Модуль для анализа химического состава и структуры нанослоев вещества из металла

Предполагаемая полезная модель относится к области микро-, наноэлектроники, в частности, к средствам диагностики и контроля пленок наноразмерной толщины в технологии производства микро- и наносхем. Модуль позволяет осуществить анализ одного внешнего атомного слоя поверхности, а также определение концентрационных профилей приповерхностного слоя конденсированных сред методами спектроскопии обратно рассеянных ионов низких энергий и спектроскопии атомов отдачи. Технический результат направлен на улучшение конструкционно-компоновочных характеристик и на повышение чувствительности модуля. Технический результат достигается тем, что вакуумный, модуль для анализа элементного состава нанослоев, содержащий энергетический анализатор, ионную пушку, вакуумный фланец с электрическими выводами, при этом энергетический анализатор выполнен в виде цилиндрического зеркала с фокусировкой «ось-ось», а ионная пушка расположена внутри внутреннего цилиндрического электрода анализатора между входным и выходным окнами анализатора соосно с ионно-оптической осью анализатора. Сопоставительный анализ показал, что предполагаемая полезная модель имеет большую светосилу более чем в 100 раз, так как соосное расположение ионной пушки с анализатором обеспечивает одинаковый угол рассеяния по всему азимуту входного окна анализатора. По конструкции предполагаемая модель монтируется на одном фланце и имеет осесимметричную конструкцию относительно оси фланца. Поэтому модуль можно монтировать в любую вакуумную систему, имеющую стандартный (типовой) фланец, соответствующий монтажному фланцу модуля.

Предполагаемая полезная модель относится к области микро-, наноэлектроники, в частности, к средствам диагностики и контроля пленок наноразмерной толщины в технологии производства микро- и наносхем. Модуль позволяет осуществить анализ одного внешнего атомного слоя поверхности, а также определение концентрационных профилей приповерхностного слоя конденсированных сред методами спектроскопии обратно рассеянных ионов низких энергий и спектроскопии атомов отдачи.

Известен вакуумный модуль для анализа элементного состава нанослоев, содержащий энергетический анализатор, ионную пушку, вакуумный фланец с электрическими выводами [Петров Н.Н., Аброян И.А. Диагностика поверхности с помощью ионных пучков. Изд. ЛГУ, 1977. 160 с.].

Модуль представляет собой вакуумную часть спектрометра обратно рассеянных ионов низких энергий. В известном модуле энергетический анализатор и ионная пушка расположены в вакуумной камере на отдельных фланцах, а энергетический анализатор выполнен в виде анализатора Юза-Рожанского. Недостатками известного модуля является невысокая чувствительность из-за малой светосилы анализатора и плохое разрешение из-за сепарации заряженных частиц только в плоскости перпендикулярной оси цилиндрических поверхностей электродов анализатора.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является вакуумный модуль для анализа элементного состава нанослоев, содержащий энергетический анализатор, ионную пушку, вакуумный фланец с электрическими выводами [Методы исследования поверхностей / Под ред. А. Зандерны: Пер. с англ. под ред. В.В.Кораблева, и Н.Н.Петрова - М.: Мир, 1977. - 582 с.].

В известном модуле используется анализатор типа сферический дефлектор. Ионная пушка располагается под углом к оси входной оптической системы энергетического анализатора. В точке пересечения указанных осей располагается исследуемый объект.

Принцип действия модуля. Ионным пучком ионной пушки бомбардируется поверхность исследуемого объекта. Часть ионов пучка отражается от поверхности в результате парного, однократного упругого соударения с отдельными атомами поверхности (наподобие бильярдных шаров). При этом налетающие ионы теряют определенную долю кинетической энергии, которая зависит от массы атома поверхности. Чем тяжелее масса атома поверхности, тем меньше потери энергии иона. Ионы, отраженные в направлении входа анализатора, попадают в анализатор и разделяются по энергиям. При непрерывной бомбардировке поверхности пучком ионов (ионов инертных газов - Не⁺, Ne⁺) и развертке напряжения на анализаторе можно с помощью радиотехнической аппаратуры зарегистрировать энергетический спектр отраженных ионов, как зависимость величины тока отраженных ионов от энергии развертки анализатора. Так как разного типа атомы поверхности имеют разные массы, то поток отраженных ионов содержат отдельные группы ионов с разными но с дискретными энергиями. Каждой группе в зарегистрированном спектре соответствует пик (максимум) с отличительной энергией, определяемой по формуле

