3. Вторично ионная масс-спектроскопия.

Метод вторично ионной масс-спектроскопии основан на бомбардировке поверхности пучком первич­ных ионов с последующим анализом выбитых ионов.

Различают несколько методик ионной масс-спектроскопии, кото­рые основываются на исследовании эффектов, происходящих на пу­ти ускоренного иона при его движении в твердом теле. К таким эф­фектам относятся индуцирование переходов между различными электронными подуровнями, возбуждение колебаний решетки, воз­буждение коллективных колебаний электронного газа или плазмен­ных колебаний, изменение направления движения в результате упругого взаимодействия с ионным остовом.

Одной из методик является методика спектроскопии обратного резерфордовского рассеяния. В результате ионной бомбардировки выбиваются атомы и молекулы, которые находятся либо в возбуж­денном состоянии, либо в виде отрицательных или положительных ионов.

Анализ вторичных ионов проводится в стандартном для этих методов энергоанализаторе путем измерения отношения массы к заряду.

Величина вторичного ионного потока зависит от энергии, массы и угла падения первичного пучка ионов, от плоскости ионного тока и химической природы бомбардируемого поля.

В методе ионной масс-спектроскопии существенную роль играет кинематический фактор (k∙θ, М₁/М₂) E/E₀, = F(k∙θ, М₁/М₂), где E — энергия отра­женных ионов, — энергия ионов зондирующего пучка, θ — угол отражения ионов по отношению к первоначальному направлению, М₁ — атомная масса зондирующего пучка, М₂ — атомная масса ионов мишени.

Заметим, что энергия бомбардирующих легких ионов находится в пределах от одного килоэлектрон-вольта до нескольких мегаэлек­трон-вольт, что соответствует длине волны де Бройля 10^-2 нм - 10^-4 нм. Такая длина волны меньше межатомного расстояния (0.2 нм – 0.5 нм), поэтому можно воспользоваться законом Ньютона для описания упругих соударений налетающих ионов с атомами мишени.

Из законов сохранения имеем:

где θ — угол отклонения налетающего иона относительно первона­чального движения, φ — угол отклонения первоначального покоив­шегося атома М₂ относительно первоначального движения иона М₁. После несложных преобразований имеем:

Энергоанализатор фиксирует энергию в соответствии с соотно­шениями (1.5), (1.6). В результате упругого взаимодействия падающего иона с атомами мишени происходит эмиссии ионов вещества. Максимальная энергия отражения от мишени определяется как:

а минимальная энергия E_min линейно зависит от толщины пластинки:

Таким образом, величина представляет собой дли­ну траектории частицы, проходящей по прямолинейному участку в мишени, после чего частица отражается от атомов основания слоя и покидает этот слой.

В соответствии с принятой моделью поведение ионов описывает­ся следующим образом. Ион движется в мишени прямолинейно, не­прерывно теряет энергию, пока не встретит на своей траектории атом мишени. В результате упругого взаимодействия нисходящая траектория иона переходит в восходящую траекторию. На упругое соударение тратится энергия в соответствии с приведенными урав­нениями (1.5), (1.6).

На рис. 1-11 приведены энергетический спектр быстрых ионов Не⁺ с энергией E₀, ≈ 2 МэВ, отраженных от двуслойной мишени Cu-Al.

Рис. 1.11. Энергетический спектр быст­рых ионов Не, отраженных от двуслой­ной мишени Cu — Al.

Такая спектрограмма позволяет определить послойный профиль материала.

По значению E находим и определяемМ . По табличному значению средних потерь энергии е в материале М определяем толщину мишени

По значению пороговой энергии E₂ находим кинематический фактор материала подложки:

Согласно предложенной методике, в соответствии с которой потери энергии иона гелия, отраженного от верхней границы подложки, скла­дываются из упругих потерь при отражении от подложки и неупругих потерь энергии в тонком слое, можно определить массу мате­риала подложки М_x.

Таким образом, масс-спектроскопия вторично отражен­ных ионов позволяет распоз­нать компонентный состав ми­шени, толщину слоев мишени.

Методика вторично-ионной масс-спектроскопии (ВИМС) предусматривает бомбардиров­ку поверхности пучком тяже­лых первичных ионов с энерги­ями несколько кэВ. В англий­ской транскрипции этот метод называется SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometri).

При этом из поверхности выбиваются либо атомы и молекулы в виде нейтральных частиц, на­ходящихся в возбужденном состоянии, либо ионы. Ионы могут быть положительно или отрицательно заряженными, одно- или многоза­рядными. Они анализируются в масс-спектрометре. Метод ВИМС имеет высокую чувствительность, широкий динамический диапазон, перекрывающий семь-восемь порядков величины по концентрации выбранных ионов. С помошъю метода ВИМС можно определить кон­центрации присутствующих на исследуемой поверхности элементов.

Бомбардировка поверхности ионами приводит к постепен­ному удалению атомов с поверхности. Это является недо­статком метода.

Одновременно травление поверхности является достоин­ством метода, потому что от­крывается возможность иссле­довать химический состав твердого тела по глубине.

Метод ВИМС позволяет ис­следовать молекулярные по­верхности и молекулярные ад­сорбции. Метод полезен для изучения распределения эле­ментов вблизи границы двух сред. На рис. 1.12 показан ре­зультат анализа распределения германия в сверхрешетке меж­ду слоями кремния. Разрешение по глубине составляет порядка 5 нм.

Все приборы метода ВИМС позволяют выполнять поверхностный и объемный анализ концентраций элементов.