DE3803424A1

DE3803424A1 - Verfahren und vorrichtung zur quantitativen, tiefendifferentiellen analyse fester proben unter einsatz von zwei ionenstrahlen

Info

Publication number: DE3803424A1
Application number: DE3803424A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Wittmaack
Original assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH
Priority date: 1988-02-05
Filing date: 1988-02-05
Publication date: 1989-08-17
Anticipated expiration: 2008-02-06
Also published as: FR2626976B1; US4982090A; IT1230178B; JPH01217249A; JP2740231B2; IT8823166A0; GB2215909A; DE3803424C2; FR2626976A1; GB2215909B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen, tiefendifferentiellen Analyse fester Proben unter Einsatz von zwei Ionenstrahlen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Leistungsfähigkeit des als (Rutherford)-Rückstreuspektrometrie bekannten Analyseverfahrens wesentlich erweitert und gesteigert werden kann, wenn dieses Verfahren in Kombination mit ioneninduzierter Festkörperzerstäubung verwendet wird.

Das Prinzip und Anwendungen der Rückstreuspektrometrie wurden von W.-K. Chu, J.W. Mayer und M.-A. Nicolet in dem Buch "Backscattering Spectrometry" (Academic Press, New York 1978) ausführlich beschrieben. Die in diesem Buch benutzte Nomenklatur wird auch in der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung weitgehend benutzt. Hinweisen auf einschlägige Gleichungen oder Abschnitte des Buches wird die Abkürzung "Chu et al." vorangestellt.

Bei dem Verfahren der Rückstreuspektrometrie wird ein Strahl schneller leichter Ionen (i. a. He⁺ oder He²⁺) auf eine Probe gerichtet. Die gewünschte Information über die Zusammensetzung der Probe gewinnt man durch Messung des Energiespektrums der um den Winkel R in das Raumwinkelelement ΔΩ gestreuten Primärteilchen. Befindet sich ein Atom der Masse M₂ in der Tiefe z der Probe, wobei z senkrecht zur Probenoberfläche gemessen wird, dann besitzt ein Primärteilchen der Masse M₁ und Anfangsenergie E₀ nach der Streuung an M₂ beim Austritt aus der Probe die Energie E₁, die sich darstellen läßt in Form (Chu et al., §3.2.1, 3.2.2)

mit

Dabei ist K der sogenannte kinematische Faktor, der bei gegebenem Streuwinkel R nur vom Massenverhältnis M₂/M₁ abhängt (Chu et al., § 2.2 sowie Tabellen II bis V). Die Größe R bezeichnet die mittlere Bremskraft der Probe für das Primärteilchen auf seiner Bahn zwischen der Oberfläche und dem Streuzentrum M₂ (Index ′e′ bzw. ′a′ für eintretendes bzw. auslaufendes Teilchen). R _e und R _a kennzeichnen die Winkel zwischen der Oberflächennormalen und den Ausbreitungsrichtungen des ein- bzw. austretenden Teilchenbündels. N ist die Dichte der Probe in Atomen/cm³.

Ohne sonstige Kenntnisse über die Zusammensetzung der untersuchten Probe ist Glg. (1) nicht lösbar, da es sich - selbst bei Kenntnis von um eine Gleichung mit zwei Unbekannten, nämlich K und z handelt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nunmehr darin, das e. g. Verfahren derart auszugestalten, daß die Nicht-Eindeutigkeit des Rückstreuspektrums beseitigt wird.

