реферат, рефераты скачать Информационно-образоательный портал
Рефераты, курсовые, дипломы, научные работы,
реферат, рефераты скачать
реферат, рефераты скачать
МЕНЮ|
реферат, рефераты скачать
поиск
Метод ВИМС

Метод ВИМС

Калужский Филиал

Московского Государственного

Технического Университета

им. Н. Э. Баумана




Кафедра Материаловедения и Материалов Электронной Техники





КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу  МИМ и КЭТ

на тему:

“Вторично-ионная

   масс-спектрометрия“


  выполнил:  студент гр. ФТМ—81

                                                                                Тимофеев А. Ю.

                                                           проверил:   Леднева Ф. И.










г. Калуга

 1997 год.

Содержание


Введение                                                                                                3

Взаимодействие ионов с веществом                                                  3

Вторично-ионная эмиссия                                                                   5

Оборудование ВИМС.                                                                         8

Принцип действия установок.                                                            9

Установки, не обеспечивающие анализа распределения частиц по поверхности     10

Установки, позволяющие получать сведения о распределении                                    11

 элемента по поверхности, со сканирующим ионным зондом 

Установки с прямым изображением                                                                               11

Порог чувствительности                                                                      12

Анализ следов элементов                                                                    14

Ионное изображение                                                                                      16

Требования к первичному ионному пучку                                                 17

Масс-спектрометрический анализ нейтральных                                      18

распыленных частиц

Количественный анализ                                                                   19

Глубинные  профили концентрации  элементов                       22

Приборные факторы, влияющие на разрешение                             23

по глубине при измерении профилей концентрации                       

Влияние ионно-матричных эффектов  на разрешение                    25

по глубине при измерении профилей  концентрации

Применения                                                                                         26

Исследование поверхности                                                                           26

Глубинные профили концентрации                                                            27

Распределение частиц по поверхности,                                                      27

микроанализ и объемный анализ 

Заключение                                                                                          27

Список литературы                                                                                             29 Введение


            Возможности получения сведений о составе внешнего атомного слоя твердого тела значительно расширялись всвязи с разработкой и усовершенствованием метода вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) и других методов. Большинство таких методов близки к тому, чтобы анализировать саму поверхность, поскольку основная информация о составе материала поступает из его приповерхностной области толщиной порядка 10А, а чувствительность всех таких методов достаточна для обнаружения малых долей моноатомного слоя большинства элементов.

            Взаимодействие быстрых ионов с твердым телом приводит к выбиванию атомов и молекул материала как в нейтральном, так и в заряженном состоянии. На таком явлении сравнительного эффективного образования заряженных частиц (вторичных ионов) и на принципе высокочувствительных масс-спектрометрических измерениях и основан метод ВИМС. Хотя у него, как у любого другого метода, имеются свои недостатки, только он один дает столь широкие возможности исследования и поверхности, и объема твердого тела в одном приборе. Наиболее важными характерными особенностями метода, которые вызывают повышенный интерес к нему, являются очень низкий порог чувствительности для большинства элементов (меньше 10-4 моноатомного слоя), измерение профилей концентрации малых количеств примесей с разрешение по глубине меньше 50А, разрешение по поверхности порядка микрометра, возможность изотопического анализа и обнаружение элементов с малыми атомными номерами (H, Li, Be и т. д.)


Взаимодействие ионов с веществом


                       


                        Фиг.1. Виды взаимодействий ионов с твердым телом [2].

            В этом разделе рассматривается поведение ионов высоких   энергий (1 - 100 кэВ), попадающих на поверхность твердого тела. Фиг.1 иллюстрирует 10 разновидностей взаимодействия  ионов с поверхностью [2]. Падающий ион может обратно рассеиваться атомом или группой атомов бомбардируемого образца (1). Процесс обратного рассеяния обычно приводит к отклонению траектории иона от первоначального  направления  после столкновения и к обмену энергией между ионом и атомом мишени. Обмен энергией может быть упругим и неупругим в зависимости от типа взаимодействующих частиц и энергии иона.

