Изучение поверхности полупроводника с помощью сканирующего электронного микроскопа (стр. 3 из 5)

7. РАСТРОВИЙ ЕЛЕКТРОННИЙ МІКРОСКОП. ТЕХНІЧНІ ВІДОМОСТІ

7.1 Застосування

Електронний растровий мікроскоп призначений для дослідження тонкої структури металів і сплавів у вторинних, відбитих і поглинених електронах, а також для дослідження поверхні зломів шляхом візуального спостереження і фотографування.

За допомогою електронного мікроскопа, використовуючи малі збільшення до 20X можна спостерігати великі площі поверхні, а також одержувати знімки окремих ділянок ушкоджень і зломів при 100000 кратному збільшенні.

Найбільш важливі області застосування:

1) аналіз експлуатаційних ушкоджень;

2) джерело інформації про внутрішню будову металу;

До можливостей мікрофотографії варто віднести:

а) виявлення ліній утоми;

б) спостереження водневої крихкості;

в) вивчення дефектів росту кристалів;

г) виявлення високотемпературної дислокації включень.

7.2 Принцип дії

Електронний промінь у виді тонкого пучка електронів (діаметр пучка £ 10 нм) обігає (сканує) зразок по рядках крапку за крапкою і синхронно передає сигнал на кінескоп. При влученні електронного променя в яку-небудь точку зразка відбувається вибивання з його матеріалу вторинних електронів і відбитих електронів.

Електронний зонд являє собою тонкий пучок електронів приблизно циліндричної форми, при впливі його на зразок збуджуються однаково малі плями електронного порушення. Цим порозумівається гарна глибина різкості зображення при растровій електронній мікроскопії.

Первинний електронний промінь (зонд) формується у вакуумному стовпчику (електронній гарматі) растрового електронного мікроскопа (мал.6). Електрони вилітають з розжарюваного катода, і прискорюються електричним полем напругою 1-50 кв. Промінь фокусується трьома електромагнітними конденсорними лінзами і за допомогою котушок, що відхиляють, сканується за зразком.

Випроменені зразком електрони викликають у сцинтилляторі світлові спалахи (фотони). Швидкі пружно розсіяні (відбиті) електрони з високою енергією без значного підведення енергії попадає в сцинтиллятор; вторинні електрони з низькою енергією при русі до сцинтиллятору одержують прискорення в результаті додатка електричного поля. Світлові промені залишають вакуумну камеру через світловод і в фотомножнику, що примикає до нього перетворюються у світлові імпульси. За допомогою останніх, об'єкт начебто висвітлюється сцинтиллятором, установленим на бічній стороні об'єкта, а спостереження ведеться з боку напрямку первинного електронного променя.

РОЗДІЛ ІІ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ

Найбільш важливі області застосування:

1) аналіз експлуатаційних ушкоджень;

2) джерело інформації про внутрішню будову металу;

3) аналіз поверхні напівпровідникових матеріалів.

Для виконання дипломної роботи було поставлено таку задачу:

1. Вивчити будову та принцип роботи електронного мікроскопа.

2. Вивчити конструкцію та принцип роботи растрового електронного мікроскопа.

3. Провести юстировку електронно-оптичної схеми електронного мікроскопа.

4. Розробити схему сканування.

5. Виготовити пристрій для реєстрації електронів.

6. Розробити схему для реєстрації фотонів.

7. Приготовити металеві та напівпровідникові зразки для досліджень.

8. Провести дослідження поверхні зразків.

9. Оформити результати.

РОЗДІЛ ІІІ. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

В ході проведення експериментальної частини дипломної роботи були використані такі прибори:

· Електронний мікроскоп TESLA BS500. Гарантована дозволяюча здатність якого 7

, коефіцієнт збільшення 500 – 100000

· Підсилювач електрометричний У5-7. Гранична чутливість якого 10^-10 А (V)

· Циліндр Фарадея. (Виготовлений вручну)

· Фотодіод

· Генератор пилкообразних імпульсів

· Самописець

Під час виконання дипломної роботи було проведено юстировку електронно-оптичної схеми електронного мікроскопа, розроблено схему сканування і виготовлено пристрій для реєстрації електронів.

Мал. 7. Схема реєстрації вторинних електронів

1. – катод. 2. – анод. 3. – відхиляючі котушки. 4. – циліндр Фарадея. 5. – зразок. 6. – підсилювач електрометричний У5-7. 7. – самописець. 8. – генератор пилкообразних імпульсів

(мал.7). Розроблено схему для реєстрації фотонів(мал.8).

Мал. 8. Схема реєстрації вторинних електронів

1. – катод. 2. – анод. 3. – відхиляючі котушки. 4. – фотодіод. 5. – зразок. 8. – генератор пилкообразних імпульсів

Приготовлено металеві та напівпровідникові зразки для досліджень:

1. металева сітка з розміром клітини а = 0.25 мм.

2. кремнієва пластина з невеликими інородними включеннями ~0.5 мм.

3. кремнієва пластина з олов’яними електродами розташованими один від одного на відстані 3 мм.

Проведено дослідження поверхні зразків. Зразок (1) було досліджено за допомогою двох схем (мал.7,8), зразки (2) і (3) тільки за допомогою схеми, що реєструє електрони (мал. 7).

Отримані результати зображені на мал. 9, 10, 11, 12.

Мал.9. металева сітка з розміром клітини а = 0.25 мм. Досліджувана за допомогою циліндра Фарадея.

Мал.10. металева сітка з розміром клітини а = 0.25 мм. Досліджувана за допомогою фотодіода.

мал. 11. кремнієва пластина з невеликими інородними включеннями ~0.5 мм. Досліджувана за допомогою циліндра Фарадея.

Мал. 12. кремнієва пластина з олов’яними електродами розташованими один від одного на відстані 3 мм. Досліджувана за допомогою циліндра Фарадея.

Висновки.

1. Проведений літературний пошук показав, що скануюча мікроскопія має переваги перед просвітлюючою:

а) методи створення дифракційних картин у РЕМ досить прості і дають велику інформацію про кристалічну будову і досконалість зразків.

б) можливість дослідження масивних зразків.

в) можливість дослідження внутрішньої будови зразків.

г) можливість виводу на екран комп’ютера.

д) велика кількість способів досліджень зразків.

е) простий в експлуатації.

Принципіально показано:

а) можливість діагностики поверхні металевих та напівпровідникових зразків за допомогою реєстрації вторинних електронів циліндром Фарадея.

б) можливість діагностики поверхні матеріалів, що добре люмінісцюють.

Можливість використання даної установки для дослідження поверхні напівпровідників.

РОЗДІЛ ІV. ОХОРОНА ПРАЦІ

1. ЗАХОДИ ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКИ ТА ПОЖЕЖОБЕЗПЕКИ ПРИ РОБОТІ З ЕЛЕКТРОННИМ МІКРОСКОПОМ

1.1 Забезпечення безпеки при роботі на електроустановках.

Одним із найбільш важливих напрямків забезпечення охорони праці при проведенні експериментальних досліджень є забезпечення безпеки при роботі на електроустановках.

Статистика показує, що кількість травм, викликаних електричним струмом, становить 2% від їх загальної кількості. Але з усіх нещасних випадків, які завершилися летально, найбільша кількість припадає на враження електричним струмом. Причому до 80% усіх випадків електротравматизму зі смертельним кінцем приходиться на електроустановки з напругою до 1000 В (110 В і 380 В). Лабораторні електроустановки працюють саме у такому діапазоні напруг.

Електротравмою називають враження тканин і органів електричним струмом: обпіки, електричні знаки (мітки, електрометалізація шкіри, електроофтальмія та механічні враження).

Базуючись на аналізи нещасних випадків та довгого досліду експлуатації електроустановок розрізняють наступні фактори, від яких залежить в основному кінець враження електричним струмом:

1. Значення електричного струму. Це головний вражаючий фактор при електротравмах. Виділяють наступні порогові значення струму:

- поріг відчуття струму (0.5-1.5 мА змінного струму, 5-7 мА

постійного струму);

- поріг невідпускаючого струму (10-15 мА змінного струму,

50-80 мА постійного струму);

- смертельний струм (100 мА та більше).

2. Рід та частота струму. Відомо, що змінний струм частотою 50-60 Гц більш небезпечний, ніж постійний. Однак при напрузі U>300 В небезпека постійного струму зростає. Небезпека дії змінного струму знижується з ростом частоти та стає практично непомітною при частоті 1000-2000 Гц, повністю зникає при 450-500 кГц (залишається небезпека обпіків).