Метод ВИМС

            В ВИМС существует несколько способов уменьшения образования положительного заряда на поверхности: облучение ее широким потоком электронов, которые эмитируются расположенным неподалеку термокатодом, облучение пучками отрицательных ионов, повышение давления кислорода        вблизи образца до 10-4 мм рт. ст. При исследовании объема диэлектриков (в отличие от тонких диэлектрических пленок на проводнике) для эффективного отбора вторичных ионов в анализатор необходимо создать между образцом и электродом, вытягивающим вторичные ионы, надлежащий градиент электрического поля. С этой целью на поверхность диэлектрика наносят проводящую пленку или накладывают металлическую сетку.                                  

            Газоразрядные источники, используемые обычно для получения первичных ионов, сильно повышают давление газов в объеме прибора; поэтому крайне желательно предусмотреть     дифференциальную откачку системы формирования пучка. Сепарация первичных ионов по массам важна для  очистки пучка, но не только от инородных элементов, а и от  молекулярных частиц, что необходимо  для определения  характеристик каскадов столкновений и их влияния  на разрешение  по глубине  и перемешивание  атомов  в приповерхностном  слое. Кроме того,  система формирования  первичного пучка  должна позволять развертывать его в  растр для  однородного распределения первичного потока по поверхности, что необходимо  при изучении  профилей  концентрации  примеси.  Наконец,  при  анализе микрообластей  желательно  иметь  возможность  визуально наблюдать  за  поверхностью  образца  вблизи   места  попадания ионного пучка  посредством высококачественной  оптической системы с большим увеличением.

Масс-спектрометрический анализ нейтральных распыленных частиц

            При распылении большинства материалов доля частиц, выходящих  из  мишени  в  виде нейтральных  атомов, значительно выше, чем выходящих в виде  ионов. Поэтому  естественным развитием и дополнением ВИМС является метод ионизации и последующего анализа выбитых нейтральных частиц. Такой метод получил название масс-спектрометрии ионизованных нейтральных атомов. Одним из его преимуществ является то, что нейтральные частицы можно ионизовать за счет такого процесса, который, не зависит ни от матрицы, ни от свойств поверхности образца. Основные же недостатки масс-спектрометрии        ионизованных нейтральных атомов - то, что ионизуются все      частицы, присутствующие в газовой среде прибора, а эффективность  отбора  ионизованных  частиц в  анализатор значительно меньше, чем в ВИМС. Если доля ионов среди выбитых вторичных   частиц gA±  превышает  10-4  (что выполняется  для большинства  элементов  и  матриц), то  масс-спектрометрия ионизованных  нейтральных  атомов  не  может  конкурировать  с  ВИМС по  абсолютной  чувствительности SA±.

            Нейтральные  частицы,  выбитые  из  мишени  газовыми  ионами  из разряда,  ионизуются вслед  за тем  электронным ударом; путем перезарядки или за счет пеннинговского процесса  газоразрядной плазме.  Чувствительность метода  и целесообразность его  применения  зависят  от  эффективности  отбора образовавшихся ионов и от того, оптимизованы  ли условия  разряда так,  чтобы  вероятность  ионизации  анализируемых  нейтральных  частиц была больше вероятности ионизации всех других частиц газового разряда.

            Исследование распыления и ионизации нейтральных атомов в    высокочастотном разряде в инертных газах показало, что такой метод имеет практическую ценность. Разброс по энергиям, ионов, отбираемых из источника с высокочастотным тлеющим разрядом, не превышает 1 эВ, и для их разделения по       массам эффективно использовать квадрупольный анализатор без предварительного фильтра энергий. Установлено, что нейтральные атомы ионизуются в основном за счет пеннинговского механизма. Эффективность ионизации нейтральных частиц в этом случае лишь слабо зависит от природы частиц и совсем не зависит (в противоположность методу ВИМС) от типа матрицы и условий на поверхности образца. Следовательно, относительные ионные сигналы с достаточно хорошим приближением равны относительным концентрациям соответствующих элементов в матрице. При использовании образцов  с  большой  поверхностью  (  ~10  см2) в  этом приборе удалось регистрировать атомные концентрации элементов на уровне  10-6.  Типичные  значения  скоростей распыления лежат в интервале от 10-2 до 10 моноатомных слоев  в секунду, причем с равным успехом могут анализироваться как проводники, так  и диэлектрики.  Таким образом,  не давая  сведений о распределении  вещества  по  поверхности,  метод  масс-спектрометрии  тлеющего  разряда  позволяет определять  химический состав поверхности и  объема, а  также дает  возможность измерять распределение  элемента  по  глубине.  Метод имеет  ряд привлекательных  особенностей,  которые  делают   целесообразным  его  дальнейшее развитие.                                         

Количественный анализ

            Коэффициент  вторичной  ионной  эмиссии SA±  зависит  от целого ряда факторов, таких,  как состояние  поверхности образца, природа  его  матрицы,  и  различных эффектов,  вызываемых первичным пучком.  Следовательно, сопоставление   интенсивностей  вторичных   ионов  данного   элемента из различных  точек поверхности  образца не  всегда непосредственно  отражает  распределение  этого  элемента   по  поверхности. При  оценке такого  рода данных  и особенно  при интерпретации ионного изображения поверхности необходимо соблюдать осторожность.

            Эти изменения вызваны эффектами, зависящими от химической природы и кристаллической структуры материала, а также от относительной ориентации зерен на поверхности. К таким эффектам относятся каналирование первичных ионов, индуцированная  облучением  рекристаллизация, различия в концентрации внедренного кислорода и различия в угловом распределении вторичных ионов, выбитых из по-разному ориентированных зерен сплава. Относительные изменения интенсивности ионов при переходе от одного зерна к другому приблизительно одинаковы для всех элементов. Если измеряемые интенсивности в каждой точке отнести к интенсивности ионов основного элемента, то разница между зернами сглаживается или совсем исчезает. Наблюдения такого рода  показывают,  что любые  количественные оценки  следует основывать не  на  абсолютных  значениях  коэффициента SA±, а  на относительных   значениях  выхода   различных  ионов   из  анализируемой точки.                                                      

            Точность  и  воспроизводимость результатов  измерений относительных  коэффициентов  ионной  эмиссии  в  ВИМС  оказывается  весьма   удовлетворительной  (в   контролируемых  условиях (5%).  Если  необходимая  точность  не обеспечивается,  то нет смысла и говорить о количественном  анализе.   Принимая во внимание сложность явления вторичной ионной эмиссии и существенные различия приборов ВИМС, трудно создать чисто теоретическую модель, пригодную для любых установок, образцов и условий анализа. Например, приборы   ВИМС не собирают все вторичные ионы и не обеспечивают прохождения через анализатор всегда одной и той же доли ионов. Это связано с зависимостью пропускания анализатора от начальной энергии частиц. Оказывается слишком много переменных для того, чтобы можно было правильно рассчитать все чисто теоретически. Поэтому любой метод количественных оценок должен содержать минимум переменных параметров и быть пригодным для каждого прибора ВИМС. Такой метод обязательно будет эмпирическим или полуэмпирическим по своему     характеру и потребует эталонов для определения чувствительности к тому или иному элементу.                            

            Чтобы успешно проводить количественный анализ методом, основанным на градуировке по эталону (да и вообще любым методом), важно стандартизировать рабочие параметры прибора: сорт первичных ионов, их ток, плотность тока и энергию, окружение образца, эффективность детектирования и энергетическую полосу пропускания анализатора вторичных ионов. Только тогда, когда эти условия фиксированы, приобретают какой-то смысл результаты анализа с использованием коэффициентов относительной   чувствительности   к   элементам,   полученных  для  эталонов  близкого  к  образцу  состава.  Если  скомбинировать  равенства  (1) и  (2)  и поделить  результат на  такое же  соотношение   для   эталонного   элемента,  чтобы   исключить  константы, то мы получим                                             

