|
Реферат: Метод ВИМС (Технология)
Калужский Филиал
Московского Государственного
Технического Университета
им. Н. Э. Баумана
Кафедра Материаловедения и Материалов Электронной Техники
КУРСОВАЯ РАБОТА
по курсу МИМ и КЭТ
на тему:
“Вторично-ионная
масс-спектрометрия“
выполнил: студент гр. ФТМ—81
Тимофеев А. Ю.
проверил:
Леднева Ф. И.
г. Калуга
1997 год.
Содержание
Введение 3
Взаимодействие ионов с веществом 3
Вторично-ионная эмиссия 5
Оборудование ВИМС. 8
Принцип действия установок. 9
Установки, не обеспечивающие анализа распределения частиц по поверхности
10
Установки, позволяющие получать сведения о распределении
11
элемента по поверхности, со сканирующим ионным зондом
Установки с прямым изображением 11
Порог чувствительности 12
Анализ следов элементов
14
Ионное изображение
16
Требования к первичному ионному пучку 17
Масс-спектрометрический анализ нейтральных 18
распыленных частиц
Количественный анализ 19
Глубинные профили концентрации элементов 22
Приборные факторы, влияющие на разрешение 23
по глубине при измерении профилей концентрации
Влияние ионно-матричных эффектов на разрешение 25
по глубине при измерении профилей концентрации
Применения 26
Исследование поверхности 26
Глубинные профили концентрации
27
Распределение частиц по поверхности, 27
микроанализ и объемный анализ
Заключение 27
Список литературы 29
Введение
Возможности получения сведений о составе внешнего атомного слоя
твердого тела значительно расширялись всвязи с разработкой и
усовершенствованием метода вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) и
других методов. Большинство таких методов близки к тому, чтобы
анализировать саму поверхность, поскольку основная информация о составе
материала поступает из его приповерхностной области толщиной порядка 10А, а
чувствительность всех таких методов достаточна для обнаружения малых долей
моноатомного слоя большинства элементов.
Взаимодействие быстрых ионов с твердым телом приводит к выбиванию
атомов и молекул материала как в нейтральном, так и в заряженном состоянии.
На таком явлении сравнительного эффективного образования заряженных частиц
(вторичных ионов) и на принципе высокочувствительных масс-
спектрометрических измерениях и основан метод ВИМС. Хотя у него, как у
любого другого метода, имеются свои недостатки, только он один дает столь
широкие возможности исследования и поверхности, и объема твердого тела в
одном приборе. Наиболее важными характерными особенностями метода, которые
вызывают повышенный интерес к нему, являются очень низкий порог
чувствительности для большинства элементов (меньше 10-4 моноатомного слоя),
измерение профилей концентрации малых количеств примесей с разрешение по
глубине меньше 50А, разрешение по поверхности порядка микрометра,
возможность изотопического анализа и обнаружение элементов с малыми
атомными номерами (H, Li, Be и т. д.)
Взаимодействие ионов с веществом
[pic]
Фиг.1. Виды взаимодействий ионов с твердым телом [2].
В этом разделе рассматривается поведение ионов высоких энергий (1 -
100 кэВ), попадающих на поверхность твердого тела. Фиг.1 иллюстрирует 10
разновидностей взаимодействия ионов с поверхностью [2]. Падающий ион может
обратно рассеиваться атомом или группой атомов бомбардируемого образца (1).
Процесс обратного рассеяния обычно приводит к отклонению траектории иона от
первоначального направления после столкновения и к обмену энергией между
ионом и атомом мишени. Обмен энергией может быть упругим и неупругим в
зависимости от типа взаимодействующих частиц и энергии иона.
