Исследование энергетических спектров вторичной ионной эмиссии металлов

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ВТОРИЧНОЙ ИОННОЙ ЭМИССИИ МЕТАЛЛОВ

В.А. Батурин, вед. научн. сотр.; С.А. Еремин, асп.

Институт прикладной физики НАН Украины

ВВЕДЕНИЕ

При бомбардировке поверхности твердого тела пучком ускоренных ионов или нейтральных атомов происходит ряд взаимосвязанных процессов, приводящих к образованию и эмиссии вторичных частиц различных типов. Вследствие передачи энергии атомам решетки часть их распыляется в нейтральном состоянии либо в виде положительных и отрицательных ионов (вторичная ионная эмиссия - ВИЭ). Измерение количества всех вторичных частиц, их спектра энергий, масс и пространственных распределений является основой различных методов исследования состава и структуры поверхности твердого тела или ионной диагностики поверхности. Наиболее информативной для аналитических целей является эмиссия вторичных ионов. Наличие заряда у ионов позволяет эффективно собирать и фокусировать их электрическими полями, а их химическая индивидуальность обеспечивает разнообразную информацию о составе и структуру мишени, ее поверхности и адсорбированных на ней частицах. Вторичные ионы анализируются методами масс-спектрометрии, поэтому вся совокупность методов, аппаратуры и аналитических методик называется вторично-ионной масс-спектрометрией (ВИМС) [1].

Распределение вторичных ионов по начальным энергиям (или, как его называют, энергетический спектр вторичных ионов) является одной из важнейших и интересных с физической точки зрения характеристик ВИЭ. Знание энергоспектров конкретных объектов необходимо для практических измерений, поскольку для масс-спектрометрии желательно иметь моноэнергетический поток ионов, в противном случае приходится либо мириться с потерями чувствительности из-за выделения лишь малой части энергоспектра, либо применять сложные приборы с двойной фокусировкой по массам и энергиям.

Исследованиям энергетических спектров вторичных ионов посвящено большое число работ. Подробно эти работы проанализированы в ранее изданных монографиях и обзорах [2,3,4], однако интерес к этому вопросу не прекращается. В данной статье предложена методика исследования энергоспектров с помощью вторично-ионного масс-спектрометра, созданного на базе высокодозного ионного имплантера. Основное предназначение данного имплантера - легирование полупроводниковых материалов высокодозной имплантацией ионов. Использование ионного имплантера в качестве источника первичных ионов позволяет работать в широком диапазоне энергий (20-150 кэВ). При этом плотность тока на образце достигает 1 мА/см², что обеспечивает динамический режим распыления образца. Кроме того, первичный пучок ионов очищается от примесей путем масс-сепарации в электромагните и от нейтральной составляющей с помощью отклонения траектории пучка на небольшой угол. Для анализа вторичных ионов по массам и энергиям использован модернизированный монопольный масс-спектрометр МХ7304А, снабженный малогабаритным энергофильтром. Поскольку прибор предназначен для анализа состава остаточных газов в вакуумном объеме, то для использования его в качестве ВИМС ионизатор остаточных газов был удален, а на его место установлен держатель исследуемого образца. Преимуществом использования монопольного масс-спектрометра в данном случае является его компактность, а также линейная шкала масс. При этом возможен анализ масс до M/Z=400, что позволяет исследовать эмиссию кластерных ионов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Для использования имплантера в качестве источника первичных ионов для ВИМС в его исходную конструкцию были внесены изменения. На рис. 1 схематически изображено устройство экспериментальной установки (вид сверху).

Рисунок 1 - Схематическое изображение конструкции вторично-ионного масс-спектрометра (штрихпунктирной линией изображены траектории первичных и вторичных ионов)

Ионы образуются в источнике 1, в качестве которого используется дуоплазматрон с накальным катодом. Здесь же происходит первичное формирование пучка ионов. Сепарация ионов по массам осуществляется в 90⁰ секторном электромагните 2 с радиусом кривизны центральной траектории 300 мм. При энергии входящего пучка ионов 20кэВ величина индукции магнитного поля электромагнита позволяет сепарировать ионы до M/Z=40. После сепарации ионы вторично фокусируются одиночной линзой 3 и ускоряются до необходимой энергии в ускорительной трубке 4. Ускоренный пучок попадает в приемную камеру 5, в которой находится цилиндр Фарадея 6 для измерения тока пучка ионов. Откачка камеры осуществляется диффузионным насосом 7 с ловушкой, охлаждаемой жидким азотом. Остаточный вакуум в камере составляет порядка 10^-4 Па, а при включенном источнике ионов - 310^-4 Па.

