Изучение поверхности полупроводника с помощью сканирующего электронного микроскопа

1) аналіз експлуатаційних ушкоджень;

2) джерело інформації про внутрішню будову металу;

До можливостей мікрофотографії варто віднести:

а) виявлення ліній утоми;

б) спостереження водневої крихкості;

в) вивчення дефектів росту кристалів;

г) виявлення високотемпературної дислокації включень.

7.2 Принцип дії

Електронний промінь у виді тонкого пучка електронів (діаметр

пучка ( 10 нм) обігає (сканує) зразок по рядках крапку за крапкою і

синхронно передає сигнал на кінескоп. При влученні електронного променя в

яку-небудь точку зразка відбувається вибивання з його матеріалу вторинних

електронів і відбитих електронів.

Електронний зонд являє собою тонкий пучок електронів приблизно

циліндричної форми, при впливі його на зразок збуджуються однаково малі

плями електронного порушення. Цим порозумівається гарна глибина різкості

зображення при растровій електронній мікроскопії.

Первинний електронний промінь (зонд) формується у вакуумному

стовпчику (електронній гарматі) растрового електронного мікроскопа (мал.6).

Електрони вилітають з розжарюваного катода, і прискорюються електричним

полем напругою 1-50 кв. Промінь фокусується трьома електромагнітними

конденсорними лінзами і за допомогою котушок, що відхиляють, сканується за

зразком.

Випроменені зразком електрони викликають у сцинтилляторі світлові

спалахи (фотони). Швидкі пружно розсіяні (відбиті) електрони з високою

енергією без значного підведення енергії попадає в сцинтиллятор; вторинні

електрони з низькою енергією при русі до сцинтиллятору одержують

прискорення в результаті додатка електричного поля. Світлові промені

залишають вакуумну камеру через світловод і в фотомножнику, що примикає до

нього перетворюються у світлові імпульси. За допомогою останніх, об'єкт

начебто висвітлюється сцинтиллятором, установленим на бічній стороні

об'єкта, а спостереження ведеться з боку напрямку первинного електронного

променя.

РОЗДІЛ ІІ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ

За допомогою електронного мікроскопа, використовуючи малі

збільшення до 20X можна спостерігати великі площі поверхні, а також

одержувати знімки окремих ділянок ушкоджень і зломів при 100000 кратному

збільшенні.

Найбільш важливі області застосування:

1) аналіз експлуатаційних ушкоджень;

2) джерело інформації про внутрішню будову металу;

3) аналіз поверхні напівпровідникових матеріалів.

Для виконання дипломної роботи було поставлено таку задачу:

1. Вивчити будову та принцип роботи електронного мікроскопа.

2. Вивчити конструкцію та принцип роботи растрового електронного

мікроскопа.

3. Провести юстировку електронно-оптичної схеми електронного мікроскопа.

4. Розробити схему сканування.

5. Виготовити пристрій для реєстрації електронів.

6. Розробити схему для реєстрації фотонів.

7. Приготовити металеві та напівпровідникові зразки для досліджень.

8. Провести дослідження поверхні зразків.

9. Оформити результати.

РОЗДІЛ ІІІ. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

В ході проведення експериментальної частини дипломної роботи були

використані такі прибори:

. Електронний мікроскоп TESLA BS500. Гарантована дозволяюча здатність

якого 7 [pic], коефіцієнт збільшення 500 – 100000

. Підсилювач електрометричний У5-7. Гранична чутливість якого 10-10 А

(V)

. Циліндр Фарадея. (Виготовлений вручну)

. Фотодіод

. Генератор пилкообразних імпульсів

. Самописець

Під час виконання дипломної роботи було проведено юстировку електронно-

оптичної схеми електронного мікроскопа, розроблено схему сканування і

виготовлено пристрій для реєстрації електронів.

Мал. 7. Схема реєстрації вторинних електронів

1. – катод. 2. – анод. 3. – відхиляючі котушки. 4. – циліндр Фарадея. 5. –

зразок. 6. – підсилювач електрометричний У5-7. 7. – самописець. 8. –

генератор пилкообразних імпульсів

(мал.7). Розроблено схему для реєстрації фотонів(мал.8).

