Вторично-ионная масса спектрометрия

Введение 3 Взаимодействие ионов с ве ществом 3 Вторично-ионная эмиссия 5 Оборудование ВИМС. 8 Принцип дейст вия установок. 9 Установки, не обеспечивающие анализа распределения ча стиц по поверхности 10 Установки, позволяющие получать сведения о расп ределении 11 элемента по поверхности, со сканирующим ионным зондом Уст ановки с прямым изображением 11 Порог чувствительности 12 Анализ следов элементов 14 Ионное изображение 16 Требования к первичному ионному пучку 17 Масс-спектрометрический ана лиз нейтральных 18 распыленных частиц Количественный анализ 19 Глубинн ые профили концентрации элементов 22 Приборные факторы, влияющие на раз решение 23 по глубине при измерении профилей концентрации Влияние ионн о-матричных эффектов на разрешение 25 по глубине при измерении профилей к онцентрации Применения 26 Исследование поверхности 26 Глубинные проф или концентрации 27 Распределение частиц по поверхности, 27 микроанализ и объемный анализ Заключение 27 Список литературы 29 Введение Возможности получения сведений о составе внешнего атомного слоя тверд ого тела значительно расширялись всвязи с разработкой и усовершенство ванием метода вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) и других методов . Большинство таких методов близки к тому, чтобы анализировать саму пове рхность, поскольку основная информация о составе материала поступает и з его приповерхностной области толщиной порядка 10А, а чувствительность всех таких методов достаточна для обнаружения малых долей моноатомног о слоя большинства элементов. Взаимодействие быстрых ионов с твердым телом приводит к выбиванию атом ов и молекул материала как в нейтральном, так и в заряженном состоянии. Н а таком явлении сравнительного эффективного образования заряженных ча стиц (вторичных ионов) и на принципе высокочувствительных масс- спектр ометрических измерениях и основан метод ВИМС. Хотя у него, как у любого др угого метода, имеются свои недостатки, только он один дает столь широкие возможности исследования и поверхности, и объема твердого тела в одном п риборе. Наиболее важными характерными особенностями метода, которые вы зывают повышенный интерес к нему, являются очень низкий порог чувствите льности для большинства элементов (меньше 10-4 моноатомного слоя), измерени е профилей концентрации малых количеств примесей с разрешение по глуби не меньше 50А, разрешение по поверхности порядка микрометра, возможность изотопического анализа и обнаружение элементов с малыми атомными номе рами (H, Li, Be и т. д.) Взаимодействие ионов с веществом [pic] Фиг.1. Виды взаимодействий ионов с твердым телом [2]. В этом разделе рассматривается поведение ионов высоких энергий (1 - 100 кэВ ), попадающих на поверхность твердого тела. Фиг.1 иллюстрирует 10 разновидн остей взаимодействия ионов с поверхностью [2]. Падающий ион может обратно рассеиваться атомом или группой атомов бомбардируемого образца (1). Про цесс обратного рассеяния обычно приводит к отклонению траектории иона от первоначального направления после столкновения и к обмену энергией между ионом и атомом мишени. Обмен энергией может быть упругим и неупруг им в зависимости от типа взаимодействующих частиц и энергии иона. Импульс иона может быть достаточно велик для того, чтобы сместить поверх ностный атом из положения, где он слабо связан с кристаллической структу рой образца, в положение, где связь оказывается сильнее (2). Этот процесс на зывается атомной дислокацией. Ионы с более высокими энергиями могут выз ывать внутренние дислокации в толще образца (3). Если соударяющиеся с пове рхностью образца ионы передают настолько большой импульс, что полность ю освобождают от связей один или несколько атомов, происходит физическо е распыление (4). Ионы могут проникать в кристаллическую решетку и захваты ваться там, израсходовав свою энергию (ионная имплантация) (5) . В результа те химических реакций ионов с поверхностными атомами на поверхности об разуются новые химические соединения, причем самый верхний слой атомов может оказаться в газообразном состоянии и испариться (химическое расп ыление) (6). Бомбардирующие положительные ионы в результате процессса оже- нейтрализации