 3 а-частиц Срис.263,

зарегистрированных в'интервале dE С в кэВЗ, дается выражением

NCE 3=1 «AOodovdnCE .63 «ССХЗ .j «dE'В . а о л яр

где вяр - фактор энергетических потерь в методе ЯР СкэВ-'смЗ, Ш -телесный угол детектора, da"'dnCEJ,93 -• дифференциальное семени..

п

Образец

^1зргия

Е3 Е3

Рис.2.а} Вылет ионсз с поверхности и из глубины

образца в методе ЯР. Схема формирования энергетического разрешения в методе ЯР. Идеальный С сплошная линия 3 и наблюдаемый Спунг.тирная линия 3 энергетические спектры вылетавших из толстого образца заряженных частиц, образовавшихся в нем в результате чдерной реакции.

ядерной реакции С смг Э, i - 'чи^ло налетающих частиц, j содержание изотопа в естественной снеси определяемо?с элемента,

з

ССХЗ - концентрация кислородаС ат/см 3 на глубине хСсмЗ. Таким образом, из экспериментально наблюдаемого энергетического cr.er.rpa вылетающих из мишени «-частиц можно получить сведения о распределении кислорода по глубине.

Процедура извлечения для кислорода из экспериментально

измеренных спектров ИРСА, POP и ЯР включает в себя:

1. методами POP и ИРСА определяется состав мишени . по элементам с большим атомным номерок;

2. для этого состава вычисляются тормозные способности дейтронов и а-частиц в веществе исследуемой мишени, определяется фактор энергетических потерь Бяр;

3. из графика "глубина слоя - энергия а-частицы" для каждой энергии а-частицы определяется глубина мишени, на kotodqj! *Не + + образовалась в результате ядерной реакции;

4. на этой глубине определяется .энергия дейтрона;

5. при этой энергии определяется для реакции Са.сО;

6. вычисляется концентрация кислорода на этой глубине. Этот алгоритм реализован в счетной программе, написанной на

языке FORTRAN для ЭВМ СМ-1425.

Разрешение по глубине показывает, с каким шагом по глубине

анализируемого слоя можно измерить профиль концентрации

какого-то элемента. Для улучшения разрешения применяют наклонное к

поверхности мишени падение пучка. В реальном энергетическом

спектре наблюдается размытие и уширение линий, обусловленное

разбросом энергий в пучке падающих частиц ЛЕ„„„ , неидеальной

геометрией эксперимента ¿Е_еон • разрешением детектирующей системы

ЛЕ . страгглингом потерь энергии частиц ДЕ до и после

дет. стр.

взаимодействия, уширением пучка ¡з многократном рассеянии ЛЕ

мн. р.

Предполагая, что вклады различных факторов в энергетическое

разрешение имеют форму гауссовз распределения и взаимно

независимы, полное уширение линии ЛЕ можно представить в виv

<ЛЕ>2=<ЛЕ >2'КЛЕ )2+(ДЕ >2+<ДЕ >2+<ЛЕ )г. гду

луч. дет. геом. стр. мн.р.

ширина линии на половине высоты. Схема формирования энергетического разрешения метода ЯР представлена на рис.2а.

- 16 -

Разрешение по глубине <5Х = ДЕ / Бяр ■

Для си-частиц % вылетаюдих с поверхности образца, вклад в 6х дают в основной геометрия эксперимента и разрешение детектора. С ростом глубины анализа появляется и растет вклад от физических факторов - страгглинг'а и многократного рассеяния: размытие низкоэнергетического и высокозкергетического краев спектра показано на рчс.2б.

Используя наклонное к поверхности падение пучка, можно получить разрешение по глубине < 100 8. но только в поверхностной области <2000 8. Для больших толщин С X > 0.5 мкм Э разрешение по глубине определяется в основном физическими, а значит неустранимыми причинами, и составляет >300 S.

При абсолютных измерениях точность определения содержания кислорода и его концентрационные профилей зависит от знания дифференциальных сечений ядерной реакции.

