5.5. Метод спектроскопії розсіяння йонів

Характеристики йонного розсіяння використовують для визначення складу поверхневих і приповерхневих тонких шарів, їх товщини, оцінки малих кількостей поверхневих домішок, а також для вивчення процесів окислення, адсорбції, йонного впровадження та поверхневої дифузії. Для цього використовують два основні методи: спектроскопію розсіяння повільних йонів і спектроскопію розсіяння швидких йонів. Поділ розсіюваних йонів на швидкі та повільні досить умовний. Повільними вважають йони, кінетична енергія яких не перевищує 10 кеВ. Енергія швидких йонів становить 1 – 2 МеВ.

Спектроскопія розсіяння повільних йонів. У випадку пружного розсіювання енергія розсіяного йона Е₂ визначається виразом, який при М/m₁>1 (М і m₁ - маси поверхневого атома та йона, яким бомбують поверхню, відповідно) має вигляд

(5.7)

де Е₁ – енергія йона до розсіяння,  - кут розсіяння.

Із (5.7) видно, що задавши значення E₁ і m₁ та вимірявши величини E₂ і , можна визначити масу атомів М, які розсіюють бомбардуючі йони, тобто можна визначити елементний склад поверхні. На рис.5.9 наведено схематичне зображення енергетичного розподілу йонів, розсіяних поверхнею, яка складається з трьох типів атомів: атомів основної речовини, маса яких дорівнює М₁, та домішкових атомів з масами М₂ і М₃. У найпростішому випадку, коли  > 90^o і наявні лише поодинокі парні зіткнення, спектр складається з основного піка йонів, розсіяних атомами масою М₁, та двох бокових піків, що відповідають розсіюванню домішковими атомами М₂< М₁< М₃. Розмивання піків і фон зумовлені непружно розсіяними йонами, а низько енергетичний максимум – продуктами катодного розпорошення. Вимірявши розташування максимумів (Е_1, Е_2, Е₃) для заданих значень m₁ і , можна за формулою (5.7) визначити М_1, М_2, М_3.

Рис. 5.9. Енергетичний спектр пружно розсіяних поверхнею твердого тіла йонів (N_i – число йонів із заданою енергією).

Зауважимо, що при наявності багаторазових зіткнень спектр розсіяних йонів ускладнюється. Піки розширюються у бік великих та малих енергій. Для монокристалів можливе виникнення піків “кратного” розсіяння.

В останні роки проводять моделювання поверхні монокристалів, яка розсіює, що дозволяє з допомогою ЕОМ обчислити залежність енергії розсіяних йонів від  для заданої моделі. При цьому можна використовувати різні типи моделей: поодинокі ланцюжки атомів з різними міжатомними відстанями, сукупність ланцюжків та інші. Тип моделі впливає на характер кутової залежності при малих кутах розсіювання. Це створює перспективи для розв’язування оберненої задачі – визначення конкретного типу порушення структури поверхні за виміряною кутовою залежністю енергії розсіяних йонів.

Основними елементами спектрометра розсіяних йонів є аналізатор енергії та чутливий канальний помножувач, що використовується і в інших установках. Тому у найдосконаліших експериментальних установках передбачається можливість аналізу поверхні одночасно різними методами – за допомогою розсіяних йонів, електронної Оже-спектроскопії та вторинної йонної емісії. Бомбардування поверхні досліджуваного зразка у таких установках провадять йонами інертних газів (гелій, неон, аргон) або йонами водню (протони). Пучок йонів, якими бомбардують поверхню, можна використовувати і для йонного втравлювання шарів зразка, що дозволяє отримати інформацію про розподіл атомів заданого сорту у напрямку вглиб кристалу.

Основні переваги методу:

мала товщина приповерхневого шару про який отримується інформація (один-два міжатомних шари);

висока чутливість до виявлення домішок, особливо важчих, ніж основна речовина (даним методом можна зареєструвати кількість атомів на поверхні, що становлять 0,1% моно шару);

за чутливістю метод поступається лише перед методами Оже-спектроскопії та вторинної йонної мас-спектроскопії;

можливість контролювання розподілу атомів заданого сорту у глибину зразка без застосування додаткових пристроїв для йонного травлення;

можливість одночасного дослідження при малих кутах розсіяння структури і дефектів поверхневого моношару кристалу та його елементного складу.

