Способ элементного анализа твердых тел Советский патент 1992 года по МПК G01N21/62 

Изобретение относится к эмиссионной электронике, а конкретно - к способам диагностики поверхности ионными пучками.

Известен способ диагностики поверхности ионными пучками вторично-ионная масс- спектрометрия (ВИМС). Способ заключается в следующем: анализируемый образец бомбардируют ионами килоэлектронвольтных энергий и измеряют те или иные характеристики потока распыленных ионов (масс- спектр, интенсивности линий масс-спектра, зависимость интенсивности линий от времени бомбардировки, ориентации мишени и др.); с помощью этих данных находят соответствующие характеристики общего потока распыленных частиц; по найденным характеристикам общего потока определяют те

или иные свойства анализируемого материала (элементный состав, распределение примесей по объему образца, кристаллографическую структуру и др.).

Известно, что при установившемся взаимодействии ионного пучка с поверхностью мишени элементный состав общего потока распыленных частиц соответствует элементному составу приповерхностного слоя вещества толщиной порядка 10 нм и может резко отличаться от состава первых монослоев поверхности. Поэтому ВИМС обычно используют для исследования объемных свойств материалов. Информацию о верхних монослоях поверхности получают способом ионно-рассеивательной спектроскопии (ИРС), который является аналогом предлагаVJ VI

V4 О СП

сл

емого изобретения, ИРС-аналиэ основывается на измерении энергетического распределения fe(E) ионов, отраженных от поверхности в выбранном направлении ( полярный и азимутальный углы рассеяния). Функция fe у (Е) содержит пики при энергиях Е(М), которые отвечают однократному квазиупругому рассеянию первич- ных ионов с известной массой m на поверхностных атомах с массами М, В слу- чзо m М

Е(М)-Ь( + . (1)

где Ео - энергия первичного иона. По положению пиков с помощью (1) находят спектр масс поверхностных атомов вещества, а по высоте пиков определяют концентрации этих частиц.

Недостатками способов ВИМС и И PC являются: зависимость аналитического сигнала от зарядки поверхности ионным пучком и вторичными .частицами, что затрудняет диагностику непроводящих ма- териалов; необходимость создания специальных попей в области анализируемого образца, что препятствует использованию этих способов в технологических процессах.

От указанных недостатков свободен способ ионно-фотонной спектроскопии (ИФС), который является прототипом предлагаемого изобретения, ИФС-анализ основывается на измерении параметров оптического излучения, испускаемого возбужденными распыленными атомами, иона- ми и молекулами (измеряют спектр свечения, интенсивности спектральных линий и полос, зависимость интенсивностей от времени бомбардировки, ориентации ми- - шени и др.). С помощью этих параметров находят характеристики общего потока распыленных частиц. Затем, как и в способе ВИМС, по найденным характеристикам об- щего потока определяют свойства анализируемого образца.

Возможность использования в ИФС эмиссии возбужденных нейтралей позволяет практически исключить влияние зарядки по- верхности на результаты анализа. Дистанционность отбора информации и отсутствие необходимости создания специальных полей в области анализируемого образца обеспечивают относительную простоту внедрения ИФС в технологические процессы.

ИФС имеет определенные недостатки. Один из них - весьма низкая (такая же, как у ВИМС) л.окальность анализа по глубине

0

5

0

5 0

5 0 5

при установившемся взаимодействии ионного пучка с поверхностью. Действительно, ИФС-, как и ВИМС-анализ, проводят на основании найденных характеристик общего потока распыленных частиц, который отражает элементарный состав поверхностного объема материала толщиной порядка 10 нм. Элементный состав нескольких первых монослоев поверхности может резко отличаться от объемного состава. Другой существенный недостаток ИФС - значительно более низкая чем у ВИМС и ИРС предельная концентрационная чувствительность к неметаллам и тяжелым металлам.

