Курсовая: Вторично-ионная масс-спектрометрия - текст курсовой. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Курсовая

Вторично-ионная масс-спектрометрия

Банк рефератов / Технологии

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Курсовая работа
Язык курсовой: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 417 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникальной курсовой работы

Узнайте стоимость написания уникальной работы

Вторично-ионная масс-спектрометрия Введение Возможности получения сведений о составе внешнего атомного слоя твердого тела значительно расширялись всвязи с разработкой и усовершенствованием метода вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС ) и других методов . Большинство таких методов близки к тому , чтобы анализировать сам у поверхность , поскольку основная информация о составе материала поступает из его приповерхностной области толщиной порядка 10А , а чувствительность всех таких методов достаточна для обнаружения малых долей моноатомного слоя большинства элементов. Взаимодейс твие быстрых ионов с твердым телом приводит к выбиванию атомов и молекул материала как в нейтральном , так и в заряженном состоянии . На таком явлении сравнительного эффективного образования заряженных частиц (вторичных ионов ) и на принципе высокочувствител ь ных масс-спектрометрических измерениях и основан метод ВИМС . Хотя у него , как у любого другого метода , имеются свои недостатки , только он один дает столь широкие возможности исследования и поверхности , и объема твердого тела в одном приборе . Наиболее важн ы ми характерными особенностями метода , которые вызывают повышенный интерес к нему , являются очень низкий порог чувствительности для большинства элементов (меньше 10 -4 моноатомного слоя ), измерение профилей концентрации малых количеств примесей с разрешение по глубине меньше 50А , разрешение по поверхности порядка микрометра , возможность изотопического анализа и обнаружение элементов с малыми атомными номерами (H, Li, Be и т . д .) Взаимодействие ионов с веществом Фиг .1. Виды взаимодействий ионов с твердым телом [2]. В этом разделе рассматривается поведение ионов высоких энергий (1 - 100 кэВ ), попадающих на поверхность твердого тела . Фиг .1 иллюстрирует 10 разновидностей взаимодействия ионов с поверхностью [2]. Падающий ион может обратно рассеиваться атомом или группой атомов бомбардируемого образца (1). Процесс обратного рассеяния обычно приводит к отклонению траектории иона от первоначального направления после столкновения и к обмену энергией между ионом и атомом мишени . Обмен энергией может быть упругим и неупругим в зависимости от типа взаимодействующих частиц и энергии иона. Импульс иона может быть достаточно велик для того , чтобы сместить поверхностный атом из положения , где он слабо связан с кристаллической структурой образца , в положение , где связь оказывается сильнее (2). Этот процесс называется атомной дислокацией . Ионы с более высокими энергиями могут вызывать внутренние дислокации в толще образца (3). Если соударяющиеся с поверхностью образца ионы передают настолько большой импульс , что полностью освобождают от связей один или несколько атомов , происходит физическое распыление (4). Ионы могут проникать в кристаллическую решетку и захватываться там , израсходовав свою энергию (ионная имп л антация ) (5) . В результате химических реакций ионов с поверхностными атомами на поверхности образуются новые химические соединения , причем самый верхний слой атомов может оказаться в газообразном состоянии и испариться (химическое распыление ) (6). Бомбар д ирующие положительные ионы в результате процессса оже-нейтрализации могут приобретать на поверхности электроны и отражаться от нее в виде нейтральных атомов (7). Ионы могут оказаться связанными с поверхностью образца (адсорбированными ) (8). При ионной бом б ардировке металлических поверхностей в определенных условиях возможно возникновение вторичной электронной змиссии (9). Наконец , если поверхностные атомы возбуждаются до ионизированных состояний и покидают образец , имеет место вторичная ионная эмиссия (10). Замедляясь , ион передает энергию твердому телу . При анализе процессов потери энергии удобно различать два основных механизма : соударения с электронами и соударения с ядрами. Первый механизм состоит в том , что быстрый ион взаимодействует с электронами крис таллической решетки , в результате чего возникают возбуждение и ионизация атомов кристалла . Поскольку плотность электронов в веществе мишени высока и такие столкновения многочисленны , этот процесс, как и в случае потери энергии электронами , можно считать не прерывным . В рамках второго механизма взаимодействие происходит между экранированными зарядами ядер первичного иона и атомами мишени . Частота таких столкновений ниже , поэтому их можно рассматривать как упругие столкновения двух частиц . Ионы высоких энерги й хорошо описываются резерфордовским рассеянием , ионы средних энергий - экранированным кулоновским рассеянием , однако при малых энергиях характер взаимодействия становится более сложным. Кроме перечисленных выше механизмов вклад в энергетические потери дае т обмен зарядами между движущимся ионом и атомом мишени . Этот процесс наиболее эффективен , когда относительная скорость иона сравнима с боровской скоростью электрона ( ~10 6 м /с ) . Таким образом , полные потери энергии - dЕ /dz можно представить в виде суммы трех составляющих - ядерной , электронной и обменной . При малых энергиях ионов преобладает взаимодействие с ядрами , которое приводит к появлению угловой расходимости пучка . При высоких энергиях более существенными становятся столкновения с электронами . Сп раведливо следующее эмпирическое правило : передача энергии кристаллической решетке осуществляется в основном за счет ядерных столкновений при энергиях меньше А кэВ , где А - атомный вес первичного иона . В промежуточном диапазоне энергий вклад потерь , обусл о вленных обменом заряда , может возрастать примерно до 10% от полных потерь . Зависимость энергетических потерь от энергии первичного иона показана на фиг .2. Фиг .2. Зависимость энергетически х потерь иона от энергии [2]. Фиг .3. Схематическое представление взаимодействия ионов с мишенью [2]. Неупругие взаимодействия с электронами мишени вызывают вторичную электронную эмиссию , х арактеристическое рентгеновское излучение и испускание световых квантов . Упругие взаимодействия приводят к смещению атомов кристаллической решетки , появлению дефектов и поверхностному распылению . Эти процессы схематически проиллюстрированы на фиг . 