ЭНЕРГОМАСС-СПЕКТРОМЕТР ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ Российский патент 1994 года по МПК H01J49/32 

Изобретение относится к диагностике поверхности ионными пучками низких энергий (1 - 10 кэВ), в частности к энергомасс-спектрометрии вторичных ионов - интенсивно разрабатываемому в настоящее время методу элементного, фазового и химического анализа поверхности твердых тел.

Известные спектрометрические приборы (аналоги) с анализом вторичных ионов по массам и энергиям выполнены, как правило, по схеме, представленной 1, где обозначено: 1 - образец, поверхность которого подвергается распылению ионным пучком 2, 3 - нормаль к поверхности образца, 4 - заземленные электроды, 5 - входная щель трехэлектродной линзы, 6 - телесный угол отбора вторичных ионов, 7 - одиночная трехэлектродная линза, 8 - входная и выходная щели энергоанализатора, 9 - обкладки энергоанализатора, 10 - масс-сепаратор, 11 - детектор вторичных ионов, α, θ - соответственно углы бомбардировки и отбора вторичных ионов. Данная схема размещается в сверхвысоком вакууме с давлением по кислороду ≈ 10^-9 - 10^-10 мм рт.ст. Оптические оси пучка 2 и линзы 7 лежат в одной плоскости. В качестве энергоанализаторов обычно применяются электростатические конденсаторы с различной формой обкладок (цилиндрические, тороидальные, сферические, плоские). В аналогах используется плоский конденсатор с углом отклонения вторичных ионов 90^о. Энергоанализатор типа сферического конденсатора обычно применяют с углом отклонения вторичных ионов от 90 до 180^о.

Основным недостатком аналогов является искажение масс-спектров, связанное с узостью энергетического окна энергоанализатора 9.

За прототип выбрано устройство, реализующее способ определения химического состава металлов и полупроводников, обладающее максимальным количеством признаков, общий с предлагаемым техническим решением.

Энергомасс-спектрометрические исследования в прототипе выполняются следующим образом (см. фиг.1).

Производят распыление поверхности образца 1 первичным ионным пучком 2 с энергией 1 - 10 кэВ под углом α = 0 - 20^о к нормали поверхности образца и регистрируют масс-спектры вторичных ионов при напpяжении на обкладках энергоанализатора 9, обеспечивающем надежную регистрацию масс-спектра. В масс-спектрах выявляют линии ионов основных элементов из состава распыляемого слоя и линии молекулярных ионов - возможных фрагментов химических соединений в распыляемом слое, после чего измеряют энергетические спектры вторичных ионов, выявленных в масс-спектрах. Эти измерения производят под углом θ = 50 - 60^о.

Если в распыляемом пучком слое присутствуют химические соединения, то в составе масс-спектров могут наблюдаться молекулярные фрагменты этих соединений, а в энергетических спектрах вторичных ионов определенного элемента, входящего в состав ряда химических соединений, наблюдаются отдельные особенности (пики), то есть наблюдается тонкая структура спектров, обусловленная тем, что ионы одного и того же элемента, распыленные из разных химических соединений, имеют разные энергетические распределения с наиболее вероятными энергиями, пропорциональными величинам энергий образования (энергий Гиббса) для этих соединений. Суперпозиция этих энергетических распределений и дает регистрируемый суммарный спектр с отдельными особенностями (пиками).

Далее производят распыление поверхностных слоев, измеряя послойно энергетические спектры тех вторичных ионов, которые находятся в химических соединениях, и записывая полные масс-спектры при настройках энергоанализатора, соответствующих отдельным пикам в энергетических спектрах. После полного распыления поверхностного слоя и выхода зондирующего пучка на подложку известного состава, происходит стабилизация состава и интенсивностей линий масс-спектра и исчезновение или почти полное подавление отдельных пиков в энергетических спектрах. Прослеживая кинетику (или зависимость интенсивностей от толщины распыленного слоя) линий молекулярных ионов в масс-спектрах и отдельных пиков в энергетических спектрах судят о наличии и относительном количестве определенных химических соединений в слоях.

Таким образом, в прототипе высокая достоверность исследований химического состава металлов и полупроводников достигается путем одновременного использования двух источников информации (масс-спектров и энергетических спектров).

В прототипе решающую роль в обнаружении структуры энергетических спектров вторичных ионов, связанной с отдельными химическими неоднородностями, играет геометрия эксперимента, а именно величины углов отбора вторичных ионов θ (см. фиг.1) и углов бомбардировки α, а также угла α + θ . Исследования, представленные в прототипе, показывают, что наиболее рельефно пики, соответствующие отдельным химическим соединениям, проявляются, если α = 0 - 20^о, а θ = 50 - 60^о.

Прототип обладает следующими недостатками.

Исследование спектров масс производится при определенной настройке энергоанализатора. Поскольку энергоанализатор обладает узким энергетическим окном, то при записи спектров масс фиксируются лишь те вторичные ионы, энергии которых лежат в пределах энергетического окна энерноанализатора. Если диапазон энергий какого-либо иона не совмещается с энергетическим окном энергоанализатора, то данный ион не будет зафиксирован. Если же диапазон энергий каких-либо ионов лишь частично перекрывается с энергетическим окном, то в детектор попадут не все ионы, а лишь те, которые прошли через окно. Это приводит к тому, что информация об относительных интенсивностях наблюдаемых линий масс-спектров искажается, а линии некоторых ионов могут быть не зафиксированы вовсе, поскольку очень сильно отличаются друг от друга энергетические спектры атомарных, кластерных, молекулярных, полизарядных ионов. Поэтому при исследовании масс-спектров по схеме прототипа необходимо многократное их фиксирование при различных настройках энергоанализатора, что делает процесс анализа чрезвычайно трудоемким и длительным, а это в свою очередь влияет на достоверность анализа.

Целью изобретения является повышение достоверности энергомасс-спектрального анализа элементного, фазового и химического состава поверхности при одновременном сокращении времени анализа.

Цель достигается тем, что устройство содержит ионно-оптический канал для исследования энергетических спектров вторичных ионов, включающий иммерсионную линзу, электростатический энергоанализатор, магнитный масс-анализатор. Дополнительно вводится интегральный по энергии ионно-оптический канал для регистрации масс-спектров. Для организации этого канала энергоанализатор выполняется сферическим 180^о-ным и дополнительно устанавливаются 90^о-ные сферические дефлекторы, а также две электростатические линзы, одна из которых расположена между выходным 90^о-ным дефлектором и входной диафрагмой магнитного масс-анализатора, другая - между 90^о-ными дефлекторами, во внешних электродах которых выполнены отверстия, так что их оптические оси, оптические оси электростатических линз и касательная к равновесным траекториям дефекторов в точках входа и выхода лежат на прямой: центр первичного ионного пучка на поверхности мишени - входная диафрагма масс-анализатора, а равновесные траектории дефлекторов и энергоанализатора сопряжены в одной плоскости.

Предлагаемая ионно-оптическая система вторичных ионов показана на фиг. 2, где показаны: 1 - образец, поверхность которого подвергается распылению ионным пучком 2, 3 - нормаль к поверхности образца, 4 - заземленные электроды, 5 - входная щель трехэлектродной линзы, 6 - телесный угол отбора вторичных ионов, 7 - одиночная электростатическая трехэлектродная линза, 8 - входная щель энергоанализатора, 9 - энергоанализатор, 10 - масс-анализатор, 11 - детектор вторичных ионов, α, θ - соответственно углы бомбардировки и отбора вторичных ионов; дополнительно введены элементы: 12, 13 - 90^о-ные сферические дефлекторы с отверстиями 16, 17 во внешних электродах, позволяющими организовать дополнительный прямой интегральный по энергии ионно-оптический канал, 14, 15 - одиночные электростатические трехэлектродные линзы.

Устройство работает следующим образом.

Поверхность исследуемого образца 1 бомбардируется ионным пучком 2. Эмиттируемые поверхностью вторичные ионы формируются в параллельный пучок иммерсионной линзой 7.

