Электронная и ионная спектроскопия твердых тел, страница 2

          Рис.3.5.2. Принципиальная схема ОЖЕ-спектрометра: 1 - образец, 2 - электронная пушка возбуждения ОЖЕ-спектров, 3 - электронная пушка для исследования методом ДМЭ-дифракции медленных электронов, 4 - ионная пушка очистки поверхности образца, 5,6 - сетчатые электроды системы торможения электронов и регистрации спектра, 7 - коллектор - флюоресцирующий экран

ОЖЕ-спектрометр (рис.3.5.2) представляет собой сверхвысоковакуумную (р<10^-6Па) камеру, в которой размещаются электронная пушка 2, возбуждающая выход ОЖЕ-электронов, и анализатор вторичных электронов, чаще всего электростатический и допускающий модуляцию тормозящего потенциала. Обычно установка дополняется электронной пушкой 3 для изучения дифракции медленных электронов, также требующей сверхвысокого вакуума и ионной пушкой 4 для очистки поверхности и послойного стравливания поверхности ионами, как правило  Ar,  имеющими энергию ~1 кэВ.

Как видно из рис.3.5.3, на виде ОЖЕ-спектров сказывается присутствие уже моноатомных поверхностных слоев инородных атомов. При столь малой глубине выхода исследование серьезно  осложняется адсорбцией газов. Поэтому исследуемую поверхность готовят или прогревом образца в сверхвысоком вакууме камеры, или расколом непосредственно в вакууме, или ионной бомбардировкой с последующим отжигом, удаляющим бомбардирующие ионы. При изучении сегрегаций, тонких пленок и распределения элементов в самых тонких поверхностных слоях может быть использована сильная зависимость интенсивности пиков ОЖЕ-электронов от угла падения возбуждающих электронов (оптимальная величина угла между направлением первичного пучка и нормалью к поверхности образца составляет 70...80^о).

               

Рис.3.5.3. Спектры ОЖЕ-электронов от поверхности меди, покрываемой 1,3,7 - ю монослоями атомов Au;  интенсивность выхода электронов с энергиями в интервале от Е до E+dE

Отметим, что, например, установка "Эскалаб-5" совмещает в себе устройства, позволяющие реализовать методики ЭСХА, ОЖЕ-спектроскопию, РМА (рентгеновский микроанализ), ДМЭ (дифракцию медленных электронов, по иностранной аббревиатуре - LEED) и дифракцию быстрых электронов (HEED).

Образцы в виде параллелепипедов имеют размеры 6х9х(1...1,5) мм или представляют собой диски диаметром 9 мм, толщиной 1...1.5 мм с полированной поверхностью.

Недостаток методики - применение сверхвысокого вакуума и довольно значительная длительность проведения измерений вследствие необходимости накапливания статистически значимого числа сигналов в каждой точке. Однако в некоторых случаях, например, в области получения и применения сверхчистых веществ, эти методики не имеют конкурентов.

3.5.3. Масс-спектроскопия вторичных ионов

К локальным физическим методам точного анализа состава веществ относится также масс-спектроскопия вторичных ионов (МСВИ или в английской аббревиатуре SIMS). Иногда ее еще называют ВИМС - вторично-ионная масс-спектроскопия. Главным достоинством метода является высокая чувствительность - лучше 10^-7 %, минимальная локальность по площади 10 нм², по глубине - около 1 нм.

Эмиссия вторичных ионов  возбуждается первичным,  также ионным пучком, оба пучка могут быть сфокусированы, чем и достигается высокая локальность метода. Масс-спектрометрическая фильтрация вторичных ионов  дает картину их распределения по поверхности объекта. Форсируя режим бомбардировки первичным пучком, можно удалять поверхностные слои и проводить послойный химический анализ. Для усиления вторичной эмиссии можно применять бомбардировку ионами активных газов, например, кислорода.

Рис.3.5.4.  Принципиальная схема метода МСВИ и вид получаемой информации

Установки МСВИ (рис.3.5.4) включают источник ионов, камеру объектов и масс-анализатор ионов электростатического или (и) электромагнитного типов. Есть два специальных типа установок - сверхвысоковакуумная для изучения поверхностных слоев после таких явлений как адсорбция, окисление, и установки, снабженные фокусирующими устройствами для локального микроанализа - ионный микроскоп - микроанализатор. В качестве источников ионов используются обычно дуоплазмотроны с холодным катодом, допускающие получение как положительных, так и отрицательных ионов. Для исключения перемешивания зондирующих ионов с веществом исследуемого образца энергия ионов первичного пучка выбирается не превышающей 10 кэВ.

Уникальной возможностью МСВИ является выделение в спектрах пиков ионов Н⁺, поэтому этот метод позволяет вести количественный и полуколичественный анализ всех элементов от водорода до урана.

Методика требует значительного времени на измерение, особенно при необходимости травления поверхности, так как скорость травления обычно варьируется (в различных установках) от ~1…10 Å/ч  до ~5 мкм/ч. Обработка результатов ведется с применением ЭВМ.

МСВИ не требует  особой подготовки образцов, размер которых обычно составляет около 1 см в диаметре при толщине от 100 Å  (на подложке) до 20...30 мкм или более, хотя в принципе достаточно, чтобы диаметр образца был ~1 мм.