Ѕаза знаний студента. –еферат, курсова€, контрольна€, диплом на заказ

курсовые,контрольные,дипломы,рефераты

ћетод ¬»ћ— — “ехнологи€

ѕосмотреть видео по теме –еферата

 алужский ‘илиал

ћосковского √осударственного

“ехнического ”ниверситета

им. Ќ. Ё. Ѕаумана

 афедра ћатериаловедени€ и ћатериалов Ёлектронной “ехники

 ”–—ќ¬јя –јЅќ“ј

по курсу† ћ»ћ и  Ё“

на тему:

У¬торично-ионна€

†† масс-спектрометри€У

† выполнил:† студент гр. ‘“ћЧ81

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† “имофеев ј. ё.

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† проверил:†† Ћеднева ‘. ».

г.  алуга

†1997 год.


—одержание

¬ведени円††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 3

¬заимодействие ионов с вещество솆††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 3

¬торично-ионна€ эмисс舆††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 5

ќборудование ¬»ћ—.†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 8

ѕринцип действи€ установок.††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 9

”становки, не обеспечивающие анализа распределени€ частиц по поверхност膆†† 10

”становки, позвол€ющие получать сведени€ о распределени膆††††††††††††††††††††††††††††††††† 11

†элемента по поверхности, со сканирующим ионным зондом†

”становки с пр€мым изображение솆†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 11

ѕорог чувствительност膆††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 12

јнализ следов элементоↆ†††††††††††††††††††††††††††††††††† †††††††††††††††††††††††††††††† 14

»онное изображени円††††††††††††††††††††††††††††††††††††† ††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 16

“ребовани€ к первичному ионному пучк󆆆†††††††††††† †††††††††††††††††††††††††††††††† 17

ћасс-спектрометрический анализ нейтральных††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 18

распыленных частиц

 оличественный анали熆†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 19

√лубинные† профили концентрации† элементоↆ†††††††††††††††††††† 22

ѕриборные факторы, вли€ющие на разрешени円†††††††††††††††††††††††††† 23

по глубине при измерении профилей концентраци膆†††††††††††††††††††††

¬ли€ние ионно-матричных эффектов† на разрешени円††††††††††††††††† 25

по глубине при измерении профилей† концентрации

ѕрименен舆††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 26

»сследование поверхност膆†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 26

√лубинные профили концентраци膆†††††††††††††††††††††††††††††† †††††††††††††††††††††††††† 27

–аспределение частиц по поверхности,††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 27

микроанализ и объемный анализ†

«аключени円††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 27

—писок литературы ††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 29
¬ведение

††††††††††† ¬озможности получени€ сведений о составе внешнего атомного сло€ твердого тела значительно расшир€лись всв€зи с разработкой и усовершенствованием метода вторично-ионной масс-спектрометрии (¬»ћ—) и других методов. Ѕольшинство таких методов близки к тому, чтобы анализировать саму поверхность, поскольку основна€ информаци€ о составе материала поступает из его приповерхностной области толщиной пор€дка 10ј, а чувствительность всех таких методов достаточна дл€ обнаружени€ малых долей моноатомного сло€ большинства элементов.

††††††††††† ¬заимодействие быстрых ионов с твердым телом приводит к выбиванию атомов и молекул материала как в нейтральном, так и в зар€женном состо€нии. Ќа таком €влении сравнительного эффективного образовани€ зар€женных частиц (вторичных ионов) и на принципе высокочувствительных масс-спектрометрических измерени€х и основан метод ¬»ћ—. ’от€ у него, как у любого другого метода, имеютс€ свои недостатки, только он один дает столь широкие возможности исследовани€ и поверхности, и объема твердого тела в одном приборе. Ќаиболее важными характерными особенност€ми метода, которые вызывают повышенный интерес к нему, €вл€ютс€ очень низкий порог чувствительности дл€ большинства элементов (меньше 10-4 моноатомного сло€), измерение профилей концентрации малых количеств примесей с разрешение по глубине меньше 50ј, разрешение по поверхности пор€дка микрометра, возможность изотопического анализа и обнаружение элементов с малыми атомными номерами (H, Li, Be и т. д.)

¬заимодействие ионов с веществом

†††††††††††††††††††††††

††††††††††††††††††††††† ‘иг.1. ¬иды взаимодействий ионов с твердым телом [2].


††††††††††† ¬ этом разделе рассматриваетс€ поведение ионов высоких†† энергий (1 - 100 кэ¬), попадающих на поверхность твердого тела. ‘иг.1 иллюстрирует 10 разновидностей взаимодейств舆 ионов с поверхностью [2]. ѕадающий ион может обратно рассеиватьс€ атомом или группой атомов бомбардируемого образца (1). ѕроцесс обратного рассе€ни€ обычно приводит к отклонению траектории иона от первоначального† направлен舆 после столкновени€ и к обмену энергией между ионом и атомом мишени. ќбмен энергией может быть упругим и неупругим в зависимости от типа взаимодействующих частиц и энергии иона.

††††††††††† »мпульс иона может быть достаточно велик дл€ того, чтобы†† сместить поверхностный атом из положени€, где он слабо св€зан с кристаллической структурой образца, в положение, где св€зь оказываетс€ сильнее (2). Ётот процесс называетс€ атомной дислокацией. »оны с более высокими энерги€ми могут вызывать внутренние дислокации в толще образца (3). ≈сли соудар€ющиес€ с поверхностью образца ионы передают настолько† большой импульс, что полностью освобождают от св€зей один или несколько атомов, происходит физическое распыление (4).† »оны могут проникать в кристаллическую решетку и захватыватьс€ там, израсходовав свою энергию (ионна€ имплантаци€) (5)† .† ¬† результат円 химических†† реакций† ионоↆ с† поверхностным膆 атомам膆 на†† поверхност膆 образуютс€†† новые† химические† соединени€,† приче솆 самый† верхни醆 слой† атомоↆ может† оказатьс€† в† газообразном† состо€нии† и† испаритьс€† (химическое† распыление)†† (6).†† Ѕомбардирующи円 положительные† ионы†† в† результате† процессса† оже-нейтрализации† могут† приобретать† на† поверхности† электроны и отражатьс€ от нее в виде нейтральных††††††††††† атомов† (7).† »оны† могут† оказатьс€† св€занными† с† поверхностью образца† (адсорбированными)†† (8).†† ѕр膆† ионно醆 бомбардировк円† металлических† поверхностей† в† определенных†† услови€х† возможно возникновени円 вторично醆 электронной† змисси膆 (9).† Ќаконец, если поверхностны円† атомы†† возбуждаютс€††† д ионизированных† состо€ний и покидают†† образец,† имеет† мест вторична€† ионна€ эмисси€ (10).

††††††††††† «амедл€€сь, ион передает энергию твердому телу. ѕри анализе процессов потери энергии удобно различать два основных механизма:† соударени€ с электронами и соударени€ с €драми.

††††††††††† ѕервый† механизм состоит в том, что быстрый ион взаимодействует с электронами кристаллической решетки, в результате† чего† возникают возбуждение и ионизаци€ атомов кристалла. ѕоскольку плотность электронов в веществе мишени высока и такие столкновени€ многочисленны, этот процесс,

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

††††††††††† ¬† рамках† второго† механизма† взаимодействие† происходит† между†† экранированными зар€дами €дер первичного иона и† атомами† мишени. „астота таких столкновений ниже, поэтому† их можн рассматривать как упругие† столкновени€ двух† частиц. »оны† высоких† энергий† хорошо† описываютс€† резерфордовским† рассе€нием, ионы† средних энергий† - экранированным† кулоновским рассе€нием, однако при малых† энерги€х характер† взаимодействи€ становитс€ более сложным.

†††††††††††  роме перечисленных выше механизмов вклад в энергетические потери дает обмен зар€дами между движущимс€ ионом† и атомом† мишени. Ётот† процесс наиболее† эффективен, когда относительна€† скорость† иона† сравнима с боровской скоростью электрона† ( ~106 м/с) .†††††††††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† “аким† образом,† полные† потери† энергии† -†† d≈/dz† можно представить в виде суммы трех† составл€ющих -† €дерной, электронной† и† обменной.†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† ѕри малых энерги€х ионов преобладает взаимодействие с €драми, которое приводит к по€влению угловой расходимости† пучка. ѕри высоких энерги€х более существенными станов€тс€ столкновени€ с электронами. —праведливо следующее эмпирическое правило: передача энергии кристаллической решетке осуществл€етс€ в основном за счет €дерных столкновений при энерги€х меньше ј кэ¬, где ј - атомный вес первичного иона. ¬ промежуточном диапазоне энергий вклад потерь, обусловленных обменом зар€да, может возрастать примерно до 10% от полных потерь. «ависимость энергетических потерь от энергии† первичного иона показана на фиг.2.


‘иг.2. «ависимость энергетических потерь иона от энергии [2].

‘иг.3. †† —хематическое представление взаимодействи€ ионов с мишенью [2].


††††††††††† Ќеупругие взаимодействи€ с электронами мишени вызывают вторичную электронную эмиссию, характеристическое рентгеновское излучение и испускание световых квантов. ”пругие взаимодействи€ привод€т к смещению атомов кристаллической решетки, по€влению дефектов и поверхностному распылению. Ёти процессы схематически проиллюстрированы на фиг. 3.

††††††††††† Ёнергетический спектр рассе€нных твердотельной мишенью†††† ионов с начальной† энергией ≈0 схематически† представлен на фиг.4. «десь видны широкий низкоэнергетический (10 - 30 э¬) горб, соответствующий испусканию нейтральных атомоↆ†† (распыленные атомы), и высокоэнергетический горб, расположенный вблизи энергии первичного иона ≈0 (упругорассе€нные ионы).


¬торично-ионна€ эмисси€

††††††††††† ќсновные† физические† и† приборны円 параметры,† характеризующие† метод† ¬»ћ—,† охватываютс€† формулами† (1) -† (3).  оэффициент вторичной ионной† эмиссии Sј±,† т. е.† число (положительных† или отрицательных)† ионов на† один падающий† ион, дл€ элемента ј в матрице образца даетс€ выражением

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† †Sј±=gј±јS,†††† (1)

где gј± -† отношение† числа† вторичных† ионов† (положительных или отрицательных) элемента ј к полному числу нейтральных и† зар€женных† распыленных† частиц† данного† элемента, а† —ј† -атомна€ концентраци€ данного† элемента в† образце. ћножитель S -† полный коэффициент распылени€ материала† (число атомов на один первичный ион).† ¬ него† вход€т все† частицы, покидающие† поверхность, как† нейтральные, так† и ионы.† ¬еличины gј±† и S† сильно завис€т от состава матрицы образца, поскольку отношение gј± св€зано с электронными свойствами поверхности, а S†† в большой† степени определ€етс€† элементарными энерги€ми св€зи или теплотой атомизации твердого тела. Ћюбой теоретический способ пересчета† измеренного выхода вторичных ионов в† атомные концентрации† должен, давать† абсолютное значение отношени€ gј± или† набор его† приведенных значений† дл€ любой† матрицы.

†††††††††††

††††††††††† ‘иг.4. Ёнергетический спектр электронов, рассе€нных при соударении с твердотельной ††††††† ††††††††††††††мишенью [2].

††††††††††† ¬торичный ионный ток† iј± (число† ионов в† секунду), измер€емый в приборе ¬»ћ—, даетс€ выражением

†††††††††††††††††††††††††††††††††† †††††††††††††††††††††††††††††††† iј± =hASA±IP,† (2)

†где iј±† - ионный ток дл€ моноизотопного элемента (дл€ данного компонента многоизотопного† элемента ионный† ток равен faiј±, где fa,- содержание изотопа а в элементе ј). ¬еличина hA -эффективность регистрации ионов данного изотопа в используемом приборе ¬»ћ—. ќна равна произведению эффективности переноса ионов через масс-анализатор на чувствительность ионного детектора. ћножитель hA обычно можно рассматривать как константу, не завис€щую от вида элемента или† массы изотопа, если энергетические распределени€ вторичных† ионов примерно одинаковы и имеют максимум при нескольких† электрон-вольтах, так что завис€щее от массы изменение чувствительности детектора частиц мало. Ќаконец, IP полный ток† первичных ионов (число ионов в секунду), падающих на образец.

†††††††††††  онечно, величина IP св€зана с плотностью тока первичных ионов DP (число ионов за секунду на 1 см2) и диаметром пучка d (см). ≈сли дл€ простоты прин€ть, что сечение пучка круглое, а плотность DP тока посто€нна в пределах сечени€, то

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

††††††††††† ѕри† существующих† источниках† первичных† ионов,† используемых в приборах ¬»ћ—, плотность тока на† образец, как† правило, не превышает 100† мј/см2 (в† случае однозар€дных† ионов ток 1 mј† соответствует потоку 6.2 1015 ион/с). ¬ табл. 1 привод€тс€ типичные значени€ параметров, вход€щих в формулы (1) - (3).



†“аблица 1.

“ипичные значени€ параметров

в формулах (1)- (3) [1].

gј±

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


††††††††††† —амо円 важно円 значени円 ↆ вопрос円 † возможност€х†† ¬»ћ— каꆆ метода†† анализа†† поверхносте醆 имеет††† взаимосв€зь†† между параметрам膆 пучка†† первичных†† ионов,† скоростью†† распылен舆 поверхности† и† порогом† чувствительности† д눆 элементов.†† »з-за† отсутств舆 информаци膆 о† тако醆 взаимосв€зи† част возникают† неправильны円 представлен舆††  возможност€х††† метода.†† —оотношен舆† между†† токо솆 первичных†† ионов,†† диаметро솆 膆 плотностью† пучка, скоростью распылени€


поверхности и порогом чувствительности при типичных услови€х иллюстрируютс€ графиком, представленным на фиг.5. —корость удалени€ (число монослоев в секунду) атомов мишени при заданной энергии ионов пропорциональна плотности их тока DP, а порог чувствительности при регистрации методом ¬»ћ— (минимальное количество элемента, которое можно обнаружить в отсутствие перекрывани€ пиков масс-спектра) обратно пропорционален полному току ионов IP.  оэффициент пропорциональности между порогом чувствительности ¬»ћ— и IP определ€етс€ исход€ из результатов измерений дл€ р€да элементов в различных матрицах путем приближенной оценки, основанной на экспериментальных значени€х дл€ типичных пар элемент - матрица. ѕри построении графика на фиг.5 предполагалось, что площадь захвата анализатора, из которой вторичные ионы отбираютс€ в анализатор, не меньше сечени€ пучка первичных ионов. ƒанное условие обычно выполн€етс€ в масс-спектрометрии, если диаметр области, из которой поступают ионы, не превышает 1 мм.

†††††††††††††††††††††††

††††††††††† ‘иг. «ависимость между током первичных ионов, диаметром и плотностью первичного

†††††††††††††††††††††††† пучка, скоростью удалени€ атомных слоев и порогом чувствительности ¬»ћ—[1].

††††††††††† –аспылени円 ионны솆 пучко솆 -†† разрушающи醆 процесс.† Ќо† если требуетс€, чтобы† поверхность оставалась† практически без† изменени€,† то† анализ† методо솆 ¬»ћ—† можн проводить† при† очень† малых† скорост€х распылен舆 образца (менее† 10-4 моносло€ в секунду) . „тобы при† этом обеспечить† достаточную чувствительность метода ( ї10-4† моносло€), как† видно из фиг.5,† необходим первичный ионный пучок с током 10-10 ј† диаметро솆 1† мм.† ѕри† столь† низкой плотности† тока† первичных† ионов† ( 10-5† мј/см2) скорость† поступлени€ на† поверхность образца атомов† или† молекул† остаточных† газов† может† превысить скорость† их† распылен舆 первичным пучком.†† ѕоэтому† измерен舆 методом† ¬»ћ—† в† таких† услови€х† следует проводить† в сверхвысоком или чистом (криогенном) вакууме.

††††††††††† ”казанные† приборные† услов舆 приемлемы† не† в всех† случа€х† анализа.† Ќапример, определени円 профи눆 концентрации† примесей,† присутствующих† в† малых количествах† в поверхностной пленке† толщиной свыше† 5ќќ ј,† удобно проводить† при диаметре пучка, равном 100 мкм, и† при скорости† распылени€, превышающей† 10-1† атомных† слоев† в† секунду. ≈ще† более высокие† плотности ионного тока† требуютс€, чтобы† обеспечить статистически† значимые† количества† вторичных† ионов с† единицы площади† поверхности,† необходимые† при† исследовании распределени€ по поверхности следов элементов при помощи ионного микрозонда или масс-спектрального микроскопа. Ќа† основании сказанного и данных фиг.5 мы заключаем, что невозможно† обеспечить† поверхностное† разрешение в† несколько микрометров дл€ примеси, содержание которой равно ї10-4%,† при скорости распылени€ менее 10-3 атомных слоев в секунду. Ёто взаимно исключающие услови€.

††††††††††† ћетодом ¬»ћ— анализ поверхности можно проводить в двух† разных режимах: при малой и большой плотности тока, распыл€ющего образец. ¬ режиме малой плотности распыл€ющего тока измен€етс€ состо€ние лишь малой части поверхности, благодар€ чему почти выполн€етс€ основное требование, предъ€вл€емое к методам анализа самой поверхности. ¬ режиме же высоких плотностей токов и соответствующих больших скоростей† распылени€ проводитс€ измерение профилей распределени€ элементов по глубине, микроанализ и определение следовых количеств элементов (<10-4%). ¬ соответствии со всеми этими вариантами создан р€д приборов ¬»ћ—, в которых примен€ютс€ разные способы создани€ и фокусировки первичных ионных пучков и разные анализаторы вторичных ионов.

ќборудование ¬»ћ—.

††† ”становка† ¬»ћ—† состоит† и熆 четырех† основных†† блоков:† источника† первичных† ионо↠膆 системы† формирован舆† пучка,† держате눆 образца†† и† выт€гивающе醆 вторичные† ионы†† линзы,† масс-спектрометра†† д눆† анализа†† вторичных†† частиц†† п отношению† массы† к† зар€ду† (m/е)†† и† высокочувствительно醆 системы† регистрации† ионов.† ƒл€† получен舆† первичных† ионоↆ в† большинстве† установоꆆ используютс€†† газоразр€дны円 ил膆 плазменные† источники.†† —овместн с†† соответствующей† системо醆 формирован舆 и† транспортировк膆 пучка†† эт膆 источник膆† обеспечивают†† широкие† пределы† скорости† распылен舆 поверхности† - от† 10-5 до† 103 ј/с. –азделение† вторичных†† частиц† п m/е† производитс€†† либо† магнитными,†† либ квадрупольным膆 анализаторами.††† Ќаиболе円 широк† распространенны솆† анализаторо솆† ↆ† установках†† ¬»ћ—,† очень†† удобны솆 при† анализ円 состава† образцоↆ и† обнаружении† малых† количеств† (следов)† элементоↆ в† них,†† €вл€етс€† магнитный† спектрометр† с† двойной† фокусировкой† (ↆ котором† осуществл€етс€ анализ† по энергии† и по† импульсу), что† св€зано с† его высоко醆 чувствительностью†† ꆆ относительном󆆆 содержанию.†† ƒл€† таких††† многоступенчатых††† магнитных††† спектрометроↆ† фоновый† сигнал,†† возникающий† из-за†† хвостов† основных†† пиков† материала† матрицы† (рассе€ние† стенками,† на† атомах† газа† и†† т.д.),† может† быть† сведен† к† уровню† менее† 10-9† дл€ общего† фона и† всего 10-6†† д눆 масс,† близких† к† основному† пику.† ¬се же† в отдельных† конкретных†† случа€х†† боле円 практичным† может†† оказатьс€† менее† дорого醆 квадрупольны醆 анализатор.††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

ѕринцип действи€ установок.

†††††††††††††††††††††††

††††††††††††††††††††††† ‘иг.6. —хема обычного метода и метода пр€мого изображени€ при

††††††††††† †††††††††††††††††† †††††††††††††††††масс- спектрометрическом анализе вторичных ионов[1].

