Способ количественного анализа примеси в твердом теле Советский патент 1992 года по МПК H01J49/26 G01N23/225 

Изобретение относится к масс-спектро- метрии вторичных ионов и может быть использовано для количественного анализа примесей в твердых телах.

Известны способы количественного анализа методом масс-спектрометрии вторичных ионов с применением внешних стандартов. Обычно внешними стандартами служат образцы с известным содержанием примеси, качественно аналогичные по химическому составу исследуемым материалам, В предложении линейной зависимости интенсивности тока вторичных ионов (ВИ) от концентрации, определяют концентрацию примесного элемента в исследуемом образце по формуле

Сд- a IA

А ft ;

где СА, САЭ - соответственно концентрации элемента А в исследуемом и эталонном образце;

IA, АЭ - соответственно, токи ВИ элемента А, регистрируемые на исследуемом и эталонном образце.

Стандартные образцы обычно готовят либо путем химического растворения известного количества атомов определяемого элемента, либо введением в матрицу известного количества вещества путем ионного

х|

ГО

оэ

легирования. Изготовление таких эталонных образцов представляет довольно слож- и трудоемкую задачу, особенно, если необходимо иметь большой набор комбинаций примесь-матрица в широком диапазоне концентраций, вследствие чего способ количественного анализа с использованием внешнего стандарта имеет ограниченную применимость. Кроме использовании внешних стандартов могут возникать значительные погрешности в определении искомых концентраций за счет матричных, структурно-фазовых и аппаратурных факторов.

Более перспективными являются методы, основанные на использовании внутренних стандартов, когда эталон создается непосредственно в самом исследуемом образце.

Известен способ, в котором экстракт, полученный в результате совместного химического растворения известного количества исследуемого образца и одного из изотопов определяемого элемента, подвергается масс-спектрометрическому анализу. Сравнивая отношение токов ВИ изотопов анализируемого элемента (концентрация одного из которых увеличена за счет дополнительного растворения известного количества изотопа) с их природной распространенностью, определяют искомую концентрацию.

Недостатком этого способа является высокая трудоемкость и ограниченность применения, связанная с растворением конкретного материала образца и примесного элемента. Способ оказывается экономически невыгодным из-за высокой стоимости получения разделенных изотопов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ количественного анализа, в котором в твердое тело первоначально вводят известное количество D атомов определяемого элемента ионно-лучевым легированием. Распыляя затем имплантированный образец пучком ионов благородного газа и масс-спектриче- ски анализируя выбиваемые при этом ВИ, определяют суммарный поток NBH ВИ определяемого элемента, образовавшихся за время t распыления от всех внедренных атомов, и поток ВИ Nnp от примесных атомов, при этом искомую концентрацию п каждой из примесей определяют по формуле:

п

Nnp D М t

AH-NBH где М - атомный вес основного мента исследуемого образца;

АР - потеря веса образца за время распыления.

Однако и этот способ не лишен существенных недостатков. Необходимость предверительного ионного легирования исследуемых образцов требует наличия сложного и дорогостоящего оборудования для ионной имплантации. Значительные погрешности при определении концентрации

возникают из-за низкой точности измерения величины АР. В основе данного способа лежит предположение о существовании линейной зависимости величины тока ВИ от концентрации. Однако, при ионном легировании эта зависимость может нарушаться за счет возникающих концентрационных и структурно-фазовых изменений матрицы, которые влияют на выход ВИ, в результате чего точность анализа заметно ухудшается.

Существенным недостатком является также многоступенчатость и длительность процесса измерения, связанного с наличием операций легирования и анализа объекта,

Целью изобретения является упрощение, сокращение времени и повышение точности анализа.

Указанная цель достигается тем, что в известном масс-спектрометрическом способе анализа, заключающемся в ионно-лу- чевом легировании твердого тела известным количеством определяемого элемента, распылении ионно-легированного слоя пучком первичных ионов и определении концентрации примеси по токам ВИ от внедренного и исходного примесного элемента, ионно-лучевое легирование и распыление поверхности твердого тела производят одновременно одним и тем же

пучком первичных ионов одного из изотопов определяемого элемента с регистрацией зависимостей токов ВИ легирующего и любого другого изотопа анализируемого элемента от времени распыления, а искомую концентрацию примеси определяют по формуле

50

P.,- jT-erfc()

См 2 е (ЗДО А Кр + tip) (г аМу - а„х)

где j - плотность тока первичных ионов изотопа определяемого элемента М;

т- время распыления твердого тела до момента стабилизации вторичных ионных токов изотопов элемента М;

г - отношение стабильных значений вторичных ионных токов изотопов Мх и My в момент времени t

амх, эму - природная распространенность, соответственно, изотопов Мх и My элемента М;

Rp, ARP - средний проецированный пробег первичных ионов изотопа Мх+ и их страгглинг,. соответственно;

е - заряд электрона.

