Вторично-ионная масса спектрометрия

Калужский Филиал

Московского Государственного

Технического Университета

им. Н. Э. Баумана

Кафедра Материаловедения и Материалов Электронной Техники

КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу МИМ и КЭТ

на тему:

“Вторично-ионная

масс-спектрометрия“

выполнил: студент гр. ФТМ—81

Тимофеев А. Ю.

проверил: Леднева Ф. И.

г. Калуга

1997 год.

Содержание

Введение 3

Взаимодействие ионов с веществом 3

Вторично-ионная эмиссия 5

Оборудование ВИМС. 8

Принцип действия установок. 9

Установки, не обеспечивающие анализа распределения частиц по поверхности 10

Установки, позволяющие получать сведения о распределении 11

элемента по поверхности, со сканирующим ионным зондом

Установки с прямым изображением 11

Порог чувствительности 12

Анализ следов элементов 14

Ионное изображение 16

Требования к первичному ионному пучку 17

Масс-спектрометрический анализ нейтральных 18

распыленных частиц

Количественный анализ 19

Глубинные профили концентрации элементов 22

Приборные факторы, влияющие на разрешение 23

по глубине при измерении профилей концентрации

Влияние ионно-матричных эффектов на разрешение 25

по глубине при измерении профилей концентрации

Применения 26

Исследование поверхности 26

Глубинные профили концентрации 27

Распределение частиц по поверхности, 27

микроанализ и объемный анализ

Заключение 27

Список литературы 29

Введение

Возможности получения сведений о составе внешнего атомного слоя твердого тела значительно расширялись всвязи с разработкой и усовершенствованием метода вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) и других методов. Большинство таких методов близки к тому, чтобы анализировать саму поверхность, поскольку основная информация о составе материала поступает из его приповерхностной области толщиной порядка 10А, а чувствительность всех таких методов достаточна для обнаружения малых долей моноатомного слоя большинства элементов.

Взаимодействие быстрых ионов с твердым телом приводит к выбиванию атомов и молекул материала как в нейтральном, так и в заряженном состоянии. На таком явлении сравнительного эффективного образования заряженных частиц (вторичных ионов) и на принципе высокочувствительных масс-спектрометрических измерениях и основан метод ВИМС. Хотя у него, как у любого другого метода, имеются свои недостатки, только он один дает столь широкие возможности исследования и поверхности, и объема твердого тела в одном приборе. Наиболее важными характерными особенностями метода, которые вызывают повышенный интерес к нему, являются очень низкий порог чувствительности для большинства элементов (меньше 10^-4 моноатомного слоя), измерение профилей концентрации малых количеств примесей с разрешение по глубине меньше 50А, разрешение по поверхности порядка микрометра, возможность изотопического анализа и обнаружение элементов с малыми атомными номерами (H, Li, Be и т. д.)

Взаимодействие ионов с веществом

Фиг.1. Виды взаимодействий ионов с твердым телом [2].

В этом разделе рассматривается поведение ионов высоких энергий (1 - 100 кэВ), попадающих на поверхность твердого тела. Фиг.1 иллюстрирует 10 разновидностей взаимодействия ионов с поверхностью [2]. Падающий ион может обратно рассеиваться атомом или группой атомов бомбардируемого образца (1). Процесс обратного рассеяния обычно приводит к отклонению траектории иона от первоначального направления после столкновения и к обмену энергией между ионом и атомом мишени. Обмен энергией может быть упругим и неупругим в зависимости от типа взаимодействующих частиц и энергии иона.

Импульс иона может быть достаточно велик для того, чтобы сместить поверхностный атом из положения, где он слабо связан с кристаллической структурой образца, в положение, где связь оказывается сильнее (2). Этот процесс называется атомной дислокацией. Ионы с более высокими энергиями могут вызывать внутренние дислокации в толще образца (3). Если соударяющиеся с поверхностью образца ионы передают настолько большой импульс, что полностью освобождают от связей один или несколько атомов, происходит физическое распыление (4). Ионы могут проникать в кристаллическую решетку и захватываться там, израсходовав свою энергию (ионная имплантация) (5) . В результате химических реакций ионов с поверхностными атомами на поверхности образуются новые химические соединения, причем самый верхний слой атомов может оказаться в газообразном состоянии и испариться (химическое распыление) (6). Бомбардирующие положительные ионы в результате процессса оже-нейтрализации могут приобретать на поверхности электроны и отражаться от нее в виде нейтральных атомов (7). Ионы могут оказаться связанными с поверхностью образца (адсорбированными) (8). При ионной бомбардировке металлических поверхностей в определенных условиях возможно возникновение вторичной электронной змиссии (9). Наконец, если поверхностные атомы возбуждаются до ионизированных состояний и покидают образец, имеет место вторичная ионная эмиссия (10).

