Способ исследования материалов

(и)815793 Соев Советских Социалистических Республик(51) М. Кл.З Н 01 Ю 37/26 с присоединением заявки Ко Государственный комитет СССР ао делам изобретений н открытий(5 З) УДК 62.1385833 (088 8) Дата опубликования описания 230381 аявитель ОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕР све- коис" 0 и общим из просвечиваэлектронная оставимые свеИзобретение относится к исследованию материалов радиационными методами с последующим получением изображения, а именно к способу исследования материалов посредством про чивающей электронной микроскопии торый может быть использован при следовании 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) в реальных кристаллах является одной из цент-:. ральных проблем физики твердого тела.Для исследований в этой области особое значение имеют так называемые прямые методы наблюдения, позволяю щие выявлять отдельные дефекты, наблюдать непосредственно их локальные конфигурации (топографию), взаимодействие дефектов, обнаруживать обусловленные ими вторичные и сопутствующие 2 нарушения периодичности,Наиболее объективнымпрямых методов являетсяющая (трансмиссионная)микроскопия, дающая соп 2дения 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 электронномизображении кристалла возникает более нли менее резкий дифракционныйконтраст везде, где имеются какиелибс искажения кристаллической решетки или нарушения ее правильной периодичности, вызванные присутствиемтех или иных деФектов (1),Поскольку 1 контрасфг электронно-ми"кроскопических изображений кристаллов имеет дифракционную природу, тоанализ картин, наблюдаемых на экранемикроскопа, и в еще большей мере анализ полученных микрофотографий иэлектронограмм требуют постоянногосопоставления теоретически мыслин(ыхи реально наблюдаемых эффектов на деталях структуры объекта, природа которых и выясняется путем такого со-.поставления.Для облегчения интерпретации контраста электронно-микроскопическихизображений и нахождения соответствиямежду структурными дефектами в объе 815793ме образца и рельефом п 9 верхности необходимо наблюдать не только внутреннюю структуру объекта, но и рельефего наружной или внутренней (поверхность ао стороны утоньшения илк подложки) поверхностей. 5Однако ни одним из известных способов не удается наблюдать одновременно и рельеф поверхности, и структурные дефекты в объеме.Наиболее близким по технической 10сущности к предлагаемому являетсяспособ исследования материалов с использованием просвечивающей электронной микроскопии, заключающийсяв одновременном наблюдении в электронном микроскопе дефектов в объе 15ме и рельефа исследуемой поверхности утоненного образца, оттененнойтяжелым металлом (2)Этот способ представляет собойкомбинацию метода тонких фольг и 20угольных реплик, оттененных тяжелыми металлами. Перед химическим утонением исследуемого образца иа поверхность кристалла под углом 5-15онаносят оттеняющий слой тяжеЛого металла, не взаимодействующего а полирующим травителем. После этого на оттененную поверхность под прямым угломнапыляют углерод до образования пленки толщиной 200-400 Я, и только потом З 0образец утоняют со стороны, не закрытой углеродной пленкой до получе-.ния тонкого кристалла (фольги). Этопозволяет производить электронномикроскопические исследования напросвет, основанные на анализе дифракционного контраста дефектов вобъеме с одновременным наблюдениемрельефа наружной (не подвергавшейся травлению) поверхности.Однако известный способ имеет 40ряд принципиальных ограничений,связанных с последовательностью выполнения операций оттенения и утонения образца:а) нЕобходимость использованиядля оттенения металла, не взакмодей.4ствующего с полирующим травителем)б) одновременное наблюдение только рельефа наружной поверхности идефектов в объеме; 50в) исключение возможности предва-,рительного исследования только дефектов в объеме с последующим переходом (выбором поверхности оттенения) к одновременному наблюдению де-,фектов в объеме и рельефа внутрен 55ней или наружной поверхности,Действительно, в процессе наблю"дения тонкогс кристалла (фольги) вэлектронном микроскопе исследова"тель сталкивается с трудностями в 60интерпретации наблюдаемого контраста,Для облегчения йнтерпретации контраста, который может быть вызванрельефом наружной поверхности илисвязан с артефактами, т.