191372. lajstromszámú szabadalom • Eljárás szigetelők sims vizsgálatára pásztázó ionsugaras berendezésben és berendezés az eljárás foganatosítására
1 191 372 2 A találmány tárgya eljrás szigetelő anyagok SIMS vizsgálatára pásztázó ionsugaras berendezésben és berendezés az eljárás foganatosítására. A találmány szerinti eljárás elsősorban tömbszerű szigetelő anyagok, vagy vastag szigetelő rétegek vizsgálatát teszi lehetővé hagyományos SIMS berendezésben. SIMS vizsgálatnál a vizsgálandó anyagot egy vákuumberendezésbe helyezve úgy vizsgálják, hogy felületén egy ún. primer ionsugár segítségével, amely általában pozitív ionokból áll és amelynek energiája ehhez elég nagy (néhány keV) porlasztják. A porlasztás során keletkező ún. szekunder ionokat tömegspektrometriai vizsgálatnak vetik alá. A primer ionsugár a vizsálat során a korszerű SIMS berendezésekben viszonylag kis átmérőjű nyaláb, amelyben az áramsűrűség radiálisán Gauss eloszlású és amelyet a vizsgálat megfelelő mélységi felbontóképességének elérése céljából általában elektronikus úton úgy mozgatnak, hogy az a vizsgált felületet végig pásztázza. Ez az eljárás egyébként ún. szekunderion mikroszkópos (szkenning) kép készítésére is alkalmazható. A leírt eljárás alapvető nehézségekbe ütközik szigetelő anyagok esetében, mivel ebben az esetben a primer ionok töltése nagyrészt a felületen marad és azt feltölti. Különösen nagy nehézséget okoz ez, ha a SIMS berendezés kvadrupol tömegspektrométerrel működik, mivel ez esetben a tömegspektrométer szempontjából ionforrásként működő mintafelülcténck néhányszor 10 V-os potenciálra való felötltődése is lehetetlenné teszi a SIMS vizsgálatot. E nehézség leküzdésére ma elterjedten azt a megoldást alakalmazzák, hogy egy kompenzáló elektronforrás segítéségvel elektronokat juttatnak a vizsgálandó felület közelébe. Az e célra alkalmazott korábbi eljárások (pl. Wittmaack: J. Appl. Phys. 50, 1. 1979. 493. oldal) alapvető hiányossága az, hogy a kompenzáló elektronforrás. áramerőssége nincs kellően szabályozva. A szigetelő minta felületének különböző pontjai ezért - időben is változó módon - különböző kisebb-nagyobb potenciálra mégis feltöltődnek. Ez a SIMS vizsgálati eredmények instabilitásához vezet, amin, mivel a vizsgálat általában megismételhetetlen, statisztikus eszközökkel sem lehet segíteni. Ezért fejlesztettek ki újabban egy olyan eljárást, amelynek esetében az elektronáram, amely a minta felületére jut, a felület feltöltődése szerint szabályozott mértékű. Ennek az eljárásnak megfelelően az elektronok aszerint, hogy a vizsgált felület mennyire van feltöltődve, a vizsgált felületre vagy az elektronforrás elektronkollcktorára kerülnek. Az ehhez javasolt berendezés (C. P. Hunt, C. T. H. Stoddart és M. P. Seah: The Surface Analysis of Insulators by SIMS: Charge Neutralization and Stabilization of the Surface Potenciál, Surface and Interface Analysis, Vol. 3, No. 4, 1981) fő hátránya az, hogy pásztázó üzemmódban nem alkalmazható, mert az elcktronforrás a pásztázás folyamatát nem követi és mert mechanikai kialakítása is kedvezőtlen. A jelen találmány szerinti eljárás ezeket a nehézségeket küszöböli ki azáltal, hogy megtartva a töltéskompenzálás elvét, a szigetelő minta feltöltődését kompenzáló elektronforrás sugarát a pásztázó primer ionsugárra! együtt, szinkronizáltau mozgatja, áramát pedig úgy szabályozza, hogy a vizsgált szigetelő minta felületi potenciálját mindig a pásztázó primer ionnyaláb által bombázott pontban, illetve annak környezetében méri és e mérés eredményének segítségével szabályozza a kompenzáló elektronforrás emisszós áramát. Ez a kompenzálási és szabályozási elv azokkal a nyilvánvaló előnyökkel rendelkezik, hogy csak a töltés- 5 kompenzáláshoz szükséges elektronokat juttatja a SIMS rendszerbe és, hogy azt a mennyiséget (a minta vizsgált fe’ületrészének felületi potenciálját) választja a szabályozás kiinduló pontjául, amelyet állandó értéken kell tartani. 