Диссертация (1150372), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Вкачестве разрядного газа использовался аргон с примесью (0,3 %) водорода, присутствиекоторого уменьшало интенсивности ряда кластерных компонентов[162]. В началеисследований для устранения проблемы воды в разрядной ячейке было необходимо проводить88процедуру длительной и многократной продувки образца разрядным газом. Для продувки«мертвого» объема находящегося с тыльной стороны пробы периодически в разрядную ячейкуна 20 с напускался разрядный газ, а затем в течение 1 мин он откачивался. Подобная процедура,повторявшаяся 30–50 раз, увеличивала эффективность откачки воды из мертвого объема.
Какпоказали эксперименты, время продувки составляет в среднем около часа для каждого образца,т.к. смена образца была сопряжена с разгерметизацией ячейки.Проиллюстрируем влияние воды на примере двух масс-спектров пробы кремния,полученных сразу после установки пробы и через 1ч 20 мин, после многократной продувкиразрядной ячейки и держателя образцов – Рисунок 20 (а, б). Использовался вспомогательныйкатод, изготовленный из алюминия. Как видно из рисунка, с уходом воды интенсивностиразличных газовых компонентов, как, впрочем, и компонентов водяной группы – OH+, H2O+ иH3O+, падают, а интенсивности 28Si+ и 27Al+ растут.а)89б)Рисунок 20.
Участок спектра кремния, зарегистрированный а) сразу после установки пробы иб) через 1 час 20 мин после установки пробы. Вспомогательный катод – Al. Частота = 3,2 кГц,время задержки = 4 мкс, давление = 173 Па.Влияние вспомогательного катода на концентрацию остаточной воды в разряднойячейке после прокачки в течение 2 ч с периодическим напуском разрядного газа в течение 20 си откачкой в течение 1 мин было исследовано с помощью катодов, изготовленных изалюминия, ниобия и тантала, при использовании подложек из меди, ниобия, алюминия,кремния, урана и тантала. После каждых 10 циклов откачки в течение 5 мин регистрировалсямасс-спектр, что позволяло контролировать процесс очистки и напылять на анод материалкатода. Через час – полтора устанавливались стабильные интенсивности всех компонентовспектра, интенсивности которых сравнивались для различных подложек и катодов. Изприведенного выше списка элементов ниобий и тантал обладают наилучшими геттернымисвойствами.
В этом случае для этих элементов поверхность сэмплера, служащего анодом,должна являться эффективным геттером, поскольку на ней накапливается материал,распыленный в разрядной ячейке. Отметим, что комбинированный полый катод, применяемыйв настоящей работе, позволяет исследовать и реализовать геттерные свойства используемыхэлементов.На Рисунках 21-24 представлены участки масс-спектров в диапазоне масс 12–26, вкотором находятся основные компоненты, связанные с присутствием воды в разрядной ячейке– OH+, OH2+, OH3+, а также ряд газовых компонентов –аргон 40Ar2+.. Суммировалось 106 спектров.12 1C H2+,16O+,12 1C H3+, и двухзарядный90Рисунок 21.
Участок масс-спектра стандартного образца меди. Вспомогательный катод – Al.Частота = 3,2 кГц, время задержки = 4 мкс, давление = 200 Па.Рисунок 22. Участок масс-спектра образца полупроводникового кремния. Вспомогательныйкатод – Al. Частота = 3,2 кГц, время задержки = 4 мкс, давление = 200 Па.91Рисунок 23. Участок масс-спектра образца ниобия. Вспомогательный катод – Nb.
Частота = 3,2кГц, время задержки = 4 мкс, давление = 200 Па.Рисунок 24. Участок масс-спектра образца тантала. Вспомогательный катод – Ta. Частота = 3,2кГц, время задержки = 4 мкс, давление = 200 Па.92Кроме того, хорошим индикатором наличия малых содержаний воды в разряде можетслужить отношение интенсивности NbO+ INbO к интенсивности Nb+, INb поскольку ион ниобия сбольшой эффективностью захватывает атомарный кислород, образующийся при диссоциацииводы в разряде. Поскольку ниобий как примесь присутствовал практически во всех спектрах, тодля каждого набора элементов определялось отношение INbO/INb. В Таблице 22 приведеныизмеренные отношения INbO/INb.Таблица 22.
Отношение JNbO/JNb для разных материалов катода и подложкиКатодПодложкаINbO/INbAlCu0.6∙10-2AlSi0.8∙10-2AlU3∙10-3NbNb3∙10-3TaTa0.7∙10-3TaCu0.7∙10-3Из спектров, представленных на Рисунках 21-24, выделяется спектр, соответствующийтанталовому катоду с танталовой подложкой (впрочем, практически такой же спектррегистрируется в диапазоне масс 12–26 для танталового катода с медной подложкой). Каквидно из Рисунка 24, для этого спектра отсутствуют не только компоненты водяной группы,но, также CH2+, CH3+ и16O+. В то же время для варианта Nb-Nb, как видно из Рисунка 21,присутствуют компоненты OH+, OH2+, OH3+ (доминирует OH+), а также CH2+, CH3+ и16O+.Аналогичная ситуация наблюдается и для вариантов Al-Si и Al-Cu (Рисунки 22, 23). Впрочем,тантал выделяется и по соотношению INbO/INb. Для этого элемента относительная интенсивностьоксида ниобия минимальна.