На нашей установке были проведены измерения энергетической зависимости дифференциальных сечений ядерной реакции 1<s0(d»a)14N для угла вылета а-чаотицы 0=135* на эталонных образцах. В качестве эталонов были выбраны модельные пленки СиО толщиной ~1 мкм на медной подложке и Двуокиси кремния толщиной ~0.2 мкм на чистим кремнии. Энергетическая зависимость deVdfKE .> описывается прямой в

а

интервале энергий дейтронов С815 - ЭООЭкэВ ( х ®23 иа 17 точек 2:

doVdOiE ,)«<0.О1Р0±О.ООО7> -Е Л кэВ )-< 11.9±0.6> Смбарн^срэ. а а

Точность абсолютных значений dcr/йО составляете 'Л-

Для проверки методики была исследована пленка с помощью методов ИРСА, POP и SF: это позволило определить с точностью стехиометрию образца й распределение элементов по глубине С включая кислород 1 с шагом ~100 Д.

В пятой главе приводятся результаты исследований

полупроводниковых и ВТСП-пленок методами ядерного микроанализа.

Получение чистых зпитаксиальных слоев 1пР - довольно сложная технологическая проблема, т.к. трудно избавиться от фоновых акцепторных и донорных примесей, присутствующих в исходных веществах. Основными фоновыми примесями в рассматриваемом материале являются Si, S, О и С.; их концентрации находятся на уровне СЮ*7 -lO,a3cM's.

Одним из способов получения таких слоев 1пР является легирование рас вора—расплава редкоземельными элементами ( РЗЭ ): суть метода заключается в том^ что РЗЗ в жидкой фазе взаимодействуют с элементами VI группы периодической систеиы и образуют высокотемпературные халькециды < Т=2000°С ), которые потом выпадают в шлак.

Образцы для исследований выращивались в ФТИ РАН методом жидкофаэной эпитаксии из растворов-расплавов при легировании редкоземельными элементами Вй и V'} с концентрациями от 0.005 до 0.1 ат?:. Для выяснения вопроса, входят ли РЗЭ и их соединения, образовавшиеся в жидкой фазе, в твердую фазу или все они выводятся в шлак в процессе изготовления эпитаксиальной пленки, была измерена их концентрация в конечном продукте методом ИРСА с КДС. Результаты исследования образцов приведены в таблице 3. Там указаны толщины пленок, концентрации РЗЭ в жидкой и твердой фазах, концентрации носителей тока и их тип, значения коэффициента сегрегации Сотношение концентраций РЗЭ в твердой и жидкой фазах 3.

•Измерения образцов 1г,Р<УЬ> гетодом вторичной ионной масс-спектрокетрни показали, что иттербий в твердой фазе 1пР распределен крайне неравномерна как по глубине, так и по поверхности: наблюдается высокая концентрация РЗЭ в поверхностной области до глубины <0.5 мкм и появляются локальные области внутри слоев с довольно большим С до 10,в ат/сма I) содержанием ЧГЬ-

Как видно из табл.З, коэффициент сегрегации для исследуемых концентраций редкой земли в 1пР лежит в диапазоне от 0.01 до 0.02. причем не наблюдается зависимость его от начальной концентрации РЗЭ з жидкой' фазе н от типа л»гирутпшего элемента; с учетом исследований методом ВИМС коэффициент сегрегации < 0.01.

При концентрации иттербия и гадолиния в жидкой фазе от 0.01 до 0.1 ат.%. получается наиболее эффективная очистка 1пР. сопровождающаяся снижением концентрации носителей заряда до 10 см .

Многослойные тонкоплекочные структуры "ВТСП-лленкп -изолятор" могут быть основой для создания СВЧ- и микроэлектрпнных приборов, а также различного типа волноводов, в том числе и микрополосковых коаксиальных межсоединений в интегральных схемах.

- 18 -

Таблица 3. Параметры исследованных образцов 1пР<РЗЭ>.

С цифра в скобках означает погрешность последнего знака 3.