Физическое обоснование предлагаемб- го способа заключается в следующем. При ионной бомбардировке твердого тела пуч- ком ионов иозтопа Мх+ его концентрация в приповерхностном слое в любой момент времени бомбардировки t определяется следующим образом

Смх (t) L erf (g) + erf (fl,

(D

где V - скорость распыления твердого тела ионами изотопа Мх+.

В результате процессов ионного внедрения и распыления концентрация изотопа Мх в приповерхностном слое будет монотонно увеличиваться со временем бомбардировки. Согласно (1) увеличение концентрации будет происходить до тех

Т г

пор, пока erf ( АР р) не достигнет своего

максимального значения. Известно, что erf(x)1 при . Поэтому, через время t т, когда будет распылен слой, толщина которого равна (3 Rp), концентрация изо- топй Мх на поверхности достигнет насыщения. Экспериментально это время т соответствует моменту, когда достигается стабильное значение вторичного ионного тока изотопа 1мх+ или, соответственно, стабилизируется величина отношения ионных токов двух изотопов 1мх+/1му+ (см.чертеж).

Тогда V:

+ RF

(t 2e(3tfARp+Rp) (2)

Если исходная концентрация примеси в твердом теле равна См, а исходная концентрация изотопа Мх составляет соответст- венно См. то в состоянии динамического равновесия процессов ионного внедрения и распыления полная концентрация изотопа Мх в поверхностном слое с учетом его дополнительного внедрения ионным легиро- ванием до насыщения будет превосходить исходную концентрацию Мх в W раз

W вм Змх + С MX См Эмх

5

10

15

20

25

30

35

40

45

°0

откуда См

Смх

aMx(W-1)(4)

С другой стороны, в соответствии насыщения отношение полной концентрации изотопа Мх на поверхности к его исходной концентрации можно определить через отношение стабильных значений вторичных ионных токов двух изотопов и их природных распространенностей:

rbtvr Mx

W

S.-F va

Л

My

My

(5)

Представляя (2) и (5) в (4) получаем окончательно

г -jr-erfcC-Rp/ ARp). .

См-2e(3i 2 ARp+Rp) -(г -аму-амх))

гдег мхч /1му+.

Сравнение заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что ионное легирование для введения известного количества вещества и распыление поверхности для проведения анализа здесь осуществляется одновременно одним и тем же пучком ионов какого-либо изотопа определяемого элемента, В заявляемом способе одновременно измеряются вторичные ионные токи двух изотопов определяемого элемента - внедряемого изотопа и какого-либо другого. То, что в данном способе используется отношение токов ВИ этих двух изотопов и их природных распространенностей для определения концентрации примеси, позволяет, в отличие от других известных способов, избежать влияния матричных и структурно-фазовых эффектов, возникающих при легировании, на результаты анализа,

На чертеже представлена зависимость отношения вторичных ионных токов MX Лму двух изотопов анализируемого элемента М от времени бомбардировки твердого тела первичными ионами изотопа Мх

Способ осуществляется следующим образом.

Берут образец железа с малой примесью бора, концентрацию которого необходимо определить. Для измерений используется масс-спектрометр ВИ. оборудованный ионным источником, позволяющим генерировать ионы бора, и мзсс-сепаратором первичного пучка. Для повышения послойного разрешения прибора и, соответственно, точности анализа применяют систему электронного диафрагмирования вторичного пучка В качестве источника первичных ионов использугот жидко-металлический источник с сплавным эмиттером, позвопяющий генерировать ионные пучки самых различных элементов с достаточно высокой плотностью.

Образец железа распыляют пучком ионов 10вч с плотностью тока 0,1 мА см и энергией 10 кэВ, падающим по нормали к поверхности образца, С момента начала бомбардировки образца первичным пучком ионов производят регистрацию зависимости тока ВИ (например, положительных) двух изотопов бора - 0в+ и 11nf от прсмвни распыления, Измерениетоков ВИ выполняют либо одновременно, если аппаратура соответствующим образом автоматизирована .либо последовательно в двух точках , Из полученной зависимости определяют время т, которое проходит до момента стабилизации величины отношений . Это время составляет т 45 с, а отношение /1цв+ 8 при ,т. Величины Rp и ДНр с достаточной степенью точности вычисляют аналитическим путем, либо по таблицам. Для данных экспериментальных условий находим , что ,4 см, a AR 9.8 1СГ7см. Подставляя эти значения в формулу (6) находим искомую концентрацию бора:

«rtc С - 13 IQ-VvT 08 ) с ом ,0Kfr-3j

2 I (3 -JT 8 + 134 ) (8 08-02)

Так как атомарная концентрация железа N 8,5.1022 см то концентрация атомов бора в исследуемом образце будет составлять 0,8 ат.%.

По сравнению с проютчпом использование предлагаемого способа количественного анализа примесей в твердом теле обеспечивает следующие преимущества.

В известном способе проведение количественного анализа вкпючает операции взвешивания образца (дважды), ионного легирования и собственно масс-гпсктромет- рического анализа, В результате последовательного выполнения этих операций с учетом времени вакуумирования и выведения на режим ионных источников двух установок - ионного имплантатора и масс- спектрометра ВИ после загрузки образца полное время одного анализа в этом способе составляет около 2,8 часа. В предлагаемом способе имеется только одна операция - масс-спектрометрического анализа, требующая (также с учетом времени вакуумирования) около 1 ч. Таким образом, в связи с тем, что отпадает необходимость в специальном приготовлении эталона путем легирования в отдельной установке, время анализа по сравнению с прототипом уменьшается как минимум вдвое, то есть существенно повышается производительность и экспрессность анализа. Процесс анализа упрощается, становится одноступенчатым. В прототипе основная погрешность возпикает при измерении чрезвычайно малой величины - потери веса образца за счет распыления при анализе, и эта ошибка составляет как минимум 100%. Концентрационные, матричные и структурные эффекты

0 при анализе ионно-легированного слоя дают погрешность в определении суммарного потока вторичных ионов анализируемого элемента до 50%. Если другие оставшиеся величины измеряются с погрешностью 105 20%, то суммарная ошибка в определении концентрации примеси в прототипе составит 110-120%.

В предлагаемом способе концентрационные, матричные и структурные эффекты

0 не будут оказывать влияния на результаты анализа, благодаря использованию отношения ионных токов двух изотопов одного элемента, Точность измерения концентрации примеси будет определяться главным обра5 зом погрешностями измерения времени стабилизации ионных токов и величины среднего проецированного пробега. Е1ремя стабилизации определяется с погрешностью 20-25%, а средний проецированный

0 пробег - 15-20%. Результирующая ошибка р определении концентрации примеси составит 25-32%, что обеспечивает повышение точности анализа по сравнению с прототипом почти в 4 раза.

5 Существенно возрастает экономическая эффективность анализа, так как отпадает необходимость в использовании весьма дорогостоящего оборудования для ионного легирования,

0 Формула изобретения

Способ количественного анализа примеси в твердом теле с помощью масс-спек- трометрии вторичных ионов, включающий ионно-лучевое легирование твердого тела

5 известным количеством определяемого элемента, распыление ионно-легированного слоя пучком первичных ионов и определение концентрации примеси по токам вторичных ионов от внедренного и исходного

0 примесного элемента, отличающийся тем, что, с целью упрощения, сокращения времени и повышения точности анализа, ионно-лучевое легирование и распыление поверхности твердого тела производят од5 новременно одним и тем же пучком первичных ионов одного из изотопов определямого элемента с регистрацией зависимости токов вторичных ионов легирующего и любого другого изотопа анализируемого элемента от времени распыления, а искомую концентрацию примеси определяют из соотношения

См

м

T erfc(-Rp//21ARp) 2 e(3f2 ARp + Rp) (Г аму - амх)

где erfc(-Rp/ / ARp.)

дополнительный интеграл ошибки;

J - плотность тока первичных ионов изотопа Мх+ определяемого элемента М. А/м ;

10

т- время распыления твердого тела до момента стабилизации вторичных ионных токов изотопов определяемого элемента М, с;

г « мх+Лму+ - отношение стабильных значений вторичных ионных токов изотопов Мх и My в момент времени г; .

амх, аму природная распространенность изотопов MX и My элемента М;

Rp, ARP - средний проецированный пробег первичных ионов Мх+ и их среднеквадратичный разброс пробегов соответственно, м

е - заряд электрона, К.

Использование: относится к масс-спек- трометрии вторичных ионов и может быть использовано для количественного анализа примесей в твердых телах. Сущность изобретения: в масс-спектрометрическом спо собе анализа, заключающемся в ионно-лучевом легировании твердого тела известным количеством определяемого элемента, распылении ионно-легированного слоя пучком первичных ионов и определении концентрации примеси по токам ВИ от внедренного и исходного примесного элемента, ионно-лучевое легирование и распыление поверхности твердого тела производят одновременно одним и тем же пучком первичных ионов одного из изотопов определяемого элемента с регистрацией зависимостей токов ВИ легирующего и любого другого изотопа анализируемого элемента от времени распыления, искомую концентрацию примеси определяют по формуле установленной зависимости. 1 ил. сл с

U/fc

If