Спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда
Метод обратного рассеяния Резерфорда (ОРР) является одним из самых высокочувствительных методов поэлементного анализа. Метод основан на облучении поверхности объекта остросфокусированным пучком ионов с энергией от 0,1 до 5 МэВ (обычно используются ионы гелия или водорода). Диаметр пучка, как правило, составляет от 10 мкм до 1 мм. В методе ОРР используется явление кулоновского рассеяния быстрых ионов ядрами исследуемого вещества на углы, превышающие 90° (отражение в обратном направлении). Зависимость энергии рассеянного иона от массы рассеивающего ядра обеспечивает принципиальную возможность элементного анализа вещества объекта-мишени.
Рассмотрим физические основы метода, которые были заложены Э. Резерфордом в 1911 году. Вследствие упругих соударений с атомами облучаемого вещества первичные ионы теряют энергию. Параметром, связывающим энергию первичных ионов Е0 с энергией обратно отраженных ионов E1, является кинематический фактор k, равный отношению Е1 /E0 . Если использовать законы сохранения энергии и импульса, то можно показать, что кинематический фактор равен
где М 1 и М 2 – массы иона и ядра атома мишени соответственно; θ – угол рассеяния ионов.
При угле θ равном 180°, т. е. при лобовом столкновении частиц, когда энергия, передающаяся от налетающего иона атому мишени, достигает максимального значения, выражение для кинематического фактора приобретает удобный для анализа вид:
Из полученных выражений можно сделать следующие выводы. Во-первых, величина k не может превышать единицу, поскольку налетающий ион может передать атому мишени лишь часть своей энергии.
Во-вторых, при определенном угле рассеяния θ значения кинематического фактора различны для рассеивающих ядер с разными массами, причем, чем меньше масса рассеивающего атома, тем меньше величина кинематического фактора. Это факт является фундаментом метода ОРР. В-третьих, чем ближе угол рассеяния θ к 180°, тем больше отличаются кинематические факторы для атомов с близкими массами.
На рис. 4.5 представлена зависимость кинематического фактора от массы атомов мишени для разных типов ионов, бомбардирующих объектмишень. Ее анализ позволяет сделать еще один вывод. Для повышения разрешающей способности метода следует использовать тяжелые ионы. Например, при использовании пучка ионов аргона может быть достигнута более высокая степень разделения по массам атомов мишени, чем при использовании ионов гелия.
Рис. 5. Зависимость кинематического фактора от массы
атомов мишени
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 путем измерения энергии обратно рассеянных ионов. Профиль распределения примесных атомов по глубине определяют из анализа зависимости числа обратно рассеянных ионов от их энергии.
Одним из наиболее важных практических применений метода ОРР является анализ химического состава и толщины пленок на поверхности образцов, а также исследование поверхностных слоев монолитных мишеней. Метод ОРР позволяет изучать как однокомпонентные пленки, так и пленки, состоящие из нескольких химических элементов. Чувствительность метода различна для разных элементов. Так, например, порог чувствительности для атомов As составляет 9·1018 см-3, для атомов Sb – 4·1018 см-3 , для атомов O – 5·1021см-3. Чувствительность метода к обнаружению атомов фосфора в кремнии крайне низка из-за близости пиков фосфора и кремния в спектре ОРР.