                  (4)

 где  iA± и iA± -  сигналы вторичных  ионов, а  СA и  Сэт- атомные концентрации   элемента   А  и   эталонного  элемента   в  матрице. Пользуясь   коэффициентами   относительной   чувствительности   jА, найденными  таким   образом,  можно   по  измеренным   ионным  сигналам   для   анализируемого   образца    вычислить   относительную атомную  концентрацию  элемента  в  нем:  (iA± /iA±) jА = СA /Сэт.  Все   относительные   атомные   концентрации    можно   нормировать к  100%,  и  тогда  мы  получим  состав  матрицы  в   атомных  процентах   при   условии,   что   порог   чувствительности  установки ВИМС  достаточен  для  регистрации  всех  основных  компонентов образца.  Метод,  описанный  выше,  в различных  вариантах применялся  для  объемного  анализа  различных  матриц.  В  общем   точность  такого   количественного  анализа   должна  составлять   10%.   Но   при  таком   методе  предъявляются   весьма  жесткие  требования  к  эталонам  и  к  однородности исследуемого образца.  Точность  подобных  измерений, естественно,  не выше, чем точность эталона или однородность образца.               

            Создать  эталоны  для  любых  матриц,  какие   только  могут встретиться,   невозможно.   Поэтому   необходимы  эмпирические способы,  которые  позволяли бы  по данным  для нескольких эталонных   образцов   определять   коэффициенты  чувствительности jА для  любой  матрицы.  Величина jА будет зависеть  от параметра  eS характеризующего   электронные   свойства  эмитирующей  ионы  поверхности.  Общий  характер  зависимости  jА(eS)  показан на  фиг. 12. Простейший  способ  оценки eS, состоит в нахождении eS = k(j1/j2), где k  - произвольная постоянная, а j1 и j2 - коэффициенты относительной  чувствительности  для  элементов 1  и 2,  так что  отношение j1 к j2  зависит  от   матрицы.  Информацию   об  eS содержащуюся  в  спектрах  вторичных  ионов,  дают также  отношения вторичных  ионов   М2+/М+,   МО+/М+,  МN+/М+.   Стандартизировав  условия функционирования  установки  и  собрав  экспериментальные  данные  типа  показанных на  фиг. 12 для эталонных  образцов, уже  можно  извлекать  из сигналов  вторичных ионов  достаточно точную количественную информацию почти при любой матрице (если только для нее известна величина eS).ъ

Фиг.12. Зависимость коэффициентов jА относительной чувствительности к разным элементам от типа поверхности образца[1].

            При определении величины eS, следует отдавать предпочтение тем способам, которые основаны исключительно на информации, содержащейся в спектрах вторичных ионов или отношениях величин пиков этих ионов в спектре для неизвестного образца, т.е. информации типа отношений интенсивностей ионов М2+/М+, МО+/М+, МN+/М+ (иди любых других), зависящих от eS,  но не зависящих от концентрации элементов. Кроме того, величину eS, можно рассчитать исходя из отношений ионных сигналов и концентраций двух или более компонентов, для которых  jА/jА’  зависит от матрицы. Подобный метод пригоден при обнаружении следов элементов в хорошо известной матрице. И наконец, можно просто выбрать величину eS  руководствуясь исключительно аналитическим опытом и интуицией. Такой способ не так уж плох, как могло бы показаться. По крайней мере исключаются грубые ошибки (фиг. 12).

            Единственный набор коэффициентов чувствительности позволяет определять концентрации с ошибкой не более чем в 2 раза  для большинства  элементов в  ряде весьма различающихся матриц.  Любая  модель,  которая  вводит  в  коэффициенты  относительной  чувствительности  поправку  на  влияние  матрицы,  может   лишь   улучшить   результаты.   Привлекательные   стороны  описанного  выше  подхода   таковы:  простая   модель,  которую  можно  использовать  в  любом  приборе  независимо   от  каких- либо  теоретических  или  физических  констант и  которая основывается  исключительно  на  эталонах  и  измерениях  в  данном приборе.                                                       

            Выше  основной  упор  мы  делали  на анализ  объемного состава  твердых  тел,  а не  тонких поверхностных  слоев. Поскольку объемный  состав  твердых   мишеней  можно   задать  достаточно точно,  они  и  служат  эталонами  для  проверки количественных  моделей.  Для  поверхностных  пленок толщиной  менее 50  А эталоны  либо  вообще  невозможно,  либо очень  трудно изготовить.

