Elektronenstrahlmikroanalyse der Oberflächenreduktion von Kieselglas

Abstract

Spektrale Lage und Quantenrate der Röntgenstrahlungen Si-Kß und Si-Kß' hängen von der chemischen Bindung des emittierenden Siliciums ab. Die Röntgenemission eines Siliciumoxids der Zusammensetzung SiOₓ (0 ≤ X ≤ 2) läßt sich auftrennen in einen Beitrag Si-Kß(Si) des reinen Siliciums bei λ= 6,7681 Å und in die dagegen spektral verschobenen Beiträge Si-Kß(SiO₂) und Si-Kß'(SiO₂) des reinen SiO₂ bei λ= 6,7832 und 6,8317 Å. Diese Eigenschaften des Si-KSpektrums bieten die Möglichkeit einer Elektronenstrahlmikroanalyse der Reduktion von Kieselglas. An Hand von Standardproben, und zwar dünnen Aufdampfschichten von Si und SiO auf SiO₂ und von SiO auf Si, wird der Zusammenhang der Amplitudenanteile der Linien Si-Kß(Si), Si-Kß(SiO₂) und Si-Kß'(SiO₂) mit Art und Dicke der Probenschichtung ermittelt. Entwickelte Näherungsgleichungen geben die experimentellen Werte im Rahmen der Meßgenauigkeit befriedigend wieder. Die erarbeiteten Verfahren werden auf den Fall des oberflächlich reduzierten Kieselglaskolbens einer Hochdruckentladungslampe angewandt. Die Nachweisgrenze der Reduktion von SiO₂ oder der Oxidation von Silicium liegt bei den für diese Untersuchung gewählten Parametern EE = 7 keV Elektronenenergie, I_EP = 500 nA Probenstrom und analog geschriebenen Röntgenspektren im Bereich zwischen 10 und 50 Å Schichtdicke. Mit EE = 3 keV, IEP = 1 µA und digital erfaßten, statistisch ausgewerteten Röntgenquantenraten dürfte die minimal nachweisbare Reduktions- oder Oxidationstiefe zwischen 1 und 10 Å betragen. Das Verfahren ist von allgemeinerer Bedeutung, insbesondere auch im Hinblick auf die Untersuchung oxidischer Deckschichten auf metallischen Werkstoffen. Electron micro-probe analysis of the surface reduction of vitreous silica The spectral Position and count rate of Si-Kß and Si-Kß'- radiation depend on the chemical bonding of the emitting silicon. The emission from silica of composition SiOₓ (0≤ X≤ 2) allows separation of contributions from Si-Kß(Si) for pure silicon at ) λ = 6,7681 Å, Si-Kß(SiO₂) for SiO₂ at 6,7832 Å and Si-Kß'(SiO₂) for SiO₂ at 6,8317 Å. These properties of the silicon spectrum make it possible to study the reduction of vitreous silica. By using standard samples here vapour deposited layers of Si and SiO on SiO₂ and of SiO on Si the relations between the intensities of these three lines and the type and thickness of the sample layer have been determined. Approximate equations expressing satisfactorily the experimental results within the limits of measurement precision have been developed. The technique has been applied to study the reduction of the surface of the silica in a high pressure discharge lamp. The limits of measurement of reduction of SiO₂ or oxidation of Si are in the Tange of 10 to 50 Å layer thickness with the parameters EE = 7 keV, I_EP = 500 nA chosen in this work and with analogous X-ray spectra. With E_E = 3 keV and I_EP = 1 µA and statistical evaluation of digitally recorded count rates the minimum detectable thickness of oxidized or reduced layers lay between 1 and 10 Å. The technique is of general application, especially to surface oxide layers on metals. Etude de la reduction superficielle du verre de silice par une technique de microanalyse par bombardement d'électrons La position spectrale et le taux quantique des rayonnements X Si-Kß et Si-Kß' dépendent de la liaison chimique du silicium émetteur. Dans l'émission X d'un oxyde de silicium de composition SiOₓ (0 ≤ X ≤ 2), on peut distinguer un apport Si-Kß(Si) du silicium pur correspondant à λ = 6,7681 A et des apports du SiO₂ pur sous la forme de deux pics séparés correspondant à Si-Kß(SiO₂) et à Si-Kß'(SiO₂), de longueurs d'ondes respectives 6,7832 et 6,8317 Å. Ces propriétés du spectre Si-K permettent d'étudier la reduction du verre de quartz suivant une technique de microanalyse par bombardement électronique. A partir d'échantillons standard constitués par des couches minces de Si et de SiO déposées par évaporation sur SiO₂ et des couches de SiO déposées sur Si, on calcule le rapport existant, d'une part, entre l'amplitude des raies Si-Kß(Si), Si-Kß(SiO₂) et Si-Kß'(SiO₂) et, d'autre part, la nature et l'épaisseur de la stratification des échantillons. On développe des equations approchées qui reproduisent de manière satisfaisante les valeurs expérimentales dans les limites de la précision de mesure. Les procédés mis au point sont appliqués au cas d'une ampoule en quartz ayant subi une reduction superficielle et utilisée comme lampe à décharge à haute pression. La limite de décelement de la reduction du SiO₂ ou de l'oxydation du silicium se situe dans un domaine compris entre des épaisseurs de couches de 10 et de 50 Å, ceci dans le cas des paramètres retenus (énergie des électrons E_E = 7 keV, courant d'échantillon I_EP = 500 nA) et pour des spectres X décrits de manière analogique. Pour E_E = 3 keV, I_EP = 1 µA et des taux quantiques X calculés par voie digitale et exploités statistiquement, la profondeur minimale décelable de reduction ou d'oxydation devrait se situer entre 1 et 10 Å. Le procédé est d'application plus générale. Il peut en particulier être utilisé pour l'étude de couches de recouvrement oxydiques appliquées sur des matériaux métalliques.