[發明專利]一種提高多層結構二次離子質譜深度分辨率的系統和方法

有效

• 申請號: 201710120217.X
• 申請日: 2017-03-02
• 公開（公告）號: CN106990161B
• 公開（公告）日: 2020-02-25
• 發明（設計）人: 楊萍;董鵬;宋宇;張光輝;李沫;代剛;張健
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號: G01N27/64
• 分類號: G01N27/64
• 代理公司: 成都天嘉專利事務所(普通合伙) 51211
• 代理人: 蔣斯琪

本發明公開了一種提高多層結構二次離子質譜深度分辨率的系統和方法，該系統包括一次離子源、惰性元素離子源、坑深測量儀、二次離子質譜儀、離子信號檢測儀等部分。使用脈沖工作模式的惰性元素離子束刻蝕去除多層結構的已測試層，既避免刻蝕坑邊緣材料被濺射到坑中心而對坑內待測二次離子信號形成干擾，提高了深度剖析的分辨率，同時也減小了坑深深度，有效抑制了濺射坑底的表面粗糙度。本發明的系統和方法對實際分析測試具有重要意義。

技術領域

本發明涉及分析儀器技術領域，尤其涉及一種提高多層結構二次離子質譜深度分辨率的系統和方法。

背景技術

二次離子質譜（SIMS，Secondary Ion Mass Spectrometry）用質譜法分析由一次離子濺射樣品產生的二次離子，可獲得樣品表面和基體元素、同位素及化合物的信息，具有很高的檢測靈敏度，一般能夠達到ppm甚至ppb的量級。通過對樣品逐層剝蝕可得到各種成份隨深度的分布，這就是深度剖析(Depth Profiling)。這種測試技術已經在多層結構、鍍膜層分析、多量子阱結構等方面廣泛應用。一個精確的深度分析需要對分析區域進行均勻的轟擊，形成平底坑，被檢測二次離子應僅來自十分平整的坑底面，沒有坑側壁樣品不同深度的離子和附近儀器表面的離子貢獻。然而，隨著濺射深度的增加，坑底粗糙度隨之增加，弧坑效應(Crater Effect)增強，即處于被刻蝕坑邊緣的材料被濺射到坑中心而對坑內待測二次離子信號形成干擾。

常見的二次離子質譜儀對多層結構的深度剖析示意圖如圖1所示。圖1（a）中一次離子聚焦到樣品1的表面，對樣品1進行轟擊，將部分樣品1離子化，產生待測A元素的二次離子進行分析。圖1（b）中一次離子聚焦到樣品2的表面，對樣品2進行轟擊，將部分樣品2離子化，產生待測B元素的二次離子進行分析，同時也可能產生樣品1中B元素的二次離子成為干擾信號。圖1（c）中一次離子聚焦到樣品3的表面，對樣品3進行轟擊，將部分樣品3離子化，產生待測C元素的二次離子進行分析，同時也可能產生樣品1、2中C元素的二次離子成為干擾信號。其中，A、B、C元素可以是同一種元素，也可能是不同種元素。使用傳統的二次離子質譜儀對多層結構進行深度剖析，由于上面層（如樣品1或2）會產生干擾信號，從而將大大降低深度分辨率，因此需要一種提高多層結構二次離子質譜深度分辨率的系統和方法。

發明內容

為解決上述技術缺陷，本發明的主要目的在于克服現有技術的不足，提供一種提高多層結構二次離子質譜深度分辨率的系統和方法，以滿足實際分析測試的需求。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種提高多層結構二次離子質譜深度分辨率的分析方法，其特征在于分析步驟如下：

步驟S1：一次離子束聚焦后轟擊樣品的第一層，產生二次離子；

步驟S2：二次離子經過一系列常用的離子光學系統后，經過二次離子質譜儀再到達離子信號檢測儀，得到樣品的第一層元素組成和分布；

步驟S3：利用坑深測量儀獲取濺射坑的深度和時間；惰性元素離子束在待測樣品的濺射坑附近一個正方形或矩形區域內作光柵式掃描；刻蝕多層樣品表面，刻蝕去除樣品的第一個測量單位深度；

步驟S4：重復步驟S1、S2、S3，直至獲取待測樣品的全部所需元素組成和分布。

如上述方法，所述惰性元素離子束刻蝕完后，抽真空至真空度10^-3~10^-8Pa。

本發明還提供了特別適用于上述分析方法的系統，其特征在于：至少包括

兩個離子源，用于產生不同的離子束并轟擊到樣品上；

坑深測量儀，用于測量樣品的濺射坑的深度和形狀，并將測量數據反饋給惰性元素離子源，以確定刻蝕時間和區域；

二次離子質譜儀，用于對不同荷質比的二次離子進行方向和能量的聚焦；