Die Lösung hierzu ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben und sieht erfindungsgemäß vor, daß zunächst ein Spektrum der unbehandelten Probe aufgenommen wird (hier als Null-Spektrum bezeichnet). Anschließend wird unter Einsatz eines Strahls langsamer, schwerer Ionen (z. B. Ar⁺) ein Schichtdickenelement Δ z _j durch Zerstäubung von der Probe abgetragen und danach ein weiteres Rückstreuspektrum aufgenommen (Spektrum j). Aufgrund der Abtragung um Δ z _j werden die im Null-Spektrum beobachteten charakteristischen Strukturen im Spektrum j gemäß Glg. (1) um den Betrag

zu höheren Energien verschoben. Durch Messung von Δ E _j und Δ z _j ist somit gemäß Glg. (2) bei Kenntnis von R _e und R _a eine eindeutige Bestimmung von K und damit von M₂ möglich, sofern die energieabhängige Bremskraft ε = ε (E) aus Literaturwerten bekannt ist (z. B. aus Chu et al., Tabelle IV). Diese Situation ist dann gegeben, wenn es sich um eine Probe mit unbekannten Verunreinigungen, jedoch bekannten Hauptbestandteilen handelt.

Ist ε (E) unbekannt, dann muß die Abtragung der Probe durch Zerstäubung so lange fortgesetzt werden, bis die Atome der Masse M₂*, die eine bestimmte Struktur im Rückstreuspektrum hervorrufen, die momentane Oberfläche erreichen. In diesem Fall ist die durch die Beziehung

definierte momentane Tiefe z′ zu Null geworden, so daß K(M₂*) gemäß Glg. (1) eindeutig bestimmt ist,

K(M₂*) = E₁ (z′ = 0)/E₀ (5)

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Vorrichtung zur Durchführung desselben an.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines einfachen Beispiels mittels der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Es wird angenommen, daß es sich um eine Mehrschichtprobe mit der in der Fig. 1a) skizzierten Struktur handelt. Auf einer hier nicht weiter interessierenden Unterlage befindet sich eine dicke Schicht 18 aus polykristallinem Silizium (Poly-Si), die mit der Deckschicht 19 aus Siliziumdioxid (SiO₂) versehen ist. Ein schmaler Bereich 20 der Poly-Si-Schicht 18 ist mit Arsen dotiert.

Das Rückstreuspektrum einer solchen Probe ist schematisch in Fig. 1a′) dargestellt. Die senkrechten Pfeile kennzeichnen gemäß Glg. (5) die relative Energie E₁ (z′ = 0)/E₀ für die Elemente ¹⁶O, ²⁸Si, ⁷⁵AS und ¹³¹Xe. Werden nun von dieser Probe - wie in Fig. 1b) bis e) skizziert - schrittweise dünne Schichten abgestäubt, beispielsweise durch Beschuß mit Xenonionen einer Energie von einigen keV, dann ändern sich die Rückstreuspektren in der in Fig. 1b′) bis e′) dargestellten Weise. Aus der Lage der charakteristischen Stufen und Maxima und ggfs. ihrer Wanderung bei fortschreitender Zerstäubung kann man unter Benutzung der Glgn. (5) und (1) die in der Probe enthaltenen Elemente identifizieren und ihre Lage bzw. Tiefe in der Probe bestimmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem dann besonders nützlich, wenn sich wie im Beispiel der Fig. 1 Verunreinigungs- oder Dotierungselemente der Masse M₂_,i in der Tiefe z < z _i,m einer Matrix aus leichteren Atomen der Masse M₂_,m befinden, wobei

In diesem Fall kommt es im Rückstreuspektrum zu einer Überlagerung der durch die beiden Atomsorten hervorgerufenen Signale bei der Energie E₁. Der für eine quantitative Bestimmung der Konzentration der Atome M₂_,i sehr störende, durch Matrixsignale hervorgerufene "Untergrund" (siehe Arsen-Signal in Fig. 1a′)) läßt sich beseitigen, wenn von der Probe durch Zerstäubung einer Schicht die Dicke z abgetragen wird, so daß z - Δ z < z _i,m (siehe Wanderung des Arsen-Signals in Fig. 1a′) bis c′)).

Ein zweiter Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch Kombination des Rückstreuverfahrens mit der beschußinduzierten Zerstäubung auch tiefliegende Bereiche der Probe analysiert werden können. Ohne Kombination mit Abtragung durch Zerstäubung kann die maximal bei der Rückstreuung erfaßbare Tiefe z _max mit Hilfe von Glg. (1) abgeschätzt werden, indem man die Rückstreuenergie E₁ gleich Null setzt, d. h.

