Способ масс-спектрометрического анализа твердых веществ Советский патент 1986 года по МПК H01J49/26 G01N27/62 

Изобретение относится к масс- спектрометрии вторичных ионов и может быть использовано для элементно го, изотопного и фазового анализов твердых веществ.

Цель изобретения - повьшение точности анализа.

В предлагаемом способе перед определением концентрации компонент методом масс-спектрометрии вторич- ных ионов твердое вещество дополнительно бомбардируют последовательно двумя пучками первичных ионов с заданной для данного вещества массой и двумя энергиями, каждую из которы выбирают из диапазона энергий, обеспечивающих столкновения ионов с атомами твердого тела по механизмам смешанных (упругих и неупругих) и преш ущественно упругих столкновений определяют отношение получаемых при этом токов вторичных ионов компонент а определение концентрации компонент производят при условиии сохранения в заданных пределах заданной величины, равной разности отношения токов и отношения энергии двух пучков пер- вичных ионов, по которой судят о состоянии поверхности исследуемого вещества.

.В диапазоне энергий и масс первичных ионов, обычно применяемых в масс- спект)ометрии вторичных ионов, торможение первичных ионов в веществе обусловлено главным образом упругими

соударениями типа соударений твердых

сфер. При использовании легких ионов тех же энергий, наряду с упругими происходят и неупругие столкновения, приводящие к возбзгждению и ионизации смещенных и распыленных атомов ве- щества (таблица). Как известно, при использовании в качестве первичных частиц ионов водорода выход вторичных ионов значительно возрастает, что частично связано с механизмом не- упругих столкновений. При этом вторичная ионная эмиссия, образующаяся за счет упругих столкновений, различным образом зависит от состояния поверхности и может послужить осно- вой для оценки этого состояния. Токи вторичных ионов компоненты твердого вещества А при энергиях первичных ионов, обеспечивающих соответственно столкновения их с атомами твер дого тела преимущественно по механизму упругих и неупругих столкновений, можно представить в виде

дт.

.„.

А2

Л 4

(i:

Поскольку коэффициенты вторичной ионной эмиссии в условиях упругих взаимодействий во многих случаях зависят от энергии первичных ионов линейно, то отношение токов можно представить в виде

4:1 неупР

.

Wnp чпп i

А1

snp AI

апр

Д1

Hfsinpнечп

«2-или4 - - -И -4 ,

УГР

А1

I

Д1

(Q)

где п - отношение энергии первичных ионов.

В отношении (2) числитель меньше чем знаменатель зависит от состояния поверхности,, в связи с чем Ч характеризует состояние, поверхности, а изменение его - изменение состояния поверхности, что учитывают при получении и обработке результатов анализа и что является технической сущностью изобретения.

В масс-спектрометрии вторичных ионов, ионном легировании, катодном распылении материалов и других об- ластя х техники широко применяют пучки ионов различной массы и энергии. Изменяя гюследнюю достигают различных глубин проникновения ионов, скоростей распыления, выходов ионов или излучений из мипшней и т.д. Предлагаемый способ существенно отличается от известных тем, что позволяет контро лирова.ть состояние поверхности твердого вещества путем учета специфических особенностей взаимодействия ионов пучка заданной массы с атомами вещества при различных энергиях благодаря проведению дополнительных измерений с помощью пучков первичных ионов заданной массы с двумя энергиями; выбору г нергий с учетом специфики взаимодействия (учет упругих и неупругих столкновений) .. их с атомами твердого тела; суткден.ию о состоянии поверхности по отношению получаемых при этом токов вторичных ионов; ort- ределению концентрации компонент - при условии сохранения величины, характеризующей состояние поверхности.

Пример осуществления способа.

В вакуумной камере образец, изготовленный, например, из чистой меди, бомбардируют пучком первичных ионов гфгона с энергией 5 кэВ, а получавмые при этом BTOpH4HF,re ионы меди и ее примеси анализируют на масс-ана- лизаторе. Остаточное давление в камере 2- О Па.

Для учета фиэико-хит-шческого состояния поверхности и его изменения образец дополнительно бомбардируют ионами водорода (протонами) с энергиями 2 и 10 кэВ. Выбор энергий осуществляется в соответствии с таблицей. Взаимодействие ионов водорода с энергией 2 кэВ происходит преимущественно по механизму упругих столкновений с атомами меди, а с энергией 10 кэВ - по механизмам неупругих и упругих столкновений. При утсазанном. остаточном давлении выражение (2) примет вид

,--12

8jio::i A

0,9-10 А

- 5

3,8.

- 5 (3)

Если произойдет неконтролируемое изменение состояния поверхности (например, за счет изменения давления остаточного газа до значения 6-10 Па), то отношение (2) станет равным

i iio::i A

i 1,8- 10- А

2,7

При таком изменении давления ток вторичных ионов меди и ее примесей при анализе образца ионами аргона увеличился почти в 2 раза, что послужило бы источником соответствующей по величине погрешности измерений ( 100%), если бы не контроль величины Ч , изменение которой фиксирует изменение состояния поверхности

Таким образом, снижение vf на 30% приводит к погрешности определения на 100%. Для обеспечения измерений с погрешностью 10 - 20% для величины ч надо установить предел отклонения не более 3-6%, что вполне осуществимо при измерении токов и напряжений в пределах погрешностей 1-2%. Определение концентрации компонент меди по токам вторичной ионной эмиссии при отклонении величины у за заданные пределы считать неправильным. В принципе возможно це- ленаправленно изменять ч и поддерживать его в заданных пределах, если известен фактор, влияющий на состояние поверхности, В большинстве случаев на поверхность действует нес- колько факторов одновременно, что усложняет процесс целенаправленного изменения состояния, поэтому целесообразно использовать заданное значение Ч в заданных пределах отклоне- ния как критерий правильности результата измерений.

По сравнению с известным использование предлагаемого способа благодаря контролю состояния поверхности

твердого вещества путем учета специфических особенностей взаимодействия ионов заданной массы с атомами вещества при различных энергиях позволяет снизить погрешность

измерений с 50 - 100% до 10 - 20%, что дает возможность проводить отбраковку полупроводниковых материалов, например, содержащих бор. Эта операция дает экономический эффект

в сфере производства и контроля материалов микроэлектроники и эмиссионной техники.

.

30

35

40

45

50

55

Формула изобретения

Способ масс-спектрометрического анализа твердых веществ, заключающийся в бомбардировке поверхности твердого вещества пучком первичных ионов в ваку мной камере, масс-ана- лизе токов вторичных ионов компонентов вещества и определении концентрации исследуемых веществ по токам вторичных ионов, отличаюш,ий- с я тем, что, с целью повьшения точности анализа, твердое вещество дополнительно бомбардируют последовательно двумя пучками первичных ионов одной и той же массы с двумя энергиями, одна из которых находится в диапазоне энергий, обеспечивающих столкновения ионов с атомами твердого тела по механизмам смешанных - упругих и неупругих столкновений, а другая энергия соответствует преимущественно упругим столкновениям, определяют отношение получаемых при этом токов вторичных ионов компонентов и отношение энергий пучков первичных ионов, а по разнице указанных соотношений судят о состоянии поверхности исследуемого вещества.

0,1 0,2 0,5 2 2

1 2 5 20 20

Редактор А.Шандор

Составитель и.Некрасов Техред Н .Вонкапо

Заказ 2142/53 Тираж 643Подписное

ВНШШИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4

0 50

50 100

Корректор М.Демчик

Изобретение может быть использо- вано для элементного, изотопного и фазового анализа твердых веществ. Цель изобретения - повышение точности анализа. Образец, например чистую медь, бомбардируют в вакуумной камере пучком первичных ионов аргона с энергией 5 кэВ, получаемые вторичные ионы меди и ее примеси анализируют на масс-анализаторе. Кроме того, образец дополнительно: бомбардируют : ионами водорода (протонами) с энергией 2 и 10 кэВ. Взаимодействие ионов с энергией 2 кэВ происходит преимущественно по механизму упругих столкновений с атомами меди,а с энергией 10 кэВ - по механизмам неупругих и упругих столкновений- п, где 1А М + 1А, ГГ i (Л п - отношение энергий первичных ионов. В указанном отношении токов вторичных ионов числитель меньше знаменателя и зависит от состояния поверхности. Поэтому изменение Y определяет изменение состояния поверхности, что учитывается при получении и обработке результатов анализа. Контроль состояния поверхности твердого вещества путем специфических особенностей взаимодействия ионов пучка заданной массы с атомами вещества при различных энергиях позволяет снизить погрешность измерений с 50-100% до 10- 20% и производить отбраковку полупроводниковых материалов, например, содержащих бор-. 1 табл. ю ю 05 сл О 4