SU708794A1 - Способ вторично-ионной масс-спектрометрии твердого тела - Google Patents

Abstract

СПОСОБ ВТОРИЧНО-ИОННОЙ МАСС-СНЕКТРОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО TEJIA, основанный на облучении твердого тела ускоренными первичными ионами с последующим масс-спектро- метрическим анализом эмиттированных вторичных ионов, отличающий- с   тем, что, с целью повышени  точности анализа, исследуемый образец в виде пленки толщиной 100-1000 А бомбардируют первичными ионами в диапазоне энергий 10-1000 кэБ, а анализ вторичных ионов производ т со стороны, противоположной той, на которую падает первичный пучок ионов.

Description

1 .11

(Л

с

00

со

4ih 1. 7 Изобретение относитс  к способам исследовани  поверхностных и приповерхностных  влений в твердых телах и предназначено дл  анализа химического состава верхних монослоев твердого тела, изучени  профил  распределени  по толщине сверхтонких слоев, адсорбированных или осажденных в вакууме. Изобретение может быт использовано в тонкопленочной микроэлектронике при изготовлении пленок с заданными свойствами. Известны способы анализу тонких слоев на поверхности твердого тела, например масЪ-спектрометри  с искровым ионным источником, нейтронный активационный анализ, электронный микрозонд, Оже-спектроскопи  и др. Однако эти способы не позвол ют изучать монослойные покрыти . Этот недостаток устран етс  с помощью процесса вторично-ионной масс-спектрометрии, основанной на облучении твердого тела ускоренными первичными ионами с последующим мас спектрометрическим анализом вторичных ионов. Устройство дл  осуществлени  спо соба вторично-ионной масс-спектроме рии состоит из газоразр дного источника первичных ионов мищени, установленной в высоковакуумной камер масс-спектрометра дл  разделени  змиттированных вторичных ионов по массам, электронного умножител  открытого типа, используемого в качестве ионного детектора, установленного на выходе масс-спектрометра и диафрагмы,расположенной между ион ным источником и мишенью, дл  умень шени  в диаметре бомбардирующего ионного пучка. В процессе распьшени  используютс  потоки бамбардирующих ионов очень малых плотностей 10 Л/см. Такие плотности выбраны дл  того, чтобы врем  распылени  мо носло  пленки бьшо значительно боль ше времени, необходимого дл  записи масс-спектра. Мала  плотность тока позвол ет проанализировать элементный состав и изучить характер распределени  по толщине адсорбированных или осажденных в вакууме покрытий , толщина которых эквивалентна 0,01-0,001 моносло . Однако с помощью описанного способа анализируетс  участок поверхно ти мишени, который бомбардируетс  первичными ионами. Иод действием ионного пучка может происходить сильный локальный разогрев анализируемого участка, электронное возбуждение атомов и молекул поверхности. В таких услови х в окружност х ионного удара протекают всевозможные реакции с участием атомов решетки твердого тела и адсорбированных атомов и молекул . В масс-спектре вторичной ионной эмиссии, нар ду с атомами и молекулами , которые образуют поверхность твердого тела, по вл ютс  пики , соответствующие продуктам реакции в виде зар женных ассоциатов (полиатомных ионов) и не позвол ющие точно определить химический состав изучаемой поверхности„ Целью изобретени   вл етс  повышение точности анализа и создание способа вторично-ионной масс-спектрометрии дл  изучени  и контрол  физико-химического состо ни  поверхности твердого тела, по которому поверхностные атомы и молекулы, образующие эту поверхность, вырывались бы в результате ионной бомбардировки , но без существенного возмущени  и нарушени  изучаемого сло . Поставленна  цель достигаетс  тем, что исследуемое твердое тело берет- с  в виде пленки толщиной 100-1000 А без поддерживающей основы, бомбардируетс  ускоренными ионами в диапазоне энергий 10-1000 кэВ с одной (тыльной ) стороны, а вторичный анализ ионов производ т со стороны, противоположной стороне бомбардировки, на которую падает первичный пучок ионов, т.е. с лицевой стороны пленки . Таким образом, бомбардируема  и анализируема  поверхности раздел ютс . Бомбардировка производитс  с достаточной дл  зарождени  в пленке последовательности столкновений ,атомов вблизи лицевой стороны пленки. Яри этом последовательность столкновени  должна сообщить поверхностному атому импульс, достаточный дл  преодолени  потенциального барьера твердое тело-вакуум. Экспериментальное изучение этого  влени  показало , что в числе частиц, вырванных таким образом с лицевой стороны пленки , содержитс  достаточное количество ионов атомов и молекул, которые распределены на поверхности образца, а пики., соответствующие продуктам реительно измен ет элементный состав изучаемого сло .