Импульс иона может быть достаточно велик для того, чтобы сместить
поверхностный атом из положения, где он слабо связан с кристаллической
структурой образца, в положение, где связь оказывается сильнее (2). Этот
процесс называется атомной дислокацией. Ионы с более высокими энергиями
могут вызывать внутренние дислокации в толще образца (3). Если
соударяющиеся с поверхностью образца ионы передают настолько большой
импульс, что полностью освобождают от связей один или несколько атомов,
происходит физическое распыление (4). Ионы могут проникать в
кристаллическую решетку и захватываться там, израсходовав свою энергию
(ионная имплантация) (5) . В результате химических реакций ионов
с поверхностными атомами на поверхности образуются новые
химические соединения, причем самый верхний слой атомов может
оказаться в газообразном состоянии и испариться (химическое
распыление) (6). Бомбардирующие положительные ионы в результате
процессса оже-нейтрализации могут приобретать на поверхности
электроны и отражаться от нее в виде нейтральных атомов (7).
Ионы могут оказаться связанными с поверхностью образца
(адсорбированными) (8). При ионной бомбардировке металлических
поверхностей в определенных условиях возможно возникновение
вторичной электронной змиссии (9). Наконец, если поверхностные
атомы возбуждаются до ионизированных состояний и покидают
образец, имеет место вторичная ионная эмиссия (10).
Замедляясь, ион передает энергию твердому телу. При анализе процессов
потери энергии удобно различать два основных механизма: соударения с
электронами и соударения с ядрами.
Первый механизм состоит в том, что быстрый ион взаимодействует с
электронами кристаллической решетки, в результате чего возникают
возбуждение и ионизация атомов кристалла. Поскольку плотность электронов в
веществе мишени высока и такие столкновения многочисленны, этот процесс,
как и в случае потери энергии электронами, можно считать непрерывным .
В рамках второго механизма взаимодействие происходит между
экранированными зарядами ядер первичного иона и атомами мишени. Частота
таких столкновений ниже, поэтому их можно рассматривать как упругие
столкновения двух частиц. Ионы высоких энергий хорошо описываются
резерфордовским рассеянием, ионы средних энергий - экранированным
кулоновским рассеянием, однако при малых энергиях характер взаимодействия
становится более сложным.
Кроме перечисленных выше механизмов вклад в энергетические потери
дает обмен зарядами между движущимся ионом и атомом мишени. Этот процесс
наиболее эффективен, когда относительная скорость иона сравнима с
боровской скоростью электрона ( ~106 м/с) .
Таким образом, полные потери энергии - dЕ/dz можно
представить в виде суммы трех составляющих - ядерной, электронной и
обменной.
При малых энергиях ионов преобладает взаимодействие с ядрами, которое
приводит к появлению угловой расходимости пучка. При высоких энергиях
более существенными становятся столкновения с электронами. Справедливо
следующее эмпирическое правило: передача энергии кристаллической решетке
осуществляется в основном за счет ядерных столкновений при энергиях меньше
А кэВ, где А - атомный вес первичного иона. В промежуточном диапазоне
энергий вклад потерь, обусловленных обменом заряда, может возрастать
примерно до 10% от полных потерь. Зависимость энергетических потерь от
энергии первичного иона показана на фиг.2.
[pic]
Фиг.2. Зависимость энергетических потерь иона от энергии [2].
[pic]
Фиг.3. Схематическое представление взаимодействия ионов с мишенью [2].
Неупругие взаимодействия с электронами мишени вызывают вторичную
электронную эмиссию, характеристическое рентгеновское излучение и
испускание световых квантов. Упругие взаимодействия приводят к смещению
атомов кристаллической решетки, появлению дефектов и поверхностному
распылению. Эти процессы схематически проиллюстрированы на фиг. 3.
Энергетический спектр рассеянных твердотельной мишенью ионов с
начальной энергией Е0 схематически представлен на фиг.4. Здесь видны
широкий низкоэнергетический (10 - 30 эВ) горб, соответствующий испусканию
нейтральных атомов (распыленные атомы), и высокоэнергетический горб,
расположенный вблизи энергии первичного иона Е0 (упругорассеянные ионы).
Вторично-ионная эмиссия
Основные физические и приборные параметры, характеризующие
метод ВИМС, охватываются 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 ( 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.
Случай профиля слоя с существенным (T можно рассчитать аналогично.
Все сказанное в данном разделе касается самых основных
физических или приборных эффектов, связанных с травлением поверхности
ионным пучком и проблемой распыления ионами без искажения
профиля концентрации. Поэтому многое из сказанного относится к
любому из методов анализа поверхности с использованием ионного
травления.