Следовательно,  количественные  данные  для  внешних 50  А можно  получить лишь  так же,  как и  в случае  объемного образца, когда нет эталона.                                            

Глубинные  профили концентрации  элементов

            При  исследовании распределения  того или  иного элемента  по  слоям, параллельным  поверхности образца,  для обнажения  глубоколежащих слоев твердого тела in situ  в большинстве методов анализа поверхности (не  только ВИМС)  применяют распыление ионами.  При этом  разрешение по  глубине, обеспечиваемое  выбранным  методом анализа  поверхности, оказывается не  очень существенным,  поскольку разрешение  будет определяться  в основном  перемешиванием в  приповерхностных слоях и  другими  процессами,  сопровождающими   травление  поверхности.                                                     

            Разрешение  по глубине,  обеспечиваемое при  данном методе определения  профилей  концентрации,   можно  характеризовать тем уширением  профиля тонкого  поверхностного слоя  или резкой  границы  раздела  между  двумя  различными  материалами, которое  обусловлено самим  процессом измерения.  Если толщина  слоя  (или глубина  залегания границы  раздела) превышает примерно  2RP то  из-за  различных  факторов,  вызывающих уширение  измеряемого профиля  концентрации (приборных  и ионно-матричных эффектов), распределение  для тонкого  слоя оказывается  близким  к  нормальному распределению  со среднеквадратичным  отклонением  sR.  За  разрешение  по  глубине можно принять величину sR для этого  распределения. Если  слой толстый,  то  среднеквадратичное отклонение  sМ экспериментально наблюдаемого (измеренного) профиля  связано с  sR и sТ соотношением  s2М =  s2R+s2Т , где  sТ -  среднеквадратичное отклонение истинного распределения слоя. При sМ >>sТ , например в случае тонкого слоя, величина sR приблизительно равна разрешению sR метода по глубине.                            

            Если  принять,  что измеренный  профиль тонкого  слоя описывается  нормальным  распределением,  то  можно  рассмотреть и  случай уширения границы  раздела, и  его связь  с разрешением  по глубине. Это  разрешение можно  вычислить по  профилю ступенчатого  изменения  концентрации  (ширина  ступени  >> sR),  когда форма истинного  края ступени  похожа на  кривую интегрального  нормального  распределения   со  среднеквадратичным  отклонением st.  Если концентрация  изменяется резко  (st~0),  то разрешению по глубине sR соответствует величина  sm, половина  расстояния  между  глубинами,  отвечающими  84   и  16%  измеренной на опыте  высоты ступени.  В случае  граничной области со значительной  собственной шириной  (т. е.  со значительным st) разрешение по глубина дается формулой   sR =(s2m -s2t)1/2,  причем нужно  учитывать ошибки  в величинах  sm и st. Случай профиля слоя с  существенным sT можно рассчитать аналогично.                                               

            Все  сказанное  в  данном  разделе  касается  самых основных  физических  или  приборных  эффектов, связанных  с травлением  поверхности   ионным  пучком   и  проблемой   распыления  ионами  без  искажения  профиля  концентрации.  Поэтому  многое  из сказанного  относится  к  любому  из  методов  анализа  поверхности  с использованием ионного травления.                            