Поскольку в пучке присутствует нейтральная составляющая, не регистрируемая измерителем тока пучка, но вызывающая распыление частиц, то для более точных измерений ее нужно отсечь доворотом пучка на небольшой угол. Для этого на входе в приемную камеру установлены пластины доворота ускоренного пучка в горизонтальной плоскости 8. Довернутый пучок попадает на исследуемый образец 9, расположенный под углом примерно 45⁰ по отношению к падающему пучку. Образовавшиеся вторичные ионы вытягиваются и фокусируются в пучок ионной оптикой масс-спектрометра 10, а затем фильтруются по массам и энергиям. Масс-спектрометр заэкранирован от попадания пучка первичных ионов непосредственно на элементы конструкции прибора, так как это резко увеличивает уровень фона и шумов, что снижает порог чувствительности прибора. Более детально система приема пучка ускоренных ионов, а также формирования и анализа образующихся вторичных ионов показана на рис.2.

Рисунок 2 - Схематическое изображение конструкции оптики вторичных ионов и расположения образца (штрихпунктирной линией изображены траектории первичных и вторичных ионов)

Перед попаданием на образец 1 первичные ионы проходят через входную диафрагму 2, которая формирует пучок круглого сечения с диаметром 1-3 мм в зависимости от диаметра диафрагмы. Анализируемые вторичные ионы вытягиваются и фокусируются соответственно вытягивающим 3 и фокусирующим 4 электродами и попадают в энергофильтр. Входная и выходная диафрагмы энергофильтра 5,9 находятся под нулевым потенциалом. Диаметры входного и выходного отверстия в энергофильтре составляют 1,6 мм. Сепарация ионов по энергиям производится с помощью двух отклоняющих пластин, выполненных в виде уголков с углом 90⁰ 7,8, между которыми расположена диафрагма со щелью 6, ширина которой определяет ширину полосы пропускания энергофильтра [5]. Диафрагма находится под нулевым потенциалом. Расстояния от центров входного и выходного отверстий до плоскости диафрагмы равны и составляют 6 мм. Настройка энергофильтра на определенную энергию пропускания производится подачей на отклоняющие пластины одинаковых по величине положительных потенциалов U_откл Пройдя энергофильтр, ионы попадают в масс-анализатор 10.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для получения энергетических спектров ВИЭ используется электростатический энергофильтр. При этом необходимо знать параметры энергофильтра, т.е. ширину его полосы пропускания E, определяемую на уровне 50% от максимума, как функцию энергии ионов E₀, на которую настроен энергофильтр, а также калибровочную зависимость между потенциалом U_откл, подаваемым на отклоняющие пластины фильтра и энергией ионов E₀, соответствующей оптимальному пропусканию при этом потенциале. Для определения этих параметров необходим источник ионов, дающий пучок с малым разбросом по энергии (порядка 0,1 эВ). В данном случае пучок ионов был получен методом поверхностной термоионизации атомов щелочного металла (калия) на участке поверхности нагретой до высокой температуры (около 1000 ⁰С) вольфрамовой ленточки. Параметры фильтра исследовались по изменению сигнала ионов калия ³⁹K⁺, на массу которого был настроен масс-анализатор, при изменении отклоняющего потенциала энергофильтра U_откл и потенциала вольфрамовой ленточки U₀, который задавал энергию испускаемых ионов калия E₀=eU₀. В результате был получен параметр, характеризующий силу энергофильтра, eU_откл/ E₀, равный примерно 1 на протяжении всей шкалы энергии ионов. Также определена ширина полосы пропускания фильтра на уровне 50% от максимума при различных значениях ширины щели d в промежуточном электроде энергофильтра. Так, при d=1 мм. E/E₀=11,5%, при d=0,5 мм E/E₀=6%. Последнее значение ширины щели использовалось при снятии энергоспектров.

Как правило, энергетический спектр вторичных ионов является непрерывным с максимумом в области от нескольких эВ до 100 эВ и плавно спадающим хвостом, простирающимся до нескольких сотен эВ. Для получения энергетических спектров масс-анализатор настраивается на оптимальное пропускание ионов определенной массы исследуемого элемента. Энергоспектр представляет собой, таким образом, функцию тока исследуемых ионов, попавших в детектор масс-спектрометра, при развертке по шкале энергии вторичных ионов I=f(E₀), где E₀ - начальная энергия испускаемых ионов. При этом если на исследуемый образец подать потенциал U_t, то энергия ионов станет равной

E = E₀ + eU_t , (1)

а спектр вторичных ионов I=f(E) сместится по шкале энергии на величину eU_t. Развертка по энергии вторичных ионов может осуществляться двумя способами. Во-первых, изменением отклоняющего потенциала энергофильтра U_откл , что приводит к перемещению его полосы пропускания по шкале энергии и настройке на определенную энергию ионов E_i. При этом потенциал образца U_t остается фиксированным (см. рис.3а).

