2014_velichko

Для анализа кристаллической структуры и элементного состава поверхности, распределения примесей по глубине кристаллов широко используются методы ионной спектрометрии. В настоящей главе будут рассмотрены следующие методы: обратное резерфордовское рассеяние, вторичная ионная масс-спектрометрия и каналирование ионов.

Указанные методы исследования описаны во многих учебниках [1–10], учебно-методических пособиях, рефератах, интернет-изданиях. Однако, на наш взгляд, наиболее полное, квалифицированное и профессиональное описание взаимодействия ионных пучков с поверхностью твердых тел дано в монографии Л. Фелдмана и Д. Майера «Основы анализа поверхности и тонких пленок»: пер. с английского / под ред. В.В. Белошицкого. – М.: Мир, 1989 [1].

Во-первых, эта книга предназначена для специалистов, научных работников и аспирантов и достаточно сложна для восприятия студентами.

Во-вторых, изданная в 1989 г., она уже стала библиографической редкостью. В этом издании основное внимание уделялось именно описанию физических процессов, и принципам создания экспериментальных установок. Конкретные конструкции практически не рассматриваются в связи с очень быстрым развитием и изменением экспериментальной техники в этой области.

Физические основы метода резерфордовского обратного рассеяния ионов

Ядерно-физический метод исследования твердых тел, так называемый метод обратного резерфордовского рассеяния, основан на применении физического явления – упругого рассеяния ускоренных частиц на большие углы при их взаимодействии с атомами вещества. Этот метод достаточно давно применяется в ядерной физике для определения состава мишеней с помощью анализа энергетических спектров обратнорассеянных частиц. Аналитические возможности резерфордовского рассеяния легких частиц широко используются в различных областях физики и техники, начиная от электронной промышленности и заканчивая исследованиями структурных фазовых переходов в высокотем-

пературных соединениях.

На рис. 2.1 показана упрощенная схема установки резерфордовского обратного рассеяния (РОР).

51

Падающий пучок ионов с массой М1 и энергией Е0 сталкивается с

атомом мишени массой М2 и рассеивается под углом θ с энергией Е1

(рис. 2.2). Кинетическая энергия, которую приобретает атом мишени Е2 , а – направление его импульса [1].

Основы метода резерфордовского обратного рассеяния (РОР) лежат в использовании законов сохранения энергии и импульса:

Решением этой системы уравнений будет

где Е0 – кинетическая энергия легкой частицы (М1 < М2 ) , налетающей на мишень, а Е1 – энергия рассеянной частицы, попадающей на

детектор. Выражение в скобках называется кинематическим фактором K, определяющим долю энергии, переданной ионом атомам твердого тела. Величина K определяет также разрешение по массе: чем больше K, тем больше разрешение. Разрешение по массе обусловлено также углом рассеяния. Действительно при обратном рассеянии на угол

θ = 180 выражение (2.2) примет вид

а при рассеянии на угол θ = 90 (2.2) переходит в

53

Из сравнения (2.3) и (2.4) видно, что максимальное разрешение по массе имеется в случае рассеяния на угол θ = 180 .

Значение энергии Е2 , которая передается атому мишени, также легко вычисляется:

При θ = 180 выражение (2.5) переходит в следующее:

В этом случае передаваемая атому мишени энергия максимальна. Отметим классический случай: если М1 М2 и θ = 180 , то энергия

налетающего атома полностью передается атому мишени.

Таким образом, из зависимости кинематического фактора K следует, что, во-первых, зная угол рассеяния и энергию рассеянных частиц, можно определить массу рассеивающих частиц, и во-вторых, для достижения хорошей чувствительности метода угол рассеяния должен быть достаточно большим, а масса налетающих частиц не слишком малой.

Как следует из (2.3), значение максимальной энергии рассеянных частиц будет определяться не только энергией пучка, но и массой атомов мишени. Поэтому если на поверхности мишени находятся атомы различных примесей, то в спектре рассеянных ионов появится система пиков. Энергия каждого пика будет соответствовать атомному весу примеси, его ширина – толщине слоя, в котором эта примесь распределена, а высота – концентрации примеси. Метод РОР обладает наибольшей чувствительностью в том случае, когда атомы примеси тяжелее атомов мишени и расположены вблизи поверхности исследуемого образца.