            Импульс иона может быть достаточно велик для того, чтобы   сместить поверхностный атом из положения, где он слабо связан с кристаллической структурой образца, в положение, где связь оказывается сильнее (2). Этот процесс называется атомной дислокацией. Ионы с более высокими энергиями могут вызывать внутренние дислокации в толще образца (3). Если соударяющиеся с поверхностью образца ионы передают настолько  большой импульс, что полностью освобождают от связей один или несколько атомов, происходит физическое распыление (4).  Ионы могут проникать в кристаллическую решетку и захватываться там, израсходовав свою энергию (ионная имплантация) (5)  .  В  результате   химических   реакций  ионов   с  поверхностными   атомами   на   поверхности   образуются   новые  химические  соединения,  причем   самый  верхний   слой  атомов   может  оказаться  в  газообразном  состоянии  и  испариться  (химическое  распыление)   (6).   Бомбардирующие   положительные  ионы   в  результате  процессса  оже-нейтрализации  могут  приобретать  на  поверхности  электроны и отражаться от нее в виде нейтральных            атомов  (7).  Ионы  могут  оказаться  связанными  с  поверхностью образца  (адсорбированными)   (8).   При    ионной   бомбардировке    металлических  поверхностей  в  определенных   условиях  возможно возникновение   вторичной   электронной  змиссии   (9).  Наконец, если поверхностные    атомы   возбуждаются    до   ионизированных  состояний и покидают   образец,  имеет  место   вторичная  ионная эмиссия (10).

            Замедляясь, ион передает энергию твердому телу. При анализе процессов потери энергии удобно различать два основных механизма:  соударения с электронами и соударения с ядрами.

            Первый  механизм состоит в том, что быстрый ион взаимодействует с электронами кристаллической решетки, в результате  чего  возникают возбуждение и ионизация атомов кристалла. Поскольку плотность электронов в веществе мишени высока и такие столкновения многочисленны, этот процесс,

как и в случае потери энергии электронами, можно считать  непрерывным .

            В  рамках  второго  механизма  взаимодействие  происходит  между   экранированными зарядами ядер первичного иона и  атомами  мишени. Частота таких столкновений ниже, поэтому  их можно   рассматривать как упругие  столкновения двух  частиц. Ионы  высоких  энергий  хорошо  описываются  резерфордовским  рассеянием, ионы  средних энергий  - экранированным  кулоновским рассеянием, однако при малых  энергиях характер  взаимодействия становится более сложным.

            Кроме перечисленных выше механизмов вклад в энергетические потери дает обмен зарядами между движущимся ионом  и атомом  мишени. Этот  процесс наиболее  эффективен, когда относительная  скорость  иона  сравнима с боровской скоростью электрона  ( ~106 м/с) .                                     

            Таким  образом,  полные  потери  энергии  -   dЕ/dz  можно представить в виде суммы трех  составляющих -  ядерной, электронной  и  обменной.                                           

            При малых энергиях ионов преобладает взаимодействие с ядрами, которое приводит к появлению угловой расходимости  пучка. При высоких энергиях более существенными становятся столкновения с электронами. Справедливо следующее эмпирическое правило: передача энергии кристаллической решетке осуществляется в основном за счет ядерных столкновений при энергиях меньше А кэВ, где А - атомный вес первичного иона. В промежуточном диапазоне энергий вклад потерь, обусловленных обменом заряда, может возрастать примерно до 10% от полных потерь. Зависимость энергетических потерь от энергии  первичного иона показана на фиг.2.


Фиг.2. Зависимость энергетических потерь иона от энергии [2].


Фиг.3.    Схематическое представление взаимодействия ионов с мишенью [2].

