Вторично-ионная эмиссия

Основные физические и приборные параметры, характеризующие метод ВИМС, охватываются формулами (4.1) - (4.3). Коэффициент вторичной ионной эмиссии S_А^±, т. е. число (положительных или отрицательных) ионов на один падающий ион, для элемента А в матрице образца дается выражением

S_А^±=g_А^±С_АS, (4.1)

где g_А^± - отношение числа вторичных ионов (положительных или отрицательных) элемента А к полному числу нейтральных и заряженных распыленных частиц данного элемента, а С_А -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 g_А^± и S сильно зависят от состава матрицы образца, поскольку отношение g_А^± 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 g_А^± или набор его приведенных значений для любой матрицы

Рис.4.4. Энергетический спектр электронов, рассеянных при соударении с твердотельной мишенью [2].

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

i_А^± =h_AS_A^±I_P, (4.2)

где i_А^± - ионный ток для моноизотопного элемента (для данного компонента многоизотопного элемента ионный ток равен f_ai_А^±, где f_a,- содержание изотопа, а в элементе А). Величина h_A -эффективность регистрации ионов данного изотопа в используемом приборе ВИМС. Она равна произведению эффективности переноса ионов через масс-анализатор на чувствительность ионного детектора. Множитель h_A 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, I_P полный ток первичных ионов (число ионов в секунду), падающих на образец.

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

I_P=(0,25p)D_Pd². (4.3)

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 (4.1) - (4.3).

Таблица 1.

Типичные значения параметров

в формулах (4.1)- (4.3) [1].

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 рис.4.5. Скорость удаления (число монослоев в секунду) атомов мишени при заданной энергии ионов пропорциональна плотности их тока D_P, а порог чувствительности при регистрации методом ВИМС (минимальное количество элемента, которое можно обнаружить в отсутствие перекрывания пиков масс-спектра) обратно пропорционален полному току ионов I_P. Коэффициент пропорциональности между порогом чувствительности ВИМС и I_P 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 рис.4.5 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.

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 рис.4.5, 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 500 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 рис.4.5 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.