е. наруше- б 5 ниями, внесенными при получении тонкого кристалла, а также при необходимости нахождения однозначногосоответствия между рельефом поверхности и дефектами в объеме, возникает необходимость наблюдения нетолько дефектов в объеме, но и рель"ефа наружной или внутренней (исследование границ раздела, исключениеартефактов) 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 исследуемойповерхности, оттенение производятпосле 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, потокатомов оттеняющего тяжелого металла6. Кроме того, приняты обозначенияА- угол оттенения, 1 - толщина кристалла (фольги) 1, пригодная длянаблюдений (прозрачная для электронов), Ь - толщина края тонкого кристалла, 2 В-диаметр тонкого кристалла(для круглого образца), а - длинастороны квадрата (для квадратногообразца).При осуществлении предлагаемогоспособа исследования материалов предварительно по известной технологииготовят тонкий образец ( в описываемых примерах образец кремния). Дляэтого берут пластину кремния размером 2 х 2 мм к толщиной 200 мкм, наклеивают на фторопластовый диск исследуемой стороной к диску. Затемпроизводят химическое динамическоетравление в травителе составаН:ННОЕ:СН СООН в две стадии,Первая стадия - травление в смесиНР:НАВОЗ.СНЗСООН=1:8:1 до появления вцентре образца участка темнокоричневого цвета.Вторая стадия - травление в смесиНР БАННО еСН 3 СООН 11 00 е 1 (или 1 е 401 )до появленйя в центре образца участка светлокоричневого цвета,Затем образец отделяют от поддерживающего диска и отмывают, послечего образец исследуют в электронноммикроскопе. В случае затруднений синтерпретацией наблюдаемого контраста тонкий крисстал 1 вынимают измикроскопа и оттеняют его внутрен"нюю 4 или наружную 3 поверхности,напыляя на нкх хром 6 под угломйд 10о(внутрення поверхность 4). Слой на-пыленного хрома б имеет толщину 50-80 А.Возникающий в результате напы-ления хрома б 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 электронно- микроскопических изображениях тонких кристаллов кремния, в которые вводилась медь, наблюдался контраст, связанный с неоднородностями толщины 15 кристалла. Подобного рода контраст мог быть вызван наличием ямок .расп" лава на поверхности или ускоренным травлением областей, обогащенных вакансиями. Кроме того, наблюдались 20 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- Ж зовавшиеся при медленном охлаждении после высокотемпературного отжига. Причем оттенеиие выявило тонкую структуру кластеров.35Весьма эффективен способ и при исследовании аморфных материалов.На трансмиссионном электронно"микроскопическом изображении слоев двуокиси кремния, полученной пиролити" 40 ческим разложением тетраэтоксисилана, наблюдались неоднородности темного контраста, которые могли быть объяснены либо наличием утолщений (высту" пов) в окисле либо наличием включе 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, п 0 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 кон" траста 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 изобретенияСпособ исследования материалов,заключающийся в одновременном наблю-.дении в электронном микроскопе дефектов в объеме и рельефа исследуемой поверхности утоненного образца,оттененной тяжельк металлом, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности определения соответствия морфологии поверхности идефектов в объеме, упрощения и расширения возможностей оттенение про"изводят после утонения образца.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Хира П. и др. Электронная микроскопия тонких кристаллов. М.,Мир,1968, с. 260.2. Поляков О.П. Методика одновременного наблюдения структуры поверхности и объема в просвечивающей электронндй микроскопии. - фЗаводскаялаборатория , 1974, У 9, с. 125815793 Составитель Л, Техред М. Рейвес а Редактор Н. Лазарен Кост Коррект Заказ 1046/83 ое 5 у де Филиал ППП ффпатентфф, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 р Г фЮ,ф