тмиэт / тмиэт / Alford Terri M. _Fundamentalnye osnovy analiza nanoplenok (1)

где N - количество атомов в единице объема конденсированного вещества (кон­ центрация). Заметим, что при таком приближении dE/dxjn не зависит от энергии

частицы:

На рис. 4.5 приведено сравнение этой не зависящей от энергии величины с ядерными потерями энергии, полученными с использованием потенциала Тома­ са - Ферми; данный рисунок построен согласно модели Линдхарда, в которой , ядерные потери выражаются в единицах приведенной энергии е'. Величина этой энергии задается отношением расстояния экранировки Томаса к расстоянию наи­ большего сближения

(4.20а),

0.4

0.3

Sn (е')

0.2

0.1

ПРИВЕДЕННАЯ ЭНЕРГИЯ, s'

Рис. 4.5. Зависимость приведенного сечения ядерного торможения Sn(s~ (или d s'/dp) от s'. Кривая для потенциала Томаса - Ферми дает наиболее точные значения Sn; горизонталь­

ная линия изображает результат уравнения 4.17 для потенциала r 2

где N - концентрация (выраженная в нм-3) и И0 - поверхностная энергия связи (в эВ). Оценка величины И0 может быть сделана по теплоте сублимации (приблизительно равной теплоте испарения); как правило, И0 принимает значения

в диапазоне от 2 до 4 эВ. В уравнении 4.3 для поглощенной энергии

(4.22с)

Величина а является функцией отношения масс и принимает значения от 0,2 до 0,4, как показано на рис .4.6. Значение а возрастает с увеличением угла падения

из-за роста поглощения энергии около поверхности. В случае распыления, вызванного нормальным падением ионов средней массы, типичное значение а

составляет О, 25.

Рис. 4.6. Зависимость множителя а, входящего в (4.3) для выхода обратно распыленных

частиц, от: (а) отношения масс М/М1• Сплошная линия соответствует расчетам, основан­

ным только на упругом рассеянии без учета поверхностных поправок. Штриховая линия

получена из экспериментов по распылению кремния, меди, серебра и золота ионами с энергией 45 кэВ. (Различие кривых обусловлено главным образом пренебрежением по­

верхностными поправками при больших значениях отношения масс); (б) угла падения.

Сплошная линия соответствует теоретическим предсказаниям для иона аргона на меди.

Штриховой линией отмечена зависимость вида (cose)·1, которая имеет место главным об­ разом в приближении больших скоростей [Из работы Sigmund, 1981.]

При падении ионов аргона на медь (в которой N = 85 атомов/нм3) значение NSn

= 1240 эВ/нм. Поверхностная энергия связи U0, найденная по теплоте испарения, ;:::; 3 эВ, составляет~ 3 эВ. Подставляя в (4.2), получаем

Данный результат находится в удовлетворительном согласии с данными измере­

ний - около 6. Эти оценки пригодны для идеального случая аморфной мишени,

состоящей из одного элемента. Выходы продуктов распыления на монокристалле, поликристаллической мишени или для сплавов могут существенно отличаться от этих приведенных выше простых оценок. На мишенях, состоящих из атомов не­

скольких типов, преимущественное распыление одного из элементов может при­

вести к изменениям в составе поверхностного слоя. Эти изменения отразятся на выходе Оже-электронов, что приведет к получению информации об измененном, а не об исходном слое. Другой проблемой является перемешивание ионных пуч­

ков (перераспределение в каскаде столкновений), которое может привести к уши­ рению внутренней границы раздела в процессе исследования слоистых мишеней. В большинстве таких случаев для определения толщины слоев или концентрации

основных компонентов можно использовать резерфордовское обратное рассе­ яние. Полученная этим способом информация может использоваться для кали­ бровки профиля распыления.

4.5. Масс-спектроскопия вторичных ионов (BИMC-SIMS)

Поверхностные слой материала разрушается в процессе распыления, что по­

·зволяет непосредственное определение состава такого слоя с помощью измерения

относительного содержания продуктов распыления. Распыленный материал испу­ скается в виде нейтральных частиц, находящихся в различных возбужденных со­

стояниях, в виде положительных и отрицательных ионов, заряженных однократно

или многократно, и в виде кластеров. Относительное количество ионизованных и нейтральных частиц может изменяться для одного и того же образца на несколь­ ко порядков в зависимости от условий на поверхности. Анализ продуктов рас­

пыления является самым чувствительным методом исследования поверхности.

Обычно он используется для идентификации и измерения низких концентраций

ч.ужеродных атомов в твердых телах.

Одним из наиболее распространенных методов, использующих распыление,

является регистрация и анализ ионизованных продуктов распылениявторичных

ионов. Как показано на рис. 4.7, вторичные ионы сначала разделяются по энергии с помощью фильтра, являющегося, как правило, электростатическим анализатором,

а затем попадают в масс-спектрометр. Отсюда название данного метода - масс­

спектроскопия вторичных ионов (БИМС или SIMS от английского secondary ion

ЭЛЕКТРОННЫЕ

ВОРОТА

ПОВЕРХНОСТЬ

УIЛУБЛШ~ОБРАЗЦА

ь ~&

ПОДЛОЖКА

Рис. 4.7. (а) Схематичное изображение установки для масс-спектроскопии вторичных ионов. Пучок иоиов, падая на мишень, вызывает распыление мишени, частицы которой проходят через электростатический фильтр энергий, масс-спектрометр и затем регистри­ руются детектором ионов; (б) как правило, пучок ионов падает на большую площадь об­ разца, а сигнал регистрируется только от центральной части места падения. Это миними~ зирует эффекты, связанные с краями углубления

mass-spectroscopy). Приборы BИMC-SIMS обеспечивают возможность анализа. состава поверхности и определения профилей распределения концентрации эле• ментов по глубине. В одном из режимов работы пучок ионов перемещается по поверхности образца, на которой в результате распыления появляется углубление.

Для того чтобы не получать сигнал от стенок, электронная система детектирова... ,

ния пропускает только те ионы, которые испущены из центральной части этого углубления. Существуют также приборы прямого наблюдения - ионные микро..r

скопы, в которых производится детектирование вторичных ионов, испущенных,

с определенных участков поверхности таким образом, чтобы получить картину·

распределения состава на поверхности.

Спектры заряженных вторичных ионов обоих знаков достаточно сложны, пред"

ставляя не только однократно или многократно заряженные ионы атомов, но такж6.

и все другие ионизованные кластеры атомов мишени. Как показано на рис. 4.8,: масс-спектр, полученный при бомбардировке алюминиевой мишени ионами арго-1

требуется определить распределение концентрации компоненты с низким уровнем

содержания в однородной по составу матрице. Хорошим примером задачи такого

рода является измерение профилей распределения ионно-имплантированных в по­ лупроводник примесей (рис. 4.1 О). Максимальная концентрация примесей не пре­ вышает 1о-з, следовательно, присутствие As практически не влияет на значение а+. Характерной особенностью BИMC-SIMS является возможность исследования со­ держания водорода в широком диапазоне концентраций (см. рис. 4.11 ). Однако в этом случае присутствие паров воды на поверхности образца может сильно по­

влиять на динамический диапазон метода.

Выход вторичных ионов очень чувствителен к присутствию электрополо­ жительных или электроотрицательных ионов на поверхности мишени. Процесс

нейтрализации положительного иона, покидающего поверхность, определяется,

в том числе, уровнями энергии испускаемых атомов и наличием на поверхности

твердого тела электронов, которые могут заполнить свободный уровень. С одной стороны, этот процесс наиболее вероятен, когда в твердом теле имеются электро-

ГЛУБИНА, мкм

Рис. 4.10. Профиль концентрации мышьяка, имплантированного в кремний с энергией

200 кэВ при общей дозе 5· 1014 атомов/см2, полученный методом BИMC-SIMS. Сплошная

линия соответствует перераспределению концентрации As в результате последующего

импульсного лазерного плавления внешнего слоя образца. Измеренные профили концен­

трации спускаются ниже уровня 1018/см3