СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА И ТОЛЩИНЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛЕНКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА ПРИ ВНЕШНЕМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ПОВЕРХНОСТЬ
METHOD OF DETERMINING ELEMENTAL COMPOSITION AND THICKNESS OF SURFACE FILM OF SOLID BODY WITH EXTERNAL ACTION ON SURFACE

Изобретение относится к экспериментальной физике и методам контроля поверхности материалов при нанесении (образовании) или удалении с нее тонких слоев веществ, отличающихся по среднему атомному номеру от материала подложки, в том числе в условиях плазменного воздействия.
Для анализа состава поверхности и осажденных на ней слоев широко используются методы вторично эмиссионной спектроскопии с распылением поверхности зондирующим пучком. Однако при этом разрешение по глубине в этих методах ограничено и сопровождается разрушением образца [Woodruff DP., Delchar T.A. Modern techniques of durface science, Cambridge, Cambridge University Press, 1986]. Спектроскопия обратного резерфордовского рассеяния может быть использована как неразрушающий метод анализа, но требует применения дорогостоящих ускорителей [B. Breeger, E. Wendler, W. Trippensee, Ch. Schubert, W. Wesch; Nuclear instruments and methods in physics research; В174, 199-204; 2001].
Наиболее близким способом к предлагаемому изобретению и принятым в качестве прототипа является способ определения элементарного состава твердого тела [RU 2017143 С1], в котором, путем измерения масс-спектра вторичных частиц, получаемых из материала, и измерения энергетических распределений анализируемых частиц, находят искомую концентрацию каждого компонента.
-8
Однако, данный способ, реализованный в макетном образце прибора [Гордеев Ю.С., Каблуков С.Б., Макаренко Б.Н., Попов А.Б., Шергин А.П. Определение компонентного состава ВТСП с помощью масс-спектрометрии вторичных атомов. Заводская лаборатория,, т.56, N 8, с.52-55, 1990], не позволяет определить толщину поверхностных слоев, а также из-за необходимости проведения анализа в высоком вакууме ~10 Торр не позволяет исследовать динамику изменения состояния поверхности непосредственно при его технологической обработке, например при плазменном воздействии или при травлении ионным пучком или при напылении с помощью ионных пучков.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей определения элементного состава поверхностной пленки твердого тела, а именно определение элементного состава и толщины поверхностного слоя твердого тела при внешнем воздействии на поверхность.
Технический результат достигается тем, что измерение энергетических спектров ионов водорода и ионов инертных газов отраженных и выбитых из поверхности твердого тела производят непосредственно в процессе внешнего воздействия на поверхность твердого тела или сразу после него путем поочередного облучения во времени поверхности твердого тела масс - сепарированными по отношению масс к заряду ионами водорода и ионами инертных газов с энергиями, при этом поочередное облучение ионами водорода и инертных газов осуществляют путем подачи соответствующего ускоряющего напряжения на ионный источник, работающего на смеси инертных газов и водорода, при этом об элементном составе поверхностного слоя твердого тела судят по энергетическим спектрам однократно отраженных ионов инертных газов и ионов отдачи, а о толщине поверхностного слоя твердого тела по энергетическим спектрам рассеянных ионов водорода. В качестве ионов инертных газов используют гелий, неон или аргон, а внешнее воздействие осуществляют путем травления ионным пучком, или напыления с помощью ионных пучков, или облучения плазмой или нагрева.