До недоліків методу відносяться руйнування поверхні при йонному бомбардування, необхідність градуювання установки при кількісному аналізі та необхідність розрахунку великої кількості можливих моделей при дослідженні структури поверхні, що у випадку складних моделей може призвести до неоднозначного пояснення експериментальних результатів.

Спектроскопія розсіяння швидких йонів. Зміст методу полягає у вимірюванні втрат енергії при розсіянні легких йонів з великими енергіями (400 кеВ – 4 МеВ) на атомах зразка.

Енергія моноенергетичного пучка швидких йонів, що падає на поверхню зразка, при розсіянні зменшується внаслідок дії двох основних механізмів:

пружного розсіяння поверхнею (кінетичні втрати);

непружних зіткнень, коли енергія йонів, що падають на поверхню, витрачається на внутрішні електронні переходи, внаслідок чого відбувається гальмування частинок у приповерхневій області твердого тіла.

Перший механізм дозволяє за енергетичним розподілом розсіяних йонів визначити маси поверхневих частинок, які розсіюють йони, тобто зробити якісний хімічний аналіз поверхні. Вимірювання втрат енергії з урахуванням другого механізму дозволяє визначити товщину тонких плівок.

Якісний аналіз поверхні. Енергетичний спектр розсіяння швидкиї йонів характеризується наявністю не вузьких піків, як у випадку розсіяння повільних йонів, а досить широких смуг (рис.5.10). Високоенергетична межа кожної смуги Е₂^max відповідає енергії йонів, пружно розсіяних поверхневими атомами, оскільки при такому розсіянні втрати енергії мінімальні. Із (5.7) відношення Е₂^max /Е₁ дорівнює

(5.8)

Для зворотно розсіяних йонів ()

. (5.9)

Отже, вимірявши величину Е₂^max та визначивши k² при заданих значеннях Е₁ і m₁, можна встановити природу атомів поверхні, на яких відбувається розсіювання йонів.

Зазначимо, що формули (5.7) – (5.9) описують розсіювання йонів атомами, розташованими в одній площині, що відповідає поверхні кристалу. Енергія розсіяного йона залежить не лише від маси атома, який розсіює, але й від глибини його залягання. Можливість розсіювання йонів не лише поверхневими атомами, але й розташованими у глибших шарах, може призвести до неоднозначності отриманих результатів.

Рис. 5.10. Енергетичні спектри зворотно розсіяних швидких йонів гелію (Ер=2 МеВ) для різних плівок на поверхні кремнію (а) та різних товщин плівок (б): 1 – платина; 2 – палладій; 3 – титан; 4 – 0,05 мкм; 5 – 0,1 мкм; 6 – 0,2 мкм; 7 – 0,3 мкм; 8 – 0,4 мкм.

Справді, легкі атоми на поверхні і важкі атоми у глибині шару можуть зумовити однакове зменшення енергії розсіяного йона. Уникнути неоднозначності можна, якщо при повторних вимірюванях повернути зразок на деякий кут відносно пучка йонів, який падає на нього. У випадку, коли розсіювання відбувається від атомів, розташованих у глибині при поверхневого шару, повертання зразка призведе до зміни шляху збуджуючої частинки і, отже, відбудеться зміщення енергетичного спектру розсіяних йонів. Якщо ж при повертанні зразка високо енергетичний край, якому відповідає значення Е₂^max, не зсувається, то атоми, від яких відбувається розсіювання, розташовані на поверхні.

У складних випадках для отримання однозначних результатів використовують додаткові методи якісного аналізу, наприклад, Оже-спектоскопія.

Визначення товщини плівок. Розглянемо двошарову систему, яка складається із плівки товщиною d і підкладки (рис.5.11). Знайдемо ширину енергетичного спектру обернено розсіяних йонів

, (5.10)

де Е₂^max і Е₂^mіn – значення максимальної та мінімальної енергії розсіяних йонів. Величина Е₂^max відповідає пружному розсіюванню йонів від передньої поверхні плівки, тобто Е₂^max = k²Е₁, а Е₂^mіn – дорівнює енергії йонів, розсіяних на межі плівка-підкладка.

Рис. 5.11. Схематичне зображення розсіювання швидких йонів у двошаровій структурі плівка-підкладка.

Для визначення Е₂^mіn необхідно врахувати, що внаслідок непружних зіткнень відбувається гальмування збуджуючого йона всередині плівки під час руху по траєкторії АВС (рис.5.11), що призводить до зменшення його енергії. Втрати енергії йона при переміщенні на ділянках АВ і ВС визначаються величинами (dE/dx)₁=S₁ та (dE/dx)₂=S₂. Величина S₁ і S₂ називають гальмівною здатністю речовини плівки. У загальному випадку S₁ і S₂ залежать від енергії, але для недуже товстих плівок їх можна вважати сталими. Тоді Е₂^mіn визначається виразом:

, (5.11)

де і ₁ – кут падання і відбивання світлового променя відповідно (рис.511).

У реальних умовах величини S₁ і S₂ часто можна вважати однаковими (S₁S₂S). Тоді величину Е із(5.10) з урахуванням (5.11) і даної умови можна записати так:

Е=[s]d, (5.12)

де – ефективна гальмівна здатність плівки.

Якщо значення [s] відоме, то вираз (5.12) можна використати для визначення товщини плівки використовуючи експериментально виміряну ширину спектру зворотно розсіяних йонів Е. Величини ефективної гальмівної здатності [s] всіх елементів для йонів гелію в інтервалі енергій 400кеВ...4МеВ визначені експериментально.

Зауважемо, що для визначення товщини плівки d не обов’язково визначати величину [s]. Значення d можна визначити за даними вимірювань величини Е і висоти правого (короткохвильового) схилу спектру зворотного розсіяння йонів Н (рис.5.10).

Із енергетичних спектрів зворотно розсіяних йонів можна визначити кількісний склад поверхневих плівок та залежність концентрації атомів даного сорту від глибини. Даний метод успішно використовують для вивчення ряду процесів, які протікають у приповерхневих шарах твердих тіл: адсорбції, дифузії, імплантації домішок, утворення хімічних сполук, які використовують для захисту поверхні, а також процесів очищення та поверхневого легування.

Методом розсіяних йонів можна аналізувати хімічний склад поверхневих шарів товщиною до 1 мкм. При цьому розмір досліджуваної площі становить до 0,1 мм². При використанні приладів з високою чутливістю можна реєструвати кількість домішок на поверхні порядку 10¹² – 10¹³ ат./см², а у при поверхневій області об’єму – до 210¹⁸ – 10¹⁹ ат./см².

Основними перевагами даного методу можливість визначення типу, концентрації та розподілу атомів у глибину приповерхневого шару тощиною до 1мкм для систем, до складу яких входять декілька сортів домішок. Метод розсіяних йонів є неруйнівним методам, але при тривалому дослідженні можуть утворюватися радіаційні дефекти, які спотворюють властивості досліджуваного шару. Чутливість даного методу при виявленні важких поверхневих домішок досить висока і переважає чутливість методу електронної Оже-спектроскопії. Крім цього, методом розсіяних йонів можна реєструвати дефекти кристалічної структури, досліджувати дифузію імплантованих домішок, адсорбційних покрить та інших процесів на поверхні і в приповерхневому шарі.

До недоліків методу можна віднести неоднозначність інтерпретації спектрів розсіювання.

Контрольні запитання

1. Назвіть основні сучасні методи дослідження хімічного складу та структури поверхні напівпровідників.

2. Поясніть зміст та механізм електронної Оже-спектроскопії.

3. Яку інформацію про властивості поверхні можна отримати методом електронної Оже-спектроскопії?

4. Чому дорівнює чутливість методу ЕОС?

5. Яка глибина зондування поверхні напівпровідникового кристалу при використанні методу ЕОС?

6. Поясніть зміст методу Х-променевої фотоелектронної спектроскопії.

7. Якої товщини приповерхневий шар напівпровідника можна вивчати методом Х-променевої фотоелектронної спектроскопії?

8. Яка чутливість методу Х-променевої фотоелектронної спектроскопії?

9. Назвіть та обгрунтуйте основні переваги методу Х-променевої фотоелектронної спектроскопії.

10. У чому полягає зміст мас-спектроскопії вторинних іонів?

11. Поясніть якісний аналіз поверхні напівпровідника методом мас-спектроскопії вторинних іонів.

12. Назвіть основні переваги методу мас-спектроскопії вторинних іонів та порівняйте їх з іншими методами.

13. Яку інформацію про властивості поверхні твердого тіла можна отримати методом спектроскопії розсіяння йонів?

14. Чому дорівнює товщина поверхневого шару твердого тіла, який можна вивчати методом спектроскопії розсіяних іонів?

15. Назвіть основні переваги методу спектроскопії розсіяних іонів у порівнянні з іншими методами.