Реферат: Метод ВИМС

Калужский Филиал

Московского Государственного

Технического Университета

им. Н. Э. Баумана

Кафедра Материаловедения иМатериалов Электронной Техники

КУРСОВАЯРАБОТА

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

Взаимодействиеионов с веществом 3

Вторично-ионнаяэмиссия 5

Оборудование ВИМС. 8

Принципдействия установок. 9

Установки, необеспечивающие анализа распределения частиц по поверхности 10

Установки,позволяющие получать сведения о распределении 11

элемента по поверхности, со сканирующим ионнымзондом

Установки спрямым изображением 11

Порогчувствительности 12

Анализ следовэлементов 14

Ионноеизображение 16

Требования кпервичному ионному пучку 17

Масс-спектрометрическийанализ нейтральных 18

распыленныхчастиц

Количественный анализ 19

Глубинные профили концентрации элементов 22

Приборныефакторы, влияющие на разрешение 23

по глубине приизмерении профилей концентрации

Влияниеионно-матричных эффектов на разрешение 25

по глубине приизмерении профилей концентрации

Применения 26

Исследованиеповерхности 26

Глубинныепрофили концентрации 27

Распределение частиц поповерхности, 27

микроанализ и объемныйанализ

Заключение 27

Списоклитературы 29
Введение

Возможностиполучения сведений о составе внешнего атомного слоя твердого тела значительнорасширялись всвязи с разработкой и усовершенствованием метода вторично-ионноймасс-спектрометрии (ВИМС) и других методов. Большинство таких методов близки ктому, чтобы анализировать саму поверхность, поскольку основная информация осоставе материала поступает из его приповерхностной области толщиной порядка10А, а чувствительность всех таких методов достаточна для обнаружения малыхдолей моноатомного слоя большинства элементов.

Взаимодействиебыстрых ионов с твердым телом приводит к выбиванию атомов и молекул материалакак в нейтральном, так и в заряженном состоянии. На таком явлениисравнительного эффективного образования заряженных частиц (вторичных ионов) ина принципе высокочувствительных масс-спектрометрических измерениях и основанметод ВИМС. Хотя у него, как у любого другого метода, имеются свои недостатки,только он один дает столь широкие возможности исследования и поверхности, иобъема твердого тела в одном приборе. Наиболее важными характернымиособенностями метода, которые вызывают повышенный интерес к нему, являютсяочень низкий порог чувствительности для большинства элементов (меньше 10-4моноатомного слоя), измерение профилей концентрации малых количеств примесей сразрешение по глубине меньше 50А, разрешение по поверхности порядка микрометра,возможность изотопического анализа и обнаружение элементов с малыми атомныминомерами (H, Li, Be и т. д.)

Взаимодействиеионов с веществом

Фиг.1. Видывзаимодействий ионов с твердым телом [2].

Вэтом разделе рассматривается поведение ионов высоких энергий (1 — 100 кэВ), попадающих наповерхность твердого тела. Фиг.1 иллюстрирует 10 разновидностейвзаимодействия ионов с поверхностью [2].Падающий ион может обратно рассеиваться атомом или группой атомовбомбардируемого образца (1). Процесс обратного рассеяния обычно приводит котклонению траектории иона от первоначального направления после столкновения ик обмену энергией между ионом и атомом мишени. Обмен энергией может бытьупругим и неупругим в зависимости от типа взаимодействующих частиц и энергиииона.

Импульсиона может быть достаточно велик для того, чтобы сместить поверхностный атом из положения,где он слабо связан с кристаллической структурой образца, в положение, гдесвязь оказывается сильнее (2). Этот процесс называется атомной дислокацией.Ионы с более высокими энергиями могут вызывать внутренние дислокации в толщеобразца (3). Если соударяющиеся с поверхностью образца ионы передаютнастолько большой импульс, что полностьюосвобождают от связей один или несколько атомов, происходит физическоераспыление (4). Ионы могут проникать вкристаллическую решетку и захватываться там, израсходовав свою энергию (ионнаяимплантация) (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 виденейтральных 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 удобноразличать два основных механизма: соударения с электронами и соударения с ядрами.

Первый механизм состоит в том, что быстрый ионвзаимодействует с электронами кристаллической решетки, в результате чего возникают возбуждение и ионизация атомов кристалла. Поскольку плотностьэлектронов в веществе мишени высока и такие столкновения многочисленны, этотпроцесс,

как и в случае потери энергии электронами, можносчитать непрерывным .

В рамках второго механизма взаимодействие происходит между экранированными зарядамиядер 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.

Кромеперечисленных выше механизмов вклад в энергетические потери дает обмен зарядамимежду 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.