Ионные пучки водорода и инертных газов создают с помощью одного ионного источника, например дуоплазматрон, работающего на смеси инертных газов и водорода. Это позволяет получать одновременно ионы, обеспечивающие анализ атомов на поверхности, а также ионы, обеспечивающие измерение толщины слоя со средним атомным номером, отличающимся от среднего атомного номера подложки. Ионы инертных газов с высоким потенциалом ионизации, отраженные от поверхности твердого тела на фиксированный угол в пределах 5-30° потоках частиц формируют узкие пики однократно рассеянных ионов или выбитых ионов отдачи, энергия которых однозначно связана с массой атомов поверхности. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что энергия иона после упругого рассеяния на атоме
<mrow><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>γ</mi><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi><mo>+</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>γ</mi><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>ϕ</mi></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>γ</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где γ=m/M, m - масса налетающей частицы, М - масса атома, на котором рассеивается электрон. При этом атому поверхности передается энергия
<mrow><msub><mi>E</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>γ</mi><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mrow><msub><mrow /><mn>2</mn></msub></mrow></msup><mi>ϕ</mi></mrow><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>γ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где φ - угол между направлением импульса, переданного атому в результате рассеяния и направлением первоначальной траектории иона. Для анализа тонких приповерхностных слоев необходимы ионы водорода, которые из-за малого сечения упругого рассеяния (по сравнению с более тяжелыми ионами) глубоко проникают в поверхность и, отражаясь от атомов в глубине твердого тела и теряя по пути свою энергию за счет неупругих соударений, формируют широкие куполообразные энергетические распределения отраженных частиц, форма которых зависит от атомного номера частиц среды и толщины соответствующих слоев на поверхности мишени. Причем при использовании ионов (или атомов) водорода узкие пики однократного рассеяния практически не наблюдаются. Толщина поверхностного слоя определяется по формуле:
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>k</mi></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msqrt><mrow><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub></mrow></msqrt><mo>−</mo><msqrt><mrow><msub><mi>E</mi><mi>m</mi></msub></mrow></msqrt><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
m
LS
l/2
где E - энергия налетающих ионов, E - наиболее вероятная энергия ионов после отражения от исследуемой поверхности, k - значение тормозной способности, рассчитывалось по формуле Линдхарда-Шаффра k=0.082eV/A (можно использовать другие литературные данные [Готт Ю.В. Взаимодействие частиц с веществом в плазменных исследованиях. М.: Атомиздат, 1978, 270 с]).
Суть предлагаемого способа заключается в том, чтобы обеспечить поочередное облучение исследуемого образца теми и другими ионами. При этом вид и энергия ионов, используемых для определения элементного состава поверхностного слоя твердого тела, должны обеспечивать формирование компоненты однократно упруго отраженных ионов и выбитых ионов отдачи [Курнаев В.А., Машкова B.C., Молчанов В.А. // Отражение легких ионов от поверхности твердого тела // М. Энергоатомизат. 1985, 192 с], в то время как энергия ионов водорода, используемых для измерения толщины слоя на поверхности образца, должна быть достаточна для проникновения на всю глубину слоя, отражения от подложки и вылета обратно в вакуум [Курнаев В.А., Трифонов Н.Н., М.Н. Дроздов, Салашенко Н.Н. // Письма в ЖТФ, т.25 вып.11, 1999]. Данный способ исследования поверхностной пленки твердого тела обеспечивает монослойное разрешение анализируемой поверхности, а также позволяет исследовать пленки, состоящие из атомов, отличающихся по среднему атомному номеру от атомов подложки, например, поверхностный слой, состоящий из молекул воды и углеводородов на поверхности металлов. При этом данный способ позволяет не разрушать исследуемую поверхностную пленку твердого тела.
Данный способ был реализован с помощью экспериментальной установки «Большой Масс-Монохроматор МИФИ «Крокодил» [Курнаев В.А., Мамедов Н.В. Модернизированная установка для исследования взаимодействия с поверхностью ионов с энергия до 40 кэв. «Краткие сообщения по физике» №4, с.45, 2010].
На фиг.1 представлена схема одного из вариантов реализации данного способа, где 1 - ионный источник дуоплазматрон, 2 - сепарирующий электромагнит, 3 - мишень, 4 - плазменный источник для воздействия на поверхность образца, 5 - электростатический энергоанализатор, 6 - детектор ионов, 7 - нагреватель образца, α - угол падения первичного пучка, θ - угол регистрации рассеянных ионов.
0
0
0
1/2
Извлекаемый из источника ионов 1 пучок сепарируется по отношению массы к заряду, причем для ускоряющего ионы потенциала U, массы М, заряда Z и величины сепарирующего поля В выполняется соотношение (UM/Z)/B=const. Изменяя ток в электромагните 2, выделяют нужную компоненту пучка UM/Z=const и направляют на мишень 3, расположенную в камере столкновений. После чего отраженные частицы проходят электростатический энергоанализатор 5 и регистрируются с помощью детектора 6. При этом мишень может подвергаться плазменному воздействию 4 или нагреву 7.