Номер Толщина Концентрация Е'ЗЭ, атй Коэффициент Концентоация И

образца образца. жидкая твердая сегрегациии тип носите-

мкм фаза фаза С УС ТВ ж лей тока, см"3

Д307. 5 - 3. 7 0 - - Ю1" п

Д307.4 Уо 3.6 С.0064 0.С0310С2Э 0.01510.003 5.1 О*7 п

Д307.3 УО 3. 3 0. 012 0. 00014С23 0.012+0.002 г.ю" п

Д307. 2 УЬ 3. 3 0. 050 0.00080С63 0. 016+0. 001 3.1 о1" п

Д307.1 УЬ 3.5 0. 100 0. 00100С53 о. 010±0. ооо; Лб.ю13 П

1142.1 -- 4.0 0 - - 1017 п

1142.3 вс! 2.8 О.018 0.00032СЭЭ 0,01810.002 ю" 0

1142.4 Бс1 1.4 0.046 О.00074С 53 0.01610.001 3-ю" о

1142.5 БО 6.4 0.055 0.00083С63 0.01510.001 5*10 р

1142.6 Вс1 2.4 О. 085 0.00140С63 0.01710.001 2"101Я р

ФИ4-84 Бс1 4.0 О.ОЮ 0.00015СЗЗ 0.01510.003 3*10<в п

ФИ4-83 ВО 4.0 О. ОЗО 0.00039С43 0.01310.001 4.1 О15 п

1пР-61 Ба 4.0 О. 005 О.ООООРСЗЗ 0.01810. 006 3«101<5 п

1пР~<50 6(1 4.0 О.ОЮ О.0001ВСЗЗ 0.01810.003 ачо" п

1пР-5? [за 4.0 О. 030 О.ОООЗйСЗЗ 0.01210.001 3.10й п

Однако изготовление многослойных структур неизбежно связано с рядом термических операций, в результате которых может существенно •?няться стехиометрия слоев, нанесенных первыми, причем это особенно актуально к содержанию кислоррда, который, как уже говорилось во введении, явпяется наиболее подвижной компонентой в высокотемпературных сверхпроводниках.

Одной из возможных комбинаций "ЗГСП-и^олятор" является

структура, состсспцая из чередующихся слоев гва Си О , и Y BeCuO

7. а 7-С- 2 s

С123 и 211Э. Существенно, что эти фазы состоят из одни:: к тех хе элементов, поскольку при изготовлении пленок на подложках всегда происходит, в той или иной степени, взаимная диффузия. Таким образом, керамика 211 может оказаться перспективной как в качестве хорошей подложки для пленок 123, так и для получения тонких изолирующих прокладок между слоями 123 в многослойных тонкопленочныя структурах.

Для оценки влияния взаимодействия на границах раздела на состав и свойства таких структур были исследованы напыленные на подложку МдО двухслойные композиции, содержавшие пленки. 123 и 211. Зти образцы изготовлялись в ФТИ РАН методом лазерного напыления.

Стехиометрия по тяжелым элементам определялась методами POP й ИРСА С для однослойных образцов При этом спектры POP от

подложки и тяжел-wix элементов пленки не накладывались друг на друга, что существенно облегчает анализ. Для пленки 123 получается стандартная стехиометрия: ~7 ат.Х у, ~16 ат.?< Ва. ~24 ат.Я Си.

Пленка Y ВаСиО имеет состав, близкий к 211 с 30.*< избытком меди.

2 s

Для определения кислорода применялась реакция "Ъ < d , ot> "м.

Участки спектров а-частиц по этой реакции приведены На рис.3. Гоа.чицы пленок и интерфейса пленка-подложка обозначены пунктиром. Видно, что распределение кислорода в пленках практически однородное, так как дифференциальное сечение ядерной реакции на таких малых толщинах практически не мэняется. Однако пленка 211 сильнее взаимодействует с подложкой С область ~600 Д под пленкой обеднена кислородом рис.ЗёЭ. Поверхностный слой толщиной ~300 Д у зсех плечок текже обеднен кислородом.

Концентрация кислорода в пленках определялась по отношению к подложке; результаты приведены в табл.4. Погрешность определяется статистикой в эгепериметальных спектрах а-частиц.

Как видно из табл.А. для пленки состава 123 наблюдается превышение концентрации кислорода над точной стсхиом-атрией. Для случая рис Зв оно состазляет 7.3 >: при погрешности эксперимента ±2.2 У.. С другой стороны, в пленке " зеленой ф^зы" 211 концентрация кислорода оказалась ниже расчетной. Возможно, это

ш>

г оо

I §

^ до

0

* 20? £

«1

1

•О*

200

а.

о(ияо)

зН

60Й

%

630 ТОо б.

720

•но

460 Цана/М

оМ, .

Н

| »

6Ы 100 420 В.

790

Я* Кана/М воя

I |

I

6И0

70?

420

т

По КаналА/

Рис. 3. .Участок спектра а-частин по реакции 1а0Са . оО . отражающий распределение кислорода в структурах "ВТСП-пленка -изолятор" на подложке гчдО. Состаь пленок: а - УВа Си О

2 Э 7 -С

б - У "ЗаСиО.• в - УВа Си„0_ + У ВаСий : наблюдается равномер-

13 2 9 7-о 2 5

ное распределение^кислорода по глубине. 1 канал в спектре соответствует 60 А пленки.

Таблица 4. Толщины пленок и концснтратч* кислорода в них С сг --ержание кислорода ь МяО принято за единицу Э.

Состав пленки Концентрация кислорода Толщина пленки, ангстрем

Расчет Эксперимент

УВа Си 0 , 2 3 7-о У2ВаСи05 Структура 0. 684 0.709 0.684 0. 718 ± 0.015 0.677 1 0.020 0. 734 ± 0.015 1000 ± 50 390 ^ 30 1400 г 60

обстоятельство является причиной истощения по кислороду края подложки МдО С рис. 36 3.

Для пленки ГВа.Си О , толщиной ~1000Д, •заключенной в

г з 7-о

изолирующий чехол из пленок У2ВаСиО= толщиной ~ЗС0Д, была измерена ширина перехода в сверхпроводящее состояние ДТе=С88. 5-85. 5)°к; с этой точки зрения слой 123 имеет вполне приемлемые характеристики.

Таким образом. подобная технология позволяет создавать структуры "сверхпроводник - изолятор" из чередующихся слоев УВа Си О , - У ВаСиО . которые могут быть основой для разработки

2 Э 7-О 2 3

различных приборов, а "зеленая фаза" У2ВаСи03 может служить изолятором при создании пленочных структур с ГЕг»гСи3Ц7

В заключении сформулированы Ои'овкме результаты исследований:

1. На базе электростатическогр ускорителя ПИЯФ РАН разработана и создана экспериментальная установка для исследования приповерхностных слоев твердых тел и тонки:: пленок с помощью неразрушающих ядерно-физических методов: резерфордовского обратного рассеяния, ядерных реакций. ионного рентгеноспектрального анализа. Полученные при этом цифры по чувствительности, точности, разрешению по глубине не уступают мировому уровню.

2. Разработан и создан кристалл-дифракционный слектрс'метр с протонным возбуждением рентгеновской флуоресценции. Чувствительность метода ИРСА с КДС при определении следов элементов составляет С 10 3 - 10 * 1У. практически для всех образцов.

3. Разработана методика количественного определений концентрационных профилей кислорода с помощью ядерной реакции 1<50(с1,с1) ,4м в тонких пленках на кислородсодержащей подложке с

разрешением па глубине < 100 8. Методика позволяет определять величины <5 в сверхпроводящих пленках состава YBa Си О . с

га 7-о

точностыоЛС. 1 без разрушения образца.

4. Сочетание различных методов ядерного микроанализа С POP, ИРСА, МЯР Э позволяет определять стехиометрию ВЮП-плекок по всей элементам с процентной точностью, а также распределение элементов по глубине с шагом < 100 8.

5. Модельные структуры: пленка SiO^ на кремниевой подложке и пленка СиО на меди являются хорошими стандартами в методах POP и ЯР при определении кислорода.

6. Структуры "сверхпроводник - изолятор", состоящие иэ чередующихся слоев YBa Си С - и Y ВаСиО . могут служить основой

2 3 7-0 2 5

для разработки различных приборов, а соединение Y2BaCuO= - хорошим изолятором при создании пленочных структур с YBaaCua07

7. Исследование эпитакснальных слоев InP показало, что при легировании растворов-расплавов фосфида индия РЗЭ гадолинием и иттербием эти элементы входят и в состав пленки, но в значительно меньших количествах; коэффициент сегрегации < O.Oi. Однако РЗЭ в эпитакснальных пленках распределены крайне 'неравномерно как по поверхности, так и по глубине.

8. Исследование радиационной стойкости пленарных детекторов заряженных частиц в диапазоне доз С ю" - ю" Эо/сн3 показало их работоспособность, достаточную для проведения на пучках дейтронов как минимум SO циклов измерений концентрационных профилей кислорода в типовых объектах методом ядерных реакций.

Материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Андриепко В.Б.,., Лебедев В. М. , "Электростатический ускоритель с энергией до 2 МэВ. " - Препринт ЛИЯ® N 872, Ленинград. 1983, 16с.

2. Андрненко В. Б...... Лебедев В.М. и др. "Кристалл-дифракционный

спектрометр Ь протонным возбуждением рентгеновской флуоресценции" /'z' ПТЭ, 1983, N 3, с. 191-192.

3. Андриенко В.Б., .... Лебедев 8.М. и др. "Рентгенофлуоресценткый анализ . о кристалл-дифракционным спектрометром при протонном возбуждении" ✓ сб-к "Прикладная ядерная спектроскопия", Энергоатпмиздат, 1934, вып.13. с.178-180.

4. Андриенко В.В., Дюнин А. К. .Лебедев В. М. , "Элементный анализ на'

электростатическом ускорителе." — Препринт ЛИЯФ N 1442, Ленинград, 1988. 26с.

5. Дюмин А.Н......Лобадев В.М. и др. "Ядерно-физические

методы точного определения содержания кислорода в материалах." -Препринт ЛИЯФ N 1533, Ленинград, 1982, 16с.

6. Dyamiп A.N. , .. .i Leb&dev V.M. at âl "Nuclear physics methods of the precise determination o+" oxigen content in HT -

4 О

ceramics" / cß-к "HTSC—investiqation and problems o* the PIK reactor apparats development". Gatchina, 1990, p.226-231.

7. Вербицкая E.M. . .... ЛебедевВ.М. и др. "Возможности применения 1<S0(d>«)14N реакции для изучения глубинного распределения кислорода в ВТСП-пленках." - Препринт ЛИ.ЯФ N .1755, Ленинград. 1991г., 18с.

8. Дюкин А.Н., Кудрявцев И.В., Лебедев В.М. и др. "Особенности формирования приповерхностного слоя фторсодержащих стекол" Физика и химия стекла, 1991, т.17, N 2, с.307-315.

9. Вербицкая Е.М., .... Лебедев В.М., "Исследование распределения кислорода в пленочных структурах ВТСП--изолятор на пучке легких ионов" X/ CIXT. 1992, т.П, N 9, с. 1673-1679.

Ю.Вербицкая Е. М. , . , Лебедев B.f^. , "К вопросу о радиационной стойкости планарных детекторов на основе высокоомного кремния" ЖТФ С Письма Э, 1992, т. 19, вып. 24," с.ь9-73.

11.Дюмин А.Н., Лебедев В.М. и др. "Изучение глубинного профиля распределения элементов в высокотемпературных сверхпроводящих пленках с помощью легких ионов" // СФХТ, 1993, т.6, N 7,' с. 1536-1 540.

12. Дюмин А.Ч. , ... , Лебедев В.М. и др. "Количественный анализ глубинного распределения кислорода с помощью ядерной реакции на дейтронах" -V ЖТФ, 1993, т.63, вып. 9, с.166-172.

13. j Dyuniin~H. Nj . Lebedsv V.M. at al "Investigation of sur-face lavers o-f so) ids with accelerated liqnt ion and fast neutron beanie" / PNDI researh report ( 1992- 19"?з ), Gatchina, 1994,

P.263-264.

Отпечатано на ротапринте 1ШФ Зак. 202, тир. 100, уч.-изд.л.1;24/!1}-1995г. Бесплатно