Способ количественного анализа примеси в твердом теле

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХЕСПУБЛИК 8 А ЕНТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАВЕДОМСТВО СССР(22) 19.12.9046) 15.12.92. Бюл. В 4671) Институт металлофизики АН УССР,)ц 9 Ьгае М.6.,), РЬуз СЬеа, 1953, 57, М 8,р.809-814.Авторское свидетельство СССР.М 8 Я 3240, кл, 6 01 М 27/62, 1981.Тза .С., МогаЫсо .М., Зцг 1,3 с.1974, 44,М 2, р.247-252,Буренков А,ФКомаров Ф.ф., КумаховМ.А., Темкин М.М. Таблицы параметровпространственного 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 конценнцент- талонК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ з Н 01 ) 49/26, 6 01 ч 23/2(57) Использование: относится к масс-спектрометрии вторичных ионов и может быть использовано для количественного 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 формулеССА=А7где СА, СА - соответственно коЭрации элемента А в исследуемом и э ном образце;)А, А - соответственно, токи ВИ элеэмента 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 ионноголегирования. Изготовление таких эталонных образцов представляет довольно слож-ную и трудоемкую задачу, особенно, если необходимо иметь большой набор комбинаций примесь-матрица в широком диапазоне 8 концентраций, вследствие чего способ количественного анализа с использованием внешнего стандарта имеет ограниченную применимость. (роме 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 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 нивая отношение токов ВИ изотопованали. зируемого элемента (концентрация одного из которых увеличена за счет дополнительного растворения известного количества изотопа) с их природной распространенно- ЗО стью, определяют искомую концентрацию,Недостатком этого способа является высокая трудоемкость и ограниченность применения, связанная с растворением конкретного материала образца и примес ного элемента. Способ оказывается экономически невыгодным из-за высокой стоимости получения разделенных изотопов,Наиболее близким техническим реше нием к заявляемому является. способ количественного анализа, в котором в твердое тело первоначально вводят известное количество О атомов определяемого элемента ионно-лучевым легированием, Распыляя за тем имплантированный образец пучком ионов благородного газа и масс-спектрически анализируя выбиваемые при этом ВИ, определяют суммарный поток Мвн ВИ определяемого элемента, образовавшихся за 50 время т распыления отвсех внедренных атомов, и поток ВИ Мпр от примесных атомов, при этом искомую концентрацию и каждой из примесей определяют по формуле:8Мси )где М - атомный вес основного элемента исследуемого образца;ЬР - потеря веса образца за времяраспыления.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 ЬР. 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 отвнедренного и исходного примесного эле мента, 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 формулегде ) - плотность тока первичныхионов изотопа Мх+- определяемого элемента М;т- время распыления твердого тела до момента стабилизации вторичных ионных токов изотопов элемента М;г - отношение стабильных значений вторичных ионных токов изотопов М, и Мв момент времени т;СМ (1) где Ч - скорость рас тела ионами изотопа М,В результате процес рения и распыления конц М в приповерхностном тонно увеличиваться со в дировки, Согласно концентрации будет пр пор, пока его( ) не т - вления твердого сов ионного внедентрация изотопа слое будет моноременем бомбар- (1) увеличение оисходить до тех достигнет своего максимального значения. Известно, что его(х)=1 при х) 3, Поэтому, через время с = ю, когда будет распылен слой, толщина которого равна (3 Г 2 ЬЯр+ Вр), концентрация изотопа М на поверхности достигнет насыщения. Экспериментально это время х соответствует моменту, когда достигается 3 стабильное значение вторичного ионного тока изотопа м или, соответственно, стабилизируется величина отношения ионных токов двух изотопов м /му (см,чертеж),4 30 у 2 Ьйр + йр гда Ч(2)Если исходная концентрации примеси в твердом теле равна См, а исходная концен-. трация изотопа М составляет соответственно 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 М в Ю разСм ам См443)м ам ам, аму - природная распространенность, соответственно, изотопов М и Му элемента М;Яр, Мр - средний проецированный пробег первичных ионов изотопа М+ и их 5 страгглинг, соответственно;е - заряд электрона.Физическое обоснование предлагаемдго способа заключается в следующем, При ионной бомбардировке твердого тела пуч ком ионов иозтопа М его концентрация в приповерхностном слое в любой момент . времени бомбардировки 1 определяется следующим образом+ +где г=м /му .Сравнение заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что ионное легированиедля 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 м /му двух изотопов анализируемого элемента М от времени бомбардировки твердого тела первичными ионами изотопа С существляетс ледующим об- Б азец железа с малой примесью , концентрацию которого необходимо делить. Для измерений используется -спектрометр ВИ, оборудованный ионисточником, позволяющим генерировать бора, и масс-сепаратором первичного , Для повышения послойного разрешерибора и, соответственно, точности анаприменяют систему электронного рагмирования вторичного пучка, В кае источника первичных ионов испольпособ ом.ерут обр яс бора масс ным ионы пучка ния и лиза диаф честв откудаСм --- "-1 (4) С другой стороны, в соответствии насыщения отношение полной концентрации изотопа М на поверхности к его исходной концентрации можно определить через отношение стабильных значений вторичных ионных токов двух изотопов и их природных расп растра ненностей:чч = 1( - -) (5)амуПредставляя (2) и (5) в (4) получаем окон- чательно10 15 35 50 зуют жидко-металлический источник с сплавным эмиттором, позволяьощий геььерировать ионные пучки самых различных элементов с достаточно высокой плотностью.Образец;келеза распььляют пучком+ -2 ионов 108 с плотностью тока 0,1 мА см и энергией 10 кэВ, падающим по нормали к поверхности образца, С момента начала бомбардировки образца перви шым пучкомионов производят регистраци 1 о зависимости тока ВИ (например, положительных) двух изотопов бора - 10 в и 11 в+ от времени распыления, Измерениетоков ВИ вььполняьот либо одновременно, если аппаратура соответствующим образом автоматизирована,либо последовательно в двух точках образца, Из полученной зависимости определяют время т; которое проходит до момента ста+билизации величины отношения оц / ив.Это время составляет г = 45 с, а отношение г=1 ов /11 в = 8 при т) т,.Величиньь Рр и Лйр с досаоой сеею тоьность вычисляьот аналитическим путем, либо по таблицам. Для данных экспериментальь 4 ых услой находи., что Вр - -13,4 10 см, а М= =-9,810см, Подставляя эти значения в формулу (6) находим искомую концентрацию бора: Так как атомазоная концентрация железа М = 8,5,10 см то концентрация атомов бора в исследуемом образце будет составлять 0,8 ат.оз.По сравнению с прототипом использование предлагаемого способа количественного анализа примесей в твердом теле обеспечивает следующие преимущества.В известном способе проведение количественного анализа вкльочает операции взвешивания образца (дважды), ионного легирования и собственно масс-спектрометричес кого 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, требуьощая (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 чрезвычайно малой величины - потери веса образца за счет распыления при анализе, и эта ошибка составляет как минимум 100 О, Концентрационные, матричные и структурные эффекты при анализе ионна-легированного слоя даьот погрешность в определении суммарного потока вторичных ионов анализируемого элемента до 500. Если другие оставшиеся величины измеряются с погрешностью 10 - 20, то суммарная ошибка в определении концентрации примеси в прототипе составит 110 - 120;о.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 проецированного пробега. Время стабилизации определяется с погрешностью 20 - 25 О а средний проецированнььй пробег - 15-20 О, Результирующая ошибка в определении концентрации примеси составит 25 - 32 очто 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 ионно-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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения, сокращения времени и повышения точности анализа, ионно-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 примесиопределяют из соотношения иД5 Смаму/2 ЬВр)= е бу -Врй интеграл ошибки;ь тока первичных иоеляемого элемента М 10 ов иэ- , А/м; Составитель Л.ГоловкоТехред М.Моргентал Корректор Н,Слободяник Редакт ван Заказ 4277 Тираж Подписное ВНИИПЙ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 где его(-Вр %р/1 Г 2 Ь допол нительн ы1- плотнос опа Мх+ опред х- время распыления твердого тела до момента стабилизации вторичных ионных токов изотопов определяемого элемента М, с;г - 1 мх /1 му - отношение стабильных+ +значений вторичных ионных токов изотопов Мх и Му в момент времени г;амх, аму - природная распространенность изотопов Мх и Му элемента М;Вр, ЬВр - средний проецированный пробег первичных ионов Мх и их среднеквадратичный разброс пробегов соответственно, ме - заряд электрона, К.