            Неупругие взаимодействия с электронами мишени вызывают вторичную электронную эмиссию, характеристическое рентгеновское излучение и испускание световых квантов. Упругие взаимодействия приводят к смещению атомов кристаллической решетки, появлению дефектов и поверхностному распылению. Эти процессы схематически проиллюстрированы на фиг. 3.

            Энергетический спектр рассеянных твердотельной мишенью     ионов с начальной  энергией Е0 схематически  представлен на фиг.4. Здесь видны широкий низкоэнергетический (10 - 30 эВ) горб, соответствующий испусканию нейтральных атомов     (распыленные атомы), и высокоэнергетический горб, расположенный вблизи энергии первичного иона Е0 (упругорассеянные ионы).


Вторично-ионная эмиссия


            Основные  физические  и  приборные   параметры,  характеризующие  метод  ВИМС,  охватываются  формулами  (1) -  (3). Коэффициент вторичной ионной  эмиссии SА±,  т. е.  число (положительных  или отрицательных)  ионов на  один падающий  ион, для элемента А в матрице образца дается выражением

                                                            SА±=gА±САS,     (1)

где gА± -  отношение  числа  вторичных  ионов  (положительных или отрицательных) элемента А к полному числу нейтральных и  заряженных  распыленных  частиц  данного  элемента, а  СА  -атомная концентрация данного  элемента в  образце. Множитель S -  полный коэффициент распыления материала  (число атомов на один первичный ион).  В него  входят все  частицы, покидающие  поверхность, как  нейтральные, так  и ионы.  Величины gА±  и S  сильно зависят от состава матрицы образца, поскольку отношение gА± связано с электронными свойствами поверхности, а S   в большой  степени определяется  элементарными энергиями связи или теплотой атомизации твердого тела. Любой теоретический способ пересчета  измеренного выхода вторичных ионов в  атомные концентрации  должен, давать  абсолютное значение отношения gА± или  набор его  приведенных значений  для любой  матрицы.

           

            Фиг.4. Энергетический спектр электронов, рассеянных при соударении с твердотельной                       мишенью [2].


            Вторичный ионный ток  iА± (число  ионов в  секунду), измеряемый в приборе ВИМС, дается выражением

                                                                    iА± =hASA±IP,  (2)

 где iА±  - ионный ток для моноизотопного элемента (для данного компонента многоизотопного  элемента ионный  ток равен faiА±, где fa,- содержание изотопа а в элементе А). Величина hA -эффективность регистрации ионов данного изотопа в используемом приборе ВИМС. Она равна произведению эффективности переноса ионов через масс-анализатор на чувствительность ионного детектора. Множитель hA обычно можно рассматривать как константу, не зависящую от вида элемента или  массы изотопа, если энергетические распределения вторичных  ионов примерно одинаковы и имеют максимум при нескольких  электрон-вольтах, так что зависящее от массы изменение чувствительности детектора частиц мало. Наконец, IP полный ток  первичных ионов (число ионов в секунду), падающих на образец.

            Конечно, величина IP связана с плотностью тока первичных ионов DP (число ионов за секунду на 1 см2) и диаметром пучка d (см). Если для простоты принять, что сечение пучка круглое, а плотность DP тока постоянна в пределах сечения, то

                                                                  IP=(0,25p)DPd2.  (3)


            При  существующих  источниках  первичных  ионов,  используемых в приборах ВИМС, плотность тока на  образец, как  правило, не превышает 100  мА/см2 (в  случае однозарядных  ионов ток 1 mА  соответствует потоку 6.2 1015 ион/с). В табл. 1 приводятся типичные значения параметров, входящих в формулы (1) - (3).

 Таблица 1.

