Методы ионопучковых исследований планарных наноструктур

18.11.2010

В.К. Егоров, Е.В. Егоров

ИПТМ РАН, Черноголовка, Московской обл., лаб. рентгеновской оптики, 142432 Россия
egorov@iptm.ru

Методический аспект ионопучковой диагностики материалов опирается на целый ряд физических особенностей взаимодействия потоков быстрых заряженных частиц с ядерной и электронной подсистемами этих материалов. При этом наиболее востребованным эффектом такого взаимодействия является явление взаимного отталкивания налетающих на мишень положительно заряженных ионов и ядер атомов, составляющих исследуемую мишень. Данный тип взаимодействия составляет основу метода резерфордовского обратного рассеяния ионов – РОР (RBS). Для реализации этого метода наиболее часто используются потоки ионов Не+ и Н+. Метод практически реализован и функционирует на базе ионопучкового комплекса Сокол-3 ИПТМ РАН, основой которого является электростатический ускоритель ЭСУ-2 [1].

Важнейшей характеристикой метода является возможность точного математического описания как явления взаимного отталкивания налетающего иона и покоящегося ядра атома мишени, основываясь на хорошо известной формуле Резерфорда, так и фактора торможения иона в результате его взаимодействия с электронной подсистемой, используя принципиальные модели, развитые Бором [2]. При этом аналитические параметры, реализуемые в рамках метода резерфордовского обратного рассеяния, оказываются весьма привлекательными для планарной недеструктивной элементной нанодиагностики. Метод позволяет получать элементные концентрационные профили по глубине мишени в стандартной геометрии рассеяния с разрешением 10 нанометров для всех элементов таблицы Менделеева, исключая водород и гелий (в специальной геометрии – до 2х нанометров). Для определения концентрационных профилей содержания этих элементов по глубине мишени имеется специфическая модификация метода рассеяния ионов – метод ядер отдачи. Разрешение по глубине для этой модификации метода несколько хуже и обычно оказывается на уровне 50 нанометров. Обе модификации метода при использовании пучков ионов Не+ с энергией до 2 МэВ позволяют получать элементные концентрационные профили до глубины 1-1.5 микрометра, в зависимости от значения усредненной атомной массы атомов мишени. При использовании потоков Н+ зондируемая толщина мишени возрастает до 10-15 микрометров. Однако разрешение по глубине ухудшается почти на порядок. Стандартный диаметр ионного зонда составляет 1 мм. Ток аналитического пучка выбирается в пределах 1-10 наноампер (6.25×109-6.25×1010 ион/сек). Среднее время измерений – 30 минут. Локальное повышение температуры в пятне измерений не превышает 10°С. Пределы обнаружения метода составляют 0.1 ат. %. Метод абсолютен и не требует использования стандартных мишеней.

Метод РОР крайне удобен и эффективен для элементного и размерного недеструктивного анализа многослойных планарных структур. Он позволяет делать количественную оценку распределения элементов по глубине в приповерхностных слоях мишеней, подвергавшихся имплантации и диффузному отжигу. На его базе может осуществляться количественная оценка шероховатости поверхности.

При изучении монокристаллов и эпитаксиальных многослойных структур, метод может быть реализован в условиях осевого и плоскостного каналирования ионов. Условия каналирования соответствуют ориентации направления потока быстрых ионов вдоль выбранных осей или кристаллографических плоскостей монокристаллических мишеней. Такая геометрия измерений позволяет оценивать уровень совершенства кристаллической структуры, определять структурное положение имплантированных в кристалл атомов, измерять угловое несоответствие межслоевых границ в эпитаксиальных структурах, толщину упруго напряженной области, а также диагностировать отсутствие слоевой эпитаксиальности.

Интересным дополнением к резерфордовскому рассеянию ионов является нерезерфордовское рассеяние, которое является подобием ядерной реакции без изменения типа взаимодействующих частиц, что проявляется в увеличении времени взаимодействия, сечение взаимодействия и появления пространственной анизотропии при регистрации результата рассеяния. Аналитическое использование этого явления позволяет существенно повысить чувствительно метода при анализе мишеней, содержащих легкие элементы (Li, Be, B, C, N, O).

Увеличение чувствительности при диагностики наличия легких элементов может быть достигнуто путем использования прямых ядерных реакций. Для некоторых элементов, как, например, для азота и фтора, за счет весьма высокого сечения ядерных реакций 15N(p;a,g)11B и 19F(p;a,g)15N могут быть достигнуты пределы обнаружения на уровне 10-4 % ат. при разрешении по глубине на уровне 10-15 нанометров, независимо от типа матрицы.

Кроме возможностей, реализуемых с помощью прямых ядерных реакций, ионопучковые комплексы позволяют проводить рентгенофлуоресцентные исследования материалов при ионопучковом возбуждении выхода характеристического рентгеновского излучения. Пределы обнаружения в таких исследованиях оказываются около 10-6 % ат. Однако в этом случае параметр разрешения по глубине отсутствует, т.к. спектр соответствует выходу из слоя материала, ограниченного либо глубиной проникновения потока заряженных частиц, либо разрешенной толщиной выхода рентгенофлуоресценции.

Важным дополнением к аналитическим ионопучковым методам элементной планарной нанодиагностики является оптическая ионолюминесценция. Дело в том, что механизм потери энергии заряженными ионами отличается от соответствующего механизма торможения электронов или поглощения потока рентгеновских лучей материалами. Ионолюминесценция позволяет отслеживать особенности зонной структуры материалов, которая в наноразмерной области отличается от аналогичной структуры массивных мишеней. Кроме того, на базе данных ионолюминесценции могут быть исследованы механизмы и кинетика релаксации возбужденных состояний в кристалле.

В докладе проиллюстрированы методы ионопучковой диагностики наноструктур соответствующими экспериментальными данными.

Литература

[1] В.К. Егоров, Е.В. Егоров, Ионопучковые методы неразрушающего количественного контроля наноструктур // Материалы 10 международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России». Москва, Техномаш. 2004. С. 82-103.

[2] Л. Фельдман, М. Майер. Основы анализа тонких пленок. Мир: Москва. 1989. 342 с.


Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!