ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, № 8, с. 35-38
УДК 532.533
ВТОРИЧНАЯ ИОННАЯ ЭМИССИЯ ПРИ БОМБАРДИРОВКЕ КРЕМНИЯ
МНОГОЗАРЯДНЫМИ ИОНАМИ
© 2012 г. С. Н. Морозов
Институт электроники имени У.А. Арифова АН РУз, Ташкент, Республика Узбекистан
Поступила в редакцию 12.01.2012 г.
Исследованы спектры вторичной ионной эмиссии при бомбардировке легированной бором 81-ми-шени многозарядными ионами 81д+ (д = 1—5) в диапазоне энергии 1—10 кэВ на единицу заряда. Наблюдается многократный рост выхода вторичных кластерных ионов 81многозарядных ионов 81д+ (д = 1—3), а также ионов Н+, С+, В+, 8120+ с ростом заряда многозарядных ионов. Прираще-
ние выхода вторичных ионов с ростом заряда многозарядных ионов наиболее существенно для ионов с относительно высокими потенциалами ионизации.
ВВЕДЕНИЕ
Применение медленных многозарядных ионов (МЗИ) в качестве первичных во вторично-ионной масс-спектроскопии (ВИМС) недостаточно изучено, несмотря на возможности повышения степени ионизации распыленных частиц и перспективу разработки метода времяпролетного ВИМС высокого разрешения с измерением выхода вторичных ионов для каждого бомбардирующего иона (Coincidental Ion Mass Spectrometry). В этом методе при исследовании масс-спектров отрицательных ионов "стартовый" импульс формируется вторичными электронами, а при исследовании положительной ионной эмиссии — вторичными протонами [1—3]. Взаимодействие многозарядных ионов с твердым телом сопряжено с выделением потенциальной энергии нейтрализации, которая аккумулируется электронной подсистемой тонкого поверхностного слоя. Последующая релаксация этой энергии приводит не только к потенциальной электронной эмиссии, но и к дополнительному выходу вторичных ионов. При исследовании вторичной ионной эмиссии под действием МЗИ обсуждался механизм увеличения распыления и эмиссии положительных ионов посредством так называемого "кулоновского взрыва" [4, 5], суть которого заключается в распаде под действием сил кулоновского расталкивания положительно заряженных ионов, образующихся в области нейтрализации МЗИ на поверхности. Однако в большинстве экспериментальных работ не наблюдалось увеличения коэффициентов распыления металлов и кремния для медленных МЗИ с зарядом менее 7—10, но в ряде работ отмечался рост вторичной ионной эмиссии, который сильнее проявляется при уменьшении энергии МЗИ. Например, в работе [6] высказывается предположение о влиянии заряда налетающего иона при распылении в режиме прямого выбивания вторичных частиц.
Авторы значительного количества работ по исследованию вторичной ионной эмиссии применяют МЗИ с максимально достижимыми зарядами и относительно большой энергией ионов (десятки и сотни кэВ). Однако максимальные преимущества использования МЗИ для усовершенствования ВИМС могут быть получены и при использовании относительно небольших зарядов ионов, д = 3—10, при минимальной кинетической энергии Е0 = 0.1— 1 кэВ/д. В наших предыдущих измерениях при бомбардировке кремния медленными многозарядными ионами В1д+ обнаружено существенное увеличение выхода вторичных атомарных и кластерных ионов с ростом заряда МЗИ [7]. Рост выхода вторичных ионов предположительно связан с увеличением степени ионизации в результате зарядового обмена между бомбардирующим МЗИ и эмитированным в процессе прямого выбивания атомом мишени. С точки зрения получения максимальных преимуществ при использовании МЗИ в ВИМС кремния перспективным типом ионов представляются ионы 81д+, поскольку они не будут загрязнять исследуемый образец, обладают значительными потенциалами ионизации, а одноименные ионы имеют преимущества с точки зрения коэффициента распыления.
В работе проведены экспериментальные исследования масс-спектров вторичной ионной эмиссии при бомбардировке легированной бором мишени 81 многозарядными ионами 81д+ в диапазоне энергии 1—10 кэВ на единицу заряда.
МЕТОДИКА
Экспериментальная установка включала в себя источник многозарядных ионов кремния, магнитный сепаратор первичных ионов и магнитный анализатор вторичных ионов на базе масс-спек-
д <D 106
К
о
Si 105
«
о Т"
н о и 104
од
о X
3 В 103
102
Siq+ —► Si E0/q = 3 кэВ
2 3
Заряд иона q
Si+
-ж- Si4+
Рис. 1. Относительный выход вторичных кластерных
ионов + под действием МЗИ при энергии Ео = = 3 кэБ/#.
д
<D
К н
о
«
о н о и
X
3
н
f
и р
о
н «
од В
104
103
102
Siq+ —- Si E0/q = 3 кэВ
B+
-•- C+ —A— Si2N+ —Т— Si2O+
3
Заряд иона q
Рис. 2. Зависимость выхода вторичных ионов С+, В+, Si2N+, 8120+ от заряда бомбардирующих ионов при энергии Ео = 3 кэБ/#.