            Измерение  профилей  методом   ВИМС  сводится   к  регистрации  сигнала  вторичных  ионов  интересующего  нас  элемента как  функции   времени  распыления.   В  случае   однородной  матрицы  это  время,  выполнив  соответствующие   градуировочные  измерения  (распыление  пленки  известной  толщины,  измерения  глубины  кратера,  коэффициентов  распыления  и  т.д.),  можно  пересчитать  в  глубину  залегания  элемента.  Изменение интенсивности  вторичных  ионов не  всегда отражает  относительное изменение концентрации элемента; поэтому   нужна   осторожность   при   интерпретации   глубинных  профилей, особенно вблизи  самой поверхности,  т. е.  когда глубина меньше RP+2DRP,  а также  пленок, состоящих  из  различающихся по  составу слоев,  или матриц  с неоднородным  распределением  следов  элементов,  которые  способны  даже  при  малой  концентрации  сильно повлиять  на вторично-эмиссионные   свойства  образца.   В  последнем   случае  для  получения  результатов,   отражающих  реальную   ситуацию,  следует  обработать  измеренные  профили  так,  как   это  делается  при   количественной   интерпретации   интенсивности   вторичных  ионов.  Если это  невозможно, нужно  попытаться по  крайней  мере  проградуировать  интенсивность   вторичных  ионов изучаемого элемента по одному или нескольким элементам, равномерно распределенным в пленке. В общем абсолютная интенсивность вторичных ионов дает прямую информацию о

распределении элемента по глубине лишь при малых концентрациях примеси в аморфной или монокристаллической матрице с равномерно распределенными основными компонентами и лишь при глубинах под поверхностью, превышающих 50 А.

            Пригодность метода ВИМС для определения глубинного профиля наряду с его высокой чувствительностью к большинству элементов делает его весьма привлекательным как метод изучения тонких пленок, ионной имплантации и диффузии. Факторы, существенные при проведении глубинного анализа методом ВИМС,  могут быть  разделены на две группы: приборные и обусловленные особенностями сочетания ион - матрица.

Приборные факторы, влияющие на разрешение  по глубине при измерении профилей концентрации                       

            Получить  при  методе  ВИМС  надежные  сведения  о глубинном  профиле  можно  лишь в  том случае,  если поддерживается  постоянная интенсивность тока первичных ионов и обеспечивается однородность плотности тока пучка в той части поверхности, из  которой в  масс-анализатор отбираются  вторичные частицы. В     стационарном    сфокусированном     ионном    пучке     плотность    тока,   падающего   на   образец,   не   постоянна    по   сечению    пучка,   а следовательно,    и    распыление    поверхности    в    этих    условиях   не может   быть   равномерным.    Если   зона,    из   которой    поступает   информация,    охватывает    все    сечение    первичного   пучка,    то   вклад в   сигнал   ионов   с   краев   кратера    будет   искажать    профиль   концентрации элемента в приповерхностном слое (фиг. 13).                        

            Ошибки    такого    рода    устраняются    в    ВИМС    разными    способами    в    зависимости    от    конструкции    прибора.    В    устройствах, в     которых    не     предусмотрена    возможность     определять    распределение    элемента    по    поверхности,    обычно    расфокусируют   пучок так,  чтобы  его  сечение было больше анализируемой области или   вырезают  при помощи диафрагмы из расфокусированного пучка     определенный     участок     с    однородной     плотностью    тока. Иногда на поверхности мишени помещают тонкую маску из                         

материала, не дающего вторичных ионов, близких к анализируемым,  которая ограничивает вторичную  ионную эмиссию из областей неоднородной плотности первичного пучка.                 

                Фиг.13. Переменный профиль концентрации в приповерхностном слое с указанием                                              различных приборных факторов, которые приводят к искажению профиля по

                              сравнению с истинным распределением[1].

            Наиболее удовлетворительный способ решения проблемы - электрически развертывать сфокусированный ионный пучок в растр по достаточно большой площади поверхности мишени так, чтобы обеспечить в ее нейтральной части однородную плотность тока. При этом нужно уделить особое внимание системе развертки пучка: напряжение строчной и кадровой развертки должно изменяться линейно со временем, обратный ход пучка должен бланкироваться  или хаотизироваться, а скорость развертки должна быть согласована с размерами пучка, чтобы соседние строки растра перекрывались.