3. Энерг етический спектр рассеянных твердотельной мишенью ионов с начальной энергией Е 0 схематически представлен на фиг .4. Здесь видны широкий низкоэнергетический (10 - 30 эВ ) горб , соответствующий испусканию нейтральных атомов (распыленные атомы ), и высокоэнергет ический горб , расположенный вблизи энергии первичного иона Е 0 (упругорассеянные ионы ). Вторично-ионная эмиссия Основные физические и приборные параметры , характеризующие метод ВИМС , охватываются формулами (1) - (3). Коэффициент вторичной ионной эмиссии S А , т . е . число (положительных или отрицательных ) ионов на один падающий ион , для элемента А в матрице образца дается выражением S А = А С А S, (1) где А - отношение числа вторичных ионов (положительных или отрицательных ) элемента А к полному числу нейтральных и заряженных распыленных частиц данного элемента , а С А -атомная концентр ация данного элемента в образце . Множитель S - полный коэффициент распыления материала (число атомов на один первичный ион ). В него входят все частицы , покидающие поверхность , как нейтральные , так и ионы . Величины А и S сильно зависят от состава матрицы образца , поскольку отношение А связано с электронными свойствами поверхности , а S в большой степени определяется элементарными энергия ми связи или теплотой атомизации твердого тела . Любой теоретический способ пересчета измеренного выхода вторичных ионов в атомные концентрации должен , давать абсолютное значение отношения А или набор его приведенных значений для любой матрицы. Фиг .4. Энергетический спектр электронов , рассеянных при соударении с твердотельной мишенью [2]. Вторичный ионный ток А (число ионов в секунду ), измеряемый в приборе ВИМС , дается выражением А = A S A I P , (2) г де А - ионный ток для моноизотопного элемента (для данного компонента многоизотопного элемента ионный ток равен f a А , где f a ,- содерж ание изотопа а в элементе А ). Величина A -эффективность регистрации ионов данного изотопа в используемом приборе ВИМС . Она равна произведению эффективности переноса ионов через масс-анализатор на чувствительность ионного дете ктора . Множитель A обычно можно рассматривать как константу , не зависящую от вида элемента или массы изотопа , если энергетические распределения вторичных ионов примерно одинаковы и имеют максимум при нескольких электрон-вольт ах , так что зависящее от массы изменение чувствительности детектора частиц мало . Наконец , I P полный ток первичных ионов (число ионов в секунду ), падающих на образец. Конечно , величина I P связана с плотностью тока первичных ионов D P (число ионов за секунду на 1 см 2 ) и диаметром пучка d (см ). Если для простоты принять , что сечение пучка круглое , а плотность D P тока постоянна в пределах сечения , то I P =(0,25 )D P d 2 . (3) При существующих источниках первичных ионов , используемых в п риборах ВИМС , плотность тока на образец , как правило , не превышает 100 мА /см 2 (в случае однозарядных ионов ток 1 mА соответствует потоку 6.2 10 15 ион /с ). В табл . 1 приводятся типичные значения параметров , входящих в формулы (1) - (3). Самое важное значение в вопросе о возможностях ВИМС как метода анализа поверхностей имеет взаимосвязь между параметрами пучка первичных ионов , скоростью распыления поверхности и порогом чувствительности для элементов . Из-за отсутствия информации о такой взаимосвязи часто возникают неправильные представления о возможностях метода . Соотношения между током первичных ионов , диаметром и плотностью пучка , скоростью распыления поверхности и порогом чувствительности при типичных условиях иллюстрируются графиком , представленным на фиг .5. Скорость удаления (число монослоев в секунду ) атомов мишени при заданной энергии ионов пропорциональна плотности их тока D P , а порог чувствительности при регистрации методом ВИМС (мини мальное количество элемента , которое можно обнаружить в отсутствие перекрывания пиков масс-спектра ) обратно пропорционален полному току ионов I P . Коэффициент пропорциональности между порогом чувствительности ВИМС и I P определяется исходя из результатов изм ерений для ряда элементов в различных матрицах путем приближенной оценки , основанной на экспериментальных значениях для типичных пар элемент - матрица . При построении графика на фиг .5 предполагалось , что площадь захвата анализатора , из которой вторичные и о ны отбираются в анализатор , не меньше сечения пучка первичных ионов . Данное условие обычно выполняется в масс-спектрометрии , если диаметр области , из которой поступают ионы , не превышает 1 мм. Фиг. 5 Зависимость между током первичных ионов , диаметром и плотностью первичного пучка , скоростью удаления атомных слоев и порогом чувствительности ВИМС [1]. Распыление ионным пучком - разрушающий процесс . Но если требуется , чтобы поверхность оставала сь практически без изменения , то анализ методом ВИМС можно проводить при очень малых скоростях распыления образца (менее 10 -4 монослоя в секунду ) . Чтобы при этом обеспечить достаточную чувствительность метода ( 10 -4 монослоя ), как видно из фиг .5, необходим первичный ионный пучок с током 10 -10 А диаметром 1 мм . При столь низкой плотности тока первичных ионов ( 10 -5 мА /см 2 ) скорость поступления на поверхность образца атомов или молекул остаточных газов может превысить скорость их распыления первичным пучком . Поэтому измерения