1.3 Рентгеноспектральные измерения с дисперсией по энергии
Исследования состава образцов проводились с помощью системы энергодисперсинного (EDS) микроанализа, установленной на сканирующем электронном микроскопе SEM 515 (рисунок 2.2.). Это система, в состав которой входят Si(Li) детектор со сверхультратонким окном, охлаждаемый жидким азотом, компьютер и пакет программного обеспечения Genesis SEM Quant ZAF software, использующий матрицу ZAF коррекции при осуществлении качественного и количественного анализа.
Рисунок 1.2 - Сканирующий электронный микроскоп SEM 515
с приставкой для микроанализа
Измерения проводились при различных значениях ускоряющего напряжения: от минимального порога чувствительности системы микроанализа (6,4 кВ) до максимального значения ускоряющего напряжения, равного 30 кВ. Более того, таким способом можно визуально судить об образовании полупроводникового слоя по степени заряжаемости поверхности (при уменьшении увеличения исследуемая область имеет более темный цвет), а также по появлению микрозарядов (границы объектов становятся пилообразными) по мере увеличения ускоряющего напряжения.
1.3.1 Рентгеновский спектрометр с дисперсией по энергии
Принцип действия твердотельных детекторов показан на рисунке 1.3. Рентгеновское излучение от образца проходит сквозь тонкое бериллиевое (полимерное) окно в криостат, где находится охлаждаемый, смещенный в обратном направлении кремниевый p-n-p- (р-тип, собственный, n-тип) детектор, легированный литием.
1 – бериллиевое (полимерное) окно, 2 – Si (Li) детектор, 3 – источник смещения, 4 – криостат, 5 – предусилитель на полевом транзисторе, 6 – усилитель, 7 – схема подавления наложения импульсов, 8 – многоканальный анализатор, 9 – устройство вывода данных, 10 – ЭВМ, 11 – устройство визуальной индикации.
Рисунок 1.3 - Схема системы спектрометра с дисперсией по энергии
При поглощении каждого фотона рентгеновского излучения образуется фотоэлектрон, который большую часть своей энергии расходует на образование электронно-дырочных пар. Они в свою очередь разделяются приложенным напряжением и формируют импульс заряда, который затем в предусилителе, чувствительном к заряду, преобразуется в импульс напряжения. Далее сигнал усиливается и формируется в главном усилителе и, наконец, поступает в многоканальный анализатор, где происходит разделение импульсов по амплитуде. Распределение импульсов по амплитуде передается в компьютер для дальнейшей обработки, например для идентификации пиков или для их измерения.
Легированный литием кристалл кремния монтируется на конце хладопровода, подсоединенного к резервуару с жидким азотом, являющимся обычным сосудом Дьюара. Готовая камера светонепроницаема, что препятствует генерации нежелательных электронно-дырочных пар в кристалле детектора фотонами нерентгеновского излучения.
Амплитуды импульсов, производимых детектором, в среднем пропорциональны энергии входящего рентгеновского кванта. Основной процесс детектирования, с помощью которого происходит пропорциональное преобразование энергии фотона в электрический сигнал, показан на рисунке 1.4.
Невозмущенный кристалл обладает зонной структурой, в которой состояния в зоне проводимости свободны, а состояния в валентной зоне заполнены. При захвате высокоэнергетического фотона электроны перебрасываются в зону проводимости, оставляя дырки в валентной зоне. При наличии напряжения смещения электроны и дырки разделяются и собираются электродами, расположенными на поверхностях кристалла.
Захват фотонов осуществляется путем фотоэлектрического поглощения. Падающий рентгеновский фотон вначале поглощается атомом кремния и испускается высокоэнергетический электрон. Затем этот фотоэлектрон по мере того, как он движется в кремниевом детекторе и испытывает неупругое рассеяние, генерирует электронно-дырочные пары. Атом кремния остается в состоянии с высокой энергией, поскольку на испускание фотоэлектрона потребовалась не вся энергия рентгеновского кванта.
1 – бериллиевое (полимерное) окно, 2 – золотой контакт, 3 – мертвый слой.
Рисунок 1.4 - Процесс преобразования рентгеновского излучения в детекторе
Эта энергия впоследствии выделяется либо в виде Оже-электрона, либо в виде кванта рентгеновского характеристического излучения кремния. Оже-электрон испытывает неупругое рассеяние и также создает электронно-дырочные пары. Кванты рентгеновского излучения кремния могут повторно поглощаться, инициируя процесс снова, или неупруго рассеяться.
Таким образом, имеет место последовательность событий, в результате чего вся энергия первичного фотона остается в детекторе, если только излучение, генерируемое в одном из актов этой последовательности, например фотон излучения кремния, не выходит из детектора, как показано на рисунке 1.4. Детектор чувствителен также к попадающим в него высокоэнергетическим электронам; такие электроны могут непосредственно создавать носители заряда.
В идеальном случае количество носителей заряда, созданное падающей частицей с энергией Ε (эВ), равно
n=E/ε, (1.2)
где ε =3,8 эВ для кремния.
Например, если в детекторе происходит захват одного фотона с энергией 5 кэВ, то, как следует из (1.2), общее количество электронов, собираемых детектором, приблизительно равно 1300, что соответствует заряду 2∙10-16 Кл. Это исключительно малый заряд. Последующая электрическая цепь должна усилить этот сигнал примерно в 1010 раз.
Из излучаемого любым образцом рентгеновского спектра можно извлечь два вида данных: длину волны (или энергию) и количество рентгеновских лучей, излученных образцом за единицу времени. Измерение длины волны (или энергии) каждого характеристического рентгеновского луча позволяет определить, какие элементы имеются в образце, т.е. провести качественный анализ. Измерение же количества рентгеновских лучей, излученных в единицу времени, позволит провести количественный анализ.