3289 АНАЛИЗ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Интенсивное развитие тонкопленочной технологии, молекулярной эпитаксии, ядерной энергетики, физики поверхности твердых тел и других современных областей естествознания и техники вызвало потребность в разработке соответствующих методов и средств контроля физико-химических процессов на поверхности твердого тела. Одними из самых эффективных методов контроля в настоящее время являются масс-спектрометрические методы, основанные на разделении потока ионов, соответствующих исследуемому образцу, по удельным зарядам с помощью масс-анализатора. В зависимости от способа получения ионного потока, несущего информацию о составе твердого тела, различают искровую, лазерную, масс-спектрометрию вторичных ионов (МСВИ).

МСВИ как метод анализа поверхности основана на явлении вторичной эмиссии. В основе метода лежит зондирование исследуемой поверхности высокоэнергетическим потоком ионов. При этом поток вторичных ионов, образованных при бомбардировке поверхности пучком ускоренных первичных ионов, несет информацию об элементном и изотопном составе исследуемого объекта, о концентрационном распределении элементов по поверхности и глубине образца. Метод МСВИ позволяет проводить анализ твердых тел с высокой чувствительностью, разрешением по поверхности и глубине, практически без нарушения самого исследуемого образца. Используя специальные методики (предварительную калибровку, эталоны и т.д.), с помощью метода можно получить количественные результаты анализа.

 

 

1.1.Особенности вторичной ионно-ионной эмиссии

 

Воздействие высокоэнергетического пучка первичных ионов на исследуемую поверхность приводит к эмиссии с нее атомов и молекул материала как в нейтральном, так и в заряженном состоянии в виде положительных и отрицательных ионов.

Для описания процессов эмиссии вторичных ионов (ВИЭ) и установления взаимосвязи между количеством ионов и физическими и химическими свойствами бомбардируемых мишеней используются следующие коэффициенты:

1) коэффициент ВИЭ

,

где Ni+ - количество положительных вторичных ионов с определенным отношением заряда к массе; N0 - количество первичных ионов;

2) выход вторичных ионов для многокомпонентной мишени:

,

где Ci - концентрация i-компонента;

3) коэффициент распыления:

,

где N - общее число распыленных частиц, т.е. сумма количества нейтральных и ионизированных частиц;

4) коэффициент ионизации:

.

Он характеризует долю ионов в общем числе распыленных частиц, bi+ меняется от 0 до 1;

5) степень ионизации:

-

показывает отношение числа распыленных ионов к числу распыленных атомов в нейтральном состоянии. Величина ai+ может принимать значения от 0 до ¥. При  .

Для понимания механизма эмиссии, а также рационального конструирования оптики вторичных ионов в аналитических устройствах необходимо знать угловые и энергетические распределения вторичных ионов, влияние энергии и тока первичных ионов, материала мишени.

 

1.1.1.Зависимость ВИЭ от энергии и плотности тока первичных ионов.

 

Эмиссия вторичных ионов возникает в том случае, если энергия первичных ионов превышает некоторое пороговое значение (30-80 эВ). При повышении энергии первичных ионов интенсивность эмиссии вторичных ионов, как правило, усиливается, рис. 1.

Плотность тока первичных ионов является важным экспериментальным параметром, от которого зависит корректность измерения количества вторичных ионов различного происхождения.

В общем случае Ni вторичных ионов i-компонента можно выразить суммой

,

где  и  - количество вторичных ионов соответственно поверхностного и объемного происхождения, являющихся функциями плотности тока первичного пучка. На практике подбирают условия эксперимента (давление, состав остаточного газа, плотность первичного пучка) таким образом, чтобы вкладом ионов поверхностного происхождения можно было пренебречь, и тогда для величины Ni можно получить выражение

,

где ni - объемная концентрация i-компонента в исследуемом образце.

 

1.1.2.Угловые зависимости ВИЭ

 

Зависимость коэффициента Ki+ от угла падения бомбардирующих ионов Q такова, что с увеличением угла коэффициент Ki+ возрастает. В таблице приведены данные для мишеней из Cu и Al, поток первичных ионов Ar+ с энергией    8 кэВ.

 

 

 

Ki+

 

 

Мишень

00

150

300

450

600

Al

2,5×10-2

2,5×10-2

-

3,5×10-2

4,6×10-2

Cu

6×10-4

-

7×10-4

1,3×10-3

2,4×10-3

 

Угловые распределения вторичных ионов  из различных материалов при бомбардировке первичными ионами при нормальном их падении подчиняются приблизительно закону "косинуса", т.е. интенсивность эмиссии пропорциональна косинусу угла относительно нормали к исследуемой поверхности (рис. 2). При этом при увеличении отношения массы атома мишени к массе бомбардирующего иона угловое распределение все больше вытягивается в направлении к нормали к поверхности. Этот факт может быть связан с усилением роли рассеяния первичных ионов в обратном направлении на отдельных атомах приповерхностного слоя, что приводит в выбиванию большего числа частиц в этом направлении.

