ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ HC^EMOBÄHHü, 2007, < 12, с. 44-51
УДК 621.592.315
ПОСЛОЙНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОМ ВТОРИЧНО-ИОННОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ С ИЗМЕРЕНИЕМ ТОКА В ЦЕПИ ОБРАЗЦА
© 2007 г. А. Б. Толстогузов1, У. Барди1, С. П. Ченакин2
1Флорентийский университет, Сесто Фиорентино, Италия 2Институт металлофизики НАН Украины, Киев, Украина Поступила в редакцию 27.11.2006 г.
Детально обсуждаются особенности метода измерения интегрального тока в цепи образца в комбинации с вторично-ионной масс-спектрометрией (ВИМС) при послойном анализе различных тонкопленочных структур. Приведены результаты профилирования многослойных покрытий СгЭДА№, нанесенных методом магнетронного напыления на поверхность никелевого сплава, пленок диоксида титана на нержавеющей стали и коррозионных слоев, сформированных на поверхности магниевого сплава при взаимодействии с ионной жидкостью. Эти результаты дают основание рассматривать предложенный метод измерения тока образца как полезное и информативное дополнение к традиционному послойному анализу методом ВИМС.
ВВЕДЕНИЕ
Ионно-электронная эмиссия (ИЭЭ) относится к числу важнейших процессов, сопровождающих взаимодействие ионных пучков с поверхностью [1-4]. При исследованиях этого явления основное внимание уделяется измерениям дифференциальных характеристик ИЭЭ, в первую очередь, энергетических и угловых распределений эмитируемых электронов [5-8]. Измерение интегрального тока в цепи образца при ионной бомбардировке также несет полезную информацию об объекте исследований, особенно, если оно комбинируется с другими методами диагностики поверхности, например, с вторично-ионной масс-спектрометрией (ВИМС). Виттмаак использовал метод измерения тока мишени при исследовании распыления и отражения различных ионов от поверхности Mg, А1 и Si [9], а также при изучении изменения состава поверхности кремниевой мишени при бомбардировке ионами кислорода и азота [10, 11]. Каро-левски и Кавелл применяли метод измерения ион-но-индуцированного тока кристалла вместе со статической ВИМС для наблюдения за адсорбцией остаточных газов на поверхности 1п и Си [12, 13] и для контроля процессов роста слоев меди на поверхности предварительно окисленной никелевой мишени [14]. Майлн с коллегами [15] одними из первых провели одновременное измерение энергетических спектров ИЭЭ и масс-спектров вторичных ионов при послойном анализе многослойных структур КЬ/А1203/А1/КЬ. Такой подход позволил учесть влияние матричных эффектов на профили вторичных ионов и упростить интерпретацию данных ВИМС. Мониторинг ионно-электронной эмиссии используется в микроэлектронике при обработке материалов сфокусиро-
ванными ионными пучками (end-point detection). Например, установки LEO 1500XB и FIB 200 SIMS III, выпускаемые фирмой FEI, позволяют измерять полный ток образца в зависимости от глубины травления образца ионным пучком [16].
С середины 90-х годов авторы данной статьи используют метод измерения тока в цепи образца в комбинации с ВИМС и низкоэнергетическим ионным рассеянием при послойном анализе различных образцов [17-21]. В настоящей работе обсуждаются принципы этого метода и рассматриваются результаты его применения при профилировании тонких пленок и многослойных структур с разными эмиссионными характеристиками и проводимостью слоев.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Исследования выполнялись на экспериментальной установке [22-24] в CNR-IENI (г. Падуя, Италия). В качестве источника первичных ионов использовался дуоплазматрон DP50B (VG Fison).
Ионы 16O+ с энергией 1.5-3 кэВ • атом-1, сепарированные по массам, бомбардировали образец под углом 30° относительно нормали к поверхности. Для регистрации вторичных ионов применялся масс-энергоанализатор EQS 1000 (Hiden). Глубина кратера распыления измерялась механическим профилометром Stylus Profiler P-10 (Tencor).
Ток в цепи образца измерялся в режиме аналого-цифрового преобразования [25] и записывался как функция времени распыления одновременно с сигналами вторичных ионов (рис. 1). При бомбардировке образца положительными первичными ионами суммарный ток в цепи образца Is в общем случае может быть представлен как
Is = I0+ Ie-1+ +1-,
(1)
где 10 - первичный ионный ток, 1е - ток ионно-
электронной эмиссии, ^ - суммарный ток положительно заряженных вторичных и первичных рассеянных ионов, I- - ток отрицательных вторичных ионов вместе с током перезарядившихся первичных ионов, т.е. ионов, изменивших знак заряда при рассеянии.
В каждый момент времени проводились два последовательных измерения тока образца: с отрицательным потенциалом образца (иь = -100 В относительно потенциала земли) и положительным потенциалом (иа = +300 В), приложенным к экстрактору масс-энергоанализатора и окружающим образец электродам, и, наоборот, с положительным потенциалом на образце и отрицательным потенциалом на окружающих электродах. В первом случае подавлялась значительная часть положительных вторичных и рассеянных ионов, и ток в цепи образца 11 был равен
11 = I о
I-.
Во втором случае мы измеряли ток I? = I о- I+.
