Масс-спектрометрический способОпРЕдЕлЕНия КОНцЕНТРАции МиКРОпРиМЕСЕйВ ТВЕРдыХ ОбРАзцАХ Советский патент 1981 года по МПК G01N27/62 H01J39/34 

Изобретение относится к способам анйлиза чистых материалов на примеси в частности к масс-спектроскопи.ческим способам измерения концентраций микропримесей твердых образцах. Известен масс-спектроскопический способ определения концентраций примесей в твердых образцах, заключающийся в том, что атомы элементов (в том числе и примесных), входящих в объемный состав исследуемого образца извлекают из него, превращают в положительные ионы и формируют в пучок. Затем этот пучок ионов с помощью различных ионно-оптических систем разделяют на компоненты по массам. Интенсивности отдельных компонент регистри руют и измеряют. Если при этом выполняется условие линейной зависимости интенсивности 3 каждой компоненты пучка от концентрации п соответствующего элемента в объемном составе образца, то сравнивая интенсивности 3 компонент пучка,- полученного из иссле дуемого образца, с интенсивностями Зе соответствующих компонент пучка, полученного из стандартного образца, находят неизвестное З 1ачение крнцентрации пу примеси из простого соотношениягде концентрация соответствующей примеси в стандартном образце. Следовательно, использование массспектроскопии для измерения концентраций примесей связано с необходимостью ксшибровки масс-спектроскопических приборов с помощью стандартных образцов с известным содержанием этих примесей, которое, в случае измерения микропримесей, должно быть на уровне от 10 % и- ниже 1. Однако изготовление таких образцов является делом исключительно сложным, и поэтому масс-спектроскопические способы долгое время имели ограниченную применимость в области анашиэа чистых материалов. Широкое применение масс-спектроскопии для этих целей связано с появлением способа изотопического разбавления, по которому в исследуемыйобразец предварительно вводят известное количество атомов определяемого элемента .21,. Однако способом изотопического разбавления сложно, а во многих случаях невозможно, анализировать моноизотопные элементы. Он во многих случаях оказывается экономически невыгодным из-за дороговизны разделенных изотопов определяемого элемента. При разбавлении исследуемого образца изотопами определяемого элемента и выделении этого элемента из раство ра требуется индивидуальный подход как к материалу образца, так и к анализируемому примесному элементу. Поэтому использование способа изотопического разбавления для анализа об разцов из различных материалов на со держание большого количества примесных элементов в них связано с чрезме но большим объемом химических работ, который во многих случаях превращает ся в труднейшую проблему. Цель изобретения - расширение ассортимента измеряемых веществ и упрощение процесса измерения. Указанная цель достигается тем, что в исследуемый образец вводят известное количество D атомов определяемого элемента ионно-лучевым легир ванием, затем,распыляя легированный образец пучком первичных ионов благородного газа, например аргона,и масс-спектроме.трически анализируя выбиваемые при этом вторичные положительные ионы, определяют суммарный поток Kg||, вторичных ионов определяемого элемента, образовавшихся за время t распыления от всех внедренных атомов, и поток вторичных ионов, образовавшихся от примесных атомов, и определяют иском Ю концентрацию п каждой из примесей по фор. где М - атомный вес основного элемента исследуемого образца; д р - потеря веса образца за время распыления. На чертеже показана зависимость величины потока вторичных ионов определяемого элемента от времени распыления. Физическое обоснование предлагаемого способа заключается в следующем При достаточно плотном пучке первичных ионов поток вторичных ионов примесного элемента, относительная концентрация этого элемента в исследуемом образце и поток Нд первичных ионов связаны соотношением Nnp cnNp (с - постоянная) (1). Если в некоторый объем S образца, исследуемого ионно-лучевым легир ванием, ввести определенное количест во D ионов того элемента, концентрацию которого необходимо .определить, то при последующем распылении этого объема плотным пучком ионов другого сорта (например ионами аргона) будет наблюдаться зависимость величины потока N вторичных ионов определяемого элемента от времени распыления t (фиг. 1). Если образец распыляется равномерно, т.е. скорость распыления Зх-. dtT А (А - число атомов в единице объема исследуемого образца, к - коэффициент его распыления), то толщина Н распь4ленного слоя и время t, ушедшее )на его распыление, связаны соотношеВ интервале (0 t ) (чертеж), в те-чение которого будет распыляться легированный объем образца, для потока N(t) вторичных ионов образующихся из внедренных атомов, справедливо соотнсвдениеN(t)cNon(t) (2), где n(t) - относительная концентрация атомов, внедренных в некоторый тонкий слой 5дн , на распыление которого уходит время д1. Если в этот слой внедрено д D атомов, и если площадь поверхности распыления и площащь основания легированного объема одна и та же, то р , р )AS4H - соответственно (2) перепишется в виде М(ъ) С), тогда суммарный поток N вторичных ионов определяемого элемента, образовавшихся за время t распыления от всех внедренных атомов запишется как NV-jN(t)dt-.D (4). Разделив (1) на (4) находим NjjKS JN(t)dt Так как где Пр - общее число распыленных атомов, равное отношению общего веса др распыленных атомов основного элемента к их атомному весу М, то окончательная рабочая формула для определения концентрации примесных атомов запишется как N O.H-t, MS UP IM ft) dt ipNg Таким образом, измерение концент1 ацин примесей предлагаемым способом включает в себя следующие операции: 1. В предвсцрительно взваиенный исследуемый образец ионно-лучевым легированием внедряют известное количест30 атомов определяемого элемента.