Мал. 8. Схема реєстрації вторинних електронів

1. – катод. 2. – анод. 3. – відхиляючі котушки. 4. – фотодіод. 5. –

зразок. 8. – генератор пилкообразних імпульсів

Приготовлено металеві та напівпровідникові зразки для досліджень:

1. металева сітка з розміром клітини а = 0.25 мм.

2. кремнієва пластина з невеликими інородними включеннями ~0.5 мм.

3. кремнієва пластина з олов’яними електродами розташованими один від

одного на відстані 3 мм.

Проведено дослідження поверхні зразків. Зразок (1) було досліджено за

допомогою двох схем (мал.7,8), зразки (2) і (3) тільки за допомогою схеми,

що реєструє електрони (мал. 7).

Отримані результати зображені на мал. 9, 10, 11, 12.

[pic]

Мал.9. металева сітка з розміром клітини а = 0.25 мм. Досліджувана за

допомогою циліндра Фарадея.

Мал.10. металева сітка з розміром клітини а = 0.25 мм. Досліджувана за

допомогою фотодіода.

мал. 11. кремнієва пластина з невеликими інородними включеннями ~0.5 мм.

Досліджувана за допомогою циліндра Фарадея.

Мал. 12. кремнієва пластина з олов’яними електродами розташованими один від

одного на відстані 3 мм. Досліджувана за допомогою циліндра Фарадея.

Висновки.

1. Проведений літературний пошук показав, що скануюча мікроскопія має

переваги перед просвітлюючою:

а) методи створення дифракційних картин у РЕМ досить прості і дають

велику інформацію про кристалічну будову і досконалість зразків.

б) можливість дослідження масивних зразків.

в) можливість дослідження внутрішньої будови зразків.

г) можливість виводу на екран комп’ютера.

д) велика кількість способів досліджень зразків.

е) простий в експлуатації.

2. Принципіально показано:

а) можливість діагностики поверхні металевих та напівпровідникових

зразків за допомогою реєстрації вторинних електронів циліндром

Фарадея.

б) можливість діагностики поверхні матеріалів, що добре люмінісцюють.

3. Можливість використання даної установки для дослідження поверхні

напівпровідників.

РОЗДІЛ ІV. ОХОРОНА ПРАЦІ

1. ЗАХОДИ ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКИ ТА ПОЖЕЖОБЕЗПЕКИ ПРИ РОБОТІ З ЕЛЕКТРОННИМ

МІКРОСКОПОМ

1.1 Забезпечення безпеки при роботі на електроустановках.

Одним із найбільш важливих напрямків забезпечення охорони праці при

проведенні експериментальних досліджень є забезпечення безпеки при роботі

на електроустановках.

Статистика показує, що кількість травм, викликаних електричним струмом,

становить 2% від їх загальної кількості. Але з усіх нещасних випадків, які

завершилися летально, найбільша кількість припадає на враження електричним

струмом. Причому до 80% усіх випадків електротравматизму зі смертельним

кінцем приходиться на електроустановки з напругою до 1000 В (110 В і 380

В). Лабораторні електроустановки працюють саме у такому діапазоні напруг.

Електротравмою називають враження тканин і органів електричним струмом:

обпіки, електричні знаки (мітки, електрометалізація шкіри, електроофтальмія

та механічні враження).

Базуючись на аналізи нещасних випадків та довгого досліду експлуатації

електроустановок розрізняють наступні фактори, від яких залежить в

основному кінець враження електричним струмом:

1. Значення електричного струму. Це головний вражаючий фактор при

електротравмах. Виділяють наступні порогові значення струму:

* поріг відчуття струму (0.5-1.5 мА змінного струму, 5-7 мА

постійного струму);

* поріг невідпускаючого струму (10-15 мА змінного струму,

50-80 мА постійного струму);

* смертельний струм (100 мА та більше).

2. Рід та частота струму. Відомо, що змінний струм частотою 50-60 Гц

більш небезпечний, ніж постійний. Однак при напрузі U>300 В небезпека

постійного струму зростає. Небезпека дії змінного струму знижується з

ростом частоти та стає практично непомітною при частоті 1000-2000 Гц,

повністю зникає при 450-500 кГц (залишається небезпека обпіків).

3. Опір тіла людини. Це змінна величина, що має нелінійну залежність від

багатьох факторів, у тому числі, від стану шкіри, параметрів електричного

ланцюга, фізіологічних показників та стану навколишнього середовища.