Типичные значения параметров

в формулах (1)- (3) [1].

gА±

10-5¸10-1

S

1¸10

hA

10-5¸10-2

   DP    

10-6¸10-2 mA/cm2

d

10-4¸10-1 cm

            Самое   важное   значение   в   вопросе   о    возможностях   ВИМС как   метода   анализа   поверхностей   имеет    взаимосвязь   между параметрами   пучка   первичных   ионов,  скоростью   распыления  поверхности  и  порогом  чувствительности  для  элементов.   Из-за  отсутствия  информации   о  такой   взаимосвязи  часто   возникают  неправильные   представления    о   возможностях    метода.   Соотношения   между   током   первичных   ионов,   диаметром   и   плотностью  пучка, скоростью распыления

поверхности и порогом чувствительности при типичных условиях иллюстрируются графиком, представленным на фиг.5. Скорость удаления (число монослоев в секунду) атомов мишени при заданной энергии ионов пропорциональна плотности их тока DP, а порог чувствительности при регистрации методом ВИМС (минимальное количество элемента, которое можно обнаружить в отсутствие перекрывания пиков масс-спектра) обратно пропорционален полному току ионов IP. Коэффициент пропорциональности между порогом чувствительности ВИМС и IP определяется исходя из результатов измерений для ряда элементов в различных матрицах путем приближенной оценки, основанной на экспериментальных значениях для типичных пар элемент - матрица. При построении графика на фиг.5 предполагалось, что площадь захвата анализатора, из которой вторичные ионы отбираются в анализатор, не меньше сечения пучка первичных ионов. Данное условие обычно выполняется в масс-спектрометрии, если диаметр области, из которой поступают ионы, не превышает 1 мм.

                       

            Фиг. Зависимость между током первичных ионов, диаметром и плотностью первичного

                         пучка, скоростью удаления атомных слоев и порогом чувствительности ВИМС[1].

            Распыление   ионным   пучком   -   разрушающий   процесс.  Но  если требуется, чтобы  поверхность оставалась  практически без  изменения,  то  анализ  методом   ВИМС  можно   проводить  при  очень  малых  скоростях распыления  образца (менее  10-4 монослоя в секунду) . Чтобы при  этом обеспечить  достаточную чувствительность метода ( »10-4  монослоя), как  видно из фиг.5,  необходим первичный ионный пучок с током 10-10 А  диаметром   1  мм.  При  столь  низкой плотности  тока  первичных  ионов  ( 10-5  мА/см2) скорость  поступления на  поверхность образца атомов  или  молекул  остаточных  газов  может  превысить скорость  их  распыления  первичным пучком.   Поэтому  измерения  методом  ВИМС  в  таких  условиях  следует проводить  в сверхвысоком или чистом (криогенном) вакууме.

            Указанные  приборные  условия  приемлемы  не  во   всех  случаях  анализа.  Например, определение   профиля  концентрации  примесей,  присутствующих  в  малых количествах  в поверхностной пленке  толщиной свыше  5ОО А,  удобно проводить  при диаметре пучка, равном 100 мкм, и  при скорости  распыления, превышающей  10-1  атомных  слоев  в  секунду. Еще  более высокие  плотности ионного тока  требуются, чтобы  обеспечить статистически  значимые  количества  вторичных  ионов с  единицы площади  поверхности,  необходимые  при  исследовании распределения по поверхности следов элементов при помощи ионного микрозонда или масс-спектрального микроскопа. На  основании сказанного и данных фиг.5 мы заключаем, что невозможно  обеспечить  поверхностное  разрешение в  несколько микрометров для примеси, содержание которой равно »10-4%,  при скорости распыления менее 10-3 атомных слоев в секунду. Это взаимно исключающие условия.

Страницы: 1, 2, 3, 4



© 2003-2013
Рефераты бесплатно, рефераты литература, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты медицина, рефераты на тему, сочинения, реферат бесплатно, рефераты авиация, курсовые, рефераты биология, большая бибилиотека рефератов, дипломы, научные работы, рефераты право, рефераты, рефераты скачать, рефераты психология, рефераты математика, рефераты кулинария, рефераты логистика, рефераты анатомия, рефераты маркетинг, рефераты релиния, рефераты социология, рефераты менеджемент.