При сн тии масс-спектра, показанного на фиг. 3, использован источник 7. При сопоставлении масс-спектров, 5 представленных на фиг. 2 и 3, видно, что масс-спектр вторичной ионной эмиссии в области низких масс (12100 а.е.м.) почти одинаков. Что же касаетс  ионов больших масс 10 100 а.е.м,), то,как видно из фиг.5, в масс-спектре вторичной ионной эмиссии наблюдаютс  интенсивные пики полиатомных ионов меди и их соединений с остаточным газом камеры бомбарди- 15 овки (Cuj, , CugN, Си/), которые, естественно, не характерны дл  изучаемой поверхности. Предлагаемым способом было изучено распределение по толпщне сверхтонких 20 слоев лити ,- натри  и кали  на пленках меди 500-600 А.

Осаждение слоев проводилось из ионного источника с поверхностной ионизацией щелочно-галоидных солей 25 на вольфраме. Энерги  осаждаемых ионов составл ла 8-15 эВ. Эквивалетна  толщина осажденных слоев определ етс  по суммарному зар ду тока ионов щелочных металлов и может из- 30 мен тьс  до 10 монослоев. Содержание примесей в пучке использованных ионов составл ет не более 1%. Принимаетс , что относительное содержание примесного элемента про- 35 порционально амплитуде вторичного ионного тока.

На фиг. 4 показана зависимость распределени  по тощине слоев лити  с эквивалентной толщиной 0,35, 0,72 40 и 1,3 моносло  от времени бомбардировки ионами неона с энергией 13 кэВ и пл отностью тока на мишень 0,5 хО, l05 А/см2 .Как видно,дл  представ-1 ленных кривых характерно экспоненциг 45 альное уменьшение интенсивности ионов Li. Эти результаты свидетельствуют о том, что осажденный слой лити  присутствует только на поверхности пленки меди. Особенно это хо- о рошо наблюдаетс  дл  сло  с эквивалентной толщиной 0,35 моносло . Однако дл  кривых II и III (эквивалентна  толщина 0,72 и 1,3 моносло ) выход ионов перестает мен тьс  приблизи- 55 тельно после 200 и 340 с бомбардировки соответственно, что св зано с

распылением атомов лити , мигрирующих к центру исследуемой области с отдаленных участков мишени.

На фиг. 4 также показана зависимость изменени  интенсивности ионного тока материала мишени (крива  IV) от толщины нанесенного сло  лити  и его последующего распылени  со временем .

Вьш1еприведенные результаты получены при остаточном давлении в измерительной камере 1-10 Торр и скорост х распьшени  менее 0,10 ,004 моносло  в секунду, когда на поверхность падают молекулы остаточного газа, что соответствует осаждению приблизительно 0,8 моносло  в секунду.

Однако результаты анализа, приведенные вьше, вполне определенно показывают, что распылению исслеруемого сло  не преп тствует адсор ционный слой остаточных газов. Об этом же свидетельствует экспоненци альный характер падени  интенсивност оса щенного сло  от времени распылени  (см. фиг. 4).

Однако предлагаемый способ не ограничен приведенными конкретными параметрами. При анализе поли- и монокристаллических пленок толщиной от 100 до нескольких тыс ч ангстрем могут быть использованы ионы как легких, так и т желых инертных газов Не, Ne, Ar, Хе, Энерги  ионов может измен тьс  от дес тков до сотен килоэлектровольт и выбиратьс  в зависимости от толщины пленки и масс иона с тем, чтобы сообшить поверхностным частицам импульс, достаточный дл  преодолени  потенциального барьера вакуум - твердое тело.

Таким образом, предлагаемое изобретение позвол ет анализировать химический и элементный состав верхнего мономолекул рного сло  .поверхности твердого тела, изучить профиль распределени  по толщине сверхтон . ких слоев, адсорбированных или осажденных в вакууме.

