Техническая документация

Масс-анализаторы проводят разделение ионов по массам. Их можно разбить на три группы: магнитные, с двойной фокусировкой, динамические. В магнитных анализаторах разделение ионов по массам т основано на взаимодействии движущегося под действием разности потенциалов II заряда е с магнитным полем Н по окружности радиуса:
Таким образом, пучок ионов, проходя через магнитное поле Н, разбивается на несколько пучков с разными т/е.
В масс-анализаторах с двойной фокусировкой отклонение осуществляется в зависимости не только от массы, но и от кинетической энергии. Такие анализаторы применяются при анализе твердых образцов с большой энергией выхода ионов и при структурном анализе сложных органических молекул. Для этих же целей используются динамические анализаторы.
При анализе элементного состава твердых веществ наибольшее распространение получила искровая масс-спектрометрия, основными достоинствами которой являются высокая абсолютная чувствительность, возможность одновременной регистрации большого числа примесей, малый расход анализируемых материалов (несколько миллиграммов), простота и немногочисленность операций при выполнении анализов.
Предел обнаружения может составлять 1 атом примеси на 10 млрд. атомов основного элемента, что превосходит пределы обнаружения, характерные для большинства других методов.
Ионно-ионная                масс-спектрометрия
распространена меньше, чем искровая, хотя соответствующие установки обладают уникальной абсолютной чувствительностью (10“16—10~1В г). С их помощью можно определить концентрацию поверхностных примесей, получать локальную характеристику материала и изучать распределение примесей по глубине. В зависимости от энергии первичного ионного пучка и его фокусировки возможен послойный анализ образцов толщиной (5—10) X 10-3 мкм площадью 1 мкм3.
При использовании лазерного источника ионов можно изучать десорбцию газов с твердой поверхности, испарение металлов и многокомпонентных систем, формирование пленок различных веществ. В этом случае достигается высокая точность определения концентрации примеси (погрешность менее 10“6 %), стерильность отбора пробы с небольшой площади (10-6 см2), независимость результатов анализа от тепло- и электрофизических свойств материала, предельная простота управления выходными параметрами источника.
Масс-спектрометры широко применяются для контроля наличия в оболочке сквозных дефектов (течей) или проницаемости основного ее материала с неразрушенной структурой. Проницаемость носит избирательный характер, т. е. различна для разных веществ.
Характерными признаками натекания воздуха являются повышенные парциальные давления кислорода, азота и аргона. Измеряя соответствующие парциальные давления, можно оценить герметичность оболочек. Для этого искусственно изменяют состав среды над дефектным участком с помощью пробного вещества (чаще всего гелия), на регистрацию которого настроено течеискательное устройство.
При контроле способом щупа внутри изделия поддерживают избыточное давление контролируемого газа или его смеси с воздухом. Если контролю подвергаются герметизированные изделия, то их предварительно опрессовывают в атмосфере гелия и после выдержки проводят контроль. В процессе контроля периодически проверяют щупом с выходом на масс-спектрометр наиболее подозрительные места на поверхности изделия. При способе обдува в испытуемом изделии удаляют газовое наполнение, а поверхность изделия обдувают пробным газом. Пробный газ, проникающий внутрь изделия, регистрируется масс-спектрометрическим методом.
Электронно-микроскопические методы. Физическую основу электронно-микроскопических методов составляют явления взаимодействия пучка электронов с веществом (просвечивающая и растровая микроскопия, электрография) или явления испускания электронов под воздействием тепла, света, ионного или электронного потока (эмиссионные и оже-спектро-скопические методы). Классификация методов, используемых для анализа состояния поверхностей, работающих в условиях трения, воздействия агрессивных сред, знакопеременных механических нагрузок, приведена на рис. 7.
