Využití nabíjeného kontrastu v elektronové mikroskopii s sekundárními elektrony (SEM) umožňuje dosáhnout vyššího zisku a jasnějších obrazů, což nabízí širokou škálu aplikací v oblasti mikro‑nanoelektronických zařízení. Tento typ kontrastu se využívá nejen k analýze struktury materiálů a zařízení, ale i k lokalizaci vad v polovodičových čipech. Příkladem jsou případy, kdy může docházet k otevřeným nebo zkráceným obvodům, případně jiným abnormalitám, které se nacházejí v určitých specifických oblastech čipu, jež nejsou vždy na jeho povrchu. V těchto případech nemůže klasický topografický kontrast nebo kontrast Z poskytnout dostatečné informace.

Pokud se povrch vzorku skenuje elektronovým paprskem po určitou dobu, a v případě, že je přítomna vada v čipu, může být potenciál povrchového místa odpovídající této vadě odlišný od okolí. Takto získané obrazy mohou vykazovat výrazné světlé nebo tmavé skvrny, které umožňují rychlé a efektivní určení pozice vad. Tento přístup je tedy cenný pro rychlou diagnostiku vad na úrovni struktury čipu, zejména tam, kde jiný kontrast nemůže poskytovat dostatečné rozlišení.

Využití nabíjeného kontrastu pro analýzu hloubkových struktur

Nabíjený kontrast nejenže odhaluje povrchové informace o vzorcích, ale může také poskytovat cenné informace o hloubkových vrstvách, které jsou pokryty izolačními vrstvami, bez nutnosti poškodit tento povrch. Tento přístup je zásadní pro detekci mikrostruktur a defektů ve výrobcích integrovaných obvodů (IC), kde je kladeno důraz na zachování integrity izolační vrstvy. V moderní výrobě integrovaných obvodů bývá mezi dvěma vrstvami obvodů obvykle umístěna izolační vrstva SiO2 a na povrchu IC je často nanesena ochranná vrstva z SiO2 nebo Si3N4. V některých případech je nutné tyto izolační vrstvy prozkoumat a odhalit případné vady na podkladových polovodičových vrstvách nebo v samotných obvodech.

Přítomnost těchto izolačních vrstev může mít za následek to, že běžné SEM, které by jinak mohly poskytnout informace pouze o povrchu, mohou proniknout i do hlubších struktur, aniž by došlo k poškození vzorku. Tento jev byl poprvé pozorován výzkumníky na Univerzitě v Osace, kteří při použití nabíjeného kontrastu experimentálně prozkoumali topografii vnitřního drátu pokrytého izolační vrstvou. Tento přístup ukazuje, že i při nízké energii elektronového paprsku, který není schopen procházet izolační vrstvou, lze stále detekovat struktury uvnitř materiálu.

Detekce podzemních struktur a abnormalit v dielektrických materiálech

Při studiu dielektrických materiálů a jejich interakce s elektronovým paprskem se ukázalo, že některé materiály mohou vykazovat schopnost "ultrapenetrace". Tento jev znamená, že při skenování vzorku pomocí SEM může elektronový paprsek proniknout i do skrytých vrstev, které by normálně nebyly pozorovatelné. Tato vlastnost je zvláště užitečná při analýze dielektrických vzorků s podzemními metalickými vrstvami, běžně používanými v integrovaných obvodech.

V případě pozitivního náboje může být pozorována výrazná změna jasu na povrchu vzorku, která souvisí s návratem sekundárních elektronů, jež mohou měnit lokální elektrické pole na povrchu. V případě negativního náboje se však obraz může zvýraznit díky re-excitaci třetích elektronů, což přináší další komplexní aspekt při analýze struktury těchto materiálů.