Способ позвол ет изучить элементный состав поверхности твердого тела без нарушени  и изменени  под действием ионного удара химического состава изучаемой поверхности и, как следствие, повьш1ает точность анализа акции, отсутствуют. Это может служи основой дл  масс-спектрометрическрг изучени  химического и элементного состава поверхности твердого тела. На фиг. 1 схематически представлево устройство, с помощью которого осуществл етс  предлагаемый способ, на фиг. 2 - масс-спектр поверхности поликристаллической пленки Си, полу ченный предлагаемым способом (толщи на пленки составл ет 560 Л, энерги  бомбардирующих ионов неона 13 кэВ, плотность тока на мишени 0,5-10 А/см нафиг. 3 - масс-спектр вторичной ионной эмиссии той же пленки меди, сн тый известным вторично-ионным масс-спектрометрическим методом на отражение (энерги  ионов неона 4 кэВ, ток бомбардировки 0,8-10 А/см на фиг. 4 - характер распределени  по толщине слоев лити , осажденных на пленку меди толщиной 620 А в вакууме (эквивалентна  толщина слоев лити  составл ет: крива  I - 0,35; крива  II - 0,72; крива  III - 1,3 моносло ). Методику выполнени , анализа согласно изобретению рассмотрим на при мере тонкой поликристаллической пле ки меди толщиной 560 А. Пленка меди получена методом вакуумного осаждени  на кристалле NaCl. Дл  вакуумного испарени  использована медь высо кой чистоты с примес ми Si, Fe, Mg, Mn, As, Al, Zn и Pb менее .% После отделени  от временной подложки NaCl пленка переноситс  на кольцо с мелкоструктурной поддерживающей сеткой 1 (см. фиг, 1), укладываетс  на сетку поверхностью со стороны начала роста, т.е. стороной, бывшей в контакте с кристаллом NaCl.Кольцо с пленкой устанавливаетс  в держателе мишени и вводитс  в высоковакуумную камеру, в которой осуществл етс  анализ. В камере мишени создаетс  давление . Пленка со стороны поддерживающей сетки бомбардируетс  ионами неона с энергией 13 кэ направленными под углом 45 к поверх ности пленки. Яонньп ток на равен 0,5 105А/см. Ионы инертного газа извлекаютс  из газоразр дного источника 2. Площадь поверхности пленки, на которую попадает ионный пучок, составл ет 0,05 см. Уменьшение пучка в диаметре производитс  с томощью диафрагмы 3 перед мишенью. Вторичный ионный пучок формируетс  с помощью ионной оптики 4, 5, 6 и 7 и поступает на вход статического масс-спектрометра с 60°-ным секторным магнитным полем и раздел етс  в соответствии с их отношепием. Вторичные ионы, разделенные после масс-спектрометра по массам, поступают на вход вторичного электронного умножител  открытого типа. Массовый спектр записываетс  самописцем . На фиг. 2 показан спектр вторичной ионно-ионной эмиссии поверхности пленки меди толщиной 560 А дл  интервала масс 12-200, В полученных масс-спектрах наблюдаютс  ионы нескольких групп, имеющих разное происхождение. Прежде всего это атомарные ионы меди и ее химические соединени  с частицами адсорбированных газов (ионы Си, СиО+, Си или CuN , CuOp, Следующую группу составл ют .ионы объемных примесей меди (Fe+, Mn, Si , А1+ и т.д.). В третью группу можно объединить ионы атомов и молекул, сорбированных на поверхность меди из газовой среды вакуумной камеры (С,, СН/, CHj или N, или NH-). Отдельную группу составл ют ионы с отнощением т/1 26, 29, 41, 43, Систематические исследовани  массспектров вторичных ионов из пленок меди показали, что последн   группа в основном принадлежит пикам молекул рных ионов углеводородов, которые сорбируютс  пленкой при ее осаждении в камере напылени  с .масл ной откачкой. Эти масс-спектры сравнивались с масс-спектрами пленок меди, выращенных в услови х безмасл ной откачки с использованием электроразр дного насоса. Полученные результаты показали, что в последнем случае в масс-спектрах пики ионов с массой 26., 29, 41 и 43 или отсутствовали , или значительно уменьшились интенсивности. И, наконец, пик ионов с массой 23 следует приписать атомам натри , продиффундировавшим из подложки NaCl в пленку меди во врем  ее осаждени . Врем  записи масс-спектрометра составл ет 180 с. Специальными экспериментами бьшо установлено, что за это врем  разрушаетс  менее 15% верхнего моносло  пленки, что незна

Claims (1)

1. СПОСОБ ВТОРИЧНО-ИОННОЙ

   МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА, основанный на облучении твердого тела ускоренными первичными ионами с последующим масс-спектрометрическим анализом эмиттированных вторичных ионов, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности анализа, исследуемый образец в виде пленки толщиной 100-1000 X бомбардируют первичными ионами в диапазоне энергий 10-1000 кэВ, а анализ вторичных ионов производят со стороны, противоположной той, на которую падает первичный пучок ионов.