методом ВИМС в таких условиях следует проводить в сверхвысоком или чистом (криогенном ) вакууме. Указанные приборные условия приемлемы не во всех случаях анализа . Например , определение профиля концентрации п римесей , присутствующих в малых количествах в поверхностной пленке толщиной свыше 5ОО А , удобно проводить при диаметре пучка , равном 100 мкм , и при скорости распыления , превышающей 10 -1 атомных слоев в секунду . Еще более высокие плотности ионного тока треб уются , чтобы обеспечить статистически значимые количества вторичных ионов с единицы площади поверхности , необходимые при исследовании распределения по поверхности следов элементов при помощи ионного микрозонда или масс-спектрального микроскопа . На основан и и сказанного и данных фиг .5 мы заключаем , что невозможно обеспечить поверхностное разрешение в несколько микрометров для примеси , содержание которой равно 10 -4 %, при скорости распыления менее 10 -3 атомных слоев в секунду . Это взаимно исключающие условия. Методом ВИМС анализ поверхности можно проводить в двух разных режимах : при малой и большой плотности тока , распыляющего образец . В режиме малой плотности распыляющего тока изменяется состояние лишь малой части поверхности , бла годаря чему почти выполняется основное требование , предъявляемое к методам анализа самой поверхности . В режиме же высоких плотностей токов и соответствующих больших скоростей распыления проводится измерение профилей распределения элементов по глубине , мик р оанализ и определение следовых количеств элементов (<10 -4 %). В соответствии со всеми этими вариантами создан ряд приборов ВИМС , в которых применяются разные способы создания и фокусировки первичных ионных пучков и разные анализаторы вторичных ионов. Обору дование ВИМС. Установка ВИМС состоит из четырех основных блоков : источника первичных ионов и системы формирования пучка , держателя образца и вытягивающей вторичные ионы линзы , масс-спектрометра для анализа вторичных частиц по отношению массы к заряду (m/ е ) и высокочувствительной системы регистрации ионов . Для получения первичных ионов в большинстве установок используются газоразрядные или плазменные источники . Совместно с соответствующей системой формирования и транспортировки пучка эти источники обеспеч и вают широкие пределы скорости распыления поверхности - от 10 -5 до 10 3 А /с . Разделение вторичных частиц по m/е производится либо магнитными , либо квадрупольными анализаторами . Наиболее широко распространенным анализатором в установках ВИМС , очень удобным пр и анализе состава образцов и обнаружении малых количеств (следов ) элементов в них , является магнитный спектрометр с двойной фокусировкой (в котором осуществляется анализ по энергии и по импульсу ), что связано с его высокой чувствительностью к относительно м у содержанию . Для таких многоступенчатых магнитных спектрометров фоновый сигнал , возникающий из-за хвостов основных пиков материала матрицы (рассеяние стенками , на атомах газа и т.д .), может быть сведен к уровню менее 10 -9 для общего фона и всего 10 -6 для масс , близких к основному пику . Все же в отдельных конкретных случаях более практичным может оказаться менее дорогой квадрупольный анализатор . Принцип действия установок. Фиг .6. Схема обычного метода и метода прямого изображения при масс - спектрометрическом анализе вторичных ионов [1]. При масс-анализе вторичных ионов применяются два основных метода : обычный масс-спектрометрический и мето д прямого изображения . Они схематически сопоставлены на фиг .6. При первом методе анализатор с хорошим разрешением передает на высокочувствительный ионный детектор заметную часть быстрых вторичных ионов , идущих с большой площади образца ( 1 мм 2 ). Выделенные по массе вторичные частицы собираются в точечный фокус на входной щели детектора . В этом статическом случае получаемая информация усредняется по поверхности образца и невозможно установить , из какой точки (например области д иаметром 1 мкм ) поверхности приходят вторичные ионы . При методе прямого изображения в фокальной плоскости анализатора создается стигматическое ионное изображение поверхности и путем соответствующего дифрагмирования (или преобразования изображения при помо щ и чувствительной к электронам или ионам эмульсии ) легко можно получить информацию о точках выхода ионов с данными m/e с поверхности образца . Все установки с прямым изображением основан на идее прибора Кастэна и Слодзяна ; все иные приборы представляют собо й варианты обычной масс-спектрометрической методики . Для получения вторично-ионного изображения поверхности при обычном подходе необходимо проводить последовательный анализ вторичных частиц при сканировании поверхности мишени первичным ионным пучком малог о диаметра . При этом для получения изображения мишени на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ ) проще электрически сканировать первичный пучок , нежели механически перемещать сам образец . Электронный луч в ЭЛТ синхронизирован с первичным ионным пучком , и у с иленным сигналом вторично-ионного детектора модулируются интенсивность электронного луча в ЭЛТ . Получаемое при таком методе увеличение изображения равно отношению длины строки на экране ЭЛТ к расстоянию на поверхности образца , пробегаемому первичным ионны м пучком в процессе сканирования. Все установки ВИМС позволяют осуществлять анализ поверхности и распределения концентрации элемента по глубине . Они различаются в таких важных отношениях , как порог чувствительности при детектировании , разрешение по массам , плотности тока первичного пучка , вакуумные условия в окрестности мишени , а также возможность проведения анализа распределения элементов по поверхности , или топографического (x-y) анализа , путем сканирования зондом или формирования изображения . К устройств а м для топографического анализа относят лишь те , которые позволяют получить разрешение по поверхности не хуже 10 мкм . Все существующие установки ВИМС можно разделить на