<<
>>

Глава VIII. Раздел 3. Спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда

  Метод обратного рассеяния Резерфорда (ОРР) или спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда (СОРР) является одним из самых высокочувствительных методов поэлементного анализа и основан на облучении поверхности исследуемого образца остросфокусированным пучком легких ионов (гелий, альфа частицы, протоны) с энергией от 1 до 3 МэВ и последующей регистрацией энергетических спектров испытавших упругое рассеяние на большие углы ионов, содержащих информацию о массе рассеивающих атомов и глубине их залегания.
Количественная интерпретация данных о рассеянии ионов достаточно проста, анализ образцов не требует их специальной подготовки. Кинематика столкновений и сечения рассеяния не зависят от химических связей, поэтому измеренные характеристики обратного рассеяния нечувствительны к электронной конфигурации и химическим связям внутри мишени. Достоинством метода является возможность определять концентрационные профили распределения атомов без разрушения исследуемого образца. Методу ОРР, однако, присущи следующие недостатки: Зависимость энергии рассеянных ионов от массы атомов и глубины их залегания вносит погрешность в определение концентрационных профилей элементов. Недостаточно высокие разрешения по массам и глубине затрудняют расшифровку спектров в сложных по составу образцах и многослойных структурах. Низкая чувствительность метода по отношению к легким элементам делает в некоторых случаях его применение не эффективным для определения малых количеств этих элементов в тяжелых матрицах (т.е предпочтительнее, чтобы элементы матрицы по массе были легче, чем определяемые элементы).

Обратное рассеяние Резерфорда является наиболее простым случаем рассеяния частиц, основывающееся на классическом рассеянии частицы в поле центральных

сил, при этом моноэнергетические частицы пучка сталкиваются с атомами мишени и рассеиваются назад на угол, больший 900.

В этом случае рассматриваются физические понятия, относящиеся к кулоновскому рассеянию быстрого легкого иона на более тяжелом неподвижном атоме.

Рис. 4.3.1 Кинематика обратного рассеяния ионов Кинематика столкновений и сечение рассеяния не зависят от химических связей, поэтому характеристики обратного рассеяния нечувствительны к электронным конфигурациям атомов и химическим связям внутри мишени.

Кинематика обратного рассеяния ионов поясняется рис. 4.3.1. и 4.3.2. Пучок ионов с энергией Е0, массой ионов М1 и скоростью Vo направляется на образец под углом ф1 относительно нормали к его поверхности. На некоторой глубине х в образце ионы испытывают упругое рассеяние и изменяют направление своего движения на угол 0. Ионы, вылетающие с энергией Е под углом ф2 регистрируются детектором, который может располагаться в разных местах камеры и, соответственно, фиксировать ионы, вылетающие из образца под разными углами и определять их энергию. В результате соударения налетающего иона со свободным атомом ион изменяет направление своего движения иа угол 0 и отлетает со скоростью V1 (рис. 4.3.2).

Будем рассматривать столкновение двух положительно заряженных ядер с атомными номерами Z1 и Z2. Кинематика упругого столкновения двух изолированных частиц может быть полностью изучена с помощью законов сохранения энергии и импульса. Пусть налетающая частица массой М1 имеет скорость V0 и энергию Е0, а атом мишени М2 покоится, как это показано на рис.4.3.2. После столкновения значения скоростей V1 и V2 и энергий Е1 и Е2 налетающей частицы и атома мишени определяются углом рассеяния 0 и углом отдачи ф, которые отсчитываются от направления начального движения частицы и всегда положительны. Все величины относятся к лабораторной системе отсчета.

С учетом того, что законы сохранения энергии и компонентов импульса, которые будут параллельны и перпендикулярны к направлению движения налетающей частицы, выражаются уравнениями:


Отношение энергий, определяемых по законам Ньютона, налетающей частицы в случае М1 lt; М2, когда в выражении (4.3.4) имеет место знак плюс, определяется выражением:

Это отношение энергийназывается кинематическим фактором и пока

зывает, что энергия после соударения определяется только массами участвующих в столкновении частиц и углом рассеяния. Чтобы подчеркнуть зависимость К от массы атома мишени обычно добавляют индексПри обратном рассеянии на

угол 180° отношение энергий достигает своего минимального значения, равного:


При равенстве масс М1 = М2 налетающая частица останавливается после столкновения, передав всю энергию атому мишени.

Для угла 0=180° энергия Е2, переданная атому мишени, достигает своего максимального значения, равного:


На практике, если мишень содержит два типа атомов, массы которых различаются на небольшую величину(например, изотопы), геометрия эксперимента

выбирается таким образом, чтобы получить возможно большую разностьизмеряемых после рассеяния энергий Е1. Изменение М2 (при фиксированной М1 lt; М2) сопровождается максимальным изменением К в случае 0=180°, поэтому это направление является наилучшим для размещения детектора (на практике вследствие конечных размеров детектора выбирается угол, наиболее близкий к 180°). Такая схема эксперимента и дала методу название спектрометрии обратного рассеяния (СОРР).

Рассеянные ионы регистрируются полупроводниковым детектором по энергиям на основе кремниевых p-n переходов и регистрируемый сигнал поступает в многоканальный анализатор. Значения кинетического множителя для каждого элемента известны, т.к. их можно рассчитать на основе теории рассеяния частиц. Поэтому можно определить поэлементный состав поверхностного слоя образца путем измерения энергии обратно-рассеянных ионов.

Первичные ионы теряют энергию по мере углубления в образец и претерпевают акты рассеяния. Ионы, рассеянные на некоторой глубинедолжны пройти обратный путь в материале, претерпевая рассеяние и теряя энергию, прежде чем покинут поверхность образца и попадут на детектор. Общая потеря энергии ионов, рассеянных на поверхности образца и глубинесоставляет:


Измеряя отношение НА/НВ и подбирая по таблицам или с помощью компьютерной программы соответствующие значения [е], можно определить отношение m/n.

Энергетическое разрешение современных детекторов составляет примерно 10 - 15 кэВ, что соответствует разрешению по глубине 30 нм для кремния и 10 нм для более тяжелых металлов. Однако сравнительно большой диаметр пучка не позволяет эффективно использовать метод СОРР для анализа большинства элементов современных субмикронных СБИС. Предел чувствительности для кислорода составляет примерно 10 ат/см .

Однако в нанотехнологии, при анализе достаточно компактных объемов вещества этот метод исключительно полезен, особенно если речь идет об особочистых веществах или об определении изотопов и примесей. Метод годится для анализа как довольно массивных образцов (при использовании легких ионов глубина неразрушающего анализа порядка 10 мкм), так и тонких пленок и слоистых структур, но с применением дополнительных приемов интерпретации получаемых спектров.

Глава VIII. Раздел 4. Рентгенофазовый анализ. Дифракция электронов и электронография

<< | >>
Источник: В. И. Марголин. Основы нанотехнологии. Учебное пособие. 2004

Еще по теме Глава VIII. Раздел 3. Спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда:

  1. Глава VIII. Раздел 3. Спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда