Способ определения локализации примесных атомов кристалла

 

Изобретение касается исследования веществ радиационными методами путем измерения вторичной эмиссии и может быть использовано при определении качества и надежности кристаллов, полупроводников и сплавов, при разработке научной основы ионной имплантации материалов с целью направленного изменения их физико-химических свойств. Цель изобретения - расширение диапазона определяемых примесей. Согласно способу осуществляют облучение кристалла потоком электронов с энергией 3-10 кэВ или ионов с энергией 10-30 кэВ вдоль различных направлений при азимутальном вращении кристалла. Регистрируют Оже-электроны под углом вылета, равным углу падения первичного пучка, сравнивают интенсивности Оже-пиков атомов кристалла и примеси в зависимости от азимутального угла поворота кристалла. По результатам сравнения судят о локализации примесей. СО с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (ч)л G 01 N 23/227

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1О

1 С

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4711726/25 (22) 27.06.89 (46) 23.09.91. Бюл, М 35 (71) Институт электроники им. У.А.Арифова (72) А. А. Алиев и С. К. Ахраров (53) 539.184,56(088.8) (56) Комаров Ф. Ф., Кумахов M. А., Тошликов

И. С. Неразрушающий анализ поверхностей твердых тел ионными пучками. — Минск;

Изд-во Университетское, 1987, с. 61-63.

Алиев А. А., Ахраров С.К. Ориентационные эффекты при выходе Оже-электронов, эмиттированных монокристаллами молибдена и вольфрама. -" Поверхность ". 1984. М 9, с, 31.

Davles J,А. The channeling phenomenon

and Same of Its application -" Phys. sar. ", 1983, 28, N. 3, р. 294-302, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПРИМЕСНЫХ АТОМОВ КРИСТАЛЛА (57) Изобретение касается исследования веществ радиационными методами путем иэИзобретение относится к.способам исследования вещества радиационными методами путем измерения вторичной эмиссии и может быть использовано при определении качества и надежности кристаллов полупроводников, диэлектриков и сплавов, при разработке научной основы ионной имплантации материалов с целью направленного изменения их физико-химических свойств путем варьирования.;окализации внедряемых ионов по отношению к элементарной решетке кристалла.

Целью изобре1 ения является расширеwe диапазона определяемых примесей.

„„5U ÄÄ 1679320 А1 мерения вторичной эмиссии и может быть использовано при определении качества и надежности кристаллов, полупроводников и сплавов, при разработке научной основы ионной имплантации материалов с целью направленного изменения их физико-химических свойств. Цель изобретения— расширение диапазона определяемых примесей, Согласно способу осуществляют облучение кристалла потоком электронов с энергией 3 — 10 кэВ или ионов с энергией 10-30 кэВ вдоль различных направлений при азимутальном вращении кристалла. Регистрируют Оже-электроны под углом вылета, равным углу падения первичного пучка, сравнивают интенсивности Оже-пиков атомов кристалла и примеси в зависимости от азимутального угла поворота кристалла. По результатам сравнения судят о локализации примесей.

Сущность способа заключается в том, что кристалл облучают потоком заряженных частиц (ионов и электронов) вдоль различных направлений, вращая кристалл, регистрируют вторичные частицы и по их спектру судят о локализации примесей, облучение проводят частицами с энергией 3-10 кэВ для электронов и 10 — 30 кэВ для ионов, осуществляют первичную регистрацию Ожеэлектронов под углом вылета, равным углу падения первичного пучка, сравнивают интенсивность Оже-пиков атомов кристалла и атомов примеси в зависимости от угла поворота кристалла и судят о локализации примеси.

1679320

При этом полярный угол падения первичных ионов (или электронов) подбирают так, что в одном случае направление пучка совпадает с определенной кристаллографической осью образца, в другом— с плоскостью кристалла, а в третьем пучок направлен в кристалл по случайному направлению.

В первом случае пучок первичных ионов (или электронов) каналируется вдоль выбранной оси кристалла, и, соответственно, вероятность взаимодействия ионов с примесными атомами, если они локализованы в междоузлиях (каналах), резко возрастает по сравнению с вероят.ностью взаимодействия их с атомами самого кристалла. Это приводит к резкому увеличению интенсивности Ожепика атома примеси по сравнению с

Оже-пиком атома самого кристалла-матрицы. Во втором случае происходит плоскостное каналирование пучка ионов, которое приводит к росту интенсивности Оже-пика атома примеси, если она локализована между плоскостями кристалла. В третьем случае увеличивается интенсивность Ожепика атомов примесей, если они находятся в узлах кристаллической решетки в виде атомов замещения, Выбор величины начальной энергии потока первичных заряженных частиц (электронов и ионов) Ep = 3 — 30 кэВ обусловлен тем, что в этой области энергии вероятность ионизации многих примесных атомов с выбиванием электронов с более глубоких К- и L-оболочек максимальна.