Прималых энергиях ионов преобладает взаимодействие с ядрами, которое приводит кпоявлению угловой расходимости пучка.При высоких энергиях более существенными становятся столкновения с электронами.Справедливо следующее эмпирическое правило: передача энергии кристаллическойрешетке осуществляется в основном за счет ядерных столкновений при энергияхменьше А кэВ, где А — атомный вес первичного иона. В промежуточном диапазонеэнергий вклад потерь, обусловленных обменом заряда, может возрастать примернодо 10% от полных потерь. Зависимость энергетических потерь от энергии первичного иона показана на фиг.2.

Фиг.2. Зависимость энергетическихпотерь иона от энергии [2].

Фиг.3. Схематическое представление взаимодействия ионов с мишенью [2].

Неупругиевзаимодействия 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 схематическипроиллюстрированы на фиг. 3.

Энергетическийспектр рассеянных твердотельной мишенью ионов с начальной энергией Е0схематически представлен на фиг.4. Здесьвидны широкий низкоэнергетический (10 — 30 эВ) горб, соответствующий испусканиюнейтральных атомов (распыленныеатомы), и высокоэнергетический горб, расположенный вблизи энергии первичногоиона Е0(упругорассеянные ионы).

Вторично-ионнаяэмиссия

Основные физические и приборные параметры, характеризующие метод ВИМС, охватываются формулами (1) - (3). Коэффициент вторичной ионной эмиссии SА±

, т. е. число (положительных илиотрицательных) ионов на один падающий ион, для элемента А в матрице образца дается выражением

SА±

=gА±САS, (1)

где g

А±- отношение числа вторичных ионов (положительных или отрицательных) элемента А к полному числу нейтральныхи заряженных распыленных частиц данного элемента, а СА -атомнаяконцентрация 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 электроннымисвойствами поверхности, а S вбольшой степени определяется элементарными энергиями связи или теплотойатомизации твердого тела. Любой теоретический способ пересчета измеренного выхода вторичных ионов в атомные концентрации должен, давать абсолютное значение отношения gА±или набор его приведенных значений длялюбой матрицы.

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

Вторичныйионный ток i

А±(число ионов в секунду), измеряемый в приборе ВИМС, дается выражением

i

А±=hASA±IP, (2)

где i

А± — ионный ток для моноизотопного элемента (дляданного компонента многоизотопного элемента ионный ток равен faiА±, где fa,-содержание изотопа а в элементе А). Величина hA-эффективность регистрацииионов данного изотопа в используемом приборе ВИМС. Она равна произведениюэффективности переноса ионов через масс-анализатор на чувствительность ионногодетектора. Множитель hA обычно можно рассматриватькак константу, не зависящую от вида элемента или массы изотопа, если энергетическиераспределения вторичных ионов примерноодинаковы и имеют максимум при нескольких электрон-вольтах, так что зависящее от массы изменение чувствительностидетектора 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 дляпростоты принять, что сечение пучка круглое, а плотность DP токапостоянна 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 1015ион/с). В табл. 1 приводятся типичные значения параметров, входящих в формулы(1) — (3).

Таблица 1.

Типичные значения параметров

в формулах (1)- (3) [1].

g

А±

10-5¸

10-1

1¸

h

10-5¸

10-2

10-6¸

10-2 mA/cm2

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, скоростьюраспыления

поверхности и порогом чувствительности при типичныхусловиях иллюстрируются графиком, представленным на фиг.5. Скорость удаления(число монослоев в секунду) атомов мишени при заданной энергии ионовпропорциональна плотности их тока DP, а порог чувствительности прирегистрации методом ВИМС (минимальное количество элемента, которое можнообнаружить в отсутствие перекрывания пиков масс-спектра) обратно пропорционаленполному току ионов IP. Коэффициент пропорциональности между порогомчувствительности ВИМС и IP определяется исходя из результатовизмерений 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 захватаанализатора, из которой вторичные ионы отбираются в анализатор, не меньшесечения пучка первичных ионов. Данное условие обычно выполняется вмасс-спектрометрии, если диаметр области, из которой поступают ионы, непревышает 1 мм.

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

пучка, скоростьюудаления 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 всекунду). Чтобы при этомобеспечить достаточную чувствительностьметода ( »

10-4 монослоя), как видно из фиг.5, необходим первичный ионный пучок с током 10-10А 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 сверхвысокомили чистом (криогенном) вакууме.

Указанные приборные условия приемлемы не во всех случаях анализа. Например, определение профиля концентрации примесей, присутствующих в малых количествах в поверхностнойпленке толщиной свыше 5ОО А, удобно проводить при диаметрепучка, равном 100 мкм, и прискорости распыления, превышающей 10-1 атомных слоев в секунду. Еще более высокие плотности ионноготока требуются, чтобы обеспечить статистически значимые количества вторичных ионов с единицы площади поверхности, необходимые при исследовании распределения поповерхности следов элементов при помощи ионного микрозонда илимасс-спектрального микроскопа. На основании сказанного и данных фиг.5 мы заключаем, что невозможно обеспечить поверхностное разрешение в несколько микрометров для примеси, содержаниекоторой равно »

10-4%, при скорости распыления менее 10-3атомных слоев в секунду. Это взаимно исключающие условия.

