Динамическая ВИМС

Сегодня динамический ВИМС - стандартная методика для измерения микропримесей в полупроводниках, материалах с высокими технологическими показателями, покрытиях, и минералах. Главные преимущества метода - превосходная чувствительность (предел обнаружения ниже 1 мкмоля моль-1) для всех элементов, изотопическая чувствительность, возможность получать профили по глубине, способность быстрого прямого отображения и 3-хмерного распределения частиц.

Бомбардировка образца с дозой высоких энергичных первичных ионов (1 - 20 keV) приводит к разрушению начальных поверхностных и приповерхностных областей. При высокой дозе первичных ионов происходит распыление исследуемого образца. При этом наблюдается несколькоэффектов.

Компенсация предпочтительного распыления. Различные компоненты по-разному распыляются с поверхности. Это приводит к искажению профиля по глубине.

Атомное смешивание. В зависимости от массы, энергии и угла воздействия первичные ионы достигают средней глубины, пока они окончательно не останавливаются из-за многократных столкновений с атомами образца. При этом происходит перемещение атомов образца из их первоначальных положений. Это приводит к атомному перемешиванию приповерхностной области и ограничивает разрешение по глубине. Малые энергии первичных ионов, использование молекулярных первичных ионов и наклонные углы бомбардировки уменьшают этот эффект.

Внедрение Первичных Ионов. Первичные ионы внедряются в образец и таким образом влияют на химический состав. Для энергий в диапазоне 20 кэВ глубина внедрения составляет приблизительно 30 нм. Выход распыления, т.е. отношение вторичных частиц к первичным, зависит от энергии имеет максимум в диапазоне 10 кэВ.

Шероховатость дна кратера. Разрешение по глубине также определяется шероховатостью дна кратера при воздействии ионной бомбардировки. На поликристаллических образцах данный эффект может наблюдаться из-за различного выхода при распылении кристаллов с разной ориентацией, поскольку выход при распылении монокристаллов может изменяться в два раза в зависимости от их ориентации.

Шероховатость, обусловленная распылением. Распыление монокристаллических полупроводников, в частности A₂B₆, ионами Cs⁺ приводит к увеличению шероховатости поверхности. В настоящее время не существует удовлетворительного объяснения данного эффекта. Преодолеть его можно вращением образца во время измерения.

Эффект зарядки. Электростатический потенциал непроводящих образцов и слоев изменяется из-за бомбардировки заряженными частицами и эмиссии вторичных электронов и ионов. Обычно это приводит к положительной зарядке образца и соответственному изменению энергии вторичных ионов. На хороших диэлектриках зарядка достигает столь высоких значений, что первичные ионы отражаются поверхностью, делая невозможным анализ. Для компенсации этого эффекта на поверхность воздействуют медленными электронами.

Из-за сложности процессов, происходящих на поверхности, убедительное теоретическое описание процесса ионизации, приводящего к формированию вторичных ионов, не было возможно. Были предложены различные механизмы ионизации:

Модель электронного туннелирования. Было представлено несколько моделей, основанных на квантовой механике. Каждая описывает как электрон из зоны проводимости туннелирует к улетающему атому, или наоборот. Вероятность туннелирования зависит от потенциала ионизации распыляемого элемента, скорости атома (времени, доступного для процесса туннелирования) и работы выхода металла (адиабатная поверхностная ионизация).

Модель разрыва связей была разработана для описания процесса ионизации ионных соединений, особенно при бомбардировке ионами кислорода. Модель требует присутствия окисного слоя на поверхности. Связанные электроны остаются в атоме кислорода и, поэтому, происходит эмиссия положительно ионизированных атомов.

Локальное Термодинамическое Равновесие. Эта модель имеет только историческое значение. Идея заключается в том, что под действием бомбардировки ионами генерируется околоповерхностная плазма, в которой ионизируются распыляемые атомы.

Спектральная Информация

Чувствительность элемента определяется вероятностью ионизации распыленных атомов. на эта вероятность влияет химическое состояние поверхности. Ионы Cs⁺ или O₂⁺ используется для бомбардировки образца в динамической ВИМС, поскольку они повышают вероятность ионизации. Это - так называемый эффект химического усиления.