РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКИ І СХЕМИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ПОВЕРХНІ ТВЕРДОГО ТІЛА
2.1. Схема та задачі методів ПЗВ Х-променів
Методи дослідження поверхні твердого тіла, які базуються на використаннi явища ПЗВ Х-променів (методи Х-променевої рефлектометрії), є одними з небагатьох можливих методiв визначення iнтегральної шорсткостi поверхнi з нм [87-89].
Загальна схема дослідження поверхні методами ПЗВ Х-променів наступна. На поверхню плоского зразка пiд досить малим кутом ковзання падає вузький Х-промінь (первинний пучок), дзеркально вiдбивається вiд поверхнi i реєструється детектором. У випадку шорсткої поверхні спостерігається розсіювання відбитих променів по кутам за рахунок нерівностей поверхні. Вiдносна iнтегральна iнтенсивнiсть відбитого сигналу характеризує вiдносну величину площi, що перебуває у вiдбиваючому положеннi, тобто сумарну площу ділянок, для яких кут падіння променів більший 0? і не перевищує критичного кута ПЗВ ?с для даної речовини. При цьому залежнiсть iнтенсивностi вiдбитих променiв вiд кута падіння i параметрів зразка описується формулою Френеля (1.22), а діагностика поверхнi зразка можлива завдяки чутливостi напрямку та інтенсивності вiдбитих променів до нахилів нерівностей [68, 74, 90].
Для отримання параметрів поверхнi за допомогою явища ПЗВ використовуються методи ІК та ДК ПЗВ, при цьому можна виділити пряму та обернену задачі. В прямій задачі, при відомих параметрах установки та досліджуваного зразка, на основі співвідношень Френеля розраховується інтенсивність та кутовий розподіл пучка, який реєструється детектором. Степінь співпадання теоретичних і експериментальних кривих ПЗВ є критерієм коректності алгоритмів розрахунку ІК і ДК.
Обернена задача полягає у відновленні параметрів поверхні на основі експериментальних кривих ПЗВ, відомих параметрів установки та зразка. Обернена задача значно складніша, ніж пряма, і в більшості випадків неоднозначна. Один з способів вирішення оберненої задачі - отримати аналітичну залежність висотних і просторових параметрів поверхні від розподілу інтенсивності відбитих променів. Розв'язати обернену задачу таким способом можливо для тільки для деяких спрощених випадків. Інший спосіб рішення оберненої задачі - чисельний метод наближення (оптимізації), при якому параметри поверхні підбираються таким чином, щоб різниця між теоретичними і експериментальними кривими ПЗВ була мінімальною.
2.1.1.Об'єкти досліджень
В якості об'єктів дослідження вибрано наступні зразки: напівпровідникові кристали GaAs№1-№3 зі створеним методами селективного травлення одно- і двомірним рельєфом поверхні та пластини плавленого кварцу SiO2№1-№3, що пройшли супертонку хіміко-механічну обробку і легування важкими елементами. Для коректності дослідження вибрані зразки з різною структурою (монокристалічний GaAs і аморфний SiO2), різним хімічним складом і густиною, а відповідно і різними значеннями критичного кута ПЗВ ?С. Зразки також сильно відрізнялися по величині шорсткості, по спектру просторових частот і по асиметрії рельєфу поверхні. Таким чином, дана серія зразків перекривала досить широкий діапазон висотних і крокових параметрів поверхні.
2.2. Програмно-апаратне забезпечення експерименту
Для дослідження поверхні твердого тіла методами ІК та ДК ПЗВ створено спеціалізовану експериментальну установку на базі Х-променевого дифрактометра ДРОН-3 [91-92]. При створенні установки враховано вимоги методів ІК та ДК ПЗВ до параметрів первинного пучка Х-променів, до точності юстування і механічного переміщення досліджуваного зразка та аналізатора, до способу реєстрації відбитих променів [93]. Вимоги до параметрів первинного пучка Х-променів наступні:
1) мала просторова ширина (~30мкм);
2) мінімальна кутова розбіжність;
3) мінімальна спектральна ширина.
Вимога до просторової ширини пучка зумовлена тим, що навіть при малих поворотах зразка основна частина променів пучка повинна падати на зразок, оскільки інформацію про параметри поверхні несуть тільки відбиті промені. Наприклад, при ширині зразка 17мм і повороті на 0,1? проекція поверхні зразка на пучок буде 30мкм. Кутова розбіжність і спектральна ширина пучка повинні бути мінімальними, оскільки вони приводять до розмиття відбитого пучка так само, як і нерівності поверхні. Відповідно для дослідження поверхонь високих класів чистоти необхідна жорстка колiмацiя первинного пучка (~10кут.сек.). Для мінімізації спектральної ширини пучка використано монохроматор та щілину, яка пропускає тільки K?1-лінію.
Розглянемо схему створеної експериментальної установки (рис.2.1). В якості джерела Х-променів Т використано Х-променеву трубку БСВ25-Cu, з якої через систему щілин пучок падає на монохроматор М. У даній схемі експерименту використовується штриховий фокус Х-променевої трубки, довга сторона якого перпендикулярна до площини рисунку. Після П-подібного монохроматора М з досконалого кристалу кремнiю (два (220) відбивання) щілиною Щ шириною 30мкм пропускається тільки CuK?1-лінія, а іншою щілиною вирізається пучок висотою 4 мм.
Після монохроматора і щілин первинний пучок падає на досліджуваний зразок К, від якого частина пучка відбивається за рахунок явища ПЗВ. В залежності від методу дослідження використано наступні схеми експерименту. При отриманні ДК ПЗВ пучок після зразка падає на аналізатор А, а відбиті промені реєструються детектором Д. При дослідженні поверхні зразка методом ІК ПЗВ аналізатор відсутній, а відбитий від зразка промінь реєструється безпосередньо детектором.
Рис.2.1. Схема експериментальної установки.
У даній схемі експерименту досліджуваний зразок К кріпиться на тримачі зразків саморобної приставки, а аналізатор А кріпиться на тримачі зразків гоніометра ГУР-8. З допомогою спеціальних гвинтів зразок та аналізатор переміщуються паралельно до напрямку пучка. Для повороту зразка використано систему з важеля В і гвинта Г: при повороті гвинта зміщується рухомий кінець важ