Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 10 )

На рис. 6.2 показаны основные типы компоновок измерительных схем в методе IBIC. Из рис. 6.2 видно, что носители зарядов, образованные внутри обедненной зоны контактов прибора, медленно диффундируют от места своей генерации, многие из них рекомбинируют на точечных дефектах, результатом чего является ограничение количества зарядов, дошедших до контактов прибора. Временной интервал, за который регистрируется импульс, изменяется от пикосекунд до микросекунд. В нормальном режиме измерений импульс, создаваемый зарядами, проходит предварительное усиление и усиливается до уровня нескольких вольт. В дальнейшем оцифрованный сигнал, маркированный положением пучка, накапливается системой сбора данных (ССД) в памяти компьютера. В результате обработки данных информация о микроструктуре образца представляется в виде контрастного изображения концентрации электронов и дырок. Кроме регистрации суммарного накопленного заряда в фиксированном положении пучка, возможно также измерение времени эволюции индуцированного заряда за счет изменения импульса на контактах (метод TRIBIC – time resolve IBIC). Это позволяет определить подвижность зарядов в исследуемом образце.

а б

Рис. . Основные типы компоновок измерительных схем в методе IBIC: а – полупроводниковый прибор; б – полупроводниковая пластина

Метод IBIL. Метод люминесценции, индуцированный ионным пучком (IBIL – ion beam induced luminescence) с энергией нескольких МэВ, в сочетании с такими методами, как PIXE, RBS, NRA, дает возможность получать информацию о химической природе различных материалов. Наиболее общим физическим принципом является передача энергии от ионов пучка валентным электронам атомарных образований исследуемого образца, что приводит их в возбужденное состояние. Обратный переход в нормальное состояние сопровождается излучением в инфракрасном/видимом/ультрафиолетовом диапазонах. Для генерации люминесценции в ЯСМЗ применяются пучки с током ~100 пкА, что связано с низкой эффективностью детектирующих устройств, поэтому пространственное разрешение метода IBIL находится на уровне 0,3 мкм. Область применения метода IBIL достаточно обширна, в частности он применяется в биологии для изучения клеток, при исследованиях артефактов исторического наследия, исследованиях полупроводниковых материалов и др.

Методы SEE. Методы, основанные на применении одиночных ионов, имеют обобщенное название – эффекты одиночных событий (SEE – single event effect). Хотя события могут вызываться не только ионами, но и другими типами одиночных воздействий на исследуемый объект, такими как импульсное электромагнитное излучение, или частицами, не имеющими заряда. Далее будут рассмотрены только одиночные ионы. Наибольший интерес, связанный с SEE, был вызван в связи с развитием применения космических аппаратов как гражданского, так и военного назначения. Среди космического излучения наиболее опасными являются высокоэнергетичные частицы, способные проникать на достаточную глубину в устройства микроэлектроники. Такого рода воздействие приводит к целому ряду эффектов, которые могут вызывать сбои работы устройства либо привести к полному его выходу из строя. Физические аспекты происхождения эффектов сбоев основаны на принципах прохождения заряженных частиц в полупроводниковых приборах. Как было показано выше, потеря энергии иона сопровождается образованием e-h-пар, которые приводят к отклонениям в работе устройства, а образование дефектов в микроструктуре может вовсе вывести его из строя. Поэтому при разработке устройств микроэлектроники необходимо учитывать их радиационную устойчивость, что и вызывает определенный интерес к экспериментальному моделированию этих процессов. В связи с миниатюризацией микрочипов и переходом в нанометрическую область масштабов возникает потребность прицельного попадания одиночных ионов с энергией, достигающей десятки МэВ/нуклон, в заданную область тестируемого образца. Поэтому ЯСМЗ является наиболее приемлемым АК для реализации таких исследований. Однако здесь следует отметить, что пространственное разрешение в режиме малых токов, которое в настоящее время находится на уровне ~ 50 нм, измеряется на полувысоте полного распределения тока пучка на мишени и при этом присутствует достаточно большое гало. Этот факт затрудняет непосредственное применение ЯСМЗ, поэтому в ряде лабораторий были проведены модернизации установок микрозонда для целей исследования SEE на одиночных ионах [[27]].

6.2.1 Общая характеристика метода ближнеполевой диагностики

Ближнеполевая СВЧ-диагностика – неразрушающий прямой метод исследования, позволяющий получать информацию о поверхностных и приповерхностных свойствах различных сред. Она базируется на регистрации части СВЧ-воздействия, локализованной в ближнем поле зонда. Это позволяет резко поднять пространственное разрешение и преодолеть дифракционный предел для данных частот [[28]].

Локализация СВЧ-сигнала в ближнем поле производится с помощью установок, конструкция и принцип работы которых рассмотрены ниже. Основными факторами, которые определяют пространственное разрешение и точность измерений (отношение сигнал/шум), являются: конструкция установки, свойства изучаемого материала, размер измерительного зонда, а также расстояние от зонда до поверхности образца. Анализ полученных данных производится с помощью достаточно сложного аппарата математической физики, методов численного анализа, а также использования экспериментальных исследований методов диагностики материалов в СВЧ диапазоне [9].

Ближнеполевая СВЧ-диагностика активно применяется для изучения поверхности диэлектрических и полупроводниковых плёнок и получения карт распределения диэлектрической проницаемости, обнаружения мелких дефектов и неоднородностей, анализа нелинейных характеристик. Такая диагностика широко применяется в области биологии и медицины. В приложении к задачам исследования биологических объектов СВЧ-волны выгодно отличаются от волн оптического и инфракрасного диапазонов сравнительно высокой проникающей способностью (от нескольких миллиметров до дециметров). Поэтому становится возможным изучение не только поверхностных, но и глубинных слоёв (с соответствующей потерей пространственного разрешения по поверхности). Эта особенность применяется для визуализации структуры биологических объектов, анализа и визуализации опухолей.

Перспективными являются СВЧ-исследования в области полупроводниковой микро - и наноэлектроники, т. к. они позволяют получать многопараметрическую информацию о поверхности и приповерхностных слоях. Одним из применений СВЧ-диагностики является микроволновая микроскопия в нанотехнологиях, которая на сегодняшний день используется, например, для анализа технологии получения высокотемпературных сверхпроводников, визуализациии поверхностного распределения проводимости, локальных измерений нелинейного СВЧ-отклика и т. д.

В качестве примера на рис. 6.3 приведены типичные схемы радиоизмерительных преобразователей (РИП) микроволновых микроскопов.

Основой таких микрозондов являются коаксиальные линии передач, которые могут быть выполнены как в объемном, так и в микрополосковом варианте, что определяется параметрами и свойствами исследуемого объекта.

а б в

Рис. . Разновидности измерительных преобразователей: а – коаксиальный; б – с повышенной добротностью; в – микрополосковый

Основными преимуществами рассматриваемой микроволновой микроскопии ближнего поля являются: многофункциональность, возможность дополнительного влияния на образец (постоянным электрическим полем, магнитным полем, дополнительным СВЧ-полем, механическим и силовым полями и др.) и, самое главное, возможность детального исследования свойств поверхностных слоев в СВЧ-диапазоне.

В работе [28] были развиты физические основы микроволновой сканирующей микроскопии (МСМС) полупроводников и разработана общая концепция повышения пространственного разрешения (на уровне 100 нм) и чувствительности (многопараметровости) МСМС. Эта концепция заключалась: в максимальной пространственной локализации энергии зондирующего СВЧ-поля в нормальной к объекту электрической составляющей резонаторного коаксиального микрозонда; в формировании сигналов сканирования с широким применением модуляционных принципов и дополнительной их информационной обработки современными средствами проектирования РИП для МСМС с разделением областей накопления СВЧ-поля и излучением в микрозонд. На рис. 6.4 приведена общая схема микроволнового сканирования микроструктур, которая позволила получить пространственное разрешение в 1 мкм.

Показано, что в результате реконструкции (модернизации) данной схемы разрешающая способность может быть повышена на порядок (т. е. пространственное разрешение микроволновых микроскопов может быть равно 100 нм), а возможно и больше.

Рис. . Общая схема микроволнового сканирования микроструктур

На основании анализа работ [16; 28] и представленных выше результатов можно выделить такие области применения микроволновой микроскопии:

- технология высокотемпературных сверхпроводников;

- визуализация поверхностного распределения;

- биология и медицина: визуализация структуры биологических объектов, исследование и визуализация опухолей.

К перспективным областям применения данного направления следует отнести:

- полупроводниковую микро - и наноэлектронику;

- многопараметровое исследование поверхности и приповерхностных слоев, нанокластеров;

- топологию распределения электрофизических параметров материалов;

- возможность нетепловой локальной модификации поверхности и приповерхностных слоев.

6.2.2 Типичные схемы микроволновых микроскопов

Сканирующие микроволновые микроскопы используются для исследования материалов на микроволновых частотах и для измерения изменений сопротивления. Наиболее типичные схемы таких устройств приведены на рис. 6.5 и 6.6.

Рис. . Схема микроволнового микроскопа с ИП на основе отрезка коаксиальной линии

Микроволновой сигнал от источника входит в линейный резонатор с коаксиальной линией передачи, ограниченной с одной стороны развязывающей ёмкостью, а с другой – открытым коаксиальным зондом. За счёт многократного отражения в коаксиальном резонаторе (с добротностью ~102–103) удаётся значительно уменьшить шум и повысить точность измерений, но при этом возникает необходимость перестройки параметров резонатора при измерении на разных частотах.

Рис. . Схема микроволнового микроскопа с ИП на основе коаксиального резонатора

Для того чтобы контролировать расстояние между образцом и зондом, устанавливается зависимость отражённого сигнала от расстояния до образца. Привязка системы к образцу преимущественно ёмкостная. Если образец металлический, то он представляет собой одну обкладку конденсатора, а другая формируется центральным проводником коаксиального зонда. При уменьшении расстояния между зондом и образцом ёмкость возрастает, что приводит к падению резонансной частоты коаксиального резонатора. В одном предельном случае, когда зонд находится далеко от образца, линия передачи с открытым концом имеет конечный импеданс. В этом случае данная система представляет собой полуволновой резонатор с резонансной частотой . В другом предельном случае, когда образец находится в контакте с зондом, цепь замыкается. Такая схема имеет название «контакт Корбино». В данном случае система является четвертьволновым резонатором и резонансная частота уменьшается на

,

где L – длина коаксиального резонатора;

– относительная диэлектрическая постоянная коаксиального кабеля. Для типичных расстояний между зондом и образцом смещение частоты достигает значений между 0 и .

Пространственное разрешение микроскопа не зависит от частоты измерения, и система может работать в широком интервале частот. Это означает, что карту поверхностного распределения свойств материала можно получать точно на той частоте, на которой будет использоваться материал. Например, рассмотрим микроскоп с длиной коаксиального резонатора L = 2 м. В этом случае частота основной (фундаментальной) моды составляет приблизительно 50 МГц, и можно получить овертоны, кратные 50 МГц, доступные для получения изображения. Верхний предел частоты микроскопа задаётся в соответствии с рабочей шириной полосы электроники. На практике микроволновый источник имеет верхний предел частоты 50 ГГц. Однако микроволновая направленная катушка (соединительная муфта), детектор и коаксиальный кабель тоже могут ограничивать ширину частотной полосы микроскопа. Тем не менее, можно сконструировать микроскоп, который имеет почти непрерывное изображение по трём десяткам частот от 50 МГц до 50 ГГц.

Для анализа сверхпроводящих керамических образцов необходимы количественные непосредственные и неразрушающие методы исследования характеристик тонких плёнок. При этом метод должен обеспечивать высокое пространственное разрешение и быть высокоскоростным. Желательно также, чтобы установка для анализа имела простую конструкцию, состояла из коммерчески доступных компонентов и обеспечивала непосредственную интерпретацию изображения. Всем вышеперечисленным требованиям отвечает МСМС.

Неразрушающий способ получения изображений микроволнового поверхностного сопротивления был продемонстрирован с использованием разных систем резонансных зондов. Наилучшие результаты по изображению диссипации в образце получены при измерениях добротности Q. Для определения взаимосвязи между Q микроскопа и поверхностным сопротивлением образца была использована алюминиевая плёнка переменной толщины на стеклянной подложке. Сечение тонкой плёнки клиновидное, поэтому можно сопоставить изменение поверхностного сопротивления с параметрами сканирования. Используя зонд с центральным проводником диаметром 500 мкм и выбирая резонанс микроскопа и частоту 7,5 ГГц, авторы работы получили данные о смещении частоты и Q, что позволило построить топографию распределения поверхностного сопротивления тонкой пленки на сапфировой подложке [16].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1]. Ермолов И. Н. Методы и средства неразрушающего контроля качества: учебное пособие / И. Н. Ермолов, Ю. Я. Останин. – М. : Высш. шк., 1988. – 368 с.

[2]. Бадалян В. Г. Ультразвуковая дефектометрия металлов с применением голографических методов / В. Г. Бадалян, Е. Г. Базулин, А. Х. Вопилкин и др.; под ред. А. Х. Вопилкина. – М., 2008. – 298 с.

[3]. Брюховецкий Ю. А. Практическое руководство по ультразвуковой диагностике. Общая ультразвуковая диагностика. – 2-е издание / Ю. А. Брюховецкий, С. Г. Бурков, Н. В. Заболотская и др.; под ред. . – М. : Видар-М, 2011. – 712 с.

[4]. Горелик С. С. Рентгенографический электронно-оптический анализ: учебное пособие для вузов / С. С. Горелик, Ю. А. Скаков, Л. Н. Расторгуев. – М. : МИСИС, 1994. – 328 с.

[5]. Гурвич А. К. Неразрушающий контроль: практическое пособие: в 5 кн. / под ред. В. В. Сухорукова. – М. : Высш. шк., . – 1427 с.

