книги из ГПНТБ / Локальные методы анализа материалов

Рис. 90. Устройство вы­ сокочастотного ионного источника:

Отнач/га Н

Отбор ионов идет с границы плазмы, причем поло­ жение этой границы стабилизируется торцом трубки — экрана. При оптимальной разности потенциалов между анодом и зондом граница прогибается так, что съем ионов идет с полусферической поверхности, в результа­ те чего происходит первичная фокусировка ионного пучка. Использование этого явления позволяет помес­ тить внутри зонда перемычку с отверстием диаметром, меньшим, чем диаметр зонда. Это дает возможность с большей легкостью поддерживать перепад давлений ме­ жду разрядной камерой и объемом, в который выводится пучок, и в то же время не коллимировать пучок, т. е. не снижать его интенсивность. Зонд изготавливают из мате­ риала, слабо распыляющегося при ионной бомбардиров­ ке, обычно из алюминия или магния. Отношение длины зонда к его внутреннему диаметру составляет 4—6, а длина выступающей части кварцевой трубки экрана равна 0,6—0,8 наружного диаметра зонда. В источниках этого типа можно легко получить силы тока ионов до

80—100 мка при умеренной яркости, достаточной для работы микроскопов. Для увеличения силы тока приме­ няют контрагирование плазмы в области зонда при по­ мощи круглого постоянного магнита или соленоида.

В источниках с накаливаемым катодом обычно при­ меняют системы, типичные для так называемых дуоплазматронов. В этих устройствах ионизация рабочего газа осуществляется электронами, эмитированными

мы в дуоплазматроне позволяет вытягивать значитель­ ные ионные токи через отверстия малого диаметра, что

Недостатком дуоплазматрона является необходи­ мость применять блоки питания, находящиеся под высо­ ким напряжением относительно земли, что серьезно усложняет комплекс источника первичных ионов.

Закономерности процессов распыления и образования ионов

Эмиссия вторичных ионов при ионной бомбардиров­

В результате этих исследований установлены основные закономерности и определены факторы, влияющие на число, состав, энергию и угловое распределение распы­ ленных частиц [29, 65—68J. Число распыленных частиц конкретного элемента является функцией энергии и массы бомбардирующих ионов и возрастает с увели­

Значение энергии бомбардирующих ионов, при котором достигается плато, тем ниже, чем меньше массовое чис­ ло бомбардирующих ионов.

Наблюдаемые явления удовлетворительно описыва­ ются теоретически в рамках простой модели столкнове­ ний двух частиц [28, 43], из которой следует, что выход распыленных атомов прямо пропорционален макси­ мально возможной энергии, переданной частице мише­ ни при первом столкновении, и обратно пропорционален средней длине свободного пробега при столкновении. Учет энергии связи атомов на поверхности мишени по­ зволяет применять эти модельные представления в об­ щем случае и получать хорошее совпадение теоретиче­ ских и экспериментальных результатов.

Знание закономерностей распыления важно для по­ нимания процессов вторичной ионной эмиссии, посколь­ ку оба процесса тесно связаны между собой. Можно было бы полагать, что большему выходу распыленных частиц должен соответствовать и больший выход ионов. Однако экспериментально показано, что легко распыляющиеся металлы дают малый выход ионов и, наоборот, ионная эмиссия слабо распыляющихся металлов более интенсив­ на. Очевидно, в простой модели столкновений учитывают не все факторы, и в экспериментах по изучению вторич­ ной ионной эмиссии важную роль играют параметры, роль которых не всегда надежно контролируют.

Уместно более четко определить явление, называемое

вторичной ионной эмиссией, поскольку это явление иног­ да смешивают с отражением первичных бомбардирую­ щих ионов от поверхности твердого тела. В случае вто­ ричной ионной эмиссии имеют дело с ионами, вылетаю­ щими из поверхности твердого тела в результате передачи импульса от первичных ионов к частицам, на­ ходящимся на поверхности твердого тела. Отражение ионов есть не что иное, как рассеяние первичных ионов приповерхностным слоем твердого тела. Вследствие этого отраженные ионы имеют такую же природу, как и пер­ вичные, и могут отличаться от них только величиной или знаком заряда. Для химического анализа бомбардируе­ мой поверхности такие ионы ценности не представляют и могут лишь препятствовать определению примесей та­ кой же природы, как и первичные ионы.

Для правильной постановки измерений вторичной ионной эмиссии, контроля основных параметров процесса и разработки аппарата количественного анализа важным является понимание механизма образования ионов при бомбардировке. Систематическое экспериментальное и теоретическое изучение явления, проведенное, в частно­ сти, в работах [45, 48—50, 52—56], позволило предло­ жить механизм ионизации, в рамках которого удается удовлетворительно объяснить многие экспериментально наблюдаемые эффекты.

