Вторично-ионная масса спектрометрия
тся формулами (1) - (3). Коэффициент вторичной
ионной эмиссии SА(, т. е. число (положительных или отрицательных)
ионов на один падающий ион, для элемента А в матрице образца дается
выражением
SА(=(А(САS, (1)
где (А( - 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
(А( и S сильно зависят от состава матрицы образца, поскольку отношение
(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 (А( или набор его приведенных значений для любой
матрицы.
[pic]
Фиг.4. Энергетический спектр электронов, рассеянных при соударении с
твердотельной 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 моноизотопного элемента (для данного компонента
многоизотопного элемента ионный ток равен fa(А(, где fa,- содержание
изотопа а в элементе А). Величина (A -эффективность регистрации ионов
данного изотопа в используемом приборе ВИМС. Она равна произведению
эффективности переноса ионов через масс-анализатор на чувствительность
ионного детектора. Множитель (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, 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=(0,25()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].
|(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 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.
[pic]
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.
[pic]
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
| |  скачать работу |
Вторично-ионная масса спектрометрия |