Цель изобретения - повышение информативности дистанционного оптического анализа материалов к состоянию поверхности и увеличение предельной концентраци онной чувствительности к неметаллам и тяжелым металлам.

Цель изобретения - повышение информативности дистанционного оптического анализа материалов к состоянию поверхности и увеличение предельной концентрационной чувствительности к неметаллам и тяжелым металлам.

Поставленная цель достигается тем, что диагностику поверхности проводят по оптическому излучению, испускаемому возбужденными рассеянными атомами или ионами при бомбардировке анализируемого образца ионами средних (килоэлектроновольт- ных) энергий. Пучок бомбардирующих ионов направляют перпендикулярно плоскости мишени, а в противоположном направлении - вдоль нормали OZ к поверхности образца - измеряют доплеров- ский контур lij( Я) какой-либо выбранной спектральной линии рассеянных частиц (индекс I обозначает верхний, a j - нижний уровень соответствующего радиационного перехода). С помощью lij( Я) находят функцию распределения fi(Vz) возбужденных в i-oe состояние рассеянных частиц по проекциям V2 их скоростей на нормаль OZ к поверхности. При этом используют следующее известное соотношение

fi(Vz)l,,a(Vz)), (VZ) Ao(1-Vz/C),

(2а) (26)

где Яо - длина волны излучения, испускаемого на переходе l-j неподвижной частицей, с - скорость света. Функцию fi(Vz) непосредственно используют для получения аналитической информации о поверхности. Здесь необходимо отметить следующее. В случае m М

fi(V)-fi(1)(Vz) + (Vi).

(3)

где fi VZ) и li (Vz) - функции распределения соответственно однократно и много- кратно рассеянных частиц. Многократно рассеянные частицы проходят в веществе достаточно большой путь и взаимодействуют с разными атомами мишени. Поэтому fi (Vz) не имеет каких-либо ярких особен- ностей, и из нее трудно извлечь полезную информацию. Информацию о поверхности дает распределение fr (Vz). Действительно, при однократном квазиупругом рассеянии первичный ион взаимодействует только с одним атомом мишени, расположенным либо на поверхности, либо вблизи нее, на расстоянии 1-2 постоянной решетки (отражение от более глубоких атомных слоев ведет к заметным потерям энергии рассеиваемой ча- стицы на электронное торможение и на дополнительные атомные столкновения, вероятность которых быстро возрастает с увеличением глубины проникновения первичного иона в вещество). Функция f/1 (Vz) имеет характерные особенности - вертикальные изломы при скоростях

Vz

M V°F

(4)

где Vo - скорость первичного иона. Величина Vzmax(M) есть максимальное значение нормальной составляющей скорости частиц, однократно и квазиупруго рассеянных на поверхностных атомах с массой М. Характерные особенности распределения fr (V2) проявляются и у функции fi(Vz), поскольку в указанных экспериментальных условиях (т. е. при бомбардировке мишени вдоль к нормали к поверхности ионами средних энергий) достигается максимум вклада од- некратно рассеянных частиц в общий поток отраженных от поверхности атомов и ионов. Более того, для возбужденных частиц fi(1) (Vz) fr€ (Vz) при значениях Vz Vzmax (M). Вертикальные изломы функций fj(Vz) содержат ту же аналитическую информацию, что и пики в распределе- ниях fe°y(E) способа ИРС. Поэтому предлагаемый способ по аналитическим возможностям близок к своему аналогу и может использоваться для решения широкого круга диагностических задач. В частности, по положению изломов функции fi(Vz) можно определить спектр масс поверхностных атомов вещества, а по высоте изломов - концентрации этих частиц. Следует отметить, что функции распределения по другим, отличным от Vz составляющим скорости так510 15 0 5

0

5 0 5 0 5

же имеют изломы, однакЬ эти особенности наиболее выражены именно у fi(V2). поскольку вероятность возбуждения атомов и ионов зависит главным образом только от одной составляющей скорости - Vz и быстро возрастает с ее увеличением.

