Метод ВИМС

Метод ВИМС

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.

Фиг.2. Зависимость энергетических потерь иона от энергии [2].

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±=gА±САS,     (1)

где gА± -  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 gА±  и S  сильно зависят от состава матрицы образца, поскольку отношение gА± 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 gА± или  набор его  приведенных значений  для любой  матрицы.

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

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

                                                                    iА± =hASA±IP,  (2)

 где iА±  - ионный ток для моноизотопного элемента (для данного компонента многоизотопного  элемента ионный  ток равен faiА±, где fa,- содержание изотопа а в элементе А). Величина hA -эффективность регистрации ионов данного изотопа в используемом приборе ВИМС. Она равна произведению эффективности переноса ионов через масс-анализатор на чувствительность ионного детектора. Множитель hA 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=(0,25p)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].

            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.

            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  материала  матрицы  (рассеяние  стенками,  на  атомах  газа  и   т.д.),  может  быть  сведен  к  уровню  менее  10-9  для общего  фона и  всего 10-6   для  масс,  близких  к  основному  пику.  Все же  в отдельных  конкретных   случаях   более   практичным  может   оказаться  менее  дорогой   квадрупольный   анализатор.                                                              

Принцип действия установок.

                        Фиг.6. Схема обычного метода и метода прямого изображения при

                                                масс- спектрометрическом анализе вторичных ионов[1].

            При масс-анализе вторичных ионов применяются два основных метода: обычный масс-спектрометрический и метод прямого изображения. Они схематически сопоставлены на фиг.6. При первом методе анализатор  с хорошим разрешением передает на высокочувствительный ионный детектор заметную часть быстрых вторичных ионов, идущих с большой площади образца (» 1 мм2). Выделенные по массе вторичные частицы собираются в точечный фокус на входной щели детектора. В этом статическом случае получаемая информация усредняется по поверхности образца и невозможно установить, из какой точки (например области диаметром 1 мкм) поверхности приходят вторичные ионы. При методе прямого изображения  в фокальной плоскости анализатора создается стигматическое  ионное изображение поверхности и путем соответствующего дифрагмирования (или преобразования изображения  при помощи чувствительной к электронам или ионам эмульсии) легко можно получить информацию о точках выхода ионов с данными m/e с поверхности образца. 

            Все установки с прямым изображением основан на идее  прибора Кастэна и Слодзяна; все иные приборы представляют собой варианты обычной масс-спектрометрической методики. Для получения вторично-ионного изображения поверхности  при обычном подходе необходимо проводить последовательный анализ вторичных частиц при сканировании поверхности

 мишени первичным ионным пучком малого диаметра. При этом для получения изображения мишени на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) проще электрически сканировать первичный пучок, нежели механически перемещать сам образец. Электронный луч в ЭЛТ синхронизирован с первичным ионным пучком, и усиленным сигналом вторично-ионного детектора модулируются интенсивность  электронного луча в ЭЛТ. Получаемое при таком методе увеличение изображения равно отношению длины строки на экране ЭЛТ к расстоянию на поверхности образца, пробегаемому первичным ионным пучком в процессе сканирования.

            Все установки ВИМС позволяют осуществлять анализ поверхности и распределения концентрации элемента по глубине. Они различаются в таких важных отношениях, как порог чувствительности при детектировании, разрешение по массам, плотности тока первичного пучка, вакуумные условия в окрестности мишени, а также  возможность проведения анализа распределения элементов  по поверхности, или топографического (x-y) анализа, путем сканирования зондом или формирования изображения. К устройствам для топографического анализа относят лишь те, которые позволяют получить разрешение по поверхности не хуже 10 мкм. Все существующие установки ВИМС можно разделить на три группы в соответствии с принципом их устройства и пригодностью для микроанализа:

·      не позволяющие осуществлять анализ распределения элементов по поверхности;

·      дающие сведения о распределении по поверхности с помощью сканирующего ионного зонда;

·      дающие сведения о распределении по поверхности методом прямого изображения.

Установки, не обеспечивающие анализа распределения частиц по поверхности

            Ряд вторично-ионных масс-спектрометров был сконструирован для решения частных аналитических проблем или исследования различных закономерностей вторичной ионной эмиссии.

            Использованные на ранней стадии исследований этого явления анализаторы с однократной фокусировкой (секторные магниты) имели весьма ограниченное разрешение по массам и низкую чувствительность, что было обусловлено большим разбросом начальных энергий вторичных ионов.             

            В  настоящее  время  большое    внимание    уделяется    квадрупольным   анализаторам, поскольку  они, будучи  просты и  недороги, позволяют  получать  сведения  о  поверхности и  профиле концентрации  примеси  почти во  всех случаях,  когда не  требуется информации  о  распределении  по  поверхности  или  очень  малых количествах примеси. Добиться снижения фона при работе  с  квадрупольным  фильтром  масс  можно за  счет предварительной селекции  вторичных ионов  плоскопараллельным электростатическим анализатором с малой диафрагмой, а  также внеаксиального расположения ионного детектора.

Страницы: 1, 2, 3