три группы в соответствии с принципом их устройства и пригодностью для микроанализа : не позволяющие осуществлять анализ распределения элементов по поверхности ; дающие сведения о распределении по поверхности с помощью сканирующего ионного зонда ; дающие сведения о распределении по поверхности методом прямого изображения. Установки , не обесп ечивающие анализа распределения частиц по поверхности Ряд вторично-ионных масс-спектрометров был сконструирован для решения частных аналитических проблем или исследования различных закономерностей вторичной ионной эмиссии. Использованные на ранней стадии исследований этого явления анализаторы с однократной фокусировкой (секторные магниты ) имели весьма ограниченное разрешение по массам и низкую чувствительность , что было обусловлено большим разбросом начальных энергий вторичных ионов . В настоящее время бол ьшое внимание уделяется квадрупольным анализаторам , поскольку они , будучи просты и недороги , позволяют получать сведения о поверхности и профиле концентрации примеси почти во всех случаях , когда не требуется информации о распределении по поверхности или о ч ень малых количествах примеси . Добиться снижения фона при работе с квадрупольным фильтром масс можно за счет предварительной селекции вторичных ионов плоскопараллельным электростатическим анализатором с малой диафрагмой , а также внеаксиального расположени я ионного детектора. Установки , позволяющие получать сведения о распределении элемента по поверхности , со сканирующим ионным зондом Установки ВИМС , относящиеся к этой категории , обычно называют ионными зондами . В этих установках первичный пучок анализиру ется по массам и может быть сфокусирован в пятно диаметром от 2 и менее до 300 мкм . Масс-спектрометр представляет собой устройство с двойной фокусировкой и хорошим пропусканием частиц , позволяющее давать стигматическое изображение при среднем разрешении п о массам . Схема такого прибора приведена на фиг .7. Фиг .7. Схема ионного микрозонда [4]. Установки с прямым изображением Первой установкой ВИМС , которая позволила получить изображение объек та в лучах выделенных по m/е ионов и визуально наблюдать распределение элемента по поверхности , был масс-спектральный микроскоп , его схема представлена на фиг .8. Уникальная особенность масс-спектрального микроскопа - возможность наблюдать за интенсивность ю вторичных ионов со специально выделенного микроучастка поверхности независимо от размеров и местоположения первичного пучка , пока хотя бы часть его попадает на интересующий нас участок поверхности . Эта возможность является ценной в некоторых случаях анал и за методом ВИМС распределения элементов по поверхности и в объеме . Ниже будут рассмотрены некоторые из наиболее важных преимуществ , а также и недостатков , свойственных различным типам приборов. Фиг .8. Схема масс-спектрального ионного микроскопа [4]. Порог чувствительности Минимально обнаружимый уровень содержания элемента в данной матрице зависит от свойств самого элемента , химического состава матрицы , в которой он присутствует , сорта перв ичных ионов , их тока , попадающего на образец , телесного угла отбора частиц и эффективности прохождения вторичных ионов через анализатор , его общего фона , а также фона и эффективности детектора . Все перечисленные факторы , кроме двух первых , определяются ко н струкцией прибора и , следовательно , могут быть оптимизированы с целью достижения наиболее высокой чувствительности . Поскольку распыление является разрушающим процессом , для минимизации количества потребляемого материала необходимы высокоэффективные анализ а торы и высокая чувствительность . Ввиду того что различные конструкции установок ВИМС предназначены либо для выявления тех или иных отдельных особенностей , либо для обеспечения наибольших удобств измерений , они весьма сильно различаются по чувствительности. Удобной мерой чувствительности может служить отношение числа регистрируемых вторичных ионов к числу первичных при неких стандартных условиях : образец , сорт первичных частиц и некоторое минимальное разрешение по массе . Установки ВИМС , позволяющие регистри р овать 10 6 ион /с характерного элемента из оксидной матрицы (например , ионы Fe + из образца Fe 2 O 3 ) при токе первичного пучка 10 -9 А , классифицируются как имеющие чувствительность , достаточную для обнаружения следов элементов и д ля микроанализа поверхности . Химический состав матрицы образца оказывает непосредственное влияние на порог чувствительности для тех или иных элементов и является основным источником неконтролируемых изменений этой величины . Матрица влияет на порог чувстви тельности двояким образом : от нее зависит коэффициент S A из-за различий в электронных свойствах материалов , и она может давать нежелательные молекулярные и многозарядные ионы , которые окажутся в масс-спектре в диапазоне масс , интересующем исследователя . Но число молекулярных ионов быстро уменьшается с ростом числа атомов , входящих в состав молекулы , и в большинстве случаев при концентрациях элемента , не превышающих 10 -4 , особых сложностей в связи с наложениями пиков не возник ает . Фиг .9. Участок масс-спектра вторичных ионов флюорапатита вблизи массы 43 при разном разрешении по массам : а -300; б -1000; в -3000[1]. Перекрытие пиков от атомарных и молекулярных ионо в можно выявить двумя способами : путем анализа быстрых вторичных ионов или применением анализаторов по m/е с разрешением М / М > 3000. В первом случае коэффициент ионной эмиссии уменьшается примерно во столько же раз , во сколько коэффициент выбивания молекулярных ионов уменьшается по сравнению с атомарными . В некоторых случаях этот метод вполне приемлем ; но при решении многочисленных задач обнаружения следов примесей или микроанализа поверхности недопустимо большое снижение чувс т вительности характерное для этого метода . Второй способ является более прямым и с точки зрения анализа более предпочтителен . Чтобы выявить сложную структуру отдельных