могут приобретать на поверхности электроны и отражаться от нее в виде нейтральных атомов (7). Ионы могут оказаться связанными с по верхностью образца (адсорбированными) (8). При ионной бомбардировке мета ллических поверхностей в определенных условиях возможно возникновени е вторичной электронной змиссии (9). Наконец, если поверхностные атомы воз буждаются до ионизированных состояний и покидают образец, имеет место в торичная ионная эмиссия (10). Замедляясь, ион передает энергию твердому телу. При анализе процессов по тери энергии удобно различать два основных механизма: соударения с элек тронами и соударения с ядрами. Первый механизм состоит в том, что быстрый ион взаимодействует с электро нами кристаллической решетки, в результате чего возникают возбуждение и ионизация атомов кристалла. Поскольку плотность электронов в веществ е мишени высока и такие столкновения многочисленны, этот процесс, как и в случае потери энергии электронами, можно считать непрерывным . В рамках второго механизма взаимодействие происходит между экранирова нными зарядами ядер первичного иона и атомами мишени. Частота таких стол кновений ниже, поэтому их можно рассматривать как упругие столкновения двух частиц. Ионы высоких энергий хорошо описываются резерфордовским р ассеянием, ионы средних энергий - экранированным кулоновским рассеяние м, однако при малых энергиях характер взаимодействия становится более с ложным. Кроме перечисленных выше механизмов вклад в энергетические потери дае т обмен зарядами между движущимся ионом и атомом мишени. Этот процесс на иболее эффективен, когда относительная скорость иона сравнима с боровс кой скоростью электрона ( ~106 м/с) . Таким образом, полные потери энергии - dЕ/dz можно представить в виде суммы т рех составляющих - ядерной, электронной и обменной. При малых энергиях ионов преобладает взаимодействие с ядрами, которое п риводит к появлению угловой расходимости пучка. При высоких энергиях бо лее существенными становятся столкновения с электронами. Справедливо следующее эмпирическое правило: передача энергии кристаллической реше тке осуществляется в основном за счет ядерных столкновений при энергия х меньше А кэВ, где А - атомный вес первичного иона. В промежуточном диапа зоне энергий вклад потерь, обусловленных обменом заряда, может возраста ть примерно до 10% от полных потерь. Зависимость энергетических потерь от э нергии первичного иона показана на фиг.2. [pic] Фиг.2. Зависимость энергетических потерь иона от энергии [2]. [pic] Фиг.3. Схематическое представление взаимодействия ионов с мишенью [2]. Неупругие взаимодействия с электронами мишени вызывают вторичную элек тронную эмиссию, характеристическое рентгеновское излучение и испуска ние световых квантов. Упругие взаимодействия приводят к смещению атомо в кристаллической решетки, появлению дефектов и поверхностному распыл ению. Эти процессы схематически проиллюстрированы на фиг. 3. Энергетический спектр рассеянных твердотельной мишенью ионов с началь ной энергией Е0 схематически представлен на фиг.4. Здесь видны широкий низ коэнергетический (10 - 30 эВ) горб, соответствующий испусканию нейтральных а томов (распыленные атомы), и высокоэнергетический горб, расположенный вб лизи энергии первичного иона Е0 (упругорассеянные ионы). Вторично-ионная эмиссия Основные физические и приборные параметры, характеризующие метод ВИМС, охватываются формулами (1) - (3). Коэффициент вторичной ионной эмиссии SА(, т. е. число (положительных или отрицательных) ионов на один падающий ион, для э лемента А в матрице образца дается выражением SА(=(А(САS, (1) где (А( - отношение числа вторичных ионов (положительных или отриц ательных) элемента А к полному числу нейтральных и заряженных распыленн ых частиц данного элемента, а СА -атомная концентрация данного элемента в образце. Множитель S - полный коэффициент распыления материала (число ат омов на один первичный ион). В него входят все частицы, покидающие поверхн ость, как нейтральные, так и ионы. Величины (А( и S сильно зависят от состав а матрицы образца, поскольку отношение (А( связано с электронными свойс твами поверхности, а S в большой степени определяется элементарными энер гиями связи или теплотой