††††††††††† ѕри масс-анализе вторичных ионов примен€ютс€ два основных метода: обычный масс-спектрометрический и метод пр€мого изображени€. ќни схематически сопоставлены на фиг.6. ѕри первом методе анализатор† с хорошим разрешением передает на высокочувствительный ионный детектор заметную часть быстрых вторичных ионов, идущих с большой площади образца (ї 1 мм2). ¬ыделенные по массе вторичные частицы собираютс€ в точечный фокус на входной щели детектора. ¬ этом статическом случае получаема€ информаци€ усредн€етс€ по поверхности образца и невозможно установить, из какой точки (например области диаметром 1 мкм) поверхности приход€т вторичные ионы. ѕри методе пр€мого изображен舆 в фокальной плоскости анализатора создаетс€ стигматическое† ионное изображение поверхности и путем соответствующего дифрагмировани€ (или преобразовани€ изображен舆 при помощи чувствительной к электронам или ионам эмульсии) легко можно получить информацию о точках выхода ионов с данными m/e с поверхности образца.†

††††††††††† ¬се установки с пр€мым изображением основан на идее† прибора  астэна и —лодз€на; все иные приборы представл€ют собой варианты обычной масс-спектрометрической методики. ƒл€ получени€ вторично-ионного изображени€ поверхности† при обычном подходе необходимо проводить последовательный анализ вторичных частиц при сканировании поверхности

†мишени первичным ионным пучком малого диаметра. ѕри этом дл€ получени€ изображени€ мишени на экране электронно-лучевой трубки (ЁЋ“) проще электрически сканировать первичный пучок, нежели механически перемещать сам образец. Ёлектронный луч в ЁЋ“ синхронизирован с первичным ионным пучком, и усиленным сигналом вторично-ионного детектора модулируютс€ интенсивность† электронного луча в ЁЋ“. ѕолучаемое при таком методе увеличение изображени€ равно отношению длины строки на экране ЁЋ“ к рассто€нию на поверхности образца, пробегаемому первичным ионным пучком в процессе сканировани€.

††††††††††† ¬се установки ¬»ћ— позвол€ют осуществл€ть анализ поверхности и распределени€ концентрации элемента по глубине. ќни различаютс€ в таких важных отношени€х, как порог чувствительности при детектировании, разрешение по массам, плотности тока первичного пучка, вакуумные услови€ в окрестности мишени, а также† возможность проведени€ анализа распределени€ элементов† по поверхности, или топографического (x-y) анализа, путем сканировани€ зондом или формировани€ изображени€.   устройствам дл€ топографического анализа относ€т лишь те, которые позвол€ют получить разрешение по поверхности не хуже 10 мкм. ¬се существующие установки ¬»ћ— можно разделить на три группы в соответствии с принципом их устройства и пригодностью дл€ микроанализа:

Ј      не позвол€ющие осуществл€ть анализ распределени€ элементов по поверхности;

Ј      дающие сведени€ о распределении по поверхности с помощью сканирующего ионного зонда;

Ј      дающие сведени€ о распределении по поверхности методом пр€мого изображени€.

”становки, не обеспечивающие анализа распределени€ частиц по поверхности

††††††††††† –€д вторично-ионных масс-спектрометров был сконструирован дл€ решени€ частных аналитических проблем или исследовани€ различных закономерностей вторичной ионной эмиссии.

††††††††††† »спользованные на ранней стадии исследований этого €влени€ анализаторы с однократной фокусировкой (секторные магниты) имели весьма ограниченное разрешение по массам и низкую чувствительность, что было обусловлено большим разбросом начальных энергий вторичных ионов.†††††††††††††

††††††††††† ¬† насто€щее† вре숆 большо円† внимани円† удел€етс€††† квадрупольны솆 анализаторам, поскольку† они, будучи† просты и† недороги, позвол€ют† получать† сведен舆 о† поверхности и† профиле концентрации† примеси† почти во† всех случа€х,† когда не† требуетс€ информации† о† распределении† по† поверхности† или† очень† малых количествах примеси. ƒобитьс€ снижени€ фона при работе† с† квадрупольным† фильтром† масс† можно за† счет предварительной селекции† вторичных ионов† плоскопараллельным электростатическим анализатором с малой диафрагмой, а† также внеаксиального расположени€ ионного детектора.

††††††††††††††††††††††††††††††

”становки, позвол€ющие получать сведени€ о распределении элемента по поверхности, со сканирующим ионным зондом†

††††††††††† ”становки† ¬»ћ—, относ€щиес€ к этой категории, обычно называют ионными зондами. ¬ этих установках первичный пучок анализируетс€† по массам и может быть сфокусирован в п€тно диаметром от 2 и менее до 300 мкм. ћасс-спектрометр представл€ет собой устройство с двойной фокусировкой и хорошим пропусканием частиц, позвол€ющее давать стигматическое изображение при среднем разрешении по массам. —хема такого прибора приведена на фиг.7.

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† ‘иг.7. —хема ионного микрозонда[4].

”становки с пр€мым изображением

††††††††††† ѕервой установкой ¬»ћ—, котора€ позволила получить изображение объекта в лучах выделенных по m/е ионов и визуально наблюдать распределение элемента по поверхности, был масс-спектральный микроскоп, его схема представлена на фиг.8. ”никальна€ особенность масс-спектрального микроскопа - возможность наблюдать за интенсивностью вторичных ионов со специально выделенного микроучастка поверхности независимо от размеров и местоположени€ первичного пучка, пока хот€ бы часть его попадает на интересующий нас участок поверхности. Ёта возможность €вл€етс€ ценной в некоторых случа€х анализа методом ¬»ћ— распределени€ элементов по поверхности и в объеме. Ќиже будут рассмотрены некоторые из наиболее важных преимуществ, а также и недостатков, свойственных различным типам приборов.

†††††††††††††††††††††††††††††††††† ‘иг.8. —хема масс-спектрального ионного микроскопа[4].

ѕорог чувствительности

††††††††††† ћинимально обнаружимый уровень содержани€ элемента в данной матрице зависит от свойств самого элемента, химического состава матрицы, в которой он присутствует, сорта первичных ионов, их тока, попадающего на образец, телесного угла† отбора† частиц† и† эффективности† прохожден舆 вторичных ионов† через анализатор, его общего фона, а также фона† и эффективности детектора.† ¬се перечисленные† факторы, кроме† двух первых,† определ€ютс€† конструкцией† прибора† и,†† следовательно,† могут† быть† оптимизированы† с†† целью† достижен舆† наиболее† высокой† чувствительности.†† ѕоскольку† распылени円 €вл€етс€† разрушающим процессом,†† д눆 минимизаци膆 количества† потребл€емого† материала††† необходимы высокоэффективные анализаторы†† и† высока€† чувствительность.† ¬виду† того† что† различные† конструкци膆 установок† ¬»ћ—†† предназначены† либ д눆 вы€влен舆 тех† или† иных† отдельных† особенностей,† либо† дл€ обеспечен舆 наибольших† удобств† измерений,† они† весьма† сильно различаютс€† по чувствительности.† ”добной мерой† чувствительности может† служить† отношение† числа† регистрируемых† вторичных†† ионов† к† числу первичных при неких† стандартных услови€х:† образец, сорт† первичных†† частиц††† 膆 некоторо円† минимально円 разрешение† п массе. ”становк膆 ¬»ћ—,††† позвол€ющи円 регистрировать ї106† ион/с† характерного† элемента† из† оксидной† матрицы (например, ионы Fe+ из† образца Fe2O3)† при токе† первичного пучка† 10-9† ј, классифицируютс€† как имеющие† чувствительность, достаточную† д눆 обнаружен舆 следов† элементов и† дл€ микроанализа поверхности.††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† ’имический† состаↆ матрицы† образца†† оказывает† непосредственное† вли€ние на† порог чувствительности† дл€ тех† или иных† элементов† и† €вл€етс€† основны솆 источником неконтролируемых† изменений† этой† величины.† ћатрица† вли€ет† на †порог чувствительности† дво€ким† образом:† от† нее† зависит† коэффициент SA±† из-за различий в электронных свойствах материалов, и† она может†† давать†† нежелательны円 молекул€рны円 и† многозар€дные ионы, которые окажутс€† в масс-спектре† в диапазоне† масс, интересующем исследовател€. Ќо† число молекул€рных† ионов† быстро† уменьшаетс€† с† ростом† числа атомов, вход€щих в состав молекулы, и в† большинстве случаев† при концентраци€х† элемента,† не† превышающих† 10-4, особых† сложностей в св€зи с наложени€ми пиков не возникает.

††††††††††††


‘иг.9.†† ”часток масс-спектра вторичных ионов†

††††††††††††††† флюорапатита вблизи массы 43 при разном ††††††††††† разрешении по массам: а-300; б-1000; в-3000[1].


††††††††††† ѕерекрыти円 пиков† от†† атомарных† 膆 молекул€рных† ионов можно† вы€вить† двум€ способами:† путем анализа† быстрых вторичных ионов† или† применением анализаторов† по† m/е† с† разрешением† ћ/Dћ† >† 3000.†† ¬† первом случае† коэффициент† ионной† эмиссии† уменьшаетс€† примерно во столько† же† раз,† во† сколько коэффициент† выбивани€ молекул€рных† ионов† уменьшаетс€† по сравнению† с атомарными.† ¬ некоторых† случа€х этот† метод вполне† приемлем; но† при решении


многочисленных† задач† обнаружен舆 следов† примесей† или микроанализа† поверхности† недопустимо† большое† снижение† чувствительности характерное дл€ этого метода. ¬торой спосоᆆ†† €вл€етс€ более пр€мым и с точки зрени€ анализа более предпочтителен. „тобы вы€вить сложную структуру отдельных пиков в масс-спектрах† используют дл€ ¬»ћ— приборы с высоким разрешением по массе. Ќа фиг.9,† представлена форма пика с массой 43 ат. ед. при разных разрешени€х анализатора. ¬ысокое разрешение очень важно дл€ уменьшени€ или исключени€ в идентификации пиков m/е, особенно если основной целью €вл€етс€ обнаружение следов элементов на уровне атомных концентраций, не превышающих 10-5.

††††††††††† ¬опрос о пороге чувствительности метода ¬»ћ— дл€ различных элементов исследовалс€ многими авторами† как теоретически, так и на основе результатов экспериментальных измерений. ѕри этом были получены следующие примерные значени€, подтвердившиес€ в некоторых строго определенных услови€х: менее 10-7 моноатомного сло€, атомна€ концентраци€ 10-9 и менее 10-18 г элемента. Ќо эти значени€ характерны лишь дл€ некоторых частных случаев и не €вл€ютс€ нормой на практике. ќбычно мы имеем дело со сложными спектрами с многократными наложени€ми линий, в силу чего порог чувствительности оказываетс€ сильно завис€щим от природы матрицы образца. ѕоэтому, указыва€ порог чувствительности, необходимо указывать и соответствующие дополнительные факторы, в частности тип матрицы, и не следует делать огульные утверждени€ относительно того или иного элемента.

††††††††††† ≈сли пренебречь возможным перекрытием пиков, то порог чувствительности дл€ некоторого элемента в матрице обратно пропорционален току первичных ионов IP, попадающему на образец. Ќа фиг.5† и 10 показано, как


‘иг.10. «ависимость порога чувствительности ††† типичного прибора ¬»ћ— от диаметра †††††††††††† первичного ионного пучка[1].


измен€етс€ порог чувствительности в зависимости от различных параметров, вли€ющих на ток первичных ионов. ѕриведенные здесь значени€ порога чувствительности основаны на экспериментальных данных, полученных в типичных дл€ анализа услови€х, когда первичными частицами служат ионы ќ2+. ќбласть с простой штриховкой на фиг.10 вблизи линии 5 мј/см2 соответствует диапазону плотностей токов первичных частиц, обычно примен€емых в установках† типа ионного микрозонда или масс-спектрального микроскопа. ќбласть с двойной штриховкой отвечает услови€м, при которых существенно наложение линий сложных молекул€рных ионов, и необходимо позаботитьс€ об идентификации пиков по m/е. »стинное положение или высота этой области зависит как от матрицы образца, так и от разрешени€ по массам и чувствительности масс-анализатора. ƒл€


микроанализа поверхности, т.е. исследовани€ областей диаметром <3 мкм, методами ионного зонда или масс-спектрального микроскопа минимально детектируемый уровень сигнала выше уровн€, при котором становитс€ важным перекрывание пиков молекул€рных ионов (фиг. 10); следовательно, если требуетс€ осуществить только общий анализ малых участков† твердого тела, то† высокое разрешение† по массам† не об€зательно.† ≈сли же† интересоватьс€† следами† элементов в† сложных матрицах,† то необходимо† иметь† масс-анализатор†† с† высоки솆 разрешением† по массам.†††††††

јнализ следов элементоↆ††††††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† ѕредполагаемы醆 пороㆆ чувствительност膆 метода†† ¬»ћ— д눆 многих† элементов† близок† к† 10-9.† Ќо д눆 обеспечени€ общего† порога† чувствительности† такого† пор€дка† на† практике необходимо использовать (как видно из сказанного выше)† масс-апализаторы† с† высоким† разрешением† и† высокой† чувствительностью† к† относительному† содержанию† и, кроме† того, контролировать р€д эффектов, о которых говоритс€ ниже.†††††††††††

††††††††††† Ѕольша€† часть† вторичных† ионов† выходит из† нескольких наружных† атомных† слоев† твердого† тела,† а†† поэтому† вещество,† адсорбированное на† поверхности, выступает† в спектре† как важный† компонент† твердого† тела† или† ег поверхности.† —реда,† окружающа€† образец,†† обычно† содержит†† молекулы† углеводородов, Ќ2, N2, ќ2,† Ќ2ќ, —ќ2† и —ќ.† ѕоэтому обнаружение† в матрице† следов† таких† элементов, как† —, N,† Ќ и† ќ, оказываетс€† весьма† сложным† в† том† случае,† если† не† прин€ты специальные† меры† д눆 сведен舆 к† минимуму их† вли€ни€. ћеры† эти таковы:† проведение† измерений† в† сверхвысоком† вакууме,† свободном† от† углеводородов,† применени円 криогенной† и†† геттерной† откачки† объема† вблизи† образца† и работа† при высоких† плотност€х тока первичных ионов, при которых скорость удалени€ поверхностных слоев в результате распылени€ намного больше скорости поступлени€ частиц загр€знений. ѕри давлении 10-8 мм рт. ст. скорость прихода на мишень атомов или молекул остаточных газов приблизительно равна скорости поступлени€ ионов первичного пучка с плотностью тока - 10 мј/см2.

††††††††††† »сточниками загр€знений служат также поверхности , расположенные вблизи мишени, на которые попадает значительное количество распыленного вещества. „асть этого вещества в† результате испарени€ или распыленна€ вторичными и отраженными ионами может возвращатьс€ на мишень. Ёто так называемый Уэффект пам€тиФ, и его значение в конкретном анализе зависит от предыстории образца. ƒанный эффект наиболее значителен в приборах, где используютс€ большие токи первичных ионов, а выт€гивающие линзы расположены вблизи поверхности изучаемого образца.


‘иг.11.  омпоненты сфокусированного ионного пучка, св€занные с рассе€нными ионами ††††††††††††††† и нейтральными атомами[1].


†† „тобы предупредить внедрение в образец того элемента, содержание которого определ€етс€, особенно важна химическа€ чистота первичного ионного пучка. ѕри типичных услови€х (скорость распылени€ образца, пробел и разброс по пробегам первичных ионов) и в предположении, что распыление продолжаетс€ достаточно, долго, дл€ того чтобы воздействовать на уже легированную зону, а основным источником ионов примеси €вл€етс€ обратное распыление ранее внедренных частиц, присутствие в первичном ионном пучке 10-6 загр€знений должно про€витьс€ как объемна€ примесь с атомной концентрацией ~10-7. „тобы гарантировать чистоту первичного ионного пучка и исключить возможность осложнений на уровне следов элементов, желательно осуществл€ть сепарацию пучка первичных ионов по массе.

††††††††††† „тобы уменьшить вли€ние загр€знени€ поверхности остаточными газами, при анализе объемного состава твердого тела обычно пользуютс€ первичными ионными пучками с высокой плотностью тока. ѕри этом область


малой плотности тока, т.е. периферийна€ часть пучка, дает основной вклад во вторично-ионный сигнал того элемента, который присутствует одновременно† как† в† остаточном газе, так и в твердом теле в виде микропримеси.†   подобному эффекту может привести не только загр€знение атомами остаточных газов (обычно наиболее существенное), но и любые иные источники поверхностных загр€знений, действующие во врем€ измерений. ƒл€ установок ¬»ћ—, основанных на обычной методике масс-спектрометрии, указанна€ проблема более важна, чем дл€ масс-спектральных микроскопов. ¬ последнем случае можно в плоскости изображени€ поместить вырезающую диафрагму так, чтобы отбирать лишь ионы, выход€щие из средней, эффективно распыл€емой части мишени, где равновесна€ поверхностна€ концентраци€ адсорбированных загр€знений минимальна.

††††††††††† ƒругой эффект, в известной мере аналогичный рассмотренному выше эффекту периферийной области пучка, по€сн€етс€ схемой, представленной на фиг.11. ќн св€зан с облучением большой площади образца быстрыми нейтральными атомами,† образующимис€† в результате перезар€дке при столкновени€х первичных ионов с атомами, а также рассе€нными ионами, возникающими при фокусировке первичного ионного пучка на мишень. –азмер облучаемой этими частицами области определ€етс€ ограничивающими диафрагмами на пути ионного пучка 膆 обычно превышает 250 мкм. –оль этого эффекта зависит от давлени€ остаточных газов, конструкции линз, расположени€ и† размеров диафрагм и геометрического устройства электродов колонны. “ака€ несфокусированна€ часть облучающего мишень потока непосредственно не зависит от сфокусированного ионного тока, поступающего на образец, но в основной своей части определ€етс€ полным потоком ионов в колонне.††††††††††††††††††

††††††††††† ¬ микрозондовом варианте метода ¬»ћ— эти эффекты гораздо более серьезны, нежели в масс-спектральных микроскопах. Ќо к существенным ошибкам при анализе с применением микрозонда они привод€т только в том случае, когда больша€ площадь, облучаема€ несфокусированной частью пучка, замет но отличаетс€ по составу от анализируемой точки. ѕри диаметре† пучка, равном нескольким микрометрам, несфокусированный компонент может облучать большую площадь поверхности образца и составл€ть† более 1%† ионного потока.† ќсобенно неблагопри€тные услови€ возникают, если детали колонны формировани€ первичного пучка (ионный источник, линзы, отражатель, диафрагмы)† размещены† на† одной† оси, пересекающейс€† с осью† анализатора† вторичных† частиц.†† Ётот† эффект†† можно† сильно† ослабить, если отклонить первичный пучок от оси прибора и† диафрагмировать его вблизи самого образца.††††††††††††††††††††

††††††††††† ƒругой† метод,†† пригодный† при† объемном† анализе в† услови€х, когда† поверхность образца† неоднородна† по составу† или загр€знена† элементами, присутствие которых в† объеме и† исследуетс€, заключаетс€† в нанесении† на поверхность† пленки сл высокочистого углерода† (или другого элемента,† отсутствующего в† объеме и† не представл€ющего интереса в проводимою анализе) толщиной† 200 -† 500 ј.† ¬ анализируемой† точке этот† слой может† быть легко† удален первичным† пучком† большой плотности.† ¬ то† же вре숆 УхвостФ малой† плотности тока† на кра€х† пучка и† несфокусированные компоненты первичного пучка будут попадать† на поверхность† из чистого† углерода, и, следовательно,† области поверхности,† отличные от† центральной, не дадут какого-либо вклада в сигнал.

