Способ элементного анализа поверхностных слоев твердых тел

 

Использование: элементный анализ поверхностных слоев твердых тел, например, тонкопленочных структур в материалах и изделиях микроэлектроники . Сущность изобретения: способ включает распыление поверхности твердого тела пучком ионов, одновременное воздействие на распыляемую область твердого тела лазерным излучением с определенной энергией фотонов , сепарацию по массам распыленных ионов определяемых элементов и их последующую регистрацию. Энергию фотонов h) выбирают из условия hO Ј; -ец, где б; - потенциал ионизации атома определяемого элемента, еср - работа выхода материала твердого тела. 1 ил. 10 С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

<5 >5 Н 01 .1 49i14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ 4

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4855492Л1 (22) 31.07,90 (46) 23 ° 11 92, Бюл ° tv" 43 (71) Научно-исследовательский техно" логический институт (72) Д,Е,Миловзоров, Г,А,Иерозия и В.А.Шишлаков (56) Электронная и ионная спектроскопия твердых тел, Под ред. Л.фирмэнса, Дж. Вэнника и В,Оскейсера.

М.: Мир, 19Г1, с. 236-280.

Электронная и ионная спектроскопия твердых тел. Под ред, Л.фирмэнса

«и др. - М.: Мир, 1981, с. 345-445. (54) СПОСОБ ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ (57) Использование: элементный ана\

Изобретение относится к способам элементного анализа поверхностных слоев твердых тел и может быть использовано в микроэлектронике, Известен способ элементного анализа поверхностных слоев твердых тел, в котором ионным пучком распыляют поверхность анализируемого образца и регистрируют оже-электроны, эмиттируемые анализируемой поверхностью, Недостатком известного способа является низкая чувствительность, Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ элементного анализа поверхностных слоев твердых тел, в котором ионным пучком распыляют поверхность анализируемого образца и сепарируют рас„„. Д „„1777187 А1 лиз поверхностных слоев твердых тел, например, тонкопленочных структур в материалах и изделиях микроэлектроники. Сущность изобретения: способ включает распыление поверхности твердого тела пучком ионов, одновременное воздействие на распыляемую область твердого тела лазерным излучением с определенной энергией фотонов, сепарацию по массам распыленных ионов определяемых элементов и их последующую регистрацию, Энергию фотонов h) выбирают из условия М >

) Е; -eg, где Я; - потенциал ионизации атома определяемого элемента, eg - работа выхода материала твер дого тела. 1 ил. пыленные вторичные ионы по массам с последующей их регистрацией.

Недостаток известного способа заключается в низком выходе вторичных ионов с поверхности твердого тела, лежащем в пределах 10 -10 . Этот недостаток снижает чувствительность известного способа, Рель изобретения — повышение чувствительности, Укаэанная цель достигается тем, что в способе элементного анализа, включающем распыление поверхности твердого тела пучком ионов, сепарацию по массам распыленных ионов определяемых элементов, на распыляемую область твердого тела одновременно с пучком ионов воздействуют лазерным

1777187 излучением, энергию фотонов Ь ) торого выбирают из условия. коh) ) F; — еу, 3

5 где 3; - потенциал ионизации атома определяемого элемента," е(— работа выхода материала твердого тела.

Сопоставительный анализ с прототи- 1р пом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что на распыленное вещество дополнительно воздействуют лазерным излучением, энергия Фотонов

h)I которого настроена н резонанс с электронным переходом в атомах определяемого элемента с основного на высоколежащий возбужденный уровень и выбирается из соотношения F,; -h) с eg, где Е, - энергия ионизации атома определяемого элемента с основного состояния, eg — работа выхода материала анализируемого образца.

Таким образом, заявляемый способ удовлетворяет критерию изобретения 25 новизна е

Признаки, отличающие техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной области техники, что 3р позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличил".

Сущность изобретения заключается в следующем, 35 определяется <ак

Р, = Ч Иу где V — вероятность резонансного перехода, Перевод электрона из основного состояния на высоколежащий возбужденный уровень увеличивает вероятность ионизации атома при взаимодей- щ ствии с поверхностью распыленного, образца. Взаимодействие в этом случае происходит на расстоянии от поверхности, равном 1"104 А, так как ра" диус орбиты возбужденного электрона 45 зависит от главного квантового числа как r n> и при n= 85 составляет около 1 мкм. Таким образом, при переводе атома в высоковозбужденное состояние вероятность его ионизации рас- 0 тет с уменьшением высоты и ширины потенциального барьера.

Вероятность Р; ионизации атома при воздействии лазерного излучения

W2„- вероятность ионизации в результате взаимодействия с поверхностью, равная ко" эффициенту прохождения потенциального барьера D.

При .значениях i, интенсивности излучения лазера I ?цо вероятность возбуждения достигает значения 0,5, При когерентном взаимодействии (б - импульс, инвертирующий населенность уровней) вероятность возбуждения достигает 1, Коэффициент прохождения потенциального барьера (случай прямоугольного барьера при Е < Ч ) оценивается по формуле

D

l+ — -. - Shaf

2k где а - ширина потенциального барьера, k = — 2тпЕ

h

g = — 2m(E-V )

h Q У (= Хтпд>0.

Значение D для атомов ln(ÅI о

5,78 эВ, eq = 3,8 эВ), Я = 4101 А, Al (Е, = 5,9 эВ, еС = 4,15 эВ), = 3961 А, K (E; = 4,33 эВ, еср

= 2,22 эВ) и энергии фотона лазерного излучения h4 = 3,06 эВ (= 4047 А) равно 0,4-0,5, Следовательно, вероятность иони" зации за счет резонансного возбуж.дения атомов поверхности равна Р; -0,2-

0,5, т.е, достигает значений от четверти до половины всех распыленных частиц.

На чертеже схематически изображено устройство, реализующее предлагаемый способ„

Устройство состоит из ионной пушки 1, анализируемого образца 2, пе" рестраиваемого лазера 3, масс-сепа" ратора 4, детектора ионов 5, Способ осуществляется следующим образом.

Пучок ионов, формируемый ионной пушкой 1, распыляет поверхность анализируемого образца 2, Распыленные в основном состоянии атомы, состав" ляющие большинство от общего числа распыленных частиц, на поверхности подвергаются воздействию лазерного излучения, формируемого перестраиваемым лазером 3. Длина волны лазера

1УУ71Р7

Составитель Д,Миловзоров

Редактор О,Стенина Техред М,Моргентал Корректор,Е.Папп

Раказ 4125 Тираж " Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

3 выбирается таким образом, чтобы его излучение возбуждало атомы определяемого элемента на электронный уровень, энергия ионизации F; с которого меньше работы выхода еЦ> ма" териала анализируемого образца 2. лалее возбужденные атомы ионизуются .в потенциальном поле системы атомповерхность, Образовавшиеся ионы 10 совместно с вторичными ионами сепарируются по массам в масс-сепараторе 4 и регистрируются детектором 5.

В случае, когда интенсивность из- 15 лучения Iq лазера 3 удовлетворяет со отношению I< > Iuoc, где Тна — интенсивность насыщения поглощения, возбуждаемого в атомах определяемого элемента перехода, реализуется ре- 20 жим максимального повышения выхода вторичных ионов, Поскольку интенсивность насыщения поглощения радиацион-, ного перехода определяется как Х„ с

1/2Q (3z) Т, где G (4p) - сечение радиационного перехода на частоте пОля )», Т - время релаксации населенности возбужденного уровня к равновесному состоянию, то соотношение для интенсивности излучения лазера З0

IÄ 1Л(э Ип ) Применение резонансного лазерного излучения позволяет повысить коэфФициент вторичной ионной эмиссии на несколько порядков и, таким образом, повысить чувствительность способа.

Предлагаемый способ может быть применен для анализа тонкопленочных структур в материалах и изделиях микроэлектроники, Формула и э о б р е т е н и я

Способ элементного анализа поверхностных слоев твердых тел, включающий распыление поверхности твердого тела пучком первичных ионов, сепара цию распыленных ионов определяемых элементов по массам и их последующую регистрацию, о т л и ч а ю щ и v с я тем, что, с целью повышения чувствительности, на распыляемую область твердого тела одновременно с пучком первичных ионов воздействуют лазерным излучением, энергию фотонов h) которого выбирают из условия

h) )Е, — е где Я; - потенциал иониэации атома определяемого элемента, эВ, е - работа выхода материала твердого тела, эВ,