Вторично-ионная масса спектрометрия - Физика - Скачать бесплатно
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
[pic]
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.
[pic]
Фиг.2. Зависимость энергетических потерь иона от энергии [2].
[pic]
Фиг.3. Схематическое представление взаимодействия ионов с мишенью [2].
Неупругие взаимодействия с электронами мишени вызывают вторичную
электронную эмиссию, характеристическое рентгеновское излучение и
испускание световых квантов. Упругие взаимодействия приводят к смещению
атомов кристаллической решетки, появлению дефектов и поверхностному
распылению. Эти процессы схематически проиллюстрированы на фиг. 3.
Энергетический спектр рассеянных твердотельной мишенью ионов с
начальной энергией Е0 схематически представлен на фиг.4. Здесь видны
широкий низкоэнергетический (10 - 30 эВ) горб, соответствующий испусканию
нейтральных атомов (распыленные атомы), и высокоэнергетический горб,
расположенный вблизи энергии первичного иона Е0 (упругорассеянные ионы).
Вторично-ионная эмиссия
Основные физические и приборные параметры, характеризующие
метод ВИМС, охватываются формулами (1) - (3). Коэффициент вторичной
ионной эмиссии SА(, т. е. число (положительных или отрицательных)
ионов на один падающий ион, для элемента А в матрице образца дается
выражением
SА(=(А(САS, (1)
где (А( - отношение числа вторичных ионов (положительных или
отрицательных) элемента А к полному числу нейтральных и заряженных
распыленных частиц данного элемента, а СА -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
(А( и S сильно зависят от состава матрицы образца, поскольку отношение
(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 (А( или набор его приведенных значений для любой
матрицы.
[pic]
Фиг.4. Энергетический спектр электронов, рассеянных при соударении с
твердотельной мишенью [2].
Вторичный ионный ток (А( (число ионов в секунду), измеряемый в
приборе ВИМС, дается выражением
(А( =(ASA(IP, (2)
где (А( - ионный ток для моноизотопного элемента (для данного компонента
многоизотопного элемента ионный ток равен fa(А(, где fa,- содержание
изотопа а в элементе А). Величина (A -эффективность регистрации ионов
данного изотопа в используемом приборе ВИМС. Она равна произведению
эффективности переноса ионов через масс-анализатор на чувствительность
ионного детектора. Множитель (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, IP полный ток первичных
ионов (число ионов в секунду), падающих на образец.
Конечно, величина IP связана с плотностью тока первичных ионов DP
(число ионов за секунду на 1 см2) и диаметром пучка d (см). Если для
простоты принять, что сечение пучка круглое, а плотность DP тока постоянна
в пределах сечения, то
IP=(0,25()DPd2. (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).
Таблица 1.
Типичные значения параметров
в формулах (1)- (3) [1].
|(А( |10-5(10-1 |
|S |1(10 |
|(A |10-5(10-2 |
| DP |10-6(10-2 |
| |mA/cm2 |
|d |10-4(10-1 cm |
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 DP, а порог чувствительности при регистрации методом ВИМС
(минимальное количество элемента, которое можно обнаружить в отсутствие
перекрывания пиков масс-спектра) обратно пропорционален полному току ионов
IP. Коэффициент пропорциональности между порогом чувствительности ВИМС и IP
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.
[pic]
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 10-5 до 103
А/с. Разделение вторичных частиц по m/е производится либо
магнитными, либо квадрупольными анализаторами. Наиболее широко
распространенным анализатором в установках ВИМС, очень
удобным при анализе состава образцов и обнаружении малых
количеств (следов) элементов в них, является магнитный спектрометр
с двойной фокусировкой (в котором осуществляется анализ по энергии
и по импульсу), что связано с его высокой чувствительностью к
относительному содержанию. Для таких многоступенчатых магнитных
спектрометров фоновый сигнал, возникающий из-за хвостов
основных пиков
|