пиков в масс-спектрах используют для ВИМС приборы с высоким разрешением по массе . На фиг. 9, представлена форма пика с массой 43 ат . ед . при разных разрешениях анализатора . Высокое разрешение очень важно для уменьшения или исключения в идентификации пиков m/е , особенно если основной целью является обнаружение следов элементов на уровне атомных концентраций , не превышающих 10 -5 . Вопрос о пороге чувствительности метода ВИМС для различных элементов исследовался многими авторами как теоретически , так и на основе результатов экспериментальных измерений . При этом были получены следующие примерные знач ения , подтвердившиеся в некоторых строго определенных условиях : менее 10 -7 моноатомного слоя , атомная концентрация 10 -9 и менее 10 -18 г элемента . Но эти значения характерны лишь для некоторых частных случаев и не являются нормой на практике . Обычно мы имее м дело со сложными спектрами с многократными наложениями линий , в силу чего порог чувствительности оказывается сильно зависящим от природы матрицы образца . Поэтому , указывая порог чувствительности , необходимо указывать и соответствующие дополнительные фак т оры , в частности тип матрицы , и не следует делать огульные утверждения относительно того или иного элемента. Если пренебречь возможным перекрытием пиков , то порог чувствительности для некоторого элемента в матрице обратно пропорционален току первичных ионо в I P , попадающему на образец. Фиг .10. Зависимость порога чувствительности типичного прибора ВИМС от диаметра первичного ионного пучка [1]. На фиг .5 и 10 показано , как изменяется порог чу вствительности в зависимости от различных параметров , влияющих на ток первичных ионов . Приведенные здесь значения порога чувствительности основаны на экспериментальных данных , полученных в типичных для анализа условиях , когда первичными частицами служат и о ны О 2 + . Область с простой штриховкой на фиг .10 вблизи линии 5 мА /см 2 соответствует диапазону плотностей токов первичных частиц , обычно применяемых в установках типа ионного микрозонда или масс-спектрального микроскопа . Область с двойной штриховкой отвечает условиям , при которых существенно наложение линий сложных молекулярных ионов , и необходимо позаботиться об идентификации пиков по m/е . Истинное положение или высота этой области зависит как от матрицы образца , так и от разрешения по массам и чувствительн о сти масс-анализатора . Для микроанализа поверхности , т.е . исследования областей диаметром <3 мкм , методами ионного зонда или масс-спектрального микроскопа минимально детектируемый уровень сигнала выше уровня , при котором становится важным перекрывание пико в молекулярных ионов (фиг . 10); следовательно , если требуется осуществить только общий анализ малых участков твердого тела , то высокое разрешение по массам не обязательно . Если же интересоваться следами элементов в сложных матрицах , то необходимо иметь мас с -анализатор с высоким разрешением по массам . Анализ следов элементов Предполагаемый порог чувствительности метода ВИМС для многих элементов близок к 10 -9 . Но для обеспечения общего порога чувствительности такого порядка на практике необходимо использов ать (как видно из сказанного выше ) масс-апализаторы с высоким разрешением и высокой чувствительностью к относительному содержанию и , кроме того , контролировать ряд эффектов , о которых говорится ниже . Большая часть вторичных ионов выходит из нескольких нар ужных атомных слоев твердого тела , а поэтому вещество , адсорбированное на поверхности , выступает в спектре как важный компонент твердого тела или его поверхности . Среда , окружающая образец , обычно содержит молекулы углеводородов , Н 2 , N 2 , О 2 , Н 2 О , СО 2 и СО. Поэтому обнаружение в матрице следов таких элементов , как С , N, Н и О , оказывается весьма сложным в том случае , если не приняты специальные меры для сведения к минимуму их влияния . Меры эти таковы : проведение измерений в сверхвысоком вакууме , свободном о т углеводородов , применение криогенной и геттерной откачки объема вблизи образца и работа при высоких плотностях тока первичных ионов , при которых скорость удаления поверхностных слоев в результате распыления намного больше скорости поступления частиц загр я знений . При давлении 10 -8 мм рт . ст . скорость прихода на мишень атомов или молекул остаточных газов приблизительно равна скорости поступления ионов первичного пучка с плотностью тока - 10 мА /см 2 . Источниками загрязнений служат также поверхности , расположе нные вблизи мишени , на которые попадает значительное количество распыленного вещества . Часть этого вещества в результате испарения или распыленная вторичными и отраженными ионами может возвращаться на мишень . Это так называемый “эффект памяти” , и его знач е ние в конкретном анализе зависит от предыстории образца . Данный эффект наиболее значителен в приборах , где используются большие токи первичных ионов , а вытягивающие линзы расположены вблизи поверхности изучаемого образца. Фиг .11. Компоненты сфокусированного ионного пучка , связанные с рассеянными ионами и нейтральными атомами [1]. Чтобы предупредить внедрение в образец того элемента , содержание которого определяется , особенно важна химическ ая чистота первичного ионного пучка . При типичных условиях (скорость распыления образца , пробел и разброс по пробегам первичных ионов ) и в предположении , что распыление продолжается достаточно , долго , для того чтобы воздействовать на уже легированную зону, а основным источником ионов примеси является обратное распыление ранее внедренных частиц , присутствие в первичном ионном пучке 10 -6 загрязнений должно проявиться как объемная примесь с атомной концентрацией ~10 -7 . Чтобы гарантировать чистоту первичного ио нного пучка и исключить возможность осложнений на уровне следов элементов , желательно осуществлять сепарацию пучка первичных ионов по массе. Чтобы уменьшить влияние загрязнения поверхности остаточными газами , при анализе объемного состава твердого тела обы чно пользуются первичными ионными пучками с высокой плотностью тока . При этом область малой плотности тока , т.