Способ количественного анализа примеси в твердом теле

 

Использование: относится к масс-спектрометрии вторичных ионов и может быть использовано для количественного анализа примесей в твердых телах. Сущность изобретения: в масс-спектрометрическом спо собе анализа, заключающемся в ионно-лучевом легировании твердого тела известным количеством определяемого элемента , распылении ионно-легированного слоя пучком первичных ионов и определении концентрации примеси по токам ВИ от внедренного и исходного примесного элемента , ионно-лучевое легирование и распыление поверхности твердого тела производят одновременно одним и тем же пучком первичных ионов одного из изотопов определяемого элемента с регистрацией зависимостей токов ВИ легирующего и любого другого изотопа анализируемого элемента от времени распыления, искомую концентрацию примеси определяют по формуле установленной зависимости. 1 ил. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4892651/21 (22) 19.12.90

° °

46) 15.12.92. Бюл. Ф 46

71} Институт металлофизики АН УССР (72) А.Л.Пивоваров, С.П.Ченакин и В,Т.Черепин (56) Черепин В.Т. Ионный зонд. Киев: Наукова думка, 1981, с.142.

Jughram М.G.J, Phys Chem, 1953, 57, М 8, р.809-814.

Авторское свидетельство СССР.

М 8Я3240, кл. G 01 N 27/62, 1981.

Tsal 1.С., Morablto I.M., Surf.Scl.1974, 44, N 2, р.247-252, Буренков А.Ф„Комаров Ф.Ф., Кумахов

М.А., Темкин М.M. Таблицы параметров пространственного распределения ионноимплантированных примесей, Минск, БГУ, 1980, с.133. (54) СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА ПРИМЕСИ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ

Изобретение относится к масс-спектрометрии вторичных ионов и может быть использовано для количественного анализа примесей в твердых телах.

Известны способы количественного анализа методом масс-спектрометрии вторичных ионов с применением внешних стандартов. Обычно внешними стандартами служат образцы с известным содержанием примеси, качественно. аналогичные по химическому составу исследуемым материалам, В предложении линейной зависимости интенсивности тока вторичных ионов (ВИ) от концентрации, определяют концен„„5U„„1781728 А1 (я)з Н 01 J 49/26, G 01 и 23/225

2 (57) Использование: относится к масс-спектрометрии вторичных. ионов и может быть использовано для количеотвенного анализа примесей в твердых телах. Сущность изобретения: в масс-спектрометрическом способе анализа, заключающемся в ионно-лучевом легировании твердого тела известным количеством определяемого элемента, распылении ионно-легированного слоя пучком первичных ионов и определении концентрации примеси по токам ВИ от внедренного и исходного примесного элемента, ионно-лучевое легирование и распыление поверхности твердого тела производят одновременно одним и тем >ке пучком первичных ионов одногО из изотопов определяемого элемента с регистрацией зависимостей токов ВИ легирующего и любого другого изотопа анализируемого элемента от времени распыления, искомую концентрацию примеси определяют по формуле установленной зависимости. 1 ил, трацию примесного элемента в исследуемом образце по формуле

С

СА=

Ф

Р где СА, СА — соответственно концентэ рации элемента А в исследуемом и эталонном образце;

iA, lA — соответственно, токи ВИ элеэ мента А, регистрируемые на исследуемом и эталонном образце.

Стандартные образцы обычно готовят либо путем химического растворения известного количества атомов определяемого элемента, либо введением в матрицу известного количества вещества путем ионного

1781728 легирования. Изготовление таких эталонных образцов представляет довольно слож- ную и трудоемкую задачу, особенно, если необходимо иметь большой набор комбинаций примесь-матрица в широком диапазоне 5 концентраций, вследствие чего способ количественного анализа с использованием внешнего стандарта имеет ограниченную применимость. Кроме того, при использовании внешних стандартов могут возникать 10 значительные погрешности в определении искомых концентраций за счет матричных, структурно-фазовых и аппаратурных факторов.

