Вторичная ионная масс-спектроскопия

Метод вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС) основан на измерении характеристик вторичных ионов соответствующих атомов, входящих в состав материала объекта, бомбардируемого пучком первичных ионов с энергией от 1 до 30 кэВ. Метод ВИМС позволяет обнаруживать все химические элементы, включая водород и гелий (недоступные для обнаружения методом Оже-спектроскопии). Метод отличается высокой чувствительностью и разрешением. Порог чувствительности находится на уровне 10 -5 %, разрешение по площади примерно 1 мкм² , по глубине – около 5 нм. Это дает возможность использовать метод ВИМС для измерения профиля распределения примесных атомов по глубине полупроводниковой пластины, определять изотопный состав поверхностных атомов объекта и время жизни изотопов.

Суть метода заключается в следующем. Бомбардировка поверхности объекта ускоренными ионами стимулирует протекание ряда процессов, часть которых показана на рис. 4.3. Наряду с ионной имплантацией и распылением поверхностных атомов, вторичной электронной эмиссией, испусканием оптических фотонов и квантов рентгеновского диапазона, с поверхности могут испускаться вторичные ионы. Метод ВИМС использует детектирование и анализ именно вторичных ионов. Для этого необходимо разделить поток вторичных ионов по массам, что и позволяет идентифицировать испускаемые объектом вторичные ионы и, тем самым, определить элементный состав приповерхностного слоя. Кроме массы вторичных ионов для получения структурной информации об объекте в принципе может быть использована угловая зависимость выхода вторичных ионов. Такая зависимость обусловлена наличием в кристаллическом объекте направлений с малыми индексами Миллера, что может вызвать эффекты, подобные эффекту «каналирования» при ионной имплантации. Экспериментально такая зависимость была обнаружена довольно давно, но удовлетворительного теоретического объяснения, дающего основу методики химического анализа, пока не нашла.

Различают несколько механизмов вторичной ионной эмиссии – прямая (химическая) эмиссия и внутренняя кинетическая эмиссия. Прямая эмиссия имеет место, например, в ионных кристаллах хлоридов натрия и калия, оксидов металлов и т. д. Принцип относительно прост: бомбардировка поверхности вызывает эмиссию ионов, которые уже имеются в объекте, а электроны, которые могли бы нейтрализовать заряд вторичных ионов, не испускаются. В этом случае очень высок выход ионизации, который представляет собой отношение числа вторичных ионов к общему числу выбитых частиц (ионов и нейтральных атомов вместе взятых). Он может составлять десятки процентов. Например, для KCl он равен 93%, для Al₂ O₃ – примерно 50%.

В случае металлов и полупроводников прямая ионная эмиссия маловероятна. Для таких объектов предложен механизм, называемый внутренней кинетической эмиссией. Первичный ион приводит в движение атомы объекта, между которыми возможны неупругие соударения. В этом случае часть энергии переходит в кинетическую и будет способствовать выходу атомов из объекта, а другая часть может пойти на изменение электронной структуры атома. В частности, может быть выбит электрон с внешней или внутренней оболочек атома. Если электрон выбит из внешней оболочки, что соответствует переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости, то за счет процессов рекомбинации атом вновь становится электронейтральным. Причем рекомбинация происходит достаточно быстро и данный атом покидает поверхность объекта в нейтральном состоянии.

Если же электрон в атоме выбивается из внутренних оболочек, то ситуация несколько иная. В этом случае образовавшийся ион также нейтрализуется, но это происходит за счет присоединения к нему электрона из зоны проводимости к внешней оболочке. Атом становится нейтральным, но электронная структура его несколько деформирована. По истечении некоторого времени она должна принять обычную, присущую для данного атома, структуру, т. е. срелаксировать. Если время, за которое такой атом покидает поверхность, меньше времени релаксации, то в вакууме (вне поверхности) этот лишний электрон может оторваться от атома и последний превратится в положительно заряженный ион. Выход ионизации при таком механизме составляет от 0,1 до 1%.

Рис. 3. Процессы взаимодействия ионов с объектом

Рис. 4. Схема масс-спектрометра вторичных ионов

Для реализации метода ВИМС необходимо детектировать все испускаемые поверхностью ионы и провести их разделение по массам. Схема масс-спектрометра вторичных ионов представлена на рис. 4. Источник ионов 1 формирует первичный ионный пучок 2, который развертывается в растр по поверхности исследуемого объекта 3. Обычно применяются первичные пучки положительных ионов цезия, обеспечивающие высокий выход отрицательных ионов, и пучки ионов О²⁺ , обеспечивающие высокий выход положительных ионов. Поток вторичных ионов 4 разделяется по массе в устройстве типа магнитного сепаратора 5 и анализируется в масс-детекторе 6. Результаты анализа отображаются в виде силы тока вторичного ионного пучка в зависимости от массы ионов m или от отношения m/e (е – элементарный заряд). По положению пиков в спектре можно идентифицировать тип поверхностных атомов, а по их относительной интенсивности – определить концентрацию атомов в приповерхностном слое объекта.

Существуют две разновидности метода ВИМС: статический и динамический методы. В статическом методе используются очень низкие плотности тока первичного пучка ионов (10^-10…10^-9А/см² ), в результате скорость распыления поверхности объекта также очень низкая (порядка долей моноатомного слоя в час). В этом случае разрушения поверхности минимальны, и метод служит для изучения состава поверхности, а также адсорбции и химических реакций на поверхности. В динамическом методе плотности тока первичных ионов существенно выше (10^-5…10^-4 А/см² ) и скорость распыления велика (обычно несколько моноатомных слоев в секунду). Поэтому непрерывный анализ вторичных ионов дает возможность определять распределение по глубине одного или более элементов, присутствующих в объекте. Порог чувствительности различен для разных примесных атомов. Для фосфора он примерно равен 2·10¹⁵ см^-3, для мышьяка – 5·10¹⁴см^-3, для бора – 10¹³ см^-3.