Метод ВИМС

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.

            Методом ВИМС анализ поверхности можно проводить в двух  разных режимах: при малой и большой плотности тока, распыляющего образец. В режиме малой плотности распыляющего тока изменяется состояние лишь малой части поверхности, благодаря чему почти выполняется основное требование, предъявляемое к методам анализа самой поверхности. В режиме же высоких плотностей токов и соответствующих больших скоростей  распыления проводится измерение профилей распределения элементов по глубине, микроанализ и определение следовых количеств элементов (<10-4%). В соответствии со всеми этими вариантами создан ряд приборов ВИМС, в которых применяются разные способы создания и фокусировки первичных ионных пучков и разные анализаторы вторичных ионов.


Оборудование ВИМС.


    Установка  ВИМС  состоит  из   четырех  основных   блоков:  источника  первичных  ионов  и   системы  формирования   пучка,  держателя  образца   и  вытягивающей   вторичные  ионы   линзы,  масс-спектрометра   для   анализа   вторичных   частиц   по   отношению  массы  к  заряду  (m/е)   и  высокочувствительной   системы  регистрации  ионов.  Для  получения   первичных  ионов   в  большинстве  установок   используются   газоразрядные   или   плазменные  источники.   Совместно   с   соответствующей  системой   формирования  и  транспортировки   пучка   эти   источники    обеспечивают   широкие  пределы  скорости  распыления  поверхности  - от  10-5 до  103 А/с. Разделение  вторичных   частиц  по   m/е  производится   либо  магнитными,   либо   квадрупольными   анализаторами.    Наиболее   широко    распространенным    анализатором    в    установках   ВИМС,  очень   удобным   при  анализе   состава  образцов   и  обнаружении  малых  количеств  (следов)  элементов   в  них,   является  магнитный  спектрометр  с  двойной  фокусировкой  (в   котором  осуществляется анализ  по энергии  и по  импульсу), что  связано с  его высокой   чувствительностью   к   относительному    содержанию.   Для  таких    многоступенчатых    магнитных    спектрометров    фоновый  сигнал,   возникающий  из-за   хвостов  основных   пиков  материала  матрицы  (рассеяние  стенками,  на  атомах  газа  и   т.д.),  может  быть  сведен  к  уровню  менее  10-9  для общего  фона и  всего 10-6   для  масс,  близких  к  основному  пику.  Все же  в отдельных  конкретных   случаях   более   практичным  может   оказаться  менее  дорогой   квадрупольный   анализатор.                                                              


Принцип действия установок.

 

                       

                        Фиг.6. Схема обычного метода и метода прямого изображения при

                                                масс- спектрометрическом анализе вторичных ионов[1].


            При масс-анализе вторичных ионов применяются два основных метода: обычный масс-спектрометрический и метод прямого изображения. Они схематически сопоставлены на фиг.6. При первом методе анализатор  с хорошим разрешением передает на высокочувствительный ионный детектор заметную часть быстрых вторичных ионов, идущих с большой площади образца (» 1 мм2). Выделенные по массе вторичные частицы собираются в точечный фокус на входной щели детектора. В этом статическом случае получаемая информация усредняется по поверхности образца и невозможно установить, из какой точки (например области диаметром 1 мкм) поверхности приходят вторичные ионы. При методе прямого изображения  в фокальной плоскости анализатора создается стигматическое  ионное изображение поверхности и путем соответствующего дифрагмирования (или преобразования изображения  при помощи чувствительной к электронам или ионам эмульсии) легко можно получить информацию о точках выхода ионов с данными m/e с поверхности образца. 

            Все установки с прямым изображением основан на идее  прибора Кастэна и Слодзяна; все иные приборы представляют собой варианты обычной масс-спектрометрической методики. Для получения вторично-ионного изображения поверхности  при обычном подходе необходимо проводить последовательный анализ вторичных частиц при сканировании поверхности

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7



Реклама
В соцсетях
рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать