Secondary Ion mass spectrometry (SIMS)

Transkript

1 Secondary Ion mass spectrometry (SIMS)

2 Interakce iontů s povrchy Srážky s ionty a elektrony Implantace iontů Tvorba poruch Emisní jevy: zpětně nebo dopředně rozptýlené ionty odprašování emise atomárních částic emise elektronů emise fotonů

3 Interakce S elektrony S ionty Coulombická interakce

4 Odprašování Sigmundův vztah pro popis odprašovacího U surface bonding energy, výtěžku 3 4mi mt Ei S 0 4 (mi mt ) U 0 2 increasing function for mt/mi = 0.1 resp. 10

5 Odprašování úhlové a energiové rozdělení Compound 1 Compound 2 A Frenkel pair creation B replacement collision C sputtering D ion mixing E secondary knock-on F ternary knock-on

6 Princip SIMS Iontovým svazkem (těšší ionty) odprašujeme povrch vzorku (ve vakuu) a analyzujeme odprášené ionty

7 Ionizace při rozprašování P+ µ exp ( -const. I ) P+- ionizační pravděp. P- µ exp ( const. A) I ionizační potenciál A elektronová afinita Data převzata z knihy, Wilson RG, Stevie FA, Magee CW (1989)

8 Ionizace při rozprašování Data převzata, Blaise & Slodzian, 1973 lnp+ µ -DW W změna výstupní práce Bernheim & Le Bourse, 1987 lnp- µ -DW

9 Ionizace při rozprašování P+ µ exp ( -const. / v ) P + µ vn n 2-4 v úniková rychlost Mazarov, Samartsev, Wucher, 2006

10 Ionizace základní parametry Ionizační potenciál Elektronová afinita Výstupní práce Úniková rychlost Koncentrace adsorbovaných prvků nebo molekul

11 Využití interakcí pro analýzu SIMS ve vakuu, srážková kaskáda při povrchu, malá část částic emitována jako ionty

12 Blokové schéma Odprášené (sekundární) ionty charakterizují vzorek Vakuum Detektor iontů

13 Základy SIMS Odprašování Implantace Ionizace odprášených částtic Hmotnostní separace a detekce

14 Dva systémy Statický SIMS Dávka primárních iontů menší než 1012 cm-2 Dynamický SIMS Dávka primárních iontů větší než 1013 cm-2

15 Statický SIMS Malé poškození povrchu v hloubce ovlivnění měření "Desorbce" molekul z povrchu informace o molekulárním složení povrchu Simulace např. taw/

16 Dynamický SIMS Složitější mechanizmus Implantace + odprašování vytvoří pozměněnou vrstvu a nastane rovnovážné odprašování, kdy lze provádět kvantitativní analýzu Primární ionty (iontové dělo) O2+, O-, Cs+, zvýší se pravděpodobnost emise sekundárních iontů 103 až 104 krát.

17 Přístroje SIMS

18 Kvantitativní analýza Ii±... proud sekundárních iontů i Ip... proud primárních iontů p ci... koncentrace prvku i Ytot... celkový odprašovací výtěžek βi±... stupeň ionizace prvku i fi... transmise iontu i I = Ip ci Yβ tot f ± i ± i i

19 Kvantitativní anlýza - standardy Změření kalibračního vzorku za stejných podmínek jako reálného vzorku Výpočet relativního citlivostního faktoru (RSF) Převod škály SIMS intenzit (counts/s) na koncentrace (at/cm3) u reálného vzorku Nutné podmínky Stav rovnovážného odprašování Lineární závislost singnálu a koncentrace obecně splněno jen pro nízké koncentrace

20 Kvantitativní analýza Mn v GaAs Implantace: 360 kev, f = 5x1015 cm-2 55Mn do GaAs Z měření dynamický SIMS Výpočet RSF: RSF(Mn,As) = f/d*i(as+)/i(mn+) Pak lze snadno určovat koncentrace Mn ve vzorcích

21 Kvantitativní anlýza Mn v GaAs Spočítáme c(mn) = RSF*I(Mn+)/I(As)

22 Problémy Promíchání atomů vzorku dopady iontů Nabíjení povrchu dielektrik Kontaminace povrchu Drsnost povrchu ovlivňuje odprašování Radiačně zesílená difúze Kráterový jev

23 Promíchání atomů multivrstva Si/Ge

24 Zdrsňování povrchu kovů při odprašování

25 Principiální rozdíly Statický SIMS Každý iont dopadne na nepoškozené místo Dynamický SIMS Malé odprašování Desorbce nepoškozených molekul Každý iont dopadne na pozměněný povrch Zároveň implantace a odprašování Prvkové i izotopové složení