Величиною опору людини вважають 1000 Ом. Це значення спостерігається при

невідпускаючих струмах. При відсутності струму опір тіла людини 2000-2500

Ом, при смертельному струмі знижується до 700 Ом.

|Залежність опору тіла людини від прикладеної напруги |

|Струм через людину, мА |1 |6 |65 |75 |100 |250 |

|Прикладена напруга, В |6 |18 |75 |80 |100 |175 |

|Опір тіла людини, Ом |6000 |3000 |1150 |1065 |1000 |700 |

4. Величина прикладеної напруги. Від величини напруги залежить

можливість пробою шкіри і зниження опору тіла людини. Пробій верхнього

порогового шару шкіри (епідерміса) можливий при напрузі 50 В та вище, а

напруга 200 В завжди викликає пробій наружного шару шкіри. Найбільш часто

нещасні випадки електротрвматизму відбуваються при напругах 127, 220 та 380

В.

5. Шлях струму у тілі людини. Якщо на шляху струму виявляються життєво

важливі органи – серце, легені, головний мозок, то небезпека враження дуже

велика, так як струм діє безпосередньо на ці органи. Можливих шляхів струму

у тілі людини багато, та самими розповсюдженими є: рука-рука, рука-нога,

нога-нога, голова-рука, голова-ноги.

6. Тривалість дії струму на організм людини. Чим коротша дія, тим менша

небезпека враження.

7. Індивідуальні особливості людини. Характер дії при одному і тому ж

струмі залежить від стану нервової системи та усього організму, від маси

людини, її фізичного розвитку.

Основними причинами нещасних випадків від дії електричного струму на

даному експериментальному обладнанні можуть бути:

V випадковий дотик або наближення на небезпечну відстань до струмоведучих

частин, що знаходяться під напругою;

V поява напруги дотику на металічних конструктивних частинах

електрообладнання (корпусах, кожухах та ін.) у результаті пошкодження

ізоляції та інших причин.

При наявності можливості одночасного дотику до металічних корпусів

обладнання і металоконструкцій приміщення дане лабораторне приміщення

потрібно віднести до приміщення з підвищеною небезпекою.

Основними заходами захисту від враження електричним струмом при таких

умовах є:

- забезпечення недоступності струмоведучих частин, що знаходяться під

напругою, для випадкового дотику;

- електричний розділ мережі;

- усунення небезпеки враження при появі напруги на корпусах, кожухах

та інших частинах електрообладнання;

- використання малих напруг;

- захист від небезпеки при переході напруги з вищої сторони на нижчу;

- контроль та профілактика пошкоджень ізоляції.

Усунення небезпеки враження струмом у випадку дотику до корпуса та інших

неструмоведучих металевих частин електроустановки, що опинилися під

напругою, досягається захисним заземленням, зануленням, захисним

відключенням.

Мікроскоп можно підключити до мережі 3*380 В( або 3*220 В( або до

однофазної мережі 220 В. частота мережі в всіх випадках повинна бути 50 –

60 Гц, коливання Umax (10%. Потужність, що споживається пристроєм складає

5,5 кВА. Мікроскоп заземлюється за допомогою мережевного кабеля, на

пристрої не передбачений заземлюючий зажим.

Рівень напруги в елементах електронного мікроскопа:

. форвакумний насос – 220 В

. дифузіонний насос – 220 В

. катод – 60 кВ (90 кВ)

. підвищуючий трансформатор - 60 кВ (90 кВ)

. управляюча та реєструюча системи – 220 В

Захисне заземлення – це попереднє електричне з`єднання із землею

металічних неструмоведучих частин обладнання, які можуть опинитися під

напругою внаслідок замикання на корпус та інших причин (індуктивний вплив

сусідніх струмоведучих частин, винос потенціалу, розряд блискавки та ін.).

Одним із способів запобігання небезпечних вражень електричним струмом є

захисне відключення. Тут використовуються спеціальні пристрої, що

забезпечують швидке автоматичне відключення пошкодженої ділянки

електричного ланцюга при однофазному замиканні струмоведучих частин на

корпусі, доступних для дотику. Виконується захисне відключення у вигляді

реле (реле максимального струму, реле напруги та ін.). Захисне відключення

– не лише захід техніки безпеки, воно попереджує також аварії обладнання.

Одним із заходів по забезпеченню електробезпеки при експериментальних

дослідах є дотримання правил експлуатації лабораторного обладнання.

