Методы элементного анализа твердых тел

Рабочая программа дисциплины
1. Методы элементного анализа твердых тел
2. Лекторы.
2.1. Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Черныш Владимир Савельевич, кафедра физической электроники физического факультета МГУ,
chernysh@phys.msu.ru, +7(495)9392989.
3. Аннотация дисциплины.
В курсе лекций рассматриваются методы анализа состава и структуры поверхности твердотельных структур, основанные на регистрации вторичных частиц, индуцированных облучением пучками ускоренных ионов, электронов и рентгеновским излучением. Приводятся характеристики процессов эмиссии вторичных частиц из твёрдого тела под действием ионного
облучения. Показано, что информация об элементном составе поверхности содержится в
энергетических спектрах рассеянных ионов и масс-спектрах распылённых атомов и ионов.
Обсуждается роль распыления и, в частности, роль селективного распыления в элементном
анализе твердых тел.
4. Цели освоения дисциплины.
Овладеть современными профессиональными знаниями в области диагностики материалов,
научиться решать задачи.
5. Задачи дисциплины.
Изучить основные принципы построения анализа материалов, основанные на регистрации
вторичных частиц, индуцированных облучением пучками ускоренных ионов, электронов.
6. Компетенции.
6.1. Компетенции, необходимые для освоения дисциплины.
6.2. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины.
М-ОНК-2, М-ИК-2, М-ИК-3, М-ПК-1, М-ПК-2, М-ПК-3, М-ПК-5, М-ПК-6, М-ПК-8.
7. Требования к результатам освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен
знать основные явления, используемые для реализации методов диагностики материалов;
уметь проводить оценки параметров методов анализа твердотельных структур
8. Содержание и структура дисциплины.
Вид работы
1
Семестр
2
3
4
Всего
Общая трудоёмкость, акад. часов
Аудиторная работа:
Лекции, акад. часов
Семинары, акад. часов
Лабораторные работы, акад. часов
Самостоятельная работа, акад. часов
Вид промежуточной аттестации (зачёт, зачёт с оценкой,
экзамен)
Стр. 1 из 8
N
Наименование
разраздела
дела
Введение
1
1 ак.ч.
Характеристика явлений, происходящих при облучении поверхности твердых тел заряженными частицами. Основные принципы
построения методов анализа элементного состава и структуры с
использованием ионных и электронных пучков.
1 ак.ч.
Кинематика упругого столкновения двух частиц. Приведенная
масса. Кинематический фактор. Потенциал межатомного взаимодействия. Прицельный параметр. Рассеяние в центральном
поле. Сечение рассеяния.
1 ак.ч.
1 ак.ч.
Физическая природа явления распыления: угловые и энергетические распределения распылённых частиц. Каскадный механизм
распыления. Стохастический характер процесса распыления.
Каналирование. Зависимость коэффициента распыления от угла
падения и энергии бомбардирующих ионов..
1 ак.ч.
Эффект селективного распыления при облучении ионами многокомпонентных материалов. Парциальный коэффициент распыления. Формирование изменённого слоя. Перемешивание.
Сегрегация Гиббса и радиационно-индуцированная гиббсовская
сегрегация.
.
Спектроскопия
2 ак.ч.
резерфордовского
Принципы построения анализа. Формула Резерфорда для сечения
обратного рассеяния рассеяния. Потери энергии: ядерное и электронное торможение.
Страгглинг. Потери энергии в сплавах и химических соединениях
(правило Брэгга). Энергетический спектр обратно рассеянных
ионов. Чувствительность метода. Возможность анализа элементного состава по глубине. Аппаратура. Полупроводниковый детектор ядерных частиц. Анализатор амплитуды импульсов. Разрешение метода по массе и глубине. Оценка степени разрушения поверхности при проведении анализа. Требования к вакуумным
условиям проведения анализа. Примеры анализа тонких пленок и
массивных образцов: двухкомпонентная плёнка, многослойное
тонкоплёночное покрытие из одноэлементных плёнок, массивный
многокомпонентный образец..
2 ак.ч.
Анализ профилей легирования и адсорбатов. Повышение разрешения по глубине с помощью использования распыления и за
1 ак.ч.
Задачи анализа
твердотельных
структур.
2
3
4
Лекции
Структура и содержание дисциплины
Аудиторная работа
Семинары
Основные сведения
из теории атомных
столкновений.
Роль распыления в
анализе поверхности.
Решение задач по теме лекции
1 ак.ч.
Решение задач по теме лекции
Решение задач по теме лекции
1 ак.ч.
Решение задач по теме лекции
2 ак.ч.
Решение задач по теме лекции
Самостоятельная работа
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
Форма
текущего
контроля
ДЗ,
КР
ДЗ,
КР
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
ДЗ,
КР
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
ДЗ,
КР
2 ак.ч.