2.Распыляя легированный образец другого сорта и масс-спектрометрически анализируя выбивaei ie при этом вторичные положительные ионы, измеряют значение величины у N(f)dt, пропорциональное количеству внедренных атомов, и после распыления легированного слоя - значение величины Nj,p, пропорционсшьное количеству вторичных ионов, образовавшихся из примесных атомов. При этом фиксируют время tj ,. в течение которого образец подвергался распылению.

3.Исследуемый образец взвешивают вторично и определяют значение величины Кр.

4.Искомое значение величины п вычисляют по формуле (5).

Предлагаемый способ обладает рядом важных преимуществ, которые выгодно отличают его от известного:

1)способ не имеет ограничений, о позволяет анализировать примеси любых, в том числе и моноизотопных, элементов)

2)операция введения атомов примесного элемента способом изотопического разбавления требует индивидуального подхода к каждому отдельному случаю, в то время как эта же опера-т ция при ионно-лучевом легировании одинакова для всех элементов таблицы Менделеева, и поэтому она в общем экономичней и менее трудоемка;

3)операция введения атомов примесного элемента ионно-лучевым легированием делает предлагаемый способ дешевле известного еще и потому, что она исключает необходимость использования разделенных изотопов, получение которых для многих элементов связано с большими затратами;

4)способ не нуждается в химическом выделении примесного элемента из исследуемого образца, что исключает большой объем химических работ, который необходит при этой операции

в способе изотопического разбавления и который в отдельных случаях, из-за своей сложности, делает применение последнего нецелесообразным

5)способ дает возможность последовательно анализировать один и тот же образец на содержание любого количеЬтва элементов, не зависимо от наличияв нем любых других элементов

6) способ базируется на массспектрометрии вторичных ионов, которая в настоящее время находит самое широкое применение в области анализа чистых материалов.

Формула изобретения

Масс-спектрометрический способ определения концентраций микропримесей

0 в твердых образцах, включающий предварительное введение в исследуе|1«лй образец известного количества атомов определяемого элемента, отличающийся тем, что, с целью

5 расширения ассортимента измеряемых веществ и упрощения процесса измерения, известное количество определяемого элемента вводят в исследуеьый образец ионно-лучевым легирова0нием, затем, распыляя образец пучком первичных ионов, определяют сум-т марный поток вторичных ионов определяемого элемент-а, образовавшихся за время распыления от всех внутренних атомов, и поток вторичных ионов, об5разовавшихся от примесных атомов, и. определяют искомую концентрацию каждой из примесей по формуле

Nnp-D-M t

n-r

0

ip N

где M - атомный вес основного элемента исследуемого образца; потеря веса образца завре& P

5 мя распыления;

Nnp поток вторичных ионов, образовавшихся от примесных атомов;

N

суммарный поток вторичных

KH ионов определяемого элемен0та;

t - время распыления, . - известное количество атомов определяемого элемента, введенного ионно-луче-5вым легированием.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Рик Г.Р. Масс-спектрометрия.

0 М., 1953.

2.Jnghram M.G. J.Phys. Chem. 1953, p. 57, 8, 809 (прототип).

fi(t)cn{t)H,