Виконання усіх перерахованих заходів по забезпеченню електробезпеки при

проведенні експериментальних дослідів за допомогою електронного мікроскопа

дозволяє уникнути враження електричним струмом під час виконання робіт.

Згідно з ПУЕ лабораторія з електронним мікроскопом відноситься до

приміщень з підвищенною небезпекою.

2. ПРИЧИНИ ВИНИКНЕННЯ ПОЖЕЖ ПРИ РОБОТІ З ЕЛЕКТРОННИМ МІКРОСКОПОМ.

Джерелами займання можуть бути електричні іскри, дуги, коротке

замикання, струмові перевантаження, перегріті опірні поверхні, несправність

обладнання. Окислювачем звичайно служить кисень. Але потужність і

тривалість дії цих джерел займання порівняно малі, тому горіння, як

правило, не розвивається. Виникнення пожежі в електронних пристроях

можливе, якщо використовуються спалимі і важко спалимі матеріали і вироби.

Кабельні лінії електроживлення виконані із спалимого ізоляційного

матеріалу, тому є найбільш пожежонебезпечними елементами в конструкціях

електрообладнання.

2.1 Причини виникнення короткого замикання (КЗ). Термічна та

електродинамічна дія КЗ. Профілактика КЗ.

КЗ виникають в результаті порушення ізоляції частин обладнання, що

проводять струм, і зовнішніх механічних пошкоджень в електричних дротах,

обмотках двигунів і апаратів. Ізоляція елементів, що проводять струм, може

пошкоджуватися при дії на неї високої температури або полум’я,

інфрачервоного випромінювання, переходу напруги з первинної обмотки на

вторинну, при відсутності волого- і пилезахисту обладнання, при підвищених

режимах навантаження (нагрів до високих температур, і як наслідок, при

охолоджені конденсується вода) та ін.

Сила струму КЗ може бути від одиниць до сотень кілоампер і залежить

від таких факторів: потужності джерела живлення (прямо пропорційно);

повного опору елементів кола, включених між джерелом живлення і точкою КЗ;

виду короткого замикання (трифазне, однофазне), при однофазних КЗ сила

струму мінімальна; часу з моменту виникнення КЗ до відключення КЗ апаратами

захисту. Якщо апарати захисту швидкодіючі і особливо струмообмежуючі, тоді

КЗ не встигає досягнути максимального значення.

Струми КЗ викликають термічну та електродинамічну дію і

супроводжуються різким зниженням напруги в електромережі. Струми КЗ можуть

перегріти частини, що проводять струм, і розплавити дроти (температура до

200000 С). Протікання по провіднику тривалого допустимого струму силою (І)

пов’язане з виділенням тепла Q (Дж) і кількісно визначається законом Ленца-

Джоуля:

[pic]

де І – сила тривалого допустимого струму, А;

R – активний опір, Ом;

( - час, с.

Час проходження струму КЗ не перевищує декількох секунд або навіть долі

секунди і залежить від апаратів захисту (плавких запобіжників, автоматичних

вимикачів тощо). При проходженні струму КЗ, сила якого перевищує допустимий

струм, температура нагріву дроту різко підвищується і може досягнути

небезпечних значень (не враховується відвід тепла в навколишнє середовище,

оскільки час проходження струму малий, а все виділене в провіднику тепло

йде на його нагрівання).

Два провідники, по яких проходить електричний струм, взаємодіють один з

одним. Напрям сили взаємодії визначається напрямом струмом в провідниках.

При однаковому напрямі струму електродинамічні сили притягують провідники,

при різних – відштовхують. При КЗ в мережі можуть виникати струми, що в

десятки і сотні разів перевищують номінальні, тому електродинамічні сили

прагнуть деформувати провідники та ізолюючі частини, на яких вони

кріпляться.

КЗ супроводжується різким зниженням напруги в електромережах. В

результаті виникає частковий або повний розлад електропостачання

споживачів.

Профілактика КЗ передбачає такі заходи:

. Правильний вибір, монтаж і експлуатація електричних мереж,

електрообладнання;

. Правильний вибір конструкції електрообладнання, способу встановлення

і класу ізоляції;

. Електричний захист електричних мереж, електрообладнання (швидкодіючі

реле, автоматичні вимикачі, запобіжники).

2. Причини виникнення перевантаження та їх профілактика.