Замедляясь, ион передает энергию твердому телу. При анализе процессов потери энергии удобно различать два основных механизма: соударения с электронами и соударения с ядрами.

Первый механизм состоит в том, что быстрый ион взаимодействует с электронами кристаллической решетки, в результате чего возникают возбуждение и ионизация атомов кристалла. Поскольку плотность электронов в веществе мишени высока и такие столкновения многочисленны, этот процесс,

как и в случае потери энергии электронами, можно считать непрерывным .

В рамках второго механизма взаимодействие происходит между экранированными зарядами ядер первичного иона и атомами мишени. Частота таких столкновений ниже, поэтому их можно рассматривать как упругие столкновения двух частиц. Ионы высоких энергий хорошо описываются резерфордовским рассеянием, ионы средних энергий - экранированным кулоновским рассеянием, однако при малых энергиях характер взаимодействия становится более сложным.

Кроме перечисленных выше механизмов вклад в энергетические потери дает обмен зарядами между движущимся ионом и атомом мишени. Этот процесс наиболее эффективен, когда относительная скорость иона сравнима с боровской скоростью электрона ( ~10⁶ м/с) .

Таким образом, полные потери энергии - dЕ/dz можно представить в виде суммы трех составляющих - ядерной, электронной и обменной.

При малых энергиях ионов преобладает взаимодействие с ядрами, которое приводит к появлению угловой расходимости пучка. При высоких энергиях более существенными становятся столкновения с электронами. Справедливо следующее эмпирическое правило: передача энергии кристаллической решетке осуществляется в основном за счет ядерных столкновений при энергиях меньше А кэВ, где А - атомный вес первичного иона. В промежуточном диапазоне энергий вклад потерь, обусловленных обменом заряда, может возрастать примерно до 10% от полных потерь. Зависимость энергетических потерь от энергии первичного иона показана на фиг.2.

Вторично-ионная эмиссия

Основные физические и приборные параметры, характеризующие метод ВИМС, охватываются формулами (1) - (3). Коэффициент вторичной ионной эмиссии S_А^±, т. е. число (положительных или отрицательных) ионов на один падающий ион, для элемента А в матрице образца дается выражением

S_А^±=g_А^±С_АS, (1)

где g_А^± - отношение числа вторичных ионов (положительных или отрицательных) элемента А к полному числу нейтральных и заряженных распыленных частиц данного элемента, а С_А -атомная концентрация данного элемента в образце. Множитель S - полный коэффициент распыления материала (число атомов на один первичный ион). В него входят все частицы, покидающие поверхность, как нейтральные, так и ионы. Величины g_А^± и S сильно зависят от состава матрицы образца, поскольку отношение g_А^± связано с электронными свойствами поверхности, а S в большой степени определяется элементарными энергиями связи или теплотой атомизации твердого тела. Любой теоретический способ пересчета измеренного выхода вторичных ионов в атомные концентрации должен, давать абсолютное значение отношения g_А^± или набор его приведенных значений для любой матрицы.

Фиг.4. Энергетический спектр электронов, рассеянных при соударении с твердотельной мишенью [2].

Вторичный ионный ток i_А^± (число ионов в секунду), измеряемый в приборе ВИМС, дается выражением

i_А^± =h_AS_A^±I_P, (2)

где i_А^± - ионный ток для моноизотопного элемента (для данного компонента многоизотопного элемента ионный ток равен f_ai_А^±, где f_a,- содержание изотопа а в элементе А). Величина h_A -эффективность регистрации ионов данного изотопа в используемом приборе ВИМС. Она равна произведению эффективности переноса ионов через масс-анализатор на чувствительность ионного детектора. Множитель h_A обычно можно рассматривать как константу, не зависящую от вида элемента или массы изотопа, если энергетические распределения вторичных ионов примерно одинаковы и имеют максимум при нескольких электрон-вольтах, так что зависящее от массы изменение чувствительности детектора частиц мало. Наконец, I_P полный ток первичных ионов (число ионов в секунду), падающих на образец.

Конечно, величина I_P связана с плотностью тока первичных ионов D_P (число ионов за секунду на 1 см²) и диаметром пучка d (см). Если для простоты принять, что сечение пучка круглое, а плотность D_P тока постоянна в пределах сечения, то

I_P=(0,25p)D_Pd². (3)

При существующих источниках первичных ионов, используемых в приборах ВИМС, плотность тока на образец, как правило, не превышает 100 мА/см² (в случае однозарядных ионов ток 1 mА соответствует потоку 6.2 10¹⁵ ион/с). В табл. 1 приводятся типичные значения параметров, входящих в формулы (1) - (3).

