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 ( 3000. В
первом случае коэффициент ионной эмиссии уменьшается примерно во
столько же раз, во сколько коэффициент выбивания молекулярных ионов
уменьшается по сравнению с атомарными. В некоторых случаях этот метод
вполне приемлем; но при решении
многочисленных задач обнаружения следов примесей или микроанализа
поверхности недопустимо большое снижение чувствительности характерное
для этого метода. Второй способ является более прямым и с точки зрения
анализа более предпочтителен. Чтобы выявить сложную структуру отдельных
пиков в масс-спектрах используют для ВИМС приборы с высоким разрешением по
массе. На фиг.9, представлена форма пика с массой 43 ат. ед. при разных
разрешениях анализатора. Высокое разрешение очень важно для уменьшения или
исключения в идентификации пиков m/е, особенно если основной целью является
обнаружение следов элементов на уровне атомных концентраций, не превышающих
10-5.
Вопрос о пороге чувствительности метода ВИМС для различных элементов
исследовался многими авторами как теоретически, так и на основе
результатов экспериментальных измерений. При этом были получены следующие
примерные значения, подтвердившиеся в некоторых строго определенных
условиях: менее 10-7 моноатомного слоя, атомная концентрация 10-9 и менее
10-18 г элемента. Но эти значения характерны лишь для некоторых частных
случаев и не являются нормой на практике. Обычно мы имеем дело со сложными
спектрами с многократными наложениями линий, в силу чего порог
чувствительности оказывается сильно зависящим от природы матрицы образца.
Поэтому, указывая порог чувствительности, необходимо указывать и
соответствующие дополнительные факторы, в частности тип матрицы, и не
следует делать огульные утверждения относительно того или иного элемента.
Если пренебречь возможным перекрытием пиков, то порог
чувствительности для некоторого элемента в матрице обратно пропорционален
току первичных ионов IP, попадающему на образец. На фиг.5 и 10 показано,
как
[pic]Фиг.10. Зависимость порога чувствительности типичного прибора ВИМС от
диаметра первичного ионного пучка[1].
изменяется порог чувствительности в зависимости от различных параметров,
влияющих на ток первичных ионов. Приведенные здесь значения порога
чувствительности основаны на экспериментальных данных, полученных в
типичных для анализа условиях, когда первичными частицами служат ионы О2+.
Область с простой штриховкой на фиг.10 вблизи линии 5 мА/см2 соответствует
диапазону плотностей токов первичных частиц, обычно применяемых в
установках типа ионного микрозонда или масс-спектрального микроскопа.
Область с двойной штриховкой отвечает условиям, при которых существенно
наложение линий сложных молекулярных ионов, и необходимо позаботиться об
идентификации пиков по m/е. Истинное положение или высота этой области
зависит как от матрицы образца, так и от разрешения по массам и
чувствительности масс-анализатора. Для
микроанализа поверхности, т.е. исследования областей диаметром >(Т , например в случае тонкого слоя, величина (R
приблизительно равна разрешению (R метода по глубине.
Если принять, что измеренный профиль тонкого слоя описывается
нормальным распределением, то можно рассмотреть и случай уширения
границы раздела, и его связь с разрешением по глубине. Это разрешение
можно вычислить по профилю ступенчатого изменения концентрации (ширина
ступени >> (R), когда форма истинного края ступени похожа на кривую
интегрального нормального распределения со среднеквадратичным
отклонением (t. Если концентрация изменяется резко ((t~0), то
разрешению по глубине (R соответствует величина (m, половина расстояния
между глубинами, отвечающими 84 и 16% измеренной на опыте высоты
ступени. В случае граничной области со значительной собственной шириной
(т. е. со значительным (t) разрешение по глубина дается формулой (R
=((2m -(2t)1/2, причем нужно учитывать ошибки в величинах (m и (t.