Решение задач по теме лекции
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
Стр. 2 из 8
счёт применения электростатического анализатора энергии рассеянных ионов. Примеры анализа состава поверхности и нанопокрытий с помощью высокоразрешающей спектроскопии резерфордовского обратного рассеяния. Использование ориентационных эффектов для анализа кристаллической структуры
поверхности. Критический угол каналирования. Эффект тени.
Определение местоположения примесных атомов. Изучение
кристаллической структуры, включая полиморфные превращения, и релаксации поверхности. Изучение радиационных дефектов и аморфизации поверхности.
5
6
Спектроскопия
рассеяния ионов
низких энергий
2 ак.ч.
2 ак.ч.
Сечение рассеяния низкоэнергетичных ионов. Энергетический Решение задач по теме лекции
спектр рассеянных ионов. Чувствительность и разрешение метода по массе и глубине. Аппаратура. Сепарация первичного
пучка по массе и энергии. Требования, предъявляемые к вакуумным условиям проведения анализа. Электростатические анализаторы энергии заряженных частиц. Вторичный электронный
умножитель, каналтрон. Энергетический спектр при рассеянии
ионов поверхностью многокомпонентного образца. Изучение
процесса напыления материала на поверхность подложки. Исследование сегрегации и адсорбции.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
Масс спектрометрия 2 ак.ч.
2 ак.ч.
вторичных ионов
Масс-спектр и энергетическое распределение вторичных ионов. Решение задач по теме лекции
(МСВИ)
Коэффициент вторичной ионной эмиссии. Матричный и химический эффекты. Основная формула масс спектрометрии вторичных ионов. Минимально обнаружимая концентрация. Ионный зонд и ионный микроскоп. Статический и динамический
режимы МСВИ. Аппаратура. Квадрупольный и времяпролётный
масс-спектрометр. Послойный анализ и эффект кратера. Влияние различных факторов (параметры пучка, топография поверхности и т.д.) на разрешение по глубине при послойном анализе.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
ДЗ,
КР
ДЗ,
КР
Стр. 3 из 8
7
Масс спектроскопия 1 ак.ч.
1 ак.ч.
распыленных
Лазерная и электронная МСРН. МСРН в газовом разряде. Чув- Решение задач по теме лекции
нейтралей (МСРН).
ствительность метода.
Анализ поверхности
с использованием
ионно-фотонной
эмиссии (ИФЭ).
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
ДЗ,
КР
1 ак.ч.
1 ак.ч.
Схема анализа с использованием ИФЭ. Послойный анализ. Осо- Решение задач по теме лекции
бенности метода в сравнении с масс-спектрометрией вторичных
ионов.
8
Электронная ожеспектроскопия.
1 ак.ч.
1 ак.ч.
Оже процессы. Глубина выхода оже-электронов. Факторы, вли- Решение задач по теме лекции
яющие на интенсивность эмиссии оже-электронов. Аппаратура.
Изучение адсорбции и осаждения тонких пленок. Послойный
анализ в сочетании с распылением.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
ДЗ,
КР
Стр. 4 из 8
9
Рентгеновская фото- 2 ак.ч.
1 ак.ч.
электронная спекКинетическая энергия фотоэлектронов. Фотоэмиссия при воз- Решение задач по теме лекции
троскопия.
действии ультрафиолетового и рентгеновского излучения. СдвиМикроанализ и
ги энергии связи. Аппаратура. Примеры анализа.
диагностика с поМеханизмы эмиссии рентгеновского излучения при облучении
мощью рентгеновэлектронами и протонами. Сечение ионизации. Сравнение метоского излучения
дов.
индуцированного
Основные принципы метода. Аппаратура. Дифракционные карпротонами.
тины поверхностей кристаллов.
Дифракция медленных электронов.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
ДЗ,
КР
Стр. 5 из 8
9. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
1. Дисциплина по выбору.
2. Вариативная часть, блок профессиональной подготовки.
3. Для освоения дисциплины студент должен знать основные разделы физики и математики,
уметь решать по ним задачи.
3.1.
3.2. НИП, НИР, НИС.
10. Образовательные технологии
 дискуссии,
 круглые столы,
 использование средств дистанционного сопровождения учебного процесса,
 преподавание дисциплин в форме авторских курсов по программам, составленным на
основе результатов исследований научных школ МГУ.
11. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации
Перечень вопросов к экзамену:
1. Сечение рассеяния. Как сечение рассеяния связано с потенциалом взаимодействия
ион-атом?
2. Эффект селективного распыления.
3. Почему чувствительность метода РОР по лёгким элементам ниже, чем чувствительность по тяжёлым?
4. Что такое «номер канала»? Опишите принцип работы полупроводникового детектора,
используемого в РОР анализе.
5. Поясните термин «каналирование» и «критический угол каналирования».