 

1.1.3.Энергетическое распределение вторичных ионов

 

Определение энергетических распределений вторичных ионов показало следующее, рис. 3:

-     на энергетических кривых обнаружены перегибы в области энергий вторичных ионов 10-100 эВ;

-     форма низкоэнергетической части кривых приближается к функции N+(E)~exp(-mE), где 0,01<m<0,10. Форма высокоэнергетической части кривой справа от перегиба стремится к функции N+(E)~E-n, где 1<n<2. Для ионов Ar+ параметр n=1,4;

-     кривые энергораспределения проявляют некоторую периодичность в зависимости от порядкового номера Z.

Значение наиболее вероятной энергии вторичных ионов для различных материалов лежит в пределах 3-5 эВ при энергии первичных ионов 8 кэВ. Энергии сложных ионов, например полиатомных, типа Cu2+, Cu3+, Ni2+, также порядка нескольких эВ. Однако энергетический "хвост" распределения тянется в область нескольких десятков и даже сотен (до 200) эВ.

 

1.1.4.Зависимость коэффициента ВИЭ от атомного номера материала мишени

 

Коэффициент ВИЭ Ki+- один из важнейших количественных параметров, характеризующих явление вторичной ионной эмиссии. При известных значениях коэффициента распыления можно легко определить коэффициент или степень ионизации по известному значению Ki+. Кроме того, с помощью коэффициента ВИЭ для различных элементов можно определить коэффициент относительной чувствительности, представляющий практический интерес при количественном анализе в масс-спектрометрии вторичных ионов. Экспериментально было показано, что существует определенная периодическая зависимость Ki+ от атомного номера элемента, характер которой несколько изменяется с сортом первичных ионов, рис. 4. Анализ зависимостей Ki+=f(Z) показал, что количество вторичных ионов зависит от совокупности целого ряда факторов, прежде всего работы выхода данного элемента, энергии ионизации, теплоты сублимации, плотности электронных состояний на уровне Ферми. При этом следует подчеркнуть, что степень влияния не является постоянной, а зависит от природы металла и первичного иона.

 

1.1.5.Зависимость коэффициента ионизации от материала мишени

 

Коэффициент ионизации bi+ характеризует вероятность того, что часть распыленных частиц покинет поверхность в заряженном состоянии. Для экспериментального определения данного параметра необходимо измерять коэффициент ВИЭ Ki+ и знать коэффициент распыления S. При этом было установлено, что коэффициент ионизации зависит от ряда параметров: энергии и массы, атомного номера бомбардируемого иона, угла его падения на поверхность мишени, массы, атомного номера и энергии связи в кристаллической решетке атомов мишени, состояния и температуры мишени. Величина bi+ для металлов очень мала и составляет 10–2¸10–5. Влияние атомного номера мишени на S и bi+ приведено на рис. 5.

 

 

 

1.2.Аппаратурное обеспечение метода МСВИ

 

Структурная схема установки, в которой реализован метод МСВИ, представлена на рис. 6.

Здесь 1 – исследуемый образец; 2 – источник первичных ионов; 3 – система формирования вторичных ионов; 4 – масс–анализатор; 5 – система регистрации; 6 – система индикации; 7 – радиотехнический блок питания масс-анализатора; 8 – блок питания ионного источника; 9 – блок питания системы регистрации (преобразовательного элемента и ВЭУ); 10 – вакуумная камера; 11 – манипулятор и держатель исследуемых образцов.

В источнике 2 первичных ионов из рабочего газа (инертные газы, водород, азот, кислород и т.д.) формируется ионный поток, который затем с помощью ионно-оптической системы ускоряется и фокусируется на поверхности исследуемого образца 1 в пятно малого диаметра. Вторичные ионы, образовавшиеся под действием первичного потока и несущие информацию о составе образца, собираются ионно-оптической системой формирования 3 вторичных ионов и в виде пучка заданной геометрии направляются на вход масс-анализатора 4. Масс-анализатор обеспечивает последовательное прохождение через него ионов лишь с определенным удельным зарядом m/q, которые затем попадают в систему регистрации 5. Изменяя последовательно настройку масс-спектрометра на прохождение ионов с различными удельными зарядами m/q и регистрируя соответствующее их количество, можно получить массовый спектр, т.е. зависимость интенсивности массовой линии от значения удельного заряда для всех эмитированных вторичных ионов.

Образец может перемещаться в вакууме с помощью манипулятора 11, он нужен или для смены исследуемого образца, или для выбора определенного участка одного и того же образца. Вся аналитическая часть прибора помещена в вакуумную камеру 10, которая откачивается до давления порядка 10-5 Па, причем для сокращения времени анализа образец извлекают на атмосферу через специальный шлюз, без нарушения вакуума в общем объеме. Для нормальной работы источника первичных ионов в его объем необходимо напускать рабочий газ. Напуск осуществляют из специального баллона через регулируемый натекатель. Для того чтобы рабочий газ не ухудшал работу анализатора, используют дифференциальную, т.е. раздельную, откачку анализатора и источника ионов.

 

 

 

 

 

 



 
Шток мм Корпус. банку пока шарик не будет. ударов сообщающих битку