7.2.1. Сканирующая вимс

В сканирующем режиме латеральное разрешение карты элементов определяется исключительно диаметром первичного пучка. Поэтому используются ионные пушки с жидким металлом, диаметр пучка которых можно уменьшить до 50 нм при токе пучка 1 нА. Диаметр пучка ионов кислорода ограничен значением 0.5 мкм для дуоплазмотронного источника. Для отображения электроположительных элементов с этим недостатком приходится мериться из-за эффекта химического усиления. Время счета для одного пикселя и число пикселей определяют время получения одного изображения. Для малых концентраций элементов время счета определяется статистикой Пуассона для малых целых значений вторичных ионов (рис. 3). Уменьшение времени измерения распределения элементов возможно за счет одновременного детектирования нескольких масс.

Рис. 3. Сканирующее изображение ВИМС структуры карбида быстрорежущей стали. В распределении V наблюдаются различные фазы (MC и M₂C). На распределении Al можно видеть оболочечное строение неметаллических примесей, действующих в качестве центров конденсации

7.2.2. Режим прямого отображения (микроскопия)

В данном режиме (рис. 4) все пиксели распределения элементов детектируются одновременно с помощью стигматической оптики вторичных электронов. Латеральное разрешение изображения не зависит от диаметра первичного пучка и определяется энергетическим распределением вторичных ионов. Энергетическое и угловое распределения приводят к хроматическим аберрациям первой электростатической линзы и эмиссионной линзы. Разрешение можно улучшить только за счет ограничения энергетического (или углового) приема анализатора, который по-существу уменьшается ограничением пропускания, и таким образом, детектирования. Явления хроматических аберраций ограничивает латеральное разрешение до ~ 1 мкм. Для основных компонентов до 0.5 мкм.

Рис. 4. Режим прямого изображения ВИМС пассивированного слоя сплава ниобия. Время измерения 10 с; диаметр изображения 150 мкм; первичные ионы – O₂⁺; энергия первичного пучка 5.5 кэВ.

На практике качество изображения также уменьшается использованием высокого разрешения по массам и энергетическим разбросом offset. Поэтому часто не удается получить интерференцию по массам. Определение распределения элементов возможно при использовании механизмов обработки изображения для классификации отображения различных масс.

Для детектирования вторичных ионов необходим детектор с латеральным разрешением. На первом шаге используется микроканальная пластина для усиления; вторичные электроны с выхода прибора ускоряются либо до флуоресцентного экрана, либо до резистивного анода. Если используется флуоресцентного экран, изображение принимается с помощью камеры на ПЗС и суммируется по кадрам с использования компьютера. Принципиальное преимущество такой системы – неограниченные интенсивности вторичных ионов, но в сравнении с дискретным обнаружением с помощью резистивного анода латеральное разрешение и линейность интенсивности не так высоки.

Преимущество режим прямого отображения заключается в быстром получении данных. Поскольку все пиксели проектируются и детектируются одновременно, время измерения чрезвычайно мало.

7.2.3. 3-хмерные изображения ВИМС

Трехмерный ВИМС, пример которого приведен на рис. 5, дальнейшая развитие ВИМС, объединяющее анализ по глубине и отображения. В методике отображения время исследования распределений отдельных ионов мало (от 1 до 5 с). Это дает возможность циклического получения отображений во время снятия нормального профиля по глубине. Возможны измерения больших и потому репрезентативных объемов (150 x 150 x 10 мкм³) в разумные сроки (1 ч).

В сканирующем режиме последовательное детектирование отдельных пикселей (картина элементов) и вокселей (объемных элементов) приводит к значительному увеличению времени исследования; на практике поэтому исследуются только малые объемы (10 x 10 x 1 мкм³).

Рис. 5. 3D ВИМС исследования распределения V в быстрорежущей стали. Размер 150x150x10 мкм³. Первичные ионы кислорода; энергия пучка 5.5 кэВ; интенсивность первичных ионов 2 мкА.

Рис. 6. Профили распределения по глубине примеси P в Si. Первичные ионы Cs⁺; энергия первичного пучка 14.5 кэВ.

Применения

Среди примеров применения динамического режима ВИМС остановимся только на получении профилей имплантации. Поскольку концентрации легирующих примесей очень низкие, часто необходим динамический диапазон более, чем 5 порядков величины. Измерение ³¹P намного более сложное, чем B из-за наложения массы ³⁰Si¹H. Необходимо высокое разрешение по массе m/m = 5000, или выходная энергия ~300 В.