0
0
анализ
0
4
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mn>2</mn><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mn>2</mn><mo>+</mo></msubsup></mrow>
4
+
4
+
Например, для того, чтобы осуществить одновременное определение состава и толщины слоя из легких атомов карбида бора на поверхности подложки из тяжелых атомов молибдена необходимо попеременно направлять на мишень ионы водорода и гелия, изменяя ускоряющее ионы напряжение на ионном источнике в соответствии с условием UM/Z=const. При использовании для анализа однозарядных ионов гелия переход от облучения ионами
к ионам Heсводится к двукратному уменьшению величины ускоряющего потенциала. В рассмотренном случае слоя карбида бора на поверхности молибдена U должно попеременно составлять 5 и 2,5 кВ как показано на фиг.2 (где τ - время снятия энергоспектра), а масс-монохроматор настраивается на значение U·M/Z=10 КэВ·а.е.м. При этом энергия ионов гелия обеспечивает формирование узких пиков однократно рассеянных ионов, а энергия ионов водорода наличие в энергетическом распределении отраженных частиц ионов, отраженных от слоя более тяжелых атомов подложки. При толщине слоя ВС порядка 4 нм и облучении ионами
с начальной энергией 5,0 кэВ при регистрации под углом рассеяния 30° толщина слоя определяется с точностью ±0,03 нм На фиг.3 представлен характерный энергетический спектр ионов водорода отраженный от исследуемой поверхности (где 1 - энергетический спектр первичного пучка ионов водорода - дельта функция, 2 - энергетический спектр ионов водорода отраженных от исследуемой поверхности, 3 - положение наиболее вероятной энергии ионов после отражения от исследуемой поверхности). Ионы же гелия формируют спектр с узкими пиками, соответствующими частицам, однократно рассеянным от атомов бора и углерода, а также первично выбитым ионам отдачи тех же элементов. Поскольку атомы углерода обладают большим сродством к электрону, то для их детектирования измерялись энергетические спектры отрицательно заряженных атомов отдачи при облучении ионами He. На фиг.4 представлен характерный энергетический спектр отрицательно заряженных ионов отдачи и ионов гелия выбитых и отраженных от исследуемой поверхности (где 1 - положение пика, соответствующего атомам отдачи кислорода, 2 - положение пика, соответствующего атомам отдачи углерода, 3 - куполообразная часть спектра соответствующая отрицательным ионам гелия, отраженным от поверхности) На фиг.4 четко видны два пика, которые соответствуют атомам отдачи углерода и кислорода (атомы кислорода являются остатками адсорбированных на поверхности молекул воды). Высокоэнергетическая часть этого спектра по форме полностью соответствует высокоэнергетической части спектра положительных ионов. Таким образом, куполообразная часть спектра соответствует отрицательным ионам гелия.
2
0
0
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mn>2</mn><mo>+</mo></msubsup></mrow>
+
Для анализа на порядок более толстых слоев можно использовать смесь газов Ne и Н. В этом случае масс-монохроматор настраивается, например, на соотношение U·M/Z=40 КэВ·а.е.м. В этом случае при подаче на источник ускоряющего потенциала 40 кВ на мишень попадут ионы
с энергией 20 кэВ, а при уменьшении U до 2 кВ - ионы Ne с энергией 2 кэВ. Протоны позволят измерить по энергетическому спектру толщину слоя, а ионы неона - его состав.
Резкое различие в энергиях первичных ионов позволяет проводить непрерывную регистрацию спектра рассеянных частиц. Если же характерные участки энергетических спектров для разных ионов совпадают, то, синхронизовав измерения спектров с изменением ускоряющего напряжения можно получать независимые спектры для разных ионов.
0
0
Степень одновременности измерения толщины и состава слоя на поверхности образца определяется частой изменения U. Так, при частоте изменения U 10 Гц анализ толщины и состава поверхности будет осуществляться с разницей во времени 0,1 с, при 100 Гц - с разницей в 10 мc.
Таким образом, из вышеуказанного следует, что предлагаемый способ позволяет определять элементный состав и толщину поверхностного слоя твердого тела, находящегося под плазменным облучением с целью изучения закономерностей и механизмов взаимодействия плазмы ТЯР с кандидатными материалами первой стенки УТС. А также улучшить контроль поверхности материалов при нанесении (образовании) или удалении с нее тонких слоев веществ применяемых в электронной промышленности.