В качестве первичного пучка, как правило, используют ионы H+ или He+ в диапазоне энергий 0,5…2 МэВ. Пучок моноэнергетических

коллимированных легких ионов (Н , Не ) сталкивается с мишенью.

При этом измеряются число и энергия частиц, рассеявшихся на угол1 90 . Для этого применяют ускорители с соответствующими си-

стемами, позволяющими выполнить коллимацию и фокусировку пучка, а также разделение ионов по удельному заряду.

54

Для регистрации энергетического спектра рассеянных ионов необходим спектрометрический детектор. В методе POP обычно используются полупроводниковые кремниевые детекторы. Конструкция такого детектора представляет собой диод Шоттки, состоящий из объемного монокристалла кремния с золотой пленкой на его поверхности.

Детектор (рис. 2.3) состоит из кремниевого слитка 2 с золотой пленкой 3 на поверхности, помещенной в корпус 1, 4 – область генерации электрон-дырочных пар, которые возникают в зоне проводимости

6и валентной зоне 7.

Вдетекторе энергетический спектр преобразуется в амплитудный, который несет информацию об энергетическом спектре частиц [1, 2].

Рис. 2.3. Конструкция и зонная диаграмма кремниевого детектора ядерных частиц на барьере Шоттки [1]

Сигналы на выходе полупроводниковых детекторов имеют вид электрических импульсов, амплитуды которых пропорциональны

55

энергиям падающих частиц. Анализатор регистрирует импульсы с различными энергиями по различным каналам, нумерация которых находится в однозначном соответствии с энергией частиц.

Энергетическое разрешение используемых детекторов обычно составляет 10…20 кэВ и определяется флуктуациями генерационнорекомбинационных процессов в датчике. Спектрометрия РОР позволяет различать массы отдельных различных элементов и изотопов. На рис. 2.4 показан спектр РОР кремниевого образца с многослойным металлическим покрытием на поверхности [1].

Рис. 2.4. Cпектр РОР ионов 4He с энергией 2,5 Мэв, рассеиваемых на образце Si с покрытием из 63,65Cu, 107,109Ag, 197Au [1]

Как следует из уравнения (2.3), наибольшей энергией на спектре обладают частицы, рассеянные на самом тяжелом элементе 197Au (бо-

лее 2,3 МэВ). Затем наблюдается пик от Ag (2,15 МэВ) и, наконец, от 63,65Cu (1,85 МэВ). Важно отметить, что изотопы меди в данных усло-

виях эксперимента разрешаемы, поскольку разность положений пиков составляет 17 кэВ, в то время как для серебра эта разность энергий для изотопов 107 и 109 менее 6 кэВ и не разрешается на спектре. Поэтому на спектре наблюдается только один пик [1].

Таким образом, по спектрам РОР по энергетическому положению пиков можно установить наличие монослойных пленок различных металлов на поверхности кремния.

56

Задача определения относительной концентрации тех или иных атомов более сложная, поскольку в этом случае интенсивность пиков, приведенных на спектре, зависит не только от концентрации тех или иных поверхностных атомов, но и от эффективности рассеяния налетающих ионов. Действительно, количество рассеянных ионов, при-

шедших на регистратор N1 , будет зависеть от числа испускаемых ионов N0 , плотности рассеивающих атомов на поверхности NS и их сечения рассеяния σ:

N1 N0 NS .

Сечение рассеяния σ зависит от атомного номера атома мишени, атомного номера и энергии налетающей частицы, от угла рассеяния, прицельного расстояния.

Нахождение σ – классическая физическая задача, которую решил Резерфорд. Выражение для σ(θ) имеет вид

налетающей частицы, можно вычислить σ (180о). При этом пользуются условием, что кинетическая энергия Е переходит в потенциальную

энергию сближения двух заряженных частиц Е Z1Z2е2 d , где d –

расстояние максимального сближения.

Кроме приведенного примера существует еще много различных возможностей использовать спектрометрию обратного рассеяния для анализа состава и структуры приповерхностных слоев.

Рассеяние ионов низких энергий

Для прецизионного исследования тонких монослойных приповерхностных областей часто используют спектроскопию ионов низких энергий (1…10 кэВ). В настоящей работе рассмотрены методы, основанные на применении медленных ионов. Ионы высоких энергий (~МэВ) могут проникать в твердое тело на глубину примерно несколько микрон, ионы низких энергий рассеиваются почти полностью на поверхностном слое. Налетающие на мишень ионы низких энергий

57

падения и расстояния, можно получить сведения о структуре поверхности [1].

Распределение элементов по глубине

При анализе РОР считалось, что все рассеивающие атомы находятся на поверхности образца. В этом разделе будет показано, как с помощью обратного рассеяния можно определить распределение элементов по глубине образца. Не вдаваясь в детали расчетов, рассмотрим основные принципы определения пространственного распределения элементов.

При прохождении сквозь твердое тело легкие ионы высоких энергий испытывают потери энергии, которые пропорциональны пройденной толщине образца. Зная потери энергии и сечения взаимодействия, можно найти зависимость состава от глубины [1].

58

Высокоэнергетические легкие ионы внутри твердого тела преимущественно теряют энергию на возбуждение и ионизацию атомов – электронные потери энергии. Вероятность столкновения с ядрами существенно меньше из-за их малого размера. В нашу задачу не входит расчет энергетических потерь быстрых ионов на входе и выходе из мишени. Рассмотрим лишь основные этапы процесса.

Проникая в твердое тело, ионы гелия с энергией порядка мегавольт теряют энергию вдоль траектории движения со скоростью dE/dx. Потеря энергии не является постоянной величиной вдоль траектории. Более того, потери энергии при входе и при выходе из твердого тела различаются. Общая ширина спектра будет складываться из потерь энергии при входе и при выходе из кристалла:

Величину S называют коэффициентом энергетических потерь обратного рассеяния. Зная S, легко определить область рассеяния на данном типе атомов.

На рис. 2.6 показан спектр обратного рассеяния ионов 4Не с энергией 3 МэВ, падающих на Al пленку толщиной 400 нм, покрытую с двух сторон монослоями Au.

Рис. 2.6. Спектр РОР (θ = 170 ) ионов 4Не с энергией 3 МэВ

Ширина спектра Al, вычисленная по формуле (2.6), соответствует полученному значению Е

59

Таким образом, можно сделать вывод, что, учитывая потери энергии на неупругое рассеяние быстрых ионов в кристалле, можно найти пространственное распределение атомов вещества в образце.

Спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда (ОРР) основана на облучении поверхности образца пучком ионов с энергией от 1 до 3 МэВ (обычно используются ионы Не+) с регистрацией энергии и/или интенсивности углового распределения отраженных ионов. Диаметр пучка, как правило, составляет от 10 мкм до 1 мм.

Вследствие упругих соударений с атомами облучаемого вещества первичные ионы теряют энергию. Кинетический множитель K связывает энергию первичных ионов.

Рассеянные ионы регистрируются энергодисперсионным детектором на основе кремниевых р–n-переходов, и вырабатываемый детектором сигнал поступает в многоканальный анализатор. Поскольку значения K для каждого элемента периодической таблицы известны, можно определить химический состав поверхностного слоя образца посредством измерения энергии обратнорассеянных ионов.

Первичные ионы теряют энергию по мере углубления в образец и рассеяния. Ионы, рассеянные на глубине, прежде чем выйти из образца и поступить в детектор, должны пройти обратный путь в материале образца, что вызывает дополнительные потери энергии. Общая разность энергий ионов, рассеянных на поверхности образца и на некоторой глубине, зависит от эффективного сечения рассеяния ионов и атомной плотности вещества. Профиль распределения примеси по глубине получают, анализируя зависимость числа обратнорассеянных ионов от энергии рассеянных ионов.

ОРР – один из немногих методов химического анализа, позволяющий получать количественную информацию без применения эталонов. Энергетическое разрешение современных детекторов составляет 15 кэВ, что соответствует разрешению по глубине ~30 нм для кремния и 10 нм – для более тяжелых металлов. Чувствительность метода ограничивается неоднородностью ионного потока, разделением пиков спектра и током пучка. Чувствительность для фосфора крайне низка из-за близости пиков фосфора и кремния в спектре ОРР.

Вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС)

При бомбардировке поверхности вещества ионами с достаточно большой массой, которые называют первичными, с кинетической энергией несколько килоэлектронвольт происходит десорбция как

60