Масс-спектроскопия вторичных ионов

В методе масс-спектроскопии вторичных ионов (МСВИ) материал с поверхности образца распыляется ионным пучком (см. рис. 1).

Рис 1. Схема масс-спектрометра вторичных ионов.

Источник ионов формирует ионный пучок, который развертывается в растр на поверхности образца и распыляет материал с этой поверхности. Ионизированные компоненты распыленного вещества анализируются по массе и результаты анализа отображаются в виде силы тока вторичного ионного пучка в зависимости от массы иона или двухмерного изображения распределения вторичного пучка по массе ионов.

Образующиеся при распылении ионные компоненты регистрируются и анализируются по массе. Этот анализ осуществляется в магнитной призме или квадрупольном анализаторе. В системах с использованием магнитной призмы двумерное распределение ионов различных химических элементов по поверхности образца наблюдают, направляя пучок вторичных ионов на микроканальную пластину. В установках с квадрупольными анализаторами изображение получают за счет регистрации изменения тока пучка вторичных ионов при сканировании первичного пучка по поверхности образца. Интенсивность детектируемого сигнала связана с его массовой концентрацией в исследуемом участке образца. Проведение анализа методом МСВИ в сочетании с ионно-плазменным травлением поверхности позволяет регистрировать профили распределения примесей по глубине образца.

Применяются как положительно, так и отрицательно заряженные первичные ионы с энергией 5 - 15 кэВ. Поскольку только ионизированные компоненты распыляемого материала анализируются методом МСВИ, то используются ионные пучки, позволяющие получить максимальный выход (вторичную эмиссию) ионов исследуемых химических элементов. Обычно применяются первичные пучки положительных ионов цезия, обеспечивающие высокий выход отрицательных ионов электроотрицательных компонент мишени, и пучки ионов О₂⁺, обеспечивающие высокий выход положительных ионов электроположительных компонент.

Первичный пучок развертывается в растр на участке поверхности образца небольшой площади, в результате чего образуется воронка с почти плоским дном. Масс-спектрометрическому анализу подвергаются лишь ионизированные компоненты материала, испаряемого с центральной области дна воронки. Использование очень малых токов первичного пучка позволяет достичь скоростей распыления, достаточно низких для обеспечения получения информации с нескольких атомных монослоев, что позволяет проводить химический анализ поверхности образца. Для исследования профилей распределения примесей по глубине образца применяют первичные пучки с более высокими токами.

Таблица. Результаты исследования некоторых примесей в кремнии методом МСВИ.

Разрешение в плоскости определяется типом используемой ионной оптики. Повышение разрешения достигается за счет уменьшения чувствительности анализа. При исследованиях методом МСВИ можно обеспечить разрешение в плоскости до 0.5 мкм, что позволяет анализировать отдельные топологические элементы СБИС. Разрешение по глубине зависит от ряда факторов, таких, как образование текстуры на дне воронки, вклад сигналов вторичных ионов, приходящих от стенок воронки, перераспределение примеси в результате ионного распыления.