Более перспективными являются мето- 15 ды, основанные на использовании внутренних стандартов, когда эталон создается непосредственно в самом исследуемом образце.

Известен способ, в котором экстракт, 20 . полученный в результате совместного химического растворения известного количества исследуемого образца и одного из изотопов определяемого элемента, подвергается масс-спектрометрическому анализу. Срав- 25 нивая отношение токов ВИ изотопов анали зируемого элемента (концентрация одного из которых увеличена за счет дополнительного растворения известного количества изотопа) с их природной распространенно- 30 стью, определяют искомую концентрацию, Недостатком этого способа является высокая трудоемкость и ограниченность применения, связанная с растворением конкретного материала образца и примес- 35 ного элемента. Способ оказывается экономически невы. годным из-за высокой стоимости получения разделенных изотопов, Наиболее близким техническим реше- 40 нием к заявляемому является. способ количественного анализа, в котором в твердое тело первоначально вводят известное количество D атомов определяемого элемента ионна-лучевым легированием. Распыляя за- 45 тем имплантированный образец пучком ионов благородного газа и масс-спектрически анализируя выбиваемые при этом ВИ, определяют суммарный поток М ВИ определяемого элемента, образовавшихся за 50 время t распыления от всех внедренных атомов, и поток ВИ Nnp от примесных атомов, при этом искомую концентрацию и каждой из примесей определяют по формуле:

55 где М вЂ” атомный вес основного элемента исследуемого образца:

hP — потеря веса образца за время распыления.

Однако и этот способ не лишен существенных недостатков. Необходимость предварительного ионного легирования исследуемых образцов требует наличия сложного и дорогостоящего оборудования для ионной имплантации. Значительные погрешности при определении концентрации возникают из-за низкой точности измерения величины hP. В основе данного способа лежит предположение о существовании лийейной зависимости величины тока ВИ от концентрации. Однако, при ионном легировании эта зависимость может нарушаться за счет возникающих концентрационных и структурно-фазовых изменений матрицы, которые влияют на выход ВИ, в результате чего точность анализа заметно ухудшается.

Существенным недостатком является также многоступенчатость и длительность процесса измерения, связанного с наличием операций легирования и анализа объекта, Целью изобретения является упрощение, сокращение времени и повышениеточности анализа.

Указанная цель достигается тем, что в известном масс-спектрометрическом способе анализа, заключающемся в ионно-лучевом легировании твердого тела известным количеством определяемого элемента, распылении ионно-легированного слоя пучком первичных ионов и определении концентрации примеси по токам ВИ от внедренного и исходного примесного элемента, ионна-лучевое легирование и распыление поверхности твердого тела производят одновременно одним и тем же пучком первичных ионов одного из изотопов определяемого элемента с регистрацией зависимостей токов ВИ легирующего и любого другого изотопа анализируемого элемента от времени распыления, а искомую концентрацию примеси определяют по формуле где j — плотность тока первичных ионов изотопа Мх+- определяемого элемента М;

t- время распыления твердого тела до момента стабилизации вторичных ионных токов изотопов элемента М;

r — отношение стабильных значений вторичных ионных токов изотопов М> и M„e момент времени т;

1781728 амх, аму — природная распространенность, соответственно, изотопов Мх и Му элемента М;

Rð, Мр — средний проецированный пробег первичных ионов изотопа Мх+ и их 5 страгглинг. соответственно; е — заряд электрона.

Физическое обоснование предлагаемдго способа заключается в следующем, При ионной бомбардировке твердого тела пуч- 10 ком ионов иозтопа Мх его концентрация в приповерхностном слое в любой момент времени бомбардировки t определяется следующим образом см " () --(-.„- (ег(Я ) (- ег(Д-)1 (1) где V — скорость распыления твердого тела ионами изотопа Мх

В результате процессов ионного внедрения и распыления концентрация изотопа

Мх в приповерхностном слое будет монотонно увеличиваться со временем бомбардировки. Согласно (1) увеличение концентрации будет происходить до тех

25 пор, пока erf () не достигнет своего

4 — R

P максимального значения. Известно, что

erf(x)=1 при х>3, Поэтому, через время t= t, 30 когда будет распылен слой, толщина которого Равна (3 Г2ЬЯр+ Rp), конЦентРаЦиЯ изотопа Мх на поверхности достигнет насыщения. Экспериментально это время х соответствует моменту, когда достигается 35 стабильное значение вторичного ионного тока изотопа IM)(или, соответственно, стабилизируется величина отношения ионных токов двух изотопов !м)(/1му (см,чертеж), 40

3I/2 Ьйр + Rð

Тогда 1/— (pep )45 щ(Ф 26(з— (2) Если исходная концентрации примеси в твердом теле равна См, а исходная концен-. трация изотопа Мх составляет соответст- 50 венно См, то в состоянии динамического равновесия процессов ион нога внедрения и распыления полная концентрация изотопа

М> в поверхностном слое с учетом его до- . полнительного внедрения ионным легированием до насыщения будет превосходить исходную концентрацию Mx e W раз

См амх Смх ф (3) амх откуда

См — — — ф — 1 (4)

С другой стороны, в соответствии насыщения отношение полной концентрации изотопа Мх на поверхности к его исходной концентрации можно определить через отношение стабильных значений вторичных ионных токов двух изотопов и их природных распространенностей:

=(Y(— ""-) (5) аму

Представляя (2) и (5) в (4) получаем окончательно

J t (См — ге-р „г,- ,(g)

+ + где r =IMx /IMy .

Сравнение заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что ионное легирование для введения известного количества вещества и распыление поверхности для проведения анализа здесь осуществляется одновременно одним и тем же пучком ионов какого-либо изотопа определяемого элемента, В заявляемом способе одновременно измеряются вторичные ионные токи двух изотопов определяемого элемента- внедряемого изотопа и какого-либо другого. То, что в данном способе используется отношение токов ВИ этих двух изотопов и их природных распространенностей для определения концентрации примеси, позволяет, в отличие от других известных способов, избежать влияния матричных и структурно-фазовых эффектов, возникающих при легировании, на результаты анализа.

На чертеже представлена зависимость отношения втОричных ионных токов

IMx /IMy двух изотопов анализируемого элемента М от времени бомбардировки твердого тела первичными ионами изотопа

Мх.

Способ осуществляется следующим образом.

Берут образец железа с малой примесью бора, концентрацию которого необходимо определить. Для измерений используется масс-спектрометр ВИ, оборудованный ионным источником, позволяющим генерировать ионы бора, и масс-сепаратором первичного пучка, Для повышения послойного разрешения прибора и, соответственно, точности анализа. применяют систему электронного диафрагмирования вторичного пучка, В качестве источника первичных ионов исполь10

35

50 зуют жидко-металлический источник с сплавным эмиттером, позволяющий генерировать ионные пучки самых различных элементов с достаточно высокой плотностью.

Образец железа распыляют пучком

+ -2 ионов 10в с плотностью така 0,1 мА см и энергией 10 кэВ, падающим па нормали к поверхности образца, С момента начала бомбардировки образца перви иным пучкам ионов производят регистрацию зависимости тока ВИ (например, положительных) двух изотопов бора — 10п и 11в от времени распыления, Измерениетоков ВИ выполняют либо одновременно, если аппаратура соответствующим образом автоматизиравана,либо последовательно в двух точках образца, Из полученной зависимости определяют время т; которое проходит до момента ста+ билизации величины отношения !!аа /!!!в.

Это время составляет г = 45 с, а отношение г=!юв /!1!в = 8 при т >, r, Величины Рр и

ARp C достаточной CTGflQHbf0 точности Bhlчисляют аналитическим путем, либо па таблицам. Для данных экспериментальных . условий находим, что Bp — -13,4-10 см, à AR=

-т

=-9.8 10 "c, Подставляя эти значения в формулу (6) находим искомую концентрацию бора:

*(-О. » Л. з (л + l (- ч

Так как атомазоная концентрация железа М = 8,5.10 см „то концентрация атомов бора в исследуемом образце будет составлять 0,8 ат.%.

По сравнению с прототипом использование предлагаемого способа количественного анализа примесей в твердом теле обеспечивает следующие преимущества.

В известном способе проведение количественного анализа включает операции взвешивания образца (дважды), ионного легирования и собственно масс-спектрометрического анализа, В результате последовательного выполнения этих операций с учетом времени вакуумирования и выведения на режим ионных источников двух установок — ионного имплантатора и массспектрометра ВИ после загрузки образца полное время одного анализа в этом способе составляет около 2,8 часа. В предлагаемом способе имеется только одна операция — масс-спектрометрического анализа, требующая (также с учетом времени вакуумирования) около 1 ч, Таким образом, в связи с тем, что отпадает необходимость в специальном приготовлении эталона путем легирования в отдельной установке, время анализа по сравнению с прототипом уменьшается как минимум вдвое, то есть существенно повышается производительность и экспрессность анализа, Процесс анализа упрощается, становится одноступенчатым.

В прототипе основная погрешность возникает при измерении черезвычайно малой величины — потери веса образца за счет распыления при анализе, и эта ошибка составляет как минимум 100%, Концентрационные, матричные и структурные эффекты при анализе ионна-легированного слоя дают погрешность в определении суммарного потока вторичных ионов анализируемого элемента до 50%. Если другие оставшиеся величины измеряются с погрешностью 10—

20%, то суммарная ошибка в определении концентрации примеси в прототипе составит 110 — 120%.

В предлагаемом способе концентрационные, матричные и структурные эффекты не будут оказывать влияния на результаты анализа, благодаря использованию отношения ионных токов двух изотопов одного элемента, Точность измерения концентрации примеси будет определяться главным образом погрешностями измерения времени стабилизации ионных токов и величины среднего проецираванного пробега. Время стабилизации определяется с погрешностыа 20 — 25%, а средний проецированный пробег — 15-20%, Результирующая ошибка в определении концентрации примеси составит 25 — 32%, что обеспечивает повышение точности анализа по сравнению с прототипом почти в 4 раза, Существенно возрастает экономическая эффективность анализа, так как отпадает необходимость в использовании весьма дорогостоящего оборудования для ионного легирования., Формула изобретения

Способ количественного анализа примеси в твердом теле с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов, включающий ионна-лучевое легирование твердого тела известным количеством определяемого элемента, распыление ионна-легированного слоя пучком первичных ионов и определение концентрации примеси по токам вторичных ионов от внедренного и исходного примесного элемента, отличающийся тем, что, с целью упрощения, сокращения времени и повышения точности анализа, ионна-лучевое легирование и распыление поверхности твердого тела производят одновременно одним и тем же пучком первичных ионов одного из изотопов определямого элемента с регистрацией зависимости токов вторичных ионов легирующего и любого . другого изотопа анализируемого элемента от времени рас10

1781728 пыления, а искомую концентрацию примеси определяют из соотношения I/2 R -з (г= ам, -вмД

Составитель Л.Головко

Техред М.Моргентал Корректор Н.Слободяник

Редактор Т,Иванова

Заказ 4277 Тираж .Подписное

ВНИИПЙ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 где erfc(-Яр/ I/2 hRI,)=

=нт f е dy—

"ЪрМ2 Ьяр дополнительный интеграл ошибки;

J — плотность тока первичных ионов изотопа Мх определяемого элемента М, А/м; х- время распыления твердого тела до момента стабилизации вторичных ионных токов изотопов определяемого элемента М, с;

5 г - IMx /IMy — отношение стабильных значений вторичных ионных токов изотопов

Мх и Му в момент времени г; амх, аму — природная распространенность изотопов Мх и Му элемента М;

10 Rp, ARp — средний проецированный пробег первичных ионов М + и их среднеквадра тичный разброс пробегов соответственно, м е — заряд электрона, К.