12.2.3. Ионная масс-спектроскопия.

Метод ионной масс-спектроскопии основан на бомбардировке поверхности пучком первичных ионов с последующим анализом выбитых ионов.

Различают несколько методик ионной масс-спектроскопии, которые основываются на исследовании эффектов, происходящих на пути ускорен-ного иона при его движении в твердом теле. К таким эффектам относятся индуцирование переходов между различными электронными подуровнями, возбуждение колебаний решетки, возбуждение коллективных колебаний электронного газа или плазмонных колебаний, изменение направления дви-жения в результате упругого взаимодействия с ионным остовом.

Одной из методик является методика спектроскопии обратного резерфордовского рассеяния. В результате ионной бомбардировки выбиваются атомы и молекулы, которые находятся либо в возбужденном состоянии, либо в виде отрицательных или положительных ионов.

Анализ вторичных ионов проводится в стандартном для этих методов энергоанализаторе путем измерения отношения массы к заряду.

Величина вторичного ионного потока зависит от энергии, массы и угла падения первичного пучка ионов, от плоскости ионного тока и химической природы бомбардируемого поля.

В методе ионной масс-спектроскопии существенную роль играет кинематический фактор (kθ, М₁/М₂) = E/E₀, где E — энергия отраженных ионов, Е₀ — энергия ионов зондирующего пучка, θ — угол отражения ионов по отношению к первоначальному направлению, M₁ — атомная масса зондирующего пучка, М₂ — атомная масса ионов мишени.

Заметим, что энергия бомбардирующих легких ионов находится в пределах от одного килоэлектрон-вольта до нескольких мегаэлектрон-вольт, что соответствует длине волны де Бройля 10^- 2 ÷ 10^- 4 нм. Такая длина волны меньше межатомного расстояния (0,2 ÷ 0,5нм), поэтому можно восполь-зоваться законами Ньютона для описания упругих соударений налетающих ионов с атомами мишени.

Из законов сохранения имеем

(12.2.4)

,

где θ — угол отклонения налетающего иона относительно первоначального движения,

φ — угол отклонения первоначально покоившегося атома M₂ относительно первоначального движения иона М₁.

После несложных преобразований имеем

, (12.2.5)

(12.2.6)

Энергоанализатор фиксирует энергию в соответствии с соотношения-ми (12.2.5), (12.2.6). В результате упругого взаимодействия падающего иона с атомами мишени происходит эмиссия ионов вещества. Максимальная энергия отражения от мишени определяется как

,

а минимальная энергия Е_min линейно зависит от толщины пластинки:

, (12.2.7)

где μ₀ = cos v₀, μ = cos v.

Таким образом, величина представляет cобой длину траекто-рии частицы, проходящей по прямолинейному участку в мишени, после чего частица отражается от атомов основания слоя и мишени, после чего покидает этот слой.

В соответствии с принятой моделью поведение ионов описывается следующим образом: ион движется в мишени прямолинейно, непрерывно теряет энергию пока не встретит на своей траектории атом мишени. В результате упругого взаимодействия нисходящая траектория иона переходит в восходящую траекторию. На упругое соударение тратится энергия в соответствии с приведенными уравнениями (12.2.5), (12.2.6).

Н а рис. 12.2.12 приведены энергетический спектр быстрых ионов Не⁺ с энергией Е₀ ≈ 2 МэВ, отраженных от двухслойной мишени Cu-Al.

Такая спектрограмма позволяет определить послойный профиль материала.

По значению Е находим k(θ, М_Не/М_х) = Е /Е₁ и определяем М_х. По табличному значению средних потерь энергии ε в материале М_х определяем толщину мишени

.

По значению пороговой энергии Е₂

(12.2.8)

находим кинематический фактор материала подложки.

Согласно предложенной методике, в соответствии с которой потери энергии иона гелия, отраженного от верхней границы подложки, складыва-ются из упругих потерь при отражении от подложки и неупругих потерь энергии в тонком слое, можно определить массу материала подложки М_x.

Таким образом, масс-спектроскопия вторично отраженных ионов позволяет распознать компонентный состав мишени, толщину слоев мишени.

Методика вторично-ионной масс-спектроскопии (ВИМС) предусмат-ривает бомбардировку поверхности пучком тяжелых первичных ионов с энергиями несколько кэВ. В английской транскрипции этот метод называется SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometri).

П ри этом из поверхности выбиваются либо атомы и молекулы в виде нейтральных частиц, находящихся в возбужденном состоянии, либо ионы. Ионы могут быть положительно или отрицательно заряженными, одно- или многозарядными. Они анализируются в масс-спектрометре. Метод ВИМС имеет высокую чувствительность, широкий динамический диапазон, пере-крывающий семь-восемь порядков величины по концентрации выбранных ионов. С помощью метода ВИМС можно определить концентрации присут-ствующих на исследуемой поверхности элементов.

Бомбардировка поверхности ионами приводит к постепенному удалению атомов с поверхности. Это является недостатком метода.

Одновременно травление поверхности является достоинством метода, потому что открывается возможность исследовать химический состав твердого тела по глубине.

Метод ВИМС позволяет исследовать молекулярные поверхности и молекулярные адсорбции. Метод полезен для изучения распределения эле-ментов вблизи границы двух сред. На рис. 12.2.13 показан результат анализа распределения германия в сверхрешетке между слоями кремния. Разрешение по глубине составляет порядка 5 нм. Все приборы метода ВИМС позволяют выполнять поверхностный и объемный анализ концентраций элементов.