Статическая вторичная ионная масс-спектрометрия (SSIMS)

ЛЕКЦИЯ 7

Статический режим подразумевает, что используется пучок первичных ионов с плотностью тока < 1 нА*см-2. Для столь малой плотности ионов спектральные данные могут быть сгенерированы в масштабе времени, очень коротком по сравнению со временем жизни поверхностного слоя (поверхностное разрушение при этом обычно < 1 %).

Пучок положительных ионов бомбардирует поверхность, что приводит к взаимодействиям, которые вызывают эмиссию различных типов вторичных частиц, включая вторичные электроны, оже-электроны, фотоны, нейтралы, положительные и отрицательные вторичные ионы. SSIMS сосредоточен на последних двух видах частиц, т.е. положительных и отрицательных вторичных ионах.

Спектр СВИМС, как и любой другой спектр масс, состоит из ряда пиков различной интенсивности, соответствующих некоторым массовым номерах. Массы могут быть распределены на основе атомного или молекулярного отношения массы к заряду. Большинство наблюдаемых вторичных ионов от металлических и полупроводниковых поверхностей - это однозарядные атомные ионы, что делает распределение массовых номеров более простым. Массы могут быть идентифицированы как возникающие от материала подложки непосредственно, от преднамеренно введенных молекулярных или других частиц на поверхности, или от загрязнений и примесей на поверхности. Осложнения в распределении часто являются результатом изотопических эффектов. Поскольку многие элементы имеют несколько изотопов, возникают сложности в идентификации элементов и количественном анализе.

На рис. 1 показан положительный СВИМС спектр от кремниевой пластины, который иллюстрирует как распределение пиков, так и потенциальные изобарические проблемы. На поверхности присутствует много примесей, в частности углеводородов, для которых эти проблемы являются особенно чувствительными.

Соотношения между тем, что зарегистрировано в СВИМС спектре и химическим состоянием поверхности - не столь прямолинейное, как в рентгеновской фотоспектроскопии и ЭОС. Очевидно, что из-за большого количества молекулярных ионов, которые наблюдаются в любом СВИМС спектре при исследовании многокомпонентной поверхности, потенциально можно получить больше химической информации, чем в XPS. Проблема заключается в том, что нельзя быть уверенным на 100% действительно ли зарегистрированная молекула представляет состав поверхности.

Рис. 1. Спектр времяпролетного ВИМС с высоким разрешением от примесей на Si пластине.

Применение

Метод ВИМС намного чувствительнее всех других методов диагностики поверхности. Для многих элементов при «статиче­ском» методе ВИМС, когда площадь анализируемой поверх­ности больше 0, 1 см², порог чувствительности не превышает 10^-6 моноатомного слоя, т. е. 10^-14 г.

Вообще говоря, СВИМС редко используют для количественного определения поверхностного состава. Область его применения лежит в качественном анализе поверхности, с акцентом на преимуществах высокой поверхностной специфики, очень высокой чувствительности для некоторых элементов и молекул, разнообразии химической информации, и высоком пространственном разрешение во времяпролетном методе отображения. Кроме того, СВИМС используют для исследования таких поверхностных явлений, как адгезия, химическая и физическая адсорбция, смачиваемость, износ, разрыв, смазывания, химическая активность, коррозия, поверхностная диффузия, сегрегация и т.д.

По сравнению с РФС и ЭОС, более высокая поверхностная специфика ВИМС (1-2 монослоя по сравнению с 2-8 монослоями) может быть полезна для более точного определения химии поверхности. Например, только ВИМС позволяет идентифицировать отдельные гидрооксиды или углеводороды.

Профили распределение мелкозалегающих примесей

В последние годы времяпролетный ВИМС стал активно использоваться для исследования профилей ультра-мелких примесей, поскольку позволяет обнаруживать все элементы одновременно. В частности двулучевой режим позволяет оптимизировать разрешение ВИМС по глубине, благодаря оптимизации условий распыления поверхности.

Рис. 2. Многоэлементный профиль распределения по глубине слоя B в Si, полученный распылением SF₅⁺ при 600 эВ.

На рис 2 представлен времяпролетный ВИМС профиль распределения по глубине пленки имплантированного в Si B, покрытой слоем Si толщиной 17.3 нм.