[6]. Каневский И. Н. Неразрушающие методы контроля / И. Н. Каневский, Е. Н. Сальникова. – Владивосток : Изд-во ДВГТУ, 2007. – 243 с.

[7]. Є. Контроль якості продукції в машинобудуванні: навч. посіб. / Г. Є. Федоров, , та інш. – К. : Політехніка, 2008. – 332 с.

[8]. Неразрушающий контроль: справочник: в 8 т. / под общ. ред. . – М. : Машиностроение, . – 5977 с.

[9]. Куценко  и средства сверхвысокочастотной радиометрии / , , и др. – Севастополь : Вебер, 2012. – 324 с.

[10]. Усиков  и радиофизика миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн / , , и др.; под ред. . – К. : Наукова думка, 1988. – 368 с.

[11]. Breese M. B. Materials analysis using a nuclear microprobe / M. B. Breese, D. N. Jamieson, P. J. King at al. – New York, 1996. – 428 p.

[12]. Черепин микрозондовый анализ. – К.: Наук. думка, 1992. – 344 с.

[13]. Прилади і методи дослідження плівкових матеріалів: навч. посіб. / І. Ю. Проценко, А. М. Чорноус, С. І. Проценко; за заг. ред. професора І. Ю. Проценка – Суми : Видавництво СумДУ, 2007. – 264 с.

[14]. Reed S. J. Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology. – Cambridge : University Press, 2005. – 215 p.

[15]. Pennycook S. J. Scanning Transmission Electron Microscopy: Imaging and Analysis / S. J. Pennycook, P. D. Nellist. – Springer, 2011. – 774 p.

[16]. Применение микро - и нанозондов для анализа малоразмерных 3D-материалов, наносистем и нанообъектов / , А. Г. Пономарев, А. П. Шпак и др. // Успехи физических наук. – 2012. – Т. 182, № 3. – C. 287-321.

[17]. Теорія електромагнітного поля та основи техніки НВЧ: навч. посіб. / С. В. Соколов, Л. Д. Писаренко, В. О. Журба; за заг. ред. Г. С. Воробйова. – Суми : Сумський державний університет, 2011. – 394 с.

[18]. Карпов Ю. О. Теоретичні основи електротехніки. Електромагнітне поле: навчальний посібник / Ю. О. Карпов, Ю. Г. Ведміцький, В. В. Кухарчук. – Вінниця : УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2008. – 406 с.

[19]. Vorobjov G. Electromagnetic Waves / G. Vorobjov, Y. Shulga, V. Zhurbenko, Edited by Vitaliy Zhurbenko. – Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia, 2011. – 587 p.

[20]. Техническая электродинамика: учебное пособие / , , . – Харьков : НТУ «ХПИ», 2006. – 272 с.

[21]. Шматько приборы сверхвысоких частот: учебное пособие. – Харьков : ХНУ им. В. Н. Каразина, 2006. – 328 с.

[22]. Бизнюк  источники излучения / , . – М. : ВИГМА, 2006. – 400 с.

[23]. Светцов  и плазменная электроника: учебное пособие. – Иваново : Иван. гос. хим. - технолог. ун-т., 2003. – 172 с.

[24]. Аксенов и плазменная электроника: учебное пособие / , Злобина А. Ф. – Томск : Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2007. – 168 с.

[25]. Фізичні основи електронної техніки: за ред. . – Л. : Бескид Біт, 2004. – 879 с.

[26]. Щука : учебное пособие. – Петербург : БХВ, 2005. – 800 с.

[27]. Watt F. Principles and application of high-energy microbeams / F. Watt, G. Grime. – Bristol UK : Adam Hilger Ltd., – 1987. – 399 p.

[28]. Сліпченко М. І. Фізичні основи ближньопольової НВЧ-діагностики матеріалів і середовищ: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра фіз.-мат. наук 01.04.01 / М. І. Сліпченко. – Суми : СумДУ, 2008. – 36 с.

Наукове видання

Воробйов Геннадій Савелійович,

Пономарьова Ганна Олександрівна,

Рибалко Олександр Олександрович,

Рубан Анатолій Іванович

Радіофізичні методи діагностики

матеріалів і середовищ

Монографія

(Російською мовою)

За загальною редакцією Г. С. Воробйова

Художне оформлення обкладинки А. В. Павлова,

Редактор

Комп’ютерне верстання ї,

Формат 60х84/8. Ум. друк. арк. 20,00. Обл.-вид. арк. 11,78. Тираж 300 пр. Зам. №

Видавець і виготовлювач

Сумський державний університет,

в, м. Суми, 40007

Свідоцтво суб’єкта видавничої справи ДК № 000 от 01.01.2001.