Заявляемое решение отличается от аналога тем, что позволяет проводить диагностику поверхности по оптическому излучению, испускаемому возбужденными рассеянными атомами и ионами. Этим обеспечиваются такие важные преимущества предлагаемого способа, как дистанцион- ность анализа и уменьшение ошибки измерений при зарядке поверхности.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что в предлагаемом способе в отлично от ИФС измеряют параметры потока возбужденных рассеянных частиц. Это дает возможность проводить диагностику первых монослоев поверхности, т. е. увеличивает локальность анализа по глубине. Предлагаемый способ накладывает единственное ограничение на выбор бомбардирующих ионов: m не должно превышать наименьшую из масс поверхностных атомов, представляющих интерес для анализа (в противном случае не будет однократного отражения). Используя в качестве бомбардирующих ионов, например, положительные однозарядные ионы щелочных металлов, которые эффективно рассеиваются в виде возбужденных атомов и ионов, легко достичь более высокой, чем у прототипа, предельной концентрационной чувствительности к неметаллам и тяжелым металлам.

Чертеж устройства, реализующего предлагаемый оптический способ диагностики поверхности, изображен на фиг, 1. Устройство состоит из вакуумной камеры 1, ионного источника 2, блока питания ионного источника 3, держателя с мишенью 4. зеркала 5 с отверстием для ионного пучка, линзы 6, монохроматора 7, линзы 8, сканирующего интерферометра Фабри-Перо 9, линзы 10, диафрагмы 11, фотоэлектронного умножителя 12, лампы с полым катодом 13, съемного зеркала 14. Оптическое излучение, испускаемое вдопь нормали 02 к поверхности мишени рассеянными возбужденными частицами, через зеркало 5, окно вакуумной камеры и фокусирующую линзу 6 попадает во входную щель монохроматора 7. Выделенное монохроматором излучение в спектральном интервале исследуемой линии с помощью линзы 8 формируется в параллельный пучок лучей и фильтруется интерферометром Фабри-Перо 9. Излучение, прошедшее через интерферометр, фокусируется линзой 10 на плоскость диафрагмы 11. Интенсивность AJIJ центральной части интерференционной картины, приходящейся на отверстие диафрагмы, измеряется с помощью фотоэлектронного умножителя 12. Сканируя длину волны, соответствующую центру интерференционной картины, измеряют контур линии AJij(A). Кроме того, находят аппаратную функцию интерферометра э(А). Ее получают как измеренный контур линии для лампы с полым катодом 13. Излучение лампы направляют в оптическую систему зеркалом 14. Истинный доплеровский контур линии hj(A), связанный соотношениями (2а), (26) с искомым распределением fi(Vz), восстанавливают из измеренного контура AJij(A) путем решения известной редукционной задачи Релея:

т/2,

AJi/A) /а(А - A1) l,j(A1) cU1 (5)

-Т/2

где Т - свободный спектральный интервал интерферометра.

Для апробации, данного способа были найдены распределения fi(Vz) возбужденных ионов К+, рассеянных на молибдене. Мишень из монокристаллического Мо(ЮО) облучалась вдоль нормали к поверхности пучком ионов К4 при давлении остаточных газов Q вакуумной камере 5 10 Торр. Энергию Ео первичных ионов варьировали в диапазоне 4-9 кэВ, плотность тока была 0,1-0,4 гпА/см2. Исследовались контуры линии К11 418,6 им. На фиг. 2 в качестве примера приведен контур AJ,j (А), измеренный при Ео 9 кзВ (кривая 1) и аппаратная функция интерферометра (кривая 2). Как видно из рисунка, аппаратная функция значительно уже измеренного контура. Поэтому кривая AJij( А) правильно передает качественный вид истинного доплеровского контура A hj( А), а значит и функции ||(VZ) Следует лишь отметить, что AJij(A), в отличии от IM( А ), содержит в области А АО ступеньку, которая обусловлена излучением, отраженным от поверхности мишени, Функции Ajjj( А) имеют одинаковый характерный вид при различных энергиях Е0: в области А АО они плавно возрастают, выходят на плато и затем круто спадают. Из(5), (2) были найдены распределения fi(Vz). Оказалось, что для всех Е0 наблюдаемый крутой спад функций AJij(A) отвечает еще более быстрому (вертикальному) спаду распределений f,(Vz) от максимального значения при V2 Vzmax (M) до нуля, где М в точности соответствует массе атома молибдена. В