где E₁ - энергия рассеянных ионов после однократного упругого соударения; Е₀, m₁ - энергия и масса ионов первичного ионного пучка; m₂ - масса атомов поверхности; - угол рассеяния.

Из формулы (1) видно, что при постоянных Е₀, m₁, в формуле остается переменной только масса атомов поверхности m₂. Так как массы атомов изменяются дискретно, то и спектр содержит дискретные пики тока отраженных ионов, соответствующие массам атомов поверхности.

Недостатком известного модуля является слабая чувствительность, а также сложность конструкции из-за расположения анализатора и ионной пушки на отдельных фланцах. Последнее обусловливает необходимость индивидуальных фланцев в вакуумной камере, сложность монтажа. Слабая чувствительность обусловлена малой светосилой анализатора из-за малого диаметра входного отверстия анализатора.

Технический результат направлен на улучшение конструкционно-компоновочных характеристик и на повышение чувствительности модуля.

Технический результат достигается тем, что вакуумный модуль для анализа элементного, состава нанослоев, содержащий энергетический анализатор, ионную пушку, вакуумный фланец с электрическими выводами, при этом энергетический анализатор выполнен в виде цилиндрического зеркала с фокусировкой «ось-ось», а ионная пушка расположена внутри внутреннего цилиндрического электрода анализатора между входным и выходным окнами анализатора соосно с ионно-оптической осью анализатора.

На фигуре 1 приведена ионно-оптическая схема модуля с энергетическим анализатором и ионной пушкой..

На фигуре 2 приведен энергетический спектр рассеянных ионов неона от поверхности чистого арсенида галлия (а) и после нанесения одного монослоя атомов цезия (б).

Модуль содержит энергетический анализатор типа «цилиндрическое зеркало» 1 (далее - анализатор), ионную пушку 2, магнитный экран 10 и вакуумный фланец 18. Анализатор 1 содержит внутренний электрод 8 и внешний электрод 10, имеющие цилиндрическую форму и образующие между собой дисперсионное пространство, а также выходную диафрагму 16 с отверстием в фокусе анализатора и коллектор 17 заряженных частиц, расположенный на выходе диафрагмы. Коллектор 17 представляет собой вторично-электронный умножитель ВЭУ-6 или ВЭУ-7 и позволяет регистрировать ток отраженных ионов в режиме счета отдельных ионов и в режиме сверхмалых токов. Во внутреннем цилиндре 8 выполнены два круговых окна с перемычками (входное и выходное). Внешний цилиндр 10 сплошной. Цилиндры 8 и 10 фиксируются относительно друг друга керамическими кольцами 9 и 13. Анализатор окружен экраном 11 из пермаллоя. для защиты от внешних магнитных полей. Соосно с внутренним цилиндром 8 расположена ионная пушка 2, фиксируемая изолятором 13. Ионная пушка 2 содержит ионизатор (катод). 20, фокусирующую оптику 21 и отклоняющие пластины. Ионный пучок 5 пушки направлен в передний (входной) фокус анализатора. В этой же точке располагается поверхность исследуемого объекта 4, расположенного на держателе 3. Анализатор 1 с ионной пушкой 2 крепятся на фланце 15, который крепится вакуумноплотно к фланцу 14 вакуумной камеры.