Сферический 90^о-ный дефлектор 12 формирует пучок в двух плоскостях и направляет его на входную диафрагму 8 180^о-ного энергоанализатора 9. Анализ вторичных ионов по энергиям выполняется путем изменения потенциалов на электродах энергоанализатора. Требуемое энергетическое разрешение (в нашем примере ≈ 1 эВ) обеспечено выбором радиуса равновесной траектории и размеров входной 18 и выходной 18' диафрагм по известным методикам. Диафрагма 18 выполняет функцию энергоразрешающей щели и входной диафрагмы второго 90^о-ного сферического дефлектора 13, на входе которого пучок вторичных ионов становится параллельным. Фокусировка пучка на входную щель 19 магнитного масс-анализатора 10 осуществляется линзой 15.

Высокая разрешающая способность по массам обеспечивается выбором соответствующих параметров масс-спектрометра 10 (в нашем случае М/М 1000 обуславливается использованием в качестве масс-сепаратора масс-спектрометра для изотопно анализа МИ-1201 В). Сферические 90^о-ные дефлекторы имеют одинаковые радиусы равновесных траекторий и установлены так, что касательные к равновесным траекториям в точке входа ионов в первый дефлектор 12 и в точке выхода из второго дефлектора 13 совпадают с осью: центр первичного пучка на мишени - входная щель масс-анализатора. По этой же оси установлены линзы 7, 14, 15 и ориентированы отверстия 16, 17 во внешних электродах дефлекторов 12, 13. Тем самым создается канал прямого пролета вторичных ионов от мишени 1 до входной щели 19 масс-анализатора 10, по которому возможна регистрация масс-спектров без энергетического анализа по каналу энергоанализатора 7 - 8 - 12 - 9 - 13 - 15 - 19 - 10. При работе в режиме канала прямого пролета (7 - 16 - 14 - 17 - 15 - 19) потенциалы на электродах дефлектора отсутствуют, иммерсионная линза 7 фокусирует пучок вторичных ионов в центр отверстия 16, выполняющего функцию диафрагмы. Одиночная линза 14 фокусирует пучок в центр отверстия 17 во внешнем электроде дефлектора 13, а одиночная линза 15 фокусирует пучок на входную щель 19 масс-анализатора. Размеры диафрагм 17 и 16 выбраны из условия пропускания ионов с энергетическим разбросом от 0 до нескольких сотен электронвольт.

Таким образом, благодаря введению дополнительных элементов 12 - 15 (фиг. 2) появляется возможность осуществления двух ионно-оптических каналов вторичных ионов. Пpи этом переход от одного канала к другому осуществляется без изменения геометрии эксперимента путем перераспределения потенциалов ионно-оптических элементов. Без изменения остаются также масс-анализатор и система регистрации ионов.

Изобретение обладает всеми достоинствами прототипа при работе в режиме пролета вторичных ионов по ионно-оптическому каналу энергоанализатора 7 - 18 - 12 - 9 - 18 - 13 - 15 - 19 - 10 (фиг.2), при этом последовательность операций при анализе элементного и химического состава та же, что и в прототипе.

Канал прямого пролета вторичных ионов позволяет получать неискаженные (вследствие узкого энергетического окна энергоанализатора) масс-спектры вторичных ионов в одном измерении, тогда как в прототипе необходимо проводить несколько измерений масс-спектра при разных настройках энергоанализатора, чтобы получить достоверную информацию о составе масс-спектра. Таким образом, в несколько раз сокращается время анализа полного масс-спектра вторичных ионов. Вместе с тем повышается и достоверность послойного масс-спектрального анализа. Повышение достоверности достигается вследствие того, что за время записи масс-спектра распыляется некоторый тонкий слой материала d. При этом, если некоторый элемент А находился только в слое d, то он может быть не зафиксирован в масс-спектре, измеренном по схеме прототипа, из-за неподходящей настройки энергоанализатора при распылении данного слоя. Проиллюстрируем ситуацию с изучением масс-спектров при работе по прямому каналу и по каналу с энергоанализатором более подробно с помощью фиг.3-5 построенных схематически с учетом результатов большого числа экспериментов. На фиг.3 - 5 обозначено: 20 - масс-спектр, полученный при работе по каналу с энергоанализатором при распылении некоторого вещества при настройке энергоанализатора на большие энергии (40 и более эВ). В этом случае подавлены линии, соответствующие ионам тяжелых элементов и немоноатомным ионам (кластерам, молекулам), обозначенным, как группа линий М6 - М₁₂; 21 - масс-спектр при распылении того же вещества, измеренный по тому же каналу, но при настройке энергоанализатора на низкие энергии ионов (от 0 до 20 эВ), в этом случае подавлены линии, соответствующие ионам легких элементов и многозарядным ионам, обозначенным как группа линий М₁ - М₅; 22 - суммарный масс-спектр при распылении того же вещества в режиме регистрации по прямому каналу. В этом случае энергоанализатор не подавляет ни группу М₁ - М₅, ни группу М₆ - М₁₂ и вследствие того, что по прямому каналу могут проходить ионы, полностью подавленные при указанных выше настройках энергоанализатора, возможно обнаружение этих ионов, что показано массовыми линиями М₁₃ - М₁₇.

Проведенный сопоставительный анализ с прототипом и аналогичными техническими решениями показывает, что заявляемый энергомасс-спектрометр соответствует критерию изобретения "существенные отличия", так как за счет введения дополнительных элементов и заданной геометрии измерений в устройстве организованы два измерительных независимых канала, совместное использование которых позволяет существенно повысить достоверность и уменьшить время анализа элементного и химического состава поверхностных слоев твердых тел.

Схема питания и размеры ионно-оптической системы при конкретном исполнении энергомасс-спектрометра могут варьироваться в зависимости от желания пользователя. Если ограничиться требованиями к разрешению по массам и энергии на том же уровне, что и в прототипе, то основные размеры должны быть следующими. Радиусы равновесных траекторий 90^о-ных сферических дефлекторов 12, 13 и энергоанализатора 9 равны 50 мм, ширина энергоразрешающих щелей 8, 18 равна 0,1 мм, апертуры линз 7, 14, 15 ≈ 10 мм. Диаметры малых отверстий 16, 17 выбираются из соображений внесения наименьших искажений поля в зазорах дефлекторов 12, 13; при размере этих зазоров ≈ 10 мм диаметр отверстий ≈ 2 мм.

Предлагаемый энергомасс-спектрометр может быть изготовлен на базе серийных масс-спектрометров для изотопного анализа типа МИ - 1201 путем усовершенствования их вакуумной системы и изготовления сверхвысоковакуумной камеры - приставки, в которой размещаются все (кроме 10, 11, 19) элементы схемы фиг. 2, а также ионная пушка, формирующая пучок 2, манипулятор образцов - мишеней 1 для установки образцов под пучок, шлюзовое устройство для смены образцов без разгерметизации камеры и другие функциональные устройства.

Использование предлагаемого энергомасс-спектрометра вторичных ионов наиболее эффективно для исследования поверхностных слоев сложных химически неоднородных структур типа многослойных тонкопленочных "сэндвичей", используемых в приборах микроэлектроники.

Предлагаемая конструкция может быть использована также и для целей энергетического и массового анализа ионных пучков, поданных соосно на входную щель линзы 7.

Использование: энергомасс-спектрометр вторичных ионов относится к приборам для диагностики поверхности ионными пучками, предназначен для определения химического и элементного состава поверхностных слоев металлов и полупроводников. Сущность изобретения: в устройстве предлагается оригинальное решение организации двух ионно - оптических каналов, в котором одни и те же элементы ионно - оптической системы задействованы под разные измерения на входе и выходе 180°-ного энергоанализатора, дополнительно установлены 90°-ные дефлекторы, а также две электростатические линзы. Благодаря этому расширяются аналитические возможности энергомасс-спектрометрии, сокращается время анализа и повышается достоверность. Конструкция может найти применение для целей энергетического и массового анализа ионных пучков. 5 ил.

ЭНЕРГОМАСС-СПЕКТРОМЕТР ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ, содержащий ионно-оптическую систему из последовательно расположенных иммерсионной линзы, электростатического энергоанализатора и магнитного масс-анализатора, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности за счет расширения аналитических возможностей и сокращения времени анализа, на входе и выходе 180^o-ного энергоанализатора, дополнительно установлены 90^o-ные дефлекторы, а также две электростатические линзы, одна из которых расположена между выходным дефлектором и входной диафрагмой магнитного масс-анализатора, другая - между 90^o-ными дефлекторами, во внешних электродах которых выполнены отверстия, оси которых совпадают с осями электростатических линз, а равновесные траектории дефлекторов и энергоанализатора сопряжены в одной плоскости.