атомизации твердого тела. Любой теоретический способ пересчета измеренного выхода вторичных ионов в атомные концент рации должен, давать абсолютное значение отношения (А( или набор его прив еденных значений для любой матрицы. [pic] Фиг.4. Энергетический спектр электронов, рассеянных при соударении с тве рдотельной мишенью [2]. Вторичный ионный ток (А( (число ионов в секунду), измеряемый в приборе ВИМС, дается выражением (А( =(ASA(IP, (2) где (А( - ионный ток для моноизото пного элемента (для данного компонента многоизотопного элемента ионны й ток равен fa(А(, где fa,- содержание изотопа а в элементе А). Величина (A -эффекти вность регистрации ионов данного изотопа в используемом приборе ВИМС. О на равна произведению эффективности переноса ионов через масс-анализа тор на чувствительность ионного детектора. Множитель (A обычно можно рас сматривать как константу, не зависящую от вида элемента или массы изотоп а, если энергетические распределения вторичных ионов примерно одинако вы и имеют максимум при нескольких электрон-вольтах, так что зависящее от массы измене ние чувствительности детектора частиц мало. Наконец, IP полный ток первич ных ионов (число ионов в секунду), падающих на образец. Конечно, величина IP связана с плотностью тока первичных ионов DP (число ио нов 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, т о IP=(0,25()DPd2. (3) При существующих источниках первичных ионов, используемых в приборах В ИМС, плотность тока на образец, как правило, не превышает 100 мА/см2 (в случае о днозарядных ионов ток 1 mА соответствует потоку 6.2 1015 ион/с). В табл. 1 приводя тся типичные значения параметров, входящих в формулы (1) - (3). Таблица 1. Тип ичные значения параметров в формулах (1)- (3) [1]. |(А( |10-5(10-1 | |S |1(10 | |(A |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 п оверхностей имеет взаимосвязь между параметрами пучка первичных ионов , скоростью распыления поверхности и порогом чувствительности для элем ентов. Из-за отсутствия информации о такой взаимосвязи часто возникают н еправильные представления о возможностях метода. Соотношения между то ком первичных ионов, диаметром и плотностью пучка, скоростью распыления поверхности и порогом чувствительности при типичных условиях иллюстри руются графиком, представленным на фиг.5. Скорость удаления (число моносл оев в секунду) атомов мишени при заданной энергии ионов пропорциональна плотности их тока DP, а порог чувствительности при регистрации методом ВИ МС (минимальное количество элемента, которое можно обнаружить в отсутс твие перекрывания пиков масс-спектра) обратно пропорционален полному т оку ионов IP. Коэффициент пропорциональности между порогом чувствитель ности ВИМС и IP определяется исходя из результатов измерений для ряда эле ментов в различных матрицах путем приближенной оценки, основанной на эк спериментальных значениях для типичных пар элемент - матрица. При постро ении 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-спектрометр ии, если диаметр области, из которой поступают ионы, не превышает 1 мм. [pic] Фиг. Зависимость между током первичных ионов, диаметром и плотностью пер вичного пучка, скоростью удаления атомных слоев и порогом чувствительн ости ВИМС[1]. Распыление ионным пучком - разрушающий процесс. Но если требуется, чтобы поверхность оставалась практически без изменения, то анализ методом ВИ МС можно проводить при очень малых скоростях распыления образца (менее 10-4 монослоя в секунду) . Чтобы при этом обеспечить достаточную чувствител ьность метода ( (10-4 монослоя), как видно из фиг.5, необходим первичный ионный п учок 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 перви чным пучком. Поэтому измерения методом ВИМС в таких условиях следует про водить в сверхвысоком или чистом (криогенном) вакууме. Указанные приборные условия приемлемы не во всех случаях анализа. Напри мер, определение профиля концентрации примесей, присутствующих в малых количествах в поверхностной пленке толщиной свыше 5ОО А, удобно проводит ь при диаметре пучка, равном 100 мкм, и при скорости распыления, превышающей 10-1 атомных слоев в секунду. Еще более высокие плотности ионного тока треб уются, чтобы обеспечить