Принцип работы электронного просвечивающего микроскопа состоит в следующем. Электроны, излучаемые катодом, фиксируются оптической системой, ускоряются анодом и попадают на образец. Все процессы происходят в вакууме. Электроны, направленные на образец, рассеиваются как упруго (т. е. без потерь энергии), гак и с заметными потерями энергии, а также когерентно дифрагируют. Расходящийся пучок, прошедший через образец, фокусируется с помощью линз и образует промежуточное изображение на флюоресцирующем экране, которое через окно наблюдается с помощью бинокулярного микроскопа. При этом достигается большое увеличение в 100 ООО раз и более, разрешение до 5-10-4 мкм. При толщине просвечиваемых пленок и порошков до 0,1 мкм можно осуществлять структурный и фазовый анализ, выявлять нарушения кристаллической структуры (субзерна, дефекты укладки, дислокации), производить определение толщины пленок.
Электронный микроскоп может быть использован как электронограф, регистрирующий пространственное распределение электронов, дифрагируемых контролируемым образцом. Методы электронографии обычно используют для структурного анализа очень тонких пленок (порядка 0,01 мкм) и порошков, а также поверхностных слоев массивных образцов. Основными характеристиками этого метода являются: разрешение до 5-10-4 мкм, увеличение в 100 ООО раз, толщина просвечиваемых объектов не более 0,1 мкм, погрешность определения толщин пленок 5—10%.
В растровом электронном микроскопе (РЭМ) осуществляется телевизионная развертка тонкого пучка электронов по поверхности образца. В результате взаимодействия электронного луча с веществом в каждой точке поверхности происходит ряд физических явлений: эмиссия вторичных электронов, отражение первичных электронов, возникновение рентгеновского излучения, возникновение катодолюминесцентного излучения, возбуждение наведенного (индуцированного) тока, поглощение образцом электронов (адсорбированные электроны), прохождение электронами пленочного образца. Эти явления используются для формирования изображения в РЭМ и регистрируются специальными датчиками. Сигнал от них после усиления модулирует локальную яркость кинескопа, развертка которого синхронизируется с первым электронным лучом. Таким образом, каждая точка поверхности образца находится во взаимно-однозначном соответствии с яркостью определенного места на экране.
Изображения, полученные с помощью РЭМ, различаются в зависимости от увеличения и используемого эффекта.
Варьируя энергию электронов луча и изменяя тем самым глубину их проникновения, можно определить пространственный рельеф залегания слоя определенной структуры или состава в многослойной структуре.
В стробоскопическом режиме РЭМ позволяет изучать быстропротекающие процессы, фиксируя, например, кратковременное образование токопроводящих перемычек на загрязнениях поверхности.
РЭМ позволяет анализировать в различных режимах состояние поверхности с разрешением 2-10-3—2 X 10-2 мкм и увеличением в 200 000 раз, наблюдать топографические и композиционные неоднородности, изучать дефекты на глубине 1—2 мкм, исследовать напряженность магнитных и электрических полей и их распределение по поверхности.
Основой методов оже-электронной спектроскопии и эмиссионной электронной микроскопии является получение и анализ (энергетических) спектров электронов, испускаемых атомами поверхности объекта при воздействии на них различных источников возбуждения. Такие спектры несут информацию о химическом (элементном) составе, химическом составе атомов поверхностных слоев и кристаллографической структуре вещества.
В зависимости от возбуждения электронных спектров существуют рентгено-электронная, фотоэлектронная, электронная, оже-спектроскопия и т. п.
Принцип действия оже-спектрометра состоит в следующем. При бомбардировке материала первичными электронами, обладающими энергией, достаточной для попадания во внутренние оболочки, некоторые атомы могут быть ионизированы. Образовавшиеся вакансии («дырки») заполняют электронами из валентного уровня. При этом выделяется энергия, равная разности энергий этих уровней, которая образует характеристическое рентгеновское излучение (ХРИ), или расходуется на отрыв электрона с одной из оболочек этого атома. Энергия этого электрона (его называют оже-электроном) зависит от атомного номера элемента, поэтому имеется возможность (при послойном травлении) анализировать профили распределения примесей и химических связей веществ по глубине (с глубинным разрешением 10_3—1 мкм) с минимальным размером анализируемой площадки до 0,05 мкм. При анализе состава вещества абсолютная чувствительность метода (необходимое количество вещества для анализа) равна 1 -10—22 м3. Относительная чувствительность метода равна 0,1 %. Такие свойства позволяют проводить широкий спектр материаловед-ческих исследований.
Особенно информативна оже-спектрометрия для анализа причин отказов термокомпрессионных, сварных, паяных, клеевых соединений, так как возникновение тонких слоев загрязнений может привести к уменьшению прочности соединения или преждевременному его разрушению. Суммарная толщина анализируемого материала 10-?— 10~4 мкм, толщина анализируемых пленок при послойном анализе 10-3— 1 мкм, точность определения состава вещества 1—10%.
Для анализа используются, как правило, оже*растровые электронные микроскопы, которые позволяют получать оже-электронную микроскопию микро-участка поверхности объекта, растровую электронную микроскопию с высоким разрешением в режимах вторичных обратно рассеянных и поглощенных электронов. В ряде случаев растровые электронные микроскопы комплектуются оже-электронными спектрометрами.
В тех случаях, когда необходимо определить реакцию анализируемого материала (элемента изделия) на внешнее воздействие (тепловое, механическое, радиационное), изменяющее структуру или состав во время воздействия, целесообразно использовать эмиссионную электронную микроскопию. В эмиссионном микроскопе (ЭЭМ) электроны, формирующие изображение, испускаются самим образцом (т. е. образец является катодом) под действием нагрева, облучения светом, ионами или электронами. При этом можно проводить анализ непосредственно самого изделия без его разрушения, что позволяет следить за изменениями, происходящими в образце при воздействии различных факторов.
На изображение влияют физические свойства материалов (атомный немер, работа выхода), топография поверхности образца, различие в ориентациях монокристаллов (в поликристаллическом веществе) и тип кристаллической решетки. Характер изображения может изменяться в зависимости от видов и способов воздействия внешних факторов, наличия электрических и магнитных полей в микро-областях поверхности образца. Это позволяет визуально наблюдать и измерять параметры микрополей — полей рассеяния доменов ферромагнетика, электрических доменов полупроводника, а также контактных полей и полей рассеяния над переходами в полупроводниках. Точность измерения микрополей 10— 20 %, а электрических полей — десятые доли вольта. Имеется возможность осуществлять стробоскопический режим наблюдения переменных микрополей и потенциального рельефа, выделяя временные интервалы до 10“10 с.
Рентгеновские методы. Для получения сигналов о свойствах и местоположении дефектной зоны применяют рентгеновские методы, основанные на использовании различных явлений. Классификация схем этих методов приведена на рис. 8.
Физическая сущность рентгеноструктурных методов состоит в том, что рентгеновские лучи, проходя через вещество, воздействуют на электроны его атомов. При этом электронам сообщается колебательное движение, частоты которого совпадают с частотой первичных электромагнитных колебаний рентгеновского излучения. Лучи, рассеянные электронами атомов, интерферируют между собой.
Если первичное излучение состоит из волн различной длины, то получается множество интерференционных максимумов от каждого семейства плоскостей с различными межплоскостными расстояниями. Измерение этого расстояния позволяет осуществлять рентгеноструктурный, анализ. При ФТА практическое значение имеют следующие виды структурного анализа:
фазовый — определение фазового состава многокомпонентных структур;
структурный — установление нарушений кристаллических структур (в том числе определение зональных напряжений, характеристической температуры и статических смещений, размера частиц, концентраций дефектов упаковки);
анизотропии — выявление текстур, образованных при волочении, прокатке и т. п.;
ориентировки монокристаллов;
топографический — определение границ зерен и субзерен, выявление отдельных дислокаций, выделений второй фазы в монокристаллах.
В основе фазового анализа лежит измерение энергии и числа рентгеновских квантов характеристического (вторичного) рентгеновского излучения многофазовой системы образца. Энергия квантов характеристического рентгеновского излучения находится в прямой взаимосвязи с составом вещества, а их число определяет их процентное содержание в образце. По регистрации» дифракционных максимумов при отражении излучения от различных семейств плоскостей кристалла определяется химический состав, тип кристал ли ческой решетки и структура вещества, а также физико-химическая природа фаз, образуемых в результате технологического процесса, старения, воздействия окружающей среды.
Наряду с изучением макроскопических свойств кристаллов (степени совершенства, размеров частиц в металлических порошках и т. д.) рассматриваемыми методами исследуются микроструктурные дефекты (мозаичность, дислокация и т. д.).
При определении типа и параметров кристаллической решетки, температурных коэффициентов линейного расширения микронапряжений, обнаружения дефектов в монокристаллах минимальный объем анализируемого вещества 10-2 см3 при глубине анализируемого слоя 10—100 мкм.
Топографические методы позволяют наблюдать дислокацию, а также выявлять различные несовершенства кристаллического строения, дефекты упаковки, границы зерен и субзерен, углы разориентировки. Обнаружение дислокаций основано на разнице между интенсивностью рентгеновских лучей, дифрагированных или прошедших через области с совершенной структурой кристалла вдали от дислокаций, и интенсивностью лучей, дифрагированных или прошедших через области с несовершенной структурой вблизи дислокаций. При этом удается фиксировать дислокацию только при их небольшой плотности не более 105 см-2.
Методы дифрактометрии основаны на измерении углового рассеяния рентгеновских лучей, прошедших через контролируемый материал. Они используются для определения ориентации монокристаллов, оценивания текстуры (анизотропия свойства по отдельным кристалликам), вызываемой действием внешних сил. Для металлов, сплавов, полупроводников необходимо определять внутренние напряжения, возникающие под действием внешних сил, а также сохраняющиеся при удалении этого воздействия. Анализ параметров деформаций отказавших изделий позволяет оценить однородность механических свойств исходных материалов на различной глубине или существование избыточных внешних воздействий при эксплуатации.
Рентгеноспектральные методы основаны на анализе спектрального состава и интенсивности линий ХРИ. Интенсивность линий ХРИ зависит от массы данного элемента в образце. Используя анализаторы спектра ХРИ с достаточным разрешением, можно различать практически все элементы таблицы Менделеева, независимо от их физического и химического состояния.
Анализ спектров ХРИ позволяет определять причины и сроки коррозии, диффузии, точечных дефектов радиационного характера, а также микро-неоднородности в исходных монокристаллах, фазовый состав включений, состав и химическое состояние атомов неорганических материалов.
Рентгено-флюоресцентный метод позволяет анализировать изделия сравнительно больших размеров (с поверхностью несколько квадратных сантиметров) при чувствительности 0,1 — 0,01 %. Его положительными свойствами являются достаточно высокая скорость анализа (1—2 ч при той же точности 5 %, как и при химическом анализе, требующем 7—8 ч) и возможность контроля без разрушения различных материалов (твердые образцы из металлов, керамики и порошки, жидкости — масла, растворы, суспензии) и элементов с атомными номерами от 11 До 92. Другими характеристиками метода являются: чувствительность (0,01—0,02) % при анализе состава; минимальный объем образца 10-2 см3; чувствительность при количественном анализе состава до 10-14.
Рентгеновский микроанализ основан на изучении спектра ХРИ, возбуждаемого при сканировании электронным пучком диаметром 3—0,1 мкм. При этом на экране кинескопа распределение содержания различных элементов по площади сканирования получается <3 виде изображения выбранного участка образца с линейным разрешением менее 1 мкм. Важнейшим достоинством метода является возможность локального анализа сразу по всем элементам, начиная с Л/ = 5. Несмотря на невысокую относительную чувствительность (0,1—0,01 %), метод обладает очень высокой абсолютной чувствительностью (10“14 г)
в определении микровключений элементов и фаз на поверхности материалов при малых объемах анализируемого вещества (1—3 мкм3).