†††††††††

»онное изображение†

††††††††††† ¬торично-ионно円 изображение,† дающе円 двумерную† картину† размещени€ элемента† по поверхности,† может быть† получено либо† методом масс-спектрального† микроскопа, либо методом сканирующего† микрозонда. ¬ масс-спектральных микроскопах разрешение по поверхности не зависит от размеров первичного ионного пучка; оно определ€етс€ аберраци€ми оптики анализатора вторичных ионов 膆 хроматическими аберраци€ми, обусловленными разбросом вторичных ионов по энерги€м. ≈сли улучшать разрешение введением фильтра энергий, то† снижаетс€ УсветосилаФ† прибора (число регистрируемых вторичных ионов, приход€щихс€ на одну первичную частицу). ¬ масс-спектралъных микроскопах достигнуто поверхностное разрешение ~1 мкм.††††††††

††††††††††† ¬ приборах со сканирующим микрозондом поверхностно円 разрешение ограничено диаметром первичного пучка, а потому† определ€етс€ качеством системы, фокусирующей первичный пучок. ѕри высокой степени фокусировки (пучки диаметром менее 1† мкм) значительный† вклад в† полный поток† первичных частиц,† падающих† на† образец,† может† составить несфокусированный† компонент† и,† следовательно, должны быть† прин€ты меры† дл€ его† устранени€. —ветосила† прибора такого† типа† остаетс€† посто€нной† при любом† поверхностном разрешении,† так† как† она† определ€етс€†† анализатором† вторичных† ионов, а не† размерами первичного† пучка. ¬† микрозондовых приборах было достигнуто разрешение 1 - 2 мкм. ѕредельное† разрешение,† которое можно† наде€тьс€ получить† в приборах† с† вторичной† ионной† эмиссией,† -† пор€дка† 100† ј.† Ёто† ожидаемое значение -† физический предел,† обусловленный характеристиками каскадов† столкновений, перемешиванием† в приповерхностных сло€х, вызываемым первичными† ионами, и† средней глубиной выхода вторичных ионов. ќднако практически из-за ограниченной выходной интенсивности источника первичных ионов и недостаточно высокого качества оптики электростатических линз нижний предел размеров ионного пучка оказываетс€† ~ 1000 ј.††††††††††

††††††††††† ѕри одинаковом поверхностном разрешении и при одинаковых плотност€х первичного тока масс-спектральный микроскоп требует дл€ получени€ ионного изображени€ большой площади (например, 200 ’ 200 мкм2) меньше времени, чем сканирующий микрозонд. ƒело в том, что в микроскопе информаци€ собираетс€ одновременно от всех точек поверхности, а не последовательно от точки к точке. Ќо если интересоватьс€ малыми участками (20 ’ 20 мкм2), то врем€ формировани€ изображени€, получаемого при помощи микрозонда, оказываетс€ таким же, как и в масс-спектральном микроскопе, или даже меньшим. Ёто объ€сн€етс€ большим усилением в регистрирующей системе микрозондовых устройств (электронный умножитель и ЁЋ“ с модул€цией €ркости) и сравнительно низкой чувствительностью фотоэмульсий, примен€емых дл€ регистрации изображений.††††††

††††††††††† ѕри анализе малых площадей сканирующий микрозонд дает еще два преимущества: меньше участок поверхности, испытывающий возмущение, а изображение, получаемое на экране ЁЋ“, сразу же пригодно дл€ анализа.

“ребовани€ к первичному ионному пучк󆆆††††††††††††

††††††††††† ѕервичный ионный пучок играет очень важную роль в приборах ¬»ћ—; поэтому целесообразно остановитьс€ на некоторых желаемых характеристиках пучка и системы его формировани€, о которых ранее не говорилось. Ёта система должна создавать сфокусированный и стабильный пучок ионов инертного† †††††газа (например, јг+), а также положительных и отрицательных ионов химически активного газа (например, ќ2+ и ќ-). »оны активных газов нужны при объемном анализе твердого тела, а при облучении отрицательными ионами снижаетс€† роль зар€дки поверхности.†††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† Ќакопление зар€да на поверхности зависит от рода первичных ионов, их зар€да, энергии и плотности тока, размеров облучаемой области, а также проводимости и толщины сло€ диэлектрика. Ћокальные изменени€ потенциала поверхности могут вызывать р€д нежелательных эффектов: смещение пучка, миграцию элементов в имплантированной зоне, а также изменение энергии вторичных ионов и уменьшение эффективности их собирани€ вследствие искажени€ выт€гивающего ионы пол€ в непосредственной близости от поверхности образца. –асчет вли€ни€ зар€дки поверхности на траектории вторичных ионов, выбиваемых из диэлектриков.

††††††††††† ¬ ¬»ћ— существует несколько способов уменьшени€ образовани€ положительного зар€да на поверхности: облучение ее широким потоком электронов, которые эмитируютс€ расположенным неподалеку термокатодом, облучение пучками отрицательных ионов, повышение давлени€ кислорода††††††† вблизи образца до 10-4 мм рт. ст. ѕри исследовании объема диэлектриков (в отличие от тонких диэлектрических пленок на проводнике) дл€ эффективного отбора вторичных ионов в анализатор необходимо создать между образцом и электродом, выт€гивающим вторичные ионы, надлежащий градиент электрического пол€. — этой целью на поверхность диэлектрика нанос€т провод€щую пленку или накладывают металлическую сетку.††††††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† √азоразр€дные источники, используемые обычно дл€ получени€ первичных ионов, сильно повышают давление газов в объеме прибора; поэтому крайне желательно предусмотреть†††† дифференциальную откачку системы формировани€ пучка. —епараци€ первичных ионов по массам важна д눆 очистки пучка, но не только от инородных элементов, а и от† молекул€рных частиц, что необходимо† дл€ определен舆 характеристик каскадов столкновений и их вли€н舆 на разрешение† по глубине† и перемешивание† атомов† в приповерхностном† слое.  роме того,† система формирован舆 первичного пучка† должна позвол€ть развертывать его в† растр д눆 однородного распределени€ первичного потока по поверхности, что необходимо† при изучении† профилей† концентрации† примеси.† Ќаконец,† при† анализе микрообластей† желательно† иметь† возможность† визуально наблюдать† за† поверхностью† образца† вблиз膆 места† попадани€ ионного пучка† посредством высококачественной† оптической системы с большим увеличением.

††††††††††††††††††††††††††††††††

ћасс-спектрометрический анализ нейтральных распыленных частиц

††††††††††† ѕри распылении большинства материалов дол€ частиц, выход€щих† из† мишени† в† виде нейтральных† атомов, значительно выше, чем выход€щих в виде† ионов. ѕоэтому† естественным развитием и дополнением ¬»ћ— €вл€етс€ метод ионизации и последующего анализа выбитых нейтральных частиц. “акой метод получил название масс-спектрометрии ионизованных нейтральных атомов. ќдним из его преимуществ €вл€етс€ то, что нейтральные частицы можно ионизовать за счет такого процесса, который, не зависит ни от матрицы, ни от свойств поверхности образца. ќсновные же недостатки масс-спектрометри膆††††† ионизованных нейтральных атомов - то, что ионизуютс€ вс円††† частицы, присутствующие в газовой среде прибора, а эффективность† отбора† ионизованных† частиц в† анализатор значительно меньше, чем в ¬»ћ—. ≈сли дол€ ионов среди выбитых вторичных†† частиц gA±† превышает† 10-4† (что выполн€етс€† дл€ большинства† элементов† и† матриц), то† масс-спектрометри€ ионизованных† нейтральных† атомов† не† может† конкурировать† с† ¬»ћ— по† абсолютной† чувствительности SA±.

††††††††††† Ќейтральные† частицы,† выбитые† из† мишени† газовыми† ионами† из разр€да,† ионизуютс€ вслед† за тем† электронным ударом; путем перезар€дки или за счет пеннинговского процесса† газоразр€дной плазме.† „увствительность метода† и целесообразность его† применен舆 завис€т† от† эффективности† отбора образовавшихс€ ионов и от того, оптимизованы† ли услов舆 разр€да так,† чтобы† веро€тность† ионизации† анализируемых† нейтральных† частиц была больше веро€тности ионизации всех других частиц газового разр€да.

††††††††††† »сследование распылени€ и ионизации нейтральных атомов ↆ† высокочастотном разр€де в инертных газах показало, что такой метод имеет практическую ценность. –азброс по энерги€м, ионов, отбираемых из источника с высокочастотным тлеющим разр€дом, не превышает 1 э¬, и дл€ их разделени€ п†††† массам эффективно использовать квадрупольный анализатор без предварительного фильтра энергий. ”становлено, что нейтральные атомы ионизуютс€ в основном за счет пеннинговского механизма. Ёффективность ионизации нейтральных частиц в этом случае лишь слабо зависит от природы частиц и совсем не зависит (в противоположность методу ¬»ћ—) от типа матрицы и условий на поверхности образца. —ледовательно, относительные ионные сигналы с достаточно хорошим приближением равны относительным концентраци€м соответствующих элементов в матрице. ѕри использовании образцов† с† большой† поверхностью† († ~10† см2) в† этом приборе удалось регистрировать атомные концентрации элементов на уровне† 10-6.† “ипичные† значен舆 скоростей распылени€ лежат в интервале от 10-2 до 10 моноатомных слоев† в секунду, причем с равным успехом могут анализироватьс€ как проводники, так† и диэлектрики.† “аким образом,† не дава€† сведений о распределении† вещества† по† поверхности,† метод† масс-спектрометрии† тлеющего† разр€да† позвол€ет определ€ть† химический состав поверхности и† объема, а† также дает† возможность измер€ть распределение† элемента† по† глубине.† ћетод имеет† р€д привлекательных† особенностей,† которые† делают†† целесообразным† его† дальнейшее развитие.†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

 оличественный анализ

†††††††††††  оэффициент† вторичной† ионной† эмиссии SA±† зависит† от целого р€да факторов, таких,† как состо€ние† поверхности образца, природа† его† матрицы,† и† различных эффектов,† вызываемых первичным пучком.† —ледовательно, сопоставлени円 интенсивностей† вторичных†† ионов† данног элемента из различных† точек поверхности† образца не† всегда непосредственно† отражает† распределение† этого† элемента†† по† поверхности. ѕри† оценке такого† рода данных† и особенно† при интерпретации ионного изображени€ поверхности необходимо соблюдать осторожность.