статистически значимые количества вторичных и онов с единицы площади поверхности, необходимые при исследовании распр еделения по поверхности следов элементов при помощи ионного микрозонд а или масс-спектрального микроскопа. На основании сказанного и данных фи г.5 мы заключаем, что невозможно обеспечить поверхностное разрешение в н есколько микрометров для примеси, содержание которой равно (10-4%, при скоро сти распыления менее 10-3 атомных слоев в секунду. Это взаимно исключающие условия. Методом ВИМС анализ поверхности можно проводить в двух разных режимах: п ри малой и большой плотности тока, распыляющего образец. В режиме малой п лотности распыляющего тока изменяется состояние лишь малой части пове рхности, благодаря чему почти выполняется основное требование, предъяв ляемое к методам анализа самой поверхности. В режиме же высоких плотност ей токов и соответствующих больших скоростей распыления проводится из мерение профилей распределения элементов по глубине, микроанализ и опр еделение следовых количеств элементов ( 3000. В первом случае коэффициент и онной эмиссии уменьшается примерно во столько же раз, во сколько коэффиц иент выбивания молекулярных ионов уменьшается по сравнению с атомарны ми. В некоторых случаях этот метод вполне приемлем; но при решении многоч исленных задач обнаружения следов примесей или микроанализа поверхнос ти недопустимо большое снижение чувствительности характерное для этог о метода. Второй способ является более прямым и с точки зрения анализа бо лее предпочтителен. Чтобы выявить сложную структуру отдельных пиков в м асс-спектрах используют для ВИМС приборы с высоким разрешением по массе . На фиг.9, представлена форма пика с массой 43 ат. ед. при разных разрешениях а нализатора. Высокое разрешение очень важно для уменьшения или исключен ия в идентификации пиков m/е, особенно если основной целью является обнар ужение следов элементов на уровне атомных концентраций, не превышающих 10-5. Вопрос о пороге чувствительности метода ВИМС для различных элементов и сследовался многими авторами как теоретически, так и на основе результа тов экспериментальных измерений. При этом были получены следующие прим ерные значения, подтвердившиеся в некоторых строго определенных услов иях: менее 10-7 моноатомного слоя, атомная концентрация 10-9 и менее 10-18 г элеме нта. Но эти значения характерны лишь для некоторых частных случаев и не я вляются нормой на практике. Обычно мы имеем дело со сложными спектрами с многократными наложениями линий, в силу чего порог чувствительности ок азывается сильно зависящим от природы матрицы образца. Поэтому, указыв ая порог чувствительности, необходимо указывать и соответствующие доп олнительные факторы, в частности тип матрицы, и не следует делать огульн ые утверждения относительно того или иного элемента. Если пренебречь возможным перекрытием пиков, то порог чувствительност и для некоторого элемента в матрице обратно пропорционален току первич ных ионов IP, попадающему на образец. На фиг.5 и 10 показано, как [pic]Фиг.10. Зависи мость порога чувствительности типичного прибора ВИМС от диаметра перв ичного ионного пучка[1]. изменяется порог чувствительности в зависимости от различных параметров, влияющих на ток первичных ионов. Приведенные з десь значения порога чувствительности основаны на экспериментальных д анных, полученных в типичных для анализа условиях, когда первичными част ицами служат ионы О2+. Область с простой штриховкой на фиг.10 вблизи линии 5 мА/см2 соответствует диапазону плотностей токов первичных частиц, обычн о применяемых в установках типа ионного микрозонда или масс-спектральн ого микроскопа. Область с двойной штриховкой отвечает условиям, при ко торых существенно наложение линий сложных молекулярных ионов, и необхо димо позаботиться об идентификации пиков по m/е. Истинное положение или в ысота этой области зависит как от матрицы образца, так и от разрешения по массам и чувствительности масс-анализатора. Для микроанализа поверхно сти, т.