Теории распыления металла бомбардировкой ионами с энергией в несколько килоэлектронвольт [57—59] объ­ ясняют выход вторичных частиц только процессом фокализованиых столкновений. Такая теоретическая модель неприемлема, когда требуется описать эмиссию вторич­ ных ионов, так как большинство атомов, эмиттируемы.х рядом сфокусированных столкновений («фокусонов»), не ионизируются [52]. В противоположность фокусонам, электронная структура которых мало изменяется при не

столкновений приходить в сильно возбужденное состоя­ ние, становиться метастабильными и вследствие самоио­

внутри решетки металла, то ион очень быстро нейтрали­

такого типа, который характеризует вторичную ионную эмиссию, п Оже-электроны, которые также наблюдают­ ся экспериментально [53].

Число метастабильных атомов, вышедших за преде­ лы решетки п способных превратиться в ионы, пропор­ ционально при прочих равных условиях (скорости дви­ жения, глубине выбивания и т.п.) продолжительности жизни метастабильного состояния. Чем она больше, тем больше вероятность сохранения метастабильного состо­ яния до выхода из решетки.

меди (3<і-вакансия). Оценка среднего времени прохож­ дения частицы внутри решетки с замедлением от 1 кэв до 20 эв дает величину 80- Ю - 1 5 сек, т.е. сравнимую с временем Оже-релаксации. Следовательно, многие ато­ мы могут «развозбуждаться» вне решетки. Вместе с тем

буждаются внутри металла. В этом состоит одна из при­

Влияние различных факторов на эмиссию ионов

С энергетической точки зрения оба процесса — рас­ пыление нейтральных частиц и эмиссия вторичных ио­ нов— зависят от одних и тех же параметров. Поэтому для каждого элемента, из которого состоит мишень, можно ожидать однозначного соответствия между ко­ личеством нейтралей и числом ионов. Эксперименталь-

мое подтверждение этого предположения получено в ра­ боте [16]. В этой работе определены относительные интенсивности однозарядных положительных ионов не­ скольких элементов, бомбардируемых различными электроотрицательными и инертными газами как функ­ ции вычисленного выхода распыленных атомов. Из этих данных, в частности, следует, что число ионов

'Si

конкретного элемента является функцией массы бом­ бардирующего нона, и относительные изменения интен­ сивности пропорциональны изменениям выхода ней­ тральных частиц, вычисленных в рамках модели столк­ новений.

Следует отметить, что наблюдается чрезвычайно большое различие интенсивности эмиссии положительных ионов разных чистых элементов при идентичных усло­

эмиссии положительных ионов, полученных как суммы ионных токов для всех изотопов данного элемента. Как видно из табл. 17, разница в интенсивностях выхода вторичных ионов для различных металлов может до­ стигать трех порядков.

Кроме того, исследование кинетики изменения вто­ ричного ионного тока при бомбардировке свежего участка мишени показывает, что величина пика сущест­ венно меняется во времени. На рис. 92 показаны две типичные зависимости для 9 8 М о + и для 5 6 Fe+ от времени

состав и давление остаточных газов, а также учитывать кинетику изменения вторичных ионных токов. Послед­

чальному всплеску, что дает выигрыш в интенсивности, но при этом теряется объективность информации о со­ ставе мишени.

Искусственное создание слоев химических соедине­ ний на поверхности путем контролируемого напуска электроотрицательного активного газа при бомбарди­ ровке ионами инертного газа или же путем- непосредст­ венной бомбардировки ионами активных газов, напри­ мер кислорода пли хлора, позволяет существенно по­ высить выход вторичных ионов по сравнению с бомбар­ дировкой ионами инертных газов в условиях высокого и стерильного вакуума [16].

Следует подчеркнуть, что в состав вторичных ионов входят ионы поверхностного и объемного происхожде­ ния. Первые представляют интерес для изучения про­ цессов взаимодействия газов с поверхностью — таких процессов, как адсорбция, катализ, коррозия, окисление [31, 33—36]. Однако, с точки зрения определения со­ става объема образца, эти ионы являются вредными, затрудняющими точные измерения, особенно в случае примесей, природа которых аналогична природе по­ верхностных пленок и соединений.

Поэтому для реализации возможности определения объемных концентраций требуется применение специ­ альных методов разделения вклада поверхностных и объемных ионов [32].

В общем случае число вторичных ионов N, выбитых