Масс-спектрометрический способопределения концентрации микропримесейв твердых образцах

Союз Советскик Социалистнческик РеслубликОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯИ АВ 1 ОИ:КОМУ СВИ ЕТЕПЬСЯУ(51)М. Клз6 01 й 27/62 Н 01 3 39/34 с присоединением заявки йо -Государственный комитет СССР по дедам изобретений и открытий(54) МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ МИКРОПРИМЕСЕИ В ТВЕРДЫХ ОБРАЗЦАХ Изобретение относится к способам анализа чистых материалов на примеси, в частности к масс-спектроскопи.ческим способам измерения концент-, з раций микропримесей в твердых образцах. Из весте н масс-с пектроскопический способ определения концентраций примесей в твердых образцах, заключающийся в том, что атомы элементов (в том числе и примесных), входящих в объемный состав .исследуемого образца, извлекают из него, превращают в положительные ионы и формируют в пучок. 15 Затем этот пучок ионов с помощью различных ионно-оптических систем разделяют на компоненты по массам. Интенсивности отдельных компонент регистрируют и измеряют. если при этом выпол няется условие линейной зависимости интенсивности 3 каждой компоненты пучка от концентрации п соответствующего элемента в объемном составе образца, то сравнивая интенсивности Э компонент пучка, полученного из исследуемого образца, с интенсивностями 2, соответствующих компонент пучка, полученного из стандартного образца, находят неизвестное значение концен- ЗО трации ппримеси из простого соот=ношенияпд хоп снап,где и щ- концентрация соответствующей примеси в стандартномобразце.Следовательно, использование масс- спектроскопии для измерения концентраций примесей связано с необходимостью калибровки масс-спектроскопических приборов с помощью стандартных образцов с известным содержаниемэтих примесей, которое, в случае измерения микропримесей, должно быть на уровне от 10и ниже 1 .Однако изготовление таких образцов является делом исключительно сложным, и поэтому масс-спектроскопические способы долгое время имели ограниченную применимость в области анализа чистых материалов.Широкое применение масс-спектроскопии для этих целей связано с появлением способа изотопического разбавления, по которому в исследуемый образец предварительно вводят известное количество атомов определяемого элемента 21Однако способом изотопического разбавления сложно, а во многих случаях невозможно, анализировать моноизотопные элементы. Он во многих случаях оказывается экономически невыгодным из-за дороговизны разделен 5 ных изотопов определяемого элемента При разбавлении исследуемого образца изотопами определяемого элемента и выделении этого элемента из раствора требуется индивидуальный подход как к материалу образца, так и к анализируемому примесному элементу. Поэтому использование способа изотопического разбавления для анализа образцов из различных материалов на содержание большого количества примесных элементов в них связано с чрезмерно большим объемом химических работ, который во многих случаях превращается в труднейшую проблему.Цель изобретения - расширение ас сортимента измеряемых веществ и упрощение процесса измерения.Указанная цель достигается тем, что в исследуемый образец вводят известное количество О атомов опреде ляемого элемента ионно-лучевым легированием, затем, распыляя легированный образец пучком первичных ионов бла" городного газа, например аргона,и масс-спектрометрически анализируя выбиваемые при этом вторичные положительные ионы, определяют суммарный поток Й вторичных ионов определяемого элемента, образовавшихся за время с, распыления от всех внедренных атомов, и поток Йп вторичных ионов, образовавшихся от примесных атомов, и определяют искомую концентрацию и каждой из примесей по фор-. мулеьм сР 40ьр й где Н - атомный вес основного элемента исследуемого образца, д р - потеря веса образца за время распыления. 45На чертеже показана зависимость величины потока вторичных ионов определяемого элемента от времени распыления.Физическое обоснование предлагаемого способа заключается в следующем.При достаточно плотном пучке первичных ионов поток вторичных ионов примесного элемента, относительная концентрация этого элемента в исследуемом образце и поток йо первичных ионов связаны соотношенйемЙпР спйО (с - постоянная) (1) .Если в некоторый объем 5 н образца, исследуемого ионно-лучевым легированием, ввести определенное количест- Щ во О ионов того элемента, концентрацию которого необходимо определить, то при последующем распылении этого объема плотным пучком ионов другого сорта (например ионами аргона) будетнаблюдаться зависимость величины потока Й вторичных ионов определяемого элемента от времени распыления (фиг. 1) .Если образец распыляется равномерно, т.е. скорость распылениян йбЬ А=К -- - собес,(А - число атомов в единице объема исследуемого образца, к - коэффициент его распыления), то толщина Й распыленного слоя .и время с, ушедшее на его распыление, связаны соотношениемНеаЦ, -АВ интервале (О=с ) (чертеж),в те чение которого будет распыляться легированный объем образца, для потока Й(с) вторичных ионов, образующихся из внедренных атомов, справедливо соотношенией(с)=сйп(с) (2), где п(с) - относительная концентрация атомов., внедренных в некоторый тонкий слой 5 дй, на распыление которого уходит время с. Если в этот слой внедрено ь О атомов, и если площадь поверхности распыления и площадь основания легированного объема одна и та же те . Ьее ат") АзьН Ь и Ьск о соответственно (2) перепишется в виде йд "к дЪ (,ъ),тогда суммарный поток Йвторичных ионов определяемого элемента, образовавшихся за время с распыления от всех внедренных атомов запишется какй = ЙС)Ю= Ъ (4),Разделив (1) на (4), находим оопоК=Йогде д - общее число распыленных атомов, равное отношению общего веса ь Р распыленных атомов основного элемента к их атомному весу И, то окончательная рабочая формула для определения концентрации примесных атомов заЪИ Ъе й Р,Вар ав)ба ар и а Ве Так как Таким образом, измерение концентрации примесей предлагаемым способом включает в себя следующие операции:1В предварительно взвешенный исследуемюй образец конно-лучевым легированием внедряют известное количество атомов определяемого элемента,2. Распыляя легированный образец ионами другого сорта и масс-спектрометрически анализируя выбиваемые при этом вторичные положительные ионы, измеряют значение величины у М(1)дс, пропорциональное количеству фвнедренных атомов, и после распыления леги 5 рованного слоя - значение величины Мр, пропорциональное количеству вторйчных ионов, образовавшихся из примесных атомов. При этом Фиксируют время с ,. в течение которого образец подвергался распылению.3. Исследуемый образец взвешивают вторично и определяют значение величины Ир.4.:Искомое значение величины и вы числяют по Формуле (5).Предлагаемый способ обладает рядом важных преимуществ, которые выгодно отличают его от известного:1) способ не имеет ограничений, он Щ позволяет анализировать примеси любых, в том числе и моноизотопных, элементов;2) операция введения атомов примесного элемента способом изотопичес- д кого разбавления требует индивидуального подхода к каждому отдельному случаю, в то время как эта же опера-. ция при ионно-лучевом легировании одинакова для всех элементов таблицы Менделеева, и поэтому она в общем экономичней и менее трудоемка;3) операция введения атомов примесного элемента иоино-лучевым легированием делает предлагаемый способ дешевле известного еще и потому, что она исключает необходимость использования разделенных изотопов, получение которых для многих элементов связано с большими затратами;4) способ не нуждается в химичес ком выделении примесного элемента иэ исследуемого образца, что исключает большой объем химических работ, который необходит при этой операции в способе изотопического разбавления, 4 и который в отдельных случаях, из-за своей сложности, делает применение последнего нецелесообразным,5) способ дает возможность последовательно анализировать один и тотже образец на содержание любого количества элементов, не зависимо от наличияв нем любых других элементов,6) способ базируется на массспектрометрии вторичных ионов, которая в настоящее время находит самое широкое применение в области анализа чистых материалов.формула изобретенияМасс-спектрометрический способ определения концентраций микропримесей в твердых образцах, включающий предварительное введение в исследуемый образец известного количества атомов определяемого элемента, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения ассортимента измеряемых веществ и упрощения процесса измерения, известное количество определяемого элемента вводят в исследуемый образец ионно-лучевым легированием, затем, распыляя образец пучком первичных ионов, определяют сум-. марный поток вторичных ионов определяемого элемента, образовавшихся за время распыления от всех внутренних атомов, и поток вторичных ионов, образовавшихся от примесных атомов, и, определяют искомую концентрацию каждой из примесей по формуле и- )ЬДЙ где И - атомный вес основного элемента исследуемого образца;р - потеря веса образца за время распыления; поток вторичных ионов образовавшихся от примесных атомов; М - суммарный поток вторичных ионов определяемого элемента, время распыления, , 0 - известное количество атомов определяемого элемента, введенного ионно-луче вым легнрованием. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Рик Г.Р. Масс-спектрометрия. М., 1953.2. Эпдйгав М.б. З.РЬУь, СЬещ. 1953, р. 57, 8, 809 (прототип).813240 Составитель Н. Алимова рсков Техред Е.Гаврнлеыко КОРРедактор А. каэ 7 е ка илиал ППП "Патентф, г. ужгород, ул. Проектная,52 Тираж 907 ВНИИПИ Росударствйняого по делам иэобретений 13035, Москва, Ж, Раувз