Die durch Glg. (7) beschriebene Beschränkung wird erfindungsgemäß beseitigt, wenn zwischen aufeinanderfolgenden Rückstreuanalysen ein geeignetes Schichtdickenelement Δ z _j von der Probe abgetragen wird. Um die Zusammensetzung der Probe als Funktion der Tiefe lückenlos ermitteln zu können sollte die Dicke Δ z _j so gewählt werden, daß die vor und nach der Zerstäubung ermittelten Rückstreuspektren sich teilweise überlappen, d. h.

Δ z _j = β z _max (8)

mit 0,2 < β ≲ 0,7.

Ein dritter Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die Möglichkeit, Rückstreuanalysen mit hoher Tiefenauflösung nicht nur in Oberflächennähe sondern auch in größerer Tiefe durchzuführen. Gemäß Glg. (1) läßt sich die Tiefenauflösung z darstellen in der Form

Aus Glg. (9) folgt, daß δ z umso kleiner, d. h. die Tiefenauflösung umso besser wird, je kleiner E und je größer []. Die Energiebreite δ E₁ setzt sich aus zwei Anteilen zusammen, der vorgegebenen Energieauflösung δ E _r der Rückstreuanordnung und der Energiestreuung E _s (Chu et al., § 7.4),

δ E₁ = {(δ E _r)² + (δ E _s)²}^1/2. (10)

Die Energiestreuung wächst proportional zur Quadratwurzel der vom Strahl durchlaufenen Weglänge in der Probe. Eine gute Energieauflösung δ E _r kann somit nur dann voll genutzt werden, wenn δ E _s < δ E _r, d. h. der mit schmaler Energiebreite δ E₁ analysierbare Tiefenbereich ist begrenzt. Dies gilt besonders dann, wenn die Rückstreumessung zur Erhöhung der Tiefenauflösung δ z bei hohem Bremsfaktor [], d. h. bei flachem Ein- und/oder Austritt des analysierenden Strahls durchgeführt wird (Chu et al., § 7.5). Der mit hoher Tiefenauflösung erfaßte Bereich wird dann sehr schmal. Um die Probe auch in größerer Tiefe noch mit hoher Tiefenauflösung untersuchen zu können wird erfindungsgemäß die Probe schrittweise durch Zerstäubung abgetragen. In diesem Fall ist es nützlich, die Zerstäubung mit schweren Ionen (z. B. Xe⁺) einer Energie von weniger als 1 keV bei flachem Einschuß (O_Zerstäubung ]< 60°) durchzuführen. Auf diese Weise wird erreicht, daß der bei der Zerstäubung erzeugte strahlungsgeschädigte Bereich 21 sich nur bis zu einer geringen Tiefe erstreckt (siehe Fig. 2).

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 3 dargestellt. Der Strahl schneller, leichter Ionen 1 wird von einem hier nicht näher dargestellten Beschleuniger mit zugehörigem Analysiermagneten geliefert. Auf seiner Bahn entlang des evakuierten Strahlrohres 2 wird der Strahl mittels der Blenden 3-6 kollimiert, bevor er auf die Probe 7 (18-20) trifft. Die Probe 7 kann um die senkrecht zur Zeichenebene liegende v-Achse gedreht und in Richtung der u-, v- bzw. w-Achse verfahren werden. Von Atomen der Probe 7 rückgestreute Ionen 17 werden vom Detektor 8 registriert und in einer nachfolgenden, hier nicht dargestellten Nachweiselektronik verarbeitet.

