Способ масс-спектрометрического послойного анализа твердых тел

 

СПОСОБ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ПОСЛОЙНОГО АНАЛИЗА ТВЕРДЫХ ТЕЛ, включаюпщй воздействие на объект пучком первичных ионов, разделе ние и последующую регистрацию вторичных ионов, отличающийс я тем, что, с целью повышения послойного разрешения без снижения концентрационной чувствительности или локальности анализа, воздействие на объект осуществляют пучком ионов I водорода (протонами или дейтронами), с энергией 5-10 кэВ и плотностью тока первичных ионов 0,1-1 мА/см. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) 0 1) 4(51) Н 01 J 49/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

13i

1

1 н a5tOPCHOMY СВИДИТВ% СТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО. ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЬЙ (21) 3656593/24-21 (22) 27. 10.83 (46) 07.02.85. Бюл ° )) 5 (72) М.А.Васильев, И.Н.Дубинский, А.А.Косячков, И.Н.Макеева, С.П.Чена; кин, В.Т.Черепин и В.Г.Костюченко (71) Опытное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством Института металлофизики АН

Украинской ССР (53) 621.384(088.8) (56) 1. Черепин В.Т. Ионный зонд.

Киев, "Наукова думка", 1981, с. 196, 199.

2. Evans С.А., Iã., Pemsler I.P.

Апа1ytical chemistry, 1970, ч. 42, В 9,. р. 1060-1064 (прототип). (54) (57) СПОСОБ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ПОСЛОЙНОГО АНАЛИЗА ТВЕРДЫХ

ТЕЛ, включающий воздействие на объект пучком первичных ионов, разделение и последующую регистрацию вторичных ионов, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения послойного разрешения.без снижения кон. центрационной чувствительности или локальности анализа, воздействие на объект осуществляют пучком ионов водорода (протонами или дейтронами) с энергией 5-10 кэВ и плотностью тока первичнык ионов 0,1-1 мА/см2 .

38855

1 11

Изобретение относится к области масс-спектрометрии вторичных ионов (МСВИ) и может быть использовано для анализа концентрационных распределений химических элементов по глубине в массивных объектах и тонких пленках, а также для изучения диффузионных процессов.

Важнейшими характеристиками послойного анализа методом ИСВИ являются послойное разрешение, концентра ционная чувствительность и локальность анализа. Послойное разрешение представляет собой разность глубин с которых одновременно регистрируется информация. Послойное разрешение характеризует качество полученного профиля или его адекватность истинному распределению, т.е. определяет общую точность послойного анализа. Послойное разрешение определяется в первую очередь скоростью распыления Ig = «(<= 1e ц A c) где 3p — ток первичных ионов;

5 — коэффициент распыления, — заряд электрона, †. атомная плотность объекта, ат/см 30 — бомбардируемая площадь; — время анализа. .Концентрационная чувствительность определяется минимально обнаруживаемой концентрацией C,п„„ данного эле. З5 мента в анализируемом слое

C ; =? 1U+g р 11е, (2) гдето„„,„- минимальный регистрируемый ток вторичных ионов, 1 — степень ионизации (отношение числа вторичных ионов к общему числу распыленных частиц) — коэффициент пропускания при. бора.

Известен способ послойного анализа, заключающиися в распылении поверхности пучком ускоренных ионов с последующим масс-спектрометрическим анализом выбитых вторичных ионов Я

Однако этот способ не позволяет получать высокое послойное разрешение при высокой концентрационной чувствительности и локальности.

Наиболее близким к изобретению является способ послойного анализа, заключающийся в расфокусировке первичного пучка ионов аргона, при этом скорость распыления объекта уменьшается до 0,5 А/с, в .коллимировании первичного пучка для выделения части его с однородной плотностью тока, в равномерном распылении объекта, в масс-спектрометрической регистрации тока вторичных ионов в функции времени распыления t2) .

Недостатком известного способа является то, что уменьшение скорости распыления объекта путем расфокусировки пучка неизбежно ведет к падению концентрационной чувствитель ности или локальности анализа. Кроме того, при значительном уменьшении скорости распыления объекта во вторичном ионном токе появляются статистические флуктуации, вызванные корпускулярным характером первичного ионного пучка, что увеличивает стандартную ошибку измерения концентрации примеси. Поэтому повышение послойного разрешения и обеспечение высокой. концентрационной чувствительности или локальности являются в данном способе взаимно исключающими требованиями.