При проходженні струму по провідниках виділяється тепло, яке

нагріває їх до температур, при яких посилюється окислювальні процеси, на

дротах утворюються оксиди, які мають високий опір, в результаті чого

збільшується опір контакту і відповідно кількість тепла, що призводить до

старіння або руйнування ізоляції. І як наслідок – електричний пробій

ізоляції і пошкодження пристою, а при наявності спалимої ізоляції та пожежо-

і вибухонебезпечного середовища – пожежа або вибух. Оскільки кожний

провідник розрахований на певний струм, збільшення цього струму може

призвести до перевантаження.

Причиною перевантаження може бути неправильний розрахунок при

проектуванні мереж і схем (занижений переріз дротів, перевантаження

радіоелементів, додаткове включення пристроїв до джерел живлення, на які

вони не розраховані), зниження напруги в мережі.

Профілактика пожеж від перевантажень:

. При проектуванні необхідно правильно вибирати переріз провідників мереж і

схем за допустимою густиною струму, щоб

[pic]

де Ідоп – допустима величина струму;

Ір – робоча величина струму;

. В процесі експлуатації електричних мереж не можна вмикати додатково

електроприймачі, якщо мережа на це не розрахована;

. Для захисту електрообладнання від струмів перевантаження найбільш

ефективними є автоматичні і електронні схеми захисту, вимикачі, теплові

реле і плавкі запобіжники.

3. Причини виникнення перехідних опорів та їх профілактика.

Причиною пожежі і аварій можуть бути великі перехідні опори, які

виникають в місцях з’єднань та розгалужень провідників, в контактах

пристроїв або на клемах, якщо ці з’єднання зроблені неправильно або

покрилися іржою. Падіння напруги в місці з’єднань можна визначити за

формулою

[pic]

де rk – контактний опір.

Контактний опір складається з двох опорів:

[pic]

де rпер – перехідний опір, викликаний нерівною поверхнею металу, Ом;

rпл - опір, викликаний наявністю оксидних плівок на поверхні, Ом.

При проходженні струму навантаження в такому контактному з’єднанні

виділяється деяка кількість тепла, пропорційна квадрату струму і опору

точок дійсного дотику. Вона може бути настільки великою, що місця

перехідних опорів сильно нагріваються. Якщо контакти будуть торкатися

спалимих матеріалів, то ці матеріали можуть зайнятися, якщо ж є

вибухонебезпечна суміш газів, парів або пилу – виникне вибух.

Профілактика пожеж від перехідних опорів:

. Для збільшення площі дійсного дотику контактів необхідно використовувати

пружні контакти або спеціальні сталеві пружини;

. Для відводу тепла від точок дотику і розсіювання його необхідно

виготовляти контакти певної маси і поверхні охолодження;

. Всі контактні з’єднання повинні бути доступні для огляду.

Головним заходом запобігання пожеж і вибухів від електрообладнання є

правильний вибір і експлуатація обладнання у вибухо- і пожежонебезпечних

приміщеннях і виробництвах.

Приміщення з електронним мікроскопом у відповідності із ОНТП 24-86

відноситься до категорії Д.

Заходи пожежогасіння: фізичний та хімічний.

До фізичних способів відносяться:

. Охолодження зони горіння;

. Розбавлення реагуючих речовин в зоні горінні негорючими речовинами;

. Ізоляція реагуючих речовин від зони горіння.

Хімічний спосіб – це хімічне гальмування реакції горіння.

До основних засобів гасіння пожежі відносяться:

. Вода

. Інертні гази

. Піни хімічні та повітряномеханічні

. Порошкові суміші

Література.

1. В. М. Кельман «Электронная оптика», Москва, 1968 г.

2. Т. Стэррок «Статическая и динамическая электронная оптика», Москва,

1958 г.

3. Л. Энгельс, Г. Клингеле «Растровая электронная микроскопия.

Разрушение», Москва, 1986 г.

4. П. Хирш, А. Хоби, Р. Николсон, Д. Пэшли, М. Уэлан «Электронная

микроскопия тонких кристаллов», Москва, 1968 г.

5. В. Косслет «Введение в электронную оптику», ИЛ, 1950 г.

6. Л. А. Катренко, І. П. Пістун «Охорона праці в галузі освіти», Суми.

2001 г.

-----------------------

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

Страницы: 1, 2