Способ масс-спектрометрического анализа твердых веществ

 

Изобретение может быть использовано для элементного, изотопного и фазового анализа твердых веществ. Цель изобретения - повышение точности анализа. Образец, например чистую медь, бомбардируют в вакуумной камере пучком первичных ионов аргона с энергией 5 кэВ, получаемые вторичные ионы меди и ее примеси анализируют на масс-анализаторе. Кроме того, образец дополнительно: бомбардируют : ионами водорода (протонами) с энергией 2 и 10 кэВ. Взаимодействие ионов с энергией 2 кэВ происходит преимущественно по механизму упругих столкновений с атомами меди,а с энергией 10 кэВ - по механизмам неупругих и упругих столкновенийп, где 1А М + 1А, ГГ i (Л п - отношение энергий первичных ионов. В указанном отношении токов вторичных ионов числитель меньше знаменателя и зависит от состояния поверхности. Поэтому изменение Y определяет изменение состояния поверхности, что учитывается при получении и обработке результатов анализа. Контроль состояния поверхности твердого вещества путем специфических особенностей взаимодействия ионов пучка заданной массы с атомами вещества при различных энергиях позволяет снизить погрешность измерений с 50-100% до 10- 20% и производить отбраковку полупроводниковых материалов, например, содержащих бор-. 1 табл. ю ю 05 сл О 4

. СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

ÄÄSUÄÄ 1226554 (51) 4 Н 01 J 49/26 С 01 N 27/62

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ц:

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

"н ":":,"

+RGB(i ; . 1,,, (21) 37 ) 2809/24-21 (22) 20.03.84 (46) 23.04.86. Бюл. ¹ 15 (71) Опытное конструкторско-техноло-. гическое бюро с опытным производством Института металлофизики АН УССР (72) М.А.Васильев, В.FI.Êîëÿäà, В.Т.Черепин и А.ПШвецов (53) 621.384 (088.8) (56) Черепин В.Т., Васильев М.А.

Вторичная ионно-ионная эмиссия металлов и сплавов. Киев, Наукова думка, 1975, с. 5.

Черепин В.Т., Васильев М.А. Ме roды и приборы для анализа поверхности материалов: Справочник. — Киев: Наукова думка, 1982, с. 284.

Sewsee J.J.J. Uac. Sci. Technol.

v. 14, 1981, N 2, 18.

Авторское свидетельство СССР № 1075331, кл. Н 01 J 49/26, 1982, Патент ФРГ ¹ 2550002.

Васильев М.А., Ченакин С.П., Черепин В.Т. Роль неупругих взаимодействий в механизме вторичной ионной эмиссии. -Металлофизика, 1974, № 56, с. 86 — 88.

Макеева И,И. Вторичная ионная эмиссия металлов, сплавов и соединений при бомбардировке ионами водорода. Дис. на соиск. учен. степени канд-та физ-мат. наук. Киев, 1984. (54) СПОСОБ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ (57) Изобретение может быть использовано для элементного, изотопного и фазового анализа твердых веществ.

Пель изобретения - повьппение точности анализа. Образец, например чистую медь, бомбардируют в вакуумной камере пучком первичных ионов аргона с энергией 5 кэВ, получаемые вторичные ионы меди и ее примеси анализируют на масс — анализаторе. Кроме того, образец дополнительно бомбардируют: ионами водорода (протонами) с энергией 2 и 10 кэВ. Взаимодействие ионов с энергией 2 кэВ происходит преимущественно по механизму упругих столкновений с атомами меди,а с энергией

10 кэ — по механизмам неупругих и упру„?А2 гих столкновений — -n=1, где IA

ГА1 п — отношение энергий первичных ионов.

В указанном отношении токов вторичных Я ионов числитель меньше знаменателя и зависит от состояния поверхности.

Поэтому изменение определяет изменение состояния поверхности, что учитывается при получении и обработке О результатов анализа. Контроль состоя- Ql ния поверхности твердого вещества Сд путем специфических особенностей 4й взаимодействия ионов пучка заданной массы с атомами вещества при различных энергиях позволяет снизить погрешность измерений с 50-IOOX до 1О207. и производить отбраковку полу фь проводниковых материалов, например, содержащих бор. 1 табл.

Изобретение относится к массспектрометрии вторичных иднов и может быть использовано для элементно го, изотопного и фазового анализов твердых веществ.

Цель изобретения — повышение точности анализа.

В предлагаемом способе перед определением концентрации компонент методом масс-спектрометрии вторичных ионов твердое вещество дополни— тельно бомбардируют последовательно двумя пучками первичных ионов с за\ данной для данного вещества массой и двумя энергиями, каждую из которых выбирают из диапазона энергий, обеспечивающих столкновения ионов с атомами твердого тела по механизмам смешанных (упругих и неупругих) и преимущественно упругих столкновений, определяют отношение получаемых при этом токов вторичных ионов компонент, а определение концентрации компонент производят при условиии сохранения в заданных пределах заданной величины, равной разности отношения токов и отношения энергий двух пучков пер-. вичных ионов, по которой судят о состоянии поверхности исследуемого вещества. .В диапазоне энергий и масс первичных ионов, обычно применяемых в массспектрометрии вторичных ионов, торможение первичных ионов в веществе обусловлено главным образом упругими соударениями типа соударений твердых сфер. При использовании легких ионов тех же энергий, наряду с упругими происходят и неупругие столкновения, приводящие к возбуждению и ионизации смещенных и распыленных атомов вещества (таблица), Как известно, при использовании в качестве первичных частиц ионов водорода выход вторичных ионов значительно возрастает, что частично связано с механизмом неупругих столкновений. При этом вторичная ионная эмиссия, образующаяся за счет упругих столкновений, различным образом зависит от состояния поверхности и может послужить основой для оценки этого состояния.

Токи вторичных ионов компоненты твердого вещества А при энергиях первичных ионов, обеспечивающих соответственно столкновения их с атомами твердого тела преимущественно по механизму упругих и неупругих столкновений, можно представить в виде ч 1р чр

I — е!

41 А! A2 А2 А 2.

Поскольку коэффициенты вторичной ионной эмиссии в условиях упругих взаимодействий во многих случаях зависят от энергии первичных ионов линейно, то отношение токов можно представить в ви е

16 чее ечер (ечер

+ А2 чрр нечпр

А2 42 — — = ч еА1

Е,, 1

+ ——

A2 чпр

Л1

Л2 (2) 15 где n — отношение энергий первичных ионов, Б отношении (2) числи" åëü меньше чем знаменатель зависит от состояния поверхности„ в связи с eM f характеризует состояние поверхности, а изменение его — изменение состояния поверхности, чтс учитывают при получении и обработке результатов анализа и что является технической сущ— ностью изобретения.

В масс-спектрометрии вторичных ионов, ионном легировании, катодном распылении материалов и других областях техники широко применяют пучки ионов различной массы и энергии, Изменяя последнюю достигают различных глубин проникновения ионов, скоростей распыления, выходов ионов или излучений из мишеней и т.д. Предлагаемый способ существенно отличается от известных тем, что позволяет контролировать состояние поверхности твердого вещества путем учета специфических особенностей взаимодействия ионов пучка заданной массы с атомами вещества при различных энергиях благодаря проведению дополнительных измерений с помощью пучков первичных ионов заданной массы с двумя энергиями; выбору энергий с учетом специфики взаимодействия (учет упругих и неупругих столкновений) . их с атомами твердого тела; суждению о состоянии поверхности по отношению получаемых при этом токов вторичных ионов; оп ределению концентрации компонент при условии сохранения величины, характеризующей состояние поверхности.

Пример осуществления способа.

Я В вакуумной камере образец, изготовленный, например, из чистой меди, бомбардируют пучком первичных ионов аргона с энергией 5 кэВ, а получае1236554

10

25 (3) = 3,8

14 1О" А

1,8 10 " А

5 = 7,7 — 5 (4) = 2,7 мые при этом вторичные ионы меди и

=.е примеси анализируют на масс-анализаторе. Остаточное давление в камере 2 10 Па.

Дпя учета физико-химического состояния поверхности и его изменения образец дополнительно бомбардируют ионами водорода (протонами) с энергиями 2 и 10 кэВ. Выбор энергий осуществляется в соответствии с таблицей. Взаимодействие ионов водорода с энергией 2 кэВ происходит преимущественно по механизму упругих столкновений с атомами меди, а с энергией

10 кэ — по механизмам неупругих и упругих столкновений. При указанном. остаточном давлении выражение (2) примет вид

810 А — — — 5 = 8,8 — 5

0,9 10 " А

Если произойдет неконтролируемое изменение состояния поверхности (например, за счет изменения давления остаточного газа до значения б )О " Па), то отношение (2) станет равным

При таком изменении давления ток вторичных ионов меди и ее примесей при анализе образца ионами аргона увеличился почти в 2 раза, что послу- жило бы. источником соответствующей по величине погрешности измерений (100%), если бы не контроль ве— личины Ч, изменение которой фиксирует изменение состояния поверхности.

Таким образом, снижение на

30% приводит к погрешности огределения на 100%. Для обеспечения измерений с погрешностью 10 — 20X для величины i надо установить предел отклонения не более 3 — 6%, что вполне осуществимо при измерении токов и напряжений в пределах погрешностей

1 — 2%. Определение концентрации компонент меди по токам вторичной ионной эмиссии при отклонении величины у за заданные пределы считать неправильным. В принципе возможно целенаправленно изменять Ч:и поддержи35

55 вать его в заданных пределах, если известен фактор, влияющий на состояние поверхности. В большинстве случаев на поверхность действует несколько факторов одновременно, что усложняет процесс целенаправленного изменения состояния, поэтому целесообразно использовать заданное значение Г в заданных. пределах отклонения как критерий правильности результата измерений.

По сравнению с известным использование предлагаемого способа благодаря контролю состояния поверхности твердого вещества путем учета специфических особенностей взаимодействия ионов пучка заданной массы с атомами вещества при различных энергиях позволяет снизить погрешность измерений с 50 — 100X до 1Π— 20%, что дает возможность проводить отбраковку полупроводниковых материалов, например, содержащих бор. Эта операция дает экономический эффект в сфере производства и контроля материалов микроэлектроники и эмиссионной техники.

Формула изобретения

Способ масс-спектрометрического анализа твердых веществ, заключающийся в бомбардировке поверхности твердого вещества пучком первичных ионов в вакуумной камере, масс-анализе токов вторичных ионов компонентов вещества и определении концентрации исследуемых веществ по токам вторичных ионов, о т л и ч а ю ш, и Йс я тем, что, с целью повышения точности анализа, твердое вещество дополнительно бомбардируют последовательно двумя пучками первичных ионов одной и той же массы с двумя энергиями, одна из которых находится в диапазоне энергий, обеспечивающих столкновения ионов с атомами твердого тела по механизмам смешанных упругих и неупругих столкновений, а другая энергия соответствует преимущественно упругим столкновениям, определяют отношение получаемых при этом токов вторичных ионов компонентов и отношение энергий пучков первичных ионов, а по разнице указанных соотношений судят о состоянии поверхности исследуемого вещества.

1226554 б

Первичный ион Н

Ne Лг

Н

Н

Атом твердого тела

Al Cu l

Ф

Пороговое значение энергии, при которой возможны неупругие столкновения, кэВ

О,! 0,2 0,5 2 2 10 50

Значение энергии, при которой доля потерь на неупругие столкновения и 507, кэВ

1 2 5 20 20 50 100

Составитель И,. Некрасов

Техред Н. Бонкало

Редактор А.О1андор

Корректор 11.Лемчик

Тираж б43 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )К-35, Раушская наб., д.4/5

Заказ 2142/53

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул,Проектная,4