Der für die Zerstäubung eingesetzte Ionenstrahl 9 wird mittels eines kleinen Beschleunigers 10 erzeugt. Zur Massen- bzw. Geschwindigkeitsfilterung passiert der Strahl 9 ein Wien-Filter 11 und eine Blende 12. Mittels einer Einzellinse 13 wird der Strahl 9 auf die Probe 7 fokussiert. Durch Anlegung geeigneter zeitabhängiger Spannungen an das Doppel-Plattenpaar 14 kann der fokussierte Strahl rasterförmig über die Probe 7 bewegt werden, so daß eine Fläche der Größe A _s im zeitlichen Mittel mit konstanter Stromdichte beschossen wird. Dadurch wird eine gleichmäßige Abtragung der Probe 7 (18-20) über die Fläche A _s gewährleistet. Um bei vorgegebenem Strom des Ionenstrahls 9 eine hohe Abtragungsgeschwindigkeit zu erreichen, sollte die Fläche A _s gleich oder nur wenig größer sein als die vom analysierenden Strahl 1 getroffene Fläche A _r.

Für Analysen bei flachem Einschuß, d. h. bei 80° < R _e < 90°, ist es sinnvoll, eine oder mehrere der Blenden 4 bis 6 derart schlitzförmig auszubilden, daß die Schlitzbreite b _u sehr viel geringer ist als die Schlitzhöhe b _v. Bei hinreichend kleiner Divergenz des Strahls 1 erreicht man im Fall b _u = b _v cos R _e, daß A _r eine quadratische Form mit einer Kantenlänge b _v hat.

Absolutmessungen der auf die Probe 7 treffenden Ionenströme können mittels der Faraday-Becher 15 bzw. 16 durchgeführt werden. Zur Strommessung muß die entsprechende Strahlachse kurzzeitig freigemacht werden. Dies läßt sich durch Verfahren der Probe in einer der Richtungen u, v oder w erreichen.

Hinsichtlich der Anordnung der Achsen der Strahlen 1 und 9 zueinander bestehen keine Einschränkungen. Es muß lediglich gewährleistet sein, daß die Probe 7 von beiden Strahlen 1, 9 unter jeweils frei wählbarem Einschußwinkel bestrahlt werden kann. Weiterhin ist eine Analysenkammer mit einem Probenmanipulator und eine Anordnung zur Bestimmung der Energie der an Probenatomen gestreuten leichten Ionen vorzusehen (nicht näher dargestellt).

Claims

1. Verfahren zur quantitativen, tiefendifferentiellen Analyse fester Proben, bestehend aus der Kombination der (Rutherford-) Rückstreuung leichter Ionen und der Festkörperzerstäubung durch Beschuß mit mittelschweren oder schweren Ionen, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (7) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rückstreuanalysen schrittweise durch Zerstäubung abgetragen wird, so daß nicht nur die Massen- und Tiefenskala im Rückstreuspektrum entkoppelt werden, sondern auch tiefliegende Bereiche der Bereiche der Probe (7) vom analysierenden Strahl (1) erfaßbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstreuanalyse zur Erzielung hoher Tiefenauflösung in oberflächennahen Bereichen bei streifendem Einfall des Ionenstrahls (1) und/oder streifendem Austritt der vom Detektor (8) erfaßten Streuteilchen erfolgt und die Zerstäubung zur Einengung der strahlengeschädigten Bereiche bei niedriger Ionenenergie und streifendem Ioneneinfall durchgeführt wird, so daß auch tiefliegende Bereiche der Probe (7) für eine Analyse mit hoher Tiefenauflösung freigelegt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 und 2, bestehend aus einem Beschleuniger zur Erzeugung eines Strahls schneller, leichter Ionen (z. B. H⁺, He⁺, He²⁺, Li⁺) mit einer Energie im Bereich von etwa 0,1 bis 5 MeV, einem weiteren Beschleuniger zur Erzeugung eines Strahls langsamer mittelschwerer oder schwerer Ionen (z. B. Ar⁺, Xe⁺) mit einer Energie von etwa 0,5 bis 10 keV, sowie einer Analysekammer mit einem Probenmanipulator und einer Anordnung zur Bestimmung der Energie der an Probenatomen gestreuten leichten Ionen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ionenstrahlen (1, 9) bei jeweils beliebig vorwählbarem Einschußwinkel nacheinander oder gleichzeitig auf den gleichen Oberflächenbereich der zu analysierenden Probe (7) gerichtet werden.