МетодомВИМС анализ поверхности можно проводить в двух разных режимах: при малой и большой плотности тока, распыляющегообразец. В режиме малой плотности распыляющего тока изменяется состояние лишьмалой части поверхности, благодаря чему почти выполняется основное требование,предъявляемое к методам анализа самой поверхности. В режиме же высокихплотностей токов и соответствующих больших скоростей распыления проводится измерение профилейраспределения элементов по глубине, микроанализ и определение следовыхколичеств элементов (<10-4%). В соответствии со всеми этимивариантами создан ряд приборов ВИМС, в которых применяются разные способысоздания и фокусировки первичных ионных пучков и разные анализаторы вторичныхионов.

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.

Принципдействия установок.

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

масс- спектрометрическоманализе вторичных ионов[1].

Примасс-анализе вторичных ионов применяются два основных метода: обычныймасс-спектрометрический и метод прямого изображения. Они схематическисопоставлены на фиг.6. При первом методе анализатор с хорошим разрешением передает навысокочувствительный ионный детектор заметную часть быстрых вторичных ионов,идущих с большой площади образца (»

1 мм2).Выделенные по массе вторичные частицы собираются в точечный фокус на входнойщели детектора. В этом статическом случае получаемая информация усредняется поповерхности образца и невозможно установить, из какой точки (например областидиаметром 1 мкм) поверхности приходят вторичные ионы. При методе прямогоизображения в фокальной плоскостианализатора создается стигматическое ионное изображение поверхности и путем соответствующего дифрагмирования(или преобразования изображения припомощи чувствительной к электронам или ионам эмульсии) легко можно получитьинформацию о точках выхода ионов с данными m/e с поверхности образца.

Всеустановки с прямым изображением основан на идее прибора Кастэна и Слодзяна; все иные приборы представляют собой вариантыобычной масс-спектрометрической методики. Для получения вторично-ионногоизображения поверхности при обычномподходе необходимо проводить последовательный анализ вторичных частиц присканировании поверхности

мишенипервичным ионным пучком малого диаметра. При этом для получения изображениямишени на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) проще электрически сканироватьпервичный пучок, нежели механически перемещать сам образец. Электронный луч вЭЛТ синхронизирован с первичным ионным пучком, и усиленным сигналомвторично-ионного детектора модулируются интенсивность электронного луча в ЭЛТ. Получаемое при такомметоде увеличение изображения равно отношению длины строки на экране ЭЛТ красстоянию на поверхности образца, пробегаемому первичным ионным пучком впроцессе сканирования.

Всеустановки ВИМС позволяют осуществлять анализ поверхности и распределенияконцентрации элемента по глубине. Они различаются в таких важных отношениях,как порог чувствительности при детектировании, разрешение по массам, плотноститока первичного пучка, вакуумные условия в окрестности мишени, а также возможность проведения анализа распределенияэлементов по поверхности, илитопографического (x-y) анализа, путем сканирования зондом или формированияизображения. К устройствам для топографического анализа относят лишь те,которые позволяют получить разрешение по поверхности не хуже 10 мкм. Всесуществующие установки ВИМС можно разделить на три группы в соответствии спринципом их устройства и пригодностью для микроанализа:

·

не позволяющие осуществлятьанализ распределения элементов по поверхности;

·

дающие сведения ораспределении по поверхности с помощью сканирующего ионного зонда;

·

дающие сведения ораспределении по поверхности методом прямого изображения.

Установки, необеспечивающие анализа распределения частиц по поверхности

Рядвторично-ионных масс-спектрометров был сконструирован для решения частныханалитических проблем или исследования различных закономерностей вторичнойионной эмиссии.

Использованныена ранней стадии исследований этого явления анализаторы с однократнойфокусировкой (секторные магниты) имели весьма ограниченное разрешение по массами низкую чувствительность, что было обусловлено большим разбросом начальныхэнергий 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 сниженияфона при работе с квадрупольным фильтром масс можно за счет предварительной селекции вторичныхионов плоскопараллельнымэлектростатическим анализатором с малой диафрагмой, а также внеаксиального расположения ионногодетектора.

Установки,позволяющие получать сведения о распределении элемента по поверхности, сосканирующим ионным зондом

<span

еще рефераты

Еще работы по технологии

Реферат по технологии

Технология производства К56ИЕ10 и серии м (с К426 и К224

29 Августа 2013

Реферат по технологии

Качество продукции машиностроительного производства

29 Августа 2013

Реферат по технологии

Двигатель Стирлинга - прошлое, настоящее и будущее

29 Августа 2013

Реферат по технологии

Водоснабжение (дождевальные и поливные машины)

29 Августа 2013