††††††††††† Ёти изменени€ вызваны эффектами, завис€щими от химической природы и кристаллической структуры материала, а также от относительной ориентации зерен на поверхности.   таким эффектам относ€тс€ каналирование первичных ионов, индуцированна€† облучением† рекристаллизаци€, различи€ в концентрации внедренного кислорода и различи€ в угловом распределении вторичных ионов, выбитых из по-разному ориентированных зерен сплава. ќтносительные изменени€ интенсивности ионов при переходе от одного зерна к другому приблизительно одинаковы дл€ всех элементов. ≈сли измер€емые интенсивности в каждой точке отнести к интенсивности ионов основного элемента, то разница между зернами сглаживаетс€ или совсем исчезает. Ќаблюдени€ такого рода† показывают,† что любые† количественные оценки† следует основывать не† на† абсолютных† значени€х† коэффициента SA±, а† на относительных†† значени€х† выхода†† различных† ионоↆ из† анализируемой точки.††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† “очность† и† воспроизводимость результатов† измерений относительных† коэффициентов† ионной† эмиссии† в† ¬»ћ—† оказываетс€† весьма†† удовлетворительной† (ↆ контролируемых† услови€х (5%).† ≈сли† необходима€† точность† не обеспечиваетс€,† то нет смысла и говорить о количественном† анализе.†† ѕринима€ во внимание сложность €влени€ вторичной ионной эмиссии и существенные различи€ приборов ¬»ћ—, трудно создать чисто теоретическую модель, пригодную дл€ любых установок, образцов и условий анализа. Ќапример, приборы†† ¬»ћ— не собирают все вторичные ионы и не обеспечивают прохождени€ через анализатор всегда одной и той же доли ионов. Ёто св€зано с зависимостью пропускани€ анализатора от начальной энергии частиц. ќказываетс€ слишком много переменных дл€ того, чтобы можно было правильно рассчитать все чисто теоретически. ѕоэтому любой метод количественных оценок должен содержать минимум переменных параметров и быть пригодным дл€ каждого прибора ¬»ћ—. “акой метод об€зательно будет эмпирическим или полуэмпирическим по своем󆆆† характеру и потребует эталонов дл€ определени€ чувствительности к тому или иному элементу.††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† „тобы успешно проводить количественный анализ методом, основанным на градуировке по эталону (да и вообще любым методом), важно стандартизировать рабочие параметры прибора: сорт первичных ионов, их ток, плотность тока и энергию, окружение образца, эффективность детектировани€ и энергетическую полосу пропускани€ анализатора вторичных ионов. “олько тогда, когда эти услови€ фиксированы, приобретают какой-то смысл результаты анализа с использованием коэффициентов относительно醆 чувствительност膆 ꆆ элементам,†† полученных† д눆 эталонов† близкого† к† образцу† состава.† ≈сли† скомбинировать† равенства† (1) и† (2)† и поделить† результат на† такое же† соотношени円 д눆† эталонног элемента,† чтобы†† исключить† константы, то мы получи솆†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

†††††††††††††††††††

††††††††††††††††† (4)

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

†где† iA± и iA± -† сигналы вторичных† ионов, а† —A и† —эт- атомные концентраци膆 элемента†† ј† 膆 эталонного† элемента†† в† матрице. ѕользу€сь†† коэффициентам膆 относительно醆 чувствительност膆 jј, найденными† таки솆 образом,† можн по† измеренны솆 ионным† сигнала솆 д눆† анализируемог образца† ††вычислить†† относительную атомную† концентрацию† элемента† в† нем:† (iA± /iA±) jј = —A /—эт.† ¬с円 относительны円 атомны円 концентраци膆† можн нормировать к† 100%,† и† тогда† мы† получим† состав† матрицы† ↆ атомных† процентах†† пр膆 условии,†† чт пороㆆ чувствительности† установки ¬»ћ—† достаточен† д눆 регистрации† всех† основных† компонентов образца.† ћетод,† описанный† выше,† в различных† вариантах примен€лс€† д눆 объемного† анализа† различных† матриц.† ¬† обще솆 точность† таког количественного† анализа†† должна† составл€ть†† 10%.†† Ќо†† при† тако솆 методе† предъ€вл€ютс€†† весьма† жесткие† требован舆 к† эталонам† и† к† однородности исследуемого образца.† “очность† подобных† измерений, естественно,† не выше, чем точность эталона или однородность образца.†††††††††††††††

††††††††††† —оздать† эталоны† д눆 любых† матриц,† каки円 только† могут встретитьс€,†† невозможно.†† ѕоэтому†† необходимы† эмпирические способы,† которые† позвол€ли бы† по данным† дл€ нескольких эталонных†† образцоↆ определ€ть†† коэффициенты† чувствительности jј д눆 любой† матрицы.† ¬еличина jј будет зависеть† от параметра† eS характеризующег электронны円 свойства† эмитирующей† ионы† поверхности.† ќбщий† характер† зависимости† jј(eS)† показан на† фиг. 12. ѕростейший† способ† оценки eS, состоит в нахождении eS = k(j1/j2), где k† - произвольна€ посто€нна€, а j1 и j2 - коэффициенты относительной† чувствительности† д눆 элементов 1† и 2,† так что† отношение j1 к j2 †зависит† от†† матрицы.† »нформацию†† об† eS содержащуюс€† в† спектрах† вторичных† ионов,† дают также† отношени€ вторичных† ионоↆ ћ2++,†† ћќ++,† ћN++.†† —тандартизировав† услови€ функционирован舆 установки† и† собрав† экспериментальные† данные† типа† показанных на† фиг. 12 дл€ эталонных† образцов, уже† можно† извлекать† из сигналов† вторичных ионов† достаточно точную количественную информацию почти при любой матрице (если только дл€ нее известна величина eS).ъ


‘иг.12. «ависимость коэффициентов jј относительной чувствительности к разным элементам от типа поверхности образца[1].


††††††††††† ѕри определении величины eS, следует отдавать предпочтение тем способам, которые основаны исключительно на информации, содержащейс€ в спектрах вторичных ионов или отношени€х величин пиков этих ионов в спектре дл€ неизвестного образца, т.е. информации типа отношений интенсивностей ионов ћ2++, ћќ++, ћN++ (иди любых других), завис€щих от eS,† но не завис€щих от концентрации элементов.  роме того, величину eS, можно рассчитать исход€ из отношений ионных сигналов и концентраций двух или более компонентов, дл€ которых† jј/jјТ †зависит от матрицы. ѕодобный метод пригоден при обнаружении следов элементов в хорошо известной матрице. » наконец, можно просто выбрать величину eS† руководству€сь исключительно аналитическим опытом и интуицией. “акой способ не так уж плох, как могло бы показатьс€. ѕо крайней мере исключаютс€ грубые ошибки (фиг. 12).


††††††††††† ≈динственный набор коэффициентов чувствительности позвол€ет определ€ть концентрации с ошибкой не более чем в 2 раза† дл€ большинства† элементов в† р€де весьма различающихс€ матриц.† Ћюба€† модель,† котора€† вводит† в† коэффициенты† относительной† чувствительности† поправку† на† вли€ние† матрицы,† может†† лишь†† улучшить†† результаты.†† ѕривлекательны円 стороны† описанного† выше† подхода†† таковы:† проста€†† модель,† которую† можно† использовать† в† любом† приборе† независим от† каких- либо† теоретических† или† физических† констант и† котора€ основываетс€† исключительно† на† эталонах† и† измерени€х† в† данном приборе.†††††††††††††††††††††††††††† ††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† ¬ыше† основной† упор† мы† делали† на анализ† объемного состава† твердых† тел,† а не† тонких поверхностных† слоев. ѕоскольку объемный† состав† твердых†† мишеней† можн задать† достаточно точно,† они† и† служат† эталонами† д눆 проверки количественных† моделей.† ƒл€† поверхностных† пленок толщиной† менее 50† ј эталоны† либо† вообще† невозможно,† либо очень† трудно изготовить.

—ледовательно,† количественные† данные† д눆 внешних 50† ј можно† получить лишь† так же,† как и† в случае† объемного образца, когда нет эталона.††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

√лубинные† профили концентрации† элементов

††††††††††††††††††

††††††††††† ѕри† исследовании распределен舆 того или† иного элемента† по† сло€м, параллельным† поверхности образца,† дл€ обнажен舆 глубоколежащих слоев твердого тела in situ† в большинстве методов анализа поверхности (не† только ¬»ћ—)† примен€ют распыление ионами.† ѕри этом† разрешение по† глубине, обеспечиваемое† выбранным† методом анализа† поверхности, оказываетс€ не †очень существенным,† поскольку разрешение† будет определ€тьс€† в основном† перемешиванием в† приповерхностных сло€х и† другими† процессами,† сопровождающим膆 травление† поверхности.†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† –азрешение† по глубине,† обеспечиваемое при† данном методе определен舆 профилей† концентрации,†† можно† характеризовать тем уширением† профил€ тонкого† поверхностного сл или резкой† границы† раздела† между† дву숆 различными† материалами, которое† обусловлено самим† процессом измерени€.† ≈сли толщина† сл (или глубина† залегани€ границы† раздела) превышает примерно† 2RP то† из-за† различных† факторов,† вызывающих уширение† измер€емого профи눆 концентрации (приборных† и ионно-матричных эффектов), распределение† дл€ тонкого† сло€ оказываетс€† близким† к† нормальному распределению† со среднеквадратичным† отклонением† sR.† «а† разрешение† по† глубине можно прин€ть величину sR дл€ этого† распределени€. ≈сли† слой толстый,† то† среднеквадратичное отклонение† sћ экспериментально наблюдаемого (измеренного) профи눆 св€зано с† sR и s соотношением† s2ћ =† s2R+s2 , где† s -† среднеквадратичное отклонение истинного распределени€ сло€. ѕри sћ >>s , например в случае тонкого сло€, величина sR приблизительно равна разрешению sR метода по глубине.††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† ≈сли† прин€ть,† что измеренный† профиль тонкого† сло€ описываетс€† нормальным† распределением,† то† можно† рассмотреть и† случай уширени€ границы† раздела, и† его св€зь† с разрешением† по глубине. Ёто† разрешение можно† вычислить по† профилю ступенчатого† изменен舆 концентрации† (ширина† ступени† >> sR),† когда форма истинного† кра€ ступени† похожа на† кривую интегрального† нормального† распределен舆† со† среднеквадратичным† отклонением st.† ≈сли концентрац舆 измен€етс€ резко† (st~0),† то разрешению по глубине sR соответствует величина† sm, половина† рассто€н舆 между† глубинами,† отвечающими† 84†† и† 16%† измеренной на опыте† высоты ступени.† ¬ случае† граничной области со значительной† собственной шириной †(т. е.† со значительным st) разрешение по глубина даетс€ формуло醆 sR =(s2m -s2t)1/2,† причем нужно† учитывать ошибки† в величинах† sm и st. —лучай профил€ сло€ с† существенным sT можно рассчитать аналогично.†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† ¬се† сказанное† в† данном† разделе† касаетс€† самых основных† физических† или† приборных† эффектов, св€занных† с травлением† поверхност膆 ионным† пучко솆 и† проблемо醆 распылен舆 ионами† без† искажен舆 профи눆 концентрации.† ѕоэтому† многое† из сказанного† относитс€† к† любому† из† методов† анализа† поверхности† с использованием ионного травлени€.††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† »змерение† профилей† методо솆 ¬»ћ—† сводитс€†† к† регистрации† сигнала† вторичных† ионов† интересующего† нас† элемента как† функци膆 времени† распылени€.†† ¬† случа円 однородной† матрицы† это† врем€,† выполнив† соответствующи円 градуировочные† измерен舆 (распыление† пленки† известной† толщины,† измерен舆 глубины† кратера,† коэффициентов† распылен舆 и† т.д.),† можно† пересчитать† в† глубину† залеган舆 элемента.† »зменение интенсивности† вторичных† ионов не† всегда отражает† относительное изменение концентрации элемента; поэтому†† нужна†† осторожность†† пр膆 интерпретаци膆 глубинных† профилей, особенно вблизи† самой поверхности,† т. е.† когда глубина меньше RP+2DRP,† а также† пленок, состо€щих† из† различающихс€ по† составу слоев,† или матриц† с неоднородным† распределением† следов† элементов,† которые† способны† даже† при† малой† концентрации† сильно повли€ть† на вторично-эмиссионны円 свойства† образца.†† ¬† последне솆 случае† д눆 получен舆 результатов,†† отражающих† реальную†† ситуацию,† следует† обработать† измеренные† профили† так,† каꆆ это† делаетс€† пр膆 количественно醆 интерпретаци膆 интенсивност膆 вторичных† ионов.† ≈сли это† невозможно, нужно† попытатьс€ по† крайней† мере† проградуировать† интенсивность†† вторичных† ионов изучаемого элемента по одному или нескольким элементам, равномерно распределенным в пленке. ¬ общем абсолютна€ интенсивность вторичных ионов дает пр€мую информацию о