            Чтобы полностью использовать достоинства этого метода, необходимо ограничить зону отбора вторичных ионов областью  однородной плотности пучка. Осуществить это сравнительно просто в установках ВИМС, которые позволяют получать  сведения о распределении вещества по поверхности. В  сканирующей микрозондовой установке,  где  первичный  ионный пучок  малого диаметра разворачивается в растр по поверхности,  можно работать  в режиме,  в котором  система детектирования  регистрирует вторичные  ионы  лишь  при  прохождении лучом  выделенного “окна”.                    

            Даже тогда, когда зона, из которой  собирается информация, ограничена  областью  однородной  плотности тока,  имеется еще ряд   приборных  эффектов,   приводящих  к   искажению  формы профилей концентрации. К примеру, эффект  обратного  осаждения на мишень  ранее  распыленного  вещества:  материал, распыленный с краев кратера, оседает на его дне (в том числе  на поверхности анализируемой зоны) и затем  вновь распыляется  (фиг. 13). Такой  эффект  обычно существенен  лишь при  измерении “хвостов” профилей  с  малой  концентрацией  и сильно  ослабляется, если  увеличить крутизну  стенок кратера.  К аналогичным искажениям  профилей  концентрации  приводят  адсорбция  остаточных   газов,  или  эффекты  памяти установки.   Добавим, что любой фактор,  влияющий  на  анализ следов  элементов методом ВИМС (наложение пиков молекулярных ионов, химическая чистота первичного  ионного  пучка,  влияние  несфокусированного компонента  и  периферийных частей  пучка), также  может исказить профиль в области малых концентраций.

Влияние ионно-матричных эффектов  на разрешение по глубине при измерении профилей  концентрации

            Ряд эффектов, вызывающих ошибки при измерении профилей концентрации, связан с характеристиками каскада столкновений, создаваемого в твердом теле первичным ионом. Два таких эффекта - влияние средней глубины выхода вторичных ионов и перемешивание атомов в поверхностном слое. В большинстве случаев распределение анализируемых частиц простирается на глубину свыше 100 А. В этих условиях атомные перемещения в приповерхностном слое, внедрение атомов отдачи и иные связанные с матрицей эффекты вносят в искажение профилей концентрации значительно больший вклад, чем глубина выхода вторичных частиц.                                  

            Основными    параметрами,    определяющими    относительные  пробеги  частиц  в данной  пленке, являются  энергия первичных  ионов,  атомный  номер  Z и масса  А бомбардирующих  частиц и  атомов  мишени. Таким  образом, измеряемый  профиль концентрации должен зависеть от Z и  А первичных  ионов так  же, как  от их энергии.  Еще один  параметр, влияющий  на его  форму, - угол падения, т. е. угол между первичным  ионным пучком  и поверхностью мишени  (обычно этот  угол отсчитывают  от нормали  к  поверхности).  Увеличение  угла  падения приводит  к уменьшению  средней   глубины  проникновения   частиц  относительно  поверхности  образца  и, следовательно,  эквивалентно уменьшению энергии первичных ионов.

            Кроме  того,  уширение  или  уменьшение  крутизны, профиля  концентрации  может  происходить  из-за   диффузии  элементов,  вызываемой   или   усиливаемой   радиационными   повреждениями  в твердом  теле, локальным  повышением температуры  в облучаемой  области  и  сильным  электрическим  полем,  возникающим в  результате  зарядки  поверхности  первичным  пучком.  В  общем случае  роль  всех  этик факторов  предсказать трудно.  Что же  касается  напряженности  поля,  то  в  пленке толщиной  1000 А  при зарядке поверхности до 10 В она может достигать  106 В/см.

            Одной  однородности  плотности  первичного ионного  тока по поверхности  недостаточно  для  того, чтобы  травление образца протекало  равномерно.  Скорость травления  определяется топографией  поверхности,  чистотой  и однородностью  образца, что в свою очередь зависит от  его состава,  физического состояния и  кристаллографической  ориентации.  Как правило,  при контролируемых  условиях работы  установки  и  состояния  образца уширение  профиля, связанное  с процессом  ионного травления,  не превышает  10% исследуемой глубины.

            Внедренные первичные ионы и вызванные ими повреждения решетки мишени могут повлиять на форму профиля концентрации, оказав влияние на коэффициент распыления и вероятность ионизации распыленных частиц. Но если ионное травление осуществляется частицами с энергией 100 эВ/ат. ед. массы, то изменения матрицы вследствие внедрения ионов ограничены поверхностным слоем толщиной 100 А. За его пределами концентрация внедренных ионов остается постоянной и сохраняется стабильное состояние матрицы.

Применения

            Приложения ВИМС можно разбить на пять широких (частично перекрывающихся) областей: исследование поверхности, глубинные профили концентрации, распределение по поверхности, микроанализ и анализ объема твердого тела.

Исследование поверхности

            В  области  анализа  поверхности  ВИМС  применяется   в  основном  для  идентификации  поверхностных   атомов  и   молекул  и  для  изучения  динамики  поверхностных  явлений.  Кроме того,  динамику поверхностных  процессов  можно  изучать,  не  внося  заметных  возмущений,   поскольку  для   полного  анализа   достаточно  удалить всего лишь 10-6 внешнего атомного слоя вещества.  Методом   ВИМС  исследуются   такие  поверхностные   явления,  как  катализ,  коррозия,  адсорбция  и  диффузия.

            В  приборах  ВИМС,  в  которых  предусмотрено   все  необходимое  для  напуска  газа  и  нагревания  образцов,   можно  изучать поверхностные  процессы  in situ.  Информация,   содержащаяся  в масс-спектрах   положительных   и   отрицательных   вторичных  ионов,  дает  некоторое  представление  о   характере  поверхностной связи   и   механизмах  взаимодействия   между  газом   и  поверхностью.   К   хорошо   документированным  применениям ВИМС  при  изучении   катализа  относятся   исследования  разложения  и  синтеза  аммиака на  железе  и  состава поверхностного  слоя  серебра,  используемого  в  качестве  катализатора при  окислении  этилена.  Каталитические   процессы  отличаются  от  реакций  окисления  или  коррозии  металлов  тем,  что активная  зона  каталитических  реакций  по  размерам   -  порядка моноатомного  слоя,  тогда  как  при  окислении  она увеличивается из-за  действия  химических   смещающих  сил,   направленных  перпендикулярно   границе   раздела   между   адсорбированным   слоем и  металлом.  Предметом   ряда  исследований,   проведенных  методику  ВИМС,  были  начальные  фазы  газовой  коррозии   и  образования  поверхностных  соединений.

            Извлечение количественной информации о поверхностном слое или зоне реакции на поверхности сопряжено с известными трудностями. Но как показано выше, процессы на поверхности часто можно изучать и без приведения полученных данных к атомным концентрациям частиц. Тип вторичных ионов и изменение их токов в зависимости от времени, температуры и давления газа дают достаточную информацию для того, чтобы  судить  о  многих  процессах,  протекающих  на  поверхности образца.  Во   многих  случаях   высокая  чувствительность   и  широкие  возможности   метода   ВИМС   компенсируют   недостаточную   количественную  точность,  позволяя  извлекать  качественные  или  полуколичественные   сведения   (особенно   в   плане  качественного  контроля при  приготовлении и  обработке поверхности ), которые невозможно получить другими методами.                   

Глубинные профили концентрации                                

            ВИМС   -   один  из   самых  эффективных   методов  диагностики  поверхности   среди   применяемых   для   измерения  распределения  концентрации  элементов  по   глубине  образца.   Предел  разрешения  по  глубине  при  таком  методе  не превышает  50 А,  а порог чувствительности  меньше  1017 атом/см2.