6. Какие параметры определяют разрешение РОР по массе и глубине?
7. Нарисуйте энергетический спектр ионов Не с энергией 2 МэВ при падении пучка в
направлении канала и в направлении не содержащем открытых каналов в кремнии.
8. Эффект каналирования и блокировки в РОР.
9. Зависит ли разрешение по массе метода рассеяния ионов низких энергий от типа зондирующих ионов?
10. Статический и динамический режимы ВИМС.
11. Способы получения масс-спектров.
12. Основная формула масс-спектрометрии вторичных ионов.
13. Почему ВИМС не является количественным методом анализа?
14. Масс-спектрометрия распыленных нейтралей.
15. Применение ионно-фотонной эмиссии для диагностики материалов.
16. Оже переходы. Факторы, определяющие чувствительность оже-спектроскопии
17. Фотоэлектронная спектроскопия.
18. Особенности микроанализа при использовании зондирующих пучков электронов и
протонов.
19. Дифракция медленных электронов и ей применение для анализа поверхности.
Примеры задач:
1. Вычислите максимальную энергию атома отдачи для случая бомбардировки кремния
ионами Ar с энергией 500 эВ.
2. Мишень из кремния облучается ионами Ar с энергией 10 кэВ. Плотность ионного тока
составляет 0, 2 мА/см2. Определите скорость распыления поверхности.
3. Нарисуйте спектр РОР ионов He+ с энергией Е0 = 2 МэВ для массивного образца
AgAu для углов рассеяния 120 и 170.
Стр. 6 из 8
4. На углеродную пластину напылили плёнку сплава СuAu. Толщина плёнки – 50 нм.
Нарисуйте спектр РОР ионов He+ с энергией Е0 = 2 МэВ.
5. Как изменится чувствительность РОР, если энергию зондирующего пучка ионов Не+
уменьшить с 2 МэВ до 500 кэВ?
6. Чувствительность РОР по никелю составляет 71013 ат/см2. Во сколько раз большую
концентрацию золота можно обнаружить в образце?
7. Пленка оксида бериллия (BeO) толщиной 3 нм нанесена на поверхность кремниевой
пластины. Нарисуйте спектр ионов Ne c энергией 1 кэВ, рассеянных на угол 135.
8. В сплаве никель-палладий (NiPd) сегрегирующим элементом является Pd. Образец
NiPd выдерживался в вакууме в течение 30 мин при температуре 400 С. После этого
поверхность анализируется с помощью рассеяния ионов Нe с энергией 2 кэВ. Нарисуйте энергетический спектр ионов, рассеянных на угол 135. Зондирующий пучок
падает по нормали к поверхности образца.
9. Нарисуйте масс-спектр вторичных ионов для облучения атомно-чистой и окисленной
поверхности металла.
10. Оцените чувствительность ВИМС.
11. Как окисление поверхности кремния влияет на оже-спектры и спектры фотоэлектронов?
Текущий контроль успеваемости и промежуточная аттестация проводятся на основе приведенного выше перечня вопросов.
12. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Л. Фелдман, Д. Майер. Основы анализа поверхности и тонких плёнок. Пер. с англ. - М.:
Мир, 1989. – 344 с., ил.
2. Распыление под действием бомбардировки частицами. Вып. III. Характеристики распыленных частиц, применения в технике: Пер. с англ./ Под ред. Р. Бериша и К. Виттмака. –
М.: Мир, 1998. – 551 с., ил.
3. Электронная и ионная спектроскопия твёрдых тел. Пер. с англ./ Под ред. Л. Фирмэнса, Дж.
Вэнника и В. Декейсера. – М.: Мир, 1981. – 467 с., ил.
4. Черепин В.Т. Ионный микрозондовый анализ.-К.: Наукова думка, 1992.
Дополнительная литература
1. В. В. Углов, Н. Н. Черенда, В. М. Анищик. Методы анализа элементного состава
поверхностных слоев. – Минск : БГУ, 2007. – 167 с. : ил. ISBN 978-985-485-813-5.
Периодическая литература
1 V.S. Chernysh, A.S. Patrakeev. Angular distribution of atoms sputtered from alloys. Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research B 270 (2012) 50–54.
2. A. Benninghoven. The development of SIMS and international SIMS conferences: a personal
retrospective view. Surface and Interface Analysis. 43 (2011) 2–11.
Интернет-ресурсы
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Rutherford_backscattering
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Secondary_ion_mass_spectrometry
3. http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_2521.html
4. http://www.krugosvet.ru/articles/23/1002320/1002320a7.htm
13. Материально-техническое обеспечение
В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки «Физика».
Стр. 7 из 8
Аудитория в соответствии с расписанием занятий, имеется проекционное оборудование,
компьютер и т.п.
Стр. 8 из 8