Si +
1
4
5
2
4
1
5
трометра МИ 1201. Для получения МЗИ был изготовлен источник ионов 819+ (# = 1—5) с испарением и ионизацией паров кремния электронным пучком. МЗИ бомбардировали поверхность кремниевой мишени под углом 45°. Плотность тока первичных ионов на мишени составляла 0.1—50 нА см-2 для разных #. На стадии измерений давление было не выше 3 х 10-6 Па. Чистота поверхности кремниевой мишени достигалась длительной предварительной бомбардировкой и прогревом мишени до 800°С. Вторичные ионы собирались по нормали к поверхности мишени и ускорялись напряжением в 2 кэВ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При бомбардировке кремниевой мишени многозарядными ионами Siq+ (q = 1—5) в масс-спектрах вторичной ионной эмиссии присутствовали
кластерные ионы кремния Si + (n = 1—4), многозарядные ионы Siq+ (q = 1—3), а также гетероатом-ные ионы, содержащие бор, углерод, азот и кислород. Относительный выход вторичных кластерных ионов Si + под действием МЗИ Siq+ приведен на рис. 1. Наблюдается рост выхода вторичных
ионов Si + по всему спектру с ростом заряда МЗИ, существенно опережающий рост интегрального коэффициента распыления, который связан с ростом кинетической энергии, пропорциональной заряду МЗИ E0/q = 3 кэВ. Оценка с помощью компьютерного пакета программ TRIM показывает, что интегральный коэффициент распыления Y растет на 30—40% в диапазоне энергии 3— 15 кэВ, соответствующем изменению заряда бомбардирующих ионов от одного до пяти на рис. 1.
При этом выход кластерных ионов в среднем по спектру увеличивается в 10-12 раз.
Б масс-спектрах вторичной эмиссии наблюдались ионы примесей, а также гетероатомные молекулярные ионы, содержащие кремний. На рис. 2 приведены графики зависимости выхода вторичных ионов С+, В+, 812№, 8120+ от заряда бомбардирующих ионов 8^+. Наблюдается быстрый рост ионов примесей С+, В+, а также молекулярных ионов 812№, 8120+ с ростом #. Как и в работе [7], наиболее сильное приращение выхода с ростом заряда МЗИ наблюдалось для вторичного иона Н+. Приращение выхода ионов водорода с ростом заряда МЗИ по закону дп (п = 3-5) отмечалось ранее [8, 9]. Б работе [10] впервые наблюдался значительный рост выхода вторичной ионной эмиссии при бомбардировке кремния МЗИ. Анализируя выход различных ионов при бомбардировке кремния МЗИ 819+ и В1д+ по данным аналогичных измерений [7], можно отметить, что рост выхода вторичных ионов с увеличением заряда МЗИ наиболее существенен для ионов с относительно высоким потенциалом ионизации и, соответственно, малой эффективностью ионизации при распылении. Таким образом, использование МЗИ может привести к существенному увеличению и выравниванию чувствительности регистрации различных ионов в результате роста коэффициентов ионизации вторичных ионов с опережением для трудно ионизуемых частиц.
Б последнее время большое значение придается использованию кластерных бомбардирующих ионов для резкого повышения выхода многоатомных вторичных ионов и улучшения качественных характеристик метода анализа поверхности с помощью БИМС [3, 11, 12]. Сравнивая
ВТОРИЧНАЯ ИОННАЯ ЭМИССИЯ ПРИ БОМБАРДИРОВКЕ КРЕМНИЯ
37
106
105
81а+-
81
10
20 30
Е0, кэВ
40
50
Рис. 3. Зависимость выхода ионов 81+ от энергии и заряда МЗИ 81^+.
10
20 30
Е0, кэВ
40
50
Рис. 4. Зависимость выхода ионов 81 заряда МЗИ 81а+.
2+
от энергии и
0
0
влияние кластерных и многозарядных ионов на увеличение выхода вторичной ионной эмиссии важно отметить, что в случае кластерной бомбардировки эффект достигается за счет повышения коэффициента распыления, в то время как при бомбардировке МЗИ рост вторичной эмиссии связан с ростом степени ионизации распыленных частиц.
В спектре вторичных ионов присутствовали, помимо атомарных ионов кремния, двухзаряд-ные и трехзарядные ионы 812+, 813+. Относительно большое содержание вторичных двух- и даже трехзарядных ионов является характерной особенностью ВИМС кремния. На рис. 3—5 приведены графики зависимости выхода ионов 81+, 812+ и 813+ от энергии и заряда МЗИ 81а+. Помимо быстрого роста выхода ионов 81+, 812+ и 813+ с энергией наблюдается существенная зависимость их выхода от заряда МЗИ. В области малых значений энергии бомбардирующих ионов, когда кинетическая составляющая ионно-ионной эмиссии стремится к нулю, в приращении выхода вторичных ионов кремния участвует потенциальная энергия ионизации бомбардирующих МЗИ, возрастающая с ростом их заряда. Эти результаты указывают на возможность зарядового обмена между налетающими ионами и выбитыми в результате прямого контакта распыленными атомами. Возможно, этот обмен и является основной причиной повышения коэффициента ионизации распыленных частиц при бомбардировке медленными МЗИ. В случае подтверждения такого механизма передачи заряда можно ожидать значительное увеличение коэффициента ионизации распыленных частиц при малой энергии бомбардировки, когда преобладает режим прямого выбивания.
00 «
о X о
К §
3
В
105
104
103
81
♦____________________________
а
—Ш 1
/ —А 3
/ -т 4
■ 1 \ 1 —♦5
10
20
30
кэВ
40
50
Рис. 5. Зависимость выхода ионов 81 заряда МЗИ 81а+.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
3+
от энергии и
При бомбардировке монокристалла кремния, легированного бором, многозарядными ионами 81а+ в диапазоне энергии 1—10 кэВ/д наблюдается многократный рост выхода вторичных кластерных
ионов 81многозарядных ионы 81а+ (# = 1—3), а также ионов Н+, С+, В+, 812№, 8120+ с ростом #. Приращение выхода вторичных ионов с ростом заряда МЗИ наиболее существенно для ионов с о
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.