Последнее вытекает из выражения для сечения ионизации атомов, записываемого в борновском приближении, которое имеет максимум при начальной энергии пучка электронов Ео = (3 — 4) х Ес, где Ес — критический потенциал ионизации оболочки атома. Для оболочки К и L этот потенциал для многих примесных атомов лежит в пределах 1-3 кэВ. Отсюда следует, что для эффективного возбуждения примесных атомов с выбиванием электронов из глубоких оболочек, которые участвуют в

Оже-процессе, необходима энергия пучка первичных электронов более 3 кэ8.

Нижний предел энергии пучка первичных ионов обусловлен необходимостью увеличения эмиссии электронов, втомчисле Оже-электронов, от примесных атомов, которая прямо пропорциональна энергии пучка. Последнее вытекает.из закона кинетической электронной эмиссии, указывающего на прямую пропорциональность сечения ионизации атомов от энергии пучка ионов. Кроме того, такая энергия пучка

55 первичных ионов необходима также для получения сведения о локализации примесных атомов в глубоких слоях кристалла, так как в этой области глубина проникновения первичных каналируемых частиц составляет несколько сот ангстрем и более.

Ограничение сверху энергии пучка заряженных частиц обусловлено тем, что более высокие энергии приводят к разрушениям поверхностных слоев кристалла, что влияет на корректное определение истинного положения примесных атомов в решетке, а также приводит к ослаблению иктенсивности Оже-электронов, эмиттируемых примесными атомами из глубоких слоев кристалла, так как наиболее эффективный выход Оже-электронов о ограничен слоями в пределах 30 — 40 А. Это объясняется тем, что высокая энергия пучка заряженных частиц соответствует большой глубине проникновения их в кристалл и, следовательно, все больше возбуждаются примесные атомы, находящиеся в глубоких слоях кристалла, Однако это обстоятельство не ограничивает способ по тол.цине кристалла, так как при необходимости ионная бомбардировка позволяет стравливать поверхность кристалла (ионкым распылением) до нужной глубины (толщины) и опять определять локализацию примесных атомов в глубоких слоях кристалла.

Необходимость симметрии угла регистрации (угла вылета) Оже-электронов и угла падения пучка первичных заряженных частиц на кристалл обусловлена тем, что в соответствии с законом зеркальности отражения (рассеяния) заряженных частиц от поверхности кристалла максимум вторичных электронов, в том числе Оже-электронов, эмиттированкых поверхностью под действием пучка первичных заряженных частиц, приходится- ка угол вылета, равный углу падения пучка первичных частиц, Кроме того, при угле падения, при котором пучок первичных заряженных частиц каналируется вдоль определенной кристаллографической оси кристалла, вторичные упруго и неупруго отраженные ионы и электроны при выходе из кристалла наиболее эффективно какалируются в симметричных направлениях, что приводит к наиболее эффективному возбуждению примесных атомов, находящихся в этих направлениях. При этом эмиссия Оже-электронов примескых атомов резко возрастает, так как вторичные упруго и неупруго отраженные (рассея нкые) электроны способны в 3-4 раза больШе воз1679320

55 буждать Оже-электроны, чем первичные заряженные частицы, Локализация внедренных (или примесных) атомов в элементарной ячейке (решетке) кристалла и их химическое состояние играет важную роль в изменении тех или иных свойств материалов, В зависимости от локализации примесных атомов в решетке они могут находиться в нейтральном или заряженном состояниях, создавать дефекты различных типов и, соответственно, приводить к фаэовым изменениям, вступать.в химическое соединение с атомами самого материала и т.д. Все это приводит к резкому изменению тех или иных свойств материала.

Пример. Способ определения локализации примесных атомов кристалла осуществляют следующим образом.

Исследуемый кристалл Мо < 100 > поме. щают в камеру Оже-спектрометра с давлением P = 10э торр на манипулятор, обеспечивающий возможность вращения кристалла по азимутальному углу 0 — 360, а по полярному 0 — 90, Первоначально кристалл ориентируют таким образом, чтобы направление первичного пучка ионов . (или электронов) совпадало с определенной осью, например. с < 110 > кристалла

Мо, а пучок вторичных элвктронов регистрируют под тем же углом вылета, который совпадает с осью < 110 > кристалла, электростатическим анализатором типа

Юза-Рожанского. Исследуемый кристалл

Мо облучают электронами с энергией 4 кэВ.

Оже-электроны, эмиттированные атомом кристалла и его примесными атомами серы, азота, кислорода и углерода, которые обнаружены, регистрируют с помощью анализатора и измеряют их интенсивности по отношению к интенсивности

Оже-пика атома самого кристалла в зависимости от азимутального угла поворота последнего.

Затем кристалл поворачивают по по. лярному углу так, чтобы направление первичного пучка электронов совпадало, например с осью < 120 > кристалла Мо

<100> а пучок вторичных электронов (Ожеэлектронов) регистрируют под тем же углом вылета, совпадающим с осью < 120 > кристалла, в зависимости от азимутального угла его поворота.