26 Porovnání Statický Prvky, izotopy a molekuly Dynamický Kvantitativní analýza 2D mapy s rozlišením pod 200 nm Vysoká citlivost pod ppm Prvky a izotopy Hloubkové profily až 0,5 nm přesnost Kvantitativní analýza přesnost lepší než 10% 2D + 3D Citlivost ppb

27 Dynamický SIMS - režimy Hmotnostní spektrum Hloubkový profil Lineární sken 2D prvkové mapy 3D prvkové mapy

28 Výstupy z měření Hmotnostní spektrum c/s H x 50 CH O C2 H Si oil Si oil amu Hloubkový profil At/cm Phosphorous in Silicon 400 kev, at/cm D prvková mapa Total analysis time : 420 sec D prvková mapa at/cm Lineární profil 2 3 De pth (µm) 4

29 3D mapy Pro sadu ~100 2D obrázků s rozlišením 256 x 256 pixelů, 1 pixel = 2 byte... velikost souboru ~10 MB V případě 3D TOF SIMS 1 pixel = celé hmotnostní spektrum GB

30 Příklad hloubkového profilu Au implantované ve skle

31 intensity / counts Multivrstvy - zrcadla depth / nm 2500 B 30 Si 48 Ti 3000

32 Multivrstvy - lasery VCSEL = vertical cavity surface emitting laser

33 Definice hloubkového rozlišení

34 Hloubkové rozlišení At/cm B+ 5th 16th Depth (nm) ev O2+, 44, při napuštění kyslíku, rastr 175 µm, Analyzovaná oblast Ø 33 µm, rychlost odprašování 1.5 nm/min., λd=0.7 nm, FWHM=1.8 nm

35 3D analýza C v YBCO supravodiči

36 3D analýza Ti v kovu

37 Princip TOF-SIMS Měříme dobu letu a tak určíme hmotnost Lehčí se dostanou k detektoru nejdříve

38 TOF-SIMS RSF

39 Množství atomů (5 minut měření)

40 TOF-SIMS Základní režimy práce: surface spectroscopy surface imaging depth profiling 3D analysis Chemická informace přes molekuly a klustery Rozlišení až 1nm ve všech směrech

41 Surface spectroscopy Analýza nemodifikovaného povrchu Tedy nízká dávka odprašovacích iontů Vysoká citlivost mmp/ppb Vysoké rozlišení hmotností Široký hmotnostní rozsah

42 Organické látky Finger print oblast do 200 amu Oblast celých molekul 200 až 1000 amu Rozdělení oligomerů od 500 do amu

43 Polymery opakující se bloky

44 Léky a drogy

45 Surface imagining Svazkem navíc rastrujeme Laterární rozlišení např. 50 nm Rychlé snímání např. 50 khz Měřitelná oblast do cca 1 cm2

46 Lidský vlas

47 Molekulární SIMS viz dále Ledvinové buňky (a) Podložka (b) Aminokyseliny (c) Fosfolipidy (d) Překryv a-c Vertikální řez Vertikální řez po korekcích

48 Pole - barevný filtr Různé ionty z děla

49 Simulace odprašování různými ionty ch/research/projects/ material_science/clu ster

50 Poškození povrchu Ar+ a C60 Měřeno XPS viz další přednášky

51 Depth profiling Pro reálné nasazení je potřeba ještě druhé iontové dělo pro odprašovnání Odprašovací svazek se střídá s měřicím svazkem Hloubkové rozlišení až 1nm

52 Delta vrstvy B v Si

53 Přístroj TOF-SIMS v kombinaci s XPS

54 3D analýza Pro komplexní struktura jako např TFT obvody, bodové defekty, zrna a jejich hranice Během hloubkového profilivání zaznamenáváme všechna data simulténě lez pak rekonstruovat kompletní odprášenou část v počítači Velké množství dat cca až 100 GB

55 Mozek krysy - biologie D. Touboul, F. Kollmer, E. Niehuis, A. Brunelle, O. Laprévote J. Am. S o c. Mas s S p e c tro m.2005, 16,

56 CMOS 3D model reálného kusu 25 kev Ga+ a 2keV Cs+

57 Analýza buněk

58 3D analýza buněk analýza odprašování

59 Biochipy - DNA

60 Literatura met/european%20workshop%20nov%2009/europ ean%20workshop%20presentations/o5%202%20 Felix%20Kollmer.pdf /Pages/transparencies/SIMS-02-ToF.pdf