е. исследования областей диаметром >(Т , например в случае тонкого сл оя, величина (R приблизительно равна разрешению (R метода по глубине. Если принять, что измеренный профиль тонкого слоя описывается нормальн ым распределением, то можно рассмотреть и случай уширения границы разде ла, и его связь с разрешением по глубине. Это разрешение можно вычислить п о профилю ступенчатого изменения концентрации (ширина ступени >> (R), когда форма истинного края ступени похожа на кривую интегрального нормально го распределения со среднеквадратичным отклонением (t. Если концентраци я изменяется резко ((t~0), то разрешению по глубине (R соответствует величина (m, половина расстояния между глубинами, отвечающими 84 и 16% измеренной на оп ыте высоты ступени. В случае граничной области со значительной собствен ной шириной (т. е. со значительным (t) разрешение по глубина дается формуло й (R =((2m -(2t)1/2, причем нужно учитывать ошибки в величинах (m и (t. Случай профиля с лоя с существенным (T можно рассчитать аналогично. Все сказанное в данном разделе касается самых основных физических или п риборных эффектов, связанных с травлением поверхности ионным пучком и п роблемой распыления ионами без искажения профиля концентрации. Поэтом у многое из сказанного относится к любому из методов анализа поверхност и с использованием ионного травления. Измерение профилей методом ВИМС сводится к регистрации сигнала вторич ных ионов интересующего нас элемента как функции времени распыления. В с лучае однородной матрицы это время, выполнив соответствующие градуиро вочные измерения (распыление пленки известной толщины, измерения глуби ны кратера, коэффициентов распыления и т.д.), можно пересчитать в глубину з алегания элемента. Изменение интенсивности вторичных ионов не всегда отражает относитель ное изменение концентрации элемента; поэтому нужна осторожность при ин терпретации глубинных профилей, особенно вблизи самой поверхности, т. е. когда глубина меньше RP+2(RP, а также пленок, состоящих из различающихся по со ставу слоев, или матриц с неоднородным распределением следов элементов, которые способны даже при малой концентрации сильно повлиять на вторич но-эмиссионные свойства образца. В последнем случае для получения результатов, отр ажающих реальную ситуацию, следует обработать измеренные профили так, к ак это делается при количественной интерпретации интенсивности вторич ных ионов. Если это невозможно, нужно попытаться по крайней мере проград уировать интенсивность вторичных ионов изучаемого элемента по одному или нескольким элементам, равномерно распределенным в пленке. В общем аб солютная интенсивность вторичных ионов дает прямую информацию о распр еделении элемента по глубине лишь при малых концентрациях примеси в амо рфной или монокристаллической матрице с равномерно распределенными ос новными компонентами и лишь при глубинах под поверхностью, превышающих 50 А. Пригодность метода ВИМС для определения глубинного профиля наряду с ег о высокой чувствительностью к большинству элементов делает его весьма привлекательным как метод изучения тонких пленок, ионной имплантации и диффузии. Факторы, существенные при проведении глубинного анализа мето дом ВИМС, могут быть разделены на две группы: приборные и обусловленные особенностями сочетания ион - матрица. Приборные факторы, влияющие на разреше ние по глубине при измерении профилей концентрации Получить при методе ВИМС надежные сведения о глубинном профиле можно ли шь в том случае, если поддерживается постоянная интенсивность тока перв ичных ионов и обеспечивается однородность плотности тока пучка в той ча сти поверхности, из которой в масс-анализатор отбираются вторичные част ицы. В стационарном сфокусированном ионном пучке плотность тока, падающ его на образец, не постоянна по сечению пучка, а следовательно, и распылен ие поверхности в этих условиях не может быть равномерным. Если зона, из ко торой поступает информация, охватывает все сечение первичного пучка, то вклад в сигнал ионов с краев кратера будет искажать профиль концентраци и элемента в приповерхностном слое (фиг. 13). Ошибки такого рода устраняются в ВИМС разными способами в зависимости о т конструкции прибора. В устройствах, в которых не предусмотрена возможн ость определять распределение элемента по поверхности, обычно расфоку сируют пучок так, чтобы его сечение было больше анализируемой области ил и вырезают при