Все это свидетельствует о том, что тантал как геттер являетсясущественно более эффективным, чем остальные используемые в эксперименте элементы, чтохорошо согласуется с результатами работ [130,146,169].В масс-спектре Ta-Ta, как и Ta-Cu из компонентов, не входящих в состав катода илиподложки, регистрировались только следующие компоненты: H3+, Ar+, ArH+, NbAr+, NbO+ ,TaO+ и TaAr+ (для медной подложки еще присутствуют аргиды меди CuAr+), интенсивностидругих кластерных компонентов, в том числе CuO+, SiO+, AlO+ не превышали 2*10-8 отинтенсивности компонента 181Ta+.Полученные результаты отражены в статье [188].Подчеркнем, что геттеры работают при относительно низких содержаниях воды икислорода в разрядной ячейке, в противном случае влияние геттерного механизма практическиотсутствует.
И только когда одновременно используются многократная продувка разряднойячейкивысокочистымразряднымгазом,динамическаядискриминациякластерных93компонентов [162], добавка водорода [162] и наиболее эффективный геттерный механизм,удается практически полностью устранить влияние воды не только на основные процессы вимпульсном тлеющем разряде, но и на формирование даже слабых кластерных компонентов.То есть, геттерный механизм начинает эффективно работать, начиная с некой пороговойконцентрации воды и кислорода, при этом резко уменьшаются интенсивности водныхкластеров и оксидов элементов и несколько возрастают интенсивности компонентов пробы ивспомогательного катода. Сказанное отражено на Рисунке 25, где приведена зависимостьинтенсивностей компонентов спектра от времени распыления для образца, состоящего из смесиоксидов железа, циркония и урана.
Как видно ((Рисунок 25(а))), в определенный момент1происходит резкое падение интенсивностей90Zr16O+,238U16O+. В то же время интенсивности181H316O+ иTa, 90Zr и12 16C O1H+, а также238181Ta16O+,U возрастают. Спектры, снятыедо этого момента (Рисунок 25(б)) и после (Рисунок 25(в)) показывают эффективноеустранение мешающих водных пиков. Отношения интенсивностей 181Ta16O+ к 181Ta+ , 90Zr16O+ к90Zr+и238U16O+ к238U+ после прохождения точки начала эффективного действия геттерногомеханизма увеличиваются в 58, 14 и 13 раз соответственно.а)94б)в)Рисунок 25. Устранение мешающего влияния воды и кислорода для смеси оксидов Fe, Zr, U спомощью TaКПК.
а) Зависимость интенсивностей компонентов спектра от временираспыления, б) спектр участка 0-150 пакетов, в) спектр участка 450-600 пакетов.95Таким образом, показано, что применение вспомогательного катода изготовленного изтантала позволяет, при использовании всего набора рассмотренных приемов в значительнойстепенирешитьпроблемуводыисвязаннуюснейпроблемуинтерференцийвкомбинированном полом катоде с импульсным тлеющим разрядом без вымораживания воды вразряднойячейке.Указанныйподходиспользовалсядалееприпрямоманализеполупроводниковых материалов (глава 6) и в ряде экспериментов с диэлектрическимиматериалами (глава 7).966. Прямой анализ полупроводниковых материалов: Si, SiC, GaNОбласти применения полупроводниковых материалов все больше расширяются и спросна них все время растет. Полупроводники используют для изготовления светодиодов, лазеров,транзисторов, детекторов рентгеновского и ядерного излучения, солнечных элементов и пр.Одновременно все больше ужесточаются требования к методам анализа таких объектов.Определение содержания примесей в полупроводниках имеет ключевое значение, посколькупримеси определяют свойства получаемых материалов.
При этом необходимо контролироватькак уровень загрязнений, так и легирующих примесей, которые добавляют для приданияматериалу необходимых свойств. Так, например, кремний и карбид кремния обычно легируютбором или фосфором, нитрид галлия – магнием или кремнием, формируя при этом дырочнуюили электронную проводимость. В этих материалах необходимо контролировать содержаниепримесей на уровне десятых и сотых долей ppm.Для анализа полупроводников используются, в основном, методы оптическойэмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП ОЭС) и ИСП МС срастворением и концентрированием пробы [189] и прямые методы – SSMS [78], ВИМС [190] иЛА ИСП МС [100,191]. Отметим, что методы анализа с растворением весьма трудоемки,требуют использования реактивов очень высокой чистоты (зачастую чистота самых чистыхкислот недостаточна и требуется многократная их перегонка) и, кроме того, при определениинизких содержаний, чреваты неконтролируемыми потерями элементов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
