191373. lajstromszámú szabadalom • Eljárás különféle anyagok SIMS vizsgálatára szkenelő primer atomsugár használatával
1 191 373 2 A találmány tárgya eljárás különféle anyagok SIMS vizsgálataira szkenelő primer atomsugár használatával. A találmány szerinti megoldás elsősorban szilárd szigetelő anyagok SIMS vizsgálatára alkalmas hagyományos SIMS berendezéssel (l. 1. ábra). SIMS vizsgálatnál a vizsgálandó szilárd anyagot megfelelően megválasztott anyagú (pl. Ar) és energiájú (pl. 1 keV) (1) primer ion sugárral „bombázzák”, mely behatás eredményeképpen a (2) mintából szekunder részek - köztük (3) szekunder ionok - válnak ki. A SIMS berendezés részét képező (4) tömegspektrométer ezen (3) szekunder ionokat dolgozza fel, s ezzel fontos információt szolgáltat a vizsgált minta fizikai tulajdonságairól. Elektromosan vezető szilárd anyagok vizsgálatára jelenleg már kialakultak a klasszikusnak nevezhető felépítésű SIMS berendezések. Problémák jelentkeztek azonban akkor, ha ezen hagyományos berendezésben félvezető ill. szigetelő minták vizsgálatát kísérelték meg. A problémák minden esetben visszavezethetők voltak arra a hatásra, amit az a tény okozott, hogy a vizsgálat során a (2) mintát érő pozitív (23) primer ionok hatására a szigetelő, ill. félvezető anyagok többé-kevésbé elektromosan feltöltődtek, megváltoztatva ezzel a (4) tömegspektrométer helyes működéséhez okvetlenül szükséges potenciálviszonyokat és ezzel lehetetlenné tették ill. lényegesen megzavarták az eredmények kiértékelhetőségét. Fenti hiányosság megszüntetésére a szakirodalomban több megoldást javasolnak. N. Klaus és I. L. Baranov: „Investigation of anodic silicon-oxide surface layers with the aid of SIMS” (Vacuum, Vol. 32., No. 6. p. 319-323 (1982) c. cikkében leírja, hogy megfelelő adatok birtokában lehetséges a vizsgált minta potenciálját az idő függvényében oly módon változtatni járulékos elektronforrásból származó elektronáram szabályozásával, hogy ezen elektronok által szállított negatív töltésmennyiség éppen kompenzálja a pozitív (Pl) Primer ion sugár által szállított pozitív töltésmennyiség hatását. A cikkben közlik azt a függvényt, amelynek alapján az általuk vizsgált mintán (és csak azon) az előbb említett szabályzás helyes eredményt ad. Véleményük szerint más félvezető mintákon kísérleti úton kell minden egyes mintánál a helyes viszonyokat beállítani. Ezen ,,kompenzálásos”-nak nevezhető eljárás gondolati nehézsége abban van, hogy igaz ugyan, hogy megfelelő negatív töltés bevitel kompenzálni képes a szükségszerűen bevitt pozitív töltésmennyiséget, azonban ezen pozitív töltésmennyiség egzakt módon történő kompenzálásához mérni kellene a szigetelő minta felületének potenciál változását, ezen mérés megoldását viszont nem ismertetik. C. P. Hunt, C. T. H. Stoddart és M. P. Seah: „The Surface Analysis of Insulator by SIMS: Charge Neutralization and Stabilization of the Surface Potential” (Surface and Interface Analysis, Vol. 3. No. 4., 1981) c. cikkükben egy olyan speciális járulékos elektronforrást az ún, „electron flood source” ismertetnek, amely elektronforrás a megfelelő speciális kialakítás következtében a vákuumon belül saját maga szabályozza a vizsgált szigetelő mintára általa emittált elektronmennyiséget a minta felületi potenciáljának változásától függően. Ügy tűnik, hogy megfelelően kis energiájú elektronok alkalmazásával ezen megoldás képes kb. ±0,5 V határon belül stabilizálni a vizsgált szigetelő minta felületi potenciálját, ami SIMS méréseknél tökéletesen elegendő. Az eljárás hátránya, hogy nem használható ún. szkeneléses üzemmódban. Ez az üzemmód gyakran szükséges a SIMS technikában, és azt jelenti, hogy a primer ion sugár vizsgálat során nem áll egy helyben a minta egy pontján, hanem néhány mm-es amplitúdójú periodikus mozgást végez az ún. kráterhatás kiküszöbölésre, amire elengedhetetlen szükség van az ún. mélységi profil felvételeknél. Nevezett „electron flood source” éppen speciális kialakítása következtében laterális töltésvándorlást követni képtelen. Hátránya továbbá mindkét kompenzáláson alapuló eljárásnak, hogy viszonylag nagy mennyiségű járulékos mechanikus alkatrész beépítését követeli meg az ultrar.agy vákuum recipiensben, valamint további nagy igényű járulékos elektromos egységre is szükség van. A találmány szerinti eljárás a jelzett problémák ki- : küszöbölésére szakít a kompenzálásos elvvel és ehelyett a (2) mintát nem (23) primer ionokkal, hanem ugyanolyan anyagú és energiájú (8) primer atomsugárral „bombázza”, olymódon, hogy megfelelő, egyszerű felépítésű, vákuumon kívüli mechanikus szerkezet alkalmazása révén lehetőség van szekneléses mérésre is (1., 2., ábra). A találmány szerinti berendezés a (9) monitor blendével ellátott és (10) visszaszabályzóval vezérelt (7) primer ion ágyú által keltett (1) primer ion sugarat a vizsgált (2) mintára való érkezés előtt egy megfelelően kialakított, a vákuum recipiens belsejében elhelyezkedő — azzal csak kis méretű nyílásokon keresztül kapcsolódó — olyan (5) ütközési téren vezeti keresztül, amelyben az eredeti (23) primer ion anyagával megegyező anyagú és megfelelő p nyomású gáz helyezkedik el, ebben az (5) ütközési térben megfelelő méretezés esetén a belépő (23) primer ionok és az (5) ütközési térben jelenlevő - a (23) primer ion anyagával megegyező anyagú - gázatomok közötti rezonáns töltéscsere következtében a (23) primer ionok a gázatomokból elektront vesznek fel és így az (5) ütközési térből lénygében már csak a megkívánt - a (23) primer ionok energiájával megegyező — energiájú (8) primer atomsugár halad a vizsgált (2) minta felé és azt „bombázza”, miután az esetleg ionos állapotban (11) megmaradt ionokat a (2) mintára való megérkezés előtt megfelelő (6) elektromos erőtérrel a helyes iránytól eltérítjük, így azok a (2) mintát nem érik el, míg a (2) mintát érő (8) primer atomsugarat a (2) mintán úgy mozgatjuk periodikusan, hogy az egész (7) primer ion ágyút az (5) ütközési térrel együtt a recipiens falához képest, egy megfelelően kialakított, a recipiensen kívül elhelyezett mechanikus mozgató szerkezettel (MMSZ) periodikusan mozgatjuk. Az eljárás fizikai alapjait az alábbiakban magyarázzuk meg. Szimmetrikus rezonáns töltéscserének nevezzük azt a fogalmat, amelyet az alábbi összefüggés ír le: X++X->X+X+ (1) Ezen folyamat befogási keresztmetszetére érvényes az alábbi összefüggés: aia = a-b Inv (2) ahol a és b konstansok és v az érkező ion sebessége, a kiszámítására különböző kvantummechanikai megközelítések érvényesek, (Hasted: Physics of Atomic Collisions 1972 pp 613-615), ugyanakkor számos kísérleti, mérési 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