случае m М основной вклад в общий поток возбужденных рассеянных атомов и ионов вносят однократно рассеянные частицы. Причем в случае бомбардировки неметаллов и тяжелых металлов ионами легко возбуждающихся элементов (например, ионами щелочных металлов) спектральные линии возбужденных рассеянных частиц значительно превосходят по интенсивности

линии распыленных атомов и ионов. Это свидетельствует о более высокой, чем у ИФС, концентрационной чувствительности предлагаемого способа к неметаллам и тяжелым металлам.

Эффективность изобретения определяется тем, что оно позволяет повысить информативность дистанционного оптического анализа материалов к состоянию поверхности и при этом дает возможность увеличить

концентрационную чувствительность к неметаллам и тяжелым металлам. Кроме того, предлагаемый способ легко реализуется на действующих установках для ионно-фо- тонной спектроскопии. Необходимо лишь

снабдить их (см. фиг. 1) зеркалом с отверстием для ионного пучка и интерферометром Фабри-Перо, что позволяет проводить с помощью этих приборов не только ИФС- анализ обьема материалов, но и диагностику поверхности с помощью предлагаемого способа.

Формула изобретения

Способ элементного анализа твердых тел, включающий бомбардировку в вакууме поверхности исследуемого материала ионами килоэлектронновольтных энергий, регистрацию оптического излучения возбужденных атомов или ионов, по характеристикам которого проводят анализ, отличающийся тем, что, с целью уменьшения толщины анализируемого слоя и снижения пределов обнаружения неметаллов и тяжелых металлов, бомбардировку производят перпендикулярно плоскости мишени ионами легко возбуждающихся элементов с атомной массой, меньшей чем атомные массы определяемых элементов, измеряют доплеровский контур спектральной линии излучения, испускаемого вдоль нормали к поверхности возбужденными рассеянными атомами или ионами, находят по доплеров- скому контуру соответствующую ему функцию распределения возбужденных частиц по проекциям vz их скоростей на нормаль к

мэкс

поверхности, определяют положения vz и высоты вертикальных изломов этой функции, затем рассчитывают массы М поверхностных атомов по формуле

М m

УО + v0 - v™

где m и v0 - соответственно масса и начальная скорость бомбардирующих ионов, а по высотам изломов рассчитывают содержания определяемых атомов.

Сущность изобретения: способ включает бомбардировку в вакууме перпендику- ля рно плоскости мишени ионами килоэлектронеольтных энергий легко возбуждающихся элементов с атомной массой меньшей, чем атомные массы определяемых элементов, поверхности исследуемого материала, измерение доплеровского контура спектральной линии излучения, испускаемого вдоль нормали к поверхности возбужденными рассеянными атомами или ионами, нахождение по доплеровскому контуру соответствующей ему функции распределения возбужденных частиц по проекциям vz их скоростей на нормаль к поверхности, определение положения угтах и высоты вертикальных изломов этой функции, расчет массы М поверхностных атомов по формуле М m Уо + у Vo - , где m и v0 масса и начальная скорость первичного иона, соответственно и расчет содержаний определяемых атомов по высотам изломов. 2 ил. у Ё

/

./

1 1

-lire

1г

12

16

0с/2./

1 а0-х),А