книги из ГПНТБ / Локальные методы анализа материалов

При достаточно больших значениях Л^о, когда пер­ вый член выражения (146) достигает практически по­ стоянного значения, а во втором Y(0) —>-1, зависимость N от No (т. е. вторичного ионного тока от первичного) становится линейной, т. е. вторичный ионный ток будет пропорционален объемной концентрации анализируемых частиц в твердом теле. •

Г л а в а 2

Аппаратура для локального анализа

Общие принципы и классификация приборов

Для осуществления локальных измерений вторичного ионного тока в отдельных участках изучаемой поверх­ ности мишени применяют три принципиально различных способа измерении. В первом способе осуществляется фокусировка и ускорение вторичных ионов при помощи эмиссионной линзы, формирующей ионное изображение бомбардируемой поверхности. Полученное ионное изоб­ ражение образовано ионами всех элементов, присутст­ вующих в поверхности, и для определения топографии распределения анализируемых примесей это изображе­ ние сепарируют при помощи масс-спектралыюго анали­ затора, имеющего достаточно хорошие оптические свой­ ства. Выделенное элементарное ионное изображение, состоящее из ионов определенных элементов, наблюда­ ют при помощи специальных преобразователей, конвер­ тирующих ионное изображение в электронное, а послед­ нее проектируют на флюоресцирующий экран или на фотопленку для регистрации. Для устройств, выполнен­ ных в соответствии с этими принципами, лучше всего подходит название «ионный масс-спектральный микро­ скоп» или «ионно-эмиссионный микроанализатор» (ИМА).

Во втором способе первичный ионный пучок форми­ руют таким образом, чтобы облучать па поверхности мишени участок минимальной площади. Диаметр облу­ чаемого участка определяет достигаемую локальность анализа. Выбитые из этого участка вторичные ионы ана­ лизируют при помощи масс-спектрометра. Применение

техники телевизионного сканирования первичного пучка позволяет получать изображение поверхности мишени в ионах выбранного элемента. Кроме вторичных ионов, можно определять спектральный состав люминесценции, возникающей при бомбардировке, и также получать сведения о локальном составе. Для таких устройств под­ ходит название «ионный микрозонд».

В третьем способе получают увеличенное ионное изображение бомбардируемой поверхности при помощи эмиссионной линзы, а затем пропускают это изображе­ ние путем сканирования через диафрагму небольшого диаметра. Каждый элемент изображения, прошедший че­ рез диафрагму, подвергают масс-спектральной сепара­ ции, а сигнал с выхода масс-спектрометра используют для модуляции яркости телевизионной трубки, развертка которой синхронизирована с разверткой ионного изобра­ жения относительно диафрагмы.

Устройство этого типа может быть названо растро­ вым ионно-эмиссионным микроанализатором (РИЭМА).

Масс-спектральные микроскопы

Первый масс-спектральный микроскоп — микроана­ лизатор был создан Кастэном и Слодзианом и впервые

шени-образца. Пучок вторичных ионов, выбитых из об­ разца, ускоряется до 3,5—4,0 кэв и фокусируется эмис­ сионной линзой. В кроссовере этой линзы установлена апертурная диафрагма. Назначение этой диафрагмы—. отфильтровать ионы с большой составляющей скорости, перпендикулярной к оси пучка. Магнитная призма слу­ жит для выделения из пучка сфокусированных вторич­ ных ионов компоненты с определенной массой. Углы вхо­ да пучка в магнитное поле и выхода из него подобраны таким образом, что имеет место фокусировка краевым магнитным полем по двум направлениям — в направле­ нии напряженности магнитного поля и в направлении, ему перпендикулярном. Такая фокусировка называется стигматичной. Остаточный астигматизм магнитной приз­ мы, возникающий от того, что фокальные точки этих двух направлений не совпадают, исправляют при помо-

щи электронов, выбитых из катода, изображение поверх­ ности мишени на флуоресцирующем экране.

Несколько позже также во Франции был предложен другой вариант масс-спектрального микроскопа [17, 60]. В этом микроскопе (рис. 94) в качестве первичных ис­ пользуют положительные ионы щелочных металлов из источника с термоионизацией, падающие на образец под углом 15°. Вторичные ионы ускоряются и фокусируются иммерсионным объективом: Оригинальным элементом этого микроскопа является примененный в нем массспектральный анализатор. Сепарация ионов по массам

задачи обусловлена тем, что вторичные ионы имеют зна­ чительный разброс начальных энергий, поэтому повы­ шение масс-спектрального разрешения может быть до­ стигнуто лишь в результате применения двойной филь­ трации— по массам и по энергиям.

Масс-спектральный микроскоп с двойной фильтра-

Рис. 95. Схема масс-спектрального микроскопа с двойной фильтра­ цией по массам и энергиям:

и преобразователь изображения подверглись существен­ ным изменениям.

Двойная фильтрация по массам и энергиям осущест­ вляется магнитной призмой с двумя ветвями и электро­

шую, чем е (Уо+ЛУ), испытывают отражение в зеркале и участвуют в формировании изображения. Ионы с энер­ гией, большей, чем е (Vo+AV), проникают до поверхнос­ ти катода и нейтрализуются на нем. Катод нагревают до 300°С для удаления адсорбированных нейтральных час­ тиц.

на катод преобразователя изображения.

В непосредственной близости от линзы преобразова­ теля расположена небольшая магнитная призма на пово­ ротной платформе. Слабое магнитное поле призмы не влияет на траектории ионов, однако траектории выби­ тых из катода электронов существенно изменяются в результате чего представляется возможным вывести электронное изображение в сторону от оси преобразо­ вателя и спроектировать его на флуоресцирующий экран для наблюдения, или на поверхность фотопленки для регистрации.

Экран может быть удалей и электронный пучок че­ рез специальную диафрагму направляют на сцинтиллятор, свечение которого через оптическую систему направ­ ляют на фотоумножитель. Диаметры сменных диафрагм могут соответствовать площади, ограниченной окруж­ ностью диаметром 125 или 5 мкм на поверхности образ­ ца, в результате чего можно производить количествен­ ные измерения локальных ионных токов, что важно для построения концентрационных сечений и решения других задач. Примененная система регистрации локальных ионных токов аналогична системе, предложенной в рабо­ те [27], отличается высокой стабильностью и чувстви­ тельностью (до 1СН8 а) и, кроме того, позволяет регист­ рировать как положительные, так и отрицательные ионы.

На основе этой разработки был создан первый про­ мышленный ионный масс-спектральный микроскоп AI-86,

конструктивные элементы, в частности показан шлюз, через который вводят образец.

Общее увеличение прибора составляет около 150, предельное оптическое разрешение равно 1 мкм в центре изображения. Разрешение по глубине при послойном

анализе составляет 50 и 100 А. Чувствительность при­ бора достаточно высока. В некоторых случаях, например для ионов А1+, можно получить изображение поверхнос­ ти, распылив лишь часть атомного монослоя. Масс-спек- тральное разрешение прибора составляет 350.

Основные элементы оптики масс-спектральных микроскопов

Иммерсионный объектив

Объектив является одним из важнейших оптических элементов любого масс-спектрального микроскопа неза­ висимо от методов масс-сепарации изображений. Каче­ ство объектива в основном определяет полезное увели­ чение и оптическое разрешение системы, поскольку абер­ рации иммерсионного объектива обычно доминируют по сравнению с аберрациями других оптических элементов.

Электронная микроскопия дает многочисленные при­ меры устройств, позволяющих изучать поверхности мас­ сивных образцов путем измерения эмиссии электронов с этой поверхности [61; 62]. Использование ионов вме­ сто электронов вынуждает выбирать среди применяе­ мых устройств только чисто электростатические оптичес­ кие элементы. В принципе все эти оптические элементы содержат ускоряющую и фокусирующую части, причем они могут быть либо совмещены, либо разделены. В ион­ ной микроскопии более пригодным является сложный объектив, в котором функции ускорения и фокусировки ионов разделены [3].

Рассмотрим устройство такого объектива и определим его основные характеристики. Если поверхность мишени М бомбардируется пучком положительных ионов в на­ правлении XXі, то вторичный ион вырывается с началь­ ной энергией есро и выходит из мишени под углом СХп с нормалью К к поверхности. Этот вторичный ион ускоря­ ется равномерным электрическим полем Е0, которое со­ здается между мишенью с положительным потенциа­ лом V и электродом А, паралельным М, имеющим по­ тенциал земли и находящимся на расстоянии Д от ми­ шени (рис. 97).

Рассмотрение для одного значения начальной кине­ тической энергии иона (еф0 ) всех траекторий выходя-

щих из точки Р, позволяет оценить предельное разреше­ ние такой системы б. Для этого рассчитывают луч фи­ гуры аберраций, охватывающей гауссовское изображе­ ние точки Р, — точку Р'0 [3] . Расчеты показывают что

Улучшение разрешения может быть достигнуто воз­ действием либо на cposinaoU—cosao), либо иа ускоря-

"'о

м"A

Рис. 97. Траектории ионов в иммерсионном объективе

ющее поле Е0. Начальная энергия ионов бф0 — это фи­ зическая величина, управлять которой практически не­ возможно. На улучшение разрешения может влиять только угол осо, т. е. следует принимать меры к отфильтровыванию быстрых частиц, выходящих под большими углами, что осуществляется при помощи апертурной диафрагмы. Введение апертурной диафрагмы приводит к понижению яркости изображения, тем не менее этот спо­ соб повышения разрешения является наиболее приемле­ мым. Возможность регулирования, разрешения путем повышения Е0 имеет ряд ограничений, основными из которых являются необходимость обеспечения достаточ­ ной электрической прочности иммерсионной линзы, а также стремление, сохранить конструктивно приемлемый

радиус средней траектории ионов в магнитном анализа­ торе прибора.

Следует учитывать также влияние поля Е0 на пер­ вичный пучок ионов, которые «освещают» объект.

Обычно первичный пучок вводят в линзу под углом 45°. Положительно заряженный объект отклоняет пер­ вичные положительные ионы, которые в результате дви­

ле Е0.

Чрезмерное увеличение Е0 приводит к уменьшению угла бомбардировки поверхности, что вызывает снижение плотности ионного тока, т. е. снижение скорости распы­ ления.

Если необходимо сохранить оптимальный угол бом­ бардировки при увеличении .En, то требуется увеличи-

верхности не менее 30°. В результате получают удовлет­ ворительную плотность первичного ионного тока на по­ верхности образца. Это позволяет использовать анализа­ торы со средним радиусом ионной траектории ~ 100 мм.

Предложены также конструкции, в которых высокое оптическое разрешение получают при увеличении уско­ ряющего напряжения, а затем на стадии масс-фильтра- ции снижают энергию ионов до необходимого уровня.

Реальные иммерсионные объекты, применяющиеся в ионных микроанализаторах, имеют следующие разме­ ры и параметры: диаметр отверстия в первом электро­ де 0,5; во втором 5, в третьем 2 мм; расстояние между электродами 5 мм. Апертурная диафрагма имеет диа­ метр отверстия 0,3—0,5 мм и расположена на расстоя­ нии 15 мм от третьего электрода. Теоретическое и экспе-