Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ФИЗИЧЕСКИХ И/ИЛИ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Изобретение относится к области анализа структуры поверхностных и приповерхностных слоев твердых тел и их физических и химических свойств с использованием активирующих воздействий.

Поскольку структура поверхностного слоя твердого тела существенно отличается от структуры твердого тела в объеме и, практически, определяет его поведение в различных средах и в поле различных сил, то сведения о поверхностном слое твердого тела открывают путь к научно-обоснованной модификации поверхности твердого тела с целью получения материалов с желаемыми оптическими, механическими, адгезионными, электрическими, люминесцентными и другими свойствами, а также к управлению многими важными в практическом отношении процессами, такими как рост кристаллов, эпитаксиальное и плазмохимическое выращивание слоев, катализ, создание ультратонких пленочных структур, упрочнение материалов и др., позволяют на более высоком уровне проводить контроль качества поверхности (поверхностную дефектоскопию) промышленных изделий, что особенно важно в таких областях, как защитные покрытия, микро- и наноэлектроника.

Известно устройство для определения физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела на основании измерения коэффициента гетерогенной рекомбинации свободных атомов и радикалов на поверхности твердых тел, включающее замкнутую измерительную камеру, соединенную каналами с вакуумным насосом и разрядной трубкой, помещенной внутрь индуктора высокочастотного генератора, причем внутри камеры размещен держатель с люминофором, с которым оптически связан фотодетектор, выход которого подключен к блоку регистрации; внутрь измерительной камеры введена цилиндрическая трубка с размещенной внутри нее подвижной подложкой с гнездами для образцов, причем на поверхности трубки, ограниченной камерой, выполнены окно, расположенное под люминофором, и отверстия, центры которых расположены на одной прямой с центром окна, причем общая площадь отверстий на порядок меньше площади окна, SU 1807381 А1.

Устройство позволяет определить только степень активности поверхности в отношении атомизированных газов и радикалов и не обеспечивает возможность определения температур и энергий активации фазовых и релаксационных переходов в поверхностном слое твердого тела, что весьма важно при анализе свойств этого слоя, в частности, с целью создания подложек для эпитаксиального роста элементов микроэлектронных схем.

Известно устройство для измерения температур и энергий активации фазовых и релаксационных переходов в полимерах, включающее вакуумную камеру, в которой размещают исследуемый образец, системы охлаждения и нагрева, средство облучения образца γ-квантами и устройство для регистрации спектра термолюминесценции (термолюминограф), SU 928207.

Недостатком этого устройства является выраженное объемное модифицирующее воздействие γ-квантов на исследуемый материал, а также необходимость изготовления специального образца в виде тонкой пленки исследуемого материала, нанесенного на фольгу.

Известно устройство для анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела, включающее снабженную оптическим окном вакуумную камеру для размещения исследуемого образца твердого тела, внутри которой расположен держатель образца, выполненный в виде замкнутой емкости, снабженной отверстием для подачи хладагента, внутри держателя образца размещен нагреватель, а на его наружной поверхности закреплен исследуемый образец и установлена термопара, генератор с электродом, в качестве которого использован держатель образца, датчик низкого вакуума, сообщающийся с полостью вакуумной камеры, магистраль для создания вакуума в вакуумной камере, магистраль для подачи газов в вакуумную камеру, средство регистрации получаемой информации, при этом электроды генератора и инициатора электрического разряда расположены в вакуумной камере, см. A.A.Kalachev, etc. Plasma-induced thermoluminescence - a new method of investigating supramolecular architectures and temperature transitions in polymers and other solid surfaces. Applied Surface Science - 70/71, 1993, p.296. (копия ссылки прилагается).