Цель изобретения — повышение послойного разрешения без снижения кон. центрационной чувствительности или локальности анализа.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, включающе. му воздействие на объект пучком первичных ионов, разделение и последующую регистрацию вторичных ионов, воздействие на объект осуществляют пучком ионов водорода (протонами или дейтронами) с энергией 5-10 кэВ и плотностью тока первичных ионов

0 1- 1 MA/CM °

Предлагаемый способ основан на том, что коэффициент распыпения 5 а следовательно, и скорость распыления g материалов ионами водорода и дейтерия на 2-3 порядка меньше, чем при бомбардировке наиболее часто используемыми ионами Ar и О . В то

+ же время при бомбардировке твердых тел протонами или дейтронами количество вторичных ионов, приходящихся на один первичный ион (коэффициент вторичной ионной эмиссии, К ), практически не изменяется, а для ряда веществ даже увеличивается по

Ф сравнению, например, с ионами AP

В таблице приведены полученные зна-12

Ток вторичных ионов 3, 10 А, в

t ут +

Ион Ве М

i Fe Cu Ар, Те чА +

Составитель И.Некрасов.

Редактор А.Шишкина Техред Т.Фанта Корректор О.Тигор

Заказ 10697/40 Тираж 679 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

3 чения тока вторичных ионов ряда металлов при их бомбардировке пучФ ком ионов А, 2 и Н с энергией 6 кэВ. Первичный ионный ток во всех случаях составлял 3> =10 мкА (см. таблицу) .

Ar 15 50 7,7 2,4 0 5 0,2 0,4 0,03

D 19 49 12 1,3 0,3 0,2 1,4 0,04

Н 6 45 11 4,5 0,6 0,3 0,3 0,06

Определим по формуле (1) скорость распыления, например, серебра ионами An+, 2» и Н, если 3 =10 мкА, а=2 мм . Для энергии ионов 6 кэВ

S(Ar -Ар) 9 S(Dt-Ap)=0 09

S(H -АВ) 0,03. Тогда V>(Ar )=48 А/с;

V>(D ) 0,48 А/с . Ч (Н ) 0,16 A/с.

Минимально обнаружимая концентра4 ция Ag для тех же условий при3 „ „=

=2 10 +A, K=10 4, Р (А„Ф) 1(Г5 ((Dt 10 и Р (Н )я4,5 10 ((=K /б) составляет тогда, согласно формуле (2) С (А

А() 2 2 10 ° Св ч(1 А() 2 2 10 и С„„„(Н -Ag)1,5 ° 10 .

Для определения минимальной концентрации А(С„.„-!0 с точностью 6 107 необходимо зарегистрировать 1О /Д 2 ионов, которые получим при распылении слоя

38855 4

При бомбардировке ионами аргона

А ь2 853 А, дейтерия 2 a2=8,5 А, Ф

+ водорода Н а2 = 1,9 ь. Эта величина

ЬЕ и характеризует предел послойного

5 разрешения (без учета других факторов) для рассматриваемых условий ана лиза.

Предлагаемый способ послойного анализа по сравнению с известным обеспечивает следующие преимущества.

При одинаковой плотности тока и энергии первичных ионов бомбардировка протонами или дейтронами на дватри порядка улучшает послойное разрешение, не снижая при этом концентрационную чувствительность и локаль. ность. В результате отпадает необходимость в использовании дорогостоящих .систем регистрации вторичных

Возможность использования высоких плотностей тока ионов Н и Д позволит свести к минимуму загрязнение поверхности остаточными газами и повысить таким образом качество анализа.

Наиболее эффективно предлагаемый способ может применяться при послойном анализе очень тонких слоев (до 100 А) и межфазных границ раздела, что практически невозможно выполнить известными способами. В частности, с помощью ионов водорода целесообразно анализировать распределение основных и примесных элементов (особенно благородных Ag, Au, Р ) в тонких полупроводниковых пленках (типа Сдте, CJ P> и т.п.), которые имеют высокий коэффициент распыления и низкую степень ионизации

40 основных и легирующих элементов при бомбардировке ионами Ар и О . Результаты послойного анализа позволяют увеличить эффективность проиэвод45 ства изделий микроэлектроники и их качество.