Pokročilé experimenty a teoretické modely

Pokročilé výzkumy, jako například simulace provedené pomocí metody Monte Carlo (MC), pomáhají vysvětlit mechanizmus tohoto typu kontrastu. Tyto simulace ukazují, jak elektronový paprsek ovlivňuje vzorek a jakým způsobem dochází k transportu elektronů a náboje během interakce se vzorkem. Dále bylo potvrzeno, že vzhledem k zápornému náboji na izolační vrstvě může být pozorování detailů v oblasti slotových značek, které nejsou jinak přístupné klasickým metodám, realizováno i při nepřítomnosti excitace signálu.

V rámci experimentů, jako jsou ty provedené v Japonsku, byly sledovány i vnitřní struktury v materiálech pod izolační vrstvou, přičemž byla potvrzena schopnost sekundárních elektronů pronikat do podzemní vrstvy, což znamená, že SEM je možné použít pro analýzu nejen povrchu, ale i skrytých struktur.

Závěr

Pro analýzu moderních polovodičových a dielektrických materiálů nabíjený kontrast v SEM nabízí významné výhody při detekci vnitřních struktur a vad. Tato metoda umožňuje vědeckým pracovníkům a inženýrům odhalit problémy, které by jinak zůstaly skryté, a to bez nutnosti narušovat ochranné vrstvy materiálů. Kombinace teoretických simulací a experimentálních pozorování poskytuje nástroje pro hlubší pochopení mechanismu, jakým dochází k vytváření těchto kontrastů, a umožňuje efektivní diagnostiku a optimalizaci výrobních procesů v oblasti integrovaných obvodů a mikroelektronických zařízení.

Vývoj a aplikace elektronových multiplikátorů v pokročilých vědeckých přístrojích

První komerčně vyráběný elektronový multiplikátor (CEM) byl vytvořen ve Spojených státech amerických, kde firma Bendix zahájila masovou výrobu tohoto zařízení, jež později získalo ochrannou známku Channeltron. Tento produkt si získal popularitu především díky své kompaktní velikosti a nízké spotřebě energie, což jej činilo ideálním pro použití ve výzkumu vesmírných věd. V průběhu let došlo k několika změnám v rámci jeho výrobního a vlastnického procesu – Bendix byl nejprve koupen a přejmenován na Gallieo Electro-Optics, následně ho převzala společnost Burle, která byla v roce 2005 zakoupena firmou Photonis. Dnes je většina CEM vyráběna firmami jako Photonis (Francie), DeTech (USA) a Dr. Sjuts Optotechnik GmbH (Německo), které mají masovou produkci.

První generace CEMs pracovala v pulzním režimu a byla používána především ve výzkumu zaměřeném na vesmír, kde byla ceněna pro svou malou velikost a efektivitu v oblasti detekce a analýzy. CEM se osvědčil zejména díky stabilnímu výkonu skleněného povrchu, který vydržel opakované cykly vakuového prostředí, což vedlo k jeho použití ve vědeckých laboratořích. Od 70. let 20. století se CEMy používají v analytických přístrojích, zejména v hmotnostní spektrometrii, a stále více se dostávají do popředí pozornosti odborníků.

V Číně, i přes silný výzkum a vývoj v této oblasti, nebyla schopnost vyrábět komerční produkty CEM nikdy realizována v plném rozsahu. V roce 1976 byla vytvořena vývojová skupina pro multiplikátory v Shenyangu a Lanzhou, kde byla úspěšně vyvinuta skleněná směs s vysokým obsahem olova. Tento pokrok vedl k výrobě CEM s velmi nízkým odporem a vysokým ziskem. Předběžné testy byly provedeny v oblastech jako ionizační měření ve vysokém vakuu, Augerova elektronová spektroskopie a hmotnostní spektrometrie.

Dnes, pod záštitou Institutu vysokoenergetické fyziky čínské akademie věd, pokračují výzkumy zaměřené na zlepšení výkonu a výrobních procesů CEM. V oblasti formulace skla, procesu tvarování skla a metod testování výkonu byl dosažen významný pokrok, což vedlo k vývoji nových, inovativních produktů s nižším odporem, jež našly uplatnění v hmotnostní spektrometrii.

Mikrokanálové destičky (MCP), které jsou přímým následníkem CEM, byly vyvinuty kolem roku 1960 v laboratoři Bendix. MCP se liší od CEM tím, že používají síť několika tisíc kanálků, které slouží k násobení sekundárních elektronů. Tento systém je schopen vytvářet zisk v rozsahu 10^3 až 10^8 v závislosti na konstrukci destičky a počtu kanálů, což činí MCP ideálním pro detekci jednotlivých fotonů.

Při vývoji MCP hraje klíčovou roli poměr délky kanálu k jeho průměru (L/d). Tento poměr má přímý vliv na zisk detektoru, přičemž menší kanály mohou být vyráběny při zachování stejného zisku. V současnosti se používají kanály o průměru mezi 6 a 50 mikrometry a s poměrem L/d až 120:1. Moderní MCP technologie umožňuje výrobu destiček se ziskem až 10^8, přičemž pro detekci jednotlivých fotonů je nutné použít minimálně dvě destičky.

Nové technologické procesy, jako je výroba pomocí 3D tisku nebo anodové oxidace hliníku, se ukazují jako slibné, ale stále čelí značným technickým výzvám. V roce 2009 firma Arradiance z USA začala používat technologii ALD (Atomic Layer Deposition) pro výrobu nanometrových vrstev na skleněných mikroporézních strukturách. Tento pokrok umožnil přesnější kontrolu nad vlastnostmi jednotlivých vrstev a eliminoval potřebu složitého procesu redukce vodíkem.

Zatímco tradiční procesy výroby MCP vyžadují složité a těžko kontrolovatelné kroky, ALD technologie umožňuje výrobu materiálů s požadovanými vlastnostmi pro každý jednotlivý kanál. Tyto nové destičky dosahují zisku až 4 × 10^4, což otevřelo nové možnosti pro jejich použití v pokročilých vědeckých přístrojích, jako jsou spektrometry nebo detektory na základě ionizace.

S rostoucí poptávkou po vysoce kvalitních elektronových multiplikátorech, zejména pro náročné aplikace ve vědeckých výzkumech, pokračují výzkumy v oblasti vývoje nových materiálů a výrobních technologií. Významné jsou i nové metody přípravy skleněných materiálů a technologie, které mohou vést k dalšímu zlepšení výkonu těchto detektorů.

Jak fotonové záření ovlivňuje emisní vlastnosti kovů: fotovypuštění a sekundární emisní procesy

Fenomen fotovypuštění hraje klíčovou roli v různých vědeckých oblastech, jako je astrofyzika, analýza materiálů, věda o fotonech a rentgenových zdrojích. Studie rozložení energie fotoemitovaných elektronů poskytuje cenné informace o tomto jevu a přispívá k lepšímu pochopení jeho principů. V tomto kontextu byly pro kovy v oblasti vakuového ultrafialového záření odvozeny dvě základní rovnice pro rozdělení energie fotoemitovaných elektronů, které byly experimentálně ověřeny pro kovy jako Au, Ni a Cu. Některé parametry, jako je absolutní kvantová účinnost, průměrná hloubka úniku fotoemitovaných elektronů a průměrná energie těchto elektronů, jsou zásadní pro charakterizaci schopnosti fotovypuštění. K těmto parametrům byly rovněž odvozeny formulace pro kovy v oblasti vakuového ultrafialového záření.

Jedním z klíčových témat ve výzkumu fotovypuštění je fotoelektrický průřez. Přestože se tento aspekt fotovypuštění zkoumá, výzkum na nízkých energiích fotonů je stále omezený. Byla odvozena rovnice pro výpočet fotoelektrického průřezu (PCS) založená na hustotě stavů, molární hmotnosti atomu, práci funkce, vzdálenosti od dna vodivostní pásky k Fermiho úrovni, počtu elektronů ve vodivostním pásu a dalších parametrech. Tento model byl úspěšně použit k výpočtu fotoelektrického průřezu pro elektrony ve vodivostním pásu kovů, jako jsou Au a Ni. Dále byla odvozena univerzální rovnice pro absolutní kvantovou účinnost, kterou lze využít pro výpočet fotoelektrického průřezu pro kovy a polovodiče s negativní elektrickou afinitou.