помощи диафрагмы из расфокусированного пучка определен ный участок с однородной плотностью тока. Иногда на поверхности мишени помещают тонкую маску из материала, не дающего вторичных ионов, близких к анализируемым, которая ограничивает вторичную ионную эмиссию из областей неоднородной плотно сти первичного пучка. [pic] Фиг.13. Переменный профиль концентрации в приповерхностном слое с указан ием различных приборных факторов, которые приводят к искажению профиля по сравнению с истинным распределением[1]. Наиболее удовлетворительный способ решения проблемы - электрически ра звертывать сфокусированный ионный пучок в растр по достаточно большой площади поверхности мишени так, чтобы обеспечить в ее нейтральной части однородную плотность тока. При этом нужно уделить особое внимание систе ме развертки пучка: напряжение строчной и кадровой развертки должно изм еняться линейно со временем, обратный ход пучка должен бланкироваться и ли хаотизироваться, а скорость развертки должна быть согласована с разм ерами пучка, чтобы соседние строки растра перекрывались. Чтобы полностью использовать достоинства этого метода, необходимо огр аничить зону отбора вторичных ионов областью однородной плотности пуч ка. Осуществить это сравнительно просто в установках ВИМС, которые позво ляют получать сведения о распределении вещества по поверхности. В скани рующей микрозондовой установке, где первичный ионный пучок малого диам етра разворачивается в растр по поверхности, можно работать в режиме, в к отором система детектирования регистрирует вторичные ионы лишь при пр охождении лучом выделенного “окна”. Даже тогда, когда зона, из которой собирается информация, ограничена обл астью однородной плотности тока, имеется еще ряд приборных эффектов, при водящих к искажению формы профилей концентрации. К примеру, эффект обрат ного осаждения на мишень ранее распыленного вещества: материал, распыле нный с краев кратера, оседает на его дне (в том числе на поверхности анализ ируемой зоны) и затем вновь распыляется (фиг. 13). Такой эффект обычно сущес твенен лишь при измерении “хвостов” профилей с малой концентрацией и си льно ослабляется, если увеличить крутизну стенок кратера. К аналогичным искажениям профилей концентрации приводят адсорбция остаточных газов , или эффекты памяти установки. Добавим, что любой фактор, влияющий на ан ализ следов элементов методом ВИМС (наложение пиков молекулярных ионо в, химическая чистота первичного ионного пучка, влияние несфокусирован ного компонента и периферийных частей пучка), также может исказить профи ль в области малых концентраций. Влияние ионно-матричных эффектов на разрешение по глубине при измерени и профилей концентрации Ряд эффектов, вызывающих ошибки при измерении профилей концентрации, св язан с характеристиками каскада столкновений, создаваемого в твердом т еле первичным ионом. Два таких эффекта - влияние средней глубины выхода в торичных ионов и перемешивание атомов в поверхностном слое. В большинст ве случаев распределение анализируемых частиц простирается на глубину свыше 100 А. В этих условиях атомные перемещения в приповерхностном слое, внедрение атомов отдачи и иные связанные с матрицей эффекты вносят в иск ажение профилей концентрации значительно больший вклад, чем глубина вы хода вторичных частиц. Основными параметрами, определяющими относительные пробеги частиц в д анной пленке, являются энергия первичных ионов, атомный номер Z и масса А б омбардирующих частиц и атомов мишени. Таким образом, измеряемый профиль концентрации должен зависеть от Z и А первичных ионов так же, как от их эне ргии. Еще один параметр, влияющий на его форму, - угол падения, т. е. угол межд у первичным ионным пучком и поверхностью мишени (обычно этот угол отсчит ывают от нормали к поверхности). Увеличение угла падения приводит к умен ьшению средней глубины проникновения частиц относительно поверхности образца и, следовательно, эквивалентно уменьшению энергии первичных ио нов. Кроме того, уширение или уменьшение крутизны, профиля концентрации може т происходить из-за диффузии элементов, вызываемой или усиливаемой ради ационными повреждениями в твердом теле, локальным повышением температ уры в облучаемой области и сильным электрическим полем, возникающим в ре зультате зарядки поверхности первичным пучком. В общем случае роль всех этик факторов предсказать трудно. Что же касается напряженности поля, то в пленке толщиной 1000 А при зарядке поверхности до 10 В она может достигать 106 В/см. Одной однородности плотности первичного ионного тока по поверхности н едостаточно для того, чтобы травление образца протекало равномерно. Ско рость травления определяется топографией поверхности, чистотой и одно родностью образца, что в свою очередь зависит от его состава, физическог о состояния и кристаллографической ориентации. Как правило, при контрол ируемых условиях работы установки и состояния образца уширение профил я, связанное с процессом ионного травления, не превышает 10% исследуемой гл убины. Внедренные первичные ионы и вызванные ими повреждения решетки мишени м огут повлиять на форму профиля концентрации, оказав влияние на коэффици ент распыления и вероятность ионизации распыленных частиц. Но если ионн ое травление осуществляется частицами с энергией 100 эВ/ат. ед. массы, то изм енения матрицы вследствие внедрения ионов ограничены поверхностным сл оем толщиной 100 А. За его пределами концентрация внедренных ионов остаетс я постоянной и сохраняется стабильное состояние матрицы. Применения Приложения ВИМС можно разбить на пять широких (частично перекрывающихс я) областей: исследование поверхности, глубинные профили концентрации, р аспределение по поверхности, микроанализ и анализ объема твердого тела. Исследование поверхности В области анализа поверхности ВИМС применяется в основном для идентифи кации поверхностных атомов и молекул и для изучения динамики поверхнос тных явлений. Кроме того, динамику поверхностных процессов можно изучат ь, не внося заметных возмущений, поскольку для полного анализа достаточн о удалить всего лишь 10-6 внешнего атомного слоя вещества. Методом ВИМС исс ледуются такие поверхностные явления, как катализ, коррозия, адсорбция и диффузия. В приборах ВИМС, в которых предусмотрено все необходимое для напуска газ а и нагревания образцов, можно изучать поверхностные процессы in situ. Информ ация, содержащаяся в масс-спектрах положительных и отрицательных втори чных ионов, дает некоторое представление о характере поверхностной свя зи и механизмах взаимодействия между газом и поверхностью. К хорошо доку ментированным применениям ВИМС при изучении катализа относятся исслед ования разложения и синтеза аммиака на железе и состава поверхностного слоя серебра, используемого в качестве катализатора при окислении этил ена. Каталитические процессы отличаются от реакций окисления или корро зии металлов тем, что активная зона каталитических реакций по размерам - порядка моноатомного слоя, тогда как при окислении она увеличивается из- за действия химических смещающих сил, направленных перпендикулярно гр анице раздела между адсорбированным слоем и металлом. Предметом ряда ис следований, проведенных методику ВИМС, были начальные фазы газовой корр озии и образования поверхностных соединений. Извлечение количественной информации о поверхно стном слое или зоне реакции на поверхности сопряжено с известными трудн остями. Но как показано выше, процессы на поверхности часто можно изучат ь и без приведения полученных данных к атомным концентрациям частиц. Тип вторичных ионов и изменение их токов в зависимости от времени, температ уры и давления газа дают достаточную информацию для того, чтобы судить о многих процессах, протекающих на поверхности образца. Во многих случаях высокая чувствительность и широкие возможности метода ВИМС компенсиру ют недостаточную количественную точность, позволяя извлекать качестве нные или полуколичественные сведения (особенно в плане качественного к онтроля при приготовлении и обработке поверхности ), которые невозможно получить другими методами. Глубинные профили концентрации ВИМС - один из самых эффективных методов диагностики поверхности среди применяемых для измерения распределени я концентрации элементов по глубине образца. Предел разрешения по глуби не при таком методе не превышает 50 А, а порог чувствительности меньше 1017 ат ом/см2. В настоящее время для изменения