Способ определения локализации примесных атомов кристалла Советский патент 1991 года по МПК G01N23/227 

Изобретение относится к способам исследования вещества радиационными методами путем измерения вторичной эмиссии и может быть использовано при определении качества и надежности кристаллов полупроводников, диэлектриков и сплавов, при разработке научной основы ионной имплантации материалов с целью направленного изменения их физико-химических свойств путем варьирования локализации внедряемых ионов по отношению к элементарной решетке кристалла.

Целью изобретения является расширение диапазона определяемых примесей.

Сущность способа заключается в том, что кристалл облучают потоком заряженных частиц (ионов и электронов) вдоль различных направлений, вращая кристалл, регистрируют вторичные частицы и по их спектру судят о локализации примесей, облучение проводят частицами с энергией 3-10 кэВ для электронов и 10-30 кэВ для ионов, осуществляют первичную регистрацию Оже- электронов под углом вылета, равным углу падения первичного пучка, сравнивают интенсивность Оже-пиков атомов кристалла и атомов примеси в зависимости от угла поворота кристалла и судят о локализации примеси.

о ч чэ

Сл

Ю

ю

При этом полярный угол падения первичных ионов (или электронов) подбирают так, что в одном случае направление пучка совпадает с определенной кристаллографической осью образца, в другом - с плоскостью кристалла, а в третьем пучок направлен в кристалл по случайному направлению.

В первом случае пучок первичных ионов (или электронов) каналируется вдоль выбранной оси кристалла, и, соответственно, вероятность взаимодействия ионоз с примесными атомами, если они локализованы в междоузлиях (каналах), резко возрастает по сравнению с вероят- ностью взаимодействия их с атомами самого кристалла. Это приводит к резкому увеличению интенсивности Оже- пика атома примеси по сравнению с Оже-пиком атома самого кристалла-матри- цы. Во втором случае происходит плоскостное каналирование пучка ионов, которое приводит к росту интенсивности Оже-пика атома примеси, если она локализована между плоскостями кристалла. В третьем случае увеличивается интенсивность Оже- пика атомов примесей, если они находятся в узлах кристаллической решетки в виде атомов замещения.

Выбор величины начальной энергии по- тока первичных заряженных частиц (электронов и ионов) Ео 3-30 кэВ обусловлен тем, что в этой области энергии вероятность ионизации многих примесных атомов с выбиванием электронов с более глубоких К- и L-оболочек максимальна. Последнее вытекает из выражения для сечения ионизации атомов, записываемого в борновском приближении, которое имеет максимум при начальной энергии пучка электронов Е0 (3-4) х Ес, где Ее - критический потенциал ионизации оболочки атома. Для оболочки К и L этот потенциал для многих примесных атомов лежит в пределах 1-3 кэВ. Отсюда следует, что для эффективного возбуждения примесных атомов с выбиванием электронов из глубоких оболочек, которые участвуют в Оже-процессе, необходима энергия пучка первичных электронов более 3 кэВ.

Нижний предел энергии пучка первичных ионов обусловлен необходимостью увеличения эмиссии электронов, в том числе Оже-электронов, от примесных атомов, которая прямо пропорциональна энергии пучка. Последнее вытекает из закона кинетической электронной эмиссии, указывающего на прямую пропорциональность сечения ионизации атомов от энергии пучка ионов. Кроме того, такая энергия пучка

первичных ионов необходима также для получения сведения о локализации примесных атомов в глубоких слоях кристалла, так как в этой области глубина проникновения первичных каналируемых частиц составляет несколько сот ангстрем и более.

Ограничение сверху энергии пучка заряженных частиц обусловлено тем, что более высокие энергии приводят к разрушениям поверхностных слоев кристалла, что влияет на корректное определение истинного положения примесных атомов в решетке, а также приводит к ослаблению интенсивности Оже-электронов, эмиттируемых примесными атомами из глубоких слоев кристапла, так как наиболее эффективный выход Оже-электронов

о

ограничен слоями в пределах 30-40 А. Это объясняется тем, что высокая энергия пучка заряженных частиц соответствует большой глубине проникновения их в кристалл и, следовательно, все больше возбуждаются примесные атомы, находящиеся в глубоких слоях кристалла.