Procesy fotovypuštění a jejich vliv na kovové povrchy

Při fotovypuštění dochází k sérii interakcí mezi fotony a elektrony v kovu. Když do kovového povrchu vstupuje N₀ fotonů s energií γ < (EF + Eg)/h, lze počet těchto fotonů vyjádřit vzorcem (9.21), kde x je vzdálenost od povrchu, na který fotony dopadají, a αγ je optický koeficient absorpce pro danou energii γ. V rámci teorie kvantových interakcí a zákona zachování energie je známo, že v případě, kdy fotony s energií γ < (EF + Eg)/h zasahují kov, mohou být excitovány pouze elektrony v vodivostním pásu kovu. Předpokládá se, že pravděpodobnost, že všechny elektrony v určitém energetickém pásu kovu absorbují foton, je konstantní a označuje se jako Cγ. V tomto kontextu se fotoelektrický průřez pro dané γ kovu přibližně rovná konstantě Cγ.

V konkrétním případě, kdy fotony s energií hγ = 7.4 eV vstupují do zlata (Au) s Fermiho úrovní EF = 11.6 eV, mohou být foto-excited elektrony všechny elektrony s energií ≥ (EF - 7.4 eV), což znamená, že elektrony s energií ≥ 4.2 eV mohou absorbovat foton a stát se fotoexcitovanými. Tento proces lze kvantitativně popsat pomocí výpočtu hustoty elektronů v vodivostním pásu kovu a dalších parametrů, jak je uvedeno ve vzorcích 9.22 a 9.23.

Třífázový proces fotovypuštění

Celkový proces fotovypuštění může být chápán jako třífázový proces. Nejprve jsou elektrony excitovány, aby se staly interními fotoemitovanými elektrony. Následně část těchto interních elektronů putuje k povrchu a nakonec část těchto elektronů unikne z kovu do vakua, čímž se stávají fotoemitovanými elektrony. Tento třífázový proces je podrobněji zkoumán v rámci teorie fotovypuštění, která zahrnuje vliv optického koeficientu absorpce γ, hustoty stavů g(E), a dalších parametrů. Závislost mezi těmito parametry je vyjádřena v rovnicích (9.24) a (9.25), které popisují, jak se počet fotoemitovaných elektronů mění v závislosti na hloubce, ze které fotony interagují s elektronovým systémem kovu.

Souvislost s sekundární emisí elektronů

Fotovypuštění a sekundární emisní procesy mají mnoho společných mechanismů, zejména co se týče úniku a transportu elektronů. Sekundární elektrony v kovech mají často energii vyšší než 1.0 eV a jejich průměrná energie (Eam) je mnohem větší než tato hodnota. Tento proces je důležitý, protože sekundární elektrony, podobně jako fotoemitované elektrony, mohou podléhat dalšímu šíření v materiálu, což ovlivňuje jejich detekci a aplikace v různých technologických oblastech.

V tomto kontextu je důležité pochopit, že procesy fotovypuštění v kovech nejsou jen záležitostí kvantové interakce fotonů a elektronů. Mají hluboký vliv na praktické aplikace, jako je měření materiálů, analýza povrchů a dokonce i na vytváření nových technologických přístrojů využívajících fotonové zdroje.

Jak se fotonové emise metalů vztahují k sekundární emisní elektrony?

V oblasti výzkumu sekundární emisní elektroniky je nezbytné správně porozumět procesům, které se odehrávají při interakci fotonů s materiály, zejména s kovy. Tento jev je klíčový pro mnohé aplikace, včetně detekce fotonů, vývoje fotonových detektorů a také pro porozumění chování elektronů v pevných látkách. Základním principem fotonové emise je, že foton o určité energii může uvolnit elektron z materiálu, což vede k sekundární emisní elektrone.

V modelu sekundární emisní elektroniky (SEE) je fotonová energie (hγ) zásadní pro vznik a analýzu uvolněných elektronů. Vztah mezi energií fotonu (hγ) a energií uvolněného elektronu (Eph) je vyjádřen rovnicí Eph = E + hγ, kde E představuje energii elektronu v konduktivní pásu materiálu. Tento vztah je zásadní pro výpočet různých parametrů, jako jsou B, λ, a Emean, které se využívají k popisu a analýze fotonových emisí v různých materiálech.

Při výpočtech těchto parametrů je nutné brát v úvahu, že elektrony absorbující fotony musí mít alespoň energii odpovídající hranici Fermiho úrovně (EF) plus práci výstupu (Φ), což znamená, že fotony s energií hγ nižší než EF + Φ nevedou k uvolnění elektronů. Na základě toho jsou stanoveny hranice pro integrace v příslušných rovnicích, jako jsou rovnice (9.32), (9.34) a (9.36), což umožňuje přesně určit počty uvolněných elektronů pro dané energie fotonů.

Důležitým parametrem v této oblasti je také účinnost kvantové emise (AQE), která určuje, kolik elektronů je uvolněno na každý absorbovaný foton. AQE je závislá na spektru fotonů, zejména na jejich energii hγ. Pokud je AQE nebo funkce g(Eph − hγ) neznámá, může to znamenat problémy při výpočtu sekundární emisní elektroniky, což vede k nutnosti použít alternativní modely, jako je druhý SEE model. Tento model umožňuje vypočítat požadované parametry i v případě, že některé informace nejsou k dispozici.

V konkrétních výpočtech pro kovy, jako je zlato (Au) a nikl (Ni), jsou výsledky parametrů B, λ a Emean, které byly vypočítány na základě výše uvedených rovnic, zobrazeny v tabulkách 9.5 a 9.6. Tyto výpočty ukazují, jak se parametry chování elektronu v kovech mění v závislosti na fotonové energii a dalších faktorech, jako je šířka pásu a hloubka výstupu.

Když jsou fotony s energií hγ = 11.6 eV vnášeny do niklu, je třeba mít na paměti, že elektrony ve vodivostním pásu mohou absorbovat foton a získat energii, která je minimálně rovna 11.6 eV. Tato energie je klíčová pro výpočet parametrů jako B, λ a Emean, protože určuje dolní mez integrované hodnoty, jak je uvedeno ve vzorcích (9.32) a (9.34)–(9.36). V případě, že fotony mají energii v rozmezí (EF + Φ) až (EF + Eg), hranice pro integrace musí být upravena tak, aby odpovídala daným podmínkám.

Při výpočtech pro kovy jako Au a Cu, které jsou běžně používány pro experimentální ověření, je důležité porovnat teoretické modely s experimentálními daty. Vědecké studie ukazují, že srovnání výpočtů sekundární emisní elektroniky na základě fotonových spekter a experimentálních měření poskytuje hlubší vhled do chování elektronů na povrchu kovů.

Tento přístup a výpočty jsou nezbytné pro pochopení a modelování procesů fotonové emise, což je klíčové pro mnoho aplikací v oblasti materiálového inženýrství, optiky a detekce. Pokračující výzkum v této oblasti bude jistě pokračovat v upřesňování parametrů a zlepšování přesnosti modelů, což umožní rozvoj nových technologií a aplikací v různých vědeckých a průmyslových oblastech.

Jaké metody jsou klíčové pro syntézu 2D polovodičových materiálů?
Jak rozumět zdánlivé dokonalosti: Psychologie manipulace v historickém kontextu
Jak pomocí kontrastů, symetrie a příběhu vytvořit silný portrétní obraz
Jak se Trump podobal Mussolinimu?
Proč se nikdy nemůžeme úplně odpoutat od zákona?