свойств приповерхностного слоя твердо го тела широко пользуются методам ионного внедрения (имплантации). Рас пределение внедренных частиц по глубине определяют разными методами ( радиоактивные изотопы, измерение электропроводимости, рентгеновские л учи, возникающие при бомбардировке тяжелыми ионами). Но применение подоб ных методов сопряжено с большими трудностями и возможно далеко не при вс ех сочетаниях легирующий ион - матрица. Метод ВИМС же свободен от таких ог раничений и потому наиболее удобен при определении профилей концентра ции внедренных частиц. Распределение частиц по поверхности, микроанализ и объемный анализ Рентгеновский микроанализ открыл путь для диагностики твердых тел и до сегодняшнего дня остается важнейшим методом такого анализа. Создание приборов ВИМС типа масс-спектральнаго микроскопа и растрового микрозо нда расширило возможности микроанализа твердого тела, позволив достич ь большей чувствительности, проводить изотопический и поверхностный а нализ и обнаруживать присутствие элементов с малыми Z. Масс-спектральные микроскопы дают качественную, а при некоторых услови ях и количественную информацию о распределении элементов по поверхнос ти образца. Они применяются при изучении выделений на границах зерен, ра зличных эффектов и поли- и моно-кристаллах, диффузии (двумерного распре деления в плоскости поперечных шлифов), фазового состава минералов и рас пределения поверхностных загрязнений. Методом ВИМС проводится анализ двоякого рода: определение общего соста ва в объеме твердого тела и определение состава в отдельных его точках ( т. е микрообластях диаметром менее 25 мкм). Микроанализ методом ВИМС провод ился для определения следов различных элементов, содержащихся в тех или иных зернах минералов, изотопического анализа РЬ in situ в ореоле радиоактив ных включений (диаметром 1 - 2 мкм), элементного анализа взвеси и определени я возраста некоторых фаз в минералах по отношению 207Pb/206Pbи рубидиево-стронц иевым методом. Анализ активных газов (таких, как Н2, N2, О2) в металлах этим ме тодом сопряжен с известными трудностями. Заключение Пока что нет такого метода, который полностью удовлетворял бы всем запро сам всех исследователей, имеющих дело с поверхностью. Метод ВИМС не явля ется исключением в этом отношении, но он занимает особое положение в обл асти анализа состава объема и поверхности твердого тела, т. к. в ряде други х отношений с ним не могут сравниться никакие другие методы. Высокочув ствительность к большинству элементов, возможность регистрации атомов с малыми Z и изотопического анализа, высокое разрешение по глубине при из мерении профилей концентрации и возможность изучения распределения эл ементов по поверхности делают ВИМС методом трехмерного анализа изотоп ного и следового состава твердого тела (фиг. 14). [pic] Фиг.14. Влияние анализируемой площади на предельную разрешающую способно сть[2]. Многие задачи физики поверхности могут быть решены качественными или п олуколичественными методами, поэтому, не очень высокая точность количе ственных оценок, обеспечиваемая методом ВИМС, с лихвой компенсируется т ой ценной качественной информацией, которую он дает. ВИМС уже оказал бол ьшое влияние на микроанализ твердых тел в направлениях, имеющих как фунд аментальное, так и прикладное значение. Дальнейшее развитие метода ВИМС должно быть направлено, главным образом, на решение проблемы количестве нного анализа и отыскания путей повышения его точности. Список литературы 1. Мак-Хью И.А. Вторично-ионная масс-спектрометрия: В кн. Методы анализа пове рхности./Пер с англ. - М.: Мир, 1979. - с. 276- 342. 2. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. - М.: М ир, 1985. - 496 с. 3. Технология СБИС: В 2-х кн. Пер. с англ./Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. - 453 с. 4. Черепин В.Т., Васильев М.А. Методы и приборы для анализа поверхности матер иалов: Справочник. - Киев: Наукова Думка, 1982. - 400 с. 5. Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок./Пер. с анг л. - М.: Мир, 1989. - 342 с. 6. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. - М.: Наука, 1966. - 564 с. 7. Векслер В.И. Вторичная ионная эмиссия металлов. - М.: Наука, 1978. - 240 с.