Рисунок 3 - Возможные варианты получения энергетических спектров вторичных ионов (а - U_t=const, б - E_i=const)

Второй способ заключается в изменении потенциала образца U_t, что приводит к смещению спектра по шкале энергии, при постоянном отклоняющем потенциале энергофильтра, что дает E_i=const. В данной работе был использован второй способ, так как он представляется более предпочтительным. Известно, что коэффициент пропускания ионов и, следовательно, чувствительность квадрупольных и монопольных масс-спектрометров зависят от энергии анализируемых ионов [6]. Поскольку в этом случае в масс-анализатор попадают ионы с энергией E_i=const, то трансмиссия тракта движения ионов от энергофильтра до детектора остается неизменной. Кроме того, ширина полосы пропускания E=const, то есть энергоспектр снимается с постоянным абсолютным разрешением по энергии. Также следует отметить, что изменение энергии ионов у монопольных масс-спектрометров приводит к некоторому сдвигу пиков по шкале масс. В режиме E_i=const этот эффект отсутствует, и нет необходимости каждый раз перекалибровывать шкалу масс. В данном режиме следует учесть следующее обстоятельство. При изменении потенциала образца изменяется ускоряющее поле в промежутке образец - вытягивающий электрод и, соответственно, изменяются условия сбора частиц с образца. Для того чтобы минимизировать этот эффект, потенциал вытягивающего электрода U_выт изменялся таким образом, чтобы U_t-U_выт=const. При этом потенциал фокусирующего электрода каждый раз устанавливался по максимуму регистрируемого ионного тока. На рис. 4 изображены полученные энергетические спектры ионов меди Cu⁺ и кластерных ионов Cu₂⁺, Cu₃⁺, а на рис. 5 изображены энергетические спектры ионов Al⁺ и двухзарядного иона Al⁺⁺. Зависимости снимались при следующих параметрах: первичный пучок - аргон, ток 30 мкА, энергия 100 кэВ, энергофильтр настроен на E_i=20 эВ, разрешение по энергии на уровне 50% E_50%=1,2 эВ, потенциал мишени U_t изменялся от +25 В до -80 В. Все графики нормированы на максимальное значение выхода ионов.

Рисунок 4 - Энергетические спектры ионов меди и кластеров меди

(1- Cu⁺,2- Cu₂⁺, 3- Cu₃⁺)

Рисунок 5 - Энергетические спектры одно- и двухзарядных ионов алюминия (1- Al⁺, 2- Al⁺⁺)

Из графиков следует, что энергораспределение кластерных ионов уже распределения одноатомных. Максимум E_m в энергоспектре кластерных ионов имеет меньшие значения, чем у одноатомных. В то же время энергораспределение многозарядных ионов существенно шире, чем у однозарядных. Это хорошо согласуется с теоретическими представлениями о механизме образования вторичных ионов.

SUMMARY

The technique of research of energy spectra of the secondary ion emission is offered. The scheme of experimental installation to carry out a research in a wide range of energies of a primary ions beam (20-150 keV) is described. The installation is mounted on base of a high dose ion implanter. For the analysis of secondary ions on weights and energy a monopole mass-spectrometer MX7304A, equipped with a small-sized energy filter, is used. The energy spectra of monoatomic and cluster ions of copper, and also singly and doubly-charged ions of aluminum are received.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Черепин В.Т. Ионный микрозондовый анализ. - Киев: Наук. думка, 1992.-344 с.

2. Векслер В.И. Вторичная ионная эмиссия металлов. - М.:Наука, 1978.-240 с.

3. Коваль А.Г., Литвинов В.А., Физгеер Б.М. Исследование энергетических спектров вторичных ионов // Изв. АН СССР. Сер. Физ.- 1985.- №9.- С.1817-1820.

4. Коваль А.Г., Литвинов В.А., Физгеер Б.М., Лукацкий О.И. О распределении по энергиям вторичных ионов с поверхности меди и ванадия // Поверхность.- 1987.- №2.- С.147-149.

5. Техническое описание на прибор МХ7304А.

6. Слободенюк Г.И. Квадрупольные масс-спектрометры. - М.: Атомиздат, 1975.-272 с.