Измерение профилей методом ВИМС сводится к регистрации
сигнала вторичных ионов интересующего нас элемента как функции
времени распыления. В случае однородной матрицы это время,
выполнив соответствующие градуировочные измерения (распыление пленки
известной толщины, измерения глубины кратера, коэффициентов
распыления и т.д.), можно пересчитать в глубину залегания элемента.
Изменение интенсивности вторичных ионов не всегда отражает
относительное изменение концентрации элемента; поэтому нужна
осторожность при интерпретации глубинных профилей, особенно вблизи
самой поверхности, т. е. когда глубина меньше RP+2(RP, а также пленок,
состоящих из различающихся по составу слоев, или матриц с неоднородным
распределением следов элементов, которые способны даже при малой
концентрации сильно повлиять на вторично-эмиссионные свойства образца.
В последнем случае для получения результатов, отражающих
реальную ситуацию, следует обработать измеренные профили так, как
это делается при количественной интерпретации интенсивности
вторичных ионов. Если это невозможно, нужно попытаться по крайней
мере проградуировать интенсивность вторичных ионов изучаемого элемента
по одному или нескольким элементам, равномерно распределенным в пленке. В
общем абсолютная интенсивность вторичных ионов дает прямую информацию о
распределении элемента по глубине лишь при малых концентрациях примеси в
аморфной или монокристаллической матрице с равномерно распределенными
основными компонентами и лишь при глубинах под поверхностью, превышающих 50
А.
Пригодность метода ВИМС для определения глубинного профиля наряду с
его высокой чувствительностью к большинству элементов делает его весьма
привлекательным как метод изучения тонких пленок, ионной имплантации и
диффузии. Факторы, существенные при проведении глубинного анализа методом
ВИМС, могут быть разделены на две группы: приборные и обусловленные
особенностями сочетания ион - матрица.
Приборные факторы, влияющие на разрешение по глубине при измерении
профилей концентрации
Получить при методе ВИМС надежные сведения о глубинном профиле
можно лишь в том случае, если поддерживается постоянная интенсивность
тока первичных ионов и обеспечивается однородность плотности тока пучка в
той части поверхности, из которой в масс-анализатор отбираются вторичные
частицы. В стационарном сфокусированном ионном пучке
плотность тока, падающего на образец, не постоянна по
сечению пучка, а следовательно, и распыление поверхности в
этих условиях не может быть равномерным. Если зона, из
которой поступает информация, охватывает все сечение
первичного пучка, то вклад в сигнал ионов с краев кратера
будет искажать профиль концентрации элемента в приповерхностном
слое (фиг. 13).
Ошибки такого рода устраняются в ВИМС разными
способами в зависимости от конструкции прибора. В
устройствах, в которых не предусмотрена возможность
определять распределение элемента по поверхности, обычно
расфокусируют пучок так, чтобы его сечение было больше анализируемой
области или вырезают при помощи диафрагмы из расфокусированного пучка
определенный участок с однородной плотностью тока.
Иногда на поверхности мишени помещают тонкую маску из
материала, не дающего вторичных ионов, близких к анализируемым, которая
ограничивает вторичную ионную эмиссию из областей неоднородной плотности
первичного пучка.
[pic]
Фиг.13. Переменный профиль концентрации в приповерхностном слое с
указанием различных приборных факторов, которые
приводят к искажению профиля по
сравнению с истинным распределением[1].
Наиболее удовлетворительный способ решения проблемы - электрически
развертывать сфокусированный ионный пучок в растр по достаточно большой
площади поверхности мишени так, чтобы обеспечить в ее нейтральной части
однородную плотность тока. При этом нужно уделить особое внимание системе
развертки пучка: напряжение строчной и кадровой развертки должно изменяться
линейно со временем, обратный ход пучка должен бланкироваться или
хаотизироваться, а скорость развертки должна быть согласована с размерами
пучка, чтобы соседние строки растра перекрывались.
Чтобы полностью использовать достоинства этого метода, необходимо
ограничить зону отбора вторичных ионов областью однородной плотности
пучка. Осуществить это сравнительно просто в установках ВИМС, которые
позволяют получать сведения о распределении вещества по поверхности. В
сканирующей микрозондовой установке, где первичный ионный пучок малого
диаметра разворачивается в растр по поверхности, можно работать в режиме,
в котором система детектирования регистрирует вторичные ионы лишь при
прохождении лучом выделенного “окна”.
Даже тогда, когда зона, из которой собирается информация, ограничена
областью однородной плотности тока, имеется еще ряд приборных
эффектов, приводящих к искажению формы профилей концентрации. К
примеру, эффект обратного осаждения на мишень ранее распыленного
вещества: материал, распыленный с краев кратера, оседает на его дне (в том
числе на поверхности анализируемой зоны) и затем вновь распыляется (фиг.
13). Такой эффект обычно существенен лишь при измерении “хвостов”
профилей с малой концентрацией и сильно ослабляется, если увеличить
крутизну стенок кратера. К аналогичным искажениям профилей концентрации
приводят адсорбция остаточных газов, или эффекты памяти установки.
Добавим, что любой фактор, влияющий на анализ следов элементов методом
ВИМС (наложение пиков молекулярных ионов, химическая чистота первичного
ионного пучка, влияние несфокусированного компонента и периферийных
частей пучка), также может исказить профиль в области малых концентраций.
Влияние ионно-матричных эффектов на разрешение по глубине при измерении
профилей концентрации
Ряд эффектов, вызывающих ошибки при измерении профилей концентрации,
связан с характеристиками каскада столкновений, создаваемого в твердом теле
первичным ионом. Два таких эффекта - влияние средней глубины выхода
вторичных ионов и перемешивание атомов в поверхностном слое. В большинстве
случаев распределение анализируемых частиц простирается на глубину свыше
100 А. В этих условиях атомные перемещения в приповерхностном слое,
внедрение атомов отдачи и иные связанные с матрицей эффекты вносят в
искажение профилей концентрации значительно больший вклад, чем глубина
выхода вторичных частиц.
Основными параметрами, определяющими относительные пробеги
частиц в данной пленке, являются энергия первичных ионов, атомный
номер Z и масса А бомбардирующих частиц и атомов мишени. Таким
образом, измеряемый профиль концентрации должен зависеть от Z и А
первичных ионов так же, как от их энергии. Еще один параметр, влияющий
на его форму, - угол падения, т. е. угол между первичным ионным пучком
и поверхностью мишени (обычно этот угол отсчитывают от нормали к
поверхности). Увеличение угла падения приводит к уменьшению средней
глубины проникновения частиц относительно поверхности образца и,
следовательно, эквивалентно уменьшению энергии первичных ионов.
Кроме того, уширение или уменьшение крутизны, профиля
концентрации может происходить из-за диффузии элементов, вызываемой
или усиливаемой радиационными повреждениями в твердом теле,
локальным повышением температуры в облучаемой области и сильным
электрическим полем, возникающим в результате зарядки поверхности
первичным пучком. В общем случае роль всех этик факторов предсказать
трудно. Что же касается напряженности поля, то в пленке толщиной
1000 А при зарядке поверхности до 10 В она может достигать 106 В/см.
Одной однородности плотности первичного ионного тока по
поверхности недостаточно для того, чтобы травление образца протекало
равномерно. Скорость травления определяется топографией поверхности,
чистотой и однородностью образца, что в свою очередь зависит от его
состава, физического состояния и кристаллографической ориентации. Как
правило, при контролируемых условиях работы установки и состояния
образца уширение профиля, связанное с процессом ионного травления, не
превышает 10% исследуемой глубины.
Внедренные первичные ионы и вызванные ими повреждения решетки мишени
могут повлиять на форму профиля концентрации, оказав влияние на коэффициент
распыления и вероятность ионизации распыленных частиц. Но если ионное
травление осуществляется частицами с энергией 100 эВ/ат. ед. массы, то
изменения матрицы вследствие внедрения ионов ограничены поверхностным слоем
толщиной 100 А. За его пределами концентрация внедренных ионов остается
постоянной и сохраняется стабильное состояние матрицы.
Применения
Приложения ВИМС можно разбить на пять широких (частично
перекрывающихся) областей: исследование поверхности, глубинные профили
концентрации, распределение по поверхности, микроанализ и анализ объема
твердого тела.
Исследование поверхности
В области анализа поверхности ВИМС применяется в основном
для идентификации поверхностных атомов и молекул и для изучения
динамики поверхностных явлений. Кроме того, динамику поверхностных
процессов можно изучать, не внося заметных возмущений, поскольку
для полного анализа достаточно удалить всего лишь 10-6 внешнего
атомного слоя вещества. Методом ВИМС исследуются такие поверхностные
явления, как катализ, коррозия, адсорбция и диффузия.
В приборах ВИМС, в которых предусмотрено все необходимое для
напуска газа и нагревания образцов, можно изучать поверхностные
процессы in situ. Информация, содержащаяся в масс-спектрах
положительных и отрицательных вторичных ионов, дает некоторое
представление о характере поверхностной связи и механизмах
взаимодействия между газом и поверхностью. К хорошо
документированным применениям ВИМС при изучении катализа относятся
исследования разложения и синтеза аммиака на железе и состава
поверхностного слоя серебра, используемого в качестве катализатора
при окислении этилена. Каталитические процессы отличаются от
реакций окисления или коррозии металлов тем, что активная зона
каталитических реакций по размерам - порядка моноатомного слоя,
тогда как при окислении она увеличивается из-за действия химических
смещающих сил, направленных перпендикулярно границе раздела между
адсорбированным слоем и металлом. Предметом ряда исследований,
проведенных методику ВИМС, были начальные фазы газовой коррозии и
образования поверхностных соединений.
Извлечение количественной информации о поверхностном слое или зоне
реакции на поверхности сопряжено с известными трудностями. Но как показано
выше, процессы на поверхности часто можно изучать и без приведения
полученных данных к атомным концентрациям частиц. Тип вторичных ионов и
изменение их токов в зависимости от времени, температуры и давления газа
дают достаточную информацию для того, чтобы судить о многих процессах,
протекающих на поверхности образца. Во многих случаях высокая
чувствительность и широкие возможности метода ВИМС компенсируют
недостаточную количественную точность, позволяя извлекать
качественные или полуколичественные сведения (особенно в плане
качественного контроля при приготовлении и обработке поверхности ),
которые невозможно получить другими методами.
Глубинные профили концентрации
ВИМС - один из самых эффективных методов диагностики
поверхности среди применяемых для измерения распределения
концентрации элементов по глубине образца. Предел разрешения по
глубине при таком методе не превышает 50 А, а порог чувствительности
меньше 1017 атом/см2.
В настоящее время для изменения свойств приповерхностного слоя
твердого тела широко пользуются методам ионного внедрения (имплантации).
Распределение внедренных частиц по глубине определяют разными методами
(радиоактивные изотопы, измерение электропроводимости, рентгеновские лучи,
возникающие при бомбардировке тяжелыми ионами). Но применение подобных
методов сопряжено с большими трудностями и возможно далеко не при всех
сочетаниях легирующий ион - матрица. Метод ВИМС же свободен от таких
ограничений и потому наиболее удобен при определении профилей концентрации
внедренных частиц.
Распределение частиц по поверхности, микроанализ и объемный анализ
Рентгеновский микроанализ открыл путь для диагностики твердых
тел и до сегодняшнего дня остается важнейшим методом такого анализа.
Создание приборов ВИМС типа масс-спектральнаго микроскопа и
растрового микрозонда расширило возможности микроанализа твердого
тела, позволив достичь большей чувствительности, проводить
изотопический и поверхностный анализ и обнаруживать присутствие
элементов с малыми Z.
Масс-спектральные микроскопы дают качественную, а при
некоторых условиях и количественную информацию о распределении элементов по
поверхности образца. Они применяются при изучении выделений на
границах зерен, различных эффектов и поли- и моно-кристаллах, диффузии
(двумерного распределения в плоскости поперечных шлифов), фазового
состава минералов и распределения поверхностных загрязнений.
Методом ВИМС проводится анализ двоякого рода: определение общего
состава в объеме твердого тела и определение состава в отдельных его точках
(т. е микрообластях диаметром менее 25 мкм). Микроанализ методом ВИМС
проводился для определения следов различных элементов, содержащихся в тех
или иных зернах минералов, изотопического анализа РЬ in situ в ореоле
радиоактивных включений (диаметром 1 - 2 мкм), элементного анализа взвеси
и определения возраста некоторых фаз в минералах по отношению 207Pb/206Pbи
рубидиево-стронциевым методом. Анализ активных газов (таких, как Н2, N2,
О2) в металлах этим методом сопряжен с известными трудностями.
Заключение
Пока что нет такого метода, который полностью удовлетворял бы всем
запросам всех исследователей, имеющих дело с поверхностью. Метод ВИМС не
является исключением в этом отношении, но он занимает особое положение в
области анализа состава объема и поверхности твердого тела, т. к. в ряде
других отношений с ним не могут сравниться никакие другие методы.
Высокочувствительность к большинству элементов, возможность регистрации
атомов с малыми Z и изотопического анализа, высокое разрешение по глубине
при измерении профилей концентрации и возможность изучения распределения
элементов по поверхности делают ВИМС методом трехмерного анализа изотопного
и следового состава твердого тела (фиг. 14).
[pic]
Фиг.14. Влияние анализируемой площади на предельную разрешающую
способность[2].
Многие задачи физики поверхности могут быть решены качественными или
полуколичественными методами, поэтому, не очень высокая точность
количественных оценок, обеспечиваемая методом ВИМС, с лихвой компенсируется
той ценной качественной информацией, которую он дает. ВИМС уже оказал
большое влияние на микроанализ твердых тел в направлениях, имеющих как
фундаментальное, так и прикладное значение. Дальнейшее развитие метода ВИМС
должно быть направлено, главным образом, на решение проблемы
количественного анализа и отыскания путей повышения его точности.
Список литературы
1. Мак-Хью И.А. Вторично-ионная масс-спектрометрия: В кн. Методы анализа
поверхности./Пер с англ. - М.: Мир, 1979. - с. 276-
342.
2. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. -
М.: Мир, 1985. - 496 с.
3. Технология СБИС: В 2-х кн. Пер. с англ./Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986.
- 453 с.
4. Черепин В.Т., Васильев М.А. Методы и приборы для анализа поверхности
материалов: Справочник. - Киев: Наукова Думка, 1982. - 400 с.
5. Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок./Пер. с
англ. - М.: Мир, 1989. - 342 с.
6. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. - М.: Наука,
1966. - 564 с.
7. Векслер В.И. Вторичная ионная эмиссия металлов. - М.: Наука, 1978. - 240
с.
Реферат на тему: Методика измерения перемещений при помощи лазерных интерферометров
С О Д Е Р Ж А Н И Е
Стр.
1. Принципы измерения расстояний и линейных
перемещений....................3
2 Описание принципа работы и оптических схем интерферометров
со счетом
полос.......................................................................
.......................5
2.1 Интерферометр со счетом полос на основе квадратурных сигналов........5
2 Интерферометр со счетом полос на основе частотной модуляции............7
3 Исследование погрешности измерения
перемещений................................10
1 Анализ основных состовляющих погрешности измерения
перемещений.................................................................
..................................10
3.2 Исследование погрешности показателя преломления
воздуха...................11
3 Определение погрешности измерения
расстояния......................................12
3.4 Определение положения ближней и дальней
зоны.....................................14
ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................
....................................15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
............................................................................
........25
1. Принципы измерения расстояний и линейных перемещений
Обобщенная схема измерения расстояний и линейных перемещений
посредством ЛИС на основе двухлучевого интерферометра изображена
на рис. 1а.
[pic]
Рассматривая принципы и методы измерения, излучение лазера 1
будем считать идеальной плоской волной.
Интерферометр, состоящий из светоделителя 2, опорного отра-
жателя 3 и измерительного отражателя 4, настроен на бесконечно
широкую полосу. Интенсивность интерференционного сигнала I на фо-
топриемнике 5 изменяется по закону (рис. 1б)
I=I0+I~* COS (4pL/l), (1)
где I0 и I~ - постоянная составляющая и амплитуда переменной сос-
тавляющей сигнала соответственно; 2L - геометрическая разность
хода интерферирующих пучков; l - длина волны излучения.
Расстояние от нуля интерферометра О до измерительного отра-
жателя 4:
[pic] (2)
где P - порядок интерференции, f - фаза интерференционного сигна-
ла I, определяемого формулой (1).
2 Описание принципа работы и оптических схем интерферометров со
счетом полос.
Метод счета полос заключается в измерении (счете) числа пе-
риодов изменения интерференционного сигнала при изменении ГРХ.
Для предотвращения ложного счета вследствие механических вибраций
и турбулентности воздуха осуществляют реверсивный счет, при кото-
ром определяют знак каждого счетного периода приращения порядка
интерференции.
Применяют два способа реверсивного счета полос.
2.1 Интерферометр со счетом полос на основе квадратурных сигналов
Квадратурными называют два сигнала, содержащие информацию об
одной и той же ГРХ, но сдвинутые по фазе на p/2:
I1(t)=I10+I1~*COS[f(t)] ,
(3)
I2(t)=I20+I2~*SIN[f(t)] .
Фиксируя пересечения сигналами (3) среднего уровня (рис. 2б),
измеряют приращения ГРХ c дискретой l/4. Знак каждой дискреты оп-
ределяют по фазовому сдвигу между сигналами, который в зависимости от
направления изменения ГРХ равен p/2 или 3 p /2.
[pic]
На рис. 2а изображена схема ЛИС, где квадратурные сигналы
получают оптическим способом. Плоскость поляризации излучения од-
ночастотного лазера 1 составляет угол 450 с плоскостью чертежа.
Фазовая пластина l/8 - позиция 3, одна из собственных осей кото-
рой лежит в плоскости чертежа, вносит в интерферометр, образован-
ный светоделительной призмой-куб 2 и отражателями 4, разность
ГРХ, равную l /4, для составляющих излучения лазера параллельной и
перпендикулярной плоскости чертежа. Поляризационная призма-куб 6
разделяет эти составляющие. В результате интерференционные сигна-
лы I1 и I2 на фотоприемниках 6 сдвинуты по фазе на p/2.
Информационный спектр сигналов (3) содержит постоянные сос-
тавляющие I10 и I20. Подобные ЛИС называют системами без переноса
спектра сигнала или системами "постоянного тока".
Метод счета полос на основе квадратурных интерференционных
сигналов не ограничивает скорость изменения и максимальное значе-
ние диапазона измеряемых расстояний. Время измерения в ЛИС, рабо-
тающих на основе этого метода, определяется только пропускной
способностью электронного тракта и может составлять сотые доли
микросекунды (скорость счета полос 100 МГц), что при дискpете l/4
соответствует скорости приращения ГРХ 16 м/с. Измеряемые расстоя-
ния превышают десятки метров. Минимальную погрешность измерения
расстояния определяет дискрета счета, чаще всего равная l/8.
2.2 Интерферометр со счетом полос на основе частотной модуляции
[pic]
На рис. 3а приведен пример схемы ЛИС. Двухчастотный лазер 1
излучает две волны с частотами n1 и n2, одна из которых поляризо-
вана параллельно, а другая - перпендикулярно плоскости чертежа.
Светоделитель 2 отклоняет часть излучения каждой частоты для фор-
мирования опорного сигнала I0. Поляризационная призма-куб 3 раз-
деляет составляющие излучения разных частот и направляет их в
разные плечи интерферометра. Пластины l/4 - позиция 7, оптические
оси которых составляют угол 450 с плоскостью чертежа, меняют сос-
тояние поляризации дважды прошедших пучков на ортогональное. По-
ляризационная призма-куб 3 обеспечивает суперпозицию пучков,
возвращенных отражателями 4 и 5, в направлении I1. После поляри-
заторов 6, ось пропускания которых составляет угол 450 с плос-
костью чертежа, в результате интерференции пучков с разными час-
тотами образуются опорный I0 и измерительный I1 сигналы биения.
Поскольку номенклатура двухчастотных лазеров и значения раз-
ности частот, которые они обеспечивают, ограничены, в качестве
источника излучения часто используют одночастотный лазер, сдвигая
частоты ортогональных составляющих его излучения акустооптически-
ми модуляторами, которые устанавливают на входе, выходе или в од-
ном из плечей интерферометра . В этом случае опорный сигнал
I0 может быть получен непосредственно из модулирующих сигналов,
подаваемых на акустооптические модуляторы.
Частота частотной модуляции, аналогично частоте фазовой модуляции,
ограничивает время измерения . Однако при использовании акустооптических
модуляторов она может быть установлена достаточно большой, чтобы этим
ограничением можно было пренебречь. Тогда время однократного измерения
фазы определяется временем задержки фазоизмерительного устройства и
составляет для современных ЛИС около 10 мкс .
Так как ЛИС на основе частотной модуляции обеспечивают время измерения
на порядок меньше, чем ЛИС на основе фазовой модуляции,
допустимые скорости изменения ГРХ в них на порядок выше. Эти ЛИС
считаются в большей степени подходящими для высокоточных измерений в
реальном масштабе времени . При равной погрешности они имеют несколько
больший диапазон измерения ГРХ.
На основе методов прямого измерения фазы разрабатывают ЛИС для
измерения медленно меняющихся во времени и незначительных по величине
расстояний с высокой точностью. Основная область применения таких ЛИС -
контроль профиля и шероховатости поверхностей, в том числе оптических.
Другая обширная сфера применения - интерференционные датчики физических
величин, изменение которых можно преобразовать в изменение еометрической
или оптической разности хода интерферирующих лучей (давление и влажность
атмосферы, температура, напряженность электрического и магнитного полей и
др.).
Частотную модуляцию интерференционного сигнала обеспечивают путем
суперпозиции двух волн разной оптической частоты. В этом случае закон
изменения интенсивности имеет вид
[pic](4)
где I1 и I2 - интенсивности, n1 и n2 - оптические частоты, f1 и f2 -
фазы интерферирующих волн.
Все переменные составляющие сигнала (4), кроме последней, вследствие
высокой частоты не могут быть детектированы фотоприемником непосредственно.
Выбирая близкие оптические частоты интерферирующих волн, получают
частоту fb= n1- n2 последней составляющей, удобную для обработки в
фотоэлектронной системе. Эту частоту называют сигналом биения.
Особенность сигнала биения в том, что даже в отсутствие изменения
ГРХ между интерферирующими волнами интенсивность изменяется по
гармоническому закону. Если одна из интерферирующих волн проходит
дополнительный геометрический путь 2L, то сигнал биения получает
дополнительный фазовый сдвиг f=4pL/l, эквивалентный фазе немодулированного
интерференционного сигнала на длине волны l при
ГРХ интерферирующих лучей, равной 2L.
Чтобы определить ГРХ, измеряют фазовый сдвиг (рис. 3б)
f(t)=2p*t*fb
между опорным и измерительным сигналами биения:
I0(t)=A0 *COS[2p(n1- n2)t+(f1-f2)] ,
(5)
I1(t)=A1 *COS[2p(n1- n2)t+(f1-f2)+ f(t)] ,
где A0 и A1 - их амплитуды.
Вместо непрерывного измерения разности фаз между сигналами
подсчитывают число биений каждого из них N0 и N1 и отслежи-
вают разность DN=N1-N0 (рис. 3в). Если ГРХ в интерферометре не
меняется, частоты опорного и измерительного сигналов равны
f0=f1= u1 -u2, и DN=0. При движении отражателя 4 частота биения
измерительного сигнала становится равной f1= u1- u2+Du, где
Du=Df(t) / Dt. Изменение ГРХ равно 2DL= DN*l=(N1-N0)*l.
Знак при Dn зависит от направления движения отражателя 4.
Связь между знаками DL и D u остается однозначной до тех пор, пока
[D u]791 м |>7.91 м |>0.079 м |
| | p/16 |>98.87 м |>0.98 м |>9.88*10-3|
| | | | |м |
|Ближняя зона | p/2 | | |