10 Ez a töltéskompenzáció eljárás tehát abban áll, hogy egy olyan mérőeszközt alkalmazunk, amellyel a minta fejletének potenciálját mindig ott mérjük, ahol e felületet a primer ionsugár bombázza, a mérési eredményt pedig felhasználjuk a töltéskompenzáló elektronforrás 15 áramának szabályozására. A töltéskompenzáló elektronforrást olyan elektronsugár kibocsátására használjuk, amelynek átmérője (Gauss görbe szerinti radiális áramsűrűség eloszlású nyalábok esetén: félértékszélessége) az ionsugár átmérőjével megegyzik és azzal szinkronizált 20 módon pásztázza a vizsgált felületet. A szabályozás keresztülviteléhez szükséges, hogy a felületi potenciál mérése és az elektronforrás áramának megváltoztatása sokkal gyorsabban történjék, mint a pásztázás. A fentiekben leírt eljárás foganatosítására szolgáló 25 berendezés legáltalánosabb megfogalmazása a főigényponttal összhangban a következő: Berendezés, amely 2 mintából, 3 ionforrásból, 5 tömegspektrométer mérőfejből, az előbbieket magába foglaló 1 vákuumberendezésből, valamint 4 ionforrás tápegységből, 6 tömegspekt- 30 rométer táp és detektáló rendszerből áll, azzal jellemezve, hogy tartalmaz egy 7 kompenzáló elektronforrást, amely a 1 vákuumberendezésben van elhelyezve, az elcktronforrás 8 tápegysége a 4 ionforrás tápegységgel szinkronizálva van 9 fémes összeköttetés segítségével. 35 A berendezés tartalmaz egy 10 segéd elektronforrást, amely a 1 vákuumberendezésben van elhelyezve olymódon, hogy optikai tengelye párhuzamos a 2 minta felületével a 14 segéd elektronforrás tápegysége az 4 ionforrás tápegységgel szinkronizálva van 15 fémes össze- 40 köttetés segítségével. A berendezés továbbá tartalmaz egy 16 detektor rendszert, amely egy 19 szigetelő lemezre felvitt páratlan számú párhuzamos sávból álló 20 vezető sávrendszerből és 21 kontaktusokból áll, és amely a 1 vákuumberendezésben elhelyezve olymódon, hogy a 45 20 vezető sávrendszer sávjai a 2 minta felületével párhuzamosan helyezkednek el, a középső sáv a 10 segéd elektronforrás optikai tengelyének döféspontjában van, a 21 kontaktusok fémes összeköttetés segítségével a 17 jelátalakító elektrométer bemenetével össze vannak 50 kötve, a 17 jelátalakító elektrométer kimenete a kompenzáló elektronforrás 8 tápegységének vezérlő bemenetébe van, kötve vezeték segítségével. Az 1. ábra az egész berendezés elvi vázlatát a 2. ábra a detektor rendszer mutatja. 55 A leírt rendszer működése a következőképpen történik: a 12 primer ionsugár és a 13 kompenzáló elektronsugár szinkronban mozog oly módon, hogy a 13 kompenzáló elektronsugár mind a 12 primer ionsugár ál1 ni bombázott felületre irányul. A 12 primer 60 ionsugár feltölti a szigetelő valamely pontját és e töltést a) részben kompenzálja, b) éppen kompenzálja, vagy c) túlkompenzálja a 7 kompenzáló elektronforrás árama. Aszerint, hogy az a), b), c) lehetőségek közül éppen melyik valósul meg, a 16 detektorrendszer különböző 65 2