распределении элемента по глубине лишь при малых концентраци€х примеси в аморфной или монокристаллической матрице с равномерно распределенными основными компонентами и лишь при глубинах под поверхностью, превышающих 50 ј.

††††††††††† ѕригодность метода ¬»ћ— дл€ определени€ глубинного профил€ нар€ду с его высокой чувствительностью к большинству элементов делает его весьма привлекательным как метод изучени€ тонких пленок, ионной имплантации и диффузии. ‘акторы, существенные при проведении глубинного анализа методом ¬»ћ—,† могут быть† разделены на две группы: приборные и обусловленные особенност€ми сочетани€ ион - матрица.

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

ѕриборные факторы, вли€ющие на разрешение† по глубине при измерении профилей концентраци膆†††††††††††††††††††††

††††††††††† ѕолучить† при† методе† ¬»ћ—† надежные† сведен舆 о глубинном† профиле† можно† лишь в† том случае,† если поддерживаетс€† посто€нна€ интенсивность тока первичных ионов и обеспечиваетс€ однородность плотности тока пучка в той части поверхности, из† которой в† масс-анализатор отбираютс€† вторичные частицы. ¬†††† стационарно솆† сфокусированно솆†† ионно솆† пучк円†† плотность††† тока,†† падающег на†† образец,†† н円 посто€нна††† п сечению††† пучка,†† а следовательно,††† 膆† распылени円† поверхност膆† ↆ† этих††† услови€х†† не может†† быть†† равномерным.††† ≈сл膆 зона,††† и熆 которо醆† поступает†† информаци€,††† охватывает††† вс円† сечени円† первичног пучка,††† т вклад ↆ сигна놆 ионоↆ с†† краеↆ кратера††† будет†† искажать††† профиль†† концентрации элемента в приповерхностном слое (фиг. 13).††††††††††††††††††††††††

††††††††††† ќшибк膆† таког† рода††† устран€ютс€††† ↆ† ¬»ћ—††† разным膆† способам膆† ↆ† зависимост膆† от††† конструкци膆† прибора.††† ¬††† устройствах, ↆ†† которых††† н円†† предусмотрена††† возможность†††† определ€ть††† распределени円† элемента††† п† поверхности,††† обычн† расфокусируют†† пучок так,† чтобы† его† сечение было больше анализируемой области ил膆 вырезают† при помощи диафрагмы из расфокусированного пучка†††† определенны醆†† участоꆆ†† с††† однородно醆†† плотностью††† тока. »ногда на поверхности мишени помещают тонкую маску и熆†††††††††††††††††††††††

материала, не дающего вторичных ионов, близких к анализируемым,† котора€ ограничивает вторичную† ионную эмиссию из областей неоднородной плотности первичного пучка.†††††††††††††††††

†††††††††††

††††††††††††††† ‘иг.13. ѕеременный профиль концентрации в приповерхностном слое с указанием †††††††††††††† ††††††††††††††† ††††††††††††††различных приборных факторов, которые привод€т к искажению профил€ по

††††††††††††††† ††††††††††††† сравнению с истинным распределением[1].

††††††††††† Ќаиболее удовлетворительный способ решени€ проблемы - электрически развертывать сфокусированный ионный пучок в растр по достаточно большой площади поверхности мишени так, чтобы обеспечить в ее нейтральной части однородную плотность тока. ѕри этом нужно уделить особое внимание системе развертки пучка: напр€жение строчной и кадровой развертки должно измен€тьс€ линейно со временем, обратный ход пучка должен бланкироватьс€† или хаотизироватьс€, а скорость развертки должна быть согласована с размерами пучка, чтобы соседние строки растра перекрывались.

††††††††††† „тобы полностью использовать достоинства этого метода, необходимо ограничить зону отбора вторичных ионов областью† однородной плотности пучка. ќсуществить это сравнительно просто в установках ¬»ћ—, которые позвол€ют получать† сведени€ о распределении вещества по поверхности. ¬† сканирующей микрозондовой установке,† где† первичный† ионный пучок† малого диаметра разворачиваетс€ в растр по поверхности,† можно работать† в режиме,† в котором† система детектирован舆 регистрирует вторичные† ионы† лишь† при† прохождении лучом† выделенного УокнаФ.††††††††††††††††††††

††††††††††† ƒаже тогда, когда зона, из которой† собираетс€ информаци€, ограничена† областью† однородной† плотности тока,† имеетс€ еще р€д†† приборных† эффектов,†† привод€щих† ꆆ искажению† формы профилей концентрации.   примеру, эффект† обратного† осаждени€ на мишень† ранее† распыленного† вещества:† материал, распыленный с краев кратера, оседает на его дне (в том числе† на поверхности анализируемой зоны) и затем† вновь распыл€етс€† (фиг. 13). “акой† эффект† обычно существенен† лишь при† измерении УхвостовФ профилей† с† малой† концентрацией† и сильно† ослабл€етс€, если† увеличить крутизну† стенок кратера.†   аналогичным искажени€м† профилей† концентрации† привод€т† адсорбц舆 остаточных†† газов,† или† эффекты† пам€ти установки.†† ƒобавим, что любой фактор,† вли€ющий† на† анализ следов† элементов методом ¬»ћ— (наложение пиков молекул€рных ионов, химическа€ чистота первичного† ионного† пучка,† вли€ние† несфокусированного компонента† и† периферийных частей† пучка), также† может исказить профиль в области малых концентраций.

¬ли€ние ионно-матричных эффектов† на разрешение по глубине при измерении профилей† концентрации

††††††††††† –€д эффектов, вызывающих ошибки при измерении профилей концентрации, св€зан с характеристиками каскада столкновений, создаваемого в твердом теле первичным ионом. ƒва таких эффекта - вли€ние средней глубины выхода вторичных ионов и перемешивание атомов в поверхностном слое. ¬ большинстве случаев распределение анализируемых частиц простираетс€ на глубину свыше 100 ј. ¬ этих услови€х атомные перемещени€ в приповерхностном слое, внедрение атомов отдачи и иные св€занные с матрицей эффекты внос€т в искажение профилей концентрации значительно больший вклад, чем глубина выхода вторичных частиц.††††††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† ќсновным膆† параметрами,††† определ€ющим膆† относительные† пробеги† частиц† в данной† пленке, €вл€ютс€† энерги€ первичных† ионов,† атомный† номер† Z и масса† ј бомбардирующих† частиц и† атомов† мишени. “аким† образом, измер€емый† профиль концентрации должен зависеть от Z и† ј первичных† ионов так† же, как† от их энергии.† ≈ще один† параметр, вли€ющий† на его† форму, - угол падени€, т. е. угол между первичным† ионным пучком† и поверхностью мишени† (обычно этот† угол отсчитывают† от нормали† к† поверхности).† ”величение† угла† падени€ приводит† к уменьшению† средне醆 глубины† проникновен舆† частиц† относительно† поверхности† образца† и, следовательно,† эквивалентно уменьшению энергии первичных ионов.

†††††††††††  роме† того,† уширение† или† уменьшение† крутизны, профи눆 концентрации† может† происходить† из-за†† диффузии† элементов,† вызываемо醆 ил膆 усиливаемо醆 радиационным膆 повреждени€ми† в твердом† теле, локальным† повышением температуры† в облучаемой† области† и† сильным† электрическим† полем,† возникающим в† результате† зар€дки† поверхности† первичным† пучком.† ¬† общем случае† роль† всех† этик факторов †предсказать трудно.† „то же† касаетс€† напр€женности† пол€,† то† в† пленке толщиной† 1000 ј† при зар€дке поверхности до 10 ¬ она может достигать† 106 ¬/см.

††††††††††† ќдной† однородности† плотности† первичного ионного† тока по поверхности† недостаточно† д눆 того, чтобы† травление образца протекало† равномерно.† —корость травлен舆 определ€етс€ топографией† поверхности,† чистотой† и однородностью† образца, что в свою очередь зависит от† его состава,† физического состо€ни€ и† кристаллографической† ориентации.†  ак правило,† при контролируемых† услови€х работы† установки† и† состо€н舆 образца уширение† профил€, св€занное† с процессом† ионного травлени€,† не превышает† 10% исследуемой глубины.

††††††††††† ¬недренные первичные ионы и вызванные ими повреждени€ решетки мишени могут повли€ть на форму профил€ концентрации, оказав вли€ние на коэффициент распылени€ и веро€тность ионизации распыленных частиц. Ќо если ионное травление осуществл€етс€ частицами с энергией 100 э¬/ат. ед. массы, то изменени€ матрицы вследствие внедрени€ ионов ограничены поверхностным слоем толщиной 100 ј. «а его пределами концентраци€ внедренных ионов остаетс€ посто€нной и сохран€етс€ стабильное состо€ние матрицы.