Самое важное значение в вопросе о возможностях ВИМС как метода анализа поверхностей имеет взаимосвязь между параметрами пучка первичных ионов, скоростью распыления поверхности и порогом чувствительности для элементов. Из-за отсутствия информации о такой взаимосвязи часто возникают неправильные представления о возможностях метода. Соотношения между током первичных ионов, диаметром и плотностью пучка, скоростью распыления поверхности и порогом чувствительности при типичных условиях иллюстрируются графиком, представленным на фиг.5. Скорость удаления (число монослоев в секунду) атомов мишени при заданной энергии ионов пропорциональна плотности их тока D_P, а порог чувствительности при регистрации методом ВИМС (минимальное количество элемента, которое можно обнаружить в отсутствие перекрывания пиков масс-спектра) обратно пропорционален полному току ионов I_P. Коэффициент пропорциональности между порогом чувствительности ВИМС и I_P определяется исходя из результатов измерений для ряда элементов в различных матрицах путем приближенной оценки, основанной на экспериментальных значениях для типичных пар элемент - матрица. При построении графика на фиг.5 предполагалось, что площадь захвата анализатора, из которой вторичные ионы отбираются в анализатор, не меньше сечения пучка первичных ионов. Данное условие обычно выполняется в масс-спектрометрии, если диаметр области, из которой поступают ионы, не превышает 1 мм.

Фиг. Зависимость между током первичных ионов, диаметром и плотностью первичного

пучка, скоростью удаления атомных слоев и порогом чувствительности ВИМС[1].

Распыление ионным пучком - разрушающий процесс. Но если требуется, чтобы поверхность оставалась практически без изменения, то анализ методом ВИМС можно проводить при очень малых скоростях распыления образца (менее 10^-4 монослоя в секунду) . Чтобы при этом обеспечить достаточную чувствительность метода ( »10^-4 монослоя), как видно из фиг.5, необходим первичный ионный пучок с током 10^-10 А диаметром 1 мм. При столь низкой плотности тока первичных ионов ( 10^-5 мА/см²) скорость поступления на поверхность образца атомов или молекул остаточных газов может превысить скорость их распыления первичным пучком. Поэтому измерения методом ВИМС в таких условиях следует проводить в сверхвысоком или чистом (криогенном) вакууме.

Указанные приборные условия приемлемы не во всех случаях анализа. Например, определение профиля концентрации примесей, присутствующих в малых количествах в поверхностной пленке толщиной свыше 5ОО А, удобно проводить при диаметре пучка, равном 100 мкм, и при скорости распыления, превышающей 10^-1 атомных слоев в секунду. Еще более высокие плотности ионного тока требуются, чтобы обеспечить статистически значимые количества вторичных ионов с единицы площади поверхности, необходимые при исследовании распределения по поверхности следов элементов при помощи ионного микрозонда или масс-спектрального микроскопа. На основании сказанного и данных фиг.5 мы заключаем, что невозможно обеспечить поверхностное разрешение в несколько микрометров для примеси, содержание которой равно »10^-4%, при скорости распыления менее 10^-3 атомных слоев в секунду. Это взаимно исключающие условия.

Методом ВИМС анализ поверхности можно проводить в двух разных режимах: при малой и большой плотности тока, распыляющего образец. В режиме малой плотности распыляющего тока изменяется состояние лишь малой части поверхности, благодаря чему почти выполняется основное требование, предъявляемое к методам анализа самой поверхности. В режиме же высоких плотностей токов и соответствующих больших скоростей распыления проводится измерение профилей распределения элементов по глубине, микроанализ и определение следовых количеств элементов (<10^-4%). В соответствии со всеми этими вариантами создан ряд приборов ВИМС, в которых применяются разные способы создания и фокусировки первичных ионных пучков и разные анализаторы вторичных ионов.

Оборудование ВИМС.

Установка ВИМС состоит из четырех основных блоков: источника первичных ионов и системы формирования пучка, держателя образца и вытягивающей вторичные ионы линзы, масс-спектрометра для анализа вторичных частиц по отношению массы к заряду (m/е) и высокочувствительной системы регистрации ионов. Для получения первичных ионов в большинстве установок используются газоразрядные или плазменные источники. Совместно с соответствующей системой формирования и транспортировки пучка эти источники обеспечивают широкие пределы скорости распыления поверхности - от