Работа модуля. Ионизатор. 20 ионной пушки 2 ионизует инертный газ, напущенный в вакуумную камеру. Ионно-оптической системой 21 формируется ионный пучок 5, который направляется отклоняющими системами в фокус-анализатора и одновременно на поверхность исследуемого объекта 4. Часть ионов, отраженных в направлении входных окон электроде 8 анализатора, попадают в дисперсионное пространство анализатора. Ионы 12, энергия которых соответствует энергии настройки анализатора, отклоняются в направлении отверстия диафрагмы 16 и выходят на коллектор 17. При изменении энергии настройки анализатора пилообразным напряжением на электроде 10, на выходе коллектора получается энергетический спектр отраженных ионов с дискретными пиками. Измерив энергии пиков в спектре, можно определить массы и соответственно тип атомов в одном внешнем моноатомном слое поверхности. По относительной величине тока пика в спектре можно определить концентрацию атомов на поверхности исследуемого объекта. Электрическое соединение электродов анализатора и пушки с внешней питающей и регистрирующей аппаратурой осуществляется через вакуумноплотные электрические выводы 19 фланца 15.

На фигуре 2 приведен энергетический спектры ионов неона, рассеянных от поверхности чистого арсенида галлия (а) и после напыления одного монослоя атомов цезия (б) Энергия первичных ионов Е ₀=3000 эВ, угол рассеяния =135°, ток первичных ионов 10 нА, диаметр пучка d=100 мкм. Пик галлия меньше и шире, так как галлий имеет два изотопа, а мышьяк материал моноизотопный. После напыления одного монослоя цезия атомы арсенида галлия полностью экранируются цезием. Спектры зарегистрированы с помощью макета предполагаемой полезной модели.

Сопоставительный анализ показал, что предполагаемая полезная модель имеет большую светосилу более чем в 100 раз, так как соосное расположение ионной пушки с анализатором обеспечивает одинаковый угол рассеяния по всему азимуту входного окна анализатора. В полом конусе рассеяния в направлении входного окна анализатора предполагаемой полезной модели содержится ионов. больше, чем ионов в конусе анализатора прототипа на величину соотношения телесных углов входа в анализаторы. В прототипе и в предлагаемой модели светосила ограничена максимально допустимым разбросом угла рассеяния, составляющим для используемого метода анализа <4°. В прототипе ионы, рассеянные в точке на исследуемом объекте входят во входное отверстие анализатора. При этом поток ионов есть конус с вершиной на исследуемом объекте и основанием на входной диафрагме в виде отверстия. При расстоянии от объекта до диафрагмы 50 мм и угле конуса 4° радиус отверстия диафрагмы составит 1.74 мм. В предлагаемой конструкции поток рассеянных ионов имеет вид полого конуса с углом конуса 42° и плоским углом потока 4°. При расстоянии от объекта, от точки отражения ионов до входного окна, равном 50 мм, радиус основания конуса рассеяния составит 50sin42°=33.4 мм. Аналогично, радиус внутреннего конуса равен 50sin38°=30.8 мм. Площадь кольца - основания полого конуса равна 525 мм², а площадь отверстия диафрагмы прототипа равна 9.5 мм². Отношение площадей представляет отношение светосил. Оно равно 525/9.5=52, то есть светосила, а соответственно чувствительность предполагаемой полезной модели больше в 52 раза. Надо отметить, что в анализаторе прототипа отверстие диафрагмы из-за ухудшения энергетического разрешения нельзя увеличивать более чем 0.5 мм (при обычных размерах конструкций). А это значит, что чувствительность прототипа реально меньше в несколько сот раз.

По конструкции предполагаемая модель монтируется на одном фланце и имеет осесимметричную конструкцию относительно оси фланца. Поэтому модуль можно монтировать в любую вакуумную систему, имеющую стандартный (типовой) фланец, соответствующий монтажному фланцу модуля.

Вакуумный модуль для анализа элементного состава нанослоев, содержащий энергетический анализатор, ионную пушку, вакуумный фланец с электрическими выводами, отличающийся тем, что энергетический анализатор выполнен в виде цилиндрического зеркала с фокусировкой «ось-ось», а ионная пушка расположена внутри внутреннего цилиндрического электрода анализатора между входным и выходным окнами анализатора соосно с ионно-оптической осью анализатора.