Способ исследования материалов

 

(1)815793

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву

» (22) Заявлено 10.09.76 (2! ) 2491147 j18-25 (51) М. Кл.з

Н 01 J 37/26 с присоединением заявки Ко

Государственный комитет

СССР ао делам изобретений н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 23.0381, Бюллетень М 11 (53) УДК 621 ° 385.

»833(088 ° 8) Дата опубликования описания 230381

71 Заявитель (54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к исследованию материалов радиационными методами с последующим получением изображения, а именно к способу исследования материалов посредством просвечивающей электронной микроскопии, который может быть HcIIoJIbBGBcLH при исследовании реальной структуры различных кристаллических и аморфных материалов.

Физические свойства материалов во многом определяются их реальной микроструктурой. В связи с этим в настоящее время изучение различных несовераенств (дефектов) B реальных l5 кристаллах является одной из цент-:. ральных проблем физики твердого тела.

Для исследований в этой области особое значение имеют так называемые прямые методы наблюдения, позволяю- 20 щие выявлять отдельные дефекты, наблюдать непосредственно их локальные конфигурации (топографию), взаимодействие дефектов, обнаруживать обусловленные ими вторичные и сопутствующие 25 нарушения лериодичности, Наиболее объективным и общим из прямых методов является просвечивающая (трансмиссионная) электронная микроскопия, дающая сопоставимые све"30 дения о системах дефектов в кристаллических и аморфных материалах различной физико-химической природы. В . настоящее время именно просвечивающая электронная микроскопия дает основной объем информации о дефектах, Это связано с тем, что. на электронном изображении кристалла возникает более нли менее резкий дифракционный контраст везде, где имеются какиелибс искажения кристаллической решетки или нарушения ее правильной периодичности, вызванные присутствием тех или иных дефектов (1)»

Поскольку 1контрасг электронно-ми"

-кроскопических изображений кристаллов имеет дифракционную природу, то анализ картин, наблюдаемых на экране микроскопа, и в еще большей мере анализ полученных микрофотографий и электронограмм требуют постоянного сопоставления теоретически мыслинбях и реально наблюдаемых эффектов на деталях структуры объекта, природа которых и выясняется путем такого со-. поставления.

Для облегчения интерпретации контраста электронно-микроскопических изображений и нахождения соответствия между структурными дефектами в объе81 5793 ме образца и рельефом п9верхности необходимо наблюдать не только внутреннюю структуру объекта, но и рельеф его наружной или внутренней (поверхность со стороны утоньшения илк подложки) поверхностей. 5

Однако ни одним из известных способов не удается наблюдать одновременно и рельеф поверхности, и структурные дефекты в объеме.

Наиболее близким по технической )p сущности к предлагаемому является способ исследования материалов с использованием просвечивающей электронной микроскопии, заключающийся в одновременном наблюдении в электронном микроскопе дефектов в объеме и рельефа исследуемой поверхности утоненного образца, оттененной тяжелым металлом (2) °

Этот способ представляет собой комбинацию метода тонких фольг и 20 угольных реплик, оттененных тяжелыми металлами. Перед химическим утонением исследуемого образца на поверхность кристалла под углом 5-15 о наносят оттеняющий слой тяжеЛого ме- 35 талла, не взаимодействующего а полирующим травителем. После этого на оттененную поверхность под прямым углом напыляют углерод до образования пленки толщиной 200-400 Я, и только потом Зр образец утоняют со стороны, не закрытой углеродной пленкой до получе-. ния тонкого кристалла (фольги). Это позволяет производить электронномикроскопические исследования на просвет, основанные на анализе дифракционного контраста дефектов s объеме с одновременным наблюдением рельефа наружной {не подвергавшейся травлению) новерхности.

Однако известный способ имеет 40 ряд принципиальных ограничений, связанных с последовательностью выполнения операций оттенения и утонения образца: а) нЕобходимость использования для оттенения металла, не взаимодей- ствующегд с полирующим травителем) б) одновременное наблюдение только рельефа наружной поверхности и дефектов в объеме; 50 . в) исключение возможности предва-. рительного исследования только дефектов в объеме с последующим переходом (выбором поверхности оттенения) к одновременному наблюдению де- . фектов в объеме и рельефа внутренней или наружной поверхности, Действительно, в процессе наблюдения тонкогс кристалла (фольги) в электронном микроскопе исследова" тель сталкивается с трудностями в 60 интерпретации наблюдаемого контраста.

Для облегчения йнтерпретации контраста, который может быть вызван рельефом наружной поверхности или связан с артефактами, т.е. наруше- б5 ф-. ниями, внесенными при получении тонкого кристалла, а также при необходимости нахождения однозначного соответствия между рельефом поверхности и дефектами в объеме, возникает необходимость наблюдения не только дефектов в объеме, но к рельефа наружной или внутренней (исследование границ раздела, исключение артефактов) поверхностей.

Цель изобретения — повышение точности определения соответствия морфологии поверхности и дефектов в исследуемом объеме, упрощение и расширение возможностей способа.

Для достижения этой цели в способе исследования материалов, заключающемся в одновременном наблюдении в электронном микроскопе дефектов в объеме и рельефа исследуемой поверхности, оттенение производят после утоненкя образца.

На чертеже изображена схема способа исследованкя материалов.

Схема включает тонкий кристалл (фольга) 1, слой оттеняющего тяжелого металла 2, наружную 3 и внутреннюю 4 поверхности, пучок электронов (направление наблюдения) 5, поток атомов оттеняющего тяжелого металла

6. Кроме того, приняты обозначения угол оттенения, t - толщина кристалла (фольги) 1, пригодная для наблюдений (прозрачная для электронов), h - -толщина края тонкого кристалла, 2R-диаметр тонкого кристалла (для круглого образца), а — длина стороны квадрата (для квадратного образца).

При осуществлении предлагаемого способа исследования материалов предварительно по известной технологии готовят тонкий образец (в описываемых примерах образец кремния). Для этого берут пластину кремния размером 2х2 мм к толщиной 200 мкм, наклеивают на фторопластовый диск исследуемой стороной к диску. Затем производят химическое динамическое травление s травителе состава

HF:HNG :CH СООН в две стадии.

Первая стадия - травление в смеси

HF:HNOg.СН3СООН=1:8:1 до появления в центре образца участка темнокоркчневого цвета.

Вторая стадия — травление в смеси

HF ° HNO еСН 3СООН1 «1 00 ««1 (или 1 «40 ° 1 ) до появления в центре образца участка светлокоричневого цвета.

Затем образец отделяют от поддерживающего диска и отмывают, после

zего образец исследуют в электронном микроскопе. В случае затруднений с интерпретацией наблюдаемого контраста тонкий крисстал 1 вынимают из микроскопа и оттеняют его внутрен" нюю 4 или наружную 3 поверхности, напыляя на нкх хром 6 под угломер=10 о (наружная поверхность 3) или =30

815793 (внутрення поверхность 4) . Слой на- пыленного хрома 6 имеет толщину

50-80 A.

Возникающий в результате напы- ления хрома 6 дополнительный контраст позволяет выявить детали рельефа внутренней или наружной поверхности и определить их высоту.

Один из конкретных примеров использования способа связан с оттенением обратной стороны тонкого кристал-® ла при возникновении трудностей в интерпретации контраста. На электронномикроскопических изображениях тонких кристаллов кремния, в которые вводилась медь, наблюдался контраст, связанный с неоднородностями толщины кристалла. Подобного рода контраст мог быть вызван наличием ямок .pacIIлава на поверхности или ускоренным травлением областей, обогащенных вакансиями. Кроме того, наблюдались 2р неоднородности темного контраста, природа которых была неясна.

Оттенение внутренней поверхности тонкого кристалла позволило однозначно установить, что наблюдаемый контраст связан с ускоренным травлением в области рассосавшейся колонии мелкодисперсных выделений силицида меди участков, обогащенных вакансиями, а неоднородности темного контрас" та представляют собой кластеры, обра- р зовавшиеся при медленном охлаждении после высокотемпературного отжига.

Причем оттенеиие выявило тонкую структуру кластеров.

Весьма эффективен способ и при исследовании аморфных материалов.

На трансмиссионном электронно"микроскопическом изображении слоев двуокиси кремния, полученной пиролити" 4р ческим разложением тетраэтоксисилана, наблюдались неоднородности темного контраста, которые могли быть объяснены либо наличием утолщений (высту" пов) в окисле либо наличием включе- 4 ний, имеющих большую плотность, чем окисел. Однако оттенение наружной поверхности однозначно свидетельствует, что неоднородности контраста вызваны наличием на поверхности .сферических выступов, которые связаны с механизмом осаждения и образуются прн больших расходах тетраэтоксксила" на. Исследование рельефа поверхности традиционным методом реплик в этом случае потребовало бы применения весьма трудоемкого, разрушающего метода обволакивающих реплик.

Таким образом, предлагаемый способ, IIq сравнению с известным,поз-, воляет просто и точно устанавливать соответствие между рельефом поверхности и дефектами в объеме за счет одновременного наблюдения как дифракционного контраста, так и контраста, связанного с оттенением, наб-. людение рельефа дополняется микродифракцией, расширяются возможности просвечивающей электронной микроскопии, облегчается интерпретация контраста и значительно упрощается методика.

В сочетании с селективным травлением метод позволяет однозначно устанавливать, как выявляются те или иные структурные дефекты, сравнивать истинную плотность дефектов, определяемую с помощью электронной микроскопии иа просвет, с плотностью выявляемой .селективным травлением.

Формула изобретения

Способ исследования материалов, заключающийся в одновременном наблю-. дении в электронном микроскопе дефектов в объеме и рельефа исследуемой поверхности утоненного образца, оттененной тяжельм металлом, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения соответствия морфологии поверхности и дефектов в объеме, упрощения и расIQRpBHHB возможностей„ оттенение производят после утонения образца.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Хира П. и др. Электронная микpooRoIIHH тонких к pic TBJIJIOB ° М < Мир

1968, с. 260.

2. Поляков О.П. Методика одновременного наблюдения структуры поверхности и объема в просвечивающей электронной микроскопии. - Заводская лаборатория, 1974, 9 9, с. 1125 (прототип).

815793

Редактор Н. Лазаренко.Заказ 1046/83 р

Г

r 9

Составитель Л. Фролова

Техред М. Рейвес Корректор М. КОста

Тираж 784 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4