Ионное распыление — кисточка археолога

Пусть с помощью некоторого метода анализа поверхности мы узнаем ее состав до некоторой глубины. Как узнать, что находится глубже? Можно просто применить метод, «чувствующий» большую глубину, но при этом у нас будут смешиваться сигналы от разных слоев, и мы будем видеть средний состав. Хотелось бы знать, что расположено на каждом нанометре до глубин, скажем, в одну десятую миллиметра (это примерно совпадает с «геологическим» разрешением при бурении скважин — сантиметр на километр).

Для этого надо проанализировать верхний нанометр, потом ионным распылением сорвать его, проанализировать следующий и т. д. Геологов бы этот способ не вдохновил, но у тех, кто изучает поверхность твердого тела, другого способа пока нет. Да и археологи действуют именно так, а как много интересного они узнают!

При этом следует учитывать свойства ионного распыления, затрудняющие его применение при анализе поверхности:

а) распыление селективно — разные атомы распыляются с разной скоростью;

б) распыление может ускорять диффузию;

в) бомбардировка ионами может «вбивать» атомы примеси в глубину основного материала, и эта примесь будет обнаруживаться на глубине, на которой до анализа ее не было;

г) если распыление производится локально и образуется кратер, то материал, распыляемый со стенок кратера, может попадать на его дно;

д) при анализе сигнал от стенок может примешиваться к сигналу от дна, если анализируемая площадка недостаточно мала…

«… для того чтобы знать что-то, надо знать все. Однако поскольку мы являемся индивидуумами, конечными как в пространстве, так и во времени, то допускаем компромисс». Т. А. Карлсон, автор книги «Фотоэлектронная и Оже-спектро-скопия» (М.: Машиностроение, 1981), написал эту фразу не от хорошей жизни.

Исследование распределения элементов по глубине («профилей концентрации») путем распыления можно осуществить при любом методе исследования собственно поверхности. Но наиболее естественно распыление сочетается с методами, основанными на бомбардировке образца ионами.

При бомбардировке ионами можно анализировать поступающие из образца атомы, ионы, электроны и электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение может генерироваться двумя способами. Когда ион водорода или гелия с энергией более 100 кэВ входит в материал, он выбивает электрон из внутренней оболочки атома, на это место переходит электрон из внешней оболочки и одновременно испускается квант рентгеновского излучения. Энергия кванта равна разности энергий электрона на двух оболочках, и она различна для разных элементов. Но применение ядер с указанной энергией для исследования поверхности технически сложно. А для прочих ионов при меньших энергиях механизм генерации излучения следующий: при сближении иона и атома электрон переходит из атома в ион (если в ионе есть на какой-либо из оболочек подходящее по энергии незаполненное место (вакансия)). В результате образуется вакансия уже в атоме, а дальнейшее нам известно: другой электрон попадает в эту вакансию и генерируется квант.

При переходе электрона с внешней оболочки на внутреннюю избыточная энергия может не только выделяться в виде кванта электромагнитного излучения, но и передаваться какому-либо крутому электрону. Если полученной энергии окажется достаточно, электрон может покинуть атом. По энергии такого электрона также можно установить, из атома какого элемента он произошел. С этим процессом мы еще встретимся при рассмотрении облучения поверхности электронами, ибо выбить электрон из внутренней оболочки атома можно и другим электроном.

Существует еще один путь возникновения ион-электронной эмиссии, ее, в отличие от описанной выше кинетической (зависящей от кинетической энергии ионов), называют потенциальной. При подходе иона к поверхности электрон может перейти из образца в ион (посредством автоэлектронной эмиссии), а избыточная энергия передается другому электрону образца, и если она превышает работу выхода, то электрон из образца может вылететь в вакуум.

Из всех методов, связанных с ионной бомбардировкой, наиболее широко используются методы, связанные с потоком ионов, идущих от образца. Основных таких методов два. В одном из них исследуют рассеянные образцом первичные ионы, во втором — распыленные ионы материала объекта.

Начнем с первого. Ион массы т налетает на поверхность, сталкивается с атомом массы М и отражается под углом 0 (рис. 44). Энергия ионов, рассеянных под разными углами, зависит от ш, М и 0, и при М > т и 0 = 90° (наиболее простой случай, стараются им и пользоваться) энергия отраженного

К сожалению, при отлете от поверхности не менее 99% ионов нейтрализуется (превращается в нейтральные атомы), и энергоанализатор их «не чувствует». Кроме того, метод усложняется из-за многократных столкновений ионов с атомами. Однако по угловому распределению отраженных ионов можно определить и взаимное расположение атомов, что видно из рис. 45. Сигнал от атомов, расположенных «глубоко», можно

наблюдать только при движении ионов перпендикулярно к поверхности. Размер анализируемого участка («локальность») в этом методе составляет около микрометра. Высокая чувствительность и локальность привели к тому, что этот метод сейчас один из наиболее распространенных, так же, как и второй метод этой группы — анализ масс ионов, выбитых из поверхности объекта. Этим методом можно устанавливать состав поверхности на такой же маленькой площади и он так же чувствителен к составу первого слоя атомов.

В обоих рассмотренных методах сканирование ионного луча по поверхности (обход поверхности) с наблюдением содержания определенного элемента позволяет получать изображение объекта, как говорят, «в лучах» определенного элемента, или карту его распределения на объекте. Кстати, это возможно вообще во всех методах, в которых производится локальное исследование объекта.

Применение анализа ионов, содранных с поверхности образца при послойном распылении образца ионами, позволяет получить распределение элементов по глубине образца. Приведем два вполне характерных примера. Пусть на кристалл арсенида галлия GaAs напылена пленка сплава AuGe толщины 0,15 мкм, а сверху — пленка Ni той же толщины. Требуется узнать, каков будет состав пленок после нагрева. Масс-спектрометрия вторичных ионов вместе с ионным распылением дают ответ, показанный на рис. 46. Из рисунка видно, что при нагреве Ni продиффундировал в AuGe, Ga продиффундировал и в AuGe, и в Ni и, наконец, Au диффундировал в слой Ni.