е . периферийная часть пучка , дает основной вклад во вторично-ионный сигнал того элемента , который присутствует одновременно как в остаточном газе, так и в твердом теле в виде микропримеси . К подобному эффекту может привести не только загрязнение атомами остаточных газов (обычно наиболее существенное ), но и любые иные источники поверхностных загрязнений , действующие во время измерений . Для установок ВИМС , основанных на обычной методике масс-спектрометрии , указанная проблема более важна , чем для масс-спектральных микроскопов . В последнем случае можно в плоскости изображения поместить вырезающую диафрагму так , чтобы отбирать лишь ионы , выходящие из сре д ней , эффективно распыляемой части мишени , где равновесная поверхностная концентрация адсорбированных загрязнений минимальна. Другой эффект , в известной мере аналогичный рассмотренному выше эффекту периферийной области пучка , поясняется схемой , представленн ой на фиг .11. Он связан с облучением большой площади образца быстрыми нейтральными атомами , образующимися в результате перезарядке при столкновениях первичных ионов с атомами , а также рассеянными ионами , возникающими при фокусировке первичного ионного пуч к а на мишень . Размер облучаемой этими частицами области определяется ограничивающими диафрагмами на пути ионного пучка и обычно превышает 250 мкм . Роль этого эффекта зависит от давления остаточных газов , конструкции линз , расположения и размеров диафрагм и геометрического устройства электродов колонны . Такая несфокусированная часть облучающего мишень потока непосредственно не зависит от сфокусированного ионного тока , поступающего на образец , но в основной своей части определяется полным потоком ионов в коло н не . В микрозондовом варианте метода ВИМС эти эффекты гораздо более серьезны , нежели в масс-спектральных микроскопах . Но к существенным ошибкам при анализе с применением микрозонда они приводят только в том случае , когда большая площадь , облучаемая несфоку сированной частью пучка , замет но отличается по составу от анализируемой точки . При диаметре пучка , равном нескольким микрометрам , несфокусированный компонент может облучать большую площадь поверхности образца и составлять более 1% ионного потока . Особенн о неблагоприятные условия возникают , если детали колонны формирования первичного пучка (ионный источник , линзы , отражатель , диафрагмы ) размещены на одной оси , пересекающейся с осью анализатора вторичных частиц . Этот эффект можно сильно ослабить , если откло н ить первичный пучок от оси прибора и диафрагмировать его вблизи самого образца . Другой метод , пригодный при объемном анализе в условиях , когда поверхность образца неоднородна по составу или загрязнена элементами , присутствие которых в объеме и исследуется , заключается в нанесении на поверхность пленки слоя высокочистого углерода (или другого элемента , отсутствующего в объеме и не представляющего интереса в проводимою анализе ) толщиной 200 - 500 А . В анализируемой точке этот слой может быть легко удален пе р вичным пучком большой плотности . В то же время “хвост” малой плотности тока на краях пучка и несфокусированные компоненты первичного пучка будут попадать на поверхность из чистого углерода , и , следовательно , области поверхности , отличные от центральной , н е дадут какого-либо вклада в сигнал . Ионное изображение Вторично-ионное изображение , дающее двумерную картину размещения элемента по поверхности , может быть получено либо методом масс-спектрального микроскопа , либо методом сканирующего микрозонда . В ма сс-спектральных микроскопах разрешение по поверхности не зависит от размеров первичного ионного пучка ; оно определяется аберрациями оптики анализатора вторичных ионов и хроматическими аберрациями , обусловленными разбросом вторичных ионов по энергиям . Если улучшать разрешение введением фильтра энергий , то снижается “светосила” прибора (число регистрируемых вторичных ионов , приходящихся на одну первичную частицу ). В масс-спектралъных микроскопах достигнуто поверхностное разрешение ~1 мкм . В приборах со скани рующим микрозондом поверхностное разрешение ограничено диаметром первичного пучка , а потому определяется качеством системы , фокусирующей первичный пучок . При высокой степени фокусировки (пучки диаметром менее 1 мкм ) значительный вклад в полный поток перви ч ных частиц , падающих на образец , может составить несфокусированный компонент и , следовательно , должны быть приняты меры для его устранения . Светосила прибора такого типа остается постоянной при любом поверхностном разрешении , так как она определяется анал и затором вторичных ионов , а не размерами первичного пучка . В микрозондовых приборах было достигнуто разрешение 1 - 2 мкм . Предельное разрешение , которое можно надеяться получить в приборах с вторичной ионной эмиссией , - порядка 100 А . Это ожидаемое значени е - физический предел , обусловленный характеристиками каскадов столкновений , перемешиванием в приповерхностных слоях , вызываемым первичными ионами , и средней глубиной выхода вторичных ионов . Однако практически из-за ограниченной выходной интенсивности исто ч ника первичных ионов и недостаточно высокого качества оптики электростатических линз нижний предел размеров ионного пучка оказывается ~ 1000 А . При одинаковом поверхностном разрешении и при одинаковых плотностях первичного тока масс-спектральный микроскоп требует для получения ионного изображения большой площади (например , 200 Х 200 мкм 2 ) меньше времени , чем сканирующий микрозонд . Дело в том , что в микроскопе информация собирается одновременно от всех точек поверхности , а не последовательно от точки к точк е . Но если интересоваться малыми участками (20 Х 20 мкм 2 ), то время формирования изображения , получаемого при помощи микрозонда , оказывается таким же , как