Прямой анализ полупроводниковых и диэлектрических проб на основе тлеющего разряда с оптической и масс-спектральной регистрацией

Губаль А.Р.

Санкт-Петербургский государственный университет,

Санкт-Петербург, Россия.

Аспирант 2г.

anchen_88@mail.ru

Научный руководитель: Ганеев А.А.

Аналитические методы, использующие тлеющий разряд (атомно-эмиссионная спектроскопия (GDOES) и масс-спектрометрия (GDMS)) приобрели в последнее время большую популярность среди методов элементного твердотельного анализа. Они позволяют проводить как определение валового состава пробы, так и послойный анализ с высокой скоростью, низкими пределами обнаружения (мкг/г для GDOES и нг/г для GDMS) и высоким послойным разрешением (несколько нм) [1,2].

Несмотря на такой успех методов тлеющего разряда, имеется ряд нерешенных проблем. В частности – анализ непроводящих проб. Использование радиочастотного питания разряда позволило в значительной степени преодолеть эту трудность, однако в этот вариант осложнен емкостной потерей мощности (а, следовательно, чувствительности) и сильным перегревом пробы. В этой связи перспективным представляется использование импульсного питания разряда, а также замена обычно используемой ячейки Грима на ячейку с полым катодом (ПК) (для использования т.н. «катодного эффекта» [3]). В работе [2] показаны возможности использования такой системы, включающей импульсный тлеющий разряд в ПК и масс-спектральное окончание для анализа ряда непроводящих образцов. Однако механизм распыления таких проб оставался неясен.

В связи с этим в ходе совместных работ в рамках проекта G-RISC было проведено исследования механизма распыления непроводящих проб в импульсном тлеющем разряде с ПК, а также исследованы возможности различных аналитических систем, включающих тлеющий разряд, в отношении анализа непроводящих проб методом GDOES.

В работе исследованы два наиболее распространенных варианта разрядных ячеек: ячейка Грима и ячейка с ПК. В качестве непроводящих образцов использовали: сапфир, кварц, кремний, карбид кремния и другие. При этом в случае ячейки Грима использовалось радиочастотное питание разряда (как непрерывное, так и импульсное), а в случае с ПК - импульсный разряд постоянного тока. Таким образом было проведено сравнительное рассмотрение различных конструкций разрядной ячейки и различных способов питания разряда. Сравнение проводилось по величинам тока разряда, скорости распыления и интенсивности линий основных компонентов при оптимальных рабочих параметрах, определенных для каждой системы (напряжение, давление, частота следования импульсов и нагрузка). Обнаружено, что использование ячейки ПК позволяет получить значительно более высокие интенсивности (что позволит добиться более низких пределов обнаружения) при меньшей скорости распыления. В особенности это касается диэлектрических проб, где преимущество в интенсивностях составляет несколько порядков величины. При этом в случае ПК величины интенсивностей линий практически не зависят от толщины пробы, а для ячейки Грима, напротив, интенсивности резко уменьшаются с увеличением толщины пробы.

Проведено исследование механизма распыления непроводящих проб в импульсном разряде с ПК. Обнаружено, что процесс распыления связан с образованием в процессе разряда тонкого проводящего поверхностного слоя. Показано, что этот слой является результатом протекания двух процессов: напыления материала катода и формирования «особого слоя», обогащенного менее летучим компонентом пробы. При этом первый процесс является доминирующим. Проведено сравнение различных материалов полого катода: алюминий, медь, бронза, тантал. Обнаружено, что процесс распыления пробы, а, следовательно, и оптимальные рабочие параметры в достаточно сильной мере зависят от материала катода.

Таким образом, показано, что в сравнении с ячейкой Грима, ячейка с ПК имеет значительные преимущества в интенсивностях линий, однако распыление проб в ПК имеет более сложный механизм и сопровождается значительно меньшей стабильностью разряда, что требует тщательного выбора условий разряда, и в особенности материала катода.

Литература:

[1] Hoffmann V., Dorka R., Wilken L., Hodoroaba V., Wetzig K. Surf. Interface Anal. 35, 575 (2003).

[2] Губаль А.Р. Химия в современном мире. V Всероссийская конференция студентов и аспирантов Тезисы докладов. — СПб.: ВВМ, 2011 – С.28-29.

[3] Weinstein V., Steers E.B.M., Smid P., Pickering J.C., Mushtaq S. J.Anal. At. Spectrom., 25, 1283 (2010).

This work is supported by the German-Russian Interdisciplinary Science Center (G-RISC) funded by the German Federal Foreign Office via the German Academic Exchange Service (DAAD).