ѕрименени€

††††††††††† ѕриложени€ ¬»ћ— можно разбить на п€ть широких (частично перекрывающихс€) областей: исследование поверхности, глубинные профили концентрации, распределение по поверхности, микроанализ и анализ объема твердого тела.

»сследование поверхности

††††††††††† ¬† области† анализа† поверхности† ¬»ћ—† примен€етс€†† в† основном† д눆 идентификации† поверхностных†† атомо↠膆 молекул† и† д눆 изучен舆 динамики† поверхностных† €влений.†  роме того,† динамику поверхностных† процессов† можно† изучать,† не† внос€† заметных† возмущений,†† поскольку† д눆† полного† анализа†† достаточно† удалить всего лишь 10-6 внешнего атомного сло€ вещества.† ћетодо솆 ¬»ћ—† исследуютс€†† такие† поверхностны円 €влени€,† как† катализ,† коррози€,† адсорбц舆 и† диффузи€.

††††††††††† ¬† приборах† ¬»ћ—,† в† которых† предусмотрен все† необходимое† д눆 напуска† газа† и† нагреван舆 образцов,† †можно† изучать поверхностные† процессы† in situ.† »нформаци€,†† содержаща€с€† в масс-спектрах†† положительных†† 膆 отрицательных†† вторичных† ионов,† дает† некоторое† представление† о†† характере† поверхностной св€з膆 膆 механизмах† взаимодейств舆† между† газо솆 и† поверхностью.††  †† хорош документированным† применени€м ¬»ћ—† при† изучени膆 катализа† относ€тс€†† исследован舆 разложен舆 и† синтеза† аммиака на† железе† и† состава поверхностного† сл серебра,† используемого† в† качестве† катализатора при† окислении† этилена.†  аталитически円 процессы† отличаютс€† от† реакций† окислен舆 или† коррозии† металлов† тем,† что активна€† зона† каталитических† реакций† по† размера솆 -† пор€дка моноатомного† сло€,† тогда† как† при† окислении† она увеличиваетс€ из-за† действ舆 химических†† смещающих† сил,†† направленных† перпендикул€рн границ円 раздела†† между†† адсорбированны솆 слоем и† металлом.† ѕредмето솆 р€да† исследований,†† проведенных† методику† ¬»ћ—,† были† начальные† фазы† газовой† коррози膆 и† образован舆 поверхностных† соединений.

††††††††††† »звлечение количественной информации о поверхностном слое или зоне реакции на поверхности сопр€жено с известными трудност€ми. Ќо как показано выше, процессы на поверхности часто можно изучать и без приведени€ полученных данных к атомным концентраци€м частиц. “ип вторичных ионов и изменение их токов в зависимости от времени, температуры и давлени€ газа дают достаточную информацию дл€ того, чтобы† судить† о† многих† процессах,† протекающих† на† поверхности образца.† ¬о†† многих† случа€х†† высока€† чувствительность†† и† широкие† возможност膆 метода†† ¬»ћ—†† компенсируют†† недостаточную†† количественную† точность,† позвол€€† извлекать† качественные† или† полуколичественны円 сведен舆† (особенн ↆ плане† качественного† контрол€ при† приготовлении и† обработке поверхности ), которые невозможно получить другими методами.†††††††††††††††††††

√лубинные профили концентраци膆††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††† ¬»ћ—†† -†† один† и熆 самых† эффективных†† методов† диагностики† поверхност膆 сред膆 примен€емых†† д눆† измерен舆 распределен舆 концентрации† элементов† п глубине† образца.†† ѕредел† разрешен舆 по† глубине† при† таком† методе† не превышает† 50 ј,† а порог чувствительности† меньше† 1017 атом/см2.

††††††††††† ¬ насто€щее врем€ дл€ изменени€ свойств приповерхностного сло€ твердого тела широко пользуютс€ методам ионного внедрени€ (имплантации). –аспределение внедренных частиц по глубине определ€ют разными методами (радиоактивные изотопы, измерение электропроводимости, рентгеновские лучи, возникающие при бомбардировке т€желыми ионами). Ќо применение подобных методов сопр€жено с большими трудност€ми и возможно далеко не при всех сочетани€х легирующий ион - матрица. ћетод ¬»ћ— же свободен от таких ограничений и потому наиболее удобен при определении профилей концентрации внедренных частиц.

–аспределение частиц по поверхности,†† микроанализ и объемный анализ†

††††††††††† –ентгеновски醆 микроанализ† открыл† путь д눆 диагностики твердых† тел† и† до† сегодн€шнего д툆 остаетс€ важнейшим† методом такого† анализа.†† —оздани円 прибороↆ ¬»ћ—†† типа† масс-спектральнаго† микроскопа†† и† растрового† микрозонда†† расширило возможности† микроанализа† твердого† тела,† позволив† достичь большей† чувствительности,† проводить† изотопический† и† поверхностный† анализ† и† обнаруживать присутствие† элементов с† малыми Z.

††††††††††† ћасс-спектральные† микроскопы† дают† качественную,† а†† при† некоторых услови€х и количественную информацию о распределении элементов по поверхности образца.†††††† ќни примен€ютс€ при изучении выделений на границах зерен, различных эффектов и поли- и моно-кристаллах, диффузии† (двумерного распределен舆 в† плоскости† поперечных† шлифов), фазового состава минералов† и распределени€ поверхностных загр€знений.†††††††††††††††††††††††††††††††††††

††† ћетодом ¬»ћ— проводитс€ анализ дво€кого рода: определение общего состава в объеме твердого тела и определение состава в отдельных его точках (т. е микрообласт€х диаметром менее 25 мкм). ћикроанализ методом ¬»ћ— проводилс€ дл€ определени€ следов различных элементов, содержащихс€ в тех††††† или иных зернах минералов, изотопического анализа –№ in situ в ореоле радиоактивных включений (диаметром 1 - 2 мкм), элементного анализа взвеси† и определени€ возраста некоторых фаз в минералах по отношению 207Pb/206Pbи рубидиево-стронциевым методом. јнализ активных газов (таких, как Ќ2, N2, ќ2) в металлах этим методом сопр€жен с известными трудност€ми.

«аключение

††††††††††† ѕока что нет такого метода, который полностью удовлетвор€л бы всем запросам всех исследователей, имеющих дело с поверхностью. ћетод ¬»ћ— не €вл€етс€ исключением в этом отношении, но он занимает особое положение в области анализа состава объема и поверхности твердого тела, т. к. в р€де других отношений с ним не могут сравнитьс€ никакие другие методы. ¬ысокочувствительность к большинству элементов, возможность регистрации атомов с малыми Z и изотопического анализа, высокое разрешение по глубине при измерении профилей концентрации и возможность изучени€ распределени€ элементов по поверхности делают ¬»ћ— методом трехмерного анализа изотопного и следового состава твердого тела (фиг. 14).

†††††††††††

††††††††††† ‘иг.14. ¬ли€ние анализируемой площади на предельную разрешающую способность[2].

††††††††††† ћногие задачи физики поверхности могут быть решены качественными или полуколичественными методами, поэтому, не очень высока€ точность количественных оценок, обеспечиваема€ методом ¬»ћ—, с лихвой компенсируетс€ той ценной качественной информацией, которую он дает. ¬»ћ— уже оказал большое вли€ние на микроанализ твердых тел в направлени€х, имеющих как фундаментальное, так и прикладное значение. ƒальнейшее развитие метода ¬»ћ— должно быть направлено, главным образом, на решение проблемы количественного анализа и отыскани€ путей повышени€ его точности.


—писок литературы

1. ћак-’ью ».ј. ¬торично-ионна€ масс-спектрометри€: ¬ кн. ћетоды анализа††††††††††††††††††††† ††††††††††† поверхности./ѕер с англ. - ћ.: ћир, 1979. - с. 276-342.

2. Ѕроудай »., ћерей ƒж. ‘изические основы микротехнологии: ѕер. с англ. - ћ.: ††††††††††† ћир, 1985. - 496 с.

3. “ехнологи€ —Ѕ»—: ¬ 2-х кн. ѕер. с англ./ѕод ред. —. «и. - ћ.: ћир, 1986. - 453 с.

4. „ерепин ¬.“., ¬асильев ћ.ј. ћетоды и приборы дл€ анализа поверхности †††††††† материалов: —правочник. -  иев: Ќаукова ƒумка, 1982. - 400 с.

5. ‘елдман Ћ., ћайер ƒ. ќсновы анализа поверхности и тонких пленок./ѕер. с †††† англ. - ћ.: ћир, 1989. - 342 с.

6. ƒобрецов Ћ.Ќ., √омоюнова ћ.¬. Ёмиссионна€ электроника. - ћ.: Ќаука, 1966. -†††††† ††††† 564 с.

7. ¬екслер ¬.». ¬торична€ ионна€ эмисси€ металлов. - ћ.: Ќаука, 1978. - 240 с.

 алужский ‘илиал ћосковского √осударственного “ехнического ”ниверситета им. Ќ. Ё. Ѕаумана  афедра ћатериаловедени€ и ћатериалов Ёлектронной “ехники  ”–—ќ¬јя –јЅќ“ј по курсу† ћ»ћ и  Ё“ на тему: У¬торично-ионна€ †† масс-сп

 

 

 

¬нимание! ѕредставленный –еферат находитс€ в открытом доступе в сети »нтернет, и уже неоднократно сдавалс€, возможно, даже в твоем учебном заведении.
—оветуем не рисковать. ”знай, сколько стоит абсолютно уникальный –еферат по твоей теме:

Ќовости образовани€ и науки

«аказать уникальную работу

ѕохожие работы:

“ехнологи€ производства  56»≈10 и серии м (с  426 и  224
 ачество продукции машиностроительного производства
ƒвигатель —тирлинга - прошлое, насто€щее и будущее
¬одоснабжение (дождевальные и поливные машины)
ћетоды контрол€ в производстве интегральных микросхем
 ремний, полученный с использованием "геттерировани€" расплава
“ехнологи€ ремонта автомобилей и дорожных машин
Ёксплуатаци€ машин в пустынно-степной местности
ѕропиточные материалы
“ермообработка

—вои сданные студенческие работы

присылайте нам на e-mail

Client@Stud-Baza.ru