к.т.н. Барабан С.В., Гудима Б., Сінюгін В., Науменко І.

Вінницький національний технічний університет, Україна

Сучасний стан розвитку методів вхідного контролю структурно-чутливих параметрів некристалічних напівпровідників

Усі методи дослідження напівпровідників можна розділити на дві групи: прямі та непрямі. Винятково важливе значення в дослідженні некристалічних напівпровідників мають методи прямого дослідження геометричної організації системи [1]. До недоліків прямих методів відносять складність проведення дослідження, складність при обробці результатів, наявність суб’єктивних похибок оператора, велика вартість обладнання для проведення дослідження. Непрямі методи менш точні, але значно дешевші за прямі, крім того простіші та швидші при проведенні дослідження [2]. На рис. 1 зображено блок-схему класифікації методів дослідження некристалічних напівпровідників.

Рисунок 1 – Класифікація методів вхідного контролю структурно-чутливих параметрів некристалічних напівпровідників

Оптичну мікроскопію у відбитому світлі застосовують для дослідження мікроструктури матеріалів, розмір характерних деталей в яких має порядок декількох відсотків мікрометра [3].

В електронній мікроскопії, що просвічує, використовують електрони, електростатично прискорені до різних енергій і сфокусовані магнітним полем в спеціальних електромагнітних лінзах [4].

Метод скануючої електронної мікроскопії полягає в скануванні поверхні зразка максимально сфокусованим електронним пучком з одночасною реєстрацією збудженого цим пучком випромінюванням [5].

До електричних методів відносять скануючу тунельну мікроскопію. При її застосуванні вимірюють (або підтримують постійним) тунельний струм між голкою на яку подають деякий електричний потенціал і поверхнею [6].

Застосування тунельної мікроскопії обмежено струмопровідними матеріалами і потребує вакуумування робочої камери. В той же час застосування атомно-силової мікроскопії не має таких обмежень. Атомно-силова мікроскопія дозволяє вимірювати сили міжатомної взаємодії між кантелевером і поверхнею (радіус дії цих сил також відповідає атомарній точності) [7].

Дифракційні методи використовуються в хімії твердого тіла для дослідження фазового складу і структури і деяких видів відхилень від ідеальності кристалічних матеріалів [8]. Вони засновані на дифракції різних типів хвиль на періодичній решітці кристалу.

З усіх дифракційних методів найбільш поширеним (в першу чергу через свою доступність) є дифракція характеристичного рентгенівського випромінювання.

Метод електронної дифракції реалізується частіше за все в мікроскопах, що просвічують матеріал, і в яких електрони лінійно розгоняються до енергій 100-1000 кеВ [8]. До недостатків методу можна віднести меньшу, ніж в ренгеноструктурному аналізі, точність визначення міжплощинних відстаней (відносна точність порядку 2-5%); і локальність методу – при отриманні інтегральної інформації про зразок можлива деяка ступінь необачності оператора.

Метод дифракції теплових нейтронів значно меньше, ніж рентгено- і електронографія, застосовується для дослідження напівпровідників, що пов’язано з винятково високою вартістю обладнання, яке використовується [8]. Основними джерелами нейтронів з необхідною енергією являються ядерні реактори. Нейтронографічні експерименти здійснюються лише в невеликому числі ядерних центрів [8].

Рентгеноспектральний кількісний аналіз заснований на залежності інтенсивності характеристичного випромінювання деякого елементу від концентрації його атомів в зразку [9]. При використанні для збудження характеристичного випромінювання сфокусованого електронного пучка рентгеноспектральний аналіз застосовують як метод дослідження локального елементного складу (рентгенолокальний аналіз) зразка. Кількісний рентгеноспектральний елементний аналіз проводять головним чином починаючи від натрію в періодичній системі елементів.

Оже-електронна спектроскопія дає інформацію про елементний склад тонкого приповерхневого шару зразка [10]. Це часто призводить до необхідності досліджувати методом Оже-електронної спектроскопії тільки свіжі зрізи зразка, зроблені під вакуумом.