            В настоящее время для изменения свойств приповерхностного слоя твердого тела широко пользуются методам ионного внедрения (имплантации). Распределение внедренных частиц по глубине определяют разными методами (радиоактивные изотопы, измерение электропроводимости, рентгеновские лучи, возникающие при бомбардировке тяжелыми ионами). Но применение подобных методов сопряжено с большими трудностями и возможно далеко не при всех сочетаниях легирующий ион - матрица. Метод ВИМС же свободен от таких ограничений и потому наиболее удобен при определении профилей концентрации внедренных частиц.

Распределение частиц по поверхности,   микроанализ и объемный анализ 

            Рентгеновский   микроанализ  открыл  путь для  диагностики твердых  тел  и  до  сегодняшнего дня  остается важнейшим  методом такого  анализа.   Создание   приборов   ВИМС   типа  масс-спектральнаго  микроскопа   и  растрового  микрозонда   расширило возможности  микроанализа  твердого  тела,  позволив  достичь большей  чувствительности,  проводить  изотопический  и  поверхностный  анализ  и  обнаруживать присутствие  элементов с  малыми Z.

            Масс-спектральные  микроскопы  дают  качественную,  а   при  некоторых условиях и количественную информацию о распределении элементов по поверхности образца.       Они применяются при изучении выделений на границах зерен, различных эффектов и поли- и моно-кристаллах, диффузии  (двумерного распределения  в  плоскости  поперечных  шлифов), фазового состава минералов  и распределения поверхностных загрязнений.                                   

    Методом ВИМС проводится анализ двоякого рода: определение общего состава в объеме твердого тела и определение состава в отдельных его точках (т. е микрообластях диаметром менее 25 мкм). Микроанализ методом ВИМС проводился для определения следов различных элементов, содержащихся в тех      или иных зернах минералов, изотопического анализа РЬ in situ в ореоле радиоактивных включений (диаметром 1 - 2 мкм), элементного анализа взвеси  и определения возраста некоторых фаз в минералах по отношению 207Pb/206Pbи рубидиево-стронциевым методом. Анализ активных газов (таких, как Н2, N2, О2) в металлах этим методом сопряжен с известными трудностями.

Заключение

            Пока что нет такого метода, который полностью удовлетворял бы всем запросам всех исследователей, имеющих дело с поверхностью. Метод ВИМС не является исключением в этом отношении, но он занимает особое положение в области анализа состава объема и поверхности твердого тела, т. к. в ряде других отношений с ним не могут сравниться никакие другие методы. Высокочувствительность к большинству элементов, возможность регистрации атомов с малыми Z и изотопического анализа, высокое разрешение по глубине при измерении профилей концентрации и возможность изучения распределения элементов по поверхности делают ВИМС методом трехмерного анализа изотопного и следового состава твердого тела (фиг. 14).

            Фиг.14. Влияние анализируемой площади на предельную разрешающую способность[2].

            Многие задачи физики поверхности могут быть решены качественными или полуколичественными методами, поэтому, не очень высокая точность количественных оценок, обеспечиваемая методом ВИМС, с лихвой компенсируется той ценной качественной информацией, которую он дает. ВИМС уже оказал большое влияние на микроанализ твердых тел в направлениях, имеющих как фундаментальное, так и прикладное значение. Дальнейшее развитие метода ВИМС должно быть направлено, главным образом, на решение проблемы количественного анализа и отыскания путей повышения его точности.

Список литературы

1. Мак-Хью И.А. Вторично-ионная масс-спектрометрия: В кн. Методы анализа                                  поверхности./Пер с англ. - М.: Мир, 1979. - с. 276-342.

2. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. - М.:             Мир, 1985. - 496 с.

3. Технология СБИС: В 2-х кн. Пер. с англ./Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. - 453 с.

4. Черепин В.Т., Васильев М.А. Методы и приборы для анализа поверхности          материалов: Справочник. - Киев: Наукова Думка, 1982. - 400 с.

5. Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок./Пер. с      англ. - М.: Мир, 1989. - 342 с.

6. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. - М.: Наука, 1966. -             564 с.

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

Страницы: 1, 2, 3