и в масс-спектральном микроскопе , или даже меньшим . Это объясняется большим усилением в регистрирующе й системе микрозондовых устройств (электронный умножитель и ЭЛТ с модуляцией яркости ) и сравнительно низкой чувствительностью фотоэмульсий , применяемых для регистрации изображений . При анализе малых площадей сканирующий микрозонд дает еще два преимущества : меньше участок поверхности , испытывающий возмущение , а изображение , получаемое на экране ЭЛТ , сразу же пригодно для анализа . Требования к первичному ионному пучку Первичный ионный пучок играет очень важную роль в приборах ВИМС ; поэтому целесообразно остановиться на некоторых желаемых характеристиках пучка и системы его формирования , о которых ранее не говорилось . Эта система должна создавать сфокусированный и стабильный пучок ионов инертного газа (например , Аг + ), а также положительных и отрицательных ионов химически активного газа (например , О 2 + и О - ). Ионы активных газов нужны при объемном анализе твердого тела , а при облучении отрицательными ионами снижается роль зарядки поверхности . Накопление заряда на поверхности зависит от рода первичных ионов , их заряда , энергии и плотности тока , размеров облучаемой области , а также проводимости и толщины слоя диэлектрика . Локальные изменения потенциала поверхности могут вызывать ряд нежелательных эффектов : смещение пучка , миграцию элементов в имплантированной з оне , а также изменение энергии вторичных ионов и уменьшение эффективности их собирания вследствие искажения вытягивающего ионы поля в непосредственной близости от поверхности образца . Расчет влияния зарядки поверхности на траектории вторичных ионов , выбив а емых из диэлектриков. В ВИМС существует несколько способов уменьшения образования положительного заряда на поверхности : облучение ее широким потоком электронов , которые эмитируются расположенным неподалеку термокатодом , облучение пучками отрицательных ионо в , 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 элект родом , 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 молекул я рных 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 рас т р 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 , значи тельно 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 и з 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 иониз у ются 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 A превышает 10 -4 (что выполняется для большинства элементов и матриц ), то масс-спектрометрия ионизованных нейтральных атомов не может конкурировать с ВИМС по абсолютной чувствительности S A . Нейтральные частицы , выбитые из миш ени 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 образовавшихс я 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 высокочастот ном 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 квадруполь н ый 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 зависи т (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 обр а зцов с большой поверхностью ( ~10 см 2 ) 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 ан ализироваться 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 изме р ять распределение элемента по глубине . Метод имеет ряд привлекательных особенностей , которые делают целесообразным его дальнейшее развитие . Количественный анализ Коэффициент вторичной ионной эмиссии S A зависит от целого ря да 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 не п осредственно 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 приро ды 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 разли ч ия 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 S A , 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 контролиру емых 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 м о дель , 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 н а чальной 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 приб о ра 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 ио н ов . 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 A и A - сигналы вторичных ионов , а С A и С эт - атомные концентрации элемента А и эталонного элемента в матрице . Пользуясь коэффициентами относительной чувствительности А , найденными таким образом , можно по измеренным ионным сигналам для анализируемого образца вычислить относительную атомную концентрацию элемента в нем : ( A / A ) А = С A /С эт . Все относительные атомные концентрации можно нормировать к 100%, и тогда мы получим состав матрицы в атомных процентах при условии , что порог чувствительности установки ВИМС дос таточен 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 предъявля ю тся 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 А для любой матрицы . Величина А будет зависеть от параметра S характеризующего электронные свойства эмитирующей ионы поверхности . Общий характер зависимости А ( S ) показан на фиг . 12. Простейший способ оценки S , состоит в нахождении S = ( 1 / 2 ), где - произвольная постоянная , а 1 и 2 - коэффициенты относительной чувствительности для элементов 1 и 2, так что отношение 1 к 2 зависит от матрицы . Информацию об S содержащуюся в спектрах вторичных ионов , дают также отношения вторичных ионов М 2+ /М + , МО + /М + , М N + /М + . Стандартизировав условия функционирования установки и собрав экспериментальные данные типа показанных на фиг . 