Способ исследования объемного распределения примесей в твердых игольчатых образцах Советский патент 1980 года по МПК G01N27/62 B01D59/44 

Изобретение относится к методам послойного анализа твердых образцов, в частности, к установлению объемного распределения в них различного рода при месей. Известен способ исследования объемкого распределения примесей в твердых образцах при и.х послойном анализе, в основе которого лежит сканирование образцов искрой, приводящее к удалению тонкого слоя материала, и спектральный анализ этого материала . Однако этот способ имеет низкую чув ствительность и точность: минимальная .толшина удаления искрой и анализируемы слоев составляет 10 ООО А . Наиболее близким по технической су ности к предложенному является способ исследования объемного распределения примесей в твердых игольчатых образцах радиусом в пределах 1ОО 1ОООО А при послойном анализе, включающий испа рение в сильном электрическом поле с последующим анализом с помошью массспектрометра. Способ предполагает получение автоионного изображения поверхности игольчатого образца, визуальный выбор на нем характерного пятна особого контраста (например, повышенной яркости), совмещение этого пятна с зондовым отверстием в центре флуоресцирующего экрана, импульсное испарение соответствующего указанному пятну атома или комплекса и его масс-спектрометрический анализ по времени пролета. . Затем полем испаряется один поверхностный слой и процедура анализа повторяется 2. Однако подача испаряющего импульса приводит к срыву многих атомов поверхности, в то время как анешизируеТся только один из них. Способ обладает невысокой точностью и чувствительностью, так как заключение об объемном распределении примесей делается на основе качественного анализа контраста лвтоионных изображений и выборочного массспектрометрического анализа. 3 Цепь изобретения - повьиионие чувствительности и точности. Это достигается тем, что электрическое поле создают на образце путем подачи потенциала, на Ю - 40% превышающего потенциал испарения. Испарение образца проводят в непрерывном самозату.хающем режиме. Объемное расгфеделение примесей определяют по экспериментальной зависимости ионного тока во времени. Способ осуществляется следующим образом. Образец из исследуемого материала, представляющий собой иглу с радиусом кривизны на концеЮО - 10ООО %., располагается в пространстве ионного источника масс-спектрометра с магнитной фокусировкой. Указанные размерные пределы кривизны игольчатых образцов опре деляются необходимостью создания вбппзк их поверхности электрического поля напряженностью в несколько сот миллионов вольт на сантиметр, е также возможностями осуществления высоковольтной изоляции в ионных источниках серийных (npoivtbimленных) .масс-спектрометров. Затем на образец подаегся -потенциал У , на 10 - 40% превышающий потенциал испарения полем и {т.е. значение, соответствующее равенству нулю энергии активации испарения папем Q) . Для дан ной методике указанный потенциал ( У0 целесообразно выбирать большим, он лимитирован механическими свойствами исследуемого образца, что связано с развиваемыми в образце в сильном электрическом поле огромными растягивающими напряжениями. Значение U определяется из вырахсе ния;. ,, ,5-10-5и 6„рУ (1 где: УО -- в вольтах, радиус острия в см и предельная прочность обра ца (данные о ней для различных матери-а лов содержатся в оригинальных, статьях и некоторых обзорах) S в кг/мм. Начинается непрерывное уюпарение полем образца, при котором образец постепенно затупляется, что приводит к снижению напряженности поля у его поверхности и следовательно, к уменьшению скорости испарения. Последняя определяется из выражени (-QlKTo)(2 где: Л) - частотный dwKTop, k - пос544оянная Больцмана и TO - абсолютная температура образца, а энергия активации Q в поле приближенно равна: „ (3) 1 .П П где: Л - теплота сублимсщии, Slw сумма И -ых .потенциалов ионизации, ц - заряд испаряемых ионов и - заряд электрона, - средняя работа выхода поверхности образца. Если потенциал образца остается постоянным, то испарение автоматически заканчивается при конечном радиусе кривизны кончика образца Т ь соответствуютем F Р . На фиг. 1 представлена кривая спада ионного тока для чистого образца и на фиг. 2 для любого образца. Площ.адь под этой кривой точно соответствует полному количеству ионов SNy , испарен- ньрс за все время (to) KOH4viKa острия. Знание трех указанных величин (ТдЬоИ SN непосредственно из экспериментальной зависимости (фиг. 2) позволяет с помощью ЭВМ определить параметры в уравнении, описывающем эту кривую общий в-ид этого уравнения: (c-t),(4) где:О,1э,С- параметры (, ). Аналогичная зависимость имеет мес- то и для примесей, равномерно распределенных по объему образца. Если магнитное поле масс - анализатора настроено на массу анализируемой примеси, что регистрируемая на записывающем устройстве масс-спектроь1етра кривая (во время непрерывного самозатухающего образца полем) и будет отражать характер объемного распределения Б нем примесей). Имея для данного материала (чистой матрицы) эталонную экспе- риментальную кривую и, следовательно, ее аналитическое выражение и зависящее от материала параметры Q , to , С , на ЭВМ рассчитывают координаты подобной кривой для случая равномерного распределения примеси, используя в качестве исходных данных экспериментальные значения IQ для прим.еси. Далее, комбиниРУЯ уравнения (2), (3), (4), численным методом на ЭВА рассчитывают (с заданным временным шагом) значения радиусов острия, соответствующи.х тому или иному времени испарения. Полученные значения К прямо показывают глубину прон-икновения в образец. Шкалу Т наносят на экспериментальную за. висимость; теперь ордината, соответствующая любому выбранному расстоянию от исходной поверхности образца, прямо указывает на концентрацию примесей на этой глубине. Переработанные таким образом данные позволяют простроить графическую зависимость концентрации примесей в образце линейно по его глубине. Зависимость необходимо нормализовать на определенную из эксперимента величину SN для примесей. Использование предложенного способа позволяет повысить чувствительность анализа объемного распределения примесей как минимум на порядок по сравнению с известным, а его точность в 1О раз. Поло кительным эффектом является значительно большая по сравнению с другими известными способами производи тельность. Формула изобретения Способ исследования объемного распре деления примесей в твердых игольчатых 646 образцах радиусом в пределах 100 10 ООО А при послойном аначизе, в5С11Ючак щий испарение в сильном электрическом попе с последующим анализом с помощью , масс-спектрометра, отличающийс я тем, что, с цепью повышения чувствительности и точности, электрическое поле создают на образце путем подачи потенциала, на 10 - 40% превышающего потенциал испарения, испарение образца проводят в непрерывном самозатухшощем режиме, а объемное распределение примесей определяют по экспериментальной зависимости ионного тока во времени. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Боровский И. Б. и др. Локальные методы анализа материалов, М,, 1973, с. 47. 2.Патент США № 36О2710, кл. 25О-41.9, 1971.

П