Ефективна ступінь окислення атому може бути визначена на основі даних про енергії його зовнішніх електронних рівнів. Найбільш поширеними і універсальними методами дослідження яких являються: рентгенофотоелектронна спектроскопія і аналіз тонкої структури краю поглинання рентгенівського випромінювання (XANES) [11]. Універсальним методом дослідження координаційного оточення атомів є аналіз протяжної тонкої структури спектру поглинання рентгенівського випромінювання (EXAFS) [11]. Ренгеноструктурний аналіз в даному випадку не дає необхідної інформації, оскільки дозволяє визначати тільки середні характеристики для системи. Виключно точна інформація як про ефективні степені окислення, так і про координаційне оточення атомів може бути отримана методом спектроскопії ядерного гамма-резонансу, або, месбауеровською спектроскопією [11]. Проте застосування цього методу обмежено лише невеликим числом елементів.

Термоаналітичні методи слугують для досліження хімічних реакцій, фазових та інших фізико-хімічних перетворень, що відбуваються під впливом тепла в хімічних з’єднаннях, або (у випадку багатокомпонентних систем) між окремими з’єднаннями [12]. Найбільш поширеними є вимірювання маси досліджуваного зразка при його нагріванні або охолодженні з постійною швидкістю – термогравіметричний аналіз (ТГ) і різниці температури зразка і температури інертного зразка в умовах експерименту – диференціальний термічний аналіз (ДТА). Часто такі вимірювання проводять одночасно в одній установці, в якій також можна вимірювати і швидкість зміни маси зразка – диференціальна термогравіметрія (ДТТ).

Висновок

Вхідний контроль завжди відносився до числа першочергових заходів, що забезпечують необхідну якість готової продукції. Проте в сучасних умовах необхідно змінювати сам підхід до реалізації вхідного контролю. Непрямі методи контролю молекулярної структури полягають у вимірюваннях структурно-чутливих характеристик матеріалу, на основі яких робиться висновок про його будову. Одним з таких методів, що несе найбільшу інформативність, дозволяє здійснювати оперативний контроль в процесі промислового виробництва, а також є найбільш чутливим до структурних змін напівпровідників є диференційно-термічний аналіз.

Література

1. Кнотько А.В. Химия твердого тела / А.В. Кнотько, И.А. Пресняков, Ю.Д. Третьяков. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 304 с.

2. Жуковский Валентин Семенович. Термодинамика и кинетика твердофазных реакцій / В.С. Жуковский, А.Н. Петров. – Свердловск: Уральский государственный университет, 1987. – 168 с.

3. Кларк Эшли Роберт. Микроскопические методы исследования материалов / Э.Р. Кларк, К.Н. Эберхардт. – М.: Изд-во Техносфера, 2007. – 376 с.

4. Давидович Г. Н. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ: Кн. 2.: пер. с англ. / Г.Н. Давидович, А.Г. Богданов – М.: МИР, 1984. – 303 с.

5. Введение в физику поверхности: пер. с англ. / Оура Кендзиро, В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин, А.В. Зотов, М. Катаяма. – М.: Наука, 2006. – 490 с.

6. Панов Владимир Иванович. Сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия поверхности / В.И. Панов // УФН. – 1988. – № 1 (т.155). – С. 155-158.

7. Эдельман Валерий Самсонович. Развитие сканирующей туннельной и силовой микроскопии / Э.В. Самсонович // Приборы и техника эксперимента. – 1991. – № 1. – С. 24-42.

8. Фарбер В.М. Дифракционные методы анализа: учебное пособие / В.М. Фарбер, А.А. Архангельская. – Екатеринбург: ГОУ ВПО “Уральский государственный технический университет − УПИ”, 2004. – 107 с.

9. Физические основы рентгеноспектрального микроанализа: сведенья о методах рентгеноспектрального микроанализа // ЦКП "Материаловедение и диагностика в передовых технологиях" при ФТИ им. А.Ф. Иоффе. – Санкт- Петербург, 2010. – 14 с.

10. Еловиков Сергей Сергеевич. Оже-электронная спектроскопия / С.С. Еловиков // Соросовский образовательный журнал. – 2001. – № 2 (том 7). – С. 82-88.

11. Xray Absorption: Principles, Applications, Techniques of EXAFS, SEXAFS, and XANES / D. C. Koningsberger, R. Prins // Chemical Analysis. – 1988. – Vol. 92. – 688 p. – ISBN-10: 0471875473.

12. Альмяшев Вячеслав Исхакович. Термические методы анализа: учебное пособие/ В.И. Альмяшев, В.В. Гусаров. – СПб.: СПбГЭТУ(ЛЭТИ), 1999. – 40 с. – ISBN: 5-7629-0284-6.