(2)
(3)
Результирующий ток в наших экспериментах был равен
Is = Il-12 = Ie + I++ I- =
= Io (Y e + Y + + Y- ),
(4)
Анализатор
j + ji
je
*-(+) и + (-) Ua
Образец
АЦП
U b - (+)
где уе и у + - коэффициенты ионно-электронной и вторично-ионной (положительной и отрицательной) эмиссии (ВИЭ). В большинстве случаев
величина коэффициента упренебрежимо мала по сравнению с уе, и все изменения тока образца связаны только с ИЭЭ. Однако из литературы известно [26], что при формировании на поверхности кремния ионно-индуцированных слоев SiO2 полный суммарный коэффициент положительной и отрицательной ВИЭ может достигать 5-10% от величины 10 и должен приниматься во внимание в формуле (4). При скользящем угле падения коэффициент отражения первичных ионов также должен учитываться в (4), особенно для ионов №+ [9].
В процессе экспериментов регистрировались оба тока: 11 и 12, а затем вычислялась величина 1;, фактически тока ИЭЭ. Особенностью измерений тока образца было применение режима электронной диафрагмы, т.е. ограничение области сбора полезного сигнала только центральной частью кратера распыления. За счет этого исключалось влияние стенок кратера не только на про-
Рис. 1. Схема измерений тока образца и масс-спектров вторичных ионов.
фили вторичных ионов, что в настоящее время являются рутинной экспериментальной процедурой, но и на данные ИЭЭ. Насколько нам известно, в литературе не описана подобная методика.
Выбор исследуемых образцов был связан с научными и коммерческими интересами нашей лаборатории. Были исследованы следующие образцы:
1. Многослойные абразивные покрытия CrN/AlN, нанесенные методом магнетронного напыления на поверхность никелевого сплава Ni-monic-75 (Cr - 19, Fe - 5, Mn - 1, вес.%, Ni в остатке). Покрытия были разработаны фирмой Teer Coatings для упрочнения режущей кромки лопастей турбин. Методами ионной и электронной спектроскопии были изучены процессы высокотемпературной деградации этих покрытий [19, 21]. В данной работе обсуждаются результаты послойного анализа исходных образцов, состоящих из 14 (7 + 7) чередующихся слоев нитридов хрома и алюминия с номинальной толщиной слоев 0.3 и 0.1 мкм соответственно.
2. Тонкие пленки (0.3-0.5 мкм) диоксида титана, нанесенные методом магнетронного напыления (Vacuum Surtec) на подложки из нержавеющей стали. Интерес к пленкам двуокиси титана связан в первую очередь с их высокой фотокаталитической активностью [27, 28], что позволяет эффективно использовать покрытия на основе TiO2 для очистки воды и воздуха.
3. Коррозионные слои, сформированные на поверхности магниевого сплава AZ 91 (Al 8.0 - 9.5, Zn 0.3 - 1.0, Mn 0.1 - 0.3, вес.%, Mg в остатке) при длительном взаимодействии с ионной жидкостью. Магний и его сплавы являются перспектив-
j
j
0
j
s
Глубина распыления, мкм 0 12 3
48 96 144
Время распыления, мин
192
Рис. 2. Послойное профилирование покрытий С^/АШ на сплаве №топю-75. Экспериментальные условия: первичные ионы 160+, 3 кэВ; площадь растра сканирования 0.3 мм2; электронная диафрагма 10%; скорость распыления ¥&р = 13.5 ± 2.5 нм • мин-1.
ными материалами для автомобильной промышленности, однако они отличаются повышенной коррозионной активностью. Ионные жидкости представляют собой экологически чистые безводные расплавы солей, состоящих из органического катиона и неорганического аниона. Благодаря низкому давлению насыщающих паров и другим полезным качествам [29], ионные жидкости применяются как рабочие растворы в конденсаторах и батареях, а также в качестве смазочных материалов [30]. В настоящей работе использовалась ионная жидкость, состоящая из 1-этил-3-метил-имидазолия бис(трифторометилсульфонил)имида [С4тт][Т^К]. Окислительный тест проводился в печи СагЬоШе CWF 13/5 при температуре 225°С в течение 20 дней. Детальные результаты исследований взаимодействия различных сплавов с ионной жидкостью опубликованы в наших статьях [31, 32]; в данной работе рассматриваются только профили послойного анализа коррозионных слоев на поверхности магниевого сплава.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Многослойные покрытия СгМАШ. Для анализа компонентов покрытия были использованы молекулярные ионы 43(АЮ)+ и 120(Сг20)+, выбранные в качестве характеристических. Результаты послойного анализа покрытий представлены на рис. 2. Все профили послойного анализа, включая ток образца, были нормированы на максимальную величину соответствующих сигналов. При этом интенсивность сигналов от первых слоев не
принималась во внимание, так как коэффициенты ионно-ионной и ионно-электронной эмиссии в этих слоях были в значительной мере завышены за счет влияния приповерхностных загрязнений.
Все профили, представленные на рис. 2, в той или иной степени искажены различными физическими и аппаратурными артефактами [33, 34], связанными с ионным распылением. Прежде всего, отметим ионно-индуцированное перемешивание слоев образца, приводящее к прогрессирующему затуханию осцилляций сигналов вторичных ионов с увеличением глубины анализа (времени распыления). Мы не могли полностью п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.