Затем кристалл по полярному углу поворачивают так, что направление первичного пучка не совпадает ни с осью, ни с плоскостью кристалла, а произвольное (в данном случае полярный угол равен 50 ), с целью увеличения вероятности взаимодейст-.

41 вия первичного пучка электронов с примесными атомами, находящимися в узлах решетки, При этом Оже-электроны опять регистрируют под углом вылета, равным углу падения пучка первичных электронов, в зависимости от азимутального угла поворота кристалла.

По результатам измерений строят графики зависимостей интенсивностей Ожепиков атомов самого кристалла и его примесных атомов от аэимутального угла поворота кристалла.

Анизотропия, обнаруживаемая при измерениях интенсивности Оже-пиков атомов примесей относительно интенсивности

Оже-пика атома кристалла в зависимости от аэимутального угла поворота исследуемого кристалла, позволяет определить локализацию примесных атомов в кристалле, На основании полученных данных измерений установлено, что естественные примесные атомы серы и в монокристаллах молибдена, полученных электронной-зонной плавкой, занимают октаэдрические с координатами

1/2, 1/2,0 позиции(в межлоузлиях) вобьемно-центрированной решетке, а примесные атомы углерода и кислорода присутствуют в виде поверхностных загрязнений.

Для оценки локализации примесных атомов кристалла в виде атомов замеще.;ия, необходимо проводить измерение относительной интенсивности Оже-пика атома примеси при подборе случайного направления падения пучка первичных электронов(или ионов) на кристалл.

Использование для анализа вторичных элементов малоуглового угловая апертура детектирования равна 0,5 ) дисперсионного электростатического анализатора типа

Юза-Рожанского позволяет анализировать по энергиям Оже-электроны, вылетающие из кристалла под малым телесным углом, равным углу падения пучка первичных электронов на кристалл, Такая ориентация анализатора с малой угловой апертурой по отношению к облучаемому кристаллу дает возможность с большой вероятностью детектировать Оже-электроны, эмиттированные примесными атомами кристалла под действием вторично неупругоатраженных электронов и ионов, которые испытывают осевое и плоскостное каналирование вдоль выбранных направлений. Указанное условие важно, так как вторично неупругоотраженные электроны способны возбуждать вторичные электроны, в том числе и Ожеэлектроны, количество которых в Э вЂ” 4 раза больше, чем количество электронов, выбиваемых первичным пучком при входе в кристалл, 1679320 ляется то, что масса атома примеси. локализация которой подлежит определению, должна быть больше, чем масса атома самого кристалла. Указанное обстоятельство резко ограничивает метод POP по сравнению с предлагаемым способом, так как в этом случае масса примесных атомов не играет роли в обнаружении и определении локализации (местоположения) примесных атомов кристалла и, соответственно, позволяет определить локализацию, кроме атома водорода, всех элементов таблицы Менделеева в кристалле.

Составитель В.Простакова

Техред M.Ìoðlåíòàë Корректор Т.Малец

Редактор И.Шулла

Заказ 3207 Тираж 382 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Кроме того, способ прост в реализации — не,,требует дорогостоящего оборудования, в случае использования в качестве зонда пучка ионов можно с помощью корреляционной диаграммы энер- 5 гетических уровней электронов атомов подобрать первичный пучок таких ионов, при которых Оже-электроны наиболее интенсивно возбуждаются от атомов примеси, что дает возможность наиболее надежно 10 определить локализацию их в решетке кристалла.

Способ позволяет повысить чувствительность определения локализации примесных атомов кристалла, так как сам метод 15 электронной Оже-спектроскопии по сравнению с методом реэерфордовского обратного рассеяния (POP) почти на два порядка чувствительнее, т.е, он позволяет обнаружить примеси с концентрацией в объеме в 20 пределах 10 — 10 атом/см, а метод POP — в пределах 10 -10 атом/см . Поэтому метод электронной Оже-спектроскопии в сочетании с использованием в нем эффекта каналирования как пучка первичных 25 ионов и электронов, так и пучка вторичных упруго- и неупругоотраженных электронов и ионов в кристалле резко увеличивает чувствительность определения локализации примесных атомов. Кроме того, способ 30 резко расширяет диапазон состава определяемых примесей по сравнению с методом РОР, в котором необходимым явФормула изобретения

Способ определения локализации примесных атомов кристалла, включающий облучение кристалла потоком заряженных частиц, вдоль различных направлений при азимутальном вращении кристалла и регистрации спектра вторичных частиц, по которому судят о локализации примесей, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расширения диапазона определяемых примесей, облучение проводят потоком электронов с энергией 3-10 кзВ или ионов с энергией

10 — 30 кэВ, осуществляют регистрацию

Оже-электронов под углом вылета, равным углу падения первичного пучка, сравнивают интенсивности Оже-пиков атомов кристалла и атомов примеси в зависимости от азимутального угла поворота кристалла.