В этом устройстве, принятом за прототип настоящего изобретения, воздействие на поверхностный слой твердого тела осуществляется с помощью низкотемпературной плазмы, которая создается в вакуумной камере. Для этого в вакуумной камере создают вакуум, а затем подают один из плазмообразующих газов (водород, кислород, азот, аргон и др.) до давления 0,1 мбар. На предварительно охлажденный держатель образца подается немодулированное высокочастотное напряжение 40,68 МГц, в результате чего в вакуумной камере образуется НТП. После экспозиции образца в плазме производится выдержка образца при постоянной температуре до спада люминесценции до значений порога чувствительности регистрирующей аппаратуры. Затем образец нагревают и при этом регистрируют спектр термолюминесценции. Устройство не обеспечивает требуемую в ряде случаев информативность анализа свойств поверхностного слоя твердого тела, поскольку активирующее воздействие осуществляется только посредством НТП. Кроме того, при охлаждении держателя образца, в который подается хладагент, влага и другие примеси, находящиеся в вакуумной камере и диффундирующие из вакуумных насосов, адсорбируются на поверхности образца, что существенно влияет на точность анализа свойств поверхностного слоя твердого тела. Следует также отметить, что активирующее излучение приводит к возникновению люминесценции материала оптического окна и нарушению функций детектора квантов, что вносит погрешность в результаты измерений. Устройство-прототип не обеспечивает надежное поджигание плазмы, не позволяет контролировать время обработки поверхности, что особенно важно в области коротких времен активирующего воздействия.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения информативности и точности анализа свойств поверхностного слоя твердого тела, а также предотвращение люминесценции материала оптического окна и нарушения функций детектирующего устройства в ходе обработки и уменьшение тем самым погрешности результатов измерений.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что устройство для анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела, включающее снабженную оптическим окном вакуумную камеру для размещения исследуемого образца твердого тела, внутри которой расположен держатель образца, выполненный в виде емкости, снабженной отверстием для подачи хладагента, внутри держателя образца размещен нагреватель, а на его наружной поверхности закреплен исследуемый образец, и установлена термопара, генератор с электродами, расположенными в вакуумной камере, датчик низкого вакуума, сообщающийся с вакуумной камерой, магистраль для создания вакуума в вакуумной камере, магистраль для подачи газов в вакуумную камеру и средство регистрации полученной информации; устройство дополнительно содержит блок формирования атомарного, и/или молекулярного, и/или ионного, и/или электронного, и/или фотонного пучков, предназначенных для воздействия на поверхностный слой образца, при этом выходная магистраль блока формирования, связанного с системой регистрации и содержащего средство для создания единичных импульсов указанных пучков, введена в вакуумную камеру, инициатор электрического разряда с электродом, выведенным в вакуумную камеру, и таймером, датчик высокого вакуума, сообщающийся с вакуумной камерой, дополнительную емкость для хладагента, которая установлена в вакуумной камере, и средство анализа, расположенное между средством регистрации и образцом, и предназначенное для записи спектров испускаемых поверхностным слоем твердого тела квантов энергии, при этом оптическое окно снабжено экраном для отсечения излучения из вакуумной камеры; средство анализа представляет собой средство анализа по длинам волн квантов света, излучаемых поверхностным слоем образца; средство анализа по длинам волн квантов света, излучаемых поверхностным слоем образца, может включать монохроматор; средство анализа по длинам волн квантов света, излучаемых поверхностным слоем образца, может включать светофильтр.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Реализация отличительных признаков устройства обусловливает воздействие на образец не только НТП, но и пучками частиц, а также возможность последовательного воздействия на исследуемый образец НТП, пучками различных частиц в той или иной комбинации без извлечения образца из вакуумной камеры. Это позволяет оценивать слабосвязанные энергетические состояния поверхностного слоя твердого тела, а также определять его химические свойства; благодаря наличию дополнительной емкости для хладагента в вакуумной камере, обеспечивается осаждение находящихся в вакуумной камере влаги, газов и т.п. примесей на дополнительной емкости, а не на поверхности исследуемого образца; наличие устройства, инициирующего плазму, и таймера обеспечивает надежное поджигание разряда и возможность точной обработки по времени; кроме того, наличие экрана для отсечения излучения из вакуумной камеры предотвращает люминесценцию материала оптического окна и возможное нарушение функций детектора (например, "ослепление" ФЭУ в ходе активационной обработки).

Указанные выше новые свойства объекта обеспечивают повышение точности и информативности результатов измерений.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Заявленное устройство и его работа иллюстрируются чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - блок-схема устройства;
на фиг.2 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия атомарного пучка (пример 1);
на фиг. 3 - спектр при воздействии атомарного пучка при нагреве (пример 1);
на фиг.4 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия атомарного пучка (пример 2);
на фиг. 5 - спектр при воздействии атомарного пучка при нагреве (пример 2);
на фиг.6 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия электронного пучка (пример 3);
на фиг.7 - спектр при воздействии электронного пучка при нагреве (пример 3);
на фиг.8 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия молекулярного пучка (пример 3);
на фиг. 9 - спектр при воздействии молекулярного пучка при нагреве (пример 3);
на фиг.10 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия ионного пучка (пример 3);
на фиг.11 - спектр при воздействии ионного пучка при нагреве (пример 3);
на фиг.12 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия фотонного пучка (пример 3);
на фиг. 13 - спектр при воздействии фотонного пучка при нагреве (пример 3);
на фиг.14 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия НТП (пример 4);
на фиг.15 - спектр при воздействии НТП при нагреве (пример 4);
на фиг.16 - спектр при облучении образца по примеру 4 НТП с параметрами, описанными в прототипе;
на фиг.17 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия НТП (пример 5);
на фиг.18 - спектр при воздействии НТП при нагреве (пример 5).

Устройство включает вакуумную камеру 1, изготовленную из нержавеющей стали, снабженную оптическим окном 2, выполненным из оптического кварца. В вакуумной камере 1 расположен держатель образца, выполненный в виде емкости 3 из меди. На ее наружной поверхности закреплен исследуемый образец 4 твердого тела. В конкретном примере образец 4 закреплен с помощью пружинных колец (на чертеже не показаны). Емкость 3 закрыта крышкой 5 с отверстием 6 для подачи хладагента, в частности жидкого азота. Внутри емкости 3 размещен нагреватель 7, а на ее наружной поверхности установлена хромель-алюмелевая термопара 8.

Устройство также включает генератор 9, излучающий электромагнитные колебания с частотой 16 МГц. Электрод 10 генератора 9 расположен в вакуумной камере 1. Инициатор 11 электрического разряда представляет собой высоковольтный трансформатор; при замыкании-размыкании первичной обмотки он выдает со вторичной обмотки импульсы напряжением 20 кВ, которые подаются на электрод 12, расположенный в вакуумной камере 1. Длительность электрического разряда задается с помощью таймера (на чертеже не показан). Датчик 13 низкого вакуума типа "баротрон" размещен на наружной поверхности вакуумной камеры 1 и сообщается с ее полостью. Вакуумная камера 1 снабжена магистралью 14 для создания в ней вакуума до 1•10^-7 мм рт.ст., а также магистралью 15 для подачи газов в вакуумную камеру. В конкретном примере использован водород, но возможно использование кислорода, азота, инертных газов и др.

Устройство содержит средство регистрации получаемой информации, которое включает компьютер 16 с монитором и блок 17 сопряжения компьютера 16 с шиной 18 сбора данных. Блок 17 содержит аналого-цифровой преобразователь типа AD-7858, микропроцессор AD 8080 и источник питающих напряжений для элементов устройства, которые подаются на шину 19. На шину 19 подаются через блок 17 команды управления от компьютера 16.

Устройство содержит блок 20 формирования атомарного и/или молекулярного, и/или ионного, и/или электронного, и/или фотонного пучков. Блок 20 содержит, в конкретном примере, атомизатор с элементом формирования узконаправленного пучка, в виде совокупности капилляров с диаметром 20 мкм, систему формирования молекулярного пучка, включающую магистраль 21 для подачи газа и элемент в виде совокупности капилляров такого же диаметра, ионную пушку, электронную пушку и ртутную лампу типа ДРШ-100 для формирования фотонного пучка. Блок 20 содержит средство для создания единичных импульсов указанных пучков: клапаны, запирающие электроды и т.п. Выходная магистраль 22 блока 20 выведена в вакуумную камеру 1. Между средством регистрации получаемой информации и исследуемым образцом расположено средство анализа по длинам волн квантов света, излучаемых поверхностным слоем образца 4, которое в конкретном примере содержит монохроматор 23 типа МДР-3, к выходу которого подключен фотоумножитель 24 типа ФЭУ-68. Монохроматор 23 сопряжен с оптическим окном 2, которое имеет со стороны вакуумной камеры 1 экран 25 для отсечения излучения из вакуумной камеры, которое могло бы вызвать люминесценцию материала окна 2. Средство анализа по длинам волн квантов света, излучаемых поверхностным слоем, может быть выполнено в виде светофильтра. Устройство снабжено датчиком 26 высокого вакуума типа ПМИ-2, установленным на наружной поверхности вакуумной камеры 1 и сообщающимся с ее полостью. Устройство также содержит дополнительную емкость 27 для хладагента, снабженную крышкой 28 с отверстием 29 для подачи хладагента. Емкость 27 установлена внутри вакуумной камеры 1.

Возможен вариант конкретного выполнения устройства, при котором в магистрали для создания вакуума в вакуумной камере дополнительно установлен блок отсечения диффузии загрязнений из насосной группы: это может быть адсорбирующий блок или охлаждаемая ловушка, или то и другое совместно; адсорбирующий блок может иметь средство нагрева адсорбента для его промежуточной дегазации под вакуумом между анализами (на чертежах не показано).

Устройство работает следующим образом.

Для воздействия на образец 4 атомарным и/или молекулярным, и/или ионным, и/или электронным, и/или фотонным пучками образец 4 закрепляют на держателе образца в виде емкости 3 и помещают в вакуумную камеру 1; из вакуумной камеры 1 откачивают воздух через магистраль 14 до остаточного давления в вакуумной камере не более чем 1•10^-7 мм рт.ст. Давление контролируется датчиком 26 высокого вакуума. Затем дополнительная емкость 27 заполняется хладагентом, при этом на ее поверхности адсорбируются остаточные газы и пары воды. При помощи экрана 25 оптическое окно 2 отсекают от излучения из вакуумной камеры. Затем из компьютера 16 через блок 17 по шине 19 подают необходимые команды на блок 20 формирования атомарного и/или молекулярного, и/или ионного, и/или электронного, и/или фотонного пучков и производят воздействие на поверхностный слой образца единичным импульсом какого-либо пучка, либо последовательно единичными импульсами различных пучков. Для создания атомарного и молекулярного пучков по магистрали 21 в блок 20 формирования пучков подают газ, в конкретном примере водород. Суммарная мощность излучения на единицу площади исследуемой поверхности находится в пределах от 10^-5 до 10^-3 Вт/см². По окончании воздействия излучением твердое тело выдерживают при постоянной температуре и записывают спектр испускаемых поверхностным слоем твердого тела квантов энергии, в частности, света. Для записи и анализа квантов по длинам волн используют монохроматор 23 и фотоумножитель 24, выходной сигнал которого поступает на шину 18 сбора данных и далее через блок 17 в компьютер 16. Затем в конкретном примере производят нагрев образца 4 нагревателем 7, осуществляя контроль температуры образца термопарой 8. Сигналы с термопары 8 и от фотоумножителя 24 поступают на шину 18 сбора данных и через блок 17 в память компьютера 16 для последующей обработки.

Для воздействия на образец 4 НТП его закрепляют на держателе образца в виде емкости 3 и помещают в вакуумную камеру 1; из вакуумной камеры 1 откачивают воздух через магистраль 14 до остаточного давления в вакуумной камере не более чем 1•10^-7 мм рт.ст. Давление контролируется датчиком 26 высокого вакуума. Затем дополнительная емкость 27 заполняется хладагентом, при этом на ее поверхности адсорбируются остаточные газы и пары воды. Затем по магистрали 15 в камеру 1 подают газ (водород) до давления в камере 1-0,1 мм рт. ст. Давление в камере 1 контролируется датчиком 13 низкого вакуума. Включают генератор 9, снабженный электродом 10, а также инициатор 11 электрического разряда, снабженный электродом 12; после зажигания разряда в камере инициатор 11 выключается, а генератор 9 поддерживает разряд заданное время в пределах 0,01-5,0 с с мощностью, вкладываемой в объем, от 10^-5 до 10^-3 Вт/см³. Записывают спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов энергии (света) при постоянной температуре. Для записи спектров используют монохроматор 23 и фотоумножитель 24, сигнал от которого поступает на шину 18 сбора данных, далее через блок 17 в компьютер 16. Затем производят нагрев образца 4 нагревателем 7 с контролем температуры образца термопарой 8. Сигналы с термопары 8 и от фотоумножителя 24 поступают на шину 18 сбора данных и через блок 17 сопряжения в память компьютера 16 для последующей обработки.

В примере 1 осуществлялось воздействие на поверхностный слой полиэтилена низкого давления марки MOPLEN (M_W=114000), закристаллизованного при температуре, близкой к температуре плавления, излучением в виде единичного импульса атомарного пучка водорода. Мощность излучения, действовавшая на единицу площади исследуемой поверхности, составила 2•10^-5 Вт/см². Зарегистрированный спектр испускаемых поверхностным слоем полиэтилена квантов энергии при постоянной температуре отображается графиком на фиг.2. На графике видны два максимума, которые дают информацию о слабосвязанных состояниях поверхностного слоя данного материала и времени полураспада этих состояний. При нагреве материала регистрировался спектр термолюминесценции (фиг.3). Положение максимумов на графике позволяет судить о температурах фазовых и релаксационных переходов в поверхностном слое исследуемого образца.

В примере 2 осуществлялось воздействие на образец из закаленного полиэтилена той же марки при тех же условиях, что и в примере 1. Спектры испускаемых поверхностным слоем квантов света отображены на фиг.4 (при постоянной температуре) и на фиг.5 (в процессе нагрева).

Сопоставление спектров испускаемых квантов света одним и тем же материалом, но приготовленным различным образом, позволяет выявить существенную разницу в свойствах поверхностного слоя материала.

В примере 3 облучался закаленный образец из полиэтилена марки MOPLEN (M_W= 114000). Осуществлялось последовательно воздействие на поверхностный слой образца единичными импульсами следующих пучков: электронного, молекулярного, ионного, фотонного; соответственно, последовательно регистрировались спектры испускаемых квантов света как при постоянной температуре, так и в процессе нагрева (фиг.6 и 7, 8 и 9, 10 и 11, 12 и 13 соответственно). Суммарная мощность излучения на единицу поверхности четырех указанных выше единичных импульсов составила 10^-3 Вт/см. Каждый вид излучения возмущает определенные, специфические для него состояния поверхностного слоя образца; это позволяет более полно и точно судить о различных физических и химических свойствах поверхностного слоя (температурах фазовых и релаксационных переходов, энергиях активации этих переходов, временах полураспада слабосвязанных поверхностных состояний, протекании поверхностных химических реакций и их порядке, и т.д.)
Для этого используются известные зависимости, позволяющие осуществить переход от спектров излучения квантов света к свойствам поверхностного слоя твердого тела. Например, наиболее важный параметр - энергию активации релаксационного перехода (Е_р) можно находить из соотношения:

где R - газовая постоянная;
T' - температура высокотемпературной стороны максимума, где интенсивность люминесценции падает вдвое;
Т_mах - температура высокотемпературной стороны максимума, где интенсивность люминесценции максимальна.

Порядок химической реакции, вызывающей изотермическую люминесценцию, определяют путем преобразования спектров, соответствующих испусканию квантов света при постоянной температуре в системе координат: lnI-t, где I - интенсивность люминесценции, t -время, а также в системе координат: I-l/t². Если зависимость линейная в первом случае, то химическая реакция имеет первый порядок (распад). Если зависимость линейная во втором случае, то химическая реакция имеет второй порядок (рекомбинация).

В примере 4 осуществлялось воздействие НТП на поверхностный слой люминофора марки КН. Использована НТП с вкладываемой в ее объем мощностью 2•10^-5 Вт/см³ в течение 0,05 с. Регистрировались спектры излучения квантов света при постоянной температуре образца (фиг.14) и в режиме термолюминесценции (фиг.15). Методы обработки спектров те же самые, что и в вышеуказанных примерах. Отмечено минимальное модифицирующее воздействие излучения на поверхностный слой образца. Параметры НТП обусловили появление явно выраженной особенности спектра уже в самом начале регистрации люминесценции при постоянной температуре, что не наблюдалось при облучении образца того же самого материала (в порядке контроля) НПТ с параметрами, описанными в прототипе (фиг.16).

В примере 5 использована НТП с вкладываемой в ее объем мощностью 7•10^-4 Вт/см³ в течение 4,5 с. Облучался образец из полиэтилена марки MOPLEN (M_W= 114000), закристаллизованного при температуре, близкой к температуре плавления. Спектр излучения квантов света при постоянной температуре приведен на фиг.17, при нагреве - на фиг.18.

Устройство реализовано с помощью известных материалов и комплектующих изделий. По мнению заявителя, изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".