Однако это обстоятельство не ограничивает способ по толщине кристалла, так как при необходимости ионная бомбардировка позволяет стравливать поверхность кристалла (ионным распылением) до нужной глубины (толщины) и опять определять локализацию примесных атомов в глубоких слоях кристалла.

Необходимость симметрии угла регистрации (угла вылета) Оже-электроков и угла падения пучка первичных заряженных частиц на кристалл обусловлена тем, что в соответствии с законом зеркальности отражения (рассеяния) заряженных частиц от поверхности кристалла максимум вторичных электронов, в том числе Оже-электронов, эмиттированных поверхностью под действием пучка первичных заряженных частиц, приходится, на угол вьигзта, равный углу падения пучка первичных частиц. Кроме того, при угле падения, при котором пучок первичных заряженных частиц каналируется вдоль определенной кристаллографической оси кристалла, вторичные упруго и неупруго отраженные ионы и электроны при выходе из кристалла наиболее эффективно каналируются в симметричных направлениях, что приводит к наиболее эффективному возбуждению примесных атомов, находящихся в этих направлениях. При этом эмиссия Оже-электронов примесных атомов резко возрастает, так как вторичные упруго и неупруго отраженные (рассеянные) электроны способны а 3-4 раза больи/е возбуждать Оже-электроны, чем первичные заряженные частицы.

Локализация внедренных (или примесных) атомов в элементарной ячейке (решетке) кристалла и их химическое состояние играет важную роль в изменении тех или иных свойств материалов, В зависимости от локализации пр.имесных атомов в решетке они могут находиться в нейтральном или заряженном состояниях, создавать дефекты различных типов и, соответственно, приводить к фазовым изменениям, вступать в химическое соединение с атомами самого материала и т.д. Все это приводит к резкому изменению тех или иных свойств материала.

Пример. Способ определения локализации примесных атомов кристалла осуществляют следующим образом. Исследуемый кристалл Мо 100 помещают в камеру Оже-спектрометра с давле- нием Р торр на манипулятор, обеспечивающий возможность вращения кристалла по азимутальному углу 0-360°, а по полярному 0-90°. Первоначально кристалл ориентируют таким образом, чтобы направление первичного пучка ионов (или электронов)совпадало с определенной осью, например, с 110 кристалла Мо, а пучок вторичных электронов регистрируют под тем же углом вылета, который совпадает с осью 110 кристалла, электростатическим анализатором типа Юза-Рожанского. Исследуемый кристалл Мо облучают электронами с энергией 4 кэВ. Оже-электроны, эмиттированные атомом кристалла и его примесными атомами серы, азота, кислорода и углерода, которые обнаружены, регистрируют с помощью анализатора и измеряют их интенсивности по отношению к интенсивности Оже-пика атома самого кристалла в зависимости от азимутального угла поворота последнего.

Затем кристалл поворачивают по полярному углу так, чтобы направление первичного пучка электронов совпадало, например с осью 120 кристалла Мо 100 а пучок вторичных электронов (Оже- электронов) регистрируют под тем же углом вылета, совпадающим с осью 120 кристалла, в зависимости от азимутального угла его поворота.

Затем кристалл по полярному углу поворачивают так, что направление первичного пучка не совпадает ни с осью, ни с плоскостью кристалла, а произвольное (в данном случае полярный угол равен 50°), с целью увеличения вероятности взаимодействия первичного пучка электронов с примесными атомами, находящимися в узлах решетки. При этом Оже-электроны опять регистрируют под углом вылета, равным углу падения пучка первичных электронов,

в зависимости от азимутального угла поворота кристалла.

По результатам измерений строят графики зависимостей интенсивностей Оже- пиков атомов самого кристалла и его

0 примесных атомов от азимутального угла поворота кристалла.

Анизотропия, обнаруживаемая при измерениях интенсивности Оже-пиков атомов примесей относительно интенсивности

5 Оже-пика атома кристалла в зависимости от азимутального угла поворота исследуемого кристалла, позволяет определить локализацию примесных атомов в кристалле. На основании полученных данных измерений

0 установлено, что естественные примесные атомы серы и в монокристаллах молибдена, полученных электронной-зонной плавкой, занимают октаэдрические с координатами 1/2,1/2,Опозиции(вмежлоузлиях) вобьем5 но-центрированной решётке, а примесные атомы углерода и кислорода присутствуют в виде поверхностных загрязнений.

Для оценки локализации примесных атомов кристалла в виде атомов замеще0 ;ий, необходимо проводить измерение относительной интенсивности Оже-пика атома примеси при подборе случайного направления падения пучка первичных электронов (или ионов) на кристалл.

5

Использование для анализа вторичных элементов малоуглового (угловая апертура детектирования равна 0,5 ) дисперсионного электростатического анализатора типа

0 Юза-Рожанского позволяет анализировать по энергиям Оже-электроны, вылетающие из кристалла под малым телесным углом, равным углу падения пучка первичных электронов на кристалл. Такая ориентация

5 анализатора с малой угловой апертурой по отношению к облучаемому кристаллу дает возможность с большой вероятностью детектировать Оже-электроны, эмиттированные примесными атомами кристалла под

0 действием вторично неупругоотраженных электронов и ионов, которые испытывают осевое и плоскостное каналирование вдоль выбранных направлений. Указанное условие важно, так как вторично неупругоотра5 женные электроны способны возбуждать вторичные электроны, в том числе и Оже- электроны, количество которых в 3-4 раза больше, чем количество электронов, выбиваемых первичным пучком при входе в кристалл.

Кроме того, способ прост в реализации - не,требует дорогостоящего оборудования, в случае использования в качестве зонда пучка ионов можно с помощью корреляционной диаграммы энергетических уровней электронов атомов подобрать первичный пучок таких ионов, при которых Оже-эле«троны наиболее интенсивно возбуждаются от атомов примеси, что дает возможность наиболее надежно определить локализацию их в решетке кристалла.

Способ позволяет повысить чувствительность определения локализации примесных атомов кристалла, так как сам метод электронной Оже-спектроскопии по сравнению с методом резерфордовского обратного рассеяния (POP) почти на два порядка чувствительнее, т.е. он позволяет обнаружить примеси с концентрацией в объеме в пределах 1018-1019 атом/см3, а метод POP - в пределах Ю20-1021 атом/см3. Поэтому метод электронной Оже-спектроскопии в сочетании с использованием в нем эффекта каналирования как пучка первичных ионов и электронов, так и пучка вторичных упруго- и неупругоотраженных электронов и ионов в кристалле резко увеличивает чувствительность определения локализации примесных атомов. Кроме того, способ резко расширяет диапазон состава определяемых примесей по сравнению с методом POP, в котором необходимым является то, что масса атома примеси, локализация которой подлежит определению, должна быть больше, чем масса атома самого кристалла. Указанное обстоятельство резко

ограничивает метод POP по сравнению с предлагаемым способом, так как в этом сау- чае масса примесных атомов не играет роли в обнаружении и определении локализации (местоположения) примесных атомов кристалла и, соответственно, позволяет определить локализацию, кроме атома водорода, всех элементов таблицы Менделеева в кристалле.

Формула изобретения

Способ определения локализации примесных атомов кристалла, включающий облучение кристалла потоком заряженных частиц .вдоль различных направлений при

азимутальном вращении кристалла и регистрации спектра вторичных частиц, по которому судят о локализации примесей, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона определяемых примесей, облучение проводят потоком электронов с энергией 3-10 кэВ или ионов с энергией 10-30 кэВ, осуществляют регистрацию Оже-электроноа под углом вылета, равным углу падения первичного пучка, сравнивают интенсивности Оже-пиков атомов кристалла и атомов примеси в зависимости от азимутального угла поворота кристалла.

Изобретение касается исследования веществ радиационными методами путем измерения вторичной эмиссии и может быть использовано при определении качества и надежности кристаллов, полупроводников и сплавов, при разработке научной основы ионной имплантации материалов с целью направленного изменения их физико-химических свойств. Цель изобретения - расширение диапазона определяемых примесей. Согласно способу осуществляют облучение кристалла потоком электронов с энергией 3-10 кэВ или ионов с энергией 10-30 кэВ вдоль различных направлений при азимутальном вращении кристалла. Регистрируют Оже-электроны под углом вылета, равным углу падения первичного пучка, сравнивают интенсивности Оже-пиков атомов кристалла и примеси в зависимости от азимутального угла поворота кристалла. По результатам сравнения судят о локализации примесей. СО с