приборах ВИМС, плотность тока на образец, как правило, не превышает 100

мА/см2 (в случае однозарядных ионов ток 1 mА соответствует потоку 6.2

1015 ион/с). В табл. 1 приводятся типичные значения параметров, входящих в

формулы (1) - (3).

Таблица 1.

Типичные значения параметров

в формулах (1)- (3) [1].

|(А( |10-5(10-1 |

|S |1(10 |

|(A |10-5(10-2 |

| DP |10-6(10-2 |

| |mA/cm2 |

|d |10-4(10-1 cm |

Самое важное значение в вопросе о возможностях ВИМС

как метода анализа поверхностей имеет взаимосвязь между

параметрами пучка первичных ионов, скоростью распыления

поверхности и порогом чувствительности для элементов. Из-за

отсутствия информации о такой взаимосвязи часто возникают

неправильные представления о возможностях метода. Соотношения

между током первичных ионов, диаметром и плотностью пучка,

скоростью распыления

поверхности и порогом чувствительности при типичных условиях иллюстрируются

графиком, представленным на фиг.5. Скорость удаления (число монослоев в

секунду) атомов мишени при заданной энергии ионов пропорциональна плотности

их тока DP, а порог чувствительности при регистрации методом ВИМС

(минимальное количество элемента, которое можно обнаружить в отсутствие

перекрывания пиков масс-спектра) обратно пропорционален полному току ионов

IP. Коэффициент пропорциональности между порогом чувствительности ВИМС и IP

определяется исходя из результатов измерений для ряда элементов в различных

матрицах путем приближенной оценки, основанной на экспериментальных

значениях для типичных пар элемент - матрица. При построении графика на

фиг.5 предполагалось, что площадь захвата анализатора, из которой вторичные

ионы отбираются в анализатор, не меньше сечения пучка первичных ионов.

Данное условие обычно выполняется в масс-спектрометрии, если диаметр

области, из которой поступают ионы, не превышает 1 мм.

[pic]

Фиг. Зависимость между током первичных ионов, диаметром и плотностью

первичного

пучка, скоростью удаления атомных слоев и порогом

чувствительности ВИМС[1].

Распыление ионным пучком - разрушающий процесс. Но если

требуется, чтобы поверхность оставалась практически без изменения, то

анализ методом ВИМС можно проводить при очень малых скоростях

распыления образца (менее 10-4 монослоя в секунду) . Чтобы при этом

обеспечить достаточную чувствительность метода ( (10-4 монослоя), как

видно из фиг.5, необходим первичный ионный пучок с током 10-10 А

диаметром 1 мм. При столь низкой плотности тока первичных ионов (

10-5 мА/см2) скорость поступления на поверхность образца атомов или

молекул остаточных газов может превысить скорость их распыления

первичным пучком. Поэтому измерения методом ВИМС в таких условиях

следует проводить в сверхвысоком или чистом (криогенном) вакууме.

Указанные приборные условия приемлемы не во всех случаях

анализа. Например, определение профиля концентрации примесей,

присутствующих в малых количествах в поверхностной пленке толщиной

свыше 5ОО А, удобно проводить при диаметре пучка, равном 100 мкм, и при

скорости распыления, превышающей 10-1 атомных слоев в секунду. Еще

более высокие плотности ионного тока требуются, чтобы обеспечить

статистически значимые количества вторичных ионов с единицы площади

поверхности, необходимые при исследовании распределения по поверхности

следов элементов при помощи ионного микрозонда или масс-спектрального

микроскопа. На основании сказанного и данных фиг.5 мы заключаем, что

невозможно обеспечить поверхностное разрешение в несколько микрометров

для примеси, содержание которой равно (10-4%, при скорости распыления

менее 10-3 атомных слоев в секунду. Это взаимно исключающие условия.

Методом ВИМС анализ поверхности можно проводить в двух разных

режимах: при малой и большой плотности тока, распыляющего образец. В режиме

малой плотности распыляющего тока изменяется состояние лишь малой части

поверхности, благодаря чему почти выполняется основное требование,

предъявляемое к методам анализа самой поверхности. В режиме же высоких

плотностей токов и соответствующих больших скоростей распыления проводится

измерение профилей распределения элементов по глубине, микроанализ и

определение следовых количеств элементов (<10-4%). В соответствии со всеми

этими вариантами создан ряд приборов ВИМС, в которых применяются разные

способы создания и фокусировки первичных ионных пучков и разные анализаторы

вторичных ионов.

Оборудование ВИМС.

Установка ВИМС состоит из четырех основных блоков: источника

первичных ионов и системы формирования пучка, держателя образца

и вытягивающей вторичные ионы линзы, масс-спектрометра для

анализа вторичных частиц по отношению массы к заряду (m/е) и

высокочувствительной системы регистрации ионов. Для получения

первичных ионов в большинстве установок используются газоразрядные

или плазменные источники. Совместно с соответствующей системой

формирования и транспортировки пучка эти источники обеспечивают

широкие пределы скорости распыления поверхности - от 10-5 до 103

А/с. Разделение вторичных частиц по m/е производится либо

магнитными, либо квадрупольными анализаторами. Наиболее широко

распространенным анализатором в установках ВИМС, очень

удобным при анализе состава образцов и обнаружении малых

количеств (следов) элементов в них, является магнитный спектрометр

с двойной фокусировкой (в котором осуществляется анализ по энергии

и по импульсу), что связано с его высокой чувствительностью к

относительному содержанию. Для таких многоступенчатых магнитных

спектрометров фоновый сигнал, возникающий из-за хвостов

основных пиков материала матрицы (рассеяние стенками, на атомах

газа и т.д.), может быть сведен к уровню менее 10-9 для общего

фона и всего 10-6 для масс, близких к основному пику. Все же в

отдельных конкретных случаях более практичным может оказаться

менее дорогой квадрупольный анализатор.

Принцип действия установок.

[pic]

Фиг.6. Схема обычного метода и метода прямого изображения при

масс- спектрометрическом анализе

вторичных ионов[1].

При масс-анализе вторичных ионов применяются два основных метода:

обычный масс-спектрометрический и метод прямого изображения. Они

схематически сопоставлены на фиг.6. При первом методе анализатор с хорошим

разрешением передает на высокочувствительный ионный детектор заметную часть

быстрых вторичных ионов, идущих с большой площади образца (( 1 мм2).

Выделенные по массе вторичные частицы собираются в точечный фокус на

входной щели детектора. В этом статическом случае получаемая информация

усредняется по поверхности образца и невозможно установить, из какой точки

(например области диаметром 1 мкм) поверхности приходят вторичные ионы. При

методе прямого изображения в фокальной плоскости анализатора создается

стигматическое ионное изображение поверхности и путем соответствующего

дифрагмирования (или преобразования изображения при помощи чувствительной

к электронам или ионам эмульсии) легко можно получить информацию о точках

выхода ионов с данными m/e с поверхности образца.

Все установки с прямым изображением основан на идее прибора Кастэна

и Слодзяна; все иные приборы представляют собой варианты обычной масс-

спектрометрической методики. Для получения вторично-ионного изображения

поверхности при обычном подходе необходимо проводить последовательный

анализ вторичных частиц при сканировании поверхности

мишени первичным ионным пучком малого диаметра. При этом для получения

изображения мишени на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) проще

электрически сканировать первичный пучок, нежели механически перемещать сам

образец. Электронный луч в ЭЛТ синхронизирован с первичным ионным пучком, и

усиленным сигналом вторично-ионного детектора модулируются интенсивность

электронного луча в ЭЛТ. Получаемое при таком методе увеличение изображения

равно отношению длины строки на экране ЭЛТ к расстоянию на поверхности

образца, пробегаемому первичным ионным пучком в процессе сканирования.

Все установки ВИМС позволяют осуществлять анализ поверхности и

распределения концентрации элемента по глубине. Они различаются в таких

важных отношениях, как порог чувствительности при детектировании,

разрешение по массам, плотности тока первичного пучка, вакуумные условия в

окрестности мишени, а также возможность проведения анализа распределения

элементов по поверхности, или топографического (x-y) анализа, путем

сканирования зондом или формирования изображения. К устройствам для

топографического анализа относят лишь те, которые позволяют получить

разрешение по поверхности не хуже 10 мкм. Все существующие установки ВИМС

можно разделить на три группы в соответствии с принципом их устройства и

пригодностью для микроанализа:

. не позволяющие осуществлять анализ распределения элементов по

поверхности;

. дающие сведения о распределении по поверхности с помощью сканирующего

ионного зонда;

. дающие сведения о распределении по поверхности методом прямого

изображения.

Установки, не обеспечивающие анализа распределения частиц по поверхности

Ряд вторично-ионных масс-спектрометров был сконструирован для решения

частных аналитических проблем или исследования различных закономерностей

вторичной ионной эмиссии.

Использованные на ранней стадии исследований этого явления

анализаторы с однократной фокусировкой (секторные магниты) имели весьма

ограниченное разрешение по массам и низкую чувствительность, что было

обусловлено большим разбросом начальных энергий вторичных ионов.

В настоящее время большое внимание уделяется

квадрупольным анализаторам, поскольку они, будучи просты и недороги,

позволяют получать сведения о поверхности и профиле концентрации

примеси почти во всех случаях, когда не требуется информации о

распределении по поверхности или очень малых количествах примеси.

Добиться снижения фона при работе с квадрупольным фильтром масс можно

за счет предварительной селекции вторичных ионов плоскопараллельным

электростатическим анализатором с малой диафрагмой, а также внеаксиального

расположения ионного детектора.

Установки, позволяющие получать сведения о распределении элемента по

поверхности, со сканирующим ионным зондом

Установки ВИМС, относящиеся к этой категории, обычно называют

ионными зондами. В этих установках первичный пучок анализируется по массам

и может быть сфокусирован в пятно диаметром от 2 и менее до 300 мкм. Масс-

спектрометр представляет собой устройство с двойной фокусировкой и хорошим

пропусканием частиц, позволяющее давать стигматическое изображение при

среднем разрешении по массам. Схема такого прибора приведена на фиг.7.

[pic]

Фиг.7. Схема ионного микрозонда[4].

Установки с прямым изображением

Первой установкой ВИМС, которая позволила получить изображение

объекта в лучах выделенных по m/е ионов и визуально наблюдать распределение

элемента по поверхности, был масс-спектральный микроскоп, его схема

представлена на фиг.8. Уникальная особенность масс-спектрального микроскопа

- возможность наблюдать за интенсивностью вторичных ионов со специально

выделенного микроучастка поверхности независимо от размеров и

местоположения первичного пучка, пока хотя бы часть его попадает на

интересующий нас участок поверхности. Эта возможность является ценной в

некоторых случаях анализа методом ВИМС распределения элементов по

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6