12 для эталонны х образцов , уже можно извлекать из сигналов вторичных ионов достаточно точную количественную информацию почти при любой матрице (если только для нее известна величина S ). Фиг .12. Зависимость коэффициентов А относительной чувствительности к разным элементам от типа поверхности образца [1]. При определении величины S , 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 М 2+ /М + , МО + /М + , М N + /М + (иди люб ых других ), зависящих от S , но не зависящих от концентрации элементов . Кроме того , величину S , можно рассчитать исходя из отношений ионных сигналов и концентраций двух или более компонентов , для которых А / А’ зависит от матрицы . Подобный метод пригоден при обнаружении следов элементов в хорошо известной матрице . И наконец , можно просто выбрать величину S р уководствуясь 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 о шибкой 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 опис а нного 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 дел али 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 исследован ии 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 гл у бине , 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 . Разрешен ие 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 и з мерения . Если толщина слоя (или глубина залегания границы раздела ) превышает примерно 2R P то из-за различных факторов , вызывающих уширение измеряемого профиля концентрации (приборных и ионно-матричных эффектов ), распределение для тонкого слоя оказывается б лизким к нормальному распределению со среднеквадратичным отклонением R . За разрешение по глубине можно принять величину R для этого распределения . Если слой толстый , то среднеквадратичное отклон ение М экспериментально наблюдаемого (измеренного ) профиля связано с R и Т соотношением 2 М = 2 R + 2 Т , где Т - среднеквадратичное отклонение истинного распределения слоя . При М >> Т , например в случае тонкого слоя , величина R приблизительно равна разрешению R метода по глубине . Если принять , что измеренный профиль тонкого слоя описывается нормальным распределением , то можно рассмотреть и случай уширения границы раздела , и ег о связь с разрешением по глубине . Это разрешение можно вычислить по профилю ступенчатого изменения концентрации (ширина ступени >> R ), когда форма истинного края ступени похожа на кривую интегрального нормального распределени я со среднеквадратичным отклонением t . Если концентрация изменяется резко ( t ~0), то разрешению по глубине R соответствует величина m , 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 t ) разрешение по глубина дается формулой R =( 2 m - 2 t ) 1/2 , причем нужно учитывать ошибки в величинах m и t . Случай профиля слоя с существенным T 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 ко нцентрации . 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 ра спыления . 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 R P +2 R P , 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 получ ения 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 а морфной 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 большинс тву 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 особенност я ми 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 то ка 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 сеч е нию 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 концентраци и 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 расфо кусируют 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 да ющего 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 лин е йно 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 огр аничить 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 первичн ы й 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 инфор мация , 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 кратер а , 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 крат е ра . 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 перви ч ного 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 концен т рации 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 . Так им 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 отсч и тывают 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 кр утизны , 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 з а рядки 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 10 6 В /см. Одной однородности плотности первич ного 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 состоян и я 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 по вреждения 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 мат р ицы 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 (частичн о 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 иденти фикации 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 атомно го 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 si tu. 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 пр и 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 метал л ов 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 металло м . 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 трудност ями . 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 инфор м ацию 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 полуко л ичественные 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 сре ди применяемых для измерения распределения концентрации элементов по глубине образца . Предел разрешения по глубине при таком методе не превышает 50 А , а порог чувствительности меньше 10 17 атом /см 2 . 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 т я желыми 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 в н едренных 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-спект ральнаго 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 микро скопы 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 ра с пределения 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 м км ), элементного анализа взвеси и определения возраста некоторых фаз в минералах по отношению 207 Pb/ 206 Pbи рубидиево-стронциевым методом . Анализ активных газов (таких , как Н 2 , N 2 , О 2 ) 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 поверхнос т и 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 ВИМ С , 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.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
- Доктор, вы помните, когда у меня шалили нервы, вы мне что посоветовали?
- Завести любовника!
- Так вот, объясните мужу, что я не шлюха, а лечусь!
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru